KR20210059535A - 플렉서블 이온 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판, 기판 상의 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층, 및 이온-전자 전환성 층 상에 배치된 이온 선택성 막 (ion-selective membrane) 으로 이루어진 제1 전극, 및 기판 상의, 제1 전극과 이격되고, 도전층으로 이루어진 제2 전극을 포함하는, 이온 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.

Description

플렉서블 이온 센서 및 이의 제조 방법{FLEXIBLE ION SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 이온 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분석 시료에 대한 전위차를 기초로 이온 농도를 측정하도록 구성된 이온 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
정확하고 신뢰할 수 있는 이온 농도 측정은, 화학, 생물 및 환경 분석, 식품 과학, 인간 건강 관리 및 질병 진단에 이르는 다양한 분야에서 중요할 수 있다. 이에, 단순하고 저렴한 소형의 휴대용 센서의 개발이 활발하게 이루어졌다.
그 결과, 전 고체 이온 선택성 센서 (all-solid-state ion-selective sensor) 가 등장하였고, 제한된 공간과 소량의 용액 샘플에서 정확한 이온 농도의 측정이 가능하게 되었다. 이러한, 전 고체 이온 선택성 센서는 이온 선택 전극의 작업 전극과 기준 전극으로 구성된 전위차 셀을 기반으로 하는 것으로, 두 전극 사이의 기전력 (electromotive force, EMF) 을 측정하고, 측정된 EMF 신호를 기초로 목적 이온 농도를 확인할 수 있다. 이때, 전 고체 이온 선택성 센서는, 내부 충전 솔루션이 포함된 이온 선택성 센서와 비교하여, 소량의 샘플에 적용 가능하고, 기계적 유연성이 높으며, 간단한 작동이 가능함에 따라, 휴대용 또는 일회용 분석 장치로서 제공될 수 있다.
한편, 전 고체 이온 선택성 센서와 같은 센서들은, 전위차 성능 및 안정성에 있어서, 이온 전도성 센싱 막과 전도성 기판의 경계면에서 이온-전자 전달력 (ion-to-electron transfer behavior) 에 의존적일 수 있다. 보다 구체적으로, 전 고체 이온 선택성 센서는 이온 선택성 막 표면에 고정체 없이 노출될 수 있는데, 이때 이온 선택성 막의 접착력은 전극의 수명 및 전기 화학적인 특성을 결정짓는 중요한 요인으로 작용할 수 있다.
즉, 이온 선택성 막의 접착력의 결여는, 전위차 측정의 오차를 야기하고, 이온 센서의 성능 저하 현상의 원인이 될 수도 있다.
이에, 전술한 종래의 이온 센서들의 구조적 특성에 의해 야기되는 문제점들을 해결하고, 보다 용이하게 체액과 같은 분석 시료의 이온 농도를 측정할 수 있는, 새로운 이온 센서의 개발이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 개선된 센싱 재료, 센서의 소형화, 기계적 물성, 비용 및 대량 생산 가능성을 중심으로 하여 새로운 기술이 제안되었다.
보다 구체적으로, 소수성을 갖고, 빛과 산소에 무감음성을 갖는 탄소 소재가 이온 센서에 적용될 경우, 물, 빛 및 가스에 감응성을 갖고 있는 전도성 물질을 적용했을 때 보다 개선된 성능을 제공할 수 있을 것으로 기대되었다.
다양한 이용 가능한 탄소 재료 중에서, 높은 전기 전도성, 높은 표면적, 높은 이론적 정전 용량 (capacitance value), 및 열적 및 화학적 안정성을 가지는, sp2-결합된 탄소 원자들이 벌집 격자 구조로 배열된 그래핀 (graphene) 은 새로운 고체 접촉 재료 (contact materials) 로서 주목되었다. 특히, 그래파이트 (graphite) 의 화학적 산화 및 후속 환원 반응으로부터 유도된, 환원된 그래핀 옥사이드 (reduced graphene oxide, RGO) 는 많은 전기 화학 응용 분야에서 기회를 열 수 있을 것으로 기대되었다.
그러나, 그래핀 옥사이드의 환원에 의한 RGO의 잔류 친수성 작용기 (예를 들어, 카르복시산 및 히드록실기) 는 여전히 이온 전도성 센싱 막의 접착력 저하와 연관된 수막 (water layer) 발생의 문제를 야기할 수 있다.
이에, 본 발명의 발명자들은, RGO가 갖는 문제점을 해결하기 위해, 향상된 기계적 물성을 갖고 수막 발생의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고체-접촉 이온-전자 트렌듀서 (solid-contact ion-to-electron transducer) 를 개발하고자 하였다.
그 결과, 본 발명의 발명자들은, 유체 역학에 기초한 층간 박리 (delamination) 프로세스를 적용하여, 초박의 (ultrathin) 결함 없는, 소수성의 이온-전자-전환성 그래핀 시트를 개발하기에 이르렀다.
이때, 본 발명의 발명자들은, 획득된 시트가 박리 (exfoliation) 동안 기저면 (basal plane) 결함이 없는 결정질 구조 (crystalline structure) 를 가지며 소수성인 것을 확인할 수 있었다. 본 발명의 발명자들은, 이러한 특성에 의해, 새로이 개발된 그래핀 시트가 종래의 이온 센서들이 갖는 한계를 극복할 수 있음을 더욱 기대할 수 있었다.
특히, 본 발명의 발명자들은, 새로운 시트가, 높은 이중 층 전기 용량 (capacitance) 을 갖고, 우수한 전위 안정성을 가지며, 수막, 가스 및 광에 대한 강한 저항성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은, 상기 시트를, 이온 센서의 고체-접촉 이온-전자 전환성 층으로서 적용할 수 있음을 인지할 수 있었다.
더욱이, 본 발명의 발명자들은, 스크린 프린팅 (screen printing), 잉크젯 프린팅 (inkjet printing) 및 포토리소그래피 (photolithography) 와 같은 프린팅 기술이, 이온 센서 제조에 있어서 마이크로 사이즈의 재료들 및 디바이스들을 적용하기 적합하고, 생산 비용의 절감에 기여할 수 있음을 인지할 수 있었다.
특히, 본 발명의 발명자들은, 이러한 프린팅 기술이, 소재에 따라 이온 센서의 유연성을 향상 시킬 수 있고 이에 센서의 과도한 사용, 긁힘 또는 손상에 의한 분석의 재현성 및 안전성의 결여를 극복할 수 있음에 주목하였다. 관련하여, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 장점을 갖는 이온 센서가 특히 웨어러블 센서로서 적합할 수 있음에 따라, 종래의 이온 센서보다 적용 범위가 넓어질 수 있음을 인지할 수 있었다.
그 결과, 본 발명의 발명자들은, 기판상에 이온 농도에 따라 전위가 변화하는 작업 전극 및 기준 전극이 형성된 이온 센서를 개발하기에 이르렀다.
이때, 본 발명의 발명자들은, 이온 센싱 전극에 대하여, 기판상에 전술한 그래핀 시트를 배치함으로써, 높은 이온 감도, 우수한 이온 선택성, 빠른 반응 시간 및 재현성을 갖는 이온 센서를 개발할 수 있었다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기판 상의 이온 농도에 따라 상이한 전위를 갖는 이온 선택성 막 및 기판과 이온 선택성 막 사이의 이온 전자 전환성 층을 포함하는 제1 전극, 및 도전층으로로 구성된 제2 전극을 포함하는 이온 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서, 전위차를 측정하도록 구성된 전위 측정부, 전위차를 기초로 이온 농도를 출력하도록 구성된 출력부를 포함하는, 이온 농도 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 제1 전극을 획득하도록, 기판 상에 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 맴브레인을 순차적으로 배치하고, 제2 전극을 획득하도록, 기판 상에 도전층을 배치하도록 구성된, 이온 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기판을 포함하는 이온 센서가 제공된다. 이때, 이온 센서는, 기판, 기판 상의 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층, 및 이온-전자 전환성 층 상에 배치된 이온 선택성 막 (ion-selective membrane) 으로 이루어진 제1 전극, 및 기판 상의, 제1 전극과 이격되고, 도전층으로 이루어진 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 이온-전자 전환성 층은, 그래핀 시트 (graphene sheet), 카본 나노튜브 (carbon nanotube), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 풀러린 (fullerene), 및 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 이온-전자 전환성 층은, 그래핀 시트이고, 그래핀 시트는, 환원된 그래핀 옥사이드 (reduced graphene oxide, RGO) 와 상이할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 전극은, 기판 및 이온-전자 전환성 층 사이의 탄소층 또는 전도층을 더 포함하고, 이온-전자 전환성 층은, 탄소층 또는 전도층의 적어도 일부면을 덮도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이온 선택성 막은, 발리노마이신 (Valinomycin), 뷰베라이신 (Beauvericin), 칼시마이신 (Calcimycine), A23187, 세조마이신 (Cezomycin), CCCP (Carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone), 에니아틴 (Enniatin), 그라미시딘 (Gramicidin), 이오노마이신 (Ionomycin), 라살로시드 (Lasalocid), 모넨신 (Monensin), 니게리신 (Nigericin), 노낙틴 (Nonactin), 살리노마이신 (Salinomycin), 테트로나신 (Tetronasin) 및 나라신 (Narasin) 중 적어도 하나의 이오노포어 (Iononphore) 함유할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제2 전극은, 도전층 상의 기능층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 기능층은, PVB (poly(vinyl butyral)) 함유할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 전극은, 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막의 측면 상의 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 기판은 플렉서블 (flexible) 기판이고, 플렉서블 기판은, 셀룰로오스 섬유, 폴리에틸렌 테리프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리이미드 (polyimide, PI), 폴리스타이렌 (polystyrene, PS), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN) 및 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 도전층은, Ag/AgCl, Ag, Hg2SO4, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2, Ag/Ag2SO4, Cu/CuSO4, KCl, 포화된 칼로멜 반전지 (SCE), 염다리 (Salt bridge) 백금으로 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이온 센서의 전기 용량 (capacitance) 은, 제1 전극에서 이온-전자 전환성 층이 결여된 이온 센서에 비하여 20 배 내지 30 배 높을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이온 선택성 막은, 칼륨 이온 선택성 막이고, 이온 센서의 민감도는, 50 mV/log[K+] 내지 60 mV/log[K+] 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이온 선택성 막은, 소수성일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이온 선택성 막은, 결정질 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 이온 선택성 막은, D/G 밴드의 강도 (intensity) 가 0.2 내지 0.4 ID/IG일 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판을 포함하는 이온 센서의 제조 방법이 제공된다. 이때, 이온 센서의 제조 방법은, 제1 전극을 형성하도록, 기판 상에, 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층 및 이온 선택성 막 (ion-selective membrane) 을 순차적으로 배치하는 단계, 및 제2 전극을 형성하도록, 기판 상에, 제1 전극과 이격되도록 도전층을 배치하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 이온-전자 전환성 층은, 그래핀 시트일 수 있다. 이때, 상기 방법은, 순차적으로 배치하는 단계 이전에 수행되는, 혼합 용액을 획득하도록, 그래파이트 (graphite) 파우더를 유기 용매와 혼합하는 단계, 혼합 용액을 반응기에 주입하는 단계, 및 그래핀 시트를 획득하도록, 반응기를 1500 내지 2500 rpm 조건에서 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 방법은, 회전시키는 단계 이후에 수행되는, 고순도 그래핀 시트를 획득하도록, 그래핀 시트 시트를 300 내지 450 g 조건에서 원심 분리하는 단계, 및 고순도 그래핀 시트를 동결 건조 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 순차적으로 배치하는 단계 이전에, 기판 상에, 탄소층 또는 도전층을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 순차적으로 배치하는 단계는, 탄소층 또는 도전층 상에 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층, 및 이온 선택성 막을 순차적으로 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은, 도전층을 배치하는 단계 이후에 수행되는, 도전층 상에 기능층을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은, 순차적으로 배치하는 단계 이후에, 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막의 측면 상에, 보호층을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판을 포함하는 이온 농도 측정용 장치가 제공된다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서, 이온 센서의 제1 전극 및 제2 전극의 일단에 각각 연결되어, 전위차를 측정하도록 구성된 전위 측정부, 및 전위 측정부에 연결되어, 전위차를 기초로 이온 농도를 출력하도록 구성된 출력부를 포함한다.
본 발명은, 도전층에서 금의 고유한 취성으로 인해, 기계적 응력 또는 가혹한 화학적 조건 하에서 기판으로부터의 불안전한 접착 또는 박리와 같은 문제를 갖는 종래의 이온 센서가 갖는 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 기판, 특히 플렉서블 기판 상에 형성된 두 개의 전극으로 구성된 이온 센서를 제공함으로써, 종래의 이온 센서보다 기계적 물성이 향상되고, 유연성이 증가될 수 있다. 나아가, 본 발명은 이러한 구조적 특정에 따라, 종래의 이온 센서보다 높은 전도율을 갖는 이온 센서를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 플렉서블 기판상에 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막이 코팅된 제1 전극 및 도전성 물질로 코팅된 제2 전극을 포함하는 이온 센서를 제공함으로써, 과도한 사용, 긁힘 또는 이온 선택성 막의 박리에 따른 분석의 재현성 및 안전성의 결여를 극복할 수 있는 효과가 있다.
이에, 본 발명은 웨어러블 센서로서 적합할 수 있음에 따라, 이온 센서의 적용 범위 확장에 기여할 수 있다.
이에, 본 발명은 헬스케어 및 진단 응용 분야에 적용되어 질환 및 건강 상태와 연관된 다양한 임상적 정보를 제공할 수 있고, 농업 분야, 수질 측정와 같은 환경 분야에 있어서도 다양한 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a 내지 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제조 방법의 절차를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서에 이용되는, 그래핀의 구조적 특성의 분석 결과를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 그래핀 시트 함유 여부에 따른 이온 센서의 성능을 평가한 결과를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5e는 그래핀 시트 함유 여부/ KCl 용액 처리에 따른 이온 센서의 기전력 (electromotive force, EMF) 의 분석 결과를 도시한 것이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 및 상용되는 K+ 미터에 대한, 이온 농도 측정 결과를 도시한 것이다.
발명의 이점, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우, '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서의 해석의 명확함을 위해, 이하에서는 본 명세서에서 사용되는 용어들을 정의하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 기판 상의 분석 시료의 이온 농도에 따라 상이한 전위를 갖는 이온 선택성 막, 기판과 이온 선택성 막 사이의 이온-전자 전환성 층으로 구성된 제1 전극, 및 도전층으로 이루어진 제2 전극을 포함한다.
이러한 구조적 특징에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 두 개의 전극간 전위차를 기초로 이온 농도를 추정할 수 있도록 구성된다.
한편, 분석 시료는 유체 시료일 수 있다. 예를 들어, 세포 용해물, 전혈, 혈장, 혈청, 침, 안구액, 뇌척수액, 땀, 뇨, 젖, 복수액, 활액 및 복막액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어 시료는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 이용 목적에 따라 사용자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.
선택적으로, 시료는, 그 종류에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서에 처리되기 전에 용해 (lysis) 될 수도 있다
본 명세서에서 사용되는 용어, "이온 센서"는, 이온 농도를 측정하기 위한 센서의 총칭으로, 시료 중에 복수의 전극을 침지시켜, 전극 간 전위차, 전류 또는 교류 임피던스를 측정함으로써 정량적으로 및/또는 정성적으로 이온 농도를 분석하는 전기 화학적 기술이 적용된 센서를 의미할 수 있다.
한편, 대부분의 이온 센서들은 전위차, 이온 감음성 전계 효과 트랜지스터, 화학 저항성 트랜지스터를 기반으로 이온 농도를 측정하기 위해, 금 박막이 기판의 표면에 증착된 형태를 갖는다. 그러나, 이러한 이온 센서들은, 도전층에서 금의 고유한 취성으로 인해, 기계적 응력 또는 가혹한 화학적 조건 하에서 기판으로부터의 불안전한 접착 또는 박리와 같은 문제가 야기될 수 있다. 이에, 분석의 재현성이 떨어지고 이온 농도 측정의 민감도 및 정확도가 떨어질 수 있다.
본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해, 플렉서블 기판 상에 2 개의 전극이 형성된 이온 센서를 제공한다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "기판"은, 이온 농도의 측정을 위한 전극들이 형성되어 있는 판을 의미할 수 있다. 본원 명세서 내에 개시된 기판은, 플렉서블 기판일 수 있다.
예를 들어, 기판은, 폴리에틸렌 테리프탈레이트 (polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리이미드 (polyimide, PI), 폴리스타이렌 (polystyrene, PS), 폴리에틸렌나프탈레이트 (polyethylenenaphthalate, PEN) 및 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC) 중 적어도 하나일 수 있다.
그러나, 기판의 소재는 이에 제한되는 것이 아니며, 이온 농도의 변화에 따른 전위차가 발생하는 전극들이 배치 가능한 다양한 소재로 이루어질 수 있다.
한편, 기판에 상에는, 이온 센싱을 위한 전극, 및 안정적 전위를 갖는 기준 전극이 배치될 수 있다.
이때, 상기 전극들은 하나의 기판 상에 스크린 프린팅, 잉크젯 및 포토리소그래피 기법에 의해 프린팅될 수 있다. 그러나, 전극들은 보다 다양한 방법에 의해 기판 상에 배치될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "전극"은 전기 전도성을 갖는 전도성 전극을 의미한다.
이때, 본원 명세서에 개시된 전극은, 전도성 물질이 기판 상에 다양한 방법으로 프린팅된 전극 패턴을 의미할 수 있다.
예를 들어, 전극은, 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 그래핀 (graphene), 풀러린 (fullerene), 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나의 유기물이 기판 상에 프린트되어 형성된 전도성 전극일 수 있다. 또한, 전극은, Au, Ni, Cu, Zn, Fe, Al, Ti, Pt, Hg, Ag, Pb, 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속이 기판 상에 프린트되어 형성된 전도성 전극일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "제1 전극"은 이온을 정성적 및/또는 정량적으로 센싱(검출)하기 위한 작업 전극을 의미할 수 있다. 이때, 제1 전극은 목표 이온 농도 의존적으로 전위가 바뀌는 이온 선택성 이오너포어 (ionophore) 를 함유하는 이온 선택성 막이 배치된 전극일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "이온 선택성 막"은 목표 이온 선택적으로 수송되도록 구성된 이오노포어를 포함하는 막으로, 목표 이온에 대한 도전층으로의 수송이 가능하도록 한다.
예를 들어, 이온 선택성 막은, K+ 이온 선택성을 갖는 발리노마이신 (Valinomycin), Ca2+, Ba2+ 이온 선택성을 갖는 뷰베라이신 (Beauvericin), Mn2+, Ca2+, Mg2+ 이온 선택성을 갖는 칼시마이신 (Calcimycine) 및 A23187, 세조마이신 (Cezomycin), H+ 이온 선택성을 갖는 CCCP (Carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone), NH4 + 이온 선택성을 갖는 에니아틴 (Enniatin), H+, Na+, K+ 이온 선택성을 갖는 그라미시딘 (Gramicidin), Ca2+ 이온 선택성을 갖는 이오노마이신 (Ionomycin), K+, Na+, Ca2+, Mg2+ 이온 선택성을 갖는 라살로시드 (Lasalocid), Na+, H+ 이온 선택성을 갖는 모넨신 (Monensin), K+, H+, Pb2+ 이온 선택성을 갖는 니게리신 (Nigericin), NH4 + 이온 선택성을 갖는 노낙틴 (Nonactin), K+ 이온 선택성을 갖는 살리노마이신 (Salinomycin), 테트로나신 (Tetronasin) 및 나라신 (Narasin) 중 적어도 하나의 이오노포어 (Iononphore) 를 함유할 수 있다.
바람직하게, 이온 선택성 막은, 발리노마이신을 함유할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 특징에 따르면 이온 선택성 막은, 기판 상에 형성된 탄소층 또는 도전층 위에 형성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "탄소층"은, 기판 상에 프린트되어 형성된 전도성 유기물 층일 수 있다. 나아가, "도전층"은, Ni, Zn, Pd, Cd, Pt, Ga, In, Au, IrO2, TiO2 및 이들의 합금 중 적어도 하나의 금속이 기판 상에 프린트되어 형성된 층일 수 있다.
따라서, 이온 선택성 막을 통과한 이온과 반응하여 탄소층 또는 전도층은 전위 (potential) 가 나타날 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층"은, 이온의 활성에 따라 전자를 발생시키는 층을 의미할 수 있다. 이때, 이온-전자 전환성 층은, 소수성을 가질 수 있다.
한편, 이온-전자 전환성 층은, 기판과 이온 선택성 막 사이, 바람직하게, 기판상에 형성된 탄소층 또는 도전층과 이온 선택성 막 사이에 형성될 수 있다.
이러한 이온-전자 전환성 층은, 이온 선택성 막과 탄소층 또는 도전층의 경계면에서 이온-전자 전달력 (ion-to-electron transfer behavior) 을 향상시키고, 수막 형성을 막는 것에 기여할 수 있다. 특히, 이온-전자 전환성 층은, 0.1 내지 0.3 mF/cm2의 높은 전기 용량 (capacitance) 을 갖고, 우수한 전위 안정성을 가지며, 수막, 가스 및 광에 대한 강한 저항성을 가질 수 있다.
한편, 이온-전자 전환성 층은, 그래핀 시트 (graphene sheet), 카본 나노튜브 (carbon nanotube), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 풀러린 (fullerene), 및 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 이온-전자 전환성 층은, 그래핀 시트로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "그래핀 시트"는, 그래파이트 또는, 환원된 그래핀 옥사이드 (reduced graphene oxide, RGO) 와 상이한, 박리된 (exfoliated) 단층 형태의 시트 구조를 갖는 그래핀을 의미할 수 있다. 이러한 그래핀 시트는, 박리 동안 기저면 (basal plane) 결함이 없는 결정질 구조 (crystalline structure) 를 가질 수 있고, 소수성을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "기저면 결함이 없는"은, 그래핀의 결함과 연관된 라만 D/G 밴드의 강도 (intensity) 비로 정의되는 ID/IG값이 0.2 이하인 상태를 의미할 수 있다.
예를 들어, 그래핀 시트는 0.182의 매우 낮은 ID/IG값을 가질 수 있다. 이와 대조적으로, 그래파이트는, 0.2 내지 0.4의 보다 높은 ID/IG값을 가질 수 있다.
이러한 구조적 특성이 의해, 그래핀 시트는 본 발명의 다양한 실시예에서, 이온-전환성 층에 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "제2 전극"은 이온 농도 변화에 안정적 전위를 갖는 반쪽 전지 전위성 전극을 의미한다. 이때, 제2 전극은 도전성 물질, 바람직하게 반쪽 전지 반응성 물질이 기판 상에 프린팅 되어 형성된 패턴을 의미할 수 있다. 이에 제2 전극은 기판 상에 형성된 영역을 의미할 수도 있다.
한편, 제2 전극의 전위는 미리 결정되어 있을 수 있음에 따라, 제1 전극을 통해 분석 시료의 기전력 또는 전극 전위를 측정할 때, 기준이 될 수 있는 기준 전극으로 이용될 수 있다.
한편, 이러한 제2 전극은 반쪽 전지 반응성을 부여하는 도전성 물질이 배치되어 있을 수 있다.
이에, 제1 전극에서 분석 시료의 이온 농도에 따라 산화 또는 환원 반응이 일어날 때, 제2 전극은 반쪽 전지 전위성을 가질 수 있음에 따라, 제1 전극과 상이한 환원 전극 또는 산화 전극으로 나타날 수 있다. 따라서, 제1 전극에서의 발생 전위가 추정될 수 있다.
한편, 제2 전극 상에 배치되는 "도전층"은, 산화 또는 환원 가역적인 물질로서, 온도 또는 이온 농도 변화에도 반응성이 낮고, 일정한 전위차를 갖는 안정적인 물질 층일 수 있다. 이러한 도전성 물질은, 전위에 있어서 높은 재현성 (또는, 안정성) 을 갖고 산성 또는 염 용액에서 안정적이며, 취급이 용이할 수 있다.
예를 들어, 도전층은 Ag/AgCl, Ag, Hg2SO4, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2, Ag/Ag2SO4, Cu/CuSO4, KCl 포화된 칼로멜 반전지 (SCE) 및 염다리 백금의 전위차가 미리 알려진 물질층일 수 있다. 바람직하게 도전층은 Ag/AgCl 층일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 보다 다양한 물질이 될 수 있다.
예를 들어, 도전층은, 두 개의 도전층으로 구성될 수도 있다. 보다 구체적으로, 기판 상에 Ag로 구성된 페이스트가 프린팅되어 Ag 층을 형성하고, 이후 Ag/AgCl로 구성된 페이스트가 프린팅되어 Ag/AgCl 층이 더욱 형성될 수도 있다.
그러나, 이에 제한되지 않고, 제 2 전극은 기준 전극으로서 안정적인 전위를 제공하는 한, 보다 다양한 물질로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "기능층"은, 제2 전극의 도전층 상에 형성되어 이온 농도의 변화에도 안정적 전위를 갖도록 기능하는 층을 의미할 수 있다.
이때, 기능층은, NaCl 함유된 PVB (poly(vinyl butyral)) 층일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "보호층"은, 제1 전극 또는 제2 전극 상에 배치된 복수의 층의 적어도 측면에 형성되어, 이들의 박리를 보호하는 층을 의미할 수 있다.
이러한 보호층은, 제1 전극의 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막의 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "전위 측정부"는 제1 전극 및 제2 전극의 일단에 각각 연결되어 전위차를 측정하도록 구성된 유닛 (unit) 일 수 있다. 이러한 전위 측정부는, 제1 전극 및 제2 전극의 전위차를 측정하도록, 분석 시료와 반응하는 단과 상이한 단에 연결될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "출력부"는 전위차를 기초로 이온 농도를 변환해주도록 구성된 유닛일 수 있다. 이때, 출력부는 전위 측정부와 연결될 수 있어, 전위 측정부에 측정된 분석 시료의 전위차에 기초하여 이온 선택성 막의 종류에 따른 목표 이온 농도를 추정하여 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 출력부는 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치 등을 포함하는 표시 장치일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 이온 농도를 제공하는 한, 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 출력부는, 분석 시료의 전위차를 목표 이온 농도로 변환하도록 구성된 프로세서를 더 포함할 수도 있다.
이하에서는, 도 1a 내지 1e를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1a 내지 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 1a를 참조하면, 이온 센서 (100) 는, 기판 상에 형성된 제1 전극 (110) 및 제2 전극 (120) 의 두 개의 전극 (110, 120) 으로 구성된다.
보다 구체적으로, 제1 전극 (110) 은, 기판 상에 형성된 탄소층 (112) 및 탄소층 (112) 의 일부 면을 덮는 이온 선택성 막 (114) 으로 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 특징에 따르면, 제1 전극 (110) 의 기판 상에는 탄소층 (112) 대신에 도전성 물질로 이루어진 도전층이 배치될 수도 있다.
이러한 제1 전극 (110) 은 분석 시료의 표적 이온 농도에 따라 전위가 변화하는 작업 전극일 수 있다. 이때, 제1 전극 (110) 은, 이온 선택성 막 (114) 의 이오노포어에 따라, 표적으로 하는 이온이 상이할 수 있다. 예를 들어, 이온 선택성 막 (114) 은, K+ 이온 선택성을 갖는 발리노마이신 (Valinomycin), Ca2+, Ba2+ 이온 선택성을 갖는 뷰베라이신 (Beauvericin), Mn2+, Ca2+, Mg2+ 이온 선택성을 갖는 칼시마이신 (Calcimycine) 및 A23187, 세조마이신 (Cezomycin), H+ 이온 선택성을 갖는 CCCP (Carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone), NH4 + 이온 선택성을 갖는 에니아틴 (Enniatin), H+, Na+, K+ 이온 선택성을 갖는 그라미시딘 (Gramicidin), Ca2+ 이온 선택성을 갖는 이오노마이신 (Ionomycin), K+, Na+, Ca2+, Mg2+ 이온 선택성을 갖는 라살로시드 (Lasalocid), Na+, H+ 이온 선택성을 갖는 모넨신 (Monensin), K+, H+, Pb2+ 이온 선택성을 갖는 니게리신 (Nigericin), NH4 + 이온 선택성을 갖는 노낙틴 (Nonactin), K+ 이온 선택성을 갖는 살리노마이신 (Salinomycin), 테트로나신 (Tetronasin) 및 나라신 (Narasin) 중 적어도 하나의 이오노포어 (Iononphore) 를 함유할 수 있다.
한편, 제2 전극 (120) 은 기판 상에 형성된 도전층 (122) 으로 구성되며, 제1 전극 (110) 과 일부가 일정한 거리로 이격되어 존재할 수 있다. 이러한 제2 전극 (120) 은, 분석 시료의 이온 농도에도 안정적인 전위를 갖는, 기준 전극일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 (100) 는, 탄소층 (112) 및 이온 선택성 막 (114) 사이에 배치된, 의 이온-전자 전달력을 향상시키고, 층간 박리를 일으키는 수막 형성을 저해하는 이온-전자 전환성 층을 더욱 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 (100') 는, 기판 상에 형성된 탄소층 (112) 및 이온 선택성 막 (114) 사이에 이온-전자 전환성 층 (116) 으로 구성된 제1 전극 (110) 을 포함할 수 있다.
이러한 이온-전자 전환성 층 (116) 은, 이온 선택성 막 (114) 과 탄소층 (112) 의 경계면에서 이온-전자 전달력을 향상시키고, 소수성을 가짐에 따라 수막 형성을 막는 것에 기여할 수 있다. 특히, 이온-전자 전환성 층 (116) 은, 높은 이중 층 전기 용량을 갖고, 수막, 가스 및 광에 대한 강한 저항성을 가질 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 이온-전자 전환성 층 (116) 은, 그래핀 시트로 이루어질 수 있다.
도 1c를 함께 참조하면, 그래핀 시트로 이루어진 이온-전자 전환성 층 (116) 은, 그래파이트 또는 환원된 그래핀 옥사이드와 상이한, 단일 층의 박리된 구조를 가지며, 구조적 결함이 없는 결정질 (crystalline) 구조를 갖는 것으로 나타난다. 나아가, 그래핀 시트로 이루어진 이온-전자 전환성 층 (116) 은 육각형의 대칭 패턴을 가질 수 있다. 이러한 구조적 특징에 의해, 그래핀 시트로 이루어진 이온-전자 전환성 층 (116) 은, 소수성을 가지며, 높은 전기 용량을 갖고, 수막, 가스 및 광에 대한 강한 저항성을 가질 수 있다.
도 1d의 (a) 내지 (d)를 더욱 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 (100') 의, 제1 전극 (110) 의 SEM (scanning electron microscope) 이미지가 도시된다. 보다 구체적으로, 도 1d의 (a) 및 (b) 를 참조하면, 탄소층 (112) 및 이온 선택성 막 (114) 사이에 배치된 이온-전자 전환성 층 (116) 이 도시된다. 즉, 본 발명의 제1 전극 (110) 은, 탄소층 (112), 이온 선택성 막 (114) 및 이들 층 사이의 이온-전자 전환성 층 (116) 의 세 개의 층으로 이루어질 수 있다. 한편, 1d의 (c) 및 (d) 를 참조하면, 탄소층 (112) 및 이온 선택성 막 (114) 사이에 배치된 이온-전자 전환성 층 (116) 을 포함하는 제1 전극 (110) 에 대한 저해상도 및 고해상도 SEM 이미지가 도시된다. 이때, 제1 전극 (110) 은, 거친 표면을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 제2 전극 (120) 은 두 층의 도전층으로 이루어질 수 있다.
도 1e를 함께 참조하면, 제2 전극 (120) 은 기판 상에 형성된 도전층 (122) 의 일부 영역을 덮고, 전위 안정성을 부여하도록 구성된 기능층 (124) 을 더욱 포함할 수 있다. 이때, 기능층 (124) 은, AgCl, Ag, Hg2SO4, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2, Ag/Ag2SO4, Cu/CuSO4, KCl 포화된 칼로멜 반전지 (SCE) 및 염다리 백금과 같은 안정적인 물질로 이루어질 수 있고, NaCl 함유된 PVB (poly(vinyl butyral)) 코팅층을 더욱 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 이온 센서 (100'') 의 제2 전극 (120) 은, 기판 상에 Ag 잉크로 프린팅된 도전층 (122) 및 상기 도전층 (122) 의 일부 면을 덮도록 Ag/AgCl 잉크로 프린팅된 후, PVB로 코팅된 기능층 (120) 을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서 (100, 100', 100'') 는 플렉서블 기판, 예를 들어 PET (polyethyleneterephthalate) 을 이용함에 따라, 유연성이 확보될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극 (110) 및 제2 전극 (120) 은, 프린팅 기술로 PET 기판 (PET substrate) 상에 프린팅된 전극일 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 웨어러블 디바이스에 적용가능할 정도의 유연성을 제공할뿐만 아니라, 저비용 생산이 가능하며. 대량 신속처리 (high throughput) 프로세스를 가질 수 있다.
나아가, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서 (100, 100', 100'') 는, 이들의 제1 전극 (110), 제2 전극 (120) 각각에 연결되어 전위차를 축정하도록 구성된 전위 측정부 (미도시) 및 전위차를 기초로 이온 농도를 출력하도록 구성된 출력부 (미도시) 와 함께, 이온 농도 측정을 위한 장치로서 더욱 제공될 수도 있다.
이하에서는, 도 2a 및 2b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제조 방법의 절차를 구체적으로 설명한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제조 방법의 절차를 도시한 것이다.
도 2a를 참조하면, 이온 센서의 제조 방법은, 먼저 제1 전극을 형성하도록, 기판 상에 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막을 순차적으로 배치한다 (S210). 그 다음 제2 전극을 형성하도록 기판 상에 제1 전극과 이격되도록 도전층을 배치한다 (S220).
본 발명의 특징에 따르면, 순차적으로 배치하는 단계 (S210) 이전에, 그래핀 시트의 이온-전자 전환성 층을 획득하도록, 그래파이트 파우더를 유기 용매와 혼합하는 단계, 혼합 용액을 반응기에 주입하는 단계, 및 반응기를 1500 내지 2500 rpm 조건에서 회전시키는 단계가 더욱 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 회전시키는 단계 이후에 수행되는, 고순도 그래핀 시트를 획득하도록, 그래핀 시트 시트를 300 내지 450 g 조건에서 원심 분리하는 단계, 및 고순도 그래핀 시트를 동결 건조 하는 단계가 더욱 수행될 수 있다.
예를 들어, 도 2b를 함께 참조하면, NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) 상의 그래파이트 1mg/mL가 FDR (fluid dynamic reactor) 에 주입될 수 있다. 이때, FDR은 회전 내부 실린더 및 비유동성 외부 실린더로 구성될 수 있으며, FDR에 그래파이트가 주입되면 2000 rpm 조건에서 1시간 동안 회전될 수 있다. 이의 결과로 박리된 단층 또는 소수 층으로 구성된 그래핀 시트가 획득될 수 있다. 이때, 획득된 그래핀 시트는 420 g 조건에서 150 분 동안 원심 분리되면서, 비-박리된 그래핀이 제거될 수 있다. 따라서, 고순도의 그래핀 시트가 획득될 수 있다. 이렇게 획득된 그래핀 시트는 24 시간 동안 동결건조될 수 있다.
전술한 절차에 의해 그래핀 시트의 이온-전자 전환성 층이 획득될 수 있으나, 보다 다양한 조건에 의해 그래파이트 및 환원된 그래핀 옥사이드와 상이한 그래핀 시트가 획득될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 순차적으로 배치하는 단계 (S210) 이전에 기판 상에 탄소층 또는 도전층이 배치될 수 있다.
이에, 순차적으로 배치하는 단계 (S210) 에서, 미리 형성된 탄소층 또는 도전층 상에 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막이 순차적으로 배치될 수 있다.
이때, 탄소층 또는 도전층은, 기판 상에 탄소 또는 도전성 물질을 도포하는 단계, 및 기판을 70 내지 90 ℃조건에서 큐어링하는 단계를 통해 형성될 수 있다. 이에, 탄소층은 기판 상에 안정적으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 순차적으로 배치하는 단계 (S210) 에후에 수행되는, 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막의 측면 상에, 보호층을 배치하는 단계가 더욱 수행될 수 있다.
이때, 이러한 보호층은, 제1 전극의 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막의 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있고, 이에 이들의 박리를 보호할 수 있다.
순차적으로 배치하는 단계 (S210) 의 결과로, 작업 전극으로 이용되는 제1 전극이 획득될 수 있다.
다음으로, 도전층을 배치하는 단계 (S220) 에서, Ag/AgCl, Ag, Hg2SO4, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2, Ag/Ag2SO4, Cu/CuSO4, KCl이 포화된 칼로멜 반전지 (SCE) 및 염다리 백금으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나로 구성된 도전층이 기판 상에 배치될 수 있다.
이때, 도전성 물질은, 전술한 순차적으로 배치하는 단계 (S210) 에 의해 생성된 제1 전극과 일정한 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 도전층을 배치하는 단계 (S220) 에서, 기판 상에 도전성 물질이 도포되고, 기판이 70 내지 90 ℃조건에서 큐어링될 수 있다. 이에, 도전성 물질은 기판 상에 안정적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 도전층을 배치하는 단계 (S220) 이후에, 도전층 상에 기능층이 배치되는 단계가 수행될 수 있다.
예를 들어, 기판 상에 Ag로 구성된 페이스트가 프린팅되어 Ag의 도전층이 형성되고, 이후 Ag/AgCl로 구성된 페이스트가 프린팅된 후, PVB로 코팅된 기능층이 더욱 형성될 수 있다. 이에, 도전층이 제2 전극이 기판 상에 안정적으로 배치될 수 있다.
도전층을 배치하는 단계 (S220) 의 결과로, 기준 전극으로 이용되는 제2 전극이 획득될 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시에에 따른 이온 센서의 제조 방법에 있어서, 순차적으로 배치하는 단계 (S210) 및 도전층을 배치하는 단계 (S220) 의 순서는 전술한 것에 제한되는 것이 아니다. 즉, 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극이 형성되는한 이온 선택성 물질 및 도전성 물질이 다양한 순서로 배치될 수 있다. 나아가, 본 발명의 다양한 실시에에 따른 이온 센서의 제조 방법은, 프린트 스크리닝 기법에 기초할 수 있다. 이러한 프린팅 스크린 기법에 기초하여 생성된 이온 센서는 기판의 소재에 따라서 유연성을 가질 수 있어 웨어러블 디바이스에 적용되기 용이하고, 절감된 비용으로 제조될 수 있다.
그러나, 이온 선택성 물질 및 도전성 물질의 배치는 보다 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.
사용자는 제1 전극 및 제2 전극을 갖는 이온 센서 전극의 일 단을 분석 시료와 반응시키고, 타단을 전위 측정 장치에 연결함으로써, 분석 시료의 이온 농도에 따른 기전력을 측정할 수 있다. 나아가, 사용자는 측정된 기전력을 기초로 분석 시료에 대한 표적 이온의 농도를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서에 대한 제1 평가
이하에서는 도 3, 도 4a 내지 4d를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 적용되는 이온-전자 전환성 층의 여부에 따른 이온 센서의 평가 결과를 설명한다.
본 평가에서는, 기판 상의 탄소층에 위에 그래핀 시트의 이온-전자 전환성 층, 칼륨 이온 선택성 막 (Ion selective membrane, ISM) 이 순차적으로 배치된 제1 전극 및 Ag의 도전층 상에 PVB 코팅된 Ag/AgCl의 도전층이 순차적으로 배치된 제2 전극으로 구성된 칼륨 이온 센서 (이하, ISM/GR-K+로 명명) 및, 상기 이온 센서에서 이온-전자 전환성 층이 결여된 칼륨 이온 센서 (이하, ISM-K+로 명명)의 성능을 비교하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온 센서에 이용되는, 그래핀의 구조적 특성의 분석 결과를 도시한 것이다. 도 4a 내지 도 4d는 그래핀 시트 함유 여부에 따른 이온 센서의 성능을 평가한 결과를 도시한 것이다.
먼저, 도 3의 (a)를 참조하면, 그래파이트 (Graphite) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 이온-전자 전환성 층으로 이용되는 그래핀 시트 (Gr) 는, D, G 및 2D 밴드와 관련이 있는 피크가 1343, 1581, 및 2748 cm-1에서 나타난다. 이때, 라만 D/G 밴드의 강도 (intensity) 비 는 그래핀에서 결함 정도에 대한 정보로서 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 그래핀 시트 (Gr) 는 0.182의 매우 낮은 ID/IG값을 갖는 것으로 나타난다. 나아가, 그래파이트는, 0.2 내지 0.4의 보다 높은 ID/IG값을 갖는 것으로 나타난다. 이러한 결과는, 그래파이트와 다르게 본 발명의 그래핀 시트가 유체 동적 박리 과정에서 기저면 결함이 없다는 것을 의미할 수 있다.
도 3의 (b)를 더욱 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 그래핀 시트의 고-해상도 C1s 스팩드럼이 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 그래핀 시트는, 그래피틱 탄소 (C-C) 를 나타내는 284.3 e.V에서 현저하고 깔끔한 피크를 보여준다. 이때, 그래핀 시트는, 산화된 그래핀 (예를 들어, C-O 또는 C=O) 과 관련한 피크는 존재하지 않는 것으로 나타난다.
이러한 결과는, 유체 동적 박리 공정에 의해 획득된 그래핀 시트가 결함이 없고, 고품질의 흑연 구조를 갖는 것을 의미할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 구조적 특징을 갖는 그래핀 시트는, 물, 빛 가스 등에 강할 수 있어, 본 발명의 다양한 실시예에서 이온-전자 전환성 층으로 이용될 수 있다.
다음으로, 도 4a를 참조하면, 탄소층 및 그래핀 시트로 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극 (Gr/Carbon) 및 탄소층으로만 구성된 전극 (Carbon) 에 대한 CV 커브가 도시된다. 이때, CV는 Pt 와이어와 Ag / AgCl이 카운터로 사용된 3 전극 시스템에서 0.5 - 0.5 V의 전위 범위에서 50mV/s의 스캔 속도로 측정되었다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극 (Gr/Carbon) 은 탄소 물질의 이상적인 전기적 이중층 특성을 나타내는, 고 전력의 직사각형의 CV를 나타낸다. 이때, CV 곡선 면적에 기초하여, 본 발명의 제1 전극 (Gr/Carbon) 의 비정전 용량 (specific capacitance) 은 0.21 mF/cm2로, 탄소층으로만 구성된 전극 (Carbon) 의 비정전 용량 (5.53 μF/cm2) 보다 약 38 배 이상 높은 것으로 나타난다. 이러한 높은 비정전 용량은, 그래핀 시트의 넓은 표면적 및 높은 전기 전도성에 기인할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극일 수 있는 ISM/GR-K+ 및 이온 전자 전환성 층의 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+에 대한 단기 전위 안정성 평가 결과가 도시된다. 이때, 두 개의 센서는 0.1M KCl 용액에서, 100 초 동안 ± 1nA/cm2의 전류 밀도가 적용되었다. 보다 구체적으로, ISM/GR-K+는 1.27 mF/cm2의 높은 비정전 용량을 가지며, 0.79 μV/s의 ISM-K+보다 낮은 전위 드리프트를 갖는것으로 나타난다. 이러한 결과는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서에서 제1 전극에 대응하는 ISM/GR-K+ 전극이 우수한 전위 안정성을 갖는 다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 전위 안정성은, 그래핀 시트의 넓은 표면적 및 높은 전기 전도성에 기인할 수 있다.
도 4c의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극 (Gr/Carbon electrode) 는, 탄소층으로만 구성된 전극 (Carbon electrode) 보다 수막과의 접촉 면이 낮은 것으로 나타난다. 이는, 소수성의 제1 전극 (Gr/Carbon electrode) 이 이온 선택성 막의 안정성과 이의 박리를 야기하는 수막 형성을 억제한다는 것을 의미할 수 있다.
도 4c의 (b)를 더욱 참조하면, ISM/GR-K+ 및 이온 전자 전환성 층의 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+에 대한 장기 전위 안정성 평가 결과가 도시된다. 본 평가에서는, 0.1 M의 KCl, 0.1 M의 NaCl를 교차로 처리한 후, 용액 처리에 따른 기전력 (electromotive force, EMF) 을 분석하였다. 보다 구체적으로, ISM-K+의 경우, KCl에서 NaCl로 전환될 때, 수막의 형성으로, 잠재적 전위 드리프트가 나타난다. 이와 대조적으로, ISM/GR-K+는 잠재적 전위 드리프트가 나타나지 않는다. 이때, 수막의 부재는, 결함 없는 그래핀 시트의 높은 소수성과 연관이 있을 수 있다.
도 4d를 더욱 참조하면, ISM/GR-K+ 및 이온 전자 전환성 층의 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+에 대한 가스 및 UV 존재 여부에 따른 안정성 평가 결과가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극의 ISM/GR-K+는 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+에 비하여, 가스 (N2, O2, CO2) 의 존재에 따른 간섭이 적은 것으로 나타난다. 특히, ISM/GR-K+는 이온 전자 전환성 층과 전도체 사이의 수층의 pH와 연관된 CO2의 침투에도 안정성을 갖는 것으로 나타난다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 제1 전극의 ISM/GR-K+는 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+과 대조적으로, 반복된 UV 노출, 룸라이트 (Room light) 노출에도 전위 드래프트가 나타나지 않는 것으로 나타난다. 이러한 결과는 그래핀 시트가 가스 및 빛에 높은 안정성을 갖는 다는 것을 의미할 수 있다.
이상의 평가 1의 결과에 따르면, 그래핀 시트는 다양한 환경적 변화에도 전위 드래프트 없이 안정성을 유지하며, 특히 수막에 대한 저항성을 갖는 것으로 나타난다. 이러한 특징에 따라, 그래핀 시트는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이온-전자 전환성 층으로 이용될 수 있다. 이에, 이온-전자 전환성 층을 포함하는 본 발명의 센서는, 이온 선택성 막의 박리에 따른 분석의 재현성 및 안전성의 결여와 같은 종래 센서의 문제점을 극복할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서에 대한 제2 평가
이하에서는 도 5a 내지 5e, 6a 및 6b를 참조하여, 이온-전자 전환성 층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 센싱 퍼포먼스를 평가한다.
본 평가에서는, 실시예 1에서 전술한 바와 동일한 구성의 그래핀 시트의 이온-전자 전환성 층을 포함하는 ISM/GR-K+ 및 이온 전자 전환성 층의 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+에 대한 평가가 수행되었다.
도 5a 내지 도 5e는 그래핀 시트 함유 여부/ KCl 용액 처리에 따른 이온 센서의 기전력 (electromotive force, EMF) 의 분석 결과를 도시한 것이다. 도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 및 상용되는 K+ 미터에 대한, 이온 농도 측정 결과를 도시한 것이다.
먼저, 도 5a의 (a) 및 (b)를 참조하면, ISM/GR-K+는 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+에 비하여 직선형 기울기를 갖는 것으로 나타난다. 보다 구체적으로, ISM/GR-K+는 선형 범위에서 53.53mV/log [K +] (R2 = 0.9986)의 선형 기울기를 가지는 것으로 나타나며, 이는 Nernstian 특성과 유사할 수 있다. 나아가, ISM/GR-K+는 기울기 편차 (± 0.56 mV / log [K +]) 가 ISM-K+의 기울기 편차 보다 현저하게 낮은 편차를 갖는 것으로 아타난다. 이러한 결과는, ISM/GR-K+가 우수한 이온 농도 분석의 재현성을 가지고, 높은 전위 안정성을 갖는다는 것을 의미할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 100 mM의 KCl 용액에서 10 mM의 KCl 용액으로의 농도 변화에 따른 EMF 변화가 도시된다. 보다 구체적으로, ISM/GR-K+는 KCl 용액의 농도 변화에 따라 7.7 초 안에 전위 변화가 일어난 것으로 나타난다. 즉, ISM/GR-K+는, 이온 농도의 변화에 따라 우수한 반응 속도를 가질 수 있다.
도 5c를 참조하면, ISM/GR-K+에 대하여 두 번의 순차적인 K+ 용액을 높은 수준에서 낮은 수준으로 반복 변화 시키면서 측정된 EMF 신호가 도시된다. 보다 구체적으로, ISM/GR-K+는, 반복되는 농도 변화에도 0.1 M의 K + 농도에서 3.5 mV의 초기 전위를 유지하는 것으로 나타난다. 즉, 이와 같은 결과는 ISM/GR-K+가, 우수한 장기 안정성을 가진다는 것을 의미할 수 있다.
도 5d를 참조하면, ISM/GR-K+ 및 ISM-K+를 0.1 M의 KCl 용액에 15 시간 반응시킨 후, 시간 변화에 따라 분석된 EMF가 도시된다. 보다구체적으로, ISM/GR-K+는 시간의 변화에도, EMF의 변화가 적은 것으로 나타난다. 그러나 이와 대조적으로, 그래핀 시트가 결여된 ISM-K+는, 시간 변화에 따른 전위 드래프트가 관찰된다. 즉, 이와 같은 결과는 ISM/GR-K+가, 우수한 장기 안정성을 가진다는 것을 의미할 수 있다.
도 5e를 더욱 참조하면, ISM/GR-K+ 및 ISM-K+에 대하여 10-1 M 내지 10-2.5의 KCl 용액의 순차적 처리에 따라 분석된 EMF가 도시된다. 보다 구체적으로, 보다 구체적으로, ISM/GR-K+는, KCl 용액의 농도 변화에 대하여 높은 민감도로 EMF가 변화하는 것으로 나타난다. 이때, ISM/GR-K+의 민감도는 54.41 mV/log[K+] 로 매우 높은 수준으로 나타난다.
즉, 이상의 결과는 ISM/GR-K+가 빠른 반응 시간을 가지며, 이에 분석 시료의 동적 변화를 모니터링할 수 있음을 의미할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는 우수한 반복성 성능을 제공함에 따라, 이온 센서의 전기 화학적 기능에 영향을 주는 현상인 히스테리시스 (hysteresis) 의 기억 효과가 없으며, 이에 재현성을 제공하는 고성능의 이온 센서로 이용될 수 있다.
다음으로, 6a를 더욱 참조하면, ISM/GR-K+를 제1 전극으로 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 및 사용되는 K+ 미터를 이용하여 스포츠 드링크제 1, 2 및 3의 칼륨 농도를 측정한 결과가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 상용되는 K+ 미터와 비교했을 때, 스포츠 드링크제 1에 대하여 1.3 %의 차이를, 스포츠 드링크제 2에 대하여 1.3 %의 차이를, 스포츠 드링크제 3에 대하여 1.1 %의 차이를 보이는 것으로 나타난다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 상용되는 K+ 미터와 칼륨 이온 센싱 퍼모먼스가 유사함에 따라, K+ 미터를 대체하여 칼륨 이온 농도 측정에 적용될 수 있다.
나아가, 도 6b를 참조하면, ISM/GR-K+를 제1 전극으로 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서 및 상용되는 K+ 미터를 이용하여 땀 내의 칼륨 이온 농도를 분석한 결과가 도시된다. 이때, 땀의 분석 시료에 대하여 1 M의 KCl 용액을 순차적으로 추가하였고, KCl 용액 첨가에 따른 칼륨 이온 농도가 측정되었다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 땀 시료 내의 KCl 첨가에 따라 높은 민감도로 칼륨 이온 농도의 변화를 센싱하는 것으로 나타난다.
이러한 결과는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서가 상용되는 이온 센서만큼 민감하게 이온 농도를 측정하고, 분석 시료의 종류에 제약없이 이온 농도 측정이 가능하다는 것을 의미할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는, 식품에 대하여 박테리아의 성장에 따라 변화하는 이온 농도를 모니터링하거나, 질환 여부에 따라 생물학적 시료 내에서 변화하는 이온 농도를 추정하여 다양한 정보를 제공할 수 있다.
이상의 실시예 2의 결과로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 전기 화학적 성질은 높은 민감도, 빠른 반응 시간, 반복성 및 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서의 민감도는 54.23 mV/log[K+]로, 'Nernstian behavior'에 근거한 이론 값에 가까운 것으로 나타난다.
즉, 본 발명은 플렉서블 기판상에 이온-전자 전환성 층 및 이온 선택성 막이 코팅된 제1 전극 및 도전성 물질로 코팅된 제2 전극을 포함하는 이온 센서를 제공함으로써, 과도한 사용, 긁힘 또는 이온 선택성 막의 박리에 따른 분석의 재현성 및 안전성의 결여를 극복할 수 있는 효과가 있다.
이에, 본 발명은 웨어러블 센서로서 적합할 수 있음에 따라, 이온 센서의 적용 범위 확장에 기여할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 센서는 물, 제품 공정, 인체 건강 및 화학 (또는 바이오) 반응을 모니터링하는 것을 포함하여 많은 어플리케이션에 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 이온 센서
110: 제1 전극
112: 탄소층
114: 이온 선택성 막
116: 그래핀 시트
120: 제2 전극
122: 도전층
124: 기능층

Claims (22)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층, 및 상기 이온-전자 전환성 층 상에 배치된 이온 선택성 막 (ion-selective membrane) 으로 이루어진 제1 전극, 및
    상기 기판 상의, 상기 제1 전극과 이격되고, 도전층으로 이루어진 제2 전극을 포함하는, 이온 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온-전자 전환성 층은,
    그래핀 시트 (graphene sheet), 카본 나노튜브 (carbon nanotube), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 풀러린 (fullerene), 및 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나로 이루어진, 이온 센서 이온 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이온-전자 전환성 층은,
    상기 그래핀 시트이고,
    상기 그래핀 시트는,
    환원된 그래핀 옥사이드 (reduced graphene oxide, RGO), 환원된 그래파이트 및 그래핀 옥사이드와 상이한 기저면 결함이 없는 그래핀 시트인, 이온 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 기판 및 상기 이온-전자 전환성 층 사이의 탄소층 또는 전도층을 더 포함하고,
    상기 이온-전자 전환성 층은, 상기 탄소층 또는 전도층의 적어도 일부면을 덮도록 구성된, 이온 센서 이온 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온 선택성 막은,
    발리노마이신 (Valinomycin), 뷰베라이신 (Beauvericin), 칼시마이신 (Calcimycine), A23187, 세조마이신 (Cezomycin), CCCP (Carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone), 에니아틴 (Enniatin), 그라미시딘 (Gramicidin), 이오노마이신 (Ionomycin), 라살로시드 (Lasalocid), 모넨신 (Monensin), 니게리신 (Nigericin), 노낙틴 (Nonactin), 살리노마이신 (Salinomycin), 테트로나신 (Tetronasin) 및 나라신 (Narasin) 중 적어도 하나의 이오노포어 (Iononphore) 함유하는, 이온 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    상기 도전층 상의 기능층을 더 포함하는, 이온 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기능층은,
    PVB (poly(vinyl butyral)) 함유하는, 이온 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 이온-전자 전환성 층 및 상기 이온 선택성 막의 측면 상의 보호층을 더 포함하는, 이온 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블 (flexible) 기판이고,
    상기 플렉서블 기판은, 셀룰로오스 섬유, 폴리에틸렌 테리프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리이미드 (polyimide, PI), 폴리스타이렌 (polystyrene, PS), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN) 및 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 중 적어도 하나인, 이온 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 도전층은,
    Ag/AgCl, Ag, Hg2SO4, Ag/Ag+, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2, Ag/Ag2SO4, Cu/CuSO4, KCl 포화된 칼로멜 반전지 (SCE), 염다리 (Salt bridge) 백금으로 중 적어도 하나로 이루어진, 이온 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이온 센서의 전기 용량 (capacitance) 은,
    상기 제1 전극에서 상기 이온-전자 전환성 층이 결여된 이온 센서에 비하여 20 배 내지 30 배 높은, 이온 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이온 선택성 막은,
    칼륨 이온 선택성 막이고,
    상기 이온 센서의 민감도는,
    50 mV/log[K+] 내지 60 mV/log[K+] 인, 이온 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이온 선택성 막은,
    소수성인, 이온 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이온 선택성 막은,
    결정질 구조를 갖는, 이온 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 이온 선택성 막은,
    D/G 밴드의 강도 (intensity) 가 0.2 내지 0.4 ID/IG인, 이온 센서.
  16. 제1 전극을 형성하도록, 기판 상에, 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층 및 이온 선택성 막 (ion-selective membrane) 을 순차적으로 배치하는 단계, 및
    제2 전극을 형성하도록, 상기 기판 상에, 상기 제1 전극과 이격되도록 도전층을 배치하는 단계를 포함하는, 이온 센서 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    이온-전자 전환성 층은,
    그래핀 시트이고,
    상기 순차적으로 배치하는 단계 이전에 수행되는,
    혼합 용액을 획득하도록, 그래파이트 (graphite) 파우더를 유기 용매와 혼합하는 단계;
    상기 혼합 용액을 반응기에 주입하는 단계, 및
    상기 그래핀 시트를 획득하도록, 상기 반응기를 1500 내지 2500 rpm 조건에서 회전시키는 단계를 더 포함하는, 이온 센서의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 회전시키는 단계 이후에 수행되는,
    고순도 그래핀 시트를 획득하도록, 상기 그래핀 시트 시트를 300 내지 450 g 조건에서 원심 분리하는 단계, 및
    상기 고순도 그래핀 시트를 동결 건조 하는 단계를 더 포함하는, 이온 센서의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 순차적으로 배치하는 단계 이전에,
    상기 기판 상에, 탄소층 또는 도전층을 배치하는 단계를 더 포함하고,
    상기 순차적으로 배치하는 단계는,
    상기 탄소층 또는 도전층 상에 상기 이온-전자 전환성 (ion-to-electron transduction) 층, 및 이온 선택성 막을 순차적으로 배치하는 단계를 포함하는, 이온 센서의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 도전층을 배치하는 단계 이후에,
    상기 도전층 상에 기능층을 배치하는 단계를 더 포함하는, 이온 센서의 제조 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 순차적으로 배치하는 단계 이후에,
    상기 이온-전자 전환성 층 및 상기 이온 선택성 막의 측면 상에, 보호층을 배치하는 단계를 더 포함하는, 이온 센서의 제조 방법.
  22. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 이온 센서;
    상기 이온 센서의 제1 전극 및 제2 전극의 일단에 각각 연결되어, 전위차를 측정하도록 구성된 전위 측정부, 및
    상기 전위 측정부에 연결되어, 상기 전위차를 기초로 이온 농도를 출력하도록 구성된 출력부를 포함하는, 이온 농도 측정용 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900008847A (ko) * 1988-11-17 1990-06-03 삼성전관 주식회사 고체촬상장치
JP2698808B2 (ja) * 1990-05-14 1998-01-19 日本特殊陶業株式会社 イオンセンサ
KR20130111894A (ko) * 2012-04-02 2013-10-11 한국기초과학지원연구원 전기적 특성이 우수한 다공성 그라핀 필름 및 제조 방법
KR20190083120A (ko) * 2018-01-03 2019-07-11 한국과학기술원 종이 기반의 플렉서블 이온 센서 및 이의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR900008847A (ko) * 1988-11-17 1990-06-03 삼성전관 주식회사 고체촬상장치
JP2698808B2 (ja) * 1990-05-14 1998-01-19 日本特殊陶業株式会社 イオンセンサ
KR20130111894A (ko) * 2012-04-02 2013-10-11 한국기초과학지원연구원 전기적 특성이 우수한 다공성 그라핀 필름 및 제조 방법
KR20190083120A (ko) * 2018-01-03 2019-07-11 한국과학기술원 종이 기반의 플렉서블 이온 센서 및 이의 제조방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Anal. Chem., vol.84, pp.3473-3479 (2012) 1부.* *
Chem. Soc. Rev., vol.48, pp.1465-1491 (2019.03.21.) 1부.* *

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KR102302195B1 (ko) 2021-09-13

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