KR20230076194A - 유연성을 갖는 pH 센서 및 이를 포함하는 창상 피복재 - Google Patents

유연성을 갖는 pH 센서 및 이를 포함하는 창상 피복재 Download PDF

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Abstract

높은 유연성을 갖는 pH 센서, 및 pH 센서를 이용한 창상 피복재가 제공된다. 상기 pH 센서는 제1 베이스층 및 제1 베이스층 보다 다공성이 큰 제2 베이스층이 순차 적층된 베이스; 상기 제2 베이스층 상에서 서로 이격되는 제1 전극층 및 제2 전극층; 상기 제1 전극층 상에 적어도 부분적으로 배치되는 전도성 고분자층; 및 상기 제2 전극층 상에 적어도 부분적으로 배치되는 전해질층을 포함한다.

Description

유연성을 갖는 pH 센서 및 이를 포함하는 창상 피복재{FLEXIBLE pH SENSOR AND WOUND DRESSING INCLUDING THE SAME}
본 발명은 pH 센서 및 pH 센서를 이용한 창상 피복재에 관한 것이다. 상세하게는 높은 유연성을 갖는 pH 센서, 및 pH 센서를 이용한 창상 피복재에 관한 것이다.
사람의 피부는 신체의 안과 밖의 경계를 이루는 피막으로서, 촉각 기능을 제공한다. 또한 체온 유지, 세균 침입 방지 등 신체의 보호 기능을 한다는 점에서 생명 유지에 필수 불가결한 기관이다. 창상은 외력에 의해 피부 조직의 연속성이 파괴되거나 결손이 생긴 상태를 총칭한다. 창상의 구체적인 예로는 찰과상, 열상, 자상 등을 들 수 있다.
피부에 생긴 작은 상처의 경우 약 3주 동안의 자가 치유 과정을 통해 지혈기(hemostasis phase), 염증기(inflammation phase), 수복기(reparative phase) 및 재형성기(remodeling phase) 등의 과정을 거치며 손실되거나 파괴된 피부 조직이 복구될 수 있지만 적절한 창상 케어가 되지 못할 경우 피부에 상처의 흉터(scar)가 남기도 한다. 또 만성 상처의 경우 염증기가 반복되어 스스로 치유 과정이 완료되지 못할 수 있기 때문에 지속적인 관찰과 적절한 창상 케어가 필요하다.
알려진 상처 치유 과정에 따를 때 창상과 함께 발생하는 최초 출혈 이후 상처 부위에서 다양한 삼출물이 생겨난다. 이에 따라 통상적인 피부는 pH 4.5 내지 pH 6.5 수준의 약산성을 띄지만 상처 치유 과정에서는 pH 7.0 내지 pH 8.5 수준의 중성 내지는 약염기성을 띄게 된다. 따라서 창상 부위의 pH를 모니터링하는 것은 피부의 급성 또는 만성 상처 및 염증 관리와 케어에 중요한 정보로 활용될 수 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2180459호, pH 감지 가능 창상피복재, 및 이의 제조방법
상처 부위에서의 pH 변화는 산소 방출, 혈관 형성, 단백질 분해 등에 기인한 것일 수 있다. 이처럼 자연스러운 상처 치유 과정에서 pH의 변화가 발생하기 때문에 이는 상처의 치유 상태를 확인하는 지표가 될 수 있다. 예컨대 정상적인 자연 치유 과정에서 상처 부위의 삼출물이 초기에 약염기성을 나타내다가 점차 약산성으로 변화하여야 함에도 불구하고, 삼출물의 pH가 장기간 염기성을 나타내고 있는 경우 염증 반응이 지속되어 적절한 케어가 필요한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 창상 치유에 관여하는 주요 인자로서 상처 부위의 습윤 상태의 유지, 삼출물의 흡수, 높은 산소 농도, 외부로부터의 감염 차단 등이 알려져 있다. 이 외에도 인체에 대한 독성이 없고 우수한 기계적 물성 요구됨은 물론이다.
과거에는 피부의 상처에 사용되는 드레싱 내지는 피복재로 면 소재 등의 붕대나 거즈를 이용하였다. 거즈 등은 우수한 통기성을 가지나 삼출물을 흡수하지 못하고, 특히 흡수되지 못한 삼출물이 건조되며 충분한 습윤 상태를 유지하지 못한다. 또 건조된 삼출물은 상처면과 피복재의 유착을 야기한다. 피복재와 상처면이 유착될 경우 신생 조직의 형성을 방해하고 통증을 야기하는 등의 문제가 있었다. 이에 거즈형 피복재의 문제점을 개선한 다양한 형태의 폐쇄형 피복재가 개발되고 있다.
다른 한편, 앞서 설명한 것과 같이 pH를 모니터링하여 창상 케어에 활용할 수 있을 것으로 기대되나, 종래 기술에 따른 알려진 pH 센서는 유연성을 나타내지 못해 창상 피복재 등에 적용이 곤란하다. 소정의 유연성을 갖는 필름 기재를 이용해 pH 센서를 구현하는 것을 고려해볼 수 있으나, 일반적인 필름 기재는 공기 통기성과 액체 투습성이 낮고 삼출물을 흡수할 수 없어 통상의 폐쇄형 피복재로의 적용이 어렵다. 또 필름 기재를 이용할 경우 피부에 대한 밀착력이 낮고 반복적인 물리적 변형에 대한 내구성이 열등하며, 사용자에게 이물감을 제공하거나 되려 사용자 피부를 손상시키는 등의 문제가 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 우수한 공기 통기성, 액체 투습성 및 흡수성을 가지면서도, 유연성을 갖는 베이스를 이용한 pH 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 위와 같은 pH 센서를 활용한 창상 피복재를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 위와 같은 pH 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서는 제1 베이스층 및 제1 베이스층 보다 다공성이 큰 제2 베이스층이 순차 적층된 베이스; 및 상기 제2 베이스층 상에서 서로 이격되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극은 제1 도전 패턴층과 적층된 전도성 고분자층을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 도전 패턴층과 적층된 전해질층을 포함한다.
상기 제1 전극은 제1 도전 패턴층 상에서 상기 전도성 고분자층과 비중첩 배치되는 금속층을 더 포함할 수 있다.
또, 상기 제1 도전 패턴층은 상기 전도성 고분자층 및 금속층과 맞닿되, 상기 전도성 고분자층과 금속층은 이격될 수 있다.
상기 제1 도전 패턴층 및 제2 도전 패턴층은 서로 동일한 종류의 금속을 포함하되, 상기 제2 도전 패턴층은 상기 금속의 염을 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 전해질층은 상기 금속의 염의 음이온과 동일한 원소를 갖는 염을 포함할 수 있다.
상기 제2 베이스층은 제1 베이스층에 비해 큰 두께를 가지고, 상기 제1 베이스층은 폴리에스터, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있다.
또, 상기 제2 베이스층은 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 베이스층은 상기 제1 전극 또는 제2 전극과 중첩하는 개구를 가지고, 상기 개구를 통해 상기 제1 도전 패턴층 또는 제2 도전 패턴층은 제1 베이스층과 맞닿을 수 있다.
상기 베이스는, 적어도 부분적으로 제1 베이스층과 제2 베이스층 사이에 개재되고, 상기 제1 베이스층 보다 다공성이 작은 지지층을 더 포함할 수 있다.
이 때 상기 지지층의 평면상 면적은 상기 제1 베이스층 또는 제2 베이스층 보다 작을 수 있다.
또한 상기 제2 베이스층은 상기 제1 전극 또는 제2 전극과 중첩하는 개구를 가지고, 상기 개구를 통해 상기 지지층이 노출되어 제1 도전 패턴층 또는 제2 도전 패턴층과 맞닿을 수 있다.
상기 전해질층은 제1 방향으로 연장되고, 제2 방향으로 이격된 복수의 그루브를 가질 수 있다.
또, 상기 전해질층은 상기 그루브를 형성하도록 제2 방향으로 이격된 복수의 서브 패턴들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서 상기 pH 센서는 상기 제1 베이스층 상에 배치되고, 상기 베이스를 관통하여 상기 제1 전극 및 제2 전극과 도통되어 pH를 시각적으로 표시하는 표시자를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 창상 피복재는 전술한 pH 센서를 포함한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서의 제조 방법은 제1 베이스층 및 제1 베이스층 보다 다공성이 큰 제2 베이스층을 포함하는 베이스를 준비하고, 상기 베이스 상에 서로 이격된 제1 도전 패턴층 및 제2 도전 패턴층을 배치하고, 상기 제1 도전 패턴층 상에 전도성 고분자층을 배치하고, 상기 제2 도전 패턴층 상에 전해질층을 배치하는 것을 포함한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
종래의 경우 창상의 치유 상태를 확인하기 위해 상처 부위를 덮고 있는 밴디지 내지는 창상 피복재를 들춰내 상처의 상태를 육안으로 확인하고 의료인의 육안적 소견에 따라 치유 상태를 판단할 수 밖에 없었다. 그러나 상처 부위를 덮고 있는 창상 피복재를 빈번하게 들춰낼 경우 되려 상처 치유를 지연시키는 원인이 되고, 환자에게 통증을 야기하는 등 부담이 되기도 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상처 부위를 덮고 있는 창상 피복재를 들춰내지 않고도 창상의 치유 상태를 확인할 수 있다. 특히 만성 창상 등과 같이 적절한 케어가 필요한 창상을 조기에 확인할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다.
도 2는 도 1의 pH 센서의 평면 레이아웃이다.
도 3은 도 1의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 도 2의 B1-B1' 선, B2-B2' 선, B3-B3' 선 및 B4-B4' 선을 따라 절개한 비교 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다.
도 6은 도 5의 pH 센서의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 단면도이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서를 나타낸 도면들이다.
도 13은 제조예 1에 따라 준비된 pH 센서의 전해질층의 X-선 분석 결과이다.
도 14 및 도 15는 각각 실험예 1 및 실험예 2에 따른 결과를 나타낸 이미지들이다.
도 16은 제조예 2에 따라 준비된 pH 센서의 이미지이다.
도 17은 제조예 3에 따라 준비된 pH 센서의 이미지이다.
본 발명의 이점 및 특징, 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 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. 즉, 본 발명이 제시하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 도시된 구성요소의 크기, 두께, 폭, 길이 등은 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장 또는 축소될 수 있으므로 본 발명이 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 '위(above)', '상부(upper)', ‘상(on)’, '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
본 명세서에서, 제1 방향(X)은 임의의 일 방향을 의미하고, 제2 방향(Y)은 평면 내에서 제1 방향(X)과 교차하거나, 수직한 다른 방향을 의미한다. 또, 제3 방향(Z)은 상기 평면과 교차하거나, 수직한 또 다른 방향을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, '어느 평면 시점'은 상기 어느 평면에 대해 수직한 방향과 평행한 방향으로 바라본 시점을 의미한다. 또, 다르게 정의되지 않는 한, '일 방향으로 중첩'은 상기 일 방향과 평행한 방향으로 바라본 시점에서 복수의 구성요소가 겹쳐 배치된 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다. 도 2는 도 1의 pH 센서의 평면 레이아웃이다. 도 3은 도 1의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도이다. 도 4는 도 2의 B1-B1' 선, B2-B2' 선, B3-B3' 선 및 B4-B4' 선을 따라 절개한 비교 단면도들이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 센서(11)는 다층 구조로 이루어진 베이스(100), 베이스(100) 상에 배치된 센싱 전극(300)(또는 제1 전극)과 기준 전극(200)(또는 제2 전극, 또는 카운터 전극)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 센서(11)는 센싱 전극(300)과 기준 전극(200)이 접촉하는 액체의 pH를 센싱하는 pH 센서일 수 있다. 또, 본 실시예에 따른 센서(11)는 창상 피복재 또는 창상용 밴디지 등의 의료 용품, 또는 마스크팩, 헬스케어 제품, 기저귀 등 다양한 피부 상태 모니터링 디바이스로 활용될 수 있다.
베이스(100)는 후술할 센싱 전극(300) 및 기준 전극(200) 등이 배치되는 공간을 제공할 수 있다. 베이스(100)의 표면, 예컨대 상면은 소정의 표면 조도를 가질 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 이하, 베이스(100)의 상면이 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)이 속하는 평면 공간을 제공하는 것을 예로 하여 설명한다.
베이스(100)는 상호 적층된 제1 베이스층(110) 및 제2 베이스층(120)을 포함하여 다층 구조로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시로서, 본 실시예에 따른 센서(11)를 사용자 피부에 대면 배치할 경우, 제2 베이스층(120)이 사용자 피부 측에 위치하고, 제1 베이스층(110)이 외측을 향하도록 배치될 수 있다.
제1 베이스층(110)은 지지층일 수 있다. 제1 베이스층(110)은 제2 베이스층(120)에 비해 상대적으로 높은 강성을 가질 수 있다. 제1 베이스층(110)은 제2 베이스층(120)의 배면(하면) 상에 코팅된 코팅층일 수 있다.
제1 베이스층(110)은 제2 베이스층(120)에 비해 낮은 공기 투과도(통기성, permeability)를 가지되, 창상 부위에서의 공기 순환이 이루어질 수 있도록 소정의 다공성(porous)을 가질 수 있다. 즉, 제1 베이스층(110)은 제2 베이스층(120)에 비해 낮은 다공성을 가질 수 있다. 제1 베이스층(110)은 폴리에스터, 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌을 주로 포함하여 이루어질 수 있다. 또, 제1 베이스층(110)은 외부의 물 등이 침투하지 않도록 방수 특성이 우수할 수 있다. 제2 베이스층(120)에 비해 액체 투과도 또는 액체 흡수도가 낮은 제1 베이스층(110)을 이용하여, 제2 베이스층(120)이 흡수한 액체가 외부로 투과하지 않도록 구성될 수 있다.
제2 베이스층(120)은 제1 베이스층(110)의 일면(상면) 상에 배치될 수 있다. 제2 베이스층(120)의 제2 두께(T120)는 제1 베이스층(110)의 제1 두께(T110) 보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 베이스층(120)의 제2 두께(T120)는 약 1.5mm 이상, 또는 약 2.0mm 이상, 또는 약 2.5mm 이상일 수 있다. 반면 제1 베이스층(110)의 제1 두께(T110)는 약 0.1mm 이하, 또는 약 0.05mm 이하, 또는 약 0.01mm 이하일 수 있다.
제2 베이스층(120)은 창상 부위로부터 발생하는 다량의 삼출물을 충분히 흡수하기 위한 흡수층으로 기능할 수 있다. 또, 제2 베이스층(120)은 사용자 피부를 향하는 면에 노출된 상면을 제공할 수 있다. 제2 베이스층(120)은 그 상부의 센싱 전극(300) 및 기준 전극(200)을 지지할 수 있다.
제2 베이스층(120)은 제1 베이스층(110)에 비해 유연하고 부드러운 재질로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 베이스층(120)은 높은 다공성을 갖는 폴리우레탄을 포함하여 이루어질 수 있다. 폴리우레탄을 포함하는 고분자층으로 구성된 제2 베이스층(120)은 상처 부위에 자극을 주지 않으면서 높은 액체 흡수성(고흡수성)을 가져 본 실시예에 따른 센서(11)가 적용된 창상 피복재를 장시간 부착하더라도 창상 치유 과정을 저해하지 않을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제2 베이스층(120)은 그 내부에 창상 회복에 도움이 되는 약물 내지는 크림 등을 함유하거나, 또는 항균 작용을 위한 실버진 등을 함유할 수도 있다.
전술한 바와 같이 제1 베이스층(110) 및 제2 베이스층(120)을 포함하는 베이스(100)는 우수한 유연성과 통기성을 가질 수 있다. 또 내부에 다수의 기공 내지는 공극을 갖는 제2 베이스층(120)이 액체, 예컨대 삼출물에 대해 우수한 흡수성을 나타내어 창상 케어에 도움을 줄 수 있다. 제1 베이스층(110)은 액체를 흡수하는 제2 베이스층(120)의 저면 상에 배치되어 제2 베이스층(120)이 흡수한 액체를 누출시키지 않고 본 실시예에 따른 pH 센서(11)를 활용한 창상 피복재가 삼출물을 머금고 있도록 할 수 있다.
또, 베이스(100)는 전체적으로 유연성을 갖는 재질로 이루어져 약 100회 이상, 또는 약 500회 이상, 또는 약 1,000회 이상 반복 굽힘이나 접힘이 발생하는 경우에도 그 형상을 유지하여 물리적 구조의 변화가 발생하지 않으며, 제1 방향(X) 및/또는 제2 방향(Y)으로 우수한 신축성을 가질 수 있다. 예를 들어, 베이스(100)의 최대 인장 응력(tensile stress)은 약 1.5MPa 이상, 또는 약 1.4MPa 이상일 수 있다.
제2 베이스층(120) 상에는 센싱 전극(300) 및 기준 전극(200)이 배치될 수 있다. 센싱 전극(300) 및 기준 전극(200)은 대략 제2 방향(Y)으로 연장된 형상이되, 서로 제1 방향(X)으로 이격될 수 있다. 또, 센싱 전극(300)과 기준 전극(200)은 서로 맞닿지 않아 직접적으로 전기 도통되지 않을 수 있다. 센싱 전극(300)과 기준 전극(200)은 프로세서 내지는 임피던스 측정기 등과 전기적으로 연결되어 노출된 pH를 측정할 수 있다. 이를 위해 프로세서는 전압/전류를 생성하거나, 전압/전류를 측정하거나, 임피던스를 계산하거나, 이들을 기록하거나 처리하는 수단을 포함할 수 있다.
센싱 전극(300)은 제1 도전 패턴층(310) 및 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치된 전도성 고분자층(350)을 포함할 수 있다. 전도성 고분자층(350)은 제1 도전 패턴층(310)과 제3 방향(Z)으로 중첩하되, 제1 도전 패턴층(310)의 오직 일부 영역 상에만 배치될 수 있다. 제1 도전 패턴층(310)은 제2 방향(Y)으로 연장되어 후술할 전도성 고분자층(350)에서 발생하는 전위의 도통 경로로 기능할 수 있다.
마찬가지로, 기준 전극(200)은 제2 도전 패턴층(210) 및 제2 도전 패턴층(210) 상에 배치된 전해질층(250)을 포함할 수 있다. 전해질층(250)은 제2 도전 패턴층(210)과 제3 방향(Z)으로 중첩하되, 제2 도전 패턴층(210)의 오직 일부 영역 상에만 배치될 수 있다. 제2 도전 패턴층(210)은 제2 방향(Y)으로 연장되어 후술할 전해질층(250)에서 발생하는 전위의 도통 경로로 기능할 수 있다.
제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 제3 방향(Z)으로의 두께는 제2 베이스층(120)의 제2 두께(T120) 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 두께는 50㎛ 내지 500㎛, 또는 약 80㎛ 내지 400㎛, 또는 약 100㎛ 내지 300㎛ 범위에 있을 수 있다.
만일 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 두께가 상기 범위 미만이면 본 실시예에 따른 신축성을 갖는 센서(11)가 창상 피복재 등으로 적용될 경우, 신축 과정에서 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 단락 등의 손상이 발생할 수 있다. 반면 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 두께가 상기 범위를 초과하면 센서(11) 표면 단차가 심해져 사용자에게 이물감을 제공할 수 있다.
또, 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 폭은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 약 0.5mm 이상, 또는 약 1.0mm 이상, 또는 약 1.5mm 이상일 수 있다. 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210) 폭의 상한은 약 5.0mm일 수 있다.
제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)은 적어도 부분적으로 동일한 소재를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 센싱 전극(300) 및/또는 기준 전극(200)은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 또는 구리(Cu) 등의 금속 원소 포함하거나, 이들을 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 기준 전극(200)의 제2 도전 패턴층(210)은 상기 금속 원소의 염을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 패턴층(310)이 은(Ag)을 포함할 경우, 제2 도전 패턴층(210)은 은(Ag)을 포함하고, 은의 염, 예컨대 염화은(AgCl)을 더 포함할 수 있다. 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)은 전술한 금속, 금속 원소 및/또는 금속의 염을 포함하는 페이스트를 프린팅하여 형성될 수 있다.
제1 도전 패턴층(310) 상에는 전도성 고분자층(350)이 배치될 수 있다. 전도성 고분자층(350)은 제1 도전 패턴층(310)과 맞닿으며, pH의 측정 대상, 예컨대 창상의 삼출물과 직접 접촉하는 부분일 수 있다. 전도성 고분자층(350)은 전도성을 갖는 고분자 소재를 포함하여 이루어지거나, 또는 고분자 매트릭스 내에 분산된 도전성 입자를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전도성 고분자층(350)은 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리-N-메틸피롤(poly-N-methylpyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(에틸렌디옥시티오펜)(poly(ethylenedioxythiophene)), 폴리-3-메틸티오펜(poly-3-methylthiophene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiphene), PEDOT), 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(pphenylenevinylene), PPV), 폴리퓨란(polyfuran), 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 전도성 고분자 재료를 포함할 수 있다.
또, 전도성 고분자층(350)은 친수성 고분자 및/또는 도전성 입자를 더 포함할 수 있다. 여기서 친수성 고분자로는 아가로스(agarose), 알지네이트(alginate), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide), 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트(polyhydroxyethylmethacrylate), 폴리아크릴 산(polyacrylic acid) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 예시할 수 있다. 또, 도전성 입자로는 탄소나노튜브(CNT), 탄소섬유(CF), 흑연, 그래핀, 플러렌 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 예시할 수 있다.
전도성 고분자층(350)은 노출된 환경의 pH에 따라 전하(charge)가 변경되고 이에 따라 소정의 전위를 발생시킬 수 있다. 예컨대 산성 조건 하에서는 풍부한 수소 이온으로 인해 전도성 고분자층(350)을 구성하는 고분자 사슬이 환원되고, 반대로 염기 조건 하에서는 고분자 사슬이 산화하며 전하가 변화할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전도성 고분자층(350)의 두께는 제1 도전 패턴층(310)의 두께 보다 클 수 있다. 예를 들어, 전도성 고분자층(350)의 두께는 약 100㎛ 내지 500㎛, 또는 약 150㎛ 내지 400㎛, 또는 약 200㎛ 내지 300㎛ 범위에 있을 수 있다.
만일 전도성 고분자층(350)의 두께가 상기 범위 미만이면 반복 사용 과정에서 전도성 고분자층(350)이 부분적으로 손실되거나, 또는 pH 측정 대상, 예컨대 삼출물과 충분히 접촉하지 못하거나 삼출물에 의해 충분한 전하가 발생하지 못할 수 있다. 반면 전도성 고분자층(350)의 두께가 상기 범위를 초과하면 센서(11) 표면 단차가 심해져 사용자에게 이물감을 제공할 수 있다. 또는 전도성 고분자층(350)의 두께가 상기 범위를 초과하면 전도성 고분자층(350)을 건조하는 과정에서 크랙이 발생하는 등의 손상이 야기될 수 있다.
제2 도전 패턴층(210) 상에는 전해질층(250), 예컨대 고체상 전해질층이 배치될 수 있다. 전해질층(250)은 제2 도전 패턴층(210)과 맞닿으며 pH의 측정 대상, 예컨대 창상의 삼출물과 직접 접촉하는 부분일 수 있다. 전해질층(250)은 제2 도전 패턴층(210)이 포함하는 금속 염과 부분적으로 동일한 원소를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전해질층(250)은 염화칼륨(KCl), 염화나트륨(NaCl) 또는 이들의 조합으로부터 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하거나, 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 제2 도전 패턴층(210)이 염화은(AgCl)을 포함할 경우, 전해질층(250)은 염소 원소(Cl)을 포함하는 금속 염 등을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전해질층(250)은 전술한 염화칼륨 또는 염화나트륨 등을 함유하는 고분자 탄성체를 포함할 수 있다. 고분자 탄성체의 예로는 실리콘(silicone), 에코플렉스(ecoflex), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에테르우레탄(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylenestyrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR), 아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 네오프렌(neoprene, polychloroprene), 폴리디메틸실록산(PDMS), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber) 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
전해질층(250)은 제2 도전 패턴층(210)의 금속 및/또는 금속 염의 산화 환원 반응에 영향을 미칠 수 있다. 전해질층(250) 및 제2 도전 패턴층(210)을 포함하는 기준 전극(200)은 노출된 조건의 pH에 따라 소정의 기전력을 나타내고, 본 실시예에 따른 센서(11)는 기준 전극(200)에 의해 발생하는 기전력과 센싱 전극(300)에 의해 발생하는 기전력의 차이로부터 노출된 환경의 pH를 측정할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전해질층(250)의 두께는 제2 도전 패턴층(210)의 두께 및/또는 전도성 고분자층(350)의 두께 보다 클 수 있다. 예를 들어, 전해질층(250)의 두께는 약 200㎛ 내지 800㎛, 또는 약 250㎛ 내지 700㎛, 또는 약 300㎛ 내지 600㎛ 범위에 있을 수 있다.
만일 전해질층(250)의 두께가 상기 범위 미만이면 반복 사용 과정에서 전해질층(250)이 부분적으로 손실되거나, 또는 pH 측정 대상, 예컨대 삼출물과 충분히 접촉하지 못할 수 있다. 반면 전해질층(250)의 두께가 상기 범위를 초과하면 센서(11) 표면 단차가 심해져 사용자에게 이물감을 제공할 수 있다. 또는 전해질층(250)의 두께가 상기 범위를 초과하면 막(membrane)으로의 기능을 수행하지 못하여 이온 교환에 방해가 될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 센싱 전극(300) 및 기준 전극(200) 상에는 절연층(400)이 더 배치될 수 있다. 절연층(400)은 실질적으로 전기 절연성을 가질 수 있다. 절연층(400)은 제1 도전 패턴층(310), 제2 도전 패턴층(210), 전도성 고분자층(350) 및 전해질층(250)과 부분적으로 맞닿아 배치될 수 있다. 또, 절연층(400)은 베이스(100)의 상면과도 맞닿을 수 있다.
구체적으로, 절연층(400)은 베이스(100)의 일부 영역 상에만 배치되되, 센싱 전극(300) 및 기준 전극(200) 중 일부를 노출시키도록 배치될 수 있다. 절연층(400)은 제1 도전 패턴층(310) 및 제2 도전 패턴층(210)과 적어도 부분적으로 제3 방향(Z)으로 중첩할 수 있다. 또, 절연층(400)은 전도성 고분자층(350) 및 전해질층(250)과 적어도 부분적으로 제3 방향(Z)으로 중첩할 수 있다. 이를 통해 절연층(400)은 센싱 전극(300)의 제2 방향(Y) 일단(제1 도전 패턴층(310))과 타단(전도성 고분자층(350)), 및 기준 전극(200)의 제2 방향(Y) 일단(제2 도전 패턴층(210))과 타단(전해질층(250))을 노출시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 센서(11)는 삼출물과 접촉하기 위한 전도성 고분자층(350)과 전해질층(250)(예컨대 도 2 기준 하단부) 및/또는 프로세서와 전기적으로 연결되기 위한 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)(예컨대 도 2 기준 상단부)를 제외한 나머지 센싱 전극(300)과 기준 전극(200)의 부분을 피복하기 위해 배치될 수 있다. 즉, 사람의 피부와 접촉하거나 도통되기 위한 센싱 전극(300)과 기준 전극(200)의 일부를 특정 부분으로 국한시킴으로서 센서(11)의 신뢰도를 향상시킴과 동시에 센싱 전극(300) 및/또는 기준 전극(200)이 삼출물과 접촉하는 부분이 지나치게 커짐으로서 발생하는 노이즈 신호 등을 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 pH 센서에 대해 설명한다. 다만, 앞서 설명한 실시예에 따른 센서와 동일하거나, 극히 유사한 구성에 대한 설명은 생략하며 이는 첨부된 도면으로부터 본 기술분야에 속하는 통상의 기술자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다. 도 6은 도 5의 pH 센서의 단면도로서, 도 3과 대응되는 위치를 나타낸 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 pH 센서(12)는 베이스(100), 베이스(100) 상에 배치된 센싱 전극(300), 기준 전극(200) 및 절연층(400)을 포함하되, 센싱 전극(300)이 금속층(390)을 더 포함하는 점이 전술한 실시예에 따른 pH 센서와 상이한 점이다.
앞서 설명한 것과 같이 기준 전극(200)은 제2 도전 패턴층(210) 및 제2 도전 패턴층(210) 상에 배치된 전해질층(250)을 포함할 수 있다. 또, 센싱 전극(300)은 제1 도전 패턴층(310) 및 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치된 전도성 고분자층(350)을 포함하되, 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치된 금속층(390)을 더 포함할 수 있다.
금속층(390)은 제1 도전 패턴층(310)과 맞닿아 제3 방향(Z)으로 중첩 배치되되, 금속층(390)은 전도성 고분자층(350)과 비중첩하여 이격 배치될 수 있다. 예를 들어, 센싱 전극(300)의 삼출물에 노출되는 전도성 고분자층(350) 부분은 도 5 기준 좌하단에 위치하고, 센싱 전극(300)의 프로세서 내지는 임피던스 측정기와 전기적으로 연결되는 금속층(390) 및/또는 제1 도전 패턴층(310) 부분은 도 5 기준 우상단에 위치할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 센서(12)는 기준 전극(200)과 센싱 전극(300)에서 발생하는 기전력의 차이를 통해 노출된 삼출물의 pH를 측정할 수 있다. 이 때 제1 도전 패턴층(310)이 함유하는 금속 원소, 예컨대 은(Ag)에 비해 산화도가 크고 수소에 비해 산화도가 작은 금속 원소를 포함하거나, 상기 금속 원소로 이루어진 금속층(390)을 제1 도전 패턴층(310) 상에 비채하여 전위차 측정시 발생하는 노이즈를 더욱 감소시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 예시적인 실시예에서, 금속층(390)은 인체 유해성 측면에서 구리(Cu)를 포함하는 구리 필름 등으로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우 절연층(400)은 금속층(390)의 측면 및/또는 상면과 맞닿아 접할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 단면도로서, 도 3과 대응되는 위치를 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 pH 센서(13)는 베이스(103)가 제1 베이스층(110) 및 제2 베이스층(120)을 포함하되, 최상부에 위치한 제2 베이스층(120)이 개구(120p)를 갖는 점이 전술한 도 6 등에 따른 센서와 상이한 점이다.
제2 베이스층(120)은 개구(120p)를 가질 수 있다. 평면 시점에서, 개구(120p)는 센싱 전극(303)(예컨대, 제1 도전 패턴층(310)) 및 기준 전극(203)(예컨대, 제2 도전 패턴층(210))과 제3 방향(Z)으로 중첩하며 대략 상응하는 형상일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 평면 시점에서, 개구(120p)의 크기는 제1 도전 패턴층(310) 또는 제2 도전 패턴층(210) 보다 작고, 제1 도전 패턴층(310) 및/또는 제2 도전 패턴층(210)은 적어도 부분적으로 제2 베이스층(120)의 상면 상에 배치될 수 있다. 또, 제1 도전 패턴층(310), 제2 도전 패턴층(210), 전도성 고분자층(350) 및 전해질층(250) 중 적어도 일부는 개구(120p) 내에 삽입되어 제2 베이스층(120)과 수평 방향(제1 방향(X) 및 제2 방향(Y))으로 중첩할 수 있다. 즉, 제1 도전 패턴층(310) 및/또는 제2 도전 패턴층(210)은 개구(120p)의 내측벽과 맞닿을 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 제2 베이스층(120)이 다공성을 갖는 폴리우레탄 등을 포함하여 이루어지고, 제1 도전 패턴층(310) 및/또는 제2 도전 패턴층(210)이 페이스트를 이용하여 프린팅되는 경우, 제2 베이스층(120) 상에서 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)의 형성이 용이하지 않을 수 있다.
특히 제2 베이스층(120)이 다량의 삼출물을 흡수할 경우 내부에 흡수한 수분으로 인해, 또는 제2 베이스층(120)이 적어도 부분적으로 팽창하는 과정에서 제2 베이스층(120)으로부터 제1 도전 패턴층(310) 및/또는 제2 도전 패턴층(210)의 탈락이 발생할 수 있다.
이에 본 실시예에 따른 센서(13)는 베이스(103) 중 최상부에 위치한 제2 베이스층(120)에 개구(120p)를 형성하고, 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)을 적어도 부분적으로 개구(120p) 내에 삽입하여 제1 베이스층(110)과 맞닿게 함으로써 위와 같은 문제를 방지할 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이 제2 베이스층(120)에 비해 상대적으로 높은 강성을 가지고 지지층 내지는 수분 투과 방지층으로 기능하는 제1 베이스층(110) 상에 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)을 배치하여 센서(13)의 내구성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 단면도로서, 도 3과 대응되는 위치를 나타낸 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 pH 센서(14)는 베이스(104)가 제1 베이스층(110)과 제2 베이스층(120) 사이에 개재된 전도 패턴 지지층(130)(또는 제3 베이스층, 또는 보조층, 또는 보조층)을 더 포함하는 점이 전술한 도 7에 따른 센서와 상이한 점이다.
지지층(130)은 제1 베이스층(110) 및 제2 베이스층(120)에 비해 다공성이 더 작고, 우수한 강성 내지는 강도를 갖는 필름층일 수 있다. 지지층(130)은 투습성 내지는 통기도를 실질적으로 갖지 않을 수 있다.
지지층(130)은 제1 베이스층(110) 상에 배치되되, 제2 베이스층(120)의 개구(120p)와 제3 방향(Z)으로 중첩하도록 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 평면 시점에서, 개구(120p)의 크기(예컨대, 평면상 면적)는 지지층(130) 보다 작고, 제2 베이스층(120)은 적어도 부분적으로 지지층(130)의 상면 상에 배치될 수 있다. 또, 지지층(130)은 제1 베이스층(110)의 일부 영역 상에만 배치되며, 지지층(130)의 평면상 크기는 제1 베이스층(110) 또는 개구(120p)를 갖는 제2 베이스층(120)의 크기 보다 작을 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 제2 베이스층(120)은 상대적으로 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 이 때 제2 베이스층(120)의 두께로 인해 개구(120p)의 깊이가 상대적으로 커지고, 센싱 전극(304)과 기준 전극(204)의 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)이 개구(120p)에 삽입되며 제3 방향(Z)으로 연장된 부분이 증가함에 따라 내구성이 저하되거나, 신호 품질이 저하될 수 있다.
본 실시예에 따른 센서(14)는 베이스(104)가 지지층(130)을 더 포함하여 적어도 부분적으로 개구(120p) 내에 배치함으로써, 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)을 제1 베이스층(110)과 제3 방향(Z)으로 이격시킬 수 있다. 즉, 지지층(130)을 사이에 두고 제1 베이스층(110)과 제1 도전 패턴층(310)/제2 도전 패턴층(210)은 이격될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 지지층(130)의 제3 방향(Z)으로의 두께는 제1 베이스층(110)의 제3 방향(Z)으로의 두께 보다 클 수 있다. 또, 지지층(130)의 제3 방향(Z)으로의 두께는 제2 베이스층(120)의 제3 방향(Z)으로의 두께 보다 작을 수 있다.
또, 지지층(130)이 높은 내구성을 가짐으로써 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)을 안정적으로 지지할 수 있고, 설령 상대적으로 얇은 코팅층과 같은 형태의 제1 베이스층(110)이 손상됨에도 불구하고 제1 도전 패턴층(310)과 제2 도전 패턴층(210)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 설령 지지층(130)이 투습도/통기도를 갖지 않거나, 매우 낮은 경우에도 센싱 전극(304) 및 기준 전극(204)과 중첩하는 부분에만 배치되고, 창상 부위로 직접 노출되어 사용자 피부에 접촉하지 않기 때문에 창상 피복재로서의 기능을 저하시키지 않을 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 단면도로서, 도 3과 대응되는 위치를 나타낸 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 pH 센서(15)는 베이스(105) 상에 배치된 센싱 전극(305) 및 기준 전극(205)으로서, 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치된 전도성 고분자층(350)과 금속층(390)을 포함하는 센싱 전극(305) 및 제2 도전 패턴층(210) 상에 배치된 전해질층(250)을 포함하는 기준 전극(205)을 포함하되, 전도성 고분자층(350) 및 전해질층(250)이 각각 제1 도전 패턴층(310) 또는 제2 도전 패턴층(210)과 베이스(105) 사이에 배치되는 점이 전술한 도 8에 따른 센서와 상이한 점이다.
앞서 설명한 것과 같이 제1 도전 패턴층(310) 상에는 전도성 고분자층(350) 및 금속층(390)이 배치될 수 있다. 또, 제2 도전 패턴층(210) 상에는 전해질층(250)이 배치될 수 있다. 이 때 전도성 고분자층(350)은 적어도 부분적으로 제1 도전 패턴층(310)과 베이스(105)의 지지층(130) 사이에 개재될 수 있다. 마찬가지로 금속층(390)은 적어도 부분적으로 제1 도전 패턴층(310)과 베이스(105)의 지지층(130) 사이에 개재될 수 있다. 또, 전해질층(250)은 적어도 부분적으로 제2 도전 패턴층(210)과 베이스(105)의 지지층(130) 사이에 개재될 수 있다.
또, 예시적인 실시예에서 센서(15)는 베이스(105)의 타면(저면) 상에 배치된 표시자(600)를 더 포함할 수 있다. 표시자(600)는 베이스(105)를 관통하여, 구체적으로, 제1 베이스층(110), 제2 베이스층(120) 및/또는 지지층(130)을 관통하여 센싱 전극(305)의 금속층(390) 및/또는 기준 전극(205)의 제2 도전 패턴층(210)과 맞닿아 도통될 수 있다.
표시자(600)는 프로세서 내지는 임피던스 측정기와 모듈화되어 일체로 제공될 수 있다. 표시자(600)는 본 실시예에 따른 pH 센서(15)를 이용한 pH의 센싱 결과를 시각적 결과로 제공하는 디바이스를 포함할 수 있다. 상기 시각적 결과는 pH 값을 숫자로 표시하는 디스플레이이거나, 또는 pH 값을 구간화하여 색(color)으로 표시하기 위한 것일 수 있다.
본 실시예에 따른 pH 센서(15)를 창상 피복재 등으로 적용할 경우, 제2 베이스층(120) 측이 사용자 피부를 향하고, 제1 베이스층(110)이 외부에서 시인될 수 있다. 따라서 표시자(600)는 제1 베이스층(110)의 저면 상에 배치되어야 한다. 이 때 베이스(105)에 형성된 관통홀을 통해 표시자(600)가 센싱 전극(305)의 금속층(390)과 도통하기 위해 금속층(390)을 제1 도전 패턴층(310) 보다 하측에 배치할 수 있다.
본 실시예의 경우 프로세서 등과 접촉하기 위한 금속층(390)이 제1 도전 패턴층(310)을 기준으로 상부에 배치되지 않고 그 하부에 배치되기 때문에 절연층(400)의 피복 면적을 보다 증가시킬 수 있다.
한편, 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치된 전도성 고분자층(350) 및 제2 도전 패턴층(210) 상에 배치된 전해질층(250)은 창상의 삼출물과 접촉하기 위해 절연층(400)에 의해 커버되지 않고 노출된 면을 제공해야 한다. 이를 위해 전도성 고분자층(350) 및 전해질층(250)은 각각 적어도 부분적으로 제1 도전 패턴층(310) 또는 제2 도전 패턴층(210)과 지지층(130) 사이에 개재되되, 전도성 고분자층(350) 및 전해질층(250)은 적어도 부분적으로 제2 베이스층(120)과 제3 방향(Z)으로 중첩하여 제2 베이스층(120)의 상면과 맞닿을 수 있다.
도면에 도시된 것과 달리, 센싱 전극(305)은 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치된 금속층(390) 및 전도성 고분자층(350)을 포함하되, 금속층(390)은 제1 도전 패턴층(310)의 하면 상에 배치되고 전도성 고분자층(350)은 제1 도전 패턴층(310)의 상면 상에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 기준 전극(205)은 제2 도전 패턴층(210) 상에 배치된 전해질층(250)을 포함하되, 전해질층(250)은 제2 도전 패턴층(210)의 상면 상에 배치될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 pH 센서(16)는 베이스(100) 및 베이스(100) 상에 배치되어 서로 제1 방향(X)으로 이격되고 각각 제2 방향(Y)으로 연장된 센싱 전극(306) 및 기준 전극(206)을 포함하되, 센싱 전극(306)과 기준 전극(206)이 대략 구불구불한 형상인 점이 전술한 실시예에 따른 센서와 상이한 점이다.
제1 도전 패턴층(316) 및 제2 도전 패턴층(216)은 각각 평면상 'S'자와 같은 곡선 형상으로 구불구불(serpentine)한 형상을 가질 수 있다. 또, 제1 도전 패턴층(316) 및 제2 도전 패턴층(216) 상에 배치된 전도성 고분자층(356) 및/또는 전해질층(256) 또한 도전 패턴층들과 상응하는 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 센서(16)는 베이스(100)의 제2 방향(Y)으로의 신축에도 불구하고 우수한 내구성을 나타낼 수 있다. 도면으로 표현하지 않았으나, 전도성 고분자층(356) 및/또는 전해질층(256) 상에는 절연층이 배치됨은 전술한 바와 같다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 pH 센서의 모식화한 사시도이다. 도 12는 도 11의 pH 센서의 단면도로서, 도 3과 대응되는 위치를 나타낸 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 pH 센서(17)는 베이스(100) 상에 배치된 센싱 전극(307) 및 기준 전극(207)을 포함하되, 센싱 전극(307)의 전도성 고분자층(357) 및/또는 기준 전극(207)의 전해질층(257)이 그루브(groove)를 갖는 형상인 점이 전술한 실시예에 따른 센서와 상이한 점이다.
전도성 고분자층(357) 또는 전해질층(257)의 그루브는 대략 제1 방향(X)으로 연장된 형상이고, 제2 방향(Y)을 따라 반복 배열될 수 있다. 본 실시예에 따른 센서(17)는 창상 피복재 등에 적용되어 제1 방향(X) 및/또는 제2 방향(Y)으로의 우수한 신축성이 요구될 수 있다. 그러나 신축 과정에서 전도성 고분자층(357)과 전해질층(257), 특히 그 소재 특성상 유연성이 상대적으로 부족한 전해질층(257)이 신장 과정에서 손상될 수 있고, 이 경우 센서(17)의 측정 신뢰도를 저하시킬 수 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 센서(17)의 신장에도 불구하고 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)이 제1 도전 패턴층(310) 또는 제2 도전 패턴층(210)으로부터 탈락하지 않는 구조를 제안한다. 즉, 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)이 각각 제1 방향(X)으로 연장된 다수의 그루브를 갖는 형상을 가짐으로서 센서(17)가 제2 방향(Y)으로 신장되는 경우에도 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)의 손상을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)은 각각 제2 방향(Y)으로 이격된 복수의 서브 패턴들을 포함할 수 있다. 전도성 고분자층(357)의 복수의 서브 패턴들은 적어도 부분적으로 제1 도전 패턴층(310) 상에 배치될 수 있다. 마찬가지로 전해질층(257)의 복수의 서브 패턴들은 적어도 부분적으로 제2 도전 패턴층(210) 상에 배치될 수 있다.
도 11 등은 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)이 제1 방향(X)으로 연장되고 제2 방향(Y)으로 이격 배열된 복수의 그루브를 형성하도록, 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)이 각각 제2 방향(Y)으로 이격되어 복수개로 분할된 복수의 서브 패턴들을 포함하여 이루어진 경우를 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예에서, 전도성 고분자층(357) 및/또는 전해질층(257)은 각각 상면 상에 형성된 그루브를 가지되, 일체로 형성된 상태일 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 전도성 고분자층 및/또는 전해질층은 각각, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)으로 연장된 복수의 그루브를 가질 수 있다. 이 경우 전도성 고분자층과 전해질층을 구성하는 복수의 서브 패턴들은 대략 매트릭스 배열될 수 있다.
이상에서 다양한 실시예에 따른 pH 센서에 대해 설명하였으나, 본 기술분야에 속하는 통상의 기술자는 전술한 것과 같은 구조를 갖는 pH 센서의 제조 방법 또한 명확히 이해할 수 있을 것이다.
이하, 실험예를 더 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
<제조예 1>
폴리에스터 직물 상에 80㎛ 두께의 TPU(thermoplastic poly urethane) 필름을 열압착하였다. 그리고 센싱 전극과 기준 전극을 형성하기 위해 마스크를 준비하였다. 전극 형상의 개구를 갖는 마스크를 이용해 Ag 페이스트(loctite® EDAG 479SS E&C, Hankel)를 닥터 블레이드 방식으로 인쇄하여 센싱 전극의 제1 도전 패턴층을 형성하였다. 마찬가지로 전극 형상의 개구를 갖는 마스크를 이용해 Ag/AgCl 페이스트(01146 Ag/AgCl inks, BAS Inc)를 닥터 블레이드 방식으로 인쇄하여 기준 전극의 제2 도전 패턴층을 형성하였다. 그 다음 페이스트가 인쇄된 센서를 60℃에서 1시간 동안 건조 및 경화하였다. 그 다음 마스크를 제거하였다.
한편, 탄소나노튜브, 아가로스 및 폴리아닐린의 혼합물을 혼합하여 전도성 고분자 조성물을 준비하였다. 그리고 전도성 고분자 조성물을 제1 도전 패턴층의 경화된 부분 위에 도포하여 전도성 고분자층을 형성하였다. 전도성 고분자층의 형성은 마스크 및 닥터 블레이드 방식을 이용하였다. 그리고 상온에서 2시간 동안 건조하고 마스크를 제거하였다.
또, 염화칼륨(99.0%, Samchun)과 에코플렉스(ecoflexTM 00-30, Smooth-on)를 1:1 질량비로 혼합하여 KCl 페이스트를 준비하였다. 그리고 KCl 페이스트를 제2 도전 패턴층의 경화된 부분 위에 도포하여 전해질층을 형성하였다. 전해질층의 형성은 마스크 및 닥터 블레이드 방식을 이용하였다. 그리고 상온에서 2시간 동안 건조하고 마스크를 제거하였다. 준비된 전해질층은 투명하였다.
전해질층의 성분을 확인하기 위해 X선 분석(EDS)을 수행한 결과는 하기 표 1 및 도 13에 나타내었다.
O-K Si-K Cl-K K-K
weight% 17.20 43.82 21.37 17.61
atom% 29.14 42.30 16.35 12.21
그 다음 전해질층을 보호하고 전해질 내 염화칼륨이 완충 용액으로 빠르게 누출되는 것을 방지하기 위해 전해질층 및 전도성 고분자층의 일부분 상에 DM-ENC-2500(Docotec materials)을 30㎛ 두께로 얇게 도포한 후 120℃에서 10분 동안 건조함으로써 절연층을 형성하였다.
<실험예 1>
제조예 1에서 준비된 pH 센서를 이용하여 다양한 pH 범위에서 전위차를 측정하였다. 이 때 센싱 전극과 기준 전극 간의 전위차를 전기화학 임피던스 분광계(Electrochemical Impedance Spectrometer, SP-200, biologic)를 이용해 측정하였다. 사용한 소프트웨어는 EC-Lab이었다. pH를 측정하기 위한 완충 용액은 pH 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0(±0.02(25℃), Samchun)으로 준비하였다.
그리고 그 결과를 도 14에 나타내었다. 도 14를 참조하면, 다양한 pH 범위에서 우수한 센싱 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
Bending&Stretchable Machine System(SnM) 장비를 이용하여 제조예 1에서 준비된 pH 센서의 전도성 고분자층 및 전해질층 부분을 대상으로 반복 굽힘을 수행하였다. 굽힘 반경은 4mm였다. 반복 굽힘을 1,000회 반복한 후 실험예 1과 동일한 방법으로 다양한 pH 범위에서 전위차를 측정하였다. 그리고 그 결과를 도 15에 나타내었다. 도 15를 참조하면, 반복 굽힘 후에도 다양한 pH 범위에서 우수한 센싱 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
<제조예 2>
폴리에스터 직물을 이용한 제조예 1과 달리 두께 1.5mm의 폴리우레탄 필름 상에 센싱 전극과 기준 전극을 형성하여 pH 센서를 제조하였다. 이 때 TPU 필름은 이용하지 않았다. 센싱 전극과 기준 전극의 형상은 전술한 도 10의 실시예와 같이 구불구불한 형상으로 하였다. 그 외 제1 도전 패턴층, 제2 도전 패턴층, 전도성 고분자층, 전해질층 및 절연층을 형성하는 방법은 제조예 1과 동일하게 하였다. 그리고 제조예 2에 따라 준비된 pH 센서를 도 16에 나타내었다.
<제조예 3>
센싱 전극과 기준 전극을 구불구불한 형상이 아니라 바 형상으로 준비한 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법으로 pH 센서를 준비하였다. 그리고 pH 센서의 센싱 전극과 기준 전극에 별도 제작된 임피던스 측정기 및 pH 값 출력 장치를 연결하였다. 제조예 3에 따라 준비된 pH 센서를 도 17에 나타내었다. 제조예 3에 따라 준비된 pH를 이용해 완충 용액의 pH를 측정할 경우 신뢰성 있는 pH 값을 센싱하는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 범위는 이상에서 예시된 기술 사상의 변경물, 균등물 내지는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: pH 센서
100: 베이스
200: 센싱 전극
300: 기준 전극

Claims (15)

  1. 제1 베이스층 및 제1 베이스층 보다 다공성이 큰 제2 베이스층이 순차 적층된 베이스; 및 상기 제2 베이스층 상에서 서로 이격되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되,
    상기 제1 전극은 제1 도전 패턴층과 적층된 전도성 고분자층을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 도전 패턴층과 적층된 전해질층을 포함하는, pH 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 도전 패턴층 상에서 상기 전도성 고분자층과 비중첩 배치되는 금속층을 더 포함하는 pH 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴층은 상기 전도성 고분자층 및 금속층과 맞닿되, 상기 전도성 고분자층과 금속층은 이격되는 pH 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전 패턴층 및 제2 도전 패턴층은 서로 동일한 종류의 금속을 포함하되, 상기 제2 도전 패턴층은 상기 금속의 염을 더 포함하는 pH 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전해질층은 상기 금속의 염의 음이온과 동일한 원소를 갖는 염을 포함하는 pH 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 베이스층은 제1 베이스층에 비해 큰 두께를 가지고, 상기 제1 베이스층은 폴리에스터, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌을 포함하고, 상기 제2 베이스층은 폴리우레탄을 포함하는 pH 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 베이스층은 상기 제1 전극 또는 제2 전극과 중첩하는 개구를 가지고, 상기 개구를 통해 상기 제1 도전 패턴층 또는 제2 도전 패턴층은 제1 베이스층과 맞닿는 pH 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는, 적어도 부분적으로 제1 베이스층과 제2 베이스층 사이에 개재되고, 상기 제1 베이스층 보다 다공성이 작은 지지층을 더 포함하는 pH 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지층의 평면상 면적은 상기 제1 베이스층 또는 제2 베이스층 보다 작은 pH 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 베이스층은 상기 제1 전극 또는 제2 전극과 중첩하는 개구를 가지고, 상기 개구를 통해 상기 지지층이 노출되어 제1 도전 패턴층 또는 제2 도전 패턴층과 맞닿는 pH 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층은 제1 방향으로 연장되고, 제2 방향으로 이격된 복수의 그루브를 갖는 pH 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전해질층은 상기 그루브를 형성하도록 제2 방향으로 이격된 복수의 서브 패턴들을 포함하는 pH 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 베이스층 상에 배치되고, 상기 베이스를 관통하여 상기 제1 전극 및 제2 전극과 도통되어 pH를 시각적으로 표시하는 표시자를 더 포함하는 pH 센서.
  14. 제1항에 따른 pH 센서를 포함하는 창상 피복재.
  15. 제1 베이스층 및 제1 베이스층 보다 다공성이 큰 제2 베이스층을 포함하는 베이스를 준비하고,
    상기 베이스 상에 서로 이격된 제1 도전 패턴층 및 제2 도전 패턴층을 배치하고,
    상기 제1 도전 패턴층 상에 전도성 고분자층을 배치하고,
    상기 제2 도전 패턴층 상에 전해질층을 배치하는 것을 포함하는 pH 센서의 제조 방법.
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