KR20230106786A - 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 그래핀 채널, 이를 포함한 바이오 센서 및 웨어러블 기기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 그래핀 채널, 이를 포함한 바이오 센서 및 웨어러블 기기에 관한 것으로, 맥박 신호를 증폭하고, 맥박을 직접적으로 측정할 수 있으며, 맥박 수와 세기 뿐만 아니라 부정맥도 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 그래핀 채널, 이를 포함한 바이오 센서 및 웨어러블 기기에 관한 것이다.
맥박은 심장 박동에 따라 일어나는 동맥의 주기적인 파동을 뜻하며, 심장 수축에 따른 혈액의 파동을 1분에 뛰는 횟수를 의미한다. 맥박은 심장을 직접적으로 측정할 수 있는 요소로써, 신체에 물리적 영향, 화학적 영향, 생물학적 영향을 받거나 체내 이상이 생기면 그 수와 세기 등이 변하기 때문에 현재의 건강상태를 파악할 수 있다. 특히, 100회 이상의 빈맥과 60회 미만의 서맥의 불규칙한 맥박(부정맥)을 측정하는 것은 중요한 요소이다. 심근경색, 심부전 등의 심장질환의 환자의 경우 부정맥 측정 및 맥박 모니터링으로 건강상태 변화를 확인하는 것이 필요하고, 군사적으로 화생방 노출시 군사들의 맥박변화로 건강상태 이상현상을 빠르게 파악할 수 있다.
일반적으로 맥박 측정은 요골동맥(손목동맥)에서 느끼는 맥박수와 일치하기 때문에, 오른손 두 번째와 세 번째, 네 번째 손가락의 지문이 있는 부위로 왼쪽 손목부위(요골동맥)에 가볍게 대고 맥박 수를 1분간 측정하나, 사람에 따라 주관적으로 느끼게 된다.
기존의 맥박 측정기 또는 웨어러블 맥박측정 방식은 간접적으로 수행된다. 즉, 측정장비에서 녹색 LED를 쏘아 피부에서 흡수하고, 요골동맥에서 반사된 빛이 변하는 것을 센서가 인식하여 맥박을 측정하며, 심장이 박동할 때마다 동맥의 혈류가 변하는 것을 광센서로 인식하여 기록하게 된다. 그러나, 혈압 또는 혈류가 증가한다고 하여 반드시 맥박의 수와 세기가 변하는 것은 아니므로 오차가 발생하게 된다.
따라서, 맥박 신호를 증폭하고, 맥박을 직접적으로 측정할 수 있으며, 맥박 수와 세기 뿐만 아니라 부정맥도 측정할 수 있는 바이오 센서의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함하는 그래핀 채널과 이를 포함하는 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함하는 그래핀 채널이 신호를 증폭시키는 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 종래 기술에서 광센서를 이용하여 동맥의 혈류가 변하는 것을 측정함으로써 맥박수를 간접적으로 측정하는 것과는 달리, 요골동맥에서 맥박을 직접적으로 감지하여 신체적 신호를 직접적으로 측정할 수 있는 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 맥박 수와 세기 뿐만 아니라 부정맥을 측정하여, 심근경색, 심부전 등의 심장질환을 발견 및 모니터링할 수 있는 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 신체 또는 피복에 부착이 용이한 그래핀 채널, 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀층; 및 그래핀 나노입자층; 을 포함하는, 그래핀 채널을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 나노입자층은 상기 그래핀층 상에 배치된 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 채널은 웨어러블 기기에 사용되는 것 일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 배치된 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하는, 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 필름은 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 제조된 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 나노입자층은 적층 그래핀 나노섬유(stacked Graphene nanofibers, SGNF)로부터 제조된 적층 그래핀 나노디스크인 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 그래핀 나노입자층은 그래핀 나노디스크 간의 접촉 표면적이 증가하여 전기적 신호를 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 센서는 전극을 더 포함하는 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 센서는 맥박 측정에 사용되는 것 일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 배치된 전극; 상기 전극 상에 배치된 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하는, 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 실크 필름인 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극은 금속 박막을 포함하는 것 일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 배치된 전극; 상기 전극 상에 배치된 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하고, 상기 그래핀 필름 상에 그래핀 나노입자층이 고정된 그래핀 채널이 신호를 증폭하는, 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 센서는 요골동맥의 맥박수와 세기를 직접적으로 측정하는 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 센서는 맥박의 불규칙한 리듬을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오 센서는 신체 또는 피복 상의 부착을 위한 것 일 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 상기 바이오 센서를 포함하는, 웨어러블 기기를 제공한다.
본 발명은 그래핀 채널과 이를 포함하는 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 그래핀 채널과 이를 포함하는 바이오 센서 및 웨어러블 기기는 신체 신호를 증폭하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 그래핀 채널을 포함하는 바이오 센서 및 웨어러블 기기는, 종래 기술에서 광센서를 이용하여 동맥의 혈류가 변하는 것을 측정함으로써 맥박수를 간접적으로 측정하는 것과는 달리, 요골동맥에서 맥박을 직접적으로 감지하여 맥박 수/세기를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 그래핀 채널을 포함하는 바이오 센서 및 웨어러블 기기는, 맥박 수와 세기 뿐만 아니라 부정맥을 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 신체 또는 피복에 부착이 용이한 그래핀 채널, 바이오 센서 및 웨어러블 기기를 제공하는데 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥박센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 그래핀 나노디스크의 제조방법을 나타내는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 실크 필름 상에 전극을 형성한 것의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 층의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노입자층의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(실크 필름), 전극, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서의 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥박센서의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9a은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10a은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간의 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 빈맥성 부정맥 모사 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간 빈맥성 부정맥 모사 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 그래핀 나노디스크의 제조방법을 나타내는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 실크 필름 상에 전극을 형성한 것의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 층의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노입자층의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(실크 필름), 전극, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서의 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥박센서의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9a은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10a은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간의 맥박 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 1분간 빈맥성 부정맥 모사 실시간 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 이용하여 10초간 빈맥성 부정맥 모사 실시간 측정 결과를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
그래핀 채널
본 발명은 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함하는, 그래핀 채널을 제공한다.
그래핀(graphene)는 다양한 분야에서 널리 활용되고 있는데, 구조가 sp2 혼성 탄소 원자로 구성되어 강철보다 높은 강도, 구리보다 높은 열전도도 및 빠른 전자이동으로 인한 높은 전기전도도를 갖도록 하는 이점이 있다.
상기 그래핀층은 그래핀으로 이루어진 층(layer)를 의미한다. 상기 그래핀층의 두께는 0.1 내지 10 nm인 것이 바람직하다. 그래핀층은 기판 상에 화학 증기 증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 그래핀을 합성한 것을 사용하는 것이 바람직하나, 본 발명의 기술분야에서 일반적으로 알려진 그래핀 필름을 사용하거나 통상의 방법으로 제조될 수 있고, 특별히 제한되지 않는다.
상기 그래핀 나노입자층은 나노사이즈의 그래핀으로 된 얇고 작은 면적의 필름의 층으로써, 그래핀 나노디스크 간의 접촉 표면적을 극대화 하여 움직임에 따른 접촉 전기적 신호를 증폭시킬 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브 등의 다른 탄소 소재에 비해 접촉면을 더 많이 가질 수 있다.
상기 그래핀 나노입자층의 직경은 20 nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 10 nm 이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5 nm 이하일 수 있다.
상기 그래핀 나노입자층은 그래핀 나노디스크(grapheme nanodisk)를 포함한 것 일 수 있다. 그래핀 나노디스크는 적층 그래핀 나노섬유(stacked Graphene nanofibers, SGNF)로부터 제조된 적층 그래핀 나노디스크 일 수 있다. 적층 그래핀 나노섬유(stacked Graphene nanofibers, SGNF)는 두께 5~100nm 의 2차원 벌집형 격자 구조의 그래핀 시트를 짧게 쌓아 올린 작은 판으로 구성되어 최대 두께 50 um 정도로 형성되므로, 나노복합체 강화에 효과적 일 수 있다.
상기 적층 그래핀 나노섬유로부터 적층 그래핀 나노디스크 제조하는 방법은, 예를 들면 도 2에 나타낸 바와 같이, 적층 그래핀 나노섬유의 층간에 화합물을 삽입(intercalation)하고, 이에 열처리를 하여 박리하는 방법으로 제조할 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 적층 그래핀 나노섬유에 H2SO4 와 같은 강산 및 KMnO4와 같은 산화제(oxidizing agent)를 첨가하고 열을 가하여 박리시킬 수 있다.
상기 그래핀 나노입자층은 상기 그래핀층 상에 배치된 것 일 수 있다. 구체적으로는, 그래핀층 표면 상에 그래핀 나노입자를 도포한 후 스핀코팅으로 일정한 두께의 층을 형성하고, 상온 건조 및 진공 건조하는 방법을 사용하며, 상기 그래핀층의 그래핀과 그래핀 나노입자층의 그래핀 사이의 π-π 상호작용을 통해 적층시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 모식도를 나타낸 것으로, 그래핀 필름(그래핀층) 상에 그래핀 나노디스크(그래핀 나노입자층)가 배치됨을 확인할 수 있다.
상기 그래핀 채널은 웨어러블 기기에 사용되는 것 일 수 있다. 그래핀층과 그래핀 나노입자층을 포함하는 그래핀 채널은 전도성을 가지고, 얇고 유연하므로, 웨어러블 기기에 사용하기에 매우 적합하다.
바이오 센서
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 배치된 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하는, 바이오 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 배치된 전극; 상기 전극 상에 배치된 그래핀 필름; 및 상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하는, 바이오 센서를 제공한다.
상기 기판은 바람직하게는 유연하고 얇은 박막일 수 있고, 더욱 바람직하게는 실크 필름일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 실크 필름은 유연하고 얇은 박막으로 신체 또는 피복에 부착하는 웨어러블 기기에 매우 적합하다. 상기 기판의 두께는 10 내지 100 um 인 것이 바람직하다.
상기 전극은 상기 기판 상에 배치된 것 일 수 있으며, 금속 박막을 포함하는 것 일 수 있다. 도 1을 참조하면, 소스와 드레인 전극은 기판인 실크 필름과 그래핀 층인 그래핀 필름 사이에 위치한다. 도 3을 참조하면, 기판인 실크 필름 상에 형성된 전극이미지를 확인할 수 있다.
상기 그래핀 필름과 그래핀 나노입자층에 대한 설명은 상기 그래핀 채널에서 설명한 바와 중복되므로 생략한다.
상기 그래핀 필름 상에 그래핀 나노입자층이 고정된 그래핀 채널이 신호를 증폭할 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 맥박에 따른 요골동맥의 움직임에 따라 그래핀층과 그래핀 나노입자층에 포함된 그래핀이 구부러지고 펴짐(bending/stretching)에 따른 신호를 발생하게 되고, 1) 그래핀층에서 발생하는 신호, 2) 그래핀 나노입자층(그래핀 나노디스크)에서 발생되는 신호, 및 3) 그래핀층 및 그래핀 나노입자층 사이에서 발생되는 신호의 3가지 신호를 동시에 확인함에 따라 신호 증폭이 일어나게 된다.
도 8a 내지 도 11b을 참조하면, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층의 나노복합재 사용시 저항변화율을 향상시켜 맥에 의한 피부 팽창/이완을 더 민감하게 측정 및 관찰할 수 있다. 이는 도 8a 내지 도 8b의 그래핀층 만을 포함한 바이오센서는 0.3%의 민감도를 나타내고, 도 9a 내지 도 9b의 그래핀 나노입자층 만을 포함한 바이오센서는 3.5%의 민감도를 나타내는데 반해, 도 10a 내지 도 10b, 도 11a 내지 도11b의 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함하는 바이오센서는 27 ~ 30%의 민감도를 나타냄을 통해 확인할 수 있다. 즉, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 경우, 그래핀층 만을 포함한 경우 보다 100배 향상된 민감도를 나타내고, 그래핀 나노입자층 만을 포함한 경우보다 10배 향상된 민감도를 나타낸다.
상기 바이오 센서는 신체적인 신호를 측정하는데 이용될 수 있고, 바람직하게는 맥박 측정에 사용되는 것 일 수 있다. 특히, 요골동맥의 맥박수와 세기를 직접적으로 측정하는 것 일 수 있다. 맥박수는 1분 동안의 주기수로 판단되며, 맥박세기는 저항변화율로 관찰이 가능하다. 예를 들면, 맥박 등의 신체적 신호가 그래핀 채널에 의해 직접적으로 감지되고, 이것이 전기적인 신호로 변환되어 맥박수와 맥박세기가 측정될 수 있다. 직접적으로 측정 또는 감지하는 것은 손목의 요골동맥에서 맥박으로 인한 물리적으로 움직임을 측정 또는 감지하는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥박센서는 맥박수와 맥박세기 뿐만 아니라 맥박의 불규칙한 리듬을 측정하여 부정맥을 확인할 수 있다. 부정맥이란 심장이 불규칙한 리듬이나 비정상적인 심박동수를 갖는 것을 의미한다. 서맥성 부정맥이란 심장 박동 또는 맥박이 정상 이하로 느려지는 부정맥으로, 현기증, 실신, 가슴 두근거림, 호흡곤란, 무력감 등의 증상을 유발하고, 빈맥성 부정맥이란 부정맥 가운데 심장 박동이나 맥박이 빨라지는 부정맥으로, 가슴 두근거림, 호흡곤란, 현기증, 실신, 심장마비 등의 증상을 유발할 수 있다. 도 11a 및 도 11b와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서는 맥박수와 맥박세기 뿐만 아니라 맥박의 리듬이나 패턴을 30% 정도의 높은 감도로 측정할 수 있다. 따라서, 맥박이 불규칙한 리듬을 나타내는 경우에도 이를 매우 높은 감도로 측정함으로써 부정맥, 심근경색 등을 발견해 낼 수 있다.
상기 바이오 센서는 신체 또는 피복 상의 부착을 위한 것 일 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 유연하고 얇은 박막으로 된 기판, 전도성을 가지고 얇고 유연한 그래핀 채널 및 금속 박막을 포함하는 전극을 포함하므로, 전체적으로 얇고 유연하여 신체 또는 피복 상에 부착하기에 적합하다. 따라서, 신체 또는 피복 상에 부착하게 되는 웨어러블 기기에 사용되기에 적합하다.
웨어러블 기기
본 발명은 상기의 바이오 센서를 포함하는, 웨어러블 기기를 제공한다.
본 발명에 따른 웨어러블 기기는 상기 바이오 센서를 포함하고, 상기 바이오 센서는 전술한 바와 같이 전체적으로 얇고 유연하여 신체 또는 피복 상에 부착하기에 적합하므로, 신체 또는 피복 상에 부착하게 되는 웨어러블 기기에 사용되기에 적합하다.
실시예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 실크 필름의 제조
실크 필름은 누에고치를 구입하여 직접 제조하였다. 누에고치를 탄산나트륨 용액에서 실타래 형태로 제조하여 건조시키고, 이를 리튬브로마이드 용액에서 모두 녹였다. 투석팩으로 물에서 24시간 투석한 용액으로 기판상에서 건조한 후, 기판에서 뜯어내어 필름을 보관하였다.
제조예 2: 전극 형성
실시예 1에서 제조된 실크 필름 상에 쉐도우 마스크를 고정화여 전자빔 증착기를 활용하여 100 nm의 금박막을 형성시켜 전극을 형성하였다. 도 3을 참조하면 실크 필름 기판에 형성된 전극을 확인할 수 있다.
제조예 3: 그래핀 채널 및 바이오 센서 제조
그래핀 필름의 제조방법은 다음과 같다. 탄화로 상에 구리 필름을 넣고 1000 ℃에서 수소와 메탄을 주입하여 단일층 그래핀을 제조하고, 구리 에칭 용액 상에서 구리를 제거하여 제조하였다.
그래핀 나노입자의 제조방법은 다음과 같다. 그래핀 나노섬유에 H2SO4 및 KMnO4를 첨가하고 약 12시간 동안 약한 열을 가한 후, 여러 번의 원심분리를 통하여 pH를 최대한 중성으로 맞춰준다. 이후, pH가 7에 가까워 질 때까지 투석을 하고 원심분리를 통하여 얻어진 pellet을 수분이 없어질 때까지 오븐에서 말려준다. 얻어진 물질을 증류수와 섞어 ultrasonication 진행한 뒤 사용하였다.
그래핀 채널은 상기 그래핀 필름 표면 상에 그래핀 나노입자를 도포 후 스핀코팅으로 일정한 두께의 층을 형성하고, 상온 건조 및 진공건조하는 방법을 사용하며, 각 그래핀 물질간의 π-π 상호작용을 통해 적층시켜 제조하였다.
바이오 센서는 상기 그래핀 채널을 상기 전극이 형성된 기판에 고진공 및 100 ℃ 이상의 고온의 열처리를 통하여 고정시켜 제조하였다.
도 4은 그래핀층의 투과전자현미경(TEM) 이미지이고, 도 5는 그래핀 나노입자층(그래핀 나노디스크)의 투과전자현미경(TEM) 이미지로서, 각 층에 형성된 그래핀의 형태를 확인하기 위한 것이다. 이에 따르면, 그래핀의 육각 형태가 확인됨으로써 그래핀층 및 그래핀 나노입자층이 성공적으로 제조 되었음을 확인하였다.
상기와 같이 제조된 바이오 센서(기판, 전극, 그래핀 필름 및 그래핀 나노입자층)의 두께는 0.07 mm (70 μm)이고, 무게는 85 mg으로 측정되어, 본 발명에 따른 바이오 센서는 초경량 임을 확인하였다.
실시예 1: 전기적 특성 확인
상기 제조예 1 내지 3에 따라 제조된 바이오센서에 대해 전도도를 측정하였고, 그 결과를 도 7로 나타내었다.
도 7에 따르면, 바이오 센서에 저항이 존재하는 전극이 형성되었음을 확인하였다. 따라서, 상기 제조된 바이오 센서는 요골동맥에 부착 시 저항변화를 측정할 수 있는 전기적 센서 플랫폼임을 알 수 있다.
실시예 2: 맥박센서 실시간 측정결과
상기 제조예와 같이 제조하되, 그래핀 채널에 (a) 그래핀층 만을 포함한 맥박센서, (b) 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서, (c) 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서를 제조하고, 이를 이용하여 동일인의 맥박을 측정하고, 그 결과를 도 8a 내지 11b에 나타내었다. 이 때, 각 그래프의 y축 저항변화를 통해 각 맥박센서의 민감도를 확인할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 그래핀층 만을 포함한 맥박센서로 1분(도 8a)과 10초(도 8b) 동안 맥박을 측정한 결과로, 맥박수는 1분에 78회로 측정되었고, 맥박세기는 0.3%의 민감도로 측정되었다.
도 9a 및 도 9b는 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서로 1분(도 9a)과 10초(도 9b) 동안 맥박을 측정한 결과로, 맥박수는 1분에 90회로 측정되었고, 맥박세기는 3.5%의 민감도로 측정되었다.
도 10a 및 도 10b는 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서로 1분(도 10a)과 10초(도 10b) 동안 맥박을 측정한 결과로, 맥박수는 1분에 72회로 측정되었고, 맥박세기는 30%의 민감도로 측정되었다.
도 11a 및 도 11b는 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서로 1분(도 11a)과 10초(도 11b) 동안 빈맥성 부정맥 맥박을 측정한 결과로, 맥박수는 1분에 126회로 측정되었고, 맥박세기는 27%의 민감도로 측정되었다.
도 8a 내지 11b를 참조하면, 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 맥박센서(도 10a-10b, 도 11a-11b)가, 그래핀층 만을 포함한 맥박센서(도 8a-8b)에 비해 100배 향상된 민감도를 나타내고, 그래핀 나노입자층 만을 포함한 맥박센서(도 9a-9b)에 비해 10배 향상된 민감도를 나타냄을 확인하였다.
지금까지 본 발명에 따른 그래핀층 및 그래핀 나노입자층을 포함한 그래핀 채널, 이를 포함한 바이오 센서 및 웨어러블 기기에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지고, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (17)
- 그래핀층; 및
그래핀 나노입자층; 을 포함하는,
그래핀 채널.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 나노입자층은
상기 그래핀층 상에 배치된 것을 특징으로 하는,
그래핀 채널.
- 제1항에 있어서,
웨어러블 기기에 사용되는 것을 특징으로 하는
그래핀 채널.
- 기판;
상기 기판 상에 배치된 그래핀 필름; 및
상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하는,
바이오 센서.
- 제4항에 있어서,
상기 그래핀 필름은
화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 제조된 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제4항에 있어서,
상기 그래핀 나노입자층은
적층 그래핀 나노섬유(stacked Graphene nanofibers, SGNF)로부터 제조된 적층 그래핀 나노디스크인 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 그래핀 나노입자층은
그래핀 나노디스크 간의 접촉 표면적이 증가하여 전기적 신호를 증폭시키는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제4항에 있어서,
전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제4항에 있어서,
맥박 측정에 사용되는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 기판;
상기 기판 상에 배치된 전극;
상기 전극 상에 배치된 그래핀 필름; 및
상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하는,
바이오 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 기판은
실크 필름인 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 전극은 금속 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 기판;
상기 기판 상에 배치된 전극;
상기 전극 상에 배치된 그래핀 필름; 및
상기 그래핀 필름 상에 배치된 그래핀 나노입자층; 을 포함하고,
상기 그래핀 필름 상에 그래핀 나노입자층이 고정된 그래핀 채널이
신호를 증폭하는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제13항에 있어서,
요골동맥의 맥박수와 세기를 직접적으로 측정하는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제13항에 있어서,
맥박의 불규칙한 리듬을 측정하여 부정맥을 확인하는 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제13항에 있어서,
신체 또는 피복 상의 부착을 위한 것을 특징으로 하는,
바이오 센서.
- 제4항 내지 제16항 중 어느 한 항의 바이오 센서를 포함하는,
웨어러블 기기.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023132639A1 (ko) | 2023-07-13 |
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