KR101533954B1 - 수은 센서 - Google Patents
수은 센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101533954B1 KR101533954B1 KR1020130159142A KR20130159142A KR101533954B1 KR 101533954 B1 KR101533954 B1 KR 101533954B1 KR 1020130159142 A KR1020130159142 A KR 1020130159142A KR 20130159142 A KR20130159142 A KR 20130159142A KR 101533954 B1 KR101533954 B1 KR 101533954B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- graphene
- mercury
- fluid
- inspected
- sensor
- Prior art date
Links
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 124
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 88
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 94
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 78
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 44
- -1 mercury ions Chemical class 0.000 claims description 38
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 24
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 7
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 3
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 3
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 3
- 230000007480 spreading Effects 0.000 claims description 3
- 238000003892 spreading Methods 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000001802 infusion Methods 0.000 claims description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 50
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 31
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 15
- BQPIGGFYSBELGY-UHFFFAOYSA-N mercury(2+) Chemical compound [Hg+2] BQPIGGFYSBELGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N rhodamine B Chemical class [Cl-].C=12C=CC(=[N+](CC)CC)C=C2OC2=CC(N(CC)CC)=CC=C2C=1C1=CC=CC=C1C(O)=O PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- YXIWHUQXZSMYRE-UHFFFAOYSA-N 1,3-benzothiazole-2-thiol Chemical compound C1=CC=C2SC(S)=NC2=C1 YXIWHUQXZSMYRE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N Magnesium ion Chemical compound [Mg+2] JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000009754 Vitis X bourquina Nutrition 0.000 description 1
- 235000012333 Vitis X labruscana Nutrition 0.000 description 1
- 235000014787 Vitis vinifera Nutrition 0.000 description 1
- 240000006365 Vitis vinifera Species 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N Zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000006931 brain damage Effects 0.000 description 1
- 231100000874 brain damage Toxicity 0.000 description 1
- 208000029028 brain injury Diseases 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WLZRMCYVCSSEQC-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+) Chemical compound [Cd+2] WLZRMCYVCSSEQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 229910001429 cobalt ion Inorganic materials 0.000 description 1
- XLJKHNWPARRRJB-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+) Chemical compound [Co+2] XLJKHNWPARRRJB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001431 copper ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005685 electric field effect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000037406 food intake Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000518 lethal Toxicity 0.000 description 1
- 230000001665 lethal effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 description 1
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 1
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
- G01N27/08—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid which is flowing continuously
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/18—Water
- G01N33/1813—Specific cations in water, e.g. heavy metals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1606—Graphene
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
본 발명의 목적은, 측정 범위, 사용 의 용이성, 부피 감소 등의 다양한 측면에 있어서 기존 연구의 한계점을 극복할 수 있도록, 그래핀(graphene) 및 금으로 이루어진 간단한 구조를 가지면서도, 1나노몰 수준의 저농도 수은을 검출해 낼 수 있는 수은 센서를 제공함에 있다.
Description
본 발명은 수은 센서에 관한 것으로, 종래에 비하여 보다 간단한 구조를 가져 제작 및 생산이 용이하면서도 정밀도를 더욱 높일 수 있도록 새로운 구조로 만들어진 수은 센서에 관한 것이다.
수은은 과거에는 다양한 기술 분야에 걸쳐 건전지나 온도계 등과 같은 일상적인 생활 용품에까지 널리 사용되었던 물질이나, 수은에 접한 인체에 뇌손상, DNA 변형과 같은 치명적인 결과가 초래된다는 점이 밝혀지면서 위험성이 크게 부각되었다. 이에 따라 최근에는 수은의 사용 범위가 제한되고 있어, 수은의 독성 증기에 직접 노출되어 받게 되는 문제는 크게 줄어들었으나, 아직도 수은 중독된 어류 혹은 오염된 물을 이용해 생산된 식품의 섭취로 인한 간접 중독 문제가 남아있는 것이 사실이다.
물론 수은 뿐만 아니라 아연, 카드뮴, 납, 비소, 철, 망간, 알루미늄, 세레늄, 크롬 등과 같은 여러 중금속의 경우 인체에 각종 해로운 영향을 끼치기 때문에, 다양한 형태로 존재하는 중금속 혹은 이의 화합물을 모니터링할 수 있는 수많은 검사법이 개발되어 왔다. 이 중 특히 수은의 경우, 실제 우리나라의 수돗물 측정기준을 보면 다른 중금속의 경우 몇 ppm 이하이면 허용한다는 허용 기준치가 있는 반면 수은은 검출되지 말아야 한다는 기준이 설정되어 있는 것으로만 보아도 알 수 있는 바와 같이 인체 및 환경에 매우 위험한 물질이다. 따라서 특히 물 속에 함유된 수은을 최대한 정밀하게 측정해 내는 것이 필요하다.
종래에는 물 속의 수은을 측정하기 위해서, 분광학(spectroscopy) 방식 또는 FET형 전해질 이온 센서를 사용하는 방식이 주로 사용되었다. 분광분석기는 시료에 광을 통과시켜 나온 광신호 스펙트럼을 분석함으로써 시료 내 물질의 성분을 측정하는 것으로서, 다양한 성분의 측정이 가능하지만 장비 자체가 크고 비싸며 측정하기 위한 준비 작업이나 측정 단계 자체가 복잡한 등의 문제가 있다. FET형 전해질 이온 센서의 경우 전계효과를 이용하여 측정하기 때문에 분광분석 방식에 비해서는 보다 편리한 측정이 가능하나, 현재 측정 가능한 정도에 한계가 있어 보다 정밀도를 개선할 필요가 있다. 그 외에 기존의 상용화된 수은 측정 장치의 경우, 수은 증기를 발생시키고 이를 포집함으로써 측정이 이루어지도록 하는 방식을 사용하기도 한다.
한국특허공개 제2010-0107158호("수은 측정 센서프로브, 이의 제조방법 및 이를 이용한 수은센서", 2010.10.05, 이하 선행기술 1)에도 수은 측정을 위한 센서 프로브 기술이 개시된다. 선행기술 1의 수은 측정센서 프로브는, 검지 대상 액체에 접촉하여 수은과 화학 반응을 유도하여 전기 신호를 생성하는 화학반응 부재를 가지며, 카본 그래파이트, 미네랄 오일, 화학반응 부재(ex. 2-머캡토벤조디아졸(2-mercaptobenzothiazole)), 바인더(ex. 테트라에틸오소실리케이트(Tetraethylorthosilicate))의 혼합비율을 조절하여 민감도 및 검출한계를 높이는 기술내용이 소개되어 있다. 그러나 상기 선행기술에 의한 수은 센서는 10-6M 수준의 정밀도밖에는 가지지 못함이 명시적으로 기재되어 있다.
한국특허공개 제2010-0090994호("신규 로다민 유도체 및 이를 포함하는 수은 이온 검출용 센서 ", 2010.08.18, 이하 선행기술 2)에는 신규한 로다민 유도체 물질을 사용하여 나노몰(10-9M) 수준의 정밀도를 얻을 수 있는 수은 이온 검출 기술이 개시된다. 보다 구체적으로는, 선행기술 2에서 만들어낸 로다민 유도체와 수은 이온을 혼합하여 형광 스펙트럼을 검출함으로써 수은 농도를 측정하는 방식이다. 이러한 방식은 근본적으로는 앞서 설명한 분광 방식을 사용하는 것으로서, 비록 선행기술 1과 같은 센서에 비해서는 높은 정밀도의 수은 검출이 가능하기는 하지만 분광 방식 자체가 가지는 문제점(장비가 크고 비싸며 사용이 어려움 등)을 그대로 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 그래핀(graphene) 및 금으로 이루어진 간단한 구조를 가지면서도, 1나노몰 수준의 저농도 수은을 검출해 낼 수 있는 수은 센서를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수은 센서는, 제1방향 및 제1방향에 수직한 제2방향을 따라 펼쳐지는 2차원 평면 형태의 기판(110); 상기 기판(110) 상에 제1방향으로 서로 이격 배치되는 한 쌍의 전극(120); 제1방향의 양단이 한 쌍의 상기 전극(120)에 접촉하도록 상기 기판(110) 상에 배치되는 그래핀(130); 제2방향으로 연장되며 상기 그래핀(130)의 제1방향 중간 부분에 배치되는 금선(135); 제1방향으로 연장되며 상기 그래핀(130)에 상응하는 위치를 포함하는 위치에 배치되는 홈 형태로 이루어지는 마이크로채널(145)이 하부에 형성되며, 상기 전극(120), 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)이 배치된 상기 기판(110) 상부를 덮도록 배치되는 실링부(140); 를 포함하여 이루어져, 상기 마이크로채널(145)을 통해 제1방향으로 흐르도록 유통되는 검사대상유체에 포함된 수은 이온과 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)의 상호작용에 의하여 발생되어 한 쌍의 상기 전극(120)에서 검출되는 전기 신호를 사용하여 검사대상유체 내의 수은 이온의 농도를 측정하도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 금선(135)은, 폭이 수십 μm 범위로 형성되며, 깊이가 수십 nm 범위로 형성될 수 있다. 또한 상기 전극(120)은, 크롬 또는 금 재질로 이루어질 수 있다. 또한 상기 실링부(140)는, PDMS 재질로 이루어질 수 있다.
또한 상기 수은 센서(100)는, 상기 그래핀(130)의 제1방향 일측으로 검사대상유체를 공급하는 공급로(151), 상기 그래핀(130)의 제1방향 타측에 구비되어 제1방향을 따라 상기 그래핀(130) 위를 흘러간 검사대상유체를 배출하는 배출로(152), 상기 공급로(151) 또는 상기 배출로(152) 중 선택되는 적어도 어느 하나에 구비되어 검사대상유체를 유통시키는 주입펌프(153)를 포함하여 이루어지는 유체유통부(150); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 수은 센서의 제작 방법은, 상술한 바와 같은 수은 센서(100)를 제작하는 방법으로서, 상기 기판(110)이 배치되는 단계; 상기 기판(110) 상에 한 쌍의 상기 전극(120)이 패터닝되는 단계; 한 쌍의 상기 전극(120) 사이에 상기 그래핀(130)이 전사되는 단계; 상기 전극(120) 및 상기 그래핀(130) 위에 포토레지스트가 도포되는 단계; 상기 그래핀(130)의 중간 부분 위치에 상기 그래핀(130) 및 상기 기판(110)이 에칭되어 제2방향으로 연장되는 선형 홈이 형성되는 단계; 상기 선형 홈 내에 금이 증착되어 채워짐으로써 상기 금선(135)이 형성되는 단계; 상기 포토레지스트가 제거되는 단계; 상기 실링부(140)가 상기 전극(120), 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)을 덮도록 배치되어 고정되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 센서의 구조 자체가 그래핀 및 금으로 이루어지는 매우 간단한 구조를 가지기 때문에 종래의 분광분석기 등에 비하여 훨씬 부피(2cm x 2cm x 0.5cm)가 작고 사용이 편리할 뿐만 아니라, 비교적 간단한 방법으로 1나노몰 수준의 극히 저농도의 수은을 측정할 수 있다. 종래에는 일반적으로 사용되는 프로브형 수은 센서의 경우 마이크로몰 수준 정도의 수은을 검출해 낼 수 있을 뿐으로 정밀도가 극히 떨어지며, 분광분석기의 경우 나노몰 수준의 검출이 가능하기는 하나 장비의 부피가 크고 사용이 어려운 등의 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 센서 자체의 부피는 종래의 프로브형 수은 센서 수준보다도 작게 만들 수 있으면서도, 비교적 쉬운 방법을 통해 1나노몰 수준의 극저농도 수은의 검출이 가능할 만큼 높은 정밀도를 가지기 때문에, 종래에 비해 측정 정확성, 사용 편의성, 경제성 등이 비약적으로 향상되는 큰 효과가 있는 것이다.
물론 이처럼 측정 정확성, 사용 편의성, 경제성 등이 향상됨으로써, 종래에 부피 문제나 정밀도 한계 등과 같은 여러 제한 때문에 적용이 어려웠던 여러 분야에의 확대 응용이 가능하다는 효과 또한 있다. 즉 수질 측정 분야에 있어서 종래에 비하여 훨씬 쉽고 간단하면서도 정밀한 수은 검출이 가능하기 때문에, 다양한 제품화 가능성 등을 고려할 수 있는 등 수은 센서의 활용성이 크게 확장되는 큰 효과가 있는 것이다.
또한 본 발명의 수은 센서는 반복 사용을 위한 작업이 단지 물로 세척하는 것으로서 극히 간단하고, 또한 이러한 간단한 세척 작업만으로도 최초의 상태와 같이 되돌아감으로써 얼마든지 반복적인 사용이 가능하기 때문에, 실제 산업 현장에서 의 운용에 있어서 사용자 편의성 향상 및 제품 수명 연장의 큰 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 수은 센서의 기반 구조.
도 2는 본 발명의 수은 센서의 구조.
도 3은 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-6M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 1의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
(Type 1: 그래핀만 구성된 센서)
도 4는 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-6M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
(Type 2: 그래핀과 금선으로 구성된 센서)
도 5는 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-9M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 6은 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-10M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 7, 9, 11은 검사대상이온이 함유되지 않은 물과 10-7M 농도 수준의 검사대상이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 8, 10, 12는 검사대상이온이 함유되지 않은 물과 10-9M 농도 수준의 검사대상이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 13은 본 발명의 수은 센서로 검출 시험 이후 물로 세척한 다음 금선 부위에 남아 있는 잔존 이온을 검출한 결과의 현미경 사진 및 스펙트럼 그래프.
도 14는 본 발명의 수은 센서로 검출 시험 이후 물로 세척한 다음 그래핀 부위에 남아 있는 잔존 이온을 검출한 결과의 현미경 사진 및 스펙트럼 그래프.
도 2는 본 발명의 수은 센서의 구조.
도 3은 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-6M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 1의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
(Type 1: 그래핀만 구성된 센서)
도 4는 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-6M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
(Type 2: 그래핀과 금선으로 구성된 센서)
도 5는 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-9M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 6은 수은 이온이 함유되지 않은 물과 10-10M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 7, 9, 11은 검사대상이온이 함유되지 않은 물과 10-7M 농도 수준의 검사대상이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 8, 10, 12는 검사대상이온이 함유되지 않은 물과 10-9M 농도 수준의 검사대상이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프.
도 13은 본 발명의 수은 센서로 검출 시험 이후 물로 세척한 다음 금선 부위에 남아 있는 잔존 이온을 검출한 결과의 현미경 사진 및 스펙트럼 그래프.
도 14는 본 발명의 수은 센서로 검출 시험 이후 물로 세척한 다음 그래핀 부위에 남아 있는 잔존 이온을 검출한 결과의 현미경 사진 및 스펙트럼 그래프.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 수은 센서를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 종래의 다양한 수은 측정 기술에 대하여 설명하였다. 한편 최근 다양한 분야에서 그래핀(graphene)을 활용하는 여러 기술이 개발되고 있다. 그래핀이란 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막을 말하는 것으로, 상술한 바와 같이 2차원 평면 형태를 가지고 있는데 그 두께가 0.2nm 정도로 엄청나게 얇으면서도 물리적 및 화학적 안정성도 높다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있고, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는 등 매우 우수한 성질을 가지는 신소재로서, 현재 다양한 분야에서 이러한 그래핀의 활용 방안을 연구 개발하고 있다.
상술한 바와 같이 그래핀은 전기전도성이 높고 전자의 이동성이 매우 좋기 때문에, 투명 전극 소재, 디스플레이용 소자, 또는 (대체 에너지 분야로서) 나노 스케일의 발전 소자 등으로 활용하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 본 발명에서는 바로 이러한 그래핀의 우수한 전기적 성질 및 수은-금 간의 높은 반응성을 이용하여, 물 속의 수은 이온을 정밀하게 검출할 수 있으면서도 간단한 구조를 가지는 수은 센서를 제시하고자 한다.
도 1은 본 발명의 수은 센서의 기반 구조를 도시하고 있으며, 도 2는 본 발명의 수은 센서의 구조를 도시하고 있다. 먼저 도 1을 참조하여 본 발명의 수은 센서의 기반 구조 및 작동 원리의 일부를 설명하고, 도 2를 참조하여 본 발명의 수은 센서의 구조 및 작동 원리를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수은 센서의 기반 구조는, 그래핀 양쪽에 전극이 연결되어 있는 구조이다. 방향을 명확하게 하기 위하여 그래핀 평면의 한 방향을 제1방향, 그래핀 평면 상의 제1방향에 수직한 방향을 제2방향이라고 한다. 이 때 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍의 전극이 그래핀의 제1방향 양단 끝에 접촉 구비되도록 하고, 그래핀 위로 제1방향을 따라 검사대상유체가 흐르게 한다. 이 때 상기 검사대상유체는 물에 검사대상이온이 용해되어 있는 용액 형태일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 그래핀은 전기전도성이 높으며 전자의 이동성이 좋기 때문에, 이처럼 검사대상유체가 그래핀과 접촉하여 흐르게 되면 물분자, 이온 등과 그래핀 내의 전자 간에 상호작용(interaction)이 일어나 전기 신호가 발생되어 전극에서 검출이 이루어지게 된다. 이 때, 용액의 특성 즉 점성, 유동성, 이온 물질, 이온 농도 등에 따라 전기 신호의 크기나 패턴이 다르게 나타난다. 본 발명은 바로 이러한 성질, 즉 이온 물질 및 농도에 따라 전기 신호의 크기와 패턴이 다르게 나타나는 성질을 이용하여 수은 이온의 효과적인 검출을 하고자 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 전극이 부착된 그래핀에 용액을 흘려주는 것만으로 전기 신호는 발생하게 되나, 특정 이온(본 발명에서는 수은 이온)의 검출을 위해서는 해당 이온과의 반응성을 높이기 위한 구조가 필요하다. 도 2에 도시된 본 발명의 수은 센서는, 바로 이처럼 수은 이온과의 반응성을 높이기 위한 구조로서 금선(gold line)을 더 구비하도록 한 것이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 수은 센서의 구조를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 수은 센서(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이 기판(110), 한 쌍의 전극(120), 그래핀(130), 금선(135), 실링부(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 기판(110)은, 제1방향 및 제1방향에 수직한 제2방향을 따라 펼쳐지는 2차원 평면 형태로 이루어진다. 상기 기판(110)의 재질은 일반적인 반도체 부품의 기판으로 널리 사용되는 유리, 실리콘 등이 될 수 있다.
상기 전극(120)은 한 쌍이 상기 기판(110) 상에 제1방향으로 서로 이격 배치된다. 여기에서, 도 2에서는 상기 전극(120)이 상기 그래핀(130)과 연결되는 부분은 제1방향으로 이격 배치되고, 상기 전극(120)이 외부와 연결되는(즉 검출된 전기 신호를 출력하기 위해 외부와 연결되는) 부분은 제2방향으로 이격 배치되는 것으로 도시되어 있는데, 이는 단지 편의성을 위한 배치일 뿐으로 상기 전극(120)이 외부와 연결되는 부분은 어느 방향으로 배치되어도 무방함은 당연하다. 상기 전극(120)은 전기전도성이 좋은 재질로서 이루어지면 되며, 구체적으로는 일반적으로 전극 용도로 널리 사용되는 크롬 또는 금 재질로 이루어질 수 있다.
상기 그래핀(130)은 제1방향의 양단이 한 쌍의 상기 전극(120)에 접촉하도록 상기 기판(110) 상에 배치된다. 가장 간단하게는, 상기 그래핀(130)은 얇은 막 형태 즉 평면 형태이므로, 사각 평면 형태로 만들어진 상기 그래핀(130)의 제1방향 양단이 상기 전극(120) 위를 덮도록 배치하면 된다. 앞서 설명하였듯 상기 그래핀(130) 위로 검사대상유체가 흐르게 되면(즉 상기 그래핀(130)과 검사대상유체가 직접적으로 접촉하게 되면) 상기 그래핀(130) 내의 전자가 검사대상유체의 유체 분자(예를 들어 물 분자)나 검사대상유체 내에 함유된 이온과 상호작용을 일으키게 된다. 이러한 과정에서 전자가 어느 한 쪽으로 편향된 방향으로 끌려가게 됨으로서 전위차가 발생이 되며, 따라서 상기 전극(120)에서 전기 신호를 검출할 수 있게 되는 것이다.
상기 금선(135)은 제2방향으로 연장되며 상기 그래핀(130)의 제1방향 중간 부분에 배치된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 그래핀(130) 위로 검사대상유체, 예를 들어 물이 흘러가게 되면, 물 속에 아무 이온도 함유되어 있지 않은 경우라도 물 분자와 상기 그래핀(130)이 상호작용을 일으켜 전기 신호가 발생되며, 물 속에 어떤 이온이 함유되어 있을 경우 이온의 종류나 농도에 따라 다른 크기, 다른 패턴의 전기 신호가 발생하게 된다. 본 발명에서는 수은 이온의 검출을 목적으로 하고 있는 바, 수은 이온을 가장 효과적으로 검출할 수 있도록 금 재질로 된 상기 금선(135)을 상기 그래핀(130) 중간에 배치시키는 것이다. (이에 대해서 이후 보다 상세히 설명한다.)
상기 실링부(140)는, 제1방향으로 연장되며 상기 그래핀(130)에 상응하는 위치를 포함하는 위치에 배치되는 홈 형태로 이루어지는 마이크로채널(145)이 하부에 형성되며, 상기 전극(120), 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)이 배치된 상기 기판(110) 상부를 덮도록 배치된다. 보다 쉽게 설명하자면, 상기 실링부(140)가 상기 기판(110)을 덮는 형태로 배치되되, 홈 형태의 상기 마이크로채널(145)이 상기 그래핀(130)과 겹친 위치에 배치되도록 하는 것이다. 이에 따라 상기 마이크로채널(145)에 의하여 상기 그래핀(130) 위에 공간이 형성되며, 이 공간으로 검사대상유체가 흐를 수 있다. 즉 상기 마이크로채널(145)이 검사대상유체가 유통되는 유로가 되며, 또한 상기 마이크로채널(145)이 상기 그래핀(130)과 겹치는 위치에 배치됨으로써 결과적으로 검사대상유체가 상기 그래핀(130)과 접촉하여 제1방향을 따라 흐를 수 있게 되는 것이다. 이러한 상기 실링부(140)는 PDMS 재질로 이루어질 수 있다.
상기 마이크로채널(145)은 상기 그래핀(130)과 겹치는 위치에 제1방향으로 흘러가도록 검사대상유체를 흘려보낼 수 있다면 어떤 형태로 형성되어도 무방한데, 가장 간단하게는 상기 실링부(140)의 제1방향 양쪽 끝단까지 완전히 연장되는 홈 형태로 이루어지도록 할 수도 있다. 그런데 이와 같이 형성될 경우 상기 수은 센서(100)의 상기 마이크로채널(145)의 양 끝단이 개방된 형태가 됨으로써, 상기 수은 센서(100) 내에 이물질이 유입되는 등의 문제가 생길 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해서는 상기 수은 센서(100)가 밀폐된 형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 상기 마이크로채널(145)은 상기 실링부(140)의 제1방향 양쪽 끝단까지 완전히 연장되는 형태가 아니라, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 제1방향으로 연장되되 양쪽 끝단은 막혀 있는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 수은 센서(100)는, 상기 마이크로채널(145) 내로 검사대상유체를 원활하게 공급하기 위해 유체유통부(150)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 유체유통부(150)는, 상기 그래핀(130)의 제1방향 일측으로 검사대상유체를 공급하는 공급로(151), 상기 그래핀(130)의 제1방향 타측에 구비되어 제1방향을 따라 상기 그래핀(130) 위를 흘러간 검사대상유체를 배출하는 배출로(152), 상기 공급로(151) 또는 상기 배출로(152) 중 선택되는 적어도 어느 하나에 구비되어 검사대상유체를 유통시키는 주입펌프(153)를 포함하여 이루어진다.
이러한 구조로 된 상기 수은 센서(100)의 제작 방법은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 먼저 상기 기판(110)이 배치되고, 그 위에 한 쌍의 상기 전극(120)이 패터닝된다. 다음으로 한 쌍의 상기 전극(120) 사이에 상기 그래핀(130)이 전사되어 상기 그래핀(130)과 한 쌍의 상기 전극(120)이 접촉되도록 형성된다.
다음으로 상기 금선(135)을 형성하기 위해서, 먼저 상기 전극(120) 및 상기 그래핀(130) 위에 포토레지스트가 도포되도록 하고, 상기 그래핀(130)의 중간 부분 위치에 상기 그래핀(130) 및 상기 기판(110)이 에칭되어 제2방향으로 연장되는 선형 홈이 형성되도록 한다. 다음으로 상기 선형 홈 내에 금이 증착되어 채워짐으로써 상기 금선(135)이 형성되도록 한 후, 상기 포토레지스트가 제거되도록 함으로써, 상기 그래핀(130) 중간에 상기 금선(135)이 형성될 수 있도록 한다. 이 때 상기 금선(135)은 폭이 수십 μm 범위로 형성되며, 깊이가 수십 nm 범위로 형성되도록 할 수 있다(본 발명의 수은 센서(100)의 실시예에서는, 상기 금선(135)의 폭은 10μm, 깊이는 50nm로 하였다). 마지막으로 상기 포토레지스트가 제거된 이후에, 상기 실링부(140)가 상기 전극(120), 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(140)을 덮도록 배치되어 고정되도록 하여 제작이 완료된다.
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 수은 센서(100)는, 간략히 설명하자면 상기 마이크로채널(145)을 통해 제1방향으로 흐르도록 유통되는 검사대상유체에 포함된 수은 이온과 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)의 상호작용에 의하여 발생되어 한 쌍의 상기 전극(120)에서 검출되는 전기 신호를 사용하여 검사대상유체 내의 수은 이온의 농도를 측정하게 된다. 이를 보다 구체적으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 수은 이온이 함유되지 않은 물(파란 선, 0M)과 10-6M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물(빨간 선, 10-6M)을 도 1의 구조(즉 본 발명의 수은 센서에서 금선이 구비되지 않은 구조)에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프이며, 도 4는 이를 도 2의 구조(즉 본 발명의 수은 센서)에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프이다. 그래프에서 'ON'은 검사대상유체를 흘리기 시작한 순간을 표시하며, 'OFF'는 검사대상유체의 흐름을 멈춘 순간을 표시한다.
검사대상유체가 수은 이온이 함유된 물인 경우, 상기 그래핀(130) 위로 이 검사대상유체가 흘러가게 되면 수은 이온이 상기 그래핀(130) 상에 무작위적으로 흡착되게 된다. 이 과정에서 앞서 설명한 바와 같이 상기 그래핀(130) 내의 전자가 한쪽에서 다른쪽으로 끌려감에 따라 발생된 전위차에 의하여 상기 전극(120)에서 전기 신호의 검출이 이루어지게 된다. 이 때 도 1의 구조의 경우, 즉 상기 금선(135)이 구비되지 않고 단지 상기 그래핀(130)만 있을 때 검사대상유체를 흘리게 되면, 도 3의 파란 선(수은 이온이 함유되지 않은 물) 및 빨간 선(수은 이온이 함유된 물)으로 보이는 바와 같이, 두 경우 모두 전기 신호의 크기 차이는 있으나 패턴이 유사하게 나타나며, 또한 검사대상유체의 흐름 ON/OFF 사이에서 나타나는 신호 패턴에 변별력이 부족하고 연속적으로 변화하는 형태인 바 검출값을 특정하기 난해하다.
반면 도 2에 도시된 본 발명의 수은 센서(100)를 사용할 경우, 도 4의 파란 선(수은 이온이 함유되지 않은 물) 및 빨간 선(수은 이온이 함유된 물)으로 보이는 바와 같이, 두 경우의 패턴 차이가 확연하게 나타난다. 검사대상유체가 수은 이온이 함유되지 않은 물인 경우(즉 파란 선)는 도 3의 그래프와 거의 동일한 패턴으로 나타나나, 검사대상유체가 수은 이온이 함유된 물인 경우(즉 빨간 선)에, 본 발명의 수은 센서(100)에서는 검사대상유체의 흐름이 ON되는 순간 및 OFF되는 순간에 확실하게 변별될 수 있는 피크(peak) 신호가 발생하며, 나머지 시간 동안에는 검사대상유체가 흐르지 않을 때와 유사한 신호(즉 0으로 간주될 수 있는 신호)가 나타난다.
이와 같은 현상이 나타나는 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시된 본 발명의 수은 센서(100)의 구조에서처럼 상기 그래핀(130)의 제1방향(즉 검사대상유체의 흐름 방향) 중간을 가로질러 상기 금선(130)이 배치되면, 수은 이온-그래핀 간의 반응성보다 수은 이온-금 간의 반응성이 더 좋기 때문에 수은 이온이 그래핀보다 상기 금선(130) 부분에 더 많이 달라붙게 된다. 따라서 한쪽에서 다른쪽으로 끌려가던 전자가 상기 금선(130) 위치에서 멈추게 되어 더 끌려가지 않게 된다. 따라서 상기 금선(130)이 없을 때에 비해 전위차가 거의 발생하지 않게 된다. 이것이 바로 피크 신호 발생 후 신호가 0(으로 간주될 수 있는 값)으로 떨어지는 원리이다.
즉, 본 발명의 상기 수은 센서(100)에 상기 금선(130)이 구비됨으로써 물 속에 수은 이온이 함유되어 있을 때 확실하게 변별력이 있는 피크 신호를 얻을 수 있으며, 궁극적으로 물 속의 수은 이온의 검출이 가능해지게 되는 것이다.
도 5는 수은 이온이 함유되지 않은 물(파란 선, 0M)과 10-9M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물(빨간 선, 10-9M)을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프이며, 도 6은 수은 이온이 함유되지 않은 물(파란 선, 0M)과 10-10M 농도 수준의 수은 이온이 함유된 물(빨간 선, 10-9M)을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프이다.
수은 이온의 농도가 10-9M 농도 수준일 때에는 도 5에 도시된 바와 같이 도 4의 그래프에서와 유사하게 피크 신호가 나타나는데, 수은 이온의 농도가 10-10M 농도 수준일 때에는 도 6에 도시된 바와 같이 변별력이 있는 피크 신호가 나타나지 않는다. 이로부터, 본 발명의 수은 센서(100)를 사용하여 수은 이온을 검출할 수 있는 한계가 10-9M 농도 수준임을 알 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래의 프로브형 수은 센서 등의 경우 10-6M 농도 수준 정도까지밖에는 검출할 수가 없어 정밀도가 극히 떨어졌으며, 그 외에도 현재 상용화된 검출 장비의 경우 25x10-9M 농도 수준 정도를 검출하는 것이 한계라고 알려져 있다. 그러나 본 발명의 수은 센서(100)는 도 2에 나타난 바와 같이 간단한 구조로 되어 있으면서도, 상술한 바와 같이 1x10-9M 농도 수준의 수은 이온을 검출할 수 있다. 즉 본 발명에 의하면 종래의 가격이 비싸고 부피가 큰 장비에 비해서도 25배 이상 정밀도가 향상됨과 동시에, 종래의 프로브형 수은 센서 등에 못지 않게 부피를 소형화시킬 수 있게 되는 비약적인 효과를 얻을 수 있는 것이다.
도 7, 9, 11은 검사대상이온이 함유되지 않은 물과 10-7M 농도 수준의 검사대상이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프이며, 도 8, 10, 12는 검사대상이온이 함유되지 않은 물과 10-9M 농도 수준의 검사대상이온이 함유된 물을 도 2의 구조에 흘렸을 때 각각 검출된 전기 신호의 결과 그래프이다.
도 7 및 도 8에서의 검사대상이온은 나트륨 이온(Na+) 및 마그네슘 이온(Mg2+)이며, 도 9 및 도 10에서의 검사대상이온은 납 이온(Pb2+) 및 카드뮴 이온(Cd2+)이며, 도 11 및 도 12에서의 검사대상이온은 구리 이온(Cu2+), 코발트 이온(Co2+) 및 아연 이온(Zn2+)이다. 또한 도 7 내지 도 12 모두에서 수은 이온(Hg2+) 역시 검사대상이온이다.
도 7 내지 도 12로 알 수 있는 바와 같이, 수은 이온의 경우 10-7M 농도 수준, 10-9M 농도 수준 모두에서 명확히 변별력이 있는 피크 신호가 나타났다. 그러나 다른 이온들의 경우 검사대상이온이 함유되지 않은 물을 흘렸을 때와 유사한 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉 수은 이온을 제외한 다른 이온의 경우 수은 이온이 함유된 물에서 나타나는 것과 같은 변별력이 있는 피크 신호 패턴이 나타나지 않는다는 것을 알 수 있으며, 이로써 본 발명의 수은 센서(100)는 수은 이온이라는 특정 물질만을 정확하게 선별하여 검출할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 수은 센서로 검출 시험 이후 물로 세척한 다음 금선 부위에 남아 있는 잔존 이온을 검출한 결과의 현미경 사진 및 스펙트럼 그래프이고, 도 14는 본 발명의 수은 센서로 검출 시험 이후 물로 세척한 다음 그래핀 부위에 남아 있는 잔존 이온을 검출한 결과의 현미경 사진 및 스펙트럼 그래프이다.
도 13 및 도 14에 나타난 바와 같이, 물로 세척한 후에 상기 금선(135)이나 상기 그래핀(130) 상에 잔존 이온이 거의 검출되지 않음을 확인할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 수은 센서(100)를 사용하여 검출 시험을 한 후 단지 물로 세척하기만 하여도 쉽게 최초의 상태로 되돌아가게 되며, 따라서 반복 사용이 얼마든지 가능하다는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 수은 센서(100)는 반복 사용을 위한 작업이 단지 물로 세척하는 것으로서 극히 간단하고, 또한 이러한 간단한 세척 작업만으로도 최초의 상태와 같이 되돌아감으로써 얼마든지 반복적인 사용이 가능하기 때문에, 실제 산업 현장에서 본 발명의 수은 센서(100)를 사용할 경우 운용에 있어서의 사용자 편의성이 높고 제품 수명이 길다는 큰 장점을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 수은 센서
110: 기판 120: 전극
130: 그래핀 135: 금선
140: 실링부 145: 마이크로채널
150: 유체유통부 151: 공급로
152: 배출로 153: 주입펌프
110: 기판 120: 전극
130: 그래핀 135: 금선
140: 실링부 145: 마이크로채널
150: 유체유통부 151: 공급로
152: 배출로 153: 주입펌프
Claims (6)
- 제1방향 및 제1방향에 수직한 제2방향을 따라 펼쳐지는 2차원 평면 형태의 기판(110);
상기 기판(110) 상에 제1방향으로 서로 이격 배치되는 한 쌍의 전극(120);
제1방향의 양단이 한 쌍의 상기 전극(120)에 접촉하도록 상기 기판(110) 상에 배치되는 그래핀(130);
제2방향으로 연장되며 상기 그래핀(130)의 제1방향 중간 부분에 배치되는 금선(135);
제1방향으로 연장되며 상기 그래핀(130)에 상응하는 위치를 포함하는 위치에 배치되는 홈 형태로 이루어지는 마이크로채널(145)이 하부에 형성되며, 상기 전극(120), 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)이 배치된 상기 기판(110) 상부를 덮도록 배치되는 실링부(140);
를 포함하여 이루어져,
상기 마이크로채널(145)을 통해 제1방향으로 흐르도록 유통되는 검사대상유체에 포함된 수은 이온과 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)의 상호작용에 의하여 발생되어 한 쌍의 상기 전극(120)에서 검출되는 전기 신호를 사용하여 검사대상유체 내의 수은 이온의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 수은 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 금선(135)은
폭이 수십 μm 범위로 형성되며, 깊이가 수십 nm 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 수은 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 전극(120)은
크롬 또는 금 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수은 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 실링부(140)는
PDMS 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수은 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 수은 센서(100)는
상기 그래핀(130)의 제1방향 일측으로 검사대상유체를 공급하는 공급로(151), 상기 그래핀(130)의 제1방향 타측에 구비되어 제1방향을 따라 상기 그래핀(130) 위를 흘러간 검사대상유체를 배출하는 배출로(152), 상기 공급로(151) 또는 상기 배출로(152) 중 선택되는 적어도 어느 하나에 구비되어 검사대상유체를 유통시키는 주입펌프(153)를 포함하여 이루어지는 유체유통부(150);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수은 센서.
- 제 1항의 수은 센서(100)를 제작하는 방법에 있어서,
상기 기판(110)이 배치되는 단계;
상기 기판(110) 상에 한 쌍의 상기 전극(120)이 패터닝되는 단계;
한 쌍의 상기 전극(120) 사이에 상기 그래핀(130)이 전사되는 단계;
상기 전극(120) 및 상기 그래핀(130) 위에 포토레지스트가 도포되는 단계;
상기 그래핀(130)의 중간 부분 위치에 상기 그래핀(130) 및 상기 기판(110)이 에칭되어 제2방향으로 연장되는 선형 홈이 형성되는 단계;
상기 선형 홈 내에 금이 증착되어 채워짐으로써 상기 금선(135)이 형성되는 단계;
상기 포토레지스트가 제거되는 단계;
상기 실링부(140)가 상기 전극(120), 상기 그래핀(130) 및 상기 금선(135)을 덮도록 배치되어 고정되는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수은 센서의 제작 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130159142A KR101533954B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 수은 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130159142A KR101533954B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 수은 센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150071972A KR20150071972A (ko) | 2015-06-29 |
| KR101533954B1 true KR101533954B1 (ko) | 2015-07-07 |
Family
ID=53518083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130159142A KR101533954B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 수은 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101533954B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110003762A (ko) * | 2009-07-06 | 2011-01-13 | 서울대학교산학협력단 | 탄소나노튜브 채널을 이용한 센서의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 감응성이 향상된 센서 |
| KR20110039803A (ko) * | 2009-10-12 | 2011-04-20 | 연세대학교 산학협력단 | 그라핀 가스센서 유닛 및 복합체와 이들의 제조방법 |
| KR20120016990A (ko) * | 2010-08-17 | 2012-02-27 | 중앙대학교 산학협력단 | 미세유체 채널 시스템을 이용한 그래핀의 패터닝방법 |
| KR20130134538A (ko) * | 2012-05-31 | 2013-12-10 | 연세대학교 산학협력단 | 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서 및 그 제조방법 |
-
2013
- 2013-12-19 KR KR1020130159142A patent/KR101533954B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110003762A (ko) * | 2009-07-06 | 2011-01-13 | 서울대학교산학협력단 | 탄소나노튜브 채널을 이용한 센서의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 감응성이 향상된 센서 |
| KR20110039803A (ko) * | 2009-10-12 | 2011-04-20 | 연세대학교 산학협력단 | 그라핀 가스센서 유닛 및 복합체와 이들의 제조방법 |
| KR20120016990A (ko) * | 2010-08-17 | 2012-02-27 | 중앙대학교 산학협력단 | 미세유체 채널 시스템을 이용한 그래핀의 패터닝방법 |
| KR20130134538A (ko) * | 2012-05-31 | 2013-12-10 | 연세대학교 산학협력단 | 성능조절이 가능한 초 고감도 그라핀 센서 및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150071972A (ko) | 2015-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Santangelo et al. | Real-time sensing of lead with epitaxial graphene-integrated microfluidic devices | |
| Hutton et al. | Electrochemical X-ray fluorescence spectroscopy for trace heavy metal analysis: Enhancing X-ray fluorescence detection capabilities by four orders of magnitude | |
| EP3227671B1 (en) | Contaminant detection device and method | |
| Vieira et al. | Graphene field-effect transistor array with integrated electrolytic gates scaled to 200 mm | |
| CN104870987A (zh) | 气体传感器及气体传感器结构体 | |
| Tang et al. | Internal calibration potentiometric aptasensors for simultaneous detection of Hg2+, Cd2+, and As3+ based on a screen-printed carbon electrodes array | |
| Ayranci et al. | Rhodamine-based conjugated polymers: potentiometric, colorimetric and voltammetric sensing of mercury ions in aqueous medium | |
| Pięk et al. | Improved nitrate sensing using solid contact ion selective electrodes based on TTF and its radical salt | |
| DE502005007186D1 (de) | Testelement-analysesystem mit hartstoffbeschichteten kontaktflächen | |
| Zheng et al. | Simultaneous determination of lead and cadmium at a glassy carbon electrode modified with Langmuir–Blodgett film of p-tert-butylthiacalix [4] arene | |
| Zhang et al. | Real-time Cd2+ detection at sub-femtomolar level in various liquid media by an aptasensor integrated with microfluidic enrichment | |
| US20150338368A1 (en) | Electrochemical sensor | |
| Zhang et al. | Fabricated electrochemical sensory platform based on the boron nitride ternary nanocomposite film electrode for paraquat detection | |
| US20200256826A1 (en) | Pulse-driven capacitive detection for field-effect transistors | |
| Zia et al. | Development of Electrochemical Impedance Spectroscopy based sensing system for DEHP detection | |
| Urbanos et al. | MoS2 defect healing for high-performance chemical sensing of polycyclic aromatic hydrocarbons | |
| Bendahan et al. | Morphology, electrical conductivity, and reactivity of mixed conductor CuBr films: development of a new ammonia gas detector | |
| CN107543853A (zh) | 电化学检测器 | |
| KR101533954B1 (ko) | 수은 센서 | |
| Huang et al. | Development of potentiometric lead ion sensors based on ionophores bearing oxygen/sulfur-containing functional groups | |
| Priyadarshni et al. | Diethylenetriaminepentaacetic acid-functionalized gold nanoparticles for the detection of toxic chromium assisted by a machine-learning approach | |
| Belkhamsa et al. | Voltammetric monitoring of Pb (II) by TiO2 modified carbon paste electrode | |
| Miranda et al. | On-chip optical anodic stripping with closed bipolar cells and cathodic electrochemiluminescence reporting | |
| Liu et al. | Carbon nanotube sensors integrated inside a microfluidic channel for water quality monitoring | |
| US20150212042A1 (en) | In-situ electrochemical deposition and x-ray fluorescence spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180525 Year of fee payment: 4 |