KR20150097145A - Graphene gas sensor with flexible heater - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 패턴화된 그래핀을 포함하고 투명하고 유연한 열조절 장치(히터)를 포함하는 가스센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a gas sensor comprising patterned graphene and including a transparent and flexible thermal conditioning device (heater).
그래핀(graphene)은 탄소 원자가 2차원의 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조의 탄소 나노구조체로서, 다른 소재에 비하여 상대적으로 뛰어난 전하 이동도, 낮은 면 저항, 우수한 기계적 물성, 및 높은 열적, 화학적 안정성 등 다양한 고유 특성들을 가지고 있어, 최근 들어 그래핀의 물리적, 화학적, 기계적 고유 특성들을 이용한 많은 연구가 수행되고 있다.Graphene is a planar single-layered carbon nanostructure in which carbon atoms are filled in a two-dimensional lattice, and has relatively high charge mobility, low surface resistance, excellent mechanical properties, and high thermal and chemical stability In recent years, many studies using physical, chemical and mechanical properties of graphene have been carried out.
특히, 그래핀의 투명성, 휨 특성, 전도도, 전하 이동도 등의 특성 덕분에, 그래핀은 차세대 전자소자의 투명전극, TFT 채널 등에 적용가능한 최적의 소재로 평가받고 있다.In particular, graphene has been evaluated as an optimal material applicable to transparent electrodes, TFT channels, and the like of next-generation electronic devices, owing to characteristics such as transparency, bending properties, conductivity, and charge mobility of graphene.
한편, 공기 중의 유해물질을 실시간으로 검출하는 기술이 매우 중요해진 가운데, 가스센서에 요구되는 성능과 기능(감도, 응답 속도, 안정성 등)이 고도화되고 있어 기존 센서들에 비해 더 고감도인 탄소나노튜브를 이용한 센서들이 많이 개발되었다. 그러나, 탄소나노튜브의 경우 1차원이라는 형상의 한계로 인하여 가스가 접촉할 수 있는 면적이 극히 제한되어 있어서 시간 경과에 따라 감도가 급격히 저하되는 단점이 있고, 반도체 특성과 금속 특성을 갖는 탄소나노튜브들이 혼합된 상태로 합성되는 문제가 있어 합성된 탄소나노튜브들을 분리해내는 기술을 개발 중에 있으나 대량생산 기술에 성공적으로 적용한 예는 아직 보고된바 없으며, 탄소나노튜브를 불규칙하게 분산하여 센서를 제조하고 있어 균일성 면에서 만족스럽지 못하였다.On the other hand, the technology to detect harmful substances in air in real time has become very important, and the performance and functions (sensitivity, response speed, stability, etc.) required for gas sensors have been advanced, Have been developed. However, in the case of carbon nanotubes, due to the limit of the one-dimensional shape, the area of contact with the gas is extremely limited, so that the sensitivity is rapidly lowered with the lapse of time, and the carbon nanotubes However, there have been no reports on the successful application to mass production technology, and carbon nanotubes are dispersed irregularly to manufacture sensors And it was unsatisfactory in terms of uniformity.
이에, 그래핀을 이용한 가스센서가, 탄소나노튜브 센서가 갖는 장점을 모두 가지면서도, 그래핀 본래의 형상 자체가 2차원이어서 넓은 접촉면적을 가질 뿐만 아니라 대면적의 형상 구현이 가능하고 낮은 전압과 상온에서도 가스 검출 감도가 비교적 높아 더욱 선호되고 있다. 이러한 맥락에서, 이제까지 소개된 기존의 그래핀 가스센서에 비해서 더욱 우수한 감도 및 가스 흡착능을 갖는 가스센서에 대한 요구가 절실하였다.
Thus, while the gas sensor using graphene has all the advantages of a carbon nanotube sensor, the original shape of the graphene itself is two-dimensional, so that it has a wide contact area, can realize a large area shape, The gas detection sensitivity is relatively high even at room temperature and is therefore more preferred. In this context, there has been a desire for a gas sensor with better sensitivity and gas sorbability than conventional graphen gas sensors that have been introduced so far.
따라서, 본 발명의 목적은 가스 검출 감도가 높아 반응시간이 짧고 낮은 저항과 우수한 열적, 화학적 안정성을 갖는 투명하고 유연한 그래핀 가스센서를 제공하는 것이다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a transparent and flexible graphen gas sensor having a high gas detection sensitivity, a short reaction time, a low resistance, and excellent thermal and chemical stability.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, According to an aspect of the present invention,
기재 필름; A base film;
상기 기재 필름의 일면에 형성된, 패턴화된 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 센서부; 및 A graphene sensor part formed on one surface of the base film and including a patterned graphene layer; And
상기 기재 필름의 타면에 형성된, 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 히터부A graphene heater part including a graphene layer formed on the other surface of the base film;
를 포함하는 그래핀 가스센서를 제공한다.
And a graphene gas sensor.
본 발명에 따른 그래핀 가스센서는 투명한 유연센서로서, 패턴화된 그래핀계 센서층을 포함함으로써 가스의 흡착이 용이하고 그래핀계 히터층과 결함됨으로써 가스 검출 감도(sensitivity)가 높아 반응시간이 짧고(low response time) 낮은 저항과 우수한 열적, 화학적 안정성을 가져 CO2, NO2, NH3, H2, O2와 같은 가스를 용이하게 흡착할 수 있다. 또한, 각각의 채널마다 다른 종류의 금속을 흡착시켜, 다양한 종류의 가스를 검출할 수 있는 소자의 제작이 가능하다.
The graphene gas sensor according to the present invention is a transparent flexible sensor. Since it includes a patterned graphene sensor layer, it is easy to adsorb gas and is defective to the graphene heater layer, so that the gas detection sensitivity is high, low response time Low resistance and excellent thermal and chemical stability make it easy to adsorb gases such as CO 2 , NO 2 , NH 3 , H 2 and O 2 . Further, it is possible to manufacture a device capable of detecting various kinds of gases by adsorbing different kinds of metals to respective channels.
도 1은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 그래핀 가스센서의 구성요소 및 단면을 보여주는 모식도이다(전극은 도시하지 않음).
도 2는 패턴화된 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 센서부의 이미지 사진이다.
도 3a 및 3b는 각각 NO2 가스 및 CO2 가스에 대한 그래핀 센서의 시간에 따른 정규화(normalized) 저항(R/R0)의 변화 그래프로서, 위의 그래프는 히팅하지 않은 경우, 아래의 그래프는 50℃로 히팅한 경우 시간에 따른 정규화 저항 변화 그래프이다.
도 4는 수소(H2) 가스에 대한 그래핀 센서(Pd 나노입자를 이용하여 그래핀을 기능화시킨 그래핀-Pd 복합체를 센서로 사용)의 시간에 따른 정규화 저항(R/R0)의 변화 그래프이다. 1 is a schematic diagram showing components and cross sections of a graphene gas sensor according to one embodiment of the present invention (electrode not shown).
2 is an image photograph of a graphene sensor portion including a patterned graphene layer.
3A and 3B are graphs of changes in normalized resistance (R / R 0 ) of the graphene sensor over time with respect to NO 2 gas and CO 2 gas, respectively. In the graph above, Is a graph of normalized resistance change with time when heating to 50 ° C.
4 is a graph showing changes in normalization resistance (R / R 0 ) over time of a graphene sensor (using a graphene-Pd complex having graphene functionalized using Pd nanoparticles as a sensor) for hydrogen (H 2 ) Graph.
본 발명에 따른 그래핀 가스센서는 기재 필름; 상기 기재 필름의 일면에 형성된, 패턴화된 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 센서부; 및 상기 기재 필름의 타면에 형성된, 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 히터부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 그래핀 센서부의 그래핀계 층은 당해 기술분야에 통상적으로 사용되는 방법에 의해 패턴화될 수 있으며, 바람직하게는 소프트 리소그라피(soft lithography)에 의해 패턴화될 수 있다.A graphene gas sensor according to the present invention comprises a substrate film; A graphene sensor part formed on one surface of the base film and including a patterned graphene layer; And a graphene heater portion including a graphene layer formed on the other surface of the base film. The graphene layer of the graphene sensor portion may be patterned by a method commonly used in the art, and may be patterned preferably by soft lithography.
본 발명의 하나의 실시양태에 따른 그래핀 가스센서의 구성요소 및 단면을 도 1에(전극은 도시하지 않음) 모식도로서 나타내었다.Components and cross sections of a graphene gas sensor according to one embodiment of the present invention are shown in FIG. 1 (electrode not shown) as a schematic diagram.
소프트 리소그라피(soft lithography)란 연한 재질의 탄성중합체 재료를 사용하여, 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS) 재질의 스템프를 사용하여 물리적인 접촉을 통해 목적하는 패턴을 반복적으로 만들어 내는 것을 지칭한다. 이러한 소프트 리소그라피에 관한 기술은 이미 다양하게 소개된 바 있다(대한민국 공개특허공보 제2009-0007302호 및 제2006-0052545호 참조).Soft lithography refers to the use of a soft elastomeric material to repetitively produce a desired pattern through physical contact using, for example, polymethylsiloxane (PDMS) stamps. Such soft lithography techniques have already been variously disclosed (see Korean Patent Publication Nos. 2009-0007302 and 2006-0052545).
보다 구체적으로는, 제 1 기재 상에 그래핀계 층을 형성한 후, 표면에 양각 패턴을 갖는 PDMS 재질의 스템프를 상기 그래핀계 층에 접촉시켜 양각 패턴 부분에 접착되는 그래핀계 층을 선택적으로 박리시킨 다음, 제 2 기재에 대해 상기 스템프를 접촉시켜 상기 그래핀계 박리층을 재도포하는 공정을 통해 소프트 리소그라피에 의한 패터닝을 수행할 수 있다.More specifically, after a graphene layer is formed on the first base material, a stamp of a PDMS material having a relief pattern on the surface is brought into contact with the graphene layer to selectively peel the graphene layer adhered to the relief pattern portion Next, patterning by soft lithography can be performed through a step of repacking the graphene peeling layer by contacting the stamp with the second substrate.
일반적으로, 그래핀계 층은 기재 상에 그래핀계 물질을 화학기상증착(CVD) 방법으로 성장시키거나, 혹은 기재 상에 산화그래핀 함유 용액을 코팅한 후 환원하는 방법, 혹은 그래핀 나노입자 복합체 등을 통해 형성될 수 있다.Generally, the graphene layer is formed by growing a graphene material on a substrate by a chemical vapor deposition (CVD) method, or by coating a solution containing a graphene oxide on a substrate and then reducing the graphene material, As shown in FIG.
본 발명에 사용되는 그래핀계 층의 소프트 리소그래피 패터닝 방법을 예를 들어 (a)에서 (e)의 단계로 나타내면 다음과 같다:The soft lithographic patterning method of the graphene layer used in the present invention may be represented by steps (a) to (e) as follows, for example:
(a) 화학기상증착(CVD)에 의해 제 1 기재 상에 그래핀계 층을 형성하고, (b) 표면에 양각 라인 패턴을 갖는 PDMS 재질의 스템프를 상기 그래핀계 층에 접촉시킨 후, (c) 스템프를 분리하여 양각 패턴 부분에 접착되는 그래핀계 층을 선택적으로 박리시킨 다음, (d) 제 2 기재에 대해 상기 스템프를 접촉시키고, (e) 스템프를 분리하여 제 2 기재 상에 상기 그래핀계 박리층을 재도포(전사)함으로써, 제 2 기재 상에 목적하는 그래핀 패턴을 형성할 수 있다.(c) forming a graphene layer on the first substrate by chemical vapor deposition (CVD); (b) contacting a stamp of a PDMS material having a relief line pattern on the surface thereof with the graphene layer; (D) contacting the stamp with the second substrate, (e) separating the stamp, separating the stamp from the graphene layer, and separating the stamp from the graphene layer, The desired graphene pattern can be formed on the second substrate by reapplying (transferring) the layer.
본 발명의 그래핀 가스센서에 사용되는 기재 필름(제 2 기재에 해당)은 유연성 있고 투명한 폴리에스테르 필름, 예컨대 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름일 수 있다.The substrate film (corresponding to the second substrate) used in the graphene gas sensor of the present invention may be a flexible and transparent polyester film, for example, a polyethylene terephthalate (PET) film.
상기 기재 필름의 일면에 형성된 그래핀 센서부는 바람직하게는 소프트 리소그라피에 의해 만들어진 패턴을 갖는 그래핀계 층을 포함하며, 패턴화된 그래핀계 층의 양쪽 가장자리에 한 쌍의 전극을 포함함으로써 그래핀의 가스 흡착 및 검출을 달성할 수 있다. 상기 전극은 패턴화된 그래핀계 층 위에 마스크를 위치시킨 후 스퍼터링에 의해 형성할 수 있다.The graphene sensor portion formed on one surface of the base film preferably includes a graphene layer having a pattern formed by soft lithography and includes a pair of electrodes at both edges of the patterned graphene layer to form a graphene gas Adsorption and detection can be achieved. The electrode can be formed by sputtering after positioning the mask on the patterned graphene layer.
상기 기재 필름의 타면에 형성된 그래핀 히터부의 그래핀계 층은 패턴화될 수도 있고 패턴화되지 않을 수도 있다. 그래핀 히터부의 그래핀계 층의 경우, 그래핀 센서부의 그래핀계 층과 마찬가지로, 바람직하게는 소프트 리소그라피에 의해 형성될 수 있다. 패턴화되지 않은 그래핀계 층의 경우에는 상기 기재 필름에 대해 직접 화학기상증착(CVD) 방법으로 형성될 수도 있다. 그래핀 히터부는 패턴화되거나 패턴화되지 않은 그래핀계 층의 양쪽 가장자리에 한 쌍의 전극을 포함함으로써 발열할 수 있다. 상기 전극은 패턴화되거나 패턴화되지 않은 그래핀계 층 위에 마스크를 위치시킨 후 스퍼터링에 의해 형성할 수 있다.The graphene layer of the graphene heater portion formed on the other surface of the base film may be patterned or may not be patterned. In the case of the graphene layer of the graphene heater portion, it may preferably be formed by soft lithography, like the graphene layer of the graphene sensor portion. In the case of a non-patterned graphene layer, it may be formed directly on the base film by a chemical vapor deposition (CVD) method. The graphene heater portion can generate heat by including a pair of electrodes on both edges of the patterned or non-patterned graphene layer. The electrode can be formed by sputtering after placing the mask on a patterned or non-patterned graphene layer.
그래핀 센서부 및 히터부의 그래핀계 층은 각각 그래핀 만으로 이루어질 수도 있고, 유기물 또는 무기물과 그래핀과의 복합체로 이루어질 수도 있다. 상기 무기물은 Au, Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Al, Cr, Mg, Mn Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(Brass), 백동, 청동(Bronze), 스테인레스 스틸 및 Ge로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금, 또는 ZnO, SnO, TiO2 및 MnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속산화물일 수 있다. 예컨대, 복합체로서의 그래핀계 층은 그래핀 층을 금속 입자(예: Pt 입자)로 코팅한 후 열처리하여 얻어질 수도 있고, 산화그래핀과 금속 입자(예: Pd 입자)와의 복합체를 코팅한 후 환원처리하여 얻어질 수도 있다. The graphene layer of the graphene sensor portion and the heater portion may be made of only graphene, or may be composed of an organic material or a composite of an inorganic material and graphene. The inorganic material may be at least one of Au, Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Al, Cr, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Brass, ), it may be at least one selected from the group consisting of stainless steel, and Ge, or metal alloy, or ZnO, SnO, TiO 2 and MnO at least one metal oxide selected from the group consisting of. For example, the graphene layer as a composite may be obtained by coating a graphene layer with metal particles (such as Pt particles) and then heat-treating the coating. Alternatively, a composite of oxide graphene and metal particles (such as Pd particles) .
또한, 상기 그래핀계 층은 도펀트를 사용하여 도핑 또는 기능화된 것일 수 있다. 상기 도펀트는 NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6, HCl, H2PO4, H3CCOOH, H2SO4, HNO3, PVDF, 나피온(Nafion), AuCl3, SOCl2, Br2, CH3NO2, 디클로로디시아노퀴논, 옥손, 디미리스토일포스파티딜이노시톨 및 트리플루오로메탄술폰이미드로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택될 수 있다.The graphene layer may be doped or functionalized using a dopant. The dopant may be selected from the group consisting of NO 2 BF 4 , NOBF 4 , NO 2 SbF 6 , HCl, H 2 PO 4 , H 3 CCOOH, H 2 SO 4 , HNO 3 , PVDF, Nafion, AuCl 3 , SOCl 2 , Br 2 , CH 3 NO 2 , dichlorodicyanoquinone, oxone, di-myristoyl phosphatidyl inositol, and trifluoromethanesulfonimide.
그래핀 센서부 및 히터부 각각의 그래핀계 층의 두께는 그래핀 단일층의 두께인 0.35nm부터 소프트 리소그라피 공정으로 가능하고 유연성을 유지하는 100㎛까지 가능하다. 또한, 패턴화된 것일 경우, 그래핀 센서부 및 히터부 각각의 그래핀계 층은 500nm 내지 1000㎛의 선폭을 가질 수 있다. The thickness of the graphene layer of each of the graphene sensor portion and the heater portion is from 0.35 nm, which is the thickness of the graphene single layer, to 100 μm which is possible by the soft lithography process and maintains flexibility. Further, when patterned, the graphene layer of each of the graphene sensor portion and the heater portion may have a line width of 500 nm to 1000 m.
그래핀 센서부와 히터부의 그래핀계 층이 둘 다 패턴화된 것일 경우, 바람직하게는 소프트 리소그라피에 의해 라인(스트라이프) 패턴화된 그래핀 센서부의 그래핀계 층을 형성하고, 상기 라인 패턴에 대해 수직 또는 수평으로 정렬시켜 그래핀 센서부와 그래핀 히터부가 근접하게 위치할 수 있도록 소프트 리소그라피에 의해 라인(스트라이프) 패턴화된 그래핀 히터부의 그래핀계 층을 형성할 수 있다. 즉, 상기 그래핀 센서부와 그래핀 히터부가 서로 수직 또는 수평으로 라인 패턴을 가질 수 있다.When both the graphene layer of the graphene sensor part and the graphene layer of the heater part are patterned, it is preferable to form a graphene layer of a line (stripe) patterned graphene sensor part by soft lithography, Or horizontally aligned so that the graphene layer of the graphene heater patterned by line (stripe) patterning can be formed by soft lithography so that the graphene sensor portion and the graphene heater portion can be located close to each other. That is, the graphene sensor part and the graphene heater part may have a line pattern perpendicularly or horizontally to each other.
나아가, 본 발명의 그래핀 가스센서는, 그래핀 센서부를 구성하는 전극 및 그래핀계 층 상에 센서부 보호층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 센서부 보호층은 유연성 투명 물질, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 투명 고분자 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 보호층은 하부의 그래핀계 층을 보호하고, 그래핀계 층 표면에서 발생한 열이 바로 방출되지 않고 주변으로 균일하게 방출될 수 있도록 한다.Furthermore, the graphene gas sensor of the present invention may further include a sensor portion protective layer on the electrode and the graphene layer constituting the graphene sensor portion. The sensor unit protective layer may be made of a transparent transparent material, for example, a transparent polymer such as polyethylene terephthalate (PET), but is not limited thereto. The protective layer protects the underlying graphene layer and allows heat generated from the surface of the graphene layer to be released uniformly without being immediately released.
즉, 본 발명자들은 온도를 증가시킬 경우 그래핀 가스센서의 가스 검출 특성이 향상됨을 확인한 결과, 그래핀 기반의 히터와 결합된 패턴화된 그래핀 가스센서를 제작하였다. 특히 소프트 리소그라피 공정을 적용하여 그래핀 센서부의 패터닝을 수행함으로써, (1) 많은 엣지(edge)를 가지기 때문에 가스의 흡착이 용이하고, (2) 센서부의 그래핀의 저항을 증가시키지 않으면서 전체적으로 투과도를 증가시킬 수 있고, (3) 다양한 가스의 검출이 가능한 그래핀 가스센서의 제작이 가능하다. 즉, 각각의 채널마다 다른 종류의 금속을 흡착시켜, 다양한 종류의 가스를 검출할 수 있는 소자의 제작이 가능하다. That is, the present inventors confirmed that the gas detection characteristic of the graphen gas sensor was improved when the temperature was increased, and as a result, a patterned graphene gas sensor combined with a graphene-based heater was manufactured. Particularly, by performing patterning of the graphene sensor part by applying the soft lithography process, it is possible to (1) easily adsorb gas because it has many edges, (2) transmittance as a whole without increasing the resistance of the graphene of the sensor part (3) It is possible to manufacture a graphene gas sensor capable of detecting various gases. That is, it is possible to manufacture a device capable of detecting various kinds of gases by adsorbing different kinds of metals for respective channels.
패턴화된 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 센서부의 이미지 사진을 도 2에 나타내었다.An image photograph of the graphene sensor portion including the patterned graphene layer is shown in Fig.
이와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 가스센서는 투명한 유연센서로서, 패턴화된 그래핀계 센서층을 포함함으로써 가스의 흡착이 용이하고 그래핀계 히터층과 결함됨으로써 가스 검출 감도(sensitivity)가 높아 반응시간이 짧고(low response time) 낮은 저항과 우수한 열적, 화학적 안정성을 가져 CO2, NO2, NH3, O2와 같은 가스를 용이하게 흡착할 수 있다. 또한, 각각의 채널마다 다른 종류의 금속을 흡착시켜, 다양한 종류의 가스를 검출할 수 있는 소자의 제작이 가능하다.
As described above, the graphene gas sensor according to the present invention is a transparent flexible sensor. Since it includes a patterned graphene sensor layer, the gas can be easily adsorbed and the gas detection sensitivity is high because it is deficient in the graphene heater layer. Has a low response time and low resistance and excellent thermal and chemical stability to easily adsorb gases such as CO 2 , NO 2 , NH 3 and O 2 . Further, it is possible to manufacture a device capable of detecting various kinds of gases by adsorbing different kinds of metals to respective channels.
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments for better understanding of the present invention. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited to or by the following examples.
실시예 1Example 1
원하는 크기의 PET 기판을 세척하여 준비하고, CVD 방법으로 구리 기재 상에 성장시킨 그래핀 층을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 사용하여 SiO2 기판으로 전사시켜 준비하였다. 폴리디메틸실록산(PDMS) 몰드를 디메틸설폭사이드(DMSO)로 코팅한 후 SiO2 기판 위의 그래핀에 접촉시켜 일정한 압력을 가해 떼어낸 후, PET 기판의 양면에 각각 몰드를 접촉하여 그래핀 박리층을 전사하였다. 이때 패턴 선폭을 500 ㎛로 하였다. PET 기판의 일면 및 타면 위에 각각 형성된 패턴화된 그래핀 층 각각에 마스크를 위치시키고 Ti/Au 전극을 스퍼터링 방법으로 올린 후 Au 와이어를 형성하였다. 만들어진 소자를 가스공급이 가능한 진공 챔버에 넣고 진공을 유지시켰다. 진공이 유지되면 1000 ppm 농도의 NO2 가스를 200 sccm 속도로 흘려주면서 센서 특성을 측정하였다. NO2 가스에 대한 그래핀 센서의 시간에 따른 정규화(normalized) 저항(R/R0)의 변화 그래프를 도 3a에 나타내었다. 상온에서 측정한 결과 도 3a의 위의 그래프와 같은 결과를, 히터로 온도를 50℃로 히팅한 결과 도 3a의 아래의 그래프와 같은 결과를 얻었다.
A PET substrate of a desired size was prepared by washing and prepared, and a graphene layer grown on a copper substrate by a CVD method was transferred to a SiO 2 substrate by using polymethyl methacrylate (PMMA). The polydimethylsiloxane (PDMS) mold was coated with dimethylsulfoxide (DMSO), and then contacted with graphene on the SiO 2 substrate. The mold was peeled off with a certain pressure, and the mold was contacted with both sides of the PET substrate, Lt; / RTI > At this time, the pattern line width was set to 500 탆. A mask was placed on each of the patterned graphene layers formed on one side and the other side of the PET substrate, and Au / Au electrodes were formed by sputtering the Ti / Au electrodes. The fabricated device was placed in a vacuum chamber capable of supplying gas, and the vacuum was maintained. When the vacuum was maintained, the sensor characteristics were measured while flowing 1000 ppm NO 2 gas at a flow rate of 200 sccm. A graph of the change in the normalized resistance (R / R 0 ) of the graphene sensor over time with respect to NO 2 gas is shown in FIG. As a result of measurement at room temperature, the same result as in the graph of FIG. 3A was obtained. As a result of heating the temperature to 50 DEG C with the heater, the same result as the graph of FIG. 3A was obtained.
실시예 2Example 2
원하는 크기의 PET 기판을 세척하여 준비하고, CVD 방법으로 구리 기재 상에 성장시킨 그래핀 층을 PMMA를 사용하여 SiO2 기판으로 전사시켜 준비하였다. PDMS 몰드를 DMSO로 코팅한 후 SiO2 기판 위의 그래핀에 접촉시켜 일정한 압력을 가해 떼어낸 후, PET 기판의 양면에 각각 몰드를 접촉하여 그래핀 박리층을 전사하였다. 이때 패턴 선폭을 500 ㎛로 하였다. PET 기판의 일면 및 타면 위에 각각 형성된 패턴화된 그래핀 층 각각에 마스크를 위치시키고 Ti/Au 전극을 스퍼터링 방법으로 올린 후 Au 와이어를 형성하였다. 만들어진 소자를 가스공급이 가능한 진공 챔버에 넣고 진공을 유지시켰다. 진공이 유지되면 100 ppm 농도의 CO2 가스를 200 sccm 속도로 흘려주면서 센서 특성을 측정하였다. CO2 가스에 대한 그래핀 센서의 시간에 따른 정규화(normalized) 저항(R/R0)의 변화 그래프를 도 3b에 나타내었다. 상온에서 측정한 결과 도 3b의 위의 그래프와 같은 결과를, 히터로 온도를 50℃로 히팅한 결과 도 3b의 아래의 그래프와 같은 결과를 얻었다.
A PET substrate of a desired size was prepared by washing and prepared, and a graphene layer grown on a copper substrate by a CVD method was transferred to a SiO 2 substrate by using PMMA. The PDMS mold was coated with DMSO and then contacted with graphene on the SiO 2 substrate. Then, a certain pressure was applied to the mold, and the mold was contacted to both sides of the PET substrate to transfer the graphene release layer. At this time, the pattern line width was set to 500 탆. A mask was placed on each of the patterned graphene layers formed on one side and the other side of the PET substrate, and Au / Au electrodes were formed by sputtering the Ti / Au electrodes. The fabricated device was placed in a vacuum chamber capable of supplying gas, and the vacuum was maintained. When the vacuum was maintained, the sensor characteristics were measured while flowing CO 2 gas at a concentration of 100 ppm at a flow rate of 200 sccm. A graph of the change in the normalized resistance (R / R 0 ) of the graphene sensor with respect to CO 2 over time is shown in FIG. 3B. As a result of measurement at room temperature, the same result as in the graph of FIG. 3B was obtained. As a result of heating the temperature to 50 ° C. by the heater, the same result as the graph of FIG. 3B was obtained.
실시예 3Example 3
원하는 크기의 PET 기판을 세척하여 준비하고, CVD 방법으로 구리 기재 상에 성장시킨 그래핀 층을 PMMA를 사용하여 SiO2 기판으로 전사시켜 준비하였다. 준비한 그래핀 층에 Pt 입자를 코팅한 후 이를 진공에서 열처리하였다. PDMS 몰드를 DMSO로 코팅한 후 SiO2 기판 위의 그래핀 및 Pt 입자가 코팅된 그래핀 각각에 접촉시켜 일정한 압력을 가해 떼어낸 후, PET 기판의 양면에 각각 몰드를 접촉하여 그래핀 박리층을 전사하였다. 이때 그래핀 층은 히터부로, 그래핀-Pt 복합체 층은 센서부로 하였고, 패턴 선폭을 500 ㎛로 하였다. PET 기판의 일면 및 타면 위에 각각 형성된 패턴화된 그래핀계 층 각각에 마스크를 위치시키고 Ti/Au 전극을 스퍼터링 방법으로 올린 후 Au 와이어를 형성하였다. 만들어진 소자를 가스공급이 가능한 진공 챔버에 넣고 진공을 유지시켰다. 진공이 유지되면 1000 ppm 농도의 NO2 가스를 200 sccm 속도로 흘려주면서 센서 특성을 측정하였다.
A PET substrate of a desired size was prepared by washing and prepared, and a graphene layer grown on a copper substrate by a CVD method was transferred to a SiO 2 substrate by using PMMA. The prepared graphene layer was coated with Pt particles and then heat treated in a vacuum. The PDMS mold was coated with DMSO, and then contacted with graphene on the SiO 2 substrate and graphene coated with the Pt particles, and the pressure was applied at a constant pressure. The mold was then brought into contact with both sides of the PET substrate to form a graphene release layer And died. At this time, the graphene layer was a heater portion and the graphene-Pt composite layer was a sensor portion, and the pattern line width was 500 μm. A mask was placed on each of the patterned graphene layers formed on one side and the other side of the PET substrate, and Au / Au electrodes were formed by sputtering the Ti / Au electrodes. The fabricated device was placed in a vacuum chamber capable of supplying gas, and the vacuum was maintained. When the vacuum was maintained, the sensor characteristics were measured while flowing 1000 ppm NO 2 gas at a flow rate of 200 sccm.
실시예 4Example 4
원하는 크기의 PET 기판을 세척하여 준비하고, CVD 방법으로 구리 기재 상에 성장시킨 그래핀 층을 PMMA를 사용하여 SiO2 기판으로 전사시켜 준비하였다. 산화그래핀과 Pd 입자를 복합화한 그래핀 용액을 SiO2 기판에 코팅한 후 환원처리하여 그래핀-Pd 복합체 층을 준비하였다. PDMS 몰드를 DMSO로 코팅한 후 SiO2 기판 위의 그래핀 및 그래핀-Pd 복합체 각각에 접촉시켜 일정한 압력을 가해 떼어낸 후, PET 기판의 양면에 각각 몰드를 접촉하여 그래핀 박리층을 전사하였다. 이때 그래핀 층은 히터부로, 그래핀-Pd 복합체 층은 센서부로 하였고, 패턴 선폭을 500 ㎛로 하였다. PET 기판의 일면 및 타면 위에 각각 형성된 패턴화된 그래핀계 층 각각에 마스크를 위치시키고 Ti/Au 전극을 스퍼터링 방법으로 올린 후 Au 와이어를 형성하였다. 만들어진 소자를 가스공급이 가능한 진공 챔버에 넣고 진공을 유지시켰다. 진공이 유지되면 1000 ppm 농도의 H2 가스를 200 sccm 속도로 흘려주면서 센서 특성을 측정하였다. H2 가스에 대한 그래핀 센서의 시간에 따른 정규화 저항(R/R0)의 변화 그래프를 도 4에 나타내었다.
A PET substrate of a desired size was prepared by washing and prepared, and a graphene layer grown on a copper substrate by a CVD method was transferred to a SiO 2 substrate by using PMMA. A graphene solution in which oxide graphene and Pd particles were combined was coated on a SiO 2 substrate and subjected to reduction treatment to prepare a graphene-Pd composite layer. The PDMS mold was coated with DMSO and then contacted with each of the graphene and the graphene-Pd composite on the SiO 2 substrate, and a certain pressure was applied thereto. Then, the mold was contacted with both sides of the PET substrate to transfer the graphene release layer . At this time, the graphene layer was a heater portion and the graphene-Pd composite layer was a sensor portion, and the pattern line width was set to 500 μm. A mask was placed on each of the patterned graphene layers formed on one side and the other side of the PET substrate, and Au / Au electrodes were formed by sputtering the Ti / Au electrodes. The fabricated device was placed in a vacuum chamber capable of supplying gas, and the vacuum was maintained. When the vacuum was maintained, the sensor characteristics were measured while flowing 1000 ppm H 2 gas at a flow rate of 200 sccm. A graph of a change in normalization resistance (R / R 0 ) of the graphene sensor with respect to H 2 gas with time is shown in FIG.
Claims (16)
상기 기재 필름의 일면에 형성된, 패턴화된 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 센서부; 및
상기 기재 필름의 타면에 형성된, 그래핀계 층을 포함하는 그래핀 히터부
를 포함하는 그래핀 가스센서.A base film;
A graphene sensor part formed on one surface of the base film and including a patterned graphene layer; And
A graphene heater part including a graphene layer formed on the other surface of the base film;
The graphen gas sensor comprising:
상기 그래핀 센서부의 그래핀계 층이 소프트 리소그라피에 의해 패턴화된 것임을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene sensor portion is patterned by soft lithography.
상기 그래핀 히터부의 그래핀계 층이 패턴화되거나 패턴화되지 않은 것임을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene heater portion is not patterned or patterned.
상기 그래핀 히터부의 그래핀계 층의 패턴화가 소프트 리소그라피에 의한 것임을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method of claim 3,
Wherein the graphene layer of the graphene heater is patterned by soft lithography.
상기 소프트 리소그라피가, 상기 기재 필름과는 다른 기재 상에 그래핀계 층을 형성한 후, 표면에 양각 패턴을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS) 재질의 스템프를 상기 그래핀계 층에 접촉시켜 양각 패턴 부분에 접착되는 그래핀계 층을 선택적으로 박리시킨 다음, 상기 기재 필름에 대해 상기 스템프를 접촉시켜 상기 그래핀계 박리층을 재도포하는 것임을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 2 or 4,
Wherein soft lithography is performed by forming a graphene layer on a substrate different from the substrate film and then bonding a stamp of polydimethylsiloxane (PDMS) having a relief pattern on the surface to the graphene layer to adhere to the relief pattern portion Wherein the graphene layer is selectively peeled off and then the stamp is brought into contact with the base film to repaint the graphene peeling layer.
상기 그래핀 센서부 및 히터부의 그래핀계 층이 각각 그래핀 만으로 이루어지거나, 유기물 또는 무기물과 그래핀과의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene sensor part and the heater part are made of only graphene, or are composed of a composite of an organic material or an inorganic material and graphene.
상기 무기물이 Au, Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Al, Cr, Mg, Mn Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동(Brass), 백동, 청동(Bronze), 스테인레스 스틸 및 Ge로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 합금이거나, 또는 ZnO, SnO, TiO2 및 MnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속산화물인 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 6,
Wherein the inorganic material is selected from the group consisting of Au, Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Al, Cr, Mg, Mn, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Brass, ), At least one metal or alloy selected from the group consisting of stainless steel and Ge, or at least one metal oxide selected from the group consisting of ZnO, SnO, TiO 2 and MnO.
상기 그래핀 센서부 및 히터부의 그래핀계 층이 각각 도펀트에 의해 도핑 또는 기능화되는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene sensor portion and the heater portion are doped or functionalized by a dopant, respectively.
상기 도펀트가 NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6, HCl, H2PO4, H3CCOOH, H2SO4, HNO3, PVDF, 나피온(Nafion), AuCl3, SOCl2, Br2, CH3NO2, 디클로로디시아노퀴논, 옥손, 디미리스토일포스파티딜이노시톨 및 트리플루오로메탄술폰이미드로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.9. The method of claim 8,
Wherein the dopant is selected from the group consisting of NO 2 BF 4 , NOBF 4 , NO 2 SbF 6 , HCl, H 2 PO 4 , H 3 CCOOH, H 2 SO 4 , HNO 3 , PVDF, Nafion, AuCl 3 , SOCl 2 , Br 2 , CH 3 NO 2 , dichlorodicyanoquinone, oxone, dimyristoyl phosphatidyl inositol, and trifluoromethanesulfonimide.
상기 그래핀 센서부 및 상기 그래핀 히터부의 그래핀계 층이 각각 0.35nm 내지 100㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene sensor portion and the graphene layer of the graphene heater portion each have a thickness of 0.35 nm to 100 탆.
상기 그래핀 센서부의 그래핀계 층이 500nm 내지 1000㎛의 패턴 선폭을 갖는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene sensor portion has a pattern line width of 500 nm to 1000 mu m.
상기 그래핀 센서부가 상기 그래핀계 층의 양쪽 가장자리에 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene sensor part includes a pair of electrodes at both edges of the graphene layer.
상기 그래핀 히터부의 그래핀계 층이 500nm 내지 1000㎛의 패턴 선폭을 갖도록 패턴화되는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene heater portion is patterned to have a pattern line width of 500 nm to 1000 mu m.
상기 그래핀 히터부가 상기 그래핀계 층의 양쪽 가장자리에 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene heater portion includes a pair of electrodes at both edges of the graphene layer.
상기 그래핀 센서부의 그래핀계 층과 그래핀 히터부의 그래핀계 층이 서로 수직 또는 수평으로 정렬된 라인 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.The method according to claim 1,
Wherein the graphene layer of the graphene sensor portion and the graphene layer of the graphene heater portion have a line pattern vertically or horizontally aligned with each other.
상기 그래핀 가스센서가 상기 그래핀 센서부를 구성하는 전극 및 그래핀계 층 상에 센서부 보호층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 가스센서.13. The method of claim 12,
Wherein the graphen gas sensor further comprises a sensor portion protective layer on the electrode and the graphene layer constituting the graphene sensor portion.
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