KR20200097522A - R2r 그라비아 인쇄 방법을 이용한 전기화학 센서 태그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 R2R(Roll-to-Roll) 그라비아 인쇄 방식을 이용하여 전기화학 센서 태그를 제조하는 방법은, 인쇄 방식을 이용하여 전기화학 센서 태그를 제조하는 방법에 있어서, 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 사용하여 PET 필름의 유연 기판에 서로 이격된 제1 내지 제3 전도성 배선들을 인쇄하는 단계, 상기 제1 전도성 배선 및 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 전도성 카본 잉크를 이용하여 제1 전극 패턴을 인쇄하는 단계, 및 상기 제2 전도성 배선의 적어도 일부 상에 Ag/AgCl 잉크를 이용하여 제2 전극 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하며, 상기 제1 내지 제3 전도성 배선들은 각각 보조 전극, 기준 전극, 및 작업 전극으로서 삼전극계(three electrode system)를 형성한다.

Description

R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용한 전기화학 센서 태그 제조 방법 {METHOD FOR PROVIDING PRINTED ELECTROCHEMICAL SENSOR TAGS USING ROLL-TO-ROLL GRAVURE PRINTING SCHEME}

본 발명은 R2R(Roll-to-Roll) 그라비아 인쇄 방식을 이용한 전기화학 센서 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 R2R 그라비아 인쇄 방식을 이용하여 웨어러블 의료소자에 적용이 가능한 전기화학 센서 태그를 제조하는 방법에 관한 것이다.

다양하게 보급되고 있는 웨어러블 기기는 대부분 이동 거리나 운동량을 측정하거나 맥박을 측정하는 기능만을 제공한다. 스마트 폰과 연동하는 스마트 와치(watch)도 이와 같은 기능에서 크게 벗어나지 못하고 있는 실정이다.

한편, 생체 정보 진단 기술이 급격히 발전함에 따라 소형 웨어러블 기기들이 고가의 진단 장비를 대신하기 시작하고 있다. 미국 시장조사기관 IDC(International Data Corporation)는 세계 웨어러블 의료 기기 시장 규모가 2020년에 46억 달러(약 5조원)에 이를 것으로 예측하였다.

특히, 생체 정보 진단 웨어러블 의료 기기로써 혈당 혈압 검사를 간소화하는 휴대용 의료 기기가 활발하게 개발되고 있는 시점이다. 구글(Google)은 글로벌 제약기업 노바티스와 함께 눈물 속 포도당(glucose)을 수시로 체크해 당뇨 여부를 검사하는 스마트 콘택트 렌즈를 개발하고 있다. 애플(Apple) 역시 "애플워치"에 혈당과 혈압을 수시로 체크해주는 기능을 탑재하기 위한 연구를 진행하고 있다.

국내 울산과학기술원에서는 눈에 착용한 후, LED를 통하여 혈당 확인이 가능한 스마트 콘택트 렌즈를 개발하였다. 울산과학기술원에서 공개한 스마트 콘텍트 렌즈는 LED의 깜빡임으로 혈당 수치를 간편하게 확인할 수 있다.

하지만, 포도당 검출을 위한 콘택트 렌즈의 경우, 여러가지 제약이 존재한다. 센서가 부착된 렌즈를 눈에 착용하게 되면, 렌즈 두께로 인하여 사용자의 안구에 건조증이 유발될 수 있다. 또한 측정에 필요한 눈물 량을 한 번에 확보하기 힘들기도 할 뿐만 아니라 정확한 데이터를 위해서 측정과 측정 사이에 보정이 이뤄져야 하는데 눈은 항상 수분으로 젖어 있어 확실한 보정(refresh)이 어렵다. 또한 스마트 렌즈는 신체에 직접적으로 부착되어 동작하기 때문에, 아직까지는 안전성 문제에서 자유롭지 못하다.

운동 중에도 의료 기기 수준의 정확도를 제공하는 웨어러블 프로토타입(prototype)이 국내 대학교에서 개발되고 있다. 2020년 상용화를 목표로 한 헬스 케어 스마트 드레싱은 피부가 벗겨진 상처(창상) 부위의 온도와 상처에서 발생하는 삼출물의 pH 값을 바이오 센서를 이용해 실시간 측정하고 이를 휴대폰이나 전용단말기에 전송하는 시스템으로 구현된다. 헬스 케어 스마트 드레싱에는 상처 부위의 세균 감염 여부를 환자 자신과 보호자, 또는 원거리에 위치한 의료진이 실시간으로 확인하는 데 도움을 주는 무선 통신 바이오 센서가 적용되었다.

또한 미국의 터프츠(Tufts) 대학 연구진은 pH와 온도 센서를 통합해 상처 부위를 모니터링하는 스마트 붕대 시제품을 공개하였다. 이 스마트 붕대에는 감염과 염증상태를 추적하는 pH와 온도 센서가 내장돼 있어, 수집된 자료를 통해 상처의 상태를 정확히 측정하고 이를 기반으로 올바른 약물 치료를 할 수 있게 해준다. 상처로부터 측정되는 pH는 만성 상처의 치유 과정을 모니터링하기 위한 중요한 요소로, 정상적인 상처의 pH 지수는 5.5 내지 6.5이며, 감염된 상처는 6.5 보다 큰 pH 지수를 나타낸다. 스마트 붕대 안에 탑재된 마이크로 프로세서는 pH, 및 온도 센서로부터 데이터를 수집하며 약물을 주입하도록 구현된다.

이러한 상처 부위 검출용 밴드나 태그의 경우 피부에 직접 닿기 때문에 일회용으로 유연(flexible)하게 제작되어야 하는데, 현재 기술 수준으로는 가격적인 측면과 기술적 어려움 때문에 프로토타입으로만 제시하고 있는 실정이다. 또한 땀이나 피부의 노폐물로 인하여 검출 센서에 포함된 전극의 성능이 열화될 수 있으며, pH 지수를 측정할 때에는 물이 기본 용매이기 때문에 물에 대한 안정성이 확보되어야 한다.

미국의 유명 의료기기 기업 메드트로닉(Medtronic)은 심장 부정맥을 진단하는 조끼 형태의 웨어러블 의료기기를 개발하였다. 이 조끼에는 총 252개의 전극 센서가 탑재되어 있어 평소 사용자가 옷처럼 입고 다니면서 심방과 심실 검사를 할 수 있게 하였다. 또한, 검사된 데이터에 대해 ECG(심전도) 데이터와 CT 스캔 영상을 결합함으로써 심장 구조를 3D 전기해부학적 영상으로 재구성해 보여주도록 구현되기도 한다. 그렇지만 심전도 데이터와 CT 스캔 영상 그리고 전극 구조상 실제 휴대가 힘들며, 일부 병원에서 환자 치료용으로 개발되고 있는 상황이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용하여 웨어러블 의료 기기에 적용될 수 있는 전기화학 센서 태그의 제조 방법을 제공하고자 한다. 본 발명은 R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용하여 소수성 Ag 나노파티클 잉크와 전도성 카본 (Carbon) 잉크를 이용하여 전기화학 센서 전극(작업 전극, 기준 전극, 및 보조 전극)을 인쇄하여 삼전극계를 구현한 전기화학 센서 태그 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 폴리에틸렌(Polyethylene) 절연 잉크를 이용하여 삼전극계를 이루는 각 전극들이 다른 요소들과 전기적으로 연결되지 않도록 하는 절연층을 인쇄하여 유연한 형태로 구현 가능한 전기화학 센서 태그 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 작업 전극 표면의 화학적 처리를 통하여 글루코스, pH, K⁺, Na⁺, Cu²⁺, 카페인 등을 선택적으로 검출할 수 있는 의료 기기로 활용할 수 있는 전기화학 센서 태그 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 비채혈 방식으로 글루코스(혹은 카페인, K⁺ 등)을 검출할 수 있는 전기화학 센서 태그 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 R2R(Roll-to-Roll) 그라비아 인쇄장비를 통하여 대량으로 초저가로 생산이 가능한 전기화학 센서에 대한 제조 방법과 이를 이용한 웨어러블 의료소자의 응용에 대해 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 R2R 그라비아 인쇄 방식을 이용하여 전기화학 센서 태그를 제조하는 방법은, 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 사용하여 PET 필름의 유연 기판에 서로 이격된 제1 내지 제3 전도성 배선들을 인쇄하는 단계, 상기 제1 전도성 배선 및 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 전도성 카본 잉크를 이용하여 제1 전극 패턴을 인쇄하는 단계, 및 상기 제2 전도성 배선의 적어도 일부 상에 AgCl 잉크를 이용하여 제2 전극 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하며, 상기 제1 전극 패턴은 보조 전극 또는 기준 전극으로, 상기 제3 전극 패턴은 작업 전극으로서 삼전극계(three electrode system)를 형성한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 패턴이 인쇄된 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 pH, Na⁺, K⁺, 글루코스, 및 카페인 중 적어도 하나에 대해 감응하는 물질을 이용하여 제3 전극 패턴을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 복수의 전도성 배선들을 인쇄하는 단계는, PVB(Polyvinyl butyral)과 테르피네올(Terpineol)을 사용하여, 80 내지 150 cp의 점도, 및 28 내지 33 mN/m의 장력을 가지는 상기 Ag 나노파티클 잉크를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극 패턴이 인쇄된 상부에, 아가로스 젤(Agarose gel)과 SU-8 photoresist를 순차적으로 코팅하여 상기 기준 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 전기화학 센서 태그 제조 방법은, 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 ECA(ethylene glycol monoethyl ether acetate)을 이용하여 250 내지 350 cP의 점도, 28 내지 33 mN/m의 표면장력을 가지는 절연 잉크를 제조하는 단계, 및 상기 절연 잉크를 이용하여 상기 제1 전극 패턴, 상기 제2 전극 패턴, 및 또는 상기 제3 전극 패턴을 제외한 상기 전도성 배선 상에 절연층을 인쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 패턴을 인쇄하는 단계는, 상기 ECA을 이용하여 250 내지 350 cP의 점도, 30 내지 33 mN/m의 표면장력을 갖는 상기 전도성 카본 잉크를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 전극 패턴을 인쇄하는 단계는, 폴리아닐린(polyaniline) 및 CSA(camphorsulfonic acid)를 이용하여 전도성 폴리아닐린 잉크를 제조하는 단계, 및 상기 전도성 폴리아닐린 잉크를 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 인쇄하여 상기 pH에 감응하는 작업 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 전기화학 센서 태그 제조 방법은 상기 제1 내지 제3 전도성 배선들에 대하여 칩을 본딩하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학 센서 제조 방법에 따르면, pH, Na+, K+, 글루코스 등 다양한 인자에 감응도가 높으면서도 유연하여 인체에 부착이 용이한 전기화학 센서 태그를 낮은 단가로 대량 생산할 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학 센서 태그 제조 방법은 일정한 전위를 가지는 인쇄 Ag/AgCl 기준 전극 제조 방법, 전극을 보호 및 외부환경 영향을 최소화를 위한 절연층 잉크 제조 방법, 폴리 아닐린/카본 기반의 pH 감응 작업 전극의 제조 방법을 제공하며, 웨어러블 의료기기로써, 채혈을 하지 않고도 사람 피부의 땀으로부터 pH(또는 글루코스)를 읽을 수 있는 전기화학 센서 태그를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 전기화학 센서 태그 제조 방법은, 스마트폰의 NFC 기능과 연동하여 저가격의 웨어러블 전기화학 멀티 센서로 기능할 수 있는 전기화학 센서 태그를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서 태그의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용한 전기화학 센서 태그의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3 내지 도 7은 전기화학 센서 태그의 제조 방법에 따른 전기화학 센서 태그의 일 실시예를 나타내는 평면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용하여 실제로 인쇄된 전기화학 센서 태그를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 칩과 연결된 전기화학 센서 태그를 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전기화학 센서 태그가 pH에 따라 상이한 전위(potential)를 나타내는 그래프와, 연속적인 pH 변화에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 작업 전극에 서로 다른 물질을 사용하여 각각 글루코스와 Cu²⁺에 대하여 감응하도록 제조한 경우에 따른 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 12는 완성된 전기화학 센서 태그에 인쇄 안테나와 칩을 접합하여 스마트 폰과 통신하는 모습을 나타낸 도면들이다.

이하에서 본 발명의 기술적 사상을 명확하게 하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 도면들 중 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소들에 대하여는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 들 및 부호들을 부여하였다. 설명의 편의를 위하여 필요한 경우에는 장치와 방법을 함께 서술하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서 태그의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용한 전기화학 센서 태그의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 또한 도 3 내지 도 7은 전기화학 센서 태그의 제조 방법에 따른 전기화학 센서 태그의 일 실시예를 나타내는 평면도들이다.

본 발명에 따른 전기화학 센서 태그 제조 방법은 연속적인 R2R 그라비아 인쇄 공정에 따르며, 이에 따라 전기화학 센서 태그를 낮은 단가로 대량 양산할 수 있다.

전기화학 센서를 인쇄하기 위해 PET(polyethylene terephthalate) 필름 기판을 준비한다(단계 S110). R2R 공정에 적용하기 위해 PET 필름 기판은 롤에 말린 형태로 준비될 수 있다.

PET 기판 위에 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 이용하여 전기화학 센서의 배선 및 전극의 역할을 수행하는 전도성 배선을 인쇄한다(단계 S120). 기존 그라비아용 Ag 나노파티클 기반 잉크의 경우 친수성 특성으로 인하여 수용액 기반 측정용에는 적합하지 않다. 본 발명에서는 소수성 특성을 가진 Ag 나노파티클 잉크를 이용하여 pH 측정에 용이하게 하였으며 나아가 이러한 Ag 나노파티클 잉크를 이용한 전도성 배선은 전도성이 높아 저항이 낮다.

또한 본 발명에서는 삼전극계를 이용한 전기화학 센서 회로를 구현하는 바, 전도성 배선은 적어도 세 개의 이격된 전도성 배선들을 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 복수의 전도성 배선들이 인쇄된 전기화학 센서 태그의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 3을 참조하면, 세 개의 이격된 전도성 배선들은 제1 전도성 배선(310), 제2 전도성 배선(320), 및 제3 전도성 배선(330)을 포함할 수 있으며, 이들은 각각 전기적으로 연결되지 않는다. 이후 추가 공정을 통해 제1 전도성 배선(310)은 보조 전극, 제2 전도성 배선(320)은 기준 전극, 그리고 제3 전도성 배선(330)은 작업 전극에 상응하도록 제조될 수 있다.

본 발명에서 전도성 배선들(310, 320, 330)은 전류나 전압 값이 측정되는 측정부(SEN)와 연결부(CON)로 구성될 수 있으며, 구체적으로는 제1 전도성 배선(310)의 측정부(SEN)가 보조 전극, 제2 전도성 배선(320)의 측정부(SEN)가 기준 전극, 그리고 제3 전도성 배선(330)의 측정부(SEN)가 작업 전극이 될 수 있다.

삼전극계에 있어서 작업 전극은 실제 산화나 환원 반응이 일어나는 전극에 상응하며, 기준 전극은 작업 전극에서의 정확한 전압을 측정하기 위한 기준이 되는 전극으로 저항이 매우 커서 전류가 거의 흐르지 않는다. 그리고 보조 전극은 반응에 직접 참여하지 않고 전위 값에 영향을 미치지 않으며 전류가 흐르는 전극이다. 삼전극계에 따르면 기준 전극을 통해 전압을, 보조 전극을 통해 전류 값을 획득할 수 있다.

단계 S110은 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 이용하여 삼전극계를 구성하는 전극들을 형성하기 위한 기본이 되는 배선들을 인쇄하는 단계로서, 해당 단계에서는 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

소수성 Ag 나노파티클 잉크는, R2R 그라비아 인쇄를 위해서 PVB(Polyvinyl butyral)과 테르피네올(Terpineol)을 사용하여, 80 내지 150 cp의 점도, 및 28 내지 33 mN/m의 표면장력을 가지도록 제조될 수 있다.

이와 같이 복수의 전도성 배선이 인쇄된 이후, R2R 공정을 통해 건조 오븐을 통하여 150 ℃에서 약 1분 간 건조될 수 있다(도 2의 단계 S125 참조). 도 2를 참조하면, 이하의 각 인쇄 또는 코팅 등의 단계를 거친 후에는 다음 공정을 위해 인쇄 또는 코팅된 물질을 건조하는 공정이 수반될 수 있다(도 2의 단계 S135, S145, S155, 및 S165 참조).

복수의 전도성 배선들 중 제1 전도성 배선(도 4의 310)과 제3 전도성 배선(도 4의 330)의 일부 상에 제1 전극 패턴을 인쇄한다 (단계 S130). 제1 전극 패턴은 전도성 카본 잉크를 이용하여 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 이용하여 인쇄된 전도성 배선 위에 인쇄될 수 있다.

도 4는 제1 전극 패턴이 인쇄된 전기화학 센서 태그의 일 실시예를 나타내는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 제1 전도성 배선(310)의 일부 영역 상, 구체적으로는 제1 전도성 배선(310)의 측정부(SEN) 상에 제1 전극 패턴(311)이 인쇄되었으며, 제3 전도성 배선(330)의 일부 영역 상, 마찬가지로 제3 전도성 배선(310)의 측정부(SEN) 상에 제1 전극 패턴(331)이 인쇄될 수 있다.

실시예에 따라, 전도성 카본 잉크는 ECA(Ethylene glycol monoethyl ether acetate)를 이용하여 250 내지 350 cP의 점도, 30 내지 33 mN/m의 표면장력을 가지도록 제조될 수 있다.

실시예에 따라, 제1 전극 패턴이 인쇄된 이후, 건조 과정을 거칠 수 있다 (도 2의 단계 S135).

본 발명에서는 인쇄된 전극의 표면이나 배선 부분에서 의도치 않은 반응을 제외하기 위해서 절연층을 인쇄할 수 있다 (단계 S140). 절연층은 의도치 않은 화학 반응을 상쇄하며 불필요하게 전극 이외에 다른 부분이 외부에 노출되지 않도록 한다. 절연층을 인쇄하기 위한 절연 잉크는 PE(polyethylene) 기반으로 하여 ECA 용매를 첨가하여 제조될 수 있다. 절연 잉크의 경우 인쇄 소자(예를 들어, 인쇄 트랜지스터)에 대해서 절연층(단선(short)에 효과적으로 사용) 적용이 가능하다. 예를 들어, 250 내지 350 cP의 점도, 28 내지 33 mN/m의 표면장력을 가지는 절연 잉크를 제조할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 절연층이 인쇄된 전기화학 센서 태그를 나타낸 평면도이다.

도 5를 참조하면, 전도성 배선들(310, 320, 330)에 있어서 측정부(SEN)를 제외한 모든 영역에 절연층(400)을 인쇄함에 따라 측정을 위한 것 이외에 전도성 배선들이 다른 요소들과 전기적으로 접촉하지 않도록 한다.

본 명세서에서는 제1 전극 패턴이 인쇄된 이후에 절연층이 인쇄되는 것으로 설명하였으나 절연층이 인쇄되는 순서는 이에 한정되지 않는다.

실시예에 따라, 절연층을 인쇄한 이후에 건조 단계를 더 거칠 수 있다(도 2의 단계 S145).

삼전극계에서 기준 전극은 외부 영향에도 불구하고 안정적으로 전압을 제공하여야 하는바, Ag/AgCl 잉크를 이용하여 제2 전도성 배선의 일부 영역 상에 제2 전극 패턴을 인쇄할 수 있다 (단계 S150).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제2 전극 패턴이 인쇄된 전기화학 센서 태그를 나타낸 평면도이다.

도 6을 참조하면, 제2 전도성 배선(320)의 측정부(SEN) 상에 제2 전극 패턴(321)이 인쇄된 것을 확인할 수 있다. 실시예에 따라, 제2 전극 패턴을 인쇄하는 단계는 3 M KCl로 포화된 아가로스(Agarose)막과 SU-8 포토레지스트(photoresist)를 순차적으로 코팅(구체적으로는 딥 코팅(dip coating))하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라 제2 전극 패턴(320)의 측정부(SEN)가 기준 전극으로 제조될 수 있다.

실시예에 따라, 제2 전극 패턴을 인쇄하는 단계는 R2R 그라비아 인쇄 뿐만 아니라, 잉크젯 또는 스크린 인쇄 방식을 이용할 수 있다.

실시예에 따라, 도 2를 참조하면, 다른 전해질로부터 손상을 막기위해 Ag/AgCl 전극은 SU-8에 한번 더 딥 코팅(dip coating) 된 후 80℃에서 2시간 건조될 수 있다 (단계 S155).

실시예에 따라, 본 발명의 작업 전극은 특정한 성분에 감응하여 상이한 전압 또는 전류 값을 가지게 된다. 상술한 단계까지 마친 경우, 제3 전도성 배선의 측정부(SEN)에는 Ag 나노파티클 잉크에 의한 인쇄와 전도성 카본 잉크에 의한 인쇄가 마쳐진 상태이다. Cu²⁺에 대해서는 이후 다른 추가 공정을 거치지 않는다고 하더라도 스트리핑 분석법(stripping voltammetry)을 사용하여 검출이 가능하다.

한편 멀티 센서(pH, Na⁺, K⁺, 글루코스, 카페인 등에 대한 감응)로 구현하기 위해서 추가 공정을 포함할 수 있다 (단계 S160). 이 과정은 제3 전도성 배선의 일부 영역 상에 pH, Na⁺, K⁺, 글루코스, 및 카페인 중 적어도 하나에 대해 감응하는 물질을 이용하여 제3 전극 패턴을 형성하는 것으로 이해될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제3 전극 패턴이 형성된 전기화학 센서 태그를 나타낸 평면도이다. 도 7을 참조하면, 제3 전도성 배선(330)의 측정부(SEN) 상에 제3 전극 패턴(332)이 형성됨에 따라 특정한 물질에 대하여 감응하는 멀티 센서로 동작이 가능해진다.

실시예에 따라, pH 감응을 위해서 카본/Ag 전극기반 작업 전극위에 전도성 폴리아닐린(polyaniline) 잉크를 이용하여 pH 감응 제3 전극 패턴을 인쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 폴리아닐린 잉크는 폴리아닐린 파우더와 CAS (camphorsulfonic acid)를 1:1의 무게비로 막자사발에 갈고, 혼합된 파우더를 m-cresol 용액에 1.6 wt% 비율로 섞은 후, Triethoxy(3-isocyanatopropyl)silane을 1 wt% 비율로 첨가하며, 이 혼합물을 약 3시간 동안 ultra-sonication을 수행한 이후, 약 1시간 동안 homogenizer를 이용하여 분산함에 따라 제조될 수 있다. 실시예에 따라, 제3 전극 패턴은 잉크젯 혹은 스크린 인쇄 방법을 이용하여 인쇄될 수도 있다.

실시예에 따라, 글루코스 감응을 위해서 글루코스 산화 용액을 제3 전도성 배선의 측정부에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 글루코스 산화 용액은 1 mg enzyme에 100 μL의 PBS 수용액을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 카페인 감응에 대해서 0.8 μL의 0.01 % 다중벽 카본 나노튜브(multiwall carbon nanotubes)와 0.01 %의 나피온 (Nafion)을 제3 전도성 배선의 측정부에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이 코팅된 작업 전극은 카페인에 대해 반응하여, 결과적으로 전기화학 센서 태그는 카페인 감응 센서로 기능할 수 있다.

마찬가지로 제3 전극 패턴을 형성한 이후에는 건조 과정을 거칠 수 있다(도 2의 단계 S165).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 R2R 그라비아 인쇄 방법을 이용하여 실제로 인쇄된 전기화학 센서 태그를 나타낸 도면이다.

다양한 형태의 제품에 대응하기 위해서 전체 전기화학 센서 크기는 0.5 mm부터 3.00 mm까지 대응하도록 설계될 수 있다. 또한 일회용 전극으로 사용되어 사용될 수 있도록 유연하면서도 얇은 PET 필름 기반 위에 인쇄되어 변형이 용이하며, 필요에 따라서 절단하여 사용될 수 있도록 설계되었다.

다시 도 1 및 도 2로 돌아가서, 실시예에 따라 이와 같이 인쇄된 전기화학 센서 태그는 실제 동작을 위해 칩과 본딩될 수 있다(단계 S170). 칩은 실리콘 기반의 칩을 포함할 수 있으며, 컨트롤러 및 트랜스?j더를 포함할 수 있다. 칩은 각 전극으로부터 전류 또는 전압 값을 읽어들여 저장할 수 있다. 나아가, 전기화학 센서 태그가 외부의 장치(예를 들어, 스마트 폰)과 통신할 수 있도록 안테나가 접합될 수도 있으며, 칩을 통해 전극으로부터 측정된 값이 외부에 제공될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 칩과 연결된 전기화학 센서 태그를 나타낸 평면도이다. 도 9를 참조하면, 절연층(400)이 인쇄되지 않은 전도성 배선의 연결부(CON)의 일부(350)와 칩(500)이 연결될 수 있다. 이에 따라 전기화학 센서 태그로부터 수집된 값들이 외부에 전송될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전기화학 센서 태그가 pH에 따라 상이한 전위(potential)를 나타내는 그래프와, 연속적인 pH 변화에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프이다.

도 10의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 전기화학 센서 태그는 pH(예를 들어, pH 7 내지 11의 범위 내)가 증가함에 따라 선형적인 감소하는 전위 값을 출력하는 것을 확인할 수 있으며, 도 10의 (b)를 참조하면, pH 가 연속적으로 변화는 환경이 수 시간 지속되는 경우에도 안정적으로 pH에 따른 다른 출력 전압 값을 출력하는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 작업 전극에 서로 다른 물질을 사용하여 각각 글루코스와 Cu²⁺에 대하여 감응하도록 제조한 경우에 따른 결과를 나타낸 그래프들이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기화학 센서 태그는 멀티 센서로 쓰이기 위해 작업 전극에 대하여 추가 표면 추가 공정이 진행될 수 있으며 각각 물질에 대하여 전위 (potential)혹은 전류의 값으로부터 해당 물질을 확인할 수 있다.

도 12는 완성된 전기화학 센서 태그에 인쇄 안테나와 칩을 접합하여 스마트 폰과 통신하는 모습을 나타낸 도면들이다. 도 12의 (a)는 실제 인쇄된 전기화학 센서 태그로부터 스마트 폰이 NFC 기능을 사용하여 실시간으로 해당 pH (혹은 글루코스, Cu²⁺, 카페인 등)값을 읽어 들이는 모습의 프로토타입이며, 도 12의 (b)는 본 발명에 따른 전기화학 센서 태그를 인체에 부착하여 pH를 비롯한 다양한 수치를 스마트 폰으로 전송하는 과정을 나타낸 개념도이다. 본 발명에서 제안하는 전기화학 센서 태그는 비채혈 형태로 손목에 부착하여 사용자의 pH 혹은 글루코스 농도를 실시간으로 확인할 수도 있을 것이다.

지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다. 비록 본 명세서에 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 개념을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 발명의 각 단계는 반드시 기재된 순서대로 수행되어야 할 필요는 없고, 병렬적, 선택적 또는 개별적으로 수행될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 본질적인 기술사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 형태 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 균등물은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 구성요소를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (8)

1. R2R(Roll-to-Roll) 그라비아 인쇄 방식을 이용하여 전기화학 센서 태그를 제조하는 방법에 있어서,
   소수성 Ag 나노파티클 잉크를 사용하여 PET 필름의 유연 기판에 서로 이격된 제1 내지 제3 전도성 배선들을 인쇄하는 단계;
   상기 제1 전도성 배선 및 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 전도성 카본 잉크를 이용하여 제1 전극 패턴을 인쇄하는 단계; 및
   상기 제2 전도성 배선의 적어도 일부 상에 AgCl 잉크를 이용하여 제2 전극 패턴을 인쇄하는 단계를 포함하며,
   상기 제1 전극 패턴은 보조 전극 또는 기준 전극으로, 상기 제3 전극 패턴은 작업 전극으로서 삼전극계(three electrode system)를 형성하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서
   상기 제1 전극 패턴이 인쇄된 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 pH, Na⁺, K⁺, 글루코스, 및 카페인 중 적어도 하나에 대해 감응하는 물질을 이용하여 제3 전극 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
3. 제1 또는 제2 항에 있어서,
   상기 복수의 전도성 배선들을 인쇄하는 단계는,
   PVB(Polyvinyl butyral)과 테르피네올(Terpineol)을 사용하여, 80 내지 150 cp의 점도, 및 28 내지 33 mN/m의 장력을 가지는 상기 Ag 나노파티클 잉크를 제조하는 단계를 포함하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
4. 제1 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제2 전극 패턴이 인쇄된 상부에, 아가로스 젤(Agarose gel)과 SU-8 photoresist를 순차적으로 코팅하여 상기 기준 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서
   폴리에틸렌(Polyethylene) 및 ECA(ethylene glycol monoethyl ether acetate)을 이용하여 250 내지 350 cP의 점도, 28 내지 33 mN/m의 표면장력을 가지는 절연 잉크를 제조하는 단계; 및
   상기 절연 잉크를 이용하여 상기 제1 전극 패턴, 상기 제2 전극 패턴, 및 또는 상기 제3 전극 패턴을 제외한 상기 전도성 배선 상에 절연층을 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
6. 제5 항에 있어서
   상기 제1 전극 패턴을 인쇄하는 단계는,
   상기 ECA을 이용하여 250 내지 350 cP의 점도, 30 내지 33 mN/m의 표면장력을 갖는 상기 전도성 카본 잉크를 제조하는 단계를 포함하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
7. 제2 항에 있어서
   상기 제3 전극 패턴을 인쇄하는 단계는,
   폴리아닐린(polyaniline) 및 CSA(camphorsulfonic acid)를 이용하여 전도성 폴리아닐린 잉크를 제조하는 단계; 및
   상기 전도성 폴리아닐린 잉크를 상기 제3 전도성 배선의 적어도 일부 상에 인쇄하여 상기 pH에 감응하는 작업 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서
   상기 제1 내지 제3 전도성 배선들에 대하여 칩을 본딩하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 센서 태그 제조 방법.

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