KR20220135858A - Ion sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이온 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 작업 전극 및 기준 전극을 포함하는 이온 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an ion sensor. More particularly, it relates to an ion sensor comprising a working electrode and a reference electrode.
최근 혈액 투석, 원격 의료 진단 등의 임상 화학, 수질 분석 등의 환경 분석, 발효 공정 등의 식품 화학 등에 대한 관심이 증가함에 따라 혈액, 땀 등의 측정 대상에 포함되는 각종 화학 물질의 변화를 측정하는 화학 센서에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.Recently, as interest in clinical chemistry such as hemodialysis and telemedicine diagnosis, environmental analysis such as water quality analysis, and food chemistry such as fermentation process has increased, it is possible to measure changes in various chemical substances included in measurement objects such as blood and sweat. There is a growing demand for chemical sensors.
화학 센서 중 이온 센서는 측정 대상 시료 중에 존재하는 특정 이온을 감지하여 해당 이온의 농도와 활성에 대응하는 전위차를 측정하는 센서이다. 따라서, 측정 대상 시료에 포함된 다양한 이온들 중에서 측정 대상 이온을 정확히 선별하고 신속하게 검출하는 선택도 및 감도 특성이 중요하다. A chemical sensor is a sensor that detects a specific ion present in a sample to be measured and measures the potential difference corresponding to the concentration and activity of the ion. Therefore, selectivity and sensitivity characteristics for accurately selecting and rapidly detecting a measurement target ion from among various ions included in a measurement target sample are important.
그러나, 종래의 이온 센서는 측정 대상 시료의 농도, 주변 온도 및 압력 등 다양한 측정 환경에 따라 선택도 및 감도가 쉽게 저하되어 측정 대상 이온의 농도를 정확하게 검출하기 어렵다. 따라서, 측정 대상 이온에 대하여 우수한 선택성과 감도를 가지는 이온 센서의 연구개발이 요구되고 있다.However, in the conventional ion sensor, selectivity and sensitivity are easily lowered according to various measurement environments such as the concentration of the sample to be measured, ambient temperature, and pressure, so it is difficult to accurately detect the concentration of the ion to be measured. Therefore, there is a demand for research and development of an ion sensor having excellent selectivity and sensitivity with respect to the ion to be measured.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 10-2013-0107609호는 전위차법을 이용한 이온 센서를 개시하고 있다.For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0107609 discloses an ion sensor using a potential difference method.
본 발명의 일 과제는 향상된 센싱 감도 및 센싱 해상도를 갖는 이온 센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an ion sensor having improved sensing sensitivity and sensing resolution.
1. 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상기 기판의 상면 상에 배치되는 도전층, 상기 도전층의 상면 상에 배치되고, 도전성 바인더 및 상기 도전성 바인더 내에 분산된 금속 착화합물을 포함하는 전자전달층, 및 상기 전자전달층의 상면 상에 배치된 이온 선택성층을 포함하는 작업 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 배치된 기준 전극을 포함하는, 이온 센서.1. Substrate; A conductive layer disposed on the substrate and disposed on an upper surface of the substrate, an electron transport layer disposed on the upper surface of the conductive layer and comprising a conductive binder and a metal complex dispersed in the conductive binder, and the electron transport a working electrode comprising an ion selective layer disposed on a top surface of the layer; and a reference electrode disposed on the substrate to be spaced apart from the working electrode.
2. 위 1에 있어서, 상기 도전층은 금속층 및 상기 금속층의 상면 상에 배치된 금속 보호층을 포함하는, 이온 센서.2. The ion sensor according to 1 above, wherein the conductive layer includes a metal layer and a metal protective layer disposed on an upper surface of the metal layer.
3. 위 2에 있어서, 상기 금속층은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 이온 센서.3. The ion sensor according to the above 2, wherein the metal layer includes at least one of Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd, and alloys thereof.
4. 위 2에 있어서, 상기 금속 보호층은 투명 도전성 산화물을 포함하는, 이온 센서.4. The ion sensor according to 2 above, wherein the metal protective layer includes a transparent conductive oxide.
5. 위 1에 있어서, 상기 도전성 바인더는 카본 페이스트, 금속 함유 페이스트 또는 전도성 고분자를 포함하는, 이온 센서.5. The ion sensor according to 1 above, wherein the conductive binder includes a carbon paste, a metal-containing paste, or a conductive polymer.
6. 위 1에 있어서, 상기 금속 착화합물은 프러시안 블루(Prussian blue), 페리시안화 칼륨(Potassium ferricyanide), 페로시안화 칼륨(Potassium ferrocyanide), 염화헥사아민루세늄(Ⅲ)(Hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센계 화합물, 퀴논계 화합물 및 하이드로퀴논계 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 이온 센서.6. In the above 1, the metal complex is Prussian blue, potassium ferricyanide, potassium ferrocyanide, hexaamine ruthenium (III) chloride (Hexaammineruthenium (III) chloride) , An ion sensor comprising at least one selected from the group consisting of a ferrocene-based compound, a quinone-based compound, and a hydroquinone-based compound.
7. 위 1에 있어서, 상기 금속 착화합물은 상기 전자전달층 총 중량 중 0.01 내지 10중량%로 포함되는, 이온 센서.7. The ion sensor according to the above 1, wherein the metal complex is included in an amount of 0.01 to 10% by weight based on the total weight of the electron transport layer.
8. 위 1에 있어서, 상기 이온 선택성층은 이온 감응 물질 및 고분자 지지체를 포함하는, 이온 센서.8. The ion sensor according to 1 above, wherein the ion-selective layer comprises an ion-sensitive material and a polymer support.
9. 위 8에 있어서, 상기 이온 감응 물질은 H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, OH-, Cl-, F-, Br-, I-, CN- 및 NO3 -로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 이온을 선택적으로 투과시키는 물질을 포함하는, 이온 센서.9. The above 8, wherein the ion-sensitive material is H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , OH - , Cl - , F - , Br - , I - , CN - and NO 3 - An ion sensor comprising a material that selectively transmits one ion selected from the group consisting of.
10. 위 8에 있어서, 상기 고분자 지지체는 폴리염화비닐, 폴리비닐클로라이드 카르복실레이트, 폴리비닐클로라이드 아미네이트, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐알코올, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드, 크세로겔, 아가로즈, 폴리우레탄 및 실리콘 러버로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 이온 센서.10. In the above 8, the polymer support is polyvinyl chloride, polyvinyl chloride carboxylate, polyvinyl chloride aminate, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polymethyl acrylate, polyethylene oxide, xerogel, agar Rose, comprising at least one selected from the group consisting of polyurethane and silicone rubber, ion sensor.
11. 위 1에 있어서, 상기 이온 선택성층의 두께는 상기 전자전달층의 두께보다 두꺼운, 이온 센서.11. The ion sensor according to the above 1, wherein the thickness of the ion selective layer is thicker than the thickness of the electron transport layer.
12. 위 11에 있어서, 상기 전자전달층의 두께는 3 내지 15μm인, 이온 센서.12. The ion sensor according to 11 above, wherein the electron transport layer has a thickness of 3 to 15 μm.
13. 위 11에 있어서, 상기 이온 선택성층의 두께는 5 내지 30μm인, 이온 센서.13. The ion sensor according to the above 11, wherein the thickness of the ion-selective layer is 5 to 30 μm.
14. 위 1에 있어서, 상기 전자전달층은 상기 도전층의 측면을 전체적으로 둘러싸는, 이온 센서.14. The ion sensor according to 1 above, wherein the electron transport layer entirely surrounds a side surface of the conductive layer.
15. 위 1에 있어서, 상기 이온 선택성층은 상기 도전층의 측면 및 상기 전자전달층의 측면을 전체적으로 둘러싸는, 이온 센서.15. The ion sensor according to 1 above, wherein the ion-selective layer entirely surrounds a side surface of the conductive layer and a side surface of the electron transport layer.
본 발명의 실시예들에 따른 이온 센서는 기판, 상기 기판 상에 배치되며 도전층, 전자전달층 및 이온 선택성층을 포함하는 작업전극, 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 배치된 기준 전극을 포함한다. 따라서, 측정 값에 대한 오차가 감소하며 센싱 성능이 향상된 이온 센서를 제공할 수 있다.The ion sensor according to embodiments of the present invention includes a substrate, a working electrode disposed on the substrate and including a conductive layer, an electron transport layer and an ion selective layer, and a reference electrode disposed on the substrate spaced apart from the working electrode include Accordingly, it is possible to provide an ion sensor with improved sensing performance and reduced error with respect to the measured value.
상기 작업전극이 이온 선택성층을 포함함에 따라 특정 이온에 대한 높은 선택성을 가질 수 있으며, 센싱 민감도 및 속도가 향상될 수 있다.As the working electrode includes the ion-selective layer, it may have high selectivity for a specific ion, and the sensing sensitivity and speed may be improved.
전자전달층 내에 금속 착화합물을 포함함에 따라 전자 및 정공의 운송 능력이 향상될 수 있으며, 측정 산포(dispersion)가 감소하여 측정의 신뢰도 및 정확도가 향상될 수 있다. 또한, 전자전달층 내에 도전성 바인더를 포함함에 따라 금속 착화합물이 균일하게 분산 및 고정될 수 있다. 이에 따라, 전자전달층 내에 금속 착화합물을 고농도로 포함시킬 수 있다. As the metal complex compound is included in the electron transport layer, electron and hole transport capability may be improved, and measurement dispersion may be reduced, thereby improving measurement reliability and accuracy. In addition, as the conductive binder is included in the electron transport layer, the metal complex may be uniformly dispersed and fixed. Accordingly, the metal complex compound may be included in a high concentration in the electron transport layer.
또한, 도전층 및 이온 선택성층 사이에 도전성 바인더를 포함하는 전자전달층이 개재됨에 따라 이온 선택성층의 밀착력 및 이온 센서의 내구성이 증가할 수 있다.In addition, as the electron transport layer including the conductive binder is interposed between the conductive layer and the ion-selective layer, the adhesion of the ion-selective layer and the durability of the ion sensor may increase.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이온 센서를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이온 센서를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본원 실시예 및 비교예들에 따른 이온 센서로 전해질 시료를 측정한 농도-전위 그래프이다.1 is a schematic plan view illustrating an ion sensor according to exemplary embodiments.
2 to 4 are schematic cross-sectional views for explaining an ion sensor according to example embodiments.
5 is a concentration-potential graph of an electrolyte sample measured by an ion sensor according to Examples and Comparative Examples of the present application.
본 발명의 실시예들은 기판, 상기 기판 상에 배치된 작업 전극 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 배치된 기준 전극을 포함하며, 작업 전극은 기판의 상면 상에 배치된 도전층, 도전층의 상면 상에 배치되며 도전성 바인더 및 금속 착화합물을 포함하는 전자전달층, 및 전자전달층의 상면 상에 배치된 이온 선택성층을 포함하는 이온 센서를 제공한다. 전자전달층에 금속 착화합물을 분산 및 고정하여 감지 대상 물질에 대한 감지 성능을 향상시킬 수 있다. Embodiments of the present invention include a substrate, a working electrode disposed on the substrate, and a reference electrode disposed on the substrate to be spaced apart from the working electrode, and the working electrode includes a conductive layer disposed on the upper surface of the substrate, the conductive layer Provided is an ion sensor comprising an electron transport layer disposed on an upper surface and including a conductive binder and a metal complex, and an ion selective layer disposed on the upper surface of the electron transport layer. By dispersing and fixing the metal complex in the electron transport layer, it is possible to improve the sensing performance of the sensing target material.
이하 도면을 참고하여, 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the above-described content of the present invention, so the present invention is described in such drawings It should not be construed as being limited only to the matters.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이온 센서의 개략적인 평면도이다.1 is a schematic plan view of an ion sensor according to exemplary embodiments.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 이온 센서는 기판(100), 작업 전극(210), 기준 전극(220), 배선(310)을 포함한다. 또한, 보조 센서(320)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , an ion sensor according to example embodiments includes a
기판(100)은 작업 전극(210), 기준 전극(220), 배선(310) 등이 배치되는 기재로 제공될 수 있다.The
예를 들면, 상기 기판(100)은 통상적으로 사용되는 기재 또는 필름 소재가 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 유리, 고분자 및/또는 무기 절연 물질을 포함할 수 있다.For example, the
바람직하게는, 상기 기판(100)은 플렉서블 특성을 갖는 필름일 수 있다. 예를 들면, 상기 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지; 에폭시계 수지 등과 같은 열가소성 수지로 구성된 필름을 들 수 있으며, 상기 열가소성 수지의 블렌드물로 구성된 필름도 사용할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지로 된 필름을 이용할 수도 있다.Preferably, the
일부 실시예들에 있어서, 기판(100)의 두께는 1 내지 500㎛일 수 있다. 상기 두께 범위 내에서 이온 센서의 강도, 취급성, 작업성 및 박층성이 우수할 수 있다. 바람직하게는 1 내지 300㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5 내지 200㎛일 수 있다.In some embodiments, the thickness of the
예를 들면, 상기 기판(100)에는 1종 이상의 첨가제가 함유될 수 있다. 첨가제로는, 예컨대 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 들 수 있다.For example, the
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 필름의 일면 또는 양면에 하드코팅층, 반사방지층, 가스 배리어층과 같은 다양한 기능성층을 포함할 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 표면 처리될 수 있다. 예를 들면, 표면 처리는 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리를 포함할 수 있다.In some embodiments, the
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 이온 센서의 개략적인 단면도이다.2 to 4 are schematic cross-sectional views of ion sensors according to exemplary embodiments.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 작업 전극(210)은 제1 도전층(212), 전자전달층(214) 및 이온 선택성층(216)을 포함한다.2 to 4 , the working
작업 전극(210)은 제1 도전층(212), 제1 도전층(212)의 상면 상에 배치된 전자전달층(214) 및 전자전달층(214)의 상면 상에 배치된 이온 선택성층(216)을 포함할 수 있다. 작업 전극(210)은 이온 선택성층(216)의 이온 감응 물질과 감지 대상 물질의 반응에 의해 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다. 예를 들면, 감지 대상 물질은 이온 또는 분자일 수 있다.The working
제1 제1 도전층(212)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 도전층(212)은 기판(100)에 접촉할 수 있다. 제1 도전층(212)은 감지 대상 물질과의 반응에서 발생한 전자 및/또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다. The first first
도 3을 참조하면, 제1 도전층(212)은 금속층(212a) 및 금속 보호층(212b)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the first
금속 보호층(212b)은 금속층(212a)의 상면을 전체적으로 덮을 수 있다. 예를 들면, 금속 보호층(212b)은 금속층(212a)과 직접 접촉할 수 있다. 금속 보호층(212b)은 금속층(212a)이 외부와 직접 접촉하는 것을 차단하여 금속층(212a)이 산화-환원되는 것을 방지할 수 있다. The metal
일부 실시예들에 있어서, 금속층(212a)은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, APC(Ag-Pd-Cu) 합금이 사용될 수 있다. 금속층(212a)은 Au, Ag, APC 합금 및 Pt 중 적어도 하나만으로 형성될 수도 있다. 상기 Au, Ag, APC 합금 및 Pt는 제1 도전층(212)의 전기 전도성을 향상시키고 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 이온 센서의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 상기 금속층(212a)의 두께는 500Å 내지 4000Å일 수 있다. 상기 두께 범위 내에서 검출 성능이 우수할 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속층(212a)의 두께는 1000Å 내지 3000Å일 수 있다.In some embodiments, the thickness of the
일부 실시예들에 있어서, 금속 보호층(212b)은 투명 도전성 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층(212b)은 투명 도전성 산화물로서 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 인듐아연산화물(Indium Zinc Oxide, IZO), 아연산화물(Zinc Oxide, ZnO), 인듐아연주석산화물(Indium Zinc Tin Oxide, IZTO), 카드뮴주석산화물(Cadmium Tin Oxide, CTO) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 ITO 또는 IZO를 포함할 수 있다. 일 실시예들에 있어서, 금속 보호층(212b)은 ITO 또는 IZO만으로 형성될 수 있다. ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 금속층(212a)을 산화-환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.In some embodiments, the metal
예를 들면, 금속 보호층(212b)은 금속층(212a)이 대기 또는 시료와 직접 접촉하는 것을 방지하여 금속층(212a)을 구성하는 금속 성분의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 금속층(212a)에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.For example, the metal
일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 보호층(212b)의 두께는 100Å 내지 800Å일 수 있다. 상기 두께 범위 내에서 상기 금속층(212a)을 효과적으로 보호할 수 있으며, 제1 도전층(212)의 전기 전도성이 향상될 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속 보호층(212b)의 두께는 300Å 내지 500Å일 수 있다.In some embodiments, the thickness of the
전자전달층(214)은 제1 도전층(212)의 상면 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 도전층(212)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다. 전자전달층(214)이 제1 도전층(212)이 외부와 직접 접촉하는 것을 방지함에 따라 제1 도전층(212)의 부식 또는 산화를 방지할 수 있다.The
전자전달층(214)은 도전성 바인더 및 금속 착화합물을 포함할 수 있다. 전자전달층(214)은 이온 선택성층(216)에서 발생한 전자 및/또는 정공을 신속하게 제1 도전층(212)으로 수송하여 이온 선택성층(216)의 감지 대상 물질에 대한 센싱 성능을 향상시킬 수 있다.The
예를 들면, 이온 선택성층(216)에서 이온 감응 물질 및 감지 대상 물질 간의 반응에 의해 전자/정공이 발생할 수 있으며, 금속 착화합물은 상기 반응에 의해 발생한 전자/정공을 수용하여 산화 또는 환원되는 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화 또는 환원을 통해 전자/정공을 제1 도전층(212)으로 전달할 수 있다.For example, in the ion
이온 센서를 통한 감지 대상 물질의 측정에 있어서 작업 전극(210) 내/외부에서의 감지 대상 물질의 농도 차에 의해 발생하는 전위차를 이용할 수 있다. 이 경우, 전자 및/또는 정공의 수송 상태에 따라 이온 선택성층(216)에서 발생하는 기전력이 변화하게 되고 이에 따라 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간의 전위차 값의 산포가 증가할 수 있다.In measuring the sensing target material through the ion sensor, a potential difference generated by a difference in concentration of the sensing target material inside/outside the working
예를 들면, 전자/정공의 수송이 불안정함에 따라 감지 대상 물질의 농도에 따른 전압이 일정하게 유지되지 못할 수 있으며, 전위차 측정에 있어서 오차가 발생할 수 있다. 이 경우, 전위차가 일정하지 않으므로 반복 측정 시 전위차 값의 산포가 증가할 수 있으며, 이에 따라 동일 농도의 시료를 측정하더라도 측정 전위차 값이 달라질 수 있다. 또한, 이온 농도의 미세한 변화가 감지되지 않을 수 있다.For example, since electron/hole transport is unstable, a voltage according to the concentration of a sensing target material may not be constantly maintained, and an error may occur in measuring a potential difference. In this case, since the potential difference is not constant, the dispersion of the potential difference value may increase during repeated measurement, and accordingly, the measured potential difference value may vary even when samples of the same concentration are measured. Also, minute changes in ion concentration may not be detected.
예시적인 실시예들에 따른 이온 센서는 제1 도전층(212) 및 이온 선택성층(216) 사이에 금속 착화합물을 포함하는 전자전달층(214)이 배치됨에 따라 이온 선택성층(216)에서 발생하는 전압이 안정적으로 유지될 수 있다. 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간에 측정된 전위차가 감지 대상 물질의 농도에 따라 일정하게 유지됨으로써, 이온 센서를 통한 측정값의 정확도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. In the ion sensor according to exemplary embodiments, as the
예를 들면, 금속 착화합물은 풍부한 전자 밀도 및 우수한 산화-환원 반응 특성을 가지므로, 이온 선택성층(216)으로부터 발생한 전자 및/또는 정공을 효율적으로 제1 도전층(212)으로 수송할 수 있다. 따라서, 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간의 전위차 측정에 있어서 임계값에 대한 측정 속도가 향상될 수 있으며, 이온 센서로부터 측정된 전기적 신호의 산포가 감소할 수 있다.For example, since the metal complex has abundant electron density and excellent oxidation-reduction reaction characteristics, electrons and/or holes generated from the ion
일부 실시예들에 있어서, 금속 착화합물은 프러시안 블루(Prussian blue), 페리시안화 칼륨(Potassium ferricyanide), 페로시안화 칼륨(Potassium ferrocyanide) 등의 시아노기(CN) 함유 화합물; 염화헥사아민루세늄(Ⅲ)(Hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride); 페로센(Ferrocene)계 화합물; 1,2-벤조퀴논, 1,4-벤조퀴논, 1,4-나프토퀴논, 안트라퀴논 등의 퀴논(Quinone)계 화합물; 또는 하이드로퀴논(Hydroquinone)계 화합물 등을 포함할 수 있다.In some embodiments, the metal complex compound is a cyano group (CN) containing compound such as Prussian blue, potassium ferricyanide, potassium ferrocyanide; Hexaammineruthenium (III) chloride; Ferrocene-based compounds; Quinone-based compounds such as 1,2-benzoquinone, 1,4-benzoquinone, 1,4-naphthoquinone, and anthraquinone; Or it may include a hydroquinone-based compound and the like.
바람직하게는 금속 착화합물은 프러시안 블루, 페리시안화 칼륨 및 페로시안화 칼륨 등의 시아노기(CN) 함유 화합물을 포함할 수 있다. Preferably, the metal complex compound may include a cyano group (CN)-containing compound such as Prussian blue, potassium ferricyanide and potassium ferrocyanide.
상기 시아노기 함유 화합물은 쉽게 산화 또는 환원될 수 있다. 따라서, 전자 및 정공을 용이하고 신속하게 수송할 수 있으며, 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간의 전위차를 안정적으로 유지할 수 있다.The cyano group-containing compound can be easily oxidized or reduced. Accordingly, electrons and holes may be easily and quickly transported, and a potential difference between the working
더욱 바람직하게는 금속 착화합물은 프러시안 블루를 포함할 수 있다. 예를 들면, 프러시안 블루는 헥사시아노철(II)산철(III)칼륨이 주성분인 청색 안료로서 높은 산화성을 가질 수 있다. 금속 착화합물로서 프러시안 블루를 포함하는 전자전달층(214)을 제1 도전층(212) 상에 배치할 경우 작업 전극(210)의 전기적 감도를 향상시킬 수 있으며, 측정 산포가 우수할 수 있다.More preferably, the metal complex may include Prussian blue. For example, Prussian blue is a blue pigment containing ferric (III) hexacyanoferrate (II) potassium as a main component, and may have high oxidation properties. When the
일부 실시예들에 있어서, 상기 금속 착화합물은 상기 전자전달층(214) 총 중량 중 0.01 내지 10중량%로 포함될 수 있다. 상기 금속 착화합물의 함량이 0.01중량% 미만인 경우, 전자/정공이 제1 도전층(212)으로 이동하는 경로가 충분히 확보되지 않을 수 있으며, 측정값의 산포가 증가할 수 있다. 상기 금속 착화합물의 함량이 10중량% 초과인 경우, 도전성 바인더 대비 금속 착화합물의 함량이 증가함에 따라 도전성 바인더의 표면이 개질될 수 있으며, 이 경우 산포가 증가할 수 있다.In some embodiments, the metal complex compound may be included in an amount of 0.01 to 10% by weight based on the total weight of the
바람직하게는 상기 금속 착화합물은 상기 전자전달층(214) 총 중량 중 0.1 내지 7중량%로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.5 내지 3중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 우수한 전자 수송 능력을 확보할 수 있으며, 측정된 전압 또는 전위차의 정확도, 신뢰도가 향상될 수 있다.Preferably, the metal complex compound may be included in an amount of 0.1 to 7% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight of the total weight of the
전자전달층(214)이 도전성 바인더를 포함함에 따라 이온 선택성층(216)이 작업 전극(210)으로부터 박리되는 현상을 방지할 수 있다. Since the
예를 들면, 이온 선택성층(216)이 제1 도전층(212) 상에 직접 적층되는 경우, 이온 선택성층(216)의 낮은 밀착력으로 인해 측정 과정에서 이온 선택성층(216)이 제1 도전층(212)으로부터 박리되는 현상이 발생할 수 있다.For example, when the ion-
그러나 예시적인 실시예들에 따른 작업 전극(210)은 도전성 바인더를 포함하는 전자전달층(214)이 제1 도전층(212) 및 이온 선택성층(216) 사이에 배치됨에 따라 각 구성 간의 밀착력, 접착력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 이온 센서의 내구성, 기계적/화학적 안정성이 향상될 수 있다. However, as the working
일부 실시예들에 있어서, 도전성 바인더은 카본 페이스트, 금속 함유 페이스트 및 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다.In some embodiments, the conductive binder may include a carbon paste, a metal-containing paste, and a conductive polymer.
예를 들면, 상기 카본 페이스트는 카본블랙(Carbon black), 흑연, 산화 흑연, 그래핀, 산화 그래핀 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 함유 페이스트는 Cu, Ag, Au, Ni, Pa, Pt 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ag/AgCl 페이스트일 수 있다. 예를 들면, 상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophenes)), 폴리(스티렌술포네이트)(Poly(styrene sulfonates)), PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophenes):poly(styrenesulfonates)) 등을 포함할 수 있다.For example, the carbon paste may include carbon black, graphite, graphite oxide, graphene, graphene oxide, and the like. For example, the metal-containing paste may include Cu, Ag, Au, Ni, Pa, Pt, and the like, and preferably Ag/AgCl paste. For example, the conductive polymer may be poly(3,4-ethylenedioxythiophenes)), poly(styrene sulfonates), PEDOT:PSS(Poly( 3,4-ethylenedioxythiophenes):poly(styrenesulfonates)) and the like.
바람직하게는, 상기 도전성 바인더는 전자 및/또는 정공의 운반 특성, 밀착력, 내구성 등을 고려하여 카본 페이스트를 포함할 수 있다. Preferably, the conductive binder may include a carbon paste in consideration of electron and/or hole transport characteristics, adhesion, durability, and the like.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 전자전달층(214)의 두께는 3 내지 15μm일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 10μm일 수 있다. 상기 두께가 3μm 미만인 경우, 제1 도전층(212), 전자전달층(214) 및 이온 선택성층(216) 간의 밀착성, 접착성이 감소할 수 있다. 상기 두께가 15μm 초과인 경우, 센싱 감도 및 속도가 감소할 수 있으며 측정값의 산포가 증가할 수 있다.According to exemplary embodiments, the thickness of the
이온 선택성층(216)은 전자전달층(214)의 상면 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 이온 선택성층(216)은 전자전달층(214)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다. 예를 들면, 이온 선택성층(216)은 제1 도전층(212)의 측면, 및 전자전달층(214)의 상면 및 측면을 덮을 수 있다. The ion
도 4를 참조하면, 전자전달층(214)을 제1 도전층(212)의 상면 및 측면을 전체적으로 덮을 수 있으며, 이온 선택성층(216)은 전자전달층(214)의 상면 및 측면을 전체적으로 덮을 수 있다.Referring to FIG. 4 , the
따라서, 측정 대상 시료가 전자전달층(214) 및 제1 도전층(212)에 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있으며, 감지 대상 물질의 농도에 따른 측정값의 정확도를 향상시킬 수 있다.Accordingly, it is possible to prevent the measurement target sample from directly contacting the
이온 선택성층(216)은 이온 감응 물질 및 고분자 지지체를 포함할 수 있다. 이온 선택성층(216)은 측정 시료에 직접적으로 접촉하여 감지 대상 물질을 감지함으로써 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 사이에 전위차를 발생시킬 수 있다. The ion-
이온 감응 물질은 특정 이온에 대한 선택성을 부여하며, 상기 이온과 반응하여 전압을 발생시키는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들면, 이온 감응 물질은 측정 시료 내에 포함되는 감지 대상 물질(예를 들면, 이온)과 공유결합, 배위 결합 또는 이온 교환 반응 등을 일으키는 물질일 수 있다. The ion-sensitive material may serve to impart selectivity to a specific ion and generate a voltage by reacting with the ion. For example, the ion-sensitive material may be a material that causes a covalent bond, a coordination bond, or an ion exchange reaction with a sensing target material (eg, ion) included in the measurement sample.
이온 감응 물질은 측정 대상 이온에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 이온 선택성층(216)에 포함되는 이온 감응 물질을 변경함으로써 이온 센서가 특정 이온에 대하여 선택적으로 감지할 수 있다.The ion-sensitive material may be selected according to the ion to be measured. For example, the ion sensor may selectively detect specific ions by changing the ion-sensitive material included in the ion-
예를 들면, 측정 대상 이온으로서 H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, OH-, Cl-, F-, Br-, I-, CN- 및 NO3 - 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 다양한 측정 대상 이온을 선택할 수 있다. Examples of ions to be measured include H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , OH - , Cl - , F - , Br - , I - , CN - and NO 3 - . However, the present invention is not limited thereto, and various measurement target ions may be selected as needed.
예를 들면, 상기 이온 감응 물질은 H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, OH-, Cl-, F-, Br-, I-, CN- 및 NO3 - 중 적어도 하나의 이온에 대해 선택적으로 감응하여 이온 선택성층(216) 내로 투과시키는 물질을 포함할 수 있다. For example, the ion-sensitive material is at least one of H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , OH - , Cl - , F - , Br - , I - , CN - and NO 3 - It may include a material that selectively responds to the ions of the ion-
예를 들면, 상기 이온 감응 물질로서는 N,N',N"-트리펩틸-N,N',N"-트리메틸-4,4',4"-프로피리딘트리스(3-옥사부틸아미드)(N,N',N''-Triheptyl-N,N',N''-trimethyl-4,4',4''-propylidynetris(3-oxabutyramide)), N,N'-디벤질-N,N'-디페닐-1,2-페닐렌디아세트아미드(N,N'-Dibenzyl-N,N'-diphenyl-1,2-phenylenedioxydi-acetamide), N,N,N',N'-테트라시클로헥실-1,2-페닐렌디옥시디아세트아미드(N,N,N',N'-Tetracyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide), 2,3:11,12-디데칼리노-16-크라운-5(2,3:11,12-Didecalino-16-crown-5), 4-옥타데카노닐옥시메틸- N,N,N',N'-테트라사이클로헥실-1,2-페틸렌디옥시디아세트아마이드(4-Octadecanoyloxymethyl-N,N,N',N'-tetracyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide), (-)-(R,R)-N'N'-비스[(11-에톡시카르보닐)운데실]-N'N"4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드((-)-(R,R)-N'N'-Bis-[11-(ethoxycarbonyl)undecyl]- N'N",4,5-tetramethyl-3,6-dioxaoctanediamide, 비스[(12-크라운-4)메틸]도데실메틸말로네이트(Bis[(12-crown-4)methyl] dodecylmethylmalonate), 4-t-부틸칼릭스[4]아렌-테트라아세트산 테트라에틸에스테르(4-tert-Butylcalix[4]arene-tetraacetic acid tetraethylester), 마두라마이신(Maduramicin), 발리노마이신(Valinomycin), 살리노마이신(Salinomycin), 뷰베리신(Beauvericin), 노낙틴(Nonactin), 모넨신(Monensin), (4S)-4-메틸-살리노마이신((4S)-4-methyl-salinomycin) 비스[(12-크라운-4)메틸] 2,2-디도데실말로네이트(Bis[(12-crown-4)methyl] 2,2-didodecylmalonate), 디시클로헥실 18-크라운-6(Dicyclohexyl 18-crown-6), 나프토-15-크라운-5(Nafto-15-crown-5), 비스(15-크라운-5)(Bis(15-crown-5) 등의 크라운 에테르 화합물 등을 들 수 있다.For example, as the ion-sensitive substance, N,N',N"-tripeptyl-N,N',N"-trimethyl-4,4',4"-propyridinetris(3-oxabutylamide) (N ,N',N''-Triheptyl-N,N',N''-trimethyl-4,4',4''-propylidynetris(3-oxabutyramide)), N,N'-dibenzyl-N,N' -diphenyl-1,2-phenylenediacetamide (N,N'-Dibenzyl-N,N'-diphenyl-1,2-phenylenedioxydi-acetamide), N,N,N',N'-tetracyclohexyl -1,2-phenylenedioxydiacetamide (N,N,N',N'-Tetracyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide), 2,3:11,12-didecalino-16-crown-5 (2 ,3:11,12-Didecalino-16-crown-5), 4-octadecanoyloxymethyl-N,N,N',N'-tetracyclohexyl-1,2-petylenedioxydiacetamide ( 4-Octadecanoyloxymethyl-N,N,N',N'-tetracyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide), (-)-(R,R)-N'N'-bis[(11-ethoxycarbonyl)undecyl ]-N'N"4,5-tetramethyl-3,6-dioxaoctane-diamide ((-)-(R,R)-N'N'-Bis-[11-(ethoxycarbonyl)undecyl]- N'N",4,5-tetramethyl-3,6-dioxaoctanediamide, bis[(12-crown-4)methyl]dodecylmethylmalonate (Bis[(12-crown-4)methyl] dodecylmethylmalonate), 4- t-Butylcalix[4]arene-tetraacetic acid tetraethyl ester (4-tert-Butylcalix[4]arene-tetraacetic acid tetraethylester), Maduramicin, Valinomycin, Salinomycin ), beauvericin, nonactin, monensin, (4S)-4-methyl-salinomycin ((4S) )-4-methyl-salinomycin) bis[(12-crown-4)methyl] 2,2-didodecylmalonate (Bis[(12-crown-4)methyl] 2,2-didodecylmalonate), dicyclohexyl 18 -Crown-6 (Dicyclohexyl 18-crown-6), Nafto-15-crown-5 (Nafto-15-crown-5), Bis (15-crown-5) (Bis (15-crown-5), etc. A crown ether compound etc. are mentioned.
이온 선택성층(216)이 이온 감응 물질을 포함함에 따라 감지 대상 물질(예를 들면, 측정 대상 이온)이 선택적으로 투과될 수 있다. 이에 따라, 이온 선택성층(216)을 경계로 하여 작업 전극(210) 내부 및 외부에서 감지 대상 물질의 농도차가 발생할 수 있다. 예를 들면, 작업 전극(210) 외부에서의 감지 대상 물질의 농도가 작업 전극(210) 내부에서의 감지 대상 물질의 농도보다 낮을 수 있다.As the ion-
이 경우, 작업 전극(210) 내/외부에서의 감지 대상 물질의 농도차에 의해 기전력이 발생하게 되어 작업 전극(210)과 기준 전극(220) 간의 전위차가 발생하게 된다. 예를 들면, 시료 내 포함되는 감지 대상 물질의 농도에 비례하여 작업 전극(210)의 전위가 변할 수 있다. 따라서, 일정한 전위를 갖는 기준 전극(220)을 상대 전극(Counter electrode)으로 하여 감지 대상 물질의 농도에 따른 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간의 전위차를 측정할 수 있다. 상기 전위차를 측정함으로써 시료 내 감지 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.In this case, an electromotive force is generated by the concentration difference of the sensing target material inside/outside the working
일부 실시예들에 있어서, 상기 이온 감응 물질은 이온 선택성층(216) 총 중량 중 0.5 내지 10중량%로 포함될 수 있다. 0.5중량% 미만인 경우, 감지 대상 물질에 대한 민감성 및 선택성이 저하될 수 있으며, 10중량% 초과인 경우, 고분자 지지체의 함량이 상대적으로 감소하여 안정성 및 접착성이 열화일 수 있다.In some embodiments, the ion-sensitive material may be included in an amount of 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the ion-
고분자 지지체는 이온 선택성층(216)의 구조를 형성하며, 이온 감응 물질을 이온 선택층 내에 고정시키는 역할을 수행할 수 있다. The polymer support forms the structure of the ion-
예시적인 실시예들에 따르면, 고분자 지지체는 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐클로라이드 카복실레이트(Polyvinyl chloride carboxylate), 폴리비닐클로라이드 아미네이트(Polyvinyl chloride aminate), 폴리메틸아크릴레이트(Poly(methylacrylate)), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethylene oxide)), 크세로겔(Xerogel), 폴리우레탄(Polyurethane), 실리콘 러버(Silicone rubber), 아가로즈(Agarose), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral, PVB) 및 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 등을 포함할 수 있다.According to exemplary embodiments, the polymer support is polyvinyl chloride (PVC), polyvinyl chloride carboxylate (Polyvinyl chloride carboxylate), polyvinyl chloride aminate (Polyvinyl chloride aminate), polymethyl acrylate (Poly ( methylacrylate)), polyethylene oxide (Poly(ethylene oxide)), Xerogel, Polyurethane, Silicone rubber, Agarose, Polyvinyl butyral (PVB) And polyvinyl alcohol (Polyvinyl alcohol, PVA) and the like.
일부 실시예들에 있어서, 상기 고분자 지지체는 이온 선택성층(216) 총 중량 중 약 20 내지 40중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 저항의 증가를 방지하면서 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다. In some embodiments, the polymer support may be included in an amount of about 20 to 40% by weight based on the total weight of the ion
일부 실시예들에 있어서, 상기 이온 선택성층(216)은 가소제를 더 포함할 수 있다. 가소제를 포함함에 따라 유연성을 개선할 수 있으며, 높은 저항으로 인한 신호 안정성 저하를 방지할 수 있다. 예를 들면, 이온 선택성층(216)의 전기적 저항이 낮아지면서 특정 이온 또는 분자와 결합하여 막 표면에 형성되는 전하 분리가 용이하게 일어날 수 있다. 이에 따라 안정적인 신호 및 빠른 감응 시간을 갖는 이온 센서가 제공될 수 있다.In some embodiments, the ion
예를 들면, 가소제로서는 2-나이트로페닐옥틸에테르(2-nitrophenyl octyl ether, NPOE), 다이옥틸 세바케이트(Dioctyl sebacate, DOS), 비스(2-에틸헥실)프탈레이트(Bis(2-ethylhexyl) phthalate, DOP), 비스(2-에틸헥실)아디페이트(Bis(2-ethylhexyl) adipate, DOA), 2-니트로페닐 옥틸 에테르(2-nitrophenyl octyl ether, NPOE), 디에틸숙시네이트(Diethyl succinate), 디옥틸말레이트(Dioctyl maleate), 다이운데실프탈레이트(Diundecyl phtalate) 등을 들 수 있다.For example, as a plasticizer, 2-nitrophenyl octyl ether (NPOE), dioctyl sebacate (DOS), bis (2-ethylhexyl) phthalate (Bis (2-ethylhexyl) phthalate) , DOP), bis (2-ethylhexyl) adipate (Bis (2-ethylhexyl) adipate, DOA), 2-nitrophenyl octyl ether (NPOE), diethyl succinate, and dioctyl maleate and diundecyl phthalate.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가소제는 이온 선택성층(216) 총 중량 중 약 50 내지 80중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 저항의 증가를 방지하면서 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다. In some embodiments, the plasticizer may be included in an amount of about 50 to 80% by weight based on the total weight of the ion
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 이온 선택성층(216)의 두께는 전자전달층(214)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 예를 들면, 상기 이온 선택성층(216)의 두께는 5 내지 30μm일 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 20μm일 수 있다. 상기 범위 내에서 감지 대상 물질에 대한 선택성, 민감성을 향상시키면서 센싱 감도 및 속도가 우수할 수 있다.In example embodiments, the thickness of the ion-
예시적인 실시예들에 따르면, 기판(100) 상에 제1 도전층(212)을 형성하고, 제1 도전층(212) 상에 전자전달층(214)을 형성하고, 전자전달층(214) 상에 이온 선택성층(216)을 형성함으로써, 작업 전극(210)을 제조할 수 있다.According to exemplary embodiments, a first
제1 도전층(212)은 기판(100) 상에 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 금속막을 형성한 후, 이를 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다.The first
상기 패터닝은 당분야에서 통상적으로 사용되는 패터닝 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포토리소그래피(photolithography)를 사용할 수 있다.For the patterning, a patterning method commonly used in the art may be used. For example, photolithography may be used.
제1 도전층(212)이 금속 보호층(212b)을 더 포함할 경우, 금속층(212a)을 먼저 패터닝한 후 금속 보호층(212b)을 형성하거나, 상기 금속막 상에 투명 도전성 산화물막을 형성한 후, 상기 금속막과 투명 도전성 산화물막을 함께 패터닝하여 금속층(212a) 및 금속 보호층(212b)을 함께 형성될 수 있다.When the first
일부 실시예들에 있어서, 전자전달층(214)은 도전성 바인더 및 금속 착화합물의 혼합물을 제1 도전층(212) 상에 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다. 상기 도포는 당분야에서 통상적으로 사용되는 도포법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 각종 프린팅 방법이 사용될 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 이온 선택성층(216)은 고분자 지지체 및 이온 감응 물질의 혼합물, 또는 고분자 지지체, 이온 감응 물질 및 가소제의 혼합물을 전자전달층(214) 상에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다.In some embodiments, the ion
기준 전극(220)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 기준 전극(220)은 기판(100)의 작업 전극(210)이 배치된 면과 동일한 면에 배치될 수 있다. 예를 들면, 기준 전극(220)은 작업 전극(210)과 이격되어 배치될 수 있으며, 기준 전극(220)과 작업 전극(210)은 전기적으로 단절될 수 있다.The
기준 전극(220)은 시료 측정 시 작업 전극(210)에서 측정되는 전압 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 기준 전극(220)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(210) 내부로 선택적으로 투과된 감지 대상 물질의 농도를 특정할 수 있다.The
예를 들면, 기준 전극(220)에서의 전위 값과 작업 전극(210)에서 측정되는 전위 값을 비교하여 순수하게 작업 전극(210) 내/외부에서의 감지 대상 물질(예를 들면, 특정 이온)의 농도차에 의해 발생한 전압을 계산할 수 있으며, 상기 전압으로부터 측정 대상 성분의 농도를 도출할 수 있다.For example, by comparing the potential value at the
일부 실시예들에 있어서, 기준 전극(220)은 제2 도전층(222) 및 기준 물질층(224)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(100)의 상면 상에 제2 도전층(222)이 배치되며, 상기 제2 도전층(222)의 상면 상에 기준 물질층(224)이 배치될 수 있다.In some embodiments, the
예를 들면, 기준 전극(220)의 제2 도전층(222)은 작업 전극(210)의 제1 도전층(212)과 실질적으로 동일한 소재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 기준 물질층(224)은 Ag/AgCl 페이스트를 포함할 수 있다. For example, the second
일부 실시예들에 있어서, 상기 기준 전극(220)은 Ag/AgCl 전극층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 Ag/AgCl 전극층은 Ag/AgCl 페이스트로부터 형성될 수 있으며, 기판(100) 상에 Ag/AgCl 전극층이 직접 접촉하도록 배치될 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 각각에 배선(310)이 연결될 수 있다. 작업 전극(210)에 연결된 배선(310) 및 기준 전극(220)에 연결된 배선(310)은 서로 전기적으로 이격될 수 있다. In some embodiments, the
예를 들면, 배선(310)은 작업 전극(210)의 제1 도전층(212)과 동일한 소재로 형성될 수 있으며, 기준 전극(220)의 제2 도전층(222)과 동일한 소재로 형성될 수 있다.For example, the
일부 실시예들에 있어서, 배선(310)은 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)과 일체로 형성될 수 있다. 기판(100) 상에 금속막을 형성하고 이를 패터닝함으로써 배선(310)을 일체로 형성할 수 있다. 또는, 스크린 인쇄법을 통해 제1 도전층(212), 기준 전극(220) 및 배선(310)을 일체로 형성할 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(210)에 연결된 배선(310) 및 기준 전극(220)에 연결된 배선(310)은 센싱 구동부에 연결될 수 있다.In some embodiments, the
따라서, 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)으로부터 측정된 전기적 신호(예를 들면, 전위차)가 배선(310)을 통해 센싱 구동부에 전달될 수 있다. 예를 들면, 센싱 구동부는 구동 집적 회로(IC) 칩일 수 있으며, 상기 구동 IC 칩에 의해 감지 대상 물질의 농도를 계산할 수 있다.Accordingly, an electrical signal (eg, a potential difference) measured from the working
예를 들면, 센싱 구동부는 신호 감지부 및 신호 처리부를 포함할 수 있다. 신호 감지부와 신호 처리부는 서로 전기적으로 연결될 수 있다. For example, the sensing driver may include a signal detector and a signal processor. The signal sensing unit and the signal processing unit may be electrically connected to each other.
상기 신호 감지부는 감지 대상 물질의 농도에 따른 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간의 전위 차이를 감지할 수 있다. 신호 처리부는 신호 감지부에 의해 측정된 작업 전극(210) 및 기준 전극(220) 간의 전위차로부터 감지 대상 물질의 농도를 계산할 수 있다.The signal detector may detect a potential difference between the working
일부 실시예들에 있어서, 이온 센서는 보조 센서(320)를 더 포함할 수 있다. 보조 센서(320)는 배선(310)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 주변 환경에 따른 측정 편차를 보정할 수 있다. 예를 들면, 상기 보조 센서(320)는 온도 센서일 수 있으며, 온도에 따른 측정값의 편차를 보정할 수 있다.In some embodiments, the ion sensor may further include an
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예들 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, experimental examples including specific examples and comparative examples are presented to help the understanding of the present invention, but these are merely illustrative of the present invention and do not limit the appended claims, the scope and description of the present invention It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications to the embodiments are possible within the scope of the spirit, and it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
실시예 1Example 1
기판으로 180μm 두께의 PET 필름을 준비하였다. 이 후, 상기 기판 상에 약 2000Å 두께의 APC 금속막과 약 500Å 두께의 IZO 금속 보호막을 순서대로 도포한 뒤, 패터닝하여 금속층 및 금속 보호층을 형성하였다. A PET film having a thickness of 180 μm was prepared as a substrate. Thereafter, an APC metal film having a thickness of about 2000 Å and an IZO metal protective film having a thickness of about 500 Å were sequentially applied on the substrate, and then patterned to form a metal layer and a metal protective layer.
이 후, 상기 금속 보호층 상에 프러시안 블루 0.5중량%를 포함하는 카본 페이스트를 스크린 인쇄하여 약 8μm 두께의 전자전달층을 형성하였다. Thereafter, a carbon paste containing 0.5 wt% of Prussian blue was screen-printed on the metal protective layer to form an electron transport layer having a thickness of about 8 μm.
전자전달층 형성 후, 5중량%의 비스[(12-크라운-4)메틸]도데실메틸말로네이트(Bis[(12-crown-4)methyl] dodecylmethylmalonate), 35중량%의 폴리우레탄(PU) 및 60중량%의 다이옥틸 세바케이트(DOS)를 포함하는 혼합물을 0.4ml 테트라하이드로퓨란 용매에 희석시킨 후 상기 용액을 상기 전자전달층 상에 드랍 코팅하였다. 이 후, 실온에서 약 24시간 건조하여 약 15μm 두께의 이온 선택성층을 형성하여 작업 전극을 형성하였다.After formation of the electron transport layer, 5 wt% of bis[(12-crown-4)methyl]dodecylmethylmalonate (Bis[(12-crown-4)methyl] dodecylmethylmalonate), 35 wt% of polyurethane (PU) and 60% by weight of dioctyl sebacate (DOS) was diluted in 0.4 ml tetrahydrofuran solvent, and then the solution was drop-coated on the electron transport layer. After that, it was dried at room temperature for about 24 hours to form an ion-selective layer with a thickness of about 15 μm to form a working electrode.
기판 상에 작업 전극과 이격하여 Ag/AgCl(DBS-4585V, 대주전자재료 제)를 스크린 인쇄하여 기준 전극을 형성하였다.A reference electrode was formed by screen-printing Ag/AgCl (DBS-4585V, manufactured by Daejoo Electronic Materials) on the substrate to be spaced apart from the working electrode.
실시예 2Example 2
실시예 1에 있어서, 프러시안 블루 0.5중량%를 포함하는 카본 페이스트 대신에 프러시안 블루 3중량%를 포함하는 카본 페이스트를 사용하여 전자전달층을 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이온 센서를 제작하였다.In Example 1, in the same manner as in Example 1, except that the electron transport layer was formed using a carbon paste containing 3% by weight of Prussian blue instead of the carbon paste containing 0.5% by weight of Prussian blue. An ion sensor was fabricated.
실시예 3Example 3
실시예 1에 있어서, 프러시안 블루 0.5중량%를 포함하는 카본 페이스트 대신에 프러시안 블루 10중량%를 포함하는 카본 페이스트를 사용하여 전자전달층을 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이온 센서를 제작하였다.In Example 1, in the same manner as in Example 1, except that the electron transport layer was formed using a carbon paste containing 10% by weight of Prussian blue instead of the carbon paste containing 0.5% by weight of Prussian blue. An ion sensor was fabricated.
비교예comparative example
기판으로 180μm 두께의 PET 필름을 준비하였다. 이 후, 상기 기판 상에 약 2000Å 두께의 APC 금속막과 약 500Å 두께의 IZO 금속 보호막을 순서대로 도포한 뒤, 패터닝하여 금속층 및 금속 보호층을 형성하였다. A PET film having a thickness of 180 μm was prepared as a substrate. Thereafter, an APC metal film having a thickness of about 2000 Å and an IZO metal protective film having a thickness of about 500 Å were sequentially applied on the substrate, and then patterned to form a metal layer and a metal protective layer.
금속층 및 금속 보호층 형성 후, 5중량%의 비스[(12-크라운-4)메틸]도데실메틸말로네이트, 35중량%의 PU 및 60중량%의 DOS를 포함하는 혼합물을 0.4ml 테트라하이드로퓨란 용매에 희석시킨 후 상기 용액을 상기 금속 보호층 상에 드랍 코팅하였다. 이 후, 실온에서 약 24시간 건조하여 약 15μm 두께의 이온 선택성층을 형성하여 작업 전극을 형성하였다.After formation of the metal layer and the metal protective layer, a mixture containing 5 wt% of bis[(12-crown-4)methyl]dodecylmethylmalonate, 35 wt% PU and 60 wt% DOS was mixed with 0.4 ml tetrahydrofuran After dilution in a solvent, the solution was drop-coated on the metal protective layer. After that, it was dried at room temperature for about 24 hours to form an ion-selective layer with a thickness of about 15 μm to form a working electrode.
기판 상에 작업 전극과 이격하여 Ag/AgCl(DBS-4585V, 대주전자재료 제)를 스크린 인쇄하여 기준 전극을 형성하였다.A reference electrode was formed by screen-printing Ag/AgCl (DBS-4585V, manufactured by Daejoo Electronic Materials) on the substrate to be spaced apart from the working electrode.
실험예: 전위차 산포 평가Experimental Example: Potential difference distribution evaluation
실시예 및 비교예의 센서를 이용하여 나트륨 전해질 용액에서의 전위차를 측정하였다.The potential difference in the sodium electrolyte solution was measured using the sensors of Examples and Comparative Examples.
각각의 전해질 용액(0.2, 0.5, 0.8, 1.0%)을 작업 전극과 기준 전극에 고르게 적하하고, 정전류 시간 전위차법을 통해 전류밀도 3kA/m2 조건에서 60초 후의 작업 전극 및 기준 전극의 전위차를 측정하였다. 각 농도에 대하여 5회씩 전위차를 측정한 후, 측정된 전위차 값들로부터 상대표준편차(RSD)를 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.Each electrolyte solution (0.2, 0.5, 0.8, 1.0%) was evenly dropped on the working electrode and the reference electrode, and the potential difference between the working electrode and the reference electrode after 60 seconds at a current density of 3 kA/m 2 was measured through the constant current time potentiation method. measured. After measuring the potential difference 5 times for each concentration, the relative standard deviation (RSD) was calculated from the measured potential difference values and shown in Table 1 below.
표 1을 참조하면, 도전층 및 이온 선택성층 사이에 전자전달층이 개재된 실시예들의 경우 측정된 전위차 값의 상대 표준 편차가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the relative standard deviation of the measured potential difference value is remarkably low in the examples in which the electron transport layer is interposed between the conductive layer and the ion selective layer.
비교예의 경우 도전층 및 이온 선택성층 사이에 전자전달층이 개재되지 않음에 따라, 측정값의 상대 표준 편차의 값이 실시예들에 비하여 현저히 증가된 것을 확인할 수 있다.In the case of the comparative example, as the electron transport layer is not interposed between the conductive layer and the ion selective layer, it can be seen that the value of the relative standard deviation of the measured value is significantly increased compared to the examples.
또한, 상기 측정된 실시예 및 비교예들의 전위차 값을 통해 도 5의 그래프를 획득하였다. y축 방향(Potential)의 분포가 넓을수록 측정 산포가 열화임을 나타낸다.In addition, the graph of FIG. 5 was obtained through the measured potential difference values of Examples and Comparative Examples. The wider the distribution in the y-axis direction (Potential), the more it indicates that the measurement dispersion is deteriorated.
도 5를 참조하면, 실시예 1의 이온 센서는 전위 값을 안정적으로 유지하여 측정 산포가 우수함을 확인할 수 있다. 비교예의 이온 센서는 측정값의 산포가 큼에 따라 전해질 용액의 농도에 따른 구분이 명확하지 않음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , it can be confirmed that the ion sensor of Example 1 has excellent measurement dispersion by stably maintaining the potential value. It can be seen that the ion sensor of the comparative example is not clearly differentiated according to the concentration of the electrolyte solution as the dispersion of the measured values is large.
100: 기판
210: 작업 전극
212: 제1 도전층
212a: 금속층
212b: 금속 보호층
214: 전자전달층
216: 이온 선택성층
220: 기준 전극
222: 제2 도전층
224: 기준 물질층
310: 배선
320: 보조 센서100: substrate 210: working electrode
212: first
212b: metal protective layer 214: electron transport layer
216: ion selective layer 220: reference electrode
222: second conductive layer 224: reference material layer
310: wiring 320: auxiliary sensor
Claims (15)
상기 기판 상에 배치되며,
상기 기판의 상면 상에 배치되는 도전층;
상기 도전층의 상면 상에 배치되고, 도전성 바인더 및 상기 도전성 바인더 내에 분산된 금속 착화합물을 포함하는 전자전달층; 및
상기 전자전달층의 상면 상에 배치된 이온 선택성층을 포함하는 작업 전극; 및
상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 배치된 기준 전극을 포함하는, 이온 센서.
Board;
disposed on the substrate,
a conductive layer disposed on the upper surface of the substrate;
an electron transport layer disposed on the upper surface of the conductive layer and including a conductive binder and a metal complex dispersed in the conductive binder; and
a working electrode including an ion-selective layer disposed on an upper surface of the electron transport layer; and
and a reference electrode disposed on the substrate to be spaced apart from the working electrode.
The ion sensor of claim 1 , wherein the conductive layer comprises a metal layer and a metal protective layer disposed on an upper surface of the metal layer.
The ion sensor of claim 2 , wherein the metal layer comprises at least one of Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd, and alloys thereof.
The ion sensor of claim 2 , wherein the metal protective layer comprises a transparent conductive oxide.
The ion sensor according to claim 1, wherein the conductive binder includes a carbon paste, a metal-containing paste, or a conductive polymer.
The method according to claim 1, wherein the metal complex is Prussian blue (Prussian blue), potassium ferricyanide (Potassium ferricyanide), potassium ferrocyanide (Potassium ferrocyanide), hexaamine ruthenium (III) chloride (Hexaammineruthenium (III) chloride), ferrocene An ion sensor comprising at least one selected from the group consisting of a compound-based compound, a quinone-based compound, and a hydroquinone-based compound.
The ion sensor according to claim 1, wherein the metal complex is included in an amount of 0.01 to 10% by weight of the total weight of the electron transport layer.
The ion sensor of claim 1 , wherein the ion-selective layer comprises an ion-sensitive material and a polymer support.
The method according to claim 8, wherein the ion-sensitive material is H + , Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , OH - , Cl - , F - , Br - , I - , CN - and NO 3 - consisting of An ion sensor comprising a material that selectively transmits one ion selected from the group.
The method according to claim 8, wherein the polymer support is polyvinyl chloride, polyvinyl chloride carboxylate, polyvinyl chloride aminate, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polymethyl acrylate, polyethylene oxide, xerogel, agarose, An ion sensor comprising at least one selected from the group consisting of polyurethane and silicone rubber.
The ion sensor according to claim 1, wherein the thickness of the ion-selective layer is thicker than the thickness of the electron transport layer.
The ion sensor of claim 11 , wherein the electron transport layer has a thickness of 3 to 15 μm.
The ion sensor of claim 11 , wherein the ion-selective layer has a thickness of 5 to 30 μm.
The ion sensor of claim 1 , wherein the electron transport layer entirely surrounds a side surface of the conductive layer.
The ion sensor of claim 1 , wherein the ion-selective layer entirely surrounds a side surface of the conductive layer and a side surface of the electron transport layer.
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