[논문]일회용 마스크에 장착을 위한 레이저 기반 그래핀 습도센서 제작에 관한 연구

이준욱; 신윤지; 양혜정; 신보성

doi:10.21289/ksic.2020.23.4.693

일회용 마스크에 장착을 위한 레이저 기반 그래핀 습도센서 제작에 관한 연구
A Study on the Fabrication of Laser-Induced Graphene Humidity Sensor for Mounting on a Disposable Mask 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.4/1, 2020년, pp.693 - 699

이준욱 (부산대학교 인지메카트로닉스) , 신윤지 (부산대학교 광메카트로닉스) , 양혜정 (부산대학교 인지메카트로닉스) , 신보성 (부산대학교 인지메카트로닉스)

Abstract ▼ AI-Helper

355nm UV pulse laser is irradiated on the surface of polyimide (PI) by LDW (Laser Direct Writing) method to produce a high sensitivity flexible humidity sensor using a simple one-step process. The LDW method continuously investigates 2-D CAD data using a galvano scanner and an F-lens. This method is non-contact, so it minimizes physical strain on the PI. Laser-induced graphene (LIG) produced by lasers has a high surface area due to its high flexibility and numerous pores and oxidizers compared to conductors. For this reason, it is highly useful as a flexible humidity sensor. The humidity sensor produced in this study was attached to the inside of a mask filter, which has become a hot topic recently, and its applicability was confirmed.The measurement of humidity measured the sensitivity, reactivity, stability and recovery behavior of the sensor by measuring changes in capacitance and resistance.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 (a) Multiple lases for making LIG patterns. (LIG 패턴 제작을 위한 다중 레이저 조사), (b) Optical image and FE-SEM image LIG (LIG 의 광학현미경과 FE-SEM 사진)
그림 Fig. 2 (a) Schematic illustration of interaction of LIG and water vapor (물과 LIG사이의 상호작용의 개략도 삽화), (b) How to Capacitance measurements by LCR meter. (LCR 미터를 이용한 커패시턴스 측정방법)
그림 Fig. 4 Capacitance measurements of four samples.
그림 Fig. 3 Resistance measurements of four samples.
그림 Fig. 5 Optical microscope images of four samples.
그림 Fig. 6 FE-SEM image of sample 1 with porous LIG.
그림 Fig. 7 Actual photographs of humidity sensor and mask with sensor.
그림 Fig. 8 Capacitance-time curve of the sample 1 implanted inside the mask in wet condition.
그림 Fig. 9 Capacitance-time curve of the sample 1 in wet condition.

AI 본문요약
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제안 방법

LDW 방식으로 필름을 제작할 때, 레이저의 스캐닝 속도를 달리하여 와트를 조절하여 4개의 샘플을 만들었다. LRC meter를 이용하여 4개의 샘플(습도센서)의 저항값과 커패시턴스 값을 측정한다.
실험에서 가습기를 통해 습윤한 환경을 조성하였으며 그 측정은 정전용량의 변화를 통해하였으며 센서의 감도, 안정성 및 회복 거동을 보았다. LDW 방식을 통한 탄화 LIG 필름 제작은 간단한 제조 공정과 고성능으로 유연한 습도 센서를 생산할 수 있기 때문에 폭넓은 분야의 웨어러블(wearable) 디바이스에 활용 가능할 것으로 예상되어 이를 마스크에 부착하여 센서의 응용성 또한 확인하였다.
우리는 그림 2 (b)에서 보이는 것처럼 LCR 미터를 이용하여 측정하였다. LIG 패턴 양 옆에 실버 페이스트를 이용하여 전극을 만들었고 임피던스의 리액턴스 공식을 이용하여 커패시턴스 값을 역으로 도출 하였다.
LDW 방식으로 필름을 제작할 때, 레이저의 스캐닝 속도를 달리하여 와트를 조절하여 4개의 샘플을 만들었다. LRC meter를 이용하여 4개의 샘플(습도센서)의 저항값과 커패시턴스 값을 측정한다. 샘플 번호 (1:1.
샘플의 숫자가 낮아질수록 반사되는 빛의 세기가 강해지는 것으로 보아 다공성 그래핀들이 보유하고 있는 전자들의 빛 반사로 예측할 수 있다. 본 연구에서는 다공성 그래핀이 가장 많이 생성된 1번 샘플을 마스크 내부에 이식하여 실험을 진행했다.
우리는 레이저 스캐닝 속도에 따른 레이저 기반 다공성 그래핀 구조를 형성하여 민감성과 유연성을 확보하였고 특성을 분석하였다. 실험에서 가습기를 통해 습윤한 환경을 조성하였으며 그 측정은 정전용량의 변화를 통해하였으며 센서의 감도, 안정성 및 회복 거동을 보았다. LDW 방식을 통한 탄화 LIG 필름 제작은 간단한 제조 공정과 고성능으로 유연한 습도 센서를 생산할 수 있기 때문에 폭넓은 분야의 웨어러블(wearable) 디바이스에 활용 가능할 것으로 예상되어 이를 마스크에 부착하여 센서의 응용성 또한 확인하였다.
우리는 갈바노 스캐너와 F-θ 렌즈를 이용하여 연속적으로 조사한다.
이는 간단한 one-step 방식을 통해 보다 친환경적이고 원하는 패턴을 2-D 캐드로 제작이 가능하다는 장점이 있다. 우리는 레이저 스캐닝 속도에 따른 레이저 기반 다공성 그래핀 구조를 형성하여 민감성과 유연성을 확보하였고 특성을 분석하였다. 실험에서 가습기를 통해 습윤한 환경을 조성하였으며 그 측정은 정전용량의 변화를 통해하였으며 센서의 감도, 안정성 및 회복 거동을 보았다.
하지만 최근 화두로 떠오르는 LIG는 PI에 레이저 조사만을 통해 다공성 그래핀 구조를 제작한다. 이 LIG를 만드는 방법은 주로 CO₂ 레이저를 이용하여 열적 현상만을 사용했다면 우리는 355nm 자외선 펄스 레이저를 이용하여 열적 광학적 현상을 둘 다 이용하였다. 그림 1 (a)에서 보이는 것처럼 우리는 초점 거리보다 4mm 떨어진 거리에서 레이저를 조사하여 다중 펄스 중첩을 이용했다.
조금 더 정밀한 구조적 특성을 알아보기 위해 그림 6에서 보이는 것처럼, 우리는 FE-SEM을 촬영하였다. 그림 4에서 보는 것처럼 다공성 그래핀들이 형성되어 잇는 것을 확인할 수 있다.
그림 8는 샘플 1번을 마스크 내부에 이식했을 때의 결과 그래프이고 그림 9은 마스크 내부에 이식하지 않은 경우에 대한 그래프이다. 측정은 습윤한 환경 제공 전후에 걸쳐 진행했다. 실험 초기 커패시턴스(C) 측정값에도 다소 차이(8pF∼ 10pF)가 있고 실험을 거듭하며 습윤한 환경을 조성해 주었기 때문에, 단시간 내에 물 분자가 빠르게 증발되지 못해 본래의 값보다 높은 초기값을 가지며 안정화되는 경향을 보였지만 두 그래프의 거동이 매우 유사하게 나타나는 것으로 보아 마스크 내부에 이식했을 경우에도 습도센서가 정상적으로 작동하는 것을 알 수 있다.

이론/모형

이를 극복하기 위해 고감도와 유연성을 지니면서 주변 환경 모니터링을 손쉽게 할 수 있는 웨어러블(wearable) 습도 센서의 제작이 필요하다. 본 연구에서는 Polyimide (PI) 표면에 355nm 펄스자외선 레이저를 이용하여 Laser Induced Graphene을 제작하였는데 공정 방법으로는 Laser Direct Writing (LDW) 기법을 이용하였다. 이는 간단한 one-step 방식을 통해 보다 친환경적이고 원하는 패턴을 2-D 캐드로 제작이 가능하다는 장점이 있다.

성능/효과

본 실험을 통해 PI film은 증기 환경에 대해 즉각적이고 연속적으로 반응하며, 그 자체로 flexible한 circuit로 사용할 수 있다는 점을 확인하였다. 결론적으로 본 실험은 one-step 공정의 LDW 방식으로 높은 반응성을 가지는 습도 센서를 제작할 수 있으며 이를 기존의 마스크에 적용하였을 때도 마찬가지로 높은 반응성과 재현성을 나타낸다는 것을 확일 할 수 있었다. 저비용으로 가볍고 고성능의 습도 센서를 제작할 수 있기 때문에 이는 의료용 소자, 웨어러블 디바이스 등의 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
실험 초기 커패시턴스(C) 측정값에도 다소 차이(8pF∼ 10pF)가 있고 실험을 거듭하며 습윤한 환경을 조성해 주었기 때문에, 단시간 내에 물 분자가 빠르게 증발되지 못해 본래의 값보다 높은 초기값을 가지며 안정화되는 경향을 보였지만 두 그래프의 거동이 매우 유사하게 나타나는 것으로 보아 마스크 내부에 이식했을 경우에도 습도센서가 정상적으로 작동하는 것을 알 수 있다. 또한 습윤한 환경을 제공해 주었을 때 커패시턴스 값이 급격하게 증가하고 제거해 주었을 때 다시 본래의 값으로 돌아가는 뛰어난 회복 시간을 보였다.
또한 PI film의 탄화된 패턴은 전도성을 띠기 때문에 기판과 sensing film을 별도로 사용하지 않고 그 자체로 습도센서로 사용할 수 있다. 본 실험을 통해 PI film은 증기 환경에 대해 즉각적이고 연속적으로 반응하며, 그 자체로 flexible한 circuit로 사용할 수 있다는 점을 확인하였다. 결론적으로 본 실험은 one-step 공정의 LDW 방식으로 높은 반응성을 가지는 습도 센서를 제작할 수 있으며 이를 기존의 마스크에 적용하였을 때도 마찬가지로 높은 반응성과 재현성을 나타낸다는 것을 확일 할 수 있었다.

후속연구

결론적으로 본 실험은 one-step 공정의 LDW 방식으로 높은 반응성을 가지는 습도 센서를 제작할 수 있으며 이를 기존의 마스크에 적용하였을 때도 마찬가지로 높은 반응성과 재현성을 나타낸다는 것을 확일 할 수 있었다. 저비용으로 가볍고 고성능의 습도 센서를 제작할 수 있기 때문에 이는 의료용 소자, 웨어러블 디바이스 등의 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

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H. Bi, K. Yin, X. Xie, J. Ji, S. Wan, L. T. Sun, M. Terrones, M. S. Dresselhaus, "Ultrahigh humidity sensitivity of graphene oxide," Sci. Rep. vol .3, no. 2714, pp. 2714, (2013).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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