초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
그래핀산화물 액정섬유를 기반으로 생체·물리·화학센서, 에너지소자, 센서-전원-인디케이터간 와이어링에 대한 연구를 수행하여 헬스케어 및 작업환경 탐지에 이용하고자 함. 제시된 응용소자들은 그래핀 섬유를 직물화하여 인체적용 지속가능성을 고려하여 설계하고 직물형 집합체 형태의 통합센서 개발을 목표로 함
■ 전체 내용
미래의 의류, 피부부착 형태의 전자 기기는 휴대의 간편성이라는 장점 외에도 하루 종일 사람과 접촉되어 있기 때문에 호흡, 심박, 동작 등 건강 상태를 지속적으로

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
그래핀산화물 액정섬유를 기반으로 생체·물리·화학센서, 에너지소자, 센서-전원-인디케이터간 와이어링에 대한 연구를 수행하여 헬스케어 및 작업환경 탐지에 이용하고자 함. 제시된 응용소자들은 그래핀 섬유를 직물화하여 인체적용 지속가능성을 고려하여 설계하고 직물형 집합체 형태의 통합센서 개발을 목표로 함
■ 전체 내용
미래의 의류, 피부부착 형태의 전자 기기는 휴대의 간편성이라는 장점 외에도 하루 종일 사람과 접촉되어 있기 때문에 호흡, 심박, 동작 등 건강 상태를 지속적으로 모니터링 할 수 있는 헬스케어의 측면에서도 유리할 것으로 판단됨. 미래 개인 이동 기기의 핵심은 유연성이며 외부 전기적 기계적 특성이 확보되는 재료여야 함. 먼저 유연성이라는 측면에서 섬유소재가 적합하나 기존의 섬유 소재들은 굽히거나 늘어나는 등의 변형을 가하면 쉽게 전기적 특성을 잃어버릴 뿐만 아니라, 그 횟수가 반복 될수록 쉽게 파괴되는 단점이 있음. 이러한 이유로 본 과제에서는 타세부와의 협력을 통해 소방복과 같은 극한환경하에서 신체정보와 환경정보를 저전력으로 실시간 모니터링 할 수 있는 소자를 설계 및 제조를 하고자 함. 이를 위해 센서의 사용목적에 맞는 인체적용 지속가능성을 고려하고 (3세부 협업), 적절한 특성을 가진 그래핀산화물 (graphene oxide, GO)과 그래핀 섬유 선별하여 소자를 설계·제작하여 기 요구되는 특성을 확보하고자 함
■ 1단계
￭ 목표
○ 가스 센서 : 그래핀산화물 액정 복합섬유를 기반으로 동축형 또는 평행접합형 p-n접합구조와 Volatile Organic Compounds(VOCs)를 적용하여 고감도와 고선택도를 구현하는 가스센서를 개발 하고자 함
○ 섬유형 압력센서: 정전용량 변화형, 압전형 방식을 그래핀산화물 액정섬유 기반의 직물에 적용하여 압력인가 구간에서 고감도로 작동하는 압력소자 설계기술을 확보하고자 함.
○ 섬유형 헬스케어센서: 들숨/날숨, 심박, 혈압 측정은 특수 작업환경 하에 작업자의 생체를 실시간 모니터링을 목적으로 작동환경조건을 고려하여 개발하고자 함.
○ 섬유형 에너지소자: EDLC, Pseudo 캐패시터를 이중선구조형태로 설계(electrode: 환원된 GO-LC 섬유, current collector: 그래핀섬유)하고 Ragon 차트를 통해 특성을 검증함.
￭ 내용
○ 헬스케어를 위한 섬유형태의 센서: 가스센서, 압력센서 (4종 감지가스에 대해 3배의 감도 및 측정치 한계 10 ppm 달성)
○ 센서 구동 및 이동전원을 위한 섬유형태의 에너지 저장 및 변환 소자: 슈퍼캐패시터, 리튬 이온 이차 전지
○ 헬스케어를 위한 섬유형태의 복합소자: 자가 충전용 압전 센서
○ 헬스케어를 위한 섬유형태의 소자를 이용한 직물형태의 센서, 에너지 저정장치, 복합소자
■ 2단계
￭ 목표
○ 직물형태의 응용소자들을 통합적으로 전력관리, I/O를 제어하기 위한 시스템을 구성하여 소자간의 간섭, 왜곡의 최소화, 시너지를 최대화를 달성하기 위한 통합시스템 설계를 하고자 함. 필요에 따라, 자가충전형 압전센서, 섬유형 배터리의 개발도 수행하고자 함
￭ 내용
○ 가스 센서 : 그래핀산화물 액정 복합섬유를 기반으로 동축형 또는 평행접합형 p-n접합구조와 Volatile Organic Compounds(VOCs)를 적용하여 고감도와 고선택도를 구현하는 가스센서를 개발
○ 섬유형 압력센서: 정전용량 변화형, 압전형 방식을 그래핀산화물 액정섬유 기반의 직물에 적용하여 고감도로 작동하는 압력 소자 설계기술을 확보
○ 섬유형 헬스케어센서: 특수 작업환경 하에 작업자의 생체를 실시간 모니터링을 목적으로 작동환경조건을 고려하여 개발
○ 섬유형 에너지소자: EDLC, Pseudo 캐패시터를 이중선구조형태로 설계(electrode: 환원된 GO-LC 섬유, current collector: 그래핀섬유)하고 Ragon 차트를 통해 특성을 검증

□ 연구개발성과
○ 가스 센서 : 그래핀산화물 액정 복합섬유를 기반으로 동축형 또는 평행접합형 p-n 접합구조와 Volatile Organic Compounds(VOCs)를 적용하여 고감도와 고선택도를 구현하는 가스센서를 개발 하였음 (검출한계: 1 ppm, 감도: 39배)
○ 섬유형 압력센서: 정전용량 변화형, 압전형 방식을 그래핀산화물 액정섬유 기반의 직물에 적용하여 0.24–70 kPa의 압력인가 구간에서 고감도로 작동하는 압력소자 설계기술을 확보하고자 함. 이를 위해 고감도 이온성 고분자 전해질, PVdF 또는 ZnO 나노구조체를 적용하여 전압 1 V 이하의 저전압에서 구동이 가능하게 함
○ 섬유형 헬스케어센서: 특수 작업환경 하에 작업자의 생체를 실시간 모니터링을 목적으로 작동환경조건을 고려하여 개발함. 개발한 헬스케어 센서는 10x10이상 matrix 구조를 갖는 압력 감지 방식의 소자를 기반으로 설계하고 가스 측정과 온도 측정을 가능하도록 설계함.
○ 섬유형 에너지소자: EDLC, Pseudo 캐패시터를 이중선구조형태로 설계(electrode: 환원된 GO-LC 섬유, current collector: 그래핀섬유)하고 Ragon 차트를 통해 특성을 검증함, 방오방수 기능을 부여하여 구동안정성을 확보하고 대칭형 또는 비대칭형 슈퍼캐패시터를 테스트하여 >366 F/g (1198 mF/cm³), 충전속도 20 mA/cm²를 달성함.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 섬유기반 소자의 유연성으로 인해 스마트 섬유, 전자섬유 등으로 알려져 있는 미래형 직물에 응용 가능함.
○ 이차원 구조체의 특징인 높은 가스 감지 한계와 기존 산화물 반도체는 불가능한 직물형 디바이스로 적용이 가능하다는 이점을 살려 실질적으로 사용할 수 있는 탑재형 센서로 개발할 수 있음. 특히 이차원 구조체의 결합을 통해 구조적으로 더욱 안정한 물질을 합성하여 각 물질의 장점을 살려서 활용할 수 있음.
○ 구체적으로, 경량의 그래핀 섬유 기반 소자를 의복에 적용하여 신체 및 활동 정보를 실시간 모니터링하고 주변 환경상태를 감시하는데 적용가능. 특히, 극한 작업복 (산업현장, 재난현장, 군용), 스포츠 의복에 활용성이 높음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 2-1. 직물 형태에 기반한 집적화 압력 센서 구조 설계 및 평가 ... 8
• 2-2. 자가 충전형 에너지 저장장치 ... 11
• 2-3. 섬유형 가스센서 제조 기술 개발 ... 17
• 2-4. LED 조사를 이용한 가스 선택성 증대 ... 18
• 2-5. UV 조사를 이용한 가스 선택성 증대 ... 20
• 2-6. 에너지 저장 센서 ... 23
• 2-7. 헬스케어 소자 센서 및 모듈 ... 27
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 42
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 61
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 62
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 62
• 끝페이지 ... 63