레이저 유도 그래핀의 생성 거동과 표면 특성을 이용한 센서 응용 연구 :Growth Behaviors of Laser Induced Graphene and Sensor Application by Surface Characteristics

홍성무

학위논문

저자정보: 홍성무 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

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레이저 유도 그래핀 (LIG, Laser-induced graphene)은 박리된 탄소기반 다공성 구조로, 그래핀의 흡착성능과 전기전도도를 바탕으로 금속나노파티클, 효소, 수용체, 폴리머 등 을 고정하여 전기화학, 바이오센서로 응용 가능하다. LIG기반 센서는 상용센서 대비 극단적으로 저렴한 가격, 간단한 공정, 레이저 가공을 통한 자유로운 형상제어 등 응용 가능성이 높이 평가되어 특히, 휴대용 기기 등의 소형디바이스 적용에 적합한 물질이다. 일반적으로 LIG를 센서로 제작할 때 폴리머필름을 형상에 맞게 가공하여 사용하는데, 단일 라인이 아닌 대면적 가공에는 여러 가지 가공변수가 작용하고 이에 따라 다른 특성을 가지는 LIG가 생성될 수 있다. 그러므로 생성가능영역의 가공변수에서 LIG 표면구조와 물성치에 대한 정리가 필요하지만 그에 대한 연구가 거의 진행되지 않았다. 본 연구에서는 폴리이미드필름을 UV 펄스 레이저로 가공하여 생성되는 LIG가 생성되는 레이저 가공변수를 조사하였으며, 표면형상을 기반으로 특성을 연구하여 센서에 적용하였으며 이러한 개념이 유효하게 작용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 대각선 경사로에 PI필름을 부착하여 가공하면 가공면의 z축 방향 거리가 달라져 포커싱 포인트의 점진적인 빔 직경변화를 만들 수 있다. 또한 스캔속도나 해칭피치 등 다른 변수들과 같이 제어하여 연속적인 가공에너지변화를 유발할 수 있으며, 육안으로도 구별이 가능할 정도로 표면 색상이나 모양이 다양한 LIG를 생성하였다. 이러한 방식으로 제작된 LIG를 5가지 형태로 분류하여 비표면적, 수분흡수율, 접촉각, 표면저항, XPS, 라만스펙트럼분석 등을 수행하였다. 분석 결과 생성된 LIG는 대부분 다층으로 구성되었으며 결함이 많이 존재하는 구조물이며, 낮은 플루언스에서 가공한 시편들이 질소 작용기가 많은 것을 확인하였다. 고에너지 영역에서 어블레이션 가공에 의해 재료삭제가 패턴을 깊게 구성한 경우 소수성을 나타낸다. 수분흡수율과 비표면적은 형상 구조에 따라 다양한 분포를 보였다. 이러한 경향을 보았을 때, LIG의 생성조건에 따른 표면형상이 센서 응용에 영향을 줄 것을 예상할 수 있으며, 이를 확인하기 위해 습도센서 및 이온선택성전극 등을 제작하여 테스트 해 보았다. 그 결과, 열린 표면으로 기체순환에 도움이 되는 구조들이 습도변화 반응에 민감하고, 비표면적 높아 활성점이 많이 분포하는 구조가 폴리머가 코팅되었을 때 이온교환성능이 좋은 것을 확인할 수 있었다. 이러한 특성들을 기반으로 센서 적용을 할 경우 센서의 목적에 따라 기체순환, 소수성, 친수성에 적합한 표면을 선택할 수 있고, 테스트기기에 맞는 형상이나 임피던스를 고려할 수 있다. 또한 성분구성이 중요한 경우 질소나 산소잔류기의 필요 유무에 따라 선택적 응용이 가능하다. 이러한 표면구조에 따른 센서거동은 기존 LIG의 좀 더 세부적인 특성 구분이 가능해 공정효율 증가와 민감도 향상을 통한 효율개선을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 가공조건에 따라 LIG가 다양한 특성으로 생성 가능한 것을 기반으로, 센서로 응용했을 때 최적의 물성치를 적용할 수 있는 모폴로지 기반 센서 응용 방법을 제안한다.

#Laser induced graphene #LIG #레이저 유도 그래핀 #표면형상

제1장 서론 1
1.1 그래핀의 응용 1
1.2 레이저 유도 그래핀 생성 7
1.3 레이저 흡수와 에너지밀도 17
1.4 연구 목적 29
제2장 LIG 제작 및 물성치 측정 30
2.1 레이저 및 광학계 구성 30
2.2 가공조건에 따른 표면형상 35
2.3 비표면적 분석(BET) 56
2.4 라만분광법, EDS, XPS 분석 71
2.5 전기적 특성 80
2.6 수분 흡수율 85
2.7 접촉각 86
제3장 그래핀 기반 센서 응용 90
3.1 습도 센서 90
3.2 이온 센서 98
제4장 결론 115
참고문헌 118
Abstract 136

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