완전 잉크젯

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 40(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

인화지에 완전히 잉크젯으로 인쇄된 가스 센서 매트릭스를 제작하는 방법이 사용되었습니다. 통합이 용이한 고밀도 레이아웃의 36개의 인터디지털 전극으로 구성된 전극 매트릭스는 절연 잉크와 상업용 실버 잉크의 조합을 사용하여 제작되었습니다. 그런 다음 간단한 용액 혼합 방법을 사용하여 분자 각인 고분자(MIP) 잉크를 만들고, 이 잉크를 카본 블랙 잉크와 함께 전극 매트릭스에 인쇄하여 센서 제작을 완료했습니다. 마지막으로, 휘발성 유기 화합물의 실험적 동적 감지는 MIP 템플릿 분자에 해당하는 가스를 감지하기 위해 MIP 층이 각인되지 않은 폴리머 층과 비교할 때 감도와 선택성이 모두 향상되었음을 확인합니다. 매트릭스는 카본블랙층과 MIP층의 인쇄시간 조정을 통해 프로펜산 가스 20% 이상 ~ 3ppm의 반응성을 낼 수 있다.

휘발성 유기 화합물(VOC)은 실내 및 실외 환경1의 공기 중에 존재합니다. 공기 함유 VOC에 장기간 노출되면 인체 건강에 부정적인 영향을 미치고 소위 새집 증후군이 발생할 수 있습니다2,3. 또한 피부와 인체 일부에서도 일부 VOC가 생성됩니다4. 이러한 VOC의 생성은 성별, 연령, 유전학, 생리적 상태 및 식습관과 관련이 있습니다5,6. 따라서 간단하면서도 효과적인 VOC 모니터링 방법 개발, 특히 상온 VOC 모니터링은 대기 질 모니터링, 인간 건강 모니터링 및 의료 진단을 포함한 분야에서 중요합니다. 전통적으로 VOC는 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS) 방법을 통해 분석되었습니다7. 그러나 GC-MS는 고비용, 대용량, 비실시간 분석 등의 단점으로 인해 유기화합물 검출을 위한 센서 개발이 필요하다. 최근에는 VOC 감지를 위해 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 센서8, 수정 마이크로 밸런스(QCM) 센서9, 표면 탄성파 센서10 및 금속 산화물 센서11를 포함한 센서가 개발되었습니다.

화학저항기형 가스 센서는 비용 효율성, 간단한 감지 메커니즘 및 손쉬운 통합을 포함하는 장점으로 인해 VOC를 감지하는 데 널리 연구되고 사용되었습니다12. 그들의 작동 원리는 대상 가스가 존재할 때 공유 결합, 수소 결합 또는 분자 인식을 통해 감지 물질과 상호 작용하여 감지 물질의 변화에 ​​대한 저항을 일으킬 수 있다는 것입니다13. 그런 다음 감지 물질 저항을 측정하여 가스를 감지할 수 있습니다. 기본적인 화학저항기 가스 센서는 인터디지털 전극 세트와 전극을 덮는 감지 층으로 구성됩니다. 일반적인 감지 레이어 제조 방법에는 드롭 코팅16, 스핀 코팅17, 스크린 인쇄18 및 잉크젯 인쇄19가 포함됩니다. 이러한 방법 중에서 잉크젯 인쇄를 사용하여 유연한 기판에 화학 저항기 가스 센서를 개발하는 것이 중요한 연구 분야가 되고 있습니다. 이 센서 유형의 장점에는 높은 모니터링 감도, 경량, 우수한 유연성 및 설계 가능성이 포함되어 있기 때문에 이 방법은 광범위한 관심을 끌었습니다.

그러나 VOC는 대기 오염 물질24 또는 저분자량 지방산, 알데히드, 알코올, 케톤, 에테르 및 에스테르를 비롯한 다양한 인체 부위25에서 유래하는지 여부에 관계없이 복잡한 화학 물질 매트릭스로 구성됩니다. 단일 화학저항기 가스 센서는 비특이적 센서이며 복잡한 구성을 가진 VOC에 대해 더 정확한 분석을 수행할 수 없습니다. 센서 매트릭스와 결합된 분자 각인 폴리머(MIP) 민감층을 사용하면 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 이 기술은 선택적 가스 분자 인식을 실현할 수 있습니다. 분자 각인은 표적 분자에 대한 다양한 모양과 크기의 인식 패턴을 생성하는 효과적인 접근 방식을 나타냅니다. MIP는 표적 분자가 있는 상태에서 기능성 단량체와 가교제를 공중합하여 얻은 3차원 고분자 네트워크입니다. 주형 분자가 세척 또는 가열을 통해 고분자 네트워크에서 제거되면 주형 분자와 유사한 나노규모 공동이 생성됩니다29,30. 이러한 매우 구체적인 공동을 사용하여 MIP는 일부 가스 센서에서 매우 선택적인 감지 층으로 적용되었습니다. 목표 분자가 3차원 폴리머 구조 내의 공동에 존재하면 재료의 저항이 변경됩니다. 그러면 변화가 측정되어 관찰 가능한 전기 신호로 변환됩니다. MIP는 저렴한 비용, 쉬운 합성, 안정적인 성능 및 재사용성으로 인해 화학 저항기 가스 센서에 널리 사용됩니다.