금속-포르피린이 기능화된 고분자 및 탄소나노튜브의 복합소재 기반 실시간 현장진단형 가스센서 감지소재, 가스센서 및 그 제작 방법
REAL-TIME ON-SITE DIAGNOSTIC GAS SENSING MEATERIAL BASED ON COMPOSITE MATERIAL OF METALLOPORPHYRIN FUNCTIONALIZED POLYMER AND CARBON NANOTUBE, GAS SENSOR, AND METHOD OF MANUFACTURING THEROF
특허 요약
금속-포르피린이 기능화된 고분자 및 탄소나노튜브의 복합소재 기반 실시간 현장진단형 가스센서 감지소재, 가스센서 및 그 제작 방법을 개시한다. 일실시예에 따른 가스센서 감지소재는 금속-포르피린 리셉터가 기능화된 고분자 및 전도성 탄소나노튜브가 복합화된 고분자-탄소나노튜브 복합소재를 포함할 수 있다. 여기서 금속-포르피린 리셉터는, 거대 고리 구조를 갖는 포르피린 기반의 유기분자에 금속이온이 킬레이트화되어 형성된 것으로, 상기 고분자에 화학적으로 기능화될 수 있다.
청구항
번호청구항
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제10항에 있어서,상기 (b) 단계에서, 상기 금속-포르피린 리셉터는 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액의 고분자의 무게 대비 0.01 내지 500의 범위에 포함되는 무게로 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액에 포함되어 상기 고분자-탄소나노튜브에 기능화되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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금속-포르피린 리셉터가 기능화된 고분자 및 전도성 탄소나노튜브가 복합화된 고분자-탄소나노튜브 복합소재를 포함하고,상기 금속-포르피린 리셉터는 상기 고분자에 화학적으로 기능화되고,상기 금속-포르피린 리셉터는 거대 고리 구조를 갖는 포르피린 기반의 유기분자에 금속이온이 킬레이트화되어 형성된 것을 특징으로 하는 가스센서 감지소재.

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제1항에 있어서,상기 거대 고리 구조를 갖는 포르피린 기반의 유기분자는 네 개의 피롤 그룹과 유기 리간드를 포함하며, 분자량(Mw)은 500 내지 5000 g/mol의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 가스센서 감지소재.

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제1항에 있어서, 상기 금속이온의 금속 성분은 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Fe, Cd, Cr, Co, Cu, Pb, Mn, Hg, Ni, Pt, Sn, 및 Zn 중 적어도 하나를 포함하는 것 을 특징으로 하는 가스센서 감지소재.

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제1항에 있어서,상기 고분자는 polyaniline, polypyrrole, polyfuran, polythiophene, polyphenyle, poly(vinylpyridine), poly(p-phenylene), poly(p-phynylene vinylene), polyacetylene, poly(3,4-ethylene dioxythiophene), polyphenylene oxide, polyfluorene, poly(p-phenylene sulfide), polyvinyl chloride, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyvinylpyrrolidone, 및 polymethyl methacrylate 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서 감지소재.

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제1항에 있어서,상기 고분자의 분자량(Mw)은 10,000 내지 5,000,000 g/mol의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 가스센서 감지소재.

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제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 가스센서 감지소재;상기 가스센서 감지소재가 결착되는 센서 기판; 및상기 센서 기판의 상단에 형성되는 센서 전극을 포함하고,상기 센서 전극은 상기 센서 기판에 결착된 상기 가스센서 감지소재의 화학적 상호작용에 의한 전기적 저항변화 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 가스센서.

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제6항에 있어서,상기 센서 기판은 유리, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonates (PC), polyethersulfone (PES), polyimide (PI), cyclic olefin copolymer (COC), poly-di-methyl-siloxane (PDMS), 실리콘, 및 실리콘 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서.

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제6항에 있어서, 상기 가스센서 감지소재는 상기 센서 기판의 상단에 기설정된 두께로 코팅되고,상기 기설정된 선폭은 1 nm 내지 1000 μm의 범위에 포함되는 것 을 특징으로 하는 가스센서.

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제6항에 있어서, 상기 센서 전극은 상기 가스센서 감지소재의 전기적인 저항변화 특성을 감지하기 위한 금속인 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 및 타이타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함하는 것 을 특징으로 하는 가스센서.

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(a) 메조 치환된 기능기가 포함된 포르피린 분자에 킬레이트화 반응을 통하여 금속이온이 치환된 금속-포르피린 리셉터를 제조하는 단계; (b) 고분자-탄소나노튜브 분산용액을 제조하고 상기 금속-포르피린 리셉터를 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액 내의 고분자-탄소나노튜브에 기능화하는 단계; (c) 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액을 센서 기판에 균일하게 코팅하여 상기 센서 기판상에 금속-포르피린 리셉터가 기능화된 고분자-탄소나노튜브 복합소재를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 고분자-탄소나노튜브 복합소재가 코팅된 센서 기판 상단에 센서 전극을 형성하는 단계를 포함하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서,상기 (a) 단계에서,상기 금속-포르피린 리셉터는 포르피린 분자에 피리딜(pyridyl) 그룹, 페닐(phenyl) 그룹, 카르복시페닐(carboxyphenyl) 그룹, 아미노페닐(aminophenyl) 그룹, 및 하이드록시페닐(hydroxyphenyl) 그룹 중 적어도 하나가 메조 치환되어 제조되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서,상기 (a) 단계에서,상기 금속-포르피린 리셉터는 25 °C 내지 200 °C 범위에 포함되는 합성 온도로 포르피린 분자에 금속이온을 킬레이트화하여 제작되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서,상기 (b) 단계에서,상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액에 포함되는 용매는 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 이소프로필알콜(IPA), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide; DMF), 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 톨루엔(toluene), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 1,2-다이클로로벤젠 (1,2-dichlorobenzene), 물(water), 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 적어도 하나의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서,상기 (b) 단계에서, 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액의 고분자는 탄소나노튜브의 무게 대비 0.01 내지 500의 범위에 포함되는 무게로 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액에 포함되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서,상기 (c) 단계에서, 상기 고분자-탄소나노튜브 분산용액을 드랍코팅(drop-coating) 공정, 스크린 프린팅(screen printing) 공정, 스프레이(spraying) 공정, 딥 코팅(dip coating) 공정, 및 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 공정 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 상기 센서 기판상에 코팅하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,상기 센서 전극은 금속 페이스트 코팅, 물리기상증착방법, 및 화학기상증착방법 중 적어도 하나를 통해 상기 센서 기판상에 패터닝되고,상기 센서 전극의 적어도 일부가 상기 고분자-탄소나노튜브 복합소재의 상단의 적어도 일부와 연결되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제10항에 있어서, 상기 금속-포르피린 리셉터가 기능화된 고분자-탄소나노튜브 복합소재는, 대기 중에 포함된 가스 성분과의 화학적인 상호작용을 통하여 전기저항이 변화하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.

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제18항에 있어서, 상기 가스센서는 상기 전기저항의 변화를 상기 센서 전극을 통해 감지하여 상기 대기 중에 포함된 가스 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제작 방법.