1. Introduction

최근 환자 중심의 지속적인 건강관리에 대한 수요가 높 아지면서 의료 시스템용 센서 연구가 주목받고 있다. 심박 수와 전기생리학적 신호를 측정하는 물리적 센서가 건강관 리 기기에 탑재되어 시장을 점유하고 있으며, 차세대 기기 용 전해질, 대사산물, 호르몬 등의 화학적 센서 개발도 활 발히 진행 중이다. 그중 전해질 내 이온 농도를 연속적이고 정확하게 측정하는 것은 인체의 전해질 불균형과 신장, 심 장 질환 진단에 중요한 것으로 보고되어 있다[1, 2]. 특히 최근 소듐 섭취와 스트레스, 동맥경화 간의 연관성이 밝혀 지면서 소듐 이온 센서 개발의 필요성이 증가하고 있다[3].

이온 농도를 측정하는 방법은 크게 두 가지로 나뉘며, 광학적인 메커니즘에 기반한 흡수, 형광, 라만 스펙트로스 코피(spectroscopy)와 전극 표면의 이온 농도를 전자 농도 로 변환하는 전기화학적 방법이 있다. 이 두 가지 방법의 장점을 조합한 형태로, 표면 이온 농도에 따라 색상이 변 화하는 염료 전극과 스마트폰 카메라로 색을 감지하는 Gx Sweat 패치 시스템이 시장에 출시된 바 있다. 그러나 의학 계에서 유의미하게 사용되기 위해서는 데이터를 정량적으 로 정확하게 측정하는 시스템의 개발이 필수적이며, 센서 개발 및 무선 통신, 인공지능, 네트워킹 등 복합적인 연구 개발이 이루어져야 한다. 재료 관점에서는, 패키징에 적합 하도록 센서를 소형화함과 동시에 전극의 민감도를 높이 고 우수한 안정성을 지니도록 설계하는 것이 중요하다.

차세대 이온 센서 형태에 적합한 전고체 이온 선택성 전 극(all-solid-state ion-selective electrodes, ISEs)은 건강 관 리를 위한 모바일, 웨어러블 기기 등에 적용되고 있다. 이 센서는 전기화학적 메커니즘을 기반으로 이온의 농도를 판별하는 이온선택성 전극(즉, 작업 전극)과 기준 전극 및 상대 전극으로 이루어진다. 작업 전극은 이온 선택성 멤브 레인(ion-selective membrane, ISM), 이온–전자 변환층(ionto- electron transducer), 전도체(conductor)로 이루어지며, 이 중 이온–전자 변환층은 이온 농도에 대응하는 전하를 유지하고 전달하는 커패시터 역할을 한다[4, 5]. 큰 커패시 턴스를 지니는 이온-전자 변환층을 사용하면 측정 전압의 변동폭이 줄어들고 정확한 감지 성능, 센서의 신뢰성을 향 상시킬 수 있는 것으로 보고되어 있다[6]. 또한, 총 커패시 턴스를 이루는 레독스 커패시턴스(redox capacitance)와 전 기 이중층 커패시턴스(electrical double-layer capacitance) 값을 조절하는 등 전극 표면에 흡착되고 반응하는 정도를 최적화하여 센서의 안정성을 향상시킬 수 있다 [7, 8].

전기 이중층 커패시턴스는 전하의 흐름을 안정화하기에 효과적이기 때문에 센서 전극 형성 시 중요하게 고려되고 있다[4, 6]. 이온-전자 변환층의 전기 이중층 커패시턴스를 증가하고자 그래핀, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT) 및 금 나노입자 등 나노 구조 물질을 도입한 사례가 보고 된 바 있다[4, 9]. Wang(2017)은 금 나노덴드라이트(gold nanodendrita, AuND)를 합성하여 덴드라이트 구조의 큰 비표면적과 커패시턴스에 따른 높은 안정성을 구현하였지 만, 전극 형성 시 포토리소그래피 과정을 사용하여 높은 처리 비용을 요구하는 단점이 있다[10]. Crespo(2008)은 큰 비표면적과 커패시턴스를 지니는 물질로, 전하 전달력 비용 효율성이 탁월한 것으로 알려져 있는 단일벽 탄소나 노튜브(single-walled CNT, SWCNT)를 기반으로 한 이온- 전자 변환층을 제작하여 안정성이 뛰어난 이온 센서를 제 작하였다[4]. 이러한 CNT 표면에 나노입자를 형성하면 커 패시턴스가 상당히 증가함이 보고되어 있으나, 주로 화학 적인 기능화와 입자 증착을 필요로 하여 복잡한 다수의 공정을 요구한다. 예를 들어, 금 입자 형성 전 선행되어야 하는 탄소 표면의 기능화는 수산화물과 함께 400도 이상 의 고온 열처리를 필요하거나, 화학적 기능화 시 주로 DMF(dimethylformamide) 또는 톨루엔(toluene)과 같은 인 체에 유해한 용매를 사용한다[11]. 또한, 화학적 증착 법에 따른 CNT 표면 금 입자 형성 공정은 전구체 용액 내 긴 시 간의 반응과 원심 분리 및 세척과정을 필요로 한다[4, 12].

본 연구에서는 큰 전기 이중층 커패시턴스 값을 갖는 금 입자가 도포된 CNT 변환층 기반 필름 센서를 제작하였다. 전도성 필름에 CNT 드랍 캐스팅, CNT 상단에 전기화학 적으로 금 입자 형성 및 이온 선택성 멤브레인(ISM)을 증 착하는 비교적 간단한 방법으로 높은 커패시턴스를 구현 하였다. 또한, 이온 선택성 전극(ISE)의 안정성에 주로 기 여하는 전기 이중층 커패시턴스 기여분을 조사하기 위하 여 순환 전압전류법(cyclic voltammetry, CV) 및 디콘볼루 션(deconvolution)을 진행하였다. 체액의 나트륨 범위를 포 함하는 10^-3~ 1M 범위에서 센서의 감응도를 평가하였으 며, 그 값이 이론치와 유사하며 대기 중 보관 50일 후에도 유지됨을 확인하였다. 또한, 최적화한 필름형 센서를 모바 일, 무선형 회로와 연결하여 차세대 현장 진단 기기로서의 가능성을 평가하였다.

2. Experimental

2.1 이온 선택성 전극(ISE) 제작 및 구조 분석

먼저, 실리콘 웨이퍼 상단에 포토리소그래피 방식을 사 용하여 각각 5 nm, 200 nm 두께의 크롬/금(chromium/gold, Cr/Au) 박막 패턴을 형성하여 금 전극을 형성하였다. 패턴 의 주변은 폴리이미드(polyimide, PI)로 절연하여 센서 전 극 표면(25 mm²)과 도체 패드를 선택적으로 노출하였다( 그림 1a). 금 전극 표면을 이온-전자 변환층으로 코팅하기 위해 인산완충식염수(1x Phosphate-buffered saline, PBS, pH = 7.4, Gibco by Life Technologies)에 4mg/mL 초음파 분산한 단일벽 CNT(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs, Sigma Aldrich)를 드랍 캐스팅하였다(그림 1b). 그 후 CNT 표면에 금 입자를 증착하기 위하여, CNT가 도 포된 전극을 작업 전극으로, 백금 막대를 상대 전극으로 한 2전극 시스템을 구축하고(그림 1c), 증착 용액으로 bright electroless gold plating solution(Aldrich)을 사용하였다. 상 기 용액은 주로 금의 무전해 도금에 사용되며, 5-10%의 ammonium hydroxide, 5-10% citric acid monohydrate, 5- 10% ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium salt tetrahydrate, 1-2.5% potassium dicyanoaurate(I)를 함유하고 있다. 주로 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 등에 형성한 금 속 표면에 무전해 도금하기 위한 용액으로 사용되나, 본 연구에서는 CNT 표면에 나노입자가 고르게 분산된 표면 을 만들기 위해 전해 도금 법을 적용하고, 외부 전압 인가 조건을 최적화하였다. 증착 방법으로는 작업 전극을 핫플 레이트에 올려 온도를 90도로 유지한 상태에서 순환 전압 전류법(CV)을 이용하여 -1.8 V ~ -2.3 V의 전압범위를 5번, 10번, 30번, 100번 순환하였다. 추가적으로, 선형주사전위 법(linear sweep voltammetry, LSV)을 이용하여 -1.0 V에서 -3.0 V로 세 번 훑음 전압(sweep voltage)을 인가하여 CNT 표면을 기능화하였다[13]. 형성된 전극은 증류수로 세척하 여 오븐에서 30분간 건조하였다. 형성된 입자의 형상을 분 석하기 위하여 주사전자현미경(SEM, Hitachi 8230) 이미 지를 획득하였다.

Fig. 1

Experimental setup for creating a high-capacitance Au-coated CNT film electrode. (a) Schematic diagram of gold (Au) surface encapsulated by a polyimide (PI) film, created using a conventional microfabrication process. (b) A cross-sectional diagram of the Au electrode being covered with carbon nanotube (CNT) using a drop casting technique. (c) Photographs depicting a two-electrode system, featuring the CNT electrode (anode) heated to 90°C on a hotplate, and a vertically positioned platinum (Pt) counter electrode, functioning as the cathode.

건조 후 상온에서 전극 표면에 이온 선택성 멤브레인 (ISM) 3 μL를 드랍 캐스팅하여 이온 선택성 전극(ISE)을 형성을 완료하였다. 이온 선택성 멤브레인(ISM)은 2.67 mg의 4-tert-butylcalix[4-arene-tetraacetic acid tetraethyl ester(sodium ionophore X, Aldrich, 97%), 88 mg의 high molecular weight poly(vinyl chloride) (PVC, Aldrich, 1.4 g/mL at 25°C(lit.)), 174.53 mg의 bis(2-ethylhexyl) sebacate (DOS, Aldrich, 97+%), 1.47 mg의 sodium tetrakis-3,5- bis(trifluoromethyl)phenyl] borate(NaTFPB, Alfar Aesar, 97%)를 2mL의 tetrahydrofuran(THF, Aldrich, 99.9%)에 녹여 제조하였다[14]. 드랍 캐스팅 후 전극은 상온에서 24 시간 동안 건조한 뒤 사용하였다.

2.2 커패시턴스 측정

커패시턴스 값은 3전극셀을 형성하고 Gamry potentiostat (Interface 1010E, Gamry Instruments Inc.)를 이용하여 순 환 전압전류법(CV)으로 측정하였다. CNT 전극과 CNT에 금 입자가 도포된 전극을 서로 다른 작업 전극으로, Ag/ AgCl(sat. KCl)와 백금 막대 전극을 각각 기준 전극과 상 대 전극으로 하고, 100 mL NaCl를 전해질로 사용하였다. 커패시턴스 분석을 위해 100 mM NaCl 용액에서 주사 속 도를 2에서 100mV/s로 바꾸면서 순환 전압전류법(CV) 곡선을 얻었다.

서로 다른 스캔 속도로 그린 순환 전압전류법(CV) 그래 프로부터 최대 커패시턴스를 구성하는 두 부분인 용량 과 정(capacitive process, C_cap)과 확산 제어 과정(diffusioncontrolled process, C_diff)을 디콘볼루션(deconvolution)하여 도출하는 것이 가능하다. 일반적으로, 표면 반응(surfacedominant reactions)이 주도적일 때는 전류가 스캔 속도(ν) 와 선형적으로 변화하며, 확산(diffusion)에 의해 제어될 때 전류는 ν^0.5와 선형적인 관계를 보인다[15]. 따라서 모 든 가능한 경우를 고려한 일반적인 관계는 다음 방정식으 로 나타낼 수 있다:

i = icap + idiff = k1ν + k2ν0.5

k₁과 k₂는 상수이고 ν는 스캔 속도이다. 양쪽을 스캔 속 도의 제곱근으로 나누면 다음과 같은 방정식이 도출된다:

i/ν0.5 =k1ν0.5 + k2

따라서, 주어진 전압에서 i/ν^0.5와 ν^0.5에 대한 그래프를 그리면 기울기가 상수 k₁이고 y-절편이 k₂인 선을 얻을 수 있다. 따라서 용량 과정에 의한 표면 반응과 연관된 k₁ν와 확산 제어 과정과 연관된 대량 반응인 k₂ν^0.5를 분리하여 정량적인 값을 얻을 수 있다. 더 자세한 내용은 선행 문헌 을 통해 확인할 수 있다[15-17].

2.3 이온 센서 특성 평가

커패시턴스 측정에 사용된 동일 3전극셀을 사용하여 이 온 센서의 특성을 평가하였다. 농도가 10^-3, 10^-2, 10^-1, 1 M 인 NaCl 수용액을 제작하고 각각의 농도에서 개방회로 전 위(open circuit potential, OCP)를 측정하여 감응도를 얻었 다. 상기 감응도는 제작 후 1일 이내, 50일 후 세 번씩 측 정하였다. 또한, 동일 농도의 KCl(Fisher Chemical, 99.0- 100.5%), MgCl₂·6H₂O(Fisher Chemical, 99.999%), CaCl₂· 2H₂O(Fisher Chemical, 99+%) 용액을 제작하여 K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ 방해 이온에 대한 선택성을 확인하였으며 선택성 계 수를 계산하였다.

2.4 기준전극 형성

필름형 전극으로 구성된 소형 센서를 형성하기 위하여 필름형 레퍼런스 전극을 제작하였다. 먼저 실리콘 웨이퍼 에 타이타늄과 은을 각각 50 nm, 500 nm 증착하고 진공 오븐에서 320°C에서 30분 동안 열처리하였다. 표면을 0.1 M KCl과 10mM 염산을 섞은 수용액에서 0.1 부터 0.3 V 까지 순환 전압전류법(CV)으로 표면에 균일한 염화은 층 을 형성한 Ag/AgCl을 제작하였다. 이때 기준전극으로써 안정적인 전위를 나타내도록 표면에 78.1 mg PVB, 50 mg KCl을 1 mL 메탄올에 교반한 멤브레인 및 Nafion(5 wt%, Aldrich)을 증착하여 염화이온이 Ag/AgCl로부터 측정 용 액으로 확산됨을 방지하였다.

2.5 회로와 통합된 센서 제작

선행 연구에 사용된 것과 동일한 전압 측정 회로를 사 용하였다[14]. 간단하게는 전압 신호를 증폭시켜주는 opamp, 배터리 조정기, 무선 통신 모듈을 탑재한 회로로 구 성되었다. Op-amp 게인 값은 1로 조절하여 테이블탑 장비 로부터 측정한 감응도와 일치도를 평가하였다.

상기 회로의 전극 패드에 금 입자 도포된 CNT 전극과 기준전극을 솔더링과 은 페이스트를 사용하여 연결하였다. 서킷, 배터리, 전극의 모든 부품은 슬라이드 글라스와 실 리콘(Ecoflex 00-30) 상단에 올리고, 전극 표면과 배터리 충전부 외 전도성 있는 부분은 실리콘으로 마감하였다. 제 작된 모바일 이온 센서 기기의 센서 표면에 10^-3, 10^-2, 10^-1, 1M NaCl 수용액을 떨어뜨려 측정한 데이터를 테이블탑 기기(Gamry 1010E)를 사용하여 측정한 데이터와 비교하 여 감응도의 일치성을 평가하였다.

3. Results and Discussion

3.1 Au NPs-CNT 구조 분석 결과

Au NPs-CNT 기반 이온 선택성 전극(ISE)은 금 패턴 웨 이퍼에 CNT 드랍 캐스팅, 금 입자의 전기화학적 증착, 이 온 선택성 멤브레인(ISM)의 코팅 과정을 통해 제조하였다 (그림 1). 자세한 실험 방법은 2.1. 절에 서술하였다. 그림 2는 금 증착 용액을 사용하여 CNT 전극에서 얻은 선형주 사전위법(LSV) 그래프이다. LSV 그래프에서 나타난 바와 같이 -1.8 V ~ -2.3 V의 넓은 범위에서 금의 환원 반응이 일 어나는 것을 확인할 수 있으며, 반응식은 다음과 같다[18].

Au(CN)2- + e- + 2H+ → Au + 2HCN

Fig. 2

Linear sweep voltammetry graph of CNT in bright electroless gold deposition solution.

CNT 상단에 금 입자를 균일하게 도포하기 위하여, LSV 그래프에서 나타난 증착 범위를 고정하고 순환 전압전류 법(CV) 증착 방식을 채택하였다. 이 방법은 나노입자를 CNT, 산화티타늄 등의 표면에 증착하고 형상 제어하기에 적합한 방법으로 사용된다[19, 20]. 그림 3은 증착 중 순 환 횟수를 5번, 10번, 30번, 100번으로 조절한 Au NPs- CNT 표면의 형상 SEM 사진이다. 5번 순환 뒤 형성된 금 입자는 CNT의 불규칙한 표면에서 표면 에너지를 낮추는 방향으로 우선 증착되어 전극 표면에 고르게 분포하지 않 았다. 이러한 문제는 핵 생성과 성장 전압 범위에 걸친 순 환 인가전압의 반복 횟수를 높였을 때 해결되었으며, 그림 3(b)-(d)와 같이 표면에 분산된 입자를 얻었다. 순환 횟수 가 30번일 때는 입자가 응집된 형상이 확인되었고, 100번 이상일 때는 조대하게 성장하였으므로 순환 횟수를 10회 로 최적화하였다.

Fig. 3

Scanning electron microscope (SEM) images of the surface of Au NPs-coated CNT via cyclic voltammetry deposition method (scale bar: 1 μm).

3.2 커패시턴스 분석 결과

커패시턴스를 비교하기 위하여, CNT 상단 금 입자 형 성 조건을 최적화한 Au NPs-CNT 전극과 CNT 전극을 동 일한 소듐 이온 선택성 멤브레인(ISM)으로 증착한 뒤 100 mM NaCl 수용액에 담가 CV 곡선을 얻었다. 그림 4 와 같이 CNT 대비 Au NPs-CNT를 전하-이온 변환층으로 사용하였을 때 전극의 커패시턴스가 상당히 증가한 것을 볼 수 있다. 그림 5(a)와 (b)는 각각 CNT와 Au NPs-CNT 전극으로부터 순환 속도를 2-100 mV/s로 조절하면서 얻은 CV 그래프이다. 그림 4의 결과와 같이 면적 용량(areal capacity, dC/dV)은 모든 스캔 속도에서 AuNPs-CNT가 CNT 전극보다 높았다. 또한, Au NPs-CNT 전극의 경우 200 mV, 60 mV에서 산화 환원 피크가 관찰되었으며, 이는 Au NPs의 촉매 특성에 기인한 것으로 사료된다[21, 22]. 상기 데이터를 사용하여 환원 산화 피크 전류(i_p)의 선형 비례성을 계산하였을 때, 그림 5(c)와 같이 b = 0.3인 음극 선(cathodic line)으로 나타난다(i_p= aν^b). 총 전류(i)를 천천 히 진행되는 확산 제어와 관련된 전류(i_diff)와 전기 이중층 과 연관된 전류(i_cap)의 합으로써 아래와 같이 나타낼 때,

i = icap + idiff = aνb

Fig. 4

Comparison of cyclic voltammetry graphs obtained from the CNT/ISM (black) and Au NPs-CNT/ISM electrodes (red) in 100 mM NaCl solution.

Fig. 5

Deconvoluting surface and bulk charge data. (a) CV graphs from CNT/ISM at scan rates of 2-100 mV, (b) CV graphs from Au NPs-CNT/ISM, (c) the dependence of parameter b, and (d) dependence of surface/bulk charge ratio on sweep rate.

변수 b는 log i와 log ν의 선형 플롯의 기울기에서 결정 되며, 전기화학 반응에 대한 속도론적 정보를 제공하는 데 사용된다[15]. b 값이 1일 경우, 빠른 표면 활성도 및 전기 이중층 충방전과 같은 빠른 표면 활동을, 반면 b 값이 0.5 인 경우, 확산 제어 과정을 나타낸다. 따라서 b=0.3는 확 산 지배 과정(bulk-diffusion-controlled process)의 특징으 로, 이상적인 이온 선택성 전극(ISE)으로 작동하려면 전체 커패시턴스 값은 높이면서 표면 지배 과정(surfacecontrolled process)에 의존하도록 즉, 전기 이중층 값을 증 가시키는 것이 필요하다.

CV 그래프로부터 전극에 이온이 전달되는 두 가지 주 요 메커니즘인 용량 과정(capacitive process, C_cap)과 확산 제어 과정(diffusion-controlled process, C_diff)에 의존하는 커패시턴스를 디콘볼루션하여 그림 5(d)에 나타내었다. 전 기 이중층과 연관된 표면 전하에 해당하는 C_cap는 모든 ν 범위에서 거의 일정하게 유지되었으며, ν = 2 mV/s에서 Au NPs-CNT(1.34 mF·cm²)의 값이 CNT(0.46 mF·cm²)의 경우보다 약 3배 높게 계산되었다. 이는 Au NPs을 형성 한 뒤 전체 커패시턴스와 함께 전기 이중층 커패시턴스가 모두 증가함을 의미한다. 그러나 상기 서술한 바와 같이 이상적 이온 선택성 전극(ISE)으로 활용하기 위해서는 재 료 디자인 관점에서 최대한 전기 이중층 커패시턴스를 지 니는 물질을 이온-전하 변환층으로 사용하고, 비패러데이 (non-Faradaic) 반응 구간에서 순환하여 b 값과 C_cap 값을 도출하는 추가 연구가 필요하다[23].

3.3 이온 센서 성능 평가 결과

그림 6는 이온 센서의 감응도와 선택성을 평가한 그래 프이다. 그림 6(a)는 센서를 제조하고 24시간 이내 세 번 측정한 데이터를 제조 50일 후 동일 샘플에서 측정한 것 과 비교한 그래프이다. 측정된 10^-3~1 M의 소듐 농도는 체 액 범위(혈액 내 135-147 mM, 땀 10-90 mL, 타액 4-37 mM)를 포함하며, 건강 관리를 위한 센서로 사용 가능성 을 평가하기 위해 적합하다고 사료된다. 제조 직후 상온에 서 측정한 감응도는 57.1 mV/decade(standard deviation: 1.68 mV)로 이론치인 Nernst 퍼텐셜 59.2 mV/deacde에 가 까운 값을 나타냈다. 대기 중에서 50일 동안 보관 후 측정 한 샘플의 데이터는 모든 농도에서 감소한 전압 값을 보 이나, 감응도는 56.2 mV/decade(standard deviation: 3.8 mV) 로 거의 유지되는 것을 확인하였다. 초기 데이터와 비교하 여 낮아진 감응도 및 데이터 편차의 증가는 모두 전기화 학적 센서의 불안정성에 기인하며, 대기에서 이온화된 종 을 포함하는 물 분자가 수분 표면 양전하를 부여하여 전 압 감소가 일어나는 것으로 사료된다[24, 25]. 지속적인 건 강 관리에 사용할 수 있는 센서를 제작하기 위해서는 이 러한 문제점을 극복하기 위한 후속 연구가 필요하다.

Fig. 6

Sensor performance. (a) Sensitivity comparison of the optimized Au NPs/CNT-based sodium ion sensor at Day 1 and Day 50 after preparation (number of samples: 3). (b) Selectivity of the sensor to interfering substances including K⁺, Ca²⁺, and Mg²⁺ ions.

그림 6(b)는 센서의 선택성을 동일한 농도의 방해이온 수용액에서 측정된 값과 비교한 데이터이다. 표 1은 IUPAC 방법에 따라 아래 식을 이용하여 계산된 선택성 계수 값을 나타낸다[26].

Log KpotA,B = (EB - EA)⋅zAF / 2.303RT + (1−zA/zB)logαA

Table 1

Selectivity coefficient of the film ISE

Interfering ion, J	Selectivity coefficient (KpotNa+ J)
K+	-1.74
Mg2+	-5.70
Ca2+	-6.11

이때 E는 전위, A는 목표 이온, B는 방해 이온, z는 이 온의 원자가, F는 페러데이 상수, R은 기체 상수, T는 온 도, α는 활성도를 나타낸다. 소듐 이온 측정 시 특히 심한 방해요소가 되는 포타슘 이온에 대한 선택성 계수는 -1.74 로, 기존에 보고된 CNT/PVC에서의 값이 -2.4인 것과 비 교하여 좋지 못한 성능을 보였다[27]. 따라서 장기간 안정 성을 얻기 위해 커패시턴스를 증가시키는 것과 동시에 선 택성을 높이기 위해 상기 변환층과 전극부, 멤브레인의 접 착도를 향상하는 것이 중요할 것으로 판단된다.

3.4 회로와 통합한 센서 특성 평가

본 연구에서 최적화한 소형 필름형 이온 센서 전극의 실 제 사용 가능성을 판단하기 위하여, 필름형 레퍼런스 전극 과 함께 전자회로와 연결하여 휴대형 이온 센서 기기를 제작하였다. 전자회로는 무선 통신 모듈과 전압 측정 모듈 을 포함하도록 디자인되었다. 웨이퍼 조각에 형성된 각 전 극을 회로의 패드에 연결하고, 작업 전극과 기준 전극의 표면이 동시에 분석 용액에 노출될 수 있도록 우물 형태 로 마감하였다(그림 7(a)). 모든 부품은 7.6 × 3.9 cm 크기 의 슬라이드 글라스 상단에 올려 실리콘(Ecoflex)으로 형 상을 고정하였다. 제작된 모바일 이온 센서 기기는 블루투 스로 작동하는 앱과 연결하여 실시간 데이터를 측정하였 다. 그림 7(b)는 세 가지 서로 다른 농도의 용액을 사용하 여 캘리브레이션 데이터를 얻는 중 촬영한 사진이다. 데이 터의 변화를 빠르게 확인할 수 있음을 확인할 수 있으며, 이는 안정적이고 빠른 감응 속도를 나타내는 센서 구동 성능에 기인한다.

Fig. 7

Photographs of a film-type ISE-integrated wireless sensor device. (a) The mobile device integrated with a battery, wireless circuit, and film electrodes. (b) Real-time calibration data from the ion sensor circuit.

그림 8에 회로와 연결된 센서 데이터를 그래프화하여 나타내었다. 테이블탑 장비를 사용하여 측정된 감응도와 비교하기 위해 10^-3~ 1M의 NaCl 용액을 사용하여 캘리브 레이션 하였다. 그림 8(a)는 용액을 교체하는 중 신호 잡 음을 제외하고 안정적인 신호를 나타냄을 보인다. 14분의 시간 후 나타나는 신호 잡음은 측정 시 기기 움직임에 의 한 것으로, 추가적인 기기 패키징 등으로 극복할 수 있다. 그림 8(b)는 상기 데이터에서 추출한 감응도 그래프로, Nernst 퍼텐셜 및 테이블탑 기기에서 얻은 것과 유사한 58.1 mV/decade의 감응도를 나타낸다. 따라서 본 연구에 서 제작한 필름형 센서 전극은 이론치에 가까운 감응도, 빠른 감응 속도와 안정성을 나타내며 소형의 이동식 센서 와 통합하여 사용될 수 있음을 보여준다.

Fig. 8

Sensor data measured by using a mobile, wireless ion sensor device. (a) Real-time voltage data measured by using NaCl solutions with different concentration of 10^-3, 10^-2, 10^-1, and 1 M. (b) Sensitivity plot calculated from the data (a).

4. Conclusion

본 연구에서는 차세대 이온 센서로 사용될 수 있는 전 기화학적, 소형, 전고체 이온 선택성 전극(ISE)을 제조하 고, 장기간 안정성을 얻기 위해서 전자-이온 변환층의 커 패시턴스를 증가시키고자 하였다. CNT에 금 입자를 형성 하여 커패시턴스 및 전기 이중층 커패시턴스를 증가시키 는 데 성공하였으나, 장기간 보관 후 표면 반응에 의한 전 압 변화를 줄이기 위한 지속적인 노력이 필요할 것으로 사료된다. 소형의 필름 형상은 모바일 기기로써 사용되기 에 적합하며, 재료 관점에서 비표면적이 큰 기능성 나노재 료를 사용하여 전극 물질 층간 접합도와 전기 이중층 커 패시턴스 기여분을 높이고 감응도와 선택성을 향상시켜 의료 환경에서 실제 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

Acknowledgement

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2021년)에 의하여 연구되었음.

• 1. A. Koh, D. Kang, Y. Xue, S. Lee, R.M. Pielak, J. Kim, T. Hwang, S. Min, A. Banks, P. Bastien, M. C. Manco, L. Wang, K. R. Ammann, K.-I. Jang, P. Won, S. Han, R. Ghaffari, U. Paik, M. J. Slepian, G. Balooch, Y. Huang and J. A. Rogers: Sci. Transl. Med., 8 (2016) 366ra165. ArticlePubMedPMC
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Figure & Data

References

Citations

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