Analysis of the mechanisms for flow-induced voltage generation with graphene and its applications

Abstract

물속에 녹아 있는 중금속을 측정하는 것은 인간과 환경에 미치는 악영향으로 많은 관심을 받고 있다. 특히 수은은 위험한 물질 중 하나로서 이를 측정할 수 있는 방법을 개발하는 것은 매우 중요하다. 이로 인해 전통적으로 수은을 측정하기 위해서 분광학 (spectroscopy)이나 전계효과 트랜지스터 (FET) 등의 다양한 연구가 진행되어 왔지만, 비용이나 효과측면에서 많은 한계점을 보이고 있다. 따라서 기존 연구의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 개념의 측정방법이 필요한 실정이다. 최근 탄소나노튜브 (carbon nanotube)나 그래핀 (graphene) 등 나노물질의 우수한 특성으로 인해 센서, 투명전극, 구동기 등 다양한 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 특히 나노물질과 유동 (flow)의 반응에 대한 연구가 최근 많은 각광을 받고 있는데, 나노물질이 유동과 반응하면 외부의 전원 없이 전압을 발생시킬 수 있는 연구이다. 이 연구는 에너지발전 및 다양한 센서에 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 중요한 사실은 발생되는 전압의 패턴이나 양은 솔루션의 특성에 따라 달라진다는 것이다. 본 연구에서는 나노물질과 마이크로 채널 내의 유동을 이용한 새로운 개념의 수은센서를 제안하였다. 수은센서를 개발하기 위해서 우선 나노물질과 유동에 의해 전압이 발생되는 원인에 대해 분석하였다. 그 이유는 해당 연구가 진행된 지 십여 년이 지났음에도 불구하고, 전압의 발생원인이 명확하기 밝혀지지 않았기 때문이다. 이를 위해서 탄소나노튜브와 그래핀 기반의 다양한 실험샘플을 제작하여 기존에 제안되었던 메커니즘을 검증하였다. 실험결과 기존에 제안되었던 메커니즘은 불완전한 실험환경 및 제한된 실험 데이터 등으로 인해 충분히 전압의 발생원인에 대해 설명하지 못함을 확인하였다. 이 후 추가실험을 통해서 샘플의 구조에 따른 전압 발생 메커니즘이 존재함을 확인 한 후, 새로운 메커니즘을 제안하였다. 새롭게 제안한 메커니즘을 검증하기 위해서 유동해석 시뮬레이션 (COMSOL 4.3a)과 추가 실험을 진행하였다. 층류 (laminar flow)와 나노물질의 반응만 다루었던 기존연구와 달리 마이크로 채널 내에 횡 방향 유동 (transverse flow)을 만들어, 유동의 종류에 따라 발생되는 전압의 양을 샘플의 구조 별로 제작하여 측정하였다. 전압 측정 전에 유동해석 시뮬레이션과 믹싱 (mixing) 실험을 통해 마이크로 채널 내에 횡 방향 유동 발생여부를 확인하였다. 실제 전압 측정결과, 마이크로 채널 내에 횡 방향 유동이 존재 시 발생되는 전압이 상당히 감소됨을 확인하였다. 이러한 실험결과들은 우리가 새롭게 제안한 메커니즘과 일치됨을 확인하였다. 아울러 이러한 연구가 실제로 센서로 응용될 수 있는지 확인하기 위해서 반도체성 탄소나노튜브를 이용하여 유량센서를 제작하였다. 발생되는 전압은 마이크로 채널 내 흐르는 솔루션의 유속에 비례한다는 것을 이용하였다. 실험결과 기존 연구보다 제작이 용이하면서도 탐지 성능 역시 향상된 것을 확인하였고, 무엇보다 이 연구가 센서로서 응용이 가능함을 확인하였다. 나노물질과 유동에 의한 전압발생 메커니즘 분석 및 반도체성 탄소나노튜브 기반의 유량센서 실험을 통해서 새로운 개념의 수은센서를 제안하였다. 수은에 대한 선택성 (se-lectivity)을 높이기 위해서 그래핀 사이에 금이 결합된 센서를 제작하였다. 수은과 금의 반응을 통해 그래핀내 전자의 이동을 감소시켜 결국 수은만의 독특한 전기적인 신호를 만들어 내어 탐지하는 원리이다. 다양한 농도의 수은을 가지고 실험결과 $10^{-9}$ M까지 측정할 수 있음을 확인하였다. 하지만 센서로서 응용하기 위해서는 측정원리에 대한 이론적 해석 및 실험적 분석이 필요하며, 수은의 농도의 변함에 따라 일정한 경향성을 찾기 위한 추가 실험이 필요하다. 그럼에도 불구하고 본 연구는 수은센서 연구에 대한 새로운 길을 제안하였다.