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표제지

목차

국문 요약 11

Abstract 14

제1장 서론 17

제2장 이론적 배경 20

2.1. 바이오 센서 20

2.2. 글루코스 센서 23

2.2.1. 글루코스 센서의 필요성 23

2.2.2. 글루코스 센서 측정 원리 26

2.2.3. 유연 기판 글루코스 센서 개발 동향 40

2.3. 유연 기판 재료 폴리이미드 42

2.4. 레이저 유도 그래파이트 전극 45

2.5. 전기화학적 글루코스 측정 분석법 53

2.5.1. 순환전압전류법 53

2.5.2. 시간대전류법 57

제3장 Cu NC를 도금한 LIG 전극 기반 글루코스 센서 제작 및 특성 분석 60

3.1. LIG 전극 기반 글루코스 센서 전극 설계 및 제작 60

3.2. Cu NC 전기 도금 용액 제작 및 전기 도금 66

3.3. 공정 조건 별 전극 특성 분석 69

3.3.1. 레이저 파워 별 전극 특성 분석 69

3.3.2. 전기 도금 조건 별 전극 특성 분석 73

3.4. 글루코스 농도 별 측정 결과 76

3.4.1. 글루코스 농도 별 순환전압전류법 분석 76

3.4.2. 글루코스 농도 별 시간대전류법 분석 82

3.5. 글루코스 선택성 실험 분석 결과 87

제4장 유연 글루코스 센서 제작 및 특성 분석 91

4.1. 각도 별 벤딩에 따른 글루코스 센서 특성 분석 91

4.2. 각도 별 벤딩에 따른 글루코스 농도 별 측정 결과 95

4.2.1. 글루코스 농도 별 순환전압전류법 분석 95

4.2.2. 글루코스 농도 별 시간대전류법 분석 101

제5장 결론 107

참고문헌 110

표목차

표 2.1. 전기화학적, 광학적 측정 방법 장단점 비교 26

표 2.2. 효소, 비효소 글루코스 센서 장단점 비교 32

표 2.3. 금속 물질 별 사용 목적 33

표 2.4. 금속 물질 별 가격 비교 34

표 2.5. 최근 글루코스 센서 제작을 위한 사용 기판 및 전극 제작 기술 41

표 2.6. 유연 기판 별 장단점 비교 43

표 2.7. 레이저 종류에 따른 특성 비교 46

표 3.1. 글루코스 센서 제작 공정 프로세스 64

표 3.2. 레이저 파워 별 전극 평균 저항값 및 표준편차 71

표 3.3. 전기 도금 조건 별 전극 평균 저항값 및 표준편차 75

표 3.4. 물질 첨가 시 증가하는 평균 전류값 및 전류값 변화율 88

표 4.1. 센서 벤딩에 따른 평균 저항값 및 표준편차 94

표 4.2. 센서 벤딩 각도 별 글루코스 농도 별 평균 전류값 및 변화율 96

표 4.3. 글루코스 센서 별 성능 비교 분석 106

그림목차

그림 2.1. 바이오 센서의 구성 요소 모식도 22

그림 2.2. 당뇨병에 의해 발생하는 합병증 25

그림 2.3. 효소 글루코스 센서 반응 모식도 30

그림 2.4. 금속 종류에 따른 전기적 촉매 반응 순서 36

그림 2.5. 구리 산화 금속과 글루코스 반응 모식도 39

그림 2.6. 폴리이미드 화학 구조식 44

그림 2.7. LIG 전극 제작 원리 모식도 (a) 폴리이미드 필름 구조 (b) CO₂... 48

그림 2.8. 레이저 종류 별 전극 형성에 따른 FE-SEM 사진 (a,b) CO₂... 49

그림 2.9. 폴리이미드 필름에 대한 레이저 흡수율 (a) CO₂ 레이저 파장... 52

그림 2.10. (a) 순환전압전류법의 입력 전위 변화 그래프 (b)... 55

그림 2.11. 글루코스 첨가 시 측정되는 순환전압전류법 결과 그래프 56

그림 2.12. (a) 시간대전류법 입력 전위 변화 그래프 (b) 시간대전류법... 58

그림 2.13. 글루코스 농도 별 시간대전류법 결과 그래프 59

그림 3.1. 5행 x 6열로 설계한 LIG 전극 설계 평면도 61

그림 3.2. 글루코스 센서 제작 모식도 (a) 폴리이미드 필름 (b) LIG 전극... 63

그림 3.3. 글루코스 센서 제작 공정이 끝난 완성된 글루코스 센서 사진 65

그림 3.4. 구리 나노 큐브 전기 도금 실험 방법 모식도 68

그림 3.5. 레이저 파워 별 샘플을 이용한 전극 저항 측정 결과 71

그림 3.6. 전기 도금 조건 별 샘플을 이용한 전극 저항 측정 결과 75

그림 3.7. 글루코스 측정 방법 모식도 78

그림 3.8. (a) 글루코스 농도 별 순환전압전류법 결과, (b) 0 - 4 mM... 81

그림 3.9. (a) 글루코스 농도 별 시간대전류법 측정 결과 (b) 실제 농도 별... 84

그림 3.10. 시간대전류법을 통한 글루코스 농도 별 상관관계 결과 86

그림 3.11. 글루코스 센서를 이용한 글루코스 선택성 결과 그래프 90

그림 4.1. 글루코스 센서의 유연성 확인을 위한 센서 각도 별 벤딩 사진... 92

그림 4.2. 센서 벤딩에 따른 저항값 측정 결과 그래프 94

그림 4.3. 센서 벤딩 각도에 따른 1 mM - 4 mM 글루코스 농도 별... 97

그림 4.4. 45˚, 90˚, 135˚, 180˚ 센서 벤딩에 따른 글루코스 농도 별... 99

그림 4.4. 45˚, 90˚, 135˚, 180˚ 센서 벤딩에 따른 글루코스 농도 별... 100

그림 4.5. 센서 벤딩 각도에 따른 시간대전류법 측정 결과 그래프 (a) 45˚,... 103

그림 4.5. 센서 벤딩 각도에 따른 시간대전류법 측정 결과 그래프 (c) 135˚,... 104

초록보기

오늘날 많은 사람들이 불규칙한 생활 패턴과 식습관으로 인해 후천적으로 비만과 더불어 당뇨병에 걸리는 환자가 증가한다. 당뇨병 환자의 질병 이환 기간이 길고 글루코스 농도 조절이 적절하게 되지 않으면, 다양한 합병증을 유발한다. 당뇨병 환자들은 다양한 합병증 예방을 위해 글루코스 농도를 지속적으로 검사하길 원하며, 간편한 자가 진단 시스템을 필요로 한다. 본 논문에서는 신체에 부착이 가능하여 수시로 또는 환자가 원할 때에 부착한 글루코스 센서를 이용해 혈당 농도를 측정할 수 있도록 구리 나노 큐브를 전기 도금한 레이저 유도 그래파이트 전극 기반 유연 글루코스 센서를 제작하였고 성공적으로 글루코스를 측정하였다.

유연한 특성을 가지는 폴리이미드 필름 기판에 8.9 W 파워를 가지는 CO₂ 레이저를 조사하여 다공성 레이저 유도 그래파이트 전극을 형성하였다. 전극의 감지 영역과 패드 부분만을 노출시키기 위해 5 mm의 폴리이미드 테이프를 이용해 전극의 패스 부분을 패시베이션 하였다. 전극 패드를 보호하기 위해 전도성 은 에폭시를 도포하였으며, 기준 전극에 Ink Ag/AgCl을 도포해 센서 제작을 완료하였다. 제작된 센서의 전자 전달 속도와 글루코스와의 촉매 반응을 향상시키기 위해 대시간전위차법으로 400초 동안 1 mA의 전류를 인가해 레이저 유도 그래파이트 전극에 구리 나노 큐브를 전기 도금하였다.

공정 조건 별 전극의 특성 분석을 위해 8.5 W - 9.0 W 레이저 파워 별 전극 특성 분석을 진행한 결과 130.4 Ω으로 8.9 W 레이저 파워를 사용해 전극을 제작할 경우 저항이 가장 작았다. 또한, 100 uA, 200 uA, 300 uA, 500 uA, 1000 uA 전기 도금 공정 조건 별 전극 특성 분석을 진행한 결과 90.7 Ω으로 1000 uA의 전류를 인가해 전기 도금을 진행할 경우 저항이 가장 작았다. 특성 분석을 통해 전극 형성 시 8.9 W 레이저 파워를 인가하여 전극을 제작하고, 전기 도금 시 1000 uA의 전류를 인가하여 구리 나노 큐브를 전기 도금하는 공정 조건이 최적의 조건인 것을 확인하였다.

구리 나노 큐브가 전기 도금된 레이저 유도 그래파이트 전극은 높은 민감도 (1438.8 uA/mM·㎠)를 나타내며, 0 mM - 4 mM의 넓은 글루코스 측정 선형 범위와 0.124 uM의 낮은 최저 측정 농도를 나타내었다. 글루코스 센서를 인체에 부착할 경우 움직임으로 인해 벤딩되어 측정의 오차가 발생할 수 있으므로 유연한 상태에서도 글루코스 측정이 가능한지 입증할 필요가 있다. 그러므로 제작된 센서를 45°, 90°, 135°, 180°로 벤딩하여 글루코스 센서의 특성 분석을 진행한 결과 104.7 Ω, 121.1 Ω, 144 Ω, 168.2 Ω, 198.5 Ω으로 벤딩 각도가 증가함에 따라 저항이 증가하였다. 또한 벤딩 각도 별 센서의 성능을 확인한 결과 45°는 1244.7 uA/mM·㎠, 90°는 1085.8 uA/mM·㎠, 135°는 977.6 uA/mM·㎠, 180°는 812.4 uA/mM·㎠의 민감도를 나타내었다.

본 연구를 통해 구리 나노 큐브를 전기 도금한 레이저 유도 그래파이트 전극 기반 글루코스 센서는 특정 범위의 글루코스 측정이 가능할 뿐만 아니라 유연 센서로 사용 가능하다는 것을 입증하였다. 따라서 제작된 글루코스 센서는 인체 부착용 글루코스 센서로 응용이 가능하며, 생리학적 물질인 눈물, 침, 땀 등의 시료를 이용한 글루코스 센서로 사용 가능할 것이다.

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