화학반응 기반 감응형 센서 소자 제작 및 성능 평가 = Development and Performance Evaluation of a Chemical Reaction-Based Responsive Sensors Device

국문 초록 (Abstract)

폼알데하이드(Formaldehyde, FA)는 목재 가공, 합성수지, 접착제 제조, 의료∙실험용 시약, 반도체 공정 등 다양한 산업 영역에서 필수적으로 사용되는 기초 화학물질이다. 그러나 증기 형태로 존재하는 FA는 매우 낮은 농도에서도 호흡기∙피부∙신경계에 자극을 유발하며, 장기적으로는 발암성과도 연관되는 것으로 보고되어 작업 환경과 실내 공기질 관리에서 핵심 감시 대상 물질로 분류된다. 이러한 독성 특성 때문에 FA 농도를 빠르고 직관적으로 판단할 수 있는 휴대형 감지 기술의 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 최근에는 종이 기판을 활용한 비색 기반(Colorimetric) 센서가 저가, 경량, 일회성 사용의 편의성과 더불어 인쇄 공정과 결합할 수 있다는 장점 덕분에 차세대 현장 진단형 플랫폼으로 주목받고 있다. 종이는 자체적으로 형성된 미세섬유 네트워크가 모세관 이동을 가능하게 해 별도의 펌프 없이도 시료 또는 기체의 이동이 가능하며, 인쇄 패턴 설계를 통해 반응 영역과 확산 경로를 능동적으로 제어할 수 있어 FA와 같이 반응성이 높은 기체 분석에 적합한 매체다.
본 연구에서는 상용 잉크젯 프린터를 이용하여 일정한 패턴이 형성된 종이 기반 FA 감지 소자를 제작하고, FA 증기와 접촉하면 색이 변하는 반응성 혼합 잉크를 적용하였다. Thymol Blue(TB)와 Bromophenol Blue(BPB)를 조합한 다양한 조성(총 28종)을 설정하여 색 대비, 반응 민감도, 기저 신호 안정성을 분석함으로써 최적 지시약 비율을 선별하였다. 또한 생성되는 패턴의 기하구조를 달리하기 위해 라인 폭(Line Width)과 기공(Pore Size)의 비를 1:1, 1:2, 1:3으로 구성하고, 동일 면적에서 반응 경계면을 극대화할 수 있는 체크(Check pattern) 형상도 추가로 구현하였다. 이를 통해 패턴 구조가 FA 확산 속도, 반응 인터페이스의 범위, 초기에 형성되는 색 변화 속도(TCD 또는 ΔE와 같은 정량 지표) 등에 어떠한 영향을 미치는지를 체계적으로 비교하였다. 그 결과, 같은 화학 조성에서도 패턴의 형태적 최적화만으로 반응 속도를 의미 있게 향상하는 것이 가능함을 확인하였다.
아울러 본 연구는 화학반응 기반 종이 센서뿐 아니라, 비침습식 혈당 측정을 목표로 한 전기화학적 글루코스 센서 플랫폼의 개발 또한 함께 수행하였다. 기존 효소 기반 혈당 센서는 수십 년 동안 같은 반응계(GOx에 의한 Glucose ⟶ Gluconolactone 산화 및 H2O2 생성)에 의존해 왔으나, 전극 신호의 안정성, 생체시료 간섭, 전극 구조 조절 한계 등 여러 제약이 남아 있다. 이를 개선하기 위해 본 연구에서는 MWCNT-Fe3O4-PEDOT:PSS 복합 전도층, PB(redox mediator), GOx, Nafion 보호막 등 다층 구조를 갖는 신규 전극 시스템을 제작하였다. 전극 구조 최적화, 전기화학 반응 특성, 타액 기반 신호 변화, 감도 및 재현성을 검증함으로써 저비용∙저전력 기반의 휴대형 당 측정 가능성을 제시하였다.
본 논문은 ‘(1) 폼알데하이드 검출 잉크 제작‘과, ’(2) 비침습 방식 전기화학 혈당 센서 제작‘이라는 두 종류의 감응형 센서를 서로 다른 실험적 접근 아래 통합적으로 탐구하였다. 재료 조성 제어, 인쇄 패터닝 기법, 반응 메커니즘 이해, 구조적 최적화 전략 등을 종합적으로 적용하여 감도, 반응 속도, 조작성, 실사용 가능성을 향상하고자 하였다. 본 연구에서 제안된 설계 원리와 제작 방법은 향후 산업 환경 모니터링, 개인 맞춤형 헬스케어, 저비용 휴대형 센서 기술 개발에 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Formaldehyde (FA) is a fundamental chemical widely used across various industrial sectors, including wood processing, synthetic resin and adhesive manufacturing, medical and laboratory reagents, and semiconductor fabrication. However, gaseous FA can cause irritation to the respiratory system, skin, and nervous system even at low concentrations, and long-term exposure has been reported to be associated with carcinogenic risks. Consequently, FA is classified as a key target substance for monitoring in occupational environments and indoor air quality management. In response to these toxicological concerns, the demand for portable sensing technologies capable of rapidly and intuitively assessing FA concentrations has been steadily increasing. Recently, paper-based colorimetric sensors have attracted significant attention as next-generation point-of-use diagnostic platforms due to their low cost, lightweight nature, disposability, and compatibility with printing-based fabrication processes. The intrinsic microfibrous network of paper enables capillary-driven transport without external pumps, while printed pattern designs allow active control of reaction zones and diffusion pathways, making paper an effective substrate for detecting highly reactive gases such as formaldehyde.
In this study, a patterned paper-based FA sensing device was fabricated using a commercial inkjet printer, and a reactive ink that exhibits a visible color change upon exposure to FA vapor was applied. Various indicator compositions combining thymol blue (TB) and bromophenol blue (BPB) were systematically prepared (a total of 28 formulations), and their color contrast, response sensitivity, and baseline stability were evaluated to determine the optimal indicator ratio. Furthermore, to investigate the influence of geometric patterning on sensing performance, the ratio of line width to pore size was designed as 1:1, 1:2, and 1:3, and a checker pattern geometry was additionally implemented to maximize the reaction boundary area within the same footprint. Through these approaches, the effects of pattern structure on FA diffusion behavior, reaction interface area, and initial color transition dynamics—quantified using total color difference (TCD or ΔE)—were systematically analyzed. The results demonstrate that significant enhancement of response speed can be achieved solely through morphological optimization of the printed patterns, even with identical chemical compositions.
In parallel, this research also developed an electrochemical glucose sensor platform aimed at non-invasive blood glucose monitoring. Conventional enzyme-based glucose sensors have relied on the same reaction scheme for decades, involving glucose oxidation by glucose oxidase (GOx) to gluconolactone with hydrogen peroxide generation, yet challenges such as signal instability, interference from biological matrices, and limitations in electrode structure design remain. To address these issues, a multilayer electrode system was constructed consisting of an MWCNT–Fe3O4–PEDOT:PSS composite conductive layer, Prussian blue (PB) as a redox mediator, GOx, and a Nafion protective membrane. By optimizing electrode architecture and evaluating electrochemical characteristics, saliva-based signal responses, sensitivity, and reproducibility, the feasibility of a low-cost, low-power portable glucose monitoring system was demonstrated.
Overall, this thesis integratively explores two types of responsive sensor platforms—(1) paper-based colorimetric sensors for formaldehyde detection and (2) non-invasive electrochemical glucose sensors—through distinct yet complementary experimental approaches. By comprehensively applying material composition control, inkjet-based patterning techniques, reaction mechanism analysis, and structural optimization strategies, this study aims to enhance sensitivity, response speed, operational simplicity, and practical usability. The design principles and fabrication methodologies proposed in this work are expected to serve as foundational technologies for future applications in industrial environment monitoring, personalized healthcare, and the development of low-cost portable sensor systems.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = vi
• 제 1 장 서 론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구목표 = 2
• 제 2 장 감응형 센서 제작 = 4
• 2.1 종이 기반 센서 = 4
• 2.1.1 종이 기반 센서의 원리 및 메커니즘 = 4
• 2.1.2 색 변화 기반 센서 평가 원리 = 5
• 2.1.3 종이 기반 센서 기술의 발전 현황과 연구 방향 = 6
• 2.2 전기화학 센서 = 7
• 2.2.1 전기화학 센서의 원리 및 작동 메커니즘 = 7
• 2.2.2 혈당 감지를 위한 전기화학 반응 미 효소 기반 메커니즘 = 8
• 2.2.3 전극 재료 구성 및 기능 = 9
• 2.2.3.1 전도성 및 전자 전달층 = 9
• 2.2.3.2 촉매 및 반응층 = 9
• 2.2.3.3 보호 및 안정화층 = 10
• 2.2.4 전기화학 분석 및 성능 평가 지표 = 10
• 2.2.5 전기화학 센서 기술의 발전 현황과 연구 방향 = 11
• 제 3 장 실험 장비 구성 및 방법 = 13
• 3.1 재료 및 장비 = 13
• 3.1.1 폼알데하이드 감지 센서 재료 및 장비 = 13
• 3.1.2 비침습 전기화학 혈당 센서 재료 및 정비 = 14
• 3.2 반응 용액 제작 방법 = 14
• 3.2.1 폼알데하이드 반응 용액 제작 방법 = 14
• 3.2.2 비침습 전기화학 혈당 센서 제작 방법 = 15
• 3.3 비침습 혈당 센서 제작 방법 = 16
• 3.3.1 폼알데하이드 센서 색상 변화 측정 = 16
• 3.3.2 전기화학 혈당 센서 측정 = 17
• 제 4 장 실험 결과 및 분석 = 19
• 4.1 종이기반 폼알데하이드 센서 실험 결과 및 분석 = 19
• 4.1.1 pH 지시약 비율 조절 = 19
• 4.1.1.1 TB(Tymol blue) 조절 = 19
• 4.1.1.2 BPB(Bromophenol Blue) 조절 Ⅰ = 21
• 4.1.1.3 BPB(Bromophenol Blue) 조절 Ⅱ = 22
• 4.1.2 반응 용액 최적화 = 23
• 4.2 센서 패터닝 = 30
• 4.2.1 선폭과 센서 반응시간의 연관성 = 31
• 4.2.2 공극과 센서 반응시간의 연관성 = 34
• 4.2.3 센서 패턴 최적화 = 36
• 4.3 낮은 ppm 수준에서의 FAP 성능 검증 = 38
• 4.3.1 선택도 평가 = 40
• 4.3.2 현장검증 실험 = 42
• 4.4 비침습 전기화학 혈당 센서 실험 결과 및 분석 = 44
• 4.4.1 전기화학적 특성 분석 = 44
• 4.4.2 감도 및 검출한계(LOD) 분석 = 50
• 4.4.3 반복성 및 안정성 평가 = 52
• 제 5 장 결 론 = 54
• 참고문헌 = 56
• ABSTRACT = 61