환원 그래핀 기반 정전용량 방식의 고민감도 액면 검출기 = rGO-Modified Capacitive Liquid Level Detector for Highly Sensitive Liquid Interface Sensing

국문 초록 (Abstract)

환원 그래핀 기반 정전용량 방식의 고민감도 액면 검출기 논문제출자 김 민 기 지도교수 이 상 훈 자동화 액체 핸들러는 대규모 액체 핸들링 과정에서 실험자의 오류를 최소화하고 재현성을 보장하는 필수적인 플랫폼이다. 액체 핸들러에 사용되는 액면 감지 센서 중 pLLD (Pressure liquid level detector) 는 외부 영향에 민감하여 액면 감지 정확도가 낮아 마이크로 스케일의 유체를 다루기 어렵다. 반면, cLLD 는 공기와 액체 간 유전율 차이를 기반 으로 액면감지가 가능하기에 민감도가 더욱 높아, 바이오 파운드리 산업 등 적용되기 용이하다. 기존 Au cLLD 는 정전용량의 한계가 있어 미량의 샘플을 핸들링이나, 액면 감지에 낮은 감지능을 보인다. 본 연구에서 제시하는 Au-rGO cLLD 는 cLLD 표면의 rGO 개질을 수행했으며 기존 Au cLLD 대비 액면에 민감한 정전용량 변화를 행하는 고민감도 센서 개발을 수행하였다. 기존 Au-rGO cLLD 는 액면 감지시, 기존 Au cLLD 의 0.3±0.0. pF 대비 2 배 향상된 0.6±0.0. pF 의 액면 감지 신호를 보였다. 또한, Au-rGO cLLD 는 유연소재 (polyimide)로 제작되어 액체 핸들러에 쉽게 통합될 수 있는 특성을 가져 굽힘 강도에 따른 내구성 평가에도 82.2±1.8%의 정전용량 유지를 보였다. 또한, 계면 거품 존재 하에도 거품 0.4±0.1 pF 액면 1.3±0.1 pF 으로 액면에 대해서만 선택적으로 민감한 감지를 이루었다. 샘플 내 불순물 존재 환경을 모방한 대장균 (E.coli)의 존재에서도 88.2±1.3%의 액면 감지 성능을 유지하였다. 검체 샘플 기반의 분자진단 환경 및 자동 세포 배양 환경에 대한 감지 능을 평가히기 위해 세포 배양액과 인공 침, 인공 소변에 대하여 감지했을 시 Au-rGO cLLD 는 기존 Au cLLD 대비 1.5 배 향상된 감지능으로 민감한 성능을 보였다. 결론적으로 Au-rGO cLLD 는 기존 Au 기반의 정전용량 액면 감지기 보다 고민감도 감지능을 보유하며, 이는 핵산 분주기, 면역분석법, 자동 세포 배양 등 미량의 유체를 다루는 액체 핸들러에 산업적 측면에서 유리하게 적용될 수 있음을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 표 목 차 ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 기초 및 약어 설명 ⅵ
• 국 문 요 약 ⅶ
• I. 서 론 1
• 1. 자동 액체 핸들러 1
• 2. 정전용량 기반 액면 감지기 3
• 3. 환원 그래핀 산화물 특성 5
• 4. 환원 그래핀 기반 고민감도 액면 감지기 6
• II. 실 험 8
• 2.1 재료 및 장치 8
• 2.1.1 재료 8
• 2.1.2 장치 9
• 2.2 환원 그래핀 산화물 개질 cLLD 10
• 2.2.1 cLLD 제작 10
• 2.2.2 환원 그래핀 산화물 개질 10
• 2.3 전기화학적 분석 12
• 2.3.1 전기화학적 성능 분석 12
• 2.3.2 기계적 내구성 분석 13
• 2.3.3 액면 감지 분석 14
• III. 결과 및 고찰 15
• 3.1 환원 그래핀 산화 개질 특성화 15
• 3.1.1 개질 전 후 SEM 분석 15
• 3.1.2 개질 단계별 표면 작용기 분석 16
• 3.1.3 개질 단계별 접촉각 분석 17
• 3.1.4 개질 단계별 라만 분광법 분석 18
• 3.2 Au-rGO cLLD의 전기화학 성능 분석 19
• 3.2.1 전류밀도 및 선형성 분석 19
• 3.2.2 정전용량 향상 분석 21
• 3.2.3 전하 이동 저항 및 전도성 평가 22
• 3.3 기계적 내구성 평가 24
• 3.3.1 물리적 변형에 대한 정전용량 감소율 분석 24
• 3.3.2 반복 구동에 대한 내구성 평가 26
• 3.3.3 장기 사용 가능성 평가 27
• 3.4 수위 감지능 분석 28
• 3.4.1 수위 레벨 기반 정전용량 변화 분석 28
• 3.4.2 계면 감지 정확도 분석 (거품, 불순물) 30
• 3.4.3 시료 종류 및 조성 별 감지능 분석 32
• IV. 결 론 34
• V. 참 고 문 헌 35
• ABSTRACT 45