Photo-stimulated atomic engineering in two-dimensional materials for multifunctional sensors = 광 기반 원자 제어를 통한 이차원 소재의 다기능 센서 응용 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents a facile sensing platform for real-time, distributed, and field-deployable water quality monitoring, addressing limited real-time responsiveness, insufficient spatial resolution, and poor suitability for continuous observation that constrain conventional approaches based on on-site sampling followed by laboratory analysis. In this study, we adopted a facile and mask-free methodology to fabricate spiral-structured laser-induced graphene (LIG) directly on polyimide substrates via site-specific CO2 laser irradiation under ambient conditions, enabling ultrafast fabrication with high process flexibility. The resulting LIG exhibits a three-dimensional porous nanostructure, tunable wettability governed by surface energy, and high sensitivity, thereby enabling effective detection of chloride ions, copper ions, and pH variations. To validate practical applicability, the LIG was further integrated into an origami-inspired floating platform that operates without full immersion, enabling stable sensing at the air–water interface. This floating architecture minimizes water flow-induced disturbances and offers high compatibility with drone-assisted deployment for multipoint measurements over large areas. Sensing experiments distinctly verified fast response characteristics, excellent linearity, and high sensitivity within environmentally relevant concentration ranges, achieving detection limits of 0.05 ppm for chloride ions, 0.1 ppm for copper ions, and an equivalent limit of approximately 100 ppm for pH-related sensing. Notably, consistent sensing performance was well retained under diverse operating modes, entailing dropping, dipping, floating, and drone-assisted measurements, ascertaining robust operation in practical environments. Furthermore, field demonstrations employing drone-based deployment unequivocally validated spatially resolved mapping of water-quality distributions, highlighting the capability of the proposed platform as a viable tool for autonomous and real-time environmental monitoring. Overall, this work proposes an expandable and multifunctional environmental sensing paradigm that integrates LIG with floating sensor architectures and aerial deployment strategies for next-generation water quality monitoring systems.

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 현장 시료 채취 후 실험실 분석에 의존하는 기존 수질 오염 모니터링 방법의 실시간 응답성 부족, 공간 해상도 한계, 연속 관측의 부적합성과 관련된 제약을 해결하기 위해, 실시간, 분산, 현장 배치형 수질 오염 모니터링을 위한 유용한 센싱 소재 및 이를 기반으로 한 플랫폼 개발을 제시함. 본 연구에서는 상온, 대기 조건에서 영역 선택적 CO2 레이저 조사를 통해 폴리이미드 기판위에 나선형 구조의 레이저 유도 그래핀을 직접 제작하는 마스크-프리 공정을 적용하였으며, 이를 통해 초고속 제작과 높은 공정 유연성을 확보하였음. 제작된 LIG는 3차원 다공성 나노구조, 표면 에너지에 의해 결정되는 조절 가능한 젖음성 및 높은 감도를 나타내어 염화이온, 구리이온 및 pH 변화의 효과적인 검출을 가능하게 함. 실환경 적용성을 검증하기 위해, LIG는 완전 침수 없이 동작하는 종이접기 기반 부유형 플랫폼에 통합되었고, 이를 통해 공기-물 계면에서 안정적인 센싱이 가능하도록 설계되었음. 해당 부유형 구조는 물 흐름에 의한 교란을 최소화하며, 드론 기반 플랫폼과의 높은 호환성을 확보함으로써 넓은 영역에서의 다지점 측정을 가능하게 함. 센싱 실험 결과, 제안된 플랫폼은 환경적으로 의미 있는 농도 범위에서 빠른 응답 특성, 우수한 선형성, 높은 감도를 명확히 확인하였으며, 검출한계는 염화이온 0.05 ppm, 구리이온 0.1 ppm, pH 관련 센싱에 대해 약 100 ppm 수준의 검출한계를 달성하였음. 또한 낙하, 담금, 부유, 드론 기반 통신 모듈 집적화 측정 등 다양한 운용 모드에서도 일관된 센싱 성능이 유지되어 실환경에서의 견고한 동작성능을 확인하였음. 또한 드론 기반 현장 실증을 통해 수질 분포의 공간 분해 맵핑이 가능함을 확인하였으며, 제안된 플랫폼이 실시간 환경 모니터링을 위한 유효한 방법임을 확인하였음. 종합적으로 본 연구는 LIG와 부유형 센서 아키텍처, 드론 기반의 통신 시스템을 연계한 확장 가능하며, 다기능의 환경 센싱 패러다임을 제시하며, 차세대 수질 오염 모니터링 시스템을 위한 실용적 접근을 제공함.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• CHAPTER 2. BACKGROUND 6
• 2.1 Overview of Graphene Material 6
• 2.1.1 Atomic Structure and Types of Graphene 6
• 2.1.2 Electronic Structure of Graphene 9
• 2.2 Laser-Induced Graphene (LIG) 12
• 2.2.1 Concept and Development of Laser-Induced Graphene 12
• 2.2.2 LaserMaterial Interaction and Formation Mechanism 15
• 2.2.3 Structural Characteristics of Laser-Induced Graphene 19
• 2.3 Graphene-Based Sensors 22
• 2.3.1 Graphene-Based Gas Sensors 22
• 2.3.2 Graphene-Based Humidity Sensors 25
• 2.3.3 Graphene-based Water-Quality Sensors 28
• CHAPTER 3. LIG WATER-QUALITY SENSOR: METHODS AND RESULTS 31
• 3.1 Materials and Substrate Preparation 31
• 3.2 CO2 Laser-Induced Graphene Fabrication 31
• 3.2.1 Laser Writing Configuration 31
• 3.1.2 Origami-Based Floating Platform Fabrication 34
• 3.3 Water-Quality Measurement Configuration 36
• 3.3.1 Analyte Preparation 36
• 3.3.2 Electrical Measurement Setup 36
• 3.3.3 Dropping-Test Configuration 38
• 3.3.4 Dipping-Test Configuration 39
• 3.3.5 Floating Measurement 40
• 3.3.6 Drone-Based Multipoint Monitoring 41
• 3.4 Results and Discussion 42
• 3.4.1 Structural and Chemical Characteristics of CO2 Laser-Induced Graphene 42
• 3.4.2 Electrical Performance and Pattern Optimization 48
• 3.4.3 Reactivity Evaluation in Dropping, Dipping, and Floating Conditions 51
• 3.4.4 Quantitative Water-Quality Sensing Performance Under Surface-Contact Conditions 53
• 3.4.5 Drone-Assisted Multipoint Water-Quality 56
• CHAPTER 4. CONCLUSION 59
• REFERENCES 60