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염료감응형태양전지를 이용한

염료감응형태양전지를 이용한신재생에너지 기반의 스마트에너지 기술 동향- 간단한 기술적 정의 및 작동원리- 주요 성능지표 (효율, 안정성)- 최신 기술동향 (최고성능 소자 등)- 도심형 발전을 위한 저조도 동작 성능- 주요 응용분야 : 기존 응용분야에 더불어 도심형 스마트 에너지 기술 강조- 주요 국내외 업체 동향- 결론개요- 간단한 기술적 정의 및 작동원리염료감응형 태양전지, DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)는 비표면적이 넓은 금속산화물 표면에 염료를 흡착시키고, 흡착된 염료가 태양광을 흡수해 광전기화학적 반응을 일으키는 전지이다. 이는 시장침투 (Market Penetration)와 시간을 기준으로 볼 때, 유기태양전지 (Organic Photovoltaic), 하이브리드 태양전지 (Hybrid Solar cell)등과 함께 3세대 태양전지로 분류되며 그중 염료감응형 태양전지가 상업화에 한걸음 앞서 있다고 평가되고 있다.그림 1. 염료감응 태양전지 구조(왼쪽) 및 작동원리(오른쪽)그림 1은 염료감응 태양전지의 작동 원리 및 셀 구조를 보여주고 있다. 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양 빛이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍 (electron-hole pair)을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 (redox electrolyte) 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다. [1]- 주요 성능지표 (효율, 안정성)그림 2. 이상적인 태양전지 등가회로. Rsh : shunt resistance; Rs: series resistance이상적인 태양전지의 등가회로는 그림 2에서 보는 바와 같다. 부하전류 (load current) I는 식 (1)에서와 같이 광발생전류 (photogenerate전지의 등가회로 비교염료감응 태양전지는 무기 반도체 접합 태양전지와는 달리 복잡한 등가 회로로 구성되어 있다. 참고로 그림 4에 염료감응 태양전지의 등가 회로를 무기반도체 접합형과 비교하였다. 염료감응형 태양전지는 전도성 기판/TiO2 (R1), TiO2/전해질 (R2), 전해질 (R3), Pt/전해질 (R1) 간 전하 이동에 관한 저항 등이 존재한다.그림 5. 태양전지 전류-전압 특성 곡선태양광에너지가 전기에너지로 변환되는 효율은 표준 global AM 1.5 조건 (1000 W/m2)에서 입사된 광자가 전자로 변환되는 효율을 백분율로 표시한 것이다. Xe 램프를 이용하여 global AM 1.5 표준 조건에 가까운 조건하에서 태양전지에 순방향 바이어스(forward bias) 전압을 인가하면 그림 5와 같은 전류-전압 곡선을 얻게 된다.에너지변환효율 (η)은 입사된 빛에너지에 (Pin) 대한 발생된 전기에너지 (Pout) 비의 값으로, 다음 식 (5)과 같이 표현된다. 여기서 FF는 fill factor 로서 그림 5에서 보는 바와 같이 전류-전압 곡선이 사각형에 가까이 갈수록 fill factor 특성이 향상된다.η = Pout / Pin = Imax Vmax / Pin = Isc Voc FF / Pin (5)그림 6. 션트저항 (Rsh)과 시리즈저항 (Rs)이 태양전지 전류-전압 곡선에 미치는 영향전류-전압 특성 곡선이 사각형에서 벗어나게 되면 그림 2에서 주어진 두가지 저항 요소가 크게 관여되기 때문이다. 특히 션트저항 (shunt resistance)은 전류강하를 초래하게 되며 주로 물질 내부의 재결합 (recombination)에 의해 손실되는 전류에 기인되는 것이며, 직렬저항 (series resistance)은 전압 강하를 초래하며 디바이스 전극접합이나 구조 등에 기인된다. 이들 저항 요소가 관여될 경우 나타나는 전류-전압 곡선의 특성은 그림 6에서와 같다.- 최신 기술동향 (최고성능 소자 등)염료감응형 태양전지는 효율 향상 및 내구성 증대를 을 가지고 있는 TiO2 nanoparticle을 ALD (Atomic layer deposition) 방법을 이용하여 ZnO nanowire 위에 도입하였고, 이는 우수한 전자 전달 및 염료의 흡착 성능을 나타내었다. [5]4. Universite Savoie Mont Blanc의 Fannie Alloin 교수 연구팀은 기존의 염료감응형 태양전지에 주로 사용이 되고 있는 액체 전해질의 문제점인 누수 및 증발 등의 문제점을 해결하기 위하여 신규 Ionic liquid 물질을 도입하여 전해질을 제조하였다. Ionic liquid 기반의 신규 고체 전해질은 높은 안정성을 보여 주었으며, 이를 채용한 염료 감응형 태양전지는 250일 후, 약 84%의 (1일 효율 대비) 내구성을 보여 주었다. [6]5. Royal Institute of Technology의 Gerrit Boschloo 교수 연구팀은 Voc 향상을 위하여 Tandem energy level을 가지고 있는 Cobalt 기반의 전해질을 개발하였다. 기존의 단일 전자 이동으로 인한 전자 재결합 현상은 Voc 감소의 대표적인 원인으로 알려져 있었고, 이를 해결하고자 Tandem 구조의 전해질을 제시하였다. 본 구조를 가지고 있는 전해질을 염료감응형 태양전지에 채용한 결과 약 1 V의 open circuit voltage 값을 얻을 수 있었다. [7]- 도심형 발전을 위한 저조도 동작 성능일반적인 PN접합태양전지와는 다른 고체/액체 접합 광전기화학기반 유무기복합 태양전지인 염료감응형 태양전지는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.1. 입사각 효과 : 실리콘 기반의 태양전지는 입사각의 변화에 대하여 민감하게 반응하여 입사각에 따라 효율 감소가 두드러지지만, 염료감응형 태양전지는 입사각에 따라 효율의 감소분이 거의 없다. 이와 같은 특징으로 흐린 날 혹은 아침과 저녁의 발전량이 타 태양전지 대비 높게 나타나므로 상대적으로 낮은 효율임에도 불구하고 일간 총발전량이 우세하게 나타나고 있다. 이로 인해 태양전지 입사각 제경제성을 내포하고 있다고 판단되는 근거가 된다. 또한 염료감응형 태양전지의 입사각특성, 약광발전특성, 그림자특성 등은 염료감응형 태양전지의 가장 유력한 시장으로 예상되고 있는 건자재 일체형태양전지 (Building Integrated Photo Voltaics, BIPV)에 적합한 태양전지로서 기대를 모으고 있다.주요 응용분야- 기존 응용분야에 더불어 도심형 스마트 에너지 기술 강조염료감응형 태양전지는 실리콘 기반의 태양전지에 버금가는 에너지 변환 효율과 낮은 제조 단가로 높은 관심을 모으고 있으며, 다양한 컬러 및 투명한 특성으로 건물 외장 BIPV용 태양전지로 활용이 기대되고 있다. 염료감응형 태양전지는 가격경쟁력, 가볍고 높은 광투과성, 다양한 용도에 사용되는 장점이 있으나, 효율이 낮고 아직 상용화가 되지 않아 장기 안정성이 부족한 단점이 있다. 최근의 주요 기술개발 트렌드는 염료감응형 태양전지의 장점을 이용하여 산업적으로 활용하기 위한 고효율화 및 상용화를 위한 대면적화가 중요한 이슈이며, 이는 도심형 스마트 에너지 빌딩으로의 적용이 기대 된다.주요 국내외 업체 동향염료감응형 태양전지는 아직까지 본격적인 양산화를 이룬 업체가 눈에 띄지 않고, R&D 또는 Pilot Line 규모의 생산체제에서 소량으로 생산하고 있는 상황이다. 그러나 염료감응형 태양전지의 상용화가 늦어질 경우, 기존 결정질 및 CIGS, CdTe 박막 태양전지가 시장을 선점 할 가능성이 있고, 작동원리가 유사한 유기 태양전지에게 시장을 빼앗길 수 있기 때문에 가능한 빠른 상용화를 추진해야 하 는 필요성이 있다.건물 창호 전문업체인 이건창호는 2006년부터 솔라에너지 사업을 제2의 도약을 위한 신성장동력 사업으로 선정하고 회사의 역량을 집중하고 있다. 이건창호는 독일의 슈코와 기술 제휴 및 공동연구 활동을 진행해 오면서 2008년 초에 솔라에너지 전용 브랜드 이건솔라윈 (EAGON SOLAR-WIN)을 런 칭하고 BIPV 사업을 적극적으로 추진하고 있다. 이건창호는 2008년부터 염료감을 다음과 같은 3개(모바일 가전기기 배터리충전용, 실내 염료감응형 태양전지 일체형 제품용, 실내 BIPV용도)의 품목으로 나누고 분야별 응용 기술 개발을 진행 중에 있다. G24i power가 생산하는 제품은 충전 시트로 휴대전화기 충전용 제품인데, 현재 휴대용 전화기의 생산량은 약 10억대에 이르기 때문에 태양전지 충전 시트 시장은 무궁무진할 것으로 전망된다. 특히 실내외에서 전자기기용 전원으로 고려하고 있어 다양한 광조사 조건에서 발전 성능을 평가하고 관련한 응용 시제품을 출시하고 있다.결론염료감응형 태양전지가 1991년 발표될 때만 하여도 당시 실리콘 기반의 태양전지 가격의 1/5 수준이었다. 실리콘 기반의 태양전지는 이후 생산 및 판매의 증가로 가격이 지속적으로 하락하였다. 하지만 여전히 염료감응형 태양전지는 우수한 가격 경쟁력을 가지고 있으며, 다른 여타 태양전지가 가지지 못하는 투명성, 다양한 색상구현, 약한광량하에서 발전 가능하다는 장점을 가지고 있다. 에너지와 환경 문제 그리고 경제성까지 함께 고려할 경우, 염료감응형 태양전지 개발에 대한 투자는 반드시 필요하며, 국내 기술수준이 선진국과 유사한 점을 고려할 경우 요소기술별로 분산된 국내 기술력을 결집하여 세계최고, 세계최초 기술 개발에 집중하여 원천기술을 선점하는 노력이 절실히 필요하다. 또한, 국내외 업체들의 BIPV제품 등장으로 염료감응형 태양전지 시장은 보다 확대 될 것이며, 수년 내에 국내외 업체의 진출로, window 및 wall용 BIPV 제품이 본격적으로 시장에 진입하면 그 성장은 보다 가속화될 것으로 예상된다.참고문헌[1] 유기 태양전지, 이일형, 소대섭, 서주환, 박남규, 2006[2] Photovoltaic engineering handbook, eds. F. Lasnier and T.G. Ang, IOP Publishing Ltd., New York, 1990[3] ACS Sustainable Chem. Eng. Aseel Hadi, Qian Chen, Michele Cur1929

공학/기술| 2019.08.21| 13페이지| 1,500원| 조회(277)

재료공학, 태양전지, 광전자소자, 신재생에너지, 스마트그리드, DSSC, 염료감응, 신재생에너지공학

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표면/원소/전기적특성/광학 분석 장비 (AFM, SEM, TEM, FT-IR, XPS/UPS, Raman, CV, PL, Impedance, UV, Reflectance, Transmittance)

Study & Explain Analysis & Measurement1. Surface Morphology: AFM, SEM, TEM1) Electron Microscopy(TEM, SEM)Microscopy의 resolution 한계는 numerical aperture(N.A)와 빛의 파장에 따라 다릅니다. (Ernst Abbe의 법칙). 이 법칙은 속도가 파장을 결정하는 전자에 대해서도 마찬가지이며, 전자의 속도가 높을수록 파장은 짧아지고 해상도는 좋아집니다. 100kV에서 구동되는 투과 전자 현미경 (TEM)의 실제 해상도는 약 0.5 nm이며 훨씬 더 밝은 현미경의 해상도를 능가합니다. 주 사형 전자 현미경 (SEM)에서 유효 분해능은 약 1 nm입니다. 이러한 이유로 Electron Microscopy는 light Microscopy와 다르게 high magnification에서 resolution이 매우 좋으며 structural information에 대한 정보를 얻을 수 있고 또한 chemical composition에 대한 정보 또한 얻을 수 있습니다.TEM은 transmission electron microscopy의 약자로 광학 현미경보다 높은 magnification과 resolution을 갖으며 이 이유는 전자가 빛보다 짧은 wavelength를 갖고 있기 때문입니다. 전자의 wavelength는 가시광보다 10,000배 짧으며 이 이유로 lens aberrations가 최소화된다면 0.1nm order의 수준까지 resolution이 도달할 수 있습니다. TEM은 얇은 specimen(~100nm)에 100-300kV의 세기의 전자가 transmission되어 이미지를 형성하며 diffract된 전자들은 샘플의 crystallographic information인 Crystal orientation, Lattice parameters, specimen thickness와 같은 정보를 줍니다. 또한 analytical attachment 비해 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있습니다. 또한 EDS와 같이 X-ray를 사용한 방법으로 specimen의 chemical information을 얻을 수 있습니다. 샘플의 topography와 morphology, 그리고 chemical compositions와 mapping이 가능하다는 점에 있어서 많이 사용되고 있습니다. TEM은 transmission된 전자의 이미지를 보는 반면에 SEM은 reflection된 전자인 incoherent elastic backscattered electrons, second electrons의 detect를 통해 이미지를 얻는 방법을 사용하고 있습니다.2) Scanning probe microscopy(AFM)반면 AFM은 Atomic force microscope의 약자로 scanning probe microscopy(SPM)의 종류중 하나입니다. SPM의 원리는 tunneling current를 이용하여 specimen의 surface를 이미지화하는 방법을 사용하며 STM으로 불리기도 합니다. AFM의 중요한 특징은 lateral 이미지와 동시에 vertical resolution을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있으며 lateral resolution은 0.1-3.0nm, vertical resolution은 0.01nm로 알려져 있습니다. AFM은 atomic force를 사용하기 때문에 electron microscopy와 다르게 probe와 스캐너가 매우 중요한 역할을 하며 probe의 움직임에 따라 constant current mode와 constant height mode로 나뉩니다.2. Element Analysis: FT-IR, XPS/UPS, Raman1) Vibrational spectroscopy (FT-IR, Raman)Molecular analysis를 위해서 Vibrational spectroscopy 방식을 사용하는데 Vibrational spectroscopy란 분자의 structspectroscopy의 종류로는 크게 absorption of infrared light에 의한 vibration을 활용하는 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR)과 분자에 의한 빛의inelastic scattering을 활용하는 Raman spectroscopy가 있습니다.FT-IR의 source는 black body source로 beam이 specimen에 일부는 흡수되고 일부는 투과되면서 두 optical beam으로 나눠지게 됩니다. 이 나눠진 두 빛의 interference를 통해 분석이 이루어지며 최종 신호는 스펙트럼으로 나오게 됩니다. 이 스펙트럼은 서로 다른 분자구조에 따라 다른 vibration을 갖기 때문에 서로 다른 스펙트럼을 형성하게 됩니다. 이 스펙트럼은 푸리에 변환을 통해 다시 분석됩니다. FT-IR분석의 장점은 짧은 시간 내에 여러 번 측정이 가능하며 신호대비 잡음의 비가 낮아 정밀도가 우수하며 이동하는 거울의 속도를 일정하게 유지하면 분해능을 일정하게 유지할 수 있고 기기가 간단하다는 장점이 있습니다. 이 장비는 유기화합물의 반응여부 확인과 작용기의 확인, 이성질체 확인 등에 사용되고 있습니다.Raman spectroscopy는 inelastic scattering을 활용하며 특정분자에 beam을 쏘았을 때 전자의 에너지준위의 차이만큼 에너지를 흡수하여 분자의 종류를 알아내는 방법입니다. 빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 파장을 변화시켜 빛의 일부는 진행방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 현상을 산란이라고 하고 빛의 파장을 변화시키는 현상을 라만산란이라 합니다. 이후 산란된 빛의 세기를 주파수에 따른 띠 혹은 반복적 피크로 표시되는 스펙트럼을 이용한 분자의 진동 스펙트럼을 측정하여 분자의 진동구조를 연구하거나 물질을 분석에 이용하게 됩니다. Raman spectroscopy는 sample preparation이 필요 없으며 물에 영향을 받지 않고, 분석이 비교적 빠르며 샘플이 파S는 광전자 분광학(Photoelectron Spectroscopy, PES)의 일종으로 높은 주파수의 광선 (자외선 혹은 x-선)을 시료에 비추고 방출된 광전자의 운동에너지를 측정하는 방법으로 분석이 이루어집니다. 광전자 분광학은 분자 결합의 분자오비탈을 확인하고 분자오비탈의 결합 에너지를 측정할 수 있기 때문에 분자내의 전자 구조를 연구하는데 매우 유용한 방법입니다. 이러한 광전자분광 기술은 X-ray 영역의 단일 파장 빛을 사용하는 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)와 UV 영역의 빛을 사용하는 Ultraviolet photoelectron spectroscopy(UPS)로 나뉠 수 있다. XPS는 1000∼1500 eV 정도의 에너지를 가지는 X-ray를 사용하여 주로 시료 내부 원자의 core level에서 방출되는 전자를 분석하여, 시료에 있는 원소의 종류, 화학상태, 농도 등을 알아내는 기술이며 UPS는 10∼20 eV 정도의 UV영역의 빛을 사용하여 시료의 전자를 방출도록 하여, 화학결합에 직접 참여하는 전자들이 고체 내에서 가질 수 있는 다양한 상태를 알 수 있도록 해 주는 분석방법입니다.3. Electrical Property: CV, PL, Impedance1) Cyclic voltametry(CV)전기화학적 cell의 시간에 따라 변하는 전압(voltage sweep)을 걸어주면, 특정 전압에서 물질의 환원 또는 산화반응이 일어나고 그 결과 발생한 전류가 셀을 통하여 흐르게 됩니다. 이러한 환원, 산화반응이 일어나기 시작하는 전압은 물질의 성분에 따라 다르고 발생하는 전류의 크기는 물질의 양에 비례하는 원리를 바탕으로 진행하는 분석을 전압-전류법이라 합니다.특히 Cyclic voltametry는 특정 속도로 증가하는 전압을 forward 방향으로 전압을 걸어준 후, 전압이 일정 크기에 도달한 시점에서는 같은 비율로 변하는 전압을 reverse direction으로 걸어주게 됩니다. 이와 같은 전압변화를 여러st occupied molecular orbital), LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)의 값을 CV를 통해 측정할 수 있습니다.2) Photoluminescence(PL)Luminescence란 외부 에너지를 가해줘 물질 내의 고유한 전자 상태간의 transition에 의해 흡수된 에너지를 빛 형태로 방출하면서 원래 상태로 되돌아가는 현상을 말합니다. 그 중 Photoluminescence는 laser와 같은 단색광의 photon 에너지를 이용한 luminescence의 한 종류로 광학적 유도에 의한 빛의 방출(stimulated emission)을 말합니다. 방출되는 빛은 특정 파장영역에서 세기, 선 윤곽, 선폭 그리고 peak의 에너지 등에 의한 스펙트럼을 얻게 되며 이를 통해 반도체내의 광학적 특성을 분석하는데 활용되고 있으며 가장 큰 장점은 시료에 전극을 붙일 필요가 없고 시료의 보존이 가능한 비파괴적인 방법이라는 점입니다. 또한 스펙트럼 해석에 있어 복잡한 이론식이 필요 없고 실험방법도 간단하다는 특징이 있습니다.3) Impedance산화 환원 반응에 있어서 화학에너지와 전기에너지 그리고 빛에너지 등의 상호변환을 다룰 때 그리고 반응속도론 측면에서 전자의 이동이 가장 중요한 역할을 하게 됩니다. 전자 이동 속도인 전류의 세기가 반응속도를 의미하게 되고, 전류를 방해하는 저항을 통해 전기화학 반응을 생각해볼 수 있습니다. 이온이 전자를 주고받아 산화 또는 환원이 일어날 때, 계면 저항과 capacitance를 동시에 측정하기 위해서는 복소 임피던스(complex impedance)로 기술해야합니다. 임피던스는 교류에 대한 전기 흐름을 방해하는 정도를 나타내며 이는 주파수에 따라 진폭과 위상의 변화가 발생하기 때문입니다.임피던스 분석을 통해 태양 전지의 small signal equivalent circuit를 결정할 수 있습니다. 확산 커패시턴스, shunt resistance, series resistanc습니다.

공학/기술| 2019.08.21| 6페이지| 1,000원| 조회(392)

PL, cv, UV, sem, FT-IR, TEM, Impedance, AFM, Ram..

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전하이동속도 측정 방법 및 시료 제작 방법 평가A+최고예요

1. SCLC sample 제작 Hole mobility 를 측정하기 위해서 소자를 만들어야 하므로 hole-only device 를 제작하게 됩니다 . 소자구조 : ITO/PEDOT:PSS/Active layer/Au ① Patterned ITO glass : detergent, di-water, acetone, IPA 순서로 20 분씩 sonication 세척 ② PEDOT:PSS : AI 4083 물질로 4000rpm 60s 로 코팅 후 120 도 오븐에서 20 분간 베이킹 ③ Active layer : solar cell device 와 동일 조건으로 코팅 ④ Au (or Al) : 100 nm 증착 2 . Hole mobility 측정 앞의 1 번 방법으로 제작된 소자를 측정장비에 연결한 후 voltage 영역을 0-3V (or 0-4 V) 로 설정해서 J-V 측정을 합니다 . 측정된 data 를 오리진으로 로드를 하면 위와 같이 X 축에는 Voltage 로 Y 축에는 Current 값으로 그래프가 그려집니다 . 3. Hole mobility 그래 프 그래프의 기울기가 2 가 되는 지점을 찾기 위해서 그래프를 다시 그립니다 . X 축 Y 축 모두 log(col(a)) and log(col(b)) 로 해서 그래프를 그리면 아래와 같이 linear 한 그래프가 그려집니다 . 3. Hole mobility 그래 프 기울기가 2 가 되는 지점을 찾기 위해서 일정 범위를 지정해서 linear 핏을 하게 됩니다 . 기울기가 2 가 정확히 안되는 경우가 많아서 오차 범위는 1.7~2.2 정도로 해서 찾습니다 . 3. Hole mobility 그래 프 Linear 피팅을 하면 아래와 같은 정보가 뜨면서 피팅이 됩니다 . 기울기가 2.09 로 피팅이 된걸 알 수 있고 그때 linear 그래프의 상수 (intercept) 값이 -5.18359 가 되는 것을 알 수 있습니다 . 이 상수 값으로 모빌리티 값을 얻게 됩니다 . 4 . Hole mobility 값 모빌리티 값은 아래 식으로 계산 할 수 있습니다 .

공학/기술| 2019.08.21| 6페이지| 3,000원| 조회(681)

오리진, SCLC, hole mobility, Electron mobility, Hole only device

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뇌파 감지센서의 원리 및 적용 소재에 대한 이해

뇌파 감지센서의 원리 및 적용 소재에 대한 이해서론뇌파는 간질, 코마, 종양 등 다양한 신경학적 질환을 검출하여 뇌 활동에 대한 임상적 정보를 제공하는 데이터로서의 기능을 해왔다. 그러나 최근 들어 사람의 생각과 의도를 읽어 인간의 삶의 질을 높이고, 뇌-컴퓨터의 인터페이스로 정보통신을 가능하게 만드는 역할로서의 연구가 활발하게 진행되고 있으며 미래에도 그 발전 가능성과 유용성이 매우 크다. 이를 위해서는 뇌의 다양한 영역에서 원하는 활동을 타겟팅하고 그 활동을 정량, 정성화하고 이를 분석하는 기술의 개발과 더불어 감지된 뇌파를 정확하게 센싱하는 기술의 발전이 중요해졌다.뇌파 센서의 원리뇌파 측정용 센서는 두피를 포함한 인체에서 거부 반응이 없어야 하며, 피부의 건강상태를 고려했을 때 지속적으로 사용할 수 있어야 하고, 뇌파의 세기가 마이크로 스케일로 굉장히 미약하여 측정이 어려우므로 신호의 질이 좋아야 하고, 머리카락으로 인한 노이즈 등을 극복할 수 있어야 한다는 조건을 전제로 연구되고 있으며 크게 접촉식과 비접촉식으로 구분한다. 접촉식 센서는 두피 위에 아크릴산 등을 이용하여 붙이고, 전도성 물질과 혼합하거나 벨트 혹은 캡 등을 머리에 씌워 측정 부위에 전도성 젤을 집어 넣어 뇌파를 획득하는 방법을 이용한다.최근 다양하게 연구되고 있는 비접촉식 센서는 측정하고자 하는 곳의 전위와 센싱하는 부분을 전기적으로 개방한 상태에서 측정하므로 직접적인 전하의 흐름이 아닌, 유도되는 전류를 이용하여 측정한다. 전류를 유도하기 위해서는 뇌파를 감지하고자 하는 센싱 타겟과 센서 사이 인터페이스를 커페시터로 형성하여, 전위의 변화가 전류를 유도시키는 원리를 이용한다. 우리의 몸과 센서를 두 개의 전도성 판이라고 생각한다면, 두피의 전위를 측정한다고 이해할 수 있다. 은 이러한 원리를 나타내는 것으로, Cint과 Rint는 두피와 센서 사이 커페시터와 저항값을 의미하는데 이와 같이 병렬로 연결된 저항과 커패시턴스를 통해 전기적 인터페이스 성질을 파악할 수 있다. 센서의 넓이가 충분히 크고, 전기적 차폐가 잘 되어있다면 저항으로부터 유발된 임피던스가 커패시턴스의 임피던스 보다 훨씬 큰 값을 갖는다. Cint와 Rint에 의해 생기는 임피던스는 그 값이 매우 크므로 정확한 측정값을 위해 인터페이스에 의해 유도되는 임피던스를 극복할 수 있는 방법이 필요하다. 대표적으로 출력단과 -입력단을 short시키고 +입력단에 신호를 넣는 방식으로 voltage follower혹은 buffer로 불리는 pre-amplifier를 사용하는데, 그 이유는 +입력단에 들어온 전위가 그대로 출력단으로 나오면서, 입력 임피던스가 매우 높은 장점을 살릴 수 있기 때문이다.에서는 Rin과 Cin이 pre-amplifier의 입력 임피던스를 의미하며, 보통 OP- amplifier의 입력 임피던스가 매우 크므로, +입력단에는 EEG와 거의 동일한 신호가 걸려, 결과적으로 EEG가 Vout과 거의 일치하게 나와 Vout 값으로 뇌파를 읽게 된다.뇌파 센서 소재비접촉식 뇌파 센서는 주로 생체적합성이 우수하고 상대적으로 넓고 평탄하지 않은 표면에 대해서도 안정적으로 점착이 되며 내구성이 강한 탄성중합체인 접착성 PDMS를 이용할 수 있다. 이는 폴리머 링크를 약하게 유지하면서 반응기가 많아 접착력이 우수하고, 머리카락을 감싸면서 잡고 있기에 영률이 충분히 작아 기계적 성질이 유리하다. PDMS는 몰드에 넣고 열경화 시킨 뒤 센싱 판 위에 노이즈 차폐를 위해 전도성 플레이트를 올리고 boot strapping을 걸어준다. 설계 스텝은 와 같으며 여기서PDMS의 두께는 머리카락의 두께와 비슷하다. 비접촉식 뇌파 측정 센서이와 같은 센서는 인체와 센서 간 전기적 연결이 없어지므로 안전성 확보가 가능하고, 피부와 센서 사이 공간이 확보되어 피부가 외부와 가스 교환 및 노폐물 방출이 가능하여 피부 문제 유발을 방지할 수 있다. 그러나 피부와 센서 사이 발생하는 높은 임피던스는 큰 단점을 야기하는데, 그 중 가장 치명적인 것은 원하는 신호를 측정하기 어려워 진다는 점이다. 외부 노이즈는 센서 곳곳에 전류를 유도하는데, 차폐 장치가 있어 아무리 작은 전류가 유도된다고 하더라도 높은 임피던스를 만나면 전위 값이 매우 커져 신호 대잡음비를 낮추게 된다. 움직임에 의한 노이즈 또한 상당하여 작은 움직임에도 신호를 잃을 수 있다. 특히 머리카락으로 인한 노이즈도 무시하기 어렵다. 따라서 피부와 센서 사이 임피던스를 줄이기 위해 거리를 최대한 가깝게 하거나, 센서 사이에 유전율이 높으면서도 전기적 차폐를 시킬 수 있는 물질을 채우는 방법으로 보강할 수 있다.이를 위해서는 위에서 제시한 PDMS 기반 센서에 금속(Au)이 증착된 박막의 필름 및 저가의 고분자 층을 결합하여 제작한 후, 센서층 위에 곤충의 더듬이 및 소장의 융털 같은 자연을 모사한 섬모 구조를 올리는 방법이 있다. 미세한 생체 신호를 증폭하기 위해 미세한 힘을 감지하는 곤충의 더듬이나 음식물을 흡수하는 소자의 융털에서 볼 수 있는 미세 섬모구조를 센서 소자에 도입한다면 복잡한 굴곡이 있는 피부와의 접촉 면적을 넓히면서 생체 친화적이고 생체 신호를 증폭하는 데 있어 효과적인 재료가 될 수 있을 것이다.B.Gainmann, B.Allison, and G. Pfurtscheller, “BrainComputer Interface, Revolutionizing Human-Computer Interaction,” Springer, 2010.A. Nijholt, and D. Tan, "Brain-Computer Interfacing for Intelligent System," IEEE Intelligent Systems, vol. 23, no. 3, pp. 72～79, 2008.이승민,이상훈,지속적인 뇌파 측정을 위한 센서 개발, The Magazine of the IEIE,AS14030 2015년 KISTEP 10대 미래유망기술 선정에 관한 연구

공학/기술| 2019.08.21| 4페이지| 1,000원| 조회(290)

반도체, 센서, 비접촉식, 뇌파, PDMS, 접촉식, 뇌파센서, 센서 소재, 차세대 센..

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Sol-Gel 반응을 이용한 실리카 겔 합성

Resulting ReportSol-Gel 반응을 이용한 실리카 겔 합성2014.03.17.1. 실험주제 : Sol-Gel 반응을 이용한 실리카 겔 합성2. 실험내용 :1) 실험내용* TEOS : Tetra Ethyl Ortho Silicate (Si(OC _{2} H _{5} ) _{4}) 로서 산화막 증착시 Si Source로 사용하는 물질* Sol : 액체 중에 콜로이드 입자가 분산하고 유동성을 갖고 있는 물질* Gel : Sol이 일정한 농도 이상으로 진해져서 튼튼한 그물조직이 형성되어 젤리처럼 굳어진 것졸-겔 과정(sol-gel process)은 이름이 의미하는 것처럼 콜로이드부유상태(sol)를 만들고, 이 졸의 젤화 과정을 통해 액체상의 망상조직(gel)으로 변화시켜 무기질 망상조직을 만드는 과정을 말한다. 이 콜로이드를 합성하기 위한 전구체는 금속이나 준금속 원소들이 다양한 반응성 배위체(reactive ligands)로 둘러 쌓인 물질로 구성되어 있다. 금속 알콕사이드들이 가장 많이 사용되는데, 이는 이들 물질들이 물과 쉽게 반응하기 때문이다. 가장 널리 이용되었던 금속 알콕사이드는 알콕시실래인, 즉 tetramethoxysilane (TMOS)와 tetraethoxysilane (TEOS) 이다.Sol-gel 중합과정은 3 단계로 일어난다.① 중합과정에 의한 입자의 형성② 입자의 성장③ 망상구조의 형성특별한 졸-겔 무기질 망상조직의 특성과 성질은 다양한 요소들과 연관되어 있는데, 이들 요소들은 가수분해 및 응축 반응율에 영향을 준다. 이들 반응에 영향을 주는 요소들은 pH, 온도와 시간, 시약의 농도, 촉매의 성질과 농도,H _{2} O/금속원소 몰 비(R), 숙성온도와 시간, 건조 등을 들 수 있다. 여기서 언급한 것들 중에서 pH, 촉매의 성질과 농도, 물의 상대적 몰 비(R), 그리고 온도가 가장 중요한 것으로 밝혀져 있다. 따라서 이러한 요소들을 제어함으로써 졸-겔 무기질 망상조직의 구조와 성질들을 넓은 범위에 걸쳐 변화시킬 수 있다. 본 실험에서는 TEOS를 가수분해할 때, R의 값을 1-2로 하고, 0.01 M의 HCl을 촉매로 넣으면 점성이 있는 용액이 된다는 것이다. 더욱이 이 용액은 점성이 농도에 따라 상당히 민감한 것으로 밝혀져 있다.일반적으로 말하면 가수분해 과정은 물을 첨가함으로써 이루어지는데, 알콕사이드 그룹 (OR)을 hydroxyl groups (OH)으로 치환하는 과정이다. 이어지는 응축과정은 M-OH 그룹들이 M-O-M 결합을 만들면서 부산물로 물과 알코올을 만드는 과정이다. 대부분의 조건하에서는 응축과정은 가수분해 과정이 끝나기 전에 시작된다. 그러나 pH나H _{2} O/금속원소 몰 비(R), 그리고 촉매에 의해 응축이 시작되기 전에 가수분해 과정이 끝나도록 조건을 맞출 수 있다. 이에 덧붙여 물은 알콕사이드와 섞이지 않기 때문에 이들을 둘 다 용해시킬 수 있는 알코올과 같은 용매를 쓴다. 이렇게 용액을 균질하게 하는 알코올과 같은 물질이 있을 경우에는 물과 알콕사이드가 서로 섞여 가수분해가 일어난다. M-O-M 결합의 수가 증가하면 각각의 분자들은 브리지를 형성하여 졸 내에서 응집하게 된다. 이 졸 입자가 응집하거나 서로 엉켜 망상구조를 이루면 겔이 형성된다. 겔을 건조하면 망상구조에 갇혀 있던 물이나 알코올이 빠져 나오면서 망상구조가 쭈그러들게 되어 응축과정이 더욱 더 진행되기 쉽게 된다.* 산성 촉매의 사용산성 조건 하에서는 알콕사이드 그룹이 일차적으로 빠르게 수소 이온을 받아들이게 될 것이다. 실리콘 원자 주변의 전자밀도는 떨어지게 되고, 따라서 전자와의 친화성이 커져서 물과의 반응이 쉽게 된다. 반응의 결과로 나타나는 결합의 형태는 5개의 배위결합 상태를 거쳐 최종적으로 알코올이 생성되면서 실리콘 4면체가 된다.2) 실험방법① 비커1에 TEOS 27.99g을 넣고 EtOH 24.46g을 첨가하여 교반② 비커2에 증류수 38g을 담고 HCl 소량 첨가하여 희석한 HCl 용액을 제조③ 비커1에 비커2의 용액을 첨가④ 비커1을 60℃에서 가열3. 결과 및 고찰1) 실험 결과가열시간온도상태3분41℃섞임4분50℃반투명5분58℃투명10분62℃변화없음

공학/기술| 2014.11.29| 4페이지| 1,000원| 조회(2,155)

실험, 실리카, 합성, 졸겔, 졸젤

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