향후 수소에너지는 자동차, 우주항공 및 선박 등의 수송기계분야에 주로 사용될 것으로 예측되며 이러한 경우 상온뿐만이 아니라 300 ~ 600 oC의 고온에 응용하기 위해서는 내열 특성을 가지는 고온용 수소센서가 요구된다. 그러나, Si 및 금속 기반의 수소센서는 낮은 ...
향후 수소에너지는 자동차, 우주항공 및 선박 등의 수송기계분야에 주로 사용될 것으로 예측되며 이러한 경우 상온뿐만이 아니라 300 ~ 600 oC의 고온에 응용하기 위해서는 내열 특성을 가지는 고온용 수소센서가 요구된다. 그러나, Si 및 금속 기반의 수소센서는 낮은 밴드갭과 열적 안정성으로 인해 150 oC 이상에서는 사용이 불가능하다.
따라서, 본 논문은 광대역 밴드갭 3C-SiC박막을 이용하여 상온 및 고온용 그리고 응용분야별 다양한 종류의 수소센서에 관한 것으로 상온 및 고온용으로는 다공성 SiC 기반 저항식 및 쇼트키 다이오드형 수소센서 또한, 고농도용 수소용으로 SiC 기반 MEMS형 광학식 수소센서 그리고 폴리머 물질을 이용한 PANI/다공성 SiC P-N 접합형 수소센서 마지막으로 Ni층에서 전사된 그래핀 기반 저항식과 P-N 접합형 수소센서에 관한 것으로 연구결과는 다음과 같다.
첫째, CVD로 P형 기판에 다결정 3C-SiC 박막을 성장하여 UV-LED노광, 전류 밀도, 시간에 따른 양극산화법으로 25 ~ 60 nm 기공 크기를 갖는 센서용 다공성 SiC 막을 형성하였다.
둘째, 100 nm의 Pd와 Pt나노입자가 코팅된 다공성 3C-SiC박막을 이용하여 상온, 410 ppm에서 응답 및 회복시간이 각각 10, 20초 이며 80%의 응답계수를 갖는 다공성 SiC 저항식 수소센서를 개발하였다.
셋째, 100 nm의 Pd 및 Pt 나노입자가 코팅된 Au/다공성 3C-SiC 쇼트키 다이오드를 제작하여 300 oC까지 수소검지가 가능하며 상온에서의 응답 및 회복시간은 각각 5, 5초 이고 20%의 응답계수를 갖는 쇼트키 다이오드형 수소센서를 개발하였다.
넷째, PANI nano fiber와 다공성 3C-SiC를 이용하여 상온에서 박막 SiC에 비해 2배의 높은 전류변화와 장기안정도를 보이는 P-N 접합구조의 수소센서를 제작하여 150 ppm에서 37%의 응답계수를 갖는 수소센서를 개발하였다.
다섯째, N형 3C-SiC와 P형 Si에서 발생하는 광기전 특성과 광투과 특성을 갖는 SiC 멤브레인에 가스채색 물질인 Pd 및 Pd+WO3를 증착하여 고농도용 수소센서를 제작하였고 10%의 수소농도에서 응답 및 회복시간은 각각 180, 500초 이며 10%의 응답계수를 갖는 광학식 수소센서를 개발하였다.
여섯째, CVD로 성장된 비정질 SiC 박막과 Ni 층을 이용하여 승온 속도, 열처리 시간. 냉각 속도에 따른 열처리법으로 그래핀을 형성하였다. Ni 식각을 통해 그래핀을 전사하여 IG/ID는 2.73을 갖는 센서용 그래핀를 형성하였다.
일곱째, SiO2로 전사된 그래핀과 100 nm의 Pd와 Pt 나노입자가 코팅된 그래핀을 이용하여 상온에서 응답 및 회복시간이 각각 180, 370초 이며 50 ppm 에서 0.25%의 응답계수를 갖는 저항식 그래핀 수소센서를 개발하였다.
여덟째, N형 Si에 전사된 그래핀을 이용하여 상온에서 응답 및 회복시간이 각각 52, 52초이며 50 ppm 에서 70%의 응답계수를 갖는 P-N 접합 그래핀 수소센서를 개발하였다.
본 논문에서 연구된 수소센서는 극한환경뿐만 아니라 저농도 및 고농도 수소센서의 분야에 다양하게 응용될 것으로 기대된다.
향후 수소에너지는 자동차, 우주항공 및 선박 등의 수송기계분야에 주로 사용될 것으로 예측되며 이러한 경우 상온뿐만이 아니라 300 ~ 600 oC의 고온에 응용하기 위해서는 내열 특성을 가지는 고온용 수소센서가 요구된다. 그러나, Si 및 금속 기반의 수소센서는 낮은 밴드갭과 열적 안정성으로 인해 150 oC 이상에서는 사용이 불가능하다.
따라서, 본 논문은 광대역 밴드갭 3C-SiC 박막을 이용하여 상온 및 고온용 그리고 응용분야별 다양한 종류의 수소센서에 관한 것으로 상온 및 고온용으로는 다공성 SiC 기반 저항식 및 쇼트키 다이오드형 수소센서 또한, 고농도용 수소용으로 SiC 기반 MEMS형 광학식 수소센서 그리고 폴리머 물질을 이용한 PANI/다공성 SiC P-N 접합형 수소센서 마지막으로 Ni층에서 전사된 그래핀 기반 저항식과 P-N 접합형 수소센서에 관한 것으로 연구결과는 다음과 같다.
첫째, CVD로 P형 기판에 다결정 3C-SiC 박막을 성장하여 UV-LED 노광, 전류 밀도, 시간에 따른 양극산화법으로 25 ~ 60 nm 기공 크기를 갖는 센서용 다공성 SiC 막을 형성하였다.
둘째, 100 nm의 Pd와 Pt 나노입자가 코팅된 다공성 3C-SiC박막을 이용하여 상온, 410 ppm에서 응답 및 회복시간이 각각 10, 20초 이며 80%의 응답계수를 갖는 다공성 SiC 저항식 수소센서를 개발하였다.
셋째, 100 nm의 Pd 및 Pt 나노입자가 코팅된 Au/다공성 3C-SiC 쇼트키 다이오드를 제작하여 300 oC까지 수소검지가 가능하며 상온에서의 응답 및 회복시간은 각각 5, 5초 이고 20%의 응답계수를 갖는 쇼트키 다이오드형 수소센서를 개발하였다.
넷째, PANI nano fiber와 다공성 3C-SiC를 이용하여 상온에서 박막 SiC에 비해 2배의 높은 전류변화와 장기안정도를 보이는 P-N 접합구조의 수소센서를 제작하여 150 ppm에서 37%의 응답계수를 갖는 수소센서를 개발하였다.
다섯째, N형 3C-SiC와 P형 Si에서 발생하는 광기전 특성과 광투과 특성을 갖는 SiC 멤브레인에 가스채색 물질인 Pd 및 Pd+WO3를 증착하여 고농도용 수소센서를 제작하였고 10%의 수소농도에서 응답 및 회복시간은 각각 180, 500초 이며 10%의 응답계수를 갖는 광학식 수소센서를 개발하였다.
여섯째, CVD로 성장된 비정질 SiC 박막과 Ni 층을 이용하여 승온 속도, 열처리 시간. 냉각 속도에 따른 열처리법으로 그래핀을 형성하였다. Ni 식각을 통해 그래핀을 전사하여 IG/ID는 2.73을 갖는 센서용 그래핀를 형성하였다.
일곱째, SiO2로 전사된 그래핀과 100 nm의 Pd와 Pt 나노입자가 코팅된 그래핀을 이용하여 상온에서 응답 및 회복시간이 각각 180, 370초 이며 50 ppm 에서 0.25%의 응답계수를 갖는 저항식 그래핀 수소센서를 개발하였다.
여덟째, N형 Si에 전사된 그래핀을 이용하여 상온에서 응답 및 회복시간이 각각 52, 52초이며 50 ppm 에서 70%의 응답계수를 갖는 P-N 접합 그래핀 수소센서를 개발하였다.
본 논문에서 연구된 수소센서는 극한환경뿐만 아니라 저농도 및 고농도 수소센서의 분야에 다양하게 응용될 것으로 기대된다.
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