최근 산소결핍 및 질식 사고에 의한 재해를 방지하기 위해 작업장 내 산소 농도의 모니터링을 강조하고 있다. 산소 결핍의 대표적인 증상으로 어지러움, 구토, 의식불명, 사망 등이 있으며, 산소 결핍은 증상의 발현시간이 매우 짧기 때문에 사고 예방을 위해 작업 전과 작업 중 작업환경의 측정이 중요하다. 하지만 현재 일반적으로 사용되고 있는 산소센서는 반도체식 가스센서로 반응 감도가 높고, ...
최근 산소결핍 및 질식 사고에 의한 재해를 방지하기 위해 작업장 내 산소 농도의 모니터링을 강조하고 있다. 산소 결핍의 대표적인 증상으로 어지러움, 구토, 의식불명, 사망 등이 있으며, 산소 결핍은 증상의 발현시간이 매우 짧기 때문에 사고 예방을 위해 작업 전과 작업 중 작업환경의 측정이 중요하다. 하지만 현재 일반적으로 사용되고 있는 산소센서는 반도체식 가스센서로 반응 감도가 높고, 응답시간이 빠른 장점이 있다. 하지만 고온에서의 산소 흡탈착에 의한 전자의 이동을 원리로 작동하기 때문에 발열부가 필수적으로 포함되고, 별도의 디스플레이가 필요하여 크기 및 무게가 증가하게 되어 휴대성이 떨어진다. 그렇기 때문에 본 연구에서는 기존 산소센서의 휴대성과 단일신호만을 발생시키는 단점을 개선하기 위해 휴대성이 뛰어난 새로운 원리의 비색계 산소센서 개발에 대해 연구하였다. 그 결과, 상온에서 TiO2 나노물질의 산화ㆍ환원 반응을 이용하여 별도의 디스플레이 없이 색 변화를 통한 시각적인 신호와 전기적신호를 통한 정략적인 산소 농도 검출이 가능한 새로운 비색계 산소검출 원리를 제안하였다. 또한, 본 연구의 센서는 크기와 두께를 쉽게 조절할 수 있는 구조이기 때문에, 웨어러블 기기 적용에 적합하다. 아울러, XRD, XPS, DFT 분석을 통해 TiO2가 전기적 환원 시 밴드갭이 작아져 흑색으로 변한다는 것을 밝혔고, 전류 및 색상의 변화가 TiO2의 환원 정도에 비례한다는 것을 확인했다.
최근 산소결핍 및 질식 사고에 의한 재해를 방지하기 위해 작업장 내 산소 농도의 모니터링을 강조하고 있다. 산소 결핍의 대표적인 증상으로 어지러움, 구토, 의식불명, 사망 등이 있으며, 산소 결핍은 증상의 발현시간이 매우 짧기 때문에 사고 예방을 위해 작업 전과 작업 중 작업환경의 측정이 중요하다. 하지만 현재 일반적으로 사용되고 있는 산소센서는 반도체식 가스센서로 반응 감도가 높고, 응답시간이 빠른 장점이 있다. 하지만 고온에서의 산소 흡탈착에 의한 전자의 이동을 원리로 작동하기 때문에 발열부가 필수적으로 포함되고, 별도의 디스플레이가 필요하여 크기 및 무게가 증가하게 되어 휴대성이 떨어진다. 그렇기 때문에 본 연구에서는 기존 산소센서의 휴대성과 단일신호만을 발생시키는 단점을 개선하기 위해 휴대성이 뛰어난 새로운 원리의 비색계 산소센서 개발에 대해 연구하였다. 그 결과, 상온에서 TiO2 나노물질의 산화ㆍ환원 반응을 이용하여 별도의 디스플레이 없이 색 변화를 통한 시각적인 신호와 전기적신호를 통한 정략적인 산소 농도 검출이 가능한 새로운 비색계 산소검출 원리를 제안하였다. 또한, 본 연구의 센서는 크기와 두께를 쉽게 조절할 수 있는 구조이기 때문에, 웨어러블 기기 적용에 적합하다. 아울러, XRD, XPS, DFT 분석을 통해 TiO2가 전기적 환원 시 밴드갭이 작아져 흑색으로 변한다는 것을 밝혔고, 전류 및 색상의 변화가 TiO2의 환원 정도에 비례한다는 것을 확인했다.
Oxygen sensors are an important technology for ensuring the industrial safety in these days. However, most oxygen sensors operate at very high temperatures above 300℃, and suffer from critical drawbacks such as the need of display device and a logarithmic response to the change of oxygen concentrati...
Oxygen sensors are an important technology for ensuring the industrial safety in these days. However, most oxygen sensors operate at very high temperatures above 300℃, and suffer from critical drawbacks such as the need of display device and a logarithmic response to the change of oxygen concentration. In order to address these problems, this study suggests novel colorimetric oxygen sensor based on TiO2 and TiO2-x nanomaterials. This oxygen sensor can resolve the bottlenecks of the conventional oxygen sensing technologies. The sensing mechanism depends on two characteristics. First, the electrochemically reduced nano-TiO2-x can absorb oxygen quickly and reversibly through the aerochemical oxidation at room temperature. Second, the partially reduced from of the TiO2-x, shows black color as compared with the white color of the TiO2. Depending on these characteristics, an oxygen sensor that operates at room temperature and generates a warning through multiple senses without display devices can be manufactured by a simple sandwich structure. Also, the performance of our developed oxygen sensor was verified, and characterization by FE-SEM, XPS, XRD and DFT analysis.
Oxygen sensors are an important technology for ensuring the industrial safety in these days. However, most oxygen sensors operate at very high temperatures above 300℃, and suffer from critical drawbacks such as the need of display device and a logarithmic response to the change of oxygen concentration. In order to address these problems, this study suggests novel colorimetric oxygen sensor based on TiO2 and TiO2-x nanomaterials. This oxygen sensor can resolve the bottlenecks of the conventional oxygen sensing technologies. The sensing mechanism depends on two characteristics. First, the electrochemically reduced nano-TiO2-x can absorb oxygen quickly and reversibly through the aerochemical oxidation at room temperature. Second, the partially reduced from of the TiO2-x, shows black color as compared with the white color of the TiO2. Depending on these characteristics, an oxygen sensor that operates at room temperature and generates a warning through multiple senses without display devices can be manufactured by a simple sandwich structure. Also, the performance of our developed oxygen sensor was verified, and characterization by FE-SEM, XPS, XRD and DFT analysis.
주제어
#Colorimetric O2 sensor DFT calculations Three-phase reaction O2 re-uptake in black TiO2
학위논문 정보
저자
손현우
학위수여기관
충북대학교
학위구분
국내석사
학과
안전공학과 안전공학전공
지도교수
최영보
발행연도
2019
총페이지
v,48 p.
키워드
Colorimetric O2 sensor DFT calculations Three-phase reaction O2 re-uptake in black TiO2
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