[논문]유해가스 차단시스템용 MEMS 가스 센서

이의복; 박영욱; 황인성; 김선중; 차정호; 이호준; 이종흔; 주병권

유해가스 차단시스템용 MEMS 가스 센서
MEMS based on nanoparticle gas sensor for air quality system 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.13 no.4, 2009년, pp.37 - 42

이의복 (고려대학교 전자전기공학과) , 박영욱 (고려대학교 전자전기공학과) , 황인성 (고려대학교 신소재공학과) , 김선중 (고려대학교 신소재공학과) , 차정호 ((주)세주엔지니어링) , 이호준 ((주)세주엔지니어링) , 이종흔 (고려대학교 전자전기공학과) , 주병권 (고려대학교 전자전기공학과)

초록
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본 연구에서는 졸겔법으로 ZnO, 수열합성법으로 $SnO_2$ 나노분말을 제조하고 이들 나노분말에 Pd, Ru 등의 촉매를 첨가하였다. MEMS 기술로 제작된 히터 및 전극 구조 위에 나노 감지 분말을 도포하여 CO and $NO_2$ 가스 센서를 제작하였다. 0.1 wt% Pd 도핑된 $SnO_2$ 가스센서와 Ru 도핑된 ZnO 가스 센서는 각각 CO 30 ppm, $NO_2$ 1 ppm의 낮은 농도에서도 높은 감지 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, nanopower ZnO and $SnO_2$ as sensing materials were prepared by hydrazine and hydrothermal routes, respectively, and were doped with Pd, Ru catalyst. The CO and $NO_2$ sensors were fabricated by coating of sensing materials on the MEMS-based structure with electrodes and heaters. The 0.1 wt% Pd doped $SnO_2$ sensor and Ru doped ZnO sensor showed the high sensor response to CO 30 ppm and $NO_2$ 1 ppm, respectively. The sensor signal was stable. This can be used for the detection of pollutant gases emitted from gasoline engine.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 MEMS를 이용하여 마이크로 히터를 제작하였으며 졸-겔 합성법으로 SnO₂, ZnO 나노 분말을 합성한 후 CO, NO2 가스 센서의 감도 특성을 연구하였다. NO₂ 센서인 경우 히터 전압 0.

제안 방법

이는 Pd 촉매가 CO와 표면에 흡착된 O이온과의 산화반응을 촉진하는 역할을 수행한 것으로 판단된다. 감도 실험은 공기의 흐름이 없는 밀폐된 공간에서 안정화하여 기준 Vair를 정한 다음 센서에 주사기로 희석된 가스를 주입했다. NO₂가스의 측정결과 농도에 따라 일정한 값으로 증가했고 20 ppm일 때 가장 높은 7의 감도 특성이 나타났다.
위의 방법으로 ZnO, SnO₂의 기본적인 가스 감응 특성을 실험하고 보다 많은 센서를 측정하기 위하여 항온항습조에서 2 L 챔버 속에서 유량 분당 2 L로 기본 물질에서부터 촉매가 첨가된 센서를 측정하였다. 또한 센서의 가스에 대한 반응 속도를 측정하기 위하여 공기의 흐름이 없는 밀폐된 공간에 가스센서를 위치시킨 후 100 cc 주사기로 측정할 가스를 주입한 후 일정 시간 동안 저항 변화를 관찰하였다.
격자 내의 산소가 부족함에 따른 산소 격자 결함이 형성되어 n형의 반도체의 특성이 나타난다. 본 연구는 졸겔법으로 ZnO, 수열합성법으로 SnO₂ 미분말을 제조하고 이들 미분말에 Pd, Ru 등의 촉매를 첨가하여 낮은 농도의 CO 및 NO₂에 선택적으로 반응하는 감지물질을 설계하고, MEMS 기술로 제조된 히터 및 전극 구조체 위에 나노 미분말을 도포하여 가스 감도 특성을 실험하였다.
센서를 제조하기 위해 Fig. 2(a)에서처럼 MEMS 기술로 제작된 Pt 전극 위에 나노 파우더와 SiO₂가 포함된 무기 바인더와 혼합하여 일정한 점도를 가지는 slurry를 만든 다음 도포했다. 이후 0.
습도는 습한 공기와 건조한 공기와 혼합하여 일정한 습도를 유지하게 했고 그 혼합비에 따라 상대 습도 0∼50 %로 변화하며 측정했다.
9 V까지 인가한 후 30분간 열처리를 하였다. 신뢰성 있고 보다 많은 양의 센서를 측정하기 위하여 다음의 3가지 방법으로 가스센서를 측정하였다. 쿼츠 튜브관에 총 유량 air 500 sccm을 흘려 기저 저항을 충분히 안정화가 된 다음 4-way 벨브를 이용하여 측정 가스의 on/off를 조절하며 측정하였다.
8 V로 인가하였다. 위의 방법으로 ZnO, SnO₂의 기본적인 가스 감응 특성을 실험하고 보다 많은 센서를 측정하기 위하여 항온항습조에서 2 L 챔버 속에서 유량 분당 2 L로 기본 물질에서부터 촉매가 첨가된 센서를 측정하였다. 또한 센서의 가스에 대한 반응 속도를 측정하기 위하여 공기의 흐름이 없는 밀폐된 공간에 가스센서를 위치시킨 후 100 cc 주사기로 측정할 가스를 주입한 후 일정 시간 동안 저항 변화를 관찰하였다.
신뢰성 있고 보다 많은 양의 센서를 측정하기 위하여 다음의 3가지 방법으로 가스센서를 측정하였다. 쿼츠 튜브관에 총 유량 air 500 sccm을 흘려 기저 저항을 충분히 안정화가 된 다음 4-way 벨브를 이용하여 측정 가스의 on/off를 조절하며 측정하였다. 습도는 습한 공기와 건조한 공기와 혼합하여 일정한 습도를 유지하게 했고 그 혼합비에 따라 상대 습도 0∼50 %로 변화하며 측정했다.
합성된 SnO2와 ZnO sol은 600 ℃에서 5시간 동안 열처리하여 nano poweder를 얻었고, PdCl2, Ruthemium(Ⅲ)acetylacetonante(C5H8O2)3 Ru, 97 %, Sigma-Aldrich)를 0∼1 wt% 첨가하여 에탄올을 용매로 하여 볼밀을 12시간 동안 수행하였으며 건조한 nanopowder를 600 ℃에서 2시간 동안 열처리하여 최종적인 촉매가 첨가된 nano poweder를 제조했다.

대상 데이터

그 이유는 수열합성 반응 진행 동안 용액의 과포화도가 낮기 때문이다. 감지 물질을 제조하기 위하여 그림 1과 같은 합성과정에 의하여 ZnO, SnO₂ nanopowder를 제작했다.

데이터처리

합성된 나노분말의 특성 평가는 FE-SEM(Field emission scanning electron microscopy, Hitachi S-4200, 20 kv), EDS(Energy dispersive spectra)과 XRD(X-ray diffraction, Bruker D8, Cu Kα radiation, λ= 1.5406 Å)을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

또한 1 ppm에 대한 감도는 항온항습조에서 측정한 결과와 비슷한 결과를 가짐을 알 수 있다. CO 가스 농도에 따른 측정 결과 500 ppm에서 4 정도의 감도를 나타냈으며 반응 속도 2초 내외 회복 속도 5초 내외의 특성이 나타났다.
감도 실험은 공기의 흐름이 없는 밀폐된 공간에서 안정화하여 기준 Vair를 정한 다음 센서에 주사기로 희석된 가스를 주입했다. NO₂가스의 측정결과 농도에 따라 일정한 값으로 증가했고 20 ppm일 때 가장 높은 7의 감도 특성이 나타났다. 반응 속도는 비교적 빠른 2～3초 내외이고 회복 속도도 10초 내외로 빠른 것을 알 수 있다.
공기 중에서 산화물 반도체 표면에서 금속 촉매는 산소와 반응하여 금속 산화물 표면에 넓은 전자 공핍층이 발생하고, 환원성 가스에 의해 환원 될 경우 전자 공핍층이 감소하여 전기전도도가 증가한다. Ru 0.1 wt% 도핑된 ZnO 가스 센서의 경우 NO₂ 1 ppm의 저 농도에서도 감지 특성이 우수하였으며 SnO₂ 가스 센서는 Pd 0.1 wt%를 도핑하여 CO에 대한 감지 특성이 향상되었다. 이는 Pd 촉매가 CO와 표면에 흡착된 O이온과의 산화반응을 촉진하는 역할을 수행한 것으로 판단된다.
합성된 분말의 크기는 SnO2의 경우 50∼100 nm이고 JCPDS를 통해 분석한 결과 rutile 상으로 판단되고 결정성이 좋은 것임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차에서 배출되는 대표적인 가스는 무엇인가?	유해가스 차단 시스템(AQS : Air Quality system)은 앞에서 주행하는 자동차에 의해 매연 농도가 높아졌을 때 이를 검지하여 외기유입을 자동으로 차단한다. 자동차에서 배출되는 대표적인 가스는 CO, NOx,탄화수소, 입자상물질(PM: Particulate Matters)이다. 가솔린 자동차의 매연을 검지하기 위해서는 CO 30∼100 ppm, 디젤 자동차에서 배출되는 매연을 검지하기 위해서 NO2 2∼10ppm 을 각각 검지하는 것이 요구되고 있다.
	본 연구는 MEMS를 이용하여 마이크로 히터를 제작하였으며 졸-겔 합성법으로 SnO2, ZnO 나노 분말을 합성한 후 CO, NO2 가스 센서의 감도 특성을 연구하였다, 이에 대한 연구결과는?	본 연구는 MEMS를 이용하여 마이크로 히터를 제작하였으며 졸-겔 합성법으로 SnO2, ZnO 나노 분말을 합성한 후 CO, NO2 가스 센서의 감도 특성을 연구하였다. NO2 센서인 경우 히터 전압 0.4 V에서 ZnO를 이용하여 1∼20 ppm의 NO2 가스를 검출하였고, 히터 전압 0.6V에서 0.1 wt% Pd가 첨가된 SnO2의 감지체를 개발하여 CO 30 ppm에 대해 S=2 이상의 특성을 보였다.
	유해가스 차단 시스템의 역할은 무엇인가?	유해가스 차단 시스템(AQS : Air Quality system)은 앞에서 주행하는 자동차에 의해 매연 농도가 높아졌을 때 이를 검지하여 외기유입을 자동으로 차단한다. 자동차에서 배출되는 대표적인 가스는 CO, NOx,탄화수소, 입자상물질(PM: Particulate Matters)이다.

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