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다중벽 카본 나노튜브를 이용한 FET식 NOx 가스 센싱 시스템 제작
The Fabrication of FET-Type NOx Gas Sensing System Using the MWCNT 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.4, 2013년, pp.325 - 329  

김현수 (가천대학교 전기공학과) ,  장경욱 (가천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carbon nanotubes(CNT) have excellent electrical, chemical stability and mechanical properties. These can be used in a variety of fields. MWCNT are extremely sensitive for minute changes in the ambient gas, namely, their sensing properties varies greatly with the absorption of gas such as NOx and

주제어

#MWCNT (multi-walled carbon nano tube)   #NOx   #Gas sensor   #P-Type Si MWCNT Gas sensor   #FET  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 실험에서는 열적 CVD 공정으로 제조된 MWCNT를 사용했으며, 표 1은 MWCNT의 물성을 제시하였다. MWCNT 박막을 만들기 위해, MWCNT 분말 4 mg과 에탄올 20 ㎖ 용제를 혼합하여 이를 초음파 세척기로 30℃에서 60분 동안 MWCNT 분산체를 제작하였다 [4,5]. 제작된 분산체는 구조적 안정을 위해 150℃의 핫플레이트 위에서 2 ㎏f/cm2 압력의 스프레이법으로 P-type Si 위에 성막하였다 [4,5].
  • Si 기판 위에 성막된 MWCNT 박막을 가스센서로 사용하기 위하여 DC 스퍼터를 이용하여 Au 전극을 증착하였으며, 두 전극 간의 간격은 30 μm로 하였다.
  • 정지형 가스 검출기 내에 온도 조절형 핫플레이트를 설치한 후, 그 위에 제작된 MWCNT 가스센서를 장착하여 온도 변화와 NOx 가스 주입에 따른 가스 센서의 특성을 분석하였다. 가스 측정 온도 조건으로는 20℃와 40℃, 60℃ 및 80℃에서 각각 가스 흡착 전 초기저항과 가스를 1회 당 120[ppm]씩 주입하면서 가스 센서의 저항 변화를 측정하였다. 즉, NOx 가스를 주입하고 120 sec의 시간이 경과한 후 챔버 내 센서에 NOx 가스가 흡착하였을 때의 저항을 측정하였다.
  • 본 연구에서는 화학적 및 전기적으로 안정성을 가진 CNT를 CVD법으로 제조한 MWCNT(multi-walled carbon nano tube)를 이용하여 P-type Si 웨이퍼 위에 FET식 NOx 가스센서를 제작하였다. 제작된 가스센서를 SEM 및 홀효과 측정기를 통하여 구조적 및 전기적 특성을 분석하였으며 [4], NOx 가스의 농도와 온도에 따른 가스센서의 동작, 민감도 및 흡착에너지 특성을 분석하였다.
  • 정지형 가스 검출기 내에 온도 조절형 핫플레이트를 설치한 후, 그 위에 제작된 MWCNT 가스센서를 장착하여 온도 변화와 NOx 가스 주입에 따른 가스 센서의 특성을 분석하였다. 가스 측정 온도 조건으로는 20℃와 40℃, 60℃ 및 80℃에서 각각 가스 흡착 전 초기저항과 가스를 1회 당 120[ppm]씩 주입하면서 가스 센서의 저항 변화를 측정하였다.
  • 제작된 가스센서는 정지형 가스 검출시스템에 장착하여 온도 변화 (20∼80℃)에 따라 NOx가스를 120[ppm]씩 120 sec 간격으로 640[ppm]까지 주입하면서 가스농도와 온도에 따른 박막의 저항율 변화 특성을 측정하였다.
  • 본 연구에서는 화학적 및 전기적으로 안정성을 가진 CNT를 CVD법으로 제조한 MWCNT(multi-walled carbon nano tube)를 이용하여 P-type Si 웨이퍼 위에 FET식 NOx 가스센서를 제작하였다. 제작된 가스센서를 SEM 및 홀효과 측정기를 통하여 구조적 및 전기적 특성을 분석하였으며 [4], NOx 가스의 농도와 온도에 따른 가스센서의 동작, 민감도 및 흡착에너지 특성을 분석하였다.
  • 가스 측정 온도 조건으로는 20℃와 40℃, 60℃ 및 80℃에서 각각 가스 흡착 전 초기저항과 가스를 1회 당 120[ppm]씩 주입하면서 가스 센서의 저항 변화를 측정하였다. 즉, NOx 가스를 주입하고 120 sec의 시간이 경과한 후 챔버 내 센서에 NOx 가스가 흡착하였을 때의 저항을 측정하였다.
  • 그림 1의 (a), (b)는 FE-SEM (Hitachi S-4700, Japan)을 사용하여 P-type Si 위에 성막된 MWCNT 박막 표면의 분석 결과를 보이고 있다. 홀 효과 측정기 (HEM-3000; Ecopia Co., Korea)를 이용하여 박막의 전기적 특성을 측정하였으며, 표 2는 그 결과를 보이고 있다.
  • 화학적으로 안정되고, 높은 전기 전도성을 갖는 MWCNT 분산체를 이용하여 스프레이법으로 P-type Si 웨이퍼 위에 FET식 NOx 가스센서를 제작하였으며, 제작된 박막에 대해서 미세구조, 전기적 특성 및 온도 및 가스농도에 따른 가스 검출 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

  • 본 실험에서는 열적 CVD 공정으로 제조된 MWCNT를 사용했으며, 표 1은 MWCNT의 물성을 제시하였다. MWCNT 박막을 만들기 위해, MWCNT 분말 4 mg과 에탄올 20 ㎖ 용제를 혼합하여 이를 초음파 세척기로 30℃에서 60분 동안 MWCNT 분산체를 제작하였다 [4,5].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존의 가스센서로 열선형반도체식 가스센서, 전기화학식 가스센서 등의 문제점은? 현재 기존의 가스센서로는 열선형 반도체식 가스센 서, 전기화학식 가스센서 등이 있지만 이러한 센서들은 높은 동작온도, 소형화의 한계성, 높은 제작비 등의 문제점이 있다. 하지만 CNT를 이용한 가스센서는 기존의 센서와는 달리 높은 가스흡착성, 소형화에 따른 편리한 휴대성, 저렴한 제작비용, 대량생산이 가능하며, 특히 반도체식 센서의 높은 동작온도와 달리 상온에서의 동작이 가능하다 [1-3].
기존의 가스센서와 비교하여 CNT를 이용한 가스센서의 장점은? 현재 기존의 가스센서로는 열선형 반도체식 가스센 서, 전기화학식 가스센서 등이 있지만 이러한 센서들은 높은 동작온도, 소형화의 한계성, 높은 제작비 등의 문제점이 있다. 하지만 CNT를 이용한 가스센서는 기존의 센서와는 달리 높은 가스흡착성, 소형화에 따른 편리한 휴대성, 저렴한 제작비용, 대량생산이 가능하며, 특히 반도체식 센서의 높은 동작온도와 달리 상온에서의 동작이 가능하다 [1-3].
NOx, CO 및 HC 등에 대한 가스센서가 요구되는 이유는? 오늘날 NOx, CO 및 HC 등은 자동차 공해 물질로 알려져 있으며, 이에 대한 가스센서가 요구되고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. J. G. Park and K. J. Lee, J. Kor. Inst. Met. & Mater., 13, 38 (2000). 

  2. G. Wiegleb and J. Heitbaum, Sens. Act. B, 17, 93 (1994). 

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  3. D. E. Williams, Sens. Act. B, 57, 1 (1999). 

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  4. E. H. Espinosa, R. Ionescu, C. Bittencourt, A. Felten, R. Erni, G. Van Tendeloo, J. J. Pireaux, and E. Llobet, Thin Solid Films, 515, 8322 (2007). 

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  5. T. Ueda, S. Katsuki, N. Heidari Abhari, T. Ikegami, F. Mitsugi, and T. Nakamiya. Surf. Coat. Technol., 520, 5325 (2008). 

  6. W. J. Lee, M. K. Choi, and K. U. Jang, J. KSDIT, 11, 55 (2012). 

  7. A. Afzal, N. Cioffi, L. Sabbatini, and L. Torsi, Sensor and Act. B, 171, 25 (2012). 

  8. M. K. Kwon and Y. T. Hong, J. KIEEME, 22, 38 (2009). 

  9. B. C. Yadav, Satyendra Single, and Anuradha Yadav, Appl. Surface. Sci., 257, 1960 (2011). 

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  10. G. Chakraborty, K. Gupta, A. K. Meikap, R. Babu, and W. J. Blau, Solid State Comm., 152, 13 (2012). 

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