[논문]나노 ZnO:CNT를 이용한 후막 가스센서의 특성연구

윤소진; 유일

doi:10.3740/mrsk.2014.24.8.413

[국내논문] 나노 ZnO:CNT를 이용한 후막 가스센서의 특성연구
Characteristics of Thick Film Gas Sensors Using Nano ZnO:CNT 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.24 no.8, 2014년, pp.413 - 416

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of an addition of CNT on the sensing properties of nano ZnO:CNT-based gas sensors were studied for $H_2S$ gas. The nano ZnO sensing materials were grown by a hydrothermal reaction method. The nano ZnO:CNT was prepared by ball-milling method. The weight range of the CNT addition on the ZnO surface was from 0 to 10%. The nano ZnO:CNT gas sensors were fabricated by a screen-printing method on alumina substrates. The structural and morphological properties of the ZnO:CNT sensing materials were investigated by XRD, EDS, and SEM. The XRD patterns revealed that nano ZnO:CNT powders with a wurtzite structure were grown with (1 0 0), (0 0 2), and (1 0 1) dominant peaks. The size of the ZnO was about 210 nm, as confirmed by SEM images. The sensitivity of the nano ZnO:CNT-based sensors was measured for 5 ppm of $H_2S$ gas at room temperature by comparing the resistance in air with that in target gases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

S 가스에 대한 감응 특성을 연구하기 위하여 나노 ZnO와 탄소나노튜브를 ball-mill을 통해 혼합한 후, 나노 ZnO: CNT 가스센서를 후막공정으로 제작하였다. 나노 ZnO: CNT의 입자크기와 CNT의 농도 변화에 따른 H₂S 가스의 가스감응 특성을 연구하였다.
본 연구에서는 구형 나노 ZnO를 이용하여 H₂S 가스에 대한 감응 특성을 연구하기 위하여 나노 ZnO와 탄소나노튜브를 ball-mill을 통해 혼합한 후, 나노 ZnO: CNT 가스센서를 후막공정으로 제작하였다. 나노 ZnO: CNT의 입자크기와 CNT의 농도 변화에 따른 H₂S 가스의 가스감응 특성을 연구하였다.

제안 방법

나노 ZnO:CNT의 결정구조 및 형태는 X선 회절기(Xray diffraction, XRD RIGAKU 社)와 전계방출형 주사 전자현미경(Feild Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)을 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

나노 ZnO 분말은 ZnCl₂(Kanto Chemical, 98 %, Japan), N₂H₄(Aldrich, N₂H₄ 80 % solution)과 NaOH(Dusan, NaOH 50 % solution) 을 사용하여 수열합성법으로 제조하였다. [ZnCl₂] : [N₂H₄] : [NaOH]의 무게 비는 1:2:2 비율로 하였다.
나노 ZnO:CNT 후막센서의 제작은 전극이 형성된 알루미나 기판위에 나노 ZnO:CNT 분말과 유기 바인더를 1:6 비율로 혼합한 paste를 슬러리 상태로 만든 후, 스크린 프린팅하여 110 ℃에서 12시간 건조 한 후, 150 ℃에서 30분 동안 열처리 하여 제조하였다.

이론/모형

나노 ZnO:CNT를 이용한 후막 가스센서는 ball-mill법으로 준비한 후, 알루미나 기판위에 후막공정으로 센서를 제작하였다. XRD 결과, 나노 ZnO:CNT는 CNT의 농도와 상관없이 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO상이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.

성능/효과

현재, 가스 센서는 사용 목적과 감지 대상에 따라 다양한 종류가 개발되고 있다.¹⁾여러 방식 중 금속 산화물 반도체 센서는 기체 성분이 금속 산화물 표면에 흡착하여 화학반응을 일으킴으로써 전기저항이 변화하는 원리를 이용하며, 다른 가스 센서에 비해 감도, 응답속도, 장기 안정성, 경제성 등 가스 감지 특성이 우수하다. 금속 산화물 센서 물질으로 열적, 화학적으로 안정한 ZnO, WO₃, SnO₂, TiO₂ 등이 많이 연구되고 있다.
그러나 CNT를 6 wt% 이상 첨가한 시료는 서로 응집되면서 비표면적이 감소하는 모습을 보였다. SEM 사진을 확대하여 관찰한 결과, 나노 ZnO 크기는 약 210 nm로 관찰되었다. Fig.
4는 ball-mill법으로 제조된 CNT의 농도변화에 따른 나노 ZnO:CNT의 형상을 EDS와 FE-SEM을 통해 관찰한 이미지이다. SEM 측정 결과, CNT의 농도가 6 wt% 일 때 입자들 사이에 다공성이 관찰되었다. 이 같은 결과는 가스 주입 시 가스의 이동이 용이 할 것으로 예상하였다.
XRD 결과, 나노 ZnO:CNT는 CNT의 농도와 상관없이 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO상이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. SEM 측정결과, 촉매 CNT의 농도가 증가함에 따라 입자들은 서로 응집되는 것을 확인할 수 있었고, 나노 ZnO의 크기는 약 210 nm로 관찰되었다. 나노 ZnO:CNT 후막 가스센서의 H₂S 가스에 대한 가스측정 결과, CNT를 6 wt% 첨가했을 때 가스센서의 감도는 12.
나노 ZnO:CNT를 이용한 후막 가스센서는 ball-mill법으로 준비한 후, 알루미나 기판위에 후막공정으로 센서를 제작하였다. XRD 결과, 나노 ZnO:CNT는 CNT의 농도와 상관없이 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO상이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. SEM 측정결과, 촉매 CNT의 농도가 증가함에 따라 입자들은 서로 응집되는 것을 확인할 수 있었고, 나노 ZnO의 크기는 약 210 nm로 관찰되었다.
그림에서와 같이 ZnO:CNT 센서의 감도는 CNT의 농도가 증가함에 따라 향상되는 것을 확인할 수 있었고, CNT의 농도가 6 wt% 일 때 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 앞서 SEM의 결과에서 CNT의 농도가 6 wt%일 경우 입자들 사이에 다공성이 있는 것을 확인하였다.
SEM 측정결과, 촉매 CNT의 농도가 증가함에 따라 입자들은 서로 응집되는 것을 확인할 수 있었고, 나노 ZnO의 크기는 약 210 nm로 관찰되었다. 나노 ZnO:CNT 후막 가스센서의 H₂S 가스에 대한 가스측정 결과, CNT를 6 wt% 첨가했을 때 가스센서의 감도는 12.2로 우수한 감응특성을 보였다.
4(g)는 CNT가 6 wt% 첨가된 ZnO:CNT의 EDS Spectrum 결과를 나타낸 것이다. 분석 결과, 나노 ZnO:CNT는 Zn, C, O로 구성되어 있었고, 다른 불순물이 첨가되지 않은 것을 확인할 수 있었다.
이는 앞서 SEM의 결과에서 CNT의 농도가 6 wt%일 경우 입자들 사이에 다공성이 있는 것을 확인하였다. 이 같은 결과로부터 감도의 증가는 CNT 촉매 첨가로 인해 구형 ZnO 감지물질의 비표면적이 증가하여 감도가 향상 된 것으로 생각된다. 그러나 CNT의 농도가 6 wt%이상일 경우, 오히려 ZnO:CNT의 감도가 감소하는 것을 관찰 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 소재가 무슨 장점이 있어서 가스 센서에 응용되고 있는가?	나노 소재는 고집적도와 고감도, 고선택성의 장점을 가지고 간단한 구조로 소자 구현이 가능하며 특히, 비표면적이 크므로 작은 감지 면적으로도 고감도 특성이 기대되어 가스 센서 응용 부분에 대해 많은 연구가 진행 되고 있다.6-7) 현재 보고된 나노 ZnO계 후막 가스 센서의 반응 시간 및 회복 시간은 각각 약 10초 ~ 30초 정도로 SnO2계 가스 센서와 비슷한 결과를 나타낸다.
	금속 산화물 반도체 센서의 장점은?	현재, 가스 센서는 사용 목적과 감지 대상에 따라 다양한 종류가 개발되고 있다.1)여러 방식 중 금속 산화물 반도체 센서는 기체 성분이 금속 산화물 표면에 흡착하여 화학반응을 일으킴으로써 전기저항이 변화하는 원리를 이용하며, 다른 가스 센서에 비해 감도, 응답속도, 장기 안정성, 경제성 등 가스 감지 특성이 우수하다. 금속 산화물 센서 물질으로 열적, 화학적으로 안정한 ZnO, WO3, SnO2, TiO2 등이 많이 연구되고 있다.
	금속 산화물 반도체 가스센서는 무슨 원리를 이용하는가?	현재, 가스 센서는 사용 목적과 감지 대상에 따라 다양한 종류가 개발되고 있다.1)여러 방식 중 금속 산화물 반도체 센서는 기체 성분이 금속 산화물 표면에 흡착하여 화학반응을 일으킴으로써 전기저항이 변화하는 원리를 이용하며, 다른 가스 센서에 비해 감도, 응답속도, 장기 안정성, 경제성 등 가스 감지 특성이 우수하다. 금속 산화물 센서 물질으로 열적, 화학적으로 안정한 ZnO, WO3, SnO2, TiO2 등이 많이 연구되고 있다.

참고문헌 (9)

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