선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 수열합성법(Hydrothermal method)과 하이드라진법으로 로드 형상과 구형의 나노 ZnO 분말을 제조하여 입자사이즈와 입형 그리고 촉매 Co 첨가에 따른 CH4와 CH3CH2CH3 탄화수소계 가스에 대한 반응 및 감도 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 센서는 제작된 기판에 두 가지 ZnO분말과 유기 바인더를 6:4 비율로 혼합한 paste를 스크린 프린트 하여 제작하였다. 결정구조 및 형태는 X선 회절기(X-ray diffraction, XRD RIGAKU 社) 와 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Gun Scanning Electron Microscope System, FE-SEM)을 사용하여 측정하였다.
- 센서 저항은 1000 MΩ 의 가변저항(R1)을 센서와 직렬로 연결하여 구하였다.
- 2 mm로 패턴된 전극 마스크로 노광하여 세척 한 후, 550oC에서 8시간 열처리하여 제작하였다. 센서는 제작된 기판에 두 가지 ZnO분말과 유기 바인더를 6:4 비율로 혼합한 paste를 스크린 프린트 하여 제작하였다. 결정구조 및 형태는 X선 회절기(X-ray diffraction, XRD RIGAKU 社) 와 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Gun Scanning Electron Microscope System, FE-SEM)을 사용하여 측정하였다.
- 초기 60분 동안은 챔버에 가스를 주입하지 않았으며, 60초 후 가스를 주입하였다. 이러한 과정을 3회 반복하여 측정하였다.
- 은 전위차이다. 측정은 Mass Flow Controller(MFC)를 이용하여 가스의 농도를 5 ppm으로 고정하고 상온에서 캐리어 가스로 질소를 사용하였으며, 감도는 아래의 식을 이용하여 얻었다.
대상 데이터
- 그리고 입자 사이즈와 나노 형상 변화에 따른 감도특성 비교를 위하여 하이드라진법으로 구형의 나노 ZnO를 제조하였다. 구형 나노 ZnO는 ZnCl2(Kanto Chemical, 98 %, Japan), Hydrazine(Aldrich, N2H4 80 % solution), NaOH(Dusan, NaOh 50% solution)을 이용하여 [ZnCl2]:[N2H4]:[NaOH]의 무게비를 1:1:1로 하여 제조하였다. 나노 ZnO:Co 분말은 위의 실험과 동일하게 하였으며, 제조된 나노 ZnO:Co는 증류수와 에탄올로 3회 세척한 후, 60oC에서 24h 동안 건조하여 분말을 얻고, 이를 600oC에서 열처리하여 감지물질을 제조 하였다.
- 구형 나노 ZnO는 ZnCl2(Kanto Chemical, 98 %, Japan), Hydrazine(Aldrich, N2H4 80 % solution), NaOH(Dusan, NaOh 50% solution)을 이용하여 [ZnCl2]:[N2H4]:[NaOH]의 무게비를 1:1:1로 하여 제조하였다. 나노 ZnO:Co 분말은 위의 실험과 동일하게 하였으며, 제조된 나노 ZnO:Co는 증류수와 에탄올로 3회 세척한 후, 60oC에서 24h 동안 건조하여 분말을 얻고, 이를 600oC에서 열처리하여 감지물질을 제조 하였다.
- 센서 소자용 기판은 15 mm × 15 mm × 0.1 mm의 알루미나를 사용하였다.
- 수열합성법과 하이드라진법으로 나노 크기의 로드 형상과 구형의 ZnO 분말을 제조하였다. Co 농도변화에 따른 XRD 패턴 결과, Co 농도변화에 상관없이 ZnO의(100) (002) (101) 면 방향의 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO 상이 나타나는 것을 관찰 할 수 있었으며, 하이드라진법으로 제조한 나노분말 또한 동일한 결과를 관찰할 수 있었다.
- 1 mm의 알루미나를 사용하였다. 전극은 Pt와 Ag를 혼합하여 알루미나 기판 윗면에 전극 paste를 스크린 프린팅한 후, 80oC에서 3시간 동안 건조하여 준비 하였다. 기판위의 전극 간격은 0.
이론/모형
- 이렇게 제조된 분말은 80oC에서 8시간 동안 오븐에서 건조 한 후, 150oC에서 열처리 하여 나노로드 ZnO:Co 분말을 얻었다. 그리고 입자 사이즈와 나노 형상 변화에 따른 감도특성 비교를 위하여 하이드라진법으로 구형의 나노 ZnO를 제조하였다. 구형 나노 ZnO는 ZnCl2(Kanto Chemical, 98 %, Japan), Hydrazine(Aldrich, N2H4 80 % solution), NaOH(Dusan, NaOh 50% solution)을 이용하여 [ZnCl2]:[N2H4]:[NaOH]의 무게비를 1:1:1로 하여 제조하였다.
성능/효과
- 가스센서의 감도는 입자크기와 관련되어 있다고 보고되어 있다.6) 그러므로 구형 나노 ZnO 센서의 감도 증가는 제조방법에 따른 입자 크기의 변화 때문에 가스와 반응할 수 있는 비표면적이 증가하여 감도가 증가한 것으로 판단하였다. 이 같은 결과로 하이드라진법으로 제조된 구형 나노 ZnO 센서는 수열합성법으로 제조된 나노로드 ZnO 센서보다 약 6배 이상 감도가 큰 것을 확인 할 수 있었다.
- 9와 10은 하이드라진법으로 제조된 6 wt% Co가 첨가된 구형 ZnO 가스센서의 CH4과 CH3CH2CH3 가스 5 ppm 에 대한 반응 및 회복특성을 나타낸 것이다. CH4 가스 주입 후 반응시간은 10초, 회복시간은 8초 였으며, CH3CH2CH3 가스 주입 후 반응시간은 8초, 회복시간은 7초 나타났다. 구형나노 ZnO:Co 센서는 나노로드 ZnO:Co 센서 보다 반응 및 회복시간이 약 2배 이상 짧아 빠르게 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
- CH4과 CH3CH2CH3 가스에 대한 두 센서의 감도 비교결과, 수열합성법으로 제조된 나노로드 ZnO 센서의 감도는 각각 16.2, 15.8 로 나타났다. 그리고 하이드라진법으로 제조된 구형 나노 ZnO 센서의 감도는 각각 110.
- 수열합성법과 하이드라진법으로 나노 크기의 로드 형상과 구형의 ZnO 분말을 제조하였다. Co 농도변화에 따른 XRD 패턴 결과, Co 농도변화에 상관없이 ZnO의(100) (002) (101) 면 방향의 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO 상이 나타나는 것을 관찰 할 수 있었으며, 하이드라진법으로 제조한 나노분말 또한 동일한 결과를 관찰할 수 있었다. 가스 측정결과, 구형나노 ZnO:Co 가스센서는 나노로드 ZnO:Co 보다 짧은 반응 및 회복시간과 큰 감도 특성이 있어 우수한 센서 소재인 것을 확인 하였다.
- Co 농도변화에 따른 XRD 패턴 결과, Co 농도변화에 상관없이 ZnO의(100) (002) (101) 면 방향의 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO 상이 나타나는 것을 관찰 할 수 있었으며, 하이드라진법으로 제조한 나노분말 또한 동일한 결과를 관찰할 수 있었다. 가스 측정결과, 구형나노 ZnO:Co 가스센서는 나노로드 ZnO:Co 보다 짧은 반응 및 회복시간과 큰 감도 특성이 있어 우수한 센서 소재인 것을 확인 하였다.
- CH4 가스 주입 후 반응시간은 10초, 회복시간은 8초 였으며, CH3CH2CH3 가스 주입 후 반응시간은 8초, 회복시간은 7초 나타났다. 구형나노 ZnO:Co 센서는 나노로드 ZnO:Co 센서 보다 반응 및 회복시간이 약 2배 이상 짧아 빠르게 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
- 8 로 나타났다. 그리고 하이드라진법으로 제조된 구형 나노 ZnO 센서의 감도는 각각 110.2, 77.3 로 나노로드 ZnO 센서보다 전체적으로 높아진 감도 특성을 보였다. 가스센서의 감도는 입자크기와 관련되어 있다고 보고되어 있다.
- 그림에서와 같이 나노로드와 구형 ZnO는 JCPDS 카드(JCPDS No. 89-1397, 89-0511, 89-0510)와 잘 일치하고 있으며, Co의 농도변화에 상관없이 ZnO의 (100) (002) (101) 면 방향의 피크는 기존의 연구 결과와 동일한 육방정계 wurtzite 구조의 ZnO 상이 나타나는 것을 관찰 할 수 있었으며, 하이드라진법으로 제조한 나노분말 또한 동일한 결과를 관찰 할 수 있었다.
- 6) 그러므로 구형 나노 ZnO 센서의 감도 증가는 제조방법에 따른 입자 크기의 변화 때문에 가스와 반응할 수 있는 비표면적이 증가하여 감도가 증가한 것으로 판단하였다. 이 같은 결과로 하이드라진법으로 제조된 구형 나노 ZnO 센서는 수열합성법으로 제조된 나노로드 ZnO 센서보다 약 6배 이상 감도가 큰 것을 확인 할 수 있었다.
- 이 결과로 부터 CH3CH2CH3 가스는 CH4 가스보다 응답 및 회복시간이 더 짧은 것을 확인할 수 있었다.
- 4는 Co 농도변화에 따른 수열합성법으로 제조된 나노로드 ZnO와 하이드라진법으로 제조된 구형 나노 ZnO의 FE-SEM 결과를 나타낸 것이다. 측정 결과, Fig. 4(a)에서와 같이 Co를 첨가하지 않은 나노로드 ZnO는 입자의 지름과 길이가 약 600 nm와 3500 nm로 관찰되었으며, 입자표면이 깨끗한 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 Co 농도가 증가함에 따라 Co 입자들이 ZnO 나노로드 입자 표면을 감싸고 있는 모습을 확인 할 수 있었다.
- 측정결과, 가스 주입 후 반응시간은 16초, 회복시간은 18초로 나타났다.
후속연구
- 향후, 구형나노 ZnO:Co 가스 센서의 재현성에 대한 연구와 고 감도 가스 센서로의 촉매와 제조공정에 관한 연구가 좀 더 진행된다면 본 연구 결과는 상온에서도 동작 가능한 저비용 고감고 가스 센서의 제작에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.