[논문]MWCNT/ZnO 복합체 필름을 이용한 가스센서의 NOx가스 검출 특성 분석

김현수; 이원재; 박용서; 장경욱

doi:10.4313/jkem.2016.29.5.312

MWCNT/ZnO 복합체 필름을 이용한 가스센서의 NOx가스 검출 특성 분석
The Analysis of NOx Gas Detection Characteristics for the Gas Sensor Using the MWCNT/ZnO Composites Film 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.5, 2016년, pp.312 - 316

김현수 (가천대학교 전기공학과) , 이원재 (가천대학교 전자공학과) , 박용서 (가천대학교 전기공학과) , 장경욱 (가천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricated $NO_x$ gas sensor by using multi-walled carbon nanotubes(MWCNT)/zinc oxide(ZnO) composite film. Carbon nanotubes (CNTs) have good electronic, chemical-stability, and sensitivity characteristics. And zinc oxide (ZnO) is a wide band gap and large exciton binding energy semiconductor. In particular, gas sensors require characteristics such as high speed, sensitivity, and selectivity. The fabricated gas sensor was used to detect $NO_x$ gas for different values of the $NO_x$ gas concentrations. The gas sensor that absorbed$NO_x$ gas molecules showed a increasing in resistance. The sensitivity of the gas sensor was increased by increasing the gas concentrations. Additionally, while changing the temperature inside the chamber for the MWCNT/ZnO composite film gas sensor, we obtained the sensitivity. And the comparison analysis to ZnO film gas sensor for detecting $NO_x$ gas. From the experiment result, we confirmed improvement of $NO_x$ gas detection characteristics using the MWCNT/ZnO composite film.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이에 따라 본 연구에서는 우수한 전도 특성과 화학적 안정성을 지녔으며 소형화 및 대량생산이 가능한 카본 나노 튜브 (carbon nanotubes, CNT)를 열적 화학 기상 성장 법 (thermal chemical vapor deposition)을 통해 제조된, MWCNT (multi-walled carbon nanotube)와 산화아연 (zinc oxide, ZnO)을 이용하여 MWCNT/ZnO 복합체 필름을 제작하였으며, 상온 및 온도 변화에 따른 NO_X 가스 검출 특성을 산화아연 가스센서와 비교 분석하였다. 또한, 챔버 내 NO_X 가스 농도에 따른 가스센서의 검출 특성을 실험하였다 [7-15].

제안 방법

화학적으로 안정되고, 높은 전기 전도성을 갖는 다중 벽 탄소 나노 튜브와 높은 밴드 갭 에너지를 지닌 산화아연을 이용하여 MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스센서를 제작하였으며, 제작된 박막에 대해서 미세구조, 전기적 특성 및 ZnO 필름 가스센서와의 NO_X 가스 검출을 통해 비교 분석을 하였다. NO_X 가스 농도별 주입 시 분석된 민감도를 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 실험에서는 Thermal CVD 법에 의해 제조된 MWCNT 분말을 사용하였으며, 4[㎎]의 MWCNT 분말과 20[㎖]의 에탄올 용제를 혼합하여 분산체를 제작하였다. 제작된 분산체를 2[㎏f/㎠]의 압력으로 스프레이 기법을 이용하여 유리 기판 위에 성막을 하였으며, 스프레이 된 MWCNT막이 구조적으로 안정되도록 150℃의 핫플레이트 위에서 열처리하였다 [16].

성능/효과

기존의 ZnO 가스센서의 단점인 상온에서의 가스 검출 특성을 MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스센서를 통해 검출하였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 서로 다른 타입의 반도체 층을 접촉하여 각 층의 다수 캐리어 농도를 증가시켜 기존의 ZnO 필름의 가스센서보다 높은 민감도를 얻을 수 있었다. 특히, NO_X 가스의 농도가 낮을 경우 보다 높은 민감도 특성을 보이고 있기 때문에 자동차 배기관, 공장 굴뚝에서 내뿜는 NO_X 가스를 초기에 검출이 가능할 것으로 기대된다.
이처럼 MWCNT/ZnO 복합체 필름을 이용한 가스센서는 기존의 반도체식 가스센서의 한계인 상온에서의 가스 검출 및 저농도에서의 가스 검출을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이는 앞서 언급한 바와 같이 서로 다른 타입의 반도체 층을 접촉하여 각 층의 다수 캐리어 농도를 증가시켜 기존의 ZnO 필름의 가스센서보다 높은 민감도를 얻을 수 있었다. 특히, NO_X 가스의 농도가 낮을 경우 보다 높은 민감도 특성을 보이고 있기 때문에 자동차 배기관, 공장 굴뚝에서 내뿜는 NO_X 가스를 초기에 검출이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속산화물 가스센서에서 요구되는 점은?	기존의 가스센서는 금속산화물 (metal oxide)을 이용한 반도체식 가스센서를 많이 사용해 왔지만, 금속산화물 가스센서는 오염 가스를 감지하기 위해서 고 농도의 오염 가스를 요구하며, 높은 온도 (약 200℃)에서 유해 가스 감지가 이루어지기 때문에 높은 소비전력을 요구한다. 이에 따라 다수의 연구진들로부터 상온에서의 오염 가스 감지 및 저농도에서의 환경에서도 오염가스를 감지할 수 있는 가스센서를 제작하기 위한 많은 관심과 연구개발이 이루어지고 있다 [2-6].
	MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스센서가 민감도가 뛰어난 이유는?	MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스센서의 가스 민감도는 ZnO 필름 가스 센서의 민감도보다 뛰어난 걸 확인할 수 있었다. 그 이유는 복합체 필름들의 다수 캐리어 농도의 영향이 커진 것으로 판단된다. 즉, n형 반도체인 ZnO 층의 다수 캐리어인 전자와 p형 반도체인 MWCNT 층의 다수 캐리어인 정공의 농도가 증가가 되어 소수 캐리어들은 서로 다른 반도체 층으로 확산이 되어 n, p형 반도체들의 다수 캐리어농도의 증가가 상온에서의 NOX 가스 검출 특성을 높인 것으로 판단 된다. 그림 4(a)는 MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스센서의 온도 변화에 따른 민감도를 보이고 있으며, (b)는 세 개의 온도 조건 중 민감도가 높은 60℃를 기준으로 NOX 가스 농도 변화에 따른 저항을 나타내었다.
	질소산화물의 문제점은?	오늘날 자동차, 항공기, 선박 등 교통산업의 발전됨에 따라 일상생활에서 많은 편의를 누릴 수 있게 되었지만, 이에 따라 배출되는 질소산화물 (NOX), 이산화탄소 (CO2), 휘발성 유기화합물 (VOC) 등 대기오염 물질의 발생 증가로 인한 지구 온난화, 인간의 건강에 끼치는 악영향 등은 인간이 해결해야 할 문제로 남아있다. 특히, 질소와 산소의 결합물인 질소산화물은 연소과정에서 공기 중의 질소가 고온 (1,300℃ 이상)으로 산화되어 발생하는데, 이는 인간이 호흡을 통해 질소산화물을 흡입하게 되면 호흡곤란, 두통 등의 다양한 질병을 유발할 수 있으며, 대기 환경에서는 산성비의 원인이 될 뿐 아니라 태양광선과 반응하여 오존을 생성하게 되어 대기오염을 발생시킨다.

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