[논문]SnO2 나노섬유를 이용한 고신뢰성 후막 가스센서 설계

정진욱; 박상진; 정인봉; 김보영; 이종흔

doi:10.5369/jsst.2016.25.4.271

SnO2 나노섬유를 이용한 고신뢰성 후막 가스센서 설계
Design of Highly Reliable Thick Film Gas Sensor Using SnO2 Nanofibers 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.25 no.4, 2016년, pp.271 - 274

정진욱 (고려대학교 공과대학 신소재공학부) , 박상진 (고려대학교 공과대학 신소재공학부) , 정인봉 (고려대학교 공과대학 신소재공학부) , 김보영 (고려대학교 공과대학 신소재공학부) , 이종흔 (고려대학교 공과대학 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The reliability and reproducibility of gas sensors are very important for real applications. The influence of nanofiber length and sensing film thickness on the reliability and response of gas sensing characteristics was investigated. For this, the length of $SnO_2$ nanofibers was controlled by tuning ultrasonic treatment and the different thicknesses of sensing films were prepared by manipulating the amount of slurry deposition. The sensor prepared from long nanofibers (length: ${\sim}3.6{\mu}m$) showed the significant fluctuation of gas sensing characteristics when the film becomes thinner than $18{\mu}m$, while that prepared from short nanofibers (length: ${\sim}0.9{\mu}m$) showed reproducible sensor response and resistance regardless of film thickness. Moreover, the shortening of nanofibers enhanced the gas response ~2 times, which can be explained by the increase of chemiresistive fiber-to-fiber contacts. The reproducibility, gas response, and selectivity of $SnO_2$ nanofiber gas sensor could be controlled by tuning nanofiber length, film thickness, and catalyst loading.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

그러나, 전기방사로 감응소재의 나노섬유를 합성할 경우 불규칙한 모양으로 나노섬유가 엉켜있는 경우가 대부분이므로 센서로 제작될 경우 감응막의 두께, 기공도 등의 재현성을 확보하기 어려운 문제가 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 전기방사로 합성한 SnO₂ 나노섬유를 이용하여 신뢰성 있는 가스센서를 제조하기 위한 방법을 체계적으로 연구했다. 하소에 의해 만들어진 SnO₂ 나노섬유를 용매에 분산한 후 초음파를 인가하여 나노섬유 길이를 조절하고, 나노섬유가 분산된 슬러리를 코팅하는 조건을 변화시켜 감응박막의 두께를 조절하여 나노섬유의 길이, 감응막의 두께가 가스센서의 저항, 감도 및 감응특성의 신뢰성에 미치는 영향을 연구했다.

제안 방법

하소에 의해 만들어진 SnO₂ 나노섬유를 용매에 분산한 후 초음파를 인가하여 나노섬유 길이를 조절하고, 나노섬유가 분산된 슬러리를 코팅하는 조건을 변화시켜 감응박막의 두께를 조절하여 나노섬유의 길이, 감응막의 두께가 가스센서의 저항, 감도 및 감응특성의 신뢰성에 미치는 영향을 연구했다. 또한, 상기 방법에 의해 최적화된 센서에 촉매를 첨가하여 가스 감도 및 선택성의 조절 가능성에 대해서도 같이 연구했다.
본 연구에서는 순수한 SnO₂의 나노섬유 길이와 센서의 도포 두께를 조절하여 공기 분위기에서의 기저저항을 비교하였으며 S-NF로 10회 도포한 센서를 신뢰할 수 있는 최적 조건으로 선정하였다. 최적 조건에서 순수한 SnO₂와 2 at% Pt를 첨가한 SnO₂ 센서를 제작한 후 300℃에서 5 ppm의 에탄올(C₂H₅OH), 수소(H₂), 트리메틸아민(TMA), 암모니아(NH₃), 자일렌(p-xylene), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 포름알데하이드(HCHO), 일산화탄소(CO)가스에 대한 감도를 측정했다(Fig.
따라서, 본 연구에서는 전기방사로 합성한 SnO₂ 나노섬유를 이용하여 신뢰성 있는 가스센서를 제조하기 위한 방법을 체계적으로 연구했다. 하소에 의해 만들어진 SnO₂ 나노섬유를 용매에 분산한 후 초음파를 인가하여 나노섬유 길이를 조절하고, 나노섬유가 분산된 슬러리를 코팅하는 조건을 변화시켜 감응박막의 두께를 조절하여 나노섬유의 길이, 감응막의 두께가 가스센서의 저항, 감도 및 감응특성의 신뢰성에 미치는 영향을 연구했다. 또한, 상기 방법에 의해 최적화된 센서에 촉매를 첨가하여 가스 감도 및 선택성의 조절 가능성에 대해서도 같이 연구했다.

대상 데이터

SnO₂ 나노섬유를 합성하기 위해 DMF(N,N-Dimethylformamide, 8.5 g, 99.5%, Samchun Co., Ltd., USA)와 에탄올(C₂H₅OH, 8.5 g, 99.9%, Baker Chemical Co., Ltd., USA)의 용액에 Tin chloride (SnCl₂, 1 g, Sigma-Aldrich Co., Ltd., USA)를 용해시킨 후 PVP(Polyvinylpyrrolidone, MW≥1,300,000, 2.3 g, 99.5%, Sigma-Aldrich Co., Ltd., USA)를 첨가하여 24시간 교반했다. 제작된 용액을 25-gauge needle을 이용하여 0.

성능/효과

이는 감응막 내 나노섬유의 균일한 분포가 재현성 있는 센서 설계에 매우 중요함을 의미한다. 또, 나노섬유의 길이를 감소시킬 경우 감응에 중요한 역할을 수행하는 나노섬유간 접촉점이 증가하여 가스 감도를 증가시킬 수 있음을 확인했다. 나노섬유를 이용해 제작한 센서의 최적 조건에서 순수한 SnO₂와 Pt-첨가 SnO₂의 센서를 비교하였고, Pt의 첨가가 p-xylene과 toluene 가스의 감도 증가 및 선택성을 향상시키는 것을 확인했다.
나노섬유를 전기방사법을 이용해 합성한 후, 나노섬유의 길이와 센서 감응막의 두께를 조절하여 신뢰성있는 센서를 설계하는 주요인자를 고찰했다. 초음파 처리를 통해 만들어진 짧은 길이(0.9 μm)의 나노섬유(S-NF)를 이용할 경우 감응막의 두께에 관계없이 센서특성의 신뢰성이 우수한 반면, 상대적으로 긴 길이(3.6 μm)의 나노섬유는 감응막의 두께가 얇아질 경우 센서의 저항 및 감도의 편차가 커졌다. 이는 감응막 내 나노섬유의 균일한 분포가 재현성 있는 센서 설계에 매우 중요함을 의미한다.

후속연구

나노섬유를 이용해 제작한 센서의 최적 조건에서 순수한 SnO₂와 Pt-첨가 SnO₂의 센서를 비교하였고, Pt의 첨가가 p-xylene과 toluene 가스의 감도 증가 및 선택성을 향상시키는 것을 확인했다. 따라서, 나노섬유의 길이, 감응막의 두께, 촉매의 첨가 등을 통해서 높은 감도, 우수한 선택성, 재현성 있는 다양한 가스 센서의 설계가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	L-NF를 1회, 4회 도포한 센서에서 센서 저항 차이가 100배까지 발생한 이유는 무엇인가?	3a). 이는 L-NF가 센서에 도포될 때 나노섬유의 분포 및 나노섬유 간 접촉이 균일하지 않아, 센서별로 나노섬유를 통한 전도가 크게 달라지기 때문으로 해석된다. 이와 같이 센서 저항이 큰 차이를 나타낼 경우 재현성있게 센서를 제조하는 것이 불가능 하고, 센서간의 감도를 비교하는 것이 어려울 것으로 판단된다.
	전기방사법이란 무엇인가?	1 차원 나노 구조는 물리, 화학적으로 우수한 특성을 나타내어 많은 관심을 끌고 있다[1]. 전기방사법은 고분자 내에 금속 전구체를 포함시켜 방사하고 이를 후열처리하여 원하는 금속 및 금속산화물을 제조하는 기술로 다결정 나노 섬유를 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다[2]. 나노섬유 소재는 비표면적이 크고, 이온, 광, 가스 등과의 표면반응성이 우수하여 Li-ion 배터리[3,4], 광촉매[5,6], 트랜지스터[7], 가스센서[8,9]와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다.
	나노섬유 소재의 특징은 무엇인가?	전기방사법은 고분자 내에 금속 전구체를 포함시켜 방사하고 이를 후열처리하여 원하는 금속 및 금속산화물을 제조하는 기술로 다결정 나노 섬유를 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다[2]. 나노섬유 소재는 비표면적이 크고, 이온, 광, 가스 등과의 표면반응성이 우수하여 Li-ion 배터리[3,4], 광촉매[5,6], 트랜지스터[7], 가스센서[8,9]와 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히 가스센서 분야에서는 금속산화물 나노섬유가 3차원적으로 네트워크를 형성하여 높은 비표면적과 기공도를 동시에 나타내므로 빠른 반응/회복특성과 고감도를 동시에 달성할 수 있다.

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