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제안 방법
- 이어서, 일정 간격으로 정렬된 마이크로 입자 패턴을 형성하기 위해 5 μm 직경의 polystyrene(PS) 마이크로 입자를 PDMS (polydimethylsiloxane)를 이용하여 원형 패턴에 밀어 넣는다.
- 본 연구에서는 일정 간격으로 정렬된 ZnO 껍질 위에 ZnO 나노막대를 성장시켜 상호 연결된 성게 구조의 ZnO 나노막대 가스센서를 제작하였다. 성게 구조로 상호 연결된 구조체는 표면적을 극대화 시킬 수 있으며, 일정 간격으로 정렬된 껍질 구조는 나노물질의 고집적 소자 화에 적용 가능하다.
- 전사된 마이크로 입자는 일정 간격으로 배열되어 있으며, 250oC에서 3시간 동안의 열처리 과정을 통해 PS가 제거된 ZnO 껍질을 얻을 수 있다. ZnO 껍질에 ZnO 나노막대를 성장시키면 성게 구조의 상호 연결된 구조체를 형성 할 수 있으며, ZnO 나노막대의 성장은 상호 연결된 구조 형성을 위해 10 mM 농도의 zinc acetate dihydrate/hexamethylenetetramine 용액을 사용하여 가열 블록에서 95oC의 온도로 3시간동안 진행하였다. 마지막으로 SWCNTs 전극을 스프레이 코팅으로 성게 구조 ZnO 구조체 위에 증착하여 가스센서를 제작하였다.
- ZnO 껍질에 ZnO 나노막대를 성장시키면 성게 구조의 상호 연결된 구조체를 형성 할 수 있으며, ZnO 나노막대의 성장은 상호 연결된 구조 형성을 위해 10 mM 농도의 zinc acetate dihydrate/hexamethylenetetramine 용액을 사용하여 가열 블록에서 95oC의 온도로 3시간동안 진행하였다. 마지막으로 SWCNTs 전극을 스프레이 코팅으로 성게 구조 ZnO 구조체 위에 증착하여 가스센서를 제작하였다. 가스센서 제작에 사용된 모든 물질의 표면 특성은 scanning electron microscope(SEM)를 통해 분석하였으며, 가스센서의 검출 특성은 Keithley analyzer를 통해 측정하였다.
- 이렇게 형성된 ZnO 껍질 위에 용액공정으로 ZnO 나노막대를 성장시켜 상호 연결된 성게 구조의 ZnO 나노막대 구조체를 형성한다. 마지막으로 스프레이 코팅 공정을 통해 SWCNTs 전극을 구성하여 가스센서를 제작한다. ZnO 나노막대는 ZnO 껍질에 성장하여 표면적이 극대화되며, 상호 연결된 접합 점은 가스센서의 활성점으로 작용해 센서의 검출 특성을 향상 시킨다.
- 는 각각 가스에 노출되기 전과 후의 가스센서의 저항을 나타낸다. 우선, 온도에 따른 가스센서의 응답 특성을 비교하여 센서 구동 온도의 최적화를 진행하였다. 온도 최적화는 PI 기판과 전극으로 사용한 SWCNTs의 열 안정성을 고려하여 300oC 이하에서 진행되었으며, 응답 특성은 500 ppm의 반응 가스에 500 초 동안 노출된 후의 저항을 측정하여 평가하였다.
- 우선, 온도에 따른 가스센서의 응답 특성을 비교하여 센서 구동 온도의 최적화를 진행하였다. 온도 최적화는 PI 기판과 전극으로 사용한 SWCNTs의 열 안정성을 고려하여 300oC 이하에서 진행되었으며, 응답 특성은 500 ppm의 반응 가스에 500 초 동안 노출된 후의 저항을 측정하여 평가하였다. Fig.
- 따라서 성게 구조 ZnO 나노막대 가스센서의 최적 구동 온도는 270oC이며, 앞으로 진행되는 센서의 특성 평가는 270oC에서 진행되었다. 가스센서의 NO2 가스에 대한 검출 특성을 평가하기 위해 NO2 농도에 따른 검출 특성 분석을 실시하였다. Fig.
- 3에서 NO2 가스에 대한 반응 특성을 확인 할수 있다. 반응 특성은 가스의 농도를 50에서 500 ppm 까지 연속적으로 변화시키면서 측정하였다. Fig.
- 가스센서의 응답 특성 편차는 가스의 농도가 증가할수록 감소하고, NO2 의 농도가 50에서 500 ppm으로 증가함에 따라 28에서 110으로 증가하였다. NO2 가스 노출에 대한 가스 센서의 응답 특성과 함께 상승(rising) 및 감쇠(decay) 시간을 평가 하였다. 상승 시간은 가스센서가 가스와 얼마나 빠르게 반응하는지를 나타내며, 감쇠 시간은 가스가 제거됐을 시 가스센서가 처음의 상태로 되돌아오는 시간을 나타낸다.
- 마지막으로 유연 소자로서 성게 구조 ZnO 나노막대 가스센서의 신뢰성 평가를 실시하였다. 가스센서의 최적 구동 조건인 270oC, 500 ppm의 NO2 가스에 대한 유연 소자의 기계적 굽힘 시험을 5 mm의 곡률반경으로 진행 하였다.
- 마지막으로 유연 소자로서 성게 구조 ZnO 나노막대 가스센서의 신뢰성 평가를 실시하였다. 가스센서의 최적 구동 조건인 270oC, 500 ppm의 NO2 가스에 대한 유연 소자의 기계적 굽힘 시험을 5 mm의 곡률반경으로 진행 하였다. 5 mm의 곡률반경에서 소자에 작용하는 응력은 아래의 식으로 평가된다.
- 본 연구에서는 ZnO 껍질에 ZnO 나노막대를 용액 공정으로 성장시켜 표면적이 극대화된 성게 구조 ZnO 나노막대 가스센서를 제작하였다. 일정 간격으로 정렬된 ZnO 껍질 형성을 위해 PS 마이크로 입자를 PDMS 러빙 기법으로 패터닝한 후 RF sputter를 이용해 ZnO 박막을 증착하였고, PVP 접착층을 이용한 전사와 하소 공정을 통해 일정 간격으로 정렬된 ZnO 껍질 구조를 제작하였다.
- 본 연구에서는 ZnO 껍질에 ZnO 나노막대를 용액 공정으로 성장시켜 표면적이 극대화된 성게 구조 ZnO 나노막대 가스센서를 제작하였다. 일정 간격으로 정렬된 ZnO 껍질 형성을 위해 PS 마이크로 입자를 PDMS 러빙 기법으로 패터닝한 후 RF sputter를 이용해 ZnO 박막을 증착하였고, PVP 접착층을 이용한 전사와 하소 공정을 통해 일정 간격으로 정렬된 ZnO 껍질 구조를 제작하였다. 이러한 구조는 유연 소자에 적용 시 외부 응력을 기판의 빈 공간으로 분산시켜 소자의 기계적 안정성을 확보하게 해준다.
대상 데이터
- 포토리소그래피 공정을 통하여 높이 3 μm, 직경 5 μm의 원형 패턴을 유리 기판 위에 형성한다.
- 한편, 유연 소자에 적용하기 위해 polyvinylphenol (PVP) 접착층이 코팅된 별도의 polyimide(PI) 기판을 준비한다. PVP 용액은 propylene glycol monomethyl ether acetate에 poly(melamine-co-formaldehyde)를 가교제로 하여 10 % 농도로 제작하였다. PI 기판에 PVP를 코팅한후, 80oC의 열판에서 1분 동안 열처리를 진행하여 접착층을 형성한다.
- 유연 소자 제 작에 사용된 PI 기판의 두께는 50 μm이고, 소자를 이루는 PVP, ZnO 껍질, SWCNTs 전극의 두께는 각각 500 nm, 3.3 μm, 100 nm이다.
데이터처리
- 마지막으로 SWCNTs 전극을 스프레이 코팅으로 성게 구조 ZnO 구조체 위에 증착하여 가스센서를 제작하였다. 가스센서 제작에 사용된 모든 물질의 표면 특성은 scanning electron microscope(SEM)를 통해 분석하였으며, 가스센서의 검출 특성은 Keithley analyzer를 통해 측정하였다.
이론/모형
- NO2 흡착 후, ZnO 전 표면에 걸쳐 공핍 영역이 형성된다. 본 연구에서, ZnO 껍질은 결정립계 모델이 적용되며 ZnO 나노막대는 표면 공핍 모델이 적용된다. 이두 모델의 상호보완적 효과로 인해 ZnO 나노막대 가스 센서는 높은 반응 특성을 보이게 된다.
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