[논문]산소 분위기 열처리에 따른 ZnO 나노선의 상온 영역에서의 수소가스 검출 특성 향상

강우승

doi:10.5695/jkise.2017.50.2.125

산소 분위기 열처리에 따른 ZnO 나노선의 상온 영역에서의 수소가스 검출 특성 향상
Enhanced Hydrogen Gas Sensing Properties of ZnO Nanowires Gas Sensor by Heat Treatment under Oxygen Atmosphere 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.50 no.2, 2017년, pp.125 - 130

Abstract ▼ AI-Helper

ZnO nanowires were synthesized and annealed at various temperatures of $500-800^{\circ}C$ in oxygen atmosphere to investigate hydrogen gas sensing properties. The diameter and length of the synthesized ZnO nanowires were approximately 50-100 nm and a few $10s\;{\mu}m$, respectively. $H_2$ gas sensing performance of the ZnO nanowires sensor was measured with electrical resistance changes caused by $H_2$ gas with a concentration of 0.1-2.0%. The response of ZnO nanowires at room temperature to 2.0% $H_2$ gas is found to be two times enhanced by annealing process in $O_2$ atmosphere at $800^{\circ}C$. In the current study, the effect of heat treatment in $O_2$ atmosphere on the gas sensing performance of ZnO nanowires was studied. And the underlying mechanism for the sensing improvement of the ZnO nanowires was also discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

가스 검출의 특성을 상온 영역에서 측정하여 열처리된 ZnO 나노선의 상온에서의 수소 가스 검출 특성을 조사하였다. 또한 이러한 가스 검출 특성이 나타나는 원리에 대하여 연구하였다.
또한, 가스의 검출을 위해 가열을 해야 하는 것으로 알려져 있는데 일반적으로 ZnO를 이용한 수소 가스 검출의 경우는 200-300℃정도의 작업 온도가 요구된다[14]. 본 연구에서는 VLS 법을 통하여 ZnO 나노선을 합성하고 가스 검출 특성을 확인함에 있어, 산소 분위기에서 열처리를 통하여 향상되는 가스 검출 특성을 연구하였다. 가스 검출의 특성을 상온 영역에서 측정하여 열처리된 ZnO 나노선의 상온에서의 수소 가스 검출 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 ZnO 나노선을 VLS 법을 통하여 성장시키고, 이 물질을 바탕으로 산소분위기의 특정 온도에서 열처리를 하여 상온에서의 수소 가스검출 특성을 조사하였다. 이를 위하여 500^oC부터800^oC까지 나노선을 열처리 하였고, 이에 따른 수소 가스 검출 특성을 조사하였으며, 그 결과 열처리에 의해 그 검출 반응 특성이 개선됨을 알 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서는 VLS 법을 통하여 ZnO 나노선을 합성하고 가스 검출 특성을 확인함에 있어, 산소 분위기에서 열처리를 통하여 향상되는 가스 검출 특성을 연구하였다. 가스 검출의 특성을 상온 영역에서 측정하여 열처리된 ZnO 나노선의 상온에서의 수소 가스 검출 특성을 조사하였다. 또한 이러한 가스 검출 특성이 나타나는 원리에 대하여 연구하였다.
0%를 공급하였다. 검출 가스와 회복 가스인 100% 합성 공기가스는 각각 200초와 600초씩 공급하였다.
먼저, 시편의 형상을 파악하기 위하여 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM, Hitach-4200SE) 분석을 하였고, 결정학적 특성을 파악하기 위하여 X-선 회절 (X-ray Diffraction, XRD, Philips X’pert Pro MRD) 분석을, 나노와이어 하나의 형상 및 결정성을 확인하기 위하여 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy, TEM, Jeol-2100F) 분석을 수행하였다.
센서의 반응성은 Ra/Rg로 계산하였는데, 이 때 Ra와 Rg는 각각, 센서에 공기가 공급되었을 때와 센서에 검출 가스가 공급되었을 때의 저항을 의미한다. 실험을 위해 수소가스는 각각 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1.0%, 2.0%를 공급하였다. 검출 가스와 회복 가스인 100% 합성 공기가스는 각각 200초와 600초씩 공급하였다.
가스 검출 장치 내부에 IDE 칩을 장착 후 밀봉하여 외부에 가스가 누출되지 않도록 하였다. 외부와 연결된 전극은 IDE 칩과 연결되었으며, 다른 한 쪽은 소스미터 (Keithleysourcemeter 2601)와 연결하여 전기적 특성을 측정하였다. 이를 통하여 가스의 공급에 따라 변화하는 센서의 저항을 측정하고 이 저항 변화를 통하여 가스의 검출 특성을 파악하였다.
4(a)-(c)는 단순 합성 나노선과 800^oC에서 나노선을 열처리 하였을 때의 수소 가스 검출 특성을 나타낸 그래프이다. 이를 위해 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1.0%, 2.0%의 수소 가스를 각각 200초씩 센서에 차례로 주입하였으며,그 사이에는 회복을 위해 합성 공기가스를 600초씩 센서로 주입하였다. 그 결과 각각의 농도의 수소 가스가 주입되었을 경우, 단순 합성된 ZnO 나노선의 가스 검출 반응 결과는 1.
이를 위해 30 µm 간격을 갖는 interdigital electrode (IDE) 패턴을 제작하였다.
외부와 연결된 전극은 IDE 칩과 연결되었으며, 다른 한 쪽은 소스미터 (Keithleysourcemeter 2601)와 연결하여 전기적 특성을 측정하였다. 이를 통하여 가스의 공급에 따라 변화하는 센서의 저항을 측정하고 이 저항 변화를 통하여 가스의 검출 특성을 파악하였다. 센서의 반응성은 Ra/Rg로 계산하였는데, 이 때 Ra와 Rg는 각각, 센서에 공기가 공급되었을 때와 센서에 검출 가스가 공급되었을 때의 저항을 의미한다.
먼저, 시편의 형상을 파악하기 위하여 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM, Hitach-4200SE) 분석을 하였고, 결정학적 특성을 파악하기 위하여 X-선 회절 (X-ray Diffraction, XRD, Philips X’pert Pro MRD) 분석을, 나노와이어 하나의 형상 및 결정성을 확인하기 위하여 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy, TEM, Jeol-2100F) 분석을 수행하였다. 이후 나노선을 이용하여 가스 검출 특성을 측정하는 실험을 수행하였다. 이를 위해 30 µm 간격을 갖는 interdigital electrode (IDE) 패턴을 제작하였다.
합성된 ZnO 시편을 산소 분위기에서 열처리를 하였다. 먼저 수평 진공로에 합성된 ZnO 나노선 시편을 넣고 밀봉하였다.

이론/모형

ZnO 나노선은 VLS 법을 통하여 합성되었다. 먼저 기판으로 사용될 실리콘 웨이퍼에 3 nm의 Au를 스퍼터링으로 코팅하였다.

성능/효과

이를 위하여 500^oC부터800^oC까지 나노선을 열처리 하였고, 이에 따른 수소 가스 검출 특성을 조사하였으며, 그 결과 열처리에 의해 그 검출 반응 특성이 개선됨을 알 수 있었다. 2.0%의 수소 가스를 공급하였을 때, 단순 합성된 나노선의 경우 검출 반응성이 2.64에 불과하던 것이 800^oC에서 열처리함에 따라 5.53으로 증가하여 약 2배 이상의 성능 개선을 나타내었다. 이는 단순 합성된 나노선에 비해, 열처리된 나노선의 캐리어가 증가하여 산소 이온의 흡착과 탈착에 따른 전자의 이동 양이 증가하였기 때문으로 판단된다.
0%의 수소 가스를 각각 200초씩 센서에 차례로 주입하였으며,그 사이에는 회복을 위해 합성 공기가스를 600초씩 센서로 주입하였다. 그 결과 각각의 농도의 수소 가스가 주입되었을 경우, 단순 합성된 ZnO 나노선의 가스 검출 반응 결과는 1.33, 1.48, 1.7, 2,2.64로 나타났으며, 800^oC로 열처리 한 ZnO 나노선의 경우에는 1.42, 1.72, 2.24, 3.04, 5.53으로 그 결과가 나타났다. 저 농도 수소 가스가 공급되었을 때에는 나노선의 검출 반응 특성은 열처리에 대한 영향성이 대체로 낮게 나타났으나, 수소 가스의 공급 농도가 증가하면 그 특성은 더욱 크게 차이가 남을 확인할 수 있었다.
나노선의 직경은 약 50-100 nm, 길이는 수십 µm 정도로 나타나 합성된 나노선이 매우 높은 종횡비를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
0% 수소 가스의 검출 반응 특성을 조사한 그래프이다. 이 그래프를 분석한 결과, 나노선의 수소 가스 검출 특성은 나노선을 열처리함에 따라, 그리고 그 온도가 증가함에 따라 더욱 개선됨을 알 수 있었다. 나노선의 초기 저항은 나노선이 고온에서 열처리됨에 따라서 더욱 감소함을 알 수 있었는데, 이는 나노선의 열처리 온도가 높아지면 나노선 내의 결함 농도가 증가하기 때문으로 판단할 수 있으며, 이는 나노선의 수소 가스 검출 특성을 높이는 결정적인 요인으로 작용한다고 추정할 수 있다.
이러한 가스 검출 특성의 증가는 Fig. 3(f)에 나타난 결과를 바탕으로 정리할 수 있는데, 나노선의 열처리 온도가 높아짐에 따라 증가된 가스 검출 특성은 열처리 하지 않았을 때 검출 반응성이 2.64에 불과 했었으나, 800^oC에서 열처리 했을 때 5.53으로 증가 하여 약 2배 이상의 성능 개선이 나타났음을 확인할 수 있었다. Fig.
본 연구에서는 ZnO 나노선을 VLS 법을 통하여 성장시키고, 이 물질을 바탕으로 산소분위기의 특정 온도에서 열처리를 하여 상온에서의 수소 가스검출 특성을 조사하였다. 이를 위하여 500^oC부터800^oC까지 나노선을 열처리 하였고, 이에 따른 수소 가스 검출 특성을 조사하였으며, 그 결과 열처리에 의해 그 검출 반응 특성이 개선됨을 알 수 있었다. 2.
53으로 그 결과가 나타났다. 저 농도 수소 가스가 공급되었을 때에는 나노선의 검출 반응 특성은 열처리에 대한 영향성이 대체로 낮게 나타났으나, 수소 가스의 공급 농도가 증가하면 그 특성은 더욱 크게 차이가 남을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노선은 어떤 분야에 적용하기 위해 연구가 진행 중인가?	또한, 한 가닥의 나노선은 매우 높은 결정성을 나타냄과 동시에, 합성 시 성분의 조정이 용이한 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 나노선의 경우는 고휘도 발광다이오드[6], 태양전지[7], 연료 전지의 전극[8], 광센서[9], 바이오센서[10], 그리고 화학 가스 센서[11] 등에 적용을 위한 연구가 진행되고 있다. 나노선의 제조는 vapor-liquid-solid (VLS) 합성법이 개발되어 수많은 물질이 합성되었고, 이에 따른 다양한 종류의 응용 소자의 개발 또한 이루어져 왔다.
	나노선과 나노튜브와 같은 1차원 구조 나노물질의 특성은?	나노선과 나노튜브와 같은 1차원 구조 나노물질은 다른 물질에 비하여 독특한 특성을 갖는 물질로, 이를 활용한 다양한 연구가 진행되어 왔다. 이 물질은 매우 넓은 표면적을 지니고 있으며, 100 nm가 되지 않는 매우 작은 직경을 가지고 있는데 반해, 수 십 µm 이상의 길이를 나타낸다[5]. 또한, 한 가닥의 나노선은 매우 높은 결정성을 나타냄과 동시에, 합성 시 성분의 조정이 용이한 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 나노선의 경우는 고휘도 발광다이오드[6], 태양전지[7], 연료 전지의 전극[8], 광센서[9], 바이오센서[10], 그리고 화학 가스 센서[11] 등에 적용을 위한 연구가 진행되고 있다.
	수소 가스의 특징은?	특히 최근에는 화석 연료를 대체할 차세대 연료로 연구되고 있으며, 연료 전지 및 수소 연료 자동차 등에 적용되어 일상생활에 더욱 깊이 연관되고 있다[1-3]. 그러나 이렇듯 다양한 용도로 사용되는 것에 반하여, 이 물질은 폭발성과 인화성이 매우 강한 물질이기도 하여, 상온 영역에서도 약 5% 이상의 농도가 되면 약간의 스파크에도 폭발할 수 있는 위험한 물질이므로 취급 시 매우 높은 주의가 필요한 물질이다[4]. 그리고 무색, 무취, 무미의 특성을 지니고 있어, 누출이 되더라도 인식하기에 매우 어려운 물질이며, 수소 분자의 분자량이 2에 불과한 매우 가벼운 물질로, 확산이 급격히 일어나는 특징을 갖고 있다. 따라서 이 물질의 사용 시에는 누출에 대비한 장치가 매우 중요하며, 수소 검출을 위한 센서가 마련되어야 한다.

참고문헌 (17)

W. Cheng, Y. Ju, P. Payamyar, D. Primc, J. Rao, C. Willa, D. Koziej, M. Niederberger, Large-area alignment of tungsten oxide nanowires over flat and patterned substrates for room-temperature gas sensing, Angew. Chem. Int. Ed. 54 (2015) 340-344.

상세보기
S. Kim, Y.-I. Lee, Y.-M. Choi, H.-R. Lim, J.-H. Lim, N.V. Myung, Y.-H. Choa, Thermochemical hydrogen sensor based on chalcogenide nanowire arrays, Nanotechnol. 26 (2015) 145503.

상세보기
X. Li, Y. Liu, J.C. Hemmingers, R.M. Penner, Catalytically activated palladium@platinum nanowires for accelerated hydrogen gas detection, ACS Nano 9 (2015) 3215-3225.

상세보기
J. Fang, L. Levchenko, X. Lu, D. Mariotti, K. Ostrikov, Hierarchical bi-dimensional alumina/palladium nanowire nano-architectures for hydrogen detection, storage and controlled release, Int. J. Hydrog. Energ. 18 (2015) 6165-6172.
J. Chen, K. Wang, L. Hartman, W. Zhou, $H_2S$ S Detection by Vertically Aligned CuO Nanowire Array Sensors, J. Phys. Chem. C 112 (2008)16017-16021.

상세보기
C. Pan, L. Dong, G. Zhu, S. Niu, R. Yu, Q. Yang, Y. Liu, Z.L. Wang, High-resolution electroluminescent imaging of pressure distribution using a piezoelectric nanowire LED array, Nat. Photon. 7 (2013) 752-758.

상세보기
E. Garnett, P. Yang, Light trapping in silicon nanowire solar cells, Nano Lett. 10 (2010) 1082-1087.

상세보기
C.W. Xu, H. Wang, P.K. Shen, S.P. Jiang, Highly Ordered Pd Nanowire Arrays as Effective Electrocatalysts for Ethanol Oxidation in Direct Alcohol Fuel Cells, Adv. Mater. 19 (2007) 4256-4259.

상세보기
D.J. Sirbuly, A. Tao, M. Law, R. Fan, P. Yang, Multifunctional Nanowire Evanescent Wave Optical Sensors, Adv. Mater. 19 (2007) 61-66.

상세보기
G.-J. Zhang, Y. Ning, Silicon nanowire biosensor and its applications in disease diagnostics: A review, Anal. Chim. Acta 749 (2012) 1-15.

상세보기
L. Wang, S. Wang, M. Xu, X. Hu, H. Zhang, Y. Wang, W. Huang, A Au-functionalized ZnO nanowire gas sensor for detection of benzene and toluene, Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 17179-17186.

상세보기
J.J. Hassan, M.A. Mahdi, C.W. Chin, H. Abu-Hassan, Z. Hassan, A high-sensitivity room-temperature hydrogen gas sensor based on oblique and vertical ZnO nanorod arrays, Sens. Actuators B 176 (2013) 360-367.

상세보기
B. Mondal, B. Basumatari, J. Das, C. Roychaudhury, H. Saha, N. Mukherjee, $ZnO-SnO_2$ based composite type gas sensor for selective hydrogen sensing, Sens. Actuators B194 (2014) 389-396.

상세보기
Z. Wen, L. Zhu, Z. Zhang, Z. Ye, Fabrication of gas sensor based on mesoporous rhombus-shaped ZnO rod arrays, Sens. Actuators B 208 (2015) 112-121.

상세보기
S. Park, G.-J. Sun, H. Kheel, W.I. Lee, S. Lee, S.-B. Choi, C. Lee, Synergistic effects of codecoration of oxide nanoparticles on the gas sensing performance of $In_2O_3$ nanorods, Sens. Actuators B227 (2016) 591-599.

상세보기
A. Simimol, N.T. Manikandanath, A.A. Anappara, P. Chowdhury, H.C. Barshilia, Tuning of deep level emission in highly oriented electrodeposited ZnO nanorods by post growth annealing treatments, J. Appl. Phys. 116 (2014) 074309.

상세보기
Q. Zhao, X.Y. Xu, X.F. Song, X.Z. Zhang, D.P. Yu, C.P. Li, L. Guo, Enhanced field emission from ZnO nanorods via thermal annealing in oxygen, Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 033102.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증