[논문]전기방사법으로 합성된 SnO2-Cr2O3 복합나노섬유의 이산화탄소 가스감응 특성

이재형; 김재훈; 김진영; 김상섭

doi:10.5695/jkise.2017.50.4.289

[국내논문] 전기방사법으로 합성된 SnO2-Cr2O3 복합나노섬유의 이산화탄소 가스감응 특성
CO2 Sensing Properties of SnO2-Cr2O3 Composite Nanofibers Via Electrospinning Method 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.50 no.4, 2017년, pp.289 - 295

이재형 (인하대학교 신소재공학과) , 김재훈 (인하대학교 신소재공학과) , 김진영 (인하대학교 신소재공학과) , 김상섭 (인하대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Detection of $CO_2$ gas in both indoor and outdoor atmospheres is now becoming an important issue because of greenhouse effect and climate crisis. In this study, gas sensors based on $SnO_2-Cr_2O_3$ composite nanofibers were fabricated by the electrospinning method to detect $CO_2$ gas. The gas sensors showed a response to ppm level of $CO_2$ gas from room temperature to $200^{\circ}C$ while the highest response was observed at $150^{\circ}C$. The gas response is enhanced by the catalytic property of $Cr_2O_3$. Selective $CO_2$ detection is obtained through the chemical reaction of $Cr_2O_3$ to chromium carbonate. All the results suggest the $SnO_2-Cr_2O_3$ composite material is promising for the use of $CO_2$ gas sensors.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전기방사법을 이용하여 p-n 접합이형성된 SnO₂-Cr₂O₃ 복합나노섬유를 제작하고, CO₂가스에 대한 가스 감응특성을 조사하였다. 전기방사법은 나노재료를 제작하는 다양한 방법 중 상대적으로 저렴하고, 다량의 샘플제작이 용이하다는 점에서 널리 이용되고 있는 방법이다[24,25].

제안 방법

나노섬유의 미세구조는 주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi S-4200)를 이용하여 관찰하였고, 상 구조는 X-ray diffraction(XRD, Phillips X’pert MRD)를 이용해 분석하였다.
CO₂에 선택성을 갖는 가스센서의 제작을 위해, SnO₂-Cr₂O₃ 복합나노섬유를 전기방사법을 이용하여 0.1SnO₂-0.9Cr₂O₃, 0.5SnO₂-0.5Cr₂O₃, 0.9SnO₂-0.1Cr₂O₃ 세 종류의 조성으로 합성하였다. 150°C의 작동온도에서 0.

대상 데이터

첫 번째 공정인 전기방사법을 위해 용액을 다음과 같이 제작하였다. Ethanol(J. T. Baker), N. N. Dimethylformamide (DMF, 99.8 %, Sigma-Aldrich Corp.)과 Poly Vinyl Acetate (PVAc, molar weight of ~850,000)를 4시간동안 용해시켜 폴리머 용액을 형성하였다. 그 후, Tin(II) Chloride Dihydrate(SnCl₂^.
)과 Poly Vinyl Acetate (PVAc, molar weight of ~850,000)를 4시간동안 용해시켜 폴리머 용액을 형성하였다. 그 후, Tin(II) Chloride Dihydrate(SnCl₂^.2H₂O, Sigma-Aldrich Corp.)와 Cr(NO₃)₂^. 9H₂O (99 % Sigma-Aldrich Corp.)를 첨가한 후, 12시간동안 용해시켰다. 시편의 조성은 xSnO₂-(1-x)Cr₂O₃ (x = 0.

성능/효과

1Cr₂O₃ 세 종류의 조성으로 합성하였다. 150°C의 작동온도에서 0.1 SnO₂-0.9Cr₂O₃ 시편에서 감응도가 가장 높게 측정되었고, SnO₂의 함유량과 관계없이 모든 조성의 시편에서 CO₂가서를 흘려주었을 경우 저항이 감소하는 경향을 보였다. 이는 Cr₂O₃ 표면이 CO₂가스와 반응 시 Chromium Carbonate의 형성으로 인해 HAL의 두께가 증가하여 저항이 감소하기 때문으로 추정된다.
이는 Cr₂O₃ 표면이 CO₂가스와 반응 시 Chromium Carbonate의 형성으로 인해 HAL의 두께가 증가하여 저항이 감소하기 때문으로 추정된다. Benzene, CO, Toluene 가스의 감응도가 CO₂의 감응도에 비해 현저히 낮게 측정되어 CO₂가스에 대한 선택적 검출 가능성을 확인하였다. 또한 Cr₂O₃의 양이 증가할 수 록 HAL의 면적이 넓어지면 저항 변화의 폭이 같이 증가하여 CO₂가스에 대한 감응도가 향상되었다.
Benzene, CO, Toluene 가스의 감응도가 CO₂의 감응도에 비해 현저히 낮게 측정되어 CO₂가스에 대한 선택적 검출 가능성을 확인하였다. 또한 Cr₂O₃의 양이 증가할 수 록 HAL의 면적이 넓어지면 저항 변화의 폭이 같이 증가하여 CO₂가스에 대한 감응도가 향상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기방사법의 장점은?	본 연구에서는 전기방사법을 이용하여 p-n 접합이형성된 SnO2-Cr2O3 복합나노섬유를 제작하고, CO2가스에 대한 가스 감응특성을 조사하였다. 전기방사법은 나노재료를 제작하는 다양한 방법 중 상대적으로 저렴하고, 다량의 샘플제작이 용이하다는 점에서 널리 이용되고 있는 방법이다[24,25]. 본 연구에서 합성된 SnO2-Cr2O3 복합나노섬유는 가스와 감응이 가능한 넓은 표면적을 갖는 동시에 기존의 SnO2 나노섬유에 CO2가스에 촉매역할을 하는 Cr2O3가 혼재되어 CO2가스에 대한 감응성 및 선택성이 확인되었다.
	CO2가스란?	CO2가스는 자동차 연료의 연소와 산업현장에서 배출되는 주된 가스 중 하나로 최근에는 지구온난화, 해수면 상승 등 생태계에 가장 큰 영향을 미치는 가스 중 하나로 알려져 있다. 미국 연방 직업안전·보건국은 대기 중 CO2의 농도가 4%를 초과할 경우 일상생활과 생명에 위험한 수치라 지정하였고[1], 이에 따라 CO2가스검출을 위한 고선택성, 빠른 감응속도를 갖는 가스센서의 개발이 널리 진행 중이다[1-4].
	SnO2를 가스센서로 적용시킬 때 재료 성능 향상을 위한 연구가 필수적인 이유는?	그 중 SnO2는 대표적인 n-형 가스센서 재료로서 여러 종류의 가스를 검출할 수 있어 다른 금속산화물 재료보다 월등히 뛰어나 많이 연구가 되고 있다[11-14]. 그러나 센서의 작동온도가 높고, 낮은 가스 선택성, 느린 반응 및 회복속도로 인해 재료의 성능을 향상시킬 수 있는 연구가 필수적이다.

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