[논문]상온감지 가능한 탄소나노튜브 방적사 기반의 수소 감지 센서

김재건; 이준엽; 공성호; 정대웅

doi:10.5369/jsst.2018.27.2.132

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We report the development of a room-temperature hydrogen ($H_2$) gas sensor based on carbon nanotubes (CNT) yarn. To detect $H_2$ gas in room temperature, a highly ordered CNT yarn was placed on a substrate from a spin-capable CNT forest, followed by the deposition of a platinu...

We report the development of a room-temperature hydrogen ($H_2$) gas sensor based on carbon nanotubes (CNT) yarn. To detect $H_2$ gas in room temperature, a highly ordered CNT yarn was placed on a substrate from a spin-capable CNT forest, followed by the deposition of a platinum (Pt) layer on surface of the CNT yarn. To examine the effect of the Pt-layer on the response of the CNT sensor, a comparative sensing performance was characterized on both the Pt deposited and non-deposited CNT yarn at room temperature. The Pt-CNT yarn yielded high response, whereas the non-deposited CNT yarn showed negligible response for $H_2$ detection at room temperature. Pt is a reliable and efficient catalyst that can substantially improve the detection of $H_2$ gas by chemical sensitization via a "spillover" effect. It can be efficiently utilized to increase the sensitivity and selectivity as well as to obtain fast response and recovery times.

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문제 정의

따라서 균일하게 정렬 및 분포된 CNT사용은 센서의 응답을 결정하는데 있어 중요한 요소이다. 본 연구에서는 Pt-CNT센서와 CNT 센서 간의 비교를 통해 Pt층의 영향을 실험하였다. 실험 결과는 Pt-CNT센서가 CNT센서보다 빠른 반응 시간을 보이고 상온에서 수소가스에 우수한 민감 특성을 보여 준다.
본 논문에서는 Pt층이 증착된 CNT 기반의 수소 감지 센서를 연구하였다. 전자 빔을 이용한 CNT 방적사 표면에 Pt층을 증착하였고, 이후 유연한 기판으로 옮겨 수소 가스에 대한 반응성을 테스트 하였다.
이는 CNT가 단순 전극이 아니라 전자의 수집기 역할을 하기 때문이다. 특히 본 논문에서는 센서의 구조 및 촉매 메커니즘을 CNT 센서에 대한 Pt-CNT센서의 향상된 응답 특성을 설명하는 것이 제안되었다. 특히, 잘 정렬되고 안정적인 CNT방적사는 수소 가스의 감지 과정에서 전하를 전송하는데 효과적인 것으로 보인다.

제안 방법

실험 결과는 Pt-CNT센서가 CNT센서보다 빠른 반응 시간을 보이고 상온에서 수소가스에 우수한 민감 특성을 보여 준다. 또한 공기 중 수소의 1~15%에 대한 노출 후 발생할 수 있는 감지 메커니즘과 회복 문제의 특성 평가를 추가로 진행하였다.
가스 감지 특성을 평가하기 위해 센서를 상온에서 측정하였다. 분위기 가스와 시험 가스는 100 sccm으로 설정되었으며, H₂ 농도는 (1~15 %) MFC를 통해 제어 되었다.
상용으로 사용 가능한 센서의 성능은 반복 가능하고 신뢰할 수 있어야 한다. Pt-CNT센서의 반복성과 신뢰성을 확인 하기 위해 4%의 수소 농도에서 반복 실험을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 Pt층이 증착된 CNT 기반의 수소 감지 센서를 연구하였다. 전자 빔을 이용한 CNT 방적사 표면에 Pt층을 증착하였고, 이후 유연한 기판으로 옮겨 수소 가스에 대한 반응성을 테스트 하였다. CNT 기반의 수소가스는 일반적으로 상온에서 동작하지 않지만, Pt층의 역할로 상온에서 동작가능한 센서를 제작하였다.
전자 빔을 이용한 CNT 방적사 표면에 Pt층을 증착하였고, 이후 유연한 기판으로 옮겨 수소 가스에 대한 반응성을 테스트 하였다. CNT 기반의 수소가스는 일반적으로 상온에서 동작하지 않지만, Pt층의 역할로 상온에서 동작가능한 센서를 제작하였다. 특히 전도성 매개체로 CNT를 사용함으로써 Pt만 사용 하였을 때 보다 더 높은 출력 특성을 확인하였다.

대상 데이터

5 nm두께의철 (Fe) 박막을전자빔(e-beam)을사용하여 330 µm 두께의 p타입 실리콘 웨이퍼에 증착하였다.
가스챔버는 가스 입·출구 가 있고, air와 H2는 각각 분위기 가스와 시험 가스로 사용되었다.

성능/효과

본 연구에서는 Pt-CNT센서와 CNT 센서 간의 비교를 통해 Pt층의 영향을 실험하였다. 실험 결과는 Pt-CNT센서가 CNT센서보다 빠른 반응 시간을 보이고 상온에서 수소가스에 우수한 민감 특성을 보여 준다. 또한 공기 중 수소의 1~15%에 대한 노출 후 발생할 수 있는 감지 메커니즘과 회복 문제의 특성 평가를 추가로 진행하였다.
특히, 가스 주입 차단 후 처음 저항값으로 돌아가는 복귀도 특성은 CNT기반 센서들의 주요 문제로, 초기 저항 값이 손실되고 가스 흐름이 차단 후, 오랜 시간이 지나도 초기 저항값으로 복귀하지 않는 경우가 있다[13]. 자외선 처리나 온도를 높여 처음 저항값으로 복귀하기 위해 후 처리를 하지만, 본 센서의 경우 가스 주입 차단 후 센서의 저항이 추가적인 처리 없이 초기 값으로 완전히 복귀되는 것이 관찰되었다. 이 결과는 CNT의 Pt계층과 가스 분자 사이의 상호 작용과 관련이 있을 가능성이 있다.
4는 CNT 방적사의 벤딩 실험 (곡률반경:7mmR) 후에 센서의 특성 변화를 나타낸다. 실험 결과 벤딩 실험을 반복 수행한 후에도 안정적인 출력값을 갖는 것으로 확인되었다. 일반적으로 CNT 센서는 수십만의 개별적CNT로 구성되며, 이 센서에 포함된 CNT들은 반데르발스힘에 의해 유지된다.
CNT 기반의 수소가스는 일반적으로 상온에서 동작하지 않지만, Pt층의 역할로 상온에서 동작가능한 센서를 제작하였다. 특히 전도성 매개체로 CNT를 사용함으로써 Pt만 사용 하였을 때 보다 더 높은 출력 특성을 확인하였다. 이는 CNT가 단순 전극이 아니라 전자의 수집기 역할을 하기 때문이다.

후속연구

원자에 대한 용해도를 높여 원활한 전하 이동과 높은 응답 특성을 갖게 한다. 뿐만 아니라, 일반적인 대기압 조건에서 H₂농도가 4%를 초과하는 경우 폭발 가능성이 있기 때문에 본 센서의 광범위한 가스 감지 범위(1-15%)는 상업적으로 즉각 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CNT방적사 활용의 효과는?	비록 이전의 연구들이 Pt-CNT하이브리드 복합 재료를 기반으로 하는 고성능 수소센서를 보여 주었지만, CNT방적사를 활용한 섬유형 수소 가스 감지에 대한 연구는 미비하다. 매우 잘 정렬된 CNT, 즉 스핀 가능한 CNT의 사용은 흡착/흡수 과정 동안에 캐리어 운송과 CNT의 넓은 표면적 제공에 크게 도움이 되었다. 또한 개별 CNT간의 고밀도 및 넓은 접촉 영역은 개별적인 CNT반응을 극대화하고 Pt-CNT복합재에 대한 안정적 특성을 제공하는 데 도움이 된다.
	수소의 특징은?	수소는 높은 전력 효율, 친환경, 무한한 공급 등으로 미래 에너지로 주목 받고 있으며, 수소를 에너지원으로 사용 후 물로 재순환이 되는 재생 가능성은 미래의 궁극적인 대체 에너지원으로써 현재의 화석연료나 원자력이 따라올 수 없는 장점을 가진다. 하지만 수소의 무색, 무취, 인화성 등의 특성 때문에 안전성의 문제가 야기된다. 수소는 공기 중의 농도가 4%보다 높을 때 폭발을 일으킬 수 있으며, 낮은 점화 에너지를 가지고 있어 수소 누출의 조기 감지는 수소 기반 인프라의 안전한 작동을 보장하는 데 매우 중요하다[1,2].
	금속 산화물 기반의 센서의 단점은?	일반적으로 수소감지를 위해서 금속 산화물 기반의 가스 센서가 많이 사용된다. 그러나 금속 산화물 기반의 센서는 높은 작동 온도를 필요로 하며, 전력 소모, 안전 문제, 감지 물질의 불안정성을 초래하는 단점을 가지고 있다[3-5]. 따라서 안정적인 가스 반응 및 빠른 반응 시간, 장기 사용을 위한 안전 확보,상온에서의 작동 능력, 저전력 소모 등을 갖춘 고효율 수소 센서가 요구된다.

참고문헌 (15)

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C. Lu, Z. Chen, and V. Singh, "Highly-hydrogen-sensitive SnO2 nanoscale-particles films with platinum electrodes", Sens. Actuator. B-chem, Vol. 146, pp. 145-153, 2010.

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L. Valentini, L. Armentano, J. M. Cantalini, L. Lozzi, and S. Santucci, "Sensors for sub-ppm $NO_2$ gas detection based on carbon nanotube thin films", Appl. Phys. Lett., Vol. 82, pp. 961-963, 2003.

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D. Zilli, P. R. Bonelli, and A. L. Cukieman, "Room temperature hydrogen gas sensor nanocomposite based on Pddecorated multi-walled carbon nanotubes thin films", Sens. Actuator. B-chem, Vol. 157, pp. 169-176, 2011.

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S. Mubeen, T. Zhang, B. Yoo, M. A. Deshusses, N. Y. Myung "Palladium nanoparticles decorated single-walled carbon nanotube hydrogen sensor", J. Phys. Chem. C, Vol. 2007, pp. 6321-6327, 2007.
S. Santangelo, G. Faggio, G. Messina, E. Fazio, F. Neri, and G. Neri, "On the Hydrogen Sensing Mechanism of Pt/ $TiO_2$ /CNTs Based Devices", Sens. Actuator. B-chem, Vol. 178, pp. 473-484, 2013.

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D. Jung, M. Han, and G. S. Lee, "Fast-response room temperature hydrogen gas sensors using Pt-coated spin-capable carbon nanotubes", ACS Appl. Mater. Interaces, Vol. 7, pp. 3050-3057, 2015.

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E. H. Espinosa, R. Ionescu, B. Chambon, Bedis, C. Sotter, E. Bittencourt, C. A. Felten, J.-J. Pireaux, X. Correig, E. Llobet, "Hybrid metal oxide and multiwall carbon nanotube films for low temperature gas sensing", Sens. Actuator. Bchem, Vol. 207, pp. 137-142, 2007.
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