[논문]NOX 가스 검출 특성을 이용한 MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스 센서의 메커니즘 분석

손주형; 김현수; 박용서; 장경욱

doi:10.4313/jkem.2018.31.3.188

[국내논문] NOX 가스 검출 특성을 이용한 MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스 센서의 메커니즘 분석
The Analysis of Mechanism for the Gas Sensor of MWCNT/ZnO Composites Film Using the NOX Gas Detection Characteristics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.3, 2018년, pp.188 - 192

손주형 (가천대학교 전기공학과) , 김현수 (가천대학교 전기공학과) , 박용서 (가천대학교 전기공학과) , 장경욱 (가천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricated an $NO_X$ gas sensor using a composite film of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)/zinc oxide (ZnO). Carbon nanotubes (CNTs) show good electronic conductivity and chemical-stability, and zinc oxide (ZnO) is a wide band gap semiconductor with a large exciton binding energy. Gas sensors require characteristics such as high speed, sensitivity, and selectivity. The fabricated gas sensor was used to detect $NO_X$ gas at different $NO_X$ concentrations. The sensitivity of the gas sensor increased with increasing gas concentrations. Additionally, while changing the temperature inside the chamber containing the MWCNT/ZnO gas sensor, we obtained the sensitivity and normalized responses for detecting $NO_X$ gas in comparison to ZnO and MWCNT film gas sensors. From the experimental results, we confirmed that the gas sensor sensing mechanism was enhanced in the composite-film gas-sensor and that the electronic interaction between MWCNT and ZnO contributed to the improved sensor performance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

이에 따라 본 연구에서는 우수한 전도 특성과 화학적 안정성을 지녔으며 소형화 및 대량 생산이 가능한 카본 나노 튜브(carbon nanotubes, CNT)를 열적 화학기상 성장법(thermal chemical vapor deposition)을 통해 제조된 MWCNT (multi-walled carbon nanotube)와 산화아연(zinc oxide, ZnO)을 이용하여 간단한 제작 공정을 통해 MWCNT/ZnO 복합체 필름을 제작하였으며, 상온 및 온도 변화에 따른 NO_X 가스 검출 특성을 산화아연 가스 센서와 비교 분석하였다. 또한, 챔버 내 NO_X 가스 농도에 따른 가스 센서의 검출 특성을 실험하였다 [7-16].

대상 데이터

본 실험에서는 Thermal CVD법에 의해 제조된 MWCNT 분말을 사용하였으며, MWCNT의 물성으로는 직경 20㎚, 순도가 95% 이상이며, 비표면적은 105～200 ㎡/g 등의 물성 특성을 보였다. 기판 위에 MWCNT층을 증착하기 위하여 4 ㎎의 MWCNT 분말과 20 ㎖의 에탄올 용제를 혼합하여 분산체를 제작하였다.

데이터처리

본 연구에서는 챔버 내에 온도 조절형 핫플레이트를 설치한 후, 그 위에 제작된 MWCNT/ZnO 가스 센서를 장착하였다. 온도별 NO_X 가스 20 ppm을 주입 후 가스 센서의 검출 특성을 분석하였으며, 챔버 내 온도 변화 시(60℃) NO_X 가스를 8 ppm씩 총 80 ppm까지 단계별로 주입에 따른 가스 센서의 민감도를 관찰하였다 [22,23].

성능/효과

NO_X 가스 주입 시 MWCNT/ZnO 복합체 필름 가스 센서에서 단일 필름 가스 센서보다 우수한 검출 특성을 지니고 있음을 확인하였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 감지체 필름의 다수 캐리어 농도를 증가시켜 기존의 반도체식 센서인 ZnO, MWCNT 단일 필름의 가스 센서보다 높은 민감도를 얻을 수 있었다.
이처럼 MWCNT/ZnO 복합체 필름을 이용한 가스 센서는 기존의 반도체식 가스 센서의 한계인 상온에서의 가스 검출 및 저농도에서의 가스 검출을 향상시키고 그에 따른 가스 센서의 메커니즘을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 NO_X 가스의 농도가 낮을 경우 보다 높은 민감도 특성을 보이고 있기 때문에 자동차 배기관에서 분출되는 NO_X 가스를 초기에 검출이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	어떠한 요인이 온도 변화에 따른 가스 센서의 민감도 상승에 영향을 끼치는가?	첫 번째 요인은 온도가 증가할수록 챔버 내 NOX 가스의 확산이 활발히 진행되어 가스 센서에 보다 많은 가스 분자의 흡착이 이루어져 민감도에 영향을 끼친다. 두 번째로는 온도 상승 시 센서 필름에 전달되는 에너지 또한 증가되어 ZnO 필름의 가전자대(valence band, VB)에서 전도대(conduction band, CB)로 전자의 이동이 증가되기 때문에 가스 센서의 표면에 전자들의 이동이 상온 조건보다 활발히 이루어져 민감도에 영향을 끼치는 것으로 판단된다. MWCNT/ZnO 복합체 가스 센서의 메커니즘은 식 (3)과 (4)에 나타내었다.
	질소 산화물이 미치는 영향은 무엇인가?	반면에 자동차로부터 배출되는 대기오염 물질의 발생 증가로 인한 지구 온난화, 인간의 건강에 끼치는 악영향 등은 해결해야 할 문제로 남아 있다. 특히 자동차에서 사용하는 화석연료는 고온(1,300℃ 이상)에서 연소 과정 시 산소와 결합되어 질소 산화물을 발생하는데, 이는 인간이 흡입하게 되면 호흡 곤란, 두통 등의 호흡기 장애를 유발하며, 대기 환경에서는 태양 자외선, 매연 등과 반응하여 광화학 스모그를 유발하거나 산성비의 원인이 되기도 한다.
	기존의 가스 센서에 높은 소비전력이 요구되는 이유는 무엇인가?	하지만 기존의 가스 센서는 금속산화물(metal oxide)을 이용한 반도체식⋅광학식 및 화학식 등의 가스 센서를 사용해 왔지만, 검출 가스를 감지하기 위해서 고 농도의 오염 가스를 요구하며, 높은 온도(약 200℃)에서 유해 가스 감지가 이루어지기 때문에 높은 소비전력을 요구한다. 이에 따라 다수의 연구진들로부터 상온에서의 오염 가스 감지 및 저 농도에서의 환경에서도 오염 가스를 감지할 수 있는 가스 센서를 제작하기 위한 많은 관심과 연구 개발이 이루어지고 있다 [2-6].

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