[논문]팔라듐/탄소나노튜브 버키페이퍼를 이용한 상온감지 수소가스 센서

한마음; 김재건; 김영삼; 정동건; 공성호; 정대웅

doi:10.46670/jsst.2020.29.6.394

팔라듐/탄소나노튜브 버키페이퍼를 이용한 상온감지 수소가스 센서
Room Temperature Hydrogen Gas Sensor using Pd/Carbon Nanotubes Buckypaper 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.29 no.6, 2020년, pp.394 - 398

한마음 (경북대학교 전자전기공학부) , 김재건 (경북대학교센서및디스플레이공학과) , 김영삼 (경북대학교 전자전기공학부) , 정동건 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹) , 공성호 (경북대학교 전자전기공학부) , 정대웅 (한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we report the sensing performance of H2 gas sensors composed of Pd/carbon nanotube (CNT) buckypaper at room temperature. The CNT buckypaper was made using a simple filtration process and subsequently deposited with Pd as the sensing material. The sensitivity of the sensor increased with respect to the gas concentration. To investigate the effect of Pd thickness, Pd layers of different thickness were deposited on the buckypaper, and the response of the sensor was evaluated. The proposed sensor exhibits excellent sensing properties with optimized Pd thickness at room temperature (25℃). Pd nanoparticles significantly impact the sensitivity and selectivity of the sensor because of the spillover effect. In addition, the sensor is highly suitable for bendable and wearable devices owing to its structural flexibility.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 상온에서 수소 기체의 안정적인 흡·탈착 및 가스 반응 표면적을 극대화하기 위해 CNT 버키페이퍼와 Pd을 이용하여 수소센서를 제작하였으며, 수소농도 및 Pd 증착 두께에 따른 감응특성을 평가하였다.
또한 수소 가스 농도가 증가할수록 가스에 대한 감도특성도 증가하였으며, Pd 증착 두께를 조절하여 감도 및 선택성에 대해 실험분석을 수행하였다. 또한 제작된 버키페이퍼 센서의 유연한 특성을 이용해 웨어러블 센서에 응용가능성 또한 확인해보았다.
본 연구에서는 상온에서 동작가능한 Pd/CNT 버키페이퍼 센서를 제작하였으며, Pd층의 두께에 대한 영향을 연구하였다. 먼저 순수한 CNT 버키페이퍼 센서에서는 수소가스에 대한 반응이 거의 없었지만, Pd층을 증착한 Pd/CNT 버키페이퍼는 상대 적으로 높은 감도를 확인하였다.

제안 방법

MWCNT의 분산은 초음파 장비를 사용하여 1시간동안진행하였으며, 분산된용액 100 ml를 8 μm 여과지 (Grade 40, Whatman)를 사용하여 진공 여과하여 메탄올을분리하고, 얻어진 MWCNT를압축하였다.
다음으로 센서의 Pd층의 두께에 따른 가스 감응 특성을 평가 하기 위하여 CNT 버키페이퍼에 Pd을 20~80 nm 두께로 증착하여 센서를 제작하였다. Fig.
수소가스센서의 실험은 상온 분위기에서 진행하였으며 실험 결과는 Pd/CNT 버키페이퍼 센서가 CNT 센서보다 높은 감도 특성을 보였으며, 상온에서도 수소가스에 안정적으로 반응하는 것을 확인 하였다. 또한 수소 가스 농도가 증가할수록 가스에 대한 감도특성도 증가하였으며, Pd 증착 두께를 조절하여 감도 및 선택성에 대해 실험분석을 수행하였다. 또한 제작된 버키페이퍼 센서의 유연한 특성을 이용해 웨어러블 센서에 응용가능성 또한 확인해보았다.
유연성을 평가하기 위하여 벤딩 테스트 진행 후 2000 ppm 농도의 수소 가스를 이용하여 센서 감도 특성을 확인하였다. 벤딩 테스트는 곡률반경 8 mmR 조건으로 반복 실험을 진행 하였다. 테스트 전후 센서의 수소가스에 대한 감도를 비교해 보면 신뢰성 있는 저항 값 변화가 관찰되었다.
가스는 별도의 가스라인을 통해 가스 입출구가있는가스챔버에도입되었으며, 질량흐름컨트롤러 (MFC)를 사용하여 유량을 정밀하게 제어하였다. 센서의 전기 저항 변화를 시간과 농도에 따라 실시간으로 데이터수집장치(34970A, Keysight Inc.) 을 사용하여 측정/저장 하였다.
제작된 센서의 수소가스에 대한 가스 감응 특성을 측정하기 위하여 상온에서 실험을 진행하였다. 수소가스와 건조 공기의 총유량을 100 sccm으로설정하였으며, 수소가스농도는 0.02~0.18 vol%로 MFC를 통해 제어하였다. 센서의 가스 반응은 다음 공식을 사용하여 계산된다.
그리고 CNT는 나노소재의 특성으로 인해 반복적이고 동일한 실험시 나노물질 형태의 변경으로 출력 값이 변하는 특성을 나타내기 때문에 반복 실험을 통한 센서의 특성 검증이 필요하다. 유연성을 평가하기 위하여 벤딩 테스트 진행 후 2000 ppm 농도의 수소 가스를 이용하여 센서 감도 특성을 확인하였다. 벤딩 테스트는 곡률반경 8 mmR 조건으로 반복 실험을 진행 하였다.
이는 버키페이퍼의 표면에 흡착되는 수소가 Pd의 spillover 현상에 의해 전자이동을 원활하게 한 것으로 보인다. 이후 전자빔 증착법을 사용하여 버키페이퍼 표면에 Pd을 두께별로 증착한 후 수소가스에 대한 감도를 상온에서 측정하였다. Pd층의 두께가 증가할수록 감도도 향상되었으며 특정 두께이상이 되었을 때는 감도가 낮아지는 특성도 확인하였다.
제작된 센서의 수소가스에 대한 가스 감응 특성을 측정하기 위하여 상온에서 실험을 진행하였다. 수소가스와 건조 공기의 총유량을 100 sccm으로설정하였으며, 수소가스농도는 0.
4은 제작된 센서들의 가스 감응 특성을 보여주며, H₂가스의 농도가 증가할수록 감도는 증가하였다. 특히 60 nm 두께의 Pd을 증착한 센서에서 가장 높은 감도를 나타낸 반면 Pd 층의 두께가 80 nm에서는 오히려 감도가 낮아지는 특성을 관찰하였다.

대상 데이터

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)(평균 길이 및 직경은 각각 6–13 μm and 2.5–20 nm, Sigma-Aldrich)를 이용하여 가스센서를 제작하였다.

이론/모형

그 후 전자빔 증착법 (SRN-200, Sorona Inc.)를 사용하여 버키페이퍼 표면에 Pd를 20 nm 증착하였다. 증착 두께는 전자빔 증착 챔버의 센서를 통해 제어되었으며, Fig.

성능/효과

센서의 전기 저항은 H₂가스가 유입됨에 따라 증가하고, 농도가 증가할수록 센서의 전기 저항값은 증가하였다. Pd가 증착된 센서는 H₂가스에 대해 상대적으로 높은 반응 특성을 보였으며, Pd가 증착되지 않은 센서는 상온에서 거의 반응을 나타내지 않았다. 이는 높은 활성화 에너지와 낮은 H₂가스 흡착으로인해거의반응성을나타내지않은것으로간주된다[3]
이후 전자빔 증착법을 사용하여 버키페이퍼 표면에 Pd을 두께별로 증착한 후 수소가스에 대한 감도를 상온에서 측정하였다. Pd층의 두께가 증가할수록 감도도 향상되었으며 특정 두께이상이 되었을 때는 감도가 낮아지는 특성도 확인하였다. 이를 통해 Pd두께조절을 함으로써 수소가스에 대한 감도를 최적화 할 수 있었으며 수소가스에 대한 높은 선택성도 나타내었다.
Kim 그룹은 그래핀에 Pd을 증착하여 센서를 제작하였으며, Pd층의 두께를 조절함으로써 수소 가스에 대한 감도를 평가해보았다. Pd층의 두께가 증가할수록 수소가스에 대한 감도가 증가하였고, 특정 두께 이상에서 감도가 감소하는 특성을 나타내었다. 이는 그 이상의 두께에서는 센서의 주요 전자 전도 경로가 그래핀에서, 두꺼워진 Pd층을 통해 이동하게 됨으로써 가스 감도가 낮아지게 된다고 보고하고 있다[19].
따라서 본 연구에서 제작된 센서에서 Pd 층의 두께가 60 nm 보다 커지게 되었을 때 전자 주요 전도 경로가 CNT에서 Pd 층으로 변경되서 이동하게 되어 감도가 낮아지게 된 것으로 사료 된다. 이러한 Pd층 두께의 최적화를 통해 가스 감지를 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 상온에서 동작가능한 Pd/CNT 버키페이퍼 센서를 제작하였으며, Pd층의 두께에 대한 영향을 연구하였다. 먼저 순수한 CNT 버키페이퍼 센서에서는 수소가스에 대한 반응이 거의 없었지만, Pd층을 증착한 Pd/CNT 버키페이퍼는 상대 적으로 높은 감도를 확인하였다. 이는 버키페이퍼의 표면에 흡착되는 수소가 Pd의 spillover 현상에 의해 전자이동을 원활하게 한 것으로 보인다.
3는 상온에서 Pd가 증착된 CNT 버키페이퍼와 증착되지 않은 센서의 가스 응답특성이다. 센서의 전기 저항은 H₂가스가 유입됨에 따라 증가하고, 농도가 증가할수록 센서의 전기 저항값은 증가하였다. Pd가 증착된 센서는 H₂가스에 대해 상대적으로 높은 반응 특성을 보였으며, Pd가 증착되지 않은 센서는 상온에서 거의 반응을 나타내지 않았다.
따라서 본 연구에서는 상온에서 수소 기체의 안정적인 흡·탈착 및 가스 반응 표면적을 극대화하기 위해 CNT 버키페이퍼와 Pd을 이용하여 수소센서를 제작하였으며, 수소농도 및 Pd 증착 두께에 따른 감응특성을 평가하였다. 수소가스센서의 실험은 상온 분위기에서 진행하였으며 실험 결과는 Pd/CNT 버키페이퍼 센서가 CNT 센서보다 높은 감도 특성을 보였으며, 상온에서도 수소가스에 안정적으로 반응하는 것을 확인 하였다. 또한 수소 가스 농도가 증가할수록 가스에 대한 감도특성도 증가하였으며, Pd 증착 두께를 조절하여 감도 및 선택성에 대해 실험분석을 수행하였다.
5는 5가지 가스에 대한 Pd/CNT 버키페이퍼 센서의 감도를 나타낸다. 수소가스와 가장 높은 반응성을 보였으며 다른 가스에 비해 약 7배 높은 감도가 측정 되었다. 이는 상온에서 수소가스와 선택성 및 반응성이 우수한 Pd을 증착함으로써 센서의 표면에서 수소가스와의 반응을 촉진시켜 높은 감도 및 선택성을 가진 것으로 보인다.
따라서 본 연구에서 제작된 센서에서 Pd 층의 두께가 60 nm 보다 커지게 되었을 때 전자 주요 전도 경로가 CNT에서 Pd 층으로 변경되서 이동하게 되어 감도가 낮아지게 된 것으로 사료 된다. 이러한 Pd층 두께의 최적화를 통해 가스 감지를 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
Pd층의 두께가 증가할수록 감도도 향상되었으며 특정 두께이상이 되었을 때는 감도가 낮아지는 특성도 확인하였다. 이를 통해 Pd두께조절을 함으로써 수소가스에 대한 감도를 최적화 할 수 있었으며 수소가스에 대한 높은 선택성도 나타내었다. 또한 표면 밀도가 높고 유연한 버키페이퍼를 사용함으로써 유연성도 신뢰성있는 결과를 확인하였으며, 웨어러블 소자에도 적용가능 할 것으로 예상된다.
벤딩 테스트는 곡률반경 8 mmR 조건으로 반복 실험을 진행 하였다. 테스트 전후 센서의 수소가스에 대한 감도를 비교해 보면 신뢰성 있는 저항 값 변화가 관찰되었다. 이는 제작된 버키페이퍼가 매우 높은 밀도로 구조적 안정성과 유연성을 가지고 있으며, Pd층과의 단단한 결합으로 큰 변화 없이 안정적인 특성을 나타낼 수 있는 것으로 보인다.

후속연구

이를 통해 Pd두께조절을 함으로써 수소가스에 대한 감도를 최적화 할 수 있었으며 수소가스에 대한 높은 선택성도 나타내었다. 또한 표면 밀도가 높고 유연한 버키페이퍼를 사용함으로써 유연성도 신뢰성있는 결과를 확인하였으며, 웨어러블 소자에도 적용가능 할 것으로 예상된다.

참고문헌 (19)

J. S. Noh, J. M. Lee, and W. Lee, Low-dimensional palladium nanostructures for fast and reliable hydrogen gas detection, Sensors, Vol. 11, pp. 825-851, 2011.

상세보기
R. Chen, X. Ruan, W. Liu, and C. Stefanini, "A reliable and fast hydrogen gas leakage detector based on irreversible cracking of decorated palladium nanolayer upon aligned polymer fibers, Int. J. Hydrog. Energy, Vol. 40, pp. 746-751, 2015.

상세보기
S. H. Lim, B. Radha, J. Y. Chan, M. S. M. Saifullah, G.U. Kulkarni, and G.W. Ho, "Flexible palladium-based H 2 sensor with fast response and low leakage detection by nanoimprint lithography, ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 5, pp. 7274-7281, 2013.

상세보기
D. Sett and D. Basak, "Highly enhanced H 2 gas sensing characteristics of Co:ZnO nanorods and its mechanism, Sens. Actuators B, Vol. 243, pp. 475-483, 2017.

상세보기
A. Gupta, S. S. Pandey, M. Nayak, A. Maity, S. B. Majumder, and S. Bhattacharya, "Hydrogen sensing based on nanoporous silica-embedded ultra dense ZnO nanobundles, RSC Adv., Vol. 4, pp. 7476-7482, 2014.

상세보기
N. S. A. Eom, H. B. Cho, Y. Song, W. Lee, T. Sekino, and Y. H. Choa, "Room-temperature H 2 gas sensing characterization of graphene-doped porous silicon via a facile solution dropping method, Sensors, Vol. 17, No. 12, pp. 2750(1)-2750(7), 2017.
Y. Seekaew, A. Wisitsoraat, D. Phokharatkul and C. Wongchoosuk, Room temperature toluene gas sensor based on TiO 2 nanoparticles decorated 3D graphene-carbon nanotube nanostructures, Sens. Actuators B, Vol. 279, pp. 69-78, 2019.

상세보기
D. Jung and M. Han and G. S. Lee, Gas sensor using a multi-walled carbon nanotube sheet to detect hydrogen molecules, Sens. Actuators, Vol. 211, pp. 51-54, 2014.

상세보기
R. Afrin and N.A. Shah, "Room temperature gas sensors based on carboxyl and thiol functionalized carbon nanotubes buckypapers, Diam. Relat. Mater., Vol. 60, pp. 42-49, 2015.

상세보기
J. DeGraff, R. Liang, M. Q. Le, J. Capsal, F. Ganet, and P. Cottinet, "Printable low-cost and flexible carbon nanotube buckypaper motion sensors, Mater. Des,, Vol. 133, pp. 47-53, 2017.

상세보기
J. Sippel-Oakley, H. Wang, B.S. Kang, S. Wu, F. Ren, A. G. Rinzler, and S. J. Pearton, "Carbon nanotube films for room temperature hydrogen sensing, Nanotechnology, Vol. 16, pp. 2218-2221, 2005.

상세보기
A. Katoch, S.W. Choi, H.W. Kim, and S. S. Kim, "Highly sensitive and selective H 2 sensing by ZnO nanofibers and the underlying sensing mechanism, J. Hazard. Mater., Vol. 286, pp. 229-235, 2015.

상세보기
S. Majumdar, P. Nag, and P. S. Devi, "Enhanced performance of CNT/SnO 2 thick film gas sensors towards hydrogen, Mater. Chem. Phys., Vol. 147, pp. 79-85, 2014.

상세보기
T. C. Lin and B. R. Huang, "Palladium nanoparticles modified carbon nanotube/nickel composite rods (Pd/CNT/Ni) for hydrogen sensing, Sens. Actuators B, Vol. 162, pp. 108-113, 2012.

상세보기
S. C. Kang, J. S. Im, and Y. Lee, "Hydrogen sensing property of porous carbon nanofibers by controlling pore structure and depositing Pt catalyst", Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 3, pp. 243-248, 2011.
T. Y. Chung, C. S. Tsao, H. P. Tseng, C. H. Chen, and M. S. Yu, "Effects of oxygen functional groups on the enhancement of the hydrogen spillover of Pd-doped activated carbon", J. Colloid Interface Sci., Vol. 441, pp. 98-105, 2015.

상세보기
E. H. Espinosa, R. Lonescu, B. Chambon, C. Sotter, E. Bittencourt, C. A. Felten, J. Pireaux, X. Correig, and E. Llobet, "Hybrid metal oxide and multiwall carbon nanotube films for low temperature gas sensing", Sens. Actuator B, Vol. 207, pp. 137-142, 2007.
C. Ndaya, N. Javahiraly, and A. Brioude, "Recent advances in palladium nanoparticles-based hydrogen sensors for leak detection", Sensors., Vol. 19, pp. 4478(1)- 4478(41), 2019.

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M. Chung, D. Kim, D. Seo, T. Kim, H. Im, H. Lee, J. Yoo, S. Hong, T. Kang, and Y. Kim, "Flexible hydrogen sensors using graphene with palladium nanoparticle decoration", Sens. Actuator B, Vol. 169, pp. 387-392, 2012.

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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].

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