초록 ▼

지난 십수 년간 심각해진 대기 오염의 문제를 해결하기 위한 많은 연구 및 기술 개발이 이루어지고 있으며, 특히 대기 오염의 정도를 측정하는 기술인 가스 센서 분야가 지속적인 관심을 받고 있다. 이 중금속 산화물에 관한 연구는 가스 센서에 가장 널리 응용되는 물질의 주요 연구 분야이다. 본 연구는 센서 작용부인 금속 산화물에 도핑 및 증착, 표면 처리 등의 공정 상 변화를 통해 기존 가스 센서보다 나은 성능 및 특성 확보를 목표로 삼고 진행하였다. 이를 위해 가스 센서에 사용되는 대표적인 금속산화물인 In₂O

지난 십수 년간 심각해진 대기 오염의 문제를 해결하기 위한 많은 연구 및 기술 개발이 이루어지고 있으며, 특히 대기 오염의 정도를 측정하는 기술인 가스 센서 분야가 지속적인 관심을 받고 있다. 이 중금속 산화물에 관한 연구는 가스 센서에 가장 널리 응용되는 물질의 주요 연구 분야이다. 본 연구는 센서 작용부인 금속 산화물에 도핑 및 증착, 표면 처리 등의 공정 상 변화를 통해 기존 가스 센서보다 나은 성능 및 특성 확보를 목표로 삼고 진행하였다. 이를 위해 가스 센서에 사용되는 대표적인 금속산화물인 In₂O₃ 와 SnO₂ 박막을 사용하여, 다양한 첨가물을 주입하고 이를 통해 전기적 특성을 기반으로 가스 탐지 성능변화에 대한 체계적인 연구 시스템을 구축하고, 이들 가스 센서에서 최적화 조건을 찾는데 주안점을 두었다. 또한, 최적화 과정에 대한 이해 및 이론을 구축하고 이를 바탕으로 신개념 가스 센서 구조 및 새로운 재료 연구도 진행하였다.
이러한 연구 목표를 바탕으로 본 연구에서는 대기와 반응하는 가스 센서 작용부의 금속 산화물에 대한 도핑(doping) 및 표면 처리(surface modification)를 이용한 기초 연구 및 반도체 기반 가스 센서의 특성을 최적화 시키는데 가장 효과적인 방법을 탐색하였다. 또한 기존 연구들을 통해 도핑 및 표면처리에 이용하는 첨가물이 민감도, 선택성, 작동온도, 반응성 그리고 전기적 신호의 열적 안정성 향상에 대한 가능성을 토대로 다양한 첨가물을 가스 센서의 작용부에 적용하는 방법으로 센서의 성능 및 전반적인 특성을 향상시키기 위해 가스 센서가 요구하는 특성에 따라 귀금속류(Ag, Au, Pd, Pt) 및 전이금속(Fe,Mn, Co, Ni, Mo, Cu), 그리고 W, Ti, P 기반 산화물 등이 첨가물로 적용될 수 있음을 보여줬다. 또한 표면 처리가 In₂O₃와 SnO₂ 기반 센서의 작동 효율성을 향상 시킬 수 있음도 실험적 결과로 보여줬다. 특히 첨가물에 의한 입자 크기의 변화에 따른 작용부의 결정 구조적 변화, 다양한 형태의 이종접합을 보이는 2차 부산물 생성 그리고 금속 산화물의 표면 특성 변화 등이 다양한 형태의 인자들이 센서의 전반적인 성능에 연관되어 각 인자들에 대한 영향들이 고려되어야 하며, 이러한 요소들의 조절을 통한 최적화 및 최대 효율을 얻기 위한 연구가 진행되었다. 이를 위해 우선 감지 대상 가스의 선택 감도성 향상을 위해 특정 가스를 선정 후 센서의 기본 구성 물질 및 구조를 결정하고, 시제품 형태의 1-전극 센서 제작을 통해 특성을 확인하였으며, 효율성 향상을 위한 적합한 증착 기술 개발, 적합한 도핑 원소 선택 및 표면 개질화 및 기능성화를 위한 연구를 진행하였고 이에 대한 최적의 효율을 나타낼 수 있는 최적화 조건을 탐색하였다.