초록 ▼

□ 연구개요
□ 과일 및 야채의 신선도 모니터링을 위해 그래핀볼-금속산화물 이종구조를 이용한 100 ppb 이하 검출 가능한 에틸렌 감지센서 원천기술 확보
o 현재 과일 및 야채의 신선도를 감지하는 방식은 일회용 인디케이터를 통해서 검지를 하는 방식이 적용중임
o 과실의 경우 성숙, 노화, 부패의 과정에서 다량의 에틸렌을 발생, 에틸렌은 주변 과실의 노화, 부패를 촉진 시키는 한편 과실의 부패로 주변 식품의 추가적인 부패를 유발
□ 그래핀볼-금속산화물 구조를 이용한 초고감도 및 고선택성 웨어러블 센서 구현

□ 연구개요
□ 과일 및 야채의 신선도 모니터링을 위해 그래핀볼-금속산화물 이종구조를 이용한 100 ppb 이하 검출 가능한 에틸렌 감지센서 원천기술 확보
o 현재 과일 및 야채의 신선도를 감지하는 방식은 일회용 인디케이터를 통해서 검지를 하는 방식이 적용중임
o 과실의 경우 성숙, 노화, 부패의 과정에서 다량의 에틸렌을 발생, 에틸렌은 주변 과실의 노화, 부패를 촉진 시키는 한편 과실의 부패로 주변 식품의 추가적인 부패를 유발
□ 그래핀볼-금속산화물 구조를 이용한 초고감도 및 고선택성 웨어러블 센서 구현
o 금속산화물 나노구조를 이용한 가스센서의 경우 초고감도는 확보하였지만 에틸렌에 관련된 선택성 확보가 필요함
o 그래핀 센서의 경우 낮은 감도와 낮은 회복속도를 가지고 있어 상용화 센서를 만들기에는 해결해야할 문제가 많음
o 그래핀볼-금속산화물 구조는 p-type의 그래핀볼과 n-type의 금속산화물로 구성되어 p-n 정션에 의한 전자공핍층의 확장으로 고감도 확보가 가능함
o 유연기판 전극 위에 초고감도 에틸렌 센서 개발을 통한 웨어러블 센서 구현
o 최종목표는 에틸렌 가스 감도 100 ppb에서 1.2배(R_air/R_ethylene 또는 R_ethylene/R_air>1.2) 이상 확보

□ 연구 목표대비 연구결과
□ 1차년도
o 촉매를 이용한 폴리머 볼 크기 조정 실험
- Glucose와 nickel salt를 이용하여 수열합성 실험을 진행
- Ni의 농도 및 첨가제를 조절하여 폴리머비드의 크기 제어 : 100 nm에서 3 um까지 균일한 구형의 Glucose ball 합성법 개발 완료
o 수소환원 공정을 이용한 그래핀 포어형성 공정 개발
- 750 ℃에서 Ar/H₂ 혼합가스를 사용하여 1시간 동안 열처리하여 Glucose 볼 표면에 50% 이상의 그래핀 포어 형성 기술 확보
o 그래핀볼-금속산화물 이종구조체 합성법 개발
- 3종의 그래핀볼-금속산화물 구조체 합성법 개발 : In₂O₃-GB, SnO₂-GB, NiO-GB 합성법 확보
o 에틸렌 1 ppm에서 가스감응특성 1.2배 이상의 가스감응 : In2O3-그래핀볼 구조체를 이용하여 1.5배의 가스 감도 확보
o 50 ppm 에틸렌 대비 타가스 감도 4배 이상 확보 : NH₃, Benzene, Toluene, p-Xylene, methane에 대해서 선택성을 보여줌
o 30일 가스 감도 안정성 : 50 ppm의 에틸렌에서 4.8-5.2배의 가스 감지 안정성 확보
□ 2차년도
o 그래핀볼-금속산화물 최적 조성 및 귀금속 촉매 코팅법 개발
- 그래핀볼-금속산화물 최적 조성 실험
· In₂O₃-GB, SnO₂-GB 등의 조성 최적화
- 그래핀볼-금속산화물-귀금속 촉매 최적화 실험
· 그래핀볼-금속산화물 구조체에 Pt, Au, Pd등의 귀금속을 코팅하여 에틸렌 센서 감도 최적화
o 필터링 레이어를 이용한 에틸렌 선택성 확보
- 에틸렌 가스감도 : 500 ppb 3.4배,
- 선택성 : 에탄올, 수소, 트리메틸아민, 일산화탄소, 암모니아에 대한 선택성 확보
o 중공그래핀 볼 개발
- 금속분말에 그래핀 레이어를 형성 합성법 개발
· 중공그래핀 합성법 개발 완료
□ 3차년도
o 유연기판 센서 전극 개발
- 은 전극이 패터닝된 유연기판 3종 이상 확보 (100, 200, 300 um gap)
o 플렉서블 기판을 이용한 에틸렌 센서의 가스 감응 특성 연구
- 에틸렌 가스감도 : 100 ppb 2.1배,
- 선택성 : 에탄올, 수소, 트리메틸아민, 일산화탄소, 암모니아에 대한 선택성 확보
- 30일 가스 감도 안정성 : 1-4 주 동안 2.5 ppm 에틸렌에 대해서 13~15배의 센서 감도 유지

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
o ppb 수준의 에틸렌 센서 개발
- 에틸렌은 안정한 가스로 감지체와 반응 감도가 낮아 저농도에서 감지가 어려운 가스임
- 현재까지 보고된 에틸렌 가스의 감도의 세계최고 수준은 2.5 ppm에서 Rg/Rg= 12.1배
- 본 연구를 통해서 개발된 에틸렌 센서는 2.5 ppm에서 Rg/Rg= 14.8배로 동등 이상의 성능을 보여줌
- 또한, 100 ppb에서 Rg/Rg= 2.1로 저농도에서 에틸렌 센서 감지가 가능함
- 출원된 특허를 바탕으로 중소기업에 기술 이전이 된다면 과실의 신선도를 측정할 수 있는 센서개발을 통해 새로운 시장을 창출할 것으로 기대됨
o 에틸렌 센서 개발을 통해서 사용된 요소 기술의 활용
- 그래핀볼은 그래핀 레이어가 나노입자 표면에 형성된 구조로 가스 흡착력 및 전도성이 우수한 소재로 뭉침현상이 발생되는 그래핀의 특성을 보완하여 다양한 분야의 응용이 가능함
- 그래핀볼-금속, 금속산화물, 금속황화물등의 이종구조는 그래핀의 특성을 극대화 시켜 전기적, 광학적, 열적 특성을 향상시킬 수 있어 연료전지 촉매, 슈퍼캐패시터, 리튬이온 전지 음극재, 방열소재, 전자파차폐등 다양한 산업에 적용될 수 있음

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 15
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 15
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 참고문헌 ... 17
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 21
• 끝페이지 ... 30