KR100993171B1 - Gas sensor using nano-porous indium oxide spherical structure and fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

가스 감응층이 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3로 이루어진 가스센서를 제공한다. 본 발명에 따른 가스센서는 H2S 및 CO 감응시 고감도, 빠른 응답속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 센서가 공기에 다시 노출되었을 경우 가역적으로 저항이 회복되는 특성을 실현할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 가스센서의 제조 방법도 제공한다. 본 발명에 따른 가스센서는 In2O3 단일성분계로 쉽게 합성할 수 있으며 다양한 구조로 만들 수 있다. Provided is a gas sensor composed of In 2 O 3 having a gas sensitive layer having a nanoporous hollow structure or a nanoporous layer structure. The gas sensor according to the present invention can not only obtain high sensitivity and fast response speed when H 2 S and CO are sensitive, but also realize the property of reversibly recovering resistance when the sensor is exposed to air again. The present invention also provides a method of manufacturing such a gas sensor. The gas sensor according to the present invention can be easily synthesized into an In 2 O 3 monocomponent system and can be made in various structures.

Description

산화인듐 나노 기공성 구형 구조를 이용한 가스센서 및 그 제조 방법 {Gas sensor using nano-porous indium oxide spherical structure and fabrication method thereof} Gas sensor using nano-porous indium oxide spherical structure and fabrication method

본 발명은 산화물 반도체형 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 가스 감응 소재의 개발 및 이를 이용한 새로운 구조의 가스센서, 그리고 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an oxide semiconductor gas sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to the development of a new gas-sensitive material, a gas sensor having a new structure using the same, and a method for manufacturing the same.

산업 발전과 더불어 야기된 대기오염, 환경오염, 산업현장의 안정성 문제로 인하여 여러 가지 유해ㅇ 환경 가스 종(H2S, H2, CO, NOx, SOx, NH3, VOCs 등)을 감지하기 위한 가스센서의 필요성이 증가하고 있다. 그 중 H2S는 악취, 구취 등 나쁜 냄새에 포함되어 있는 기체로, 환경을 정화하고 쾌적한 생활환경을 구축하기 위해 필수적으로 측정되어야 된다. 그리고 CO는 가솔린 자동차의 배기가스 및 산업현장에서 배출되는 매연 등에 포함되어 있는 기체로, 운행 중인 자동차의 도로 상에서의 방출량 조절, 뒤따르는 자동차 실내의 CO 가스 유입 조절을 통한 환경오염방지 및 쾌적한 자동차 실내환경을 유지하기 위해 측정이 필요하다.To detect various harmful environmental gas species (H 2 S, H 2 , CO, NOx, SOx, NH 3, VOCs, etc.) due to air pollution, environmental pollution and industrial site stability problems caused by industrial development. The need for gas sensors is increasing. Among them, H 2 S is a gas contained in bad smell such as bad smell, bad breath, etc., and should be measured to clean the environment and establish a comfortable living environment. In addition, CO is a gas contained in the exhaust gas of gasoline cars and the smoke emitted from industrial sites. Measurement is necessary to maintain the environment.

이러한 유해ㅇ 환경 가스 종 감지와 같은 광범위한 부분에서 산화물 반도체형 가스센서가 널리 활용되고 있다. n-형 산화물 반도체를 300 ~ 400 ℃로 가열하면, 산화물 반도체 표면에 산소가 흡착한 후 음으로 대전된다. 이 과정에서 산화물 반도체 표면의 전자를 소모하여, 산화물 반도체의 표면에는 전자공핍층(electron depletion layer)이 생성된다. 이후에 H2S, CO, C3H8, CH4, H2 등의 환원성 가스가 존재할 경우 이들 가스와 산화물 반도체 표면의 음으로 대전된 산소가 반응하여 산화된다. 이 과정에서 발생한 전자는 산화물 반도체 내부로 다시 주입되므로, 가스 농도에 비례한 저항의 감소를 나타낸다. Oxide semiconductor type gas sensors are widely used in a wide range of areas such as hazardous environmental gas species detection. When the n-type oxide semiconductor is heated to 300 to 400 ° C, oxygen is adsorbed on the surface of the oxide semiconductor and then negatively charged. In this process, electrons on the surface of the oxide semiconductor are consumed, and an electron depletion layer is formed on the surface of the oxide semiconductor. Thereafter, when reducing gases such as H 2 S, CO, C 3 H 8 , CH 4 , and H 2 are present, these gases react with the negatively charged oxygen on the oxide semiconductor surface to oxidize. The electrons generated in this process are injected back into the oxide semiconductor, which shows a decrease in resistance in proportion to the gas concentration.

이상의 가스 감응 원리에서 고찰된 바와 같이, 산화물 반도체형 가스센서는 낮은 농도의 가스를 검출하는 데 유리하다. 상기 가스센서에 H2, CO, NOx, SOx, NH3, VOCs 등 C, H, O, N으로 이루어진 가스가 노출될 경우 가스에 의한 저항감소가 발생하고, 이후 센서가 공기 중에 다시 노출되었을 경우 저항의 회복이 가역적으로 일어나는 것이 일반적이다. 그러나, 악취의 주요 성분인 H2S의 경우 가스에 노출되었을 경우 저항의 감소가 일어나기는 하지만, 가스가 없어졌을 경우에도 저항의 회복이 잘 되지 않는 문제가 발생한다. 현재까지 이 원인에 대한 정확한 규명은 이루어지지 않은 상태이지만 S 성분이 표면 또는 가스센서 물질 응집체 사이에 남아 전기적 특성을 비가역적으로 변화시키는 것으로 판단된다. CO의 경우 낮은 ppm 수준에서의 고감도 및 가역적인 반응도 중요하지만 가스 감응시의 빠른 응답속도, 회복속도가 더욱 중요하다.As discussed in the above gas sensitive principle, the oxide semiconductor type gas sensor is advantageous for detecting a low concentration of gas. When a gas consisting of C, H, O, N, such as H 2 , CO, NOx, SOx, NH 3, VOCs is exposed to the gas sensor, a decrease in resistance caused by the gas occurs, and then the sensor is exposed to the air again. It is common for the recovery of resistance to occur reversibly. However, in the case of H 2 S, which is a major component of the odor, the resistance decreases when exposed to gas, but even when the gas disappears, a problem arises in that the recovery of the resistance is not good. To date, the exact cause of this problem has not been determined, but it is believed that the S component remains between the surface or the gas sensor material aggregate and irreversibly changes the electrical characteristics. In the case of CO, high sensitivity and reversible reactions at low ppm levels are also important, but the response and recovery speeds of gas response are more important.

H2S 및 CO 감응에서 해결해야 될 과제는 저농도를 빠른 시간 안에 검출할 수 있는 고감도 및 쾌속 응답속도의 동시 확보이다. 특히 H2S는 서브 피피엠(sup-ppm)의 농도에도 악취가 느껴지는 수준이며 악취는 감응을 빨리해야만 원인에 빨리 대응할 수 있으므로, 매우 높은 가스 감도가 요구되며 감응시 빠른 응답속도도 요구된다. The challenge to be addressed in H 2 S and CO response is to ensure high sensitivity and rapid response time to detect low concentrations in a short time. In particular, H 2 S is a level at which the odor is felt even at the concentration of suppppm, and the odor can respond quickly to a cause only by quick response, so very high gas sensitivity is required and quick response speed is required.

가스 감응은 입자표면에 흡착된 산소와 가스와의 반응이므로 감응물질의 표면적을 극대화하기 위해 나노구조가 유리하다. 0차원 나노구조인 나노입자의 경우 감도의 증가에 효과적이었다. 그러나 입자의 크기가 수 ~ 수십 nm 정도로 작아질 경우 반데르발스(van der Waals) 인력이 매우 커지고, 이에 따라 일차입자간의 응집이 매우 심해진다. 응집된 이차입자는 주로 치밀한 구조를 가지고 있고 기공이 작아 이차입자의 표면에 있는 일차입자만이 가스감응 반응에 참여하게 되고, 이에 따라 감도가 작아지는 문제가 발생한다. 또 미량의 기공이 존재한다고 하더라도, 피검가스가 내부의 일차입자와 반응하기 위해서는 장시간의 가스 확산이 필요하다. 따라서, 측정하고자 하는 가스에 노출된 이후에 저항이 변화하는 데 50초 이상의 장시간이 소요되는 것이 일반적이다. 이후 가스센서가 다시 공기에 노출되는 경우에는 나노입자 부근에 남아있는 부산물 가스가 센서의 외부로 확산해 나가야 되고, 공기 중의 산소가 다시 산화물 반도체의 표면에 흡착해야 되므로 저항회복에 다시 장시간이 소요된다. Gas sensitization is a reaction between oxygen and gas adsorbed on the particle surface, so nanostructure is advantageous to maximize the surface area of the sensitizer. The nanoparticles, which are 0-dimensional nanostructures, were effective in increasing sensitivity. However, when the size of the particles is reduced to several to several tens of nm, van der Waals attraction becomes very large, and thus, aggregation between primary particles becomes very severe. Aggregated secondary particles mainly have a dense structure and small pores, so only the primary particles on the surface of the secondary particles participate in the gas-sensing reaction, resulting in a decrease in sensitivity. Even if a small amount of pores exists, a long time gas diffusion is required for the test gas to react with the primary particles therein. Therefore, it is common to take a long time of 50 seconds or more to change the resistance after exposure to the gas to be measured. Afterwards, when the gas sensor is exposed to air again, the by-product gas remaining near the nanoparticles must diffuse out of the sensor, and the oxygen recovery in the air needs to be adsorbed on the surface of the oxide semiconductor. .

H2S 및 CO 감응에서 해결해야 될 다른 과제는 센서의 저항이다. 현재, 산화 물 반도체형 가스센서의 대표적인 물질인 SnO2의 경우 가스의 감응성은 우수하지만 센서의 저항이 크고, 나노선, 나노튜브 등의 나노구조로 제조될 경우 나노구조간의 접촉이 작아 센서의 저항이 MΩ 이상으로 커지는 경우가 자주 발생한다. 센서의 저항측정을 위해서는 수백 Ω ~ 수십 kΩ이 가장 바람직하다. Another challenge to be addressed in H 2 S and CO response is the resistance of the sensor. Currently, SnO 2 , which is a representative material of oxide semiconductor gas sensor, has excellent gas sensitivity but high sensor resistance, and when manufactured with nano structures such as nanowires or nanotubes, the contact between nano structures is small, so the resistance of the sensor is low. Frequently, this becomes larger than MΩ. Hundreds of ohms to tens of kΩs are most desirable for resistance measurement of sensors.

이상과 같이 일반적인 가스센서를 위한 산화물 나노입자의 응집은 고감도와 쾌속응답을 저해하는 문제를 발생시킨다. 또 SnO2 등과 같은 대표적인 산화물의 나노구조는 저항이 크므로 그 측정이 용이하지 않다. As described above, aggregation of oxide nanoparticles for a general gas sensor generates a problem of inhibiting high sensitivity and rapid response. In addition, the nanostructures of typical oxides such as SnO 2 are not easy to measure because of their high resistance.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유해ㅇ 환경 가스의 검지(화학 테러 조기경보, 유독, 폭발성, 환경오염 가스 검지 등)에서 사용되기 위해 요구되는 가역적인 신호 변화, 높은 감도, 빠른 응답속도를 가진 개량된 구조의 산화물 반도체형 가스센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to improve the reversible signal change, high sensitivity, fast response speed required for use in the detection of harmful environmental gases (premature warning of chemical terrorism, toxic, explosive, environmental pollution gas, etc.) To provide an oxide semiconductor gas sensor having a structure and a method of manufacturing the same.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 가스센서는, 가스 감응층이 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3로 이루어진 가스센서이다. Gas sensor according to the present invention for solving the above technical problem, the gas sensitive layer is a gas sensor made of In 2 O 3 having a nano-porous hollow structure or nano-porous layer structure.

본 명세서에서는 나노 기공성 중공 구조와 나노 기공성 계층 구조를 모두 포함해 "나노 기공성 구형 구조"라고 정의하기도 한다. 나노 기공성 중공 구조는 입 자 중간에 나노 크기의 구멍이 형성된 구조이다. 그리고, 둥근 형태의 일차 나노입자가 응집된 이차 입자와 대조적으로, 나노 기공성 계층 구조는 점, 선 또는 면의 0차원, 1차원, 2차원 나노구조를 가진 일차입자가 모여 새로운 모양의 더 큰 입자를 구성한 것으로 정의된다. 나노 기공성 계층 구조는 나노 기공을 많이 포함하게 되며, 이는 넓은 표면적을 제공하여 단위 부피당 비교적 많은 수의 산화, 환원 반응을 촉진하도록 한다. In the present specification, both nanoporous hollow structures and nanoporous hierarchical structures are defined as "nanoporous spherical structures". Nanoporous hollow structure is a structure in which nano-sized holes are formed in the middle of the particle. And, in contrast to the rounded secondary agglomerated secondary nanoparticles, the nanoporous hierarchical structure is characterized by the fact that primary particles with zero, one or two-dimensional nanostructures of points, lines, or faces are gathered to create a new, larger shape. It is defined as what constitutes a particle. Nanoporous hierarchies contain many nanopores, which provide a large surface area to promote a relatively large number of oxidation and reduction reactions per unit volume.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 가스센서 제조 방법의 일 구성에 따르면, In 전구체의 수열합성 반응을 일으켜 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3 미분말을 형성한 다음, 상기 미분말로 막을 형성한 후 열처리하여 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3로 이루어진 가스 감응층을 형성하는 단계를 포함한다.According to one configuration of the gas sensor manufacturing method according to the present invention for solving the above technical problem, by forming a hydrothermal synthesis reaction of the In precursor to form a fine powder In 2 O 3 having a nanoporous hollow structure or nanoporous layer structure Next, a step of forming a film with the fine powder and heat treatment to form a gas sensitive layer consisting of In 2 O 3 having a nanoporous hollow structure or a nanoporous layer structure.

이 때, 상기 In 전구체에 아미노산(amino acid)을 첨가하거나 상기 In 전구체에 무기염을 더 첨가하여 상기 수열합성 반응을 일으킬 수 있다.In this case, an amino acid may be added to the In precursor or an inorganic salt may be further added to the In precursor to cause the hydrothermal synthesis reaction.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 가스센서 제조 방법의 다른 구성에 따르면, In 전구체, 무기염 및 아미노산의 혼합 용액을 얻은 후, 상기 혼합 용액에 템플레이트를 첨가하고 교반하여 상기 템플레이트 표면에 In 원료 물질을 수화반응 조절법으로 코팅하여 침전물을 얻는다. 그런 다음, 상기 침전물에서 상기 템플레이트를 제거하여 나노 기공성 중공 구조를 가지는 In2O3 미분말을 형성하고, 상기 미분말로 막을 형성한 후 열처리하여 가스 감응층을 형성한다.According to another configuration of the gas sensor manufacturing method according to the present invention for solving the above technical problem, after obtaining a mixed solution of In precursor, inorganic salt and amino acid, by adding a template to the mixed solution and stirred to In the surface of the template The raw material is coated by hydration control to obtain a precipitate. Then, the template is removed from the precipitate to form an In 2 O 3 fine powder having a nanoporous hollow structure, a film is formed of the fine powder and then heat treated to form a gas sensitive layer.

본 발명에 따르면, 나노 기공성 구형 구조를 가진 In2O3를 이용해 다공질의 가스센서를 제조함으로써 일차입자의 크기가 작으면서도 응집이 되지 않은 가스센서를 제조할 수 있다. According to the present invention, by manufacturing a porous gas sensor using In 2 O 3 having a nano-porous spherical structure it can be produced a gas sensor that is small but not agglomerated primary particles.

본 발명에 따른 가스센서는 나노 기공성 구조로 인해 피검가스의 확산이 매우 빨라 가스에 대한 응답속도를 매우 빠르게 한다. 그리고, H2S 및 CO에 대한 감도가 매우 크다. 나아가 회복성이 매우 우수하다.The gas sensor according to the present invention has a very rapid diffusion of the test gas due to the nano-porous structure, so that the response speed to the gas is very fast. And the sensitivity to H 2 S and CO is very large. Furthermore, recovery is very good.

본 발명에 따른 가스센서는 In2O3 단일성분계로 쉽게 합성할 수 있으며, 본 발명에 따른 가스센서 제조방법에서는 다양한 구조를 만들기 위한 합성법을 제시한다. 이를 토대로 H2S 센서를 제작할 경우 성능 또한 회복성, 감도, 응답속도 면에서 2 ~ 4배 우수하다. The gas sensor according to the present invention can be easily synthesized with In 2 O 3 single component system, and the gas sensor manufacturing method according to the present invention provides a synthesis method for making various structures. Based on this, when the H 2 S sensor is manufactured, the performance is also 2 to 4 times better in terms of recoverability, sensitivity, and response speed.

본 발명에서 센서 구조로 새롭게 제시하는 In2O3 나노 기공성 중공 구조 및 계층 구조는 다음의 장점을 나타낸다. In2O3 나노 기공성 구형 구조는 고감도 쾌속응답성을 동시에 달성할 수 있다. 나노 기공성 중공 구조의 경우 입자의 응집체 크기가 수십 nm 이하로 국한되고, 나노 기공성 계층 구조의 경우에도 단위 나노구조가 구형의 이차 입자 내에 기공성을 가지며 잘 분산되어 있다. 고감도와 쾌속응답성의 동시달성은 신속한 가스 확산 및 전 나노구조가 가스 감응 참여에 기인하는 것으로 판단된다. In 2 O 3 nanoporous hollow structure and layer structure newly proposed as a sensor structure in the present invention shows the following advantages. In 2 O 3 nanoporous spherical structure can simultaneously achieve high sensitivity rapid response. In the case of the nanoporous hollow structure, the aggregate size of the particles is limited to several tens of nm or less, and in the case of the nanoporous hierarchical structure, the unit nanostructure is well dispersed in the spherical secondary particles. Simultaneous achievement of high sensitivity and rapid response is believed to be due to rapid gas diffusion and full nanostructure participation in gas response.

본 발명의 In2O3 나노 기공성 중공 구조 및 계층 구조는 다른 장점은 H2S 감응 이후 회복이 가역적으로 일어난다는 것이다. 기존의 나노 미분말 응집체의 경우 S가 입자 사이의 넥(neck) 및 나노기공에 잔류하여 탈착되기 어려운 반면, 본 발명의 나노 기공성 중공 구조의 경우 반응이 중공 구조의 표면에서 주로 일어나고 그치기 때문에 저항의 회복이 가역적으로 일어난다. 나노 기공성 계층 구조의 경우에도 나노 구조가 대부분 외기에 직접적으로 노출되어 있으므로 회복이 용이한 것으로 판단된다. Another advantage of the In 2 O 3 nanoporous hollow structure and the hierarchical structure of the present invention is that reversible recovery occurs after H 2 S response. In the case of conventional nano fine powder aggregates, S remains in the neck and nanopores between particles, making it difficult to desorb, whereas in the case of the nanoporous hollow structure of the present invention, the reaction mainly occurs and stops at the surface of the hollow structure. Recovery is reversible. In the case of the nanoporous hierarchical structure, most of the nanostructures are directly exposed to the outside air, and thus, recovery is easy.

본 발명의 In2O3 나노 기공성 중공 구조 및 계층 구조의 또 다른 장점은 저항이 작다는 것이다. 기존 SnO2 나노 구조 센서의 경우 저항이 수 MΩ인 반면, 본 발명에 따른 In2O3 나노 기공성 중공 구조 및 계층 구조를 이용할 경우 측정이 용이한 저항 범위인 수백 Ω ~ 수십 kΩ의 센서를 용이하게 제조할 수 있다. Another advantage of the In 2 O 3 nanoporous hollow structure and the layered structure of the present invention is that the resistance is small. In the case of the conventional SnO 2 nanostructured sensor, the resistance is several MΩ, while using the In 2 O 3 nanoporous hollow structure and the hierarchical structure according to the present invention, a sensor having a resistance range of hundreds of Ω to several tens of kΩ is easy to measure. Can be manufactured.

이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape of the elements in the drawings and the like are exaggerated to emphasize a clearer description.

본 발명에 따른 가스센서는 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가진 In2O3로 이루어진 가스센서이다. 본 발명 이전에, 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가진 In2O3 가스센서 구조는 알려지지 않았으며 가역성이 뛰어난 H2S 가스센서로 이용될 수 있다는 것도 처음으로 밝혀낸 용도 및 효과이다. Gas sensor according to the invention is a gas sensor consisting of In 2 O 3 having a nano-porous hollow structure or nano-porous layer structure. Prior to the present invention, the In 2 O 3 gas sensor structure having a nano-porous hollow structure or a nano-porous layer structure is unknown and can be used as an H 2 S gas sensor having excellent reversibility. .

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 가스센서의 개략적인 단면도들이다. 그러나, 본 발명에 따른 가스센서의 구조는 여기 제시된 것에 한정되지 않으며 나노 기공성 구형 구조를 가진 In2O3로 이루어진 가스 감응층을 구비한 가스센서라면 어떠한 구조이든 본 발명에 해당한다. 1 and 2 are schematic cross-sectional views of a gas sensor according to the present invention. However, the structure of the gas sensor according to the present invention is not limited to that shown here, and any structure corresponds to any structure of the gas sensor having a gas sensitive layer made of In 2 O 3 having a nanoporous spherical structure.

도 1에 도시한 가스센서는 가스 감응층(20) 상면 및 하면에 각각 전극(10, 30)이 구비된 구조이다. 도 2에 도시한 가스센서는 마이크로히터(50)가 하면에 형성되고 두 전극(60, 65)이 상면에 형성된 기판(40) 위에 가스 감응층(70)이 구비된 구조이다. 가스 감응층(20, 70)은 모두 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3로 이루어지며, 필요에 따라 적절한 촉매 성분이 도핑될 수도 있다. The gas sensor shown in FIG. 1 has a structure in which electrodes 10 and 30 are provided on the upper and lower surfaces of the gas sensitive layer 20, respectively. The gas sensor shown in FIG. 2 has a structure in which a gas sensitive layer 70 is provided on a substrate 40 on which a micro heater 50 is formed on a lower surface and two electrodes 60 and 65 are formed on an upper surface. The gas sensitive layers 20 and 70 are both made of In 2 O 3 having a nanoporous hollow structure or a nanoporous layer structure, and may be doped with an appropriate catalyst component as necessary.

나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3로 이루어진 가스 감응층(20, 70)이 구비된 가스센서는 n-형 반도체형 가스센서이다. 후술하는 실시예에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따라 수열 합성 반응을 이용해 형성한 나노 기공성 중공 구조는 지름이 약 500 ~ 1000 nm, 두께가 5 ~ 60 nm일 수 있다. 특히 본 발명에 따라 금속 템플레이트를 사용해 형성한 나노 기공성 중공 구조는 기공이 나노 nm 크기로 매우 미세하여, 폴리머 템플레이트를 이용할 경우 구형 중공 구조의 표면에 5 ~ 50 nm 크기 정도의 기공이 형성된다. 또한, 본 발명에 따라 수열 합성 반응을 이용해 형성한 나노 기공성 계층 구조는 1차원의 In2O3 나노선이 3차원의 구형으로 자기 조립된 형태일 수 있다. The gas sensor provided with the gas sensitive layers 20 and 70 made of In 2 O 3 having a nanoporous hollow structure or a nanoporous layer structure is an n-type semiconductor gas sensor. As shown in the following examples, the nanoporous hollow structure formed by the hydrothermal synthesis according to the present invention may have a diameter of about 500 to 1000 nm, thickness of 5 to 60 nm. In particular, the nano-porous hollow structure formed using the metal template according to the present invention is very fine pores of the nano-nm size, when using a polymer template, the pores of about 5 to 50 nm size is formed on the surface of the spherical hollow structure. In addition, according to the present invention, the nanoporous layer structure formed by using the hydrothermal synthesis reaction may have a form in which one-dimensional In 2 O 3 nanowires are self-assembled into a three-dimensional sphere.

도 3은 본 발명에 따른 가스센서 제조 방법의 순서도이다.3 is a flow chart of a gas sensor manufacturing method according to the present invention.

먼저 In 전구체의 수열합성 반응을 일으켜 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3 미분말을 형성한다. 이를 위해, 우선 In 전구체에 무기염과 아미노산을 첨가(단계 S1)하여 수열합성 반응을 일으킨다(단계 S2). First, the hydrothermal synthesis reaction of the In precursor is performed to form an In 2 O 3 fine powder having a nanoporous hollow structure or a nanoporous layer structure. To this end, first, an inorganic salt and an amino acid are added to the In precursor (step S1) to generate a hydrothermal reaction (step S2).

아미노산은 L(+)-라이신 일수화물[L(+)-Lysine monohydrate], L-아르기닌(L-Arginine), 글루타민(glutamine) 및 글루탐산(glutamic acid) 중의 어느 하나일 수 있으며, 무기염은 도데실황산나트륨(sodium dodecyl sulfate : SDS, C12H25SO4Na)일 수 있다. The amino acid may be any one of L (+)-Lysine monohydrate, L-Arginine, Glutamine and Glutamic acid, and the inorganic salt is dode Sodium dodecyl sulfate (SDS, C 12 H 25 SO 4 Na).

무기염과 아미노산을 모두 첨가하는 경우에는 무기염을 먼저 첨가하고 아미노산을 첨가하는 순차적인 첨가 방식을 따를 수 있으며, 나노 기공성 중공 구조의 미분말이 얻어진다. 무기염을 첨가하지 않고 아미노산만을 첨가하는 경우에는 나노 기공성 계층 구조의 미분말이 얻어진다(단계 S3). 미분말을 얻기 위해서는 수열 합성 반응의 침전물을 건조시키고 세척하고 열처리하는 등의 일반적인 과정이 수행될 수 있다. When both the inorganic salt and the amino acid are added, the inorganic salt may be added first, followed by the sequential addition method of adding the amino acid, and a fine powder having a nanoporous hollow structure is obtained. When only an amino acid is added without adding an inorganic salt, the fine powder of a nanoporous hierarchical structure is obtained (step S3). In order to obtain fine powder, a general procedure such as drying, washing and heat treating the precipitate of hydrothermal synthesis may be performed.

다음으로, 이러한 나노 기공성 구형 구조의 미분말을 이용하여 가스 감응층을 형성함으로써 도 1 또는 도 2에 도시한 것과 같은 구조로 가스센서를 제작한다(단계 S4). 가스센서 제작은 미분말을 적절한 용매 또는 바인더 등에 분산시켜 준비하여 적절한 기재, 예컨대 도 2에 도시한 바와 같은 기판(40)(마이크로히터(50)가 아랫면에 형성되고 두 전극(60, 65)이 윗면에 형성됨) 위에 도포한다. 여기서 도포란 프린팅(printing), 브러싱(brushing), 블레이드 코팅(blade coating), 디스펜싱(dispensing), 마이크로 피펫 적하(dropping) 등 각종의 방법을 포함하는 의미로 사용되었다. 다음, 그로부터 용매를 제거하여 가스 감응층을 형성하게 된다. 용매의 제거를 돕기 위해 필요하면 가열이 수반될 수 있다. 앞의 단계에서 얻은 미분말로 기판 위에 막을 형성한 후 열처리하면 나노 기공성 구형 구조를 가지는 입자를 열처리한 것이기 때문에 나노 기공성 구형 구조를 포함하는 다공질로 가스 감응층을 제조할 수 있다. Next, by forming a gas sensitive layer using the fine powder of such nanoporous spherical structure, a gas sensor is manufactured with the structure as shown in FIG. 1 or 2 (step S4). Gas sensor manufacturing is prepared by dispersing the fine powder in a suitable solvent or binder, etc., and a suitable substrate, for example, a substrate 40 (microheater 50) is formed on the lower surface, as shown in Figure 2, the two electrodes (60, 65) Formed on). The coating is used herein to include various methods such as printing, brushing, blade coating, dispensing, micro pipette dropping, and the like. Next, the solvent is removed therefrom to form a gas sensitive layer. Heating may be involved if necessary to aid in removal of the solvent. When the film is formed on the substrate using the fine powder obtained in the previous step and heat-treated, the particles having the nanoporous spherical structure are heat-treated, so that the gas-sensitive layer is made of a porous material including the nanoporous spherical structure.

도 4는 본 발명에 따른 다른 가스센서 제조 방법의 순서도이다.4 is a flow chart of another gas sensor manufacturing method according to the present invention.

여기서는 템플레이트를 이용하여 나노 기공성 중공 구조 In2O3 미분말을 형성한다. 이를 위해, 우선 In 전구체에 무기염과 아미노산을 첨가하여 혼합 용액을 얻은 후(단계 S11), 템플레이트를 첨가하여 교반한다(단계 S12). 상기 템플레이트 표면에 In 원료 물질을 수화반응 조절법으로 코팅하여 침전물을 얻게 된다. Here, the template is used to form a nanoporous hollow structure In 2 O 3 fine powder. To this end, first, an inorganic salt and an amino acid are added to the In precursor to obtain a mixed solution (step S11), and then a template is added and stirred (step S12). Coating the raw material In material on the template surface by the hydration reaction control method to obtain a precipitate.

다음으로 상기 침전물에서 상기 템플레이트를 제거하여 나노 기공성 중공 구조를 가지는 In2O3 미분말을 형성한다(단계 S13).Next, the template is removed from the precipitate to form In 2 O 3 fine powder having a nanoporous hollow structure (step S13).

다음으로, 이러한 나노 기공성 중공 구조의 미분말을 이용하여 가스 감응층을 형성함으로써 도 1 또는 도 2에 도시한 것과 같은 구조로 가스센서를 제작한다(단계 S14). Next, by forming a gas sensitive layer using the fine powder of the nano-porous hollow structure, a gas sensor is manufactured with a structure as shown in FIG. 1 or 2 (step S14).

상기 템플레이트는 금속 구형 분말 또는 폴리머 구형 분말일 수 있는데, Ni, Co, Fe, Cu 등의 금속 템플레이트가 가능하며 폴리머 템플레이트는 PS, PMMA 볼 등이 가능하다. The template may be a metal spherical powder or a polymer spherical powder, and may be a metal template such as Ni, Co, Fe, or Cu, and the polymer template may be a PS or PMMA ball.

이하에서는 In2O3 나노 기공성 중공 구조 미분말(실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3)과 나노 기공성 계층 구조 미분말(실시예 1-4)을 가스센서로 제조한 뒤 H2S 및 CO에 대한 응답 및 회복속도를 순수한 In2O3 나노 미분말(비교예 1-1)의 H2S 및 CO에 대한 응답 및 회복속도와 비교하였다. Hereinafter, In 2 O 3 nano-porous hollow structure fine powder (Example 1-1, Example 1-2, Example 1-3) and nano-porous layered fine powder (Example 1-4) were prepared by a gas sensor a rear compared the response and recovery rate of the H 2 S and CO with pure in 2 O 3 nano-fine powder (Comparative example 1-1), the response and recovery time for the H 2 S and CO.

[실시예 1-1]Example 1-1

0.01 mol의 In(NO3)3ㅇ xH2O[Indium(III)Nitrate chloride hydrate, 99.9% metals basis, Sigma-Aldrich. Inc., USA]를 50 ml의 에탄올에 용해시켜 투명한 용액으로 만들었다. 0.005 mol의 SDS[99%+, A.C.S. reagent, Sigma-Aldrich. Inc., USA], 0.005 mol의 L(+)-라이신 일수화물[C6H14N2O2ㅇ H2O, L(+)-Lysine monohydrate, 99%, Acros Organics. USA]을 순서대로 첨가하여 최종적으로 반투명한 스토크 용액(Stock solution)을 얻었다. 반투명한 용액을 100cc 용량의 테플론(Teflon) 용기에 옮겨 담은 후, 오토클레이브(autoclave)를 이용하여 120℃에서 18시간 동안 수열합성반응을 하였다. 얻어진 침전을 에탄올로 5회 세척한 이후 60℃에서 24시간 건조한다. 건조된 분말은 600℃까지 2시간동안 승온한 이후 600℃에서 2시간 열처리하였다. 0.01 mol of In (NO 3 ) 3 o xH 2 O [Indium (III) Nitrate chloride hydrate, 99.9% metals basis, Sigma-Aldrich. Inc., USA] was dissolved in 50 ml of ethanol to make a clear solution. 0.005 mol of SDS [99% +, ACS reagent, Sigma-Aldrich. Inc., USA], of 0.005 mol L (+) - lysine monohydrate [C 6 H 14 N 2 O 2 o H 2 O, L (+) - Lysine monohydrate, 99%, Acros Organics. USA] was added in order to obtain a finally translucent stock solution. The translucent solution was transferred to a 100 cc Teflon container, and then subjected to hydrothermal synthesis at 120 ° C. for 18 hours using an autoclave. The precipitate obtained is washed 5 times with ethanol and then dried at 60 ° C. for 24 hours. The dried powder was heated to 600 ° C. for 2 hours and then heat-treated at 600 ° C. for 2 hours.

열처리된 미분말을 유기바인더와 혼합하여 Au 전극이 형성되어 있는 알루미나 기판에 스크린 인쇄하고, 100℃에서 5시간 건조한 다음, 500℃에서 1시간 열처리하여 가스센서를 제조하였다. 제조한 센서를 400℃의 쿼츠튜브 고온 전기로(내경 30 mm)에 위치시키고 순수한 공기 또는 공기+혼합가스(H2S 0.5ppm 또는 CO 10ppm)를 번갈아 가며 주입하면서 저항의 변화를 측정하였다. 가스는 미리 혼합시킨 후 4-웨이(way) 밸브를 이용하여 농도를 급격히 변화시켰다. 총 유량은 500 SCCM으로 고정하여 가스농도 변화시 온도 차이가 나지 않도록 하였다. The heat-treated fine powder was mixed with an organic binder to screen print on an alumina substrate on which an Au electrode was formed, dried at 100 ° C. for 5 hours, and heat treated at 500 ° C. for 1 hour to prepare a gas sensor. The prepared sensor was placed in a quartz tube high temperature electric furnace (inner diameter of 30 mm) at 400 ° C, and pure air or air + mixed gas (H 2 S 0.5 ppm or CO 10 ppm) was alternately injected to measure the change in resistance. The gases were premixed and then rapidly changed in concentration using a four-way valve. The total flow rate was fixed at 500 SCCM so that the temperature difference did not occur when the gas concentration changed.

도 5는 본 실시예 1-1의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 중공입자의 사진으로, (a)는 SEM 사진을, (b)는 TEM 사진을 나타낸다. 도 5의 (a)와 (b)로부터 확인할 수 있는 바와 같이, SDS와 L(+)-라이신 일수화물이 첨가된 이후에 수열 반응할 경우 지름이 약 500 ~ 1000 nm, 두께가 30 ~ 60nm 의 나노기공성 중공 구조가 합성되었다. 5 is a photograph of In 2 O 3 nanoporous hollow particles prepared by the method of Example 1-1, (a) is a SEM photograph, (b) is a TEM photograph. As can be seen from (a) and (b) of Figure 5, when hydrothermal reaction after the addition of SDS and L (+)-lysine monohydrate, the diameter of about 500 ~ 1000 nm, the thickness of 30 ~ 60nm Nanoporous hollow structures were synthesized.

[실시예 1-2][Example 1-2]

상기 실시예 1-1에서 L(+)-라이신 일수화물 대신에 L-아르기닌[C6H14N4O2, L-Arginine, >=98% reagent (TLC), Sigma-Aldrich. Inc., USA]을 사용한 것과 수열합성반응을 12시간동안 진행한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하여 In2O3 나노 기공성 중공입자를 제조하였다. 이후 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으 로 가스센서를 제조하고 저항의 변화를 측정하였다. L-arginine instead of L (+)-lysine monohydrate in Example 1-1 [C 6 H 14 N 4 O 2 , L-Arginine,> = 98% reagent (TLC), Sigma-Aldrich. Inc., USA] was prepared in the same manner as in Example 1-1 except that the hydrothermal synthesis was carried out for 12 hours to prepare In 2 O 3 nano-porous hollow particles. Thereafter, a gas sensor was manufactured in the same manner as in Example 1-1, and a change in resistance was measured.

도 6은 본 실시예 1-2의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 중공입자의 사진으로, (a)는 SEM 사진을, (b)는 TEM 사진을 나타낸다. 도 6의 (a)와 (b)로부터 확인할 수 있는 바와 같이, SDS와 L-아르기닌이 첨가된 이후에 수열 반응할 경우 지름이 약 500 ~ 1000 nm, 두께가 30 ~ 60 nm의 나노기공성 중공 구조가 합성되었다. 6 is a photograph of In 2 O 3 nanoporous hollow particles prepared by the method of Examples 1-2, (a) shows a SEM picture, (b) shows a TEM picture. As can be seen from (a) and (b) of Figure 6, when the hydrothermal reaction after the addition of SDS and L-arginine nanoporous hollow of about 500 ~ 1000 nm in diameter, 30 ~ 60 nm thick The structure was synthesized.

[실시예 1-3][Example 1-3]

상기 실시예 1-1에서 스토크 용액을 얻는 과정까지는 동일하게 수행하였다. 그 후 반투명한 용액 상태에서 템플레이트를 첨가하여 24시간 동안 교반(stirring)하였다. 이로써 템플레이트 표면에 In 원료 물질이 수화반응 조절법으로 코팅된다. 이 불투명한 용액을 필터링하여 침전물을 얻고, 이를 60℃에서 24시간 동안 건조하였다. 이후 건조된 코팅 분말은 400℃에서 1시간 열처리하였다. In Example 1-1, the same procedure was performed until the stock solution was obtained. The template was then added in a translucent solution and stirred for 24 hours. As a result, In raw material is coated on the surface of the template by hydration control. This opaque solution was filtered to give a precipitate, which was dried at 60 ° C. for 24 hours. The dried coating powder was then heat treated at 400 ° C. for 1 hour.

이 때, 금속 구형 템플레이트를 사용한 경우 10% 염산 250 cc에 건조된 분말을 넣은 후 1일을 주기로 하여 염산용액을 교체하여 3일간 녹여낸 후 증류수로 5회 세척 후 60℃에서 24시간 건조하였다(산을 이용한 템플레이트 제거). 폴리머 구형 템플레이트를 사용할 경우 건조된 분말을 400℃에서 2시간 동안 승온한 후 2시간 동안 열처리하여 템플레이트를 제거하였다. 건조된 분말 및 템플레이를 제거한 분말은 600℃까지 2시간 동안 승온한 이후 600℃에서 2시간 열처리하였다(열처리 산화를 이용한 템플레이트 제거). 이후 센서의 제조방법 및 가스 감응의 측정은 상기 실시예 1-1과 동일하다.At this time, in the case of using a metal spherical template, the dried powder was added to 250 cc of 10% hydrochloric acid, and the hydrochloric acid solution was changed for 1 day, dissolved for 3 days, washed five times with distilled water, and dried at 60 ° C. for 24 hours. Template removal using. In the case of using the polymer spherical template, the dried powder was heated at 400 ° C. for 2 hours and then heat treated for 2 hours to remove the template. The dried powder and the powder from which the template was removed were heated to 600 ° C. for 2 hours and then heat-treated at 600 ° C. for 2 hours (template removal using heat treatment oxidation). Thereafter, the manufacturing method of the sensor and the measurement of gas sensitivity are the same as in Example 1-1.

도 7은 본 실시예 1-3의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 중공입자의 사진인데, (a)는 Ni 구형 템플레이트를 사용한 경우의 SEM 사진을, (b)는 폴리머 구형 템플레이트를 사용한 경우의 SEM 사진을 나타낸다. 도 7의 (a)와 같이 금속 템플레이트를 이용할 경우에는 중공 구조의 기공이 나노 nm 크기였으며, 도 7의 (b)와 같이 폴리머 템플레이트를 이용할 경우 구형 중공 구조의 표면에 30 ~ 50 nm 크기 정도의 기공이 형성되었다. 두 방법 모두 균일한 나노 기공성 중공 구조를 만드는 방법을 제공함을 확인할 수 있다. 7 is a photograph of In 2 O 3 nanoporous hollow particles prepared by the method of Examples 1-3, (a) is a SEM photograph when using a Ni spherical template, (b) is a polymer spherical template The SEM photograph in the case of using is shown. In the case of using a metal template as shown in (a) of FIG. 7, the pores of the hollow structure were nano nm in size, and in the case of using a polymer template as shown in FIG. Pores were formed. It can be seen that both methods provide a method of making uniform nanoporous hollow structures.

[실시예 1-4]Example 1-4

상기 실시예 1-1에서 0.005 mol의 SDS를 첨가하지 않은 것과 수열 합성 반응을 12시간동안 진행한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하여 In2O3 나노 기공성 계층입자를 제조하였다. 이후 센서의 제조방법 및 가스 감응의 측정은 실시예 1-1과 동일하다. In 2 O 3 nano-porous layered particles were prepared in the same manner as in Example 1-1 except that 0.005 mol of SDS was not added in Example 1-1 and the hydrothermal synthesis reaction was performed for 12 hours. It was. Thereafter, the manufacturing method of the sensor and the measurement of gas sensitivity were the same as in Example 1-1.

도 8은 본 실시예 1-4의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 계층입자의 SEM사진이다. L(+)-라이신 일수화물만을 첨가한 이후에 수열반응하여 합성한 나노구조는 1차원의 In2O3 나노선이 3차원의 구형으로 자기 조립된 나노 기공성 계층 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.8 is an SEM image of In 2 O 3 nanoporous layered particles prepared by the method of Examples 1-4. The nanostructure synthesized by hydrothermal reaction after the addition of only L (+)-lysine monohydrate confirmed that the one-dimensional In 2 O 3 nanowire forms a three-dimensional spherical self-assembled nanoporous layer structure. Can be.

[비교예 1-1][Comparative Example 1-1]

상기 실시예 1-2에서 L-아르기닌을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1-2와 동일하게 진행하여 분말을 얻고 센서를 제조한 후 가스 감응을 측정하였다. In Example 1-2, except that L-arginine was not added, the process was performed in the same manner as in Example 1-2 to obtain a powder, and a sensor was prepared and gas sensitivity was measured.

도 9는 비교예 1-1인 In2O3 나노 미분말의 SEM 사진인데, 수십 nm의 나노 입자가 응집된 형태를 띠고 있음을 볼 수 있다. 9 is a SEM photograph of the In 2 O 3 nano fine powder of Comparative Example 1-1, it can be seen that the nanoparticles of several tens of nm has an aggregated form.

상기 In2O3 나노구조 및 미분말로 센서소자를 제조하여 여러 온도에서 측정한 결과 400℃에서 최적의 작동성능을 나타냄을 관찰하였다. 측정된 모든 환원성 가스에 대해서 저항이 감소하는 n-형 반도체형 특성을 나타내었다. 따라서, 가스감도를 Ra/Rg 로 정의하였다. (Ra: 공기 중에서의 소자저항, Rg: 가스 중에서의 소자저항) 400℃에서 가스 감도를 측정하고 가스 감응속도를 계산하였다. The sensor device was manufactured with the In 2 O 3 nanostructure and the fine powder, and the result was measured at various temperatures, and the optimum operating performance was observed at 400 ° C. All of the reducing gases measured exhibited n-type semiconducting properties with reduced resistance. Therefore, the gas sensitivity was defined as R a / R g . (R a : device resistance in air, R g : device resistance in gas) The gas sensitivity was measured at 400 ° C., and the gas sensitivity was calculated.

공기 중에서 센서의 저항이 일정해졌을 때 갑자기 0.5ppm의 H2S나 10ppm의 CO로 분위기를 바꾸고, 이때 저항이 내려가는 유동성(transient)을 관찰하였다. 가스에 노출되었을 때 도달되는 최종저항을 Rg라고 하고, 공기 중의 저항을 Ra 라고 할 때 (Ra-Rg)의 90%가 변화되어 가스저항(Rg)에 가까운 점에 도달되는 데 걸리는 시간을 90% 응답시간으로 정의하였다. 가스에 노출되었을 때 저항(Rg)에서 공기로 분위기를 바꿀 경우 저항이 증가되는데, 이 때 역시 (Ra-Rg)의 90%가 변화되어 공기저항(Rg)에 가까운 점에 도달되는 데 걸리는 시간을 90% 회복시간으로 정의하였다.When the resistance of the sensor became constant in the air, the atmosphere was suddenly changed to 0.5 ppm H 2 S or 10 ppm CO. At this time, the resistance of the resistance was decreased. The final resistance reached when exposed to gas is called R g , and when the resistance in air is called R a , 90% of (R a -R g ) changes to reach a point close to gas resistance (R g ). The time taken was defined as 90% response time. If there is a change the atmosphere in the air in the resistance (R g) when exposed to the gas resistance is increased, also at this time (R a -R g) 90% of which has been changed reach a point near the air resistance (R g) The time taken was defined as 90% recovery time.

도 10과 표 1은 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3, 실시예 1-4, 비교예 1-1의 센서가 0.5 ~ 2ppm의 H2S에 노출되었을 때의 가스 응답특성 및 가스 감응시간 을 나타낸 것이다. (실시예1-2, 1-3, 1-4, 비교예 1-1의 경우 0.5ppm H2S) 10 and Table 1 show the sensor of Example 1-1, Example 1-2, Example 1-3, Example 1-4, and Comparative Example 1-1 when exposed to 0.5-2 ppm H 2 S. Gas response characteristics and gas response time are shown. (0.5 ppm H 2 S for Examples 1-2, 1-3, 1-4, and Comparative Example 1-1)

Figure 112008061235841-pat00001
Figure 112008061235841-pat00001

실시예 1-1, 1-2, 1-3은 In2O3 나노 기공성 중공 구조의 가스감응 특성을 나타낸다. 실시예 1-1 의 기공성 중공 구조의 90% 응답속도는 21초, 90% 회복속도 125초로서 이는 비교예 1-1의 124초, 614초에 비하여 응답 및 회복속도가 5배 빨랐다.Examples 1-1, 1-2, and 1-3 show gas-sensing characteristics of the In 2 O 3 nanoporous hollow structure. The 90% response speed of the porous hollow structure of Example 1-1 was 21 seconds and 90% recovery speed of 125 seconds, which was 5 times faster than the response time of 124 seconds and 614 seconds of Comparative Example 1-1.

실시예 1-2는 L-아르기닌을 이용하여 합성된 기공성 중공 구조로서 실시예 1-1과 우수한 H2S 감응특성을 나타낸다. 실시예 1-2의 90% 응답속도는 18초, 90% 회복속도는 54초로 실시예 1-1에 비하여 회복속도가 약 2배 향상되었으며 비교예 1-1과 견주어 볼 때, 각각 응답속도 7배, 회복속도 12배 향상되었다. Example 1-2 is a porous porous structure synthesized using L-arginine, and exhibits excellent H 2 S response characteristics with Example 1-1. The 90% response time of Example 1-2 was 18 seconds, and the 90% recovery speed was 54 seconds. The recovery speed was about 2 times higher than that of Example 1-1. 12 times faster recovery.

실시예 1-3은 2가지 종류의 템플레이트를 이용하여 합성된 기공성 중공 구조로서 90% 응답속도 16초, 90% 회복속도 80초를 나타내었으며 비교예 1-1에 비하여 응답 및 회복속도가 약 8배 향상되었다. Example 1-3 is a porous hollow structure synthesized using two kinds of templates, showing 90% response speed of 16 seconds and 90% recovery rate of 80 seconds. 8 times better

실시예 1-4는 나노 기공성 계층 구조의 가스감응 특성을 나타내며 각각 24초, 38초로 빠른 감응속도와 회복속도를 나타낸다. 실시예 1-4는 비교예 1-1에 비교하여 특히 회복속도가 20배정도 향상되었다. Example 1-4 shows the gas-sensing characteristics of the nano-porous layer structure, showing a fast response rate and a recovery rate of 24 seconds and 38 seconds, respectively. In Example 1-4, the recovery rate was improved by about 20 times compared with Comparative Example 1-1.

실시예 1-1, 1-2, 1-3, 1-4의 In2O3 나노 기공성 구형 구조를 이용할 경우 센서의 저항이 거의 완전히 회복된 반면 비교예 1-1의 경우 0.5ppm H2S에 한 번만 노출된 경우에도 저항이 원래대로 회복되지 않았다. 현재까지 이 원인에 대한 정확한 규명은 이루어지지 않은 상태이지만 S 성분이 표면 또는 가스센서 물질 응집체 사이에 남아 전기적 특성을 비가역적으로 변화시키는 것으로 판단된다. When the In 2 O 3 nanoporous spherical structures of Examples 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 were used, the resistance of the sensor was almost completely restored, whereas in Comparative Example 1-1, 0.5 ppm H 2 Even after only one exposure to S, resistance did not recover. To date, the exact cause of this problem has not been determined, but it is believed that the S component remains between the surface or the gas sensor material aggregate and irreversibly changes the electrical characteristics.

이는 본 발명의 In2O3 나노 기공성 구형 구조가 회복특성이 우수할 뿐만 아니라 가스감도, 응답속도가 매우 우수함을 나타낸다. 회복특성이 우수한 것은 나노 기공을 통한 피검가스(H2S)의 확산이 용이하여 센서물질표면에 빨리 확산되며, 중공 구조 또는 계층 구조 표면에서 반응한 이후 잔류한 S 성분이 외기와 대부분 접촉되어 있으므로 외기와 반응하여 잘 제거되기 때문으로 판단된다. 특히 표면반응을 촉진시키는 촉매가 없는 상태에서 회복속도가 빠른 것은 매우 중요한 효과이다. This indicates that the In 2 O 3 nanoporous spherical structure of the present invention not only has excellent recovery characteristics, but also has excellent gas sensitivity and response speed. Its excellent recovery characteristics make it easy to diffuse the test gas (H 2 S) through the nanopores, so it diffuses quickly on the surface of the sensor material. This is because it is removed well in response to outdoor air. In particular, a fast recovery rate is very important in the absence of a catalyst that promotes surface reactions.

도 11과 표 2는 실시예 1-1, 실시예 1-4, 비교예 1-1의 센서가 10ppm의 CO에 노출되었을 때의 가스 응답특성 및 가스 감응시간을 나타낸 것이다. 11 and Table 2 show gas response characteristics and gas response time when the sensors of Examples 1-1, 1-4, and Comparative Example 1-1 are exposed to 10 ppm of CO.

Figure 112008061235841-pat00002
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실시예 1-1의 기공성 중공 구조의 CO 10ppm에 대한 감응성은 2.04를 나타내었으며, 90% 응답속도는 12초, 90% 회복속도 53초로서 이는 비교예 1-1의 144초, 258초에 비하여 응답 및 회복속도가 각각 11배, 5배 빨랐다. 실시예 1-4의 기공성 계층 구조의 CO 10ppm 대한 감응성은 2.68, 90% 응답속도는 3초, 90% 회복속도 28초를 나타내었다. 비교예 1-1에 비하여 감응성 2.5배 향상, 90% 응답속도 48배 향상, 90% 회복속도 9.2배 향상되었음을 보여주었다. 이는 기공성 계층 구조의 용이한 가스 확산 경로 및 반응표면적의 극대화에 의한 효과로 판단된다. The sensitivity of the porous hollow structure of Example 1-1 to 10 ppm of CO was 2.04, and the 90% response rate was 12 seconds and the 90% recovery rate was 53 seconds, which was 144 seconds and 258 seconds in Comparative Example 1-1. The response and recovery speeds were 11 and 5 times faster, respectively. The porosity hierarchical structure of Example 1-4 showed CO2 sensitivity of 2.68, 90% response time of 3 seconds, and 90% recovery rate of 28 seconds. Compared with Comparative Example 1-1, the sensitivity was improved 2.5 times, 90% response time 48 times, 90% recovery was 9.2 times improved. This is considered to be an effect by maximizing the gas diffusion path and the reaction surface area of the porous layer structure.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. Is obvious. Embodiments of the invention have been considered in all respects as illustrative and not restrictive, which include the scope of the invention as indicated by the appended claims rather than the detailed description therein, the equivalents of the claims and all modifications within the means. I want to.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 가스센서의 개략적인 단면도들이다. 1 and 2 are schematic cross-sectional views of a gas sensor according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 가스센서 제조 방법의 순서도이다.3 is a flow chart of a gas sensor manufacturing method according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 다른 가스센서 제조 방법의 순서도이다.4 is a flow chart of another gas sensor manufacturing method according to the present invention.

도 5는 본 실시예 1-1의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 중공입자의 사진으로, (a)는 SEM 사진을, (b)는 TEM 사진을 나타낸다. 5 is a photograph of In 2 O 3 nanoporous hollow particles prepared by the method of Example 1-1, (a) is a SEM photograph, (b) is a TEM photograph.

도 6은 본 실시예 1-2의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 중공입자의 사진으로, (a)는 SEM 사진을, (b)는 TEM 사진을 나타낸다. 6 is a photograph of In 2 O 3 nanoporous hollow particles prepared by the method of Examples 1-2, (a) shows a SEM picture, (b) shows a TEM picture.

도 7은 본 실시예 1-3의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 중공입자의 사진인데, (a)는 Ni 구형 템플레이트를 사용한 경우의 SEM 사진을, (b)는 폴리머 구형 템플레이트를 사용한 경우의 SEM 사진을 나타낸다. 7 is a photograph of In 2 O 3 nanoporous hollow particles prepared by the method of Examples 1-3, (a) is a SEM photograph when using a Ni spherical template, (b) is a polymer spherical template The SEM photograph in the case of using is shown.

도 8은 본 실시예 1-4의 방법으로 제조된 In2O3 나노 기공성 계층입자의 SEM사진이다.8 is an SEM image of In 2 O 3 nanoporous layered particles prepared by the method of Examples 1-4.

도 9는 비교예 1-1인 In2O3 나노 미분말의 SEM 사진이다. 9 is a SEM photograph of In 2 O 3 nano fine powder of Comparative Example 1-1.

도 10은 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3, 실시예 1-4, 비교예 1-1의 센서가 0.5 ~ 2ppm의 H2S에 노출되었을 때의 가스 응답특성 및 가스 감응시간을 나타낸 것이다.10 is a gas response characteristic when the sensors of Example 1-1, Example 1-2, Example 1-3, Example 1-4, and Comparative Example 1-1 are exposed to H 2 S of 0.5 to 2 ppm; And gas response time.

도 11은 실시예 1-1, 실시예 1-4, 비교예 1-1의 센서가 10ppm의 CO에 노출되 었을 때의 가스 응답특성 및 가스 감응시간을 나타낸 것이다. 11 illustrates gas response characteristics and gas response time when the sensors of Examples 1-1, 1-4, and Comparative Example 1-1 are exposed to 10 ppm of CO.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete In 전구체, 아미노산(amino acid) 및 무기염의 수열합성 반응을 일으켜 나노 기공성 중공 구조 또는 나노 기공성 계층 구조를 가지는 In2O3 미분말을 형성하는 단계; 및Hydrothermal synthesis of In precursor, amino acid and inorganic salt to form In 2 O 3 fine powder having nanoporous hollow structure or nanoporous layer structure; And 상기 미분말로 막을 형성한 후 열처리하여 가스 감응층을 형성하는 단계를 포함하는 가스센서 제조 방법.Forming a film with the fine powder and then heat-treating to form a gas sensitive layer. In 전구체, 무기염 및 아미노산의 혼합 용액을 얻는 단계;Obtaining a mixed solution of an In precursor, an inorganic salt, and an amino acid; 상기 혼합 용액에 템플레이트를 첨가하고 교반하여 상기 템플레이트 표면에 In 원료 물질을 수화반응 조절법으로 코팅하여 침전물을 얻는 단계;Adding a template to the mixed solution and stirring to coat an In raw material on the surface of the template by a hydration reaction control method to obtain a precipitate; 상기 침전물에서 상기 템플레이트를 제거하여 나노 기공성 중공 구조를 가지는 In2O3 미분말을 형성하는 단계; 및Removing the template from the precipitate to form In 2 O 3 fine powder having a nanoporous hollow structure; And 상기 미분말로 막을 형성한 후 열처리하여 가스 감응층을 형성하는 단계를 포함하는 가스센서 제조 방법. Forming a film with the fine powder and then heat-treating to form a gas sensitive layer. 제5항에 있어서, 상기 템플레이트는 금속 구형 분말 또는 폴리머 구형 분말을 이용하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조 방법.The gas sensor manufacturing method according to claim 5, wherein the template uses metal spherical powder or polymer spherical powder. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 아미노산은 L(+)-라이신 일수화물[L(+)-Lysine monohydrate], L-아르기닌(L-Arginine), 글루타민(glutamine) 및 글루탐산(glutamic acid) 중의 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조 방법. The method according to claim 4 or 5, wherein the amino acid is L (+)-lysine monohydrate [L (+)-Lysine monohydrate], L-arginine (L-Arginine), glutamine (glutamine) and glutamic acid Gas sensor manufacturing method characterized in that using any one of. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 무기염은 도데실황산나트륨(sodium dodecyl sulfate : SDS, C12H25SO4Na)을 이용하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조 방법.The method of claim 4, wherein the inorganic salt is sodium dodecyl sulfate (SDS, C 12 H 25 SO 4 Na).
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