KR101156672B1 - 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101156672B1 KR101156672B1 KR1020090124929A KR20090124929A KR101156672B1 KR 101156672 B1 KR101156672 B1 KR 101156672B1 KR 1020090124929 A KR1020090124929 A KR 1020090124929A KR 20090124929 A KR20090124929 A KR 20090124929A KR 101156672 B1 KR101156672 B1 KR 101156672B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gas sensor
- nanofibers
- manufacturing
- nanofiber
- present
- Prior art date
Links
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 53
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 38
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 claims abstract description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 4
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 15
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 11
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 50
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000001994 activation Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 238000007363 ring formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HJNBCVWWPLRZLC-UHFFFAOYSA-N 1-methylpyrrolidin-2-one;oxolane Chemical compound C1CCOC1.CN1CCCC1=O HJNBCVWWPLRZLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 1
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000011300 coal pitch Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000011302 mesophase pitch Substances 0.000 description 1
- CSJDCSCTVDEHRN-UHFFFAOYSA-N methane;molecular oxygen Chemical compound C.O=O CSJDCSCTVDEHRN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000011301 petroleum pitch Substances 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
- G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/128—Microapparatus
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
다공성 나노섬유를 이용하여 가스센서를 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 가스센서가 개시된다.
본 발명에 따른 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법은 (1) 폴리머 전구체와 용매를 혼합하는 단계; (2) 상기 '단계 (1)의 과정을 통하여 얻어진 혼합물을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 단계; (3) 상기 '단계 (2)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 산화시키는 단계; (4) 상기 '단계 (3)'의 과정을 통하여 산화된 나노섬유를 탄화시키는 단계; (5) 상기 '단계 (4)'의 과정을 통하여 탄화된 나노섬유를 활성화시키는 단계; 및 (6) 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 활성화된 나노섬유를 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 증착시켜 가스센서를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의할 경우, 상온에서도 매우 높은 감도를 가지는 신뢰성 있는 가스센서를 제조할 수 있게 된다.
가스센서, 다공성, 나노섬유, 가스, 감응
Description
본 발명은 가스센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 나노섬유를 이용하여 상온에서도 매우 높은 감도를 가지는 신뢰성 있는 가스센서를 제조하는 방법 및 상기 방법에 의하여 제조되는 가스센서에 관한 것이다.
일반적으로 가스센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정하는 원리에 의해 작동된다. 가스센서로 많이 사용되어온 물질로는 SnO2와 같은 금속산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 다양한 유기물질, 그리고 카본 블랙(carbon black)과 유기물의 복합체 등이 있다. 상기와 같은 물질을 이용하여 제조한 가스센서는 제한적으로 사용되는 등 여러 가지 문제점을 지니고 있다. 즉, 금속산화물 반도체나 고체 전해질을 이용하여 제조한 가스센서의 경우에는 200 내지 600℃, 혹은 그 이상의 온도로 가열을 하여야 센서의 동 작이 정상적으로 이루어지고, 유기물질을 이용한 경우에는 전기전도도가 매우 낮으며, 카본 블랙과 유기물의 복합체를 이용한 경우에는 매우 낮은 감도(sensitivity)를 가진다는 문제가 있다. 또한 상기 물질을 이용하여 제조한 종래의 가스센서는 감응시간이 느리고, 회복속도도 매우 더디며, 가격 또한 비싸 일반적으로 사용되기에는 부적합하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기방사를 통하여 나노섬유를 형성하고, 이를 다시 산화, 탄화 및 활성화시킨 후에 실리콘웨이퍼 전극 사이에 증착시킴으로써, 상온에서도 매우 높은 감도를 가지는 신뢰성 있는 가스센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법을 제공하는데, 본 발명에 따른 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법은,
(1) 폴리머 전구체와 용매를 혼합하는 단계;
(2) 상기 '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어진 혼합물을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;
(3) 상기 '단계 (2)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 산화시키는 단계;
(4) 상기 '단계 (3)'의 과정을 통하여 산화된 나노섬유를 탄화시키는 단계;
(5) 상기 '단계 (4)'의 과정을 통하여 탄화된 나노섬유를 활성화시키는 단계; 및
(6) 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 활성화된 나노섬유를 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 증착시켜 가스센서를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
또한 본 발명은 상기 '단계 (6)' 이후에 상기 '단계 (6)'의 과정을 통하여 얻어진 가스센서를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리는 30 내지 80℃의 온도범위에서 0.1 내지 1시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어지는 혼합물의 점도는 100 내지 500 cP 인 것이 바람직하다.
상기 '단계 (3)'의 산화시키는 과정은 1 내지 5℃/min의 속도로 승온시키고, 최종적으로 200 내지 300℃의 온도범위에서 2 내지 5시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 '단계 (4)'의 탄화시키는 과정은 5 내지 10℃/min의 속도로 승온시키고, 최종적으로 800 내지 1,200℃의 온도범위에서 0.5 내지 2시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 '단계 (5)'의 활성화시키는 과정은 수산화칼륨 용액을 가하여 이루어지며, 상기 수산화칼륨 용액의 농도는 5 내지 10M 범위인 것이 바람직하다.
상기 '단계 (6)'의 가스센서를 제조하는 단계는 분산용액에 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 분산시키고, 이를 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 증착시켜 이루어지며, 상기 분산용액에 분산되는 나노섬유의 비율은 분산용액 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 3 중량부인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 방법에 의한 나노섬유를 이용하여 제조된 가스센서를 제공한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의할 경우, 전기방사를 통하여 나노섬유를 형성하고, 이를 다시 산화, 탄화 및 활성화시킨 후에 실리콘웨이퍼 전극 사이에 증착시킴으로써, 상온에서도 매우 높은 감도를 가지는 신뢰성 있는 가스센서를 제조할 수 있게 된다.
본 발명은 나노섬유를 이용하여 제조된 가스센서 및 이의 제조방법을 제공한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가스센서의 모식도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가스센서는 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 다공성 나노섬유가 고르게 분포하는 형상을 가진다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저 본 발명은 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법을 제공하는데, 본 발명에 따른 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법은,
(1) 폴리머 전구체와 용매를 혼합하는 단계;
(2) 상기 '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어진 혼합물을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;
(3) 상기 '단계 (2)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 산화시키는 단계;
(4) 상기 '단계 (3)'의 과정을 통하여 산화된 나노섬유를 탄화시키는 단계;
(5) 상기 '단계 (4)'의 과정을 통하여 탄화된 나노섬유를 활성화시키는 단계; 및
(6) 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 활성화된 나노섬유를 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 증착시켜 가스센서를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 단계 (1)'에서 사용되는 폴리머 전구체는 탄소로 변환 가능한 재료라면 어느 것을 사용하여도 무방하다. 구체적인 예를 들어보면 석유계 핏치, 석탄계 핏치, 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아라미드, 폴리아닐린, 메조페이스 핏치, 푸르프릴 알콜, 페놀, 셀룰로오스, 수크로오스, 폴리비닐 클로라이드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 '단계 (1)'에서 사용되는 용매는 상기 폴리머 전구체를 용해시키는 것이라면 어느 것을 사용하여도 무방하며, 예를 들어보면, 디메틸포름아마이드, 클로로포름, N-메틸피롤리돈테트라하이로퓨란, 황산, 질산, 아세트산, 염산, 암모니아, 증류수 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어지는 혼합물의 점도는 100 내지 500 cP 인 것이 바람직하다. '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어진 혼합물은 다음 단계에서 도 2에 모식도를 나타낸 장치를 이용하여 전기방사를 하게 된다. 도시한 전기방사 장치는 일반적으로 사용되는 것으로서, 이의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 바와 같이 전기방사 장치는 정량펌프(1), 전압발생장치(2), 집속기(3) 및 방사기(4)를 포함하여 이루어진다. 먼저 정량펌프(1)를 통하여 용액이 방사기(4)로 주입되고 방사기(4)를 통하여 방사된 용액은 회전하는 집속기(3)에 의하여 집속된다. 전압발생장치(2)는 필요한 전압을 인가하게 된다. 즉, 상기 '단계 (1)'을 통하여 얻어진 혼합물은 방사기를 통하여 방사되는데, 혼합물의 점도가 500 cP를 초과하는 경우에는 고분자 상호간의 응집력에 의하여 방사기 노즐을 막혀 원할한 방사가 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한 혼합물의 점도가 100 cP 미만일 경우에는 너무 낮은 점도로 인하여 일정한 형상을 갖지 못하는 문제점이 있어 바람직하지 않다.
상기 '단계 (2)'에서 이루어지는 혼합물을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 것은 도 2에 모식도를 나타낸 것과 같은 장치를 이용하여 통상의 전기방사법으로 이루어진다.
상기 '단계 (3)'의 산화시키는 과정은 1 내지 5℃/min의 속도로 승온시키고, 최종적으로 200 내지 300℃의 온도범위에서 2 내지 5시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 산화시키는 과정에서 승온속도를 1℃/min 보다 느리게 하는 경우에는 느린 반응속도로 인하여 산소와 탄소가 반응하여 일어나는 고리화반응이 원활하게 이루어지지 않게 되고, 또한 섬유 수율을 떨어뜨리게 된다. 승온속도를 5℃/min 보다 빠르게 하는 경우에는 빠른 반응속도로 인하여 섬유 형성이 불안정하게 이루어져, 다음 단계의 탄화시 나노섬유가 녹거나 유리전이 되어 섬유형태를 유지할 수 없게 된다. 최종적으로 산화시키는 온도가 200℃ 미만일 경우에는 산화반응이 불완전하게 이루어져 다음 단계의 탄화시 나노섬유가 녹거나 유리전이 되어 섬유형태를 유지할 수 없고, 탄소원자 간의 축합반응 또한 원활하게 이루어지지 않게 된다. 산화시키는 온도가 300℃를 초과할 경우에는 높은 산화 온도로 인하여 빠른속도의 반응이 유발되고, 이에 따라 과산소 상태의 탄소-산소 결합반응으로 인하여 고리화반응이 원활하게 이루어지지 않는다. 산화시키는 시간이 2시간 미만일 경우 에는 상기 최종적으로 산화시키는 온도가 200℃ 미만일 경우와 동일한 현상이 발생하고, 산화시키는 시간이 5시간을 초과할 경우에는 산화시키는 시간이 5시간인 경우와 다른 점이 없으며, 불필요한 반응이 일어나게 된다.
상기 '단계 (4)'의 탄화시키는 과정은 5 내지 10℃/min의 속도로 승온시키고, 최종적으로 800 내지 1,200℃의 온도범위에서 0.5 내지 2시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 탄화시키는 과정을 5℃/min 보다 느리게 승온시켜 진행하는 경우와 1,200℃를 초과하는 높은 온도에서 진행하는 경우에는 반응시간이 길어짐과 더불어 에너지 소모가 많아지는 단점이 있다. 승온속도를 10℃/min 보다 빠르게 하는 경우에는 휘발이 많이 일어나는 문제점이 있어 나노섬유의 수율이 낮아지게 된다. 또한 800℃ 미만의 온도에서 탄화시키는 경우에는 탄화가 완전하게 이루어지지 않을 가능성이 있어 바람직하지 않다. 탄화시키는 시간이 0.5시간 미만일 경우에는 탄화가 충분히 이루어지지 않게 되고, 탄화시키는 시간이 5시간을 초과할 경우에는 5시간인 경우와 다른 점이 없고, 불필요한 반응이 발생하게 되어 바람직하지 않다.
상기 '단계 (5)'의 활성화시키는 과정은 수산화칼륨 용액을 가하여 이루어지며, 상기 수산화칼륨 용액의 농도는 5 내지 10M 범위인 것이 바람직하다. 수산화칼륨 용액의 농도가 5M 미만일 경우에는 활성화가 충분히 이루어지지 않고, 10M을 초과할 경우에는 10M인 경우와 큰 차이가 없으므로 실익이 없다.
상기 '단계 (6)'의 가스센서를 제조하는 단계는 분산용액에 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 분산시키고, 이를 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 증착시켜 이루어진다. 상기 분산용액으로는 다양한 용액이 선택될 수 있으며, 예를 들면 에탄올, 메탄올, 아세톤, 디메틸포름아미드 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 분산용액에 분산되는 나노섬유의 비율은 분산용액 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 3 중량부인 것이 바람직하다. 나노섬유의 비율이 0.1 중량부 미만일 경우에는 실리콘웨이퍼 전극 사이에 나노섬유가 균일하게 분포하지 않을 우려가 있고, 3 중량부를 초과할 경우에는 분산이 어려울 수 있어 바람직하지 않다. 가스센서를 제조하는 본 단계의 일례를 조금 더 설명하면 다음과 같다. 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 곱게 그라인딩하여 의도하는 비율에 따라 분산용액에 고르게 분산시킨다. 다음으로 나노섬유가 분산된 용액을 와이어 연결부분에 파라 필름 등이 부착된 실리콘 웨이퍼 상에 증착시키게 된다. 증착은 진공증착법, 스핀코팅법, 스프레이 분사법 등 다양한 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
또한 본 발명은 상기 '단계 (6)' 이후에 상기 '단계 (6)'의 과정을 통하여 얻어진 가스센서를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리는 30 내지 80℃의 온도범위에서 0.1 내지 1시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 30℃ 미만일 경우에는 분산용액이 쉽게 증발되지 않을 우려가 있고, 80℃를 초과할 경우에는 와이어 연결부분 등을 보호하기 위하여 사용된 파라필름 등이 녹는 등의 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다. 또한 열처리 시간이 0.1시간 미만일 경우에는 분산용액이 쉽게 증발되지 않을 우려가 있고, 1시간을 초과할 경우에는 1시간일 경우와 큰 차이가 없다.
또한 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된 가스센서를 제공한다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1 : 다공성 나노섬유의 제조
폴리아크릴로니트릴을 점도가 160cP가 될 때까지 디메틸포름아미드에 용해하여 혼합액을 제조하였다.
상기 혼합액을 전기방사 하여 나노섬유를 제조하였다. 전기방사 조건은 전압 17kV, 집속기와 주사기 팁과의 거리(TCD) 12cm, 펌프 유속 2.0ml/h, 집속기 회전속도 200rpm이었다.
상기와 같이 전기방사를 통하여 제조된 나노섬유를 2℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 250℃에서 3시간 동안 산화시켰다.
상기 산화과정을 거친 나노섬유를 7℃/min의 속도로 승온시켜 최종적으로 1,500℃에서 1시간 동안 탄화하였다. 탄화시 불활성 기체로 질소 가스를 20cc/min의 속도로 주입하였다.
상기와 같이 탄화과정을 거친 나노섬유를 8M의 수산화칼륨 용액에 담가 1시간 동안 쉐이킹한 후 활성화시켰다. 활성화는 750℃에서 3시간 동안 실시되었다.
상기와 같이 제조된 나노섬유의 비표면적 특성을 분석하여 이의 결과를 도 3에 나타내었다. 본 실시예에 의한 나노섬유는 1,741㎡/g의 비표면적을 가지고 있 으며, 이중 미세기공(micropore)에 의한 표면적은 전체 비표면적 대비 64%이었다.
실시예 2 : 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조 및 성능시험
상기 활성화 과정을 거쳐 형성된 다공성 나노섬유를 막자사발에 곱게 갈아서 디메틸포름아미드에 분산시켰다. 분산은 디메틸포름아미드 100 중량부 기준으로 나노섬유 2 중량부의 비율로 행하였다.
상기 과정을 거쳐 형성된 혼합액을 실리콘 웨이퍼 위에 떨어뜨리고, 900rpm의 회전속도로 4분간 스핀코팅하여 가스센서를 제조하였다.
최종적으로 상기 과정을 거쳐 제조된 나노섬유가 증착된 가스센서를 핫플레이트 상에 올려놓고 40℃에서 0.5시간 동안 열처리하였다.
본 실시예에 따른 가스센서의 표면특성을 알아보기 위하여 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 이미지를 촬영하여 도 4에 나타내었다. 도면에 나타나듯이 다공성 나노섬유가 실리콘 웨이퍼 상에 고르게 증착되었음을 확인할 수 있었다.
다음으로 본 실시예에 의한 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서의 가스 감응 특성을 평가하였다. 가스 감응 특성을 평가하기 위한 장치의 모식도를 도 5에 나타내었다. 가스 감응 특성을 평가하기에 앞서 80℃에서 0.5시간 동안 수분을 증발시키기 위한 전처리를 하였다. 가스 감응 특성은 도 5에 도시된 장치를 이용하여 25℃의 온도(상온)에서 NO 가스를 50ppm의 농도로 주입하여 측정하였고, 측정된 결과값을 도 6에 나타내었다. 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 NO 가스의 감응특 성에 따른 가스센서의 민감도를 나타내는 저항 변화율은 약 -9% 이었다.
도 6에 도시된 그래프의 X축은 측정시간을 나타내고, Y축은 저항 변화율을 나타내는데, 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 가스센서는 N2가스 분위기에서 저항이 안정화 되는 데에 약 5 내지 6분이 소요되고, 50ppm의 NO가스에 대하여 저항변화율이 한계치에 도달하는 데에는 약 6 내지 7분이 소요된다.
이로부터 본 발명에 의한 가스센서는 상온에서 응답시간이 짧고 높은 저항변화율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 의한 가스센서는 상온에서도 높은 감도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 가스센서의 모식도이다.
도 2는 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 나노섬유의 기공도를 확인하기 위한 질소흡착등온선이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 가스센서의 표면특성을 알아보기 위하여 촬영한 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 이미지이다.
도 5는 가스감응 특성을 측정하기 위한 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 가스센서의 NO 가스에 대한 감응특성을 도시한 그래프이다.
Claims (12)
- (1) 폴리머 전구체와 용매를 혼합하는 단계;(2) 상기 '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어진 혼합물을 전기방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;(3) 상기 '단계 (2)'의 과정을 통하여 얻어진 나노섬유를 산화시키는 단계;(4) 상기 '단계 (3)'의 과정을 통하여 산화된 나노섬유를 탄화시키는 단계;(5) 상기 '단계 (4)'의 과정을 통하여 탄화된 나노섬유를 활성화시키는 단계; 및(6) 상기 '단계 (5)'의 과정을 통하여 활성화된 나노섬유를 분산용액에 분산시키고, 이를 실리콘 웨이퍼 전극 사이에 증착시켜 가스센서를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계 (6) 이후에 상기 '단계 (6)'의 과정을 통하여 얻어진 가스센서를 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 '단계 (1)'의 과정을 통하여 얻어지는 혼합물의 점도는 100 내지 500 cP 범위인 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 '단계 (3)'의 산화시키는 과정은 1 내지 5℃/min의 속도로 승온시키고, 최종적으로 200 내지 300℃의 온도범위에서 2 내지 5시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 '단계 (4)'의 탄화시키는 과정은 5 내지 10℃/min의 속도로 승온시키고, 최종적으로 800 내지 1,200℃의 온도범위에서 0.5 내지 2시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 '단계 (5)'의 활성화시키는 과정은 수산화칼륨 용액을 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 수산화칼륨 용액의 농도는 5 내지 10M 범위인 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 분산용액은 에탄올, 메탄올, 아세톤, 디메틸포름아미드 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 분산용액에 분산되는 나노섬유의 비율은 분산용액 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 3 중량부인 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 열처리는 30 내지 80℃의 온도범위에서 0.1 내지 1시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노섬유를 이용한 가스센서의 제조방법.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090124929A KR101156672B1 (ko) | 2009-12-15 | 2009-12-15 | 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090124929A KR101156672B1 (ko) | 2009-12-15 | 2009-12-15 | 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110068094A KR20110068094A (ko) | 2011-06-22 |
| KR101156672B1 true KR101156672B1 (ko) | 2012-06-15 |
Family
ID=44400413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090124929A KR101156672B1 (ko) | 2009-12-15 | 2009-12-15 | 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101156672B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070066859A (ko) * | 2005-12-23 | 2007-06-27 | 한국과학기술연구원 | 초고감도 금속산화물 가스센서 및 그 제조방법 |
| KR20090085775A (ko) * | 2008-02-05 | 2009-08-10 | 충남대학교산학협력단 | 불소 처리된 바나듐 촉매를 함유하는 수소저장매체용탄소나노섬유 및 그 제조방법 |
| KR20090093203A (ko) * | 2008-02-28 | 2009-09-02 | 충남대학교산학협력단 | 금속 촉매가 균일하게 증착된 수소저장매체용 탄소나노섬유및 그 제조방법 |
| KR20090101906A (ko) * | 2006-12-22 | 2009-09-29 | 리써치 트라이앵글 인스티튜트 | 중합체 나노섬유 기반의 전자코 |
-
2009
- 2009-12-15 KR KR1020090124929A patent/KR101156672B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070066859A (ko) * | 2005-12-23 | 2007-06-27 | 한국과학기술연구원 | 초고감도 금속산화물 가스센서 및 그 제조방법 |
| KR20090101906A (ko) * | 2006-12-22 | 2009-09-29 | 리써치 트라이앵글 인스티튜트 | 중합체 나노섬유 기반의 전자코 |
| KR20090085775A (ko) * | 2008-02-05 | 2009-08-10 | 충남대학교산학협력단 | 불소 처리된 바나듐 촉매를 함유하는 수소저장매체용탄소나노섬유 및 그 제조방법 |
| KR20090093203A (ko) * | 2008-02-28 | 2009-09-02 | 충남대학교산학협력단 | 금속 촉매가 균일하게 증착된 수소저장매체용 탄소나노섬유및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20110068094A (ko) | 2011-06-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101156673B1 (ko) | 금속산화물 함유 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 | |
| KR100605006B1 (ko) | 전기방사법으로 제조한 나노섬유의 탄소화에 의한 나노세공 분포를 갖는 활성탄소섬유의 제조방법 | |
| Roman et al. | Electrospun lignin-based twisted carbon nanofibers for potential microelectrodes applications | |
| Kim et al. | Nanostructured metal oxide gas sensors prepared by electrospinning | |
| US7815842B2 (en) | Method for producing conducting polymer fibers with vinyl and conducting polymer fibers with vinyl produced thereby | |
| KR100485603B1 (ko) | 나노섬유를 이용한 활성탄소섬유의 제조방법 | |
| KR100663715B1 (ko) | 장뇌를 이용한 다공성 탄소나노섬유 제조방법 및 이에 따라제조된 탄소나노섬유 | |
| KR101485867B1 (ko) | 내재적 기공성 고분자를 포함하는 다공성 탄소 구조체 및 이의 제조방법 | |
| KR20090107415A (ko) | 무기 함유 유기 섬유의 제조 방법 및 이 섬유를 포함하는 부직포 | |
| KR101156674B1 (ko) | 전도성 탄소재 함유 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 | |
| CN108774808B (zh) | 一种具有交联形貌的表面包覆二氧化锆的聚酰亚胺纳米纤维膜及其制备方法 | |
| CN105671692A (zh) | 密胺树脂改性的富氮多孔碳纤维电极材料的制备方法 | |
| KR102107078B1 (ko) | 그래핀계 액정 섬유, 그래핀계 탄소섬유 및 이들의 제조방법 | |
| Eslah et al. | Synthesis and characterization of tungsten trioxide/polyaniline/polyacrylonitrile composite nanofibers for application as a counter electrode of DSSCs | |
| Han et al. | Fabrication and electrochemical characterization of polyimide‐derived carbon nanofibers for self‐standing supercapacitor electrode materials | |
| Al‐Jallad et al. | Preparation of nonwoven mats of electrospun poly (lactic acid)/polyaniline blend nanofibers: A new approach | |
| KR101572194B1 (ko) | 은 나노와이어 네트워크가 내장된 투명 폴리이미드층을 이용한 투명 전극 및 그 제조방법 | |
| CN111235700A (zh) | 一种红磷掺杂TiO2/C纳米纤维负极材料的制备方法 | |
| CN102507664A (zh) | 一种导电高分子复合纳米纤维电阻型湿度传感器及其制备方法 | |
| KR100953147B1 (ko) | 금속 촉매가 균일하게 증착된 수소저장매체용 탄소나노섬유및 그 제조방법 | |
| KR20090055299A (ko) | 다공성 탄소 재료 및 이의 제조방법 | |
| KR20170001340A (ko) | 전기전도성 폴리에테르이미드 나노섬유 및 그 제조방법 | |
| KR101156672B1 (ko) | 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 | |
| KR100732532B1 (ko) | 전기방사를 이용한 페놀계 초극세 탄소섬유 및 초극세활성탄소섬유와 그 제조방법 | |
| KR101291312B1 (ko) | 광촉매 함유 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150602 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160601 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170626 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180530 Year of fee payment: 7 |