KR101430397B1 - 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents

그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함하고, 상기 금속산화물 나노로드에는 상기 그래핀 또는 그의 응집체 및 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이 서로 결착되어 있는 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.

Description

그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서{Graphene-nanoparticle composite catalyst-decorated metal oxide nanorod, method for fabricating the same and sensors comprising the same}
본 발명은 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 그래핀, 금속 또는 금속산화물 나노입자, 금속산화물 나노로드 중 2종 이상 바람직하게는 3종이 모두 결착되어 있어, 가스에 대한 검출 성능이 획기적으로 개선되고, 우수한 선택성 및 빠른 반응 속도를 구현할 수 있는 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.
ZnO, WO3, 및 TiO2 와 같은 다양한 반도체식 금속산화물의 저항변화를 통해 대기 중 또는 입안에서 나오는 가스들 (H2, O2, CO, NOx, alcohol, SOx, DMMP, 페놀, 톨루엔, acetone, formaldehyde)의 존재 유무를 인식하는 가스센서에 있어서 촉매의 역할이 매우 중요하다. Pt, Ag, Pd, IrO2, RuO2 등과 같은 나노입자를 포함하는 촉매들은 극미량이 금속산화물의 표면에 존재해도, 특정 가스에 대한 반응감도 (response) 뿐만 아니라 선택성 (selectivity) 및 반응속도를 획기적으로 높일 수 있다. 이러한 촉매입자는 크기가 작을수록 더욱 효과적이며, 2 nm - 10 nm 정도의 크기를 갖는 것이 유리하다. 상기의 촉매는 귀금속의 형태일 때, 촉매 작용에 있어서 더욱 바람직하다. Ag, Pt, Pd와 같은 일부 귀금속의 경우 고온에서 국부적으로 산화가 이루어지게 되는데, Ag2O, PtO, PdO 와 같은 산화물은 p-type 반도체 특성을 가지고 있다. 최근 p-type 특성을 갖는 그래핀 또한 큰 주목을 받고 있으며, 그래핀 또한 촉매로 사용이 가능하다. p-type 그래핀과 나노입자 촉매가 동시에 센서 감지소재로 복합화되는 경우, 우수한 선택성과 고감도 특성 및 빠른 반응속도를 기대할 수 있다. 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀 촉매와 나노입자 촉매가 개별적으로 복합화되어 부착되는 경우, 그래핀 촉매 특성과 나노입자 촉매 특성이 동시에 발현된 센서 특성이 얻어질 수 있다. 또한, 2차원의 그래핀 촉매의 적어도 한 면 내지는 양면 모두에 나노입자 촉매가 같이 혼성화 되어, 복합체 센서를 구성하는 경우, 그래핀/나노금속촉매/금속산화물 나노로드 내지는 그래핀/나노금속산화물촉매/금속산화물 나노로드 등의 다종의 계면 접합 특성에 의한 고감도/고선택성 및 빠른 반응속도 특성을 기대할 수 있다.
본 발명의 목적은, 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 중에서 선택된 하나 이상을 2차원의 그래핀 면에 결착시키는 그래핀-나노입자 복합 촉매와, 상기의 그래핀-나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드를 제조하고, 상기 복합체를 이용한 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 그래핀-나노입자 복합 촉매를 이용하여, 다종의 가스들이 동시에 존재하는 경우 특정 가스에 대하여 탁월한 감도와 우수한 선택성 및 빠른 반응속도를 갖는 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 그래핀 면에 포함되는 나노입자 촉매의 종류를 달리하고, 그래핀-나노입자 복합 촉매가 결착되는 금속산화물 나노로드의 종류를 다양하게 하여, 이를 센서 어레이 (sensor array)에 적용하는 것이다.
본 발명의 일 관점인 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체는 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함하고, 상기 금속산화물 나노로드에는 상기 그래핀 또는 그의 응집체 및 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이 서로 결착되어 있을 수 있다.
상기 복합체는 상기 금속산화물 나노로드; 상기 금속산화물 나노로드의 표면 중 적어도 일부분에 결착된 상기 그래핀 또는 그의 응집체; 및 상기 그래핀 또는 그의 응집체의 표면 중 적어도 일부분에 결착된 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체의 제조 방법은 금속산화물 나노로드; 그래핀; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 혼합하여, 상기 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 중 2 이상을 결착시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점인 센서는 상기 복합체를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 2차원의 그래핀 양면 중에 적어도 한면 이상에 나노입자 촉매들이 다수 결착되면서, 그래핀 및 나노입자 촉매 고유의 특성이 변조 (modulation)되는 특징을 갖는다. 즉 그래핀 촉매 특성과 나노입자 촉매 특성이 동시에 금속산화물 나노로드의 특성에 영향을 주기 때문에, 가스센서의 감지소재로 적용되는 경우 다종의 가스와 반응 시 특정 가스에 대한 우수한 선택성과 반응성 및 반응 속도를 가질 수 있다. 특히 그래핀의 함량과 나노입자 촉매의 함량을 서로 조절하고, 다종의 금속 내지는 금속산화물 촉매입자를 도입함으로써, 단일 금속산화물 나노로드 종을 이용하여, 다종의 센서 어레이를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명 일 구체예의 복합체의 개념도이다.
도 2는 실시예 1 중 전기방사를 이용하여 제작한 금속산화물 전구체/고분자 나노 섬유의 주사전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 중 전기방사를 통하여 제작한 금속산화물 전구체/고분자 나노 섬유를 열처리하고 분쇄하여 얻어진 금속산화물 나노로드의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 4는 실시예 1 중 폴리올 (polyol) 방법을 통하여 제조된 Pt 나노입자 촉매의 투과전자현미경 (TEM) 사진이다.
도 5는 실시예 1 중 제조된 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 금속산화물 나노로드의 표면에 결착된 복합체의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 6은 도 5의 확대된 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 1 중 제조된 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 금속산화물 나노로드의 표면에 결착된 복합체의 투과전자 현미경 (TEM) 사진이다.
도 8은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 200 ℃에서 H2S 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 9는 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 250 ℃에서 H2S 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 10은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 300 ℃에서 H2S 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 11은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 350 ℃에서 H2S 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 12는 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 200℃에서 아세톤 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 13은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 350 ℃에서 아세톤 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 14는 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 200 ℃에서 톨루엔 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 15는 실시예 2와 비교예 1의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 300 ℃에서 톨루엔 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
본 발명의 일 관점인 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체는 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함하고, 상기 금속산화물 나노로드, 상기 그래핀 또는 그의 응집체, 및 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 2 이상은 서로 결착되어 있을 수 있다.
일 구체예에서, 상기 복합체는 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함하고, 상기 금속산화물 나노로드에 상기 그래핀 또는 그의 응집체 및 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이 서로 결착되어 있을 수 있다.
바람직하게는, 상기 복합체는 상기 금속산화물 나노로드; 상기 금속산화물 나노로드 표면 중 적어도 일부분에 결착된 그래핀 또는 그의 응집체; 및 상기 그래핀 또는 그의 응집체의 적어도 일부분에 결착된 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함할 수 있다. 이와 같이 상기 복합체는 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드 3종의 물질이 모두 결착될 수 있다.
이를 통해 상기 복합체는 p-n 접합, p-p 접합, n-n type 접합 중 2 이상을 포함할 수 있다.
상기 복합체에서 금속산화물 나노로드는 금속산화물 종류에 따라 n-type 또는 p-type이 될 수 있고, 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 역시 종류에 따라 n-type 또는 p-type이 될 수 있다. 그래핀은 p-type 특성을 갖는다. 그 결과, 상기 복합체는 p-n 접합, p-p 접합, n-n 접합 중 2 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 복합체는 p-n-p, p-p-p, p-n-n type 등 다양한 반도체 접합 구조를 포함할 수 있다.
질병진단을 위한 인체의 날숨으로부터 방출되는 휘발성 유기 화합물 (volatile organic compounds)을 검출하는 날숨센서의 경우, 매우 다양한 가스 종들 (아세톤, 톨루엔, H2S, NO, 등)이 입 안에서 방출이 되기 때문에, 적어도 4종 이상의 센서 어레이가 사용되어야 한다. 이러한 관점에서 다종의 가스센서의 조합이 필수적이다. 따라서, 본 발명의 복합체는 다종의 가스 센서 어레이에 사용될 수 있고, 이로부터 우수한 선택성 및 빠른 반응 속도를 구현할 수 있어, 센서 특히 가스 센서에 사용될 수 있다.
상기 복합체에서 상기 나노입자는 금속 나노입자, 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이고, 통상적으로 알려진 폴리올 (polyol) 공정을 이용하면, 1 nm - 20 nm 범위의 미세한 크기를 갖는 나노입자가 용액 속에 잘 분산되어져 있는 콜로이달 용액을 제조할 수 있다.
상기 복합체에서 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자를 구성하는 금속은 Ag, Pt, Au, Pd, Cu, Ni, Ir, Ru 중 하나 이상이 될 수 있다. 금속산화물은 Ag, Pt, Au, Pd, Cu, Ni, Ir, Ru 중 하나 이상의 산화물로서, 예를 들면 Ag2O, PtO, PdO, NiO, CuO, IrO2, RuO2 중 하나 이상이 될 수 있다.
상기 복합체에서 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자는 그래핀의 일면 또는 양면에 결착이 될 수 있다. 이와 같이 나노입자가 결착된 그래핀이 금속산화물 나노로드에 결착되어 복합체를 구성한다.
상기 복합체에서 상기 나노입자의 형상은 제한되지 않으며, 예를 들면 구형 입자가 될 수 있다. 상기 나노입자의 크기 (평균입경)는 1 nm - 20 nm, 바람직하게는 2 nm - 10 nm가 될 수 있다.
상기 복합체에서 상기 나노입자는 0.001 중량% - 5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% - 3중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 복합체의 가스 센서 촉매 특성이 극대화될 수 있고, 금속산화물 나노로드의 촉매 특성에 영향을 줄 수 있다.
상기 복합체에서 상기 그래핀은 그래핀, 그래핀 산화물 (Graphene Oxide), 환원된 그래핀 산화물 (Reduced Graphene Oxide) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 그래핀 만을 예시하고 있으나, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물도 촉매로서 활용이 가능하다. 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물 3 종을 각각 다른 함량으로 섞어서 나노입자 촉매와 복합화하는데 사용할 수도 있다. 또는 이들 중에 일부가 혼합된 그래핀을 사용함으로써, 높은 감지 특성, 빠른 반응 속도 및 회복속도, 선택성 등의 다양한 특성 향상을 기대할 수 있다.
상기 복합체에서 상기 그래핀은 단일층 또는 다중층일 수 있다.
상기 복합체에서 상기 그래핀은 금속산화물 나노로드와 결착이 이루어질 수 있는 그래핀이면 특정 그래핀의 크기 및 형상에 제약을 두지는 않는다.
상기 복합체 중 상기 그래핀의 형상은 판상형 그래핀, 초 미세한 크기를 갖는 그래핀 등을 포함하는 그래핀 파쇄물, 그래핀 퀀텀 닷 (quantum dot), 그래핀 리본 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 복합체 중 상기 그래핀의 크기는 특정 크기에 제약을 두지는 않지만, 2차원의 그래핀 면에 있어서 최장경은 2 nm - 500 nm 가 될 수 있다. 상기 범위 내에서, 그래핀은 금속산화물 나노로드에 불연속적으로 결착이 될 수 있다.
상기 복합체에서 상기 그래핀은 0.001 중량% - 1 중량%, 바람직하게는 0.005 중량% - 0.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 복합체의 가스 센서 촉매 특성이 극대화될 수 있고, 금속산화물 나노로드의 촉매 특성에 영향을 줄 수 있다.
상기 금속산화물 나노로드는 전기방사로 제조된 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 얻은 나노로드일 수 있다. 상기 금속산화물 나노로드는 금속염 전구체로부터 전기방사 및 열처리 과정을 거쳐서 형성된 나노섬유를 분쇄하여 얻어진 나노로드이기 때문에, 미세한 나노입자로 구성된 다결정성 특성을 가진다. 금속산화물 나노로드를 구성하는 다결정 금속산화물 나노입자의 크기는 2 nm - 150 nm 의 크기 범위를 가질 수 있으며, 전구체 염을 포함하는 고분자 섬유를 열처리하는 온도에 따라서 입자 성장 정도가 달라져서, 나노입자의 크기를 조절하는 것이 가능하다.
상기 금속산화물 나노로드는 다결정성 또는 단결정성 나노로드 이외에 단결정성 나노로드 또한 사용될 수 있다. 그러나 단결정성 나노로드의 경우 복합한 조성비를 갖는 금속산화물을 다양하게 합성하는 것이 어렵기 때문에, 다성분계의 복잡한 조성을 갖는 금속산화물 나노로드의 손쉬운 제조가 가능한 전기방사 기술을 이용하는 것이 바람직하다. 전기방사를 통하여 제조된 나노로드의 경우 전구체 염을 자유롭게 조절하여 다양한 금속산화물 소재에 대한 제조가 가능하기 때문에, 나노입자 촉매를 포함하는 그래핀과 결착이 될 때 더욱 효과적인 센서 어레이를 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 복합체에서, 금속산화물 나노로드, 그래핀, 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자를 결착시키는 힘은 금속산화물 나노로드, 그래핀, 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 간의 반데르발스 인력(van der waals force)에 기인한다.
상기 금속산화물 나노로드는 n-type 또는 p-type 특성을 갖는 반도체 산화물이면 어떤 종류의 물질이든 사용이 가능하다. WO3, ZnO, SnO2, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Ag2V4O11, Ag2O, MnO2, InTaO4, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 , Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 혹은 그 이상의 복합체가 될 수 있다.
상기 금속산화물 나노로드의 직경은 50 nm - 1.5 μm, 바람직하게는 100 nm - 1.5 μm의 크기를 가질 수 있다.
상기 금속산화물 나노로드의 길이는 1 μm - 30 μm가 될 수 있다. 상기 범위 내에서, 나노로드간의 상호 접촉면이 지나치게 많이 생기지 않는 범위 안에서 네트워크 구조를 형성하여 가스 흡착 및 탈착에 빠른 저항변화를 효과적으로 전극까지 빠르게 전달할 수 있는 효과가 있을 수 있다.
상기 나노입자 촉매를 포함하는 그래핀 복합 촉매가 금속산화물 나노로드에 결착이 되어 센서 소재로 사용이 되는 경우, 그래핀과 금속 내지는 금속산화물 나노입자 촉매의 높은 가스 반응 활성으로 인하여, 비교적 낮은 동작 온도에서 우수한 가스센서 반응을 기대할 수 있다. 금속산화물 나노로드의 표면에 외부 가스들이 흡착 및 탈착되는 반응은 300 ℃ 이상의 온도에서 가장 활발하게 일어나기 때문에, 통상적으로 가스센서는 300 - 450 ℃의 동작온도에서 동작이 이루어지게 된다. 따라서 나노입자 촉매를 포함하는 그래핀 복합 촉매와 반도체 특성을 갖는 금속산화물 나노로드를 서로 복합화 하여 감지소재로 사용함으로써 센서 동작에 필요한 전력소모를 줄일 수 있다는 장점을 가진다.
상기 복합체 중 상기 금속산화물 나노로드는 복합체 중 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 제외한 잔부량으로 포함될 수 있다.
상기 금속산화물 나노로드에는 그래핀, 그래핀 응집체, 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이 더 결착될 수 있다. 즉, 상기 금속산화물 나노로드 표면 중 적어도 일부분에 그래핀 또는 그의 응집체가 결착되어 있고, 상기 그래핀 또는 그의 응집체의 적어도 일부분에 금속 또는 금속산화물 나노입자가 결착되어 있고, 상기 금속산화물 나노로드 표면에 그래핀, 그래핀 응집체, 금속 또는 금속산화물 나노입자가 별개로 결착되어 있을 수 있다.
상기 금속산화물 나노로드는 그래핀, 특히 나노로드 대비 넓은 면적을 가지는 판상형의 그래핀에 더 결착될 수 있다. 이러한 경우 판상형 그래핀은 금속산화물 나노로드 대비 직경이 커야 한다. 예를 들면, 판상형 그래핀의 크기는 500 nm - 10 μm가 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예인 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체의 개념도를 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 복합체(100)는 나노입자(1)가 결착된 그래핀(2)이 금속산화물 나노로드(3)에 결착되어 있을 수 있다. 상기 나노입자는 그래핀의 일면 또는 양면에 결착될 수도 있다. 상기 그래핀은 자체로 서로 응집되어 그래핀 응집체(5)를 형성할 수 있고, 그래핀 응집체 형태로 금속산화물 나노로드(3)에 결착될 수도 있다. 또한, 상기 금속산화물 나노로드(3)에는 그래핀(2'), 그래핀 응집체, 금속 또는 금속산화물 나노입자(1') 중 하나 이상이 더 결착될 수 있다.
또한, 상기 금속산화물 나노로드(3)는 그래핀, 특히 판상형 그래핀(2")의 일면 또는 양면에 더 결착될 수 있다. 상기 판상형 그래핀(2")에는 나노입자와 그래핀이 결착된 금속산화물 나노로드(3) 이외에, 나노입자(1)가 결착된 그래핀 또는 그의 응집체(5'), 그래핀 파쇄물(2"'), 나노입자(1")가 더 결착될 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 제조 방법은 금속산화물 나노로드; 그래핀; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자를 혼합하여, 상기 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그 응집체; 및 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 중 2 이상을 결착시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 제조 방법은 (a) 그래핀이 분산된 그래핀 분산용액을 제조하는 단계; (b) 금속촉매 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 촉매가 분산되어 있는 분산용액을 제조하는 단계; (c) 금속산화물 전구체를 포함하는 고분자 복합 나노 섬유를 제조한 후 이를 열처리하여 금속산화물 나노섬유를 제조하고, 상기 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 금속산화물 나노로드를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 그래핀 분산용액, 나노입자 촉매 분산용액 및 금속산화물 나노로드 분산용액을 혼합하여, 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀-나노입자 복합 촉매가 결착된 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
금속산화물 나노로드는 금속산화물 나노섬유를 사용한 통상의 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 금속산화물 전구체를 포함하는 고분자 복합 나노 섬유를 제조하고 이를 열처리하여 금속산화물 나노섬유를 제조하고, 상기 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 제조할 수 있다.
금속산화물 전구체는 금속을 포함하는 염, 예를 들면 유기산염, 할로겐염, 무기산염, 알콕시염, 설파이드염, 아미드염 등이 될 수 있다. 구체적으로, 아세테이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드, 옥시트리이소프로폭시드, (에틸 또는 세틸에틸)헥사노에이트, 부타노에이트, 에틸아미드, 아미드 등의 형태를 가지는 금속염 중에서 선택된 어느 하나 내지는 둘 이상의 혼합 염이 될 수 있다.
상기 고분자는 중량평균분자량(Mw)이 100,000 - 1,500,000 g/mol이 될 수 있다. 상기 고분자는 예를 들면, PVAc(폴리비닐아세테이트), PVP(폴리비닐피롤리돈), PVA(폴리비닐알콜), PEO(폴리에틸렌 옥사이드), PANi(폴리아닐린), PAN(폴리아크릴로니트릴), PMMA(폴리메틸메타아크릴레이트), PAA(폴리아크릴산), 또는 PVC(폴리비닐클로라이드)가 될 수 있다.
상기 금속산화물 전구체, 고분자 및 소정의 방사 용매로부터 방사 용액을 제조한 후 상기 방사 용액을 전기 방사하여 금속산화물 전구체가 포함된 고분자 복합 나노섬유를 형성하게 된다. 전기 방사 후, 형성된 금속산화물 전구체가 포함된 고분자 복합 나노섬유를 열처리한다. 열처리는 복합 섬유 내에 포함된 고분자를 탄화시키거나 제거하는 동시에, 전구체를 산화시켜 금속 산화물을 형성할 수 있게 한다. 열처리는 산화 분위기에서 수행될 수 있다. 열처리는 분당 4 ℃/분의 속도로 승온하고, 300 - 600 ℃의 온도 구간에서 최소 30분부터 최대 5시간 열처리 시간을 유지한 후에 분당 4 ℃/분의 속도로 냉각되도록 진행한다.
상기 나노섬유를 제조한 후 나노섬유를 분쇄하여 금속산화물 나노로드를 형성한다.
상기 그래핀 분산용액, 나노입자 분산 용액 및 금속산화물 나노로드 분산 용액을 혼합하여, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드가 상호간에 결착된 복합체를 제조한다.
분산 용액용 용매는 에탄올, 디메틸포름아마이드, 이소프로필알콜 등의 유기 용매가 될 수 있다.
분산 용액의 혼합시, 조건은 그래핀 분산용액, 나노입자 분산 용액 및 금속산화물 나노로드 분산 용액을 1 분 - 3 시간 동안 초음파 진동기에서 서로 혼합이 될 수 있도록 진행한다.
본 발명의 또 다른 관점인 가스 센서는 상기 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드 복합체를 포함할 수 있다.
상기 복합체와 같이 금속산화물 나노로드, 나노입자, 및 그래핀 또는 그의 응집체가 복합체화 됨에 따라 여러 가스들이 동시에 존재하는 경우, 특정한 가스에 대한 선택성과 우수한 감도 및 빠른 반응 속도를 갖는 복합 센서를 제조할 수 있다. 상기 센서는 질병진단을 위한 날숨 가스(H2S, Acetone, NH3, Toluene, Pentane, Isoprene, NO 등) 및 유해환경 가스 (CO, NOx SO3 등) 등을 검출할 수 있는 반도체식 가스 센서를 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 일 실시예일 뿐이고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 그래핀-Pt 금속 나노 입자 촉매를 가지는 주석산화물 나노로드 제조
(1) 주석산화물 나노로드 제조
주석산화물 나노로드를 형성하기 위하여 주석 전구체를 포함하는 고분자 나노섬유를 제작하였으며 열처리를 과정을 거쳤다. 주석 전구체는 Tin acetate (IV), Aldrich 0.4g을 사용하였으며, 고분자는 분자량 1,300,000 g/mol의 폴리비닐피롤리돈 (poly(vinyl pyrrolidone, PVP), Aldrich, 0.2 g과 분자량 350,000 g/mol의 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate, PMMA), Aldrich, 0.2 g을 함께 섞은 복합 고분자 사용하였다. 상기의 주석전구체를 포함하는 고분자를 아세트산 0.11 g(Junsei Chemical)이 포함된 용매 N,N-dimethylformamide (DMF) 용액 2.831 g에 넣고 25 ℃에서 섞으며, 약 48시간 동안 500 RPM의 속도로 교반을 통하여 전기방사 용액을 제조하였다.
교반을 마친 상기 방사용액을 12 ml 용량의 플라스틱 주사기에 넣고 실린지 펌프 (KD Scientific, model 781200)에 연결하여, 분당 10 μl 토출속도로 방사용액을 밀어내도록 하였다. 방사용액을 이용하여 토출이 되는 방사노즐 (needle)과 나노섬유 웹을 수득하는 집전체 기판 사이를 15 cm를 유지한 채 15 kV의 전압을 인가하여 주석산화물 전구체를 포함하는 고분자 나노섬유 웹을 제조하였다.
상기 제조된 주석산화물 전구체를 포함하는 고분자 나노섬유는 대기 (air) 분위기에서 열처리를 통하여 주석산화물 나노섬유를 제작하였다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3-550 소형 전기로에서 분당 4 ℃ 씩 온도를 올려 500 ℃에서 30분간 유지하였으며, 다시 분당 4 ℃씩 온도를 감소시켜 상온으로 내려오도록 하였다. 이때, 높은 열처리 온도로 인하여 나노섬유의 내부 고분자는 산화되거나 탄화되어 제거되고, 내부에 용해되어 있는 주석 전구체들이 산화가 되어 주석 산화물을 형성하게 된다. 열처리가 완료된 주석산화물 나노섬유는 수거 시 분쇄되거나 추가적인 분쇄 과정을 거쳐 나노로드 형태를 가진다.
도 2는 실시예 1에서 전기방사를 통하여 제조된 주석염 전구체를 포함하는 고분자 나노섬유의 주사전자 현미경 사진 (SEM)을 나타낸 것이다. 주석염 전구체를 포함하는 고분자 나노섬유는 완만한 표면 형상을 가지는 웹으로 섬유의 두께 분포는 400 nm - 700 nm를 나타낸다.
도 3은 실시예 1에서 얻어진 주석산화물 나노로드의 주사전자 현미경 사진 (SEM)을 나타낸 것이다. 주석염 전구체를 포함하는 고분자가 고온의 열처리를 통하여 산화 및 탄화과정을 거치게 되면서 나노섬유 내부의 고분자가 제거되고 핵생성 및 입자성장과정을 거치면서 표면은 미세한 다결정성 나노입자로 구성된 주석산화물 나노로드 형상을 나타낸다.
(2) 그래핀 및 Pt 금속 나노 입자 촉매 제조
그래핀 (UniThink Inc.) 촉매는 유기용매인 N,N-dimethylformamide (DMF) 용매에 분산을 통하여 제조되었다. 0.3 mg의 그래핀을 30 ml의 DMF 용매에 넣고 초음파 세척기를 이용한 분산과정을 거쳤다. 초음파 세척기를 이용한 분산시간은 약 3시간으로 넓은 면적을 가지는 그래핀 sheet 들이 충분히 분쇄되어 초미세 그래핀 조각(플레이크)을 형성할 수 있도록 하여 촉매로 작용하기 용이한 크기로 제조하였다.
Pt 나노 입자 촉매는 polyol 방법을 이용하여 제조되었다. 0.5 g의 H2PtCl6를 5 ml의 에틸렌글리콜 (ethylene glycol) 에 녹이고, 이 용액을 오일 베스 (oil bath)를 통하여 150 ℃로 가열된 45 ml의 에틸렌글리콜이 담긴 플라스크에 천천히 주입시켰다. 이어서 분자량 10,000 g/mol을 가지는 PVP 0.5 g을 20 ml의 에틸렌글리콜에 녹이고, 이 용액을 상기의 플라스크에 분당 2 ml 씩 주입하였다. 이때, 용액의 색깔이 노란색에서 검정색으로 급격히 변하게 되며 Pt 용액이 형성된다. 1시간 후, 아세톤을 Pt 용액대비 5:1의 부피비가 되도록 하여 Pt 용액에 첨가하였다. Pt 나노 입자만 거르기 위하여 원심분리기를 이용하여 3000 rpm 으로 5분간 원심분리를 하였으며, 분리된 Pt 나노입자들은 물 (deionized water)에 여러 번 세척을 하였다. 세척된 Pt 나노입자는 에탄올에 넣어 고르게 분산시켜 콜로이달 용액을 형성하도록 하였다.
도 4는 상기 polyol 방법으로 제조된 Pt 나노입자의 투과전자 현미경 (TEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 Pt 나노입자는 4 nm - 7 nm의 입자 크기를 가진다.
(3) 그래핀-Pt 금속 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체 제조
상기 제조된 그래핀, Pt 나노입자를 주석산화물 나노로드와 함께 하나의 바이알 (vial) 용기에 혼합하여 복합체를 이루도록 하였다. 혼합된 바이알은 약 5분간 초음파 세척기를 통하여 균일하게 섞이도록 하였다. 그래핀, Pt나노 입자 촉매의 비율은 주석산화물 나노로드의 무게대비 각각 0.02 wt%, 0.1 wt%를 혼합하여 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 제조하였다.
도 5는 상기된 바와 같이 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드와 혼합하여 복합 소재를 형성하였을 경우의 주사전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 5에 나타난 바와 같이 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 금속산화물 나노로드에 균일하게 결착된 것을 확인할 수 있다. 또한, 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 일부분에서 응집된 형상을 나타내는 것도 확인하였다.
도 6은 상기의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드와 혼합하여 복합 소재를 형성한 주사전자 현미경 (SEM) 확대 사진을 나타낸 것이다. 도 6에 나타난 확대 이미지와 같이, 주석 산화물 나노로드 상부에 다양한 크기의 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매들이 분포한 것을 확인할 수 있다.
도 7은 상기의 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드와 혼합하여 복합 소재를 형성한 후에 관찰된 투과전자 현미경 (TEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 7에 나타난 바와 같이 그래핀 상면 및 하면에 Pt 금속 입자가 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 상기 결합된 그래핀-Pt 나노입자는 주석 산화물 나노로드에 결착된 것을 확인할 수 있다. 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매 간에 과량 뭉치는 현상은 바람직하지 않으며, 균일하게 분산되어 주석산화물 나노로드 전면에 분포하는 것이 바람직하다.
실시예 2: 그래핀-Pt 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 가스센서 제조
상기 제작된 그래핀-Pt 금속 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체의 날숨센서 구현을 위한 가스센서 특성을 규명하기 위하여 하기와 같이 센서 제조 및 특성을 평가하였다.
날숨센서는 상기된 그래핀-Pt 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 감지물질로 사용하여 두 전극이 평행하게 패터닝 (patterning) 된 알루미나 기판 위에 제조되었다.
알루미나 기판의 면적은 약 460 μm x 460 μm를 가진다. 알루미나 기판위의 두 전극은 약 70 μm의 간격을 두고 이격되어 있으며, 패터닝 된 전극의 두께는 약 25 μm 이며, 길이는 약 345 μm를 갖는다. 알루미나 기판의 반대 면에는 히터 (heater)가 위치하여 기판의 온도를 조절 할 수 있도록 설계되었다.
상기 그래핀-Pt 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 센서 감지 물질로 제작하기 위하여, 그래핀 촉매, Pt 나노입자 촉매 및 주선산화물 나노로드 각각을 에탄올에 분산시켰으며, 각각의 분산용액의 혼합을 통하여 그래핀-Pt 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 제조하였다. 상기 에탄올에 분산된 그래핀-Pt 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 드랍 코팅(Drop coating) 방법을 통하여 센서 전극이 형성되어 있는 알루미나 기판에 코팅하였다.
상기에서 제작된 그래핀-Pt 나노 입자가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 날숨 센서에 응용하기 위하여 황화수소 (H2S), 아세톤, 톨루엔 세 가지 종류의 가스를 흘려주면서 저항변화를 통하여 반응성을 평가하였다. 각각의 가스에 대한 반응은 가스가 주입될 때의 저항과 공기중에서의 저항의 비로 나타내어 진다 (반응 : Rair/Rgas 저항의 변화, Rair: 공기 중에서의 저항, Rgas: 측정 가스를 흘려줄 때의 저항). 이때 반응이 크다는 것은 가스가 주입될 때 저항이 크게 바뀐다는 것이고, 따라서 그만큼 감도가 좋다고 평가할 수 있다.
날숨센서로서 특성을 규명하기 위하여 특성평가는 날숨 (입안)의 습한 환경과 유사한 상대습도 85%-90%를 유지하며 진행되었다. 제작된 센서의 저항은 Agilent사의 34972A 모델을 이용하여 측정하였다. 가스 농도에 따른 특성평가를 위하여 흘려주는 가스의 농도를 차례로 5 ppm, 4 ppm, 3 ppm, 2 ppm, 1 ppm 으로 변화시켜가면서 저항변화를 기록하였다. 가스센서의 구동온도는 Agilent 사의 DC 전압 생성기인 E3647A 모델을 이용하여 조절하였다.
비교예 1: 순수한 주석산화물 나노로드를 이용한 센서 제조
그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드의 가스센서 특성에 미치는 영향을 보다 명확하게 관찰하기 위하여 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착되지 않은 순수한 주석산화물 나노로드를 이용하여 가스센서를 제조하였다. 실시예 1에서 얻어진 순수한 주석산화물 나노로드 네트워크를 이용하여, 실시예 2에서 사용된 동일한 알루미나 센서 기판 상에 코팅하였다. 합리적인 비교를 위하여 코팅 방법으로는 주석산화물 나노로드를 에탄올에 분산시킨 후, 알루미나 기판에 드랍 코팅 (Drop coating) 방법을 이용한 것으로 상기 실시예 2에서 제작된 센서제작 방법과 동일한 방법으로 제작되었다.
날숨 센서 테스트는 실시예 2의 조건과 동일하게 진행하였다.
이상 실시예로 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체 제조방법을 설명 하였으며, 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드의 가스센서 소재로의 우수성을 입증하기 위하여 순수한 주석산화물 나노로드 네트워크로 구성된 센서와 직접 비교 분석을 하였다.
도 8은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드와 순수한 주석산화물 나노로드의 네트워크를 이용한 질병진단용 가스센서 테스트 결과를 보여주고 있다. 이때 반응 가스는 황화수소 (H2S) 였으며, 200 ℃에서 가스 반응 (황화수소 주입에 따른 농도 변화에 대한 저항변화) 결과를 보여주는 그래프이다. 도 8에서 보여 지듯이, 같은 조건에서 제조된 순수한 주석산화물 나노로드 센서에 비하여 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 경우 비교예 1을 통해 제조된 순수한 주석산화물 나노로드 기반 센서에 비하여 H2S 가스에 대한 반응이 상대적으로 증가한 것을 확인할 수 있었다.
도 9는 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 황화수소 (H2S) 가스에 대하여 250 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 8의 결과와 비교하여 보았을 때, 온도가 250 ℃로 상승하여 측정한 결과 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 결착한 주석산화물 나노로드의 반응이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있다. 이때, 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시킨 경우 반응은 5 ppm 에서 92의 매우 높은 수치를 나타내었으며, 순수한 주석산화물 나노로드의 경우 반응은 5 ppm에서 14로 그래핀-Pt 복합 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 네트워크 기반 센서가 약 6.5배 향상된 결과를 나타내었다.
도 10은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 황화수소 (H2S) 가스에 대하여 300 ℃에서의 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 10에 나타난 바와 같이 도 9와 비교하여 300 ℃로 상승된 온도에서 감도가 획기적으로 향상된 것을 확인할 수 있다. 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때 반응은 5 ppm에서 818의 감도 값을 나타내었으며, 순수한 주석산화물 나노로드의 반응은 5 ppm에서 16을 나타내어 무려 50배 이상의 향상된 반응성을 나타내었다.
도 11은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 황화수소 (H2S) 가스에 대하여 350 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 11에 나타난 바와 같이, 온도가 350 ℃로 상승됨에 따라서 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 결착한 주석산화물 나노로드의 반응성이 낮은 가스 농도에서 순수한 주석산화물 나노로드보다 저하되는 것으로 확인되었다. 이는 그래핀-Pt 촉매가 첨가된 주석산화물 나노로드 센서의 높은 온도 의존성을 제시하는 결과이며, 단일 물질에 대하여 온도 조건을 달리 하여 주는 것만으로도 선택성을 가질 수 있다는 점을 보여주는 결과이다.
도 12는 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 아세톤 가스에 대하여 250 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 12에 나타난 바와 같이 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 결착한 주석산화물 나노로드와 순수한 주석산화물 나노로드 모두 아세톤에 대하여 250 ℃에서 반응이 거의 없는 것으로 확인되었다.
도 13은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 아세톤 가스에 대하여 350 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 13에 나타난 바와 같이 온도가 350 ℃로 상승됨에 따라 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 결착한 주석산화물 나노로드와 순수한 주석산화물 나노로드 모두 아세톤에 대한 반응성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 하지만, 낮은 가스 농도에서는 순수한 주석산화물 나노로드의 반응성이 더 향상된 것으로 나타났다.
도 14는 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 톨루엔 가스에 대하여 200 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 14에 나타난 바와 같이 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 결착한 주석산화물 나노로드와 순수한 주석산화물 나노로드 모두 톨루엔에 대하여 250 ℃에서 반응이 거의 없는 것으로 확인되었다.
도 15는 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때와 순수한 주석산화물 나노로드를 질병진단용 가스센서를 위한 톨루엔 가스에 대하여 300 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 15에 나타난 바와 같이, 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착시켰을 때 순수한 주석산화물 나노로드에 비하여 월등히 반응성이 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 톨루엔에 대한 반응속도가 10초 이내로 매우 빠른 반응속도를 보이므로, 그래핀-Pt 나노 입자 복합 촉매를 주석산화물 나노로드에 결착한 감지물질은 질병진단용 날숨센서를 위한 소재로 바람직하다.
상기의 실시예에서는 주석산화물(SnO2)을 한 예로 들었지만, 전기방사를 통하여 제작할 수 있는 금속산화물 반도체이면 어떤 것이든 가능하며, ZnO, SnO2, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Ag2V4O11, Ag2O, MnO2, InTaO4, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 , Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 그 이상의 복합체일 수 있다. 상기의 어느 금속산화물과도 그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매와 혼합을 통한 복합체를 형성할 수 있다.
그래핀-Pt 나노입자 복합 촉매를 부여한 금속산화물 복합체는 상기 실시예의 구체적인 결과에서 나타난 H2S, 아세톤, 톨루엔 가스에 대하여만 적용되는 것이 아니라, 질병진단을 위한 날숨 가스 (H2S, Acetone, NH3, Toluene, Pentane, Isoprene, NO 등) 등 다양한 가스에 대하여 응용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 금속산화물 나노로드; 상기 금속산화물 나노로드의 표면 중 적어도 일부분에 결착된 그래핀 또는 그의 응집체; 및 상기 그래핀 또는 그의 응집체의 적어도 일부분에 결착된 금속 또는 금속산화물 나노입자를 포함하는, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체로서,
    상기 금속산화물 나노로드는 2 내지 150nm의 나노입자로 구성되는 다결정성 금속산화물 나노로드이고,
    상기 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체 중, 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자는 0.001 내지 5중량%로 포함되고, 상기 그래핀은 0.001 내지 1중량%로 포함되고, 상기 금속산화물 나노로드는 잔부량으로 포함되는, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 복합체는 p 타입-n 타입 접합, p 타입-p 타입 접합, n 타입-n 타입 접합 중 하나 이상을 포함하는, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 그래핀은 판상형 그래핀, 그래핀 파쇄물, 그래핀 퀀텀 닷 (quantum dot), 그래핀 리본 중 하나 이상을 포함하는, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속산화물 나노로드에는 그래핀, 그래핀 응집체, 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이 더 결착된, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속산화물 나노로드는 판상형 그래핀에 결착되어 있는 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체.
  8. 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 또는 금속산화물 나노입자들이 분산된 분산용액을 혼합하여, 상기 금속산화물 나노로드; 그래핀 또는 그의 응집체; 및 금속 나노입자 또는 금속산화물 나노입자 중 2 이상을 결착시키는 단계를 포함하는, 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 Ag, Pt, Au, Pd, Cu, Ni, Ir, Ru 중 하나 이상을 포함하고, 상기 금속산화물 나노입자는 Ag, Pt, Au, Pd, Cu, Ni, Ir, Ru 중 하나 이상의 산화물을 포함하고, 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자는 2 nm - 20 nm 크기를 갖는 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체의 제조 방법.
  10. 제1항의 그래핀, 나노입자 및 금속산화물 나노로드의 복합체를 포함하는 가스 센서.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가스 센서는 날숨으로부터 방출되는 휘발성 유기화합물을 분석하는 가스 센서.
  12. 제10항에 있어서, 상기 금속산화물 나노로드에는 그래핀, 그래핀 응집체, 금속 또는 금속산화물 나노입자 중 하나 이상이 더 결착된 가스 센서.
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