KR101446592B1 - Sensor having core-shell nano structure, and preparing method of the same - Google Patents

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Abstract

기재; 상기 기재 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서, 및 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법에 관한 것이다.materials; A sensing part including a core-shell nanostructure containing a core including a first metal oxide formed on the substrate, and a shell containing a second metal oxide formed on the core; And two electrode layers spaced apart from each other on the sensing part, wherein a thickness of the shell is equal to or less than a length of the divider, thereby forming a complete depletion layer in the entire shell. And a method of manufacturing a sensor including the core-shell nanostructure.

Description

코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서, 및 이의 제조 방법{SENSOR HAVING CORE-SHELL NANO STRUCTURE, AND PREPARING METHOD OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a sensor including a core-shell nanostructure, and a method of manufacturing the sensor.

본원은, 기재; 상기 기재 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이(Debye length) 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a substrate; A sensing part including a core-shell nanostructure containing a core including a first metal oxide formed on the substrate, and a shell containing a second metal oxide formed on the core; And two electrode layers spaced apart from each other on the sensing part, wherein a thickness of the shell has a value equal to or less than a Debye length, thereby forming a complete depletion layer in the entire shell. And a sensor including the nanostructure.

화학 센서는, 감지하고자 하는 물질인 화학종과 센싱부에 위치한 반도체성 물질 표면의 화학적인 상호작용에 의해 야기되는 상기 반도체성 물질 표면의 전도 전자의 밀도 변화, 및 이에 따라 발생되는 상기 반도체성 물질의 전기 비저항 변화를 센싱 원리로 이용하는 센서를 의미한다. 예를 들어, 상기 센싱부에 위치한 반도체성 물질이 금속 산화물인 경우, 상기 금속 산화물의 표면에 감지하고자 하는 물질인 화학종이 흡착되면 상기 금속 산화물의 표면에서 산화·환원 반응이 발생하여 상기 금속 산화물의 전기 비저항이 변화하게 되며, 이를 통해 상기 화학종을 감지할 수 있다.A chemical sensor is a sensor that detects the change in the density of the conduction electrons on the surface of the semiconducting material caused by the chemical interaction of the chemical species as the substance to be sensed and the surface of the semiconducting material located in the sensing region, Which is a sensor that uses the electrical resistivity change as a sensing principle. For example, when the semiconducting material located at the sensing unit is a metal oxide, if a chemical species, which is a substance to be sensed, is adsorbed on the surface of the metal oxide, oxidation and reduction reactions occur on the surface of the metal oxide, The electrical resistivity is changed, whereby the chemical species can be detected.

최근 들어, 상기 화학 센서의 센싱부에 포함되는 반도체성 물질로서 나노 섬유, 나노로드, 나노튜브, 나노리본 등의 나노 구조체 형태의 금속 산화물을 이용하는 나노 화학 센서(nano chemical sensor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이는, 기존의 벌크(bulk) 또는 박막 형태의 반도체성 물질을 센싱부에 함유하는 화학 센서에 비해, 상기 나노 구조체 형태의 금속 산화물을 이용하는 나노 화학 센서의 체적 대비 표면적이 높기 때문에, 보다 높은 감응성을 기대할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 포토리소그라피(photolithography) 공정을 이용하여 제조한 나노 구조체를 센싱부에 포함하는 나노 화학 센서에 관한 연구가 보고된 바 있다. 또한, 예를 들어, 대한민국등록특허 제1027074호 "금속산화물층을 갖는 나노구조물 기체센서, 나노구조물 기체센서 어레이 및 그 제조방법"은, 센싱부에 나노 구조체 형태의 금속 산화물을 포함하는 고감도의 나노 화학 센서에 대하여 개시하고 있다.In recent years, studies on a nano chemical sensor using a metal oxide in the form of a nanostructure such as a nanofiber, a nanorod, a nanotube, and a nanoribbon have been actively conducted as semiconducting materials included in the sensing part of the chemical sensor . This is because the surface area of the nanochemical sensor using the metal oxide in the form of the nanostructure is higher than that of the chemical sensor including the conventional bulk or thin film semiconductor material in the sensing portion, This is because we can expect. For example, research on nanochemical sensors including a nanostructure fabricated using a photolithography process in a sensing section has been reported. Also, for example, Korean Patent No. 1027074 entitled " Nanostructure Gas Sensor Having Metal Oxide Layer, Nanostructure Gas Sensor Array and Method for Producing the Same ", discloses a nanostructure gas sensor array having a high sensitivity nano- Discloses a chemical sensor.

월등한 감응성을 가짐으로써 극미량의 기체 검출도 할 수 있는 고감도의 나노 화학 센서가 개발되는 경우, 이는 국방용, 특수 목적용으로 응용 가능할 뿐만 아니라, 다양한 사업 현장에서 이용됨으로써 더욱 안전한 사회를 만드는데 일조할 수 있다. 특히, 각종 유기휘발성 물질(VOC; volatile organic compound)을 포함하는 환원성 기체의 경우, 인체에 상당히 유해하고, 폭발의 위험성도 높기 때문에, 고감도의 나노 화학 센서를 개발함으로써 극미량의 환원성 기체에 대한 선제적인 검출이 가능해질 경우, 이의 활용성은 매우 높을 것으로 예상된다. 예를 들어, 환원성 기체의 일종인 CO의 경우, 이를 흡입하면 혈액 내에서 카르복시-헤모글로빈을 형성하여 산소 운반을 방해하고 적혈구의 기체 교환 능력을 감소시킴으로써 사망의 원인이 될 수도 있기 때문에, ppb 레벨 내지 수백 ppm 레벨의 극미량 검출이 요구된다. 그러나, 현재까지 환원성 기체에 대하여 충분히 높은 감응성을 가지는 고감도의 나노 화학 센서는 연구 및 보고된 바 없다.
When a highly sensitive nanochemical sensor capable of detecting a trace amount of gas can be developed by having superior sensitivity, it can be applied not only for defense and special purpose applications but also for making a safer society by being used in various business sites . Particularly, in the case of a reducing gas containing various volatile organic compounds (VOCs), it is highly harmful to the human body and the risk of explosion is high. Thus, by developing a highly sensitive nanochemical sensor, If detection is possible, its utility is expected to be very high. For example, in the case of CO, which is a kind of reducing gas, inhalation thereof may cause death by interfering with oxygen transport by forming carboxy-hemoglobin in the blood and reducing the gas exchange ability of red blood cells, A trace detection at a level of several hundred ppm is required. However, to date, there has been no research or report on highly sensitive nanochemical sensors having sufficiently high sensitivity to reducing gases.

이에, 본 발명자들은, 본원에 따라 쉘의 두께를 디바이(Debye length) 길이 이하로 조절함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성된 코어-쉘 구조체를 함유하는 센서를 제조하여 환원성 기체의 감지 및 검출에 이용하는 경우, 미량의 환원성 기체도 고감도로 감지할 수 있음을 발견하여 본원을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have developed a sensor including a core-shell structure in which a complete depletion layer is formed on the entire shell by controlling the thickness of the shell to be equal to or less than the Debye length, The present inventors have found that a trace amount of reducing gas can be detected with high sensitivity.

이에, 본원은, 기재; 상기 기재 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이(Debye length) 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 구조체를 함유하는 센서, 및 상기 코어-쉘 구조체를 함유하는 센서의 제조 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a substrate comprising: a substrate; A sensing part including a core-shell nanostructure containing a core including a first metal oxide formed on the substrate, and a shell containing a second metal oxide formed on the core; And two electrode layers spaced apart from each other on the sensing part, wherein a thickness of the shell has a value equal to or less than a Debye length, thereby forming a complete depletion layer in the entire shell. A sensor containing the structure, and a method of manufacturing a sensor containing the core-shell structure.

또한, 본원은, 기재; 상기 기재 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층; 및 상기 전극층 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 구조체를 함유하는 센서, 및 상기 코어-쉘 구조체를 함유하는 센서의 제조 방법을 제공한다.The present invention also relates to a substrate comprising: a substrate; Two electrode layers formed on the substrate so as to be spaced apart from each other; And a sensing portion including a core-shell nanostructure containing a core containing a first metal oxide formed on the electrode layer and a shell containing a second metal oxide formed on the core, wherein the thickness of the shell is Wherein a complete depletion layer is formed over the entire shell by having a value equal to or less than the length of the device, and a method of manufacturing a sensor containing the core-shell structure.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 기재; 상기 기재 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이(Debye length) 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, A sensing part including a core-shell nanostructure containing a core including a first metal oxide formed on the substrate, and a shell containing a second metal oxide formed on the core; And two electrode layers spaced apart from each other on the sensing part, wherein a thickness of the shell has a value equal to or less than a Debye length, thereby forming a complete depletion layer in the entire shell. A sensor comprising a nanostructure is provided.

본원의 제 2 측면은, 기재; 상기 기재 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층; 및 상기 전극층 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제공한다.A second aspect of the present application provides a substrate, comprising: a substrate; Two electrode layers formed on the substrate so as to be spaced apart from each other; And a sensing portion including a core-shell nanostructure containing a core containing a first metal oxide formed on the electrode layer and a shell containing a second metal oxide formed on the core, wherein the thickness of the shell is And a complete depletion layer is formed in the entire shell by having a value equal to or less than the length of the device.

본원의 제 3 측면은, 기재 상에 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하는 것; 상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 형성하는 것; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하는 것을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a method of forming a core comprising: forming a core comprising a first metal oxide on a substrate; Forming a sensing portion including the core-shell nanostructure by forming a shell containing a second metal oxide on the core; And forming two electrode layers spaced apart from each other on the sensing portion, wherein a thickness of the shell is less than or equal to a length of the device to form a complete depletion layer in the entire shell, A method of manufacturing a sensor including a structure is provided.

본원의 제 4 측면은, 기재 상에 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하는 것; 및 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하고, 상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 구조체를 제조한 후, 상기 전극층 상에 상기 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부로서 증착하는 것을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다.
A fourth aspect of the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming two electrode layers on a substrate, And forming a core including a first metal oxide on the core and forming a shell containing a second metal oxide on the core to form a core-shell nanostructure, and then sensing the core-shell nanostructure on the electrode layer, And forming a complete depletion layer in the entire shell by causing the thickness of the shell to be equal to or less than the length of the divider, thereby providing a method of manufacturing a sensor including the core-shell nanostructure .

본원의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는, 쉘 층의 두께를 디바이 길이 이하로 조절하여 완전 공핍층을 형성함으로써 극미량의 환원성 기체 검출에 특히 우수한 감응성을 가지는 센서로서 다양한 분야에서 유용하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 환원성 기체인 CO의 경우, 이를 흡입하면 헤모글로빈과의 높은 흡착력으로 인하여 산소 운반에 장애를 일으켜 사망의 원인이 될 수 있는데, 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부에 포함하는 센서를 이용하여 극미량의 환원성 기체를 고감도로 검출함으로써 이와 같은 위험을 방지할 수 있다.The sensor including the core-shell nanostructure of the present invention is a sensor having particularly excellent sensitivity to the detection of a trace amount of reducing gas by forming the complete depletion layer by controlling the thickness of the shell layer to be equal to or less than the device length, . For example, in the case of CO, which is a reducing gas, when it is inhaled, it may cause death due to obstruction of oxygen transportation due to high adsorption force with hemoglobin. In this case, a sensor including the core- Such a risk can be prevented by detecting a very small amount of reducing gas using a high sensitivity.

한편, 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서에서 상기 코어-쉘 나노 구조체는, 예를 들어, 전기방사법을 이용하여 나노 섬유 네트워크 형상의 코어를 형성하고, 원자층 증착법을 복수회 수행함으로써 상기 코어 상에 쉘을 형성함으로써 제조할 수 있으며, 상기 전기방사법과 원자층 증착법은 비교적 간단한 방법에 해당하므로 제조에 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있는 이점이 있다.Meanwhile, in the sensor including the core-shell nanostructure of the present invention, the core-shell nanostructure may be formed by forming a nanofiber network-shaped core using, for example, an electrospinning method, And the shell is formed on the core. Since the electrospinning method and the atomic layer deposition method correspond to a relatively simple method, the manufacturing cost and time can be saved.

또한, 상기 원자층 증착법을 이용하여 상기 쉘 부분을 형성할 경우, 원자층 증착법의 수행 횟수와 상기 쉘의 두께는 선형적으로 비례하는 양상을 나타내기 때문에, 이를 이용하여 원자층 증착법의 수행 횟수를 조절함으로써 원하는 쉘의 두께를 형성할 수 있으며, 이에 따라 용이하게 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하가 되도록 조절함으로써 상기 센서의 환원성 기체에 대한 감응성을 향상시킬 수 있다.In addition, when the shell portion is formed using the atomic layer deposition method, the number of atomic layer deposition processes and the shell thickness are linearly proportional to each other, The thickness of the desired shell can be formed by adjusting the thickness of the shell, so that the sensitivity of the sensor to the reducing gas can be improved by easily adjusting the thickness of the shell to be equal to or less than the device length.

또한, 상기 본원의 센서의 센싱부에 포함되는 코어-쉘 나노 구조체는 나노 구조체의 일종으로서 부피 대비 표면적이 크기 때문에 감지 대상 기체에 보다 넓은 면적이 노출될 수 있다는 이점이 있고, 특히 나노 섬유 네트워크 구조를 가질 경우에는 상온에서의 대면적 증착이 가능하다는 추가적인 이점이 있으며, 나노 스케일에 해당하여 초박막 및 초경량의 소재 형성이 가능하다는 이점 또한 보유한다.Since the core-shell nanostructure included in the sensing part of the sensor of the present invention is a kind of nanostructure, it has a large volume and a large surface area. Therefore, it has an advantage that a larger area can be exposed to a gas to be detected. , There is an additional advantage that a large-area deposition can be performed at room temperature, and an advantage of being able to form an ultra-thin and light-weight material corresponding to the nanoscale.

또한, 상기 본원의 센서의 센싱부에 포함되는 코어-쉘 나노 구조체는, 상기 코어 및 상기 쉘에 상이한 화합물을 보유하여 상기 코어 및 상기 쉘 사이 계면에 헤테로 접합이 형성되도록 함으로써, 단일 물질로 구성된 나노 구조체 또는 합금 나노 구조체에 비해 더 높은 감응성을 보유하도록 제조할 수 있다는 이점이 있다.
In addition, the core-shell nanostructure included in the sensing portion of the sensor of the present invention has a compound that is different from that of the core and the shell to form a heterojunction at the interface between the core and the shell, There is an advantage in that it can be manufactured to have higher sensitivity than the structure or alloy nanostructure.

도 1은, 본원의 일 구현예에 따라 제조한 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따라 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제조하는 공정을 단순화하여 나타낸 모식도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 코어-쉘 나노 구조체의 표면에 환원성 기체가 공급 또는 제거됨에 따라 나타나는 공핍층의 변화를 나타낸 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 따라 제조한 코어-쉘 나노 구조체에 형성되는 공핍층의 모델에 관한 모식적 다이어그램으로서, EC는 전도성 밴드 에너지(conduction band energy) 값이고, EF는 페르미 에너지 레벨(Fermi energy level)이다.
도 5a는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 CuO 코어 나노 섬유의 FE-SEM 이미지이고, 도 5b 내지 도 5f는 각각 본원의 일 실시예에 따라 제조한 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 FE-SEM 이미지로서, 도 5b 내지 도 5f 각각에서 ZnO 쉘 형성을 위하여 수행한 ALD 사이클 수는 40 회, 80 회, 200 회, 415 회, 및 667 회이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따라 코어-쉘 나노 구조체를 제조하는 경우, ALD 사이클 수에 선형적으로 비례하여 상기 쉘의 두께가 점진적으로 증가됨을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 50 nm의 ZnO 쉘 두께를 가지는 코어-쉘 나노 섬유의 저배율 TEM 이미지이고, 도 7b 내지 도 7d는 각각 상기 코어-쉘 나노 섬유의 O, Cu, 및 Zn의 원소 맵핑 결과이고, 도 7e는 EDS를 이용하여 분석한 상기 코어-쉘 나노 섬유의 화학적 조성 분석 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 따라 다양한 쉘 두께를 가지도록 제조된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유, 및 대조군인 CuO 나노 섬유 각각의 XRD 패턴(x선 θ-2θ 회절 패턴)이다.
도 9a는 본원의 일 실시예에 따라 다양한 쉘 두께를 가지도록 제조된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유, 및 대조군인 CuO 나노 섬유 각각의 CO 기체에 대한 반응 곡선을 나타낸 것이고, 도 9b는 상기 도 9a의 데이터를 상이한 방식으로 표현한 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따라 센서의 센싱부로서 이용하기 위하여 제조한 나노 구조체의 모식도, 상기 나노 구조체에서 일어나는 전자 이동의 모식도, 전도성 밴드 에너지(EC), 및 페르미 에너지 레벨(EF)을 나타낸 것으로서, 도 10a는 상기 나노 구조체가 대조군인 CuO 나노 섬유인 경우이고, 도 10b는 상기 나노 구조체가 완전 공핍층이 형성된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이며, 도 10c는 상기 나노 구조체가 불완전 공핍층이 형성된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이다.
도 11a는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 SnO2 코어 나노 섬유의 FE-SEM 이미지이고, 도 11b는 도 11a의 확대도이며, 도 11c 및 도 11e는 수행한 ALD 사이클 수를 달리하여 제조한 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 FE-SEM 이미지이고, 도 11d 및 도 11f 각각은 도 11c 및 도 11e의 확대도이다.
도 12a는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 20 nm의 ZnO 쉘 두께를 가지는 코어-쉘 나노 섬유의 저배율 TEM 이미지이고, 도 12b 내지 도 12d는 각각 상기 코어-쉘 나노 섬유의 O, Sn, 및 Zn의 원소 맵핑 결과이고, 도 12e는 EDS를 이용하여 분석한 상기 코어-쉘 나노 섬유의 화학적 조성 분석 그래프이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 따라 다양한 쉘 두께를 가지도록 제조된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유, 및 대조군인 SnO2 나노 섬유 각각의 XRD 패턴(x선 θ-2θ 회절 패턴)이다.
도 14a 및 도 14b는 본원의 일 실시예에 따라 다양한 쉘 두께를 가지도록 제조된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유, 및 대조군인 SnO2 나노 섬유 각각의 CO 기체에 대한 반응 곡선을 나타낸 것이고, 도 14c 및 도 14d는 본원의 일 실시예에 따라 다양한 쉘 두께를 가지도록 제조된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유, 및 대조군인 SnO2 나노 섬유 각각의 NO2 기체에 대한 반응 곡선을 나타낸 것이며, 도 14e 및 도 14f는 상기 도 14a 내지 도 14d의 결과를 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따라 센서의 센싱부로서 이용하기 위하여 제조한 나노 구조체의 모식도, 상기 나노 구조체에서 일어나는 전자 이동의 모식도, 전도성 밴드 에너지(EC), 및 페르미 에너지 레벨(EF)을 나타낸 것으로서, 도 15a는 상기 나노 구조체가 대조군인 SnO2 나노 섬유인 경우이고, 도 15b는 상기 나노 구조체가 완전 공핍층이 형성된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이며, 도 15c는 상기 나노 구조체가 불완전 공핍층이 형성된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이다.
1 is a schematic diagram of a sensor including a core-shell nanostructure fabricated according to one embodiment of the present application.
FIG. 2 is a simplified diagram illustrating a process for fabricating a sensor including a core-shell nanostructure according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a change in a depletion layer caused by the supply or removal of a reducing gas on the surface of a core-shell nanostructure according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram of a model of a depletion layer formed in a core-shell nanostructure fabricated according to an embodiment of the present invention, wherein E C is a conduction band energy value, and E F is a Fermi energy Fermi energy level.
5a is an FE-SEM image of CuO core nanofiber prepared according to one embodiment of the present invention, and Figs. 5b to 5f are FE-SEM images of CuO-ZnO core-shell nanofiber prepared according to one embodiment of the present invention, As an SEM image, the number of ALD cycles performed for ZnO shell formation in each of Figs. 5B to 5F is 40, 80, 200, 415, and 667 times.
6 is a graph showing that the thickness of the shell gradually increases linearly with the number of ALD cycles when fabricating the core-shell nanostructure according to one embodiment of the present application.
7A is a low-magnification TEM image of a core-shell nanofiber having a ZnO shell thickness of 50 nm prepared according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 7B to 7D are graphs showing the O, Cu, Zn, and FIG. 7E is a graph of chemical composition analysis of the core-shell nanofibers analyzed using EDS.
FIG. 8 is an XRD pattern (x-ray theta-2 theta diffraction pattern) of CuO-ZnO core-shell nanofiber prepared to have various shell thicknesses according to one embodiment of the present invention and CuO nanofiber as a control group.
FIG. 9A shows the reaction curves of the CuO-ZnO core-shell nanofiber prepared to have various shell thicknesses according to an embodiment of the present invention and the CO gas of the CuO nanofiber as a control group, and FIG. 9a in a different manner.
10 is a schematic diagram of a nanostructure fabricated for use as a sensing portion of a sensor according to an embodiment of the present invention, a schematic diagram of electron transfer occurring in the nanostructure, a conductive band energy (EC), and a Fermi energy level (EF) FIG. 10A shows a case where the nanostructure is a CuO nanofiber as a control group, FIG. 10B shows a case where the nanostructure is a CuO-ZnO core-shell nanofiber with a complete depletion layer, FIG. And a CuO-ZnO core-shell nanofiber in which an incomplete depletion layer is formed.
FIG. 11A is an FE-SEM image of the SnO 2 core nanofiber prepared according to an embodiment of the present invention, FIG. 11B is an enlarged view of FIG. 11A, FIGS. 11C and 11E are cross- SnO 2 -ZnO core-shell, and FE-SEM image of a nano fiber, and Fig. 11d and 11f respectively is an enlarged view of Figure 11c and 11e.
12A is a low-magnification TEM image of a core-shell nanofiber having a ZnO shell thickness of 20 nm manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 12B to 12D are graphs showing the O, Sn, Zn, and FIG. 12E is a graph of chemical composition analysis of the core-shell nanofibers analyzed using EDS.
13 is manufactured to have a wide range of shell thickness, in accordance with an embodiment of the present SnO 2 -ZnO core-shell a nanofiber, and a control group of SnO 2 nanofibers each XRD pattern (x-ray diffraction pattern of 2θ-θ) .
FIGS. 14A and 14B show reaction curves for CO gas of each of the SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber prepared to have various shell thicknesses according to an embodiment of the present invention and the SnO 2 nanofiber as a control group, FIGS. 14C and 14D show reaction curves for NO 2 gas of each of the SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber prepared to have various shell thicknesses according to one embodiment of the present invention and the control SnO 2 nanofiber, respectively , And Figs. 14E and 14F show the results of Figs. 14A to 14D as a single graph.
15 is a schematic diagram of a nanostructure fabricated for use as a sensing portion of a sensor according to an embodiment of the present invention, a schematic diagram of electron transfer occurring in the nanostructure, a conductive band energy (EC), and a Fermi energy level (EF) 15A shows a case where the nanostructure is a SnO 2 nanofiber as a control group, FIG. 15B shows a case where the nanostructure is a SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber with a complete depletion layer, FIG. And SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber in which the structure is an incomplete depletion layer.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is "on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination thereof" included in the expression of the machine form means one or more combinations or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the machine form, And the like.

본원 명세서 전체에서, 용어 "디바이 길이(Debye length)"는 플라즈마 내부에서 주어진 음의 입자인 자유 전자가 주위의 양의 입자에 의해 차폐되어 외부와 관계없이 그 자신의 운동 에너지에 의해 운동할 수 있는 거리를 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또는, 상기 용어 "디바이 길이"는 전하가 일정 부분 없어지는 거리를 의미하는 것으로서, 예를 들어, n-타입 쉘의 표면에 산소가 흡착될 경우 n-타입 반도체의 전하 운반체인 전자가 산소로 이동됨으로써 상기 n-타입 쉘의 표면에는 전자가 없어지는 부분이 발생하게 되는데, 이와 같이 산소 흡착으로 인한 전자의 이동이 일어날 수 있는 최소한의 거리를 일컬어 상기 "디바이 길이"라는 용어를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 임의의 쉘 물질의 디바이 길이는, 상기 쉘 물질이 가지는 유전상수 등의 고유한 성질, 및 코어 물질과의 헤테로 접합에서 비롯된 밴드 구부러짐 현상에 따라 발생되는 포텐셜 장벽(potential barrier)의 높이에 따라 달라질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Throughout this specification, the term "Debye length" means that free electrons, which are negative particles given inside the plasma, are shielded by the surrounding positive particles and are able to move by their own kinetic energy It may be, but is not limited to, distance. Alternatively, the term "device length" refers to the distance over which a charge is removed. For example, when oxygen is adsorbed on the surface of an n-type shell, electrons, which are charge carriers of n- Type shell, a portion where electrons disappear is generated on the surface of the n-type shell. The term "device length" may be used to refer to the minimum distance at which electrons can move due to oxygen adsorption. But is not limited to. For example, the device length of an arbitrary shell material is determined by the inherent properties of the shell material, such as the dielectric constant, and the height of the potential barrier generated by the band bending phenomenon resulting from the heterojunction with the core material. But it is not limited thereto.

본원 명세서 전체에서, 용어 "공핍층(depletion layer)"은 전하 운반체가 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것으로서, 예를 들어 p-타입 반도체의 경우 전하 운반체인 정공이 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것일 수 있고, n-타입 반도체의 경우 전하 운반체인 전자가 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본원 명세서 전체에서, 용어 "완전 공핍층(depletion layer)"은 전하 운반체가 완전히 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Throughout this specification, the term "depletion layer " refers to a space in which a charge carrier is deficient, for example, in the case of p-type semiconductors, In the case of an n-type semiconductor, it means a space in which electrons, which are charge carriers, are deficient, but the present invention is not limited thereto. Further, throughout the present specification, the term "complete depletion layer" may refer to a space in which the charge carrier is completely deficient, but is not limited thereto.

본원 명세서 전체에서, 용어 "환원성 기체"는 그와 반응하는 물질의 환원 반응을 촉진하고 산화 반응은 잘 일으키지 않는 기체를 의미하는 것으로서, 상기 환원성 기체에서의 "환원"은 산소를 잃는 현상, 수소를 얻는 현상, 또는 전자를 얻는 현상을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Throughout the present specification, the term "reducing gas" refers to a gas which promotes the reduction reaction of a substance reacting therewith and does not cause an oxidation reaction. The "reduction" in the reducing gas means a phenomenon of losing oxygen, But is not limited to, a phenomenon to be obtained, or a phenomenon to obtain an electron.

본원 명세서 전체에서, 용어 "코어-쉘 나노 구조체"는 코어-쉘 구조를 가지는 나노 구조체를 총칭하는 것으로서, 예를 들어 코어로서의 나노 섬유가 형성되고 상기 나노 섬유의 외부 표면에 쉘이 둘러싸여 있는 형태의 나노 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Throughout this specification, the term "core-shell nanostructure" is a generic term for a nanostructure having a core-shell structure, for example, a nanostructure as a core and a shell surrounded by an outer surface of the nanostructure But are not limited to, nanostructures.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본원의 제 1 측면은, 기재; 상기 기재 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이(Debye length) 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, A sensing part including a core-shell nanostructure containing a core including a first metal oxide formed on the substrate, and a shell containing a second metal oxide formed on the core; And two electrode layers spaced apart from each other on the sensing part, wherein a thickness of the shell has a value equal to or less than a Debye length, thereby forming a complete depletion layer in the entire shell. A sensor comprising a nanostructure is provided.

예를 들어, 기재, 상기 기재 상에 형성된 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부, 및 상기 센싱부 상에 형성된 2 개의 전극층을 포함하는 본원의 제 1 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체는 도 1의 모식도로서 단순화하여 나타낼 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the core-shell nanostructure according to the first aspect of the present invention comprising a substrate, a sensing portion including the core-shell nanostructure formed on the substrate, and two electrode layers formed on the sensing portion, 1, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 기재; 상기 기재 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층; 및 상기 전극층 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제공한다.A second aspect of the present application provides a substrate, comprising: a substrate; Two electrode layers formed on the substrate so as to be spaced apart from each other; And a sensing portion including a core-shell nanostructure containing a core containing a first metal oxide formed on the electrode layer and a shell containing a second metal oxide formed on the core, wherein the thickness of the shell is And a complete depletion layer is formed in the entire shell by having a value equal to or less than the length of the device.

예를 들어, 기재, 상기 기재 상에 형성된 2 개의 전극층, 및 상기 전극층 상에 형성된 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 포함하는 본원의 제 2 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체는 상기 제 1 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체와 비교할 때 상기 전극층 및 상기 센싱부의 위치가 상하로 교환된 것으로서, 이의 제조 방법은 도 2의 모식도로서 단순화하여 나타낼 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the core-shell nanostructure according to the second aspect of the present invention, including the substrate, the two electrode layers formed on the substrate, and the sensing portion including the core-shell nanostructure formed on the electrode layer, Shell nanostructure according to the present invention, the position of the electrode layer and the sensing portion are exchanged vertically, and the method of manufacturing the same is simplified as a schematic diagram of FIG. 2, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 약 100 ppm 이하의 환원성 기체를 감지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따른 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는, 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 조절함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성한 것이며, 이에 따라 극미량의 환원성 기체를 감지하는데 특히 유용하게 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 약 100 ppm 이하의 환원성 기체, 예를 들어, 약 0 ppm 초과 내지 약 10 ppm 이하, 약 0 ppm 초과 내지 약 20 ppm 이하, 약 0 ppm 초과 내지 약 40 ppm 이하, 약 0 ppm 초과 내지 약 70 ppm 이하, 약 0 ppm 초과 내지 약 100 ppm 이하, 약 10 ppm 이상 내지 약 20 ppm 이하, 약 10 ppm 이상 내지 약 40 ppm 이하, 약 10 ppm 이상 내지 약 70 ppm 이하, 약 10 ppm 이상 내지 약 100 ppm 이하, 약 20 ppm 이상 내지 약 40 ppm 이하, 약 20 ppm 이상 내지 약 70 ppm 이하, 약 20 ppm 이상 내지 약 100 ppm 이하, 약 40 ppm 이상 내지 약 70 ppm 이하, 약 40 ppm 이상 내지 약 100 ppm 이하, 또는 약 70 ppm 이상 내지 약 100 ppm 이하의 극미량의 환원성 기체를 감지하는데 유용하게 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 약 0.1 ppm 내지 약 10 ppm 범위의 극미량의 환원성 기체를 감지하는데 유용하게 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, the sensor including the core-shell nanostructure may detect a reducing gas of about 100 ppm or less, but is not limited thereto. The sensor including the core-shell nanostructure according to the first or second aspect of the present invention has a complete depletion layer formed in the entire shell by controlling the thickness of the shell to be equal to or less than the length of the divider, Can be used particularly advantageously for detecting a trace amount of reducing gas, but is not limited thereto. For example, the sensor comprising the core-shell nanostructure may comprise less than about 100 ppm reducing gas, such as greater than about 0 ppm to less than about 10 ppm, greater than about 0 ppm to less than about 20 ppm, less than about 0 ppm From about 0 ppm to about 100 ppm, from about 10 ppm to about 20 ppm, from about 10 ppm to about 40 ppm, from about 10 ppm to about 10 ppm, About 10 ppm or more to about 100 ppm or less, about 20 ppm or more to about 40 ppm or less, about 20 ppm or more to about 70 ppm or less, about 20 ppm or more to about 100 ppm or less, or about 40 ppm or less But is not limited to, a small amount of a reducing gas of not less than about 70 ppm, not less than about 40 ppm and not more than about 100 ppm, or not less than about 70 ppm and not more than about 100 ppm. For example, a sensor comprising the core-shell nanostructure herein may be usefully used to detect trace amounts of reducing gas in the range of from about 0.1 ppm to about 10 ppm, but is not limited thereto.

이와 관련하여, 도 3은, 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따라 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 조절함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되도록 하는 경우 CO와 같은 환원성 기체를 감지하는데 유리함을 나타내는 동시에, 상기 환원성 기체를 제거할 경우 대기 중의 산소 분자에 의하여 상기 쉘의 완전 공핍층이 회복됨을 나타낸 모식도이다. 반도체 기체 센서의 경우, 기체를 감지하기 위하여 공핍층 두께 변화에 따른 저항 변화를 이용하게 되며, 상기 반도체 기체 센서의 센싱부는 항시 대기 중에 존재하는 산소의 표면 흡착에 의하여 어느 정도의 공핍층이 형성된 상태로 존재한다. 구체적으로, 산소가 센서의 센싱부 표면에 흡착되면 상기 센서의 센싱부 표면으로부터 전자를 끌어와 산소 음이온 상태가 되고, 이에 따라 센서의 센싱부 표면에는 전자 결핍으로 인하여 공핍층이 형성된다. 이때, 센서에 환원성 기체가 공급되면 상기 산소 음이온과 상기 환원성 기체가 반응하면서 일부 전자가 상기 센서의 센싱부로 되돌아 가게 되어 공핍층의 전자 결핍 정도가 약화된다. 이후 상기 환원성 기체의 공급을 차단하게 되면, 대기 중의 산소 흡착이 다시 일어나면서 상기 공핍층의 전자 결핍 정도가 강화된다. 여기에서, 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따라 센서의 센싱부에 포함된 코어-쉘 나노 구조체의 쉘 부분에 완전 공핍층을 형성할 경우, 이와 같은 현상이 극대화되면서 극미량의 환원성 기체에 대해서도 높은 감응성을 가지는 센서가 되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따른 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 경우, 감지 대상인 환원성 기체의 양이 지나치게 많거나, 또는 감지 대상으로서 산화성 기체를 적용할 경우 높은 감응성이 발휘되지 않을 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.In this regard, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a case where a complete depletion layer is formed in the entire shell by controlling the thickness of the shell to have a value equal to or less than the length of the divider according to the first or second aspect of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing the advantage of sensing the gas, and that when the reducing gas is removed, the complete depletion layer of the shell is recovered by oxygen molecules in the atmosphere. In the case of the semiconductor gas sensor, the resistance change according to the thickness change of the depletion layer is used to detect the gas, and the sensing part of the semiconductor gas sensor has a state in which a certain depletion layer is formed Lt; / RTI > Specifically, when oxygen is adsorbed on the surface of the sensing portion of the sensor, electrons are drawn from the sensing portion surface of the sensor to become an oxygen negative ion, and thus, a depletion layer is formed on the surface of the sensing portion of the sensor due to electron deficiency. At this time, when a reducing gas is supplied to the sensor, the oxygen anion and the reducing gas react with each other, and some electrons return to the sensing portion of the sensor, so that the degree of electron deficiency of the depletion layer is weakened. Then, when the supply of the reducing gas is interrupted, oxygen adsorption in the atmosphere occurs again, and the degree of electron deficiency of the depletion layer is strengthened. Here, when the complete depletion layer is formed in the shell portion of the core-shell nano structure included in the sensing portion of the sensor according to the first or second aspect of the present invention, such a phenomenon is maximized, and a very small amount of the reducing gas But it is not limited thereto. In the case of the sensor including the core-shell nanostructure according to the first aspect or the second aspect of the present invention, when the amount of the reducing gas to be detected is excessively large, or when the oxidizing gas is applied as a sensing object, But the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는, H2, CO, CH4, NH3 , CH3OH, C2H5OH, C3H8, H2S, 디메틸아민(dimethylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 기체를 감지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 앞서 설명한 바와 같이 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 극미량의 환원성 기체를 감지하는 것에 최적화된 상태이며, 이에 따라 감지 대상 물질로서 H2, CO, CH4, NH3 , CH3OH, C2H5OH, C3H8, H2S, 디메틸아민, 트리에틸아민, 벤젠, 톨루엔, 또는 자일렌 등의 환원성 기체를 적용할 경우 높은 감응성을 기대할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 제 1 측면 또는 제 2 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 각종 유기휘발성 물질(VOC; volatile organic compound)을 포함하는 환원성 기체를 감지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the invention, the core-sensor including a shell nanostructures, H 2, CO, CH 4 , NH 3, CH 3 OH, C 2 H 5 OH, C 3 H 8, H 2 S, It may be to detect a gas selected from the group consisting of dimethylamine, triethylamine, benzene, toluene, xylene, and combinations thereof, It is not. As described above, the sensor including the core-shell nanostructure of the present invention is optimized for sensing a very small amount of reducing gas, and accordingly, H 2 , CO, CH 4 , NH 3 , CH 3 OH, When a reducing gas such as C 2 H 5 OH, C 3 H 8 , H 2 S, dimethylamine, triethylamine, benzene, toluene, or xylene is applied, high sensitivity can be expected but is not limited thereto. For example, a sensor comprising a core-shell nanostructure according to the first or second aspect of the present invention may be a sensing of a reducing gas comprising various volatile organic compounds (VOCs) It is not.

예를 들어, 상기 기재는 금속 도전성 기재, 또는 절연성 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기재는 실리콘(Si) 웨이퍼, 알루미늄 기재 등의 금속 도전성 기재, 석영 기재, 산화물 기재 등의 절연성 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기재는 그 자체로서 절연성 기재일 수도 있고, 또는 상기 기재의 상부에 절연층을 추가 포함함으로써 절연성 기재와 유사한 물성을 보유하는 것일 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 절연층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 다이옥사이드, 질화 실리콘, 또는 다양한 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the substrate may be a metal conductive substrate, or an insulating substrate, but is not limited thereto. For example, the substrate may be a silicon (Si) wafer, a metal conductive substrate such as an aluminum substrate, a quartz substrate, or an oxide substrate, but is not limited thereto. For example, the substrate may be an insulating substrate itself, or may have properties similar to those of an insulating substrate by including an insulating layer on the substrate, but the present invention is not limited thereto. For example, the insulating layer may include, but is not limited to, silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitride, or various polymers.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 서로 상이한 금속의 산화물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어에 포함되는 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 쉘에 포함되는 상기 제 2 금속 산화물로서 서로 상이한 금속의 산화물을 이용함으로써, 상기 코어-쉘 나노 구조체의 상기 코어와 상기 쉘의 계면에 헤테로 접합(heterojunction)이 형성되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 헤테로 접합은 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 감응성 향상에 기여할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 서로 상이한 에너지 밴드 구조(energy bamd structure)를 가지는 것일 수 있으며, 이로 인해 본원의 코어-쉘 나노 구조체에서 완전 공핍층이 형성될 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, the first metal oxide and the second metal oxide may be oxides of different metals, but the present invention is not limited thereto. For example, by using an oxide of a metal different from each other as the first metal oxide included in the core and the second metal oxide included in the shell, it is possible to prevent the core and the shell of the core- Although heterojunctions can be formed, the present invention is not limited thereto. The heterojunction may contribute to the enhancement of the sensitivity of the sensor including the core-shell nanostructure of the present invention, but is not limited thereto. For example, the first metal oxide and the second metal oxide may have energy bamd structures that are different from each other, so that a complete depletion layer can be formed in the core-shell nanostructure of the present invention But is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 각각 독립적으로 Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물로서 각각 사용될 수 있는 금속 산화물 반도체는, TiO2, SnO2, ZnO, MnO2, MgO, NiO, WO3 , Co3O4, Fe2O3, BaTiO3, In2O3, ZrO2, CuAlO2, Bi2O3, 금속 산화물 복합체 (metal oxide composites) (예를 들어, Ti 도핑된 SnO2, Sn 도핑된 ZnO, Mg 도핑된 ZnO, Mn 도핑된 ZnO, Ni 도핑된 ZnO, Co 도핑된 ZnO, Fe 도핑된 ZnO, Mn 도핑된 MgO, Ni 도핑된 MgO, Co 도핑된 MgO, Fe 도핑된 MgO, Mg 도핑된 MnO2, Ni 도핑된 MnO2, Co 도핑된 MnO2, Fe 도핑된 MnO2, Mg 도핑된 NiO, Mn 도핑된 NiO, Co 도핑된 NiO, Fe 도핑된 NiO, Mg 도핑된 Co3O4, Mn 도핑된 Co3O4, Ni 도핑된 Co3O4, Fe 도핑된 Co3O4, Mg 도핑된 Fe2O3, Mn 도핑된 Fe2O3, Ni 도핑된 Fe2O3, Co 도핑된 Fe2O3, Ag 도핑된 ZnO 등), PZT(PbZrO3 및 PbTiO3의 고용체를 총칭함), Ag 산화물, Cd 산화물, Y 산화물, Mo 산화물, Rh 산화물, Pd 산화물, Sb 산화물, Cs 산화물, La 산화물, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, the first metal oxide and the second metal oxide are each independently selected from the group consisting of Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, But are not limited to, oxides of metals selected from the group consisting of Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La and combinations thereof. For example, the metal oxide semiconductor that can be used as the first metal oxide and the second metal oxide may be TiO 2 , SnO 2 , ZnO, MnO 2 , MgO, NiO, WO 3 , Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , BaTiO 3 , In 2 O 3 , ZrO 2 , CuAlO 2 , Bi 2 O 3 , metal oxide composites (eg Ti doped SnO 2 , Sn doped ZnO, Mg doped ZnO , Mn-doped ZnO, Ni of ZnO, Co-doped ZnO, Fe of ZnO, Mn doped with MgO, Ni the doped MgO, Co doped with MgO, Fe-doped MgO, Mg of MnO 2, Ni-doped doped doping Mn doped MnO 2 , Co doped MnO 2 , Fe doped MnO 2 , Mg doped NiO, Mn doped NiO, Co doped NiO, Fe doped NiO, Mg doped Co 3 O 4 , Mn doped Co 3 O 4 , Ni doped Co 3 O 4 , Fe doped Co 3 O 4 , Mg doped Fe 2 O 3 , Mn doped Fe 2 O 3 , Ni doped Fe 2 O 3 , Co doped Fe 2 O 3 , Ag doped ZnO, etc.), PZT (hereinafter collectively referred to as solid solutions of PbZrO 3 and PbTiO 3), Ag oxide, Cd oxide, Y oxide, Mo Be to include the storage, Rh oxide, selected from the Pd oxide, Sb oxide, Cs oxides, La oxides, and the group consisting of the combinations thereof, but is not limited to this.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 쉘은 상기 제 2 금속 산화물의 나노 입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 센싱부의 표면부에 해당하는 상기 쉘이 다수의 나노 크기 입자들을 포함함으로써 거친(rough)표면을 가지는 경우, 매끄러운(smoothing) 표면을 가지는 경우에 비해 표면적을 증가시킬 수 있고, 이에 딸라 기체 분자를 흡착할 수 있는 영역이 확장되면서 센서의 감응성이 향상될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the shell may comprise, but is not limited to, nanoparticles of the second metal oxide. If the shell corresponding to the surface portion of the sensing portion includes a plurality of nano sized particles to have a rough surface, the surface area can be increased as compared with the case where the shell has a smoothing surface, The sensitivity of the sensor may be improved by expanding the adsorbable region, but the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 코어에 포함되는 상기 제 1 금속 산화물의 입자 크기는, 상기 쉘에 포함되는 상기 제 2 금속 산화물의 입자 크기에 비해 큰 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어에 포함되는 입자 크기와 상기 쉘의 입자 크기가 상이한 것을 이용하여, 상기 코어 및 상기 쉘이 명백하게 상이한 물질로 구성됨을 확인할 수 있으며, 이에 따라 상기 코어 및 상기 쉘 사이에 형성되는 헤테로 접합의 존재를 확인할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어에 포함되는 상기 제 1 금속 산화물의 입자 크기에 비해 상기 쉘에 포함되는 상기 제 2 금속 산화물의 입자 크기가 작고, 이에 따라 상기 쉘을 구성하는 작은 입자들 사이에 형성된 채널이 전자의 이동 통로로서 작용하며 센서의 감응성 향상에 기여할 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the particle size of the first metal oxide included in the core may be larger than the particle size of the second metal oxide included in the shell, but the present invention is not limited thereto. For example, using the difference in particle size included in the core and the shell size, it can be seen that the core and the shell are composed of distinctly different materials, The presence of a heterojunction can be ascertained, but is not limited thereto. For example, the particle size of the second metal oxide contained in the shell is smaller than the particle size of the first metal oxide included in the core, so that a channel formed between the small particles constituting the shell It acts as an electron transfer path and contributes to the improvement of the sensitivity of the sensor, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 코어는 지름이 약 20 nm 내지 약 200 nm인 나노 섬유 형태인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어는 지름이 약 20 nm 내지 약 50 nm, 약 20 nm 내지 80 nm, 약 20 nm 내지 약 100 nm, 약 20 nm 내지 약 130 nm, 약 20 nm 내지 약 150 nm, 약 20 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 80 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 130 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 130 nm, 약 80 nm 내지 약 150 nm, 약 80 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 130 nm, 약 100 nm 내지 약 150 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 130 nm 내지 약 150 nm, 약 130 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 150 nm 내지 약 200 nm인 나노 섬유 형태인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the disclosure, the core may comprise, but is not limited to, a nanofiber form having a diameter of from about 20 nm to about 200 nm. For example, the core can have a diameter of from about 20 nm to about 50 nm, from about 20 nm to about 80 nm, from about 20 nm to about 100 nm, from about 20 nm to about 130 nm, from about 20 nm to about 150 nm, from about 50 nm to about 150 nm, from about 50 nm to about 200 nm, from about 80 nm to about 80 nm, from about 50 nm to about 100 nm, from about 50 nm to about 130 nm, from about 50 nm to about 150 nm, From about 80 nm to about 150 nm, from about 80 nm to about 200 nm, from about 100 nm to about 130 nm, from about 100 nm to about 150 nm, from about 100 nm to about 200 nm , About 130 nm to about 150 nm, about 130 nm to about 200 nm, or about 150 nm to about 200 nm.

예를 들어, 상기 코어는 나노 섬유의 네트워크 형태일 수 있으며, 상기 나노 섬유의 네트워크 형태의 코어를 형성하기 위하여 상기 제 1 금속 산화물의 전구체 및 중합체를 포함하는 용액을 전기 방사하는 전기방사법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전기방사법은 유기용매 중에 상기 제 1 금속 산화물의 전구체 및 중합체를 포함하는 용액을 전기 방사하는 방법으로 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 제 1 금속 산화물의 전구체로는 당업계에서 일반적으로 사용되는 금속 산화물의 전구체 화합물을 사용할 수 있으며, 상기 중합체로는 상기 전기방사법 수행시 당업계에서 일반적으로 사용되는 중합체를 사용할 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the core may be in the form of a network of nanofibers, and electrospinning may be used to electrospray a solution comprising the precursor and polymer of the first metal oxide to form a core in the network form of the nanofibers But is not limited thereto. For example, the electrospinning method may include, but is not limited to, a method of electrospinning a solution containing a precursor of the first metal oxide and a polymer in an organic solvent. As the precursor of the first metal oxide, a precursor compound of a metal oxide generally used in the art can be used. As the polymer, a polymer generally used in the art in the case of the electrospinning can be used , But the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 쉘의 두께는 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성하기 위하여 디바이 길이 이하로 조절될 수 있으며, 상기 디바이 길이는 상기 쉘을 구성하는 화합물의 종류에 따라 결정되는 값일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 디바이 길이는 상기 쉘을 구성하는 화합물의 종류에 따라 유전상수 등의 고유한 성질이 달라지는 것의 영향을 받아 결정되는 값일 수 있으며, 또한 상기 쉘과 상기 코어 사이의 헤테로 접합에서 비롯되는 밴드 구부러짐 현상에 따른 포텐셜 장벽의 높이에 영향을 받아 결정되는 값일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어를 구성하는 물질이 n-타입의 SnO2이고 상기 쉘을 구성하는 물질이 n-타입의 ZnO인 경우, 상기 쉘의 표면에서 형성되는 디바이 길이는 약 69 nm일 수 있으며, 상기 쉘과 상기 코어 사이의 헤테로 접합에서 형성되는 디바이 길이는 약 53 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the thickness of the shell may be controlled to be equal to or less than the length of the divider to form a complete depletion layer throughout the shell, and the length of the divider may be a value determined according to the type of the compound constituting the shell. But is not limited to. Specifically, the length of the divider may be a value that is determined by an influence of a change in inherent property such as a dielectric constant depending on the kind of the compound constituting the shell, and a band derived from the heterojunction between the shell and the core But may be a value determined by the height of the potential barrier due to the bending phenomenon, but the present invention is not limited thereto. For example, when the material constituting the core is n-type SnO 2 and the material constituting the shell is n-type ZnO, the device length formed on the surface of the shell may be about 69 nm, The length of the device formed in the heterojunction between the shell and the core may be about 53 nm, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 쉘은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 이용하여 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 원자층 증착법은 복수 회 수행되는 것일 수 있으며, 상기 원자층 증착법의 수행 횟수를 조절함으로써 상기 쉘의 두께를 디바이 길이 이하의 값으로 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 쉘은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 또는 템플릿(template)을 이용하는 방법으로 상기 코어의 외부에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the shell may include but is not limited to being formed using Atomic Layer Deposition (ALD). For example, the atomic layer deposition method may be performed a plurality of times, and the thickness of the shell may be adjusted to a value equal to or less than the device length by controlling the number of times of atomic layer deposition. However, the present invention is not limited thereto. For example, the shell may be formed on the outside of the core by using a chemical vapor deposition (CVD) method, a laser ablation method, or a template, no.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 코어-쉘 나노 구조체는 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체, 또는 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체는 p-타입 금속 산화물 반도체를 포함하는 코어 및 n-타입 금속 산화물 반도체를 포함하는 쉘을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, CuO-ZnO, CuO-SnO2, CuO-TiO2, NiO-ZnO, NiO-SnO2, NiO-TiO2. Co3O4-ZnO, Co3O4-SnO2, 또는 Co3O4-TiO2 코어-쉘 나노 구조체가 상기 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체에 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체는 n-타입 금속 산화물 반도체를 포함하는 코어 및 n-타입 금속 산화물 반도체를 포함하는 쉘을 포함하는 것일 수 있고, 여기에서 상기 코어에 포함되는 n-타입 금속 산화물 반도체와 상기 쉘에 포함되는 n-타입 금속 산화물 반도체는 서로 상이한 종류의 것이며, 예를 들어, Fe2O3-ZnO, In2O3-ZnO, SnO2-ZnO, TiO2-ZnO, ZnO-TiO2, 또는 TiO2-SnO2 코어-쉘 나노 구조체가 상기 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체에 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 p-n 타입 또는 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체 각각을 센서의 센싱부에 포함시킬 경우, 단일 물질로 구성된 나노 구조체를 센서의 센싱부에 포함시키는 경우에 비해 상기 센서에 환원성 기체에 대한 높은 감응성을 나타내도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상이한 두 물질을 합금하여 제조한 합금 헤테로 나노 구조체에 비해 상기 본원의 코어-쉘 나노 구조체가 높은 감응성을 가지는 센서의 센싱부 제조에 적합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the core-shell nanostructure may include, but is not limited to, a pn-type core-shell nanostructure or an nn-type core-shell nanostructure. For example, the pn type core-shell nanostructure may comprise a shell comprising a p-type metal oxide semiconductor and a shell comprising an n-type metal oxide semiconductor, such as CuO-ZnO, CuO-SnO 2, CuO-TiO 2, NiO-ZnO, NiO-SnO 2, NiO-TiO 2. Co 3 O 4 -ZnO, Co 3 O 4 -SnO 2 , or Co 3 O 4 -TiO 2 core-shell nanostructures may be included in the pn-type core-shell nanostructure, but are not limited thereto. For example, the nn-type core-shell nanostructure may comprise a shell comprising an n-type metal oxide semiconductor and a shell comprising an n-type metal oxide semiconductor, wherein n -Type metal oxide semiconductor and the n-type metal oxide semiconductor included in the shell are different from each other, for example, Fe 2 O 3 -ZnO, In 2 O 3 -ZnO, SnO 2 -ZnO, TiO 2 - ZnO, ZnO-TiO 2 , or TiO 2 -SnO 2 core-shell nanostructures may be included in the nn-type core-shell nanostructure, but are not limited thereto. When each of the pn type or nn type core-shell nanostructures is included in the sensing portion of the sensor, the sensitivity of the sensor to the reducing gas is higher than that in the case where the nanostructure composed of a single material is included in the sensing portion of the sensor However, the present invention is not limited thereto. In addition, the core-shell nanostructure of the present invention may be suitable for manufacturing a sensing portion of a sensor having high sensitivity, but is not limited thereto, as compared with an alloy heteronano structure produced by alloying two different materials.

이와 관련하여, 상기 본원의 코어-쉘 헤테로 나노 구조체에서 쉘 층 및 상이한 두 물질의 계면의 헤테로 접합 부분에서 형성되는 공핍층은, 센서의 감응성 향상에 기여한다. 앞서 설명한 바와 같이, 반도체 기체 센서의 감응 메커니즘은 기체 분자와 반도체 물질 사이의 상호작용 중에 발생되는 저항 변화와 관련되어 있다. 센서가 대기 중에 노출되면, 산소 분자는 표면에 급속도로 흡착되어 음이온을 형성하는데, 이때 전자를 근처 표면에서 끌어오는 것이기 때문에 표면의 공핍층 형성이 유도된다. 코어-쉘 구조에서는, 절연 표면 층이 쉘과 코어 물질 사이의 계면에 형성된 헤테로 접합에 의해 지지되면서 넓은 절연층이 형성된다. CO와 같은 환원성 기체에 노출되었을 경우, CO 기체 분자와 반응하는 동안 음이온은 재방출된다. 코어-쉘 구조에서, 쉘 층 및 헤테로 접합 부분에 형성된 공핍층이 저항 변화를 야기한다. 코어-쉘 구조체의 기체 감응성은 쉘 두께에 크게 영향을 받을 수 있으며, 구체적으로 본원에 따라 쉘 층을 공핍층 넓이 이하로 조절하는 경우, 기체 감응성을 크게 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In this regard, the depletion layer formed at the heterojunction portion of the interface between the shell layer and the two different materials in the core-shell heterononostructure of the present invention contributes to improvement of the sensitivity of the sensor. As described above, the sensing mechanism of the semiconductor gas sensor is related to the resistance change that occurs during the interaction between the gas molecules and the semiconductor material. When the sensor is exposed to the atmosphere, oxygen molecules are rapidly adsorbed on the surface to form anions, which lead to the formation of depletion layers on the surface because electrons are drawn from nearby surfaces. In the core-shell structure, a wide insulating layer is formed while the insulating surface layer is supported by the heterojunction formed at the interface between the shell and the core material. When exposed to a reducing gas such as CO, the anion is re-released during the reaction with CO gas molecules. In the core-shell structure, the depletion layer formed in the shell layer and the heterojunction portion causes a resistance change. The gas sensitivity of the core-shell structure can be greatly affected by the thickness of the shell. Specifically, when the shell layer is adjusted to a depletion layer size or less according to the present invention, the gas sensitivity can be greatly improved, but is not limited thereto.

예를 들어, 금속 산화물 반도체가 n-타입 반도체이고, O2 분자 등과 같은 산화성 화학종(chemical species) 분자에 노출되어 그 표면에 산화성 화학종 분자가 흡착될 경우, 상기 금속 산화물 반도체는 상기 산화성 화학종 분자에게 전자를 잃게 되어 그 표면에 공핍층(depletion)을 형성하게 됨으로써, 전기 저항이 증가하게 된다. 반면, 상기 금속 산화물 반도체가 n-타입 반도체이고, H2 또는 CO2 분자 등과 같은 환원성 화학종 분자에 노출되어 그 표면에 환원성 화학종 분자가 흡착될 경우, H2 또는 CO 분자가 이미 금속 산화물 반도체 표면에 흡착되어 있는 산소와 결합하여 H2O 또는 CO2로 변화하여 금속 산화물 반도체로부터 분리됨으로써, 분리된 산소에 묶여있던 전자는 여기되어 금속 산화물 반도체의 전도대(conduction band)로 이동하게 되어 금속 산화물 반도체의 저항이 감소하게 된다. 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 이와 같은 저항 변화를 이용하여 극미량의 환원성 기체를 높은 감응성으로 감지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, when a metal oxide semiconductor is an n-type semiconductor and is exposed to oxidative chemical species molecules such as O 2 molecules and adsorbs an oxidizing species molecule on its surface, The electrons are lost to the species molecules to form a depletion on the surface, thereby increasing the electrical resistance. On the other hand, the metal-oxide semiconductor is an n- type semiconductor, H 2 or by exposure to a reducing chemistry kinds of molecules, such as CO 2 molecule when the reducing species molecules adsorbed on its surface, H 2 or CO molecules are already metal oxide semiconductor combine with oxygen adsorbed on the surface to change to H 2 O or CO 2 being separated from the metal oxide semiconductor, the electron that was bound to the separated oxygen is excited is moved to the conduction band of the metal oxide semiconductor (conduction band) metal oxide The resistance of the semiconductor is reduced. The sensor including the core-shell nanostructure according to the first and second aspects of the present invention may detect a very small amount of the reducing gas with high sensitivity using the resistance change, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극층은 Au, Pt, Cu, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 함유하는 단층의 전극층, 또는 상기 단층의 전극층에 Ti, Ni, Cr, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 층을 추가적으로 함유하는 다층의 전극층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전극층에 포함되는 금속 중 Au, Pt, 또는 Cu는 실질적으로 전극으로서 작용하는 것일 수 있으며, 상기 전극층에 포함되는 금속 중 Ti, Ni, 또는 Cr는 전극층과 센서의 다른 부분과의 접합성 향상을 위해 추가적으로 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 2의 두번째 모식도와 같이 본원의 센서가 Au 금속층과 Ti 금속층을 모두 포함하는 다층의 전극층을 포함하도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 다층의 전극층은 전극으로서 작용하는 Ai 금속층과 접합성 향상을 위한 Ni 금속층을 동시에 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전극층을 형성하기 위해서는 스퍼터링 방법, 증발(evaporation) 방법 등 전극 제조를 위해 당업계에서 일반적으로 이용되는 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to one embodiment of the present invention, the electrode layer is formed of a single-layered electrode layer containing a metal selected from the group consisting of Au, Pt, Cu, and combinations thereof, or an electrode layer of Ti, Ni, Cr, But is not limited to, a multi-layered electrode layer that additionally contains a layer of a metal selected from the group consisting of combinations of the above. For example, among the metals included in the electrode layer, Au, Pt, or Cu may function substantially as an electrode, and Ti, Ni, or Cr among the metals included in the electrode layer may be in contact with other portions of the sensor layer But the present invention is not limited thereto. For example, as shown in the second schematic diagram of FIG. 2, the sensor of the present invention may include, but is not limited to, a multi-layered electrode layer including both an Au metal layer and a Ti metal layer. For example, the multi-layered electrode layer may include, but not limited to, an Ai metal layer serving as an electrode and a Ni metal layer for improving bonding properties at the same time. For example, in order to form the electrode layer, a sputtering method, an evaporation method, or the like can be used, but the present invention is not limited thereto.

본원의 제 3 측면은, 기재 상에 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하는 것; 상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 형성하는 것; 및 상기 센싱부 상에 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하는 것을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다.A third aspect of the invention provides a method of forming a core comprising: forming a core comprising a first metal oxide on a substrate; Forming a sensing portion including the core-shell nanostructure by forming a shell containing a second metal oxide on the core; And forming two electrode layers spaced apart from each other on the sensing portion, wherein a thickness of the shell is less than or equal to a length of the device to form a complete depletion layer in the entire shell, A method of manufacturing a sensor including a structure is provided.

본원의 제 3 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.The third aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a sensor including a core-shell nanostructure according to the first aspect of the present invention, and a detailed description of parts overlapping with the first aspect of the present invention is omitted, Although the description of the first aspect is omitted from the third aspect of the present application, the same can be applied.

본원의 제 4 측면은, 기재 상에 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하는 것; 및 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하고, 상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 구조체를 제조한 후, 상기 전극층 상에 상기 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부로서 증착하는 것을 포함하며, 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 함으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다. A fourth aspect of the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming two electrode layers on a substrate, And forming a core including a first metal oxide on the core and forming a shell containing a second metal oxide on the core to form a core-shell nanostructure, and then sensing the core-shell nanostructure on the electrode layer, And forming a complete depletion layer in the entire shell by causing the thickness of the shell to be equal to or less than the length of the divider, thereby providing a method of manufacturing a sensor including the core-shell nanostructure .

본원의 제 4 측면은 본원의 제 2 측면에 따른 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본원의 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 4 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.The fourth aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a sensor including a core-shell nanostructure according to the second aspect of the present invention, and a detailed description thereof is omitted for the parts overlapping with the second aspect of the present invention. Although the description of the second aspect is omitted from the fourth aspect of the present application, the same can be applied.

예를 들어, 본원의 제 3 측면 또는 제 4 측면의 제조 방법에 있어서 상기 코어-쉘 나노 구조체를 형성할 때, 상기 코어를 형성하는 공정 후에 소성 공정을 추가할 수 있고, 상기 쉘을 형성하는 공정 후에 소성 공정을 추가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, in the manufacturing method of the third or fourth aspect of the present invention, when forming the core-shell nanostructure, a firing step may be added after the step of forming the core, and the step of forming the shell The firing process may be added later, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 코어를 형성하는 것은, 상기 제 1 금속 산화물의 전구체 및 중합체를 포함하는 용액을 전기 방사함으로써 상기 코어를 나노 섬유 형태로 형성하는 것, 즉 전기방사법을 이용하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전기방사법은 유기용매 중에 상기 제 1 금속 산화물의 전구체 및 중합체를 포함하는 용액을 전기 방사하는 방법으로 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 제 1 금속 산화물의 전구체로는 당업계에서 일반적으로 사용되는 금속 산화물의 전구체 화합물을 사용할 수 있으며, 상기 중합체로는 상기 전기방사법 수행시 당업계에서 일반적으로 사용되는 중합체를 사용할 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the invention, forming the core comprises forming the core into a nanofiber form by electrospinning a solution comprising a precursor of the first metal oxide and a polymer, i.e., using electrospinning , But is not limited thereto. For example, the electrospinning method may include, but is not limited to, a method of electrospinning a solution containing a precursor of the first metal oxide and a polymer in an organic solvent. As the precursor of the first metal oxide, a precursor compound of a metal oxide generally used in the art can be used. As the polymer, a polymer generally used in the art in the case of the electrospinning can be used , But the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 쉘은 원자층 증착법을 이용하여 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또는, 상기 원자층 증착법 이외에도, 예를 들어, 상기 쉘은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 또는 템플릿(template)을 이용하는 방법으로 상기 코어의 외부에 상기 쉘을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the disclosure, the shell may be formed using atomic layer deposition, but is not limited thereto. Alternatively, in addition to the atomic layer deposition method, for example, the shell may be formed on the outer side of the core by a method using a chemical vapor deposition (CVD) method, a laser ablation method, But is not limited thereto.

상기 원자층 증착법을 이용하여 상기 쉘을 형성하는 경우, 중요한 두 가지 변수로 작용하는 것은 반응기 내부의 온도와 압력인데, 상기 반응기 내부의 온도와 압력은 상기 원자층 증착법을 적용하는 물질의 증기압에 따라 달라지는 값일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, ZnO 쉘 층을 형성하기 위하여 출발 물질로서 디에틸아연[Zn(C2H5)2, DEZn] 및 H2O를 이용하는 경우, 상기 반응기 내부의 온도는 약 150℃정도가 되도록 하고 상기 반응기 내부의 압력은 약 0.3 Torr 정도가 되도록 하여 상기 원자층 증착법을 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다.When forming the shell using the atomic layer deposition method, two important parameters are the temperature and the pressure inside the reactor. The temperature and the pressure inside the reactor depend on the vapor pressure of the material to which the atomic layer deposition is applied But the present invention is not limited thereto. For example, when diethylzinc [Zn (C 2 H 5 ) 2 , DEZn] and H 2 O are used as starting materials to form a ZnO shell layer, the temperature inside the reactor is set to about 150 ° C. The pressure in the reactor may be about 0.3 Torr to perform the atomic layer deposition, but the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 쉘을 형성하기 위한 상기 원자층 증착법은 복수회 반복 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, ZnO 쉘 층을 형성하기 위하여 출발 물질로서 DEZn 및 H2O를 이용하는 경우, DEZn을 공급하는 것, 질소 등 불활성 기체를 이용하여 환기하는 것, 및 H2O를 공급하는 것이 상기 원자층 증착법의 1 회에 해당할 수 있으며, 이와 같은 공정을 복수 회 반복 수행함으로써 수행 횟수에 선형적으로 비례하여 증가된 두께의 쉘을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the atomic layer deposition method for forming the shell may be repeated a plurality of times, but the present invention is not limited thereto. For example, when DEZn and H 2 O are used as the starting materials for forming the ZnO shell layer, it is preferable to supply DEZn, ventilate using an inert gas such as nitrogen, and supply H 2 O to the atom Layer deposition method. By repeating this process a plurality of times, it is possible to form a shell having an increased thickness linearly proportional to the number of times of execution, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 원자층 증착법의 수행 횟수를 조절함으로써 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 조절하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 쉘의 두께는 상기 쉘 전체에 완전 공핍층을 형성하기 위하여 디바이 길이 이하로 조절될 수 있으며, 상기 디바이 길이는 상기 쉘을 구성하는 화합물의 종류에 따라 결정되는 값일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, the thickness of the shell may be adjusted to have a value equal to or less than the device length by controlling the number of times of atomic layer deposition. However, the present invention is not limited thereto. For example, the thickness of the shell may be controlled to be equal to or less than the length of the divider to form a complete depletion layer throughout the shell, and the length of the divider may be a value determined according to the type of the compound constituting the shell. But is not limited to.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 코어 상에 상기 제 1 금속 산화물과 상이한 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 상기 코어-쉘 나노 구조체에 포함되는 코어와 상기 쉘의 계면에 헤테로 접합(heterojunction)을 형성하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 헤테로 접합은 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 감응성 향상에 기여할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 서로 상이한 에너지 밴드 구조(energy bamd structure)를 가지는 것일 수 있으며, 이로 인해 본원의 코어-쉘 나노 구조체에서 완전 공핍층이 형성될 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, by forming a shell containing a second metal oxide different from the first metal oxide on the core, a heterojunction is formed at the interface between the core included in the core-shell nanostructure and the shell, , But is not limited thereto. The heterojunction may contribute to the enhancement of the sensitivity of the sensor including the core-shell nanostructure of the present invention, but is not limited thereto. For example, the first metal oxide and the second metal oxide may have energy bamd structures that are different from each other, so that a complete depletion layer can be formed in the core-shell nanostructure of the present invention But is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, p-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 코어를 형성하고 상기 코어 상에 n-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 쉘을 형성함으로써, p-n 타입의 상기 코어-쉘 나노 구조체를 제조하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체는, CuO-ZnO, CuO-SnO2, CuO-TiO2, NiO-ZnO, NiO-SnO2, NiO-TiO2. Co3O4-ZnO, Co3O4-SnO2, 또는 Co3O4-TiO2 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 p-n 타입 코어-쉘 나노 구조체를 센서의 센싱부에 포함시킬 경우, 단일 물질로 구성된 나노 구조체를 센서의 센싱부에 포함시키는 경우에 비해 상기 센서에 환원성 기체에 대한 높은 감응성을 나타내도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상이한 두 물질을 합금하여 제조한 합금 헤테로 나노 구조체에 비해 상기 본원의 코어-쉘 나노 구조체가 높은 감응성을 가지는 센서의 센싱부 제조에 적합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, by forming the core using a p-type metal oxide and forming the shell using an n-type metal oxide on the core, the core-shell nanostructure of the pn type is manufactured , But is not limited thereto. For example, the core of the pn type-shell nanostructures, CuO-ZnO, CuO-SnO 2, CuO-TiO 2, NiO-ZnO, NiO-SnO 2, NiO-TiO 2. Co 3 O 4 -ZnO, Co 3 O 4 -SnO 2, or Co 3 O 4 -TiO 2 core - but may be, including a shell nanostructures, without being limited thereto. When the pn type core-shell nanostructure is included in the sensing part of the sensor, it is possible to exhibit high sensitivity to the reducing gas in the sensor as compared with the case where the nanostructure composed of a single material is included in the sensing part of the sensor , But is not limited thereto. In addition, the core-shell nanostructure of the present invention may be suitable for manufacturing a sensing portion of a sensor having high sensitivity, but is not limited thereto, as compared with an alloy heteronano structure produced by alloying two different materials.

본원의 일 구현예에 따르면, n-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 코어를 형성하고, 상기 코어에 포함되는 n-타입 금속 산화물과 상이한 n-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 코어 상에 상기 쉘을 형성함으로써, n-n 타입의 상기 코어-쉘 나노 구조체를 제조하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체는 Fe2O3-ZnO, In2O3-ZnO, SnO2-ZnO, TiO2-ZnO, ZnO-TiO2, 또는 TiO2-SnO2 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 n-n 타입 코어-쉘 나노 구조체를 센서의 센싱부에 포함시킬 경우, 단일 물질로 구성된 나노 구조체를 센서의 센싱부에 포함시키는 경우에 비해 상기 센서에 환원성 기체에 대한 높은 감응성을 나타내도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상이한 두 물질을 합금하여 제조한 합금 헤테로 나노 구조체에 비해 상기 본원의 코어-쉘 나노 구조체가 높은 감응성을 가지는 센서의 센싱부 제조에 적합할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of forming a core using n-type metal oxide and forming the shell on the core using n-type metal oxide different from n-type metal oxide included in the core , Thereby preparing the core-shell nanostructure of the nn type. However, the present invention is not limited thereto. For example, the nn type of core-shell nanostructure is Fe 2 O 3 -ZnO, In 2 O 3 -ZnO, SnO 2 -ZnO, TiO 2 -ZnO, ZnO-TiO 2, TiO 2 -SnO 2 or the core - shell nanostructures, but is not limited thereto. When the nn-type core-shell nanostructure is included in the sensing portion of the sensor, the sensor may exhibit high sensitivity to the reducing gas as compared with the case where the nanostructure composed of a single material is included in the sensing portion of the sensor , But is not limited thereto. In addition, the core-shell nanostructure of the present invention may be suitable for manufacturing a sensing portion of a sensor having high sensitivity, but is not limited thereto, as compared with an alloy heteronano structure produced by alloying two different materials.

본원의 일 구현예에 따르면, 본원의 제 4 측면에 따른 제조 방법에서 상기 전극층 상에 상기 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부로서 증착하는 것은 프린팅 기법을 통하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 코어-쉘 나노 구조체를 결합제(binder)와 혼합하여 상기 전극층 상에 프린팅한 후, 열처리 함으로써 상기 결합제를 제거하는 방법으로 상기 전극층 상에 상기 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부로서 증착할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to an embodiment of the present invention, in the manufacturing method according to the fourth aspect of the present invention, the deposition of the core-shell nanostructure on the electrode layer as a sensing part may include that performed through a printing technique, It is not. For example, the core-shell nanostructure is mixed with a binder, and the core-shell nanostructure is printed on the electrode layer and then heat-treated to remove the binder. The core-shell nanostructure is deposited on the electrode layer as a sensing portion But is not limited thereto.

이하, 도 1의 모식도를 참조하여 본원의 일 구현예를 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the schematic diagram of FIG.

도 1은, 본원의 일 구현예에 따라 제조한 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 기재(100), 상기 기재 상에 형성된 절연층(110), 상기 절연층 상에 형성된 센싱부(200), 및 상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층(300)을 포함할 수 있으며, 상기 센싱부는 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어(210)가 나노 섬유 네트워크 형상을 가지고, 상기 코어(210) 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘(220)이 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 1 is a schematic diagram of a sensor including a core-shell nanostructure fabricated according to one embodiment of the present application. 1, the sensor including the core-shell nanostructure includes a substrate 100, an insulating layer 110 formed on the substrate, a sensing portion 200 formed on the insulating layer, And the sensing unit may include a core 210 having a first metal oxide and having a nanofiber network shape and a second electrode layer 300 formed on the core 210, But is not limited to, a shell 220 including a metal oxide.

도 1의 센서의 센싱부(200)에 위치한 코어-쉘 나노 구조체에서, 상기 코어(210)는 전기방사법을 이용하여 나노 섬유 네트워크 형상으로 형성된 것일 수 있고, 상기 코어 상에 형성된 쉘(220)은 원자층 증착법을 이용하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the core-shell nanostructure located in the sensing portion 200 of the sensor of FIG. 1, the core 210 may be formed in a nanofiber network shape using electrospinning, and the shell 220 formed on the core But may be formed using atomic layer deposition, but the present invention is not limited thereto.

예를 들어, 상기 코어(210)를 형성하기 위한 전기방사법은 이하 설명하는 공정에 따라 순차적으로 수행될 수 있는 것이나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the electrospinning method for forming the core 210 may be performed sequentially according to a process described below, but the present invention is not limited thereto.

먼저, 상기 전기방사법을 수행하기 위한 방사 용액을 제조한다. 상기 방사 용액은 코어 형성을 위한 제 1 금속 산화물 전구체 용액 및 고분자 용액을 혼합하여 제조할 수 있으며, 혼합 후 소정의 시간 동안 교반함으로써 점성의 용액이 되도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 교반은 약 40℃ 내지 약 80℃의 온도에서 약 3 시간 내지 약 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.First, a spinning solution for performing the electrospinning is prepared. The spinning solution may be prepared by mixing a first metal oxide precursor solution and a polymer solution for forming a core, and after mixing, the mixture may be stirred for a predetermined time to form a viscous solution. For example, the stirring may be performed at a temperature of about 40 째 C to about 80 째 C for about 3 hours to about 10 hours, but is not limited thereto.

다음으로, 상기 방사 용액을 시린지에 로딩할 수 있다. 예를 들어, 상기 점성의 방사 용액을 상기 시린지에 주입하고, 알루미늄 등 도전성 물질 상에 위치시킨 상기 기재(100) 상에 상기 시린지를 일정 높이 떨어뜨려 위치시킬 수 있다. 이때, 상기 시린지의 바늘과 상기 기재(100) 소정의 각도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 시린지는 상기 기재(100)와 약 10 cm 내지 약 50 cm 이격된 높이에 위치할 수 있으며, 상기 시린지의 바늘과 상기 기재(100)는 약 10° 내지 약 90°의 각도를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Next, the spinning solution can be loaded into the syringe. For example, the viscous spinning solution may be injected into the syringe, and the syringe may be positioned at a certain height on the substrate 100 placed on a conductive material such as aluminum. At this time, the needle of the syringe and the base 100 may have a predetermined angle. For example, the syringe may be located at a height that is spaced from the substrate 100 by about 10 cm to about 50 cm, and the needle of the syringe and the substrate 100 may be at an angle of about 10 [deg.] To about 90 [ But is not limited thereto.

다음으로, 상기 방사 용액을 상기 기재(100) 상에 방사할 수 있다. 예를 들어, 상기 시린지의 바늘에 소정의 양전압을 인가하고 상기 기재(100) 하부에 위치하는 상기 도전성 물질에 소정의 음전압을 인가함으로써, 상기 기재(100) 상에 상기 방사 용액이 전기 방사되어 나노 섬유 네트워크 형상의 코어(210)가 형성되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 양전압 및 상기 음전압의 크기는 각각 약 5 kV 내지 약 50 kV일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 방사 용액의 상기 기재(100)에 대한 피딩율(feeding rate)은, 예를 들어, 0.01 mL/h 내지 2 mL/h 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Next, the spinning solution may be spun onto the substrate 100. For example, by applying a predetermined positive voltage to the needle of the syringe and applying a predetermined negative voltage to the conductive material located under the substrate 100, the spinning solution is sprayed onto the substrate 100 by electrospinning To form a nanofiber network shaped core 210, but is not limited thereto. For example, the magnitudes of the positive voltage and the negative voltage may be about 5 kV to about 50 kV, respectively, but are not limited thereto. In addition, the feeding rate of the spinning solution to the base material 100 may be, for example, from 0.01 mL / h to 2 mL / h, but is not limited thereto.

다음으로, 상기 코어(210)를 하소(calcination)할 수 있다. 상기 하소는, 전기 방사 직후 불순물이 포함되어 있을 수 있는 상기 나노 섬유 네트워크 형상의 코어(210)로부터 불필요한 불순물을 제거하기 위해 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 1000℃의 온도 하에서, 약 3 시간 내지 약 15 시간 동안, 공기, Ar, N2, 또는 O2 등의 다양한 분위기 하에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Next, the core 210 may be calcined. The calcination may be performed to remove unwanted impurities from the nanofiber network shaped core 210 that may contain impurities immediately after electrospinning, for example, at a temperature of about 100 ° C to about 1000 ° C For about 3 hours to about 15 hours under a variety of atmospheres such as air, Ar, N 2 , or O 2 .

한편, 예시적으로 설명한 상기 전기방사법에 따라 상기 코어(210)를 형성한 후, 예를 들어 원자층 증착법을 통하여 상기 코어(210) 상에 상기 쉘(220)을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 쉘(220)은 복수회의 원자층 증착법을 통해 형성될 수 있으며, 상기 원자층 증착법의 수행 횟수를 조절함으로써 상기 쉘(220)을 원하는 두께로 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 원자층 증착법이 수행되는 반응기 내부의 온도는 약 100℃ 내지 약 300℃일 수 있으며, 압력은 약 0.1 Torr 내지 0.6 Torr 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 원자층 증착법 수행시 각 원소에 대한 펄스 길이는 약 0.1 초 내지 약 5 초일 수 있으며, 상기 원자층 증착법의 수행 횟수는 약 1 회 이상, 예를 들어, 약 1 회 내지 약 10 회, 약 1 회 내지 약 100 회, 약 1 회 내지 약 1000 회, 약 1 회 내지 약 10000 회일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Meanwhile, after the core 210 is formed according to the electrospinning method described above, the shell 220 may be formed on the core 210 by, for example, atomic layer deposition. However, It is not. The shell 220 may be formed by a plurality of atomic layer deposition methods, and the shell 220 may be formed to have a desired thickness by controlling the number of times of atomic layer deposition. However, the present invention is not limited thereto. For example, the temperature inside the reactor in which the atomic layer deposition process is performed may be from about 100 ° C to about 300 ° C, and the pressure may be from about 0.1 Torr to about 0.6 Torr, but is not limited thereto. In addition, for example, the pulse length for each element in the atomic layer deposition method may be about 0.1 second to about 5 seconds, and the number of times of atomic layer deposition may be about one or more times, for example, about one time About 10 times, about 1 time to about 100 times, about 1 time to about 1000 times, about 1 time to about 10,000 times, but is not limited thereto.

한편, 도 1의 센서에서 상기 전극층(300)은 상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부(200) 상에 위치한 것일 수 있으며, 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)이 서로 이격되어 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 전극층(310) 및 제 2 전극층(320) 각각은 상기 코어-쉘 나노 구조체와 연결되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전극층(300)은 1 이상의 금속층이 적층되어 형성된 것일 수 있으며, 스퍼터링 방법, 또는 증발 방법 등 전극 형성을 위해 당업계에서 통상적으로 이용되는 방법에 따라 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.1, the electrode layer 300 may be located on the sensing unit 200 including the core-shell nanostructure, and the first electrode layer 310 and the second electrode layer 320 may be spaced apart from each other But is not limited thereto. In addition, each of the first electrode layer 310 and the second electrode layer 320 may be connected to the core-shell nanostructure, but is not limited thereto. The electrode layer 300 may be formed by laminating one or more metal layers, and may be formed by a method commonly used in the art for forming electrodes such as a sputtering method or an evaporation method. However, the present invention is not limited thereto.

상기 예시적인 공정에 따라 형성된 본원의 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부(200)로서 포함하는 센서는, 특히 극미량의 환원성 기체에 대하여 뛰어난 감응성을 가지는 센서로서 다양한 분야에서 응용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The sensor including the core-shell nanostructure formed according to the exemplary process as the sensing unit 200 may be applied to various fields as a sensor having excellent sensitivity to an extremely small amount of reducing gas, It is not.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 보다 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

[[ 실시예Example ]]

1. One. CuOCuO -- ZnOZnO 코어-쉘 나노 섬유의 제조 Preparation of core-shell nanofiber

CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유는 신규한 2 단계 공정에 의하여 제조되었다. 먼저, 전기방사법을 이용하여 CuO 코어 나노 섬유를 합성하였으며, 이어서 ZnO 쉘 층을 ALD 기술을 이용하여 증착하였다.CuO-ZnO core-shell nanofibers were prepared by a novel two-step process. First, CuO core nanofiber was synthesized by electrospinning, followed by deposition of a ZnO shell layer using ALD technology.

분자량이 80,000인 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 및 구리 아세테이트[(CH3CO2)2Cu]가 CuO 코어 나노 섬유 합성의 전구체 화합물로서 사용되었다. 전기방사를 위하여, PVA 비드를 증류수에 용해함으로써 9 중량%의 액상 PVA 용액을 제조하였다. 70℃에서 4 시간 동안 교반한 후, 상기 PVA 용액은 4.3 중량%의 구리 아세테이트 용액과 혼합되었으며, 70℃에서 6 시간 동안 추가 교반되었다. 점성의 구리 아세테이트/PVA 용액은 21-게이지(gauge) 스테인리스 스틸 바늘을 구비한 유리 시린지 내로 로딩되었다. 상기 나노 섬유들은 금속 콜렉터 상에 위치한 SiO2 웨이퍼 상에 균일하게 전기방사 되었다. 전기방사된 섬유들은 산소 분위기 하 600℃에서 48 시간 동안 하소되었으며, 이때 튜브-타입의 가열기 (furnace)가 이용되었다. 실험실 내 대기 중에서의 나노 섬유의 손실을 최소화하기 위하여, 제조된 샘플들은 그 측정 및 특성 분석을 수행하기 전까지 집진 방지 마스크 및 진공 조건에서 보관하였다.Polyvinyl alcohol (PVA) and copper acetate [(CH 3 CO 2 ) 2 Cu] having a molecular weight of 80,000 were used as precursor compounds for the synthesis of CuO core nanofibers. For electrospinning, a 9 wt% liquid PVA solution was prepared by dissolving the PVA beads in distilled water. After stirring at 70 DEG C for 4 hours, the PVA solution was mixed with a 4.3 wt% copper acetate solution and further stirred at 70 DEG C for 6 hours. The viscous copper acetate / PVA solution was loaded into a glass syringe with a 21-gauge stainless steel needle. The nanofibers were uniformly electrospun on a SiO 2 wafer located on a metal collector. The electrospun fibers were calcined at 600 < 0 > C under oxygen atmosphere for 48 hours, at which time a tube-type furnace was used. In order to minimize the loss of nanofibers in the atmosphere in the laboratory, the prepared samples were stored in a dust-collecting mask and vacuum conditions until measurement and characterization were performed.

상기 CuO 나노 섬유 표면에 ZnO 쉘 구조를 형성하기 위하여, 일반적인 ALD 기술을 사용하였다. 본 실시예에서는 수평 벽 반응기(horizontal wall reactor)를 구비한 ALD 시스템을 이용하였다. 디에틸아연[Zn(C2H5)2, DEZn] 및 H2O가 전구체로서 사용되었다. 상기 두 전구체 간에 격렬한 예비-반응이 일어나는 것을 방지하기 위하여, DEZn과 H2O는 성장 반응기 내부로 분리 도입되었으며, 상기 반응기의 온도 및 압력 조건은 각각 150℃, 0.3 Torr였다. DEZn은 0℃의 버블러에서 보관되었고, H2O는 10℃의 버블러에서 보관되었다. ALD 펄스 길이는 DEZn 첨가량(dosing)에 대하여 0.12 초, N2 퍼징에 대하여 3 초, H2O 첨가량에 대하여 0.15 초, 및 N2 퍼징에 대하여 3 초로 설정하였으며, 이 과정을 모두 수행한 것이 ALD 사이클 1회에 해당하였다. ALD 사이클 수는 40 회에서 700 회 사이로 조절되었다. 평균적인 CuO 코어 나노 섬유의 지름은 약 130 nm 였으며, ZnO 쉘 층의 두께는 10 nm 내지 200 nm로 조절되었다.
In order to form a ZnO shell structure on the surface of the CuO nanofibers, a general ALD technique was used. In this embodiment, an ALD system having a horizontal wall reactor was used. Diethylzinc [Zn (C 2 H 5 ) 2 , DEZn] and H 2 O were used as precursors. In order to prevent a violent pre-reaction between the two precursors, DEZn and H 2 O were separately introduced into the growth reactor, and the temperature and pressure conditions of the reactor were 150 ° C. and 0.3 Torr, respectively. DEZn was stored in a 0 ° C bubbler and H 2 O was stored in a 10 ° C bubbler. The ALD pulse length was set to 0.12 seconds for DEZn dosing, 3 seconds for N 2 purging, 0.15 seconds for H 2 O addition, and 3 seconds for N 2 purging. It corresponds to one cycle. The number of ALD cycles was regulated between 40 and 700 cycles. The average diameter of the CuO core nanofibers was about 130 nm, and the thickness of the ZnO shell layer was adjusted from 10 nm to 200 nm.

2. 2. CuOCuO -- ZnOZnO 코어-쉘 나노 섬유의 분석 방법 Analysis method of core-shell nanofiber

상기 공정에 따라 제조된 코어-쉘 나노 섬유의 미세구조 및 상(phase)은 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM), 투과전자현미경(TEM), 및 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 분석되었다. 또한, 원소 맵핑(elemental mapping)은 에너지 분산형 분광법(EDS) 모드에서 수행되었다.The microstructure and phase of the core-shell nanofibers prepared according to the above process were measured using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a transmission electron microscope (TEM), and an X-ray diffractometer Respectively. Elemental mapping was also performed in an energy dispersive spectroscopy (EDS) mode.

한편, 센서 감응성 측정을 위하여 상기 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서를 제조하였으며, 상기 센서의 이중층 전극을 제조하기 위하여 기재 상에 약 50 nm 두께의 Ti 및 약 200 nm 두께의 Au를 스퍼터링 방법 및 인터디지털 전극 마스크를 이용하여 순차적으로 증착되었다. 환원성 기체인 CO에 대한 상기 센서의 반응(response)은 홈메이드 기체 희석 및 감응 시스템을 이용하여 300℃에서 측정되었다. 감응성(Sensitivity, S)는 다음의 공식에 따라 계산되었다: S = Ra/Rg 또는 Rg/Ra (여기에서, Ra는 기체 공급이 없는 경우의 최초 저항에 해당하고, Rg는 측정 기체가 존재할 경우의 저항에 해당함). CO 컨테이너 내부의 수증기 함량은 3 ppm 이하로 유지하였다.
For the sensor sensitivity measurement, a sensor including the CuO-ZnO core-shell nanofiber was fabricated. To fabricate the dual-layer electrode of the sensor, about 50 nm of Ti and about 200 nm of Au were deposited on the substrate Sputtering method and interdigital electrode mask. The response of the sensor to CO, which is a reducing gas, was measured at 300 DEG C using a homemade gas dilution and sensing system. Sensitivity was (Sensitivity, S) is calculated according to the formula: in S = R a / R g or R g / R a (where, R a corresponds to the first resistance and, R g in the absence of feed gas Corresponding to the resistance when the measuring gas is present). The content of water vapor inside the CO container was kept below 3 ppm.

3. 3. CuOCuO -- ZnOZnO 코어-쉘 나노 섬유의 분석 결과 Analysis results of core-shell nanofiber

제조한 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 미세구조, 상(phase), 및 기체 감응성 분석을 수행함으로써, 상기 나노 섬유의 CuO 코어 나노 섬유 표면 상의 ZnO 쉘 층 두께의 효과를 비교하였으며, 상이한 두 종류의 물질 간의 계면에서 형성되는 헤테로 접합(heterojunction)의 효과에 대해서도 분석하였다.The effect of ZnO shell layer thickness on the surface of CuO core nanofibers of the nanofibers was compared by performing microstructure, phase, and gas sensitivity analysis of the produced CuO-ZnO core-shell nanofibers, The effect of the heterojunction formed at the interface between the materials was also analyzed.

도 5a는, SiO2 기재 상에 불규칙적으로 분산되어 있는 전기방사법으로 합성된 CuO 코어 나노 섬유의 FE-SEM 이미지이다. 도 5a의 삽도를 참조하면, CuO 나노 섬유가 나노 크기의 입자를 포함한다는 것을 분명하게 확인할 수 있다. ZnO 쉘 층은 상기 CuO 코어 나노 섬유 상에 ALD 방법으로 증착되었다. ALD 사이클 수를 달리하여 제조한 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 FE-SEM 이미지는 도 5b 내지 도 5f에 도시하였으며, 도 5b 내지 도 5f 각각에서 ZnO 쉘 형성을 위하여 수행한 ALD 사이클 수는 40 회, 80 회, 200 회, 415 회, 및 667 회였다. 상기 도면들을 참조할 때 CuO 코어 나노 섬유를 구성하는 큰 사이즈의 입자들과, 상기 CuO 코어 나노 섬유 상에 증착된 ZnO 쉘 층을 구성하는 작은 사이즈의 입자들이 분명하게 구별되었다. 쉘 층의 입자가 돌출되어 거친 표면이 측정 기체 분자의 도입시 흡착 공간을 제공하고 센서의 흡착 능력을 향상시킬 수 있는 것으로 추정된다. 한편, 상이한 두 종류의 물질 사이에서 형성되는 헤테로 접합은 그들의 계면에서 포텐셜 장벽(barrier)을 발생시키고 전자들이 스며드는 경로를 형성하며 기체 감응성을 향상시켰다.5A is an FE-SEM image of a CuO core nanofiber synthesized by an electrospinning method, which is irregularly dispersed on a SiO 2 substrate. Referring to the illustration of FIG. 5A, it can be clearly seen that the CuO nanofiber includes nano-sized particles. A ZnO shell layer was deposited by the ALD method on the CuO core nanofibers. The FE-SEM images of the CuO-ZnO core-shell nanofibers prepared by varying the number of ALD cycles are shown in FIGS. 5B to 5F, and the number of ALD cycles performed for ZnO shell formation in each of FIGS. 5B to 5F is 40 Times, 80 times, 200 times, 415 times, and 667 times. Referring to the drawings, the large-sized particles constituting the CuO core nanofibers and the small-sized particles constituting the ZnO shell layer deposited on the CuO core nanofibers were clearly distinguished. It is presumed that the rough surface of the shell layer protrudes to provide an adsorption space for introduction of the measuring gas molecules and to improve the adsorption ability of the sensor. On the other hand, the heterojunction formed between the two different materials generates a potential barrier at their interface, forms a path through which electrons penetrate, and improves gas sensitivity.

도 6은, 코어-쉘 나노 섬유 내의 ZnO 쉘 두께에 관한 것이다. ALD 사이클 수를 증가시킴에 따라 ZnO 쉘 두께가 점진적으로 증가되었다. ALD 사이클 수 증가에 따른 ZnO 쉘 두께의 증가는 거의 선형적으로 나타났다. ZnO 쉘 층의 형성 속도는 그래프의 기울기로부터 약 0.305 nm/ALD 사이클 수로 계산되었고, 이로부터 ALD 사이클 수를 조절함으로써 쉘 두께를 나노미터 수준으로 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.Figure 6 relates to ZnO shell thickness in core-shell nanofiber. As the number of ALD cycles was increased, the ZnO shell thickness gradually increased. The increase in the ZnO shell thickness with increasing ALD cycles was almost linear. The rate of formation of the ZnO shell layer was calculated from the slope of the graph at about 0.305 nm / ALD cycle number, from which it was confirmed that the shell thickness can be adjusted to the nanometer level by controlling the number of ALD cycles.

코어-쉘 나노 섬유의 미세구조는 TEM을 이용하여 추가 분석되었다. 도 7a는 50 nm의 ZnO 쉘 두께를 가지는 코어-쉘 나노 섬유의 저배율 TEM 이미지이다. 도 7b 내지 도 7d는 각각 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 O, Cu, 및 Zn의 원소 맵핑 결과이고, 도 7e는 EDS를 이용하여 분석한 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 화학적 조성 분석 그래프이다. 도 7a 내지 도 7e의 결과를 통하여, 상기 코어-쉘 나노 섬유에서 Zn은 섬유의 외부 표면에 편중되어 존재하고 Cu는 섬유 내부에 편중되어 존재한다는 것이 확인되었으며, 이로부터 원소 O, Cu, 및 Zn의 공간적 구분이 분명하게 됨을 확인할 수 있었다. 원소 맵핑 분석 결과로부터 쉘 두께가 50 nm인 코어-쉘 나노 섬유가 형성되었음을 분명히 확인할 수 있었으며, EDS 분석 결과로부터 상기 코어-쉘 나노 섬유의 표면부에 ZnO가 존재하고 코어 부분에 CuO가 존재함을 확인할 수 있었다.The microstructure of the core-shell nanofibers was further analyzed using TEM. 7A is a low magnification TEM image of core-shell nanofibers having a ZnO shell thickness of 50 nm. 7B to 7D are graphs showing elemental mapping results of O, Cu, and Zn of CuO-ZnO core-shell nanofibers, and FIG. 7E is a graph showing the chemical composition analysis of CuO-ZnO core- to be. 7A to 7E, it was confirmed that Zn exists in the outer surface of the core-shell nanofiber, and Cu exists in the inner portion of the fiber, and the elements O, Cu, and Zn It is clear that the spatial division of From the result of the element mapping analysis, it was clearly confirmed that core-shell nanofiber having a shell thickness of 50 nm was formed. From the result of EDS analysis, ZnO was present on the surface portion of the core-shell nanofiber and CuO was present in the core portion I could confirm.

도 8은 CuO 나노 섬유 및 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 상기 CuO 나노 섬유의 XRD 패턴은 대비를 위하여 확인하였다. 쉘 두꼐가 각각 10 nm, 20 nm, 50 nm, 120 nm, 및 200 nm인 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유들은 CuO 상에 의한 피크에 더하여 ZnO 상에 비례하는 회절 피크를 나타내었으며, 이로부터 CuO 코어 나노 섬유 상에 ZnO 쉘 층이 형성되어 있음을 재확인할 수 있었다. XRD 피크의 증가된 강도는 CuO 나노 섬유 표면 상에 형성된 ZnO 쉘 층의 증가된 두께에 비례하였다.8 shows XRD patterns of CuO nanofiber and CuO-ZnO core-shell nanofiber. The XRD patterns of the CuO nanofibers were confirmed for comparison. CuO-ZnO core-shell nanofibers with shell thicknesses of 10 nm, 20 nm, 50 nm, 120 nm, and 200 nm, respectively, showed diffraction peaks proportional to the ZnO phase in addition to the peak due to the CuO phase, It was confirmed that the ZnO shell layer was formed on the core nanofiber. The increased intensity of the XRD peak was proportional to the increased thickness of the ZnO shell layer formed on the CuO nanofiber surface.

CuO 나노 섬유 및 다양한 쉘 두께를 가지는 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유 각각의 기체에 대한 감응성을 확인하기 위하여, 1 ppm 내지 10 ppm의 CO 분위기 하에서 실험을 수행하였다. 모든 센서 반응은 CO 변화에 따라 나타났다. 도 9a는 CuO 나노 섬유 및 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유 각각을 포함하는 센서의 300℃에서의 CO 기체에 대한 반응 곡선을 나타낸 것이다. CuO 나노 섬유를 포함하는 센서와는 상이한 감응성이 상기 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서에서 관찰되었다. CuO 나노 섬유의 p-타입 감응성은, 상기 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 ZnO 쉘 두께가 증가됨에 따라 n-타입 감응성으로 변화되는 양상을 보였다.Experiments were conducted under a CO atmosphere of 1 ppm to 10 ppm to confirm the susceptibility of CuO nanofibers and CuO-ZnO core-shell nanofibers having various shell thicknesses to gases. All sensor responses were dependent on CO changes. Figure 9a shows the response curves of a sensor comprising CuO nanofibers and CuO-ZnO core-shell nanofibers, respectively, against CO gas at 300 ° C. Sensitivity different from the sensor comprising CuO nanofibers was observed in the sensor comprising the core-shell nanofibers. The p-type susceptibility of the CuO nanofiber was changed to n-type susceptibility as the ZnO shell thickness of the CuO-ZnO core-shell nanofiber was increased.

CuO 나노 섬유를 포함하는 센서의 반응은 CO 기체에 노출되었을 경우에는 증가하였으나 대기 중에 노출되었을 경우에는 감소되었는데, 이는 전형적인 p-타입 감응성을 나타내는 것이었다. 반면, ZnO 쉘 두께가 10 nm인 코어-쉘 나노 섬유의 반응은 더욱 낮아졌는데, 이는 ZnO 쉘 층의 n-타입 감응성을 나타내는 것이었다. 도 5b를 참조할 때, 쉘 두께가 10 nm인 코어-쉘 나노 섬유의 경우, CuO 나노 섬유의 표면이 ZnO 쉘 층에 의하여 균일하게 도포되어 있지 않은 것으로 추정된다. 또한 기체에 노출되었을 때, 기체 분자들이 CuO 나노 섬유 표면 상에 존재하는 ZnO 입자들 사이에 형성된 채널을 통하여 확산되는 것으로 추정된다. CuO 코어 및 ZnO 쉘 층 모두 CO 기체에 반응하는데, ZnO의 n-타입 감응성이 CuO 나노 섬유의 p-타입 감응성을 궁극적으로 감소시켰다. CO 기체에 노출됨에 따라 n-타입 물질의 전도성이 증가되기 때문에, 반응은 감소될 것으로 예측되었다. CO 분위기 하에서 ZnO-CuO 코어-쉘 나노 섬유의 기체 감응성이 유사하게 나타났는데, 이는 n-타입 ZnO에 첨가된 p-타입 CuO가 감응성을 낮추었기 때문이며, 이는 CO 분위기 하에서의 p-타입 CuO의 감소된 전도성 때문이었다.The response of sensors including CuO nanofibers increased when exposed to CO gas, but decreased when exposed to air, indicating typical p-type susceptibility. On the other hand, the reaction of the core-shell nanofiber with the ZnO shell thickness of 10 nm was further lowered, indicating the n-type susceptibility of the ZnO shell layer. Referring to FIG. 5B, in the case of core-shell nanofibers having a shell thickness of 10 nm, it is assumed that the surface of the CuO nanofiber is not uniformly coated by the ZnO shell layer. It is also assumed that when exposed to gas, gas molecules diffuse through channels formed between the ZnO particles present on the CuO nanofiber surface. Both the CuO core and the ZnO shell layer reacted with CO gas, and the n-type susceptibility of ZnO ultimately reduced the p-type susceptibility of CuO nanofibers. As the conductivity of the n-type material increases with exposure to CO gas, the reaction is expected to decrease. The gas susceptibility of the ZnO-CuO core-shell nanofibers under CO atmosphere was similar because the p-type CuO added to the n-type ZnO lowered the susceptibility, indicating that the reduced It was because of conductivity.

반면, 쉘 두께가 10 nm 이상인 코어-쉘 나노 섬유의 경우, 코어 나노 섬유가 ZnO 쉘 층의 입자들에 의해 충분히 도포되어 있었다. CO 분위기 하에서는 센서의 저항이 감소된 반면, 대기 하에서는 센서의 저항이 증가되었다. 코어-쉘 나노 섬유가 CO 기체에 노출되었을 때, CO 기체 분자는 ZnO 표면 상에 화학적으로 흡착된 산소와 다음과 같은 반응을 일으키게 된다: [CO + O2 - → CO2 + 2e-]. 이에 따라, 자유 전자들이 저항을 감소시킨다. 반면, CO 기체의 공급을 차단하면, 대기 중의 산소 분자들이 나노 섬유 표면에 급속도로 흡착되고, 상기 나노 섬유 상의 전자 흡착으로 인해 저항이 증가된다. 도 9b는 코어-쉘 나노 섬유의 상대적인 반응에 관한 것이다. 쉘 두께가 약 50 nm인 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서는 다른 센서와 비교할 때 약 4.2 정도의 높은 반응을 나타내었다. 쉘 두께가 20 nm인 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서는 상기 쉘 두께가 약 50 nm인 경우와 비교할 때 약 1.9 정도의 상대적으로 낮은 반응을 나타내었으며 n-타입 감응성을 나타내었는 바, 이로부터 CuO 코어 나노 섬유 표면 상에 위치하는 ZnO 입자들 사이에 형성된 채널을 통해 CO 기체 분자들이 확산되는 현상의 가능성을 재확인할 수 있었다. 코어-쉘 나노 섬유에서 쉘 두께가 디바이 길이(debye length) 이하인 경우, 기체 분자들은 코어로부터 전자를 추출할 수 있다. 코어-쉘 나노 섬유에서 쉘 두께가 10 nm인 경우 p-타입 감응성이 나타난 반면, 쉘 두께가 10 nm를 초과하는 경우에는 n-타입 감응성이 나타났다. 상기 모든 분석 결과들은 코어-쉘 나노 섬유에서의 ZnO 쉘 두께가 센서의 감응성에 중요한 요소로서 작용함을 뒷받침하였다.On the other hand, in the case of the core-shell nanofibers having a shell thickness of 10 nm or more, the core nanofibers were sufficiently coated with the particles of the ZnO shell layer. In CO atmosphere, the resistance of the sensor was decreased, while in the atmosphere, the resistance of the sensor was increased. When the core-shell nanofibers are exposed to CO gas, the CO gas molecules react with the chemically adsorbed oxygen on the ZnO surface as follows: [CO + O 2 - → CO 2 + 2e - ]. As a result, the free electrons reduce the resistance. On the other hand, when the supply of CO gas is interrupted, oxygen molecules in the air are rapidly adsorbed on the nanofiber surface, and the resistance is increased due to the electron adsorption on the nanofiber. Figure 9b relates to the relative reaction of core-shell nanofibers. The sensor including the core-shell nanofibers having a shell thickness of about 50 nm exhibited a reaction as high as about 4.2 as compared with other sensors. The sensor including the core-shell nanofiber having a shell thickness of 20 nm exhibited a relatively low response of about 1.9 as compared with the shell thickness of about 50 nm and exhibited n-type sensitivity, The possibility of diffusion of CO gas molecules through channels formed between ZnO particles located on the surface of CuO core nanofibers was reaffirmed. In core-shell nanofibers, when the shell thickness is less than or equal to the debye length, gas molecules can extract electrons from the core. The core-shell nanofibers exhibited p-type susceptibility when the shell thickness was 10 nm, while n-type susceptibility appeared when the shell thickness exceeded 10 nm. All of the above analyzes support that the ZnO shell thickness in the core-shell nanofiber acts as an important factor in the sensitivity of the sensor.

상기 코어-쉘 나노 섬유에서의 기체에 대한 감응 메커니즘은, 화학적으로 흡착된 기체 화학종에 의한 전자의 흡착 때문에 쉘 층에 형성되는 공핍층 및 쉘 층과 코어 나노 섬유 사이에 형성되는 헤테로 접합과 연관되어 있다. 이와 관련하여 도 10은 본 실시예에 따라 센서의 센싱부로서 이용하기 위하여 제조한 나노 구조체의 모식도, 상기 나노 구조체에서 일어나는 전자 이동의 모식도, 전도성 밴드 에너지(EC), 및 페르미 에너지 레벨(EF)을 나타낸 것으로서, 도 10a는 상기 나노 구조체가 대조군인 CuO 나노 섬유인 경우이고, 도 10b는 상기 나노 구조체가 완전 공핍층이 형성된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이며, 도 10c는 상기 나노 구조체가 불완전 공핍층이 형성된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이다. 쉘 두께가 10 nm인 코어-쉘 나노 섬유에서 산소 분자의 흡착은 ZnO 쉘 층 및 CuO 표면 모두에서 발생하였으며, 산소 분자는 ZnO 쉘 층의 작은 입자들 사이에 형성된 채널을 따라 확산될 것으로 추정되었다. 도 10a는 상대적인 밴드 구부러짐(band bending)을 나타낸 것이다. 반면, 쉘 두께가 50 nm인 코어-쉘 나노 섬유는, 산소 화학종의 흡착에 의한 ZnO 쉘 층 표면에서의 밴드 구부러짐 및 ZnO 쉘 층과 CuO 코어 나노 섬유 사이에 형성된 헤테로 접합에서의 밴드 구부러짐의 복합적인 효과에 의해, 쉘 층에 완전 공핍층이 형성되었다. 대기 하에서, n-타입 ZnO 쉘 층의 표면 상의 산소 공간(vacancy)과 같은 내부적인 결함은 산소 분자의 흡착 자리로서 활용된다. ZnO 쉘 층 내의 자유 전자들은 흡착된 산소 분자에 의해 다음과 같은 반응에 의해 제거된다: [O2(g) + e- → O2 - (흡착)]. ZnO 쉘 내부의 자유 전하 밀도에서의 환원은 표면 전하 상태를 공핍시키고 공간 전하 영역을 발생시킨다. 결과적으로, 밴드 구부러짐이 ZnO 쉘 층의 표면에서 발생한다. 하기 방정식에 의해 계산된 흡착에 의한 공핍층의 두께는 약 69 nm였다:The response mechanism to the gas in the core-shell nanofiber is related to the depletion layer formed in the shell layer due to the adsorption of electrons by the chemically adsorbed gaseous species and the heterojunction formed between the shell layer and the core nanofiber . In this regard, FIG. 10 is a schematic diagram of a nanostructure fabricated for use as a sensing portion of a sensor according to an embodiment of the present invention, a schematic diagram of electron transfer occurring in the nanostructure, a conductive band energy (EC), and a Fermi energy level (EF) FIG. 10A shows a case where the nanostructure is a CuO nanofiber as a control group, FIG. 10B shows a case where the nanostructure is a CuO-ZnO core-shell nanofiber with a complete depletion layer, FIG. Is a CuO-ZnO core-shell nanofiber in which an incomplete depletion layer is formed. The adsorption of oxygen molecules on core - shell nanofibers with a shell thickness of 10 nm occurred on both the ZnO shell layer and the CuO surface and the oxygen molecules were assumed to diffuse along the channels formed between the small particles of the ZnO shell layer. Figure 10A shows relative band bending. On the other hand, the core-shell nanofiber having a shell thickness of 50 nm is a composite of band bending at the surface of the ZnO shell layer by adsorption of oxygen species and band bending at the heterojunction formed between the ZnO shell layer and the CuO core nanofiber A complete depletion layer was formed in the shell layer. Under the atmosphere, internal defects such as oxygen vacancies on the surface of the n-type ZnO shell layer are utilized as adsorption sites for oxygen molecules. Free electrons in the ZnO shell layer are removed by adsorbed oxygen molecules by the following reaction: [O 2 (g) + e - → O 2 - (adsorption)]. Reduction at the free charge density inside the ZnO shell depletes the surface charge state and generates a space charge region. As a result, band bending occurs at the surface of the ZnO shell layer. The thickness of the depletion layer by adsorption calculated by the following equation was about 69 nm:

<방정식><Equation>

Figure 112012062027712-pat00001
;
Figure 112012062027712-pat00001
;

상기 방정식에서, εZnO는 ZnO의 상대적인 유전 상수 값으로서 약 8.7이고, ε0은 진공의 유전율(permittivity)이고, e는 전자 전하(electronic charge)이고, ND +(T)는 실온에서의 공여자 농도(donor concentration)로서 약 1017 cm-3이고, Φ는 포텐셜 장벽 높이로서 대략 0.5 eV이다.In this equation,? ZnO is the relative dielectric constant of ZnO of about 8.7,? 0 is the permittivity of the vacuum, e is the electronic charge and N D + (T) is the donor at room temperature The donor concentration is about 10 &lt; 17 &gt; cm &lt;&quot; 3 &gt;, and the potential barrier height is about 0.5 eV.

ZnO-CuO는 p-n 동위체(isotope) 헤테로 접합이다. ZnO-CuO 헤테로 구조 내의 밴드 구부러짐은 그들의 에너지 밴드 구조에 기초하여 평가될 수 있다. ZnO 및 CuO의 전자친화도(χ), 밴드 갭(Eg), 및 일 함수(W)가 에너지 밴드 구조의 분석을 위해 요구되는데 χZnO 및 χCuO는 각각 4.29 eV 및 4.07 eV이고, Eg , ZnO 및 Eg , CuO는 각각 3.3 eV 및 1.35 eV이고, WZnO 및 WCuO는 각각 4.45 eV 및 5.2 eV이다. ZnO 및 CuO 사이의 헤테로 접합이 형성되는 동안 밴드 구부러짐이 발생되며, 이는 도 10b 및 도 10c의 하부에 도식적으로 나타내었다. 이 경우, WZnO 및 WCuO의 차이가 ZnO와 CuO 사이 계면에서의 빌트-인-포텐셜(built-in-potential)을 부여하였으며, 그 값은 0.75 eV와 같았다. 상기 0.75 eV의 빌트-인-포텐셜을 Φs에 대입함으로써, 헤테로 접합에서의 공핍층 넓이(Wd)를 방정식로부터 계산할 수 있다. 계산된 Wd 값은 약 85 nm였다. 결과적으로, 도 10b 및 도 10c에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 실제로 표면 및 헤테로 접합에 형성된 공핍층 넓이는 각각 약 69 nm 및 약 85 nm였고, ZnO 쉘 두께가 50 nm인 경우까지는 완전 공핍층이 형성되었으며, ZnO 쉘 두께가 120 nm 및 200 nm인 경우에는 부분적 공핍층이 형성되었다.ZnO-CuO is a pn isotope heterostructure. Band bending in the ZnO-CuO heterostructure can be evaluated based on their energy band structure. And ZnO and the electron affinity (χ), the band gap (Eg), and the work function (W) that are required for the analysis of the energy band structure χ ZnO and χ CuO are respectively 4.29 eV and 4.07 eV of CuO, E g, ZnO and E g and CuO are 3.3 eV and 1.35 eV, respectively, and W ZnO and W CuO are 4.45 eV and 5.2 eV, respectively. Band bending occurs during the formation of a heterojunction between ZnO and CuO, which is schematically illustrated in the lower part of Figs. 10b and 10c. In this case, the difference between W ZnO and W CuO gave a build-in-potential at the interface between ZnO and CuO, which was equal to 0.75 eV. By substituting the built-in potential of 0.75 eV into? S , the depletion layer width (W d ) at the heterojunction can be calculated from the equation. The calculated W d value was about 85 nm. As a result, as shown schematically in FIGS. 10B and 10C, the depletion layer width actually formed on the surface and the heterojunction was about 69 nm and about 85 nm, respectively, and a complete depletion layer was formed until the ZnO shell thickness was 50 nm And a partial depletion layer was formed when the ZnO shell thickness was 120 nm and 200 nm.

이해를 돕기 위하여 위에서 설명한 도 10a 내지 도 10c를 다른 방식으로 설명하여 보면 다음과 같다. 도 10a 내지 도 10c 각각에서 가장 윗 부분에 도시된 그래프는 환원성 기체에 노출되기 전, 대기 중의 산소가 흡착되어 있는 상태의 밴드 구조를 나타낸 것이다. 도 10a는 대조군으로서 CuO 나노 섬유인 경우이고, 도 10b는 바람직한 실시예로서 완전 공핍층이 형성된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이며, 도 10c는 또 다른 실시예로서 불완전 공핍층이 형성된 CuO-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이다. 공핍층의 완전성에 차이가 있는 도 10b와 도 10c의 최상부 그래프를 비교해보면, 도 10b의 경우 초기 저항이 굉장히 큰 값을 나타내는 반면, 도 10c의 경우 초기 저항이 도 10b에 비해서는 상대적으로 작은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 다음으로, 도 10a 내지 도 10c 각각에서 중간 부분과 가장 아랫 부분에 도시된 그래프는, 환원성 기체에 센서가 노출됨으로써 쉘 표면에 흡착되어 있었던 산소 이온 또는 분자가 환원성 기체와의 반응을 통해 모두 탈착되는 것을 나타낸 것으로서, 이와 같은 산소 이온 또는 분자의 탈착으로 인해 저항 변화가 유도됨을 확인할 수 있었다. 상기 그래프들을 비교함으로써, 쉘의 두께를 완전공핍층 이하로 형성한 센서의 경우, 미량의 환원성 가스에 노출되었을 때 큰 저항 변화를 나타내게 되며, 이에 따라 고감응성 센서로서 이용할 수 있음을 확인할 수 있었다.10A to 10C described above will be explained in different ways in order to facilitate understanding. 10A to 10C each show a band structure in which oxygen in the atmosphere is adsorbed before being exposed to a reducing gas. 10A is a CuO nanofiber as a control, FIG. 10B is a CuO-ZnO core-shell nanofiber in which a complete depletion layer is formed as a preferred embodiment, FIG. 10C is a CuO- -ZnO core-shell nanofiber. 10B in which the completeness of the depletion layer is different from that in FIG. 10C, the initial resistance shows a very large value in FIG. 10B, whereas the initial resistance in FIG. 10C is a relatively small value Of the respondents. Next, in the graphs shown in the middle portion and the bottom portion in each of FIGS. 10A to 10C, oxygen ions or molecules adsorbed on the shell surface by the sensor being exposed to the reducing gas are all desorbed through reaction with the reducing gas It is confirmed that the resistance change is induced by desorption of oxygen ions or molecules. By comparing the graphs, it can be seen that a sensor having a shell thickness less than a complete depletion layer exhibits a large resistance change when exposed to a small amount of reducing gas, and thus can be used as a highly sensitive sensor.

예를 들어, 쉘에 완전 공핍층이 형성된 코어-쉘 나노 섬유에 CO 기체를 노출할 경우, CO 분자들과 표면에 화학적으로 흡착된 산소 화학종 사이의 상호작용에 의하여 CO2 분자들이 방출된다. 상기 산소 화학종들은 표면으로부터 제거되며 전자를 재방출하고 원래 밴드 형태를 회복한다. 반면, 쉘의 부분적 공핍층이 형성된 코어-쉘 나노 섬유에 CO 기체를 노출할 경우, 쉘의 공핍층과 헤테로 접합 사이의 전도 채널의 존재 때문에 저항 변화가 감소되며, 반응은 주로 쉘의 공핍층 때문에 발생된다. 상기 분석 결과들을 종합하여 볼 때, 쉘 두께가 약 120 nm 및 200 nm인 경우는 쉘에 완전 공핍층을 형성하기 위한 쉘 두께를 초과한 것이며, 이 경우에 CO 기체에 대한 감응성은 저하되었다.
For example, when a CO gas is exposed to a core-shell nanofiber in which a complete depletion layer is formed in the shell, CO 2 molecules are released by the interaction between the CO molecules and the oxygen species chemically adsorbed on the surface. The oxygen species are removed from the surface and re-emit electrons and restore the original band form. On the other hand, when the CO gas is exposed to the core-shell nanofibers formed with the partial depletion layer of the shell, the resistance change is reduced due to the presence of the conduction channel between the depletion layer of the shell and the heterojunction, . When the shell thicknesses are about 120 nm and 200 nm, the shell thickness for forming the complete depletion layer in the shell is exceeded, and the sensitivity to CO gas is lowered in this case.

4. 4. SnOSnO 22 -- ZnOZnO 코어-쉘 나노 섬유의 제조 Preparation of core-shell nanofiber

SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유는, 실시예 1과 마찬가지로, 신규한 2 단계 공정에 의하여 제조되었다. 먼저, 전기방사법을 이용하여 SnO2 코어 나노 섬유를 합성하였으며, 이어서 ZnO 쉘 층을 ALD 기술을 이용하여 증착하였다.The SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber was produced by a novel two-step process in the same manner as in Example 1. First, SnO 2 core nanofiber was synthesized by electrospinning, followed by deposition of a ZnO shell layer using ALD technology.

분자량이 1,300,000인 폴리비닐 피롤리딘(Polyvinyl pyrrolidone, PVP) 및 주석 클로라이드[SnO2·2H2O]가 SnO2 코어 나노 섬유 합성의 전구체 화합물로서 사용되었다. 전기방사를 위하여, 1.75 g의 주석 클로라이드를 1:1 부피비의 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF)와 에탄올(ethanol) 용매와 혼합하였으며, 70℃에서 30 분 동안 교반되었다. 상기 전구체가 포함된 용액에 PVP 비드를 용해함으로써 8 중량%의 액상 용액을 제조하였으며, 8 시간 동안 추가 교반되었다. 점성의 주석 클로라이드/PVP 용액은 21-게이지(gauge) 스테인리스 스틸 바늘을 구비한 유리 시린지 내로 로딩되었다. 상기 나노 섬유들은 금속 콜렉터 상에 위치한 SiO2 웨이퍼 상에 균일하게 전기방사 되었다. 전기방사된 섬유들은 산소 분위기 하 600℃에서 4 시간 동안 하소되었으며, 이때 튜브-타입의 가열기 (furnace)가 이용되었다. 실험실 내 대기 중에서의 나노 섬유의 손실을 최소화하기 위하여, 제조된 샘플들은 그 측정 및 특성 분석을 수행하기 전까지 집진 방지 마스크 및 진공 조건에서 보관하였다.Polyvinyl pyrrolidone (PVP) and tin chloride [SnO 2 .2H 2 O] having a molecular weight of 1,300,000 were used as precursor compounds for the synthesis of SnO 2 core nanofibers. For electrospinning, 1.75 g of tin chloride was mixed with a 1: 1 by volume ratio of dimethylformamide (DMF) and ethanol solvent and stirred at 70 ° C for 30 minutes. A 8 wt% liquid solution was prepared by dissolving the PVP beads in the solution containing the precursor and further stirred for 8 hours. The viscous tin chloride / PVP solution was loaded into a glass syringe with a 21-gauge stainless steel needle. The nanofibers were uniformly electrospun on a SiO 2 wafer located on a metal collector. The electrospun fibers were calcined at 600 &lt; 0 &gt; C under oxygen atmosphere for 4 hours, at which time a tube-type furnace was used. In order to minimize the loss of nanofibers in the atmosphere in the laboratory, the prepared samples were stored in a dust-collecting mask and vacuum conditions until measurement and characterization were performed.

상기 SnO2 나노 섬유 표면에 ZnO 쉘 구조를 형성하기 위하여, 일반적인 ALD 기술을 사용하였다. 본 실시예에서는 수평 벽 반응기(horizontal wall reactor)를 구비한 ALD 시스템을 이용하였다. 디에틸아연[Zn(C2H5)2, DEZn] 및 H2O가 전구체로서 사용되었다. 상기 두 전구체 간에 격렬한 예비-반응이 일어나는 것을 방지하기 위하여, DEZn과 H2O는 성장 반응기 내부로 분리 도입되었으며, 상기 반응기의 온도 및 압력 조건은 각각 150℃, 0.3 Torr였다. DEZn은 0℃의 버블러에서 보관되었고, H2O는 10℃의 버블러에서 보관되었다. ALD 펄스 길이는 DEZn 첨가량(dosing)에 대하여 0.12 초, N2 퍼징에 대하여 3 초, H2O 첨가량에 대하여 0.15 초, 및 N2 퍼징에 대하여 3 초로 설정하였으며, 이 과정을 모두 수행한 것이 ALD 사이클 1회에 해당하였다. ALD 사이클 수는 30, 80, 200, 350 및 650 회 사이로 조절되었다. 평균적인 SnO2 코어 나노 섬유의 지름은 약 90 nm 였으며, ZnO 쉘 층의 두께는 20 nm 내지 90 nm로 조절되었다.
In order to form a ZnO shell structure on the surface of the SnO 2 nanofiber, a general ALD technique was used. In this embodiment, an ALD system having a horizontal wall reactor was used. Diethylzinc [Zn (C 2 H 5 ) 2 , DEZn] and H 2 O were used as precursors. In order to prevent a violent pre-reaction between the two precursors, DEZn and H 2 O were separately introduced into the growth reactor, and the temperature and pressure conditions of the reactor were 150 ° C. and 0.3 Torr, respectively. DEZn was stored in a 0 ° C bubbler and H 2 O was stored in a 10 ° C bubbler. The ALD pulse length was set to 0.12 seconds for DEZn dosing, 3 seconds for N 2 purging, 0.15 seconds for H 2 O addition, and 3 seconds for N 2 purging. It corresponds to one cycle. The number of ALD cycles was regulated between 30, 80, 200, 350 and 650 cycles. The average diameter of the SnO 2 core nanofiber was about 90 nm, and the thickness of the ZnO shell layer was adjusted to 20 nm to 90 nm.

5. 5. SnOSnO 22 -- ZnOZnO 코어-쉘 나노 섬유의 분석 방법 Analysis method of core-shell nanofiber

상기 공정에 따라 제조된 코어-쉘 나노 섬유의 미세구조 및 상(phase)은 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM), 투과전자현미경(TEM), 및 X-선 회절기(XRD)를 사용하여 분석되었다. 또한, 원소 맵핑(elemental mapping)은 에너지 분산형 분광법(EDS) 모드에서 수행되었다.The microstructure and phase of the core-shell nanofibers prepared according to the above process were measured using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a transmission electron microscope (TEM), and an X-ray diffractometer Respectively. Elemental mapping was also performed in an energy dispersive spectroscopy (EDS) mode.

한편, 센서 감응성 측정을 위하여 상기 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서를 제조하였으며, 상기 센서의 이중층 전극을 제조하기 위하여 기재 상에 약 50 nm 두께의 Ti 및 약 200 nm 두께의 Au를 스퍼터링 방법 및 인터디지털 전극 마스크를 이용하여 순차적으로 증착되었다. 환원성 기체인 CO에 대한 상기 센서의 반응(response)은 홈메이드 기체 희석 및 감응 시스템을 이용하여 300℃에서 측정되었다. 감응성(Sensitivity, S)는 다음의 공식에 따라 계산되었다: S = Ra/Rg 또는 Rg/Ra (여기에서, Ra는 기체 공급이 없는 경우의 최초 저항에 해당하고, Rg는 측정 기체가 존재할 경우의 저항에 해당함). CO 컨테이너 내부의 수증기 함량은 3 ppm 이하로 유지하였다.
For the sensor sensitivity measurement, a sensor including the SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber was fabricated. To fabricate the dual- layer electrode of the sensor, about 50 nm thick Ti and about 200 nm thick Au Were sequentially deposited using a sputtering method and an interdigital electrode mask. The response of the sensor to CO, which is a reducing gas, was measured at 300 DEG C using a homemade gas dilution and sensing system. Sensitivity was (Sensitivity, S) is calculated according to the formula: in S = R a / R g or R g / R a (where, R a corresponds to the first resistance and, R g in the absence of feed gas Corresponding to the resistance when the measuring gas is present). The content of water vapor inside the CO container was kept below 3 ppm.

6. 6. SnOSnO 22 -- ZnOZnO 코어-쉘 나노 섬유의 분석 방법 Analysis method of core-shell nanofiber

제조한 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 미세구조, 상(phase), 및 기체 감응성 분석을 수행함으로써, 상기 나노 섬유의 SnO2 코어 나노 섬유 표면 상의 ZnO 쉘 층 두께의 효과를 비교하였으며, 상이한 두 종류의 물질 간의 계면에서 형성되는 헤테로 접합(heterojunction)의 효과에 대해서도 분석하였다.The effect of the ZnO shell layer thickness on the surface of the SnO 2 core nanofibers of the nanofibers was compared by performing the microstructure, phase, and gas sensitivity analyzes of the SnO 2 -ZnO core-shell nanofibers produced, The effect of the heterojunction formed at the interface between the two types of materials was also analyzed.

먼저, 도 11a는 SiO2 기재 상에 불규칙적으로 분산되어 있는 전기방사법으로 합성된 SnO2 코어 나노 섬유의 FE-SEM 이미지이고, 도 11b는 도 11a의 확대도이다. 한편, 도 11c 및 도 11e는 ALD 사이클 수를 증가시키면서 제조한 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 FE-SEM 이미지로서, 도 11c의 경우 ALD 사이클 수가 80 회이고 도 11d의 경우 ALD 사이클 수가 350 회였으며, ALD 사이클 수를 증가시킴에 따라 ZnO 쉘 두께가 점진적으로 증가되었음을 확인할 수 있었다. 한편, 도 11d는 도 11c를 확대한 FE-SEM 이미지이고, 도 11f는 도 11e를 확대한 FE-SEM 이미지로서, 이를 통해 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유가 나노 크기의 입자를 포함한다는 것을 분명하게 확인할 수 있었다. 상기 도면들을 참조할 때 SnO2 코어 나노 섬유를 구성하는 큰 사이즈의 입자들과, 상기 SnO2 코어 나노 섬유 상에 증착된 ZnO 쉘 층을 구성하는 작은 사이즈의 입자들이 분명하게 구별되었다. 쉘 층의 입자가 돌출되어 거친 표면이 측정 기체 분자의 도입시 흡착 공간을 제공하고 센서의 흡착 능력을 향상시킬 수 있는 것으로 추정된다. 한편, 상이한 두 종류의 물질 사이에서 형성되는 헤테로 접합은 그들의 계면에서 포텐셜 장벽(barrier)을 발생시키고 전자들이 스며드는 경로를 형성하며 기체 감응성을 향상시켰다.11A is an FE-SEM image of an SnO 2 core nanofiber synthesized by an electrospinning method, which is irregularly dispersed on a SiO 2 substrate, and FIG. 11B is an enlarged view of FIG. 11A. 11C and 11E are FE-SEM images of SnO 2 -ZnO core-shell nanofibers produced while increasing the number of ALD cycles. In FIG. 11C, the number of ALD cycles is 80 and in FIG. 11D, the number of ALD cycles is 350 And it was confirmed that the thickness of ZnO shell gradually increased as the number of ALD cycle was increased. FIG. 11D is an FE-SEM image showing an enlarged view of FIG. 11C, FIG. 11F is an FE-SEM image of FIG. 11E showing that the SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber includes nano-sized particles I could confirm it clearly. When reference to the drawings SnO 2 cores of larger size constituting the nano-particles and fibers, the core of SnO 2 small size particles constituting the shell ZnO layer deposited on the nanofiber have been clearly distinguished. It is presumed that the rough surface of the shell layer protrudes to provide an adsorption space for introduction of the measuring gas molecules and to improve the adsorption ability of the sensor. On the other hand, the heterojunction formed between the two different materials generates a potential barrier at their interface, forms a path through which electrons penetrate, and improves gas sensitivity.

코어-쉘 나노 섬유의 미세구조는 TEM을 이용하여 추가 분석되었다. 도 12a는 20 nm의 ZnO 쉘 두께를 가지는 코어-쉘 나노 섬유의 저배율 TEM 이미지이다. 도 12b 내지 도 12d는 각각 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 O, Sn, 및 Zn의 원소 맵핑 결과이고, 도 12e는 EDS를 이용하여 분석한 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 화학적 조성 분석 그래프이다. 도 12a 내지 도 12e의 결과를 통하여, 상기 코어-쉘 나노 섬유에서 Zn은 섬유의 외부 표면에 편중되어 존재하고 Sn는 섬유 내부에 편중되어 존재한다는 것이 확인되었으며, 이로부터 원소 O, Sn, 및 Zn의 공간적 구분이 분명하게 됨을 확인할 수 있었다. 원소 맵핑 분석 결과로부터 쉘 두께가 20 nm인 코어-쉘 나노 섬유가 형성되었음을 분명히 확인할 수 있었으며, EDS 분석 결과로부터 상기 코어-쉘 나노 섬유의 표면부에 ZnO가 존재하고 코어 부분에 SnO2가 존재함을 확인할 수 있었다.The microstructure of the core-shell nanofibers was further analyzed using TEM. 12A is a low magnification TEM image of core-shell nanofibers having a ZnO shell thickness of 20 nm. 12b to 12d are element mapping results of O, Sn and Zn of SnO 2 -ZnO core-shell nanofibers, respectively, and FIG. 12e shows the chemical composition of SnO 2 -ZnO core-shell nanofibers analyzed using EDS Analysis graph. 12A to 12E, it was confirmed that Zn exists in the outer surface of the core-shell nanofiber, and Sn exists in the inner part of the fiber, and the elements O, Sn, and Zn It is clear that the spatial division of From the result of the element mapping analysis, it was clearly confirmed that core-shell nanofiber having a shell thickness of 20 nm was formed. From the result of EDS analysis, ZnO exists in the surface portion of the core-shell nanofiber and SnO 2 exists in the core portion. .

도 13은 SnO2 나노 섬유 및 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 상기 SnO2 나노 섬유의 XRD 패턴은 대비를 위하여 확인하였다. 쉘 두께가 각각 20 nm와 90 nm인 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유들은 SnO2 상에 의한 피크에 더하여 ZnO 상에 비례하는 회절 피크를 나타내었으며, 이로부터 SnO2 코어 나노 섬유 상에 ZnO 쉘 층이 형성되어 있음을 재확인할 수 있었다. XRD 피크의 증가된 강도는 SnO2 나노 섬유 표면 상에 형성된 ZnO 쉘 층의 증가된 두께에 비례하였다.13 shows XRD patterns of SnO 2 nanofiber and SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber. The XRD pattern of the SnO 2 nanofiber was confirmed for contrast. Shells each of SnO 2 -ZnO 20 nm and 90 nm thickness of the core-shell nano-fibers ZnO SnO shell in the second core nanofibers in addition to the peak due to the SnO 2 exhibited a diffraction peak which is proportional to the ZnO, from which Layer can be confirmed. The increased intensity of the XRD peak was proportional to the increased thickness of the ZnO shell layer formed on the SnO 2 nanofiber surface.

SnO2 나노 섬유 및 다양한 쉘 두께를 가지는 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유 각각의 기체에 대한 감응성을 확인하기 위하여, 1 ppm 내지 10 ppm의 CO 분위기 하에서 실험을 수행하였다. 모든 센서 반응은 CO 변화에 따라 나타났다. 도 14a는 SnO2 나노 섬유 및 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유 각각을 포함하는 센서의 300℃에서의 CO 기체에 대한 반응 곡선을 나타낸 것이다. Experiments were conducted under a CO atmosphere of 1 ppm to 10 ppm to confirm the susceptibility of SnO 2 nanofibers and SnO 2 -ZnO core-shell nanofibers having various shell thicknesses to gases. All sensor responses were dependent on CO changes. 14A shows the response curves of a sensor comprising SnO 2 nanofibers and SnO 2 -ZnO core-shell nanofibers, respectively, against CO gas at 300 ° C.

코어-쉘 나노 섬유가 CO 기체에 노출되었을 때, CO 기체 분자는 ZnO 표면 상에 화학적으로 흡착된 산소와 다음과 같은 반응을 일으키게 된다: [CO + O2 - → CO2 + 2e-]. 이에 따라, 자유 전자들이 저항을 감소시킨다. 반면, CO 기체의 공급을 차단하면, 대기 중의 산소 분자들이 나노 섬유 표면에 급속도로 흡착되고, 상기 나노 섬유 상의 전자 흡착으로 인해 저항이 증가된다. 도 14b는 코어-쉘 나노 섬유의 상대적인 반응에 관한 것이다. 쉘 두께가 약 20 nm인 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서는 1, 5 그리고 10 ppm의 CO 농도에 대해서 7.5, 7.6 그리고 8.5 정도의 반응을 나타내었으며, 쉘 두께가 약 90 nm인 코어-쉘 나노 섬유를 포함하는 센서에서는 3.3, 4.4 그리고 7로 반응이 감소하였다. 디바이 길이(debye length) 이상의 쉘 두께에서는 환원성 가스 검출 반응이 감소한 결과를 보였지만, 순수한 SnO2와 ZnO 나노섬유를 포함하는 센서보다 향상된 감응 특성을 나타낸다. 코어-쉘 나노 섬유에서 쉘 두께가 디바이 길이 이하인 경우, 기체 분자들은 코어로부터 전자를 추출할 수 있다. 코어-쉘 나노 섬유에서 쉘 두께가 10 nm인 경우 p-타입 감응성이 나타난 반면, 쉘 두께가 10 nm를 초과하는 경우에는 n-타입 감응성이 나타났다. 상기 모든 분석 결과들은 코어-쉘 나노 섬유에서의 ZnO 쉘 두께가 센서의 감응성에 중요한 요소로서 작용함을 뒷받침하였다. When the core-shell nanofibers are exposed to CO gas, the CO gas molecules react with the chemically adsorbed oxygen on the ZnO surface as follows: [CO + O 2 - → CO 2 + 2e - ]. As a result, the free electrons reduce the resistance. On the other hand, when the supply of CO gas is interrupted, oxygen molecules in the air are rapidly adsorbed on the nanofiber surface, and the resistance is increased due to the electron adsorption on the nanofiber. 14B relates to the relative reaction of the core-shell nanofibers. The sensor including the core-shell nanofibers having a shell thickness of about 20 nm showed responses of 7.5, 7.6 and 8.5 for CO concentrations of 1, 5 and 10 ppm, and the core-shell Sensors containing nanofibers were reduced to 3.3, 4.4 and 7, respectively. Thin shell thickness over debye length results in reduced detection of the reducing gas, but exhibits improved response characteristics compared to sensors containing pure SnO 2 and ZnO nanofibers. In a core-shell nanofiber, if the shell thickness is less than or equal to the divisor length, gas molecules can extract electrons from the core. The core-shell nanofibers exhibited p-type susceptibility when the shell thickness was 10 nm, while n-type susceptibility appeared when the shell thickness exceeded 10 nm. All of the above analyzes support that the ZnO shell thickness in the core-shell nanofiber acts as an important factor in the sensitivity of the sensor.

한편, 도 14c 및 도 14d는 도 14a 및 도 14b와는 달리 CO가 아닌 NO2 기체에 대한 반응을 측정한 것이었다. 또한, 도 14e 및 도 14f는 CO 기체에 대한 반응에 관한 것인 도 14a 및 도 14b, NO2 기체에 대한 반응에 관한 것인 도 14c 및 도 14d의 결과를 하나의 그래프로서 도시하여 상이한 기체에 대한 감응성을 한눈에 파악할 수 있도록 나타낸 것이었다.On the other hand, Fig. 14c and Fig. 14d was a measure of the response to NO 2 gas instead of CO contrast to Figure 14a and Figure 14b. Further, Fig. 14e and 14f are on different substrate and showing the results of Fig. 14c and 14d is about response to the Figures 14a and 14b, NO 2 gas is about the response to the CO gas as a single graph So that they can understand at a glance.

상기 코어-쉘 나노 섬유에서의 기체에 대한 감응 메커니즘은, 화학적으로 흡착된 기체 화학종에 의한 전자의 흡착 때문에 쉘 층에 형성되는 공핍층 및 쉘 층과 코어 나노 섬유 사이에 형성되는 헤테로 접합과 연관되어 있다. 이와 관련하여 도 15는 본 실시예에 따라 센서의 센싱부로서 이용하기 위하여 제조한 나노 구조체의 모식도, 상기 나노 구조체에서 일어나는 전자 이동의 모식도, 전도성 밴드 에너지(EC), 및 페르미 에너지 레벨(EF)을 나타낸 것으로서, 도 15a는 상기 나노 구조체가 대조군인 SnO2 나노 섬유인 경우이고, 도 15b는 상기 나노 구조체가 완전 공핍층이 형성된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이며, 도 15c는 상기 나노 구조체가 불완전 공핍층이 형성된 SnO2-ZnO 코어-쉘 나노 섬유인 경우이다. 쉘 두께가 10 nm인 코어-쉘 나노 섬유에서 산소 분자의 흡착은 ZnO 쉘 층 및 SnO2 표면 모두에서 발생하였으며, 산소 분자는 ZnO 쉘 층의 작은 입자들 사이에 형성된 채널을 따라 확산될 것으로 추정되었다. 도 15a는 상대적인 밴드 구부러짐(band bending)을 나타낸 것이다. 반면, 쉘 두께가 50 nm인 코어-쉘 나노 섬유는, 산소 화학종의 흡착에 의한 ZnO 쉘 층 표면에서의 밴드 구부러짐 및 ZnO 쉘 층과 SnO2 코어 나노 섬유 사이에 형성된 헤테로 접합에서의 밴드 구부러짐의 복합적인 효과에 의해, 쉘 층에 완전 공핍층이 형성되었다. 대기 하에서, n-타입 ZnO 쉘 층의 표면 상의 산소 공간(vacancy)과 같은 내부적인 결함은 산소 분자의 흡착 자리로서 활용된다. ZnO 쉘 층 내의 자유 전자들은 흡착된 산소 분자에 의해 다음과 같은 반응에 의해 제거된다: [O2(g) + e- → O2 - (흡착)]. ZnO 쉘 내부의 자유 전하 밀도에서의 환원은 표면 전하 상태를 공핍시키고 공간 전하 영역을 발생시킨다. 결과적으로, 밴드 구부러짐이 ZnO 쉘 층의 표면에서 발생한다. 앞서 실시예 3에서 설명한 상기 방정식에 의해 계산된 흡착에 의한 공핍층의 두께는 약 69 nm였다. 설명의 편의를 위하여, 방정식을 다시 기재하면 하기와 같다:The response mechanism to the gas in the core-shell nanofiber is related to the depletion layer formed in the shell layer due to the adsorption of electrons by the chemically adsorbed gaseous species and the heterojunction formed between the shell layer and the core nanofiber . 15 is a schematic diagram of a nanostructure fabricated for use as a sensing portion of a sensor according to an embodiment of the present invention, a schematic diagram of electron transfer occurring in the nanostructure, a conductive band energy (EC), and a Fermi energy level (EF) FIG. 15A shows a case where the nanostructure is a SnO 2 nanofiber as a control group, FIG. 15B shows a case where the nanostructure is a SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber with a complete depletion layer, FIG. And the nanostructure is a SnO 2 -ZnO core-shell nanofiber in which an incomplete depletion layer is formed. The adsorption of oxygen molecules on core-shell nanofibers with a shell thickness of 10 nm occurred in both the ZnO shell layer and the SnO 2 surface, and oxygen molecules were assumed to diffuse along the channels formed between the small particles of the ZnO shell layer . 15A shows relative band bending. On the other hand, the core-shell nanofibers having a shell thickness of 50 nm exhibit band bending at the surface of the ZnO shell layer due to adsorption of oxygen species and band bending at the heterojunction formed between the ZnO shell layer and the SnO 2 core nanofiber A complex effect created a complete depletion layer in the shell layer. Under the atmosphere, internal defects such as oxygen vacancies on the surface of the n-type ZnO shell layer are utilized as adsorption sites for oxygen molecules. Free electrons in the ZnO shell layer are removed by adsorbed oxygen molecules by the following reaction: [O 2 (g) + e - → O 2 - (adsorption)]. Reduction at the free charge density inside the ZnO shell depletes the surface charge state and generates a space charge region. As a result, band bending occurs at the surface of the ZnO shell layer. The thickness of the depletion layer due to adsorption calculated by the above equation described in Example 3 was about 69 nm. For convenience of explanation, the equations are rewritten as follows:

<방정식><Equation>

Figure 112012062027712-pat00002
;
Figure 112012062027712-pat00002
;

상기 방정식에서, εZnO는 ZnO의 상대적인 유전 상수 값으로서 약 8.7이고, ε0은 진공의 유전율(permittivity)이고, e는 전자 전하(electronic charge)이고, ND +(T)는 실온에서의 공여자 농도(donor concentration)로서 약 1017 cm-3이고, Φ는 포텐셜 장벽 높이로서 대략 0.5 eV이다.In this equation,? ZnO is the relative dielectric constant of ZnO of about 8.7,? 0 is the permittivity of the vacuum, e is the electronic charge and N D + (T) is the donor at room temperature The donor concentration is about 10 &lt; 17 &gt; cm &lt;&quot; 3 &gt;, and the potential barrier height is about 0.5 eV.

ZnO-SnO2는 p-n 동위체(isotope) 헤테로 접합이다. ZnO-SnO2 헤테로 구조 내의 밴드 구부러짐은 그들의 에너지 밴드 구조에 기초하여 평가될 수 있다. ZnO 및 SnO2의 전자친화도(χ), 밴드 갭(Eg), 및 일 함수(W)가 에너지 밴드 구조의 분석을 위해 요구되는데 χZnO 및 χSnO2는 각각 4.29 eV 및 4.07 eV이고, Eg , ZnO 및 Eg, SnO2는 각각 3.3 eV 및 1.35 eV이고, WZnO 및 WSnO2는 각각 4.45 eV 및 5.2 eV이다. ZnO 및 SnO2 사이의 헤테로 접합이 형성되는 동안 밴드 구부러짐이 발생되며, 이는 도 15b 및 도 15c의 하부에 도식적으로 나타내었다. 이 경우, WZnO 및 WSnO2의 차이가 ZnO와 SnO2 사이 계면에서의 빌트-인-포텐셜(built-in-potential)을 부여하였으며, 그 값은 0.75 eV와 같았다. 상기 0.75 eV의 빌트-인-포텐셜을 Φs에 대입함으로써, 헤테로 접합에서의 공핍층 넓이(Wd)를 방정식로부터 계산할 수 있다. 계산된 Wd 값은 약 85 nm였다. 결과적으로, 도 15b 및 도 15c에 도식적으로 나타낸 바와 같이, 실제로 표면 및 헤테로 접합에 형성된 공핍층 넓이는 각각 약 69 nm 및 약 85 nm였고, ZnO 쉘 두께가 50 nm인 경우까지는 완전 공핍층이 형성되었으며, ZnO 쉘 두께가 120 nm 및 200 nm인 경우에는 부분적 공핍층이 형성되었다.ZnO-SnO 2 is a pn isotope heterostructure. Band bending in the ZnO-SnO 2 heterostructure can be evaluated based on their energy band structure. The electron affinity of ZnO and SnO 2 degrees and (χ), the band gap (Eg), and the work function (W) that is respectively are required for the analysis of the energy band structure χ ZnO and χ SnO2 4.29 eV and 4.07 eV, E g , ZnO and E g, and SnO 2 are 3.3 eV and 1.35 eV, respectively, and W ZnO and W SnO 2 are 4.45 eV and 5.2 eV, respectively. During the formation of the heterojunction between ZnO and SnO 2 , band bending occurs, which is schematically shown in the lower part of FIGS. 15B and 15C. In this case, the difference between W and W SnO2 ZnO built at the interface between ZnO and SnO 2 - of - was given a potential (built-in-potential), the value was as 0.75 eV. By substituting the built-in potential of 0.75 eV into? S , the depletion layer width (W d ) at the heterojunction can be calculated from the equation. The calculated W d value was about 85 nm. As a result, as shown schematically in FIGS. 15B and 15C, the depletion layer width actually formed on the surface and the heterojunction was about 69 nm and about 85 nm, respectively, and a complete depletion layer was formed until the ZnO shell thickness was 50 nm And a partial depletion layer was formed when the ZnO shell thickness was 120 nm and 200 nm.

쉘에 완전 공핍층이 형성된 코어-쉘 나노 섬유에 CO 기체를 노출할 경우, CO 분자들과 표면에 화학적으로 흡착된 산소 화학종 사이의 상호작용에 의하여 CO2 분자들이 방출된다. 상기 산소 화학종들은 표면으로부터 제거되며 전자를 재방출하고 원래 밴드 형태를 회복한다. 반면, 쉘의 부분적 공핍층이 형성된 코어-쉘 나노 섬유에 CO 기체를 노출할 경우, 쉘의 공핍층과 헤테로 접합 사이의 전도 채널의 존재 때문에 저항 변화가 감소되며, 반응은 주로 쉘의 공핍층 때문에 발생된다. 상기 분석 결과들을 종합하여 볼 때, 쉘 두께가 약 120 nm 및 200 nm인 경우는 쉘에 완전 공핍층을 형성하기 위한 쉘 두께를 초과한 것이며, 이 경우에 CO 기체에 대한 감응성은 저하되었다.
When CO gas is exposed to core-shell nanofibers with a complete depletion layer in the shell, CO2 molecules are released by the interaction between the CO molecules and the chemically adsorbed oxygen species on the surface. The oxygen species are removed from the surface and re-emit electrons and restore the original band form. On the other hand, when the CO gas is exposed to the core-shell nanofibers formed with the partial depletion layer of the shell, the resistance change is reduced due to the presence of the conduction channel between the depletion layer of the shell and the heterojunction, . When the shell thicknesses are about 120 nm and 200 nm, the shell thickness for forming the complete depletion layer in the shell is exceeded, and the sensitivity to CO gas is lowered in this case.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

100: 기재
110: 절연층
200: 센싱부
210: 코어-쉘 나노 구조체의 코어
220: 코어-쉘 나노 구조체의 쉘
300: 전극층
310: 제 1 전극층
320: 제 2 전극층
100: substrate
110: insulating layer
200: sensing unit
210: core of core-shell nanostructure
220: shell of core-shell nanostructure
300: electrode layer
310: first electrode layer
320: Second electrode layer

Claims (19)

기재;
상기 기재 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물 나노입자를 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부; 및
상기 센싱부 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층
을 포함하는, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서로서,
상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 각각 독립적으로 Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하고,
상기 제 2 금속 산화물 나노입자들 사이에 채널이 형성되어 있고, 상기 채널이 전자의 이동 통로로서 작용하며,
상기 코어는 지름이 20 nm 내지 200 nm 이고, 길이가 2 ㎛ 이상인 나노 섬유 형태이며,
상기 코어-쉘 나노 구조체는 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체, 또는 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하며,
상기 쉘은 디바이 길이(Debye length) 이하의 두께를 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되고, 상기 완전 공핍층은 환원성 기체를 감지함으로써 불완전 공핍층으로 전환되었다가, 상기 환원성 기체를 제거하면 자기 완전 공핍층으로 회복되는 것인,
코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서.
materials;
A sensing part including a core-shell nanostructure containing a core comprising a first metal oxide formed on the substrate, and a shell comprising second metal oxide nanoparticles formed on the core; And
And two electrode layers formed on the sensing portion and spaced apart from each other.
A sensor comprising a core-shell nanostructure,
Wherein the first metal oxide and the second metal oxide are each independently selected from the group consisting of Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, , An oxide of a metal selected from the group consisting of Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, and combinations thereof,
A channel is formed between the second metal oxide nanoparticles, the channel serves as a movement path of electrons,
The core is in the form of a nanofiber having a diameter of 20 nm to 200 nm and a length of 2 탆 or more,
The core-shell nanostructure includes a core-shell nanostructure of a pn type or a core-shell nanostructure of an nn type,
The shell has a thickness equal to or less than the Debye length to form a complete depletion layer in the entire shell. The complete depletion layer is converted into an incomplete depletion layer by sensing the reducing gas, and when the reducing gas is removed The self-complete depletion layer is restored,
A sensor comprising a core-shell nanostructure.
기재;
상기 기재 상에 서로 이격되어 형성된 2 개의 전극층; 및
상기 전극층 상에 형성된 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어, 및 상기 코어 상에 형성된 제 2 금속 산화물 나노입자를 포함하는 쉘을 함유하는 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부
을 포함하는, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서로서,
상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 각각 독립적으로 Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하고,
상기 제 2 금속 산화물 나노입자들 사이에 채널이 형성되어 있고, 상기 채널이 전자의 이동 통로로서 작용하며,
상기 코어는 지름이 20 nm 내지 200 nm 이고, 길이가 2 ㎛ 이상인 나노 섬유 형태이며,
상기 코어-쉘 나노 구조체는 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체, 또는 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하며,
상기 쉘은 디바이 길이(Debye length) 이하의 두께를 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되고, 상기 완전 공핍층은 환원성 기체를 감지함으로써 불완전 공핍층으로 전환되었다가, 상기 환원성 기체를 제거하면 자기 완전 공핍층으로 회복되는 것인,
코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서.
materials;
Two electrode layers formed on the substrate so as to be spaced apart from each other; And
A core-shell nanostructure including a core including a first metal oxide formed on the electrode layer, and a shell including second metal oxide nanoparticles formed on the core,
A sensor comprising a core-shell nanostructure,
Wherein the first metal oxide and the second metal oxide are each independently selected from the group consisting of Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, , An oxide of a metal selected from the group consisting of Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, and combinations thereof,
A channel is formed between the second metal oxide nanoparticles, the channel serves as a movement path of electrons,
The core is in the form of a nanofiber having a diameter of 20 nm to 200 nm and a length of 2 탆 or more,
The core-shell nanostructure includes a core-shell nanostructure of a pn type or a core-shell nanostructure of an nn type,
The shell has a thickness equal to or less than the Debye length to form a complete depletion layer in the entire shell. The complete depletion layer is converted into an incomplete depletion layer by sensing the reducing gas, and when the reducing gas is removed The self-complete depletion layer is restored,
A sensor comprising a core-shell nanostructure.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는 100 ppm 이하의 환원성 기체를 감지하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the sensor comprising the core-shell nanostructure senses a reducing gas of 100 ppm or less.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서는, H2, CO, CH4, NH3 , CH3OH, C2H5OH, C3H8, H2S, 디메틸아민(dimethylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 기체를 감지하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서.
3. The method according to claim 1 or 2,
The sensor comprising the core-shell nanostructure may comprise at least one selected from the group consisting of H 2 , CO, CH 4 , NH 3 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, C 3 H 8 , H 2 S, dimethylamine, Wherein the sensor detects a gas selected from the group consisting of triethylamine, benzene, toluene, xylene, and combinations thereof.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 서로 상이한 금속의 산화물인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the first metal oxide and the second metal oxide are oxides of different metals.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전극층은 Au, Pt, Cu, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 함유하는 단층의 전극층, 또는 상기 단층의 전극층에 Ti, Ni, Cr, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 층을 추가적으로 함유하는 다층의 전극층을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the electrode layer is a single layer electrode layer containing a metal selected from the group consisting of Au, Pt, Cu, and combinations thereof, or a single layer electrode layer selected from the group consisting of Ti, Ni, Cr, Wherein the electrode layer comprises a multi-layered electrode layer that additionally contains a layer of a metal that is not electrically conductive.
기재 상에 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하는 것;
상기 코어 상에 제 2 금속 산화물 나노입자를 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센싱부를 형성하는 것; 및
상기 센싱부 상에 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하는 것
을 포함하는, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법으로서,
상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 각각 독립적으로 Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하고,
상기 제 2 금속 산화물 나노입자들 사이에 채널이 형성되어 있고, 상기 채널이 전자의 이동 통로로서 작용하며,
상기 코어는 지름이 20 nm 내지 200 nm 이고, 길이가 2 ㎛ 이상인 나노 섬유 형태이며,
상기 코어-쉘 나노 구조체는 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체, 또는 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하며,
상기 쉘은 디바이 길이(Debye length) 이하의 두께를 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되고, 상기 완전 공핍층은 환원성 기체를 감지함으로써 불완전 공핍층으로 전환되었다가, 상기 환원성 기체를 제거하면 자기 완전 공핍층으로 회복되는 것인,
코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
Forming a core comprising a first metal oxide on a substrate;
Forming a sensing portion including the core-shell nanostructure by forming a shell including the second metal oxide nanoparticles on the core; And
And forming two electrode layers spaced apart from each other on the sensing portion
Wherein the core-shell nanostructure comprises a core-shell nanostructure,
Wherein the first metal oxide and the second metal oxide are each independently selected from the group consisting of Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, , An oxide of a metal selected from the group consisting of Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, and combinations thereof,
A channel is formed between the second metal oxide nanoparticles, the channel serves as a movement path of electrons,
The core is in the form of a nanofiber having a diameter of 20 nm to 200 nm and a length of 2 탆 or more,
The core-shell nanostructure includes a core-shell nanostructure of a pn type or a core-shell nanostructure of an nn type,
The shell has a thickness equal to or less than the Debye length to form a complete depletion layer in the entire shell. The complete depletion layer is converted into an incomplete depletion layer by sensing the reducing gas, and when the reducing gas is removed The self-complete depletion layer is restored,
A method of manufacturing a sensor comprising a core-shell nanostructure.
기재 상에 서로 이격된 2 개의 전극층을 형성하는 것; 및
제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하고, 상기 코어 상에 제 2 금속 산화물 나노입자를 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 구조체를 제조한 후, 상기 전극층 상에 상기 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부로서 증착하는 것
을 포함하는, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법으로서,
상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 각각 독립적으로 Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하고,
상기 제 2 금속 산화물 나노입자들 사이에 채널이 형성되어 있고, 상기 채널이 전자의 이동 통로로서 작용하며,
상기 코어는 지름이 20 nm 내지 200 nm 이고, 길이가 2 ㎛ 이상인 나노 섬유 형태이며,
상기 코어-쉘 나노 구조체는 p-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체, 또는 n-n 타입의 코어-쉘 나노 구조체를 포함하며,
상기 쉘은 디바이 길이(Debye length) 이하의 두께를 가짐으로써 상기 쉘 전체에 완전 공핍층이 형성되고, 상기 완전 공핍층은 환원성 기체를 감지함으로써 불완전 공핍층으로 전환되었다가, 상기 환원성 기체를 제거하면 자기 완전 공핍층으로 회복되는 것인,
코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
Forming two electrode layers spaced apart from each other on a substrate; And
Shell nanostructure is produced by forming a core containing a first metal oxide and forming a shell containing second metal oxide nanoparticles on the core, and then forming the core-shell nanostructure on the electrode layer, Deposition as a sensing part
Wherein the core-shell nanostructure comprises a core-shell nanostructure,
Wherein the first metal oxide and the second metal oxide are each independently selected from the group consisting of Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, , An oxide of a metal selected from the group consisting of Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La, and combinations thereof,
A channel is formed between the second metal oxide nanoparticles, the channel serves as a movement path of electrons,
The core is in the form of a nanofiber having a diameter of 20 nm to 200 nm and a length of 2 탆 or more,
The core-shell nanostructure includes a core-shell nanostructure of a pn type or a core-shell nanostructure of an nn type,
The shell has a thickness equal to or less than the Debye length to form a complete depletion layer in the entire shell. The complete depletion layer is converted into an incomplete depletion layer by sensing the reducing gas, and when the reducing gas is removed The self-complete depletion layer is restored,
A method of manufacturing a sensor comprising a core-shell nanostructure.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 코어를 형성하는 것은, 상기 제 1 금속 산화물의 전구체 및 중합체를 포함하는 용액을 전기 방사함으로써 상기 코어를 나노 섬유 형태로 형성하는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein forming the core comprises forming the core in nanofiber form by electrospinning a solution comprising a precursor of the first metal oxide and a polymer, and forming a core-shell nanostructure Way.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 쉘은 원자층 증착법을 이용하여 형성되는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein the shell comprises a core-shell nanostructure formed by atomic layer deposition.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
원자층 증착법의 수행 횟수를 조절함으로써 상기 쉘의 두께가 디바이 길이 이하의 값을 가지도록 조절하는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
And adjusting the number of times of atomic layer deposition to adjust the shell thickness to be less than or equal to the device length.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 코어 상에 상기 제 1 금속 산화물과 상이한 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 상기 코어-쉘 나노 구조체에 포함되는 코어와 상기 쉘의 계면에 헤테로 접합(heterojunction)을 형성하는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
Forming a shell containing a second metal oxide different from the first metal oxide on the core to form a heterojunction at an interface between the core included in the core-shell nanostructure and the shell Wherein the core-shell nanostructure comprises a core-shell nanostructure.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
p-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 코어를 형성하고 상기 코어 상에 n-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 쉘을 형성함으로써, p-n 타입의 상기 코어-쉘 나노 구조체를 제조하는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
comprising forming the core using a p-type metal oxide and forming the shell using an n-type metal oxide on the core to produce the core-shell nanostructure of the pn type. A method for manufacturing a sensor comprising a shell nanostructure.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
n-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 코어를 형성하고, 상기 코어에 포함되는 n-타입 금속 산화물과 상이한 n-타입 금속 산화물을 이용하여 상기 코어 상에 상기 쉘을 형성함으로써, n-n 타입의 상기 코어-쉘 나노 구조체를 제조하는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
type metal oxide, and forming the shell on the core by using an n-type metal oxide different from the n-type metal oxide included in the core to form the core- Shell nanostructure, wherein the core-shell nanostructure comprises a core-shell nanostructure.
제 12 항에 있어서,
상기 전극층 상에 상기 코어-쉘 나노 구조체를 센싱부로서 증착하는 것은 프린팅 기법을 통하여 수행되는 것을 포함하는 것인, 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the step of depositing the core-shell nanostructure on the electrode layer as a sensing part includes performing the step of depositing the core-shell nanostructure on the electrode layer by a printing technique.
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