KR101498157B1 - 산화아연-산화주석의 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 가스센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 가스센서에 관한 것으로, 본 발명에 의한 이종구조물은 산화아연 나노섬유 줄기 및 산화주석 나노와이어 가지들 사이의 동종 또는 이종 접합 구조에 의해 산화 또는 환원성 가스를 높은 민감도로 센싱하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 가스센서에 관한 것이다.
산업발전과 도시화로 인한 대기오염이 심각한 환경문제로 대두되고 있으며, 산업발전의 결과로써 부득이하게 얻어지는 일산화탄소(CO), 산화질소(NOx), 산화황 (SOx), CHx, 황화수소(H2S)등 대기오염에 의한 공해 또한 큰 사회문제가 되고 있다.
이러한 사고와 재해를 미연에 방지하고, 쾌적한 환경의 제어를 위해 가연성 가스, 산소가스, 수소가스, 탄산가스, 그리고 배출가스용 감지소자의 개발이 1990년대 이후로 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 이런 가스의 농도를 제어하기 위해 산화물 반도체센서, 고체전해질을 이용한 전기화학센서, 단결정 반도체가스센서 등이 연구되어 왔다. 이 중 전기적성질의 제어와 미세구조제어가 쉬운 반도성 금속산화물 재료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 산화주석은 메탄(CH4), 일산화탄소 그리고 황화수소와 같은 환원성 및 유해가스를 검지하는 모재로 많이 이용되고 있다.
최근에, 나노과학계에서 손 쉽고 독창적인 방법으로 1차원의 나노재료를 합성하는 것이 흥미로운 관심사 중의 하나인데, 특별히 가지 달린 1차원의 나노재료는 구조의 다양성을 증가시키는 독창적인 수단을 제공한다.
비록 가지달린 탄소 나노튜브들은 다양한 방법을 통해 합성되어 왔지만, 가지달린 무기나노재료들에 대한 연구는 훨씬 덜 이루어지고 있다.
가지 달린 1차원 나노구조들은 코어 1차원 나노재료들과 거기에 부착된 1차원 가지 나노재료들로 구성되어 있다. 그것들은 단지 큰 면적 대 부피 비율만을 제공하는 것뿐만 아니라 코어와 가지들의 다른 특성들을 결합하기 때문에, 가지 달린 1차원 나노구조들은 넓은 산업적 응용분야를 갖는다.
예를 들어, 가지 달린 산화아연(ZnO) 나노와이어들은 염료감응태양전지에서 염료 흡수를 최대화시키고 에너지 전환효율을 개선시키기 위해 사용된다.
산화아연-산화주석 나노조성물 구조들은 그들의 넓은 응용분야 때문에 연구되어져왔다. 메조기공을 가진 산화아연-산화주석의 짝지어진 나노섬유들은 광촉매 활성을 개선시키기 위해 사용되어졌다. 또한, 우수한 세라믹 베리스터 (varistor)들은 산화아연-산화주석 화합물을 변형하여 만들어진 것이다. 그리고 산화아연 나노핀(nanofin)으로 코팅되어진 산화주석 골격 나노와이어는 고온레이징 (lasing) 특성을 보여준다. 게다가, 산화아연-산화주석 화합물의 나노구조는 순수한 산화주석에 비해 이산화질소나 트리메틸아민, 에탄올 등과 같은 특정 가스들을 센싱하는데 개선된 특성을 보여준다.
가스센서로의 활용 측면에서 줄기-가지 이종구조의 나노와이어는 4개의 메커니즘이 관련되는데, 맨 먼저, 상기 가지 나노와이어를 따라 공핍층이 가스분자들의 흡착과 분리 과정을 통해서 조절되는 단계이다. 두 번째로, 상기 단계에 의해 조절된 저항은 또한 줄기 나노재료에서 발생한다. 세 번째로, 연결되어진 동종접합부에서의 전위벽이 변화된다. 그 줄기-가지 이종구조들은 다른 종류의 나노재료들에서는 존재하지 않는 추가적인 전위벽을 만들어낸다.
이 네 가지 저항의 구성요소들이 저항변화가 가스분자의 흡착과 분리 과정 동안에 줄기-가지 이종구조의 나노와이어에서 더 커지고, 결과적으로 센싱능력을 개선시키는 것이다.
이와 관련되는 종래기술에 있어서, 특허문헌 1은 환원성가스, 특히 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)가스에 대한 감지선택성이 우수한 반도체식 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 이에 따라 감지재료로서 산화구리(CuO)와 임의의 산화아연이 첨가된 산화주석을 사용하면 저온에서는 일산화탄소에 대해, 고온에서는 수소가스에 대해 감지선택성이 뛰어난 가스센서를 얻을 수 있다.
또 다른 관련기술로서, 특허문헌 2에서는 가스센서용 산화아연-산화주석 입자의 제조방법은 주석산화물 전구체 및 아연산화물 전구체를 포함하는 혼합용액을 제조하고; 상기 혼합용액을 교반하여 주석산화물-아연산화물 졸을 형성하고; 그리고 상기 주석산화물-아연산화물 졸을 열처리하여 산화아연-산화주석으로 결정화하는 단계를 포함하는 제조방법을 공개하고 있다. 상기 방법은 종래방법에 비해 공정이 용이하며, 균일한 물질을 제조할 수 있다. 상기의 방법으로부터 제조된 산화아연-산화주석 입자는 포름알데히드에 고감도를 가지므로, 신뢰성 및 감응성이 탁월할 뿐만 아니라 짧은 회복시간을 갖는 포름알데히드 가스센서로 적용될 수 있다.
그러나 상기 공개된 기술에 따르면, 상당히 높은 민감도를 갖지는 못하는 문제점이 있다. 이에, 본 발명의 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명을 완성하였다.
1. 특허문헌 1 : 대한민국 공개특허 특2002-0037185
2. 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허 10-2011-0050128
본 발명의 목적은 민감도 높은 가스센싱용 나노 구조물을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 가스센싱용 나노 구조물의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 가스센싱용 나노 구조물을 포함하는 센서를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
금(Au)층이 적층된 산화아연(ZnO) 줄기 상에 산화주석(SnO2) 가지가 형성된 구조를 갖는 산화아연(ZnO)-산화주석(SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 산화아연(ZnO)-산화주석(SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 가스센서를 제공한다.
또한, 본 발명은,
산화아연 전구체 및 폴리비닐알콜(PVA)의 혼합용액을 전기방사하여 기판 위에 산화아연 나노섬유를 합성하는 단계(단계 1);
스퍼터링법을 이용하여 상기 단계 1에서 제조된 산화아연 나노섬유의 표면에 금(Au)층을 적층시키는 단계(단계 2); 및
기체-액체-고체(VLS)법을 이용하여 상기 단계 2에서 제조된 금(Au)층이 적층된 산화아연 나노섬유로부터 산화주석 나노와이어를 성장시키는 단계(단계 3);
를 포함하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 산화아연 나노섬유 줄기 및 산화주석 나노와이어 가지들 사이의 동종 또는 이종 접합 구조에 의해 산화 또는 환원성 가스를 높은 민감도로 센싱하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 제조하는 공정을 단계별로 나타낸 그림이고,
도 2는 전형적인 산화아연-산화주석 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물의 XRD 패턴을 나타낸 그림이고,
도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 NO2가스에 대하여 온도를 상온에서 350 ℃까지 변화시키면서, 및 NO2가스의 농도를 0.1 ppm, 1 ppm, 10 ppm, 30 ppm, 70 ppm으로 변화시키면서 센싱하여 얻어진 저항값을 나타낸 그래프이고,
도 4은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 NO2가스에 대하여 (a)는 NO2가스농도 및 온도변화에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 나타낸 그래프, (b)는 0.1 ppm NO2가스농도에서 온도변화에 따른 반응 또는 회복시간 값을 나타낸 그래프이고,
도 5은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물 및 산화아연 나노섬유 구조물, 각각을 포함하는 가스센서를 통해 NO2가스, 1ppm 농도에 대하여, 300 ℃에서, 시간에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고,
도 6는 종래에 알려진 다른 타입의 산화물질을 사용하여 제조된 NO2가스 센싱 센서와 본 발명의 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 측정한 NO2가스의 농도 변화에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고,
도 7은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 CO가스에 대하여,(a)는 300 ℃에서 시간과 농도에 따른 저항값 변화, (b)는 CO가스 농도별 반응R (Rg/Ra)을 요약한 그래프이고,
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물 및 산화아연 나노섬유 구조물, 각각을 포함하는 가스센서를 통해 CO가스, 3 ppm 농도에 대하여, 300 ℃에서,시간에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고,
도 9는 종래에 알려진 다른 타입의 산화물질을 사용하여 제조된 CO가스 센싱 센서와 본 발명의 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 측정한 CO가스의 농도 변화에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고, 및
도 10은 CO가스를 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 통해 센싱하는 경우 발생 되는 저항의 4가지 메커니즘(R1: 공핍폭의 조절(SnO2), R2: 전위벽의 조절(ZnO), R3: 동종접합부에서의 전위벽 조절, R4: 이종접합부에서의 전위벽 조절)을 나타낸 그림이다.
도 2는 전형적인 산화아연-산화주석 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물의 XRD 패턴을 나타낸 그림이고,
도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 NO2가스에 대하여 온도를 상온에서 350 ℃까지 변화시키면서, 및 NO2가스의 농도를 0.1 ppm, 1 ppm, 10 ppm, 30 ppm, 70 ppm으로 변화시키면서 센싱하여 얻어진 저항값을 나타낸 그래프이고,
도 4은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 NO2가스에 대하여 (a)는 NO2가스농도 및 온도변화에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 나타낸 그래프, (b)는 0.1 ppm NO2가스농도에서 온도변화에 따른 반응 또는 회복시간 값을 나타낸 그래프이고,
도 5은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물 및 산화아연 나노섬유 구조물, 각각을 포함하는 가스센서를 통해 NO2가스, 1ppm 농도에 대하여, 300 ℃에서, 시간에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고,
도 6는 종래에 알려진 다른 타입의 산화물질을 사용하여 제조된 NO2가스 센싱 센서와 본 발명의 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 측정한 NO2가스의 농도 변화에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고,
도 7은 본 발명에 따른 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 CO가스에 대하여,(a)는 300 ℃에서 시간과 농도에 따른 저항값 변화, (b)는 CO가스 농도별 반응R (Rg/Ra)을 요약한 그래프이고,
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물 및 산화아연 나노섬유 구조물, 각각을 포함하는 가스센서를 통해 CO가스, 3 ppm 농도에 대하여, 300 ℃에서,시간에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고,
도 9는 종래에 알려진 다른 타입의 산화물질을 사용하여 제조된 CO가스 센싱 센서와 본 발명의 일실시예의 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 포함하는 가스센서를 통해 측정한 CO가스의 농도 변화에 따른 반응R(Rg/Ra) 값을 비교한 그래프이고, 및
도 10은 CO가스를 산화아연-산화주석(ZnO-SnO2) 줄기-가지 나노섬유-나노와이어 이종구조물을 통해 센싱하는 경우 발생 되는 저항의 4가지 메커니즘(R1: 공핍폭의 조절(SnO2), R2: 전위벽의 조절(ZnO), R3: 동종접합부에서의 전위벽 조절, R4: 이종접합부에서의 전위벽 조절)을 나타낸 그림이다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 금(Au)층이 적층된 산화아연(ZnO) 줄기 상에 산화주석(SnO2) 가지가 형성된 구조를 갖는 산화아연(ZnO)-산화주석(SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 산화아연(ZnO) 나노섬유 줄기의 평균 직경은 80 내지 120 nm 인 것이 바람직하다.
산화아연(ZnO) 나노섬유 줄기는 평균 직경이 80 nm 미만으로 합성하는 것은 현재 기술수준에 비추어 합성의 어려움이 있고, 120 nm 초과하는 경우에는 센서로서의 기능을 수행하기에 어려운 문제점이 있다.
본 발명에 따른 상기 산화아연(ZnO) 나노섬유 줄기의 표면에 적층되어 있는 금(Au)층의 두께는 0.1 내지 3 nm 가 바람직하다.
상기 금(Au)층의 두께가 0.1 nm 미만이면 나노와이어 가지의 합성이 잘 이루어지지 않는 문제점이 있고, 3 nm 초과이면 직경이 센서로서 기능을 위한 적합범위 이상으로 굵은 나노와이어가 합성되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 상기 산화주석(SnO2) 나노와이어 가지의 평균 직경은 40 내지 60 nm가 바람직하다.
상기 산화주석(SnO2) 나노와이어 가지의 평균 직경이 40 nm 미만인 경우의 합성이 곤란한 문제점이 있고, 60 nm 초과이면 가스센서로서의 감응 특성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 산화아연(ZnO)-산화주석(SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 가스센서를 제공한다.
구체적으로, 상기 가스센서의 전극은 본 발명의 상기 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물 위에 인터디지털(interdigital) 전극 마스크를 통해 스퍼터링법을 이용하여 니켈(200 nm이하의 두께), 금(50 nm이하의 두께)의 순서로 이중 층을 적층시켜서 제조할 수 있다. 니켈은 금 층과 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물 층사이의 접착제 역할을 한다.
상기 가스센서는 이중층(전극층)을 포함하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물로 가스센서를 만들어 이를 전기적으로 측정시스템에 연결하여 구성될 수 있다.
본 발명의 가스센서를 이용한 가스분자의 센싱은 산화성 기체(NO2 등), 환원성기체(CO, H2 등)의 분자들이 나노구조물에 흡착 및 분리에 의해 생성하는 저항변화를 신호로 측정하는 방식으로 수행될 수 있는데, 예를 들어, 수평형 튜브 용광로에 놓고 온도를 달리하며, 표적가스의 농도를 질량 흐름 제어기를 사용하여 표적가스와 건조공기의 혼합비율을 변화시킴으로써 조절하면서 신호를 측정이 가능하다.
반응(R)은 하기의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
<수학식 1>
R = Rg/Ra (or Ra/Rg)
Ra와 Rg는 표적가스(NO2 또는 CO) 각각의 부존재와 존재하의 측정된 저항들이다.
나아가, 본 발명은,
산화아연 전구체 및 폴리비닐알콜(PVA)의 혼합용액을 전기방사하여 기판 위에 산화아연 나노섬유를 합성하는 단계(단계 1);
스퍼터링법을 이용하여 상기 단계 1에서 제조된 산화아연 나노섬유의 표면에 금(Au)층을 적층시키는 단계(단계 2); 및
기체-액체-고체(VLS)법을 이용하여 상기 단계 2에서 제조된 금(Au)층이 적층된 산화아연 나노섬유로부터 산화주석 나노와이어를 성장시키는 단계(단계 3);
를 포함하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 단계 1은 전기방사법(electrospinning)에 의해서 기판 위에 산화아연 전구체 혼합용액으로 나노섬유를 합성하는 단계로서, 공정조건과 혼합용액의 조성비를 조절하여 나노섬유의 직경등의 물리적 성질을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 단계 1의 산화아연 전구체는 (CH3CO2)2Zn을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 단계 1의 폴리비닐알콜(PVA)의 분자량에는 70000 내지 90000인 것이 바람직하다.
폴리비닐알콜(PVA)는 혼합용액에 첨가시에 점도를 향상시키는 역할로서, 전기방사에 의한 나노섬유의 물리적 성질을 조절하는데 영향을 준다.
본 발명에 따른 상기 단계 1의 전기방사는 산화아연 전구체 및 PVA 혼합용액이 장입된 실린더 니들에 5 내지 15 kV의 전압을 가하고, 상기 니들로부터 상기 혼합용액이 0.5 내지 1.5 ml/L의 속도로 빠져나오도록 조절하여 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 단계 1에서 제조된 ZnO 나노섬유는 550 - 650 ℃, 5 - 7시간 동안 소결시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 1에서 제조된 ZnO 나노섬유가 550 ℃ 미만의 공정온도에서 소결되거나 소결되는 시간이 5 시간 미만인 경우는 고분자 및 유기물질이 완전히 증발되지 않는 문제점이 있고, 650 ℃ 초과의 공정온도에서 소결되거나 소결되는 시간이 7시간 초과인 경우는 나노섬유를 이루고 있는 나노알갱이들의 입자성장이 일어나서 감응특성을 저하시키는 문제점이 있다.
다음으로, 단계 2는 스퍼터링법에 의해 금(Au)층을 상기 단계 1에서 제조된 ZnO 나노섬유 표면상에 적층시키는 단계로서, 상기 금(Au)층은 산화물 나노섬유의 거친 표면 위에 거의 적층이 힘들지만, 상기 금(Au)층은 산화주석 나노와이어의 성장을 위한 촉매로서 역할을 수행한다.
본 발명에 따른 상기 단계 2의 스퍼터링은 사용되는 전류가 50 - 70 mA이고, 80 - 150초 동안 금(Au)층을 적층하는 것이 바람직하다.
상기 단계 2의 스퍼터링은 사용되는 전류가 50 mA 미만이거나 스퍼터링되는 시간이 80 초 미만인 경우는 너무 얇층 두께의 금 층이 형성되어 나노와이어 가지의 합성이 잘 되지않는 문제점이 있고, 70 mA 초과이거나 스퍼터링되는 시간이 150초 초과인 경우는 너무 두꺼운 두께의 금 층이 형성되어 센서로서 기능발휘가 곤란한 굵은 직경의 나노와이어 줄기를 합성하게 되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 상기 단계 2의 금(Au) 층이 적층된 산화아연 나노섬유를 400 내지 600 ℃에서 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 2의 금(Au) 층이 적층된 산화아연 나노섬유를 어닐링하는 단계의 공정온도가 400 ℃ 미만인 경우에는 금 층이 충분히 용융되지 않아 촉매로서의 작용이 어렵게 되는 문제점이 있고, 600 ℃ 초과인 경우에는 산화아연 나노섬유를 이루고 있는 나노알갱이의 입자성장을 일으켜 전체 가스센서의 감응 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
다음으로, 단계 3은 기체-액체-고체(VLS)법을 사용하여 산화아연 나노섬유 줄기로부터 산화주석 가지를 성장시키는 단계로서, 공정조건에 따라 성장되는 산화주석 가지의 물리적 특성을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 단계 3의 기체-액체-고체(VLS)법은 공정온도가 500 - 1000 ℃이고, 기체의 흐름속도가 10 SSCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)이며, 성장시간이 2 분 내지 10 분인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 단계 3의 기체-액체-고체(VLS)법은 공정온도를 500 - 1000 ℃, 기체의 흐름속도가 10 SSCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)로 세팅한 경우의, 성장시간이 2 분 미만이면 센싱회로의 역할을 수행하기 위해서 산화아연 나노섬유들과 산화주석 나노와이어들간의 네트워크가 충분하지 못하게 형성이 되는 문제가 있고, 10 분 초과이면 지나치게 많은 네트워크의 형성으로 나노물질의 성질이 가스센싱에 적합하지 못하게 되는 문제점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.
그러나 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것 일뿐 이에 의하여 본 발명의 내용이 제한되는 것은 아니다.
<
실시예
1> 나노섬유-
나노와이어
줄기-가지 이종구조물의 제조
(단계 1) 산화아연 나노섬유를 기판 위에 합성시키는 단계
먼저, 전구체 물질로 아연아세테이트((CH3CO2)2Zn)을 사용하고, 전구체 용액의 점도 조절을 위해 평균 분자량 80000의 폴리비닐아세테이트(PVA)를 사용하여 혼합용액을 만들어 전기방사법을 통해 산화아연 나노섬유를 금속 수집기 위에 놓여진산화규소(SiO2)/주석(Si)웨이퍼(wafer)기판 위에 합성하였다.
구체적으로 상기 혼합용액은 증류수에 PVA 입자들을 70 ℃에서 4시간 동안 교반하면서 용해시켜서 10 중량% PVA 수용액을 준비하고, 70 ℃에서 6시간 동안 교반하면서 상기 PVA 수용액에 1 중량%의 아연아세테이트 용액을 첨가하여 점성의 혼합용액을 제조하였다. 그 후 상기 혼합용액을 21-게이지 스테인레스 철 바늘을 포함하는 유리 주사기에 장입하였다. 상기 주사기 바늘의 끝과 알루미늄 판의 수집기사이의 거리를 20 cm로 고정시켰다. 이어서, 10 kV의 + 전압을 주사기 바늘에 가했으며, 상기 혼합용액의 장입속도는 1 mL/h 로 조절하였다. 이에 의해서, 나노섬유들이 웨이퍼 상에 랜덤하게 분포되어 형성되어졌다. 이어서, 순수한 산화아연 상을 얻기 위해서 상기 형성된 나노섬유들을 600 ℃에서 6시간 동안 공기 중에서 소결시켰다.
(단계 2)
스퍼터링을
통해 상기 기판 위에 형성된 산화아연 나노섬유 표면에 금(
Au)층을
적층시키는
단계
다음으로, 상기 산화아연 나노섬유가 형성되어 있는 웨이퍼 기판을 스퍼터코팅기로 옮겼다. 그 후, 높은 순도의 아르곤 하에서 의도적인 기판의 가열 없이 65 mA의 전류를 가하여 스퍼터링 처리를 120초간 하여 상기 산화아연 나노섬유 표면상에 금(Au)층을 적층하였다. 이어서, 아르곤 환경에서 500 ℃에서 30분간 어닐링하였다.
(단계 3)
VLS
공정을 통해 산화주석
나노와이어를
성장시키는 단계
다음으로, 기체-액체-고체(VLS)법을 통해 상기 산화아연 나노섬유의 표면에 산화주석 나노와이어를 성장시켰다. 구체적으로, 상기 어닐링 처리된 웨이퍼 기판은 주석 분말(Aldrich사, 99.9%)을 포함하는 알루미나 도가니가 놓인 수평적 석영 튜브 용광로 안으로 옮겨졌다. 그 후, 회전식 펌프를 사용하여 압력을 1 x 10-3 Torr까지 낮추었고, 900 ℃에서 10분간 가열하면서, 질소 및 산소 기체를 석영 튜브 용광로 안으로 10 SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)의 속도로 유동시켜 기판 위에 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 얻었다.
상기 처리를 통해 제조된 기판 위의 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 전계방출 스캐닝 전자 현미경(FE-SEM, Hitachi/S-4200) 및 X 레이 회절장치(XRD, Phillips Xpert MRD 회절계)로 관찰 및 측정하였다.
그 결과, 산화아연 나노섬유는 평균 직경이 120 nm 이하였고 랜덤하게 기판위에 분포되어졌음을 알 수 있었다. 또한, 금(Au)층은 3 nm 이하의 두께를 가지고 있었다. 그리고, 산화주석 나노가지의 기체-액체-고체(VLS)법에 의한 성장시간은 1 분인 경우는 센싱회로로서의 역할을 하기 어려울 만큼 충분히 성장되지 않아 최소한 2 분 이상동안 성장시키는 것이 적절함을 알 수 있었다.
<
비교예
1> 일반적인 산화아연 나노섬유의 제조
실시예 1에서 단계 1만을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 기판 위에 합성된 산화아연 나노섬유 구조물을 얻었다.
<
실험예
1> 본 발명의 이종구조물을 이용한
NO
2
및
CO 의
검출시험
본 발명에 따른 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물의 기체분자 센싱능력을 알아보기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1에서 제조된 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물 위에 인터디지털(interdigital) 전극(7 밀리미터의 길이, 0.5 밀리미터의 폭, 150 마이크로 미터 간격) 마스크를 통해 스퍼터링법을 이용하여 니켈(200 nm이하의 두께), 금(50 nm이하의 두께)의 순서로 이중 층을 적층시켰다. 니켈은 금 층과 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물 층사이의 접착제 역할을 한다. 상기 이중층(전극층)을 포함하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물로 가스센서를 만들어 이를 전기적으로 측정시스템 (Keithley 2400)에 연결하였다.
그 후에, 수평형 튜브 용광로에 놓고 상온부터 350 ℃까지 달리하며 측정하였다. 상기 가스 농도는 질량 흐름 제어기를 사용하여 표적 가스와 건조공기의 혼합비율을 변화시킴으로써 조절되었다. 반응(R)은 하기의 수학식 1에 의해 계산되어졌다.
<수학식 1>
R = Rg/Ra (or Ra/Rg)
Ra와 Rg는 표적가스(NO2 또는 CO) 각각의 부존재와 존재하의 측정된 저항들이다. 반응 및 회복시간은 표적가스의 공급개시와 공급중단에 따른 90 % 저항변화에 도달하는 시간으로 결정되었다.
먼저, 산화가스인 NO2에 대한 센싱능력을 NO2의 농도와 온도에 변화 따라 측정하였고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 실험에서의 저항은 센서가 NO2가스에 노출되는 즉시 증가되었고, 증가된 저항은 NO2가스의 공급이 멈추는 즉시 초기값으로 회복되었다. 도 4에서 센서의 반응 및 회복시간을 포함한 센싱 특성을 요약하였다. 모든 NO2가스 농도에서 상기 반응R(Rg/Ra)은 온도가 증가할수록 매우 개선되어졌다. 약 150 ℃에서 이러한 개선되는 경향이 둔해졌다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조된 각각의 구조물을 이용하여 본 실험예에 따라 만들어진 가스센서를 통해 1 ppm 농도의 NO2가스 센싱능력을 측정한 결과 실시예 1에 따라 제조된 구조물을 포함하는 경우의 반응R(Rg/Ra) 값의 차이가 약 5 정도로실시예 1의 경우가 더 크게 나와 개선된 민감도를 보여주고 있다(도 5 참조).
또한, 환원가스인 CO가스에 대한 센싱능력을 알아보기 위해, CO가스의 농도를 1 - 90 ppm으로 달리하면서 시간에 따라 반응R을 측정하였다. 그 결과, CO가스의 농도가 증가함에 따라 저항값이 점차 낮게 나타났으며 이를 도 7에 나타내었다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조된 각각의 구조물을 이용하여 본 실험예에 따라 만들어진 가스센서를 통해 1 ppm 농도의 CO가스 센싱능력을 측정한 결과 실시예 1에 따라 제조된 구조물을 포함하는 경우의 반응R(Rg/Ra) 값의 차이가 약 0.3 정도로 실시예 1의 경우가 더 작게 나와 개선된 민감도를 보여주고 있다(도 8 참조).
이를 통해, 산화 및 환원가스 모두에서 본 발명에 따른 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 가스센서의 민감도가 개선된 성능을 나타냄을 알 수 있다.
하기의 기체분자가 흡착 및 분리될 때 발생하는 4가지 타입의 저항변화에 의해서 본 발명에 따른 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물의 훌륭한 센싱능력이 나타난다(도 10 참조).
첫번째는, 도 10의 R1으로 표시한 각 산화주석 가지 나노와이어의 길이방향에 따른 공핍층의 폭 변화이다. 이 메커니즘은 산화아연 줄기 나노 섬유와 산화주석 가지 나노와이어 모두에서 발생한다.
둘째로, 도 10의 R2에 나타낸 바와 같이 전기적 장벽(전위벽)이 가스분자의 흡착 및 분리시에 형성된다.
셋째로, 도 10의 R3에 나타낸 바와 같이 동종접합부들이 존재하는 나노와이어들의 네트워크된 구조에 의해 상기 형성된 전위벽의 변화가 생긴다.
넷째로, 도 10의 R4에 나타낸 바와 같이 산화아연-산화주석의 이종구조에 의해서 또 다시 전위벽의 변화가 생긴다.
상기 4가지 발생되는 저항들에 의해서, 줄기-가지 이종구조화된 나노와이어의 저항변화가 나노섬유나 나노와이어만으로 이루어진 구조에 비하여 보다 개선된 가스분자 센싱능력을 제공한다.
Claims (12)
- 0.1 내지 3 nm 의 두께로 금(Au)층이 적층되고, 평균 직경은 80 내지 120 nm 인 산화아연(ZnO) 줄기 상에 40 내지 60 nm 의 평균 직경을 갖는 산화주석(SnO2) 가지가 형성된 구조를 갖는 산화아연(ZnO)-산화주석(SnO2) 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스 센서.
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- 산화아연 전구체 및 폴리비닐알콜(PVA)의 혼합용액을 전기방사하여 기판 위에 80 내지 120 nm의 평균 직경을 갖는 산화아연 나노섬유를 합성하는 단계(단계 1);
스퍼터링법을 이용하여 상기 단계 1에서 제조된 산화아연 나노섬유의 표면에 0.1 내지 3 nm 의 두께로 금(Au)층을 적층시키는 단계(단계 2); 및
기체-액체-고체(VLS)법을 이용하여 상기 단계 2에서 제조된 금(Au)층이 적층된 산화아연 나노섬유로부터 40 내지 60 nm 의 평균 직경을 갖는 산화주석 나노와이어를 성장시키는 단계(단계 3);
를 포함하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 단계 1의 산화아연 전구체는 (CH3CO2)2Zn인 것을 특징으로 하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 단계 1의 전기방사는 산화아연 전구체 및 PVA 혼합용액이 장입된 실린더 니들에 5 내지 15 kV의 전압을 가하고, 상기 니들로부터 상기 혼합용액이 0.5 내지 1.5 ml/L의 속도로 빠져나오도록 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 단계 1에서 제조된 ZnO 나노섬유는 550 - 650 ℃ 하에서 5 - 7시간 동안 소결시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 단계 2의 스퍼터링은 사용되는 전류가 50 - 70 mA이고, 80 - 150초 동안 금(Au)층을 적층하는 것을 특징으로 하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 단계 2의 금(Au) 층이 적층된 산화아연 나노섬유를 400 내지 600 ℃에서 어닐링(anealing)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 단계 3의 기체-액체-고체(VLS)법은 공정온도가 500 - 1000 ℃이고, 기체의 흐름속도가 10 SSCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)이며, 성장시간이 2 분 내지 10 분인 것을 특징으로 하는 산화아연-산화주석 나노섬유-나노와이어 줄기-가지 이종구조물을 포함하는 NO2 또는 CO 검출용 가스센서의 제조방법.
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| Sang Sub Kim. ZnO-SnO2 branch-stem nanowires based on a two-step process: Synthesis and sensing capability. Current Applied Physics. Vol.13, 2013, pp.526-532 (2012.10.16. 온라인 공개) * |
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