KR101606148B1 - Gas sensor comprising fluorinated graphene oxide and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a gas sensor comprising a fluorine atom bonded graphene oxide and a process for its production.
그래핀은 전기적, 기계적, 화학적 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐만 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 약 100 배 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 약 100 배 가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있는 물질로서, 이의 제조 및 응용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Graphene is not only very stable and excellent in electrical, mechanical and chemical properties, but also an excellent conductive material that can move electrons about 100 times faster than silicon and can flow about 100 times more current than copper. Research on applications is actively being carried out.
하지만 그래핀은 산화물 상태로 존재하기 때문에 이를 대량으로 환원시키는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 현재까지 개발된 방법들은 화학적 박리법(Chemical exfoliation), 기계적 박리법(Mechanical exfoliation), 에피성장법(Epitaxial growth), 화학기상증착법(Chemical vapor deposition), 고온 어닐링법(high temperature thermal annealing) 등이 있다. 단일 및 이중으로 중첩된 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide; rGO) 박막은 반도체 물성을 나타내며, 이보다 약간 두께가 있는 rGO 필름은 반금속의 물성을 가진다. 또한, rGO 박막은 낮은 시트 저항성 및 높은 투명성을 가진다. 몇몇 rGO 박막은 그 반도체 물성을 이용하여 바이오 센서 내의 감응성 향상을 위한 일 구성요소로서 이용될 수 있다.However, since graphene exists in an oxide state, studies on reduction of the graphene in a large amount have been actively conducted. The methods developed so far include chemical exfoliation, mechanical exfoliation, (Epitaxial growth), chemical vapor deposition (CVD), and high temperature thermal annealing. Single and double superimposed reduced graphene oxide (rGO) thin films exhibit semiconductor properties, while slightly thicker rGO films have semi-metallic properties. In addition, the rGO thin film has low sheet resistance and high transparency. Some rGO thin films can be used as a component for improving the sensitivity in the biosensor by utilizing their semiconductor properties.
한편, 가스 센서는 화학, 제약, 환경, 의료 등 광범위한 분야에서 사용되어 왔고 미래에는 더욱 많은 연구가 될 것으로 예측되고 있다. 또한, 환경보전 및 안전관리 등의 사회적 요청이 증가함으로써 가스 센서에 요구되는 성능 및 사양도 고도화되고 있다. 그러나 일반적으로 가스 센서는 특정 가스에 대한 선택성이 떨어질 뿐만 아니라, 높은 습도 및 강한 산성 또는 염기성 환경에서 감도가 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하고 선택성이 우수한 가스 센서를 개발하기 위해 많은 연구가 진행 중이며, 최근의 일부 연구들은 그래핀-기반 가스 센서를 개발하고 있으나, 그래핀 산화물 기반 가스센서와 환원된 그래핀 산화물 기반 가스센스는 가스센서로 감도가 낮고, 가스와 반응 후 빠른 회복이 되지 않아 연속적인 가스 측정이 불가능한 문제가 있다. On the other hand, gas sensors have been used in a wide range of fields such as chemistry, pharmaceuticals, environment, and medical care, and more research is expected in the future. In addition, as the social demands such as environmental preservation and safety management are increased, the performance and specifications required for gas sensors are also advanced. In general, however, gas sensors not only have poor selectivity for certain gases, but also suffer from low sensitivity in high humidity and strong acid or basic environments. Many studies have been conducted to overcome these problems and to develop a gas sensor with excellent selectivity. Some recent studies have developed a graphene-based gas sensor, but a graphene oxide-based gas sensor and a reduced graphene oxide- Sense is a gas sensor that has low sensitivity and can not be recovered quickly after reaction with gas, so continuous gas measurement is impossible.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 출원특허 제10-2013-0007072(2013. 01.22. 출원)에 개시되어 있는 그래핀 산화물 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 광섬유, 및 이를 포함하는 가스 센서의 제조 방법이 있다.
Prior art documents related thereto include an optical fiber including a graphene oxide and a reduced graphene oxide disclosed in Korean Patent Application No. 10-2013-0007072 (filed on Jan. 22, 2013), and a method of manufacturing a gas sensor including the optical fiber have.
따라서, 본 발명은 가스 측정에 대한 감도가 우수하고 반복적인 가스 측정이 가능한 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 있다. Therefore, the present invention is to provide a gas sensor including a fluorine atom-bonded graphene oxide excellent in sensitivity to gas measurement and capable of repeated gas measurement, and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned can be understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀 산화물에 불소화제 및 강산을 혼합하고 가열한 후 증류수에 분산시켜 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물의 현탁액을 제조하는 단계; 기판 위에 포토리소그래피로 인터디지테이티드 전극(interdigitated electrode) 패턴을 형성시킨 후 금속을 증착시켜 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극을 제조하는 단계; 및 상기 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극에 상기 제조된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물 현탁액을 적하하여 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 전극에 부착시켜 센서를 제조하는 단계;를 포함하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method for producing a suspension of graphene oxide, which comprises mixing a fluorinating agent and a strong acid in a graphene oxide, heating the dispersion, and dispersing the dispersion in distilled water to form a suspension of fluorine-bonded graphene oxide; Forming an interdigitated electrode pattern on the substrate by photolithography and then depositing a metal to produce an interdigitated electrode on which the metal is deposited; And a step of dropping a graphene oxide suspension to which the produced fluorine atoms are bonded to an interdigitated electrode on which the metal is deposited to form a sensor by attaching a fluorine-bonded graphene oxide to the electrode, Wherein the gas sensor comprises a graphene oxide.
이때, 상기 불소화제는 [Et2NSF2]BF4를 사용할 수 있다.At this time, [Et 2 NSF 2 ] BF 4 may be used as the fluorinating agent.
상기 불소화제는 그래핀 산화물 총중량에 대해 1 ~ 2의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 한다. The fluorinating agent is mixed in a weight ratio of 1 to 2 based on the total weight of the graphene oxide.
상기 강산은 불산, 염산, 황산 및 질산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다. Wherein the strong acid is one selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid.
상기 강산은 그래핀 산화물 10 mg 당 10 ~ 20 mL 로 혼합되는 것을 특징으로 한다. And the strong acid is mixed at 10 to 20 mL per 10 mg of graphene oxide.
상기 가열은 100 ~ 250 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다. The heating is performed at 100 to 250 ° C.
상기 기판은 SiO2 또는 Al2O3 등을 사용할 수 있고, 상기 금속은 Pt, Au 및 Pd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다. The substrate is SiO 2 or Al 2 O 3 And the like can be used, and the metal may be one selected from the group consisting of Pt, Au and Pd.
상기 부착은 드롭 캐스팅법(drop-casting)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 한다. The attachment is performed using drop-casting.
또한, 본 발명은 실리콘 산화막이 증착된 기판; 상기 실리콘 산화막 상부에 다수의 전극이 교대로 배열된 IDE(interdigitated electrode) 패턴 형태로 형성된 전극; 및 상기 전극 상부에 형성된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서를 제공한다. The present invention also provides a semiconductor device comprising: a substrate on which a silicon oxide film is deposited; An electrode formed in an interdigitated electrode (IDE) pattern in which a plurality of electrodes are alternately arranged on the silicon oxide film; And a graphene oxide to which a fluorine atom is bonded, formed on the electrode. The gas sensor according to the present invention comprises a fluorine atom-bonded graphene oxide.
상기 가스센서는 질소 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스 검출용인 것을 특징으로 한다.
Wherein the gas sensor is for detecting nitrogen gas, ammonia gas and hydrogen gas.
본 발명에 따르면, 불소화제 및 강산을 이용하여 그래핀 산화물에 불소 원자를 결합시킬 수 있으며 드롭캐스팅법을 이용하여 인터디지테이티드 전극(interdigitated electrode) 상에 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 부착시킬 수 있어 트랜지스터 형태의 가스센서보다 제조공정이 용이하고, 질소 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스에 대한 감도(response)가 우수하며, 연속적이고 반복적으로 가스를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 상온에서 실시간으로 가스를 측정할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to bond a fluorine atom to a graphene oxide using a fluorinating agent and a strong acid, and to attach a fluorine atom-bonded graphene oxide onto an interdigitated electrode using a drop casting method And is superior in sensitivity to nitrogen gas, ammonia gas, and hydrogen gas, and is capable of continuously and repeatedly measuring gas, and is capable of measuring gas in real time at room temperature Can be measured.
도 1은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법에서 그래핀 산화물, 불소화제 및 강산과의 반응 및 그래핀 산화물과 불소화제와의 반응으로 제조된 현탁액의 사진을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 광전자 분광(XPS) 분석 결과이다.
도 8은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 질소 가스에 대한 감도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 암모니아에 대한 감도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서, 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서 및 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서 각각의 감도를 나타낸 그래프이다. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention.
2 is a schematic diagram of a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention.
3 is a plan view of a gas sensor comprising a fluorine bonded graphene oxide according to the present invention.
4 is a photograph of a suspension prepared by reaction of graphene oxide, fluorinating agent and strong acid, and reaction of graphene oxide with fluorinating agent in the process for producing a gas sensor comprising a fluorine atom-bonded graphene oxide according to the present invention .
5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a gas sensor comprising a fluorine atom-bonded graphene oxide according to the present invention.
6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a gas sensor including a fluorine atom-bonded graphene oxide according to the present invention.
FIG. 7 is a photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention.
8 is a graph showing the sensitivity of a gas sensor including a fluorine atom-bonded graphene oxide to nitrogen gas according to the present invention.
9 is a graph showing sensitivity to ammonia of a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention.
10 is a graph showing the sensitivity of each of a gas sensor comprising a fluorine atom bonded graphene oxide, a gas sensor comprising graphene oxide, and a gas sensor comprising reduced graphene oxide according to the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving it will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명은 그래핀 산화물에 불소화제 및 강산을 혼합하고 가열한 후 증류수에 분산시켜 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물의 현탁액을 제조하는 단계;The present invention relates to a process for producing a suspension of a graphene oxide having fluorine atoms bonded thereto by mixing and heating a graphene oxide with a fluorinating agent and a strong acid and dispersing the graphen oxide in distilled water;
기판 위에 포토리소그래피로 인터디지테이티드 전극(interdigitated electrode) 패턴을 형성시킨 후 금속을 증착시켜 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극을 제조하는 단계; 및Forming an interdigitated electrode pattern on the substrate by photolithography and then depositing a metal to produce an interdigitated electrode on which the metal is deposited; And
상기 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극에 상기 제조된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물의 현탁액을 적하하여 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 전극에 부착시켜 센서를 제조하는 단계;를 포함하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법을 제공한다.Depositing a suspension of the prepared fluorine-bonded graphene oxide on the interdigitated electrode on which the metal is deposited, and attaching a fluorine-bonded graphene oxide to the electrode to prepare a sensor, Wherein the gas sensor comprises a graphene oxide.
본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서는 질소 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스에 대한 감도가 우수하고, 연속적이고 반복적으로 가스를 측정할 수 있으며, 상온에서 실시간으로 가스를 측정할 수 있다. 또한, 종래 그래핀 산화물 기반 센서 및 환원된 그래핀 산화물 기반 센서보다 감도는 1.5 ~ 3배 이상으로 향상되므로, 질소 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스를 측정하는데 유용하게 사용할 수 있다. The gas sensor including the fluorine atom-bonded graphene oxide according to the present invention is excellent in sensitivity to nitrogen gas, ammonia gas and hydrogen gas, can measure gas continuously and repeatedly, measures gas in real time at room temperature can do. In addition, since the sensitivity is improved to 1.5 to 3 times or more as compared with the conventional graphene oxide based sensor and reduced graphene oxide based sensor, it can be usefully used for measuring nitrogen gas, ammonia gas and hydrogen gas.
도 1은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 이하, 도 1을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
1 is a flowchart showing a method of manufacturing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Fig.
본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법은 그래핀 산화물에 불소화제 및 강산을 혼합하고 가열한 후 증류수에 분산시켜 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물의 현탁액을 제조하는 단계(S10)를 포함한다.A method of manufacturing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention comprises mixing a fluorinating agent and a strong acid in a graphene oxide, heating the mixture, and dispersing the mixture in distilled water to prepare a suspension of fluorine-bonded graphene oxide Step S10.
이때, 상기 불소화제는 [Et2NSF2]BF4를 사용할 수 있고, 상기 불소화제는 그래핀 산화물 총중량에 대해 1 ~ 2의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 불소화제가 1 중량비 미만으로 혼합되는 경우에는 그래핀 산화물에 불소 원자가 충분히 결합되지 않아 본 발명의 효과를 발현하지 못하는 문제가 있고, 2 중량비를 초과하는 경우에는 그래핀 산화물 시트끼리 뭉치는 문제가 있다. At this time, the fluorinating agent may be [Et 2 NSF 2 ] BF 4 , and the fluorinating agent is preferably mixed in a weight ratio of 1 to 2 based on the total weight of the graphene oxide. When the fluorinating agent is mixed in an amount of less than 1 part by weight, there is a problem that fluorine atoms are not sufficiently bonded to the graphene oxide and the effect of the present invention can not be exhibited. When the fluorination agent is more than 2 parts by weight, graphene oxide sheets are aggregated .
또한, 상기 강산은 불산, 염산, 황산 및 질산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있고, 상기 강산은 그래핀 산화물 10 mg 당 10 ~ 20 mL로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 강산이 10 mL 미만으로 혼합되는 경우에는 그래핀 산화물 시트끼리 뭉치는 문제가 있고, 20 mL를 초과하는 경우에는 그래핀 산화물 시트가 분해되고 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물의 수집이 어려운 문제가 있다. The strong acid may be one selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and the strong acid is preferably mixed with 10 to 20 mL per 10 mg of graphene oxide. When the amount of the strong acid is less than 10 mL, the graphene oxide sheets are aggregated. When the amount exceeds 20 mL, the graphene oxide sheet is decomposed and the fluorine-bonded graphene oxide is difficult to be collected .
상기 가열은 100 ~ 250 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 가열이 100 ℃ 미만에서 수행되는 경우에는 C-F 결합이 충분히 이루어지지 않는 문제가 있고, 250 ℃를 초과하는 경우에는 그래핀 산화물 시트가 분해되고 그래핀 산화물이 기화하는 문제가 있다.
The heating is preferably performed at 100 to 250 ° C. When the heating is carried out at a temperature lower than 100 ° C, there is a problem that the CF bond is not sufficiently achieved. When the heating is carried out at a temperature higher than 250 ° C, the graphene oxide sheet is decomposed and the graphene oxide is vaporized.
다음으로, 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법은 기판 위에 포토리소그래피로 인터디지테이티드 전극(interdigitated electrode) 패턴을 형성시킨 후 금속을 증착시켜 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극을 제조하는 단계(S20)를 포함한다. Next, a method of manufacturing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention includes forming an interdigitated electrode pattern on a substrate by photolithography, depositing a metal, And manufacturing an interdigitated electrode (S20).
상기 기판은 SiO2 또는 Al2O3 등을 사용할 수 있고, 상기 금속은 Pt, Au 및 Pd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
The substrate is SiO 2 or Al 2 O 3 And the like can be used, and the metal may be one selected from the group consisting of Pt, Au and Pd.
본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법은 상기 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극에 상기 제조된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물 현탁액을 적하하여 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 전극에 부착시켜 센서를 제조하는 단계(S30)를 포함한다. In the method of manufacturing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention, the prepared fluorine atom-bonded graphene oxide suspension is dripped onto the interdigitated electrode on which the metal is deposited, And attaching a pin oxide to the electrode to manufacture a sensor (S30).
상기 부착은 드롭 캐스팅법(drop-casting)을 이용하여 수행될 수 있고, 구체적으로 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물의 현탁액을 전극에 적하하고 자연 건조시켜 부착시킬 수 있다.
The attachment can be performed using drop-casting, and specifically, a suspension of graphene oxide to which a fluorine atom is bonded can be dropped onto an electrode and air-dried to attach the suspension.
또한, 본 발명은 실리콘 산화막이 증착된 기판; The present invention also provides a semiconductor device comprising: a substrate on which a silicon oxide film is deposited;
상기 실리콘 산화막 상부에 다수의 전극이 교대로 배열된 IDE(interdigitated electrode) 패턴 형태로 형성된 전극; 및An electrode formed in an interdigitated electrode (IDE) pattern in which a plurality of electrodes are alternately arranged on the silicon oxide film; And
상기 전극 상부에 형성된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서를 제공한다.And a graphene oxide having a fluorine atom bonded to the electrode. The gas sensor according to claim 1, wherein the graphene oxide is fluorine-bonded graphene oxide.
도 2는 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서를 나타낸 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서를 나타낸 평면도이다. 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 가스센서(100)는 기판(110), 전극(120) 및 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물(130)을 포함한다. 상기 기판(110)은 SiO2 또는 Al2O3일 수 있고, 상기 전극(120)은 상기 실리콘 산화막 상부에 다수의 전극이 교대로 배열된 IDE 패턴 형태로 형성되며, 전극(120) 상부에는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물(130)이 형성된다. FIG. 2 is a schematic view showing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention, and FIG. 3 is a plan view showing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention. As shown in FIGS. 2 and 3, the
본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스 센서는 질소 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스에 대한 감도가 우수하고 연속적으로 가스를 측정할 수 있으며, 상온에서 실시간으로 가스를 측정할 수 있다.
The gas sensor including the fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention is excellent in sensitivity to nitrogen gas, ammonia gas and hydrogen gas and can continuously measure the gas and can measure the gas at room temperature in real time .
실시예 1: 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조Example 1: Preparation of a gas sensor comprising fluorine atom bonded graphene oxide
1. 불소 원자가 1. fluorine atom 그래핀Grapina 산화물 현탁액의 제조 Preparation of oxide suspension
50 mL H2SO4, 2.5g K2S2O8 및 2.5g P2O5를 혼합한 후 2g의 그라파이트를 첨가하여 80 ℃에서 2시간 동안 교반하였다. 제조된 혼합물을 6시간 동안 상온으로 냉각시키고 증류수로 희석하고 상온에서 12시간 동안 건조시켜 그래핀 산화물을 제조하였다. 제조된 그래핀 산화물을 XtalFluor-E와 HF(농도 40%)를 혼합하여 250 ℃에서 3시간 동안 가열한 후 얻어진 분말을 증류수에 분산시켜 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물 현탁액을 제조하였다. 50 mL of H 2 SO 4 , 2.5 g of K 2 S 2 O 8 and 2.5 g of P 2 O 5 were mixed, followed by addition of 2 g of graphite, followed by stirring at 80 ° C for 2 hours. The prepared mixture was cooled to room temperature for 6 hours, diluted with distilled water and dried at room temperature for 12 hours to prepare graphene oxide. The prepared graphene oxide was mixed with XtalFluor-E and HF (concentration: 40%) and heated at 250 ° C for 3 hours. The obtained powder was dispersed in distilled water to prepare a fluorine atom-bound graphene oxide suspension.
도 4는 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법에서 그래핀 산화물을 XtalFluo-E과 염산과의 반응 및 제조된 현탁액의 사진을 나타낸다. 도 4의 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 제조된 그래핀 산화물은 노란색을 띄고 있으나, XtalFluor-E와 염산과의 혼합 후 가열공정으로 검정색의 현탁액이 제조된 것을 알 수 있다. FIG. 4 shows a photograph of a reaction of graft oxide with XtalFluo-E and hydrochloric acid and a suspension prepared in the method of manufacturing a gas sensor including a fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention. As can be seen from the photograph of FIG. 4, the prepared graphene oxide has a yellow color, but it can be seen that a black suspension was prepared by heating after mixing XtalFluor-E with hydrochloric acid.
2. 2. PtPt 가 증착된 Is deposited IDEIDE 의 제조Manufacturing
SiO2 기판 위에 포토리소그래피로 IDE 패턴을 형성시킨 후 Pt를 증착시켜 Pt IDE를 형성시켰다. After the IDE pattern was formed by photolithography on the SiO 2 substrate, the Pt IDE was formed by depositing Pt.
3. 불소 원자가 3. Fluorine atoms 결합된Combined 그래핀Grapina 산화물을 포함하는 가스센서의 제조 Manufacture of gas sensor including oxide
Pt IDE 위에 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물 현탁액을 적하하고 자연 건조시켜 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서를 제조하였다.
A graphene oxide suspension having a fluorine atom bonded thereto was dropped on the Pt IDE and air-dried to prepare a gas sensor including a fluorine atom-bonded graphene oxide.
실험예 1: 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 분석Experimental Example 1: Analysis of gas sensor including fluorine atom-bonded graphene oxide
본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 표면 및 화학결합 상태를 알아보기 위해 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 및 광전자 분광(XPS)으로 분석하고, 그 결과를 도 5, 도 6 및 도 7에 나타내었다. (SEM), a transmission electron microscope (TEM) and a photoelectron spectroscopy (XPS) in order to examine the surface and chemical bonding state of a gas sensor including a fluorine atom-bonded graphene oxide according to the present invention, The results are shown in Fig. 5, Fig. 6 and Fig.
도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물이 전극 위에 형성된 것을 알 수 있다. As shown in FIGS. 5 and 6, it can be seen that a graphene oxide to which a fluorine atom is bonded is formed on the electrode.
또한, 도 7에 나타난 바와 같이, 그래핀을 나타내는 탄소원자가 존재하는 것을 알 수 있고, 불소 원자의 피크도 나타나는 것으로 보아 그래핀에 불소 원자가 결합된 것을 알 수 있다.
Further, as shown in FIG. 7, it can be seen that the carbon atom indicating graphene is present, and the peak of the fluorine atom is also seen, indicating that the fluorine atom is bonded to the graphene.
실험예 2: 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 질소 가스 및 암모니아 가스에 대한 감도 분석Experimental Example 2 Sensitivity Analysis of Nitrogen Gas and Ammonia Gas in Gas Sensors Containing Fluorine-Bonded Graphene Oxide
본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 질소 가스 및 암모니아 가스에 대한 감도를 분석하고, 그 결과를 도 8, 도 9 및 도 10에 나타내었다. The sensitivity of the gas sensor including the fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention to the nitrogen gas and the ammonia gas was analyzed, and the results are shown in Figs. 8, 9 and 10. Fig.
도 8에 나타난 바와 같이, 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서보다 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서에서 질소(NO2) 가스에 대한 감도 및 센서의 회복력이 우수한 것을 알 수 있다. As shown in Fig. 8, it can be seen that the sensitivity to nitrogen (NO 2 ) gas and the resilience of the sensor are excellent in a gas sensor including a fluorine atom-bonded graphene oxide than a gas sensor containing reduced graphene oxide .
또한, 도 9에 나타난 바와 같이, 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서보다 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서에서 암모니아(NH3) 가스에 대한 감도 및 센서의 회복력이 우수한 것을 알 수 있다. Further, as shown in Fig. 9, it is known that a gas sensor including a graphene oxide having a fluorine atom bonded thereto is superior to a gas sensor containing reduced graphene oxide, and has excellent sensitivity to ammonia (NH 3 ) .
또한, 도 10에 나타난 바와 같이, 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서와 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서에서는 암모니아 가스에 대한 감도가 각각 4%로 나타났으나, 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서에서는 약 15%로 나타나 암모니아 가스에 대한 감도가 가장 높은 것을 알 수 있다. 또한, 질소 가스에 대한 감도에서도 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서는 약 10.5%, 환원된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서에서는 약 6.5%로 나타난 반면, 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서에서는 약 16.5%로 나타나 질소 가스에 대한 감도 또한 가장 우수한 것을 알 수 있다.
In addition, as shown in FIG. 10, in the gas sensor including the graphene oxide and the gas sensor including the reduced graphene oxide, the sensitivity to the ammonia gas was 4%, respectively. However, the sensitivity of the gas sensor including the graphene oxide- In the case of the gas sensor including the gas sensor, the sensitivity to ammonia gas is the highest. In addition, sensitivity to nitrogen gas was found to be about 10.5% for a gas sensor containing graphene oxide and about 6.5% for a gas sensor containing reduced graphene oxide. On the other hand, the fluorine atom-bonded graphene oxide And the sensitivity to nitrogen gas is also the most excellent.
지금까지 본 발명에 따른 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.Although the gas sensor including the fluorine-bonded graphene oxide according to the present invention and the method of manufacturing the same have been described above, various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Do.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
It is to be understood that the foregoing embodiments are illustrative and not restrictive in all respects and that the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.
100: 가스 센서 110: 기판
120: 인터디지테이티드 전극 130: 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물100: gas sensor 110: substrate
120: interdigitated electrode 130: fluorine atom bonded graphene oxide
Claims (11)
기판 위에 포토리소그래피로 인터디지테이티드 전극(interdigitated electrode) 패턴을 형성시킨 후 금속을 증착시켜 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극을 제조하는 단계; 및
상기 금속이 증착된 인터디지테이티드 전극에 상기 제조된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물 현탁액을 적하하여 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 전극에 부착시켜 센서를 제조하는 단계;를 포함하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
Mixing graphene oxide with a fluorinating agent and a strong acid, and heating and dispersing in distilled water to prepare a suspension of fluorine-bonded graphene oxide;
Forming an interdigitated electrode pattern on the substrate by photolithography and then depositing a metal to produce an interdigitated electrode on which the metal is deposited; And
And a step of dropping a graphene oxide suspension to which the fluorine atom is bonded, onto the interdigitated electrode on which the metal is deposited, and attaching a fluorine atom-bonded graphene oxide to the electrode to produce a sensor, A method of manufacturing a gas sensor comprising graphene oxide.
상기 불소화제는 [Et2NSF2]BF4인 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fluorinating agent is [Et 2 NSF 2 ] BF 4 .
상기 불소화제는 그래핀 산화물 총중량에 대해 1 ~ 2의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fluorinating agent is mixed at a weight ratio of 1 to 2 based on the total weight of the graphene oxide.
상기 강산은 불산, 염산, 황산 및 질산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the strong acid is one selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid.
상기 강산은 그래핀 산화물 10 mg 당 10 ~ 20 mL로 혼합되는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the strong acid is mixed with 10 to 20 mL per 10 mg of graphene oxide.
상기 가열은 100 ~ 250 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heating is performed at 100 to 250 ° C.
상기 기판은 SiO2 또는 Al2O3인 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is SiO 2 or Al 2 O 3 .
상기 금속은 Pt, Au 및 Pd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal is one selected from the group consisting of Pt, Au and Pd.
상기 부착은 드롭 캐스팅법(drop-casting)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the deposition is performed using drop-casting. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
상기 실리콘 산화막 상부에 다수의 전극이 교대로 배열된 IDE(interdigitated electrode) 패턴 형태로 형성된 전극; 및
상기 전극 상부에 형성된 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 원자가 결합된 그래핀 산화물을 포함하는 가스센서.
A substrate on which a silicon oxide film is deposited;
An electrode formed in an interdigitated electrode (IDE) pattern in which a plurality of electrodes are alternately arranged on the silicon oxide film; And
And a fluorine-bonded graphene oxide formed on the electrode. The gas sensor according to claim 1, wherein the graphene oxide is fluorine-bonded graphene oxide.
상기 가스센서는 질소 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스 검출용인 것을 특징으로 하는 가스센서.
11. The method of claim 10,
Wherein the gas sensor is for detecting nitrogen gas, ammonia gas and hydrogen gas.
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