KR101673112B1

KR101673112B1 - 가스센서용 탄소나노튜브 방적사 및 이를 구비하는 탄소나노튜브 기반 가스센서

Info

Publication number: KR101673112B1
Application number: KR1020160030704A
Authority: KR
Inventors: 정대웅; 임진호
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2016-11-04

Abstract

본 발명에 의하면, 가스와 접촉하여 전기 저항이 변하는 감지부를 구비하는 가스센서에서 상기 감지부로 사용하기 위한 것으로서, 전해 도금법에 의해 팔라듐이 증착되거나, 전자 빔 증착법에 의해 백금이 증착되거나, 산소 플라즈마 표면 처리되거나, 질산 용액을 이용하여 산처리되거나 300℃에서 30분 동안 열처리된 것을 특징으로 하는 가스센서용 탄소나노튜브 방적사가 제공된다.

Description

가스센서용 탄소나노튜브 방적사 및 이를 구비하는 탄소나노튜브 기반 가스센서 {CARBON NANOTUBE YARN FOR GAS SENSOR AND CARBON NANOTUBE BASED GAS SENSOR WITH THE SAME}

본 발명은 가스센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용하여 수소가스를 감지하는 가스센서에 관한 것이다.

탄소나노튜브 기반의 가스센서는 암모니아(NH₃), 질소산화물(NO, NO₂) 등의 가스에 대해서는 약 22℃의 상온에서 감지할 수 있기 때문에, 별도의 전력 공급이 필요없지만, 수소(H₂), 일산화탄소(CO) 및 산소(O₂) 등의 가스에 대해서는 상온이 아닌 고온(일반적으로 200℃ 이상)에서만 감지할 수 있기 때문에 고온 유지를 위한 전력 소모가 크며, 수소 가스의 경우 폭발의 위험이 있어서, 개선이 요구된다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0906496 "가스 센서 및 그 제조 방법" (2009.07.08.)

본 발명의 목적은 상온에서 수소 가스를 감지할 수 있는 탄소나노튜브 기반 가스 센서 및 이를 위한 탄소나노튜브 방적사를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제작 공정이 단순하고 시간과 비용을 줄일 수 있는 탄소나노튜브 기반 가스센서를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

가스와 접촉하여 전기 저항이 변하는 감지부를 구비하는 가스센서에서 상기 감지부로 사용하기 위한 것으로서, 철촉매가 4nm의 두께로 코팅된 기판을 준비하는 단계와, 상기 철촉매가 코팅된 기판을 분위기 가스를 주입하면서 성장 온도까지 상승시키는 단계와, 상기 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 스피닝이 가능한 탄소나노튜브로 형성되는 스핀 가능 탄소나노튜브시트(spin-capable CNT sheet)로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제조된 것을 300℃에서 30분 동안 열처리된 것을 특징으로 하는 가스센서용 탄소나노튜브 방적사가 제공된다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면,

기판부(110); 상기 기판부에 형성된 두 단자부(120, 130); 및 상기 두 단자부를 연결하고, 가스와 접촉하여 전기 저항이 변하는 감지부(140)를 포함하며, 상기 감지부는 상기한 바와 같은 방식으로 후처리된 탄소나노튜브 방적사를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스센서가 제공된다.

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본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 팔라듐(Pd) 증착, 백금(Pt) 증착, 산소 플라즈마 표면처리, 산 처리, 열처리와 같은 후처리를 거친 탄소나노튜브를 이용함으로써, 상온에서의 수소 가스 감지가 가능하여, 고온 유지를 필요로하는 종래의 방식에 비해 전력 소모를 현저하게 줄일 수 있고, 스피닝 가능한 탄소나노튜브를 이용함으로써, 제작 과정이 단순해지고 시간과 제작 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반 가스센서의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 여러 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반 가스센서와 비교예의 감도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 스피닝 가능한 탄소나노튜브의 성장 과정의 각 단계를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 과정을 통해 성장한 탄소나노튜브 다발에서 방적사가 형성되는 과정을 도시한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반 가스센서가 사시도로서 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 가스센서(100)는 기판부(110)와, 기판부(110)의 일면에 형성되는 두 단자부(120, 130)와, 두 단자부(120, 130) 사이를 연결하는 감지부(140)를 포함한다. 가스센서(100)는 상온에서 수소 가스를 감지할 수 있도록 구성된 센서로서, 수소 가스와 접촉하여 전기 저항이 변하는 탄소나노튜브 재질의 감지부(140)를 이용하여 수소 가스를 감지한다.

기판부(110)는 얇은 판상의 유연한 재질로 이루어져서, 가스센서(100)를 인체와 같이 곡면이 있는 곳에 부착하여 사용할 수 있도록 유연성을 제공한다. 본 실시예에서는 기판부(110)가 얇은 판상의 유연한 재질인 것으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

두 단자부(120, 130)는 기판부(110)의 일면에 이격되어서 위치하는 제1 단자부(120)와 제2 단자부(130)를 구비한다. 두 단자부(120, 130)는 감지부(140)와 전기적으로 연결된다.

감지부(140)는 실 형태로 길게 연장되어서 두 단자부(120, 130)를 연결한다. 감지부(140)의 양단은 제1 단자부(120, 130) 각각 전기적으로 연결된다. 감지부(140)는 탄소나노튜브에 상온에서의 수소 가스 감지가 가능하도록 다양한 후처리가 수행되어서 제조된 것이다. 감지부(140)는 수소 가스와 접촉하여 전기 저항이 변함으로써, 수소 가스를 감지하게 된다. 감지부(140)에 사용되는 탄소나노튜브는 스핀 가능 탄소나노튜브 시트(spin-capable CNT sheet)로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제작된 탄소나노튜브 얀(yarn)이다. 스핀 가능 탄소나노튜브 시트는 기판에서 성장된 탄소나노튜브를 직접적으로 바로 필름 형태로 뽑아낼 수 있는 스피닝이 가능한(spinning or spin-capable) 탄소나노튜브로 제작된 것으로서, 재현성이 부족하고 정화를 위한 후처리가 필요한 다른 방법(공중부양형, 딥코팅, 스핀코팅, 스프레이)으로 제조되는 탄소나노튜브 필름에 비해 단순하고 저렴하게 센서를 제작할 수 있게 된다.

스피닝이 가능한 탄소나노튜브는 다음과 같은 방법으로 성장시킬 수 있다. 먼저, 도 3의 ①에 도시된 구조와 같이 촉매(도 3의 ① 가장 상부 층)가 코팅된 기판을 준비한다. 본 실시예에서는 촉매가 철(Fe)인 것으로 설명한다. 다음, 분위기 가스를 주입(본 실시예에서는 아르곤(Ar) 300sccm)하면서 상기 촉매가 코팅된 기판에 대해 온도를 성장 온도(약 800℃)까지 상승시키면, 필름이었던 촉매가 도 3의 ②에 도시된 바와 같이 수십 nm의 직경을 갖는 파티클로 변한다. 스피닝이 가능하기 위해서는 파티클의 직경과 밀도가 각각 15±7 nm와 1.5×10¹⁰/㎠가 되어야 한다. 이를 위하여, 기판에 코팅되는 촉매는 4nm의 두께로 증착된다. 4nm보다 두꺼우면 15nm보다 큰 파티클이 형성되고, 4nm보다 얇으면 15nm보다 작은 파티클이 형성된다. 다음, 성장 온도를 유지하며 환원가스인 수소(H₂) 400 sccm과 탄소함유 가스(본 실시예에서는 C₂H₂ 700 sccm)을 주입하면 고온의 환경에 의해 C-H 분자가 열분해되고 H₂는 외부로 배출되고 탄소 분자만 파티클 위에 증착되고 이것이 육면체 모양을 형성하는 핵화(necleation)가 도 3의 ③에 도시된 바와 같이 형성된다. 계속 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 공급하면 도 3의 ④에 도시된 바와 같이 육면체 모양으로 탄소나노튜브가 성장하며, 탄소함유 가스의 공급을 멈추면 성장이 멈추게 된다. 이후, 성장된 탄소나노튜브 다발(forest 또는 array)에서 도 4에 도시된 바와 같이, 직접적으로 필름이나 시트 형태로 뽑을 수 있고, 이 시트를 꼬아서 방적사(yarn)을 형성할 수도 있다.

본 실시예에서 팔라듐 증착은 전해 도금법(Electro deposition)을 이용하며, 백금 증착은 전자빔 증착(E-beam evaporation)을 이용하고, 산처리는 질산 용액(NHO₃, 60%)에 30분 정도 담갔다가 증류수로 씻어 낸 다음 건조하여 수행되며, 열처리는 탄소나노튜브 얀을 열 챔버에서 300℃로 30분 동안 수행되는 것으로 설명한다.

도 2에는 본 발명의 실시예에 따라 상기한 바와 같은 다양한 방식(팔라듐(Pd) 증착, 백금(Pt) 증착, 산소 플라즈마 표면처리, 산 처리, 열처리)으로 후처리된 탄소나노튜브 각각과, 후처리되지 않은 탄소나노튜브의 수소 가스에 대한 상온에서의 반응 감도를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 후처리된 탄소나노튜브를 사용하는 가스 센서는 후처리되지 않은 탄소나노튜브를 사용하는 가스 센서에 비해 현저하게 높은 수소 가스 반응 감도를 나타낸다.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 가스 센서
110 : 기판부
120 : 제1 단자부
130 : 제2 단자부
130 : 감지부

Claims

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가스와 접촉하여 전기 저항이 변하는 감지부를 구비하는 가스센서에서 상기 감지부로 사용하기 위한 것으로서,
철촉매가 4nm의 두께로 코팅된 기판을 준비하는 단계와, 상기 철촉매가 코팅된 기판을 분위기 가스를 주입하면서 성장 온도까지 상승시키는 단계와, 상기 성장 온도를 유지하면서 환원가스와 탄소함유 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는 스피닝이 가능한 탄소나노튜브로 형성되는 스핀 가능 탄소나노튜브시트(spin-capable CNT sheet)로부터 탄소나노튜브를 뽑아 꼬아서 제조된 것을 300℃에서 30분 동안 열처리된 것을 특징으로 하는 가스센서용 탄소나노튜브 방적사.
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기판부(110);
상기 기판부에 형성된 두 단자부(120, 130); 및
상기 두 단자부를 연결하고, 가스와 접촉하여 전기 저항이 변하는 감지부(140)를 포함하며,
상기 감지부는 청구항 7에 기재된 탄소나노튜브 방적사를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스센서.
청구항 11에 있어서,
상기 기판부는 유연한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스센서.