KR101705699B1 - Indium oxide nanorods coated with bismuth oxide and Method of preparing for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대 및 그 제조방법에 관한 것으로, 산화 비스무트 나노 입자가 표면에 형성된 산화 인듐 나노 막대를 제조하는 방법 및 가스 검출을 위한 산화 비스무트 나노 입자가 코팅된 산화 인듐 나노 막대에 관한 것이다.The present invention relates to a bismuth oxide coated indium oxide nanorod and a method for producing the same, and more particularly, to a method for producing an indium oxide nanorod having a bismuth oxide nanoparticle formed on a surface thereof and a method for producing a bismuth oxide coated oxide indium It is about nanorods.
금속 산화물 반도체(MOS, Metal Oxide Semiconductor) 물질은 다른 성분의 반도체 물질에 비하여 높은 검출 특성과 빠른 검출 또는 회복 반응 속도, 낮은 농도 가스의 검출 능력, 저렴한 생산 단가, 쉬운 합성 방법, 그리고 높은 내구성 등의 특징을 지니고 있기 때문에 가스 검출 소자 물질로 활용하기에 매우 유리한 특징을 가지고 있다. 반면, 검출 반응 시 높은 작동 온도가 필요하다는 단점도 동시에 내재하고 있다. 따라서 이러한 MOS 기반 가스 검출 센서를 제작하기 위해서는 검출 특성을 높임과 동시에 작동 온도를 낮추기 위한 연구가 필요하다. The metal oxide semiconductor (MOS) material has a higher detection characteristic and faster detection or recovery reaction rate, low concentration gas detection capability, lower production cost, easy synthesis method, and high durability Which is very advantageous for use as a gas detecting element material. On the other hand, a disadvantage that a high operating temperature is required in the detection reaction is also present. Therefore, in order to fabricate such a MOS-based gas detection sensor, it is necessary to increase the detection characteristic and to lower the operating temperature.
이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방안으로 나노 소자를 제작하는 방법이 있다. 0차원 또는 1차원 나노 소자의 경우 부피 대 표면적 비가 매우 높기 때문에, 가스 검출 반응 시 검출 가스가 소자의 표면에 흡착하거나 탈착하는 양이 매우 높아지게 되므로 이에 따른 전기 저항의 변화가 다른 형태의 물질에 비하여 매우 높게 된다. 이와 더불어 MOS 물질에 다른 물질을 도핑하거나, 표면에 다른 특성의 나노 입자를 코팅하는 방법, 그리고 이러한 물질을 코팅하는 방법을 통해 가스 검출을 위한 나노 물질 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. One solution to this problem is to fabricate nanodevices. Since the volume-to-surface area ratio of a zero-dimensional or one-dimensional nano device is very high, the amount of detection gas adsorbed or desorbed on the surface of the device during gas detection reaction becomes very high, Very high. In addition, the characteristics of nanomaterial devices for gas detection can be improved by doping MOS materials with different materials, by coating nanoparticles with different characteristics on the surface, and by coating these materials.
이러한 도핑을 위해 사용되는 원소로는 란탄 족, 악티늄 족의 원소부터 각종 전이원소를 사용함과 더불어 MOS의 구성 입자와 원소 크기가 다르고 도핑이 잘 이루어지는 물질들을 사용한다. 이를 통하여 인위적인 격자의 결함이나 lattice mismatch를 일으켜 이 틈을 통해 가스 흡착의 향상을 이루어내게 된다. 또한, 표면에 나노 파티클을 코팅할 경우, 촉매 반응 특성이 높고, 일함수가 높은 Pd, Pt, Au, 그리고 Ag 등의 귀금속 물질을 코팅해 반응 특성을 향상시키거나, 전기적 특성이 다른 화합물 반도체 물질을 사용해 표면 공핍층을 확장시켜 전기 저항의 변화를 극대화 시키는 방법이 있다(공개특허 10-2004-0043132).The elements used for such doping include various lanthanides and actinides, various transition elements, and MOS doped materials with different element sizes and doping properties. Through this, an artificial lattice defect or lattice mismatch is caused to improve the gas adsorption through the gap. In addition, when nanoparticles are coated on the surface, it is possible to improve the reaction characteristics by coating noble metal materials such as Pd, Pt, Au, and Ag having high catalytic reaction characteristics and high work function, To extend the surface depletion layer to maximize a change in electrical resistance (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2004-0043132).
또한, 이러한 검출 특성을 향상시키기 위한 방법으로 표면에 다른 물질을 코팅시키는 방법이 있다. 이 방법을 통하여 나노선의 공핍층을 확장시켜 전기 저항 특성을 극대화 시키는데, 일반적으로 디바이(Debye) 길이만큼의 코팅을 통하여 그 특성이 최대화되는 것으로 알려져 있다. 공개특허 10-2013-0104173에서는 일산화탄소, 이산화질소, 에탄올, 황화수소, 수소 등의 가스를 단독으로 또는 둘 이상을 동시에 검출할 수 있도록 하는, 산화아연주석 나노로드와 산화아연주석 나노로드의 표면에 코팅되는 팔라듐 입자 코팅층을 포함하는 가스센서용 산화아연주석 나노로드가 개시되어 있다. 산화 비스무트 나노 입자의 코팅에 따른 가스 검출 특성 향상에 대해서는 아직 보고가 되지 않았으며, 산화 아연 나노 막대에 코팅하였을 경우 광발광 특성이 높아지거나, 산화 티타늄 나노 튜브에 코팅하였을 경우 광촉매 효과가 증대되었다는 보고만 이루어져 있다.Further, there is a method of coating the surface with another substance as a method for improving the detection characteristic. This method maximizes the electrical resistance by extending the depletion layer of the nanowire. It is generally known that the characteristic is maximized through the coating of the length of the Debye. Patent Document 10-2013-0104173 discloses a method for detecting a gas such as carbon monoxide, nitrogen dioxide, ethanol, hydrogen sulfide, hydrogen or the like singly or two or more at the same time, which is coated on the surface of a zinc-zinc tin nano- A zinc oxide tin oxide nanorod for a gas sensor comprising a palladium particle coating layer is disclosed. It has been reported that the improvement of the gas detection property by the coating of the bismuth oxide nanoparticles has not been reported yet. It has been reported that when the coating is applied to the zinc oxide nanorods, the photoluminescence property is increased or the photocatalytic effect is increased when the coating is applied to the titanium oxide nanotubes .
여러 가지 MOS 물질들 중에서 산화 인듐은 가스 검출 센서로 많은 연구가 이루어져 왔다. 각종 연구에서 수소, 일산화탄소, 이산화질소, 오존, 그리고 염소 등의 검출 반응 특성에 대하여 조사하여 발표하였으며, 특히 에탄올 가스 검출 특성에 대해서는 집중적인 연구와 결과 보고가 이루어져 왔다. 이 물질은 다른 물질에 비하여 에탄올 가스에 대해 매우 높은 검출 특성을 나타내며, 코팅이나 도핑 등의 후 가공 처리를 통하여 그 성능 향상이 극대화되는 특성을 나타내기도 한다. 따라서 초미세 산화 인듐 나노 물질을 합성하고 이에 백금이나 산화 란타늄 나노 입자와 같은 물질을 코팅한 연구에서는 매우 높은 반응 특성과 가스 선택성 향상을 이루어 내는 결과가 보고되기도 하였다. Among various MOS materials, indium oxide has been studied as a gas detection sensor. Various researches have been conducted on the detection reaction characteristics of hydrogen, carbon monoxide, nitrogen dioxide, ozone, and chlorine. Particularly, intensive researches and reports on the detection characteristics of ethanol gas have been made. This material exhibits a very high detection characteristic for ethanol gas compared to other materials and may exhibit a characteristic that the performance improvement is maximized through post-processing such as coating or doping. Therefore, it has been reported that very high reactivity and improvement of gas selectivity have been reported in the studies of synthesizing ultrafine oxide indium nanomaterials and coating them with platinum or lanthanum oxide nanoparticles.
그러나 이러한 산화 인듐 나노 물질의 경우에도 박막 형태의 센서 소자는 검출 특성에 있어 한계를 나타내기도 한다. 박막 형태의 물질은 나노 물질이라 할지라도 표면적은 일반 벌크 물질과 다를 바가 없기 때문에, 가스 검출 반응시 가스의 흡착 면적이 높지 않은 단점을 가지고 있다. 또한, 일반적으로 박막 형태의 산화 인듐 센서는 가스 검출 반응을 위해 200 내지 600℃ 정도로 가열해야 하는데, 이러한 고온 상태는 소자의 안정성에 있어서 매우 불리한 조건으로 작용한다. 특히, 산화 인듐의 경우 고온에서 불안정한 특성을 가지고 있어 약 600℃의 온도에서는 장기적인 사용이 불가능하게 된다. However, even in the case of such an indium oxide nanomaterial, the thin film sensor element may have a limitation in the detection characteristic. Since the surface area of a thin film material is the same as a general bulk material even if it is a nanomaterial, the adsorption area of the gas is not high in the gas detection reaction. In general, a thin film type indium oxide sensor must be heated to about 200 to 600 DEG C for the gas detection reaction, and such a high temperature condition is a very unfavorable condition for the stability of the device. Particularly, indium oxide has unstable properties at high temperatures, and thus can not be used for a long time at a temperature of about 600 ° C.
반면, 1차원 구조의 나노 물질의 경우에는 이러한 단점을 해결하기에 유리한 형상이다. 나노 물질의 종류는 그 형태에 따라 대표적으로 나노 막대, 나노선, 나노 섬유, 나노 바늘 등으로 나눌 수 있다. 이러한 구조의 물질은 1차원으로 소자 제작시 전류 채널 형성에 유리해 가스 검출 소자 등의 장치를 제작하는데 매우 유리하게 된다. 1차원 구조의 산화 인듐 나노 물질은 다음과 같은 방법으로 합성할 수 있다. 이 방법에는 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 전계 방사법, 졸-겔 법, 수열 합성법 등이 있다. On the other hand, nanomaterials with a one-dimensional structure are advantageous in solving these drawbacks. The types of nanomaterials can be classified into nanorods, nanowires, nanofibers, nano-needles, and the like depending on their types. Such a structure material is advantageous in forming a current channel when fabricating the device in one dimension, which is very advantageous for manufacturing a device such as a gas detection device. The one-dimensional structure of indium oxide nanomaterial can be synthesized by the following method. These methods include chemical vapor deposition (CVD), electrospinning, sol-gel method, and hydrothermal synthesis.
또한, 이 물질의 가스 검출 성능 향상을 위해 귀금속을 코팅하는 방법에는, 다음과 같은 몇 가지 방법이 있다. Pt 나노 입자를 코팅하기 위해서 합성된 나노 물질을 일정 농도의 H2PtCl6 수용액에 첨가한 후, 가열한다. 또한 Au 나노 입자를 코팅하기 위해 p-아미노페닐 트리메톡시실란(p-aminophenyl trimethoxysilane)을 사용한다. 이 방법 외에도 귀금속 나노입자를 코팅하기 위하여 다양한 방법으로 합성된 산화 인듐 나노 물질의 표면에 해당 귀금속을 스퍼터링법을 통해 수 내지 수십nm 두께로 코팅한 후 Ar 분위기에서 800℃ 이상의 온도에서 30분 이상 열처리하는 방법이 있다. 그러나 이러한 몇 단계 방법을 통한 합성법은 합성 과정 중의 열처리 단계에서 결정이 변형 또는 손상되는 일이 발생할 수 있다. 특히 산화 인듐의 경우 열에 약한 산화물이기 때문에, 이러한 열처리는 소자의 안정성에 큰 지장을 초래하기도 한다. 또한, 각 단계를 거치며 발생하는 공정상의 비용 증가와 시간 증가는 상용화에 있어 단점으로 작용하게 된다. There are several methods for coating the noble metal to improve the gas detection performance of this material. In order to coat the Pt nanoparticles, the synthesized nanomaterials were mixed with a certain concentration of H 2 PtCl 6 Is added to an aqueous solution, and then heated. Also, p-aminophenyl trimethoxysilane is used to coat Au nanoparticles. In addition to this method, the noble metal is coated on the surface of the indium oxide nanomaterial synthesized by various methods to coat the noble metal nanoparticles by a sputtering method to a thickness of several to several tens nm, and then heat treatment is performed in an Ar atmosphere at 800 ° C. or more for 30 minutes or more There is a way. However, the synthetic method using such a few step method may cause crystals to be deformed or damaged in the heat treatment step during the synthesis process. In particular, since indium oxide is a weak oxide in heat, such a heat treatment may cause a serious problem to the stability of the device. In addition, the increase in the process cost and the increase in the time that occur during each step serve as a disadvantage in commercialization.
이에 본 발명에서는 단일 공정을 통하여 p-형 물질인 산화 비스무트를 n-형 물질인 산화 인듐의 표면에 코팅하여 두 물질간의 p/n 결합을 형성시켰으며, 저온에서 저농도의 에탄올 가스를 효과적으로 검출할 수 있는, 산화 비스무트 나노 입자가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 제조하였다.In the present invention, bismuth oxide, which is a p-type material, is coated on the surface of an n-type material indium oxide to form p / n bonds between the two materials through a single process. The low concentration of ethanol gas is effectively detected at a low temperature Indium oxide nanorods coated with bismuth oxide nanoparticles were prepared.
본 발명의 목적은 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a bismuth oxide-coated indium oxide nanorod and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화 인듐 나노 막대; 및 상기 나노 막대 표면에 코팅되는 산화 비스무트 나노입자 코팅층;을 포함하는 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 제공한다.In order to achieve the above object, And a bismuth oxide nanoparticle coating layer coated on the surface of the nanorod; and a bismuth oxide coated nanoporous oxide layer for gas detection.
또한, 본 발명은 산화 인듐 나노 막대를 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 제조된 산화 인듐 나노 막대의 표면에 산화 비스무트 나노 입자를 형성시키는 단계(단계 2)를 포함하는 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention relates to a method for manufacturing an indium oxide nanorod; And (b) forming bismuth oxide nanoparticles on the surface of the indium oxide nanorods prepared in the step (1) (step 2). The present invention also provides a method for manufacturing a bismuth oxide-coated indium oxide nanorods for gas detection.
나아가, 본 발명은 기판; 절연층; 상기 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대; 및 전극을 포함하는 가스 센서를 제공한다.Further, the present invention relates to a substrate comprising: a substrate; Insulating layer; A bismuth oxide coated indium niobium rod for gas detection; And an electrode.
본 발명을 통해 제조된 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대는 기존에 사용되던 인듐 또는 산화 인듐 분말이 아닌, 황화 인듐 분말을 사용하여 제조함으로써, 얇은 직경의 나노 막대를 제조할 수 있으며, 적정 비율의 비스무트 분말을 혼합하여 사용함으로써, 산화 인듐과 산화 비스무트 사이에 상대 물질의 확산이 없이, p/n 접합 복합 나노 막대가 합성될 수 있다. 또한, 단일 구조의 나노 물질에 비하여, 물질의 촉매 특성의 향상, 계면에서의 가스 흡착, 전위 장벽의 증가 및 공핍층 증가로 인해, 가스 검출 성능이 향상될 수 있으며, 특히 에탄올 가스 검출에 특화된 나노 막대 센서를 제작할 수 있다.The bismuth oxide-coated indium oxide nanorods prepared through the present invention can be produced by using indium sulfide powder instead of indium or indium oxide powder which has been used in the prior art to produce nanorods having a small diameter, , The p / n junction composite nanorods can be synthesized without diffusion of a relative substance between indium oxide and bismuth oxide. Further, compared with the single structure nanomaterial, the gas detection performance can be improved due to the improvement of the catalytic properties of the substance, the gas adsorption at the interface, the increase of the potential barrier, and the increase of the depletion layer. In particular, A rod sensor can be manufactured.
도 1은 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 2는 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 X-선 회절 분석을 통해 나타낸 그래프이고;
도 3은 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 투과전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 투과전자현미경으로 관찰한 사진 및 성분을 분석한 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 에탄올 가스 검출 반응 특성을 분석한 그래프이고;
도 6은 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 에탄올 가스 검출 및 회복 반응 속도를 나타낸 그래프이고;
도 7은 코팅된 산화 비스무트의 비율에 따른 산화 인듐 나노 막대의 가스 검출 특성을 나타낸 그래프이고;
도 8은 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 온도에 따른 가스 검출 반응값을 나타낸 그래프이고;
도 9는 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대에 휘발성 유기 화합 가스의 공급에 따른 가스 검출 반응값을 나타낸 그래프이고;
도 10은 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대에 에탄올 또는 공기의 공급함으로써 나타나는 전기적 특성을 표현한 그림이고;
도 11은 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 그래프 및 나노 막대에 생성되는 전하 캐리어와 공핍층 변화를 나타낸 그림이다.FIG. 1 is a photograph of a bismuth oxide-coated indium oxide nanodevice according to the present invention observed with a scanning electron microscope; FIG.
2 is a graph showing X-ray diffraction analysis of bismuth oxide-coated indium oxide nanorods according to the present invention;
FIG. 3 is a photograph of a bismuth oxide-coated indium oxide nanorods according to the present invention observed with a transmission electron microscope; FIG.
FIG. 4 is a photograph and a photograph of a component of the bismuth oxide-coated indium niobium oxide according to the present invention observed by a transmission electron microscope; FIG.
FIG. 5 is a graph illustrating an ethanol gas detection reaction characteristic of the bismuth oxide-coated indium oxide nanorods according to the present invention;
6 is a graph showing the rate of ethanol gas detection and recovery in the bismuth oxide-coated indium oxide nanorods according to the present invention;
7 is a graph showing the gas detection characteristics of the indium oxide nanorods according to the ratio of the coated bismuth oxide;
8 is a graph showing the gas detection reaction values of the bismuth oxide coated indium oxide nanorods according to the present invention;
9 is a graph showing the gas detection reaction value according to the supply of the volatile organic compound gas to the bismuth oxide coated indium oxide nanorods according to the present invention;
FIG. 10 is a graph illustrating electrical characteristics of an indium oxide nanodevice coated with bismuth oxide coated with ethanol or air according to the present invention; FIG.
FIG. 11 is a graph showing energy band diagrams of bismuth oxide-coated indium oxide nanorods according to the present invention and changes in charge carriers and depletion layers generated in nanorods. FIG.
본 발명은, 산화 인듐 나노 막대; 및 상기 나노 막대 표면에 코팅되는 산화 비스무트 나노입자 코팅층;을 포함하는 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 제공한다.The present invention relates to an indium oxide nanorod; And a bismuth oxide nanoparticle coating layer coated on the surface of the nanorod; and a bismuth oxide coated nanoporous oxide layer for gas detection.
상기 산화 인듐 나노 막대는 기존의 인듐 또는 산화 인듐이 아닌, 황화 인듐 분말을 사용하여 제조할 수 있으며 이를 통해, 얇은 두께 및 직경의 나노 막대를 제조할 수 있다. 또한, 산화 인듐 나노 막대의 표면에 코팅되는 산화 비스무트 나노 입자 코팅층은 비스무트 분말과 황화 인듐 분말을 혼합한 원료를 사용하여, 형성되는 것이 바람직하다. 상기 비스무트 분말은 혼합 원료 100 중량부에 대하여, 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The indium oxide nanorods can be manufactured using indium sulfide powder, which is not indium or indium oxide, and thus nanorods of a thin thickness and a diameter can be manufactured. The bismuth oxide nanoparticle coating layer coated on the surface of the indium niobium oxide rod is preferably formed using a raw material in which a bismuth powder and an indium sulfide powder are mixed. The bismuth powder is preferably contained in an amount of 10 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed raw material, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 가스 검출을 위한 최적의 온도는 150 내지 250℃로, 기존 기술에 비해 낮은 온도에서 나노 막대 표면의 이온 흡착 층이 충분히 활성화되기 때문에 산소가 이온화 되어 나노 막대 표면으로 흡착이 활발하게 일어나게 된다. 또한 에탄올 가스 공급시 산소 이온과 에탄올과의 반응 역시 활발하게 일어나기 때문에, 에탄올과의 반응에 의한 산소 이온의 탈착이 많아져 같은 농도의 에탄올을 공급했다 하더라도 저항 변화는 더욱 커지게 된다.The optimum temperature for the gas detection of the bismuth oxide coated bismuth oxide nanorods according to the present invention is in the range of 150 to 250 ° C. Since the ion adsorption layer on the nanorod surface is sufficiently activated at a lower temperature than the existing technology, Adsorption to the nanorod surface becomes active. Also, since the reaction between oxygen ions and ethanol occurs actively during the supply of ethanol gas, the desorption of oxygen ions by the reaction with ethanol increases, so that even if ethanol of the same concentration is supplied, the resistance change becomes larger.
한편, 나노 막대, 나노선, 나노 튜브와 같은 1차원 구조의 나노 물질들은 기본적으로 매우 작은 직경을 갖고 있다. 반도체 물질은 표면에 가스가 이온화되어 흡착되면 전자가 이탈되거나 흡착되어 전기적 특성이 변화하게 되는데, 표면으로부터 디바이(Debye) 길이의 두께만큼 이러한 영향은 발생하게 된다. 따라서, 금속 산화물을 이용한 나노 물질이 공기중에 노출되면 산소를 흡착하며 이온화 하게 되는데, 이때 전자를 흡착하고, 나노 물질 표면의 전자를 흡착하게 된다. n형 반도체는 전자를 전하 캐리어로 사용하는 물질이기 때문에, 이 경우 표면에 공핍층이 형성되게 된다. 이 공핍층의 두께는 디바이(Debye) 길이 만큼이기 때문에, 1차원 나노 물질을 이용한 최적이 가스 검출 특성을 나타내게 하기 위해서 합성된 나노 물질의 직경은 디바이(Debye) 길이의 2배가 되게 하는 것이 중요하다. 만약 나노 물질의 직경이 디바이(Debye) 길이의 2배보다 길 경우 나노 물질이 공기 중에 노출되어도 완벽히 절연되지 않고 나노 물질의 중심이 전도성 통로로 작용하기 때문에 저항 증가가 극대화 되지 않고 그 결과 가스 검출 특성이 나빠지게 된다. 반면, 직경이 디바이(Debye) 길이의 2배보다 작게 되면 공핍층이 중첩되게 되어 저농도의 가스 검출에 반응하지 않을 뿐 아니라 검출 효율이 떨어지게 된다. On the other hand, one-dimensional nanomaterials such as nanorods, nanowires, and nanotubes basically have very small diameters. When a semiconductor material is ionized and adsorbed on the surface, electrons are released or adsorbed to change the electrical characteristics. This effect is caused by the thickness of the Debye from the surface. Therefore, when a nanomaterial using a metal oxide is exposed to air, it adsorbs oxygen and ionizes. At this time, electrons are adsorbed and electrons on the surface of the nanomaterial are adsorbed. Since n-type semiconductors are materials that use electrons as charge carriers, a depletion layer is formed on the surface in this case. Since the thickness of the depletion layer is equal to the Debye length, it is important that the diameters of the synthesized nanomaterials are twice as large as the Debye length in order to exhibit optimal gas detection characteristics using the one-dimensional nanomaterials . If the diameter of the nanomaterial is longer than twice the length of the Debye, the nanomaterial is not completely insulated even when exposed to air and the center of the nanomaterial acts as a conductive path, so that the resistance increase is not maximized, . On the other hand, when the diameter is smaller than twice the length of the Debye, the depletion layer is overlapped, so that it does not respond to the detection of the low concentration gas, and the detection efficiency becomes low.
하기 도 10은 상기 내용을 나타낸 그림이다. 최적의 두께를 갖는 나노 막대의 경우 공기에 노출시 완전히 절연되어 저항이 극대화 되고 이후 에탄올과 같은 환원성 가스가 공급되어 산소 이온과 결합하여 나노 막대 표면의 산소 이온을 탈착시키면 산소 이온에 의해 흡착되었던 전자가 다시 나노 막대 내부로 공급되고 나노 막대의 절연층 두께는 감소하게 된다. 따라서 이 경우 나노 막대 중심부의 전도성 통로가 생성되기 때문에 저항이 감소하고 이 차이를 이용하여 가스 검출 특성을 측정할 수 있게 된다. FIG. 10 is a diagram showing the above contents. In the case of nanorods with the optimum thickness, when the nanorods are exposed to air, they are completely insulated to maximize the resistance. After that, a reducing gas such as ethanol is supplied to bind the oxygen ions and desorb the oxygen ions on the surface of the nanorods. Is again supplied into the nanorods and the thickness of the insulating layer of the nanorods is reduced. Therefore, in this case, since the conductive path at the center of the nanorod is generated, the resistance is reduced and the gas detection characteristic can be measured using this difference.
또한, 본 발명은, 산화 인듐 나노 막대를 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 제조된 산화 인듐 나노 막대의 표면에 산화 비스무트 나노 입자를 형성시키는 단계(단계 2)를 포함하는 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention relates to a method for producing an indium oxide nanorod; And (b) forming bismuth oxide nanoparticles on the surface of the indium oxide nanorods prepared in the step (1) (step 2). The present invention also provides a method for manufacturing a bismuth oxide-coated indium oxide nanorods for gas detection.
이하, 본 발명에 따른 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a bismuth oxide-coated indium oxide nanorods for gas detection according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법에 있어서, 단계 1은 산화 인듐 나노 막대를 제조하는 단계이다.In the method for producing the bismuth oxide coated oxide indium nanorods for gas detection according to the present invention, Step 1 is a step of producing the indium oxide nanorods.
상기 단계 1의 공정은 황화 인듐 분말을 사용하여 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기존의 공정기술에서는 주로 인듐 또는 산화 인듐 분말을 사용하였으나, 제조된 나노 물질의 두께가 두꺼워서 Mg 등을 첨가하였다. 다만, Mg 등을 첨가하여 제조하면 불순물이 혼입될 수 있는 문제가 있었다. 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법에서는 산화 인듐 나노 막대를 제조할 때에, 인듐 또는 산화 인듐 분말이 아닌 황화 인듐 분말을 사용함으로써, 얇은 두께 및 직경의 나노 막대를 제조할 수 있다. The process of step 1 is preferably carried out using an indium sulfide powder, but is not limited thereto. In the conventional process technology, indium or indium oxide powder was mainly used, but since the thickness of the prepared nanomaterial was thick, Mg and the like were added. However, there is a problem that impurities may be mixed when they are prepared by adding Mg or the like. In the method for producing the indium oxide nanorods coated with bismuth oxide according to the present invention, nanorods of thin thickness and diameter are manufactured by using indium sulfide powder which is not indium or indium oxide powder in the production of the indium oxide nanorods .
상기 단계 1의 산화 인듐 나노 막대의 제조는 VLS(Vapor-Liquid-Solid)법, 수열합성법 및 전기방사법을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 VLS(vapor-liquid-solid)법은 고온의 반응로(furnace) 내부에서 운송되는 증기 상 인듐 함유종이 금 등의 용융 촉매의 표면상에서 응축되어 결정화함으로써 산화 인듐 나노 막대로 성장되는 방법이다. 상세하게는, 반응로에 촉매 물질인 금 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 및 황화 인듐을 놓고 고온으로 올리면, 황화 인듐이 가스 상으로 변환되어 금 박막 표면에 가스가 들러붙게 되고 용융점 이상에서 금-인듐 혼합용액 방울이 형성된 뒤, 과공급되는 가스에 의하여 고체-액체 경계로부터 한 방향으로 나노 막대가 자라나게 된다. 과공급 되는 반응가스에 의하여 고체-액체 경계에서 대칭성이 깨지는 것이 VLS법에서 1차원 나노 결정형성에 중요한 단계라 할 수 있다. 또한, 촉매와 반응가스의 혼합용액 비말(droplet)은 나노 막대 제조시 일종의 템플릿으로 작용한다고 할 수 있으므로 촉매 입자의 크기를 조절함에 따라 합성되는 나노 막대의 직경을 제어할 수 있다. 나노 막대의 길이는 반응시간에 비례하므로 나노 막대의 길이 역시 제어가 가능하다.The production of the indium oxide nanodevice of the step 1 may be performed by at least one method selected from the group including Vapor-Liquid-Solid (VLS), hydrothermal synthesis and electrospinning, but is not limited thereto. The vapor-liquid-solid (VLS) method is a method in which a vapor-phase indium-containing paper carried in a high-temperature furnace is condensed on the surface of a molten catalyst such as gold and crystallized to grow into an indium oxide nanorod. Specifically, a silicon wafer coated with a gold thin film as a catalytic material and indium sulfide are placed in a reactor and heated to a high temperature to convert the indium sulfide into a gas phase to adhere to the surface of the gold thin film, and a gold- After the droplet is formed, the nanorods grow in one direction from the solid-liquid boundary by the gas supplied. And the breakdown of the symmetry at the solid-liquid interface by the supplied reaction gas is an important step in the formation of one-dimensional nanocrystals in the VLS method. In addition, since the mixed solution droplet of the catalyst and the reaction gas acts as a template in manufacturing nanorods, it is possible to control the diameter of the synthesized nanorod according to the size of the catalyst particles. The length of the nanorod is proportional to the reaction time, so the length of the nanorod is also controllable.
상기 단계 1의 공정에 산화성 가스 또는 이화 불활성 가스의 혼합가스가 공급되는 것이 바람직하다. 이때 공급될 수 있는 불활성 가스는 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 또는 수소(H2) 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 산화성 가스로 산소(O2)가 공급되는 것이 바람직하며, 산소의 혼합 농도는 공급되는 가스에 대하여, 0.1 내지 10 %의 일정한 농도로 공급될 수 있다. 상기 단계 1의 공정시에 반응로 내부의 압력은 0.5 내지 10 torr로 일정하게 유지될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 산화 인듐 나노 막대의 제조 반응 시간은 30분 내지 2시간 동안 유지될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.It is preferable that a mixed gas of an oxidizing gas or a divalent inert gas is supplied to the step of the step 1. The inert gas that can be supplied at this time may be argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He), or hydrogen (H 2 ), but is not limited thereto. It is preferable that oxygen (O 2 ) is supplied as the oxidizing gas, and the mixed concentration of oxygen can be supplied at a constant concentration of 0.1 to 10% with respect to the supplied gas. The pressure inside the reactor may be kept constant at 0.5 to 10 torr in the step 1, but is not limited thereto. Further, the reaction time of the production of the indium oxide nanorods can be maintained for 30 minutes to 2 hours, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 산화 인듐 나노 막대의 표면에 산화 비스무트 나노 입자를 형성시키는 단계이다.In the method for producing bismuth oxide coated oxide indium nanorods for gas detection according to the present invention,
상기 단계 2의 공정은 비스무트 분말과 황화 인듐 분말을 혼합한 원료를 사용하여, 수행되는 것이 바람직하다. 상기 비스무트 분말은 혼합 원료 100 중량부에 대하여, 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 만약 비스무트 분말이 혼합 원료 100 중량부에 대하여, 10 중량부 미만으로 포함될 경우에는 산화 인듐 나노 막대 표면에 산화 비스무트 나노입자가 형성되지 않거나, 형성된다 하더라도 그 양이 매우 적은 문제가 있을 수 있고, 40 중량부 초과로 포함될 경우에는 산화 인듐 나노 막대 표면에 형성된 산화 비스무트 나노입자가 입자 형태가 아닌 덩어리 형태로 뭉치거나, 그 덩어리 클러스터들이 나노막대 표면을 덮어 나노막대와 가스의 접촉을 막게 되며, 최종적으로 산화 인듐 나노막대에 산화 비스무트 나노입자가 형성되는게 아닌 산화 비스무트 나노막대가 형성되는 문제가 발생할 수 있다.The
상기 비스무트 분말을 적정량으로 혼합하였을 경우 복합 구조의 나노 막대를 제조할 수 있으며, 산화 인듐과 산화 비스무트 사이에 상대 물질로의 확산이 이루어지지 않기 때문에, p-형 물질인 산화 비스무트가 n-형 물질인 산화 인듐의 표면에 코팅되어, 두 물질간의 p/n 결합을 형성된 p/n 접합 복합 나노 막대를 제조할 수 있다. When the bismuth powder is mixed in an appropriate amount, nanostructures of a composite structure can be produced. Since diffusion into a relative material is not achieved between indium oxide and bismuth oxide, bismuth oxide, which is a p-type material, P / n-bonded composite nanorods formed by p / n bonding between the two materials can be manufactured by coating the surface of indium oxide.
또한, 상기 단계 2의 공정은 VLS(Vapor-Liquid-Solid)법으로 수행될 수 있다. 상기 VLS(vapor-liquid-solid)법은 고온의 반응로(furnace) 내부에서 운송되는 증기 상 비스무트 분말과 황화 인듐 분말 혼합 원료가 산화 인듐 나노 막대의 표면상에서 응축되어 결정화함으로써, 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대로 성장되는 방법이다. In addition, the
본 발명에 따른 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법은 에탄올, 메탄올, 아세톤, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 가스를 검출하기 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 제조할 수 있다. 이때 상기 가스에 제한되는 것은 아니다.The method for producing bismuth oxide-coated indium oxide nanorods for gas detection according to the present invention is characterized in that bismuth oxide for detecting at least one gas selected from the group consisting of ethanol, methanol, acetone, benzene and toluene is coated The indium oxide nanorods can be produced. At this time, it is not limited to the gas.
나노 막대를 이용한 에탄올 가스 검출은 나노 막대 표면에 흡착된 산소 이온의 유무에 의해 달라지는 나노 막대의 저항 변화를 이용하여 측정한다. 따라서 나노 막대 표면의 산소 흡착을 분석하는 것이 중요한데, 저온에서는 나노 막대 표면에 존재하는 이온의 흡착 층이 거의 활성화 되지 않는다. 따라서 이 경우 나노 막대가 공기 중에 노출된다 하더라도 나노 막대는 산소를 흡착하지 못하게 되며, 나노 막대 표면의 공핍층은 거의 생성되지 못하게 된다. 또한, 이 상황에서 에탄올 가스가 공급된다 하더라도 산소 이온과 에탄올의 반응은 활발히 일어나지 못할 뿐 아니라, 흡착된 산소 이온의 양이 적은 만큼 전체적인 저항 변화 역시 작아질 수밖에 없다. 반면 최적의 온도에서는 나노 막대 표면의 이온 흡착 층이 충분히 활성화되기 때문에 산소가 이온화 되어 나노 막대 표면으로 흡착이 활발하게 일어나게 된다. 또한 에탄올 가스 공급시 산소 이온과 에탄올과의 반응 역시 활발하게 일어나기 때문에, 에탄올과의 반응에 의한 산소 이온의 탈착이 많아져 같은 농도의 에탄올을 공급했다 하더라도 저항 변화는 더욱 커지게 된다. 반면, 온도가 너무 높아지면 나노 막대의 전하 캐리어 농도가 급격하게 증가하게 된다. 이 경우 나노 막대 표면에 흡착된 산소 이온이 너무 강하게 결합되어 에탄올과의 반응에 의해 탈착되는 양이 적어질 뿐 아니라, 증가된 전하 캐리어에 의해 공핍층이 감소하여, 산소 흡착에 의해 생성된 공핍층이 사라져 버리게 된다. 따라서 에탄올이 공급된다 하더라도 저항은 크게 변화하지 않게 된다. 본 발명에 따른 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 가스 검출을 위한 최적의 온도는 150 내지 250℃인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 산화 인듐 나노 막대 표면에 존재하는 산화 비스무트 나노 입자가 산소의 흡착과 에탄올 산화의 촉매로 작용하여, 기존 기술에 비하여, 최적의 검출 반응 온도를 다소 낮출 수 있다.The detection of ethanol gas using nanorods is measured by the resistance change of the nanorods depending on the presence or absence of oxygen ions adsorbed on the nanorod surface. Therefore, it is important to analyze the oxygen adsorption on the surface of the nanorods. At low temperatures, the adsorption layer of ions existing on the nanorod surface is scarcely activated. Therefore, even if the nanorods are exposed to air in this case, the nanorods will not adsorb oxygen, and the depletion layer on the nanorod surface will hardly be produced. Also, even if ethanol gas is supplied in this situation, not only the reaction of oxygen ions and ethanol does not actively take place but also the overall resistance change becomes small as the amount of adsorbed oxygen ions is small. On the other hand, at the optimal temperature, since the ion adsorption layer on the nanorod surface is sufficiently activated, the ionization of oxygen causes the adsorption to the surface of the nanorods actively. Also, since the reaction between oxygen ions and ethanol occurs actively during the supply of ethanol gas, the desorption of oxygen ions by the reaction with ethanol increases, so that even if ethanol of the same concentration is supplied, the resistance change becomes larger. On the other hand, if the temperature is too high, the charge carrier concentration of the nanorod increases sharply. In this case, the oxygen ions adsorbed on the surface of the nanorod are too strongly bound to be desorbed by the reaction with ethanol, and the depletion layer decreases due to the increased charge carrier, so that the depletion layer Will disappear. Therefore, even if ethanol is supplied, the resistance does not change greatly. The optimum temperature for gas detection of the bismuth oxide-coated indium oxide nanorods according to the present invention is preferably 150 to 250 ° C, but is not limited thereto. The bismuth oxide nanoparticles present on the surface of the indium oxide nanorods act as a catalyst for the adsorption of oxygen and the oxidation of ethanol, so that the optimal detection reaction temperature can be somewhat lowered compared with the existing technology.
산화 인듐은 에탄올 산화에 우수한 촉매 특성을 나타내는 물질로 일반적으로 에탄올 가스 검출에 특화된 물질이다. 그러나 금속 산화물 기반의 가스 센서는 전반적으로 가스별 선택성이 좋지 않은 단점을 가지고 있으며, 산화 인듐 역시 금속 산화물 반도체 물질이기 때문에 선택성이 뛰어나지 않다. 반면, 산화 비스무트 나노 입자가 산화 인듐 나노 막대의 표면에 형성되어 촉매로 작용함에 따라 가스별 선택성을 확연히 증가시킬 수 있다. Indium oxide is a material that exhibits excellent catalytic properties for ethanol oxidation, and is generally a substance specialized in ethanol gas detection. However, metal oxide based gas sensors generally have a disadvantage in that the gas selectivity is poor, and indium oxide is also a metal oxide semiconductor material, which is not excellent in selectivity. On the other hand, as the bismuth oxide nanoparticles are formed on the surface of the indium oxide nanorods and act as a catalyst, the selectivity for each gas can be significantly increased.
한편, 금속 산화물 반도체 나노 입자가 표면에 형성된 금속 산화물 1차원 나노 물질의 경우, 귀금속 나노 입자가 표면에 형성된 것과는 다른 원리로 가스 검출 향상이 이루어진다. 나노 입자의 종류에 따라 촉매 반응을 일으키는 경우도 있지만, 귀금속 나노 입자와는 달리, 계면에서 생성된 공핍층에 의한 전위 장벽의 변화와 공핍층의 두께 변화로 가스 검출 특성 향상을 나타낼 수 있다. 본 발명의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대는 n형 나노 막대 표면에 p형 나노 입자가 형성되어 계면을 중심으로 양쪽에 중성의 공핍층이 형성된다. 상기 나노 물질이 공기 중에 노출되면 공기 중의 산소를 흡착함과 동시에 산소 이온으로 변화하면서 나노 막대와 나노 입자 표면의 전자를 흡착하게 된다. 공기 중의 산소는 나노 막대에 흡착하며 하기 반응식 1 내지 3과 같은 반응을 나타내고 전하 캐리어인 전자를 흡수해 공핍층을 형성한다.On the other hand, in the case of metal oxide one-dimensional nanomaterials on which metal oxide semiconductor nanoparticles are formed on the surface, the gas detection is improved on a principle different from that of the noble metal nanoparticles formed on the surface. Unlike the noble metal nanoparticles, the change in the potential barrier due to the depletion layer generated at the interface and the change in the thickness of the depletion layer can improve the gas detection characteristics, although the catalytic reaction may be caused depending on the kind of the nanoparticles. In the bismuth oxide-coated oxide indium nanorods of the present invention, p-type nanoparticles are formed on the surface of the n-type nanorods, and a neutral depletion layer is formed on both sides of the interface. When the nanomaterial is exposed to the air, it adsorbs oxygen in the air and changes into oxygen ions to adsorb electrons on the surfaces of the nanorods and the nanoparticles. Oxygen in the air adsorbs on the nanorods and reacts as shown in the following reaction formulas 1 to 3 and absorbs electrons as charge carriers to form a depletion layer.
<반응식 1><Reaction Scheme 1>
O2 (g) + e- → O2 - (ad) O 2 (g) + e - ? O 2 - (ad)
<반응식 2><
1/2 O2 (g) + e- → O- (ad)1/2 O 2 (g) + e - - O - (ad)
<반응식 3><Reaction Scheme 3>
O- (ad) + e- → O2- (ad)O - (ad) + e - > O 2- (ad)
또한 나노 입자에 흡착되었을 때에는 하기 반응식 4 내지 6과 같은 반응을 나타내며 전하 캐리어인 정공을 생성한다. Further, when adsorbed on the nanoparticles, the reaction shown in the following
<반응식 4><
O2 (g) → O2 - (ad) + h+ O 2 (g) O 2 - (ad) + h +
<반응식 5><
1/2 O2 (g) → O- (ad) + h+ 1/2 O 2 (g) → O - (ad) + h +
<반응식 6><
O- (ad) → O2- (ad) + h+ O- (ad) - > O 2- (ad) + h +
에탄올 가스가 공급되면 나노 막대 표면의 산소 이온은 에탄올 가스와 하기 반응식 7 및 8과 같이 반응하게 된다.When the ethanol gas is supplied, the oxygen ions on the surfaces of the nanorods react with the ethanol gas as shown in the following equations (7) and (8).
<반응식 7><Reaction Scheme 7>
C2H5OH (g) + O2- (ad) → CH3CHO (g) + H2O (g) + 2e- C 2 H 5 OH (g) + O 2- (ad) CH 3 CHO (g) + H 2 O (g) + 2e -
<반응식 8><
CH3CHO (g) + 5 O2- (ad) → 2 CO2 (g) + 2 H2O (g) + 10 e- CH 3 (g) + 5 O 2- (ad) 2 CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) + 10 e -
또한, 나노 입자 표면에서는 하기 반응식 9 및 10과 같은 반응을 나타낸다. On the surface of the nanoparticles, the reactions shown in the following
<반응식 9><Reaction Scheme 9>
C2H5OH (g) + O2- (ad) + 2 h+ → CH3CHO (g) + H2O (g)C 2 H 5 OH (g) + O 2- (ad) + 2 h + ? CH 3 CHO (g) + H 2 O (g)
<반응식 10><
CH3CHO (g) + 5 O2- (ad) + 5 h+ → 2 CO2 (g) + 2 H2O (g)CH 3 (g) + 5 O 2- (ad) + 5
이와 같이 반응하여 나노 막대 표면에 흡착된 산소 이온을 제거하고 제거된 가스는 배기구를 통하여 배출하게 된다. 동시에 산소 이온에 의해 흡착되었던 전자가 다시 방출되어 나노 막대 내부로 공급되면, 나노 막대의 공핍층은 급격히 감소하게 된다. 또한, 나노 입자로 전자가 공급되면서 정공 응집층은 급격히 감소되고 계면을 중심으로 나노입자의 공핍층이 확대된다. 이러한 전자의 공급은 전위 장벽을 급격히 낮추어 전하 캐리어의 이동을 자유롭게 할 뿐 아니라 나노 막대 공핍층의 두께를 디바이(Debye) 길이보다 훨씬 작게 감소시키게 된다. 이러한 반응의 결과 증가한 나노 막대 내부의 전도성 통로로 인해 저항은 급격히 줄어들고 가스 검출이 이루어진다.In this way, the oxygen ions adsorbed on the surface of the nanorod are removed, and the removed gas is discharged through the exhaust port. At the same time, when the electrons that have been adsorbed by the oxygen ions are released again and supplied to the inside of the nanorod, the depletion layer of the nanorod decreases sharply. Also, as electrons are supplied to the nanoparticles, the hole aggregation layer sharply decreases, and the depletion layer of the nanoparticles is expanded around the interface. This supply of electrons sharply lowers the potential barrier to free the charge carriers and reduces the thickness of the nanorod depletion layer to much less than the Debye length. As a result of this reaction, the increased resistance of the conductive passages inside the nanorods leads to a drastic reduction in resistance and gas detection.
나아가, 본 발명은, 기판; 절연층; 상기 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대; 및 전극을 포함하는 가스 센서를 제공한다.Further, the present invention provides a semiconductor device comprising: a substrate; Insulating layer; A bismuth oxide coated indium niobium rod for gas detection; And an electrode.
본 발명에 따른 가스센서에 있어서, 상기 기판은 반도체 기판, 도전성 기판, 비전도성 기판 등을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 반도체 기판은 실리콘 기판 또는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체 기판 등을 사용할 수 있고, 도전성 기판은 금속 기판, 도전성 유기화합물 기판 등을 사용할 수 있으며, 비전도성 기판은 유리 기판, 고분자 화합물 기판 등을 사용할 수 있다. 그러나 상기 반도체 기판 중에서 실리콘 기판은 회복성이 좋고 소비전류가 작은 장점을 가지기 때문에, 본 발명의 가스센서 제조시에는 실리콘 기판을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.In the gas sensor according to the present invention, it is preferable to use a semiconductor substrate, a conductive substrate, a nonconductive substrate, or the like. Specifically, the semiconductor substrate may be a silicon substrate, a Group III-V semiconductor substrate or the like, and the conductive substrate may be a metal substrate, a conductive organic compound substrate, or the like. The nonconductive substrate may be a glass substrate, Can be used. However, since the silicon substrate of the semiconductor substrate has good recoverability and low current consumption, it is more preferable to use a silicon substrate in manufacturing the gas sensor of the present invention.
또한, 상기 절연층은 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대 및 2종 이상의 전극 아래에 위치한다. 절연층은 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대 및 2종 이상의 전극을 기판으로부터 전기적으로 격리시키는 역할을 한다. 상기 절연층은 전기적 절연성을 가지는 것으로서, 이산화규소(SiO2), 산화알루미륨(Al2O3), 산화탄탈륨(Ta2O5), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화하프늄(HfO2), 이산화타이타늄(TiO2) 등을 포함하는 산화막과 산화질화규소(SiON), 질화규소(Si3N4) 등을 포함하는 질화막 또는 하프늄 실리콘 옥시나이트라이드(HfSiON), 하프늄실리케이트(HfSiXOY, 이때 0.1<X<9 이고, 2<Y<4 이다.) 등을 포함하는 하프늄(Hf) 계열의 절연막 등을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 열 안정성을 가지는 이산화규소를 사용하는 것이 좋다.Further, the insulating layer is positioned below the bismuth oxide coated indium oxide nanorods and two or more kinds of electrodes. The insulating layer serves to electrically isolate the bismuth oxide coated indium oxide nanorods and two or more electrodes from the substrate. The insulating layer may be made of silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium dioxide (HfO 2 ) a silicon nitride oxide film and the oxide, or the like titanium dioxide (TiO 2) (SiON), silicon nitride (Si 3 N 4) such as a nitride film or a hafnium silicon oxynitride (HfSiON), hafnium silicate (HfSi X O Y, including, where 0.1 <X < 9 and 2 < Y < 4), and the like is preferably used. More preferably, silicon dioxide having thermal stability is used.
상기 가스 센서는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 가스를 검출할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 나노 막대를 이용한 에탄올 가스 검출은 나노 막대 표면에 흡착된 산소 이온의 유무에 의해 달라지는 나노 막대의 저항 변화를 이용하여 측정한다. 최적의 온도에서는 나노 막대 표면의 이온 흡착 층이 충분히 활성화되기 때문에 산소가 이온화 되어 나노 막대 표면으로 흡착이 활발하게 일어나게 된다. 또한, 에탄올 가스 공급시 산소 이온과 에탄올과의 반응 역시 활발하게 일어나기 때문에, 에탄올과의 반응에 의한 산소 이온의 탈착이 많아져 같은 농도의 에탄올을 공급했다 하더라도 저항 변화는 커지게 된다.The gas sensor may detect at least one gas selected from the group consisting of ethanol, methanol, acetone, benzene, and toluene, but is not limited thereto. The detection of ethanol gas using nanorods is measured by the resistance change of the nanorods depending on the presence or absence of oxygen ions adsorbed on the nanorod surface. At the optimum temperature, the ion adsorption layer on the nanorod surface is sufficiently activated, so oxygen is ionized and adsorption to the nanorod surface becomes active. Also, since the reaction between oxygen ions and ethanol occurs actively during the supply of ethanol gas, the desorption of oxygen ions by the reaction with ethanol increases, so that the resistance change becomes large even if the same concentration of ethanol is supplied.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다. 단 하기 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.
<실시예 1> 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조Example 1 Production of bismuth oxide-coated indium oxide nanorods
단계 1: DC 스퍼터를 사용하여 Si 웨이퍼의 표면에 3 nm의 Au 박막을 코팅한 후에, 도가니에 황화 인듐 분말을 장입하였다. 그리고 그 위에 해당 기판을 코팅면이 아래로 오게 하여 얹어 놓았다. 이때, 기판과 분말 사이의 거리는 10 mm 이하로 유지하였다. Step 1: A 3 nm Au thin film was coated on the surface of the Si wafer using a DC sputter, and then the indium sulfide powder was charged into the crucible. Then, the substrate was placed on the substrate with the coated side facing downward. At this time, the distance between the substrate and the powder was maintained at 10 mm or less.
단계 2: 석영관 수평 관상로에 상기 단계 1의 도가니를 장입하고, 로를 밀봉한 후에, 로 내부를 진공 상태로 만들고 10℃/min의 승온 속도를 유지하며 800℃까지 가열하였다. Step 2: The crucible of step 1 was charged into the quartz tube horizontal tubular furnace, and the furnace was sealed. Then, the inside of the furnace was evacuated and heated to 800 占 폚 while maintaining a heating rate of 10 占 폚 / min.
단계 3: 캐리어 가스로 N2 또는 Ar 등의 비활성 가스를 공급하고 산화성 가스로 O2를 공급하였다. 각각의 가스는 MFC (Mass Flow Controller)를 사용하여 유량을 제어하였으며, 산소의 혼합 농도는 2%의 농도를 유지하였다. 또한, 반응시 로 내부의 압력은 1 Torr로 유지하여 1시간동안 산화 인듐 나노 막대를 제조하였다.Step 3: An inert gas such as N 2 or Ar was supplied to the carrier gas and O 2 was supplied as the oxidizing gas. Each gas was controlled by MFC (Mass Flow Controller) and the concentration of oxygen was maintained at 2%. In addition, the pressure inside the furnace was maintained at 1 Torr to prepare indium oxide nanorods for 1 hour.
단계 4: 상기 단계 3의 제조가 완료된 후, 가스의 공급을 중단하고 진공 상태를 유지하며 상온으로 로냉한 후에 진공을 제거하였다. Step 4: After the production of step 3 was completed, the supply of the gas was stopped, the vacuum was maintained, and after cooling to room temperature, the vacuum was removed.
단계 5: 상기 단계 4까지의 공정을 통해 제조된 산화 인듐 나노 막대 표면에, VLS(Vapor-Liquid-Solid)법을 이용하여, 혼합 분말에 대하여 20 중량비를 가지는 비스무트 파우더 및 황화 인듐 파우더의 혼합 분말을 코팅하여, 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 제조하였다.Step 5: A mixed powder of a bismuth powder and an indium sulfide powder having a weight ratio of 20 to the mixed powder, using a vapor-liquid-solid (VLS) method, was applied to the surface of the indium oxide- To prepare a bismuth oxide-coated indium oxide nanorods.
<실시예 2> 가스 센서의 제조≪ Example 2 > Production of gas sensor
단계 1: 상기 실시예 1의 나노 막대를 채널로 사용한 IDE (Interdigital Electrode) 형태의 FET 소자를 제작하였다. 이때, IDE 칩은 포토리소그래피(photolithography)를 통하여 Si/SiO2 (SiO2 : 300 nm) 웨이퍼 기판에 제작하였으며, 소스(source)와 드레인(drain) 간의 간격은 30μm가 되도록 제작하였다. 전극 층은 Ti/Pt (10 nm/100 nm) 두께로 전자빔 증착(E-beam evaporation)하였다. 합성된 나노 막대를 각각 50 mg씩 준비하고, 상기 나노 막대 파우더를 5 ml의 에탄올에 넣고 30초 동안 초음파 교반하였다. Step 1: An IDE (Interdigital Electrode) type FET device using the nanorods of the first embodiment as a channel was fabricated. At this time, the IDE chip was fabricated on a Si / SiO 2 (SiO 2 : 300 nm) wafer substrate through photolithography, and the distance between the source and the drain was made to be 30 μm. The electrode layer was E-beam evaporated to Ti / Pt (10 nm / 100 nm) thickness. Each of the synthesized nanorods was prepared in an amount of 50 mg, and the nanorod powder was added to 5 ml of ethanol and ultrasonically stirred for 30 seconds.
단계 2: 상기 단계 1의 교반된 현탁액을 피펫을 사용하여 IDE 칩에 1 ml를 떨어뜨린 후 300 rpm의 속도로 30초간 코팅하고, 150℃에서 1분간 건조하여 스핀코팅 하였다. 상기 과정을 5회 반복하여 IDE 칩 표면에 나노 막대가 다중 연결 구조로 전극 사이에 연결되도록 하였다. Step 2: 1 ml of the stirred suspension of Step 1 was dropped on an IDE chip using a pipette, followed by coating at a speed of 300 rpm for 30 seconds, followed by drying at 150 ° C for 1 minute to perform spin coating. The above procedure was repeated five times so that the nano bars on the surface of the IDE chip were connected between the electrodes in a multiple connection structure.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 IDE 칩을 가스 검출 장치에 장착하였다. 칩이 장착된 체임버는 석영관 수평 관상로 형태이며, 밀봉하여 외부와 차단시켰다. 다만, 가스가 공급되기 위한 튜브를 설치하고, 튜브의 끝이 IDE 칩 전방 5 mm에 위치하도록 하였고, 가스 주입 튜브의 반대쪽에는 직경 1 인치의 배기관을 설치하여, 가스 센서를 제조였다. Step 3: The IDE chip manufactured in
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
상기 실시예 1의 단계 5에서 비스무트 파우더가 없이 황화 인듐 파우더만으로 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 제조하였다.The indium niobium oxide coated with bismuth oxide was prepared in the same manner as in Example 1 except that only the indium sulfide powder was coated without the bismuth powder in the
<실험예 1> 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노막대의 형상<Experimental Example 1> The shape of the bismuth oxide-coated indium oxide nanorods
상기 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 형상을 파악하기 위해, 주사전자현미경(SEM, Hitach S4200)으로 관찰한 결과를 하기 도 1에 나타내었다.In order to understand the shape of the bismuth oxide-coated indium oxide nanorods of Example 1, the results of observation with a scanning electron microscope (SEM, Hitach S4200) are shown in Fig.
도 1에 나타난 바와 같이, 도 1의 (a)는 상기 나노 막대를 2만 배 확대 촬영한 사진이고, 도 1의 (b)는 상기 나노 막대의 표면을 관찰하기 위해 해당 사진을 20만 배로 확대하여 촬영한 사진이다. 도 1 (a)에서는 합성된 나노 물질이 로드로 합성됨과 동시에 매우 높은 종횡비를 나타냄을 알 수 있고, 이를 확대한 (b)에서는 이 나노 막대가 사각형 형태로 합성됨과 동시에 표면에 돌기가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 상기 돌기의 원인은 원료 분말에 혼합된 비스무트 분말에 의한 것임을 추정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 나노 막대가 높은 종횡비를 가지고, 비스무트를 돌기로 포함함으로써, 나노 막대의 표면적이 증가하여 상기 나노 막대를 포함하는 가스센서의 효과를 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 1, FIG. 1 (a) is a photograph of the nanorods magnified at 20,000 magnifications, and FIG. 1 (b) shows a photograph of the nanorods magnified to 200,000 magnifications . In FIG. 1 (a), the synthesized nanomaterial is synthesized as a rod and exhibits a very high aspect ratio. In (b), the nanorod is synthesized into a rectangular shape and a projection is formed on the surface can confirm. It can be assumed that the cause of the projections is attributed to the bismuth powder mixed in the raw material powder. Accordingly, the nanorods of the present invention have a high aspect ratio and include bismuth as protrusions, thereby increasing the surface area of the nanorods, thereby improving the effect of the gas sensor including the nanorods.
<실험예 2> 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노막대의 특성 분석<Experimental Example 2> Characteristic analysis of bismuth oxide-coated indium oxide nanorods
상기 실시예 1의 나노 막대가 성장한 결정 특성을 파악하기 위하여 X-선 회절 분석기(XRD, X-ray Diffractometer, Phillips X'pert MRD Pro)를 통해 분석하였으며, 박막 물질을 측정하기 위하여, 0.5o 각도의 저각 주사각을 가진 2θ 분석을 하였다. 또한, 나노 막대의 성분에 대한 정성분석과 결정성을 확인하기 위하여 에너지 분산형 X선 형광 분석기(EDS, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)가 장착된 투과전자현미경(Jeol 2100F) 촬영을 하였다. 상기 분석을 통하여 실시예 1의 산화 비스무트 나노 입자가 형성된 나노 막대와 비교예 1의 형성되지 않은 나노 막대 두 종류의 성분과 결정성을 분석하였고, 이를 하기 도 2 내지 4에 나타내었다.In order to understand the determination of properties of the nanorods grown in Example 1 were analyzed by X- ray diffraction (XRD, X-ray Diffractometer, Phillips X'pert MRD Pro), to measure a thin film material, 0.5 o The angle analysis was performed with a 2θ analysis with a low angle corner. In addition, a transmission electron microscope (Jeol 2100F) equipped with an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was performed to confirm the qualitative analysis and the crystallinity of the components of the nanorods. Through the above analysis, the components of the nanorods formed with the bismuth oxide nanoparticles of Example 1 and the nanorods of Comparative Example 1 were analyzed and their crystallizabilities were analyzed. The results are shown in FIGS. 2 to 4.
도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 산화 비스무트 나노 입자가 형성된 나노 막대 및 비교예 1의 산화 비스무트 나노 입자가 형성되지 않은 나노 막대의 두 그래프에서 모두 산화 인듐 피크가 강하게 나타남을 알 수 있다. 반면에, 실시예 1의 산화 비스무트 나노 입자가 형성된 나노 막대의 그래프에는 산화 비스무트 피크가 형성됨을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 2, indium oxide peaks strongly appear in both the nanorods formed with the bismuth oxide nanoparticles of Example 1 and the nanorods without the bismuth oxide nanoparticles of Comparative Example 1. On the other hand, it can be confirmed that a bismuth oxide peak is formed in the graph of nanorods in which the bismuth oxide nanoparticles of Example 1 are formed.
도 3에 나타난 바와 같이, 도 3(a)와 (d)는 저배율 TEM 사진으로, 두 사진을 비교하면 (a)와는 달리 (d)에는 표면에 돌기가 합성되어 있는 것을 발견할 수 있다. 또한, 도 3(b)와 (e)에는 상기 두 종류의 나노 막대의 고분해능 이미지 사진을 촬영한 것으로, 산화 인듐의 결정 격자 패턴을 확인할 수 있다. 상기 패턴은 비교적 선명하게 나타나 있으며, 이 격자의 간격을 통하여 합성된 물질이 산화 인듐이며, 표면에 형성된 돌기는 산화 비스무트임을 확인할 수 있다. 나아가, 도3(c)와 (f)는 각각의 제한시야 전자 빔 회절 분석을 나타낸 그림이며, 그림 3(c)에서는 단결정으로 합성된 산화 인듐의 회절 격자만이 나타나 있는 반면에, 그림 3(f)에는 이 회절 패턴 외에도 링 형태의 산화 비스무트 회절 패턴이 나타나 있음을 확인할 수 있다. 규칙적인 산화 인듐의 회절 패턴과 달리 산화 비스무트의 경우 링 형태로 나타나는데, 이는 다결정 물질의 전형적인 형태로 표면에 형성된 산화 비스무트의 경우 나노 입자 하나의 결정은 단결정일지라도, 표면에 형성된 입자들의 성장 방향은 각기 다르기 때문에 다결정 형태의 링으로 패턴이 나타난 것으로 설명할 수 있다. 또한, 링 패턴은 매우 어둡게 나타났는데, 이는 산화 인듐의 경우 매우 우수한 특성의 결정이 많은 양으로 합성되어 있는 반면 산화 비스무트의 경우 그 양이 매우 적기 때문에 링 패턴의 경우 상대적으로 희미하게 나타나 있다.As shown in FIG. 3, FIGS. 3 (a) and 3 (d) are low-magnification TEM photographs. When the two photographs are compared, it can be seen that a protrusion is synthesized on the surface in (d). 3 (b) and 3 (e), high-resolution image photographs of the two types of nanorods were taken, and crystal lattice patterns of indium oxide can be confirmed. The pattern is relatively clear and the material synthesized through the interval of the lattice is indium oxide, and the protrusion formed on the surface is bismuth oxide. 3 (c) and 3 (f) show the diffraction gratings of indium oxide synthesized by a single crystal, while FIG. 3 (c) f) shows that a ring-shaped bismuth oxide diffraction pattern appears in addition to this diffraction pattern. Unlike a regular diffraction pattern of indium oxide, bismuth oxide appears as a ring in the form of a ring. In the case of bismuth oxide formed on the surface as a typical type of polycrystalline material, although one crystal of a nanoparticle is a single crystal, It can be explained that a pattern is formed by a polycrystalline ring. In addition, the ring pattern is very dark, as indium oxide is synthesized in large quantities with very good crystallinity, whereas in the case of bismuth oxide, the amount of the bismuth is relatively small in the ring pattern.
도 4에 나타난 바와 같이, 도 4(a)는 도 3(d)의 주사투과전자현미경(STEM) 사진이다. 상기 사진은 EDS 분석을 위한 사진으로 EDS 분석은 이 사진에서 나타난 물질의 성분 분석을 한 사진이다. 도 4(b) 내지 (d)는 도 4(a)의 EDS mapping 분석 사진이다. 상기 사진들은 각각 산소, 인듐, 비스무트를 나타낸 사진으로 각각의 성분 분포와 그 양을 나타낸다. 이 그림을 통해, 합성된 물질의 돌기 부분은 산화 비스무트 나노 입자임을 확인할 수 있으며, 나노 막대는 산화 인듐으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. 또한, 대체로 나노 막대 부분에는 비스무트가 도핑되어 있지 않고, 반대로 나노 입자 부분에는 인듐이 도핑되어 있지 않음을 확인할 수 있다. 다만, EDS는 정성 분석의 해상도가 비교적 높지 않기 때문에 정확한 도핑 정도는 이 분석을 통하여 파악하기 어렵다.As shown in Fig. 4, Fig. 4 (a) is a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph of Fig. 3 (d). The above photograph is a photograph for the EDS analysis. The EDS analysis is a photograph of the composition of the substance shown in the photograph. 4 (b) to 4 (d) are photographs of the EDS mapping analysis of FIG. 4 (a). The photographs show oxygen, indium, and bismuth, respectively, and show the distribution and the amount of each component. From this figure, it can be seen that the protruding part of the synthesized material is bismuth oxide nanoparticles, and the nanorods are made of indium oxide. In addition, it can be confirmed that bismuth is not generally doped in the nanorod portion and conversely, indium is not doped in the nanoparticle portion. However, since the resolution of qualitative analysis is not relatively high in EDS, it is difficult to grasp the exact degree of doping through this analysis.
<실험예 3> 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노막대의 에탄올 가스 검출 특성Experimental Example 3 Detection characteristics of ethanol gas in bismuth oxide-coated indium oxide nanorods
상기 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대와 비교예 1의 산화 비스무트가 코팅되지 않은 산화 인듐 나노 막대의 에탄올 가스 검출 특성을 분석하기 위해 하기와 같이 실험하였다. In order to analyze the ethanol gas detection characteristics of the indium oxide nanorods coated with the bismuth oxide oxide of Example 1 and the indium oxide nanorods not coated with the bismuth oxide of Comparative Example 1, the following experiment was conducted.
석영 수평 관상로를 챔버로 하고, 온도를 제어하기 위하여 상기 관상로의 표면을 가열하는 자켓식 머플퍼니스를 사용하였으며, 온도제어를 위해서 요코가와 PID를 사용하였다. 정확한 온도 측정을 위하여 k-type 열전대를 사용하여 센서 칩 표면과 퍼니스의 온도를 측정하였다. 가스의 공급은 센서 전방 5mm에서 분사되도록 하였고, 후방에 배기관을 설치하여 자연 배기되도록 하였다. 가스의 공급은 합성공기로 희석된 200ppm 에탄올 가스와 합성공기 두 가스를 준비하고 MFC(KOFLOC-3660)를 이용하여 비율을 조절하여 각각의 농도의 가스를 공급하였다. 가스 검출 특성은 센서에 전극을 연결하여 소스미터(Keithley사, Model No. 2612)를 사용하여 측정하였다. 200℃의 온도에서 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대와 비교예 1의 산화 비스무트가 코팅되지 않은 산화 인듐 나노 막대를 대상으로 실험을 진행한 결과를 하기 도 5(a)와 (b)에 나타내었다. 또한, 저항 변화값의 90% 지점에서 저항을 측정하여 Ra/Rg*100(%)의 값을 나타낸 결과를 하기 도 5(c)에 나타내었다. 도 5의 (a), (b)에서 나타난 값을 바탕으로 분석한, 타겟 가스를 공급하였을 때 저항 변화의 90% 지점에서 측정한 시간과 공기가스를 공급하였을 때 나타난 저항변화의 90% 지점에서 측정한 시간을 표기한 그래프를 하기 도 6에 나타내었다.A quartz horizontal tubular furnace was used as a chamber, and a jacket type muffle furnace for heating the surface of the tubular furnace was used to control the temperature, and Yokogawa PID was used for temperature control. For the accurate temperature measurement, the temperature of the surface of the sensor chip and the temperature of the furnace were measured using a k-type thermocouple. The supply of gas was injected at 5mm from the front of the sensor, and exhaust pipe was installed at the rear to allow natural exhaust. For the gas supply, 200ppm ethanol gas and synthetic air diluted with synthetic air were prepared and the gas was supplied at each concentration by adjusting the ratio using MFC (KOFLOC-3660). Gas detection characteristics were measured using a source meter (Keithley, Model No. 2612) with electrodes connected to the sensor. Experiments were conducted on indium oxide nanorods coated with bismuth oxide of Example 1 at a temperature of 200 ° C and indium oxide nanorods not coated with bismuth oxide of Comparative Example 1 as shown in FIGS. 5 (a) and 5 b). 5 (c) shows the result of measuring the resistance at 90% of the resistance change value and showing the value of Ra / Rg * 100 (%). Based on the values shown in Figs. 5 (a) and 5 (b), when the target gas was supplied, the time measured at 90% of the resistance change and the 90% A graph showing the measured time is shown in Fig.
도 5에 나타난 바와 같이, 그래프를 분석한 결과 각각의 농도 반응에서 검출 반응은 매우 빠르게 나타난 반면, 회복 반응은 다소 느리게 나타남을 확인할 수 있다. 도 6(a)와 (b)에서 나타난 바와 같이, 농도에 따른 속도의 차이는 크지 않음을 알 수 있다. 이는 화학 반응을 통해 나노 막대 표면의 산소와 에탄올이 반응해 표면의 산소 이온이 탈착되는 속도는 빠르지만, 한번 탈착된 산소가 회복 가스를 공급하였을 때 다시 흡착되기 어렵고, 회복가스를 공급하더라도 나노 막대 사이에 존재하는 에탄올 가스가 완전히 배출되는데 시간이 걸리기 때문인 것으로 추정할 수 있다. 상기 비교예 1에 비하여 실시예 1의 베이스 저항이 더 높게 나타났고, 검출 반응시 나타나는 저항 변화 역시 실시예 1이 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이 차이는 검출하고자 하는 에탄올의 농도가 높아질수록 더 크게 나타나게 되는데, 이는 도 5(c)를 통하여 확인할 수 있다. 이 그래프에서 나타난 바와 같이 에탄올의 농도가 10 ppm일 경우에 두 센서의 검출 특성 차이는 거의 나타나지 않는다. 반면 20 ppm 이상으로 농도가 높아지면 검출 특성의 차이가 심해지기 시작해서 농도가 증가할수록 그 차이는 급격히 벌어짐을 확인할 수 있다. 이는, 저농도의 경우, 저항 변화가 작고 검출되는 타겟 가스가 매우 미량이기 때문에 반응 자체가 잘 일어나지 않기 때문으로 추정된다. As shown in FIG. 5, the analysis of the graph shows that the detection reaction is very fast in each concentration reaction, while the recovery reaction is somewhat slow. As shown in Figs. 6 (a) and 6 (b), it can be seen that the difference in the velocity according to the concentration is not large. This is because the oxygen on the nanorod surface reacts with the ethanol on the surface of the nanorod via the chemical reaction, and the oxygen ion on the surface is desorbed at a high rate. However, once the desorbed oxygen has supplied the recovery gas, it is difficult to be adsorbed again. It can be assumed that it takes a long time to completely discharge the ethanol gas present between the fuel cell and the fuel cell. The base resistance of Example 1 was higher than that of Comparative Example 1, and the resistance change in the detection reaction was also larger than that of Example 1. The difference becomes larger as the concentration of ethanol to be detected is higher, which can be confirmed through FIG. 5 (c). As shown in this graph, when the concentration of ethanol is 10 ppm, there is almost no difference in detection characteristics between the two sensors. On the other hand, when the concentration is higher than 20 ppm, the difference of the detection characteristics begins to increase, and the difference is seen to increase rapidly as the concentration increases. This is presumably because, in the case of the low concentration, the resistance change is small and the target gas to be detected is very small, so that the reaction itself does not occur well.
도 6(a)와 (b)에서는 상기 반응과 회복 속도에 대한 분석이 이루어졌는데, 그 결과 비교예 1의 반응과 회복 반응 속도가 각각 13 초와 350 초 전후에서 나타났고, 실시예 1의 경우 각각 24 초와 190초 전후로 나타남을 확인할 수 있다. 비교예 1의 경우 반응 속도는 빠르지만 회복 속도는 느려 그 차이가 약 30 배 정도 난 반면, 실시예 1의 경우 그 차이가 8배 이하로 나타났다. 또한, 반응 속도는 비교예 1이 더 빠르게 나타난 반면, 회복 속도는 실시예 1이 훨씬 더 빠른 것으로 나타났다. 이는 산화 비스무트 나노 입자에 의한 영향으로 판단할 수 있는데, 상기 물질의 촉매 역할에 의해 산소가 나노 물질의 표면에 쉽게 흡수되어 정전기적으로 흡착되기 쉬운 반면, 흡착된 산소가 에탄올과의 반응에 의해 탈착되기는 어렵기 때문으로 설명할 수 있다. 산화 인듐의 가스 검출 반응 시간은 10 내지 20 초 수준으로 매우 빠른 편인 반면, 회복에는 수 백 초를 소모한다. 따라서, 다소 느려진 반응 시간은 큰 의미를 가지지 않는 반면, 회복 시간의 감소는 큰 이점으로 작용한다고 할 수 있다. 6 (a) and (b), the reaction and the recovery rate were analyzed. As a result, the reaction and the reaction rate of Comparative Example 1 were found to be about 13 seconds and about 350 seconds, respectively. In Example 1 It can be seen that it appears around 24 seconds and 190 seconds respectively. In the case of Comparative Example 1, although the reaction rate was fast, the recovery rate was slow and the difference was about 30 times, whereas in Example 1, the difference was 8 times or less. Also, the rate of reaction was faster for Comparative Example 1, while the rate of recovery was much faster for Example 1. This can be attributed to the influence of the bismuth oxide nanoparticles. Oxygen is easily adsorbed on the surface of the nanomaterial due to the catalytic function of the substance, and adsorbed electrostatically, while adsorbed oxygen is desorbed It can be explained that it is difficult to be. The gas detection reaction time of the indium oxide is very fast, which is on the order of 10 to 20 seconds, but consumes hundreds of seconds for recovery. Therefore, the somewhat slower reaction time does not have much meaning, but the reduction of recovery time is a big advantage.
<실험예 4> 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노막대의 특성<Experimental Example 4> Characteristics of bismuth oxide-coated indium oxide nanorods
상기 실시예 1의 단계 5에서 비스무트 파우더가 혼합 분말에 대하여, 0, 10, 20, 30, 40 중량비를 가지는 원료 분말을 사용하여 나노 막대를 합성한 후 200℃, 200 ppm의 에탄올 가스 검출 특성을 하기 실험을 통해 분석하였다.In
석영 수평 관상로를 챔버로 하고, 온도를 제어하기 위하여 상기 관상로의 표면을 가열하는 자켓식 머플퍼니스를 사용하였으며, 온도제어를 위해서 요코가와 PID를 사용하였다. 정확한 온도 측정을 위하여 k-type 열전대를 사용하여 센서 칩 표면과 퍼니스의 온도를 측정하였다. 가스의 공급은 센서 전방 5mm에서 분사되도록 하였고, 후방에 배기관을 설치하여 자연 배기되도록 하였다. 가스의 공급은 합성공기로 희석된 200ppm 에탄올 가스와 합성공기 두 가스를 준비하고 MFC(KOFLOC-3660)를 이용하여 비율을 조절하여 각각의 농도의 가스를 공급하였다. 가스 검출 특성은 센서에 전극을 연결하여 소스미터(Keithley사, Model No. 2612)를 사용하여 측정하였다. 상기 나노막대들의 각각의 센서를 장치에 장착하여, 200℃의 온도에서 200ppm의 가스를 공급하여 검출 특성을 측정하였고, 각각의 측정시 1V의 전압을 인가하였고, 이때 나타나는 저항값을 0.5초마다 1회씩 측정하여 도출된 결과그래프를 하기 도 7에 나타내었다. 상기 나노 막대들 중, 비스무트 파우더가 혼합 분말에 대하여, 0 및 20 중량비를 가지는 원료 분말을 사용한 나노 막대를 대상으로만 실험하면서, 200ppm의 에탄올 가스를 공급하며 온도를 달리하여 측정한 반응값을 하기 도 8에 나타내었다.A quartz horizontal tubular furnace was used as a chamber, and a jacket type muffle furnace for heating the surface of the tubular furnace was used to control the temperature, and Yokogawa PID was used for temperature control. For the accurate temperature measurement, the temperature of the surface of the sensor chip and the temperature of the furnace were measured using a k-type thermocouple. The supply of gas was injected at 5mm from the front of the sensor, and exhaust pipe was installed at the rear to allow natural exhaust. For the gas supply, 200ppm ethanol gas and synthetic air diluted with synthetic air were prepared and the gas was supplied at each concentration by adjusting the ratio using MFC (KOFLOC-3660). Gas detection characteristics were measured using a source meter (Keithley, Model No. 2612) with electrodes connected to the sensor. Each sensor of the nanorods was mounted on the device and 200 ppm of gas was supplied at a temperature of 200 ° C to measure the detection characteristics. A voltage of 1 V was applied to each measurement, FIG. 7 shows the resultant graph obtained by measuring the number of times. Among the nanorods, 200 ppm ethanol gas was supplied to the nanorods using bismuth powder and raw material powder having a weight ratio of 0 and 20 to the mixed powder, 8.
도 7에 나타난 바와 같이, 그래프의 데이터는 결과 값의 직관적인 비교를 위해 저항값이 아닌 반응값을 계산하여 표시하였으며, 그래프 오른쪽 상단부에는 샘플에 따라서 반응값이 어떻게 달라지는지를 비교하였다. 그 결과, 상기 실시예 1의 에탄올 가스 검출 특성이 가장 우수했음을 알 수 있었다. As shown in FIG. 7, the data of the graph is calculated by calculating the reaction value, not the resistance value, for the intuitive comparison of the result value, and the reaction value varies according to the sample in the upper right part of the graph. As a result, it was found that the ethanol gas detection characteristic of Example 1 was the most excellent.
도 8에 나타난 바와 같이, 상기 비교예 1의 산화 비스무트가 코팅되지 않은 나노 막대의 경우, 250℃에서 최적의 검출 특성을 보인 반면, 상기 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 나노 막대의 경우에는 그보다 50℃ 낮은 200℃에서 가장 높은 반응값을 나타낸 것으로 확인되었다. 또한, 모든 온도에서 실시예 1은 비교예 1보다 높은 반응값을 나타내 온도에 관계 없이 실시예 1의 가스 검출 성능이 더 좋은 것을 확인할 수 있다. 나노 막대를 이용한 에탄올 가스 검출은 나노 막대 표면에 흡착된 산소 이온의 유무에 의해 달라지는 나노막대의 저항 변화를 이용하여 측정한다. 따라서 나노 막대 표면의 산소 흡착을 분석하는 것이 중요한데, 저온에서는 나노 막대 표면에 존재하는 이온의 흡착 층이 거의 활성화 되지 않는다. 따라서 이 경우 나노 막대가 공기중에 노출된다 하더라도 나노 막대는 산소를 흡착하지 못하게 되며, 나노 막대 표면의 공핍층은 거의 생성되지 못하게 된다. 또한, 이 상황에서 에탄올 가스가 공급된다 하더라도 산소 이온과 에탄올의 반응은 활발히 일어나지 못할 뿐 아니라, 흡착된 산소 이온의 양이 적은 만큼 전체적인 저항 변화 역시 작아질 수밖에 없다. 반면 최적의 온도에서는 나노 막대 표면의 이온 흡착 층이 충분히 활성화되기 때문에 산소가 이온화 되어 나노 막대 표면으로 흡착이 활발하게 일어나게 된다. 또한 에탄올 타겟 가스 공급시 산소 이온과 에탄올과의 반응 역시 활발하게 일어나기 때문에, 에탄올과의 반응에 의한 산소 이온의 탈착이 많아져 같은 농도의 에탄올을 공급했다 하더라도 저항 변화는 더욱 커지게 된다. 반면, 온도가 너무 높아지면 나노 막대의 전하 캐리어 농도가 급격하게 증가하게 된다. 이 경우 나노 막대 표면에 흡착된 산소 이온이 너무 강하게 결합되어 에탄올과의 반응에 의해 탈착되는 양이 적어질 뿐 아니라, 증가된 전하 캐리어에 의해 공핍층이 감소하여, 산소 흡착에 의해 생성된 공핍층이 사라져 버리게 된다. 따라서 에탄올이 공급된다 하더라도 저항 변화는 크게 변화하지 않게 된다. 따라서 가스 검출을 위한 최적의 온도를 찾는 것이 중요하며, 두 종류의 센서에서 최적의 결과를 나타내는 온도는 다소 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 나노 막대 표면에 존재하는 산화 비스무트 나노 입자 때문으로 판단되며, 산화 비스무트가 산소의 흡착과 에탄올 산화의 촉매로 작용하여 최적의 검출 반응 온도를 다소 낮출 수 있었던 것으로 예상할 수 있다.As shown in FIG. 8, in the case of the nanodevice without the bismuth oxide coating of Comparative Example 1, the optimal detection characteristics were shown at 250 ° C., whereas in the case of the nanodevice coated with the bismuth oxide of Example 1, It was confirmed that the highest reaction value was obtained at 200 ° C, which is 50 ° C lower. In addition, Example 1 exhibited a higher reaction value than Comparative Example 1 at all temperatures, indicating that the gas detection performance of Example 1 was better regardless of the temperature. The detection of ethanol gas using nanorods is measured by the resistance change of the nanorods depending on the presence or absence of oxygen ions adsorbed on the nanorod surface. Therefore, it is important to analyze the oxygen adsorption on the surface of the nanorods. At low temperatures, the adsorption layer of ions existing on the nanorod surface is scarcely activated. Therefore, even if the nanorods are exposed to air in this case, the nanorods will not adsorb oxygen, and the depletion layer on the nanorod surface will hardly be produced. Also, even if ethanol gas is supplied in this situation, not only the reaction of oxygen ions and ethanol does not actively take place but also the overall resistance change becomes small as the amount of adsorbed oxygen ions is small. On the other hand, at the optimal temperature, since the ion adsorption layer on the nanorod surface is sufficiently activated, the ionization of oxygen causes the adsorption to the surface of the nanorods actively. Also, since the reaction of oxygen ions with ethanol during the supply of the ethanol target gas is also active, the desorption of oxygen ions due to the reaction with ethanol increases, so that the resistance change becomes larger even if the same concentration of ethanol is supplied. On the other hand, if the temperature is too high, the charge carrier concentration of the nanorod increases sharply. In this case, the oxygen ions adsorbed on the surface of the nanorod are too strongly bound to be desorbed by the reaction with ethanol, and the depletion layer decreases due to the increased charge carrier, so that the depletion layer Will disappear. Therefore, even if ethanol is supplied, the resistance change does not change significantly. Therefore, it is important to find the optimal temperature for gas detection, and it can be seen that the temperature that gives the best results in two kinds of sensors is somewhat different. This can be attributed to the presence of bismuth oxide nanoparticles on the surface of the nanorods, and it can be expected that the bismuth oxide acts as a catalyst for oxygen adsorption and ethanol oxidation, resulting in a somewhat lower optimal detection reaction temperature.
<실험예 5> 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 가스별 선택성Experimental Example 5: Selectivity of bismuth oxide-coated indium oxide nanorods by gas
상기 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대와 비교예 1의 산화 비스무트가 코팅되지 않은 산화 인듐 나노 막대의 가스별 선택성을 나타내기 위해, 200℃의 온도에서 200ppm의 각기 다른 휘발성 유기 화합 가스를 공급하였을 때 나타나는 가스 검출 반응값을 표현한 그래프를 하기 도 9에 나타내었다.In order to show the selectivity of each of the indium oxide nanorods coated with the bismuth oxide-containing oxide of Example 1 and the indium oxide nanorods not coated with the bismuth oxide oxide of Comparative Example 1, 200 ppm of each of the other volatile organic compounds FIG. 9 is a graph showing a gas detection reaction value when the gas is supplied.
도 9에 나타난 바와 같이, 에탄올을 포함하여 5종류의 VOC (Volatile Organic Compound) 가스의 검출 특성을 측정하였다. 그 결과 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대는 에탄올에서 가장 높은 검출 반응 특성을 나타내었고, 다른 가스들에서는 상대적으로 낮은 검출 특성을 나타냄으로써, 에탄올 가스에서 크게 향상된 검출 성능을 확인할 수 있다. 반면에, 비교예 1의 산화 비스무트가 코팅되지 않은 산화 인듐 나노 막대는 에탄올을 비롯한 다른 가스에 대한 선택성이 크게 다르지 않은 것으로 나타나, 에탄올 가스에 대한 검출 성능이 본 발명의 실시예 1에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예 1의 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 경우 200℃의 온도에서 에탄올 산화 반응을 위한 촉매 특성이 가장 활발하기 때문에 에탄올 가스의 검출 특성이 가장 우수하다고 말할 수 있다.As shown in FIG. 9, the detection characteristics of five kinds of VOC (Volatile Organic Compound) gases including ethanol were measured. As a result, the bismuth oxide-coated indium oxide nanorods of Example 1 exhibited the highest detection response characteristics in ethanol and relatively low detection characteristics in other gases, thereby confirming greatly improved detection performance in ethanol gas have. On the other hand, the indium oxide indium nano bar having no bismuth oxide coating of Comparative Example 1 showed that the selectivity to other gases including ethanol was not significantly different, and the detection performance against ethanol gas was lower than that of Example 1 of the present invention Can be confirmed. Therefore, in the case of the indium niobium oxide coated with bismuth oxide of Example 1, the catalyst characteristic for the ethanol oxidation reaction is most active at a temperature of 200 ° C, so that the detection characteristic of the ethanol gas is the most excellent.
<실험예 6> <Experimental Example 6>
상기 실시예 1의 산화 인듐 나노 막대 표면에 산화 비스무트 나노 입자가 형성된 접합 구조의 에너지 다이어그램 및 나노 막대에 형성되는 전하 캐리어와 공핍층 변화에 대한 그래프를 하기 도 11에 나타내었다. An energy diagram of the junction structure in which the bismuth oxide nanoparticles are formed on the surface of the indium oxide nanorods of Example 1 and a graph of the change of the charge carrier and the depletion layer formed in the nanorod are shown in FIG.
도 11에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1의 산화 인듐 나노 막대 표면에 흡착된 산소에 의해 전자가 방출되며 n형 반도체인 산화 인듐 나노 막대 표면에서는 공핍층이 형성되는 반면, p형 반도체인 산화 비스무트 나노 입자는 정공을 전하 캐리어로 사용하기 때문에 전하 캐리어가 응집하게 된다. 이로 인하여 나노막대 표면으로부터 전자를 더욱 흡수하게 되고, 도 11 (b)와 같이 나노 입자 주변의 나노 막대 내부로는 디바이(Debye) 길이보다 더 두꺼운 공핍층이 발생함과 더불어 전위 장벽이 매우 높게 증가하여 전자의 흐름을 방해하고 그 결과 저항이 증가함을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 11, electrons are released by the oxygen adsorbed on the surface of the indium oxide nanorods of Example 1, and a depletion layer is formed on the surface of the indium oxide nanorod, which is an n-type semiconductor. On the other hand, Because the nanoparticles use holes as charge carriers, the charge carriers will flocculate. As a result, electrons are more absorbed from the surface of the nanorod, and as shown in FIG. 11 (b), a depletion layer which is thicker than the length of the Debye is generated inside the nanorod around the nanoparticle, And it can be confirmed that the resistance is increased as a result.
Claims (11)
상기 단계 1에서 제조된 산화 인듐 나노 막대의 표면에 산화 비스무트 나노 입자를 형성시키는 단계(단계 2)를 포함하며,
상기 단계 1의 공정은 황화 인듐 분말을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 검출을 위한 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대의 제조방법.
Preparing an indium oxide nanorod (step 1); And
(Step 2) of forming bismuth oxide nanoparticles on the surface of the indium oxide nanorods prepared in the step 1,
Wherein the step of the step 1 is carried out using an indium sulfide powder. 2. A method for manufacturing a bismuth oxide-coated indium oxide nanorod, comprising the steps of:
The method according to claim 2, wherein the step (1) of the indium oxide nanorods is carried out by at least one method selected from the group consisting of a Vapor-Liquid-Solid (VLS) method, a hydrothermal synthesis method and an electrospinning method Coated bismuth oxide nanostructures for gas detection.
[3] The method according to claim 2, wherein a mixed gas of an oxidizing gas or a divalent inert gas is supplied to the step 1).
3. The method according to claim 2, wherein the step (2) is carried out using a raw material in which a bismuth powder and an indium sulfide powder are mixed.
[7] The method of claim 6, wherein the bismuth powder is included in an amount of 10 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed raw material.
3. The method of claim 2, wherein the step (2) is performed by a Vapor-Liquid-Solid (VLS) method.
3. The gas detection method according to claim 2, wherein the gas detection is for detecting at least one gas selected from the group consisting of ethanol, methanol, acetone, benzene and toluene. Method of manufacturing nanorods.
상기 단계 1에서 제조된 산화 인듐 나노 막대의 표면에 산화 비스무트 나노 입자를 형성시키는 단계(단계 2)를 포함 산화 비스무트가 코팅된 산화 인듐 나노 막대를 포함하는 가스 센서의 제조방법.
Preparing an indium oxide nanorod using an indium sulfide powder (step 1); And
And a step (b) of forming the bismuth oxide nanoparticles on the surface of the indium oxide nanorod formed in the step (1), wherein the bismuth oxide nanorod is coated with bismuth oxide.
The gas sensor according to claim 10, wherein the gas sensor manufactured by the method of manufacturing the gas sensor detects at least one gas selected from the group consisting of ethanol, methanol, acetone, benzene and toluene. Way.
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