KR101817015B1 - Gas sensor and member using catalyst functionalized macroporous tungsten oxide nanofibers synthesized by catalyst decorated polymeric colloid templates, and manufacturing method thereof - Google Patents

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최선진
김범준
구강희
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한국과학기술원
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Abstract

Disclosed are a sensor material comprising a one-dimensional porous metal oxide nanofiber in which catalytic particles are uniformly transferred at a position where spherical and elliptical pores and irregular-shaped concavo-convex structures are formed on the surface, and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a porous metal oxide nanofiber sensor material having a one-dimensional structure with maximized catalytic effect by using a block copolymer template in which catalyst nanoparticles are uniformly bound to form a plurality of pores in a finally formed gas sensing material to activate the diffusion and reaction of gas, and by uniformly transferring the catalyst nanoparticles.

Description

촉매가 기능화된 폴리머 콜로이드를 템플레이트로 이용한 촉매가 전사된 다공성 금속산화물 나노섬유 제작 방법 및 이를 포함하는 가스센서{Gas sensor and member using catalyst functionalized macroporous tungsten oxide nanofibers synthesized by catalyst decorated polymeric colloid templates, and manufacturing method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for manufacturing porous metal oxide nanofibers to which a catalyst having a functionalized polymer colloid as a template is transferred, and a gas sensor including the porous metal oxide nanofiber, thereof}

본 발명은 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 균일하게 촉매가 분포된 구형의 폴리머 콜로이드를 템플레이트로 활용하여, 1차원 구조를 가지는 금속산화물 감지소재 표면에 다수의 거대 기공을 형성시키고, 형성된 기공 위치에 균일하게 나노 크기의 촉매를 전사시킨 금속산화물 반도체 나노섬유 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a member for a gas sensor, a gas sensor using the same, and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a gas sensor using a spherical polymer colloid having uniformly distributed catalysts as a template, Metal oxide semiconductor nanofibers in which a large number of macropores are formed and nano-sized catalysts are uniformly transferred to pores formed, members for gas sensors using the same, gas sensors and a method for manufacturing the same.

금속산화물을 이용한 가스감지 소재는 단순한 저항변화 원리를 기반으로 동작하기 때문에 복잡한 회로 없이 센서를 구성할 수 있어서 간단하면서도 소형화된 형태로 다수의 유해한 환경 가스를 감지하기 위한 상용화된 시제품이 개발되기도 한다. 또한, 매우 소량의 소재만을 사용하여 센서를 제작할 수 있기 때문에, 최근 휴대형 가스센서 개발에 대한 관심이 집중되고 있다. 기본적으로 금속산화물 기반의 가스 감지소재는 표면에서 일어나는 화학적인 반응에 의하여 전기적인 저항 값이 변화하게 된다. 따라서 표면에서 일어나는 화학적인 반응이 극대화 될수록 금속산화물 감지소재의 저항변화가 극대화 되며, 궁극적으로 감지특성이 매우 우수한 가스 센서를 개발할 수 있게 된다. 이러한 관점에서 금속산화물 감지소재의 표면적이 극대화되어야 표면에서 일어나는 화학반응 면적을 최대화 하게 되어, 높은 감지특성을 가지는 소재를 개발할 수 있게 된다. 이뿐만 아니라, 가스분자들이 감지소재 내부로 쉽게 침투하여야 표면에서의 가스반응을 촉진시킬 수 있기 때문에, 금속산화물 감지소재가 다수의 기공을 포함하는 구조가 고감도 센싱 특성을 나타낼 수 있다고 말할 수 있다.Since gas sensing materials using metal oxides operate based on simple resistance change principle, it is possible to construct sensors without complicated circuits, so commercialized prototypes are developed to detect a large number of harmful environmental gases in a simple and compact form. In addition, since a sensor can be manufactured using only a very small amount of material, interest in developing a portable gas sensor has recently been focused. Basically, the metal oxide based gas sensing material changes its electrical resistance value by the chemical reaction occurring on the surface. Therefore, as the chemical reaction occurring on the surface is maximized, the resistance change of the metal oxide sensing material is maximized, and ultimately, a gas sensor having excellent sensing characteristics can be developed. From this point of view, the surface area of the metal oxide sensing material must be maximized to maximize the chemical reaction area occurring on the surface, and a material having high sensing properties can be developed. In addition, it can be said that the structure in which the metal oxide sensing material includes a plurality of pores can exhibit a high sensitivity sensing characteristic since the gas molecules can easily penetrate into the sensing material to promote the gas reaction on the surface.

감지특성뿐만 아니라, 특정한 가스를 선택적으로 감지할 수 있는 선택성은 가스센서 성능에 있어서 매우 중요한 요소가 된다. 일반적으로 선택성을 높이는 방법은 촉매소재를 금속산화물 감지소재 표면에 더 결착시킴으로써 이루어진다. 촉매소재는 대표적으로 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 등과 같은 귀금속 촉매들이 가장 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 귀금속 촉매들은 금속산화물 표면에 결착되어, 표면에서 가스분자의 분해반응과 금속산화물 표면에 흡착되어 있는 이온화된 산소와 쉽게 반응할 수 있도록 화학반응을 촉진시키는 역할을 수행한다. 따라서, 촉매의 역할은 금속산화물 감지소재 표면에서 가스와의 반응을 활성화시켜서 고감도 특성을 나타나게 할 뿐만 아니라, 특정 가스에 대한 분해반응 및 화학반응을 촉진시켜 선택성을 향상시키는 역할을 한다.In addition to the sensing properties, the selectivity to selectively sense a specific gas is a very important factor in gas sensor performance. Generally, a method of increasing the selectivity is achieved by further bonding the catalytic material to the surface of the metal oxide sensing material. It is known that noble metal catalysts such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), silver (Ag) These noble metal catalysts bind to the surface of the metal oxide and promote the chemical reaction so as to easily react with the decomposition reaction of the gas molecules on the surface and the ionized oxygen adsorbed on the metal oxide surface. Therefore, the role of the catalyst not only promotes the reaction with the gas at the surface of the metal oxide sensing material to exhibit the high sensitivity characteristic, but also serves to enhance the selectivity by promoting the decomposition reaction and the chemical reaction for the specific gas.

최근 나노기술이 급속도로 발전함에 따라서 다양한 나노구조 및 표면 구조가 제어된 금속산화물 가스감지 소재의 개발이 이루어지고 있다. 특히, 종래에 활용되는 마이크로 입자형태의 금속산화물 감지소재는 상대적으로 입자의 크기가 크다는 점과, 입자와 입자간의 치밀한 구조 때문에 가스가 감지소재 내부로 쉽게 침투 할 수 없어서 1 ppm의 매우 낮은 가스농도에 대하여 고감도 특성을 얻기가 어렵다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 나노기술을 이용한 나노로드, 나노섬유, 나노와이어 등과 같은 표면적이 넓고, 기공도가 높은 금속산화물 감지소재를 이용하여 고감도 가스감지 소재의 개발이 이루어지고 있다.As nanotechnology has been rapidly developed, metal oxide gas sensing materials having various nanostructures and surface structures are being developed. Particularly, the conventional micro-particle type metal oxide sensing material has a relatively large particle size and a dense structure between the particles and particles, so that the gas can not easily penetrate into the sensing material, It is difficult to obtain high sensitivity characteristics. In order to overcome such disadvantages, a highly sensitive gas sensing material has been developed using a metal oxide sensing material having a wide surface area and high porosity such as nano-rods, nanofibers, and nanowires using nanotechnology.

이뿐만 아니라, 촉매소재의 최적화된 구조 및 분산도를 제어함으로써 기존에 얻을 수 없었던 초고감도 감지소재 개발이 이루어지게 됨으로써 금속산화물 감지소재를 이용한 새로운 응용분야가 형성되고 있다. 촉매소재는 일반적으로 10 나노(nm) 이하의 소형화된 크기를 가져야 하며, 동시에 촉매가 서로 응집되지 않은 고분산성을 가져야 금속산화물 표면에서 촉매를 통한 화학반응을 활성화 할 수 있다. 이러한 관점에서 종래에 시도되지 않았던 새로운 방법의 촉매 소재 개발과, 금속산화물 표면에 촉매를 균일하게 결착하는 기술의 개발이 필요한 상황이다.In addition to this, control of the optimized structure and dispersity of catalyst materials has led to the development of ultra-sensitive sensing materials that have not been obtained previously, and new application fields are being developed using metal oxide sensing materials. The catalyst material should generally have a miniaturized size of less than 10 nanometers (nm), and at the same time, the catalyst must have a high degree of non-aggregation to activate the chemical reaction through the catalyst on the metal oxide surface. From this point of view, it is necessary to develop a catalyst material of a new method which has not been attempted conventionally, and to develop a technique for uniformly bonding the catalyst to the surface of the metal oxide.

이처럼 새로운 형태의 고분산성 촉매 결착 방법 및 다공성 구조를 가지는 금속산화물 복합 가스감지 소재는, 화학 가스에 대하여 초고감도 감지특성 및 선택성을 나타내기 때문에, 종래에 응용되던 유해환경가스 감지센서뿐만 아니라, 사람의 호기가스에 포함되어 있는 질병과 상관관계를 나타내는 ppb(part-per-billion)급의 바이오마커(biomarker)가스에 대하여 우수한 감지특성을 나태 낼 수 있다.The metal oxide composite gas sensing material having a new type of highly acidic catalytic bonding method and porous structure exhibits an extremely sensitive sensing property and selectivity against chemical gas. Therefore, not only conventionally used hermetic environmental gas sensing sensors, (Biomarker) gas of ppb (part-per-billion) indicating a correlation with diseases contained in the exhalation gas of the gaseous effluent gas.

본 발명의 실시예들은, 촉매입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체(block copolymer)를 템플레이트로 이용하며, 합성된 촉매가 결착된 블록 공중합체를 전기방사 기술을 이용하여 전기방사를 수행하게 되면 촉매가 결착된 블록 공중합체가 균일하게 결착된 1차원 구조의 폴리머/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 제작할 수 있다. 또한, 추가적인 고온 소결공정을 거치게 되면 1차원 구조의 금속산화물 나노섬유를 개발할 수 있으며, 촉매 입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트에 의하여 1차원 구조의 금속산화물 표면에는 다수의 기공이 형성되며, 형성된 기공위치에 촉매 입자가 균일하게 전사되는 특징을 가진다.In the embodiments of the present invention, when a block copolymer in which catalyst particles are uniformly bound is used as a template and the block copolymer to which the synthesized catalyst is bound is subjected to electrospinning using electrospinning technology, A polymer / metal oxide precursor composite nanofiber having a one-dimensional structure in which a block copolymer having a functional group bonded thereto is uniformly bound. In addition, when an additional high-temperature sintering process is performed, a metal oxide nanofiber having a one-dimensional structure can be developed, and a plurality of pores are formed on the surface of the metal oxide having a one-dimensional structure by the block copolymer template, And the catalyst particles are uniformly transferred to the formed pore positions.

특히, 촉매 입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체에서 촉매 입자는 10 nm 이하의 크기를 가지기 때문에, 금속산화물 표면에 균일하게 결착될 시에 우수한 촉매 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 50-500 nm의 크기범위를 가지는 구형의 블록 공중합체 템플레이트는 고온의 열처리과정을 거치면서 분해되며, 금속산화물 나노섬유 표면에 다수의 기공을 형성할 수 있다. 형성된 기공의 크기는 10-300 nm로 메크로(macro) 기공을 형성하는 것을 특징으로 한다. 기공이 형성된 위치에는 특징적으로 블록 공중합체로부터 전사된 촉매입자가 결착된 것을 특징으로 하며, 균일하게 기공이 형성됨에 따라서 촉매입자가 금속산화물 나노섬유 표면에 균일하게 분포하는 감지소재 합성 기술 및 이를 이용한 가스센서 응용 기술을 제시한다.Particularly, in the block copolymer in which the catalyst particles are uniformly bound, since the catalyst particles have a size of 10 nm or less, excellent catalytic efficiency can be exhibited when they uniformly bind to the surface of the metal oxide. Also, a spherical block copolymer template having a size range of 50-500 nm is decomposed by heat treatment at a high temperature, and a large number of pores can be formed on the surface of the metal oxide nanofiber. The size of the formed pores is characterized by forming macro pores at 10-300 nm. Characterized in that catalytic particles transferred from the block copolymer are bound to the pore-forming sites, and the catalytic particles are uniformly distributed on the surface of the metal oxide nanofibers as the pores are uniformly formed. Gas sensor application technology is presented.

이는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 매우 작은 10 nm 크기 이하의 나노입자 촉매가 서로 응집 없이 금속산화물 표면에 결착됨과 동시에 다수의 원형 및 타원 형태의 기공을 포함하는 다공성 금속산화물 나노섬유 구조를 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 이용하여 합성함으로써, 극 미량의 가스를 검출해 낼 수 있는 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.This is because, in order to solve the problems of the prior art, a nanoparticle catalyst having a very small size of 10 nm or less is bound to the surface of the metal oxide without agglomeration of each other, and at the same time, a porous metal oxide nanofiber structure including a plurality of circular and elliptical pores A gas sensor member capable of detecting an extremely small amount of gas by synthesizing a catalyst using a block copolymer template uniformly bound thereto, a gas sensor using the gas sensor, and a method of manufacturing the same.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 10 nm 이하의 크기를 가지는 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 합성하고, 제작된 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 금속산화물 전구체와 고분자가 용해된 전기방사 용액에 균일하게 분산시키며, 전기방사를 통하여 제작된 상기 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 결착된 1차원 구조를 가지는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 제작하고, 추가적인 고온 열처리 공정을 거쳐서 고분자 성분은 제거시키고, 금속산화물 전구체를 산화시켜서 1차원 구조를 가지는 촉매가 결착된 다공성 금속산화물 나노섬유를 포함하는 감지소재 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법을 제공한다. 고온 열처리 과정 중에 고분자로 이루어진 블록 공중합체 성분이 제거되는 과정에서 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유 표면에 다수의 기공을 형성하며, 블록 공중합체 표면에 결착되어 있던 촉매 나노입자는 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유에 형성된 기공 표면에 전사되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above-mentioned problems, a block copolymer template having a size of 10 nm or less is uniformly bound to a block copolymer template according to an aspect of the present invention, and the block copolymer template to which the catalyst is bound is mixed with a metal oxide precursor and a polymer Polymer composite nanofibers having a one-dimensional structure in which a block copolymer template formed by electrospinning and uniformly bound with the catalyst-bound block copolymer is produced, and the metal oxide precursor / The present invention provides a sensing material comprising porous metal oxide nanofibers formed by bonding a catalyst having a one-dimensional structure by removing a polymer component through a heat treatment process and oxidizing a metal oxide precursor, and a method for manufacturing a member for a gas sensor using the same. During the high-temperature heat treatment process, a block copolymer component composed of a polymer is removed, and a plurality of pores are formed on the surface of the metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure. The catalyst nanoparticles attached to the surface of the block copolymer have a one- Is transferred to the pore surface formed in the metal oxide nanofiber.

본 발명에 따른 감지소재 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법은 (a) 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 합성하는 단계; (b) 상기 제작된 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 금속산화물 전구체와 고분자가 녹아 있는 용액과 함께 혼합하여, 전기방사 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 전기방사 용액을 전기방사법을 이용하여 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 내부 및 표면에 상기 제작된 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포된 복합 나노섬유를 형성하는 단계; (d) 고온 열처리 과정에서 고분자 성분으로 구성된 블록 공중합체 희생층 템플레이트와 복합 나노섬유를 구성하는 고분자 성분을 제거시키고, 금속산화물 전구체를 산화시켜 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유 표면에 다수의 구형 기공과 불규칙한 형태의 요철구조를 형성하며, 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 제거되면서 촉매가 기공위치에 균일하게 결착된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 형성하는 단계; (e) 상기 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 통하여 제작된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 및 다수의 기공위치에 촉매가 균일하게 결착된 감지소재를 분산시키거나 분쇄하여, 반도체식 가스센서 측정용 센서 전극위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 중 적어도 하나의 코팅공정을 이용하여 저항변화식 반도체 가스센서를 제작하는 하는 단계; 를 포함하는 환경유해가스 및 질병진단을 위한 생체지표 가스의 검출이 가능한 가스센서용 다공성 촉매-금속산화물 나노섬유 복합 감지소재 제조방법을 포함한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A sensing material according to the present invention and a method of manufacturing a member for a gas sensor using the same are manufactured by: (a) synthesizing a block copolymer template in which a catalyst is uniformly bound; (b) preparing an electrospinning solution by mixing the prepared block copolymer template uniformly bound with a metal oxide precursor and a solution in which the polymer is dissolved; (c) forming composite nanofibers in which the prepared catalyst-bound block copolymer template is uniformly distributed on the inside and the surface of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber by electrospinning the electrospin solution; (d) removing the polymer component constituting the block copolymer sacrificial layer template and the composite nanofiber composed of the polymer component during the high-temperature heat treatment process, and oxidizing the metal oxide precursor to form the metal oxide nanofiber having a one- Forming a one-dimensional porous metal oxide nanofiber in which a catalyst is uniformly bound to a pore position while a block copolymer template to which a catalyst is bound is removed, the porous metal oxide nanofiber forming an irregular-shaped concavo-convex structure with pores; (e) dispersing or crushing the one-dimensional porous metal oxide nanofibers prepared through the block copolymer template bound with the catalyst and the sensing material uniformly bound to the catalyst in a plurality of pore positions, Fabricating a resistance variable semiconductor gas sensor using at least one coating process such as drop coating, spin coating, ink jet printing, or dispensing on a sensor electrode; And a method for producing a porous catalyst-metal oxide nanofiber composite sensing material for a gas sensor capable of detecting a biomarker gas for diagnosis of environmentally harmful gases and diseases.

여기서, 상기 (a) 단계에서, 블록 공중합체는 고분자 소재로 구성되어 있으며, 서로 다른 고분자 소재가 특정용매에 노출될 경우 독특한 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다. 여기에 특정 금속 염을 더 용해시켜 주면 금속염과 특정 고분자 블록간의 강한 인력으로 인하여 금속 입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 제작할 수 있다. 금속 촉매 입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 구형의 구조를 가질 수 있으며, 특이적으로 금속 촉매입자가 결착된 부분은 부풀어올라 전체적인 구조는 라즈베리 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 금속 염의 종류는 다양화 할 수 있으며, 대표적인 염(salt) 형태의 촉매는, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride 등이 있으며, 금속이온을 포함하는 염의 형태라면 특별한 금속염의 종류에 제한을 두지 않는다. 여기서 합성된 금속 촉매입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 50-500 nm의 넓은 크기 범위를 가질 수 있으며, 금속 입자는 1-10 nm 범위의 크기를 가지는 것을 특징한다.Here, in the step (a), the block copolymer is composed of a polymer material, and a unique structure is formed when different polymer materials are exposed to a specific solvent. When a specific metal salt is further dissolved in the solution, a block copolymer template in which metal particles are uniformly bound due to strong attraction between a metal salt and a specific polymer block can be produced. The block copolymer template in which the metal catalyst particles are uniformly bound may have a spherical structure, and specifically, the portion where the metal catalyst particles are bound is swollen so that the whole structure has a raspberry shape. (II) nitrate, Copper (II) chloride, Cobalt (II) nitrate, Cobalt (II) acetate, Lanthanum (III) nitrate (III) acetate, platinum (IV) chloride, platinum (II) acetate, gold (III) chloride, (II) chloride, nickel (II) acetate, ruthenium (III) chloride, ruthenium acetate, iridium acetate, tantalum (V) chloride and palladium (II) chloride. It does not limit the kind of the special metal salt. The block copolymer template to which the synthesized metal catalyst particles are bound may have a broad size range of 50-500 nm, and the metal particles have a size ranging from 1-10 nm.

또한, 상기 (b) 단계는 전기방사를 진행하기 위한 전기방사 용액을 제조하는 단계로, 전기방사 과정시 나노섬유를 효과적으로 합성하기 위한 템플릿으로 작용하는 고분자와 금속산화물 전구체를 용매에 녹여 방사용액을 제조할 수 있다. 여기서 사용되는 대표적인 고분자로는, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 폴미아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polypropylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드(polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride) 등이 있으며, 대표적인 금속염으로는 금속염들이 포함된 아세테이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드 등의 형태를 포함한다. 추가적으로, 상기 (a) 단계에서 합성된 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 균일하게 분산시켜 전기방사 용액을 제조할 수 있다.The step (b) is a step of preparing an electrospinning solution for progressing electrospinning. The step (b) dissolves the polymer and the metal oxide precursor, which function as a template for effectively synthesizing the nanofibers in the electrospinning process, Can be manufactured. Representative polymers used herein include polymers such as polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide polypropylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide copolymer, polypropylene oxide copolymer, polycarbonate (PC), polyvinylchloride (PVC), polycaprolactone And polyvinylidene fluoride. Representative metal salts include metal salts such as acetate, chloride, acetylacetonate, nitrate, methoxide, ethoxide, butoxide, isopropoxide, sulfide, etc. . In addition, the block copolymer template with catalyst particles synthesized in the step (a) may be uniformly dispersed to prepare an electrospinning solution.

또한, 상기 (c) 단계는 전기방사 기법을 이용하여 금속 촉매입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 희생층 템플레이트가 표면 및 내부에 균일하게 결착된 1차원 구조를 가지는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 합성하는 단계이다.In the step (c), the metal oxide precursor / polymer composite nanofibers having a one-dimensional structure in which the block copolymer sacrificial layer template uniformly bound with the metal catalyst particles are uniformly bound to the surface and the interior thereof, .

상기 (d) 단계에서는 고온 열처리를 통하여 고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 구성하는 고분자가 분해되어 제거되고, 동시에 금속 촉매입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트 또한 고온에서 분해되어 제거되는 과정을 거친다. 고분자 성분을 가지는 블록 공중합체 템플레이트는 분해되어 제거되는 과정에서 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유 표면 및 내부에 다수의 기공을 형성하는 것을 특징으로 하며, 기공이 형성된 위치에는 블록 공중합체 템플레이트 표면에 균일하게 형성되어 있던 금속 촉매입자가 전사되어 결착되는 것을 특징으로 한다. 여기서 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유 표면 및 내부에 형성된 기공의 크기는 10-300 nm의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.In the step (d), the polymer constituting the polymer / metal oxide precursor composite nanofibers is decomposed and removed through the high-temperature heat treatment, and at the same time, the block copolymer template having the metal catalyst particles bound thereto is also decomposed and removed at high temperatures. The block copolymer template having a polymer component is characterized in that it forms a large number of pores on the surface and inside of the metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure in the process of being decomposed and removed, and on the surface of the block copolymer template And uniformly formed metal catalyst particles are transferred and bound. Here, the size of the pores formed on the surface and inside of the metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure is in the range of 10-300 nm.

상기 (e) 단계에서는, 상기 (d) 단계에서 얻어진 촉매가 전사된 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유를 용매에 분산시킨 분산용액을 미리 준비된 센서 전극(전기전도도 및 전기저항변화를 측정할 수 있는 평행한 전극이 형성된 알루미나 절연체 기판) 위에, 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 등과 같은 코팅 공정법을 이용하여, 코팅하는 단계일 수 있다. 여기서, 금속 촉매입자가 전사된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 균일하게 코팅할 수 있는 방법이라면, 특별히 코팅방법에 제약을 두지는 않는다.In the step (e), the dispersion solution obtained by dispersing the porous metal oxide nanofibers having the one-dimensional structure transferred with the catalyst obtained in the step (d) in a solvent is applied to a previously prepared sensor electrode A coating method such as drop coating, spin coating, inkjet printing, dispensing, or the like) on the substrate (e.g., an alumina insulator substrate on which parallel electrodes are formed). Here, if the method is capable of uniformly coating the transferred 1-dimensional porous metal oxide nanofibers with the metal catalyst particles, there is no particular restriction on the coating method.

상기 제작된 촉매가 전사된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 구조는, 나노섬유의 길이는 1 μm 내지 500 μm의 길이 범위를 가질 수 있으며, 섬유의 두께는 100 nm - 50 μm 범위를 가지고 있는 복수개의 원형 내지 타원 형태의 기공들을 포함할 수 있다.The 1-dimensional porous metal oxide nanofiber structure to which the fabricated catalyst is transferred may have a length in the range of 1 to 500 μm, and the thickness of the fibers may be in the range of 100 nm to 50 μm And may include circular or elliptical pores.

본 발명에 따르면, 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 이용하여, 최종적으로 제작되는 가스 감지소재에 다수의 기공을 형성하여 가스의 확산 및 반응을 활성화시키고, 기공이 형성된 위치에 10 nm 크기 이하의 촉매 나노입자를 균일하게 전사시킴으로써, 촉매효과를 극대화 시킨 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유 감지소재 개발에 관한 것이다. 합성된 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 구형의 형상을 가짐과 동시에, 촉매가 균일하게 결착되면서 촉매가 결착된 부분이 선택적으로 부풀어 라즈베리 형상을 가지는 것을 특징으로 하며, 50-500 nm 크기 분포를 가지는 것을 특징으로 한다. 이렇게 합성된 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 전기방사 용액에 균일하게 분포시키고, 전기방사를 통하여 제작된 1차원 구조의 복합 나노섬유를 고온에서 열처리함으로써 고분자 성분을 제거시켜 주면, 블록 공중합체 템플레이트에 의하여 직경이 10-300 nm 범위를 가지는 구형 또는 타원형의 다수의 기공을 형성할 수 있으며, 동시에 기공이 형성한 위치에 촉매 나노입자를 균일하게 전사하여, 촉매입자가 균일하게 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유를 개발 할 수 있다.According to the present invention, by using a block copolymer template in which catalyst nanoparticles are uniformly bound, a plurality of pores are formed in a gas sensing material to be finally produced to activate gas diffusion and reaction, the present invention relates to the development of a porous metal oxide nanofiber sensing material having a one-dimensional structure maximizing the catalytic effect by uniformly transferring catalyst nanoparticles of a size smaller than the nanometer size. The block copolymer template uniformly bound with the synthesized catalyst has a spherical shape, and the catalyst is uniformly bound, and the portion where the catalyst is bound is selectively swollen to have a raspberry shape. . If the block copolymer template with the catalyst thus synthesized is uniformly distributed in the electrospinning solution and the polymer nanofibers prepared by electrospinning are heat treated at a high temperature to remove the polymer component, A plurality of spherical or elliptical pores having a diameter in the range of 10 to 300 nm can be formed by the catalyst particles and the catalyst nanoparticles are uniformly transferred to the positions where the pores are formed, The porous metal oxide nanofiber can be developed.

상기에서 언급한대로 가스센서 부재의 형상제어와 촉매반응 효과를 통해 센서특성을 극대화 시킴으로써 극미량의 가스를 검출해 낼 수 있는 높은 감도 특성과 함께, 특정 가스를 검출해 낼 수 있는 우수한 선택성을 가지며, 대량 생산이 가능한 가스 센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다.As mentioned above, by maximizing the sensor characteristics through the shape control of the gas sensor member and the catalytic reaction effect, it has a high sensitivity characteristic capable of detecting a trace amount of gas, and has excellent selectivity for detecting a specific gas, A gas sensor member, and a manufacturing method thereof.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매가 균일하게 결착되어 있고, 복수 개의 원형 내지 타원 형태의 기공들을 포함하고 있는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 가스센서용 부재의 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 전기방사용액에 균일하게 분산시켜, 전기방사 공정을 통하여 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 1차원 구조를 가지는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 표면 및 내부에 균일하게 분산시키는 제작방법의 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 이용하여 다수의 기공을 형성하고, 기공이 형성된 위치에 균일하게 촉매 나노입자가 전사된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 구조의 제조 공정 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 1에 따른 희생층 템플레이트 역할을 하는 구 형태 및 라즈베리 형태의 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 주사전자 현미경 사진이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예 1에 따른 희생층 템플레이트 역할을 하는 구 형태 및 라즈베리 형태의 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 투과전자 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 1에 따른 희생층 템플레이트 역할을 하는 구 형태 및 라즈베리 형태의 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 확대된 투과전자 현미경 사진이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예 2에 따른 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리던(PVP) 복합 방사 용액에 백금(Pt) 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 균일하게 분산시킨 후에 전기방사를 통해 형성된 복합 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
도8은 본 발명의 실시예 2에 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포된 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유를 고온에서 열처리하여 백금 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
도 9 는 본 발명의 실시예 2에 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포된 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유를 고온에서 열처리하여 백금 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 확대된 주사전자 현미경 사진이다.
도 10 은 본 발명의 실시예 2에 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포된 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유를 고온에서 열처리하여 백금 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 투과전자 현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포된 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유를 고온에서 열처리하여 백금 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 확대된 투과전자 현미경 사진이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예 2 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포된 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유를 고온에서 열처리하여 백금 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 투과전자 현미경을 이용한 성분분석 사진이다.
도 13 은 본 발명의 비교예 1에 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않고 제작된 텅스텐산화물/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
도 14는 본 발명의 비교예 1에 따른 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않고 제작된 텅스텐산화물/폴리비닐피롤리던 복합 나노섬유를 고온에서 열처리한 이후에 제작된 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시예 1, 실시에 2, 비교예 1 및 실험예 1에 따라 제작된 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유와 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 구동온도 350 ℃ 에서 1-5 ppm의 황화수소 (H2S) 가스에 대한 감지특성 결과 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예 1, 실시에 2, 비교예 1 및 실험예 1에 따라 제작된 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유와 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 250-450 ℃의 구동온도 구간에서 5 ppm 의 황화수소 가스농도에 대한 감지특성 결과 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예 1, 실시에 2, 비교예 1 및 실험예 1에 따라 제작된 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유와 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 5 ppm에서 황화수소, 아세톤 (CH3COCH3), 메틸 멀캅탄 (CH3SH), 및 톨루엔 (C6H5CH3) 가스에 대한 감지특성 결과 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시예 1, 실시에 2, 비교예 1 및 실험예 1에 따라 제작된 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유와 순수한 텅스텐산화물 나노섬유를 이용한 주성분분석 결과 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is a schematic view of a member for a one-dimensional porous metal oxide nanofiber gas sensor in which a nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention is uniformly bonded and includes a plurality of circular or elliptical pores.
FIG. 2 is a graph showing the results of a method of uniformly dispersing a block copolymer template uniformly bound with a catalyst according to an embodiment of the present invention in an electrospinning solution to obtain a block copolymer template having a one- Metal oxide precursor / polymer composite nanofibers are uniformly dispersed on the surface and inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method of forming a plurality of pores by using a block copolymer template to which catalysts are bound according to an embodiment of the present invention, forming a one-dimensional porous metal oxide nanofiber structure in which catalyst nanoparticles are uniformly transferred at pore- Fig.
FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) image of a block copolymer template bonded with spherical and raspberry-like catalyst nanoparticles serving as a sacrificial layer template according to Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a transmission electron microscope photograph of a block copolymer template bonded with spherical and raspberry shaped catalyst nanoparticles serving as a sacrificial layer template according to Example 1 of the present invention.
FIG. 6 is an enlarged transmission electron micrograph of a spherical shape and a raspberry-type catalyst nanoparticle-bound block copolymer template serving as a sacrificial layer template according to Example 1 of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the results obtained by uniformly dispersing a block copolymer template in which platinum (Pt) catalyst nanoparticles are bound to a tungsten oxide precursor / polyvinyl pyrrolidone (PVP) composite spinning solution according to Example 2 of the present invention, And the composite nanofibers formed through the microspheres.
FIG. 8 is a graph showing the results of thermal treatment of a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone composite nanofiber having a uniformly distributed block copolymer template bonded with platinum catalyst nanoparticles according to Example 2 at high temperature, Fig. 3 is a scanning electron micrograph of a porous tungsten oxide nanofiber that is bonded to the surface of the porous tungsten oxide nanofibers.
9 is a graph showing the results of a heat treatment at a high temperature of a tungsten oxide precursor / polyvinyl pyrrolidone composite nanofiber in which a block copolymer template with platinum catalyst nanoparticles bound thereto uniformly distributed according to Example 2 of the present invention, Lt; RTI ID = 0.0 > of < / RTI > porous tungsten oxide nanofibers.
10 is a graph showing the results of a heat treatment at a high temperature of a tungsten oxide precursor / polyvinyl pyrrolidone composite nanofiber in which a block copolymer template having platinum catalyst nanoparticles bound thereto uniformly distributed according to Example 2 of the present invention, Of the porous tungsten oxide nanofiber.
11 is a graph showing the results of a heat treatment at a high temperature of a tungsten oxide precursor / polyvinyl pyrrolidone composite nanofiber in which a block copolymer template having platinum catalyst nanoparticles bound thereto uniformly distributed according to Example 2 of the present invention, FIG. 2 is an enlarged transmission electron micrograph of porous tungsten oxide nanofibers bonded to the surface of the porous support; FIG.
12 is a graph showing the results of thermal treatment of a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone composite nanofiber having a uniformly distributed block copolymer template bonded with platinum catalyst nanoparticles according to an embodiment 2 of the present invention at a high temperature, Of the porous tungsten oxide nanofibers that are bonded to each other by using a transmission electron microscope.
13 is a scanning electron micrograph of a tungsten oxide / polyvinyl pyrrolidone composite nanofiber prepared without using a block copolymer template to which platinum catalyst nanoparticles are bound according to Comparative Example 1 of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing the results of the heat treatment of the tungsten oxide / polyvinyl pyrrolidone composite nanofiber fabricated without using the block copolymer template having the platinum catalyst nanoparticles bound thereto according to Comparative Example 1 of the present invention, Scanning electron micrograph of the oxide nanofibers.
Fig. 15 is a graph showing the results of measurement of the surface tension of porous tungsten oxide nanofibers and pure tungsten oxide nanofibers prepared according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Experimental Example 1 of the present invention, ppm hydrogen sulfide (H 2 S) gas.
16 is a graph showing the relationship between the temperature of the porous tungsten oxide nanofibers and the pure tungsten oxide nanofibers, which were prepared according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Experimental Example 1, In which the concentration of hydrogen sulfide gas is 5 ppm.
17 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen sulfide and acetone (CH (ppm)) at 5 ppm of the porous tungsten oxide nanofibers and the pure tungsten oxide nanofibers prepared according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1, 3 COCH 3 ), methylmercaptan (CH 3 SH), and toluene (C 6 H 5 CH 3 ) gas.
18 is a graph showing the results of principal component analysis using the porous tungsten oxide nanofibers and the pure tungsten oxide nanofibers bonded with the platinum catalyst prepared according to Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Experimental Example 1 of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.

이하, 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하여 제작한 나노입자 촉매를 포함하고 다수의 구형 및 타원형 기공을 갖는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 구조를 이용한 가스센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.A member for a gas sensor using a one-dimensional porous metal oxide nanofiber structure including a nanoparticle catalyst prepared using a block copolymer template in which catalyst nanoparticles are uniformly bound and having a plurality of spherical and elliptical pores, And a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 촉매가 균일하게 결착된 희생층 블록 공중합체 템플레이트를 이용하여, 전기방사 공정과 고온 열처리 공정 이후에 제작된 촉매가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유는 균일하게 결착된 나노입자 촉매와 블록 공중합체 템플레이트가 제거되면서 형성된 다수의 구형 및 타원형 기공에 의하여 유해환경 가스 또는 사람의 날숨을 통하여 배출되는 바이오마커 가스에 대하여 우수한 감지 특성을 나타낼 수 있다. 촉매가 균일하게 결착된 희생층 블록 공중합체 템플레이트는 특정 용매에 블록 공중합체를 용해시킴으로써 서로 다른 고분자 블록이 규칙적인 구조를 형성하게 된다. 대표적으로 사용되는 블록 공중합체로는 Poly(styrene-b-acrylic acid), Poly(styrene-b-ethylene oxide), Poly(styrene-b-methyl methacrylate), Poly(styrene-b-2-vinyl pyridine), Poly(styrene-b-4-vinyl pyridine), 및 Poly(styrene-b-dimethylsiloxane) 등이 있으며, 규칙적인 구조를 형성할 수 있다면 어느 하나의 블록 공중합체 또는 특정 분자량에 제한을 두지 않는다. 여기에 금속 염을 더 첨가시킴으로써, 선택적으로 어느 하나의 고분자에 촉매 염이 결착되고, 추가적으로 환원과정 없이 자연적으로 금속 촉매 입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 형성할 수 있다. 여기에서 금속 염은 Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride 등을 사용할 수 있으며, 용매에 용해되어 블록 공중합체에 결합하여 나노입자를 형성할 수 있는 금속 염이라면 특정 제한을 두지 않는다. 제작된 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 구형 형상을 가지며, 표면에서 촉매와 결합하는 과정에서 선택적으로 부풀어 올라 라즈베리 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 또한, 합성된 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 직경이 50-500 nm 의 범위에서 형성될 수 있으며, 블록 공중합체 템플레이트 표면에 균일하게 결착된 촉매 입자는 10 nm 크기 이하를 가질 수 있다.A porous metal oxide nanofiber having a one-dimensional structure in which a catalyst prepared after an electrospinning process and a high-temperature heat treatment process are bonded using a sacrificial layer block copolymer template having a catalyst uniformly bound thereto, It is possible to exhibit excellent sensing characteristics with respect to biomarker gas discharged through harmful environmental gas or human exhalation by a plurality of spherical and elliptical pores formed by removing the particle catalyst and block copolymer template. The sacrificial layer block copolymer template in which the catalyst is homogeneously bound dissolves the block copolymer in a specific solvent, so that the different polymer blocks form a regular structure. As typical block copolymers, poly (styrene-b-acrylic acid), poly (styrene-b-ethylene oxide) Poly (styrene-b-4-vinyl pyridine), and poly (styrene-b-dimethylsiloxane), and any one block copolymer or specific molecular weight is not limited as long as it can form a regular structure. By further adding a metal salt thereto, it is possible to form a block copolymer template in which a catalyst salt is selectively bound to one of the polymers, and the metal catalyst particles are uniformly bound naturally without further reduction process. The metal salts include copper (II) nitrate, copper (II) chloride, cobalt (II) nitrate, cobalt (II) acetate, lanthanum (III) nitrate, lanthanum (III) acetate, platinum (II) acetate, Ruthenium (III) chloride, Iron (III) acetate, Nickel (II) acetate, ), chloride, ruthenium acetate, iridium (III) chloride, iridium acetate, tantalum (V) chloride and palladium (II) chloride. If it is a salt, there is no specific restriction. The block copolymer template having the formed catalyst nanoparticles bound thereto has a spherical shape and is characterized by having a raspberry shape that swells up selectively in the process of bonding with the catalyst on the surface. In addition, the block copolymer template having the synthesized catalyst nanoparticles bound thereto may be formed in a range of 50-500 nm in diameter, and the catalyst particles uniformly bound to the block copolymer template surface may have a size of 10 nm or less .

상기 촉매 입자의 크기 및 분포가 감지특성에 미치는 영향에 대하여 언급하였듯이, 가스 감지특성을 극대화 하기 위하여는 촉매 입자의 크기는 수 nm로 작을수록, 촉매간의 응집이 최소화 될수록 촉매활성 반응이 우수하다. 이러한 관점에서 10 nm 크기 이하로 형성되고, 블록 공중합체 표면에 균일하게 분산되어 형성되어있는 촉매 나노입자는 금속산화물 나노섬유 표면으로 전사될 경우, 가스에 대하여 우수한 감지특성을 나타낼 수 있다.As mentioned above about the influence of the size and distribution of the catalyst particles on the sensing characteristics, in order to maximize the gas sensing characteristic, the smaller the size of the catalyst particle is several nm, and the smaller the aggregation between the catalysts is, the better the catalytic activity reaction is. From this point of view, when the catalyst nanoparticles formed to a size of 10 nm or less and uniformly dispersed on the surface of the block copolymer are transferred to the surface of the metal oxide nanofiber, they can exhibit excellent gas sensing characteristics.

상기 제작된 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 전기방사 용액에 균일하게 분산시켜 1차원 구조를 가지는 촉매-다공성 금속산화물 나노섬유를 제작할 수 있다. 상기 전기방사 용액은 금속산화물 전구체와 특정 고분자로 구성되며, 특정 용매에 용해시켜 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 전기방사 혼합용액에 상기 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 균일하게 분산시키는 과정을 더 거칠 수 있다. 제작된 혼합용액을 이용하여 전기방사 공정을 거치게 되면, 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분포하는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 제작할 수 있다. 이렇게 제작된 복합 나노섬유를 고온에서 열처리과정을 거치게 되면 고분자 성분은 분해되어 제거되며, 금속산화물 전구체는 산화되어 금속산화물 나노섬유를 형성하게 된다. 또한, 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 표면 및 내부에 분포하는 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 고온에서 마찬가지로 분해되어 제거되기 때문에 금속산화물 나노섬유 표면 및 내부에 다수의 기공을 형성시키게 된다. 형성된 기공은 블록 공중합체 템플레이트 보다 수축한 크기인 10-300 nm의 범위에서 형성될 수 있다. 또한, 블록 공중합체 표면에 균일하게 결착되어있는 촉매 나노입자는 고온 열처리과정에서 금속산화물 나노섬유 표면 및 내부로 전사되어 결착될 수 있다. 따라서 촉매 나노입자는 특징적으로 다수의 기공이 형성된 위치에 결착될 수 있다. 이때, 결착된 촉매는 10 nm 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 한다. 이처럼 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 전기방사 공정에 활용할 경우, 추가적인 기공형성 공정 및 촉매 형성공정 없이 전기방사 기술을 통하여 나노섬유를 형성하고, 고온 열처리 공정을 거침으로써, 촉매 나노입자가 균일하게 결착된 다공성 금속산화물 나노섬유를 제작할 수 있는 손쉬운 제작공정 방법을 제공한다. 상기와 같은 특징을 갖는 가스센서용 부재를 제작하기 위하여 효율적이고 손 쉬운 공정으로 가스 센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다. The prepared catalyst nanoparticles-bound block copolymer template may be uniformly dispersed in an electrospinning solution to produce catalyst-porous metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure. The electrospinning solution is composed of a metal oxide precursor and a specific polymer, and may be prepared by dissolving it in a specific solvent. The process of homogeneously dispersing the block copolymer template in which the catalyst nanoparticles are bound to the electrospinning mixed solution thus prepared can be further performed. When the electrospinning process is performed using the prepared mixed solution, a metal oxide precursor / polymer composite nanofiber having uniformly distributed block copolymer template with catalyst nanoparticles can be produced. When the composite nanofibers thus produced are thermally treated at a high temperature, the polymer components are decomposed and removed, and the metal oxide precursor is oxidized to form metal oxide nanofibers. In addition, since the block copolymer template having the catalytic nanoparticles bound on the surface and inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber is similarly decomposed and removed at high temperature, many pores are formed on the surface and inside of the metal oxide nanofiber . The pores formed can be formed in the range of 10-300 nm, which is a contracted size than the block copolymer template. In addition, the catalyst nanoparticles uniformly bound to the surface of the block copolymer can be transferred to the surface and inside of the metal oxide nanofibers during the high-temperature heat treatment process and can be bound. Thus, the catalyst nanoparticles may characteristically bind at the locations where a plurality of pores are formed. At this time, the bound catalyst is characterized by having a size of 10 nm or less. When the block copolymer template having the catalyst nanoparticles bound thereto is used in the electrospinning process, nanofibers are formed through the electrospinning process without additional pore forming process and catalyst formation process, and the high temperature heat treatment process is performed, The present invention provides an easy production process method capable of producing uniformly bound porous metal oxide nanofibers. A gas sensor member, a gas sensor, and a manufacturing method thereof are implemented in an efficient and easy process for manufacturing a gas sensor member having the above characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매(103) 및 원형 내지 타원 형태의 기공(102)을 포함하는 1차원 다공성 나노섬유(100)을 이용한 가스센서용 부재의 모식도를 도시하고 있다. 여기서 금속산화물 나노섬유의 표면 및 내부에 형성된 기공은 고분자 성분으로 구성된 블록 공중합체 템플레이트가 고온 열처리과정에서 분해되면서 형성된 것이며, 가스분자가 쉽게 침투하여 표면에서 반응을 활성화 시켜줄 수 있기 때문에 향상된 가스 감지특성을 얻을 수 있다. 또한, 촉매 나노입자는 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트에서 금속산화물 나노섬유로 전사되어 형성된 것이며, 따라서 특징적으로 기공이 형성된 위치에 촉매 입자가 균일하게 전사되는 것을 특징으로 한다. 전사된 촉매 나노입자는 가스가 주입될 경우, 가스의 분해반응을 활성화 하여 금속산화물 감지소재의 감지특성 및 선택성을 향상시킬 수 있다. 제작된 촉매-1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유는 고온에서 결정화 과정을 거치면서 금속산화물 입자(104)로 구성된 나노섬유 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.1 is a schematic view of a gas sensor member using a one-dimensional porous nanofiber 100 including a nanoparticle catalyst 103 and circular or elliptical pores 102 according to an embodiment of the present invention . Here, the pores formed on the surface and inside of the metal oxide nanofiber are formed by decomposing a block copolymer template composed of a polymer component in a high-temperature heat treatment process. Since the gas molecules easily penetrate to activate the reaction on the surface, Can be obtained. Also, the catalyst nanoparticles are formed by transferring metal nanoparticles from the block copolymer template to which the catalyst nanoparticles are bound, so that the catalyst particles are uniformly transferred to the positions where the pores are formed. The transferred catalyst nanoparticles can activate the decomposition reaction of the gas when the gas is injected to improve the sensing property and selectivity of the metal oxide sensing material. The porous metal oxide nanofibers having a catalyst-1-dimensional structure have a nanofiber shape composed of metal oxide particles 104 while being crystallized at a high temperature.

상기 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 제작과정에서 추가적으로 포함시키는 금속염의 종류에 따라서 다양한 종류의 금속 촉매 나노입자를 블록 공중합체 표면에 균일하게 결착시킬 수 있다. 대표적인 금속염의 종류로는, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride 등이 있으며 이러한 전구체를 이용하여 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, Ge 등의 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 합성할 수 있다.The block copolymer template to which the catalyst particles are bound can uniformly bind various kinds of metal catalyst nanoparticles to the surface of the block copolymer depending on the type of the metal salt that is additionally included in the production process. (II) chloride, cobalt (II) nitrate, cobalt (II) acetate, lanthanum (III) nitrate, lanthanum (III) acetate, platinum (II) chloride, Nickel (II) acetate, Ruthenium (III) chloride, Iron (III) acetate, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Pd, Pd, Pd, Pd, A block copolymer template to which a nanoparticle catalyst such as Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Can be synthesized.

도 2는 상기에서 제작된 블록 공중합체 템플레이트를 이용하여 나노입자 촉매가 결착된 1차원 다공성 금속산화물을 나노섬유를 제작하는 방법을 도식화한 것이다. 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 제작하기 위하여 전기방사 공정(200)을 활용할 수 있다. 전기방사 공정은 금속산화물 전구체/고분자로 구성된 전기방사 용액(201)을 제조하는 것으로 시작된다. 전기방사 용액 제조에 사용되는 고분자는 금속산화물 전구체가 고온에서 열처리 과정을 거치면서 형성되는 금속산화물 입자를 나노섬유 형상으로 유지 할 수 있도록 잡아주는 역할을 한다. 대표적인 고분자 소재로는, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리스티렌(PS) 및 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리아크릴에시드(PAA), 폴리다이아닐다이메틸암모늄 클로라이드(PDADMAC), 폴리스티렌설포네이트(PSS) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 될 수 있다. 전기방사 용액을 구성하는 용매의 종류로는 N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide), 디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N'-dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone), 순수(DI water), 에탄올(Ethanol) 등과 같은 상용성 용매를 사용할 수 있지만 금속산화물 전구체와 고분자를 동시에 용해시킬 수 있는 용매를 선택하여야 한다.FIG. 2 is a diagram illustrating a method of fabricating a one-dimensional porous metal oxide nanofiber in which a nanoparticle catalyst is bound using a block copolymer template prepared as described above. An electrospinning process 200 may be utilized to fabricate the one-dimensional porous metal oxide nanofibers. The electrospinning process begins with the preparation of an electrospinning solution 201 consisting of a metal oxide precursor / polymer. The polymer used in the preparation of the electrospinning solution serves to hold the metal oxide particles, which are formed as a metal oxide precursor under heat treatment at a high temperature, in a nanofiber shape. Typical polymer materials include polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polystyrene (PS), and polyacrylonitrile (PAN) , Polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylic acid (PAA), polydianil dimethylammonium chloride (PDADMAC) and polystyrene sulfonate (PSS). Examples of the solvent constituting the electrospinning solution include N, N'-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N, N'-dimethylacetamide (N-methylpyrrolidone), DI water, ethanol, etc., but a solvent capable of simultaneously dissolving the metal oxide precursor and the polymer should be selected.

제작된 금속산화물 전구체/고분자 혼합 전기방사 용액에 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트(400)를 더 분산시킬 수 있다. 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트는 전기방사 용액에 균일하게 혼합되어 분산될 수 있다. 제작된 혼합 방사용액을 이용하여 전기방사를 수행하게 된다. 전기방사는 혼합 방사용액을 전기방사 시린지에 담고, 전기방사 노즐(202)과 집전판(203) 사이에 고전압(204)을 인가해 주게 되면 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분산된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유(300)를 형성할 수 있다. 형성된 복합 나노섬유에서 금속산화물 전구체와 고분자는 균일하게 혼합되어 있는 형상(301)을 가질 수 있으며, 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체(400)는 금속산화물 전구체/고분자 복합 섬유 표면 및 내부에 균일하게 분포할 수 있다. 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체 표면에 결착된 촉매 입자(401)는 규칙적인 배열을 가지고 결착된 것을 특징으로 하며, 촉매입자가 결착된 블록 공중합체(402)는 구형의 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 촉매가 결착된 부분의 블록 공중합체 템플레이트는 일부 부풀어 올라 전반적으로 라즈베리 형상을 가지는 것을 특징으로 한다. 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 직경은 50-500 nm 범위의 크기를 가지는 것을 특징으로 하며, 촉매 입자는 10 nm 이하의 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.The block copolymer template 400 having the catalyst nanoparticles bound to the prepared metal oxide precursor / polymer mixed electrospinning solution may further be dispersed. The block copolymer template to which the catalyst nanoparticles are bound can be uniformly mixed and dispersed in the electrospinning solution. Electrospinning is performed using the mixed spinning solution. The electrospinning is carried out in such a manner that the mixed spinning solution is contained in the electrospinning syringe and the high voltage 204 is applied between the electrospinning nozzle 202 and the current collecting plate 203 to uniformly disperse the block copolymer template to which the catalyst nanoparticles are bound The metal oxide precursor / polymer composite nanofibers 300 can be formed. In the formed composite nanofiber, the metal oxide precursor and the polymer may have a uniformly mixed shape 301, and the block copolymer 400 to which the catalyst particles are bound may be uniformly mixed on the surface and inside of the metal oxide precursor / Can be distributed. The catalyst particles (401) bound to the surface of the block copolymer to which the catalyst particles are bound are bound with regular arrangement, and the block copolymer (402) to which the catalyst particles are bound has a spherical shape do. The block copolymer template in the portion to which the catalyst is attached is characterized by having a bulge shape to have a generally raspberry shape. The diameter of the block copolymer template to which the catalyst nanoparticles are bound is in the range of 50-500 nm, and the catalyst particles have a size of 10 nm or less.

상기 제작된 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 표면 및 내부에 분산된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 추가적으로 고온 열공정을 통하여 촉매가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유를 제작할 수 있다. 금속산화물 나노섬유는 전기방사 용액을 제조할 시에 첨가한 금속산화물 전구체에 따라서 다양한 물질로 제작할 수 있다. 구체적으로는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Li4Ti5O12, Li4Ti5O12, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Cr3O4, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0.3La0.57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Li2MnO4, LiCoO2, LiMn2O4, Ga2O3, LiNiO2, CaCu3Ti4O12, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiFePO4, Li(Mn,Co,Ni)PO4, Li(Mn,Fe)O2, Liy(CrxMn2-x)O4 +z, LiCoMnO4, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7,Ba0 . 5Sr0 . 5Co0 . 8Fe0 . 2O3 -7 등에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재인 다공성 금속산화물 나노섬유를 제작할 수 있다. 제작된 촉매 나노입자가 결착된 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유는 길이방향으로 1 μm 내지 500 μm의 길이 범위를 가질 수 있으며, 섬유의 두께는 100 nm - 50 μm 범위를 가지는 것을 특징으로 한다. 또한, 표면에 형성된 기공의 직경은 10-300 nm 의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.The metal oxide precursor / polymer composite nanofiber in which the prepared catalyst particle-bound block copolymer template is uniformly dispersed on the surface and inside is further subjected to a high temperature heat treatment to obtain a porous metal oxide nanofiber having a one- . The metal oxide nanofibers can be made of various materials in accordance with the metal oxide precursor added when preparing the electrospinning solution. More specifically, it is preferable to use ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , V 2 O 5 , Cr 3 O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11, Nd 2 O 3, Sm 2 O 3, Eu 2 O 3, Gd 2 O 3, Tb 4 O 7, Dy 2 O 3, Ho 2 O 3, Er 2 O 3, Yb 2 O 3, Li 2 O 3 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0.3 La 0.57 TiO 3 , LiV 3 O 8 , RuO 2 , IrO 2 , MnO 2 , InTaO 4 , ITO, IZO, InTaO 4 , MgO, Li 2 MnO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , Ga 2 O 3 , LiNiO 2 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Li (Ni, Mn, Co) O 2 , LiFePO 4 , Li 4, Li (Mn, Fe) O 2 , Li y (Cr x Mn 2 -x ) O 4 + z , LiCoMnO 4 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7, Ba 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 0 . 8 Fe 0 . 2 O 3 -7, and the like can be produced. The metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure in which the prepared catalyst nanoparticles are bound may have a length in the range of 1 μm to 500 μm in the longitudinal direction, and the thickness of the fibers is in the range of 100 nm to 50 μm . Further, the diameter of the pores formed on the surface is in the range of 10-300 nm.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 공정을 통한 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 다공성 금속산화물 반도체 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재의 제조방법에 따른 제조 공정 순서를 개략적으로 도시하고 있다. 도 3의 순서도에 따르면, 가스센서용 부재 제조방법은, 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 제조하는 단계(S501), 상기 합성된 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트와 금속산화물 전구체/고분자 전기방사 용액에 교반시켜 혼합 전기방사 용액을 제조하는 단계(S502), 전기방사를 통해 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 표면 및 내부에 균일하게 분포하는 복합 나노섬유를 합성하는 단계(S503), 고온 열처리를 통하여 원형 내지 타원 형태의 기공을 다수 포함하며, 기공위치에 균일하게 결착된 나노입자 촉매를 포함하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 구조를 합성하는 단계 (S504), 그리고 촉매가 균일하게 전사된 다공성 금속산화물 나노섬유를 이용하여 유해환경 및 질병진단을 위한 생체지표 가스를 실시간으로 검출할 수 있는 가스센서를 제조하는 단계 (S505)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유 내부에 형성된 기공에 의하여 금속산화물 나노섬유 표면에 불규칙한 형태의 요철구조를 형성할 수 있다. 하기에서는 상기 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.FIG. 3 schematically shows a manufacturing process sequence according to a method of manufacturing a member for a gas sensor using a one-dimensional porous metal oxide semiconductor nanofibers in which a nanoparticle catalyst is uniformly bound by an electrospinning process according to an embodiment of the present invention. . According to the flowchart of FIG. 3, the method for manufacturing a member for a gas sensor comprises the steps of: (S501) preparing a block copolymer template in which a catalyst is uniformly bound, a block copolymer template to which the synthesized nanoparticle catalyst is bound and a metal oxide precursor (S502), the block copolymer template to which the catalyst nanoparticles are bound by electrospinning is uniformly distributed on the surface and inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber (S503), synthesizing a one-dimensional porous metal oxide nanofiber structure including a nanoparticle catalyst including a plurality of circular or elliptical pores through a high-temperature heat treatment and uniformly binding to pore sites (S504), and using the porous metal oxide nanofibers to which the catalyst is uniformly transferred, And a step (S505) of manufacturing a gas sensor capable of detecting a bio-indicator gas for disease diagnosis in real time. In addition, the pores formed in the porous metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure can form irregular-shaped irregularities on the surface of the metal oxide nanofibers. Each of the above steps will be described in more detail below.

첫 번째로, 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 제작하는 단계 (S501)를 살펴본다.First, a step (S501) of producing a block copolymer template in which a catalyst is uniformly bound is described.

본 단계 (S501)에서 사용되는 블록 공중합체 템플레이트로는 Poly(styrene-b-acrylic acid), Poly(styrene-b-ethylene oxide), Poly(styrene-b-methyl methacrylate), Poly(styrene-b-2-vinyl pyridine), Poly(styrene-b-4-vinyl pyridine), 및 Poly(styrene-b-dimethylsiloxane) 등이 사용될 수 있으며, 특정한 형태로 블록 공중합체 간의 내부구조를 형성할 수 있다면 특정 블록 공중합체 템플레이트에 제한을 두지 않는다. 블록 공중합체 템플레이트를 특정 용매에 분산하는 과정을 거칠 수 있다. 여기서 사용되는 용매는 에탄올(ethanol), 물(water), 클로로포름(chloroform), N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide), 디메틸술폭사이드(dimethylsulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N'-dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) 등과 같은 상용성 용매를 사용할 수 있으며, 블록 공중합체 템플레이트가 분산될 수 있다면 특정 용매에 제한을 두지 않는다. 여기에 추가적으로 계면활성제를 첨가하고, 초음파 분쇄기로 분쇄하는 과정을 거치며 에멀전(emulsion)화된 용액을 얻을 수 있다. 추가적으로 고온에서 어닐링(annealing)과정을 통하여 블록 공중합체 내부에 규칙적인 구조를 형성하는 과정을 거쳐서 고분자로 이루어진 미세입자를 제조한다. 균일하게 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체를 형성하기 위하여 금속염 전구체를 용매에 용해시켜 상기 고분자로 이루어진 미세입자와 혼합하여 준다. 상기 금속염 전구체는 Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride 등이 될 수 있으며, 전구체 종류에 따라서 블록 공중합체 표면에 형성되는 금속 입자가 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, Ge 등으로 형성될 수 있다. 금속염의 함량을 조절하여 블록 공중합체 템플레이트 표면에 결착된 금속 입자의 함량을 조절할 수 있다. 금속염과 결합하는 블록 공중합체와 금속염의 몰(mol) 비율이 1:0.001 내지 1:10 범위에서 이루어질 수 있으며, 일례로 블록 공중합체와 금속염을 1:1의 몰 비로 함량을 유지하는 것이 바람직하다. 금속염 전구체와 블록 공중합체 템플레이트를 혼합하여 24시간 동안 교반시켜 주면 금속염이 금속으로 블록 공중합체 표면에 규칙적으로 형성된다. 추가적인 세척과정을 더 거침으로써 반응에 참여하지 않은 금속염 이온 및 불순물을 제거할 수 있으며, 세척과정은 원심분리기를 이용하여 10,000-20,000 rpm의 회전속도범위에서 10-30분 사이에서 이루어질 수 있다. 여기서 최종적으로 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트만 수거하여 사용한다.Examples of the block copolymer template used in this step S501 include poly (styrene-b-acrylic acid), poly (styrene-b-ethylene oxide) 2-vinyl pyridine, poly (styrene-b-4-vinyl pyridine), and poly (styrene-b-dimethylsiloxane) may be used. If a block copolymer can form an internal structure among the block copolymers, There is no restriction on merging templates. The block copolymer template may be subjected to a process of dispersing it in a specific solvent. The solvent used herein may be selected from the group consisting of ethanol, water, chloroform, N, N'-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N, N'-dimethyl Compatible solvents such as N, N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone and the like can be used. If the block copolymer template can be dispersed, there is no limitation on a specific solvent. In addition, a surfactant may be added to the emulsion, followed by pulverization with an ultrasonic pulverizer to obtain an emulsified solution. In addition, annealing at a high temperature is performed to form a regular structure within the block copolymer to prepare fine particles of polymer. The metal salt precursor is dissolved in a solvent and mixed with fine particles composed of the polymer to form a block copolymer having catalyst particles uniformly bound thereto. The metal salt precursor is selected from the group consisting of copper (II) nitrate, copper (II) chloride, cobalt (II) nitrate, cobalt (II) acetate, lanthanum (III) nitrate, lanthanum (III) acetate, platinum (III) chloride, iron (III) chloride, nickel (II) chloride, nickel (II) acetate, and ruthenium (III) The metal particles formed on the surface of the block copolymer may include Pt, Pd, Rh (I) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium (III) chloride, iridium acetate, Tantalum , Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, . The content of the metal particles bound to the surface of the block copolymer template can be controlled by controlling the content of the metal salt. The molar ratio of the block copolymer to the metal salt to the metal salt may be in the range of 1: 0.001 to 1:10. For example, the block copolymer and the metal salt are preferably maintained in a molar ratio of 1: 1 . When the metal salt precursor and the block copolymer template are mixed and stirred for 24 hours, the metal salt is regularly formed on the surface of the block copolymer as a metal. Additional washing may be performed to remove metal salt ions and impurities that are not participating in the reaction, and the washing process may be carried out using a centrifuge at a rotational speed of 10,000-20,000 rpm for 10-30 minutes. Here, only the block copolymer template to which the catalyst nanoparticles are finally bound is collected and used.

다음으로, 상기 합성된 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 제조하는 단계 (S502)에 대하여 살펴본다.Next, a step (S502) of preparing a metal oxide precursor / polymer mixture spinning solution containing a block copolymer template to which the synthesized nanoparticle catalyst is bound will be described.

본 단계 (S502)에서는 상기에서 제작된 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액에 첨가하여 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트 콜로이드가 방사용액 속에 균일하게 분산되게 교반시켜 주어 혼합 방사용액을 제조한다. 여기서, 방사용액 제조시에 사용되는 고분자 및 블록 공중합체 템플레이트는 고온 열처리시 제거가 되는 물질이라면 특정 물질에 제한을 두지 않으며, 대표적으로 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 폴미아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polypropylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드(polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride) 등과 같은 고분자들이 있다.In this step (S502), the block copolymer template with the prepared nanoparticle catalyst is added to the metal oxide precursor / polymer mixed solution, so that the block copolymer template colloid bound to the nanoparticle catalyst is uniformly dispersed in the spinning solution And stirred to prepare a mixed spinning solution. Here, the polymer and block copolymer template used in the manufacturing of spinning solution are not limited to specific materials as long as they can be removed during high-temperature heat treatment. Typically, polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinylpyrrolidone (PVP ), Polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide copolymer, Polymers such as oxide copolymers, polycarbonate (PC), polyvinylchloride (PVC), polycaprolactone, and polyvinylidene fluoride.

추가적으로, 본 단계에서 사용되는 금속산화물 전구체는 용매에 용해되어야 하며 고온 열처리시, ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Li4Ti5O12, Li4Ti5O12, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Cr3O4, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 . 3La0 . 57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Li2MnO4, LiCoO2, LiMn2O4, Ga2O3, LiNiO2, CaCu3Ti4O12, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiFePO4, Li(Mn,Co,Ni)PO4 , Li(Mn,Fe)O2, Liy(CrxMn2-x)O4 +z, LiCoMnO4, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7,Ba0 . 5Sr0 . 5Co0 . 8Fe0 . 2O3 -7 등과 같은 가스의 흡착 및 탈착시 저항변화가 생기는 반도체 금속산화물 나노섬유 내지는 나노튜브를 형성할 수 있는 금속염을 포함하는 전구체라면 특정한 금속염에 제한을 두지 않는다.Additionally, the metal oxide precursor used in this step should be dissolved in the solvent during the high-temperature heat treatment, ZnO, SnO 2, WO 3 , Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, NiO, TiO 2, CuO, In 2 O 3, Zn 2 SnO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3, V 2 O 5 , Cr 3 O 4, CeO 2, Pr 6 O 11, Nd 2 O 3, Sm 2 O 3, Eu 2 O 3, Gd 2 O 3, Tb 4 O 7, Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0 . 3 La 0 . 57 TiO 3, LiV 3 O 8 , RuO 2, IrO 2, MnO 2, InTaO 4, ITO, IZO, InTaO 4, MgO, Li 2 MnO 4, LiCoO 2, LiMn 2 O 4, Ga 2 O 3, LiNiO 2 , CaCu 3 Ti 4 O 12, Li (Ni, Mn, Co) O 2, LiFePO 4, Li (Mn, Co, Ni) PO 4, Li (Mn, Fe) O 2, Li y (Cr x Mn 2- x ) O 4 + z , LiCoMnO 4 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7, Ba 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 0 . 8 Fe 0 . 2 O 3 -7, and the like, a precursor including a metal oxide nanofiber or a metal salt capable of forming a nanotube, which causes a change in resistance upon adsorption and desorption of a gas, does not limit the specific metal salt.

방사용액을 형성하기 위한 금속산화물 전구체와 고분자의 중량 비율은 1:1-5 정도를 갖는 것이 바람직하며, 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 이용하여 합성된 나노입자 촉매와의 비율은 1:0.001-50 정도가 바람직하다.The ratio by weight of the metal oxide precursor to the polymer for forming the spinning solution is preferably about 1: 1-5, and the ratio of the metal oxide precursor to the nanoparticle catalyst synthesized using the block copolymer template with catalyst nanoparticles is 1 : 0.001-50 is preferable.

단계 (S502)에서 혼합 전기방사 용액을 제조하는 과정은 먼저, 금속산화물 전구체를 용매에 용해시켜 주고 미리 만들어진 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 차례로 용액에 분산시켜 준다. 여기서 분산시키는 방법으로는 회전속도 500 rpm에서 1시간 이상 교반시키는 방법이 있다. 이렇게 제조된 용액에 전기방사가 용이하도록 점도를 부여해주기 위하여, 고분자를 알맞은 비율로 첨가하여 고분자가 용액에 모두 용해될 때까지 충분히 교반시켜 준다. 교반 조건은 상온에서 50 ℃ 이하에서 교반시켜 주는 것이 바람직하고, 5시간에서 48 시간 내외로 하여 충분히 교반시켜 나노입자 촉매가 결착된 블록 중공합체 템플레이트를 금속산화물 전구체 및 고분자 용액 속에 균일하게 혼합되도록 한다.In step S502, the process of preparing the mixed electrospinning solution first dissolves the metal oxide precursor in a solvent and disperses the block copolymer template in which the pre-formed nanoparticle catalyst is bound in turn into the solution. Here, as a method of dispersing, there is a method of stirring at a rotation speed of 500 rpm for 1 hour or more. In order to impart viscosity to the prepared solution in order to facilitate electrospinning, the polymer is added at an appropriate ratio and the polymer is sufficiently stirred until dissolved in the solution. The agitation is preferably carried out at room temperature or below at 50 DEG C, and the agitation is carried out for 5 hours to 48 hours with sufficient stirring to uniformly mix the block hollow polymer template with the nanoparticle catalyst attached thereto in the metal oxide precursor and the polymer solution .

상기 준비된 전기방사용 혼합용액을 전기방사하여 촉매 나노입자가 결착된 블록 중공합체 템플레이트가 나노섬유 표면 및 내부에 균일하게 분포하는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 제작하는 단계 (S503)를 수행한다.The prepared electric discharge mixture solution is electrospun to prepare a metal oxide precursor / polymer composite nanofiber uniformly distributed on the surface and inside of the nanofiber of the block hollow polymer template to which the catalyst nanoparticles are bound (S503) .

단계 (S503)을 수행하기 위하여 전기방사를 실시함에 있어, 상기 준비된 나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체를 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 채울 수 있는 시린지 (syringe)에 옮겨 담은 후, 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지를 밀어줌으로써 일정한 양의 방사용액이 토출되도록 한다. 전기방사 시스템은 고전압기, 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 노즐을 포함하여 구성될 수 있으며, 시린지에 채워진 용액과 전도성 기판 사이에 5 kV내지는 30 kV 내외로 고전압을 걸어주어 전기장이 형성되게 하며, 형성된 전기장으로 인해 시린지 노즐을 통해 토출되는 방사용액이 나노섬유 형태로 길게 뽑아져 나오도록 전기방사를 실행하여 준다. 길게 뿜어져 나오는 형태의 방사용액은 방사용액 속에 포함되어 있는 용매가 증발 및 휘발되면서 고체 형태의 고분자 섬유가 얻어짐과 동시에 그 안쪽에 금속산화물 전구체, 고분자 및 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 분산된 복합 나노섬유가 제작되게 된다. 토출되는 속도는 0.01 ml/분 내지는 10 ml/분 내외로 조절 될 수 있으며 전압과 토출량의 조절을 통해서 원하는 직경을 갖는 금속산화물 전구체/고분자/나노입자 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트 복합 나노섬유를 제작할 수 있다.In carrying out the step S503, the prepared nanoparticle catalyst is transferred to a syringe which can be filled with the metal oxide precursor / polymer mixed solution containing the block copolymer to which the prepared nanoparticle catalyst is bound, A syringe pump is used to push the syringe at a constant speed to allow a certain amount of spinning fluid to be dispensed. The electrospinning system may include a high voltage generator, a grounded conductive substrate, a syringe, and a syringe nozzle. A high voltage of about 5 kV to about 30 kV is applied between the solution filled in the syringe and the conductive substrate to form an electric field. And the electrification is performed so that the spinning solution discharged through the syringe nozzle is drawn out in a nanofiber form due to the formed electric field. The spinning solution having a long spouting property is obtained by the solid-state polymer fibers obtained by evaporating and volatilizing the solvent contained in the spinning solution, and a block-like structure in which a metal oxide precursor, a polymer and a nanoparticle catalyst are uniformly bound Composite nanofibers in which the template is dispersed are produced. The rate of discharge can be adjusted from about 0.01 ml / min to about 10 ml / min, and a block copolymer template nanofiber with a metal oxide precursor / polymer / Can be produced.

마지막으로 상기 제작된 복합 나노섬유를 고온에서 열처리를 통해서 표면에 다수의 기공을 형성하고, 기공이 형성된 위치에 균일하게 나노입자 촉매가 결착된 1차원 구조의 다공성 금속산화물 나노섬유 구조를 단계 (S504)를 통해 제조할 수 있다. 400-800 ℃ 범위에서의 고온열처리를 통해서 희생층 템플레이트로 사용된 블록 공중합체 및 고분자 소재를 모두 제거하면 금속산화물 나노섬유 표면 및 내부에10-300 nm 사이의 다양한 크기의 기공을 형성한다. 또한, 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유 내부에 형성된 기공에 의하여 금속산화물 나노섬유 표면에 불규칙한 형태의 요철구조를 형성할 수 있다. 추가적으로, 블록 공중합체 표면에 결착되어 있는 나노입자 촉매는 금속산화물 나노섬유에 형성된 기공에 균일하게 결착된다. 단계 (S504)를 통해서 최종적으로 형성된 구조는 금속산화물 나노섬유 표면에 다수의 메크로 크기의 기공이 형성되어 있고 표면에는 불규칙한 형태의 요철 구조를 가지며, 형성된 기공 주변으로 균일하게 나노입자 촉매가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 금속산화물 나노섬유 구조이다.Finally, the prepared composite nanofibers are heat treated at a high temperature to form a plurality of pores on the surface, and a one-dimensional porous metal oxide nanofiber structure in which nanoparticle catalysts are uniformly bonded at the positions where pores are formed is subjected to a step S504 ). ≪ / RTI > Removal of both block copolymers and polymeric materials used as sacrificial layer templates through high temperature heat treatment at 400-800 ° C forms pores of various sizes between 10-300 nm on the surface and inside of the metal oxide nanofibers. In addition, the pores formed in the porous metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure can form irregular-shaped irregularities on the surface of the metal oxide nanofibers. In addition, the nanoparticle catalyst bound to the surface of the block copolymer is uniformly bound to the pores formed in the metal oxide nanofibers. In the final structure formed through step S504, a plurality of macroscopic pores are formed on the surface of the metal oxide nanofibers, irregularly shaped irregularities are formed on the surface of the metal oxide nanofibers, and uniformly attached to the nanoparticle catalyst around the formed pores. Dimensional structure of the porous metal oxide nanofibers.

상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 이용한 전기방사 공정을 통하여 원형 및 타원 형태의 메크로 기공을 다수 포함하며, 추가적인 촉매 결착 공정 없이 촉매 나노입자가 기공주변에 균일하게 결착된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 제작하고, 제작된 1차원 구조의 다공성 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서 부재의 제작방법은 가스가 다수의 기공을 통하여 쉽게 침투하여 표면반응에 참여할 수 있는 장점과, 기공주변으로 균일하게 결착된 촉매 나노입자에 의하여 가스가 유입되었을 경우, 가스의 분해반응을 활성화 시켜서 가스센서의 반응속도 특성, 감도특성, 그리고 선택성을 크게 개선할 수 있다.As described above, the catalyst nanoparticles according to the embodiments of the present invention include many circular and elliptic macropores through the electrospinning process using the block copolymer template, and the catalyst nanoparticles A method of fabricating a one-dimensional porous metal oxide nanofibers uniformly bound around pores and fabricating a gas sensor member using porous metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure is characterized in that gas easily penetrates through a plurality of pores, And the reaction rate characteristic, the sensitivity characteristic, and the selectivity of the gas sensor can be greatly improved by activating the decomposition reaction of the gas when the gas is introduced by the catalyst nanoparticles uniformly bound to the periphery of the pore .

하기에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어있는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples. The examples and comparative examples are merely intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1: 백금(Pt) 촉매 나노입자가  1: Platinum (Pt) catalyst nanoparticles 결착된Concluded 블록 공중합체  Block copolymer 템플레이트Template (400) 제조(400) manufacture

백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 합성하기 위하여 하기와 같은 합성 과정을 거친다.In order to synthesize a block copolymer template having platinum catalyst nanoparticles bound thereto, the following synthesis process is performed.

백금 촉매를 포함하는 라즈베리 형상의 고분자 템플레이트를 제조하기 위하여 총 분자량 (Mn)=235 kg/mol, 다분산도(PDI)=1.18의 특성을 갖는 PS-b-P4VP (polymer Sources Inc.)를 준비한다. 클로로포름 내 PS-b-P4VP 1 중량% 용액을 1 중량%의 계면활성제(pluronic F108 (PEO-b-PPO-b-PEO, 15,000 g/mol, Sigma Aldrich))를 함유하는 증류수 4.5 mL를 첨가하고 호모게나이져(homogenizer)로 2분간 25,000 rpm에서 처리하여 에멀젼(emulsion)화 할 수 있다. 얻어진 수계 에멀젼에 증류수를 첨가하여 희석한 후 유기용매를 감압하고, 40℃에서 로타리증발기를 이용하여 증발시킬 수 있다. 결과물을 95℃에서 24시간 동안 어닐링(annealing)하여 내부 구조를 형성하였다. 분산물을 탈이온수로 세척한 후 원심분리(10,000 rpm, 20분) 과정을 반복하여 남아있는 계면활성제를 제거하여 고분자로 이루어진 미세입자를 제조할 수 있다.PS-b-P4VP (polymer Sources Inc.) having a total molecular weight (M n ) of 235 kg / mol and a polydispersity index (PDI) of 1.18 was prepared to prepare a raspberry shaped polymer template containing a platinum catalyst Prepare. A 1 wt% solution of PS-b-P4VP in chloroform was added to 4.5 mL of distilled water containing 1 wt% of a surfactant (pluronic F108 (PEO-b-PPO-b-PEO, 15,000 g / mol, Sigma Aldrich) And emulsified by treatment with a homogenizer at 25,000 rpm for 2 minutes. Distilled water is added to the obtained aqueous emulsion to dilute the organic solvent, and the organic solvent can be reduced in pressure and evaporated using a rotary evaporator at 40 ° C. The resultant was annealed at 95 DEG C for 24 hours to form an internal structure. The dispersion is washed with deionized water and centrifuged (10,000 rpm, 20 minutes) to remove the remaining surfactant, thereby preparing fine particles of polymer.

상기의 미세입자를 이용하여 백금 나노입자로 장식된 미세입자를 제조하기 위하여, 백금 전구체(K2PdCl4, Aldrich) 용액을 미세입자 분산물에 P4VP 단위 기준 1:1 몰비로 첨가한다. 혼합물을 24시간 동안 교반한 후, 탈이온수로 세척하고, 원심분리(10,000 rpm, 20분) 과정을 반복하여 정제함으로써 백금 촉매를 포함하는 라즈베리 형태의 고분자 미세입자를 제조할 수 있다.To prepare microparticles decorated with platinum nanoparticles using the microparticles described above, a platinum precursor (K 2 PdCl 4 , Aldrich) solution is added to the microparticle dispersion at a 1: 1 molar ratio based on P4VP units. The mixture is stirred for 24 hours, washed with deionized water, and centrifuged (10,000 rpm, 20 minutes) to purify the polymer fine particles of raspberry type containing platinum catalyst.

도 4는 실시예 1을 통하여 제작된 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 주사전자 현미경 사진이다. 도 4에서 확인할 수 있듯이, 50-500 nm의 구형의 다양한 크기범위를 가지는 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 확인 할 수 있으며, 표면에 백금 촉매 나노입자가 선택적으로 P4VP 블록 공중합체에 결합을 하면서 부풀어 오르는 형상에 의하여 라즈베리 형상을 가지는 것이 확인된다.4 is a scanning electron micrograph of a block copolymer template bound with platinum catalyst nanoparticles prepared in Example 1. FIG. As can be seen in FIG. 4, it can be seen that a block copolymer template with platinum catalyst nanoparticles bound with spheres of various sizes ranging from 50 to 500 nm can be identified. Platinum catalyst nanoparticles are selectively added to the surface of the P4VP block copolymer It is confirmed that it has a raspberry shape by the shape which swells while being bonded.

도 5는 실시예 1을 통하여 제작된 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 투과전자 현미경 사진이다. 제작된 백금 촉매 입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 라즈베리 형상을 더욱 선명하게 관찰 할 수 있다. 도 5에서 어둡게 나타난 부분이 백금 촉매가 선택적으로 표면에 결착된 부분이며, 규칙적으로 분산된 형태로 백금 촉매가 결착되어 있는 것을 확인할 수 있다.FIG. 5 is a transmission electron micrograph of a block copolymer template on which platinum catalyst nanoparticles prepared through Example 1 are bound. The shape of the raspberry of the block copolymer template to which the prepared platinum catalyst particles are bound can be more clearly observed. In FIG. 5, it can be seen that the part where the platinum catalyst is selectively bonded to the surface, and the platinum catalyst is bonded in a regularly dispersed form.

도 6은 실시예 1을 통하여 제작된 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트의 고해상도 투과전자 현미경 사진이다. 도 6에서 확인할 수 있듯이, 블록 공중합체 템플레이트 표면에 결착된 백금 촉매는10 nm 이하의 크기를 가지는 것을 확인할 수 있다.6 is a high-resolution transmission electron micrograph of a block copolymer template bound with platinum catalyst nanoparticles prepared in Example 1. FIG. As can be seen from FIG. 6, it can be confirmed that the platinum catalyst bound to the surface of the block copolymer template has a size of 10 nm or less.

이처럼 수 나노크기로 형성된 백금 촉매와 균일하게 분산된 촉매 나노입자는 금속산화물 표면에 전사될 경우, 우수한 촉매 활성 반응을 나타낼 수 있다.Such a platinum catalyst having a size of several nanometers and uniformly dispersed catalyst nanoparticles can exhibit excellent catalytic activity when they are transferred to the surface of a metal oxide.

실시예Example 2: 백금(Pt) 촉매 나노입자가  2: Platinum (Pt) catalyst nanoparticles 결착된Concluded 블록 공중합체  Block copolymer 템플레이트를Template 이용한 기공에 균일하게 백금 촉매가 전사된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유(100) 제작  Production of porous tungsten oxide nanofibers (100) having a one-dimensional structure in which a platinum catalyst was uniformly transferred to pores used

분자량 1,300,000 g/mol의 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, (PVP), Aldrich) 0.25 g과 텅스텐산화물 전구체인 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트 (ammonium metatungstate hydrate, Aldrich) 0.2 g을 물 1.5 g에 녹인다. 상기의 텅스텐산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 주사기에 담아 실린지 펌프 (Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT)에 연결하여, 0.1 mL/분의 토출속도로 방사용액을 밀어내고, 방사용액을 토출이 되는 주사바늘(needle, 25 gauge)과 나노섬유 웹을 수득하는 집전체 기판 사이에 14 kV의 전압을 인가하여 텅스텐산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 웹(web)을 제조한다.0.25 g of polyvinylpyrrolidone (PVP) (Aldrich) having a molecular weight of 1,300,000 g / mol and 0.2 g of tungsten oxide precursor ammonium metatungstate hydrate (Aldrich) are dissolved in 1.5 g of water. The tungsten oxide precursor / polymer blend solution was placed in a syringe and connected to a syringe pump (Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT), the spinning solution was pushed out at a discharge rate of 0.1 mL / min, A tungsten oxide precursor / polymer composite nanofiber web is prepared by applying a voltage of 14 kV between a needle (25 gauge) to be discharged and a current collecting substrate to obtain a nanofiber web.

고분자를 제거시키고, 텅스텐산화물 전구체를 산화시키기 위하여 고온에서 열처리 하는 과정을 거친다. 고온 열처리과정은 500℃에서 1시간동안 이루어졌으며, 승온 및 하강 온도는 4℃/min으로 일정하게 유지시킨다.The polymer is subjected to a heat treatment at high temperature to remove the tungsten oxide precursor and oxidize the tungsten oxide precursor. The high temperature heat treatment process was performed at 500 ° C. for 1 hour, and the temperature rise and fall temperature was kept constant at 4 ° C./min.

이처럼 전기방사 기술을 이용하여 1차원 구조를 가지는 텅스텐산화물 나노섬유를 제작할 수 있으며, 구조적인 관점에서 비표면적이 넓고, 섬유와 섬유 사이에 형성되어있는 기공을 통하여 가스가 쉽게 확산하여 감지소재 내부로 침투할 수 있기 때문에 우수한 감지 특성을 발휘할 수 있다.In this way, it is possible to fabricate tungsten oxide nanofibers having a one-dimensional structure by using the electrospinning technique. From the structural point of view, the specific surface area is wide and the gas easily diffuses through the pores formed between the fibers and the fibers, So that it can exhibit excellent sensing characteristics.

상기의 실시예에서는 텅스텐산화물(WO3)을 포함하는 금속산화물 나노섬유를 한 예로 들었지만, 전기방사 기술을 이용하여 제작할 수 있는 1차원 구조를 가지는 금속산화물 나노섬유는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Li4Ti5O12, Li4Ti5O12, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Cr3O4, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 . 3La0 . 57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Li2MnO4, LiCoO2, LiMn2O4, Ga2O3, LiNiO2, CaCu3Ti4O12, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiFePO4, Li(Mn,Co,Ni)PO4 , Li(Mn,Fe)O2, Liy(CrxMn2-x)O4 +z, LiCoMnO4, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7,Ba0 . 5Sr0 . 5Co0 . 8Fe0 . 2O3 -7 등이 될 수 있으며, 이 중 하나 또는 둘 이상으로 구성하는 금속산화물을 형성할 수 있다.Although the metal oxide nanofibers containing tungsten oxide (WO 3 ) are mentioned as an example in the above embodiments, the metal oxide nanofibers having a one-dimensional structure that can be produced by using electrospinning technology are ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 4 Ti 5 O 12 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , V 2 O 5 , Cr 3 O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0 . 3 La 0 . 57 TiO 3, LiV 3 O 8 , RuO 2, IrO 2, MnO 2, InTaO 4, ITO, IZO, InTaO 4, MgO, Li 2 MnO 4, LiCoO 2, LiMn 2 O 4, Ga 2 O 3, LiNiO 2 , CaCu 3 Ti 4 O 12, Li (Ni, Mn, Co) O 2, LiFePO 4, Li (Mn, Co, Ni) PO 4, Li (Mn, Fe) O 2, Li y (Cr x Mn 2- x ) O 4 + z , LiCoMnO 4 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7, Ba 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 0 . 8 Fe 0 . 2 O 3 -7 , and the like, and metal oxides composed of one or more of them may be formed.

백금 촉매가 전사된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유를 제작하기 위하여, 상기 제작된 텅스텐산화물 전구체/고분자 복합 방사용액에 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 더 분산시키는 과정을 거친다. 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트에서 백금의 함량은 유도성 결합 플라즈마(inductive coupled plasma) 분석을 이용하여 알 수 있으며, 본 실시예 2에서 사용한 백금의 함량은 312 mg/kg 으로 확인된다. 블록 공중합체 템플레이트 표면에 결착된 백금의 함량은 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 제작하는 과정에서 백금 전구체의 함량을 달리하면서 조절할 수 있다. 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 방사용액은 상기와 동일한 방법으로 전기방사를 수행하고, 고온 열처리과정을 거쳐서 백금 촉매가 전사된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유를 제작할 수 있다.In order to produce a porous tungsten oxide nanofiber having a one-dimensional structure in which a platinum catalyst is transferred, a block copolymer template having a platinum catalyst attached thereto is further dispersed in the prepared tungsten oxide precursor / polymer composite spinning solution. The content of platinum in the block copolymer template to which the platinum catalyst is bound can be determined by inductive coupled plasma analysis, and the content of platinum used in Example 2 is found to be 312 mg / kg. The content of platinum bound to the surface of the block copolymer template can be controlled by varying the content of the platinum precursor in the process of preparing the block copolymer template to which the platinum catalyst is attached. The metal oxide precursor / polymer spinning solution containing the block copolymer template having the platinum catalyst bound thereto was subjected to electrospinning in the same manner as described above, and the porous tungsten oxide nano-particles having a one-dimensional structure Fibers can be produced.

도 7은 실시예 2에 따라 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 방사용액을 전기방사한 이후에 형성된 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분산된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다. 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 결착됨으로써 거친 표면을 가지는 것이 확인된다.FIG. 7 is a graph showing the results of the electrospinning of a metal oxide precursor / polymer spinning solution containing a block copolymer template on which a platinum catalyst is bound according to Example 2, and a metal oxide precursor / Scanning electron micrographs of precursor / polymer composite nanofibers. It is confirmed that the block copolymer template to which the platinum catalyst is bound binds to the surface and inside of the composite nanofiber to have a rough surface.

도 8은 실시예 2에 따른 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트가 균일하게 분산된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 고온에서 열처리를 거친 후의 주사전자 현미경 사진이다. 블록 공중합체 템플레이트와 고분자는 고온에서 분해되어 제거되었기 때문에 1차원 구조의 텅스텐산화물 나노섬유를 형성하며, 블록 공중합체 템플레이트가 제거되면서 표면 및 내부에 다수의 메크로 기공을 형성한 것을 확인할 수 있다. 또한, 텅스텐산화물 나노섬유 내부에 형성된 기공은 텅스텐산화물 나노섬유 표면에 불규칙한 형상의 요철 구조를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 블록 공중합체 템플레이트 표면에 결착되어있던 백금 촉매 나노입자는 1차원 구조를 가지는 텅스텐산화물의 기공위치에 선택적으로 균일하게 분산되는 것을 특징으로 한다. 열처리가 완료된 텅스텐산화물 나노섬유는 직경이 300 nm - 2 μm로 형성되었으며, 길이방향으로 1-50 μm 범위를 가지는 것이 확인된다.8 is a scanning electron micrograph of a metal oxide precursor / polymer composite nanofiber having a uniformly dispersed block copolymer template bound with a platinum catalyst according to Example 2 after heat treatment at a high temperature. Since the block copolymer template and the polymer were decomposed and removed at high temperature, the tungsten oxide nanofibers of one-dimensional structure were formed, and it was confirmed that many macropores were formed on the surface and inside while the block copolymer template was removed. In addition, it can be confirmed that the pores formed in the tungsten oxide nanofibers form irregular-shaped irregularities on the surfaces of the tungsten oxide nanofibers. In addition, the platinum catalyst nanoparticles bound to the surface of the block copolymer template are selectively and uniformly dispersed in the pore positions of the tungsten oxide having a one-dimensional structure. The heat-treated tungsten oxide nanofibers have a diameter of 300 nm - 2 μm and a length of 1-50 μm.

도 9는 실시예 2에 따른 백금 나노입자가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 확대된 주사전자 현미경 사진이다. 텅스텐산화물 나노섬유 표면에 형성된 다수의 기공을 확인할 수 있으며, 기공 주변으로 백금 나노입자가 균일하게 결착된 것을 확인할 수 있다.9 is an enlarged scanning electron micrograph of a porous tungsten oxide nanofiber having a one-dimensional structure to which platinum nanoparticles according to Example 2 are bound. It is possible to confirm a large number of pores formed on the surface of the tungsten oxide nanofiber, and it can be confirmed that the platinum nanoparticles are uniformly bound around the pores.

도 10은 실시예 2에 따른 백금 나노입자가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 투과전자 현미경 사진이다. 도 10에서 알 수 있듯이, 백금 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트에 의하여 텅스텐산화물 나노섬유의 표면뿐만 아니라, 내부에도 다수의 기공이 형성된 것을 알 수 있고, 이와 동시에 백금 촉매 입자가 텅스텐산화물 나노섬유의 기공위치에 균일하게 전사되기 때문에, 나노섬유를 따라서 전반적으로 촉매 입자가 균일하게 전사된 것을 알 수 있다.10 is a transmission electron micrograph of a porous tungsten oxide nanofiber having a one-dimensional structure to which platinum nanoparticles according to Example 2 are bound. 10, it can be seen that a large number of pores are formed not only on the surface but also inside the surface of the tungsten oxide nanofibers by the block copolymer template having the platinum catalyst nanoparticles bound thereto. At the same time, It can be seen that the catalyst particles are uniformly transferred throughout the nanofibers because they are uniformly transferred to the pore positions of the fibers.

도 11은 실시예 2에 따른 백금 나노입자가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 고해상도 투과전자 현미경 사진이다. 도 11에서 확인할 수 있듯이, 고해상도 투과전자 현미경을 통하여 고온 열처리 이후에 텅스텐산화물 나노섬유가 결정질 산화물로 형성된 것을 확인할 수 있으며, 백금 결정 격자를 확인함으로써 백금 촉매가 블록 공중합체 템플레이트에서 텅스텐산화물 나노섬유 표면으로 전사된 것을 확인할 수 있다.11 is a high-resolution transmission electron micrograph of a porous tungsten oxide nanofiber having a one-dimensional structure to which platinum nanoparticles according to Example 2 are bound. As can be seen from FIG. 11, it can be confirmed that the tungsten oxide nanofibers are formed as crystalline oxides after the high-temperature heat treatment through the high-resolution transmission electron microscope. By confirming the platinum crystal lattice, the platinum catalyst can be obtained from the block copolymer template by using the tungsten oxide nanofiber surface . ≪ / RTI >

도 12는 실시예 2에 따른 백금 나노입자가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유의 투과전자 현미경을 이용한 성분분석 사진이다. 도 12에서 확인할 수 있듯이, 제작된 백금 나노입자가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유는 텅스텐, 산소 및 백금으로 구성된 것을 확인할 수 있으며, 특히 백금 촉매 나노입자의 경우 텅스텐산화물 나노섬유를 따라서 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있다.12 is a photograph of a component analysis using a transmission electron microscope of a porous tungsten oxide nanofiber having a one-dimensional structure in which platinum nanoparticles according to Example 2 are bound. As can be seen from FIG. 12, it can be seen that the porous tungsten oxide nanofibers having a one-dimensional structure in which the prepared platinum nanoparticles are bound are composed of tungsten, oxygen and platinum. Particularly, in the case of platinum catalyst nanoparticles, tungsten oxide nanofibers Therefore, it can be confirmed that they are uniformly distributed.

비교예Comparative Example 1. 백금(Pt) 촉매 나노입자가  1. Platinum (Pt) catalyst nanoparticles 결착된Concluded 블록 공중합체  Block copolymer 템플레이트를Template 사용하지 않고 제작된 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유 제작 Manufacture of pure tungsten oxide nanofibers of dense structure without using

비교예 1은 백금(Pt) 촉매 나노입자가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않고 제작된 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유를 제작하는 방법으로 상기 실시예 2에서 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 혼합 방사용액에 분산시키는 과정을 제외한 공정과 동일하다.Comparative Example 1 is a method for producing pure tungsten oxide nanofibers having a dense structure without using a block copolymer template having platinum (Pt) catalyst nanoparticles bound thereto. In Example 2, a block copolymer The process is the same as the process except that the template is dispersed in the mixed spinning solution.

구체적으로, 분자량 1,300,000 g/mol의 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, (PVP), Aldrich) 0.25 g과 텅스텐산화물 전구체인 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트 (ammonium metatungstate hydrate, Aldrich) 0.2 g을 물 1.5 g에 녹인다. 상기의 텅스텐산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 실린지에 담아 실린지 펌프 (Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT)에 연결하여, 0.1 mL/분의 토출속도로 방사용액을 밀어내고, 방사용액을 토출이 되는 주사바늘(needle, 25 gauge)과 나노섬유 웹을 수득하는 집전체 기판 사이에 14 kV의 전압을 인가하여 텅스텐산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 웹을 제조한다.Specifically, 0.25 g of polyvinylpyrrolidone (PVP) (Aldrich) having a molecular weight of 1,300,000 g / mol and 0.2 g of tungsten oxide precursor ammonium metatungstate hydrate (Aldrich) are dissolved in 1.5 g of water . The tungsten oxide precursor / polymer mixture spinning solution was placed in a syringe and connected to a syringe pump (Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT), the spinning solution was pushed out at a discharge rate of 0.1 mL / min, A tungsten oxide precursor / polymer composite nanofiber web is prepared by applying a voltage of 14 kV between a discharge needle (25 gauge) and a current collector substrate for obtaining a nanofiber web.

고분자를 제거시키고, 텅스텐산화물 전구체를 산화시키기 위하여 고온에서 열처리 하는 과정을 거친다. 고온 열처리과정은 500℃에서 1시간동안 이루어졌으며, 승온 및 하강 온도는 4℃/min으로 일정하게 유지시킨다.The polymer is subjected to a heat treatment at high temperature to remove the tungsten oxide precursor and oxidize the tungsten oxide precursor. The high temperature heat treatment process was performed at 500 ° C. for 1 hour, and the temperature rise and fall temperature was kept constant at 4 ° C./min.

도 13은 비교예 1에 따라, 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않고 제작된 텅스텐산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다. 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않았기 때문에 표면구조가 매끄러운 것을 확인할 수 있다.13 is a scanning electron micrograph of a tungsten oxide precursor / polymer composite nanofiber fabricated without using a block copolymer template to which a platinum catalyst is bound according to Comparative Example 1. Fig. It is confirmed that the surface structure is smooth since the block copolymer template to which the platinum catalyst is bound is not used.

도 14는 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않고 제작된 텅스텐산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 열처리 이후에 제작된 치밀한 구조를 가지는 1차원 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다. 백금 촉매가 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 사용하지 않았기 때문에 표면에 형성된 기공을 확인할 수 없으며, 백금 촉매 또한 결착되지 않은 순수한 텅스텐산화물 나노섬유 구조를 나타낸다. 형성된 1차원 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유는 직경이 300 nm - 2 μm로 형성되며, 길이방향으로 길이방향으로 1-50 μm 범위를 가지는 것이 확인된다.14 is a scanning electron micrograph of pure tungsten oxide nanofibers having a dense structure having a dense structure produced after heat treatment of a tungsten oxide precursor / polymer composite nanofiber prepared without using a block copolymer template bound with a platinum catalyst to be. The pores formed on the surface can not be confirmed because the block copolymer template with the platinum catalyst is not used, and the platinum catalyst also exhibits the pure tungsten oxide nanofiber structure without binding. It is confirmed that the pure tungsten oxide nanofibers having a formed one-dimensional structure have a diameter of 300 nm to 2 μm and a length of 1 to 50 μm in the longitudinal direction.

실험예Experimental Example 1. 다수의 기공에 균일하게 백금(Pt) 촉매가 전사된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유(100)와 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유를 이용한 가스 센서 제조 및 특성 평가 1. Fabrication and characterization of a gas sensor using porous tungsten oxide nanofibers (100) having a one-dimensional structure in which platinum (Pt) catalysts are uniformly transferred to a plurality of pores and pure tungsten oxide nanofibers having a dense structure

상기의 실시예 1과 실시예 2로 제작된 백금 촉매가 결착된 1차원 구조를 가지는 다공성 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재를 이용하여 주위 환경에 존재하는 유해 가스 검출 센서나 날숨에 미량으로 존재하는 휘발성 유기화합물 가스 (생체지표가스)의 농도로 건강상태를 진단하기 위한 날숨 진단 가스 센서를 제조하고 그 특성을 분석할 수 있다. 또한, 비교예 1에 나타난 바와 같이, 치밀한 구조를 가지는 순수한 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재와 그 특성을 비교 분석할 수 있다.Using the porous tungsten oxide nanofibers sensing material having a one-dimensional structure in which the platinum catalysts prepared in Examples 1 and 2 were bonded, it is possible to detect a harmful gas present in the surrounding environment or a volatile organic An exhalation diagnostic gas sensor for diagnosing a health condition can be manufactured with the concentration of a compound gas (biomarker gas) and its characteristics can be analyzed. Further, as shown in Comparative Example 1, a pure tungsten oxide nanofiber sensing material having a dense structure and its characteristics can be comparatively analyzed.

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제작된 백금 촉매가 균일하게 전사된 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재 및 백금 촉매가 결착되지 않은 치밀한 구조를 가지는 순수한 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재를 이용하여 가스 센서를 제조한 후에 센서 특성평가를 수행할 수 있다. 날숨 센서 특성 평가는 사람의 입에서 나오는 기체와 유사한 습도인 85-95 RH%의 상대 습도에서 실시하고, 구취 인자 가스로 알려진 황화수소(H2S)에 대하여 가스의 농도를 각각 5, 4, 3, 2, 1 ppm으로 변화시켜 가면서, 센서 구동온도 250℃-450℃ 범위에서 특성 평가가 이루어진다. 센서의 감도는 각각의 특정 가스를 흘려줄 때 변하는 저항값을 Agilent사의 34972A 모델을 이용하여 감지할 수 있으며, 센서가 가지는 기저저항 (base resistance)을 측정함과 동시에 가스에 대한 반응도 (Response: Rgas/Rair저항의 변화, Rair: 공기 중에서의 저항, Rgas: 측정 가스를 흘려줄 때의 저항)를 분석하여 감도 특성을 확인할 수 있다.The platinum catalyst prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was uniformly transferred to the substrate using a pure tungsten oxide nanofiber sensing material having a dense structure in which the tungsten oxide nanofiber sensing material and the platinum catalyst were not bonded, After sensor fabrication, sensor characterization can be performed. The evaluation of the characteristics of the expiratory sensor was carried out at a relative humidity of 85-95 RH%, which is similar to the gas coming from the mouth of a human, and the concentration of gas was adjusted to 5, 4, and 3 times the hydrogen sulfide (H 2 S) , 2, and 1 ppm, and the characteristics are evaluated at the sensor operating temperature range of 250 ° C to 450 ° C. The sensitivity of the sensor can be measured by using Agilent's Model 34972A, which measures the resistance of the gas as it flows, and measures the base resistance of the sensor, gas / R air resistance change, R air : resistance in air, R gas : resistance when flowing the measurement gas).

도 15는 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재와 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 1-5 ppm 농도범위에서 황화수소(H2S) 가스에 대한 감지특성에 대한 그래프이다. 도 15에서 확인할 수 있듯이, 5 ppm의 황화수소 가스농도에 대하여 32배 이상 향상된 감지특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.FIG. 15 is a graph showing the sensing characteristics of a porous tungsten oxide nanofiber sensing material plated with a platinum catalyst and hydrogen sulfide (H 2 S) gas in a concentration range of 1-5 ppm of dense pure tungsten oxide nanofibers. As can be seen from FIG. 15, it can be confirmed that the sensing performance improved by 32 times or more with respect to the hydrogen sulfide gas concentration of 5 ppm.

도 16은 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재와 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 250℃-450℃ 구동온도 범위에서 5 ppm의 황화수소 가스에 대한 감지특성을 평가한 그래프이다. 도 16에서 확인한 바와 같이, 350℃ 구동온도에서 감도 834.2±20.1 의 매우 우수한 감지특성을 나타내는 것이 확인된다.FIG. 16 is a graph showing the sensing characteristics of hydrogen peroxide gas at 5 ppm in a driving temperature range of 250 ° C. to 450 ° C. of a porous tungsten oxide nanofiber sensing material bonded with a platinum catalyst and a dense pure tungsten oxide nanofiber. As shown in Fig. 16, it is confirmed that the sensitivity is very good at a driving temperature of 350 DEG C of 834.2 +/- 20.1.

도 17은 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재와 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유의 다종가스의 5 ppm 농도에서 감지특성을 평가한 그래프이다. 도 17에 나타난 바와 같이 황화수소 가스에 대하여 가장 우수한 감지특성을 나타내고 있으며, 아세톤(CH3COCH3), 메틸 멀캅탄(CH3SH), 톨루엔(C6H5CH3) 가스에 대하여는 상대적으로 낮은 감도값(Rair/Rgas<25)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.FIG. 17 is a graph showing the sensing characteristics of a porous tungsten oxide nanofiber sensing material bonded with a platinum catalyst and a sensing characteristic at a concentration of 5 ppm of a multi-species gas of a dense structure of pure tungsten oxide nanofibers. As shown in FIG. 17, it exhibits the best detection characteristics for hydrogen sulfide gas and is relatively low for acetone (CH 3 COCH 3 ), methylmercaptan (CH 3 SH), and toluene (C 6 H 5 CH 3 ) And the sensitivity value (R air / R gas <25).

도 18은 백금 촉매가 결착된 다공성 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재와 치밀한 구조의 순수한 텅스텐산화물 나노섬유를 이용한 주성분분석을 통한 패턴인식 그래프이다. 도 18에서 확인할 수 있듯이, 다종의 가스가 2차원의 주성분 공간에서 명확하게 패턴인식이 되는 것을 확인함으로써, 다종의 가스를 선택적으로 구분할 수 있음을 확인할 수 있다.18 is a pattern recognition graph through principal component analysis using a porous tungsten oxide nanofiber sensing material plated with a platinum catalyst and pure tungsten oxide nanofibers having a dense structure. As can be seen in FIG. 18, it can be confirmed that various gases can be selectively distinguished by confirming that various kinds of gases clearly recognize pattern recognition in the two-dimensional principal component space.

상기 실험예에서는 생체지표 가스를 예시로 하여 가스센서 감지소재의 센서특성을 보여주었다. 하지만, 유해환경 가스들인 H2, NOx, SOx, HCHO, CO2 등에 대해서도 우수한 센서 감지특성을 기대할 수 있으며, 블록 공중합체 템플레이드 표면에 백금(Pt) 촉매 나노입자 외에도 촉매물질로 널리 쓰이는 Au, Pd, Rh, Cr, Co, Ni 등 다양한 형태의 촉매입자를 합성하여 촉매의 종류를 다르게 하여, 황화수소 가스 이외에도 다른 유해기체에 대해서도 탁월한 감도 및 선택성을 갖는 가스센서를 제조할 수 있을 것이라고 기대한다. 또한 감지소재 매트릭스 역할을 하는 금속산화물의 종류를 다양하게 하여 다종 촉매 입자들이 원 내지 타원형태의 기공을 다수 포함하는 1차원 구조의 다공성 금속산화물 나노섬유 감지소재를 이용하여, 초고감도와 고선택성을 갖는 가스센서 어레이를 제조할 수 있다. 상기 블록 공중합체 템플레이트 표면에 결착된 나노입자 촉매를 이용하여 촉매가 균일하게 전사된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 감지소재는 탁월한 유해환경 가스 센서 및 날숨 속 휘발성 유기화합물 가스 분석 및 진단을 위한 헬스케어용 가스 센서에 사용될 수 있다.In the above experimental example, sensor characteristics of a gas sensor sensing material are shown by taking biomaterial gas as an example. However, it is expected that excellent sensor detection characteristics can be expected for H 2 , NO x , SO x , HCHO, and CO 2 , which are harmful environmental gases. In addition to platinum (Pt) catalyst nanoparticles, It would be possible to manufacture a gas sensor having excellent sensitivity and selectivity for harmful gases other than hydrogen sulfide gas by synthesizing various types of catalyst particles such as Au, Pd, Rh, Cr, Co, do. In addition, by using a porous metal oxide nanofiber sensing material having a one-dimensional structure including many kinds of circular or elliptical pores of various catalyst particles by varying kinds of metal oxide serving as a sensing material matrix, Can be manufactured. The one-dimensional porous metal oxide nanofiber sensing material in which the catalyst is uniformly transferred by using the nanoparticle catalyst bound to the surface of the block copolymer template is excellent in the hazardous environment gas sensor and the health care for analysis and diagnosis of the exhalation volatile organic compound gas It can be used for gas sensors.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (17)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법에 있어서,
(a) 적어도 하나 이상의 금속 촉매 입자가 균일하게 결착된 블록 공중합체 템플레이트를 합성하는 단계;
(b) 상기 블록 공중합체 템플레이트를 금속산화물 전구체와 고분자가 녹아 있는 용액과 함께 혼합하여 전기방사 용액을 제조하는 단계;
(c) 전기방사법을 이용하여 상기 전기방사 용액에 상기 블록 공중합체 템플레이트를 균일하게 분산시킴으로써 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 형성하는 단계; 및
(d) 고온 열처리 공정을 통해 상기 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 구성하는 고분자 매트릭스와 상기 블록 공중합체 템플레이트를 제거함으로써 표면에 구형의 기공과 불규칙한 형태의 요철 구조가 형성됨에 따라 상기 기공이 형성된 위치에 상기 금속 촉매 입자가 균일하게 전사된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 형성하는 단계
를 포함하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법.
A method for manufacturing a member for a one-dimensional porous metal oxide nanofiber composite gas sensor,
(a) synthesizing a block copolymer template in which at least one or more metal catalyst particles are uniformly bound;
(b) mixing the block copolymer template with a metal oxide precursor and a solution in which the polymer is dissolved to prepare an electrospinning solution;
(c) forming a metal oxide precursor / polymer composite nanofiber by uniformly dispersing the block copolymer template in the electrospinning solution by electrospinning; And
(d) removing the polymer matrix and the block copolymer template constituting the metal oxide precursor / polymer composite nanofibers through a high-temperature heat treatment process to form spherical pores and irregular-shaped concavo-convex structures on the surface, Forming a one-dimensional porous metal oxide nanofiber in which the metal catalyst particles are uniformly transferred at a position
Dimensional porous metal oxide nanofiber composite gas sensor according to claim 1.
제12항에 있어서,
상기 (a) 단계에서의 금속 촉매 입자는 Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride 중 적어도 하나의 촉매염을 이용하는 것
을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The metal catalyst particles in step (a) may be selected from the group consisting of Copper (II) nitrate, Copper (II) chloride, Cobalt (II) nitrate, Cobalt (II) acetate, Lanthanum (III) nitrate, Lanthanum (III) chloride, iron (III) chloride, iron (III) chloride, nickel (II) acetate, ) at least one of the catalyst salts of acetate, Ruthenium (III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium (III) chloride, iridium acetate, Tantalum (V) chloride and Palladium
Wherein the porous metal oxide nanofiber composite gas sensor is a porous metal oxide nanofiber composite gas sensor.
제12항에 있어서,
상기 (b) 단계에서의 고분자는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 폴미아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polypropylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드(polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride) 중 적어도 하나의 고분자를 이용하는 것
을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The polymer in step (b) may be selected from the group consisting of polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile Polypropylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide copolymer, polypropylene oxide copolymer, polycarbonate (PC), polyvinylchloride (PVC), polycaprolactone polycaprolactone), and polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as &quot; polyvinylidene fluoride &quot;
Wherein the porous metal oxide nanofiber composite gas sensor is a porous metal oxide nanofiber composite gas sensor.
제12항에 있어서,
상기 (c) 단계에서는 5 kV내지 30 kV 범위의 전압과 0.01 ml/분 내지 10 ml/분 범위의 방사용액 토출 속도로 전기방사를 실시하는 것
을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
In the step (c), electrospinning is carried out with a voltage in the range of 5 kV to 30 kV and a spinning liquid discharge speed in the range of 0.01 ml / min to 10 ml / min
Wherein the porous metal oxide nanofiber composite gas sensor is a porous metal oxide nanofiber composite gas sensor.
제12항에 있어서,
상기 (d) 단계에서는 400℃ 내지 800℃ 범위에서의 고온 열처리를 실시하는 것
을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
In the step (d), a high-temperature heat treatment is performed in a range of 400 ° C to 800 ° C
Wherein the porous metal oxide nanofiber composite gas sensor is a porous metal oxide nanofiber composite gas sensor.
제12항에 있어서,
(e) 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 이용하여 저항변화식 반도체 가스센서를 제작하는 단계
를 더 포함하고,
상기 저항변화식 반도체 가스센서는 환경유해 가스 또는 생체지표 가스의 검출이 가능한 가스센서용으로 이용되는 것
을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 복합 가스센서용 부재의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
(e) fabricating a resistance variable semiconductor gas sensor using the one-dimensional porous metal oxide nanofiber
Further comprising:
The resistance variable type semiconductor gas sensor is used for a gas sensor capable of detecting an environmentally harmful gas or a biomaterial gas
Wherein the porous metal oxide nanofiber composite gas sensor is a porous metal oxide nanofiber composite gas sensor.
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