KR102092452B1 - Gas sensor and mebber using metal oxide nanofibers including nanoscale catalysts and multichannel, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 실시예들은 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 나노입자 촉매를 내부 중공 구조 속에 포함하는 아포페리틴을 활용하여 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 소재를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. Embodiments according to the present invention relates to a member for a gas sensor, a gas sensor using the same, and a method for manufacturing the same, and specifically, nanoparticle catalyst is used for a nanoparticle catalyst inside the nanofiber by using apoferritin containing the nanoparticle catalyst in an internal hollow structure. The present invention relates to a member for a gas sensor, a gas sensor, and a manufacturing method using a multi-channel metal oxide nanofiber material functionalized by being uniformly attached to a multi-channel and an external surface.

Description

나노입자 촉매와 다중채널 기공이 포함된 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법{GAS SENSOR AND MEBBER USING METAL OXIDE NANOFIBERS INCLUDING NANOSCALE CATALYSTS AND MULTICHANNEL, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Gas sensor member and its manufacturing method using metal oxide nanofibers containing nanoparticle catalyst and multi-channel pores {GAS SENSOR AND MEBBER USING METAL OXIDE NANOFIBERS INCLUDING NANOSCALE CATALYSTS AND MULTICHANNEL, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명의 실시예들은 나노입자 촉매와 다중채널 기공이 포함된 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상과 전기방사를 결합하여 나노섬유 내부에 다중채널 기공을 형성시키고, 동물 단백질인 아포페리틴(apoferritin)을 나노입자 촉매의 결착 수단으로 사용하여, 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 및 이러한 다중채널 금속산화물 나노섬유를 가스센서용 부재로 활용하는 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relates to a member for a gas sensor using a nanoparticle catalyst and a metal oxide nanofiber containing multi-channel pores, a gas sensor, and a method for manufacturing the same, specifically, phase separation of two polymers that are not mixed with each other By combining phenomenon and electrospinning, multi-channel pores are formed inside the nanofiber, and the animal protein apoferritin is used as a binding means for the nanoparticle catalyst, so that the nanoparticle catalyst is used for the internal multichannel and external surface of the nanofiber. It relates to a multi-channel metal oxide nanofibers functionalized by being uniformly bonded to the gas sensor and a method for manufacturing the multichannel metal oxide nanofibers using the multi-channel metal oxide nanofiber as a member for a gas sensor.

금속산화물 반도체 기반의 저항변화식 가스센서는 간단한 제조 방법, 휴대성, 높은 감도 등의 장점들을 이유로 크게 주목을 받고 있다. 이러한 장점들을 활용하여 금속산화물 반도체 기반의 저항변화식 가스센서를 대기 오염원 관찰, 알코올 음주 측정기, 새집증후군 가스 검출기 및 병의 진단 등의 다양한 분야에서 상용화하려는 시도가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 건강관리가 더욱더 중요해짐에 따라, 질병의 조기 진단 및 일일 진단에 사용될 수 있는 날숨 분석 가스센서 기술이 큰 이목을 끌고 있다. 사람의 날숨 속에는 특정 질병을 나타내는 생체지표(biomarker) 가스가 포함되어 있는데, 특정 질병에 걸린 사람의 날숨 속에는 특정 생체지표 가스가 건강한 사람보다 2-10배 이상 존재하게 된다. 일례로 당뇨병 환자는 건강한 사람보다 2-6배 많은 아세톤(acetone) 가스를 날숨 속에 포함하고 있다. 따라서 가스센서를 활용하여 사람의 날숨 속에 포함되어 있는 특정 생체지표 가스를 선택적으로 검출할 수 있다면, 특정 질병을 조기에 진단할 수 있게 된다. 하지만, 사람의 날숨은 습도가 매우 높고 수백 종류의 혼합가스들을 포함하기 때문에, 고습한 분위기에서도 특정 생체지표 가스를 선택적으로 검출할 수 있는 고감도 및 고선택성의 센서 개발이 요구된다. 또한, 날숨 속 생체지표 가스들은 10 ppb(part per billion)에서 10 ppm(part per million) 범위의 매우 낮은 농도로 방출되기 때문에, 극미량의 가스를 선택적으로 감지할 수 있는 감지 물질에 대한 연구가 필요하다.Metal oxide semiconductor-based resistance change type gas sensors have attracted great attention for reasons of simple manufacturing method, portability, and high sensitivity. Attempts to commercialize the metal oxide semiconductor-based resistance change type gas sensor in various fields such as observation of air pollution sources, alcohol breathalyzers, gas detectors for sick house syndrome, and diagnosis of diseases are taking place. In particular, as health care becomes more and more important, exhalation analysis gas sensor technology, which can be used for early diagnosis and daily diagnosis of diseases, has attracted great attention. In a person's exhalation, biomarker gas indicating a specific disease is included. In a person's exhalation, a specific biomarker gas is present 2-10 times more than a healthy person. For example, diabetics have 2-6 times more acetone gas in their exhalation than healthy people. Therefore, if a specific biomarker gas contained in a person's exhalation can be selectively detected using a gas sensor, a specific disease can be diagnosed early. However, since human exhalation is very high and includes hundreds of gas mixtures, it is required to develop a highly sensitive and highly selective sensor capable of selectively detecting a specific biomarker gas even in a humid atmosphere. In addition, since biomarker gases in exhalation are released at very low concentrations ranging from 10 parts per billion (ppb) to 10 parts per million (ppm), it is necessary to study a sensing material capable of selectively detecting trace amounts of gas. Do.

금속산화물 반도체 기반 저항변화식 가스센서는 감지 물질의 표면에서 발생하는 가스의 흡착 및 탈착 반응에 따른 전기저항 변화를 측정하여 특정 가스를 감지하게 된다. 따라서 가스센서의 감도를 높이기 위해서는 감지 물질의 표면적을 증가시켜, 감지 물질과 특정 가스의 표면 반응을 증대시켜야 한다. 또한 중공구조의 감지소재는 감지물질의 외부뿐만 아니라 내부에도 가스의 확산을 촉진시켜, 감지물질이 가스와 더욱 효율적으로 반응할 수 있게 한다. 이와 더불어, 감지 물질 표면에 촉매를 결착시켜, 선택적인 표면 반응을 증대시킬 수 있다. 가스센서용 금속산화물에 활용되는 촉매는 대표적으로 백금(Pt), 금(Au)과 같은 화학적 증감제(chemical sensitizer)와 팔라듐(Pd), 니켈(Ni)과 같은 전자적 증감제(electronical sensitizer)가 있다. 이러한 촉매들은 감지물질과 타겟(target) 가스의 선택적 표면 반응을 증대시키고, 가스의 흡착 및 탈착 반응을 촉진시켜 가스센서의 감지특성을 매우 향상시킨다.The metal oxide semiconductor-based resistance change type gas sensor detects a specific gas by measuring the change in electrical resistance according to the adsorption and desorption reactions of the gas generated on the surface of the sensing material. Therefore, in order to increase the sensitivity of the gas sensor, it is necessary to increase the surface area of the sensing material to increase the surface reaction of the sensing material and the specific gas. In addition, the sensing material of the hollow structure promotes the diffusion of gas not only to the outside but also to the inside of the sensing material, so that the sensing material can react more effectively with the gas. In addition, a catalyst can be bound to the surface of the sensing material, thereby enhancing selective surface reaction. Catalysts used in metal oxides for gas sensors typically include chemical sensitizers such as platinum (Pt) and gold (Au), and electronic sensitizers such as palladium (Pd) and nickel (Ni). have. These catalysts enhance the selective surface reaction of the sensing material and the target gas, and promote the adsorption and desorption reactions of the gas, thereby greatly improving the sensing characteristics of the gas sensor.

상기에서 언급한 가스센서의 특성 증대 전략들을 충족시키기 위해서는 촉매가 기능화된 나노물질을 활용하는 것이 필수적이다. 나노물질은 표면적이 매우 크기 때문에 가스의 반응을 효과적으로 증가시킬 것으로 예상된다. 따라서 나노입자(nanoparticle), 나노섬유(nanofiber), 나노시트(nanosheet) 등 다양한 나노 구조체를 가스센서의 감지물질로 활용한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 특히 나노섬유는 종횡비가 큰 1차원 구조를 가지고, 나노섬유들 간에 서로 얽히면서 형성되는 다수의 기공을 통해서 가스의 확산을 촉진시키기 때문에 가스센서의 감지물질로 촉망 받고 있다. 이러한 나노섬유의 합성법 중에서 전기방사(electrospinning)는 공정이 매우 간단하고, 다양하게 응용이 가능한 합성법이다. 특히 전기방사는 용액에 촉매입자를 혼합시킴으로써 아주 간단하게 촉매가 결착된 1차원 나노섬유를 합성할 수 있다. 이러한 장점 때문에 전기방사를 통해 합성한 나노섬유를 가스센서의 감지물질로 활용한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. In order to meet the above-described strategies for increasing the characteristics of the gas sensor, it is essential to utilize a nanomaterial functionalized with a catalyst. Nanomaterials are expected to effectively increase the reaction of gases due to the large surface area. Accordingly, studies using various nano structures such as nanoparticles, nanofibers, and nanosheets as sensing materials for gas sensors are actively being conducted. In particular, nanofibers have a large aspect ratio, one-dimensional structure, and are promoted as a sensing material for gas sensors because they promote diffusion of gas through a number of pores formed by entanglement between nanofibers. Among these methods of synthesizing nanofibers, electrospinning is a very simple process and a variety of applications. In particular, electrospinning can very easily synthesize one-dimensional nanofibers with a catalyst bound by mixing catalyst particles in a solution. Because of these advantages, studies using nanofibers synthesized through electrospinning as sensing materials for gas sensors are actively being conducted.

이처럼 수 많은 연구 결과들이 있음에도 불구하고, 질병 진단용 가스센서는 아직까지 상용화되지 않고 있다. 실제로 날숨 분석을 통해 질병 진단이 가능한 가스센서의 상용화를 위해서는, 10 ppb 내지 10 ppm 수준의 가스를 검출할 수 있는 고감도 특성, 실시간 분석 장치로 활용하기 위한 수초 이내의 빠른 반응속도, 특정 가스만 선택적으로 감지할 수 있는 능력 및 수백 번의 반응에도 반응력이 감소하지 않는 안정성이 모두 확보되어야 한다. 상기 언급한 요소들을 충족시키기 위해서는, 나노 크기의 촉매를 감지물질에 균일하게 결착시킬 뿐만 아니라, 감지물질의 형상 제어를 통해 촉매와 나노구조 간의 시너지 효과를 창출해야 한다. 즉, 촉매의 효과를 극대화할 수 있는 구조에 대한 연구가 필요하다.Despite such numerous research results, gas sensors for disease diagnosis have not been commercialized. In order to commercialize a gas sensor that can diagnose diseases through exhalation analysis, in fact, high-sensitivity characteristics capable of detecting 10 ppb to 10 ppm levels of gas, fast reaction speed within a few seconds for use as a real-time analysis device, and only specific gases are selected Both the ability to detect and stability that does not decrease the reaction force after hundreds of reactions must be secured. In order to satisfy the above-mentioned factors, it is necessary to not only uniformly bind the nano-sized catalyst to the sensing material, but also to create a synergistic effect between the catalyst and the nanostructure through shape control of the sensing material. That is, it is necessary to study the structure that can maximize the effect of the catalyst.

본 발명에 따른 실시예들은, 동물 단백질인 아포페리틴(apoferritin)의 내부 중공에 1-5 nm 크기의 나노입자 촉매를 포함시키고, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상과 전기방사를 결합하여, 나노섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하고, 나노입자 촉매들을 내부 중공에 포함하는 아포페리틴이 내부 및 표면에 균일하게 포함된 복합 나노섬유를 합성하고, 이후 고온 열처리를 통해 상기 제 2 고분자 섬유들이 분해되며 나노섬유 내부에 다중채널 기공을 형성시키고, 아포페리틴이 분해되며 나노입자 촉매들이 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 감지물질을 합성하는 방법을 제공한다.Embodiments according to the present invention, including the nanoparticle catalyst of the size of 1-5 nm in the inner hollow of the animal protein apoferritin (apoferritin), by combining the phase separation and electrospinning of two polymers that are not mixed with each other , A plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase inside the first polymer fiber occupying the continuous phase of the nanofibers, and composite nanofibers in which apoferritin containing nanoparticle catalysts in the inner hollow is uniformly contained inside and on the surface Is synthesized, and then, through the high-temperature heat treatment, the second polymer fibers are decomposed, multi-channel pores are formed inside the nanofibers, apoperitin is decomposed, and nanoparticle catalysts are uniformly bound to the inner multi-channels and the outer surface of the nanofibers. It provides a method for synthesizing functionalized sensing substances.

특히, 다중채널의 형성은 비표면적의 증대를 통해 가스 반응을 증가시켜 감도의 증가를 가져올 뿐만 아니라, 가스가 나노섬유의 내부에도 확산할 수 있는 구조를 통해 효율적인 가스 반응을 제공하고, 나노섬유의 내부에 결착된 촉매도 기능화되기 때문에 감지 특성이 획기적으로 증가한다. 또한, 나노섬유의 고온 열처리 과정에서, 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 이러한 작은 입자 크기는 가스의 유무에 따른 저항변화를 극대화 시켜 극미량의 가스도 검출할 수 있는 고감도의 특성을 가져온다. 본 발명에서는, 상기 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부에 균일하게 결착되어 기능화되고, 작은 입자 크기를 갖는 다중채널 금속산화물 나노섬유 감지물질 합성 기술 및 이를 응용한 가스센서 기술을 제시한다.In particular, the formation of multi-channels not only increases the sensitivity by increasing the gas reaction through an increase in the specific surface area, but also provides an efficient gas reaction through a structure in which the gas can diffuse into the interior of the nanofibers. Since the catalyst bound to the inside is also functionalized, the sensing characteristics are significantly increased. In addition, during the high temperature heat treatment process of the nanofibers, as the thermal decomposition of the second polymer occupying the discontinuous phase occurs at a temperature higher than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and a number of second polymer fibers The growth of metal oxide particles is suppressed according to the support inside the nanofibers, thereby forming a metal oxide having a small particle size. This small particle size maximizes the resistance change depending on the presence or absence of gas, resulting in high-sensitivity characteristics that can detect even trace amounts of gas. In the present invention, the nanoparticle catalyst is functionalized by being uniformly bound to the inner multichannel and the outer side of the nanofiber, and proposes a multichannel metal oxide nanofiber sensing material synthesis technology and a gas sensor technology using the same. .

나노입자 촉매를 내부 중공에 포함하는 아포페리틴, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자 및 금속산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유에 대한 열처리에 의해 상기 금속산화물 전구체가 산화 및 결정화되어 금속산화물 나노섬유를 형성하되, 상기 금속산화물 나노섬유의 내부에 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의한 다중채널이 형성되고, 상기 열처리에 의해 상기 아포페리틴이 제거됨에 따라 상기 다중채널 각각의 내부 및 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 상기 나노입자 촉매가 결착되어 기능화되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제공한다.The metal oxide precursor is oxidized and crystallized by heat treatment on a composite nanofiber comprising apoferritin containing a nanoparticle catalyst in an interior hollow, two polymers that are not mixed with each other, and a metal oxide precursor to form metal oxide nanofibers, , As the multi-channel by phase separation of the two polymers is formed inside the metal oxide nanofiber, and the apoferrin is removed by the heat treatment, the inside of each of the multi-channel and the metal oxide nanofiber outer surface It provides a multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the nanoparticle catalyst is bound and functionalized.

일측에 따르면, 상기 복합 나노섬유는, 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하면서 상기 금속산화물 전구체가 혼합된 제1 고분자 섬유를 포함하고, 상기 제1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유를 더 포함하며, 표면 및 내부에 상기 아포페리틴을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the composite nanofibers include a first polymer fiber in which the metal oxide precursor is mixed while occupying a continuous phase of the nanofibers by phase separation of the two polymers, and inside the first polymer fiber. It may further include a plurality of second polymer fibers occupying the discontinuous phase, and further include the apoferritin on the surface and inside.

다른 측면에 따르면, 상기 열처리를 통해, 상기 제1 고분자 섬유 및 상기 제 2 고분자 섬유가 열분해되는 과정에서 상기 제2 고분자 섬유가 제거되어 나노섬유 내부에 형성되는 다중채널의 형태를 상기 금속산화물 전구체가 산화되어 금속산화물로 결정화되면서 유지하고, 상기 아포페리틴이 열분해되어 나노섬유에 기공을 형성하면서 동시에 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 표면 및 다중채널 각각의 내부에 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, through the heat treatment, the metal oxide precursor forms a multi-channel form formed inside the nanofiber by removing the second polymer fiber in the process of thermally decomposing the first polymer fiber and the second polymer fiber. It is oxidized and crystallized and maintained as a metal oxide, and the apoferritine is thermally decomposed to form pores in the nanofibers, and at the same time, the nanoparticle catalyst contained in the apoferritin's hollow interior is bound to the surface of the nanofiber and each of the multichannel It can be characterized by being.

또 다른 측면에 따르면, 상기 복합 나노섬유에 대한 열처리의 과정에서, 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 상대적으로 더 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되어 금속산화물 입자의 크기가 제한되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the process of heat treatment for the composite nanofibers, as the thermal decomposition of a plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase occurs at a relatively higher temperature than crystallization of the metal oxide precursor, the metal oxide particles It may be characterized in that the heat transferred is reduced, thereby limiting the size of the metal oxide particles.

또 다른 측면에 따르면, 상기 제2 고분자 섬유의 열분해는 상기 금속산화물 전구체의 결정화보다 50 - 150℃의 범위에 포함되는 온도만큼 상대적으로 더 높은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the thermal decomposition of the second polymer fiber may be characterized in that it occurs at a temperature relatively higher than the temperature included in the range of 50-150 ° C than the crystallization of the metal oxide precursor.

또 다른 측면에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유를 형성하는 금속산화물 입자의 크기가 1내지 20 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the size of the metal oxide particles forming the metal oxide nanofibers may be characterized in that included in the range of 1 to 20 nm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 두 가지의 고분자는, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리(스티렌아크릴로나이트릴)(poly(styreneacrylonitrile)), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate), 폴리(에틸렌 옥사이드)(poly(ethylene oxide)), 폴리(메타크릴산메틸)(poly(methylmethacrylate)) 중에서 선택된 제1 고분자 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile)을 포함하는 제2 고분자의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the two polymers are polyvinylpyrrolidone, poly (styreneacrylonitrile), polystyrene, cellulose acetate, poly ( It is composed of a combination of a first polymer selected from ethylene oxide), poly (methylmethacrylate), and a second polymer including polyacrylonitrile. It can be characterized as.

또 다른 측면에 따르면, 상기 복합 나노섬유에서 연속 상을 차지하는 제1 고분자의 중량 대비 상기 복합 나노섬유에서 불연속 상을 차지하는 제2 고분자의 중량 비율은 50 내지 150%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the weight ratio of the second polymer occupying the discontinuous phase in the composite nanofiber to the weight of the first polymer occupying the continuous phase in the composite nanofiber may be characterized in that it is included in the range of 50 to 150%. You can.

또 다른 측면에 따르면, 상기 다중채널의 개수는, 상기 복합 나노섬유 하나 당 5내지 20개의 범위에 포함되며, 개별 채널의 직경은 10 내지 50 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the number of the multi-channels may be included in the range of 5 to 20 per one of the composite nanofibers, and the diameter of individual channels may be included in the range of 10 to 50 nm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 아포페리틴은 내부에 중공을 갖는 구조로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내부 중공 속에 캡슐화하고, 상기 촉매금속 이온이 환원되어 생성되는 상기 나노입자 촉매의 직경은 1내지 5 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the apoferritine is a structure having a hollow inside, encapsulating one or more catalytic metal ions into the inner hollow, and the diameter of the nanoparticle catalyst generated by reduction of the catalytic metal ion is 1 to 1 It may be characterized by being included in the range of 5 nm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매의 중량 비율은 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유 대비 0.01 내지 1 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the weight ratio of the nanoparticle catalyst may be characterized in that it is included in a concentration range of 0.01 to 1 wt% compared to the multi-channel metal oxide nanofiber.

또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매는 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, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 금속염을 포함하여 합성되는 촉매금속 이온에 의해 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the nanoparticle catalyst is 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, RutheniumAcetate, Iridium (III) chloride, Iridium acetate, Tantalum (V) chloride, Palladium (II) chloride, Lanthanum (III) It may be characterized by being formed by catalytic metal ions synthesized, including at least one metal salt selected from acetate, Copper (II) sulfate and Rhodium (III) chloride.

또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매는, 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함된 촉매금속 이온이 환원됨에 따라 Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 중에서 선택된 적어도 하나의 나노입자 촉매로서 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되고, 상기 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환되어 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the nanoparticle catalyst, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, as the catalytic metal ion contained in the hollow inside of the apoferritin is reduced At least one nanoparticle catalyst selected from Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge, included in the interior hollow of the apoferritin, The nanoparticle catalyst contained inside the hollow structure of apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 , after heat treatment CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3 And may be characterized by being substituted with at least one nanoparticle catalyst of GeO 2 and bound to the outer surface of the metal oxide nanofiber.

상술한 실시예들 중 어느 하나의 실시예에 따른 다중채널 금속산화물 나노섬유들을 저항변화를 측정할 수 있는 센서 전극 위에 코팅하여 형성되는 감지물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서를 제공한다.Provided is a gas sensor comprising a sensing material formed by coating multi-channel metal oxide nanofibers on a sensor electrode capable of measuring a change in resistance according to one of the above-described embodiments.

다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법에 있어서, (a) 아포페리틴의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 합성하는 단계; (b) 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 금속산화물 전구체와 함께 용매에 용해시켜 전기방사 용액을 합성하는 단계; (c) 상기 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴을 상기 합성된 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴, 금속산화물 전구체 및 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계; (d) 상기 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴이 금속산화물 전구체 및 고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 결착된 복합 나노섬유를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 복합 나노섬유를 열처리하여 나노입자 촉매가 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법을 제공한다.A method for manufacturing a multi-channel metal oxide nanofiber, comprising: (a) synthesizing a nanoparticle catalyst inside a hollow structure of apoferritin; (b) synthesizing an electrospinning solution by dissolving two polymers that are not mixed with each other in a solvent together with a metal oxide precursor; (c) Composite electrospinning comprising apoferritin containing the synthesized nanoparticle catalyst in the synthesized electrospinning solution, and apoferritin containing the nanoparticle catalyst, a metal oxide precursor, and two polymers that are not mixed with each other. Preparing a solution; (d) electrospinning the composite electrospinning solution to produce a composite nanofiber in which apoferritin containing a nanoparticle catalyst is bound to the surface and inside of a metal oxide precursor and a polymer composite nanofiber; And (e) heat-treating the composite nanofibers so that the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner multichannel and outer surfaces of the multichannel metal oxide nanofibers to produce functionalized multichannel metal oxide nanofibers. It provides a method for manufacturing a multi-channel metal oxide nanofiber.

일측에 따르면, 상기 (a) 단계는, 상기 나노입자 촉매를 상기 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해 상기 아포페리틴이 녹아있는 용액에 상기 촉매 금속염을 첨가하여 촉매 금속이온을 내장시키고, 환원제를 첨가하여 상기 촉매 금속이온을 촉매 금속입자로 환원시키는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, in the step (a), in order to embed the nanoparticle catalyst in the inner hollow of the apoferritin, the catalyst metal salt is added to the solution in which the apoferritin is dissolved to embed a catalyst metal ion, and a reducing agent is added. By reducing the catalytic metal ion to the catalytic metal particles.

다른 측면에 따르면, 상기 (a) 단계는, 상기 아포페리틴의 중공 내에 내장된 촉매 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the step (a), a reducing agent for reducing catalytic metal ions embedded in the hollow of the apoferritin, sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen , zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate It may be characterized in that it comprises at least one of.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (e) 단계에서, 상기 열처리를 통해 상기 아포페리틴과 상기 두 가지의 고분자가 열분해 되어 제거되는 과정에서, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 다중채널을 형성하고, 연속 상인 제 1 고분자가 분해되며 상기 제1 고분자에 혼합된 금속산화물 전구체가 상기 형성된 다중채널의 형태를 유지하면서 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되며 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 상기 형성된 다중채널의 내부 및 나노섬유의 표에 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the step (e), in the process in which the two polymers are thermally decomposed and removed through the heat treatment, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to form a multi-channel, , The continuous polymer, the first polymer is decomposed, the metal oxide precursor mixed with the first polymer is oxidized and crystallized while maintaining the formed multi-channel form, the apoferritin is decomposed and the nanoparticle catalyst contained in the hollow It may be characterized in that it is bound to the table of the inner and nanofibers of the formed multi-channel.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (e) 단계에서, 상기 아포페리틴은, 중공구조의 동물단백질로, 상기 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1내지15 nm의 범위에 포함되는 크기의 기공을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the step (e), the apoferritin is an animal protein having a hollow structure, and pores having a size included in the range of 1 to 15 nm in nanofibers as the protein shell is decomposed during the heat treatment process. It may be characterized by forming.

또 다른 측면에 따르면, 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법은, (f) 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시키고, 저항변화식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅, 드랍 코팅 및 잉크젯 프린팅 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the method of manufacturing the multi-channel metal oxide nanofibers, (f) pulverizing and dispersing the multi-channel metal oxide nanofibers in a solvent, spin coating and drop coating on a sensor electrode for a resistance change type gas sensor. And it may be characterized in that it further comprises the step of coating using at least one coating process of the inkjet printing.

본 발명에 따르면, 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴과 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상을 이용하여, 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 합성하는 경우, 나노입자 촉매가 전자적 혹은 화학적 증감 효과를 제공하고, 다중채널 나노섬유 구조를 통해 비표면적이 증대되어 가스가 반응하는 면적이 증가하며, 채널 내부로 가스가 쉽게 침투할 수 있어 가스가 나노섬유의 내부 및 외부와 모두 반응하는 효율성을 제공하고, 채널을 통해 나노섬유의 내부에 존재하는 촉매도 기능화되기 때문에 촉매의 효과가 극대화되어, 우수한 감도와 선택적 감지능력을 갖는 다중채널 금속산화물 나노섬유 감지소재를 제조할 수 있다. 또한, 나노섬유의 고온 열처리 과정에서, 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 이러한 작은 입자 크기는 가스의 유무에 따른 저항변화를 극대화 시켜 극미량의 가스도 검출할 수 있는 고감도의 특성을 가져온다. 또한, 아포페리틴의 중공 구조에 나노 크기의 촉매가 내장되고, 아포페리틴의 우수한 분산성 때문에 이들 나노입자 촉매가 금속산화물 나노섬유 표면에 균일하게 결착되기 때문에, 고온의 구동온도에서도 촉매입자 간의 응집이 일어나지 않아 매우 우수한 촉매효과를 기대할 수 있으며, 선택적 감지능력, 안정성 및 우수한 감지 특성을 가지는 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다.According to the present invention, when synthesizing multi-channel metal oxide nanofibers in which a nano-sized catalyst is bound by using a phase separation phenomenon of apoferritin containing a nanoparticle catalyst and two polymers that are not mixed with each other, the nanoparticle catalyst Provides an electronic or chemical sensitization effect, the specific surface area is increased through the multi-channel nanofiber structure, and the area where the gas reacts increases, and the gas can easily penetrate into the channel, so that the gas can penetrate the inside and outside of the nanofiber. It provides all reaction efficiency, and the catalyst existing inside the nanofiber is functionalized through the channel, so that the effect of the catalyst is maximized, it is possible to manufacture a multi-channel metal oxide nanofiber sensing material with excellent sensitivity and selective sensing ability. have. In addition, during the high temperature heat treatment process of the nanofibers, as the thermal decomposition of the second polymer occupying the discontinuous phase occurs at a temperature higher than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and a number of second polymer fibers The growth of metal oxide particles is suppressed according to the support inside the nanofibers, thereby forming a metal oxide having a small particle size. This small particle size maximizes the resistance change depending on the presence or absence of gas, resulting in high-sensitivity characteristics that can detect even trace amounts of gas. In addition, since the nano-sized catalyst is embedded in the hollow structure of apoferritin and because these nanoparticle catalysts are uniformly bound to the surface of the metal oxide nanofibers due to the excellent dispersibility of apoferritin, aggregation between the catalyst particles even at a high driving temperature Since it does not occur, it is possible to expect a very good catalytic effect, and has the effect of disclosing a member for a gas sensor, a gas sensor, and a method for manufacturing the gas having selective sensing ability, stability, and excellent sensing characteristics.

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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 가스센서용 부재의 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 구조를 이용한 가스센서 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법 및 열처리 과정을 통해 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 구조의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 투과전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 전기방사 후 합성된 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 주석산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 고온 열처리 후에 합성된 Pt 나노입자가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 열처리 후에 합성된 Pt 나노입자가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유의 투과전자현미경 사진 및 성분분석 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1을 통하여 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예 3을 통하여 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험예 1로서, 비교예 3과 실시예 2에 따른, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유를 형성하는 과정에서, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 주석산화물 전구체의 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 주석산화물 전구체의 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실험예 2로서, 실시예 2 및 비교예 1, 2, 3에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유 및 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 아세톤 가스(0.4-5 ppm)에 대한 반응성 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실험예 2로서, 실시예 2 및 비교예 1, 2, 3에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유 및 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 아세톤의 농도가 1, 2, 3, 4, 5 ppm 일 때 가스센서의 반응속도에 대한 특성 평가 결과이다.
도 13은 본 발명의 실험예 2로서, 실시예 2에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 1 ppm의 가스들 (아세톤, 황화수소, 톨루엔, 에탄올, 메탄, 일산화탄소, 포름알데히드, 암모니아)에 대한 감도 특성이다.
도 14는 본 발명의 실험예 2 로서, 실시예 2에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 1 ppm의 아세톤 가스에 대한 반복적인 감도 측정 결과이다.
The accompanying drawings included as part of the detailed description to aid understanding of the present invention provide embodiments of the present invention, and describe the technical spirit of the present invention together with the detailed description.
1 is a schematic diagram of a member for a multi-channel metal oxide nanofiber gas sensor in which a nano-sized catalyst according to an embodiment of the present invention is functionalized by being uniformly bound to an inner multi-channel and outer surface of a nano-fiber.
Figure 2 is a flow chart of a method for manufacturing a gas sensor using a multi-channel metal oxide nanofiber structure functionalized with nano-sized catalysts uniformly bound to the inner multi-channel and outer surfaces of the nano-fibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the manufacturing process of the multi-channel metal oxide nanofiber structure functionalized by the nano-sized catalyst uniformly bound to the inner multi-channel and outer surfaces of the nanofibers through an electrospinning method and a heat treatment process according to an embodiment of the present invention. It is a picture showing.
FIG. 4 is a transmission electron micrograph of apoferritin containing Pt nanoparticle catalyst according to Example 1 of the present invention.
Figure 5 is a composite containing apoferritin, polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile, polyacrylonitrile, tin oxide precursor containing a Pt nanoparticle catalyst synthesized after electrospinning according to Example 2 of the present invention It is a scanning electron microscope photograph of nanofibers.
6 is a scanning electron microscope photograph of multi-channel SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticles synthesized after high-temperature heat treatment according to Example 2 of the present invention are uniformly bonded to the inner multichannels and outer surfaces of nanofibers.
FIG. 7 is a transmission electron micrograph and component analysis photograph of multichannel SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticles synthesized after heat treatment according to Example 2 of the present invention are uniformly bonded to the inner multichannel and outer surfaces of nanofibers.
8 is a scanning electron microscope photograph of the SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst prepared through Comparative Example 1 of the present invention is bound.
9 is a scanning electron microscope photograph of SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst prepared through Comparative Example 3 of the present invention is not bound.
10 is an Experimental Example 1 of the present invention, according to Comparative Examples 3 and 2, to form a multi-channel SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticle catalyst is bound and SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticle catalyst is not bound In the process, polyvinylpyrrolidone, a composite of nanofibers of tin oxide precursors and apoferritin containing Pt nanoparticle catalyst, polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile, and tin oxide precursors It is a graph showing the change in mass and the degree of heat transfer according to the heat treatment of the composite nanofiber.
Figure 11 is an experimental example 2 of the present invention, Example 2 and Comparative Examples 1 and 2, the binder multichannel Pt nanoparticle catalysts according to 3 SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalyst binder of SnO 2 nanofibers, This is a graph of reactivity to acetone gas (0.4-5 ppm) at 400 ° C. of a multi-channel SnO 2 nanofiber without a Pt nanoparticle catalyst and a SnO 2 nanofiber-based gas sensor without a Pt nanoparticle catalyst.
Figure 12 is an experimental example 2 of the present invention, Example 2 and Comparative Examples 1 and 2, the binder multichannel Pt nanoparticle catalysts according to 3 SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalyst binder of SnO 2 nanofibers, When the concentration of acetone is 1, 2, 3, 4, 5 ppm at 400 ℃ of multi-channel SnO 2 nanofibers without Pt nanoparticle catalyst and SnO 2 nanofibers-based gas sensor without Pt nanoparticle catalyst This is the result of evaluating the characteristics of the reaction rate of the gas sensor.
13 is Experimental Example 2 of the present invention, Pt nanoparticle catalyst according to Example 2 is a multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor at 400 1 ppm of gas (acetone, hydrogen sulfide, toluene, ethanol, Sensitivity characteristics to methane, carbon monoxide, formaldehyde, and ammonia).
14 shows Experimental Example 2 of the present invention, and it is a result of repeated sensitivity measurement of 1 ppm acetone gas at 400 ° C. of a multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor in which the Pt nanoparticle catalyst according to Example 2 is bound.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can be applied to various transformations and can have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail 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.In the description of the present invention, when it is determined that a detailed description of known technologies related to the present invention may obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

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.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are for the purpose of distinguishing one component from other components only. Is used.

이하, 아포페리틴의 중공 구조에 내장된 나노입자 촉매들이 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a gas sensor member, a gas sensor using multi-channel metal oxide nanofibers functionalized with nanoparticle catalysts embedded in the hollow structure of apoferritin uniformly bonded to the inner multichannel and outer surfaces of multichannel metal oxide nanofibers, and The manufacturing method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일실시예에서는 아포페리틴/촉매를 합성하고, 나노입자 촉매들이 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되도록 하여, 다중채널의 효과와 동시에 균일하게 분포된 나노 크기의 촉매의 효과를 포함하는 감지물질 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention, apoferritin / catalyst is synthesized, and the nanoparticle catalysts are uniformly bound to the inner multichannel and outer surfaces of the nanofibers. Provided is a method for manufacturing a sensing material including an effect and a member for a gas sensor using the same.

본 실시예에 따른 감지물질 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법은 (a) 아포페리틴의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 내장시키는 단계; (b) 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자와 금속산화물 전구체를 용매에 용해시켜 전기방사 용액을 합성하는 단계; (c) 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계; (d) 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴이 금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 균일하게 포함된 복합 나노섬유를 제조하는 단계; (e) 고온 열처리를 통하여, 고분자가 열분해 되어 나노섬유의 내부에 다중채널을 형성시키며, 금속산화물 전구체는 산화 및 결정화되고, 아포페리틴이 열분해 되어 나노입자 촉매가 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계; (f) 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시키고, 저항변화 식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅, 드랍 코팅, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a sensing material and a member for a gas sensor using the sensing material according to the present embodiment includes (a) embedding a nanoparticle catalyst inside a hollow structure of apoferritin; (b) synthesizing an electrospinning solution by dissolving two polymers and metal oxide precursors that are not mixed with each other in a solvent; (c) preparing a composite electrospinning solution composed of two polymers, apoperitin / metal oxide precursor / incorporating nanoparticle catalyst, by mixing apoperitin with nanoparticle catalyst in an electrospinning solution; (d) electrospinning the composite electrospinning solution to produce a composite nanofiber in which apoferritin containing a nanoparticle catalyst is uniformly contained on the surface and inside of a metal oxide precursor / two polymer composite nanofibers; (e) Through high-temperature heat treatment, the polymer is thermally decomposed to form multiple channels inside the nanofibers, the metal oxide precursor is oxidized and crystallized, and apoferritine is thermally decomposed, so that the nanoparticle catalyst is multi-channel metal oxide nanofibers. Preparing a functionalized multi-channel metal oxide nanofiber uniformly bound to the channel and the outer surface; (f) At least one coating process of spin coating, drop coating, inkjet printing, and dispensing on the sensor electrode for resistance-changing gas sensor by pulverizing and dispersing the nano-channel catalyst-bonded multi-channel metal oxide nanofiber in a solvent. It may include the step of coating using.

이때, 상기 (a) 단계에서, 아포페리틴은 8 nm 크기의 내부 중공을 갖는 동물단백질로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내부 중공에 내장시킬 수 있고, 환원 과정을 거쳐 1-5 nm의 직경 범위를 갖는 나노입자를 형성한다. 촉매금속 이온을 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해 아포페리틴이 용해된 용액에 촉매 금속염을 첨가하여 촉매금속 이온을 내장시키고, 환원제를 첨가하여 촉매금속 이온을 촉매금속 입자로 환원시킨다. 아포페리틴의 내부 중공에 촉매금속 이온을 내장시키기 위해 사용되는 대표적인 금속 염은, 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, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 등이 있으며, 이러한 금속염을 사용하여 내장된 금속 이온이 환원과정을 거쳐, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 등을 형성한다. 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 등이 있다. 최종 합성된, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴은 원심분리 및 세척한 후 용매에 분산시켜 준비한다.At this time, in the step (a), apoferritin is an animal protein having an internal hollow having a size of 8 nm, and one or more catalytic metal ions may be embedded in the internal hollow, and through a reduction process, a diameter of 1-5 nm It forms nanoparticles with a range. In order to embed the catalytic metal ions into the inner hollow of apoferritin, a catalytic metal ion is embedded in a solution in which apoferritin is dissolved, and a reducing agent is added to reduce the catalytic metal ion to catalytic metal particles. Representative metal salts used to embed catalytic metal ions in the interior hollow of apoferritin, 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, RutheniumAcetate, Iridium (III) chloride, Iridium acetate, Tantalum (V) chloride, Palladium (II) chloride, Lanthanum (III) acetate, Copper (II) sulfate, and Rhodium (III) chloride, etc., and using these metal salts, the embedded metal ions undergo a reduction process, Pt, Au, Ag, Fe, Ni , Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge. Reducing agents for reducing metal ions include sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate. The final synthesized, nanoparticle catalyst-embedded apoferritin is prepared by centrifugation and washing, followed by dispersion in a solvent.

또한, 상기 (b) 단계는, 금속산화물 전구체와 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 하나의 용매에 용해시키는 단계이다. 대표적인 금속산화물 전구체는 금속이 포함된 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 메톡시드(methoxide), 에톡시드(ethoxide), 부톡시드(butoxide), 이소프로폭시드(isopropoxide), 설파이드(sulfide) 등이 있으며, 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자는 대표적으로, polyvinylpyrolidone과 polyacrylonitrile, poly(styreneacrylonitrile)과 polyacrylonitrile, cellulose acetate과 polyacrylonitrile, poly(methylmethacrylate)과 polyacrylonitrile, polystyrene과 polyacrylonitrile 및 poly(ethylene oxide)과 polyacrylonitrile 등이 있다. 이러한 두 가지의 고분자는 같은 용매에 녹을 수 있지만, 서로 혼합될 수 없어 용매 내에서 연속 상을 차지하는 제 1 고분자와 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 상 분리가 일어나게 된다. 제 2 고분자의 중량 비율은, 제 1 고분자의 중량 대비 50-150%의 범위에서 다양하게 조절될 수 있다.In addition, the step (b) is a step of dissolving the metal oxide precursor and two polymers that are not mixed with each other in one solvent. Typical metal oxide precursors include metal-containing acetate, nitrate, chloride, acetylacetonate, methoxide, ethoxide, butoxide, There are isopropoxide and sulfide, and two polymers that do not mix with each other are typically polyvinylpyrolidone and polyacrylonitrile, poly (styreneacrylonitrile) and polyacrylonitrile, cellulose acetate and polyacrylonitrile, poly (methylmethacrylate) and polyacrylonitrile , polystyrene and polyacrylonitrile, and poly (ethylene oxide) and polyacrylonitrile. These two polymers can be dissolved in the same solvent, but cannot be mixed with each other, so that phase separation occurs with the first polymer occupying the continuous phase in the solvent and the second polymer occupying the discontinuous phase. The weight ratio of the second polymer can be variously adjusted in the range of 50-150% of the weight of the first polymer.

또한, 상기 (c) 단계는, 상기 (a) 단계에서 합성한 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 상기 (b) 단계에서 합성한 전기방사 용액에 혼합하여, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계이다. 상기 (b) 단계에서 합성된 용액이 교반되는 상태에서 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴이 분산된 용액을 천천히 첨가하여 복합 전기방사 용액을 제조한다. 전기방사 용액을 제조할 경우, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 농도는 금속산화물 대비 0.01-1 wt%의 범위에서 다양하게 조절될 수 있다.In addition, in the step (c), the apoferritin containing the nanoparticle catalyst synthesized in the step (a) is mixed with the electrospinning solution synthesized in the step (b), and the apoferritin containing the nanoparticle catalyst / This is a step of preparing a complex electrospinning solution composed of a metal oxide precursor / two polymers. In the state in which the solution synthesized in step (b) is agitated, a solution in which apoferritine containing a nanoparticle catalyst is dispersed is slowly added to prepare a composite electrospinning solution. When preparing the electrospinning solution, the concentration of apoferritin in which the nanoparticle catalyst is embedded may be variously adjusted in the range of 0.01-1 wt% compared to the metal oxide.

또한, 상기 (d) 단계는, 상기 (c) 단계에서 합성한 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 합성하는 단계이다. 나노섬유가 전기방사되는 과정에서, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상에 의해서, 나노 섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하게 되고, 금속산화물 전구체는 혼합될 수 있는 제 1 고분자와 함께 존재하며, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 우수한 분산성 때문에, 상기 복합 나노섬유의 내부 및 표면에 아포페리틴/촉매가 균일하게 분포되는 특징을 갖는다. In addition, in step (d), the composite electrospinning solution synthesized in step (c) is electrospinned to synthesize a nanoparticle catalyst-embedded apoferritin / metal oxide precursor / composite nanofiber composed of two polymers. It is a step. During the process of electrospinning the nanofibers, due to the phase separation phenomenon of two polymers that are not mixed with each other, a large number of second polymer fibers occupying a discontinuous phase exist inside the first polymer fibers occupying the continuous phase of the nanofibers, The metal oxide precursor is present with the first polymer that can be mixed, and because of the excellent dispersibility of apoferritin with a nanoparticle catalyst embedded therein, the apoferritin / catalyst is uniformly distributed inside and on the surface of the composite nanofiber. Have

또한, 상기 (e) 단계는, 상기 (d) 단계에서 합성된 복합 나노섬유의 500-700 ℃의 고온 열처리를 통해, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 나노섬유 내부에 다중채널을 남기고, 금속산화물 전구체가 다중채널 형태를 유지하며 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되어 내부 중공에 포함하던 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 합성한다. 이러한 열처리 과정에서, 상기 제 2 고분자가 열분해 되는 온도가 금속산화물 전구체의 결정화 온도보다 50-150 ℃만큼 높기 때문에, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 1 내지 20 nm의 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 또한, 상기 아포페리틴은 외경 12 nm와 내경 8 nm로 이루어진 동물단백질로, 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1 내지 15 nm의 크기 범위를 갖는 미세기공을 남기는 것을 특징으로 한다. 또한, 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환될 수 있다. 또한, 이때 형성되는 금속산화물 나노섬유는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO,In2O3, Zn2SnO4, 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, Ga2O3, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 및 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 다양하게 구성될 수 있다.In addition, in the step (e), the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed through the high-temperature heat treatment at 500-700 ° C. of the composite nanofiber synthesized in the step (d), leaving multiple channels inside the nanofiber. , Multi-channel metal oxide nanofibers in which the metal oxide precursor is oxidized and crystallized while maintaining a multi-channel form, and the apoferritine is decomposed to include nanoparticle catalysts included in the inner hollow and uniformly bound to the multi-channel and outer surfaces of the nanofibers Synthesizes. In this heat treatment process, since the temperature at which the second polymer is thermally decomposed is higher than the crystallization temperature of the metal oxide precursor by 50-150 ° C., heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and a number of second polymer fibers are formed of nanofibers. The growth of metal oxide particles is suppressed according to the support from the inside, thereby forming a metal oxide having a small particle size of 1 to 20 nm. In addition, the apoferritin is an animal protein composed of an outer diameter of 12 nm and an inner diameter of 8 nm, and is characterized by leaving micropores having a size range of 1 to 15 nm in nanofibers as the protein shell decomposes during the heat treatment process. In addition, the nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 after heat treatment , CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , It may be substituted with at least one nanoparticle catalyst of Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3 and GeO 2 . In addition, the metal oxide nanofiber formed at this time is 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 , 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, Ga 2 O 3 , CaCu 3 Ti 4 O 12, Ag 3 PO 4 , BaTiO 3, NiTiO 3, SrTiO 3, Sr 2 Nb 2 O 7, Sr 2 Ta 2 O 7 and Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O more than one or two selected from 3-7 It can be composed of various composite materials.

또한, 상기 (f) 단계는, 상기 (e) 단계에서 합성된 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시킨 후, 분산용액을 미리 준비된 저항변화 식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅(spin coating), 드랍 코팅(drop coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 및 디스펜싱(dispensing) 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계이다. 센서 전극 위에 감지물질을 균일하게 코팅할 수 있다면 어떤 코팅 방법이든 사용할 수 있다.In addition, in step (f), after dispersing the multi-channel metal oxide nanofibers in which the nano-sized catalyst synthesized in step (e) is bound and dispersing it in a solvent, the dispersion solution is prepared in advance for a resistance change type gas sensor. This is a step of coating on the sensor electrode using at least one coating process of spin coating, drop coating, ink-jet printing, and dispensing. Any coating method can be used as long as the sensing material can be uniformly coated on the sensor electrode.

여기서, 상기 합성된 나노섬유에 결착된 나노입자 촉매의 크기는 1-5 nm의 범위를 가지며, 나노섬유의 직경은 300-500 nm의 범위를 갖는다. 또한, 나노섬유의 내부에 존재하는 하나의 채널의 크기는 10-50 nm의 범위를 가지며, 그 개수는 5-20개의 범위를 갖는다. Here, the size of the nanoparticle catalyst bound to the synthesized nanofibers has a range of 1-5 nm, and the diameter of the nanofibers has a range of 300-500 nm. In addition, the size of one channel existing inside the nanofibers has a range of 10-50 nm, and the number has a range of 5-20.

상기 합성된 감지물질의 경우 5 nm 이하의 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 표면에 균일하게 결착되어 기능화되고, 다중채널이 형성됨에 따라 비표면적이 증대하여 가스 반응이 증가될 뿐 아니라, 가스가 나노섬유 내부에도 확산될 수 있어 효율적인 가스 반응을 제공하고, 나노섬유의 내부에 존재하는 촉매입자들도 기능화되어 촉매의 효과가 극대화될 수 있다는 장점을 가지고 있다.In the case of the synthesized sensing material, the nanoparticle catalyst of 5 nm or less is functionalized by being uniformly bound to the inner multichannel and surface of the nanofiber, and as the multichannel is formed, the specific surface area is increased to increase the gas reaction, Since the gas can diffuse inside the nanofiber, it provides an efficient gas reaction, and the catalyst particles present inside the nanofiber are functionalized to maximize the effect of the catalyst.

이처럼, 아포페리틴의 내부 중공에 1-5 nm의 크기 범위를 갖는 나노입자 촉매들을 내장시키고, 상기 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 금속산화물 전구체/서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자 복합 방사용액과 혼합한 후 전기방사를 수행하여, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 균일하게 결착시킬 수 있다. 전기방사 중에, 두 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하게 되고, 금속산화물 전구체는 혼합될 수 있는 제 1 고분자 섬유에 함께 존재하며, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴이 나노섬유의 표면 및 내부에 균일하게 포함도리 수 있다. 이후 고온 열처리 과정을 통해, 상기 제 2 고분자가 열분해되어 섬유 내부에 다중채널을 남기며, 상기 금속산화물 전구체가 다중채널 형태를 유지하며 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 열분해되어 나노 섬유에 미세 기공을 남기고, 내부 중공에 포함하던 나노입자 촉매가 나노섬유의 표면 및 다중채널 내부에 균일하게 결착되어 기능화된 가스센서용 감지소재를 대량으로 합성할 수 있다.As described above, the nanoparticle catalysts having a size range of 1-5 nm are embedded in the inner hollow of apoferritin, and the two polymer composite spinning solutions in which the apoferritin containing the nanoparticle catalyst is not mixed with each other as a metal oxide precursor / After mixing, electrospinning may be performed to uniformly bind apoferrin with a nanoparticle catalyst on the surface and inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber. During electrospinning, the phase separation of the two polymers results in a large number of second polymer fibers occupying a discontinuous phase inside the first polymer fibers occupying the continuous phase of the nanofibers, and the metal oxide precursor is a first polymer that can be mixed. Aperferrin coexisting in the fiber and embedded with the nanoparticle catalyst may be uniformly contained on the surface and inside of the nanofiber. Subsequently, through the high-temperature heat treatment process, the second polymer is thermally decomposed to leave multiple channels inside the fiber, and the metal oxide precursor is oxidized and crystallized while maintaining the multi-channel shape, and the apoferritine is thermally decomposed to cause fine pores in the nanofiber. The nanoparticle catalyst, which was included in the inner hollow, is uniformly bound to the surface of the nanofiber and the multi-channel inside, so that a functional sensing material for a gas sensor can be synthesized in large quantities.

여기서, 나노입자 촉매들이 아주 작은 크기(1-5 nm)로 균일하게 결착되어 있어, 가스가 나노섬유와 반응할 때 나타나는 촉매의 효과를 극대화할 수 있으며, 고온의 구동 온도에서도 촉매입자들이 서로 응집하지 않아 가스센서의 안정성을 증대시켰다. 또한, 고온 열처리 과정에서 제 2 고분자의 역할에 의해 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성되는데, 이는 가스의 유무에 따른 저항변화를 극대화시켜 극미량의 가스도 검출할 수 있는 고감도의 특성을 가져온다. 또한 나노섬유의 내부에 다중채널이 형성된 구조를 통해, 증대된 비표면적을 가져오고, 나노섬유의 내부에도 가스가 용이하게 침투할 수 있어 효율적인 가스반응을 제공하며, 내부에 결착된 촉매도 가스와의 접촉이 가능하게 하여 촉매의 효과를 극대화함으로써 감지 특성을 획기적으로 증가시켰다.Here, since the nanoparticle catalysts are uniformly bound to a very small size (1-5 nm), the effect of the catalyst appearing when the gas reacts with the nanofibers can be maximized, and the catalyst particles aggregate together even at a high operating temperature. It did not increase the stability of the gas sensor. In addition, a metal oxide having a small particle size is formed by the role of the second polymer in a high-temperature heat treatment process, which maximizes resistance change depending on the presence or absence of gas, and brings high-sensitivity characteristics that can detect even a very small amount of gas. In addition, through a structure in which multiple channels are formed inside the nanofiber, an increased specific surface area is obtained, and the gas can easily penetrate the inside of the nanofiber, thereby providing an efficient gas reaction. Sensing characteristics were significantly increased by maximizing the effect of the catalyst by enabling the contact of.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매(122)가 내장된 아포페리틴(121)이 고온 열처리 후에 분해되며 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 내부 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유(110)를 이용한 가스센서용 부재(100)의 모식도를 도시하고 있다. 1-5 nm의 아주 작은 크기의 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 및 외부에 균일하게 포함되어 우수한 가스 감지 특성을 보이는 것을 특징으로 한다. Figure 1 is a nanoparticle catalyst 122 according to an embodiment of the present invention is embedded apoferritin 121 is decomposed after high temperature heat treatment and the nanoparticle catalyst is uniformly bonded to the multi-channel inner and outer surfaces of the nanofibers to functionalize It shows a schematic diagram of the gas sensor member 100 using the multi-channel metal oxide nanofiber 110. The nanoparticle catalyst with a very small size of 1-5 nm is uniformly contained inside and outside of the nanofiber, and is characterized by showing excellent gas sensing characteristics.

상기 나노 크기의 촉매입자가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재(100)를 통해 특정 가스에 대한 우수한 감도와 선택적 감지능력을 지닌 센서를 구현하여, 사람의 날숨 속에 포함된 생체지표 가스를 선택적으로 검출하여 질병의 조기 진단 및 일일 진단이 가능하다. 또한, 다중채널 나노섬유에 포함되는 촉매의 양을 정량적으로 조절하여 효과적으로 촉매 특성을 제어할 수 있고, 다양한 종류의 나노입자 촉매/금속산화물 복합 다중채널 나노섬유의 합성을 통해, 여러 종류의 가스 검출에 사용될 수 있는 가스센서용 부재를 간단하게 제작할 수 있다.Through the gas sensor member 100 using the multi-channel metal oxide nanofibers to which the nano-sized catalyst particles are bound, a sensor having excellent sensitivity and selective detection ability for a specific gas is realized, and a living body included in a person's exhalation Selective detection of surface gas enables early diagnosis and daily diagnosis of disease. In addition, it is possible to effectively control the catalytic properties by quantitatively controlling the amount of catalyst contained in the multi-channel nanofibers, and detecting various types of gases through the synthesis of various types of nanoparticle catalyst / metal oxide composite multi-channel nanofibers. It is possible to simply manufacture a member for a gas sensor that can be used for.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 구조를 이용한 가스센서 제조 방법의 순서도를 보여준다. 순서도에서 볼 수 있듯이, 가스센서 제조 방법은, 아포페리틴의 내부 중공에 나노입자 촉매를 결착하는 단계(S210), 상기 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 전기방사 용액에 첨가하여 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계(S220), 상기에서 제조된 혼합용액을 전기방사법을 이용하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/연속 상을 차지하는 제 1 고분자/불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 합성하는 단계(S230), 상기 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리를 통해 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제작하는 단계(S240)를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기의 각 단계에 대하여 보다 상세하게 설명한다.Figure 2 shows a flow chart of a method for manufacturing a gas sensor using a multi-channel metal oxide nanofiber structure functionalized with nano-sized catalysts uniformly bound to the inner multichannel and outer surfaces of nanofibers according to an embodiment of the present invention. As can be seen in the flow chart, the gas sensor manufacturing method comprises the steps of binding the nanoparticle catalyst to the inner hollow of apoferritin (S210), the metal oxide precursor / two polymer electrospinning solution containing the nanoparticle catalyst embedded therein. Adding to the step of preparing a composite electrospinning solution (S220), the first polymer / discontinuous phase occupying the apoferritin / metal oxide precursor / continuous phase in which the nanoparticle catalyst is embedded by using the electrospinning method of the mixed solution prepared above Synthesizing a composite nanofiber composed of a second polymer that occupies (S230), the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner multichannel and outer surface of the nanofiber through high temperature heat treatment of the synthesized composite nanofiber, and the functionalized multi It may be configured to include the step of manufacturing the channel metal oxide nanofibers (S240). Hereinafter, each step will be described in more detail.

우선적으로, 아포페리틴의 내부 중공에 나노입자 촉매를 결착하는 단계(S210)을 살펴본다. 본 단계에서 사용되는 아포페리틴은 동물단백질로, 외경 12 nm 및 내경 8 nm의 중공 구조를 갖는다. 이러한 내부 중공 구조에 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내장시킬 수 있고, 환원 과정을 거쳐 1-5 nm의 직경 범위를 갖는 나노입자를 형성시킬 수 있다. 촉매금속 이온을 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해서, 아포페리틴이 녹아있는 용액에 촉매 금속염을 첨가하여 촉매금속 이온을 아포페리틴의 내부 중공에 확산시키고, 환원제를 첨가하여 촉매금속 이온을 촉매금속 입자로 환원시킨다. 아포페리틴의 내부 중공에 금속 이온을 내장시키기 위해 사용되는 대표적인 금속 염은, 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, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 등이 있으며, 내부 중공에 확산될 수 있는 금속 이온을 포함하는 금속 염이라면 특정 금속 염에 제한을 두지 않는다. 이러한 금속염을 사용하여 내장된 금속 이온이 환원과정을 거쳐, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 등을 형성한다. 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 등이 있으며, 이중 적어도 하나의 환원제를 이용하여 환원시킨다. 최종 합성된, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴은 원심분리 및 세척한 후 용매에 분산시켜 준비한다.First, look at the step (S210) of binding the nanoparticle catalyst to the inner hollow of apoferritin. The apoferritin used in this step is an animal protein and has a hollow structure with an outer diameter of 12 nm and an inner diameter of 8 nm. One or two or more catalytic metal ions may be embedded in the internal hollow structure, and nanoparticles having a diameter range of 1-5 nm may be formed through a reduction process. In order to embed the catalytic metal ions into the inner hollow of apoferritin, the catalytic metal ion is diffused into the inner hollow of apoferritin by adding a catalytic metal salt to the solution in which the apoferritin is dissolved, and a reducing agent is added to catalyze the catalytic metal ion into the catalytic metal particles Reduce to. Representative metal salts used to embed metal ions in the hollow inside of apoferritin, 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, RutheniumAcetate, Iridium (III) chloride, Iridium acetate, Tantalum (V) chloride, Palladium ( II) chloride, Lanthanum (III) acetate, Copper (II) sulfate, and Rhodium (III) chloride. Metal salts containing metal ions that can diffuse inside the hollow are not limited. Using these metal salts, the embedded metal ions undergo a reduction process, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr , In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge. Reducing agents for reducing metal ions include sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane, and iron (II) sulfate, etc., which are reduced using at least one reducing agent. The final synthesized, nanoparticle catalyst-embedded apoferritin is prepared by centrifugation and washing, followed by dispersion in a solvent.

이어서, 상기 합성된 아포페리틴을 첨가하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계(S220)를 살펴본다. 본 단계(S220)에서는 상기 S210에서 제작된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 활용하여, 이들이 균일하게 분산되어 있는 금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 전기방사 용액을 제조한다. 여기서 두 가지의 고분자는 하나의 용매에 녹을 수는 있지만 서로 혼합될 수 없는 특성을 가진다. 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자는 대표적으로, polyvinylpyrolidone과 polyacrylonitrile, poly(styreneacrylonitrile)과 polyacrylonitrile, cellulose acetate과 polyacrylonitrile, poly(methylmethacrylate)과 polyacrylonitrile, polystyrene과 polyacrylonitrile 및 poly(ethylene oxide)과 polyacrylonitrile 등이 있다. 이러한 두 고분자는 하나의 용매 내에서, 연속 상을 차지하는 제 1 고분자와 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 상 분리가 일어나게 된다. 제 2 고분자의 중량 비율은, 제 1 고분자의 중량 대비 50- - 150%의 범위에서 다양하게 조절될 수 있다. 또한, 본 단계에서 사용되는 금속산화물 전구체는 대표적으로 금속이 포함된 아세테이트, 나이트레이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드 등과 같이 고온 열처리 후에 저항변화 식 가스센서 감지물질의 특성을 갖는 금속산화물을 형성하는 전구체라면 특정 금속 염에 제한을 두지 않는다. 본 단계에서 사용되는 용매는 N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 탈이온수, 에탄올 등과 같은 상용성 용매이지만 금속산화물 전구체와 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 동시에 용해시킬 수 있는 용매를 선택하여야 한다. Subsequently, a step (S220) of preparing a polymer composite electrospinning solution of apoferritin / metal oxide precursor / two kinds in which a nanoparticle catalyst is embedded by adding the synthesized apoferritin is examined. In this step (S220), by utilizing the apoferritin embedded with the nanoparticle catalyst prepared in S210, to prepare a metal oxide precursor / two polymer composite electrospinning solution in which they are uniformly dispersed. Here, the two polymers are soluble in one solvent but have properties that cannot be mixed with each other. Two polymers that are not mixed with each other include polyvinylpyrolidone and polyacrylonitrile, poly (styreneacrylonitrile) and polyacrylonitrile, cellulose acetate and polyacrylonitrile, poly (methylmethacrylate) and polyacrylonitrile, polystyrene and polyacrylonitrile and poly (ethylene oxide) and polyacrylonitrile. In these two polymers, phase separation occurs in one solvent into a first polymer that occupies a continuous phase and a second polymer that occupies a discontinuous phase. The weight ratio of the second polymer may be variously adjusted in a range of 50-150% relative to the weight of the first polymer. In addition, the metal oxide precursor used in this step is typically a metal containing acetate, nitrate, chloride, acetylacetonate, methoxide, ethoxide, butoxide, isopropoxide, sulfide, etc. As long as it is a precursor that forms a metal oxide having the characteristics of the gas sensor sensor, it is not limited to a specific metal salt. The solvent used in this step is a compatible solvent such as N, N'-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N, N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, deionized water, ethanol, etc. A solvent that can simultaneously dissolve two polymers that are not mixed with each other should be selected.

전기방사 용액을 제조하는 과정은 금속산화물 전구체와 제 1 고분자를 용매에 충분히 용해시킨 후, 제 2 고분자를 첨가하여 용해시키고 5 시간 내지는 24 시간 동안 교반시켜 준 후에, 마지막으로 상기 과정(S210)을 통해 합성된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 첨가하여 혼합한다. 마지막으로 2 시간 내지는 6 시간 동안 교반시켜 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴, 금속산화물 전구체, 두 가지 고분자가 용액 속에 균일하게 혼합되도록 한다.In the process of preparing the electrospinning solution, after the metal oxide precursor and the first polymer are sufficiently dissolved in a solvent, the second polymer is added to dissolve and stirred for 5 to 24 hours, and finally the process (S210) is performed. The nanoparticle catalyst synthesized through is added and mixed with apoferritin. Finally, the mixture is stirred for 2 hours to 6 hours so that the two polymers with a nanoparticle catalyst-embedded apoferritin, a metal oxide precursor, are uniformly mixed in the solution.

이어서, 상기에서 제조된 혼합용액을 전기방사법을 이용하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/연속 상을 차지하는 제 1 고분자/불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 합성하는 단계(S230)를 수행한다. 전기방사법을 수행함에 있어, 상기에 준비된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 전기방사용액을 시린지(syringe)에 채운 후, 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지를 밀어줌으로써, 단위 시간당 일정한 양의 방사용액이 토출되도록 한다. 전기방사 시스템은 고전압 발생기, 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 펌프를 포함하여 구성될 수 있고, 용액이 채워진 시린지의 니들 끝과 전도성 기판 사이에 고전압(5-30 kV)의 전기장을 걸어주면 시린지 니들을 통해 토출되는 방사용액이 나노섬유 형태로 변형되어 전도성 기판 위에 집적된다. 토출되는 속도는 0.01 ml/분 내지는 0.5 ml/분 내외로 다양하게 조절될 수 있으며, 전압과 토출량의 조절을 통해서 나노섬유의 직경이나 길이를 조절하여 원하는 크기를 갖는 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 제작할 수 있다. 본 단계의 전기방사에서는, 서로 혼합되지 않는 두 고분자의 상 분리 현상에 의해서, 나노 섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하게 되고, 금속산화물 전구체는 혼합될 수 있는 제 1 고분자와 함께 존재하며, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 우수한 분산성 때문에, 상기 복합 나노섬유의 내부 및 표면에 나노입자/아포페리틴이 균일하게 분포되는 특징을 갖는다.Subsequently, the composite solution prepared above is synthesized by using the electrospinning method to synthesize a composite nanofiber composed of a first polymer occupying a nanoparticle catalyst embedded apoferritin / metal oxide precursor / continuous phase / second polymer occupying the discontinuous phase Step S230 is performed. In performing the electrospinning method, the nanoparticle catalyst prepared above is filled with apoferritin / metal oxide precursor / two polymer composite electrospinning solution in a syringe, and then the syringe is pumped at a constant speed using a syringe pump. By pushing, a certain amount of spinning solution is discharged per unit time. The electrospinning system may include a high voltage generator, a grounded conductive substrate, a syringe, and a syringe pump, and a syringe needle is applied by applying a high voltage (5-30 kV) electric field between the needle end of the syringe filled with the solution and the conductive substrate. The spinning solution discharged through is transformed into a nanofiber form and integrated on a conductive substrate. The discharge rate can be variously adjusted to about 0.01 ml / min to 0.5 ml / min, and apoferritin with a nanoparticle catalyst having a desired size can be adjusted by adjusting the diameter or length of the nanofibers through the control of the voltage and the discharge amount. / Metal oxide precursor / Composite nanofibers composed of two polymers can be produced. In the electrospinning of this step, due to the phase separation phenomenon of two polymers that are not mixed with each other, a plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase are present inside the first polymer fibers occupying the continuous phase of the nanofibers, and the metal oxide precursor Is present with the first polymer that can be mixed, and because of the excellent dispersibility of apoferritin with a nanoparticle catalyst embedded therein, the nanoparticles / apoferritin are uniformly distributed inside and on the surface of the composite nanofiber.

마지막으로, 상기 제작된 복합 나노섬유를 고온 열처리하여, 나노입자 촉매들이 다중채널 금속산화물의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제작하는 단계(S240)를 수행한다. 본 단계에서는, 500-700 ℃의 온도 범위에서 열처리하여, 고분자와 아포페리틴을 열분해시키며, 나노섬유의 내부에 다중채널을 형성시키고 아포페리틴에 내장되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 및 외부에 균일하게 결착되도록 한다. 열처리를 하는 과정에서, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 다중채널을 남기고, 금속산화물 전구체가 다중채널 형태를 유지하며 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되어 내부 중공에 포함하던 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유가 합성된다. 이러한 열처리 과정에서, 상기 제 2 고분자가 열분해 되는 온도가 금속산화물 전구체의 결정화 온도보다 50-150 ℃만큼 높기 때문에, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소하고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 1 내지 20 nm의 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 또한, 상기 아포페리틴은 외경 12 nm와 내경 8 nm로 이루어진 동물단백질로, 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1 내지 15 nm의 크기 범위를 갖는 미세기공을 남기는 것을 특징으로 한다. 또한, 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환된다. 또한, 본 단계에서 형성되는 금속산화물 나노섬유는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO,In2O3, Zn2SnO4, 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, Ga2O3, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 및 Ba0 . 5Sr0 . 5Co0 . 8Fe0 . 2O3 - 7 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 다양하게 구성될 수 있다.Finally, the step of manufacturing the multi-channel metal oxide nanofibers functionalized by uniformly bonding the nanoparticle catalysts to the multi-channel metal oxide inner and outer surfaces of the multi-channel metal oxide by heat-treating the produced composite nanofiber (S240). Perform. In this step, heat treatment is performed in a temperature range of 500-700 ° C to thermally decompose the polymer and apoferritin, forming multiple channels inside the nanofiber, and the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin inside and outside the nanofiber. Make sure to adhere evenly. In the process of heat treatment, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to leave a multi-channel, and the metal oxide precursor is oxidized and crystallized while maintaining the multi-channel form, and the apoferritin is decomposed to include nanoparticles in the inner hollow Multichannel metal oxide nanofibers in which the catalyst is uniformly bound to the multichannel of the nanofibers and the outer surface are synthesized. In this heat treatment process, since the temperature at which the second polymer is thermally decomposed is higher than the crystallization temperature of the metal oxide precursor by 50-150 ° C., heat transferred to the metal oxide particles decreases, and a number of second polymer fibers are formed of nanofibers. The growth of metal oxide particles is suppressed according to the support from the inside, thereby forming a metal oxide having a small particle size of 1 to 20 nm. In addition, the apoferritin is an animal protein composed of an outer diameter of 12 nm and an inner diameter of 8 nm, and is characterized by leaving micropores having a size range of 1 to 15 nm in nanofibers as the protein shell decomposes during the heat treatment process. In addition, the nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 after heat treatment , CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , It is substituted with at least one nanoparticle catalyst of Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3 and GeO 2 . In addition, the metal oxide nanofiber formed in this step is 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 , 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, Ga 2 O 3 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3, SrTiO 3, Sr 2 Nb 2 O 7, Sr 2 Ta 2 O 7 and Ba 0. 5 Sr 0 . 5 Co 0 . 8 Fe 0 . 2 O 3 - and it may be variously configured with one or more composites selected from the group consisting of 7.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법을 이용한 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재의 제조방법에 따른 제조 공정 순서를 개략적으로 도시하고 있다.3 schematically shows a manufacturing process sequence according to a method of manufacturing a member for a gas sensor using a multi-channel metal oxide nanofiber with a nano-sized catalyst bound using an electrospinning method according to an embodiment of the present invention.

제 1 과정인 단계(S310)는 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 전기방사하여, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴이 균일하게 분산된 복합 나노섬유를 제작하는 예를 나타내고 있다.In the first step (S310), a nanoparticle catalyst-embedded apoferritin / metal oxide precursor / composite electrospinning solution composed of two polymers is electrospinned to uniformly disperse the apoferritin containing the nanoparticle catalyst. An example of producing a composite nanofiber is shown.

제 2 과정인 단계(S320)는 단계(S310)에서 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리하는 과정을 나타내고 있다. 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자가 열분해되며 나노섬유의 내부에 다수의 채널을 남기고, 아포페리틴이 분해되며 내장되어 있던 나노입자 촉매들이 나노섬유에 균일하게 결착된다.The second step, step S320, shows a process of heat-treating the composite nanofibers synthesized in step S310 at a high temperature. The second polymer occupying the discontinuous phase is thermally decomposed, leaving a large number of channels inside the nanofibers, apoferritin decomposition, and the embedded nanoparticle catalysts are uniformly bound to the nanofibers.

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 through examples and comparative examples. The examples and comparative examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1: Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 제조 1: Preparation of apoferritin containing Pt nanoparticle catalyst

우선, 0.5 g의 아포페리틴을 수산화나트륨(NaOH) 용액(0.1 mol/L)으로 처리하여 pH를 8.5로 맞춰준다. 그 후에, 따로 준비된 Pt 전구체(H2PtCl6H2O) 수용액(1.6 wt%)을 아포페리틴 용액에 첨가하고 상온에서 100 rpm의 속도로 1 시간 내지는 3 시간 동안 교반하여 Pt 이온이 아포페리틴의 내부 중공 구조에 확산 되도록 한다. 이어서, 아포페리틴에 내장된 Pt 이온을 Pt 입자로 환원시키기 위해서, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액(0.1 mol/L)을 첨가하고 상온에서 200 rpm의 속도로 10분 내지는 30분 동안 교반한다. 그 후에, 교반된 용액을 원심분리하여 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴을 용액으로부터 분리하고, 에탄올로 세척한다. 상기 원심분리 및 에탄올 세척 과정을 3번 이상 수행한 후, 수집된 아포페리틴을 2.5 g의 N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide, DMF) 용액에 분산시키고, 제조된 분산액을 전기방사 용액 제조시 사용한다.First, 0.5 g of apoferritin is treated with a sodium hydroxide (NaOH) solution (0.1 mol / L) to adjust the pH to 8.5. Thereafter, a separately prepared aqueous solution of Pt precursor (H 2 PtCl 6 H 2 O) (1.6 wt%) was added to the apoferritin solution and stirred at room temperature at a rate of 100 rpm for 1 hour or 3 hours to give the Pt ion apoferritin. Allow to diffuse into the internal hollow structure. Subsequently, in order to reduce the Pt ions embedded in apoferritin to Pt particles, an aqueous sodium borohydride (NaBH 4 ) solution (0.1 mol / L) is added and stirred at room temperature at a rate of 200 rpm for 10 to 30 minutes. Thereafter, the agitated solution is centrifuged to separate the apoferritine containing Pt nanoparticles from the solution, and washed with ethanol. After performing the centrifugation and ethanol washing process three or more times, the collected apoferritin is dispersed in a solution of 2.5 g of N, N'-dimethylformamide (D, NMF), and the prepared dispersion is It is used when preparing electrospinning solution.

도 4는 상기의 과정으로 제조된 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 투과전자현미경 이미지를 나타낸다. 합성된 Pt 나노입자는 약 5 nm의 크기를 가짐을 알 수 있다.Figure 4 shows a transmission electron microscope image of the apoferritin embedded Pt nanoparticle catalyst prepared by the above process. It can be seen that the synthesized Pt nanoparticles have a size of about 5 nm.

실시예Example 2: Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 활용하여, Pt 나노입자 촉매가  2: Pt nanoparticle catalyst utilizes apoperitin embedded, Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제작 Producing multi-channel metal oxide nanofibers

우선, 0.12 g의 polyvinylpyrolidone(PVP, 분자량: 1,300,000 g/mol)과 0.15 g의 주석전구체(SnCl22H2O)를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 1 시간 내지는 3 시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 그 후에, 0.18 g의 polyacrylonitrile(PAN, 분자량: 150,000 g/mol)을 첨가하고 약 70 ℃의 온도에서 6 시간 내지는 12 시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 마지막으로, 실시예 1에서 합성한 아포페리틴 분산액 120 μL를 상기 교반된 용액에 첨가하여 최종 복합 전기방사 용액을 제조한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다.First, 0.12 g of polyvinylpyrolidone (PVP, molecular weight: 1,300,000 g / mol) and 0.15 g of tin precursor (SnCl 2 2H 2 O) were mixed in 2 ml of DMF solution, and at 300 rpm for 1 to 3 hours at room temperature. Stir at speed. Thereafter, 0.18 g of polyacrylonitrile (PAN, molecular weight: 150,000 g / mol) is added and stirred at a temperature of about 70 ° C. at a rate of 300 rpm for 6 to 12 hours. Finally, 120 μL of the apoferritin dispersion synthesized in Example 1 was added to the stirred solution to prepare a final composite electrospinning solution. After transferring the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ), connect it to a syringe pump, push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and press the syringe needle (needle, 21 gauge) and When a high voltage of 15 kV is applied between stainless steel (stainless use steel), a composite nanofiber composed of apoferritin / tin precursor / PVP / PAN with Pt nanoparticles embedded therein is synthesized.

도 5는 전기방사 후 수집된 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다. 합성된 나노섬유의 직경은 700 내지는 900 nm의 범위를 가지며, 나노섬유의 표면이 울퉁불퉁한 것을 볼 수 있다. 이러한 표면의 형상을 통해 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상이 일어난 것을 알 수 있다.FIG. 5 is a scanning electron microscope photograph of a composite nanofiber composed of apoferritin / tin precursor / PVP / PAN with embedded Pt nanoparticles collected after electrospinning. The diameter of the synthesized nanofibers ranges from 700 to 900 nm, and it can be seen that the surface of the nanofibers is uneven. It can be seen that the phase separation phenomenon of the two polymers that are not mixed with each other occurs through the shape of the surface.

상기와 같은 방법으로 제조된 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 280 ℃에서 한 시간 동안 유지한 후, 이어서 600 ℃에서 한 시간 더 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3-550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 여기서, 280 ℃에서 한 시간 동안 열처리를 해준 이유는, PAN을 안정화하기 위함이며, 고분자의 종류에 따라 조건은 달라질 수 있다. 또한, 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 유기물(아포페리틴, PVP, PAN)들이 분해되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되며, Pt 나노입자 촉매들이 결착되어 기능화된 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유를 형성한다. The composite nanofibers composed of apoferritin / tin precursor / PVP / PAN with embedded Pt nanoparticles prepared in the same manner were maintained at 280 ° C. for 1 hour at a heating rate of 5 ° C./min, followed by 600 ° C. After holding for an hour, the mixture was cooled to room temperature at a rate of 40 ° C / min. The heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. Here, the reason for heat treatment at 280 ° C. for one hour is to stabilize the PAN, and conditions may vary depending on the type of polymer. In addition, during heat treatment at 600 ° C., organic substances (apoferritin, PVP, PAN) are decomposed, tin precursors are oxidized and crystallized, and Pt nanoparticle catalysts are bound to form functionalized multi-channel Pt-SnO 2 nanofibers.

도 6은 실시예 2에서 합성된 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 합성된 나노섬유는 유기물이 분해됨에 따라 300 내지는 400 nm의 감소된 직경을 갖는다. 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유의 채널 개수는, 하나의 나노섬유 당 5 내지 20 개의 범위를 가지며, 채널의 직경은 10 내지 50nm의 범위를 갖는 것을 알 수 있다.6 shows a scanning electron microscope photograph of the multi-channel Pt-SnO 2 nanofiber synthesized in Example 2. The synthesized nanofibers have a reduced diameter of 300 to 400 nm as organic matter decomposes. It can be seen that the number of channels of the multi-channel Pt-SnO 2 nanofibers has a range of 5 to 20 per one nanofiber, and the diameter of the channel has a range of 10 to 50 nm.

도 7은 실시예 2에서 합성된 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유의 투과전자현미경 사진과 성분분석 결과를 보여주고 있다. 투과전자현미경 사진은 나노섬유의 내부에 다중채널이 존재함을 뚜렷하게 보여준다. 또한, 투과전자현미경 격자분석은 Pt 나노입자 촉매가 SnO2 나노섬유에 결착된 모습을 보여주며, 전자회절 분석을 통해 SnO2가 결정화를 이루고 있다는 것을 보여주고 있다. 더불어 투과전자현미경 성분분석(EDS)을 통해 Pt가 서로간의 응집 없이 SnO2 나노섬유에 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있으며, 라인 성분분석이 연속적인 지그재그 형태를 나타냄에 따라 다중채널 구조를 명확하게 확인할 수 있다.7 shows transmission electron micrographs and composition analysis results of the multi-channel Pt-SnO 2 nanofibers synthesized in Example 2. Transmission electron microscopy clearly shows the presence of multiple channels in the nanofiber. In addition, the transmission electron microscope lattice analysis shows that the Pt nanoparticle catalyst is SnO 2 It shows that it is bound to nanofibers and shows that SnO 2 is crystallized through electron diffraction analysis. In addition, through the transmission electron microscope component analysis (EDS), it can be confirmed that Pt is evenly dispersed in SnO 2 nanofibers without aggregation between each other, and as the line component analysis shows a continuous zigzag form, the multi-channel structure is clearly confirmed. You can.

비교예Comparative example 1. Pt 나노입자 촉매가  1. Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound SnOSnO 22 나노섬유 Nano fiber

상기 실시예 2와 비교할 수 있는 비교예로는 아포페리틴 기반의 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유 구조가 있다. 0.30 g의 PVP와 0.15 g의 주석전구체를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 6 시간 내지는 10 시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 상기 교반된 용액에 실시예 1에서 합성한 아포페리틴 분산액 120 μl를 첨가하여 최종 복합 전기방사 용액을 제조한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다. 상기 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 /주석전구체/PVP 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 600 ℃에서 한 시간 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 PVP가 열분해되고, 아포페리틴이 분해되며 내장되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 및 외부에 결착되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되어 Pt-SnO2 나노섬유가 합성된다.A comparative example that can be compared with Example 2 is an apoferritin-based nanoparticle catalyst-bound SnO 2 nanofiber structure. 0.30 g of PVP and 0.15 g of tin precursor are mixed in 2 ml of DMF solution and stirred at room temperature at a rate of 300 rpm for 6 to 10 hours. To the stirred solution, 120 μl of the apoferritin dispersion synthesized in Example 1 was added to prepare a final composite electrospinning solution. After transferring the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ), connect it to a syringe pump, push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and press the syringe needle (needle, 21 gauge) and When a high voltage of 15 kV is applied between stainless steel (stainless use steel), a composite nanofiber composed of apoferritin / tin precursor / PVP with Pt nanoparticle catalyst embedded in the current collector is synthesized. The apoferritin / tin precursor / PVP composite nanofiber containing the Pt nanoparticle catalyst was maintained at 600 ° C for one hour at a rate of temperature increase of 5 ° C / min, and then cooled to room temperature at a rate of 40 ° C / min. The heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. During heat treatment at 600 ° C., PVP is thermally decomposed, apoferritin is decomposed, and the embedded nanoparticle catalyst is bound to the inside and outside of the nanofiber, and the tin precursor is oxidized and crystallized to synthesize Pt-SnO 2 nanofiber.

도 8은 비교예 1에서 제조된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 합성된 SnO2 나노섬유의 직경은 평균 250 nm 정도이며, 실시예 2에서 제작된 다중채널 SnO2 나노섬유와 달리 채널이 없는 나노섬유 구조가 형성되었다.FIG. 8 shows a scanning electron microscope photograph of SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst prepared in Comparative Example 1 was bound. The average diameter of the synthesized SnO 2 nanofibers is about 250 nm, and unlike the multi-channel SnO 2 nanofibers prepared in Example 2, a nanofiber structure without a channel was formed.

상기 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유는 상기 실시예 2에서 제작된 Pt나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.Wherein the produced Pt nanoparticle catalysts binder SnO 2 nanofibers was used to compare the detected characteristics for a wide gas with a second embodiment the catalyst is a Pt nanoparticle binder in the production of multi-channel SnO 2 nanofibers.

비교예Comparative example 2. Pt 나노입자 촉매가  2. Pt nanoparticle catalyst 결착되지Not bound 않은 다중채널  Multichannel SnOSnO 22 나노섬유 Nano fiber

상기 실시예 2와 비교할 수 있는 비교예로는 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유 구조가 있다. 0.12 g의 PVP와 0.15 g의 주석전구체를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 1시간 내지는 3시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 그 후에, 0.18 g의 PAN을 첨가하고 약 70 ℃의 온도에서 6시간 내지는 12시간 동안 300 rpm의 속도로 교반하여 최종 복합 전기방사 용액을 제조한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다.A comparative example that can be compared with Example 2 is a multi-channel SnO 2 nanofiber structure in which Pt nanoparticle catalyst is not bound. 0.12 g of PVP and 0.15 g of tin precursor are mixed in 2 ml of DMF solution and stirred at room temperature for 1 hour or 3 hours at a rate of 300 rpm. Thereafter, 0.18 g of PAN is added and stirred at a temperature of about 70 ° C. at a rate of 300 rpm for 6 to 12 hours to prepare a final composite electrospinning solution. After transferring the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ), connect it to a syringe pump, push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and press the syringe needle (needle, 21 gauge) and When a high voltage of 15 kV is applied between stainless steel (stainless use steel), a composite nanofiber composed of tin precursor / PVP / PAN is synthesized on the current collector.

상기와 같은 방법으로 제조된 주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 280 ℃에서 한 시간 동안 유지한 후, 이어서 600 ℃에서 한 시간 더 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 여기서, 280 ℃에서 한 시간 동안 열처리를 해준 이유는, PAN을 안정화하기 위함이며, 고분자의 종류에 따라 조건은 달라질 수 있다. 또한, 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 유기물(PVP, PAN)들이 분해되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되어 다중채널 SnO2 나노섬유를 형성한다.After the composite nanofibers composed of tin precursor / PVP / PAN prepared by the above method were heated at a rate of 5 ° C./min for 1 hour at 280 ° C., and then maintained at 600 ° C. for another hour, 40 It cooled to room temperature at a descending rate of ℃ / min. The heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. Here, the reason for heat treatment at 280 ° C. for one hour is to stabilize the PAN, and conditions may vary depending on the type of polymer. In addition, during heat treatment at 600 ° C., organic substances (PVP, PAN) are decomposed, and the tin precursor is oxidized and crystallized to form multi-channel SnO 2 nanofibers.

상기 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유는 상기 실시예 2에서 제작된 Pt나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.The produced multi-channel SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst is not bound are used to compare the sensing characteristics for multiple gases together with the multi-channel SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst prepared in Example 2 is bound. Did.

비교예Comparative example 3. Pt3. Pt 나노입자 촉매가  Nanoparticle catalyst 결착되지Not bound 않은  Not SnOSnO 22 나노섬유 Nano fiber

상기 실시예 2와 비교할 수 있는 비교예로는 아포페리틴 기반의 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 구조가 있다. 0.30 g의 PVP와 0.15 g의 주석전구체를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 6시간 내지는 10시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 주석전구체/PVP로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다. 상기 주석전구체/PVP 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 600 ℃에서 한 시간 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 PVP가 열분해되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되어 SnO2 나노섬유가 합성된다.As a comparative example that can be compared with Example 2, there is an SnO 2 nanofiber structure in which an apoferritin-based nanoparticle catalyst is not bound. 0.30 g of PVP and 0.15 g of tin precursor are mixed in 2 ml of DMF solution and stirred at room temperature at a rate of 300 rpm for 6 to 10 hours. After transferring the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ), connect it to a syringe pump, push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and press the syringe needle (needle, 21 gauge) and When a high voltage of 15 kV is applied between stainless steel (stainless use steel), a composite nanofiber composed of a tin precursor / PVP is synthesized on the current collector. The tin precursor / PVP composite nanofiber was maintained at 600 ° C. for one hour at a rate of temperature increase of 5 ° C./min, and then cooled to room temperature at a rate of 40 ° C./min. The heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. During heat treatment at 600 ° C., PVP is thermally decomposed, and the tin precursor is oxidized and crystallized to synthesize SnO 2 nanofibers.

도 9는 비교예 3에서 합성된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 합성된 SnO2 나노섬유의 직경은 평균 250 nm 정도이며, 실시예 2에서 제작된 다중채널 SnO2 나노섬유와 달리 채널 형태의 기공이 보이지 않는다. 이 결과는 다중채널 구조를 형성함에 있어 서로 혼합되지 않는 두 고분자의 역할을 보여준다.9 shows a scanning electron microscope photograph of SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst synthesized in Comparative Example 3 is not bound. The average diameter of the synthesized SnO 2 nanofibers is about 250 nm, and unlike the multi-channel SnO 2 nanofibers prepared in Example 2, the pores in the form of channels are not seen. This result shows the role of two polymers that are not mixed with each other in forming a multi-channel structure.

상기 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유는 상기 실시예 2에서 제작된 Pt나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.The prepared SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst was not bound were used to compare the sensing characteristics for various gases together with the multi-channel SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst prepared in Example 2 was bound.

실험예Experimental example 1.  One. PVPPVP /주석산화물 전구체 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴// Apoferritin containing tin oxide precursor composite nanofiber and Pt nanoparticle catalyst / PVPPVP /PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 확인/ PAN / tin oxide precursor Confirm the change in mass and the degree of heat transfer according to the heat treatment of the composite nanofiber

주사전자현미경 사진들에서 확인할 수 있듯이, 상기 비교예 3 에서 제조된 나노섬유는 약 20 nm의 입자 크기를 보여주는 반면, 실시예 2에서 제작된 다중채널 나노섬유는 약 10 nm의 작은 입자 크기를 나타낸다. 이의 원인을 파악하기 위하여 상기 비교예 3과 실시예 2에서 제조된 PVP/주석산화물 전구체 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 확인하였다. 각각 0.05 g의 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 상온에서 700 ℃까지 공기분위기에서 열처리하며 질량의 변화와 열전달의 정도를 파악하였다.As can be seen from the scanning electron micrographs, the nanofibers prepared in Comparative Example 3 show a particle size of about 20 nm, whereas the multi-channel nanofibers prepared in Example 2 show a small particle size of about 10 nm. . In order to determine the cause of this, according to the heat treatment of the PVP / tin oxide precursor composite nanofibers prepared in Comparative Examples 3 and 2 and Pt nanoparticle catalyst according to the heat treatment of the apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers The change in mass and the degree of heat transfer were confirmed. Each of the nanofibers of 0.05 g was heat-treated in an air atmosphere from room temperature to 700 ° C with a heating rate of 5 ° C / min, and the change in mass and the degree of heat transfer were determined.

도 10은 본 발명의 실험예 1로서, 비교예 3과 실시예 2에 따른, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유를 형성하는 과정에서, PVP/주석산화물 전구체 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 나타낸 그래프이다. PVP/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 경우에는, 400 ℃ 이상에서 발생하는 질량감소가 약 20 %인 반면에, Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 경우에는, 400 ℃ 이상에서 발생하는 질량감소가 약 45 %임을 알 수 있다. 이는 PAN의 유무에 따른 차이라고 볼 수 있는데, 기존에 보고된 바에 따르면, PVP는 450 ℃ 이하에서 분해되고 PAN은 450 ℃ 이상에서 분해가 일어나기 때문이다. 또한 SnO2의 결정화는 400 ℃에서 시작된다. 즉 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 경우에는 나노섬유의 내부에서 불연속 상을 차지하는 PAN의 분해가 SnO2의 결정화보다 높은 온도에서 일어남에 따라, SnO2 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 PAN 섬유가 내부에서 버팀에 따라 SnO2 입자의 성장이 억제되어 작은 입자 크기를 갖는 SnO2가 형성되는 것이다.10 is an Experimental Example 1 of the present invention, according to Comparative Examples 3 and 2, to form a multi-channel SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticle catalyst is bound and SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticle catalyst is not bound In the process, it is a graph showing the change in mass and the degree of heat transfer according to the heat treatment of the apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofiber containing the PVP / tin oxide precursor composite nanofiber and Pt nanoparticle catalyst. In the case of PVP / tin oxide precursor composite nanofibers, the mass loss occurring at 400 ° C or higher is about 20%, whereas in the case of apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers containing Pt nanoparticle catalyst In, it can be seen that the mass loss occurring at 400 ° C or higher is about 45%. This can be regarded as a difference depending on the presence or absence of PAN, as previously reported, PVP decomposes below 450 ° C and PAN decomposes above 450 ° C. In addition, crystallization of SnO 2 starts at 400 ° C. That is, in the case of apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers, as the decomposition of PAN occupying the discontinuous phase inside the nanofibers occurs at a temperature higher than the crystallization of SnO 2 , the heat transferred to the SnO 2 particles It is reduced, and the growth of SnO 2 particles is suppressed as a number of PAN fibers are supported therein to form SnO 2 having a small particle size.

실험예Experimental example 2. Pt 나노입자 촉매가  2. Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound 다중채널  Multi-channel SnOSnO 22 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가  Nanofiber, Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound SnOSnO 22 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가  Nanofiber, Pt nanoparticle catalyst 결착되지Not bound 않은 다중채널  Multichannel SnOSnO 22 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가  Nanofiber and Pt nanoparticle catalyst 결착되지Not bound 않은  Not SnOSnO 22 나노섬유를 이용한 가스센서 제조 및 특성 평가 Gas sensor manufacturing and property evaluation using nanofibers

상기의 실시예 1, 2와 비교예 1, 2, 3으로 제작된 감지소재를 날숨분석용 가스센서에 활용하기 위하여, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유를 각각 5 mg을 에탄올 250 μL에 분산시킨 뒤, 1시간 동안 초음파 세척을 통하여 분쇄 과정을 거친다. 그 후, 마이크로 피펫을 이용하여 상기 제작된 에탄올에 분산된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 용액을 평행한 금(Au) 전극이 패턴된 3 mm Х 3 mm 크기의 알루미나(Al2O3) 기판 위에 각각 드랍코팅한 후, 60 ℃의 핫플레이트(hot-plate) 상에서 건조시키는 과정을 거친다. 이러한 과정을 3~5회 반복하여 충분한 양의 나노섬유들이 알루미나 센서기판 상부에 균일하게 코팅되도록 하였다. In order to utilize the sensing materials prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2 and 3 in the gas sensor for exhalation analysis, multi-channel SnO 2 nanofibers and Pt nanoparticle catalysts in which Pt nanoparticle catalysts are bound are used. in which the binder of SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalyst is not a binding multichannel SnO 2 nanofibers, and dispersing SnO 2 the Pt nanoparticle catalyst is not a binding nanofibers to 5 mg ethanol 250 μL each after 1 hour During the ultrasonic cleaning process, the grinding process is performed. Subsequently, a multi-channel SnO 2 nanofiber with a Pt nanoparticle catalyst dispersed in the ethanol produced using a micropipette, a SnO 2 nanofiber with a Pt nanoparticle catalyst, and a multi-particle without a Pt nanoparticle catalyst Channel SnO 2 nanofibers, and StO 2 nanofiber solution without Pt nanoparticle catalyst are coated on a 3 mm x 3 mm alumina (Al 2 O 3 ) substrate patterned with parallel gold (Au) electrodes. After that, it is dried on a hot plate at 60 ° C. By repeating this process 3 to 5 times, a sufficient amount of nanofibers was uniformly coated on the alumina sensor substrate.

제작된 가스센서의 특성을 평가하기 위하여, 고습한 환경(95% RH)에서 센서의 구동 온도를 400 ℃로 유지시키고, 아세톤(CH3COCH3) 가스의 농도를 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4 ppm으로 변화시키며 아세톤 감지 특성을 평가하였다. 또한, 본 실험예 2에서는 휘발성 유기 화합물 가스의 대표적인 예인 아세톤 가스뿐만 아니라, 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 포름알데히드(HCHO), 황화수소(H2S), 톨루엔(C6H5CH3) 등에 대해서도 감지특성을 평가하여 선택적 가스 감지 능력을 평가하였다.In order to evaluate the characteristics of the manufactured gas sensor, the driving temperature of the sensor is maintained at 400 ° C in a humid environment (95% RH), and the concentration of acetone (CH 3 COCH 3 ) gas is 5, 4, 3, 2, Acetone detection characteristics were evaluated by changing to 1, 0.6 and 0.4 ppm. In addition, in this Experimental Example 2, as well as acetone gas, which is a typical example of a volatile organic compound gas, ethanol (C 2 H 5 OH), methane (CH 4 ), carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3 ), formaldehyde (HCHO) , Hydrogen sulfide (H 2 S), toluene (C 6 H 5 CH 3 ), etc. were also evaluated for the detection characteristics to evaluate the selective gas detection capability.

도 11은 400 ℃에서 아세톤 가스의 농도를 5 ppm 에서 0.4 ppm 으로 시간에 따라 감소시키며 반응정도(Rair/Rgas , 여기서 Rair는 공기가 주입되었을 때 나타나는 가스센서의 저항값이고, Rgas는 아세톤 가스가 주입되었을 때의 가스센서의 저항값이다)를 측정한 것이다. 도 11에 나타난 바와 같이, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유는 5 ppm의 아세톤 가스에 대하여 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유보다 8배 이상 향상된 감도 특성을 보였다. 이는 다중채널 구조와 균일하게 분산된 나노 크기 촉매의 효과를 뚜렷하게 나타낸다.Figure 11 decreases the concentration of acetone gas at 400 ℃ from 5 ppm to 0.4 ppm over time and the degree of reaction (R air / R gas , where R air is the resistance value of the gas sensor when air is injected, R gas Is the resistance value of the gas sensor when acetone gas is injected). As shown in FIG. 11, the multi-channel SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst is bound are SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst is bound to 5 ppm of acetone gas, and the multi-channel in which the Pt nanoparticle catalyst is not bound SnO 2 nanofibers and Pt nanoparticle catalyst showed improved sensitivity characteristics more than 8 times than SnO 2 nanofibers without binding. This clearly shows the effect of the multi-channel structure and the uniformly dispersed nano-sized catalyst.

도12는 400 ℃에서 아세톤의 농도가 1, 2, 3, 4, 5 ppm 일 때, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 반응속도에 대한 특성 평가 결과이다. 결과에서 나타난 바와 같이 다중채널 나노섬유 구조의 반응 속도는 12초 이내로 매우 빠른 반면, 일반 나노섬유 구조의 반응 속도는 28초 이내로 상대적으로 느린 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 다중채널 구조가 나노섬유 내부로의 가스 침투를 촉진시켜 순간적인 저항 변화를 유도하여 빠른 반응을 일으킴을 알 수 있다.Figure 12 is when the concentration of acetone, 1, 2, 3, 4, 5 ppm il eseo 400 ℃, Pt nanoparticle catalyst is a binder multichannel SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalysts binder SnO 2 nanofibers, Pt This is a result of evaluating the properties of the multichannel SnO 2 nanofibers without a nanoparticle catalyst, and the reaction rate of the SnO 2 nanofiber-based gas sensor without a Pt nanoparticle catalyst. As shown in the results, it can be seen that the reaction rate of the multi-channel nanofiber structure is very fast within 12 seconds, while the reaction rate of the general nanofiber structure is relatively slow within 28 seconds. These results show that the multi-channel structure promotes gas infiltration into the nanofibers, inducing an instantaneous resistance change, causing a rapid reaction.

도 13은 400 ℃에서 측정된, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유의 아세톤, 에탄올, 메탄, 일산화탄소, 암모니아, 포름알데히드, 황화수소, 톨루엔 1 ppm에 대한 반응정도를 나타낸 것이다. 도 13에 나타난 바와 같이, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서는 에탄올, 메탄, 일산화탄소, 암모니아, 포름알데히드, 황화수소, 톨루엔 가스에 9.1 미만의 반응정도를 나타내는 반면, 아세톤에 대하여 22 이상의 매우 우수한 반응정도를 보여, 선택적 가스 감지 능력을 확인할 수 있었다. FIG. 13 shows the degree of reaction of acetone, ethanol, methane, carbon monoxide, ammonia, formaldehyde, hydrogen sulfide, and toluene to 1 ppm of a multi-channel SnO 2 nanofiber with a Pt nanoparticle catalyst measured at 400 ° C. As shown in FIG. 13, the multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor in which the Pt nanoparticle catalyst is bound exhibits a reaction level of less than 9.1 on ethanol, methane, carbon monoxide, ammonia, formaldehyde, hydrogen sulfide, and toluene gas, whereas acetone It showed a very good reaction level of 22 or higher, which confirmed the selective gas detection ability.

도14는 400 ℃에서, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 1 ppm 아세톤에 대해 반복적인 감지특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 결과에서 나타난 바와 같이, 30차례의 반복적인 반응 및 회복에도 안정적인 감지특성을 보였다. 이를 통해, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서는 장시간 안정적으로 감지하는 능력을 가지고, 수 차례의 감지에도 감지 능력이 감소되지 않는 안정성을 가짐을 확인할 수 있었다.FIG. 14 shows the results of repeated evaluation of sensing characteristics for 1 ppm acetone of a multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor bound with a Pt nanoparticle catalyst at 400 ° C. As shown in the results, it showed stable sensing characteristics even after 30 repetitive reactions and recovery. Through this, it was confirmed that the multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor bound with the Pt nanoparticle catalyst has the ability to stably detect for a long time, and has stability that does not decrease the detection ability even after several detections.

상기의 실험예에서는 아세톤에 대해 높은 감도와 빠른 반응속도, 그리고 선택성을 지닌 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 센서특성을 보여주었다. 또한 나노입자 촉매와 금속산화물 소재의 종류를 변화시킴으로써, 가스 선택성 특성의 변화를 기대할 수 있어, 다종의 나노입자 촉매입자들이 결착된 다종의 다중채널 금속산화물 나노섬유를 합성하고, 여러 종류의 가스에 대해 높은 감도와 선택성을 갖는 가스센서 어레이를 제조할 수 있다. 상기 아포페리틴을 통해 실현된 나노입자 촉매를 포함하는 다중채널 금속산화물 나노섬유 감지물질은 날숨 속 휘발성 유기화합물 가스 분석 및 진단을 위한 헬스케어용 가스센서에 사용될 수 있다. The above experimental example showed the sensor characteristics of a multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor in which a Pt nanoparticle catalyst with high sensitivity, fast reaction speed, and selectivity to acetone was bound. In addition, by changing the types of the nanoparticle catalyst and the metal oxide material, a change in gas selectivity can be expected, thereby synthesizing multiple types of multi-channel metal oxide nanofibers in which multiple types of nanoparticle catalyst particles are bound, and Gas sensor arrays with high sensitivity and selectivity can be manufactured. The multi-channel metal oxide nanofiber sensing material including the nanoparticle catalyst realized through the apoferritin can be used in a gas sensor for healthcare for analysis and diagnosis of volatile organic compound gas in exhalation.

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 above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations 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 explain them, and are not limited to these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical spirits within the equivalent ranges should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

100: 나노크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유 가스센서용 부재
110: 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 내부 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유
121: 내부 중공에 나노입자 촉매가 내장되어 있는 아포페리틴
122: 고온 열처리 이후, 아포페리틴이 열분해되어 결착된 나노입자 촉매
100: member for multi-channel metal oxide nanofiber gas sensor with nano-sized catalyst
110: Multi-channel metal oxide nanofibers functionalized with nanoparticle catalysts uniformly bound to the multi-channel internal and external surfaces of nanofibers
121: apoferritin with nanoparticle catalyst embedded in the hollow
122: After high temperature heat treatment, apoferritine is thermally decomposed and bound nanoparticle catalyst

Claims (20)

나노입자 촉매를 내부 중공에 포함하는 아포페리틴, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자 및 금속산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유에 대한 열처리에 의해 상기 금속산화물 전구체가 산화 및 결정화되어 금속산화물 나노섬유를 형성하되, 상기 금속산화물 나노섬유의 내부에 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의한 다중채널이 형성되고, 상기 열처리에 의해 상기 아포페리틴이 제거됨에 따라 상기 다중채널 각각의 내부 및 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 상기 나노입자 촉매가 결착되어 기능화되고,
상기 복합 나노섬유는, 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하면서 상기 금속산화물 전구체가 혼합된 제1 고분자 섬유를 포함하고, 상기 제1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유를 더 포함하며, 표면 및 내부에 상기 아포페리틴을 더 포함하고,
상기 복합 나노섬유에 대한 열처리의 과정에서, 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 상대적으로 더 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되어 금속산화물 입자의 크기가 제한되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The metal oxide precursor is oxidized and crystallized by heat treatment on a composite nanofiber comprising apoferritin containing a nanoparticle catalyst in an interior hollow, two polymers that are not mixed with each other, and a metal oxide precursor to form metal oxide nanofibers, , As the multi-channel by phase separation of the two polymers is formed inside the metal oxide nanofiber, and the apoferrin is removed by the heat treatment, the inside of each of the multi-channel and the metal oxide nanofiber outer surface The nanoparticle catalyst is bound and functionalized,
The composite nanofibers include a first polymer fiber in which the metal oxide precursor is mixed while occupying a continuous phase of the nanofibers by phase separation of the two polymers, and occupy a discontinuous phase inside the first polymer fiber. It further comprises a plurality of second polymer fibers, and further comprises the apoferritin on the surface and inside,
In the process of heat treatment for the composite nanofibers, as the thermal decomposition of a plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase occurs at a temperature higher than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced. Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the size of the metal oxide particles is limited.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열처리를 통해, 상기 제1 고분자 섬유 및 상기 제 2 고분자 섬유가 열분해되는 과정에서 상기 제2 고분자 섬유가 제거되어 나노섬유 내부에 형성되는 다중채널의 형태를 상기 금속산화물 전구체가 산화되어 금속산화물로 결정화되면서 유지하고, 상기 아포페리틴이 열분해되어 나노섬유에 기공을 형성하면서 동시에 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 표면 및 다중채널 각각의 내부에 결착되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
In the process of thermally decomposing the first polymer fiber and the second polymer fiber through the heat treatment, the metal oxide precursor is oxidized to a metal oxide in the form of a multichannel formed inside the nanofiber by removing the second polymer fiber. While maintaining crystallization, the apoferritine is thermally decomposed to form pores in the nanofibers, and at the same time, the nanoparticle catalyst contained in the hollow inside of the apoferritin is attached to the surface of the nanofibers and the inside of each of the multichannels. Multi-channel metal oxide nanofiber.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2 고분자 섬유의 열분해는 상기 금속산화물 전구체의 결정화보다 50 - 150℃의 범위에 포함되는 온도만큼 상대적으로 더 높은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
Pyrolysis of the second polymer fiber is multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that occurs at a relatively higher temperature than the temperature included in the range of 50-150 ℃ than the crystallization of the metal oxide precursor.
나노입자 촉매를 내부 중공에 포함하는 아포페리틴, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자 및 금속산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유에 대한 열처리에 의해 상기 금속산화물 전구체가 산화 및 결정화되어 금속산화물 나노섬유를 형성하되, 상기 금속산화물 나노섬유의 내부에 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의한 다중채널이 형성되고, 상기 열처리에 의해 상기 아포페리틴이 제거됨에 따라 상기 다중채널 각각의 내부 및 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 상기 나노입자 촉매가 결착되어 기능화되고,
상기 금속산화물 나노섬유를 형성하는 금속산화물 입자의 크기가 1내지 20 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The metal oxide precursor is oxidized and crystallized by heat treatment on a composite nanofiber comprising apoferritin containing a nanoparticle catalyst in an interior hollow, two polymers that are not mixed with each other, and a metal oxide precursor to form metal oxide nanofibers, , As the multi-channel by phase separation of the two polymers is formed inside the metal oxide nanofiber, and the apoferrin is removed by the heat treatment, the inside of each of the multi-channel and the metal oxide nanofiber outer surface The nanoparticle catalyst is bound and functionalized,
Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the size of the metal oxide particles forming the metal oxide nanofibers is included in the range of 1 to 20 nm.
제1항에 있어서,
상기 두 가지의 고분자는, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리(스티렌아크릴로나이트릴)(poly(styreneacrylonitrile)), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate), 폴리(에틸렌 옥사이드)(poly(ethylene oxide)), 폴리(메타크릴산메틸)(poly(methylmethacrylate)) 중에서 선택된 제1 고분자 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile)을 포함하는 제2 고분자의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
The two polymers include polyvinylpyrrolidone, poly (styreneacrylonitrile), polystyrene, cellulose acetate, and poly (ethylene oxide) (poly (ethylene oxide). ethylene oxide)), poly (methyl methacrylate) (poly (methylmethacrylate)), a multi-channel metal, characterized in that it consists of a combination of a first polymer and a second polymer including polyacrylonitrile (polyacrylonitrile). Oxide nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 복합 나노섬유에서 연속 상을 차지하는 제1 고분자의 중량 대비 상기 복합 나노섬유에서 불연속 상을 차지하는 제2 고분자의 중량 비율은 50 내지 150%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
Multi-channel metal oxide nanofibers characterized in that the weight ratio of the second polymer occupying the discontinuous phase in the composite nanofiber to the weight of the first polymer occupying the continuous phase in the composite nanofiber is included in the range of 50 to 150% .
제1항에 있어서,
상기 다중채널의 개수는, 상기 복합 나노섬유 하나 당 5내지 20개의 범위에 포함되며, 개별 채널의 직경은 10 내지 50 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
The number of the multi-channel, multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that included in the range of 5 to 20 per one of the composite nanofibers, the diameter of the individual channels are included in the range of 10 to 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 아포페리틴은 내부에 중공을 갖는 구조로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내부 중공 속에 캡슐화하고,
상기 촉매금속 이온이 환원되어 생성되는 상기 나노입자 촉매의 직경은 1내지 5 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
The apoferritin has a hollow structure inside, and encapsulates one or more catalytic metal ions into the hollow inside,
The multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the diameter of the nanoparticle catalyst generated by reduction of the catalyst metal ions is included in a range of 1 to 5 nm.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 촉매의 중량 비율은 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유 대비 0.01 내지 1 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the weight ratio of the nanoparticle catalyst is contained in a concentration range of 0.01 to 1 wt% compared to the multi-channel metal oxide nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 촉매는 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, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 금속염을 포함하여 합성되는 촉매금속 이온에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
The nanoparticle catalyst is 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, RutheniumAcetate, Iridium (III) chloride, Iridium acetate, Tantalum (V) chloride, Palladium (II) chloride, Lanthanum (III) acetate, Copper (II) Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized by being formed by catalytic metal ions synthesized by including at least one metal salt selected from sulfate and Rhodium (III) chloride.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 촉매는, 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함된 촉매금속 이온이 환원됨에 따라 Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 중에서 선택된 적어도 하나의 나노입자 촉매로서 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되고,
상기 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환되어 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 결착되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
According to claim 1,
The nanoparticle catalyst is Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, Rh, Co, Cr, as the catalytic metal ion contained in the inner hollow of the apoferritin is reduced At least one nanoparticle catalyst selected from Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge, and included in the inner hollow of the apoferritin,
The nanoparticle catalyst contained inside the hollow structure of apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 , after heat treatment CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , Sc 2 O 3, TiO 2, MnO 2, Ga 2 O 3 and GeO 2 are substituted with at least one nanoparticle catalyst in a multi-channel metal oxide nano-fibers, characterized in that the binding to the metal oxide nano-fiber external surface.
제1항, 제3항 또는 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항의 다중채널 금속산화물 나노섬유들을 저항변화를 측정할 수 있는 센서 전극 위에 코팅하여 형성되는 감지물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서.A gas comprising a sensing material formed by coating multi-channel metal oxide nanofibers of any one of claims 1, 3, or 5 to 13 on a sensor electrode capable of measuring a change in resistance. sensor. 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법에 있어서,
(a) 아포페리틴의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 합성하는 단계;
(b) 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 금속산화물 전구체와 함께 용매에 용해시켜 전기방사 용액을 합성하는 단계;
(c) 상기 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴을 상기 합성된 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴, 금속산화물 전구체 및 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계;
(d) 상기 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴이 금속산화물 전구체 및 고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 결착된 복합 나노섬유를 제조하는 단계; 및
(e) 상기 복합 나노섬유를 열처리하여 나노입자 촉매가 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계
를 포함하고,
상기 복합 나노섬유는, 상기 두 가지의 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하면서 상기 금속산화물 전구체가 혼합된 제1 고분자 섬유를 포함하고, 상기 제1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유를 더 포함하며, 표면 및 내부에 상기 아포페리틴을 더 포함하고,
상기 복합 나노섬유에 대한 열처리의 과정에서, 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 상대적으로 더 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되어 금속산화물 입자의 크기가 제한되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
In the manufacturing method of the multi-channel metal oxide nanofibers,
(a) synthesizing a nanoparticle catalyst inside the hollow structure of apoferritin;
(b) synthesizing an electrospinning solution by dissolving two polymers that are not mixed with each other in a solvent together with a metal oxide precursor;
(c) Composite electrospinning comprising apoferritin containing the synthesized nanoparticle catalyst in the synthesized electrospinning solution, and apoferritin containing the nanoparticle catalyst, a metal oxide precursor, and two polymers that are not mixed with each other. Preparing a solution;
(d) electrospinning the composite electrospinning solution to produce a composite nanofiber in which apoferritin containing a nanoparticle catalyst is bound to the surface and inside of a metal oxide precursor and a polymer composite nanofiber; And
(e) preparing the functionalized multichannel metal oxide nanofibers by heat-treating the composite nanofibers so that the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner multichannels and outer surfaces of the multichannel metal oxide nanofibers.
Including,
The composite nanofiber comprises a first polymer fiber in which the metal oxide precursor is mixed while occupying a continuous phase of the nanofibers by phase separation of the two polymers, and has a discontinuous phase inside the first polymer fiber. Further comprising a plurality of second polymer fibers occupied, the surface and the inside further comprises the apoferritin,
In the process of heat treatment for the composite nanofibers, as the thermal decomposition of a plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase occurs at a temperature higher than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced. Method of manufacturing a multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the size of the metal oxide particles is limited.
제15항에 있어서
상기 (a) 단계는,
상기 나노입자 촉매를 상기 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해 상기 아포페리틴이 녹아있는 용액에 상기 촉매 금속염을 첨가하여 촉매 금속이온을 내장시키고, 환원제를 첨가하여 상기 촉매 금속이온을 촉매 금속입자로 환원시키는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15
Step (a) is,
In order to embed the nanoparticle catalyst in the hollow inside of the apoferritin, the catalyst metal salt is embedded in the solution in which the apoferritin is dissolved to embed a catalyst metal ion, and a reducing agent is added to reduce the catalyst metal ion to catalyst metal particles Method of manufacturing a multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that.
제15항에 있어서
상기 (a) 단계는,
상기 아포페리틴의 중공 내에 내장된 촉매 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15
Step (a) is,
The reducing agent for reducing the catalytic metal ion embedded in the hollow of the apoferritin, sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), Multi-channel comprising at least one of oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate Method for manufacturing metal oxide nanofibers.
제15항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 열처리를 통해 상기 아포페리틴과 상기 두 가지의 고분자가 열분해 되어 제거되는 과정에서, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 다중채널을 형성하고, 연속 상인 제 1 고분자가 분해되며 상기 제1 고분자에 혼합된 금속산화물 전구체가 상기 형성된 다중채널의 형태를 유지하면서 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되며 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 상기 형성된 다중채널의 내부 및 나노섬유의 표에 결착되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15,
In step (e),
In the process of thermally decomposing and removing the apoferritin and the two polymers through the heat treatment, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to form a multi-channel, and the first polymer, which is a continuous phase, is decomposed and the first polymer is decomposed. The metal oxide precursor mixed in is oxidized and crystallized while maintaining the shape of the formed multichannel, and the apoferritin is decomposed and the nanoparticle catalyst contained in the hollow is bound to the table of the inner and nanofibers of the formed multichannel. Method of manufacturing a multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that.
제15항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 아포페리틴은, 중공구조의 동물단백질로, 상기 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1내지15 nm의 범위에 포함되는 크기의 기공을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15,
In step (e),
The apoferritin is a multi-channel metal oxide nanofiber characterized by forming pores having a size in the range of 1 to 15 nm in nanofibers as the protein shell decomposes during the heat treatment process, as a hollow structure of animal protein. Method of manufacturing.
제15항에 있어서,
(f) 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시키고, 저항변화식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅, 드랍 코팅 및 잉크젯 프린팅 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15,
(f) pulverizing the multi-channel metal oxide nanofibers and dispersing them in a solvent, and coating them using a coating process of at least one of spin coating, drop coating, and inkjet printing on a sensor electrode for a resistance change type gas sensor.
Method of manufacturing a multi-channel metal oxide nanofibers further comprising a.
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