KR102131388B1 - 기체센서, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 기체를 센싱하는 방법 - Google Patents

기체센서, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 기체를 센싱하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체 센서, 특히 탄소 소재의 양극 및 음극을 포함하는 기체 센서에 관한 것이다. 본 발명의 절연 기판, 및 절연 기판 상에 부착된 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로 코팅된 것을 기술적 특징으로 한다. 본 발명에 따른 기체 센서는 센서 내 전극 간의 낮은 임피던스를 나타낼 수 있으며, 외부에서 별도의 수분 공급부를 사용하지 않고서도 센서 전극 표면에 수분을 유지할 수 있고, 고가의 촉매금속 또는 고온 반응을 이용하지 않고서도 기체를 고감도로 센싱할 수 있다.

Description

기체센서, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 기체를 센싱하는 방법{Gas sensor, method of preparing the same and method of sensing gas using thereof}
본 발명은 기체 센서, 특히 탄소 소재의 양극 및 음극을 포함하는 기체 센서에 관한 것이다.
현재 다양한 종류의 전기화학센서가 개발 및 이용되고 있다. 그 중에서도 전기화학센서가 적용된 혈당센서는 상온에서 작동이 가능하고, 재현성이 우수하며 생산 단가가 낮기 때문에 가장 상업적으로 성공한 센서로 알려져 있다.
통상적으로 전기화학센서는 3전극 시스템으로 구성되며, 구체적으로 센서 역할을 하는 작업전극(working electrode), 작업전극에서와 반대 반응이 일어나 회로의 원점(ground) 역할을 하는 상대전극(counter electrode), 및 반응 표준 전압을 생성하는 기준전극(reference electrode)으로 구성된다.
전기화학센서는 1962년 Leland C. Clark 에 의해 발명된 이후로 용액 기반의 반응을 측정하는 액상 센서로 발전되어 왔으며, 이는 전극 표면에서의 산화 및 환원 짝 반응에 의해 발생하는 전하의 전류밀도 변화를 측정하는 센서이다. 이러한 전기화학센서는 전하의 흐름이 발생하기 때문에, 발생된 전하를 전달하기 위한 적절한 전해질을 필요로 하며, 통상적으로 혈액이나 물, 전도성 유기 용매가 전해질로 사용되고 있다.
한편, 시중에 유통되는 기체 센서의 경우 대부분 센싱 대상 물질인 기체를 응축하기 위한 별도의 팬을 구비하고 있으며, 그러한 팬을 구동하기 위하여 공급되는 전력은 100 mA 이상이며, 이러한 전력은 MCU(micro controller unit) 및 센서 자체를 구동하기 위해 사용하는 수 mA의 수배에 달하는 것으로, 지속적인 에너지 소모의 원인이 된다.
또한, 기체상의 센싱 대상 물질은 그러한 기체를 응축하기 위한 별도의 응축장치를 구비하고 있으며, 그러한 응축장치를 이용하여 기체를 응축하지 않으면 30초 내지 10분에 이르는 기체 센싱 시간을 단축하는 것이 어려운 실정이다.
또한, 상온에서 전기화학센서의 전해질로서 황산과 같은 강력한 산화제를 적용하지 않는 한 기체상의 반응을 측정하는 것은 어려운 실정이며, 기체상 반응의 측정은 고가의 촉매금속 또는 고온의 반응을 이용하지 않으면 거의 불가능하다고 여겨지는 실정이었다.
최근 표면적이 넓은 나노구조체를 기반으로 하는 기체 센서를 제조하여 기존 센서들보다 높은 감도와 반응속도를 개선하기 위한 시도가 있어 왔다. 그러나, 기체 분자를 센서 표면에 흡착시키기 위하여는 센서 표면이 습윤하게 유지되어야 하는데, 그러한 나노구조체 고유의 연꽃잎 효과(Louts Effect, 도 2)로 인하여 오히려 그러한 나노구조체는 높은 소수성(hydrophobicity)을 나타내게 되고, 센싱 능력이 저하되는 문제가 나타나게 되었다. 이를 해결하기 위해 외부로부터 액체를 공급해도 나노구조체의 표면을 습윤하게 하는 효과는 떨어졌으며 오히려 센싱 대상 물질이 센서 표면 전체에 확산되는 것을 블로킹하는 효과를 나타내게 되었다.
본 발명은 강력한 산화제를 이용하지 않고, 고가의 촉매금속 및 고온의 반응을 이용하지 않으면서도, 고감도로 재현성이 우수한 기체 센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 별도의 기체 응축 장치 및 외부로부터의 액체 공급 장치 없이도 표면을 습윤하게 유지하여 기체 센싱 감도가 우수한 기체 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 절연 기판, 및 절연 기판 상에 부착된 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로 코팅된 것인 기체 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 기체 센서를 사용하여 센싱 대상 기체를 센싱하는 기체 센싱 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 기체 센서는 센서 내 전극 간의 낮은 임피던스를 나타낼 수 있으며, 외부에서 별도의 수분 공급부를 사용하지 않고서도 센서 전극 표면에 수분을 유지할 수 있고, 고가의 촉매금속 또는 고온 반응을 이용하지 않고서도 기체를 고감도 및 높은 재현성으로 센싱할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 센서의 일 실시예에 따른 모식도이다. 도 1에 나타나는 기체 센서는 절연 기판 상에 부착된 양극 및 음극을 포함하며, 상기 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로 코팅되어 있으며, 상기 조해성 염에 부착된 물분자가 전극 표면에 수분막을 형성하고 있음을 나타낸다. 또한, 상기 양극은 탄소나노튜브 코어-나노다이몬드 쉘 구조로 형성된 것을 나타내며, 상기 기체 센서는 센서 전극과 외부 전압에 연결될 수 있다.
도 2는 나노구조물이 갖는 연꽃잎 효과(Louts Effect)에 의한 소수성을 모식화한 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 코어 및 p형 나노다이아몬드 쉘 나노구조물의 TEM(제품명: TitanTM80-300, 제조사: FEI) 사진이다. (a)는 탄소나노튜브 줄기 표면에 나노다이아몬드 핵이 성장된 것을 보여주며, (b)는 나노다이아몬드 핵이 자가조립되어 탄소나노튜브 표면을 덮으면서 탄소나노튜브 코어 및 나노다이아몬드 쉘의 나노구조물을 형성한 것을 보여준다. 상기 나노구조물의 평균 직경은 80 nm이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 기체 센서를 이용하여 Glucose 분자를 센싱한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 좌측은 고농도(10 mMol 이상) 영역에 대한 센싱 결과이고, 우측은 저농도(5 mMol 미만) 영역에 대한 결과이다. 기존 효소기반 센서들보다 100배 이상의 감도를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 기체 센서, 기체 센서의 제조방법 및 상기 기체 센서를 사용하여 센싱 대상 기체를 센싱하는 기체 센싱 방법을 제공한다.
<기체 센서>
보다 구체적으로, 본 발명은 절연 기판, 및 절연 기판 상에 부착된 양극 및 음극을 포함하고, 상기 양극 및 음극의 표면과 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로 코팅된 기체 센서를 제공한다.
조해성 염
본 발명의 기체 센서는 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로 코팅된 것을 사용한다.
본 발명의 명세서에서, 상기 용어 '조해성'이란 공기 중의 수분을 흡수하는 성질을 의미한다. 본 발명의 명세서에 있어서, 상기 용어 '조해성 염'이란 공기 중의 수분을 흡수하는 성질을 가진 염을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면이 조해성 염으로 코팅된 것을 사용하여 센서의 온도 의존도를 낮출 수 있고, 센싱 감도를 개선할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 '조해성 염'은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 수산화물, 염화물, 브롬화물, 질산염물, 탄산염물, 황산염물, 아세트산염물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화철, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화칼슘, 염화아연, 염화리튬, 브롬화나트륨, 브롬화리튬, 탄산칼륨, 탄산칼슘, 황산칼륨, 아세트산나트륨, 아세트산칼륨, 아세트산암모늄 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화철, 염화칼슘, 염화아연 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화철 등의 수산화물을 사용할 수 있고, 가장 바람직하게는 수산화나트륨을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로 '코팅'된 것을 사용한다.
본 발명의 기체 센서에 있어서, 상기 양극 및 음극, 및 절연 기판의 표면을 조해성 염으로 코팅함으로써, 조해성 염은 주변의 수분을 센서에 흡착시킬 수 있고, 센서에 흡착된 수분은 수분막을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 수분막은 저농도의 기체만으로도 신호를 증폭시킬 수 있어 센서의 감도를 개선하는 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명의 기체 센서의 고감도를 나타내는 기전이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 '코팅'은 상기 양극 및 음극이 부착된 절연 기판을 조해성 염을 포함하는 코팅 용액에 담지한 후, 건조하는 방법, 스프레이 분무 등의 방법에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 조해성 염을 포함하는 코팅 용액에 담지한 후, 건조하는 방법에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 본 발명의 기체 센서에 있어서, 상기 조해성 염의 코팅은 표면 조도의 증가에 의해 확인될 수 있다. 구체적인 실시예에서, 조해성 염을 코팅하기 전 기판의 조도는 Ra = 10 nm이고, 조해성 염을 코팅한 후 기판의 조도는 Ra = 100 nm 이상인 것을 확인하였다.
양극
본 발명의 기체 센서에 있어서, 상기 양극은 금(Au)계 소재, 백금(Pt)계 소재, 금속 산화물 소재 또는 탄소계 소재의 전극일 수 있다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '금(Au)계' 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 금(Au) 단일 물질로 구성되거나, 또는 금을 포함하는 합금으로 구성되는 소재를 총칭한다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '백금(Pt)'계 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 백금(Pt) 단일 물질로 구성되거나, 또는 백금을 포함하는 합금으로 구성되는 소재를 총칭한다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '금속 산화물' 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 금속 산화물 단독으로 또는 이들을 포함하는 조성으로 구성되는 소재를 총칭한다. 금속 산화물 소재로는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 RuO2, Ni(OH)2, MnO2, PbO2, TiO2 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '탄소계' 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 탄소 단독으로 또는 탄소를 전극 총 중량 대비 50 중량% 이상으로 포함하는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 흑연펠트(graphite felt), 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 풀러렌(fullerene), 다이아몬드(diamond), 다이아몬드형 탄소(diamond like carbon), 나노다이아몬드(nanodiamond), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric), 흑연입자(graphite particle), 탄소나노튜브(carbon nano tube), 탄소선(carbon wire), 탄소나노선(carbon nano wire) 및 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush) 등을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 양극은 탄소계 소재로 형성된 코어 및 나노다이아몬드 쉘로 형성된 나노구조물을 포함할 수 있으며, 더 바람직하게는 상기 코어를 형성하는 탄소계 소재는 탄소나노튜브, 탄소선, 탄소나노선, 및 탄소섬유브러쉬를 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는, 상기 양극은 탄소나노튜브 코어 및 나노다이아몬드 쉘로 형성된 나노구조물을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노구조물은 나노다이아몬드 입자를 분산시킨 용액에 상기 탄소나노튜브를 침지시켜 나노다이아몬드 입자가 표면에 흡착된 탄소나노튜브를 형성한 후, 정전하를 걸어, 상기 나노다이아몬드 입자를 증착핵으로 하여 상기 탄소나뉴튜브 표면에 나노다이아몬드가 자가조립(self-assembly)되는 방식으로 형성될 수 있으나, 상기 탄소나노튜브 코어 및 나노다이아몬드 쉘 구조의 나노구조물을 형성하는 방법은 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 나노구조물의 평균 직경은 이에 제한되는 것은 아니나, 0.1 내지 20 nm일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10 nm일 수 있으며, 더 바람직하게는 3 내지 5 nm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 탄소나노튜브 코어 및 나노다이아몬드 쉘로 형성된 나노구조물은 평균 직경이 10 내지 500 nm일 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 200 nm일 수 있으며, 더 바람직하게는 50 내지 100 nm일 수 있다. 상기 나노구조물의 평균 직경이 상기 범위 내인 경우 경제적일 뿐만 아니라, 기체 센서의 감도를 우수하게 나타낼 수 있다.
본 발명의 양극에 있어서, 상기 나노다이아몬드는 n형 도핑된 것 또는 p형 도핑된 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 p형 도핑된 것을 사용할 수 있다. 상기 나노다이아몬드는 p형 도핑된 것을 사용함으로써 센싱의 재현도 및 안정성을 개선할 수 있다.
상기 p형 도핑은 주기율표의 3족 원소로부터 선택된 1종 이상의 도핑 원소를 사용하여 형성될 수 있으며, 바람직하게는 3족 원소로부터 선택된 1종 이상의 도핑 원소를 사용하여 형성될 수 있다. 더 바람직하게는, 상기 도핑 원소는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 붕소, 알루미늄, 갈륨 및 인듐으로부터 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 붕소를 사용할 수 있다.
본 발명의 기체 센서에 있어서, 상기 양극은 붕소가 도핑된 나노다이아몬드 쉘을 포함함으로써, 낮은 임피던스를 가질 뿐만 아니라, 전극의 수명이 개선되고, 센서의 노이즈를 낮추고, 우수한 센싱 감도를 나타낼 수 있게 된다.
음극
본 발명의 기체 센서에 있어서, 상기 음극은 금(Au)계 소재; 백금(Pt)계 소재; 금속 산화물 소재; 또는 탄소계 소재의 전극일 수 있다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '백금(Pt)'계 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 백금(Pt) 단일 물질로 구성되거나, 또는 백금을 포함하는 합금으로 구성되는 소재를 총칭한다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '금속 산화물' 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 금속 산화물 단독으로 또는 이들을 포함하는 조성으로 구성되는 소재를 총칭한다. 금속 산화물 소재로는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 RuO2, Ni(OH)2, MnO2, PbO2, TiO2 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 명세서에 있어서, 상기 '탄소계' 소재는 당업계에 통상적으로 사용되는 전극의 소재로서 탄소 단독으로 또는 탄소를 전극 총 중량 대비 50 중량% 이상으로 포함하는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 흑연펠트(graphite felt), 탄소헝겁(carbon cloth), 다공성유리탄소(reticulated vetrous carbon), 풀러렌(fullerene), 다이아몬드(diamond), 다이아몬드형 탄소(diamond like carbon), 나노다이아몬드(nanodiamond), 흑연직물섬유(graphite fiber fabric), 흑연입자(graphite particle), 탄소나노튜브(carbon nano tube), 탄소선(carbon wire), 탄소나노선(carbon nano wire) 및 탄소섬유브러쉬(carbon fiber brush) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 음극은 바람직하게는 탄소 섬유와 같은 탄소계 소재의 전극을 사용할 수 있다.
본 발명의 기체 센서는 양극 및 음극, 및 절연 기판의 표면이 조해성 염으로 코팅된 것을 사용함으로써, 센서의 감도를 우수하게 개선하여, 예를 들어 저농도의 기체에 대해서도 신호 증폭이 우수하여, 탄소 소재의 전극을 사용하여도 우수한 센싱 감도를 나타낼 수 있다.
절연 기판
본 발명의 기체 센서는 양극 및 음극이 배치되는 절연 기판을 포함한다. 본 발명의 절연 기판으로는 센서 전극 내지 전극에 사용되는 통상적인 절연 기판을 사용할 수 있으며, 상기 절연 기판의 소재로는 예를 들어 산화막 실리콘, 사파이어 기판, 알루미나 기판 등 금속 산화물 및 질화물, 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 술폰산염, 아릴라이트, 폴리이미드, 폴리노르보넨 등을 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 및 음극은 절연 기판 상의 동일 면에 부착되는 것이 바람직하나, 이면에 부착될 수 있고 절연 기판 상에 양극 및 음극이 부착되는 형태에 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 부착은 당업계에 공지된 방법에 의해 수행될 수 있고, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 절연 기판 상에 양극의 나노구조물은 탄소계 소재의 코어가 절연 기판 상에 부착된 후, 코어 표면에 나노다이아몬드 쉘을 형성하거나, 또는 탄소계 소재의 코어 표면에 나노다이아몬드 쉘을 형성한 나노구조물을 절연 기판 상에 부착할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 간격은 간격이 줄어들수록 센서신호(current)는 커지고, 로드저항을 붙임으로 인해 전압으로 보는 신호도 커지기 때문에, 상기 간격은 양극 및 음극의 일 섬유가 접촉하지 않는 범위 내에서 근접하게 유지하도록 하는 통상의 기술에 따르는 것이 바람직하다. 상기 양극 및 음극의 일 섬유가 접촉하는 경우 양극 및 음극은 쇼트 현상이 나타나는 문제가 발생할 수 있다.
<기체 센서의 제조방법>
본 발명은 상기의 기체 센서를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 제조방법은 양극 및 음극이 부착된 절연기판을 조해성 염을 포함하는 코팅 용액에 담지한 후, 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기체 센서의 제조방법에 있어서, 상기 양극, 음극, 절연기판, 및 조해성 염은 기체 센서에서 개시된 상기 양극, 음극, 절연기판, 및 조해성 염을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 조해성 염을 포함하는 코팅 용액은 그 농도에 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 상기 조해성 염을 용질로 하여 1 nMol/L 내지 10 Mol/L의 농도인 것을 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 1 mMol/L 내지 5 Mol/L의 농도인 것, 가장 바람직하게는 0.1 mol/L인 것을 사용할 수 있다. 상기 코팅 용액의 농도가 상기 농도 내인 경우 감도가 우수한 기체 센서를 제조할 수 있으며, 상기 코팅 용액이 상기 농도 범위 미만인 경우 감도가 약하거나 전류의 흐름 방해성 개선 정도가 미약하여 전극의 성능이 불량해질 수 있고, 상기 코팅 용액이 상기 농도 범위 초과인 경우 경제적이지 못할 뿐만 아니라, 코팅의 균질성이 저하되어 센싱 감도가 저하되는 문제가 나타날 수 있다.
본 발명의 상기 '코팅 용액'에 있어서, 상기 코팅 용액의 용매는 이에 제한되는 것은 아니나, 증류수, 에틸알코올, 메틸알코올, 아세톤, 이소프로필알코올, 부틸알코올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 톨루엔 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 증류수, 에틸알코올, 메틸알코올, 이소프로필알코올, 부틸알코올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 증류수를 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 정제수에 수산화나트륨을 0.1 mol/L가 되도록 제조한 코팅 용액에 양극 및 음극이 부착된 절연 기판을 담지한 후, 건조하여 양극 및 음극의 표면, 및 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 표면이 수산화나트륨으로 코팅된 기체 센서를 제조하였다.
본 발명의 상기 '코팅'에 있어서, 상기 담지 시간은 이에 제한되는 것은 아니지만 1초 내지 60분인 것이 바람직하다. 상기 담지 시간이 상기 범위 미만인 경우, 기체 센서 표면에 조해성 염의 코팅 총량 및/또는 균질성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 범위 초과인 경우, 전극 사이에 조해성 염이 스며들어 전극의 임피던스를 오히려 증가시키는 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 상기 양극 및 음극이 부착된 절연 기판을 조해성 염을 포함하는 코팅 용액에 담지한 후, '건조'하는 방법에 있어서, 상기 '건조'는 양극 및 음극, 및 절연 기판에 잔존하는 용매를 증발시키기 위한 것으로, 당업계에 공지된 방법으로 수행될 수 있으며, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
<기체 센싱 방법>
본 발명은 본 발명에 따른 기체 센서를 사용하여 센싱 대상 기체를 센싱하는 기체 센싱 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 기체 센싱 방법에 있어서, 상기 센싱 대상 기체는 대기 중의 모든 기체, 산업환경에서 발생하는 모든 기체, 바람직하게는 산화환원 반응이 가능한 모든 기체일 수 있으며, 예를 들어 수소, 산소, 질소, 염소, 불소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈, 황산, 포름알데하이드, 메탄, 부탄, 프로판, 이산화탄소 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 기체의 센싱은 주변 환경의 이슬점 이하에서 수행되는 것이 바람직하며, 예컨대 -20℃ 이하에서 수행될 수 있다. 상기 온도 이하에서 수행됨으로써 주변 환경에 존재하는 수분 핵이 조해성 염으로 표면 코팅된 센서에 흡착되고, 센서 표면 전체에 수분막을 형성하게 된다. 상기와 같이 형성된 수분막에 센싱 대상 기체가 흡착되면 수분막 내 센싱 대상 기체의 농도는 증폭되고, 센싱 감도를 증대시킬 수 있게 된다.
본 발명의 기체 센서, 기체 센서의 제조방법 및 기체 센싱 방법에 따르면, 센서 내 전극 간의 낮은 임피던스를 나타낼 수 있으며, 외부에서 별도의 수분 공급부를 사용하지 않고서도 센서 전극 표면에 수분을 유지할 수 있는 기체 센서 및 이의 제조방법을 제공할 수 있고, 고가의 촉매금속 또는 고온 반응을 이용하지 않고서도 기체를 고감도 및 높은 재형성으로 센싱하는 방법을 제공할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
탄소나노튜브 코어 및 p형 나노다이아몬드 쉘 나노구조물 제조
증류수 100 ml에 평균 입경 50 nm인 나노다이아몬드 입자를 분산시킨 후, 탄소나노튜브가 성장된 기판을 30분 ~ 24시간 침지하여 탄소나노튜브 줄기에 입자가 가지는 정전하를 이용하여 나노다이아몬드 핵을 접착시켰다(도 3, (a)).
그 후, 접착된 나노다이아몬드 핵을 기반으로 화학적 기상증착법에 의해 다이아몬드를 성장시키며 붕소를 도핑하여 탄소나노튜브 코어-나노다이아몬드 쉘 구조의 나노구조물을 제조하였다(도 3, (b)).
실시예 1 - 기체 센서의 제조
산화규소 절연 기판 상에 상기에서 제조된 나노구조물과 탄소 섬유의 음극 재료를 부착하고, 0.001 mol/L NaOH 수용액에 10초 동안 담지한 후, 상온 상압에서 용매를 증발시켜 센서 표면을 NaOH로 코팅하였다.
실시예 2 - 에탄올 기체의 센싱
상기에서 제조된 실시예 1 의 센서를 이용하여 에탄올 기체를 다음과 같이 센싱하였다.
에탄올 기체를 흘리며 음극과 접지점 사이의 전류신호를 10 kOhm Varistor Load 저항을 설치하여 전압으로 바꾸고, 이를 500 MHz 오실로스코프로 측정한 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 에탄올 분자의 0.5 내지 10 mM 농도에서 0.0135 μA/mM의 우수한 민감도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 전류가 피크까지 도달하기까지 소요된 시간은 1 msec 미만이었으며, 200회 반복 측정에서 1% 이내의 정확도를 유지하였다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (18)

  1. 절연 기판, 및 절연 기판 상에 부착된 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 양극 및 음극의 표면과 상기 절연 기판 상의 양극 및 음극 사이의 기판의 표면은 조해성 염으로만 이루어진 코팅층을 포함하는 것인 기체 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 조해성 염은 수산화물, 염화물, 브롬화물, 질산염물, 탄산염물, 황산염물, 아세트산염물 또는 이들의 혼합물인 것인 기체 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 조해성 염은 수산화물인 것인 기체 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은 탄소계 소재로 형성된 코어 및 나노다이아몬드 쉘로 형성된 나노구조물을 포함하는 것인 기체 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 나노구조물은 평균 직경 10 내지 500 nm인 것인 기체 센서.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 나노다이아몬드는 p형 도핑된 것인 기체 센서.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 나노다이아몬드는 주기율표의 3족 원소로부터 선택된 1종 이상의 도핑 원소로 도핑된 것인 기체 센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 나노다이아몬드는 붕소, 알루미늄, 갈륨, 및 인듐으로부터 선택된 1종 이상의 도핑 원소로 도핑된 것인 기체 센서.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 나노다이아몬드는 붕소로 도핑된 것인 기체 센서.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극은 금(Au)계 소재, 백금(Pt)계 소재, 금속 산화물 소재 또는 탄소계 소재의 전극인 것인 기체 센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 음극은 탄소계 소재인 것인 기체 센서.
  12. 양극 및 음극이 부착된 절연 기판을 조해성 염을 포함하는 코팅 용액에 담지한 후, 건조하는 단계를 포함하는 기체 센서의 제조방법으로서,
    상기 기체 센서에 형성되는 코팅층은 조해성 염으로만 이루어지는 것인 기체 센서의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 조해성 염을 포함하는 코팅 용액은 상기 조해성 염의 농도가 0.01 내지 10 mol/L의 농도인 것인 기체 센서의 제조방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 코팅 용액의 용매는 증류수, 에틸알코올, 메틸알코올, 아세톤, 이소프로필알코올, 부틸알코올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 톨루엔 또는 이들의 혼합물인 것인 기체 센서의 제조방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 담지 시간은 1초 내지 60분인 것인 기체 센서의 제조방법.
  16. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 기체 센서를 사용하여 센싱 대상 기체를 센싱하는 기체 센싱 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 센싱 대상 기체는 수소, 산소, 질소, 염소, 불소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈, 황산, 포름알데하이드, 메탄, 부탄, 프로판, 이산화탄소 또는 이들의 혼합물인 것인 기체 센싱 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 센싱은 -20℃이하에서 수행되는 것인 기체 센싱 방법.
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