KR102132830B1 - Substrate structure for improved adsorption of NOx, and NOx sensor using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 NOx 흡착성이 개선된 기판 구조체, 및 이를 이용하는 NOx 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 NOx 흡착력이 향상되고 NOx 탈착이 가능한 SERS 기판 구조체 및 이를 이용한 상온에서의 NOx 측정 감도 및 응답성이 우수한 NOx 센서 및 NOx 포집 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate structure having improved NOx adsorption properties, and a NOx sensor using the same. More specifically, the present invention relates to an NOx sensor and an NOx trapping device having excellent NOx measurement sensitivity and responsiveness at room temperature using a SERS substrate structure capable of improving NOx adsorption and NOx desorption.

Description

NOx 흡착성이 개선된 기판 구조체, 및 이를 이용하는 NOx 센서 {Substrate structure for improved adsorption of NOx, and NOx sensor using the same}Substrate structure for improved adsorption of NOx, and NOx sensor using the same}

본 발명은 NOx 흡착성이 개선된 기판 구조체, 및 이를 이용하는 NOx 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 NOx 흡착력이 향상되고 NOx 탈착이 가능한 SERS(surface-enhanced Raman spectroscopy) 기판 구조체, 이를 이용한 상온에서의 NOx 측정 감도 및 응답성이 우수한 NOx 센서 및 NOx 포집 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a substrate structure having improved NOx adsorption properties, and a NOx sensor using the same. More specifically, the present invention relates to a surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrate structure with improved NOx adsorption and NOx desorption, a NOx sensor and a NOx trapping device having excellent NOx measurement sensitivity and responsiveness using the same.

질소산화물은 연소공기 및 연료에 함유된 질소가 온도 등의 영향을 받아 산소와 결합하여 생성된 것으로 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 및 삼산화이질소(N2O3)를 포함하여 총칭하여 NOx로 표시한다.Nitrogen oxides are produced by combining nitrogen in combustion air and fuel with oxygen under the influence of temperature, etc., including nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), and dinitrogen trioxide (N 2 O 3 ). It is expressed as NOx.

상기 질소산화물은 일산화질소 및 이산화질소가 대부분을 차지하며 자동차와 같은 운송수단에 의해 많이 유발되어 대기오염원으로 작용하게 되므로 질소산화물 농도 측정의 필요성이 증가하고 있다. 특히, 이산화질소는 적갈색의 자극성 냄새가 있는 유독하고 산화 작용이 강하며, 천식을 악화시킬 수 있어 인체에 유해한 기체이다.Nitrogen monoxide and nitrogen dioxide occupy most of the nitrogen oxide, and the need for measurement of the nitrogen oxide concentration is increasing because it is caused by a lot of transportation such as a vehicle and acts as an air pollution source. In particular, nitrogen dioxide is a toxic and oxidizing action with a reddish-brown irritating odor, and is a gas harmful to the human body because it can worsen asthma.

기존의 질소산화물 가스의 농도를 측정하는 방법으로는 평형전위를 이용하는 방법, 전류식 센서를 이용하는 방법, 혼합전위 방식 또는 질소산화물 가스를 하나의 가스 형태로 변환하는 변환셀을 이용하는 방법 등이 제안된 바 있으나, 이와 같은 종래의 방법들은 이산화질소와 일산화질소가 혼재하는 질소산화물 가스에 대해서는 측정 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.As a method of measuring the concentration of the existing nitrogen oxide gas, a method using an equilibrium potential, a method using a current sensor, a mixed potential method, or a method using a conversion cell for converting nitrogen oxide gas into one gas type has been proposed. However, these conventional methods have a problem in that measurement accuracy is poor for nitrogen oxide gas in which nitrogen dioxide and nitrogen monoxide are mixed.

또한, 기존의 금속 산화물 반도체 재료를 포함하는 저항변화식 (chemoresistive) 가스센서는 상온에서 감도가 낮고 다양한 가스 분자의 혼합물에서 타겟 분자의 신호를 식별하기 어려운 문제점이 있다.In addition, a resistive gas sensor including a conventional metal oxide semiconductor material has low sensitivity at room temperature and has difficulty in identifying signals of target molecules in a mixture of various gas molecules.

나아가 SERS 기술을 이용한 센서는 상온에서 가스 분자가 흡착되기 어려워 상온에서의 NOx 측정 시 문제가 있었다. Furthermore, the sensor using SERS technology has a problem in measuring NOx at room temperature because gas molecules are difficult to adsorb at room temperature.

따라서, 현장에서 실시간으로 상온에서 정확하게 NOx를 측정할 수 있는 NOx 측정 감도 및 응답성이 우수한 NOx 센서에 대한 요구가 있다.Therefore, there is a need for a NOx sensor having excellent NOx measurement sensitivity and responsiveness that can accurately measure NOx at room temperature in real time in the field.

대한민국 공개특허 제10-2014-0148164호(2014.12.31.)에는 질소산화물 센서장치에 대해 기재되어 있다. Korean Patent Publication No. 10-2014-0148164 (2014.12.31.) describes a nitrogen oxide sensor device.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해의 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The above descriptions as background arts are only for improving understanding of the background of the present invention, and should not be accepted as acknowledging that they correspond to the prior arts already known to those skilled in the art. .

본 발명의 목적은 NOx 흡착력이 향상되고, 온도상승에 의한 NOx 탈착이 가능한 SERS 기판 구조체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a SERS substrate structure in which NOx adsorption power is improved and NOx desorption is possible due to temperature rise.

본 발명의 다른 목적은 SERS 기판 구조체를 이용하여 상온에서의 측정 감도 및 응답성이 우수한 NOx SERS 센서를 제공하는 것이다. 특히, NOx에 대한 환경 규제 기준인 0.1 ppm까지 검출할 수 있는 NOx 센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is NOx having excellent measurement sensitivity and responsiveness at room temperature using a SERS substrate structure. It is to provide a SERS sensor. In particular, NOx can be detected up to 0.1 ppm, which is an environmental regulation standard for NOx. It is to provide a sensor.

본 발명의 또 다른 목적은 현장에서 실시간으로 상온에서 정확하게 NOx를 측정할 수 있는 NOx 센서를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a NOx capable of accurately measuring NOx at room temperature in real time in the field. It is to provide a sensor.

본 발명의 또 다른 목적은 표면적이 큰 3차원 다공성 기판 구조체를 이용하여 대기 오염원인 NOx를 효율적으로 포집할 수 있는 NOx 포집 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a NOx capable of efficiently collecting NOx, which is an air pollutant, by using a three-dimensional porous substrate structure having a large surface area. It is to provide a collection device.

본 발명의 또 다른 목적은 SERS 기판 구조체를 이용하여 현장에서 실시간으로 상온에서 정확하게 NOx를 측정할 수 있는 NOx 측정 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is a NOx capable of accurately measuring NOx at room temperature in real time using a SERS substrate structure. It is to provide a measurement method.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 상세한 설명의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood from the description of the detailed description.

일 측면에 따르면, 다수의 공극을 포함하는 기판; 상기 공극을 통과하지 않고 상기 기판 상에 적층된 금속 함유 나노와이어; 및 상기 금속 함유 나노와이어 상에 형성되는 Au 박막층;을 포함하고, 상기 금속 함유 나노와이어는 인접한 금속 함유 나노와이어와 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭을 형성하고, NOx 흡착성이 개선된, 기판 구조체가 제공된다.According to an aspect, a substrate including a plurality of voids; A metal-containing nanowire laminated on the substrate without passing through the voids; And an Au thin film layer formed on the metal-containing nanowires, wherein the metal-containing nanowires form a nanogap that induces surface plasmon resonance with adjacent metal-containing nanowires and NOx. A substrate structure with improved adsorption properties is provided.

일 실시예에 따르면, 상기 Au 박막층은 인접한 Au 박막층과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭이 형성될 수 있다.According to an embodiment, the Au thin film layer may be formed with an adjacent Au thin film layer and a nanogap that induces surface plasmon resonance.

일 실시예에 따르면, 상기 기판은 유리섬유로 제조된 여과지일 수 있다. According to one embodiment, the substrate may be a filter paper made of glass fiber.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노와이어의 금속은, Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru 및 이의 합금으로 형성된 것일 수 있다. According to an embodiment, the metal of the metal-containing nanowire may be formed of Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru and alloys thereof.

일 실시예에 따르면, 상기 Au 박막층은 1 nm 이상의 두께를 가질 수 있다. According to one embodiment, the Au thin film layer may have a thickness of 1 nm or more.

일 실시예에 따르면, 상기 Au 박막층이 형성된 금속 함유 나노와이어의 평균 직경은 50 nm를 초과할 수 있다. According to one embodiment, the average diameter of the metal-containing nanowires on which the Au thin film layer is formed may exceed 50 nm.

일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노와이어는 금속 함유 나노와이어를 포함하는 용액을 상기 기판을 통해 진공여과 방식으로 여과시켜 상기 기판 상에 금속 함유 나노와이어를 적층시켜 형성할 수 있다. According to one embodiment, the metal-containing nanowires may be formed by laminating a metal-containing nanowire on the substrate by filtering a solution containing the metal-containing nanowires through a vacuum filtration method through the substrate.

다른 측면에 따르면, 본원의 기판 구조체를 포함하는 가스-흐름챔버를 포함하는, NOx 센서가 제공된다. According to another aspect, a NOx sensor is provided, comprising a gas-flow chamber comprising the substrate structure herein.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 센서의 검출한계는 0.1 ppm일 수 있다. According to one embodiment, the detection limit of the NOx sensor may be 0.1 ppm.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 센서는 상온에서 NOx를 1분 미만으로 검출할 수 있다. According to an embodiment, the NOx sensor may detect NOx at room temperature in less than 1 minute.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 센서는 가스-흐름챔버를 가열하여 상기 가스-흐름챔버로부터 NOx를 탈착시키는 히터를 더 포함할 수 있다. According to one embodiment, the NOx sensor may further include a heater that desorbs NOx from the gas-flow chamber by heating the gas-flow chamber.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 센서는 NOx 모니터링이 가능할 수 있다.According to an embodiment, the NOx sensor may enable NOx monitoring.

또 다른 측면에 따르면, 본원의 기판 구조체를 포함하는, NOx 포집 장치가 제공된다.According to another aspect, a NOx trap device is provided that includes a substrate structure herein.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 포집 장치는 포집된 NOx를 분해할 수 있는 분해장치를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the NOx collection device may further include a decomposition device capable of decomposing the captured NOx.

일 실시예에 따르면, 상기 분해장치는 플라즈마 장치일 수 있다. According to an embodiment, the decomposition device may be a plasma device.

또 다른 측면에 따르면, 본원의 NOx 포집 장치를 포함하는 공기청정기가 제공된다.According to another aspect, an air purifier comprising a NOx trap device of the present application is provided.

또 다른 측면에 따르면, 가스 샘플을 본원의 기판 구조체를 통과시키는 단계; 및 상기 기판 구조체에 광을 조사하여 라만 신호를 측정하는 단계;를 포함하는 NOx 측정 방법이 제공된다.According to another aspect, passing a gas sample through a substrate structure herein; And measuring a Raman signal by irradiating light to the substrate structure.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 측정 방법은 NOx 검출한계가 0.1 ppm일 수 있다.According to an embodiment, the NOx measurement method may have a NOx detection limit of 0.1 ppm.

일 실시예에 따르면, 상기 NOx 측정 방법은 NOx 측정 후 기판 구조체를 가열한 후 재측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, the method for measuring NOx may further include heating the substrate structure after measuring NOx and re-measuring.

일 실시예에 따르면, NOx 흡착력이 향상되고, 온도상승에 의한 탈착이 가능한 SERS 기판 구조체를 제공할 수 있다. According to one embodiment, the NOx adsorption power is improved, it is possible to provide a SERS substrate structure capable of desorption by temperature rise.

일 실시예에 따르면, 가시광영역에서의 광학적 특성이 개선된 NOx 흡착용 SERS 기판 구조체를 제공할 수 있다. According to one embodiment, it is possible to provide a SERS substrate structure for NOx adsorption with improved optical properties in the visible region.

일 실시예에 따르면, 상기 SERS 기판 구조체를 이용하여 NOx 센서의 측정 감도 및 응답성을 향상시킬 수 있다. 특히, NOx에 대한 환경 규제 기준인 0.1 ppm까지 검출할 수 있는 NOx 센서를 제공할 수 있다.According to one embodiment, the measurement sensitivity and responsiveness of the NOx sensor may be improved by using the SERS substrate structure. In particular, it is possible to provide an NOx sensor capable of detecting up to 0.1 ppm, which is an environmental regulation standard for NOx.

일 실시예에 따르면, SERS 기판 구조체를 이용하는 NOx 포집 장치는 대기 오염원인 NOx를 효율적으로 포집할 수 있다.According to one embodiment, the NOx capture device using the SERS substrate structure can efficiently collect NOx, which is an air pollution source.

일 실시예에 따르면, SERS 기판 구조체를 이용하여, 현장에서 실시간으로 상온에서 정확하게 NOx를 고감도로 측정할 수 있다. According to one embodiment, using the SERS substrate structure, it is possible to accurately measure NOx with high sensitivity at room temperature in real time.

도 1a는 일 실시예에 따른 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 기판 구조체을 제조하는 방법 일부를 나타내는 도면이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 기판 구조체의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 3차원 다공성 나노와이어의 구조를 나타내는 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 3은 3차원 다공성 나노와이어의 평균 직경의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체를 포함하는 NOx 센서를 이용하여 NOx를 측정하는 방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 6은 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체를 이용하여 측정된 NO2 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 6의 결과를 토대로 작성된 NO2 농도에 따른 810 ㎝-1에서의 SERS 신호 강도의 변화를 나타내는 정량곡선 그래프이다.
도 8은 Au 박막층을 포함하는 3차원 다공성 Au-Ag 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 NO2 가스 응답 (response) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 Au 박막층을 포함하지 않은 3차원 다공성 Ag 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 NO2 가스 응답 (response) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 Au 박막층을 포함하는 3차원 다공성 Au-Ag 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체를 이용하여 경유차 및 가솔린차의 배기가스 중 NO2를 현장에서 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 3차원 다공성 Au-Ag 나노와이어에 포집된 NO2를 100℃ 핫플레이트 상에 놓고, 시간에 따른 SERS 신호 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
1A is a view showing a part of a method for manufacturing a substrate structure including a 3D porous nanowire according to an embodiment.
1B is a diagram schematically showing a structure of a substrate structure including a 3D porous nanowire according to an embodiment.
2 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the structure of a three-dimensional porous nanowire.
Figure 3 is a graph showing the distribution of the average diameter of the three-dimensional porous nanowires.
Figure 4 is a graph showing the optical properties of the SERS substrate structure comprising a three-dimensional porous nanowires.
5 is a schematic view schematically showing a method for measuring NOx using a NOx sensor including a SERS substrate structure including a 3D porous nanowire.
6 is a graph showing the SERS spectrum according to the NO 2 concentration measured using a SERS substrate structure including a 3D porous nanowire.
7 is a quantitative curve graph showing the change in SERS signal intensity at 810 cm -1 according to the NO 2 concentration prepared based on the results of FIG. 6.
8 is a graph showing NO 2 gas response characteristics of a SERS substrate structure including a 3D porous Au-Ag nanowire including an Au thin film layer.
9 is a graph showing the NO 2 gas response (response) characteristics of the SERS substrate structure including a three-dimensional porous Ag nanowires without the Au thin film layer.
10 is a graph showing the results of NO 2 in the exhaust gas of diesel and gasoline vehicles measured in situ using a SERS substrate structure including a 3D porous Au-Ag nanowire including an Au thin film layer.
11 is a graph showing the change in SERS signal strength over time by placing NO 2 collected on a 3D porous Au-Ag nanowire on a 100°C hot plate.

본 개시의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. The objects, specific advantages and novel features of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and embodiments associated with the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in the specification and claims should not be interpreted in a conventional and lexical sense, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to best describe his or her invention. Based on the principle of being present, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present disclosure.

본 명세서에서, 층, 부분, 또는 기판과 같은 구성요소가 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 이는 직접적으로 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것일 수 있고, 또한 양 구성요소 사이에 하나 이상의 다른 구성요소를 개재하여 있을 수 있다. 대조적으로, 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 위에", "직접적으로 연결되어", 또는 "직접적으로 결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 양 구성요소 사이에는 다른 구성요소가 개재되어 있을 수 없다.In the present specification, when a component such as a layer, part, or substrate is described as being "on", "connected" to, or "coupled" with other components, it is directly "on" or "on" other components. It may be "connected" or "coupled", and may also be interposed between one or more other components. In contrast, if a component is described as being “directly on”, “directly connected” to, or “directly coupled” to other components, no other component may be interposed between both components. .

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present disclosure. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated. In addition, in the entire specification, "top" means that it is located above or below the target part, and does not necessarily mean that it is positioned above the center of gravity.

본 개시는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Since the present disclosure can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present disclosure to specific embodiments, and it should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present disclosure. In describing the present disclosure, when it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the subject matter of the present disclosure, the detailed description will be omitted.

이하, 본 개시의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in describing with reference to the accompanying drawings, identical or corresponding components will be given the same reference numbers and redundant description thereof will be omitted. do.

도 1a는 일 실시예에 따른 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 기판 구조체을 제조하는 방법의 일부를 나타내는 도면이다. 도 1b는 일 실시예에 따른 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 기판 구조체의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 1A is a view showing a part of a method of manufacturing a substrate structure including a 3D porous nanowire according to an embodiment. 1B is a diagram schematically showing a structure of a substrate structure including a 3D porous nanowire according to an embodiment.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일 실시예에 따른 기판 구조체(100)는 기판(110), 금속 함유 나노와이어(120), 및 Au 박막층(130)을 포함한다. 1A and 1B, a substrate structure 100 according to an embodiment includes a substrate 110, a metal-containing nanowire 120, and an Au thin film layer 130.

기판(110)은 금속 함유 나노와이어(120)를 포함하는 용액(122)이 여과될 수 있도록 다수의 공극이 형성되어 있다. 기판(110)에 포함되어 있는 다수의 공극은 금속 함유 나노와이어(120)를 포함하는 용액(122)을 기판(110)에 여과 시에 금속 함유 나노와이어(120)를 제외한 용매(124)가 여과될 수 있도록 한다.The substrate 110 is formed with a number of pores so that the solution 122 containing the metal-containing nanowire 120 can be filtered. In the plurality of pores included in the substrate 110, the solvent 124 excluding the metal-containing nanowire 120 is filtered when the solution 122 containing the metal-containing nanowire 120 is filtered through the substrate 110. To be able to.

기판(110)으로는 알루미나, 테프론(Polytetrafluoroethlylene, PTFE), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 유리섬유, 셀룰로오스(cellulose) 및 종이 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판(110)은 재질에 상관없이 여과 기능을 지니는 기판이라면 사용이 가능하다.As the substrate 110, any one of alumina, polytetrafluoroethlylene (PTFE), polycarbonate (PC), glass fiber, cellulose, and paper may be used, but is not limited thereto. The substrate 110 may be used as long as it has a filtration function regardless of material.

일 실시예에서는 기판(110)으로써 유리섬유(glass fiber)를 이용한 여과지를 사용하였다. 유리섬유는 다양한 유기 용제를 사용할 수 있고, 신호잡음이 크지 않고, 비용이 저렴한 장점이 있다. 또한, 유리섬유를 사용하는 경우, 기판(110)의 열처리 등의 과정에서 고온에 견딜 수 있는 내열성을 확보할 수 있다.In one embodiment, a filter paper using glass fiber was used as the substrate 110. Glass fiber can be used in a variety of organic solvents, the signal noise is not large, there is an advantage of low cost. In addition, when using glass fibers, it is possible to secure heat resistance that can withstand high temperatures in a process such as heat treatment of the substrate 110.

금속 함유 나노와이어(120)에서 금속은 Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru 및 이의 합금 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the metal-containing nanowire 120, the metal may be any one of Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, and alloys thereof, but is not limited thereto.

기판(110) 상에 적층되는 금속 함유 나노와이어(120)는 나노와이어 잉크(nanowire ink)와 같은 금속 함유 나노와이어(120)를 포함하는 용액(122)을 기판(110)에 진공여과하여 형성할 수 있다. 도 1a에는 진공여과 방식을 이용한 여과 장치를 나타낸다.The metal-containing nanowires 120 stacked on the substrate 110 may be formed by vacuum filtration of the solution 122 including the metal-containing nanowires 120 such as nanowire ink on the substrate 110. Can. 1A shows a filtration device using a vacuum filtration method.

금속 함유 나노와이어(120)는 기판(110)의 공극을 통과하지 않을 정도의 길이를 갖기 때문에 진공여과시에 대부분이 기판(110)을 통과하지 못하고 기판(110) 상에 조밀한 밀도로 적층되어 집적된다. 금속 함유 나노와이어(120)가 포함된 용액(122)은 기판(110)에 여과되며 하단의 수집기구에 여과된 용매(124)를 수집하게 된다.Since the metal-containing nanowires 120 have a length that does not pass through the pores of the substrate 110, most of them do not pass through the substrate 110 during vacuum filtration and are stacked with a dense density on the substrate 110 Accumulate. The solution 122 containing the metal-containing nanowire 120 is filtered on the substrate 110 and collects the filtered solvent 124 in a collection device at the bottom.

금속 함유 나노와이어(120)는 상기 기판(110)상에 불규칙한 방향으로 적층되어 다수의 교차점(cross point)을 형성한다. 상기 교차점 근처에서는 나노갭이 형성되어 강한 플라즈몬 공명을 일으키는 핫스팟(hot spots)이 되기 때문에 광조사시에 라만 신호가 증강되는 것에 가장 큰 기여를 할 수 있다.The metal-containing nanowires 120 are stacked in an irregular direction on the substrate 110 to form a plurality of cross points. A nanogap is formed near the crossing point and becomes a hot spot that causes strong plasmon resonance, so it can make the greatest contribution to the enhancement of the Raman signal during light irradiation.

핫스팟들은 수직적으로도 수평적으로도 형성될 수 있다. 이러한 금속 함유 나노와이어(120)가 두껍게 적층될수록 라만 신호가 증강될 수 있으나 일정 두께 이상에서는 라만 신호가 뚜렷이 증가하지는 않는다. 본 명세서에서는 이를 라만 신호의 증가가 포화되는 두께로 표현한다. 라만 신호가 뚜렷이 증가하지 않는 두께를 미리 알고 있으면 이를 제조과정에 활용할 수 있다. 즉, 라만 신호가 뚜렷이 증가되지 않기 시작하는 두께를 기록하여 설정하여 두고 이를 기준으로 금속 함유 나노와이어(120)가 적층되는 두께를 설정할 수 있다. 이렇게 하면, 라만 신호를 이용한 분석 시에 레이저 초점 거리에 따른 의존성이 적다.Hot spots can be formed both vertically and horizontally. As the metal-containing nanowires 120 are thickly stacked, the Raman signal may be enhanced, but the Raman signal is not significantly increased above a certain thickness. In this specification, this is expressed as the thickness at which the increase of the Raman signal is saturated. If the thickness of the Raman signal does not increase significantly, it can be used in the manufacturing process. That is, the thickness at which the Raman signal does not start to be increased is recorded and set, and the thickness at which the metal-containing nanowires 120 are stacked can be set based on this. In this way, when analyzing the Raman signal, there is little dependence on the laser focal length.

또한, 금속 함유 나노와이어들(120)은 일정한 배향성을 지니지 않고 불규칙적인 방향을 갖기 때문에 라만 신호를 이용한 분석 시에 레이저의 방향성에 따른 결과의 차이가 거의 없는 이점이 있다.In addition, since the metal-containing nanowires 120 do not have a certain orientation and have an irregular direction, there is an advantage that there is little difference in results according to the orientation of the laser during analysis using a Raman signal.

금속 함유 나노와이어(120)는 인접한 금속 함유 나노와이어(120)와 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭을 형성할 수 있도록 금속 함유 나노와이어(120)의 크기 및 밀도를 조절할 수 있다.The metal-containing nanowire 120 may control the size and density of the metal-containing nanowire 120 so as to form a nanogap that induces surface plasmon resonance with the adjacent metal-containing nanowire 120.

금속 함유 나노와이어(120)가 적층되는 밀도 또는 두께의 조절은 여러 가지 요소로 달성될 수 있으며, 일 실시예에서는 용액(122) 내 금속 함유 나노와이어(120)의 농도 및 용액(122)의 여과량을 이용하여 조절하였다.Adjustment of the density or thickness of the metal-containing nanowires 120 may be achieved by various factors, and in one embodiment, the concentration of the metal-containing nanowires 120 in the solution 122 and the solution 122 Adjustment was made using excess.

용매(124)는 금속 함유 나노와이어(120)의 분산 안정성 확보를 위한 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)과 같은 코팅물질이 포함될 수 있다. 코팅물질은 열처리를 통하여 제거할 수도 있으나, 이를 나노갭 조절에 이용할 수도 있다. 즉, 금속 함유 나노와이어(120)의 밀도가 높아지면 상호 간에 나노갭이 점점 줄어들어 결국은 금속 함유 나노와이어(120)들이 접촉되어 나노갭들이 사라질 수가 있는데 코팅물질을 제거하지 않고 남겨두면 나노갭이 최소화된 상태로 존재할 수 있게 된다.The solvent 124 may include a coating material such as polyvinylpyrrolidone (PVP) for securing dispersion stability of the metal-containing nanowire 120. The coating material may be removed through heat treatment, but it may also be used to control the nanogap. That is, when the density of the metal-containing nanowires 120 is increased, the nanogaps are gradually reduced from each other, so that the metal-containing nanowires 120 may be in contact with each other, so that the nanogaps may disappear. It is possible to exist in a minimized state.

상기와 같은 코팅물질은 표면증강 라만 분광용 기판을 이용한 라만 신호 분석 시에 잡음(noise)으로 작용할 수도 있다. 이러한 경우에는 코팅물질을 이용하여 상기와 같이 금속 함유 나노와이어(120) 간의 거리만을 확보하고, 이후에는 코팅물질을 제거하고 분석물질을 흡착시켜 라만 신호 분석에 사용할 수 있다.The coating material as described above may act as noise when analyzing a Raman signal using a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy. In this case, only the distance between the metal-containing nanowires 120 is secured as described above using the coating material, and then the coating material is removed and the analyte is adsorbed to be used for Raman signal analysis.

도 2는 3차원 다공성 나노와이어의 구조를 나타내는 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 2의 (a)는 3차원 다공성 Ag NWs 구조를 나타내는 주사전자현미경 이미지이고, 도 2의 (b)는 3차원 다공성 Ag NWs 구조상에 Au를 15 nm 코팅했을 때의 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조를 나타내는 주사전자현미경 이미지이다. 도 2의 (c)는 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조가 유리섬유로 이루어진 하부의 기판 상에 형성된 것을 보여주는 이미지이며, (d)는 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조의 단면 주사전자현미경 이미지이다. 3차원의 다공성 금속나노와이어 구조가 마이크론 스케일로 적층이 잘 되어 있는 것을 확인할 수 있다. SERS 측정시 레이저 빔의 투과깊이는 200 nm 수준으로 SERS 센서 적용을 위해서는 40 nm 수준의 금속 나노와이어가 5층이면 층분하지만, 가스 포집량을 늘이기 위해서는 3차원 다공성 금속나노와이어의 두께를 높이는 것이 유리하다. 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조는 3차원 다공성 Ag NWs 구조에 Au 박막층(도 1b의 130)을 형성하여 제조할 수 있다.2 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the structure of a three-dimensional porous nanowire. Figure 2 (a) is a scanning electron microscope image showing a three-dimensional porous Ag NWs structure, Figure 2 (b) is a Au-Ag bimetal (bimetal) when 15 nm coating Au on the three-dimensional porous Ag NWs structure It is a scanning electron microscope image showing the structure of NWs. Figure 2 (c) is an image showing that the three-dimensional porous Au-Ag bimetal (bimetal) NWs structure is formed on the lower substrate made of glass fiber, (d) is a three-dimensional porous Au-Ag bimetal (bimetal) NWs This is a cross-sectional scanning electron microscope image of the structure. It can be seen that the three-dimensional porous metal nanowire structure is well stacked on the micron scale. When measuring the SERS, the depth of the laser beam is 200 nm. For the application of the SERS sensor, if the metal nanowire of 40 nm level is divided into 5 layers, it is advantageous to increase the thickness of the 3D porous metal nanowire to increase the amount of gas trapping. Do. The 3D porous Au-Ag bimetal NWs structure can be prepared by forming an Au thin film layer (130 in FIG. 1B) on the 3D porous Ag NWs structure.

도 1b를 참조하면, 상기 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조에서는 금속 함유 나노와이어(120)들의 교차점 근처 및 금속 함유 나노와이어(120)들의 사이에서 나노갭이 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1B, in the three-dimensional porous Au-Ag bimetal NWs structure, a nanogap may be formed near the intersection of the metal-containing nanowires 120 and between the metal-containing nanowires 120.

상술한 바와 같이 일 실시예에 따른 기판 구조체(100)는 다양한 지점에서 나노갭을 형성하기 때문에 광조사 시에 핫스팟 밀도 증가에 따른 라만 신호의 강도 및 균일성이 향상되는 장점을 지닌다.As described above, since the substrate structure 100 according to an embodiment forms a nanogap at various points, the intensity and uniformity of the Raman signal according to an increase in hot spot density during light irradiation is improved.

또한, 일 실시예에 따른 기판 구조체를 이용하여 분석물질을 분석할 경우 상술한 다양한 나노갭에 분석물질이 흡착되도록 할 수 있어 대용량의 저농도의 분석물질을 분석하기에 유리하다.In addition, when analyzing the analyte using the substrate structure according to an embodiment, it is possible to allow the analyte to be adsorbed on the various nanogaps described above, which is advantageous for analyzing a large amount of low concentration analyte.

특히 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조는 NO2와의 결합에너지가 -27.0 kcal/mol인 Au로 형성된 Au 박막층(130)을 구비하여 NO2에 대한 흡착성을 개선하여 NO2에 대해 검출 감도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이에 대해 NO2와의 결합에너지가 -7.2 kcal/mol인 Ag로 형성된 3차원 다공성 Ag NWs 구조는 NO2에 대한 흡착성이 상대적으로 낮아, 최저 검출 농도가 0.3 ppm로 NO2에 대한 환경 규제 기준인 0.1 ppm의 NO2까지는 검출할 수 없다.In particular, Au-Ag bimetal (bimetal) NWs structure is remarkably the detection sensitivity for NO 2 by improving the adsorption of the NO 2 by having the Au thin film layer 130 formed in the binding energy with the NO 2 is -27.0 kcal / mol Au Can be improved. The bond energy between the NO 2 is about -7.2 kcal / mol of Ag NWs 3D porous structure formed of Ag is 0.1 environmental regulation standards for NO 2 in a relatively low adsorption property, the minimum detection concentration of 0.3 ppm for NO 2 Up to ppm NO 2 cannot be detected.

Au 박막층(130)은 Au을 진공증착시켜 형성할 수 있으며 상기 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation) 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The Au thin film layer 130 may be formed by vacuum deposition of Au, and the vacuum deposition may use any one of sputtering, evaporation, and chemical vapor deposition, but is not limited thereto. .

Au 박막층(130)의 두께는 진공증착 시에 증착 시간 및 증착 속도 등의 조건을 제어하여 조절될 수 있다.The thickness of the Au thin film layer 130 may be controlled by controlling conditions such as deposition time and deposition rate during vacuum deposition.

Au 박막층(130)은 1 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Au 박막층(130)의 두께가 1 nm 미만이거나 100 nm 초과이면 플라즈모닉 특성이 저하될 수 있다. 상기 Au 박막층(130)의 두께가 100 nm 초과이면 금속 함유 나노와이어(120) 사이 및/또는 Au 박막층(130) 사이의 플라즈모닉 커플링(plasmonic coupling) 현상을 유도하기 어려워, 플라즈모닉 상승효과(synergistic effect)를 기대하기 어려울 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, Au 박막층(130)의 두께는 1 내지 100 nm, 1 내지 90 nm, 1 내지 80 nm, 1 내지 70 nm, 1 내지 60 nm, 1 내지 50 nm, 1 내지 40 nm, 1 내지 30 nm, 1 내지 20nm, 5 내지 100 nm, 5 내지 90 nm, 5 내지 80 nm, 5 내지 70 nm, 5 내지 60 nm, 5 내지 50 nm, 5 내지 40 nm, 5 내지 30 nm, 5 내지 20 nm일 수 있고, 5 내지 20 nm가 적합할 수 있다. The Au thin film layer 130 may have a thickness of 1 to 100 nm, but is not limited thereto. If the thickness of the Au thin film layer 130 is less than 1 nm or more than 100 nm, plasmonic characteristics may be deteriorated. If the thickness of the Au thin film layer 130 is more than 100 nm, it is difficult to induce a plasmonic coupling phenomenon between the metal-containing nanowires 120 and/or between the Au thin film layers 130, and the plasmonic synergistic effect ( synergistic effect) can be difficult to expect. Although not limited thereto, the thickness of the Au thin film layer 130 is 1 to 100 nm, 1 to 90 nm, 1 to 80 nm, 1 to 70 nm, 1 to 60 nm, 1 to 50 nm, 1 to 40 nm, 1 To 30 nm, 1 to 20 nm, 5 to 100 nm, 5 to 90 nm, 5 to 80 nm, 5 to 70 nm, 5 to 60 nm, 5 to 50 nm, 5 to 40 nm, 5 to 30 nm, 5 to It may be 20 nm, and 5 to 20 nm may be suitable.

본원에서 Au 박막층(130)은 실질적인 박막층을 의미하나, 부분적으로 연속하지 않은 Au 증착층을 배제하는 것은 아니다.Herein, the Au thin film layer 130 means a substantial thin film layer, but does not exclude the partially deposited Au deposition layer.

도 3은 3차원 다공성 나노와이어의 평균 직경의 분포를 나타내는 그래프이다. 그래프의 흰색 막대는 3차원 다공성 Ag NWs 구조의 수를 나타내고, 빗금 친 막대는 3차원 다공성 Ag NWs 구조에 Au를 15 nm 증착했을 때의 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조의 직경 분포를 나타낸다. Figure 3 is a graph showing the distribution of the average diameter of the three-dimensional porous nanowires. The white bar in the graph shows the number of three-dimensional porous Ag NWs structures, and the hatched bar shows the diameter distribution of the Au-Ag bimetal NWs structure when 15 nm of Au is deposited on the three-dimensional porous Ag NWs structure.

도 3을 참조하면, 3차원 다공성 Ag NWs 구조의 다공성 나노와이어의 평균 직경은 45.8 nm이고, Au 박막층(130)을 15 nm로 증착할 경우 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs 구조의 다공성 나노와이어의 평균 직경은 62.6 nm임을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, the average diameter of the porous nanowires of the 3D porous Ag NWs structure is 45.8 nm, and when the Au thin film layer 130 is deposited to 15 nm, the porousness of the 3D porous Au-Ag bimetal NWs structure It can be seen that the average diameter of the nanowires is 62.6 nm.

도 4는 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the optical properties of the SERS substrate structure comprising a three-dimensional porous nanowires.

도 4를 참조하면, 3차원 다공성 Ag NWs의 기판 구조체는 550 nm 이상의 장파장에서의 광흡수성이 현저하게 저하되나, 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs의 기판 구조체는 장파장에서의 광흡수성이 상대적으로 높게 나타났다. 특히, Au의 코팅두께를 15 nm로 했을 때, 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈의 광흡수도가 현저히 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs의 기판 구조체가 3차원 다공성 Ag NWs의 기판 구조체에 비해 가시광선에서 빛과 금속의 상호작용이 증가하고, 15 nm를 증착했을 때 빛과 금속의 상호작용이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 예를 들면, SERS 측정시 사용하는 레이저의 파장이 550 nm 이상일 경우에는 Au 15 nm 증착한 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈 NWs를 포함하는 기판 구조체의 NOx 센서의 감도가 가장 우수할 것으로 판단할 수 있다.Referring to Figure 4, the substrate structure of the three-dimensional porous Ag NWs significantly decreases light absorption at a long wavelength of 550 nm or more, but the substrate structure of the three-dimensional porous Au-Ag bimetal NWs has light absorption at a long wavelength. Appeared relatively high. In particular, when the coating thickness of Au is 15 nm, it can be seen that the light absorption of the three-dimensional porous Au-Ag bimetal is significantly increased. This shows that the substrate structure of the 3D porous Au-Ag bimetal NWs increases the interaction of light and metal in visible light compared to the substrate structure of the 3D porous Ag NWs, and the light and metal interaction when 15 nm is deposited. You can see that the action is greatest. For example, when the wavelength of the laser used to measure the SERS is 550 nm or more, it can be determined that the sensitivity of the NOx sensor of the substrate structure including 3D porous Au-Ag bimetal NWs deposited with Au 15 nm will be the best. .

도 5는 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체를 포함하는 NOx 센서를 이용하여 NOx를 측정하는 방법을 개략적으로 나타내는 모식도이다.5 is a schematic view schematically showing a method for measuring NOx using a NOx sensor including a SERS substrate structure including a 3D porous nanowire.

도 5를 참조하면, NOx 센서(200)는 본원의 기판 구조체(100)가 중앙에 위치된 가스-흐름챔버(210)를 포함한다. 가스-흐름챔버(210)는 상면에 석영창(quartz window)을 구비하고 있을 수 있다. Referring to FIG. 5, the NOx sensor 200 includes a gas-flow chamber 210 in which the substrate structure 100 of the present application is centrally located. The gas-flow chamber 210 may be provided with a quartz window on the upper surface.

또한, NOx 센서(200)는 NOx를 포함하는 샘플 가스를 가스-흐름챔버(210)로 유입 또는 유출시키는 가스유입구(220)와 가스유출구(230), 및 라만분광장치(300)를 포함할 수 있다. In addition, the NOx sensor 200 may include a gas inlet 220 and a gas outlet 230, and a Raman spectroscopy device 300 that introduces or discharges sample gas containing NOx into the gas-flow chamber 210. have.

가스유입구(220)를 통해 유입된 샘플 가스 중 NOx는 가스-흐름챔버(210) 내의 기판 구조체(100)의 Au 박막층(130)의 표면에 화학적 흡착이 유도된다. 이때, NOx 센서(200)는 샘플 가스의 유입을 가속하는 흡입장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. Among the sample gases introduced through the gas inlet 220, NOx is chemically adsorbed to the surface of the Au thin film layer 130 of the substrate structure 100 in the gas-flow chamber 210. At this time, the NOx sensor 200 may further include a suction device (not shown) that accelerates the inflow of the sample gas.

가스-흐름챔버(210)의 석영창을 통해 라만분광장치(300)로 광을 조사하여 NOx의 라만 신호를 측정한다.Light is irradiated to the Raman spectroscopy device 300 through the quartz window of the gas-flow chamber 210 to measure the Raman signal of NOx.

이때, 상술한 바와 같이 Au는 NO2와의 결합에너지가 -27.0 kcal/mol로 NO2에 대한 흡착력이 향상되고 탈착이 방지된다. 따라서, 본원의 NO2 센서는 기판 구조체의 우수한 광학적 (또는 플라즈모닉) 특성 및 NO2 흡착력 향상에 따라 NO2의 미국 환경청 규제 기준인 0.1 ppm까지 검출할 수 있다. At this time, as described above, Au has a binding energy with NO 2 of -27.0 kcal/mol, thereby improving adsorption power to NO 2 and preventing desorption. Thus, NO 2 sensor of the present application can detect up to high optical (or plasmonic) Characteristics and 0.1 ppm NO 2 of the US Environmental Protection Agency regulations basis of NO 2 according to the increase of the attraction force substrate assembly.

NOx 센서(200)는 상온에서 NO2를 측정할 수 있어, 기존 저항변화식 가스센서의 높은 작동온도의 한계점을 극복할 수 있으며 현장에서 즉시 NOx 측정이 가능하여 사용 편의성이 개선될 수 있다.The NOx sensor 200 can measure NO 2 at room temperature, thereby overcoming the limitations of the high operating temperature of the existing resistance change type gas sensor and immediately NOx in the field. It is possible to measure and improve usability.

NOx 센서(200)를 이용하면 1분 미만으로 NOx의 측정이 가능하여 NOx 측정의 신속성이 향상된다(도 10 참조).When the NOx sensor 200 is used, NOx measurement can be performed in less than 1 minute, thereby improving the speed of NOx measurement (see FIG. 10 ).

또한, NOx 센서(200)는 가스-흐름챔버(210)를 가열하여 가스-흐름챔버(210)로부터 NOx를 탈착시킬 수 있는 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스-흐름챔버(210)를 100 ℃에서 10 분 동안 가열하면, 흡착된 NO2를 제거할 수 있다 (도 11 참조). 상기 구성에 의하면, NOx 센서(200)를 이용하여 NOx의 모니터링이 가능할 수 있다. 따라서, NOx 센서(200)는 환경, 실내공기 및 헬스케어 모니터링용으로 이용될 수 있다.In addition, the NOx sensor 200 may further include a heater (not shown) capable of desorbing NOx from the gas-flow chamber 210 by heating the gas-flow chamber 210. For example, when the gas-flow chamber 210 is heated at 100° C. for 10 minutes, adsorbed NO 2 may be removed (see FIG. 11 ). According to the above configuration, monitoring of NOx may be possible using the NOx sensor 200. Therefore, the NOx sensor 200 can be used for monitoring the environment, indoor air, and healthcare.

상술한 바와 같이 본원의 SERS 기판 구조체는 향상된 NOx에 대한 흡착력 및 포집력을 가지고 있다. 따라서, 본원의 기판 구조체를 포함하여 대기오염원인 NOx를 효율적으로 포집할 수 있는 NOx 포집 장치가 제공된다.As described above, the SERS substrate structure of the present application has improved adsorption and capture power for NOx. Accordingly, there is provided a NOx collecting device capable of efficiently collecting NOx, which is an air pollution source, including the substrate structure of the present application.

상기 NOx 포집 장치는 포집된 NOx를 분해할 수 있는 분해 장치를 더 포함할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 분해장치는 플라즈마 장치일 수 있다.The NOx collection device may further include a decomposition device capable of decomposing the captured NOx. Although not limited thereto, the decomposition device may be a plasma device.

본원의 NOx 포집 장치 및 NOx 분해 장치를 포함하여, NOx를 흡착 후 제거할 수 있는 공기청정기가 제공될 수 있다. An air purifier capable of removing NOx after adsorption may be provided, including the NOx capture device and the NOx decomposition device herein.

일 실시예에 따르면, 가스 샘플을 본원에 기재된 기판 구조체에 통과시키는 단계; 및 상기 기판 구조체에 광을 조사하여 라만 신호를 측정하는 단계; 를 포함하는, NOx 측정 방법이 제공된다.According to one embodiment, passing a gas sample through a substrate structure described herein; And measuring a Raman signal by irradiating light to the substrate structure. Provided is a method for measuring NOx, comprising:

상술한 바와 같이 본원의 SERS 기판 구조체의 NOx에 대한 흡착 및 포집 특성을 이용하여 현장에서 실시간으로 상온에서 정확하게 NOx를 고감도로 측정할 수 있다. As described above, it is possible to accurately measure NOx with high sensitivity at room temperature in real time in the field by using adsorption and capture characteristics of NOx of the SERS substrate structure of the present application.

따라서, NOx 측정 방법은 환경 규제 기준인 0.1 ppm까지 NO2를 측정할 수 있다.Therefore, the NOx measurement method can measure NO 2 up to 0.1 ppm which is an environmental regulation standard.

또한, NOx 측정방법은 NOx 측정 후 기판 구조체를 가열한 후 재측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the NOx measurement method may further include a step of re-measurement after heating the substrate structure after the NOx measurement.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.

[[ 실시예Example ]]

기판 구조체 제조Substrate structure manufacturing

비교예Comparative example

기판(110)으로 유리 섬유 재질의 0.7㎛ 여과용 여과지를 사용하였다. 금속 함유 나노와이어(120)로서는 직경 45.8 nm, 길이 50 ㎛ 내외의 은(Ag) 나노와이어를 포함하는 나노와이어 잉크(nanowire ink)를 사용하였으며 이와 같은 은(Ag) 나노와이어를 진공여과 방식으로 기판(110) 상에 적층하여 기판 구조체를 제조하였다.A filter paper for filtration of 0.7 µm made of glass fiber was used as the substrate 110. As the metal-containing nanowire 120, a nanowire ink including silver (Ag) nanowires having a diameter of 45.8 nm and a length of 50 μm was used, and the substrate of the silver (Ag) nanowire was vacuum filtered. It was laminated on (110) to prepare a substrate structure.

이때 나노와이어 잉크는 0.3 wt% Ag NWs를 포함하는 3mL 수용액이었다.The nanowire ink was a 3 mL aqueous solution containing 0.3 wt% Ag NWs.

실시예 1 내지 5Examples 1 to 5

실시예 1 내지 5는 비교예 1과 동일하게 제조된 기판 구조체에 Au 박막층(130)을 5 nm(실시예 1), 10 nm(실시예 2), 15 nm(실시예 3), 20 nm(실시예 4) 및 25 nm(실시예 5)의 두께로 형성하여 제조하였다. In Examples 1 to 5, the Au thin film layer 130 on the substrate structure manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 was 5 nm (Example 1), 10 nm (Example 2), 15 nm (Example 3), and 20 nm ( Example 4) and formed to a thickness of 25 nm (Example 5).

상기 나노와이어(120)가 적층된 기판(110) 상에 형성된 Au 박막층(130)은 하기 조건으로 진공 증착하여 형성하였다.The Au thin film layer 130 formed on the substrate 110 on which the nanowires 120 are stacked was formed by vacuum deposition under the following conditions.

- 열증착 공정-Heat deposition process

· 진공증착 작업 진공도 : 9.8 x 10- 6torr, Vacuum deposition operations the degree of vacuum: 9.8 x 10 - 6 torr

· Au 증착속도 : 0.3 Å/sAu deposition rate: 0.3 Å/s

· Au 증착두께 : 5 nm 내지 25 nmAu deposition thickness: 5 nm to 25 nm

실험예Experimental Example

광학적 특성 조사Optical properties investigation

비교예 및 실시예 1 내지 5에 따라 제조된 기판 구조체의 광학적 특성을 조사하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. The optical properties of the substrate structures prepared according to Comparative Examples and Examples 1 to 5 were investigated. The results are shown in FIG. 4.

도 4를 참조하면, 비교예인 다공성 3차원 Ag NWs를 포함하는 기판 구조체는 Ag의 대역간 전이(interband transition, 3.8 eV)에 의해 320 nm 근처에서 extinction peak를 나타내었다. 이에 대해 다공성 3차원 Au-Ag 바이메탈 NWs를 포함하는 기판 구조체인 실시예 1 내지 5과 같이 Au 박막층의 두께가 증가함에 따라, 대역간 전이는 400 nm쪽으로 장파장으로 이동(red-shift) 되었다.Referring to FIG. 4, the substrate structure including the porous three-dimensional Ag NWs, which is a comparative example, exhibited an extinction peak near 320 nm by an interband transition (3.8 eV) of Ag. On the other hand, as the thickness of the Au thin film layer increased, as in Examples 1 to 5, which are substrate structures including porous three-dimensional Au-Ag bimetal NWs, the band-to-band transition was shifted to a long wavelength toward 400 nm (red-shift).

또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 3차원 다공성 Ag NWs의 기판 구조체는 500 nm 이상의 파장에서의 광흡수성이 현저하게 저하되나, 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs의 기판 구조체는 장파장에서의 광흡수성이 상대적으로 높게 나타났다. 이는 3차원 다공성 Au-Ag 바이메탈(bimetal) NWs의 기판 구조체가 3차원 다공성 Ag NWs의 기판 구조체에 비해 가시광선에서 빛과 금속소재 간의 상호작용이 증가하여 NO2 센서의 감도를 높일 수 있다는 것을 의미한다.In addition, as shown in Figure 4, the substrate structure of the three-dimensional porous Ag NWs is significantly reduced light absorption at a wavelength of 500 nm or more, the substrate structure of the three-dimensional porous Au-Ag bimetal (bimetal) NWs at a long wavelength Light absorption was relatively high. This means that the substrate structure of 3D porous Au-Ag bimetal NWs can increase the sensitivity of the NO 2 sensor by increasing the interaction between light and metal materials in visible light compared to the substrate structure of 3D porous Ag NWs. do.

NONO 22 농도에 따른 SERS 특성 분석 Analysis of SERS characteristics according to concentration

실시예 3에 의해 제조된 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 광학적 특성이 가장 우수하기 때문에, NO2 농도에 따른 SERS 특성 분석을 실시하였다(도 5 참조).Since the optical properties of the SERS substrate structure including the three-dimensional porous nanowires prepared in Example 3 are the best, SERS characteristic analysis according to the NO 2 concentration was performed (see FIG. 5 ).

NO2의 농도는 NO2 및 N2의 혼합가스의 각 유량비(flow rate ratio)의 조절에 의해 조정되었다.The concentration of NO 2 was adjusted by adjustment of the respective flow rates (flow rate ratio) of the mixed gas of NO 2 and N 2.

도 5에 나타난 바와 같이, 휴대용 라만분광장치를 NO2 센서의 석영창 상에 두고, 785 nm 레이저의 초점을 3차원 SERS 기판 구조체의 상면에 맞추었다.As shown in Fig. 5, a portable Raman spectroscopy device was placed on the quartz window of the NO 2 sensor, and the focus of the 785 nm laser was focused on the top surface of the 3D SERS substrate structure.

3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판을 다양한 농도의 NO2 가스로 3분 동안 노출 시킨 후, 785 nm 레이저 여기 파장으로 SERS 측정이 실시되었다.After exposing the SERS substrate containing the 3D porous nanowires with NO 2 gas of various concentrations for 3 minutes, SERS measurement was performed with a 785 nm laser excitation wavelength.

도 6은 3차원 다공성 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체를 이용하여 측정된 0 ~ 3.0 ppm 농도의 NO2 처리에 따른 SERS 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the SERS spectrum according to the NO 2 treatment at a concentration of 0 to 3.0 ppm measured using a SERS substrate structure including 3D porous nanowires.

0 ppm(3분 동안 N2만 유입됨)인 경우, Ag NWs 용액의 안정화제로서 사용된 폴리비닐피롤리돈(PVP) 분자의 라만(Raman) 특성 피크인 750 ㎝-1 및 940 ㎝-1에서 라만 밴드가 나타났다. At 0 ppm (N 2 only for 3 minutes), the Raman characteristic peaks of polyvinylpyrrolidone (PVP) molecules used as stabilizers of Ag NWs solutions are 750 cm -1 and 940 cm -1 The Raman band appeared.

0.1 ppm인 경우, NO2 분자의 대칭 및 비대칭 스트레치(stretching) 모드에 따라, 810 ㎝-1 및 1280 ㎝-1에서 라만 밴드가 나타났다. At 0.1 ppm, Raman bands appeared at 810 cm -1 and 1280 cm -1 , depending on the symmetric and asymmetric stretch mode of the NO 2 molecule.

도 6에 나타난 바와 같이, PVP 라만 신호는 NO2 농도가 증가해도 동일한 반면에, 2개의 NO2 라만 피크의 세기는 농도가 증가됨에 따라 계속적으로 증가하는 것이 명확하다. As shown in FIG. 6, it is clear that the PVP Raman signal is the same even when the NO 2 concentration increases, while the intensity of the two NO 2 Raman peaks continues to increase as the concentration increases.

도 7은 도 6의 결과를 토대로 작성된 NO2 농도에 따른 810 ㎝-1에서의 SERS 신호 강도의 변화를 나타내는 정량곡선 그래프이다. NO2 농도와 SERS 신호의 크기는 전형적인 힐(Hill)식을 따르고 있으며, 힐 식은 다음와 같다.7 is a quantitative curve graph showing the change in SERS signal intensity at 810 cm -1 according to the NO 2 concentration prepared based on the results of FIG. 6. The NO 2 concentration and the size of the SERS signal follow a typical Hill equation, and the Hill equation is as follows.

Figure 112018052313557-pat00001
Figure 112018052313557-pat00001

위 식에서 V는 상수, Θ는 NO2 표면 덮힘률, c는 NO2 농도, k는 평형상수를 나타내고, n은 정량곡선의 기울기를 나타내는 값이다. k와 n의 값은 각각 0.39 ppm과 1.73으로 k값 이하의 농도에서는 ISERS(SERS 신호 세기)와 c의 관계가 선형적이기 때문에, 신뢰성이 있는 정량분석이 가능함을 의미한다 (도 7의 내부그래프). k값이 1.73으로 1보다 높게 산출되었는데, 높은 k값은 SERS 기판과 NO2 가스와의 흡착력이 매우 강하다는 것을 의미한다. In the above equation, V is a constant, Θ is the NO 2 surface coverage, c is the NO 2 concentration, k is the equilibrium constant, and n is the value of the slope of the quantitative curve. The values of k and n are 0.39 ppm and 1.73, respectively, which means that the relationship between I SERS (SERS signal strength) and c is linear at concentrations below k, meaning that reliable quantitative analysis is possible (internal graph in FIG. 7 ). ). The k value was calculated to be higher than 1 with 1.73. The high k value means that the adsorption force between the SERS substrate and the NO 2 gas is very strong.

도 8은 Au 박막층을 포함하는 3차원 다공성 Au-Ag 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 NO2 가스 응답(response) 특성을 나타내는 그래프이다. NO2 SERS 신호 세기는 810 ㎝-1에서 측정된 것을 사용하였다. 각 농도의 NO2 가스를 연속적으로 주입하면서, SERS 신호를 4초마다 연속적으로 측정하였다. 0.1 ppm을 주입하자마자 5초 이내에 NO2 라만 특성밴드인 810 ㎝-1이 분석됨을 확인할 수 있다. 즉 실시간으로 NO2 모니터링이 가능한 센서의 구현이 가능함을 확인할 수 있다. 0.1 ppm의 NO2 가스주입이 멈추고, N2 캐리어 가스만을 주입하는 상황에서도 810 ㎝-1에서 검출되는 라만신호의 세기가 서서히 감소하는 것으로 보아, Au 표면에 흡착된 NO2 가스는 탈착이 되지 않지만, 기판 하부에 형성되어 있는 Ag 표면에 흡착된 NO2 가스가 서서히 탈착되는 것으로 추론할 수 있다. 0.3 ppm의 NO2 가스주입 상황에서도, 가스 주입 후 5초 이내에 SERS 신호의 증가가 실시간으로 분석되었으며, N2 캐리어 가스만을 주입하는 상황에서도 810 ㎝-1에서 검출되는 라만신호의 세기가 서서히 감소함을 확인할 수 있다. 고농도 상황에서도, SERS 신호의 즉각적인 증가 (NO2 가스주입 시) 및 점진적인 감소(탈착 상황) 경향이 나타난다. 8 is a graph showing NO 2 gas response characteristics of a SERS substrate structure including a 3D porous Au-Ag nanowire including an Au thin film layer. The NO 2 SERS signal strength was used as measured at 810 cm -1 . While continuously injecting NO 2 gas of each concentration, the SERS signal was continuously measured every 4 seconds. As soon as 0.1 ppm is injected, it can be confirmed that 810 cm -1 of the NO 2 Raman characteristic band is analyzed within 5 seconds. That is, it can be confirmed that it is possible to implement a sensor capable of monitoring NO 2 in real time. Although the injection of 0.1 ppm of NO 2 gas is stopped and the intensity of the Raman signal detected at 810 cm -1 gradually decreases even when only N 2 carrier gas is injected, NO 2 gas adsorbed on the Au surface cannot be desorbed. , It can be inferred that the NO 2 gas adsorbed on the Ag surface formed under the substrate is slowly desorbed. Even in the case of 0.3 ppm of NO 2 gas injection, the increase of the SERS signal was analyzed in real time within 5 seconds after the gas injection, and the intensity of the Raman signal detected at 810 cm -1 gradually decreased even when only the N 2 carrier gas was injected. can confirm. Even in a high concentration situation, there is a tendency of an immediate increase in SERS signal (with NO 2 gas injection) and a gradual decrease (desorption situation).

도 9는 Au 박막층을 포함하지 않은 3차원 다공성 Ag 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체의 NO2 가스 응답 (response) 특성을 나타내는 그래프이다. Au를 포함하는 기판과 같이 빠른 시간내에 NO2 가스의 분석이 가능하지만, N2 캐리어 가스만을 주입하는 탈착실험에서는 810 ㎝-1에서 검출되는 라만신호의 세기가 지속적으로 줄어들다가 0으로 되어 결국에는 NO2 가스가 분석되지 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, Ag와 NO2의 낮은 결합력에 의해 흡착된 NO2 분자가 N2 캐리어 가스에 의해 Ag 표면에서 탈착되는 것을 실험적으로 확인할 수 있다. 9 is a graph showing the NO 2 gas response (response) characteristics of the SERS substrate structure including a three-dimensional porous Ag nanowires without the Au thin film layer. Although it is possible to analyze NO 2 gas as quickly as a substrate containing Au, in a desorption experiment in which only N 2 carrier gas is injected, the intensity of the Raman signal detected at 810 cm -1 continuously decreases to 0 and eventually It can be confirmed that NO 2 gas is not analyzed. That is, it can be experimentally confirmed that the NO 2 molecules adsorbed by the low bonding force between Ag and NO 2 are desorbed from the Ag surface by the N 2 carrier gas.

도 10은 Au 박막층을 포함하는 3차원 다공성 Au-Ag 나노와이어를 포함하는 SERS 기판 구조체를 이용하여 동일한 배기량을 가진 경유차(투싼) 및 가솔린차(K5)의 배기가스 중 NO2를 현장에서 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 각각의 차량에 시동을 걸고 1000 rpm으로 유지시킨 후, 2인치의 SERS 기판 구조체를 각 배기구에서 5 cm가량 떨어뜨리고 10초 동안 배기가스를 포집하였다. 이후 휴대형 라만분석기(레이저 파장: 785 nm)를 사용하여, SERS 분석을 실시하였다. 도 10에서 확인하는 바와 같이 두 대의 차량에서 동일한 NO2 SERS 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있으나, SERS 신호의 세기는 경유차가 훨씬 큰 것을 확인할 수 있다. 경유차의 배기구가 2개이기 때문에, 경유차에서는 NO2 가스의 배출량이 가솔린차에 비해 10.4배 내지 17.0배임을 분광학적으로 직접 측정하였다. 통상적으로 경유차량이 가솔린차량보다 16배 정도 NO2 가스의 배출량이 많다고 알려져 있다. FIG. 10 is a measurement of NO 2 in the exhaust gas of diesel vehicles (Tucson) and gasoline vehicles (K5) having the same displacement using a SERS substrate structure including a 3D porous Au-Ag nanowire including an Au thin film layer. It is a graph showing the results. After starting each vehicle and maintaining it at 1000 rpm, the 2 inch SERS substrate structure was dropped about 5 cm from each exhaust port and the exhaust gas was collected for 10 seconds. Then, a SERS analysis was performed using a portable Raman analyzer (laser wavelength: 785 nm). As shown in FIG. 10, it can be seen that the same NO 2 SERS peak appears in the two vehicles, but the intensity of the SERS signal can confirm that the diesel vehicle is much larger. Since the diesel car has two exhaust ports, the diesel engine directly measured spectroscopically that the NO 2 gas emission was 10.4 times to 17.0 times that of the gasoline car. It is generally known that diesel vehicles have 16 times more emission of NO 2 gas than gasoline vehicles.

도 11은 경유차에서 포집한 SERS 기판을 100℃의 핫 플레이트 상에 일정시간 놓은 후, 시간에 따른 NO2 SERS 신호의 세기 변화를 나타내는 그래프이다. 810 ㎝-1에서 나타났던 강한 SERS 신호가 10분 후에는 사라진 것을 알 수 있다. 즉, Au 표면 상에 흡착되어 있던 NO2 분자가 외부의 열에너지에 의해 완전히 탈착된 것으로 판단할 수 있다. 11 is a graph showing the change in intensity of the NO 2 SERS signal over time after placing the SERS substrate collected by the diesel vehicle on a hot plate at 100° C. for a predetermined time. It can be seen that the strong SERS signal that appeared at 810 cm -1 disappeared after 10 minutes. That is, it can be determined that the NO 2 molecule adsorbed on the Au surface is completely desorbed by external thermal energy.

이상 본 개시를 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.Although the present disclosure has been described in detail through specific embodiments, the present disclosure is intended to specifically describe the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto, and will be understood by those skilled in the art within the technical spirit of the present disclosure. It is clear that the modification and improvement are possible. All simple modifications and changes of the present disclosure belong to the scope of the present disclosure, and the specific protection scope of the present disclosure will become apparent by the appended claims.

100: 기판 구조체
110: 기판
120: 나노와이어
130: Au 박막층
200: NOx 센서
210: 가스-흐름챔버
220: 가스유입구
230: 가스유출구
300: 라만분광장치
100: substrate structure
110: substrate
120: nanowire
130: Au thin film layer
200: NOx sensor
210: gas-flow chamber
220: gas inlet
230: gas outlet
300: Raman spectroscopy

Claims (20)

다수의 공극을 포함하는 기판;
상기 공극을 통과하지 않고 상기 기판 상에 적층된 금속 함유 나노와이어; 및
상기 금속 함유 나노와이어 상에 형성되는 Au 박막층;을 포함하고,
상기 금속 함유 나노와이어는 인접한 금속 함유 나노와이어와 표면 플라즈몬공명을 유도하는 나노갭을 형성하고, NOx 흡착성이 개선된, 기판 구조체를 포함하는 가스-흐름챔버를 포함하고,
상기 가스-흐름챔버를 가열하여 상기 가스-흐름챔버로부터 NOx을 탈착시키는 히터를 더 포함하는, NOx 센서.
A substrate including a plurality of voids;
A metal-containing nanowire laminated on the substrate without passing through the voids; And
Including; Au thin film layer formed on the metal-containing nanowire;
The metal-containing nanowires form a nanogap that induces surface plasmon resonance with adjacent metal-containing nanowires, and includes a gas-flow chamber including a substrate structure with improved NOx adsorption,
A NOx sensor further comprising a heater that heats the gas-flow chamber to desorb NOx from the gas-flow chamber.
제1항에 있어서,
상기 Au 박막층은 인접한 Au 박막층과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭이 형성되는, NOx 센서.
According to claim 1,
The Au thin film layer is formed with a nanogap that induces surface plasmon resonance with an adjacent Au thin film layer, a NOx sensor.
제1항에 있어서,
상기 기판은 유리섬유로 제조된 여과지인, NOx 센서.
According to claim 1,
The substrate is a filter paper made of glass fiber, NOx sensor.
제1항에 있어서,
상기 금속 함유 나노와이어의 금속은 Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru 또는 이의 합금인, NOx 센서.
According to claim 1,
The metal of the metal-containing nanowire is Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru or an alloy thereof, NOx sensor.
제1항에 있어서,
상기 Au 박막층은 1 nm 이상의 두께를 가지는, NOx 센서.
According to claim 1,
The Au thin film layer has a thickness of 1 nm or more, NOx sensor.
제1항에 있어서,
상기 Au 박막층이 형성된 금속 함유 나노와이어의 평균 직경은 50 nm 초과인, NOx 센서.
According to claim 1,
NOx sensor, the average diameter of the metal-containing nanowires on which the Au thin film layer is formed is greater than 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 금속 함유 나노와이어는 금속 함유 나노와이어를 포함하는 용액을 상기 기판을 통해 진공여과 방식으로 여과시켜 상기 기판 상에 금속 함유 나노와이어를 적층시켜 형성하는 것인, NOx 센서.
According to claim 1,
The metal-containing nanowire is formed by depositing a metal-containing nanowire on the substrate by filtering a solution containing the metal-containing nanowire through a vacuum filtration method through the substrate.
삭제delete 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 NOx 센서의 검출한계는 0.1 ppm인, NOx 센서.
The method according to any one of claims 1 to 7,
The detection limit of the NOx sensor is 0.1 ppm, NOx sensor.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 NOx 센서는 상온에서 NOx를 검출할 수 있는, NOx 센서.
The method according to any one of claims 1 to 7,
The NOx sensor is a NOx sensor capable of detecting NOx at room temperature.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
1분 미만으로 NOx의 검출이 가능한, NOx 센서.
The method according to any one of claims 1 to 7,
NOx sensor that can detect NOx in less than 1 minute.
삭제delete 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
NOx 모니터링이 가능한, NOx 센서.
The method according to any one of claims 1 to 7,
NOx sensor, capable of NOx monitoring.
다수의 공극을 포함하는 기판;
상기 공극을 통과하지 않고 상기 기판 상에 적층된 금속 함유 나노와이어; 및
상기 금속 함유 나노와이어 상에 형성되는 Au 박막층;을 포함하고,
상기 금속 함유 나노와이어는 인접한 금속 함유 나노와이어와 표면 플라즈몬공명을 유도하는 나노갭을 형성하고, NOx 흡착성이 개선된, 기판 구조체를 포함하는 가스-흐름챔버를 포함하는, NOx 포집 장치.
A substrate including a plurality of voids;
A metal-containing nanowire laminated on the substrate without passing through the voids; And
Including; Au thin film layer formed on the metal-containing nanowire;
The metal-containing nanowires form a nanogap that induces surface plasmon resonance with adjacent metal-containing nanowires, and the NOx trapping device includes a gas-flow chamber including a substrate structure with improved NOx adsorption.
제14항에 있어서,
포집된 NOx를 분해할 수 있는 분해장치를 더 포함하는, NOx 포집 장치.
The method of claim 14,
Further comprising a decomposition device capable of decomposing the captured NOx, NOx capture device.
제15항에 있어서,
상기 분해장치는 플라즈마 장치인, NOx 포집 장치.
The method of claim 15,
The decomposition device is a plasma device, NOx capture device.
제14항에 기재된 NOx 포집 장치를 포함하는, 공기청정기.An air purifier comprising the NOx trapping device according to claim 14. 가스 샘플을 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 NOx 센서에 통과시키는 단계; 및
상기 NOx 센서에 광을 조사하여 라만 신호를 측정하는 단계;
를 포함하는, NOx 측정 방법.
Passing a gas sample through the NOx sensor according to claim 1; And
Measuring a Raman signal by irradiating light to the NOx sensor;
Including, NOx measurement method.
제18항에 있어서,
NOx 검출한계가 0.1 ppm인, NOx 측정 방법.
The method of claim 18,
A method for measuring NOx, wherein the NOx detection limit is 0.1 ppm.
제18항에 있어서, NOx 측정 후 상기 NOx 센서의 가스-흐름챔버를 가열한 후 재측정하는 단계를 더 포함하는, NOx 측정 방법.19. The method of claim 18, further comprising the step of heating the gas-flow chamber of the NOx sensor and re-measurement after measuring NOx.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090201496A1 (en) * 2008-02-11 2009-08-13 Shuit-Tong Lee Surface-enhanced raman scattering based on nanomaterials as substrate
JP2012528310A (en) 2009-05-25 2012-11-12 インスプリオン エービー Sensor using localized surface plasmon resonance (LSPR)
KR101545989B1 (en) * 2014-11-21 2015-08-24 한국기계연구원 substrate for surfaced enhanced raman scattering, fabricating method for the same and analyzing method using the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100892629B1 (en) * 2007-06-29 2009-04-08 한국과학기술원 Spectral Sensor for Surface-Enhanced Raman Scattering
KR101750036B1 (en) * 2014-01-10 2017-06-22 한국과학기술연구원 Surface modified-nanoparticles, its preparation and the colorimetric detection method of ions of nitric oxide

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090201496A1 (en) * 2008-02-11 2009-08-13 Shuit-Tong Lee Surface-enhanced raman scattering based on nanomaterials as substrate
JP2012528310A (en) 2009-05-25 2012-11-12 インスプリオン エービー Sensor using localized surface plasmon resonance (LSPR)
KR101545989B1 (en) * 2014-11-21 2015-08-24 한국기계연구원 substrate for surfaced enhanced raman scattering, fabricating method for the same and analyzing method using the same

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