KR102139802B1 - High Performance Gas Sensor Capable of Sensing Nitric Oxide at Parts-Per-Billion Level and Fabrication Method by Solution Process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명이 속하는 기술 분야는 고성능 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, ppb 레벨의 산화질소를 감지할 수 있는 고성능 가스 센서에 관한 것이다.The technical field to which the present invention pertains relates to a high-performance gas sensor and a method for manufacturing the same, and relates to a high-performance gas sensor capable of detecting nitrogen oxide at a ppb level.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information for this embodiment, and do not constitute a prior art.
가스 감지 센서는 산업공정 제어, 대기환경 감시, 광산 유해 가스 감지, 알코올 농도 검사, 바이오 헬스 케어 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다.The gas detection sensor is used in various fields such as industrial process control, atmospheric environment monitoring, mine harmful gas detection, alcohol concentration inspection, and bio healthcare.
유기물을 취급하는 공장이나 자동차의 배기가스로부터 발생하는 질소계 가스는 불완전 연소과정을 통해 유출되기 쉬운 여러 가지 무색의 유독성 가스이다. 질소산화물 가스는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 아산화질소(N2O)를 포함하며, 일산화질소 및 이산화질소는 대기오염원으로 작용한다. Nitrogen-based gases generated from exhaust gas from factories or automobiles handling organic matter are various colorless and toxic gases that are easily leaked through an incomplete combustion process. The nitrogen oxide gas includes nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and nitrous oxide (N 2 O), and nitrogen monoxide and nitrogen dioxide act as air pollution sources.
생체 반응을 거친 호흡가스는 인체의 건강상태를 반영하는 다양한 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compound, VOC)를 포함한다. 질병과 관계된 호흡가스는 일산화질소(NO), 일산화탄소(CO), 과산화수소(H2O2), 아세톤 그리고 벤젠과 톨루엔을 비롯한 탄화수소 계열의 VOC 등이 있다. COPD (만성 폐쇄성 폐질환) 등의 호흡기 관련 질환에서 호기 가스 중 NO를 직접 가스 센서로 측정하여 헬스 케어 진단이 가능하다.Respiratory gas that has undergone a bioreaction includes various volatile organic compounds (VOCs) that reflect the health of the human body. Respiratory gases associated with the disease include nitrogen monoxide (NO), carbon monoxide (CO), hydrogen peroxide (H2O2), acetone, and hydrocarbon-based VOCs including benzene and toluene. In respiratory-related diseases such as COPD (chronic obstructive pulmonary disease), it is possible to diagnose health care by measuring NO directly in the exhaled gas with a gas sensor.
일산화질소는 산성비 및 광학 스모그와 같은 실외 환경오염의 주범이고, 호흡기 질환을 비롯한 다수의 질병과 연관성이 있다. 일산화질소 가스를 정확하게 검출하기 위해서 전기 화학 가스센서, 적외선식 가스센서 및 반도체 가스센서와 같은 다양한 감지 메커니즘을 가진 산화 질소 가스 센서가 연구되고 있다. Nitrogen monoxide is a major cause of outdoor environmental pollution such as acid rain and optical smog, and is associated with a number of diseases including respiratory diseases. In order to accurately detect nitrogen monoxide gas, nitrogen oxide gas sensors having various sensing mechanisms such as electrochemical gas sensors, infrared gas sensors, and semiconductor gas sensors are being studied.
반도체 가스센서는 상대적으로 빠른 감지 속도 및 낮은 제작 비용 및 소모 전력, 넓은 탐지 범위 특성을 가지고 있다. 반도체 가스센서는 빠른 반응성 및 장기 안정성을 위하여 금속 산화물 기반의 가스센서를 많이 사용하지만 활성화 에너지를 제공하기 위해 외부 히터가 필수적으로 필요하다.The semiconductor gas sensor has a relatively fast detection speed, low production cost and power consumption, and a wide detection range. Semiconductor gas sensors often use metal oxide-based gas sensors for quick reactivity and long-term stability, but an external heater is essential to provide activation energy.
탄소 기반의 가스센서는 높은 표면적과 낮은 활성화 에너지로 인하여 높은 반응성 및 실온 동작이 가능하지만, 타가스에 대한 선택성이 낮고 응답 및 복구 시간이 길다는 단점이 있다.The carbon-based gas sensor is capable of high reactivity and room temperature operation due to its high surface area and low activation energy, but has a disadvantage of low selectivity to other gases and long response and recovery time.
본 발명의 실시예들은 복수의 아민기를 갖는 중합체로 탄소 고분자 물질인 전도층을 기능화하고, 용매에 따른 복수의 아민기를 갖는 중합체의 농도에 의해 질소계 가스에 대한 반응성의 범위를 조절함으로써, ppb 레벨의 질소계 가스를 선택적으로 검출하며, 반응성을 50 %에 가깝게 향상시키는 데 발명의 주된 목적이 있다.The embodiments of the present invention functionalize the conductive layer, which is a carbon polymer material, with a polymer having a plurality of amine groups, and adjust the range of reactivity to a nitrogen-based gas by the concentration of the polymer having a plurality of amine groups according to the solvent, so that the ppb level The main purpose of the invention is to selectively detect the nitrogen-based gas and improve the reactivity to close to 50%.
본 발명의 실시예들은 복수의 아민기를 갖는 중합체로 기능화된 전도층이 질소계 가스와 반응한 후 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 조사함으로써, 기능화된 전도층으로부터 질소계 가스를 탈착하여 30초 이내에 기능을 100 %로 회복하는 데 발명의 다른 목적이 있다.In the embodiments of the present invention, a conductive layer functionalized with a polymer having a plurality of amine groups is reacted with a nitrogen-based gas, and then irradiated with ultraviolet rays having a wavelength band of 200 nm to 300 nm to desorb the nitrogen-based gas from the functionalized conductive layer. Therefore, there is another object of the invention to restore the function to 100% within 30 seconds.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Still other unspecified objects of the present invention may be further considered within a range that can be easily deduced from the following detailed description and its effects.
본 실시예의 일 측면에 의하면 기판에 전도층을 형성하는 단계, 아민기를 갖는 제1 중합체를 포함하는 제1 용액을 이용하여 상기 전도층을 기능화하는 단계, 및 상기 기능화된 전도층에 전극을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 기능화된 전도층은 용매에 따른 상기 아민기를 갖는 제1 중합체의 농도에 의해 질소계 가스에 대한 반응성의 범위를 조절하는 것을 특징으로 하는 용액 공정에 기반한 가스 센서의 제조 방법을 제공한다.According to one aspect of this embodiment, forming a conductive layer on a substrate, functionalizing the conductive layer using a first solution comprising a first polymer having an amine group, and depositing an electrode on the functionalized conductive layer Including a step, the functionalized conductive layer is a method of manufacturing a gas sensor based on a solution process characterized in that it controls the range of reactivity to a nitrogen-based gas by the concentration of the first polymer having the amine group according to a solvent. to provide.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 기판, 상기 기판에 형성되며, 아민기를 갖는 제1 중합체로 기능화된 전도층, 및 상기 전도층에 형성된 전극을 포함하며, 용매에 따른 상기 아민기를 갖는 제1 중합체의 농도에 의해 질소계 가스에 대한 반응성의 범위를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 제공한다.According to another aspect of this embodiment, a substrate, a conductive layer formed on the substrate, functionalized with a first polymer having an amine group, and an electrode formed on the conductive layer, the first polymer having an amine group according to a solvent It provides a gas sensor characterized by adjusting the range of reactivity to a nitrogen-based gas by concentration.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전원, 상기 전원에 연결되며, 아민기를 갖는 중합체로 기능화된 전도층을 포함하고 상기 기능화된 전도층과 질소계 가스가 반응하여 전기 신호를 출력하는 가스 센서, 및 상기 가스 센서로부터 출력된 전기 신호의 세기를 측정하여 질소계 가스 감지 여부를 실시간으로 출력하는 제어부를 포함하며, 상기 가스 센서는 용매에 따른 상기 아민기를 갖는 중합체의 농도를 기반으로 상기 질소계 가스에 대한 반응성의 범위를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치를 제공한다.According to another aspect of this embodiment, a power source, a gas sensor connected to the power source, including a conductive layer functionalized with a polymer having an amine group, and the functionalized conductive layer reacting with a nitrogen-based gas to output an electrical signal, and It includes a control unit that measures the intensity of the electrical signal output from the gas sensor and outputs in real time whether nitrogen-based gas is detected, and the gas sensor is based on the concentration of the polymer having the amine group according to the solvent. It provides a gas sensing device characterized in that to adjust the range of reactivity.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 아민기를 갖는 중합체로 탄소 고분자 물질인 전도층을 기능화하고, 용매에 따른 복수의 아민기를 갖는 중합체의 농도에 의해 질소계 가스에 대한 반응성을 조절함으로써, ppb 레벨의 질소계 가스에 대하여 센서 반응성을 50%에 가깝게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, a polymer having a plurality of amine groups is functionalized with a conductive layer, which is a carbon polymer material, and reactive to nitrogen-based gas by concentrations of a polymer having a plurality of amine groups according to a solvent. By adjusting the, there is an effect that can improve the sensor reactivity to close to 50% for the nitrogen-based gas of the ppb level.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 아민기를 갖는 중합체로 기능화된 전도층이 질소계 가스와 반응한 후 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 조사함으로써, 기능화된 전도층으로부터 질소계 가스가 탈착하여 30초 이내에 기능을 회복할 수 있는 효과가 있다. According to embodiments of the present invention, after the conductive layer functionalized with a polymer having a plurality of amine groups reacts with a nitrogen-based gas, by irradiating ultraviolet rays having a wavelength band of 200 nm to 300 nm, the nitrogen-based functionalized conductive layer There is an effect that gas can be desorbed to restore function within 30 seconds.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if the effects are not explicitly mentioned here, the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and the potential effects thereof are treated as described in the specification of the present invention.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 제조 방법을 예시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서를 예시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서의 기능화된 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체의 화학적 구조를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서에서 표면 처리된 기판 및 기능화된 PEI 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체의 표면을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서의 탄소나노튜브에 기능화된 PEI 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체의 반응 메커니즘을 예시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서의 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체로 기능화된 탄소나노튜브의 스펙트럼 분석 결과를 예시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 및 전극 구조를 예시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 감지 장치를 예시한 도면이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 가스 반응성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 가스 선택성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 회복성을 나타낸 그래프이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 가스 센서의 성능을 기존 센서와 비교한 결과를 나타낸 도면이다.1 to 3 are views illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to embodiments of the present invention.
4 and 5 are views illustrating a gas sensor according to another embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating the chemical structure of a functionalized polyethyleneimine (PEI) polymer of a gas sensor according to another embodiment of the present invention.
7 is a view illustrating the surface of the functionalized PEI polyethyleneimine (PEI) polymer and the surface-treated substrate in the gas sensor according to another embodiment of the present invention.
8 is a view illustrating a reaction mechanism of a PEI polyethyleneimine (PEI) polymer functionalized in a carbon nanotube of a gas sensor according to another embodiment of the present invention.
9 and 10 are graphs illustrating spectral analysis results of carbon nanotubes functionalized with polyethyleneimine (PEI) polymer of a gas sensor according to another embodiment of the present invention.
11 is a view illustrating a gas sensor and an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
12 is a view illustrating a gas sensing device according to another embodiment of the present invention.
13 to 15 are views showing gas reactivity of a gas sensor according to embodiments of the present invention.
16 is a graph showing gas selectivity of a gas sensor according to embodiments of the present invention.
17 is a graph showing recoverability of a gas sensor according to embodiments of the present invention.
18 and 19 are diagrams showing the results of comparing the performance of a gas sensor according to other embodiments of the present invention with a conventional sensor.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.Hereinafter, when it is determined that the subject matter of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted, and some embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art with respect to the related known functions in describing the present invention. It will be described in detail through exemplary drawings.
본 명세서에 기재된 실시예들은 개인용 헬스케어 진단기. 대기 환경 측정용 센서, 실내 공기 측정기, 공장 가스 누출 경보 센서, 햅틱 디바이스, 실내 가스 측정 장비, 가전제품, 바이오 센서 등 다양한 센서 분야에 적용이 가능하다. 본 실시예들은 용액 공정에 기반하여 질소계 가스 센서를 제작하며, 용매에 따른 복수의 아민기를 갖는 중합체의 농도를 조절하여 질소계 가스를 선택적으로 검출하며, 질소계 가스에 대한 반응성을 50 %까지 조절하고, 자외선을 조사하여 기능화된 전도층으로부터 질소계 가스를 탈착하여 30초 이내에 100 % 회복 가능하다. The embodiments described herein are personal healthcare diagnostic devices. It can be applied to various sensor fields, such as sensors for measuring the atmospheric environment, indoor air meters, factory gas leak alarm sensors, haptic devices, indoor gas measuring equipment, home appliances, and bio sensors. The present embodiments fabricate a nitrogen-based gas sensor based on a solution process, selectively detect nitrogen-based gas by adjusting the concentration of a polymer having a plurality of amine groups according to a solvent, and reactivity to nitrogen-based gas up to 50% It is possible to recover 100% within 30 seconds by adjusting and desorbing nitrogen-based gas from the functionalized conductive layer by irradiating ultraviolet rays.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 제조 방법을 예시한 흐름도이다.1 and 2 are flowcharts illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to embodiments of the present invention.
가스 센서의 제조 방법은 저온 용액 공정을 이용하여 질소계 가스를 감지하는 가스 센서를 제작한다. 가스 센서의 제조 방법은 기판에 전도층을 형성하는 단계(S110), 아민기를 갖는 제1 중합체를 포함하는 제1 용액을 이용하여 전도층을 기능화하는 단계(S120), 및 전극을 증착하는 단계(S130)를 포함한다. The gas sensor manufacturing method uses a low temperature solution process to manufacture a gas sensor that detects a nitrogen-based gas. The method for manufacturing a gas sensor includes forming a conductive layer on a substrate (S110), functionalizing a conductive layer using a first solution containing a first polymer having an amine group (S120), and depositing an electrode ( S130).
제1 중합체를 포함하는 제1 용액은 아민기를 갖는 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine, PEI)을 포함하는 중합체를 포함할 수 있다.The first solution containing the first polymer may include a polymer including Polyethylenimine (PEI) having an amine group.
기판은 실리콘(Si)뿐만 아니라 실리콘 다이옥사이드(Silicone Dioxide, SiO2), 유리 등의 다양한 강성기판 및 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(Ecoflex), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리비스페놀 A(Polybisphenol A), 폴리에틸렌(Polyethylene) 등과 같은 유연 기판, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 층이 중첩된 형태로 구현될 수도 있다.The substrate is not only silicon (Si), but also various rigid substrates such as silicon dioxide (Silicone Dioxide, SiO2), glass, and polyimide (PI), polydimethylsiloxane (PDMS), ecoflex, and polyethylene terephthalate. (Polyethyleneterephthalate, PET), polystyrene (PS), polycarbonate (Polycarbonate, PC), polybisphenol A (Polybisphenol A), polyethylene (Polyethylene), or a flexible substrate, or a combination thereof. Two or more layers may be implemented in an overlapped form.
전도층을 형성하는 단계 전에, 상기 기판을 초음파 세척하고 자외선 처리하여 기판을 친수화하는 단계(S111), 기판에 아민기를 갖는 제2 중합체를 포함하는 제2 용액을 이용하여 기판을 표면 처리하는 단계(S112), 및 정제된 여과수를 이용하여 린싱(Rinsing)하거나 건조공기를 이용하여 블로잉(Blowing)하는 단계(S113)를 추가로 포함할 수 있다.Before forming the conductive layer, the substrate is subjected to ultrasonic cleaning and ultraviolet treatment to hydrophilize the substrate (S111), surface-treating the substrate using a second solution containing a second polymer having an amine group on the substrate. (S112), and rinsing using purified water (Rinsing) or using a dry air blowing (Blowing) step (S113) may be further included.
기판을 친수화하는 단계(S111)는 아세톤, 메탄올, 이소프로필알콜(IPA) 용액 순서로 각각 10분씩 클리닝한 뒤. 20분 동안 UV Ozone 처리를 하여 표면의 -OH기 생성을 통한 친수성 표면을 생성한다. 기판에 붙어 있는 유기 오염물은 화학적으로 C-H, -C=C-, -C-O, -C-Cl 등의 여러 가지 화학 결합을 하고 있다. 이러한 화학 결합은 자신의 결합 에너지보다 강한 에너지 충격을 받으면 CO2, H2O 등으로 분해되거나 -OH, -CHO, -COOH와 같이 친수성기로 전환된다.The step of hydrophilizing the substrate (S111) is followed by cleaning for 10 minutes each in the order of acetone, methanol, and isopropyl alcohol (IPA). UV Ozone treatment for 20 minutes creates a hydrophilic surface through the formation of -OH groups on the surface. The organic contaminants attached to the substrate chemically have various chemical bonds such as C-H, -C=C-, -C-O, and -C-Cl. These chemical bonds are decomposed into CO2, H2O, etc., or converted to hydrophilic groups such as -OH, -CHO, -COOH when they receive an energy shock stronger than their binding energy.
기판을 표면 처리하는 단계(S112)는 아민기와 같은 작용기를 갖는 물질을 포함하는 용액에 기판 또는 친수화된 기판을 침지하여 기판을 표면 처리할 수 있다. 아민기와 같은 작용기를 갖는 물질을 포함하는 용액을 기판의 표면에 분사할 수 있다. 아민기를 갖는 제2 중합체를 포함한 제2 용액을 코팅한 후에 일정 시간 대기한다. 예컨대, 10분 내지 1시간 정도 대기할 수 있다.Step S112 of surface-treating the substrate may surface-treat the substrate by immersing the substrate or a hydrophilic substrate in a solution containing a substance having a functional group such as an amine group. A solution containing a substance having a functional group such as an amine group can be sprayed onto the surface of the substrate. After coating the second solution containing the second polymer having an amine group, it waits for a certain time. For example, it can wait 10 minutes to 1 hour.
실온에서 코팅은 스핀 코팅(spin-coating), 딥 코팅(dip-coating), 드롭 캐스팅(drop-casting), 증기 증착(vapor evaporation), 스크린 프린팅(screen printing), 바 프린팅(bar printing), 롤투롤(roll-to-roll), 롤투플레이트(roll-to-plate), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 마이크로접촉 프린팅 (micro-contact printing), 스프레이, 슬롯 다이(Slot Die) 등 다양한 방법으로 증착이 가능하다.Coating at room temperature is spin-coating, dip-coating, drop-casting, vapor evaporation, screen printing, bar printing, roll In a variety of ways, including roll-to-roll, roll-to-plate, ink-jet printing, micro-contact printing, spraying, and slot die Deposition is possible.
제2 중합체를 포함하는 제2 용액은 아민기를 갖는 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), 폴리리신(Poly-L-Lysine), 또는 이들의 조합을 포함하는 중합체를 포함할 수 있다.The second solution containing the second polymer may include a polymer comprising 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) having an amine group, Poly-L-Lysine, or a combination thereof.
정제된 여과수를 이용하여 린싱(Rinsing)하거나 건조공기를 이용하여 블로잉(Blowing)하는 단계(S133)를 수행할 때, 여과수(DI water)는 마이크로 필터(Micro filter)를 통해 불순물을 거르고 역삼투막(RO Membrane) 필터를 거쳐 최종적으로 이온교환수지(Resin)을 통과시킨다. 린싱(Rinsing)하거나 블로잉(Blowing)하는 단계(S113)를 수행하지 않으면, 기판이 비균일성(Nonuniformity)을 갖고, 전도층을 증착하는 기판의 위치에 따라 전도층의 성능에 악영향을 줄 수 있다.When performing the step (S133) of rinsing using purified filtered water or blowing using dry air, DI water filters impurities through a micro filter and reverse osmosis membrane (RO Membrane) and finally through the ion exchange resin (Resin). If the step of performing rinsing or blowing (S113) is not performed, the substrate has nonuniformity and may adversely affect the performance of the conductive layer depending on the position of the substrate on which the conductive layer is deposited. .
기판 또는 표면 처리된 기판에 전도층을 형성하는 단계(S121)는 용매와 복수의 아민기를 갖는 중합체를 교반하여 화합물을 제작하여 기판(친수화된 기판) 또는 표면 처리된 기판 위에 균일하게 도포한다. In the step of forming a conductive layer on the substrate or the surface-treated substrate (S121), a compound having a solvent and a plurality of amine groups is stirred to prepare a compound and uniformly coated on the substrate (hydrophilic substrate) or the surface-treated substrate.
전도층은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene), 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합으로 된 고분자 물질을 포함할 수 있다.The conductive layer may be a single-walled carbon nanotube (SWCNT), a multi-walled carbon nanotube (MWCNT), graphene, graphene oxide (GO), or redox graphene oxide (RGO), or It may include a polymer material in a combination of these.
코팅은 스핀 코팅(spin-coating), 딥 코팅(dip-coating), 드롭 캐스팅(drop-casting), 스크린 프린팅(screen printing), 바 프린팅(bar printing), 롤투롤(roll-to-roll), 롤투플레이트(roll-to-plate), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 마이크로접촉 프린팅 (micro-contact printing), 스프레이, 슬롯 다이(Slot Die) 등 다양한 방법으로 증착이 가능하다. The coatings are spin-coating, dip-coating, drop-casting, screen printing, bar printing, roll-to-roll, Deposition can be performed in a variety of ways, including roll-to-plate, ink-jet printing, micro-contact printing, spraying, and slot die.
아민기를 갖는 제1 중합체를 포함한 제1 용액을 코팅한 후에 일정 시간 대기한다. 예컨대, 10분 내지 1시간 정도 대기할 수 있다.The first solution containing the first polymer having an amine group is coated and then waited for a period of time. For example, it can wait 10 minutes to 1 hour.
전도층을 복수의 아민기를 갖는 중합체를 포함하는 용액으로 표면 처리하여 전도층을 기능화하는 단계(S122)는 전도층에 아민기를 갖는 중합체를 결합하여 고정한다. The step of functionalizing the conductive layer by surface-treating the conductive layer with a solution containing a polymer having a plurality of amine groups (S122) fixes and bonds the polymer having an amine group to the conductive layer.
전도층을 기능화하는 단계(S120)는 기능화된 전도층의 표면을 정제된 여과수를 이용하여 린싱(Rinsing)하거나 건조공기를 이용하여 블로잉(Blowing)하는 단계(S123)를 포함할 수 있다.The step of functionalizing the conductive layer (S120) may include the step of rinsing the surface of the functionalized conductive layer using purified filtered water or blowing using dry air (S123).
린싱(Rinsing)하거나 블로잉(Blowing)하는 단계(S131)를 수행하지 않으면, 기능화된 전도층이 비균일성(Nonuniformity)을 갖고, 전극을 증착하는 기능화된 전도층의 위치에 따라 센서의 성능에 악영향을 줄 수 있다.If the step of performing rinsing or blowing (S131) is not performed, the functionalized conductive layer has nonuniformity and adversely affects the performance of the sensor according to the position of the functionalized conductive layer that deposits the electrode. Can give
특히 아민기를 갖는 중합체의 종류에 따라 표면 균일성(Uniformity)이 다르다. 아민기를 갖는 중합체를 가지형 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine, PEI)로 구현하면, 표면의 균일성이 매우 우수하다. 반면에 en-APTES(3-(aminopropyl)triethoxysilane)는 표면의 비균일성(Nonuniformity)이 높아서 열화된 표면 위치에 따라 성능이 다르게 된다. 즉, 전극 증착시 성능을 표준화할 수 없는 문제가 있다.In particular, the surface uniformity (Uniformity) is different depending on the type of polymer having an amine group. When the polymer having an amine group is implemented as a branched polyethylenimine (PEI), the uniformity of the surface is very excellent. On the other hand, en-APTES (3-(aminopropyl)triethoxysilane) has a high nonuniformity of the surface, so performance varies depending on the deteriorated surface position. That is, there is a problem in that performance cannot be standardized during electrode deposition.
기능화된 전도층에 전극을 증착하는 단계(S131)는 소스 전극 및 드레인 전극을 이격시켜 증착한다. 예컨대, E-beam 증착(evaporation), 스퍼터(Sputter) 장비 등을 이용하여 200 nm ~ 300 nm의 Au 증착을 통해 소스 전극 및 드레인 전극을 형성할 수 있다. 전극은 Au, Ag, Pd, Pt, Mn, Fe, Ni, Co, Ti 등의 금속이나 유기물질 등의 전도성 물질로 구현될 수 있다.In the step of depositing an electrode on the functionalized conductive layer (S131), the source electrode and the drain electrode are separated and deposited. For example, the source electrode and the drain electrode may be formed through Au deposition of 200 nm to 300 nm by using e-beam evaporation or sputter equipment. The electrode may be formed of a conductive material such as a metal or an organic material such as Au, Ag, Pd, Pt, Mn, Fe, Ni, Co, and Ti.
도 3에서는 용액 공정에 기반한 가스 센서의 제조 방법이 도시되어 있다.3 shows a method of manufacturing a gas sensor based on a solution process.
제2 중합체를 이용하여 아민기를 처리하는 공정은 기판의 표면을 기능화하는 공정이고, 제1 중합체를 이용하여 아민기를 처리하는 공정은 전도층을 기능화하는 공정입니다. 아민기를 사용하더라도 SiO2 기판의 표면 처리는 기판 위에 증착될 CNT 현탁물(Suspension)의 계면 활성제(Surfactant)와의 결합을 향상시키기 위해서 아민기가 SiO2 표면에 붙게 하는 것인 반면에, CNT 기능화 공정은 CNT 표면에 아민기를 붙여서 질소계 가스 분자들을 보다 더 결합시키기 위한 공정이다.The process of treating an amine group with a second polymer is a process of functionalizing the surface of a substrate, and the process of treating an amine group with a first polymer is a process of functionalizing a conductive layer. Even if an amine group is used, the surface treatment of the SiO 2 substrate is such that the amine group adheres to the SiO 2 surface in order to improve the bonding of the CNT suspension to be deposited on the substrate with the surfactant, whereas the CNT functionalization process This is a process to further bond nitrogen-based gas molecules by attaching an amine group to the CNT surface.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서를 예시한 도면이다.4 and 5 are views illustrating a gas sensor according to another embodiment of the present invention.
도 4에 도시한 바와 같이, 가스 센서는 기판(210), 기능화된 전도층(220), 및 전극(230, 235)을 포함한다. 가스 센서는 도 4에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 테스트 과정에서 가스 센서의 크기는 1 cm x 1 cm로 제작되었으나, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 크기로 사용될 수 있다. As shown in FIG. 4, the gas sensor includes a
기판(210)은 실리콘(Si)뿐만 아니라 실리콘 다이옥사이드(Silicone Dioxide, SiO2), 유리 등의 다양한 강성기판 및 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(Ecoflex), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리비스페놀 A(Polybisphenol A), 폴리에틸렌(Polyethylene) 등과 같은 유연 기판, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 층이 중첩된 형태로 구현될 수도 있다. 예컨대, 도 5를 참조하면, 실리콘층(212), 실리콘 다이옥사이드층(214), 및 연결층(216)이 적층될 수 있다.The
연결층(216)은 기판(214)과 전도층(223) 사이에 위치하며, 일종의 표면 처리된 기판의 상단으로 볼 수 있다. 연결층(216)은 아민기를 갖는 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane), 폴리리신(Poly-L-Lysine), 또는 이들의 조합을 포함하는 제2 중합체를 포함할 수 있다.The
전도층(223)은 기판(214) 또는 연결층(216) 위에 형성되며, 복수의 아민기를 갖는 제1 중합체로 기능화된다. 본 실시예에 따른 가스 센서는 용매에 따른 복수의 아민기를 갖는 제1 중합체의 농도에 의해 질소계 가스에 대한 반응성을 조절한다.The
복수의 아민기를 갖는 제1 중합체는 1차 아민기, 2차 아민기, 3차 아민기, 또는 이들의 조합을 포함한다. 복수의 아민기를 갖는 제1 중합체는 1차 아민기, 2차 아민기, 및 3차 아민기를 모두 포함할 수 있다. 복수의 아민기를 갖는 제1 중합체는 가지형 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine, PEI)을 포함할 수 있다.The first polymer having a plurality of amine groups includes a primary amine group, a secondary amine group, a tertiary amine group, or a combination thereof. The first polymer having a plurality of amine groups may include a primary amine group, a secondary amine group, and a tertiary amine group. The first polymer having a plurality of amine groups may include branched polyethylenimine (PEI).
기능화된 전도층(220)은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene), 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합으로 된 고분자 물질을 포함한다.The functionalized
용매는 알코올계 용매이 적용될 수 있고, 메탄올, 에탄올 등에 복수의 아민기를 갖는 중합체를 교반한다.As the solvent, an alcohol-based solvent may be applied, and a polymer having a plurality of amine groups, such as methanol and ethanol, is stirred.
전도층에 형성된 전극(230, 235)은 소스 전극 및 드레인 전극을 형성할 수 있다. 전극은 Au, Ag, Pd, Pt, Mn, Fe, Ni, Co, Ti 등의 금속이나 유기물질 등의 전도성 물질로 구현될 수 있다.The
도 6 내지 도 10을 참조하여, 기능화된 전도층을 설명하기로 한다. The functionalized conductive layer will be described with reference to FIGS. 6 to 10.
도 6은 가스 센서의 기능화된 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체의 화학적 구조를 예시한 도면이다.6 is a diagram illustrating the chemical structure of a functionalized polyethyleneimine (PEI) polymer of a gas sensor.
아민기를 포함하는 제1 중합체 중에서도 PEI와 En-APTES 간에 차이가 있다. 전도층이 기능화된 이후 표면 균일성(Uniformity)에 따라 성능이 다르게 나타난다. 가지형 폴리에틸렌이민(PEI)는 1차 아민기가 많고, 1차 아민기, 2차 아민기, 및 3차 아민기에 따른 화학적 구조로 인하여 반응성, 선택성, 및 회복성에서 큰 차이가 있다.Among the first polymers containing amine groups, there is a difference between PEI and En-APTES. After the conductive layer is functionalized, the performance is different according to the surface uniformity. Branched polyethyleneimine (PEI) has many primary amine groups, and there is a great difference in reactivity, selectivity, and recoverability due to the chemical structure of the primary amine group, secondary amine group, and tertiary amine group.
특히 가지형 폴리에틸렌이민(PEI)는 표면의 균일성(Uniformity)이 높아서 열화된 표면 위치에 따라 성능이 일정하다. 반면에 En-APTES 는 표면의 비균일성(Nonuniformity)이 높아서 전극 증착시 성능을 표준화할 수 없다.In particular, branched polyethyleneimine (PEI) has a high surface uniformity, so performance is constant depending on the deteriorated surface position. On the other hand, En-APTES has a high surface nonuniformity, so it cannot standardize the performance during electrode deposition.
도 7의 (a)와 (b)에 도시된 표면 처리 전/후의 SWCNTs의 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 참조하면, 표면 처리 전의 AFM 이미지에서는 SWCNTs가 잘 형성 되지 않았지만, 표면 처리후의 AFM 이미지에서는 랜덤 네트워크(Random Network) 기반의 SWCNTs 박막이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다. 용액 형태의 SWCNT를 사용하고 poly-L-lysine (PLL)을 사용하여 기판의 표면 처리 공정을 진행한다. PLL을 사용하여 SiO2 표면을 기능화시켜 아민(amine) 단일층을 형성하였고 SWCNT 용액에 번들을 억제하기 위하여 포함된 계면 활성제간의 Van der Walls 상호 작용에 의하여 SiO2 기판 표면에 랜덤 네트워크(Random Network) 기반의 SWCNTs 박막이 형성된다.Referring to the AFM (Atomic Force Microscopy) images of SWCNTs before and after surface treatment shown in FIGS. 7A and 7B, SWCNTs were not well formed in the AFM image before the surface treatment, but in the AFM image after the surface treatment. It can be seen that a thin film of SWCNTs based on a random network was well formed. The surface treatment process of the substrate is performed using SWCNT in solution form and using poly-L-lysine (PLL). A single layer of amine was formed by functionalizing the SiO 2 surface using PLL, and a random network (Random Network) on the surface of the SiO 2 substrate by Van der Walls interaction between surfactants included to suppress the bundle in the SWCNT solution A thin film of SWCNTs based is formed.
도 7의 (c)와 (d)에 도시된 10 wt% 농도의 PEI로 기능화 전/후의 SWCNTs의 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 참조하면, 10 wt% 농도의 PEI 로 기능화된 SWCNTs의 랜덤 네트워크의 형태가 변경된 것을 파악할 수 있다. Referring to the AFM (Atomic Force Microscopy) images of SWCNTs before and after functionalization with 10 wt% concentration of PEI shown in FIGS. 7(c) and 7(d), a random network of SWCNTs functionalized with 10 wt% concentration of PEI You can see that the shape of the has changed.
도 8은 가스 센서의 탄소나노튜브에 기능화된 PEI 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체의 반응 메커니즘을 예시한 도면이다.8 is a view illustrating a reaction mechanism of a PEI polyethyleneimine (PEI) polymer functionalized in a carbon nanotube of a gas sensor.
일산화 질소를 감지 가능한 가스 센서의 반응 메커니즘을 참조하면, 센서의 반응은 PEI와 NO 분자 사이에서 일어난다. 전자는 PEI에서 NO가스 분자 (NO-)로 이동하여 SWCNT 내의 채널의 홀(hole) 농도를 증가시킨다. SWCNT에서 홀 농도의 증가는 센서의 저항을 감소시킨다. 저항 감소로 인하여 일산화 질소 가스 분자와 PEI로 기능화된 SWCNT의 화학적 흡착은 SWCNT의 가전자대(Valence Band)의 상향 밴드 밴딩(Band Bending)을 초래하여 센서의 저항을 감소시킨다.Referring to the reaction mechanism of the gas sensor capable of detecting nitrogen monoxide, the reaction of the sensor occurs between the PEI and NO molecules. The former moves from PEI to NO gas molecule (NO-), increasing the hole concentration of the channel in SWCNT. In SWCNT, an increase in the hole concentration decreases the resistance of the sensor. Due to the reduced resistance, the chemical adsorption of SWCNTs functionalized with nitrogen monoxide gas molecules and PEI results in up band bending of the SWCNT's valence band, reducing the sensor's resistance.
도 9 및 도 10은 가스 센서의 폴리에틸렌이민(PEI) 중합체로 기능화된 탄소나노튜브의 스펙트럼 분석 결과를 예시한 그래프이며, XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 통하여 SWCNT에 결합된 PEI의 상태를 나타낸다. 9 and 10 are graphs illustrating spectral analysis results of carbon nanotubes functionalized with polyethyleneimine (PEI) polymer of a gas sensor, and showing the state of PEI bound to SWCNT through XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis. Shows.
도 9의 (a)와 (b)는 PEI 기능화 공정 전/후의 SWCNT의 C1s 스펙트럼을 보여준다. PEI 기능화 공정후의 SWCNT에서 C1s 피크의 강도는 기능화 공정 전보다 상당히 증가하였으며 PEI로 기능화된 후에 결합 에너지가 약간 이동 (~ 0.8eV)하였다. 이는 PEI 중합체가 랜덤 네트워크(Random Network) 기반의 SWCNTs에 성공적으로 기능화되었음을 나타낸다. 9(a) and 9(b) show the C1s spectrum of SWCNTs before and after the PEI functionalization process. The intensity of the C1s peak in SWCNT after the PEI functionalization process was significantly increased than before the functionalization process, and the binding energy shifted slightly (~ 0.8eV) after functionalization with PEI. This indicates that the PEI polymer has been successfully functionalized in random network based SWCNTs.
도 9의 (c)와 (d)는 10 wt% 농도의 PEI로 기능화 전/후의 SWCNT 랜덤 네트워크의 화학적 결합에서 C, N, O의 XPS 스펙트럼을 보여준다. C1s 피크의 강도는 기능화 공정 전보다 상당히 증가함을 파악할 수 있다.9(c) and 9(d) show the XPS spectra of C, N, and O in chemical bonding of SWCNT random networks before and after functionalization with 10 wt% concentration of PEI. It can be seen that the intensity of the C1s peak is significantly increased than before the functionalization process.
도 10의 (a)와 (b)는 기능화 공정 전/후의 SWCNT의 N1s 스펙트럼을 나타낸다. N1s 스펙트럼은 PEI 속에 포함된 1차 아민(NH2) 및 2차 아민(NH) 그룹을 나타낸다. SWCNT의 N1s 피크의 강도가 PEI로 기능화된 후에 상당히 증가한 것을 보여준다. 이를 통하여 PEI 중합체내의 아민(amine) 그룹이 SWCNT와 성공적으로 통합(결합)되었음을 나타낸다. 10(a) and 10(b) show the N1s spectrum of SWCNTs before and after the functionalization process. The N1s spectrum shows the primary amine (NH2) and secondary amine (NH) groups included in the PEI. It shows that the intensity of the N1s peak of SWCNT increased significantly after being functionalized with PEI. This indicates that the amine group in the PEI polymer was successfully integrated (bonded) with SWCNT.
도 10의 (c)와 (d)는 랜덤 네트워크 기반의 SWCNTs의 성공적인 기능화를 확인하기 위하여 라만(Raman) 스펙트럼 분석을 나타낸다. 10(c) and 10(d) show Raman spectrum analysis to confirm successful functionalization of random network-based SWCNTs.
본 실시예에 따른 가스 센서에서 기능화된 전도층을 분석한 라만 스펙트럼에서 활성 밴드를 참조하면, 지 밴드(G Band, IG) 분의 디 밴드(D Band, ID)로 정의된 비율은 (i) 0.050 내지 0.059부터 (ii) 0.060 내지 0.069까지로 증가된다. 즉, SWCNT와 PEI의 구조적 통합을 검증하기 위하여 ID/IG 비율을 계산한 결과, SWCNT의 ID/IG 비율은 PEI 기능화 공정 후 0.0541에서 0.0668로 증가함으로 SWCNT의 성공적으로 기능화됨을 파악할 수 있다.Referring to the active band in the Raman spectrum analyzing the conductive layer functionalized in the gas sensor according to this embodiment, the ratio defined as the D band (D Band, I D ) of the G band (IG Band) is ( i) from 0.050 to 0.059 to (ii) from 0.060 to 0.069. That is, the calculation results of the ID / IG ratio to verify the structural integrity of the SWCNT and PEI, I D / I G ratio of the SWCNT may determine that a successful functionalization of SWCNT by increasing from 0.0541 to 0.0668 after PEI functionalized process.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 및 전극 구조를 예시한 도면이다. 11 is a view illustrating a gas sensor and an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
도 11의 (a)을 참조하면, 가스 센서는 표면 처리된 기판, 기능화된 전도층, 전극을 포함할 수 있다. 표면 처리된 기판은 아민기를 갖는 제2 중합체를 포함하는 제2 용액을 코팅하고, 기능화된 전도층은 아민기를 갖는 제1 중합체를 포함하는 제2 용액을 코팅한다. 바람직한 실시예로 기판은 SiO2일 수 있고, 전도층은 SWCNT이고, 제2 중합체는 폴리리신(Poly-L-Lysine)을 포함하고, 제1 중합체는 폴리에틸렌이민(PEI)을 포함한다.Referring to FIG. 11A, the gas sensor may include a surface-treated substrate, a functionalized conductive layer, and electrodes. The surface-treated substrate coats a second solution comprising a second polymer having an amine group, and the functionalized conductive layer coats a second solution comprising a first polymer having an amine group. In a preferred embodiment, the substrate may be SiO 2 , the conductive layer is SWCNT, the second polymer comprises Poly-L-Lysine, and the first polymer comprises polyethyleneimine (PEI).
도 11의 (b)을 참조하면, 전극은 다중 선형전극(Interdigitated Electrode)으로 구현될 수 있다. 가스 센서의 전극은 단일 면적에 대해서 가스의 이동 경로를 보다 길게 형성하기 위한 구조를 갖는다. 전극은 복수이고 복수의 전극은 질소계 가스가 이동하는 경로를 따라 이격되어 배치된다. 이 때 경로는 코너를 포함하기 위해서 'ㄹ' 또는 'T' 형상으로 형성될 수 있다.Referring to (b) of FIG. 11, the electrode may be implemented as a multi-digital electrode (Interdigitated Electrode). The electrode of the gas sensor has a structure for forming a longer movement path of the gas for a single area. The electrodes are plural and the plural electrodes are spaced apart along the path through which the nitrogen-based gas moves. At this time, the path may be formed in a'd' or'T' shape to include a corner.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 감지 장치를 예시한 도면이다.12 is a view illustrating a gas sensing device according to another embodiment of the present invention.
도 12에 도시한 바와 같이, 가스 감지 장치(300)는 전원(310), 제어부(320), 및 가스 센서(330)를 포함한다. 가스 감지 장치(300)는 도 10에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 가스 감지 장치(300)는 자외선을 조사하는 광원 또는 가스 감지 결과를 시각적 정보로 출력하는 표시 장치를 추가로 포함할 수 있다.As shown in FIG. 12, the
가스 감지 장치(300)의 성능을 테스트하기 위한 가스 주입 장비로 MFC(Mass Flow Controller), 챔버(Chamber) 등을 조합한다. 가스 주입 장비는 ppb(Parts Per Billion) 레벨로 질소계 가스의 농도를 맞춘다.As a gas injection device for testing the performance of the
전원(310)은 각 구성 요소가 구동할 수 있도록 전기를 공급한다.The power supply 310 supplies electricity so that each component can be driven.
제어부(320)는 마이크로프로세서, 아날로그 디지털 컨버터 등을 포함하며, 가스 센서의 전극로부터 검출된 전기 신호의 세기를 측정하고, 전기 신호의 세기를 기준치와 비교한 결과에 따라 질소계 가스 감지 여부를 출력한다. 전기 신호는 전류 또는 전압 신호이다. 제어부(320)는 전류 또는 전압에 관한 관계식에 따라 저항을 계산한다.The
가스 센서(330)는 전원(310)에 연결되며, 복수의 아민기를 갖는 중합체로 기능화된 전도층을 포함하고, 용매에 따른 상기 복수의 아민기를 갖는 중합체의 농도를 기반으로 질소계 가스에 대한 반응성을 조절한다. 가스 감지 장치(300)에 적용된 가스 센서(330)는 앞서 설명한 실시예에 따른 가스 센서에 대응하는 구성이다. The
다른 실시예에 따른 가스 센서에 관한 기술적 내용은 가스 감지 장치(300)에 적용 가능하다. 가스 감지 장치(300)는 가스 센서(330)를 이용하여 ppb 레벨의 질소계 가스에 대하여 센서 반응성을 50%에 가깝게 향상시킬 수 있다.The technical content of the gas sensor according to another embodiment is applicable to the
광원(340)은 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 조사한다. 가스 감지 장치(300)는 기능화된 전도층으로부터 질소계 가스가 탈착하여 30초 이내에 100 %에 가깝게 기능을 회복할 수 있는 효과가 있다.The light source 340 irradiates ultraviolet light having a wavelength band of 200 nm to 300 nm. The
도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 가스 반응성을 나타낸 도면이다.13 to 15 are views showing gas reactivity of a gas sensor according to embodiments of the present invention.
도 13의 (a)는 PEI 기능화 전/후의 일산화 질소 가스센서의 저항의 변화를 나타내고, 도 13의 (b)는 기능화된 PEI 농도에 따른 평균 반응성을 나타낸다.13(a) shows the change in resistance of the nitrogen monoxide gas sensor before/after PEI functionalization, and FIG. 13(b) shows the average reactivity according to the functionalized PEI concentration.
가스 반응성은 IUPAC(International union of pure and applied chemistry) 국제 기준에 따라 수학식 1과 같이 계산된다.Gas reactivity is calculated according to
R0는 일산화 질소 기체에 노출되기 전의 초기 저항이고 R은 일산화 질소에 노출될 동안의 저항이다. 일산화 질소 가스의 농도는 100 ppb로 설정한다.R 0 is the initial resistance before exposure to nitrogen monoxide gas and R is the resistance during exposure to nitrogen monoxide. The concentration of nitrogen monoxide gas is set to 100 ppb.
도 13의 (a)를 참조하면, PEI 기능화 공정 전의 가스센서가 100 ppb의 일산화 질소 가스에 노출되었을 때 평균적으로 약 7%의 저항의 변화가 일어난다.Referring to (a) of FIG. 13, when the gas sensor before the PEI functionalization process is exposed to 100 ppb of nitrogen monoxide gas, an average change in resistance of about 7% occurs.
도 13의 (b)를 참조하면, 기능화 공정 후의 가스센서가 100 ppb의 NO 가스에 노출되었을 때 약 50%의 저항의 변화가 일어난다.Referring to (b) of FIG. 13, when the gas sensor after the functionalization process is exposed to 100 ppb of NO gas, a change in resistance of about 50% occurs.
SWCNT 기반 일산화 질소 가스 센서의 반응은 PEI 농도가 0에서 6 wt%까지 선형적으로 증가했으며 100 ppb 일산화 질소 가스에 노출되었을 때 PEI 농도가 10 wt%에서 점차 포화되어 센서의 반응성이 50% 에 도달한다.The response of the SWCNT-based nitrogen monoxide gas sensor linearly increased from 0 to 6 wt% of the PEI concentration, and when exposed to 100 ppb nitrogen monoxide gas, the PEI concentration gradually saturated at 10 wt% and the sensor reactivity reached 50%. do.
본 실시예에 따른 가스 센서에서, 용매에 따른 복수의 아민기를 갖는 중합체의 농도에 의해 가스 센서의 반응성은 증가 구간과 포화 구간으로 구분된다. 여기서 질소계 가스에 대한 반응성이 7 % 내지 50 %로 나타난다.In the gas sensor according to this embodiment, the reactivity of the gas sensor is divided into an increase section and a saturation section by concentrations of polymers having a plurality of amine groups depending on the solvent. Here, the reactivity to nitrogen-based gas is shown to be 7% to 50%.
증가 구간에서, 용매 대 상기 복수의 아민기를 갖는 중합체의 중량비는 0.1 wt% 이상 10 wt% 미만으로 설정된다. 포화 구간에서, 용매 대 복수의 아민기를 갖는 중합체의 중량비는 10 wt% 이상 100 wt% 이하로 설정된다. 예컨대, 중량비 2 wt%는 용매 98 % 대 PEI 2 %의 비율을 의미한다. 용매는 메탄올 등의 알코올계 용매가 사용될 수 있다. In the increasing period, the weight ratio of solvent to polymer having the plurality of amine groups is set to 0.1 wt% or more and less than 10 wt%. In the saturation section, the weight ratio of solvent to polymer having a plurality of amine groups is set to 10 wt% or more and 100 wt% or less. For example, 2 wt% by weight means a ratio of 98% solvent to 2% PEI. As the solvent, an alcohol-based solvent such as methanol may be used.
도 14의 (a)는 PEI 기능화 공정 후의 SWCNT 랜덤 네트워크의 회복 시간과 초기 저항 반응성과 비교하여 100 %로 회복됨을 도시한다.14(a) shows that the recovery time of the SWCNT random network after the PEI functionalization process and the initial resistance responsiveness are restored to 100%.
도 14의 (b)는 100 ppb의 이산화질소(NO2)에서 노출시킨 PEI 기능화 공정 후의 SWCNT 랜덤 네트워크의 저항 반응성을 도시한다. 본 실시예에 따른 가스 센서는 일산화질소와 이산화질소 모두에 대하여 ppb 단위에서 검출이 가능하다.FIG. 14(b) shows the resistance reactivity of the SWCNT random network after the PEI functionalization process exposed in 100 ppb of nitrogen dioxide (NO 2 ). The gas sensor according to the present embodiment can detect both nitrogen monoxide and nitrogen dioxide in ppb units.
도 14의 (c)는 0, 2, 4, 6, 8, and 10 wt%로 PEI 농도를 변화시킨 가스 센서의 저항 반응성을 도시한다. PEI 농도에 따라 센서의 민감도를 조절할 수 있다.Fig. 14(c) shows the resistance responsiveness of the gas sensor with the PEI concentration changed to 0, 2, 4, 6, 8, and 10 wt%. The sensitivity of the sensor can be adjusted according to the PEI concentration.
도 14의 (d)는 NO의 농도에 따른 반응 경사를 도시한다. 반응 경사를 선형 보간하여 이론적 검출 한계농도(Detection Limit, DL)를 산출할 수 있다. 도 14의 (c)의 데이터 지점을 일정 구간 분석하여 5차 다항식으로 선형 적합(Linear Fitting)을 수행한다. 11개의 데이터 지점은 도 15와 같다. 14(d) shows the reaction slope according to the concentration of NO. The theoretical slope of the detection limit (DL) can be calculated by linearly interpolating the response slope. By analyzing the data points of FIG. 14(c) for a certain section, linear fitting is performed by a fifth-order polynomial. 11 data points are shown in FIG. 15.
도 15에서 Yi는 측정된 데이터 지점이고, Y는 곡선 적합을 통해 산출한 대응하는 값이다. In FIG. 15, Yi is a measured data point, and Y is a corresponding value calculated through curve fitting.
노이즈의 RMS(Root Mean Square)는 수학식 3과 같이 표현된다.The RMS (Root Mean Square) of the noise is expressed as
Vx2은 수학식 2와 같이 표현되고, N은 곡선 적합에서 사용된 데이터 지점의 개수이다.Vx 2 is expressed as
검출 한계농도는 수학식 3과 같이 표현된다.The detection limit concentration is expressed by
도 16의 (a)는 본 실시예에 따른 가스 센서가 일산화 질소 가스에 선택적으로 반응하는 것을 나타낸다. 가스 센서가 일산화 질소 가스에 대하여 매우 탁월한 선택성을 나타내는 것을 보여 준다.FIG. 16A shows that the gas sensor according to the present embodiment selectively reacts with nitrogen monoxide gas. It shows that the gas sensor exhibits very good selectivity to nitrogen monoxide gas.
본 실시예에 따른 가스 센서의 선택성을 조사하기 위해 제작된 센서를 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 및 암모니아(NH3)의 휘발성 유기 화합물 (VOCs) 1 ppm의 농도에 노출시킴으로서 가스의 선택 특성을 분석하였다. 가스 센서는 벤젠, 톨루엔, 암모니아, 또는 이들의 조합으로 된 휘발성 유기 화합물을 포함하는 대기 환경에서 질소계 가스를 선택적으로 검출할 수 있다. The sensor manufactured to investigate the selectivity of the gas sensor according to the present embodiment was used at a concentration of 1 ppm of volatile organic compounds (VOCs) of benzene (C 6 H 6 ), toluene (C 7 H 8 ) and ammonia (NH 3 ). Selective properties of the gas were analyzed by exposure. The gas sensor can selectively detect a nitrogen-based gas in an atmospheric environment containing volatile organic compounds of benzene, toluene, ammonia, or a combination thereof.
도 16의 (b)는 본 실시예에 따른 가스 센서가 N2 등의 비활성 분위기에서 회복될 때와 대가(Air) 분위기에서 회복될 때의 탈착 과정을 비교한 결과이다. N2 등의 비활성 분위기뿐만 아니라 대기(Air) 분위기에서도 비슷한 성능으로 감지 가능하다. 즉, 가스센서는 불활성 분위기(N2)와 대기(air) 분위기에서 회복성의 차이가 크게 없다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 센서 작동 환경에 따른 안정성 및 신뢰성을 확인할 수 있다. 16B is a result of comparing the desorption process when the gas sensor according to the present embodiment is recovered in an inert atmosphere such as N 2 and when it is recovered in an air atmosphere. As an inert atmosphere such as N 2 in the atmosphere (Air) atmosphere can be detected in a similar performance. That is, the gas sensor can be confirmed that there is no significant difference in recoverability in an inert atmosphere (N 2 ) and an atmosphere (air). Through this, it is possible to check the stability and reliability according to the sensor operating environment.
도 16의 (c)는 본 실시예에 따른 가스 센서에 대하여 가스 농도 변화에 따른 센서의 반응성을 조사한 결과이다. 일산화 질소 가스 노출 시간을 10분으로 고정시키고 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1, 3, 5 ppm에서의 일산화 질소 가스에 대한 반응성을 산출한 결과, NO 가스는 0.1ppm 에서 5 ppm까지 우수한 반응 특성을 나타내었으며, 이를 통하여 계산된 이론적 검출 한계농도(Detection Limit, DL)는 0.2 ppb 이다. 16(c) is a result of examining the reactivity of the sensor according to the change in gas concentration with respect to the gas sensor according to the present embodiment. The nitrogen monoxide gas exposure time was fixed at 10 minutes and the reactivity to nitrogen monoxide gas at 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1, 3, and 5 ppm was calculated. As a result, NO gas exhibited excellent reaction properties from 0.1 ppm to 5 ppm. The theoretical detection limit concentration (DL) calculated through this is 0.2 ppb.
도 16의 (d)를 참조하면, 제안된 가스 센서는 높은 반응성에 비하여 초기 상태 저항의 신속한 회복 특성이 떨어지고, 일산화 질소 가스의 농도가 늘어남에 따라 센서의 회복시간도 최대 1시간 이상으로 증가한 것을 확인할 수 있다. Referring to (d) of FIG. 16, the proposed gas sensor has a rapid recovery characteristic of initial state resistance compared to high reactivity, and the recovery time of the sensor is increased to a maximum of 1 hour or more as the concentration of nitrogen monoxide gas increases. Can be confirmed.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 가스 센서의 회복성을 나타낸 그래프이다. 가스 센서는 UV 광 조사(UV irradiation)를 통하여 센서의 회복 특성을 개선할 수 있다. UV 광 조사는 활성화 에너지를 제공하여 타겟 가스의 탈착을 유도한다. 17 is a graph showing recoverability of a gas sensor according to embodiments of the present invention. The gas sensor may improve the recovery characteristics of the sensor through UV irradiation. UV light irradiation provides activation energy to induce desorption of the target gas.
도 17의 (a)는 UV 광 조사에 대한 영향을 조사하기 위하여 측정 설정을 나타낸다. UV 광 조사를 위하여 UV LED를 사용하였고 사용된 UV LED는 254nm의 파장 및 ~ 200 μW/cm2 세기를 가진다. Fig. 17(a) shows the measurement settings to investigate the effect on UV light irradiation. UV LED was used for UV light irradiation, and the UV LED used has a wavelength of 254 nm and ~200 μW/cm 2 intensity.
도 17의 (b)는 회복 시간 동안 UV 광에 노출되었을 때 센서의 저항 변화를 나타낸다. UV 광 조사를 통한 센서의 회복시간은 30초 이내로 초기 저항을 회복하며 매우 빠른 회복 시간을 가진다. 17(b) shows the change in resistance of the sensor when exposed to UV light during the recovery time. The recovery time of the sensor through UV light irradiation recovers the initial resistance within 30 seconds and has a very fast recovery time.
SWCNTs의 탈착 에너지에 대한 조사를 위하여 추가적인 실험을 진행한 결과, 서로 다른 파장을 가지는 UV 광 조사 및 100℃열 가열을 통한 센서의 회복 특성을 도 17의 (c)와 (d)와 같이 나타난다.As a result of additional experiments for irradiation of the desorption energy of SWCNTs, the recovery characteristics of the sensor through UV light irradiation with different wavelengths and heat heating at 100°C are shown as (c) and (d) of FIG. 17.
열 가열 전후의 센서의 회복 시간은 UV 광 조사에 비하여 큰 차이가 없다. 반면 254 nm (~ 4.9 eV) 및 365 nm (~ 3.3 eV)의 파장을 가지는 UV 광 조사 하에서 가스센서는 매우 빠른 회복 특성을 가진다. 이는 특정 파장 이하에서 UV 조사에 의해 유도된 광 흡착 에너지는 PEI로 기능화된 SWCNTs로부터 일산화 질소 가스 분자를 탈착시켜 실온에서 작동하는 반도체 기반 가스 센서의 회복 시간을 감소시킨다. The recovery time of the sensor before and after thermal heating is not significantly different compared to UV light irradiation. On the other hand, under UV light irradiation with wavelengths of 254 nm (~ 4.9 eV) and 365 nm (~ 3.3 eV), the gas sensor has a very fast recovery characteristic. This reduces the recovery time of a semiconductor-based gas sensor operating at room temperature by desorbing nitrogen monoxide gas molecules from SWCNTs functionalized with PEI under photo-irradiation energy induced by UV irradiation below a certain wavelength.
본 실시예에 따른 가스 센서에서 기능화된 전도층에 자외선을 조사하면 질소계 가스가 탈착되어 수십초 이내로 기능화된 전도층의 기능을 90 % 내지 100 % 회복할 수 있다. 예컨대, 1분 이내에 100% 회복 가능하다. When the functionalized conductive layer is irradiated with ultraviolet light in the gas sensor according to the present embodiment, nitrogen-based gas is desorbed and the function of the functionalized conductive layer within 90 seconds can be restored by 90% to 100%. For example, 100% recovery is possible within 1 minute.
본 실시예에 따른 가스 센서는 기능화된 전도층에 자외선을 조사하면 질소계 가스가 탈착되어 기능화된 전도층의 기능을 30초 이내로 100% 회복할 수 있다. In the gas sensor according to the present embodiment, when the functionalized conductive layer is irradiated with ultraviolet rays, the nitrogen-based gas is desorbed to recover 100% of the functionalized conductive layer within 30 seconds.
가스 센서에서 조사되는 자외선이 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖도록 설정한다. 바람직하게는 254 nm (~ 4.9 eV)의 UV 광 조사가 가장 빠른 회복 시간을 가진다. 이를 통해 실온에서 작동되는 고품질 일산화 질소 가스센서 구현을 하는 데 UV 광 조사는 매우 실용적이고 높은 잠재력을 가지고 있음을 알 수 있다.The ultraviolet light irradiated from the gas sensor is set to have a wavelength band of 200 nm to 300 nm. Preferably, UV light irradiation of 254 nm (~ 4.9 eV) has the fastest recovery time. Through this, it can be seen that UV light irradiation is very practical and has high potential for realizing a high-quality nitrogen monoxide gas sensor operated at room temperature.
회복시간을 단축했기 때문에, 가스센서가 NOx에 노출되면 NOx 농도의 변화에 따라서도 실시간으로 감지가 가능하다. 신호의 세기를 실시간으로 검출하여 가스 감지 여부를 실시간으로 확인할 수 있다.Since the recovery time is shortened, when the gas sensor is exposed to NOx, it can be detected in real time according to the change in NOx concentration. By detecting the intensity of the signal in real time, it is possible to check in real time whether gas is detected.
도 18 및 도 19는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 가스 센서의 성능을 기존 센서와 비교한 결과를 나타낸 도면이다.18 and 19 are diagrams showing the results of comparing the performance of a gas sensor according to other embodiments of the present invention with a conventional sensor.
도 18에 도시된 바와 같이, 12 번째 데이터가 본 실시예의 따른 가스 센서에 대한 실험 결과이다. 1 번째 데이터 내지 11 번째 데이터보다 월등하게 반응성이 높음을 파악할 수 있다.As shown in FIG. 18, the twelfth data is an experimental result of the gas sensor according to the present embodiment. It can be seen that the responsiveness is superior to the first data to the eleventh data.
도 19에서 역시 본 실시예에 따른 가스 센서의 반응성이 월등하게 우수함을 파악할 수 있다.19, it can also be seen that the reactivity of the gas sensor according to the present embodiment is excellent.
본 가스 센서가 적용된 가스 감지 장치에 포함된 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.The plurality of components included in the gas sensing device to which the present gas sensor is applied may be combined with each other and implemented as at least one module. The components are connected to a communication path connecting a software module or a hardware module inside the device to operate organically with each other. These components communicate using one or more communication buses or signal lines.
가스 감지 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.The gas sensing device may be implemented in a logic circuit by hardware, firmware, software, or a combination thereof, or may be implemented using a general purpose or special purpose computer. The device may be implemented using a fixed-wired device, a field programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC), or the like. In addition, the device may be implemented as a System on Chip (SoC) including one or more processors and controllers.
가스 감지 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.The gas sensing device may be mounted on a computing device provided with hardware elements in software, hardware, or a combination thereof. Computing devices include various devices or communication devices such as communication modems for performing communication with wired/wireless communication networks, memory for storing data for executing programs, and microprocessors for executing and calculating and executing programs. It can mean a device.
도 1 및 도 2에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 1 및 도 2에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.1 and 2 are described as sequentially executing each process, but this is merely an example, and those skilled in the art will be described in FIGS. 1 and 2 without departing from the essential characteristics of the embodiments of the present invention. It may be applied by various modifications and variations by changing the order described, executing one or more processes in parallel, or adding other processes.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present embodiments are for explaining the technical spirit of the present embodiment, and the scope of the technical spirit of the present embodiment is not limited by these embodiments. The protection scope of the present embodiment should be interpreted by the claims below, and all technical spirits within the equivalent range should be interpreted as being included in the scope of the present embodiment.
Claims (21)
상기 기판에 형성되며, 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine, PEI)을 포함하는 PEI 용액을 이용하여 PEI로 기능화된 전도층; 및
상기 PEI로 기능화된 전도층에 형성된 전극을 포함하며,
용매에 따른 상기 PEI의 중량비에 의해 ppb 레벨의 질소계 가스에 대한 반응성의 범위를 7 % 내지 50 %로 조절하며, 상기 ppb 레벨의 질소계 가스에 대한 반응성이 증가 구간 또는 포화 구간에 해당하도록 조절하며,
상기 PEI로 기능화된 전도층에 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 조사하면 상기 ppb 레벨의 질소계 가스가 탈착되어 30초 이내로 상기 PEI로 기능화된 전도층의 기능을 100 % 회복하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.Board;
A conductive layer formed on the substrate and functionalized with PEI using a PEI solution containing Polyethylenimine (PEI); And
It includes an electrode formed on the conductive layer functionalized with the PEI,
According to the weight ratio of the PEI according to the solvent, the range of reactivity to the nitrogen-based gas at the ppb level is adjusted to 7% to 50%, and the reactivity to the nitrogen-based gas at the ppb level is adjusted to correspond to the increase or saturation section And
When irradiating ultraviolet rays having a wavelength band of 200 nm to 300 nm to the conductive layer functionalized with the PEI, the nitrogen-based gas at the ppb level is desorbed to recover 100% of the function of the conductive layer functionalized with the PEI within 30 seconds. Gas sensor characterized by.
상기 기판은 폴리리신(Poly-L-Lysine)으로 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
The substrate is a gas sensor characterized in that the surface treatment with polylysine (Poly-L-Lysine).
상기 PEI로 기능화된 전도층은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 그래핀(Graphene), 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO), 산화 환원 그래핀(Reduced Graphene Oxide, RGO), 또는 이들의 조합으로 된 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
The conductive layer functionalized with the PEI includes single-walled carbon nanotubes (SWCNT), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), graphene, graphene oxide (GO), and redox graphene oxide (reduced graphene oxide) , RGO), or a combination of these, characterized in that it comprises a polymer material.
상기 PEI로 기능화된 전도층을 분석한 라만 스펙트럼에서 지 밴드(G Band) 분의 디 밴드(D Band)로 정의된 비율은 (i) 0.050 내지 0.059부터 (ii) 0.060 내지 0.069까지로 증가된 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
In the Raman spectrum analyzing the conductive layer functionalized with the PEI, the ratio defined as the D band of the G Band increased from (i) 0.050 to 0.059 to (ii) 0.060 to 0.069. Gas sensor characterized by.
상기 가스 센서는 벤젠, 톨루엔, 암모니아, 또는 이들의 조합으로 된 휘발성 유기 화합물을 포함하는 대기 환경에서 상기 질소계 가스를 선택적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
The gas sensor is a gas sensor, characterized in that for selectively detecting the nitrogen-based gas in an atmospheric environment containing a volatile organic compound of benzene, toluene, ammonia, or a combination thereof.
상기 용매 대 상기 PEI의 중량비는 0.1 wt% 이상 10 wt% 미만으로 설정하여 상기 질소계 가스에 대한 반응성을 50 %까지 증가시키거나
상기 용매 대 상기 PEI의 중량비를 10 wt% 이상으로 설정하여 상기 질소계 가스에 대한 반응성을 50 %로 포화시키는 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
The weight ratio of the solvent to the PEI is set to 0.1 wt% or more and less than 10 wt% to increase the reactivity to the nitrogen-based gas by 50% or
Gas sensor characterized in that by setting the weight ratio of the solvent to the PEI to 10 wt% or more to saturate the reactivity to the nitrogen-based gas to 50%.
상기 전극은 다중 선형전극(Interdigitated Electrode)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
The electrode is a gas sensor, characterized in that implemented as a multi-linear electrode (Interdigitated Electrode).
상기 가스 센서는 불활성 가스 환경에서 회복될 때의 회복 곡선과 대기 환경에서 회복될 때의 회복 곡선이 일부 중첩되어, 상기 불활성 가스 환경과 상기 대기 환경 각각에서 상기 가스 센서의 회복성이 기 설정된 오차 범위로 동작하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.The method of claim 6,
The gas sensor partially overlaps a recovery curve when recovering from an inert gas environment and a recovery curve when recovering from an atmospheric environment, and the recoverability of the gas sensor in each of the inert gas environment and the atmospheric environment is a predetermined error range. Gas sensor, characterized in that operating as.
상기 전원에 연결되며, 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 조사하는 광원;
상기 전원에 연결되며, 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine, PEI)을 포함하는 PEI 용액을 이용하여 PEI로 기능화된 전도층을 포함하고 상기 PEI로 기능화된 전도층과 ppb 레벨의 질소계 가스가 반응하여 전기 신호를 출력하는 가스 센서; 및
상기 가스 센서로부터 출력된 전기 신호의 세기를 측정하여 ppb 레벨의 질소계 가스 감지 여부를 실시간으로 출력하는 제어부를 포함하며,
상기 가스 센서는 용매에 따른 상기 PEI의 중량비의 농도를 기반으로 상기 ppb 레벨의 질소계 가스에 대한 반응성의 범위를 7 % 내지 50 %로 조절하며, 상기 ppb 레벨의 질소계 가스에 대한 반응성이 증가 구간 또는 포화 구간에 해당하도록 조절하며,
상기 PEI로 기능화된 전도층에 200 nm 내지 300 nm의 파장 대역을 갖는 자외선을 조사하면 상기 ppb 레벨의 질소계 가스가 탈착되어 30초 이내로 상기 PEI로 기능화된 전도층의 기능을 100 % 회복하는 것을 특징으로 하는 가스 감지 장치.power;
A light source connected to the power source and irradiating ultraviolet rays having a wavelength band of 200 nm to 300 nm;
It is connected to the power source, and includes a conductive layer functionalized with PEI using a PEI solution containing Polyethylenimine (PEI), and the conductive layer functionalized with PEI and a nitrogen-based gas at ppb level react to generate an electrical signal. A gas sensor outputting; And
It includes a control unit for measuring the intensity of the electrical signal output from the gas sensor to output in real time whether the nitrogen-based gas of ppb level is detected,
The gas sensor adjusts the range of the reactivity to the nitrogen-based gas of the ppb level to 7% to 50% based on the concentration of the weight ratio of the PEI according to the solvent, and the reactivity to the nitrogen-based gas of the ppb level increases Adjust to correspond to the section or saturation section,
When irradiating ultraviolet rays having a wavelength band of 200 nm to 300 nm to the conductive layer functionalized with the PEI, the nitrogen-based gas at the ppb level is desorbed to recover 100% of the function of the conductive layer functionalized with the PEI within 30 seconds. Gas detection device characterized by.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |