KR102311971B1 - 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법 및 그래핀-산화주석 나노 복합체 - Google Patents

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Abstract

그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법은 그래핀 및 산화 주석을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계, 분산 용액을 건조하여 분말 형태의 혼합물을 수득하는 단계 및 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 그래핀-산화주석 나노 복합체를 수득하는 단계를 포함한다.

Description

그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법 및 그래핀-산화주석 나노 복합체{MEHTOD FOR MANUFACTURING GRAPHENE-TIN OXIDE NANOCOMPOSITES AND GRAPHENE-TIN OXIDE NANOCOMPOSITES}
본 발명은 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체에 관한 것이다.
독성 가스, 폭발성 가스 및 환경 유해 가스 등을 감지하는 가스 센서(gas sensor)는 건강관리, 국방 및 환경 분야 등의 여러 관련 산업에서 중요시되고 있다. 현재, 이러한 가스 센서에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 특히 가스 감응 물질로서 금속 산화물 박막을 사용하는 반도체식 가스 센서에 대한 연구가 대표적으로 이루어지고 있다.
일반적으로, 반도체식 가스 센서는 기판, 기판 상에 형성된 전극 및 가스 감지층을 포함한다. 이때, 기판은 실리콘, 실리카 또는 알루미나 등으로 구성되고, 전극은 백금(Pt)이나 금(Au) 등의 금속으로 구성될 수 있다. 가스 감지층은 금속 산화물 박막으로 구성된다. 이러한 반도체식 가스 센서는 금속 산화물 박막(가스 감응 물질) 표면에서 가스 분자의 흡착 및 산화/환원 반응에 의한 금속 산화물 박막의 전기적 저항 변화를 이용하여 가스의 종류나 농도 등을 감지한다. 반도체식 가스 센서에 사용되는 가스 감응 물질로서의 금속 산화물은 일반적으로 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3) 산화티타늄(TiO2) 및 산화인듐(In2O3) 등의 금속 물질이 사용될 수 있다. 상술한 금속 산화물 중 산화주석(SnO2)은 다른 금속 산화물 보다 가스 분자에 대한 감응성과 선택성이 뛰어나기 때문에 가스 센서로서 많이 사용된다.
그러나, 가스 감지층으로 금속 산화물 만을 이용하는 것으로는 가스에 대한 감도 및 감응성을 향상시키는데에 있어서 한계가 있다.
최근, 가스 센서의 가스에 대한 감응성을 향상시키기 위하여 가스 감지층의 표면적을 증가시키기 위한 방법이 연구되어 왔다. 이를 위해, 가스 감지층을 나노 구조체로 형성할 수 있다. 예를 들어, 산화주석과 그래핀이 혼합된 나노 복합체를 이용할 수도 있다.
한편, 그래핀-산화주석 나노 복합체는 다른 분야에서 적용되는 나노 복합체의 제조방법을 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, 수열 합성법을 이용할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 그라파이트(graphite) 분말, 금속 전구체, PH 조절제, 계면 활성제와 같은 합성 재료를 준비한 후, 고온의 조건에서 증류수에 혼합한 다음 열반응시키는 수열 합성법을 통해 그래핀-금속 산화물 나노 복합체를 제조할 수 있다.
그러나, 종래의 수열 합성법을 수행하기 위해서는 그라파이트를 그래핀으로 분리하는 공정을 별도로 필요하며, 이때, 고온의 온도가 요구된다. 또한, 수열 합성 공정에서도 500℃ 이상의 고온이 필요하므로, 합성 공정에서 이러한 높은 온도로 가열하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 수열 합성에 필요한 온도를 맞추기 위한 승온 속도에 의해 공정 시간이 길어지므로, 공정 비용이 증가되는 문제점이 있다. 또한, 그라파이트 분말 용액에 투입되는 계면 활성제는 불필요한 부반응을 수반하여 나노 복합체의 물성에 부정적인 영향을 줄 수 있는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온에서 수행될 수 있고 공정이 단순화된 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 제조 비용이 감소될 수 있는 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 질소 산화물 가스에 대하여 감응도가 우수한 그래핀-산화주석 나노 복합체 및 이를 이용한 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법은 그래핀 및 산화 주석을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계, 분산 용액을 건조하여 분말 형태의 혼합물을 수득하는 단계 및 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 그래핀-산화주석 나노 복합체를 수득하는 단계를 포함한다. 그래핀과 산화주석에 마이크로웨이브를 조사함으로써, 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 공정을 단순화 시키고 제조 시간 및 비용을 감소시킬 수 있으며 저온에서 그래핀-산화주석 나노 복합체를 제조할 수 있다. 또한, NO2 가스에 대한 감응성이 향상된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 제조할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 분말 형태의 그래핀과 산화주석에 마이크로웨이브를 조사함으로써 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 공정을 단순화시키고 제조 시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 저온에서 그래핀-산화주석 나노 복합체를 제조할 수 있다.
본 발명은 그래핀-산화주석 나노 복합체의 NO2 가스에 대한 감도 및 감응성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 실시예 및 비교예들에 따른 가스 센서의 NO2 가스에 대한 감도, 감응 시간 및 회복 시간을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체 제조 방법은 그래핀 및 산화주석을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계(S110), 분산 용액을 건조하여 분말 형태의 혼합물을 수득하는 단계(S120), 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 그래핀-산화주석 나노 복합체를 수득하는 단계(S130), 그래핀-산화주석 나노 복합체를 유기 용매에 분산시키는 단계(S140) 및 분산된 나노 복합체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계(S150)를 포함한다.
먼저, 그래핀 및 산화주석을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조한다(S110).
그래핀 및 산화주석은 분말 형태로 이용될 수 있다. 분말 형태의 그래핀 및 산화주석을 유기 용매 내에 균일하게 분산시킨다. 그래핀 및 산화주석을 유기 용매에 분산시킴으로써, 단순히 분말 형태의 그래핀 및 산화주석을 혼합하는 경우 보다 그래핀 및 산화주석이 균일하게 혼합될 수 있어, 최종 그래핀-산화주석 나노 구조체의 성능이 향상될 수 있다.
한편, 그래핀 및 산화주석를 분산시키는 과정에서 그래핀과 산화주석을 유기 용매에 혼합한 다음 초음파 처리를 할 수도 있다.
그래핀 대 산화주석의 함량비는 고형분을 기준으로 0.1:99.9 내지 5:95일 수 있고, 0.5:99.5 내지 1:99인 것이 더욱 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다. 그래핀과 산화주석의 함량비가 상기 범위를 만족하는 경우, 산화주석의 전기 전도도가 충분하여, 최종적으로 형성된 그래핀-산화주석 나노 구조체의 가스에 대한 감응도가 향상될 수 있다. 특히, 그래핀의 함량이 상기 범위보다 적은 경우, 추후의 마이크로웨이브 조사에 의한 급격한 온도 상승 효과의 영향이 적어 산화 주석의 2차 입자의 형성이 어려울 수 있다. 반면, 그래핀의 함량이 상기 범위보다 많은 경우, 그래핀의 응집 현상으로 분산도를 떨어트려 가스에 대한 감응도가 저하될 수 있다.
유기 용매는 그래핀과 산화주석을 분산시킬 수 있는 용매이면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 유기 용매는 에탄올 및 글리콜과 같은 알코올계 유기 용매일 수 있다.
분산 용액을 건조하여 분말 형태의 혼합물을 수득한다(S120).
S110 단계에서 제조된 그래핀 및 산화주석을 포함하는 분산 용액을 건조한다. 분산 용액을 건조하는 방법으로 열을 가하거나 감압하는 방법을 사용할 수 있다. 열을 가하여 용매를 증발시키는 방법은 승온 공정을 거쳐야 한다는 점에서 비경제적인 측면이 있다. 이에 분산 용액을 감압하는 방법이 보다 바람직하다. 구체적으로, S110 단계에서 제조된 분산 용액을 아스피레이터(aspirator)와 같은 감압 거름 장치를 이용하여 곧바로 건조하여 분말 형태의 그래핀과 산화주석의 혼합물을 수득할 수 있다.
혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 그래핀-산화주석 나노 복합체를 수득한다(S130).
구체적으로, S120 단계에서 수득한 그래핀과 산화주석의 혼합물을 용기에 넣은 후 마이크로웨이브를 직접 조사한다. 마이크로웨이브를 혼합물에 직접 조사함으로써, 분말 형태의 그래핀과 산화주석의 혼합물을 빠르고 균일하게 가열시킬 수 있다. 또한, 마이크로웨이브를 이용하는 경우, 환류 장치를 이용한 가열 방법에 비해 매우 빠른 승온율을 가지며, 그래핀과 산화주석의 혼합물 전체를 균일하게 가열하는 장점이 있어, 반응 시간을 대폭 단축할 수 있다는 장점이 있다.
이로써 제한되는 것은 아니나, 마이크로웨이브는 500w 내지 2000w의 출력으로 조사되는 것이 바람직하다. 마이크로웨이브의 출력이 상기 범위를 만족하는 경우, 그래핀과 산화주석의 혼합물에 빠른 시간 내에 충분한 에너지를 가하여 반응 시간을 감소시킬 수 있으며, 그래핀 및 산화주석의 결정 및 구조적인 변경을 야기하지 않을 수 있다.
또한, 이로써 제한되는 것은 아니나, 마이크로 웨이브는 1분 내지 10분간 조사되는 것이 바람직하다. 마이크로웨이브의 조사 시간이 상기 범위를 만족하는 경우, 그래핀 및 산화주석에 손상 없이 충분히 에너지를 인가할 수 있다.
상술한 바와 같이, 분산 용액을 건조하여 얻은 그래핀과 산화주석의 혼합물에 직접 마이크로웨이브를 조사함으로써, 그래핀-산화주석 나노 복합체가 형성된다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 그래핀-산화주석 나노 복합체에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 모식도를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체는 그래핀(C) 및 산화주석을 포함하며, 그래핀(C) 표면에 산화주석이 흡착 또는 배치된 구조를 가진다. 이때, 산화주석은 1차 입자(primary particle)(A) 및 2차 입자(secondary particle)(B)로 그래핀 표면에 배치된다.
산화 주석의 1차 입자(A)는 나노 복합체의 제조 과정에서 최초 사용된 분말 형태의 산화 주석으로부터 기인한 결정 입자이다. 즉, 최초 산화 주석의 형태를 그대로 유지하는 산화 주석의 결정이다. 한편, 산화 주석의 2차 입자(B)는 나노 복합체의 제조 과정에서 마이크로웨이브에 의해 산화 주석이 일시적으로 기화한 다음 그래핀(C) 표면에 흡착하여 고체화된 결정 입자이다. 산화 주석의 2차 입자(B)는 1nm 내지 20nm의 크기를 가지는바, 수백 nm의 크기를 가지는 1차 입자(A)에 비하여 현저히 작은 크기를 갖는다. 산화 주석의 2차 입자는 단순히 1차 입자로만 구성된 그래핀과 산화주석의 혼합물에 비하여 가스에 대한 감응도를 크게 향상시킬 수 있다.
상술한 산화주석의 1차 입자 및 2차 입자를 포함하는 그래핀-산화주석 나노 복합체의 구조는 SEM(scanning electron microscope) 이미지로 직접 확인이 가능하다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 SEM 이미지이다. 구체적으로, 도 3a는 마이크로미터 스케일의 SEM 이미지이여, 도 3b는 나노미터 스케일의 SEM 이미지이다.
도 3b를 참조하면, 100nm 이상의 크기를 가지는 산화 주석의 1차 입자가 배치되며, 그래핀 표면 상에 10nm 내지 20nm의 크기를 갖는 산화 주석의 2차 입자가 형성된 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체는 입자 간 interstitial 위치에 주석 원자가 삽입된 구조를 가진다. 구체적으로, 그래핀과 산화주석의 혼합물에 마이크로웨이브가 조사됨으로써, 부분적으로 산화주석이 분해되어 주석 원자가 형성된다. 이러한 주석 원자는 각각의 산화주석 및 그래핀 입자들 사이인 interstitial 위치에 삽입될 수 있다. 이러한, 주석 원자는 디펙트(defect)로서 작용하여, 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체 NO2 가스를 흡착하는데 도움을 준다. 보다 구체적으로, 디펙트로서 interstitial 위치에 삽입된 주석 원자는 주변의 다른 원자들 보다 에너지적으로 불안정한 상태를 가지며, 이로 인해 주변의 다른 원자들에 비해 에너지가 상대적으로 높아 NO2와의 흡착이 더욱 잘 일어나게 된다. 이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서는 종래의 산화주석을 포함하는 가스 센서나 수열 합성법을 이용하여 형성된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서에 비하여, NO2 가스에 대한 감응도가 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법은 필름 형상 또는 코팅된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 형성하기 위하여, 그래핀-산화주석 나노 복합체를 에탄올에 분산시키는 단계(S140) 및 분산된 나노 복합체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서를 제조할 수 있다.
구체적으로, 다시 도 1을 참조하면, S130 단계를 통해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 유기 용매에 분산시킨다(S140). 이후, 분산된 나노 복합체 용액을 스프레이법, 스크린 프린팅법, 잉크젯법, 스핀 코팅법, 솔루션 캐스팅(solution cating)법 등을 이용하여 기판 상에 코팅한다(S150). 추가적으로 코팅된 용액을 건조시키는 과정을 통하여, 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법은 그래핀과 산화주석에 마이크로웨이브를 조사함으로써 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 공정을 단순화 시키고, 저온에서 그래핀-산화주석 나노 복합체를 제조할 수 있다. 이를 통해, 제조 시간 및 제조 비용을 현자하게 감소시킬 수 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법에 의해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체는 산화주석의 2차 입자를 포함하며, 입자 간 interstitial 위치에 삽입된 주석 원자를 포함한다. 이로 인해, 종래의 산화주석을 포함하는 가스 센서에 비해 NO2 가스에 대한 감응성이 크게 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법에 의해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 가스 감지층(120) 및 전극(130)을 포함한다.
기판(110)은 가스 감지층(120) 및 기판(110)을 지지할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 유리, 석영, 금속산화물 및 플라스틱 필름 등으로부터 선택될 수 있으나, 이로써 제한되지는 않는다. 또한, 기판(110)은 0.05㎜ 내지 10㎜의 두께를 가질 수 있으나, 이로써 제한되지는 않는다.
가스 감지층(120)은 가스를 감지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서는 그래핀-산화주석 나노 복합체를 가스 감지층(120)으로 사용한다. 그래핀-산화주석 나노 복합체로 이루어진 가스 감지층(120)은 질소 산화물 가스(NOx)에 대한 감응성이 우수하다. 또한, 가스 감지층(120)은 그래핀-산화주석 나노 복합체 외에 산화텅스텐 (WO3), 산화주석 (SnO2), 산화니오브(Nb2O5), 산화아연 (ZnO), 산화인듐 (In2O3), 산화철 (Fe2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화코발트 (Co2O3) 및 산화갈륨 (Ga2O3) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속 산화물을 더 포함할 수도 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
가스 감지층(120)은 5㎛ 이하의 두께, 바람직하게는 1㎚ 내지 1000㎚의 나노 두께를 가질 수 있으나, 이제 제한되지는 않는다.
전극(130)은 전도성을 가지는 물질일 수 있고, 예를 들어, 금속 또는 금속 산화물일 수 있다. 구체적으로, 전극(130)을 구성하는 물질은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니오브(Nb), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 갈륨(Ga) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 이의 산화물일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 전극(130)은 복수의 물질을 적층한 2중층 구조 또는 3중층 구조로 형성될 수도 있고, 2가지 물질을 혼합한 혼합층일 수도 있다.
전극(130)은 1㎚ 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
전극(130)은 기판(110) 상에 또는 가스 감지층(120) 상에 증착을 통해 형성될 수 있으며, 예를 들어, 스퍼터 증착법, 전자선 증착법, 화학증기 증착법 또는 습식증착법 등을 통해 형성될 수 있다. 이때, 전극(130)은 다양한 형상의 패턴(pattern)을 가질 수 있다. 도 5는 전극(130)의 예시적인 패턴을 보여준다. 전극(130)은 도 5에 예시한 바와 같은 손가락 형태로 맞물린 전극(130)(IDE, interdigitated electrode) 패턴을 가질 수 있다. 구체적으로, 전극(130)은 도 5에 도시한 바와 같이 손가락 형상(또는 빗 모양)을 가지는 제1 패턴(131)과 제2 패턴(132)이 서로 맞물린 형상으로 가스 감지층(120) 상에 형성될 수 있다. 한편, 도 5에서는 전극(130)이 가스 감지층(120) 상에 배치된 구조를 도시하고 있으나, 전극(130)은 가스 감지층(120)과 동일 평면에서 기판(110) 상에 직접 배치될 수도 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이며, 하기 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 - 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 및 가스 센서의 제조
먼저, 산화 주석 파우더(대정화금 社) 9.95g과 그래핀 파우더 0.05g을 에탄올(500ml)에 분산시킨다. 분산된 용액을 아스피레이터를 이용하여 분말만 채취하고 진공 상태에서 24시간 동안 건조시켜, 그래핀 및 산화 주석의 분말 형태의 혼합물을 수득한다. 혼합물을 알루미나 용기에 넣은 후 1kW 출력의 마이크로웨이브를 5분간 조사하여, 그래핀-산화주석 나노 복합체를 제조한다.
제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체를 에탄올에 다시 분산시킨 다음, 140~160℃의 열을 가하는 SiO2 기판 위에 스프레이 코팅을 하여, 가스 감지층을 형성한다. 가스 감지층 상에 Ti 50 nm/Au 300 nm를 스퍼터링 공정 (Emitech社, K575X)을 통하여 전극을 증착시켜, SiO2/가스 감지층/전극 형상을 갖는 가스 센서를 제조하였다.
비교예 1
산화 주석 파우더(대정화금 社)를 에탄올에 분산시킨 다음, 140~160℃의 열을 가하는 SiO2 기판 위에 스프레이 코팅을 하여, 가스 감지층을 형성한다. 가스 감지층 상에 Ti 50 nm/Au 300 nm를 스퍼터링 공정 (Emitech社, K575X)을 통하여 전극을 증착시켜, 가스 센서를 제조하였다.
비교예 2
먼저, 산화 주석 파우더(대정화금 社) 9.95g과 그래핀 파우더 0.05g을 에탄올(500ml)에 분산시킨 다음, 140~160℃의 열을 가하는 SiO2 기판 위에 스프레이 코팅을 하여, 가스 감지층을 형성한다. 가스 감지층 상에 Ti 50 nm/Au 300nm를 스퍼터링 공정 (Emitech社, K575X)을 통하여 전극을 증착시켜, 가스 센서를 제조하였다.
실험예 1 - NO 2 가스에 대한 감도 평가
상기 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 가스 센서에 대해서 NO2 가스에 대한 감도(response)를 평가하였다. 구체적으로, 제조된 가스 센서에 Mass Flow Controller(MJ Technics社, Model MR-5000-4channels) 를 이용하여 Dry Air와 NO2 gas를 흘려주었다. 멀티미터 (Keithly社, Medel 2400 Series Sourcemeter)를 이용하여 Dry Air 상태와 NO2 가스 상태에서 센서의 저항 변화를 측정하였다. 도 5a는 NO2 가스 농도에 따른 감도 평가 결과를 나타낸 곡선이고, 도 5b는 NO2 가스 농도 별 감도 변화에 따른 감도를 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 5a에 나타난 바와 같이, 가스 센서의 가스 감지층이 산화 주석 산화으로 이루어진 비교예 1의 경우, NO2 가스에 대한 반응이 매우 미비하였다. 한편, 마이크로웨이브의 조사 없이 그래핀과 산화 주석을 혼합하여 가스 간지층을 형성한 비교예 2의 경우, 비교예 1에 비하여 NO2 가스에 대한 반응이 다소 상승하였으나, 실시예 1에 비하여 감도가 현저히 부족한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5b에 나타난 바와 같이, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 가스 센서에 비하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체을 포함하는 가스 센서는 농도에 따른 NO2 가스에 대한 반응이 현저히 큰 것을 확인할 수 있다.
실험예 2 - NO 2 가스에 대한 감응 시간 및 회복 시간 평가
상기 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 가스 센서에 대해서 NO2 가스에 대한 감응 시간 및 회복 시간 평가하였다. 구체적으로, NO2 가스에 대한 감응 시간은 NO2 가스 농도에 따라, 가스 센서의 저항이 최초 저항의 90%까지 상승하는 데에 까지 걸리는 시간으로 측정하였다. 또한, NO2 가스에 대한 회복 시간은 NO2 가스를 제거한 후, 가스 센서의 저항 값이 NO2 가스가 존재할 때 측정된 최대 저항 값의 90% 수준으로 감소되는 데에 가지 걸리는 시간으로 측정하였다. 도 5c는 NO2 가스 농도에 따른 가스 센서의 감응 시간을 나타낸 그래프이고, 도 5d는 NO2 가스 농도에 가스 센서의 회복 시간을 나타낸 그래프이다.
도 5c를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 실시예에 따른 가스 센서가 동일한 농도의 NO2 가스에 노출되는 경우, NO2를 빠르게 흡착하여, 가스의 존재를 빠르게 감지할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 감응성이 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 도 5d를 참조하면, 실시예에 따른 가스 센서가 dry Air에 노출되는 경우 흡착했던 NO2를 빠르게 배출할 수 있어, 가스 센서가 빠른 시간 내에 다시 활성화될 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 다음과 같이 설명될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법은 그래핀 및 산화 주석을 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계, 분산 용액을 건조하여 분말 형태의 혼합물을 수득하는 단계 및 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 그래핀-산화주석 나노 복합체를 수득하는 단계를 포함한다.
그래핀 및 산화 주석은 분말 형태일 수 있다.
그래핀과 산화 주석의 함량비는 고형분을 기준으로 0.1:99.9 내지 5:95일 수 있다.
마이크로웨이브는 500w 내지 2000w의 출력으로 조사될 수 있다.
마이크로웨이브는 1분 내지 10분간 조사될 수 있다.
유기 용매는 알코올계일 수 있다.
그래핀-산화주석 나노 복합체를 유기 용매에 분산시키는 단계 및 분산된 나노 복합체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체는 그래핀-산화주석 나노 복합체는 산화 주석의 1차 입자(primary particle) 및 산화 주석의 2차 입자(secondary particle)를 포함할 수 있다.
그래핀-산화주석 나노 복합체는 주석 원자가 입자 간 interstitial 위치에 삽입될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법에 의해 제조된 나노 복합체를 포함한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 가스 센서
110: 기판
120: 가스 감지층
130: 전극

Claims (11)

  1. 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법에 있어서,
    그래핀 및 산화 주석을 알코올계 유기 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계;
    상기 분산 용액을 건조하여 분말 형태의 혼합물을 수득하는 단계; 및
    상기 혼합물에 마이크로웨이브를 조사하여 그래핀-산화주석 나노 복합체를 수득하는 단계를 포함하고,
    상기 그래핀과 상기 산화 주석의 함량비는 고형분을 기준으로 0.1:99.9 내지 5:95이고,
    상기 그래핀-산화주석 나노 복합체는 수백 nm의 입자 크기를 가지는 산화 주석의 1차 입자(primary particle) 및 1nm 내지 20nm의 입자 크기를 가지는 산화 주석의 2차 입자(secondary particle)를 포함하는 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 및 상기 산화 주석은 분말 형태인 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브는 500 내지 2000w의 출력으로 조사되는 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브는 1분 내지 10분간 조사되는 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀-산화주석 나노 복합체를 유기 용매에 분산시키는 단계; 및
    분산된 나노 복합체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계를 더 포함하는 그래핀-산화주석 나노 복합체의 제조 방법.
  8. 상기 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 및 제7항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 그래핀-산화주석 나노 복합체.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 그래핀-산화주석 나노 복합체는 주석 원자가 입자 간 interstitial 위치에 삽입된 그래핀-산화주석 나노 복합체.
  11. 제8항에 따른 그래핀-산화주석 나노 복합체를 포함하는 가스 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015, Vol. 7, pp. 24338-24352 (2015.10.19.)*

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