KR102356185B1 - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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김기범
정성용
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO)로 이루어진 가스 감응층; 을 포함하는 가스 센서를 개시한다.The present invention provides a gas-sensitive layer made of nickel oxide (NiO) to which titanium (Ti) is added; Disclosed is a gas sensor comprising a.

Description

가스 센서 및 이의 제조 방법{GAS SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}GAS SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

본 발명은 가스 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor and a method for manufacturing the same.

산화물 반도체형 가스센서는 높은 가스 감도, 빠른 응답속도, 경제적인 가격 및 소형 집적화 등의 장점이 있어 모바일 및 소형기기에 탑재한 센서 응용에 유리하다. 또한, 폭발성 가스 검출, 산업용 가스 감지, 운전자 음주여부 측정, 냉장고의 식재료 신선도 측정 센서, 차량 내부나 실내의 환경가스 모니터링 등과 같은 다양한 분야에서 널리 활용될 수 있다.The oxide semiconductor type gas sensor has advantages such as high gas sensitivity, fast response speed, economical price, and small size integration, so it is advantageous for sensor applications mounted on mobile and small devices. In addition, it can be widely used in various fields, such as explosive gas detection, industrial gas detection, driver's drunkenness measurement, a food freshness sensor of a refrigerator, and environmental gas monitoring inside a vehicle or indoors.

최근 산업의 첨단화 및 인체 건강, 환경오염에 대한 관심이 심화됨에 따라 실내외 환경가스 검출 센서, 질병 자가진단용 가스센서, 모바일 기기에 탑재 가능한 고성능의 인공 후각 센서 등에 사용될 고기능성 가스 감응물질이 요구되고 있다. 특히, 많은 사람들이 일상생활에서 오랜 시간 활동하는 주거 공간과 사무 공간 등의 실내에는 다양한 실내오염 물질이 존재하기 때문에, 이들에 대한 정밀한 모니터링이 실시간으로 가능한 실내오염 측정센서가 요구된다.With the recent advancement of industry and growing interest in human health and environmental pollution, high-functional gas-sensitive materials are required to be used in indoor and outdoor environmental gas detection sensors, gas sensors for self-diagnosis of diseases, and high-performance artificial olfactory sensors that can be mounted on mobile devices. . In particular, since various indoor pollutants exist indoors, such as residential and office spaces, where many people are active for a long time in daily life, an indoor pollution measurement sensor capable of precise monitoring of these in real time is required.

감지가 필요한 유해가스 중에서도 휘발성 유기화합물은 인체에 유해하고, 소량이 존재할 경우 그 존재의 유무를 파악하기 어렵다. 벤젠, 자일렌, 톨루엔, 포름알데히드, 에탄올, 포름알데히드 등의 휘발성 유기화합물은 가구나 페인트, 유기용제, 도료, 가죽제품, 마감재 등 지속적으로 발생하며, 인체에 장시간 노출될 시 두통, 현기증, 안구질환, 피부질환, 암 등의 각종 치명적인 질환을 유발할 수 있다.Among the harmful gases that need to be detected, volatile organic compounds are harmful to the human body, and it is difficult to determine whether they exist in small amounts. VOCs such as benzene, xylene, toluene, formaldehyde, ethanol, and formaldehyde are continuously generated in furniture, paints, organic solvents, paints, leather products, and finishing materials. It can cause various fatal diseases such as , skin diseases, and cancer.

따라서, 메틸벤젠을 고감도, 고선택적으로 감지할 수 있는 감응물질이 필요하다. 또 응용분야의 요구에 따라서 감응 특성을 조절할 수 있는 가스센서의 필요성 역시 크게 증가하고 있다. 하지만 현재 이용되고 있는 대부분의 산화물 반도체형 가스센서는 상기 가스들에 대해 유사한 감도를 보이거나 알코올과 포름알데히드 등 반응성이 높은 가스에 대해서만 큰 감도를 나타내는 문제점이 있기 때문에 자일렌 또는 메틸벤젠을 선택적으로 검지할 수 있는 감응물질이 요구된다. 또한 응용분야의 요구사항에 대응하여 가스센서 특성을 조절하는 것은 매우 어려운 기술적 과제이다.Therefore, there is a need for a sensitive material capable of detecting methylbenzene with high sensitivity and high selectivity. In addition, the need for a gas sensor capable of adjusting the sensitivity characteristics according to the needs of the application field is also increasing significantly. However, most of the oxide semiconductor type gas sensors currently used have a problem in that they show similar sensitivity to the above gases or show great sensitivity only to highly reactive gases such as alcohol and formaldehyde. A sensitive material that can be detected is required. In addition, it is a very difficult technical task to adjust the gas sensor characteristics in response to the requirements of the application field.

본 발명은 티타늄이 첨가된 산화니켈을 이용하여 에탄올, 벤젠, 포름알데히드 등의 방해가스에 대한 가스 감도는 매우 작으면서, 자일렌과 톨루엔에 대해서는 높은 감도와 선택성을 나타내는 가스 센서 가스 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is a gas sensor gas sensor showing high sensitivity and selectivity to xylene and toluene while gas sensitivity to interfering gases such as ethanol, benzene, and formaldehyde by using titanium-added nickel oxide, and manufacturing thereof The purpose is to provide a method.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood

본 발명의 실시예에 따른 가스 센서는 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO)로 이루어진 가스 감응층; 을 포함한다.A gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a gas sensitive layer made of nickel oxide (NiO) to which titanium (Ti) is added; includes

또한, 상기 가스 감응층에서 티타늄과 니켈의 몰농도비(Ti/Ni)는 0.02 내지 0.3일 수 있다.In addition, the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium and nickel in the gas-sensitive layer may be 0.02 to 0.3.

또한, 상기 가스 감응층은 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO)로 구성되는 복수의 구조체를 포함할 수 있다.Also, the gas-sensitive layer may include a plurality of structures made of nickel oxide (NiO) to which titanium (Ti) is added.

또한, 상기 구조체의 직경은 0.2㎛ 내지 5㎛일 수 있다.In addition, the diameter of the structure may be 0.2㎛ to 5㎛.

또한, 상기 구조체는 멀티룸 중공 구체의 형상을 가질 수 있다.In addition, the structure may have the shape of a multi-room hollow sphere.

또한, 상기 구조체는 중공 구체의 형상을 가질 수 있다.In addition, the structure may have the shape of a hollow sphere.

또한, 상기 구조체는 고상 혼합체 미분말일 수 수 있다.In addition, the structure may be a solid mixture fine powder.

또한, 상기 가스 감응층의 두께는 2㎛ 내지 40㎛일 수 있다.In addition, the thickness of the gas-sensitive layer may be 2㎛ to 40㎛.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법은 (A) 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체를 형성하는 단계; 및 (B) 상기 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체로 가스 감응층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the manufacturing method of the gas sensor according to an embodiment of the present invention comprises the steps of (A) forming a nickel oxide (NiO) structure to which titanium (Ti) is added; and (B) forming a gas-sensitive layer using the titanium (Ti)-added nickel oxide (NiO) structure.

또한, 상기 (A) 단계는 (A-1) 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 내지 0.3가 되도록 티타늄(Ti) 전구체 및 산화니켈(NiO) 전구체를 포함하는 혼합액을 준비하는 단계, 및 (A-2) 초음파 분무 열분해법을 통해 상기 혼합액으로 상기 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (A) includes (A-1) a titanium (Ti) precursor and a nickel oxide (NiO) precursor such that the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium (Ti) and nickel (Ni) is 0.02 to 0.3 and (A-2) forming a nickel oxide (NiO) structure to which titanium (Ti) is added with the mixed solution through ultrasonic spray pyrolysis.

또한, 상기 (A-2) 단계에서 형성된 상기 구조체는 멀티룸 중공 구체 및 중공 구체의 형상을 가질 수 있다.In addition, the structure formed in step (A-2) may have the shape of a multi-room hollow sphere and a hollow sphere.

또한, 상기 (A-2) 단계에서 형성된 상기 구조체의 직경은 0.2㎛ 내지 5㎛일 수 있다.In addition, the diameter of the structure formed in step (A-2) may be 0.2㎛ to 5㎛.

또한, 상기 (A) 단계는 (A-3) 산화티타늄(TiO2) 분말과 산화니켈(NiO) 분말의 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 내지 0.3가 되도록 혼합하여 고상 혼합물을 준비하는 단계, 및 (A-4) 상기 고상 혼합물을 고상 반응법을 통해 상기 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 고상 혼합체 미분말을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step (A) is (A-3) preparing a solid mixture by mixing the titanium oxide (TiO 2 ) powder and the molar concentration ratio (Ti/Ni) of the nickel oxide (NiO) powder to be 0.02 to 0.3; and (A-4) forming a fine powder of a nickel oxide (NiO) solid mixture to which titanium (Ti) is added through a solid-phase reaction method using the solid-phase mixture.

또한, 상기 (A-4) 단계에서 형성된 상기 고상 혼합체 미분말의 직경은 0.2㎛ 내지 5㎛일 수 있다.In addition, the diameter of the fine powder of the solid mixture formed in step (A-4) may be 0.2㎛ to 5㎛.

또한, 상기 (B) 단계에서 형성된 상기 가스 감응층의 두께는 2㎛ 내지 40㎛일 수 있다.In addition, the thickness of the gas-sensitive layer formed in step (B) may be 2㎛ to 40㎛.

본 발명의 실시예에 따르면, 티타늄이 첨가된 산화니켈을 이용하여 에탄올, 벤젠, 포름알데히드 등의 방해가스에 대한 가스 감도는 매우 작으면서, 자일렌과 톨루엔에 대해서는 높은 감도와 선택성을 나타낼 수 있다.According to an embodiment of the present invention, using nickel oxide to which titanium is added, gas sensitivity to interfering gases such as ethanol, benzene, and formaldehyde is very small, and high sensitivity and selectivity to xylene and toluene can be exhibited. .

또한, 티타늄의 첨가는 산화니켈의 정공(hole) 농도를 조절해 고감도를 구현하게 하며, 산화니켈의 산화 촉매 활성도를 증가시켜 가스의 완전산화 또는 개질이 가능하도록 한다.In addition, the addition of titanium realizes high sensitivity by controlling the hole concentration of nickel oxide, and increases the oxidation catalytic activity of nickel oxide to enable complete oxidation or reforming of the gas.

이때 에탄올, 포름알데히드와 같은 반응성이 큰 가스의 경우 반응성이 작은 가스로 분해하여 감도를 낮추고, 상대적으로 반응성이 낮은 자일렌, 톨루엔을 반응성이 우수한 가스들로 개질하여 고감도, 고선택적으로 감지할 수 있게 한다. 또한 가스 감응층 두께와 감응층을 구성하는 물질의 조성을 조절하여 자일렌 및 메틸벤젠의 감지 특성을 효과적으로 조절할 수 있다.At this time, highly reactive gases such as ethanol and formaldehyde are decomposed into less reactive gases to lower the sensitivity, and xylene and toluene, which are relatively less reactive, are reformed with highly reactive gases to detect highly sensitive and highly selective gases. let there be In addition, the sensing characteristics of xylene and methylbenzene can be effectively controlled by adjusting the thickness of the gas-sensitive layer and the composition of the material constituting the sensitive layer.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 가스 센서를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서 제조 방법을 나타낸 순서도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 제조 방법을 나타낸 순서도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 SEM 및 TEM이미지고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 원소분석 이미지이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 구조를 설명하기 위한 예시도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감응층의 두께를 설명하기 위한 SEM 이미지이고,
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 X-ray 회절분석 결과이고,
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따른 가스 센서에서 1 ppm 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 13은 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 1-2, 실시예 2-2 및 기존 연구결과와 비교한 자일렌 가스에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 14는 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 1-2의 자일렌 가스 농도(25-125 ppb)에 따른 가스 감응 특성 결과 및 반복적인 자일렌 가스(50 ppb) 감응 특성 결과를 나타낸 그래프이고,
도 15는 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 3-1 및 비교예 3-1에 따른 가스 센서에서 1 ppm 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 16은 본 발명의 실시예 4 및 비교예 4에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 X-ray 회절분석 결과이고,
도 17은 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 4-1 및 비교예 4-1에 따른 가스 센서에서 실시예 4-1, 비교예 4-1의 1 ppm 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 18은 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 5-1의 1 ppm 에탄올, 자일렌에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 and 2 are cross-sectional views schematically showing a gas sensor according to the present invention,
3 is a flowchart illustrating a gas sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention;
4 is a flowchart showing a gas sensor manufacturing method according to another embodiment of the present invention,
5 is an SEM and TEM image of a nickel oxide structure to which titanium is added according to an embodiment of the present invention;
6 is an elemental analysis image of a nickel oxide structure to which titanium is added according to an embodiment of the present invention;
7 is an exemplary view for explaining the structure of a nickel oxide structure to which titanium is added according to an embodiment of the present invention,
8 is a SEM image for explaining the thickness of the gas-sensitive layer according to an embodiment of the present invention,
9 and 10 are X-ray diffraction analysis results of titanium-added nickel oxide structures according to an embodiment and a comparative example of the present invention;
11 and 12 are graphs showing the comparison of gas sensitivities to 1 ppm ethanol, xylene, toluene, benzene, and formaldehyde in the gas sensors according to Examples 1, 2 and Comparative Examples of the present invention,
13 is a graph showing the gas sensitivity to xylene gas compared to Examples 1-2 and 2-2 of the present invention and the existing research results at an operating temperature of 350 degrees by comparison;
14 is a graph showing the gas response characteristic results and repetitive xylene gas (50 ppb) response characteristic results according to the xylene gas concentration (25-125 ppb) of Example 1-2 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees. ,
15 is a graph showing the comparison of gas sensitivities to 1 ppm ethanol, xylene, toluene, benzene, and formaldehyde in the gas sensor according to Example 3-1 and Comparative Example 3-1 of the present invention at an operating temperature of 350 ° C. ,
16 is an X-ray diffraction analysis result of the titanium-added nickel oxide structure according to Example 4 and Comparative Example 4 of the present invention;
17 is a gas sensor according to Example 4-1 and Comparative Example 4-1 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees 1 ppm ethanol, xylene, toluene, benzene of Example 4-1, Comparative Example 4-1, It is a graph showing a comparison of gas sensitivity to formaldehyde,
18 is a graph showing a comparison of gas sensitivities to 1 ppm ethanol and xylene of Example 5-1 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the shapes of elements in the drawings are exaggerated to emphasize a clearer description.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.The configuration of the invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment of the present invention, but the same in assigning reference numbers to the components of the drawings For the components, even if they are on different drawings, the same reference numbers are given, and it is noted in advance that the components of other drawings can be cited when necessary in the description of the drawings.

본 발명에 따른 가스 센서는 티타늄이 첨가된 산화니켈로 이루어진 가스 감응층을 포함하는 가스 센서이다. 본 발명 이전에, 티타늄이 첨가된 산화니켈이 에탄올, 벤젠, 일산화탄소, 포름알데히드와 같은 방해가스에 대한 가스 감도는 작으면서도, 유독 자일렌 및 톨루엔에 대해서는 높은 선택성을 가지는 고감도, 고선택성의 산화물은 알려지지 않았으며 이것은 본 발명에서 처음으로 밝혀낸 용도 및 효과이다.A gas sensor according to the present invention is a gas sensor including a gas sensitive layer made of nickel oxide to which titanium is added. Prior to the present invention, titanium-added nickel oxide has low gas sensitivity to interfering gases such as ethanol, benzene, carbon monoxide, and formaldehyde, but has high selectivity for toxic xylene and toluene. It is unknown and this is the use and effect discovered for the first time in the present invention.

또한, 본 발명에 따른 가스 센서는 순수한 NiO에 첨가되는 Ti 농도의 및 가스 감응층의 두께 조절에 따라 에탄올, 벤젠, 포름알데히드와 같은 방해가스에 대한 가스 감도는 작으면서도, 자일렌 또는 메틸벤젠에 대해서는 높은 선택성을 가지는 고감도, 고선택성의 산화물 반도체형 가스센서의 설계가 가능하다.In addition, the gas sensor according to the present invention has a small gas sensitivity to interfering gases such as ethanol, benzene, and formaldehyde depending on the concentration of Ti added to pure NiO and control of the thickness of the gas sensitive layer, It is possible to design a high-sensitivity, high-selectivity oxide semiconductor-type gas sensor with high selectivity.

또한, 단순히 방해가스에 대한 선택성뿐만 아니라, 두께 조절을 통해 저농도의 자일렌, 넓은 농도 범위의 자일렌에 대한 감도를 조절하여 다양한 응용상황에 적용될 수 있음을 보여준다.In addition, it shows that it can be applied to various application situations by adjusting the sensitivity to low-concentration xylene and xylene in a wide concentration range through thickness control, as well as selectivity to interfering gas.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 가스 센서를 개략적으로 나타낸 단면도이다.1 and 2 are cross-sectional views schematically showing a gas sensor according to the present invention.

그러나 본 발명에 따른 가스 센서의 구조는 여기 제시된 것에 한정되지 않으며 티타늄이 첨가된 산화니켈로 이루어진 가스 감응층을 구비한 가스 센서라면 어떠한 구조이든 본 발명에 해당한다.However, the structure of the gas sensor according to the present invention is not limited to the one presented here, and any structure of the gas sensor having a gas sensitive layer made of nickel oxide to which titanium is added corresponds to the present invention.

도 1에 도시한 가스 센서는 가스 감응층(120) 하면과 상면에 각각 전극(110, 130)이 구비된 구조이다.The gas sensor shown in FIG. 1 has a structure in which electrodes 110 and 130 are respectively provided on the lower surface and upper surface of the gas sensitive layer 120 .

도 2에 도시한 가스 센서는 기판(140) 하면에 마이크로히터(150)가 형성되고 기판(140) 상면에는 두 개의 전극(160, 165)이 형성되어 있으며 그 위로 가스 감응층(170)이 구비된 구조이다. 도 1 및 도 2 가스 센서에서의 가스 감응층(120, 170)은 모두 티타늄이 첨가된 산화니켈로 이루어지며, 필요에 따라 티타늄의 양은 조절될 수 있다.In the gas sensor shown in FIG. 2 , a microheater 150 is formed on a lower surface of a substrate 140 , two electrodes 160 and 165 are formed on an upper surface of the substrate 140 , and a gas sensitive layer 170 is provided thereon. is a structure that has been The gas sensitive layers 120 and 170 in the gas sensors of FIGS. 1 and 2 are all made of nickel oxide to which titanium is added, and the amount of titanium may be adjusted as necessary.

한편, 본 발명에 따른 가스 센서에서 가스 감응층(120, 170)의 두께는 2 ㎛ 내지 40 ㎛로 형성되는 것이 바람직하다.Meanwhile, in the gas sensor according to the present invention, the thickness of the gas sensitive layers 120 and 170 is preferably formed in a range of 2 μm to 40 μm.

여기서, 가스 감응층(120, 170)의 두께가 2 ㎛ 미만인 경우 메틸벤젠에 선택성을 나타내지 못하는 문제가 있고, 가스 감응층(120, 170)의 두께가 40 ㎛를 초과하는 경우 감도가 크게 감소하는 문제가 있다.Here, when the thickness of the gas-sensitive layers 120 and 170 is less than 2 μm, there is a problem in that the selectivity to methylbenzene is not shown, and when the thickness of the gas-sensitive layers 120 and 170 exceeds 40 μm, the sensitivity is greatly reduced. there is a problem.

본 발명에서는 산화니켈의 티타늄에 대한 높은 고용도를 이용하여 티타늄을 산화니켈 격자 내부로 치환시켜 정공 농도를 조절함으로써 전자 민감화(electronic sensitization) 효과를 통해 가스 감응 특성을 향상시킨다.In the present invention, the gas sensitization property is improved through the electronic sensitization effect by controlling the hole concentration by replacing titanium inside the nickel oxide lattice by using the high solubility of nickel oxide to titanium.

또한, 티타늄의 첨가는 산화니켈의 산화 촉매 활성도를 증가시켜 가스의 완전산화 또는 개질이 가능하도록 한다. 이때 에탄올, 포름알데히드와 같은 반응성이 큰 가스의 경우 반응성이 작은 가스로 분해하여 감도를 낮추고, 상대적으로 반응성이 낮은 자일렌, 톨루엔을 반응성이 우수한 가스들로 개질하여 고감도, 고선택적으로 감지할 수 있게 한다. 또한 가스 감응층 두께와 감응층을 구성하는 물질의 조성을 조절하여 자일렌 및 메틸벤젠의 감지 특성을 효과적으로 조절할 수 있다.In addition, the addition of titanium increases the oxidation catalytic activity of nickel oxide, so that the gas can be completely oxidized or reformed. At this time, highly reactive gases such as ethanol and formaldehyde are decomposed into less reactive gases to lower the sensitivity, and xylene and toluene, which are relatively less reactive, are reformed with highly reactive gases to detect highly sensitive and highly selective gases. let there be In addition, the sensing characteristics of xylene and methylbenzene can be effectively controlled by adjusting the thickness of the gas-sensitive layer and the composition of the material constituting the sensitive layer.

실험 결과, 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 몰농도비(Ti/Ni)는 0.02 내지 0.3인 것이 바람직하다. 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 이하일 경우와 몰농도비(Ti/Ni)가 0.3 이상이 될 경우에는 자일렌 및 톨루엔에 대한 고감도, 고선택성을 확보할 수 없다.As a result of the experiment, the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium (Ti) and nickel (Ni) is preferably 0.02 to 0.3. When the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium (Ti) and nickel (Ni) is 0.02 or less and when the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.3 or more, high sensitivity and high selectivity for xylene and toluene can be secured. none.

여기서, 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 이하일 때는 다른 가스들에 비해 자일렌 및 톨루엔에 대해서만 고감도를 갖는다 할 수 없으며, 몰농도비(Ti/Ni)가 0.3 이상일 때는 공기 중에서의 저항이 매우 커 측정이 불가능하기 때문에 자일렌과 톨루엔 가스를 검지 할 수 없다.Here, when the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.02 or less, it cannot be said to have high sensitivity only to xylene and toluene compared to other gases, and when the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.3 or more, the resistance in air is very large. Xylene and toluene gases cannot be detected because this is impossible.

본 발명에 따라 티타늄이 첨가된 산화니켈로 이루어진 가스 감응층(120, 170)이 구비된 가스 센서는 p-형 산화물 반도체형 가스 센서이다. p-형 산화물 반도체의 표면에 음으로 대전된 산소가 흡착하면, 표면 부근의 정공이 모여 있는 정공과잉층(hole accumulation layer)이 생성된다. p-형 산화물 반도체가 환원성 가스에 노출되면, 환원성 가스가 음으로 대전된 산소와 반응하여 전자를 주입하게 되므로, 전자-정공의 재결합에 의해 정공의 농도가 줄어들고, 정공축적층의 두께가 감소하게 되므로 센서의 저항이 증가하게 된다. 반대로 p-형 산화물 반도체가 산화성 가스에 노출될 경우에는 정공축적층의 두께가 증가하게 되어 센서의 저항이 감소하게 된다. According to the present invention, the gas sensor provided with the gas sensitive layers 120 and 170 made of nickel oxide to which titanium is added is a p-type oxide semiconductor type gas sensor. When negatively charged oxygen is adsorbed on the surface of the p-type oxide semiconductor, a hole accumulation layer in which holes near the surface are gathered is generated. When the p-type oxide semiconductor is exposed to a reducing gas, the reducing gas reacts with negatively charged oxygen to inject electrons, so the concentration of holes is reduced by electron-hole recombination and the thickness of the hole accumulation layer is reduced. As a result, the resistance of the sensor increases. Conversely, when the p-type oxide semiconductor is exposed to an oxidizing gas, the thickness of the hole accumulation layer increases and the resistance of the sensor decreases.

이와 같이 가스의 표면 흡착에 의한 전도도 변화라는 가스 감응 기구에 의해 본 발명에 따른 가스 센서가 작동하게 된다.As described above, the gas sensor according to the present invention operates by a gas-sensitive mechanism of conductivity change due to surface adsorption of gas.

현재까지 보고된 n-형 산화물 반도체(SnO2, In2O3, Cr2O3, ZnO 등)를 이용한 가스 센서는 가스감응성이 우수하지만 여러 가지 가스에 동시에 높은 감응성을 보여 선택성이 떨어지고, 기저저항이 수~수십 MΩ로 높아 대기 중습도에 민감하게 반응하여 기저저항이 큰 폭으로 변하므로 안정성이 떨어지는 문제점을 나타낸다.Gas sensors using n-type oxide semiconductors (SnO 2 , In 2 O 3 , Cr 2 O 3 , ZnO, etc.) reported so far have excellent gas sensitivity, but show high sensitivity to various gases at the same time, resulting in poor selectivity and low base It has a high resistance of several to tens of MΩ, so it reacts sensitively to atmospheric humidity and the base resistance changes significantly, indicating a problem of poor stability.

반면에, p-형 산화물 반도체는 기저저항이 수~수십 KΩ으로 낮으므로 센서의 장기 동작 시 공기 중 센서의 저항변화가 적어 장기안정성이 우수한 장점을 보이지만 가스감응성이 n-형 산화물 반도체에 비해 상대적으로 낮아 저농도의 가스 감지가 어려운 단점을 가지고 있다.On the other hand, the p-type oxide semiconductor has a low base resistance of several to several tens of KΩ, so the resistance change of the sensor in air during long-term operation of the sensor is small, which shows excellent long-term stability, but the gas sensitivity is relatively lower than that of the n-type oxide semiconductor. It has a disadvantage that it is difficult to detect low-concentration gas.

본 발명에 따른 가스 센서는 장기안정성이 우수하면서도 감도가 매우 큰 p-형 산화물 가스 센서이므로 고감도의 신뢰도가 높은 가스 센서 개발을 이룰 수 있다.Since the gas sensor according to the present invention is a p-type oxide gas sensor having excellent long-term stability and very high sensitivity, a gas sensor with high sensitivity and high reliability can be developed.

본 발명에서는 다양한 구조의 산화니켈 감응 물질에 티타늄을 첨가할 경우, n-형 산화물 반도체형 가스 센서에 비해 높은 안정성을 가짐과 동시에 자일렌 및 톨루엔 가스에 대한 감도를 구조에 관계없이 기존에 비해 수 배 이상 높일 수 있다. 또한, 자일렌 및 톨루엔 가스 사이에 대한 우수한 선택성도 얻을 수 있음을 보여준다.In the present invention, when titanium is added to a nickel oxide-sensitive material having various structures, it has higher stability than an n-type oxide semiconductor type gas sensor, and at the same time, the sensitivity to xylene and toluene gas is lower than that of the conventional one regardless of the structure. can be more than doubled. It also shows that good selectivity between xylene and toluene gas can be obtained.

본 발명에 따르면, 다양한 구조의 p-형 산화물 반도체 산화니켈에 티타늄을 농도를 조절하여 첨가하여, 티타늄을 산화니켈의 격자 안으로 치환시킴으로써 NiTiO3 이차상이 존재하는 산화니켈 산화물 반도체형 가스 센서의 메틸벤젠 가스 감응성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.According to the present invention, methylbenzene of a nickel oxide semiconductor type gas sensor in which a NiTiO 3 secondary phase exists by adding titanium to a p-type oxide semiconductor nickel oxide of various structures by adjusting the concentration, and replacing titanium into a lattice of nickel oxide It is possible to dramatically improve gas sensitivity.

한편, 자일렌 및 톨루엔에 가스에만 반응하는 높은 선택성도 얻을 수 있다. 제작된 고감도 p-형 산화물 반도체형 가스 센서는 뛰어난 장기 안정성 및 선택성의 장점으로 인해 가스 센서의 상용화에 기여할 수 있다고 확인된다.On the other hand, high selectivity for reacting only with gases to xylene and toluene can be obtained. It is confirmed that the fabricated high-sensitivity p-type oxide semiconductor type gas sensor can contribute to the commercialization of gas sensors due to its excellent long-term stability and selectivity.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서 제조 방법을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

먼저, 증류수에 티타늄 전구체, 니켈 전구체와 덱스트린/수크로스를 첨가하여 교반한 후, 분무를 위한 혼합액을 준비한다(단계 S10). 이 분무 용액에는 에틸렌글리콜을 더 포함할 수 있다.First, a titanium precursor, a nickel precursor, and dextrin/sucrose are added to distilled water and stirred, and then a mixed solution for spraying is prepared (step S10). The spray solution may further contain ethylene glycol.

여기서, 100 mL의 증류수에 포함되는 Ti/Ni의 몰농도비(Ti/Ni)는 0.02 내지 0.3인 것이 바람직하다.Here, the molar concentration ratio (Ti/Ni) of Ti/Ni contained in 100 mL of distilled water is preferably 0.02 to 0.3.

여기서, 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 이하일 경우와 몰농도비(Ti/Ni)가 0.3 이상이 될 경우에는 자일렌 및 톨루엔에 대한 고감도, 고선택성을 확보할 수 없다.Here, when the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium (Ti) and nickel (Ni) is 0.02 or less and when the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.3 or more, high sensitivity and high selectivity for xylene and toluene are secured Can not.

몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 이하일 때는 다른 가스들에 비해 자일렌 및 톨루엔에 대해서만 고감도를 갖는다 할 수 없으며, 몰농도비(Ti/Ni)가 0.3 이상일 때는 공기 중에서의 저항이 매우 커 측정이 불가능하기 때문에 자일렌과 톨루엔 가스를 검지 할 수 없다.When the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.02 or less, it cannot be said to have high sensitivity only to xylene and toluene compared to other gases. Therefore, it cannot detect xylene and toluene gas.

다음, 혼합액을 초음파 분무 열분해한다(단계 S20).Next, the liquid mixture is subjected to ultrasonic spray pyrolysis (step S20).

티타늄 전구체와 니켈 전구체를 포함한 혼합액을 이용한 공정을 통해 나노 구조를 형성한다. 예를 들어 혼합액을 초음파를 통해 분무하고 쿼츠 튜브관을 통과하도록 해 열분해하여 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체를 형성할 수 있다.A nanostructure is formed through a process using a mixed solution containing a titanium precursor and a nickel precursor. For example, a nickel oxide (NiO) structure to which titanium (Ti) is added can be formed by spraying the mixed solution through ultrasonic waves and pyrolyzing it to pass through a quartz tube.

여기서, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 단계 S20에서 형성된 구조체(10)는 구체 형상을 가지며, 내부에 구획된 복수의 공간(1)을 갖는 멀티룸 중공 구체 형상 및 중공 구체 형상을 가질 수 있다.Here, as shown in FIGS. 5 to 7 , the structure 10 formed in step S20 has a spherical shape, and has a multi-room hollow spherical shape and a hollow spherical shape having a plurality of spaces 1 partitioned therein. can

한편, 단계 S20에서 형성된 구조체(10)의 직경은 0.2㎛ 내지 5㎛인 것이 바람직하다.On the other hand, the diameter of the structure 10 formed in step S20 is preferably 0.2㎛ to 5㎛.

여기서, 구조체(10)의 직경이 0.2㎛ 미만인 경우 나노구조가 잘 형성되지 않을 가능성이 있고, 구조체(10)의 직경이 5㎛를 초과하는 경우 MEMS 센서에 적용하는 측면에서 문제가 있다.Here, when the diameter of the structure 10 is less than 0.2 μm, there is a possibility that the nanostructure is not well formed, and when the diameter of the structure 10 exceeds 5 μm, there is a problem in terms of application to the MEMS sensor.

이 단계(단계 S20)에서는 혼합액을 분무함으로써 미세 액적을 발생시키고, 이 미세 액적을 반응기 내부로 유입시켜 분말을 합성하고 회수하는 과정이 포함될 수 있다. 미세 액적의 크기는 분무 장치 내부 압력, 분무 용액의 농도, 분무 용액의 점도 등에 의해 제어될 수 있다. 반응기에서의 가열에 의해, 상기 미세 액적에 포함된 대부분의 용매가 휘발되고 고분자 전구체와 산화물 및 금속 촉매 전구체 성분이 남게 된다.In this step (step S20), a process of synthesizing and recovering the powder by generating fine droplets by spraying the mixed solution and introducing the fine droplets into the reactor may be included. The size of the micro-droplets can be controlled by the internal pressure of the spraying device, the concentration of the spraying solution, the viscosity of the spraying solution, and the like. By heating in the reactor, most of the solvent contained in the micro-droplets is volatilized, leaving the polymer precursor and the oxide and metal catalyst precursor components.

이러한 나노 구조를 이용하여 가스 감응층을 형성함으로써 가스 센서를 제작한다(단계 S30).A gas sensor is manufactured by forming a gas sensitive layer using such a nanostructure (step S30).

한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 센서 제조 방법을 나타낸 순서도이다.Meanwhile, FIG. 4 is a flowchart illustrating a gas sensor manufacturing method according to another embodiment of the present invention.

먼저, 티타늄 미분말 및 니켈 미분말을 각각 준비한다(단계 S110).First, a fine titanium powder and a fine nickel powder are prepared, respectively (step S110).

다음, 티타늄 미분말 및 니켈 미분말을 혼합한 후 볼밀링을 통해 고상 혼합물을 생성하고, 이를 열처리하여 고상 반응법(solid-state reaction method)으로 NiO와 TiO2 상이 혼재하는 상용 미분말 고상 혼합체를 합성한다(단계 S120).Next, after mixing fine titanium powder and fine nickel powder, a solid mixture is generated through ball milling, and this is heat-treated to synthesize a commercial fine powder solid mixture in which NiO and TiO 2 phases are mixed by a solid-state reaction method ( step S120).

여기서, 고상 혼합체에 포함되는 Ti/Ni의 몰농도비(Ti/Ni)는 0.02 내지 0.3인 것이 바람직하다.Here, the molar concentration ratio (Ti/Ni) of Ti/Ni contained in the solid mixture is preferably 0.02 to 0.3.

여기서, 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 이하일 경우와 몰농도비(Ti/Ni)가 0.3 이상이 될 경우에는 자일렌 및 톨루엔에 대한 고감도, 고선택성을 확보할 수 없다.Here, when the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium (Ti) and nickel (Ni) is 0.02 or less and when the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.3 or more, high sensitivity and high selectivity for xylene and toluene are secured Can not.

몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 이하일 때는 다른 가스들에 비해 자일렌 및 톨루엔에 대해서만 고감도를 갖는다 할 수 없으며, 몰농도비(Ti/Ni)가 0.3 이상일 때는 공기 중에서의 저항이 매우 커 측정이 불가능하기 때문에 자일렌과 톨루엔 가스를 검지 할 수 없다.When the molar concentration ratio (Ti/Ni) is 0.02 or less, it cannot be said to have high sensitivity only to xylene and toluene compared to other gases. Therefore, it cannot detect xylene and toluene gas.

고상 혼합법을 이용한 공정을 통해 고상 혼합체 미분말을 형성한다. 이를 통해 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 고상 혼합체 미분말을 형성할 수 있다.A solid mixture fine powder is formed through a process using a solid phase mixing method. Through this, it is possible to form a fine powder of a nickel oxide (NiO) solid mixture to which titanium (Ti) is added.

여기서, 고상 혼합체 미분말의 직경이 0.2㎛ 미만인 경우 미분말끼리 지나치게 응집될 가능성이 있고, 고상 혼합체 미분말의 직경이 5㎛를 초과하는 경우 MEMS 센서에 적용하는 측면에서 문제가 있다.Here, when the diameter of the fine powder of the solid mixture is less than 0.2 μm, there is a possibility that the fine powders are excessively agglomerated, and when the diameter of the fine powder of the solid mixture exceeds 5 μm, there is a problem in terms of application to the MEMS sensor.

이러한 고상혼합체 미분말을 이용하여 가스 감응층을 형성함으로써 가스 센서를 제작한다(단계 S130).A gas sensor is manufactured by forming a gas-sensitive layer using the fine powder of the solid-state mixture (step S130).

이하에서는, [표 1], 도 4 내지 도 15를 참조하여, 실시예와 비교예 에 따른 가스 센서의 특성을 비교 설명한다.Hereinafter, with reference to [Table 1] and FIGS. 4 to 15, the characteristics of the gas sensors according to Examples and Comparative Examples will be compared and described.

제조 방법manufacturing method 가스 감응층 두께gas-sensitive layer thickness 농도비
(Ti/Ni)
concentration ratio
(Ti/Ni)
구조체의 구조structure of structure
실시예 1-1Example 1-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0.050.05 멀티룸multi room 실시예 1-2Example 1-2 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0.10.1 멀티룸multi room 실시예 1-3Examples 1-3 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0.20.2 멀티룸multi room 비교예 1-1Comparative Example 1-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0(Ni 100%)0 (Ni 100%) 멀티룸multi room 실시예 2-1Example 2-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 12μm12μm 0.050.05 멀티룸multi room 실시예 2-2Example 2-2 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 12μm12μm 0.10.1 멀티룸multi room 실시예 2-3Example 2-3 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 12μm12μm 0.20.2 멀티룸multi room 비교예 2-1Comparative Example 2-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 12μm12μm 0
(Ni 100%)
0
(Ni 100%)
멀티룸multi room
실시예 3-1Example 3-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0.10.1 중공 구체hollow sphere 비교예 3-1Comparative Example 3-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0
(Ni 100%)
0
(Ni 100%)
중공 구체hollow sphere
실시예 4-1Example 4-1 고상 반응법solid-state reaction 5μm5μm 0.10.1 미분말fine powder 비교예 4-1Comparative Example 4-1 고상 반응법solid-state reaction 5μm5μm 0
(Ni 100%)
0
(Ni 100%)
미분말fine powder
실시예 5-1Example 5-1 초음파 분무 열분해법Ultrasonic Spray Pyrolysis 5μm5μm 0.10.1 멀티룸multi room

<실시예 1-1><Example 1-1>

200 mL의 증류수에 Ti/Ni의 농도비가 0.05가 되도록 계산하여 5.82 g의 nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 0.560 g의 Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH3CH(O-)CO2NH4]2Ti(OH)2, 50 wt% in H2O, Sigma-Aldrich, U.S.A], 3 g의 dextrin [(C6H10O5)x·nH2O, Samchun, Korea]을 넣어 시약이 모두 용해될 때까지 교반하여 분무용액을 제조했다. Calculate 5.82 g of nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 0.560 g of Ti/Ni in 200 mL of distilled water so that the concentration ratio is 0.05. Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH 3 CH(O-)CO 2 NH 4 ] 2 Ti(OH) 2 , 50 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich, USA], 3 g A spray solution was prepared by adding dextrin [(C 6 H 10 O 5 ) x ·nH 2 O, Samchun, Korea] and stirring until all the reagents were dissolved.

제조된 분무용액을 15 L·min-1의 유량으로 질소 가스 중에서 초음파 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 로(400도)를 거치게 되면서 전구체가 형성된다. 이후 형성된 전구체를 600도에서 3시간동안 열처리하여 Ti이 첨가된 NiO 멀티룸 구조체를 형성한다. 이렇게 얻어진 열처리된 Ti이 첨가된 NiO 멀티룸 구조체 분말을 유기바인더와 혼합하여 두 전극이 있는 알루미나 기판 위에 가스 감응층을 도포한다. A precursor is formed as the prepared spray solution passes through a furnace (400 degrees) connected to the spray outlet at the same time as ultrasonic spraying in nitrogen gas at a flow rate of 15 L·min-1. Thereafter, the formed precursor is heat-treated at 600° C. for 3 hours to form a Ti-added NiO multi-room structure. The heat-treated Ti-added NiO multi-room structure powder thus obtained is mixed with an organic binder, and a gas-sensitive layer is applied on an alumina substrate having two electrodes.

여기서 도포란 프린팅(printing), 브러싱(brushing), 블레이드 코팅(blade coating), 디스펜싱(dispensing), 마이크로 피펫 적하(dropping) 등 각종 방법을 포함하는 의미로 사용되었다. 이후 용매를 제거하기 위해 450 도에서 2시간 열처리하여 가스센서를 제작했다. 이때 제작된 가스 감응층의 두께는 약 5 μm 이다. Here, application is used to include various methods such as printing, brushing, blade coating, dispensing, and micropipette dropping. Thereafter, to remove the solvent, a gas sensor was fabricated by heat treatment at 450°C for 2 hours. In this case, the thickness of the fabricated gas-sensitive layer is about 5 μm.

제작된 가스센서를 quartz tube로 구성된 gas sensing chamber 내부에 위치시키고 순수한 공기 또는 혼합가스를 번 갈아가며 주입해 가스센서의 저항 변화를 실시간으로 측정했다. 가스는 MFC를 통해 미리 적정 농도로 혼합 시킨 후, 4-way 밸브를 이용해 급격히 주입하여 gas sensing chamber 내부의 가스 농도를 변화시켰다. Gas sensing chamber 내부의 총 유량은 200 sccm으로 고정하여 가스농도의 급격한 변화에도 가스센서의 온도가 유지되도록 했다.The manufactured gas sensor was placed inside a gas sensing chamber composed of quartz tube, and pure air or mixed gas was alternately injected to measure the change in resistance of the gas sensor in real time. After mixing the gas to an appropriate concentration through the MFC, it was rapidly injected using a 4-way valve to change the gas concentration inside the gas sensing chamber. The total flow rate inside the gas sensing chamber was fixed at 200 sccm so that the temperature of the gas sensor was maintained even with a sudden change in gas concentration.

<실시예 1-2><Example 1-2>

200 mL의 증류수에 Ti/Ni의 농도비가 0.1이 되도록 계산하여 5.29 g의 nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 1.07 g의 Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH3CH(O-)CO2NH4]2Ti(OH)2, 50 wt% in H2O, Sigma-Aldrich, U.S.A], 3 g의 dextrin [(C6H10O5)x·nH2O, Samchun, Korea]을 넣어 시약이 모두 용해될 때까지 교반하여 분무용액을 제조했다. Calculate 5.29 g of nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 1.07 g of Ti/Ni in 200 mL of distilled water so that the concentration ratio is 0.1. Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH 3 CH(O-)CO 2 NH 4 ] 2 Ti(OH) 2 , 50 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich, USA], 3 g A spray solution was prepared by adding dextrin [(C 6 H 10 O 5 ) x ·nH 2 O, Samchun, Korea] and stirring until all the reagents were dissolved.

제조된 분무용액을 15 L·min-1의 유량으로 질소 가스중에서 초음파 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 로(400도)를 거치게 되면서 전구체가 형성된다.A precursor is formed while the prepared spray solution is passed through a furnace (400 degrees) connected to the spray outlet at the same time as ultrasonic spraying in nitrogen gas at a flow rate of 15 L·min-1.

이후 형성된 전구체를 600도에서 3시간동안 열처리하여 Ti이 첨가된 NiO 멀티룸 구조체를 형성한다. Thereafter, the formed precursor is heat-treated at 600° C. for 3 hours to form a Ti-added NiO multi-room structure.

이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1.

<실시예 1-3><Example 1-3>

200 mL의 증류수에 Ti/Ni의 농도비가 0.2이 되도록 계산하여 4.85 g의 nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 1.96 g의 Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH3CH(O-)CO2NH4]2Ti(OH)2, 50 wt% in H2O, Sigma-Aldrich, U.S.A], 3 g의 dextrin [(C6H10O5)x·nH2O, Samchun, Korea]을 넣어 시약이 모두 용해될 때까지 교반하여 분무용액을 제조했다. Calculate 4.85 g of nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 1.96 g of Ti/Ni in 200 mL of distilled water so that the concentration ratio is 0.2. Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH 3 CH(O-)CO 2 NH 4 ] 2 Ti(OH) 2 , 50 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich, USA], 3 g A spray solution was prepared by adding dextrin [(C 6 H 10 O 5 )x·nH 2 O, Samchun, Korea] and stirring until all the reagents were dissolved.

제조된 분무용액을 15 L·min-1의 유량으로 질소 가스중에서 초음파 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 로(400 도)를 거치게 되면서 전구체가 형성된다. 이후 형성된 전구체를 600 도에서 3시간동안 열처리하여 Ti이 첨가된 NiO 멀티룸 구조체를 형성한다. A precursor is formed as the prepared spray solution is subjected to ultrasonic spraying in nitrogen gas at a flow rate of 15 L·min -1 and a furnace (400 degrees) connected to the spray outlet at the same time. Thereafter, the formed precursor is heat-treated at 600° C. for 3 hours to form a Ti-added NiO multi-room structure.

이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1.

<비교예 1-1><Comparative Example 1-1>

200 mL의 증류수에 5.81 g의 nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 3 g의 dextrin [(C6H10O5)x·nH2O, Samchun, Korea]을 넣어 시약이 모두 용해될 때까지 교반하여 분무용액을 제조했다.In 200 mL of distilled water, 5.81 g of nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 3 g of dextrin [(C 6 H 10 O 5 )x ·nH 2 O, Samchun, Korea] was added and stirred until all the reagents were dissolved to prepare a spray solution.

제조된 분무용액을 15 L·min-1의 유량으로 질소 가스중에서 초음파 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 로(400도)를 거치게 되면서 전구체가 형성된다.A precursor is formed as the prepared spray solution passes through a furnace (400 degrees) connected to the spray outlet at the same time as ultrasonic spraying in nitrogen gas at a flow rate of 15 L·min -1.

이후 형성된 전구체를 600도에서 3시간동안 열처리하여 순수한 NiO 멀티룸 구조체를 형성한다. 이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.Thereafter, the formed precursor is heat-treated at 600° C. for 3 hours to form a pure NiO multi-room structure. Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1.

<실시예 2-1><Example 2-1>

실시예 2-1의 합성방법은 실시예 1-1과 동일하다. 이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하며, 이때 제작된 가스 감응층의 두께는 약 12 μm 이다.The synthesis method of Example 2-1 is the same as that of Example 1-1. Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1, and the thickness of the prepared gas sensitive layer was about 12 μm.

<실시예 2-2><Example 2-2>

실시예 2-2의 합성방법은 실시예 1-2과 동일하다. 이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하며, 이때 제작된 가스 감응층의 두께는 약 12 μm 이다.The synthesis method of Example 2-2 is the same as that of Example 1-2. Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1, and the thickness of the prepared gas sensitive layer was about 12 μm.

<실시예 2-3><Example 2-3>

실시예 2-3의 합성방법은 실시예 1-3과 동일하다. 이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하며, 이때 제작된 가스 감응층의 두께는 약 12 μm 이다.The synthesis method of Example 2-3 is the same as that of Example 1-3. Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1, and the thickness of the prepared gas sensitive layer was about 12 μm.

<비교예 2-1><Comparative Example 2-1>

비교예 2-1의 합성방법은 비교예 1-1과 동일하다. 이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하며, 이때 제작된 가스 감응층의 두께는 약 12 μm 이다.The synthesis method of Comparative Example 2-1 is the same as that of Comparative Example 1-1. Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1, and the thickness of the prepared gas sensitive layer was about 12 μm.

<실시예 3-1><Example 3-1>

200 mL의 증류수에 Ti/Ni의 농도비가 0.1이 되도록 계산하여 2.64 g의 nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 0.53 g의 Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH3CH(O-)CO2NH4]2Ti(OH)2, 50 wt% in H2O, Sigma-Aldrich, U.S.A], 6.84 g의 sucrose [C12H22O11, Sigma-Aldrich, USA]을 넣어 시약이 모두 용해될 때까지 교반하여 분무용액을 제조했다.Calculate 2.64 g of nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 0.53 g of Titanium (IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide solution [(CH 3 CH(O-)CO 2 NH 4 ] 2 Ti(OH) 2 , 50 wt% in H 2 O, Sigma-Aldrich, USA], 6.84 g A spray solution was prepared by adding sucrose [C 12 H 22 O 11 , Sigma-Aldrich, USA] and stirring until all the reagents were dissolved.

제조된 분무용액을 10 L·min-1의 유량으로 공기중에서 초음파 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 로(700도)를 거치게 되면서 전구체가 형성된다. 이후 형성된 전구체를 600도에서 3시간동안 열처리하여 Ti이 첨가된 NiO 중공 구조체를 형성한다. 이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.A precursor is formed as the prepared spray solution passes through a furnace (700 degrees) connected to the spray outlet at the same time as ultrasonic spraying in the air at a flow rate of 10 L·min -1. Thereafter, the formed precursor is heat-treated at 600° C. for 3 hours to form a Ti-added NiO hollow structure. Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1.

<비교예 3-1><Comparative Example 3-1>

200 mL의 증류수에 2.91 g의 nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 6.84 g의 sucrose [C12H22O11, Sigma-Aldrich, USA]을 넣어 시약이 모두 용해될 때까지 교반하여 분무용액을 제조했다.In 200 mL of distilled water, 2.91 g of nickel(II) nitrate hexahydrate [Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA], 6.84 g of sucrose [C 12 H 22 O 11 , Sigma- Aldrich, USA] was added and stirred until all the reagents were dissolved to prepare a spray solution.

제조된 분무용액을 10 L·min-1의 유량으로 공기중에서 초음파 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 로(700도)를 거치게 되면서 전구체가 형성된다. 이후 형성된 전구체를 600도에서 3시간동안 열처리하여 순수한 NiO 중공 구조체를 형성한다.A precursor is formed as the prepared spray solution passes through a furnace (700 degrees) connected to the spray outlet at the same time as ultrasonic spraying in the air at a flow rate of 10 L·min -1. Thereafter, the formed precursor is heat-treated at 600° C. for 3 hours to form a pure NiO hollow structure.

이후 센서의 제조 방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1.

<실시예 4-1><Example 4-1>

상용 미분말인 Nickel oxide [NiO, powder, Sigma-Aldrich, USA]와 Titanium oxide [TiO2, anatase nanopowder, Sigma-Aldrich, USA]를 준비했다. 상기 미분말들을 상기 실시예 1-2와 동일한 비율 (Ti/Ni 농도비 = 0.1)로 섞은 후에 24시간 볼-밀링(ball-milling)을 통해 혼합물로 만들었다.Commercially fine powders, Nickel oxide [NiO, powder, Sigma-Aldrich, USA] and Titanium oxide [TiO 2 , anatase nanopowder, Sigma-Aldrich, USA] were prepared. After mixing the fine powders in the same ratio as in Example 1-2 (Ti/Ni concentration ratio = 0.1), a mixture was made through ball-milling for 24 hours.

이후 준비된 혼합물을 600도에서 3시간동안 열처리하여 고상 반응법(solid-state reaction method)으로 NiO와 TiO2 상이 혼재하는 상용 미분말 고상 혼합체를 합성했다. Thereafter, the prepared mixture was heat-treated at 600° C. for 3 hours to synthesize a commercial fine powder solid mixture in which NiO and TiO 2 phases were mixed by a solid-state reaction method.

이후 센서의 제조방법 및 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.Thereafter, the sensor manufacturing method and gas sensitivity measurement were the same as in Example 1-1.

<실시예 5-1><Example 5-1>

실시예 5-1의 합성방법은 실시예 1-2과 동일하다. 이렇게 얻어진 멀티룸 구조체를 에틸렌글리콜과 글리세롤을 질량비 1:2 로 혼합한 유기 바인더에 혼합하여 MEMS기판 전극에 마이크로 디스펜싱으로 코팅하고, 200도에서 1시간 건조한 다음, 400도에서 2시간 열처리를 하여 가스센서를 제조했다. 이후 가스 감응측정은 실시예 1-1과 동일하다.The synthesis method of Example 5-1 is the same as that of Example 1-2. The multi-room structure thus obtained was mixed with an organic binder mixed with ethylene glycol and glycerol in a mass ratio of 1:2, coated on a MEMS substrate electrode by micro-dispensing, dried at 200 degrees for 1 hour, and then heat treated at 400 degrees for 2 hours. A gas sensor was manufactured. Thereafter, the gas sensitivity measurement is the same as in Example 1-1.

상기 방법들로 합성된 분말들을 이용하여 가스 센서를 제조해 350, 375, 400, 425, 450도 총 다섯 개의 온도에서 측정했다. A gas sensor was manufactured using the powders synthesized by the above methods and measured at a total of five temperatures of 350, 375, 400, 425, and 450 degrees.

공기 중에서 센서의 저항이 일정해졌을 때 피검가스(에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드, 1 ppm)로 분위기를 바꾸고, 가스 중에서의 저항이 일정해졌을 때 다시 공기로 분위기를 바꾸면서 저항변화를 측정했다. When the resistance of the sensor in air is constant, the atmosphere is changed to the gas to be tested (ethanol, xylene, toluene, benzene, formaldehyde, 1 ppm), and when the resistance in the gas is constant, the atmosphere is changed to air again to change the resistance was measured.

합성된 감응 물질 모두 환원성 가스에 대해서 저항이 증가하는 p-형 산화물 반도체의 특성을 나타낸다. 따라서 가스 감도를 R g/ R a (R g : 가스 중에서의 소자저항, R a : 공기 중에서의 소자저항)로 정의하였다. All of the synthesized sensitizing materials exhibit characteristics of a p-type oxide semiconductor with increased resistance to the reducing gas. Therefore, the gas sensitivity is R g/ R a ( R g : device resistance in gas, R a : device resistance in air).

합성된 분말을 이용하여 센서를 제조한 뒤 가스 감도를 측정하고 다른 가스와의 감도를 비교해 선택성을 계산했다. After manufacturing the sensor using the synthesized powder, the gas sensitivity was measured and the selectivity was calculated by comparing the sensitivity with other gases.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 SEM 및 TEM이미지고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 원소분석 이미지이다.5 is an SEM and TEM image of a nickel oxide structure to which titanium is added according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an elemental analysis image of a nickel oxide structure to which titanium is added according to an embodiment of the present invention.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제작된 구조체 모두 구형을 멀티룸 구조를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 원소분석 결과 Ti이 첨가된 NiO 멀티룸 구조에 Ti이 구조 전반에 균일하게 분포하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1-2와 실시예 2-2의 가스 감응층 두께가 다르다는 것을 확인할 수 있었다.5 and 6, it was confirmed that all of the manufactured structures had a spherical multi-room structure, and as a result of elemental analysis, it was confirmed that Ti is uniformly distributed throughout the structure in the NiO multi-room structure to which Ti is added. could In addition, it was confirmed that the thickness of the gas-sensitive layer of Example 1-2 and Example 2-2 was different.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 구조를 설명하기 위한 예시도이다.7 is an exemplary view for explaining the structure of a nickel oxide structure to which titanium is added according to an embodiment of the present invention.

도 5 내지 7을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 형성된 구조체(10)는 구체 형상을 가지며, 내부에 구획된 복수의 공간(1)을 갖는 멀티룸 중공 구체 형상을 가질 수 있다.5 to 7 , the structure 10 formed according to Examples 1 and 2 may have a spherical shape, and may have a multi-room hollow spherical shape having a plurality of spaces 1 partitioned therein.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 감응층의 두께를 설명하기 위한 SEM 이미지이다.8 is an SEM image for explaining the thickness of the gas-sensitive layer according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 실시예 1-2와 실시예 2-2의 가스 감응층과 같이 두께를 상이하게 조절 가능한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 , it can be seen that the thickness can be adjusted differently like the gas-sensitive layer of Examples 1-2 and 2-2.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 X-ray 회절분석 결과이다.9 and 10 are X-ray diffraction analysis results of titanium-added nickel oxide structures according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

도 9를 참조하면, 실시예와 비교예 모두 NiO cubic 상이 존재하는 것을 확인했고, 실시예 1-3에서 NiTiO3 이차상이 소량 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 첨가된 Ti가 대부분 Ni을 치환하여 격자내로 들어갔음을 보여준다.Referring to FIG. 9 , it was confirmed that the NiO cubic phase was present in both Examples and Comparative Examples, and it was confirmed that a small amount of NiTiO 3 secondary phase was present in Examples 1-3. This shows that the added Ti mostly displaced Ni and entered the lattice.

또한, 도 10을 참조하면, 초음파 분무열분해법을 이용해 합성된 실시예 3-1, 비교예 3-1 중공 구조의 X-ray 회절분석 결과를 확인할 수 있다. 분석 결과, 실시예 3-1, 비교예 3-1 모두 NiO cubic 상이 존재하는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 10 , the results of X-ray diffraction analysis of the hollow structures of Example 3-1 and Comparative Example 3-1 synthesized using ultrasonic spray pyrolysis can be confirmed. As a result of the analysis, it can be confirmed that the NiO cubic phase is present in both Example 3-1 and Comparative Example 3-1.

도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 따른 가스 센서에서 1 ppm 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.11 and 12 are graphs showing a comparison of gas sensitivities to 1 ppm ethanol, xylene, toluene, benzene, and formaldehyde in the gas sensors according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples of the present invention.

도 11 및 도 12를 참조하면, 비교예 1-1과 비교예 2-1는 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드 가스들에 대한 감도가 매우 작게 나타나는 반면, Ti이 도핑된 실시예 1-1의 경우 자일렌의 감도가 매우 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.11 and 12 , Comparative Example 1-1 and Comparative Example 2-1 showed very small sensitivity to ethanol, xylene, toluene, benzene, and formaldehyde gases, whereas Ti-doped Example 1 In the case of -1, it can be seen that the sensitivity of xylene is greatly increased.

또한, 실시예 1-2, 실시예 1-3, 실시예 2-1, 실시예 2-2, 실시예 2-3의 경우 메틸벤젠의 감도가 매우 큰 폭으로 증가하는 것을 확인했다. 특히 실시예 1-2와 2-2의 경우 350 도의 동작온도에서 자일렌의 감도가 각각 약 338, 320 (Rg/Ra)로 나타났는데, 이는 순수한 NiO인 비교예 1-1과 2-1의 자일렌 감도인 1.3에 비해 약 260배 증가한 값이다. In addition, in the case of Example 1-2, Example 1-3, Example 2-1, Example 2-2, and Example 2-3, it was confirmed that the sensitivity of methylbenzene was significantly increased. In particular, in the case of Examples 1-2 and 2-2, the sensitivity of xylene at an operating temperature of 350 °C was about 338 and 320 (Rg/Ra), respectively, which is the result of those of Comparative Examples 1-1 and 2-1, which are pure NiO. It is about 260 times higher than the xylene sensitivity of 1.3.

이는 4가의 원자가를 가지는 Ti이 NiO에 도핑될 경우 charge carrier의 농도가 감소해 감응물질의 전기적 민감화 (electronic sensitization)가 발생해 감도가 크게 향상된 것으로 판단된다. It is judged that when Ti having a tetravalent valence is doped into NiO, the concentration of charge carriers is reduced, resulting in electronic sensitization of the sensitizing material, and thus the sensitivity is greatly improved.

또한, Ti이 도핑 됨에 따라 NiO의 산화촉매 활성이 증가하여 반응성이 낮은 자일렌 및 톨루엔 가스가 가스 감응층을 통과해가면서 반응성이 높은 종의 가스로 개질되어 가스 감응층 하단부에 도달하기 때문에 자일렌과 톨루엔의 감도가 특히 크게 증가한 것으로 판단된다. In addition, as Ti is doped, the oxidation catalytic activity of NiO increases, so that xylene and toluene gases with low reactivity are reformed into highly reactive gases as they pass through the gas-sensitive layer and reach the lower end of the gas-sensitive layer. It is judged that the sensitivity of toluene was particularly greatly increased.

즉, 대표적인 방해가스면서 일반적인 산화물 반도체에서 큰 감도를 보이는 에탄올, 포름알데히드의 경우에는 Ti이 도핑된 NiO의 뛰어난 산화촉매 활성에 의해 가스 감응층의 상단부에서 대부분 완전 산화되어 반응성이 낮은 종의 가스 형태로 변환되기 때문에 감도가 낮게 나타난 것으로 보인다.That is, in the case of ethanol and formaldehyde, which are representative interfering gases and show great sensitivity in general oxide semiconductors, most of them are completely oxidized at the upper end of the gas sensitive layer due to the excellent oxidation catalytic activity of Ti-doped NiO, and thus have low reactivity. It seems that the sensitivity is low because it is converted to .

이는 Ti 도핑이 NiO 센서의 메틸벤젠 감도와 선택성을 높이는데 매우 우수한 효과를 나타내는 것을 잘 보여준다.This shows that Ti doping has a very good effect on improving the sensitivity and selectivity of methylbenzene of the NiO sensor.

도 13은 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 1-2, 실시예 2-2 및 기존 연구결과와 비교한 자일렌 가스에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.13 is a graph showing a comparison of gas sensitivity to xylene gas compared with Examples 1-2 and 2-2 of the present invention and the existing research results at an operating temperature of 350 degrees.

도 13을 참조하면, 실시예 1-2와 실시예 2-2의 성과는 현재까지 진행된 연구에 비해 자일렌 감도가 월등히 높은 것을 확인할 수 있으며, 센서 가스 감응층 두께를 변화시킬 시 자일렌 농도와 자일렌 감도의 기울기가 바뀌는 것이 확인되었다. Referring to FIG. 13 , it can be seen that the results of Examples 1-2 and 2-2 have significantly higher xylene sensitivity compared to the studies conducted so far, and when changing the sensor gas sensitive layer thickness, the xylene concentration and It was confirmed that the slope of the xylene sensitivity was changed.

특히, 실시예 1-2의 경우에는 ppb-level의 자일렌에 대하여 큰 감도를 보이고, 실시예 2-2의 경우에는 더 넓은 범위의 자일렌에 대하여 신뢰성있는 큰 감도를 보이는 것으로 판단된다. 이는 본 발명의 감응소재를 이용하여 가스 감응층의 두께를 변화시킬 경우 가스 감응특성의 분해능을 결정하는 가스감도-농도 기울기 및 가스 감응 가능 농도 하한을 조절할 수 있음을 보여준다.In particular, in the case of Example 1-2, it is determined that a large sensitivity to ppb-level xylene is shown, and in the case of Example 2-2, it is determined that a reliable large sensitivity to xylene in a wider range is exhibited. This shows that when the thickness of the gas-sensitive layer is changed using the sensitive material of the present invention, the gas sensitivity-concentration gradient that determines the resolution of the gas-sensitive characteristic and the lower limit of the gas-sensitive concentration can be adjusted.

도 14는 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 1-2의 자일렌 가스 농도(25-125 ppb)에 따른 가스 감응 특성 결과 및 반복적인 자일렌 가스(50 ppb) 감응 특성 결과를 나타낸 그래프이다.14 is a graph showing the gas response characteristic results and repetitive xylene gas (50 ppb) response characteristic results according to the xylene gas concentration (25-125 ppb) of Example 1-2 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees. .

도 14를 참조하면, 실시예 1-2의 센서가 자일렌에 대한 여러 번의 반복측정, 또한 장기간의(>20 day) 센서 측정에도 안정적인 자일렌 감지 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 14 , it can be seen that the sensor of Example 1-2 exhibits stable xylene sensing characteristics even in multiple repeated measurements of xylene and long-term (>20 day) sensor measurements.

즉, 본 발명에 따른 가스 센서는 신뢰성이 확보됨을 확인할 수 있다.That is, it can be confirmed that the gas sensor according to the present invention is reliable.

도 15는 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 3-1 및 비교예 3-1에 따른 가스 센서에서 1 ppm 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.15 is a graph showing the comparison of gas sensitivities to 1 ppm ethanol, xylene, toluene, benzene, and formaldehyde in the gas sensor according to Example 3-1 and Comparative Example 3-1 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees Celsius .

도 15를 참조하면, 실시예 3-1는 자일렌과 톨루엔에 대해 매우 큰 감도를 나타냈고, 비교예 3-1은 매우 작은 자일렌과 톨루엔에 대한 감도를 나타냈으며 선택성 또한 보이지 못했다(y축의 최대값을 50정도로 변화시킬 것).15 , Example 3-1 exhibited very high sensitivity to xylene and toluene, and Comparative Example 3-1 exhibited very small sensitivity to xylene and toluene, and did not show selectivity (y-axis Change the maximum to around 50).

이는 Ti이 NiO에 도핑될 경우 charge carrier의 농도가 감소하고, 이에 따라 감응물질의 전기적 민감화 (electronic sensitization)가 발생해 감도가 크게 향상된 것으로 판단된다. It is judged that when Ti is doped with NiO, the concentration of charge carriers is reduced, and accordingly, electronic sensitization of the sensitive material occurs, and thus the sensitivity is greatly improved.

또한 Ti이 도핑 됨에 따라 NiO의 산화촉매 활성이 증가하여 반응성이 낮은 자일렌 및 톨루엔 가스가 가스 감응층을 통과해가면서 반응성이 높은 종의 가스로 개질되어 가스 감응층 하단부에 도달하기 때문에 자일렌과 톨루엔의 감도가 특히 크게 증가한 것으로 판단된다.In addition, as Ti is doped, the oxidation catalytic activity of NiO increases, so xylene and toluene gases with low reactivity pass through the gas-sensitive layer and are reformed into highly reactive gases to reach the lower end of the gas-sensitive layer. It is considered that the sensitivity of toluene is particularly significantly increased.

도 16은 본 발명의 실시예 4 및 비교예 4에 따른 티타늄이 첨가된 산화니켈 구조체의 X-ray 회절분석 결과이다.16 is an X-ray diffraction analysis result of the titanium-added nickel oxide structure according to Example 4 and Comparative Example 4 of the present invention.

도 16을 참조하면, 실시예 4-1의 경우 NiO와 TiO2(anatase)상이 함께 존재하는 것을 확인했다.Referring to FIG. 16 , in the case of Example 4-1, it was confirmed that NiO and TiO 2 (anatase) phases were present together.

도 17은 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 4-1 및 비교예 4-1에 따른 가스 센서에서 실시예 4-1, 비교예 4-1의 1 ppm 에탄올, 자일렌, 톨루엔, 벤젠, 포름알데히드에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.17 is a gas sensor according to Example 4-1 and Comparative Example 4-1 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees 1 ppm ethanol, xylene, toluene, benzene of Example 4-1, Comparative Example 4-1, It is a graph showing a comparison of gas sensitivity to formaldehyde.

도 17을 참조하면, 실시예 4-1은 자일렌에 대하여 선택적인 감지 특성을 보였으며, 비교예 4-1의 경우에는 자일렌에 대해 선택적이지 못하고, 아주 작은 감도를 보였다. Referring to FIG. 17 , Example 4-1 showed a selective detection characteristic for xylene, and Comparative Example 4-1 was not selective for xylene, and showed very little sensitivity.

이는 Ti가 NiO에 치환되어 발생하는 전기적 민감화(electronic sensitization)와, TiO2와 NiO의 p-n 접합부에서 NiO의 charge carrier의 농도가 감소해 발생하는 전기적 민감화가 같이 발생해 감도가 크게 향상된 것으로 판단된다.It is judged that the sensitivity is greatly improved because electronic sensitization caused by replacing Ti with NiO and electrical sensitization caused by a decrease in the concentration of charge carriers of NiO at the pn junction of TiO 2 and NiO occur together.

도 18은 동작온도 350도에서 본 발명의 실시예 5-1의 1 ppm 에탄올, 자일렌에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.18 is a graph showing a comparison of gas sensitivities to 1 ppm ethanol and xylene of Example 5-1 of the present invention at an operating temperature of 350 degrees.

여기서, 실시예 5-1은 실시예 1-2의 티타늄이 도핑된 산화니켈 멀티룸 구조체를 MEMS 센서의 전극 위에 마이크로 디스펜싱으로 도포한 것이다.Here, in Example 5-1, the titanium-doped nickel oxide multi-room structure of Example 1-2 was applied on the electrode of the MEMS sensor by micro-dispensing.

도 18을 참조하면, 동작온도 350도에서 MEMS 센서에서도 마찬가지로 자일렌에 대해 선택적 검지 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 18 , it was confirmed that the MEMS sensor also exhibited selective detection characteristics for xylene at an operating temperature of 350°C.

여기서, MEMS 센서에서 도포된 가스 감응층의 두께는 약 2 ㎛ 내지 40 ㎛ 일 수 있다.Here, the thickness of the gas-sensitive layer applied in the MEMS sensor may be about 2 μm to 40 μm.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the above description shows and describes preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the concept of the invention disclosed herein, the scope equivalent to the written disclosure, and/or within the scope of skill or knowledge in the art. The written embodiment describes the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required in the specific application field and use of the present invention are possible. Therefore, the detailed description of the present invention is not intended to limit the present invention to the disclosed embodiments. Also, the appended claims should be construed as including other embodiments.

Claims (16)

티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO)로 이루어진 가스 감응층; 을 포함하고,
상기 가스 감응층은
티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO)로 구성되는 복수의 구조체를 포함하고,
상기 구조체는 멀티룸 중공 구체의 형상 또는 중공 구체의 형상을 갖는 가스 센서.
a gas-sensitive layer made of nickel oxide (NiO) to which titanium (Ti) is added; including,
The gas-sensitive layer is
It includes a plurality of structures composed of nickel oxide (NiO) to which titanium (Ti) is added,
The structure is a gas sensor having the shape of a multi-room hollow sphere or the shape of a hollow sphere.
제 1항에 있어서,
상기 가스 감응층에서
티타늄과 니켈의 몰농도비(Ti/Ni)는 0.02 내지 0.3인 가스 센서.
The method of claim 1,
in the gas-sensitive layer
A gas sensor having a molar concentration ratio of titanium and nickel (Ti/Ni) of 0.02 to 0.3.
삭제delete 제 2항에 있어서,
상기 구조체의 직경은 0.2㎛ 내지 5㎛인 가스 센서.
3. The method of claim 2,
A gas sensor having a diameter of 0.2 μm to 5 μm of the structure.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 4항에 있어서,
상기 가스 감응층의 두께는 2㎛ 내지 40㎛인 가스 센서.
5. The method of claim 4,
The thickness of the gas sensitive layer is 2㎛ to 40㎛ gas sensor.
(A) 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체를 형성하는 단계; 및
(B) 상기 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체로 가스 감응층을 형성하는 단계를 포함하하고,
상기 (A) 단계는
(A-1) 티타늄(Ti)과 니켈(Ni)의 몰농도비(Ti/Ni)가 0.02 내지 0.3가 되도록 티타늄(Ti) 전구체 및 산화니켈(NiO) 전구체를 포함하는 혼합액을 준비하는 단계, 및
(A-2) 초음파 분무 열분해법을 통해 상기 혼합액으로 상기 티타늄(Ti)이 첨가된 산화니켈(NiO) 구조체를 형성하는 단계,
를 포함하는
가스 센서의 제조 방법.
(A) forming a nickel oxide (NiO) structure to which titanium (Ti) is added; and
(B) comprising the step of forming a gas-sensitive layer with the titanium (Ti) added nickel oxide (NiO) structure,
The step (A) is
(A-1) preparing a mixed solution containing a titanium (Ti) precursor and a nickel oxide (NiO) precursor so that the molar concentration ratio (Ti/Ni) of titanium (Ti) and nickel (Ni) is 0.02 to 0.3; and
(A-2) forming a nickel oxide (NiO) structure to which the titanium (Ti) is added with the mixed solution through ultrasonic spray pyrolysis;
containing
A method of manufacturing a gas sensor.
삭제delete 제 9항에 있어서,
상기 (A-2) 단계에서 형성된 상기 구조체는 멀티룸 중공 구체의 형상을 갖는 가스 센서의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The structure formed in the step (A-2) is a method of manufacturing a gas sensor having the shape of a multi-room hollow sphere.
제 9항에 있어서
상기 (A-2) 단계에서 형성된 상기 구조체는 중공 구체의 형상을 갖는 가스 센서의 제조 방법.
10. The method of claim 9
The structure formed in step (A-2) is a method of manufacturing a gas sensor having a shape of a hollow sphere.
제 9항에 있어서,
상기 (A-2) 단계에서 형성된 상기 구조체의 직경은 0.2㎛ 내지 5㎛인 가스 센서의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
A method of manufacturing a gas sensor having a diameter of 0.2 μm to 5 μm of the structure formed in step (A-2).
삭제delete 삭제delete 제 9항에 있어서,
상기 (B) 단계에서
형성된 상기 가스 감응층의 두께는 2㎛ 내지 40㎛인 가스 센서의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
In step (B)
The thickness of the formed gas-sensitive layer is 2㎛ to 40㎛ method of manufacturing a gas sensor.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101457374B1 (en) * 2012-09-21 2014-11-04 고려대학교 산학협력단 C2H5OH Gas Sensors using Fe-doped Nickel Oxide nano-structures and fabrication method thereof
JP2017223593A (en) * 2016-06-16 2017-12-21 株式会社フジクラ Hydrogen gas sensor
CN107817273A (en) * 2016-09-14 2018-03-20 河北工业大学 The preparation method of aluminium, Ti doped Zinc oxide-base acetone gas sensor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101491819B1 (en) * 2013-04-18 2015-02-12 고려대학교 산학협력단 Methyl benzene sensors using Cr-doped nickel oxide nano-structures and fabrication method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101457374B1 (en) * 2012-09-21 2014-11-04 고려대학교 산학협력단 C2H5OH Gas Sensors using Fe-doped Nickel Oxide nano-structures and fabrication method thereof
JP2017223593A (en) * 2016-06-16 2017-12-21 株式会社フジクラ Hydrogen gas sensor
CN107817273A (en) * 2016-09-14 2018-03-20 河北工业大学 The preparation method of aluminium, Ti doped Zinc oxide-base acetone gas sensor

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