KR102465256B1 - 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서 - Google Patents

알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황화수소 가스 검출을 위한 도핑된 금속 산화물 기반 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 산화주석 나노물질에 알루미늄이 도핑되어 나노사이즈의 효과로 인해 비표면적이 증가되어 고감도 황화수소 가스 검출이 가능하다.
또한, 본 발명의 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 가스 센서에 적용시킴으로써 다양한 습도 환경에서도 황화수소 가스 검출 능력이 우수하다.

Description

알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서{Hydrogen sulfide gas sensor containing aluminum-doped tin oxide nanomaterials}
본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서, 이의 제조방법, 및 상기 가스 센서를 이용한 황화수소 가스 검출 방법에 관한 것이다.
가스 센서는 화학, 제약, 환경, 의료 등 광범위한 분야에서 사용되어 왔고 미래에 더욱 많은 연구가 될 것으로 예측되고 있다. 공기 중의 유해물질 및 오염물질을 실시간으로 검출하는 기술은 생활환경, 노동환경을 양호하게 유지하기 위해 필수불가결하다. 특히 산업계에서 널리 사용되고 있는 황이나 황산제조, 염료 및 화장품 제조의 산업공정에서 이황화물(Bisulfide)와 황화이온(Sulfide ion)에 의해 생성되는 황화수소(Hydrogen sulfide, H2S)는 고농도로 노출되었을 시 점막의 손상과 의식불명 또는 영구 뇌손상과 세포자멸(apoptosis), 혈관확장(vasodilatation) 같은 매우 심각한 증상을 유발 할 수 있으며, 미량에도 독성, 부식성, 인화성 및 폭발성이 강하기 때문에 황화수소(Hydrogen Sulfide) 가스를 검지하는 센서에 대한 필요성이 증가하고 있다.
한편 금속산화물(ZnO, SnO2, WO3, TiO2 등) 중에서 밴드갭(band-gap)이 3.0-4.8 eV 사이의 값을 가지는 재료들은 반도체 특성을 가질 수 있다. 이러한 반도체 특성의 금속산화물의 표면에 외부의 가스(NOx, CO, H2, HC, SOx 등)가 흡착되면, 산화/환원 과정을 통해 금속산화물의 저항이 바뀌게 된다. 그 저항의 변화폭이 클수록 금속산화물을 포함하는 센서의 감지 특성(Sensitivity)이 향상된다.
이러한 특성을 향상시키기 위해 금속산화물의 그 표면적을 넓히거나 금속 나노물질을 표면에 부착하여 유해가스를 감지하도록 할 수 있으나, 재현성, 안정성, 센싱 성능 및 검출 한계의 향상에 대한 문제점이 있었다.
한국공개특허 제10-2014-0104784호 한국공개특허 제10-2016-0136811호 한국공개특허 제10-2017-0114192호 한국공개특허 제10-2017-0123850호 한국공개특허 제10-2018-0096050호 한국등록특허 제10-2051757호
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하는 것으로, 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 이용하여 다양한 습도 환경에서도 황화수소 가스 검출 능력이 우수한 가스 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 검출용 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서를 이용하여 황화수소 가스를 검출하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 검출용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은
기판 상에 전극을 배치시키는 단계; 및
상기 전극 상에 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 증착하여 센싱층을 형성하는 단계;를 포함하는, 황화수소 가스 센서의 제조방법을 제공한다.
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본 발명의 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은 알루미늄이 도핑되어 나노사이즈의 효과로 인해 비표면적이 증가되어 고감도의 황화수소 가스 검출이 가능하다.
또한, 본 발명의 가스 센서는 이와 같은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 이용하여 다양한 습도 환경에서도 황화수소 가스 검출 능력이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 XRD 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 TEM mapping 데이터이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 XPS 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 BET 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노물질의 UPS 분석 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 황화수소 가스 센싱 특성 평가 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 감응도, 감응 속도에 대한 데이터이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 선택적 감지 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 센서를 제공한다.
상기 황화수소 가스 센서는
기판;
상기 기판 상에 배치된 전극; 및
상기 전극 상에 형성된 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 센싱층;을 포함할 수 있다.
상기 황화수소 가스 센서는 기판에 전극과 센싱층을 형성하여 제조할 수 있고, 또는 기판에 전극을 배치한 후 전극 상에 센싱층을 형성하여 제조할 수도 있으며, 기판에 센싱층을 형성한 후, 센싱층 상에 전극을 배치하여 형성할 수도 있다.
상기 기판은 세라믹 기판, 알루미나(Al2O3)기판, 절연층이 증착된 실리콘(Si) 기판, 실리콘옥사이드(SiO2) 기판 등을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은 3 내지 30nm의 크기를 가질 수 있다.
상기 나노물질의 크기가 3nm 미만일 경우 응집현상으로 분산도가 떨어지는 등의 문제가 발생할 수 있고, 30nm를 초과하는 경우에는 표면적의 저하를 야기시킬 수 있는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 가스 센서의 센싱 특성을 저하시킬 수 있다.
상기 센싱층은 전극 상에 라인 패턴, 격자 형상, 굴곡진 형상, 원기둥 형상, 사각 기둥 형상, 역원뿔 형상, 직육면체 형상, 팽이 형상, 컵 형상 및 ㄷ자 형상으로 이루어진 군에서 선택되는 형상일 수 있다.
상기 센싱층은 전극 상에 화학기상증착법(CVD), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 스퍼터링법(sputterring), 레이저어블레이션법(laser ablation), 플라즈마증착법, 열화학 기상증착법 및 스프레이 코팅으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 증착되어 형성될 수 있다.
상기 전극으로는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti) 등을 단독으로 또는 복합층으로 구성하여 사용할 수 있다.
상기 전극은 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극이 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 제1 전극 및 제2 전극이 서로 이격되어 센싱층을 노출시키는 부분이 실질적으로 황화수소 센서에서의 센싱 영역(sensing area)이 된다.
또한, 본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 황화수소 가스 검출용 조성물을 제공한다.
상기 조성물은 반응물의 검출물질 또는 검출장비를 더 포함하여 황화수소 가스 검출 키트를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은
기판 상에 전극을 배치시키는 단계; 및
상기 전극 상에 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 증착하여 센싱층을 형성하는 단계;를 포함하는, 황화수소 가스 센서의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 있어서,
상기 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은
(a) 주석 클로라이드 오수화물(SnCl4-5H2O, Tin chloride pentahydrate), 질산알루미늄(Al(NO3)3, aluminum nitrate) 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)의 용액에 암모니아를 첨가하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)의 용액을 수열합성하는 단계;
(d) 상기 단계 (c)의 용액을 여과한 후 건조하여 분말을 제조하는 단계;
(e) 상기 단계 (d)의 분말을 1차 하소하는 단계; 및
(f) 상기 단계 (e)의 물질을 2차 하소하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
이때, 상기 용매는 물, 에탄올 또는 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
상기 암모니아는 용액의 pH가 5가 될 때까지 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 수열 합성은 온도 150 내지 250℃, 압력 250 내지 1,200atm 및 시간 10 내지 48시간 동안 수행될 수 있다.
상기 1차 및 2차 하소는 각각 300 내지 800℃에서 1 내지 8시간 동안 진행될 수 있다.
상기 1차 및 2차 하소는 박스 퍼니스(Box furnace)에서 진행될 수 있다.
상기 기판은 세라믹 기판, 알루미나(Al2O3)기판, 절연층이 증착된 실리콘(Si) 기판, 실리콘옥사이드(SiO2) 기판 등을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은 3 내지 30nm의 크기를 가질 수 있다.
상기 센싱층은 전극 상에 라인 패턴, 격자 형상, 굴곡진 형상, 원기둥 형상, 사각 기둥 형상, 역원뿔 형상, 직육면체 형상, 팽이 형상, 컵 형상 및 ㄷ자 형상으로 이루어진 군에서 선택되는 형상로 제조될 수 있다.
상기 센싱층은 전극 상에 화학기상증착법(CVD), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 스퍼터링법(sputterring), 레이저어블레이션법(laser ablation), 플라즈마증착법, 열화학 기상증착법 및 스프레이 코팅으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 증착되어 형성될 수 있다.
상기 전극은 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극이 서로 이격되어 배치될 수 있다.
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이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
실시예 1 산화주석 나노물질의 합성(pristine SnO 2 )
80ml의 DI water에 4.2072g의 SnCl4-5H2O를 첨가하여 상온에서 스터러를 이용하여 섞어주었다.
이 용액에 암모니아를 자기교반(magnetic stirring) 하에서 pH가 5가 될 때까지 첨가하였다. 그 후 오토클레이브(autoclave)에 용액을 옮긴 뒤, 오븐 내에서 160℃, 12시간 동안 수열합성을 진행하였다. 이후 여과기를 이용해 분말을 걸러낸 뒤 120℃, 12시간 동안 건조를 진행하였다.
이후 박스 퍼니스에서 600℃에서 2시간 동안 하소를 진행한 뒤, 튜브 퍼니스에서 600℃에서 2시간 동안 다시 하소를 진행하여 나노물질을 제조하였다.
실시예 2 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질의 합성(SnO 2 -Al (1:0.16))
80ml의 DI water에 4.2072g의 SnCl4-5H2O를 첨가하여 상온에서 스터러를 이용하여 섞어주었다. 그리고 Al(NO3)3를 2.11 mol을 첨가하여 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 제조하였다.
실시예 3 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질의 합성(SnO 2 -Al (1:0.33))
80ml의 DI water에 4.2072g의 SnCl4-5H2O를 첨가하여 상온에서 스터러를 이용하여 섞어주었다. 그리고 Al(NO3)3를 4.22 mol을 첨가하여 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 제조하였다.
실시예 4 황화수소 가스 센서(pristine SnO 2 )
Al2O3 기판 위에 DC 스퍼터를 이용하여 Au interdigitated electrodes 전극을 증착하였다. 상기 전극은 80mA로 12분 동안 증착하였고, 최종 두께는 300nm였다.
상기 전극 상에 실시예 1에 따라 제조된 나노물질을 스프레이 코팅하여 황화수소 가스 센서를 제조하였다.
실시예 5 황화수소 가스 센서(SnO 2 -Al (1:0.16))
실시예 1에 따라 제조된 나노물질 대신에 실시예 2에 따라 제조된 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 황화수소 가스 센서를 제조하였다.
실시예 6 황화수소 가스 센서(SnO 2 -Al (1:0.33))
실시예 1에 따라 제조된 나노물질 대신에 실시예 3에 따라 제조된 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 황화수소 가스 센서를 제조하였다.
실험예 1 재료분석(물질 형상 확인)
Scanning Electron Microscopy (SEM, JEOL-7800F, JEOL Ltd), transmission electron microscope (TEM, Talos F200X, FEI)을 이용하여 실시예 1 내지 3로부터 합성된 나노물질의 형상을 확인하였다.
도 1을 참고하면, 먼저 도 1의 (1a)는 실시예 1로부터 합성된 나노물질(pristine SnO2), 도 1의 (1b)는 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16)), 도 1의 (1c)는 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질 모두 매우 균질한 나노파티클의 형성을 확인할 수 있었고, 나노사이즈 효과로 인해 응집현상이 일어난 것을 확인할 수 있었다.
더 자세한 형상을 확인하기 위해 TEM 분석을 진행하였으며, 도 2를 참고하면, 먼저 도 2의 (2a)는 실시예 1로부터 합성된 나노물질(pristine SnO2), 도 2의 (2b)는 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16)), 도 2의 (2c)는 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질 모두 5 내지 20nm의 매우 작은 나노사이즈를 갖고 있는 것을 확인하였고, 도핑이 진행될수록 나노파티클의 사이즈가 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2 재료분석(화학적 조성 확인)
TEM 분석장비에 속해있는 Energy dispersive X-ray spectroscope (EDS, Talos F200X, FEI) 과 high angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM)을 이용하여 실시예 2 및 3으로부터 합성된 나노물질의 화학적 조성을 확인하였다.
도 4를 참고하면, 먼저 도 4의 (a-e)는 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16)), 도 4의 (f-j)는 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))의 TEM mapping 결과를 나타낸 것이다.
실시예 2 및 3으로부터 합성된 나노물질 모두 Sn, O, Al 원소가 확인되었으며, Al 구성은 각각 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16))이 2.82 at%, 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))이 3,89 at%로 확인되었다.
실험예 3 재료분석(chemical states 확인)
X-ray photo-electron spectroscopy (XPS, Thermo Fisher Scientific Co.)를 이용하여 실시예 1 내지 3로부터 합성된 나노물질의 chemical states를 확인하였다.
도 5를 참고하면, 먼저 도 5a는 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질의 XPS surveys 결과를 나타낸 것이다. 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질 모두 Sn, O 원소가 관찰되었으며, 실시예 2 및 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16), SnO2-Al (1:0.33))들은 Al 원소가 추가로 관찰되었다.
도 5b는 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질의 Al 2p 영역의 화학적 상태를 나타낸 것이다. 실시예 1로부터 합성된 나노물질(pristine SnO2)에서는 Al 관련 픽이 없는 것을 확인하였고, 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16))에서는 73.8 eV, 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))에서는 73.8 내지 74 eV의 더 넓은 Al 관련 픽이 확인되었다. 이는 XRD 결과와 마찬가지로 Al의 농도가 짙어지면서 Al 도핑양이 늘어남에 따라 Al2O3가 생성되었기 때문으로 판단된다.
도 5c는 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질의 O1s 영역을 나타낸 것이다. 실시예 1로부터 합성된 나노물질(pristine SnO2)은 530 eV에서 픽이 관찰되었는데, 도핑이 진행되면 529.6 eV로 픽이 관찰되었다. 이는 도핑이 진행되면 격자 내에 결함이 생성되어 많은 oxygen species가 물질의 표면에 형성되었기 때문에 이런 형상이 나타난 것으로 판단된다.
실험예 4 재료분석(결정구조 확인)
X-ray diffraction (XRD, SmartLab, Rigaku) with Cu Kα radiation (λ=1.5418 Å를 이용하여 실시예 1 내지 3로부터 합성된 나노물질의 결정구조를 확인하였다.
도 3을 참고하면, 먼저 도 3의 (3a)에서는 실시예 1 내지 3으로부터 합성된 나노물질 모두 JCPDS card No. 41-1445 와 대조했을 때 모두 SnO2 결정구조를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 도핑이 진행될수록 픽이 넓어지는 경향을 확인하였다. 이는 알루미늄 원소가 산화주석 결정 구조에 침입하여 도핑 가능성이 있는 것으로 확인되었다.
또한 도 3의 (3b) 및 (3c)에서 매우 미세하게 산화알루미늄 픽이 있는 것을 확인하였다. Al의 농도가 짙어짐에 따라 Al와 O가 결합된 Al2O3가 매우 미세하게 관찰된 것을 알 수 있었다.
실험예 5 재료분석(밴드구조 확인)
Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS, Thermo Fisher Scientific Co.)를 이용하여 일함수 (work function)을 확인하여 실시예 1 내지 3로부터 합성된 나노물질의 밴드구조를 확인하였다.
도 7을 참고하면 일함수는 각각 실시예 1로부터 합성된 나노물질(pristine SnO2)이 4.3, 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16))이 4.6, 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))이 4.9를 나타내었다. 이는 SnO2의 격자 내에 Al이 침투하여 각기 다른 일함수를 갖는 것으로 판단된다.
실험예 6 재료분석(비표면적 확인)
Brunauer-Emmett-Teller analysis (BET, TriStar II 3020, Micrometrics Instrument Corporation)를 이용하여 실시예 1 내지 3로부터 합성된 나노물질의 H2S 가스에 대한 흡착정도를 확인하여 비표면적을 확인하였다.
도 6을 참고하면, 비표면적은 각각 실시예 1로부터 합성된 나노물질(pristine SnO2)이 22.082, 실시예 2로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.16))이 28.439, 실시예 3으로부터 합성된 나노물질(SnO2-Al (1:0.33))이 78.087을 나타내었다. 이는 SEM, TEM에서 확인했듯이, 도핑이 진행될수록 나노파티클의 사이즈가 감소함에 따라 나노사이즈 효과로 인해 비표면적이 증가한 것으로 판단된다. 또한, XRD, XPS를 통하여 도핑이 진행되면서 결정 결함이 생성되어 H2S 가스와의 반응성이 좋아졌을 것으로 판단된다.
실험예 7 가스 센싱 특성 평가
실시예 4 내지 6에 따라 제조된 가스 센서를 세라믹 히터가 장착된 챔버에 넣고, 자체 제작된 가스 센싱 시스템으로 가스 센싱 특성을 측정하였다. 목표 유독가스와 아르곤(Air) 가스를 MFCs(mass flow controllers)를 이용하여 혼합하였다. 총 유량은 500sccm으로 하였고 에어(air) 상태일때의 저항을 Ra, 목표 유독가스가 존재할 때를 Rg로 표기하였고 키슬리(keithley) 2450을 이용하여 저항을 측정하였다. 감도(Response)는 R = Ra/Rg(환원성 가스)로 정하였다. 감응 속도(Response time) 는 목표 유독 가스를 흘려주고, 최종 도달한 저항값의 90%로 정하였다.
실시예 4 내지 6에 따라 제조된 가스 센서의 황화수소(H2S) 가스 센싱 특성 평가 결과를 도 8에 나타내었다. 가스 센서의 황화수소(H2S) 가스에 대한 감응도, 감응속도의 결과를 도 9 및 아래 표 1에 나타내었다. 실시예 6에 따라 제조된 가스 센서의 황화수소를 포함하는 기타 가스(C2H5OH, NH3, C7H8) 10ppm에 대한 선택적 감지 그래프를 도 10에 나타내었다.
H2S 가스 농도(ppm) 실시예 4(Pristine SnO2) 실시예 5(SnO2-Al(1:0.16)) 실시예 6(SnO2-Al(1:0.33))
감응도((Ra/Rg) 감응속도(s) 감응도((Ra/Rg) 감응속도(s) 감응도((Ra/Rg) 감응속도(s)
20 7.13 9 14.18 238 17.38 35
10 3.69 7 7.21 247 8.76 53
6 2.48 8 5.31 230 6.72 117
2 2.00 28 2.42 152 2.71 162
도 8을 참고하면, 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 가스 센서 모두 황화수소 가스 20, 10, 6, 2ppm에 대해 n-type의 거동을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 모든 황화수소 가스 농도에서 실시예 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al(1:0.33))가 더 좋은 감응도를 보였다.
도 9 및 표 1을 참고하면, 실시예 5 및 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.16), SnO2-Al(1:0.33))는 실시예 4에 따라 제조된 가스 센서(pristine SnO2)보다 H2S 가스 감응도가 모두 높았다.
그러나, 실시예 4에 따라 제조된 가스 센서(pristine SnO2)가 실시예 5 및 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.16), SnO2-Al(1:0.33))에 비해 감응 속도가 빠른 것으로 나타났다. 이는 낮은 감도로 인해 비교적 빠르게 감응이 끝나서 감응 속도가 빠른 것처럼 보이는 것이다.
또한, 실시예 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.33))가 실시예 5에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.16))보다 더 빠른 감응 속도를 나타낸 것을 확인하였다.
도 10을 참고하면, 먼저 도 10의 (a) 및 (b)에서 실시예 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.33))는 각각의 가스에 대해 황화수소(H2S) 8.76, C2H5OH 2.42, NH3 2.41, C7H8 1.14의 감도를 나타내었다. 따라서, 실시예 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.33))가 타 가스 대비 황화수소(H2S) 가스에 대한 탁월한 감응도가 있는 것을 확인하였다.
센서의 습도 영향 테스트에 관한 도 10의 (c) 및 (d)를 참고하면, 실시예 6에 따라 제조된 가스 센서(SnO2-Al (1:0.33))의 상대습도 0RH%에서의 황화수소(H2S) 가스의 감응도는 8.76이었지만, 상대습도가 30RH%로 높아졌을 때는 1.53의 감응도를 나타내었다. 이는 물 분자가 가스 흡착 사이트에 더 많이 흡착되어 있어 황화수소(H2S) 가스가 흡착하기 어려워졌기 때문으로 판단된다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 전극; 및
    상기 전극 상에 형성된 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 포함하는 센싱층;을 포함하고
    여기서
    상기 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은 산화주석과 알루미늄이 1:0.16 ~ 1:0.33 중량 비율이고, 3 내지 30nm의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는,
    , 황화수소 가스 센서.
  3. 삭제
  4. 기판 상에 전극을 배치시키는 단계; 및
    상기 전극 상에 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질을 증착하여 센싱층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    여기서
    상기 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은 산화주석과 알루미늄이 1:0.16 ~ 1:0.33 중량 비율이고, 3 내지 30nm의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는,
    황화수소 가스 센서의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 알루미늄이 도핑된 산화주석 나노물질은
    (a) 주석 클로라이드 오수화물(SnCl4-5H2O, Tin chloride pentahydrate), 질산알루미늄(Al(NO3)3, aluminum nitrate) 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)의 용액에 암모니아를 첨가하는 단계;
    (c) 상기 단계 (b)의 용액을 수열합성하는 단계;
    (d) 상기 단계 (c)의 용액을 여과한 후 건조하여 분말을 제조하는 단계;
    (e) 상기 단계 (d)의 분말을 1차 하소하는 단계; 및
    (f) 상기 단계 (e)의 물질을 2차 하소하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조하는 것을 특징으로 하는 황화수소 가스 센서의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수열 합성은 온도 150 내지 250℃, 압력 250 내지 1,200atm 및 시간 10 내지 48시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 황화수소 가스 센서의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 하소는 각각 300 내지 800℃에서 1 내지 8시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 황화수소 가스 센서의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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