KR20050039016A - Hydrogen sensor using palladium coated carbon nanotube - Google Patents

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이진우
공기정
이정오
장현주
류병환
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Abstract

본 발명은 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 수소센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 선택적으로 흡착하여 해리시키는 촉매 금속인 팔라듐을 탄소 나노튜브 표면에 코팅하고 이를 수소센서의 전극 사이에 위치시킨 것으로써, 팔라듐이 수소분자를 수소원자로 해리시키고, 이때 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브 표면에 흡착되면서 전자가 수소에서 탄소 나노튜브로 이동되어 탄소 나노튜브의 정공 (hole) 농도를 감소시키고 동시에 탄소 나노튜브의 전기전도도를 감소시켜 효과적이면서 고감도로 수소가스를 검출할 수 있는 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 수소센서에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube hydrogen sensor coated with palladium, and more particularly, palladium, which is a catalytic metal that selectively adsorbs and dissociates hydrogen, is coated on a surface of a carbon nanotube and positioned between electrodes of the hydrogen sensor. For example, palladium dissociates hydrogen molecules into hydrogen atoms, where the dissociated hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the carbon nanotubes, whereby electrons move from hydrogen to carbon nanotubes, reducing the hole concentration of the carbon nanotubes and simultaneously The present invention relates to a palladium-coated carbon nanotube hydrogen sensor capable of detecting hydrogen gas effectively and with high sensitivity by reducing its electrical conductivity.

Description

팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 수소센서{Hydrogen sensor using palladium coated carbon nanotube} Hydrogen sensor using palladium coated carbon nanotube}

본 발명은 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 수소센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 선택적으로 흡착하여 해리시키는 촉매 금속인 팔라듐을 탄소 나노튜브 표면에 코팅하고 이를 수소센서의 전극 사이에 위치시킨 것으로써, 팔라듐이 수소분자를 수소원자로 해리시키고, 이때 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브 표면에 흡착되면서 전자가 수소에서 탄소 나노튜브로 이동되어 탄소 나노튜브의 정공 (hole) 농도를 감소시키고 동시에 탄소 나노튜브의 전기전도도를 감소시켜 효과적이면서 고감도로 수소가스를 검출할 수 있는 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 수소센서에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube hydrogen sensor coated with palladium, and more particularly, palladium, which is a catalytic metal that selectively adsorbs and dissociates hydrogen, is coated on a surface of a carbon nanotube and positioned between electrodes of the hydrogen sensor. For example, palladium dissociates hydrogen molecules into hydrogen atoms, where the dissociated hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the carbon nanotubes, whereby electrons move from hydrogen to carbon nanotubes, reducing the hole concentration of the carbon nanotubes and simultaneously The present invention relates to a palladium-coated carbon nanotube hydrogen sensor capable of detecting hydrogen gas effectively and with high sensitivity by reducing its electrical conductivity.

산업 및 과학 분야에 광범위하게 활용되고 있거나 활용 가능성이 제시되고 있는 수소는 인화성이 높고 최소 폭발한계농도(4.65 용량%) 이상이 되면 폭발할 위험이 있기 때문에 수소농도 측정 및 누출을 감지할 수 있는 수소센서에 대한 관심이 높아지고 있다. 수소센서는 암모니아, 에탄올, 메탄올, 아닐린, 염화수소 공업, 하이드로포밍(hydroforming), 하이드로크래킹(hydrocarcking) 및 하이드로파이닝(hydrorefining) 등이 석유화학산업, 식물성오일의 수소화(hydrogenation) 등의 식품산업, 반도체, 원광석의 환원 등의 철강산업, 자동차, 핵발전 설비, 전력설비, 의료분야, 우주산업 등 광범위한 산업 분야에 활용되고 있으며, 최근에는 특히 연료전지, 내연기관 등의 청정에너지원으로 수소의 활용이 주목받게 됨에 따라 수소농도 조절 및 누출 수소 검출을 위한 값싸고 신뢰성이 있고 소형의 안전한 수소센서의 중요성 및 개발 필요성이 증가하고 있다.Hydrogen, which is widely used or suggested for industrial and scientific applications, is highly flammable and may explode when the minimum explosive limit concentration (4.65% by volume) is exceeded. There is a growing interest in sensors. Hydrogen sensors include ammonia, ethanol, methanol, aniline, hydrogen chloride industry, hydroforming, hydrocarcking and hydrorefining. It is used in a wide range of industries, such as the reduction of semiconductors and ores, such as the steel industry, automobiles, nuclear power plants, power facilities, medical fields, and space industries. Recently, hydrogen has been used as a clean energy source for fuel cells and internal combustion engines. This attention has increased the importance and the need to develop inexpensive, reliable and compact safe hydrogen sensors for hydrogen concentration control and leak hydrogen detection.

상업적으로 개발된 수소센서는 수소 농도에 따른 소자의 전기적 특성 변화를 측정하는 방식이다. 가장 널리 사용되는 수소센서로는 촉매 연소(catalytic combustible, CC) 또는 열선(hot wire) 방식의 센서이다.The commercially developed hydrogen sensor is a method of measuring the change of electrical characteristics of the device according to the hydrogen concentration. The most widely used hydrogen sensors are catalytic combustible (CC) or hot wire sensors.

상기한 CC센서는 백금/이리듐 선으로 된 두개의 구슬(bead)이 휘트스톤 브리지(wheatstone bridge) 형태로 구성되어 있으며 600 ∼ 800 ℃로 가열된다. 두개의 구슬 중 하나의 구슬은 활성 촉매로 코팅되어 있고 다른 하나는 코팅되어 있지 않다. 인화성 기체의 산화열에 의해 구슬의 온도가 올라가면 전기저항의 변화를 측정해 수소농도를 검지하는 원리이다. 그러나 상기한 CC센서는 산소가 부족한 분위기나 폭발한계(4.65 용량%) 이상의 환경에는 적합하지 않으며, 또한 CC센서는 산화반응을 이용하므로 탄화수소에도 같은 반응을 보이기 때문에 수소와 탄화수소를 구별할 수 없게 되고, 할로겐화 탄화수소에 오염되거나 실리콘, 납 등에 피독되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 사용온도가 600 ℃ 이상이기 때문에 센서자체가 발화나 폭발의 원인이 되고 소비전력 또한 큰 것이 단점이다.The CC sensor is composed of two beads of platinum / iridium wire in the form of a Wheatstone bridge and heated to 600 to 800 ° C. One of the two beads is coated with an active catalyst and the other is not coated. It is a principle that detects hydrogen concentration by measuring the change of electrical resistance when the bead temperature rises by the heat of oxidation of flammable gas. However, the CC sensor is not suitable for oxygen-poor atmosphere or explosion limit (4.65% by volume) or higher, and because the CC sensor uses an oxidation reaction, the same reaction can occur for hydrocarbons. , It is contaminated with halogenated hydrocarbons or poisoned with silicon, lead and the like. In addition, since the operating temperature is 600 ℃ or more, the sensor itself causes a fire or explosion, and power consumption is also a disadvantage.

두 번째로 널리 사용되는 금속산화물 반도체(metal oxide semiconductor, MOS) 센서이다. 주로 Fe, Zn, Sn 산화물 또는 그들의 혼합물을 사용하며 150 ∼ 350 ℃의 온도에서 작동된다. 산소원자가 MOS 표면에 흡착되어 표면층에 산화물 이온의 평형농도를 이룬다. 공기 중에서 MOS센서의 기본저항 또는 전도도를 보정하고 CO, H2S 또는 탄화수소 분자가 접촉되면 표면에 흡착되어 산소 평형농도를 변화시키고 MOS 물질의 전기저항을 변화시켜 센서로 사용된다. 그러나, 상기한 MOS센서는 현재 상용화된 센서의 경우 3개월에 1번씩 보정을 해주어야 하고 응답시간이 3 ∼ 5 분으로 긴 편이며, 또한 센서 자체가 발화나 폭발의 원인이 될 수 있으며 할로겐화 증기와는 같이 사용할 수 없는 등의 단점이 있다.Secondly, the metal oxide semiconductor (MOS) sensor is widely used. It mainly uses Fe, Zn, Sn oxides or mixtures thereof and operates at a temperature of 150 to 350 ° C. Oxygen atoms are adsorbed on the surface of the MOS to achieve an equilibrium concentration of oxide ions in the surface layer. When the basic resistance or conductivity of MOS sensor is corrected in air and CO, H 2 S or hydrocarbon molecules are contacted, they are adsorbed on the surface to change the oxygen balance and change the electrical resistance of MOS material. However, the MOS sensor described above has to be calibrated once every 3 months in the case of commercially available sensors, and the response time is long (3 to 5 minutes), and the sensor itself may cause ignition or explosion. There are disadvantages such as not being used together.

최근에는 Pd MOS구조의 산화물반도체 수소센서에 대한 관심이 증가하고 있으며, 상기한 Pd MOS구조의 산화물반도체 수소센서는 팔라듐/산화물/반도체의 구조로 되어 있다. 수소센서에 팔라듐(Pd)을 사용하는 이유는 팔라듐이 선택적으로 수소분자를 흡착하여 수소원자로 해리시키는 뛰어난 촉매활성을 가지는 특성 때문이다. 상기 해리된 수소원자가 팔라듐을 통하여 확산되어 팔라듐/산화물 계면에 흡착되면, 분극에 의해 산화물/반도체 사이의 숏키(Schottky) 장벽의 높이를 감소시켜 전기전도도를 증가시는 원리를 이용하는 것이다. 최초의 Pd MOS센서는 Lundstrom이 제안한 Pd/SiO2/Si MOS FET (field effect transistor) 구조이다[I. Lundstrom et. al., J. Appl. Phys., 46, 3876 (1975)]. 그러나, 상기 Pd MOS FET 구조의 센서의 경우 게이트 전극이 포함된 3극 구조로 제조공정이 복잡하고 제조비용이 높은 단점이 있다.Recently, interest in oxide semiconductor hydrogen sensor of Pd MOS structure has increased, and the oxide semiconductor hydrogen sensor of Pd MOS structure has a structure of palladium / oxide / semiconductor. The reason why palladium (Pd) is used in the hydrogen sensor is that palladium has an excellent catalytic activity of selectively adsorbing hydrogen molecules and dissociating them into hydrogen atoms. When the dissociated hydrogen atom diffuses through the palladium and is adsorbed at the palladium / oxide interface, it uses a principle of increasing the electrical conductivity by decreasing the Schottky barrier height between the oxide and the semiconductor by polarization. The first Pd MOS sensor is Lundstrom's proposed Pd / SiO 2 / Si MOS field effect transistor (I) structure [I. Lundstrom et. al., J. Appl. Phys., 46, 3876 (1975). However, the sensor of the Pd MOS FET structure has a disadvantage that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high because the three-pole structure including the gate electrode.

한편, 산화물 층의 특성이 수소검출능력에 영향을 미치기 때문에 산화물 층의 특성을 향상시키는 노력이 많이 이루어지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 연구들로는 ZnO를 사용하거나[A. Dutta et. al., Materials Science Engineering, B14, 31 (1992)], TiO2를 사용하는 [L. Yadava et. al., Solid state Electron., 33, 1229 (1990), Akbar et. al., US5439580 (1995)] 연구가 보고된 바 있다.On the other hand, since the characteristics of the oxide layer affect the hydrogen detection ability, much effort has been made to improve the characteristics of the oxide layer. Studies to solve this problem use ZnO [A. Dutta et. al., Materials Science Engineering, B14, 31 (1992)], using TiO 2 [L. Yadava et. al., Solid state Electron., 33, 1229 (1990), Akbar et. al., US5439580 (1995).

다른 접근방법으로는 2극 구조의 숏키 장벽 다이오드(Schottky barrier diode)로써 산화물층의 영향을 배제하는 2극 구조를 형성하는 방법이 있다. 예를 들면 Pd/CdS 구조[M. C. Steele et. al., Appl. Phys. Lett., 28, 687 (1976)], Pd/InP 구조[H. Chen et. al., US2002/0182767, (2003)], Pd/ZnO 구조[K. Ito et. al., Surface Sci., 86, 345(1982)], Pd/GaAs 구조[W. Liu et. al., US6160278, (2000)] 등이 있다. 그러나, 상기한 센서들의 경우 민감도나 응답시간 측면에서 한계를 가지고 있다.Another approach is to form a bipolar structure that eliminates the influence of an oxide layer as a Schottky barrier diode of a bipolar structure. For example, Pd / CdS structure [M. C. Steele et. al., Appl. Phys. Lett., 28, 687 (1976)], Pd / InP structure [H. Chen et. al., US 2002/0182767, (2003)], Pd / ZnO structure [K. Ito et. al., Surface Sci., 86, 345 (1982)], Pd / GaAs structures [W. Liu et. al., US 6160278, (2000). However, the above sensors have limitations in terms of sensitivity or response time.

또한, 촉매역할을 하는 전극과 이온 전도성 고체전해질을 이용한 수소센서에 대한 연구도 활발하다. 상기한 구조의 수소센서에 사용되는 이온전도성 고체전해질의 예로 SrTiO3의 수소흡착에 따른 산소공공의 변화로부터 전기전도도 변화를 측정하는 구조[Jonda, et. al., US6513364 (2003)], BaCe1-x-yLxMyO3-x 를 사용하는 구조[N. Taniguchi et. al., US2003/0024813 (2003)], Na(H3O)Zr2SixP3-x )O12를 사용하여 전압 변화를 측정하는 구조[K. Areekattuthazhayil et. al., US6073478 (2000)], SrCe0.95Yb0.05O3-x등의 페로브스카이트 구조의 산화물을 사용하는 구조[K. Kunihiro et. al., US5445725 (1995) 등이 있으며 이들의 작동온도는 200 ℃이상의 고온이다.In addition, research on the hydrogen sensor using an electrode that serves as a catalyst and an ion conductive solid electrolyte is also active. Examples of the ion-conductive solid electrolyte used for the hydrogen sensor of the above-described frame structure for measuring the electrical conductivity changes from a change in the oxygen vacancies of the hydrogen absorption of SrTiO 3 [Jonda, et. al., US 6513364 (2003)], structures using BaCe 1-xy L x M y O 3-x [N. Taniguchi et. al., US 2003/0024813 (2003)], a structure for measuring voltage change using Na (H 3 O) Zr 2 Si x P 3-x ) O 12 [K. Areekattuthazhayil et. al., US 6073478 (2000)] and structures using oxides of perovskite structures such as SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-x [K. Kunihiro et. al., US5445725 (1995), and their operating temperatures are higher than 200 ° C.

보고된 또 다른 형태의 수소센서로는 금속-수소 화합물을 형성할 때의 전기적 특성 변화를 이용하는 것으로 LaNi5 [Z. Jennifer et. al., US6539774 (2003)], 희토류 금속[D. J. Frank et. al., US6265222 (2001)], Sc, Y, La[B. Gautam et. al., US6006582 (1999)], NixZr1-x (Y. Cheng et. al., US5886614 (1999) 등의 금속과 촉매활성을 가지는 전극을 사용하는 구조이다. 그러나, 상기한 종류의 센서는 응답시간이 길다는 단점을 가지고 있다.Another type of hydrogen sensor reported is to utilize the change in electrical properties when forming metal-hydrogen compounds. LaNi 5 [Z. Jennifer et. al., US 6539774 (2003), rare earth metals [DJ Frank et. al., US6265222 (2001), Sc, Y, La [B. Gautam et. al., US6006582 (1999)], Ni x Zr 1-x (Y. Cheng et. al., US5886614 (1999), etc., and a structure using an electrode having catalytic activity. Has the disadvantage of long response time.

팔라듐은 수소를 선택적으로 흡착할 때의 물성변화, 예를 들면 질량, 체적, 전기저항, 광학상수 및 일함수(work function)의 변화가 생기게 되는 데 이를 측정하여 수소센서로 활용하게 된다. 그러나, 이와 같은 팔라듐의 특성을 이용한 수소센서는 응답시간이 수초에서 수분으로 길기 때문에 가스농도의 실시간 측정이 어렵고, 탄화수소, 산소, 물, 일산화탄소 등의 활성기체에 피독되면 팔라듐 표면에 화학흡착이 일어나 수소의 흡착을 방해하게 되어 센서의 민감도가 저하되는 문제점이 있다. 또한 이들 수소센서는 작동온도가 높아서 가열을 해주어야 하기 때문에 소비전력이 크다는 문제가 있다. Palladium causes changes in physical properties when the hydrogen is selectively adsorbed, for example, changes in mass, volume, electrical resistance, optical constant, and work function, and is used as a hydrogen sensor. However, the hydrogen sensor using the characteristics of palladium is difficult to measure the gas concentration in real time because the response time is long from a few seconds to a few minutes, and chemical adsorption occurs on the surface of the palladium when poisoned by active gases such as hydrocarbons, oxygen, water and carbon monoxide. Interfering with the adsorption of hydrogen has a problem that the sensitivity of the sensor is lowered. In addition, these hydrogen sensors have a problem that the power consumption is high because the operating temperature must be heated.

이와 같은 벌크 팔라듐 수소센서의 한계점을 극복하기 위하여 팔라듐의 나노선 또는 안정한 금속-수소 화합물을 형성하는 금속(Cu, Au, Ni, Pt 등)의 나노선 또는 이들의 어레이(array)를 이용한 수소센서가 개발되었다[R. M. Penner et. al., US2003/0079999 (2003)]. 상기한 수소센서는 벌크 팔라듐 소자에 비하여 소비전력이 작고, 소형이며, 응답시간(수십 msec)이 빠르다는 장점이 있지만, 검출할 수 있는 최소 수소농도가 0.4 %로 그 이하의 수소농도는 검출할 수 없다는 한계가 있다.In order to overcome the limitations of the bulk palladium hydrogen sensor, hydrogen sensor using nanowire of palladium or nanowire of metal (Cu, Au, Ni, Pt, etc.) forming an stable metal-hydrogen compound or an array thereof Was developed [R. M. Penner et. al., US 2003/0079999 (2003). The hydrogen sensor has the advantages of smaller power consumption, smaller size, and faster response time (several tens of msec) than the bulk palladium element, but the minimum detectable hydrogen concentration is 0.4% and the hydrogen concentration less than that can be detected. There is a limit that cannot be.

이에 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 팔라듐 나노입자, 다공성 팔라듐 층 또는 치밀한 팔라듐 층으로 코팅된 탄소나노튜브를 수소센서의 전극 사이에 장착하면 상온에서도 수소센서가 작동할 수 있어서 소비전력이 작고, 소형센서소자의 제작이 가능하며, 응답시간이 수 msec로 빨라서 실시간 수소농도 측정 및 누출 감시가 가능하고, ppm 단위의 미량의 수소 농도를 측정할 수 있으며, 혼합가스 분위기에서도 선택적으로 수소농도를 측정할 수 있는 신뢰성 있는 수소센서를 제조할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made efforts to solve the above problems, and when the carbon nanotubes coated with palladium nanoparticles, porous palladium layers or dense palladium layers are mounted between the electrodes of the hydrogen sensor, the hydrogen sensor may operate at room temperature. As a result, power consumption is small, small sensor devices can be manufactured, response time is fast by several msec, real-time hydrogen concentration measurement and leakage monitoring are possible, and trace hydrogen concentration in ppm unit can be measured, even in mixed gas atmosphere. The present invention was completed by confirming that a reliable hydrogen sensor capable of measuring hydrogen concentration selectively.

따라서 본 발명은 고감도로 수소가스를 검출할 수 있는 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브가 적용된 수소센서를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen sensor to which carbon nanotubes coated with palladium that can detect hydrogen gas with high sensitivity are applied.

본 발명은 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브가 전극 사이에 위치한 수소센서를 특징으로 한다.The present invention features a hydrogen sensor where palladium-coated carbon nanotubes are positioned between electrodes.

이와 같은 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in detail as follows.

본 발명은 수소를 선택적으로 흡착하여 해리시키는 촉매 금속인 팔라듐을 탄소 나노튜브 표면에 코팅하고 이를 수소센서의 전극 사이에 위치시킨 것으로써, 팔라듐이 수소분자를 수소원자로 해리시키고, 이때 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브 표면에 흡착되면서 전자가 수소에서 탄소 나노튜브로 이동되어 탄소 나노튜브의 정공 (hole) 농도를 감소시키고 동시에 탄소 나노튜브의 전기전도도를 감소시켜 효과적이면서 고감도로 수소가스를 검출할 수 있는 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 수소센서에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 상온에서도 수소센서가 작동할 수 있어서 소비전력이 작고, 소형센서소자의 제작이 가능하며, 응답시간이 수 msec로 빨라서 실시간 수소농도 측정 및 누출 감시가 가능하고, ppm 단위의 미량의 수소 농도를 측정할 수 있으며, 혼합가스 분위기에서도 선택적으로 수소농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, palladium, which is a catalytic metal that selectively adsorbs and dissociates hydrogen, is coated on a surface of a carbon nanotube and placed between electrodes of a hydrogen sensor, whereby palladium dissociates hydrogen molecules into hydrogen atoms. Adsorbed on the surface of the carbon nanotubes, electrons move from hydrogen to carbon nanotubes, reducing the hole concentration of the carbon nanotubes and at the same time reducing the electrical conductivity of the carbon nanotubes, thereby effectively detecting hydrogen gas with high sensitivity. The present invention relates to a carbon nanotube hydrogen sensor coated with palladium, and according to the present invention, the hydrogen sensor can operate at room temperature, and thus, power consumption is low, a small sensor device can be manufactured, and the response time is several msec. Measurement and leak monitoring are possible, and trace hydrogen concentrations in ppm can be measured. In addition, there is an effect that can selectively measure the hydrogen concentration in the mixed gas atmosphere.

본 발명의 수소센서는 수소를 선택적으로 흡착하여 해리시키는 촉매 금속인 팔라듐을 나노입자, 다공성 팔라듐 층 또는 치밀한 팔라듐 층 등의 형태로 코팅한 탄소 나노튜브를 두개의 전극 사이에 위치시킨 구조를 특징으로 하며, 첨부도면 도 1a에는 팔라듐 나노입자가 코팅된 나노튜브를 적용한 수소센서를 나타내었고, 첨부도면 도1b에는 팔라듐 층이 코팅된 나노튜브를 적용한 수소센서를 나타낸 것이다. 상기한 수소센서에서 팔라듐은 수소 분자를 선택적으로 흡착하여 수소 원자로 해리시키는 촉매로써 작용하고, 이때 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브 표면에 흡착되어 탄소 나노튜브의 정공(hole)의 농도가 감소되고, 동시에 전기저항이 증가하도록 한다.The hydrogen sensor of the present invention is characterized by a structure in which carbon nanotubes coated with palladium, a catalytic metal that selectively adsorbs and dissociates hydrogen in the form of nanoparticles, porous palladium layers, or dense palladium layers, are positioned between two electrodes. 1A shows a hydrogen sensor applying nanotubes coated with palladium nanoparticles, and FIG. 1B shows a hydrogen sensor applying nanotubes coated with a palladium layer. In the hydrogen sensor, palladium acts as a catalyst for selectively adsorbing hydrogen molecules and dissociating them into hydrogen atoms. At this time, the dissociated hydrogen atoms are adsorbed on the surface of the carbon nanotubes, thereby reducing the concentration of holes in the carbon nanotubes. Allow the electrical resistance to increase.

탄소 나노튜브에 수소가 분자상태와 원자상태로 흡착될 때의 에너지를 이론적으로 계산한 결과를 첨부도면 도 2a와 도 2b에 나타내었다. 탄소 나노튜브에 수소가 분자상태로 흡착될 때, 도 2a에서 보는 바와 같이 탄소 나노튜브와 수소분자의 거리가 가까워질수록 에너지 극소점이 없이 계속적으로 증가하므로 분자상태로는 흡착되지 않음을 알 수 있다. 반면에 도 2b에서 보는 바와 같이 탄소 나노튜브에 해리된 수소원자가 흡착될 때는 특정거리(1.113 Å)에서 에너지 극소점이 나타나고 이 거리가 탄소 나노튜브와 흡착된 수소원자 사이의 결합거리가 된다. 이 계산 결과로부터 탄소 나노튜브에는 수소가 원자상태로 존재할 때 보다 용이하게 흡착됨을 알 수 있다. 따라서 수소분자를 수소원자로 해리시키는 팔라듐이 촉매로써 반드시 필요함을 알 수 있다.2A and 2B show the results of theoretically calculating the energy when hydrogen is adsorbed to the carbon nanotubes in a molecular state and in an atomic state. When hydrogen is adsorbed in the carbon nanotubes in the molecular state, as the distance between the carbon nanotubes and the hydrogen molecules near as shown in Figure 2a it can be seen that it does not adsorb in the molecular state because it continuously increases without energy minima. . On the other hand, when the hydrogen atoms dissociated in the carbon nanotubes are adsorbed on the carbon nanotubes as shown in FIG. 2B, energy minima appear at a specific distance (1.113 kPa), and this distance becomes the bonding distance between the carbon nanotubes and the adsorbed hydrogen atoms. The calculation results show that the carbon nanotubes are more easily adsorbed when hydrogen is present in the atomic state. Therefore, it can be seen that palladium which dissociates hydrogen molecules into hydrogen atoms is necessary as a catalyst.

반도체성 탄소 나노튜브는 일반적으로 정공 (hole)이 전하운반자인 p-형 반도체이므로 전산모사를 이용하여 수소가 흡착될 때 전하의 이동 및 분포를 계산한다면 탄소나노튜브의 전기적 특성 변화를 예측할 수 있다.Since semiconducting carbon nanotubes are generally p-type semiconductors whose holes are charge carriers, changes in electrical properties of carbon nanotubes can be predicted by calculating the transfer and distribution of charges when hydrogen is adsorbed using computational simulation. .

전산모사를 이용하여 탄소 나노튜브에 수소원자가 흡착될 때의 전자구조를 계산한 결과는 첨부도면 도 3에 나타내었다. 도 3은 탄소나노튜브에 수소원자가 한개 흡착되었을 때의 총 전하분포에서 탄소나노튜브와 수소원자 한개의 전하분포를 각각 빼주었을 때의 전하분포를 나타내는 그림으로, 탄소나노튜브에 수소원자가 흡착됨에 따라 전하량이 증가하는 것을 나타내고 있다. 상기의 전산모사를 이용한 전자상태 계산으로부터 알 수 있는 사실은 탄소 나노튜브 표면에 수소가 흡착되면 수소에서 탄소 나노튜브로 0.192 전자가 이동한다는 사실이다. 이로써 수소원자에서 탄소 나노튜브로 이동된 전자는 탄소 나노튜브 내의 정공 농도를 감소시키고, 결과적으로 탄소 나노튜브의 전기저항은 증가하게 됨을 알 수 있다.The results of calculating the electronic structure when the hydrogen atoms are adsorbed on the carbon nanotubes by using computer simulation are shown in the accompanying drawings. 3 is a diagram showing the charge distribution when the carbon nanotubes and the hydrogen atoms are subtracted from the total charge distribution when one hydrogen atom is adsorbed on the carbon nanotubes, and the hydrogen atoms are adsorbed on the carbon nanotubes. It shows that the amount of charge increases. The fact from the calculation of the electronic state using the simulation is that when hydrogen is adsorbed on the surface of carbon nanotubes, 0.192 electrons are transferred from hydrogen to carbon nanotubes. As a result, the electrons transferred from the hydrogen atoms to the carbon nanotubes decrease the hole concentration in the carbon nanotubes, and as a result, the electrical resistance of the carbon nanotubes increases.

이론계산으로부터 탄소 나노튜브에 수소원자가 흡착되면 전기비저항이 증가함을 예측하고 수소분자를 수소원자로 해리시키는 능력이 있는 것으로 알려진 팔라듐을 이용하면 수소센서로 이용할 수 있다는 것에 착안하여 본 발명에 이르게 되었다. Theoretically, the prediction of the increase in electrical resistivity when hydrogen atoms are adsorbed on carbon nanotubes, and palladium, which is known to be capable of dissociating hydrogen molecules into hydrogen atoms, led to the present invention.

즉, 탄소 나노튜브 표면에 팔라듐 나노입자를 코팅하면 팔라듐 나노입자가 수소분자를 수소원자로 해리시키고, 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브에 용이하게 흡착되면서 탄소 나노튜브의 전기비저항을 증가시키게 되어 센서로 작동하게 되는 것이다.In other words, when the palladium nanoparticles are coated on the surface of the carbon nanotubes, the palladium nanoparticles dissociate the hydrogen molecules into hydrogen atoms, and the dissociated hydrogen atoms are easily adsorbed onto the carbon nanotubes, thereby increasing the electrical resistivity of the carbon nanotubes, thereby acting as a sensor. Will be done.

본 발명에서 사용할 수 있는 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 번들 등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 상기한 탄소 나노튜브를 팔라듐 나노입자 또는 팔라듐 층으로 코팅할 수 있는데, 상기 팔라듐 층은 다공성 팔라듐 층 또는 보다 치밀한 팔라듐 필름층 등의 모든 팔라듐 층을 적용할 수 있다.Carbon nanotubes that can be used in the present invention may be selected from single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes and carbon nanotube bundles, etc., and can be coated with the palladium nanoparticles or palladium layer. The palladium layer may be any palladium layer, such as a porous palladium layer or a denser palladium film layer.

탄소 나노튜브에 코팅된 팔라듐 나노입자 또는 팔라듐 층은 수소분자의 효과적인 흡착 및 해리를 위해서 비표면적이 큰 것이 유리하므로 나노입자 또는 나노기공을 가지고 있는 다공성 층을 코팅하는 것이 바람직하나 팔라듐 필름층의 경우도 수소 확산에 의하여 수소원자가 탄소 나노튜브로 이동할 수 있기 때문에 본 발명의 수소센서에 활용할 수 있다.Palladium nanoparticles or palladium layers coated on carbon nanotubes are advantageous in that they have a large specific surface area for effective adsorption and dissociation of hydrogen molecules, so it is preferable to coat porous layers containing nanoparticles or nanopores, but in the case of palladium film layers In addition, since the hydrogen atoms can move to the carbon nanotubes by hydrogen diffusion, it can be utilized in the hydrogen sensor of the present invention.

탄소 나노튜브의 표면을 팔라듐 나노입자 또는 팔라듐 층으로 코팅하는 방법은 기상법, 액상법, 및 고상법으로 제조할 수 있으며 특정 방법으로 제조된 팔라듐 나노입자에 제한되지는 않는다. The method of coating the surface of the carbon nanotubes with a palladium nanoparticle or a palladium layer can be prepared by vapor phase, liquid phase, and solid phase methods, and is not limited to palladium nanoparticles prepared by a specific method.

팔라듐 나노입자의 합성은 수용액에서의 환원반응을 이용한 방법, 혹은 이들 수용액을 이소옥탄이나 헵탄 등의 오일상에 디이소옥틸 소듐 술포석시네이트 또는 소듐 도데실 술페이트(SDS) 등의 계면활성제를 용해시켜 w/o형 에멀젼을 제조하여 반응시킨 후 팔라듐 나노입자를 제조하는 방법 등을 사용할 수 있다.Synthesis of palladium nanoparticles is carried out by a reduction reaction in an aqueous solution, or by dissolving a surfactant such as diisooctyl sodium sulfosuccinate or sodium dodecyl sulfate (SDS) in an oil such as isooctane or heptane. To prepare a w / o emulsion, and then react to prepare palladium nanoparticles.

합성된 나노입자를 탄소 나노튜브가 분산된 용액에 첨가하여 코팅하거나, 또는 입자 합성과 동시에 팔라듐 나노입자가 탄소 나노튜브에 부착되도록 하는 방법 모두 가능하다.Synthetic nanoparticles can be added to a solution in which carbon nanotubes are dispersed and coated, or the palladium nanoparticles can be attached to carbon nanotubes simultaneously with particle synthesis.

탄소 나노튜브 표면을 하전을 띠도록 기능기 등을 통하여 개질하고 팔라듐 나노입자 표면은 반대 하전으로 개질하여 정전기적 인력에 의하여 효과적으로 코팅하는 방법도 가능하다. 이때 탄소 나노튜브가 분산된 용매에 따라 수계 계면활성제로서는 폴리메틸메타크릴 암모늄염, 폴리아크릴 암모늄염, 폴리아크릴 아민염, 폴리아크릴 소듐염 등의 음이온성 계면활성제, 폴리에틸 이민 등의 양이온성 계면활성제, 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르 등의 비이온성 계면활성제가 사용될 수 있다. It is also possible to effectively modify the surface of the carbon nanotubes through functional groups or the like to charge them, and to modify the surface of the palladium nanoparticles with opposite charges to effectively coat the surface by electrostatic attraction. The aqueous surfactant may be anionic surfactant such as polymethyl methacryl ammonium salt, polyacrylic ammonium salt, polyacryl amine salt, polyacrylic sodium salt, cationic surfactant such as polyethyl imine, etc. Nonionic surfactants such as polyoxyethylene nonylphenyl ether can be used.

또는 비수계 계면활성제로서는 소듐 도데실 술페이트, 디이소옥틸 소듐 술포석시네이트, 나프탈렌디카르복실산 또는 나프탈렌디카르복실 금속염 등을 분산제로 사용하여 팔라듐 입자의 코팅 양을 조절할 수 있다. Alternatively, as the non-aqueous surfactant, sodium dodecyl sulfate, diisooctyl sodium sulfosuccinate, naphthalenedicarboxylic acid or naphthalenedicarboxyl metal salt, etc. can be used as a dispersant to control the coating amount of the palladium particles.

팔라듐 층을 코팅하는 방법은 일반적인 진공증발법(Conventional Vacuum evaporation)을 이용하여 탄소 나노튜브 표면에 일정 두께의 팔라듐 층을 코팅하거나, 또는 PdCl2 등의 팔라듐 원료 물질을 이용한 무전해도금법 (electroless plating), Sol-Gel법 등을 사용할 수 있다.The coating method of the palladium layer is to coat a palladium layer of a certain thickness on the surface of the carbon nanotube using conventional vacuum evaporation, or electroless plating using a palladium raw material such as PdCl 2 , Sol-Gel method, etc. can be used.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

실시예 Example

먼저 PdCl2를 물에 용해 시켜 0.82 중량% 용액을 제조하고 초음파를 약 1시간 이상 가해 용해시킨후 환원제로 NaBH4를 PdCl2 몰수에 2배 (PdCl2에 대하여 43중량%) 첨가하여 팔라듐 금속으로 환원시켜 나노입자 수용액을 제조하였다.First, to prepare a dissolving PdCl 2 in water, 0.82 weight% solution, and added to NaBH 4 as a reducing agent was applied an ultrasonic wave at least about one hour dissolution two times (43% by weight relative to the PdCl 2) in the PdCl 2 molar amount of palladium metal It was reduced to prepare a nanoparticle aqueous solution.

상기 나노입자 수용액에서 이들 팔라듐 나노입자를 분리하고 이를 세라믹 용기에 넣고 10 ℃/min의 승온속도로 400 ∼ 600 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 최종 팔라듐 나노입자를 얻었다. The palladium nanoparticles were separated from the aqueous solution of nanoparticles, placed in a ceramic container, and heat-treated at 400 to 600 ° C. for 1 hour at a temperature increase rate of 10 ° C./min to obtain final palladium nanoparticles.

탄소 나노튜브를 N,N-디메틸포름아미드(DMF)에 25 ㎍/ml의 농도로 분산시키고, 여기에 상기에서 제조된 팔라듐 나노입자를 2.5 ㎍/ml 의 농도로 DMF에 분산시킨 용액을 부피비로 1:1 로 혼합하고 초음파를 1시간 동안 가하여 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 분산용액을 제조하였다.The carbon nanotubes were dispersed in N, N- dimethylformamide (DMF) at a concentration of 25 μg / ml, and the solution obtained by dispersing the palladium nanoparticles prepared above in DMF at a concentration of 2.5 μg / ml was used in a volume ratio. Mixing at 1: 1 and adding ultrasonic waves for 1 hour to prepare a carbon nanotube dispersion solution coated with palladium.

센서소자의 전극을 제조하기 위하여 실리콘 기판을 일반적인 열적 산화 방법에 의하여 산화물층을 형성시키고, 그 위에 진공증발법을 이용하여 400nm 두께의 금박막을 증착한 후, 마스크를 이용한 리프트-오프(lift-off)법으로 서로 평행한 두개의 전극패턴을 형성시켰다. 이 방법으로 제조된 전극패턴은 첨부도면 도 4에 나타내었다.In order to fabricate the electrode of the sensor element, an oxide layer is formed on a silicon substrate by a general thermal oxidation method, and a 400 nm thick gold thin film is deposited on the silicon substrate by vacuum evaporation, and then lift-off using a mask. ) Two electrode patterns parallel to each other were formed. An electrode pattern manufactured by this method is shown in FIG. 4.

앞서 제조한 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브 분산용액 2㎕를 떨어뜨려 액적증착법(drop deposition) 및 800rpm의 회전속도로 스피닝(spinning)하여 상기에서 설명한 방법으로 제조된 전극패턴 위에 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브를 위치시켜 센서소자를 구성하였다. 2 μl of the palladium-coated carbon nanotube dispersion solution prepared above was dropped and spinned at a rotational speed of 800 rpm to form a palladium-coated carbon nanoparticle on the electrode pattern prepared by the method described above. The tube was positioned to construct a sensor element.

본 발명에서 제조된 수소센서 소자의 가스검출 부분의 전자현미경 사진이 첨부도면 도 5a와 5b에 나타내었으며 두개의 전극사이에 팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브가 1개, 또는 여러 개가 연결되어 있음을 알 수 있다.Electron micrographs of the gas detection part of the hydrogen sensor device manufactured in the present invention are shown in the accompanying drawings, Figs. 5a and 5b and it can be seen that one or several palladium-coated carbon nanotubes are connected between the two electrodes. Can be.

실험예Experimental Example

상기 실시예에 따라 제조된 수소센서의 전기적 특성을 평가하기 위하여 전압을 일정 간격으로 변화시키면서 전류 변화를 측정하였다. 전압을 -2 V에서 +2 V까지의 범위에서 0.04 V씩 변화시키면서 전압 변화에 따른 전류 변화특성 곡선을 구하였으며 그 결과는 첨부도면 도 6에 나타내었다. 본 발명에서 제조된 수소센서의 I-V특성 곡선은 반도체 특성을 나타냈으며 인가전압이 2 V 일때 전류는 1 ×10-8 A이었다.In order to evaluate the electrical characteristics of the hydrogen sensor manufactured according to the above embodiment, the current change was measured while changing the voltage at regular intervals. The current change characteristic curve according to the voltage change was obtained by varying the voltage by 0.04 V in the range of -2 V to +2 V. The results are shown in FIG. The IV characteristic curve of the hydrogen sensor manufactured in the present invention showed semiconductor characteristics, and the current was 1 × 10 −8 A when the applied voltage was 2 V.

본 발명에서 제조된 수소센서의 수소검출 성능을 측정하기 위하여 밀폐된 공간에 수소센서를 두고 2 V의 일정 전압을 인가한 상태에서 수소가스를 10 ml/min의 속도로 흘려주면서 전류 변화를 측정하였다. 그 결과 첨부도면 도 7에서 보는 바와 같이 일정전압 2 V를 인가하면 전류가 약 1 ×10-8 A를 유지하다가 수소를 흘려주면 전류가 1 ×10-10 A 이하로 급격히 저하된다. 이는 앞서 이론계산 및 예측에서 설명한 것과 잘 일치하는 결과로 수소분자가 팔라듐에 의해 수소원자로 해리되고, 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브 표면에 흡착되면서, 수소에서 탄소 나노튜브로 전자가 이동되어 결과적으로 탄소 나노튜브의 정공의 농도가 감소되어 p-형 반도체인 탄소 나노튜브의 전기전도도가 감소되기 때문이다.In order to measure the hydrogen detection performance of the hydrogen sensor manufactured in the present invention, the current change was measured while flowing hydrogen gas at a rate of 10 ml / min while applying a constant voltage of 2 V with a hydrogen sensor in a closed space. . As a result, as shown in FIG. 7, when a constant voltage of 2 V is applied, the current is maintained at about 1 × 10 -8 A, and when hydrogen is flowed, the current rapidly drops to 1 × 10 -10 A or less. This is in good agreement with what was previously described in theoretical calculations and predictions. As a result, hydrogen molecules dissociate into palladium as hydrogen atoms, and the dissociated hydrogen atoms are adsorbed on the surface of carbon nanotubes. This is because the concentration of holes in the nanotubes is reduced, thereby reducing the electrical conductivity of the carbon nanotubes, which are p-type semiconductors.

수소분위기에서의 전류값은 수소가 없을 때의 1/100로 감소하므로 종래의 수소센서에 비하여 10배 이상의 민감도를 나타내는 값이고 작동온도가 상온이라는 점을 감안하면 본 발명의 수소센서가 민감도(sensitivity) 및 작동환경 성능이 매우 탁월함을 나타내는 것이다.Since the current value in the hydrogen atmosphere is reduced to 1/100 in the absence of hydrogen, the hydrogen sensor of the present invention has a sensitivity that is 10 times higher than that of a conventional hydrogen sensor and the operating temperature is room temperature. ) And the operating environment performance is very good.

상술한 바와 같이, 탄소 나노튜브의 표면을 팔라듐 나노입자, 또는 다공성 또는 치밀한 팔라듐 층으로 코팅하여 두개의 전극사이에 연결한 형태의 수소센서의 경우, 팔라듐이 수소분자를 수소원자로 해리시키고, 해리된 수소원자가 탄소 나노튜브 표면에 흡착되면서 수소에서 탄소 나노튜브로 전자가 이동되어 탄소 나노튜브의 정공농도를 감소시키고 결과적으로 탄소 나노튜브의 전기전도도를 감소시키는 원리를 이용하여 효과적으로 수소가스를 검출할 수 있다. As described above, in the case of a hydrogen sensor in which a surface of a carbon nanotube is coated with palladium nanoparticles or a porous or dense palladium layer and connected between two electrodes, palladium dissociates hydrogen molecules to hydrogen atoms, and As hydrogen atoms are adsorbed on the surface of carbon nanotubes, electrons move from hydrogen to carbon nanotubes to reduce the hole concentration of carbon nanotubes and consequently to detect hydrogen gas effectively by using the principle of reducing the electrical conductivity of carbon nanotubes. have.

본 발명의 수소센서의 경우 별도의 히터장치 없이 상온에서 작동되기 때문에 소비전력이 작고, 수소가스의 흡착에 따른 전도도의 변화가 (△I/I)가 1/100로 크기 때문에 고감도 수소센서로 응용될 수 있으며, 응용분야로는 석유화학산업, 식품산업, 반도체, 철강산업, 자동차, 핵발전설비, 전력설비, 의료분야, 우주산업, 연료전지 등 광범위하게 활용될 수 있다. In the case of the hydrogen sensor of the present invention, since it operates at room temperature without a separate heater device, the power consumption is small, and the change in conductivity according to the adsorption of hydrogen gas (△ I / I) is 1/100, so it is applied as a high sensitivity hydrogen sensor. Applications include petrochemical industry, food industry, semiconductor, steel industry, automobiles, nuclear power plants, power equipment, medical field, aerospace industry, fuel cells, etc.

도 1a는 본 발명의 팔라듐 나노입자가 코팅된 탄소 나노튜브를 이용한 수소센서의 개략도이고, 도 1b는 본 발명의 다공성 또는 치밀한 팔라듐 층이 코팅된 탄소 나노튜브를 이용한 수소센서의 개략도이다.1A is a schematic diagram of a hydrogen sensor using carbon nanotubes coated with palladium nanoparticles of the present invention, and FIG. 1B is a schematic diagram of hydrogen sensor using carbon nanotubes coated with a porous or dense palladium layer of the present invention.

도 2a는 S. P. Chan 등의 연구논문에서 인용한 수소분자 (H2)가 탄소 나노튜브에 흡착될 때의 거리에 따른 에너지 변화를 나타내는 그래프이고, 도 2b는 수소원자 (H)가 탄소 나노튜브에 흡착될 때의 거리에 따른 에너지 변화를 전산모사하여 계산한 그래프이다.Figure 2a is a graph showing the change in energy according to the distance when the hydrogen molecules (H 2 ) cited in the SP Chan et al. Research paper is adsorbed on the carbon nanotubes, Figure 2b is a hydrogen atom (H) to the carbon nanotubes It is a graph calculated by computer simulation of energy change with distance when adsorbed.

도 3은 탄소 나노튜브에 수소원자가 흡착될 때 전하분포를 전산모사를 이용하여 계산한 결과를 나타내는 그림이다. 3 is a diagram showing the result of calculating the charge distribution using computer simulation when hydrogen atoms are adsorbed on carbon nanotubes.

도 4는 실시예 따라 제조된 것으로서 기판위에 형성된 전극 패턴의 전자현미경 사진이다.4 is an electron micrograph of an electrode pattern formed on a substrate as manufactured according to an embodiment.

도 5a와 5b는 본 발명의 수소센서의 가스검출 부분의 전자현미경 사진이다.5a and 5b are electron micrographs of the gas detection portion of the hydrogen sensor of the present invention.

도 6은 본 발명의 수소센서의 전압 변화에 따른 전류 변화특성을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing the current change characteristics according to the voltage change of the hydrogen sensor of the present invention.

도 7은 본 발명의 수소센서의 수소검출 특성을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the hydrogen detection characteristics of the hydrogen sensor of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 기판 2 : 전극1 substrate 2 electrode

3 : 탄소 나노튜브 4 : 팔라듐 나노입자3: carbon nanotube 4: palladium nanoparticles

5 : 팔라듐 층5: palladium layer

Claims (5)

팔라듐이 코팅된 탄소 나노튜브가 전극 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 수소센서.Hydrogen sensor characterized in that the palladium-coated carbon nanotubes are located between the electrodes. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 번들 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 수소센서 .The hydrogen sensor of claim 1, wherein the carbon nanotubes are selected from single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and carbon nanotube bundles. 제 1 항에 있어서, 상기 팔라듐은 팔라듐 나노입자인 것을 특징으로 하는 수소센서.The hydrogen sensor of claim 1, wherein the palladium is palladium nanoparticles. 제 1 항에 있어서, 상기 팔라듐은 다공성 팔라듐 층인 것을 특징으로 하는 수소센서.The hydrogen sensor of claim 1, wherein the palladium is a porous palladium layer. 제 1 항에 있어서, 상기 팔라듐은 팔라듐 필름층인 것을 특징으로 하는 수소센서.The hydrogen sensor of claim 1, wherein the palladium is a palladium film layer.
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