KR20190018851A - Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof - Google Patents

Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof Download PDF

Info

Publication number
KR20190018851A
KR20190018851A KR1020170103485A KR20170103485A KR20190018851A KR 20190018851 A KR20190018851 A KR 20190018851A KR 1020170103485 A KR1020170103485 A KR 1020170103485A KR 20170103485 A KR20170103485 A KR 20170103485A KR 20190018851 A KR20190018851 A KR 20190018851A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal oxide
template
cellulose
nanotube
core
Prior art date
Application number
KR1020170103485A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101980442B1 (en
Inventor
김일두
김동하
최선진
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020170103485A priority Critical patent/KR101980442B1/en
Publication of KR20190018851A publication Critical patent/KR20190018851A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101980442B1 publication Critical patent/KR101980442B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037NOx
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0042SO2 or SO3
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0044Sulphides, e.g. H2S

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Disclosed are a gas sensor member based on a one-dimensional metal oxide semiconductor nanotube to which a metal nanoparticle catalyst using a complex bio template of cellulose and apoferritin is uniformly bound, and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the metal oxide nanotube forms a core-shell complex nanofiber of a shape aggregating a cellulose template to a core during an electric spinning process and forms a hollow structure as the cellulose of the core is pyrolyzed during a high temperature heat treatment process. A metal nanoparticle catalyst functionalized by an apoferritin template is uniformly bound to the inner and outer walls of the tube. Accordingly, provided are effects of providing high sensitivity characteristic to detect a very small amount of gas, excellent selectivity to selectively react with only the specific gas, and excellent catalytic effect due to the metal nanoparticle catalyst functionalized by being uniformly bound without aggregation. Moreover, provided are effects of easily realizing mass production through a processing method that simultaneously realizes efficiency structure control and high performance catalyst bounding due to a processing method using a complex bio template.

Description

셀룰로오스 및 아포페리틴의 복합적 바이오 템플릿을 활용한1차원 금속산화물 반도체 나노튜브 및 나노입자 촉매가 기능화된 가스센서용 부재 및 그 제조방법{GAS SENSOR AND MEMBRANE USING METAL OXIDE SEMICONDUCTOR COMBINATION OF CELLULOSE AND APOFERRITIN BIO-TEMPLATES DERIVED NANOTUBE FUNCTIONALIZED BY NANOPARTICLE CATALYST, AND MANUFACTURING MEHTOD THEREOF}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a member for a gas sensor in which a one-dimensional metal oxide semiconductor nanotube and a nanoparticle catalyst are functionalized using a composite biotemplate of cellulose and apoferritin, and a method for manufacturing the same. DERIVED NANOTUBE FUNCTIONALIZED BY NANOPARTICLE CATALYST, AND MANUFACTURING MEHTOD THEREOF}

본 발명은 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 셀룰로오스 및 아포페리틴의 복합적 바이오 템플릿을 활용하여 1차원 금속산화물 나노튜브의 형상제어 및 튜브의 내/외벽에 아포페리틴에 내장된 나노입자 촉매를 균일하게 결착시킨 금속산화물 반도체 나노튜브 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a member for a gas sensor, a gas sensor using the same and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a method for controlling a shape of a one-dimensional metal oxide nanotube by using a composite biotemplate of cellulose and apoferritin, To a metal oxide semiconductor nanotube in which a nanoparticle catalyst embedded in apoferritin is uniformly bound, a member for a gas sensor using the same, a gas sensor, and a manufacturing method thereof.

금속산화물 반도체 기반 가스센서(metal oxide semiconductor based gas sensor)는 금속산화물 반도체 감지소재 표면에서 특정 타겟 가스 분자가 흡착 및 탈착하는 표면반응(surface adsorption-desorption reaction)에 의한 전기 저항값 변화 현상을 이용한다. 공기 중에서의 저항 대비 특정 가스에 노출되었을 시 저항비(Rair/Rgas)를 분석함으로써 특정 가스를 감지할 수 있는 간단한 원리를 이용하기 때문에 비교적 저렴한 가격으로 간단한 센서 어레이 시스템 구축이 용이하며, 초소형, 휴대성 및 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 다양한 장점을 갖는 저항변화식 금속산화물 반도체 기반 가스센서는 유해 가스 누출 감지뿐만 아니라, 알코올 검출기, 대기 오염 측정기 및 경보기 등 다양한 분야에 널리 적용되어 사용되고 있다. BACKGROUND ART A metal oxide semiconductor based gas sensor utilizes a phenomenon of change in electrical resistance due to a surface adsorption-desorption reaction in which a target gas molecule adsorbs and desorbs from the surface of a metal oxide semiconductor sensing material. By analyzing resistance ratio (R air / R gas ) when exposed to specific gas compared with resistance in air, it is easy to construct simple sensor array system at relatively low price because it uses simple principle that can detect specific gas, , Portability and real-time measurement. The resistance-type metal oxide semiconductor gas sensor having various advantages has been widely used in various fields such as an alcohol detector, an air pollution meter, and an alarm as well as a noxious gas leak detection.

최근에는 헬스케어에 대한 관심이 급증함에 따라 인체의 날숨(exhaled breath)속에 포함되는 미량의 생체지표(biomarker) 가스를 정밀하게 검출하여 특정 질병의 유무를 조기에 진단하는 날숨센서 연구가 활발히 진행되고 있다. 신진대사 과정 중, 생체지표 역할을 하는 특정 질병인자 가스가 미량 생성되어 날숨을 통해 배출되게 되는데, 그 대표적 질병인자 가스로 아세톤(CH3COCH3), 톨루엔(C6H5CH3), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 등이 있으며 각각의 가스는 당뇨, 폐 질환, 신장질환, 구취와 관련된 가스로 알려져 있다. 상기 생체지표 가스를 진단하는 조기 모니터링 헬스케어용 가스센서를 제작하기 위해서는 낮은 가스 농도에서도 고감도, 고선택성 및 고속 반응의 센서 성능이 요구된다. 하지만, 기존의 금속산화물 반도체 가스센서는 가스에 반응하는 반응시간(response time)과 초기 저항값으로 회복하는데 걸리는 회복시간(recovery time)이 수십 초 ~ 수 분 이상으로 길고, 주변의 습도, 기압, 온도에 따라 센서의 성능이 급격히 변화하는 단점을 갖고 있다. 또한, 기존의 금속산화물 반도체 기반의 가스센서는 특정 타겟 가스에만 반응하는 선택성이 떨어지며, ppb 수준의 가스 감지 능력, 즉 감지한계(limit of detection) 성능이 매우 떨어진다. 이러한 문제점들을 극복하여 인체의 날숨 속에 포함되어 배출되는 극미량의 가스들을 초 고감도 및 고 선택성을 갖는 가스센서용 감지소재를 개발하여 검출해 낼 수 있는 기술 개발이 선행되어야 한다. Recently, as the interest in healthcare has increased rapidly, research on an expiratory sensor has been actively carried out to precisely detect a trace amount of biomarker gas included in exhaled breath of a human body and diagnose the presence or absence of a specific disease early have. (CH 3 COCH 3 ), toluene (C 6 H 5 CH 3 ), ammonia (C 6 H 5 CH 3 ), and ammonia are used as the typical disease agent gas. In the course of metabolism, a specific disease agent gas serving as a biomarker is generated and excreted through exhalation. (NH 3 ), and hydrogen sulfide (H 2 S). Each gas is known to be associated with diabetes, lung disease, kidney disease, bad breath. In order to prepare a gas sensor for early monitoring health care that diagnoses the bio-surface gas, a sensor having high sensitivity, high selectivity and high response is required even at a low gas concentration. However, the conventional metal oxide semiconductor gas sensor has a long response time (response time) in response to the gas and a recovery time (recovery time) in the initial resistance value, which is longer than several tens of seconds to several minutes, The performance of the sensor is rapidly changed depending on the temperature. In addition, existing gas sensors based on metal oxide semiconductors have poor selectivity in response to specific target gases, and have a very low gas sensing capability, i.e., limit of detection performance, of ppb level. In order to overcome these problems, it is necessary to develop technology that can detect and detect ultra-high sensitivity and high selectivity sensing material for gas sensor.

초 고감도 금속산화물 반도체 가스센서를 제조하기 위하여 나노입자, 나노섬유, 나노와이어, 나노튜브 등의 다양한 나노구조체 기반 감지소재 합성 및 이를 활용한 가스센서 응용 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 나노구조체들은 큰 비표면적을 갖기 때문에 가스와 넓은 면적에 걸쳐 반응할 수 있어 가스 감지 특성이 증대될 수 있으며, 다공성 구조를 갖는 특성으로 인하여 가스가 감지소재 내부로 빠르게 확산하여 표면반응을 야기시킬 수 있기 때문에 초고속 반응이 가능하다는 장점을 가지고 있다. In order to fabricate ultra-sensitive metal oxide semiconductor gas sensors, various nanostructure-based sensing materials such as nanoparticles, nanofibers, nanowires, and nanotubes have been actively studied and applied to gas sensors. Since the nanostructures have a large specific surface area, the nanostructures can react with the gas over a wide area to increase the gas sensing property. Due to the porous structure, the gas quickly diffuses into the sensing material, It is possible to achieve a high-speed reaction.

높은 비표면적 및 기공도를 갖는 나노구조체 합성을 통한 고감도 및 초고속 반응 특성을 얻는 연구 이외에도, 수십 ppb 수준의 극미량의 가스를 검출하기 위하여 금속 또는 금속산화물 촉매입자를 감지소재에 결착 및 기능화시켜 감도를 극대화 하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 촉매를 이용하는 경우 백금(Pt), 금(Au) 등과 같은 귀금속 촉매를 이용하여 가스의 표면반응에 참여하는 산소흡착종(O-, O2- 및 O2 -) 의 농도를 증가시키는 화학적 증감(chemical sensitization) 방법 또는 팔라듐(Pd), 은(Ag) 등과 같이 산화수 변화(PdO 또는 Ag2O) 특성을 기반으로 감도를 향상시키는 전자적 증감(electronic sensitization) 의 두 가지 방법을 주로 이용하여 가스센서의 감지 특성 및 선택성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. In addition to research on obtaining high sensitivity and high response characteristics through synthesis of nanostructures with high specific surface area and porosity, metal or metal oxide catalyst particles are bound and functionalized in sensing materials to detect trace amounts of gas of several tens ppb level, Research to maximize is also actively proceeding. In the case of using a catalyst, a chemical sensitization which increases the concentration of oxygen adsorbing species (O - , O 2- and O 2 - ) participating in the surface reaction of the gas by using a noble metal catalyst such as platinum (Pt) mainly using two methods of chemical sensitization or electronic sensitization for improving sensitivity based on the change in oxidation number (PdO or Ag 2 O) such as palladium (Pd), silver (Ag) Studies for improving the sensing property and selectivity have been actively conducted.

하지만, 감지소재 합성 시, 높은 기공도 및 넓은 비표면적을 갖는 감지물질의 구조 제어에 있어, 다양한 증착법 및 화학적 성장방법이 동반되는 다단계의 번거로운 공정절차를 거쳐야 한다는 단점뿐만 아니라 높은 생산 비용 및 대량 생산에 어려움이 따른다는 단점이 있다. However, in the synthesis of the sensing material, the structure control of the sensing material having a high porosity and a wide specific surface area requires not only the disadvantages of complicated multi-step process accompanied with various deposition methods and chemical growth methods, but also high production cost and mass production There is a disadvantage in that it is difficult.

나노구조체 감지소재에 결착하는 촉매의 경우, 금속 내지는 금속산화물 촉매를 수 나노미터 이하로 작게 제조하고 감지물질 전역에 걸쳐 균일하게 분포시키는 데에 한계점을 갖는다. 흔히 사용되는 폴리올(polyol) 공정법의 경우 금속촉매입자의 크기가 상대적으로 크며(3-10 nm) 고온 열처리 과정 중 서로 응집(aggregation)이 쉽게 이루어지기 때문에, 감지물질 전 영역에 걸쳐 균일하게 분산시키는 데에 큰 어려움이 따른다.In the case of a catalyst that binds to a nanostructure sensing material, the metal or metal oxide catalyst is limited to a few nanometers or less and has a limitation in uniformly distributing the metal throughout the sensing material. In the commonly used polyol process, the size of the metal catalyst particles is relatively large (3-10 nm) and aggregation easily occurs during the high temperature heat treatment process. Therefore, There is a great difficulty in making it.

상기 단점들을 극복하기 위하여 간단한 합성 방법을 통해 높은 비표면적 및 가스 유입 특성을 갖는 나노구조체를 제조하고, 금속산화물 합성과정에 필수적인 고온 열처리 과정 중에서도 촉매 입자들간의 응집 현상을 최소화 하여, 수 nm 이하의 나노입자 촉매를 감지소재에 균일하게 결착시킬 수 있는 공정개발이 수반되어야 한다. 또한, 기존에 대표적으로 사용되던 귀금속류 촉매들의 한계를 극복함과 동시에 촉매 활성이 극대화 된 초 고감도 감지소재를 대량으로 손쉽게 합성하고, 이를 통해 날숨을 통해 배출되는 다종의 휘발성 유기 화합물을 선택적으로 정밀하게 검출해 낼 수 있는 센서 제작이 필요한 실정이다. In order to overcome the disadvantages, a nanostructure having a high specific surface area and a gas inflowing property is manufactured through a simple synthesis method, and the coagulation phenomenon between the catalyst particles is minimized in a high temperature heat treatment process, which is essential for the metal oxide synthesis process, Process development should be accompanied by the ability to bind the nanoparticle catalyst uniformly to the sensing material. In addition, it is possible to overcome the limitations of conventional precious metal catalysts and simultaneously synthesize a very high sensitivity sensing material having a maximized catalyst activity in a large amount, thereby selectively and precisely extracting various volatile organic compounds emitted through exhalation It is necessary to fabricate a sensor that can detect it.

본 발명의 실시예는, 내부에 7-8 nm 크기의 중공구조를 갖는 아포페리틴(apoferritin) 이라는 단백질 템플릿을 활용하여 수 nm 수준의 나노입자 촉매를 내부에 합성하여 전기방사 용액에 분산시키고, 나노튜브 구조를 형성하기 위해 셀룰로오스 템플릿을 함께 분산시킴으로써, 전기방사 이후 셀룰로오스 템플릿이 나노섬유 내부에 응집됨을 유도하고, 아포페리틴에 내장된 금속 나노입자 촉매를 균일하게 결착시키는 방법을 제공한다. 특히, 고온 열처리 과정을 통해 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿은 열분해되어 중공구조를 만들고 아포페리틴 템플릿 또한 열분해 되어 내장된 나노입자 촉매가 나노튜브 구조의 내/외벽에 걸쳐 균일하게 결착되어 기능화 된 1차원 금속산화물 나노튜브 전기방사 합성 방법을 제공한다. In an embodiment of the present invention, a nanoparticle catalyst of several nanometers in size is synthesized internally using a protein template called apoferritin having a hollow structure of 7-8 nm in size and dispersed in an electrospinning solution, The present invention provides a method for uniformly binding a metal nanoparticle catalyst embedded in apoferritin by inducing aggregation of a cellulose template inside the nanofiber after electrospinning by dispersing a cellulose template together to form a tube structure. Particularly, the cellulose template agglomerated in the interior through the high-temperature heat treatment process is pyrolyzed to form a hollow structure, and the apoperi- tine template is also pyrolyzed, so that the built-in nanoparticle catalyst is homogeneously bound on the inner and outer walls of the nanotube structure, Oxide nanotube electrospinning synthesis method.

특히, 그 종류와 중합 정도에 따라 수 nm - 수백 nm의 직경 범위 및 수십 nm - 수십 μm의 길이 범위를 가지는 셀룰로오스 템플릿이 전기방사 도중 나노섬유 코어에 응집되는 현상을 통해 코어(셀룰로오스)/쉘(금속전구체 및 고분자 매트릭스)의 복합 나노섬유를 손쉽게 생성하고, 고온 열처리 공정을 통한 코어의 셀룰로오스 템플릿을 제거함에 따라 기존의 나노튜브 합성방법에 비해 간단한 방법으로 저렴하고 친환경적인 바이오 템플릿을 활용한 나노구조체 제어 방법을 제공한다. 아포페리틴을 통해 기능화 된 금속 나노입자 촉매와의 상호작용을 통해 비표면적 증대, 가스의 유입특성 향상 또한 촉매 효과를 동시에 유도하는 1차원 금속산화물 나노튜브 감지소재 합성 기술 및 이를 이용한 가스센서 응용 기술을 제시한다.Particularly, a cellulose template having a diameter of several nm to several hundreds of nm and a length of several tens of nanometers to several tens of micrometers depending on its kind and degree of polymerization coagulates to nanofiber cores during electrospinning to form core (shell) / shell Metal precursors and polymer matrix) and removes the cellulose template of the core through a high-temperature heat treatment process, the nanostructure utilizing the biotemplate inexpensive and eco-friendly in comparison with the conventional nanotube synthesis method Control method. Dimensional metal oxide nanotube sensing material that simultaneously induces the catalytic effect by increasing the specific surface area and the gas inlet property through the interaction with the functionalized metal nanoparticle catalyst through apoferritin and the gas sensor application technology using the same present.

이는 종래 기술의 한계를 해결하기 위한 방법으로 1-3 nm 크기 범위를 갖는 초소형의 나노입자 촉매가 서로간의 응집을 최소화 하며 균일하게 결착됨과 동시에 희생층 바이오 템플릿을 활용한 나노튜브 구조를 단일 공정으로 손쉽게 합성하여 극미량의 가스를 고선택성 및 초고감도로 검출해 낼 수 있는 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to overcome the limitations of the prior art, miniaturized nanoparticle catalysts having a size range of 1 to 3 nm are uniformly bound with each other with minimal aggregation, and at the same time, a nanotube structure utilizing sacrificial layer bio- And a gas sensor using the gas sensor and a method of manufacturing the same, which can easily detect and synthesize extremely small amounts of gas with high selectivity and ultra high sensitivity.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 분산성이 매우 뛰어난 아포페리틴 템플릿 내부에 나노입자 촉매를 합성하여 내장하고, 또한 분산성이 뛰어난 셀룰로오스 템플릿을 전기방사 용액에 동시에 적용하여 단일공정으로 손쉽게 나노입자 촉매가 균일하게 결착되어 기능화 된 1차원 금속산화물 나노튜브를 포함하는 감지소재 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 감지소재 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법은 (a) 아포페리틴 템플릿 내부에 나노입자 촉매를 합성하여 균일하게 분산된 제1 분산용액을 제조하는 단계; (b) 셀룰로오스 템플릿이 균일하게 분산된 제2 분산용액을 합성하는 단계; (c) 상기 제1 분산용액 및 상기 제2 분산용액을 금속산화물 전구체와 고분자가 녹아있는 용매와 혼합하여, 전기방사 용액을 제조하는 단계; (d) 상기 전기방사 용액을 단일노즐 전기방사법을 이용하여 금속산화물/고분자 복합 나노섬유의 내부에 셀룰로오스 템플릿이 응집된 형태로 코어-쉘 구조를 형성하며, 상기 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매가 복수 개로 상기 코어-쉘 구조 전반에 걸쳐 균일하게 분포된 복합 나노섬유를 형성하는 단계; (e) 열처리 과정을 통해 복합 나노섬유를 구성하는 금속 전구체는 산화하여 금속산화물을 형성하며, 상기 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿, 상기 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿 및 고분자를 포함하는 유기물들이 열분해 과정을 통해 제거되어 나노튜브를 형성하며, 상기 나노입자 촉매가 나노튜브를 형성하는 내벽 및 외벽, 그리고 내벽 및 외벽 사이에 균일하게 결착되는 1차원 금속산화물 나노튜브를 형성하는 단계; (f) 상기 1차원 금속산화물 나노튜브를 분산시키거나 분쇄하여, 반도체식 가스센서 측정을 위해 센서 전극이 형성된 기판 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱 중 적어도 하나의 코팅공정을 이용하여 환경 유해가스 및 질병진단을 위한 생체지표 가스(산화성 가스 : NO2, NO, 환원성 가스 : H2S, C2H5OH, CH4, CO) 의 검출이 가능한 저항변화식 반도체 가스센서를 제작하는 단계; (g) 복수의 상기 금속산화물 나노튜브 복합체를 제작하여 복수의 저항변화식 반도체 가스센서 어레이를 제조하는 단계; 를 포함하는 환경유해가스 및 질병진단을 위한 생체지표 가스의 검출이 가능한 촉매-금속산화물 나노튜브 복합 감지소재 제조방법을 포함한다. In order to solve the above problems, according to one aspect of the present invention, a nanoparticle catalyst is synthesized and embedded in an apo-peritone template having excellent dispersibility, and a cellulosic template having excellent dispersibility is simultaneously applied to an electrospinning solution, The present invention provides a sensing material including a one-dimensional metal oxide nanotube easily functionalized by uniformly binding a nanoparticle catalyst, and a method of manufacturing a member for a gas sensor using the same. A method for manufacturing a sensing material and a gas sensor member using the same according to the present invention comprises the steps of: (a) preparing a uniformly dispersed first dispersion solution by synthesizing a nanoparticle catalyst in an apoperiolin template; (b) synthesizing a second dispersion solution in which the cellulose template is uniformly dispersed; (c) mixing the first dispersion solution and the second dispersion solution with a metal oxide precursor and a solvent in which the polymer is dissolved to prepare an electrospinning solution; (d) forming a core-shell structure of the electrospinning solution in the form of a cellulosic template agglomerated within the metal oxide / polymer composite nanofibers by using a single nozzle electrospinning method, wherein the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin template To form composite nanofibers uniformly distributed throughout the core-shell structure; (e) The metal precursor composing the composite nanofiber is oxidized to form a metal oxide by heat treatment, and the aggregated cellulosic template, the apoperi- tin template with the nanoparticle catalyst, and the organic material including the polymer are decomposed by thermal decomposition Forming a one-dimensional metal oxide nanotube that is uniformly bound to the inner and outer walls, and between the inner and outer walls forming the nanotube; (f) dispersing or pulverizing the one-dimensional metal oxide nanotube, and performing at least one coating process such as drop coating, spin coating, inkjet printing, and dispensing on a substrate on which a sensor electrode is formed for measuring a semiconductor type gas sensor Manufacture of a resistance-variable semiconductor gas sensor capable of detecting biomarker gas (oxidizing gas: NO 2 , NO, reducing gases: H 2 S, C 2 H 5 OH, CH 4 , CO) for environmentally hazardous gases and diseases ; (g) fabricating a plurality of metal oxide nanotube complexes to produce a plurality of resistance variable semiconductor gas sensor arrays; And a method for manufacturing a catalyst-metal oxide nanotube complex sensing material capable of detecting a biomarker gas for diagnosis of environmentally harmful gases and diseases.

여기서, 상기 (a) 단계에서, 아포페리틴은 내부가 비어있는 중공구조의 구형 단백질 형상을 가지고 있으며, 내부에는 다양한 금속이온을 치환할 수 있는 것을 특징으로 하며, 치환된 금속이온을 환원시킴으로써 금속 나노입자 촉매를 합성할 수 있다. 아포페리틴 내부에 치환시킬 수 있는 금속염의 종류와 형태는 매우 다양하며, 대표적인 염(salt) 형태의 촉매는 Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, Platinum(II) acetate, Gold(I, III) chloride, Gold(III) acetate, Silver chloride, Silver acetate, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium(III) acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Iridium(III) chloride 등이 있으며, 금속이온을 포함하는 염의 형태라면 특별한 금속염의 종류와 형태에 제한을 두지 않는다. 이와 같은 과정을 통해 합성된 금속 나노입자 촉매는 양의 표면전하를 갖는 아포페리틴 템플릿에 내장되어 있기 때문에 서로간의 응집을 최소화 하며 효과적으로 분산성을 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있다.In the step (a), apoferritin has a spherical shape of a hollow structure with an empty interior, and is capable of substituting various metal ions therein. By reducing a substituted metal ion, A particle catalyst can be synthesized. (II) nitrate, copper (II) chloride, lanthanum (III) nitrate, lanthanum (III) acetate, and the like. (III) chloride, Iron (III) acetate, Silver (III) chloride, Silver acetate, Cobalt (II) nitrate, Cobalt (II) chloride, Iridium (III) chloride, etc .; and metal ions are included. The type and form of the particular metal salt is not limited. Since the metal nanoparticle catalyst synthesized through the above process is embedded in the apo-peritone template having a positive surface charge, it has an advantage of minimizing coagulation between the two and maintaining the dispersibility effectively.

또한 상기 (b) 단계는 분산성이 뛰어난 셀룰로오스 템플릿이 포함된 전기방사에 사용 될 방사용액을 합성하는 단계로, 소니케이션(sonication), 그라인딩(grinding), 호모지나이제이션(homogenization) 등의 기계적(mechanical) 분산법, 산화(oxidation) 및 기계적 교반(mechanical agitation)의 화학-기계적 (chemical-mechanical) 혼합 분산법 그리고 산 가수분해(acid hydrolysis), 효소 가수분해(enzymatic hydrolysis)와 같은 화학적(chemical) 분산법 중 적어도 1 가지의 분산법을 이용하여 용매에의 분산성을 높이는 단계이다. The step (b) is a step of synthesizing a spinning solution to be used for electrospinning including a cellulose template having excellent dispersibility, and it is a step of synthesizing a spinning solution for mechanical spinning such as sonication, mechanical chemical dispersion methods of oxidation and mechanical agitation and chemical and mechanical dispersion methods such as acid hydrolysis and enzymatic hydrolysis. And at least one of the dispersion methods is used to increase the dispersibility in a solvent.

상기 (c) 단계는 전기방사를 진행하기 위한 전기방사 용액을 제조하는 단계로, 전기방사 과정을 통해 나노섬유를 효율적으로 합성하기 위해 필요한 지지체 역할을 하는 고분자와 금속산화물 전구체를 용매에 녹여 방사용액을 제조한다. 이때 사용되는 대표적인 고분자로는, 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVAc), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드 (polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체(polyethylene oxide block copolymer, PEO BP), 폴리프로필렌 옥사이드 공중합체(polypropylene oxide block copolymer, PPO BCP), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 등이 있으며, 대표적인 금속염으로는 금속염들이 포함된 아세테이트, 아세틸아세토네이트, 클로라이드, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드 등의 형태가 있다. 추가적으로, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 합성된 아포페리틴에 내장된 나노입자 촉매 분산 용액과 용매에 균일하게 분산된 셀룰로오스 템플릿이 포함된 용액을 전기방사 용액에 균일하게 분산시켜 전기방사 용액을 제조할 수 있다.The step (c) is a step of preparing an electrospinning solution for progressing electrospinning. The step (c) is a step of dissolving a polymer and a metal oxide precursor, which serve as a support for efficiently synthesizing nanofibers through an electrospinning process, . Typical polymers used herein include polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA) ), Polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide block copolymer (PEO BP), polypropylene oxide copolymer polypropylene oxide block copolymer (PPO BCP), polyvinylchloride (PVC), polycarbonate (PC), polycaprolactone (PCL) and polyvinylidene fluoride (PVDF) Representative metal salts include acetates including metal salts, acetylacetonate, chloride, nitrate, methoxide, ethoxide, Ethoxide, isopropoxide, a form of sulfide. In addition, the solution containing the nanoparticle catalyst dispersion solution embedded in apoferritin and the cellulose template uniformly dispersed in the solvent synthesized in steps (a) and (b) is uniformly dispersed in the electrospinning solution, Can be prepared.

또한, 상기 (d) 단계는 전기방사법을 이용하여 아포페리틴에 내장된 금속 나노입자 촉매가 균일하게 결착되고 셀룰로오스 템플릿은 금속염/고분자 나노섬유의 내부에 응집된 형태의 복합 나노섬유를 합성하는 단계이다. 전기방사를 진행함에 있어, 나노섬유는 노즐 방사기(nozzle electrospinning)를 이용하여 복수개의 노즐로부터 토출되어 형성이 되거나, 와이어 타입 또는 실린지 타입의 전기방사기를 이용한다. 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿은 금속염/고분자 복합 나노섬유의 내부에 대부분 분포되며, 일부분은 외부에 노출될 수 있다. The step (d) is a step of synthesizing composite nanofibers in which the metal nanoparticle catalyst embedded in apoferritin is homogeneously bound using the electrospinning method and the cellulose template is agglomerated in the metal salt / polymer nanofiber . In the course of the electrospinning, the nanofibers are formed by discharging from a plurality of nozzles by using a nozzle electrospinning, or by using a wire type or syringe type electric radiator. The apoperi- tine template with the nanoparticle catalyst is mostly distributed inside the metal salt / polymer composite nanofiber, and a part thereof may be exposed to the outside.

상기 (e) 단계는 (d) 단계에서 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리하여 나노섬유의 구조적 기틀역할을 하는 고분자가 분해되어 제거되고, 동시에 복합 나노섬유의 코어에 응집되어 있던 셀룰로오스 템플릿 또한 열분해 되어 속이 빈 중공구조의 나노튜브를 형성한다. 또한, 아포페리틴 템플릿 또한 제거되어 내장되어 있던 금속 나노입자 촉매가 외부에 노출됨과 동시에 나노튜브 내/외벽에 결착되고 금속산화물 전구체는 산화되어 1차원 구조의 금속산화물 나노튜브를 형성할 수 있다. In the step (e), the composite nanofibers synthesized in step (d) are heat-treated at a high temperature to decompose and remove the polymer serving as a structural framework of the nanofiber, and the cellulose template that has been aggregated in the core of the composite nanofiber is also thermally decomposed Hollow hollow nanotubes are formed. In addition, the apoferritin template is also removed and the built-in metal nanoparticle catalyst is exposed to the outside, and the metal oxide precursor is oxidized to form a one-dimensional metal oxide nanotube.

상기 (f) 단계는, 상기 (e) 단계에서 합성된 1차원 금속산화물 나노튜브를 용매에 분산시킨 분산용액을 센서 전극(저항 변화 및 전기전도도를 측정할 수 있는 평행한 전극이 형성되어 있는 알루미나 절연체 기판) 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 또는 디스펜싱 등과 같은 코팅 공정법을 이용하여 코팅하는 단계일 수 있다. 이때, 나노입자 촉매를 포함한 1차원 금속산화물 나노튜브를 균일하게 코팅할 수 있는 방법이라면, 특별히 코팅 방법에 제약을 두지 않는다.In the step (f), a dispersion solution obtained by dispersing the one-dimensional metal oxide nanotubes synthesized in the step (e) in a solvent is applied to a sensor electrode (alumina having parallel electrodes capable of measuring resistance change and electrical conductivity, Coating with a coating process such as drop coating, spin coating, inkjet printing, or dispensing on an insulating substrate. At this time, if the method can uniformly coat the one-dimensional metal oxide nanotubes including the nanoparticle catalyst, there is no particular restriction on the coating method.

상기 제작된 1차원 금속산화물 나노튜브 구조는 외경의 크기가 50 nm - 10 μm의 길이 범위를 갖고, 내경의 크기가 40 nm - 5 μm의 길이 범위를 가지며, 나노튜브의 내벽과 외벽 사이의 두께는 10 nm - 5 μm의 두께 범위에서 정해질 수 있다. 또한, 그 길이는 1 μm - 100 μm의 길이 범위를 가질 수 있다.The prepared one-dimensional metal oxide nanotube structure has a length of 50 nm to 10 μm in outer diameter, a length of 40 nm to 5 μm in inner diameter, and a thickness between the inner wall and outer wall of the nanotube Can be defined in the thickness range of 10 nm - 5 μm. In addition, the length can range from 1 μm to 100 μm.

본 발명에 따르면, 아포페리틴 및 셀룰로오스의 복합 바이오 템플릿을 활용하고 고온 열처리 과정을 통해 상기 템플릿을 제거함에 따라 형성되는 1차원 금속산화물 나노튜브 구조로 인해 일반적인 박막 구조에 비해 수십 배 이상의 향상된 비표면적을 갖고, 튜브형상의 구조적 장점을 통해 가스 분자들의 유입특성을 향상시킴과 동시에 튜브의 내/외벽에 걸쳐 균일하게 결착된 금속 나노입자 촉매와의 상호 협력적 효과를 통해 센서 특성을 극적으로 향상시킬 수 있다. 아포페리틴에 내장된 금속 나노입자 촉매는 그 크기가 1-5 nm 범위로 매우 작고 균일하게 분포되는 특성을 가지며, 고온 열처리 과정 중 서로간의 응집을 최소화 하며 1차원 금속산화물 나노튜브 내/외벽에 결착되어 나노입자 촉매들의 표면 노출을 최대화 하여 가스 분자들과의 반응을 통한 촉매반응 효과를 극대화 시킬 수 있다. 상기에서 언급한 대로 가스센서 부재의 형상제어와 촉매효과를 통해 센서 특성을 극대화하여 극미량의 가스를 초고감도로 특정 타겟 가스만 선택적으로 감지해 낼 수 있는 우수한 가스 감지 성능뿐 아니라, 가격 경쟁력을 가지며 손쉽게 대량 생간이 가능한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조 방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다. According to the present invention, since the one-dimensional metal oxide nanotube structure formed by utilizing the complex biotemplate of apoferritin and cellulose and removing the template through a high-temperature heat treatment process, an increased specific surface area of several tens times or more The structural advantages of the tubular structure can improve the inlet characteristics of the gas molecules and dramatically improve the sensor characteristics through cooperative effects with uniformly bound metal nanoparticle catalysts on the inner and outer walls of the tube . The metal nanoparticle catalysts embedded in the apoferritin are characterized by their small size and uniform distribution in the range of 1-5 nm, minimizing coagulation during the high-temperature heat treatment process, and attaching to the inner / outer wall of the 1-dimensional metal oxide nanotubes Maximizing the surface exposure of the nanoparticle catalysts and maximizing the catalytic reaction effect through reaction with the gas molecules. As mentioned above, by maximizing the sensor characteristics through the control of the shape of the gas sensor member and the catalytic effect, it is possible to obtain not only excellent gas sensing performance capable of selectively sensing a specific target gas with a very high sensitivity, A gas sensor member, a gas sensor, and a manufacturing method thereof, which can be easily mass produced.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매가 균일하게 결착되어 있는 1차원 금속산화물 나노튜브 가스센서용 부재의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아포페리틴을 이용하여 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 셀룰로오스 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스 센서 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법을 이용하여 나노입자 촉매가 균일하게 결착되고 셀룰로오스 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 구조의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 희생층 템플릿 역할을 하는 셀룰로오스 템플릿의 투과전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Pt 나노입자 촉매를 내장하는 아포페리틴 및 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 텅스텐산화물전구체/폴리비닐피롤리돈(PVP) 복합 방사 용액을 전기방사하여 얻어진 나노섬유 및 이를 고온 열처리하여 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착되고 내부에 응집되어 있던 셀룰로오스 템플릿이 열분해 됨에 따라 형성되는 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 1 에 따른 Pt 나노입자 촉매를 내장하는 아포페리틴 입자들의 투과전자현미경 사진 및 Pt 나노입자 촉매의 크기 분포도를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 일 비교예 1 에 따른 Pt 나노입자 촉매를 내장하지 않은 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리돈(PVP) 복합 방사용액을 전기방사하여 얻어진 복합 나노섬유를 고온 열처리하여 얻어진 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 비교예 2 에 따른 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리돈(PVP) 복합 방사 용액을 전기방사하여 얻어진 복합 나노섬유를 고온 열처리하여 얻어진 1차원 텅스텐산화물 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 2 에 따른 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 투과전자현미경 사진 및 EDS(energy dispersive X-ray spectrometer) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 비교예 2 에 따른 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리돈(PVP) 복합 방사용액을 전기방사하여 얻어진 나노섬유 및 일 실시예 2 에 따른 Pt 나노입자 촉매를 내장하는 아포페리틴 및 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리돈(PVP) 복합 방사용액을 전기방사하여 얻어진 나노섬유의 열중량 분석 및 시차주사 열량 분석 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 2 에 따른 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 일 비교예 1 에 따른 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 및 일 비교예 2 에 따른 1차원 순수 텅스텐산화물 나노섬유 구조를 갖는 가스센서의 450 ℃에서의 황화수소 가스(5-0.15 ppm)에 대한 반응성 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예 2에 따른 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 일 비교예 1 에 따른 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 및 일 비교예 2 에 따른 1차원 순수 텅스텐산화물 나노섬유 구조를 갖는 가스센서의 450 ℃에서의 황화수소(H2S), 아세톤(CH3COCH3), 톨루엔(C6H5CH3), 포름알데하이드(HCHO), 에탄올(C2H5OH), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 메탄(CH4)의 총 8가지 생체지표 가스에 대한 5 ppm에서의 반응성 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 is a schematic view of a member for a one-dimensional metal oxide nanotube gas sensor in which a nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention is uniformly bound.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensor using a one-dimensional metal oxide nanotube using a cellulose template including a nanoparticle catalyst synthesized using apoferritin according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a process of manufacturing a one-dimensional metal oxide nanotube structure using a cellulosic template and uniformly binding a nanoparticle catalyst using an electrospinning method according to an embodiment of the present invention.
4 is a transmission electron micrograph of a cellulose template serving as a sacrificial layer template according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates nanofibers obtained by electrospinning a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone (PVP) complex spinning solution containing apoferritin and a cellulose template containing a Pt nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention, Dimensional SEM micrograph of a one-dimensional tungsten oxide nanotube formed as a Pt nanoparticle catalyst is homogeneously bound and thermally decomposed in a cellulose template which has been agglomerated therein.
FIG. 6 is a transmission electron micrograph of apoferritin particles embedded in a Pt nanoparticle catalyst according to Example 1 of the present invention and a size distribution diagram of the Pt nanoparticle catalyst.
Fig. 7 is a graph showing the results obtained by electrospinning a composite tungsten oxide precursor / polyvinyl pyrrolidone (PVP) spinning solution containing a cellulose template without incorporating a Pt nanoparticle catalyst according to Comparative Example 1 of the present invention at a high temperature 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a one-dimensional tungsten oxide nanotube obtained by heat treatment.
8 is a scanning electron microscope (SEM) image of a one-dimensional tungsten oxide nanofiber obtained by high-temperature heat treatment of a composite nanofiber obtained by electrospinning a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone (PVP) complex spinning solution according to Comparative Example 2 of the present invention It is a photograph.
9 is a transmission electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) photograph of a 1-dimensional tungsten oxide nanotube uniformly bound to a Pt nanoparticle catalyst according to Example 2 of the present invention.
Fig. 10 is a graph showing the results of measurement of a nanofiber obtained by electrospinning a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone (PVP) composite spinning solution according to Comparative Example 2 of the present invention and a nanofiber obtained by electrospinning a Pt nanoparticle catalyst according to Example 2 And thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry analysis of nanofibers obtained by electrospinning a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone (PVP) composite spinning solution containing a cellulose template.
FIG. 11 is a graph showing the results of measurement of a one-dimensional tungsten oxide nanotube according to Example 2 of the present invention, a one-dimensional tungsten oxide nanotube according to Comparative Example 1, and a one- (5-0.15 ppm) at 450 < 0 > C of a gas sensor having a tungsten oxide nanofiber structure.
Fig. 12 is a graph showing the results of measurement of a one-dimensional tungsten oxide nanotube uniformly bound to Pt nanoparticle catalyst according to Example 2 of the present invention, a one-dimensional tungsten oxide nanotube according to Comparative Example 1, (H 2 S), acetone (CH 3 COCH 3 ), toluene (C 6 H 5 CH 3 ), formaldehyde (HCHO), ethanol (C 2 H 2 O) at 450 ° C of a gas sensor having a tungsten oxide nanofiber structure 5 OH), carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3 ) and methane (CH 4 ).

본 발명은 다양한 변환을 유연하게 가할 수 있으며 다양한 실시예를 가질 수 있는바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can be flexibly applied to various transformations and may have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.

이하, 아포페리틴 내부에 합성된 나노입자 촉매를 포함하고 전기방사 시 셀룰로오스 템플릿의 내부 응집 특성을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 구조를 이용한 가스센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a member for a gas sensor using a one-dimensional metal oxide nanotube structure utilizing nanoparticle catalysts synthesized inside apoferritin and utilizing internal coagulation characteristics of a cellulose template during electrospinning, a gas sensor, Will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명은 아포페리틴 내부에 합성한 나노입자 촉매를 포함하며, 전기방사 시 셀룰로오스 템플릿이 텅스텐산화물 전구체/고분자 나노섬유 내부에 응집되어 얻어진 복합 나노섬유를 고온 열처리 과정을 통해 열분해 시켜 제거시킴에 따라 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 구조를 형성함과 동시에 나노입자 촉매들이 나노튜브의 내/외벽에 균일하게 결착되어 기능화 되는 것을 특징으로 한다. 기존 금속산화물을 이용한 가스센서 연구의 경우 금속산화물 감지소재의 센서 특성을 향상시키기 위해 가스 분자와 반응할 수 있는 비표면적을 증대시키는 연구와 더불어 금속 또는 금속산화물 촉매를 감지물질에 균일하게 결착시켜 촉매반응을 활성화 하는 연구들이 진행되어 왔다. 즉, 센서 특성에 가장 중요한 두 가지 요소는 감지물질의 형상제어를 통한 비표면적 증대 및 효과적인 촉매 활성화이다. 하지만 현재까지 진행되어온 연구들의 경우 형상제어 공정과 촉매결착 공정이 개별화되어 있을 뿐 아니라 각 공정들이 상당히 복잡하며 복잡한 공정 단계를 요한다는 단점이 존재한다. 구체적으로는, 수 nm 이하 크기의 나노입자 촉매가 균일하게 결착되어 기능화되고, 중공형태의 1차원 금속산화물 나노튜브 구조의 합성은 비교적 그 합성방법이 복잡하며 시간과 비용이 많이 소모 된다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 이러한 단점들을 극복하여 각 공정을 단순화 함과 동시에 최적의 효과를 기대하기 위해 본 발명에서는 아포페리틴 및 셀룰로오스의 복합 바이오 템플릿을 도입하였다. 아포페리틴 템플릿을 통해 1-5 nm 크기 범위(바람직하게는 1-3 nm의 크기 범위)의 매우 작고 균일한 나노입자 촉매를 간단한 공정 과정을 통해 합성할 수 있으며, 그 추출원의 종류 및 중합 정도 그리고 분산법에 따라 수 nm - 수백 nm 의 직경 범위 및 수십 nm - 수십 μm의 길이 범위를 가지는 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 전기방사법을 이용하여, 내부에 셀룰로오스 템플릿을 응집시킴과 동시에 아포페리틴에 내장된 나노입자 촉매가 균일하게 분포하는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 형성할 수 있다. 상기 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리함에 따라 나노입자 촉매를 내장한 아포페리틴 및 복합 나노섬유 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿이 열분해 되어 제거됨에 따라 나노입자 촉매가 내/외벽에 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브 구조를 단일 공정으로 손쉽게 저비용으로 비표면적과 촉매활성을 극대화 시킨 감지소재를 대량으로 합성할 수 있는 특징을 갖는다. The present invention relates to a nanoparticle catalyst synthesized inside apoferritin, and the composite nanofiber obtained by coagulating the cellulose template in the tungsten oxide precursor / polymer nanofiber upon electrospinning is pyrolyzed through a high-temperature heat treatment process to remove the nanofiber Dimensional tungsten oxide nanotube structure, and at the same time, the nanoparticle catalysts are uniformly bound to the inner and outer walls of the nanotubes to be functionalized. In the case of gas sensor research using existing metal oxides, in order to improve the sensor characteristics of the metal oxide sensing material, a study was made to increase the specific surface area capable of reacting with the gas molecules, and the metal or metal oxide catalyst was uniformly bound to the sensing material Studies have been conducted to activate the reaction. That is, two of the most important factors for sensor characteristics are the increase of specific surface area through the control of the shape of the sensing material and the effective catalytic activation. However, there are disadvantages of the studies that have been carried out so far not only in that the shape control process and the catalyst binding process are individualized, but each process is complicated and requires complicated process steps. Specifically, nanoparticle catalysts of several nm or less in size are uniformly bound and functionalized, and the synthesis of a one-dimensional metal oxide nanotube structure having a hollow shape is relatively complicated and requires a long time and cost have. However, in order to overcome these shortcomings and to simplify each process and to expect an optimum effect, a complex biotemplate of apoferritin and cellulose is introduced in the present invention. A very small and uniform nanoparticle catalyst in the 1-5 nm range (preferably 1-3 nm in size) can be synthesized through a simple process through the apoferritin template and the type and degree of polymerization Then, the metal oxide precursor / polymer mixed spinning solution containing a cellulose template having a diameter ranging from several nm to several hundred nm and a length ranging from several tens of nanometers to several tens of micrometers according to a dispersion method was agglomerated into a cellulose template At the same time, metal oxide precursor / polymer composite nanofibers can be formed in which a nanoparticle catalyst embedded in apoferritin is uniformly distributed. As the synthesized composite nanofibers are thermally treated at high temperatures, the cellulosic template agglomerated in the apo-ferritin and the composite nanofibers embedded in the nanoparticle catalyst is pyrolyzed and removed, so that the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner / Oxide nanotube structure can be easily synthesized in a single process at a low cost and a large amount of sensing materials can be synthesized that maximize the specific surface area and catalytic activity.

여기서 셀룰로오스에 의해 형성되는 1차원 금속산화물 나노튜브의 중공 구조를 통해 가스분자의 유입 특성 향상을 유도할 수 있으며, 튜브의 내/외벽에 걸쳐 균일하게 결착된 금속 나노입자 촉매로부터 가스들의 감지소재와의 반응성을 최소한의 촉매량으로 극대화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 상기 촉매 활성화 효과 및 중공의 나노튜브 구조의 형상학적 야기 효과와의 상호간 협력 효과를 통해 기존의 감지물질과 비교하여 매우 높은 수준의 고감도 가스센서 감지소재를 제작할 수 있는 것을 특징으로 한다. 특히, 아포페리틴 템플릿 내부에 목적에 따라 다양한 종류의 금속 또는 금속산화물 나노입자 촉매를 합성할 수 있어 다양한 가스에 대한 선택성을 부여하는 감지물질을 합성할 수 있다. 상기와 같은 특징을 갖는 가스센서용 부재를 제작하기 위해 간단하고 효율적인 전기방사 공정 기법으로 가스센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다.Here, the introduction of the gas molecules into the hollow structure of the one-dimensional metal oxide nanotubes formed by the cellulose can be induced, and the sensing material of the gases from the uniformly bound metal nanoparticle catalyst on the inner / The reactivity of the catalyst can be maximized to a minimum amount of catalyst. The present invention is characterized in that a very high level of high sensitivity gas sensor sensing material can be manufactured compared with existing sensing materials through the cooperation effect between the catalytic activation effect and the geometrical yaguering effect of the hollow nanotube structure. In particular, a variety of metal or metal oxide nanoparticle catalysts can be synthesized within the apo-peritone template depending on the purpose, thereby synthesizing a sensing substance that imparts selectivity to various gases. A gas sensor member, a gas sensor, and a manufacturing method thereof are implemented by a simple and efficient electrospinning process technique to fabricate a member for a gas sensor having the above-described characteristics.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매(110) 및 나노튜브 구조(120) 그리고 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브(100)를 포함하는 1차원 금속산화물 나노튜브의 가스센서용 부재의 모식도를 도시하고 있다. 아포페리틴 템플릿 내부에 합성된 나노입자 촉매, 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 전기방사하여 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매가 균일하게 결착되고, 셀룰로오스 템플릿이 금속산화물 전구체/고분자 나노섬유 내부에 응집된 형태의 복합 나노섬유를 합성한다. 상기와 같은 방법으로 형성된 복합 나노섬유를 고온 열처리 함에 따라 내부에 응집되어 있던 셀룰로오스 템플릿이 열분해 되어 제거되어 튜브구조를 형성하고 금속산화물 전구체가 산화되어 1차원의 금속산화물 나노튜브가 형성된다. 또한, 아포페리틴 템플릿도 열분해 되어 제거됨에 따라 내장되어 있던 나노입자 촉매가 금속산화물 나노튜브의 내/외벽에 균일하게 결착되어 기능화 되어 있는 것을 포함하는 1차원 금속산화물 나노튜브를 형성시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. FIG. 1 is a cross-sectional view of a one-dimensional metal oxide nanotube 100 including a nanoparticle catalyst 110 and a nanotube structure 120 according to an embodiment of the present invention and a one-dimensional metal oxide nanotube 100 to which a nanoparticle catalyst is uniformly bound. And a gas sensor member of the tube. The nanoparticle catalyst synthesized in the apoferritin template and the metal oxide precursor / polymer blend solution containing the cellulose template are electrospun to uniformly bind the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin template, and the cellulose template is mixed with the metal oxide precursor / Synthesized composite nanofiber in polymer nanofiber. As the composite nanofibers formed by the above method are heat-treated at a high temperature, the cellulose template that has been agglomerated therein is thermally decomposed and removed to form a tube structure and the metal oxide precursor is oxidized to form one-dimensional metal oxide nanotubes. Also, since the apo-peritone template is thermally decomposed and removed, the built-in nanoparticle catalyst can be uniformly bound to the inner / outer wall of the metal oxide nanotube to function as a one-dimensional metal oxide nanotube .

여기서 아포페리틴 내부에 합성할 수 있는 금속들은 이온형태로 존재하는 염 형태면 특별한 제약을 두지 않는다. 구체적으로, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, Platinum(IV) chloride, Platinum(II) acetate, Gold(I, III) chloride, Gold(III) acetate, Tantalum(V) chloride, Silver chloride, Silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate 등이 있으며 이러한 전구체를 이용하여 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, Ge 등의 나노입자 촉매를 합성할 수 있다. 이렇게 합성된 나노입자 촉매의 경우 크기 분포를 일정하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 금속 전구체의 양을 조절하여 나노입자 크기 조절도 가능하다. 또한, 아포페리틴 표면이 pH 7-8.5 부근에서 양전하를 띄는 특성으로 인해 전기방사 용액 내에서 서로 응집되지 않고 균일하게 분산된다는 뛰어난 장점을 가지고 있다. 가스센서 감지소재에 적용되는 촉매효과는 크게 두 가지로 구분되는데, 첫 번째로는 백금(Pt), 금(Au) 와 같은 귀금속 촉매를 통해 감지소재 표면과 공기층 사이에 존재하는 산소분자의 분해반응을 촉진하여 가스와의 표면 반응에 참여하는 흡착산소이온의 농도를 증가시키는 화학적 증감효과가 있을 수 있으며, 두 번째로는 PdO, NiO, ZnO, Co3O4, Fe2O3 등과 같이 산화수 변화를 통한 전자적 증감 효과 방식으로 촉매 효과를 유도하는 방법이 있을 수 있다.Here, the metals that can be synthesized inside the apophyte do not have any particular restriction if they are salts in the form of ions. (III) nitrate, lanthanum (III) acetate, and platinum (IV) chloride were added to the solution. (III) acetate, Gold (III) acetate, Tantalum (V) chloride, Silver chloride, Silver acetate, Iron (III) , Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, and Ni are used as the precursors. Nanoparticle catalysts such as Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge can be synthesized. The synthesized nanoparticle catalyst can control the size distribution and the nanoparticle size by adjusting the amount of the metal precursor. In addition, the apopherin surface has an advantage of being uniformly dispersed in the electrospinning solution without agglomeration because of its positive charge property at a pH of about 7-8.5. The catalytic effect applied to gas sensor sensing materials can be divided into two major categories. First, the decomposition reaction of oxygen molecules existing between the surface of the sensing material and the air layer through noble metal catalysts such as platinum (Pt) and gold (Au) And the concentration of adsorbed oxygen ions that participate in the surface reaction with the gas may be increased. Secondly, there may be a chemical change effect such as PdO, NiO, ZnO, Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 , There may be a method of inducing the catalytic effect by an electron increasing /

상기에서 설명한, 1차원 금속산화물 나노튜브를 합성하기 위해 사용되는 셀룰로오스 템플릿의 경우 전기방사 도중 내부에 응집되는 특성을 지니며 고온 열처리를 통해 열분해 되어 제거할 수 있는 템플릿을 의미하며, 템플릿의 종류에는 특별한 제약을 두지 않는다. 구체적으로, 셀룰로오스 템플릿의 추출원으로 목재, 면모, 박테리아 등이 있으며 다양한 크기의 셀룰로오스 제조를 위해 소니케이션(sonication), 그라인딩(grinding), 호모지나이제이션(homogenization) 등의 기계적(mechanical) 분산법, 산화(oxidation) 및 기계적 교반(mechanical agitation)의 화학-기계적(chemical-mechanical) 혼합 분산법, 그리고 산 가수분해(acid hydrolysis), 효소 가수분해(enzymatic hydrolysis)와 같은 화학적(chemical) 분산법 등 다양한 분산 방법 및 중합도 조절을 통해 1 nm - 100 nm 의 직경 범위 및 10 nm - 10 μm의 길이 범위를 갖는 다양한 종류의 셀룰로오스가 제조될 수 있으며 이중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물이 될 수 있다. 상기 과정을 통해 합성되는 상기 셀룰로오스 템플릿은 다양한 종류의 용매에 뛰어난 분산성을 가지며, 전기방사 용액과 함께 혼합될 때, 분해되지 않고 균일하게 분산되는 특징을 가진다. 셀룰로오스 템플릿의 직경 및 길이가 적절하지 않고 방사 섬유의 길이보다 길 경우 전기방사시, 셀룰로오스 템플릿이 방사 복합섬유 내부에 균일하게 응집되지 않을 수 있다. 그렇기 때문에, 상기에서 언급한 적절한 직경 및 길이 분포를 갖는 셀룰로오스 템플릿을 사용하여야 셀룰로오스 템플릿의 내부 응집현상을 효과적으로 유도하여 1차원 금속산화물 나노튜브 형상제어가 가능하다. The cellulose template used to synthesize the one-dimensional metal oxide nanotubes as described above has a characteristic of being agglomerated in the course of electrospinning and is a template that can be pyrolyzed and removed by high temperature heat treatment. There are no special restrictions. Concretely, there are wood, cotton, bacteria and the like as an extracting source of the cellulose template, and a mechanical dispersion method such as sonication, grinding and homogenization for producing various sizes of cellulose, Chemical-mechanical mixed dispersion methods of oxidation and mechanical agitation and chemical dispersion methods such as acid hydrolysis and enzymatic hydrolysis Various types of cellulose having a diameter ranging from 1 nm to 100 nm and a length ranging from 10 nm to 10 μm can be prepared through the dispersion method and the degree of polymerization, and one kind or a mixture of two or more kinds selected therefrom. The cellulose template synthesized through the above process has excellent dispersibility in various kinds of solvents and is uniformly dispersed when it is mixed with the electrospinning solution. If the diameter and length of the cellulose template are not adequate and longer than the length of the spinning fiber, the cellulosic template may not uniformly flocculate inside the spinning conjugate fiber during electrospinning. Therefore, the above-mentioned cellulosic template having a proper diameter and length distribution can be used to effectively induce the internal agglomeration phenomenon of the cellulose template to control the shape of the one-dimensional metal oxide nanotubes.

상기에서 설명한 아포페리틴 템플릿 내부에 합성된 나노입자 촉매와 셀룰로오스 템플릿을 전기방사 용액에 분산시켜 방사 시킴으로써 셀룰로오스 템플릿이 방사섬유 내부에 응집되고 아포페리틴 내부에 합성된 나노입자 촉매가 균일하게 분포하는 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 제조할 수 있다. 상기 방법을 통해 합성된 복합 나노섬유는 5 ℃/min 의 승온속도로 고온 열처리 하여 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿을 제거하여 중공의 나노튜브 구조를 형성하고, 아포페리틴 템플릿 또한 열분해 하여 제거하여 나노입자 촉매가 나노튜브의 내/외벽에 균일하게 결착되어 분포하는 형태의 1차원 금속산화물 나노튜브 구조를 형성할 수 있다. 상기 나노튜브 구조의 외경의 크기가 50 nm - 10 μm의 길이분포를 갖고, 내경의 크기가 40 nm - 5 μm의 길이분포를 가지며, 나노튜브의 내벽과 외벽 사이의 두께는 10 nm - 5 μm의 두께 범위를 갖는다. 또한, 상기 나노튜브의 길이는 1 μm - 100 μm의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다. 나노튜브 구조의 직경 및 그 길이가 상기 범위에 미치지 못할 시, 코어에 응집된 셀룰로오스 템플릿의 열분해 이후 각각 구조의 불안정성 및 나노튜브 간의 과도한 접촉저항 증가를 야기시킬 수 있다. 또한, 나노튜브 구조의 직경이 상기 범위를 초과할 시, 셀룰로오스 템플릿의 응집현상 및 고온 열처리를 통한 튜브구조 형성 과정에 있어 내벽과 외벽 사이의 두께가 지나치게 두꺼운 형태의 튜브구조가 형성됨에 따라 그 효율성이 떨어질 수 있으며, 직경이 작은 튜브에 비해 가스와 반응할 수 있는 표면적이 매우 작아질 수 있다는 단점이 있다. 따라서, 상기 표시한 적절한 나노튜브의 직경 및 길이 범위를 가져야 가스센서로써 가장 효율적인 형상으로의 감지물질을 합성할 수 있다. By dispersing the nanoparticle catalyst and the cellulose template synthesized in the above-described apo-peritone template in an electrospinning solution and spinning, the cellulose template is aggregated inside the spinning fiber, and the nanoparticle catalyst synthesized inside the apoferritin is uniformly dispersed in the metal oxide Precursor / polymer composite nanofiber can be prepared. The composite nanofibers synthesized through the above method were subjected to a high temperature heat treatment at a heating rate of 5 ° C / min to remove the agglomerated cellulose template to form a hollow nanotube structure, and the apoperiol template was further pyrolyzed and removed to form a nanoparticle catalyst Dimensional metal oxide nanotube structure that is uniformly bound and distributed on the inner and outer walls of the nanotube. The outer diameter of the nanotube structure is 50 nm to 10 μm, the inner diameter is 40 nm to 5 μm, and the thickness between the inner wall and the outer wall of the nanotube is 10 nm to 5 μm Lt; / RTI > The length of the nanotubes is in the range of 1 μm to 100 μm. If the diameter and the length of the nanotube structure are less than the above range, instability of the structure and excessive contact resistance between the nanotubes may be caused respectively after thermal decomposition of the cellulose template agglomerated in the core. In addition, when the diameter of the nanotube structure exceeds the above-mentioned range, a tube structure in which the thickness between the inner wall and the outer wall is excessively thick is formed in the process of forming the tube structure through the coagulation phenomenon of the cellulose template and the high temperature heat treatment, And the surface area capable of reacting with the gas can be very small as compared with a tube having a small diameter. Therefore, the diameter and length of the appropriate nanotubes should be within the above range, so that the sensing material in the most efficient shape can be synthesized with the gas sensor.

상기 나노구조체를 구성하는 1차원 금속산화물 나노튜브는 반도체식 가스센서의 감지물질로써 가스의 흡착 및 탈착에 의하여 전기저항 및 전기전도도 값에 변화가 있다면 특별한 물질에 제약을 두지 않는다. 구체적으로는, ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Cr2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 . 3La0 . 57TiO3, LiV3O8, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7, 등에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 구성된 상호 연결된 다차원 기공 구조를 포함하는 1차원 금속산화물 나노튜브 일 수 있다.The one-dimensional metal oxide nanotube constituting the nanostructure is a sensing material of a semiconductor type gas sensor and does not impose a restriction on a specific substance if there is a change in electric resistance and electric conductivity value by adsorption and desorption of gas. Specific examples of the metal oxides include ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0 . 3 La 0 . 57 TiO 3 , LiV 3 O 8 , InTaO 4 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7 , Or a one-dimensional metal oxide nanotube comprising interconnected multi-dimensional pore structures composed of two or more composite materials.

상기 제작된 나노입자 촉매가 결착된 1차원의 금속산화물 나노튜브를 감지 물질로써 도포한 가스센서용 부재를 이용하여 사람의 날숨에서 배출되는 생체지표 가스를 선택적으로 고감도로 감지함으로써 인체의 질병을 조기에 진단할 수 있을 뿐만 아니라 유해 환경 가스를 실시간 모니터링 하는 환경센서로의 응용도 가능한 초 고감도/고선택성 센서 어레이를 구축할 수 있다. 특히, 중공형태의 나노튜브 구조를 형성함에 따라 감지소재의 비표면적 증대 및 기체의 유입 특성을 향상시켜 기체와 감지소재와의 흡착 및 탈착 반응에 매우 효과적인 구조를 제공할 수 있다. 위의 구조를 기반으로 소량의 촉매로도 감지소재의 센서 특성을 극대화할 수 있으며, 다종의 가스 센서용 부재를 간단하게 저비용으로 대량 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다. By using the gas sensor member formed by coating the one-dimensional metal oxide nanotube with the prepared nanoparticle catalyst as a sensing material, the biological surface gas discharged from the human exhalation can be selectively sensed with high sensitivity, It is possible to construct an ultra-high-sensitivity / high-selectivity sensor array that can be used as an environmental sensor for monitoring the hazardous environment gas in real time. Particularly, since the hollow nanotube structure is formed, the specific surface area of the sensing material can be increased and the inflow characteristics of the gas can be improved to provide a highly effective structure for adsorption and desorption reaction between the gas and the sensing material. Based on the above structure, it is possible to maximize the sensor characteristics of the sensing material even with a small amount of catalyst, and it has an advantage that mass production of various gas sensor members can be easily performed at low cost.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법을 이용한 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 반도체 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재 제조방법의 순서도를 나타낸다. 도 2 의 순서도에 따르면, 가스센서용 부재 제조방법은 아포페리틴 템플릿을 통해 내부에 나노입자 촉매를 합성하는 단계(S210), 상기 합성된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿과 셀룰로오스 템플릿을 금속산화물 전구체/고분자 전기방사 용액에 교반시켜 혼합 전기방사 용액을 제조하는 단계(S220), 전기방사를 통해 제조된 혼합 전기방사 용액을 방사하여 나노입자 촉매가 내부 및 외부에 균일하게 분포하고 셀룰로오스 템플릿이 내부에 응집된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유를 합성하는 단계(S230) 그리고 고온 열처리를 통해 내부에 응집되어 있는 셀룰로오스 템플릿과 고분자, 그리고 합성된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿을 열분해 함에 따라 중공의 나노튜브 구조를 형성하고 나노입자 촉매가 나노튜브의 내/외벽에 균일하게 분포하는 1차원 금속산화물 나노튜브를 합성하는 단계(S240)를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a member for a gas sensor using a one-dimensional metal oxide semiconductor nanotube in which a nanoparticle catalyst is uniformly bound by an electrospinning method according to an embodiment of the present invention. According to the flowchart of FIG. 2, the method for manufacturing a member for a gas sensor includes the steps of synthesizing a nanoparticle catalyst in an interior through an apo-peritone template (S210), forming an apo-peritone template and a cellulosic template, (S220), and mixing the electrospinning solution prepared by the electrospinning to disperse the nanoparticle catalyst uniformly in the interior and the exterior of the cell, Polymerized nanofibers (S230), and a high temperature heat treatment is performed to thermally decompose the cellulosic template, the polymer, and the synthesized nanoparticle catalyst-containing apoferritin template, Nanotube structure and the nanoparticle catalyst is formed on the inner and outer walls of the nanotube A one-dimensional metal oxide nanotubes to be distributed may be configured to include a step (S240) of synthesizing. Each of the above steps will be described in more detail below.

첫 번째로, 아포페리틴 템플릿을 활용하여 나노입자 촉매를 합성하는 단계(S210)를 살펴본다.First, a step (S210) of synthesizing a nanoparticle catalyst using an apoferritin template will be described.

본 단계(S210)에서 사용되는 아포페리틴 템플릿은 말 비장에서 추출된 페리틴을 포함하며, 사람 또는 돼지의 간이나 비장을 통해 추출 부위와 상관없이 얻어지는 페리틴을 이용하여 내부에 존재하는 철 이온을 제거하여 사용할 수 있다. 아포페리틴 보관용액으로 염분 용액을 포함하여 여러 농도의 염화나트륨(NaCl) 용액이 사용될 수 있으며, 4 ℃ 이하의 온도에서 냉장보관을 필요로 한다. pH 2-3 의 산성 분위기 또는 pH 7.5-8.5 의 염기성 분위기의 용액상태가 금속염이 아포페리틴 템플릿 내부로 확산되어 합성되기 적절하며, 금속염이 아포페리틴 템플릿 내부로 충분히 확산되기 위하여 1-24 시간 정도의 충분한 시간동안 금속염이 녹아있는 용액 속에 아포페리틴을 담가둔다. 아포페리틴 템플릿이 포함된 염분용액의 농도는 0.1-200 mg/ml 의 범위를 갖도록 하며, 금속염 용액 제조시 사용되는 용매는 에탄올(ethanol), 탈이온수(deionized water), 클로로포름(chloroform), N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) 등과 같은 상용성 용매를 사용할 수 있으며, 금속염이 잘 용해되는 용액이라면 특정 용매에 대한 제한을 두지 않는다. 아포페리틴 템플릿 내부에 내장되는 금속염의 종류로는 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, Mn, Ga, Ge, W, Sn, Sr, In, Pb, Ta, Sb, Sc, Ti 등이 있으며 금속 이온상태로 존재할 수 있는 금속이라면 특정 금속에 큰 제한을 두지 않는다. 아포페리틴 템플릿에 내장된 금속염을 금속 형태로 환원시키기 위해 사용되는 환원제로는 소듐 보로하이드라이드(sodium botohydride, NaBH4), 옥살산(oxalic acid, C2H2O4), 포름산(formic acid, HCOOH) 등이 있으며, 금속염을 환원시켜 금속 나노입자 촉매를 형성할 수 있는 환원제라면 특별한 제약을 두지 않는다. 환원제를 통해 환원된 금속 나노입자가 내장된 아포페리틴 템플릿을 선택적으로 추출하기 위해 약 12,000 rpm의 회전속도로 원심분리를 실시하고, 추출된 금속 나노입자가 내장된 아포페리틴 템플릿을 탈이온수에 재 분산시킨다.The apo-ferritin template used in this step (S210) includes ferritin extracted from horse spleen, and iron ions present therein are removed using ferritin obtained irrespective of the extraction site through human or pig liver or spleen Can be used. Various concentrations of sodium chloride (NaCl) solution including saline solution can be used as the apoperi- tin stock solution, and it is necessary to store at 4 ° C or below. a solution state in an acidic atmosphere of pH 2-3 or a basic atmosphere of pH 7.5-8.5 is suitable for the metal salt to diffuse into the apoperi- tin template and to be synthesized, Immerse the apoferritin in a solution of metal salts for a sufficient period of time. The concentration of the saline solution containing the apoferritin template is in the range of 0.1-200 mg / ml. The solvent used for preparing the metal salt solution is ethanol, deionized water, chloroform, N, A compatible solvent such as N, N'-dimethylformamide, N-methylpyrrolidone or the like can be used. If the solution is a solution in which the metal salt is well dissolved, Do not. As the type of the metal salt embedded in the apo-peritone template, it is possible to use a metal such as Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, Mn, Ga, Ge, W, Sn, Ta, Sb, Sc, Ti, and the like, and can be present in the form of metal ions. Examples of the reducing agent used for reducing the metal salt embedded in the apoferritin template to a metal form include sodium botohydride (NaBH 4 ), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH ), And there is no particular restriction as long as it is a reducing agent capable of reducing a metal salt to form a metal nanoparticle catalyst. Centrifugation was carried out at a rotation speed of about 12,000 rpm in order to selectively extract the apo ferritin template containing the metal nanoparticles reduced through the reducing agent, and the apoferritin template containing the extracted metal nanoparticles was redispersed in deionized water .

다음으로, 상기 합성된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿 및 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액을 제조하는 단계(S220)에 대하여 살펴본다.Next, a step S220 of preparing a metal oxide precursor / polymer mixture spinning solution containing the synthesized nanoparticle catalyst-containing apoferritin template and the cellulose template will be described.

본 단계(S220)에서는 상기에서 제작된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿과 셀룰로오스 템플릿을 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액에 첨가하여 나노입자 촉매 및 셀룰로오스 템플릿이 방사용액에 균일하게 분산되도록 교반하여 혼합 방사용액을 제조한다. 이때 방사용액 제조시에 사용되는 용매의 종류로는 탈이온수(deionized water), N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N'-dimethylacetamide), 에탄올(ethanol) 등과 같은 상용성 용매를 사용할 수 있다. 하지만 금속산화물 전구체와 고분자를 동시에 용해시킬 수 있는 용매를 선택하여야 하며 이 조건을 성립한다면 특별히 용매의 종류에 제한을 두지는 않는다. 추가적으로, 전기방사용액에 포함되어 있는 고분자 매트릭스의 경우 고온 열처리시 열분해 되어 제거되는 물질이라면 특정 물질에 제한을 두지 않는다. 구체적으로, 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVAc), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드 (polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체(polyethylene oxide block copolymer, PEO BCP), 폴리프로필렌 옥사이드 공중합체(polypropylene oxide block copolymer, PPO BP), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 등과 같은 고분자가 사용될 수 있다.In this step S220, the apoperiol template and the cellulose template having the built-in nanoparticle catalyst prepared above are added to the mixed solution of the metal oxide precursor / polymer, and the nanoparticle catalyst and the cellulose template are stirred so as to be uniformly dispersed in the spinning solution A mixed spinning solution is prepared. Examples of the solvent used for preparing the spinning solution include deionized water, N, N'-dimethylformamide, N, N'-dimethylacetamide (N, N ' -dimethylacetamide, ethanol, and the like can be used. However, a solvent capable of solubilizing the metal oxide precursor and the polymer at the same time should be selected. If this condition is satisfied, the kind of the solvent is not particularly restricted. In addition, the polymer matrix contained in the electrodeposition solution does not limit the specific substance as long as it is pyrolyzed and removed during the high-temperature heat treatment. Specific examples of the solvent include polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA) (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide block copolymer (PEO BCP), and polypropylene oxide block copolymer , PPO BP, polyvinylchloride (PVC), polycarbonate (PC), polycaprolactone (PCL), and polyvinylidene fluoride (PVDF)

또한, 본 단계에서 사용되는 금속산화물 전구체는 전기방사 용매에 잘 용해되어야 하며 고온 열처리시 SnO2, WO3, CuO, NiO, ZnO, Zn2SnO4, Co3O4, Cr2O3, LaCoO3, V2O5, IrO2, TiO2, Er2O3, Tb2O3, Lu2O3 등과 같이 가스 유입시 가스와의 흡착 및 탈착 표면반응을 통해 저항변화 및 전기전도도 변화가 생기는 반도체식 금속산화물 나노튜브를 형성할 수 있는 금속염을 포함하는 전구체라면 특정한 금속염에 제한을 두지 않는다. In addition, the metal oxide precursor used in this step should be dissolved well in an electrospinning solvent. In the high temperature heat treatment, SnO 2 , WO 3 , CuO, NiO, ZnO, Zn 2 SnO 4 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , LaCoO 3 , V 2 O 5 , IrO 2 , TiO 2 , Er 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Lu 2 O 3 There is no limitation on a specific metal salt as long as it is a precursor including a metal salt capable of forming a semiconductor metal oxide nanotube in which resistance change and electrical conductivity change occurs through adsorption with a gas upon desorption of a gas and desorption surface reaction.

전기방사용액을 형성하는 금속산화물 전구체와 고분자의 중량 비율은 1 : 1-2 정도가 바람직하며, 고분자와 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매와의 비율은 1 : 0.00001-0.1 정도가 바람직하다. 촉매의 함량이 너무 적으면 충분한 촉매효과를 유도해내기 어려우며, 촉매의 함량이 너무 많으면 과도한 초기 저항값의 증가 및 촉매들간의 응집현상에 의한 촉매특성 저하와 같은 문제점들이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 표시된 적절한 양의 촉매 함량을 설정하여야 한다. 또한, 단계(S220)에서 사용되는 셀룰로오스 템플릿의 고분자 매트릭스 대비 중량비율은 1 : 0.01-1 정도가 바람직하다. 셀룰로오스 템플릿의 고분자 매트릭스 대비 중량비율이 너무 적게 되면 충분히 효과적으로 중공의 튜브형상을 유도해 내기 어려우며, 중량 비율이 너무 높게 되면, 열처리 후 열분해 과정을 통해 형성되는 중공구조가 나노튜브 형상을 무너뜨릴 수 있을 뿐만 아니라, 전기방사 용액의 과도한 점도 증가로 인하여 전기방사에 어려움이 따를 수 있다. 그렇기 때문에, 상기 표시된 범위와 같이 적절한 중량비율을 설정해야 효과적으로 1차원 금속산화물 나노튜브를 합성할 수 있다. 아포페리틴 템플릿에 내장시킬 나노입자 촉매의 경우 타겟으로 하는 가스의 선택성을 고려하여 그에 맞는 금속염을 선정하여 준다. 상기 조건들을 적절히 조절하면 다양한 구조와 특성을 갖는 가스센서용 부재를 제조할 수 있다.The weight ratio of the metal oxide precursor to the polymer forming the electric discharge solution is preferably about 1: 1-2, and the ratio of the polymer to the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin template is preferably about 1: 0.00001 to 0.1. If the content of the catalyst is too small, it is difficult to induce a sufficient catalytic effect. If the content of the catalyst is too large, problems such as excessive initial resistance value and deterioration of the catalyst property due to agglomeration phenomenon between the catalysts may occur. Therefore, the indicated appropriate amount of catalyst should be set. The weight ratio of the cellulose template to the polymer matrix used in step S220 is preferably about 1: 0.01-1. If the weight ratio of the cellulose template to the polymer matrix is too small, it is difficult to induce the hollow tube shape sufficiently effectively. If the weight ratio is too high, the hollow structure formed through the thermal decomposition process after heat treatment may collapse the nanotube shape In addition, the excessive viscosity of the electrospinning solution may lead to difficulties in electrospinning. Therefore, it is effective to synthesize one-dimensional metal oxide nanotubes by setting an appropriate weight ratio as shown in the above-described range. In the case of the nanoparticle catalyst to be embedded in apoperi- tine template, the metal salt corresponding to the targeted gas is selected in consideration of the selectivity of the target gas. By appropriately adjusting the above conditions, a member for a gas sensor having various structures and characteristics can be manufactured.

단계(S220)에서 혼합 전기방사 용액을 제조하는 과정은 먼저, 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매를 용매에 잘 분산시킨 후, 이를 셀룰로오스가 분산된 용액에 첨가한다. 차례로, 제조된 용액에 점도를 부여하기 위해 고분자를 적절한 비율로 첨가한 뒤, 금속산화물 전구체를 넣어 용해시킨다. 상기 전기방사 용액 내에서 고분자 및 금속산화물 전구체가 모두 용해될 때까지 충분히 교반시킨다. 이때, 교반 조건은 상온에서 6-24 시간 내외로 충분히 교반시켜 주는 것이 바람직하다. 상기 과정을 거쳐 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿 및 셀룰로오스 템플릿이 금속산화물 전구체/고분자 용액 속에 균일하게 분포하는 전기방사 혼합용액을 제조한다.  In step S220, a nanoparticle catalyst embedded in an apo-peritone template is first dispersed in a solvent, and then the solution is added to a solution in which cellulose is dispersed. In order to impart viscosity to the prepared solution, the polymer is added in an appropriate ratio, and then a metal oxide precursor is added to dissolve. And sufficiently stirred in the electrospinning solution until both the polymer and the metal oxide precursor are dissolved. At this time, it is preferable that the stirring condition is sufficiently stirred at room temperature for about 6-24 hours. Through the above process, an electrospinning mixed solution in which an apo ferritin template and a cellulose template having a nanoparticle catalyst are uniformly distributed in a metal oxide precursor / polymer solution is prepared.

상기 제조된 전기방사 혼합용액을 전기방사 하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿이 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 내/외부에 균일하게 결착되고, 셀룰로오스 템플릿이 상기 복합 나노섬유 내부에 응집된 형태의 복합 나노섬유를 제작하는 단계(S230)를 수행한다. The prepared electrospinning mixed solution is electrospun and the apoperi- tin template with the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inside / outside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber, and the cellulose template is agglomerated inside the composite nanofiber (Step S230) of fabricating the composite nanofibers of the present invention.

단계(S230)을 수행하기 위하여 전기방사를 실시함에 있어, 상기 제조된 전기방사 용액을 시린지(syringe)에 채우고 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지를 밀어주어 전기방사 용액을 토출시킴에 따라 전기방사가 진행된다. 이때, 전기방사 시스템은 고 전압기, 시린지, 노즐, 접지된 전도성 기판 등으로 구성되며, 시린지에 채워진 전기방사 용액과 전도성 기판 사이에는 4-40 kV 내외의 고전압을 걸어주어 전기장을 형성해 노즐을 통해 전기방사 용액이 토출되어 나노섬유의 형태로 방사되어 전도성 기판에 수집되게 된다. 전기방사 과정 중 방사용액의 용매는 대부분 증발 및 휘발되고 남아있는 금속산화물 전구체, 고분자, 셀룰로오스 템플릿 및 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매가 복합되어 1차원의 고체 복합 나노섬유의 형태로 수집된다. 이때, 토출 속도는 0.01-0.5 ml/min 내외로 조절할 수 있으며 전압 및 토출량을 적절히 조절하여 아포페리틴 템플릿이 결착된 금속산화물 전구체/고분자 및 셀룰로오스 템플릿이 응집되어 내부에 존재하는 복합 나노섬유의 직경을 조절하여 합성할 수 있다. In step S230, the electrospinning solution is filled in a syringe, and the syringe is pushed at a constant speed using a syringe pump to discharge the electrospinning solution. As a result, . In this case, the electrospinning system is composed of a high voltage generator, a syringe, a nozzle, a grounded conductive substrate, etc., and a high voltage of about 4-40 kV is applied between the electrospinning solution filled in the syringe and the conductive substrate, The electrospinning solution is ejected and radiated in the form of nanofibers to be collected on the conductive substrate. During the electrospinning process, the solvent of the spinning solution is mostly evaporated and volatilized and the metal oxide precursor, polymer, cellulose template and nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin template are combined and collected in the form of one-dimensional solid composite nanofibers. At this time, the discharge rate can be adjusted to about 0.01-0.5 ml / min. The metal oxide precursor / polymer and cellulosic template to which the apoferritin template is bound by the appropriate control of the voltage and the discharge amount are aggregated and the diameter of the composite nanofiber Can be synthesized by controlling.

마지막으로 상기 제작된 복합 나노섬유를 고온 열처리하여 금속산화물 전구체는 산화되어 금속산화물을 형성함과 동시에 셀룰로오스, 아포페리틴 템플릿 및 고분자가 동시에 열분해 되어 제거됨에 따라 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브 형상을 단계(S240)을 통해 제조할 수 있다. 특히, 500-800 ℃ 범위에서 고온열처리 하여 희생층 템플릿으로 쓰인 셀룰로오스 템플릿, 고분자 매트릭스 그리고 아포페리틴 템플릿을 모두 제거함에 따라 나노튜브 구조를 형성하며, 금속산화물 전구체는 산화되어 금속산화물 형태로 핵성장 및 입성장을 거쳐 결정화되어 1차원 금속산화물 나노튜브 구조를 형성한다. 단계(S240)을 통해 최종적으로 형성되는 구조는 전기방사시 내부에 응집되는 셀룰로오스 템플릿의 열분해를 통한 나노튜브 구조 및 상기 나노튜브의 내/외벽에 균일하게 결착되어 기능화되는 나노입자 촉매를 포함하는 1차원 금속산화물 나노튜브 구조이다. Finally, the prepared composite nanofibers are heat-treated at a high temperature to oxidize the metal oxide precursor to form a metal oxide, and at the same time, the cellulose, the apoferritin template and the polymer are thermally decomposed and removed, so that the nanoparticle catalyst is uniformly bound The oxide nanotube shape can be produced through step S240. In particular, the nanotube structure is formed by removing the cellulose template, the polymer matrix, and the apoferritin template used as the sacrificial layer template by high temperature heat treatment in the temperature range of 500-800 ° C., and the metal oxide precursor is oxidized, Crystallized through grain growth to form a one-dimensional metal oxide nanotube structure. The structure ultimately formed through step S240 includes a nanotube structure formed by pyrolysis of a cellulose template that is agglomerated therein during electrospinning and a nanoparticle catalyst uniformly bound to the inner and outer walls of the nanotube to be functionalized. Dimensional metal oxide nanotube structure.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법을 이용한 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재의 제조방법에 따른 제조 공정 순서를 개략적으로 도시하고 있다. FIG. 3 schematically shows a manufacturing process sequence according to a method of manufacturing a member for a gas sensor using a one-dimensional metal oxide nanotube in which a nanoparticle catalyst using electrospinning is uniformly bound according to an embodiment of the present invention.

제 1 과정인 단계(S310)는 상기 제작된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿 및 셀룰로오스 템플릿이 균일하게 분산된 금속산화물 전구체 및 고분자 매트릭스가 포함된 용액을 전기방사법을 이용하여 전기방사하는 과정을 보여주는 모식도이다.Step S310 of the first step is a step of electrospinning the solution containing the prepared metal oxide precursor and the polymer matrix uniformly dispersed with the apoperi- tin template and the cellulose template having the built-in nanoparticle catalyst. It is a schematic diagram showing.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형상 제조를 위해 희생층 템플릿의 역할을 하는 셀룰로오스 템플릿의 투과전자 현미경 사진을 나타낸다.Figure 4 shows a transmission electron micrograph of a cellulose template serving as a sacrificial layer template for tubular fabrication according to one embodiment of the present invention.

제 2 과정인 단계(S320)는 전기방사 후 전도성 기판에 수집된 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매가 균일하게 분포하고 셀룰로오스 템플릿은 응집되어 금속산화물 전구체/고분자 매트릭스 나노섬유 내부에 존재하는 복합 나노섬유를 고온 열처리 과정을 통해 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿, 나노입자 촉매를 둘러쌓는 아포페리틴 템플릿 및 고분자 매트릭스가 열분해 되어 제거되어 최종적으로 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재의 합성을 보여주는 모식도이다. In the second step S320, the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin template collected on the conductive substrate after electrospinning is uniformly distributed, and the cellulose template is agglomerated to form a complex nano-particle, which is present in the metal oxide precursor / polymer matrix nanofiber The fiber is subjected to heat treatment at a high temperature to form a cellulosic template that is agglomerated therein, an apo-peritone template surrounding the nanoparticle catalyst, and a gas using a one-dimensional metal oxide nanotube in which the polymer matrix is pyrolyzed and finally bonded uniformly with the nanoparticle catalyst Is a schematic diagram showing the synthesis of a member for a sensor.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 Pt 나노입자 촉매를 내장하는 아포페리틴 템플릿, 셀룰로오스 템플릿을 포함하는 텅스텐산화물 전구체/폴리비닐피롤리돈(PVP) 복합 방사 용액을 전기방사하여 얻어진 복합 나노섬유 및 이를 고온 열처리하여 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 주사전자현미경 사진을 나타내고 있다.FIG. 5 is a graph showing the results of a comparison between a composite nano fiber obtained by electrospinning a tungsten oxide precursor / polyvinylpyrrolidone (PVP) complex spinning solution containing an apo-peritone template having a Pt nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention and a cellulose template And a one-dimensional tungsten oxide nanotube in which a Pt nanoparticle catalyst is uniformly bound by high-temperature heat treatment.

상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전기방사법, 복합의 바이오 템플릿을 이용한 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서 부재의 제조방법은 튜브형상의 구조적 장점으로 인해 기체의 유입 특성 향상 및 반응면적 증대에 따른 센서 특성 향상을 기대할 수 있으며 양의 표면전하를 띄어 분산성이 뛰어난 단백질 템플릿을 이용하여 합성한 나노입자 촉매가 매우 작은 크기로 균일하게 나노튜브의 내/외벽에 결착 및 기능화되어 매우 소량으로 최적의 촉매효과를 야기하여 기존의 가스센서 대비 반응속도 특성, 감도 특성 그리고 선택성을 극적으로 개선할 수 있다. As described above, the method of manufacturing the gas sensor member using the one-dimensional metal oxide nanotube in which the nanoparticle catalyst is uniformly bound using the electrospinning method and the composite biotemplate according to the embodiments of the present invention, The nanoparticle catalyst synthesized by using a protein template having excellent dispersibility by positively charged surface charge can be expected to improve the inflow characteristics of the gas and the sensor characteristics according to the increase of the reaction area, It is possible to dramatically improve the reaction rate characteristic, the sensitivity characteristic and the selectivity compared to the conventional gas sensor by causing an optimal catalytic effect in a very small amount.

하기에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 국한되어 있는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples. The examples and comparative examples are merely intended to illustrate the present invention and are not intended to limit the present invention to the following examples.

실시예Example 1 : 아포페리틴을 이용한 Pt 나노입자 촉매 제조 1: Preparation of Pt nanoparticle catalyst using apoferritin

아포페리틴 템플릿을 이용하여 내부에 1-5 nm의 크기 범위(바람직하게는 1-3 nm의 크기 범위)를 갖는 Pt 나노입자 촉매를 합성하기 위하여 하기 과정을 거친다.The following procedure is used to synthesize a Pt nanoparticle catalyst having a size range of 1 to 5 nm (preferably in the range of 1 to 3 nm in size) using an apoferritin template.

아포페리틴 내부에 금속염을 내장하기 위해 먼저, 아포페리틴을 35 mg/ml 농도로 0.15 M NaCl 수용액에 분산되어 있는 용액(Sigma Aldrich)을 준비한다. 상기 아포페리틴 용액에 NaOH 와 같은 염기성 수용액을 첨가하여 pH 를 8.5 내외로 맞추어 아포페리틴 내부로 금속염이 잘 유입될 수 있는 최적의 조건을 맞춰준다. Pt 나노입자 촉매를 합성하기 위해 사용되는 Pt 금속이온의 전구체는 H2PtCl6·H2O 이며, H2PtCl6·H2O 16 mg을 1 g의 탈이온수에 용해시켜 수용액 형태로 제조한다. 여기에 제조된 금속염 전구체 수용액을 pH 가 8.5 부근으로 조절된 아포페리틴 용액에 스포이드를 이용해 한 방울씩 천천히 떨어뜨리면서 교반하여 준다. 혼합 용액 속 Pt 금속이온들이 아포페리틴 내부로 잘 유입될 수 있도록 교반을 실시한다. 이때 교반 시간은 100 rpm 회전수 부근에서 1시간 정도 상온에서 진행하여 준다. 충분한 교반 후, NaBH4 환원제를 이용하여 아포페리틴 내부에 존재하는 Pt 금속이온을 환원시켜 아포페리틴 내부에서 Pt 나노입자 촉매를 합성한다. 이때 사용되는 환원제인 NaBH4 를 40 mM 농도로 수용액 상태로 만든 뒤 0.5 ml 내외의 양을 첨가하여 준다. 이때 합성된 아포페리틴 템플릿 내부의 Pt 나노입자 촉매들이 분산된 수용액은 환원제 및 금속염의 리간드 불순물이 함유되어 있기 때문에 원심분리기를 이용하여 12,000 rpm 정도의 회전수로 10 분 내외로 원심분리를 실시하여 순수한 Pt 나노입자 촉매만을 추출하여 DIW 에 분산시켜 최종적으로 아포페리틴 템플릿 내에 합성된 Pt 나노입자 촉매가 수용액 상태로 분산된 용액을 제조할 수 있다. To embed the metal salt in the apoperi- tin, first prepare a solution (Sigma Aldrich) in which apoferritin is dispersed in 0.15 M aqueous NaCl solution at a concentration of 35 mg / ml. A basic aqueous solution such as NaOH is added to the above apoferritin solution to adjust the pH to about 8.5, so that the optimal conditions for the metal salt to flow well into the apoferritin are adjusted. The precursor of the Pt metal ion used to synthesize the Pt nanoparticle catalyst is H 2 PtCl 6 · H 2 O and 16 mg of H 2 PtCl 6 · H 2 O is dissolved in 1 g of deionized water to prepare an aqueous solution . The metal salt precursor aqueous solution prepared above is slowly added dropwise to the apo ferritin solution adjusted to pH 8.5 with a dropper while stirring. Agitation is performed so that the Pt metal ions in the mixed solution can flow well into the apoperi- tin. At this time, the agitation time is about 1 hour at about 100 rpm. After sufficient stirring, NaBH 4 A Pt nanoparticle catalyst is synthesized inside the apoferritin by reducing the Pt metal ion existing in apoferritin using a reducing agent. The reducing agent NaBH 4 To 40 mM and then add 0.5 ml of the solution. Since the aqueous solution containing Pt nanoparticle catalysts dispersed in the synthesized apo-peritone template contains a reducing agent and a ligand impurity of a metal salt, it is centrifuged at about 12,000 rpm for about 10 minutes using a centrifugal separator, It is possible to prepare a solution in which the Pt nanoparticle catalyst synthesized in the apoferritin template is dispersed in an aqueous solution.

도 6 은 상기의 과정을 통해 합성된 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿의 투과전자 현미경 사진 및 그 크기 분포를 나타낸다. 투과전자 현미경을 통해 Pt(200) 및 Pt(111)의 나노입자가 균일한 크기로 잘 분산되어 존재함을 확인할 수 있고, 나노입자 촉매들이 약 1-3 nm 크기로 존재함을 확인할 수 있다.FIG. 6 shows a transmission electron microscope photograph and a size distribution of apoferritin template embedded with the Pt nanoparticle catalyst synthesized through the above process. Through the transmission electron microscope, it is confirmed that the nanoparticles of Pt (200) and Pt (111) are uniformly dispersed in a uniform size, and that the nanoparticle catalysts exist in the size of about 1-3 nm.

실시예Example 2 : Pt 나노입자 촉매가 균일하게  2: Pt nanoparticle catalyst uniformly 결착된Concluded 1차원 텅스텐산화물(WO One-dimensional tungsten oxide (WO 33 ) 나노튜브(100) 구조 제작) Fabrication of nanotubes (100)

우선적으로, 0.1 g의 셀룰로오스 템플릿을 1.9 g의 탈이온수에 분산시킨 후, 상기 일 실시예 1 에서 합성된 Pt 나노입자 촉매 수용액 40 mg 정도를 혼합시킨다. 이 후, 텅스텐산화물 전구체인 암모늄 텅스텐 메타텅스테이트 하이드레이트(ammonium tungsten metatungstate hydrate) 0.2 g 및 점도를 높여주기 위하여 분자량 1,300,000 g/mol을 가지는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 고분자를 0.25 g의 상기 용액에 첨가하여 상온에서 12 시간동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 방사용액을 제조한다. 제조된 방사용액은 시린지(Henke-Sass Wolf, 12 mL NORM-JECT) 에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여, 0.1 ml/min의 토출속도로 전기방사 용액을 밀어내어 주고 방사 과정에서 사용되는 노즐(needle, 25 게이지(gauge))과 나노섬유를 수집하는 집전체 사이의 전압을 17 kV로 하여 전기방사를 진행한다. 이때, 집전판으로는 스테인리스 스틸(stainless steel) 판을 사용하고, 노즐과 집전체 사이의 거리는 20 cm 로 설정한다.First, 0.1 g of the cellulose template is dispersed in 1.9 g of deionized water, and then about 40 mg of the Pt nanoparticle catalyst aqueous solution synthesized in Example 1 is mixed. Thereafter, 0.2 g of ammonium tungsten metatungstate hydrate as a precursor of tungsten oxide and 0.2 g of a polyvinylpyrrolidone (PVP) polymer having a molecular weight of 1,300,000 g / mol were added to 0.25 g of the above- And stirred at room temperature for 12 hours at a rotation speed of 500 rpm to prepare a spinning solution. The prepared spinning solution was placed in a syringe (12 mL NORM-JECT) and connected to a syringe pump. The spinning solution was pushed out at a discharge rate of 0.1 ml / min and the needle , 25 gauge) and the current collecting the nanofibers is 17 kV. At this time, a stainless steel plate is used as the collector plate, and the distance between the nozzle and the collector is set to 20 cm.

도 5 는 전기방사로 합성한 나노입자 촉매가 내장되어 있는 아포페리틴 템플릿 및 셀룰로오스 템플릿이 포함된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 및 고온 열처리 이후 만들어지는 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 금속산화물 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다. 이때, 고온 열처리 과정은 600 ℃ 에서 1 시간 동안 유지시켜 주고 승온 속도는 5 ℃/min 및 하강속도는 40 ℃/min으로 설정한다. 열처리는 Ney 사의 Vulcan 3-550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 진행한다. 열처리 과정을 통해 금속 나노입자 촉매를 둘러싸는 아포페리틴 템플릿 및 내부에 응집되어 있던 셀룰로오스 템플릿 그리고 고분자 매트릭스는 모두 열분해 되어 제거되고 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 나노튜브 구조를 형성하게 된다.FIG. 5 is a graph showing the relationship between the number of metal oxide precursor / polymer composite nanofibers including the apoferritin template and the cellulose template embedded in a nanoparticle catalyst synthesized by electrospinning and the one-dimensional metal Scanning electron micrograph of oxide nanotubes. At this time, the high-temperature heat treatment process was maintained at 600 ° C for 1 hour and the rate of temperature increase was 5 Lt; 0 > C / min and the descending speed is set at 40 [deg.] C / min. Heat treatment is carried out in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 compact electric furnace. The apoferritin template surrounding the metal nanoparticle catalyst, the cellulosic template and the polymer matrix, which have been agglomerated, are thermally decomposed and removed to form a one-dimensional nanotube structure in which the Pt nanoparticle catalyst is uniformly bound.

도 9 는 실시예 1 에서 합성한 Pt 나노입자 촉매를 포함하여 1차원 텅스텐 산화물 나노튜브의 투과전자 현미경 사진을 보여주고 있다. 또한, TEM 분석을 통한 성분분석(EDS elemental mapping & EDS line profile) 사진을 통해 Pt 나노입자 촉매들이 텅스텐 산화물 나노튜브 구조 전반에 걸쳐 균일하게 분포함을 확인함과 동시에 텅스텐, 산소 및 Pt 촉매의 분포가 나노튜브 내부에 적게 분포함을 통해 속이 비어있는 중공의 나노튜브 구조임을 확인할 수 있다. 상기 TEM 분석을 통해 코어에 형성된 셀룰로오스 템플릿이 고온 열처리 이후 열분해 되어 중공의 튜브구조를 형성함과 동시에 촉매의 균일한 분포 특성을 확인할 수 있다.9 is a transmission electron micrograph of a 1-dimensional tungsten oxide nanotube including the Pt nanoparticle catalyst synthesized in Example 1. FIG. In addition, the TEM analysis of the components (EDS elemental mapping and EDS line profile) showed that the Pt nanoparticle catalysts were uniformly dispersed throughout the structure of the tungsten oxide nanotubes, and the distribution of tungsten, oxygen, and Pt catalysts Is hollow nanotube structure hollowed out with a minute fraction in the nanotube. Through the TEM analysis, the cellulose template formed on the core is thermally decomposed after the high-temperature heat treatment to form a hollow tube structure, and uniform distribution characteristics of the catalyst can be confirmed.

비교예Comparative Example 1. 나노입자 촉매를 포함하지 않은 1차원 텅스텐산화물(WO 1. One-dimensional tungsten oxide without nanoparticle catalyst (WO 33 ) 나노튜브 제작) Fabrication of nanotubes

상기 실시예 2 와 비교되는 비교예 1 은 Pt 나노입자 촉매를 포함하지 않는 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 합성에 관한 것이다. 구체적으로는 상기 실시예 2 와 동일하지만 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 용액을 첨가하지 않는 제조과정을 거친다. 즉, 0.1 g의 셀룰로오스 템플릿을 1.9 g의 탈이온수에 분산시킨 후, 텅스텐산화물 전구체인 암모늄 텅스텐 메타텅스테이트 하이드레이트(ammonium metatungstate hydrate) 0.2 g 및 점도를 높여주기 위하여 분자량 1,300,000 g/mol을 가지는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 고분자를 0.25 g의 상기 용액에 첨가하여 상온에서 12 시간동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 방사용액을 제조한다. 이렇게 형성된 셀룰로오스 템플릿이 포함된 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 혼합 전기방사 용액을 전기방사용 시린지(Henke-Sass Wolf, 12 mL NORM-JECT) 에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여, 0.1 ml/분의 토출 속도로 방사용액을 밀어주며 전기방사에 사용되는 니들(needle)은 25 게이지(gauge)를 사용한다. 또한, 노즐과 나노섬유를 수집하는 집전체와의 거리는 20 cm로 유지시키며 17 kV의 고전압을 걸어주어 전기방사를 진행한다.Comparative Example 1 compared to Example 2 above relates to the synthesis of one-dimensional tungsten oxide nanotubes that do not include a Pt nanoparticle catalyst. Specifically, the preparation process is the same as that of Example 2, except that the apo-ferritin solution containing the Pt nanoparticle catalyst is not added. That is, after 0.1 g of the cellulose template was dispersed in 1.9 g of deionized water, 0.2 g of ammonium tungstate metatungstate hydrate as a precursor of tungstic oxide and 0.2 g of ammonium tungstate metatungstate hydrate were added to a polyvinyl alcohol having a molecular weight of 1,300,000 g / mol A polyvinylpyrrolidone (PVP) polymer was added to 0.25 g of the above solution and stirred at a rotational speed of 500 rpm at room temperature for 12 hours to prepare a spinning solution. The thus-prepared tungsten oxide precursor / polymer matrix electrospinning solution containing the cellulose template thus formed was placed in a syringe (Henke-Sass Wolf, 12 mL NORM-JECT) and connected to a syringe pump. The needle used for electrospinning is a 25 gauge needle. The distance between the nozzle and the collector collecting the nanofibers is maintained at 20 cm, and a high voltage of 17 kV is applied to conduct electrospinning.

상기 과정을 거쳐 합성된 셀룰로오스 템플릿이 내부에 응집된 형태의 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 복합 나노섬유는 고온 열처리를 통하여 고분자 매트릭스 및 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿을 열분해 하여 제거시키며 텅스텐산화물의 산화과정을 통하여 텅스텐산화물을 형성하게 된다. 고온 열처리 조건은 5 ℃/min 의 승온속도로 600 ℃까지 승온시킨 뒤 상기 온도에서 1시간 동안 유지하면서 이루어지며 온도의 하강속도는 40 ℃/min으로 일정하게 유지시킬 수 있다.The tungsten oxide precursor / polymer matrix composite nanofiber in which the cellulose template synthesized through the above process is agglomerated is thermally decomposed and removed from the polymer matrix and the cellulosic template agglomerated therein through the heat treatment at high temperature, and the oxidation process of tungsten oxide Tungsten oxide. The high-temperature heat treatment condition is performed by raising the temperature to 600 ° C at a heating rate of 5 ° C / min and then maintaining the temperature at that temperature for 1 hour. The temperature lowering rate can be kept constant at 40 ° C / min.

도 7 은 전기방사로 합성한 셀룰로오스 템플릿이 내부에 응집된 금속산화물 전구체/고분자 매트릭스의 복합 나노섬유를 고온 열처리 이후 만들어진 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다. 내부가 비어있는 중공형태의 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 감지물질이 잘 합성되었음을 확인할 수 있다. FIG. 7 is a scanning electron microscope (SEM) image of a one-dimensional tungsten oxide nanotube fabricated by high temperature heat treatment of composite nanofibers of a metal oxide precursor / polymer matrix in which a cellulosic template synthesized by electrospinning is aggregated. It can be confirmed that the sensing material of hollow hollow one-dimensional tungsten oxide nanotubes is well synthesized.

비교예Comparative Example 2. 순수 텅스텐산화물 나노섬유 제작 2. Production of pure tungsten oxide nanofiber

상기 실시예 2 와 비교되는 비교예 2 는 Pt 나노입자 촉매를 첨가하지 않으며 또한 셀룰로오스 템플릿을 포함하지 않는 1차원의 텅스텐산화물 나노섬유 합성에 관한 것이다. 구체적으로는 텅스텐산화물 전구체인 암모늄 텅스텐 메타텅스테이트 하이드레이트 (ammonium metatungstate hydrate) 0.2 g 및 점도를 높여주기 위하여 분자량 1,300,000 g/mol을 갖는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 고분자 0.25 g을 1.9 g의 탈이온수에 분산시킨 후, 상온에서 12 시간동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 방사용액을 제조한다. 이렇게 형성된 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 혼합 전기방사 용액은 전기방사용 시린지 (Henke-Sass Wolf, 12 ml NORM-JECT) 에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여, 0.1 ml/분의 토출 속도로 방사용액을 밀어주며 전기방사에 사용되는 니들은 25 게이지(gauge)를 사용한다. 또한, 노즐과 나노섬유를 수집하는 집전체와의 거리는 20 cm로 유지시키며 17 kV의 고전압을 걸어주어 전기방사를 진행한다. 상기 과정을 통해 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 복합 나노섬유를 제작할 수 있다.Comparative Example 2 compared to Example 2 above relates to the synthesis of one-dimensional tungsten oxide nanofibers without addition of a Pt nanoparticle catalyst and without a cellulose template. Specifically, 0.2 g of ammonium tungstate metatungstate hydrate as a precursor of tungsten oxide and 0.25 g of polyvinylpyrrolidone (PVP) polymer having a molecular weight of 1,300,000 g / mol were added to 1.9 g of Dispersed in deionized water, and stirred at room temperature for 12 hours at a rotation speed of 500 rpm to prepare a spinning solution. The thus prepared tungsten oxide precursor / polymer matrix mixed electrospinning solution was placed in a syringe (Henke-Sass Wolf, 12 ml NORM-JECT) and connected to a syringe pump to push the solution at a discharge rate of 0.1 ml / The needle used for electrospinning uses a 25 gauge. The distance between the nozzle and the collector collecting the nanofibers is maintained at 20 cm, and a high voltage of 17 kV is applied to conduct electrospinning. The tungsten oxide precursor / polymer matrix composite nanofiber can be prepared through the above process.

상기에서 합성된 텅스텐산화물/고분자 매트릭스 복합 나노섬유는 고온 열처리를 통하여 고분자 매트릭스는 열분해 되어 제거하여 1차원 텅스텐산화물 나노섬유를 형성한다. 이때, 고온 열처리 조건은 600 ℃에서 1시간 동안 이루어지며, 승온속도 및 하강속도는 각각 5 ℃/min 과 40 ℃/min으로 일정하게 유지시킬 수 있다. The tungsten oxide / polymer matrix composite nanofiber synthesized above is thermally decomposed and removed by high temperature heat treatment to form one-dimensional tungsten oxide nanofibers. At this time, the high temperature heat treatment condition is performed at 600 ° C. for 1 hour, and the temperature rising rate and the falling rate can be kept constant at 5 ° C./min and 40 ° C./min, respectively.

도 8 은 전기방사로 합성된 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 복합 나노섬유를 고온 열처리 이후 만들어진 1차원의 순수 텅스텐산화물 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다. 합성된 1차원의 순수 텅스텐산화물 나노섬유의 내부가 비어있지 않고 입성장된 결정립들이 연결되어 분포하는 조밀한 형태의 나노섬유 구조가 형성됨을 확인할 수 있다. 8 is a scanning electron microscope (SEM) image of a one-dimensional pure tungsten oxide nanofiber prepared by high-temperature heat treatment of a tungsten oxide precursor / polymer matrix composite nanofiber synthesized by electrospinning. It can be confirmed that the synthesized one-dimensional pure tungsten oxide nanofibers are formed in a dense nanofiber structure in which the inside of the nanofibers is not empty but grain grown grains are connected and distributed.

도 10 은 전기방사로 합성된 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 복합 나노섬유 및 셀루로오스 템플릿을 포함하는 텅스텐산화물 전구체/고분자 매트릭스 복합 나노섬유의 열중량 분석 및 시차주사 열량 분석 그래프이다. 셀루로오스 템플릿이 포함된 샘플의 경우 미 포함된 샘플에서는 관측되지 않는 열중량 감소 및 발열 peak이 250 ℃ 부근 및 550 ℃ 부근에서 추가적으로 형성됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 전기방사 중 내부에 응집되어 존재하는 셀룰로오스 템플릿의 표면 비정질 영역의 열분해가 250 ℃ 부근에서 1차적으로 이루어지며, 셀룰로오스의 주 결정질 영역은 550 ℃ 부근에서 열분해 되어 2단계의 열분해 동작을 통해 완전히 제거됨에 따라 중공구조를 형성하여 텅스텐산화물 나노튜브가 형성됨을 확인할 수 있다. 10 is a thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry analysis of a tungsten oxide precursor / polymer matrix composite nanofiber including a tungsten oxide precursor / polymer matrix composite nanofiber synthesized by electrospinning and a cellulose template. In the case of the sample containing the cellulose template, it can be confirmed that a thermogravimetric decrease and an exothermic peak not observed in the sample not yet formed are additionally formed at about 250 ° C and around 550 ° C. As a result, thermal decomposition of the surface amorphous region of the cellulosic template existing inside the cellulosic template aggregated during electrospinning is performed primarily at around 250 ° C., and the main crystalline region of the cellulose is pyrolyzed at about 550 ° C., As a result, a hollow structure is formed and tungsten oxide nanotubes are formed.

실험예Experimental Example 1. Pt 나노입자 촉매가 나노섬유의 내외에 균일하게  1. The Pt nanoparticle catalyst is uniformly distributed in and out of the nanofiber 결착된Concluded 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 촉매가  One-dimensional tungsten oxide nanotubes, catalyst 결착되지Do not settle 않은 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 그리고 1차원 순수 텅스텐산화물 나노섬유를 이용한 가스 센서 제조 및 특성 평가 Fabrication and characterization of gas sensor using 1-D tungsten oxide nanotube and 1-D pure tungsten oxide nanofiber

상기의 실시예 1,2 와 비교예 1,2 으로 제작된 가스센서용 감지소재를 날숨센서로 제조하기 위하여, Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 촉매가 결착되지 않은 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 그리고 순수 1차원 텅스텐산화물 나노섬유 각각 6 mg을 에탄올 300 μl에 분산시킨 뒤, 30 분 내지 1 시간 동안 초음파 세척을 통하여 분쇄 과정을 거친다. 분쇄 과정 중에서 상기에 합성된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 및 나노섬유 구조가 길이 방향으로 더욱 짧아진 구조를 나타내기도 한다. In order to fabricate the sensing material for the gas sensor manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 using an expiratory sensor, a one-dimensional tungsten oxide nanotube in which a Pt nanoparticle catalyst is uniformly bound, One-dimensional tungsten oxide nanotubes and pure 1-dimensional tungsten oxide nanofibers are dispersed in 300 μl of ethanol, and then pulverized by sonication for 30 minutes to 1 hour. The 1-dimensional tungsten oxide nanotube and the nanofiber structure synthesized in the pulverization process may be further shortened in the longitudinal direction.

Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 촉매가 결착되지 않은 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 그리고 순수 1차원 텅스텐산화물 나노섬유를 150 μm의 간격으로 떨어 져 있는 두 평행한 금(Au) 전극이 형성된 3 mm ⅹ 3 mm 크기의 알루미나 기판 상부에 드랍 코팅(drop coating) 하여 코팅을 할 수 있다. 코팅 과정은 마이크로피펫을 이용하여 에탄올에 분산되어 있는 6 μl의 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 촉매가 결착되지 않은 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 그리고 순수 1차원 텅스텐산화물 나노섬유 혼합용액을 센서전극이 있는 알루미나 기판 위에 도포한 후, 70 ℃ 핫플레이트 상에서 건조시키는 과정을 거치며 이러한 과정을 2-5 회 반복하여 알루미나 센서기판 상부에 충분한 양의 감지물질이 균일하게 도포되도록 할 수 있다.One-dimensional tungsten oxide nanotubes with Pt nanoparticle catalyst uniformly bound, one-dimensional tungsten oxide nanotubes without catalyst binding, and pure one-dimensional tungsten oxide nanofibers were immersed in two parallel gold (Au ) Electrode can be coated by drop coating on the 3 mm x 3 mm alumina substrate. In the coating process, 6 μl of Pt nanoparticle catalyst dispersed in ethanol using a micropipette was uniformly bound with one-dimensional tungsten oxide nanotubes, one-dimensional tungsten oxide nanotubes with no catalysts, and one-dimensional tungsten oxide nano- The fiber mixture solution was coated on an alumina substrate having a sensor electrode and then dried on a hot plate at 70 ° C. This process was repeated 2-5 times to uniformly apply a sufficient amount of the sensing material on the alumina sensor substrate .

감지물질이 도포된 센서를 이용하여 날숨센서로서의 시뮬레이션 가스감지 특성평가를 수행하게 되는데 그 평가는 사람의 날숨을 통해 배출되는 기체의 습도와 유사한 85-95 % 의 상대습도(relative humidity, RH) 에서 각각 당뇨, 구취 및 폐암의 진단을 위한 생체지표 가스인 아세톤(CH3COCH3), 황화수소(H2S), 톨루엔(C6H5CH3) 가스의 농도를 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4, 0.25, 0.2, 0.15 ppm 순서로 변화시키고 센서의 구동 온도는 450 ℃에서 유지시키며 가스에 대한 반응성 특성평가를 실시할 수 있다. 또한, 본 실험예 1 에서는 휘발성 유기화합물 (VOCs) 의 대표적인 가스의 예인 상기 3종의 가스뿐만 아니라 포름알데하이드 (HCHO), 에탄올(C2H5OH), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 메탄(CH4) 가스에 대해서도 반응성 특성평가를 실시하여 선택적 가스감지 특성을 평가할 수 있다.Simulation gas sensing characteristics evaluation as an expiratory sensor is performed by using a sensor coated with a sensing material. The evaluation is performed at a relative humidity (RH) of 85-95%, which is similar to the humidity of a gas discharged through human exhalation The concentration of acetone (CH 3 COCH 3 ), hydrogen sulfide (H 2 S), and toluene (C 6 H 5 CH 3 ) gases, which are biomarkers for diagnosis of diabetes, bad breath and lung cancer, 1, 0.6, 0.4, 0.25, 0.2, and 0.15 ppm, and the sensor operating temperature is maintained at 450 ° C. In the present Experimental Example 1, formaldehyde (HCHO), ethanol (C 2 H 5 OH), carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3 ) as well as the above three gases, which are typical examples of volatile organic compounds (VOCs) , Methane (CH 4 ) gas can also be evaluated to evaluate the selective gas sensing characteristics.

도 11 은 450 ℃ 에서 황화수소 가스를 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4, 0.25, 0.2, 0.15 ppm 으로 감소시킴에 따라 반응도 (Rair/Rgas, 이때 Rair 은 공기가 주입될 때의 금속산화물 감지소재의 저항값을 뜻하며, Rgas 는 황화수소 가스가 주입될 때의 금속산화물 감지소재의 저항값을 의미한다)를 시간에 따른 그래프로 나타낸 것이다.Figure 11 shows the response (R air / R gas , where R air is injected with air) as the hydrogen sulfide gas is reduced to 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4, 0.25, And R gas is the resistance value of the metal oxide sensing material when the hydrogen sulfide gas is injected.

도 11 의 그래프를 통해 알 수 있듯이, Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 감지소재의 경우 5 ppm 의 황화수소 가스에 대하여 촉매가 결착되지 않은 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 및 순수 1차원 텅스텐산화물 나노섬유 감지소재에 비해 각각 약 25 배, 52 배 향상된 감지특성을 나타낸다. 또한, 촉매가 결착되어 있는 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 경우 0.15 ppm의 매우 낮은 황화수소 농도에서도 10.4의 매우 높은 감도를 나타냄을 확인할 수 있다.As can be seen from the graph of FIG. 11, in the case of the one-dimensional tungsten oxide nanotube sensing material in which the Pt nanoparticle catalyst is uniformly bound, the one-dimensional tungsten oxide nanotube not having catalyst attached to 5 ppm hydrogen sulfide gas, Dimensional tungsten oxide nanofiber sensing material exhibits an improvement of about 25 times and 52 times, respectively. Also, it can be seen that the 1-dimensional tungsten oxide nanotubes to which the catalyst is bound show very high sensitivity of 10.4 even at a very low hydrogen sulfide concentration of 0.15 ppm.

도 12 는 450 ℃에서 Pt 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브, 촉매가 결착되지 않은 1차원 텅스텐산화물 나노튜브 그리고 순수 1차원 텅스텐산화물 나노섬유 센서를 이용하여 황화수소 가스 외에도 다른 질병의 생체지표 가스로 알려진 아세톤, 톨루엔, 포름알데하이드, 일산화탄소, 암모니아 그리고 메탄 가스에 대하여 농도 5 ppm에서의 반응도 값을 나타낸 그래프이다. 순수 1차원 텅스텐산화물 나노섬유의 경우 황화수소뿐만 아니라 아세톤 및 톨루엔 가스에 대한 10 이상의 높은 감도특성을 나타낼 뿐만 아니라 그 이외의 5종의 가스에 대한 반응도도 비교적 높아 특정 가스에만 선택적으로 반응하는 선택성이 매우 떨어진다. 하지만, 셀룰로오스 템플릿을 활용한 1차원의 텅스텐산화물 나노튜브 및 Pt 나노입자 촉매가 결착된 1차원 텅스텐산화물 나노튜브의 경우 황화수소 가스를 제외한 상기 7종의 가스에 대한 반응도가 매우 낮음을 통해 고선택성을 가지고 있을 뿐 아니라 황화수소에 대한 감도특성만이 기하급수적으로 증대됨을 확인할 수 있다. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the concentration of hydrogen sulfide gas and the concentration of hydrogen sulphide gas in the case of using one-dimensional tungsten oxide nanotubes uniformly bound with Pt nanoparticle catalyst at 450 ° C, one-dimensional tungsten oxide nanotubes not bound to catalyst, Which is known as biomass surface gas of acetone, toluene, formaldehyde, carbon monoxide, ammonia and methane gas at a concentration of 5 ppm. Pure 1-dimensional tungsten oxide nanofibers exhibit high sensitivity to not only hydrogen sulfide but also acetone and toluene gas, but also have a relatively high reactivity to the other five gases. Falls. However, in the case of one-dimensional tungsten oxide nanotubes using a cellulose template and one-dimensional tungsten oxide nanotubes having a Pt nanoparticle catalyst bonded, the reactivity to the seven kinds of gases other than hydrogen sulfide gas is very low, It is confirmed that only the sensitivity characteristic to hydrogen sulfide is increased exponentially.

상기 실험예를 통해 생체지표 가스를 예시로 가스센서 감지소재의 센서특성을 확인할 수 있다. 상기 실험에서 우수한 감지특성을 보인 황화수소 생체지표 가스 외에도 아포페리틴 내부에 내장된 Pt 나노입자 촉매 이외에 Au, Pd, Ru, Co, Ni 등의 다양한 촉매입자를 합성하여 사용하거나, 감지소재 매트릭스 역할을 하는 금속산화물의 종류를 다양하게 하여 다종 촉매 입자들이 기능화 된 다종 금속산화물 나노튜브를 합성한다면 유해환경 가스들인 CO2, NOx, SOx, H2 등의 가스에 대해서도 초고감도 및 고선택성을 갖는 나노센서 어레이를 제조할 수 있다. 상기 아포페리틴 템플릿으로부터 합성된 나노입자 촉매가 결착된 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 감지소재는 뛰어난 유해환경 가스 센서 및 날숨 속 휘발성 유기화합물 그리고 휘발성 황 화합물 가스 분석 및 진단을 위한 가스 센서로써 헬스케어용 산업의 발전에 기여하는 긍정적 영향을 끼칠 수 있을 것이다.The sensor characteristics of the gas sensor sensing material can be confirmed by taking the bio-indicator gas as an example. In addition to the biosurfactant biosurfactant gas, which exhibits excellent detection properties, various catalytic particles such as Au, Pd, Ru, Co, and Ni are synthesized and used in addition to the Pt nanoparticle catalyst embedded in apoferritin, When various kinds of metal oxide nanotubes are synthesized by functionalizing various kinds of metal oxide particles, it is possible to synthesize nanotubes having various functions such as CO 2 , NO x , SO x and H 2 , A sensor array can be manufactured. The one-dimensional metal oxide nanotube sensing material utilizing a composite biotemplate composed of the nanoparticle catalyst synthesized from the apo-peritone template has excellent gas sensor for environment, gas for volatile organic compounds in exhalation and gas for analysis and diagnosis of volatile sulfur compound gas As a sensor, it can have a positive impact contributing to the development of healthcare industry.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 나노입자 촉매를 포함하고 복합적 바이오 템플릿을 활용한1차원 금속산화물 나노튜브 가스센서용 부재
110: 고온 열처리 이후 아포페리틴 템플릿이 열분해 되어 내부에 내장되어 있던 금속 나노입자 촉매가 외부로 노출된 형태
120: 고온 열처리 이후 내부에 응집된 셀룰로오스가 열분해 되어 형성되는 중공구조의 1차원 금속산화물 나노튜브 구조
100: One-dimensional metal oxide nanotube gas sensor incorporating nanoparticle catalyst and utilizing complex biotemplate
110: After thermal treatment of apoferritin is thermally decomposed to form a metal nano-particle catalyst,
120: One-dimensional metal oxide nanotube structure having a hollow structure formed by thermal decomposition of cellulose agglomerated therein after high-temperature heat treatment

Claims (17)

코어(core)-쉘(shell) 구조를 가지는 복합 나노섬유를 통하여 제작된, 촉매가 균일하게 결착된 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재로서,
상기 코어-쉘 구조의 코어에는 열적으로 분해 가능한 셀룰로오스 템플릿이 포함되고, 쉘에는 금속산화물 전구체 및 고분자가 포함되며, 단백질 템플릿에 내장된 금속 나노입자 촉매가 상기 코어-쉘 구조의 전반에 걸쳐 균일하게 분포되고,
상기 코어-쉘 구조를 가지는 복합 나노섬유에 대한 열처리 공정을 통하여, 상기 셀룰로오스 템플릿, 상기 고분자 및 상기 단백질 템플릿이 제거됨에 따라 상기 단백질 템플릿에 내장된 금속 나노입자 촉매가 상기 코어에서 제거되는 셀룰로오스 템플릿의 제거에 따라 형성되는 금속산화물 나노튜브의 내벽 표면, 외벽 표면 및 내벽 표면과 외벽 표면 사이에 균일하게 결착하여 기능화 되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
1. A member for a metal oxide nanotube-based gas sensor, which is produced through composite nanofibers having a core-shell structure and is uniformly bound with a catalyst,
Wherein the core of the core-shell structure comprises a thermally decomposable cellulose template, the shell comprises a metal oxide precursor and a polymer, and the metal nanoparticle catalyst embedded in the protein template is uniformly distributed throughout the core- Distributed,
Wherein the cellulose nanoparticle catalyst is removed from the core by the heat treatment of the composite nanofibers having the core-shell structure, wherein the cellulose nanoparticles incorporated in the protein template are removed from the core as the cellulose template, the polymer, The metal oxide nanotubes formed according to the removal are uniformly bound and functionalized on the inner wall surface, the outer wall surface, and the inner wall surface and the outer wall surface
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조는 전기방사 공정을 통하여 상기 셀룰로오스 템플릿이 금속전구체/고분자 복합 나노섬유의 코어에 응집되는 과정을 통하여 형성되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method according to claim 1,
The core-shell structure is formed through a process of aggregating the cellulose template onto the core of the metal precursor / polymer composite nanofiber through an electrospinning process
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제 1항에 있어서,
상기 셀룰로오스 템플릿은 그 추출원 및 분산방법 그리고 중합도에 따라 크기 범위가 1 nm - 100 nm 의 직경분포 및 10 nm - 10 μm의 길이분포를 갖는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1 차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method according to claim 1,
The cellulose template has a diameter range of 1 nm to 100 nm and a length distribution of 10 nm to 10 μm depending on the extraction source, dispersion method and degree of polymerization
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서,
상기 코어-쉘 구조에서 코어에 응집되어 형성된 셀룰로오스 템플릿은 250 ℃ - 550 ℃의 온도 범위에서 분해되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method according to claim 1,
In the core-shell structure, the cellulose template formed by agglomeration in the core is decomposed at a temperature range of 250 ° C to 550 ° C
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물 나노튜브는 외경의 크기가 50 nm - 10 μm의 길이 범위에 포함되고, 내경의 크기가 40 nm - 5 μm의 길이 범위에 포함되며,
상기 금속산화물 나노튜브의 내벽과 외벽 사이의 두께는 10 nm - 5 μm의 범위에 포함되고, 나노튜브의 길이는 1 μm - 100 μm의 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method according to claim 1,
The metal oxide nanotubes have an outer diameter in a range of 50 nm to 10 μm, an inner diameter in a range of 40 nm to 5 μm,
The thickness between the inner wall and the outer wall of the metal oxide nanotube is in the range of 10 nm to 5 μm and the length of the nanotube is in the range of 1 μm to 100 μm
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서.
상기 금속산화물 나노튜브는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Cr2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 . 3La0 . 57TiO3, LiV3O8, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 중 하나 이상으로 이루어지는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method of claim 1,
The metal oxide nanotube may be at least one selected from the group consisting of ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4, Ca 2 Mn 3 O 8, V 2 O 5, Cr 2 O 3, Nd 2 O 3, Sm 2 O 3, Eu 2 O 3, Gd 2 O 3, Tb 4 O 7, Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0 . 3 La 0 . 57 TiO 3 , LiV 3 O 8 , InTaO 4 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7 One or more of
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서.
상기 금속 촉매입자는 내부에 기공이 7 nm - 8 nm 크기인 중공구조를 갖는 아포페리틴(apoferritin) 단백질 템플릿으로부터 제작된 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method of claim 1,
The metal catalyst particles were prepared from an apoferritin protein template having a hollow structure with a pore size of 7 nm - 8 nm inside
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서.
상기 금속 촉매입자는 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Ge, Ti, Mn, Ga 및 Sc 중 하나 이상으로 이루어지는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method of claim 1,
The metal catalyst particles may be at least one selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, , One or more of Mn, Ga and Sc
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
제1항에 있어서.
상기 금속 촉매입자의 크기는 1 nm - 5 nm 범위에서 형성되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브 기반 가스센서용 부재.
The method of claim 1,
The size of the metal catalyst particles is in the range of 1 nm to 5 nm
Member for a gas sensor based on a one-dimensional metal oxide nanotube utilizing a complex biotemplate.
복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법에 있어서,
(a) 아포페리틴 템플릿 내부에 나노입자 촉매를 합성하여 균일하게 분산된 제1 분산용액을 제조하는 단계;
(b) 셀룰로오스 템플릿이 균일하게 분산된 제2 분산용액을 합성하는 단계;
(c) 상기 제1 분산용액 및 상기 제2 분산용액을 금속산화물 전구체와 고분자가 녹아있는 용매와 혼합하여, 전기방사 용액을 제조하는 단계;
(d) 상기 전기방사 용액을 단일노즐 전기방사법을 이용하여 금속산화물/고분자 복합 나노섬유의 내부에 셀룰로오스 템플릿이 응집된 형태로 코어-쉘 구조를 형성하며, 상기 아포페리틴 템플릿에 내장된 나노입자 촉매가 복수 개로 상기 코어-쉘 구조 전반에 걸쳐 균일하게 분포된 복합 나노섬유를 형성하는 단계;
(e) 열처리 과정을 통해 복합 나노섬유를 구성하는 금속 전구체는 산화하여 금속산화물을 형성하며, 상기 내부에 응집된 셀룰로오스 템플릿, 상기 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 템플릿 및 고분자를 포함하는 유기물들이 열분해 과정을 통해 제거되어 나노튜브를 형성하며, 상기 나노입자 촉매가 나노튜브를 형성하는 내벽 및 외벽, 그리고 내벽 및 외벽 사이에 균일하게 결착되는 1차원 금속산화물 나노튜브를 형성하는 단계를 포함하는 것,
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
A method for manufacturing a one-dimensional metal oxide nanotube using a composite biotemplate,
(a) preparing a uniformly dispersed first dispersion solution by synthesizing a nanoparticle catalyst in an apo-peritone template;
(b) synthesizing a second dispersion solution in which the cellulose template is uniformly dispersed;
(c) mixing the first dispersion solution and the second dispersion solution with a metal oxide precursor and a solvent in which the polymer is dissolved to prepare an electrospinning solution;
(d) forming a core-shell structure of the electrospinning solution in the form of a cellulosic template agglomerated within the metal oxide / polymer composite nanofibers by using a single nozzle electrospinning method, wherein the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin template To form composite nanofibers uniformly distributed throughout the core-shell structure;
(e) The metal precursor composing the composite nanofiber is oxidized to form a metal oxide by heat treatment, and the aggregated cellulosic template, the apoperi- tin template with the nanoparticle catalyst, and the organic material including the polymer are decomposed by thermal decomposition Forming a one-dimensional metal oxide nanotube that is uniformly bound to the inner and outer walls, and between the inner and outer walls of the nanotube catalyst to form the nanotube,
Wherein the method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 아포페리틴 단백질은 내부기공에 금속염을 주입하고 환원제를 통한 환원 처리를 거침으로써 중공구조 내부에서 금속 입자촉매를 합성하는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
In the step (a)
The apoperiol protein is synthesized by injecting a metal salt into the internal pores and reducing through a reducing agent to synthesize a metal particle catalyst in the hollow structure
Wherein the method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 셀룰로오스 템플릿의 용매에의 균일한 분산을 위하여, 기계적(mechanical) 분산법, 화학-기계적(chemical-mechanical) 혼합 분산법 및 화학적(chemical) 분산법 중 적어도 하나의 분산법을 이용하여 용매를 균일하게 분산시키고,
상기 기계적 분산법은 소니케이션(sonication), 그라인딩(grinding) 및 호모지나이제이션(homogenization) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 화학-기계적 혼합 분산법은 산화(oxidation) 및 기계적 교반(mechanical agitation) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 화학적 분산법은 산 가수분해(acid hydrolysis) 및 효소 가수분해(enzymatic hydrolysis) 중 적어도 하나를 포함하는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
In the step (b)
In order to uniformly disperse the cellulose template in a solvent, the solvent is homogeneously dispersed using at least one of a mechanical dispersion method, a chemical-mechanical mixed dispersion method, and a chemical dispersion method, Then,
The mechanical dispersion method may include at least one of sonication, grinding, and homogenization,
The chemical-mechanical mixing and dispersion method includes at least one of oxidation and mechanical agitation,
The chemical dispersion method includes at least one of acid hydrolysis and enzymatic hydrolysis
Wherein the method comprises the steps of:
제 10 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 셀룰로오스 템플릿과 고분자 매트릭스 대비 중량 비율은 1 : 0.01 내지 1 : 1 의 범위를 가지는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
In the step (b)
The weight ratio of the cellulose template to the polymer matrix is in the range of 1: 0.01 to 1: 1
Wherein the method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 셀룰로오스 템플릿이 전기방사 과정 중 상기 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 내부에 응집되어 코어-쉘 구조를 형성하며,
상기 금속 나노입자 촉매를 내장하는 아포페리틴 템플릿이 서로 간의 응집 없이 상기 코어-쉘 구조의 금속산화물 복합 나노섬유의 전반에 걸쳐 균일하게 분산되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
In the step (d)
The cellulose template is agglomerated inside the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber during electrospinning to form a core-shell structure,
The apo-peritone template incorporating the metal nanoparticle catalyst is uniformly dispersed throughout the entirety of the metal-oxide composite nanofiber of the core-shell structure without agglomeration among each other
Wherein the method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 열처리 과정은 500 ℃ - 800 ℃의 온도 범위 내에서 1 시간 - 3 시간 가량 유지되며,
상기 전기방사를 통해 형성되는 복합 나노섬유의 코어에 위치한 셀룰로오스 템플릿은 250 ℃ - 550 ℃ 의 온도 범위에서 열분해 되어 제거되어 내부에 중공형태의 나노튜브 구조를 형성하는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1 차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
In the step (e)
The heat treatment process is maintained for 1 to 3 hours within a temperature range of 500 ° C to 800 ° C,
The cellulose template located at the core of the composite nanofiber formed through the electrospinning is pyrolyzed and removed at a temperature of 250 ° C to 550 ° C to form a hollow nanotube structure therein
Wherein the method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
금속 나노입자 촉매는 열처리 후에 금속 산화물 나노튜브의 내벽 및 외벽, 그리고 내벽과 외벽 사이에 균일하게 결착되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
In the step (e)
The metal nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner wall and the outer wall of the metal oxide nanotube, and between the inner wall and the outer wall after the heat treatment
Wherein the method comprises the steps of:
제10항에 있어서,
상기 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브는 환경 유해가스(NOx, SOx ,) 및 생체지표(biomarker) 가스(CH3COCH3, H2S, C7H8) 중 적어도 하나의 가스 검출이 가능한 가스센서 소재로 이용되는 것
을 특징으로 하는 복합적 바이오 템플릿을 활용한 1차원 금속산화물 나노튜브를 제조하는 방법.
11. The method of claim 10,
At least one of the complex bio templates one-dimensional metal oxide nanotubes utilizing the environmentally harmful gases (NO x, SO x,) and biomarkers (biomarker) gas (CH 3 COCH 3, H 2 S, C 7 H 8) one Used as a gas sensor material capable of gas detection
Wherein the method comprises the steps of:
KR1020170103485A 2017-08-16 2017-08-16 Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof KR101980442B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170103485A KR101980442B1 (en) 2017-08-16 2017-08-16 Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170103485A KR101980442B1 (en) 2017-08-16 2017-08-16 Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190018851A true KR20190018851A (en) 2019-02-26
KR101980442B1 KR101980442B1 (en) 2019-08-28

Family

ID=65562649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170103485A KR101980442B1 (en) 2017-08-16 2017-08-16 Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101980442B1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110950378A (en) * 2019-12-09 2020-04-03 云南大学 Preparation of TiO from biological template for fixing arsenic in plant2Method of producing a composite material
KR20210014514A (en) * 2019-07-30 2021-02-09 한국과학기술원 Method and apparatus for producing sensor based on palladium
WO2021072631A1 (en) * 2019-10-15 2021-04-22 诸暨易联众创企业管理服务有限公司 Nickel nano material having porous tubular hollow structure, and manufacturing method therefor
KR20210121746A (en) * 2020-03-31 2021-10-08 한국전력공사 One dimensional porous dissimilar nanobelt, gas sensor using the same and gas sensor fabricating method
CN114618495A (en) * 2022-03-09 2022-06-14 中南大学 Hierarchical porous carbon-supported nitrogen-sulfur co-coordinated cobalt monoatomic catalyst and preparation method and application thereof
CN114839232A (en) * 2022-05-11 2022-08-02 兰州大学 Gas-sensitive material, gas-sensitive sensor, and preparation method and application thereof
CN114883567A (en) * 2022-06-30 2022-08-09 河南科隆新能源股份有限公司 Lithium ion battery cathode material with hollow tubular structure and preparation method and application thereof
CN116764630A (en) * 2023-07-06 2023-09-19 浙江工业大学 Preparation method and application of terbium oxide supported Pd catalyst

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220013827A (en) 2020-07-27 2022-02-04 삼성전자주식회사 Gas sensor using metal oxide semiconducting nanofiber sensitized by alkali metal and noble metal catalysts, and manufacturing method thereof
KR102503390B1 (en) * 2021-06-10 2023-02-23 연세대학교 산학협력단 Nitrogen dioxide gas sensor containing SnO2 nanocomposite that simultaneously embeds Pd and generates surface defects

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110113002A (en) * 2010-04-08 2011-10-14 한양대학교 산학협력단 Preparation method of metal oxide nanotube and metal oxide nanotube manufactured using the method
KR20150018920A (en) * 2013-08-09 2015-02-25 한국과학기술원 Gas sensor and member using porous metal oxide semiconductor nano structure including nano-catalyst from ferritin, and manufacturing method thereof
KR20160076965A (en) * 2014-12-23 2016-07-01 한국과학기술원 Gas sensor and member using metal oxide semiconductor nanotubes composed of thin-wall including mesopores and macropores, and manufacturing method thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110113002A (en) * 2010-04-08 2011-10-14 한양대학교 산학협력단 Preparation method of metal oxide nanotube and metal oxide nanotube manufactured using the method
KR20150018920A (en) * 2013-08-09 2015-02-25 한국과학기술원 Gas sensor and member using porous metal oxide semiconductor nano structure including nano-catalyst from ferritin, and manufacturing method thereof
KR20160076965A (en) * 2014-12-23 2016-07-01 한국과학기술원 Gas sensor and member using metal oxide semiconductor nanotubes composed of thin-wall including mesopores and macropores, and manufacturing method thereof
KR20160078203A (en) * 2014-12-23 2016-07-04 한국과학기술원 Gas sensor and member using metal oxide semiconductor nanotubes including nanoparticle catalyst functionalized by nano-catalyst included within apoferritin, and manufacturing method thereof

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210014514A (en) * 2019-07-30 2021-02-09 한국과학기술원 Method and apparatus for producing sensor based on palladium
WO2021072631A1 (en) * 2019-10-15 2021-04-22 诸暨易联众创企业管理服务有限公司 Nickel nano material having porous tubular hollow structure, and manufacturing method therefor
CN110950378A (en) * 2019-12-09 2020-04-03 云南大学 Preparation of TiO from biological template for fixing arsenic in plant2Method of producing a composite material
KR20210121746A (en) * 2020-03-31 2021-10-08 한국전력공사 One dimensional porous dissimilar nanobelt, gas sensor using the same and gas sensor fabricating method
CN114618495A (en) * 2022-03-09 2022-06-14 中南大学 Hierarchical porous carbon-supported nitrogen-sulfur co-coordinated cobalt monoatomic catalyst and preparation method and application thereof
CN114618495B (en) * 2022-03-09 2023-10-20 中南大学 Multistage pore carbon-loaded nitrogen-sulfur co-coordinated cobalt monoatomic catalyst and preparation method and application thereof
CN114839232A (en) * 2022-05-11 2022-08-02 兰州大学 Gas-sensitive material, gas-sensitive sensor, and preparation method and application thereof
CN114883567A (en) * 2022-06-30 2022-08-09 河南科隆新能源股份有限公司 Lithium ion battery cathode material with hollow tubular structure and preparation method and application thereof
CN114883567B (en) * 2022-06-30 2022-09-30 河南科隆新能源股份有限公司 Lithium ion battery cathode material with hollow tubular structure and preparation method and application thereof
CN116764630A (en) * 2023-07-06 2023-09-19 浙江工业大学 Preparation method and application of terbium oxide supported Pd catalyst

Also Published As

Publication number Publication date
KR101980442B1 (en) 2019-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101980442B1 (en) Gas sensor and membrane using metal oxide semiconductor combination of cellulose and apoferritin bio-templates derived nanotube functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing mehtod thereof
KR101753953B1 (en) Gas sensor and member using metal oxide semiconductor nanotubes including nanoparticle catalyst functionalized by nano-catalyst included within apoferritin, and manufacturing method thereof
US20190154645A1 (en) Gas sensor and member using metal oxide semiconductor nanofibers including nanoparticle catalyst functionalized by bifunctional nano-catalyst included within apoferritin, and manufacturing method thereof
KR101787190B1 (en) Gas sensor and member using porous metal oxide semiconductor composite nanofibers including nanoparticle catalyst functionalized by nano-catalyst included within metal-organic framework, and manufacturing method thereof
KR101973901B1 (en) Gas sensor and member using metal oxide nanofibers including nanocatalysts by using chitosan-metal complexes, and manufacturing method thereof
KR20180065493A (en) Gas sensor and member using metal oxide nanotubes including nanoscale heterogeneous catalysts by using metal-organic framework, and manufacturing method thereof
KR101837287B1 (en) Gas sensor and member using ultrasmall catalyst loaded porous hollow metal oxide semiconductor composite nanospheres, and manufacturing method thereof
KR101552323B1 (en) Gas sensor and member using porous metal oxide semiconductor nano structure including nano-catalyst from ferritin, and manufacturing method thereof
KR101893267B1 (en) Gas sensor using interconnected multi-dimensional porosity loaded METAL OXIDE nanofiberS functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing method thereof
KR101719422B1 (en) Porous Metal Oxide Composite Nanofibers including Nanoparticle Catalysts Functionalized by using Nanoparticle Dispersed Emulsion Solution, Gas Sensors using the same and Manufacturing Method thereof
KR101893326B1 (en) Gas sensor using interconnected multi-dimensional porosity loaded METAL OXIDE nanofiberS functionalized by nanoparticle catalyst, and manufacturing method thereof
KR101932349B1 (en) Gas sensor member using nanoscale catalysts loaded hollow metal oxide nanocages using metal-organic framework templates, and manufacturing method thereof
WO2016105012A1 (en) Member for gas sensor, having a metal oxide semiconductor tube wall with micropores and macropores, gas sensor, and method for manufacturing same
KR101714961B1 (en) Gas Sensor Fabrication method of catalyst-loaded porous metal oxide nanofiber metal oxide nanofiber networks prepared by transferring of catalyst-coated polymeric sacrificial colloid template, and gas sensors using the same
KR101684738B1 (en) Gas Sensor Fabrication method of catalyst-loaded porous metal oxide nanofiber metal oxide nanofiber networks prepared by transferring of catalyst-coated polymeric sacrificial colloid template, and gas sensors using the same
KR102162021B1 (en) Gas sensor using POROUS ONE DIMENSIONAL NANOFIBER CONSISTs OF TWO DIMENSIONAL metal oxide NANOSHEET and manufacturing method thereof
KR101746301B1 (en) Composite oxide semiconductors with hierarchical hollow structures and manufacturing method thereof
KR102092452B1 (en) Gas sensor and mebber using metal oxide nanofibers including nanoscale catalysts and multichannel, and manufacturing method thereof
US11673122B2 (en) Gas sensor using metal oxide semiconducting nanofiber sensitized by alkali or alkaline earth metal and noble metal catalysts, and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant