KR20190055365A - 그래핀 및 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

그래핀 및 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

가스 센서가 제공된다. 상기 가스 센서는, 기판, 상기 기판 사에 배치되고, 금속 나노와이어를 포함하는 열전층, 상기 열전층 상에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 전극 상에 배치되고, 탄소구조체에 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 갖는 촉매층을 포함할 수 있다.

Description

그래핀 및 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법 {Gas sensor comprising composite structure having chemical bond of graphene and metal particle and fabricating method of the same}
본 발명은 가스 센서 및 그 제조방법에 관련된 것으로서, 열전특성을 이용한 가스 센서 및 그 제조방법에 관련된 것이다.
일반적으로 가스센서는 기체분자가 고체 표면에 닿으면 흡착 반응하는 성질을 이용하여 가스분자를 식별한다. 즉, 가스센서는 가스분자의 흡착정도에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정하는 원리에 의해 작동된다. 이러한 가스센서는 주로 가연성 또는 독성가스를 조기에 감지하여 신속한 대응을 하기 위한 것으로서 여러 가지 검출 방법을 이용한 수많은 가스센서가 개발되고 있으며, 검출 원리에 따라 전기화학 식, 접촉 연소식, 고체전해질식, 반도체식 가스센서 등으로 분류할 수 있다.
특히, 수소 가스의 경우 향후 화석연료를 대체 할 수 있는 친환경 에너지 자원으로써 많은 각광을 받고 있지만 고농도의 수소 가스가 혼합되어 있는 환경에서의 작은 스파크(Spark) 또는 열 및 태양광에 의해 폭발할 수 있기 때문에 더욱 정밀하고 완벽한 관리 및 처리가 요구된다. 수소 가스는 일반적인 상황에서 4~75%의 넓은 폭발농도 범위를 가지고 있기 때문에 수소 센서의 경우 폭발범위에 들어가지 않는 범위, 즉 4%이하의 수소 가스 범위에서 정확하고 빠른 측정이 가능해야 수소의 누출을 미리 예방할 수 있고, 대기 중에 존재하는 질소 산소 및 수증기(습도 포함)에 대한 영향이나 온도에 대한 영향이 없거나 최대한 매우 적어야 더 넓은 범위에 적용이 가능하다. 또한 향후 IoT (Internet of Things) 분야에서의 적용을 위해서 매우 낮은 소모전력 및 소형화와 더불어 가격 경쟁력을 갖춰야만 실질적인 실용화가 가능하다고 볼 수 있다. 현재까지 다양한 원리를 이용한 수소센서들이 개발되어 왔다.
일반적으로 접촉연소식, 열선식, 열전식, 반도체형, 전기화학식, 금속흡수식 방법을 이용한 수소센서 등이 연구되고 있다. 각 작동 방식마다의 장단점이 존재하고 있지만, 낮은 소모 전력이 가능하고 소형화 및 측정방식이 간단한 반도체형이나 열전식 방식이 차세대 수소 센서로써 각광받고 있다. 하지만 반도체형의 경우 물리적으로 안정한 수소가스와 반도체 물질의 표면에서의 반응성이 매우 낮기 때문에 낮은 감도를 나타내는 문제점이 있으며, 열전방식의 경우 아직까지 많은 연구가 이루어지지 않았고 상용화된 제품이 없다는 단점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 수소가스 센서와 관련된 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 공개 번호 10-2011-0123022(출원번호: 10-2010-0042437, 출원인: 서울시립대학교 산학협력단)에는, 실리콘 기판, 상기 기판의 표면에 증착되는 절연층, 상기 절연층상에 형성된 히터 및 전극, 상기 히터 및 히터가 형성되지 않은 보호층 상에 형성되며, 히터와 전극간 절연을 위한 보호층, 및 상기 보호층 상부에서 전극과 전극을 연결하는 촉매층으로 이루어지는 것을 특징으로하는 수소센서 및 그 제조방법이 제공된다.
이 밖에도, 미세 패턴을 형성하기 위한 다양한 기술들이 지속적으로 연구 개발되고 있다.
대한민국 특허 공개 번호 10-2011-0123022
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 열전 효율이 향상된 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 열전도율이 향상된 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 저비용으로 제조가능한 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 촉매층의 안정성이 향상된 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고신뢰성의 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고민감도의 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 가스 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 센서는, 기판, 상기 기판 배치되고, 금속 나노와이어를 포함하는 열전층, 상기 열전층 상에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 전극 상에 배치되고, 탄소구조체에 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 갖는 촉매층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매층은, 타겟가스와 반응하되, 상기 촉매층과 상기 타겟가스가 반응하여, 상기 촉매층에서 열이 발생되고, 발생된 상기 열로 인해, 상기 제1 전극이 배치되는 상기 열전층의 제1 영역과 상기 제2 전극이 배치되는 상기 열전층의 제2 영역은 온도차이가 발생되고, 상기 제1 및 제2 영역의 온도차이에 의해, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 사이에 전위 차이가 생성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층이 포함하는 상기 금속 나노와이어의 농도는 60 wt% 초과 85 wt% 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 나노와이어는, 텔루륨(tellurium) 나노와이어, BixTey 나노와이어, BixSey 나노와이어, SbxTey 나노와이어, PbTe1 - xSex 나노와이어 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. (x > 0, y > 0)
일 실시 예에 다르면, 상기 촉매층에서 상기 탄소구조체 및 상기 금속 입자의 wt%는 1:1 인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소구조체는 그래핀이고, 상기 금속 입자는 백금 입자인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소구조체 및 상기 금속 입자는 공유결합을 이루는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 센서는, 상기 기판의 상부면을 기준으로, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 동일한 레벨(level)에 위치하는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 가스 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 센서의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에 금속 나노와이어를 포함하는 열전층을 형성하는 단계, 상기 열전층 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제1 전극 상에 탄소구조체에 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 갖는 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층을 형성하는 단계는, 상기 금속 나노와이어를 준비하는 단계, 상기 금속 나노와이어를, 고분자를 포함하는 바인더 및 용매와 혼합하여 금속 페이스트를 제조하는 단계, 상기 기판 상에 상기 금속 페이스트를 제공하여 상기 열전층을 형성하는 단계, 및 상기 열전층을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 센서의 제조 방법은, 상기 열처리에 의해, 상기 열전층 내의 상기 금속 나노와이어의 적어도 일부가 융해 또는 기화되어, 상기 금속 나노와이어가 네트워킹(networking)되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층은, 300℃의 온도에서 50분 초과 70분 미만의 시간 동안 열처리되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는 PVP를 포함하고, 상기 용매는 DEG 및 DEGBE 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매층을 형성하는 단계는, 상기 탄소구조체를 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계, 상기 혼합 용액 내의 상기 탄소구조체를 산화시키는 단계, 산화된 상기 탄소구조체에 금속 전구체를 제공하는 단계, 상기 금속 전구체가 제공된 상기 탄소구조체를 환원하여, 상기 탄소구조체에 상기 금속 입자가 결합된 상기 복합 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 제1 전극 상에 상기 복합 구조체를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서는, 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 금속 나노와이어를 포함하는 열전층, 상기 열전층 상에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 전극 상에 배치되고, 탄소구조체에 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 갖는 상기 촉매층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매층이 상기 제1 전극과의 접착력 및 열전도율이 향상되어, 고온에서도 상기 타겟가스를 용이하게 센싱할 수 있다.
또한, 상기 촉매층에서 상기 탄소구조체 및 상기 금속 입자의 wt%가 1:1이 되도록 상기 복합 구조체의 제조 공정이 제어될 수 있다. 이에 따라, 응답속도가 빠르고, 고효율 및 고민감도를 갖는 가스 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 공정 중 열전층의 제조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 방법 중 열전층을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 공정 중 전극 및 촉매층의 제조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 방법 중 촉매층을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 촉매층이 포함하는 복합 구조체를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구조를 촬영한 사진이다.
도 10 은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 금속 페이스트의 열분석 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 PVP의 열분석 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 열전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 복합 구조체를 촬영한 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 열처리에 따른 특성 변화를 비교하는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서에 제공되는 수소 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 신뢰성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 공정 중 열전층의 제조를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)이 준비된다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 실리콘 산화물 기판일 수 있다. 또는, 이와는 달리, 상기 기판(100)은, 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판(예를 들어, PI 기판), 또는 금속 기판일 수 있다.
상기 기판(100) 상에 열전층(200)이 형성될 수 있다(S200). 상기 열전층(200)은 후술되는 촉매층(400)이 타겟가스와 반응하여 발생된 열을 전달받아, 전기 신호를 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층(200)은 금속 나노와이어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 나노와이어는, 텔루륨(tellurium) 나노와이어 일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 금속 나노와이어는, BixTey 나노와이어, BixSey 나노와이어, SbxTey 나노와이어, PbTe1 - xSex 나노와이어 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. (x > 0, y > 0)
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층(200)이 포함하는 상기 금속 나노와이어의 농도는 60 wt% 초과 85 wt% 미만일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 나노와이어가 텔루륨 나노와이어인 경우, 상기 열전층(200)은 75 wt%의 농도를 갖는 텔루륨 나노와이어를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 열전층(200)이 60 wt% 이하의 농도를 갖는 텔루륨 나노와이어를 포함하는 경우, 상기 열전층(200)은 균열이 발생할 수 있다. 또한, 상기 열전층(200)이 85% 이상의 농도를 갖는 텔루륨 나노와이어를 포함하는 경우, 상기 열전층(200)이 상기 기판(100)으로부터 분리되는 현상이 발생할 수 있다.
이하, 상기 열전층(200)의 제조 방법이 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 방법 중 열전층을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 열전층(200)을 형성하는 단계(S200)는, 상기 금속 나노와이어를 준비하는 단계(S210), 금속 페이스트를 제조하는 단계(S220), 상기 기판(100) 상에 상기 금속 페이스트를 제공하여 상기 열전층(200)을 형성하는 단계(S230), 및 상기 열전층(200)을 열처리하는 단계(S240)를 포함할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 상기 금속 나노와이어가 텔루륨 나노와이어인 경우를 상정하여 설명된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 나노와이어를 준비하는 단계(S210)는, 금속 산화물을 용매와 혼합하는 단계, 및 상기 용매와 혼합된 상기 금속 산화물을 환원시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물은 텔루륨 옥사이드일 수 있다. 상기 용매는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매와 혼합된 상기 금속 산화물을 환원시키기 위한 환원제는 하이드록실 아민(hydroxyl amine)일 수 있다.
구체적으로, 텔루륨 나노와이어가 준비되기 위해, 5g의 용량을 갖는 텔루륨 옥사이드를 250ml의 용량을 갖는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 혼합하고, 160℃의 온도에서 2시간 동안 교반할 수 있다. 이후, 50 wt%의 농도 및 5 ml의 용량을 갖는 하이드록실 아민(hydroxyl amine)을 첨가하고 1시간 동안 교반하여, 텔루륨 나노와이어가 제조될 수 있다.
상기 금속 페이스트는, 상기 금속 나노와이어를, 바인더 및 용매와 혼합하여 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 바인더는 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는, PVP(polyvinylpyrrolidone)일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 고분자는, PAN(polyacrylonitrile), PVAc(poly(vinyl acetate)), PVB(polyvinyl butyral), PVA(poly(vinyl alcohol)), 및 PEO(polyethylene oxide) 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 DEG(diethylene glycol), DEGBE(diethylene glycol butyl ether) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 용매는 methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, 2-butanol, pentanol, 2-ethylhexy alcohol, cyclohexanol, phenol, ethylene glycol, 1, 3-butanediol, 1, 4-butanediol, glycerol 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 이다. 예를 들어, 상기 용매가 DEG 및 DEGBE를 포함하고, 상기 바인더가 PVP를 포함하는 경우, DEG: DEGBE: PVP = 1: 0.8: 0.2 wt%의 비율을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층(200)은, 상기 기판(100) 상에 상기 금속 페이스트를, 테이프 캐스팅(tape casting)법으로 제공하여 형성될 수 있다. 상기 열전층(200)은, 상기 금속 페이스트를 이용하여 테이프 캐스팅 방법으로 형성됨에 따라, 대량 생산 및 막의 형상 제어가 용이하다는 장점이 있다.
상기 열전층(200)을 열처리하는 단계(S240)는, 상기 열전층(200) 내의 상기 금속 나노와이어를 네트워킹(networking)시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 열전층(200)이 열처리되는 경우, 상기 열전층(200) 내의 상기 금속 나노와이어의 적어도 일부는, 융해 또는 기화될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 나노와이어 사이의 컨택(contact)이 향상되어, 상기 금속 나노와이어가 네트워킹 될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 열전층(200)은 300℃의 온도에서 50분 초과 70분 미만의 시간 동안 열처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전층(200)은, 300℃의 온도에서 60분의 시간 동안 열처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 열전층(200)의 제백 계수(seebeck coefficient) 값이 최대 값을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 열전층(200)이 300℃의 온도에서 50분 이하의 시간으로 열처리되는 경우, 상기 열전층(200) 내의 상기 금속 나노와이어가 충분히 융해 또는 기화되지 않아, 상기 열전층(200)의 열전 특성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열전층(200)이 300℃의 온도에서 70분 이상의 시간 동안 열처리되는 경우, 상기 열전층(200) 내의 상기 금속 나노와이어가 과도하게 융해 또는 기화되어, 상기 열전층(200)의 열전 특성이 저하될 수 있다.
계속해서, 상기 열전층(200) 상에 배치되는 제1 전극(310), 제2 전극(320), 및 촉매층에 대해 도 1, 도 4, 및 도 5를 참조하여 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 공정 중 전극 및 촉매층의 제조를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 열전층(200) 상에 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)이 형성될 수 있다(S300). 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은, 상기 기판(100)의 상부면을 기준으로, 동일한 레벨(level)에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320)은, 상기 열전층(200) 상에 서로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다.
상기 제1 전극(310) 상에 촉매층(400)이 배치될 수 있다. 상기 촉매층(400)은, 상기 제1 전극(310) 상에 제공되고, 상기 제2 전극(320) 상에는 제공되지 않을 수 있다.
상기 촉매층(400)은 타겟가스와 반응할 수 있다. 상기 촉매층(400)은 타겟가스와 반응하여 열이 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 열전층(200)의 제1 영역(200a)과 상기 제2 영역(200b)은 온도차이가 발생될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 영역(200a)은 상기 열전층(200) 상에 상기 제1 전극(310)이 배치되는 영역일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 영역(200b)은 상기 열전층(200) 상에 상기 제2 전극(320)이 배치되는 영역일 수 있다. 상기 제1 영역(200a) 및 상기 제2 영역(200b)의 온도차이에 의해, 상기 제1 영역(200a) 및 상기 제2 영역(200b) 사이에 전위 차이가 생성될 수 있다.
다시 말해, 상기 촉매층(400)이 상기 타겟가스와 반응하는 경우, 상기 촉매층(400)은, 열이 발생될 수 있다. 이때, 상기 촉매층(400)은 상기 제1 전극(310) 상에 배치됨에 따라, 상기 촉매층(400)에서 발생된 열은, 상기 제1 전극(310)을 통해, 상기 제1 영역(200a) 전달될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 전극(320)은, 상기 촉매층(400)이 배치되지 않음에 따라, 상기 제2 영역(200b)은 상기 제1 영역(200a)과 비교하여 낮은 온도를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 영역(200a) 및 상기 제2 영역(200b)은 온도차이가 발생되고, 온도차이에 의해 상기 제1 영역(200a) 및 상기 제2 영역(200b) 사이에는 전위 차이가 생성될 수 있다.
이하, 상기 촉매층(400)의 제조 방법이 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명되고, 상기 촉매층(400)이 포함하는 복합 구조체가 도 6을 참조하여 설명된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 제조 방법 중 촉매층을 형성하는 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 상기 촉매층(400)을 형성하는 단계(S400)는, 상기 탄소구조체(400c)를 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계(S410), 상기 혼합 용액 내의 상기 탄소구조체(400c)를 산화시키는 단계(S420), 산화된 상기 탄소구조체(400c)에 금속 전구체(400m)를 제공하는 단계(S430), 상기 금속 전구체(400m)가 제공된 상기 탄소구조체(400c)를 환원하여 상기 복합 구조체를 제조하는 단계(S440), 및 상기 제1 전극 상(310)에 상기 복합 구조체를 제공하는 단계(S450)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체(400m)는 Chloroplatinic acid hexahydrate(H2PtCl66H2O)일 수 있다.
구체적으로 예를 들어 설명하면, 그래핀, 물, 및 이온성 액체를 포함하는 혼합 용액이 준비될 수 있다. 상기 혼합 용액은 고압 분산기에 통과되어, 상기 혼합 용액 내의 그래핀이 산화될 수 있다. 계속해서, 산화된 그래핀을 포함하는 상기 혼합 용액에 Chloroplatinic acid hexahydrate 용액을 첨가하고, 환류(reflux) 시킨 후, 환원제(예를 들어, NaBH4)를 첨가하여, Chloroplatinic acid hexahydrate가 제공된 상기 산화된 그래핀을 환원시킬 수 있다. 이에 따라, 그래핀에 백금 입자가 결합된 상기 복합 구조체가 제조될 수 있다. 이후, 상기 복합 구조체가 상기 제1 전극(310) 상에 도포되어, 상기 촉매층(400)이 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매층(400)을 형성하는 단계(S400)는, 상기 제1 전극(310) 상에 상기 복합 구조체가 제공된 이후, 열처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매층(400)은 안정화될 수 있다. 상술된 실시 예와 달리, 상기 촉매층(400)이 상기 금속 입자만(400m)을 포함하는 경우, 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 고온에서 상기 금속 입자(400m)들이 응집됨에 따라, 상기 촉매층(400)의 안정화를 위한 열처리 공정이 수행되기 힘들지만, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 촉매층(400)은, 상기 탄소구조체(400c)에 상기 금속 입자(400m)가 결합된 것을 포함하므로, 상기 촉매층(400)의 안정화를 위한 열처리 공정이 용이하게 수행될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매층(400)에서, 상기 탄소구조체(400c) 및 상기 금속 입자(400m)의 wt%는 1:1일 수 있다. 이를 위해, 상기 금속 전구체 및 상기 환원제의 양이 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 전구체의 양은, 50ml의 1mg/ml 그래핀 용액을 기준으로, 백금의 필요 질량비를 계산한 후, 밀도(195/084 g/mol)로 나누어 필요 몰수를 구한 후 H2PtCl6의 분자량 값(517.90 g/mol)을 곱한 값으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 환원제의 양은, 상기 전구체의 양에 6배 당량으로 제어될 수 있다. 이와 달리, 상기 촉매층(400)에서, 상기 탄소구조체(400c)보다 상기 금속 입자(400m)의 wt%가 더 높은 경우, 고비용인 상기 금속 입자(400m)로 인해, 경제적인 문제가 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 촉매층이 포함하는 복합 구조체를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 촉매층(400)은, 탄소구조체(400c)에 금속 입자(400m)가 결합된 복합 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소구조체는 그래핀일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 입자는, 백금(Pt) 입자일 수 있다.
상기 금속 입자(400m)는 상기 타겟가스와 반응하여 열을 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 타겟가스는 수소가스일 수 있다. 상기 탄소구조체(400c)는 상기 복합 구조체 및 상기 제1 전극(310) 사이에 강한 결합력을 제공할 수 있다. 즉, 상기 탄소구조체(400c)에 의하여, 상기 금속 입자(400m)는, 상기 제1 전극(310) 상에 용이하게 제공될 수 있다. 또한, 상기 탄소구조체(400c)는 상기 금속 입자(400m)로부터 발생된 열이 상기 제1 전극(310)으로 용이하게 제공되도록, 열전도율을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매층(400)에서, 상기 탄소구조체 및 상기 금속 입자의 wt%는 1:1일 수 있다. 이와 달리, 상기 촉매층(400)에서, 상기 탄소구조체보다 상기 금속 입자의 wt%가 더 높은 경우, 고비용인 상기 금속 입자로 인해, 경제적인 문제가 발생할 수 있다.
상기 탄소구조체(400c) 및 상기 금속 입자(400m)는 공유결합을 이룰 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 입자(400m)는 상기 탄소구조체(400c)의 표면에 강하게 결합될 수 있다.
만약, 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 금속 입자(400m)가 상기 탄소구조체(400c)에 공유결합되지 않는 경우, 상기 금속 입자(400m)가 상기 타겟 가스와 반응하여 생성된 열에 의해, 상기 금속 입자(400m)가 서로 응집되고, 이에 따라, 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속 입자(400m)는 상기 탄소구조체(400c)에 공유결합될 수 있고, 이에 따라, 고온 환경에서 서로 응집되는 것이 최소화될 수 있다. 이에 따라, 고온 환경에서도 고신뢰성을 갖는, 가스 센서가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서는, 상기 기판(100), 상기 기판(100) 상에 배치되고, 상기 금속 나노와이어를 포함하는 상기 열전층(200), 상기 열전층(200) 상에 서로 이격되어 배치된 상기 제1 전극(310) 및 상기 제2 전극(320), 및 상기 제1 전극(310) 상에 배치되고, 상기 탄소구조체(400c)에 상기 금속 입자(400m)가 결합된 복합 구조체를 갖는 상기 촉매층(400)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 촉매층(400)이 상기 제1 전극(310)과의 접착력 및 열전도율이 향상되고, 고온 환경에서도 상기 타겟가스를 용이하게 센싱할 수 있다.
또한, 상기 촉매층(400)에서 상기 탄소구조체(400c) 및 상기 금속 입자(400m)의 wt%가 1:1이 되도록 상기 복합 구조체의 제조 공정이 제어될 수 있다. 이에 따라, 응답속도가 빠르고, 고효율 및 고민감도를 갖는 가스 센서 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구체적인 실험 예 및 특성 평과 결과가 설명된다.
실험 예에 따른 가스 센서 제조
5g의 용량을 갖는 텔루륨 옥사이드를 250ml의 용량을 갖는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 혼합하고, 160℃의 온도에서 2시간 동안 교반 후, 50 wt%의 농도 및 5 ml의 용량을 갖는 하이드록실 아민(hydroxyl amine)을 첨가하고 1시간 동안 교반하여, 텔루륨 나노와이어를 제조하였다.
또한, 제조된 텔루륨 나노와이어를 DEG: DEGBE: PVP=1: 0.8: 0.2 의 비율로 포함하는 용매와 혼합하되, 전체 용액 내에 텔루륨 나노와이어의 농도가 75 wt%가 되도록 혼합하여 텔루륨 페이스트를 제조하였다.
제조된 텔루륨 페이스트를 실리콘 산화물 기판 상에 테이프 캐스팅 방법으로 6mm 의 폭과 12mm의 높이를 갖도록 코팅하고, 코팅된 텔루륨 페이스트 상에 서로 이격되도록 금(Au) 전극 두개를 스퍼터링(sputtering)법으로 배치시켰다.
이후, 10 wt%의 농도를 갖는 그래핀이 분산되어 있는 물 용액을 희석시켜 1mg/ml 용액을 제조하고, 88mg의 용량을 갖는 chloroplatinic acid hexahydrate 용액을 첨가한 후, 70℃의 온도에서 830rpm의 속도로 10분간 환류 시켰다. 계속해서, 환류된 용액에 32mg의 용량을 갖는 NaBH4 및 20ml의 용량을 갖는 증류수가 혼합된 용액을 1ml/min의 속도로 주입하고, 원심분리기를 통해 1000rpm의 속도로 5분 동안 회전시켜, 촉매를 제조하였다.
제조된 촉매는, 두개의 금 전극 중 하나의 전극 상에 증착시켜 최종적인 가스 센서를 제조하였다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 촬영한 사진이다.
도 7을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 FE-SEM(field emission scanning electron microscopy) 촬영하였다. 도 7에서 알 수 있듯이, 기판 상에 173.78nm(±66nm)의 직경 및 2.7μm(±1.1μm)의 길이를 갖는 텔루륨 나노와이어를 포함하는 열전층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 분석한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 XRD(X-ray diffraction) 분석하였다. 도 8에서 알 수 있듯이, 상기 열전층은 Tellurium (JCPDS No. 01-071-3932)의 상이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 열전층은 텔루륨 옥사이드와 관련된 피크(peak)가 관찰되지 않은 것으로 보아, 불순물이 없는 고순도의 텔루륨이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
도 7 및 도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서는, 기판 상에 텔루륨 단일상으로 이루어진 나노와이어가 열전층으로 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층이 포함하는 텔루륨 나노와이어의 wt% 농도 및 건조 조건에 따른 상기 열전층의 형성 결과가 아래 <표 1>을 통해 정리된다.
텔루륨 나노와이어 wt% 건조 조건 열전층
50 wt% Drying at 60℃ for 12h 불균일층 형성
60 wt% Drying at 60℃ for 12h 균열 발생
75 wt% Drying at 60℃ for 12h 균열 발생
75 wt% Room temperature for 24h 균일층 형성
85 wt% Room temperature for 24h 기판과 분리
<표 1>에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서는, 열전층이 60wt% 초과 85wt% 미만의 농도로 텔루륨 나노와이어를 포함하는 것이, 균일한 열전층의 형성에 용이하다는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 구조를 촬영한 사진이다.
도 9를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서의 구조를 촬영하되, 촉매층이 증착되기 전 상태를 일반 사진촬영하였다. 도 9에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서는, 실리콘 옥사이드 기판 상에 텔루륨 나노와이어를 포함하는 열전층이 형성되고, 열전층 상에는 서로 이격되어 금(Au) 전극 두개가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 10 은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 금속 페이스트의 열분석 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 금속 페이스트를 시차열분석(TG-DTA)하여 나타내었다. 도 10의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 금속 페이스트는, 200℃ 부분에서 DTG(mg/s)가 급격히 변동되고, 456℃ 부분에서 DTA(mV/s)가 급격히 변동되는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 금속 페이스트의 제조에 사용된 용액의 건조가 200℃ 부분에서 활발히 일어나고, PVP의 중량 감소가 400℃ 부분에서 발생되기 때문이다. 또한, 300℃ 이상부터 금속 페이스트에 중량손실이 발생되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 텔루륨 나노와이어의 높은 증발압력으로 인해 텔루륨 나노와이어의 표면에서 원자들이 소량 기화되었기 때문이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 PVP의 열분석 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 PVP를 시차열분석(TG-DTA)하여 나타내었다. 도 11에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 제조에 사용되는 PVP는 450℃ 부분에서 DTG(mg/s) 및 중량이 급격히 변동되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 도 10의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 상기 금속 페이스트의 시차열분석 결과에서 456℃ 부분에서 급격한 DTA의 변동은, PVP에 의한 것이라는 것을 확인 할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층의 열전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 300℃의 온도에서 열처리한 경우, 열처리 시간(min)에 따른 제백 계수(seebeck coefficient, μV/K)를 나타내었다. 도 12에서 알 수 있듯이 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층이 300℃의 온도에서 열처리된 경우, 열처리 전에는 356 μV/K, 30분의 시간동안 열처리된 경우에는 381 μV/K, 60 분의 시간동안 열처리된 경우에는 428 μV/K, 80 분의 시간동안 열처리된 경우에는 391 μV/K의 제백 계수 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 13을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층을 60분의 시간 동안 열처리한 경우, 열처리 온도(℃)에 따른 제백 계수(seebeck coefficient, μV/K)를 나타내었다. 도 13에서 알 수 있듯이 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층이 60분의 시간 동안 열처리된 경우, 300℃의 온도에서는 428 μV/K의 제백 계수 값을 나타내지만, 이후 열처리되는 온도가 증가할수록 제백 계수 값이 점점 낮아져, 350℃의 온도에서는 350 μV/K의 제백 계수 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 12 및 도 13에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 열전층은, 300℃의 온도에서 50분 초과 70분 미만의 시간 동안 열처리되는 경우, 가장 높은 열전 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 복합 구조체를 촬영한 사진이다.
도 14의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 복합 구조체를 200nm의 저배율로 TEM(transmission electron microscopy) 촬영하였고, 도 14의 (b)를 참조하면, 상기 복합 구조체를 100 nm의 저배율로 TEM 촬영하였다. 도 14의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 복합 구조체는, 그래핀의 표면 상에 백금 입자들이 균일하게 분산되어 결합된 것을 확인할 수 있었다.
도 15의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 복합 구조체를 10 nm의 고배율로 TEM 촬영하였다. 도 15의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 복합 구조체에서, 백금의 등축정계(cubic structure) (111)면에 해당하는 면간 거리인 0.22 nm를 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 복합 구조체는, 백금 입자들이 단결정을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 선택적으로 성장한 백금 나노입자들이 5~10nm의 크기를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서가 포함하는 촉매층의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서를 준비하되, 촉매층이 백금만 포함하는 경우, 백금과 그래핀을 1:1의 wt% 비율로 포함하는 경우(Pt/G 50wt), 백금과 그래핀을 7:3 의 wt% 비율로 포함하는 경우(Pt/G 30wt)에 대해 각각 2% 및 3%의 농도를 갖는 수소와 반응했을 때, 시간(min)에 따른 온도(℃)를 나타내었다.
도 16에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 따른 가스 센서가 2% 및 3%의 농도를 갖는 수소와 반응했을 경우, 모두 촉매층이 백금과 그래핀을 1:1의 wt% 비율로 포함하는 경우(Pt/G 50wt)에서 가장 높은 온도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 촉매층이 백금만 포함하는 경우보다, 백금과 그래핀을 함께 포함하는 경우 온도가 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 가스 센서는, 촉매층이, 백금과 그래핀 1:1 의 wt% 비율로 포함하는 경우, 센싱 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 열처리에 따른 특성 변화를 비교하는 그래프이다.
도 17의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서에 열처리를 하지 않은 상태에서, 50 ppm~4000ppm의 농도를 갖는 수소를 연속적으로 3번 제공하고(Rep.1, Rep.2, Rep.3) 시간(min)에 따른 기전력(output voltage, V)을 측정하여 나타내었다. 도 17의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서가 열처리되지 않은 경우, 32% 및 55%의 기전력 상승이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
도 17의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서에 250℃의 온도에서 1시간 동안 열처리를 수행한 후, 50 ppm~4000ppm의 농도를 갖는 수소를 연속적으로 3번 제공하고(Rep.1, Rep.2, Rep.3) 시간(min)에 따른 기전력(output voltage, V)을 측정하여 나타내었다. 도 17의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서는, 열처리 됨에 따라 전체적인 감도 변화량이 현저히 감소하였으며, 4000ppm의 농도를 갖는 수소가 제공되었을 때, 도 17의 (a)와 비교하여 2.46%의 감도 변화율이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 17의 (a)와 비교하여 전체적인 기전력이 77.2μV에서 183μV로 2.37배 증가한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예에 따른 가스 센서는, 촉매층 제조 후 안정화를 위해, 열처리 공정을 수행하는 것이 센싱 효율을 향상시킬 수 있는 방법임을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서에 제공되는 수소 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18의 (a) 내지 (h)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서에 100ppm, 200ppm, 400ppm, 800ppm, 1000ppm, 2000ppm, 3000ppm, 및 4000ppm의 농도를 갖는 수소를 제공하고, 각 수소 농도에서 반응속도(T90)및 회복속도(D10)를 측정하였다.
도 18의 (a) 내지 (h)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 가스 센서는, 100ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 34.6s의 반응속도 및 5.4s의 회복속도를 나타내고, 200ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 16.7s의 반응속도 및 2.5s의 회복속도를 나타내고, 400ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 9.3s의 반응속도 및 2.6s의 회복속도를 나타내고, 800ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 6.1s의 반응속도 및 2.4s의 회복속도를 나타내고, 1000ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 5.4s의 반응속도 및 2.4s의 회복속도를 나타내고, 2000ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 4.2s의 반응속도 및 2.2s의 회복속도를 나타내고, 3000ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 3.9s의 반응속도 및 2.0s의 회복속도를 나타내고, 4000ppm의 농도를 갖는 수소가 제공된 경우 4.5s의 반응속도 및 2.8s의 회복속도를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예에 따른 수소 센서는, 전체적으로 30초 이내의 반응속도 및 3초 이내의 회복속도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서의 신뢰성을 나타내는 그래프이다.
도 19를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 가스 센서에 400ppm의 농도를 갖는 수소를 10회 반복 제공하고, 시간(min)에 따른 기전력(output voltage, V)을 측정하여 나타내었다. 도 19에서 알 수 있듯이, 상기 가스 센서에 400ppm의 농도를 갖는 수소를 10회 반복 제공한 결과, 0.45%의 재현성 오차를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 18 및 도 19를 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 가스 센서는 우수한 센싱 효율 및 고신뢰성을 갖는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
200: 열전층
200a, 200b: 제1 영역, 제2 영역
310: 제1 전극
320: 제2 전극
400: 촉매층
400c: 탄소구조체
400m: 금속 입자

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 사에 배치되고, 금속 나노와이어를 포함하는 열전층;
    상기 열전층 상에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 상에 배치되고, 탄소구조체에 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 갖는 촉매층을 포함하는 가스 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매층은, 타겟가스와 반응하되,
    상기 촉매층과 상기 타겟가스가 반응하여, 상기 촉매층에서 열이 발생되고,
    발생된 상기 열로 인해, 상기 제1 전극이 배치되는 상기 열전층의 제1 영역과 상기 제2 전극이 배치되는 상기 열전층의 제2 영역은 온도차이가 발생되고,
    상기 제1 및 제2 영역의 온도차이에 의해, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 사이에 전위 차이가 생성되는 것을 포함하는 가스 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열전층이 포함하는 상기 금속 나노와이어의 농도는 60 wt% 초과 85 wt% 미만인 것을 포함하는 가스 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어는, 텔루륨(tellurium) 나노와이어, BixTey 나노와이어, BixSey 나노와이어, SbxTey 나노와이어, PbTe1 - xSex 나노와이어 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 센서. (x > 0, y > 0)
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매층에서, 상기 탄소구조체 및 상기 금속 입자의 wt%는 1:1 인 것을 포함하는 가스 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 탄소구조체는 그래핀이고, 상기 금속 입자는 백금 입자인 것을 포함하는 가스 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소구조체 및 상기 금속 입자는 공유결합을 이루는 것을 포함하는 가스 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 기판의 상부면을 기준으로, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 동일한 레벨(level)에 위치하는 것을 포함하는 가스 센서.
  9. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 금속 나노와이어를 포함하는 열전층을 형성하는 단계;
    상기 열전층 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 전극 상에 탄소구조체에 금속 입자가 결합된 복합 구조체를 갖는 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 열전층을 형성하는 단계는,
    상기 금속 나노와이어를 준비하는 단계;
    상기 금속 나노와이어를, 고분자를 포함하는 바인더 및 용매와 혼합하여 금속 페이스트를 제조하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 금속 페이스트를 제공하여 상기 열전층을 형성하는 단계; 및
    상기 열전층을 열처리하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 열처리에 의해, 상기 열전층 내의 상기 금속 나노와이어의 적어도 일부가 융해 또는 기화되어, 상기 금속 나노와이어가 네트워킹(networking)되는 것을 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 열전층은, 300℃의 온도에서 50분 초과 70분 미만의 시간 동안 열처리되는 것을 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 바인더는 PVP를 포함하고, 상기 용매는 DEG 및 DEGBE 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 촉매층을 형성하는 단계는,
    상기 탄소구조체를 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계;
    상기 혼합 용액 내의 상기 탄소구조체를 산화시키는 단계;
    산화된 상기 탄소구조체에 금속 전구체를 제공하는 단계;
    상기 금속 전구체가 제공된 상기 탄소구조체를 환원하여, 상기 탄소구조체에 상기 금속 입자가 결합된 상기 복합 구조체를 제조하는 단계; 및
    상기 제1 전극 상에 상기 복합 구조체를 제공하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
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