KR20190097755A - Gas sensor and mebber using metal oxide nanofibers including nanoscale catalysts and multichannel, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

Embodiments of the present invention relate to a gas sensor member, a gas sensor using the same, and a method for manufacturing the same, and more specifically, relate to a member for a gas sensor using a multichannel metal oxide nanofiber material in which a nanoparticle catalyst is functionalized by utilizing apoferritin containing the nanoparticle catalyst in an internal hollow structure to be uniformly bound to an internal multichannel and an external surface of nanofibers, a gas sensor, and a method for manufacturing the same.

Description

나노입자 촉매와 다중채널 기공이 포함된 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법{GAS SENSOR AND MEBBER USING METAL OXIDE NANOFIBERS INCLUDING NANOSCALE CATALYSTS AND MULTICHANNEL, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}GAS SENSOR AND MEBBER USING METAL OXIDE NANOFIBERS INCLUDING NANOSCALE CATALYSTS AND MULTICHANNEL, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명의 실시예들은 나노입자 촉매와 다중채널 기공이 포함된 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상과 전기방사를 결합하여 나노섬유 내부에 다중채널 기공을 형성시키고, 동물 단백질인 아포페리틴(apoferritin)을 나노입자 촉매의 결착 수단으로 사용하여, 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 및 이러한 다중채널 금속산화물 나노섬유를 가스센서용 부재로 활용하는 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a gas sensor member, a gas sensor, and a method for manufacturing the same using a nanoparticle catalyst and metal oxide nanofibers containing multi-channel pores, and specifically, phase separation of two polymers that are not mixed with each other. By combining phenomena and electrospinning to form multichannel pores inside the nanofibers, and using the animal protein apoferritin as a means of binding the nanoparticle catalysts, the nanoparticle catalysts are the internal multichannel and outer surfaces of the nanofibers. The present invention relates to a multi-channel metal oxide nanofiber uniformly bound to and functionalized to a gas sensor and a gas sensor utilizing the multi-channel metal oxide nanofiber as a member for a gas sensor and a method of manufacturing the same.

금속산화물 반도체 기반의 저항변화식 가스센서는 간단한 제조 방법, 휴대성, 높은 감도 등의 장점들을 이유로 크게 주목을 받고 있다. 이러한 장점들을 활용하여 금속산화물 반도체 기반의 저항변화식 가스센서를 대기 오염원 관찰, 알코올 음주 측정기, 새집증후군 가스 검출기 및 병의 진단 등의 다양한 분야에서 상용화하려는 시도가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 건강관리가 더욱더 중요해짐에 따라, 질병의 조기 진단 및 일일 진단에 사용될 수 있는 날숨 분석 가스센서 기술이 큰 이목을 끌고 있다. 사람의 날숨 속에는 특정 질병을 나타내는 생체지표(biomarker) 가스가 포함되어 있는데, 특정 질병에 걸린 사람의 날숨 속에는 특정 생체지표 가스가 건강한 사람보다 2-10배 이상 존재하게 된다. 일례로 당뇨병 환자는 건강한 사람보다 2-6배 많은 아세톤(acetone) 가스를 날숨 속에 포함하고 있다. 따라서 가스센서를 활용하여 사람의 날숨 속에 포함되어 있는 특정 생체지표 가스를 선택적으로 검출할 수 있다면, 특정 질병을 조기에 진단할 수 있게 된다. 하지만, 사람의 날숨은 습도가 매우 높고 수백 종류의 혼합가스들을 포함하기 때문에, 고습한 분위기에서도 특정 생체지표 가스를 선택적으로 검출할 수 있는 고감도 및 고선택성의 센서 개발이 요구된다. 또한, 날숨 속 생체지표 가스들은 10 ppb(part per billion)에서 10 ppm(part per million) 범위의 매우 낮은 농도로 방출되기 때문에, 극미량의 가스를 선택적으로 감지할 수 있는 감지 물질에 대한 연구가 필요하다.Resistance change type gas sensors based on metal oxide semiconductors have attracted much attention for their advantages such as simple manufacturing method, portability, and high sensitivity. Attempts to commercialize the metal oxide semiconductor-based resistance change type gas sensor in various fields, such as observing air pollutants, alcohol breathalyzers, sick house syndrome gas detectors and disease diagnosis using these advantages. In particular, as health care becomes more and more important, the exhalation analysis gas sensor technology, which can be used for early diagnosis and daily diagnosis of disease, has attracted much attention. Human exhalation contains a biomarker gas that represents a particular disease, and in a person's exhalation, a specific biomarker gas is present 2-10 times more than a healthy person. Diabetics, for example, contain two to six times more acetone gas in their exhalations than healthy people. Therefore, if a gas sensor can be used to selectively detect a specific biomarker gas contained in a person's exhalation, a specific disease can be diagnosed early. However, since human exhalation is very high and includes hundreds of mixed gases, it is required to develop a high sensitivity and high selectivity sensor capable of selectively detecting a specific biomarker gas even in a high humidity atmosphere. In addition, the biomarker gases in the exhalation are emitted at very low concentrations ranging from 10 parts per billion (ppb) to 10 parts per million (ppm), requiring the study of sensing materials that can selectively detect trace amounts of gases. Do.

금속산화물 반도체 기반 저항변화식 가스센서는 감지 물질의 표면에서 발생하는 가스의 흡착 및 탈착 반응에 따른 전기저항 변화를 측정하여 특정 가스를 감지하게 된다. 따라서 가스센서의 감도를 높이기 위해서는 감지 물질의 표면적을 증가시켜, 감지 물질과 특정 가스의 표면 반응을 증대시켜야 한다. 또한 중공구조의 감지소재는 감지물질의 외부뿐만 아니라 내부에도 가스의 확산을 촉진시켜, 감지물질이 가스와 더욱 효율적으로 반응할 수 있게 한다. 이와 더불어, 감지 물질 표면에 촉매를 결착시켜, 선택적인 표면 반응을 증대시킬 수 있다. 가스센서용 금속산화물에 활용되는 촉매는 대표적으로 백금(Pt), 금(Au)과 같은 화학적 증감제(chemical sensitizer)와 팔라듐(Pd), 니켈(Ni)과 같은 전자적 증감제(electronical sensitizer)가 있다. 이러한 촉매들은 감지물질과 타겟(target) 가스의 선택적 표면 반응을 증대시키고, 가스의 흡착 및 탈착 반응을 촉진시켜 가스센서의 감지특성을 매우 향상시킨다.The metal oxide semiconductor-based resistance change type gas sensor detects a specific gas by measuring a change in electrical resistance caused by adsorption and desorption reactions of gases generated on the surface of the sensing material. Therefore, in order to increase the sensitivity of the gas sensor, it is necessary to increase the surface area of the sensing material, thereby increasing the surface reaction of the sensing material and the specific gas. In addition, the hollow sensing material promotes the diffusion of gas into the inside as well as the outside of the sensing material, allowing the sensing material to react more efficiently with the gas. In addition, it is possible to increase the selective surface reaction by binding a catalyst to the sensing material surface. Catalysts used in metal oxides for gas sensors typically include chemical sensitizers such as platinum (Pt) and gold (Au) and electronic sensitizers such as palladium (Pd) and nickel (Ni). have. These catalysts enhance the selective surface reaction of the sensing material and the target gas, and promote the adsorption and desorption reaction of the gas, thereby greatly improving the sensing characteristics of the gas sensor.

상기에서 언급한 가스센서의 특성 증대 전략들을 충족시키기 위해서는 촉매가 기능화된 나노물질을 활용하는 것이 필수적이다. 나노물질은 표면적이 매우 크기 때문에 가스의 반응을 효과적으로 증가시킬 것으로 예상된다. 따라서 나노입자(nanoparticle), 나노섬유(nanofiber), 나노시트(nanosheet) 등 다양한 나노 구조체를 가스센서의 감지물질로 활용한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 특히 나노섬유는 종횡비가 큰 1차원 구조를 가지고, 나노섬유들 간에 서로 얽히면서 형성되는 다수의 기공을 통해서 가스의 확산을 촉진시키기 때문에 가스센서의 감지물질로 촉망 받고 있다. 이러한 나노섬유의 합성법 중에서 전기방사(electrospinning)는 공정이 매우 간단하고, 다양하게 응용이 가능한 합성법이다. 특히 전기방사는 용액에 촉매입자를 혼합시킴으로써 아주 간단하게 촉매가 결착된 1차원 나노섬유를 합성할 수 있다. 이러한 장점 때문에 전기방사를 통해 합성한 나노섬유를 가스센서의 감지물질로 활용한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. It is essential to utilize nanomaterials with functionalized catalysts in order to meet the above-mentioned gas sensor enhancement strategies. Nanomaterials are expected to effectively increase the reaction of gases because they have a very large surface area. Therefore, researches using various nanostructures such as nanoparticles, nanofibers, and nanosheets as sensing materials of gas sensors have been actively conducted. In particular, nanofibers have a one-dimensional structure with a high aspect ratio, and are promoted as a sensing material of gas sensors because they promote the diffusion of gas through a plurality of pores formed by intertwining nanofibers. Electrospinning is a method of synthesis of nanofibers, which is very simple and variously applicable. In particular, the electrospinning can synthesize the one-dimensional nanofibers with the catalyst bound very simply by mixing the catalyst particles in the solution. Because of these advantages, researches using nanofibers synthesized through electrospinning as sensing materials for gas sensors have been actively conducted.

이처럼 수 많은 연구 결과들이 있음에도 불구하고, 질병 진단용 가스센서는 아직까지 상용화되지 않고 있다. 실제로 날숨 분석을 통해 질병 진단이 가능한 가스센서의 상용화를 위해서는, 10 ppb 내지 10 ppm 수준의 가스를 검출할 수 있는 고감도 특성, 실시간 분석 장치로 활용하기 위한 수초 이내의 빠른 반응속도, 특정 가스만 선택적으로 감지할 수 있는 능력 및 수백 번의 반응에도 반응력이 감소하지 않는 안정성이 모두 확보되어야 한다. 상기 언급한 요소들을 충족시키기 위해서는, 나노 크기의 촉매를 감지물질에 균일하게 결착시킬 뿐만 아니라, 감지물질의 형상 제어를 통해 촉매와 나노구조 간의 시너지 효과를 창출해야 한다. 즉, 촉매의 효과를 극대화할 수 있는 구조에 대한 연구가 필요하다.Despite these findings, disease-detecting gas sensors have not been commercialized yet. In fact, for the commercialization of gas sensors capable of diagnosing diseases through exhalation analysis, high-sensitivity characteristics capable of detecting 10 ppb to 10 ppm level gas, fast response time within seconds for use as a real-time analysis device, and specific gas only are selected. Both the ability to detect and the stability to which the reaction force does not decrease even after hundreds of reactions must be secured. In order to meet the above-mentioned elements, not only the nano-sized catalyst should be uniformly bound to the sensing material, but also the synergy between the catalyst and the nanostructure should be created through the shape control of the sensing material. In other words, it is necessary to study the structure that can maximize the effect of the catalyst.

본 발명에 따른 실시예들은, 동물 단백질인 아포페리틴(apoferritin)의 내부 중공에 1-5 nm 크기의 나노입자 촉매를 포함시키고, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상과 전기방사를 결합하여, 나노섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하고, 나노입자 촉매들을 내부 중공에 포함하는 아포페리틴이 내부 및 표면에 균일하게 포함된 복합 나노섬유를 합성하고, 이후 고온 열처리를 통해 상기 제 2 고분자 섬유들이 분해되며 나노섬유 내부에 다중채널 기공을 형성시키고, 아포페리틴이 분해되며 나노입자 촉매들이 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 감지물질을 합성하는 방법을 제공한다.Embodiments according to the present invention comprises a nanoparticle catalyst having a size of 1-5 nm in the inner hollow of the apoferritin, which is an animal protein, and combines phase separation and electrospinning of two polymers that are not mixed with each other. , A composite nanofiber having a plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase inside the first polymer fiber occupying a continuous phase of the nanofibers, and having apoferritin containing nanoparticle catalysts in the inner hollow uniformly in and on the surface thereof The second polymer fibers are decomposed through high temperature heat treatment, and multi-channel pores are formed in the nanofibers, the apoferritin is decomposed, and the nanoparticle catalysts are uniformly bound to the inner multi-channel and outer surface of the nanofibers. To provide a method for synthesizing functionalized sensing materials.

특히, 다중채널의 형성은 비표면적의 증대를 통해 가스 반응을 증가시켜 감도의 증가를 가져올 뿐만 아니라, 가스가 나노섬유의 내부에도 확산할 수 있는 구조를 통해 효율적인 가스 반응을 제공하고, 나노섬유의 내부에 결착된 촉매도 기능화되기 때문에 감지 특성이 획기적으로 증가한다. 또한, 나노섬유의 고온 열처리 과정에서, 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 이러한 작은 입자 크기는 가스의 유무에 따른 저항변화를 극대화 시켜 극미량의 가스도 검출할 수 있는 고감도의 특성을 가져온다. 본 발명에서는, 상기 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부에 균일하게 결착되어 기능화되고, 작은 입자 크기를 갖는 다중채널 금속산화물 나노섬유 감지물질 합성 기술 및 이를 응용한 가스센서 기술을 제시한다.In particular, the formation of multiple channels not only increases the gas response through increasing the specific surface area, but also increases the sensitivity, and provides an efficient gas reaction through the structure in which gas can diffuse into the nanofibers. Sensing properties are dramatically increased because the internally bound catalyst is also functionalized. In addition, in the high temperature heat treatment process of the nanofibers, as the thermal decomposition of the second polymer occupying the discontinuous phase occurs at a higher temperature than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and the plurality of second polymer fibers The growth of the metal oxide particles is suppressed by the support in the interior of the dummy nanofibers, thereby forming a metal oxide having a small particle size. This small particle size maximizes the resistance change depending on the presence or absence of gas, resulting in high sensitivity to detect even the smallest amount of gas. In the present invention, the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the internal multi-channel and the outside of the nanofiber, and functionalized, multi-channel metal oxide nanofiber sensing material synthesis technology having a small particle size and a gas sensor technology using the same .

나노입자 촉매를 내부 중공에 포함하는 아포페리틴, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자 및 금속산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유에 대한 열처리에 의해 상기 금속산화물 전구체가 산화 및 결정화되어 금속산화물 나노섬유를 형성하되, 상기 금속산화물 나노섬유의 내부에 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의한 다중채널이 형성되고, 상기 열처리에 의해 상기 아포페리틴이 제거됨에 따라 상기 다중채널 각각의 내부 및 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 상기 나노입자 촉매가 결착되어 기능화되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제공한다.The metal oxide precursor is oxidized and crystallized by heat treatment to a composite nanofiber including apoferritin containing a nanoparticle catalyst in an internal hollow, two polymers and metal oxide precursors which are not mixed with each other to form metal oxide nanofibers. In the metal oxide nanofibers, multichannels are formed by phase separation of the two polymers, and the apoferritin is removed by the heat treatment. It provides a multi-channel metal oxide nanofiber, characterized in that the nanoparticle catalyst is bound and functionalized.

일측에 따르면, 상기 복합 나노섬유는, 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하면서 상기 금속산화물 전구체가 혼합된 제1 고분자 섬유를 포함하고, 상기 제1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유를 더 포함하며, 표면 및 내부에 상기 아포페리틴을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the composite nanofiber, by the phase separation of the two polymers, comprises a first polymer fiber mixed with the metal oxide precursor while occupying a continuous phase of the nanofiber, the inside of the first polymer fiber It further comprises a plurality of second polymer fibers occupying a discontinuous phase, it may be characterized in that it further comprises the apoferritin on the surface and inside.

다른 측면에 따르면, 상기 열처리를 통해, 상기 제1 고분자 섬유 및 상기 제 2 고분자 섬유가 열분해되는 과정에서 상기 제2 고분자 섬유가 제거되어 나노섬유 내부에 형성되는 다중채널의 형태를 상기 금속산화물 전구체가 산화되어 금속산화물로 결정화되면서 유지하고, 상기 아포페리틴이 열분해되어 나노섬유에 기공을 형성하면서 동시에 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 표면 및 다중채널 각각의 내부에 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, through the heat treatment, the metal oxide precursor is in the form of a multi-channel formed in the nanofibers by removing the second polymer fibers in the process of thermal decomposition of the first polymer fibers and the second polymer fibers Oxidized and maintained while crystallizing with a metal oxide, and the apoferritin is thermally decomposed to form pores in the nanofibers, and at the same time, the nanoparticle catalyst contained in the inner hollow of the apoferritin binds to the surface of the nanofibers and inside each of the multichannels. It may be characterized by.

또 다른 측면에 따르면, 상기 복합 나노섬유에 대한 열처리의 과정에서, 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 상대적으로 더 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되어 금속산화물 입자의 크기가 제한되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the heat treatment process for the composite nanofibers, as the pyrolysis of the plurality of second polymer fibers occupying the discontinuous phase occurs at a relatively higher temperature than the crystallization of the metal oxide precursor, Heat may be reduced to limit the size of the metal oxide particles.

또 다른 측면에 따르면, 상기 제2 고분자 섬유의 열분해는 상기 금속산화물 전구체의 결정화보다 50 - 150℃의 범위에 포함되는 온도만큼 상대적으로 더 높은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the pyrolysis of the second polymer fiber may be characterized in that it occurs at a relatively higher temperature by a temperature included in the range of 50 to 150 ℃ than the crystallization of the metal oxide precursor.

또 다른 측면에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유를 형성하는 금속산화물 입자의 크기가 1내지 20 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the size of the metal oxide particles forming the metal oxide nanofibers may be included in the range of 1 to 20 nm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 두 가지의 고분자는, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리(스티렌아크릴로나이트릴)(poly(styreneacrylonitrile)), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate), 폴리(에틸렌 옥사이드)(poly(ethylene oxide)), 폴리(메타크릴산메틸)(poly(methylmethacrylate)) 중에서 선택된 제1 고분자 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile)을 포함하는 제2 고분자의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the two polymers, polyvinylpyrrolidone, poly (styreneacrylonitrile), polystyrene, cellulose acetate, poly ( It is composed of a combination of a first polymer selected from ethylene oxide (poly (ethylene oxide)), poly (methyl methacrylate) (poly (methylmethacrylate)) and a second polymer containing polyacrylonitrile (polyacrylonitrile) It can be characterized.

또 다른 측면에 따르면, 상기 복합 나노섬유에서 연속 상을 차지하는 제1 고분자의 중량 대비 상기 복합 나노섬유에서 불연속 상을 차지하는 제2 고분자의 중량 비율은 50 내지 150%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the weight ratio of the second polymer occupying the discontinuous phase in the composite nanofibers to the weight of the first polymer occupying the continuous phase in the composite nanofibers may be included in the range of 50 to 150% Can be.

또 다른 측면에 따르면, 상기 다중채널의 개수는, 상기 복합 나노섬유 하나 당 5내지 20개의 범위에 포함되며, 개별 채널의 직경은 10 내지 50 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the number of the multi-channel, it is included in the range of 5 to 20 per one composite nanofiber, the diameter of the individual channels may be characterized in that it is included in the range of 10 to 50 nm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 아포페리틴은 내부에 중공을 갖는 구조로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내부 중공 속에 캡슐화하고, 상기 촉매금속 이온이 환원되어 생성되는 상기 나노입자 촉매의 직경은 1내지 5 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the apoferritin is a structure having a hollow inside, encapsulating one or more catalytic metal ions in the inner hollow, the diameter of the nanoparticle catalyst produced by reducing the catalytic metal ion is 1 to It may be characterized by being included in the range of 5 nm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매의 중량 비율은 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유 대비 0.01 내지 1 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the weight ratio of the nanoparticle catalyst may be included in the concentration range of 0.01 to 1 wt% compared to the multi-channel metal oxide nanofibers.

또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매는 platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III)chloride, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 금속염을 포함하여 합성되는 촉매금속 이온에 의해 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the nanoparticle catalyst is platinum (IV) chloride, platinum (II) acetate, gold (I, III) chloride, gold (III) acetate, 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, Tantalum (V) chloride, Palladium (II) chloride, Lanthanum (III) It may be characterized by being formed by a catalytic metal ion synthesized, including at least one metal salt selected from acetate, copper (II) sulfate and Rhodium (III) chloride.

또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매는, 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함된 촉매금속 이온이 환원됨에 따라 Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 중에서 선택된 적어도 하나의 나노입자 촉매로서 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되고, 상기 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환되어 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the nanoparticle catalyst, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, as the catalytic metal ions contained in the inner hollow of the apoferritin is reduced At least one nanoparticle catalyst selected from Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, and Ge, which is included in the interior hollow of the apoferritin, The nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of the apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 , after heat treatment. CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3 and GeO 2 may be substituted with at least one nanoparticle catalyst to bind to the metal oxide nanofiber outer surface.

상술한 실시예들 중 어느 하나의 실시예에 따른 다중채널 금속산화물 나노섬유들을 저항변화를 측정할 수 있는 센서 전극 위에 코팅하여 형성되는 감지물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서를 제공한다.It provides a gas sensor comprising a sensing material formed by coating the multi-channel metal oxide nanofibers according to any one of the embodiments described above on a sensor electrode capable of measuring the resistance change.

다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법에 있어서, (a) 아포페리틴의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 합성하는 단계; (b) 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 금속산화물 전구체와 함께 용매에 용해시켜 전기방사 용액을 합성하는 단계; (c) 상기 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴을 상기 합성된 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴, 금속산화물 전구체 및 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계; (d) 상기 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴이 금속산화물 전구체 및 고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 결착된 복합 나노섬유를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 복합 나노섬유를 열처리하여 나노입자 촉매가 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법을 제공한다.A method for producing a multichannel metal oxide nanofiber, comprising the steps of: (a) synthesizing a nanoparticle catalyst inside a hollow structure of apoferritin; (b) dissolving two polymers which are not mixed with each other in a solvent together with a metal oxide precursor to synthesize an electrospinning solution; (c) composite electrospinning comprising apoferritin comprising the synthesized nanoparticle catalyst into the synthesized electrospinning solution and apoferritin containing a nanoparticle catalyst, a metal oxide precursor, and two polymers not mixed with each other Preparing a solution; (d) electrospinning the complex electrospinning solution to prepare a composite nanofiber in which apoferritin containing a nanoparticle catalyst is bound on and inside the metal oxide precursor and the polymer composite nanofiber; And (e) heat treating the composite nanofibers to produce functionalized multichannel metal oxide nanofibers by uniformly binding a nanoparticle catalyst to the inner multichannel and outer surface of the multichannel metal oxide nanofibers. Provided is a method for producing a multichannel metal oxide nanofiber.

일측에 따르면, 상기 (a) 단계는, 상기 나노입자 촉매를 상기 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해 상기 아포페리틴이 녹아있는 용액에 상기 촉매 금속염을 첨가하여 촉매 금속이온을 내장시키고, 환원제를 첨가하여 상기 촉매 금속이온을 촉매 금속입자로 환원시키는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, in the step (a), in order to embed the nanoparticle catalyst in the inner hollow of the apoferritin, the catalyst metal salt is added to the solution in which the apoferritin is dissolved to incorporate catalyst metal ions, and a reducing agent is added. To reduce the catalytic metal ions to catalytic metal particles.

다른 측면에 따르면, 상기 (a) 단계는, 상기 아포페리틴의 중공 내에 내장된 촉매 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step (a), the reducing agent for reducing the catalytic metal ions embedded in the hollow of the apoferritin, sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen , zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate It may be characterized by including at least one of.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (e) 단계에서, 상기 열처리를 통해 상기 아포페리틴과 상기 두 가지의 고분자가 열분해 되어 제거되는 과정에서, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 다중채널을 형성하고, 연속 상인 제 1 고분자가 분해되며 상기 제1 고분자에 혼합된 금속산화물 전구체가 상기 형성된 다중채널의 형태를 유지하면서 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되며 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 상기 형성된 다중채널의 내부 및 나노섬유의 표에 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the step (e), in the process of thermally decomposing the apoferritin and the two polymers by the heat treatment, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to form a multi-channel The first polymer, which is a continuous phase, is decomposed and the metal oxide precursor mixed with the first polymer is oxidized and crystallized while maintaining the form of the formed multichannel, and the apoferritin is decomposed and the nanoparticle catalyst contained in the internal hollow is It may be characterized in that the binding to the inside of the formed multi-channel and the table of nanofibers.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (e) 단계에서, 상기 아포페리틴은, 중공구조의 동물단백질로, 상기 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1내지15 nm의 범위에 포함되는 크기의 기공을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the step (e), the apoferritin is a hollow structured animal protein, the pores having a size in the range of 1 to 15 nm in the nanofibers as the protein shell is decomposed during the heat treatment process It may be characterized by forming a.

또 다른 측면에 따르면, 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법은, (f) 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시키고, 저항변화식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅, 드랍 코팅 및 잉크젯 프린팅 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the manufacturing method of the multi-channel metal oxide nanofibers, (f) the multi-channel metal oxide nanofibers are pulverized and dispersed in a solvent, spin coating, drop coating on the sensor electrode for resistance-type gas sensor And coating by using at least one coating process of inkjet printing.

본 발명에 따르면, 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴과 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상을 이용하여, 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 합성하는 경우, 나노입자 촉매가 전자적 혹은 화학적 증감 효과를 제공하고, 다중채널 나노섬유 구조를 통해 비표면적이 증대되어 가스가 반응하는 면적이 증가하며, 채널 내부로 가스가 쉽게 침투할 수 있어 가스가 나노섬유의 내부 및 외부와 모두 반응하는 효율성을 제공하고, 채널을 통해 나노섬유의 내부에 존재하는 촉매도 기능화되기 때문에 촉매의 효과가 극대화되어, 우수한 감도와 선택적 감지능력을 갖는 다중채널 금속산화물 나노섬유 감지소재를 제조할 수 있다. 또한, 나노섬유의 고온 열처리 과정에서, 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 이러한 작은 입자 크기는 가스의 유무에 따른 저항변화를 극대화 시켜 극미량의 가스도 검출할 수 있는 고감도의 특성을 가져온다. 또한, 아포페리틴의 중공 구조에 나노 크기의 촉매가 내장되고, 아포페리틴의 우수한 분산성 때문에 이들 나노입자 촉매가 금속산화물 나노섬유 표면에 균일하게 결착되기 때문에, 고온의 구동온도에서도 촉매입자 간의 응집이 일어나지 않아 매우 우수한 촉매효과를 기대할 수 있으며, 선택적 감지능력, 안정성 및 우수한 감지 특성을 가지는 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다.According to the present invention, when synthesizing a multi-channel metal oxide nanofibers in which a nano-sized catalyst is bound by using a phase separation phenomenon of two polymers that are not mixed with each other and apoferritin including a nanoparticle catalyst, the nanoparticle catalyst It provides electronic or chemical sensitization effect, the specific surface area is increased through multi-channel nanofiber structure to increase the gas reaction area, and gas can easily penetrate into the channel, so that gas can be The efficiency of the catalyst is maximized because it provides the efficiency of all reactions and the catalyst present inside the nanofibers through the channel, thereby producing multi-channel metal oxide nanofiber sensing materials with excellent sensitivity and selective sensing ability. have. In addition, in the high temperature heat treatment process of the nanofibers, as the thermal decomposition of the second polymer occupying the discontinuous phase occurs at a higher temperature than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and the plurality of second polymer fibers The growth of the metal oxide particles is suppressed by the support in the interior of the dummy nanofibers, thereby forming a metal oxide having a small particle size. This small particle size maximizes the resistance change depending on the presence or absence of gas, resulting in high sensitivity to detect even the smallest amount of gas. In addition, since the nanostructured catalyst is embedded in the hollow structure of apoferritin and these nanoparticle catalysts are uniformly bound to the surface of the metal oxide nanofiber due to the excellent dispersibility of the apoferritin, agglomeration between the catalyst particles is maintained even at a high driving temperature. It can be expected that very excellent catalytic effect does not occur, has the effect to disclose a gas sensor member, a gas sensor and a method of manufacturing the same having a selective sensing ability, stability and excellent sensing characteristics.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 가스센서용 부재의 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 구조를 이용한 가스센서 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법 및 열처리 과정을 통해 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 구조의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 투과전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 전기방사 후 합성된 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 주석산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 고온 열처리 후에 합성된 Pt 나노입자가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 열처리 후에 합성된 Pt 나노입자가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유의 투과전자현미경 사진 및 성분분석 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1을 통하여 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예 3을 통하여 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험예 1로서, 비교예 3과 실시예 2에 따른, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유를 형성하는 과정에서, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 주석산화물 전구체의 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile), 주석산화물 전구체의 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실험예 2로서, 실시예 2 및 비교예 1, 2, 3에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유 및 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 아세톤 가스(0.4-5 ppm)에 대한 반응성 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실험예 2로서, 실시예 2 및 비교예 1, 2, 3에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유 및 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 아세톤의 농도가 1, 2, 3, 4, 5 ppm 일 때 가스센서의 반응속도에 대한 특성 평가 결과이다.
도 13은 본 발명의 실험예 2로서, 실시예 2에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 1 ppm의 가스들 (아세톤, 황화수소, 톨루엔, 에탄올, 메탄, 일산화탄소, 포름알데히드, 암모니아)에 대한 감도 특성이다.
도 14는 본 발명의 실험예 2 로서, 실시예 2에 따른 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ℃에서 1 ppm의 아세톤 가스에 대한 반복적인 감도 측정 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings included as part of the detailed description in order to provide a thorough understanding of the present invention provide examples of the present invention and together with the detailed description, describe the technical idea of the present invention.
1 is a schematic view of a member for a multi-channel metal oxide nanofiber gas sensor functionalized by the nano-sized catalyst uniformly bound to the inner multi-channel and outer surface of the nanofiber according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensor using a multi-channel metal oxide nanofiber structure in which a nano-sized catalyst is uniformly bound to an inner multi-channel and an outer surface of a nanofiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a process for producing a multi-channel metal oxide nanofiber structure functionalized by the nano-sized catalyst uniformly bound to the inner multi-channel and the outer surface of the nanofiber through the electrospinning and heat treatment process according to an embodiment of the present invention It is a picture showing.
Figure 4 is a transmission electron micrograph of apoferritin containing Pt nanoparticle catalyst according to Example 1 of the present invention.
5 is a composite comprising apoferritin, polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile, and tin oxide precursors including a Pt nanoparticle catalyst synthesized after electrospinning according to Example 2 of the present invention. Scanning electron micrographs of nanofibers.
FIG. 6 is a scanning electron micrograph of multi-channel SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticles synthesized after the high-temperature heat treatment according to Example 2 of the present invention are uniformly bound to the inner multichannel and outer surface of the nanofibers.
FIG. 7 is a transmission electron microscope photograph and a component analysis photograph of multi-channel SnO 2 nanofibers in which Pt nanoparticles synthesized after the heat treatment according to Example 2 of the present invention are uniformly bound to the inner multichannel and outer surface of the nanofibers.
8 is a scanning electron micrograph of the SnO 2 nanofibers to which the Pt nanoparticle catalyst prepared in Comparative Example 1 of the present invention is bound.
FIG. 9 is a scanning electron micrograph of SnO 2 nanofibers having no Pt nanoparticle catalyst prepared through Comparative Example 3 of the present invention.
Figure 10 is an experimental example of the present invention, Comparative Example 3 and the embodiment according to 2, Pt nanoparticle catalyst is not a binding SnO 2 nanofibers and Pt nanoparticle catalysts that form the binding of the multi-channel SnO 2 nanofiber In the process, polyvinylpyrrolidone, composite nanofibers of tin oxide precursors and apoferritin containing Pt nanoparticle catalysts, polyvinylpyrrolidone, polyacrylonitrile, and tin oxide precursors It is a graph showing the change of mass and the degree of heat transfer according to the heat treatment of the composite nanofibers.
11 shows Experimental Example 2 of the present invention, Example 2 and Comparative Examples 1, 2, and 3 according to the Pt nanoparticle catalyst-bound multi-channel SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalyst-binding SnO 2 nanofibers, Reactivity graph of acetone gas (0.4-5 ppm) at 400 ° C. of a multichannel SnO 2 nanofiber without Pt nanoparticle catalyst and SnO 2 nanofiber based gas sensor without Pt nanoparticle catalyst.
12 shows Experimental Example 2 of the present invention, Example 2 and Comparative Examples 1, 2, and 3 according to the Pt nanoparticle catalyst-bound multi-channel SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalyst-binding SnO 2 nanofibers, When the concentration of acetone is 1, 2, 3, 4, 5 ppm at 400 ° C. of a multichannel SnO 2 nanofiber without Pt nanoparticle catalyst and SnO 2 nanofiber based gas sensor without Pt nanoparticle catalyst This is a property evaluation result of reaction speed of gas sensor.
FIG. 13 shows Experimental Example 2 of the present invention, wherein 1 ppm of gases (acetone, hydrogen sulfide, toluene, ethanol, at 400 ° C.) of a multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor bound with a Pt nanoparticle catalyst according to Example 2 Methane, carbon monoxide, formaldehyde, ammonia).
FIG. 14 shows experimental results of repeated sensitivity measurement of 1 ppm of acetone gas at 400 ° C. of a multi-channel SnO 2 nanofiber-based gas sensor in which Pt nanoparticle catalysts according to Example 2 are bound.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular 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.In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 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.Terms such as 'first' and 'second' may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are only used to distinguish one component from another component. Used.

이하, 아포페리틴의 중공 구조에 내장된 나노입자 촉매들이 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a gas sensor member, a gas sensor and a nanoparticle catalyst embedded in the hollow structure of apoferritin are functionally bound to the internal multichannel and the external surface of the multichannel metal oxide nanofibers and functionalized. The manufacturing method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일실시예에서는 아포페리틴/촉매를 합성하고, 나노입자 촉매들이 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되도록 하여, 다중채널의 효과와 동시에 균일하게 분포된 나노 크기의 촉매의 효과를 포함하는 감지물질 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법을 제공한다.In one embodiment of the present invention by synthesizing apoferritin / catalyst, the nanoparticle catalysts are uniformly bound to the inner multi-channel and outer surface of the nanofibers, the effect of the multi-channel and uniformly distributed nano-sized catalyst It provides a sensing material including the effect and a member manufacturing method for a gas sensor using the same.

본 실시예에 따른 감지물질 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법은 (a) 아포페리틴의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 내장시키는 단계; (b) 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자와 금속산화물 전구체를 용매에 용해시켜 전기방사 용액을 합성하는 단계; (c) 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계; (d) 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴이 금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 균일하게 포함된 복합 나노섬유를 제조하는 단계; (e) 고온 열처리를 통하여, 고분자가 열분해 되어 나노섬유의 내부에 다중채널을 형성시키며, 금속산화물 전구체는 산화 및 결정화되고, 아포페리틴이 열분해 되어 나노입자 촉매가 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계; (f) 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시키고, 저항변화 식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅, 드랍 코팅, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.According to this embodiment, a sensing material and a method for manufacturing a gas sensor member using the same include: (a) embedding a nanoparticle catalyst in a hollow structure of apoferritin; (b) dissolving two polymers and a metal oxide precursor which are not mixed with each other in a solvent to synthesize an electrospinning solution; (c) mixing the apoferritin containing the nanoparticle catalyst with the electrospinning solution to prepare a composite electrospinning solution composed of the apopertin / metal oxide precursor / two polymers with the nanoparticle catalyst; (d) electrospinning the complex electrospinning solution to prepare a composite nanofiber in which apoferritin containing the nanoparticle catalyst is uniformly contained on the surface and inside of the metal oxide precursor / two polymer composite nanofibers; (e) Through high temperature heat treatment, the polymer is thermally decomposed to form multichannels in the nanofibers, the metal oxide precursor is oxidized and crystallized, and the apoferritin is thermally decomposed so that the nanoparticle catalyst is multi-channeled inside the multichannel metal oxide nanofibers. Preparing functionalized multichannel metal oxide nanofibers uniformly bound to the channel and the outer surface; (f) Grinding and dispersing the multi-channel metal oxide nanofibers in which the nano-sized catalyst is bound in a solvent, and coating at least one of spin coating, drop coating, inkjet printing, and dispensing on the sensor electrode for a resistive gas sensor. It may include the step of coating using.

이때, 상기 (a) 단계에서, 아포페리틴은 8 nm 크기의 내부 중공을 갖는 동물단백질로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내부 중공에 내장시킬 수 있고, 환원 과정을 거쳐 1-5 nm의 직경 범위를 갖는 나노입자를 형성한다. 촉매금속 이온을 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해 아포페리틴이 용해된 용액에 촉매 금속염을 첨가하여 촉매금속 이온을 내장시키고, 환원제를 첨가하여 촉매금속 이온을 촉매금속 입자로 환원시킨다. 아포페리틴의 내부 중공에 촉매금속 이온을 내장시키기 위해 사용되는 대표적인 금속 염은, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III)chloride, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 등이 있으며, 이러한 금속염을 사용하여 내장된 금속 이온이 환원과정을 거쳐, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 등을 형성한다. 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 등이 있다. 최종 합성된, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴은 원심분리 및 세척한 후 용매에 분산시켜 준비한다.At this time, in step (a), apoferritin is an animal protein having an internal hollow of 8 nm in size, and may include one or more catalytic metal ions in the internal hollow, and have a diameter of 1-5 nm through a reduction process. To form nanoparticles with a range. In order to embed the catalytic metal ions into the interior hollow of the apoferritin, a catalyst metal salt is added to the solution in which the apoferritin is dissolved to embed the catalyst metal ions, and a reducing agent is added to reduce the catalyst metal ions to the catalyst metal particles. Representative metal salts used to embed catalytic metal ions into the internal hollow of apoferritin include platinum (IV) chloride, platinum (II) acetate, gold (I, III) chloride, gold (III) acetate, 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, Tantalum (V) chloride, Palladium (II) chloride, Lanthanum (III) acetate, Copper (II) sulfate, and Rhodium (III) chloride, and the metal ions embedded in these metal salts are reduced and Pt, Au, Ag, Fe, Ni , Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, and Ge. Reducing agents for reducing metal ions include sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate. The final synthesized, apoferritin containing the nanoparticle catalyst is prepared by centrifugation and washing followed by dispersion in a solvent.

또한, 상기 (b) 단계는, 금속산화물 전구체와 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 하나의 용매에 용해시키는 단계이다. 대표적인 금속산화물 전구체는 금속이 포함된 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 메톡시드(methoxide), 에톡시드(ethoxide), 부톡시드(butoxide), 이소프로폭시드(isopropoxide), 설파이드(sulfide) 등이 있으며, 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자는 대표적으로, polyvinylpyrolidone과 polyacrylonitrile, poly(styreneacrylonitrile)과 polyacrylonitrile, cellulose acetate과 polyacrylonitrile, poly(methylmethacrylate)과 polyacrylonitrile, polystyrene과 polyacrylonitrile 및 poly(ethylene oxide)과 polyacrylonitrile 등이 있다. 이러한 두 가지의 고분자는 같은 용매에 녹을 수 있지만, 서로 혼합될 수 없어 용매 내에서 연속 상을 차지하는 제 1 고분자와 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 상 분리가 일어나게 된다. 제 2 고분자의 중량 비율은, 제 1 고분자의 중량 대비 50-150%의 범위에서 다양하게 조절될 수 있다.In addition, step (b) is a step of dissolving two polymers that are not mixed with the metal oxide precursor in one solvent. Representative metal oxide precursors include acetates, nitrates, chlorides, acetylacetonates, methoxides, ethoxides, butoxides, butoxides containing metals, Isopropoxide and sulfide are two types of polymers that are not mixed with each other. , polystyrene and polyacrylonitrile, poly (ethylene oxide) and polyacrylonitrile. These two polymers can be dissolved in the same solvent, but they cannot be mixed with each other, resulting in phase separation into a first polymer occupying a continuous phase in a solvent and a second polymer occupying a discontinuous phase. The weight ratio of the second polymer may be variously adjusted in the range of 50-150% relative to the weight of the first polymer.

또한, 상기 (c) 단계는, 상기 (a) 단계에서 합성한 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 상기 (b) 단계에서 합성한 전기방사 용액에 혼합하여, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계이다. 상기 (b) 단계에서 합성된 용액이 교반되는 상태에서 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴이 분산된 용액을 천천히 첨가하여 복합 전기방사 용액을 제조한다. 전기방사 용액을 제조할 경우, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 농도는 금속산화물 대비 0.01-1 wt%의 범위에서 다양하게 조절될 수 있다.In addition, in step (c), the apoferritin containing the nanoparticle catalyst synthesized in the step (a) is mixed with the electrospinning solution synthesized in the step (b), and the nanoparticle catalyst is embedded in the apoferritin / It is a step of preparing a composite electrospinning solution consisting of a metal oxide precursor / two polymers. In the state in which the solution synthesized in step (b) is stirred, a solution of apopertin in which the nanoparticle catalyst is embedded is slowly added to prepare a composite electrospinning solution. When the electrospinning solution is prepared, the concentration of the apoferritin in which the nanoparticle catalyst is embedded may be adjusted in a range of 0.01-1 wt% relative to the metal oxide.

또한, 상기 (d) 단계는, 상기 (c) 단계에서 합성한 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 합성하는 단계이다. 나노섬유가 전기방사되는 과정에서, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상에 의해서, 나노 섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하게 되고, 금속산화물 전구체는 혼합될 수 있는 제 1 고분자와 함께 존재하며, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 우수한 분산성 때문에, 상기 복합 나노섬유의 내부 및 표면에 아포페리틴/촉매가 균일하게 분포되는 특징을 갖는다. In addition, the step (d), by electrospinning the composite electrospinning solution synthesized in the step (c) to synthesize a composite nanofiber composed of apopertin / metal oxide precursor / two polymers containing a nanoparticle catalyst Step. In the process of electrospinning the nanofibers, due to the phase separation of the two polymers that are not mixed with each other, a plurality of second polymer fibers that occupy the discontinuous phase inside the first polymer fibers occupying the continuous phase of the nanofibers, The metal oxide precursor is present with the first polymer which can be mixed, and due to the excellent dispersibility of the apoferritin in which the nanoparticle catalyst is embedded, the apoferritin / catalyst is uniformly distributed inside and on the surface of the composite nanofiber. Have

또한, 상기 (e) 단계는, 상기 (d) 단계에서 합성된 복합 나노섬유의 500-700 ℃의 고온 열처리를 통해, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 나노섬유 내부에 다중채널을 남기고, 금속산화물 전구체가 다중채널 형태를 유지하며 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되어 내부 중공에 포함하던 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 합성한다. 이러한 열처리 과정에서, 상기 제 2 고분자가 열분해 되는 온도가 금속산화물 전구체의 결정화 온도보다 50-150 ℃만큼 높기 때문에, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 1 내지 20 nm의 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 또한, 상기 아포페리틴은 외경 12 nm와 내경 8 nm로 이루어진 동물단백질로, 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1 내지 15 nm의 크기 범위를 갖는 미세기공을 남기는 것을 특징으로 한다. 또한, 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환될 수 있다. 또한, 이때 형성되는 금속산화물 나노섬유는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO,In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Cr3O4, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0.3La0.57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Ga2O3, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 및 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 다양하게 구성될 수 있다.In addition, in the step (e), through the high temperature heat treatment of the composite nanofibers synthesized in the step (d) at 500-700 ℃, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to leave multiple channels inside the nanofibers. The multi-channel metal oxide nanofibers, in which the metal oxide precursor is oxidized and crystallized while maintaining the multi-channel form, and the nanoparticle catalyst, which is decomposed and contained in the inner hollow, is uniformly bound to the multi-channel and outer surface of the nanofibers. Synthesize. In this heat treatment process, since the temperature at which the second polymer is pyrolyzed is 50 to 150 ° C. higher than the crystallization temperature of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and the plurality of second polymer fibers are separated from the nanofibers. The growth of the metal oxide particles is suppressed by the support therein, thereby forming a metal oxide having a small particle size of 1 to 20 nm. In addition, the apoferritin is an animal protein consisting of an outer diameter of 12 nm and an inner diameter of 8 nm, and is characterized by leaving micropores having a size range of 1 to 15 nm in the nanofibers as the protein shell is decomposed during the heat treatment. In addition, the nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 after heat treatment. , CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , It may be substituted with at least one nanoparticle catalyst of Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3, and GeO 2 . In addition, the metal oxide nanofibers formed at this time are 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 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , V 2 O 5 , Cr 3 O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , 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 , RuO 2 , IrO 2 , MnO 2 , InTaO 4 , ITO, IZO, InTaO 4 , MgO, Ga 2 O 3 , 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 and Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O more than one or two selected from 3-7 It can be composed of a variety of composite materials.

또한, 상기 (f) 단계는, 상기 (e) 단계에서 합성된 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시킨 후, 분산용액을 미리 준비된 저항변화 식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅(spin coating), 드랍 코팅(drop coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 및 디스펜싱(dispensing) 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계이다. 센서 전극 위에 감지물질을 균일하게 코팅할 수 있다면 어떤 코팅 방법이든 사용할 수 있다.In addition, the step (f), after crushing the multi-channel metal oxide nanofibers with the nano-sized catalyst synthesized in the step (e) is dispersed in a solvent, the dispersion solution is prepared in advance for the resistance change type gas sensor Coating the sensor electrode using at least one coating process of spin coating, drop coating, ink-jet printing, and dispensing. As long as the sensing material can be uniformly coated on the sensor electrode, any coating method can be used.

여기서, 상기 합성된 나노섬유에 결착된 나노입자 촉매의 크기는 1-5 nm의 범위를 가지며, 나노섬유의 직경은 300-500 nm의 범위를 갖는다. 또한, 나노섬유의 내부에 존재하는 하나의 채널의 크기는 10-50 nm의 범위를 가지며, 그 개수는 5-20개의 범위를 갖는다. Here, the size of the nanoparticle catalyst bound to the synthesized nanofibers has a range of 1-5 nm, the diameter of the nanofibers has a range of 300-500 nm. In addition, the size of one channel present in the interior of the nanofibers is in the range of 10-50 nm, the number is in the range of 5-20.

상기 합성된 감지물질의 경우 5 nm 이하의 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 표면에 균일하게 결착되어 기능화되고, 다중채널이 형성됨에 따라 비표면적이 증대하여 가스 반응이 증가될 뿐 아니라, 가스가 나노섬유 내부에도 확산될 수 있어 효율적인 가스 반응을 제공하고, 나노섬유의 내부에 존재하는 촉매입자들도 기능화되어 촉매의 효과가 극대화될 수 있다는 장점을 가지고 있다.In the case of the synthesized sensing material, the nanoparticle catalyst of 5 nm or less is uniformly bound to the internal multichannel and the surface of the nanofiber, and functionalized, and as the multichannel is formed, the specific surface area increases, thereby increasing the gas reaction. The gas can be diffused in the nanofibers to provide an efficient gas reaction, and the catalyst particles present in the nanofibers can be functionalized to maximize the effect of the catalyst.

이처럼, 아포페리틴의 내부 중공에 1-5 nm의 크기 범위를 갖는 나노입자 촉매들을 내장시키고, 상기 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 금속산화물 전구체/서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자 복합 방사용액과 혼합한 후 전기방사를 수행하여, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 균일하게 결착시킬 수 있다. 전기방사 중에, 두 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하게 되고, 금속산화물 전구체는 혼합될 수 있는 제 1 고분자 섬유에 함께 존재하며, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴이 나노섬유의 표면 및 내부에 균일하게 포함도리 수 있다. 이후 고온 열처리 과정을 통해, 상기 제 2 고분자가 열분해되어 섬유 내부에 다중채널을 남기며, 상기 금속산화물 전구체가 다중채널 형태를 유지하며 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 열분해되어 나노 섬유에 미세 기공을 남기고, 내부 중공에 포함하던 나노입자 촉매가 나노섬유의 표면 및 다중채널 내부에 균일하게 결착되어 기능화된 가스센서용 감지소재를 대량으로 합성할 수 있다.As such, two nanocomposite composite spinning solutions in which nanoparticle catalysts having a size range of 1-5 nm are embedded in the inner hollow of apoferritin, and apoferritin containing the nanoparticle catalyst is not mixed with a metal oxide precursor / After mixing, electrospinning may be performed to uniformly bind the apoferritin containing the nanoparticle catalyst to the surface and the inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber. During electrospinning, a plurality of second polymer fibers occupying discontinuous phases exist inside the first polymer fiber occupying the continuous phase of the nanofibers by phase separation of the two polymers, and the metal oxide precursor may be mixed with the first polymer. Apoferritin, which is present together in the fiber and contains the nanoparticle catalyst, may be uniformly included in the surface and the inside of the nanofiber. After the high temperature heat treatment process, the second polymer is thermally decomposed to leave multiple channels inside the fiber, the metal oxide precursor is oxidized and crystallized while maintaining a multi-channel form, and the apoferritin is thermally decomposed to form micropores in the nanofibers. In addition, the nanoparticle catalyst contained in the inner hollow is uniformly bound on the surface of the nanofibers and the multi-channels, thereby enabling the synthesis of functionalized sensing materials for gas sensors in large quantities.

여기서, 나노입자 촉매들이 아주 작은 크기(1-5 nm)로 균일하게 결착되어 있어, 가스가 나노섬유와 반응할 때 나타나는 촉매의 효과를 극대화할 수 있으며, 고온의 구동 온도에서도 촉매입자들이 서로 응집하지 않아 가스센서의 안정성을 증대시켰다. 또한, 고온 열처리 과정에서 제 2 고분자의 역할에 의해 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성되는데, 이는 가스의 유무에 따른 저항변화를 극대화시켜 극미량의 가스도 검출할 수 있는 고감도의 특성을 가져온다. 또한 나노섬유의 내부에 다중채널이 형성된 구조를 통해, 증대된 비표면적을 가져오고, 나노섬유의 내부에도 가스가 용이하게 침투할 수 있어 효율적인 가스반응을 제공하며, 내부에 결착된 촉매도 가스와의 접촉이 가능하게 하여 촉매의 효과를 극대화함으로써 감지 특성을 획기적으로 증가시켰다.Here, the nanoparticle catalysts are uniformly bound to a very small size (1-5 nm), thereby maximizing the effect of the catalyst when the gas reacts with the nanofibers, and the catalyst particles aggregate with each other even at high operating temperatures. This increases the stability of the gas sensor. In addition, the metal oxide having a small particle size is formed by the role of the second polymer in the high temperature heat treatment process, which maximizes the resistance change according to the presence or absence of gas, resulting in a high sensitivity characteristic that can detect a very small amount of gas. In addition, the structure of the multi-channel formed inside the nanofiber, resulting in an increased specific surface area, gas can easily penetrate the inside of the nanofiber to provide an efficient gas reaction, and the catalyst is also bound to the gas The contact characteristics of the catalyst can be maximized, maximizing the effect of the catalyst, thereby significantly increasing the detection characteristics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매(122)가 내장된 아포페리틴(121)이 고온 열처리 후에 분해되며 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 내부 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유(110)를 이용한 가스센서용 부재(100)의 모식도를 도시하고 있다. 1-5 nm의 아주 작은 크기의 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 및 외부에 균일하게 포함되어 우수한 가스 감지 특성을 보이는 것을 특징으로 한다. 1 shows that apoferritin 121 having a nanoparticle catalyst 122 embedded therein according to an embodiment of the present invention is decomposed after high temperature heat treatment, and the nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner and outer surfaces of the multi-channel of the nanofibers to be functionalized. A schematic diagram of the gas sensor member 100 using the multi-channel metal oxide nanofibers 110 is shown. A very small nanoparticle catalyst of 1-5 nm is uniformly contained inside and outside of the nanofibers, which is characterized by excellent gas detection properties.

상기 나노 크기의 촉매입자가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재(100)를 통해 특정 가스에 대한 우수한 감도와 선택적 감지능력을 지닌 센서를 구현하여, 사람의 날숨 속에 포함된 생체지표 가스를 선택적으로 검출하여 질병의 조기 진단 및 일일 진단이 가능하다. 또한, 다중채널 나노섬유에 포함되는 촉매의 양을 정량적으로 조절하여 효과적으로 촉매 특성을 제어할 수 있고, 다양한 종류의 나노입자 촉매/금속산화물 복합 다중채널 나노섬유의 합성을 통해, 여러 종류의 가스 검출에 사용될 수 있는 가스센서용 부재를 간단하게 제작할 수 있다.The gas sensor member 100 using the multi-channel metal oxide nanofibers in which the nano-sized catalyst particles are bound to realize a sensor having excellent sensitivity and selective sensing ability for a specific gas, which is included in human exhalation Selective detection of indicator gases enables early and daily diagnosis of the disease. In addition, it is possible to effectively control the catalyst properties by quantitatively controlling the amount of the catalyst contained in the multi-channel nanofibers, and through the synthesis of various types of nano-particle catalyst / metal oxide complex multi-channel nanofibers, to detect various kinds of gases The gas sensor member can be easily manufactured.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노크기의 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유 구조를 이용한 가스센서 제조 방법의 순서도를 보여준다. 순서도에서 볼 수 있듯이, 가스센서 제조 방법은, 아포페리틴의 내부 중공에 나노입자 촉매를 결착하는 단계(S210), 상기 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 전기방사 용액에 첨가하여 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계(S220), 상기에서 제조된 혼합용액을 전기방사법을 이용하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/연속 상을 차지하는 제 1 고분자/불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 합성하는 단계(S230), 상기 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리를 통해 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제작하는 단계(S240)를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기의 각 단계에 대하여 보다 상세하게 설명한다.Figure 2 shows a flow chart of a method for manufacturing a gas sensor using a multi-channel metal oxide nanofiber structure functionalized by the nano-sized catalyst uniformly bonded to the inner multi-channel and the outer surface of the nanofiber according to an embodiment of the present invention. As can be seen in the flow chart, the gas sensor manufacturing method, the step of binding the nanoparticle catalyst to the inner hollow of the apoferritin (S210), the nanoparticle catalyst embedded apoferritin metal oxide precursor / two polymer electrospinning solution Preparing a complex electrospinning solution by adding to (S220), the first solution / discontinuous phase of the mixed solution prepared above occupies the apoferritin / metal oxide precursor / continuous phase containing the nanoparticle catalyst by using the electrospinning method Synthesizing the composite nanofibers composed of the second polymer occupying (S230), through the high temperature heat treatment of the synthesized composite nanofibers nanoparticle catalyst is uniformly bound to the inner multi-channel and outer surface of the nanofibers functionalized multiple It may be configured to include a channel metal oxide nanofibers manufacturing step (S240). In the following, each of the above steps will be described in more detail.

우선적으로, 아포페리틴의 내부 중공에 나노입자 촉매를 결착하는 단계(S210)을 살펴본다. 본 단계에서 사용되는 아포페리틴은 동물단백질로, 외경 12 nm 및 내경 8 nm의 중공 구조를 갖는다. 이러한 내부 중공 구조에 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내장시킬 수 있고, 환원 과정을 거쳐 1-5 nm의 직경 범위를 갖는 나노입자를 형성시킬 수 있다. 촉매금속 이온을 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해서, 아포페리틴이 녹아있는 용액에 촉매 금속염을 첨가하여 촉매금속 이온을 아포페리틴의 내부 중공에 확산시키고, 환원제를 첨가하여 촉매금속 이온을 촉매금속 입자로 환원시킨다. 아포페리틴의 내부 중공에 금속 이온을 내장시키기 위해 사용되는 대표적인 금속 염은, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 등이 있으며, 내부 중공에 확산될 수 있는 금속 이온을 포함하는 금속 염이라면 특정 금속 염에 제한을 두지 않는다. 이러한 금속염을 사용하여 내장된 금속 이온이 환원과정을 거쳐, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 등을 형성한다. 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 등이 있으며, 이중 적어도 하나의 환원제를 이용하여 환원시킨다. 최종 합성된, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴은 원심분리 및 세척한 후 용매에 분산시켜 준비한다.First, look at the step (S210) of binding the nanoparticle catalyst to the inner hollow of the apoferritin. Apoferritin used in this step is an animal protein and has a hollow structure having an outer diameter of 12 nm and an inner diameter of 8 nm. One or more catalytic metal ions may be embedded in the internal hollow structure, and nanoparticles having a diameter range of 1-5 nm may be formed through a reduction process. In order to embed the catalytic metal ions into the internal hollow of the apoferritin, a catalytic metal salt is added to the solution in which the apoferritin is dissolved to diffuse the catalytic metal ions into the internal hollow of the apoferritin, and a reducing agent is added to the catalytic metal ions. Reduced to. Representative metal salts used to embed metal ions into the internal hollow of apoferritin include platinum (IV) chloride, platinum (II) acetate, gold (I, III) chloride, gold (III) acetate, silver chloride, silver acetate , Iron (III) chloride, Iron (III) acetate, Nickel (II) chloride, Nickel (II) acetate, Ruthenium (III) chloride, RutheniumAcetate, Iridium (III) chloride, Iridium acetate, Tantalum (V) chloride, Palladium ( II) chloride, Lanthanum (III) acetate, Copper (II) sulfate, and Rhodium (III) chloride. Metal salts containing metal ions that can diffuse into the interior hollow are not limited to specific metal salts. Metal ions embedded using these metal salts undergo a reduction process, and Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr , In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, and Ge. Reducing agents for reducing metal ions include sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate. Among them, it is reduced by using at least one reducing agent. The final synthesized, apoferritin containing the nanoparticle catalyst is prepared by centrifugation and washing followed by dispersion in a solvent.

이어서, 상기 합성된 아포페리틴을 첨가하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계(S220)를 살펴본다. 본 단계(S220)에서는 상기 S210에서 제작된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 활용하여, 이들이 균일하게 분산되어 있는 금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 전기방사 용액을 제조한다. 여기서 두 가지의 고분자는 하나의 용매에 녹을 수는 있지만 서로 혼합될 수 없는 특성을 가진다. 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자는 대표적으로, polyvinylpyrolidone과 polyacrylonitrile, poly(styreneacrylonitrile)과 polyacrylonitrile, cellulose acetate과 polyacrylonitrile, poly(methylmethacrylate)과 polyacrylonitrile, polystyrene과 polyacrylonitrile 및 poly(ethylene oxide)과 polyacrylonitrile 등이 있다. 이러한 두 고분자는 하나의 용매 내에서, 연속 상을 차지하는 제 1 고분자와 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 상 분리가 일어나게 된다. 제 2 고분자의 중량 비율은, 제 1 고분자의 중량 대비 50- - 150%의 범위에서 다양하게 조절될 수 있다. 또한, 본 단계에서 사용되는 금속산화물 전구체는 대표적으로 금속이 포함된 아세테이트, 나이트레이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드 등과 같이 고온 열처리 후에 저항변화 식 가스센서 감지물질의 특성을 갖는 금속산화물을 형성하는 전구체라면 특정 금속 염에 제한을 두지 않는다. 본 단계에서 사용되는 용매는 N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 탈이온수, 에탄올 등과 같은 상용성 용매이지만 금속산화물 전구체와 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 동시에 용해시킬 수 있는 용매를 선택하여야 한다. Subsequently, the step of preparing the polymer composite electrospinning solution of the apoferritin / metal oxide precursor / two polymer particles in which the nanoparticle catalyst is embedded by adding the synthesized apoferritin will be described (S220). In this step (S220) by using the nanoparticle catalyst built-in apoferritin prepared in S210, to prepare a metal oxide precursor / two polymer composite electrospinning solution in which they are uniformly dispersed. Here, the two polymers have a property that they can be dissolved in one solvent but cannot be mixed with each other. Two polymers that are not mixed with each other are polyvinylpyrolidone and polyacrylonitrile, poly (styreneacrylonitrile) and polyacrylonitrile, cellulose acetate and polyacrylonitrile, poly (methylmethacrylate) and polyacrylonitrile, polystyrene and polyacrylonitrile, and poly (ethylene oxide) and polyacrylonitrile. These two polymers, in one solvent, will undergo phase separation into a first polymer occupying a continuous phase and a second polymer occupying a discontinuous phase. The weight ratio of the second polymer may be variously adjusted in the range of 50-150% relative to the weight of the first polymer. In addition, the metal oxide precursor used in this step is a change in resistance after high temperature heat treatment such as acetate, nitrate, chloride, acetylacetonate, methoxide, ethoxide, butoxide, isopropoxide, sulfide, etc., typically containing metal Any precursor that forms a metal oxide having the characteristics of a formula gas sensor sensing material is not limited to a specific metal salt. The solvent used in this step is a compatible solvent such as N, N'-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N, N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, deionized water, ethanol, etc. A solvent that can dissolve two polymers that are not mixed with each other must be selected.

전기방사 용액을 제조하는 과정은 금속산화물 전구체와 제 1 고분자를 용매에 충분히 용해시킨 후, 제 2 고분자를 첨가하여 용해시키고 5 시간 내지는 24 시간 동안 교반시켜 준 후에, 마지막으로 상기 과정(S210)을 통해 합성된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 첨가하여 혼합한다. 마지막으로 2 시간 내지는 6 시간 동안 교반시켜 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴, 금속산화물 전구체, 두 가지 고분자가 용액 속에 균일하게 혼합되도록 한다.In the process of preparing the electrospinning solution, the metal oxide precursor and the first polymer are sufficiently dissolved in a solvent, the second polymer is added and dissolved, and the mixture is stirred for 5 hours or 24 hours, and finally, the process (S210) is performed. The nanoparticle catalyst synthesized through is added and mixed with apoferritin. Finally, the mixture is stirred for 2 to 6 hours to uniformly mix the two polymers, the apoferritin containing the nanoparticle catalyst and the metal oxide precursor, in the solution.

이어서, 상기에서 제조된 혼합용액을 전기방사법을 이용하여 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/연속 상을 차지하는 제 1 고분자/불연속 상을 차지하는 제 2 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 합성하는 단계(S230)를 수행한다. 전기방사법을 수행함에 있어, 상기에 준비된 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자 복합 전기방사용액을 시린지(syringe)에 채운 후, 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지를 밀어줌으로써, 단위 시간당 일정한 양의 방사용액이 토출되도록 한다. 전기방사 시스템은 고전압 발생기, 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 펌프를 포함하여 구성될 수 있고, 용액이 채워진 시린지의 니들 끝과 전도성 기판 사이에 고전압(5-30 kV)의 전기장을 걸어주면 시린지 니들을 통해 토출되는 방사용액이 나노섬유 형태로 변형되어 전도성 기판 위에 집적된다. 토출되는 속도는 0.01 ml/분 내지는 0.5 ml/분 내외로 다양하게 조절될 수 있으며, 전압과 토출량의 조절을 통해서 나노섬유의 직경이나 길이를 조절하여 원하는 크기를 갖는 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 나노섬유를 제작할 수 있다. 본 단계의 전기방사에서는, 서로 혼합되지 않는 두 고분자의 상 분리 현상에 의해서, 나노 섬유의 연속 상을 차지하는 제 1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자 섬유가 다수 존재하게 되고, 금속산화물 전구체는 혼합될 수 있는 제 1 고분자와 함께 존재하며, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 우수한 분산성 때문에, 상기 복합 나노섬유의 내부 및 표면에 나노입자/아포페리틴이 균일하게 분포되는 특징을 갖는다.Subsequently, the composite solution prepared above was synthesized using an electrospinning method to synthesize a composite nanofiber composed of apopertin / metal oxide precursor having a nanoparticle catalyst embedded therein / a first polymer having a continuous phase / a second polymer having a discontinuous phase. Step S230 is performed. In performing the electrospinning method, after filling the syringe (syringe) with the apopertin / metal oxide precursor / two polymer composite electrospinning solution containing the nanoparticle catalyst prepared above, the syringe at a constant speed using a syringe pump By pushing, a fixed amount of spinning solution is discharged per unit time. The electrospinning system may comprise a high voltage generator, a grounded conductive substrate, a syringe, a syringe pump, and a high voltage (5-30 kV) electric field is applied between the needle end of the syringe filled with the solution and the conductive substrate. The spinning solution discharged through is transformed into nanofiber form and integrated on the conductive substrate. The discharge rate can be variously adjusted to within 0.01 ml / min or 0.5 ml / min, and control the diameter and length of the nanofibers by controlling the voltage and the discharge amount, the apoptotin with a nanoparticle catalyst having a desired size It is possible to fabricate composite nanofibers composed of / metal oxide precursors / two polymers. In the electrospinning of this step, due to the phase separation phenomenon of two polymers that are not mixed with each other, a large number of second polymer fibers occupying discontinuous phases exist inside the first polymer fibers occupying the continuous phase of the nanofibers, and the metal oxide precursor Is present with the first polymer that can be mixed, and due to the excellent dispersibility of the apoferritin containing the nanoparticle catalyst, nanoparticles / apoferritin are uniformly distributed inside and on the surface of the composite nanofiber.

마지막으로, 상기 제작된 복합 나노섬유를 고온 열처리하여, 나노입자 촉매들이 다중채널 금속산화물의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제작하는 단계(S240)를 수행한다. 본 단계에서는, 500-700 ℃의 온도 범위에서 열처리하여, 고분자와 아포페리틴을 열분해시키며, 나노섬유의 내부에 다중채널을 형성시키고 아포페리틴에 내장되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 및 외부에 균일하게 결착되도록 한다. 열처리를 하는 과정에서, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 다중채널을 남기고, 금속산화물 전구체가 다중채널 형태를 유지하며 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되어 내부 중공에 포함하던 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유가 합성된다. 이러한 열처리 과정에서, 상기 제 2 고분자가 열분해 되는 온도가 금속산화물 전구체의 결정화 온도보다 50-150 ℃만큼 높기 때문에, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소하고, 다수의 제 2 고분자 섬유가 나노섬유의 내부에서 버팀에 따라 금속산화물 입자의 성장이 억제되어, 1 내지 20 nm의 작은 입자 크기를 갖는 금속산화물이 형성된다. 또한, 상기 아포페리틴은 외경 12 nm와 내경 8 nm로 이루어진 동물단백질로, 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1 내지 15 nm의 크기 범위를 갖는 미세기공을 남기는 것을 특징으로 한다. 또한, 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환된다. 또한, 본 단계에서 형성되는 금속산화물 나노섬유는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO,In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Cr3O4, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0 . 3La0 . 57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Ga2O3, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 및 Ba0 . 5Sr0 . 5Co0 . 8Fe0 . 2O3 - 7 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 다양하게 구성될 수 있다.Finally, the high temperature heat treatment of the produced composite nanofibers, nanoparticle catalysts are uniformly bound to the inner multi-channel and outer surface of the multi-channel metal oxide to produce a functionalized multi-channel metal oxide nanofibers (S240) To perform. In this step, by heat treatment in the temperature range of 500-700 ℃, pyrolysis of the polymer and apoferritin, forming a multi-channel inside the nanofiber and the nanoparticle catalyst embedded in the apoferritin inside and outside the nanofiber Ensure uniform binding. In the heat treatment process, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to leave multichannels, the metal oxide precursor is oxidized and crystallized while maintaining the multichannel form, and the apoferritin is decomposed to be included in the interior hollow nanoparticles. Multichannel metal oxide nanofibers are synthesized in which the catalyst is uniformly bound to the multichannel and outer surfaces of the nanofibers. In this heat treatment process, since the temperature at which the second polymer is pyrolyzed is 50-150 ° C. higher than the crystallization temperature of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced, and the plurality of second polymer fibers are separated from the nanofibers. The growth of the metal oxide particles is suppressed by the support therein, thereby forming a metal oxide having a small particle size of 1 to 20 nm. In addition, the apoferritin is an animal protein consisting of an outer diameter of 12 nm and an inner diameter of 8 nm, and is characterized by leaving micropores having a size range of 1 to 15 nm in the nanofibers as the protein shell is decomposed during the heat treatment. In addition, the nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 after heat treatment. , CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , It is substituted with a nanoparticle catalyst of at least one of Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3, and GeO 2 . In addition, the metal oxide nanofibers formed in this step are 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 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , V 2 O 5 , Cr 3 O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , 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 , RuO 2 , IrO 2 , MnO 2 , InTaO 4 , ITO, IZO, InTaO 4 , MgO, Ga 2 O 3 , 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 and Ba 0. 5 Sr 0 . 5 Co 0 . 8 Fe 0 . 2 O 3 - and it may be variously configured with one or more composites selected from the group consisting of 7.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법을 이용한 나노 크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 이용한 가스센서용 부재의 제조방법에 따른 제조 공정 순서를 개략적으로 도시하고 있다.FIG. 3 schematically illustrates a manufacturing process sequence according to a method for manufacturing a gas sensor member using multi-channel metal oxide nanofibers in which a nano-sized catalyst is bound using an electrospinning method according to an embodiment of the present invention.

제 1 과정인 단계(S310)는 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/금속산화물 전구체/두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 전기방사하여, 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴이 균일하게 분산된 복합 나노섬유를 제작하는 예를 나타내고 있다.The first step (S310) is the electrospinning of a composite electrospinning solution composed of apopertin / metal oxide precursor / two polymers with a nanoparticle catalyst, the apoferritin with a nanoparticle catalyst is uniformly dispersed The example which manufactures a composite nanofiber is shown.

제 2 과정인 단계(S320)는 단계(S310)에서 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리하는 과정을 나타내고 있다. 불연속 상을 차지하는 제 2 고분자가 열분해되며 나노섬유의 내부에 다수의 채널을 남기고, 아포페리틴이 분해되며 내장되어 있던 나노입자 촉매들이 나노섬유에 균일하게 결착된다.Step S320, which is a second process, represents a process of high temperature heat treatment of the composite nanofibers synthesized in step S310. The second polymer, which occupies the discontinuous phase, is pyrolyzed, leaving a plurality of channels inside the nanofibers, apopertin is decomposed, and the nanoparticle catalysts embedded therein are uniformly bound to the nanofibers.

하기에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어있는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples. The examples and comparative examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1: Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 제조 1: Preparation of Apoferritin with Pt Nanoparticle Catalyst

우선, 0.5 g의 아포페리틴을 수산화나트륨(NaOH) 용액(0.1 mol/L)으로 처리하여 pH를 8.5로 맞춰준다. 그 후에, 따로 준비된 Pt 전구체(H2PtCl6H2O) 수용액(1.6 wt%)을 아포페리틴 용액에 첨가하고 상온에서 100 rpm의 속도로 1 시간 내지는 3 시간 동안 교반하여 Pt 이온이 아포페리틴의 내부 중공 구조에 확산 되도록 한다. 이어서, 아포페리틴에 내장된 Pt 이온을 Pt 입자로 환원시키기 위해서, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 수용액(0.1 mol/L)을 첨가하고 상온에서 200 rpm의 속도로 10분 내지는 30분 동안 교반한다. 그 후에, 교반된 용액을 원심분리하여 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴을 용액으로부터 분리하고, 에탄올로 세척한다. 상기 원심분리 및 에탄올 세척 과정을 3번 이상 수행한 후, 수집된 아포페리틴을 2.5 g의 N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide, DMF) 용액에 분산시키고, 제조된 분산액을 전기방사 용액 제조시 사용한다.First, 0.5 g of apoferritin is treated with sodium hydroxide (NaOH) solution (0.1 mol / L) to adjust the pH to 8.5. Thereafter, a separately prepared aqueous solution of Pt precursor (H 2 PtCl 6 H 2 O) (1.6 wt%) was added to the apoferritin solution, and stirred at a rate of 100 rpm at room temperature for 1 to 3 hours, whereby Pt ions were separated from the apoferritin. To diffuse into the internal hollow structure. Subsequently, in order to reduce the Pt ions embedded in the apoferritin to Pt particles, an aqueous solution of sodium borohydride (NaBH 4 ) (0.1 mol / L) is added and stirred at room temperature at a speed of 200 rpm for 10 minutes to 30 minutes. Thereafter, the stirred solution is centrifuged to separate apoferritin containing Pt nanoparticles from the solution and washed with ethanol. After performing the centrifugation and ethanol washing three times or more, the collected apoferritin was dispersed in 2.5 g of N, N'-dimethylformamide (DMF) solution, and the prepared dispersion was Used to prepare electrospinning solutions.

도 4는 상기의 과정으로 제조된 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴의 투과전자현미경 이미지를 나타낸다. 합성된 Pt 나노입자는 약 5 nm의 크기를 가짐을 알 수 있다.4 shows a transmission electron microscope image of the apoferritin containing the Pt nanoparticle catalyst prepared by the above process. It can be seen that the synthesized Pt nanoparticles have a size of about 5 nm.

실시예Example 2: Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴을 활용하여, Pt 나노입자 촉매가  2: By utilizing apoferritin embedded Pt nanoparticle catalyst, Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제작 Fabrication of multichannel metal oxide nanofibers

우선, 0.12 g의 polyvinylpyrolidone(PVP, 분자량: 1,300,000 g/mol)과 0.15 g의 주석전구체(SnCl22H2O)를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 1 시간 내지는 3 시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 그 후에, 0.18 g의 polyacrylonitrile(PAN, 분자량: 150,000 g/mol)을 첨가하고 약 70 ℃의 온도에서 6 시간 내지는 12 시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 마지막으로, 실시예 1에서 합성한 아포페리틴 분산액 120 μL를 상기 교반된 용액에 첨가하여 최종 복합 전기방사 용액을 제조한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다.First, 0.12 g of polyvinylpyrolidone (PVP, molecular weight: 1,300,000 g / mol) and 0.15 g of tin precursor (SnCl 2 2H 2 O) were mixed in 2 ml of DMF solution, and at 300 rpm for 1 to 3 hours at room temperature. Stir at speed. Thereafter, 0.18 g of polyacrylonitrile (PAN, molecular weight: 150,000 g / mol) is added and stirred at a speed of 300 rpm for 6 to 12 hours at a temperature of about 70 ° C. Finally, 120 μL of the apoferritin dispersion synthesized in Example 1 is added to the stirred solution to prepare a final composite electrospinning solution. Transfer the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ® ), connect it to a syringe pump and push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and place the syringe needle (21 gauge) When a high voltage of 15 kV is applied between the stainless steel plates (stainless use steel), a composite nanofiber composed of apoferritin / tin precursor / PVP / PAN containing Pt nanoparticles in the current collector is synthesized.

도 5는 전기방사 후 수집된 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다. 합성된 나노섬유의 직경은 700 내지는 900 nm의 범위를 가지며, 나노섬유의 표면이 울퉁불퉁한 것을 볼 수 있다. 이러한 표면의 형상을 통해 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자의 상 분리 현상이 일어난 것을 알 수 있다.FIG. 5 is a scanning electron micrograph of the composite nanofiber composed of apoferritin / tin precursor / PVP / PAN containing Pt nanoparticles collected after electrospinning. The diameter of the synthesized nanofibers ranges from 700 to 900 nm, and it can be seen that the surface of the nanofibers is uneven. It can be seen that the phase separation of the two polymers that do not mix with each other occurs through the shape of the surface.

상기와 같은 방법으로 제조된 Pt 나노입자가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 280 ℃에서 한 시간 동안 유지한 후, 이어서 600 ℃에서 한 시간 더 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3-550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 여기서, 280 ℃에서 한 시간 동안 열처리를 해준 이유는, PAN을 안정화하기 위함이며, 고분자의 종류에 따라 조건은 달라질 수 있다. 또한, 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 유기물(아포페리틴, PVP, PAN)들이 분해되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되며, Pt 나노입자 촉매들이 결착되어 기능화된 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유를 형성한다. After the composite nanofibers composed of apoferritin / tin precursor / PVP / PAN containing Pt nanoparticles prepared as described above were heated at a rate of 5 ° C./min for 1 hour at 280 ° C., then 600 ° C. After one more hour of retention, the mixture was cooled to room temperature at a rate of 40 ° C./min. The heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. Here, the reason that the heat treatment for 1 hour at 280 ℃ is to stabilize the PAN, conditions may vary depending on the type of polymer. In addition, during heat treatment at 600 ° C., organic materials (apoferritin, PVP, PAN) are decomposed, tin precursors are oxidized and crystallized, and Pt nanoparticle catalysts are bound to form functionalized multichannel Pt—SnO 2 nanofibers.

도 6은 실시예 2에서 합성된 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여준다. 합성된 나노섬유는 유기물이 분해됨에 따라 300 내지는 400 nm의 감소된 직경을 갖는다. 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유의 채널 개수는, 하나의 나노섬유 당 5 내지 20 개의 범위를 가지며, 채널의 직경은 10 내지 50nm의 범위를 갖는 것을 알 수 있다.Figure 6 shows a scanning electron micrograph of the multichannel Pt-SnO 2 nanofibers synthesized in Example 2. The synthesized nanofibers have a reduced diameter of 300 to 400 nm as the organics decompose. It can be seen that the number of channels of the multichannel Pt-SnO 2 nanofibers has a range of 5 to 20 per one nanofiber, and the diameter of the channel has a range of 10 to 50 nm.

도 7은 실시예 2에서 합성된 다중채널 Pt-SnO2 나노섬유의 투과전자현미경 사진과 성분분석 결과를 보여주고 있다. 투과전자현미경 사진은 나노섬유의 내부에 다중채널이 존재함을 뚜렷하게 보여준다. 또한, 투과전자현미경 격자분석은 Pt 나노입자 촉매가 SnO2 나노섬유에 결착된 모습을 보여주며, 전자회절 분석을 통해 SnO2가 결정화를 이루고 있다는 것을 보여주고 있다. 더불어 투과전자현미경 성분분석(EDS)을 통해 Pt가 서로간의 응집 없이 SnO2 나노섬유에 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있으며, 라인 성분분석이 연속적인 지그재그 형태를 나타냄에 따라 다중채널 구조를 명확하게 확인할 수 있다.Figure 7 shows the transmission electron micrograph and component analysis of the multi-channel Pt-SnO 2 nanofibers synthesized in Example 2. Transmission electron micrographs clearly show the presence of multiple channels inside the nanofibers. In addition, the transmission electron microscope lattice analysis shows that the Pt nanoparticle catalyst is SnO 2 It shows the binding to the nanofibers, and shows the crystallization of SnO 2 through electron diffraction analysis. In addition, through transmission electron microscopy (EDS), it can be seen that Pt is evenly dispersed in SnO 2 nanofibers without agglomeration with each other, and the multi-channel structure is clearly identified as the line component analysis shows a continuous zigzag shape. Can be.

비교예Comparative example 1. Pt 나노입자 촉매가  1. Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound SnOSnO 22 나노섬유 Nano Fiber

상기 실시예 2와 비교할 수 있는 비교예로는 아포페리틴 기반의 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유 구조가 있다. 0.30 g의 PVP와 0.15 g의 주석전구체를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 6 시간 내지는 10 시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 상기 교반된 용액에 실시예 1에서 합성한 아포페리틴 분산액 120 μl를 첨가하여 최종 복합 전기방사 용액을 제조한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴/주석전구체/PVP로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다. 상기 Pt 나노입자 촉매가 내장된 아포페리틴 /주석전구체/PVP 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 600 ℃에서 한 시간 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 PVP가 열분해되고, 아포페리틴이 분해되며 내장되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 내부 및 외부에 결착되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되어 Pt-SnO2 나노섬유가 합성된다.As a comparative example that can be compared with Example 2, there is a SnO 2 nanofiber structure in which an apoferritin-based nanoparticle catalyst is bound. 0.30 g PVP and 0.15 g tin precursor are mixed in 2 ml of DMF solution and stirred at a speed of 300 rpm for 6 to 10 hours at room temperature. To the stirred solution, 120 μl of the apoferritin dispersion synthesized in Example 1 was added to prepare a final composite electrospinning solution. Transfer the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ® ), connect it to a syringe pump and push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and place the syringe needle (21 gauge) Applying a high voltage of 15 kV between the stainless steel plate (stainless use steel), a composite nanofiber composed of apoferritin / tin precursor / PVP with a Pt nanoparticle catalyst embedded in the collector plate. The apoferritin / tin precursor / PVP composite nanofibers containing the Pt nanoparticle catalyst were maintained at 600 ° C. for 1 hour at a temperature increase rate of 5 ° C./min, and then cooled to room temperature at a rate of 40 ° C./min. Heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. During heat treatment at 600 ° C., PVP is thermally decomposed, apoferritin is decomposed, and the embedded nanoparticle catalyst is bound to the inside and outside of the nanofibers, and the tin precursor is oxidized and crystallized to synthesize Pt-SnO 2 nanofibers.

도 8은 비교예 1에서 제조된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 합성된 SnO2 나노섬유의 직경은 평균 250 nm 정도이며, 실시예 2에서 제작된 다중채널 SnO2 나노섬유와 달리 채널이 없는 나노섬유 구조가 형성되었다.8 shows a scanning electron micrograph of SnO 2 nanofibers to which the Pt nanoparticle catalyst prepared in Comparative Example 1 is bound. The synthesized SnO 2 nanofibers have an average diameter of about 250 nm, and unlike the multichannel SnO 2 nanofibers prepared in Example 2, a channelless nanofiber structure was formed.

상기 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유는 상기 실시예 2에서 제작된 Pt나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.The prepared SnO 2 nanofibers to which the Pt nanoparticle catalysts were bound were used to compare the sensing characteristics of various gases with the multi-channel SnO 2 nanofibers to which the Pt nanoparticle catalysts prepared in Example 2 were bound.

비교예Comparative example 2. Pt 나노입자 촉매가  2. Pt nanoparticle catalyst 결착되지Not binding 않은 다중채널  Multichannel SnOSnO 22 나노섬유 Nano Fiber

상기 실시예 2와 비교할 수 있는 비교예로는 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유 구조가 있다. 0.12 g의 PVP와 0.15 g의 주석전구체를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 1시간 내지는 3시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 그 후에, 0.18 g의 PAN을 첨가하고 약 70 ℃의 온도에서 6시간 내지는 12시간 동안 300 rpm의 속도로 교반하여 최종 복합 전기방사 용액을 제조한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다.A comparative example that can be compared with Example 2 includes a multichannel SnO 2 nanofiber structure in which the Pt nanoparticle catalyst is not bound. 0.12 g of PVP and 0.15 g of tin precursor are mixed in 2 ml of DMF solution and stirred at a speed of 300 rpm for 1 to 3 hours at room temperature. Thereafter, 0.18 g of PAN is added and stirred at a speed of 300 rpm for 6 to 12 hours at a temperature of about 70 ° C. to produce the final composite electrospinning solution. Transfer the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ® ), connect it to a syringe pump and push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and place the syringe needle (21 gauge) Applying a high voltage of 15 kV between the stainless steel plate (stainless use steel), a composite nanofiber composed of tin precursor / PVP / PAN to the current collector plate.

상기와 같은 방법으로 제조된 주석전구체/PVP/PAN으로 구성된 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 280 ℃에서 한 시간 동안 유지한 후, 이어서 600 ℃에서 한 시간 더 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 여기서, 280 ℃에서 한 시간 동안 열처리를 해준 이유는, PAN을 안정화하기 위함이며, 고분자의 종류에 따라 조건은 달라질 수 있다. 또한, 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 유기물(PVP, PAN)들이 분해되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되어 다중채널 SnO2 나노섬유를 형성한다.After maintaining the composite nanofiber composed of the tin precursor / PVP / PAN prepared by the above method at a temperature increase rate of 5 ℃ / min for 1 hour at 280 ℃, then further maintained at 600 ℃ for one hour, 40 It cooled to room temperature at the falling rate of ° C / min. Heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. Here, the reason that the heat treatment for 1 hour at 280 ℃ is to stabilize the PAN, conditions may vary depending on the type of polymer. In addition, during the heat treatment at 600 ℃ organic matter (PVP, PAN) is decomposed, the tin precursor is oxidized and crystallized to form a multi-channel SnO 2 nanofibers.

상기 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유는 상기 실시예 2에서 제작된 Pt나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.The prepared multi-channel SnO 2 nanofibers not bound with the Pt nanoparticle catalyst were used to compare the sensing characteristics of multiple gases with the multi-channel SnO 2 nanofibers with the Pt nanoparticle catalyst prepared in Example 2 It was.

비교예Comparative example 3. Pt3. Pt 나노입자 촉매가  Nanoparticle catalyst 결착되지Not binding 않은  Not SnOSnO 22 나노섬유 Nano Fiber

상기 실시예 2와 비교할 수 있는 비교예로는 아포페리틴 기반의 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 구조가 있다. 0.30 g의 PVP와 0.15 g의 주석전구체를 2 ml의 DMF 용액에 혼합하고, 상온에서 6시간 내지는 10시간 동안 300 rpm의 속도로 교반한다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT)에 옮긴 후, 시린지 펌프에 연결하여 0.15 ml/분의 토출속도로 밀어주고, 시린지 니들(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV의 고전압을 가해주면, 집전판에 주석전구체/PVP로 구성된 복합 나노섬유가 합성된다. 상기 주석전구체/PVP 복합 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 600 ℃에서 한 시간 유지한 후, 40 ℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 600 ℃에서 열처리하는 동안에는 PVP가 열분해되고, 주석전구체가 산화 및 결정화되어 SnO2 나노섬유가 합성된다.As a comparative example that can be compared with Example 2, there is a SnO 2 nanofiber structure in which the apoferritin-based nanoparticle catalyst is not bound. 0.30 g PVP and 0.15 g tin precursor are mixed in 2 ml of DMF solution and stirred at a speed of 300 rpm for 6 to 10 hours at room temperature. Transfer the prepared electrospinning solution to a syringe (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ® ), connect it to a syringe pump and push it at a discharge rate of 0.15 ml / min, and place the syringe needle (21 gauge) When a high voltage of 15 kV is applied between the front plate stainless steel, a composite nanofiber composed of tin precursor / PVP is synthesized on the current collector plate. The tin precursor / PVP composite nanofibers were maintained at 600 ° C. for one hour at a temperature increase rate of 5 ° C./min, and then cooled to room temperature at a rate of 40 ° C./min. Heat treatment was performed in an air atmosphere using Ney's Vulcan 3-550 small electric furnace. During heat treatment at 600 ° C., PVP is thermally decomposed, tin precursors are oxidized and crystallized to synthesize SnO 2 nanofibers.

도 9는 비교예 3에서 합성된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 합성된 SnO2 나노섬유의 직경은 평균 250 nm 정도이며, 실시예 2에서 제작된 다중채널 SnO2 나노섬유와 달리 채널 형태의 기공이 보이지 않는다. 이 결과는 다중채널 구조를 형성함에 있어 서로 혼합되지 않는 두 고분자의 역할을 보여준다.FIG. 9 shows a scanning electron micrograph of SnO 2 nanofibers in which the Pt nanoparticle catalyst synthesized in Comparative Example 3 is not bound. The synthesized SnO 2 nanofibers have an average diameter of about 250 nm, and unlike the multichannel SnO 2 nanofibers prepared in Example 2, no pores in the form of channels are seen. The results show the role of two polymers that do not mix with each other in forming a multichannel structure.

상기 제작된 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유는 상기 실시예 2에서 제작된 Pt나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.The prepared SnO 2 nanofibers not bound with the Pt nanoparticle catalyst were used to compare the sensing characteristics of various gases with the multi-channel SnO 2 nanofibers with the Pt nanoparticle catalyst prepared in Example 2 above.

실험예Experimental Example 1.  One. PVPPVP /주석산화물 전구체 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/Apoferritin containing tin oxide precursor composite nanofibers and Pt nanoparticle catalysts / PVPPVP /PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 확인The change of mass and the degree of heat transfer according to the heat treatment of the / PAN / tin oxide precursor composite nanofiber

주사전자현미경 사진들에서 확인할 수 있듯이, 상기 비교예 3 에서 제조된 나노섬유는 약 20 nm의 입자 크기를 보여주는 반면, 실시예 2에서 제작된 다중채널 나노섬유는 약 10 nm의 작은 입자 크기를 나타낸다. 이의 원인을 파악하기 위하여 상기 비교예 3과 실시예 2에서 제조된 PVP/주석산화물 전구체 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 확인하였다. 각각 0.05 g의 나노섬유를 승온속도를 5 ℃/분으로 하여 상온에서 700 ℃까지 공기분위기에서 열처리하며 질량의 변화와 열전달의 정도를 파악하였다.As can be seen from the scanning electron micrographs, the nanofibers prepared in Comparative Example 3 showed a particle size of about 20 nm, whereas the multichannel nanofibers prepared in Example 2 showed a small particle size of about 10 nm. . In order to determine the cause of the apopertin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers comprising the PVP / tin oxide precursor composite nanofibers prepared in Comparative Example 3 and Example 2 and the Pt nanoparticle catalyst The change in mass and the degree of heat transfer were confirmed. Each of 0.05 g of nanofibers was heat-treated in an air atmosphere from room temperature to 700 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min to determine the change in mass and the degree of heat transfer.

도 10은 본 발명의 실험예 1로서, 비교예 3과 실시예 2에 따른, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유를 형성하는 과정에서, PVP/주석산화물 전구체 복합 나노섬유와 Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 열처리에 따른 질량의 변화와 열전달의 정도를 나타낸 그래프이다. PVP/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 경우에는, 400 ℃ 이상에서 발생하는 질량감소가 약 20 %인 반면에, Pt 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 경우에는, 400 ℃ 이상에서 발생하는 질량감소가 약 45 %임을 알 수 있다. 이는 PAN의 유무에 따른 차이라고 볼 수 있는데, 기존에 보고된 바에 따르면, PVP는 450 ℃ 이하에서 분해되고 PAN은 450 ℃ 이상에서 분해가 일어나기 때문이다. 또한 SnO2의 결정화는 400 ℃에서 시작된다. 즉 아포페리틴/PVP/PAN/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 경우에는 나노섬유의 내부에서 불연속 상을 차지하는 PAN의 분해가 SnO2의 결정화보다 높은 온도에서 일어남에 따라, SnO2 입자에 전달되는 열이 감소되고, 다수의 PAN 섬유가 내부에서 버팀에 따라 SnO2 입자의 성장이 억제되어 작은 입자 크기를 갖는 SnO2가 형성되는 것이다.Figure 10 is an experimental example of the present invention, Comparative Example 3 and the embodiment according to 2, Pt nanoparticle catalyst is not a binding SnO 2 nanofibers and Pt nanoparticle catalysts that form the binding of the multi-channel SnO 2 nanofiber In the process, it is a graph showing the change of mass and the degree of heat transfer according to the heat treatment of the apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers including PVP / tin oxide precursor composite nanofibers and Pt nanoparticle catalyst. In the case of PVP / tin oxide precursor composite nanofibers, the mass loss occurring at 400 ° C. or higher is about 20%, whereas in the case of apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers containing a Pt nanoparticle catalyst It can be seen that the mass loss occurring at 400 ° C. or higher is about 45%. This can be seen as a difference depending on the presence or absence of PAN, as previously reported, PVP decomposes below 450 ℃ and PAN decomposes above 450 ℃. Crystallization of SnO 2 also begins at 400 ° C. That is, in the case of the apoferritin / PVP / PAN / tin oxide precursor composite nanofibers, as the decomposition of PAN occupying a discontinuous phase inside the nanofiber occurs at a higher temperature than the crystallization of SnO 2 , the heat transferred to the SnO 2 particles is reduced. As the number of PAN fibers is reduced therein, the growth of SnO 2 particles is suppressed to form SnO 2 having a small particle size.

실험예Experimental Example 2. Pt 나노입자 촉매가  2. Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound 다중채널  Multichannel SnOSnO 22 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가  Nanofiber, Pt nanoparticle catalyst 결착된Bound SnOSnO 22 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가  Nanofiber, Pt nanoparticle catalyst 결착되지Not bound 않은 다중채널  Multichannel SnOSnO 22 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가  Nanofibers, and Pt nanoparticle catalysts 결착되지Not binding 않은  Not SnOSnO 22 나노섬유를 이용한 가스센서 제조 및 특성 평가 Fabrication and Characterization of Gas Sensors Using Nanofibers

상기의 실시예 1, 2와 비교예 1, 2, 3으로 제작된 감지소재를 날숨분석용 가스센서에 활용하기 위하여, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유를 각각 5 mg을 에탄올 250 μL에 분산시킨 뒤, 1시간 동안 초음파 세척을 통하여 분쇄 과정을 거친다. 그 후, 마이크로 피펫을 이용하여 상기 제작된 에탄올에 분산된 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 용액을 평행한 금(Au) 전극이 패턴된 3 mm Х 3 mm 크기의 알루미나(Al2O3) 기판 위에 각각 드랍코팅한 후, 60 ℃의 핫플레이트(hot-plate) 상에서 건조시키는 과정을 거친다. 이러한 과정을 3~5회 반복하여 충분한 양의 나노섬유들이 알루미나 센서기판 상부에 균일하게 코팅되도록 하였다. In order to utilize the sensing material prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2 and 3 in the gas sensor for exhalation analysis, the multi-channel SnO 2 nanofibers with Pt nanoparticle catalyst and Pt nanoparticle catalyst in which the binder of SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalyst is not a binding multichannel SnO 2 nanofibers, and dispersing SnO 2 the Pt nanoparticle catalyst is not a binding nanofibers to 5 mg ethanol 250 μL each after 1 hour During ultrasonic grinding. Then, the multi-channel Pt nanoparticle catalyst dispersed in a using a micropipette the production of ethanol the binder SnO 2 nanofibers, Pt is the binding of SnO 2 nanofiber, the non-binder multiple Pt nanoparticle catalyst nanoparticle catalyst Channel SnO 2 nanofibers and Pt nanoparticle catalyst-dropped SnO 2 nanofiber solutions are each drop-coated onto a 3 mm Х 3 mm alumina (Al 2 O 3 ) substrate patterned with parallel gold (Au) electrodes. After that, the drying is performed on a hot plate at 60 ° C. This process was repeated 3 to 5 times to ensure that a sufficient amount of nanofibers were uniformly coated on the alumina sensor substrate.

제작된 가스센서의 특성을 평가하기 위하여, 고습한 환경(95% RH)에서 센서의 구동 온도를 400 ℃로 유지시키고, 아세톤(CH3COCH3) 가스의 농도를 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4 ppm으로 변화시키며 아세톤 감지 특성을 평가하였다. 또한, 본 실험예 2에서는 휘발성 유기 화합물 가스의 대표적인 예인 아세톤 가스뿐만 아니라, 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 포름알데히드(HCHO), 황화수소(H2S), 톨루엔(C6H5CH3) 등에 대해서도 감지특성을 평가하여 선택적 가스 감지 능력을 평가하였다.In order to evaluate the characteristics of the manufactured gas sensor, the driving temperature of the sensor was maintained at 400 ° C. in a high humidity environment (95% RH), and the concentration of acetone (CH 3 COCH 3 ) gas was 5, 4, 3, 2, The acetone detection characteristics were evaluated by changing to 1, 0.6 and 0.4 ppm. In addition, in Experimental Example 2, not only acetone gas, which is a representative example of volatile organic compound gas, but also ethanol (C 2 H 5 OH), methane (CH 4 ), carbon monoxide (CO), ammonia (NH 3 ), and formaldehyde (HCHO). The selective gas detection capability was evaluated by evaluating the detection characteristics of hydrogen sulfide (H 2 S) and toluene (C 6 H 5 CH 3 ).

도 11은 400 ℃에서 아세톤 가스의 농도를 5 ppm 에서 0.4 ppm 으로 시간에 따라 감소시키며 반응정도(Rair/Rgas , 여기서 Rair는 공기가 주입되었을 때 나타나는 가스센서의 저항값이고, Rgas는 아세톤 가스가 주입되었을 때의 가스센서의 저항값이다)를 측정한 것이다. 도 11에 나타난 바와 같이, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유는 5 ppm의 아세톤 가스에 대하여 Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유보다 8배 이상 향상된 감도 특성을 보였다. 이는 다중채널 구조와 균일하게 분산된 나노 크기 촉매의 효과를 뚜렷하게 나타낸다.11 shows the concentration of acetone gas at 400 ° C. from 5 ppm to 0.4 ppm with time, and the reaction degree (R air / R gas , where R air is the resistance of the gas sensor when air is injected, R gas Is the resistance of the gas sensor when acetone gas is injected. As shown in FIG. 11, the multi-channel SnO 2 nanofibers to which the Pt nanoparticle catalyst is bound are SnO 2 nanofibers to which the Pt nanoparticle catalyst is bound and the multi-channel of Pt nanoparticle catalyst is not bound to 5 ppm of acetone gas. SnO 2 nanofibers and Pt nanoparticle catalyst showed more than 8 times better sensitivity than unbound SnO 2 nanofibers. This clearly shows the effect of multichannel structure and uniformly dispersed nano sized catalyst.

도12는 400 ℃에서 아세톤의 농도가 1, 2, 3, 4, 5 ppm 일 때, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착된 SnO2 나노섬유, Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 다중채널 SnO2 나노섬유, 그리고 Pt 나노입자 촉매가 결착되지 않은 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 반응속도에 대한 특성 평가 결과이다. 결과에서 나타난 바와 같이 다중채널 나노섬유 구조의 반응 속도는 12초 이내로 매우 빠른 반면, 일반 나노섬유 구조의 반응 속도는 28초 이내로 상대적으로 느린 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 다중채널 구조가 나노섬유 내부로의 가스 침투를 촉진시켜 순간적인 저항 변화를 유도하여 빠른 반응을 일으킴을 알 수 있다.Figure 12 is when the concentration of acetone, 1, 2, 3, 4, 5 ppm il eseo 400 ℃, Pt nanoparticle catalyst is a binder multichannel SnO 2 nanofibers, Pt nanoparticle catalysts binder SnO 2 nanofibers, Pt a multi-channel non-nanoparticle catalyst is not a binding SnO 2 nanofibers, and the characteristics evaluation results of the reaction rate of the SnO 2 nanofibers Pt nanoparticle catalyst that is not a binder based gas sensor. As shown in the results, the reaction rate of the multichannel nanofiber structure is very fast, within 12 seconds, while the reaction rate of the general nanofiber structure is relatively slow, within 28 seconds. These results show that the multi-channel structure promotes gas penetration into the nanofibers, leading to instantaneous resistance changes, resulting in rapid reactions.

도 13은 400 ℃에서 측정된, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유의 아세톤, 에탄올, 메탄, 일산화탄소, 암모니아, 포름알데히드, 황화수소, 톨루엔 1 ppm에 대한 반응정도를 나타낸 것이다. 도 13에 나타난 바와 같이, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서는 에탄올, 메탄, 일산화탄소, 암모니아, 포름알데히드, 황화수소, 톨루엔 가스에 9.1 미만의 반응정도를 나타내는 반면, 아세톤에 대하여 22 이상의 매우 우수한 반응정도를 보여, 선택적 가스 감지 능력을 확인할 수 있었다. FIG. 13 shows the reaction rate of acetone, ethanol, methane, carbon monoxide, ammonia, formaldehyde, hydrogen sulfide, and toluene 1 ppm of Pt nanoparticle catalyst-bound multichannel SnO 2 nanofibers measured at 400 ° C. FIG. As shown in FIG. 13, the multi-channel SnO 2 nanofiber based gas sensor to which the Pt nanoparticle catalyst is bound shows a degree of reaction of less than 9.1 to ethanol, methane, carbon monoxide, ammonia, formaldehyde, hydrogen sulfide, toluene gas, and acetone. It showed a very good response rate of more than 22 for the selective gas detection ability.

도14는 400 ℃에서, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 1 ppm 아세톤에 대해 반복적인 감지특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 결과에서 나타난 바와 같이, 30차례의 반복적인 반응 및 회복에도 안정적인 감지특성을 보였다. 이를 통해, Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서는 장시간 안정적으로 감지하는 능력을 가지고, 수 차례의 감지에도 감지 능력이 감소되지 않는 안정성을 가짐을 확인할 수 있었다.FIG. 14 shows the results of repeated evaluation of detection characteristics for 1 ppm acetone of a multichannel SnO 2 nanofiber based gas sensor to which Pt nanoparticle catalyst is bound at 400 ° C. FIG. As shown in the results, it showed stable sensing characteristics even after 30 times of repeated reactions and recovery. Through this, the multi-channel SnO 2 nanofiber based gas sensor to which Pt nanoparticle catalyst is bound has the ability to stably detect for a long time, and it has been confirmed that the sensing capability does not decrease even after several detections.

상기의 실험예에서는 아세톤에 대해 높은 감도와 빠른 반응속도, 그리고 선택성을 지닌 Pt 나노입자 촉매가 결착된 다중채널 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 센서특성을 보여주었다. 또한 나노입자 촉매와 금속산화물 소재의 종류를 변화시킴으로써, 가스 선택성 특성의 변화를 기대할 수 있어, 다종의 나노입자 촉매입자들이 결착된 다종의 다중채널 금속산화물 나노섬유를 합성하고, 여러 종류의 가스에 대해 높은 감도와 선택성을 갖는 가스센서 어레이를 제조할 수 있다. 상기 아포페리틴을 통해 실현된 나노입자 촉매를 포함하는 다중채널 금속산화물 나노섬유 감지물질은 날숨 속 휘발성 유기화합물 가스 분석 및 진단을 위한 헬스케어용 가스센서에 사용될 수 있다. In the above experimental example, the sensor characteristics of a multi-channel SnO 2 nanofiber based gas sensor bound with Pt nanoparticle catalyst having high sensitivity, fast reaction rate, and selectivity to acetone were shown. In addition, by changing the type of nanoparticle catalyst and metal oxide material, it is possible to expect a change in gas selectivity characteristics, to synthesize a multi-channel metal oxide nanofibers in which a variety of nanoparticle catalyst particles are bound, and to a variety of gases It is possible to manufacture a gas sensor array having high sensitivity and selectivity. The multi-channel metal oxide nanofiber sensing material including the nanoparticle catalyst realized through the apoferritin may be used in a gas sensor for health care for analyzing and diagnosing volatile organic compound gas in an exhalation.

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 above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes 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 describe the present invention, and are not limited to these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 나노크기의 촉매가 결착된 다중채널 금속산화물 나노섬유 가스센서용 부재
110: 나노입자 촉매가 나노섬유의 다중채널 내부 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유
121: 내부 중공에 나노입자 촉매가 내장되어 있는 아포페리틴
122: 고온 열처리 이후, 아포페리틴이 열분해되어 결착된 나노입자 촉매
100: member for multi-channel metal oxide nanofiber gas sensor to which nano-sized catalyst is bound
110: A multi-channel metal oxide nanofiber functionalized by uniformly binding nanoparticle catalyst on the multichannel inner and outer surfaces of the nanofiber
121: apoferritin with nanoparticle catalyst embedded in the inner cavity
122: nanoparticle catalyst in which apoferritin is pyrolyzed and bound after high temperature heat treatment

Claims (20)

나노입자 촉매를 내부 중공에 포함하는 아포페리틴, 서로 혼합되지 않는 두 가지 고분자 및 금속산화물 전구체를 포함하는 복합 나노섬유에 대한 열처리에 의해 상기 금속산화물 전구체가 산화 및 결정화되어 금속산화물 나노섬유를 형성하되, 상기 금속산화물 나노섬유의 내부에 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의한 다중채널이 형성되고, 상기 열처리에 의해 상기 아포페리틴이 제거됨에 따라 상기 다중채널 각각의 내부 및 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 상기 나노입자 촉매가 결착되어 기능화되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.The metal oxide precursor is oxidized and crystallized by heat treatment to a composite nanofiber including apoferritin containing a nanoparticle catalyst in an internal hollow, two polymers and metal oxide precursors which are not mixed with each other to form metal oxide nanofibers. In the metal oxide nanofibers, multichannels are formed by phase separation of the two polymers, and the apoferritin is removed by the heat treatment. Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the nanoparticle catalyst is bound and functionalized. 제1항에 있어서,
상기 복합 나노섬유는, 상기 두 가지 고분자의 상 분리에 의해, 나노섬유의 연속 상을 차지하면서 상기 금속산화물 전구체가 혼합된 제1 고분자 섬유를 포함하고, 상기 제1 고분자 섬유 내부에 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유를 더 포함하며, 표면 및 내부에 상기 아포페리틴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The composite nanofiber includes a first polymer fiber in which the metal oxide precursor is mixed while occupying a continuous phase of the nanofibers by phase separation of the two polymers, and occupying a discontinuous phase inside the first polymer fiber. The multi-channel metal oxide nanofibers, further comprising a plurality of second polymer fibers, and further comprising the apoferritin on the surface and the inside.
제2항에 있어서,
상기 열처리를 통해, 상기 제1 고분자 섬유 및 상기 제 2 고분자 섬유가 열분해되는 과정에서 상기 제2 고분자 섬유가 제거되어 나노섬유 내부에 형성되는 다중채널의 형태를 상기 금속산화물 전구체가 산화되어 금속산화물로 결정화되면서 유지하고, 상기 아포페리틴이 열분해되어 나노섬유에 기공을 형성하면서 동시에 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 나노섬유의 표면 및 다중채널 각각의 내부에 결착되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 2,
Through the heat treatment, in the process of thermally decomposing the first polymer fiber and the second polymer fiber, the metal oxide precursor is oxidized to a metal oxide in the form of a multi-channel in which the second polymer fiber is removed and formed inside the nanofiber. While maintaining crystallization, the apoferritin is thermally decomposed to form pores in the nanofibers, and at the same time, the nanoparticle catalyst contained in the inner hollow of the apoferritin is bound to the surface of the nanofibers and inside of each of the multichannels. Multichannel Metal Oxide Nanofibers.
제2항에 있어서,
상기 복합 나노섬유에 대한 열처리의 과정에서, 불연속 상을 차지하는 다수의 제2 고분자 섬유의 열분해가 금속산화물 전구체의 결정화보다 상대적으로 더 높은 온도에서 일어남에 따라, 금속산화물 입자에 전달되는 열이 감소되어 금속산화물 입자의 크기가 제한되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 2,
In the heat treatment process for the composite nanofibers, as the thermal decomposition of the plurality of second polymer fibers occupying the discontinuous phase occurs at a relatively higher temperature than the crystallization of the metal oxide precursor, the heat transferred to the metal oxide particles is reduced Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the size of the metal oxide particles is limited.
제4항에 있어서,
상기 제2 고분자 섬유의 열분해는 상기 금속산화물 전구체의 결정화보다 50 - 150℃의 범위에 포함되는 온도만큼 상대적으로 더 높은 온도에서 일어나는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 4, wherein
The pyrolysis of the second polymer fiber is multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that occurs at a temperature relatively higher than the temperature included in the range of 50 to 150 ℃ than the crystallization of the metal oxide precursor.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물 나노섬유를 형성하는 금속산화물 입자의 크기가 1내지 20 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the size of the metal oxide particles forming the metal oxide nanofibers included in the range of 1 to 20 nm.
제1항에 있어서,
상기 두 가지의 고분자는, 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 폴리(스티렌아크릴로나이트릴)(poly(styreneacrylonitrile)), 폴리스티렌(polystyrene), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate), 폴리(에틸렌 옥사이드)(poly(ethylene oxide)), 폴리(메타크릴산메틸)(poly(methylmethacrylate)) 중에서 선택된 제1 고분자 및 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile)을 포함하는 제2 고분자의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The two polymers are polyvinylpyrrolidone, poly (styreneacrylonitrile), polystyrene, cellulose acetate, poly (ethylene oxide) (poly ( ethylene oxide), poly (methylmethacrylate), and a multi-channel metal comprising a combination of a first polymer selected from poly (methylmethacrylate) and a second polymer including polyacrylonitrile. Oxide nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 복합 나노섬유에서 연속 상을 차지하는 제1 고분자의 중량 대비 상기 복합 나노섬유에서 불연속 상을 차지하는 제2 고분자의 중량 비율은 50 내지 150%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the weight ratio of the second polymer occupying the discontinuous phase in the composite nanofibers to the weight of the first polymer occupying the continuous phase in the composite nanofibers is in the range of 50 to 150% .
제1항에 있어서,
상기 다중채널의 개수는, 상기 복합 나노섬유 하나 당 5내지 20개의 범위에 포함되며, 개별 채널의 직경은 10 내지 50 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The number of the multi-channel, the multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that included in the range of 5 to 20 per one composite nanofiber, the diameter of the individual channel is in the range of 10 to 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 아포페리틴은 내부에 중공을 갖는 구조로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속 이온을 내부 중공 속에 캡슐화하고,
상기 촉매금속 이온이 환원되어 생성되는 상기 나노입자 촉매의 직경은 1내지 5 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The apoferritin has a hollow structure inside, encapsulates one or more catalytic metal ions in the hollow inside,
Multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that the diameter of the nanoparticle catalyst produced by the reduction of the catalytic metal ion is included in the range of 1 to 5 nm.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 촉매의 중량 비율은 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유 대비 0.01 내지 1 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The weight ratio of the nanoparticle catalyst is multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that included in the concentration range of 0.01 to 1 wt% compared to the multi-channel metal oxide nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 촉매는 platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III)chloride, RutheniumAcetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Lanthanum(III) acetate, Copper(II) sulfate및 Rhodium(III) chloride 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 금속염을 포함하여 합성되는 촉매금속 이온에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The nanoparticle catalyst is platinum (IV) chloride, platinum (II) acetate, gold (I, III) chloride, gold (III) acetate, 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, Tantalum (V) chloride, Palladium (II) chloride, Lanthanum (III) acetate, Copper (II) A multi-channel metal oxide nanofiber, characterized in that formed by catalytic metal ions synthesized, including at least one metal salt selected from sulfate and Rhodium (III) chloride.
제1항에 있어서,
상기 나노입자 촉매는, 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함된 촉매금속 이온이 환원됨에 따라 Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru,Ir, Ta, Pd, La, Cu,Rh, Co, Cr, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 중에서 선택된 적어도 하나의 나노입자 촉매로서 상기 아포페리틴의 내부 중공에 포함되고,
상기 아포페리틴의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PtO, PtO2, Au, Ag, Fe2O3, NiO, RuO2, IrO2, Ta2O5, PdO, PdO2, CuO,Rh2O3, Co3O4, Cr2O3, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, V2O5, VO2, VO, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환되어 상기 금속산화물 나노섬유 외부 표면에 결착되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유.
The method of claim 1,
The nanoparticle catalyst, Pt, Au, Ag, Fe, Ni, Ru, Ir, Ta, Pd, La, Cu, Rh, Co, Cr, as the catalytic metal ions contained in the inner hollow of the apoferritin is reduced At least one nanoparticle catalyst selected from Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, V, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, and Ge, which is included in the interior hollow of the apoferritin,
The nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of the apoferritin is Pt, PtO, PtO 2 , Au, Ag, Fe 2 O 3 , NiO, RuO 2 , IrO 2 , Ta 2 O 5 , PdO, PdO 2 , after heat treatment. CuO, Rh 2 O 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Sb 2 O 3 , Sc The multi-channel metal oxide nanofibers, which are substituted with at least one nanoparticle catalyst of 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3, and GeO 2 to bind to the outer surface of the metal oxide nanofibers.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 다중채널 금속산화물 나노섬유들을 저항변화를 측정할 수 있는 센서 전극 위에 코팅하여 형성되는 감지물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서.14. A gas sensor comprising a sensing material formed by coating the multi-channel metal oxide nanofibers of any one of claims 1 to 13 on a sensor electrode capable of measuring a resistance change. 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법에 있어서,
(a) 아포페리틴의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 합성하는 단계;
(b) 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자를 금속산화물 전구체와 함께 용매에 용해시켜 전기방사 용액을 합성하는 단계;
(c) 상기 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 아포페리틴을 상기 합성된 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴, 금속산화물 전구체 및 서로 혼합되지 않는 두 가지의 고분자로 구성된 복합 전기방사 용액을 제조하는 단계;
(d) 상기 복합 전기방사 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 아포페리틴이 금속산화물 전구체 및 고분자 복합 나노섬유의 표면 및 내부에 결착된 복합 나노섬유를 제조하는 단계; 및
(e) 상기 복합 나노섬유를 열처리하여 나노입자 촉매가 다중채널 금속산화물 나노섬유의 내부 다중채널 및 외부 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 다중채널 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
In the method of manufacturing a multichannel metal oxide nanofiber,
(a) synthesizing a nanoparticle catalyst inside the hollow structure of apoferritin;
(b) dissolving two polymers which are not mixed with each other in a solvent together with a metal oxide precursor to synthesize an electrospinning solution;
(c) composite electrospinning comprising apoferritin comprising the synthesized nanoparticle catalyst into the synthesized electrospinning solution and apoferritin containing a nanoparticle catalyst, a metal oxide precursor, and two polymers not mixed with each other Preparing a solution;
(d) electrospinning the complex electrospinning solution to prepare a composite nanofiber in which apoferritin containing a nanoparticle catalyst is bound on and inside the metal oxide precursor and the polymer composite nanofiber; And
(e) heat treating the composite nanofibers to prepare functionalized multichannel metal oxide nanofibers by uniformly binding a nanoparticle catalyst to the inner multichannel and outer surface of the multichannel metal oxide nanofibers
Method for producing a multi-channel metal oxide nanofibers, comprising a.
제15항에 있어서
상기 (a) 단계는,
상기 나노입자 촉매를 상기 아포페리틴의 내부 중공에 내장시키기 위해 상기 아포페리틴이 녹아있는 용액에 상기 촉매 금속염을 첨가하여 촉매 금속이온을 내장시키고, 환원제를 첨가하여 상기 촉매 금속이온을 촉매 금속입자로 환원시키는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15
In step (a),
In order to embed the nanoparticle catalyst in the inner hollow of the apoferritin, the catalyst metal salt is added to the solution in which the apoferritin is dissolved to embed the catalyst metal ion, and a reducing agent is added to reduce the catalyst metal ion to the catalyst metal particle. Method for producing a multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that.
제15항에 있어서
상기 (a) 단계는,
상기 아포페리틴의 중공 내에 내장된 촉매 금속이온을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15
In step (a),
Reducing agents for reducing the catalytic metal ions embedded in the hollow of the apoferritin, sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), Multichannel comprising at least one of oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6 ), sodium amalgam, diborane and iron (II) sulfate Method for producing metal oxide nanofibers.
제15항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 열처리를 통해 상기 아포페리틴과 상기 두 가지의 고분자가 열분해 되어 제거되는 과정에서, 불연속 상을 차지하던 제 2 고분자가 분해되어 다중채널을 형성하고, 연속 상인 제 1 고분자가 분해되며 상기 제1 고분자에 혼합된 금속산화물 전구체가 상기 형성된 다중채널의 형태를 유지하면서 산화 및 결정화되고, 상기 아포페리틴이 분해되며 내부 중공에 포함되어 있던 나노입자 촉매가 상기 형성된 다중채널의 내부 및 나노섬유의 표에 결착되는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15,
In the step (e),
In the process of thermally decomposing the apoferritin and the two polymers through the heat treatment, the second polymer occupying the discontinuous phase is decomposed to form a multi-channel, and the first polymer as a continuous phase is decomposed and the first polymer is decomposed. The metal oxide precursor mixed in the oxidized and crystallized while maintaining the form of the formed multichannel, and the apoferritin is decomposed and the nanoparticle catalyst contained in the inner hollow is bound to the inside of the formed multichannel and the table of the nanofibers. Method for producing a multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that.
제15항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 아포페리틴은, 중공구조의 동물단백질로, 상기 열처리 과정에서 단백질 껍질이 분해됨에 따라 나노섬유에 1내지15 nm의 범위에 포함되는 크기의 기공을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15,
In the step (e),
The apoferritin is a hollow protein protein, multi-channel metal oxide nanofibers, characterized in that to form pores of the size within the range of 1 to 15 nm in the nanofibers as the protein shell is decomposed during the heat treatment process Manufacturing method.
제15항에 있어서,
(f) 상기 다중채널 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 용매에 분산시키고, 저항변화식 가스센서용 센서 전극 위에 스핀 코팅, 드랍 코팅 및 잉크젯 프린팅 중 적어도 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중채널 금속산화물 나노섬유의 제조방법.
The method of claim 15,
(f) pulverizing the multi-channel metal oxide nanofibers and dispersing them in a solvent, and coating the at least one coating process among spin coating, drop coating, and inkjet printing on a sensor electrode for a resistance change gas sensor.
Method for producing a multi-channel metal oxide nanofiber, characterized in that it further comprises.
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