KR20210033319A - 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210033319A
KR20210033319A KR1020190114898A KR20190114898A KR20210033319A KR 20210033319 A KR20210033319 A KR 20210033319A KR 1020190114898 A KR1020190114898 A KR 1020190114898A KR 20190114898 A KR20190114898 A KR 20190114898A KR 20210033319 A KR20210033319 A KR 20210033319A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
composite material
boron nitride
gas sensor
nitride nanotube
nanocarbon
Prior art date
Application number
KR1020190114898A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102285088B1 (ko
Inventor
손동익
임거환
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020190114898A priority Critical patent/KR102285088B1/ko
Publication of KR20210033319A publication Critical patent/KR20210033319A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102285088B1 publication Critical patent/KR102285088B1/ko

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4146Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/02Cellulose; Modified cellulose
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/04Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing chlorine atoms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/12Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08L27/18Homopolymers or copolymers or tetrafluoroethene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04Homopolymers or copolymers of esters
    • C08L33/06Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, which oxygen atoms are present only as part of the carboxyl radical
    • C08L33/10Homopolymers or copolymers of methacrylic acid esters
    • C08L33/12Homopolymers or copolymers of methyl methacrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04Polysiloxanes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • G01N2027/222Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties for analysing gases

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 복합소재를 구비하는 가스센서를 제공한다. 상기 복합소재는, 나노카본 소재, 바인더 및 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT)를 포함할 수 있다.

Description

질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법{Gas sensor having boron nitride nanotube-nanocarbon composite material and manufacturing method of the same}
본 발명은 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하며, NO2 가스를 감지할 수 있는 가스센서 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
최근 사물 인터넷 시대를 선도할 핵심 기술 중에 하나로 초고감도 가스센서 개발에 대한 요구가 더욱 높아지고 있다. 유해환경을 조기에 모니터링하거나, 극미량의 휘발성유기화합물(volatile organic compound, VOC) 가스들을 검출하는 센서 기술은 국산화에 있을 뿐만 아니라 기술 선점 관점에서도 매우 중요한 기술이다. 화학센서는 센싱 방법에 따라서, 다양한 동작 원리에 의해 구동이 되는데, 소형화, 저가격화, 휴대화 관점에서 반도체식 가스센서에 대한 기술 수요가 꾸준히 늘고 있다.
금속산화물 반도체 기반 저항변화식(chemiresistive) 가스센서는 금속산화물 표면에 특정 가스의 흡착 및 탈착 반응에 의해 발생하는 저항 변화를 분석하여 가스를 감지하는 방식이다. 금속산화물 반도체 기반 가스센서는 대기 중에서의 저항 대비 특정 가스에 노출될 때의 저항변화 비를 분석함으로써 특정 가스를 정량적으로 감지한다. 따라서, 센서 시스템 구성이 간단하고 소형화가 용이하며, 다른 기기와의 연동이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
최근에는 스마트폰과 같은 소형 전자기기와 연동할 수 있는 금속산화물 반도체 기반 가스센서를 상용화하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 또, 몸에 직접 착용할 수 있는 형태의 웨어러블(wearable) 가스센서 개발도 활발히 진행되고 있다.
또한, 유해환경가스 경보기, 실내공기질 측정용 센서, 테러가스 방지용 센서 등 다양한 분야에서 저항 변화를 이용한 금속산화물 가스센서가 응용되고 있다. 최근, 사람의 날숨 속에 존재하는 생체지표 (Biomarker) 가스를 감지하여 특정 질병을 조기에 진단할 수 있는 헬스케어용 날숨센서 연구가 매우 큰 주목을 받고 있다.
종래의 가스센서 기술 개발 방향은 고전적 형태의 구조를 유지한 채, MEMS 기술이나 나노감지물질 개발 등을 통해 초소형, 저전력 특성 향상에 집중하고 있다. MEMS 기술을 바탕으로 한 저전력 소모 히터를 개발, 발표하고 있지만, 안정된 성능 구현을 위한 연구와 개발이 더 필요한 실정이다.
최근, 나노카본 소재 기반의 저항타입형을 사용하여 가스센서를 개발하고 있다. 이 경우, 가스가 센서에 붙고 떨어질 때, 외부에서 온도를 가해주지 않으면 가스의 나노카본 소재 표면에서 가스분자가 떨어지지 않는 현상(poisoning 현상)으로 인해 저항이 제일 첫 저항으로 회복되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 가스 측정시 저항 회복성이 우수하여 반복적으로 측정이 용이한 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서를 제공한다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서는 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 복합소재를 구비하며, 상기 복합소재는, 나노카본 소재, 바인더 및 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT)를 포함할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서에 있어서, 상기 나노카본 소재는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 환원 그래핀옥사이드(Reduced graphene oxide, rGO), 그래핀(Graphene) 및 카본나노파이버(Carbon nanofiber) 중에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 박테리아 셀룰로오스(bacterial cellulose, BC), 에폭시(epoxy), 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methylmethacrylate, PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 중에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법을 제공한다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법은 나노카본 소재, 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT), 및 바인더를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계; 상기 혼합용액을 초음파 분산하여 분산용액을 제조하는 단계; 상기 분산용액을 진공 여과(Vacuum Filtration)하여 복합소재 필름을 제조하는 단계; 및 상기 복합소재 필름을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 건조하는 단계 이후에, 건조된 상기 복합소재 필름을 열압착 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 나노카본 소재는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 환원 그래핀옥사이드(Reduced graphene oxide, rGO), 그래핀(Graphene) 및 카본나노파이버(Carbon nanofiber) 중에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 박테리아 셀룰로오스(bacterial cellulose, BC), 에폭시(epoxy), 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methylmethacrylate, PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 중에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 질화붕소나노튜브의 함량은 함유된 상기 나노카본 소재 질량 대비 5wt% 내지 95wt%일 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 바인더의 함량은 함유된 상기 나노카본 소재 질량 대비 1wt% 내지 100wt%일 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 초음파 분산은, 1분 내지 60분 동안 초음파 처리를 수행할 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 열압착 처리하는 단계의 온도는 30℃ 내지 200℃일 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 열압착 처리하는 단계의 압력은 10MPa 내지 50MPa일 수 있다.
상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법에 있어서, 상기 열압착 처리하는 단계의 시간은 1분 내지 60분일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법을 이용하여 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서를 제조할 수 있다. 상기 가스센서는 실온에서도 NO2 가스를 감지할 수 있으며, 가스 측정시 저항 회복성이 우수하여 반복적으로 측정이 용이하고, 열적 내구성이 우수한 장점이 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 3의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
종래의 나노카본 기반 저항타입 가스센서의 경우, 나노카본 표면에서 가스분자가 떨어지지 않는 현상(poisoning 현상)이 발생하기 때문에 센서 외부에서 온도를 인가해야 한다. 일반적으로, 가스센서의 온도범위는 100℃ 내지 200℃의 범위에서 측정된다. 만약, 외부 온도를 올리지 않을 경우, 가스센서 측정시 상기 poisoning 현상에 의해서, NO2 가스 감지 신호가 지속적으로 감소하게 된다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 줄-히팅(joule-heating) 현상을 이용하여 실온에서도 NO2 가스를 감지하기 위한 가스센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가스센서는 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비한다. 상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재는 전압의 인가에 따라 발열성을 나타낸다. 상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재는 발열체 소재로서, 1차원 구조의 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT) 및 나노카본 소재 및 바인더를 포함할 수 있다.
상기 나노카본 소재는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 환원 그래핀옥사이드(Reduced graphene oxide, rGO), 그래핀(Graphene) 및 카본나노파이버(Carbon nanofiber) 중에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 바인더는 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 박테리아 셀룰로오스(bacterial cellulose, BC), 에폭시(epoxy), 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methylmethacrylate, PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 중에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법을 살펴보면, 나노카본 소재, 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT) 및 바인더를 초순수에 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계(S110), 혼합용액을 초음파 분산하여 분산용액을 제조하는 단계(S120), 분산용액을 진공 여과(Vacuum Filtration)하여 복합소재 필름을 제조하는 단계(S130), 복합소재 필름을 질소건을 이용하여 건조시킨 후 여과장치로부터 분리하는 단계(S140), 분리된 복합소재 필름을 열압착하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
질화붕소나노튜브 및 나노카본 소재가 서로 일정한 규칙 없이 자유롭게 포함되어 있으며, 질화붕소나노튜브 및 나노카본 소재를 바인더가 연결을 해주어 복합소재가 만들어지게 된다. 이때, 상기 복합소재에 전압을 인가하게 되면, 나노카본 소재가 서로 맞닿는 접점을 통하여 전류가 흐르게 된다.
우선, 질화붕소나노튜브 및 나노카본 소재, 바인더를 포함하는 혼합용액을 준비한다. 여기서, 상기 질화붕소나노튜브의 함량은 함유된 나노카본 소재 질량 대비 5wt% 내지 95wt%일 수 있다. 질화붕소나노튜브의 함량이 5wt% 미만일 경우, 저항이 낮아 전압을 인가하였을 때 높은 온도로 발열이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 95wt% 초과일 경우, 저항은 높지만 전압을 인가하였을 때 질화붕소나노튜브의 절연특성으로 인하여 전류가 많이 흐르지 못하게 되고, 이로 인해 높은 온도로 발열이 이루어지지 못하여 효율이 떨어지게 된다.
상기 바인더의 함량은 함유된 상기 나노카본 소재 질량 대비 1wt% 내지 100wt%일 수 있다.
이후에, 혼합용액은 초음파 분산기를 이용하여 분산처리할 수 있다. 이 때, 1분 내지 60분 동안 초음파 처리를 수행할 수 있다. 혼합용액을 진공여과하기 위하여 진공여과장치에 테프론 멤브레인 필터를 사용하고, 필터 상에 혼합용액을 여과시켜 질화붕소나노튜브 복합소재를 제조할 수 있다. 진공여과과정을 통하여 제조된 복합소재는 질소 건을 이용하여 건조시킨 후 상기 필터로부터 분리한다.
선택적으로 분리된 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재는 조직의 치밀화를 위해 열압착 처리하는 단계가 더 수행될 수 있다. 일 예로, 열압착 처리하는 단계의 온도는 30℃ 내지 200℃에서 수행될 수 있으며, 상세하게는 120℃에서 수행될 수 있다. 이 때, 열압착 처리가 200℃ 이상에서 수행될 경우, 바인더와 같은 폴리머 물질이 타면서 나노카본 소재의 바인딩이 약해져 기계적 강도를 약화시키는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 열압착 처리하는 단계의 압력은 10MPa 내지 50MPa에서 수행될 수 있으며, 상세하게는 25MPa에서 수행될 수 있다. 상기 열압착 처리하는 단계의 시간은 1분 내지 60분일 수 있다.
이렇게 제조된 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서는, 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 줄-히팅(joule-heating) 현상을 이용하여 실온에서도 NO2 가스를 효율적으로 감지할 수 있다. 여기서, 상기 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재에 전압을 5V 내지 15V를 인가하면, 가스센서의 외부에서 온도를 50℃ 내지 200℃로 인가한 것과 동일한 효과를 낼 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
80wt%의 질화붕소나노튜브 및 20wt%의 탄소나노튜브, PVA를 초순수 30㎖에 투입 후 초음파 분산기를 이용하여 15분 동안 분산처리했다. 그 후 분산용액을 진공여과장치를 이용하여 테프론 멤브레인 필터 상에 여과시켜 질화붕소나노튜브 필름을 제조했다. 제조된 필름을 질소 건(nitrogen gun)을 이용하여 건조시킨 후 테프론 멤브레인 필터로부터 떼어냈다. 이후에 건조된 필름을 120℃, 25MPa로 열압착하여 질화붕소나노튜브 복합소재를 제조하였다.
본 방법에 따라 제조된 질화붕소나노튜브 복합소재에 10V의 전압을 인가하여 일정하게 100℃로 유지하면서 NO2 가스의 흡착 및 탈착을 측정하였다. 이를 실험예 1로 지칭한다. 또, 상기 실험예 1과 동일한 샘플에 대해서 NO2 가스의 농도(5ppm, 10ppm, 15ppm, 20ppm, 25ppm)에 따른 NO2 가스의 흡착 및 탈착도 측정하였다. 이를 실험예 2로 지칭한다.
<비교예>
상술한 실험예와 동일한 조건으로 제조된 질화붕소나노튜브 복합소재에 1V의 전압을 인가하고, 퍼니스를 이용하여 센서 외부의 온도를 100℃로 유지하면서 NO2 가스의 흡착 및 탈착을 측정하였다. 이를 비교예 1로 지칭한다.
상술한 실험예와 동일한 조건으로 제조된 질화붕소나노튜브 복합소재에 1V의 전압을 인가하여 일정하게 상온으로 유지하면서 NO2 가스의 흡착 및 탈착을 측정하였다. 이를 비교예 2로 지칭한다.
또한, 질화붕소나노튜브가 포함되지 않은 20wt%의 탄소나노튜브 소재는 비교예 3으로 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실험예 1의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 비교예 1의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 비교예 2의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 실험예 1의 경우, 줄-히팅(joule-heating) 현상을 이용하여 실온에서도 NO2 가스를 감지하는 저항타입 가스센서로 활용 가능하다는 것을 확인시켜주고 있다. 센서 외부의 온도를 올리지 않아도 측정을 반복할 때마다 저항이 초기저항과 유사한 수준으로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 또, NO2 가스의 흡착 및 탈착이 반복됨에 따라 저항 값이 다소 낮아졌으나, 저항 값이 낮아지더라도 일정한 비율로 거의 동일한 신호 형태가 안정적으로 감지됨을 확인할 수 있었다.
도 3을 참조하면, 비교예 1의 경우, NO2 가스 측정시 초기 저항 가까이 회복되지 않았다. 이는 센서 외부의 온도를 100℃까지 유지하더라도 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 표면에 붙어있는 NO2 가스 분자를 떨어뜨리기에는 열 에너지가 충분하지 않다는 것을 의미한다. 그러므로 전압의 인가에 따른 셀프-히팅(self-heating) 시,에 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 표면온도는 100℃이지만, 실제 내부에서는 100℃ 보다 더 높은 온도이기 때문에 초기저항 가까이 회복되는 것으로 판단된다.
도 4를 참조하면, 비교예 2의 경우, 실험예 1 과 유사하게 NO2 가스 측정시 저항이 거의 회복되지 않았으며, 지속적으로 감소했다. 동일한 농도의 NO2 가스를 주입함에도 불구하고 저항 감소폭은 점차 줄어들었다. 이는 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 온도가 낮기 때문에 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 표면에 붙어있는 NO2 가스가 떨어지지 않고 지속적으로 붙어있어 일종의 포이즈닝 효과로 인한 것이다. 이 때문에 NO2 가스의 흡착 및 탈착 사이클(cycle)이 거듭되면서 저항의 감소폭이 줄어드는 것으로 판단된다.
즉, 실험예 1의 경우에는 NO2 가스의 흡착 및 탈착이 반복될수록 저항의 감소폭이 일정했으나, 비교예 2의 경우에는 NO2 가스의 흡착 및 탈착이 반복될수록 저항의 감소폭이 급격하게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 NO2 가스 분자가 센서의 표면에서 떨어지지 않는 현상이 발생하기 때문에, 반드시 센서를 일정 온도범위에서 유지해야 한다는 것을 확인시켜준 결과이다.
본 발명의 실험예 1의 경우, 센서 외부에서 열을 인가하지 않더라도 전압이 인가됨에 따라 질화붕소나노튜브 복합소재 자체가 발열됨으로써 간단하게 NO2 가스 감지 센서로서의 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 본 발명의 실험예 2의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실험예 2의 경우, NO2 가스의 농도가 짙어질수록 NO2 가스 측정시 저항이 초기 저항까지 회복되지 않고, 점차 감소되는 것처럼 확인되었다. 이는 NO2 가스 농도가 점차 높아짐에 따라, 동일 시간에 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재의 표면에 더 많은 NO2 가스 분자가 붙게 된다. 이로 인해 저항의 감소폭이 점차 커지기에 일어나는 현상으로 판단된다.
도 6은 본 발명의 비교예 3의 가스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 비교예 3의 경우, 질화붕소나노튜브가 포함되지 않으면 NO2 가스의 흡착 및 탈착에 따른 저항의 변화가 감지 되지 않는 것을 확인할 수 있었다. NO2 가스를 감지할 수 있는 센서에 질화붕소나노튜브를 반드시 포함해야 하며, 만약, 상기 질화붕소나노튜브가 포함되지 않을 경우, 저항이 매우 낮아 저항타입 가스센서로 활용하기 어렵다는 것을 의미한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 복합소재를 구비하는 가스센서로서,
    상기 복합소재는,
    나노카본 소재, 바인더 및 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT)를 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노카본 소재는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 환원 그래핀옥사이드(Reduced graphene oxide, rGO), 그래핀(Graphene) 및 카본나노파이버(Carbon nanofiber) 중에서 선택되는 하나를 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 박테리아 셀룰로오스(bacterial cellulose, BC), 에폭시(epoxy), 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methylmethacrylate, PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 중에서 선택되는 하나를 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서.
  4. 나노카본 소재, 질화붕소나노튜브(Boron nitride nanotube, BNNT), 및 바인더를 포함하는 혼합용액을 제조하는 단계;
    상기 혼합용액을 초음파 분산하여 분산용액을 제조하는 단계;
    상기 분산용액을 진공 여과(Vacuum Filtration)하여 복합소재 필름을 제조하는 단계; 및
    상기 복합소재 필름을 건조하는 단계를 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 건조하는 단계 이후에,
    건조된 상기 복합소재 필름을 열압착 처리하는 단계를 더 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노카본 소재는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 환원 그래핀옥사이드(Reduced graphene oxide, rGO), 그래핀(Graphene) 및 카본나노파이버(Carbon nanofiber) 중에서 선택되는 하나를 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 박테리아 셀룰로오스(bacterial cellulose, BC), 에폭시(epoxy), 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methylmethacrylate, PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 중에서 선택되는 하나를 포함하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 질화붕소나노튜브의 함량은 함유된 상기 나노카본 소재 질량 대비 5wt% 내지 95wt%인,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 바인더의 함량은 함유된 상기 나노카본 소재 질량 대비 1wt% 내지 100wt%인,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 초음파 분산은,
    1분 내지 60분 동안 초음파 처리를 수행하는,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 열압착 처리하는 단계의 온도는 30℃ 내지 200℃인,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 열압착 처리하는 단계의 압력은 10MPa 내지 50MPa인,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 열압착 처리하는 단계의 시간은 1분 내지 60분인,
    질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서의 제조방법.
KR1020190114898A 2019-09-18 2019-09-18 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법 KR102285088B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190114898A KR102285088B1 (ko) 2019-09-18 2019-09-18 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190114898A KR102285088B1 (ko) 2019-09-18 2019-09-18 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210033319A true KR20210033319A (ko) 2021-03-26
KR102285088B1 KR102285088B1 (ko) 2021-08-04

Family

ID=75259349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190114898A KR102285088B1 (ko) 2019-09-18 2019-09-18 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102285088B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240069030A (ko) 2022-11-11 2024-05-20 동우 화인켐 주식회사 화학센서 및 그 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004533936A (ja) * 2001-05-16 2004-11-11 インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト ナノチューブ配列構造およびナノチューブ配列構造の生成方法
JP2010025719A (ja) * 2008-07-18 2010-02-04 Sharp Corp 化学物質センシング素子、化学物質センシング装置、及び、化学物質センシング素子の製造方法
KR20100044944A (ko) * 2008-10-23 2010-05-03 서울대학교산학협력단 금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법
WO2015012186A1 (ja) * 2013-07-25 2015-01-29 東レ株式会社 カーボンナノチューブ複合体、半導体素子およびそれを用いたセンサ

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004533936A (ja) * 2001-05-16 2004-11-11 インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト ナノチューブ配列構造およびナノチューブ配列構造の生成方法
JP2010025719A (ja) * 2008-07-18 2010-02-04 Sharp Corp 化学物質センシング素子、化学物質センシング装置、及び、化学物質センシング素子の製造方法
KR20100044944A (ko) * 2008-10-23 2010-05-03 서울대학교산학협력단 금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법
WO2015012186A1 (ja) * 2013-07-25 2015-01-29 東レ株式会社 カーボンナノチューブ複合体、半導体素子およびそれを用いたセンサ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Seyed Shahim Vedaei 등, applied surface science, 2019, 470권, 페이지 933-942.(2018.11.28.)* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240069030A (ko) 2022-11-11 2024-05-20 동우 화인켐 주식회사 화학센서 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102285088B1 (ko) 2021-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tulliani et al. Carbon-based materials for humidity sensing: A short review
KR102034608B1 (ko) 맥신을 이용한 케미레지스터 가스센서 및 이의 제조 방법
Marriam et al. A bottom-up approach to design wearable and stretchable smart fibers with organic vapor sensing behaviors and energy storage properties
Fu et al. A self-powered breath analyzer based on PANI/PVDF piezo-gas-sensing arrays for potential diagnostics application
Zhou et al. Rapid response flexible humidity sensor for respiration monitoring using nano-confined strategy
Wu et al. Improved selectivity and sensitivity of gas sensing using a 3D reduced graphene oxide hydrogel with an integrated microheater
Agarwal et al. Flexible NO2 gas sensor based on single-walled carbon nanotubes on polytetrafluoroethylene substrates
Tang et al. Conductive polymer nanowire gas sensor fabricated by nanoscale soft lithography
Lei et al. An ion channel‐induced self‐powered flexible pressure sensor based on potentiometric transduction mechanism
CN110687169B (zh) 一种湿度敏感的碳纳米管/石墨烯/有机复合柔性材料、湿度传感器及其制备方法
Deng et al. A high sensitive and low detection limit of formaldehyde gas sensor based on hierarchical flower-like CuO nanostructure fabricated by sol–gel method
EP1923697A1 (en) High sensitive resistive-type gas sensor and its manufacturing process comprising an organic-inorganic intercalated hydbrid sensing material
TW201024722A (en) Gas sensing material and gas sensor employing the same
Qu et al. Highly sensitive and selective toluene sensor based on Ce-doped coral-like SnO2
Young et al. Sensing performance of carbon dioxide gas sensors with carbon nanotubes on plastic substrate
KR102285088B1 (ko) 질화붕소나노튜브-나노카본 복합소재를 구비하는 가스센서 및 이의 제조방법
Tang et al. A Low‐Cost Polyaniline@ Textile‐Based Multifunctional Sensor for Simultaneously Detecting Tactile and Olfactory Stimuli
Huang et al. Regenerated silk fibroin-modified soft graphene aerogels for supercapacitive stress sensors
Kim et al. Highly transparent and mechanically robust energy‐harvestable piezocomposite with embedded 1D P (VDF‐TrFE) nanofibers and single‐walled carbon nanotubes
Olifant et al. Application of candle soot CNPs-TiO2-PVP composite in the detection of volatile organic compounds with aldehyde, amine and ketone functional groups by resistance and impedance responses
Lan et al. Flexible silicon nanowires sensor for acetone detection on plastic substrates
Jung et al. Chemical sensors for sensing gas adsorbed on the inner surface of carbon nanotube channels
Zhu et al. Highly sensitive sensor based on NaBi (MoO4) 2/MWCNT composites
Li et al. Sensing behaviors of polymer/carbon nanotubes composites prepared in reversed microemulsion polymerization
CN110361434A (zh) 一种对极低浓度丙酮敏感的氧化锌/硫化钼薄膜

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant