KR20210121746A - 1차원 다공성 이종금속 나노벨트, 이를 이용한 가스센서 및 가스센서 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1차원 다공성 이종금속 나노벨트, 이를 이용한 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 1차원 다공성 이종금속 나노벨트는, 길이, 폭 또는 두께의 하나 이상이 나노 스케일의 크기를 가지고, 상기 길이가 상기 폭에 비해 큰 값을 가지며, 상기 폭이 상기 두께에 비해 큰 값을 갖는 벨트 형상으로서, 서로 다른 2종 이상의 금속으로 구성된 1차원 다공성 이종금속을 포함한다.
Description
본 발명은 1차원 다공성 이종금속 나노벨트, 이를 이용한 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기방사 방식으로 서로 다른 2종의 용매를 이용하여 2종 이상의 금속전구체가 균일하게 분포된 1차원 금속구조체/고분자 나노벨트 구조를 합성하고, 산화 및 환원 과정을 통해 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 제조함으로써, 가스센서 감지소재의 비표면적과 표면활성을 극대화시키기 위한, 1차원 다공성 이종금속 나노벨트, 이를 이용한 가스센서 및 가스센서 제조 방법에 관한 것이다.
변압기는 장기 운전에 의해 주요 부품이 열화되어 부분방전 및 아크(Arc) 등과 같은 국부과열 현상이 발생할 수 있다. 이때, 국부과열 현상이 발생된 고열원은 절연유나 절연지와 같은 액상 및 고상 절연재료와 접촉할 경우, 화학반응에 의해 열화 분해되면서 가스를 발생시키고 화학적 안정성이 저하되어 결국에는 절연파괴를 일으킬 수 있다.
변압기 내부에서 발생하는 가스에는 수소(H2), 탄화수소 계열 가스(C2H2, C2H4, C2H6, C3H8, C4H10, C3H6, CH4), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등 10여 종이 있는데, 대부분 절연유 중에 용해되므로, 이를 검지함으로써 이상 부위와 심각 수준을 간접적으로 추정할 수 있다.
예를 들어, 변압기 내부에 부분방전이 발생하면 수소(H2), 아크방전 시에는 아세틸렌(C2H2) 가스가 발생하고, 고체 절연재가 과열되면 일산화탄소(CO) 가스가 발생하므로, 용존가스의 조성과 농도만 정확하게 감지할 수 있다면 변압기가 절연파괴와 같은 심각한 고장에 도달하기 전에 그러한 고장을 조기에 발견하고 보수하여 돌발적인 사고예방에 효과적으로 대처할 수 있다.
따라서, 변전설비 관리자는 변압기 절연유 중의 용존가스 기준치를 설정하고 정기적으로 가스농도를 분석함으로써 변압기 이상 여부를 초기에 감지하고 고장 부위를 사전에 점검함으로써 효율적인 자산관리를 도모하고 있다.
일반적으로, 변압기 절연유에 용존된 가스 종류와 농도를 분석하는 방식을 유중가스 분석법이라고 한다. 가장 대표적으로는 변압기에서 직접 샘플링한 절연유 시료를 원격지의 실험실로 송부하여 가스크로마토그래피와 같은 정밀 분석장치를 이용하여 분석하는 물리화학적 정량 측정방식이 사용된다. 그러나 물리화학적 방식은 정확성과 신뢰도는 높지만, 실시간 분석이 불가하여 변압기 이상상태 판정까지 장시간이 소요될 뿐만 아니라 전국에 산재한 변압기 대상의 절연유 샘플링 작업, 절연유 시료 샘플링 시 공기 유입 및 가스 유출로 인한 샘플의 부정확성, 정밀 화학분석에 고도의 기술을 갖춘 많은 전문인력이 요구되는 등의 단점을 가진다.
최근에는 이러한 단점을 개선하고자 멤브레인과 가스크로마토그래피, 광음향분광법(Photoacoustic Spectroscopy, PAS), 적외선(IR) 분광 방식 등을 결합하여 변압기에서 배관을 통해 직접 절연유를 채취하여 실시간으로 용존가스 조성과 농도를 분석하는 장치가 개발되어 현장에 적용되고 있다.
또한, 최근에는 9종까지의 절연유 용존가스를 실시간으로 분석하는 장치가 개발되어 사용되고 있으나, 대당 가격이 수천만원∼1억원 대의 고가이며 주기적인 교정이 필요하고 절연유 추출과 재주입을 위해 변압기와 연결되는 배관과 순환펌프를 사용해야 하는 등 구조가 복잡하고 유지보수가 까다로우며 설치 후에도 원활한 운용을 위해 고비용이 요구된다는 단점을 가진다.
그래서, 실시간 절연유 가스분석이 가능하면서도 구조가 간단하고 경제적인 센서 방식에 대한 관심이 증가하고 있다. 아직까지는 개발 및 적용 초기 단계라 유중가스 분석 목적으로 사용되는 가스센서의 사례가 제한적이기는 하지만, 대부분 전기화학 방식으로 수소(H2) 단일가스만을 분석할 수 있고 가스크로마토그래피나 광음향분광법 방식에 비해 정확도가 매우 낮아 이상 경보 용도로 주로 사용되며, 전해액을 사용하기 때문에 관리가 까다롭고 본질적으로 사용수명이 짧으며 가격이 고가인 단점을 가진다.
따라서, 절연유 가스분석을 위해서는 전기화학식 가스센서의 단점을 보완하면서, 1∼5,000ppm 농도 범위의 변압기 유증가스를 신속, 정확하고, 재현성 있게 측정 가능한 가스센서를 구현할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 전기방사 방식으로 서로 다른 2종의 용매를 이용하여 2종 이상의 금속전구체가 균일하게 분포된 1차원 금속구조체/고분자 나노벨트 구조를 합성하고, 산화 및 환원 과정을 통해 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 제조함으로써, 가스센서 감지소재의 비표면적과 표면활성을 극대화시키기 위한, 1차원 다공성 이종금속 나노벨트, 이를 이용한 가스센서 및 가스센서 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 1차원 다공성 이종금속 나노벨트는, 길이, 폭 또는 두께의 하나 이상이 나노 스케일의 크기를 가지고, 상기 길이가 상기 폭에 비해 큰 값을 가지며, 상기 폭이 상기 두께에 비해 큰 값을 갖는 벨트 형상으로서, 서로 다른 2종 이상의 금속으로 구성된 1차원 다공성 이종금속을 포함하는 것일 수 있다.
상기 이종금속을 구성하는 다결정의 결정립 크기는 1㎚∼50㎚의 범위를 갖는 것일 수 있다.
상기 이종금속은, 2성분계부터 다성분계의 이종금속을 포함하는 것일 수 있다.
상기 이종금속은, 서로 다른 제1 금속 및 제2 금속으로 구성되되, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속 대비 25at% 내지 50at%의 범위에서 조절되는 것일 수 있다.
상기 제1 금속은 팔라듐(Pd)이고, 상기 제2 금속은 니켈(Ni)로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 이종금속은, 팔라듐(Pd)과 니켈(Ni)의 비율에 따라 Pd0.75Ni0.25, Pd0.65Ni0.35 및 Pd0.5Ni0.5 중 어느 하나로 형성하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법은, (a) 서로 다른 제1 용매와 제2 용매를 이용하여 2종 이상의 금속전구체와 고분자가 균일하게 분산된 전기방사 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전기방사 용액을 이용한 전기방사를 통해 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트를 제조하는 단계; (c) 상기 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트의 고온 산화 열처리를 통해 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트의 고온 환원 열처리를 통해 1차원 다공성 이중금속 나노벨트를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 용매 및 상기 제2 용매는, N,N'-디메틸포름아미드(N,N-Dimethyl Formamide, DMF), 디메틸술폭사이드(Dimethyl sulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone, NMP), 탈이온수, 에탄올 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 비율은, 1:1wt% 내지 1:1.5wt% 범위에서 조절되는 것일 수 있다.
상기 제1 용매는, 상기 제2 용매에 비해 증발 속도가 빠른 것일 수 있다.
상기 제1 용매는, 에탄올이고, 상기 제2 용매는, DMF인 것일 수 있다.
상기 2종 이상의 금속전구체는, K2PtCl4, K2PdCl4, H2AuCl4, H2PtCl6, IrCl3, RuCl3, Ni(NO3)2, Fe(NO3)3 중에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 고분자는, 폴리메틸메타아크릴레이트(PolyMethylMeth Acrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(PolyVinylAcetate, PVAc), 폴리비닐알콜(PolyVinylAlcohol, PVA), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리아크릴로니트릴(PolyAcryloNitrile, PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PolyVinyliDeneFluoride, PVDF), 폴리아크릴에시드(PolyAcrylicAcid, PAA), 폴리다이아닐다이메틸암모늄 클로라이드(Polydiallyldimethylammonium chloride, PDADMAC) 및 폴리스티렌설포네이트(PolyStyreneSulfonate, PSS) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 형태일 수 있다.
상기 고분자와 상기 금속전구체 사이의 중량 비율은, 1:0.1∼1의 범위를 갖는 것일 수 있다.
상기 (c) 단계는, 상기 고온 산화 열처리를 통해 상기 고분자가 제거되면서 나노벨트 구조 내부에 다공성 특성이 나타나고, 상기 금속전구체가 산화되어 금속산화물이 되는 것일 수 있다.
상기 (d) 단계는, 상기 고온 환원 열처리를 수행하기 위한 불활성 기체와 환원가스를 혼합하여 처리하되, 상기 불활성 기체는, Ar, N2이고, 상기 환원가스는 H2, CO, C2H5OH, H2S, CH4인 것일 수 있다.
상기 (d) 단계 및 (c) 단계는, 열처리 과정을 수행할 때 승온속도를 분당 5℃ 내지 분당 50℃ 범위 사이에서 조절하는 것일 수 있다.
실시예에 따르면, (e) 상기 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 분쇄시켜 가스센서 측정용 전극 상에 코팅하여 가스센서 소자를 제조하는 단계; 및 (f) 상기 가스센서 소자를 이용하여 복수의 가스센서 어레이를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 (e) 단계는, 상기 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 분쇄시켜 상기 가스센서 측정용 전극 상에 코팅할 때, 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 중 어느 하나의 공정법을 적용하는 것일 수 있다.
본 발명은 전기방사 방식으로 서로 다른 2종의 용매를 이용하여 2종 이상의 금속전구체가 균일하게 분포된 1차원 금속구조체/고분자 나노벨트 구조를 합성하고, 산화 및 환원 과정을 통해 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 제조함으로써, 가스센서 감지소재의 비표면적과 표면활성을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 다공성 이종금속 나노벨트를 합성함에 있어 전기방사 공정 중 증발 속도가 다른 2가지의 용매를 활용하여 단일 공정으로 1차원 나노벨트 구조를 형성하고, 산화 및 환원 열처리 공정을 통해 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 형성함으로써, 일반적인 박막 혹은 입자 구조보다 넓은 비표면적 및 높은 가스 투과도를 갖게 되어 가스 분자들과 나노벨트의 표면 반응을 용이하게 하여 센서 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 서로 다른 2종 이상의 금속으로 구성된 이종금속이 서로 다른 금속 원소들 간의 상승효과로 인하여 단일 금속과 비교하여 가스의 표면반응을 획기적으로 촉진시켜 상온에서도 극미량의 가스를 검출해낼 수 있는 높은 감도 및 선택성, 빠른 반응속도/회복속도, 높은 안정성 등의 우수한 감지특성과 함께, 감지 소재를 대량으로 생산 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노벨트를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 다공성 이종금속 나노벨트 구조를 이용한 가스센서의 제조방법에 대한 도면,
도 3은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도면,
도 4는 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 도면,
도 5는 Pd0.65Ni0.35 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 주사전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 도면,
도 6은 PdNi 나노벨트의 X선 회절분석(XRD) 분석결과를 나타낸 도면,
도 7은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 반응속도 및 저항변화 감도특성을 나타낸 도면,
도 8은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트가 상온에서 수소 농도 4%에 연속적으로 노출되었을 때의 감지특성을 나타낸 도면,
도 9는 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 0.5∼4% 수소 가스에 대한 반응속도 및 회복속도 감지특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 다공성 이종금속 나노벨트 구조를 이용한 가스센서의 제조방법에 대한 도면,
도 3은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도면,
도 4는 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 도면,
도 5는 Pd0.65Ni0.35 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 주사전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 도면,
도 6은 PdNi 나노벨트의 X선 회절분석(XRD) 분석결과를 나타낸 도면,
도 7은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 반응속도 및 저항변화 감도특성을 나타낸 도면,
도 8은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트가 상온에서 수소 농도 4%에 연속적으로 노출되었을 때의 감지특성을 나타낸 도면,
도 9는 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 0.5∼4% 수소 가스에 대한 반응속도 및 회복속도 감지특성을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노벨트를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 나노벨트(10)는, 서로 다른 2종 이상의 금속(11,12)으로 구성된 1차원 다공성 이종금속(dissimilar metal)을 포함하면서, 평면상으로 보아, 어느 한쪽 방향으로 벨트와 같이 길게 연결된 형상을 띄고 있는 나노구조체를 지칭한다. 이때, '1차원'이라 함은 선형(linear) 구조를 의미한다.
벨트 형상으로 길게 연결된 방향으로 나노벨트(10)의 한쪽 끝에서 반대 쪽 끝까지의 평균 직선 거리를 '길이'로 정의할 수 있고, 평면 상에서, 길이 방향과 수직하는 방향으로 나노벨트(10)의 한쪽 끝에서 반대 쪽 끝까지의 평균 직선 거리를 '폭'으로 정의할 수 있다.
또한, 길이 방향과 폭 방향이 이루는 평면과 수직하는 방향으로, 벨트 형상을 띄고 있는 금속 나노벨트의 상면과 하면 사이의 평균 직선 거리를 '두께'로 정의할 수 있다.
이러한 나노벨트(10)는 길이, 폭 또는 두께의 하나 이상(예를 들어, 두께)이 나노 스케일의 크기를 가지며, 길이가 폭에 비해 수 배 이상 큰 값을 가지고, 폭이 두께에 비해 수 배 이상 큰 값을 가짐에 따라, 얇은 두께의 직사각형 또는 이와 유사한 다각형 등의 도형이 띠와 같이 길게 연결된 벨트 형상을 띄는 것이다.
이러한 나노벨트(10)의 두께는 5∼500㎚ 사이로 매우 얇게 형성되며, 수많은 기공들이 나노벨트에 형성되어 있다. 이는 감지 소재 내부로의 가스 확산이 용이하여 센서 전극 위에 있는 감지 소재의 전면부에서 가스의 표면 반응을 유도할 수 있음을 의미한다.
그리고, 서로 다른 2종 이상의 금속(11,12)으로 구성된 이종금속은 서로 다른 금속 원소의 상승효과로 인하여 단일 금속 대비 향상된 표면활성을 갖기 때문에, 특정 가스의 이종금속 표면에서의 흡착/탈착 반응을 극도로 증대시켜 상온에서도 가스 감지특성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이러한 이종금속을 구성하는 다결정의 결정립 크기는 1㎚∼50㎚의 범위를 갖는다.
서로 다른 2종 이상의 금속(11,12)으로 구성된 이종금속은 모든 종류의 금속 원소를 활용하여 구성될 수 있으며, 2성분계부터 다성분계의 이종금속까지 포함될 수 있다.
그리고, 나노벨트(10)는 비표면적을 극대화하고 나노구조를 일정하고 균일하게 제조하기 위해 전기방사법(electrospinning)을 이용하여 제조한다.
구체적으로, 나노벨트(10)는 서로 다른 2종의 용매를 활용하여 전기방사 용액을 제조하고, 전기방사법을 이용하여 2종 이상의 금속전구체가 균일하게 분포된 1차원 나노벨트 구조를 합성하고, 이후 열처리 및 환원 과정을 통해 서로 다른 2종 이상의 금속으로 구성된 1차원 다공성 이종금속 복합 소재로 제조한다.
먼저, 나노벨트(10)는 전기방사 과정에서 제1 용매와 제2 용매 사이의 증발 속도 차이를 활용하여 제1 용매가 제2 용매 보다 먼저 증발하면서 발생하는 구조적 변형을 통해 감지 소재의 비표면적을 극대화시킬 수 있다. 여기서, 서로 다른 2종의 용매를 활용하여 전기방사 용액을 제조하는 이유는 전기방사 과정에서 용매 사이의 증발 속도 차이로 인해 발생하는 구조적 변형을 유도하기 위함이다.
다음으로, 나노벨트(10)는 산화 및 환원 열처리 공정을 통해 서로 다른 2종 이상의 금속들이 서로 균일하게 분산된 이종금속을 형성하여 단일 금속보다 훨씬 뛰어난 표면활성을 가지게 된다.
다음으로, 나노벨트(10)는 고온 열처리 공정 중에서 고분자가 열분해 되는 과정을 통해, 1차원 이종금속 나노벨트 내부에 수많은 기공을 형성하여 가스의 감지 소재 내부로의 확산을 용이하게 하여 가스의 표면 반응을 극대화시킨다.
이와 같이, 나노벨트(10)는 1차원 다공성 나노벨트 구조를 통해 가스가 손쉽게 감지 소재 내부로 확산하며, 이종금속의 상승효과로 인해 특정 가스의 표면 반응을 극대화할 수 있다.
이러한 나노벨트(10)를 가스센서에 적용하는 경우에는 나노벨트의 얇은 두께와 수 많은 기공을 통하여 가스의 확산 및 반응을 극대화하여 모든 감지 소재층에 특정 가스가 도달할 수 있으며, 서로 다른 2종 이상의 금속으로 이루어진 이종금속의 증대된 표면활성으로 인하여 가스의 표면 반응이 극적으로 증대된, 상온에서 감지 소재의 감지특성 및 가역적인 가스 반응도를 극적으로 향상시킨 상온 구동 가스센서를 구현하는 것을 가능하게 한다.
하지만, 기존에 연구된 금속산화물 가스센서의 경우에는, 상온이 아닌 고온(200℃ 이상)에서 작동하기 때문에 장시간 사용을 하면, 금속산화물의 결정립 성장(grain growth)에 따른 열화 현상 및 금속 입자 촉매의 열화현상이 발생하여 장기간 신뢰성 있는 구동이 어렵다.
또한, 고온이 아닌 상온에서 구동하는 저항변화식 가스센서의 경우에는, 고온에서 구동하는 센서에 비해 매우 낮은 감도, 선택성 및 느린 반응속도/회복속도 특성을 나타낸다.
또한, 기존의 일반적인 필름 형태나 뭉쳐져 있는 응집된 입자 형태의 가스센서는 감지 소재층의 두께가 수 ㎛ 두께를 가질 경우, 감지 소재 내부까지 가스가 도달하기 어려워 상온에서 높은 감도와 가역적인 반응을 이루어 내기가 매우 어렵다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 다공성 이종금속 나노벨트 구조를 이용한 가스센서의 제조방법에 대한 도면이다.
도 2를 참조하면, S101 단계에서는 서로 다른 2종의 용매를 이용하여 2종 이상의 금속전구체와 고분자가 균일하게 분산된 전기방사 용액을 제조한다.
구체적으로, 전기방사 용액을 제조하는 과정은 2종 이상의 금속전구체를 서로 다른 2종의 용매에 용해시킨 후, 고분자를 적정한 비율로 첨가하여 고분자가 혼합 용액에 모두 용해될 때까지 교반시켜 준다. 20∼100℃의 온도 범위에서 1∼24 시간 동안 충분히 교반시켜 금속전구체와 고분자가 전기방사 용액 속에 균일하게 혼합되도록 한다. 즉, 전기방사 용액은 서로 다른 2종의 용매에 분산된 금속전구체/고분자 복합 용액이라 할 수 있다.
여기서, 서로 다른 2종의 용매는 예를 들어, N,N'-디메틸포름아미드(N,N-Dimethyl Formamide, DMF), 디메틸술폭사이드(Dimethyl sulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone, NMP), 탈이온수, 에탄올 등과 같은 상용성 용매 중에서 사용할 수 있으며, 제1 용매와 제2 용매의 비율은 1:1wt% 내지 1:1.5wt% 범위에서 조절될 수 있다. 제1 용매(예, 에탄올)는 제2 용매(예, DMF)에 비해 증발 속도가 빠른 용매가 바람직하다.
또한, 금속전구체는 예를 들어, K2PtCl4, K2PdCl4, H2AuCl4, H2PtCl6, IrCl3, RuCl3, Ni(NO3)2, Fe(NO3)3 중 서로 다른 금속 원소를 포함하는 2종 이상의 금속전구체가 사용될 수 있다. 또한, 금속전구체는 금속염들이 포함된 아세테이트(Acetate), 클로라이드(chloride), 아세틸아세토네이트(Acetylacetonate), 나이트레이트(Nitrate), 메톡시드(Methoxide), 에톡시드(Ethoxide), 부톡시드(Butoxide), 이소프로폭시드(Isopropoxide), 설파이드(Sulfide) 등의 형태를 포함할 수 있다.
금속전구체는 제1 금속전구체와 제2 금속전구체로 구성할 때, 제2 금속전구체의 비율은 제1 금속전구체 대비 25at% 내지 50at%의 범위에서 조절될 수 있다.
또한, 고분자는 예를 들어, 폴리메틸메타아크릴레이트(PolyMethylMeth Acrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(PolyVinylAcetate, PVAc), 폴리비닐알콜(PolyVinylAlcohol, PVA), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리아크릴로니트릴(PolyAcryloNitrile, PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PolyVinyliDeneFluoride, PVDF), 폴리아크릴에시드(PolyAcrylicAcid, PAA), 폴리다이아닐다이메틸암모늄 클로라이드(Polydiallyldimethylammonium chloride, PDADMAC) 및 폴리스티렌설포네이트(PolyStyreneSulfonate, PSS) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 형태일 수 있다. 여기서 사용되는 고분자의 종류는 용매에 녹는 형태이면 모두 사용할 수 있다.
여기서, 고분자와 금속전구체 사이의 중량 비율은 1:0.1∼1의 범위를 갖는다.
이후, S102 단계에서는 S101 단계에서 만들어진 전기방사 용액을 이용한 전기방사 방식으로 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트를 제조한다.
구체적으로, 전기방사 방식을 실시하는 과정은 전기방사 용액을 시린지(syringe)에 채운 후, 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지를 밀어줌으로써 일정한 양의 방사 용액이 토출되도록 한다.
여기서, 전기방사 방식을 실시하기 위한 전기방사 시스템은 고전압기, 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 노즐을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 전기방사 시스템은 시린지에 채워진 전기방사 용액과 전도성 기판 사이에 고전압(5∼30㎸)의 전기장을 걸어주면 시린지 노즐을 통해 전기방사 용액을 전도성 기판 상에 토출한다.
그러면, 토출된 전기방사 용액은 서로 다른 용매 사이의 증발 속도 차이로 인해 증발 속도가 빠른 제1 용매가 제2 용매보다 빠르게 증발하면서 금속전구체와 고분자 복합 나노섬유의 구조가 변형하게 되면서, 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트 구조를 형성하게 된다.
이때, 전기방사 용액의 토출 속도는 0.01㎖/분 내지는 1.0㎖/분 내외로 조절될 수 있으며, 전압과 토출량의 조절을 통해서 원하는 길이, 폭 또는 두께를 갖는 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트를 제작할 수 있다.
그런 다음, S103 단계에서는 S102 단계에서 만들어진 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트의 고온 산화 열처리를 통해 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트를 제조한다.
구체적으로, 1차원 다공성 금속전구체/고분자 복합 나노벨트는 400∼1000℃ 사이의 전기로 온도 범위에서 산화 열처리가 진행되면, 고분자는 열분해되어 제거되고, 금속전구체는 산화되어 금속산화물이 된다. 특히, 고분자가 열분해되어 제거되는 과정에서는 나노벨트 내부에 수많은 기공을 형성하게 되어 다공성(porous) 특성을 나타내게 된다. 이러한 고온 산화 열처리 과정은 승온속도를 분당 5℃ 내지 분당 50℃ 범위 사이에서 조절한다.
여기서, 전기로에 주입되는 산화가스는 NO2 또는 NO일 수 있다.
그런 후, S104 단계에서는 S103 단계에서 만들어진 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트의 전기로 고온 환원 열처리를 통해 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 제조한다.
구체적으로, 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트는 400∼1000℃ 사이의 온도 범위와 환원 분위기에서 환원 열처리가 진행되면, 금속산화물은 환원되어 서로 다른 2종 이상의 금속이 균일하게 분산되어 이루어진 이종금속으로 나타내게 된다.
여기서, 환원 분위기는 불활성 기체(예, Ar, N2)와 20% 수소(H2)의 혼합 가스가 전기로 내에 채워져 형성된다. 전기로에 주입되는 환원가스는 수소(H2) 이외에도 CO, C2H5OH, H2S, CH4 등일 수 있다.
이러한 고온 환원 열처리 과정은 고온 산화 열처리 과정과 마찬가지로 승온속도를 분당 5℃ 내지 분당 50℃ 범위 사이에서 조절할 수 있다.
이후, S105 단계에서는 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 용매에 분산시키거나 파우더 형태로 분쇄시켜 가스센서 측정용 전극 상에 코팅하여 가스센서 소자를 제조한다. 가스센서 소자는 복수의 가스센서 어레이를 제조하는데 이용된다.
여기서, 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 용매에 분산시켜 코팅하는 경우에는 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 에탄올 용매에 분산시킨 후, 분산용액을 미리 준비된 센서 전극(전기전도도 및 전기저항변화를 측정할 수 있는 평행한 전극이 형성된 알루미나 절연체 기판) 상에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 등과 같은 코팅 공정법을 이용하여 코팅할 수 있다.
이하, 후술할 도 3 내지 도 6을 참조하여 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 제조하는 구체적인 실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도면이고, 도 4는 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 도면이며, 도 5는 Pd0.65Ni0.35 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 주사전자현미경(TEM) 이미지를 나타낸 도면이고, 도 6은 PdNi 나노벨트의 X선 회절분석(XRD) 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 제조하는 구체적인 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예 : 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트 제작
먼저, DMF 1.5g, 에탄올 1.5g, HCl(35-37%) 70㎕ 혼합용액에 Pd의 전구체인 PdCl2 400㎎과 Ni의 전구체인 Ni(NO3)2·6H2O 219㎎을 첨가하여 60℃ 에서 30분 이상 350rpm의 회전수로 교반하여 용해시킨다.
이때, 혼합하는 서로 다른 2종의 금속으로 이루어진 금속전구체는 제1 금속전구체 대비 제2금속전구체의 비율이 25at% 내지 50at%의 농도 범위에서 조절될 수 있다.
이렇게 형성된 금속전구체가 균일하게 혼합된 전기방사 용액에 분자량 1,300,000g/mol의 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 고분자를 0.35g을 첨가하여 상온에서 6시간 이상 350rpm의 회전수로 교반하여 전기방사 용액을 제조한다.
이와 같이 제조된 전기방사 용액은 시린지(Henke-Sass Wolf, 12㎖ NORM-JECTⓡ)에 담아주고 시리지 펌프에 연결하여 0.01∼1.0㎖/분의 토출 속도로 전기방사 용액을 밀어내어 주고, 방사과정에서 사용되는 노즐(needle, 21~25 gauge)과 나노섬유가 포집되는 집전체 사이의 전압을 5∼30㎸로 하여 전기방사를 진행한다.
이때, 에탄올과 DMF의 증발 속도 차이로 인해서, 증발 속도가 빠른 에탄올이 DMF보다 빠르게 증발하면서 금속전구체/고분자 복합 나노섬유의 구조를 변형하게 되어 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트 구조를 형성하게 된다.
그런 다음, 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트는 승온 속도를 5℃/분 으로 하여 600℃ 에서 1시간 동안 유지시켜주었고, 40℃/분의 온도 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다.
고온 산화 열처리 과정을 통해, 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트의 금속전구체는 산화되고, 고분자들은 모두 열분해되면서 나노벨트 내부에 기공을 형성하게 된다. 결과적으로, 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트는 고온 산화 열처리 과정을 통해 1차원 다공성 금속산화물(PdO-NiO) 나노벨트 구조를 형성하게 된다.
이후, 1차원 다공성 금속산화물(PdO-NiO) 나노벨트는 승온 속도를 5℃/분으로 하고, 환원 분위기(20% H2 in Ar)에서 450℃로 5시간 동안 유지시켜 준 다음, 40℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다.
그러면, 고온 환원 열처리 과정을 통해, 1차원 다공성 금속산화물(PdO-NiO) 나노벨트는 금속산화물이 환원되어 서로 다른 2종의 금속이 균일하게 분산된 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트 구조를 형성하게 된다.
전술한 실시예를 통해 형성된 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트는 구체적으로 Pd0.75Ni0.25 나노벨트, Pd0.65Ni0.35 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트와 같이 제조될 수 있다.
먼저, 도 3은 전술한 실시예를 통해 형성된 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 주사전자현미경(SEM) 이미지들을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 서로 다른 2종의 용매를 이용하여 전기방사를 진행할 경우, 1차원 나노벨트 구조를 형성함을 확인할 수 있으며, 산화 열처리 및 환원 열처리 후에 다공성 구조의 1차원 나노벨트가 형성됨을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 4는 전술한 실시예를 통해 형성된 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 투과전자현미경(SEM) 이미지들을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 산화 열처리 과정 이후에 형성된 1차원 다공성 금속산화물(PdO-NiO) 나노벨트 내부에 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 산소 원자(O)가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 환원 열처리 과정 이후에 산소 원자들이 모두 제거되어 니켈(Ni)과 팔라듐(Pd)만 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 도 5는 전술한 실시예를 통해 형성된 Pd0.65Ni0.35 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 주사전자현미경 (TEM) 이미지들을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 전기방사 용액을 제조하는 단계에서 Ni 전구체의 비율을 Pd 전구체 대비 35, 50mol% 비율로 변화시키고, 동일한 전기방사 및 열처리 공정을 통해 다양한 조성의 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 형성할 수 있음을 확인하였다.
또한, 도 6은 전술한 실시예를 통해 형성된 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트의 X선 회절분석(XRD)에 대한 분석결과를 나타낸다.
도 6을 참조하면, XRD 결과를 통해 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트가 양호하게 형성된 것을 확인하였다.
이하, 후술할 도 7 내지 도 9를 참조하여 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 상온 구동 가스센서로 제조할 경우 제조하는 구체적인 실험예에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 반응속도 및 저항변화 감도특성을 나타낸 도면이고, 도 8은 Pd0.75Ni0.25 나노벨트가 상온에서 수소 농도 4%에 연속적으로 노출되었을 때의 감지특성을 나타낸 도면이며, 도 9는 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 0.5∼4% 수소 가스에 대한 반응속도 및 회복속도 감지특성을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 도 3 내지 도 6에 언급된 실시예를 통해 형성된 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 및 특성 평가에 대한 실험예에 대해 설명하면 다음과 같다.
실험예 : 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 및 특성 평가
도 3 내지 도 6에 언급된 실시예를 통해 제작된 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트를 상온 구동 가스센서로 제조하기 위하여, 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트인 감지 소재 5㎎을 각각 에탄올 300㎕에 분산시켜 분산액을 제조한다.
에탄올에 분산된 1차원 다공성 이종금속(PdNi) 나노벨트는 각각 150㎛의 간격으로 떨어져 있는 두 평행한 금(Au) 전극이 형성된 3㎜×3㎜ 크기의 알루미나(Al2O3) 기판 상부에 드랍 코팅(drop coating) 방법을 이용하여 코팅한다.
보다 자세하게는, 피펫(pipet)을 이용하여 감지소재 분산액 5㎕를 센서 전극이 형성된 알루미나 기판 상에 도포한 후, 60℃에서 건조시키는 과정을 거쳤고, 감지소재가 알루미나 기판에 완전히 도포될 때까지 반복한다.
이렇게 제조된 가스센서를 활용하여 상온에서 센서 특성 평가를 진행한다.
본 실험예에서는 상온에서 무색, 무취, 무미한 가연성 가스인 수소(H2)에 대해 특성 평가를 진행하였다. 이러한 반도체식 가스센서는 저항 변화를 통해 가스 감지를 확인한다.
도 7은 상온에서 수소 농도를 4, 3, 2, 1, 0.5%에 연속적으로 노출할 때의 Pd0.75Ni0.25 나노벨트 및 Pd0.5Ni0.5 나노벨트의 저항변화 특성 및 감도를 나타낸다.
도 7의 (a)를 참조하면 Pd와 Ni의 비율을 조절함으로써 이종금속의 반응성을 최적화할 수 있음을 확인할 수 있으며, 도 7의 (b)를 참조하면 Pd0.75Ni0.25 나노벨트가 수소에 대해서 우수한 감지 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 1차원 다공성 Pd0.75Ni0.25 나노벨트가 상온에서 수소 농도 4%에 연속적으로 노출되었을 때의 감지특성을 나타낸다.
도 8의 (a)를 참조하면 20번 이상의 반복적인 측정에도 안정적인 감지특성을 나타내고, 도 8의 (b)를 참조하면 19초의 반응속도(response time) 및 18초의 회복속도(recovery time)로 아주 빠르게 수소를 검출할 수 있음을 확인하였다.
도 9는 1차원 다공성 Pd0.75Ni0.25 나노벨트의 0.5∼4% 수소 가스에 대한 반응속도 및 회복속도 감지특성을 나타낸다.
도 9의 (a)를 참조하면 0.5∼4% 범위의 수소 가스에 대해 40초 이내의 반응속도를 나타내고, 도 9의 (b)를 참조하면 0.5∼4% 범위의 수소 가스에 대해 20초 이내의 회복속도를 나타낸다. 즉, 1차원 다공성 Pd0.75Ni0.25 나노벨트를 이용한 가스센서는 고속의 수소 가스 감지특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
특히, 1차원 다공성 나노벨트 구조는 비표면적이 넓을 뿐만 아니라 수많은 기공을 통해 내부로의 가스의 확산을 용이하게 할 수 있으며, 서로 다른 이종금속의 시너지 효과로 인하여 표면 반응이 증대되기 때문에, 1차원 다공성 Pd0.75Ni0.25 나노벨트는 상온에서도 향상된 감지특성 및 극대화된 반응속도/회복속도를 보였다. 이는 종래에 존재하는 어떠한 상온 구동 수소 센서보다도 우수한 감지특성이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 가스센서는 유입식(油入式) 전력설비(예, 가스절연변압기, 가스절연개폐기 등)에 충진된 절연유 중에 용존되어 있는 가스를 추출 및 검지하여 전력설비의 이상 유무 및 상태를 진단하기 위한 반도체식 가스센서에 적용할 수 있다.
이러한 반도체식 가스센서는 전력설비의 실시간 상태진단을 통해 절연 파괴가 발생하기 전에 전력설비를 수리 또는 절연유 교체를 통해 불시의 정전사고를 방지하고, 정확한 수명관리를 통해 전력설비 또는 절연유의 조기 교체를 억제하여 경제적 실익도 얻을 수 있게 한다.
일반적으로, 반도체식 가스센서는 양산이 용이하여 제조비용이 저렴하고, 고집적이 가능하여 소형이며 환경변화에 비교적 안정적인 장점이 있지만, 전력설비 이상 상태 조기 감지를 위해 1∼15ppm의 저농도 구간에서 가스 감도와 선택성이 현저히 떨어져 효과적으로 적용하기 곤란한 단점이 있다.
반면에, 본 발명의 실시예에 따른 반도체식 가스센서는 전기방사 방식으로 가스센서 소재를 나노구조화함으로 극미량의 가스만 존재해도 정확하고 신속하게 감지할 수 있도록 유증가스와의 반응이 일어나는 센서 소재 표면적을 최대한으로 증가시켜 성능의 재현성 및 균일성을 확보할 수 있다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
10 ; 나노벨트
11,12 ; 2종 이상의 금속
11,12 ; 2종 이상의 금속
Claims (20)
- 길이, 폭 또는 두께의 하나 이상이 나노 스케일의 크기를 가지고, 상기 길이가 상기 폭에 비해 큰 값을 가지며, 상기 폭이 상기 두께에 비해 큰 값을 갖는 벨트 형상으로서, 서로 다른 2종 이상의 금속으로 구성된 1차원 다공성 이종금속을 포함하는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이종금속을 구성하는 다결정의 결정립 크기는 1㎚∼50㎚의 범위를 갖는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이종금속은, 2성분계부터 다성분계의 이종금속을 포함하는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트.
- 제 3 항에 있어서,
상기 이종금속은,
서로 다른 제1 금속 및 제2 금속으로 구성되되,
상기 제2 금속은 상기 제1 금속 대비 25at% 내지 50at%의 범위에서 조절되는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제1 금속은 팔라듐(Pd)이고,
상기 제2 금속은 니켈(Ni)로 이루어지는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트.
- 제 4 항에 있어서,
상기 이종금속은,
팔라듐(Pd)과 니켈(Ni)의 비율에 따라 Pd0.75Ni0.25, Pd0.65Ni0.35 및 Pd0.5Ni0.5 중 어느 하나로 형성하는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트.
- (a) 서로 다른 제1 용매와 제2 용매를 이용하여 2종 이상의 금속전구체와 고분자가 균일하게 분산된 전기방사 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전기방사 용액을 이용한 전기방사를 통해 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트를 제조하는 단계;
(c) 상기 1차원 금속전구체/고분자 복합 나노벨트의 고온 산화 열처리를 통해 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트를 제조하는 단계; 및
(d) 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노벨트의 고온 환원 열처리를 통해 1차원 다공성 이중금속 나노벨트를 제조하는 단계;
를 포함하는 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제1 용매 및 상기 제2 용매는,
N,N'-디메틸포름아미드(N,N-Dimethyl Formamide, DMF), 디메틸술폭사이드(Dimethyl sulfoxide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone, NMP), 탈이온수, 에탄올 중 어느 하나인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 비율은,
1:1wt% 내지 1:1.5wt% 범위에서 조절되는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 제1 용매는,
상기 제2 용매에 비해 증발 속도가 빠른 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제1 용매는, 에탄올이고,
상기 제2 용매는, DMF인 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 2종 이상의 금속전구체는,
K2PtCl4, K2PdCl4, H2AuCl4, H2PtCl6, IrCl3, RuCl3, Ni(NO3)2, Fe(NO3)3 중에서 선택되는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 고분자는,
폴리메틸메타아크릴레이트(PolyMethylMeth Acrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PolyVinylPyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(PolyVinylAcetate, PVAc), 폴리비닐알콜(PolyVinylAlcohol, PVA), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리아크릴로니트릴(PolyAcryloNitrile, PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PolyVinyliDeneFluoride, PVDF), 폴리아크릴에시드(PolyAcrylicAcid, PAA), 폴리다이아닐다이메틸암모늄 클로라이드(Polydiallyldimethylammonium chloride, PDADMAC) 및 폴리스티렌설포네이트(PolyStyreneSulfonate, PSS) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 형태인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 고분자와 상기 금속전구체 사이의 중량 비율은,
1:0.1∼1의 범위를 갖는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 고온 산화 열처리를 통해 상기 고분자가 제거되면서 나노벨트 구조 내부에 다공성 특성이 나타나고, 상기 금속전구체가 산화되어 금속산화물이 되는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 고온 환원 열처리를 수행하기 위한 불활성 기체와 환원가스를 혼합하여 처리하되,
상기 불활성 기체는, Ar, N2이고,
상기 환원가스는 H2, CO, C2H5OH, H2S, CH4인 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 (d) 단계 및 (c) 단계는,
열처리 과정을 수행할 때 승온속도를 분당 5℃ 내지 분당 50℃ 범위 사이에서 조절하는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
(e) 상기 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 분쇄시켜 가스센서 측정용 전극 상에 코팅하여 가스센서 소자를 제조하는 단계; 및
(f) 상기 가스센서 소자를 이용하여 복수의 가스센서 어레이를 제조하는 단계;
를 더 포함하는 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
상기 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 분쇄시켜 상기 가스센서 측정용 전극 상에 코팅할 때, 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 중 어느 하나의 공정법을 적용하는 것인 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용한 가스센서 제조 방법.
- 제 7 항의 방법으로 제조된 1차원 다공성 이종금속 나노벨트를 이용하여 가스센서용 감지소재를 포함하는 가스센서.
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| KR101156673B1 (ko) | 2009-12-16 | 2012-06-15 | 충남대학교산학협력단 | 금속산화물 함유 다공성 나노섬유를 이용한 가스센서 및 이의 제조방법 |
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| KR101859851B1 (ko) * | 2016-12-26 | 2018-05-18 | 한국과학기술원 | 나노입자 촉매와 메조 및 메크로 기공이 포함된 다공성 금속산화물 마이크로 벨트를 이용한 가스센서용 부재 및 그 제조방법 |
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-
2020
- 2020-03-31 KR KR1020200038975A patent/KR102389583B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102389583B1 (ko) | 2022-04-25 |
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