KR20210127374A - Gas sensors and member using one-dimensional nanofibers sensitized, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a gas sensor. More specifically, the gas sensor of the present invention comprises an electrode for measuring the gas sensor, and a one-dimensional porous metal oxide nanofiber to which a metal nanoparticle catalyst is bound to an upper portion of the electrode for measuring the gas sensor. The present invention relates to the high-performance one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor which maximizes a gas reaction, and a manufacturing method thereof.

Description

1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 및 그 제조방법{GAS SENSORS AND MEMBER USING ONE-DIMENSIONAL NANOFIBERS SENSITIZED, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor and manufacturing method thereof

본 발명은 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나트륨계 할로겐화물을 안정제로 포함하여 제조된 금속나노입자 촉매를 이용하여 고성능으로 고감도 및 고속의 응답특성을 나타내는 1차원 나노섬유 기반 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor, and more particularly, a one-dimensional nanofiber-based gas sensor showing high sensitivity and high-speed response with high performance using a metal nanoparticle catalyst prepared including a sodium-based halide as a stabilizer, and the same It relates to a manufacturing method.

다양한 가스 검출 방식 중 금속산화물 기반 저항변화식 가스센서는 특정 타겟 가스 분자가 표면에서 흡착 및 탈착할 때 발생하는 저항 변화를 측정하는 간단한 원리로 작동된다. 따라서 간단한 구조의 가스센서 시스템을 구축할 수 있고, 소형화 및 대량 생산이 용이하며 다른 기기와의 연동성이 뛰어나다. 이러한 장점 때문에 저항변화식 가스센서는 대기 오염물질, 유해가스 및 마약류 감지 센서 등 다양한 분야에 적용되며 웨어러블 기기에 접목시키는 연구도 활발히 진행되고 있다.Among the various gas detection methods, the metal oxide-based resistance-variable gas sensor operates on the simple principle of measuring the resistance change that occurs when a specific target gas molecule is adsorbed and desorbed from the surface. Therefore, a gas sensor system with a simple structure can be built, miniaturization and mass production are easy, and interoperability with other devices is excellent. Because of these advantages, the resistance variable gas sensor is applied to various fields such as air pollutants, toxic gases and narcotics detection sensors, and research for grafting it to wearable devices is being actively conducted.

이러한 금속산화물 기반 가스센서를 산업분야 및 일상생활에 적용하기 위해서는 극미량의 가스까지 검출 가능한 고감도, 공존하는 다른 가스와 차별되게 반응성이 매우 높은 고선택성, 짧은 시간 내에 저항 변화가 뚜렷하게 감지되는 고속 감지 소재 개발이 필요하다. 상기 3가지 주요 센서 성능은 센서 소재의 나노 구조체화를 통하여 산소 및 타겟 가스와 반응할 수 있는 표면적을 극대화함에 의해 향상시킬 수 있다. 금속산화물 반도체식(Metal Oxide Semiconductor, MOS) 가스센서는 표면 화학반응에 의해 작동하기 때문에 센서 구조체의 비표면적이 넓을수록 표면에서의 가스 반응이 더 용이하고 높은 반응도를 나타낼 수 있다. 지금까지 만들어지고 평가되고 있는 가스센서 구조체 중에서 나노섬유는 넓은 비표면적, 긴 종횡비 등의 장점이 있어 소재의 거의 전 영역이 가스와의 반응에 참여할 수 있다. 이로 인해 감지 소재 표면에서의 산소 흡착 및 탈착에 따른 전자 결핍층 또는 공핍층의 형성과 소멸에서 비롯되는 저항 변화폭이 증가하여 수 ppm(parts per million) 수준의 극미량 가스도 감지할 수 있는 고감도 특성을 얻을 수 있다.In order to apply this metal oxide-based gas sensor to industrial fields and daily life, it is a high-sensitivity that can detect even a very small amount of gas, high selectivity that is highly reactive and distinct from other coexisting gases, and a high-speed sensing material that can clearly detect resistance changes within a short time. development is needed The performance of the three main sensors can be improved by maximizing the surface area that can react with oxygen and target gas through the nanostructure of the sensor material. Since a metal oxide semiconductor (MOS) gas sensor operates by a surface chemical reaction, the larger the specific surface area of the sensor structure, the easier the gas reaction on the surface and high reactivity. Among the gas sensor structures that have been made and evaluated so far, nanofibers have advantages such as a large specific surface area and a long aspect ratio, so that almost the entire area of the material can participate in the reaction with the gas. Due to this, the range of resistance change resulting from the formation and disappearance of an electron-depletion layer or depletion layer due to oxygen adsorption and desorption on the sensing material surface increases, resulting in high sensitivity that can detect even a very small amount of gas at a level of several ppm (parts per million). can be obtained

그러나 무조건적으로 감지 소재를 나노섬유와 같이 비표면적이 넓은 나노 구조체로 만들면 조성에 무관하게 가스 흡착도는 향상되지만 공존하는 여러 가스 중에서 타겟 가스만에 의한 저항 변화를 뚜렷하게 분리하기 어렵다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 금속 또는 금속산화물 촉매를 감지 소재에 결착하여 감도 및 선택도를 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.However, if the sensing material is unconditionally made of a nanostructure with a large specific surface area, such as a nanofiber, the gas adsorption is improved regardless of the composition, but it is difficult to clearly separate the resistance change due to only the target gas among various coexisting gases. Therefore, in order to solve this problem, studies are being actively conducted to improve sensitivity and selectivity by binding a metal or metal oxide catalyst to a sensing material.

감지 소재 성능을 향상시키기 위한 촉매로는 니켈(Ni), 철(Fe) 등과 같은 전이금속뿐만 아니라 백금(Pt), 납(Pd), 금(Au) 등과 같은 귀금속이 주로 이용된다. 특히 귀금속 촉매는 표면 가스반응에 참여하는 산소 흡착종의 농도를 증가시키는 화학적 증감, 촉매 자체의 산화수가 가스 흡착에 의해 변화하는 전자적 증감 등의 방법으로 감도 및 선택성 향상을 유도하므로 매우 효과적이다. 그러나 촉매를 이용한 센서 성능향상 효과를 극대화하기 위해서는 촉매 자체의 나노 구조화, 균일 분포 및 응집에 의한 조대화 현상 억제를 통하여 가스와의 접촉 면적을 최대한 확장할 필요가 있다. As a catalyst for improving the performance of a sensing material, not only transition metals such as nickel (Ni) and iron (Fe), but also noble metals such as platinum (Pt), lead (Pd), and gold (Au) are mainly used. In particular, noble metal catalysts are very effective because they induce sensitivity and selectivity improvement through chemical sensitization that increases the concentration of oxygen adsorbing species participating in surface gas reaction, and electronic sensitization in which the oxidation number of the catalyst itself is changed by gas adsorption. However, in order to maximize the sensor performance improvement effect using the catalyst, it is necessary to maximize the contact area with the gas through the nanostructure of the catalyst itself, uniform distribution, and suppression of coarsening caused by agglomeration.

이처럼 기존에 연구된 필름 형태나 뭉쳐져 있는 입자 형태의 금속산화물 가스센서 부재의 경우, 김지층 두께가 수백 nm이상으로 두꺼워 감지 소재 내부까지 타겟 가스가 도달하기 어려워 다량의 비활성점이 가스 표면 흡착 및 탈착 반응에 참여하지 않는다. 또한 200℃ 이상의 고온에서 장시간 사용시 금속 산화물의 입자(grain) 성장에 따른 조대화 현상 및 금속 입자 촉매의 열화현상 때문에 안정적으로 장기 구동이 어려운 문제점이 있었다.As such, in the case of the metal oxide gas sensor member in the form of a film or agglomerated particles, the thickness of the gimji layer is several hundred nm or more, which makes it difficult for the target gas to reach the inside of the sensing material. do not participate in In addition, when used for a long time at a high temperature of 200° C. or higher, it was difficult to stably drive for a long time because of the coarsening phenomenon caused by the growth of grains of metal oxide and the deterioration of the metal particle catalyst.

한국 공개특허 제10-2014-0123563호Korean Patent Publication No. 10-2014-0123563

상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 가스 반응을 최대화하기 위해서 매우 얇은 두께를 갖는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 전기방사 기법을 이용해 손쉽게 제조하는 방법으로, 나트륨계 할로겐화물을 이용하여 금속나노입자 촉매를 합성하고, 이 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자가 분산되어 있는 전기방사 용액을 제조하고, 전기방사법을 이용하여 합성한 복합 나노섬유를 산화 열처리하여 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 제조한다. 이와 같은 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유의 높은 기공도는 기공을 통한 가스의 출입을 용이하게 하고 감지 소재 부근의 체류 시간을 길게 함에 따라 가스 확산 및 반응을 촉진하고 반응에 참여하지 않는 비활성점을 최소화하여 가스의 표면 반응을 극적으로 증가시킨 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In consideration of the above points, the present invention is a method for easily manufacturing a one-dimensional porous metal oxide nanofiber having a very thin thickness using an electrospinning technique in order to maximize the gas reaction, and a metal nanoparticle catalyst using a sodium-based halide , prepare an electrospinning solution in which the metal nanoparticle catalyst, metal precursor, and polymer are dispersed, and oxidatively heat-treat the composite nanofiber synthesized using the electrospinning method to produce a one-dimensional porous metal oxide nanofiber . The high porosity of such one-dimensional porous metal oxide nanofibers facilitates gas in and out through the pores and increases the residence time in the vicinity of the sensing material, thereby promoting gas diffusion and reaction and minimizing inactive points that do not participate in the reaction. An object of the present invention is to provide a one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor that dramatically increases the surface reaction of the gas and a method for manufacturing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서는 가스센서 측정용 전극, 및 상기 가스센서 측정용 전극용 상부에 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 포함한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor of the present invention comprises an electrode for gas sensor measurement, and one-dimensional porous metal oxide nanofiber on the upper portion for the gas sensor measurement electrode. do.

본 발명의 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서에서 상기 가스센서 측정용 전극은 수소(H2), 일산화탄소(CO), 아세틸렌(C2H2) 등과 같은 변압기 유중가스, 환경 유해가스 및 유독가스로 이산화질소(NO2), 일산화질소(NO) 등의 산화가스, 에탄올(C2H5OH), 황화수소(H2S), 메탄(CH4) 등의 환원가스 검출이 가능한 저항변화식 가스센서 측정용 전극인 것이 바람직하다.In the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor of the present invention, the gas sensor measurement electrode is hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), acetylene (C 2 H 2 ), etc., transformer oil gas, environmental harmful gas and toxic Resistance variable gas that can detect oxidizing gases such as nitrogen dioxide (NO 2 ), nitrogen monoxide (NO), and reducing gases such as ethanol (C 2 H 5 OH), hydrogen sulfide (H 2 S), and methane (CH 4 ) It is preferable that it is an electrode for sensor measurement.

본 발명의 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서에서 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는, 금속 촉매 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 혼합하여 형성된 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자를 포함하는 전기방사 용액을 전기방사하여 형성된 복합 나노섬유가 산화 열처리되어 금속산화물 입자가 결착된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유이다.In the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor of the present invention, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber is a metal nanoparticle catalyst formed by mixing a metal catalyst precursor and a sodium-based halide, a metal precursor, and electricity containing a polymer Composite nanofibers formed by electrospinning a spinning solution are one-dimensional porous metal oxide nanofibers in which metal oxide particles are bound by oxidation heat treatment.

상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는 기공 크기가 50nm 내지 100㎛이고, 두께가 5nm 내지 5㎛이고, 직경은 50nm 내지 5㎛이며, 길이는 1㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다.The one-dimensional porous metal oxide nanofiber may have a pore size of 50 nm to 100 μm, a thickness of 5 nm to 5 μm, a diameter of 50 nm to 5 μm, and a length of 1 μm to 500 μm.

상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는 열처리 온도에 따라 1㎚ 내지 40㎚ 범위의 결정립 크기를 갖는 금속산화물 입자들로 구성되며, 상기 금속산화물 입자들 사이에 빈 공간이 형성되어 표면에 1㎚ 내지 10㎚ 크기의 메조 기공들이 포함된 것이다.The one-dimensional porous metal oxide nanofiber is composed of metal oxide particles having a grain size in the range of 1 nm to 40 nm depending on the heat treatment temperature, and an empty space is formed between the metal oxide particles to form a surface of 1 nm to 10 nm. Mesopores with a size of nm are included.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법은, (a) 금속 촉매 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 반응시켜 금속나노입자 촉매를 제조하는 단계, (b) 상기 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자를 용매에 분산시켜 전기방사 용액을 제조하는 단계, (c) 상기 전기방사 용액을 전기방사하여 다수의 기공을 갖는 복합 나노섬유를 제조하는 단계, (d) 상기 복합 나노섬유를 산화 열처리하여 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 형성하는 단계, 및 (e) 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 유기용매에 분산시켜 나노섬유 용액을 제조하고, 상기 나노섬유 용액을 가스센서 측정용 전극 위에 코팅하여 가스센서를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in order to achieve the above object, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method of the present invention comprises the steps of (a) reacting a metal catalyst precursor with a sodium-based halide to prepare a metal nanoparticle catalyst, (b) preparing an electrospinning solution by dispersing the metal nanoparticle catalyst, a metal precursor, and a polymer in a solvent, (c) preparing a composite nanofiber having a plurality of pores by electrospinning the electrospinning solution , (d) forming a one-dimensional porous metal oxide nanofiber by oxidative heat treatment of the composite nanofiber, and (e) dispersing the one-dimensional porous metal oxide nanofiber in an organic solvent to prepare a nanofiber solution, It may include the step of manufacturing a gas sensor by coating the nanofiber solution on the electrode for gas sensor measurement.

상기 (a)에서 상기 금속 촉매 전구체는 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, 및 Ge 중에서 선택되는 어느 하나의 금속염이 포함된 것으로 용매에 녹는 음이온계 금속 전구체라면 큰 제약을 두지 않으며, 바람직하게는 K2PtCl4, K2PdCl4, H2AuCl4, H2PtCl6, Na2PtCl4, Na2PdCl4, Na2AuCl4, Na3RhCl6, Na2IrCl6 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.In (a), the metal catalyst precursor is Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, If any one metal salt selected from Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, and Ge is included, as long as it is an anionic metal precursor that is soluble in a solvent, there is no great restriction, preferably K 2 PtCl 4 , K 2 PdCl 4 , H 2 AuCl 4 , H 2 PtCl 6 , Na 2 PtCl 4 , Na 2 PdCl 4 , Na 2 AuCl 4 , Na 3 RhCl 6 , Na 2 IrCl 6 Any one selected from the group may be used.

상기 나트륨계 할로겐화물(halide)은 안정제로서 바람직하게 아이오딘화 나트륨(NaI), 브로민화 나트륨(NaBr), 염화 나트륨(NaCl), 및 플루오린화 나트륨(NaF) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 아이오딘화 나트륨(NaI)를 사용할 수 있다.The sodium-based halide is preferably any one selected from sodium iodide (NaI), sodium bromide (NaBr), sodium chloride (NaCl), and sodium fluoride (NaF) as a stabilizer. , most preferably sodium iodide (NaI).

또한, 상기 (a) 단계에서 금속나노입자 촉매를 제조에는 N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 탈이온수, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 퍼퓨릴알콜 등과 같은 상용성 용매를 사용하여 금속 촉매 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 반응시킬 수 있다.In addition, in the preparation of the metal nanoparticle catalyst in step (a), N,N'-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N,N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, deionized water, ethanol, tetra The metal catalyst precursor and the sodium-based halide may be reacted using a compatible solvent such as hydrofuran or furfuryl alcohol.

상기 (a) 단계에서 제조된 상기 금속나노입자 촉매는 원심분리를 이용하여 세척과 오븐 건조 과정을 통해 수득할 수 있다.The metal nanoparticle catalyst prepared in step (a) can be obtained through washing and oven drying using centrifugation.

상기 (b) 단계에서 상기 금속 전구체는 금속염이 포함된 아세테이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 및 설파이드 중에서 선택된 어느 하나의 형태로 이루어진 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 SnCl2, Zn4O(CO2)6, Zn3O(CO2)6, Cr3O(CO2)6, In3O(CO2)6, Ga3O(CO2)6, Cu2O(CO2)4, Zn2O(CO2)4, Fe2O(CO2)4, Mo2O(CO2)4, Cr2O(CO2)4, Co2O(CO2)4, Ru2O(CO2)4, Zr6O4(OH4), Zr6O4(CO2)12, Zr6O8(CO2)8, In(C5HO4N2)4, Na(OH)2(SO3)3, Cu2(CNS)4, Zn(C3H3N2)4, Ni4(C3H3N2)8, Zn3O3(CO2)3, Mg3O3(CO2)3, Co3O3(CO2)3, Ni3O3(CO2)3, Mn3O3(CO2)3, Fe3O3(CO2)3, Cu3O3(CO2)3, Al(OH)(CO2)2, VO(CO2)2, Zn(NO3)2, Zn(O2CCH3), Co(NO3)2, 및 Co(O2CCH3) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.In step (b), if the metal precursor is in the form of any one selected from acetate, chloride, acetylacetonate, nitrate, methoxide, ethoxide, butoxide, isopropoxide, and sulfide containing metal salts Can be used without limitation, more preferably SnCl 2 , Zn 4 O(CO 2 ) 6 , Zn 3 O(CO 2 ) 6 , Cr 3 O(CO 2 ) 6 , In 3 O(CO 2 ) 6 , Ga 3 O(CO 2 ) 6 , Cu 2 O(CO 2 ) 4 , Zn 2 O(CO 2 ) 4 , Fe 2 O(CO 2 ) 4 , Mo 2 O(CO 2 ) 4 , Cr 2 O(CO 2 ) ) 4 , Co 2 O(CO 2 ) 4 , Ru 2 O(CO 2 ) 4 , Zr 6 O 4 (OH 4 ), Zr 6 O 4 (CO 2 ) 12 , Zr 6 O 8 (CO 2 ) 8 , In(C 5 HO 4 N 2 ) 4 , Na(OH) 2 (SO 3 ) 3 , Cu 2 (CNS) 4 , Zn(C 3 H 3 N 2 ) 4 , Ni 4 (C 3 H 3 N 2 ) 8 , Zn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mg 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Co 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Ni 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Fe 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Cu 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Al(OH)(CO 2 ) 2 , VO(CO 2 ) 2 , Zn(NO 3 ) 2 , Zn(O 2 ) CCH 3 ), Co(NO 3 ) 2 , and Co(O 2 CCH 3 ) may be used.

상기 고분자는 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVAc), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리아크릴에시드(poly acryl acid, PAA), 폴리다이아닐다이메틸암모늄 클로라이드(poly diallyldimethylammonium chloride, PDADMAC), 및 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate, PSS) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 사용할 수 있다.The polymer is polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (polyvinyl acetate, PVAc), polyvinyl alcohol (polyvinyl alcohol, PVA), polystyrene ( polystyrene, PS), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly acryl acid (PAA), poly diallyldimethylammonium chloride, PDADMAC) and polystyrene sulfonate (polystyrene sulfonate, PSS) may be used.

상기 용매는 상용성 용매로 N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 탈이온수, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 퍼퓨릴알콜, 클로로포름 중에서 선택된 어느 하나인 것을 사용할 수 있다.The solvent is compatible with N,N'-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N,N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, deionized water, ethanol, tetrahydrofuran, furfuryl alcohol, chloroform Any one selected from among may be used.

상기 (b) 단계는, 상기 전기방사 용액에서 상기 고분자와 상기 금속 전구체가 1:0.001 내지 1:2의 중량비로 전기방사 용액을 제조할 수 있다.In the step (b), the electrospinning solution may be prepared in a weight ratio of 1:0.001 to 1:2 of the polymer and the metal precursor in the electrospinning solution.

상기 (c) 단계는 전기방사 기법을 이용하여 복합 나노섬유를 제조하는 단계로, 전기방사 과정에서 용매가 증발하여, 내부 및 표면에 금속나노입자 촉매와 금속 전구체들이 균일하게 분포된 형태의 나노섬유 막(membrane) 형태를 갖는다.The step (c) is a step of manufacturing a composite nanofiber using an electrospinning technique. The solvent evaporates during the electrospinning process, and the metal nanoparticle catalyst and the metal precursor are uniformly distributed inside and on the surface of the nanofiber. It has the form of a membrane.

상기 (d) 단계는, 상기 복합 나노섬유를 상기 복합 나노섬유를 분당 5℃ 내지 분당 50℃의 승온 속도로 400℃ 내지 1,000℃ 온도까지 가열하여 산화 열처리할 수 있다. In step (d), the composite nanofiber may be subjected to oxidation heat treatment by heating the composite nanofiber to a temperature of 400° C. to 1,000° C. at a temperature increase rate of 5° C. per minute to 50° C. per minute.

상기 (d) 단계는, 산화 열처리 과정에서 열분해를 거치면 고분자는 제거되고 금속 전구체는 산화 및 결정화되어 결정립을 형성하는데 산화가 가능한 온도 이상이라면 산화 열처리 공정의 온도는 특별한 제약을 두지 않는다. 이 과정에서 나노섬유 내부에 수많은 기공이 생성되며 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 얻는다. 이 나노섬유는 50㎚ 내지 100㎛ 범위의 열린 기공 구조를 가지고, 두께는 5㎚ 내지 5㎛, 직경 50㎚ 내지 5㎛, 길이 1㎛ 내지 500㎛ 범위에서 조절될 수 있음을 특징으로 한다. 또한, 결정립 입자도 1㎚ 내지 40㎚ 범위에서 조절 가능한 것을 특징으로 한다. In step (d), if the oxidative heat treatment process undergoes thermal decomposition, the polymer is removed and the metal precursor is oxidized and crystallized to form crystal grains. In this process, numerous pores are created inside the nanofiber to obtain a one-dimensional porous metal oxide nanofiber. These nanofibers have an open pore structure in the range of 50 nm to 100 μm, and the thickness can be adjusted in the range of 5 nm to 5 μm, diameter 50 nm to 5 μm, and length 1 μm to 500 μm. In addition, it is characterized in that the grain size can be adjusted in the range of 1 nm to 40 nm.

상기 (e) 단계는, 상기 나노섬유 용액을 가스센서 측정용 전극 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 및 디스펜싱 중에서 선택된 어느 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅할 수 있으며, 기판 형태의 가스센서 측정용 전극 위에 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 균일하게 코팅할 수 있는 방법이라면 제약을 두지 않고 다양한 코팅 공정한 코팅할 수 있다.In step (e), the nanofiber solution may be coated on the electrode for gas sensor measurement by using any one coating process selected from drop coating, spin coating, inkjet printing, and dispensing, and the gas sensor in the form of a substrate If there is a method that can uniformly coat the one-dimensional porous metal oxide nanofiber on the electrode for measurement, various coating processes can be applied without any restrictions.

상기 (e) 단계에서 상기 나노섬유 용액을 제조할 때 사용하는 유기용매로는 탄소수 1 내지 6(C1 내지 C6)의 알코올을 사용할 수 있다. 예를 들면, 메탄올, 에탄올, 프로판올 등을 사용할 수 있으며, 이중에서 바람직하게 에탄올을 사용할 수 있다.As the organic solvent used when preparing the nanofiber solution in step (e), an alcohol having 1 to 6 carbon atoms (C1 to C6) may be used. For example, methanol, ethanol, propanol, etc. may be used, and ethanol may be preferably used among them.

본 발명에 따르면 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는 약 20nm 이하의 결정립으로 이루어지고 있고, 일반적인 박막 혹은 입자 구조보다 넓은 비표면적 및 높은 가스 투과도를 갖는다. 따라서 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유의 수 많은 기공들과 넓은 비표면적으로 인해 가스의 확산 및 나노섬유 표면에서의 가스의 흡착과 탈착 반응이 극대화된다. 또한, 나노 촉매 입자들이 금속산화물 나노섬유에 균일하게 결착되어 화학적 증감 및 전자적 증감 효과로 가스의 표면 반응이 획기적으로 촉진된다. 이러한 촉진 효과로부터 극미량의 특정 가스를 선택적으로 빠르게 감지할 수 있는 높은 감도, 높은 선택성, 빠른 반응/회복 속도, 높은 안정성 등의 뛰어난 성능을 보이는 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법을 개시할 수 있는 효과를 가진다.According to the present invention, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber has crystal grains of about 20 nm or less, and has a larger specific surface area and higher gas permeability than a general thin film or particle structure. Therefore, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor maximizes gas diffusion and adsorption and desorption reactions on the nanofiber surface due to the large number of pores and the large specific surface area of the one-dimensional porous metal oxide nanofiber. In addition, the nano-catalyst particles are uniformly bound to the metal oxide nanofiber, and the surface reaction of the gas is remarkably accelerated by chemical sensitization and electronic sensitization effects. Disclosed is a gas sensor member, a gas sensor, and a method for manufacturing the same, which show excellent performance such as high sensitivity, high selectivity, fast reaction/recovery speed, and high stability that can selectively and quickly detect a trace amount of a specific gas from this accelerating effect. have a possible effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매가 기능화된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유의 투과전자현미경 및 X선 분광분석 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매가 기능화된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유의 X선 회절분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매가 기능화된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유의 수소 가스에 대한 온도별 반응 감도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매가 기능화된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유의 수소 가스에 대한 저항 변화 그래프이다.
1 is a flowchart of a one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
2 is a transmission electron microscope and X-ray spectroscopy image of a one-dimensional porous metal oxide nanofiber functionalized with a catalyst according to an embodiment of the present invention.
3 is an X-ray diffraction analysis result of a one-dimensional porous metal oxide nanofiber functionalized with a catalyst according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the reaction sensitivity for each temperature to hydrogen gas of a one-dimensional porous metal oxide nanofiber functionalized with a catalyst according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a change in resistance to hydrogen gas of a one-dimensional porous metal oxide nanofiber functionalized with a catalyst according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하며, 이는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 것에 한정되지 않는다.Hereinafter, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which can be implemented in various different forms by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains as an example. Therefore, it is not limited to what is demonstrated here.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법의 순서도이다. 하기에서는 상기의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다. 1 is a flowchart of a one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, each of the above steps will be described in more detail.

도 1에 도시된 바와 같이, 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법은 (a) 금속촉매 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 반응시켜 금속나노입자 촉매를 제조하는 단계(S110), (b) 상기 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자를 용매에 분산시켜 전기방사 용액을 제조하는 단계(S120), (c) 상기 전기방사 용액을 전기방사하여 다수의 기공을 갖는 복합 나노섬유를 제조하는 단계(S130), (d) 상기 복합 나노섬유를 산화 열처리하여 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 형성하는 단계(S140), 및 (e) 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 유기용매에 분산시켜 나노섬유 용액을 제조하고, 상기 나노섬유 용액을 가스센서 측정용 전극 위에 코팅하여 가스센서를 제조하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method is (a) reacting a metal catalyst precursor with a sodium-based halide to prepare a metal nanoparticle catalyst (S110), (b) Preparing an electrospinning solution by dispersing the metal nanoparticle catalyst, a metal precursor, and a polymer in a solvent (S120), (c) electrospinning the electrospinning solution to prepare a composite nanofiber having a plurality of pores (S130), (d) forming one-dimensional porous metal oxide nanofibers by oxidative heat treatment of the composite nanofibers (S140), and (e) dispersing the one-dimensional porous metal oxide nanofibers in an organic solvent to nanofibers Preparing a solution, and coating the nanofiber solution on the electrode for gas sensor measurement may include the step of manufacturing a gas sensor (S150).

첫 번째로, (a) 단계(S110)는, 나트륨계 할로겐화물을 안정제로 활용하여 금속나노입자 촉매를 제조하는 단계이다. 여기서 안정화제는 나트륨(Na)이 포함된 할로겐화물(halide)인 나트륨계 할로겐화물이라면 제한을 두지 않으며, 예를 들어 NaI, NaBr, NaCl 등을 포함한다.First, (a) step (S110) is a step of preparing a metal nanoparticle catalyst by using a sodium-based halide as a stabilizer. Here, the stabilizer is not limited as long as it is a sodium-based halide, which is a halide containing sodium (Na), and includes, for example, NaI, NaBr, NaCl, and the like.

(a) 단계(S110)는 금속 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 각각 별도로 미리 정해놓은 용매에 용해시킨 후, 금속 전구체와 나트륨계 할로겐화물이 각각 적정 비율로 혼합하여 모두 완전히 용해될 때까지 충분히 교반시켜 준다. 20℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 1시간 내지 24 시간 동안 충분히 교반시켜 나트륨계 할로겐화물과 금속 전구체가 균일하게 혼합되면서 금속나노입자 촉매를 제조한다.(a) In step (S110), the metal precursor and the sodium-based halide are each dissolved in a separately predetermined solvent, the metal precursor and the sodium-based halide are mixed in an appropriate ratio, respectively, and stirred sufficiently until all are completely dissolved. give. The metal nanoparticle catalyst is prepared while the sodium-based halide and the metal precursor are uniformly mixed by sufficiently stirring at a temperature range of 20°C to 100°C for 1 hour to 24 hours.

여기서, 용매에 녹는 금속 전구체라면 물질에 제약을 두지 않으며 대표적인 금속 전구체의 예로 음이온계 금속염인 K2PtCl4, K2PdCl4, H2AuCl4, H2PtCl6, Na2PtCl4, Na2PdCl4, Na2AuCl4, Na3RhCl6, Na2IrCl6 등이 있을 수 있다.Here, as long as it is a metal precursor that is soluble in a solvent, there is no restriction on the material, and as an example of a representative metal precursor, K 2 PtCl 4 , K 2 PdCl 4 , H 2 AuCl 4 , H 2 PtCl 6 , Na 2 PtCl 4 , Na 2 PdCl 4 , Na 2 AuCl 4 , Na 3 RhCl 6 , Na 2 IrCl 6 and the like.

이렇게 (a) 단계(S110)을 통해서 제조된 금속나노입자 촉매는 원심 분리, 세척 과정을 거쳐 용매에 재분산되어 회수된다. 원심분리 조건은 입자가 침전되는 한에서 제약이 없으며 건조 온도 역시 제약이 없다.The metal nanoparticle catalyst prepared in this way (a) in step (S110) is recovered by being redispersed in a solvent through centrifugal separation and washing processes. The centrifugation conditions are not limited as long as the particles are precipitated, and the drying temperature is also not limited.

(b) 단계(S120)는 나노섬유를 제조하기위한 전기방사 용액을 제조하는 단계로, 상기 (a) 단계를 통해 제조된 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자를 적정한 비율로 혼합 용액에 모두 용해될 때까지 20℃ 내지 100℃의 온도 범위에서 1 시간 내지 24 시간 동안 충분히 교반시켜 금속 전구체, 고분자가 전기방사 용액 속에 균일하게 혼합되도록 한다.(b) step (S120) is a step of preparing an electrospinning solution for producing nanofibers, and all of the metal nanoparticle catalyst, metal precursor, and polymer prepared through step (a) are mixed in an appropriate ratio in the mixed solution The metal precursor and the polymer are uniformly mixed in the electrospinning solution by sufficiently stirring for 1 hour to 24 hours at a temperature range of 20° C. to 100° C. until dissolved.

이때 사용되는 대표적 금속 전구체의 예로 SnCl2, Zn4O(CO2)6, Zn3O(CO2)6, Cr3O(CO2)6, In3O(CO2)6, Ga3O(CO2)6, Cu2O(CO2)4, Zn2O(CO2)4, Fe2O(CO2)4, Mo2O(CO2)4, Cr2O(CO2)4, Co2O(CO2)4, Ru2O(CO2)4, Zr6O4(OH4), Zr6O4(CO2)12, Zr6O8(CO2)8, In(C5HO4N2)4, Na(OH)2(SO3)3, Cu2(CNS)4, Zn(C3H3N2)4, Ni4(C3H3N2)8, Zn3O3(CO2)3, Mg3O3(CO2)3, Co3O3(CO2)3, Ni3O3(CO2)3, Mn3O3(CO2)3, Fe3O3(CO2)3, Cu3O3(CO2)3, Al(OH)(CO2)2, VO(CO2)2, Zn(NO3)2, Zn(O2CCH3), Co(NO3)2, Co(O2CCH3) 등이 있을 수 있다. Examples of typical metal precursors used at this time are SnCl 2 , Zn 4 O(CO 2 ) 6 , Zn 3 O(CO 2 ) 6 , Cr 3 O(CO 2 ) 6 , In 3 O(CO 2 ) 6 , Ga 3 O (CO 2 ) 6 , Cu 2 O(CO 2 ) 4 , Zn 2 O(CO 2 ) 4 , Fe 2 O(CO 2 ) 4 , Mo 2 O(CO 2 ) 4 , Cr 2 O(CO 2 ) 4 , Co 2 O(CO 2 ) 4 , Ru 2 O(CO 2 ) 4 , Zr 6 O 4 (OH 4 ), Zr 6 O 4 (CO 2 ) 12 , Zr 6 O 8 (CO 2 ) 8 , In( C 5 HO 4 N 2 ) 4 , Na(OH) 2 (SO 3 ) 3 , Cu 2 (CNS) 4 , Zn(C 3 H 3 N 2 ) 4 , Ni 4 (C 3 H 3 N 2 ) 8 , Zn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mg 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Co 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Ni 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Fe 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Cu 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Al(OH)(CO 2 ) 2 , VO(CO 2 ) 2 , Zn(NO 3 ) 2 , Zn(O 2 CCH 3 ) ), Co(NO 3 ) 2 , Co(O 2 CCH 3 ), and the like.

(c) 단계(S130)에서는 상기 (b) 단계(S120)를 통해 제조된 전기방사 용액을 전기방사법에 이용하여 복합 나노섬유를 제조한다. 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자가 분산된 전기방사 용액을 시린지(syringe)에 채운 후, 일정한 양을 토출시킨다. 전기방사 시스템은 고전압기, 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 노즐을 포함한다. 시린지에 채워진 용액과 전도성 기판 사이에 5kV 내지 30kV 정도 고전압의 전기장을 걸어주면 토출된 방사 용액이 전도성 기판 위에 얻어진다. 토출량은 0.01ml/분 내지는 1.0ml/분 내외의 범위로 조절 가능하며 전압과 토출량의 조절을 통해서 원하는 직경과 두께를 갖는 1차원 복합 나노섬유 펠트를 제작할 수 있다. (c) In step (S130), the electrospinning solution prepared in (b) step (S120) is used in the electrospinning method to prepare a composite nanofiber. After filling a syringe with the electrospinning solution in which the metal nanoparticle catalyst, the metal precursor, and the polymer are dispersed, a predetermined amount is discharged. The electrospinning system includes a high voltage device, a grounded conductive substrate, a syringe, and a syringe nozzle. When an electric field of about 5 kV to 30 kV is applied between the solution filled in the syringe and the conductive substrate, the discharged spinning solution is obtained on the conductive substrate. The discharge amount can be adjusted in the range of 0.01ml/min to 1.0ml/min, and a one-dimensional composite nanofiber felt having a desired diameter and thickness can be manufactured by controlling the voltage and the discharge amount.

(d) 단계(S140)에서는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 제조한다. 상기 (c) 단계(S130)에서 얻어진 복합 나노섬유를 400℃ 내지 1,000℃ 사이에서 산화 열처리하면 고분자는 열분해되고, 금속 전구체는 금속산화물이 된다. 특히, 고분자가 열분해 되어 제거되면서 나노섬유는 내부에 많은 기공을 포함하게 되며, 이로 인해 금속나노입자 촉매가 결착된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 형성한다. (d) In step (S140), a one-dimensional porous metal oxide nanofiber is prepared. When the composite nanofiber obtained in step (c) (S130) is subjected to oxidation heat treatment at 400° C. to 1,000° C., the polymer is thermally decomposed, and the metal precursor becomes a metal oxide. In particular, as the polymer is thermally decomposed and removed, the nanofiber contains many pores therein, thereby forming a one-dimensional porous metal oxide nanofiber to which a metal nanoparticle catalyst is bound.

(e) 단계(S150)는 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 유기용매에 분산시켜 가스센서 측정용 전극 위에 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. 해당 단계는 금속나노입자 촉매가 결착된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 유기용매에 균일하고 안정하게 분산시켜 분산용액을 제조하고, 제조된 분산 용액을 미리 준비된(E) step (S150) may further include the step of dispersing the one-dimensional porous metal oxide nanofibers in an organic solvent and coating them on the electrode for gas sensor measurement. In this step, a dispersion solution is prepared by uniformly and stably dispersing a one-dimensional porous metal oxide nanofiber to which a metal nanoparticle catalyst is bound in an organic solvent, and the prepared dispersion solution is prepared in advance.

가스센서 측정용 전극 또는 전기전도도 및 전기저항 변화를 측정할 수 있는 평행한 전극이 형성된 알루미나 절연체 기판 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 디스펜싱 등과 같은 코팅 공정법을 이용하여 코팅한다.It is coated on an alumina insulator substrate on which an electrode for gas sensor measurement or a parallel electrode capable of measuring electrical conductivity and electrical resistance is formed using a coating process such as drop coating, spin coating, inkjet printing, or dispensing.

이하 실시예 및 실험예를 통해 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서의 제조방법 및 특성을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method and characteristics of the one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor will be described in more detail through Examples and Experimental Examples.

실시예 1 : 아이오딘화 나트륨(NaI)을 안정화제로 이용한 금속나노입자 촉매 제작Example 1: Preparation of metal nanoparticle catalyst using sodium iodide (NaI) as a stabilizer

디메틸포름 아마이드(DMF) 10㎖에 K2PdCl4 190㎎을 완전히 용해시킨다. 또한, 이와 별도로 디메틸포름 아마이드(DMF) 5㎖에 0.1125g의 아이오딘화 나트륨(NaI)를 용해시킨다. 이 후, 두 용액을 혼합한 용액을 350rpm으로 30분 이상 교반한다. 테플론 처리된 반응기로 혼합 용액을 옮겨 담고 오토클레이브로 밀폐하여 분당 5℃의 승온속도로 200℃까지 에서 5시간 동안 반응시킨다. 반응 완료 후, 형성된 나노 입자를 원심 분리 및 세척 과정을 거쳐 회수한다.Completely dissolve 190 mg of K 2 PdCl 4 in 10 ml of dimethylformamide (DMF). In addition, 0.1125 g of sodium iodide (NaI) is dissolved in 5 ml of dimethylformamide (DMF) separately. After that, the mixed solution of the two solutions is stirred at 350 rpm for 30 minutes or more. The mixed solution is transferred to the Teflon-treated reactor, sealed with an autoclave, and reacted at 200°C for 5 hours at a temperature increase rate of 5°C per minute. After completion of the reaction, the formed nanoparticles are recovered through centrifugation and washing processes.

실시예 2 : 1차원 다공성 Pd-SnO2 나노섬유 제작Example 2: One-dimensional porous Pd-SnO 2 Nanofiber Fabrication

실시예 2에서는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유로 1차원 다공성 Pd-SnO2 나노섬유를 제작한다.In Example 2, a one-dimensional porous Pd-SnO 2 nanofiber was prepared as a one-dimensional porous metal oxide nanofiber.

우선, 디메틸포름 아마이드(DMF) 1.35g, 에탄올 1.35g, SnCl2·2H2O 0.25g, 폴리비닐피롤리돈(PVP, 분자량 1,300,000 g/mol) 0.35g, 혼합용액에 실시예 1에서 합성한 촉매 입자를 추가하여 6시간 이상 250rpm의 회전수로 교반하여 용해시킨다. 이 때, 촉매의 비율은 0.00001 wt% 내지 1 wt%의 범위에서 조절될 수 있다. 제조된 전기방사 용액은 시린지(Henke-Sass Wolf, 12㎖ NORM-JECT®)에 담아 전기방사를 진행하여(토출량: 0.01~1.0㎖/분, 노즐: 21~25 gauge, 전압: 5~30kV) 복합 나노섬유를 제조한다. First, dimethylformamide (DMF) 1.35g, ethanol 1.35g, SnCl 2 ·2H 2 O 0.25g, polyvinylpyrrolidone (PVP, molecular weight 1,300,000 g / mol) 0.35g, the mixed solution synthesized in Example 1 The catalyst particles are added and dissolved by stirring at a rotation speed of 250 rpm for 6 hours or more. At this time, the ratio of the catalyst may be adjusted in the range of 0.00001 wt% to 1 wt%. The prepared electrospinning solution is placed in a syringe (Henke-Sass Wolf, 12ml NORM-JECT®) and electrospinning is performed (discharge rate: 0.01~1.0ml/min, nozzle: 21~25 gauge, voltage: 5~30kV) Composite nanofibers are prepared.

상기와 같은 방법으로 제조된 복합 나노섬유는 승온 속도를 5℃/분으로 하여 600℃에서 1시간 동안 열처리 후, 40℃/분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 이 과정에서 1차원 복합 나노섬유 속 고분자는 열분해되면서 기공을 형성하고, 금속 전구체는 금속산화물로 산화된다. 그 결과, 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유 구조를 형성하게 된다. The composite nanofibers prepared by the above method were heat-treated at 600° C. for 1 hour at a temperature increase rate of 5° C./min, and then cooled to room temperature at a descending rate of 40° C./min. In this process, the polymer in the one-dimensional composite nanofiber is thermally decomposed to form pores, and the metal precursor is oxidized to a metal oxide. As a result, a one-dimensional porous PdO-SnO 2 nanofiber structure is formed.

도 2는 상기 실시예 1 및 실시예 2를 통해서 합성한 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유의 투과전자현미경 및 X선 분광분석 사진을 보인 것이다. 나노섬유 구조 및 잘 분산된 Pd, Sn, O를 확인할 수 있다.2 is a transmission electron microscope and X-ray spectroscopy images of the one -dimensional porous PdO-SnO 2 nanofibers synthesized in Examples 1 and 2 above. The nanofiber structure and well-dispersed Pd, Sn, and O can be seen.

도 3은 상기 실시예 1 및 실시예 2를 통해 합성한 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유의 X선 회절분석 결과이다. PdO 패턴은 관찰되지 않고 SnO2 나노 섬유가 잘 형성되었음을 확인할 수 있다.3 is an X-ray diffraction analysis result of the one-dimensional porous PdO-SnO 2 nanofibers synthesized in Examples 1 and 2 above. The PdO pattern was not observed, and it can be confirmed that the SnO 2 nanofiber was well formed.

실험예 1 : 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유를 이용한 가스센서 제조 및 특성평가Experimental Example 1: Gas sensor manufacturing and characteristic evaluation using one-dimensional porous PdO-SnO 2 nanofibers

상기의 실시예 1 및 실시예 2를 통해 제작된 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유 5㎎을 각각 에탄올 300㎕에 분산시켜 분산용액을 제조한다. 이 분산용액을 3 mm ×3 mm 크기의 알루미나(Al2O3) 기판(평행한 금(Au) 전극의 간격: 150㎛)에 2.5㎕씩 두 번 드랍 코팅(drop coating) 한다. 이렇게 제조된 가스센서로 센서 특성평가를 진행한다. 본 실험예 1에서는 상온에서 무색, 무취, 무미한 가연성 가스인 수소에 대해서 특성평가를 진행했다.A dispersion solution was prepared by dispersing 5 mg of the one-dimensional porous PdO-SnO 2 nanofibers prepared in Examples 1 and 2 above in 300 μl of ethanol, respectively. 2.5 μl of this dispersion solution is drop-coated twice on an alumina (Al 2 O 3 ) substrate (parallel gold (Au) electrode spacing: 150 μm) having a size of 3 mm × 3 mm. The sensor characteristics evaluation is carried out with the gas sensor manufactured in this way. In this Experimental Example 1, characteristic evaluation was performed on hydrogen, which is a colorless, odorless, and tasteless combustible gas at room temperature.

도 4는 상기 실시예 1 및 실시예 2를 통해 합성한 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유를 실험예 1에 따라 코팅하여 평가한 온도별 수소 감도 그래프이다. 여기서 수소 감도는 공기 유입 시의 기준 저항을 가스 유입 시의 저항으로 나눈 값을 감도로 정의했다. 4개 이상의 센서 어레이에 대해 성능평가를 진행하고 감도의 평균치를 도식화했다. 이 때 에러바(error bar)는 이 어레이들의 표준편차를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이 5ppm 수소에 대해 300℃에서 약 6.7의 감도를 보인다.4 is a graph showing hydrogen sensitivity by temperature evaluated by coating the one -dimensional porous PdO-SnO 2 nanofibers synthesized in Examples 1 and 2 according to Experimental Example 1. FIG. Here, the hydrogen sensitivity was defined as the value obtained by dividing the reference resistance at the time of air inflow by the resistance at the time of gas inflow. Performance evaluation was performed on four or more sensor arrays and the average value of the sensitivity was plotted. In this case, the error bar represents the standard deviation of these arrays. As shown in FIG. 4 , a sensitivity of about 6.7 is exhibited at 300° C. for 5 ppm hydrogen.

도 5는 상기 실시예 1 및 실시예 2를 통해 합성하고 실험예 1에 따라 코팅한 1차원 다공성 PdO-SnO2 나노섬유의 5ppm 수소 가스에 대한 저항 변화 그래프이다. 공기 하에서 안정화 진행 후 5ppm 수소 가스 주입 시 저항이 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은 표면 산소흡착종이 환원 가스인 수소에 의해 탈착되면서 구속하였던 자유전자를 내놓아 전자결핍층 두께가 줄어들기 때문이다. 공기에 다시 노출되면 감지 소재 표면에 다시 산소가 흡착되면서 저항이 증가하게 된다. 이와 같이 감지 소재가 놓인 밀폐 공간에 수소와 공기를 번갈아 주입하면 저항의 증가와 감소가 반복된다. 1차원 다공성 나노섬유 구조는 넓은 비표면적과 큰 기공도로 인해 가스 확산을 용이하게 할 수 있으며, 촉매에 의해 표면 반응이 더욱 촉진되므로 훨씬 향상된 감지 특성을 보였다. 5 is a graph showing a change in resistance to 5 ppm hydrogen gas of one-dimensional porous PdO-SnO 2 nanofibers synthesized through Examples 1 and 2 and coated according to Experimental Example 1. FIG. It can be seen that the resistance decreases when 5 ppm hydrogen gas is injected after stabilization in air. This is because the surface oxygen adsorbing species releases free electrons that were bound while being desorbed by hydrogen, which is a reducing gas, thereby reducing the thickness of the electron-deficient layer. When exposed to air again, the resistance increases as oxygen is adsorbed back to the sensing material surface. In this way, when hydrogen and air are alternately injected into the enclosed space where the sensing material is placed, the resistance increases and decreases repeatedly. The one-dimensional porous nanofiber structure can facilitate gas diffusion due to its large specific surface area and large porosity, and the surface reaction is further promoted by the catalyst, thus showing much improved sensing properties.

이상에서 살펴본 본 발명의 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서는 안정화제로 나트륨계 할로겐화물을 활용하여 수 ㎚의 초소형 촉매 나노 입자를 간단한 원-팟(one-pot) 방법으로 합성할 수 있으며, 이렇게 합성된 금속나노입자 촉매가 기능화된 1차 다공성 금속산화물 나노섬유는 긴 종횡비, 넓은 비표면적 및 기공도, 그리고 고활성 촉매 반응점을 바탕으로 가스의 표면 반응을 증대시킨다. 따라서, 극미량의 가스에 대해 매우 높은 감도로 검출해 낼 수 있는 고감도 특성을 보이는 효과적인 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 응용할 수 있는 효과를 가진다.The one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor of the present invention as described above can synthesize ultra-small catalyst nanoparticles of several nm in a simple one-pot method by using a sodium-based halide as a stabilizer, The synthesized primary porous metal oxide nanofibers functionalized with metal nanoparticle catalysts increase the surface reaction of gases based on a long aspect ratio, a large specific surface area and porosity, and a high active catalytic reaction point. Accordingly, there is an effect that can be applied to an effective gas sensor member, a gas sensor, and a method for manufacturing the same, showing high sensitivity characteristics capable of detecting a very small amount of gas with very high sensitivity.

Claims (15)

가스센서 측정용 전극; 및
상기 가스센서 측정용 전극용 상부에 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유;를 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서.
electrode for gas sensor measurement; and
One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor comprising a; one-dimensional porous metal oxide nanofiber on the upper portion for the electrode for measuring the gas sensor.
제1항에 있어서,
상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는,
금속 촉매 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 혼합하여 형성된 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자를 포함하는 전기방사 용액을 전기방사하여 형성된 복합 나노섬유가 산화 열처리되어 금속산화물 입자가 결착된 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서.
According to claim 1,
The one-dimensional porous metal oxide nanofiber,
A metal nanoparticle catalyst formed by mixing a metal catalyst precursor and a sodium-based halide, a metal precursor, and a composite nanofiber formed by electrospinning an electrospinning solution containing a polymer is oxidatively heat treated to form a one-dimensional porous metal to which metal oxide particles are bound One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor, characterized in that it is an oxide nanofiber.
제1항에 있어서,
상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는 기공 크기가 50nm 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서.
According to claim 1,
The one-dimensional porous metal oxide nanofiber is a one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor, characterized in that the pore size is 50nm to 100㎛.
제1항에 있어서,
상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유는 두께가 5nm 내지 5㎛이고, 직경은 50nm 내지 5㎛이며, 길이는 1㎛ 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서.
According to claim 1,
The one-dimensional porous metal oxide nanofiber has a thickness of 5 nm to 5 μm, a diameter of 50 nm to 5 μm, and a length of 1 μm to 500 μm.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물 입자에서 결정립의 크기는 1㎚ 내지 40㎚인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서.
According to claim 1,
The one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor, characterized in that the size of the crystal grains in the metal oxide particles is 1 ㎚ to 40 ㎚.
(a) 금속 촉매 전구체와 나트륨계 할로겐화물을 반응시켜 금속나노입자 촉매를 제조하는 단계;
(b) 상기 금속나노입자 촉매, 금속 전구체, 및 고분자를 용매에 분산시켜 전기방사 용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 전기방사 용액을 전기방사하여 다수의 기공을 갖는 복합 나노섬유를 제조하는 단계;
(d) 상기 복합 나노섬유를 산화 열처리하여 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 형성하는 단계; 및
(e) 상기 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유를 유기용매에 분산시켜 나노섬유 용액을 제조하고, 상기 나노섬유 용액을 가스센서 측정용 전극 위에 코팅하여 가스센서를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
(a) preparing a metal nanoparticle catalyst by reacting a metal catalyst precursor with a sodium-based halide;
(b) dispersing the metal nanoparticle catalyst, the metal precursor, and the polymer in a solvent to prepare an electrospinning solution;
(c) preparing a composite nanofiber having a plurality of pores by electrospinning the electrospinning solution;
(d) forming a one-dimensional porous metal oxide nanofiber by oxidative heat treatment of the composite nanofiber; and
(e) preparing a nanofiber solution by dispersing the one-dimensional porous metal oxide nanofiber in an organic solvent, and coating the nanofiber solution on an electrode for gas sensor measurement to prepare a gas sensor; A one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method.
제6항에 있어서,
상기 금속 촉매 전구체는 K2PtCl4, K2PdCl4, H2AuCl4, H2PtCl6, Na2PtCl4, Na2PdCl4, Na2AuCl4, Na3RhCl6, 및 Na2IrCl6 중에서 선택되는 어느 하나의 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
The metal catalyst precursor is K 2 PtCl 4 , K 2 PdCl 4 , H 2 AuCl 4 , H 2 PtCl 6 , Na 2 PtCl 4 , Na 2 PdCl 4 , Na 2 AuCl 4 , Na 3 RhCl 6 , and Na 2 IrCl 6 , One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method comprising any one metal salt selected from.
제6항에 있어서,
상기 나트륨계 할로겐화물은 아이오딘화 나트륨(NaI), 브로민화 나트륨(NaBr), 염화 나트륨(NaCl), 및 플루오린화 나트륨(NaF) 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
The sodium-based halide is one-dimensional porous metal oxide nano, characterized in that any one selected from sodium iodide (NaI), sodium bromide (NaBr), sodium chloride (NaCl), and sodium fluoride (NaF) A method for manufacturing a fiber-based gas sensor.
제6항에 있어서,
상기 금속 전구체는 SnCl2, Zn4O(CO2)6, Zn3O(CO2)6, Cr3O(CO2)6, In3O(CO2)6, Ga3O(CO2)6, Cu2O(CO2)4, Zn2O(CO2)4, Fe2O(CO2)4, Mo2O(CO2)4, Cr2O(CO2)4, Co2O(CO2)4, Ru2O(CO2)4, Zr6O4(OH4), Zr6O4(CO2)12, Zr6O8(CO2)8, In(C5HO4N2)4, Na(OH)2(SO3)3, Cu2(CNS)4, Zn(C3H3N2)4, Ni4(C3H3N2)8, Zn3O3(CO2)3, Mg3O3(CO2)3, Co3O3(CO2)3, Ni3O3(CO2)3, Mn3O3(CO2)3, Fe3O3(CO2)3, Cu3O3(CO2)3, Al(OH)(CO2)2, VO(CO2)2, Zn(NO3)2, Zn(O2CCH3), Co(NO3)2, 및 Co(O2CCH3) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
The metal precursor is SnCl 2 , Zn 4 O(CO 2 ) 6 , Zn 3 O(CO 2 ) 6 , Cr 3 O(CO 2 ) 6 , In 3 O(CO 2 ) 6 , Ga 3 O(CO 2 ) 6 , Cu 2 O(CO 2 ) 4 , Zn 2 O(CO 2 ) 4 , Fe 2 O(CO 2 ) 4 , Mo 2 O(CO 2 ) 4 , Cr 2 O(CO 2 ) 4 , Co 2 O (CO 2 ) 4 , Ru 2 O(CO 2 ) 4 , Zr 6 O 4 (OH 4 ), Zr 6 O 4 (CO 2 ) 12 , Zr 6 O 8 (CO 2 ) 8 , In(C 5 HO 4 ) N 2 ) 4 , Na(OH) 2 (SO 3 ) 3 , Cu 2 (CNS) 4 , Zn(C 3 H 3 N 2 ) 4 , Ni 4 (C 3 H 3 N 2 ) 8 , Zn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mg 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Co 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Ni 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Fe 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Cu 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Al(OH)(CO 2 ) 2 , VO(CO 2 ) 2 , Zn(NO 3 ) 2 , Zn(O 2 CCH 3 ), Co( NO 3 ) 2 , and Co(O 2 CCH 3 ) One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method, characterized in that at least one selected from the group consisting of.
제6항에 있어서,
상기 고분자는 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리아크릴에시드(poly acryl acid), 폴리다이아닐다이메틸암모늄 클로라이드(poly diallyldimethylammonium chloride), 및 폴리스티렌설포네이트(polystyrene sulfonate) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
The polymer is polymethyl methacrylate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyacrylonitrile ( polyacrylonitrile), polyvinylidene fluoride, polyacryl acid, poly diallyldimethylammonium chloride, and polystyrene sulfonate A one-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method.
제6항에 있어서,
상기 용매는 N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 탈이온수, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 퍼퓨릴알콜, 클로로포름 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
The solvent is any one selected from N,N'-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N,N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, deionized water, ethanol, tetrahydrofuran, furfuryl alcohol, and chloroform One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method, characterized in that.
제6항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 전기방사 용액에서 상기 고분자와 상기 금속 전구체가 1:0.001 내지 1:2의 중량비로 전기방사 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
Step (b) is,
One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method, characterized in that the electrospinning solution is prepared in a weight ratio of 1:0.001 to 1:2 of the polymer and the metal precursor in the electrospinning solution.
제6항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 복합 나노섬유를 400℃ 내지 1,000℃ 온도에서 산화 열처리하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
Step (d) is,
One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method, characterized in that the oxidative heat treatment of the composite nanofiber at a temperature of 400 ℃ to 1,000 ℃.
제6항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 복합 나노섬유를 분당 5℃ 내지 분당 50℃의 승온 속도로 가열하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
Step (d) is,
One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing method, characterized in that the composite nanofiber is heated at a temperature increase rate of 5°C per minute to 50°C per minute.
제6항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
상기 나노섬유 용액을 가스센서 측정용 전극 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 및 디스펜싱 중에서 선택된 어느 하나의 코팅 공정을 이용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 1차원 다공성 금속산화물 나노섬유 기반 가스센서 제조방법.
7. The method of claim 6,
Step (e) is,
One-dimensional porous metal oxide nanofiber-based gas sensor manufacturing, characterized in that the nanofiber solution is coated on the electrode for gas sensor measurement using any one coating process selected from drop coating, spin coating, inkjet printing, and dispensing Way.
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