KR20230021413A - 이산화질소 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화주석 사이에 칼슘실리케이트가 개재된 것을 특징으로 하는 이산화질소 가스 센서를 개시한다.
Description
본 발명은 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화질소 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
여러 인체 유해 가스들 중 이산화질소는 수 ppm의 노출만으로 인체에 천식과 같은 매우 심각한 질병을 유발하는 유독성 기체이며, 최근 이슈가 되고 있는 미세먼지의 주요한 전구체 가스이기 때문에 이를 낮은 농도에서 검출하는 센서 기술이 매우 중요하다. 여러 타입의 가스 센서 중에서 반도체식 가스 센서는 생산단가가 저렴하고, 소형화가 가능한 장점들 때문에 산업적으로 응용 가능성이 매우 높다. 한편, 도로의 자동차 및 오토바이와 같은 이동식 차량에서 발생하는 이산화질소에 의한 위험을 막기 위한 저농도 이산화질소 모니터링 안전 센서로 사용 가능하다. 또한 이산화질소는 천식을 유발하는 가스이기 때문에 인체의 이산화질소 농도를 측정하여 질병 진달을 위한 바이오 마커 기술로 사용 가능하다. 반도체식 가스 센서는 대기 환경의 습도에 의해 감도 하락을 유발하기 때문에 신뢰성 있는 정밀 측정을 위해서는 습도에 의한 저항성이 있는 센서 소재를 개발하는 것이 필수적이다. 기존에는 정확한 가스 농도 측정을 위해 습도 제거 장치 등을 이용하여 타겟 가스 안의 습도를 제거한 후 센싱부에 가스를 전달 해주는 방식이었으나, 이런 방식은 센서의 부피 확장과 함께 추가 제습 장치로 인한 가격 상승이 동반되는 문제점이 있다.
관련 선행 기술로는 한국공개특허 제2014-0095791호가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 습도에 영향을 받지 않으면서 이산화질소에 대한 가스 감도를 동시에 향상 시킬 수 있는 이산화질소 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서는 산화주석 사이에 칼슘실리케이트가 개재된다.
상기 이산화질소 가스 센서에서, 상기 산화주석은 복수의 나노와이어 형태로 제공되고, 상기 칼슘실리케이트는 상기 복수의 나노와이어 사이에 거미줄 형태로 개재될 수 있다.
상기 이산화질소 가스 센서에서, 상기 칼슘실리케이트는 수화물(hydrate)일 수 있다.
상기 이산화질소 가스 센서에서, 상기 칼슘실리케이트는 무수화물일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서 제조 방법은 절연기판의 적어도 일면에 산화주석 나노와이어를 형성하는 단계; 및 상기 산화주석 사이에 개재된 칼슘실리케이트를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 이산화질소 가스 센서 제조 방법에서, 상기 칼슘실리케이트는 수열합성으로 제조된 수화물 칼슘실리케이트일 수 있다.
상기 이산화질소 가스 센서 제조 방법은 상기 수화물 칼슘실리케이트를 어닐링하여 무수화물 칼슘실리케이트를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 습도에 영향을 받지 않으면서 이산화질소에 대한 가스 감도를 동시에 향상 시킬 수 있는 이산화질소 가스 센서 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 이산화질소를 감지할 수 있는 산화주석(SnO2) 소재에 수분을 흡착시키는 스폰지 역할을 할 수 있는 칼슘실리케이트 나노시트를 추가로 합성한다. 습도가 높은 환경에서 이산화질소(NO2) 감지 시 물분자가 칼슘실리케이트 층에 먼저 우선적으로 흡착되기 때문에 안정적으로 원하는 타겟 가스를 정밀하게 감지가 가능하다.
이산화질소 가스 센서 소재인 산화주석(SnO2) 나노선에 칼슘실리케이트 나노시트를 함께 합성하여 여기에 물 분자만을 선택적으로 흡착시킬 수 있으며, 따라서 산화주석(SnO2) 소재에서 물 분자와의 간섭없이 안정적 이산화질소(NO2) 감지가 가능하다.
또한 칼슘실리케이트 열처리시 칼슘 이온이 산화주석(SnO2) 격자 내 치환이 가능하며, 이를 통해 생성된 표면의 산소 결함이 이산화질소(NO2) 흡착을 더욱 용이하게 하여 가스 감도가 향상된다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서의 구성 원리를 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서의 구성 원리를 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법을 도해하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법에서 칼슘실리케이트를 형성하는 방법을 도해하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 구성하는 나노와이어와 칼슘실리케이트의 구성을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를 구비하는 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 구비하는 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에서 이산화질소(NO2)와 산화주석(SnO2)의 바인딩 에너지를 계산한 제1원리계산 (Density functional theory, DFT) 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트(calcium silicate) 나노시트로 구성된 센서에서 이산화질소(NO2)와 칼슘-산화주석(Ca-SnO2)의 바인딩 에너지를 계산한 제1원리계산(Density functional theory, DFT) 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 칼슘실리케이트(calcium silicate) 나노시트가 첨가된 산화주석(SnO2) 나노와이어 센서의 습도 저항성이 향상되는 경향을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트를 구비하는 센서에서 칼슘실리케이트의 구조와 이와 표면에서 수소 결합될 수 있는 물 분자를 도해하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 습도 변화에 따른 열중량 분석 데이터를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 다양한 종류의 타겟 가스와의 반응 선택성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서의 구성 원리를 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법을 도해하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법에서 칼슘실리케이트를 형성하는 방법을 도해하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 구성하는 나노와이어와 칼슘실리케이트의 구성을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를 구비하는 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 구비하는 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에서 이산화질소(NO2)와 산화주석(SnO2)의 바인딩 에너지를 계산한 제1원리계산 (Density functional theory, DFT) 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트(calcium silicate) 나노시트로 구성된 센서에서 이산화질소(NO2)와 칼슘-산화주석(Ca-SnO2)의 바인딩 에너지를 계산한 제1원리계산(Density functional theory, DFT) 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 칼슘실리케이트(calcium silicate) 나노시트가 첨가된 산화주석(SnO2) 나노와이어 센서의 습도 저항성이 향상되는 경향을 보여주는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트를 구비하는 센서에서 칼슘실리케이트의 구조와 이와 표면에서 수소 결합될 수 있는 물 분자를 도해하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 습도 변화에 따른 열중량 분석 데이터를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 다양한 종류의 타겟 가스와의 반응 선택성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서의 구성 원리를 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서는 산화주석으로 이루어진 복수의 나노와이어(SnO2 nanowires)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 산화주석(SnO2)과 같은 금속 산화물의 표면에는 물(H2O) 분자 흡착이 잘 일어난다. 따라서 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서에서는 물 분자의 원치 않는 흡착 때문에 감지하고자 하는 타겟 가스인 이산화질소(NO2)만을 선택적으로 흡착시키는 것이 매우 어렵다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서의 구성 원리를 도해하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서는 산화주석(SnO2) 사이에 칼슘실리케이트(calcium silicate)가 개재된다. 시멘트의 원료로 사용되기도 하는 칼슘실리케이트(calcium silicate)는 표면에 존재하는 많은 수산화 그룹들과 수소결합을 통해 물(H2O) 분자를 선택적으로 잘 흡착시키는 성질을 가지고 있다.
상기 이산화질소 가스 센서에서, 상기 산화주석(SnO2)은 복수의 나노와이어 형태로 제공된다.
일 관점에서 살펴보면, 상기 칼슘실리케이트는 상기 복수의 나노와이어 사이에 거미줄(web) 형태로 개재될 수 있다.
다른 관점에서 살펴보면, 상기 칼슘실리케이트는 상기 복수의 나노와이어 사이에 나노시트(nanosheet) 형태로 개재될 수 있다. 상기 칼슘실리케이트는 층상 구조를 가지며, 서로 이격된 복수의 나노시트 형태를 가질 수 있다. 각각의 상기 나노시트는 두께가 수 내지 수십 나노미터 수준일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 상기 칼슘실리케이트는 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)일 수 있다. 또는 상기 칼슘실리케이트는 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)일 수 있다.
산화주석(SnO2)으로 이루어진 나노와이어 및 상기 나노와이어 사이에 개재된 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 이산화질소 가스 센서에서는 어닐링 공정에서 칼슘 이온이 확산되어 산화주석(SnO2) 격자 내에 치환될 수 있으며, 이 과정에서 Ca-SnO2 표면에 산소 결함이 발생하여 이산화질소(NO2) 흡착이 더욱 용이해질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서에서는 칼슘실리케이트(calcium silicate)층을 가스 감지 소재인 산화주석(SnO2) 나노선 사이사이에 거미줄처럼(nanoweb) 합성하고, 원치 않는 물(H2O) 흡착을 칼슘실리케이트(calcium silicate) 층에 선택적으로 흡착시킴으로써 산화주석(SnO2) 나노선이 타겟 가스인 이산화질소(NO2)만을 선택적으로 흡착시켜 이산화질소 가스를 감지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법을 도해하는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법에서 칼슘실리케이트를 형성하는 방법을 도해하는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 제조하는 방법은 복수의 산화주석 나노와이어를 형성하는 단계(S100); 및 상기 복수의 산화주석 사이에 개재된 칼슘실리케이트를 형성하는 단계(S200);를 포함한다.
상기 칼슘실리케이트를 형성하는 단계(S200)는 수열합성으로 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를 형성하는 단계(S210)를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 칼슘실리케이트를 형성하는 단계(S200)는 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를 어닐링하여 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 형성하는 단계(S220)를 포함할 수 있다.
산화주석(SnO2) 나노와이어는, 예를 들어, VLS(Vapor Liquid Solid)법으로 구현할 수 있다. 칼슘실리케이트(calcium silicate) 합성을 이하에서 구체적으로 설명한다. 먼저, 0.118g(0.5M)의 Ca(NO3)2ㅇ4H2O 물질에 20mL의 H2O 및 1g의 CTAB를 첨가한 후, 20mL의 H2O, 0.8g의 NaOH(1M/L) 및 0.03g의 SiO2(0.5M)를 다시 첨가한다. 여기에 액상의 암모니아 용액으로 pH 농도를 조절한 후 산화주석(SnO2) 나노와이어를 장입한 오토클레이브(autoclave) 용기에서 100℃의 온도에서 24시간 동안 수열합성 반응을 함으로써 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를 합성할 수 있다. 이렇게 형성된 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를, 예를 들어, 550℃의 온도에서 8시간 동안 열처리함으로써 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서를 구성하는 나노와이어와 칼슘실리케이트의 구성을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6을 참조하면, 산화주석(SnO2)으로 이루어진 복수의 나노와이어 및 상기 복수의 나노와이어 사이에 개재되는 거미줄 형태의 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서의 감도를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 수화물 칼슘실리케이트(CSH; Calcium Silicate Hydrate)를 구비하는 센서의 감도를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 구비하는 센서의 감도를 나타낸 그래프이다.
무수화물 칼슘실리케이트(ACS; Anhydrous Calcium Silicate)를 형성하기 위한 어닐링 온도는 550℃이다.
도 8을 참조하면, 어닐링 열처리를 수행하지 않아 칼슘 이온이 산화주석(SnO2) 격자 내에 치환이 안 된 상태이다. 따라서, 이산화질소(NO2) 감도 개선이 미미함을 확인할 수 있다.
도 9를 참조하면, 550℃ 어닐링 열처리 과정에서 칼슘 이온이 확산되어 산화주석(SnO2) 격자 내에 치환될 수 있으며, 이 과정에서 Ca-SnO2 표면에 산소 결함이 발생하여 이산화질소(NO2) 감도 개선이 현저함을 확인할 수 있다.
도 10은 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에서 이산화질소(NO2)와 산화주석(SnO2)의 바인딩 에너지를 계산한 제1원리 계산(Density functional theory, DFT) 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 발명의 일 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트(calcium silicate) 나노시트로 구성된 센서에서 이산화질소(NO2)와 칼슘-산화주석(Ca-SnO2)의 바인딩 에너지를 계산한 제1원리 계산(Density functional theory, DFT) 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 제1원리 계산(Density functional theory, DFT)에 따른 결합 에너지(binding energy)가 -1.202eV(도 10) 및 -2.879eV(도 11)로 계산된다. 이에 따르면, DFT 바인딩 에너지가 Ca-SnO2가 SnO2 보다 음의 영역에서 훨씬 낮은 바, 칼슘(Ca) 이온이 산화주석(SnO2) 격자 내에 치환되면, 칼슘-산화주석(Ca-SnO2) 표면에 산소 결함 발생에 의해 이산화질소(NO2) 흡착이 용이해지고 이산화질소(NO2) 감도가 증가됨을 이해할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 칼슘실리케이트 나노시트가 첨가된 산화주석 나노와이어에서 이산화 질소 감지 시 습도 저항성이 향상된 모습을 나타내는 그래프이다.
도 12에서 'SnO2@ACH RH 0%'은 습도 RH 0% 조건 하에서 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서에 해당하며, 'SnO2@ACH RH 37.6%'은 습도 RH 37.6% 조건 하에서 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서에 해당하며, 'SnO2@ACH RH 74.4%'는 습도 RH 74.4% 조건 하에서 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서에 해당하며, 'SnO2@ACH RH 93.1%'은 습도 RH 93.1% 조건 하에서 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서에 해당한다.
한편, SnO2 RH 0%'은 습도 RH 0% 조건 하에서 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 해당하며, 'SnO2 RH 37.6%'은 습도 RH 37.6% 조건 하에서 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 해당하며, 'SnO2 RH 74.4%'는 습도 RH 74.4% 조건 하에서 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 해당하며, 'SnO2 RH 93.1%'은 습도 RH 93.1% 조건 하에서 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 해당한다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서는 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 비하여 습도가 증가해도 이산화질소(NO2) 감도 하락률이 감소함을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트를 구비하는 센서에서 칼슘실리케이트의 구조와 이와 결합될 수 있는 물 분자를 도해하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트를 구비하는 센서에서 칼슘실리케이트는 층상 구조로 이루어져 있으며, 층 표면에는 hydroxyl group (OH-)이 많이 존재함을 확인할 수 있다. 물(H2O) 분자가 칼슘실리케이트(calcium silicate) 표면의 OH-와 수소 결합으로 우선 흡착됨을 확인할 수 있다.
따라서, 칼슘실리케이트(calcium silicate)는 물을 우선적으로 흡착하는 일종의 스폰지 역할을 수행함을 이해할 수 있다. 이러한 구조를 가지는 이산화질소 가스 센서는 이산화질소(NO2) 감지에서 습도 영향이 줄어들 수 있다.
도 14는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 습도 변화에 따른 열중량 분석 데이터를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14에서 'ACS@SnO2'항목은 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서에 해당하며, 'CSH@SnO2'항목은 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 수화물 칼슘실리케이트(CSH)를 구비하는 센서에 해당하며, 'SnO2' 항목은 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 해당한다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)를 구비하는 센서에서 무수화물 칼슘실리케이트(ACS) 소재에 습도 변화를 주며 측정한 열중량 분석 데이터에 따르면, 습도가 93.1%로 높을 때 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)의 질량이 증가하며, 습도가 낮은 때(dry air) 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)의 질량이 감소함을 확인할 수 있는 바, 무수화물 칼슘실리케이트(ACS)가 물을 흡착함을 나타낸다. 칼슘실리케이트(calcium silicate) 표면에서 물(H2O) 분자의 가역적인 흡착 및 탈착 반응이 일어날 수 있음을 이해할 수 있다.
이에 반하여, 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서의 경우 습도에 상관없이 질량 변화가 없음을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실험예에 따른 이산화질소 가스 센서에서 다양한 종류의 타겟 가스와의 반응 선택성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 15의 좌측 그래프(a)는 본 발명의 비교예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어로만 구성된 센서에 해당하며, 우측 그래프(b)는 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서로서 산화주석(SnO2) 나노와이어 및 칼슘실리케이트를 구비하는 센서에 해당한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서는 다른 타겟 가스에 영향이 거의 없고 이산화질소(NO2)에만 선택적으로 반응함을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 이산화질소 가스 센서는 가스 센서의 선택성이 우수함을 이해할 수 있다.
본 발명에서는 이산화질소를 감지할 수 있는 산화주석(SnO2) 소재에 수분을 흡착시키는 스폰지 역할을 할 수 있는 칼슘실리케이트 나노시트를 추가로 합성한다. 습도가 높은 환경에서 이산화질소(NO2) 감지 시 물분자가 칼슘실리케이트 층에 먼저 우선적으로 흡착되기 때문에 안정적으로 원하는 타겟 가스를 정밀하게 감지가 가능하다.
이산화질소 가스 센서 소재인 산화주석(SnO2) 나노선에 칼슘실리케이트 나노시트를 함께 합성하여 여기에 물 분자만을 선택적으로 흡착시킬 수 있으며, 따라서 산화주석(SnO2) 소재에서 물 분자와의 간섭없이 안정적 이산화질소(NO2) 감지가 가능하다. 또한 칼슘실리케이트 열처리시 칼슘 이온이 산화주석(SnO2) 격자 내 치환이 가능하며, 이를 통해 생성된 표면의 산소 결함이 이산화질소(NO2) 흡착을 더욱 용이하게 하여 가스 감도가 향상된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 산화주석 및 상기 산화주석 사이에 개재된 칼슘실리케이트를 포함하는,
이산화질소 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 산화주석은 복수의 나노와이어 형태로 제공되고,
상기 칼슘실리케이트는 상기 복수의 나노와이어 사이에 거미줄 형태로 개재된 것을 특징으로 하는,
이산화질소 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 칼슘실리케이트는 수화물(hydrate)인 것을 특징으로 하는,
이산화질소 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 칼슘실리케이트는 무수화물인 것을 특징으로 하는,
이산화질소 가스 센서. - 복수의 산화주석 나노와이어를 형성하는 단계; 및
상기 복수의 산화주석 나노와이어 사이에 개재된 칼슘실리케이트를 형성하는 단계;를 포함하는
이산화질소 가스 센서 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 칼슘실리케이트는 수열합성으로 제조된 수화물 칼슘실리케이트인,
이산화질소 가스 센서 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 수화물 칼슘실리케이트를 어닐링하여 무수화물 칼슘실리케이트를 제조하는 단계를 더 포함하는,
이산화질소 가스 센서 제조 방법.
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| KR20140106259A (ko) * | 2013-02-26 | 2014-09-03 | 인하대학교 산학협력단 | 표면에 이종금속 나노입자를 포함하는 금속산화물 나노와이어 및 이의 제조방법 |
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| Title |
|---|
| Jin Wu, et al. Small 2013, 9, No. 17, pp2911-2925. 1부.* * |
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