KR20240068355A - Gas sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR20240068355A
KR20240068355A KR1020220149674A KR20220149674A KR20240068355A KR 20240068355 A KR20240068355 A KR 20240068355A KR 1020220149674 A KR1020220149674 A KR 1020220149674A KR 20220149674 A KR20220149674 A KR 20220149674A KR 20240068355 A KR20240068355 A KR 20240068355A
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gas sensor
gas
catalyst layer
ethylene
metal oxide
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KR1020220149674A
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강윤찬
이종흔
문영국
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 감응층; 및 상기 감응층 상에 도포된 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 팔라듐 및 바나듐이 첨가된 금속산화물 또는 팔라듐 및 바나듐이 첨가된 제올라이트를 포함하는, 가스 센서 및 그 제조 방법을 개시한다.The present invention relates to a sensitive layer; and a catalyst layer applied on the sensitive layer, wherein the catalyst layer includes a metal oxide to which palladium and vanadium is added or a zeolite to which palladium and vanadium are added. Disclosed is a gas sensor and a method of manufacturing the same.

Description

가스센서 및 그 제조 방법{Gas sensor and method for manufacturing the same}Gas sensor and method for manufacturing the same}

본 발명은 산화물 반도체형 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식물의 개화, 성장, 숙성 등에 영향을 미치는 에틸렌을 고선택성 및 고감도로 검지할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an oxide semiconductor type gas sensor and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a gas sensor capable of detecting ethylene, which affects flowering, growth, maturation, etc. of plants, with high selectivity and sensitivity.

산화물 반도체형 가스 센서는 소형 집적화가 가능하고 경제적이며 감도(sensitivity)가 높고 응답이 빠르면서도 간단한 회로를 이용하여 전기 신호로서 가스 농도를 알아낼 수 있는 다양한 이점이 있어, 폭발성 가스 검출, 자동차용 배기 가스, 운전자의 음주 측정, 산업용 가스 감지 등의 각종 응용 분야에서 널리 사용되고 있다. Oxide semiconductor type gas sensors have various advantages such as small integration, economical, high sensitivity, fast response, and the ability to detect gas concentration as an electric signal using a simple circuit, such as detecting explosive gases and automobile exhaust gases. , It is widely used in various application fields such as driver's breathability measurement and industrial gas detection.

최근 산업의 첨단화 및 인체 건강, 환경 오염에 대한 관심이 깊어짐에 따라 실내외 환경 가스의 보다 정밀한 검지, 질병 자가진단용 가스 센서, 모바일기기에 탑재 가능한 고기능의 인공후각 가스 센서에 사용 가능한 가스 센서 등에 대한 수요가 급격히 증가하여, 미세농도의 검출 가스에 대하여 고감도, 고선택성을 나타내는 산화물 반도체형 가스 센서에 대한 요구 역시 큰 폭으로 증가하고 있다. Recently, as the industry has become more advanced and interest in human health and environmental pollution has deepened, there is a demand for gas sensors that can be used for more precise detection of indoor and outdoor environmental gases, gas sensors for self-diagnosis of diseases, and high-performance artificial olfactory gas sensors that can be mounted on mobile devices. As is rapidly increasing, the demand for oxide semiconductor type gas sensors that exhibit high sensitivity and high selectivity for detection gases at minute concentrations is also increasing significantly.

에틸렌은(C2H4)은 대표적인 식물 호르몬 가스 중 하나로 저농도의 가스로도 과일의 숙성, 꽃의 개화, 씨앗의 발아, 세포의 성장 등과 같은 많은 생명 활동을 조절하는 물질로 알려져 있다. 따라서 이러한 에틸렌가스를 고감도 및 고선택성으로 검출하는 것은 매우 중요하다. Ethylene (C 2 H 4 ) is one of the representative plant hormone gases and is known as a substance that regulates many life activities such as ripening of fruits, flowering of flowers, germination of seeds, and growth of cells even at low concentrations. Therefore, it is very important to detect ethylene gas with high sensitivity and selectivity.

그러나, 에틸렌은 단순한 구조와 낮은 반응성으로 기존의 산화물 반도체형 가스 센서로는 선택적인 검출이 매우 어려운 가스로 알려져 있다.However, ethylene is known to be a gas that is very difficult to selectively detect with existing oxide semiconductor gas sensors due to its simple structure and low reactivity.

본 발명은 식물의 호르몬 가스인 에틸렌을 고선택적이면서도 고감도로 감응하는 가스 센서, 및 가스 센서의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a gas sensor that detects ethylene, a plant hormone gas, with high selectivity and high sensitivity, and a method of manufacturing the gas sensor.

또한, 본 발명에서는 촉매층을 조절한 이중층 가스 센서 구조를 이용해서 낮은 반응성 및 단순한 구조로 종래의 방법으로 고선택적 및 고감도로 검지하기 어려웠던 에틸렌가스를 고감도, 고선택적으로 검지하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to detect ethylene gas with high sensitivity and selectivity, which was difficult to detect with high selectivity and sensitivity with conventional methods due to its low reactivity and simple structure, using a double-layer gas sensor structure with an adjusted catalyst layer.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly apparent to those skilled in the art from the description below. It will be understandable.

본 발명에 따른 실시예에 따른 가스 센서는 감응층; 및 상기 감응층 상에 도포된 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 금속산화물 또는 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 제올라이트를 포함할 수 있다.A gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a sensitive layer; and a catalyst layer applied on the sensitive layer, wherein the catalyst layer may include a metal oxide to which palladium and a transition element are added, or a zeolite to which palladium and a transition element are added.

또한, 상기 감응층은 금속 산화물 반도체를 주성분으로 할 수 있다.Additionally, the sensitive layer may contain a metal oxide semiconductor as its main component.

또한, 상기 금속산화물은 Ti, Al, 및 Si 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Additionally, the metal oxide may include any one of Ti, Al, and Si.

또한, 상기 촉매층은 에틸렌을 에틸렌 보다 반응성이 높은 가스로 개질시킬 수 있다.Additionally, the catalyst layer can reform ethylene into a gas more reactive than ethylene.

또한, 상기 촉매층에서, 상기 팔라듐은 상기 금속산화물의 금속 대비 2wt% 내지 20wt%로 포함될 수 있다.Additionally, in the catalyst layer, palladium may be included in an amount of 2 wt% to 20 wt% relative to the metal of the metal oxide.

또한, 상기 촉매층에서, 상기 전이원소는 상기 금속산화물의 금속 대비 4wt% 내지 20wt%로 포함될 수 있다.Additionally, in the catalyst layer, the transition element may be included in an amount of 4 wt% to 20 wt% relative to the metal of the metal oxide.

또한, 상기 전이원소는 바나듐, 은, 크롬, 망간, 코발트, 니켈 및 구리를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Additionally, the transition element may include at least one of the group including vanadium, silver, chromium, manganese, cobalt, nickel, and copper.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법은 (A) 감응층을 배치하는 단계; 및 (B) 상기 감응층 상에 촉매층을 배치하는 단계; 를 포함하고, 상기 촉매층은 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 금속산화물 또는 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 제올라이트를 포함할 수 있다.Meanwhile, a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention includes the steps of (A) disposing a sensitive layer; and (B) disposing a catalyst layer on the sensitive layer; It includes, and the catalyst layer may include a metal oxide to which palladium and a transition element are added, or a zeolite to which palladium and a transition element are added.

또한, 상기 감응층은 금속 산화물 반도체를 주성분으로 할 수 있다.Additionally, the sensitive layer may contain a metal oxide semiconductor as its main component.

또한, 상기 금속산화물은 Ti, A, 및 B 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Additionally, the metal oxide may include any one of Ti, A, and B.

또한, 상기 촉매층은 에틸렌을 에틸렌 보다 반응성이 높은 가스로 개질시킬 수 있다.Additionally, the catalyst layer can reform ethylene into a gas more reactive than ethylene.

또한, 상기 촉매층에서, 상기 팔라듐은 상기 금속산화물의 금속 대비 2wt% 내지 20wt%로 포함될 수 있다.Additionally, in the catalyst layer, palladium may be included in an amount of 2 wt% to 20 wt% relative to the metal of the metal oxide.

또한, 상기 촉매층에서, 상기 전이원소는 상기 금속산화물의 금속 대비 4wt% 내지 20wt%로 포함될 수 있다.Additionally, in the catalyst layer, the transition element may be included in an amount of 4 wt% to 20 wt% relative to the metal of the metal oxide.

또한, 상기 전이원소는 바나듐, 은, 크롬, 망간, 코발트, 니켈 및 구리를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Additionally, the transition element may include at least one of the group including vanadium, silver, chromium, manganese, cobalt, nickel, and copper.

본 발명에 따른 실시예에 따르면, 에틸렌을 고선택적이면서도 고감도로 감응하는 것이 가능하다.According to embodiments of the present invention, it is possible to sensitize ethylene with high selectivity and high sensitivity.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법에 따라 제조된 가스 센서를 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스 감응 입자의 구조를 나타낸 이미지이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 촉매층 입자의 구조 및 조성을 나타낸 이미지이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스 감응층(도3의 입자로 이루어진)과 촉매층 (도4의 입자로 이루어진)이 이중층을 이루고 있음을 나타낸 이미지이고,
도 6은 동작 온도 300 ℃ 내지 400 ℃에서, 실시예 1-1, 실시예 1-2 및 실시예 1-3에 따른 가스 센서에서의 에틸렌, 에탄올, TMA, 암모니아, 황화수소, 일산화탄소 및 수소에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 7은 동작 온도 300 ℃ 내지 400 ℃에서, 비교예 1-1, 비교예 1-2, 비교예 1-3 및 비교예 1-4에 따른 가스 센서에서의 에틸렌, 에탄올, TMA, 암모니아, 황화수소, 일산화탄소 및 수소에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스센서의 농도별 가스 동적 감응 특성(A) 및 가스의 검출하한을 보여주는 그래프이다 (B). 가스의 감도가 0.2 이상일 때를 기준으로 피팅한 결과 본 센서의 에틸렌 검출하한은 7.3 ppb이다. 도 8의 C와 D의 경우 개발된 센서의 단기 및 장기안정성을 나타낸 그래프로, 해당 센서는 오랜 기간 동안 안정적으로 동작함을 확인할 수 있다.
1 is a flowchart showing a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a cross-sectional view showing a gas sensor manufactured according to a method for manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention;
Figure 3 is an image showing the structure of gas-sensitive particles in a gas sensor according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is an image showing the structure and composition of catalyst layer particles in a gas sensor according to an embodiment of the present invention;
Figure 5 is an image showing that, in the gas sensor according to an embodiment of the present invention, the gas sensitive layer (made of the particles of Figure 3) and the catalyst layer (made of the particles of Figure 4) form a double layer;
Figure 6 shows the gas sensors according to Examples 1-1, 1-2 and 1-3 at an operating temperature of 300°C to 400°C for ethylene, ethanol, TMA, ammonia, hydrogen sulfide, carbon monoxide and hydrogen. This is a graph comparing gas sensitivity,
7 shows ethylene, ethanol, TMA, ammonia, and hydrogen sulfide in the gas sensors according to Comparative Examples 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 at an operating temperature of 300 ° C. to 400 ° C. , This is a graph comparing gas sensitivity to carbon monoxide and hydrogen,
Figure 8 is a graph showing the gas dynamic response characteristics (A) and the lower detection limit of gas by concentration of the gas sensor in the gas sensor according to an embodiment of the present invention (B). As a result of fitting based on when the gas sensitivity is above 0.2, the lower limit of ethylene detection of this sensor is 7.3 ppb. 8C and D are graphs showing the short-term and long-term stability of the developed sensor, and it can be seen that the sensor operates stably over a long period of time.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments. This example is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Therefore, the shapes of elements in the drawings are exaggerated to emphasize clearer explanation.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.The configuration of the invention to clarify the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on preferred embodiments of the present invention, and the reference numbers to the components in the drawings will be the same. Components are given the same reference numbers even if they are in different drawings, and it is stated in advance that components of other drawings can be cited when necessary when explaining the relevant drawings.

본 발명에서는 산화물 기반 가스 감응층 상에 팔라듐(Pd) 나노 입자와 산화바나듐(V2O5)이 함유된 산화 티타늄(TiO2)의 촉매층을 도포함으로써 과일의 숙성, 꽃의 개화, 세포의 성장, 식물의 성장, 씨앗의 발아 등을 조절할 수 있는 식물성 호르몬 가스인 에틸렌을 반응성이 우수한 가스들로 분해하거나 방해가스들을 반응성이 낮을 가스들로 분해할 수 있는 바, 표적가스들을 고감도로 검지할 수 있게 하고 방해가스들의 감도를 무시할 수준으로 만들어 고선택적인 가스 검지를 할 수 있게 한다.In the present invention, ripening of fruits, flowering of flowers, and growth of cells are achieved by applying a catalyst layer of titanium oxide (TiO 2 ) containing palladium (Pd) nanoparticles and vanadium oxide (V 2 O 5 ) on the oxide-based gas sensitive layer. , ethylene, a plant hormone gas that can control plant growth and seed germination, can be decomposed into highly reactive gases or interfering gases into less reactive gases, allowing target gases to be detected with high sensitivity. This allows highly selective gas detection by reducing the sensitivity of interfering gases to a negligible level.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법에 따라 제조된 가스 센서를 나타낸 단면도이다.FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a gas sensor manufactured according to a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

그러나 본 발명에 따른 가스 센서의 구조는 여기 제시된 것에 한정되지 않으며 가스 감응 구조체와 촉매 구조체가 물리적으로 혼합되어 이루어진 감응층을 구비한 가스 센서라면 어떠한 구조이든 본 발명에 해당한다.However, the structure of the gas sensor according to the present invention is not limited to that presented here, and any structure of a gas sensor having a sensitive layer made by physically mixing a gas sensitive structure and a catalyst structure is applicable to the present invention.

도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법은 가스 감응 입자와 촉매 입자 준비 단계(S10), 감응층 형성 단계(S20) 및 촉매층 형성 단계(S30)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 together, the method for manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention includes the steps of preparing gas-sensitive particles and catalyst particles (S10), forming a sensitive layer (S20), and forming a catalyst layer (S30). may include.

먼저, 가스 감응 입자와 촉매 입자를 준비한다(S10).First, prepare gas-sensitive particles and catalyst particles (S10).

가스 감응 입자는 금속 산화물 반도체를 주성분으로 할 수 있으며, In2O3, SnO2, ZnO, Fe2O3, WO3, Co3O4, Cr2O3 및 CuO 중 적어도 하나의 다양한 감응소재를 포함할 수 있다.The gas-sensitive particles may have a metal oxide semiconductor as a main ingredient, and may include at least one of various sensitive materials selected from the group consisting of In 2 O 3 , SnO 2 , ZnO, Fe 2 O 3 , WO 3 , Co 3 O 4 , Cr 2 O 3 and CuO. may include.

이하에서, 가스 감응 입자는 In2O3로 구성된 실시예를 기반으로 설명하지만 본 발명에서 가스 감응 입자를 In2O3으로 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the gas-sensitive particles will be described based on an example made of In 2 O 3 , but the gas-sensitive particles in the present invention are not limited to In 2 O 3 .

우선, 인듐 전구체, 수쿠로오스를 혼합하여 교반시켜 분무 용액을 준비한다. 인듐 전구체로는 Indium nitrate, Indium chloride, Indium sulfate 등을 사용할 수 있다.First, prepare a spray solution by mixing indium precursor and sucrose and stirring. Indium precursors include Indium nitrate, Indium chloride, and Indium sulfate.

다음 단일일 공정 초음파 분무열분해를 진행한다. 이 과정에서는 분무 용액을 분무함으로써 미세 액적을 발생시키고, 이 미세 액적을 반응기 내부로 유입시켜 분말을 합성하고 회수하는 과정이 포함될 수 있다. Next, the single-day process ultrasonic spray pyrolysis is performed. This process may include generating fine droplets by spraying a spray solution and introducing the fine droplets into the reactor to synthesize and recover the powder.

미세 액적의 크기는 분무 장치 내부 압력, 분무 용액의 농도, 분무 용액의 점도, 그리고 초음파의 강도 등에 의해 제어될 수 있다. 반응기 내부 온도는 600 ℃전후로 유지한다. 미세 액적을 반응기 내부로 유입시키기 위해 산소, 공기, Ar, N2 및 He 중 적어도 어느 하나의 운반기체를 사용할 수 있다. 운반기체의 유량 변화를 통해 미세 액적의 반응기내 체류시간을 조절할 수 있는데, 이러한 고온의 반응기에서 짧은 체류시간이지만 가열에 의해, 미세 액적에 포함된 유기 혹은 고분자 전구체들은 분해되며 얻고자 하는 조성의 성분만이 남게 된다.The size of the fine droplets can be controlled by the pressure inside the spray device, the concentration of the spray solution, the viscosity of the spray solution, and the intensity of ultrasonic waves. The temperature inside the reactor is maintained around 600°C. At least one carrier gas selected from oxygen, air, Ar, N 2 , and He may be used to introduce fine droplets into the reactor. The residence time of the fine droplets in the reactor can be adjusted by changing the flow rate of the carrier gas. Although the residence time is short in this high-temperature reactor, by heating, the organic or polymer precursors contained in the fine droplets are decomposed and the components of the desired composition are obtained. Only one remains.

촉매 입자는 팔라듐과 바나듐이 첨가된 금속산화물(Pd-V2O5-TiO2) 또는 팔라듐과 바나듐이 첨가된 제올라이트를 준비할 수 있다.Catalyst particles can be prepared from metal oxide (Pd-V 2 O 5 -TiO 2 ) to which palladium and vanadium are added or zeolite to which palladium and vanadium are added.

한편, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 금속산화물을 티타늄으로 구성된 실시예를 기반으로 설명하지만 본 발명에서 촉매 입자에서의 금속산화물을 TiO2로 한정하는 것은 아니다.Meanwhile, in a specific example of the present invention, the description is based on an example in which the metal oxide is composed of titanium, but the metal oxide in the catalyst particle is not limited to TiO 2 in the present invention.

이후, 감응층 형성 단계(S20)에서는 가스 감응 입자를 이용하여 두 전극(300)이 있는 알루미나, 실리콘, 실리카 등의 기판(400) 위에 감응층(100)을 도포한다. Thereafter, in the sensitive layer forming step (S20), the sensitive layer 100 is applied on the substrate 400, such as alumina, silicon, or silica, on which the two electrodes 300 are located, using gas sensitive particles.

여기서, 도포란 프린팅(printing), 브러싱(brushing), 블레이드 도포(bladecoating), 디스펜싱(dispensing), 마이크로 피펫 적하(dropping) 등 각종의 방법을 포함하는 의미로 사용되었다. 다음, 열처리를 통해 용매 및 유기물 성분을 제거하여 감응층(100)을 형성하게 된다.Here, application is used to include various methods such as printing, brushing, blade coating, dispensing, and micropipette dropping. Next, the solvent and organic components are removed through heat treatment to form the sensitive layer 100.

이후, 촉매층 형성 단계(S30)에서는 촉매층(200)을 감응층(100) 상에 도포하여 촉매층(200)을 배치한다. 여기서, 도포방법은 전자빔 증착(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 또는 디스펜싱, 드랍도포, 스핀도포 등 다양한 박막형성 방법을 의미하며, 촉매층(200)을 감응층(100) 상부에 도포할 수 있는 공지된 방법이라면 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.Thereafter, in the catalyst layer forming step (S30), the catalyst layer 200 is disposed by applying it on the sensitive layer 100. Here, the application method refers to various thin film formation methods such as electron beam evaporation, sputtering or dispensing, drop application, and spin application, and the catalyst layer 200 can be applied on top of the response layer 100. If it is a known method, it is not necessarily limited thereto.

다음, 유기 오염물질 등을 제거하고 불완전한 상의 안정화를 위해 필요하다면 가열, 즉 열처리가 수반될 수 있으며, 예를 들어 100℃ 내지 600 ℃정도 온도에서 열처리하는 과정을 거칠 수 있다.Next, if necessary to remove organic contaminants and stabilize the incomplete phase, heating, that is, heat treatment, may be performed. For example, heat treatment may be performed at a temperature of about 100°C to 600°C.

한편, 감응층(100)은 다양한 가스에 감응하는 재질로 제공된다. 일 예에서, 중공구조 미분말(Hollow spheres)로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the sensitive layer 100 is made of a material that is sensitive to various gases. In one example, it may be made of hollow spheres.

촉매층(200)은 감응층(100)의 상면에 형성된다. 한편, 촉매층(200)은 감응층(100)과 구분되어 감응층(100)의 상면에 형성된다. 예를 들면, 촉매층(200)은 감응층(100)의 최상면에만 존재할 수 있다.The catalyst layer 200 is formed on the upper surface of the sensitive layer 100. Meanwhile, the catalyst layer 200 is separated from the sensitive layer 100 and is formed on the upper surface of the sensitive layer 100. For example, the catalyst layer 200 may exist only on the top surface of the sensitive layer 100.

상술한 바와 같이, 촉매층(200)은 촉매 입자를 기반으로 구성될 수 있다. 촉매층(200)은 촉매 입자(팔라듐과 바나듐이 첨가된 금속산화물(Pd-V2O5-TiO2) 또는 팔라듐과 바나듐이 첨가된 제올라이트)로 구성될 수 있다.As described above, the catalyst layer 200 may be constructed based on catalyst particles. The catalyst layer 200 may be composed of catalyst particles (metal oxide (Pd-V 2 O 5 -TiO 2 ) to which palladium and vanadium are added or zeolite to which palladium and vanadium are added).

여기서, 촉매층(200)은 반응성이 비교적 높은 에탄올, TMA, 황화수소, 암모니아, 일산화탄소, 수소의 경우 반응성이 없거나 반응성이 낮은 CO2 및 H2O로 산화시켜, 감응층(100)에서 감도가 낮아지게 되고, 반면, 매우 안정성 높아 반응성이 낮은 에틸렌의 경우, 촉매층(200)에 의해서 에틸렌 보다 반응성이 우수한 가스들로 분해되기 때문에, 에틸렌의 높은 감도를 달성할 수 있다.Here, the catalyst layer 200 oxidizes relatively highly reactive ethanol, TMA, hydrogen sulfide, ammonia, carbon monoxide, and hydrogen into non-reactive or low reactive CO 2 and H 2 O, thereby lowering the sensitivity in the response layer 100. On the other hand, in the case of ethylene, which has very high stability and low reactivity, it is decomposed into gases more reactive than ethylene by the catalyst layer 200, so that high sensitivity of ethylene can be achieved.

여기서, '반응성'은 “산화물 반도체형 가스센서의 흡착산소와의 반응성'으로 정의될 수 있으며, 산화물 반도체형 가스센서의 경우 표면에 흡착된 산소와 표적가스와의 반응으로 인해 가스의 감도가 나타나게 된다. 이때 반응성이 낮은 가스의 경우 표면에 흡착된 산소와의 반응이 적어 낮은 감도를 나타내고, 반응성이 높은 가스의 경우 표면에 흡착된 산소와의 반응이 많아 큰 감도를 나타내게 된다.Here, 'reactivity' can be defined as 'reactivity with the adsorbed oxygen of an oxide semiconductor type gas sensor', and in the case of an oxide semiconductor type gas sensor, gas sensitivity appears due to the reaction between oxygen adsorbed on the surface and the target gas. do. At this time, in the case of a low reactivity gas, there is little reaction with oxygen adsorbed on the surface, resulting in low sensitivity, while in the case of highly reactive gas, there is a large reaction with oxygen adsorbed on the surface, resulting in high sensitivity.

한편, 촉매층(200)에 의해서 에틸렌이 반응성이 우수한 가스들로 분해되는 반응은 Pd을 함유한 촉매를 사용하여 에틸렌을 아세트알데히드로 개질할 수 있다.Meanwhile, the reaction in which ethylene is decomposed into highly reactive gases by the catalyst layer 200 can reform ethylene into acetaldehyde using a catalyst containing Pd.

여기서, Pd의 산화, 환원 반응에 의해서 에틸렌이 아세트 알데히드로 분해되는 변환되고, 이때 Pd의 산화, 환원 반응을 돕는 것이 전이원소이다. 즉, 본 발명에서는 전이원소 중 V에 대한 구체적인 실시예를 기술하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 전이원소가 사용될 수 있음은 물론이다.Here, ethylene is decomposed into acetaldehyde through the oxidation and reduction reactions of Pd, and at this time, it is the transition element that assists the oxidation and reduction reactions of Pd. That is, in the present invention, specific examples of V among transition elements are described, but it is not limited to this, and of course, various transition elements can be used.

구체적으로, 전이원소는 바나듐, 은, 크롬, 망간, 코발트, 니켈 및 구리를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Specifically, the transition element may include at least one of the group including vanadium, silver, chromium, manganese, cobalt, nickel, and copper.

즉, 감응층(100)의 상면에 촉매층(200)이 제공됨으로써, 반응성이 낮은 에틸렌은 감응층(100)의 전극에 인접한 영역에 도달하기 전에 감응층(100)과 구분된 촉매층(200)을 먼저 통과하게 되는데, 에틸렌은 촉매층(200)에 의해 반응성이 우수한 가스들로 개질 또는 분해되어 감응층(100)의 전극(300)에 인접한 영역에 도달되어 개질 또는 분해된 반응성이 우수한 가스들이 전극(300)에 인접한 영역에서 산화됨으로써 피검 가스에 대해 높은 고선택성 및 고감도를 가질 수 있다.That is, by providing the catalyst layer 200 on the upper surface of the sensitive layer 100, ethylene with low reactivity passes through the catalyst layer 200 separated from the sensitive layer 100 before reaching the area adjacent to the electrode of the sensitive layer 100. Passing through first, ethylene is reformed or decomposed into highly reactive gases by the catalyst layer 200 and reaches the area adjacent to the electrode 300 of the sensitive layer 100, and the reformed or decomposed highly reactive gases reach the electrode ( By being oxidized in the area adjacent to 300), it can have high selectivity and high sensitivity to the test gas.

반면에 , 방해가스는 촉매층(200)에 의해 반응성이 없거나 낮은 가스로 전환 또는 완전 산화되어 감도가 낮아진다.On the other hand, the interfering gas is converted to an unreactive or low-reactivity gas or completely oxidized by the catalyst layer 200, thereby lowering the sensitivity.

한편, 촉매 입자에서, 팔라듐은 금속산화물의 금속 대비 2wt% 내지 20wt%로 포함될 수 있다.Meanwhile, in the catalyst particles, palladium may be included in an amount of 2 wt% to 20 wt% based on the metal of the metal oxide.

여기서, 팔라듐이 금속산화물의 금속 대비 2wt% 미만인 경우, 에틸렌의 개질반응이 많이 일어나지 않아 에틸렌 대비 다른 가스의 감도가 큰 문제가 있을 수 있고, 팔라듐이 금속산화물의 금속 대비 20wt% 초과인 경우, 에틸렌의 완전산화 반응이 일어나 에틸렌의 감도가 다시 감소하는 문제가 있을 수 있다. 두가지 경우 모두 방해가스 대비 에틸렌에 대한 고감도, 고선택적 검지를 어렵게 한다.Here, if palladium is less than 2wt% compared to the metal of the metal oxide, there may be a problem of greater sensitivity to other gases compared to ethylene because the reforming reaction of ethylene does not occur much, and if palladium is more than 20wt% compared to the metal of the metal oxide, ethylene There may be a problem where the sensitivity of ethylene decreases again due to a complete oxidation reaction. In both cases, highly sensitive and highly selective detection of ethylene compared to the interfering gas is difficult.

한편, 촉매 입자에서, 바나듐은 금속산화물의 금속 대비 4wt% 내지 20wt%로 포함될 수 있다.Meanwhile, in the catalyst particles, vanadium may be included in an amount of 4 wt% to 20 wt% based on the metal of the metal oxide.

여기서, 바나듐이 금속산화물의 금속 대비 4wt% 미만인 경우, 에틸렌의 개질 반응이 많이 일어나지 않아 에틸렌 대비 다른 가스의 감도가 큰 문제가 있을 수 있고, 바나듐이 금속산화물의 금속 대비 20wt% 초과인 경우, Ti를 포함한 담체의 효과를 제한하여 에틸렌의 개질반응을 방해하는 문제가 있을 수 있다.Here, if vanadium is less than 4wt% compared to the metal in the metal oxide, there may be a problem of greater sensitivity to other gases compared to ethylene because the reforming reaction of ethylene does not occur much, and if vanadium is more than 20wt% compared to the metal in the metal oxide, Ti There may be a problem of interfering with the reforming reaction of ethylene by limiting the effect of the carrier containing.

한편, 감응층(100) 상에 배치되는 촉매층(200)은 두께가 0.1 ㎛ 내지 100㎛인 것이 바람직하다.Meanwhile, the catalyst layer 200 disposed on the sensitive layer 100 preferably has a thickness of 0.1 ㎛ to 100 ㎛.

여기서, 촉매층(200)의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우, 에틸렌을 개질하는 효과를 야기하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 촉매층(200)의 두께가 100㎛ 초과인 경우, 에틸렌을 완전 산화시켜 가스의 감도를 다시 감소시키는 문제가 있을 수 있다.Here, if the thickness of the catalyst layer 200 is less than 0.1㎛, there may be a problem of not producing the effect of reforming ethylene, and if the thickness of the catalyst layer 200 is more than 100㎛, ethylene is completely oxidized to reduce gas sensitivity. There may be problems reducing it again.

전극(300)은 기판(400)의 상면에 연결된다. 감응층(100)은 전극(300)이 기판(400)의 상면에 연결된 상태에서 기판(400) 상에 코팅된다. The electrode 300 is connected to the upper surface of the substrate 400. The sensitive layer 100 is coated on the substrate 400 while the electrode 300 is connected to the upper surface of the substrate 400.

따라서, 전극(300)은 기판(400) 및 감응층(100)의 사이에 제공된다. 기판(400) 및 감응층(100)에 연결된 전극(300)에는 전기 저항을 측정하는 저항 측정 장치가 연결된다. 감응층(100)이 피검가스와 접촉되면 감응층(100)의 전기 저항이 변하게 되고 저항 측정 장치에 의해 변화되는 감응층(100)의 전기 저항을 측정함으로써 피검가스를 검지할 수 있다. 전극(300)은 백금(Pt) 등의 전도체 재질로 제공될 수 있다.Accordingly, the electrode 300 is provided between the substrate 400 and the sensitive layer 100. A resistance measuring device that measures electrical resistance is connected to the electrode 300 connected to the substrate 400 and the sensitive layer 100. When the sensitive layer 100 comes into contact with the test gas, the electrical resistance of the sensitive layer 100 changes, and the test gas can be detected by measuring the changed electrical resistance of the sensitive layer 100 using a resistance measuring device. The electrode 300 may be made of a conductive material such as platinum (Pt).

기판(400) 상에는 전극(300) 및 감응층(100)이 서로 전기적으로 연결되도록 제공된다. 기판(400)은 절연체로 제공된다. 예를 들면, 기판(400)은 알루미나(Al2O3) 기판 또는 실리카(SiO2)/실리콘(Si) 기판 등의 절연체 재질의 기판이나, MEMS 기반의 기판으로 제공될 수 있다.The electrode 300 and the sensitive layer 100 are provided on the substrate 400 to be electrically connected to each other. The substrate 400 is provided as an insulator. For example, the substrate 400 may be provided as a substrate made of an insulating material such as an alumina (Al 2 O 3 ) substrate or a silica (SiO 2 )/silicon (Si) substrate, or as a MEMS-based substrate.

히터(500)는 감응층(100)이 피검가스에 대한 검지가 활성화되는 온도까지 감응층(100)을 가열한다. 일 실시 예에 따르면, 히터(500)는 기판(400)의 저면에 제공될 수 있다. 히터(500)는 전기 저항에 의해 열을 발생시키는 열선을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 히터(500)는 감응층(100)을 동작온도로 가열할 수 있다.The heater 500 heats the sensitive layer 100 to a temperature at which the sensitive layer 100 activates detection of the gas to be tested. According to one embodiment, the heater 500 may be provided on the bottom of the substrate 400. The heater 500 may include a heating wire that generates heat through electrical resistance. According to one embodiment, the heater 500 may heat the sensitive layer 100 to the operating temperature.

이하, 상술한 가스 센서 제조 방법을 이용하여 가스 센서를 제조하는 상세 실시예와 비교예를 비교하여, 각 실시예에 따라 제조된 가스 센서의 특성에 대해 설명한다.Hereinafter, detailed examples and comparative examples of manufacturing a gas sensor using the above-described gas sensor manufacturing method will be compared, and the characteristics of the gas sensor manufactured according to each example will be described.

[실시예 1-1][Example 1-1]

먼저 500 mL의 증류수에 0.05 mol에 해당하는 Indium nitrate와 0.0.5 mol에 해당하는 수쿠로오스를 혼합한 후 1 시간 동안 교반시켰다. 합성된 전구체는 10 L min-1의 유량으로(in O2) 분무와 동시에 분무 출구와 연결된 전기로(700 ℃)를 거치게 되면서 즉각적으로 열처리되어 산화인듐(In2O3) 중공구조가 형성되었다. First, 0.05 mol of indium nitrate and 0.0.5 mol of sucrose were mixed in 500 mL of distilled water and stirred for 1 hour. The synthesized precursor was sprayed at a flow rate of 10 L min-1 (in O 2 ) and passed through an electric furnace (700 ℃) connected to the spray outlet, where it was immediately heat treated to form an indium oxide (In 2 O 3 ) hollow structure. .

다음으로 촉매층으로 사용된 Pd과 V2O5가 포함된 TiO2 난황구조는 분무건조법으로 합성되었다. Next, the TiO 2 egg yolk structure containing Pd and V 2 O 5 used as a catalyst layer was synthesized by spray drying.

0.00037 mol의 ammonium vanadate(V), 0.01 mol의 titanium(IV) isopropoxide, 0.037 mol의 덱스트린을 1.2%의 질산 용액에 녹여 총 500mL의 분무 용액을 제조한다 ([V]:[TiO2] = 4:100). 이후 2wt%의 palladium(II) nitrate ([Pd]:[TiO2]=2:100)을 넣어 1시간동안 교반시킨다. Dissolve 0.00037 mol of ammonium vanadate(V), 0.01 mol of titanium(IV) isopropoxide, and 0.037 mol of dextrin in 1.2% nitric acid solution to prepare a total of 500 mL of spray solution ([V]:[TiO 2 ] = 4: 100). Afterwards, 2 wt% of palladium(II) nitrate ([Pd]:[TiO 2 ]=2:100) was added and stirred for 1 hour.

합성된 용액은 인렛과 아웃렛 온도 250 ℃와 120 ℃로 분무 건조시킨다. 이후, Pd-V2O5-TiO2 전구체는 500 ℃에서 3시간동안 후열처리를 거쳐, 2wt% Pd-가 첨가된 V2O5-TiO2 난황구조의 촉매층을 제조하였다. The synthesized solution is spray dried at inlet and outlet temperatures of 250°C and 120°C. Afterwards, the Pd-V 2 O 5 -TiO 2 precursor was subjected to post-heat treatment at 500°C for 3 hours to prepare a catalyst layer with a V 2 O 5 -TiO 2 egg yolk structure to which 2 wt% Pd- was added.

이렇게 얻어진 중공구조 미분말을 유기 바인더와 혼합하여 금 전극이 형성되어 있는 알루미나 기판에 약 10 ㎛ 두께로 스크린 인쇄하고, 200 ℃에서 2시간 건조한 다음 In2O3 가스 감응층을 제조했다. 그 뒤, 스크린 프린팅을 통해 2wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2 난황구조를 도포하였고, 500 ℃에서 2시간 열처리하여 2wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2 가 도포된 In2O3 가스센서를 제조하였다.The hollow structure fine powder obtained in this way was mixed with an organic binder and screen-printed to a thickness of about 10 ㎛ on an alumina substrate on which a gold electrode was formed, dried at 200 ° C. for 2 hours, and then an In 2 O 3 gas sensitive layer was prepared. Afterwards, V 2 O 5 -TiO 2 egg yolk structure to which 2 wt % of Pd was added was applied through screen printing, and V 2 O 5 -TiO 2 to which 2 wt % of Pd was added was applied by heat treatment at 500°C for 2 hours. An In 2 O 3 gas sensor was manufactured.

다음으로 제조한 가스 센서를 쿼츠 튜브에 위치시키고 순수한 공기 또는 공기+혼합가스를 번 갈아가며 주입하면서 저항의 변화를 측정했다. 가스는 미리 혼합시킨 후 4-웨이(way) 밸브를 이용하여 농도를 급격히 변화시켰다.Next, the manufactured gas sensor was placed in a quartz tube and the change in resistance was measured while alternately injecting pure air or air+mixed gas. The gas was mixed in advance and then the concentration was rapidly changed using a 4-way valve.

[실시예 1-2][Example 1-2]

먼저 실시예 1-1과 같은 과정을 거쳐 In2O3 감응층을 제조하였다. 그 뒤, 스크린 프린팅을 통해 4wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2을 도포하였고, 500 ℃에서 2시간 열처리하여 4wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2 가 도포된 In2O3 가스 센서를 제조하였다. 이외의 가스 센서 평가 과정은 실시예 1-1과 동일하다.First, an In 2 O 3 sensitive layer was manufactured through the same process as Example 1-1. Afterwards, V 2 O 5 -TiO 2 to which 4 wt % of Pd was added was applied through screen printing, and then heat treated at 500°C for 2 hours to obtain V 2 O 5 -TiO 2 to which 4 wt % of Pd was added. A 2 O 3 gas sensor was manufactured. Other gas sensor evaluation processes are the same as Example 1-1.

[실시예 1-3][Example 1-3]

먼저 실시예 1-1과 같은 과정을 거쳐 In2O3 감응층을 제조하였다. 그 뒤, 스크린 프린팅을 통해 2wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2 나노입자를 도포하였고, 500 ℃에서 2시간 열처리하여 2wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2 가 도포된 In2O3 가스센서를 제조하였다. 이외의 가스 센서 평가 과정은 실시예 1-1과 동일하다.First, an In 2 O 3 sensitive layer was manufactured through the same process as Example 1-1. Afterwards, V 2 O 5 -TiO 2 nanoparticles to which 2 wt % of Pd was added were applied through screen printing, and V 2 O 5 -TiO 2 to which 2 wt % of Pd was added were applied by heat treatment at 500°C for 2 hours. An In 2 O 3 gas sensor was manufactured. Other gas sensor evaluation processes are the same as Example 1-1.

[비교예 1-1][Comparative Example 1-1]

먼저 실시예 1-1과 같은 과정을 거쳐 In2O3 중공구조를 제조하였다. 이렇게 얻어진 중공구조 미분말을 유기바인더와 혼합하여 금 전극이 형성되어 있는 알루미나 기판에 10 ㎛ 두께로 스크린 인쇄하고 500 ℃에서 2시간 열처리하여 In2O3 가스 감응층을 제조했다. 이외의 가스 센서 평가 과정은 실시예 1-1과 동일하다.First, an In 2 O 3 hollow structure was manufactured through the same process as Example 1-1. The hollow structure fine powder obtained in this way was mixed with an organic binder, screen printed to a thickness of 10 ㎛ on an alumina substrate on which a gold electrode was formed, and heat treated at 500 ° C. for 2 hours to prepare an In 2 O 3 gas sensitive layer. Other gas sensor evaluation processes are the same as Example 1-1.

[비교예 1-2][Comparative Example 1-2]

먼저 실시예 1-1과 같은 과정을 거쳐 In2O3 감응층을 제조하였다. 그 뒤, 스크린 프린팅을 통해 1wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2을 도포하였고, 500 ℃에서 2시간 열처리하여 1wt%의 Pd이 첨가된 V2O5-TiO2가 도포된 In2O3 가스 센서를 제조하였다. 이외의 가스 센서 평가 과정은 실시예 1-1과 동일하다.First, an In 2 O 3 sensitive layer was manufactured through the same process as Example 1-1. Afterwards, V 2 O 5 -TiO 2 to which 1 wt% of Pd was added was applied through screen printing, and V 2 O 5 -TiO 2 to which 1 wt% of Pd was added was applied by heat treatment at 500°C for 2 hours. A 2 O 3 gas sensor was manufactured. Other gas sensor evaluation processes are the same as Example 1-1.

[비교예 1-3][Comparative Example 1-3]

먼저 실시예 1-1과 같은 과정을 거쳐 In2O3 감응층을 제조하였다. 그 뒤, 실시예 1-1의 촉매제조 과정 중 palladium(II) nitrate 첨가를 제외하고 같은 과정을 거쳐 V2O5-TiO2를 제작하고, 이를 In2O3 감응층 위에 도포하였다. 최종적으로 500 ℃에서 2시간 열처리하여 V2O5-TiO2가 도포된 In2O3 가스 센서를 제조하였다. 이외의 가스 센서 평가 과정은 실시예 1-1과 동일하다.First, an In 2 O 3 sensitive layer was manufactured through the same process as Example 1-1. Then, V 2 O 5 -TiO 2 was produced through the same process as in Example 1-1 except for the addition of palladium(II) nitrate, and it was applied on the In 2 O 3 response layer. Finally, an In 2 O 3 gas sensor coated with V 2 O 5 -TiO 2 was manufactured by heat treatment at 500°C for 2 hours. Other gas sensor evaluation processes are the same as Example 1-1.

[비교예 1-4][Comparative Example 1-4]

먼저 실시예 1-1과 같은 과정을 거쳐 In2O3 감응층을 제조하였다. 그 뒤, 실시예 1-1의 촉매제조 과정 중 ammonium vanadate(V)을 첨가를 제외하고 같은 과정을 거쳐 2wt%의 Pd이 첨가된 TiO2를 제작하고, 이를 In2O3 감응층 위에 도포하였다. 최종적으로 500 ℃에서 2시간 열처리하여 2wt% Pd이 첨가된 TiO2가 도포된 In2O3가스 센서를 제조하였다. 이외의 가스 센서 평가 과정은 실시예 1-1과 동일하다.First, an In 2 O 3 sensitive layer was manufactured through the same process as Example 1-1. Then, TiO 2 to which 2 wt% of Pd was added was produced through the same process as in Example 1-1, except for the addition of ammonium vanadate (V), and this was applied on the In 2 O 3 response layer. . Finally, an In 2 O 3 gas sensor coated with TiO 2 to which 2 wt% Pd was added was manufactured by heat treatment at 500°C for 2 hours. Other gas sensor evaluation processes are the same as Example 1-1.

한편, 상술한 실시예와 비교예를 정리하면 다음의 [표 1]과 같다.Meanwhile, the above-mentioned examples and comparative examples are summarized in [Table 1] below.

감응층Sensitive layer 촉매층에서 Pd 함량비(wt%)Pd content ratio in catalyst layer (wt%) 촉매층에서 V
함량비(wt%)
V in the catalyst layer
Content ratio (wt%)
촉매 입자의 구조Structure of catalyst particles
실시예 1-1Example 1-1 In2O3 In 2 O 3 22 44 난황구조Egg yolk structure 실시예 1-2Example 1-2 In2O3 In 2 O 3 44 44 난황구조Egg yolk structure 실시예 1-3Example 1-3 In2O3 In 2 O 3 22 44 나노입자nanoparticles 비교예 1-1Comparative Example 1-1 In2O3 In 2 O 3 -- -- 중공구조hollow structure 비교예 1-2Comparative Example 1-2 In2O3 In 2 O 3 1One 44 난황구조Egg yolk structure 비교예 1-3Comparative Example 1-3 In2O3 In 2 O 3 00 44 난황구조Egg yolk structure 비교예 1-4Comparative Example 1-4 In2O3 In 2 O 3 44 00 난황구조Egg yolk structure

[특성평가][Characteristics Evaluation]

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스 감응 입자의 구조를 나타낸 이미지이고, Figure 3 is an image showing the structure of gas-sensitive particles in a gas sensor according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스 감응 입자의 구조를 나타낸 이미지이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 촉매층 입자의 구조 및 조성을 나타낸 이미지이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스 감응층(도3의 입자로 이루어진)과 촉매층(도4의 입자로 이루어진)이 이중층을 이루고 있음을 나타낸 이미지이다.FIG. 3 is an image showing the structure of gas-sensitive particles in a gas sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is an image showing the structure and composition of catalyst layer particles in a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an image showing that, in the gas sensor according to an embodiment of the present invention, the gas sensitive layer (made of the particles of FIG. 3) and the catalyst layer (made of the particles of FIG. 4) form a double layer.

도 6은 동작 온도 300 ℃ 내지 400 ℃에서, 실시예 1-1, 실시예 1-2 및 실시예 1-3에 따른 가스 센서에서의 에틸렌, 에탄올, TMA, 암모니아, 황화수소, 일산화탄소 및 수소에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.Figure 6 shows the gas sensors according to Examples 1-1, 1-2 and 1-3 at an operating temperature of 300°C to 400°C for ethylene, ethanol, TMA, ammonia, hydrogen sulfide, carbon monoxide and hydrogen. This is a graph comparing gas sensitivity.

도 6을 참조하면, 실시예 1-1과 1-2의 경우 모든 동작온도에서 다른 방해가스 (에탄올, TMA, 암모니아, 황화수소, 일산화탄소, 수소) 대비 에틸렌에 대한 고감도 고선택성을 확보하는 것을 확인할 수 있다. 실시예 1-3의 경우에도 350 ℃ 이상의 온도에서 다른 방해가스 대비 에틸렌에 대한 고감도 고선택성을 확보하는 것을 확인할 수 있는데 이를 통해 촉매층에 앞서 언급하였던 조성을 사용하는 경우 구조와 상관없이 에틸렌에 대한 고감도, 고선택성을 나타내는 가스 감응소재를 개발할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that in Examples 1-1 and 1-2, high sensitivity and high selectivity for ethylene are secured compared to other interfering gases (ethanol, TMA, ammonia, hydrogen sulfide, carbon monoxide, hydrogen) at all operating temperatures. there is. In Example 1-3, it can be confirmed that high sensitivity and selectivity for ethylene is secured compared to other interfering gases at a temperature of 350 ° C. or higher. This shows that when the previously mentioned composition is used in the catalyst layer, high sensitivity to ethylene, regardless of the structure, is achieved. It can be confirmed that a gas-sensitive material showing high selectivity can be developed.

실시예 1-3의 경우, 난황구조의 경우(실시예 1-1, 1-2) 나노 입자에 비해 구조적 용이성으로 에틸렌가스의 개질반응을 촉진할 수 있다. 따라서, 난황구조의 촉매층을 사용하는 경우 더욱 더 우수한 에틸렌 가스 감응특성을 가지는 가스센서를 개발할 수 있다. 반면 나노 입자를 사용하는 경우(실시예 1-3) 난황구조의 감응소재에 비해 가스 감응특성이 부족한 것을 확인할 수 있으나, 이 경우에도 마찬가지로 사용가능한 수준의 특성을 나타냄으로 감응소재의 구조와 관계없이 상기의 조성을 가지는 촉매층을 만든다면 에틸렌에 대한 고감도, 고선택적 검지가 가능할 수 있다.In Example 1-3, the egg yolk structure (Examples 1-1 and 1-2) can promote the reforming reaction of ethylene gas due to its structural ease compared to nanoparticles. Therefore, when using a catalyst layer with an egg yolk structure, a gas sensor with even better ethylene gas sensitivity characteristics can be developed. On the other hand, when using nanoparticles (Example 1-3), it can be confirmed that the gas sensitivity characteristics are insufficient compared to the egg yolk-structured sensing material. However, in this case as well, the characteristics are at a usable level, regardless of the structure of the sensing material. If a catalyst layer having the above composition is created, highly sensitive and highly selective detection of ethylene may be possible.

도 7은 동작 온도 300 ℃ 내지 400 ℃에서, 비교예 1-1, 비교예 1-2, 비교예 1-3 및 비교예 1-4에 따른 가스 센서에서의 에틸렌, 에탄올, TMA, 암모니아, 황화수소, 일산화탄소 및 수소에 대한 가스 감도를 비교하여 나타낸 그래프이다.7 shows ethylene, ethanol, TMA, ammonia, and hydrogen sulfide in the gas sensors according to Comparative Examples 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 at an operating temperature of 300 ° C. to 400 ° C. , This is a graph comparing gas sensitivity to carbon monoxide and hydrogen.

도 7을 참조하면, 비교예 1-1 내지 1-4의 경우 모든 동작 온도에서 에틸렌의 감도 대비 다른 방해가스들의 감도가 비슷하거나 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 비교예를 포함한 다른 조성으로는 에틸렌에 대한 고선택성 고감도 가스 감응소재를 확보하지 못하는 것을 의미한다.Referring to FIG. 7, in Comparative Examples 1-1 to 1-4, it can be seen that the sensitivities of other interfering gases are similar or greater than the sensitivities of ethylene at all operating temperatures. This means that a highly sensitive gas-sensitive material with high selectivity for ethylene cannot be secured with other compositions, including the comparative example.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서에서, 가스센서의 농도별 가스 동적 감응 특성 (A) 및 가스의 검출하한을 보여주는 그래프이다 (B). 가스의 감도가 0.2 이상일때를 기준으로 피팅한 결과 본 센서의 에틸렌 검출하한은 7.3 ppb이다. 도 8의 C와 D의 경우 개발된 센서의 단기 및 장기안정성을 나타낸 그래프로, 해당 센서는 오랜 기간 동안 안정적으로 동작함을 확인할 수 있다.Figure 8 is a graph showing the gas dynamic response characteristics (A) and the lower detection limit of gas by concentration of the gas sensor in the gas sensor according to an embodiment of the present invention (B). As a result of fitting based on when the gas sensitivity is above 0.2, the lower limit of ethylene detection of this sensor is 7.3 ppb. 8C and D are graphs showing the short-term and long-term stability of the developed sensor, and it can be seen that the sensor operates stably over a long period of time.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above detailed description is illustrative of the present invention. Additionally, the foregoing is intended to illustrate preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the inventive concept disclosed in this specification, the scope equivalent to the written disclosure, and/or the technology or knowledge in the art. The written examples illustrate the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required for specific application fields and uses of the present invention are also possible. Accordingly, the detailed description of the invention above is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Additionally, the appended claims should be construed to include other embodiments as well.

Claims (14)

감응층; 및
상기 감응층 상에 도포된 촉매층을 포함하고,
상기 촉매층은 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 금속산화물 또는 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 제올라이트를 포함하는 가스 센서.
Sensitive layer; and
It includes a catalyst layer applied on the sensitive layer,
The catalyst layer is a gas sensor comprising a metal oxide to which palladium and a transition element are added or a zeolite to which palladium and a transition element are added.
제1항에 있어서,
상기 감응층은
금속 산화물 반도체를 주성분으로 하는 가스 센서.
According to paragraph 1,
The sensitive layer is
A gas sensor whose main ingredient is a metal oxide semiconductor.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물은
Ti, Al, 및 Si 중 어느 하나를 포함하는 가스 센서.
According to paragraph 1,
The metal oxide is
A gas sensor containing any one of Ti, Al, and Si.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은 에틸렌을 에틸렌 보다 반응성이 높은 가스로 개질시키는 가스 센서.
According to paragraph 1,
The catalyst layer is a gas sensor that reformes ethylene into a gas more reactive than ethylene.
제1항에 있어서,
상기 촉매층에서,
상기 팔라듐은 상기 금속산화물의 금속 대비 2wt% 내지 20wt%로 포함되는 가스 센서.
According to paragraph 1,
In the catalyst layer,
A gas sensor in which the palladium is contained in an amount of 2 wt% to 20 wt% compared to the metal of the metal oxide.
제1항에 있어서,
상기 촉매층에서,
상기 전이원소는 상기 금속산화물의 금속 대비 4wt% 내지 20wt%로 포함되는 가스 센서.
According to paragraph 1,
In the catalyst layer,
A gas sensor in which the transition element is contained in an amount of 4 wt% to 20 wt% relative to the metal of the metal oxide.
제1항에 있어서,
상기 전이원소는 바나듐, 은, 크롬, 망간, 코발트, 니켈 및 구리를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 가스 센서.
According to paragraph 1,
A gas sensor wherein the transition element includes at least one of the group including vanadium, silver, chromium, manganese, cobalt, nickel, and copper.
(A) 감응층을 배치하는 단계; 및
(B) 상기 감응층 상에 촉매층을 배치하는 단계; 를 포함하고,
상기 촉매층은 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 금속산화물 또는 팔라듐 및 전이원소가 첨가된 제올라이트를 포함하는 가스 센서의 제조방법.
(A) disposing a sensitive layer; and
(B) disposing a catalyst layer on the sensitive layer; Including,
The catalyst layer is a method of manufacturing a gas sensor comprising a metal oxide to which palladium and a transition element are added or a zeolite to which palladium and a transition element are added.
제8항에 있어서,
상기 감응층은
금속 산화물 반도체를 주성분으로 하는 가스 센서의 제조방법.
According to clause 8,
The sensitive layer is
Method for manufacturing a gas sensor containing metal oxide semiconductor as the main ingredient.
제8항에 있어서,
상기 금속산화물은
Ti, Al, 및 Si 중 어느 하나를 포함하는 가스 센서의 제조방법.
According to clause 8,
The metal oxide is
Method for manufacturing a gas sensor containing any one of Ti, Al, and Si.
제8항에 있어서,
상기 촉매층은 에틸렌을 에틸렌 보다 반응성이 높은 가스로 개질시키는 가스 센서의 제조방법.
According to clause 8,
The catalyst layer is a method of manufacturing a gas sensor in which ethylene is reformed into a gas more reactive than ethylene.
제7항에 있어서,
상기 촉매층에서,
상기 팔라듐은 상기 금속산화물의 금속 대비 2wt% 내지 20wt%로 포함되는 가스 센서의 제조방법.
In clause 7,
In the catalyst layer,
A method of manufacturing a gas sensor wherein the palladium is contained in an amount of 2 wt% to 20 wt% compared to the metal of the metal oxide.
제7항에 있어서,
상기 촉매층에서,
상기 전이원소는 상기 금속산화물의 금속 대비 4wt% 내지 20wt%로 포함되는 가스 센서의 제조방법.
In clause 7,
In the catalyst layer,
A method of manufacturing a gas sensor wherein the transition element is contained in an amount of 4wt% to 20wt% relative to the metal of the metal oxide.
제7항에 있어서,
상기 전이원소는 바나듐, 은, 크롬, 망간, 코발트, 니켈 및 구리를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 가스 센서의 제조방법.
In clause 7,
A method of manufacturing a gas sensor wherein the transition element includes at least one of the group including vanadium, silver, chromium, manganese, cobalt, nickel, and copper.
KR1020220149674A 2022-11-10 Gas sensor and method for manufacturing the same KR20240068355A (en)

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