기능성 무기소재의 화학적 상호작용 제어를 통한 고감도 유기 가스 센서의 개발

국문 초록 (Abstract)

유기 반도체 기반 가스 센서는 가볍고 유연하며, 용액공정과 같은 저비용의 제작이 가능하다는 이점 덕분에 차세대 휴대형·웨어러블 센서로 많은 연구 관심을 받고 있다. 다만, 유기 반도체는 낮은 전하 이동도와 제한적인 표면 반응성으로 인해 무기 재료 대비 감도와 선택성이 낮다는 한계점을 가진다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 전도성 고분자인 P3HT 에 가스 분자를 효과적으로 흡착할 수 있는 기능성 무기 소재를 도입하고자 하였다. 또한, 무기 소재의 화학적 특성 조절을 통해 센서 성능을 향상시키는 것을 목표로 하였다. 먼저, 금속 이온을 교환한 제올라이트를 P3HT 박막에 혼합하여 산-염기 특성의 변화가 가스 흡착 능력에 미치는 영향을 분석하였다. 제올라이트의 이온 반경 및 표면 화학 조절을 통해 NO2 에 대한 반응성과 선택성이 뚜렷하게 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 이어서, 서로 다른 결정 차원을 지닌 CsPbBr3 QDs 와 NWs 를 활용하여 구조적 특성의 변화가 OFET 기반 가스 센서에서 전하 수송 및 분자 흡착 특성에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 특히 NW 는 1 차원 구조와 높은 Br 결함 밀도로 인해 강한 표면 반응성을 나타내었고, OFET 센서의 감도와 선택성을 크게 향상시켰다. 본 연구는 표면 화학 조절이 가능한 제올라이트와 결함 엔지니어링이 가능한 페로브스카이트 각각의 물리적·화학적 특성을 활용하여 유기 반도체 기반 OFET 가스 센서의 성능을 효과적을 향상시키킬 수 있음을 제시한다. 이를 통해 고감도·고선택성을 갖춘 차세대 유연 가스 센서를 개발하기 위한 하이브리드 소재 설계 방향을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic semiconductor–based gas sensors have attracted considerable attention as next-generation portable and wearable sensing devices due to their lightweight, mechanical flexibility, and low-cost solution-processable fabrication. However, their inherently low charge mobility and limited surface reactivity restrict the achievable sensitivity and selectivity. In this study, we address these limitations by designing organic–inorganic hybrid OFET gas sensors in which functional inorganic materials are incorporated into the conductive polymer P3HT, and by tuning the chemical properties of the inorganic components to maximize sensing performance.
First, metal cation-exchanged zeolites were blended into P3HT thin films to investigate how pore structure and acid–base characteristics influence gas adsorption behavior. By controlling the ionic radius and surface chemistry of zeolites, the responsivity and selectivity toward NO2 were effectively enhanced. Second, CsPbBr3 quantum dots (QDs) and nanowires (NWs) with different crystalline dimensions were introduced to elucidate how structural variations affect charge transport and molecular adsorption in OFET-based gas sensors. In particular, the 1D NWs—with their high crystallinity and abundant Br-vacancy defects—exhibited significantly stronger surface reactivity, leading to substantial improvements in both sensitivity and selectivity of the P3HT sensors.
Overall, this work demonstrates a new strategy for enhancing the performance of organic semiconductor-based OFET gas sensors by leveraging the complementary advantages of surface-chemistry-tunable zeolites and defect-engineered perovskites. The proposed hybrid material design provides a promising pathway toward high-sensitivity, high-selectivity, and flexible gas sensing technologies.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 ii
• 표 목 차 v
• 그림목차 vi
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.1.1.가스 감지 기술의 필요성 1
• 1.1.2.가스 센서의 종류 2
• 1.1.3.FET 가스 센서 구조 및 센싱 메커니즘 3
• 1.2. 유기 가스 센서 6
• 1.2.1.유기 가스 센서의 필요성 및 한계 6
• 1.2.2.유무기 하이브리드 센서 소재의 연구 동향 7
• 1.3. 연구 목적 8
• 제 2장 금속 이온 교환 제올라이트 혼합 유기 가스 센서 9
• 2.1. 연구 배경 9
• 2.2. 실험 방법 12
• 2.2.1.제올라이트 금속 이온 교환 12
• 2.2.2.P3HT-제올라이트 혼성 유기 가스 센서 제조 13
• 2.2.3.특성 분석 15
• 2.3. 결과 및 토론 17
• 2.3.1.제올라이트 특성 분석 17
• 2.3.2.P3HT-제올라이트 혼성 박막 모폴로지 24
• 2.3.3.혼성 박막의 전하 이동 특성 및 가스 센서 성능 27
• 2.3.4.혼성 박막의 동적 가스 센서 성능 및 선택도 평가 32
• 2.4. 결론 35
• 제 3장 결정 차원 조절된 페로브스카이트 혼합 유기 가스 센서 36
• 3.1. 연구 배경 36
• 3.2. 실험 방법 38
• 3.2.1.페로브스카이트 양자점 및 나노와이어 합성 38
• 3.2.2. P3HT-페로브스카이트 혼성 유기 가스 센서 제조 40
• 3.2.3.특성 분석 42
• 3.3. 결과 및 토론 43
• 3.3.1.페로브스카이트 구조적 특성 분석 43
• 3.3.2.페로브스카이트 표면 특성 분석 46
• 3.3.3.P3HT-페로브스카이트 혼성 박막 모폴로지 49
• 3.3.4.혼성 박막의 전하 이동 특성 및 가스 센서 성능 51
• 3.3.5.혼성 박막의 동적 가스 센서 성능 및 감도 비교 55
• 3.3.6.밀도 함수 이론을 이용한 흡착 메커니즘 해석 60
• 3.4. 결론 63
• 제 4장 결론 및 전망 64
• 참고문헌 67
• Abstract 75