FA3Sb2Br9 페로브스카이트 소재를 이용한 고감도 암모니아 가스 센서 제작 및 특성연구 = Fabrication and Characterization of High-Sensitivity Ammonia Gas Sensors Based on FA3Sb2Br9 Perovskite

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Antimony-based perovskite materials have recently attracted attention
as potential alternatives to lead (Pb) halide perovskites for gas-sensing.
Lead-based perovskites exhibit outstanding optoelectronic and charge
transport properties. But its practical use is hampered by its
environmental toxicity and low chemical stability. Thus, the development
of environmentally friendly, lead-free perovskites with stable and
sensitive gas-sensing properties is essential.
In this study, we synthesized FA3Sb2Br9, a lead-free perovskite that did
not exist before, and used it as an active layer for gas sensing to develop
a semiconductor sensor that detects NH3 gas. FA3Sb2Br9 was simply
synthesized using a solution process, and the thin films were fabricated
using spin coating and thermal annealing inside a nitrogen-filled glove box.
After forming a uniform film on a glass substrate, the sensor device was
completed by depositing an interdigitated electrode.
The fabricated FA3Sb2Br9 thin film sensor has good selectivity for NH3
gas compared to nitrogen oxide series gases, carbon monoxide and
methane. The FA3Sb2Br9 sensor exposed to 100ppm of NH3 gas, the
device achieved 93.4% gas response. The response/recovery times were
15/323 seconds, and the sensitivity at a low detection limit concentration
of 1ppm. Moreover, the sensor shows superior repeatability and long
term stability.
Additionally, an attempt was made to apply FA3Sb2Br9 material to a
flexible sensor application using Norland Optical Adhesive 63 as a
substrate. To demonstrate its potential as a flexible gas sensor, we
measured the sensitivity after mechanical deformation, but no degradation
in performance.

국문 초록 (Abstract)

안티모니(Sb) 기반 페로브스카이트 소재는 가스 감지용으로 납을 대체할
수 있는 물질로 주목받고 있다. 기존의 납 기반 페로브스카이트 소재는 뛰어
난 전하 이동 특성을 보이지만 독성과 화학적 안정성으로 인해 활용에 어려
움을 겪고 있다. 따라서 납을 사용하지 않고도 안정적이고 민감한 가스 감지
특성을 갖는 환경 친화적 소재의 개발이 필수적인 상황이다.
이 연구에서는 새로운 물질인 FA3Sb2Br9를 합성하고, 감지층으로 사용해
NH3 가스를 감지하는 반도체식 센서를 개발하였다. FA3Sb2Br9는 용액 공정
으로 간단하게 합성이 가능하며 질소 분위기의 글러브 박스 내에서 박막을
제작하고, 전극 증착으로 센서 소자를 완성한다.
제작한 FA3Sb2Br9 박막 센서는 질소산화물 계열 가스와 일산화탄소, 메탄
올, 메탄 등의 가스에 비해서 NH3 가스에 대해 우수한 선택성을 보인다. 또
한 소자를 100ppm의 NH3 가스에 노출시키면 93.4%의 가스 반응성을 보였
으며, 반응/회복 시간은 각각 15초/323초였으며 최저 검출 농도는 1ppm에서
도 반응성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 센서의 우수한 반복성 및 장기
안정성을 확인했다.
또한, 합성한 FA3Sb2Br9 소재를 다양한 응용 분야에 적용시키기 위해
Norland Optical Adhesive 63을 기판으로 기계적으로 유연한 가스 센서를 제
작하였다. 제작된 센서는 기계적 변형 후에도 센서로서 성능이 저하되지 않았
으며 경질 기반에 제작한 센서와 비교해도 가스 감지 성능이 뒤처지지 않음
을 확인해 유연 가스 센서 분야에 대한 잠재력을 확인했다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• [그림 차례] ............................................................................................... i
• [수식 차례] ..............................................................................................iii
• 제 1 장 서 론 ....................................................................................... 1
• 제 2 장 이론적 배경 .............................................................................. 4
• 2.1. 가스 센서의 개요 ............................................................................. 4
• 2.1.1 가스 센서의 정의 및 역할 .......................................................... 5
• 2.1.2 주요 응용 분야 및 필요성 .......................................................... 5
• 2.2 가스 센서의 분류 및 작동원리 ......................................................... 6
• 2.2.1 반도체식 가스 센서 .................................................................... 6
• 2.2.2 전기화학식 가스 센서 ................................................................ 7
• 2.2.3 광학식 가스 센서 ....................................................................... 7
• 2.2.4 센서의 일반적 작동 메커니즘 ..................................................... 8
• 2.3 가스 센서의 구성 요소와 성능 평가 지표 ........................................ 9
• 2.3.1 감지층의 역할 ............................................................................ 9
• 2.3.2 전극과 기판의 역할 .................................................................. 10
• 2.3.3 성능 평가 지표 ........................................................................ 11
• 2.4 페로브스카이트 소재의 기본 구조와 특성 ...................................... 12
• 2.4.1 페로브스카이트의 결정 구조(ABX3 구조) ............................... 12
• 2.4.2 전자적ㆍ광학적 특성 ................................................................ 14
• 2.4.3 가스 감지 소재로서의 장점 ...................................................... 15
• 2.5 무연 페로브스카이트의 등장과 필요성 ........................................... 16
• 2.5.1 납 기판 페로브스카이트의 한계 ............................................... 16
• 2.5.2 대체 금속 이온: Sn, Bi, Sb의 비교 ......................................... 17
• 2.5.3 무연 페로브스카이트의 장점 .................................................... 17
• 2.6 유연 및 자가복원형 센서 기술과 NOA63 기판의 특성 ................. 18
• 2.6.1 유연 센서의 개념과 필요성 ...................................................... 18
• 2.6.2 자가복원 센서의 원리 .............................................................. 19
• 2.6.3 NOA63 기판의 물리ㆍ화학적 특성 .......................................... 20
• 제 3 장 실 험 ..................................................................................... 21
• 3.1. 시료 준비 및 전구체 용액 제조 ..................................................... 21
• 3.2. 박막 제작 및 전극 증착 ................................................................ 22
• 3.3. 가스센서 특성 평가 ....................................................................... 23
• 3.4. 박막의 구조 및 화학적 특성 분석 ................................................. 24
• 3.4.1 결정 구조 분석 (XRD) ............................................................ 24
• 3.4.2 표면 형태 및 조성 분석 (SEM, AFM, EDS) ........................... 24
• 3.4.3 광학 및 화학 결합 분석 (UV-Vis, FT-IR, XPS) .................. 25
• 3.4.4 이론적 분석 (DFT Simulation) ............................................... 25
• 제 4 장 결과 및 고찰 .......................................................................... 26
• 4.1. FA3Sb2Br9 박막의 구조적 특성 ..................................................... 26
• 4.1.1 SEM, AFM 및 EDS를 통한 표면 형태 및 조성 분석 ............. 26
• 4.1.2 XRD를 통한 결정구조 분석 ..................................................... 29
• 4.2. FA3Sb2Br9 박막의 광학 및 화학적 특성 ....................................... 31
• 4.2.1 UV-Vis 흡수 스펙트럼 및 밴드갭 분석 .................................. 31
• 4.2.2 FT-IR 분석을 통한 화학 결합 변화 ........................................ 33
• 4.2.3 XPS 분석을 통한 표면 화학 상태 변화 .................................... 34
• 4.3. NH3 가스 감응 특성 ...................................................................... 36
• 4.3.1 NH3 가스 농도에 따른 전류 응답 특성 .................................... 36
• 4.3.2 반복성 및 안정성 평가 ............................................................. 38
• 4.3.3 선택성 분석 .............................................................................. 39
• 4.3.4 비색 반응 특성 ......................................................................... 40
• 4.4. NOA63 기반 유연 및 자가복원형 FA3Sb2Br9 센서의 성능 .......... 41
• 4.4.1 유리 기판 기반 센서와의 성능 비교 ........................................ 41
• 4.4.2 자가복원 후 감응 특성 회복 평가 ............................................ 43
• 4.5 FA3Sb2Br9 박막의 NH3 감지 메커니즘 고찰 .................................. 44
• 제 5 장 결 론 ..................................................................................... 49
• [참고 문헌] ............................................................................................ 50