질소 도핑된 다공성 탄소나노섬유의 합성 및 NO₂ 감지 성능 연구

김동하 강원대학교 일반대학원 2025 국내석사

가스센서는 산업 공정에서 발생하는 유해가스를 효과적으로 감지하고, 대기 중 유해가스의 농도를 실시간으로 모니터링 및 분석함으로써 인체 및 환경에 대한 피해를 최소화하고 신속히 대응하기 위한 중요한 수단으로 활용된다. 여러 유해가스 중 NO₂ 가스는 주로 내연기관 차량 의 배기가스 및 산업 공정에서 발생하며 적은 농도에도 장시간 흡입할 경우 호흡기 질환을 유발할 수 있어 NO₂ 가스를 감지할 수 있는 가스 센서의 기술은 필수적이다. NO₂ 감지 가스센서 중 하나는 저항형 가스센서이다. 저항형 가스센서는 가스가 감지 소재 표면에 흡착됨에 따라 변화하는 전기저항을 측정하여 가스를 검출하는 원리로 작동되며 높은 감도 및 빠른 반응 시간, 저농도 가스 감지, 낮은 제작 비용 및 센서 소자를 소형화 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 몇 가지의 해결과제가 존재하는데 그 중 하나가 높은 작동온도가 필요하다는 것이다. 가스센서의 높은 작동온도는 높은 전력소비를 나타내며 별도의 히터 부품이 필요하고 소자의 수 명 단축의 원인으로 작용될 수 있다. 따라서 낮은 작동온도에서도 높은 가스 감지 성능을 보이 는 저항형 가스센서 소재의 개발이 필요하며 탄소 기반 나노물질은 독성 가스 탐지에 유망한 소재로 연구되고 있다. 그중 탄소나노섬유(carbon nanofibers)는 sp2결합 기반의 1차원 나노물질로 높은 전기전도성과 부피 대비 넓은 표면적을 갖는 특성을 지닌다. 또한, 다공성 구조는 소재 물질 표면에 더 많은 가스분자가 흡착할 수 있는 사이트를 제공하며 보다 향상된 반응 메커니즘을 제공한다. 본 연구에서는 고분자 polyacrylonitrile(PAN)을 전구체 물질로 이용하 였으며 전기방사와 탄화 공정을 통해 질소가 도핑된 탄소나노섬유를 합성하였다. 또, 기공의 크기 및 분포를 제어하기 위해 다공성 유도체로 polyvinylpyrrolidone(PVP)를 사용하였으며, PAN과 PVP에 조성비를 조절하고 탄화 전 간단한 에칭 공정을 추가하여 제어된 기공을 갖는 질소가 도핑된 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5 다공성 제어 탄소나노섬유를 합성하였다. 분석을 통해 합성된 소재의 구조적 특성, 기공 구조 및 화학적 특성을 평가하였으며, 합성한 소재들을 이용해 센서 소자로 제작하였고 센싱 테스트를 통해 NO₂를 포함한 독성 가스에 대한 감지 특성을 분석하였다. 질소가 도핑된 탄소나노섬유는 p-type 특성을 나타냈으며 질소가 도핑된 탄소나노 섬유 기반 가스센서는 50℃의 작동온도에서 가장 높은 NO₂ 가스 감지 성능을 보였으며 50ppm의 NO₂ 가스에 대해 4.7% 반응률을 나타냈다. 하지만 20,000초에 긴 회복시간에도 불구하고 완전한 저항 회복을 나타내지 않았다. 저항 회복성이 원활하지 않아 25ppm, 50ppm, 100ppm NO₂ 가스의 연속적인 측정에서도 감응도의 변화가 크게 나타나지 않았다. 그에 비해 질소가 도핑된 9:1, 8:2, 7:3, 6:4 다공성 제어 탄소나노섬유 기반 가스센서들은 질소가 도핑된 탄소나노섬유 기반 가스센서 보다 높은 NO₂ 가스에 대한 반응률을 나타냈으며 그중, 질소가 도핑된 7:3 다공성 제어 탄소나노섬유 기반 가스센서가 가장 높은 감응도를 보였고 100%의 완전한 저항 회복 또한 나타냈다. 25ppm의 NO₂ 가스에 대해 8.4%, 50ppm 에서는 11.7%, 100ppm에서 15.4%의 반응률을 보였으며 100ppm의 NO₂ 가스에 대한 반응률은 질소가 도핑 된 탄소나노섬유 기반 가스센서 보다 약 3.8배 더 높았다. 마지막으로, 4가지의 환원성 가스들 에 대해 센싱 테스트를 진행하였고 NO₂ 가스에 대한 가스 선택성을 가지는 것을 확인하였다. 이를 통해, 질소가 도핑된 7:3 다공성 제어 탄소나노섬유는 저온 작동 작동이 가능한 고성능 가스 센서 소재로서의 가능성을 보여주었다.

다양한 방법으로 합성된 Zinc Titanate Nano Composites의 특성

박태균 강원대학교 일반대학원 2026 국내박사

다양한 합성 방법을 적용하여 제조된 Zinc Titanate 나노복합체의 형성과 특성을 체계적으로 규명하였다. 나노소재는 21세기 첨단 과학기술을 선도하는 핵심 재료로서 정보통신, 에너지, 환경, 바이오 등 광범위한 산업 영역에 응용되고 있으며, 특히, 금속 산화물을 기반으로 한 세라믹 나노소재는 유전특성, 광촉매 성능, 안정된 화학적 성질로 인해 많은 주목을 받고 있다. ZnO–TiO₂계에서 형성되는 다양한 화합물 중에서 ZnTiO₃는 육방정계 구조를 가질 경우 낮은 유전 손실과 우수한 주파수 안정성을 나타내어 마이크로파 유전체 소자, 저온소성 적층세라믹(LTCC), 광촉매, 가스 센서 등 다방면에서 응용될 수 있다. 그러나 ZnTiO₃는 열적으로 안정한 범위가 매우 좁아 합성 과정에서 쉽게 Zn₂TiO₄와 rutile TiO₂로 분해되는 문제가 있어 순수 상의 확보가 어렵다는 한계가 존재한다. 이러한 이유로 다양한 합성 공정의 적용과 비교 연구가 필요 하다. 본 연구에서는 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)을 다양한 합성 방법으로 복합화 하여 형성된 Zinc Titanate 나노복합체의 구조적·광학적 특성과 열적 안정성을 규명 하는데 목적을 두었다. 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)은 물리적 및 화학적 특성이 우수하며 각각 3.37eV 및 3.2eV(아나타제)의 넓은 밴드 갭을 갖는다. 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)의 우수한 특성이 결합된 물리 화학적 특성을 이용해 두 산화물을 결합하여 더 나은 특성을 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서 Zinc Titanate 나노입자의 합성은 졸-겔법과 고에너지 볼밀을 이용한 물리적인 합성법으로 하였다. Zinc Titanate 나노입자의 특성은 SEM, TEM, XRD, UV-Vis-NIR 등을 이용하였으며, 합성된 입자들의 열변화 과정을 TG-DTA를 이용하였다. 졸-겔법으로 합성한 시료의 입자크기는 수 나노미터의 구형의 입자형태를 하고 있으며, 소성 전에는 비결정이나 소성 후에는 결정상으로 전이된 것을 볼 수 있었다. 그리고 합성된 시료를 900℃로 소성하여 이를 Rietveld법으로 결정상을 조사하였으며, 합성한 시료의 주 결정상은 Zn₂TiO₄가 생성되었고, ZnTiO₃와 Zn₂Ti₃O₈등이 함께 소수 상들로 나타났다. 그러나 고에너지 볼밀을 이용하여 TiO₂의 anatase상을 이용하여 합성한 경우 주 결정상은 ZnTiO₃이고 소수상은 Zn₂TiO₄으로 나타났으며, TiO₂의 rutile상을 이용한 경우에는 주 결정상은 Zn₂TiO₄이고 소수상은 ZnTiO₃상이 각각 나타났다. □ 핵심주제어 ZnO-TiO₂ 나노복합체, 유전체, 광촉매, 졸-겔 합성, 고에너지 볼 밀링, 상전이

A study on UV-curable organic-inorganic hybrid coating and their application as a gate dielectric

LEHONGNHUNG Kangwon National University 2021 국내석사

UV 경화형 유-무 기 하이브리드 코팅 및 게이트 유전체로 서의 응용에 관한 연구 Hong Nhung Le 강원대학교 대학원 기능소재공학과 다양한 유-무기 (O-I) 하이브리드 코팅 소재 중에서 UV 경화형 유-무기 하이브리드 코팅 소재는 상대적으로 짧은 시간에 저온 경화가 가능하기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 그러나 안정적인 UV 경화형 O-I 하이브리드 코팅 소재 제조에 대한 보고는 거의 없는 실정이다. 본 연구에서는 다양한 양친성 우레탄 아크릴레이트를 사용한 UV 경화형 유-무기 하이브리드 코팅 소재 제조를 제시하였다. UV- 경화성 O-I 하이브리드 용액은 졸-겔 공정에서 무기 성분 공급원으로 다양한 양친성 우레탄 아크릴 레이트 및 TEOS 조성물을 사용하여서 제조되었다. 제조된UV 경화형 O-I 하이브리드 용액으로 형성된 UV 경화 코팅 필름의 연필 경도, 투명도, 경화 및 건조 속도와 같은 물리적 특성을 조사했다. 또한 낮은 표면 조도, 높은 유전 상수 k 및 낮은 누설 전류와 같은 물성을 가지고 있는 UV 경화형 하이브리드 게이트 유전체로서의 적용 가능성을 조사하였다.  핵심주제어 유-무기 하이브리드, 나노 입자, UV 경화, 졸-젤, 게이트 절연체, 유기 박막 트랜지스터 A study on UV-curable organic-inorganic hybrid coating and their application as a gate dielectric Le Hong-Nhung Department of Materials Science and Engineering Graduate School, Kangwon National University ABSTRACT Among various organic-inorganic (O-I) hybrid coating materials, UV-curable organic-inorganic hybrid coating has received much attention because it can be cured at low temperature in a relatively short time. However, there have been very few reports on the preparation of stable UV-curable O-I hybrid solutions. In this study, the preparation of UV-curable organic-inorganic hybrid coating using various amphiphilic urethane acrylates was presented. UV-curable O-I hybrid solutions were prepared at the various amphiphilic urethane acrylate and TEOS compositions as an inorganic source in the sol-gel process. Physical properties, such as pencil hardness, transparency, curing, and drying speed of UV-cured coating films formed by prepared UV-curable O-I hybrid solutions, were tested. Furthermore, this research revealed several significant benefits of UV-curable hybrid material in preparing UV-curing hybrid gate dielectrics, such as low rough surface, high dielectric constant k, and low leakage current.  Keywords: O-I hybrid nanoparticles, UV curing, sol-gel, gate dielectric, OTFT

알콕시실란 기능화 고분자 전구체를 이용한 유-무기 하이브리드 합성 및 응용에 관한 연구

김나혜 강원대학교 2018 국내박사

Organic-inorganic (O-I) hybrid nanoparticles could be prepared using an alkoxysilane-functionalized amphiphilic polymer (AFAP) precursor consisting of reactive alkoxysilane groups and amphiphilic polymer backbone. O-I hybrid sols having long-term storage stability with 40–50 % solid content could be coated onto glass and polyethylene terephthalate (PET) substrates, and they formed transparent O-I hybrid coating films via a thermal curing process. A flexible and transparent Organic-inorganic hybrid coating film could be formed through a low-temperature thermal curing process (100 ℃) without any additional chemical surface treatment. In particular, G-300 AGPTi sol exhibited excellent mechanical properties in both glass and PET substrates, as well as low surface roughness (< 0.5 nm) and excellent thermal stability (3 wt.% loss at 200 ℃, Tg = 171 ℃). When AGPTi sol was used as an adhesive layer, a conductive material (Ag NWs and graphene) could be formed on the AGPTi-treated substrate by spray coating or by gravure printing, exhibiting the high conductivity (sheet resistance of 1 Ω/□ or less) and excellent bending stability especially at a radius of curvature of 5 mm. In the case of applying AGPTi sol as a gate dielectric layer of OTFTs, AGPTi-based devices exhibited high charge mobility and stable operation without additional physical and chemical treatments, and there was no significant difference in electrical performance depending on the type of substrate. In addition, the AGPTi-based device exhibited 0.18 cm2/Vs (hole mobility) as well as 1 × 106 (on/off ratio), lower leakage current (10-8 A/cm2 at 2 MV/cm), high gate bias stability (⊿Vth = -0.37 V, 60 min.) and excellent bending stability despite bending 100 times at radius of curvature R = 5.5 mm. When AGPTi sols were used in the fabrication of advanced thin gas barrier films, PEALD-based Al2O3/Organic-inorganic hybrid 4 pair gas barrier film could be sucessfully fabricated, and it exhibited superior barrier properties [WVTR: 7.83 X 10-5 g/m2/day at high temperature and relative humidity (60 oC, 90 %)] and high activation energies for permeation (103.10 kJ/mol) compared to organic materials (PMMA). 반응성 알콕시 실란기와 양친성 고분자 사슬로 구성된 실란 기능화 양친성 고분자 (AFAP) 전구체 4종을 합성하고, 이를 이용하여서 다양한 실란 화합물 (GPTMS, PTMS, TTIP)과 가수분해-축중합 반응을 통하여 유-무기 하이브리드 (AGPTi sol)를 제조하였다. 제조된 AGPTi sol은 콜로이드 상태의 용액으로, AFAP 전구체의 종류에 관계없이 높은 고형분 (40 - 50 wt. %)에서도 상온에서 6 개월 이상의 우수한 장기 저장 안정성을 나타내었다. 유리 기판과 PET 기판에 매우 균일한 면을 형성하였고, 저온 열경화 공정 (100 ℃)을 통해 유연하면서 투명한 유-무기 하이브리드 코팅 필름을 형성 할 수 있었다. 특히, G-300 AGPTi sol의 경우, 유리 기판과 PET 기판에서 모두 우수한 기계적 특성을 나타내었을 뿐만 아니라 낮은 표면 거칠기 (< 0.5 nm)와 우수한 열안정성 (200 ℃에서 3 wt. % 손실, Tg = 171 ℃)을 나타내었다. AGPTi sol을 전도성 접착층으로 사용한 경우, 전도성 재료 (Ag NWs과 Graphene)를 AGPTi-처리된 기판 상에 스프레이 코팅하거나 그라비아 인쇄 방법을 통하여 형성할 수 있었으며, 높은 전도성 (시트 저항 1 Ω/□ 이하)과 우수한 접착성을 나타내었고, 특히 곡률 반경 5 ㎜에서도 우수한 굽힘 안정성을 나타내었다. 또한, OTFTs의 게이트 유전체층으로서 적용한 경우, AGPTi 기반 디바이스는 추가적인 물리, 화학적 처리 없이 높은 전하 이동도와 안정된 작동을 보였으며, 기판의 종류에 따른 전기적 성능 차이는 크게 없었다. 또한, AGPTi 기반 디바이스는 0.18 cm2/Vs의 홀 이동도뿐만 아니라 1 × 106 의 on/off ratio, 낮은 누설 전류 (2 MV/cm에서 10-8 A/cm2)와 높은 게이트 바이어스 안정성 (⊿Vth = -0.37 V, 60 분)를 나타내었으며, 곡률 반경 R = 5.5 mm에서 100 회 굽힘에도 불구하고 우수한 굽힘 안정성을 나타내었다. 교대 적층 구조의 가스 배리어 필름 제조시, AGPTi sol을 사용하여 제조된 PEALD 기반 Al2O3/유-무기 하이브리드 4 pair 가스 배리어 필름의 경우에는 유기물 (PMMA)에 비해 우수한 배리어성 [WVTR: 7.83 X 10-5 g/m2/day (60 oC, 90 %)]과 높은 투과 활성화 에너지 (103.10 kJ/mol)를 나타내었다.

알콕시 실란 기능화 전구체를 이용한 PDMS 표면개질제 제조 및 물성에 관한 연구

신재현 강원대학교 2018 국내석사

필름 형태의 Polydimethylsiloxane(PDMS)은 표면개질을 위해서 일반적으로 Plasma 처리 또는 Corona처리를 통해서 표면에 OH기를 형성시키고 이후 Adhesion promoter와 축합반응을 통해 PDMS 표면을 다른 작용기로 개질 시키거나, 그라프팅 중합을 통해 PDMS를 개질 시킨다. 다양한 방법으로 목적으로 하는 유기물들을 화학적 물리적으로 결합시킨다. 본 연구에서는 표면에 아크릴 고분자를 이용하여 표면개질제를 제조하여 새로운 형태의 실란 기능화 전구체를 합성하였다. 전구체는 분자량이 낮은 PDMS 용액과 Hydrolysis-Condensation 반응을 통해 결합 시킨 뒤 PDMS 필름 위에 코팅하였다. 제조한 표면개질제의 구조와 분자량을 확인하기 위해 1H-NMR과 GPC를 이용하였고, 표면개질제로서의 가능성을 확인하기 위해 XPS, ATR, WCA를 이용하여 표면특성을 조사하였으며, PDMS 필름과의 부착을 확인하기 위해 Cross cutting test를 하였다. 그 결과 PDMS 필름 표면이 아크릴 고분자로 개질된 것을 확인하였고, PDMS 필름과 표면개질제와의 부착성 또한 우수한 것을 확인하였다.

양친성 고분자 전구체를 이용한 유-무기 하이브리드 졸 제조 및 이를 이용한 발수 코팅

이대곤 강원대학교 2018 국내석사

In this study, the Amphiphilic Polymer Precursor (Urethane Acrylate Nonionomer) which has hydrophilic segment and hydrophobic segment simultaneously and has reactive vinyl group is synthesized and Various types of Inorganic-Organic hybrid nano-colloidal is prepared by Hydrolysis-Polycondensation reaction with TEOS. The Amphiphilic Polymer Precursor using as dispersed stabilizer or reaction rate regulator. Prepared Liquid-repellent coating solution, prepared using a manufactured I-O hybrid sol and fluorine-based silane compound, be able to maintain a high transmittance, high Pencil Hardness (6 H) in 1 Kg Load at low temperature (100 ℃) for short time (10 min). A coated surface can display high transmittance (92.18 %) and High water contact angles (110.98 °) while minimize the amount of addition of fluorine-based silane compound. 스마트 전자기기가 발달하면서 터치기능을 활용하는 디스플레이의 수요가 증가하고 있다. 디스플레이의 선명한 화질을 구현하기 위해 반사방지 (AR)코팅, 내지문 (AF)코팅, 내스크래치 등 외부 오염 및 자극으로부터 표면을 보호하기 위한 기능성 코팅층이 필수적으로 요구되어지고 있다. 이러한 기능성 코팅층의 표면특성을 발현하기 위해서는 표면에너지가 낮은 화합물과 강한 내구성을 발현하는 유-무기 하이브리드 형태의 코팅제가 필요하다. 본 연구에서는 소수성 PPO 사슬과 친수성 PEO 사슬들이 동시에 존재하고, 반응성 비닐기를 가지고 있는 양친성 고분자 전구체 (Urethane Acrylate Nonionomer, UAN)을 합성하여, 이를 TEOS의 Hydrolysis- Polycondensatio n 반응 시 분산안정제 및 반응속도 조절제로 이용하여서 실리카 나노 입자가 분산된 Sol을 제조하였다. 제조된 Sol에 불소 함유 실란화합물을 혼합하여 불소함유 유-무기 하이브리드 Sol을 제조하였고, 저온 경화를 통해 경화필름을 형성하여 여러 가지 물성 및 형태학적 분석을 실시하였다. 따라서 태양전지나 디스플레이에 적용 가능한 투명하면서도 견고한 유-무기 하이브리드 형태의 코팅필름을 형성할 수 있는 불소함유 유-무기 하이브리드 형태의 코팅제를 개발하였다.

Novel alkoxysilane-functionalized polymer Precursor를 이용한 유/무기 나노하이브리드의 합성 및 물성에 관한 연구

김보영 강원대학교 2016 국내석사

유/무기 나노하이브리드는 유기 고분자에 무기물을 분자 수준으로 결합시킴으로써 기존 재료에 비해 시너지 효과를 나타내는 재료이며, 이는 Sol-Gel 법을 통해 제조된다. 이는 기체 차단, 내마모성, 부식방지, 초발수와 같은 기능성 코팅 산업에서 사용되고 있다. 본 연구에서는 2가지 형태의 알콕시 기능화 전구체를 합성하였고, 이를 사용하여 무기물 용액과 혼합함으로써 안정한 유/무기 나노하이브리드 용액을 제조하였다. 하이브리드 용액은 Slide glass 또는 PET film에 코팅하고, 유/무기 나노하이브리드 필름을 형성하기 위해 열경화하였다. 경화 공정 동안에, APAS와 무기 도메인의 화학적 결합에 의해 Siloxane(Si-O-Si) 네트워크 구조가 형성되었다. 이러한 과정에서, APAS의 종류 및 APAS와 무기물 용액 혼합비에 따른 물성 변화를 설명하였다. 유/무기 나노하이브리드의 분자량, Si-O-Si 결합구조와모폴로지는 각각 GPC, MALDI-TOF, FT-IR, 29Si-NMR, FE-SEM를 사용하여 측정하였다. 열적 및 기계적 성질은 TGA, UTM, Nanoindenter를 사용하여 측정하였다. The Organic/Inorganic Nanohybrids are materials indicating a synergistic effect as compared to conventional materials by combining an inorganic material at a molecular level in an organic, and are prepared by Sol-Gel method. This materials are used in functional coating industry such as Gas barrier, Wear-resistant, Anti-corrosion, Superhydrophobic coating. In this study, two kinds of Alkoxysilane-functionalized precursor(APAS) were synthesized and Organic/Inorganic Nanohybrid sol were prepared by mixed precursor and inorganic sol. The hybrid sols were coated on slide glass or PET film and were thermal cured to form Organic/Inorganic Nanohybrid films. During the curing process, Siloxane (Si-O-Si) network structures were formed by chemically combining the APAS with the inorganic domain. In this process, we are discussed properties changing according to the type of precursor and the mixing ratio of the inorganic sol. The molecular weight, Si-O-Si network structure and morphology of the Organic/Inorganic Nanohybrids were determined using GPC, MALDI-TOF, FT-IR, 29SI-NMR, FE-SEM. The thermal and mechanical properties were also determined using TGA, UTM and Nanoindenter.

전기장 유도 광산란 특성을 갖는 스마트 윈도우용 고분자-무기 나노복합체 설계

이광석 강원대학교 일반대학원 2026 국내박사

Ho 첨가량에 따른 In₂O₃ 나노섬유 기반 센서의 습도저항성 영향

양재훈 강원대학교 대학원(삼척캠퍼스) 2026 국내석사

산화물 반도체 가스 센서는 다른 가스 센서 대비 간단한 구조와 생산, 대량생산에 용이하고 초소형 장치 제작이 가능하다는 장점을 가지며 현재까지 산업 현장, 독성가스, VOCs(휘발성 유기화합물) 등 다양한 가스 감지에 활용된다. 하지만 실제 환경에서 센서의 안정적이고 정확한 작동을 위해서라면 습도 변화에 대한 낮은 의존성이 필요하다. 금속 산화물 반도체(MOS)기반 화학 저항식 가스 센서는 빠른 응답 속도와 넓은 가스 검출 범위의 장점을 가짐에도 불구하고 습도 환경에서는 습도 간섭으로 인해서 성능이 저하되는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 습도로 인해 센서의 성능 저하를 방지하기 위해 희토류 금속인 홀뮴(Holmium)을 도핑 해 In₂O₃ 가스 센서의 습도 안정성을 향상시키는 것을 목표로 연구를 진행했다. 가스 감지 성능을 평가하기 위해 희토류 금속인 홀뮴을 0.5wt%, 1wt%, 2wt%, 5wt%, 10wt% 조건으로 나노 섬유 복합체를 제작하였다. 홀뮴을 도핑 함으로서 홀뮴이 센서 표면에서 물 분자와 산소 음이온사이의 복잡한 상호작용을 발생시켜 전기적 특성을 변화시키고 가스 반응을 조절하여 센서의 기본 저항과 가스 반응이 안정적으로 유지될 수 있도록 한다. 이를 위해 본 연구에서는 전기방사로 높은 비표면적을 가진 In₂O₃ 나노 섬유를 합성하고 이를 기반으로 가스 센서를 제작했다. 소자의 전극은 스퍼터링 기법을 이용해 금(Au)을 증착 하여 제작하였고 전극 위 합성된 In₂O₃ 나노 섬유를 막 두께 및 면적을 정밀하게 제어할 수 있고 전극 패턴 위 특정 영역에만 물질을 올려 재현성이 높은 소자 제작이 가능한 Screen-printing(스크린 프린팅) 방식을 사용해 센서 소자를 제작하였다. 센서는 여러 타겟 가스(H₂, NH₃, NO₂ 등)에 대해 다양한 상대 습도(0RH%~90RH%) 조건에서 측정하였다. 또한 Bare In₂O₃ 나노 섬유 기반 가스 센서의 최적의 작동 온도를 찾기 위해 100℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃ 여러 온도에서 실험을 진행하였다.실험 결과, 150℃에서 가장 우수한 감지 성능을 보였고 Bare In₂O₃ 나노 섬유 기반 가스 센서는 다른 가스들에 비해 NO₂에 대해 높은 감도를 보였다. 홀뮴을 도핑 한 In₂O₃ 나노 섬유 기반 가스 센서의 감도는 Bare In₂O₃ 대비 감소하였다. SEM 이미지에서는 도핑한 홀뮴이 관찰되지는 않았지만 TEM, XRD 분석을 통해 도핑이 되었다는 것을 확인할 수 있었다. 습도 조건에서는 Bare In₂O₃의 가스 감응도가 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 홀뮴을 도핑한 In₂O₃ 나노 섬유 기반 가스 센서의 감도는 습도 구간(20RH%, 60RH%, 90RH%)에서 습도에 대한 영향이 감소한 것을 알 수 있었고 특히 홀뮴을 10wt% 도핑 한 In₂O₃ 가스 센서는 습도 변화에 관계없이 일정한 가스 반응 감도를 유지하였고 Bare In₂O₃와 달리 실제 환경에 적용하기 유리한 낮은 습도 의존성을 나타냈다. 반면 2wt% 도핑 농도에서는 습도가 증가함에 따라 감도가 비례적으로 증가해 습도 변화에 높은 민감도를 보였다.본 연구는 전기방사를 통해 합성된 홀뮴(Holmium)을 도핑 한 In₂O₃나노섬유가 가스 선택성과 낮은 습도 의존성 가스 센서 개발을 위한 소재임을 확인하였다.이 결과는 습도 변화가 빈번한 실제 환경에서 활용될 수 있는 가능성을 보여준다. □ 핵심 주제어 가스 센서, 습도저항성, 나노 섬유, 금속산화물, 홀뮴

습도에 민감하지 않은 p형 Co₃O₄산화물 나노 섬유 기반 반도체 가스센서 감지 특성 연구

박재형 강원대학교 대학원 2025 국내석사

현재 반도체 센서는 여러 문제점들을 가지고 있으며, 이런 문제점들을 보완하기 위 해 다양한 연구들이 진행되고 있다. 그 중에서 심각하게 여겨지는 것이 습도에 민감하 게 반응한다는 점이다. 본 연구는 전기방사를 통해 p형 산화물인 Co₃O₄ 나노섬유의 합성과 환원성 가스 감지 및 다양한 습도 조건에서의 가스 감지 특성을 조사하였다. Co 전구체와 고분자인 PVP(polyvinylpyrrolidone)를 사용하여 용액을 만들어서 교반 후 전기방사를 통해 Co(NO₃)₂/PVP 나노섬유를 제작하였으며, 그 후 나노섬유를 진공 건조기에 건조시켜 잔류 용매를 없애 주는 작업을 하였다. 건조를 마친 Co(NO₃)₂/PVP 나노섬유를 열처리하여 bare Co₃O₄ 나노섬유를 제작했고 열처리는 500℃, 600℃, 700℃에서 승온 온도 10℃의 조건으로 진행했다. 그 결과로 600℃에서 열처리한 bare Co₃O₄ 나노섬유가 섬유 구조가 변하지 않고 유지된 것을 알 수 있 었다. 전극 소자는 스퍼터링 기법을 이용해 알루미나 기판에 금(Au)을 증착하여 제작 하였으며, drop-casting 및 screen-printing 기법을 사용하여 Co₃O₄ 나노섬유를 전 극 소자와 합성하였다. 위에서 언급되었던 단점을 개선하기 위해 본 연구에서는 희토류 원소인 Ho을 첨가한 Ho/Co₃O₄ 나노섬유 복합체 기반 센서를 제작하여 상대습도 변화에 따른 조건에서의 가스 감응도 실험을 진행했다. Ho의 첨가량에 따른 가스 감지 와 습도 조건에서의 가스 감지 성능을 평가하기 위해 10wt%, 5wt%, 2wt%, 1wt%, 0.5wt%의 조건으로 Ho/Co₃O₄ 나노섬유 복합체를 제작했다. 이 후 Co₃O₄를 합성한 전극 소자를 사용하여 10ppm, 8ppm, 6ppm, 4ppm, 2ppm, 1ppm을 기준으로 가스 센싱의 성능을 평가하였다. Drop-casting 공정과 screen- printing 공정을 통해 제작한 센서를 200℃에서 C₂H₅OH 가스에 대한 감응도 실험을 진행했다. Screen-printing 공정을 통해 제작한 bare Co₃O₄ 나노 섬유 기반 센서가 모든 농도 구간에서 drop-casting 공정을 통해 제작한 센서보다 우수한 가스 감응도 를 보여주었다. 다음으로 온도별에 따른 bare Co₃O₄ 나노 섬유 기반 센서의 C₂H₅OH 가스 감지 성능을 평가하였으며, 온도는 200℃, 250℃, 300℃의 조건에서 진행하였다. 평가 결과로 200℃에서 가장 우수한 가스 감지 성능을 보여주었고, 250℃에서 가장 낮은 가스 감지 성능을 확인할 수 있었다. 이어서 유량에 따른 bare Co₃O₄ 나노섬유 센서의 C₂H₅OH 가스 감지 성능을 평가하였다. 유량은 300 sccm, 400 sccm, 500 sccm을 기준으로 하여 가스 감지에 대한 성능 평가를 진행했다. 실험 결과로 500sccm, 400sccm, 300sccm 순으로 C₂H₅OH의 가스 감응도가 높았다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 환원성 가스에 대한 bare Co₃O₄ 나노섬유 센서의 가스 선택성을 평가하였다. 실험에서 사용한 환원성 가스는 C₂H₅OH, H₂, C₇H₈, C₈H₁₀, C₆H₆, C₃H₆O이 며, 200℃에서 500sccm을 기준으로 실험을 진행했다. 실험 결과를 통해 사용한 환원성 가스들 중 C₂H₅OH 가스가 가장 높은 가스 감응도를 보여줬다. 반대로 가장 낮은 가 스 감응도를 보여줬던 가스는 benzene 가스였다. 상대습도 0% 조건에서 bare Co₃O₄와 Ho을 첨가한 Ho/Co₃O₄의 C₂H₅OH 가스 감 지에 대한 성능 평가를 진행했다. 온도는 200℃, 유량은 500sccm을 기준으로 실험하였다. 실험 결과로 Ho1wt%를 첨가한 Co₃O₄ 나노 섬유 센서에서 가장 높은 가스 감응도를 보여주었다. 다음으로 습도 조건에서의 bare Co₃O₄ 나노섬유 센서의 C₂H₅OH 가스 감응도 실험 을 진행했다. 가스의 농도는 10ppm으로 고정하였고, 상대 습도(relative humidity, RH) 를 0%RH, 20%RH, 61%RH, 91%RH을 기준으로 성능을 평가하였다. 습도 조건에서 가스 감지를 했을 때 bare Co₃O₄ 나노섬유의 가스 감응도가 급격히 감소하였다. 수분 이 센서 표면에 붙어 가스 감지를 방해한다는 것을 알 수 있었다. Ho을 첨가한 Ho/Co₃O₄ 나노섬유는 습도에 대한 영향이 줄어든 것을 확인할 수 있었으며, 그 중에 서 2Ho/Co₃O₄ 나노섬유 복합체 가스센서가 습도 조건에서 가장 안정적인 성능을 보였다.