Toluene gas 검출을 위한 SnO₂/ZnO계 반도체 가스 센서 = The SnO₂/ZnO gas sensor for detecting toluene gas

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the use of SnO₂, ZnO, Ag, Au, Cu, In, Pd, Ru and carbon black that greatly improves the sensitivity of the sensor to toluene gas. The metal-SnO₂/ZnO thick films were prepared by screen-printing method onto Al₂O₃ substrates with platinum electrode. The physico-chemical properties of the sensor materials were characteristed by using SEM/EDS, XRD, and BET analyses. The sensing characteristics were investigated by measuring the electrical resistance of each sensor in a 1L chamber as a function of detection gas concentration. This was then used to detect toluene, benzene, xylene, ethanol, methanol, ammonia and trimethylamine vapours within a concentration range of 1-2000ppm. The gas sensing properties of metal-SnO₂/ZnO thick films depended on the content and variety of metals, the content of carbon black. It was found that sensitivity and selectivity of the films for toluene gas at 300℃ showed the best result by dopping with 5wt%carbon black, 1wt%Cu and 20wt%ZnO to SnO₂.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 주물질인 SnO₂에 ZnO, Ag, Au, Cu, In, Pd, Ru 그리고 carbon black의 첨가에 따른 toluene 가스를 검출하기 위한 가스센서에 대해 연구하였다. SnO₂/ZnO 후막필름은 Pt전극이 형성되어 있는 알루미나 지지체 위에 스크린프린팅법을 이용하여 도포하였다. SEM/EDS, XRD 그리고 BET 분석기기를 이용하여 제조된 분말의 물리, 화학적 특성을 조사하였다. 가스센서의 감도 특성은 검출가스농도의 함수로서 1L 챔버 내 각 센서물질별 전기적 저항 변화를 측정하였고, 1~2000 ppm 농도범위의 toluene 가스와 benzene, xylene, ethanol, methanol, ammonia와 trimethylamine 가스를 사용하여 감도 특성 및 선택성을 조사하였다. SnO₂/ZnO 후막필름의 감도 특성은 전이금속촉매의 종류와 함량 그리고 carbon black의 함량에 의존하는 것으로 나타났다. SnO₂에 20wt%ZnO, 1wt%Cu 그리고 5wt%carbon black을 첨가한 물질로 제작한 센서가 300℃의 작동온도에서 toluene 가스에 대해 가장 좋은 감도와 선택성 그리고 반응·회복 특성을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1-1. 연구 배경 = 1
• 1-2. 톨루엔 = 4
• 1-3. 연구 목적 = 5
• Ⅱ. 이론적 배경 = 6
• 2-1. 가스센서의 종류와 특징 = 7
• 2-2. 반도체식 가스센서의 특징 = 11
• 2-3. n형 반도체식 가스센서 = 15
• 2-4. SnO₂의 특성 = 21
• Ⅲ. 실험방법 = 23
• 3-1. 시약 = 23
• 3-2. SnO₂ 분말 제조 = 24
• 3-3. ZnO 분말 제조 = 26
• 3-4. ZnO가 첨가된 SnO₂ 분말 제조 = 27
• 3-5. 전이금속이 첨가된 SnO₂/ZnO 분말 제조 = 28
• 3-6. Carbon black이 첨가된 SnO₂/ZnO/Catalyst 분말 제조 = 30
• 3-7. 후막 센서의 제작 = 31
• 3-8. Toluene 가스 감지 = 33
• 3-9. 분석기기 = 35
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 = 36
• 4-1. XRD = 36
• 4-2. BET = 37
• 4-3. SEM = 38
• 4-4. EDS = 39
• 4-5. SnO₂의 가스 감지 특성 = 40
• 4-6. ZnO의 첨가량에 따른 가스 감지 특성 = 41
• 4-7. 금속촉매의 종류 및 첨가량에 따른 가스 감지 특성 = 42
• 4-8. Carbon black의 첨가량에 따른 가스 감지 특성 = 44
• 4-9. 각각의 센서 물질에 따른 가스 감지 특성 = 45
• 4-10. Toluene 가스의 농도에 따른 가스 감지 특성 = 46
• 4-11. 센서물질의 toluene 가스에 대한 선택성 = 48
• 4-12. 센서물질에 따른 toluene 가스에 대한 반응·회복 특성 = 49
• 4-13. Toluene 가스에 대한 센서의 안정성 = 50
• Ⅴ. 결론 = 51
• 참고문헌 = 52
• 영문초록 = 55
• 국문초록 = 57