MOSFET 식 MWCNT 가스센서의 제작과 NOx 가스 검출 특성 분석 = The Fabrication of MOSFET Typed MWCNT Gas Sensors and the Analysis of Theirs NOx Gas Sensing Characteristics

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, it was fabricated the P-channel MOSFET typed MWCNT(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) gas sensor using the MWCNT which had the high quality electric, mechanical and chemical stability characteristics. The Au was used with the drain-source electrode, and Cu was with the gate electrode in the gas sensor. The distance of drain-source electrode on the sensor was 30, 60, 90 and 120[㎛] respectively. We observed the variation of resistance for the sensor with the concentration of NOx gas 8, 16, 24 and 32[ppm] in the fixed-chamber. And then, it was changed the ambient temperature and gate-source voltage(Vgs) for MWCNT gas sensor to obtain the sensitivity, normalized response and absorption of energy(Ua) with the NOx gas concentration. The 2.19%, 2.11%, 4.99% and 3.32% of sensitivity was shown at each electrode gap of 30, 60, 90, 120[㎛] from the sensitivity analysis result when injected NOx gas 8[ppm] at the temperature of 20℃. As a result, it was obtained that the sensitivity increased as the drain-source gap of sensor increased. Moreover, it is identified that the sensitivity of gas sensor also increased as the temperature rised. The fact that the absorption of NOx gas molecules grows active as the temperature increases is inferred to be the cause of it. Furthermore, it is confirmed that the absorption energy Ua is 8.5110-3[eV] and 13.2710-3[eV] when Vgs is each 0[V] and 5[V] in the electrode gap 90[㎛], and Vgs affects gas response characteristics.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 전기적, 기계적, 화학적 안정성으로 우수한 다중 벽 탄소 나노튜브(Multied-walled Carbon Nanotube, MWCNT)를 이용하여 P-channel MOSFET식 MWCNT가스센서를 제작하였다. 가스센서의 드레인-소스 전극으로는 Au를 사용하였으며, 게이트(Gate)전극으로는 Cu를 사용하였다. 가스센서의 전극 간극은 30, 60, 90, 120[㎛]로 각각 제작하였으며, 제작된 센서를 고정형 챔버에 설치한 후 NOx가스를 8, 16, 24, 32[ppm]의 농도로 주입 후 저항의 변화를 관찰하였다. 또한 챔버 내 온도 및 게이트-소스 전압(Gate-Source Voltage, Vgs)의 변화에 따른 MWCNT가스센서의 NOx가스 감지 특성으로부터 민감도(Sensitivity), Normalized response 및 흡착 에너지(Ua)를 분석하였다. NOx가스 8[ppm]주입 시 민감도 분석 결과로부터 온도가 20℃일 때 전극 간극 30[㎛]에서 2.19[%], 60[㎛]에서 2.11[%], 90[㎛]에서 4.99[%], 120[㎛]에서 3.32[%]의 민감도를 보였으며, MOSFET식 MWCNT가스센서의 드레인-소스(Drain-Source)전극 간극이 증가할 수 록 민감도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 더욱이 온도가 증가할수록 가스센서의 민감도 또한 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 온도증가에 따라서 두 전극 사이의 MWCNT채널에 NOx가스 분자의 흡착이 활발히 이루어지기 때문이라고 판단된다. 이 밖에도 전극 간극 90[㎛]의 가스센서에서 Vgs가 0[V]와 5[V]일 때, 흡착 에너지 Ua는 각각 8.5110-3[eV], 13.2710-3[eV]로 Vgs가 가스센서의 가스 반응 특성에 영향을 끼치는 것을 확인 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 관계이론 3
• 2.1 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube)와 구조 3
• 2.2 탄소 나노튜브 합성방법 3
• 2.2.1 아크방전법 6
• 2.2.2 촉매화학기상증착법 7
• 2.2.3 HiPCO법 7
• 2.2.4 레이저 증발법 9
• 2.2.5 화학기상증착법 10
• 2.3 NOx가스센서 11
• 2.3.1 탄소나노튜브 기반 가스센서 13
• 2.3.2 MOSFET센서 14
• 2.3.3 탄소나노튜브 채널 16
• 2.3.4 가스분자 흡착에너지 18
• 3. 실험방법 19
• 3.1 MOSFET식 MWCNT가스센서제작 19
• 3.2 가스센서의 물성 측정 23
• 3.2.1 MWCNT가스센서의 전기적 특성 분석 23
• 3.2.2 MWCNT가스센서의 구조적 특성 분석 24
• 4. 실험 결과 및 고찰 26
• 4.1 NOx가스주입에 따른 MWCNT가스센서의 검출 특성 26
• 4.2 전극 간극의 변화에 따른 NOx가스 검출 특성 28
• 4.3 Vgs변화에 따른 NOx가스 검출 특성 30
• 4.4 가스센서의 검출 특성 분석 34
• 4.4.1 Sensitivity 및 Normalized response 34
• 4.4.2 NOx가스 분자의 흡착 에너지 38
• 5. 결론 40
• 참고문헌 42
• 영문초록 45