Ho 첨가량에 따른 In₂O₃ 나노섬유 기반 센서의 습도저항성 영향|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

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

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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 유기화...

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