습도에 민감하지 않은 p형 Co₃O₄산화물 나노 섬유 기반 반도체 가스센서 감지 특성 연구 = Humidity-immune C₂H₅OH gas sensors based on p-type Co₃O₄nanofibers

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 소개
• Ⅱ. 문헌조사
• Ⅲ. 서론 1
• 1. 반도체식 가스 센서 1
• 2. 여러 종류의 반도체 기반 가스 감응재료 소개 2
• 3. 환원성 및 산화성 가스에 대한 n형과 p형 산화물 반도체 재료의 가스 감응 메커니즘 3
• Ⅳ. 실험 및 결과 4
• 1. Co₃O₄ 나노 섬유 제작 공정 4
• 2. Co₃O₄ 나노 섬유의 특성 분석
• 1) Co₃O₄ 나노 섬유의 열처리 과정 5
• 2) Co₃O₄ 나노 섬유의 SEM 분석 6
• 3) Co₃O₄ 나노 섬유의 XRD, XPS 분석 7
• 4) Co₃O₄ 나노 섬유의 TEM 분석 8
• 3. Co₃O₄ 나노 섬유 기반의 센서 제작 및 가스 감응 특성 8
• 1) Drop-casting 공정 8
• 2) Screen-printing 공정 9
• 3) Drop-casting, Screen-printing 공정을 통해 제작된 Co₃O₄ 나노 섬유 기반 센서의 C₂H₅OH 가스 감응도 비교 10
• 4) 유량에 따른 Co₃O₄ 나노섬유 기반 센서의 C₂H₅OH 가스 감응도 비교 11
• 5) 온도에 따른 Co₃O₄ 나노섬유 기반 센서의 C₂H₅OH 가스 감응도 비교 12
• 6) 환원성 가스에 따른 Co₃O₄ 나노섬유 기반 센서의 가스 선택성 비교 13
• 7) 습도 조건에서의 Co₃O₄ 나노섬유 기반 센서의 C₂H₅OH 가스 감응도 특성 분석 14
• 4. Ho 첨가된 Co₃O₄ 나노 섬유 제작 공정 15
• 5. Ho 첨가된 Co₃O₄ 나노 섬유의 특성 분석 15
• 1) Ho 첨가된 Co₃O₄ 나노 섬유 SEM 분석 15
• 2) Ho 첨가된 Co₃O₄ 나노 섬유 XRD 분석 16
• 3) Ho 첨가된 Co₃O₄ 나노 섬유 TEM 분석 17
• 4) Ho 을 첨가된 Co₃O₄ 나노섬유 복합체의 XPS 분석 18
• 6. Ho 첨가된 Ho/Co₃O₄ 나노섬유 복합체 기반의 센서 제작 및 가스 감응 특성 19
• 7. 습도에 민감하지 않은 Ho 첨가된 Co₃O₄ 나노 섬유 기반의 센서의 감응 메커니즘 21
• Ⅴ. 결론 22
• 참고문헌 23