3D structure based ordinary temperature gas sensor and its applications

Abstract

최근 전자 산업의 발전과 더불어 센서 관련 시장은 사물인터넷이라는 화두에 맞게 저전력화, 소형화 등 여러가지 요구사항들에 맞추어 기술개발이 이뤄지고 있다. 사물인터넷 도입에 따라 스마트 홈은 물론 스마트 팩토리 등 전 인류 활동 전 범위에 걸쳐 센서와 빅데이터를 기반으로 한 지능화된 시스템을 구축하여 편리한 환경 인자 측정 및 수집을 가능하게 하였다. 이에 따라 센서는 저전력, 고속 측정이 가능한 방향으로 기술 개발의 요구가 뒤따르고 있으며, 이에 따라 상온 구동 방식이 매우 중요한 요인이라고 할 수 있다. 본 학위 논문에서의 첫 번째 연구는 다양한 가스 감응 재료 중에서 3차원 구조를 도입한 열전재료를 이용하여 감응도 및 반응속도, 회복속도를 높이면서도 상온에서도 가스 감응이 가능한 수소 가스 센서를 제작하였다. 또한 양산성에 유리한 공정(수계 합성공정 또는 연속 압출 공정) 등을 통하여 가격측면에서 유리하고, 대량으로 제조가 가능한 합성 기술을 이용하였다. 이를 위해 기존의 합성 방법과는 다른 segregated distribution 구조를 이용하거나, 자가조립공정 후 도금하는 방식으로 3차원 구조체의 열전 복합소재를 합성하였다. 저 차원 무기물 나노 구조체의 경우 대량생산이 가능한 용매법(solvothermal)을 이용하여 대량으로 손쉽게 합성하였고, 이를 이용하여 열가소성 폴리머 입자 사이의 입계면에 배열시킨 후 열간압축법(hot compaction method)을 이용하여 벌크형태의 복합체를 제조하였고, 이를 이용하여 열전(thermoelectric)기반 열화학 수소센서(thermochemical hydrogen sensor)를 제작하는 연구를 수행하였다. 열전기반 수소센서의 경우 촉매의 수소산화반응(hydrogen oxidation)에 의해서 방출된 열에 의해서 기전력(electromotive force)이 생기는 원리를 이용한 센서로 수소 검출 범위가 넓고, 안정적이며 상온에서 구동이 가능하다는 장점이 있다. 열화학 센서 제작을 위한 열전 층(thermoelectric layer)의 합성은 템플레이트(template)와 다양한 형상을 가지는 실리콘 웨이퍼 기반의 전해증착법(electrochemical deposition)을 이용하여 진행하였고 합성된 열전물질의 화학적 조성(composition) 및 형상(morphology) 등을 제어하는 연구를 수행하였고 발열 촉매 합성의 경우, 화학적 환원(chemical reduction)법을 이용하여 진행하였다. 제작된 열화학 센서는 상온(room temperature)에서, 검출한계(limit detection range), 반응속도(response time), 회복속도(recovery time), 안정화 시간(stabilization time), 반복특성(repeatability) 등 다양한 센싱 특성을 평가하였고 고찰하였다. 또한 이를 기반으로 상기 연구에서 진행한 가스 센서를 바탕으로 사물인터넷에 응용하기 위하여 감응 신호 측정 및 이를 무선통신 네트워크를 적용하는 방법에 관한 연구를 진행하였다. 무선 센서 모듈은 아두이노 프로 미니를 기반으로 아날로그-디지털 신호 변환기, 블루투스 통신 모듈 등으로 구성하여 인쇄 회로기판을 설계하여 제작하였다. 센싱 신호를 보다 정확하게 감지하기 위하여 입력 신호에 따른 측정 범위를 제한하여 오차를 줄이고자 하였고, 중간값 필터를 이용하여 잡음을 제거하였다. 이를 통하여 상기 연구에서 제작한 열화학 센서를 기반으로 블루투스 통신 기반 무선 통신 모듈을 제작할 수 있었다. 두 번째 연구는 알루미늄 박막을 양극산화를 이용하여 산화물을 형성한 뒤 이를 기반으로 습도를 측정하거나, 감지재를 도입하여 다른 가스를 측정하는 화학적 정전용량식 가스 센서를 제작하는 방법에 관한 것이다. 일반적 평판형 축전 모델을 사용하지 않고, 센싱 효율 및 오차를 줄이기 위하여 동심 원주 모델을 변형시켜 전극을 형성하였으며, 이를 기반으로 AAO를 합성하여 습도 센싱을, 이에 백금이 담지 된 탄소 나노튜브를 감지재로 더하여 메탄올 가스 센싱이 가능한 센서를 제작하였다. 습도 센서는 표면의 친수성 정도에 따라서 수분 흡착 모델이 달라져 흡착량이 달라지게 되어 2차 양극산화 시간, pore 크기 증가 공정 시간 등을 달리하여 이에 따른 습도 센싱 능력을 평가하였다. 습도 센서는 주파수에 따른 감응도 차이를 측정한 결과 1kHz 대역 근처에서 가장 높은 센싱 감도를 보여주었으며, 메탄올 가스 센서는 140kHz 대역 근처에서 가장 높은 센싱 감도를 보여주었다. 각 센서를 해당 주파수 기준으로 하여 농도 별 감응도 및 반복성 실험 특성을 진행하고, 진행 결과를 바탕으로 상기 첫 번째 연구와 마찬가지로 상온에서의 검출한계, 반응속도, 회복속도, 반복 특성 등 다양한 센싱 특성을 평가하였고 고찰하였다.; A room temperature driven gas sensor is an essential element for application to the Internet of Things, and must be capable of low power, low cost, and mass production, and at the same time, gas sensitivity must be high. In general, the semiconductor gas sensor used is forced to use a heater for gas response due to high temperature driving, and the electrochemical gas sensor has a problem of periodically compensating for electrolyte loss. The thermochemical sensor and chemicapacitive sensor used in this study are sensors that satisfy the requirements of the IoT. A thermochemical sensor is a sensor based on thermoelectric materials and selective oxidation/reduction catalysts. It is a principle of reacting gas by the reaction heat through catalytic reaction at room temperature. For this, the Seebeck value must be high, and the heat capacity should be as small as possible to reduce the weight of the device and the sensor itself. And the thermochemical sensor manufactured in Chapter 2 was modularized to introduce the Internet of Things, and research was conducted to apply it to a wireless communication network. A Bluetooth module for communication, an ADC that converts the analog signal of the sensor into a digital signal, and a power source for driving the wireless communication sensor module were used, and a printed circuit board was designed and manufactured to connect them. In the measurement algorithm, in order to measure the gas-sensitive signal with less error, the error per signal size is reduced through the resolution limit of the measurement module, and a digital filter for noise reduction is applied. This study is detailed in Chapter 2. A chemicapacitive sensor is a method of measuring the gas concentration by reading the change in capacitance due to adsorption/desorption of gas and has a characteristic that the sensitivity varies depending on the frequency of the alternating voltage when measured according to the characteristics of the gas. In Chapter 3, a sensor capable of responding to relative humidity and methanol gas was produced based on anodized aluminum, and the sensor structure and gas sensitive materials were adjusted to improve gas response performance.