저전력 가스센싱을 위한 p형, n형 반도체식 가스센서 개발

Abstract

본 연구에서는 p형·n형 가스 센싱 물질을 성공적으로 합성하고 이의 감응도 및 센싱 특성을 향상시키기 위한 연구를 진행하였다. 또한 상온 센싱 및 저온 센싱을 실현하여 저전력 센싱의 가능성을 확인하였다. 제 1장에서 가스 센싱의 선행 연구에 대한 문헌 조사를 실시하였고 산화성·환원성 가스에 따른 n형·p형 반도체 센서에 대한 메커니즘을 보여주었다. 또한 저항식 센서의 장점과 이를 극복하기 위한 연구 동향에 대해 논하였다. 제 2장에서는 두 번의 VLS (Vapor-Liquid-Solid) 공정을 통하여 높은 최적 감지 온도를 가진 n형 SnO2 나노선 센서에 p형 TeO2 나노선 브랜치를 합성하고 SEM, XRD, TEM 분석을 이용하여 잘 형성 되었음을 확인했다. NO2 가스 센싱 테스트를 통해 순수 SnO2 나노선 센서 보다 TeO2 브랜치형 SnO2 나노선 센서가 뛰어난 감지 성능을 가짐을 확인했으며 특히 최적 감지온도 또한 기존의 200oC에서 100oC의 최적 온도를 가지는 것을 확인했다. 가스 센싱의 특성 향상은 p-n heterojunction과 브랜치로인한 표면적 증가로 여겨진다. 본 연구에서는 감지 온도 감소에 따른 전력 소모의 저하와 감응도의 뛰어난 향상을 보여 저전력 고감도 센서 개발의 실현성을 제시하였다. 제 3장에서는 Pd에 기능화된 reduced graphene oxide(RGO)의 가스 감지 특성에 대한 전자빔 조사(electron beam irradiation, EBI)의 효과를 제시하였다. Hummers’ method를 사용하여 RGO를 합성하였고 스퍼터링과 열처리를 통해 Pd를 RGO 표면에 기능화시켰다. 합성된 Pd-RGO 시편에 0(Pd-RGO-0), 100(Pd-RGO-100), 500 kGy(Pd-RGO-500)의 전자빔을 조사하여 전자빔이 NO2 가스 감지에 끼치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 합성된 센서는 p형 반도체의 특징을 가지는 센싱 거동을 보였다. 전자빔 조사에 의해 시료의 가스감지 특성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 500-Pd-RGO 센서는 NO2 가스에 대해 가장 높은 반응을 보였다. 센싱 감도 향상의 원인으로는 가스 산소 작용기의 증가와 고에너지로인한 결함으로 파악했다. 이 연구를 통해 추후 EBI를 사용하는 RGO 기반 센서를 포함한 탄소 기반 재료 가스 센서의 특성을 높일 수 있을 것으로 추정된다. 위의 두 연구를 통하여 n형, p형 센싱 거동을 보이는 SnO2와 RGO 기반 물질을 성공적으로 합성하였고 이에 따른 합성법을 보여주었다. 또한, 감응도 뿐만 아니라 감지 온도, 반응 및 회복 시간을 포함한 특성 향상에 관한 메커니즘을 제시하였다.|In this research, p-type and n-type gas sensing materials were successfully synthesized and additional research was conducted to improve the sensing behaviors of the as-synthesized materials. By realizing room temperature and low temperature gas sensing, the possibility of low-power sensing was confirmed. In Chapter 1, the literature searches on the previous researches on the gas sensors was conducted and the mechanism for the resistive gas sensors using oxidizing and reducing gases was shown. The advantages and disadvantages of resistive semiconductor gas sensors were studied. In Chapter 2, p-type TeO2 nanowire branches were synthesized on the surface of n-type SnO2 nanowire sensor with has high optimum detection temperature via two steps of VLS (Vapor-Liquid-Solid) method and SEM XRD, and TEM analysis were used for verifying successful fabrication. The NO2 gas sensing test confirmed that the TeO2 branched SnO2 nanowire sensor has better sensing performance than the pure SnO2 nanowire sensor, and in particular, the optimal sensing temperature was changed from 200°C to 100°C. Improved gas sensing properties are thought to be due to increased surface area and p-n heterojunctions. This study shows the decrease in power consumption for sensing and an excellent improvement in sensitivity. Also, it presents the feasibility of developing a low-power and high-sensitivity sensor. Chapter 3 showed the effect of electron beam irradiation (EBI) on the gas sensing characteristics of Pd-functionalized reduced graphene oxide (RGO). The RGO was synthesized by Hummers' method and Pd was functionalized on the RGO surface by sputtering and annealing. The as-fabricated Pd-RGO sample was irradiated with an electron beam of 0 (Pd-RGO-0), 100 (Pd-RGO-100), 500 kGy (Pd-RGO-500). A gas sensing test was performed to study the effects of EBI on sensing materials. The as-synthesized sensor showed the sensing behavior of p-type semiconductors. It was found that electron beam irradiation has great effects on the gas sensing properties of Pd-RGO and 500-Pd-RGO showed the greatest sensitivity among pristine Pd-RGO and 100-Pd-RGO. The improvement in sensitivity is caused by an increase in oxygen functional groups and defects due to high energy. It is estimated that EBI can enhance the sensing performance of carbon-based sensing material, including RGO-based sensors. In conclusion, the above two studies showed the successful synthesis of SnO2-TeO2 and 500-Pd-RGO. In addition, these studies demonstrated the synthetic method based on them and mechanism for improving properties, including operating temperature, response and recovery time, as well as sensitivity.