Core-Shell 구조의 가스 센서: 합성 공법 및 센싱 특성에 관한 연구

Abstract

현재 아세톤은 많은 연구실 및 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 아세톤 가스는 그 자체의 독성으로 인해 일정 농도 이상을 흡수하게 되면 인체에 심각한 건강 문제를 유발한다. 때문에 아세톤 검출은 실내 공기 질 모니터링을 포함한 기타 많은 산업에서 중요하게 여겨지고 있다. 그 중 의료분야에서는 당뇨병 환자의 날숨에 포함되어 있는 아세톤의 양이 정상인의 날숨에 포함된 아세톤의 양과 다르다는 연구 결과가 있었고, 이를 통한 당뇨병 조기 진단이 가능하다고 보고 있다. Co3O4는 대표적인 p-type MOS 물질로 알려져 있지만, 일반적으로 n-type MOS 물질에 비해 전자 이동도가 낮기 때문에 주목 받지 못했고, 아세톤 가스 감지에 대한 연구가 거의 진행되지 않았다. 특히 Co3O4 코어-쉘 구조를 가지는 물질의 아세톤 감지 특성에 관한 연구 결과는 거의 없다. 본 연구에서는 자가 조립 공정을 통해 합성된 Au@Co3O4 코어-쉘 센서의 아세톤 감지 성능에 대해 연구했다. 본 실험에서 합성된 Au@Co3O4 코어-쉘 나노입자는 70 ~ 180 nm 크기를 가지며 석류 모양의 형태를 나타낸다. Au@Co3O4 코어-쉘 나노구조는 내부의 다중 Au 코어 입자 (5 ~ 10 nm)가 외부의 Co3O4 쉘로 둘러싸여 있는 구조이다. p-type의 Au@Co3O4 코어-쉘 센서는 250℃에서 10 ppm의 아세톤 가스에 대해 27.05의 높은 감도를 나타냈으며, 다른 7가지 종류의 타겟 가스 중에서 아세톤 가스에 대해서만 높은 감도를 나타냈다. 또한 Au@Co3O4 코어-쉘 센서의 습도 영향성 결과, 80% RH에서 2 ppm의 아세톤에 대해 기존 감도의 60% 값을 나타냈지만, 10 ~ 40% RH에서는 큰 변화를 나타내지 않았다. Au@Co3O4 코어-쉘 센서의 검출 한계는 Type-Ⅰ 당뇨병 환자의 아세톤 검출 범위인 1.8 ppm보다 훨씬 낮은 20 ppb 수준까지 검출이 가능하다. Au@Co3O4 코어-쉘 센서는 순수한 Co3O4 센서에 비해 모든 농도의 아세톤 가스에 대해 감도가 높았는데, 이는 Au 코어의 역할로 볼 수 있다. 그 외에도 코어-쉘 구조를 통한 센서의 회복 시간 감소를 확인할 수 있다. 본 연구에서 Au@Co3O4 코어-쉘 나노입자를 합성함으로써 p-type 반도체식 가스 센서 연구에 일조하였으며, 아세톤 검출을 위한 새롭고 손쉬운 방법을 제시하였다. 이 연구에서 수행된 코어-쉘 합성 공법은 향후 다른 종류의 코어-쉘 구조를 합성하는데 많은 도움이 될 것이며, 향후 당뇨병 진단을 위한 Au@Co3O4 코어-쉘 센서의 실현 가능성을 제시하였다.