반도체 재료를 이용한 가스 센서의 상온 센싱 특성 향상 연구

Abstract

본 연구는 다양한 나노구조 및 재료를 이용하여 반도체 저항식 가스 센서의 단점으로 지적 되어온 고온 동작을 극복하고자 하는 연구이다. 본 연구를 통해서 제안된 3가지 물질을 이용하여 상온 동작에 대한 새로운 나노구조적 접근법 및 센싱 메커니즘을 제시하였다.

제 1장에서는 반도체식 가스 센서에 대한 문헌 조사를 실시하였다. 또한, 본 실험에서 사용된 나노물질인 나노선, 다공성 실리콘, 비정질 탄소에 대하여 문헌 조사를 실시하였다.

제 2장에서는 다공성 실리콘 샘플을 상이한 시간 (30, 60 및 90 분) 동안 전기 화학 에칭에 의해 제조하였다. SEM 분석을 통해 PS 샘플에서 기공의 형성을 확인 하였다. NO2 가스 감지 결과 60 분 동안 에칭된 다공성 실리콘 센서가 가장 높은 반응을 나타냄을 보여 주었다. 이는 이 샘플의 유효 표면적이 다른 샘플보다 높기 때문이다. 또한, 센서의 초기 저항이 충분히 높으면 센서 감도가 증가하는 데 도움이 될 수 있는 것을 확인했다. 최적화된 다공성 실리콘 센서는 타 가스에 비해 NO2 가스에 대한 높은 선택성을 보여 주었다. 이 연구는 전기 화학 방법를 통해 다공성 실리콘을 기반으로 저렴하고 선택적 NO2 가스 센서의 제작 가능성을 보여주었다.

제 3장에서는 VLS 공법을 이용하여 성장된 SnO2 나노선에, 1분 이내의 FCVD 공법을 적용하여, 서로 다른 특징들을 갖는 Sn 기반의 나노입자로 기능화된 hybrid 나노물질을 제조하였다. 이는 지금까지의 금속 산화물 나노선- 금속 촉매의 적용 뿐만 아니라, 산화와 환원 반응을 자유롭게 조절하여 기형성된 SnO2 나노선으로부터, 반도체-금속 또는 반도체-반도체의 조합이 자유롭게 가능하였다. 이러한 이론을 뒷받침 하기 위하여, 표면에서의 SEM과 TEM을 통한 형태학적 연구, EDX, mapping, XPS, PL, Raman을 통한 조성적 연구, HRTEM을 통한 구조적 연구, UPS을 통한 에너지 밴드 관점의 연구 등의 다양한 분석으로 맞춤형 검증이 이루어졌다. 제조된 Sn 기반의 나노입자가 기능화된 SnO2 나노선을 이용하여 상온에서 매우 높은 감응도와 빠른 감응 시간, 감응 속도를 나타내 향후 상온 가스 센서의 산업 적용에 대한 기대감을 높였다. 또한, 여기에서 처음으로 제시된 FCVD의 장점은, 비단 여기에 소개된 SnO2 한 물질에만 국한되지 않고, 시간적이나 경제적으로 실용성에서 월등한 경쟁력을 보이기 때문에 추후 많은 연구가 다양한 분야에서 이루어질 것으로 판단된다.

제 4장에서는 비정질 탄소를 본 연구실이 제안한 FCVD 장비를 통해 SnO2 나노선에 직접 화염을 분사하여 적용하였다. 이 공정은 공정 시간이 매우 짧으며, 전처리, 후처리 공정이 없기 때문에 core에 있는 SnO2 나노선에 아무런 영향을 주지 않을 수 있었다. 쉘 층으로서의 비정질 탄소는 큰 단면적뿐만 아니라 core SnO2 나노선에 전기적 특성에 영향을 미치기 때문에 가스 감응 특성을 향상시킬 수 있었다. Core SnO2와 비정질 탄소 사이의 charge carrier의 이동 뿐만 아니라, 비정질 탄소로부터의 전자 방출을 통하여 core에 있는 SnO2 나노선에 전자를 제공할 수 있었다. 따라서, 제안된 본 물질은 NO2 가스에 대한 높은 감응성과 선택적 검출이 요구되는 상온에서 실제 응용 분야에서 사용될 수 있을 것이라 판단된다.