BaSnO3 나노 섬유를 이용한 빠른 감응 특성을 갖는 CO2 가스 센서에 관한 연구

Abstract

최근 인류의 삶의 질에 대한 관심 증진 및 지구 온난화에 대한 관심 증가로 인하여 가스 센서에 대해 수요는 나날이 증가하고 있다. 이러한 가스 센서 중에서도 이산화탄소 가스 센서는 가스 센서 중에서도 가장 큰 비중을 차지하는 분야이다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)에 따르면 이산화탄소는 지난 15년 동안 온실가스로 인한 복사강제력(radiative forcing) 증가에 있어 80% 이상의 주된 역할을 수행하였다고 보고되고 있다. 또한 이산화탄소는 저농도에서는 인체에 무해하나, 고농도로 농축된 이산화탄소에 인체가 지속적으로 노출될 시에는 생명에 유해한 영향을 끼치는 잠재적 위험 가스이다. 이러한 이유들로 인하여 세계적으로 이산화탄소 방출량에 대한 관심 및 제한이 증가함에 따라서 이산화탄소의 개발은 필연적이라고 생각된다. 이산화탄소를 감지하기 위해서 고가의 장비 외에도 전기화학적 가스 센서가 사용되었다. 전기화학적 가스 센서로서는 기존에 금속 산화물이 주로 사용되었다. 금속 산화물 가스 센서는 저가의 비용과 소형화가 가능하다는 장점을 가지고 있었으나, 감지 가스에 대한 낮은 선택도를 갖고 있었다. 금속 산화물의 장점을 가지고 있으며 감지 가스의 선택도가 높은 센서 물질로 BaSnO3를 채택하였으며, BaSnO3 나노 섬유를 이용하여 이산화탄소 가스 센서를 제작하는 연구를 진행하였다. 상용화 가능한 가스 센서를 제작하는 데 있어서 높은 감응도와 빠른 감응 특성을 갖는 것이 매우 중요하다. 높은 감응도와 빠른 감응 특성을 갖기 위해서는 가스가 센서의 감지 물질과 접촉할 수 있는 표면적이 넓어야 한다. 본 연구에서는 가스 센서와 타겟 가스와의 접촉 가능 표면적을 증가시켜주기 위하여 기존의 가스 센서 제작 시 채택되던 나노 입자를 이용한 후막 제작에서 벗어나 나노 섬유를 이용한 가스 센서를 제작하였다. 합성된 나노 섬유는 DRS, SEM, EDS, TEM 분석을 통하여 밴드갭(band gap), 미세구조, 나노 섬유 내 원소 비율 및 나노 섬유의 직경을 분석하였다. 이후 나노 섬유 다발을 후막으로써 갖는 가스 센서를 이용하여 이산화탄소 감지 특성을 확인해보았다. 가스 감지 특성은 350℃의 온도에서 진행되었으며, 실험 결과 나노 섬유를 이용한 이산화탄소 가스 센서는 첨가물(dopant) 없이도 10초 이내의 빠른 감응 특성을 보여주는 것을 확인하였다. 본 연구는 저가의 물질을 이용하여 소형화된 실시간 이산화탄소 감지 센서 제작 가능성을 제시해줄 수 있을 것이라고 사료된다.