SnO2 나노선 기반 가스 센서: 저온 이산화질소 센싱 특성 향상 연구

Abstract

현대 사회에서 많은 사람들은 도시 및 산업 지역에 거주한다. 하지만 심각한 대기 오염이 지역 생태계는 물론 그들의 삶을 위협하고 있다. 특히, NO2는 자동차, 화학 공장에서의 연소 시 발생하는 매우 위험한 가스이다. 5 ppm의 극도로 낮은 허용 한계 (TLV) 를 지닌 NO2는 인간의 호흡계에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 위험 가스의 노출을 조기에 감지하는 것이 매우 중요하다. NO2 가스 감지를 위한 많은 감지 물질들이 개발되었다. 그중 저항식 가스 센서는 가스 감지를 위해 가장 널리 사용되는 화학 센서 중 하나이다. 저항식 가스 센서의 기본 센싱 메커니즘은 대상 가스에 노출될 때의 감지층 저항 변화이다. 따라서 반도체 거동을 나타내는 모든 재료는 저항성 가스 센서로 사용될 가능성이 있다. 그러나 상업적 목적으로의 응용인 경우, 가스 센서로 적용 가능한 재료의 수는 한정적이다. 현재에는 금속 산화물 반도체가 가장 일반적인 감지 재료로 사용된다. 금속 산화물 반도체는 간단한 합성 방법, 높은 안정성, 독성 가스에 대한 높은 감도, 짧은 응답 시간 및 원재료가 저렴하다는 장점을 지녀 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 원시 형태의 감지 재료는 일반적으로 높은 안정성, 감도, 선택성 및 낮은 습도 간섭과 같은 센서의 모든 요구 조건을 충족시키지 못한다. 따라서 귀금속 기능화, 동종/이종 접합 형성 등의 전략이 감지 성능을 향상시키기 위해 제안되었다. 본 실험에서는 SnO2 나노 와이어-Bi2O3 브랜치 합성 및 Pt 나노 파티클 기능화를 통해 저온 이산화질소 가스 센싱 특성을 연구하였다. VLS 공법으로 SnO2 와 Bi2O3 나노와이어를 성장시켜 나노 브랜치 구조를 합성하였다. 성장시킨 SnO2 나노와이어- Bi2O3 브랜치 표면 위에 Pt 나노 파티클을 기능화하여 센싱 물질을 얻었다. 분석을 통해 합성된 물질이 예상했던 상, 화학 조성, 형태를 갖는 것을 확인하였다. NO2 가스 센싱 테스트를 통해 합성된 Pt 장식 SnO2 나노와이어-Bi2O3 브랜치가 순수 SnO2 나노와이어 및 SnO2 나노와이어-Bi2O3 브랜치에 비해 높은 감도, 선택성을 보일 뿐만 아니라 낮은 감지 온도 (50oC)를 지님을 확인하였다. 본 연구에 따르면, 향상된 감지 능력은 브랜치 구조, Pt의 Spill-over 효과, 격자 불일치 및 동종/이종 접합의 형성에서 기인한다. 본 연구를 통해 두 개의 서로 다른 금속 산화물과 분산된 귀금속을 사용한 삼성 분계 합성 기술이 고성능, 낮은 소비전력을 갖는 가스 센서 개발을 위한 유망한 전략임을 확인하였다.|In modern days, many people live in urban and industrial areas. However, serious air pollution is threatening local ecosystems as well as their lives. In particular, NO2 is a hazardous gas generated during combustion in automobiles and chemical plants. NO2 with an extremely low threshold limit value (TLV) of 5 ppm has a fatal effect on the human respiratory system. Therefore, early detection of these hazardous gas leakage is very important. Many sensing materials have been developed for NO2 gas detection. Currently, metal oxide semiconductors are used as the most common sensing materials. This is because the metal oxide semiconductor has various advantages such as a simple synthesis method, high stability, high sensitivity to toxic gases, short response time, and cheap raw materials. However, sensing materials in their raw form generally do not meet all the requirements of sensors such as high stability, sensitivity, selectivity, and low humidity interference. Therefore, strategies such as noble metal functionalization and homo/heterojunction formation have been proposed to improve sensing performance. In this thesis, we fabricated Pt-decorated Bi2O3-branched SnO2 nanowires (NWs) and studied the low-temperature NO2 gas sensing properties. Branched nanowires were synthesized by growing SnO2 and Bi2O3 nanowires using the vapor-liquid-gas (VLS) method. A sensing material was obtained by functionalizing Pt nanoparticles on the surface of the Bi2O3 branched SnO2 NWs. Through the NO2 gas sensing test, it was confirmed that the synthesized Pt-decorated Bi2O3-branched SnO2 NWs gas sensor had superior performance in terms of high gas response, selectivity, and low sensing temperature (50oC) compared to the pure SnO2 NWs and Bi2O3-branched SnO2 NWs. The enhanced sensing performance was attributed to the branched structures, the spillover effect of Pt, the lattice mismatch, and the formation of homo/heterojunctions in Pt-decorated Bi2O3-branched SnO2 NWs. The research above presents ternary systems using two different metal oxides (SnO2 and Bi2O3) and dispersed noble metal (Pt). We confirmed that the synthesized material is a promising strategy for the development of gas sensors with high performance and low power consumption, and is expected to be helpful in the design and development of NO2 gas detection sensors.