KR20190097751A - 촉매가 기능화된 다공성 금속산화물 중공 스피어를 이용한 가스 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
촉매가 기능화된 다공성 금속산화물 중공 스피어를 이용한 가스 센서 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 구체적으로는 전기분사 기법을 통해 제작된 SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체를 동시에 포함하는 복합 스피어를 고온 열처리 과정을 거쳐 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 코어/쉘 구조의 복합 스피어를 형성하고, 이를 식각 공정을 거쳐 코어의 SiO2를 선택적으로 제거함에 따라 형성된 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어 구조를 이룬다. 이때, 나노입자 촉매를 추가적으로 결착시킴으로써 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어 구조의 가스센서용 부재를 제공한다. 극미량의 가스를 검출해 낼 수 있는 높은 감도 특성과 함께, 특정 가스에만 선택적으로 반응하는 우수한 선택성을 가지며, 식각 공정을 통해 메조 및 메크로 기공을 포함하는 중공 스피어의 구조적 장점으로 인해 기체의 유입 특성 및 반응 면적을 향상시킬 수 있는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 이와 더불어 나노입자 촉매를 결착시킴으로써 구조 제어와 고성능 촉매 결착을 동시에 포함하는 가스 센서용 부재의 공정 방법으로 손쉽게 대량 생산이 가능한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 나노입자 촉매가 포함되어 있는 코어(이산화규소(SiO2))-쉘(반도체 금속산화물(일례로, MOx)) 복합체 입자에서 코어의 선택적 식각에 의해 쉘에 형성되는 메조(meso-) 기공 및 메크로(macro-) 기공을 포함하며, 미량의 SiO2 잔류물을 포함하고, 나노입자 촉매가 결착되는 다공성 촉매-금속산화물 중공 스피어를 포함하는 가스 센서용 부재, 가스 센서, 그리고 그 제조방법에 관한 것이다.
금속산화물 반도체식 가스센서(semiconducting metal oxide based gas sensor)는 특정 타겟 가스 분자가 감지소재 표면에 흡착 및 탈착(surface adsorption-desorption reaction)에 의해 발생하는 전기 저항값 변화 현상을 이용한다. 공기 중에서의 저항 대비 특정 타겟 가스 분자에 노출되었을 시, 저항비(Rair/Rgas)를 감도값으로 나타내어 특정 가스를 정량적인 감도 값으로 분석하는 간단한 원리를 이용하기 때문에 비교적 저렴한 가격으로 간단하고 실시간으로 측정이 가능한 초소형 및 휴대성이 뛰어난 센서 어레이 시스템 구축이 용이하다. 위와 같이 금속산화물 반도체식 가스센서는 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 유해가스 누출 감지뿐 아니라 알코올 검출기, 대기 오염 측정기 및 경보기 등 다양한 분양에 널리 적용되어 사용되고 있다.
더 나아가 최근 헬스케어에 대한 관심이 급증하는 추세에 따라 인체의 날숨(exhaled breath)속에 포함되어 배출되는 미량의 생체지표(biomarker) 가스 분자를 정밀하게 검출하여 특정 질병의 유무를 조기에 진단할 수 있는 날숨센서 연구도 활발히 진행되고 있다. 인체의 신진대사 활동 중, 특정 생체지표의 역할을 하는 질병인자 가스가 미량 생성되어 날숨을 통해 배출되게 되는데, 그 대표적인 질병인자 가스로 아세톤(CH3COCH3), 톨루엔(C7H8), 황화수소(H2S) 등이 있으며 각각 당뇨, 폐 질환, 구취와 관련된 가스로 널리 알려져 있다. 하지만 위와 같은 생체지표 가스 분자는 인체의 날숨을 통해 수백-수천 가지의 가스와 함께 미량으로 배출되기 때문에 상기 생체지표 가스를 진단하는 조기 모니터링 헬스케어용 가스센서를 제작하기 위해서는 낮은 가스 농도에서도 고감도, 고선택성 및 고속으로 반응하는 센서 성능이 요구된다. 하지만, 기존에 상용화된 반도체식 금속산화물 가스센서의 경우 타겟 가스와 반응하는 반응시간(response time) 및 초기 저항값으로 회복하는 회복시간(recovery time)이 수십 초에서 수 분 이상으로 길고, 습도, 기압, 온도 등과 같은 주변의 환경인자에 의해 센서 성능이 급격히 변화한다는 단점을 갖고 있다. 또한, 특정 가스를 선택적으로 감지하는 선택성이 떨어지며, 감지한계(limit of detection) 성능이 떨어져 실질적으로 질병진단을 위해 요구되는 ppb 수준의 가스 감지에 한계가 있다. 이러한 문제점들을 극복하여 인체의 날숨 속에 포함되어 배출되는 극미량의 가스들을 초고감도 및 고선택성으로 반응하는 가스센서용 감지소재의 개발이 선행되어야 한다.
위와 같은 초 고감도 및 고 선택성의 반도체식 금속산화물 가스센서를 제조하기 위해서는 나노입자, 나노섬유, 나노와이어, 나노튜브, 2차원 소재 등의 다양한 나노구조체 기반 감지소재의 합성 및 이를 이용한 가스센서의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 상기 나노구조체들은 큰 비표면적을 가지고 있어 타겟 가스와 반응할 수 있는 반응점(reaction site)을 많이 가지고 있어 가스 감지 특성이 증대될 수 있으며, 다공성 구조의 기공을 통해 타겟 가스가 감지소재 내부로 빠르게 확산하여 표면반응을 유도할 수 있기 때문에 초고속 반응이 가능하다는 장점이 있다.
하지만, 나노구조체 설계 및 합성을 통한 높은 비표면적 및 기공도를 얻는 연구 이외에도, 수십 ppb 수준의 극미량의 가스를 검출하기 위해서는 금속 및 금속산화물 촉매 입자를 감지소재에 결착 및 기능화시켜 감지소재와 타겟 가스 분자와의 표면반응을 극대화 시키는 연구도 활발히 진행되고 있다. 촉매를 기능화시키는 데에는 크게 백금(Pt), 금(Au) 등과 같은 귀금속 촉매를 이용하여 가스의 표면반응에 참여하는 산소흡착이온(O-, O2- 및 O2 -)의 농도를 증가시키는 화학적 증감(chemical sensitization) 방법 또는 팔라듐(Pd), 은(Ag) 등과 같이 산화수 변화(PdO 또는 Ag2O) 특성을 기반으로 감도를 향상시키는 전자적 증감(electronic sensitization)의 두가지 방법이 주로 이용되며 상기 촉매 기능화 방법을 통해 가스센서의 감지 특성 및 선택성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.
나노구조체 기반의 감지소재에 결착시키는 촉매의 경우, 수 나노미터 이하의 크기로 감지물질 전역에 균일하게 분포시키는 것이 성능의 극대화를 위해 매우 중요하다. 흔히 사용되는 폴리올(polyol) 공정법의 경우 금속촉매입자의 크기가 상대적으로 크며(일례로, 3 - 10 nm) 고온 열처리 과정 중 부분적으로 서로 응집(agglomeration)이 발생하기 때문에 감지물질 전 영역에 걸쳐 균일하게 분산시키는 데에 한계가 따른다.
상기 단점들을 극복하기 위하여 간단한 합성법을 통해 비표면적 및 기공도가 큰 나노구조체를 제조하고, 상기 감지소재에 나노입자 촉매를 균일하게 결착시켜 기능화 시킬 수 있는 공정개발이 수반되어야 한다. 또한, 기존에 대표적으로 사용되던 귀금속류 촉매의 한계를 극복함과 동시에 촉매 활성이 극대화 된 초 고감도 감지소재를 대량으로 손쉽게 합성하고, 이를 통해 날숨을 통해 배출되는 다종의 휘발성 유기화합물을 선택적으로 정밀하게 검출해 낼 수 있는 센서 제작이 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예는, 전기분사 기법을 통해 제작된 실리콘(실리카, 이산화규소) 전구체 및 금속산화물 전구체를 동시에 포함하는 복합 스피어를 고온 열처리 과정을 거쳐 코어-쉘 구조의 SiO2-반도체 금속산화물(MOx) 복합체 입자를 형성하고, 이를 식각 공정을 거쳐 코어-쉘 형태의 복합 산화물 중 코어의 SiO2를 선택적으로 제거함에 따라, SiO2가 미량 잔류하고 메조 기공 및 메크로 기공이 쉘에 형성되는 다결정/다공성 금속산화물 중공 스피어 구조의 합성방법을 제공한다. 이때, 다결정/다공성 금속산화물 중공 스피어 구조에 나노입자 촉매를 추가적으로 결착시킬 수 있다. 이러한 나노입자 촉매는 쉘의 표면에서 미량의 SiO2 잔류물과 함께 이중촉매(co-catalyst)로서 작용할 수 있다.
특히, 이산화규소 및 금속산화물의 두 가지 전구체를 포함하는 복합 스피어의 고온 열처리 과정에 있어서, SiO2의 높은 결정화 온도로 인해 금속산화물 전구체가 먼저 산화하여 쉘에 금속산화물을 형성하고, SiO2 전구체는 나중에 산화하여 코어에서 SiO2를 형성한다. 이는 SiO2와 금속산화물의 불친화성(phase incompatibility)로 인해 코어(SiO2)-쉘(금속산화물)의 복합 스피어를 형성하는 원리를 이용하며, 후속 식각 공정을 통해 코어에 위치하는 SiO2를 선택적으로 제거함에 따라 속이 빈 중공 구조를 가지며, 메조 기공 및 메크로 기공이 쉘에 형성되는 다공성의 금속산화물 중공 스피어를 제조할 수 있으며, 이러한 다공성 금속산화물 중공 스피어를 통해 가스의 유입특성 및 반응면적이 증대된 구조체를 이용한 가스센서 응용 기술을 제시한다. 또한, 나노입자 촉매를 상기 메조 기공 및 메크로 기공이 형성된 다공성 금속산화물 중공 스피어의 내벽 및 외벽(쉘의 내벽 및 외벽)에 균일하게 촉매가 기능화함으로써 가스와의 반응을 더욱 극대화시킬 수 있으며, 극미량의 가스를 고선택성 및 초고감도로 검출해 낼 수 있는 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
코어(이산화규소(SiO2))-쉘(금속산화물(MOx)) 형태의 복합체 입자에서 코어(이산화규소)를 선택적 식각을 통해 제거함에 따라, 다수의 기공을 포함하는 쉘(금속산화물)에 의해 중공을 포함하도록 형성된 다공성 금속산화물 중공 스피어; 및 상기 선택적 식각의 과정에서 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 쉘의 내벽에 잔류하는 이산화규소 잔류물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서용 부재를 제공한다.
일 측에 따르면, 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어는 선택적 식각에 의해 코어가 제거됨에 따라 쉘에 형성되는 다수의 기공에 의해 쉘의 구조 일부가 무너짐에 따라 형성되는 열린 구조(open structure)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 쉘은 상기 다수의 기공으로서, 2 - 30 nm의 범위에 포함되는 직경의 메조 기공 및 50 - 500 nm의 범위에 포함되는 직경의 메크로 기공을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 코어(이산화규소(SiO2))-쉘(금속산화물(MOx)) 형태의 복합체 입자는 코어의 직경이 50 - 500 nm의 범위에 포함되고, 쉘의 두께가 10 - 500 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어는 n-type 반도체인 SnO2, ZnO, WO3, TiO2, In2O3, Zn2SnO4 및 MnO2 중 적어도 하나, 또는 p-type 반도체인 Fe2O3, Fe3O4, NiO, CuO,Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4 및 Ag2O 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 이산화규소 잔류물은 황화수소(H2S)의 감지를 위한 촉매로서 기능하고, 상기 이산화규소 잔류물의 함량은 0.01 - 5 wt%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어는 상기 쉘의 내벽에 잔류하는 이산화규소 잔류물이 이산화규소 입자의 유전성에 기인한 수분 흡착 특성으로 인해 고습한 분위기에서도 금속산화물 감지소재로의 수분 흡착 및 오염을 최소화함에 따라 타겟 가스에 대한 감지 특성저하를 최소화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 가스 센서용 부재는 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어의 내벽 및 외벽에 결착된 나노입자 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 나노입자 촉매는 1 - 15 nm의 크기(직경) 범위에 포함되며, Pt, Pd, Rh, Ru,Ni, Co, Cr, Ir, Au,Ag, Pb, Fe, Cu,IrO2, RuO2 및 Rh2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 가스 센서용 부재는 상기 나노입자 촉매 및 상기 이산화규소 잔류물이 이중촉매(co-catalyst)로서 작용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
앞서 설명한 다양한 실시예들 중 어느 하나의 가스 센서용 부재를 포함하는 가스 센서를 제공한다.
가스 센서용 부재의 제조 방법에 있어서, (a) 이산화규소(SiO2) 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 전기분사용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전기분사용액을 이용한 전기분사를 통해 이산화규소 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 복합 스피어를 형성하는 단계; (c) 상기 복합 스피어에 대한 열처리 과정을 통해 고분자를 제거하고, 서로 다른 산화속도에 따라 이산화규소가 코어를 금속산화물이 쉘을 각각 형성하는 코어-쉘 형태의 복합 금속산화물 스피어를 형성하는 단계; 및 (d) 용액(etchant)을 이용한 식각 공정을 통해 상기 코어-쉘 형태의 복합 산화물에서 코어를 형성하는 이산화규소를 선택적으로 제거하여 다수의 기공이 포함된 쉘에 의해 형성되는 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 코어-쉘 형태의 복합 산화물은 이산화규소의 함량 비율이 1 - 50 wt%의 범위에 포함되고, 금속산화물의 함량 비율이 50 - 99 wt%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 열처리 과정은 500 - 800 ℃의 온도 범위 내에서 1 - 6 시간 유지되며, 상기 고분자는 열분해 과정을 거쳐 제거되고, 이산화규소의 높은 결정화 온도로 인해 금속산화물 전구체가 먼저 산화하여 쉘을 형성하고, SiO2 전구체는 나중에 산화하여 코어에서 이산화규소를 형성하며, 이산화규소와 금속산화물의 불친화성(phase incompatibility)으로 인해 코어(이산화규소)-쉘(금속산화물) 형태의 복합 금속산화물 스피어를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (d) 단계에서, 상기 코어-쉘 복합 금속산화물 스피어 중 코어에 위치한 SiO2의 선택적 식각을 위한 상기 용액은 수산화 나트륨(sodium hydroxide), 에탄올(ethanol), 질산(nitric acid), 염산(hydrochloric acid), 불산(hydrofluoric acid), 수산화 칼륨(potassium hydroxide), 황산(sulfuric acid), 메탄올(methanol) 및 과산화황산암모늄(ammonium persulfate) 중 적어도 하나의 용매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (d) 단계에서, 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 쉘의 내벽에 0.01 - 5 wt%의 함량 범위에 포함되는 함량의 이산화규소가 잔류하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 가스 센서용 부재의 제조 방법은 (e) 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어에 나노입자 촉매를 기능화하여 다공성 중공 촉매-금속산화물 복합 스피어를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (e) 단계는, 함량이 0.01 wt% 내지 5 wt%의 함량 범위에 포함되는 촉매 입자를 상기 다공성의 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 쉘의 내벽과 외벽에 결착시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체의 복합 스피어를 고온 열처리 과정을 통해 상기 복합 스피어를 구성하는 SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체의 서로 다른 산화 속도로 인해 코어-SiO2/쉘-금속산화물 형태의 복합 산화물을 형성하고 후속 식각 공정을 통해 코어의 SiO2를 선택적으로 제거하고 추가적으로 촉매입자를 결착시킴에 따라 형성되는 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 중공 스피어는 일반적인 박막 구조에 비해 수십 배 이상의 향상된 비표면적을 갖고, 다공성 중공의 구조적 장점을 통해 가스 분자들의 유입특성을 향상시킴과 동시에 중공 스피어의 내/외벽에 걸쳐 균일하게 결착된 금속 나노입자 촉매와의 상호 협력적 효과를 통해 센서 특성을 극적으로 향상시킬 수 있다. 금속 나노입자 촉매의 경우 고온 열처리 및 식각 공정 이후에 결착시키기 때문에 고온 열처리 과정 중 서로간의 응집을 최소화 하며 중공의 금속산화물 스피어의 내/외벽에 결착되어 나노입자 촉매들의 표면 노출을 최대화 하여 가스 분자들과의 반응을 통한 촉매반응 효과를 극대화 시킬 수 있다. 상기에서 언급한 대로 가스센서 부재의 형상제어와 촉매효과를 통해 센서 특성을 극대화하여 극미량의 가스를 초고감도로 특정 타겟 가스만 선택적으로 감지해 낼 수 있는 우수한 가스 감지 성능뿐 아니라, 가격 경쟁력을 가지며 손쉽게 대량 생간이 가능한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조 방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 가스센서용 부재의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiO2 및 금속산화물 전구체의 복합 전구체를 이용하여 고온 열처리, 식각 공정 및 촉매 결착 공정을 포함하는 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 이용한 가스 센서 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분사법, 고온 열처리, 식각 공정 및 촉매 결착법을 이용하여 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어의 투과전자현미경 사진, 금속산화물(SnO2)의 격자 사진 및 EDS(energy dispersive X-ray spectrometer) 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교에 1에 따른 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어의 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 비교예 2에 따른 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물(SnO2)의 복합 스피어의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 1, 일 비교예 1, 일 비교예 2에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어, 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어 그리고 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어에 대한 XRD(X-ray diffraction pattern)분석을 통한 결정구조 분석 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 비교예 1, 일 비교예 2에 따른 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어 그리고 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어에 대한 기공 분포 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 1, 일 비교예 1, 일 비교예 2에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어, 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어 그리고 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어 구조를 갖는 가스센서의 250 ℃에서의 황화수소 가스(5 - 1 ppm)에 대한 반응성 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 1 에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조를 갖는 가스센서의 250 ℃에서의 황화수소(H2S), 에탄올(C2H5OH), 수소(H2), 톨루엔(C7H8), 아세톤(CH3COCH3), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO), 펜탄(C5H12)의 총 8가지 생체지표 가스에 대한 1 ppm에서의 반응성 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 1에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조를 갖는 가스센서의 다양한 습도(상대습도 50% 및 90%)에서의 황화수소 감지 특성 평가 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 가스센서용 부재의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiO2 및 금속산화물 전구체의 복합 전구체를 이용하여 고온 열처리, 식각 공정 및 촉매 결착 공정을 포함하는 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 이용한 가스 센서 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분사법, 고온 열처리, 식각 공정 및 촉매 결착법을 이용하여 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어의 투과전자현미경 사진, 금속산화물(SnO2)의 격자 사진 및 EDS(energy dispersive X-ray spectrometer) 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 비교에 1에 따른 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어의 투과전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 비교예 2에 따른 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물(SnO2)의 복합 스피어의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 1, 일 비교예 1, 일 비교예 2에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어, 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어 그리고 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어에 대한 XRD(X-ray diffraction pattern)분석을 통한 결정구조 분석 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 비교예 1, 일 비교예 2에 따른 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어 그리고 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어에 대한 기공 분포 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 1, 일 비교예 1, 일 비교예 2에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어, 촉매가 결착되지 않은 금속산화물 중공 스피어 그리고 식각 공정 및 촉매 결착 공정이 포함되지 않은 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어 구조를 갖는 가스센서의 250 ℃에서의 황화수소 가스(5 - 1 ppm)에 대한 반응성 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 1 에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조를 갖는 가스센서의 250 ℃에서의 황화수소(H2S), 에탄올(C2H5OH), 수소(H2), 톨루엔(C7H8), 아세톤(CH3COCH3), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO), 펜탄(C5H12)의 총 8가지 생체지표 가스에 대한 1 ppm에서의 반응성 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 1에 따른 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조를 갖는 가스센서의 다양한 습도(상대습도 50% 및 90%)에서의 황화수소 감지 특성 평가 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 유연하게 가할 수 있으며 다양한 실시예를 가질 수 있는바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명의 일실시예는, 코어-쉘 구조의 SiO2-반도체 금속산화물(MOx) 복합체 입자에 있어서 코어의 선택적 식각에 의해 형성된 메조(meso-) 기공 및 메크로(macro-) 기공을 포함하며, 나노입자 촉매를 추가적으로 결착 및 기능화시킴으로써 미량의 SiO2 잔류물을 포함하는 다공성 중공 촉매-금속산화물 복합 스피어를 포함하는 감지 소재(가스 센서용 부재)와 감지 소재의 제조 방법을 제공한다. 또한, 이러한 다공성 중공 촉매-금속산화물 복합 스피어를 포함하는 가스 센서와 그 제조 방법을 제공한다.
본 실시예에 따른 가스 센서용 부재의 제조 방법은 (a) SiO2 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 전기분사용액을 제조하는 단계; (b) 상기 전기분사 용액을 전기분사를 통해 SiO2 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 복합 스피어를 형성하는 단계; (c) 열처리 과정을 통해 복합 스피어를 구성하는 고분자는 열처리 과정을 통해 제거되고, SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체는 서로 다른 속도로 산화하여 코어-SiO2 /쉘-금속산화물 형태의 복합 산화물을 형성하는 단계; (d) 상기 코어-쉘 복합 산화물 스피어를 용액(etchant)을 이용한 식각 공정을 통해 쉘에 존재하는 SiO2를 선택적으로 제거하여 메조 기공 및 메크로 기공을 포함하는 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 단계; (e) 상기 메조 기공 및 메크로 기공을 포함하는 다공성 금속산화물 중공 스피어에 나노입자 촉매를 기능화하여 다공성 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, (f) 상기 다공성 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 분산시키거나 분쇄하여, 반도체식 가스센서 측정을 위해 센서 전극이 형성된 기판 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱 중 적어도 하나의 코팅공정을 이용하여 환경 유해가스 및 질병진단을 위한 생체지표 가스(산화성 가스: NO2, NO, 환원성 가스: H2S, C2H5OH, CH4, CO)의 검출이 가능한 저항변화식 반도체 가스센서를 제작하는 단계; 및 (g) 복수의 상기 다공성 촉매-금속산화물 복합 스피어를 제작하여 복수의 저항변화식 반도체 가스센서 어레이를 제조하는 단계를 포함하는 환경유해가스 및 질병진단을 위한 생체지표 가스의 검출이 가능한 다공성 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 이용한 가스 센서의 제조 방법을 제공한다.
또한 상기 (a) 단계는 전기분사를 진행하기 위한 전기분사 용액을 제조하는 단계로, 전기분사 과정을 통해 스피어를 효율적으로 합성하기 위해 필요한 지지체 역할을 하는 고분자화 실리카 및 금속산화물 전구체를 용매에 녹여 방사용액을 제조한다. 이때 사용되는 대표적인 고분자로는, 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVAc), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드 (polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체(polyethylene oxide block copolymer, PEO BP), 폴리프로필렌 옥사이드 공중합체(polypropylene oxide block copolymer, PPO BCP), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 등이 있으며, 대표적인 금속염으로는 금속염들이 포함된 아세테이트, 아세틸아세토네이트, 클로라이드, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드 등의 형태가 있다. 추가적으로 SiO2의 전구체도 함께 상기 분산용액에 분산시켜 전기분사 용액을 제조할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 전기분사법을 이용하여 SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체가 고분자와 함께 포함된 복합 스피어를 합성하는 단계이다. 전기분사를 진행함에 있어, 스피어는 노즐 분사기(nozzle electrospraying)를 이용하여 복수개의 노즐로부터 토출되어 형성이 되거나, 와이어 타입 또는 실린지 타입의 전기분사기를 이용한다.
상기 (c) 단계는 (b) 단계에서 합성한 고분자, SiO2 전구체 및 금속전구체의 복합 스피어를 고온 열처리하여 복합 스피어의 구조적 기틀 역할을 하는 고분자가 분해되어 제거되고, 동시에 복합 스피어를 구성하는 열처리 과정을 통해 복합 스피어를 구성하는 SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체는 서로 다른 속도로 산화하여 코어-SiO2/쉘-금속산화물 형태의 복합 산화물을 형성하는 단계이다.
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계를 통해 합성한 코어-쉘 구조의 SiO2-반도체 금속산화물 (MOx) 복합체 입자를 식각 공정을 통해 코어에 위치하고 있는 SiO2를 선택적으로 식각하는 공정이다. 시각 공정에 있어서 SiO2가 제거됨에 따라 스피어의 표면에 메조 및 메크로 기공을 형성하게 되고 미량의 SiO2는 부분적으로 잔류하여 촉매 역할을 하게 된다. 또한 코어에 위치하고 있던 대부분의 SiO2는 모두 제거되어 결과적으로는 SiO2가 미량 잔류하고 메조 및 메크로 기공을 포함하는 중공의 금속산화물 스피어를 형성하게 된다.
또한 상기 (e) 단계는 상기 (d) 단계에서 합성한 메조 및 메크로 기공을 포함하는 중공의 금속산화물 스피어에 나노입자 촉매를 결착시키는 과정이다. 기 제조된 나노입자 촉매를 물리혼합법(physical mixing)을 통해 상기 메조 및 메크로 기공을 포함하는 중공의 금속산화물 스피어의 내벽 및 외벽에 균일하게 결착 및 기능화 시키는 과정이다.
상기 (f) 단계는 상기 (e) 단계에서 합성된 촉매-금속산화물 복합 스피어를 용매에 분산시킨 분산용액을 센서 전극(저항 변화 및 전기전도도를 측정할 수 있는 평행한 전극이 형성되어 있는 알루미나 절연체 기판) 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 또는 디스펜싱 등과 같은 코팅 공정법을 이용하여 코팅하는 단계일 수 있다. 이때, 촉매-금속산화물 복합 스피어를 균일하게 코팅할 수 있는 방법이라면, 특별히 코팅 방법에 제약을 두지 않는다.
이처럼 본 발명의 일실시예에서는 SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체의 두 가지 전구체와 고분자를 포함하는 전기분사용액을 일정 전기장 하에서 전기분사(electrospraying)하여 SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체의 복합 스피어를 형성하고, 후속 고온 열처리 및 식각 공정 그리고 촉매 결착을 통해 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 가스센서의 제조 방법을 구현할 수 있다.
이하, 나노입자 촉매가 포함되어 있는 코어-쉘 구조의 SiO2-반도체 금속산화물(MOx) 복합체 입자에 있어서 코어의 선택적 식각에 의해 형성된 메조(meso-) 및 메크로(macro-) 기공을 포함하며, 미량의 SiO2 잔류물을 포함하는 다공성 중공 촉매-금속산화물 복합 스피어 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
여기서 상기 코어의 SiO2의 선택적 식각에 의해 형성되는 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어의 구조적 특성으로 인해 가스분자의 유입 특성 향상을 유도할 수 있으며, 스피어의 내/외벽에 걸쳐 균일하게 결착된 금속 나노입자 촉매로부터 최소한의 촉매량으로 가스들의 감지소재와의 반응성을 극대화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 상기 촉매 활성화 효과 및 중공 스피어 구조의 형상학적 효과와의 상호간 협력 효과를 통해 기존의 감지물질과 비교하여 매우 높은 수준의 고감도 가스센서 감지소재를 제작할 수 있는 것을 특징으로 한다. 특히, 금속산화물의 종류 또는 결착시키는 촉매군을 다양화 함에 따라 다양한 가스에 대한 선택성을 부여하는 감지물질을 합성할 수 있다. 상기와 같은 특징을 갖는 가스센서용 부재를 제작하기 위해 간단하고 효율적인 전기분사 공정 기법으로 가스센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매(110) 및 중공 스피어 구조(120) 그리고 메조 및 메크로 기공을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어(100)를 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 가스센서용 부재의 모식도를 도시하고 있다. 지지체 역할을 하는 고분자, SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체의 혼합 분사용액을 전기분사하여 고분자가 포함된 SiO2 전구체, 금속산화물 전구체의 복합 스피어를 합성한다. 상기와 같은 방법으로 형성된 복합 스피어를 고온 열처리함에 따라 고분자 템플릿은 열분해되어 제거되며, SiO2와 금속산화물의 서로 다른 산화 속도에 의해 산화 온도가 상대적으로 낮은 금속산화물이 먼저 산화하여 쉘에 금속산화물을 형성하고, 상대적으로 산화 온도가 높은 SiO2 전구체는 코어에서 SiO2를 형성하여 코어-쉘 구조를 형성한다. 추가적으로 식각 공정을 통해 코어의 SiO2를 선택적으로 제거하여 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어를 형성하게 되고 이때 미량의 SiO2는 상기 금속산화물 중공 스피어의 내부에 잔류한다. 그 후 촉매 결착법을 통해 상기 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어의 내벽 및 외벽에 촉매가 균일하게 결착되어 기능화 되어 있는 것을 포함하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 형성시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 구성하는 금속 촉매들은 Pt, Pd, Rh, Ru,Ni, Co, Cr, Ir, Au,Ag, Pb, Fe, Cu,IrO2, RuO2, Rh2O3 등에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 촉매로 구성될 수 있다. 가스센서 감지소재에 적용되는 촉매효과는 크게 두 가지로 구분되는데, 첫 번째로는 백금(Pt), 금(Au) 와 같은 귀금속 촉매를 통해 감지소재 표면과 공기층 사이에 존재하는 산소분자의 분해반응을 촉진하여 가스와의 표면 반응에 참여하는 흡착산소이온의 농도를 증가시키는 화학적 증감효과가 있을 수 있으며, 두 번째로는 PdO, NiO, ZnO, Co3O4, Fe2O3 등과 같이 산화수 변화를 통한 전자적 증감 효과 방식으로 촉매 효과를 유도하는 방법이 있을 수 있다.
상기 나노구조체를 구성하는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어는 반도체식 가스센서의 감지물질로써 가스의 흡착 및 탈착에 의하여 전기저항 및 전기전도도 값에 변화가 있다면 특별한 물질에 제약을 두지 않는다. 구체적으로는, n-type 반도체인 SnO2, ZnO, WO3, TiO2, In2O3, Zn2SnO4, MnO2 또는 p-type 반도체인 Fe2O3, Fe3O4, NiO, CuO,Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ag2O 등에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 구성된 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 일 수 있다.
상기 전기분사 방법을 통해 합성된 고분자, SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체를 포함하는 복합 스피어는 고온 열처리 하여 내부에 지지체 역할을 하는 고분자는 열분해 하여 제거하고 SiO2와 금속산화물의 서로 다른 산화 온도 특성을 이용하여 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 코어/쉘 형상을 합성할 수 있다. 이때, 코어에 위치한 SiO2의 직경이 50 nm 내지 500 nm의 범위에 포함되고 쉘에 위치하는 반도체 금속산화물의 두께가 10 nm 내지 500 nm 의 범위에 포함될 수 있다. 이때, 쉘의 두께가 상기 범위에 미치지 못할 시, 그 구조가 쉽게 무너져 금속산화물 중공 스피어 구조로써의 효과적인 센서 감지소재로의 적용에 한계가 따를 수 있다. 또한, 쉘의 두께가 상기 범위를 초과할 시, 식각 공정 후 코어의 SiO2가 제거되면서 쉘의 표면에 메조 및 메크로 기공을 형성하기 어려워 타겟 기체의 중공 스피어 내부로의 원활한 유입 및 표면반응에의 참여에 한계가 따를 수 있다. 추후 식각 공정을 통해 코어에 위치하는 SiO2는 선택적으로 제거하여 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어를 형성할 수 있다. 상기 금속산화물 복합 중공 스피어 구조는 쉘 표면에 각각 2 nm 내지 30 nm의 메조기공 그리고, 50 nm 내지 500 nm 범위의 메크로 기공을 포함되는 것을 특징으로 한다. 추가적으로, 상기 촉매 결착 방법을 통해 나노입자 촉매를 상기 금속산화물 중공 스피어의 내벽 및 외벽에 균일하게 결착되어 분포하는 형태의 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조를 형성할 수 있다.
상기 제작된 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 감지 물질로써 도포한 가스센서용 부재를 이용하여 사람의 날숨에서 배출되는 생체지표 가스를 고선택성 및 고감도로 감지함으로써 인체의 질병을 조기에 진단할 수 있을 뿐만 아니라 유해 환경 가스를 실시간 모니터링 하는 환경센서로의 응용이 가능한 센서 어레이를 구축할 수 있다. 특히, 메조 및 메크로 기공을 포함하는 중공 스피어 구조를 형성함에 따라 감지소재의 비표면적 증대 및 기체의 유입 특성을 향상시켜 기체와 감지소재와의 흡착 및 탈착 반응에 매우 효과적인 구조를 제공할 수 있다. 위의 구조를 기반으로 소량의 촉매로도 감지소재의 센서 특성을 극대화할 수 있으며, 다종의 가스 센서용 부재를 간단하게 저비용으로 대량 생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분사법을 이용한 나노입자 촉매가 균일하게 결착된 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 이용한 가스센서용 부재 제조방법의 순서도를 나타낸다. 도 2 의 순서도에 따르면, 가스센서용 부재 제조방법은 고분자, SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체를 포함하는 전기분사용액 합성 단계(S210), 상기 합성된 전기분사 용액을 전기분사하여 제조된 고분자, SiO2 전구체 및 금속산화물 전구체의 복합 스피어를 합성하는 단계(S220), 그리고 고온 열처리를 통해 지지체 역할을 하는 고분자는 열분해 하여 제거하고 SiO2의 높은 결정화 온도로 인해 금속산화물 전구체는 먼저 산화하여 쉘에 금속산화물을 형성하고, SiO2 전구체는 나중에 산화하여 코어에서 SiO2를 형성하며, SiO2와 금속산화물의 불친화성(phase incompatibility)로 인해 코어-SiO2/쉘-금속산화물의 복합 스피어를 형성하는 단계(S230), 식각 공정을 통해 코어의 SiO2를 선택적으로 제거하여 미량의 SiO2가 잔류하고 메조 및 메크로 기공을 포함하는 금속산화물 중공 스피어를 합성하는 단계(S240), 그리고 나노입자 촉매를 결착하여 나노입자 촉매가 상기 금속산화물 중공 스피어의 내벽 및 외벽에 균일하게 결착 및 기능화되어 있는 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어를 합성하는 단계(S250)를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 전기분사법을 통해 제작된 SiO2 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자가 함유된 복합 스피어 구조, 고온열처리 이후 코어를 이루는 SiO2와 쉘을 형성하는 금속산화물(MOx)의 코어-쉘 형태의 복합 스피어 구조, 식각 공정을 거쳐 중심부분의 SiO2 만 선택적으로 제거하여 형성된 다공성 중공구조의 금속산화물 스피어 구조, Pt 나노입자 촉매를 결착하여 메조 및 메크로 기공을 포함하는 다공성 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 구조의 제조공정을 차례대로 보여주는 모식도이다. 구체적인 실시예로 SiO2 전구체와 SnO2 복합 스피어 구조가 전기방사법으로 형성되며, 600 ℃에서 열처리를 시키면 코어-SiO2/쉘-SnO2 코어-쉘 형태의 복합 스피어 구조가 형성되고, 코어의 SiO2를 수산화나트륨 (NaOH)를 이용하여 선택적으로 식각시키면 가운데 코어 부분이 비어있는 다공성 중공구조의 SnO2 스피어 구조가 된다. 이에 더불어 Pt 나노입자 촉매를 결착시켜 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어 구조를 형성할 수 있다.
실시예 1: Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어 제조
본 실시예에서는 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어를 제조하기 위해 주석산화물 전구체인 Tin Chloride (SnCl22H2O, Sigma Aldrich) 0.15 g을 1.35 g의 N,N-dimethylformamide (DMF, anhydrous, 99.9% Sigma-Aldrich)에 놓인 후, 500 rpm 으로 1시간 동안 교반시킨다. 그 뒤, 50 μL 의 SiO2 전구체인 tetraethyl orthosilicate (TEOS)를 포함시켜 고르게 섞일 수 있도록 1시간 더 교반시킨다. 마지막으로 0.15 g의 폴리비닐피롤리딘(polyvinylpyrrolidone, PVP, Mw =1,300k g/mol)을 추가로 넣어준 뒤 4시간 동안 더 교반시킨다. 교반을 마친 상기 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 혼합 전기분사용액을 주사기에 담아 시린지 펌프(Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT)에 연결하여, 토출되는 주사바늘(needle, 25 gauge) 과 스피어를 수득하는 집전체 기판 사이의 거리를 10 cm로 유지하고 9.5 kV 를 가하여 분당 0.05 mL 의 토출속도로 분사한다. 이 때, 집전체 기판 위에 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 복합 스피어가 직접적으로 수집된다.
상기 단일 노즐을 전기분사법을 통해 제조된 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 복합 스피어는 일반 air 분위기에서 Ney사 Vulcan3-550 소형 전기로를 이용하여 승온속도는 5 ℃/min하고, 600 ℃에서 2시간 동안 고온 열처리를 진행한다. 높은 열처리 온도로 인해 PVP 고분자는 분해되고 타서 제거되고, SiO2 전구체와 SnO2 전구체는 각각 산화되어 SiO2, SnO2 를 형성한다. 이 때, SiO2 보다 낮은 SnO2 산화 에너지에 의해 복합 스피어 구조 표면의 SnO2가 먼저 형성된다. 이에따라 표면과 코어 쪽의 Sn이온 농도차가 형성되면서 Kirkendall 효과에 의해 Sn 이온이 점차적으로 표면 쪽으로 확산되고, 산화되어 표면에 SnO2 쉘을 형성한다. SiO2는 높은 산화 에너지를 지니고 있어, SnO2 보다 늦게 산화되며, SnO2와의 불친화성(phase incompatibility)에 의해 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 형성하게 된다.
상기 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 다공성 SnO2 중공 스피어 구조로 제작하기 위해, 추가적인 식각공정을 포함한다. 식각과정을 위해 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 pH 12로 맞춰진 NaOH 수용액 속에 담군 뒤, 50 ℃에서 4 시간 동안 진행한다. 이 때, 50 ℃는 오일배스(oil bath)를 이용하여 온도를 유지시킨다. 4시간 뒤, 원심분리기를 이용하여, 코어 부분의 SiO2 만 선택적으로 식각된 다공성 SnO2 중공 스피어 구조를 수거한 뒤, 용매 및 다른 불순물들을 모두 제거하기 위해 50 ℃로 유지된 일반 실험실용 오븐에서 하룻밤동안 건조한다. 이 때, SiO2는 모두 제거되지 않고 소량의 잔류 SiO2가 남을 수 있다.
상기 형성된 다공성 SnO2 중공 스피어 구조에 Pt 촉매를 결착시키기 위해, 다공성 SnO2 중공 스피어와 Pt 촉매나노입자, PVP를 에탄올에 고르게 분산시켜 Pt-SnO2 용액을 제작한다.
이때 촉매의 결착력을 향상시키기 위해 바인더(binder) 역할을 할 수 있는 고분자 PVP를 소량 추가한다.
상기 사용된 Pt 나노입자는 구체적인 실시예로 폴리올(polyol) 방법으로 제작된 나노입자를 사용할 수 있고, 나노입자를 형성할 수 있는 방법이면 합성 방법에는 따로 제한을 두지 않는다. 그 예로, 폴리올 합성, 수열(hydrothermal) 합성, 고상(solvothermal) 합성, 기계적 분말 분쇄 및 희생층 템플릿(Ferritin, virus)등의 방법을 이용할 수 있다. 그 후, 바인더 역할을 하는 소량의 고분자 PVP와 촉매 제작 과정에서 남아 있을 수 있는 고분자를 제거하기 위해 500 ℃에서 1 시간 동안 추가적인 열처리 과정을 거친다.
도 4는 상기 전기분사법, 식각과정, Pt 촉매 결착과정을 거쳐 얻어진 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 중공 스피어의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 투과전자현미경의 검은색 흰색 명암 차이로부터 속이 빈 중공 구조 및 60 nm의 비교적 얇은 두께를 지님을 알 수 있다. 고배율 투과전자현미경 사진으로부터 SnO2의 (101), (110)의 격자 거리를(lattice fringe) 확인함으로써 SnO2의 결정구조도 함께 확인 할 수 있다. 또한, 에너지 분광분석 법(Energy Dispersive Spectrometry, EDS)을 이용하여 원소 분석을 한 결과, SnO2가 쉘을 이루고 있으며, 식각공정 이후에도 소량의 SiO2가 잔류하고 있고, Pt 촉매가 SnO2 쉘 내부와 외부에 고르게 결착되어 있는 것을 확인 할 수 있다.
비교예 1: 다공성 SnO2 복합 중공 스피어 제조
본 비교예에서는 다공성 SnO2 복합 중공 스피어를 제조하기 위해 주석산화물 전구체인 Tin Chloride (SnCl22H2O, Sigma Aldrich) 0.15 g을 1.35 g의 N,N-dimethylformamide (DMF, anhydrous, 99.9% Sigma-Aldrich)에 놓인 후, 500 rpm 으로 1시간 동안 교반시킨다. 그 뒤, 50 μL 의 SiO2 전구체인 tetraethyl orthosilicate (TEOS)를 포함시켜 고르게 섞일 수 있도록 1시간 더 교반시킨다. 마지막으로 0.15 g의 폴리비닐피롤리딘(polyvinylpyrrolidone, PVP, Mw =1,300k g/mol)을 추가로 넣어준 뒤 4시간 동안 더 교반시킨다. 교반을 마친 상기 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 혼합 전기분사용액을 주사기에 담아 시린지 펌프(Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT)에 연결하여, 토출되는 주사바늘(needle, 25 gauge) 과 스피어를 수득하는 집전체 기판 사이의 거리를 10 cm로 유지하고 9.5 kV 를 가하여 분당 0.05 mL 의 토출속도로 분사한다. 이 때, 집전체 기판 위에 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 복합 스피어가 직접적으로 수집된다.
상기 단일 노즐을 전기분사법을 통해 제조된 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 복합 스피어는 일반 air 분위기에서 Ney사 Vulcan3-550 소형 전기로를 이용하여 승온속도는 5 ℃/min으로, 600 ℃에서 2시간 동안 고온 열처리를 진행한다. 높은 열처리 온도로 인해 PVP 고분자는 열분해 되어 제거되고, SiO2 전구체와 SnO2 전구체는 각각 산화되어 SiO2, SnO2 를 형성한다. 이 때, SiO2 보다 낮은 SnO2 산화 에너지에 의해 복합 스피어 구조 표면의 SnO2가 먼저 형성된다. 이에따라 표면과 코어 쪽의 Sn이온 농도차가 형성되면서 Kirkendall 효과에 의해 Sn 이온이 점차적으로 표면 쪽으로 확산되고, 산화되어 표면에 SnO2 쉘을 형성한다. SiO2는 높은 산화 에너지를 지니고 있어, SnO2 보다 늦게 산화되며, SnO2와의 불친화성(phase incompatibility)에 의해 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 형성하게 된다.
상기 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 다공성 SnO2 중공 스피어 구조로 제작하기 위해, 추가적인 식각과정을 포함한다. 식각과정을 위해 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 pH 12로 맞춰진 NaOH 수용액 속에 담군 뒤, 50 ℃에서 4시간동안 진행한다. 이 때, 50 ℃는 오일배스(oil bath)를 이용하여 온도를 유지시킨다. 4시간 뒤, 원심분리기를 이용하여, 코어 부분의 SiO2 만 선택적으로 식각된 다공성 SnO2 중공 스피어 구조를 수거한 뒤, 용매 및 다른 불순물들을 모두 제거하기 위해 50 ℃로 유지된 일반 실험실용 오븐에서 하룻밤동안 건조한다. 이 때, SiO2는 모두 제거되지 않고 소량의 잔류 SiO2가 남을 수 있다.
도 5는 상기 전기분사법, 식각과정을 거쳐 제작된 다공성 SnO2 중공 스피어의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 다공성 SnO2 중공 스피어는 매끄러운 표면과 평균 1 μm 직경의 구형 지니며, 잘 분산된 중공구조를 지닌다. 또한 단면 이미지로부터 제조과정 형성된 SiO2 희생층의 식각과정에 의해 중심 부분이 제거되어 비어 있는 열린 구조를 분명히 확인할 수 있다. 또한 속이 비어있는 중공구조 외에도, 전기분사법에 의해 형성된 스피어들이 간혹 연속적으로 붙어 있어, 열처리 시 속의 SiO2 층이 연결되고, 연결된 SiO2층은 식각과정에 의해 제거되어, 3차원적으로 연결된 기공(voids)들이 형성된다. 또한 3차원적으로 연결된 기공의 연결 부위에 쉘 두께가 매우 얇은 경우, 구조가 무너져 한층 더 표면적을 증대시켜줌과 동시에 이로 인해 도 5에서 보여지듯, 주사전자현미경 이미지로부터 빈 기공과 열린 구조를 확인할 수 있다.
비교예 2: 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어 제조
본 비교예에서는 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 제조하기 위해 주석산화물 전구체인 Tin Chloride (SnCl22H2O, Sigma Aldrich) 0.15 g을 1.35 g의 N,N-dimethylformamide (DMF, anhydrous, 99.9% Sigma-Aldrich)에 놓인 후, 500 rpm 으로 1시간 동안 교반시킨다. 그 뒤, 50 μL 의 SiO2 전구체인 tetraethyl orthosilicate (TEOS)를 포함시켜 고르게 섞일 수 있도록 1시간 더 교반시킨다. 마지막으로 0.15 g의 폴리비닐피롤리딘(polyvinylpyrrolidone, PVP, Mw =1,300k g/mol)을 추가로 넣어준 뒤 4시간 동안 더 교반시킨다. 교반을 마친 상기 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 혼합 전기분사용액을 주사기에 담아 시린지 펌프(Henke-Sass Wolf, 10 ml NORM-JECT)에 연결하여, 토출되는 주사바늘(needle, 25 gauge) 과 스피어를 수득하는 집전체 기판 사이의 거리를 10 cm로 유지하고 9.5 kV 를 가하여 분당 0.05 mL 의 토출속도로 분사한다. 이 때, 집전체 기판 위에 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 복합 스피어가 직접적으로 수집된다.
상기 단일 노즐을 전기분사법을 통해 제조된 SiO2 전구체/SnO2 전구체/PVP 고분자 복합 스피어는 일반 air 분위기에서 Ney사 Vulcan3-550 소형 전기로를 이용하여 승온속도는 5 ℃/min하고, 600 ℃에서 2시간 동안 고온 열처리를 진행한다. 높은 열처리 온도로 인해 PVP 고분자는 분해되고 타서 제거되고, SiO2 전구체와 SnO2 전구체는 각각 산화되어 SiO2, SnO2 를 형성한다. 이 때, SiO2 보다 낮은 SnO2 산화 에너지에 의해 복합 스피어 구조 표면의 SnO2가 먼저 형성된다. 이에따라 표면과 코어 쪽의 Sn이온 농도차가 형성되면서 Kirkendall 효과에 의해 Sn 이온이 점차적으로 표면 쪽으로 확산되고, 산화되어 표면에 SnO2 쉘을 형성한다. SiO2는 높은 산화 에너지를 지니고 있어, SnO2 보다 늦게 산화되며, SnO2와의 불친화성(phase incompatibility)에 의해 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어를 형성하게 된다.
도 6는 상기 전기분사법을 이용해 형성된 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 주사전자현미경 이미지와 투과전자현미경 이미지를 보여준다. 주사전자현미경 이미지로부터 코어-쉘 형태의 SiO2/SnO2 복합 스피어가 뭉침없이 잘 분산되어 스피어 형태를 유지하고 있으며, 기공이 많이 없는 빽빽한 구조를 지님을 알 수 있다. 하지만 SiO2/SnO2의 큰 직경에 의해 투과전자현미경 이미지로부터 코어/쉘 구조를 확인하기 어려운 단점이 있다.
상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2 에서 제조된 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어, 다공성 SnO2 복합 중공 스피어, 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 결정구조를 보다 정확하게 확인하기 위하여 X-ray diffraction (XRD) 분석을 진행하였으며, 도 7이 상기 XRD 분석의 결과를 보여 주고 있다. 제조된 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어, 다공성 SnO2 복합 중공 스피어, 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어는 모두 기본적으로 tetragonal SnO2 (JCPDS No. 41-4145)의 구조를 지님을 알 수 있다. 하지만 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 경우, 비교적 낮은 열처리 온도로 인해 SiO2가 무결정구조(amorphous)를 가져 XRD상에서는 SiO2 peak 은 확인되지 않으며, 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어의 경우에는 기능화 된 Pt 양이 매우 적어 XRD 분석 상에서는 감지가 안됨을 알 수 있다.
도 8은 다공성 SnO2 복합 중공 스피어, 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 표면적 및 기공분포도 분석 결과를 나타낸 그래프로, 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 코어-쉘 스피어의 경우, 평균 1 nm 이하의 기공을 다수 포함하지만 이는 가스 분자들이 효율적으로 투과하고 확산을 일으키기엔 작은 크기이다. 반면 다공성 SnO2 복합 중공 스피어의 경우 평균 6 nm 의 메조 크기의 기공을 가진다. 메조크기의 기공은 크누센 확산(Knudsen diffusion)을 통해 가스 분자들이 효율적으로 잘 확산한다고 알려져 있으며, 이보다 더 큰 매크로(macro-) 크기의 기공도 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 코어-쉘 스피어의 경우보다 많이 지니고 있어, 크누센 확산뿐만 아니라 일반 확산 (normal diffusion)도 함께 동반하여 보다 높은 감도를 얻을 수 있을 것임을 확인하였다.
실험예 1: 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 감지물질의 가스 감지 특성 평가
상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어, 다공성 SnO2 복합 중공 스피어, 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 감지소재 센서들의 가스 감지특성 평가를 진행한다. 가스 감지 감도는 각각의 가스에 대한 반응을 저항비(Rair/Rgas, Rair: 공기에 노출되었을 때의 저항, Rgas: 측정 가스에 노출되었을 때의 저항)로 정의하고, 특정 가스에 노출되었을 때 변하는 센서들의 저항은 Agilent 사의 34972A 모델을 이용하여 측정한다. 가스 농도에 따른 특성평가를 위해 흘려주는 가스의 농도를 차례로 5, 4, 3, 2, 1 ppm 순서로 10분씩 노출 시간을 조절하여 변화하면서 저항을 기록한다. 또한 센서 알루미나 기판 뒷면에는 백금 마이크로 히터가 패터닝되어 있어, 뒷면 마이크로 히터에 DC전압을 인가하여 기판의 온도를 200 - 450 ℃로 가변적으로 변화시켜 온도에 따른 가스 감지 특성 평가를 함께 평가한다. 가스 감지 특성 평가는 인체의 날숨과 유사한 환경을 만들기 위해 상대습도 95 RH%를 유지하여 진행한다.
도 9는 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어, 다공성 SnO2 복합 중공 스피어, 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 감지소재 센서들의 가스 감지특성 평가결과이다. 도 9에 나타난 바와 같이 5 ppm의 H2S에 가스에 대해 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어에 비해 다공성 SnO2 복합 중공 스피어가 약 3.5배 더 향상된 감지 특성을 보여주며, Pt 촉매를 결착 시킨 경우에는 약 33배 더 월등히 향상된 가스 감지 특성을 보여준다. 또한 매우 낮은 농도인 1 ppm 에 대해서도 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어는 약 10.8 의 높은 감도(Rair/Rgas)를 보이며, 빠른 감지특성을 확인할 수 있다. 이러한 향상된 감지특성은 식각과정을 통해 중심부분의 SiO2가 제거되면서 큰 표면적을 지니고, 메조 및 메크로 기공을 포함하여 가스가 효과적으로 감지층 내외부의 표면적과 반응할 수 있도록 돕기 때문이며, 이로부터 표면적이 크고, 기공이 잘 발달된 감지소재 개발이 바람직함을 본 발명을 통해 확인 할 수 있다. 이와 더불어, 백금 촉매를 결착시킴으로서, 스필오버 효과(spill-over effect)로 인해 산소 및 타겟가스 분자의 분열(dissociation)과 확산을 도와 표면에서의 반응이 더욱 활발하게 이루어 질 수 있도록 도와주어 월등히 향상된 황화수소 가스 감지 특성 평가를 보여준다.
도 10은 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어, 다공성 SnO2 복합 중공 스피어, 코어-쉘 형태의 코어-SiO2/쉘-SnO2 복합 스피어의 감지소재 센서들의 250 ℃에서 황화수소, 에탄올, 수소, 톨루엔, 아세톤, 암모니아, 일산화탄소, 펜탄 가스 1ppm 에 대한 감도를 나타낸 그래프로, 다른 가스들은 모두 3 이하의 감도를 가지는데 비하여, 황화수소 1 ppm 가스에만 10.8 의 높은 감도를 보여 황화수소에 대한 뛰어난 선택성을 확인할 수 있다. 이는 Pt 촉매의 화학적 증감효과뿐만 아니라 잔류하는 미량의 SiO2는 물분자와 같은 방해가스 반응을 억제하여, SiO2와 Pt의 이중촉매효과로 생각 할 수 있다. 따라서 이를 통해 본 발명에서 제시한 다공성 중공구조의 적합성과 이중촉매의 작용으로부터 고감도 고선택성을 지니는 촉매-금속산화물 다공성 중공구조 센서를 제조하는 것이 바람직함을 본 발명을 통해 명확히 확인 할 수 있다.
도 11은 실시예1에 따라 제조된 Pt 촉매가 기능화 된 다공성 Pt-SnO2 복합 중공 스피어의 다양한 습도에 대한 황화수소 감지 특성을 나타낸 그래프이다. 상대습도 50% 및 상대습도 90%에서 1 ppm 에서 5 ppm의 황화수소 가스에 대한 감도 그래프를 통해, 습도가 증가함에도 황화수소 감지 특성저하가 일어나지 않음을 확인할 수 있다. 이는 식각 공정 이후 미량 잔류하는 SiO2 입자의 유전특성으로 인해 물분자의 흡착 사이트로 작용하고, 황화수소와 직접 반응하는 SnO2 감지소재의 표면은 물분자에 의한 오염이 최소화되기 때문이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 메조 및 메크로 기공을 포함하는 쉘(120)에 의해 형성되는 다공성 촉매-금속산화물 복합 중공 스피어 가스센서용 부재
110: 나노입자 촉매
120: 식각 공정을 통해 코어(SiO2)가 제거된 쉘
110: 나노입자 촉매
120: 식각 공정을 통해 코어(SiO2)가 제거된 쉘
Claims (18)
- 코어(이산화규소(SiO2))-쉘(금속산화물(MOx)) 형태의 복합체 입자에서 코어(이산화규소)를 선택적 식각을 통해 제거함에 따라, 다수의 기공을 포함하는 쉘(금속산화물)에 의해 중공을 포함하도록 형성된 다공성 금속산화물 중공 스피어; 및
상기 선택적 식각의 과정에서 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 쉘의 내벽에 잔류하는 이산화규소 잔류물
을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 금속산화물 중공 스피어는 상기 선택적 식각에 의해 코어가 제거됨에 따라 상기 쉘에 형성되는 다수의 기공에 의해 상기 쉘의 구조 일부가 무너짐에 따라 형성되는 열린 구조(open structure)를 포함하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 쉘은 상기 다수의 기공으로서, 2 - 30 nm의 범위에 포함되는 직경의 메조 기공 및 50 - 500 nm의 범위에 포함되는 직경의 메크로 기공을 포함하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 코어(이산화규소(SiO2))-쉘(금속산화물(MOx)) 형태의 복합체 입자는 코어의 직경이 50 - 500 nm의 범위에 포함되고, 쉘의 두께가 10 - 500 nm의 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 금속산화물 중공 스피어는 n-type 반도체인 SnO2, ZnO, WO3, TiO2, In2O3, Zn2SnO4 및 MnO2 중 적어도 하나, 또는 p-type 반도체인 Fe2O3, Fe3O4, NiO, CuO,Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4 및 Ag2O 중 적어도 하나로 이루어지는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 이산화규소 잔류물은 황화수소(H2S)의 감지를 위한 촉매로서 기능하고,
상기 이산화규소 잔류물의 함량은 0.01 - 5 wt%의 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 금속산화물 중공 스피어는 상기 쉘의 내벽에 잔류하는 이산화규소 잔류물이 이산화규소 입자의 유전성에 기인한 수분 흡착 특성으로 인해 고습한 분위기에서도 금속산화물 감지소재로의 수분 흡착 및 오염을 최소화함에 따라 타겟 가스에 대한 감지 특성저하를 최소화하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 금속산화물 중공 스피어의 내벽 및 외벽에 결착된 나노입자 촉매
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제8항에 있어서,
상기 나노입자 촉매의 크기는 1 - 15 nm의 크기 범위에 포함되며, Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Pb, Fe, Cu, IrO2, RuO2 및 Rh2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제8항에 있어서,
상기 나노입자 촉매 및 상기 이산화규소 잔류물이 이중촉매(co-catalyst)로서 작용하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 가스 센서용 부재를 포함하는 가스 센서.
- 가스 센서용 부재의 제조 방법에 있어서,
(a) 이산화규소(SiO2) 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 전기분사용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 전기분사용액을 이용한 전기분사를 통해 이산화규소 전구체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 복합 스피어를 형성하는 단계;
(c) 상기 복합 스피어에 대한 열처리 과정을 통해 고분자를 제거하고, 서로 다른 산화속도에 따라 이산화규소가 코어를 금속산화물이 쉘을 각각 형성하는 코어-쉘 형태의 복합 금속산화물 스피어를 형성하는 단계; 및
(d) 용액(etchant)을 이용한 식각 공정을 통해 상기 코어-쉘 형태의 복합 산화물에서 코어를 형성하는 이산화규소를 선택적으로 제거하여 다수의 기공이 포함된 쉘에 의해 형성되는 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 코어-쉘 형태의 복합 산화물은 이산화규소의 함량 비율이 1 - 50 wt%의 범위에 포함되고, 금속산화물의 함량 비율이 50 - 99 wt%의 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 열처리 과정은 500 - 800 ℃의 온도 범위 내에서 1 - 6 시간 유지되며, 상기 고분자는 열분해 과정을 거쳐 제거되고, 이산화규소의 높은 결정화 온도로 인해 금속산화물 전구체가 먼저 산화하여 쉘을 형성하고, SiO2 전구체는 나중에 산화하여 코어에서 이산화규소를 형성하며, 이산화규소와 금속산화물의 불친화성(phase incompatibility)으로 인해 코어(이산화규소)-쉘(금속산화물) 형태의 복합 금속산화물 스피어를 형성하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 코어-쉘 복합 금속산화물 스피어 중 코어에 위치한 SiO2의 선택적 식각을 위한 상기 용액은 수산화 나트륨(sodium hydroxide), 에탄올(ethanol), 질산(nitric acid), 염산(hydrochloric acid), 불산(hydrofluoric acid), 수산화 칼륨(potassium hydroxide), 황산(sulfuric acid), 메탄올(methanol) 및 과산화황산암모늄(ammonium persulfate) 중 적어도 하나의 용매를 포함하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 다공성 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 쉘의 내벽에 0.01 - 5 wt%의 함량 범위에 포함되는 함량의 이산화규소가 잔류하는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
(e) 상기 다공성 금속산화물 중공 스피어에 나노입자 촉매를 기능화하여 다공성 중공 촉매-금속산화물 복합 스피어를 형성하는 단계
를 더 포함하는 가스 센서용 부재의 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
함량이 0.01 wt% 내지 5 wt%의 함량 범위에 포함되는 촉매 입자를 상기 다공성의 금속산화물 중공 스피어를 형성하는 쉘의 내벽과 외벽에 결착시키는 것
을 특징으로 하는 가스 센서용 부재의 제조 방법.
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Cited By (2)
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| WO2021040210A1 (ko) * | 2019-08-27 | 2021-03-04 | 성균관대학교산학협력단 | 바이모달 다공성 구조체의 제조 방법 |
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