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KR20180015369A - Highly reliable complex for detecting gas having independence againt humidity, method for preparing the complex, gas sensor comprising the complex, and method for preparing the gas sensor - Google Patents

Highly reliable complex for detecting gas having independence againt humidity, method for preparing the complex, gas sensor comprising the complex, and method for preparing the gas sensor Download PDF

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KR20180015369A
KR20180015369A KR1020160098788A KR20160098788A KR20180015369A KR 20180015369 A KR20180015369 A KR 20180015369A KR 1020160098788 A KR1020160098788 A KR 1020160098788A KR 20160098788 A KR20160098788 A KR 20160098788A KR 20180015369 A KR20180015369 A KR 20180015369A
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KR
South Korea
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salt
gas
mixtures
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ceo
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Application number
KR1020160098788A
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Korean (ko)
Inventor
이종흔
윤지욱
김준식
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a complex for detecting gas, a manufacturing method for the same, a gas sensor including a complex for detecting gas as a gas sensing layer, and a manufacturing method for the same. The complex for detecting gas has stable and reliable detection performance in a moisture environment. Specifically, the complex for detecting gas includes: a nanostructure of an oxide semiconductor selected from a group composed of SnO_2, ZnO, WO_3, and NiO; and a CeO_2 additive soaked in the nanostructure. According to the present invention, the complex for detecting gas can rapidly detect gas to be detected at high sensitivity regardless of concentration and existence of the moisture by using the nanostructure of the oxygen semiconductor in which CeO_2 is evenly added.

Description

습기의 영향이 배제된 고신뢰성 가스 검출용 복합체, 그 제조방법, 상기 가스 검출용 복합체를 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법 {Highly reliable complex for detecting gas having independence againt humidity, method for preparing the complex, gas sensor comprising the complex, and method for preparing the gas sensor}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-reliability gas detection composite, a production method thereof, a gas sensor including the gas detection composite, and a method for preparing the gas sensor,

본 발명은 습기 환경에서도 안정적이고 신뢰성 있는 검출능을 나타내는 가스 검출용 복합체, 그 제조방법, 상기 가스 검출용 복합체를 가스 감응층으로 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas detecting complex which exhibits stable and reliable detection ability even in a humid environment, a method for producing the same, and a gas sensor including the gas detecting complex as a gas sensing layer and a method for producing the same.

산화물 반도체형 가스 센서는 1960년대 일본 큐슈 대학의 세이야마 교수 등에 의해서 최초로 제안된 이래로, 높은 감도, 소형 집적화, 간단한 동작회로, 저렴한 가격 등의 장점으로 인해서, 운전자 음주측정, 폭발성 가스 검출, 배기가스 검출, 유해가스 검지 등의 분야에서 널리 사용되어 왔다. 또한, 최근에는 인체 건강 및 환경오염에 대한 관심이 높아짐에 따라서, 실내외 환경가스 검출 센서, 질병 자가진단용 가스 센서, 모바일기기에 탑재 가능한 인공후각센서 등에 대한 수요도 급격히 증가하고 있다. 그러나, 산화물 반도체형 가스 센서는 외부의 습기와 쉽게 반응하여 성능 및 신뢰성이 크게 저하되는 근본적인 문제점을 가지고 있어 여전히 상용화에 난항을 겪고 있다.Oxide semiconductor type gas sensor has been proposed for the first time by Professor Seiyama of Kyushu University in Japan in the 1960s and has advantages such as high sensitivity, small size integration, simple operation circuit and low price, Detection, detection of noxious gas, and the like. In recent years, demand for indoor and outdoor environmental gas detection sensors, gas sensors for disease self-diagnosis, and artificial olfactory sensors that can be mounted on mobile devices have been rapidly increasing as interest in human health and environmental pollution has increased. However, since the oxide semiconductor type gas sensor has a fundamental problem in that it readily reacts with external moisture and greatly degrades performance and reliability, it still has difficulties in commercialization.

산화물 반도체형 가스 센서는 환원성 가스가 산화물 표면에 흡착되어 있는 산소 이온과 반응할 때 일어나는 저항변화를 통해 가스를 검출하는데, 대기 중에 수분이 존재할 경우, 수분이 마치 피검가스와 같이 산화물 표면의 산소이온을 먼저 소모하므로 가스감도가 크게 감소하고 센서저항이 변화하게 된다. 그러나, 산화물 반도체형 가스 센서는 대기 중에서 동작되므로 습기에 대한 노출을 피할 수 없으며, 습도는 날씨, 계절, 밤낮의 변화 등에 의해 매우 큰 폭으로 변하므로 센서의 습도 의존성을 해결하지 않고서는 안정적인 가스 감응 특성을 확보하는 것이 거의 불가능하다. 특히, 대기 중에 존재하는 습도는 일반적으로 수천-만 ppm 정도로 가스 센서가 측정하고자 하는 피검가스의 일반적인 농도 (수-수십 ppm)에 비해 매우 높기 때문에, 습도에 의한 저항변화 및 감도변화는 센서의 신뢰성 확보에서 가장 중요한 요소로 고려되어야 한다. 이와 같은 습도에 의한 산화물 반도체형 가스 센서의 현저한 성능 및 신뢰성 저하 문제는 가스 센서가 제안된 이래로 약 50년간 여전히 미해결의 난제로 남아있으며 센서의 상용화를 방해하는 주된 요인으로 작용하고 있다. 즉, 센서의 신뢰성을 높이고 다양한 응용분야에 활용하기 위해서는 습기의 존재유무 및 농도에 관계없이 일정한 가스감도 및 센서저항을 나타내는 고신뢰성 가스 센서를 개발하는 것이 무엇보다도 선결되어야 하는 과제이다.The oxide semiconductor type gas sensor detects the gas through a change in resistance that occurs when the reducing gas reacts with the oxygen ions adsorbed on the surface of the oxide. When moisture is present in the atmosphere, the water reacts with oxygen ions The gas sensitivity is greatly reduced and the sensor resistance is changed. However, since the oxide semiconductor type gas sensor operates in the atmosphere, exposure to moisture is inevitable, and the humidity varies greatly due to changes in weather, season, day and night, so that stable gas response It is almost impossible to secure the characteristics. Particularly, since the humidity present in the atmosphere is generally higher than the general concentration (several tens ppm) of the gas to be measured to be measured by the gas sensor in the range of several thousands to ten million ppm, the resistance change and the sensitivity change due to humidity, It should be considered as the most important factor in securing. Such a problem of deteriorating the performance and reliability of the oxide semiconductor gas sensor due to humidity has remained an unresolved problem for about 50 years since the gas sensor was proposed and serves as a main factor hindering commercialization of the sensor. In other words, in order to increase the reliability of the sensor and to utilize it in various applications, it is a priority to develop a highly reliable gas sensor that exhibits constant gas sensitivity and sensor resistance regardless of presence or concentration of moisture.

구체적으로, 대기 중 수분은 산화물 반도체 표면에서 마치 검출하고자 하는 가스와 같은 반응을 일으키기 때문에, (1) 습도변화에 의해 센서저항 및 가스감도가 크게 변화되고, (2) 고습도 분위기에서 가스감도가 수-수십 분의 일로 감소되는 심각한 문제점을 보유하는 바, 최근 산화물 반도체형 가스 센서 분야의 가장 큰 핵심 이슈로 센서 물질의 습도 안정성이 부각되고 있다. 그러나, 기존 산화물 반도체형 가스 센서에 관한 연구의 약 99% 이상이 여전히 건조 분위기에서의 가스 감응특성을 평가한 것으로서, 습도 분위기에서의 가스 센서에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 최근 4년 동안 보고된 습도에 의한 가스 감응특성 변화 연구는 단 12건 뿐이며, 이마저도 Kim 등이 보고한 연구결과 (비특허문헌 1)를 제외하면 특성 저하의 개선에 관한 방안을 제시하지 못하고, 해당 문제점을 언급한 수준에 불과하다.Specifically, since moisture in the atmosphere causes a reaction similar to a gas to be detected on the oxide semiconductor surface, (1) sensor resistance and gas sensitivity are largely changed by humidity change, (2) gas sensitivity is high in a high humidity atmosphere, - It has a serious problem that it is reduced to several tens of minutes. Recently, the humidity stability of the sensor material is highlighted as the most important issue in the oxide semiconductor type gas sensor field. However, more than 99% of studies on existing oxide semiconductor type gas sensors still evaluate the gas response characteristics in a dry atmosphere, and research on gas sensors in a humidity atmosphere has hardly been conducted. There are only 12 studies on the change in the gas response characteristics due to the humidity reported in the last four years. Except for the research results reported by Kim et al. (Non-Patent Document 1) It is only the level that mentioned the problem.

더 나아가, Kim 등의 연구결과에서도, Ni 이온이 SnO2 격자 내에 침투하여 수용체 수준 (acceptor level)을 형성함으로써 센서의 저항이 큰 폭으로 증가하고 가스감도가 저하되어 특정 가스에 대한 선택성을 확보할 수 없다는 문제점이 있으며, 또한 습도 분위기의 센서 저항이 건조 분위기의 센서 저항과 유사해지는데 매우 오랜 시간이 걸린다는 문제점을 나타냈다. 그럼에도 불구하고, 이러한 중요한 이슈에 대해 많은 연구가 이루어지지 않는 이유는 높은 가스 반응성을 가지고 있는 우수한 감응 물질일수록 수분과의 반응성도 역시 매우 크다는 근본적인 문제점을 가지고 있기 때문이다. 그러므로, 가스 센서의 습도의존성 문제를 해결하기 위해서는 새로운 고감도 소재를 찾는 것 보다는 습도의존성을 줄이거나 없앨 수 있는 첨가제를 설계하는 쪽이 더욱 효과적일 수 있다.Furthermore, Kim et al. Also found that the Ni ion penetrates into the SnO 2 lattice and forms an acceptor level, which greatly increases the resistance of the sensor and lowers the gas sensitivity. And the sensor resistance of the humidity atmosphere becomes very similar to the sensor resistance of the dry atmosphere, which is a long time. Nevertheless, many researches on this important issue have not been made because the fundamental problem is that the more sensitive substances with high gas reactivity, the greater the reactivity with moisture. Therefore, to solve the humidity dependence problem of the gas sensor, it may be more effective to design additives that can reduce or eliminate the humidity dependence rather than finding a new high sensitivity material.

관련하여, 본 발명자들 역시 전술한 문제점을 인식하고, 다양한 환원성 가스에 대해서 수분의 영향 없이, 초고감도, 고선택성 및 고속응답 특성을 나타낼 수 있는 가스 센서를 제공하고자, 산화인듐 중공구조 및 산화세륨 나노입자를 포함하는 가스 검출용 복합체 및 그 제조방법 등에 대해서 보고한 바 있다 (특허문헌 1).The present inventors have also recognized the above-described problems and have proposed a gas sensor capable of exhibiting ultra-high sensitivity, high selectivity, and high-speed response characteristics without affecting moisture for various reducing gases. A gas detecting complex comprising nanoparticles, a method of producing the same, and the like have been reported (Patent Document 1).

특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1594734호Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 10-1594734

비특허문헌 1: H.-R. Kim, Adv. Funct. Mater. 21 (2011) 4456-4463Non-Patent Document 1: H.-R. Kim, Adv. Funct. Mater. 21 (2011) 4456-4463

이에 본 발명에서는, 다양한 산화물 반도체 나노구조체에 균일하게 CeO2 첨가제를 담지시킴으로써 제조된 가스 센서를 통해서 습기의 존재유무 및 농도에 관계 없이 가스 감도 및 센서 저항이 매우 빠른 시간 내에 일정하게 도출될 수 있는 고신뢰성 가스 검출용 복합체, 그 제조방법, 상기 가스 검출용 복합체를 가스 감응층으로 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.Therefore, in the present invention, gas sensitivity and sensor resistance can be constantly derived in a very short time regardless of the presence or absence of moisture through a gas sensor manufactured by supporting a CeO 2 additive uniformly on various oxide semiconductor nanostructures A gas sensor including the gas sensing complex as a gas sensing layer, and a method of manufacturing the same.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위해서,In order to solve the first problem,

SnO2, ZnO, WO3 및 NiO로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물 반도체의 나노구조체; 및SnO 2 , ZnO, WO 3, and NiO; And

상기 나노구조체에 담지된 CeO2 첨가제를 포함하는 가스 검출용 복합체를 제공한다.And a CeO 2 additive supported on the nanostructure.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 나노구조체는 중공구조 또는 난황구조를 갖는 나노구조체일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the nanostructure may be a nanostructure having a hollow structure or an egg yolk structure.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 CeO2 첨가제는 상기 나노구조체의 표면에 도포될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the CeO 2 additive may be applied to the surface of the nanostructure.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 CeO2 첨가제는 상기 가스 센서 총중량을 기준으로 3 중량% 내지 30 중량%의 함량으로 담지될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the CeO 2 additive may be supported in an amount of 3 wt% to 30 wt% based on the total weight of the gas sensor.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 가스는 아세톤, 포름알데히드, 에탄올, 일산화탄소 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 환원성 가스일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the gas may be a reducing gas selected from the group consisting of acetone, formaldehyde, ethanol, carbon monoxide and mixtures thereof.

또한, 본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위해서,Further, in order to solve the second problem,

a) Sn 염, Zn 염, W 염 및 Ni 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염; Ce 염; 및 유기산 또는 당을 포함하는 용액을 제조하는 단계;a) at least one salt selected from the group consisting of an Sn salt, a Zn salt, a W salt and a Ni salt; Ce salt; And a solution comprising an organic acid or a sugar;

b) 상기 용액을 분무열분해 장치를 통해서 분사하여 분무열분해 반응을 수행하는 단계; 및b) spraying the solution through a spray pyrolyzer to perform a spray pyrolysis reaction; And

c) 상기 분무열분해 반응 결과물로서 미분말을 수득하는 단계를 포함하는 가스 검출용 복합체의 제조방법을 제공한다.c) obtaining a fine powder as a result of the spray pyrolysis reaction.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 Sn 염은 SnC2O4, SnCl4·xH2O (x는 2 또는 5), Sn(CH3COO)4 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Zn 염은 Zn(NO3)2·6H2O, ZnCl2, Zn(CH3COO)2·2H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 W 염은 WO3, (NH4)10H2(W2O7)6 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Ni 염은 Ni(NO3)2·6H2O, NiCl2·6H2O, Ni(CH3COO)2·4H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 Ce 염은 Ce(NO3)3·6H2O, Ce(SO4)24H2O, CeCl34H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 유기산은 시트르산, 에틸렌글리콜 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 당은 수크로오스, 글루코오스 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Sn salt is SnC 2 O 4 , SnCl 4 .xH 2 O (x is 2 or 5), Sn (CH 3 COO) 4 And mixtures thereof; Wherein the Zn salt is selected from the group consisting of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, ZnCl 2 , Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O and mixtures thereof; Wherein said W salt is selected from the group consisting of WO 3 , (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 and mixtures thereof; Wherein the Ni salt is selected from the group consisting of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiCl 2 .6H 2 O, Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and mixtures thereof; Wherein the Ce salt is selected from the group consisting of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ce (SO 4 ) 2 4H 2 O, CeCl 3 4H 2 O and mixtures thereof; The organic acid is selected from the group consisting of citric acid, ethylene glycol and mixtures thereof; The sugar may be selected from the group consisting of sucrose, glucose and mixtures thereof.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 상기 분무열분해 반응은 상기 용액을 2 L/m 내지 50 L/m의 분사 속도로, 600 ℃ 내지 1100 ℃로 가열된 전기로 내부로 분사시킴으로써 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the spray pyrolysis reaction in step b) is carried out by injecting the solution into an electric furnace heated at 600 ° C to 1100 ° C at an injection rate of 2 L / m to 50 L / m .

또한, 본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위해서,Further, in order to solve the second problem,

a) Sn 염, Zn 염, W 염 및 Ni 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염을 용매 중에 분산시킨 분산액을 제조하는 단계;a) preparing a dispersion in which at least one salt selected from the group consisting of an Sn salt, a Zn salt, a W salt and a Ni salt is dispersed in a solvent;

b) 상기 분산액에 Ce 염을 첨가하고 환원시키는 단계; 및b) adding and reducing Ce salt to the dispersion; And

c) 상기 환원 결과물로서 미분말을 수득하는 단계를 포함하는 가스 검출용 복합체의 제조방법을 제공한다.and c) obtaining a fine powder as a result of the reduction.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 Sn 염은 SnC2O4, SnCl4·xH2O (x는 2 또는 5), Sn(CH3COO)4 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Zn 염은 Zn(NO3)2·6H2O, ZnCl2, Zn(CH3COO)2·2H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 W 염은 WO3, (NH4)10H2(W2O7)6 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Ni 염은 Ni(NO3)2·6H2O, NiCl2·6H2O, Ni(CH3COO)2·4H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 Ce 염은 Ce(NO3)3·6H2O, Ce(SO4)24H2O, CeCl34H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Sn salt is SnC 2 O 4 , SnCl 4 .xH 2 O (x is 2 or 5), Sn (CH 3 COO) 4 And mixtures thereof; Wherein the Zn salt is selected from the group consisting of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, ZnCl 2 , Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O and mixtures thereof; Wherein said W salt is selected from the group consisting of WO 3 , (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 and mixtures thereof; Wherein the Ni salt is selected from the group consisting of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiCl 2 .6H 2 O, Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and mixtures thereof; The Ce salt may be selected from the group consisting of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ce (SO 4 ) 2 4H 2 O, CeCl 3 4H 2 O, and mixtures thereof.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 환원 반응은 환원제로서 NaBH4, 히드라진 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 첨가해줌으로써 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the reduction reaction in step b) may be performed by adding a material selected from the group consisting of NaBH 4 , hydrazine, and mixtures thereof as a reducing agent.

또한, 본 발명은 상기 가스 검출용 복합체를 가스 감응층으로 포함하는 가스 검출용 가스 센서를 제공한다.The present invention also provides a gas sensor gas for gas detection comprising the gas sensing complex as a gas sensing layer.

또한, 본 발명은,Further, according to the present invention,

상기 가스 검출용 복합체 및 바인더를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 및Preparing a solution comprising the gas sensing complex and a binder; And

상기 용액을 기판 상에 코팅, 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조방법을 제공한다.And coating, drying and heat treating the solution on a substrate.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 코팅은 드롭-코팅 공정에 의해서 수행되며, 상기 건조는 70 ℃ 내지 120 ℃에서 12 시간 내지 24 시간 동안 수행되고, 상기 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃에서 1 시간 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the coating is performed by a drop-coating process, wherein the drying is performed at 70 ° C to 120 ° C for 12 to 24 hours and the heat treatment is performed at 500 ° C to 900 ° C for 1 hour To 6 hours.

본 발명에 따르면, CeO2가 균일하게 첨가된 산화물 반도체 나노구조체를 사용하여 습기의 존재유무 및 농도에 무관하게 검출대상이 되는 가스에 대해서 높은 감도로 신속한 검출이 가능한 가스 검출용 복합체, 그 제조방법, 상기 가스 검출용 복합체를 가스 감응층으로 포함하는 가스 센서 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided a gas detection complex capable of rapidly detecting a gas to be detected with a high sensitivity regardless of the presence or concentration of moisture using an oxide semiconductor nanostructure in which CeO 2 is uniformly added, , A gas sensor including the gas sensing complex as a gas sensing layer, and a manufacturing method thereof.

도 1은 초음파 분무 열분해법을 사용하여 실시예 1-1 및 실시예 1-2에 따른 중공구조 가스 센서를 제조하는 방법에 대한 개략적인 공정도이다.
도 2는 초음파 분무 열분해법을 사용하여 실시예 2-1 및 실시예 2-2에 따른 난황구조 가스 센서를 제조하는 방법에 대한 개략적인 공정도이다.
도 3은 용액교반법을 사용하여 실시예 3에 따른 가스 센서를 제조하는 방법에 대한 개략적인 공정도이다.
도 4는 초음파 분무열분해법을 통해 합성한 순수한 SnO2 (비교예 1-1, a) 및 ZnO (비교예 1-2, c) 중공구조 미분말; WO3 (비교예 2-1, e) 및 NiO (비교예 2-2, g) 난황구조 미분말; 및 실시예 1-1 (b), 실시예 1-2 (d), 실시예 2-1 (f), 실시예 2-2 (h) 미분말에 대한 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 5는 용액교반법을 이용하여 합성한 실시예 3 (b) 및 상용 SnO2 미분말 (비교예 3) (a)에 대한 SEM 사진이다.
도 6은 XRD를 이용한 실시예 1-1, 비교예 1-1, 실시예 1-2, 비교예 1-2, 실시예 2-1, 비교예 2-1, 실시예 2-2 및 비교예 2-2에 대한 상분석 결과이다.
도 7은 XRD를 이용한 실시예 3 및 비교예 3에 대한 상분석 결과이다.
도 8은 450 ℃에서 측정한 비교예 1-1, 실시예 1-1의 건조 분위기와 상대습도 80% 분위기에서의 20 ppm 아세톤 가스 감응 트랜지언트 (transient) 및 가스감도 비교결과이다.
도 9는 450℃에서 측정한 비교예 1-1, 실시예 1-1, 비교예 1-2, 실시예 1-2, 비교예 2-1, 실시예 2-1, 비교예 2-2 및 실시예 2-2의 건조 분위기와 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서의 20 ppm의 아세톤 가스감도 비교결과이다.
도 10은 450℃에서 측정한 비교예 1-1, 실시예 1-1, 비교예 1-2, 실시예 1-2, 비교예 2-1, 실시예 2-1, 비교예 2-2 및 실시예 2-2의 건조 분위기와 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서의 센서저항 비교결과이다.
도 11은 450 ℃에서 측정한 비교예 3 및 실시예 3에 따른 가스 센서들의 건조 분위기와 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서의 20 ppm의 아세톤 가스감도를 비교한 결과이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a schematic process diagram of a method for manufacturing a hollow structure gas sensor according to Examples 1-1 and 1-2 using an ultrasonic spray pyrolysis method. FIG.
FIG. 2 is a schematic process diagram of a method for manufacturing an egg yolk structure gas sensor according to Examples 2-1 and 2-2 using ultrasonic spray pyrolysis. FIG.
3 is a schematic flow diagram of a method of manufacturing a gas sensor according to Example 3 using a solution stirring method.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pure SnO 2 (Comparative Example 1-1, a) and ZnO (Comparative Example 1-2, c) hollow structure fine powder synthesized through ultrasonic spray pyrolysis; WO 3 (Comparative Example 2-1, e) and NiO (Comparative Example 2-2, g) egg yolk structure fine powder; And Examples 2-1 (b), 1-2 (d), 2-1 (f) and 2-2 (h).
5 is an SEM photograph of Example 3 (b) synthesized using a solution stirring method and a commercial SnO 2 fine powder (Comparative Example 3) (a).
Fig. 6 is a graph showing the results of the comparison between the results of Example 1-1, Comparative Example 1-1, Example 1-2, Comparative Example 1-2, Example 2-1, Comparative Example 2-1, Example 2-2 and Comparative Example using XRD This is the result of phase analysis for 2-2.
FIG. 7 shows phase analysis results for Example 3 and Comparative Example 3 using XRD.
Fig. 8 shows the results of comparison between the dry atmosphere of Comparative Examples 1-1 and 1-1 and the 20 ppm acetone gas sensitive transient and the gas sensitivity in an atmosphere of 80% relative humidity measured at 450 ° C.
FIG. 9 is a graph showing the results of the comparison of Comparative Examples 1-1, 1-1, 1-2, 1-2, 2-1, 2-1, 2-2, The results are compared with the dry atmosphere of Example 2-2 and the acetone gas sensitivity of 20 ppm at 20, 50 and 80% relative humidity.
FIG. 10 is a graph showing the results of the comparison of Comparative Examples 1-1, 1-1 and 1-2, Example 1-2, Comparative Example 2-1, Example 2-1, Comparative Example 2-2, The results of the sensor resistance comparison in the dry atmosphere of Example 2-2 and the relative humidity of 20, 50, and 80% atmosphere.
11 shows the results of comparing the sensitivity of the gas sensors of Comparative Example 3 and Example 3 measured at 450 ° C with the sensitivity of acetone gas at 20 ppm in a dry atmosphere and a relative humidity of 20, 50 and 80%.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서, CeO2가 균일하게 첨가된 산화물 반도체 나노구조체를 기반으로 하는 가스 검출용 복합체를 제공한다. 여기에서, 산화물 반도체 나노구조체는 검출 가스에 대한 주된 가스 감응체의 역할을 수행하며, 첨가되는 CeO2는 외부에서 유입되는 습기를 선택적으로 흡수하고 제거하는 역할을 한다.The present invention provides a gas sensing complex based on an oxide semiconductor nanostructure in which CeO 2 is uniformly added in order to solve the problems of the prior art as described above. Here, the oxide semiconductor nanostructure plays a role as a main gas sensor for the detection gas, and the added CeO 2 selectively absorbs and removes the moisture introduced from the outside.

CeO2는 우수한 원자가 전환능력을 통해 격자산소 및 산소이온을 매우 빠른 속도로 전달시켜주는 이온전도체로서, 최근 PEMFC 분야에서 장시간구동으로 PEM 표면에 생성되는 수산기를 제거해주는 역할을 수행할 수 있다고 보고된 바가 있다 (V. Prabhakaran, PNAS (2012) 109, 1029-1034). 이에, 본 발명에서는 CeO2 나노입자를 가스 감응체 표면에 도포할 경우, 습기흡착 반응인 하기 반응식 1의 역반응을 유도할 수 있을 것으로 판단하였고, 측정결과 실제로 센서의 습도의존성은 미미한 수준으로 감소하였다. CeO 2 is an ion conductor that transports lattice oxygen and oxygen ions at a very high rate through its excellent atomic conversion ability. It has recently been reported that PEMFC can perform a role of eliminating the hydroxyl groups generated on the PEM surface by driving for a long time There is a bar (V. Prabhakaran, PNAS (2012) 109, 1029-1034). In the present invention, when the CeO 2 nanoparticles are applied to the surface of the gas sensitive material, it is determined that the reverse reaction of the following reaction formula 1, which is a moisture adsorption reaction, can be induced. As a result, the humidity dependency of the sensor is actually reduced to a negligible level .

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

O- + H2O → 2OH + e- O - + H 2 O → 2OH + e -

이때, CeO2 나노입자는 하기에 서술한 반응식들에 따라서 습도 의존성을 제거한 것으로 판단된다. 즉, CeO2 나노입자 내 Ce4 +는 습기와의 반응으로 Ce3 +로 전환되고 수소이온과 산소를 발생시킨다 (반응식 2). 이때 생성된 Ce3 +와 수소이온은 반응식 3을 통해 가스 감응체 표면에 형성된 수산기와 반응하여 Ce3 +는 Ce4 +로 산화되고 물이 생성되어 탈착된다 (반응식 4). 마지막으로 반응식 2에서 발생한 산소는 반응식 3에서 가스감응체 표면으로 주입된 전자와 반응하여 다시 산소이온으로 재생된다 (반응식5).At this time, it is judged that the CeO 2 nanoparticles remove the humidity dependence according to the following reaction equations. In other words, Ce 4 + in CeO 2 nanoparticles is converted to Ce 3 + by reaction with moisture and generates hydrogen ions and oxygen (Reaction 2). In this case, the generated Ce 3 + and hydrogen ions react with the hydroxyl group formed on the surface of the gas sensor through the reaction formula 3, so that Ce 3 + is oxidized to Ce 4 + , and water is generated and desorbed (Scheme 4). Finally, the oxygen generated in Reaction Scheme 2 reacts with the electrons injected into the surface of the gas sensor in Reaction Scheme 3 and is regenerated again as oxygen ions (Scheme 5).

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

4Ce4 + + 2H2O → 4Ce3 + + 4H+ + O2 4Ce 4 + + 2H 2 O - &gt; 4Ce 3 + + 4H + + O 2

<반응식 3><Reaction Scheme 3>

O(M) - + H2O → 2OH(M) + e(M) - O (M) - + H 2 O → 2OH (M) + e (M) -

<반응식 4><Reaction Scheme 4>

OH(M) + Ce3 + + H+ → Ce4 + + H2OOH (M) + Ce + 3 + H + → Ce + 4 + H 2 O

<반응식 5><Reaction Scheme 5>

1/2 O2 + e(M) - → O(M) - 1/2 O 2 + e (M) - &gt; O (M) -

상기 일련의 과정은 CeO2의 우수한 원자가 전환능력으로 인해서 (L. Xu, Inorg. Chem. 49 (2010) 10590-10597) 반복적으로 발생하여 센서표면이 습기에 피독되는 것을 방지하게 된다.This series of processes occurs repeatedly due to the excellent transition properties of CeO 2 (L. Xu, Inorg. Chem. 49 (2010) 10590-10597), thereby preventing the sensor surface from being poisoned by moisture.

전술한 일련의 과정을 통해 CeO2 나노입자는 외부로부터 끊임없이 공급되는 다량의 습기로부터 주 감응소재인 SnO2, ZnO, WO3, NiO 등의 산화물 반도체 나노구조체를 보호하여 센서의 습도의존성을 최소화시키거나 없애는 역할을 수행하게 된다. 이와 같은 반응은 CeO2와 가스 감응체가 접해있는 부분의 인접한 계면영역에서만 발생하기 때문에 가스 감응체 표면 대부분을 습기로부터 보호하기 위해서는 일정량 이상의 CeO2 나노입자가 가스감응체 표면에 도포되어야 한다. 그러나, 과량의 CeO2가 도포될 경우 CeO2 나노입자가 서로 연결되어 센서의 저항을 변화시키거나, 가스 감응체를 통한 전도를 방해하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, CeO2가 센서의 저항변화, 가스 감응 반응에 최소한의 영향을 미치면서도 효과적으로 외부에서 공급되는 습기를 제거하기 위해서는 적정한 농도의 CeO2가 가스 감응체 대부분에 불연속적으로 균일하게 존재하는 것이 필수적이다.Through a series of the above processes, CeO 2 The nanoparticles protect oxide semiconductor nanostructures such as SnO 2 , ZnO, WO 3 , and NiO, which are the main sensitizing materials, from a large amount of moisture continuously supplied from the outside, thereby minimizing or eliminating the humidity dependence of the sensor. In order to protect most of the surface of the gas sensitive body from moisture, a certain amount of CeO 2 nanoparticles should be applied to the surface of the gas sensitive body, since such a reaction occurs only in the interface region between the portion where CeO 2 and the gas sensitive body contact each other. However, when excessive CeO 2 is applied, CeO 2 The nanoparticles may be connected to each other to change the resistance of the sensor or obstruct conduction through the gas sensitive body. Therefore, in order to effectively remove moisture supplied from the outside while CeO 2 minimally affects the resistance change and the gas response of the sensor, it is essential that the proper concentration of CeO 2 is discontinuously and uniformly present in most of the gas sensitized bodies to be.

이에, 본 발명에서는,Thus, in the present invention,

SnO2, ZnO, WO3 및 NiO로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물 반도체의 나노구조체; 및SnO 2 , ZnO, WO 3, and NiO; And

상기 나노구조체에 담지된 CeO2 첨가제를 포함하는 가스 검출용 복합체를 제공한다.And a CeO 2 additive supported on the nanostructure.

상기 나노구조체는 후술하는 바와 같이, 중공구조 또는 난황구조를 갖는 나노구조체일 수 있는 바, SnO2 또는 ZnO 산화물 반도체를 사용하는 경우 중공구조가, WO3 또는 NiO 산화물 반도체를 사용하는 경우 난황구조가 제조될 수 있다.As described later, the nanostructure may be a nanostructure having a hollow structure or an egg yolk structure. When a SnO 2 or ZnO oxide semiconductor is used, a hollow structure is used. When WO 3 or NiO oxide semiconductor is used, .

또한, 습기로부터의 효과적인 보호 및 가스 감응 반응에 미치는 영향을 최소화하기 위해서, 상기 CeO2 첨가제는 상기 나노구조체의 표면에 도포될 수 있다.In addition, the CeO 2 additive may be applied to the surface of the nanostructure in order to minimize the effect of moisture on the effective protection and gas response.

더 나아가, 상기 CeO2 첨가제는 상기 가스 센서 총중량을 기준으로 3 중량% 내지 30 중량%의 함량으로 담지될 수 있는데, 3 중량% 미만인 경우에는 가스 감응체를 습기로부터 보호하는 효과가 미미하다는 문제점이 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 CeO2 나노입자가 서로 연결되어 센서의 저항을 변화시키거나, 가스 감응체를 통한 전도를 방해하는 문제점이 있다.Further, the CeO 2 additive may be supported in an amount of 3 to 30 wt% based on the total weight of the gas sensor. When the CeO 2 additive is less than 3 wt%, the effect of protecting the gas sensor from moisture is insufficient And when it exceeds 30% by weight, CeO 2 There is a problem that the nanoparticles are connected to each other to change the resistance of the sensor or obstruct conduction through the gas sensitive body.

한편, 본 발명에 따른 가스 검출용 복합체는, 아세톤, 포름알데히드, 에탄올, 일산화탄소 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 다양한 환원성 가스의 검출에 사용이 가능하다.Meanwhile, the gas sensing complex according to the present invention can be used for the detection of various reducing gases selected from the group consisting of acetone, formaldehyde, ethanol, carbon monoxide and mixtures thereof.

또한, 본 발명은 상기 가스 검출용 복합체의 제조방법을 제공하는 바, 본 발명에 따른 방법은,Further, the present invention provides a method for producing the above-described gas sensing complex,

a) Sn 염, Zn 염, W 염 및 Ni 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염; Ce 염; 및 유기산 또는 당을 포함하는 용액을 제조하는 단계;a) at least one salt selected from the group consisting of an Sn salt, a Zn salt, a W salt and a Ni salt; Ce salt; And a solution comprising an organic acid or a sugar;

b) 상기 용액을 분무열분해 장치를 통해서 분사하여 분무열분해 반응을 수행하b) spraying the solution through a spray pyrolyzer to perform a spray pyrolysis reaction

는 단계; 및A step; And

c) 상기 분무열분해 반응 결과물로서 미분말을 수득하는 단계를 포함한다.and c) obtaining a fine powder as a result of the spray pyrolysis reaction.

이에 제한되는 것은 아니지만, 상기 Sn 염은 SnC2O4, SnCl4·xH2O (x는 2 또는 5), Sn(CH3COO)4 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Zn 염은 Zn(NO3)2·6H2O, ZnCl2, Zn(CH3COO)2·2H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 W 염은 WO3, (NH4)10H2(W2O7)6 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Ni 염은 Ni(NO3)2·6H2O, NiCl2·6H2O, Ni(CH3COO)2·4H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 Ce 염은 Ce(NO3)3·6H2O, Ce(SO4)24H2O, CeCl34H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이다.The Sn salt may be SnC 2 O 4 , SnCl 4 .xH 2 O (x is 2 or 5), Sn (CH 3 COO) 4 And mixtures thereof; Wherein the Zn salt is selected from the group consisting of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, ZnCl 2 , Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O and mixtures thereof; Wherein said W salt is selected from the group consisting of WO 3 , (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 and mixtures thereof; Wherein the Ni salt is selected from the group consisting of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiCl 2 .6H 2 O, Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and mixtures thereof; The Ce salt is selected from the group consisting of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ce (SO 4 ) 2 4H 2 O, CeCl 3 4H 2 O and mixtures thereof.

이때, Sn 염 또는 Zn 염을 사용하여 중공구조를 갖는 나노구조체에 CeO2를 첨가시키는 경우에는, 상기 a) 단계의 용액에 유기산을 첨가해주게 되는 바, 상기 유기산은 시트르산, 에틸렌글리콜 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.At this time, when CeO 2 is added to the nanostructure having a hollow structure by using the Sn salt or the Zn salt, the organic acid is added to the solution of step a), and the organic acid is citric acid, ethylene glycol, Lt; / RTI &gt;

또한, W 염 또는 Ni 염을 사용하여 난황구조를 갖는 나노구조체에 CeO2를 첨가시키는 경우에는, 상기 당은 수크로오스, 글루코오스 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.In the case of the addition of CeO 2 nano-structure having a yolk structure using the W salt or Ni salt, the sugar can be selected from sucrose, glucose and mixtures thereof.

한편, 상기 분무열분해 반응은 상기 a) 단계로부터 제조된 용액을 2 L/m 내지 50 L/m의 분사 속도로, 600 ℃ 내지 1100 ℃로 가열된 전기로 내부로 분사시키는 조건으로 수행될 수 있다.Meanwhile, the spray pyrolysis reaction may be performed under the condition that the solution prepared from the step a) is injected into the electric furnace heated at 600 ° C to 1100 ° C at an injection rate of 2 L / m to 50 L / m .

또한, 본 발명에 따른 가스 검출용 복합체는 전술한 분무열분해 반응에 의해서 제조하는 것도 가능하지만, 경우에 따라서는 액상 교반법에 의해서 제조하는 것도 가능한 바, 액상 교반법에 따른 방법은,The gas-detecting complex according to the present invention can be produced by the spray pyrolysis reaction described above, but it can also be produced by a liquid-phase stirring method,

a) Sn 염, Zn 염, W 염 및 Ni 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염을 용매 중에 분산시킨 분산액을 제조하는 단계;a) preparing a dispersion in which at least one salt selected from the group consisting of an Sn salt, a Zn salt, a W salt and a Ni salt is dispersed in a solvent;

b) 상기 분산액에 Ce 염을 첨가하고 환원시키는 단계; 및b) adding and reducing Ce salt to the dispersion; And

c) 상기 환원 결과물로서 미분말을 수득하는 단계를 포함한다.c) obtaining a fine powder as the reduction product.

상기 액상 교반법의 경우, 상기 Sn 염, 상기 Zn 염, 상기 W 염, 상기 Ni 염 및 상기 Ce 염은 분무열분해 반응에서 서술한 바와 동일하다.In the case of the liquid stirring method, the Sn salt, the Zn salt, the W salt, the Ni salt and the Ce salt are the same as those described in the spray pyrolysis reaction.

한편, 액상 교반법의 경우, CeO2가 첨가된 나노구조체의 제조를 위해서는 혼합 용액을 환원시키는 단계가 수행되어야 하는 바, 이때 환원제로는 NaBH4, 히드라진 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 사용할 수 있다.On the other hand, in the case of the liquid-phase stirring method, a step of reducing the mixed solution must be carried out in order to prepare the nanostructure to which CeO 2 is added, wherein the reducing agent is selected from the group consisting of NaBH 4 , hydrazine and mixtures thereof .

또한, 본 발명은 상기 가스 검출용 복합체를 가스 감응층으로 포함하는 가스 검출용 가스 센서를 제공하며, 이러한 가스 센서는,The present invention also provides a gas sensing gas sensor comprising the gas sensing complex as a gas sensing layer,

상기 가스 검출용 복합체 및 바인더를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 및Preparing a solution comprising the gas sensing complex and a binder; And

상기 용액을 기판 상에 코팅, 건조 및 열처리하는 단계에 의해서 제조가능하다.Drying, and heat treating the solution on a substrate.

이때, 상기 코팅은 드롭-코팅 공정에 의해서 수행되며, 상기 건조는 70 ℃ 내지 120 ℃에서 12 시간 내지 24 시간 동안 수행되고, 상기 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃에서 1 시간 내지 6 시간 동안 수행될 수 있다.Here, the coating is performed by a drop-coating process, and the drying is performed at 70 ° C to 120 ° C for 12 to 24 hours, and the heat treatment may be performed at 500 ° C to 900 ° C for 1 hour to 6 hours have.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are intended to assist the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

아세톤은 실내외 환경오염가스임과 동시에 당뇨를 앓고 있는 사람의 호기에서 검출되는 바이오 마커 가스이므로, 이를 습기의 존재유무 및 농도에 관계없이 선택적으로 검출하는 것은 매우 중요한 문제이다. 따라서, 하기 실시예에서는 아세톤을 주된 측정가스로 선택하여 외부의 습기가 센서의 가스감도 및 센서 저항 등에 미치는 영향에 대해서 분석하였다.Acetone is a biomarker gas that is detected both in indoor and outdoor environment pollution gas and in the exhalation of people suffering from diabetes. Therefore, it is very important to selectively detect acetone, regardless of presence or concentration of moisture. Therefore, in the following examples, acetone was selected as the main measurement gas, and the influence of external moisture on the gas sensitivity and sensor resistance of the sensor was analyzed.

본 발명에서는 순수한 SnO2 중공구조 미분말 (비교예 1-1), 순수한 ZnO 중공구조 미분말 (비교예 1-2), 순수한 WO3 난황구조 미분말 (비교예 2-1), 및 순수한 NiO (비교예 2-2) 난황구조 미분말을 사용하여 비교예에 따른 가스 센서를 제작하였다. 또한, 3 wt%의 CeO2가 첨가된 SnO2 중공구조 (실시예 1-1), 5 wt%의 CeO2가 첨가된 ZnO 중공구조 (실시예 1-2), 12 wt%의 CeO2가 첨가된 WO3 난황구조 (실시예 2-1), 및 30 wt%의 CeO2가 첨가된 NiO 난황구조 (실시예 2-2)를 초음파 분무열분해 법을 이용하여 합성한 다음, 이를 사용하여 가스 센서를 제작하였다. 전술한 바와 같이 제작된 가스 센서들에 대해서, 센서의 습도의존성 및 가스감도, 센서저항 등을 비교하였다. 또한, 액상 교반법으로 제조된 3 wt%의 CeO2 나노입자가 첨가된 SnO2 중공구조 미분말을 사용하여 가스 센서 (실시예 3)를 제작하여 합성방법에 따른 습도의존성 및 가스 감응특성의 차이를 평가하였다. 도 1 내지 3에는 각각 초음파 분무 열분해법을 사용하여 실시예 1-1 및 실시예 1-2에 따른 중공구조 가스 센서를 제조하는 방법에 대한 공정도 (도 1), 초음파 분무 열분해법을 사용하여 실시예 2-1 및 실시예 2-2에 따른 난황구조 가스 센서를 제조하는 방법에 대한 공정도 (도 2), 및 용액교반법을 사용하여 실시예 3에 따른 가스 센서를 제조하는 방법에 대한 공정도 (도 3)를 각각 도시하였다.In the present invention, pure SnO 2 hollow structure fine powder (Comparative Example 1-1), pure ZnO hollow structure fine powder (Comparative Example 1-2), pure WO 3 egg yolk structure fine powder (Comparative Example 2-1), and pure NiO 2-2) A gas sensor according to a comparative example was prepared using egg yolk structure fine powder. In addition, the hollow structure of 3 SnO 2 wt% CeO 2 is added (Example 1-1), ZnO hollow structure of the 5 wt% CeO 2 is added (Example 1-2), 12 wt% CeO 2 is the addition of WO 3 yolk structure (example 2-1), and a 30 wt% CeO 2 is added to the egg yolk structure NiO (example 2-2), the synthesis using ultrasonic spray pyrolysis, and then use this gas The sensor was fabricated. For the gas sensors manufactured as described above, the humidity dependency of the sensor, the gas sensitivity, and the sensor resistance were compared. In addition, the gas sensor (Example 3) was manufactured using the SnO 2 hollow structure fine powder added with the 3 wt% CeO 2 nanoparticles prepared by the liquid stirring method, and the difference in humidity dependence and gas sensitivity characteristics Respectively. 1 to 3 are a process chart (Fig. 1) for producing a hollow structure gas sensor according to Examples 1-1 and 1-2, respectively, by ultrasonic atomization pyrolysis, ultrasonic atomization pyrolysis (FIG. 2) for a method of manufacturing an egg yolk structure gas sensor according to Examples 2-1 and 2-2, and a method for manufacturing a gas sensor according to Example 3 using a solution stirring method (Fig. 3).

실시예Example 1-1 및  1-1 and 비교예Comparative Example 1-1 1-1

300 mL의 3차 증류수에 0.05 M의 Tin oxalate (SnC2O4, 98%, Sigma-Aldrich, USA)와 0.15 M의 Citric acid monohydrate (C6H8O7·H2O, ≥99.0%, Sigma-Aldrich, USA)를 넣고 30분간 교반시킨 후 분무용액을 제조하였다. 준비된 분무용액에 Ce/Sn의 무게비가 3/97에 해당하도록 계산하여 Ce nitrate hexahydrate (Ce(NO3)3·6H2O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA)를 첨가한 뒤 5분간 교반시킨 후 초음파 분무하였다. 초음파를 통해서 형성된 마이크로 크기의 액적들은 5 L·min-1의 유량으로 (O2) 900 ℃의 반응로를 거치면서 즉각적으로 열처리하여 3 wt%의 CeO2가 균일하게 첨가된 SnO2 중공구조를 합성하였다 (실시예 1-1). CeO2가 첨가되지 않은 순수한 SnO2 중공구조의 경우 Ce 소스의 첨가 없이 동일한 과정을 통해 합성하였다 (비교예 1-1).To 300 mL of tertiary distilled water was added 0.05 M Tin oxalate (SnC 2 O 4 , 98%, Sigma-Aldrich, USA) and 0.15 M citric acid monohydrate (C 6 H 8 O 7 .H 2 O, ≥99.0% Sigma-Aldrich, USA) and stirred for 30 minutes to prepare a spray solution. Ce nitrate hexahydrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA) was added to the prepared spray solution so that the weight ratio of Ce / Followed by ultrasonic atomization. Micro-sized droplets formed through ultrasound were annealed at a flow rate of 5 L · min -1 (O 2 ) at 900 ° C and immediately annealed to form a SnO 2 hollow structure uniformly doped with 3 wt% CeO 2 (Example 1-1). The pure SnO 2 hollow structure without CeO 2 was synthesized by the same procedure without addition of Ce source (Comparative Example 1-1).

합성된 미분말을 3차 증류수와 혼합하여 Au 전극이 형성된 알루미나 기판에 드랍코팅하고, 500 ℃에서 2시간 동안 열처리하여 가스 센서를 제작하였다. 제작한 센서를 450 ℃에서, i) 건조 분위기의 공기, ii) 20, 50, 80 % 상대습도 분위기의 공기, iii) 건조분위기의 공기 + 20 ppm 아세톤, 및 iv) 20, 50, 80 % 상대습도 분위기의 공기 + 20 ppm 아세톤을 번갈아 가며 주입하여 저항의 변화를 측정하였다. 아세톤은 미리 혼합시킨 후 4-way 밸브를 이용하여 농도를 급격히 변화시켰다. 총 유량은 100 SCCM으로 고정하여 가스농도 변화 시, 온도 차이가 나지 않도록 하였다.The synthesized fine powder was mixed with tertiary distilled water, dropped on an alumina substrate having Au electrode formed thereon, and heat treated at 500 ° C for 2 hours to prepare a gas sensor. I) the air in a dry atmosphere, ii) the air in a relative humidity atmosphere of 20, 50, 80%, iii) the air in a dry atmosphere + 20 ppm acetone, and iv) the 20, 50, The change in resistance was measured by alternately injecting air + 20 ppm acetone in a humid atmosphere. Acetone was pre-mixed and then rapidly changed in concentration using a 4-way valve. The total flow rate was fixed at 100 SCCM so that the temperature difference did not occur when the gas concentration was changed.

실시예Example 1-2 및  1-2 and 비교예Comparative Example 1-2 1-2

600 mL의 3차 증류수에 0.15 M의 Zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2·6H2O, 99.0%, Sigma-Aldrich, USA)와 0.1 M의 Citric acid monohydrate (HOC(COOH)(CH2COOH)2·H2O, 99.0%, Sigma-Aldrich, USA)를 넣고 30분간 교반시켜 분무용액을 제조하였다. 준비된 분무용액에 Ce/Zn의 무게비가 5/95에 해당하도록 계산하여 Ce nitrate hexahydrate (Ce(NO3)3·6H2O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA)를 첨가한 뒤 5분간 교반시킨 후 초음파 분무하였다. 초음파를 통해서 형성된 마이크로 크기의 액적들은 10 L·min-1의 유량으로 (O2) 900℃의 반응로를 거치면서 즉각적으로 열처리하여 5 wt%의 CeO2가 균일하게 첨가된 ZnO 중공구조가 합성하였다 (실시예 1-2). CeO2가 첨가되지 않은 순수한 ZnO 중공구조의 경우 Ce 소스의 첨가 없이 동일한 과정을 통해 합성하였다 (비교예 1-2). 가스 센서의 제작에 관해서는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.In the distilled water of 600 mL 0.15 M of Zinc nitrate hexahydrate (Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 99.0%, Sigma-Aldrich, USA) and 0.1 M of Citric acid monohydrate (HOC (COOH) (CH 2 COOH ) 2 · H 2 O, 99.0%, Sigma-Aldrich, USA) was added thereto and stirred for 30 minutes to prepare a spray solution. Ce nitrate hexahydrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA) was added to the prepared spray solution so that the weight ratio of Ce / Zn was 5/95. Followed by ultrasonic atomization. Micro-sized droplets formed through ultrasonic waves were subjected to a heat treatment at a flow rate of 10 L · min -1 (O 2 ) at 900 ° C. in a reaction furnace to prepare a ZnO hollow structure uniformly doped with 5 wt% CeO 2 (Example 1-2). The pure ZnO hollow structure without CeO 2 was synthesized by the same procedure without addition of Ce source (Comparative Example 1-2). The production of the gas sensor was carried out in the same manner as in Example 1-1.

실시예Example 2-1 및  2-1 and 비교예Comparative Example 2-1 2-1

540 mL의 3차 증류수와 60 mL의 Ammonium hydroxide solution (NH4OH, 28.0~30.0%, Sigma-Aldrich, USA) 혼합 용매에 0.2 M의 Tungsten oxide (WO3, 99.9%, Sigma-Aldrich, USA)와 0.5 M의 Sucrose (C12H22O11, 99.5%, Sigma-Aldrich, USA)를 넣고 하루 동안 교반시켜 분무용액을 제조하였다. 준비된 분무용액에 Ce/W의 무게비가 12/88에 해당하도록 계산하여 Ce nitrate hexahydrate (Ce(NO3)3·6H2O, 99,99%, Sigma-Aldrich, USA)를 첨가한 뒤 5분간 교반시킨 후 초음파 분무하였다. 초음파를 통해 형성된 마이크로 크기의 액적들은 5 L·min-1의 유량으로 (O2) 900℃의 반응로를 거치면서 즉각적으로 열처리하여 12 wt%의 CeO2가 균일하게 첨가된 WO3 난황구조를 합성하였다 (실시예 2-1). CeO2가 첨가되지 않은 순수한 WO3 난황구조의 경우 Ce 소스의 첨가 없이 동일한 과정을 통해서 합성하였다 (비교예 2-1). 가스 센서의 제작에 관해서는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.(WO 3 , 99.9%, Sigma-Aldrich, USA) was added to a mixed solvent of 540 mL of tertiary distilled water and 60 mL of ammonia hydroxide solution (NH 4 OH, 28.0-30.0%, Sigma-Aldrich, USA) And 0.5 M sucrose (C 12 H 22 O 11 , 99.5%, Sigma-Aldrich, USA) were added to the solution and stirred for one day to prepare a spray solution. Ce nitrate hexahydrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA) was added to the prepared spray solution so that the weight ratio of Ce / After stirring, ultrasonic atomization was performed. Micro-sized droplets formed through ultrasound were subjected to a heat treatment at a flow rate of 5 L · min -1 (O 2 ) at 900 ° C., and a WO 3 egg yolk structure with 12 wt% CeO 2 uniformly added (Example 2-1). The pure WO 3 egg yolk structure without CeO 2 was synthesized by the same procedure without addition of Ce source (Comparative Example 2-1). The production of the gas sensor was carried out in the same manner as in Example 1-1.

실시예Example 2-2 및  2-2 and 비교예Comparative Example 2-2 2-2

600 mL의 3차 증류수에 0.2 M의 Nickel nitrate hexahydrate (Ni(NO3)2·6H2O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA)와 0.7 M의 Sucrose (C12H22O11, 99.5%, Sigma-Aldrich, USA)를 넣고 30분간 교반시켜 분무용액을 제조하였다. 준비된 분무용액에 Ce/Ni의 무게비가 30/70에 해당하도록 계산하여 Ce nitrate hexahydrate (Ce(NO3)3·6H2O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA)를 첨가한 뒤 5분간 교반시킨 후 초음파 분무하였다. 초음파를 통해서 형성된 마이크로 크기의 액적들은 5 L·min-1의 유량으로 (O2) 900℃의 반응로를 거치면서 즉각적으로 열처리하여 30 wt%의 CeO2가 균일하게 첨가된 NiO 난황구조를 합성하였다 (실시예 2-2). CeO2가 첨가되지 않은 순수한 NiO 난황구조의 경우 Ce 소스의 첨가 없이 동일한 과정을 통해서 합성하였다 (비교예 2-2). 가스 센서의 제작에 관해서는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.To 600 mL of tertiary distilled water, 0.2 M of nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 99.999%, Sigma-Aldrich, USA) and 0.7 M Sucrose (C 12 H 22 O 11 , 99.5% Sigma-Aldrich, USA) and stirred for 30 minutes to prepare a spray solution. Ce nitrate hexahydrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA) was added to the prepared spray solution so that the weight ratio of Ce / Ni was 30/70. Followed by ultrasonic atomization. Micro-sized droplets formed through ultrasound were subjected to a heat treatment at a flow rate of 5 L · min -1 (O 2 ) through a reactor at 900 ° C. to synthesize a NiO egg yolk structure uniformly doped with 30 wt% of CeO 2 (Example 2-2). The pure NiO egg yolk structure without CeO 2 was synthesized by the same procedure without addition of Ce source (Comparative Example 2-2). The production of the gas sensor was carried out in the same manner as in Example 1-1.

실시예Example 3 및  3 and 비교예Comparative Example 3 3

40 mL의 3차 증류수에 0.04 g의 SnO2 상용분말 (SnO2, %, Sigma-Aldrich, USA)을 넣고 30분 동안 초음파 처리하여 분산시켰다. 분산된 슬러리를 1시간 동안 교반한 후 Ce/Sn의 무게비가 3/97에 해당하도록 계산하여 Ce nitrate hexahydrate (Ce(NO3)3·6H2O, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA)를 첨가한 후 4시간 교반하였다. 이후 신선한 상태의 sodium borohydride (NaBH4, 99.99%, Sigma-Aldrich, USA) 용액 10 mL (2 g/L)를 제조된 슬러리에 빠르게 주입하고 3시간 추가 교반한 후 원심분리를 통해 물로 5회 세척하였다. 세척 이후 남은 슬러리를 70 ℃의 오븐에 넣고 이틀 건조하여 CeO2이 첨가된 SnO2 전구체를 합성하였다. 수득한 전구체를 500 ℃에서 3시간 동안 열처리하여 3 wt%의 CeO2가 균일하게 첨가된 SnO2 미분말을 합성하였다 (실시예 3). 순수한 SnO2 미분말의 경우 별도의 합성과정 없이 상용 SnO2 미분말을 500 ℃에서 3 시간 동안 열처리하여 얻었다 (비교예 3). 가스 센서의 제작에 관해서는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.0.04 g of SnO 2 phase powder (SnO 2 ,%, Sigma-Aldrich, USA) was added to 40 mL of tertiary distilled water and sonicated for 30 minutes to disperse. The dispersed slurry was stirred for 1 hour and then the weight ratio of Ce / Sn was calculated to be 3/97. Ce nitrate hexahydrate (Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, 99.99%, Sigma-Aldrich, Followed by stirring for 4 hours. 10 mL (2 g / L) of fresh sodium borohydride (NaBH 4 , 99.99%, Sigma-Aldrich, USA) solution was added to the prepared slurry and further stirred for 3 hours. After centrifugation, Respectively. The remaining slurry after washing was placed in an oven at 70 ° C and dried for two days to synthesize a SnO 2 precursor added with CeO 2 . The obtained precursor was heat-treated at 500 ° C for 3 hours to synthesize a SnO 2 fine powder to which 3 wt% of CeO 2 was uniformly added (Example 3). In the case of the pure SnO 2 fine powder, the commercial SnO 2 fine powder was heat-treated at 500 ° C. for 3 hours without a separate synthesis process (Comparative Example 3). The production of the gas sensor was carried out in the same manner as in Example 1-1.

검토Review

상기와 같은 방법으로 합성된 미분말로 센서를 제조하여 가스 감응특성을 평가한 결과, 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 2-1, 실시예 3, 비교예 1-1, 비교예 1-2, 비교예 2-1, 비교예 3의 경우 공기 중에서는 고저항 상태를 나타내다가 아세톤이 유입되는 동시에 저항이 감소하는 n형 반도체 특성을 나타냈고, 실시예 2-2 및 비교예 2-2의 경우에는 공기 중에서는 저저항 상태를 나타내다가 아세톤이 유입되는 동시에 저항이 증가하는 p형 반도체 특성을 나타내었다. 따라서, n형 산화물 반도체의 경우 가스감도를 R a /R g (R a : 공기 중에서의 센서 저항, R g : 가스 중에서의 센서 저항)로 정의하고, p형 산화물 반도체의 경우에는 가스감도를 R g /R a 로 정의하였다. 제조된 각 센서의 아세톤 감응특성을 건조분위기에서 측정하고, 이를 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서 측정한 아세톤 감도 및 센서저항과 비교하였다. 자세한 측정방법은 하기와 같다.As a result of evaluating the gas sensitivity characteristics, the sensor was manufactured using the fine powder synthesized in the same manner as described above. As a result, it was found that Comparative Example 1-1, Example 1-2, Example 2-1, Example 3, In Examples 1-2, Comparative Examples 2-1 and 3, n-type semiconductor characteristics exhibiting a high resistance state in the air and decreasing resistance at the time of introduction of acetone were exhibited, and in Example 2-2 and Comparative Example In the case of 2-2, the p-type semiconductor exhibited a low resistance state in the air, while increasing acetone and increasing resistance. Accordingly, in the case of the n-type oxide semiconductor gas sensitivity R a / R g ( R a : sensor resistance in air, R g : sensor resistance in gas), and in the case of p-type oxide semiconductor, gas sensitivity is defined as R g / R a . Acetone sensitivity of each sensor was measured in dry atmosphere and compared with acetone sensitivity and sensor resistance measured at 20, 50 and 80% relative humidity. The detailed measurement method is as follows.

건조 분위기의 공기 중에서 센서의 저항이 일정해진 이후 300초 후에 갑자기 피검가스 (아세톤 20 ppm)로 분위기를 바꿔 300초 동안 피검가스에 노출시킨 후, 다시 건조분위기의 공기로 분위기를 바꿔 1100초를 유지하여 건조 분위기에서의 가스감도를 측정하였다. 이 후, 갑자기 상대습도 20, 50, 80% 분위기의 공기로 분위기를 바꿔 300초 유지한 다음, 상대습도 20, 50, 80%가 포함된 피검가스에 300초 동안 노출시켜 첫 번째 습도에 따른 가스 감응특성을 평가하였다. 동일한 과정을 3회 추가 반복하여 습기 노출시간에 따른 가스 감응특성의 변화를 측정하였다. 또한, 상대습도 20, 50, 80% 분위기의 가스감도를 건조 분위기의 가스감도로 나눈 값을 가스감도 변화율로 정의하였으며, 상대습도 20, 50, 80% 분위기의 센서저항을 건조 분위기의 가스감도로 나눈 값을 센서저항 변화율로 정의했다. 그러므로, 가스감도 및 센서저항 변화율이 1을 나타내면 센서의 습도의존성이 거의 없는 것으로 이해할 수 있다.After 300 seconds after the resistance of the sensor was fixed in air in a dry atmosphere, the atmosphere was changed to the test gas (acetone 20 ppm) suddenly and exposed to the gas for 300 seconds, and then the atmosphere was changed to air in the dry atmosphere to maintain 1100 seconds And the gas sensitivity in a dry atmosphere was measured. Thereafter, the atmosphere was suddenly changed to air of 20, 50, and 80% relative humidity for 300 seconds, and then exposed to the test gas containing relative humidity of 20, 50, and 80% for 300 seconds, And the response characteristics were evaluated. The same procedure was repeated 3 times to measure changes in gas sensitivity characteristics with time of exposure to moisture. In addition, the value obtained by dividing the gas sensitivity at 20, 50, and 80% relative humidity by the gas sensitivity at the dry atmosphere was defined as the rate of change in gas sensitivity. The sensor resistance at 20, 50, and 80% Divided by the sensor resistance change rate. Therefore, it can be understood that when the gas sensitivity and the change rate of the sensor resistance are 1, the humidity dependency of the sensor is hardly present.

도 4는 초음파 분무열분해법을 통해 합성한 순수한 SnO2 (비교예 1-1, a) 및 ZnO (비교예 1-2, c) 중공구조 미분말; WO3 (비교예 2-1, e) 및 NiO (비교예 2-2, g) 난황구조 미분말; 및 실시예 1-1 (b), 실시예 1-2 (d), 실시예 2-1 (f), 실시예 2-2 (h) 미분말에 대한 SEM 사진을 도시한 것이다. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the pure SnO 2 (Comparative Example 1-1, a) and ZnO (Comparative Example 1-2, c) hollow structure fine powder synthesized through ultrasonic spray pyrolysis; WO 3 (Comparative Example 2-1, e) and NiO (Comparative Example 2-2, g) egg yolk structure fine powder; And Examples 2-1 (b), 1-2 (d), 2-1 (f) and 2-2 (h).

도 4를 참조하면, 비교예 1-1과 비교예 1-2는 내부가 비어있는 중공구조임을 알 수 있고 (a, c), 비교예 2-1과 비교예 2-2의 경우 중공구조 내부에 중공구조가 추가적으로 존재하는 난황구조를 나타냄을 알 수 있다 (e, g). 각각 2, 5, 12, 30 wt%의 CeO2를 첨가하고 동일한 과정을 통하여 합성한 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 2-1 및 실시예 2-2에 따른 미분말의 경우에도, CeO2의 첨가 유무 및 농도에 관계없이 중공구조 (b, d) 및 난황구조 (f, h)를 유지하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 are hollow hollow structures (a, c). In Comparative Example 2-1 and Comparative Example 2-2, (E, g) of the egg yolk structure in which a hollow structure is additionally present. In the case of the fine powder according to Example 1-1, Example 1-2, Example 2-1 and Example 2-2 synthesized through the same process by adding CeO 2 of 2, 5, 12, 30 wt% (B, d) and the egg yolk structure (f, h), regardless of the presence or absence of CeO 2 addition and concentration.

도 5는 용액교반법을 이용하여 합성한 실시예 3 및 상용 SnO2 미분말 (비교예 3)에 대한 SEM 사진이다. 도 5를 참조하면, 상용 SnO2 미분말의 크기는 수 nm 크기로 작았고 (a), CeO2 첨가 이후에도 크기가 증가하거나 응집되는 현상 없이 거의 동일한 구조를 나타내었다 (b).5 is an SEM photograph of Example 3 and a commercial SnO 2 fine powder (Comparative Example 3) synthesized using a solution stirring method. 5, the size of the commercial SnO 2 fine powder was as small as a few nanometers (a), and exhibited almost the same structure even after the addition of CeO 2 without increasing the size or agglomerating (b).

도 6은 XRD를 이용한 실시예 1-1, 비교예 1-1, 실시예 1-2, 비교예 1-2, 실시예 2-1, 비교예 2-1, 실시예 2-2 및 비교예 2-2에 대한 상분석 결과이다. 도 6을 참조하면, 비교예 1-1의 X선 회절패턴은 정방정계 (tetragonal) 구조의 SnO2를 나타내었다 (a1). 또한, 실시예 1-1의 X선 회절패턴은 2 wt%의 CeO2가 첨가되었음에도 불구하고 CeO2와 관계된 회절패턴을 확인할 수 없었다 (a2). 이는 첨가된 CeO2의 양이 매우 적어 XRD의 분석한계를 벗어났거나 CeO2 나노입자가 SnO2 중공구조 전체에 고르게 분포하기 때문으로 판단된다. Fig. 6 is a graph showing the results of the comparison between the results of Example 1-1, Comparative Example 1-1, Example 1-2, Comparative Example 1-2, Example 2-1, Comparative Example 2-1, Example 2-2 and Comparative Example using XRD This is the result of phase analysis for 2-2. Referring to FIG. 6, the X-ray diffraction pattern of Comparative Example 1-1 shows a tetragonal structure of SnO 2 (a1). In addition, the X-ray diffraction pattern of Example 1-1 did not reveal a diffraction pattern related to CeO 2 even though CeO 2 of 2 wt% was added (a 2). This is because the amount of added CeO 2 is very small and it is beyond the analytical limit of XRD or the CeO 2 nanoparticles are uniformly distributed throughout the SnO 2 hollow structure.

한편, 비교예 1-2의 회절패턴은 육방정계 (hexagonal) 구조의 ZnO를 나타내었다 (b1). 또한, 실시예 1-2의 경우 첨가된 CeO2의 양이 XRD의 측정한계보다 높은데도 불구하고 (5 wt%) CeO2와 관계된 회절패턴이 발견되지 않았다 (b2). 이는 첨가된 CeO2가 ZnO 중공구조 전체에 수 nm 크기로 매우 균일하게 분산되어 있음을 보여준다.On the other hand, the diffraction pattern of Comparative Example 1-2 shows a hexagonal structure of ZnO (b1). In addition, although the amount of CeO 2 added in Example 1-2 was higher than that of XRD (5 wt%), no diffraction pattern related to CeO 2 was found (b2). This shows that the added CeO 2 is dispersed very uniformly over the entire ZnO hollow structure to several nm.

더 나아가, 비교예 2-1의 회절패턴은 단사정계 (monoclinic) 구조의 WO3로 확인되었다 (c1). 또한, 12 wt%의 CeO2가 첨가된 실시예 2-1의 회절패턴에서는 형석 입방정계 (fluorite cubic) 구조를 가지는 CeO2의 회절패턴을 확인할 수 있었는데, 이는 CeO2 나노입자의 분산도와는 관계없이 첨가된 CeO2의 절대량 (12 wt%)이 매우 많기 때문으로 판단된다 (c2). 실시예 2-1은 입방정계 구조를 가지는 NiO의 회절패턴을 보였고 (d1), 실시예 2-2의 경우 NiO와 CeO2의 회절패턴이 함께 나타났다 (d2). Furthermore, the diffraction pattern of Comparative Example 2-1 was confirmed to be WO 3 of a monoclinic structure (c1). In addition, in the diffraction pattern of Example 2-1 in which 12 wt% of CeO 2 was added, it was confirmed that the diffraction pattern of CeO 2 having a fluorite cubic structure was correlated with the dispersion degree of CeO 2 nanoparticles (12 wt%) of cerium oxide (CeO 2) added without any additives (c2). Example 2-1 showed a diffraction pattern of NiO having a cubic system structure in the case of Example 2-2 (d1), shown with the diffraction pattern of NiO and CeO 2 (d2).

한편, 각 미분말에 대한 상 분석결과에서 가스 감응체 (SnO2, ZnO, WO3, NiO)와 CeO2 간의 이차상이 발견되지 않았으므로, 첨가된 CeO2는 나노입자의 형태로 가스 감응체 전 영역에 걸쳐 고르게 분포하고 있는 것으로 판단된다.On the other hand, in the phase analysis results of each fine powder, no secondary phase was found between the gas sensitizer (SnO 2 , ZnO, WO 3 , NiO) and CeO 2 , and thus, the added CeO 2 was in the form of nanoparticles, Of the total population.

도 7은 XRD를 이용한 실시예 3 및 비교예 3에 대한 상분석 결과이다. 도 7을 참조하면, 비교예 3은 정방정계 구조의 SnO2의 회절패턴을 나타내었다 (a1). 실시예 3의 경우 CeO2의 첨가량 (2 wt%)이 실시예 1-1과 동일함에도 불구하고, SnO2의 회절패턴과 함께 CeO2의 회절패턴이 함께 나타났다 (a2). 이는 초음파 분무열분해법을 이용하지 않고 용액교반법으로 CeO2-금속산화물 나노구조를 합성할 경우에는, 초음파 분무열분해법에 비해서 CeO2 나노입자가 가스 감응체 전체에 균일하게 분포하기 어렵다는 점을 보여준다.FIG. 7 shows phase analysis results for Example 3 and Comparative Example 3 using XRD. Referring to FIG. 7, Comparative Example 3 shows a diffraction pattern of SnO 2 having a tetragonal structure (a 1). In the case of Example 3, the diffraction pattern of CeO 2 together with the diffraction pattern of SnO 2 together (a 2) was observed, although the addition amount of CeO 2 (2 wt%) was the same as in Example 1-1. This shows that when the CeO 2 -metal oxide nanostructure is synthesized by the solution stirring method without using the ultrasonic spray pyrolysis method, the CeO 2 nanoparticles are not uniformly distributed throughout the gas sensitive body as compared with the ultrasonic spray pyrolysis method .

도 8은 450 ℃에서 측정한 비교예 1-1, 실시예 1-1의 건조 분위기와 상대습도 80% 분위기에서의 20 ppm 아세톤 가스 감응 트랜지언트 (transient) 및 가스감도 비교결과이다. 도 8을 참조하면, 비교예 1-1은 건조분위기에서 아세톤 20 ppm에 대해 높은 감도를 나타냈으나, 상대습도 80% 분위기에 노출될 경우 아세톤 감도가 크게 감소하였으며, 동시에 센서의 저항 또한 건조분위기에 비해 크게 감소하였다 (a1 및 a2). 이는 SnO2와 같은 n형 산화물 반도체형 가스 센서가 습기에 노출되었을 때 발생하는 일반적인 현상으로서, 센서의 성능을 저하시키고 오작동을 유발하는 주요 요인이다. 반면에, 실시예 1-1의 경우 상대습도 80% 분위기에 갑자기 노출된다고 하더라도 빠른 시간 내에 (< 300 s) 아세톤 감도와 저항이 건조 분위기에서와 거의 유사한 값을 나타내었다 (도 8b1). 상기 결과는 CeO2가 SnO2에 첨가될 경우, 일반적인 산화물 반도체형 가스 센서와는 달리 외부의 습기의 존재유무에 관계없이 고신뢰성으로 일정한 가스 감응특성을 확보할 수 있음을 잘 보여준다 (b2).Fig. 8 shows the results of comparison between the dry atmosphere of Comparative Examples 1-1 and 1-1 and the 20 ppm acetone gas sensitive transient and the gas sensitivity in an atmosphere of 80% relative humidity measured at 450 ° C. Referring to FIG. 8, in Comparative Example 1-1, the sensitivity was as high as 20 ppm of acetone in a dry atmosphere, but when exposed to an atmosphere of relative humidity of 80%, the sensitivity of acetone was greatly decreased. At the same time, (A1 and a2). This is a general phenomenon that occurs when an n-type oxide semiconductor gas sensor such as SnO 2 is exposed to moisture, which is a main factor causing deterioration of sensor performance and malfunction. On the contrary, in case of Example 1-1, acetone sensitivity and resistance were almost similar to those in a dry atmosphere (FIG. 8B1) even though the relative humidity was suddenly exposed to 80% atmosphere in a short time (<300 s). The results show that, when CeO 2 is added to SnO 2 , unlike a general oxide semiconductor type gas sensor, it is possible to obtain high reliability and constant gas sensitivity characteristic regardless of the presence or absence of external moisture (b 2).

도 9는 450℃에서 측정한 비교예 1-1, 실시예 1-1, 비교예 1-2, 실시예 1-2, 비교예 2-1, 실시예 2-1, 비교예 2-2 및 실시예 2-2의 건조 분위기와 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서의 20 ppm의 아세톤 가스감도 비교결과이다. 도 9를 참조하면, 비교예 1-1, 비교예 1-2, 비교예 2-1, 비교예 2-2의 경우, 외부에서 공급되는 상대습도의 농도가 증가할수록 가스 감응체의 표면이 수산기로 피독되는 정도가 증가하므로 가스감도가 점점 감소하는 경향을 보였다 (a,c,e,g). 반면에, CeO2가 첨가된 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 2-1, 실시예 2-2는 상대습도의 존재유무 및 농도에 관계없이 거의 일정한 아세톤 감도를 나타내었다 (b,d,f,h). 이는 첨가된 CeO2가 가스 감응체의 표면이 수산기로 인해 피독되는 현상을 방지하는 역할을 하고 있음을 보여준다. 센서감도의 신뢰성을 평가할 수 있는 지표인 가스감도 변화율을 상대습도 80% 분위기에서 계산한 결과, 비교예들에 따른 가스 센서의 가스감도 변화율은 각각 0.81 (비교예 1-1), 0.49 (비교예 1-2), 0.66 (비교예 2-1), 0.84 (비교예 2-2)로 낮게 나타난 반면, 실시예들에 따른 가스 센서들의 경우 각각 1.03 (실시예 1-1), 0.97 (실시예 1-2), 0.98 (실시예 2-1), 1.03 (실시예 2-2)로 거의 1에 근접한 값을 나타내었다. 이는 습도의존성을 나타내는 산화물 반도체에 수분 흡수제로서 CeO2를 첨가하게 되면 가스감도의 습도의존성을 거의 대부분 제거할 수 있음을 잘 보여준다.FIG. 9 is a graph showing the results of the comparison of Comparative Examples 1-1, 1-1, 1-2, 1-2, 2-1, 2-1, 2-2, The results are compared with the dry atmosphere of Example 2-2 and the acetone gas sensitivity of 20 ppm at 20, 50 and 80% relative humidity. Referring to FIG. 9, in the case of Comparative Example 1-1, Comparative Example 1-2, Comparative Example 2-1, and Comparative Example 2-2, as the concentration of the external relative humidity supplied increases, (A, c, e, and g), the gas sensitivity tended to decrease gradually. On the other hand, in Example 1-1, Example 1-2, Example 2-1 and Example 2-2 in which CeO 2 was added, almost constant acetone sensitivity was exhibited regardless of the presence or the concentration of the relative humidity ( b, d, f, h). This shows that the added CeO 2 serves to prevent the surface of the gas sensitive body from poisoning due to hydroxyl groups. As a result of calculating the gas sensitivity change rate, which is an index for evaluating the reliability of the sensor sensitivity, at the relative humidity 80% atmosphere, the gas sensitivity change rates of the gas sensors according to the comparative examples were 0.81 (Comparative Example 1-1) and 0.49 1-2), 0.66 (Comparative Example 2-1), and 0.84 (Comparative Example 2-2), while the gas sensors according to the embodiments were 1.03 (Examples 1-1) and 0.97 1-2), 0.98 (Example 2-1), and 1.03 (Example 2-2). This shows that the addition of CeO 2 as a water absorbing agent to the oxide semiconductor exhibiting humidity dependence can substantially eliminate the humidity dependence of the gas sensitivity.

도 10은 450℃에서 측정한 비교예 1-1, 실시예 1-1, 비교예 1-2, 실시예 1-2, 비교예 2-1, 실시예 2-1, 비교예 2-2 및 실시예 2-2의 건조 분위기와 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서의 센서저항 비교결과이다. 도 10을 참조하면, n형 산화물 반도체인 비교예 1-1, 비교예 1-2, 비교예 2-1에 따른 가스 센서의 경우, 상대습도가 증가할수록 수분과 가스 감응체의 반응으로 인해 생성되는 전자의 양이 증가하여 센서 저항이 감소하는 모습을 나타냈다 (a,c,e). 반면에, 비교예 2-1에 따른 가스 센서는 p형 산화물 반도체이므로, 습기와의 반응으로 생성되는 전자가 NiO 내 홀의 농도를 감소시키기 때문에 습도가 증가할수록 센서 저항이 점점 증가하는 모습을 나타냈다 (g). 이와 같은 비교예들에 따른 가스 센서들의 습도에 따른 센서 저항의 변화는 센서가 가스와 반응했을 때 발생하는 저항변화와 유사한 경향 (n형: 가스 감응 시 저항감소; p형: 가스 감응 시 저항증가)을 나타내기 때문에 센서의 오작동을 유발하는 주요 요인이다. 반면에, CeO2가 첨가된 실시예들에 따른 가스 센서들은 외부 습기의 존재유무 및 농도에 관계없이 거의 일정한 센서저항을 나타내었다 (b,c,f,h). 상대습도 80% 분위기를 기준으로 계산한 센서의 신뢰성을 평가할 수 있는 지표인 센서저항 변화율은 비교예들에 따른 가스 센서들의 경우 각각 0.61 (비교예 1-1), 0.46(비교예 1-2), 0.73 (비교예 2-1), 0.93 (비교예 2-2, 건조 분위기 센서저항/습도 분위기 센서저항)으로 낮게 나타난 반면, 실시예들에 따른 가스 센서들의 경우 각각 0.97 (실시예 1-1), 0.99 (실시예 1-2), 1.0 (실시예 2-1), 1.0 (실시예 2-2)으로 거의 1에 근접한 값을 나타냈다. 이는 수분흡수제로서 CeO2 나노입자를 가스 감응물질에 첨가할 경우, 가스감도 뿐만 아니라 센서 저항의 습도안정성 또한 동시에 확보 가능하며, 습기의 존재유무 및 농도에 관계없이 일정한 가스 감응특성을 나타내는 고신뢰성 가스 센서를 구현할 수 있음을 잘 보여준다.FIG. 10 is a graph showing the results of the comparison of Comparative Examples 1-1, 1-1 and 1-2, Example 1-2, Comparative Example 2-1, Example 2-1, Comparative Example 2-2, The results of the sensor resistance comparison in the dry atmosphere of Example 2-2 and the relative humidity of 20, 50, and 80% atmosphere. Referring to FIG. 10, in the case of the gas sensor according to Comparative Example 1-1, Comparative Example 1-2, and Comparative Example 2-1 which is an n-type oxide semiconductor, as the relative humidity increases, (A, c, and e). In this case, the amount of electrons is increased and the sensor resistance is decreased. On the other hand, since the gas sensor according to Comparative Example 2-1 is a p-type oxide semiconductor, the electrons generated by the reaction with moisture decrease the concentration of holes in the NiO, so that the sensor resistance gradually increases as the humidity increases g). The change in the sensor resistance according to the humidity of the gas sensor according to the comparative examples is similar to the resistance change occurring when the sensor reacts with the gas (n type: resistance decrease in gas response; p type: resistance increase in gas response ), Which is a major cause of sensor malfunction. On the other hand, gas sensors according to embodiments in which CeO 2 was added showed almost constant sensor resistance (b, c, f, h) regardless of the presence or concentration of external moisture. The sensor resistance change rate, which is an index for evaluating the reliability of the sensor calculated on the basis of the relative humidity of 80% atmosphere, is 0.61 (Comparative Example 1-1), 0.46 (Comparative Example 1-2) , 0.73 (Comparative Example 2-1) and 0.93 (Comparative Example 2-2, dry atmosphere sensor resistance / humidity atmosphere sensor resistance), while in the case of the gas sensors according to the embodiments, 0.97 ), 0.99 (Example 1-2), 1.0 (Example 2-1), and 1.0 (Example 2-2). When the CeO 2 nanoparticles are added to the gas sensitive material as a water absorbing agent, not only the gas sensitivity but also the humidity resistance stability of the sensor resistance can be secured at the same time, and the high reliability gas exhibiting a constant gas sensitivity characteristic regardless of the presence or concentration of moisture Sensor can be implemented.

도 11은 450 ℃에서 측정한 비교예 3 및 실시예 3에 따른 가스 센서들의 건조 분위기와 상대습도 20, 50, 80% 분위기에서의 20 ppm의 아세톤 가스감도를 비교한 결과이다. 도 11을 참조하면, 상용 SnO2 분말 (비교예 3)의 경우, 건조 분위기와 상대습도 80% 분위기에서의 아세톤 감도와 센서저항이 서로 큰 차이를 나타내었다 (a, c; 가스감도 변화율: 0.84; 센서저항 변화율: 0.75). 용액교반법을 통해 CeO2를 첨가한 경우 (실시예 3), 비교예 3에 비해서는 아세톤 감도 및 센서저항의 습도의존성이 개선되었지만 (b, d; 가스감도 변화율: 0.89; 센서저항 변화율: 0.93), Ce의 첨가량이 동일함에도 불구하고 실시예 1-1과 같은 습기에 대한 고신뢰성을 나타내지는 않았다 (가스감도 변화율: 1.03; 센서저항 변화율: 0.97). 이는 CeO2를 산화물 반도체에 첨가하는 것만으로도 센서의 습도의존성을 감소시킬 수 있다는 점을 보여주는 동시에 CeO2의 수분흡수 및 제거 효과를 극대화시키기 위해서는 CeO2를 가스 감응체 전체에 균일하게 도포하는 것이 매우 중요하다는 점을 보여준다. 11 shows the results of comparing the sensitivity of the gas sensors of Comparative Example 3 and Example 3 measured at 450 ° C with the sensitivity of acetone gas at 20 ppm in a dry atmosphere and a relative humidity of 20, 50 and 80%. 11, in the case of the commercial SnO 2 powder (Comparative Example 3), there was a large difference between the acetone sensitivity and the sensor resistance in a dry atmosphere and an 80% relative humidity atmosphere (a, c: gas sensitivity change ratio: 0.84 ; Sensor resistance change rate: 0.75). (B, d: gas sensitivity change ratio: 0.89; sensor resistance change ratio: 0.93) in the case where CeO 2 was added through the solution stirring method (Example 3), the acetone sensitivity and the sensor resistance of the sensor resistance were improved ) And the same amount of Ce was added, it did not show high reliability against moisture as in Example 1-1 (gas sensitivity change ratio: 1.03; sensor resistance change rate: 0.97). This is to uniformly coating the order at the same time, showing that it is also possible to reduce the humidity dependency of the sensor by simply adding the CeO 2 in the oxide semiconductor to maximize the water absorption and the removal effect of CeO 2 CeO 2 to the entire gas-sensitive body It is very important.

Claims (14)

SnO2, ZnO, WO3 및 NiO로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물 반도체의 나노구조체; 및
상기 나노구조체에 담지된 CeO2 첨가제를 포함하는 가스 검출용 복합체.
SnO 2 , ZnO, WO 3, and NiO; And
And a CeO 2 additive supported on the nanostructure.
제1항에 있어서,
상기 나노구조체는 중공구조 또는 난황구조를 갖는 나노구조체인 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the nanostructure is a nanostructure having a hollow structure or an egg yolk structure.
제1항에 있어서,
상기 CeO2 첨가제는 상기 나노구조체의 표면에 도포된 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the CeO 2 additive is applied to the surface of the nanostructure.
제1항에 있어서,
상기 CeO2 첨가제는 상기 가스 센서 총중량을 기준으로 3 중량% 내지 30 중량%의 함량으로 담지된 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the CeO 2 additive is supported in an amount of 3 wt% to 30 wt% based on the total weight of the gas sensor.
제1항에 있어서,
상기 가스는 아세톤, 포름알데히드, 에탄올, 일산화탄소 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 환원성 가스인 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체.
The method according to claim 1,
Wherein the gas is a reducing gas selected from the group consisting of acetone, formaldehyde, ethanol, carbon monoxide and mixtures thereof.
a) Sn 염, Zn 염, W 염 및 Ni 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염; Ce 염; 및 유기산 또는 당을 포함하는 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 용액을 분무열분해 장치를 통해서 분사하여 분무열분해 반응을 수행하
는 단계; 및
c) 상기 분무열분해 반응 결과물로서 미분말을 수득하는 단계를 포함하는 가스 검출용 복합체의 제조방법.
a) at least one salt selected from the group consisting of an Sn salt, a Zn salt, a W salt and a Ni salt; Ce salt; And a solution comprising an organic acid or a sugar;
b) spraying the solution through a spray pyrolyzer to perform a spray pyrolysis reaction
A step; And
c) obtaining a fine powder as a result of the spray pyrolysis reaction.
제6항에 있어서,
상기 Sn 염은 SnC2O4, SnCl4·xH2O (x는 2 또는 5), Sn(CH3COO)4 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Zn 염은 Zn(NO3)2·6H2O, ZnCl2, Zn(CH3COO)2·2H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 W 염은 WO3, (NH4)10H2(W2O7)6 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Ni 염은 Ni(NO3)2·6H2O, NiCl2·6H2O, Ni(CH3COO)2·4H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 Ce 염은 Ce(NO3)3·6H2O, Ce(SO4)24H2O, CeCl34H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 유기산은 시트르산, 에틸렌글리콜 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 당은 수크로오스, 글루코오스 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
The Sn salt may be SnC 2 O 4 , SnCl 4 .xH 2 O (x is 2 or 5), Sn (CH 3 COO) 4 And mixtures thereof; Wherein the Zn salt is selected from the group consisting of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, ZnCl 2 , Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O and mixtures thereof; Wherein said W salt is selected from the group consisting of WO 3 , (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 and mixtures thereof; Wherein the Ni salt is selected from the group consisting of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiCl 2 .6H 2 O, Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and mixtures thereof; Wherein the Ce salt is selected from the group consisting of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ce (SO 4 ) 2 4H 2 O, CeCl 3 4H 2 O and mixtures thereof; The organic acid is selected from the group consisting of citric acid, ethylene glycol and mixtures thereof; Wherein the saccharide is selected from the group consisting of sucrose, glucose and mixtures thereof.
제6항에 있어서,
상기 b) 단계의 상기 분무열분해 반응은 상기 용액을 2 L/m 내지 50 L/m의 분사 속도로, 600 ℃ 내지 1100 ℃로 가열된 전기로 내부로 분사시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the spray pyrolysis reaction in step b) is carried out by injecting the solution into an electric furnace heated at 600 ° C to 1100 ° C at an injection rate of 2 L / m to 50 L / m. &Lt; / RTI &gt;
a) Sn 염, Zn 염, W 염 및 Ni 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 염을 용매 중에 분산시킨 분산액을 제조하는 단계;
b) 상기 분산액에 Ce 염을 첨가하고 환원시키는 단계; 및
c) 상기 환원 결과물로서 미분말을 수득하는 단계를 포함하는 가스 검출용 복합체의 제조방법.
a) preparing a dispersion in which at least one salt selected from the group consisting of an Sn salt, a Zn salt, a W salt and a Ni salt is dispersed in a solvent;
b) adding and reducing Ce salt to the dispersion; And
c) obtaining a fine powder as a result of the reduction.
제9항에 있어서,
상기 Sn 염은 SnC2O4, SnCl4·xH2O (x는 2 또는 5), Sn(CH3COO)4 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Zn 염은 Zn(NO3)2·6H2O, ZnCl2, Zn(CH3COO)2·2H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 W 염은 WO3, (NH4)10H2(W2O7)6 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이며; 상기 Ni 염은 Ni(NO3)2·6H2O, NiCl2·6H2O, Ni(CH3COO)2·4H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고; 상기 Ce 염은 Ce(NO3)3·6H2O, Ce(SO4)24H2O, CeCl34H2O 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The Sn salt may be SnC 2 O 4 , SnCl 4 .xH 2 O (x is 2 or 5), Sn (CH 3 COO) 4 And mixtures thereof; Wherein the Zn salt is selected from the group consisting of Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, ZnCl 2 , Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O and mixtures thereof; Wherein said W salt is selected from the group consisting of WO 3 , (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O 7 ) 6 and mixtures thereof; Wherein the Ni salt is selected from the group consisting of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiCl 2 .6H 2 O, Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and mixtures thereof; Wherein the Ce salt is selected from the group consisting of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O, Ce (SO 4 ) 2 4H 2 O, CeCl 3 4H 2 O and mixtures thereof.
제9항에 있어서,
상기 b) 단계의 환원 반응은 환원제로서 NaBH4, 히드라진 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 첨가해줌으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 검출용 복합체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the reduction reaction in step b) is carried out by adding a material selected from the group consisting of NaBH 4 , hydrazine and mixtures thereof as a reducing agent.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 가스 검출용 복합체를 가스 감응층으로 포함하는 가스 검출용 가스 센서.A gas sensor for gas detection comprising a gas sensing complex according to any one of claims 1 to 5 as a gas sensing layer. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 가스 검출용 복합체 및 바인더를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 및
상기 용액을 기판 상에 코팅, 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조방법.
A process for producing a gas sensing composite, comprising: preparing a solution containing the gas sensing complex and the binder according to any one of claims 1 to 5; And
And coating, drying and heat treating the solution on a substrate.
제13항에 있어서, 상기 코팅은 드롭-코팅 공정에 의해서 수행되며, 상기 건조는 70 ℃ 내지 120 ℃에서 12 시간 내지 24 시간 동안 수행되고, 상기 열처리는 500 ℃ 내지 900 ℃에서 1 시간 내지 6 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조방법.14. The method of claim 13, wherein the coating is performed by a drop-coating process, wherein the drying is performed at 70 DEG C to 120 DEG C for 12 to 24 hours, and the heat treatment is performed at 500 DEG C to 900 DEG C for 1 to 6 hours &Lt; / RTI &gt;
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