ZnO-NiO 이종접합 나노구조를 통한 상온구동 NOx Gas sensor에 대한 연구 = A Study On Room-Temperature Operated NOx Gas Sensor Using ZnO-NiO Heterostructered Nanomaterials
저자
발행사항
시흥 : 한국공학대학교 일반대학원, 2024
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국공학대학교 일반대학원 : IT반도체융합공학과 2024. 2
발행연도
2024
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
경기도
형태사항
74 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김경국
UCI식별코드
I804:41069-200000738132
소장기관
Extensive research has been conducted to rapidly detect Nitrogen Dioxide (NO2), a gas known for its adverse effects on human health and the environment. Gas detection methods, classified based on operational principles such as catalytic combustion, electrochemical reactions, thermal conductivity, and metal oxide semiconductor approaches, have been explored. Among these methods, metal oxide semiconductor-based gas sensors have gained attention for their relatively low production costs and high detection performance.
However, these sensors typically operate at temperatures exceeding 150°C for gas detection, leading to challenges such as reduced component lifespan and compromised detection stability. Consequently, recent research has consistently explored gas detection methods at room temperature. A prominent approach for room-temperature gas detection involves the application of UV activation. Typically, when light with a wavelength shorter than the material's band gap is applied, it activates the material's electrons, generating electron-hole pairs that aid in gas detection.
Nevertheless, UV activation methods are limited by the rapid recombination of carriers generated by the light, restricting their effectiveness. This study addressed the limitation by employing a p-n heterojunction structure to inhibit the recombination of carriers generated by light activation, thereby aiming to achieve high detection performance at room temperature. Zinc Oxide (ZnO), a representative n-type oxide semiconductor, was synthesized in nanorods using a hydrothermal synthesis method. A 5nm layer of p-type Nickel Oxide (NiO) was applied to the synthesized nanorods using an e-beam evaporator to further enhance the sensor's performance. To create the sensing material, the resulting nanorods underwent heat treatment in a furnace under atmospheric pressure at temperatures ranging from 200 to 800°C.
A comparative analysis of the gas detection characteristics of the synthesized sensor at different NO2 gas concentrations (10ppm, 25ppm, 50ppm) revealed that the ZnO/NiO 5nm sample treated at 800°C exhibited over four times enhanced detection performance and high recovery characteristics compared to standard ZnO sensors. This research presents a promising approach to developing an efficient gas sensor capable of detecting NO2 at room temperature.
인체와 환경에 악영향을 미치는 Nitrogen dioxide gas를 신속하게 감지하기 위해 선행적으로 다양한 연구가 진행되어 왔다. 가스를 감지하기 위한 방식으로는 구동 방식에 따라 촉매 연소식, 전기화학식, 열 전도식, 금속 산화물 반도체 방식 등으로 구분되며, 그 중 금속 산화물 반도체 기반 가스 센서는 다른 방식에 비해 비교적 낮은 제조비용과 높은 감지 성능의 장점을 가지고 있다.
그러나 산화물 반도체 기반 가스 센서는 가스 감지를 위해 대부분 150℃ 이상의 고온에서 작동하며, 이는 소자의 수명 저하, 감지 안정성 저하 등 다양한 문제를 동반한다. 때문에, 최근에는 상온에서 가스를 감지하기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 상온에서 가스를 감지하는 방법 중에서 대표적으로 UV 광 활성화 방식이 적용되어왔다. 일반적으로 물질의 밴드 갭 보다 작은 파장의 광이 물질에 조사되면, 광을 통해 물질의 전자를 충분히 활성화 시키고, 전자-홀 쌍을 생성하여 가스 감지에 도움을 준다.
그러나 UV를 통한 광 활성화 방식은 광 생성된 캐리어의 빠른 재결합으로 인해 광 활성화 효과가 제한된다는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하고자 p-n 이종접합구조를 통해 광 생성된 캐리어의 재결합을 억제하여 상온에서 높은 감지 성능을 이끌어내고자 했다. 이를 위해 대표적인 n-type 산화물 반도체 물질인 ZnO를 수열합성법을 통해 표면적이 넓은 nanorod 형태로 합성하였다. 제작한 nanorod에 p-type인 NiO를 적용하고자 e-beam evaporator를 사용하여 Ni 5nm를 증착하였으며, Furnace 장비를 사용하여 상압에서 200~800℃ 열처리를 진행하여 감지재를 제작하였다.
제작한 감지재의 NO2 가스 10ppm, 25ppm, 50ppm의 유량 별 가스 감지 특성 비교를 통해 800℃ 열처리한 ZnO/Ni 5nm 샘플의 경우 일반 ZnO보다 약 4배 이상의 감지 특성 향상과 높은 회복 특성을 확인할 수 있었다.
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