KR102090489B1 - 산화구리 나노입자로 도핑된 그래핀을 이용한 암모니아 가스 검출 센서 및 이를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치 - Google Patents

산화구리 나노입자로 도핑된 그래핀을 이용한 암모니아 가스 검출 센서 및 이를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치 Download PDF

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이연희
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Abstract

본 발명은 기판; 기판 상부에 위치하는 그래핀 시트; 및 그래핀 시트 상부에 위치하는 금속 나노입자를 포함하는 암모니아 가스 검출 센서와, 이러한 가스 검출 센서를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치에 관한 것이다.

Description

산화구리 나노입자로 도핑된 그래핀을 이용한 암모니아 가스 검출 센서 및 이를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치{AMMONIA GAS DETECTING SENSOR USING GRAPHENE DOPED WITH COPPER OXIDE NANOPATICLES AND AMMONIA GAS DETECTING DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 암모니아 가스 검출 센서 및 암모니아 가스 검출 장치에 관한 것으로서, 구체적으로, 산화구리(CuO) 나노입자로 도핑(doping)시킨 그래핀이 암모니아 가스와 접촉했을 때 그래핀의 전기화학적으로 특성이 변화하는 것을 이용하여, 고감도 및 고선택성으로 암모니아를 검출할 수 있는 암모니아 가스 검출 센서 및 암모니아 가스 검출 장치에 관한 것이다.
암모니아 가스(NH3)는 축산, 농업, 쓰레기 처리장, 분뇨처리장, 복합비료 제조업, 전분 제조업, 유기ㆍ무기약품 제조 과정에서 주로 발생하게 된다.
암모니아 가스 센서는 다량의 암모니아 가스가 누출되면 인체에 유독하고 유해함으로, 전술한 발생원에서 뿐만 아니라, 화학공학, 식품기술, 화력발전소, 환경보호, 의학진단, 산업 공정 등 많은 암모니아 가스 배출 분야에서 암모니아 가스의 현장 농도 측정이 필요하다.
금속 산화물 기반 화학 센서는 고온 동작 특성 때문에 소비전력이 높아서, 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소 나노튜브, 그래핀 옥사이드(Graphene oxide)나 환원된 그래핀 옥사이드(Reduced graphene oxide) 이용하지만 감도가 매우 낮은 단점을 갖고 있다.
또한, 금속 산화물, 전도성 고분자, 전계효과 트랜지스터, 음파 등에 기초한 많은 종류의 가스센서가 널리 알려져 있지만, 이와 같은 센서 중 가장 많은 이목을 끄는 것이 반도체를 이용한 것으로,
특히, 그래핀은 2004년 발견된 이후에 다양한 응용분야에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 실제 생활에서의 응용분야에서 맑은 환경에 대한 욕구와 암모니아 가스를 포함한 독성 가스를 산업에서 쉽게 검출 및 제거할 수 있게 하는 효율성 높은 센서 및 흡착제에로의 활용 탐구가 진행되어 왔다.
또한, 그래핀을 제조하는 동안 그래핀의 결점인 빈 공간(vacancy)과 대체(substitution)에 의한 결함(defect)이 발생한다. 이러한 그래핀 소자의 물리적 성질을 이용하여 가스 센서 소자로서의 활용이 가능하다.
또한, 높은 전기 전도성과 다수의 표면 원자의 존재로 흡착 및 탈착된 기체 분자에 전자 이동이 매우 민감하다는 점은 단분자층 그래핀(monolayer graphene)이 많은 주목을 받는 이유이고, 따라서, 그래핀은 독특한 전기적 특성과 큰 표면적을 가지고 있고, 금속 산화물로 도핑하여, 특성을 변화시킴으로써 많은 분야에서 활용할 수 있다.
특허문헌 1: 한국공개특허공보 10-2016-01010898호 특허문헌 2: 한국공개특허공보 10-2017-012021110호
예를 들어, 도 16에 도시된 특허문헌 1의 가스 검출 센서(1000)는 그래핀 산화물에 불소 원자를 결합시켜 가스 측정용 센서를 제조하고 있다.
그러나, 이러한 특허문헌 1의 가스 검출 센서(1000)는 암모니아 가스뿐만 아니라, 질소(N2) 가스와 수소 가스등의 측정이 가능하며, 이로 인하여 가스 측정의 선택성이 부족하고, 무엇보다도 측정 후 센서의 원상 회복시간(recovery)이 2000 초 이상 걸리기 때문에, 실시간으로 암모니아 가스를 현장 측정하는 것이 어렵다.
또한, 도 17에 도시된 특허문헌 2의 가스 검출 센서(2000)는 산소 이온의 전도성을 이용하여 가스를 측정하고 있다.
그러나, 이러한 특허문헌 2의 가스 검출 센서(2000) 역시 암모니아 농도의 응답성을 향상시키는데 한계가 있다.
따라서, 그래핀 개질을 통해 측정 센서의 반응성, 응답성, 그리고 회복성을 향상시킬 수 있는 암모니아 가스 검출 센서의 개발이 필요하다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 기판; 기판 상부에 위치하는 그래핀 시트; 및 그래핀 시트 상부에 위치하는 금속 나노입자를 포함하는 암모니아 가스 검출 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 암모니아 가스 검출 센서는 기체상의 암모니아 가스를 검출할 수 있으며, 본 발명의 금속 나노입자는 산화구리(I)(CuO) 나노입자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 그래핀 시트는 단층으로 이루어지고, 화학 기상 증착법으로 기판 상부에 증착되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 산화구리 나노입자는 10nm 내지 20nm 크기를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 산화구리 나노입자는, 산화구리(I)(CuO) 나노입자를 포함하는 혼합액을 그래핀 시트 위에 도핑하여 형성될 수 있으며, 이러한 도핑은 그래핀 시트를 혼합액에 침지하고, 혼합액을 1000rpm 내지 2000rpm으로 회전 교반하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 혼합액은 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 2wt%의 산화구리 나노입자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 암모니아 가스 검출 센서; 그래핀 시트의 양단에 연결되는 전극; 및 암모니아 가스 검출 센서를 구동하는 전원부를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 상온에서도 용이하게 사용할 수 있고, 제조 방법이 용이한 고감도 및 고선택성의 암모니아 가스 검출 센서 및 이러한 센서를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고감도 및 고선택성, 빠른 포화(fast saturation) 및 짧은 회복 시간(fast recovery time)을 갖는 암모니아 가스 검출 센서 및 암모니아 가스 검출 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서의 반응과정을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 산화구리 나노입자의 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 산화구리 나노입자가 도핑된 그래핀 시트의 라만 스펙트럼이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 1wt% 내지 2wt%의 CuO 나노입자의 수용액, 에탄올, 아세테이트의 용액에 따른 암모니아 가스 10 ppm 농도에서의 반응성을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 산화구리 나노입자 농도에 따른 암모니아 가스 검출 반응성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 산화구리의 입자 크기에 따른 암모니아 가스 검출의 반응성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 산화구리의 입자의 스핀코팅을 위한 회전 속도(rpm)에 따른 암모니아 가스 검출의 반응성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 원형(pristine)의 그래핀과 산화구리의 입자가 도핑된 그래핀의 암모니아 가스 반응 센서와 결합 반응 구조를 관찰한 XPS 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 원형의 그래핀과 산화구리의 입자가 도핑된 그래핀의 암모니아 가스 반응 센서의 반응을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 암모니아 가스 반응 센서의 재현성을 나타낸 그래프이다.
도 13는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 검출 장치를 이용한 암모니아 가스 농도에 따른 반응성을 나타내는 그래프와 정량 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 장치를 이용한 암모니아 가스와 다른 가스들과의 반응성 비교를 통한 선택성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 암모니아 가스 검출용 장치의 블록 다이어그램과 이를 기반으로 개략적으로 제작한 장치의 사진이다.
도 16은 종래의 가스 검출 센서를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 17은 종래의 다른 가스 검출 센서를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서(10) 및 이를 포함하는 암모니아 가스 검출 장치에 대하여 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서(10)의 구성을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서(10)는 기판(11), 이러한 기판(11)의 상부에 위치하는 그래핀 시트(12) 및 그래핀 시트(12) 상부에 금속 나노입자(13)가 위치할 수 있으며, 이러한 금속 나노입자(13)는 산화구리(CuO) 나노입자를 포함한다. 특히, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서(10)는 기체상의 암모니아 가스를 검출하는데 유용하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서(10)의 반응과정을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
일반적으로, 대기 중의 그래핀은 표면에 산소와 수증기가 흡착되어 전자 확장을 일으키는 p형 전도성을 가진다. CuO 표면에서의 감지 메커니즘은 다음 단계들에 따라 기술될 수 있다.
O2(gas) → O2(ads) (1)
O2(ads) + e- → O2 -(ads) (2)
O2(ads) + 2e- → 2O-(ads) (3)
O2 -/O-/O2 - +NH3 (ad) ↔ Nspecies + H2O + e- (4)
식(4)의 구체적인 상호작용은 아래와 같은 서로 다른 전하교환으로 설명될 수 있다.
3O2 - + 4NH3 → 2N2 + 6H2O + 3e- (4.1)
3O- + 2NH3 → N2 + 3H2O + 3e- (4.2)
3O2 - + 2NH3 → N2 + 3H2O + 6e- (4.3)
반응(1)부터 반응(3)은 산소가 표면에 흡착되어 전자 트래핑을 일으키는 주변 공기에 대한 센서 상호 작용을 나타낸다. 또한, 반응(4.1) 내지 (4.3)는 주요 감지 반응이다. 흡착된 암모니아 분자와 표면 산소 종은 도 2와 같이 결과적으로 N2 및 H2O 분자와 반응하게 된다.
방출된 전자는 산화구리 나노 입자의 정공(hole) 농도를 감소시킨다. 전자와 정공의 CuO p형 반도체 재결합이 증가함에 따라 저항이 증가한다. 또한, CuO로 도핑된 그래핀 센서의 경우, 주변 대기에서의 이완 과정은 수 초 가량 소요된다.
도 3는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서(1)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3의 도시된 바와 같이, 그래핀의 CuO 나노입자 도핑은 1wt% 내지 2wt%, 바람직하게는 0.12wt% 내지 1.2wt% CuO 수용액을 20μL를 가하고, Si/SiO2 그래핀을 스핀 코팅하여 수행될 수 있다.
이 때, CuO 나노입자의 크기는 10nm에서 80nm로, 바람직하게는 10nm 내지 20nm의 다양한 크기로 제조되었으며, 스핀 코팅의 경우 스핀코터(Spin coater)의 회전속도를 0 내지 4500rpm으로 다양하게 조절하였다.
그래핀의 스핀 코팅 후 그래핀 시료를 100oC의 오븐에서 30분 동안 건조시켜 표면에서 물을 제거하였다. 가열 후, 제조된 CuO 와 그래핀 복합체를 1시간 동안 냉각시킨 다음, 플라스틱 틀에 장착하고 은 전극에 연결 시켰다. 전체 센서 제작 과정은 도 2과 같다.
제조된 CuO 나노입자로 도핑된 그래핀 센서의 표면 특성화 및 구조를 확인하기 위하여 Raman, TEM, SEM, EDX, XPS 장비를 활용하였다.
표면 조성 분석은 XPS(PHI 5000 VersaProbe, Ulvac-PHI, Japan)을 사용하여 수행하였으며, 그래핀 품질 시험은 1300 내지 3000cm-1 범위에서, 라만(Raman) 분광기(Reinshaw, Gloucestershire, UK)를 사용하였다. EDS(Energy Dispersive Spectrometer)와 결합된 투과 전자 현미경(TEM, FEI Talos, Oregon, USA)을 사용하여 순수 및 도핑 된 그래핀의 고해상도 이미지를 얻을 수 있었다.
본 발명은 암모니아 센서의 특성 및 감도, 성능 검사 위해 NH3와 기타 가스를 기체 희석기(gas diluter)를 사용하여 Ar과 혼합하고, 아르곤 가스(Ar 순도: 99.999%)를 사용하여 추가로 희석시켜 사용하였다.
희석된 Ar의 유속은 가스 혼합 시스템에 의해 조절되며, 총 가스 유속은 5 Lmin-1로 유지하였다. 본 발명의 일 실시 형태에서 초기, 주위 공기에 노출시켜 베이스라인 저항을 측정하고, 다시 주위 공기로 노출시켜 회복(recovery) 시켰다.
CuO 나노입자로 도핑된 그래핀 센서는 화학저항성 유형에 기인할 수 있다. 이 경우, 그래핀은 반도전성 베이스이며 변환기 역할을 한다. 그래핀을 선택한 이유는 가혹한 환경, 높은 전도성, 저온 소음 및 주변 환경에서의 작업 능력에 탁월한 저항성이 있기 때문이다.
CuO 나노 입자는 그래핀 표면에 도핑시켰다. 화학저항 센서의 제작을 위해서는 은을 사용하여 접촉해야 한다. 그 다음, 센서를 저항 측정 시스템(VersaSTAT 3, Ametec Inc., Berwyn, PA, USA)에 연결하였다.
측정의 경우, 먼저 대기 중 센서의 저항을 측정하였고, 본 센서의 감도는 다음과 같이 설명될 수 있다.
R (%) = (R r - R i)/R i × 100%
여기서 R r은 NH3가 존재할 때 측정된 센서의 저항이며, R i는 분석대상 가스가 없을 때 측정된 초기 센서 저항이다.
도 4은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 산화구리 나노 입자의 특성을 나타낸 그림이다.
산화구리 나노 입자는 SEM 사진(도 4(a), 4(b))에서 20~50nm 크기를 확인할 수 있으며, 그래핀 위에 도포된 나노입자가 산화구리 나노입자의 X-ray 패턴은 도 3C에 나타나 있다. 또한, 추가적인 Cu2O의 존재는 구리나노 입자의 산화에 의한 것이며, Cu 금속은 존재하지 않고 산화구리 나노입자만 존재함을 알 수 있다. 또한, EDX 결과(도 4(d)) 실리콘 기판(Si)위에 그래핀(C), 구리(Cu)와 산소(O)가 포함되어 있음을 확인 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 산화구리가 도핑된 그래핀의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5(a)는 원형의 그래핀과 산화구리로 도핑된 그래핀의 라만(Raman) 스펙트럼이 비교되어 특성을 비교 분석하였다. G 밴드 및 2D 밴드에서 그래핀의 가장 중요한 특성들이 나타났다. G 밴드와 2D 밴드 모두 대전 입자 농도에 강하게 영향을 받기 때문에 이들 모두 도핑 특성화를 위해 광범위하게 사용되었다. 순수 그래핀의 경우 (I2D/IG) = 2.86으로 단분자층 그래핀에 해당한다.
또한, 도핑 후 G 피크와 2D 피크는 그래핀의 물리적 및 전기적 특성 변화에 따라 바뀐다. 이 경우 (I2D/IG) = 2.34가 된다. 또한 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 초기 프리스틴과 나노입자가 도포된 그래핀의 2700cm-1과 1580 cm-1에서 화학적 이동을 통해 그래핀 상에 산화구리 나노입자가 도핑되어 화학적 환경이 변했음을 알 수 있다.
도 6은 1wt% 내지 2 wt%의 CuO 나노입자의 수용액, 에탄올, 아세테이트의 용액에 따른 암모니아 가스 10 ppm 농도에서의 반응성을 측정하였다.
도 6에 나타난 봐와 같이, 시간에 따른 각각의 용매에 대한 반응성은 물에서 지속적으로 증가함을 알 수 있으며, 에탄올과 아세테이트용액은 오히려 감소함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 산화구리 나노입자 농도에 따른 암모니아 가스 검출 반응성을 나타낸 그림이다. 도 7에서 암모니아 가스 100ppm에 대한 원형의 그래핀과 CuO 나노입자로 도핑된 그래핀 센서의 반응을 시간의 함수로서 나타낸다.
CuO 나노 입자가 포함된 그래핀의 도핑은, 0.05wt% 내지 0.15wt%의 CuO 수용액 중에서 0.12wt%의 CuO 수용액을 비교예로 선택하였고, 본 발명의 일 실시 형태인 0.15wt% 내지 1.25wt% CuO 수용액 중에서 1.2wt% CuO 수용액을 실험예로 선택하여, 이들을 각각 20μL를 각각 제조하여 원형의 그래핀 위에 스핀 코팅시켜 도핑하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 1.2wt%에서 반응성의 변화가 크게 발생하여 암모니아 가스 측정 활용에 용이하게 되어 있으며, 0.12wt%에서는 초기 10초 이내 암모니아 가스 반응 변화를 보였으나, 이후 저항값이 지속적으로 유지되고 다시 회복되지 않아 재활용이 불가함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 산화구리의 입자 크기에 따른 암모니아 가스 검출의 반응성을 나타낸 그래프이다.
산화구리 나노 입자의 크기를 각각 10 내지 20nm, 20 내지 50nm, 50 내지 80nm, 그리고 80nm 이상의 크기에서 측정하였으며, 스핀코터의 1500 rpm 회전 속도를 기준으로 비교하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 10 내지 20nm의 산화구리 나노입자에서 민감도가 가장 우수하게 나옴을 확인할 수 있으며, 입자가 작을수록 감도가 큰 것으로 명확하게 관찰되었는데, 이는 나노입자의 크기가 암모니아 가스와의 화학적 반응성 증가와 반응 접촉면 확대 및 화학적 전하 메커니즘의 향상을 일으킬 것으로 추론된다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 산화구리의 입자의 스핀코팅(Spin coating)을 위한 스핀코터(Spin Coater)의 회전 속도(rpm)에 따른 암모니아 가스 검출의 반응 감도를 나타낸 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 여러 가지 스핀 코터의 회전 속도를 달리하여 센서의 반응을 볼 수 있다. 이 경우, 가장 좋은 감도를 주는 조건은 스핀코터의 회전속도가 1500rpm이다. 이는 스핀 속도에 따라 그래핀 위에 도핑되는 산화구리 나노입자의 표면 배치, 배열(array), 간격 등 다양한 변수가 발생되고 이는 센서의 성능에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 도 10a는 원형의 그래핀 (Pristine graphene)과 산화구리의 입자가 도핑된 그래핀의 암모니아 가스 반응 센서와 결합 반응 구조를 관찰한 XPS 그래프이다.
CuO로 도핑된 그래핀 센서의 XPS 스펙트럼은 도 10b에 제시되어 있는 것처럼, 284 eV까지 관찰할 수 있는 피크는 표면에 CuO 나노 입자가 있음을 나타낸다. 챔버 내 암모니아 가스를 노출시킨 후에 C1s의 날카로운 피크에는 큰 변화가 없었다. 이는 암모니아를 적용한 후에도 그래핀의 변하지 않는 특성을 나타낸다(도 10b, 10c). 도 10d에서, 529.53 eV 및 531.22 eV의 피크들은 각각 Cu-O 및 Cu-OH 결합에서 나왔으며, 이는 그래핀 표면에 도핑된 CuO가 흡수된 산소와 -OH기가 결합하기 때문이다. Si/Si 기판으로 인해 532.66 eV의 피크가 나타났다.
암모니아 가스가 노출된 후 533.27 eV의 새로운 피크가 발생한다. 이는 센서 표면에서의 반응 방식 때문에 나타나는 물 피크인 것으로 보인다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 원형의 그래핀과 산화구리 나노입자로 도핑된 그래핀이 암모니아 가스에 노출되었을 때 센서의 반응을 나타낸 그래프이다.
원형의 그래핀과 산화구리 나노입자로 도핑된 그래핀 센서의 반응성을 측정한 결과, 도 11에 도시된 바와 같이, 300sec 이내에 암모니아 반응성이 20배 이상 증가함을 확인할 수 있다. 무엇보다도 센서의 주요 성능 중 하나인 반응 후 빠른 원상 회복이 필요한데, 300초 이내에서 다시 초기 상태로 회복됨을 확인할 수 있다.
도 12은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 일정한 농도의 암모니아 가스에 대한 센서 반응의 재현성을 확인한 그래프이다.
그래핀에 도포된 10 nm입자 센서를 중심으로 10ppm 암모니아 가스에 반응하여 센서의 재현성을 측정하였다.
도 12에 도시된 바와 같이, 민감도 면에서 초기와 연속으로 4회 측정하였을 시 센서의 반응성은 90%로 동일하게 측정됨을 확인하였으며, 이는 센서의 재현성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 센서에 있어서, 암모니아 가스 반응 센서의 농도에 따른 정량성을 나타낸 그래프이다
암모니아 가스 농도의 함수로서 센서의 응답은 도 13a에서 보여주는 것처럼 농도에 따라 응답 측정 저항값이 증가하였는데 도 13b와 같이 5ppm에서 10ppm까지의 농도 변화에 따른 정량곡선은 y = 3.884x+1084.978의 식에 따른다.
또한, 회귀곡선은 0.990으로 매우 우수하였으며, 검출 한계는 본 발명에서 0.166 (S/N =10)으로 측정됨을 확인 할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 암모니아 가스 검출 장치를 이용한 암모니아 가스와 다른 가스들과의 반응성 비교를 통한 선택성을 나타낸 그래프이다.
센서의 선택도는 다양한 종류의 가스를 사용하여 시험 되었으며, 센서는 에탄올, 메탄, 아세톤, 메탄올, 이산화탄소에 대해 각각 5%, 3.5%, 1.5%, -10%, 2.6%의 선택도를 보였다.
도 14에 도시된 바와 같이, 암모니아 기체 검출은 다른 기체들보다 40~106배 이상의 감도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
도 15는 암모니아 가스 검출 장치의 블록 다이어그램과 이를 기반으로 제작된 시스템이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 전원부(1), 교정버튼(2), 콘트롤 유닛(3), 표시부(4), 아날로그 회로부(5) 및 센서(10)로 구성되어 있으며, 실제 센서 플랫폼의 사진도 함께 도시하였다.
전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구 범위에 의하여 나타내지며, 특허 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 고감도(high sensitivity), 빠른 포화(fast saturation) 및 짧은 회복 시간(recovery time)을 특징으로 하는 산화구리(CuO)로 도핑된 그래핀 센서를 제공할 수 있다.
1 전원부
2 교정버튼
3 콘트롤 유닛
4 표시부
5 아날로그 회로부
10 암모니아 가스 검출 센서
11 기판
12 그래핀 시트
13 산화구리 나노입자

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 위치하는 그래핀 시트; 및
    상기 그래핀 시트 상부에 10nm 내지 20nm 크기를 갖는 산화구리(I)(CuO) 나노입자를 포함하고,
    상기 산화구리(I)(CuO) 나노입자는, 상기 그래핀 시트를 1.2wt%의 산화구리(I)(CuO) 나노입자를 포함하는 수용액에 침지하고, 상기 수용액을 1500rpm으로 회전 교반하여 상기 그래핀 시트 위에 도핑되는 것을 특징으로 하는 기체상의 암모니아 가스 검출 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 시트는 단층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기체상의 암모니아 가스 검출 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 그래핀 시트는, 화학 기상 증착법으로 상기 기판 상부에 증착되는 것을 특징으로 하는 기체상의 암모니아 가스 검출 센서.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항, 제 4 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 기체상의 암모니아 가스 검출 센서;
    상기 그래핀 시트의 양단에 연결되는 전극; 및
    상기 암모니아 가스 검출 센서를 구동하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체상의 암모니아 가스 검출 장치.
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