KR20160146321A - Gas Sensor for Toluene - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a gas sensor for detecting toluene, which includes a nanowire including a metallic oxide. The nanowire has a core-shell structure which includes a first metallic oxide layer and a second metallic oxide layer enclosing the first metallic oxide layer and a Pt particle on the surface of the core-shell structure, and detects toluene of which a concentration is less than or equal to 100 ppb. Therefore, the nanowire can be used for diagnosis of lung cancer.

Description

톨루엔 검출용 가스 센서{Gas Sensor for Toluene}A gas sensor for detecting toluene {Gas Sensor for Toluene}

본 발명은 톨루엔 검출용 가스 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 금속 산화물을 포함하는 나노 와이어를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a gas sensor for detecting toluene. And more particularly to a gas sensor for detecting toluene comprising nanowires comprising metal oxides.

가스 센서는 건강 관리, 질병 검출, 환경모니터링, 제조 공정 중 오염 물질 제어 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 특히, 건강 관리 및 질병 검출에 있어서, 인간이 호흡 시 날숨에 포함되어 있는 질병과 연관된 화학물질, 즉, 바이오마커(bio-marker)를 검출하여 질병을 선제적으로 진단할 수 있는 화학센서에 대한 응용이 확대되고 있다. 예를 들면 톨루엔은 폐암, 아세톤은 당뇨, 벤젠은 백혈병, 일산화탄소는 천식, 펜탄(Pentane)은 심장병, 암모니아는 신부전과 깊은 상관성이 있음이 알려지고 있다. 이러한 화학물질이 호흡하는 날숨에 어느 한도 이상 포함되어 있거나, 포함된 양의 변화폭이 어느 한계 이상일 경우 해당 질병과의 관련성을 의심할 수 있다.
Gas sensors can be applied to various fields such as health care, disease detection, environmental monitoring, pollutant control during manufacturing process. Particularly, in the health care and disease detection, a chemical sensor which can detect a chemical substance associated with a disease contained in exhalation during respiration, that is, a bio-marker, Applications are expanding. For example, it is known that toluene has a strong correlation with lung cancer, acetone with diabetes, benzene with leukemia, carbon monoxide with asthma, Pentane with heart disease, and ammonia with renal failure. If these chemicals contain more than a certain amount of exhaled breath, or if the change in the contained amount is above a certain limit, it may be suspicious of the disease.

이러한 가스 센서에 사용되는 재료 중에서 산화물 반도체 재료는 안정성과 경제성 측면에서 대단히 유리한 소재이며, 특히 여러 가지 형태의 나노 구조를 채택하여 그 감응성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 특히 금속 산화물 나노 와이어의 경우 표면적이 박막 및 덩어리 소재에 비해 현저히 크고, 결정성이 우수하여 가스 감응성이 우수하다.
Of the materials used in such gas sensors, oxide semiconductor materials are extremely advantageous in terms of stability and economical efficiency. In particular, various types of nanostructures can be employed to significantly improve the sensitivity of the materials. In particular, the metal oxide nanowire has a significantly larger surface area than the thin film and lump materials, and has excellent crystallinity and gas sensitivity.

아래의 선행기술문헌은 정렬된 금속 산화물 나노 패턴을 포함하는 가스 센서를 개시하고 있다.
The following prior art document discloses a gas sensor comprising an aligned metal oxide nanopattern.

한국 특허 공개공보 제10-2014-0103816호Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0103816

본 발명의 목적은, 톨루엔에 대한 민감도가 높은 가스 센서를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a gas sensor with high sensitivity to toluene.

본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서는, 금속 산화물을 포함하는 나노 와이어를 포함하고, 상기 나노 와이어는 제1 금속 산화물층 및 상기 제1 금속 산화물을 둘러싸는 제2 금속 산화물층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지고, 그 표면에 Pt 입자를 포함한다.
A gas sensor for detecting toluene according to an embodiment of the present invention includes a nanowire including a metal oxide, the nanowire including a first metal oxide layer and a second metal oxide layer surrounding the first metal oxide Shell structure, which contains Pt particles on its surface.

또한, 상기 나노 와이어에 있어서, 상기 제1 금속 산화물층 또는 제2 금속 산화물층은 Ti. Sn. Zn, Mn, Mg, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La 및 이들의 조합으로부터 형성된 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
In addition, in the nanowire, the first metal oxide layer or the second metal oxide layer may be formed of Ti. Sn. Metal formed from Zn, Mn, Mg, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La and combinations thereof Oxide. ≪ / RTI >

또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서는 폐암 진단용으로 사용될 수 있다.
Further, the gas sensor for detecting toluene according to the embodiment of the present invention can be used for diagnosis of lung cancer.

본 발명의 다른 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서의 제조 방법은, 제1 금속 산화물을 이용하여 제1 금속 산화물층을 형성하는 단계, 상기 제1 금속 산화물층을 둘러싸도록 제2 금속 산화물을 이용하여 제2 금속 산화물층을 형성하는 단계 및 상기 제2 금속 산화물층의 표면에 Pt 입자를 배치하는 단계를 포함한다.
A method of manufacturing a gas sensor for detecting toluene according to another embodiment of the present invention includes the steps of forming a first metal oxide layer using a first metal oxide, using a second metal oxide to surround the first metal oxide layer Thereby forming a second metal oxide layer and disposing Pt particles on the surface of the second metal oxide layer.

본 발명의 톨루엔 검출용 가스 센서는 톨루엔에 대한 민감도가 높다.
The gas sensor for detecting toluene of the present invention is highly sensitive to toluene.

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서를 도시한 것이다.
도 2는 도 1을 AA’를 따라 절단한 후 절단면에서 바라본 것을 도시한 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 나노 와이어의 단면을 도시한 것이다.
도 4는 나노 와이어의 종류에 따른 저항을 측정하여 도시한 것이다.
도 5는 가스 종류에 따른 감응성을 측정하여 도시한 것이다.\
도 6은 제2 금속 산화물층의 두께에 따른 감응성을 측정하여 도시한 것이다.1 shows a gas sensor for detecting toluene according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA 'of FIG. 1. FIG.
Figure 3 shows a cross section of the nanowires of Figures 1 and 2;
FIG. 4 is a graph showing resistance measured according to the type of the nanowire.
5 shows the measurement of the sensitivity according to the kind of gas.
FIG. 6 shows the measurement of the sensitivity to the thickness of the second metal oxide layer.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings. In addition, "including" an element throughout the specification does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary.

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)를 도시한 것이고, 도 2는 도 1을 AA’를 따라 절단한 후 절단면에서 바라본 것을 도시한 것이고, 도 3은 도 1 및 도 2의 나노 와이어(130)의 단면을 도시한 것이다.
FIG. 1 shows a gas sensor 100 for detecting toluene according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 shows the gas sensor 100 taken along a line AA 'in FIG. 1, 2 shows a cross section of the nanowire 130 of FIG.

도 1을 참조하면 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는, 금속 산화물을 포함하는 나노 와이어(130)를 포함하고, 제1 금속 산화물층(131) 및 상기 제1 금속 산화물층(131)을 둘러싸는 제2 금속 산화물층(132)을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지고, 그 표면에 Pt 입자(133)를 포함한다.
Referring to FIG. 1, a gas sensor 100 for detecting toluene according to an embodiment of the present invention includes a nanowire 130 including a metal oxide, and includes a first metal oxide layer 131, Shell structure including a second metal oxide layer 132 surrounding the layer 131, and includes a Pt particle 133 on its surface.

금속 산화물을 포함하는 나노 와이어(130)는 박막 형태 또는 덩어리 형태인 것에 비하여 표면적비가 높다. 따라서, 상기 나노 와이어(130)를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는 측정 대상이 되는 가스에 대한 감응성, 즉 상기 가스에 대한 민감도가 높다.
The nanowire 130 including the metal oxide has a high surface area ratio as compared with a thin film or a lump shape. Therefore, the gas sensor 100 for detecting toluene containing the nanowires 130 has a high sensitivity to the gas to be measured, that is, a high sensitivity to the gas.

상기 금속 산화물을 포함하는 나노 와이어(130)를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)가 공기 중의 가스를 검출하는 원리는 아래와 같다.
The principle of the detection of the gas in the air by the gas sensor 100 for detecting toluene comprising the nanowires 130 containing the metal oxide is as follows.

공기 중의 산소 분자가 나노 와이어(130) 표면에 흡착하면 상기 나노 와이어(130)의 표면의 전자가 상기 산소 분자에 포획되어 상기 나노 와이어(130)의 표면에 전자 공핍층이 형성되어 있을 수 있다.
When oxygen molecules in the air are adsorbed on the surface of the nanowire 130, electrons on the surface of the nanowire 130 may be trapped by the oxygen molecule to form an electron depletion layer on the surface of the nanowire 130.

만일, 산화성 가스 분자가 상기 나노 와이어(130)의 표면에 흡착하면 상기 나노 와이어(130)의 표면의 전자가 상기 산화성 가스 분자에 추가적으로 포획되어 상기 전자 공핍층이 더욱 확장될 수 있다. 이 경우, 상기 나노 와이어(130)의 표면에 형성된 전자 공핍층으로 인하여 상기 나노 와이어(130)의 전기 저항이 증가할 수 있다.
If the oxidizing gas molecules are adsorbed on the surface of the nanowire 130, electrons on the surface of the nanowire 130 are further captured by the oxidizing gas molecules, so that the electron depletion layer can be further expanded. In this case, the electrical resistance of the nanowire 130 may increase due to an electron depletion layer formed on the surface of the nanowire 130.

만일, 환원성 가스 분자가 상기 나노 와이어(130)의 표면에 흡착하면 산화성 가스 분자가 상기 나노 와이어(130)의 표면에 흡착한 경우와 이와 다른 결과가 발생할 수 있다. 환원성 가스 분자가 상기 나노 와이어(130)의 표면에 흡착하면 산소 분자와 환원성 가스 분자가 서로 반응하여 상기 나노 와이어(130)의 표면에서 떨어져 나갈 수 있다. 따라서, 상기 나노 와이어(130)의 표면에 형성된 전자 공핍층이 축소되어 상기 나노 와이어(130)의 전기 저항이 감소할 수 있다.
If the reducing gas molecules are adsorbed on the surfaces of the nanowires 130, different results may be obtained when the oxidizing gas molecules are adsorbed on the surface of the nanowires 130. When the reducing gas molecules are adsorbed on the surfaces of the nanowires 130, the oxygen molecules and the reducing gas molecules may react with each other and separate from the surface of the nanowires 130. Accordingly, the electron depletion layer formed on the surface of the nanowire 130 may be reduced to reduce the electrical resistance of the nanowire 130.

이와 같이, 나노 와이어(130)의 표면에 가스 분자가 탈착 및 부착하는 경우 전자 교환이 발생할 수 있다. 이러한 전자 교환이 효과적으로 이루어지기 위해서는 일정 값 이상의 열 에너지가 필요하며, 일반적으로 가스 농도 측정은 200℃ 내지 400℃의 온도에서 이루어질 수 있다.
As described above, when the gas molecules are desorbed and adhered to the surface of the nanowire 130, electron exchange may occur. In order to effectively perform such an electron exchange, a thermal energy of more than a predetermined value is required. In general, the gas concentration measurement can be performed at a temperature of 200 ° C to 400 ° C.

본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)에 포함되는 나노 와이어(130)는 코어-쉘 구조를 가짐으로써, 쉘에 대응되는 제2 금속 산화물층(132)에 일정한 밴드 구조를 형성하게 되고, 이로 인하여 상기 나노 와이어(130)의 전기 저항에 변화가 생기게 된다. 이러한 전기 저항의 변화는 가스, 특히 톨루엔 등의 환원성 가스에 대한 감응성을 향상시킬 수 있다.
The nanowire 130 included in the gas sensor 100 for detecting a toluene according to an embodiment of the present invention has a core-shell structure, thereby forming a constant band structure in the second metal oxide layer 132 corresponding to the shell And thus the electrical resistance of the nanowire 130 is changed. This change in electrical resistance can improve the sensitivity to gases, especially reducing gases such as toluene.

즉, 본 발명의 일 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는 나노 와이어(130)가 코어-쉘 구조를 가짐으로써, 상기 나노 와이어(130)가 제1 금속 산화물층(131) 및 상기 제1 금속 산화물층(131)을 둘러싸는 제2 금속 산화물층(132)을 포함함으로써 가스에 대한 감응성이 보다 높다.
That is, the gas sensor 100 for detecting a toluene according to an embodiment of the present invention has a structure in which the nanowire 130 has a core-shell structure, so that the nanowire 130 is separated from the first metal oxide layer 131, By including the second metal oxide layer 132 surrounding the first metal oxide layer 131, the sensitivity to gas is higher.

또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는, 나노 와이어(130)의 표면에 배치된 Pt 입자(133)를 포함하고 있기 때문에 가스에 대한 감응성이 보다 높다.
In addition, since the gas sensor 100 for detecting toluene according to the embodiment of the present invention includes the Pt particles 133 disposed on the surface of the nanowire 130, the sensitivity to gas is higher.

즉, 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는, 상기 나노 와이어(130)가 코어-쉘 구조를 갖고, 그 표면에 배치된 Pt 입자(133)를 포함함으로써 톨루엔에 대한 감응성이 높다.
That is, the gas sensor 100 for detecting a toluene according to an embodiment of the present invention is characterized in that the nanowire 130 has a core-shell structure and includes Pt particles 133 disposed on the surface thereof, high.

코어-쉘 구조를 갖지만 그 표면에 Pt 입자를 포함하지 않는 나노 와이어를 포함하는 경우 가스 검출/농도 측정 시 쉘에 완전 공핍층이 형성되어 가스에 대한 감응도가 커질 수 있다. 그러나, 상기 쉘의 두께가 일정 값 이상인 경우 상기 쉘의 일부에만 공핍층이 형성될 수 있으며, 톨루엔에 대한 감응도가 감소할 수 있다.
When a nanowire having a core-shell structure but containing no Pt particles is included on its surface, a complete depletion layer may be formed in the shell during gas detection / concentration measurement, which may increase sensitivity to gas. However, when the thickness of the shell is greater than a predetermined value, a depletion layer may be formed only in a part of the shell, and the sensitivity to toluene may be reduced.

또한, Pt 입자를 포함하고 있는 나노 와이어를 이용하는 경우에도 상기 나노 와이어가 코어-쉘 구조가 아닌 경우에는 코어-쉘 구조를 갖고 그 표면에 Pt 입자를 포함하는 나노 와이어를 포함하는 경우에 비하여 톨루엔에 대한 감응도가 현저히 낮다.
Also, in the case of using nanowires containing Pt particles, when the nanowires are not of a core-shell structure, the nanowires having a core-shell structure and containing Pt particles on the surface thereof, The sensitivity to the reaction is remarkably low.

반면, 코어-쉘 구조를 갖고 그 표면에 Pt 입자(133)를 포함하는 나노 와이어(130)를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)의 경우 상기 쉘 영역(제2 금속 산화물층(132))의 표면에 배치된 Pt 입자(133)로 인하여 상기 쉘 영역에는 추가적인 공핍영역이 발생하게 된다. 상기 쉘 영역의 두께가 두꺼워지더라도 상기 추가적인 공핍영역으로 인하여 나노 와이어(130)에서 발생하는 저항은 증가하게 된다. 따라서, 이러한 나노 와이어(130)를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는 톨루엔에 대한 감응도가 보다 증가할 수 있다.
On the other hand, in the case of the gas sensor 100 for detecting toluene having the nanowire 130 having a core-shell structure and Pt particles 133 on its surface, the shell region (the second metal oxide layer 132) Due to the Pt particles 133 disposed on the surface of the substrate. Even if the thickness of the shell region becomes thick, the resistance generated in the nanowire 130 due to the additional depletion region is increased. Accordingly, the gas sensor 100 for detecting toluene containing the nanowires 130 may be more susceptible to toluene.

상기 기재된 바와 같이, 코어-쉘 구조의 독특한 전하공핍영역 및 Pt 입자의 톨루엔에 대한 촉매 성능이 결합되어 현저히 향상된 톨루엔 검출용 가스 센서(100)를 제공할 수 있다.
As described above, it is possible to provide the gas sensor 100 for detecting toluene, which is remarkably improved by combining the unique charge depletion region of the core-shell structure and the catalytic performance of the Pt particles with toluene.

톨루엔은 폐암을 진단하는 데 사용하는 바이오마커(bio-marker)이다. 톨루엔이 날숨에 어느 한도 이상 포함되어 있거나, 포함된 양의 변화폭이 어느 한계 이상일 경우 해당 질병과의 관련성을 의심할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는 폐암 진단용으로 사용될 수 있다.
Toluene is a bio-marker used to diagnose lung cancer. If toluene contains more than a certain amount of exhalation, or if the variation of the contained amount is above a certain limit, the relationship with the disease may be suspected. Therefore, the gas sensor 100 for detecting toluene according to the embodiment of the present invention can be used for diagnosis of lung cancer.

상기 나노 와이어(130)에 있어서, 상기 제1 금속 산화물층(131) 또는 제2 금속 산화물층(132)은 Ti. Sn. Zn, Mn, Mg, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La 및 이들의 조합으로부터 형성된 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
In the nanowire 130, the first metal oxide layer 131 or the second metal oxide layer 132 may be formed of Ti. Sn. Metal formed from Zn, Mn, Mg, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La and combinations thereof Oxide. ≪ / RTI >

일 실시 예로서, 상기 제1 금속 산화물층(131)은 SnO2을 포함할 수 있고, 상기 제2 금속 산화물층(132)은 ZnO을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속 산화물층(131) 및 제2 금속 산화물층(132)의 두께는 용도, 측정 범위 등에 따라 변형될 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 80nm일 수 있다.
In one embodiment, the first metal oxide layer 131 may include SnO 2 , and the second metal oxide layer 132 may include ZnO. The thicknesses of the first metal oxide layer 131 and the second metal oxide layer 132 may be varied depending on the application, the measurement range, etc., and preferably from 5 to 80 nm.

상기 나노 와이어(130)는 상기 제1 금속 산화물층(131) 및 제2 금속 산화물층(132)의 종류에 따라 p-n 타입의 코어-쉘 구조를 형성하거나 n-n 타입의 코어-쉘 구조를 형성할 수 있다.
The nanowire 130 may form a pn-type core-shell structure or an nn-type core-shell structure depending on the types of the first metal oxide layer 131 and the second metal oxide layer 132 have.

상기 나노 와이어(130)의 코어-쉘 구조를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 코어는 기체-액체-고체(VLS: vapor-liquid-solid) 성장법에 의해 형성할 수 있다. 또한, 쉘은 원자층증착법(ALD: atomic layer deposition)에 의하여 형성할 수 있다.
The method of forming the core-shell structure of the nanowire 130 is not particularly limited. For example, the core can be formed by a vapor-liquid-solid (VLS) growth method. In addition, the shell can be formed by atomic layer deposition (ALD).

상기 Pt 입자(133)를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 방사선 분해법을 이용함으로써 나노 와이어(130) 표면에 Pt 입자(133)를 형성할 수 있다.
The method of forming the Pt particles 133 is not particularly limited. For example, the Pt particles 133 can be formed on the surface of the nanowire 130 by using the radiation decomposition method.

도 1을 참조하면 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)는, 나노 와이어(130)와 연결된 전극(120) 및 상기 전극(120)의 일면에 배치된 기판(110)을 더 포함할 수 있다.
Referring to FIG. 1, a gas sensor 100 for detecting toluene according to an embodiment of the present invention includes an electrode 120 connected to a nanowire 130, and a substrate 110 disposed on one surface of the electrode 120. .

기판(110)은 기판(110) 상부에 배치된 전극(120)을 지지하고 절연하는 역할을 할 수 있다. 상기 기판(110)은 특별히 제한 되지 않으며, 실리콘 웨이퍼, 석영 기판(110), 산화물 기판(110) 등일 수 있다.
The substrate 110 may support and insulate the electrodes 120 disposed on the substrate 110. The substrate 110 is not particularly limited and may be a silicon wafer, a quartz substrate 110, an oxide substrate 110, or the like.

상기 기판(110) 상에는 전극(120)이 배치될 수 있다. 상기 전극(120)은 전원부(140)로부터 공급되는 전류가 흐르는 통로를 형성하며, 상기 전극(120) 상에 배치된 나노 와이어(130)에 전류를 공급하는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 나노 와이어(130)를 형성하고 지지하는 역할을 할 수 있다.
An electrode 120 may be disposed on the substrate 110. The electrode 120 forms a passage through which a current supplied from the power supply unit 140 flows and may supply current to the nanowire 130 disposed on the electrode 120. In addition, the nanowires 130 may be formed and supported.

상기 전극(120)의 재료는 전자 기기 분야에서 일반적으로 사용되는 도전성 물질일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 상기 전극(120)은 Au-Pt-Ti가 순차적으로 적층된 형상을 가질 수 있다. 상기 전극(120)의 제조 방법 역시 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 포토리소그래피 공정(photolithography process)에 의해 형성될 수 있다.
The material of the electrode 120 may be a conductive material generally used in the field of electronic devices, and is not particularly limited. For example, the electrode 120 may have a shape in which Au-Pt-Ti is sequentially stacked. The method of manufacturing the electrode 120 is also not particularly limited. For example, by a photolithography process.

상기 기판(110) 및 전극(120) 사이에는 절연층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 절연층은 전극(120)을 지지하고 절연하는 역할을 할 수 있다.
An insulating layer (not shown) may be disposed between the substrate 110 and the electrode 120. The insulating layer may serve to support and insulate the electrode 120.

또한, 상기 전극(120)에 전류를 공급하는 전원부(140)를 포함할 수 있다. 상기 전원부(140)를 통해 공급된 전류는 전극(120) 및 나노 와이어(130)를 거쳐 흐를 수 있다. 상기 전류의 흐름에 따라 발생하는 저항 및 그 변화를 측정함으로써 가스의 농도를 측정할 수 있다. 본 발명에서 상기 전원부(140)의 형상 및 원리 등은 특별히 한정되지 않는다.
The power supply unit 140 may supply current to the electrode 120. The current supplied through the power supply unit 140 may flow through the electrode 120 and the nanowire 130. The concentration of the gas can be measured by measuring the resistance and the change occurring in accordance with the current flow. In the present invention, the shape and principle of the power supply unit 140 are not particularly limited.

상기 전극(120) 상에는 나노 와이어(130)가 배치되며, 상기 나노 와이어(130)는 상기 전극(120)으로부터 뻗어 나오도록 형성될 수 있다. 다만, 나노 와이어(130)의 형상 및 배치는 특별히 제한되지 않는다.
A nanowire 130 may be disposed on the electrode 120 and the nanowire 130 may extend from the electrode 120. However, the shape and arrangement of the nanowires 130 are not particularly limited.

도 4는 나노 와이어의 종류에 따른 저항을 측정하여 도시한 것이다. 각각의나노 와이어를 포함하는 가스 센서를 이용하여 톨루엔이 포함된 공기 상에서의 저항을 측정한 것이다. (a)는 SnO2 단일 구조의 나노 와이어를 이용한 것이고, (b)는 ZnO 단일 구조의 나노 와이어를 이용한 것이고, (c)는 코어-쉘(SnO2 - ZnO) 구조의 나노 와이어를 이용한 것이고, (d)는 코어-쉘(SnO2 - ZnO) 구조 및 표면에 Pt 입자가 배치된 나노 와이어를 이용한 것이다. (c) 및 (d)에서 쉘의 두께는 80 nm로 설정하였다. 공기 중에 포함된 톨루엔의 농도는 (a) 및 (b)의 경우 왼쪽부터 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm이고, (c)와 (d)의 경우 왼쪽부터 100 ppb, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm이다. 가스 센서의 센싱 온도는 300℃ 였다.
FIG. 4 is a graph showing resistance measured according to the type of the nanowire. The resistance on air containing toluene was measured using a gas sensor containing each nanowire. (a) is a nanowire of a SnO 2 single structure, (b) is a nanowire of a ZnO single structure, (c) is a nanowire of a core-shell (SnO 2 - ZnO) structure, (d) is a nanowire having a core-shell (SnO 2 - ZnO) structure and Pt particles disposed on its surface. (c) and (d), the thickness of the shell was set to 80 nm. The concentration of toluene contained in the air is 1 ppm, 5 ppm and 10 ppm from the left in the case of (a) and (b), and 100 ppb, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm from the left in ppm. The sensing temperature of the gas sensor was 300 ° C.

도 4를 참조하면, 코어-쉘 구조를 갖는 나노 와이어를 이용하여 저항을 측정한 값 (c)가 단일 구조를 갖는 나노 와이어를 이용하여 저항을 측정한 값 (a) 및 (b) 보다 높음을 알 수 있다. 또한, 코어-쉘 구조 및 Pt 입자를 배치한 나노 와이어를 이용하여 저항을 측정한 값 (d)가 (a), (b) 및 (c)에 비해 높은 저항을 가짐을 알 수 있다.
Referring to FIG. 4, the value (c) of the resistance measured using the nanowire having the core-shell structure is higher than the values (a) and (b) of the resistance measured using the nanowire having a single structure Able to know. In addition, it can be seen that the value d obtained by measuring the resistance using the core-shell structure and the nanowire in which the Pt particles are arranged has a higher resistance than (a), (b) and (c).

결론적으로 나노 와이어가 코어-쉘 구조를 갖고 Pt 입자를 배치함으로써 톨루엔에 대한 감응성이 높아졌음을 알 수 있다.
In conclusion, it can be seen that the nanowire has a core-shell structure and the placement of Pt particles increases the sensitivity to toluene.

도 5는 가스 종류에 따른 감응성을 측정하여 도시한 것이다. 도 5는 코어-쉘 구조(SnO2 - ZnO) 및 Pt 입자를 배치한 나노 와이어를 이용하여 톨루엔(C7H8), CO, CO2 및 벤젠(C6H6)에 대한 반응(Rair/Rgas)을 측정한 것이다. 반응(Rair/Rgas)에서 Rair는 가스 센서에 일정한 전압을 인가한 후 공기(air) 상에서의 저항을 측정한 값이고, Rgas는 측정 대상 가스를 투입한 후 저항을 측정한 값이다.
FIG. 5 is a graph showing the sensitivity to various gas types. Figure 5 is a core-shell structure (SnO 2 - ZnO) and Pt particles by using the nanowires disposed toluene (C 7 H 8), CO , CO2 , and reaction of the benzene (C 6 H 6) (R air / R gas ). In the reaction (R air / R gas ), R air is a value obtained by measuring a resistance on the air after a constant voltage is applied to the gas sensor, and R gas is a value obtained by measuring the resistance after the gas to be measured is charged .

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서의 경우, CO, CO2 및 벤젠(C6H6) 등 다른 가스에 비하여 톨루엔에 대한 감응성이 월등히 우수함을 알 수 있다.
Referring to FIG. 5, it can be seen that the gas sensor for detecting toluene according to an embodiment of the present invention is much more sensitive to toluene than other gases such as CO, CO 2, and benzene (C 6 H 6 ).

도 6은 제2 금속 산화물층의 두께에 따른 감응성을 측정하여 도시한 것이다. 코어-쉘(SnO2 - ZnO) 구조를 갖고 표면에 Pt 입자가 배치된 나노 와이어 및 코어-쉘(SnO2 - ZnO) 구조를 갖고 표면에 Pt 입자가 배치되지 않은 나노 와이어를 이용하여 반응(Rair/Rgas)을 측정한 것이다. 톨루엔의 농도는 100 ppb였다.
FIG. 6 shows the measurement of the sensitivity to the thickness of the second metal oxide layer. A core-shell (SnO 2 - ZnO) the nanowire and the core is the Pt particles disposed on the surface having the structure-shell (SnO 2 - ZnO) has the structure reaction using a nanowire Pt particle is not disposed on the surface (R air / R gas ). The concentration of toluene was 100 ppb.

도 6을 참조하면, 코어-쉘(SnO2 - ZnO) 구조를 갖고 표면에 Pt 입자가 배치된 나노 와이어를 사용한 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서는 제2 금속 산화물층(쉘)의 두께가 5 내지 80 nm 범위에서 안정적으로 톨루엔을 검출할 수 있고, 그 농도를 측정할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 코어-쉘(SnO2 - ZnO) 구조를 갖고 표면에 Pt 입자가 배치되지 않은 나노 와이어를 사용한 경우에는 제2 금속 산화물층이 일정한 두께 이상인 경우 톨루엔에 대한 감도가 감소함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서는 공기 톨루엔 100 ppb 농도를 검출할 수 있다.
Referring to FIG. 6, a gas sensor for detecting toluene according to an embodiment of the present invention using a nanowire having a core-shell (SnO 2 - ZnO) structure in which Pt particles are disposed on a surface includes a second metal oxide layer It is possible to stably detect toluene in a thickness range of 5 to 80 nm and to measure the concentration thereof. On the other hand, when a nanowire having a core-shell (SnO 2 - ZnO) structure and having no Pt particles disposed on its surface is used, the sensitivity to toluene decreases when the second metal oxide layer is thicker than a certain thickness. Therefore, the gas sensor for detecting toluene according to the embodiment of the present invention can detect 100 ppb concentration of air toluene.

이하 본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)의 제조 방법을 설명한다. 다만, 아래 설명하는 제조 방법은 일 실시 예에 해당하는 것이므로, 본 발명이 여기에 한정하는 것은 아니다.
Hereinafter, a method for producing a gas sensor 100 for detecting toluene according to an embodiment of the present invention will be described. However, the manufacturing method described below corresponds to one embodiment, and thus the present invention is not limited thereto.

본 발명의 실시 예를 따르는 톨루엔 검출용 가스 센서(100)의 제조 방법은, 제1 금속 산화물을 이용하여 제1 금속 산화물층(131)을 형성하는 단계, 상기 제1 금속 산화물층(131)을 둘러싸도록 제2 금속 산화물을 이용하여 제2 금속 산화물층(132)을 형성하는 단계 및 상기 제2 금속 산화물층(132)의 표면에 Pt 입자(133)를 배치하는 단계를 포함한다.
The method for producing a gas sensor 100 for detecting toluene according to an embodiment of the present invention includes the steps of forming a first metal oxide layer 131 using a first metal oxide, Forming a second metal oxide layer 132 using a second metal oxide to surround the first metal oxide layer 132 and disposing the Pt particles 133 on the surface of the second metal oxide layer 132.

또한, 상기 제1 금속 산화물은 SnO2을 포함할 수 있고, 상기 제2 금속 산화물은 ZnO을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 금속 산화물층(132)의 두께는 5 내지 80 nm일 수 있다.
In addition, the first metal oxide may include SnO 2 , and the second metal oxide may include ZnO. In addition, the thickness of the second metal oxide layer 132 may be 5 to 80 nm.

제1 금속 산화물층(131)을 형성하는 단계 이전에 기판(110) 상에 전극(120)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
The method may further include forming the electrode 120 on the substrate 110 before the step of forming the first metal oxide layer 131.

우선 기판(110)을 준비할 수 있으며, 상기 기판(110)은 실리콘 웨이퍼, 석영 기판(110), 산화물 기판(110) 등일 수 있다.
First, a substrate 110 may be prepared. The substrate 110 may be a silicon wafer, a quartz substrate 110, an oxide substrate 110, or the like.

다음으로 상기 기판(110) 상에 절연층(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 기판(110) 및 절연층은 기판(110) 상에 형성되는 전극(120)을 지지하고 상호간에 절연하는 역할을 한다. 상기 절연층은 실리콘 옥사이드, 실리콘 다이옥사이드, 질화 실리콘, 폴리머 등일 수 있다. 또한, 절연 성질을 갖는 기판(110)을 사용하여 상기 절연 성질을 갖는 기판(110)의 상부에 전극(120)을 형성함으로써 절연층을 별도로 형성하지 않을 수 있다.
Next, an insulating layer (not shown) may be formed on the substrate 110. The substrate 110 and the insulating layer support and insulate the electrodes 120 formed on the substrate 110. The insulating layer may be silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitride, a polymer, or the like. In addition, an insulating layer may not be separately formed by forming the electrode 120 on the substrate 110 having the insulating property using the substrate 110 having an insulating property.

다음으로 상기 기판(110) 상에 전극(120)을 형성할 수 있다. 상기 전극(120)은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용하는 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면 포토리소그래피 공정(photolithography process)에 의해 형성될 수 있다. 상기 전극(120)은 특별히 제한되지 않지만, Au-Pt-Ti가 순차적으로 적층된 형상을 가질 수 있다. 이 때 각 층의 두께는 필요에 따라 조절될 수 있다.
Next, the electrode 120 may be formed on the substrate 110. The electrode 120 may be formed by a method commonly used in the art. For example, by a photolithography process. The electrode 120 is not particularly limited, but Au-Pt-Ti may be sequentially stacked. At this time, the thickness of each layer can be adjusted as needed.

제1 금속 산화물을 이용하여 제1 금속 산화물층(131)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 제1 금속 산화물층(131)을 형성하는 공정은 일 예로 다음과 같을 수 있다.
The first metal oxide layer 131 may be formed using the first metal oxide. The process of forming the first metal oxide layer 131 may be, for example, as follows.

주석 파우더(Aldrich, 99.9%)를 수평 석영튜브 반응로(quartz tube furnace)에 넣고 반응로의 압력을 1x10-3 torr로 설정한다. 상기 반응로 내부로 질소 300 sccm 및 산소 10 sccm을 주입한 후 900℃에서 15분 동안 가열함으로써 제1 금속 산화물층(131)을 형성할 수 있다.
Tin powder (Aldrich, 99.9%) is placed in a horizontal quartz tube furnace and the pressure of the reactor is set to 1x10 -3 torr. The first metal oxide layer 131 can be formed by injecting 300 sccm of nitrogen and 10 sccm of oxygen into the reaction furnace and then heating at 900 ° C for 15 minutes.

다음으로 상기 제1 금속 산화물층(131)을 둘러싸도록 제2 금속 산화물을 이용하여 제2 금속 산화물층(132)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 제2 금속 산화물층(132)을 형성하는 공정은 일 예로 다음과 같을 수 있다.
Next, the second metal oxide layer 132 may be formed using the second metal oxide so as to surround the first metal oxide layer 131. The process of forming the second metal oxide layer 132 may be, for example, as follows.

전구체 용액을 준비한다. 상기 전구체 용액은 디에틸 아연(Zn(C2H5)2, DEZn) 및 물을 포함할 수 있다. 상기 전구체 용액을 반응기에 주입하고 상기 반응기는 온도 150℃, 압력 0.3 torr로 설정한다. 상기 전구체 용액에 앞서 형성한 코어가 형성된 기판(110)을 침지하고 원자층증착법을 실시 한다. 이 때 형성되는 제2 금속 산화물층(132)의 두께는 5 내지 80nm일 수 있다.
Prepare the precursor solution. The precursor solution may comprise diethylzinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 , DEZn) and water. The precursor solution is injected into the reactor and the reactor is set at a temperature of 150 ° C and a pressure of 0.3 torr. The substrate 110 on which the core formed before the precursor solution is formed is immersed and atomic layer deposition is performed. The thickness of the second metal oxide layer 132 formed at this time may be 5 to 80 nm.

다음으로 상기 제2 금속 산화물층(132)의 표면에 Pt 입자(133)를 배치하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 Pt 입자(133)를 배치하는 단계는 일 예로 다음과 같을 수 있다.
Next, a step of disposing the Pt particles 133 on the surface of the second metal oxide layer 132 may be performed. The step of disposing the Pt particles 133 may be, for example, as follows.

전구체 용액을 준비 한다. 상기 전구체 용액은 탈 이온수(DI Water) 94 vol%, 2-프로판올 6 vol%의 혼합 용매에 헥사클로로 백금(IV)산 수화물(Hydrogen hexachloroplatinate(IV) hydrate: H2PtCl6nH2O, n = 5.8) 1.0 mM을 넣어 형성할 수 있다. 앞서 형성한 코어-쉘 구조를 갖는 나노 와이어(130)가 형성된 기판(110)을 상기 전구체 용액에 침하고 방사선을 조사한다. 상기 방사선은 60Co(동위원소)를 소스로 사용할 수 있고, 10 kGy/h의 선량률로 2시간 동안 조사할 수 있다. 이 때 총선량률은 20 kGy일 수 있다.
Prepare the precursor solution. The precursor solution was prepared by adding hexachloroplatinate (IV) hydrate (H 2 PtCl 6 nH 2 O, n) to a mixed solvent of 94 vol% of DI water and 6 vol% of 2-propanol = 5.8) 1.0 mM. The substrate 110 on which the nanowire 130 having the core-shell structure formed is formed is immersed in the precursor solution and irradiated with the radiation. The radiation can be used as a source of 60 Co (isotope) and can be irradiated for 2 hours at a dose rate of 10 kGy / h. At this time, the total dose rate may be 20 kGy.

다음으로, 상기 기판(110)을 500℃에서 1시간 동안 열처리하여 금속 산화물층에 부착된 용매를 건조시킨다.
Next, the substrate 110 is heat-treated at 500 DEG C for 1 hour to dry the solvent attached to the metal oxide layer.

그 밖에 톨루엔 검출용 가스 센서(100)를 제조하기 위한 일반적인 공정, 예를 들면 전극(120)에 전원부(140)를 연결하는 공정 등이 추가될 수 있다.
In addition, a general process for manufacturing the gas sensor 100 for detecting toluene, for example, a process of connecting the power source 140 to the electrode 120, and the like may be added.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.

100: 톨루엔 검출용 가스 센서
110: 기판
120: 전극
130: 나노 와이어
140: 전원부
131: 제1 산화물층
132: 제2 산화물층
133: Pt 입자100: Gas sensor for detecting toluene
110: substrate
120: Electrode
130: nanowire
140:
131: first oxide layer
132: second oxide layer
133: Pt particles

Claims (6)

금속 산화물을 포함하는 나노 와이어를 포함하고,
상기 나노 와이어는 제1 금속 산화물층 및 상기 제1 금속 산화물층을 둘러싸는 제2 금속 산화물층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지고, 그 표면에 Pt 입자를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서.
A nanowire comprising a metal oxide,
Wherein the nanowire has a core-shell structure comprising a first metal oxide layer and a second metal oxide layer surrounding the first metal oxide layer, wherein the nanowire comprises Pt particles on its surface.
제1항에 있어서,
상기 나노 와이어에 있어서, 상기 제1 금속 산화물층 또는 제2 금속 산화물층은 Ti. Sn. Zn, Mn, Mg, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La 및 이들의 조합으로부터 형성된 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서.
The method according to claim 1,
In the nanowire, the first metal oxide layer or the second metal oxide layer may include Ti. Sn. Metal formed from Zn, Mn, Mg, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd, Sb, Cs, La and combinations thereof Wherein the at least one gas sensor is a gas sensor.
제1항에 있어서,
상기 나노 와이어와 연결된 전극; 및
상기 전극의 일면에 배치된 기판;을 더 포함하는 톨루엔 검출용 가스 센서.
The method according to claim 1,
An electrode connected to the nanowire; And
And a substrate disposed on one surface of the electrode.
제3항에 있어서,
상기 나노 와이어는 상기 전극으로부터 뻗어 나오도록 형성된 톨루엔 검출용 가스 센서.
The method of claim 3,
Wherein the nanowire is configured to extend from the electrode.
제1항에 있어서,
톨루엔 100 ppb 농도를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 톨루엔 검출용 가스 센서.
The method according to claim 1,
And a concentration of 100 ppb of toluene can be detected.
제1항에 있어서,
폐암 진단용으로 사용되는 톨루엔 검출용 가스 센서.


The method according to claim 1,
Gas sensor for detection of toluene used for lung cancer diagnosis.


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