KR20190120503A - Flexible gas sensor and manufacturing method of thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이황화몰리브덴 박막 및 탄소나노튜브층을 포함하여 유연성이 현저히 우수하면서도 감지감도가 우수한 가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor including a molybdenum disulfide thin film and a carbon nanotube layer with excellent flexibility and excellent sensitivity.
최근 공장 매연배출, 자동차 배기가스 등의 대기 오염 문제가 환경 관련 이슈 중 가장 중요한 이슈로 대두되고 있다. 이러한 대기오염의 원인, 발생량 등을 모니터링 하고 이를 통하여 오염원을 저감하기 위하여 오염원을 감지할 수 있는 센서에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 나아가 최근 다양한 전자기기들의 웨어러블화 경향에 따라, 유연성과 내구성이 우수하고, 투명한 소재로 광투과도가 우수한 센서에 대한 연구가 증가하는 추세이다. Recently, air pollution such as factory exhaust emissions and automobile exhaust have emerged as the most important issues among environmental issues. In order to monitor the causes and generation of air pollution and to reduce pollution sources, research on sensors that can detect pollutants has been actively conducted. Furthermore, according to the recent trend of wearables of various electronic devices, flexibility and durability have increased. There is an increasing trend for research on sensors having excellent light transmittance with excellent and transparent materials.
이러한 센서들 중 탄소 재료 기반 화학센서는 우수한 감도에 비해 특정 가스에 대한 선택성이 낮은 문제가 있으며, 전이금속 칼코겐 화합물 기반의 센서는 탄소 재료에 비해 선택성이 우수한 장점이 있으나, 유연성 및 대면적화가 어려운 문제점이 있다. Among these sensors, the carbon-based chemical sensor has a problem of low selectivity for a specific gas in comparison with the excellent sensitivity, and the sensor based on a transition metal chalcogen compound has an excellent selectivity over the carbon material, but it has flexibility and large area. There is a difficult problem.
이러한 문제점의 극복을 위하여 전이금속 칼코겐 화합물과 탄소 기반 나노물질의 복합 나노구조로 연구방향이 전환되고 있으며, 이러한 복합 나노 구조의 탄소물질은 주로 그래핀과 함께 사용되었다. 그러나 이러한 경우 높은 감응도를 나타내는 장점이 있으나, 유연 기기에 적용 시 내구성 및 광투과도에 한계가 있는 문제점이 있다.In order to overcome this problem, the research direction is shifted to a composite nanostructure of a transition metal chalcogen compound and a carbon-based nanomaterial, and the carbon material of the composite nanostructure is mainly used with graphene. However, in this case, there is an advantage of showing a high sensitivity, there is a problem in the durability and light transmittance when applied to the flexible device has a limit.
본 발명은 가스 센서에 있어서종래 유연성, 내구도 및 광투과도가 낮아 웨어러블 기기에 적용이 어려운 문제점을 극복하여, 가스에 대한 감응도가 높으면서도 유연하고, 내구도가 우수하며, 높은 광투과도를 나타내는 유연 가스센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention overcomes the difficulty in applying to a wearable device because of low flexibility, durability and light transmittance in the gas sensor, thereby providing a flexible, high durability, and high light transmittance with high sensitivity to gas. The purpose is to provide.
본 발명에 의한 유연 가스센서는 이황화몰리브덴 박막;Flexible gas sensor according to the present invention is a molybdenum disulfide thin film;
상기 이황화몰리브덴 박막 상에 위치하는 탄소나노튜브를 포함한다.It includes carbon nanotubes located on the molybdenum disulfide thin film.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에서, 이황화몰리브덴 박막은 두께가 1 내지 10nm일 수 있다.In the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, the molybdenum disulfide thin film may have a thickness of 1 to 10nm.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에 포함된 이황화몰리브덴 박막 : 탄소나노튜브의 중량비는 1: 1내지 5일 수 있다. Molybdenum disulfide thin film included in the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention: the weight ratio of carbon nanotubes may be 1: 1 to 5.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에 포함된 이황화몰리브덴 박막 : 탄소나노튜브의 두께 비는 1: 1 내지 10일 수 있다.The thickness ratio of the molybdenum disulfide thin film: carbon nanotubes included in the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may be 1: 1 to 10.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에서 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브일 수 있다.In the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes may be single-walled carbon nanotubes.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에서 상기 이황화몰리브덴 박막은 상기 탄소나노튜브 표면에 일체화되어 결합된 것일 수 있다. In the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, the molybdenum disulfide thin film may be integrally coupled to the surface of the carbon nanotubes.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에 포함되는 탄소 나노튜브는 외경이 1 내지 10 ㎚이고, 종횡비가 100 내지 1000일 수 있다. Carbon nanotubes included in the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may have an outer diameter of 1 to 10 nm, an aspect ratio of 100 to 1000.
본 발명은 또한 유연 가스센서 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a flexible gas sensor.
본 발명에 의한 유연 가스센서 제조방법은 Flexible gas sensor manufacturing method according to the present invention
기판 상에 탄소나노튜브를 코팅하는 탄소나노튜브층 형성단계; 및Forming a carbon nanotube layer coating the carbon nanotube on the substrate; And
상기 탄소나노튜브층 상에 이황화몰리브덴 박막을 형성하는 박막형성 단계;를 포함한다.And a thin film forming step of forming a molybdenum disulfide thin film on the carbon nanotube layer.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법은 상기 탄소나노튜브층 형성단계 후 박막 형성단계 전 탄소나노튜브층 상에 유기 촉진제를 도포하는 유기 촉진제층 형성단계;를 더 포함한다.The method of manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention further includes an organic accelerator layer forming step of applying an organic accelerator on the carbon nanotube layer before the thin film forming step after the carbon nanotube layer forming step.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법에서 상기 유기 촉진제는 포르피린계 화합물일 수 있다. In the method of manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, the organic promoter may be a porphyrin-based compound.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법에서 상기 유기 촉진제층 형성단계는 열증발증착을 통하여 수행될 수 있다. In the method of manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, the organic accelerator layer forming step may be performed by thermal evaporation.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법에서 상기 박막형성 단계는 화학 기상 증착법을 이용하는 것일 수 있다. The thin film forming step in the method of manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may be to use a chemical vapor deposition method.
본 발명에 의한 유연 가스센서는 박막형의 이황화몰리브덴 층 및 탄소나노튜브 층의 결합에 의하여 감응도가 높으면서도 유연하고, 내구도가 높으며 우수한 광투과도를 나타내는 장점이 있다. The flexible gas sensor according to the present invention has the advantage of high flexibility, high durability, and excellent light transmittance due to the combination of a thin film molybdenum disulfide layer and a carbon nanotube layer.
도 1은 본 발명에 의한 유연 가스센서 제조방법을 개략적으로 도시하고, 제조된 가스센서를 주사전자현미경을 통해 촬영한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서의 전계효과 트랜지스터 특성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서에서 탄소나노튜브의 코팅횟수별 저항 및 문턱전압을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서의 이산화질소 노출 시 전류-전압특성(좌) 및 실온에서 농도별 감응도 변화(우)를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서의 암모니아 노출 시 전류-전압특성(좌) 및 실온에서 농도별 감응도 변화(우)를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서의 파장대별 광투과도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 대한 굽힘테스트 과정을 사진으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서에 있어서, 굽힘 횟수별 저항변화(좌) 및 반복 굽힘 후 가스에 대한 감응도 테스트 결과(우)를 나타낸 것이다.1 schematically shows a method for manufacturing a flexible gas sensor according to the present invention, and photographs the manufactured gas sensor through a scanning electron microscope.
Figure 2 shows the field effect transistor characteristics of the flexible gas sensor according to the embodiment and the comparative example of the present invention.
Figure 3 shows the resistance and threshold voltage according to the number of coating of the carbon nanotubes in the flexible gas sensor according to the embodiment and the comparative example of the present invention.
4 is a graph illustrating current-voltage characteristics (left) and sensitivity change for each concentration at room temperature (right) during exposure to nitrogen dioxide of a flexible gas sensor according to examples and comparative examples of the present invention.
Figure 5 shows the current-voltage characteristics (left) and the sensitivity change for each concentration (right) at room temperature when ammonia exposure of the flexible gas sensor according to the examples and comparative examples of the present invention.
Figure 6 shows the light transmittance for each wavelength band of the flexible gas sensor according to the embodiment and the comparative example of the present invention.
7 is a photograph showing the bending test process for the embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows the resistance change according to the bending number (left) and the sensitivity test result (right) for the gas after repeated bending in the flexible gas sensor according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
이하 본 발명에 따른 유연 가스센서에 대해 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the flexible gas sensor according to the present invention will be described in detail. In this case, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning that is commonly understood by those of ordinary skill in the art, unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in the following description Description of known functions and configurations that may be omitted.
본 발명은 이황화몰리브덴 박막;The present invention is a molybdenum disulfide thin film;
상기 이황화몰리브덴 박막 상에 위치하는 탄소나노튜브를 포함하는 유연 가스센서에 관한 발명이다. The present invention relates to a flexible gas sensor including carbon nanotubes positioned on the molybdenum disulfide thin film.
본 발명에 의한 유연 가스센서는 종래 낮은 광투과도 및 유연성의 약점을 극복하여, 우수한 광투과도 및 유연성을 나타낼 수 있는 장점이 있다. Flexible gas sensor according to the present invention overcomes the weakness of the conventional low light transmittance and flexibility, there is an advantage that can exhibit excellent light transmittance and flexibility.
종래 이황화몰리브덴은 가스센서를 포함한 화학물질의 센싱에 있어서 탁월한 선택성과 감도를 나타내어 이를 활용한 센서가 다수 연구 개발되어 있는 상태이다. 그러나, 이러한 이황화몰리브덴, 특히 이황화몰리브덴 박막의 경우, 반복 굽힘에 의해서 저항이 급격히 상승하는 문제가 있어, 유연 소자로 적용이 어려운 문제점이 있다. 또한, 이황화몰리브덴의 경우 감지 후 회복시간이 비교적 긴 편이어서 짧은 시간동안 반복하여 표적가스에 노출되는 경우, 감응도 차이를 거의 나타내지 못하는 문제점이 있다. 또한 탄소나노튜브의 경우 우수한 유연성을 갖는 반면 센서에 적용 시 감도가 낮은 문제점이 있다. Conventional molybdenum disulfide exhibits excellent selectivity and sensitivity in the sensing of chemicals, including gas sensors, and a number of sensors using the same have been researched and developed. However, in the case of such molybdenum disulfide, in particular, molybdenum disulfide thin film, there is a problem that the resistance sharply rises due to repeated bending, which is difficult to apply to the flexible element. In addition, in the case of molybdenum disulfide, since the recovery time after detection is relatively long, when exposed to the target gas repeatedly for a short time, there is a problem that the difference in sensitivity is hardly shown. In addition, carbon nanotubes have a problem of low sensitivity when applied to sensors while having excellent flexibility.
그러나 본 발명에 의한 유연 가스센서는 탄소나노튜브의 우수한 전하이동 효과와 이황화몰리브덴박막의 우수한 광투과도 및 우수한 감응도의 결합으로, 감응도가 이황화몰리브덴 박막 단독인 경우보다 우수하면서도, 광투과도 저하가 거의 발생하지 않는 장점이 있다. 나아가, 본 발명에 의한 유연 가스센서는 이황화몰리브덴 박막 및 탄소나노튜브와의 결합에 의한 반복 노출에 의해서도 계속하여 우수한 감응도를 나타내는 장점이 있다. However, the flexible gas sensor according to the present invention is a combination of the excellent charge transfer effect of carbon nanotubes and the excellent light transmittance and excellent sensitivity of the molybdenum disulfide thin film, and the sensitivity is superior to that of the molybdenum disulfide thin film alone, but the light transmittance is almost reduced. There is an advantage that does not. Furthermore, the flexible gas sensor according to the present invention has an advantage of continuing to exhibit excellent sensitivity even after repeated exposure by the combination of molybdenum disulfide thin film and carbon nanotube.
구체적으로, 본 발명에 의한 유연 가스센서는 특히 탄소나노튜브를 이용함으로써 유연성을 향상시키면서도 감응도 또한 높은 장점이 있으며, 그래핀과 같은 다른 탄소계 물질을 사용하는 경우 발생하는 가스 흡착 저하 및 이에 따른 감응도 저하의 문제를 예방할 수 있다. 아울러, 박막 형상의 이황화몰리브덴을 이용함으로써, 입자 또는 플레이크 형상의 이황화몰리브덴을 이용하는 경우 대비 탄소나노튜브와의 결착력이 현저히 높은 장점이 있으며, 탄소나노튜브 및 이황화몰리브덴 박막의 우수한 상호작용으로 탄소나노튜브 및 이황화몰리브덴 박막이 미세한 전류변화 또한 효율적으로 전달하여 감응도가 현저히 높은 가스센서를 제조할 수 있는 장점이 있다. Specifically, the flexible gas sensor according to the present invention has the advantage that the sensitivity is also high while improving flexibility by using carbon nanotubes, in particular, the gas adsorption deterioration and the resulting sensitivity generated when using other carbon-based materials such as graphene The problem of degradation can be prevented. In addition, the use of thin film molybdenum disulfide has the advantage of significantly higher binding strength with carbon nanotubes compared to the case of using molybdenum disulfide in the form of particles or flakes, and carbon nanotubes due to excellent interaction of carbon nanotubes and molybdenum disulfide thin films And the molybdenum disulfide thin film has an advantage in that it can efficiently deliver a fine current change to produce a gas sensor significantly high sensitivity.
이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 단일벽 탄소나노튜브 (Single walled carbon nanotubes, SWNT)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 이황화몰리브덴 박막 상에 형성된 단일벽 탄소나노튜브를 포함함으로써 유연성이 우수한 탄소나노튜브 네트워크를 형성할 수 있고, 이러한 네트워크와 이황화몰리브덴 박막의 결합으로 반복 굽힘에도 저항 변화가 거의 발생하지 않으며, 감도 변화를 거의 나타내지 않는 장점이 있다. At this time, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may be single walled carbon nanotubes (SWNT). The flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a single-walled carbon nanotube formed on a molybdenum disulfide thin film, thereby forming a carbon nanotube network having excellent flexibility, and repeatedly bending by combining the network and the molybdenum disulfide thin film. In addition, resistance change hardly occurs, and there is an advantage of showing little change in sensitivity.
구체적으로, 상기 유연 가스센서에 포함되는 탄소나노튜브는 외경이 1nm 내지 100 nm, 구체적으로는 1 내지 10 nm이며, 종횡비가 100 내지 1000, 구체적으로는 500 내지 1000인 것을 이용할 수 있다. 상술한 범위에서 지나치게 큰 외경에 의한 유연성 감소, 종횡비가 지나치게 커짐으로써 발생하는 탄소나노튜브의 꼬임 등과 같은 문제를 예방하면서도, 감응도가 높고 이황화몰리브덴 박막과의 결착력이 더욱 향상된 유연 가스센서를 제공할 수 있다. Specifically, the carbon nanotubes included in the flexible gas sensor may have an outer diameter of 1 nm to 100 nm, specifically 1 to 10 nm, and an aspect ratio of 100 to 1000, specifically 500 to 1000. In the above-described range, it is possible to provide a flexible gas sensor with high sensitivity and improved binding with molybdenum disulfide thin film while preventing problems such as reduced flexibility due to an excessively large outer diameter and twisting of carbon nanotubes caused by an excessively large aspect ratio. have.
본 발명에 의한 유연 가스센서는 상기 탄소나노튜브와 결착된 이황화몰리브덴 박막을 포함한다. 본 발명에 의한 유연 가스센서는 상술한 바와 같이 탄소나노튜브가 형성된 탄소나노튜브 층과, 이황화몰리브덴 박막의 결합으로 감응도가 우수하면서도, 표적물질의 반복노출에도 불구하고 높은 감응도를 유지하는 장점이 있다. The flexible gas sensor according to the present invention includes a molybdenum disulfide thin film bound to the carbon nanotubes. As described above, the flexible gas sensor according to the present invention has an excellent sensitivity by combining a carbon nanotube layer on which carbon nanotubes are formed and a molybdenum disulfide thin film, and maintains high sensitivity despite repeated exposure of a target material. .
이때, 이황화몰리브덴 박막은 두께가 1 내지 2 nm, 더욱 구체적으로는 0.8 내지 1.6 nm일 수 있다. 상술한 범위에서 지나치게 두꺼운 두께에 의하여 유연성의 저하 및 광투과도의 저하를 예방할 수 있으면서도, 탄소나노튜브와의 상호작용으로 우수한 감응도를 나타낼 수 있는 장점이 있다. At this time, the molybdenum disulfide thin film may have a thickness of 1 to 2 nm, more specifically 0.8 to 1.6 nm. In the above-described range, while being able to prevent a decrease in flexibility and a decrease in light transmittance by an excessively thick thickness, there is an advantage in that excellent interaction can be exhibited by interaction with carbon nanotubes.
나아가 제조방법적인 측면에서 상기 이황화몰리브덴 박막은 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 제조된 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 기판 상에 탄소나노튜브 층을 형성하고, 형성된 탄소나노튜브층 상에 화학기상증착법을 이용하여 이황화몰리브덴 박막을 형성할 수 있다. 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브층 상이 이황화몰리브덴 박막을 형성하는 경우, 결함이 적으면서도 탄소나노튜브층이 이황화몰리브덴 박막에 함입된 형태의 유연 가스센서를 제조할 수 있으며, 이러한 화학기상증착법을 이용함으로써 탄소나노튜브와 이황화몰리브덴 박막의 결합에 의한 유연성 향상효과를 더욱 증대시킬 수 있는 장점이 있다. Furthermore, in terms of manufacturing method, the molybdenum disulfide thin film may be manufactured by chemical vapor deposition (CVD), and more specifically, a carbon nanotube layer is formed on a substrate, and the carbon nanotube layer is formed on the carbon nanotube layer. Chemical vapor deposition can be used to form molybdenum disulfide thin films. When the carbon nanotube layer forms a molybdenum disulfide thin film on the carbon nanotube layer by using a chemical vapor deposition method, it is possible to manufacture a flexible gas sensor in which the carbon nanotube layer is embedded in the molybdenum disulfide thin film with fewer defects. By using the carbon nanotubes and the molybdenum disulfide thin film has the advantage that can further increase the flexibility improvement effect.
더욱 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 이황화몰리브덴 박막은 열 화학 기상 증착(Thermal Chemical Vapor Deposition, TCVD)법을 이용하여 형성된 것일 수 있으며, 이때 가열온도는 600 내지 1200 ℃일 수 있다. 이는 탄소나노튜브 층 상에 이황화몰리브덴의 형성 시 균일하고 결착력 높은 박막의 형성을 위하여, 탄소나노튜브 층에 유기 촉진제를 도포하여 이용할 수 있으며, 열화학기상증착법을 이용하는 경우 균일한 이황화몰리브덴 박막을 형성하면서도 잔류 유기촉진제 함량을 최소화할 수 있다. 이를 통하여 유기촉진제가 탄소나노튜브와 이황화몰리브덴 박막의 상호작용을 저해하거나, 감응도 저하를 발생시키는 문제를 예방할 수 있다. More preferably, the molybdenum disulfide thin film according to an embodiment of the present invention may be formed using a thermal chemical vapor deposition (TCVD) method, wherein the heating temperature may be 600 to 1200 ° C. This can be used by forming an organic promoter on the carbon nanotube layer in order to form a uniform and high binding thin film when forming molybdenum disulfide on the carbon nanotube layer, while forming a uniform molybdenum disulfide thin film when using thermochemical vapor deposition. The residual organic promoter content can be minimized. Through this, it is possible to prevent the organic promoter from inhibiting the interaction between the carbon nanotubes and the molybdenum disulfide thin film or causing a decrease in sensitivity.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에서, 상기 유연 가스센서에 포함된 이황화몰리브덴 박막 : 탄소나노튜브의 중량비는 1: 0.5 내지 2, 더욱 구체적으로는 1:0.5 내지 1.5일 수 있다. In the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, the weight ratio of the molybdenum disulfide thin film: carbon nanotubes included in the flexible gas sensor may be 1: 0.5 to 2, more specifically 1: 0.5 to 1.5.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서에 포함되는 이황화몰리브덴 박막 : 탄소나노튜브층의 두께 비는 1:0.5 내지 10, 더욱 구체적으로는 1:1 내지 1.52일 수 있다. 상술한 범위에서 반복굽힘에 의한 저항변화를 예방하고, 파장대별 광투과도 상승을 5% 이하로 유지하면서, 탄소나노튜브에 의한 전하이동 촉진효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다. In addition, the thickness ratio of the molybdenum disulfide thin film: carbon nanotube layer included in the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may be 1: 0.5 to 10, more specifically 1: 1 to 1.52. In the above-described range, there is an advantage of preventing the resistance change due to repeated bending and maximizing the effect of promoting charge transfer by carbon nanotubes while maintaining the light transmittance of each wavelength band at 5% or less.
나아가 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 전체 두께가 2 내지 4nm, 더욱 구체적으로는 2.4 내지 3 nm일 수 있으며, 이러한 범위에서 지나치게 얇은 두께에 의해 사용으로 쉽게 손상이 발생하는 문제를 예방하면서도, 투명도 및 유연성을 확보할 수 있다.Furthermore, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may have a total thickness of 2 to 4 nm, more specifically, 2.4 to 3 nm, and prevents a problem of easily causing damage by using too thin a thickness in this range. At the same time, transparency and flexibility can be obtained.
또한 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 1 ㎛2당 1 내지 100개의 탄소나노튜브, 더욱 구체적으로는 10 내지 80개의 탄소나노튜브를 포함할 수 있으며, 상술한 범위에서 광투과도의 저하를 예방하면서도 탄소나노튜브층에 의한 높은 전하이동 촉진효과를 달성할 수 있다. In addition, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may include 1 to 100 carbon nanotubes, more specifically 10 to 80 carbon nanotubes per 1 ㎛ 2 , the light transmittance in the above-described range While preventing the high charge transfer promoting effect by the carbon nanotube layer can be achieved.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서가 상술한 비율로 이황화몰리브덴 박막 및 탄소나노튜브를 포함하는 경우, 일정 밀도 이상의 탄소나노튜브 박막을 포함하여 탄소나노튜브 네트워크에 의한 전하 이동 촉진효과를 극대화 할 수 있으면서도, 지나치게 두꺼운 탄소나노튜브층에 의한 감응도 저하 및 광투과도 저하 등의 문제를 예방할 수 있는 장점이 있다. When the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a molybdenum disulfide thin film and carbon nanotubes at the above-mentioned ratio, the carbon nanotube thin film having a predetermined density or more maximizes the effect of promoting charge transfer by the carbon nanotube network. While being able to do so, there is an advantage of preventing problems such as reduced sensitivity and light transmittance due to an excessively thick carbon nanotube layer.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 상술한 비율로 이황화몰리브덴 박막 및 탄소나노튜브를 포함함으로써, 반복적인 굽힘에도 저항변화가 거의 나타나지 않는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 5 ㎜를 곡률반경으로 한 105회 굽힘 테스트에서 저항 변화가 5% 이하, 더욱 구체적으로는 3% 이하일 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 볼 때, 105회 이상의 굽힘 테스트에 의해서도 표적가스에 대한 감응도 변화가 거의 나타나지 않음을 예상할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서가 높은 내구도를 나타냄을 확인할 수 있다. Furthermore, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention includes the molybdenum disulfide thin film and the carbon nanotubes at the above-mentioned ratios, so that there is almost no resistance change even in repeated bending. Specifically, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may have a resistance change of 5% or less, more specifically 3% or less in 10 5 bending tests having a radius of curvature of 5 mm. Based on these results, it can be expected that the change in sensitivity to the target gas hardly occurs even after the bending test of 10 5 times or more, confirming that the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention exhibits high durability. Can be.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 파장이 400 내지 800 ㎚인 범위에서 광투과도가 85% 이상, 구체적으로는 86% 이상일 수 있으며, 나아가 500 내지 800 ㎚의 파장 범위에서는 90% 이상의 광투과도를 나타내는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서는 탄소나노튜브와 이황화몰리브덴 박막의 결합으로 굽힘테스트에 의한 급격한 저항 상승문제를 해결하면서도, 광투과도의 저하가 미미하여, 투명도가 높고 유연한 웨어러블 기기에 적합한 장점이 있다. In addition, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention may have a light transmittance of 85% or more, specifically 86% or more in a wavelength range of 400 to 800 nm, and further, 90% in a wavelength range of 500 to 800 nm. There is an advantage of showing the above light transmittance. That is, the flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention solves the problem of rapid resistance increase due to the bending test by combining the carbon nanotube and the molybdenum disulfide thin film, but the light transmittance is insignificant, so that the transparent and flexible wearable device There is a suitable advantage.
본 발명은 또한 유연 가스센서 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a flexible gas sensor.
본 발명에 의한 유연 가스센서 제조방법은, 상술한 유연 가스센서를 제조하기 위한 제조방법일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The flexible gas sensor manufacturing method according to the present invention may be a manufacturing method for manufacturing the above-described flexible gas sensor, but the present invention is not limited thereto.
본 발명에 의한 유연 가스센서 제조방법은 Flexible gas sensor manufacturing method according to the present invention
기판 상에 탄소나노튜브를 코팅하는 탄소나노튜브층 형성단계; 및Forming a carbon nanotube layer coating the carbon nanotube on the substrate; And
상기 탄소나노튜브층 상에 이황화몰리브덴 박막을 형성하는 박막형성 단계;를 포함한다.And a thin film forming step of forming a molybdenum disulfide thin film on the carbon nanotube layer.
본 발명에 의한 유연 가스센서 제조방법은, 탄소나노튜브층을 형성한 뒤 탄소나노튜브층 상에 이황화몰리브덴 박막을 형성함으로써, 탄소나노튜브의 뭉침을 방지하면서도, 결착력 높은 유연 가스센서를 제조할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법은 탄소나노튜브층 상에 이황화몰리브덴 박막을 성장시킴으로써 단순한 물리접 접촉보다 강한 결착력을 가지며 일체화되어 결합됨으로써 추후 사용에 의한 박리 등의 문제점이 거의 발생하지 않는 장점이 있다. 나아가, 제조되는 유연 가스센서에 있어서, 탄소나노튜브층과 이황화몰리브덴 박막의 결합으로 표적가스에 대한 감응도가 우수하고, 광투과도 저하가 거의 발생하지 않으면서도, 반복 노출에 의해서도 우수한 감응도를 나타낼 수 있는 장점이 있다. In the method for manufacturing a flexible gas sensor according to the present invention, by forming a carbon nanotube layer and then forming a molybdenum disulfide thin film on the carbon nanotube layer, it is possible to manufacture a flexible gas sensor having high binding strength while preventing agglomeration of carbon nanotubes. There is an advantage. Specifically, the method for manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention has a stronger binding force than a simple physical contact by growing a molybdenum disulfide thin film on a carbon nanotube layer, and is integrated and combined to cause problems such as peeling by using later. This has the advantage that it rarely occurs. Furthermore, in the manufactured flexible gas sensor, the carbon nanotube layer and the molybdenum disulfide thin film are combined to have a good sensitivity to the target gas, and can exhibit excellent sensitivity even after repeated exposure with little decrease in light transmittance. There is an advantage.
구체적으로 상기 박막 형성단계는 화학기상증착법을 통하여 수행될 수 있다. 화학기상증착법을 이용하는 경우, 결함이 적으면서도 탄소나노튜브 층 및 이황화몰리브덴 박막의 결합에 의한 유연성 향상효과를 더욱 증대시킬 수 있는 장점이 있다. Specifically, the thin film forming step may be performed through chemical vapor deposition. In the case of using the chemical vapor deposition method, there is an advantage that the flexibility can be further increased by the combination of the carbon nanotube layer and the molybdenum disulfide thin film with fewer defects.
좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 형성단계는 열화학기상증착법을 이용하여 수행될 수 있다. 열화학기상증착법을 이용하는 경우 균일한 이황화몰리브덴 박막을 형성하면서도 후술하는 유기촉진제의 잔류를 최소화할 수 있다. 이를 통하여 유기촉진제가 탄소나노튜브와 이황화몰리브덴 박막의 상호작용을 저해하거나, 감응도 저하를 발생시키는 문제를 예방할 수 있다.Preferably, the step of forming a thin film according to an embodiment of the present invention may be performed using a thermochemical vapor deposition method. In the case of using the thermochemical vapor deposition method, it is possible to minimize the residual of the organic promoter described below while forming a uniform molybdenum disulfide thin film. Through this, it is possible to prevent the organic promoter from inhibiting the interaction between the carbon nanotubes and the molybdenum disulfide thin film or causing a decrease in sensitivity.
이러한 박막 형성단계는 통상적인 화학기상증착법의 조건에서 수행될 수 있으며, 구체적이고 비한정적인 일예로 Ar를 50 내지 300 sccm, 수소를 1 내지 50 sccm으로 공급하며, 600 내지 1200 ℃에서 수행될 수 있으나, 이황화몰리브덴 박막을 형성하는 조건인 경우 제한 없이 이용이 가능하다. Such a thin film forming step may be carried out under the conditions of a conventional chemical vapor deposition method, a specific and non-limiting example of supplying Ar to 50 to 300 sccm, hydrogen to 1 to 50 sccm, may be carried out at 600 to 1200 ℃ However, if the conditions for forming the molybdenum disulfide thin film can be used without limitation.
나아가, 상기 박막 형성단계에서 형성되는 이황화몰리브덴 박막의 두께는 1 내지 2 nm, 구체적으로는 0.8 내지 1.7 nm일 수 있으며, 상술한 범위에서 지나치게 두꺼운 박막 두께에 의한 유연성 및 광투과도의 저하를 예방하면서도 탄소나노튜브와의 상호작용으로 우수한 감응도를 나타내는 장점이 있다. Further, the thickness of the molybdenum disulfide thin film formed in the thin film forming step may be 1 to 2 nm, specifically 0.8 to 1.7 nm, while preventing the decrease in flexibility and light transmittance due to the excessively thin film thickness in the above range Interaction with carbon nanotubes has the advantage of showing excellent sensitivity.
더욱 좋게는, 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법은 상기 탄소나노튜브층 형성단계 후 박막 형성단계 전, 탄소나노튜브층 상에 유기 촉진제를 도포하는 유기촉진제층 형성단계;를 더 포함할 수 있다. 이러한 유기 촉진제층 형성단계를 더 포함함으로써, 탄소나노튜브층과 이황화몰리브덴 박막의 결착력을 더욱 향상시킬 수 있으며, 반복 굽힘 등 유연 가스센서의 실제 사용에서 발생할 수 있는 탄소나노튜브층의 탈리 등과 같은 문제 발생을 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다. More preferably, the method for manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention further includes an organic accelerator layer forming step of applying an organic promoter on the carbon nanotube layer before the thin film forming step after the carbon nanotube layer forming step. It may include. By further including the organic promoter layer forming step, it is possible to further improve the binding strength of the carbon nanotube layer and the molybdenum disulfide thin film, problems such as detachment of the carbon nanotube layer that may occur in the actual use of the flexible gas sensor, such as repeated bending There is an advantage that can significantly reduce the occurrence.
이때, 상기 유기촉진제는 포르피린계 화합물일 수 있으며, 이때 포르피린계 화합물은 포르피린 또는 이의 유도체를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법에서 유기촉진제로 포르피린계 화합물을 이용하는 경우, 탄소나노튜브 상에 균일하게 이황화몰리브덴 박막을 형성할 수 있으며, 이황화몰리브덴 박막의 성장 과정에서 고온에 의해 제거되어 이황화몰리브덴박막-탄소나노튜브의 상호작용 저해를 예방할 수 있다. In this case, the organic promoter may be a porphyrin-based compound, wherein the porphyrin-based compound includes porphyrin or a derivative thereof. When using a porphyrin-based compound as an organic promoter in the method of manufacturing a flexible gas sensor according to an embodiment of the present invention, it is possible to form a molybdenum disulfide thin film uniformly on carbon nanotubes, by the high temperature in the growth process of molybdenum disulfide thin film It can be removed to prevent the inhibition of the interaction of molybdenum disulfide thin film-carbon nanotubes.
더욱 구체적인 일예로 상기 유기촉진제는 5,10,15,20-tetraphenylporphyrin, 5,10,15,20-Tetrakis(4-hydroxyphenyl)porphyrin 및 metallo-tetraphenylporphyrin에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 상술한 유기촉진제를 이용할 경우, 탄소나노튜브층과 이황화몰리브덴 박막의 결착력을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 불순물에 의하여 최종적으로 제조되는 유연 가스센서의 감응도 저하 등과 같은 문제를 예방할 수 있는 장점이 있다. More specifically, the organic promoter may be one or two or more selected from 5,10,15,20-tetraphenylporphyrin, 5,10,15,20-Tetrakis (4-hydroxyphenyl) porphyrin and metallo-tetraphenylporphyrin, but the present invention It is not limited to this. When using the organic promoter described above, it is possible to further improve the binding strength of the carbon nanotube layer and the molybdenum disulfide thin film, and also to prevent problems such as deterioration in sensitivity of the flexible gas sensor finally manufactured by impurities. .
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법에서, 상기 유기촉진제층 형성단계는 열증발증착법을 이용할 수 있다. 열증발증착법을 이용하는 경우 미세하고 균일한 유기촉진제층을 형성할 수 있으며, 결착력을 향상시키고 유연 가스센서의 감도 저하를 발생시키지 않는 범위로 유기 촉진제층을 형성할 수 있는 장점이 있다. 좋게는, 상술한 유기촉진제층은 1 내지 20 nm, 더욱 구체적으로는 2 내지 10 nm 두께로 형성될 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. In the flexible gas sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the organic promoter layer forming step may use a thermal evaporation method. In the case of using the thermal evaporation deposition method, it is possible to form a fine and uniform organic promoter layer, and there is an advantage in that the organic promoter layer can be formed in a range that improves the binding force and does not reduce the sensitivity of the flexible gas sensor. Preferably, the aforementioned organic promoter layer may be formed to a thickness of 1 to 20 nm, more specifically 2 to 10 nm, but the present invention is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 의한 유연 가스센서 제조방법에서 상기 탄소나노튜브층 형성단계는, 기판 상에 균일하게 탄소나노튜브 네트워크를 형성할 수 있는 방법인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 탄소나노튜브가 분산된 분산액을 기판상에 스핀코팅, 스프레이코팅, 바코팅 또는 딥코팅 등의 방법으로 코팅할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 나아가, 기판은 상술한 열증발증착 및 열화학기상증착법의 수행에도 변형되지 않는 재질인 경우 제한없이 이용이 가능하며, 좋게는 세라믹 기판을 이용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. The carbon nanotube layer forming step in the flexible gas sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention can be used without limitation in the case of a method for uniformly forming a carbon nanotube network on a substrate. As a specific and non-limiting example, a dispersion in which carbon nanotubes are dispersed may be coated on a substrate by a method such as spin coating, spray coating, bar coating, or dip coating, but the present invention is not limited thereto. In addition, the substrate may be used without limitation in the case of a material that is not deformed even when the above-described thermal evaporation and thermochemical vapor deposition are performed. Preferably, the substrate may be used, but the present invention is not limited thereto.
또한 상기 탄소나노튜브층 형성단계에서 도포되는 탄소나노튜브는 면적을 기준으로 기판 1 ㎛2당 1 내지 100개의 탄소나노튜브, 더욱 구체적으로는 10 내지 80개의 탄소나노튜브를 포함할 수 있으며, 상술한 범위에서 광투과도의 저하를 예방하면서도 탄소나노튜브층에 의한 높은 전하이동 촉진효과를 달성할 수 있다. In addition, the carbon nanotubes applied in the carbon nanotube layer forming step may include 1 to 100 carbon nanotubes, more specifically 10 to 80 carbon nanotubes per 1 μm 2 of the substrate, based on the area, and It is possible to achieve a high charge transfer promoting effect by the carbon nanotube layer while preventing a decrease in light transmittance in a range.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래에서 설명하는 실시예에 의해 제한되지 않는다. Hereinafter, an Example demonstrates this invention concretely. The embodiments described below are merely to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments described below.
[실시예 1]Example 1
2 X 2 ㎝ SiO2 기판에 0.001 g의 단일벽 탄소나노튜브(한화나노텍 ASP-100F)가 분산된 분산액을 스핀코팅을 통하여 코팅하고 이를 50 oC 온도조건에서 건조하여 탄소나노튜브층을 형성하였다. 이때 단일벽 탄소나노튜브의 분산매는 Dichlorobenzene을 이용하였다. A dispersion of 0.001 g of single-walled carbon nanotubes (Hana Nano Nano ASP-100F) dispersed on a 2 × 2 cm SiO 2 substrate was coated by spin coating, and dried at 50 ° C. to form a carbon nanotube layer. . Dichlorobenzene was used as the dispersion medium for the single-walled carbon nanotubes.
제조된 단일벽 탄소나노튜브층 상에 유기촉진제로 5,10,15,20-tetraphenylporphyrin를 열증발 증착법을 이용하여 두께 2 nm의 유기촉진제층을 형성하였으며, 유기촉진제층상에 900 ℃ 온도조건에서, 0.1 M ammonium heptamolybdate (Fluca, 99%) 와 기화된 Sulfur powder (0.1 g SAMCHUN, 98.0%),를 동시에 흘려주고 Ar 100 sccm, 조건에서 두께 1-2 nm의 이황화몰리브덴층을 형성하였다. 이를 PMMA-based 방법을 통하여 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판에 전사하고, 양단에 각각 전극을 연결함으로써 유연 가스센서를 제조하였다.5,10,15,20-tetraphenylporphyrin was formed on the prepared single-walled carbon nanotube layer by thermal evaporation deposition to form an organic promoter layer having a thickness of 2 nm, and at 900 ° C. on the organic promoter layer, 0.1 M ammonium heptamolybdate (Fluca, 99%) and evaporated Sulfur powder (0.1 g SAMCHUN, 98.0%) were simultaneously flown to form a molybdenum disulfide layer having a thickness of 1-2 nm at
[실시예 2]Example 2
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 탄소나노튜브가 분산된 분산액 코팅하고 건조하는 과정을 10회 반복하여 코팅함으로써 유연 가스센서를 제조하였다. Prepared in the same manner as in Example 1, a flexible gas sensor was prepared by coating the coating process of the dispersion dispersion dispersed with carbon nanotubes and dried 10 times repeatedly.
[실시예 3]Example 3
실시예 1과 같은 방법으로 제조하되, 탄소나노튜브가 분산된 분산액 코팅하고 건조하는 과정을 30회 반복하여 코팅함으로써 유연 가스센서를 제조하였다. Prepared in the same manner as in Example 1, a flexible gas sensor was prepared by repeatedly coating the coating process of the dispersion dispersed with carbon nanotubes and drying 30 times.
[비교예 1]Comparative Example 1
탄소나노튜브 분산액의 코팅 없이, SiO2 기판에 이황화몰리브덴을 열화학기상증착을 이용하여 두께1-2 nm의 박막을 형성하여 유연 가스센서를 제조하였다. Without coating the carbon nanotube dispersion, molybdenum disulfide was formed on a SiO 2 substrate using thermochemical vapor deposition to form a thin film having a thickness of 1-2 nm to prepare a flexible gas sensor.
전계 효과 트랜지스터 특성Field Effect Transistor Characteristics
실시예 및 비교예에서 제조된 유연 가스센서의 전계 효과 트랜지스터 특성을 반도체 파라미터 분석기기를 이용하여 측정하고, 이를 도 2로 나타내었다. The field effect transistor characteristics of the flexible gas sensor manufactured in Examples and Comparative Examples were measured using a semiconductor parameter analyzer, and this is illustrated in FIG. 2.
도 2를 참고하면, 탄소나노튜브를 1회 코팅한 경우 전계 효과 트랜지스터 특성의 변화가 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있어, 기존 이황화몰리브덴 박막의 장점을 유지하면서도, 유연성 및 감도가 우수한 유연 가스센서의 제조가 가능함을 시사하고 있다.Referring to FIG. 2, when the carbon nanotubes are coated once, the change of the field effect transistor characteristics is hardly observed. Thus, while maintaining the advantages of the existing molybdenum disulfide thin film, the flexible gas sensor has excellent flexibility and sensitivity. Suggests that possible.
탄소나노튜브 코팅횟수별 저항(위) 및 문턱전압(아래) 확인Check resistance (top) and threshold voltage (bottom) by number of carbon nanotube coatings
실시예 및 비교예에 의한 유연 가스센서의 탄소나노튜브 코팅횟수별 저항 및 문턱전압을 측정하고 도 3으로 나타내었다. The resistance and threshold voltage of each carbon nanotube coating frequency of the flexible gas sensor according to the examples and the comparative examples were measured and shown in FIG. 3.
도 3을 참고하면, 코팅 횟수의 증가에 따라 유연 가스센서의 저항이 낮아지며, 동시에 문턱전압이 높아짐을 확인할 수 있다. 이를 통하여 유연 가스센서에 적용 시, 센서의 저항이 작아짐으로써 낮은 인가전압에서 센싱이 가능하다는 특징을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the resistance of the flexible gas sensor decreases as the number of coatings increases, and at the same time, the threshold voltage increases. Through this, when applied to the flexible gas sensor, the resistance of the sensor can be seen that the sensing can be seen at a low applied voltage.
이산화질소에 대한 감응도 확인Confirmation of sensitivity to nitrogen dioxide
실시예 1 및 비교예 1에 의한 유연 가스센서에 대하여, 표적가스를 이산화질소로 하여 실시예 1의 표적가스 노출 전후 전류-전압 특성(좌) 및 실온에서 농도별 감지반응을 측정하고 도 4로 나타내었다. For the flexible gas sensors according to Example 1 and Comparative Example 1, the target gas is nitrogen dioxide, and the current-voltage characteristics before and after the target gas exposure of Example 1 (left) and the concentration-sensitive sensing reaction at room temperature were measured and shown in FIG. 4. It was.
이하 본 발명 및 그래프에서 CNT+MoS2는 실시예 1에서 제조된 유연 가스센서를 의미하며, MoS2는 비교예 1에서 제조된 유연 가스센서를 의미한다.Hereinafter the present invention and the graph CNT + MoS 2 refers to a flexible, gas sensors prepared in Example 1 and, the MoS 2 refers to a flexible, gas sensors prepared in Comparative Example 1.
도 4의 좌측 전류-전압 특성을 참조하면, 실시예 1에 의한 유연 가스센서가 표적가스에 노출되는 경우, 전류의 상승을 기준으로 한 기울기가 약 2배 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 기존 이황화 몰리브덴 박막에 비해 센싱특성이 증가하였음을 알 수 있다. Referring to the left current-voltage characteristic of FIG. 4, when the flexible gas sensor according to the first embodiment is exposed to the target gas, the slope based on the increase of the current increases about 2 times. It can be seen that the sensing characteristics are increased compared to the molybdenum disulfide thin film.
도 4의 우측 감지반응 결과를 살펴보면, 실시예 1에 의해 제조된 유연 가스센서가 가스의 노출을 중지하였을 때 감응도 변화가 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있으며, 비교예 1의 경우 노출을 중지한 경우에도, 노출시와 감응도 차이가 크지 않음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 실시예에 의한 유연 가스센서가 표적가스의 반복 노출에 있어서 더욱 민감한 반응성을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1의 경우 표적가스의 농도가 높아질수록 비교예 1과 대비하여 감응도 변화가 크게 나타남을 확인할 수 있어, 실시예 1에 의한 센서가 더욱 민감성이 높음을 확인할 수 있다. Looking at the detection result of the right side of Figure 4, it can be seen that the change in sensitivity almost does not appear when the flexible gas sensor manufactured in Example 1 stopped the exposure of the gas, even in the case of Comparative Example 1 The difference in sensitivity and exposure is not significant. Through this, it can be seen that the flexible gas sensor according to the embodiment of the present invention exhibits more sensitive reactivity in the repeated exposure of the target gas. In addition, in the case of Example 1, as the concentration of the target gas is increased, it can be seen that the change in sensitivity is larger than in Comparative Example 1, and thus, the sensor according to Example 1 can be confirmed that the sensitivity is higher.
암모니아에 대한 감응도 확인Confirmation of sensitivity to ammonia
실시예 1 및 비교예 1에 의한 유연 가스센서에 대하여, 표적가스를 암모니아로 하여 실시예 1의 표적가스 노출 전후 전류-전압특성(좌) 및 실온에서 농도별 감지반응을 측정하고 도 5로 나타내었다. For the flexible gas sensors according to Example 1 and Comparative Example 1, the target gas was ammonia, and the current-voltage characteristics before and after the target gas exposure of Example 1 (left) and the concentration-sensitive detection reaction at room temperature were measured and shown in FIG. 5. It was.
도 5의 좌측 전류-전압특성을 확인하면, 이황화 몰리브덴 박막에 비해 전기전도도가 증가하였으며 암모니아 가스 노출시 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있다.Checking the current-voltage characteristics of the left side of Figure 5, it can be seen that the electrical conductivity is increased compared to the molybdenum disulfide thin film and the current decreases when exposed to ammonia gas.
도 5의 우측 감지반응 결과를 살펴보면, 실시예 1에 의해 제조된 유연 가스센서가 가스 노출을 중지하였을 때 오히려 노출 전으로 회귀하려는 특성이 강한 것을 확인할 수 있으나, 비교예 1의 유연 가스센서의 경우 이러한 경향이 약함을 확인할 수 있으며, 이에 따라 실시예 1에 의한 가스센서가 표적가스의 반복노출에 대하여 현저히 민감한 반응을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1에 의한 유연 가스센서가 비교예 1과 대비하여 감응도 변화가 큰 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 실시예 1에 의한 센서가 더욱 민감성이 높음을 확인할 수 있다. Looking at the result of the right detection reaction of FIG. 5, when the flexible gas sensor manufactured in Example 1 stops gas exposure, it can be seen that the characteristic to return to before exposure is strong, but in the case of the flexible gas sensor of Comparative Example 1 It can be confirmed that this tendency is weak, and accordingly, the gas sensor according to Example 1 shows a remarkably sensitive response to repeated exposure of the target gas. In addition, it can be seen that the flexible gas sensor according to Example 1 has a large change in sensitivity compared to Comparative Example 1, and through this, it can be confirmed that the sensor according to Example 1 is more sensitive.
광투과도 측정Transmittance Measurement
실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 유연 가스센서에 대하여, 파장대별 광투과도를 측정하고 이를 도 6으로 나타내었다. For the flexible gas sensor manufactured by Example 1 and Comparative Example 1, the light transmittance per wavelength band was measured and shown in FIG. 6.
도 6을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 유연 가스센서는, 탄소나노튜브층의 추가 형성에도 불구하고 광투과도 저하가 크게 발생하지 않음을 확인할 수 있으며, 400 내지 800 ㎚ 파장 범위에서 85% 이상, 500 내지 800 ㎚ 파장 범위에서 90% 이상의 광투과도를 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, in the flexible gas sensor manufactured according to Example 1, it can be seen that the decrease in light transmittance does not occur significantly in spite of the additional formation of the carbon nanotube layer, and is 85% in the 400 to 800 nm wavelength range. In the above, it can be seen that the light transmittance of 90% or more in the 500 to 800 nm wavelength range.
굽힘 테스트Bending test
실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 유연 가스센서에 대하여, 굽힘테스트를 수행하고 이를 도 7 및 8로 나타내었다. 도 7은 실제 굽힘테스트의 수행 방법을 사진으로 나타낸 것이며, 도 8은 굽힘테스트에 의한 실시예 1 및 비교예 1의 유연 가스센서의 저항 변화(좌) 및 105회 굽힘 테스트 후 가스센서의 이산화질소 및 암모니아에 대한 감응도 테스트 결과(우)를 도시한 것이다. For the flexible gas sensors manufactured by Example 1 and Comparative Example 1, a bending test was performed and these are shown in FIGS. 7 and 8. 7 is a photograph showing a method of performing an actual bending test, and FIG. 8 is a resistance change (left) of the flexible gas sensor of Example 1 and Comparative Example 1 according to the bending test, and nitrogen dioxide of the gas sensor after 10 5 bending tests. And the results of the sensitivity test for ammonia (right) are shown.
도 8의 좌측 도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 유연 가스센서의 경우, 105회 굽힘 테스트에도 불구하고 저항 변화가 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 이황화몰리브덴 박막 상에 탄소나노튜브 층을 형성함으로써 반복한 굽힘에도 저항 변화가 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있으며, 결과적으로 실제 유연 소자로 제조 시 반복 사용에 의한 품질 저하를 최소화 할 수 있음을 확인할 수 있다. 반면 이황화몰리브덴박막만이 형성된 유연가스센서의 경우, 반복한 굽힘 테스트에 의하여 급격한 저항 상승을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to the left side of FIG. 8, in the case of the flexible gas sensor according to the embodiment of the present invention, it can be seen that resistance change hardly appears in spite of 10 5 bending tests, and through this, carbon nanocrystal on the molybdenum disulfide thin film is obtained. By forming the tube layer, it can be seen that the resistance change hardly occurs even after repeated bending, and as a result, it can be confirmed that the quality deterioration due to repeated use can be minimized when manufacturing the actual flexible device. On the other hand, in the case of the flexible gas sensor in which only the molybdenum disulfide thin film is formed, it can be seen that a sudden increase in resistance is obtained by repeated bending tests.
도 8의 우측도면을 참조하면, 105회 굽힘 테스트를 수행한 비교예 1의 경우, 표적가스를 이산화질소 및 암모니아로 수행한 경우 모두 감응도 변화를 거의 나타내지 않음을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 반복 굽힘에 의해 가스센서로서의 기능을 상실한 것으로 볼 수 있다. 반면 실시예 1에 의한 유연가스센서는 반복 굽힘에 의한 경우에도 높은 감응도를 나타내어 가스센서로 정상적으로 동작이 가능함을 확인할 수 있어, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 가스센서가 높은 내구성을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to the right side of FIG. 8, in the case of Comparative Example 1 in which 10 5 bending tests were performed, it was confirmed that the sensitivity of the target gas was little changed in both nitrogen dioxide and ammonia, and thus the repeated bending was repeated. It can be considered that the gas sensor has lost its function. On the other hand, the flexible gas sensor according to Example 1 shows a high sensitivity even when repeated bending, so that the gas sensor manufactured according to the embodiment of the present invention may exhibit high durability. can confirm.
Claims (12)
상기 이황화몰리브덴 박막 상에 위치하는 탄소나노튜브를 포함하는 유연 가스센서. Molybdenum disulfide thin film; And
A flexible gas sensor comprising carbon nanotubes located on the molybdenum disulfide thin film.
상기 유연 가스센서에서, 이황화몰리브덴 박막은 두께가 0.5 내지 10 nm인 유연 가스센서.The method of claim 1,
In the flexible gas sensor, the molybdenum disulfide thin film has a thickness of 0.5 to 10 nm flexible gas sensor.
상기 유연 가스센서에 포함된 이황화몰리브덴 박막 : 탄소나노튜브의 두께 비는 1: 1 내지 10인 유연 가스센서. The method of claim 1,
A molybdenum disulfide thin film included in the flexible gas sensor: the thickness ratio of carbon nanotubes is 1: 1 to 10 flexible gas sensor.
상기 유연 가스센서는 이황화몰리브덴 박막 1 ㎛2 당 1 내지 100개의 탄소나노튜브를 포함하는 것인 유연 가스센서. The method of claim 1,
The flexible gas sensor is a flexible gas sensor comprising from 1 to 100 carbon nanotubes per second molybdenum disulfide thin film 1 ㎛.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브인 유연 가스센서. The method of claim 1,
The carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes, flexible gas sensor.
상기 이황화몰리브덴 박막은 상기 탄소나노튜브 표면에 일체화되어 결합된 것인 유연 가스센서. The method of claim 1,
The molybdenum disulfide thin film is a flexible gas sensor is integrally coupled to the surface of the carbon nanotubes.
상기 유연 가스센서에 포함되는 탄소 나노튜브는 외경이 1 내지 20 ㎚이고, 종횡비가 100 내지 1000인 유연 가스센서.The method of claim 1,
Carbon nanotubes included in the flexible gas sensor has an outer diameter of 1 to 20 nm, aspect ratio of 100 to 1000 flexible gas sensor.
상기 탄소나노튜브층 상에 이황화몰리브덴 박막을 형성하는 박막형성 단계;를 포함하는 유연 가스센서 제조방법.Forming a carbon nanotube layer coating the carbon nanotube on the substrate; And
And a thin film forming step of forming a molybdenum disulfide thin film on the carbon nanotube layer.
상기 유연 가스센서 제조방법은 상기 탄소나노튜브층 형성단계 후 박막 형성단계 전 탄소나노튜브층 상에 유기 촉진제를 도포하는 유기 촉진제층 형성단계;를 더 포함하는 유연 가스센서 제조방법.The method of claim 8,
The manufacturing method of the flexible gas sensor further comprises; an organic accelerator layer forming step of applying an organic accelerator on the carbon nanotube layer before the thin film forming step after the carbon nanotube layer forming step.
상기 유기 촉진제는 포르피린계화합물인 유연 가스센서 제조방법.The method of claim 9,
The organic accelerator is a porphyrin-based compound flexible gas sensor manufacturing method.
상기 유기 촉진제층 형성단계는 열증발증착을 통하여 수행되는 유연 가스센서 제조방법. The method of claim 9,
The organic accelerator layer forming step is a flexible gas sensor manufacturing method performed by thermal evaporation.
상기 박막형성 단계는 화학 기상 증착법을 이용하는 것인 유연 가스센서 제조방법. The method of claim 9,
The thin film forming step is a method of manufacturing a flexible gas sensor using a chemical vapor deposition method.
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| KR20150010473A (en) * | 2013-07-19 | 2015-01-28 | 한국전자통신연구원 | Micro Semiconducting Gas Sensors for Low power operation and its fabrication method |
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2018
- 2018-04-16 KR KR1020180043767A patent/KR102108043B1/en active IP Right Grant
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| Deokar et al., Advanced Materials Interfaces, 2017, pp. 1-10.* * |
| S.J.Kim et al., Scientific Reports, Vol. 6, 2016, pp. 1-7.* * |
Also Published As
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| KR102108043B1 (en) | 2020-05-28 |
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