산화몰리브덴의 나노구조체에 대한 연구와 가스 센서로의 적용
Study of MoO3 nanostructure and its gas sensor application
초록/요약
환경오염과 화성에너지 고갈에 대한 우려로 최근 들어 저공해 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서, 수소에너지에 대한 기대가 커지고 있다. 수소 연료의 이용 특히, 수소연료 자동차의 상용화 연구가 고압으로 압축된 수소를 자동차에 적재하는 방향으로 추진되고 있어 수소 누출을 검지 할 수 있는 산업용, 안전용 수소센서의 중요성은 나날이 중요해지고 있다. 본 연구에서는 수소 흡착에 광 투과도가 변하는 화학 변색 소재인 삼산화몰리브덴 (Molybdenum oxide, MoO3)을 연구하였으며, 이를 두가지 방식으로 접근하였다. 첫번째 방식은 박막형 MoO3 층을 열처리를 통해 세가지 상으로 나누어 상 별 수소 검지 착색 반응을 보았다. 이를 통해 육안으로 쉽게 구별이 가능한 수소 착색 센서를 구현하였다. 두번째 방식은 이 MoO3 상 중 가장 반응성이 높았던 α상 MoO3과 전도성이 높고 가스 흡착에 따른 전도도 변화가 큰 환원된 그래핀 옥사이드 (reduced graphene oxide, rGO)를 이용하여 전계효과 트랜지스터 (field-effect transistor, FET) 기반의 가스센서를 제작하여 색 변화 그리고 전기적 센서를 동시에 구현하여 넓은 검지영역 (10ppm~10% H2 in N2 와 humid)과 인지가 쉬운 실용화에 가까운 수소 센서를 제작하였다. 먼저, MoO3을 RF magnetron 스퍼터링을 통하여 유리 위에 상온에서 증착 된 박막을 얻었다. 이 박막은 비정질 (amorphous) 상태로 후에 열처리를 통하여 결정화 시켜 573K에서는β 673K에서는α 상을 얻었고, 수소 노출에 따른 투과도 변화를 통해 α 상의 변화가 가장 빠른 것을 확인하였다. 두번째로 FET 센서의 경우, 앞서 가장 두각을 나타내던 α 상 MoO3 파우더를 기계적으로 박리하여 나노 플레이크 (nanoflake, NF) 를 얻어 센서의 안테나 물질로 사용하였다. 우리는 이를 rGO 채널 위에 로딩 하여, rGO 의 수소 검지 영역을 10ppm 에서 10% 의 수소까지 검지 가능하도록 넓힐 수 있었고, 수소 노출시, 회색에서 푸른색으로 소자 색이 변하는 가시적인 결과도 획득하였다. 이 결과들을 우리는 charge transfer 매커니즘을 통해 분석하였고, 하이브리드 물질이 결과에 큰 영향을 준 것을 확인하였다. 이를 통해 우리가 제작하고 분석한 소자는 더 나은 센싱 물질을 개발할 수 있는 초석이 되는 연구로 사용될 수 있으며 헬스케어와 환경 안전을 위한 다기능성 화학 센서 로서의 활용도 기대해볼 수 있음을 확인하였다.
more목차
제 1 장. 서론 13
1.1 연구의 배경 및 동기 13
1.2 기술 수준과 연구 동향 16
1.2.1 전기화학식 센서 16
1.2.2 광학식 센서 18
1.2.3 플라즈모닉 (plasmonic) 센서 18
1.2.4 반도체식 나노갭 (nano-gap) 센서 20
제 2 장. Fabrication of Molybdenum oxide thin film in different phases and their properties 25
2.1 서론 25
2.1.1 MoO3의 특성 25
2.1.2 MoO3의 상 (Phases of MoO3) 27
2.2 실험 방법 30
2.2.1 MoO3 박막(thin-film) 증착 30
2.2.2 MoO3 박막(thin-film) 열처리(annealing) 30
2.2.3 Amorphous MoO3, β-MoO3, α-MoO3, 박막의 특성 평가 30
2.2.5 3가지 상의 MoO3 박막의 특성 평가. 31
2.3 실험 결과 및 고찰 32
2.3.1 Characterization of MoO3 with XRD and Raman 32
2.3.2 Characterization of MoO3 with SEM 36
2.3.4 Gas sensing measurements 40
2.3.5 XPS Characterization of MoO3 43
2.4 결론 45
제 3장. A hybrid gas sensor using Chemochromic Pd:MoO3 nanoflakes and reduced graphene oxide for bimodal hydrogen detection 46
3.1 서론 46
3.1.1 산화 그래핀 (Graphene Oxide) 46
3.1.2 환원된 산화 그래핀 (Reduced graphene oxide)과 활용 49
3.1.3 양극성 반도체 51
3.1.4 전계 효과 트랜지스터 (Field-effect transistor, FET) 52
3.1.5 FET 구동의 기본 컨셉 53
3.1.6 듀얼 모드(dual-mode)의 수소 센서 55
3.2 실험 방법 56
3.2.1 Pd:MoO3 nanoflake(NF) 합성 56
3.2.2 rGO 센서 제작 56
3.2.3 Pd:MoO3 색변화 TFT 소자 제작 57
3.3 실험 결과 및 고찰 59
3.3.1 Characterization of the chemochromic NFs and rGO materials 59
3.3.2 Optical sensing capability of hybrid materials towards H2 66
3.3.3 Electrical sensing capability of hybrid TFT devices towards H2 73
3. 4 결론 85
제 4장 참고문헌 86
