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그래핀과 MoS2 2D 감지 물질을 활용한 초고속, 고감도 SAW 기반 NO2 센서 개발

Development of ultra-fast, highly sensitive SAW-based NO2 sensor using graphene and MoS2 sensing materials

  • 이현호 (Hyunho Lee, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

본 연구에서는 Graphene/MoS₂ flakes 구조를 활용한 고감도 표면 탄성파(SAW) 기반 NO₂ 가스 센서 및 인터페이스 감지회로시스템을 개발하였다. SAW 센서 설계를 최적화하기 위해 Coupling of Mode (COM) 모델링과 COMSOL 시뮬레이션을 적용하여 센서의 주요 파라미터를 설계하고, 최적의 감지 성능을 달성하였다. 제작된 센서는 90°C 환경에서 NO₂ 2 ppm 농도에 대해 2.5 초의 빠른 반응 시간과 8 초의 짧은 회복 시간을 나타냈으며, 이는 기존 보도된 NO₂감지 센서와 비교하여 뛰어난 성능을 보여주었다. Graphene/MoS₂flakes 구조는 MoS₂의 높은 비표면적과 활성 가장자리(edge site), 그래핀의 우수한 전하 이동도와 기계적 안정성을 결합하여 NO₂와의 상호작용을 극대화하였다. 이로 인해 센서는 높은 감도와 빠른 반응 속도를 제공하며, CO₂및 C₂H₆와 같은 다른 기체에 대비 NO₂에 대해 우수한 선택성을 나타냈다. 또한, Graphene/MoS₂ flakes 구조는 센서의 질량 부하 효과와 전기기계적 효과를 효과적으로 활용하여 NO₂감지 성능을 극대화하였다. 본 연구는 Graphene/MoS₂flakes 구조가 기존 감지 기술의 한계를 극복하고, NO₂ 가스 감지에 적합한 고성능 센서를 설계 및 제작할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 실시간 대기 질 모니터링 및 환경 관리 분야에서의 적용 가능성을 제시하며, 향후 가스 센서 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 키워드: 표면탄성파 (SAW) 센서, NO₂센서, Graphene/MoS₂, Mass-loading 효과, Acousto-electric 효과, Interface electronics

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목차

제 1장. 서론 1
제 1절 NO2 센서 개발의 필요성 1
제 2절 기존 연구된 NO₂센서 현황 2
제 3절 NO2 감지를 위한 Graphene/MoS2 2D 물질의 우수성 6
제 4절 Graphene/MoS2 2D 감지물질 기반의 표면 탄성파 NO2 가스 센서의 개발 7
제 2장. 표면 탄성파(SAW)기반 NO2 센서 최적 설계 및 시뮬레이션 9
제 1절 SAW 센서 동작 메커니즘 9
제 2절 COM (Coupling of Mode) 모델링에 기반한 센서 최적 설계 11
제 3절 COMSOL 시뮬레이터를 기반한 SAW 센서 특성 분석 15
제 3장. SAW 기반 NO2 가스 센서 및 마이크로히터 제작 20
제 1절 SAW 기반의 NO2 센서 제작 20
제 2절 Microheater 최적 설계 및 제작 24
제 4장. 인터페이스 감지회로시스템 설계 및 구현 27
제 1절 센서 인터페이스 감지회로 구현 및 테스팅 셋업 27
제 2절 감지회로내 built-in 온습도 보상 시스템 29
제 5장. Graphene/MoS2 flakes 기반의 SAW NO2 가스센서 특성 분석 31
제 1절 개발된 센서 및 동작 메커니즘 31
제 2절 Graphene/MoS2 flakes 2D 감지물질 특성 분석 32
제 3절 센서 특성 분석 34
제 6장. Graphene/MoS2 film 기반의 SAW NO2 가스센서 특성 분석 37
제 1절 Graphene/MoS2 film 감지물질 특성 분석 37
제 2절 센서 특성 분석 38
제 3절 개발된 센서 특성의 우수성 41
제 7장. 결론 43

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