A gas sensor system using quartz crystal microbalance(QCM) has been developed for the purpose of detecting low levels of nitrogen dioxide ($NO_2$) in the air. A 9 MHz (QCM) was used as the transducer and a multilayer thin film of octa-(2ethylhexyloxy) dihydrogen phthalocyanine ($H_2Pc$) was coated on it by using the Langmuir-Blodgett (LB) technique. The monolayer behavior of $H_2Pc$ in air-water interface was investigated by Brewster angle microscopy (BAM) and UV spectroscopy, and its LB film was characterized by ellipsometry, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD) method. The LB film was quite stable at sensor operating temperature of 35℃, but it became unstable over 70℃. A 20-layer $H_2Pc$ film was deposited onto QCM and its sensing capability was examined in a dry nitrogen environment. It produced a significant frequency change even at very low concentration of 35 ppb. Dry nitrogen was replaced by air to make the experimental condition more realistic. It was observed that the presence of oxygen greatly reduced the sensitivity and thus increased the sensing limit to hundreds of ppb. Results of experiments with moisture added showed that the interference of moisture was quite severe making its removal indispensable.
환경 주오염원으로 대두되고 있는 이산화질소의 대기중 농도가 증가함에 따라 이를 모니터링 할 수 있는 실용적인 가스 센서가 필요하게 되었다. 본 연구에서는 이산화질소에 대한 감도가 우수한 $H_2Pc$를 LB법으로 수정 진동자에 전이시키고 흡탈착 특성에 따른 주파수 변화를 측정하여 낮은 농도까지 정량화 할 수 있는 실용화된 센서 시스템의 개발을 목적으로 하였다.
먼저 $H_2Pc$를 수면상에 전개시켜 단분자 막으로서의 거동을 조사하고 이들이 기판에 전이되었을 때의 특성도 조사하였다. 전이된 LB 박막은 센서 작동 온도인 35℃에서 충분히 안정하였으나 70℃ 이상에서는 불안정해짐이 밝혀졌다.
LB 박막에 대한 이들 기초 자료를 바탕으로 $H_2Pc$를 9MHz 수정 진동자에 20층 이적시켜 이산화질소에 대한 감지 특성을 조사하였다. 35℃로 일정하게 유지되는 센서 셀 안에서 $H_2Pc$-QCM센서가 정량화된 이산화질소에 일정시간 노출되고 그 다음 순수한 질소로 퍼징(purging)되었다. 실험 결과 35ppb나 되는 낮은 농도에서도 주파수가 충분히 변화하여 대기 중에 포함된 수십 ppb 오더의 이산화질소 농도를 정량화 할 수 있음이 밝혀졌다. 또한 층수와 감지 능력 사이 관계 실험에서 전이시킨 층수가 많을수록 주파수 변화량도 증가하였다. 또 실제의 대기 조건과 유사한 조건을 모사하기 위하여 종래에 질소를 운반체로 하던 것에서 수분을 제거한 공기로 바꾸어 감지 특성을 조사하였다. 그 결과 공기 중에 포함된 산소의 영향으로 이산화질소에 대한 감지 능력이 떨어지기는 했지만 공기를 기본 운반체로 하는 시스템에서도 이산화질소를 정량화 할 수 있음이 밝혀졌다. 그러나 공기 중 수분은 주파수를 크게 변화시키므로 꼭 제거해 주어야 하는 것으로 나타났다. 일련의 실험 결과들로부터 $H_2Pc$-QCM 센서 시스템이 대기 중 이산화질소량을 모니터링하는 간편하고 경제적이며 감도가 우수한 센서로서의 가능성을 가지고 있음이 보여졌다.
