In this master’s thesis, we present novel methods that provide facile growth, modification, and transformation of metal oxide nanowires at desired location for integrated chemical sensor applications. First, the technology based on localized joule heating is able to synthesize ZnO nanowires as well as to integrate them into a sensor device directly during the local heating. After this process, the method also enables pre-fabricated nanowires to be functionalized with metal nanoparticles (NPs) without additional complex processes. More importantly, localized heating in precursor enables direct synthesis and integration of ZnO nanowires and their decoration with metal NPs on flexible polymer substrate such as polyimide film. In addition, aligned Pd and TiO2 nanotubes can be obtained by using low-temperature, wet chemical process and liquid phase deposition (LPD) method. In these processes, the deposition of Pd and TiO2 and the selective etching of ZnO nanowires occur simultaneously, and then Pd and TiO2 nanotubes are simply integrated into a device at low temperature conditions. As applications of these nanostructure-based devices, we show several types of gas sensors based on localized thermal energy, differentiated by coating with noble metal NPs or by conversion into other nanostructure: pristine ZnO nanowires, Pt/Pd/Au NP-coated ZnO nanowires, TiO2 nanotubes, and Pd nanotubes. The behavior of these nanostructure-based sensors showed a rapid response, repeatability and long-term stability upon exposure to target gas. This new strategy demonstrates a practical method of developing nanostructure-based sensors for applications in not only multiplexed chemical sensors but also flexible gas sensors.
본 연구에서는 새로운 기법들을 사용하여 다종 나노구조물을 센서 시스템에 간단히 합성 및 집적 시키는 기술을 개발하였고, 이를 가스 센서에 응용하는 연구를 수행하였다. 첫째, 국부적 열에너지를 기반으로 센서 전극 사이에 ZnO 나노와이어를 합성시키고 동시에 집적 시키는 연구를 진행하였다. 이 열 에너지는 센서 시스템 내부의 마이크로 히터를 통해 제어를 하게 된다. 또한 이와 동일한 방법을 사용을 하여 나노구조물 표면을 선택적으로 금속 나노입자(Pt, Pd, Au)로 코팅할 수 있음을 입증하였다. 둘째, 국부적 열에너지 기반 기술과 액상 증착법을 결합하여 이미 센서 시스템에 집적된 ZnO 나노와이어를 새로운 형태의 나노구조물, 즉 TiO2 나노튜브로 변환시키는 연구를 완성하였다. 셋째, 특정 영역에 배열 시킨 ZnO 나노와이어를 낮은 온도 조건의 액상에서 금속 나노튜브로 변환시킬 수 있는 방법을 고안하였다. 이렇게 고안한 새로운 방법들은 친환경적이며 아주 간단한 공정 과정과 낮은 단가로 나노구조물 기반 센서를 제작할 수 있으며 저온에서 간단한 장비를 사용하여 제조가 가능하므로 딱딱한 기판뿐만 아니라 유연한 기판 위에도 적용할 수 있음을 확인하였다.
위와 같은 방법들로 제작된 나노구조물 기반 센서들을 응용하여 수소, 황화수소 등 다양한 가스에 대해서 그들의 감지 성능과 기계적 특성에 대한 고찰을 하였다. 수소 가스의 경우, ZnO 나노와이어 기반 센서는 고온 (350 ℃)에서 높은 민감도를 보였고, 나노와이어 주변을 금속 나노입자 (Pt, Pd)로 코팅 시켰을 경우는 저온 (100 ℃)의 영역에서도 상대적으로 큰 반응성을 보이며 측정이 이루어짐을 확인하였다. 특히 팔라듐 나노튜브 기반 센서를 사용할 시에는 상온 (20 ℃)에서 저농도 (100 ppm)에서부터 고농도 (10,000 ppm) 영역까지 높은 민감성과 안정성을 나타내며 측정이 되었다. 특히 ZnO 나노와이어 기반 센서는 유해가스인 황화수소에 대해서 그 주변을 팔라듐 나노튜브로 선택적으로 코팅시켰을 경우 저농도 (2 ppm)에서도 월등히 큰 반응성을 보이며 측정이 되었으며 특정 가스에 대해서 크게 향상된 감지 능력 (민감도, 반응시간, 회복시간)과 선택적 감지를 동시에 얻을 수 있는 센서를 제작할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 또한 유연한 기판 위에 동일한 방법들로 제작된 센서들도 다양한 환경, 즉 정적인 구부림 혹은 반복적인 구부림 등과 같은 기계적인 부하 환경 속에서도 감지 성능의 변화가 미세함을 증명하였다.
기존의 나노구조물 기반 센서의 제작과정에서 노출된 공정과정의 복잡함의 문제나 대량생산의 한계성을 극복하고자 본 연구를 수행하였으며, 위에서 제시한 다양한 방법들을 융합하여 센서를 제작할 시 보다 효율적인 센서 소자를 제작할 수 있을 것이라 예상하며 더 나아가 환경 감지 구축 시스템을 위한 기반 기술로도 발전할 수 있을 것이라 사료된다
