In this research, we developed electrospun metal oxide nanofiber based gas sensor array for detecting air pollutants by electrohydrohynamic (EHD) printing process. First, we synthesized several metal oxide nanofibers (SnO2, In2O3, WO3 and NiO) as gas sensing materials by electrospinning. The ink solution for EHD printing process was formed by mixing these materials with solvents (ethyleneglycol or α-terpineol) and fragmenting them in ultrasonication bath. Second, we generated line patterns by using DC voltage and dot patterns by using the pulse wave voltage produced by function generator and high voltage amplifier. The size of dot patterns was controlled by changing the pulse width and all of them were smaller than inner diameter of needle because the solution was pulled out via high electric field. We realized sub-100μm patterns for minimizing the gas sensor array and for reducing the power consumption during the operation of metal oxide gas sensor. After optimizing several parameters such as voltages, distance between needle and substrate, pulse width and period in the EHD printing, microscale patterns of metal oxide nanofibers were formed on the gold electrode array for gas sensing devices. Finally, we conducted gas test to various concentrations of NO2 gas. Because three materials (SnO2, WO3, In2O3) are n-type semiconductor, the resistance of these materials are increased by NO2, which is an oxidizing gas. On the other hand, NiO exhibits reverse results because it is a p-type semiconductor. We confirmed that EHD printed metal oxide materials can be used for detecting harmful gases. Additionally, MEMS type gas sensor array was developed. It has the 2 x 2 array for sensing materials and three layers for heater, insulation and sensing electrodes. All layers were floated on the air in order to reduce the heat dissipation to silicon wafer during the gas sensor operation. It is expected that the EHD printing process of various metal oxide nanofibers can be used for highly compact, low power and multifunctional gas sensor application.
본 연구에서는, 공기의 오염정도를 측정하기 위해 전기수력학 프린팅을 이용한 금속산화물 나노섬유 기반의 가스센서 어레이를 개발하였다. 먼저, 가스 감지 물질로 사용될 금속산화물 물질(SnO2, In2O3, WO3와 NiO)을 전기 방사 방법으로 합성하였다. 전기수력학 프린팅을 위한 잉크용액은 금속산화물 물질과 용매로 사용된 에틸렌글리콜 또는 알파테르핀올을 섞어서 제작하였으며, 초음파세척기를 이용하여 섬유들을 짧게 파쇄하였다. 두번째로, 직류전압을 이용하여 선 패턴을 만들고, 함수발생기와 고전압증폭기로 형성된 펄스파 전압으로는 점 패턴을 형성하였다. 점 패턴의 크기는 펄스 폭을 변화시키면서 조절이 가능하였으며, 사용된 바늘의 내경보다 작게 패터닝이 가능하였다. 이는 고전압으로 인한 전기장이 용액을 바늘로부터 끌어당겨 패턴을 형성하였기 때문에 가능하였다. 약 100마이크로의 패턴은 센서를 소형화 하는 것뿐만 아니라 센서의 소비전력을 줄이는 데에도 도움이 될 것이라 예상하였다. 전기수력학 프린팅에서 전압, 바늘과 기판 사이의 거리, 펄스폭 및 주기를 최적화 한 후에 금속산화물 섬유의 마이크로 패턴을 가스 측정을 위한 금 전극 위에 형성 하였다. 마지막으로 다양한 농도의 이산화질소에 대해 가스 테스트를 진행하였다. SnO2, WO3, In2O3의 경우 n타입의 반도체 물질로써 산화성 가스인 이산화질소에 대해서 저항이 증가하였으며, p타입인 NiO의 경우 저항이 감소하였다. 전기수력학 프린팅으로 패턴된 금속산화물 물질이 이산화질소와 같은 공기오염 물질을 검출할 수 있음을 확인하였다. 이와 더불어 MEMS타입의 가스 센서 어레이를 개발 하였다. 이는 2X2어레이를 가지고 있고 각각 히터와, 절연층, 감지전극으로 이루어져 있다. 모든 층은 가스검출 중 열이 실리콘 웨이퍼로 빠져나가는 것을 줄이기 위해 공기 중에 떠 있다. 다양한 물질의 금속산화물 물질을 전기수력학 방법으로 프린팅 한다면 저전력이면서 매우 소형화된 가스센서를 제작 할 수 있을 것으로 보인다.
