The novel use of synthetic methods is an effective way to engineer the morphology of semiconducting metal oxide (SMO) based gas-sensing materials to overcome their shortcomings such as low sensitivity and poor intrinsic selectivity to target gases. Although the single-nozzle electrospraying and single-nozzle electrospinning are generally considered versatile techniques in the synthesis of spherical and fibrous SMO nanostructures, respectively, the sole dependence of porosity on the decomposition of the organic and polymeric matters during the calcination stage limits the introduction of ubiquitous porosity for diffusion of gases through these materials, resulting in low surface areas. This is because during a typical high temperature calcination, crystal sizes grow larger, accompanied with a consequent sintering of grain necks. In this dissertation, unprecedented templating techniques are introduced to synthesize highly porous hollow spheres, nanotubes, and core-shell/fiber-in-tube fibrous nanostructures by employing electrospraying etching, electrospinning etching, and electrospinning impregnation methods, respectively. The obtained SMO-based nanostructures afford meso/macroporous morphologies with short diffusion length, small crystallites, and large Brunauer Emmett Teller surface area. Accordingly, the synthesized materials exhibit outstanding sensitivity and selectivity properties toward gaseous disease biomarkers in human exhaled breath.
독창적인 합성 방법을 통해 금속산화물 반도체의 형상을 제어하는 것은 금속산화물 반도체 기반 가스센서의 낮은 감도와 선택성을 극복할 수 있는 효과적인 방법이다. 단일 노즐을 활용한 전기분사 및 전기방사는 구형 및 섬유 형태의 금속산화물 반도체를 합성하는 유용한 합성 방법이지만, 하소 과정 중 유기물 및 고분자의 열분해에 의해서만 기공을 형성하기 때문에, 금속산화물 반도체 감지소재 내부로 가스 확산을 용이하게 할 수 있는 다 수의 기공을 형성하기 어려우며 표면적이 낮다는 한계를 가지고 있다. 이는 고온 하소 과정 중 결정립이 커질 뿐만 아니라 소결되기 때문이다. 본 박사 학위 논문은 신규한 희생층 공법 및 전기분사-에칭, 전기방사-에칭, 전기방사-함침 방식을 통한 다공성 중공 구조의 나노스피어, 나노튜브, 코어-쉘/나노튜브-속-나노섬유 합성에 관한 것이다. 본 연구를 통해 개발된 금속산화물 반도체는 결정립의 크기가 매우 작을 뿐만 아니라, 높은 비표면적을 갖고, 메조 및 매크로 크기의 수 많은 기공을 포함하고 있어, 향상된 감지 특성을 보이게 된다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 감지소재를 활용하여, 사람의 날숨 속에 포함된 생체지표 가스들에 대해 아주 우수한 감도 및 선택성 등의 감지 특성을 입증하였다.
