Breath analysis is getting intensive attention as the importance of early diagnosis of diseases increases. A number of diseases such as halitosis, and diabetes can be diagnosed by detection of low concentration of biomarkers such as hydrogen sulfide, methyl mercaptan, dimethyl sulfide, and acetone in exhaled breath. As an attractive type of breath analyzing devices, a chemiresistive sensor which uses semiconductor metal oxide (SMOs) have been intensively studied. The SMOs-based sensing layers can provide tremendous advantages in terms of easy miniaturization, flexibility in production, simplicity of their use, and high connectivity with mobile devices. However, the SMOs have relatively low sensitivity and selectivity, which are challenge issues in practical use in application for exhaled sensors. The advances in nanostructures can address these issues, considering that the sensing reaction of analyte gases occur on the surface of the metal oxides. Tailoring of the SMOs nanostructures for large surface area and high porosity is a general approach for higher sensing performances. The catalytic functionalization is also inevitable process for high sensitivity and selectivity.
In this thesis, to develop the diverse three-dimensional (3D) hierarchical SMO nanostructure having large surface area as well as high porosity, the electrostatic spraying approach, and spray pyrolysis approach, which are facile and versatile technique, were adopted. Their sensing performances were investigated according to their morphological change and porosity. In addition, noble metallic nanoparticles (NPs) were functionalized on the SMO sensing layers to further improve sensitive and selective properties. Therefore, a number of sensing composites were prepared to establish sensor libraries. These sensor libraries were investigated to understand the sensing performances for breath pattern recognition using principal component analysis. This thesis demonstrated high potential feasibility of SMO-based sensing layer functionalized with diverse catalysts for application in breath analysis.
질병 조기 진단의 중요성이 커지면서, 비침습적으로 손쉽게 질병을 진단할 수 있는 방법으로 날숨 분석이 많은 관심을 받고 있다. 사람의 날숨 속 유기 화합물들 농도를 분석함으로써, 질병을 진단 할 수 있으며, 날숨 분석을 할 수 있는 센서 중 금속산화물을 이용하는 저항변화식 센서가 많이 연구개발되고 있다. 금속산화물은 상대적으로 낮은 감도 및 선택성을 갖는 단점이 있지만, 최근 나노기술 개발로 그 단점들이 많이 극복되어 수 ppm 농도까지도 선택적으로 감지가 가능해졌다. 가스 감지 반응과 관련된 반응들이 금속산화물 표면에서 일어난다는 점을 고려하면, 고감도 특성을 얻기 위해 넓은 표면적과 큰 기공도를 갖는 나노구조체가 선호되며, 매우 작은 크기의 금속 촉매 결착은 더 향상된 감지 특성을 부여해 줄 수 있다. 본 학위논문에서는 손쉽게 3차원 계층구조를 제작할 수 있는 정전분사와 분무열분해법을 이용하여 금속산화물을 다양한 계층구조로 개발하고, 형상 및 기공도에 따른 감도 특성을 확인하였다. 또한 이에 촉매를 결착하여 고감도, 고선택적 특성을 지니는 감지소재를 개발하고, 신뢰성 및 선택성을 한층 더 향상시키기 위해 주성분 분석법을 이용하여 패턴인식화 하였다. 마지막으로 실제 날숨분석을 통하여 질병의 날숨 진단의 적용가능성을 확인하였다.
