A self-powered gas sensor based on chemical color changes or mechanical structure changes due to gas reactions was proposed in this dissertation. The sensor does not work on electrical power and instead uses ambient visible light sources that exist around it. The sensor comprises a sensing film, which changes color because of a gas reaction, or changes its structure, leading to a change in its light transmittance, and a photovoltaic cell.
In the first research section, $NO_2$ gas sensor was developed by using chemical color change. N, N, N ', N'-tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD) was used as the colorimetric material for $NO_2$ detection and was coated on micro/nano structures by the spray coating method. TMPD reacts with nitrogen dioxide ($NO_2$) in an oxidation-reduction reaction forming a blue color. When a color change occurs on the film surface, the transmittance changes to the visible region, changing the output of the photovoltaic cell. Thus, $NO_2$ can be detected at concentrations of 1, 5, 10, and 20 ppm using the change in current output of the photovoltaic cell. The response ($deltaI/I_0$) of the sensor was improved by forming micro/nano structures on the surface of the transparent polydimethylsiloxane (PDMS) film. The higher the aspect ratio of the micropost array formed, the better the performance of the sensor. Also, nanowire formation on the micro structures increased gas sensing performance. The response for 20 ppm $NO_2$ detection was increased from 0.09 to 0.17 using the micro/nano structures. These micro/nano structures increase the surface area for the gas reaction, thus changing the transmittance of the film and improving the performance of the sensor. This sensor has highly selectivity for $H_2S$, CO, and humidity. Furthermore, the performance of the sensor was verified under real life applications using office LEDs, fluorescence light, and various light intensities. Finally, to verify its practical application, the circuit that turns the LED on when it is exposed to NO2 gas was made simply with an operational amplifier (op-amp) circuit.
In second research section, $H_2$ gas sensor was developed by using mechanical structure change of nano-grating. In the case of hydrogen ($H_2$) detection, palladium (Pd) was deposited on the polyurethane acrylate (PUA) nano-grating structures. Pd reacts with $H_2$ forming $PdH_x$, which causes volume expansion. Such a sensing system uses a method in which the amount of transmitted light varies when the polymer nanostructure is deformed because of volume expansion. To optimize the performance of the sensor, the deposition angle of Pd was simulated and compared with actual experiments. The deposition thickness was also optimized, and the deposition angle and thickness were set to $45^\circ$ and 80 nm, respectively. The sensor could detect 2% hydrogen with a response of 0.22. This sensor also showed no reaction for CO, $H_2S$, and $NO_2$ gases, and it was confirmed that the sensor performance was not changed by the presence of humidity. In addition, it operated stably against 2% $H_2$ in 125 cycles and showed high reliability. Also, it was also possible to produce a $H_2$ sensor alarm using a mobile device using a Bluetooth module. These sensor systems do not require heaters or photodetectors, and they can inform people about target gas exposures using only ambient visible light sources in the surrounding without external power consumption.
본 학위 논문에서는 가스 반응에 의한 화학적 색 변화 또는 기계적 구조 변화를 이용한 자가 발전형 가스 센서를 제안한다. 센서는 가시광 영역의 빛을 활용함으로써 센서 자체에서는 소비 전력이 전혀 발생하지 않도록 하였다. 센서의 시스템은 가스 반응에 의해 색이나 구조가 변하여 빛의 투과도를 바꾸는 감지 필름과 태양전지로 구성 되어 있다.
첫번째 연구에서는 화학적 색 변화를 이용한 이산화질소($NO_2$) 센서를 개발하였다. 이산화질소 검출을 위하여 비색 물질인 N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine (TMPD)를 마이크로/나노 계층 구조물 상에 코팅하였으며, TMPD는 이산화질소와 반응하여 산화-환원 반응을 일으키고 푸른빛으로 변하게 된다. 필름 표면에서 색 변화가 일어나게 되면 가시광 영역에서 투과도가 변하게 되고 이는 태양전지의 출력 변화를 일으키게 된다. 결과적으로 태양전지의 전류 출력 변화를 이용하여 $NO_2$를 1, 5, 10, 20 ppm 농도에서 검출 하였다. 투명한 Polydimethylsiloxane (PDMS) 필름의 표면에 마이크로/나노 구조물을 형성함으로써 센서의 감도($\deltaI/I_0$)를 향상 할 수 있었으며, 형성된 마이크로 포스트 어레이의 종횡비가 클수록, 그리고 포스트에 나노와이어가 있을수록 센서의 성능이 향상 되었다. 이를 통해 $NO_2$ 20 ppm에서 감도($\deltaI/I_0$)를 0.09에서 0.17까지 향상시켰다. 이러한 구조물의 형성은 가스가 반응할 수 있는 면적과 투과도를 바꿀 수 있는 유효 면적을 증가 시키기 때문에 센서 성능을 높인다고 볼 수 있다. 또한 TMPD를 이용한 센서는 $H_2S$, CO와 같은 가스에는 전혀 반응을 보이 않으며, 습도가 있는 환경에서도 잘 작동하여 높은 선택성을 보였다. 실제 생활에서 다양한 빛을 활용 할 수 있을지 확인하기 위해 사무실의 light emitting diode (LED)나 형광등, 다양한 빛 세기에서 그 성능이 문제가 없음을 확인하였고, 최종적인 실제 응용 가능성을 위해 NO2 가스에 노출시 LED가 켜지는 회로를 OP Amp를 이용하여 모듈화까지 진행하였다.
두번째 연구에서는 기계적 구조 변화를 이용한 수소($H_2$) 센서를 개발하였다. 수소($H_2$) 검출을 위하여 Palladium (Pd) 금속을 Polyurethane acrylate (PUA) 나노 그레이팅 구조에 코팅하였다. Pd가 수소와 만나 $PdH_x$가 되면서 부피가 팽창하고, 이로 인해 폴리머 나노구조물이 변형되면서 투과되는 빛의 양이 바뀌는 방식을 이용한다. 센서의 성능을 최적화 하기 위해 Pd의 증착 각도에 대해서 시뮬레이션하고 실제 실험과 비교하였으며, 증착 두께에 대해서도 최적화를 통해 45도의 증착 각도와 80 nm의 두께를 찾았다. 수소의 폭발 하한 4% 이하인 2%의 수소를 $\deltaI/I_0$ = 0.22 의 감도로 검출 할 수 있었다. 이 센서 역시 $H_2$ 이외에 CO, $H_2S$, $NO_2$ 가스에 대해 아무런 반응을 보이 않는 것을 확인하였으며, 습도에 대해서도 선택성이 높다는 것을 확인 하였다. 또한 수소 2%를 125회 싸이클로 주입하여도 안정적으로 작동하며 높은 신뢰성을 보였고, 블루투스 모듈로 제작을 하여 모바일 기기를 이용한 수소 센서 알람 제작도 가능하였다.
이러한 센서 시스템은 히터나 광 검출기를 필요로 하지 않으며, 외부 소비전력 없이 우리 주변의 가시광원만을 이용하여 사람들에게 타겟 가스 노출에 대해 알려줄 수 있을 것으로 기대한다.
