Currently, the roles of gas sensors in various industrial fields are becoming important. Gas sensors go beyond simply detecting gases and play a huge role in ensuring our safety and avoiding potential hazards. In particular, as the number of industrial fields using Hydrogen gas increases according to the importance of eco-friendly energy and sustainable energy, the importance of detecting low level of Hydrogen gas is increasing for explosion prevention and securing safety.
In this study, metal oxide based gas sensor that can detect relatively low level of Hydrogen was fabricated through Secondary Sputtering Lithography (SSL). Pd (Palladium), which acts as a catalyst in detecting Hydrogen, and $SnO_2$, mainly used for n-type resistive gas sensors due to its wide band gap energy, are sequentially deposited. Then, Pd-doped $SnO_2$ nano-pattern with small particle size of Pd which is doped regularly, and high aspect ratio (~15) was obtained. We can achieve significant sensitivity and selectivity with larger surface area for gas adsorption and desorption, and better catalytic and spill-over effect through small particle size (< 2.5 nm) of regularly doped Pd simultaneously. In particular, the sensor fabricated in this study has a significant advantage in that it can detect even lower ppb level (20 ppb) of Hydrogen beyond ppm level, which is the Limit of Detection (LOD) of most metal oxide based gas sensors studied in the past.
현재, 다양한 산업 분야에서 가스 센서의 역할이 중요해지고 있다. 단순히 가스를 탐지하는 것을 넘어서서 우리의 안전을 확보하며 잠재적인 위험을 방지하는데 큰 역할을 하고 있다. 지속 가능한 에너지의 중요성에 따라 수소 가스를 사용하는 산업분야가 많아지게 됨에 따라 폭발 예방 및 안전 확보를 위해 저농도 수소 가스 탐지의 중요성이 더욱 커지고 있다.
본 연구에서 우리는 2차 스퍼터링 리소그래피 방식을 이용하여 보다 낮은 농도의 수소를 탐지할 수 있는 금속 산화물 기반의 가스 센서를 개발하였다. 촉매 역할을 하는 Pd와 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있어 n-type 저항형 가스 센서에 주로 쓰이는 $SnO_2$를 차례로 증착한 뒤, 2차 스퍼터링 리소그래피 방식을 통해 작은 입자가 균일하게 도핑된 고종횡비(~15)를 가지는 고해상도의 Pd-$SnO_2$ 나노 패턴을 제작하였다. 이러한 나노 패턴으로 인해 보다 넓은 표면적을 얻었으며, Pd가 매우 작은 크기(~ 2.5 nm)로 균일하게 도핑되어 있어 촉매 및 스필오버 효과를 통해 뛰어난 민감도와 선택성을 보여주었다. 특히, 기존에 연구된 대부분의 수소 센서의 검출 한계인 ppm 수준을 넘어서서 더 낮은 ppb 수준 (20 ppb)까지도 검출할 수 있다는 점에서 상당한 장점을 가지고 있다.
