Editorial Board

졸겔 방법이 적용된 ZnO 나노 구조체와 비교를 위해 졸겔 방법이 적용되지 않았을 때의 ZnO 나노 구조체를 제작하여 함께 관찰하였다.

Fig. 2는 졸겔 방법으로 합성된 SnO₂ seed의 SEM 이미지이다. SnO₂ seed layer의 입자 크기는 약 46~75 nm로 분포되어 있으며, 나노 크기의 입자들이 가스 센서 구조체 성장 시, 촉매 역할을 한다.

Fig. 2. 
The SEM image of SnO₂ seed particles.

Fig. 3은 졸겔 방법이 적용된 ZnO 나노 구조체의 SEM이미지이다. Fig. 3(a)의 ZnO 나노 구조체는 기둥을 중심으로 나노 와이어가 뻗어 성장한 브러쉬 형태를 이루고 있다[13]. 나노 와이어의 직경은 약 30~50 nm이며, 브러쉬 형태의 ZnO 나노 구조체는 1차원의 나노 와이어가 3차원 구조를 이룬 것으로 큰 비표면적을 가진다. Fig. 3(b)의 성장한 나노 구조체의 전체적인 분포 및 형태를 보면 구조체 간에 응집이 발생하지 않고 브러쉬 형태로 균일하게 분포되어 있다.

Fig. 3. 
The SEM images of brush-like ZnO nano structure with Sol-Gel method.

Fig. 4는 졸겔 방법이 적용되지 않은 ZnO 나노 구조체의 SEM이미지이다. Fig. 4(a)의 ZnO 나노 구조체는 Fig. 3과 유사하게, 기둥을 중심으로 나노 와이어가 성장하였지만, Fig. 3에 비해 상대적으로 나노 구조체의 기둥의 직경이 크고, 나노 와이어의 길이도 매우 짧은 형태이다. Fig. 4 (b)는 나노 구조체가 응집되어 있는 형태를 볼 수 있다. 나노 구조체 성장 과정 중 나노 구조체 간에 발생하는 반데르발스 힘(Van der waals force)의 영향으로 응집 현상이 발생하여, 뭉쳐 있는 형태를 이루었다[14]. 직경이 크고 짧은 나노 와이어 및 나노 구조체 간의 응집 현상으로 인해, 졸겔을 적용하지 않았을 때의 나노 구조체의 비표면적이 브러쉬 형태의 나노 구조체의 비표면적보다 감소한 것을 알 수 있다.

Fig. 4. 
The SEM images of ZnO nano structure without Sol-Gel method.

결과적으로 졸겔 방법이 적용된 브러쉬 형태의 ZnO 나노 구조체의 경우, 졸겔 방법이 적용되지 않은 나노 구조체에 비해 종횡비와 비표면적이 향상된 구조체를 형성하였다. 가스 센서의 경우 가스와 구조체의 표면에서 발생하는 표면 반응에 의존한다. 졸겔 방법이 적용되어 나노 구조체를 성장시킴으로써 응집을 제어하고, 비표면적을 향상시켰을 때, 표면 반응을 개선시킴으로써 가스 센서의 반응도 및 반응 속도, 회복 속도 특성이 향상되었다.

Fig. 5는 졸겔 방법을 통해 합성된 seed를 도포한 ITO 기판의 EDS 분석 결과이다. Fig. 5의 EDS 정보를 Table 1에 질량비와 원자비로 정리하였으며, 비교를 위해서 seed가 없는 ITO 기판의 EDS분석을 같이 진행하였다.

Fig. 5. 
The EDS spectrum of seeds on ITO substrate.

Seed가 없는 ITO 기판의 EDS 분석 결과, Sn의 중량비는 8.45%, 원자비는 2.74%이다. 반면, 졸겔 합성을 통해 seed가 도포된 ITO 기판에서 Sn의 중량비는 12.16%, 원자비는 4.3%이다. EDS 분석 결과, 질량비는 1.44배, 원자비는 1.57배 증가한 값이다. Seed가 없는 ITO 기판 EDS 분석 결과의 Sn은 ITO 기판의 구성 성분(In₂O₃-90%, SnO₂-10%)으로, 졸겔 법을 통해 seed를 도포함으로써, Fig. 2의 SEM 이미지와 같이 ITO 기판 위에 Sn 물질이 도포되었음을 알 수 있다.

Fig. 6은 졸겔 방법을 통해 합성된 seed의 XRD 분석 결과이다. ITO 기판 위에 졸겔 용액만을 도포해 seed를 합성하여 XRD를 통해 분석하였다. XRD 패턴에 대한 분석은 ICSD(Inorganic Crystal Structure Database)에 등록된 표준 값과 비교하였다. 그 Fig. 6의 XRD peak spectrum과 ICSD: 189468의 SnO₂ peak 정보와 비교하였을 때, 졸겔 방법을 통해 합성된 용액이 ITO 위에 도포되었을 때, Cubic 구조의 SnO₂ seed layer가 형성됨을 알 수 있다.

Fig. 6. 
The XRD peak spectrum of SnO₂ nano particles on ITO substrate.

또한, Fig. 7은 SnO₂ seed layer가 도포된 ITO 기판 위에 기상 증착 법을 이용해 성장시킨 ZnO 나노 구조체의 XRD peak spectrum이다. Fig. 7의 XRD peak와 ICSD: 290968의 정보 비교를 통해, Zn 전구체를 사용해 기상 증착 법을 통해 구조체를 성장했을 때, Hexagonal 구조의 ZnO 나노 구조체가 형성됨을 볼 수 있다.

Fig. 7. 
The XRD peak spectrum of ZnO nano structures on ITO substrate.

Fig. 8은 이산화질소(NO₂) 가스 농도에 따른 가스 반응도 그래프이다. 2개의 가스 센서 모두, 가스 농도가 증가할수록 가스 반응도가 같이 증가하는 것을 볼 수 있다. 하지만, 졸겔 법을 도입한 가스 센서의 경우, 도입하지 않은 가스 센서에 비해 매우민감하게 반응하였다. 졸겔 법을 도입한 가스 센서의 경우, 5 ppm 농도의 이산화질소에 노출되었을 때, 43.38의 가스 반응도로 졸겔 법을 도입하지 않은 가스 센서에 비해 약 24배 향상되었다. 또한, 1 ppm 농도의 이산화질소에 노출되었을 때에도 4.72의 가스 반응도로 비교군에 비해 약 4배 향상되었다. 졸겔 법이 도입된 가스 센서의 농도에 따른 가스 측정 결과, 가스 반응도가 최소 4배, 최대 24배 향상되었다.

가스 반응도 결과로부터 졸겔 법을 도입했을 때, SEM 이미지를 통해 분석한 결과와 동일하게 나노 구조체의 비표면적이 향상되어 가스 반응도가 크게 개선되었음을 다시 한번 확인할 수 있다.

Table 2에는 졸겔 법을 도입한 가스 센서와 도입하지 않은 가스 센서의 가스 반응 속도와 회복 속도를 기술하였다. 졸겔 법을 도입하지 않은 가스 센서의 경우에는 농도 별로 최소 205초, 최대 265초의 가스 반응 속도를 보였다. 이와 비교하여, 졸겔 법을 적용한 경우, 농도 별로 최소 185초, 최대 205초의 가스 반응 속도로 약 10초에서 80초 개선되었다. 가스 반응 속도의 경우, 농도에 따른 가스 반응 속도는 모두 향상되었다.

졸겔 법을 도입한 가스 센서의 가스 회복 속도는 졸겔 법을 적용하지 않은 가스 센서에 비해 크게 향상되었다. 졸겔 법을 도입하지 않은 가스 센서의 경우, 1 ppm의 이산화질소에 노출되었을 때, 반응 후 원래 상태로 회복이 되지 않았다. 또한, 5, 10, 20 ppm의 다른 농도에서도 최소 265초에서 최대 430초까지 매우 느린 가스 회복 속도를 보였다.

반면, 졸겔 법을 도입한 가스 센서의 경우, 1 ppm의 이산화질소에 노출되었을 때에 가스 회복 시간이 195초로 졸겔 법을 적용하지 않은 가스 센서에 비해 크게 개선된 결과가 나타났다. 5, 10, 20 ppm의 농도에서는 약 20초에서 40초로 매우 빠른 가스 회복 속도를 보였으며, 이는 졸겔 법을 도입하지 않은 가스 센서에 비해 최소 240초에서 최대 360초의 시간이 개선된 결과이다.

가스 반응 속도 및 회복 속도는 가스 센서의 구조가 응집되어 있지 않으며 규칙적인 구조를 형성할 때, 가스의 확산이 원활이 발생하므로 향상되어진다. 이를 통해, 졸겔 법의 도입으로 기상 증착 법을 통해 성장된 나노 구조체의 형태 및 구조가 가스 반응 속도 및 회복 속도의 개선에도 기여되었다고 판단된다.