JP5380737B2 - 金属酸化物含有多孔性ナノ繊維を用いたガスセンサー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はガスセンサーに関し、より詳しくは、金属酸化物を含有した多孔性ナノ繊維を用いて常温でも非常に高い感度を有する信頼性のあるガスセンサーを製造する方法及び上記方法により製造されるガスセンサーに関するものである。

一般に、ガスセンサーはガス分子の吸着によって電気伝導度が変化する特性を用いて有害ガスの量を測定する原理により作動される。ガスセンサーにたくさん使用されてきた物質には、ＳｎＯ_２のような金属酸化物半導体、固体電解質物質、多様な有機物質、そしてカーボンブラック（carbon black）と有機物の複合体などがある。上記のような物質を用いて製造したガスセンサーは制限的に使われる等、種々の問題点を有している。即ち、金属酸化物半導体や固体電解質を用いて製造したガスセンサーの場合には、２００乃至６００℃またはその以上の温度で加熱しなければセンサーの動作が正常に行われず、有機物質を用いた場合には電気伝導度が非常に低く、カーボンブラックと有機物の複合体を用いた場合には、非常に低い感度（sensitivity）を有するという問題がある。また、上記物質を用いて製造した従来のガスセンサーは、感応時間が遅く、回復速度も非常に遅く、価格も高くいので、一般的な使用には適合しない。

本発明は、前述した問題点を解決するために案出したものであって、エレクトロスピニングを通じて金属酸化物を含有したナノ繊維を形成し、これをまた酸化、炭化、及び活性化させた後、シリコンウエーハ電極の間に積層させることによって、常温でも非常に高い感度を有するガスセンサー及びその製造方法を提供することをその目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明は金属酸化物を含有したナノ繊維を用いてガスセンサーを製造する方法を提供するが、本発明に従うガスセンサーの製造紡法は、
（１）ポリマー前駆体と溶媒とを混合するステップと、
（２）上記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散させるステップと、
（３）上記第２ステップの過程を通じて得られた混合物をエレクトロスピニングしてナノ繊維を製造するステップと、
（４）上記第３ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を酸化させるステップと、
（５）上記第４ステップの過程を通じて酸化されたナノ繊維を炭化させるステップと、
（６）上記第５ステップの過程を通じて炭化されたナノ繊維を活性化させるステップと、
（７）上記第６ステップの過程を通じて活性化されたナノ繊維をシリコンウエーハ電極の間に積層させてガスセンサーを製造するステップと、を含んでなる。

また、本発明は上記第７ステップの以後に、上記第７ステップの過程を通じて得られたガスセンサーを熱処理するステップをさらに含むことができる。上記熱処理は３０乃至８０℃の温度範囲で、０．１乃至１時間の間なされることが好ましい。

上記第２ステップの過程を通じて得られる混合物の粘度は１００乃至５００ｃＰであることが好ましい。

上記第２ステップの上記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散させるステップで、上記混合物と金属酸化物との混合比は上記混合物１００重量部を基準として２乃至１０重量部であることが好ましい。上記のように一種の触媒役割をする金属酸化物を添加することによって、ナノ繊維の活性が増加して、敏感度が大きく、応答性の速いガスセンサーを製造できるようになる。

上記第４ステップの酸化させる過程は、１乃至５℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、最終的に２００乃至３００℃の温度範囲で２乃至５時間の間なされることが好ましい。

上記第５ステップの炭化させる過程は、５乃至１０℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、最終的に８００乃至１，２００℃の温度範囲で、０．５乃至２時間の間なされることが好ましい。

上記第６ステップの活性化させる過程は、水酸化カリウム溶液を加えてなされて、上記水酸化カリウム溶液の濃度は５乃至１０Ｍ範囲であることが好ましい。

上記第７ステップのガスセンサーを製造するステップは、分散溶液に上記第６ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を分散させ、これをシリコンウエーハ電極の間に積層させなされて、上記分散溶液に分散されるナノ繊維は分散溶液１００重量部を基準として０．１乃至３重量部であることが好ましい。

また、本発明は上記の方法により製造されたガスセンサーを提供する。

前述したような本発明による場合、エレクトロスピニングを通じて金属酸化物を含有したナノ繊維を形成し、これをまた酸化、炭化、及び活性化させた後、シリコンウエーハ電極の間に積層させることによって、常温でも非常に高い感度を有する信頼性のあるガスセンサーを製造できるようになる。

本発明の実施形態により製造されたガスセンサーの模式図である。 ナノ繊維を製造するためのエレクトロスピニング装置の模式図である。 本発明の実施形態１及び比較例１により製造されたナノ繊維の気孔度を確認するための窒素吸着等温線である。 本発明の実施形態により製造されたガスセンサーの表面特性を調べるために撮影した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）イメージである。 ガス感応特性を測定するための装置の概略図である。 本発明の実施形態２及び比較例２により製造されたガスセンサーのＮＯガスに対する感応特性を示すグラフである。

本発明は、金属酸化物を含有したナノ繊維を用いて製造されたガスセンサー及びその製造方法を提供する。図１は、本発明の実施形態により製造されたガスセンサーの模式図である。図示したように、本発明に従うガスセンサーはシリコンウエーハ電極の間に金属酸化物を含有した多孔性ナノ繊維が均等に分布する形状を有する。

以下、本発明を詳細に説明する。

まず、本発明は金属酸化物を含有している多孔性ナノ繊維を用いてガスセンサーを製造する方法を提供するが、本発明に従うガスセンサーの製造方法は、
（１）ポリマー前駆体と溶媒とを混合するステップと、
（２）上記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散させるステップと、
（３）上記第２ステップの過程を通じて得られた混合物をエレクトロスピニングしてナノ繊維を製造するステップと、
（４）上記第３ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を酸化させるステップと、
（５）上記第４ステップの過程を通じて酸化されたナノ繊維を炭化させるステップと、
（６）上記第５ステップの過程を通じて炭化されたナノ繊維を活性化させるステップと、
（７）上記第６ステップの過程を通じて活性化されたナノ繊維をシリコンウエーハ電極の間に積層させてガスセンサーを製造するステップと、を含んでなる。

上記第１ステップで使われるポリマー前駆体は、炭素に変換可能な材料であればいずれを使用してもよい。具体的な例を挙げれば、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリアニリン、メゾフェースピッチ、フルフリルアルコール、フェノール、セルロース、スクローズ、ポリビニルクロライド、及びこれらの混合物から構成される群から選択できる。

上記第１ステップで使われる溶媒は、上記ポリマー前駆体を溶解させるものであれば、いずれを使用してもよいし、例えば、ジメチルホルムアミド、クロロホルム、Ｎ−メチルピロリドンテトラハイドロフラン、硫酸、窒酸、アセト酸、塩酸、アンモニア、蒸留水、及びこれらの混合物から構成される群から選択できる。

上記第２ステップで使われる金属酸化物には特別な制限がないし、一般的に知られた金属酸化物が全て使用可能である。

上記第２ステップの過程を通じて得られる混合物の粘度は、１００乃至５００ｃＰであることが好ましい。第２ステップの過程を通じて得られた混合物は、次のステップで、図２に模式図を表したエレクトロスピニング装置を用いてエレクトロスピニングを行うようになる。図示したエレクトロスピニング装置は一般的に使われるものであって、その動作を簡略に説明すると、次の通りである。図２に示すように、エレクトロスピニング装置は、定量ポンプ１、電圧発生装置２、集束器３、及び放射器４を含んでなる。まず、定量ポンプ１を通じて溶液が放射器４に注入され、放射器４を通じて放射された溶液は回転する集束器３により集束される。電圧発生装置２は必要とされる電圧を印加するようになる。即ち、上記第２ステップを通じて得られた混合物は放射器を通じて放射されるが、混合物の粘度が５００ｃＰを超過する場合には高分子相互間の凝集力によって放射器のノズルが塞がって円滑な放射がなされないという問題が発生することがある。また、混合物の粘度が１００ｃＰ未満の場合には、粘度が低過ぎて一定の形状を有することができないという問題点があるので好ましくない。

上記第２ステップの上記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散させるステップで、上記混合物と金属酸化物との混合比は、上記混合物１００重量部を基準として金属酸化物２乃至１０重量部が混合されることが好ましい。金属酸化物の混合比が２重量部未満の場合には、製造されたナノ繊維の活性が金属酸化物を混合しない場合と特別な差がないので好ましくないし、金属酸化物が１０重量部を超過する場合には、上記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散することが困難であるので好ましくない。

上記第３ステップでなされる混合物をエレクトロスピニングしてナノ繊維を製造することは、図２に模式図として表したような装置を用いて通常のエレクトロスピニング法によりなされる。

上記第４ステップの酸化させる過程は、１乃至５℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、最終的に２００乃至３００℃の温度範囲で２乃至５時間の間なされることが好ましい。上記酸化させる過程で、昇温速度を１℃／ｍｉｎより遅くする場合には、遅い反応速度によって酸素と炭素が反応して起こる環化反応が円滑になされないようになり、また繊維歩留まりを落とすようになる。昇温速度を５℃／ｍｉｎより速くする場合には、速い反応速度によって繊維形成が不安定になされて、次のステップの炭化時にナノ繊維が溶けるか、遊離転移されて繊維形態を維持できなくなる。最終的に、酸化させる温度が２００℃未満の場合には、酸化反応が不完全になされて、次のステップの炭化時にナノ繊維が溶けるか、遊離転移されて繊維形態を維持することができず、炭素原子の間の縮合反応も円滑になされなくなる。酸化させる温度が３００℃を超過する場合には、高い酸化温度によって速い速度の反応が誘発され、これによって過酸素状態の炭素−酸素結合反応により環化反応が円滑になされない。酸化させる時間が２時間未満の場合には、上記最終的に酸化させる温度が２００℃未満の場合と同一な現象が発生し、酸化させる時間が５時間を超過する場合には、酸化させる時間が５時間の場合と異なる点がないし、不要な反応が起こるようになる。

上記第５ステップの炭化させる過程は、５乃至１０℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、最終的に８００乃至１，２００℃の温度範囲で、０．５乃至２時間の間なされることが好ましい。上記炭化させる過程を５℃／ｍｉｎより遅く昇温させて進行する場合と、１，２００℃を超過する高い温度で進行する場合には、反応時間が長くなると共に、エネルギー消耗が多くなる短所がある。昇温速度を１０℃／ｍｉｎより速くする場合には、揮発がたくさん起こる問題点があるので、ナノ繊維の歩留まりが低くなる。また、８００℃未満の温度で炭化させる場合には、炭化が完全になされない可能性があるので好ましくない。炭化させる時間が０．５時間未満の場合には炭化が十分になされないようになり、炭化させる時間が５時間を超過する場合には５時間の場合と異なる点がないし、不要な反応が発生するようになって好ましくない。

上記第６ステップの活性化させる過程は、水酸化カリウム溶液を加えてなされて、上記水酸化カリウム溶液の濃度は５乃至１０Ｍ範囲であることが好ましい。水酸化カリウム溶液の濃度が５Ｍ未満の場合には活性化が十分になされず、１０Ｍを超過する場合には１０Ｍの場合と大差がないので実益がない。

上記第７ステップのガスセンサーを製造するステップは、分散溶液に上記第６ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を分散させ、これをシリコンウエーハ電極の間に積層させてなされる。上記分散溶液には多様な溶液が選択されることができ、例えば、エタノール、メタノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、及びこれらの混合物からなる群から選択できる。上記分散溶液に分散されるナノ繊維の割合は、分散溶液１００重量部を基準として０．１乃至３重量部であることが好ましい。ナノ繊維の割合が０．１重量部未満の場合にはシリコンウエーハ電極の間にナノ繊維が均一に分布しない虞があり、３重量部を超過する場合には分散が困難であることがあるので好ましくない。ガスセンサーを製造する本ステップの一例をさらに説明すれば、下記の通りである。上記第６ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を細かくグラインディングして意図する割合の分散溶液に均等に分散させる。次に、ナノ繊維が分散された溶液をワイヤ連結部分にパラフィルムなどが付着されたシリコンウエーハの上に積層させるようになる。積層は、スピンコーティング法、スプレー噴射法等、多様な方法によりなされることができる。

また、本発明は上記第７ステップの以後に、上記第７ステップの過程を通じて得られたガスセンサーを熱処理するステップをさらに含むことができる。上記熱処理は３０乃至８０℃の温度範囲で０．１乃至１時間の間なされることが好ましい。上記熱処理温度が３０℃未満の場合には分散溶液が容易に蒸発されない虞があり、８０℃を超過する場合にはワイヤ連結部分などを保護するために使われたパラフィルムなどが溶ける等の問題が発生することがあるので好ましくない。また、熱処理時間が０．１時間未満の場合には分散溶液が容易に蒸発されない虞があり、１時間を超過する場合には１時間の場合と大差がない。

また、本発明は上記方法により製造されたガスセンサーを提供する。

以下、実施形態により本発明をより詳細に説明する。

実施形態１：金属酸化物（酸化亜鉛）を含有した多孔性ナノ繊維の製造
ポリアクリロニトリルをジメチルホルムアミドに溶解させて混合液を製造し、上記混合液に上記混合液１００重量部を基準として６．７重量部の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を分散させた。上記過程により製造された酸化亜鉛が分散された混合液の粘度は１６０ｃＰに合せた。

上記混合液をエレクトロスピニングしてナノ繊維を製造した。エレクトロスピニング条件は、電圧１７ｋＶ、集束器と走査器チップとの距離（ＴＣＤ）１２ｃｍ、ポンプ流速２．０ｍｌ／ｈ、集束器回転速度２００ｒｐｍであった。

上記のようにエレクトロスピニングを通じて製造されたナノ繊維を２℃／ｍｉｎの速度で昇温させて最終的に２５０℃で３時間の間酸化させた。

上記酸化過程を経たナノ繊維を７℃／ｍｉｎの速度で昇温させて最終的に１，０５０℃で１時間の間炭化した。炭化時に不活性気体として窒素ガスを２０ｃｃ／ｍｉｎの速度で注入した。

上記のように炭化過程を経たナノ繊維を８Ｍの水酸化カリウム溶液に浸して１時間の間シェーキングした後、活性化させた。活性化は７５０℃で３時間の間行われた。

比較例１：ナノ繊維の製造
ポリアクリロニトリルを粘度が１６０ｃＰになるまでジメチルホルムアミドに溶解して混合液を製造した。以下の過程は上記実施形態１と同様にしてナノ繊維を製造した。

比表面積特性分析
上記実施形態１及び比較例１に従うナノ繊維の比表面積特性を分析して、その結果を図３に表した。本実施形態１によるナノ繊維は、１，３０５ｍ^２／ｇの比表面積を有しており、その中で、微細気孔（micropore）による表面積は全体比表面積対比６２％であった。比較例１によるナノ繊維は、１，７４１ｍ^２／ｇの比表面積を有しており、その中で、微細気孔（micropore）による表面積は全体比表面積対比各々６４％であった。即ち、本実施形態によるナノ繊維は比較例と比較した時、全体比表面積は約２５％、微細気孔による表面積は３％が減少したことが分かった。

実施形態２：金属酸化物（酸化亜鉛）含有多孔性ナノ繊維を用いたガスセンサーの製造
上記実施形態１により製造されたナノ繊維を乳鉢に細かく粉砕してジメチルホルムアミドに分散させた。分散は、ジメチルホルムアミド１００重量部を基準としてナノ繊維２重量部の割合で行った。

上記過程を経て形成された混合液をシリコンウエーハの上に落として、９００ｒｐｍの回転速度で４分間スピンコーティングしてガスセンサーを製造した。

最終的に、上記過程を経て製造されたナノ繊維が積層されたガスセンサーをホットプレートの上に載置し、４０℃で０．５時間の間熱処理した。

比較例２：ナノ繊維を用いたガスセンサーの製造
上記比較例１により製造されたナノ繊維を乳鉢に細かく粉砕してジメチルホルムアミドに分散させた。分散は、ジメチルホルムアミド１００重量部を基準としてナノ繊維２重量部の割合で行ったし、以下の過程は上記実施形態２と同様にしてガスセンサーを製造した。

表面特性
上記実施形態２により製造されたガスセンサーの表面特性を調べるために走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）イメージを撮影して図４に示した。図面に示すように、酸化亜鉛を含有した多孔性ナノ繊維がシリコンウエーハの上に均等に積層されたことを確認することができた。

ガス感応特性
次に、上記実施形態２及び比較例２により製造されたガスセンサーのガス感応特性を測定し、これを評価した。ガス感応特性を評価するための装置の模式図を図５に示した。ガス感応特性を評価する前に、各々８０℃で０．５時間の間水分を蒸発させるための前処理を行った。ガス感応特性は、図５に図示した装置を用いて２５℃の温度（常温）でＮＯガスを５０ｐｐｍの濃度で注入して測定したし、測定された結果値を図６に表した。図示したように、実施形態２によるＮＯガスの感応特性に従うガスセンサーの敏感度を表す抵抗変化率は約−１３．５％で、比較例２によるＮＯガスの感応特性に従うガスセンサーの敏感度を表す抵抗変化率は約−９％であった。

図６に図示されたグラフのＸ軸は測定時間を表し、Ｙ軸は抵抗変化率を表すが、図示したように、実施形態２によるガスセンサーはＮ_２ガス雰囲気で抵抗が安定化するには約４．５乃至５分がかかり、５０ｐｐｍのＮＯガスに対して抵抗変化率が限界値に到達するには約４．５乃至５分がかかる。一方、比較例２によるガスセンサーはＮ_２ガス雰囲気で抵抗が安定化するには約５乃至６分がかかり、５０ｐｐｍのＮＯガスに対して抵抗変化率が限界値に到達するには約６乃至７分がかかることが分かる。

本発明の実施形態によるガスセンサーは、比較例によるガスセンサーに比べて比表面積が小さくにもかかわらず、常温でより高い抵抗変化率とより短い応答時間を表すことが分かる。これは、本発明の実施形態により製造されたガスセンサーに含まれた金属酸化物が一種の触媒役割をしてナノ繊維の活性を増加させることによることと判断される。

これから本発明によるガスセンサーは常温で応答時間が短く、かつ高い抵抗変化率を見せることを確認することができた。即ち、本発明によるガスセンサーは常温で高い感度を有することを確認することができた。

本発明は、前述した実施形態と添付の図面を参照して説明されたが、本発明の概念及び範囲内で相異する実施形態を構成することもできる。したがって、本発明の範囲は添付の請求範囲及びこれの均等物により定まり、本明細書に記載された特定の実施形態により限定されるのではない。

Claims (12)

1. （１）ポリマー前駆体と溶媒とを混合するステップと、
   （２）前記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散させるステップと、
   （３）前記第２ステップの過程を通じて得られた混合物をエレクトロスピニングしてナノ繊維を製造するステップと、
   （４）前記第３ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を酸化させるステップと、
   （５）前記第４ステップの過程を通じて酸化されたナノ繊維を炭化させるステップと、
   （６）前記第５ステップの過程を通じて炭化されたナノ繊維を活性化させるステップと、
   （７）前記第６ステップの過程を通じて活性化されたナノ繊維をシリコンウエーハ電極の間に積層させてガスセンサーを製造するステップと、
   を含んでなり、
   前記第６ステップの活性化させる過程は、水酸化カリウム溶液を加えてなされ
   ることを特徴とする、ナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
2. 前記第７ステップの以後に前記第７ステップの過程を通じて得られたガスセンサーを熱処理するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
3. 前記第２ステップの過程を通じて得られる混合物の粘度は、１００乃至５００ｃＰ範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
4. 前記第２ステップの前記第１ステップの過程を通じて得られた混合物に金属酸化物を分散させるステップで、前記混合物と金属酸化物との混合比は、前記混合物１００重量部を基準として金属酸化物２乃至１０重量部であることを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
5. 前記第４ステップの酸化させる過程は、１乃至５℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、最終的に２００乃至３００℃の温度範囲で２乃至５時間の間なされることを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
6. 前記第５ステップの炭化させる過程は、５乃至１０℃／ｍｉｎの速度で昇温させ、最終的に８００乃至１，２００℃の温度範囲で、０．５乃至２時間の間なされることを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
7. 前記水酸化カリウム溶液の濃度は、５乃至１０Ｍ範囲であることを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
8. 前記第７ステップのガスセンサーを製造するステップは、分散溶液に前記第６ステップの過程を通じて得られたナノ繊維を分散させ、これをシリコンウエーハ電極の間に積層させてなされることを特徴とする、請求項１に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
9. 前記分散溶液は、エタノール、メタノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項８に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
10. 前記分散溶液に分散されるナノ繊維の割合は、分散溶液１００重量部を基準として０．１乃至３重量部であることを特徴とする、請求項８に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
11. 前記熱処理は、３０乃至８０℃の温度範囲で０．１乃至１時間の間なされることを特徴とする、請求項２に記載のナノ繊維を用いたガスセンサーの製造方法。
12. 請求項１乃至１１のうち、いずれか１つの方法により製造されたことを特徴とする、ガスセンサー。