전기변색 기반 저전압 구동 NOx 가스 컬러 시각화 센싱 시스템
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정성적 목표:저온 구동 가능 가스 센서와 전기 변색 소자를 집적화한 NOx 가스의 저전압 구동 컬러 센싱 시스템-금속 산화물 기반 가스 센싱 물질(0D)과 2D 재료를 합성한 헤테로 접합 재료의 밴드갭 감소를 통한 저온 센싱 구현‐나노분말 프린팅 방식을 이용한 가스 센서 박막 제작‐저전압 구동을 위한 비올로젠 기반 내구성이 향상된 젤 전해질 개발‐개발한 가스 센서와 변색 소자 사이에 간단한 회로를 구성하여 시각적 정보를 직접 사용자에게 전달할 수 있는 NOx 가스의 컬러 시각화 센싱 시스템 구현‐세계 최초로 전기변색 기반의 NOx 센서 제안 정량적 목표:헤테로 접합 가스 센싱 재료의 밴드갭 감소 및 저전압 구동 센싱 시스템 개발,농도에 따른 다중 컬러 구현 ‐헤테로 재료 합성을 통한 가스 센싱 물질의 밴드갭 감소:3.3 eV(ZnO,TiO2)→ 2.1~2.5 eV(ZnO/gC3N4,TiO2/MoSe2)‐가스 센서 작동 온도 ≤ 50 ℃‐센싱 시스템 전압 구동 20CIE:International commission on illumination(색도계)
[1차년도]:NOx 검출을 위한 저온 가스 센싱 헤테로 접합 재료 설계 및 가스 센싱 박막 제작(헤테로 접합 재료의 밴드갭:<2.5 eV)비올로젠 기반 젤 전해질 개발을 통한 저전압 구동 전기 변색 소자 제작 1)센싱 물질(0D)로 주로 사용되는 금속산화물(ZnO,WO3,TiO2)과 계면 재료(2D)(g-C3N4,rGO,MoS2)를 설계하고,수열 합성법을 이용하여 저온 구동 및 반응 표면적이 향상된 헤테로 접합 재료를 개발2)흡광도 측정을 통한 각각의 헤테로 접합 재료의 에너지 밴드갭을 계산하고,미세구조 분석 및 BET 분석을 통한 헤테로 접합 재료의 합성 전후의 반응 표면적 향상 확인하는 과정을 통한 가스 센싱 메커니즘 규명3)개발한 헤테로 접합 재료를 나노입자 프린팅 방식을 이용하여 반응 표면적이 최대화된 4 cm x 4 cm 가스 센싱 박막 제작4)저전압 구동을 위한 비올로젠 기반 젤 전해질을 개발하고 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)분석을 통한 전해질의 전기화학적 특성 분석 최적 조건 수립5)'ITO glass ll 비올로젠 기반 젤 전해질 ll ITO glass'의 구조로 저전압 구동 전기 변색 소자를 제작하고,소자의 흡광도,CIE 색좌표 및 순환 전압 전류법(cyclic voltammetry,CV)기반의 광학적,전기화학적 특성 분석[2차년도]:1차년도에 개발한 헤테로 접합 재료를 이용하여 NOx 가스 센서의 성능 평가(NOx 가스 50,100,150,200 ppm 기준 50℃ 이하의 온도에서 감응성 측정),저전압 구동 전기 변색 소자의 내구성 확인(100회 연속 변/탈색 및 초기 투과도 변화 대비 80%성능 유지)및 제작한 가스 센서 및 전기 변색 소자를 연결한'유해 가스 컬러 센싱 시스템'제작 및 성능 평가 1)목표 가스인 NOx 가스에 대한 저온에서의 선택적 반응성(Sensor response,%)을 측정하여 최종 가스 센서 특성 평가(NOx 검출:NOx+O2-(ads)→ NOx(ads)+O2(gas))2)비올로젠 기반 저전압 전기 변색 소자의 100회 연속 변/탈색 투과도 측정을 통한 내구성 확인3)전기변색 소자와 가변 저항을 이용해 회로를 구성하고 저항 변화에 따른 CIE 색도 차이(ΔE)분석으로 가동 저항 범위 확인4)헤테로 접합-가스 센싱 박막과 저전압 구동 전기 변색 소자로 연결하는 회로 설계5)NOx 가스 농도에 따른 회로 내 저항·전류 측정 및 전기 변색 소자의 CIE 색도 차이(ΔE)분석을 통한 컬러 센싱 시스템의 성능 평가
학문발전 기여효과:1)가스 센서와 전기 변색 소자를 이용한 단일 회로 구성으로 가스 시각화 시스템을 개발하는 것은 세계 최초 연구 사례임.2)전기 변색 소자를 가스 센싱 분야에 접목함으로써 스마트 윈도우 이상으로 관련 학문 발전에 효과를 미칠 것이라 예상됨.3)밴드갭 디자인을 통한 헤테로 접합 물질에 대한 연구로 다양한 가스 센서 개발에 높은 수준의 정보를 제공할 수 있을 것으로 예상됨. 연구인력 양성효과:헤테로 접합 재료 개발,가스 센서,박막 제작,전해질 개발 및 전기 변색 소자 등 다양한 분야의 전문가 양성 가능 경제∙산업적 기대효과 1)저비용,저진공 공정인 나노입자 프린팅 방식을 통해 기존의 까다로운 박막 제작에서 벗어나 다양한 면적의 센서나 전기 변색 박막 제작이 가능할 것이라 예상됨.2)기판에 직접 분말을 분사해 박막을 제작함으로써 유해한 바인더나 유기 용매를 사용하지 않는 친환경 공정임.•사회적 기대효과 1)전기 변색 소자와 가스 센서를 세계 최초로 융합하여 편리하게 가정,산업 현장,자동차 내 공기질 확인 가능해질 것이라 예상됨.2)실내 공기질 뿐만 아니라 수질 오염과 같은 다양한 환경 오염 문제에 적용될 수 있음.