물리화학적 착색 효과를 이용한 가스 센서 소재의 연구

Abstract

산업현장에서 위험 가스 사용의 증가는 인명 사고 등의 안전 사고를 야기시켰다. 따라서 안전을 대비하기 위한 가스 센서의 필요성도 증가하고 있다. 가스를 검지하는 방식 중 하나로 착색 효과를 보여주는 변색 방식의 센서가 있으며, 센서 물질의 가스와 화학 반응을 일으켜 색깔이 변하게 되는 방식이다. 육안으로 쉽게 가스의 누설 여부와 지점이 파악이 가능하여 안전 센서로 매우 적합하다. 그러나 국내보다는 국외에서의 개발이 더 활발하다. 본 연구에서는 착색 효과를 지닌 가스 센서 물질에 대해 연구하였으며, 이를 두가지 방식으로 접근하였다. 첫번째 방식은 가스 센서 물질과 가스와의 화학적 반응으로 인한 착색 반응이며, 두번째 방식은 가스가 나올 때 생기는 압력이 색변화를 유발하는 물리적인 힘에 의한 것이다. 먼저, 팔라듐(Pd)을 증착한 TiO2(Pd-TiO2)의 수소 열처리와, 불소 원소를 포함하고 있는 가스인 XeF2 가스를 반응시켜 색깔 변화를 확인하였다. 밝은 회색의 Pd-TiO2는 수소 열처리 후 어두운 회색이 되었고, XeF2 가스를 반응 후에 밝게 약간 회복되었다. 이는 TiO2 표면 위의 Pd 나노 입자가 수소 열처리 시 TiO2의 내부까지 균일하게 수소가 결합을 이루도록 한 결과이다. H에 의한 결함 준위의 위치와 XeF2 가스 반응 후에 바뀌게 되는 F의 결합에 의한 준위의 위치 차이가 전자구조를 변화시켜 색변화를 일으켰고, 이는 전류의 상승까지 이끌게 되었다. 이로서 수소 열처리한 Pd-TiO2는 착색과 전류 변화, 두가지의 방식으로 가스형태의 F을 검지할 수 있음을 보여주었다. 두번째로는 물리적인 힘이 금(Au) 나노 입자의 사이를 떨어뜨려 색변화를 일으켰다. 15nm 크기의 Au 나노 입자를 연결시켜 체인의 구조로 만들고 필름으로 제작한다. 압축하는 힘이 커짐에 따라 Au 필름의 흡수도가 650, 550nm에서의 두 픽(peak)이 단파장으로 이동하면서 하나의 픽으로 줄어든다. 또한 1cm인 필름을 각 1cm씩 7cm까지 늘려보면 늘리는 길이가 길어짐에 따라 Au 필름의 흡수도는 압축 결과와 같이 단파장으로 이동하며 육안으로는 어두운 파란색에서 보라색으로 변하게 된다. 이를 가스 압력에도 적용해본 결과, 필름에 공기나 N2를 가한 후에는 가스가 닿는 부분의 색깔이 어두운 파란색에서 보라색으로 변했다. 이로서 가스의 압력으로도 Au 나노 입자 사이의 거리를 조절할 수 있고 가스 누출의 유무를 파악할 수 있음을 보여주었다.