Development of Flexible Gas Sensors: Mechanical Analyses and Oxide Materials Integration

Abstract

이 논문은 유연하고 신축성이 있는 가스 센서의 개발과 그 특성화와 함께 새로운 금속 산화물 융합을 제시합니다. 웨어러블 센서와 전자 장치의 발전으로 특히 의료 목적을 위한 다양한 생체 인식 기술의 개발이 가능해졌습니다. 또한 산업현장에서는 산업 안전이 강조되면서 유해가스 배출을 감지할 수 있는 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 결과적으로, 현대 연구의 방향은 고정된 위치에서 유해 물질을 감지하는 것에서 개인 작업자에게 부착되는 착용 가능한 화학 및 환경 센서로 전환되었습니다. 그러나 현재의 웨어러블 가스 센서 기술은 기존의 가스 센서 소재, 기계적 분석의 부족, 균열 및 응력집중현상과 관련된 문제, 가스 센서 성능의 습도 의존성, 선택적 가스 감지 등 여러 측면에서 개선이 필요합니다. 개발된 가스 센서는 유연하고 신축성이 있는 가스 감지 플랫폼에 대한 뛰어난 감지 성능과 안정성을 보여줍니다. 첫번째 연구에서는 구겨진 탄소나노튜브 (CNT) 박막 히터의 설계, 제조 및 특성화와 수소 가스 감지에의 응용을 제시합니다. 열 수축 방식을 활용하여 제작된 가스 센서를 촘촘하게 패킹하여 가열 효율을 높였습니다. 또한 히터의 정확한 온도 제어 및 측정을 위해 전열 특성을 분석합니다. 구겨진 탄소나노튜브 히터는 수소 가스를 감지하는 동시에 더 높은 측정 감도와 더 낮은 드리프트를 보여줍니다. 우리의 연구 결과는 CNT 표면 형태가 가열 온도가 모두 수소 감지 성능에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 압축 응력과 달리 두 번째 연구에서는 CNT 감지 영역에 대한 변형 효과를 조사합니다. 전극 및 지지 구조 대신 CNT 감지 영역에 변형 효과를 국한시키기 위해 시편 모양의 PDMS(폴리디메틸실록산) 기판을 이용한 CNT 가스 센서를 개발했습니다. 또한, 변형 효과로 인한 NO2가스 센서 성능을 자세히 분석하였습니다. 셋째, 이 연구에서는 기계적 변형이 가능하고 이산화티타늄(TiO2) 기능성 물질을 이용한 키리가미 구조의 CNT 가스 센서를 제시합니다. 키리가미 모양의 기판은 신장 시 기계적 안정성을 보장하여 감지 재료의 균열 및 응력 집중을 완화하는 데 사용됩니다. 개발된 장치는 80%의 변형률에서 기본 저항의 변화가 1.3%에 불과합니다. CNT/TiO2 복합체는 p-n 이종접합을 유도하여 순수 CNT 센서에 비해 측정 감도를 약 250% 이상 향상시킵니다. 또한, 개발된 센서에 자외선 노출 시, TiO2의 향상된 광촉매 효과로 인해 10배 더 빠른 탈착 속도를 나타냅니다. 네 번째 연구에서는 란타넘산화물(La2O3)이 코팅 된 환원그래핀산화물(rGO)을 활용하여, 실온 작동 가능 가스 센서의 개발을 제시합니다. La2O3의 본질적인 소수성을 이용하여 La2O3/rGO로 만들어진 복합체는 물 분자를 밀어내는 능력을 보여줍니다. 이 속성은 특히 습한 환경에서 센서 반응을 향상시키는 데 중요합니다. 제안된 La2O3/rGO 복합 센서는 센서 표면의 수분 흡착 메커니즘의 2차 화학 반응으로 인해 자체 복구 기능과 향상된 감도를 나타냄을 확인하였습니다. 이는 습도와 무관한 가스 감지 응용 분야에 유망한 후보가 될 수 있습니다. 마지막으로, 고엔트로피 산화물은 재료 설계의 새로운 개념이며 가스 감지 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 5가지 다른 양이온(세륨(Ce), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf) 및 주석(Sn))을 통합함으로써 단일상으로 형성된 고엔트로피 산화물이 졸-겔 공정을 통해 합성됩니다. HEO 기반 가스 센서는 실온, 습도가 높은 환경에서만 효과적으로 작동합니다. 지르코늄 금속 원소의 특성으로 인해 SO2 가스를 선택적으로 감지합니다. 핵심어: 유연한 가스 센서, 첨단 소재, 기계적 분석, 화학적 합성, 금속산화물 융합 |This dissertation puts forward the development of flexible and stretchable gas sensors, and novel metal oxide integrations along with their characterization. Advances in wearable sensors and electronic devices have enabled the development of various biometric technologies, particularly for medical purposes. Additionally, due to the emphasis on occupational safety in industrial fields, there has been extensive research on sensors capable of detecting hazardous or harmful gas emissions. Consequently, the research focus has shifted from sensing hazardous substances in fixed locations to wearable chemical and environmental sensors attached to individual workers. However, current wearable gas sensing technology needs improvement in several aspects, including conventional gas sensing materials, lack of mechanical analysis, issues related to cracks and stress concentrations, humidity dependence of gas sensor performance, and selective gas detection. The developed gas sensors demonstrate outstanding sensing performance and stability for a flexible and stretchable gas sensing platform. Firstly, this work presents the design, fabrication, and characterization of the crumpled carbon nanotube (C-CNT) thin film heater and its application in hydrogen gas sensing. By utilizing the thermal shrinkage method, the fabricated gas sensors are closely packed, allowing for high heating efficiency. Additionally, the electro-thermal properties are analyzed for accurate temperature control and measurement of the heater. The C-CNT heaters are capable of hydrogen gas sensing while demonstrating higher measurement sensitivities and lower drift. Our findings reveal that both CNT morphologies and heating temperatures affect the hydrogen sensing performances. Firstly, this work presents the design, fabricate, and characterize the crumpled carbon nanotube (C-CNT) thin film heater and its application towards hydrogen gas sensing. Utilizing thermal shrinkage method, the fabricated gas sensors become closely packed, allowing high heating efficiency. In addition, electro-thermal property is analyzed for accurate temperature control and measurement of the heater. The C-CNT heaters are capable of hydrogen gas sensing while demonstrating higher measurement sensitivities along with lower drift. Our findings reveal that both CNT morphologies and heating temperatures affect the hydrogen sensing performances. In contrast to compressive stress, the second study investigates the strain effect on CNT sensing regions. To localize the strain effect on the CNT sensing region, instead of on electrodes and support structures, we develop a CNT gas sensor on a dog-bone-shaped polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. Furthermore, this strain effect on NO2 gas sensing performance is analyzed in detail. Thirdly, this study presents Kirigami-structured CNT gas sensors with titanium dioxide (TiO2) functionalization to enable mechanical deformability. The Kirigami-shaped substrate is utilized to ensure mechanical stability when stretched, thereby mitigating cracks and stress concentrations on the sensing materials. The developed device shows only a 1.3% change in base resistance under 80% strain. The CNT/TiO2 composite induces alterations in p-n heterojunctions, enhancing the measurement sensitivity by approximately 250% compared to a bare CNT sensor. Moreover, the sensors exhibit a 10-fold faster desorption rate due to the enhanced photocatalytic effect of TiO2 under UV exposure. The fourth study presents the development of room temperature operable gas sensors based on reduced graphene oxide (rGO) decorated with lanthanum oxide (La2O3). By harnessing the intrinsically hydrophobic property of La2O3, a composite made of La2O3/rGO demonstrates the ability to repel water molecules. This property is crucial for improving sensor responses, especially in humid environments. The proposed La2O3/rGO composite sensor exhibits self-recovery capabilities and enhanced sensitivity due to secondary chemical reactions of the water adsorption mechanism on the sensor surface, making them promising candidates for humidity-independent gas sensing applications. Finally, high entropy oxide is a new concept in material design and can be utilized in gas sensing applications. By incorporating five different cations (Ce, Zr, Ti, Hf, and Sn), a single-phase fluorite high entropy oxide is synthesized via the sol-gel process. HEO-based gas sensors operate effectively only in high humidity environments at room temperature. Selective detection of SO2 gas is achieved due to the properties of the zirconium metal element. Keywords: Flexible Gas Sensors, Advanced Materials, Mechanical Analyses, Chemical Synthesis, Metal Oxides Integrations