A Suspended MoTe2-based Thermal Conductivity Gas Sensor for VOC Simulant Detection

Abstract

금속 산화물 반도체 （MOS）형 센서와 MEMS 기반 센서를 포함하여 다양한 종류의 가스 센서가 개발되어 왔다. 열전도도 검출기 （TCD）형 가스 센서는 가스마다 서로 다른 열전도도를 이용하여 가스 를 식별할 수 있다. TCD는 감지 물질에 줄 가열을 인가하는 방식으로 동작한다. 주변 가스가 변화하면 가스의 열전도도에 따라 열 손실이 달라지며, 이에 따라 감지 물질 표면의 온도 변화가 발생한다. 본 연 구에서는 교류 （AC） 전류원을 이용한 3ω 측정법을 적용하였다. 3ω 측정법은 본래 재료의 열전도도를 측정하기 위해 개발된 방법으로, 기존의 직류 （DC） 가열 기반 방식 （〉100°C）보다 낮은 구동 온도를 구 현할 수 있으며, 주파수 조절을 통해 기판의 영향을 감소시킬 수 있다. 기판 영향이 감소하는 구동 주파 수를 선택하기 위해 온도 시뮬레이션을 수행했다. 본 연구는 열전도도 검출기 （TCD）형 센서를 이용한 휘발성 유기 화합물 （VOC）의 모사 가스 감지를 시연하였다. TCD 센서는 표면 화학 반응이 아닌 열전 달 차이에 기반하여 동작하므로, 넓은 가스 검출 범위와 낮은 소모 전력을 제공할 수 있다. 감지 물질로 는 얇은 두께에서 높은 저항 온도 계수 （TCR）를 갖는 전이금속 칼코겐 화합물 （TMD）을 사용하였다. MoS₂ 및 MoTe₂와 같은 TMD 물질의 높은 TCR에 의해 작은 온도 변화에 대해 높은 저항 변화를 보이게 된다. 감지층의 얇은 두께로 인해 열질량이 감소하여 빠른 응답 시간을 얻게 된다. 또한, 유연 소자 제 작 공정은 소프트 로봇과 같은 부드러운 표면 위에서의 적용 가능성을 확인하였다.|Various types of gas sensors have been developed, including metal oxide semiconductor （MOS） type sensors and MEMS-based sensors. A thermal conductivity detector （TCD） type gas sensors can identify gases by their distinct thermal conductivities. TCD operates by Joule-heating a sensing element. When the surrounding gas changes, the heat loss varies depending on thermal conductivity, resulting in temperature differences at the surface of the sensing material. In this study, the 3ω method with alternating current （AC） source was employed. Originally developed for measuring the thermal conductivity of materials, the 3ω method enables lower operating temperatures than conventional DC heating （〉100°C） and can reduce the influence of the substrate during gas sensing by controlling the operating frequency. To select operating frequency that reduces the substrate influence, temperature simulation was implemented. This work demonstrates sensing of volatile organic compound （VOC） simulant gas using a thermal conductivity detector （TCD） type sensor. Because TCD sensors rely on heat transfer differences rather than surface reactions, they offer wide detection range of gases and low power consumption. A transition-metal dichalcogenide （TMD） with a high temperature coefficient of resistance （TCR） at a thin thickness was employed as a sensing material. The high TCR of TMD materials （e.g. MoS2, MoTe2） enhance the resistive response to small temperature changes. The thin thickness of sensing layer reduces its thermal mass, enabling a fast response time. Flexible device fabrication demonstrates the feasibility of conformal integration on soft surfaces, such as soft robotic grippers.