Electrical properties of n-type $WO_{3}$ based gas sensors

N-형 $WO_{3}$계 가스센서의 전기적 특성

The sensing and electrical characteristics of $WO_{3}$-based n-type semiconductor gas sensors are investigated. In normal air condition, $TiO_{2}$(4 wt. %)-doped $WO_{3}$-based sensor fabricated without any binder shows the grain boundary ( GB ) potential barrier height of 0.26 V. Sensors fabricated with alumina, PVA and silica sol binders show 0.17, 0.22 and 0.26 V of GB potential barrier height, respectively. In the ambience of 120 ppm $NO_{x}$ concentration, the GB potential barrier height of the sensor fablicated without binder is increased to 0.59 V. The sensors were fabricated with alumina, PVA, silica sol binders show 0.43, 0.66 and 0.52 V of potential barrier, respectively. Thus the variation of the potential barrier at GB is largest in the sensor fabricated with the PVA binder. This is found to be the main reason why the sensor fabricated with the PVA binder shows the best sensitivity. It is also found that the decrease of sensitivity at a temperature higher than the optimum operation temperature is due to the temperature dependence of the sensor resistance in normal air condition rather than the desorption of the adsorbed $NO_{x}$ gas particles. In the ambience of 250 ppm CO concentration, the GB potential barrier heights of the sensors fabricated without binder and with PVA binder are about 0.2 V showing negligible change compared to the case of normal air ambience. This fact indicates that these sensors are good candidates for the selective detection of $NO_{x}$ gas in the mixture of CO and $NO_{x}$ gases.

$WO_{3}$계 n-형 반도체 가스센서의 검지특성 및 전기적 특성을 조사하였다. 공기중에서 결합제가 첨가되지 않은 $WO_{3}:TiO_{2}$(4 wt. %) 센서의 낱알경계에서의 전위장벽의 크기는 0.26 V로 나타났으며, 결합제로서 $Al_{2}O_{3}$, PVA (polyvinyl alcohol ), silica sol이 첨가된 센서의 경우는 전위장벽이 각각 0.17, 0.22, 0.26 V로 관측되었다. 이들 시료를 $NO_{x}$가 120 ppm 첨가된 분위기에 노출시켰을 때, 결합제가 첨가되지 않은 센서의 경우는 낱알경계에서의 전위장벽이 0.59 V로 증가하였으며, 결합제로서 $Al_{2}O_{3}$, PVA, silica sol이 첨가된 경우는 전위장벽이 각각 0.43, 0.66, 0.52 V로 나타나, PVA가 첨가된 센서에서 전위장벽의 변화가 가장 높아 감도가 우수하게 되는 것을 알 수가 있었다. 한편 센서 최적 작동온도 이상의 온도에서 나타나는 감도의 감소는 흡착가스 입자의 탈착보다는 공기중에서 다결정이 보이는 저항의 온도 의존성에 따라 나타남이 판명되었다. 또한 결합제가 첨가되지 않은 센서와 결합제로서 Pt가 첨가된 센서의 경우, CO가 250 ppm 존재할 때까지도 전위장벽의 크기가 약 0.2 V로 공기중에서와 비슷한 크기를 나타내어, CO와 $NO_{x}$가 혼합된 분위기에서 $NO_{x}$만을 선택적으로 검지하는데 유리함이 밝혀졌다.