KR100778555B1 - 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 기판상에 산화아연(ZnO) 나노막대(nanorod) 어레이(array)를 합성하는 단계 및 상기 산화아연 나노막대 어레이 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 수직 및 수평정렬이 우수한 산화아연 나노막대 어레이를 이용하여 센서를 제조함으로써, 매우 간단한 포토공정으로 센서를 제조할 수 있는 이점을 제공한다. 또한, 많은 개수의 나노막대가 포함된 산화아연 나노막대 어레이를 사용하기 때문에 측정값들의 재현성이 우수하여 센서의 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다. 또한, 저항이 킬로 오옴(㏀) 단위로서 매우 큰 저항값을 나타내기 때문에 저가의 간단한 측정장비로도 전류 기타 물리량을 측정할 수 있는 이점을 제공한다.
산화아연 나노막대 어레이, 센서, 유기금속 화학기상증착(MOCVD)
Description
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법을 설명하는 공정순서도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 합성된 산화아연 나노막대(nanorod) 어레이(arrays)의 FESEM 사진,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 합성된 산화아연 나노막대 어레이의 평면 FESEM 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 제조된 센서의 UV 조사 여부에 의한 시간에 따른 저항을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 제조된 센서의 진공변화에 의한 시간에 따른 저항을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직정렬(vertical alignment) 및 수평정렬(lateral alignment)이 우수 한 산화아연(ZnO) 나노로드(nanorod) 어레이(arrays)를 이용하여 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
1차원적 나노사이즈의 재료들은 최근 그들의 고유한 광학적, 전기적인 특성과 함께 전자공학, 광전자공학에서의 잠재적인 사용으로 인하여 많은 연구가 되어지고 있다. 최근에는 산화아연(ZnO) 나노막대(nanorod) 또는 나노선(nanowires)이 큰 주목을 받고 있다. 이는, 상기 산화아연 나노구조가 3.37eV 정도의 밴드갭 에너지와 60meV의 큰 엑시톤(exciton) 바인딩 에너지를 가지고 있을 뿐만 아니라, 청색광 발광장치 등 다양한 장치에 응용될 수 있기 때문이다. 또한, 상기 산화아연 나노구조는 높은 압전특성과 화학적 감지특성(sensing properties)을 가지고 있기 때문에 나노스케일의 기계적 장치나 센서에도 사용될 수 있다. 이에 따라, 산화아연 나노막대 또는 나노선을 합성하는 방법에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다.
상기 산화아연 나노막대가 응용되는 부분 중의 하나인 화학 센서(chemical sensor)는 환경 및 바이오 산업에 있어서 상업적으로 큰 관심을 받고 있으며, 최근에는 이러한 산화아연 나노막대의 전기적 및 화학적 감지특성이 조사되고 있다.
종래에는 상기 화학 센서를 단일의 산화아연 나노막대를 사용하여 전계효과 트랜지스터(FET) 구조로 형성하여 사용하였다. 그러나, 상기 전계효과 트랜지스터 구조에 기초한 화학 센서의 제조에는 많은 단점들을 안고 있다.
첫째, 전계효과 트랜지스터(FET) 구조를 형성하는데 매우 어렵고 복잡한 리소그래피(lithography) 공정이 요구된다. 둘째, 측정된 전류값이 나노 암페어 수준으로 매우 작을 뿐만 아니라 측정된 다른 물리량이 매우 작아서 고가의 정밀한 측 정장비가 요구된다. 셋째, 동일한 조건에서 성장한 나노막대를 사용하더라도 사용된 각각의 나노막대의 미세한 크기변화 또는 전극 형성시 발생할 수 있는 오차가 많기 때문에 재현성 있는 결과를 기대하기 힘들다는 단점들이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 포토공정이 매우 간단하며, 재현성이 우수하여 신뢰성이 좋은 산화아연 나노막대 어레이 센서를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 간단한 측정장치를 이용하여 물리량의 측정이 가능한 산화아연 나노막대 어레이 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여 본 발명은 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 기판상에 산화아연(ZnO) 나노막대(nanorod) 어레이(array)를 합성하는 단계 및 상기 산화아연 나노막대 어레이 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 기판은 실리콘(Si)으로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판상에는 백금(Pt)층이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 장치 내에 백금층이 코팅되어 있는 기판을 제공 하는 단계 및 상기 백금층이 코팅되어 있는 기판상의 소정 부분에 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법은 또한 상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계와 상기 전극을 형성하는 단계 사이에, 합성된 상기 산화아연 나노막대 어레이를 포함한 상기 백금층이 코팅된 기판 전체에 걸쳐 포토레지스트(PR)를 형성하는 단계, 상기 산화아연 나노막대 어레이가 소정 높이로 노출되도록 상기 포토레지스트를 에칭하는 단계 및 상기 백금층의 소정 부분이 노출되도록 상기 포토레지스트를 에칭하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 이때, 상기 전극은 니켈(Li)층과 상기 니켈층상에 형성된 금(Au)층으로 이루어진 이중충의 전극을 사용할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 산소(O2)와 DEZn(diethylzinc)를 전구체로 하고, 아르곤(Ar)가스를 캐리어(carrier) 가스로 하여 합성할 수 있다. 이때, 상기 산소전구체(O)와 아연전구체(Zn)의 몰(mol)비(ratio)는 60 내지 70인 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 500 내지 600℃의 온도에서 이루어진 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 25 내지 35분 동안 이루어진 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계 는 3 내지 7torr의 압력에서 이루어진 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여 본 발명은 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 제조된 산화아연 나노막대 어레이 센서를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법을 설명하는 공정순서도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 합성된 산화아연 나노막대(nanorod) 어레이(arrays)의 FESEM 사진 및 평면 FESEM 사진이다.
도 1a를 참조하면, 기판(110)상에 산화아연 나노막대 어레이(140)를 합성한다. 본 발명에서는 센서를 제조함에 있어서 산화아연 나노막대 어레이를 이용하여 제조한다. 따라서, 기판(110)상에 수직정렬 및 수평정렬이 우수한 산화아연 나노막대 어레이(140)를 합성하는 것이 중요하다.
합성과정에 대해 상세히 설명하면, 기판(110)상에 백금층(Pt, 130)을 코팅한다. 이때, 상기 기판(110)은 실리콘(Si) 기판을 사용할 수 있으며, 상기 기판(110)상에 실리콘 산화막(SiO2)와 같은 절연층(120)을 형성하여 사용할 수도 있다.
코팅된 상기 백금층(130)은 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)의 성장이 잘 이루어지도록 도와준다. 즉, 상기 실리콘 기판(110)의 (001)면과 상기 백금층(130)의 (111)면은 서로 매칭이 잘되기 때문에 산화아연 나노막대 어레이가 기판상에서 수직정렬 및 수평정렬을 잘 이루면서 성장할 수 있도록 도와준다.
이어서, 상기 백금층(130)이 코팅된 상기 실리콘 기판(110)상에 산화아연 나노막대 어레이(140)를 합성한다.
구체적으로 살펴보면, 먼저 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 장치 내에 상기 백금층(130)이 코팅된 상기 실리콘 기판(110)을 제공한다. 상기 유기금속 화학기상증착 장치로서 수평타입의 시스템을 사용할 수 있으며, 어떠한 금속 촉매도 사용하지 않는다.
계속하여, 상기 기판(110)상에 산화아연 나노로드 어레이(140)를 합성한다. 전구체로서 산소(O2)와 DEZn(diethylzinc)를 사용하고, 상기 DEZn를 운반하는 캐리어(carrier) 가스로 아르곤(Ar)가스를 사용한다. 이때, 상기 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 장치 내의 온도는 550℃의 온도를 유지하고, 압력은 5torr로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 합성과정은 30분 동안 수행하여 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)를 성장시킨다. 또한, 분당 제공되는 상기 산소전구체(O)와 아연전구체(Zn)의 몰(mol)비를 68로 조절하여 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)를 성장시킨다.
상술한 조건에서 합성된 산화아연 나노막대 어레이는 수직정렬(vertical alignment)뿐만 아니라 수평정렬(lateral alignment)도 우수하게 성장한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 기판상에 형성된 산화아연 나노막대 어레이가 기판 전체에 걸쳐 균일하게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이때. 상기 산화아연의 나노막대 어레이는 수직적으로 우수하게 정렬되어 있을 뿐만 아니라, 나노막대 각각의 직경과 길이에 있어서도 균일하게 성장되어 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 각각의 나노막대는 완전하게 정렬된 격자(lattice) 어레이를 하고 있으며, 전위나 적층결함이 거의 관찰되지 않는 무결함의 단결정임을 이루고 있다.
도 1b를 참조하면, 합성된 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)를 포함한 상기 백금층(130)이 코팅된 기판(110) 전체에 걸쳐 포토레지스트(PR, 150)를 형성한다. 이때, 상기 기판(110)은 상기 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 장치에서 언로딩되어 별도의 포토레지스트(PR) 형성장치로 이동된다.
상기 포토테지스트(150)는 후술할 전극을 형성함에 있어서, 상기 전극을 이루는 금속 물질들이 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)를 구성하는 각각의 나노막대들 사이로 침투하는 것을 방지하기 위해 형성된다. 따라서, 전극을 이루는 금속 물질의 침투로 인하여 발생할 수 있는 쇼트(short)현상을 방지할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)가 소정 높이로 노출되도록 상기 포토레지스트(150)를 에칭한다.
상기 포토레시스트(150)의 에칭은 유도결합플라즈마(ICP)를 이용하여 에칭할 수 있으며, 이때 산소플라즈마를 사용할 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 백금층(130)의 소정 부분이 노출되도록 상기 포토레 지스트(150)를 에칭한다.
상기 백금층(130)은 전극으로서 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 백금층(130)상에 별도의 전극을 형성하지 않고 상기 백금층(130)을 전극으로 그대로 사용할 수 있다. 특히, 상기 백금층(130)은 음의 전극으로 이용될 수 있다. 이때, 상기 포토레시스트(150)의 에칭은 산소플라즈마를 이용한 유도결합플라즈마(ICP)를 사용하여 수행할 수 있다.
이어서, 노출된 상기 산화아연 나노막대 어레이(140) 상에 전극(160)을 형성한다. 상기 전극(160)은 양의 전극으로 이용된다.
이때, 상기 전극(160)은 이중층으로 형성할 수 있다. 먼저, 상기 산화아연 나노막대 어레이(140)상에 니켈(Li)층을 형성하고, 형성된 상기 니켈층상에 금(Au)층을 형성한다. 상기 전극(160)을 니켈층 및 금층으로 이루어진 이중층으로 형성함으로써, 상기 산화아연 나노로드 어레이(140)와의 컨택을 향상시킬 수 있으며, 전기적인 특성도 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 산화아연 나노로드 어레이(140)에는 상기 포토레지스트(150)가 코팅되어 있어 나노막대들 사이로 금속과 같은 전극 형성물질들이 침투하는 것이 방지된다.
도 1e를 참조하면, 상기 산화아연 나노로드 어레이(140)에 코팅되어 있는 나머지 상기 포토레지스트(150)를 제거한다. 이때, 상기 포토레지스트(150)는 아세톤으로 녹여 제거할 수 있다.
이어서, 상기 백금층(130)을 음의 전극으로 하고, 상기 니켈/금 이중층 전 극(160)을 양의 전극으로 하여 전원 및 저항을 연결함으로써 센서를 완성한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 센서의 제조방법은 매우 단순한 포토공정으로 센서제작이 가능하고, 단일의 나노막대가 아닌 나노막대 어레이를 사용하기 때문에 재현성있는 측정값을 얻을 수 있어 센서의 신뢰성을 향상시킨다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제조된 산화아연 나노막대 어레이 센서의 저항특성에 대해 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법에 의해 제조된 센서의 UV 조사 여부에 의한 시간에 따른 저항을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, a)그래프는 센싱용 가스로서 산소를 사용하고, b)그래프는 센싱용 가스로서 공기를 사용하며, c)그래프는 센싱용 가스를 넣지 않은 고진공상태에서 시간에 따른 센서의 저항을 측정한 것이다.
a), b), c)그래프에서 공통으로 알 수 있는 바와 같이, 측정된 저항값이 2 내지 5 ㏀·㎝ 정도로 매우 큰 저항값을 나타내고 있다. 따라서, 측정하고자 하는 전류 기타 물리량을 수 키로 오염 영역의 간단한 측정장치를 이용하여 측정할 수 있음을 알 수 있다.
a), b), c)그래프 모두 UV를 조사한 경우에는 시간에 따라 저항이 급격히 작아지고, UV를 조사하지 않은 경우에는 시간에 따라 저항이 커짐을 알 수 있다. 이는 조사된 UV는 센서에 흡착된 가스를 탈착시켜 저항을 떨어뜨리고, UV가 조사되지 않은 경우에는 다시 흡착이 일어나 저항이 커짐을 의미한다.
도 5를 참조하면, a)그래프는 산소 분위기에서, b)그래프는 공기 분위기에서 센서의 저항을 측정한 것이다.
a), b)그래프에서 공통으로 알 수 있는 바와 같이, 측정된 저항값이 1 내지 7 ㏀·㎝ 정도로 매우 큰 저항값을 나타내고 있다. 따라서, 측정하고자 하는 전류 기타 물리량을 수 키로 오염 영역의 간단한 측정장치를 이용하여 측정할 수 있음을 알 수 있다.
a), b)그래프 모두 고진공에서는 시간에 따라 저항이 급격히 작아지고, 저진공에서는 저항이 커짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 수직 및 수평정렬이 우수한 산화아연 나노막대 어레이를 이용하여 센서를 제조함으로써, 매우 간단한 포토공정으로 센서를 제조할 수 있는 이점을 제공한다. 또한, 많은 개수의 나노막대가 포함된 산화아연 나노막대 어레이를 사용하기 때문에 측정값들의 재현성이 우수하여 센서의 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다. 또한, 저항이 킬로 오옴(㏀) 단위로서 매우 큰 저항값을 나타내기 때문에 저가의 간단한 측정장비로도 전류 기타 물리량을 측정할 수 있는 이점을 제공한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.
Claims (12)
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- 유기금속 화학기상증착(MOCVD) 장치 내에 백금층이 코팅되어 있는 기판을 제공하고, 상기 백금층이 코팅되어 있는 기판상의 소정 부분에 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계;합성된 상기 산화아연 나노막대 어레이를 포함한 상기 백금층이 코팅된 기판 전체에 걸쳐 포토레지스트(PR)를 형성하는 단계;상기 산화아연 나노막대 어레이가 소정 높이로 노출되도록 상기 포토레지스트를 에칭하는 단계;상기 백금층의 소정 부분이 노출되도록 상기 포토레지스트를 에칭하는 단계; 및상기 산화아연 나노막대 어레이 상에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 전극은 니켈(Li)층과 상기 니켈층상에 형성된 금(Au)층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 기판은 실리콘(Si)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 산화아연 나노막대(nanorod) 어레이를 합성하는 단계는 산소(O2)와 DEZn(diethylzinc)를 전구체로 하고, 아르곤(Ar)가스를 캐리어(carrier) 가스로 하여 합성하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 산소전구체(O)와 아연전구체(Zn)의 몰(mol)비(ratio)는 60 내지 70인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 500 내지 600℃의 온도에서 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 25 내지 35분 동안 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 산화아연 나노막대 어레이를 합성하는 단계는 3 내지 7torr의 압력에서 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법.
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