KR100846493B1 - 탄소나노튜브 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 가스 센서 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 절연층; 서로 이격되는 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조의 전극; 상기 전극 사이의 공간에 상기 전극보다 더 높게 돌출되어 가스의 감지 공간이 되는 탄소나노튜브 격벽; 을 포함한다. 그 제조 방법은, 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 전극 패턴을 형성하는 단계; 상기 전극보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트를 도포하는 단계; 상기 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전극 사이의 공간에 도포된 부분만을 포토리토그래피 방법에 의하여 소성화시키는 단계; 를 포함한다.

Description

탄소나노튜브 가스 센서 및 그 제조 방법{Carbon nano tubes gas sensor and fabrication processes of the same}
도 1은 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 주요부를 도시한 평면도.
도 2는 도 1의 A-A'단면에 대한 측단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 기판의 배면에서 광이 조사되는 실시예를 순차적으로 도시한 측단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 네거티브 감광제가 사용되고 기판의 상면에서 광이 조사되는 실시예를 순차적으로 도시한 측단면도.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 포지티브 감광제가 사용되고 기판의 상면에서 광이 조사되는 실시예를 순차적으로 도시한 측단면도.
도 6은 전극 사이에 패터닝된 탄소나노튜브 격벽의 일부를 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...탄소나노튜브 격벽 11...탄소나노튜브 페이스트(paste)
20a,20b...전극 21...오목부
22...볼록부 30...절연층
40...기판 51,52...마스크(mask)
80...감지 회로 90...히터층
본 발명은 탄소나노튜브 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 작동 온도 및 소비 전력이 저하되고 가스 검출 감도가 향상되는 탄소나노튜브 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정한다. 종래에는 금속산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 기타 유기 물질 등을 이용하여 가스 센서를 제작하였다. 그러나, 금속산화물 반도체나 고체 전해질을 사용하는 경우에는 200℃ 내지 600℃ 혹은 그 이상의 온도로 가열을 하여야 센서의 동작이 이루어지고, 유기 물질의 경우에는 전기 전도도가 매우 낮으며 특히 카본 블랙(carbon black)과 유기물의 복합체를 사용하는 경우 매우 낮은 민감도(sensitivity)를 보인다는 문제점이 있다.
이에 비하여 최근 신소재 소자로 각광받고 있는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)는 전자 방출 특성과 화학적 반응성 등이 매우 우수하기 때문에 다양한 산업분야에서 많이 활용될 수 있는데, 부피에 비하여 표면적이 매우 큰 물질이므로 높 은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분의 검출과 수소 저장과 같은 응용분야에서도 매우 유용하다. 이러한 장점은 탄소나노튜브가 갖는 물성에서 기인하는데, 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들로 이루어진 흑연 판상(SP2)을 둥글게 말아서 생긴 튜브 형태의 분자로 그 직경이 수 내지 수십 ㎚에 이른다. 탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 잘 휘고 계속적인 반복 사용에도 손상되거나 마모되지 않으며, 말린 형태와 구조 및 직경에 따라 전기적 특성이 달라진다.
탄소나노튜브를 가스 센서에 사용할 경우, 상온에서 동작이 가능하고, NH3 , NO2 등의 유해 가스와 반응시 전기 전도도의 변화가 커서 감도(sensitivity)가 매우 좋으며, 반응 및 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다.
종래의 가스 센서로서, FET(field effect transistor) 타입의 전극 사이에 화학기상증착법(CVD : chemical vapor deposition)을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시킨 것이 있다. 이때, 탄소나노튜브의 다발을 용매(예를 들면 dimethylformamide, chloroform, dichloroethane, methylpyrrolidinone)에 골고루 분산시킨 용액을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시키게 된다.
그러나, 탄소나노튜브를 분산시킬 수 있는 용매의 종류가 제한적이고, 미세 구조의 전극과 탄소나노튜브의 접착성이 낮아서 장시간 사용시 안정성이 떨어지며, 화학 기상 증착 방법의 특성상 탄소나노튜브 센서층을 재현성있게 형성하기가 어렵다. 특히 민감도가 뛰어난 몇 개의 탄소나노튜브 가닥으로 연결된 센서의 경우에는 제작의 재현성이 큰 문제가 될 수 있다. 또한, 탄소나노튜브가 박막화된 상태로 낮 은 높이로 적층되므로(특히 탄소나노튜브를 수평으로 성장시키는 경우) 가스 감지 공간이 협소하게 형성되고 센서로서의 감도가 낮아서 이산화탄소와 같은 안정된 가스의 감지가 곤란한 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 전극과 탄소나노튜브의 접착성을 개선하고, 탄소나노튜브의 적층 구조를 혁신하여 수율을 향상시키며, 가스 검출 감도가 좋아져 안정된 가스일지라도 빠른 응답 시간내에 검출할 수 있는 탄소나노튜브 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서는,
기판;
상기 기판 상에 형성되는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되는 전극;
상기 전극 사이의 공간에 상기 전극보다 더 높게 돌출되어 가스의 감지 공간이 되는 탄소나노튜브 격벽; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 탄소나노튜브 격벽은, 상기 절연층 및 전극 상에 도포된 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전극 사이의 공간에 도포된 부분만을 포토리토그래피(Photolithography) 방법에 의하여 패터닝 및 소성화시킨 것이다.
일 실시예로서, 상기 탄소나노튜브 페이스트는, 탄소나노튜브, 용매, 상기 탄소나노튜브 및 전극을 결합시키는 바인더, 및 감광제를 포함한다.
일 실시예로서, 상기 바인더는 유기 고분자를 포함한다.
일 실시예로서, 상기 바인더에 포함된 유기 고분자는 메타크릴레이트(methacrylate) 계열이다.
일 실시예로서, 상기 감광제는 노광시에 크로스 링킹되는 유기 고분자를 포함한다.
일 실시예로서, 상기 바인더 또는 상기 감광제에 유기 고분자가 포함되며, 상기 유기 고분자는 소성시에 디콤포지션된다.
일 실시예로서, 상기 탄소나노튜브 격벽은 소성화된 후에 100KΩ 이하의 저항값을 갖는다.
일 실시예로서, 가스 반응 전의 상기 전극 간 저항을 초기 저항, 가스 반응 후의 상기 전극 간 저항을 최종 저항, 그리고 (상기 최종 저항-상기 초기 저항)/상기 초기 저항을 민감도로 정의할 때, 상기 민감도는 100% 이상이다.
일 실시예로서, 상기 전극은 서로 이격되는 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조를 갖는다.
일 실시예로서, 상기 기판은 광 투과성 재질로 마련되고, 상기 전극은 광 차단성 재질로 마련되며, 상기 감광제를 감광시키기 위한 광은 상기 기판의 배면에서 조사된다.
일 실시예로서, 상기 가스 센서는 상기 탄소나노튜브 격벽을 가열하여 그 회복 시간을 줄이는 히터층; 을 더 포함한다.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브 가스 센 서의 제조 방법은,
기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 서로 이격되는 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조의 전극 패턴을 형성하는 단계;
상기 전극 및 절연층 상에 상기 전극보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트를 도포하는 단계;
상기 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전극 사이의 공간에 도포된 부분만을 포토리토그래피 방법에 의하여 패터닝 및 소성화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 첨부도면에 도시된 바에 국한되지 않고, 동일한 발명의 범주내에서 다양하게 변형될 수 있음을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 주요부를 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 A-A'단면에 대한 측단면도이다. 도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 기판(40), 절연층(30), 전극(20a,20b), 탄소나노튜브 격벽(10)이 도시된다.
절연층(30)은 기판(40) 상에 적층되며, Si, Si02 등의 다양한 재질로 마련될 수 있다. 전극(20a,20b)은 절연층(30) 상에 형성되며 다양한 형상을 가질 수 있다. 가스의 접촉면적을 증가시킬 수 있도록, 전극(20a,20b)은 깍지낀 손가락 형상을 닮은 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조를 갖고 서로 이격되는 것이 바람직하 다. 오목부(21)와 볼록부(22)가 일렬로 배열되어 각각의 전극(20a,20b)을 형성한다. 전극(20a,20b)은 Au, Ti 또는 이들의 합금 등 다양한 재질로 마련될 수 있다. 한 쌍의 전극(20a,20b)이 서로 이격되며 각각의 오목부(21)와 볼록부(22)가 교대로 대면된다. 따라서, 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성되는 위치로서 전극(20a,20b) 사이에 형성되는 빈 공간이 넓어지므로 가스의 접촉 면적을 늘릴 수 있다.
탄소나노튜브 격벽(10)은 전극(20a,20b) 사이의 빈 공간에 마련되며 전극(20a,20b)보다 더 높은 높이로 절연층(30) 상에 수직으로 돌출되어 가스의 감지 공간이 된다. 가스는 탄소나노튜브 격벽(10) 사이에서 도시된 바와 같이 유동된다.탄소나노튜브 격벽(10)의 높이가 증가됨으로써 가스 센서의 감도와 응답 시간을 개선할 수 있다.
탄소나노튜브 격벽(10)에 흡착되는 가스는 탄소나노튜브 격벽(10)의 전기 저항을 변화시키는데, 이러한 전기 저항 또는 전기 전도도의 변화를 이용하여 가스의 양을 검출한다. 한 쌍의 전극(20a,20b)에는 가스를 감지하는 감지 회로(80)가 연결되며, 감지 회로(80)로서 전압 분배 회로나 브릿지(bridge) 회로가 이용된다. 탄소나노튜브의 전압 변화를 측정하는 전압 분배 회로가 사용되는 경우 가스 흡착에 의한 탄소나노튜브의 미소한 저항 변화를 전압 형태의 출력으로 검출할 수 있다.
가스 센서의 정확한 동작을 위하여 전극(20a,20b) 사이에 일정 범위의 탄소나노튜브 개수를 갖도록 일정 두께 및 일정 높이로 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성되어야 하며, 전극(20a,20b)과 탄소나노튜브의 접착성이 향상되는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 탄소나노튜브 페이스트(paste)(11)를 절연층(30) 및 전극(20a,20b)의 전체 면에 걸쳐 도포한다. 그 중의 일부분으로서 전극(20a,20b) 사이의 공간에 도포된 탄소나노튜브 페이스트(11)만이 잔류되도록, 포토리토그래피(Photolithography) 방법에 의하여 탄소나노튜브 페이스트(11)를 패터닝(patterning) 및 소성화(firing)시킴으로써, 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성된다.
탄소나노튜브 페이스트(11)는, 탄소나노튜브, 용매(예를 들어 α-terpineol 등이 있다.), 탄소나노튜브 및 전극(20a,20b) 사이의 바인더(binder)가 되는 메타크릴레이트(methacrylate) 계열의 유기 고분자 및 감광제를 일정 비율로 혼합하여 소정의 점성을 갖는 페이스트 상태로 만든 것이다. 그 밖에 센시타이저(sensitizer)가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 페이스트(11)에 비하여, 단순히 용매와 탄소나노튜브를 혼합하여 기판에 분산시키는 경우, 탄소나노튜브를 혼합시킬 수 있는 용매의 선택이 매우 제한적이고, 탄소나노튜브의 분산이 잘못되면 센서의 민감도가 문제되며, 전극(20a,20b)과의 접촉성을 높여주는 바인더가 없으므로 장시간 사용시 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 비하여, 본 발명의 탄소나노튜브 페이스트(11)는 유기 고분자로 된 바인더 등이 포함되므로 전극(20a,20b)과의 접촉성이 개선된다. 유기 고분자로 이루어진 바인더가 후술될 열처리 공정에서 디콤포지션(decomposition)됨으로써 전극(20a,20b)과 탄소나노튜브의 접착성 및 접촉 저항이 개선된다. 여기서, 유기 고분자 소성시의 디콤포지션 효율을 증가시키는 것이 바람직하다.
소정의 점성을 갖는 페이스트 상태로 탄소나노튜브가 도포됨으로써 탄소나노튜브 격벽(10)을 더 큰 높이로 형성할 수 있고 한 쌍의 전극(20a,20b) 사이에 존재하는 탄소나노튜브의 개수를 일정 범위 내로 유지할 수 있다.
한편, 전극(20a,20b) 사이의 부분에만 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성되도록 패터닝 공정이 수행됨으로써 가스 반응 면적 및 다공성(Porosity)이 증가되고 민감도가 향상된다.
기존의 FET타입 가스 센서와 달리 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서는 상온에서 동작시킬 수 있다. 가스 흡착시 표면 전위의 변화를 이용하여 가스를 감지하는 기존 가스 센서에 비하여 별도의 가열 수단이 불필요하므로 소비 전력을 낮출 수 있다. 탄소나노튜브 가스센서는 탄소나노튜브에 가스가 흡착되면 전기 전도도 또는 전기 저항이 변하는 성질을 이용한 가스센서로서, 기존 가스 센서의 1000배 이상의 높은 감도를 갖지만 회복 시간이 길어질 수 있다. 회복 속도를 증가시키기 위하여 회복시에 제한적으로 동작됨으로써 탄소나노튜브 격벽(10)을 가열하는 히터층(90)이 더 구비되는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 기판(40)의 배면에서 광이 조사되는 실시예를 순차적으로 도시한 측단면도이다. 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법은, 기판(40) 상에 절연층(30)을 형성하는 단계와, 절연층(30) 상에 서로 이격되는 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조의 전극(20a,20b) 패턴을 형성하는 단계와, 전극(20a,20b) 및 절연층(30) 상에 전극(20a,20b)보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트(11)를 도포하는 단계와, 탄 소나노튜브 페이스트(11) 중 전극(20a,20b) 사이의 공간에 도포된 부분만을 포토리토그래피 방법에 의하여 소성화시키는 단계를 포함한다.
도 3a를 참조하면, 절연층(30) 및 전극(20a,20b) 패턴이 이미 형성된 상태가 도시된다. 도 3b 및 도 3c에는 포토리토그래피 방법에 의하여 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성되는 과정이 도시된다. 포토리토그래피 방법에 대한 일반적인 사항은 당업자에게 공지된 것이므로 그 설명은 생략한다.
도 3b를 참조하면, 전극(20a,20b) 및 절연층(30) 상에 전극(20a,20b)보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트(11)가 도포되고, 탄소나노튜브 페이스트(11)에 포함된 감광제를 감광시키는 광(예를 들어 자외선(UV))이 기판(40)의 배면에서 조사된다. 여기서, 기판(40)이 광 투과성 재질로 마련되고 전극(20a,20b)이 광 차단성 재질로 마련되며 감광제는 네거티브(negative) 감광된다.
도 3c를 참조하면, 탄소나노튜브 페이스트(11) 중 전극(20a,20b) 상에 도포된 부분은 감광되지 않으므로 현상액 등에 의하여 제거되고 전극(20a,20b) 사이의 공간에 도포된 부분은 감광되며 열처리 공정에 의하여 소성화됨으로써 탄소나노튜브 격벽(10)이 전극(20a,20b)보다 더 큰 높이로 형성된다. 열처리 공정은 N2 또는 O2 분위기에서 소성 온도로 가열하는 공정이며, 이때 탄소나노튜브 페이스트(11)에 바인더로서 포함된 유기 고분자가 디콤포지션(decomposition)됨으로써 탄소나노튜브 격벽(10)이 측정 가능한 수준의 전기 저항(수~수백 ㏀ 수준)을 갖게 되고 접착성이 향상된다. 일 실시예로서, 상기 광은 자외선(UV)이며 상기 감광제는 UV 감광 제이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 네거티브 감광제가 사용되고 기판(40)의 상면에서 광이 조사되는 실시예를 순차적으로 도시한 측단면도이다.
도 4a를 참조하면, 도 3a와 동일하게 절연층(30) 및 전극(20a,20b) 패턴이 이미 형성된 상태가 도시된다. 도 4b 및 도 4c에는 포토리토그래피 방법에 의하여 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성되는 과정이 도시된다.
도 4b를 참조하면, 전극(20a,20b) 및 절연층(30) 상에 전극(20a,20b)보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트(11)가 도포되고, 탄소나노튜브 페이스트(11)에 포함된 감광제를 감광시키는 광(예를 들어 자외선(UV))이 기판(40)의 상면에서 조사된다. 여기서, 기판(40) 및 전극(20a,20b)의 광 투과 여부는 영향이 없고, 감광제는 네거티브 감광되며 탄소나노튜브 페이스트(11) 중 전극(20a,20b) 상에 도포된 부분이 마스크(51)에 의하여 광 차단된다.
도 4c를 참조하면, 탄소나노튜브 페이스트(11) 중 전극(20a,20b) 상에 도포된 부분은 감광되지 않으므로 현상액 등에 의하여 제거되고 전극(20a,20b) 사이의 공간에 도포된 부분은 감광되며 열처리 공정에 의하여 소성화됨으로써 탄소나노튜브 격벽(10)이 전극(20a,20b)보다 더 큰 높이로 형성된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법에 있어서, 포지티브(positive) 감광제가 사용되고 기판(40)의 상면에서 광이 조사되는 실시예를 순차적으로 도시한 측단면도이다.
도 5a를 참조하면, 도 4a와 동일하게 절연층(30) 및 전극(20a,20b) 패턴이 이미 형성된 상태가 도시된다. 도 5b 및 도 5c에는 포토리토그래피 방법에 의하여 탄소나노튜브 격벽(10)이 형성되는 과정이 도시된다.
도 5b를 참조하면, 전극(20a,20b) 및 절연층(30) 상에 전극(20a,20b)보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트(11)가 도포되고, 탄소나노튜브 페이스트(11)에 포함된 감광제를 감광시키는 광(예를 들어 자외선(UV))이 기판(40)의 상면에서 조사된다. 여기서, 기판(40) 및 전극(20a,20b)의 광 투과 여부는 영향이 없고, 감광제는 포지티브 감광되며 탄소나노튜브 페이스트(11) 중 전극(20a,20b) 사이의 공간에 도포된 부분이 마스크(52)에 의하여 광 차단된다.
도 5c를 참조하면, 탄소나노튜브 페이스트(11) 중 전극(20a,20b) 상에 도포된 부분은 감광되므로 현상액 등에 의하여 제거되고 전극(20a,20b) 사이의 공간에 도포된 부분은 잔류되며 열처리 공정에 의하여 소성화됨으로써 탄소나노튜브 격벽(10)이 전극(20a,20b)보다 더 큰 높이로 형성된다.
도 6은 전극 사이에 패터닝된 탄소나노튜브 격벽의 일부를 전자현미경으로 촬영한 사진이다. 도 6을 참조하며 전극 사이에 탄소나노튜브 격벽을 패터닝하는 실험예를 소개한다. 전극 및 및 절연층 상에 전극보다 더 큰 두께로 탄소나노튜브 페이스트가 도포된다. 컨벡션 오븐(convection oven)에 탄소나노튜브 페이스트가 도포된 기판을 넣고 60℃ 온도로 30분간 가열함으로써 건조시킨다. 노광 단계로서, 5J/㎠의 강도와 405nm파장을 갖는 UV광을 조사한다. 현상 단계로서, 아세톤 등의 현상액을 이용하여 제거 대상 부위의 탄소나노튜브 페이스트를 제거한다. 이소프로 필알콜(IPA), 에탄올(EtOH) 등으로 불순물을 제거하고 초순수(deionized water)로 세정한 다음 건조시킨다. 5℃/min의 속도로 430℃까지 온도를 상승시킨 다음 질소 분위기에서 20분간 탄소나노튜브 격벽을 소성화시킨다.
예를 들어, 감광제가 포함되지 않은 경우에 탄소나노튜브 페이스트의 저항값은 소성전에 약 2.3Ω 이고 소성 후에 2.2Ω이다. 소성 전후에 저항값이 거의 변화되지 않음은 물론 저항값의 크기가 작은 것은 가스 센서로서 좋은 특성이 아니다.
반면, 감광제 또는 센시타이저가 포함된 탄소나노튜브 페이스트는, 소성 전에 수 MΩ 이상(거의 측정 불가능할 정도이다.)의 큰 저항값을 갖는다. 이는 감광 물질이 폴리머 재질로서 큰 저항값을 갖기 때문이다. 감광제 또는 센시타이저에 포함된 감광 물질은 노광으로 인하여 폴리머(polymer) 재질이 크로스 링킹(cross-linking)된다. 만약, 소성(firing) 후에도 상기 크로스 링킹 상태에 변화가 없다면, 탄소나노튜브 페이스트의 저항값이 너무 커서 가스 센서로 적합하지 않을 수 있다. 그러나, 실험 결과 감광제 또는 센시타이저가 포함된 탄소나노튜브 페이스트로 형성된 탄소나노튜브 격벽은, 소성 후에 감광 물질의 크로스 링킹 상태에 변화가 초래됨으로써 100KΩ 이하의 감소된 저항을 갖는 것이 확인되었다. 이 정도의 저항값은 금속 산화물로 된 후막형(MOS type) 가스 센서와 유사한 수준이다. 이는, 상술한 바인더, 감광제, 센시타이저 등에 포함된 유기 고분자가 열처리 공정에서 디콤포지션되기 때문이다.
여기서, 가스 센서의 전체 면적은 가로×세로가 5mm×5mm 이다. 도 6에서는 상기 가스 센서의 일부분이 촬영되었다. 1000 Å(옴스트롱) 정도의 두께와, 20㎛ 정도의 폭(W)과, 15㎛정도의 전극 간격(d)을 갖는 전극이 사용되었다. 실온 조건에서 가스 반응 전의 전극간 저항(이를 초기 저항이라 정의한다.)을 측정하고, 100ppm 농도의 암모니아 가스를 가스 센서와 반응시킨 다음 전극간 저항(이를 최종 저항이라 정의한다.)을 측정하였다. 여기서, 민감도(sensitivity) = (최종 저항-초기 저항)/초기 저항으로 정의한다.
예를 들어, 암모니아(NH3)가스의 경우 비공유 전자쌍(lone- paired electron)을 가지므로 전자의 공여체(donor)가 된다. 일반적인 탄소나노튜브는 전자가 제공되면 전기 전도도(conductance)가 감소하고 저항이 증가되는 P형 반도체 특성을 나타낸다. 따라서, 탄소나노튜브 격벽이 암모니아 가스와 반응하는 경우 최종 저항이 초기 저항에 비하여 증가될 것이다.
표 1은 상기 실험 조건에서 측정된 초기 저항, 최종 저항 및 민감도를 나타낸다. 여기서, 제1 시료는 감광제가 포함되지 않은 탄소나노튜브 페이스트를 기판에 도포한 가스 센서이다. 제2 시료는 감광제가 포함된 탄소나노튜브 페이스트를 기판의 전체 면에 도포한 다음 소성화만 시키고 패터닝을 하지 않은 경우의 가스 센서이다. 제3 시료는 감광제가 포함된 탄소나노튜브 페이스트를 기판에 도포하고 패터닝 및 소성화 공정을 모두 거친 경우의 가스 센서이다.
Figure 112006067456176-pat00001
제1 시료의 경우, 감광제 및 센시타이저가 포함되지 않아 초기 저항은 물론 최종 저항이 매우 작은 값을 갖고 도체에 가까운 성질을 보이며 가스 반응 전후에 저항값에 변화가 없고 민감도가 0 에 가까우므로, 가스 센서로 사용하기 곤란하다.
제2 시료의 경우, 노광 및 패터닝되지 않았으므로 감광 물질이 크로스 링킹되지 않았고 단순히 소성화 열처리만 되었다. 저항값은 측정 가능한 범위이지만 민감도가 37.56% 에 불과하다.
제3 시료의 경우, 전극 사이의 부분에만 탄소나노튜브 격벽을 형성하는 패터닝 공정에서 노광에 의하여 유기 고분자가 크로스 링킹되고, 소성화 공정을 거치면서 상기 유기 고분자가 디콤포지션되며, 초기 저항값이 제2 시료에 비하여 감소되었다. 뿐만 아니라 패터닝으로 인하여 가스 반응성이 개선되어 가스 반응 전후의 초기 저항과 최종 저항의 변화가 커지므로 민감도가 111.54% 로서 제2 시료에 비하여 3배 증가된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 전극 및 탄소나노튜브 격벽의 패터닝된 형상에 의하여 가스 흡착 면적 및 다공성이 증가되므로 가스 반응성, 가스 침투성, 및 센서 민감도가 향상되며 응답 시간과 회복 시간을 줄일 수 있다. 별도의 히터층이 마련되는 경우 회복 시간을 더욱 감소시킬 수 있다.
둘째, 탄소나노튜브를 페이스트 상태로 도포하므로 탄소나노튜브 격벽을 소정 높이로 수직 성장시키는 것이 용이하다.
세째, 바인더 또는 감광제에 포함된 유기 고분자가 노광 및 소성에 의하여 크로스 링킹 및 디콤포지션되므로 탄소나노튜브 격벽의 전기 저항을 측정 가능한 범위내에서 일정하게 유지할 수 있으며 민감도가 대폭 향상되고 장시간 사용해도 소정의 접착성 및 센서로서의 안정성이 유지된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되는 전극;
    상기 전극 사이의 공간에 상기 전극보다 더 높게 돌출되어 가스의 감지 공간이 되는 탄소나노튜브 격벽; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 격벽은,
    상기 절연층 및 전극 상에 도포된 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전극 사이의 공간에 도포된 부분만을 포토리토그래피(Photolithography) 방법에 의하여 패터닝 및 소성화시킨 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 페이스트는,
    탄소나노튜브, 용매, 상기 탄소나노튜브 및 전극을 결합시키는 바인더, 및 감광제를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 바인더는 유기 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 바인더에 포함된 유기 고분자는 메타크릴레이트(methacrylate) 계열인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 감광제는 노광시에 크로스 링킹되는 유기 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  7. 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더 또는 상기 감광제에 유기 고분자가 포함되며, 상기 유기 고분자는 소성시에 디콤포지션되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 격벽은 소성화된 후에 100KΩ 이하의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  9. 제 7항에 있어서,
    가스 반응 전의 상기 전극 간 저항을 초기 저항, 가스 반응 후의 상기 전극 간 저항을 최종 저항, 그리고 (상기 최종 저항-상기 초기 저항)/상기 초기 저항을 민감도로 정의할 때, 상기 민감도는 100% 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 서로 이격되는 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  11. 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 광 투과성 재질로 마련되고,
    상기 전극은 광 차단성 재질로 마련되며,
    상기 감광제를 감광시키기 위한 광은 상기 기판의 배면에서 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  12. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 격벽을 가열하여 그 회복 시간을 줄이는 히터층; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서.
  13. 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 전극 패턴을 형성하는 단계;
    감광제를 포함하는 탄소나노튜브 페이스트를 상기 전극보다 더 큰 두께로 상기 전극 및 절연층 상에 도포하는 단계;
    상기 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전극 사이의 공간에 도포된 부분만을 포토리토그래피 방법에 의하여 패터닝 및 소성화시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전극은 서로 이격되는 지상(指狀, inter-digitated shape) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 기판이 광 투과성 재질로 마련되고, 상기 전극이 광 차단성 재질로 마련되며, 상기 감광제가 네거티브 감광되고, 상기 감광제를 감광시키기 위한 광이 상기 기판의 배면에서 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 감광제가 네거티브 감광되고, 상기 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전 극 상에 도포된 부분이 마스킹되며, 상기 감광제를 감광시키기 위한 광이 상기 기판의 상면에서 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 감광제가 포지티브 감광되고, 상기 탄소나노튜브 페이스트 중 상기 전극 사이의 공간에 도포된 부분이 마스킹되며, 상기 감광제를 감광시키기 위한 광이 상기 기판의 상면에서 조사되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스 센서의 제조 방법.
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