KR100906496B1 - 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 센서에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 (a) 실리콘 기판의 상부면 및 하부면 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계와, (b) 상기 제 1 절연막 상에 사전 결정된 패턴을 갖는 제 1 금속막을 형성하는 단계와, (c) 상기 제 1 금속막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계와, (d) 상기 제 2 절연막 상에 사전 결정된 패턴을 갖는 제 2 금속막을 형성하는 단계와, (e) 상기 제 2 금속막 상에 탄소나노튜브(CNT), 전도성 폴리머 및 물을 포함하는 탄소나노튜브 혼합 용액을 도포하는 단계와, (f) 상기 탄소나노튜브 혼합 용액을 가열하여 탄소나노튜브 막을 형성하는 단계를 포함하는 가스 센서 제조 방법을 제공한다.
가스 센서, 탄소나노튜브

Description

가스 센서 및 그 제조 방법 {GAS SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스 센서는 특정 가스를 검출하기 위한 것으로, 가스 센서가 특정 가스에 노출될 때에 가스 센서의 감지 물질인 반도체의 전도도가 변화하거나 또는 기전력이 발생하는데, 이러한 반도체의 전도도 변화 또는 발생하는 기전력을 측정함으로써, 특정 가스를 검출할 수 있다.
도 1은 종래의 가스 센서를 도시한 도면이다.
종래의 가스 센서는 가열부(10), 전극부(20), 가스 감지부(30)로 이루어져 있다.
가열부(10)는 가스 감지부가 최적의 성능을 나타낼 수 있는 온도까지 승온시켜주는 역할을 하는 부분으로서, 주로 소정의 저항값을 가지는 금속 저항체로 이루어진다.
전극부(20)는 가스 감지부(30)가 가스를 흡착함에 따라 발생하는 저항값의 변화를 외부 회로로 연결시켜주기 위한 부분으로서, 일반적으로 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 물질이 사용될 수 있다. 특히, 가스 센서의 동작시 가스 감지부(30)가 통상 300℃ 이상의 고온으로 가열되므로, 고온 안정성이 뛰어난 백금(Pt)이 전극부(20)로서 주로 사용된다.
가스 감지부(30)는 검출하고자 하는 가스와 직접 접촉하여 가스를 흡착함에 따라 전기적인 저항의 변화를 나타내는 부분으로서, 반도체 성질을 갖는 금속 산화물로 이루어진다. 가스가 가스 감지부(30)와 접촉하여 화학적 반응을 일으키면 가스와 가스 감지부(30) 사이에 전자의 교환이 이루어지므로, 가스 감지부(30)의 저항값에 변화가 발생하게 된다. 따라서 가스 감지부(30)의 경우, 반도체의 성질을 가지는 것이 필수적으로 요구된다.
예컨대, 이산화주석(SnO2)과 같은 n형 반도체에 일산화탄소(CO) 가스와 같은 환원성 가스가 유입될 경우, 일산화탄소 가스는 반도체 표면에 있는 산소(O2)와 반응하여, 이산화탄소(CO2)로 된다. 이 과정에서 이산화주석과 일산화탄소 가스 사이에 전자의 교환이 이루어지므로, 가스 감지막의 전기 전도도에 변화를 일으키게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 이산화주석은 n형 반도체이며, 그 전기 전도도는 산소 공급, 산소 분압 및 격자내 과잉 주석(Sn)에 영향을 받게 된다. 이러한 이산화주석 결정이 대기 중에서 가열되면 공기 중에 있는 산소가 이산화주석 결정 으로부터 도너 전자를 받아서 이산화주석 결정 표면에 흡착되고, 흡착된 음전하에 의해 이산화주석 결정 내부에 대해 전위 장벽이 생긴다. 이 때 일산화탄소 가스와 같은 환원성 가스가 이산화주석 결정으로 유입되면 음전하의 표면 농도가 감소하고 전위 장벽이 낮아져, 이산화주석 결정의 전기 전도도에 변화를 일으키게 된다. 이러한 가스 센서는 가스 감지막과 검출 가스의 반응을 촉진하기 위해 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등과 같은 촉매를 첨가하여 가스의 흡착에 따른 저항의 변화폭을 증대시킴으로써 가스 센서의 감도를 향상시키거나, 가스 감지막의 동작 온도를 낮추는 역할을 하도록 한다.
그러나, 종래의 가스 센서는 가스 감지부가 금속 산화물로 이루어져 있으므로, 그 감도가 낮아 점점 엄격해지는 최근의 환경 기준에 적절히 대응할 수 없으며, 그 부피가 커 소형화되고 있는 공기 오염 측정 장치에 적합하지 않다고 하는 문제가 있다.
또한, 종래의 가스 센서는 300℃ 이상의 고온에서 동작하므로, 가스 감지부를 300℃ 이상으로 승온시키기 위해 많은 전력이 소모된다고 하는 문제가 있다.
따라서, 저전력으로 동작이 가능하며, 고감도의 소형화된 가스 센서의 기술 개발이 절실히 요망되는 상황이다.
본 발명의 일부 실시예들은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 가스 감지부로서 탄소나노튜브 막을 이용함으로써 상대적으로 저온에서 동작이 가능하며, 감도가 높고, 소형화가 가능한 가스 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 가스 센서를 제조하는 방법에 있어서, (a) 실리콘 기판의 상부면 및 하부면 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계와, (b) 상기 제 1 절연막 상에 사전 결정된 패턴을 갖는 제 1 금속막을 형성하는 단계와, (c) 상기 제 1 금속막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계와, (d) 상기 제 2 절연막 상에 사전 결정된 패턴을 갖는 제 2 금속막을 형성하는 단계와, (e) 상기 제 2 금속막 상에 탄소나노튜브(CNT), 전도성 폴리머 및 증류수를 포함하는 탄소나노튜브 혼합 용액을 도포하는 단계와, (f) 상기 탄소나노튜브 혼합 용액을 가열하여 탄소나노튜브 막을 형성하는 단계를 포함하는 가스 센서 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 방법은 (g) 상기 실리콘 기판의 하부면에 형성된 상기 제 1 절연막, 제 2 절연막 및 상기 실리콘 기판의 하부면의 일부를 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 금속막 및 상기 제 2 금속막을 형성하기 전에 부착막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 절연막은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 절연막은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 금속막 및 상기 제 2 금속막은 백금(Pt)일 수 있다.
또한, 상기 부착막은 티타늄(Ti)일 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는 전자빔(E-beam) 증착 방법을 이용하여 상기 제 2 금속막을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면은, 가스 센서에 있어서, 검출하고자 하는 가스와 접촉하면 전기 저항의 변화를 나타내는 가스 감지부와, 상기 가스 감지부에 열을 가하는 가열부와, 상기 가스 감지부의 상기 전기 저항의 변화를 외부로 연결하는 전극을 포함하되, 상기 가스 감지부는 탄소나노튜브 및 전도성 폴리머를 포함하는 가스 센서를 제공한다.
또한, 상기 가열부 및 전극은 백금(Pt)일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 의하면, 가스 센서의 가스 감지부를 탄소나노튜브 막으로 제조함으로써, 전력 소모가 적고, 감도가 우수한 가스 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예들은 소형화가 가능하고, 제조 비용을 절감할 수 있는 가스 센서를 제공할 수 있다.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2l을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 2a 내지 도 2l은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 제조하는 과정을 도시한 수순도이다.
먼저, 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이, SOI(Silicon On Insulator) 실리콘 웨이퍼(210)를 준비한다. 실리콘 웨이퍼(210)는 DSP(Double-Side Polished) (100) 실리콘 웨이퍼인 것이 바람직하다.
다음에, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(210)의 상부면 및 하부면에 산화막(220)을 증착한다. 산화막(220)은 예컨대, 습식 열화 산화막을 1000℃에서 H2O 분위기에서 성장시킴으로써 형성된다. 또한, 산화막(220)의 두께는 5000Å인 것이 바람직하다.
다음에, 도 2c에 도시되어 있는 바와 같이, 산화막(220) 상에 실리콘 질화막(230)을 증착한다. 실리콘 질화막(230)은 저압 화학 기상 증착 방법(LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착될 수 있으며, 그 두께는 산화막(220)의 두께보다 얇은 3000Å인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실리콘 웨이퍼(210) 상에 산화막(220) 및 질화막(230)을 증착하여 실리콘 웨이퍼(210)를 절연하였지만, 이와 달리, 질화막(230)을 증착하지 않고, 산화막(220)만으로 실리콘 웨이퍼(210)를 절연할 수 있다. 또한, 이와 달리, 질화막/산화막 상에 추가적으로 산화막을 증착하여, 산화물/질화물/산화물(ONO)층을 형성할 수도 있다.
다음에, 도 2d에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 질화막(230) 상에 직류 또는 무선 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 히터 형성을 위한 부착막(adhesion layer: 도시하지 않음) 및 백금(Pt) 등의 금속막(240)을 증착한다. 백금을 증착하는 경우, 부착막으로는 은 티타늄(Ti)인 것이 바람직하며, 백금과 부착막의 두께는 각각 2000Å과 200Å인 것이 바람직하다.
다음에, 도 2e에 도시되어 있는 바와 같이, 금속막(240)을 패터닝하여, 히터 를 형성한다. 예컨대, 금속막(240) 상에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상한 후, 실리콘 질화막(230)이 노출되도록 금속막(240) 및 부착막을 순차적으로 식각하여, 히터를 형성한다. 바람직하게는, 히터에서의 각 라인의 폭은 10 ~ 20㎛이다.
다음에, 도 2f에 도시되어 있는 바와 같이, 패터닝된 금속막(240) 및 노출된 실리콘 질화막(230) 상에 플라즈마 화학 기상 증착 방법(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 8000Å 두께의 실리콘 산화막(250)을 증착한다. 실리콘 산화막(250)은 금속막(240)과 추후 증착될 전극층 사이를 절연하는 기능을 수행한다.
다음에, 도 2g에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 산화막(250) 상에 전극 형성을 위한 티타늄 등의 부착막(도시하지 않음)과 백금 등의 금속막(260)을 전자빔(E-beam)을 이용하여 증착한다. 백금을 증착하는 경우, 부착막으로는 은 티타늄(Ti)인 것이 바람직하며, 백금과 부착막의 두께는 각각 1000Å과 100Å인 것이 바람직하다.
다음에, 도 2h에 도시되어 있는 바와 같이, 금속막(260)을 패터닝하여, 전극 을 형성한다. 예컨대, 금속막(260) 상에 포토레지스트를 도포하고, 노광 및 현상한 후, 실리콘 산화막(250)이 노출되도록 금속막(260) 및 부착막을 순차적으로 식각하여, 전극을 형성한다.
다음에, 도 2i에 도시되어 있는 바와 같이, 금속막(260) 및 실리콘 산화막(250)을 건식 식각 공정에 의해 식각하여 히터 패드를 노출시킨다.
다음에, 도 2j에 도시되어 있는 바와 같이, 히터에 의해 추후 형성될 가스 감지막에 전달되는 열 에너지의 손실을 최소화하기 위해, 실리콘 웨이퍼(210)의 하부면에 증착된 실리콘 질화막(230), 산화막(220) 및 실리콘 웨이퍼(210)의 일부를 건식 식각 공정에 의해 제거한다.
다음에, 도 2k에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소나노튜브, 전도성 폴리머 및 증류수(DI-water)를 혼합한 탄소나노튜브 혼합 용액을 전극층을 이루는 금속막(260) 상에 잉크젯 프린팅법 또는 전기 영동법을 이용하여 도포한다. 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 전도성 폴리머는 액체에 용해되는 PEDOT(polyethylenedioxythiophene) 등과 같은 물질인 것이 바람직하다.
다음에, 도 2l에 도시되어 있는 바와 같이, 도포된 탄소나노튜브 혼합 용액에 대해 80 ~ 100℃의 온도로 열처리를 행하여 탄소나노튜브를 포함하는 가스 감지막(270)을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 탄소나노튜브는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서, 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이라고 할 수 있다. 이러한 탄소나노튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열 전도율은 다이아몬드와 유사하며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어난 특성을 가지고 있다. 탄소 섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다. 이와 같이, 탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계 방출 특성, 고효율의 수소 저장 매체 특성 등을 가지고 있다. 이러한 탄소나노튜브의 특성으로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 감지막은 상대적으로 저온에서 동작이 가능하며, 금속 산화물 센서에 비해 1000배 이상 감도가 높다.
이와 같은 제조 공정을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서가 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 도시한 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서는 히터(310), 전극(320) 및 가스 감지부(330)를 포함한다. 특히, 가스 감지부(330)는 탄소나노튜브 막으로 이루어져 있기 때문에, 열 전도도가 우수하여 히터(310)에서 발생한 발열양이 적더라도, 가스 센서가 동작할 수 있다. 따라서, 전력 소모가 적은 가스 센서를 제공하는 것이 가능해진다. 또한, 가스 감지부(330)의 전기 전도도가 우수하여, 고감도의 가스 센서를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서는 그 전체 공정이 멤스(MEMS) 공정으로 제조되므로, 소형의 가스 센서를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서는 그 전체 공정이 멤스(MEMS) 공정으로 제조되므로, 대량 생산이 가능하여, 제조 비용을 절감할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 가스 센서를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2l은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 제조하는 과정을 도시한 수순도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 도시한 도면이다.

Claims (9)

  1. 가스 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 실리콘 기판의 상부면 및 하부면 상에 제 1 절연막을 형성하는 단계와,
    (b) 상기 실리콘 기판의 상부면 상에 형성된 상기 제 1 절연막 상에 사전 결정된 패턴을 갖는 제 1 금속막을 형성하는 단계와,
    (c) 상기 제 1 금속막 상에 제 2 절연막을 형성하는 단계와,
    (d) 상기 제 2 절연막 상에 사전 결정된 패턴을 갖는 제 2 금속막을 형성하는 단계와,
    (e) 상기 제 2 금속막 상에 탄소나노튜브(CNT), 전도성 폴리머 및 증류수를 포함하는 탄소나노튜브 혼합 용액을 잉크젯 프린팅법을 이용하여 도포하는 단계와,
    (f) 상기 탄소나노튜브 혼합 용액을 섭씨 80도 내지 100도로 가열하여 탄소나노튜브 막을 형성하는 단계와,
    (h) 상기 제 1 금속막 및 상기 제 2 금속막을 형성하기 전에 티타늄(Ti)인 부착막을 형성하는 단계
    를 포함하는 가스 센서 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (g) 상기 실리콘 기판의 하부면 상에 형성된 상기 제 1 절연막, 상기 제 2 절연막 및 상기 실리콘 기판의 하부면의 일부를 식각하는 단계를 더 포함하는 가스 센서 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연막은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 포함하며,
    상기 제 2 절연막은 실리콘 산화막을 포함하는
    가스 센서 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속막 및 상기 제 2 금속막은 백금(Pt)인
    가스 센서 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 전자빔(E-beam) 증착 방법을 이용하여 상기 제 2 금속막을 형성하는
    가스 센서 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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