KR101027074B1 - 금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

나노구조물 가스센서는 기판, 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 제1 전극과 제2 전극, 복수의 나노구조물들 및 가스의 흡착에 따라 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 변화시키는 금속산화물층을 포함한다. 상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결한다.

Description

금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법{nanostructure gas sensors and nanostructure gas sensor array with metal oxide layer and method of producing the same}
본 개시(disclosure)는 대체로 금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 우수한 열적, 기계적 및 전기적 특성을 갖는 탄소 나노튜브를 센서 재료로 이용하는 많은 연구가 이루어지고 있다. 탄소 나노튜브를 이용한 센서는 빠른 반응 시간과 낮은 작동 온도 등의 장점을 갖는다.
종래기술에 의한 가스센서로서 공개특허 제2007-0066859호의 "초고감도 금속산화물 가스센서 및 그 제조방법"에 개시된 센서가 있다. 상기 문헌에 의한 가스센서는 금속산화물과 가스 사이의 산화, 환원 반응에 따라 포획, 탈착되는 전하에 의하여 변화하는 금속산화물의 전기적 특성을 측정하여 특정 가스를 감지한다. 상기 문헌의 기술은 금속산화물을 특정 가스의 감지에 직접 사용하는 방법이다.
본 개시가 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술과 다른 새로운 구조의 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 개시가 이루고자 하는 기술적 과제는 검출 민감도가 개선된 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 개시가 이루고자 하는 기술적 과제는 생산이 용이한 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따르면, 나노구조물 가스센서가 개시된다. 나노구조물 가스센서는 기판, 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 제1 전극과 제2 전극, 복수의 나노구조물들 및 가스의 흡착에 따라 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 변화시키는 금속산화물층을 포함한다. 상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결한다.
다른 실시 예에 따르면, 나노구조물 가스센서 어레이가 개시된다. 나노구조물 가스센서 어레이는 적어도 하나 이상의 나노구조물 가스센서를 포함한다. 상기 나노구조물 가스센서는 기판, 상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 제1 전극과 제2 전극, 복수의 나노구조물들 및 가스의 흡착에 따라 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 변화시키는 금속산화물층을 포함한다. 상기 복수의 나노구조물들은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결한다.
또 다른 실시 예에 따르면, 나노구조물 가스센서 제조 방법이 개시된다. 상기 나노구조물 가스센서 제조 방법에 있어서, 먼저 기판을 준비한다. 상기 기판 위에 서로 이격된 제1 전극과 제2 전극을 형성한다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물들을 형성한다. 상기 복수의 나노구조물들의 위 또는 아래에 금속산화물층을 형성한다. 상기 금속산화물층을 형성하는 단계는 상기 복수의 나노구조물들을 형성하는 단계 이전 또는 이후에 수행된다.
본 개시에 의한 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법은 가스센서의 검출 민감도의 향상을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 개시에 의한 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법은 물리적 기상 증착법을 사용하므로, 나노구조물들의 물리적 성질을 변화시키지 않으므로 나노구조물들 고유의 성질에 손상을 주지 않는 장점이 있다.
또한, 본 개시에 의한 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법은 물리적 기상 증착법을 사용하므로, 금속입자들의 크기 및 금속산화물층의 두께 조절이 용이하고, 일괄공정이 가능하므로, 생산성 측면에서 우수성을 갖는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명의 기술은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 당업자에게 본 개시의 기술 및 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서는 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구조물들의 폭, 두께 또는 형상을 확대하여 나타내었다. 도면은 관찰자의 시점에서 설명되었고, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에 또는 위에”있다고 표현된 경우에는, “바로 상부에 또는 바로 위에”있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다. 도 1의 (a) 및 (b)는 각각 나노구조물 가스센서의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 도면의 단면도는 평면도의 Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 단면도이다. 도 1을 참조하면, 나노구조물 가스센서(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140) 및 금속산화물층(150)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서(100)는 선택적으로 절연층(160)을 더 구비할 수 있다.
기판(110)은 예로서 반도체 기판, 도전성 기판, 비전도성 기판 또는 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator, SOI) 기판일 수 있다. 반도체 기판은 예로서 실리콘 기판 또는 III-V족 반도체 기판일 수 있다. 도전성 기판은 예로서 금속 기판, 도전성 유기화합물 기판일 수 있다. 비전도성 기판은 예로서 유리 기판, 고분자 화합물 기판일 수 있다. 기판(110)으로서 상기한 예시 이외에도 다양한 종류의 기판이 사용될 수 있다.
제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 상기 기판(110) 위에 서로 이격되어 배치된 다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 예로서 금속 또는 도핑(doping)된 다결정 실리콘(poly silicon)으로부터 형성될 수 있다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 예로서 금(Au)일 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 대체로 직사각형 모양이다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 타원형, 원형, 다각형 또는 이들의 조합으로 이루어진 형태 등과 같이 다양한 다른 모양을 가질 수도 있다.
복수의 나노구조물들(140)은 상기 기판(110) 위에 배치되며, 제1 전극(120)과 제2 전극(130)에 연결된다. 복수의 나노구조물들(140)이 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 연결된다는 것은 복수의 나노구조물들(140) 각각이 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 연결되는 것에 한정되지 아니한다. 보다 구체적으로, 복수의 나노구조물들(140) 중 어느 한 나노구조물의 일부분이 제1 전극(120)에 전기적으로 접촉되고, 복수의 나노구조물들(140) 중 다른 어느 한 나노구조물의 일부분이 제2 전극(130)에 전기적으로 접촉되고, 상기 어느 한 나노구조물과 상기 다른 어느 한 나노구조물이 서로 전기적으로 접촉될 수 있다. 또한, 복수의 나노구조물들(140) 중 어느 한 나노구조물의 일부분이 제1 전극(120)에 전기적으로 접촉되고, 복수의 나노구조물들(140) 중 다른 어느 한 나노구조물의 일부분이 제2 전극(130)에 전기적으로 접촉되고, 상기 어느 한 나노구조물과 상기 다른 어느 한 나노구조물이 복수의 나노구조물들(140) 중 또 다른 적어도 어느 하나의 나노구조물을 통하여 서로 전기적으로 접촉될 수도 있다. 일 실시 예로서, 나노구조물들은 얽힌 그물처럼 밀집될(dense) 수 있다.
복수의 나노구조물들(140)로서 여러 종류의 나노구조물들이 사용될 수 있다. 예로, 복수의 나노구조물들(140)로서 나노튜브(nanotube), 나노와이어(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노리본(nanoribbon), 나노필름(nanofilm) 또는 나노볼(nanoball)이 사용될 수 있다. 또한, 복수의 나노구조물들(140)로서 탄소 나노튜브(carbon nanotube, 이하 간략히 CNT라 함), 반도체 나노와이어(semiconductor nanowire) 또는 전도성 폴리머가 사용될 수 있다. CNT는 전기적 특성에 따라 금속의 특성을 갖는 CNT와 반도체의 특성을 갖는 CNT로 구분될 수 있으며, 벽의 수에 따라 단일벽(single-walled) CNT, 이중벽(double-walled) CNT 및 다중벽(multi-walled) CNT 등으로 구분될 수 있다. SnO2, ZnO, In2O3, CdO 등을 포함하는 다양한 물질들 중 적어도 어느 하나가 반도체 나노와이어를 형성하는데 적합한 물질로 사용될 수 있다. 복수의 나노구조물들(140)을 형성하기 위해, 상기의 예시 이외에도 다양한 다른 종류의 물질들이 사용될 수 있다.
일 실시 예로서, 복수의 나노구조물들(140)은 그 단면의 치수(일례로 직경)보다 훨씬 큰 길이를 가질 수 있다. 일례로서, 그러한 복수의 나노구조물들(140)은 와이어, 리본 또는 튜브 등의 형상을 가질 수 있다. 일 실시 예로서, 이러한 복수의 나노구조물들(140)은 이들이 위치한 구조물의 표면과 평행하게 뻗어 있도록 구조물 위에 배치될 수 있다.
일 실시 예로서, 복수의 나노구조물들(140) 중 적어도 일부의 나노구조물들은 서로 접촉되어 네트워크(network)를 이룰 수 있다. 상기 일부의 나노구조물들이 서 로 접촉되는 접점에서는 접촉저항이 발생할 수 있다. 접촉되는 나노구조물들의 개수가 증가할수록 더 큰 접촉저항을 얻을 수 있다. 네트워크를 이루는 복수의 나노구조물들(140)의 전체 저항은 복수의 나노구조물들(140)을 이루는 나노구조물 각각의 저항 및 상기 접촉저항에 의하여 결정될 수 있다. 이를 네트워크 저항이라고 칭하기로 한다. 일 실시 예로서, 상기 네트워크의 양끝단에 전압을 인가하면, 상기 네트워크 저항에 의하여 전류가 흐르며, 상기 전류에 의하여 상기 네트워크가 발열하게 된다. 이를 자체 발열이라고 칭하기로 한다. 상기 자체발열을 이용하면, 반응성 금속산화물층의 활성화, 흡착된 반응성 기체의 탈착 또는 반응성 기체의 흡착 등에 활용할 수 있다. 상기 자체 발열 온도는 네트워크의 양끝단에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 변화시킬 수 있다.
금속산화물층(150)은 얇은 막의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 위에 배치된다. 금속산화물층(150)이 가스, 습도 등과 접촉하게 되면, 산화물 표면에서 일어나는 기체 흡착, 산화 또는 환원 반응 등에 따른 전하의 포획 또는 탈착에 의해 금속산화물층(150)의 전기 저항이 변화될 수 있다. 또한, 금속산화물층(150)이 가스, 습도 등과 접촉하게 되면 기체 흡착, 산화 또는 환원 반응 등에 따른 전하의 포획 또는 탈착에 의해 금속산화물층(150)에 인접하는 복수의 나노구조물들(140)의 전기적 특성이 변화될 수 있다. 복수의 나노구조물들(140)의 전기적 특성의 변화는 복수의 나노구조물들(140)과 접하는 금속산화물층(150)에 흡착 또는 탈착되는 전하에 기인하는 것으로 예측된다. 나노구조물 가스센서(100)는 이에 따른 전기적 특성의 변화 등을 측정하여 특정 가스를 감지할 수 있게 된다.
작동온도에 따라 금속산화물층(150)에서의 기체 흡착, 산화 또는 환원 반응 등의 특성이 달라질 수 있다. 복수의 나노구조물들(140)의 자체 발열 온도의 변화를 통하여 금속산화물층(150)의 반응성을 조절할 수 있다. 금속산화물층(150)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화티타늄(TiO2) 등 일 수 있다. 금속산화물층(150)으로서 상기한 예시 이외에도 다양한 종류의 물질들이 사용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 절연층(160)은 기판(110) 위에 배치되고 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140) 및 금속산화물층(150) 아래에 위치한다. 절연층(160)은 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140) 및 금속산화물층(150)을 기판(110)으로부터 전기적으로 격리한다. 절연층(160)으로는 예로서 전기적 절연성을 갖는 SiO2, Al2O3, Ta2O5, ZrO2, HfO2, TiO2 등을 포함하는 다양한 종류의 산화막과 SiON, Si3N4등을 포함하는 다양한 종류의 질화막 또는 HfSiON, HfSiOx 등을 포함하는 다양한 종류의 Hf 계열의 절연막 등이 사용될 수 있으며, 상기한 예시 이외에도 다양한 다른 물질들이 사용될 수 있다. 일 실시 예로서, 기판(110)으로서 비전도성 기판이 사용된 경우에는 절연층(160)은 생략될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 복수의 나노구조물들(140) 중 일부는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 위에 배치되어 있다. 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 복수의 나노구조물들(140) 중 일부가 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 아래에 위치할 수도 있으며, 이와 같은 경우, 복수의 나노구조물들(140)과 제1 전 극(120) 및 제2 전극(130) 사이의 전기적 접촉 특성이 개선될 수 있다. 또한, 도면에는 금속산화물층(150)이 얇은 막의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 위에 배치된 예가 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150)은 복수의 나노구조물들(140) 아래에 배치될 수도 있다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다. 도 2 는 나노구조물 가스센서의 단면도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 나노구조물 가스센서(200)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140) 및 금속산화물층(150A)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서(200)는 선택적으로 절연층(160)을 더 구비할 수 있다.
도 2를 참조하면, 금속산화물층(150A)은 불연속적인 나노파티클(nanoparticle)의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 위에 배치된다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150A)은 복수의 나노구조물들(140) 아래에 배치될 수도 있다. 금속산화물층(150A)은 도 1과 관련하여 상술한 금속산화물층(150)의 기능과 실질적으로 동일한 기능을 가질 수 있다. 금속산화물층(150A)은 도 1의 일 실시 예에 의한 나노구조물 가스센서(100)의 금속산화물층(150)과 실질적으로 동일한 재료에 의하여 형성되므로, 금속산화물층(150A)의 재료에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 3은 또 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a) 및 (b)는 각각 나노구조물 가스센서의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 도면의 단면도는 평면도의 Ⅲ-Ⅲ' 선에 따른 단면도이다. 도 3을 참조하면, 나노구 조물 가스센서(300)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140), 금속산화물층(150) 및 복수의 금속 아일랜드들(a plurality of metal islands, 170)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서(300)는 선택적으로 절연층(160)을 더 구비할 수 있다.
도 3을 참조하면, 금속산화물층(150)은 얇은 막의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 및 복수의 금속 아일랜드들(170) 위에 배치된다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150)은 복수의 나노구조물들(140) 및 복수의 금속 아일랜드들(170) 아래에 배치될 수도 있다. 또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150)은 복수의 나노구조물들(140) 또는 복수의 금속 아일랜드들(170) 아래에 배치될 수도 있다. 금속산화물층(150)의 기능은 도 1과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
복수의 금속 아일랜드들(170)은 복수의 나노구조물들(140) 또는 금속산화물층(150)에 인접하여 위치한다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 복수의 금속 아일랜드들(170)은 금속산화물층(150) 위에 배치될 수도 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 재료로서 다양한 금속들이 사용될 수 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 재료는 예로서 금(Au), 백금(Pt) 등 일 수 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)에 인접하는 금속산화물층(150)이 가스, 습도 등과 접촉하게 되면, 기체 흡착, 산화 또는 환원 반응 등에 따른 전하의 포획 또는 탈착 현상이 금속산화물층(150)에서 발생할 수 있으며, 복수의 금속 아일랜드들(170)은 포획 또는 탈착된 상기 전하를 이용하여 복수의 나노구조물들(140)의 전기적 특성을 변화시킬 수 있 게 된다.
도 3을 다시 참조하면, 복수의 금속 아일랜드들(170)은 복수의 나노구조물들(140) 또는 금속산화물층(150)에 인접하여 배치될 수 있다. 또한, 복수의 금속 아일랜드들(170) 위에 복수의 추가적인 나노구조물들(미도시)이 배치될 수도 있다. 또한, 복수의 나노구조물들(140)이 배치된 밀도에 따라 복수의 금속 아일랜드들(170) 중 적어도 어느 하나의 금속 아일랜드는 복수의 나노구조물들(140) 중 어느 하나의 나노구조물과 복수의 나노구조물들(140) 중 다른 어느 하나의 나노구조물 사이에 배치될 수 있다. 또한, 복수의 금속 아일랜드들(170)은 복수의 나노구조물들(140) 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 도면에는 금속 아일랜드(172)가 복수의 나노구조물들(140) 위에 위치한 예가 표현되어 있다. 또한, 도면에는 금속 아일랜드(174)가 복수의 나노구조물들(140) 사이에 위치한 예가 표현되어 있다. 또한, 도면에는 금속 아일랜드(176)가 복수의 나노구조물들(140) 사이의 공간에 위치한 예가 표현되어 있다.
복수의 금속 아일랜드들(170)은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition)만으로 또는 물리적 기상 증착법 및 열처리 과정(annealing process)을 통하여 배치될 수 있다. 열처리 과정을 통하여 복수의 나노구조물들(140)과 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 사이의 접촉 특성을 개선하는 효과를 얻을 수 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)은 물리적 기상 증착법을 통하여 나노파티클의 형태를 가질 수 있다. 또한, 복수의 금속 아일랜드들(170)은 물리적 기상 증착법과 열처리 과정을 통하여 상면의 면적이 두께의 제곱보다 큰 평면적(planar) 구조(예로서, 면 적이 두께의 제곱의 4배 이상임)의 복수의 금속 판들(a plurality of metal plates)의 형태를 가질 수 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 상면의 면적은 복수의 금속 아일랜드들(170)을 위에서 내려다 본 경우의 수평면적을 의미한다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 두께는 복수의 금속 아일랜드들(170)의 최대 높이를 의미한다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 상면 및 하면은 평평할 수도 있으며, 복수의 금속 아일랜드들(170)의 아래에 위치한 복수의 나노구조물(140)의 형상에 따라 다양한 곡률을 가질 수도 있다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다. 도 4는 나노구조물 가스센서의 단면도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 나노구조물 가스센서(400)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140), 금속산화물층(150A) 및 복수의 금속 아일랜드들(170)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서(400)는 선택적으로 절연층(160)을 더 구비할 수 있다.
도 4를 참조하면, 금속산화물층(150A)은 불연속적인 나노파티클의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 또는 복수의 금속 아일랜드들(170) 위에 배치된다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150A)은 복수의 나노구조물들(140) 또는 복수의 금속 아일랜드들(170) 아래에 배치될 수도 있다. 금속산화물층(150A)의 기능은 도 2와 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
복수의 금속 아일랜드들(170)은 복수의 나노구조물들(140) 또는 금속산화물 층(150A)에 인접하여 위치한다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 복수의 금속 아일랜드들(170)은 금속산화물층(150A) 위에 배치될 수도 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 기능은 도 3과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 4를 다시 참조하면, 복수의 금속 아일랜드들(170)은 복수의 나노구조물들(140) 아래에 배치될 수 있다. 이외에도 복수의 금속 아일랜드들(170)은 다양한 배치를 가질 수 있다. 복수의 금속 아일랜드들(170)의 가능한 다양한 배치는 도 3과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서(100)의 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)의 배치를 달리한 일 변형 예에 따른 나노구조물 가스센서(500)를 나타내는 도면이다. 도 5의 (a) 및 (b)는 각각 나노구조물 가스센서의 평면도 및 단면도를 나타낸다. 도면의 단면도는 평면도의 Ⅴ-Ⅴ' 선에 따른 단면도이다. 도 5를 참조하면, 나노구조물 가스센서(500)는 기판(110), 제1 전극(120A), 제2 전극(130A), 복수의 나노구조물들(140) 및 금속산화물층(150)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서(500)는 선택적으로 절연층(160)을 더 구비할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 전극(120A)은 제2 전극(130A) 내부에 배치된다. 제2 전극(130A)은 제1 전극(120A)을 둘러쌀 수 있다. 제2 전극(130A)에는 소정의 전압인 기준 전압이 인가될 수 있다. 기준 전압은 일례로 전원 전압 또는 접지 전압일 수 있다. 제2 전극(130A)에 기준 전압을 인가함으로 인하여, 복수의 나노구조물들(140)이 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A)뿐만 아니라 이웃하는 제1 전극(미도 시)에도 연결되는 것을 방지하기 위한 복수의 나노구조물들(140)의 패터닝 공정을 요하지 않는다. 종래 기술에 의한 나노구조물들을 이용한 센서의 경우, 공정 등의 오류에 의하여 복수의 나노구조물들이 어느 제1 전극과 이웃하는 제1 전극 사이에 연결될 경우, 어느 제1 전극과 이웃하는 제1 전극 사이의 복수의 나노구조물들을 통한 간섭에 의하여 정확한 측정이 어려웠으나, 본 발명에 의한 센서의 경우, 복수의 나노구조물들이 어느 제1 전극과 이웃하는 제1 전극 사이에 연결되더라도, 복수의 나노구조물들이 어느 제1 전극과 이웃하는 제1 전극 사이에 위치한 제2 전극(제2 전극에는 기준전압이 인가됨)에 접촉되므로, 어느 제1 전극과 이웃하는 제1 전극 사이에 간섭이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의한 센서는 공정 등에 의한 오류에 강한 특성을 가진다는 장점이 있다. 또한, 제2 전극(130A)에 기준 전압을 인가함으로 인하여, 제2 전극(130A)은 이웃하는 제2 전극(미도시)과 전기적으로 연결되는 구조일 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 복수의 나노구조물들(140) 중 일부는 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A) 위에 배치되어 있다. 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 복수의 나노구조물들(140) 중 일부가 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A) 아래에 위치할 수도 있으며, 이와 같은 경우, 복수의 나노구조물들(140)과 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A) 사이의 전기적 접촉 특성이 개선될 수 있다. 또한, 도면에는 원형의 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A)이 배치된 예가 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A)은 서로 전기적으로 절연된다면 타원형, 사각형, 다각형 또는 이들의 조합으로 이루어 진 형태 등 다양한 모양을 가질 수 있다. 또한, 도면에는 금속산화물층(150)이 얇은 막의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 위에 배치된 예가 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150)은 불연속적인 나노파티클의 형태로 복수의 나노구조물들(140) 위에 배치될 수도 있다. 금속산화물층(150)의 기능은 도 1과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
나노구조물 가스센서(500)는 복수의 금속 아일랜드들(미도시)을 더 구비할 수 있다. 상기 복수의 금속 아일랜드들은 금속산화물층(150) 아래에 위치할 수 있다. 다른 실시 예로서, 상기 복수의 금속 아일랜드들은 금속산화물층(150) 위에 배치될 수도 있다. 상기 복수의 금속 아일랜드들의 기능은 도 3과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 상기 복수의 금속 아일랜드들은 복수의 나노구조물들(140) 아래에 배치될 수 있다. 이외에도 상기 복수의 금속 아일랜드들은 다양한 배치를 가질 수 있다. 상기 복수의 금속 아일랜드들의 가능한 다양한 배치는 도 3과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기 나노구조물 가스센서는 센싱부(640)를 구비하며, 센싱부(640)에는 전원공급부(610), 측정부(620) 및 스위치(630)가 연결된다. 도시한 바와 같이 센싱부(640)는 도 1과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서(100)와 실질적으로 동일하다. 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 센싱부(640)로 서 도 2 내지 도 5와 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서(200), 나노구조물 가스센서(300), 나노구조물 가스센서(400) 또는 나노구조물 가스센서(500)와 실질적으로 동일한 나노구조물 가스센서가 사용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 전원공급부(610)는 스위치(630)를 통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 연결된다. 전원공급부(610)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전압 또는 전류를 공급하는 역할을 한다. 전원공급부(610)를 통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 양단에 전압 또는 전류를 인가하면, 복수의 나노구조물들(140)로 이루어지는 네트워크는 자체 발열하게 된다. 자체 발열 온도는 인가되는 전압 또는 전류의 크기에 따라 변화될 수 있다. 센싱부(640)의 검출 민감도는 동작 온도에 따라 달라질 수 있으므로, 자체 발열 온도를 조절하면 최상의 검출 민감도를 얻을 수 있다. 상기한 예시 이외에도 전원공급부(610)는 다양한 종류의 전기적 신호를 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 양단에 인가할 수 있다.
측정부(620)는 스위치(630)를 통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)과 연결된다. 측정부(620)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 양단의 전기적 특성을 측정하는 역할을 한다. 측정부(620)는 특정한 가스가 금속산화물층(150)과 반응할 경우에 나타나는 전기적 특성의 변화를 측정하여 특정 가스를 감지하는 역할을 한다. 특정 가스로서 다양한 종류의 가스들이 사용될 수 있다. 특정 가스는 예로서 환원성 가스인 수소(H2)일 수 있다. 환원성 가스는 금속산화물층(150)과 반응하여 전자를 금속산화물층(150)에 제공할 수 있다.
스위치(630)는 센싱부(640)를 전원공급부(610) 또는 측정부(620) 중 어느 하나에 연결하는 역할을 한다. 스위치(630)는 전기적 또는 기계적 스위치일 수 있다. 전원공급부(610), 측정부(620) 및 스위치(630) 중 적어도 어느 하나는 제어장치(control unit, 미도시)을 구비할 수 있다. 상기 제어장치는 전원공급부(610), 측정부(620) 및 스위치(630)의 동작을 조절할 수 있다.
일 실시 예로서, 특정한 가스와 반응하는 센싱부(640)가 특정한 가스에 노출된 경우에, 금속산화물층(150)에서의 산화 또는 환원 반응에 의하여 복수의 나노구조물들(140)의 전기적 특성이 변화될 수 있다. 스위치(630)를 통하여 연결된 측정부(620)는 상기 전기적 특성 변화를 측정하여 특정한 가스의 존재를 감지할 수 있다.
일 실시 예로서, 특정한 가스와 반응하는 센싱부(640)의 금속산화물층(150)은 동작 온도에 따라 서로 다른 검출 민감도를 가질 수 있다. 전원공급부(610)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)에 전류 또는 전압을 인가하여 센싱부(640)의 자체 발열을 유도할 수 있다. 상기 자체 발열 온도는 전원공급부(610)에 의하여 센싱부(640)에 인가되는 다양한 종류의 전기적 신호의 크기를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 이를 통하여 센싱부(640)가 최적의 검출 민감도를 갖도록 할 수 있다. 측정부(620)는 센싱부(640)의 전기적 특성을 측정하여 특정한 가스를 감지할 수 있다. 즉, 전원공급부(610)를 통하여 자체 발열 온도를 조절한 후, 측정부(620)를 이용하여 전기적 특성을 측정하는 과정을 통하여 최적의 검출 민감도를 얻을 수 있다.
도 6을 다시 참조하면, 전원공급부(610) 및 측정부(620)는 각각 스위치(630)를 통하여 센싱부(640)와 연결된다. 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 전원공급부(610), 측정부(620) 및 센싱부(640)는 스위치(630)에 의하지 않고 서로 연결될 수 있다. 이 경우에 스위치(630)는 생략될 수 있다. 일 실시 예로서, 스위치(630)에 의하지 않고 서로 직접적으로 연결된 전원공급부(610) 및 측정부(620)에 연결되는 센싱부(640)를 구비하는 나노구조물 가스센서에 있어서, 전원공급부(610)는 상술한 바와 같은 방법으로 최적의 검출 민감도를 가지도록 센싱부(640)의 자체 발열 온도를 조절할 수 있다. 이와 동시에 측정부(620)는 전원공급부(610)에 의하여 자체 발열하는 센싱부(640)의 전기적 특성의 변화를 측정할 수 있다. 즉, 스위치(630)가 생략된 나노구조물 가스센서의 경우에는 전원공급부(610)에 의한 센싱부(640)의 발열과 측정부(620)에 의한 센싱부(640)의 측정이 동시에 이루어질 수 있게 된다.
도 7은 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이를 나타내는 도면이다. 도 7은 나노구조물 가스센서 어레이의 평면도를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 4개의 가스센서들을 구비한다. 4개의 가스센서들 각각은 기판(미도시), 제1 전극(120, 720), 제2 전극(130, 730), 복수의 나노구조물들(140, 740) 및 금속산화물층(150)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 선택적으로 절연층(미도시)을 더 구비할 수 있다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 복수의 금속 아일랜드들(미도시)을 더 구비할 수 있다.
도면에는 두 종류의 서로 다른 나노구조물 가스센서들로 구성된 나노구조물 가스센서 어레이(700)가 표현되어 있다. 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 기판(미도시), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 복수의 나노구조물들(140) 및 금속산화물층(150)을 구비하는 나노구조물 가스센서(이하 제1 나노구조물 가스센서라 함)와 기판(미도시), 제1 전극(720), 제2 전극(730) 및 복수의 나노구조물들(740)을 구비하는 나노구조물 가스센서(이하 제2 나노구조물 가스센서라 함)를 구비한다. 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 하나의 제1 나노구조물 가스센서와 세 개의 제2 나노구조물 가스센서를 구비한다. 제1 나노구조물 가스센서와 제2 나노구조물 가스센서에 있어서, 복수의 나노구조물들(140) 및 복수의 나노구조물들(740) 각각은 서로 다른 배치 또는 밀도를 가지거나, 자체 발열 온도를 달리할 수 있다. 즉, 제1 나노구조물 가스센서와 제2 나노구조물 가스센서는 서로 다른 종류의 나노구조물 가스센서일 수 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 둘 이상의 다양한 종류의 나노구조물 가스센서들을 구비할 수 있다. 또한, 나노구조물 가스센서 어레이(700)는 다양한 수를 갖는 다양한 종류의 나노구조물 가스센서들의 조합을 구비할 수 있다.
도 7을 다시 참조하면, 나노구조물 가스센서 어레이(700)에 있어서, 복수의 나노구조물들(140, 740) 중 일부는 전극들(120, 130, 720, 730) 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 아래에 배치될 경우 복수의 나노구조물들(140, 740)과 전극들(120, 130, 720, 730) 사이의 전기적 접촉 특성이 개선될 수 있다. 도면에는 전극들(120, 130, 720, 730)로서 사각형의 전극들이 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 서로 전기적으로 절연된다면 전극들(120, 130, 720, 730)은 타원형, 원형, 다각형 또는 이들의 조합으로 이루어진 형태 등 다양한 모양을 가질 수 있다. 또한, 도면에는 금속산화물층(150)이 얇은 막의 형태로 복수의 나노구조물들(140, 740) 위에 배치된 예가 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150)은 불연속적인 나노파티클의 형태로 복수의 나노구조물들(140, 740) 위에 배치될 수도 있다. 또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 금속산화물층(150)은 복수의 나노구조물들(140, 740) 아래에 배치될 수도 있다. 또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 각각의 복수의 나노구조물들(140) 및 복수의 나노구조물들(740) 위 또는 아래에는 서로 다른 종류의 금속산화물층이 배치될 수도 있다. 금속산화물층(150)의 기능은 도 1과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
나노구조물 가스센서 어레이(700)는 복수의 금속 아일랜드들(미도시)을 더 구비할 수 있다. 상기 복수의 금속 아일랜드들은 금속산화물층(150)의 위 또는 아래에 위치할 수 있다. 상기 복수의 금속 아일랜드들의 기능은 도 3과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 상기 복수의 금속 아일랜드들은 복수의 나노구조물들(140) 또는 복수의 나노구조물들(740) 아래에 배치될 수 있다. 이외에도 상기 복수의 금속 아일랜드들은 다양한 배치를 가질 수 있다. 상기 복수의 금속 아일랜드들의 가능한 다양한 배치는 도 3과 관련하여 상술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
한편, 제1 전극(720), 제2 전극(730) 및 복수의 나노구조물들(740)의 배치, 구조 및 재료는 각각 도 1과 관련하여 상술한 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 복수의 나노구조물들(140)의 배치, 구조 및 재료와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 8은 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이(700)에서 전극들(120, 130, 720, 730)의 배치를 달리한 일 변형 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이(700A)를 나타내는 도면이다. 도 8은 나노구조물 가스센서 어레이(700A)의 평면도를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 나노구조물 가스센서 어레이(700A)는 4개의 가스센서들을 구비한다. 4개의 가스센서들 각각은 기판(미도시), 제1 전극(120A, 720A), 제2 전극(130A, 730A), 복수의 나노구조물들(140, 740) 및 금속산화물층(150)을 구비한다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서 어레이(700A)는 선택적으로 절연층(미도시)을 더 구비할 수 있다. 일 실시 예로서, 나노구조물 가스센서 어레이(700A)는 복수의 금속 아일랜드들(미도시)을 더 구비할 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 전극(120A) 및 제1 전극(720A)은 각각 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A) 내부에 배치된다. 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A)은 각각 제1 전극(120A) 및 제1 전극(720A)을 둘러쌀 수 있다. 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A)에는 소정의 전압인 기준 전압이 인가될 수 있다. 제2 전극(130A)에 기준 전압을 인가함으로 인하여, 복수의 나노구조물들(140)이 제1 전극(120A) 및 제2 전극(130A) 뿐만 아니라 이웃하는 제1 전극(720A)에도 연결되는 것을 방지하기 위한 복수의 나노구조물들(140)의 패터닝 공정을 요하지 않는다. 이는 제1 전극(720A), 제2 전극(730A) 및 복수의 나노구조물들(740) 간의 관계에도 마찬가지로 적용된다. 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A)에 기준전압을 인가함으로써 얻어지는 효과는 도 5와 관련하여 상술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 도면에는 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A) 각각이 서로 분리되어 배치되어 있는 예가 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 제2 전극(730A) 상호간 또는 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A)은 서로 연결되는 구조일 수 있다. 이는 제2 전극(130A) 및 제2 전극(730A) 각각에 기준전압이 인가되므로 이들을 서로 연결하여도 동일한 결과를 얻을 수 있기 때문이다.
도 8을 다시 참조하면, 도면에는 두 종류의 서로 다른 나노구조물 가스센서들로 구성된 나노구조물 가스센서 어레이(700A)가 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 나노구조물 가스센서 어레이(700A)는 다양한 구조를 가질 수 있다. 나노구조물 가스센서 어레이(700A)의 가능한 다양한 구조는 도 7과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서 어레이(700)의 가능한 다양한 구조와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 복수의 나노구조물들(140), 복수의 나노구조물들(740), 금속산화물층(150) 및 복수의 금속 아일랜드들(미도시)의 배치는 각각 도 7과 관련하여 상술한 복수의 나노구조물들(140), 복수의 나노구조물들(740), 금속산화물층(150) 및 복수의 금속 아일랜드들(미도시)의 배치와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
한편, 제1 전극(720A) 및 제2 전극(730A)의 배치, 구조 및 재료는 각각 도 7과 관련하여 상술한 제1 전극(720) 및 제2 전극(730)의 배치, 구조 및 재료와 실질 적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이를 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 상기 나노구조물 가스센서 어레이는 센싱부(940)를 구비하며, 센싱부(940)에는 전원공급부(910), 측정부(920) 및 스위치(930)가 연결된다. 도시한 바와 같이 센싱부(940)는 도 7과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서 어레이(700)와 실질적으로 동일하다. 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 센싱부(940)로서 도 8과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서 어레이(700A)와 실질적으로 동일한 나노구조물 가스센서 어레이가 사용될 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 센싱부(940)로서 도 2 내지 도 5와 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서(200), 나노구조물 가스센서(300), 나노구조물 가스센서(400) 및 나노구조물 가스센서(500) 중에서 선택되는 다양한 수의 나노구조물 가스센서들의 조합으로 이루어지는 나노구조물 가스센서 어레이가 사용될 수 있다.
도시한 바와 같이, 전원공급부(910)는 스위치(930)를 통하여 센싱부(940)와 연결된다. 전원공급부(910)는 스위치(930)를 통하여 센싱부(940)를 이루는 각각의 나노구조물 가스센서에 선택적으로 또는 동시에 전원을 공급할 수 있다. 도면에는 전원공급부(910)로서 일체형의 전원공급부가 예시되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 전원공급부(910)는 센싱부(940)를 이루는 각각의 나노구조물 가스센서에 일대일로 연결되는 복수개의 전원공급부일 수 있다. 전원공급부(910)는 도 6과 관련하여 상술한 전원공급부(610)과 실질적으로 동일한 기능을 수행하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
측정부(920)는 스위치(930)를 통하여 센싱부(940)와 연결된다. 측정부(920)는 센싱부(940)의 전기적 특성을 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 측정부(920)는 스위치(930)를 통하여 센싱부(940)를 이루는 각각의 나노구조물 가스센서의 전기적 특성을 선택적으로 또는 동시에 측정할 수 있다. 도면에는 측정부(920)로서 일체형의 측정부가 예시되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 측정부(920)는 센싱부(940)를 이루는 각각의 나노구조물 가스센서에 일대일로 연결되는 복수개의 측정부일 수 있다. 측정부(920)는 도 6과 관련하여 상술한 측정부(620)와 실질적으로 동일한 기능을 수행하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
스위치(930)는 센싱부(940)를 전원공급부(910) 또는 측정부(920) 중 어느 하나에 연결하는 역할을 한다. 스위치(930)는 전기적 또는 기계적 스위치일 수 있다. 도면에는 스위치(930)로서 일체형의 스위치가 예시되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 스위치(930)는 센싱부(940)를 이루는 각각의 나노구조물 가스센서에 일대일로 연결되는 복수개의 스위치일 수 있다. 전원공급부(910), 측정부(920) 및 스위치(930) 중 어느 하나는 제어장치(미도시)를 구비할 수 있다. 제어장치는 전원공급부(910), 측정부(920) 및 스위치(930)의 동작을 조절할 수 있다.
센싱부(940)는 스위치(930)를 통하여 전원공급부(910) 또는 측정부(920) 중 어느 하나와 연결된다. 센싱부(940)에 포함되는 각각의 가스센서는 서로 다른 배치, 밀도 또는 자체 발열 온도를 가지는 복수의 나노구조물들을 구비할 수 있다. 센싱부(940)의 구조는 도 7과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서 어레이(700)와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
일 실시 예로서, 전원공급부(910)는 센싱부(940)를 이루는 복수의 가스센서들 중 둘 이상의 가스센서들 각각에 서로 다른 전류 또는 전압을 인가하여 서로 다른 자체 발열 온도를 유도할 수 있다. 센싱부(910)를 이루는 복수의 가스센서들 중 둘 이상의 가스센서들이 서로 다른 동작온도를 구비하는 경우에 가스센서는 특정한 가스 또는 서로 다른 가스에 대하여 서로 다른 전기적 특성의 변화를 보일 수 있다. 측정부(920)는 서로 다른 전기적 특성의 변화를 측정하여 특정한 가스 또는 서로 다른 가스를 감지할 수 있다.
다른 실시 예로서, 전원공급부(910)는 센싱부(940)를 이루는 복수의 가스센서들 각각에 서로 다른 전류 또는 전압을 인가하여 서로 다른 자체 발열 온도를 유도할 수 있다. 금속산화물층(150)을 이루는 금속산화물은 특정 온도에서 흡착된 기체를 탈착시키는 특성을 가질 수 있다. 즉, 전원공급부(910)를 통하여 복수의 나노구조물들(140, 740)을 자체 발열시킬 수 있고, 자체 발열 온도를 조절하면 금속산화물층(150)에 흡착된 기체를 탈착시킬 수 있다. 기체가 탈착된 금속산화물층(150)을 갖는 각각의 가스센서는 특정한 가스 또는 서로 다른 가스를 감지하기 위한 용도로 다시 사용할 수 있다. 또한, 전원공급부(910)를 통하여 기체가 탈착된 금속산화물층(150)을 갖는 각각의 가스센서는 검출 민감도를 향상시키기 위하여 자체 발열 시킬 수도 있다.
이외에도 상기 나노구조물 가스센서 어레이의 기능 및 동작에 있어서, 도 6과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서 어레이의 기능 및 동작과 실질적으로 동일한 내용에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 9를 다시 참조하면, 전원공급부(910) 및 측정부(920)는 각각 스위치(930)를 통하여 센싱부(940)와 연결된다. 다른 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 달리 전원공급부(910), 측정부(920) 및 센싱부(940)는 스위치(930)에 의하지 않고 서로 연결될 수 있다. 이 경우에 스위치(930)는 생략될 수 있다. 스위치(930)에 의하지 않고 서로 직접적으로 연결된 전원공급부(910) 및 측정부(920)에 연결되는 센싱부(940)를 구비하는 나노구조물 가스센서 어레이의 기능 및 동작은 도 6과 관련하여 상술한 스위치(630)에 의하지 않고 서로 직접적으로 연결된 전원공급부(610) 및 측정부(620)에 연결되는 센싱부(640)를 구비하는 나노구조물 가스센서 어레이의 기능 및 동작과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 10 내지 15는 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서의 제조 공정의 각 공정을 나타내는 도면이다. 각각의 도면은 나노구조물 가스센서의 단면도를 나타낸다. 도시한 바와 같이 나노구조물 가스센서는 도 3과 관련하여 상술한 나노구조물 가스센서(300)와 실질적으로 동일하다.
도 10을 참조하면, 먼저 기판(110)을 준비한다. 상술한 바와 같이 기판으로서 다양한 기판이 사용될 수 있으나, 도면에는 반도체 기판이 사용된 예가 표현되어 있다.
도 11을 참조하면, 기판(110) 위에 절연층(160)을 형성한다. 절연층(160)을 형성하는 공정은 이미 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의 상 생략한다.
도 12를 참조하면, 절연층(160) 위에 서로 전기적으로 격리된 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 형성한다. 상술한 바와 같이 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)으로는 다양한 재료가 사용될 수 있으며, 이들을 형성하는 공정은 이미 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 13을 참조하면, 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 절연층(160) 위에 복수의 나노구조물들(140)을 형성한다. 복수의 나노구조물들(140)은 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 연결한다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 연결하는 복수의 나노구조물들(140)의 결합관계는 도 1과 관련하여 상술한 복수의 나노구조물들(140)의 결합관계와 실질적으로 동일한 결합관계를 가지므로, 이에 대한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
일 구현 예로서, 복수의 나노구조물들(140)은 나노구조물들(일례로 CNT, 140)이 분산된 용액에 침지시키는 단계 및 기판(110)을 상기 용액에서 인출하는 단계를 통하여 형성될 수 있다. CNT가 분산된 용액은 일례로 CNT와 1.2-디클로로벤젠을 0.02g 대 200ml의 비율로 혼합함으로써 얻을 수 있다. 또한, 기판(110)의 침지는 일례로 1 내지 5분의 기간 동안 수행될 수 있으며, 기판(110)의 인출 속도는 일례로 1 내지 10 mm/min의 값을 가질 수 있다.
도 14를 참조하면, 복수의 나노구조물들(140) 위에 복수의 금속 아일랜드들(170)을 형성한다. 복수의 금속 아일랜드들(170)은 금속을 물리적 기상 증착법에 의하여 증착함으로써 형성되거나, 금속을 물리적 기상 증착법에 의하여 증착한 후 열처리 과정을 거쳐 형성될 수 있다. 물리적 기상 증착법은 복수의 나노구조물들(140) 표면에 금속을 직접 증착하는 방법으로서, 복수의 나노구조물들(140)의 표면 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 온도, 압력 및 시간 등의 증착 조건을 조절할 수 있어 금속입자들의 크기 조절이 용이하고, 반도체 공정을 활용하므로 일괄공정이 가능하여 생산성 측면에서 우수성을 갖는다. 물리적 기상 증착법으로는 일례로 열 증발 증착(thermal evaporation)을 이용할 수 있으며, 열처리 과정은 일례로 400oC 온도 및 10-6 torr 압력에서 30분간 이루어질 수 있다. 상기 예시는 이해를 돕기 위한 일례이며, 이외에도 다양한 물리적 기상 증착법 및 열처리 조건을 이용할 수 있다. 물리적 기상 증착법으로는 스퍼터링(sputtering), PLD(pulsed laser deposition) 등이 이용될 수 있으며, 열처리 조건으로는 온도, 압력 및 시간을 달리할 수 있다.
도 15를 참조하면, 복수의 나노구조물들(140) 및 복수의 금속 아일랜드들(170) 위에 금속산화물층(150)을 형성한다. 예로서, 금속산화물층(150)은 산화주석(SnO2)일 수 있다. 금속산화물층(150)은 금속산화물을 물리적 기상 증착법 또는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 증착함으로써 형성될 수 있다. 화학적 기상 증착법은 저온화학기상증착(Low Temperature Chemical Vapor Deposition), 플라즈마화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)일 수 있다. 물리적 기상 증착법으로는 열 증발 증착(thermal evaporation), 스퍼터링(sputtering), PLD(pulsed laser deposition) 등이 이용될 수 있다. 화학적 기상 증착법은 일례로 ALD(atomic layer deposition)를 이용할 수 있으며, ALD는 DBTA(dibutyl tin diacetate)를 소스(source)로 사용하여, 300oC, 2 X 10-1 torr에서 이루어질 수 있다. 물리적 기상 증착법은 일례로 열 증발 증착을 이용할 수 있다. 열 증발 증착은 금속 주석을 소스로 하여 상온 및 7 X 10-6 torr 압력하에서 금속 주석에 70A의 전류를 흘리는 과정으로 이루어질 수 있다. 상기 예시는 이해를 돕기 위한 일례이며, 이외에도 다양한 물리적 기상 증착법 및 화학적 기상 증착법을 이용하여 금속산화물층(150)을 증착할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도4 내지 도 9의 나노구조물 가스센서와 나노구조물 가스센서 어레이의 제조 공정 각각은 도 10 내지 도 15의 제조 공정을 참조하면 쉽게 도출할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 개시된 기술의 다양한 실시 예에 대해 상세히 기술하였지만, 해당 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 개시된 기술의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다.
도 3은 또 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서의 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)의 배치를 달리한 일 변형 예에 따른 나노구조물 가스센서(500)를 나타내는 도면이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이(700)에서 전극들(120, 130, 720, 730)의 배치를 달리한 일 변형 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이(700A)를 나타내는 도면이다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서 어레이를 나타내는 도면이다.
도 10 내지 15는 일 실시 예에 따른 나노구조물 가스센서의 제조 공정의 각 공정을 나타내는 도면이다.

Claims (29)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 기판 위에 배치되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물들; 및
    가스의 흡착에 따라 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 변화시키는 금속산화물층을 포함하되,
    상기 금속산화물층은 나노파티클들 또는 박막을 포함하는 나노구조물 가스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물들 또는 상기 금속산화물층에 인접하여 위치하는 복수의 금속 아일랜드들(islands)을 더 포함하는 나노구조물 가스센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판 위에 배치되고 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 복수의 나노구조물들, 상기 금속산화물층 및 상기 복수의 금속 아일랜드들 아래에 위치하는 절연층을 더 포함하는 나노구조물 가스센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 금(Au)을 포함하는 나노구조물 가스센서.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속산화물층은 산화주석(SnO2)을 포함하는 나노구조물 가스센서.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물들은 탄소 나노튜브들을 포함하는 나노구조물 가스센서.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물들의 온도는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 양단에 연결되는 전원에 의하여 자체발열 및 제어되는 나노구조물 가스센서.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 둘러싸는 나노구조물 가스센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극에는 기준 전압이 인가되는 나노구조물 가스센서.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속산화물층은 가스와 접촉하며, 상기 가스는 상기 금속산화물층과 산화 또는 환원 반응을 일으키고, 상기 산화 또는 상기 환원 반응에 따른 상기 금속산화물층에서의 전하의 포획 또는 탈착을 통하여 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 변화시키는 나노구조물 가스센서.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속산화물층은 상기 복수의 나노구조물들의 위 또는 아래에 인접하여 위치하는 나노구조물 가스센서.
  14. 적어도 하나 이상의 나노구조물 가스센서를 포함하는 나노구조물 가스센서 어레이에 있어서,
    상기 나노구조물 가스센서는
    기판;
    상기 기판 위에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 기판 위에 배치되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물들; 및
    가스의 흡착에 따라 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 변화시키는 금속산화물층을 포함하되,
    상기 금속산화물층은 나노파티클 또는 박막을 포함하는 나노구조물 가스센서 어레이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 나노구조물 가스센서는 상기 복수의 나노구조물들 또는 상기 금속산화물층에 인접하여 위치하는 복수의 금속 아일랜드들(islands)을 더 포함하는 나노구조물 가스센서 어레이.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 둘러싸는 나노구조물 가스센서 어레이.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 전극에는 기준 전압이 인가되는 나노구조물 가스센서 어레이.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물들은 탄소 나노튜브들을 포함하는 나노구조물 가스센 서 어레이.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 나노구조물 가스센서는 상기 나노구조물 가스센서에 전원을 공급하는 전원공급부 및 상기 복수의 나노구조물들의 전기적 특성을 측정하는 측정부에 연결되는 나노구조물 가스센서 어레이.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 나노구조물 가스센서는 스위치를 통하여 상기 전원공급부 또는 상기 측정부와 선택적으로 연결되는 나노구조물 가스센서 어레이.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 나노구조물 가스센서 중 각각의 나노구조물 가스센서는 서로 다른 자체 발열 온도를 갖는 나노구조물 가스센서 어레이.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 각각의 나노구조물 가스센서는 상기 서로 다른 자체 발열 온도에 의하여 서로 다른 기체와 반응하며, 상기 측정부는 상기 서로 다른 기체와 반응하는 상기 각각의 나노구조물 가스센서의 전기적 특성을 측정하여 상기 서로 다른 기체를 감지하는 나노구조물 가스센서 어레이.
  23. (a) 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 기판 위에 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 연결하는 복수의 나노구조물들을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 복수의 나노구조물들의 위 또는 아래에 금속산화물층을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 (d) 단계가 상기 (c) 단계 이전 또는 이후에 수행되며,
    상기 금속산화물층은 나노파티클 또는 박막을 포함하는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    (e) 상기 (c) 단계 이전 또는 이후에 수행되며, 상기 기판 위에 복수의 금속 아일랜드들을 형성하는 단계를 더 포함하는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    (f) 상기 (b) 단계 이전에 수행되며, 상기 기판 위에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 복수의 금속 아일랜드들은 물리적 기상 증착법에 의 하여 형성되는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
  27. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 복수의 금속 아일랜드들은 물리적 기상 증착법 및 열처리에 의하여 형성되는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
  28. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 금속산화물은 물리적 기상 증착법에 의하여 형성되는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
  29. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조물들 중 적어도 하나의 나노구조물은 탄소 나노튜브들을 구비하는 나노구조물 가스센서 제조 방법.
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