KR101179143B1 - 가스 검출 장치, 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 검출 장치, 및 방법이 개시된다. 가스 검출 장치는 전류 인가부, 자계 인가부, 전압 측정부, 및 가스 검출부를 포함한다. 전계 인가부는 나노선에 전류를 인가하고, 자계 인가부는 전류의 방향과 수직 방향 성분의 자계를 나노선에 인가하고, 전압 측정부는 나노선 상에서 전류 및 자계 방향과 각각 수직인 방향의 전압을 측정하며, 가스 검출부는 측정된 전압값을 이용하여 나노선에 접촉하는 가스를 검출한다. 이와 같이, 나노선을 이용한 가스 검출에 있어서, 홀 효과를 이용함으로써, 나노선과 전극 사이에 존재하는 접촉 저항의 영향을 받지 않고 효과적으로 가스 센싱을 수행할 수 있게 된다.

Description

가스 검출 장치, 및 방법{Apparatus and method for detecting gas}
본 발명은 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노선을 이용하여 가스를 검출하는 장치, 및 방법에 관한 것이다.
1차원(1D) 나노선 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor)가 가스 환경에 노출됐을 때, 나노선의 표면에서의 물질 교환과 그에 상응하는 나노선의 전기적, 물성적 변화가 많은 논문과 과제 수행 과정에서 보고되고 있다.
나노선 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor)는 나노선을 채널로, 금속 전극을 소스(source)와 드레인(drain)으로 Si/SiO2 기판 위에 구현한 트랜지스터 소자로서, 현재 나노선 전계 효과 트랜지스터를 가스 센싱 소자로서 사용하는 시도가 늘어가고 있다.
이러한 가스 센싱 소자에서는 나노선 전계 효과 트랜지스터의 나노선에 가스(gas)가 흡착되면서 캐리어 밀도(carrier density)가 변화하는 것을 나노선의 저항 변화로 측정하여 가스 센싱(gas sensing) 효과를 관찰하고 있다.
그런데, 이런 측정 과정에서는 나노선과 전극 사이에 존재하는 접촉(contact) 저항에 따라서 센싱(sensing) 특성을 관찰한 결과가 좌우될 수 있기 때문에, 보다 신뢰성있는 측정을 위해서 직접 캐리어 밀도(carrier density)가 변화되는 것을 측정하여 가스 센싱(gas sensing)효과를 관찰하는 것이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 나노선과 전극 사이에 존재하는 접촉 저항의 영향을 받지 않고 효과적으로 가스 센싱을 수행할 수 있는 나노선을 이용한 가스 검출 장치, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가스 검출 장치는 전류 인가부, 자계 인가부, 전압 측정부, 및 가스 검출부를 포함한다. 전류 인가부는 나노선에 전류를 인가하고, 자계 인가부는 전류의 방향과 수직 방향 성분의 자계를 나노선에 인가하고, 전압 측정부는 나노선 상에서 전류 및 자계 방향과 각각 수직인 방향의 전압을 측정하며, 가스 검출부는 측정된 전압값을 이용하여 나노선에 접촉하는 가스를 검출한다.
이와 같이, 나노선을 이용한 가스 검출에 있어서, 홀 효과를 이용함으로써, 나노선과 전극 사이에 존재하는 접촉 저항의 영향을 받지 않고 효과적으로 가스 센싱을 수행할 수 있게 된다.
이때, 가스 검출부는 측정된 전압값을 이용하여 나노선의 대전 입자 밀도(charge carrier density)를 산출함으로써 가스의 검출을 수행할 수 있다.
또한, 전압 측정부는 자계를 인가하기 전에 측정되는 전압을 상쇄시키기 위한 가변 저항을 포함할 수 있다. 이와 같이 가변 저항을 이용함으로써, 전압 측정 방향과 전극의 배열 방향이 일치하지 않는 경우 발생할 수 있는 나노선 자체의 저항에 의한 전압 성분을 배제할 수 있게 된다.
또한, 가스 검출 장치는 나노선의 두께보다 작은 간극을 가지며 나노선과 교차하는 복수의 전극을 포함하며, 전류 인가부는 간극이 나노선 상에 위치하지 않는 전극들 사이에서 전류를 인가하고, 전압 측정부는 전류가 인가되는 전극들 사이에 위치하고 전극의 간극이 나노선 상에 위치하는 전극의 양단에서 전압을 측정할 수 있다.
또한, 가스 검출 장치는 나노선의 하측에서 나노선과 교차하는 하부 전극 및 나노선의 상측에서 나노선과 교차하는 복수의 상부 전극을 포함하며, 전류 인가부는 상부 전극들 사이에서 전류를 인가하고, 전압 측정부는 전류가 인가되는 전극들 사이에 위치하는 상부 전극과 하부 전극 사이에서 전압을 측정할 수 있다.
아울러, 상기 장치를 방법의 형태로 구현한 발명이 개시된다.
본 발명에 의하면, 홀 효과를 이용함으로써 나노선과 전극 사이에 존재하는 접촉 저항의 영향을 받지 않고 효과적으로 나노선을 이용한 가스 센싱을 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 검출 장치의 일 실시예의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 가스 검출 장치를 실제 구현한 예의 도면.
도 3은 도 1의 가스 검출 장치를 실제 구현한 다른 예의 도면.
도 4는 도 1의 가스 검출 장치를 실제 구현한 또 다른 예의 도면.
도 5는 홀전압 측정 전극이 정확히 맞은편에 있지 않을 때 발생하는 전압 강하를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 가스 검출 방법의 일 실시예를 수행하기 위한 개략적인 흐름도.
도 7은 홀전압을 측정하여 나노선의 대전 입자 밀도를 산출하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 검출 장치의 일 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 1에서, 가스 검출 장치(100)는 전류 인가부(110), 자계 인가부(120), 전압 측정부(130), 및 가스 검출부(140)를 포함한다.
전계 인가부(110)는 나노선에 전류를 인가하고, 자계 인가부(120)는 전류의 방향과 수직 방향 성분의 자계를 나노선에 인가한다.
전압 측정부(130)는 나노선 상에서 전류 및 자계 방향과 각각 수직인 방향의 전압을 측정한다. 이때, 전압 측정부(130)는 자계를 인가하기 전에 측정되는 전압을 상쇄시키기 위한 가변 저항(132)을 포함할 수 있다.
이와 같이 가변 저항(132)을 이용함으로써, 전압 측정 방향과 전극의 배열 방향이 일치하지 않는 경우 발생할 수 있는 나노선 자체의 저항에 의한 전압 성분을 배제할 수 있게 된다.
가스 검출부(140)는 측정된 전압값을 이용하여 나노선에 접촉하는 가스를 검출한다. 이때, 가스 검출부(140)는 측정된 전압값을 이용하여 나노선의 대전 입자 밀도를 산출함으로써 가스의 검출을 수행한다.
이와 같이, 나노선을 이용한 가스 검출에 있어서 홀 효과를 이용함으로써, 나노선과 전극 사이에 존재하는 접촉 저항의 영향을 받지 않고 효과적으로 가스 센싱을 수행할 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 가스 검출 장치를 실제 구현한 예의 도면이다.
도 2에서와 같이 나노선 시료를 기판상에 위치시키고 나노선 양쪽에 전극을 증착한 후 홀(Hall)전압을 측정할 수 있는 전극을 나노선 두께 방향으로 위치시킨다.
다음으로, 나노선의 홀전압(Hall voltage)을 측정하기 위해 도 2에서와 같이 나노선과 전극을 위치시킨 기판을 영구 자석이나 전자석을 이용하여 생성시킨 자계 내에 위치시킨다.
나노선 시료 길이 방향 양쪽의 전극에 일반적인 전류 소스 기기를 이용하여 원하는 전류를 인가한 후 도 2에서와 같이 위치시킨 홀(Hall)전압 측정 전극에서 일반적인 전압 측정 장치를 이용하여 생성된 홀 전압(Hall voltage)을 측정한다.
또한, 가스 검출 장치(100)는 나노선의 두께보다 작은 간극을 가지며 나노선과 교차하는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 이때, 전류 인가부(110)는 간극이 나노선 상에 위치하지 않는 전극들 사이에서 전류를 인가하고, 전압 측정부(130)는 전류가 인가되는 전극들 사이에 위치하고 전극의 간극이 나노선 상에 위치하는 전극의 양단에서 전압을 측정할 수 있다.
도 3은 도 1의 가스 검출 장치를 실제 구현한 다른 예의 도면이다.
도 3은 나노선과 같이 두께가 매우 작아 정확하게 패턴을 하기 어려운 시료에 홀(Hall)전압을 측정하기 위한 나노선 패턴을 제안한 것으로서, 나노선 두께보다 작은 길이로 간격이 나 있는 전극 패턴의 반복 패턴으로 각각의 패턴은 나노선의 두께(d)만큼 옆으로 이동을 시킨 것이다.
도 3의 구조를 제작하기 위해서는 먼저, 나노선에 좁은 간격을 가진 금속 전극을 나노선과 일부 겹치도록 증착시킨다. 이때의 좁은 간격은 나노선의 굵기보다 작은 간격을 의미한다.
금속 전극은 복수개를 함께 증착하는데, 각 전극 간격의 위치는 나노선의 굵기만큼씩 전극의 길이 방향으로 차이가 나도록 한다.
간격이 나노선에 위치하지 않은 금속 전극은 나노선으로 전류를 흘려주는 전극, 또는 일반적인 전류- 전압 특성을 얻기 위해 사용될 수 있고, 간격이 나노선에 위치하는 전극은 홀전압을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 가스 검출 장치(100)는 나노선의 하측에서 나노선과 교차하는 하부 전극 및 나노선의 상측에서 나노선과 교차하는 복수의 상부 전극을 포함할 수 있다.이때, 전류 인가부(110)는 상부 전극들 사이에서 전류를 인가하고, 전압 측정부(130)는 전류가 인가되는 전극들 사이에 위치하는 상부 전극과 하부 전극 사이에서 전압을 측정할 수 있다.
도 4는 도 1의 가스 검출 장치를 실제 구현한 또 다른 예의 도면이다.
도 4에서는 전극을 수직으로 쌓는 형태로 먼저 홀(Hall)전압을 측정하기 위한 전극1을 먼저 위치시킨 후 그 위에 나노선을 교차하게 위치시키고 나노선 위에 홀(Hall)전압을 측정하기 위한 전극들과 전류를 흘려주기 위한 전극들을 위치시킨다.
보다 상세히 설명하자면 먼저, 기판 위에 금속 전극1을 제작한 후 나노선을 도포하고, 나노선 확인 후 금속 전극 2a 내지 2d를 증착한다. 이 경우 금속 전극 2a 내지 2d로 4단자 측정하여 접촉 저항을 배제한 저항 측정이 가능하고, 금속 전극1과 금속 전극 2b, 2c로 홀효과가 측정 가능하다.
이때, 기하 오차(geometry error)를 해결하기 위해 금속 전극 2b, 2c 사이에 가변 저항을 달아 자기장을 인가하기 전에 측정전압을 0[V]로 맞춰 준다.
도 5는 홀전압 측정 전극이 정확히 맞은편에 있지 않을 때 전압 강하를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 홀효과를 측정하는 전극이 수직 방향으로 일치하지 않으면 홀효과에 의해 생긴 전압뿐만 아니라 시료 자체의 저항에 의한 전압 성분이 함께 측정되는 것을 확인할 수 있다.
그런데, 홀전압(Hall voltage)을 측정하는 전극이 나노선을 기준으로 정확하게 맞은편에 있어야 나노선의 저항 성분으로 인한 전압 강하 성분을 포함하지 않는 순수한 홀전압(Hall voltage)을 구할 수 있다.
순수한 홀전압의 측정을 위해 도 4에서와 같이, 나노선 두께 방향으로 위쪽에 전극 하나, 아래쪽에 전극 2개를 만든 후 전극 2개 사이에 가변저항을 연결하여 자계 안에 기판을 위치시키기 전에 가변 저항을 조절하여 위 전극과 아래 가변 저항 단자 사이에 전압을 0으로 만든 후 자계 안에 기판을 위치시켜 홀전압을 측정하는 방법을 이용할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 가스 검출 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도이다.
본 발명에서는 홀효과(Hall effect)를 이용하여 홀전압(Hall voltage)을 측정하고, 이를 통한 대전 입자 밀도(charge carrier density)를 계산함으로써, 가스(Gas) 환경에서의 1차원 나노선의 가스 센싱(gas sensing)을 수행한다.
이를 위해 도 6에서는 먼저, 나노선에 전류를 인가하고(S110), 전류의 방향과 수직 방향 성분의 자계를 상기 나노선에 인가한다(S120).
이어서, 나노선 상에서 전류 및 자계 방향과 각각 수직인 방향의 전압을 측정한다(S130). 이때 정확한 전압의 측정을 위해 가변 저항을 이용하여 자계를 인가하기 전에 측정되는 전압을 상쇄시킬 수 있다.
마지막으로, 측정된 전압값을 이용하여 나노선에 접촉하는 가스를 검출한다(S140). 이때 가스의 검출은 측정된 전압값을 이용하여 나노선의 대전 입자 밀도를 산출함으로써 수행한다.
도 7은 홀전압을 측정하여 나노선의 대전 입자 밀도를 산출하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 7에서와 같이, 자계(Magnetic field) 내에서 움직이는 전하는 로렌쯔의 힘(Lorentz force)을 받게 되어 있고, 결국 전하의 분포가 균일했던 상태에서 벗어나 한쪽으로 쏠려서 쌓이게 된다. 일정 시간이 지나 평형 상태에 도달했을 때 형성된 전기력과 로렌쯔의 힘(Lorentz force)의 크기는 같아지게 되고, 방향은 반대로 형성된다.
자계(Magnetic field)의 크기, 기판의 두께(hall bar와 시료 사이의 거리)를 이용하여 위의 평형상태까지 발생하는 전위차(Hall Voltage)를 구할 수 있고, 아래 식과 같이 대전 입자 밀도(charge carrier density)를 유도할 수 있다.
n=-ByIx/dVHe
(n: charge carrier density, By: magnetic field, Ix: current, d: thickness of sample, VH: Hall voltage, e: electronic charge)
본 발명에 의하면, 간단한 홀바(Hall bar; 나노선과 금속 전극들)와 전압 소스(source)만으로 홀효과(Hall effect)를 유도할 수 있는 장치를 만들 수 있게 된다. 일반적으로 나노선 구현에 사용되는 소규모의 기판에 쉽게 장착하여 캐리어 밀도(carrier density)의 변화를 정량화할 수 있으며, 가스 센싱(Gas sensing) 시 필요한 캐리어 밀도(carrier density)의 정량화를 간편하게 정의하여 사용자의 응용과 목적에 맞는 실험 결과를 유도, 분석할 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 가스 검출 장치
110: 전류 인가부
120: 자계 인가부
130: 전압 측정부
132: 가변 저항
140: 가스 검출부

Claims (8)

  1. 나노선에 전류를 인가하는 전류 인가부;
    상기 전류의 방향과 수직 방향 성분의 자계를 상기 나노선에 인가하는 자계 인가부;
    상기 나노선 상에서 상기 전류 및 자계 방향과 각각 수직인 방향의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 측정된 전압값을 이용하여 상기 나노선에 접촉하는 가스를 검출하는 가스 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 검출부는 상기 측정된 전압값을 이용하여 상기 나노선의 대전 입자 밀도(charge carrier density)를 산출함으로써 상기 가스의 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 측정부는 상기 자계를 인가하기 전에 측정되는 전압을 상쇄시키기 위한 가변 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노선의 두께보다 작은 간극을 가지며 상기 나노선과 교차하는 복수의 전극을 포함하며,
    상기 전류 인가부는 상기 간극이 상기 나노선 상에 위치하지 않는 전극들 사이에서 전류를 인가하고,
    상기 전압 측정부는 상기 전류가 인가되는 전극들 사이에 위치하고 전극의 간극이 상기 나노선 상에 위치하는 전극의 양단에서 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노선의 하측에서 상기 나노선과 교차하는 하부 전극, 및 상기 나노선의 상측에서 상기 나노선과 교차하는 복수의 상부 전극을 포함하며,
    상기 전류 인가부는 상기 상부 전극들 사이에서 전류를 인가하고,
    상기 전압 측정부는 상기 전류가 인가되는 전극들 사이에 위치하는 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에서 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 장치.
  6. 가스 검출 장치가,
    나노선에 전류를 인가하는 전류 인가 단계;
    상기 전류의 방향과 수직 방향 성분의 자계를 상기 나노선에 인가하는 자계 인가 단계;
    상기 나노선 상에서 상기 전류 및 자계 방향과 각각 수직인 방향의 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및
    상기 측정된 전압값을 이용하여 상기 나노선에 접촉하는 가스를 검출하는 가스 검출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가스 검출 단계는 상기 측정된 전압값을 이용하여 상기 나노선의 대전 입자 밀도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전압 측정 단계는 가변 저항을 이용하여 상기 자계를 인가하기 전에 측정되는 전압을 상쇄시키기는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
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