KR101273452B1 - Substance detection device using the oxide semiconductor nano rod and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자, 및 그 제조 방법이 개시된다. 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자는 기판의 미리 설정된 영역에 형성된 복수의 전극, 및 복수의 전극 중 미리 설정된 전극 사이에 형성된 미리 설정된 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 포함한다. 전극 사이에 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 형성시킴으로써, 센서의 부피 대비 표면적을 개선하여 수소 가스를 넓은 농도 범위에서 효과적으로 감지할 수 있게 된다.A material sensing device using an oxide semiconductor nanorod, and a method of manufacturing the same are disclosed. The material sensing device using the oxide semiconductor nanorod includes a plurality of electrodes formed in a predetermined region of the substrate, and a network structure of the predetermined oxide semiconductor nanorod formed between the preset electrodes among the plurality of electrodes. By forming a network structure of oxide semiconductor nanorods between the electrodes, it is possible to effectively detect hydrogen gas in a wide concentration range by improving the surface area to volume ratio of the sensor.
Description
본 발명은 물질 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 산화 금속 나노 막대를 이용한 수소 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a material sensing device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a hydrogen sensing device using a metal oxide nanorod and a method for manufacturing the same.
수소는 상대적으로 저가이며, 고효율 특성을 보이는 장점으로 인해, 최근 차세대 청정 에너지원으로써 각광을 받고 있다. 하지만, 잘 알려져 있다시피 수소는 공기 중 약 4% 정도의 저 농도에서도 쉽게 폭발하는 단점이 있다. Hydrogen is in the spotlight as a next-generation clean energy source because of its relatively low cost and high efficiency. However, as is well known, hydrogen has the disadvantage of easily exploding even at low concentrations of about 4% in air.
또한, 수소를 연료전지와 같은 에너지 소자에 응용하기 위해서는 정확한 수소의 양을 측정하는 것이 중요하다. 따라서 이러한 응용을 위해서는 넓은 농도 범위에서 빠르고 재현성 있는 고성능의 수소 센서가 필요하다.In addition, in order to apply hydrogen to energy devices such as fuel cells, it is important to accurately measure the amount of hydrogen. Therefore, these applications require high-performance hydrogen sensors that are fast and reproducible over a wide concentration range.
종래에 수소 가스 센싱 소자의 재료로서 많이 연구되고 있는 것은 산화물 반도체 물질이다. 그 예로 산화아연 (ZnO), 산화주석(SnO2) 등을 들 수 있다. 그러나 산화물 반도체를 박막 형태로 가스 센싱 소자를 제작할 경우, 박막의 부피 대비 표면적이 제한적이기 때문에 감도 (Sensitivity)가 상대적으로 작은 단점이 있다.Background Art An oxide semiconductor material has been studied a lot as a material for a hydrogen gas sensing element. Examples thereof include zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and the like. However, when the gas sensing device is manufactured in the form of a thin film of an oxide semiconductor, the sensitivity is relatively small because the surface area is limited to the volume of the thin film.
본 발명은 상술한 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 산화물 반도체의 부피 대비 표면적을 증가시켜, 수소 가스를 넓은 농도 범위에서 효과적으로 감지할 수 있는 가스 센서 장치, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a gas sensor device and a method which can effectively detect hydrogen gas in a wide concentration range by increasing the surface area to volume of an oxide semiconductor. The purpose.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자는 기판의 미리 설정된 영역에 형성된 복수의 전극, 및 복수의 전극 중 미리 설정된 전극 사이에 형성된 미리 설정된 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 포함한다.In order to achieve the above object, a material sensing device using an oxide semiconductor nanorod according to the present invention includes a plurality of electrodes formed on a predetermined region of a substrate, and a network of preset oxide semiconductor nanorods formed between preset electrodes among the plurality of electrodes. Include structure.
전극 사이에 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 형성시킴으로써, 센서의 부피 대비 표면적을 개선하여 수소 가스를 넓은 농도 범위에서 효과적으로 감지할 수 있게 된다.By forming a network structure of oxide semiconductor nanorods between the electrodes, it is possible to effectively detect hydrogen gas in a wide concentration range by improving the surface area to volume ratio of the sensor.
이때, 나노 막대 네트워크 구조는 수열 합성법을 이용하여 형성될 수 있다. 이 경우 제조 비용을 절감할 수 있고, 저온에서 공정을 수행할 수 있으므로 플라스틱 기판 위에서도 소자 제작이 가능하게 된다. In this case, the nanorod network structure may be formed using hydrothermal synthesis. In this case, the manufacturing cost can be reduced, and the process can be performed at a low temperature, thereby enabling device fabrication on a plastic substrate.
또한, 감지 소자는 나노 막대 네트워크 구조의 미리 설정된 영역에 형성된 미리 설정된 산화물 반도체 네트워크 구조를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성은 감지 소자 내의 이중 접합 구조를 허용하여 소자의 감도를 개선할 수 있게 된다.In addition, the sensing element may further include a preset oxide semiconductor network structure formed in a predetermined region of the nano-rod network structure. Such a configuration allows a double junction structure in the sensing element to improve the sensitivity of the element.
또한, 감지 소자는 나노 막대 네트워크 구조의 미리 설정된 영역에 형성된 미리 설정된 촉매 물질층을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성 역시 소자의 감도를 개선하여 소자의 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다.In addition, the sensing element may further include a predetermined layer of catalytic material formed in a predetermined region of the nanorod network structure. Such a configuration can also improve the sensitivity of the device to further improve the characteristics of the device.
또한, 전극은 IDT(Interdigittated electrodes) 전극일 수 있다. 이러한 구성은 소자의 안정성을 더욱 개선할 수 있게 된다.In addition, the electrode may be an interdigittated electrode (IDT) electrode. This configuration can further improve the stability of the device.
또한, 산화물 반도체는 산화 아연일 수 있다.In addition, the oxide semiconductor may be zinc oxide.
아울러, 상기 장치 발명을 방법의 형태로 구현한 발명이 함께 개시된다.In addition, the invention embodying the device invention in the form of a method is also disclosed.
본 발명에 의하면, 전극 사이에 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 형성시킴으로써, 센서의 부피 대비 표면적을 개선하여 수소 가스를 넓은 농도 범위에서 효과적으로 감지할 수 있게 된다.According to the present invention, by forming a network structure of the oxide semiconductor nanorods between the electrodes, it is possible to effectively detect the hydrogen gas in a wide concentration range by improving the surface area to volume of the sensor.
또한, 수열 합성법을 이용하여 제조 비용을 절감할 수 있고, 저온에서 공정을 수행할 수 있으므로 플라스틱 기판 위에서도 소자 제작이 가능하게 된다. In addition, the manufacturing cost can be reduced by using the hydrothermal synthesis method, and since the process can be performed at low temperature, the device can be manufactured on the plastic substrate.
또한, 감지 소자 내의 이중 접합 구조를 허용하여 소자의 감도를 개선할 수 있게 된다.In addition, it is possible to improve the sensitivity of the device by allowing a double junction structure in the sensing device.
또한, 촉매 물질층을 더 포함함으로써, 소자의 감도를 개선하여 소자의 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다.In addition, by further including a catalyst material layer, it is possible to improve the sensitivity of the device to further improve the characteristics of the device.
또한, IDT(Interdigittated electrodes) 전극을 채용하여, 소자의 성능을 더욱 개선할 수 있게 된다.In addition, by adopting an IDT (Interdigittated electrodes) electrode, the performance of the device can be further improved.
도 1은 본 발명에 따른 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 물질 감지 소자를 포함하는 감지 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1의 물질 감지 소자 제작 과정을 도시한 도면.
도 4는 도 1의 전극으로 IDT (Interdigitated electrodes) 전극이 채용된 예를 도시한 사진.
도 5는 도 4의 전극 상에 완성된 물질 감지 소자의 나노 막대 네트워크 구조를 확대한 전자 현미경 사진.
도 6은 325℃에서 물질 감지 소자의 민감도가 수소 농도에 따라서 변화하는 예를 도시한 그래프.
도 7은 여러 농도 중 50ppm 의 농도에 대한 반응 곡선을 확대하여 살펴본 그래프.
도 8은 350℃에서 측정된 수소 농도에 따른 감지 소자의 민감도 변화와 각각의 반응 및 회복 시간을 정리한 그래프.
도 9는 수열 합성법으로 제작된 코어쉘 형태의 나노 막대의 투과 전자 현미경 사진.
도 10은 금속 촉매가 선택적으로 도포된 산화물 반도체 나노 막대 센서의 수소 농도에 따른 저항 변화를 상온에서 측정한 그래프.1 is a view schematically showing an embodiment of a material sensing device using an oxide semiconductor nanorod according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic illustration of a sensing device including the material sensing element of FIG. 1. FIG.
3 is a view illustrating a process of fabricating the material sensing device of FIG. 1.
FIG. 4 is a photograph showing an example in which an interdigitated electrode (IDT) electrode is employed as the electrode of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an enlarged electron micrograph of the nanorod network structure of the material sensing element completed on the electrode of FIG. 4. FIG.
6 is a graph showing an example in which the sensitivity of the material sensing element is changed according to the hydrogen concentration at 325 ° C.
7 is a graph illustrating an enlarged response curve for a concentration of 50 ppm among various concentrations.
8 is a graph summarizing the sensitivity change and the reaction and recovery time of the sensing element according to the hydrogen concentration measured at 350 ℃.
Figure 9 is a transmission electron micrograph of the core-shell nanorods produced by hydrothermal synthesis.
10 is a graph measuring the resistance change according to the hydrogen concentration of the oxide semiconductor nano-rod sensor selectively coated with a metal catalyst at room temperature.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 물질 감지 소자를 포함하는 감지 장치를 도시한 개략적인 도면이다.FIG. 1 is a view schematically showing an embodiment of a material sensing device using an oxide semiconductor nanorod according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing a sensing device including the material sensing device of FIG. 1.
도 1에서, 물질 감지 소자(100)는 기판(130)의 미리 설정된 영역에 형성된 복수의 전극(110), 및 복수의 전극 중 미리 설정된 전극 사이에 형성된 미리 설정된 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조(120)를 포함한다.In FIG. 1, the
이와 같이, 전극 사이에 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조(120)를 형성시킴으로써, 센서의 부피 대비 표면적을 개선하여 수소 가스를 넓은 농도 범위에서 효과적으로 감지할 수 있게 된다.As such, by forming the
여기서, 미리 설정된 영역이나, 미리 설정된 전극, 미리 설정된 산화물 반도체는 제조자 등에 의해 미리 설정된 영역이나 전극, 또는 산화물 반도체 물질을 의미한다. Here, the predetermined region, the predetermined electrode, or the predetermined oxide semiconductor means a region or electrode preset by a manufacturer or the like, or an oxide semiconductor material.
이때, 산화물 반도체는 산화 아연인 것이 바람직하며, 전극(110)은 IDT(Interdigittated electrodes) 전극인 것이 바람직하다. 이러한 구성은 소자의 성능을 더욱 개선할 수 있게 된다.In this case, the oxide semiconductor is preferably zinc oxide, and the
도 2에서, 감지 장치는 감지 소자인 가스 감지부(100), 전압 인가부(200), 및 전류 측정부(400)를 포함하고 있다.In FIG. 2, the sensing device includes a
전압 인가부(200)를 통해 감지 소자(100)의 전극(110)에 전압을 인가하고, 가스 감지부(100)에서 수소 가스와 산화물 반도체 나노 막대와의 반응으로 인해 전기 저항이 변화하게 된다. 이를 전류 측정부(300)에서 실시간 감지할 수 있다.The voltage is applied to the
산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자의 작동 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.The operating principle of the material sensing device using the oxide semiconductor nano bar is briefly described as follows.
산화물 반도체 나노 막대 표면에는 산소 원자/분자들이 대전된 상태로 존재한다. 이러한 대전된 산소 원자/분자들은 수소 가스와 반응하여 물분자를 발생하게 한다. 위의 반응을 통해 산화물 반도체 나노 막대의 자유전자가 증가하게 되고, 따라서 전기저항이 낮아지게 된다. Oxygen atoms / molecules are in a charged state on the surface of the oxide semiconductor nanorods. These charged oxygen atoms / molecules react with hydrogen gas to generate water molecules. Through the above reaction, the free electrons of the oxide semiconductor nanorods increase, thus lowering the electrical resistance.
본 발명의 바람직한 실시 예는 이전의 물질 감지 소자에 비해 빠르고 감도가 높은 특성을 보여 주었다. 이러한 이유는 산화물 반도체 나노 막대들이 겹층으로 쌓여있는 네트워크 구조이기 때문이다. The preferred embodiment of the present invention showed faster and higher sensitivity than the previous material sensing device. This is because the oxide semiconductor nanorods are stacked in layers.
다공성의 네트워크 구조는 수소 가스와 물 분자의 입/출입을 용이하게 만들고, 표면적이 넓은 효과로 인해 감도가 향상될 수 있다. 또한, 산화물 반도체 나노 막대 네트워크 구조의 대부분이 기판에 닿지 않는 띄어진 구조(Suspended structure)로 구성되어 있어서, 메모리 효과 (Memory effect) 없이 가스를 감지할 수 있게 한다.The porous network structure facilitates the entry / exit of hydrogen gas and water molecules, and the sensitivity can be improved due to the large surface area effect. In addition, most of the oxide semiconductor nanorod network structure is composed of a suspended structure that does not touch the substrate, thereby allowing gas to be detected without a memory effect.
이때, 나노 막대 네트워크 구조(120)는 수열 합성법을 이용하여 형성될 수 있다. 이 경우 제조 비용을 절감할 수 있고, 저온에서 공정을 수행할 수 있으므로 플라스틱 기판 위에서도 소자 제작이 가능하게 된다.In this case, the nano-
박막 형태의 가스 센서 제작에 있어 부피 대비 표면적을 극대화하고자 나노 스케일의 산화물 반도체 재료를 이용하기 위한 다양한 시도가 진행 중이다. 또한, 센서 성능을 향상시키고자 산화물 반도체 나노 구조체와 금속 촉매(Pt, Pd 등)를 이용한 가스 센서 제작이 시도되고 있다.Various attempts are being made to use nanoscale oxide semiconductor materials to maximize the surface area to volume in the fabrication of thin film gas sensors. In addition, in order to improve sensor performance, fabrication of gas sensors using oxide semiconductor nanostructures and metal catalysts (Pt, Pd, etc.) has been attempted.
그러나 종래의 방법에 의하면, 나노구조체로 인한 표면적 증가와 금속 촉매의 이점으로 인하여 수소 가스에 대한 감도가 높지만, 산화아연 나노구조체의 합성 조건은 고온 및 고가의 장비를 필요로 한다. However, according to the conventional method, although the sensitivity to hydrogen gas is high due to the surface area increase and the advantages of the metal catalyst due to the nanostructure, the synthesis conditions of the zinc oxide nanostructure require high temperature and expensive equipment.
또한, 센서의 성능을 향상시키기 위한 금속 촉매를 선택적으로 도포하기 위해서는 별도의 공정이 필요하다.In addition, a separate process is required to selectively apply a metal catalyst for improving the performance of the sensor.
그런데 본 발명에서 사용하는 수열 합성법 (Sol-gel 합성법)은 타 공정법(CVD(Chemical Vapor Deposition), Thermal evaporation method 등)과 비교해서 간단한 장비를 이용하고 저가의 공정이 가능하며, 수율이 높은 장점이 있다. By the way, compared to other processes (CVD (Chemical Vapor Deposition), Thermal evaporation method, etc.), the hydrothermal synthesis method (Sol-gel synthesis method) used in the present invention is possible to use a simple equipment and low-cost process, high yield There is this.
또한, 수용액 상태의 합성법이므로 100℃ 이하의 공정 과정이다. 이러한 효과를 이용하여 저비용으로 웨이퍼 단위의 소자 제작이 가능하며, 플라스틱 기판 위에서도 소자 제작이 가능하다.Moreover, since it is the synthesis method of aqueous solution state, it is a process process of 100 degrees C or less. By using this effect, it is possible to fabricate a wafer unit at a low cost, and to fabricate a device on a plastic substrate.
또한, 수열 합성법은 몰농도 조절을 통해 나노 구조체의 직경 및 길이 조정이 가능하므로 센서의 구성 및 특성을 조정하기 용이하다.In addition, the hydrothermal synthesis method can adjust the diameter and length of the nanostructure through the molar concentration control, it is easy to adjust the configuration and properties of the sensor.
감지 소자(100)는 나노 막대 네트워크 구조(120)의 미리 설정된 영역에 형성된 미리 설정된 산화물 반도체 네트워크 구조(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성은 감지 소자 내의 이중 접합 구조를 허용하여 소자의 감도를 개선할 수 있게 된다.The
이와 같은 구조는 수열 합성법을 다단계로 수행하여 형성될 수 있으며, 다단계 수열 합성법을 이용하는 경우 코어쉘 (Core-Shell) 형태의 이종 접합 구조 (Heterojunction structure)를 포함하는 고감도 센서를 제작할 수도 있게 된다.Such a structure may be formed by performing hydrothermal synthesis in multiple stages, and when using multi-stage hydrothermal synthesis, a highly sensitive sensor including a heterojunction structure in the form of a core-shell may be manufactured.
또한, 감지 소자(100)는 나노 막대 네트워크 구조(120)의 미리 설정된 영역에 형성된 미리 설정된 촉매 물질(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성 역시 소자의 감도를 개선하여 소자의 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다.In addition, the
이때, 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 촉매 물질층으로 금속 촉매(Pt, Pd 등)를 도포할 수 있다.In this case, a metal catalyst (Pt, Pd, etc.) may be applied to the catalyst material layer capable of improving the performance of the sensor.
도 3은 도 1의 물질 감지 소자 제작 과정을 도시한 도면이다.3 is a view illustrating a manufacturing process of the material sensing device of FIG. 1.
도 3에서 먼저, 전기 절연층이 포함된 기판(SiO2/Si 혹은 Si3N4 혹은 플라스틱 기판) 위에 전극층을 형성한다(a, b).In FIG. 3, first, an electrode layer is formed on a substrate (SiO 2 / Si or Si 3 N 4 or a plastic substrate) including an electrical insulation layer (a, b).
이어서, 기판을 감광층으로 도포하고 선택적으로 산화아연 나노 막대가 합성될 곳에 리쏘그라피(Lithography) 공정을 수행한다(c, d). Subsequently, the substrate is coated with a photosensitive layer and optionally subjected to a lithography process where zinc oxide nanorods are synthesized (c, d).
이후 수열 합성 공정을 통해 산화물 반도체 나노 막대를 합성한다(e).Thereafter, an oxide semiconductor nanorod is synthesized through a hydrothermal synthesis process (e).
이때 다단계 수열 합성법을 이용하여 코어쉘 (Core-Shell) 형태의 이종접합 구조 (Heterojunction structure)를 포함하는 고감도 센서를 제작할 수 있다(f-1).In this case, a high sensitivity sensor including a heterojunction structure of a core-shell type may be manufactured using a multi-step hydrothermal synthesis method (f-1).
또한, 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 금속 촉매(Pt, Pd 등)를 도포할 수 있다(f-2).In addition, a metal catalyst (Pt, Pd, etc.) capable of improving the performance of the sensor can be applied (f-2).
다음으로, 원하지 않는 곳의 산화물 반도체 나노선 및 금속 촉매를 제거하기 위해서 감광층을 제거한다 (Lift-off 공정; g-1, g-2, g-3)).Next, the photosensitive layer is removed in order to remove the oxide semiconductor nanowires and the metal catalyst where it is not desired (Lift-off process; g-1, g-2, g-3).
이러한 방법을 이용하여 선택적으로 합성된 산화물 반도체 나노구조체 센서를 제작할 수 있다 (g-1)). 또한 가스 감지부는 코어쉘 형태로 선택적으로 합성하여 센서를 제작할 수 있다 (g-2)). 또한 가스 감지 성능을 향상시키는 금속 촉매가 선택적으로 도포된 센서를 제작할 수 있다 (g-3)).This method can be used to fabricate a selectively synthesized oxide semiconductor nanostructure sensor (g-1)). In addition, the gas detection unit may be selectively synthesized in the form of a core shell to manufacture a sensor (g-2)). In addition, a sensor selectively coated with a metal catalyst for improving gas detection performance may be manufactured (g-3)).
도 4, 및 5는 도 3의 제작 과정을 이용하여 물질 감지 소자를 제작하는 예를 도시한 도면이다.4 and 5 illustrate an example of fabricating a material sensing device using the fabrication process of FIG. 3.
도 4에는, IDT (Interdigitated electrodes) 전극이 형성된 기판 위에 산화아연 나노 막대가 선택적으로 형성된 수소 가스 감지 소자의 예가 도시되어 있고, 도 5에는 완성된 물질 감지 소자의 가스 감지부를 확대한 전자 현미경 사진이 도시되어 있다. FIG. 4 shows an example of a hydrogen gas sensing element in which zinc oxide nano bars are selectively formed on a substrate on which an IDT (interdigitated electrodes) electrode is formed, and FIG. 5 is an electron micrograph showing an enlarged gas sensing unit of the completed material sensing element. Is shown.
이와 같이 본 발명을 실시함으로써 기판 위에 가스 감지부(100)를 선택적으로 합성이 가능하게 하며, 이를 통해 전기적 격리를 용이하게 제어할 수 있게 한다.By implementing the present invention as described above it is possible to selectively synthesize the
도 6은 325℃에서 도 1의 물질 감지 소자의 민감도가 수소 농도에 따라서 변화하는 예를 도시한 그래프이다. 고농도에서 저농도에 이르는 넓은 수소 농도 범위를 높은 감도(Sensitivity)로 반응하고 있음을 보여 주었다. FIG. 6 is a graph illustrating an example in which the sensitivity of the material sensing device of FIG. 1 varies with hydrogen concentration at 325 ° C. FIG. It has been shown that it reacts with a high sensitivity to a wide range of hydrogen concentrations from high to low concentrations.
도 7은 여러 농도 중 50ppm 의 농도에 대한 반응 곡선을 확대하여 살펴본 그래프이다. 반응시간(포화된 감도 대비 90%에 이르는 시간)이 약 11초 그리고 회복시간(포화된 감도 대비 10%로 떨어지는 시간)이 약 15초로 매우 빠른 반응을 보인다. 7 is a graph illustrating enlarged response curves for concentrations of 50 ppm among various concentrations. The response time (up to 90% of the saturated sensitivity) is about 11 seconds, and the recovery time (down to 10% of the saturated sensitivity) is about 15 seconds.
도 8은 350℃에서 측정된 수소 농도에 따른 감지 소자의 민감도 변화와 각각의 반응 및 회복 시간을 정리한 그래프이다.8 is a graph summarizing the sensitivity change of the sensing element according to the hydrogen concentration measured at 350 ° C., and the respective reaction and recovery times.
도 9는 수열 합성법으로 제작된 코어쉘 형태의 나노 막대의 투과 전자 현미경 사진이다. 이와 같이 본 발명을 실시함으로써 기판 위에 코어쉘 형태의 나노 막대를 선택적으로 합성이 가능하게 하며, 이를 통해 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.FIG. 9 is a transmission electron micrograph of a core-shell nanorod manufactured by hydrothermal synthesis. FIG. By implementing the present invention as described above it is possible to selectively synthesize the core-shell nano-rod on the substrate, thereby improving the performance of the sensor.
도 10은 금속 촉매가 선택적으로 도포된 산화물 반도체 나노 막대 센서의 수소 농도에 따른 저항 변화를 상온에서 측정한 그래프이다. 이와 같이 본 발명을 실시함으로써 상온에서 넓은 농도 범위에서 수소 가스를 고감도로 측정할 수 있다.
FIG. 10 is a graph measuring resistance change according to hydrogen concentration of an oxide semiconductor nanorod sensor to which a metal catalyst is selectively applied. Thus, by implementing this invention, hydrogen gas can be measured with high sensitivity in a wide range of concentration at normal temperature.
본 발명은 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 수소 감지 소자 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명은 포토리소그라피(Photolithography) 공정과 수열 합성법을 이용하여, 산화물 반도체 나노 막대와 금속 촉매를 선택적으로 전극 위에 형성하고, 이를 수소 감지부로 사용함으로써, 종래 기술에 비하여 표면 감지 영역이 넓고, 감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있으며 상온에서 감지가 가능하다. 또한, 코어쉘 형태의 나노 막대 네트워크 구조의 제작도 가능하여 고감도 특성을 보일 수 있다. The present invention discloses a hydrogen sensing device using an oxide semiconductor nanorod and a method of manufacturing the same. According to the present invention, by using a photolithography process and a hydrothermal synthesis method, an oxide semiconductor nanorod and a metal catalyst are selectively formed on an electrode and used as a hydrogen sensing unit. It can be improved and can be detected at room temperature. In addition, it is possible to manufacture a core-shell nano-rod network structure can exhibit a high sensitivity.
또한, 종래 기술에 비하여, 본 발명 구조는 대부분의 나노 막대들이 기판에 닿지 않는 띄어진 구조(suspended structure)로 구성되어 있어서, 메모리 효과 (Memory effect) 없이 가스를 감지할 수 있게 한다. 또한, 수소 감지 소자는 한 기판 위에 복수개로 설치될 수 있다.In addition, compared to the prior art, the structure of the present invention is composed of a suspended structure in which most of the nanorods do not touch the substrate, so that the gas can be detected without a memory effect. In addition, a plurality of hydrogen sensing elements may be installed on one substrate.
본 발명의 가스 감지 소자는 동종(同種) 산화물 반도체 나노 구조체 혹은 이종(異種)의 코어쉘 형태의 산화물 반도체 나노 구조체로 구성될 수 있다. 이때 금속 촉매가 선택적으로 도포된 구조가 더 포함될 수 있다. The gas sensing device of the present invention may be composed of an oxide semiconductor nanostructure of the same type or a heterogeneous coreshell type. In this case, a structure in which the metal catalyst is selectively applied may be further included.
또한, 본 발명에 따른 가스 감지 소자를 포함하는 가스 감지 장치는 전압 인가부, 전류 측정부, 및 가스 감지부를 포함한다. 전압 인가부는 산화물 반도체 나노 구조체 소자에 전압을 인가하고, 가스 감지부는 나노구조체에 접촉하여 반응하고, 전류 측정부는 가스 반응 전후의 전류를 측정하여 가스를 검출한다.In addition, the gas sensing device including a gas sensing element according to the present invention includes a voltage applying unit, a current measuring unit, and a gas sensing unit. The voltage applying unit applies a voltage to the oxide semiconductor nanostructure device, the gas detector contacts and reacts with the nanostructure, and the current measuring unit detects a gas by measuring a current before and after the gas reaction.
본 발명에 따른 수소 감지 소자 제조 방법은, 기판위에 전극을 형성하는 단계, 및 포토리쏘그라피 공정을 통한 선택적 산화물 반도체 나노구조 성장 단계, 금속 촉매 도포 단계 그리고 전자빔 레지스트 제거 단계를 포함한다.The method of manufacturing a hydrogen sensing device according to the present invention includes forming an electrode on a substrate, and growing a selective oxide semiconductor nanostructure through a photolithography process, applying a metal catalyst, and removing an electron beam resist.
본 발명에 따른 소자 제조 방법은 기존 반도체 공정과 적합하여 다른 반도체 소자와의 집적이 용이하다. 수열 합성법을 사용함으로써 제조 비용을 절감할 수 있게 된다. The device fabrication method according to the present invention is easy to integrate with other semiconductor devices by being compatible with existing semiconductor processes. By using hydrothermal synthesis, manufacturing costs can be reduced.
또한, 저온 공정이므로 플라스틱 기판 위에서의 소자 제작을 가능하게 된다. 또한, 수열 합성법에서 몰(Mol)농도 조절을 통해 나노 막대의 직경 및 길이를 조절할 수 있다. 이를 통해 나노 막대 네트워크를 구성할 때 몰농도 조절을 통해 그 구성 및 특성을 조정할 수 있다. In addition, the low-temperature process allows the fabrication of devices on plastic substrates. In addition, the hydrothermal synthesis method can control the diameter and length of the nano-rods by controlling the mol (Mol) concentration. This allows the adjustment of molarity to adjust the composition and properties of the nanorod network.
또한, 다단계 수열 합성법을 이용하여 코어쉘 (core-shell) 형태의 이종접합 구조 (Heterojunction structure)를 제작할 수 있다. 코어쉘 구조는 이종접합 구조이므로 전위장벽(Built in potential)이 존재한다. 이 전위장벽은 평소에는 전자의 이동을 방해하지만, 가스 반응 이후 전위 장벽이 급격히 낮아져서 결국 센서의 감도를 높여주는 역할을 한다. In addition, a heterojunction structure of a core-shell type may be manufactured using a multi-step hydrothermal synthesis method. Coreshell structure is heterojunction structure, so there is a barrier in potential. This potential barrier usually hinders the movement of electrons, but after the gas reaction, the potential barrier is sharply lowered, thus increasing the sensitivity of the sensor.
본 발명에 의하면, 수열 합성법과 리소그라피(Lithography) 공정을 사용함으로써 저비용으로 높은 수율의 고감도 수소센서를 제작할 수 있다. 또한, 본 발명의 기술은 종래의 반도체 공정에도 적합하다.According to the present invention, by using the hydrothermal synthesis method and the lithography (Lithography) process, it is possible to manufacture a high yield high-sensitivity hydrogen sensor at low cost. The technique of the present invention is also suitable for conventional semiconductor processes.
또한, 본 발명에 의하면, 수열 합성법에서 몰농도 조절을 통해 나노 막대 네트워크 센서를 구성할 때 나노 구조체의 직경 및 길이 조정이 가능하므로 그 구성 및 특성을 조정하기 용이하다. In addition, according to the present invention, when the nano-rod network sensor is configured by adjusting the molar concentration in the hydrothermal synthesis method, it is possible to adjust the diameter and length of the nanostructure, thereby easily adjusting its configuration and characteristics.
또한, 다단계 수열 합성법을 이용하여 코어쉘 (core-shell) 형태의 이종접합 구조 (Heterojunction structure)를 포함하는 고감도 수소 센서 제작을 용이하게 한다. In addition, it is easy to manufacture a high-sensitivity hydrogen sensor including a heterojunction structure of the core-shell type using a multi-step hydrothermal synthesis method.
또한, 종래의 제작 기술은 센서 배열 구조를 만들 시, 각각의 센서를 전기적으로 격리시키기 어려움이 있으나 수열 합성법과 리소그라피(Lithography) 공정을 사용함으로써 전기적 격리를 용이하게 제어할 수 있게 한다.In addition, the conventional fabrication technology makes it difficult to electrically isolate each sensor when making the sensor array structure, but it is easy to control the electrical isolation by using hydrothermal synthesis and lithography.
또한, 종래의 제작 기술은 금속 촉매를 선택적으로 도포하기 위해서 쉐도우 마스크(Shadow mask) 공정이나 리소그라피(Lithography) 공정이 추가되었으나, 본 발명은 한번의 리소그라피(Lithography) 공정으로 제작이 가능하다. 금속 촉매를 사용하여 제작할 경우, 상온에서 가스를 감지할 수 있다.
In addition, in the conventional manufacturing technology, a shadow mask process or a lithography process is added to selectively apply a metal catalyst, but the present invention may be manufactured by a single lithography process. When fabricated using a metal catalyst, gas can be detected at room temperature.
본 발명의 물질 감지 소자가 비록 수소 감지를 위해 사용되는 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 수소 이외의 다른 물질의 감지에 사용되는 것과 같이, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다. Although the material sensing element of the present invention has been described by some preferred embodiments used for hydrogen sensing, the scope of the present invention should not be limited thereby, but as used for the sensing of materials other than hydrogen, Modifications and improvements of the above-described embodiments backed by the claims should also be directed.
100: 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자
110: 전극
120: 나노 막대 네트워크 구조물
130: 기판
200: 전압 인가부
300: 전류 측정부100: material sensing device using oxide semiconductor nano bar
110: electrode
120: nanorod network structure
130: substrate
200: voltage applying unit
300: current measuring unit
Claims (12)
상기 복수의 전극 중 미리 설정된 전극 사이에 형성된 미리 설정된 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 포함하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자로서,
상기 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조는 서로 다른 물질의 산화물 반도체 나노 막대가 코어쉘(core-shell) 형태의 이종 접합 구조(Heterojunction structure) 네트워크로 형성된 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자. A plurality of electrodes formed in a predetermined region of the substrate; And
A material sensing device using an oxide semiconductor nanorod comprising a network structure of a predetermined oxide semiconductor nanorod formed between a predetermined electrode among the plurality of electrodes,
The network structure of the oxide semiconductor nanorods is a material sensing device using an oxide semiconductor nanorod, characterized in that the oxide semiconductor nanorods of different materials are formed in a heterojunction structure network in the form of a core-shell. .
상기 나노 막대 네트워크 구조는 수열 합성법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자.The method of claim 1,
The nano-rod network structure is a material sensing device using an oxide semiconductor nano bar, characterized in that formed by hydrothermal synthesis.
상기 나노 막대 네트워크 구조의 미리 설정된 영역에 형성된 미리 설정된 촉매 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자.The method of claim 2,
And a predetermined catalyst material layer formed in a predetermined region of the nanorod network structure.
상기 전극은 IDT(Interdigittated electrodes) 전극인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자.The method of claim 2,
The electrode is a material sensing device using an oxide semiconductor nano bar, characterized in that the IDT (Interdigittated electrodes) electrode.
상기 산화물 반도체는 산화 아연인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자.The method of claim 2,
The oxide semiconductor is a material sensing device using an oxide semiconductor nano bar, characterized in that the zinc oxide.
상기 복수의 전극 중 미리 설정된 전극 사이에 미리 설정된 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 형성하는 단계를 포함하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자 제조 방법으로서,
상기 산화물 반도체 나노 막대의 네트워크 구조를 형성하는 단계는 서로 다른 물질의 산화물 반도체 나노 막대를 코어쉘(core-shell) 형태의 이종 접합 구조(Heterojunction structure) 네트워크로 형성하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자 제조 방법. Forming a plurality of electrodes in a predetermined region of the substrate; And
A method of manufacturing a material sensing device using an oxide semiconductor nanorod, the method comprising: forming a network structure of a predetermined oxide semiconductor nanorod between a predetermined electrode among the plurality of electrodes.
The forming of the network structure of the oxide semiconductor nanorods includes forming oxide semiconductor nanorods of different materials into a heterojunction structure network having a core-shell type. Material sensing device manufacturing method using.
상기 나노 막대 네트워크 구조는 수열 합성법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자 제조 방법.8. The method of claim 7,
The nano-rod network structure is a material sensing device manufacturing method using an oxide semiconductor nano-bar, characterized in that formed by hydrothermal synthesis.
상기 나노 막대 네트워크 구조의 미리 설정된 영역에 미리 설정된 촉매 물질을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자 제조 방법.The method of claim 8,
And applying a predetermined catalyst material to a predetermined region of the nano-rod network structure.
상기 전극은 IDT(Interdigittated electrodes) 전극인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자 제조 방법.The method of claim 8,
The electrode is a material sensing device manufacturing method using an oxide semiconductor nano bar, characterized in that the IDT (Interdigittated electrodes) electrode.
상기 산화물 반도체는 산화 아연인 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 나노 막대를 이용한 물질 감지 소자 제조 방법.The method of claim 8,
The oxide semiconductor is a material sensing device manufacturing method using an oxide semiconductor nano bar, characterized in that the zinc oxide.
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