KR101750010B1 - 가스센서의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판, 상기 기판 상에 흡착된 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 진공 증착된 금 나노입자 및 상기 금 나노입자가 진공 증착된 상기 기판 상에 형성된 전극을 포함하는 가스센서;와 (a) 기판 상에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계 (b) 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 박막을 진공 증착시키는 단계 및 (c) 상기 금(Au) 박막이 진공 증착된 기판을 열처리하여 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 가스센서의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 금 나노입자 및 탄소나노튜브를 감지물질로 이용함으로써 최소 1ppm까지의 저농도 가스도 높은 감도로 감지할 수 있으며, NO2, NH3뿐만 아니라 CO, VOCs 등과 같은 가스도 안정적으로 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 가스센서의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금 나노입자와 탄소나노튜브를 감지물질로 이용한 가스센서의 제조방법에 관한 것이다.
산업사회가 고도화됨에 따라 생산현장에서부터 일반가정에 이르기까지 각종 가스의 사용이 폭증하고, 그 종류도 날로 다양해지고 있다. 이러한 가스를 감지하는 가스센서는 주로 가연성 또는 독성가스를 조기에 감지하여 신속한 대응을 하기 위한 화학센서의 일종으로, 그 동안 여러 가지 검출 방법을 이용한 수많은 가스 센서가 연구 개발되어왔다.
특히, 환경, 테러, 보건영역에서 초극미량의 독성, 폭발성 가스 및 휘발성 가스를 선제적으로 검지할 수 있는 고감도 센서재료의 개발이 매우 중요하며, 이에 관련된 원천기술의 확보가 국내외적으로 중요한 이슈가 되고 있다. 이러한 고감도 센서가 개발될 경우, 국방용, 특수 목적용으로 응용 가능할 뿐만 아니라, 다양한 산업 현장에 이용됨으로써 더욱 안전한 사회를 만드는데 일조할 수 있다. 아울러, 일산화탄소(CO) 등과 같은 환원성 가스나 각종 휘발성 유기화합물(VOCs; volatile organic compounds)의 경우, 인체에 상당히 유해하기 때문에 고감도 센서의 활용성은 매우 높을 것으로 예상된다.
예를 들어, 일산화탄소(CO)가 인체에 흡입될 경우, 상기 CO는 혈액 내에서 카르복시-헤모글로빈을 형성하여 산소 운반을 방해하고 적혈구의 기체 교환 능력을 감소시켜 사망의 원인이 될 수도 있기 때문에, ppb 레벨 내지 수백 ppm 레벨의 극미량 검출이 요구되는 물질이다. 따라서, CO와 같은 환원성 기체를 검출해낼 수 있는 고감도 센서의 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다.
종래의 가스센서에는 산화물 반도체 재료를 사용하는 반도체식 가스센서와 팔라듐, 백금 같은 촉매, 알루미나 담채를 이용한 접촉 연소식 가스센서가 주로 이용되고 있다. 특히, SnO2, TiO2, ZrO 및 In2O3와 같은 금속 산화물을 이용한 반도체식 가스센서는 주위 가스의 흡착 및 탈착에 의에 발생하는 감지체의 표면반응을 이용하여 가스의 농도 및 종류를 측정하는 것으로 부식성 분위기 같은 가혹한 조건 내에서도 신뢰성 있게 작동 할 수 있고, 재료의 선택 및 제조 방법에 따라 검지하고자 하는 가스의 감도 및 응답특성을 개선시킬 수 있다는 장점으로 가장 많이 이용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 금속 산화물로 이루어진 가스센서의 경우, 반응 가스와 감지체의 표면 반응에 의한 감도 및 응답특성을 높이기 위해서는 200 내지 600℃의 고온 작동이 요구되고, 혼합가스 분위기에서 원하는 가스만을 선택적으로 감지하는 특성인 선택성 부분이 기술적 한계로 남아있다.
이에 비하여 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 상온에서 동작이 가능하고, 감도가 좋으며 반응 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 탄소나노튜브가 갖는 물성에서 기인하는데, 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들로 이루어진 흑연 판상을 둥글게 말아서 생긴 튜브형태의 분자로 그 직경이 수 내지 수십 ㎚에 이른다. 상기 탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 잘 휘고 계속적인 반복 사용에도 실질적으로 손상되거나 마모되지 않으며, 말린 형태와 구조 및 직경에 따라 전기적 특성이 달라진다. 뿐만 아니라, 탄소나노튜브는 전자 방출 특성과 화학적 안정성 등이 우수하기 때문에 다양한 산업분야에서 많이 활용될 수 있는데, 특히 탄소나노튜브는 부피에 비하여 표면적이 커 높은 표면 반응성을 갖는 물질이므로 미량의 화학성분의 검출이나 수소저장과 같은 응용분야에서도 유용하다.
이러한 탄소나노튜브를 이용하여 가스센서로서의 기능을 확인한 결과가 미국의 스탠포드(Stanford) 대학의 Dai 교수팀에 의해 제시되었다[Dai, H., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors, Science, Vol.287, 2000. March, p.622~625]. 이는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube)를 이용하여 NH3 와 NO2 같은 유해 가스를 감지하는 가능성을 보여준 것으로, 탄소나노튜브를 가스센서에 이용할 경우 상온 동작이 가능하고, 유해 가스와 반응시 전기전도도의 증가 및 감소 정도가 크기 때문에 감도가 좋으며 응답시간이 수초로 반응 속도가 빠르다는 장점이 있다.
그러나, 순수한 상태의 단일벽 탄소나노튜브 센서는 NO2, NH3 이외에 CO, VOCs 등의 가스를 안정적으로 검지하지 못한다는 단점이 있다.
Dai, H., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors, Science, Vol.287, 2000. March, p.622~625
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상온에서도 동작이 가능하고, CO 및 VOCs 등과 같은 유해가스에 대한 선택성이 우수하며, ppm레벨의 저농도 가스에 대하여도 높은 감도를 갖는 가스센서의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 흡착된 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 진공 증착된 금 나노입자 및 상기 금 나노입자가 진공 증착된 기판 상에 형성된 전극을 포함하는 가스센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 기판 상에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, (b) 상기 나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 박막을 진공 증착시키는 단계 및 (c) 상기 금(Au) 박막이 진공 증착된 기판을 열처리하여 상기 나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 가스센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 금 나노입자 및 탄소나노튜브를 감지물질로 이용함으로써 최소 1ppm까지의 저농도 가스도 높은 감도로 감지할 수 있으며, NO2, NH3뿐만 아니라 CO, VOCs 등과 같은 가스도 안정적으로 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스센서는 히터를 사용하지 않고, 상온에서 동작이 가능하므로 소비전력이 최소화되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 가스센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스센서의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 상기 도 2의 제조공정에 따라 열처리 단계를 거친 기판의 전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 일산화탄소(CO) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 1ppm의 일산화탄소(CO) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 암모니아(NH3) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 5ppm 및 2ppm의 아세톤(C3H6O)이 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 5ppm 및 2ppm의 벤젠(C6H6)가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 톨루엔(C7H8) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 이산화질소(NO2) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 20ppm 및 50ppm의 일산화질소(NO) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 CO, NH3, C3H6O, C7H8, C6H6 및 NO2 가스가 적용된 경우, 각각의 가스 별 시간에 따라 측정한 정규화된 저항값을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 CO, NH3, C3H6O, C7H8, C6H6, NO2 및 NO 가스가 적용된 경우, 가스 종류에 따른 감도(Response)를 비교하여 나타낸 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가스센서의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 상기 도 2의 제조공정에 따라 열처리 단계를 거친 기판의 전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 일산화탄소(CO) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 1ppm의 일산화탄소(CO) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 암모니아(NH3) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 5ppm 및 2ppm의 아세톤(C3H6O)이 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 5ppm 및 2ppm의 벤젠(C6H6)가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 톨루엔(C7H8) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 2ppm의 이산화질소(NO2) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 20ppm 및 50ppm의 일산화질소(NO) 가스가 적용된 경우, 시간에 따라 측정한 저항값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 따라 제조된 가스센서에 CO, NH3, C3H6O, C7H8, C6H6 및 NO2 가스가 적용된 경우, 각각의 가스 별 시간에 따라 측정한 정규화된 저항값을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예에 따라 제조된 가스센서에 CO, NH3, C3H6O, C7H8, C6H6, NO2 및 NO 가스가 적용된 경우, 가스 종류에 따른 감도(Response)를 비교하여 나타낸 나타내는 그래프이다.
본 발명은 기판, 상기 기판 상에 흡착된 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 진공 증착된 금 나노입자 및 상기 금 나노입자가 진공 증착된 기판 상에 형성된 전극을 포함하는 가스센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 가스센서의 모식도이며, 이를 참조하여 본 발명의 가스센서에 대해 더욱 상세히 설명한다.
상기 기판에 사용되는 재료로서는 Si, GaAs, InP, InGaAs 등의 III-V 화합물 반도체, 유리, 산화막 박막, 유전체 박막, 금속 박막 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게 상기 기판은 실리콘 기판을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 절연막이 표면에 형성된 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 기판은 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 산화막(SiO2)이 표면에 형성된 실리콘 기판일 수 있다.
본 발명에서는 감지물질로서 탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)와 금 나노입자(Au NP, Au nanoparticle)를 사용한다. 이와 같이 감지물질로서 산화물이 아닌 탄소나노튜브를 사용할 경우, 상온 동작이 가능한 가스센서를 제공할 수 있다. 탄소나노튜브는 육각형 벌집 구조의 흑연판이 빨대 모양으로 말린 것인데, 단일벽, 이중벽, 또는 다중벽을 가질 수 있다. 탄소나노튜브는 말리는 방향에 따라 전기적으로 도체 또는 반도체 특성을 가질 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube)를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 단일벽 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브보다 감도 및 반응속도 등의 측면에서 우수한 성능을 발휘하기 때문이다.
또한, 본 발명은 감지물질로서 상기 탄소나노튜브와 함께 금 나노입자를 감지물질로 사용함으로써, 극 미량의 CO, VOCs 등과 같은 유해가스와의 반응시 감도(sensitivity)가 매우 좋으며, 반응 및 응답 속도가 빠른 가스센서를 제공할 수 있다. 상기 금 나노입자는 탄소나노튜브가 CO 가스를 검지하는데 있어서 촉매역할을 하는 것으로, 금 나노입자의 평균입경이 작을수록 그리고 각각의 입자가 분리된 형태로 존재할수록 촉매 반응이 활성화될 수 있다. 상기 금 나노입자의 평균 입경은 수 nm ~ 수십 nm 일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 20nm일 수 있다. 금 나노입자의 평균입경이 상기 범위에 속할 경우, 접촉된 가스에 의한 전기저항의 변화가 보다 민감하게 체크될 수 있어 바람직하다. 도 3에는 본 발명의 일 실시형태에 따라 탄소나노튜브 및 금 나노입자가 형성된 기판의 전자현미경 사진이 도시되어 있다.
상기 전극은 도 3에 도시된 바와 같은 탄소나노튜브 및 금 나노입자가 형성된 기판 상에 형성된다. 상기 전극은 소스전극 및 드레인 전극일 수 있다. 상기 전극의 재질로서는 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 및 백금(Pt) 중 적어도 어느 하나의 금속이 사용될 수 있으며, 이들 중 금(Au)과 티탄(Ti)이 전극으로 사용된 경우가 도 1에 도시되어 있다.
이러한 가스센서의 제조방법은 (a) 기판 상에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, (b) 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 박막을 진공 증착시키는 단계; 및 (c) 상기 금(Au) 박막이 진공 증착된 기판을 열처리하여 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 나노입자를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 도 2를 이용하여 가스센서의 제조방법의 일 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
(a)
기판 상에
탄소나노튜브를 흡착시키는 단계
먼저, 기판을 준비한다. 전술한 바와 같이, 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있고, 또는 절연막이 표면에 형성된 실리콘 기판, 예컨대 실리콘 산화막(SiO2)이 표면에 형성된 실리콘 기판(SiO2/Si substrate)일 수 있다. 상기 절연막은 열 산화법, 증착법, 스핀코팅법 등의 방법을 통해 기판 상에 형성될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 열 산화법의 경우 열 확산로를 이용하여 1000℃ 이상의 온도로 가열하여 열 절연막을 형성시킬 수 있다. 증착법의 경우 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 또는 LPCVD(Low-pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 SiO2 박막을 형성시킬 수 있다. 스핀코팅법의 경우 SOG(Silica-On-Glass)를 이용하여 실리콘 기판 상에 SiO2 박막을 형성할 수 있다. 상기 절연막의 두께는 120 ~ 300㎚ 일 수 있다.
다음으로, 상기 기판 상에 탄소나노튜브를 흡착시킨다. 상기 탄소나노튜브는 전술한 바와 같이 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 탄소나노튜브의 흡착은, 탄소나노튜브가 분산된 용액에 기판을 침지하여 수행할 수 있다.
상기 용액은 dichlorobenzene(DCB), ortho-dichlorobenzene(o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), hexamethylphosphoramide(HMPA), monochlorobenzene(MCB), N,Ndimethylformamide(DMF), dichloroethane(DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform 및 toluene으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다. 또한, 용액에 초음파를 조사함으로써 용액 중에 탄소나노튜브가 고르게 분산되도록 할 수 있다.
탄소나노튜브가 분산된 용액 중 탄소나노튜브의 농도는 0.01~0.50 ㎎/㎖ 일 수 있다. 농도가 0.01 ㎎/㎖ 보다 낮은 경우에는 흡착되는 탄소나노튜브의 양이 너무 적어 센서로서의 기능을 제대로 발휘할 수 없고, 농도가 0.50 ㎎/㎖ 보다 높은 경우에는 탄소나노튜브를 분산시키는데 시간이 오래 걸리며 센서의 감도가 저하되고 탄소 나노튜브가 필요 이상으로 소모하게 되어 제조원가 상승의 요인이 될 수 있다.
1회 침지시 5~10초 동안 분산 용액에 담글 수 있으며, 이를 5~15 회 반복할 수 있다. 침지 시간이 짧거나 침지회수가 적은 경우에는 흡착되는 탄소나노튜브의 양이 너무 적어 센서로서의 기능을 제대로 발휘할 수 없고, 침지 시간이 길거나 침지 회수가 많은 경우에는 공정시간이 길어져 생산성이 저하될 수 있다. 침지 시간과 침지회수를 적절히 조절하여 최적의 조건을 확보할 수 있다.
(b) 금(
Au
) 박막을 진공 증착시키는 단계
이 단계는 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 박막을 진공 증착시키는 단계이다. 상기 금(Au) 박막을 증착하는 방법으로서는 통상의 진공증착이 제한없이 사용될 수 있다. 예컨대, 열 증착(thermal evaporation), 전자선 증착(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등의 방법이 사용될 수 있으며, 바람직하게 스퍼터링법이 사용될 수 있다.
상기 스퍼터링은 산소와 탄소나노튜브와의 산화반응을 방지하기 위해 아르곤 분위기 하에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 스퍼터링 공정 조건에 대한 일 실시형태에 대해 살펴보면 다음과 같다:
- 타겟과의 거리 : 2 ~ 10 cm
- 진공 챔버의 진공도 : 5 ~ 20 mTorr
- 진공 증착 시 진공도 : 30 ~ 100 mTorr
(단, 아르곤 분위기에서 최소 30분 유지 후 플라즈마 생성)
- 증착 시간 : 1 ~ 5초
상기 스퍼터링에 의해 증착되는 금(Au) 박막의 두께는 0.1nm 내지 5nm일 수 있으며, 금(Au) 박막의 두께가 상기 범위에 속할 경우 이후 열처리에 의해 기판 상에 증착된 금(Au) 박막이 나노입자화 되는데 바람직하다.
(c) 열처리 단계
이 단계는 상기 금(Au) 박막이 증착된 기판을 열처리하여 상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금 나노입자(Au nanoparticle; Au NP)를 형성하는 단계이다. 도 3에는 열처리 단계를 거친 기판의 전자현미경사진이 도시되어 있으며, 금 나노입자가 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 부착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
상기 열처리는 기판 상에 증착된 금(Au) 박막을 나노입자화하기 위한 목적으로 수행되는 것으로, 금(Au)입자가 자발적 응집체(self-agglomeration)를 이루기 위한 에너지를 제공한다. 상기 열처리 온도는 500 ~ 800 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도가 500 ℃미만일 경우 촉매역할을 하기 위한 금(Au) 나노입자의 형성에 어려움이 있고, 반면 800 ℃를 초과할 경우에는 탄소나노튜브가 고온에 의해 소실될 우려가 있다.
이러한 열처리 단계는 탄소나노튜브의 산화를 방지하기 위해 아르곤 분위기하에서 수행될 수 있고, 바람직하게 급속열처리로 (Rapid Thermal Annealing furnace)를 사용하여 수행될 수 있다. 구체적인 열처리 과정을 살펴보면, 예컨대 최초 시편을 챔버에 장착 후, 저 진공 상태를 30분 이상 유지하고 아르곤 가스를 투입하여 산소와의 접촉을 최대한 배제한다. 그 후 500 ~ 800℃까지 1 ~ 5분동안 고속으로 승온하여 30분 ~ 2시간 동안 유지한 후, 상온까지 노냉시킴으로써 열처리 단계를 완료할 수 있다.
상기 열처리에 의해 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 형성되는 금(Au) 나노입자의 평균직경은 수 내지 수십 nm일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 20nm일 수 있다.
이후에 상기 열처리 단계를 거친 상기 기판 상에 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 전극은 소스 전극 및 드레인 전극일 수 있다. 상기 전극을 형성하는 공정은 통상의 포토리소그래피 공정에 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 상술한 공정들을 거친 기판 상에 금속 또는 금속 산화물 박막을 형성한다. 금속 또는 금속산화물은 열증착법(thermal evaporation method)을 포함하는 진공 증착법, 스핀 코팅(spin coating), 롤 코팅(roll coating), 분무 코팅(spray coating), 또는 프린팅(printing)방법에 따라 박막형태로 형성할 수 있다. 금속 또는 금속산화물 박막 상부에 노광(exposure) 공정을 진행하여 소스 전극 및 드레인 전극이 형성될 영역(또는 소스 전극 및 드레인 전극 이외의 영역)을 노출시킨다. 이어 통상적인 에칭 방법에 따라 에칭하고, 마지막으로 포토레지스트 스트립퍼로 포토레지스트를 제거하여 금속 및 금속산화물의 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실리콘 기판을 마련한 후, 스핀코팅 공정을 이용하여 그 기판상에 실리콘 산화물 절연막(SiO2)을 형성한다.
단일벽 탄소나노튜브를 다이클로로벤젠(dichlorobenzene; DCB)에 투입한 후, 초음파를 이용하여 단일벽 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 용액을 마련한다. 분산 용액 중 단일벽 탄소나노튜브의 농도는 0.04㎎/㎖ 이었다.
절연막이 형성된 상기 기판을 단일벽 탄소나노튜브가 분산된 용액에 5초간 침지(dipping)하여 기판 상에 탄소나노튜브가 흡착되도록 한다.
상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판 상에 금(Au) 박막을 스퍼터링 장비(제조사: SANYU ELECTRON COATER), 모델명: SC-701MKII ADVANCE)를 이용하여 진공 증착한다. 상기 스퍼터링시 타겟과의 거리는 3.5cm이었고, 진공 챔버의 진공도는 20 mTorr가 되도록 조절하였다. 상기 챔버 내부의 진공도가 조절된 후에는 가스탱크에서 아르곤(Ar) 가스를 주입하고 30분간 유지한 후, 진공 챔버의 진공도를 50 mTorr로 유지하면서 플라즈마를 생성한다. 이때, 스퍼터링 증착 5초동안 진행되었고, 이렇게 증착된 금 박막의 두께는 3nm이었다. 상기 금(Au) 박막이 진공증착된 실리콘 기판을 급속열처리로(Rapid Thermal Annealing furnace)(제조사, 모델명)를 이용하여 열처리하였다. 구체적으로, 상기 기판을 상기 급속열처리로 내의 챔버에 장착한 후, 저진공상태를 30분간 유지하고 아르곤(Ar) 가스를 투입하였다. 그 후, 800℃까지 1분동안 고속으로 승온하여 1시간 유지 후, 상온까지 노냉시켰다. 이렇게 열처리가 완료된 기판에 대한 전자현미경사진이 도 3에 도시되어있다.
이후, 통상의 포토리소그래피 공정에 따라 상기 금 나노입자가 증착된 기판 상에 소스 전극과 드레인 전극을 형성하여 가스센서를 제작하였다. 이때, 소스전극 및 드레인 전극으로는 금(Au)/티탄(Ti)을 사용하였다.
가스센서의 특성분석
상기 실시예에 따라 제조된 가스센서를 직류전원공급기(keithley 2400)에 연결한 다음, 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 아세톤(C3H6O), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8), 이산화질소(NO2) 및 일산화질소(NO) 가스를 유량조절기(mass flow controller)를 이용하여 흘려주고 일정한 직류전원의 인가와 동시에 감지체에 흐르는 저항변화를 측정하였고, 그 측정결과를 도 4 내지 11에 나타내었다. 검사 가스의 종류 및 농도는 각각의 도면에 표시되어 있다.
모든 측정은 상온에서 실시하였다. 검사가스 중 환원성 가스인 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 아세톤(C3H6O), 벤젠(C6H6) 및 톨루엔(C7H8)에 대한 센서의 감도(response)는 하기 식 (1)에 의해 계산되었고, 산화성 가스인 이산화질소(NO2) 및 일산화질소(NO)에 대한 센서의 감도는 하기 식 (2)에 의해 계산되었다. 하기 계산식에 의해 계산된 검사가스 별 감도(Response)를 비교하여 도 13에 도시하였다. 이때, 상기 감도 측정은 2ppm의 가스농도에서 실시되었으며, 단 NO 가스의 경우는 2ppm의 가스농도에서는 저항값 변화가 미미하여 50ppm의 가스농도에서 실시되었다.
Response = (Rg-Ra)/Ra … (1)
Response = (Ra-Rg)/Rg … (2)
상기 식 (1) 및 (2)에서, 상기 Ra는 반응가스가 없는 경우 초기의 저항값, 상기 Rg는 반응가스가 있는 경우의 저항값을 나타낸다.
분석결과
도 4 내지 11을 살펴보면, 본 발명에 따라 제조된 가스센서의 경우 ppm 레벨의 극미량 가스검출이 가능하다는 것을 확인할 수 있고, 특히, NO를 제외한 나머지 가스에 대해서는 5ppm 이하의 매우 낮은 농도에서도 가스감지가 가능하며, 시간에 따른 저항값의 특성이 안정적이고 반복적인 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 5를 살펴보면, CO의 경우 1ppm의 저농도에서도 안정적으로 감지된다는 것을 알 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따라 제조된 가스센서의 선택성 연구결과를 나타내는 것으로, 도 12는 검사가스 별 시간에 따른 정규화된 저항값을 비교하여 도시한 그래프이고, 도 13은 상기 검사가스 별 감도(Response)를 비교하여 도시한 그래프이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 가스센서의 경우 CO가스에 대한 선택성이 특히 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 이때, 상기 정규화된 저항값은 0초일때의 저항값에 대한 시간별 저항값의 비를 나타내는 것이다.
이상, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (17)
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- (a) 실리콘 기판 상에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계;
(b) 상기 탄소나노튜브가 흡착된 실리콘 기판 상에 금(Au) 박막을 진공 증착시키되,
아르곤 분위기 하에서 타겟과의 거리 2 ~ 10 cm, 진공 챔버의 진공도 5 ~ 20 mTorr, 진공 증착 시 진공도 30 ~ 100 mTorr 및 증착 시간 1 ~ 5초의 조건에서 스퍼터링 법을 이용하여 수행하는 단계; 및
(c) 상기 금(Au) 박막이 진공 증착된 실리콘 기판을 500 ~ 800 ℃로 급속열처리로 (Rapid Thermal Annealing furnace)에서 열처리하여 상기 탄소나노튜브가 흡착된 실리콘 기판 상에 금(Au) 나노입자를 형성하는 단계를 포함하되,
상기 실리콘 기판은 실리콘 산화막이 표면에 형성되며,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube)를 포함하며,
상기 금(Au) 박막의 두께는 0.1nm 내지 5nm이며, 상기 금 나노입자의 평균직경이 5 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조방법. - 삭제
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- 제6항에 있어서,
상기 열처리는 아르곤 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조방법. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 열처리 단계를 거친 상기 기판 상에 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조방법.
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| KR20170030871A KR20170030871A (ko) | 2017-03-20 |
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| Kangho Lee et al. Sensors and Actuators B. Vol. 188, pp.571-575.(2013.07.25.)* |
| M. Penza et al. Journal of Sensors. Vol. 2008, Article ID 107057. |
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