KR101877979B1 - 탄소나노튜브와 금속의 융합 구조를 포함하는 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브와 금속의 융합 구조를 포함하는 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브와 금속의 융합 구조를 포함하는 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 기판, 기판 위의 일부 영역에 접촉되도록 형성되어 있으며, 복수개의 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브층, 그리고 탄소나노튜브층 위에 형성되어 있으며, 복수개의 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브와 접촉하는 금속층을 포함한다.

Description

탄소나노튜브와 금속의 융합 구조를 포함하는 센서 및 이의 제조방법{SENSOR OF CNT-METAL HYBRID STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소나노튜브와 금속의 융합 구조를 포함하는 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 스마트폰과 바이오센서를 연동하여 사용자의 생체신호를 획득하고 분석하는 원격 의료 모니터링 및 진단 시스템 구축을 위한 바이오센서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
바이오센서는 온도, 스트레인, 압력 등 신체의 물리적 변화를 검지하는 다양한 센서들이 집적되어 있는 형태로 사용자의 신체에 부착되어 다양한 생체신호를 수집한다. 그러나, 각 센서들은 수집하는 생체신호 또는 부착위치에 따라 서로 다른 재료 및 공정을 통해 제작되므로 센서의 개수와 종류가 증가할수록 제작공정이 복잡해지며 제작에 소요되는 비용 및 시간이 증가한다. 또한, 상용화 및 가격경쟁력 확보가 어려울 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예가 해결하려는 과제는 금속의 증착 두께에 기초하여 전도성이 변화하는 탄소나노튜브와 금속의 융합 구조를 갖는 센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않는 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 기판, 기판 위의 일부 영역에 접촉되도록 형성되어 있으며, 복수개의 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브층, 그리고 탄소나노튜브층 위에 형성되어 있으며, 복수개의 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브와 접촉하는 금속층을 포함하는 센서를 제안한다.
여기서, 금속층은 3nm 내지 25nm의 두께일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 기판 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 기판 및 포토레지스트 패턴 위에 탄소나노튜브층을 형성하는 단계, 탄소나노튜브층 위에 금속층을 형성하는 단계, 그리고 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 센서 제조방법을 제안한다.
여기서, 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는, 기판 및 포토레지스트 패턴 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 흡착시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 제1 기판 위에 자기조립 단분자층을 형성하는 단계, 자기조립 단분자층 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 자기조립 단분자층 및 포토레지스트 패턴 위에 금속층을 형성하는 단계, 금속층 위에 탄소나노튜브층을 형성하는 단계, 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계, 그리고 탄소나노튜브층 및 금속층을 제2 기판으로 전사시키는 단계를 포함하는 센서 제조방법을 제안한다.
여기서, 제1 기판은 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함하며, 제2 기판은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는, 자기조립 단분자층 및 포토레지스트 패턴 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 흡착시킬 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면 공정 및 재료를 최소화하여 다양한 물리적 센서를 제작할 수 있으며, 제조비용을 절감할 수 있다. 또한, 다양한 물리적 센서를 집적하여 대량생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 단면을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서 제조방법을 나타낸다.
도 3은 도 2를 통해 생성된 온도 센서의 온도에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2를 통해 생성된 온도 센서의 금속층 두께에 따른 온도-저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서 제조방법을 나타낸다.
도 6은 도 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 광학적 이미지이다.
도 7은 도 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 길이에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 게이지율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 광학적 이미지이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 널리 알려진 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
본 명세서에서, 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 단면을 나타낸다.
도 1의 센서는 기판(100), 제1 박막(200), 그리고 제2 박막(300)이 차례대로 적층된 구조이다. 구체적으로, 기판(100) 위에 제1 박막(200)이 형성되어 있고, 제1 박막(200) 위에 제2 박막(300)이 형성되어 있다. 여기서, 제1 박막(200)은 기판(100)의 상부 제1 영역에 접촉되어 형성되며, 제2 박막(300)은 제1 박막(200)위에 형성될 수 있다. 또한, 도 1의 센서는 생체 부착식 센서일 수 있다.
기판(100)은 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 또는 PDMS(폴리디메틸실록산, polydimethylsiloxane)을 포함한다.
제1 박막(200)은 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브(Semiconducting Single-wall Carbon Nanotube, s-SWCNT)를 포함한다. 여기서, 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브는 P형 반도체로 온도나 인장력에 따라 전도도가 변화하는 특징을 가진다.
제2 박막(300)은 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브와 접촉되며, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 금속군 중 선택된 적어도 하나의 금속을 포함한다. 여기서, 제2 박막(300)은 약 3nm 내지 25nm의 두께를 갖는다.
아래에서는 도 2를 참조하여 도 1의 구조를 포함하는 온도 센서의 제조방법에 대해 설명하고, 도 3 내지 도 4를 참조하여 도 2의 방법으로 제조된 온도 센서의 특징에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서 제조방법을 나타낸다.
먼저, 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 기판(100) 위에 포토레지스트(photoresist) 패턴(110)을 생성한다(S11). 여기서, 기판(100)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 산화물(SiO2)를 포함한다. 구체적으로, 기판(100) 위에 포토레지스트를 코팅하고 패터닝할 마스크를 이용하여 포토레지스트 코팅면에 자외선을 조사한다. 이후, 자외선에 노출된 제1 영역(111)은 현상(developer) 용액을 이용하여 제거함으로써 패턴(110)을 생성한다.
이후, 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWCNT)를 포토레지스트 패턴(110) 및 기판(100)의 제1 영역(111)에 흡착시켜 탄소나노튜브층(120)을 형성한다(S12). 구체적으로, 포토레지스트 패턴(110) 및 제1 영역(111) 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWCNT) 용액을 분사하여 포토레지스트 패턴(110) 및 제1 영역(111) 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWCNT)를 흡착시킨다.
이후, S12 단계에서 형성된 탄소나노튜브층(120) 위에 금속을 증착하여 금속층(130)을 형성한다(S13). S13 단계에서는 열 증착법(Thermal Evaporation)을 이용하여 금속을 증착할 수 있다. 여기서, 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al) 등을 포함하는 전도성 금속 중 하나이며, 증착 두께는 약 3nm 내지 25nm 이다. S13 단계에서 금속의 증착 두께는 증가시키는 경우 온도 센서의 출력신호 변화를 제어할 수 있다.
이후, S11 단계에서 생성된 포토레지스트 패턴(110)을 제거하여 융합 패턴(140)을 포함하는 온도 센서(150)를 생성한다(S14). S14 단계에서는 아세톤을 이용하여 포토레지스트 패턴(110)을 제거할 수 있다. S14 단계에서 생성된 온도 센서(150)는 기판(100) 위 일부 영역에 형성되어 있는 탄소나노튜브층(120)과 탄소나노튜브층(120) 위에 형성되어 있는 금속층(130)을 갖는 융합 패턴(140)을 포함한다.
도 2에서는 S13 단계에서 금속의 증착 두께를 변화시켜 융합 패턴(140)의 전도성을 변화시킬 수 있다.
도 3은 도 2를 통해 생성된 온도 센서의 온도에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2를 통해 생성된 온도 센서의 금속층이 약 4nm 두께의 금(Au)으로 형성되는 경우 온도에 따른 저항 변화를 나타낸 것이다. 도 3에서 보면, 온도가 증가(30℃ -> 100℃)함에 따라 저항이 감소(700㏀ -> 595㏀)한다. 이로 인해, 도 2를 통해 생성된 온도 센서는 온도가 증가함에 따라 전도성이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 도 2를 통해 생성된 온도 센서의 금속층 두께에 따른 온도-저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 4에서 보면, 탄소나노튜브층 대비 금속층의 비중이 높아지는 경우(예를 들어, 탄소나노튜브층 두께가 4nm이며 금속층 두께가 5nm 이상인 경우) 저항의 변화율이 급격히 증가한다(-0.1 △ρ/ρo-> 0.05 △ρ/ρo). 이는 온도가 증가함에 따라 반도체성 탄소나노튜브는 전하 운반자인 양공의 개수 증가가 우세하여 저항이 낮아지고, 금속은 전자의 산란 증가에 따른 운동성 증가가 우세하여 저항이 높아지는 특성에 따른 것이다.
아래에서는 도 5를 참조하여 도 1의 구조를 포함하는 스트레인 센서의 제조방법에 대해 설명하고, 도 6 내지 도 9를 참조하여 도 5의 방법으로 제조된 스트레인 센서의 특징에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서 제조방법을 나타낸다.
먼저, 기판(200) 위에 OTS(옥타데실트리클로로실란, octadecyltrichlorosilane)를 코팅하여 자기조립 단분자층(210)을 형성한다(S21). 여기서, 기판(100)은 실리콘(Si) 또는 실리콘 산화물(SiO2)를 포함한다.
이후, S21 단계에서 형성된 자기조립 단분자층(210) 위에 포토레지스트(photoresist) 패턴(220)을 생성한다(S22). 예를 들어, S22 단계에서는 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 포토레지스트 패턴(220)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 자기조립 단분자층(210) 위에 포토레지스트를 코팅하고 포토레지스트 코팅면에 패터닝할 마스크를 이용하여 자외선을 조사한다. 이후, 자외선에 노출된 제2 영역(221)의 포토레지스트는 현상(developer) 용액을 이용하여 제거하여 패턴(220)을 생성한다.
이후, S22 단계에서 생성된 포토레지스트 패턴(220)과 자기조립 단분자층(210)의 제2 영역(221) 위에 금속을 증착하여 금속층(230)을 형성한다(S23). S23 단계에서는 열 증착법을 이용하여 전도성 금속을 증착할 수 있으며, 금속의 증착 두께는 약 3nm 내지 25nm 이다. 여기서, 전도성 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al) 중 하나이다.
이후, 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWCNT)를 금속층(230) 위에 흡착시켜 탄소나노튜브층(240)을 형성한다(S24).
이후, 자기조립 단분자층(210) 위에 형성되어 있는 포토레지스트 패턴(220)을 제거하면 금속층(230)과 탄소나노튜브층(240)을 포함하는 융합 패턴(250)이 남는다(S25). S25 단계에서는 아세톤을 이용하여 포토레지스트 패턴(220)을 제거할 수 있다.
이후, 융합 패턴(250)을 PDMS 기판(260)으로 전사시키면 스트레인 센서(270)가 생성된다(S26). 예를 들어, S26 단계에서는 열, 전기장, 또는 기계적 압력 중 하나를 이용하여 탄노나노튜브층(240)과 PDMS 기판(260)을 접착시킴으로써 탄소나노튜브층(240)과 PDMS 기판(260)의 접착력을 금속층(230)과 자기조립 단분자층(210)과의 접착력보다 크게 하여 융합 패턴(250)을 PDMS 기판(260)으로 전사시킬 수 있다.
도 6은 도 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 광학적 이미지이다.
도 7은 도 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 길이에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 스트레인 센서의 금속층(230)이 약 5nm 두께의 금(Au)을 포함하는 경우 융합 패턴(250)의 길이 증가에 따른 저항 변화율을 나타낸 것이다. 도 7에서 보면, 변형율 증가에 따라 저항 변화율이 증가함을 알 수 있다. 또한, 도 7을 통해 스트레인 센서의 민감도를 나타내는 게이지율(Gauge Factor)을 획득할 수 있다.
도 8은 도 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 게이지율을 나타내는 그래프이다.
도 8에서 보면, 금속의 증착 두께가 증가함에 따라 게이지율이 감소한다. 이는 금속의 증착 두께가 증가할수록 스트레인 센서의 감도가 감소하는 것을 의미한다.
도 9는 5를 통해 생성된 스트레인 센서의 광학적 이미지이다.
도 9는 도 5에서 마이크로 패터닝을 통해 포토레지스트 패턴을 생성하여 센서를 제조하는 경우 탄소나노튜브층과 금속층을 포함하는 융합 패턴의 광학적 이미지이다. (A)는 1cm*1cm 면적에 100개의 센서 패턴을 제조할 수 있음을 보여주며, (B)는 (A)를 확대한 이미지이다. (B)에서 보면, 금속을 포함하는 전극은 한 변의 길이가 약 150㎛이며, 양 전극 사이에는 폭이 약 5㎛인 CNT 패턴이 존재한다.
본 발명의 실시예에 따르면 포토리소그래피를 이용한 유도조립법을 통해 기판 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWCNT)를 포함하는 탄소나노튜브층을 직접 형성함으로써 제조공정을 간소화하여 센서를 대량생산할 수 있으며, 제조비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 재료 및 제조공정이 동일한 환경에서 금속의 증착 두께를 조절하여 다양한 종류의 센서를 제작할 수 있으며, 이를 집적하여 대량 생산할 수 있다. 또한, 융합 패턴을 나노스케일로 구현함으로써 종래 센서 대비 소형화가 가능하며 신체에 부착이 용이하고 다양한 헬스케어 시스템에 활용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
100 : 기판
200 : 제1 박막
300 : 제2 박막

Claims (7)

  1. 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 기판,
    상기 기판 위의 일부 영역에 접촉되도록 형성되어 있으며, 복수개의 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브층, 그리고
    상기 탄소나노튜브층 위에 형성되어 있으며, 상기 복수개의 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브와 접촉하는 금속층
    을 포함하고
    상기 탄소나노튜브층은 p형 반도체이며, 온도가 증가함에 따라 전하 운반자인 양공의 개수 증가가 우세하여 저항이 낮아지고,
    상기 금속층은 두께가 3nm 내지 25nm로 조절되어, 출력신호가 조절되며, 전자의 산란 증가에 따른 운동성 증가가 우세하여 저항이 높아지는 센서.
  2. 삭제
  3. 기판 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계,
    상기 기판 및 상기 포토레지스트 패턴 위에 탄소나노튜브층을 형성하는 단계,
    상기 탄소나노튜브층 위에 금속층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브층은 p형 반도체이며, 온도가 증가함에 따라 전하 운반자인 양공의 개수 증가가 우세하여 저항이 낮아지고,
    상기 금속층은 두께가 3nm 내지 25nm로 조절되어, 출력신호가 조절되며, 전자의 산란 증가에 따른 운동성 증가가 우세하여 저항이 높아지는 센서 제조방법.
  4. 제3항에서,
    상기 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는,
    상기 기판 및 상기 포토레지스트 패턴 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 흡착시키는 센서 제조방법.
  5. 제1 기판 위에 자기조립 단분자층을 형성하는 단계,
    상기 자기조립 단분자층 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계,
    상기 자기조립 단분자층 및 상기 포토레지스트 패턴 위에 금속층을 형성하는 단계,
    상기 금속층 위에 탄소나노튜브층을 형성하는 단계,
    상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계, 그리고
    상기 탄소나노튜브층 및 상기 금속층을 제2 기판으로 전사시키는 단계를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브층은 p형 반도체이며, 온도가 증가함에 따라 전하 운반자인 양공의 개수 증가가 우세하여 저항이 낮아지고,
    상기 금속층은 두께가 3nm 내지 25nm로 조절되어, 출력신호가 조절되며, 전자의 산란 증가에 따른 운동성 증가가 우세하여 저항이 높아지는 센서 제조방법.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 기판은 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함하며, 상기 제2 기판은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 센서 제조방법.
  7. 제5항에서,
    상기 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는,
    상기 자기조립 단분자층 및 상기 포토레지스트 패턴 위에 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브를 흡착시키는 센서 제조방법.
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