KR101919344B1 - 산화아연 습도센서 소자 제조방법 - Google Patents

Abstract

간단한 공정으로 센싱 감도가 우수하고 접합력, 내구성 등 신뢰도가 우수한 습도센서 소자를 제조하는 본 발명의 방법은 아래와 같은 단계로 이루어진다.
기판 위에 서로 이격된 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴 위에 전극을 형성하는 단계; 상기 전극 위에 아연층을 형성하는 단계; 및 산소 함유 분위기 중에서 열처리하여 상기 아연을 산화아연으로 변환시키면서 나노와이어로 성장시킴으로써, 상기 이격된 각 패턴 상의 산화아연 나노와이어가 서로 연결되는 단계.

Description

산화아연 습도센서 소자 제조방법{METHOD FOR FABRICATING ZnO HUMIDITY SENSOR DEVICE}

본 발명은 습도센서 소자 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 간단한 공정으로 제조될 수 있고, 센싱 능력이 우수하며, 신뢰도가 높은 산화아연 습도센서 소자 제조방법에 대한 것이다.

습도는 인체공학, 농업, 초정밀기기, 보관기술 등 다양한 분야에 걸쳐 중요한 요소이다. 따라서 요구되는 상황에 맞게 공기 중 수분의 양을 정확히 알고 조절하는 것은 주요 기술로 평가되고 있다. 유적이나 고문서, 문화재 등을 유지하고 보관할 때 대기 중 수분함량이 높으면 특히 목재나 종이의 경우, 곰팡이나 형태의 변형을 일으켜 큰 문제를 일으킨다. 또한, 높은 수분 함량은 초정밀기기나 미세 구조를 형성하는 반도체 회사의 경우 불순물로 인식되어 장비의 신뢰성을 하락 시키고, 제품의 생산성과 수율 등을 낮추는 원인중 하나이다. 따라서 이를 정량화시켜 나타내기 위한 기술이 중요시되고 있다.

습도 검출을 위해서 습도센서에서는 다양한 금속 산화물을 검출막으로 사용하고, 금속을 전극으로 이용하여 습도값을 정량화하고 있다. 산화금속을 형성하기 위해서는, 금속층을 형성하고 이를 산화시키는데, 금속층 형성 방법으로는 CVD, 스퍼터링, 증발(evaporating) 등의 방법이 있다. 또 용액 내 반응을 이용한 수열합성을 이용하거나 형성된 금속층을 산화 분위기에서 열처리하고 있다. 금속 산화물로서는 산화아연, 산화구리, 산화티타늄 등이 사용된다.

이러한 종래 방법들은 합성된 금속 산화물을 센서 소자 위에 스핀 코팅방법이나, 스크린 프린팅 방법 등을 이용하여 도포하여 사용한다. 이러한 방법을 통해 도포를 하고 전극과의 접합력 향상을 위해 열처리 공정을 수행하는데, 이는 낮은 생산성으로 연결된다. 또 공정이 추가됨에 따라 불순물이 포함되어 불량 요인으로 작용하게 된다.

본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 간단한 공정으로 습도센서 소자를 제조하는 방법을 제공한다.

또 본 발명에서는 센싱 감도가 우수한 습도센서 소자를 제공한다.

또 본 발명에서는 불량 요소가 제거되어 접합력, 내구성 등 신뢰도가 우수한 습도센서 소자를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 아래와 같은 단계로 이루어지는, 산화아연을 이용한 습도센서 소자 형성 방법을 제공한다.

기판 위에 서로 이격된 패턴을 형성하는 단계;

상기 패턴 위에 전극을 형성하는 단계;

상기 전극 위에 아연층을 형성하는 단계; 및

산소 함유 분위기 중에서 열처리하여 상기 아연을 산화아연(ZnO)으로 변환시키면서 나노와이어로 성장시킴으로써, 상기 이격된 각 패턴 상의 산화아연 나노와이어가 서로 연결되는 단계를 포함하는 습도센서 소자 제조방법.

본 발명은 전극 위에 형성된 아연이 열처리 공정을 통해 산화아연이 되면서 동시에, 전극으로부터 나노와이어 형태로 성장을 하고, 성장된 산화아연 나노와이어가 인접하는 패턴 상의 산화아연 나노와이어와 서로 연결, 즉 셀프 브리징(self-bridging)되는 현상을 발견하여 이를 습도센서 소자로서 이용하는 것이다.

기판 위에 패턴을 형성하는 공정은 리소그래피에 의해 이루어질 수 있다. 바람직한 실시예에서 기판은 실리콘 기판이지만, 이것으로 한정될 필요는 없다.

상기 전극 형성 단계는, 상기 미세 패턴이 형성된 기판 위에 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag) 등의 금속을 증착하여 이루어질 수 있다.

상기 아연은 상기 전극 위에 습식 전해증착에 의해 형성될 수 있다.

상기 열처리는 산소를 함유하는 분위기 중에서 아연의 녹는점(419 ℃) 이상의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리에 따라 녹은 아연은 산소가 만나 산화아연이 된다. 이때, 산화아연은 나노와이어 또는 나노로드와 같은 나노 구조로 합성된다.

전술한 공정에 의해 자라난 나노 와이어는 일정 거리 떨어진 미세 패턴 전극과 전극 사이를 연결하게 된다. 이렇게 서로 연결된 전극은 옴 접촉(ohmic contact)의 특성을 갖고, 습도와 반응하여 저항의 변화를 통해 대기 중 수분의 양을 정량화할 수 있다. 즉 나노 와이어를 통해 전자가 흐르게 되고, 수분과 만나게 되면 저항값이 변하는 원리를 이용하여 수분량을 정량화 할 수 있다. 따라서 이후의 추가 공정 없이 간편하게 습도센서를 생산 할 수 있다.

이상 설명한 본 발명에 따르면, 간단한 열처리 공정만으로도 습도센서 소자를 제공하는 효과가 있다.

또 본 발명에 의하면 센싱 감도가 우수한 습도센서 소자를 제공할 수 있다.

또 본 발명에 의하면 불량 요소가 제거되어 접합력, 내구성 등 신뢰도가 우수한 습도센서 소자를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에서 기판 위에 형성된 패턴에 전극이 증착된 부분을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에서 전극에 아연을 증착하기 위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에서 전극 위에 형성된 아연을 열처리하기 위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에서 전극 위에 형성된 아연이 열처리에 의해 산화되며 나노와이어로 성장하는 것을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 성장된 산화아연 나노와이어의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 형성된 습도센서 소자를 평가하기 위한 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 형성된 습도센서 소자의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따라 형성된 습도센서 소자에서 측정되는 상대 습도에 따른 저항값 변화를 나타내는 그래프이다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.

본 실시예에서는 먼저 기판을 준비하였다. 기판은 실리콘 기판 표면을 산화시켜 SiO₂ 층을 형성한 것을 사용하였다. 기판의 제작 관련된 내용은 본 발명의 범위 밖이므로 상세한 설명은 생략한다.

다음으로 도 1에 나타난 바와 같이 기판 위에 리소그래피에 의해 미세 패턴을 형성하였다. 패턴은 일정한 간격을 두고 분리되어 있다. 패턴 사이 간격은 수마이크로미터이며 본 실시예에서는 약 2㎛이다. 이어서 패턴 위에 전극을 형성하였다. 전극 형성 방법은 증발(evaporation)을 사용하였으며, 전극 물질은 금(Au)을 사용하였다.

이렇게 형성된 전극 위에, 이어서 도 2에 나타낸 것과 같은 장치를 이용하여 아연의 전해 증착 공정을 수행하였다.

금 전극이 증착된 실리콘 기판이 작업 전극이 되고, Ag/AgCl 전극이 기준전극으로 사용되었으며, 백금 플레이트를 상대전극으로 사용하였다.

구체적인 전해 증착 조건은 다음과 같이 설정하였다.

아연 공급원으로서 ZnCl₂를 0.1M/L, 그리고 KCl을 1M/L로 함유하는 전해액을 준비하였다. 전해액은 pH는 2.5, 온도는 실온, 전위는 -1.1V(vs Ag/AgCl)의 조건이었다. 상기 물질을 포함하는 전해액으로 전해증착을 수행하였다. 증착 시에는 200rpm으로 교반을 해주었다.

아연 형성 후에는 도 3에 나타난 것과 같은 열처리 로에서 열처리 공정을 수행하였다. 즉 상하의 가열 영역 사이에서 알루미늄 판 위에 습도센서 소자 샘플을 놓고 가열을 실시하였다.

열처리는 600℃에서 4시간을 수행하였으며, 이때 분위기는 O₂ 21%, N₂ 79% 조성의 가스를 1L/min으로 유동시켜주었다.

도 4는 전극 위에 형성된 아연이 열처리에 의해 산화되며 산화아연으로 바뀌고 나노와이어로 성장하는 것을 개략적으로 나타내는 도면이다. 왼쪽의 열처리 전 상태의 아연이 열처리에 의해 오른쪽과 같이 산화되어 산화아연이 됨을 나타낸다. 동시에, 산화아연 나노와이어가 성장하여 패턴 사이가 연결된다. 즉 셀프 브리징이 일어난다.

이러한 상태는 산화아연 나노와이어의 SEM 사진을 나타내는 도 5에서 확인할 수 있다. 오른쪽 사진은 왼쪽의 산화아연 나노와이어를 확대한 사진이다. 사진에서 산화아연 나노와이어가 성장하였고 일부가 셀프 브리징된 것을 확인할 수 있다.

도 6은 이렇게 제조된 습도센서 모듈을 이용하여 습도를 측정하는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.

순수와 가스공급원으로부터의 질소 가스가 유량계로 유입되어 혼합된다. 유량계에서는 습도계 내로 공급되는 혼합 가스의 양을 조절한다. 유량계로부터 유출된 혼합 가스는 가스 유입구를 통해 습도계로 공급되며, 이어서 습도계 내의 센서 모듈에 접하게 된다. 따라서 수분은 산화아연 나노와이어 표면에 흡착되고 그 결과 산화아연 나노와이어를 통해 흐르는 전류값을 변화시킨다. 이 값은 연결된 컴퓨터를 통해 습도값으로 변환되어 출력된다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 형성된 습도센서 소자의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다. 도면에서 알 수 있듯이 본 실시예에 따라 제조된 습도센서 소자는 오믹 거동(ohmic behavior)을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 아연과 금이 접합 계면에서 금속간화합물이 발생할 경우 오믹 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있으나, 상기 그래프로부터 이러한 금속간화합물은 형성되지 않았음을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따라 형성된 습도센서 소자에서 측정되는 상대 습도에 따른 저항값 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8에서 △R/R 값이 상대 습도 값에 따라 선형으로 변화하고 있는 바, 전체 습도 영역에 대해 균일한 검출 특성을 나타냄을 보여준다.

Claims (8)

1. 기판 위에 서로 이격된 패턴을 형성하는 단계;
   상기 패턴 위에 전극을 형성하는 단계;
   상기 전극 위에 아연층을 형성하는 단계; 및
   산소 함유 분위기 중에서 열처리하여 상기 아연을 산화아연으로 변환시키면서 나노와이어로 성장시킴으로써, 상기 이격된 각 패턴 상의 아연층이 산화됨과 동시에 산화아연 나노와이어 형태로 성장하여 인접한 다른 패턴 상의 산화아연 나노와이어와 셀프 브리징되어 서로 연결되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 아연이 상기 전극 위에 습식 전해증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열처리가 산소를 함유하는 분위기 중에서 아연의 녹는점 이상 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 열처리가 600℃에서 4시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 열처리가 O₂ 21%, N₂ 79% 조성의 가스를 1L/min으로 유동시켜주는 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극이 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 기판이 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 습도센서 소자 제조방법.
   
8. 삭제

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