KR101968903B1 - 박막 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

박막 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 박막 센서는 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체 및 상기 베이스 구조체 상에 배치되고, 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층을 포함하고, 박막 센서의 제조 방법은 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체가 준비되는 단계 및 상기 베이스 구조체 상에 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층이 형성되는 단계를 포함한다.

Description

박막 센서 및 그 제조 방법 {Thin film sensor and manufacturing method of the same}
본 발명은 박막 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 내부에 2차원 전자층을 포함하여, 타겟 물질에 대한 센싱 감도를 향상시키는 박막 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
IC(Integrated Circuit)는 2차원 평면 형태의 칩을 수직으로 적층하여, 단일 면적당 트랜지스터의 수를 극대화시킨, 고집적 3차원 칩 패키지를 의미한다. IC는 수직으로 적층된 2차원 칩들이 와이어 본딩(wire bonding) 또는 실리콘 관통 전극(Through-Silicon-Via, TSV)을 통해 연결된 구조를 갖는다. 와이어 본딩은 수직으로 적층된 2차원 칩들을 외부에서 금속 배선으로 연결한 구조로, 외부 금속 배선 연결에 따른 불량 문제가 있다. 이를 대체하기 위해 개발된 실리콘 관통 전극은, 2차원 칩들을 관통하는 비아(via)를 뚫어, 비아 내부에 금속 배선을 형성한 것으로, 와이어 본딩이 갖는 외부 금속 배선 연결에 따른 불량 문제를 근본적으로 해결 가능하며, 배선의 전체 길이가 감소하여, 저전력 및 고속 동작이 가능하다는 장점을 갖는다.
그러나 실리콘 관통 전극을 형성하는 공정 과정 중에 문제가 발생하여 이산화규소(SiO2) 막이 파괴되고, 실리콘 관통 전극 내에 핀 홀(pin-hole)과 같은 결함이 발생될 수 있다. 실리콘 관통 전극에 핀 홀이 형성된 경우, 실리콘 기판에서 실리콘 관통 전극으로 누설 전류가 유입되어, IC 전체에 고장이 발생할 수 있다.
이에 따라, 실리콘 관통 전극 상에 형성된 결함을 검출할 수 있는 테스트 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 검출능이 향상된 박막 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 소형화 가능한 박막 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 공정이 간소화된 박막 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 박막 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 박막 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 박막 센서는 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체 및 상기 베이스 구조체 상에 배치되고, 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 구조체는, 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 제1 금속 원소를 포함하는 하부 박막, 상기 하부 박막 상에 배치되고, 상기 제1 금속 원소와 상이한 제2 금속 원소를 포함하는 상부 박막 및 상기 하부 박막 및 상기 상부 박막의 계면에 형성된 상기 2차원 전자층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 박막 센서는, 상기 베이스 구조체의 상기 상부 박막을 관통하고, 상기 2차원 전자층에 직접적으로 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 박막은 상기 제1 금속 원소의 산화물로 형성되고, 상기 상부 박막은 상기 제2 금속 원소의 산화물로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층은 팔라듐(Pd) 또는 플래티늄(Pt) 중 적어도 어느 하나로 형성되고, 상기 제1 금속 원소는 티타늄(Ti)을 포함하고, 상기 제2 금속 원소는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막의 두께는 1nm보다 두껍고, 12nm보다 얇을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 타겟 물질은 수소 가스를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층의 두께는 2nm 이하일 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 박막 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 박막 센서의 제조 방법은 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체가 준비되는 단계 및 상기 베이스 구조체 상에 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층이 형성되는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 구조체가 준비되는 단계는, 기판이 준비되는 단계, 상기 기판 상에 제1 금속 원소를 포함하는 하부 박막을 형성하는 단계 및 상기 하부 박막 상에 상기 제1 금속 원소와 상이한 제2 금속 원소를 포함하는 상부 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막 및 상기 하부 박막은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 통해 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층의 두께는 2nm 이하일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막의 두께는 1nm보다 두껍고, 12nm보다 얇을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서는, 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체 상에 금속 촉매층이 형성된 것을 포함한다. 이에 따라, 상기 금속 촉매층에서 타겟 물질이 감지되는 경우, 상기 2차원 전자층에 의해, 박막 센서에 흐르는 전기 전도도 값이 증폭되어, 타겟 물질에 대한 감지 성능이 향상된 박막 센서가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 박막 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 박막 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 박막 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서의 제조 방법에 따른 센싱 감도 측정 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서의 하부 박막의 두께에 따른 면 저항 차이를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서를 이용하여 상온에서 수소 가스를 감지한 결과 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서를 이용하여 150에서 수소 가스를 감지한 결과 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 박막 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 박막 센서는 베이스 구조체(110), 금속 촉매층(160) 및 전원(170)을 포함한다.
상기 베이스 구조체(110)는 기판(120), 하부 박막(130), 상부 박막(140) 및 2차원 전자층(150)을 포함할 수 있다.
상기 기판(120)은 반도체 기판일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(120)은 실리콘 기판일 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 기판(120)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 기판(120)은 유리 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 기판(120)은 플렉시블(flexible)할 수 있다.
상기 하부 박막(130)은 상기 기판(120) 상에 배치되고, 제1 금속 원소를 포함할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 원소는 티타늄(Ti)일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 하부 박막(130)은 상기 제1 금속 원소의 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 박막(130)은 TiO2로 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 하부 박막(130)의 두께는 2.5nm 이상일 수 있다.
상기 상부 박막(140)은 상기 하부 박막(130) 상에 배치되고, 상기 제1 금속 원소와 상이한 제2 금속 원소를 포함할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 원소는 알루미늄(Al)일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막(140)은 상기 제2 금속 원소의 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 박막(140)은 Al2O3로 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막(140)의 두께는 1nm보다 두껍고, 12nm보다 얇을 수 있다. 상기 상부 박막(140)의 두께가 1nm 보다 얇거나, 12nm보다 두꺼운 경우 박막 센서가 상기 타겟 물질(180)을 감지하는 것이 용이하지 않을 수 있다.
상기 2차원 전자층(150)은 상기 하부 박막(130) 및 상기 상부 박막(140)의 계면에 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 2차원 전자층(150)은 고농도의 전자를 포함할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 2차원 전자층(150)은 2nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
상기 금속 촉매층(160)은 상기 베이스 구조체(110) 상에 배치되고, 타겟 물질(180)과 반응하여 상기 타겟 물질(180)을 감지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 타겟 물질(180)은 수소 가스 또는 황화수소(H2S) 가스일 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 타겟 물질(180)은 화학 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 화학 물질은 O2, NO2 등의 산화성 가스 일 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 타겟 물질(180)은 바이오 물질일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층(160)은 상기 상부 박막(140) 상에 배치될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층(160)은 팔라듐(Pd)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 촉매층(160)은 팔라듐 외에, 상기 타겟 물질(180)과 반응하여 발열하는 발열 물질(예를 들어, 플래티늄(Pt))을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 팔라듐을 포함하는 상기 금속 촉매층(160)을 포함하는 박막 센서가 상온에서 제대로 작동하지 않는 경우, 상기 금속 촉매층(160)이 플래티늄을 더 포함하도록 제조할 수 있다. 플래티늄은 상기 타겟 물질(180)과 발열 반응하여 온도를 상승시키고, 이에 따라, 박막 센서는 상온에서도 용이하게 작동할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층(160)의 두께는 2nm 이하일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층(160)은, 도 1에 도시된 것처럼 나노 입자(nano particle) 형태로 제공되거나, 또는 박막(layer) 형태로 제공될 수 있다.
상기 전원(170)은 상기 베이스 구조체(110)의 상기 2차원 전자층(150)의 양 측면에서 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서는 상기 2차원 전자층(150)을 포함하는 상기 베이스 구조체(110) 상에 상기 금속 촉매층(160)이 배치된 것을 포함한다. 상기 2차원 전자층(150)은 고농도의 전자를 포함하고, 상기 금속 촉매층(160)이 상기 타겟 물질과 반응하여 발생되는 전기 전도도 변화량을 증폭시켜, 박막 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 박막 센서의 상기 금속 촉매층(160)이 팔라듐(Pd)으로 형성된 경우, 팔라듐의 높은 일 함수(work function) 값(5.6eV)으로 인해, 상기 2차원 전자층(150)에는 공핍 영역(depletion region)이 형성된다. 상기 박막 센서에 수소 가스가 주입되어, 팔라듐이 수소 가스와 반응하는 경우, 낮은 일 함수 값을 갖는 PdHx가 형성되면서, 상기 공핍 영역이 감소되어, 상기 2차원 전자층(150)의 전기 전도도가 증가한다.
다른 예를 들어, 박막 센서의 상기 금속 촉매층(160)이 팔라듐(Pd)으로 형성되고, 상기 박막 센서에 주입되는 상기 타겟 물질이 산화성 가스(예를 들어, O2, NO2)인 경우, 상기 박막 센서에 산화성 가스가 주입되어, 팔라듐이 산화성 가스와 반응하는 경우, 팔라듐의 표면에 O2-가 흡착하면서, 상기 2차원 전자층(150)의 전자가 트랩(trap)되어, 상기 2차원 전자층(150)의 전기 전도도가 감소할 수 있다.
또한, 상기 2차원 전자층(150)에 의해 박막 센서의 민감도가 향상되어, 상기 금속 촉매층(160)이 포함하는 팔라듐의 양을 최소화 시킬 수 있다. 이에 따라, 박막 센서의 제조 비용이 감소될 수 있다.
또한, 상기 2차원 전자층(150)은 박막 센서의 내부에 형성되어, 외부로 노출되지 않는다. 이에 따라, 박막 센서의 내구성이 향상되고, 상기 타겟 물질(180)에 대한 측정 신뢰도가 우수할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 박막 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 박막 센서는 베이스 구조체(110), 금속 촉매층(160), 전원(170), 제1 전극(172) 및 제2 전극(174)을 포함한다.
상기 베이스 구조체(110) 및 상기 금속 촉매층(160)은 도 1에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)은 도전성 물질(예를 들어, 금속 등)로 형성되고, 상기 상부 박막(140) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 박막(140)의 두께는 1nm 이상 12nm 미만이고, 상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)은 충분히 얇은 두께의 상기 상부 박막(140)을 통해 상기 2차원 전자층(150)과 전기적으로 접촉된다. 예를 들어, 상기 금속 촉매층(160)이 상기 타겟 물질(180)과 반응하는 경우, 상기 2차원 전자층(150)의 전기 전도도에 변화가 발생하여, 박막 센서는 상기 타겟 물질(180)을 센싱할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)은 상기 베이스 구조체(110)의 양 끝에서 서로 대향 하도록 배치될 수 있다.
상기 전원(170)은 상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)에 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 박막 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 박막 센서는 베이스 구조체(110), 금속 촉매층(160), 전원(170), 제1 전극(172) 및 제2 전극(174)을 포함한다.
상기 베이스 구조체(110), 상기 금속 촉매층(160) 및 상기 전원(170)은 도 2에서 설명한 바와 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)은 도전성 물질(예를 들어, 금속 등)로 형성되고, 상기 하부 박막(130) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 전극(130) 및 상기 상부 박막(140)의 계면에 상기 2차원 전자층(150)이 형성되고, 상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)은 상기 2차원 전자층(150)에 직접적으로 접촉 할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(172) 및 상기 제2 전극(174)은 상기 베이스 구조체(110)의 양 끝에서 서로 대향하도록 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체가 준비된다(S110). 상기 베이스 구조체가 준비되는 단계는, 기판이 준비되는 단계, 상기 기판 상에 제1 금속 원소를 포함하는 하부 박막을 형성하는 단계 및 상기 하부 박막 상에 상기 제1 금속 원소와 상이한 제2 금속 원소를 포함하는 상부 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판은 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판 또는 화합물 반도체 기판)일 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 기판은 유리 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 기판 상에 제1 금속 원소를 포함하는 하부 박막이 형성된다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 원소는 티타늄(Ti)일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 하부 박막은 상기 제1 금속 원소의 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 박막은 TiO2로 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 하부 박막은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 통해 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 박막은, 티타늄 및 산소를 포함하는 소스를 이용하여, 원자층 증착법으로 형성될 수 있다.
상기 하부 박막 상에 상기 제1 금속 원소와 상이한 제2 금속 원소를 포함하는 상부 박막이 형성된다. 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 원소는 알루미늄(Al)일 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막은 상기 제2 금속 원소의 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 박막은 Al2O3로 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 상부 박막(140) 두께는 1nm보다 두껍고, 12nm보다 얇게 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 하부 박막은 원자층 증착법을 통해 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 박막은, 알루미늄 및 산소를 포함하는 소스를 이용하여, 원자층 증착법으로 형성될 수 있다.
상기 하부 박막 및 상기 상부 박막이 형성됨에 따라, 상기 하부 박막 및 상기 상부 박막의 계면에 상기 2차원 전자층이 형성된다. 상기 2차원 전자층은 2nm 이하의 두께로 형성되며, 고농도의 전자를 포함할 수 있다.
상기 베이스 구조체 상에 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층이 형성된다(S120). 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층은 상기 상부 박막 상에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층은 팔라듐(Pd)으로 형성될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층은 팔라듐 및 플래티늄(Pt)으로 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층은 나노 입자 형태 또는 박막 형태로 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매층의 두께는 2nm 이하일 수 있다.
실시 예 1 내지 4에 따른 박막 센서의 제조.
실리콘 기판 상에, ALD를 이용하여 TiO2를 15nm 두께로 증착하고, TiO2 박막 상에 ALD를 이용하여 Al2O3를 1nm 두께로 증착한 뒤, Al2O3 박막 상에 팔라듐(Pd) 나노 입자를 1 nm 두께로 증착하여 실시 예 1에 따른 박막 센서를 제조하였다.
상술된 실시 예 1에 따른 박막 센서의 제조 방법에서, Al2O3의 두께를 2nm로 변경하고, 팔라듐 나노 입자의 두께를 2nm로 변경하여, 실시 예 2에 따른 박막 센서를 제조하였다.
상술된 실시 예 1에 따른 박막 센서의 제조 방법에서, Al2O3의 두께를 6nm로 변경하여, 실시 예 3에 따른 박막 센서를 제조하였다.
상술된 실시 예 1에 따른 박막 센서의 제조 방법에서, Al2O3의 두께를 8nm로 변경하여, 실시 예 4에 따른 박막 센서를 제조하였다.
상술된 실시 예 1에 따른 박막 센서의 제조 방법에서, Al2O3의 두께를 12nm로 변경하여, 실시 예 5에 따른 박막 센서를 제조하였다.
상술된 실시 예 1에 따른 박막 센서의 제조 방법에서, Al2O3의 두께를 18nm로 변경하여, 실시 예 6에 따른 박막 센서를 제조하였다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서의 제조 방법에 따른 센싱 감도 측정 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실시 예 1에 따른 박막 센서의 산소 가스 감지 성능을 측정하였다. 수소 가스의 주입 여부(on/off)에 따라 실시 예 1에 따른 박막 센서에 흐르는 전류량이 변화하는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 실시 예 2에 따른 박막 센서의 산소 가스 감지 성능을 측정하였다. 수소 가스의 주입 여부(on/off)에 따라 실시 예 2에 따른 박막 센서에 흐르는 전류량이 변화하는 것을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 실시 예 3에 따른 박막 센서의 산소 가스 감지 성능을 측정하였다. 수소 가스의 주입 여부(on/off)에 따라 실시 예 3에 따른 박막 센서에 흐르는 전류량이 변화하는 것을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 실시 예 4에 따른 박막 센서의 산소 가스 감지 성능을 측정하였다. 수소 가스의 주입 여부(on/off)에 따라 실시 예 4에 따른 박막 센서에 흐르는 전류량이 변화하는 것을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 실시 예 5에 따른 박막 센서의 산소 가스 감지 성능을 측정하였다. 수소 가스의 주입 여부(on/off)에 관계없이, 실시 예 5에 따른 박막 센서에 흐르는 전류량은 실질적으로 일정한 것을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, 실시 예 6에 따른 박막 센서의 산소 가스 감지 성능을 측정하였다. 산소 가스의 주입 여부(on/off)에 관계없이, 실시 예 6에 따른 박막 센서에 흐르는 전류량은 실질적으로 일정한 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서의 하부 박막의 두께에 따른 면 저항 차이를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 11을 참조하면, 실리콘 기판 상에, 원자층 증착법을 이용하여, 하부 박막으로 TiO2를 증착하고, 상기 하부 박막 상에 상부 박막으로 Al2O3를 증착하였다.
상기 하부 박막인 TiO2의 두께를 달리하면서, 면 저항(Sheet Resistance, Rsh)을 측정한 결과, TiO2의 두께가 3nm인 경우, TiO2의 두께가 2nm인 경우와 비교하여, 면 저항의 값이 현저하게 감소되는 것으로 측정되었다. 또한, 상기 상부 박막인 Al2O3가 생략된 경우와 비교하여, TiO2의 두께가 3nm인 경우, 면 저항의 값이 현저하게 낮은 것으로 측정되었다. 다시 말하면, 상기 하부 박막으로 사용된 TiO2의 두께가 3nm 이상인 경우, TiO2 및 Al2O3의 사이에 2차원 전자층이 형성됨을 확인할 수 있다.
실시 예 7에 따른 박막 센서의 제조.
실리콘 기판 상에, ALD를 이용하여 TiO2를 10nm 두께로 증착하고, TiO2 박막 상에 ALD를 이용하여 Al2O3를 1nm 두께로 증착한 뒤, Al2O3 박막 상에 팔라듐(Pd) 나노 입자를 0.5nm 두께로 증착하여 실시 예 7에 따른 박막 센서를 제조하였다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서를 이용하여 상온에서 수소 가스를 감지한 결과 그래프이고, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 센서를 이용하여 150℃에서 수소 가스를 감지한 결과 그래프이다.
도 12 및 아래 <표 1>을 참조하면, 실시 예 7에 따른 박막 센서의 상온에서의 수소 가스 감지 특성을 확인할 수 있다. 실시 예 7에 따른 박막 센서에 10ppm의 수소 가스를 주입한 뒤, 회로에 흐르는 전류를 측정하였다.
response time(sec) recovery time(sec)
τ90 140 1400
τ50 75 600
최대 전류 값의 90%에 도달하는 response time(τ90)은 140초로 측정되었고, 이 후, 수소 가스의 주입이 중단되며, 다시 초기 상태인 최소 전류 값의 90%에 도달하는 recovery time(τ90)은 1400초로 측정되었다.
최대 전류 값의 50%에 도달하는 response time(τ50)은 75초로 측정되었고, 이 후, 수소 가스의 주입이 중단되며, 다시 초기 상태인 최소 전류 값의 90%에 도달하는 recovery time(τ50)은 600초로 측정되었다.
도 13 및 아래 <표 2>를 참조하면, 실시 예 7에 따른 박막 센서의 150℃에서의 수소 가스 감지 특성을 확인할 수 있다. 실시 예 7에 따른 박막 센서에 10ppm의 수소 가스를 주입한 뒤, 회로에 흐르는 전류를 측정하였다.
response time(sec) recovery time(sec)
τ90 17 163
τ50 3 4
최대 전류 값의 90%에 도달하는 response time(τ90)은 17초로 측정되었고, 이 후, 수소 가스의 주입이 중단되며, 다시 초기 상태인 최소 전류 값의 90%에 도달하는 recovery time(τ90)은 163초로 측정되었다.
최대 전류 값의 50%에 도달하는 response time(τ50)은 3초로 측정되었고, 이 후, 수소 가스의 주입이 중단되며, 다시 초기 상태인 최소 전류 값의 90%에 도달하는 recovery time(τ50)은 4초로 측정되었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 베이스 구조체
120: 기판
130: 하부 박막
140: 상부 박막
150: 2차원 전자층
160: 금속 촉매층
170: 전원
172: 제1 전극
174: 제2 전극
180: 타겟 물질

Claims (13)

  1. 기판, 상기 기판 상에 배치되고, TiO2로 형성된 하부 박막, 상기 하부 박막 상에 배치되고, 1 nm 이상 및 8 nm 이하 두께의 Al2O3로 형성된 상부 박막, 및 상기 하부 박막과 상기 상부 박막의 계면에 형성되는 2차원 전자층을 포함하는 베이스 구조체; 및
    상기 베이스 구조체 상에 배치되고, 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층을 포함하는 박막 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 구조체의 상기 상부 박막을 관통하고, 상기 2차원 전자층에 직접적으로 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 더 포함하는 박막 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매층은 팔라듐(Pd) 또는 플래티늄(Pt) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 박막 센서.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 수소 가스를 포함하는 박막 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매층의 두께는 2nm 이하인 것을 포함하는 박막 센서.
  9. 기판 상에, TiO2 로 하부 박막을 형성하는 단계;
    상기 하부 박막 상에, 1 nm 이상 및 8 nm 이하 두께의 Al2O3로 상부 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 상부 박막 상에, 타겟 물질과 반응하여 상기 타겟 물질을 감지하는 금속 촉매층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 하부 박막 및 상기 상부 박막의 계면에 2차원 전자층이 형성되는 것을 포함하는 박막 센서의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 상부 박막 및 상기 하부 박막은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 통해 형성되는 박막 센서의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 금속 촉매층의 두께는 2nm 이하인 것을 포함하는 박막 센서의 제조 방법.
  13. 삭제
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