KR102063812B1 - 가스 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스센서를 제공한다. 상기 가스센서는 기판; 상기 기판 상에 형성된 니켈 및 크롬층; 상기 니켈 및 크롬층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 전극층; 및 상기 전극들 사이에 형성되어 가스를 감지하는 탄소나노튜브를 포함한다.

Description

가스 센서{GAS SENSOR}
본 발명은 가스 센서에 관한 것이다.
가스, 화합물, 바이오 분자 등의 검출에 사용되는 센서는 많은 관심을 받아 왔고 많은 연구 결과들이 발표가 되고 있는 분야이다. 이중에서 가스센서는 화학, 제약, 환경, 의료 등 광범위한 분야에서 사용되어왔고 미래에 더욱 많은 연구가 될 것으로 예측되고 있다. 공기 중의 유해물질 및 오염물질을 실시간으로 검출하는 기술은 생활환경, 노동환경을 양호하게 유지하기 위해 필수불가결하다. 가스센서는 여러 장소에 설치되어 우리가 생활하는 대기, 환경 중의 유해물질 및 오염물질을 모니터링 하는 중요한 역할을 담당하고 있다.
이런 가스센서가 가져야 하는 조건으로는 얼마나 빨리 반응을 할 수 있는지를 보여주는 신속성, 얼마나 미세한 양이 검출이 되어도 반응할 수 있는지를 보여주는 민감성, 얼마나 오랫동안 동작을 할 수 있는지를 보여주는 내구성, 그리고 소비자가 얼마나 부담 없이 센서를 사용할 수 있는지를 보여주는 경제성 등의 특성을 요구하고 있다. 또 기존의 반도체 공정 기술과 결합하기 위해서는 집적화, 나열화 하기 쉬운 특성을 갖고 있어야 한다. 실용적인 가스센서로는 산화주석(SnO2)을 재료로 해서 만들어진 가정용 가스 누출 경보기 등이 폭넓게 보급되어 있다. 동작원리로는 가스양의 변화에 따라서 저항 값이 변화하는 것을 이용한 반도체형과 일정 주파수를 갖고 진동하고 있는 진동자에 가스가 흡착되면 진동수가 바뀌는 것을 이용한 진동자형이 있다. 대부분의 가스센서는 회로가 간단하고 상온에서 안정적인 열 적인 특성을 보이는 반도체형을 이용하고 있다.
한편, 환경보전 및 안전관리 등의 사회적 요청이 증가함으로써 가스센서에 요구되는 성능 및 사양도 고도화되고 있다. 예를 들어, 이산화질소와 같은 환경오염물질의 고감도 검출 및 휘발성유기화합물의 관리, 악취물질의 검출 등 여러 가지 사회적인 필요성이 요구되어 왔다. 이러한 사회적 요청을 만족시키기 위해서는 기존에 사용되어 왔던 가스센서 재료뿐만 아니라, 감도, 응답속도 및 안정성 등이 불충분하기 때문에 이것을 극복하기 위한 특성을 가진 재료를 개발하는 것이 중요한 과제가 되었다. 예를 들어 이산화질소의 일본 환경기준은 40~60ppb이고, 미국 환경성 기준은 53ppb이지만, 기존의 산화물 반도체 가스센서로는 이렇게 저농도 이산화질소를 검출하는 것은 곤란하다.
이와 같이 새로운 가스센서 재료를 필요로 하기 때문에 새로운 가스센서 재료에 대한 연구는 많은 곳에서 활발하게 이루어지고 있는데 가장 주목을 받고 있는 재료가 바로 탄소나노튜브, 나노선과 같은 나노 재료들이다.
도 1은 종래 탄소나노튜브를 이용한 가스센서를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 일반적으로 게이트 전극(10), 소스 전극(30), 드레인 전극(32)을 가지며 소스 전극(30)과 드레인 전극(32) 사이에 탄소나노튜브(40)가 전계효과 트랜지스터의 채널로써 놓여져 있는 구조이다. 또한, 소스 전극(30) 및 드레인 전극(32)과 게이트(10) 사이에 절연막(20)이 형성되어 있다. 게이트 전극(10)은 고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼 기판 자체를 후면 게이트로 사용한다.
가스 센서가 가스(COx, NOx, NH3, CH4 등)에 노출되었을 때 가스 분자가 탄소나노튜브(40)에 흡착하면 탄소나노튜브(40)와 가스 분자 간에 전하 이동이 생기는데 이로 인해 생기는 탄소나노튜브(40)의 전기적인 변화를 이용해 가스를 감지하는 원리를 이용한 것이다. 가스는 탄소나노튜브(40)에 흡착했을 때 전자를 받아오는 산화성 가스와 전자를 주는 환원성 가스로 나눌 수 있다. 탄소나노튜브(40)는 p-type 반도체의 특성을 나타내는데 산화성 가스가 탄소나노튜브(40)에 흡착하면, 탄소나노튜브(40)는 전자를 잃기 때문에 다수 캐리어인 홀이 증가하므로 전도도가 증가하는 특성을 보인다. 이와 반대로 환원성 가스가 탄소나노튜브에 흡착하면 탄소나노튜브는 전자를 얻기 때문에 홀이 감소하므로 전도도가 감소하게 된다.
그런데, 기존 방식에 CNT 가스센서는 실리콘 웨이퍼 위에 금속(Ni, Cr, Au, Pt) 스퍼터링된 재료에 리소그래피(Lithography) 기술을 이용하여 전극을 형성하였으나 기존 실리콘 웨이퍼 베이스(Silicone wafer base) 회로 형성의 경우 미세 회로 패터닝(pattering) 작업을 통해서 전극 간 간격을 수um(2~6um)로 형성해야만 CNT 물질이 전극 간에 접합이 가능했다. 즉, 전극간 간격이 수um(2~6um)이므로, 가스센서의 제조가 용이하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 제작이 용이한 가스센서를 제공하는데 있다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서는 기판; 상기 기판 상에 형성된 니켈 및 크롬층; 상기 니켈 및 크롬층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 전극층; 및 상기 전극들 사이에 형성되어 가스를 감지하는 탄소나노튜브를 포함한다.
상기 소스 전극과 드레인 전극 사이의 간격은 10 내지 16㎛ 의 범위에 있을 수 있다.
상기 기판은 폴리이미드 필름으로 형성될 수 있다.
상기 가스 센서는 니켈 및 크롬층 상에 형성된 구리 도금층을 더 포함할 수 있다.
상기 구리 도금층은 상기 전극층이 상기 니켈 및 크롬층 상에 접합되는 것을 용이하게 한다.
본 발명은 변경 방식은 폴리이미드 기판 상에 스퍼터링된 니켈 및 크롬층을 형성함으로써 그 상에 형성된 전극층의 소스 전극과 드레인 전극 사이의 간격이 넓더라도 탄소나노튜브가 이들 사이에 접합될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 탄소나노튜브를 이용한 가스센서를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 종래 기술과 본 발명에 따른 가스 센서를 확대한 사진을 나타낸다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 형태들에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하 본 발명에 따른 가스센서의 제조 공정을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 가스센서는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 형성된 니켈 및 크롬층(110), 니켈 및 크롬층(110) 상에 형성된 구리 도금층(112), 구리 도금층(112) 상에 형성된 전극층(140) 및 폴리이미드 기판(100) 상에 형성된 탄소나노튜브(120)를 포함한다.
폴리이미드 기판(100)은 38 ㎛의 두께를 갖는다. 니켈 및 크롬층(110)과 구리 도금층(112)은 함께 500 내지 1600 Å두께를 갖는다. 전극층(140)은 7.0 ㎛ 내지 9.5 ㎛의 범위 내에서 결정된 두께를 갖는다.
또한 가스센서는 폴리이미드 기판(100)의 하부에 지지대(104)가 배치되어 있다. 지지대(104)는 가스센서의 제조공정시 가스센서를 반송하는 역할을 한다. 지지대(104)는 PET(Polyethylene Terephthalate)필름으로 구현될 수 있다. 그리고, 지지대(104)와 폴리이미드 기판(100)을 접착시키기 위해 접착층(102)이 지지대(104)와 폴리이미드 기판(100) 사이에 개재되어 있다. 또한, 지지대(104)는 59 ㎛의 두께를 갖는다.
본 발명의 가스센서에서 감지되는 가스는 암모니아 또는 일산화탄소일 수 있다.
상기 니켈 및 크롬층(110)은 패턴 형성 시 탄소나노튜브의 접합에 유도체 역할을 한다. 구체적으로, 폴리이미드 기판(100) 상에 니켈 및 크롬층(110)을 형성하고, 니켈 및 크롬층(110) 상에 구리 도금층(112)을 형성한다.
구체적으로, 폴리이미드 기판(100) 상에 니켈을 스퍼터링하여 니켈층을 형성하고, 니켈층 상에 크롬을 스퍼터링하여 크롬층을 형성하여 니켈 및 크롬층(110)을 형성한다. 그리고, 니켈 및 크롬층(110) 상에 구리를 스퍼터링하여 구리 도금층(112)을 형성한다. 구리 도금층(112)은 전극층(140)이 니켈 및 크롬층(110) 상에 잘 접합되도록 한다.
그런 다음, 구리 도금층(112) 상에 구리층을 형성한 후 구리층을 패터닝하여 전극층(140)을 형성한다. 이 때, 구리층을 패터닝할 때, 구리층 상에 패터닝을 위한 포토 레지스트를 형성한 후 에칭 공정이 수행된다. 이 때 에칭액은 염화철을 사용하여 전극층(140) 하부에 있는 니켈 및 크롬층(110)이 일부 남아있도록 한다. 폴리이미드 기판은 폴리이미드 필름으로 구현될 수 있다.
에칭에 의해 전극층(140)이 형성되면 포토레지스트를 제거하고 전극층(140) 에 니켈을 도금하고 다시 금 도금하여 전극층(140)에 저항 변화를 최소화한다. 만약 전극층(140) 상에 니켈 및 금 도금을 실시하지 않을 경우 동박 산화가 발생되어 전극에 저항 값에 변화가 발생된다.
전극층(140)은 소스 전극(142) 및 드레인 전극(144)을 포함한다. 소스 전극(142) 및 드레인 전극(144)은 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 금속으로 형성될 수 있다.
소스 전극(142) 및 드레인 전극(144)은 가스센서의 적용분야에 따라 그 선폭과 두 전극사이의 간격을 적절히 조절할 수 있다. 소스 전극 및 드레인 전극의 선폭이 너무 작으면 전극이 끊어지거나 탄소나노튜브(120)를 형성하기 어려운 문제가 있고, 선폭이 너무 크면 가스를 감지하기 위한 영역인 탄소나노튜브(120)의 영역이 작아진다. 따라서, 소스 전극(142) 및 드레인 전극(144)의 선폭은 20 내지 100 nm정도가 되도록 하고, 각 전극간 간격은 10 내지 16㎛ 의 범위에서 결정된다.
그리고, 탄소나노튜브(120)가 전기 연동법으로 소스 전극(142)과 드레인 전극(144) 사이를 접합하도록 처리한다. 즉, 형성된 전극층(140) 위에 분산된 탄소나노튜브 용액을 떨어뜨린 후 유전 영동기를 사용하여 탄소나노튜브(120)를 각 전극 간 사이에 접합한다.
그리고, 하부 니켈 및 크롬층이 초기 탄소나노튜브(120)의 접합을 더욱 많이 되도록 유도하기 때문에 기존 방식에 비해 탄소나노튜브(120)가 전극 간격(space) 상에 더욱 많이 접합되어 가스센서가 센서로서의 민감도, 반응 속도 등을 높이고 노이즈 값을 줄여주는 역할을 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 가스센서는 폴리이미드 기판을 이용하면 전극 형성 부위가 다층 구조와 이종 금속으로 층이 이루어져서 에칭액(염화철)을 이용하여 식각 시 하부 니켈 및 크롬 층이 잔존하여 탄소나노튜브의 접합에 유리하도록 제조할 수 있다.
이러한 탄소나노튜브(120)에 가스가 흡착되어 가스분자가 이온화되고, 이러한 이온은 전극층(140)의 소스 전극(142) 및 드레인 전극(144) 사이에 이동하는 캐리어의 농도량에 영향을 주게 된다. 따라서, 금속에 가스가 흡착되기 이전과 다른 전기적 특성을 나타내어 그 변화된 신호를 소스 전극(142) 및 드레인 전극(144)을 통하여 감지하여 유독성 가스를 검출할 수 있다.
도 3은 종래 기술과 본 발명에 따른 가스 센서를 확대한 사진을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 기존 실리콘 웨이퍼 기반으로 회로를 형성한 경우 미세 회로 패터닝(pattering) 작업을 통해서 전극 간 간격을 수um(2~6um)로 형성해야만 탄소나노튜브 물질이 전극 간에 접합이 가능했다. 본 발명은 전극 간 간격이 10 내지 16㎛ 의 범위에 있어도, 탄소나노튜브(120)을 전극간에 접합할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 폴리이미드 기판 110: 니켈 및 크롬층
112: 구리 도금층 140: 전극층

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 니켈층;
    상기 니켈층 상에 배치된 크롬층;
    상기 크롬층 상에 배치된 구리 도금층;
    상기 구리 도금층 상에 배치되고, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 전극층; 및
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 배치되어 가스를 감지하는 탄소나노튜브를 포함하는 가스 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소스 전극과 드레인 전극 사이의 간격은 10 내지 16㎛ 의 범위에 있는 가스 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 폴리이미드 필름으로 형성된 가스 센서.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 구리 도금층은 상기 전극층이 상기 크롬층 상에 접합되는 것을 용이하게 하는 가스 센서.
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