KR102125278B1 - GAS SENSOR and Method for Manufacturing GAS SENSOR - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스센서 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 (a)기판의 상면에 포토레지스트로 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극을 형성하는 단계와, (b)상기 (a)단계에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어를 형성하는 단계와, (c)상기 (a)단계 및 (b)단계에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극 및 상기 나노와이어를 열분해하여 탄소전극들과 상기 포토레지스트와이어로 변환하는 단계와, (d)상기 (c)단계에 의해 변환된 상기 탄소와이어의 표면에 금속산화물 나노와이어를 형성하는 단계로 이루어져, 종래 기판에 부착된 형태의 금속산화물 나노와이어 기반 가스센서가 가지는 기판으로 부터의 영향에 의한 감도 감소 및 노이즈 문제를 해결하고 금속산화물 나노와이어가 코팅된 탄소와이어 표면 전체를 감지부로 사용하며, 탄소와이어와 탄소전극과의 접촉이 물리적, 전기적으로 안정되고, 탄소와이어의 위치, 개수, 구조 등의 형태를 자유롭게 제어할 수 있으며, 금속산화물 나노와이어를 줄열을 이용해 탄소와이어에만 국부적으로 성장시킬 수 있으며, 금속산화물 나노와이어가 집적된 탄소와이어 기반의 센서의 생산 비용이 적으며 생산성이 획기적으로 높여 대량생산이 가능한 가스센서 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor, and more specifically, (a) forming a pair of photoresist electrodes spaced apart from each other with photoresist on the upper surface of the substrate, and (b) formed by the step (a). Forming photoresist wires connecting the upper portions of the pair of photoresist electrodes to each other, and (c) thermally decomposing the pair of photoresist electrodes and the nanowires formed by steps (a) and (b) to carbon. It consists of the step of converting the electrode and the photoresist wire, and (d) forming a metal oxide nanowire on the surface of the carbon wire converted by the step (c), the metal attached to the conventional substrate It solves the problem of reduced sensitivity and noise caused by the influence from the substrate of the oxide nanowire-based gas sensor, uses the entire surface of the carbon wire coated with the metal oxide nanowire as a sensing unit, and makes physical contact between the carbon wire and the carbon electrode. , Electrically stable, can freely control the position, number, structure, etc. of the carbon wire, and can grow the metal oxide nanowires locally on the carbon wires using Joule heat, and the carbons on which the metal oxide nanowires are integrated It provides a method for manufacturing a gas sensor capable of mass production with low production cost of wire-based sensors and high productivity.
Description
본 발명은 가스센서 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판으로부터 일정 간격으로 이격된 탄소와이어 표면에 가스의 농도에 따라 저항이 변화하는 금속산화물나노와이어를 성장시켜, 상기 금속산화물나노와이어의 저항 변화를 측정하여 가스 농도를 검지하는 센서를 제조하는 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor, and more specifically, by growing a metal oxide nanowire whose resistance changes according to the concentration of gas on a surface of a carbon wire spaced from a substrate at regular intervals, the resistance of the metal oxide nanowire It relates to a gas sensor and a method for manufacturing a sensor for detecting the gas concentration by measuring the change.
최근 환경문제에 대한 관심 증가와 정보통신 기기의 발전과 더불어 다양한 가스에 대한 센서가 개발되고 있는 가운데 반도체 기술을 접목함으로써 제조가 간편해지고 그 성능이 향상되고 있다. 모든 센서는 성능 향상을 위하여 감지도를 높이는 것이 최대 목표이며, 이러한 목표를 달성하기 위한 노력도 증가되고 있다. In recent years, with increasing interest in environmental issues and development of information and communication devices, sensors for various gases are being developed, and by integrating semiconductor technology, manufacturing is simplified and its performance is improving. In order to improve the performance of all sensors, increasing the sensitivity is the maximum goal, and efforts to achieve this goal are increasing.
한편, 종래의 반도체식 가스센서는 감지 물질이 반도체 박막이기 때문에 감지도에 대한 한계가 있었으며, 일예로, 이산화탄소(CO₂)와 같은 안정된 화학물질의 경우 감지가 거의 불가능하였다. On the other hand, the conventional semiconductor gas sensor has a limitation on the sensitivity because the sensing material is a semiconductor thin film, and for example, in the case of a stable chemical such as carbon dioxide (CO₂), it is almost impossible to detect.
따라서 일산화탄소(CO)나 이산화탄소 등과 같은 유해한 가스를 감지하기 위한 센서는 용액의 도전방식을 이용한 전기화학적 방법과 적외선 흡수법에 의한 광학적 방법, 그리고 나노입자 또는 나노와이어의 전기 저항을 측정하는 법이 적용되고 있다. Therefore, the sensor for detecting harmful gases such as carbon monoxide (CO) or carbon dioxide is applied by the electrochemical method using the conductive method of the solution, the optical method by the infrared absorption method, and the method of measuring the electrical resistance of the nanoparticles or nanowires. Is becoming.
상기 전기화학적 방법은 대상 가스를 전기화학적으로 산화 또는 환원하여 외부의 회로에 흐르는 전류를 측정하거나, 전해질 용액이나 고체에 용해 또는 이온화한 가스 상의 이온이 이온전극에 작용하여 생기는 기전력을 이용하는 것으로서, 이는 매우 느린 반응속도를 나타냄과 더불어 가스의 감지범위 및 사용 환경이 한정되어 있는데다가 가격도 비싸다는 단점이 있다.The electrochemical method is to measure the current flowing in an external circuit by electrochemically oxidizing or reducing the target gas, or to use electromotive force generated by ions in a gas dissolved or ionized in an electrolyte solution or solid acting on an ion electrode, which In addition to showing a very slow reaction speed, there is a disadvantage in that the sensing range of the gas and the use environment are limited and the price is high.
또한, 적외선 흡수법에 의한 광학적 방법은 여타의 혼합가스나 습도에 의한 영향을 거의 받지 않는다는 장점은 있으나, 장치가 복잡하고 크기가 커질 뿐만 아니라 가격도 고가라는 단점이 있다.In addition, the optical method by the infrared absorption method has the advantage that it is hardly affected by other mixed gas or humidity, but it has the disadvantage that the device is complicated, the size is large, and the price is expensive.
일반적으로, 화학센서는 접촉연소법에 의해 가스를 감지하기 위한 구조로 이루어져 있는 바, 가스가 촉매인 백금선을 포함하는 센서와 반응하였을 때 발열반응이나 흡열반응에 의한 백금선의 저항변화를 이용하여 가스를 감지할 수 있도록 되어 있어서 센서의 안정성과 감도를 향상시켰다.In general, the chemical sensor consists of a structure for detecting gas by a contact combustion method. When the gas reacts with a sensor including a platinum wire as a catalyst, the gas is used by changing the resistance of the platinum wire due to an exothermic reaction or an endothermic reaction. It is able to detect, improving the stability and sensitivity of the sensor.
한편, 최근에는 가스의 화학흡착에 의한 접촉반응과 전자밀도와의 관계가 규명되면서 산화물 반도체식 가스센서가 개발되어 상용화되고 있는 바, 이러한 반도체식 가스센서는 가연성 가스를 비롯한 대부분의 가스를 감지할 수 있도록 개발되었고, 그에 따라 다른 방식의 가스센서에 비해 소형화와, 저가격화, 신뢰성의 향상이 가능하게 되었다.On the other hand, oxide semiconductor gas sensors have been developed and commercialized in recent years as the relationship between contact density and electron density due to chemical adsorption of gases has been investigated, and these semiconductor gas sensors can detect most gases, including combustible gases. It was developed so that it can be made smaller, cheaper and more reliable than other gas sensors.
이러한 반도체식 가스센서로서 적용되는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 여타의 센서가 산화질소 등을 검출하기 위해 약 300℃까지 가열하여야 하였지만, 탄소나노튜브가 실온에서도 동작이 가능하고, 탄소나노튜브의 입자크기가 나노단위이기 때문에 여타의 센서에 비해서 센서의 감도가 수천 배 정도 높다는 장점이 있다.Gas sensors using carbon nanotubes, which are applied as semiconductor gas sensors, require other sensors to be heated up to about 300°C to detect nitrogen oxides, etc., but carbon nanotubes can operate at room temperature. Since the particle size is nano-unit, it has the advantage that the sensitivity of the sensor is several thousand times higher than other sensors.
측정 가스의 농도에 따른 나노 입자 자체 또는 나노 입자를 코팅한 물질의 전기 저항 변화를 측정하는 형식의 가스 센서가 개발되었다. 나노입자를 사용하면 부피 대 면적비가 매우 높아 가스농도 변화에 따른 표면 반응의 효과의 전체 부피에 대한 저항 변화로의 효과가 매우 크기 때문에 감도가 매우 높은 센서 제작이 가능하다.A gas sensor has been developed to measure the change in electrical resistance of a nanoparticle itself or a nanoparticle-coated material according to the concentration of a measurement gas. When nanoparticles are used, the volume-to-area ratio is very high, so the effect of the surface reaction according to the change in gas concentration to the resistance change over the entire volume is very large, so that a highly sensitive sensor can be manufactured.
종래의 나노 입자나 나노와이어를 사용하는 센서는 등록특허 제10-0655640(2006.12.04)에서와 같이 표면에 불규칙하게 분산시켜 특정 부분에만 이들 나노물질의 전기 저항 변화를 측정할 수 있는 전극을 연결하거나 미리 패터닝된 전극 위에 나노물질을 흘려보내거나 전기영동법을 사용하여 전극에 접촉시켜 전기 저항을 측정하였다. Sensors using conventional nanoparticles or nanowires are randomly dispersed on the surface as in Patent No. 10-0655640 (2006.12.04) to connect electrodes that can measure the electrical resistance change of these nanomaterials only in specific areas. Alternatively, the nano-material was flowed on a previously patterned electrode, or the electrical resistance was measured by contacting the electrode using an electrophoresis method.
상기한 종래의 반도체식 가스센서는 나노물질과 전극과의 물리적, 전기적 연결이 불안정하고 표면과 접촉된 형태의 나노물질은 가스 센싱 과정에서 표면의 영향을 받는다는 단점을 지니고 있다.The conventional semiconductor gas sensor has the disadvantages that the physical and electrical connection between the nanomaterial and the electrode is unstable, and that the nanomaterial in contact with the surface is affected by the surface during the gas sensing process.
이후, 나노와이어를 표면과 일정 간격 이격되어있는 형태, 즉 기둥 형태의 전극 위에 전기영동법으로 고착시키거나, 나노와이어를 한 쪽 전극에서 반대 쪽 전극으로 선택적으로 성장시켜 공중부유 형태로 나노와이어 기반 센서를 제작하였다. 이러한 기존 공중부유형 나노와이어 센서는 감도는 좋지만 나노와이어와 전극의 접촉이 좋지 않고 제조 과정의 제어가 어려우며 제조 방식이 비용이 많이 들거나 제조 시간이 길어 센서의 대량생산을 통한 상용화에 한계를 지니고 있다.
Thereafter, the nanowires are fixed at a predetermined distance from the surface, that is, fixed by an electrophoresis method on a columnar electrode, or by selectively growing the nanowires from one electrode to the opposite electrode. Was produced. The existing aerial floating nanowire sensor has good sensitivity, but has poor contact between the nanowire and the electrode, it is difficult to control the manufacturing process, and the manufacturing method is expensive or has a long manufacturing time, which limits its commercialization through mass production of the sensor. .
본 발명은 물리적, 화학적 성질이 우수한 탄소와이어와 가스농도에 따라 전기전도도가 변하는 기능성 금속산화물나노와이어를 집적된 형태의 가스센서 제조방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to provide a method for manufacturing a gas sensor in an integrated form with a functional metal oxide nanowire in which electrical conductivity is changed according to a carbon wire having excellent physical and chemical properties and a gas concentration.
또한 종래 기판에 부착된 형태의 나노와이어 기반 가스 센서의 문제점인, 즉 기판으로 부터의 영향에 의한 감도감소 및 노이즈 문제를 해결하도록 탄소와이어를 기판으로부터 일정 간격 이격된 형태로 제작하고, 탄소와이어 표면에 가스 감지 물질인 금속산화물나노와이어를 성장시켜, 금속산화물나노와이어가 기판의 영향으로부터 자유로운 가스센서 제조방법을 제공하기 위한 것이다. In addition, the carbon wire is manufactured in a form spaced apart from the substrate at a predetermined distance to solve the problem of the sensitivity and noise caused by the influence from the substrate, that is, the problem of the nanowire-based gas sensor in the form attached to the conventional substrate, the surface of the carbon wire It is to provide a method for manufacturing a gas sensor in which a metal oxide nanowire is free from the influence of a substrate by growing a metal oxide nanowire as a gas sensing material.
이때 기판으로부터 이격된 탄소와이어와 탄소와이어를 지탱하는 두 개의 탄소전극과의 접촉이 물리적, 전기적으로 안정하도록 탄소전극과 탄소와이어를 일체형을 제작하고, 두 개의 탄소전극이 탄소와이어를 통해서만 전기적 연결이 되어 두 탄소전극 사이의 저항 변화가 탄소와이어를 코팅한 금속산화물나노와이어의 저항변화에 지배받도록 한다.At this time, a carbon electrode and a carbon wire are integrally manufactured so that the contact between the carbon wire spaced from the substrate and the two carbon electrodes supporting the carbon wire is physically and electrically stable, and the two carbon electrodes are electrically connected only through the carbon wire. Thus, the resistance change between the two carbon electrodes is controlled by the resistance change of the metal oxide nanowire coated with the carbon wire.
본 발명은 금속산화물나노와이어는 탄소와이어 표면에 방사상으로 성장하여, 측정하고자 하는 가스가 금속산화물나노와이어 표면으로 접근이 용이하게 되도록 하여, 가스센서의 성능을 높일 수 있는 계층형 나노구조물(hierachical nanostructure)을 손쉽게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다. In the present invention, the metal oxide nanowires are radially grown on the surface of the carbon wires, so that the gas to be measured is easily accessible to the surface of the metal oxide nanowires, thereby improving the performance of the gas sensor. Hierarchical nanostructure ) Is to provide a manufacturing method that can be easily manufactured.
그리고 탄소와이어의 위치, 개수, 구조 등의 형태를 자유롭게 제어할 수 있으며, 금속산화물나노와이어를 탄소와이어 표면 또는 부근에 국부적으로 코팅(성장)할 수 있고, 생산 비용이 적으며 생산성이 획기적으로 높여 대량생산이 가능한 가스센서 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
In addition, the position, number and structure of carbon wires can be freely controlled, and metal oxide nanowires can be locally coated (grown) on or near the carbon wires, production cost is low, and productivity is dramatically increased. It is to provide a method for manufacturing a gas sensor capable of mass production.
본 발명에 따른 가스센서 제조방법은 (a)기판의 상면에 포토레지스트로 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극을 형성하는 단계와, (b)상기 (a)단계에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어를 형성하는 단계와, (c)상기 (a)단계 및 (b)단계에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극 및 상기 포토레지스트와이어를 열분해하여 탄소전극들과 상기 탄소와이어로 변환하는 단계와, (d)상기 (c)단계에 의해 변환된 상기 탄소와이어의 표면에 금속산화물나노와이어를 형성하는 단계가 포함된다.The gas sensor manufacturing method according to the present invention comprises the steps of (a) forming a pair of photoresist electrodes spaced apart from each other with photoresist on the upper surface of the substrate, and (b) the pair of photoresist electrodes formed by the step (a). Forming photoresist wires connecting the upper portions, and (c) thermally decomposing the pair of photoresist electrodes and the photoresist wires formed by steps (a) and (b) to carbon electrodes and the carbon. A step of converting to a wire is included, and (d) forming a metal oxide nanowire on the surface of the carbon wire converted by step (c).
이때 본 발명에 따른 상기 (a)단계는, (a-1)실리콘웨이퍼로 된 기판 상면에 절연층을 형성하는 단계와, (a-2)상기 (a-1)단계에 의해 형성된 상기 절연층 상에 포토레지스트를 1차 도포하는 단계와, (a-3)상기 (a-2)단계에 의해 상기 포토레지스트가 도포된 상기 절연층의 상부에 포토레지스트전극 영역의 형태가 타공된 제1포토마스크를 위치한 후 자외선으로 1차 노광하는 단계가 포함될 수 있다. At this time, the step (a) according to the present invention, (a-1) forming an insulating layer on the upper surface of the silicon wafer, and (a-2) the insulating layer formed by the step (a-1) A first photo having a photoresist electrode region formed on top of the insulating layer coated with the photoresist by (a-3) (a-2) and (a-3) first coating the photoresist on the first step. After the mask is positioned, a first exposure with ultraviolet light may be included.
그리고 본 발명에 따른 상기 (b)단계는, (b-1)상기 (a)단계에 의해 상면에 전극 형태로 자외선이 노광된 포토레지스트층 상부에 해당 포토레지스트와이어 형태로 타공된 제2포토마스크를 위치한 후 자외선으로 2차 노광하는 단계와, (b-2)상기 (a-3)과 (b-1)에 의해 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 현상하여 제거해, 상기 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극의 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어를 형성하는 단계가 포함될 수 있다.And the step (b) according to the present invention, (b-1) a second photomask perforated in the form of a corresponding photoresist wire on the top of the photoresist layer exposed to ultraviolet rays in the form of electrodes on the upper surface by the step (a). After the second step of exposure to ultraviolet light, and (b-2) the photoresist of the rest of the portion except for the parts exposed by (a-3) and (b-1) is developed and removed, and spaced apart from each other A step of forming a photoresist wire connecting the upper portions of the pair of photoresist electrodes to each other may be included.
또한 본 발명에 따른 상기 (b)단계에서 상기 포토레지스트와이어는 선택적으로 선형의 단일 와이어 또는 복수의 와이어가 집합되어 형성된 어레이(array), 그리고 메시(mesh)형상 또는 허니콤(honey comb)형상으로 형성될 수 있다.In addition, in the step (b) according to the present invention, the photoresist wire is selectively formed into an array of linear single wires or a plurality of wires, and a mesh shape or a honey comb shape. Can be formed.
상기 (c)단계는 상기 (b-2)단계에 의해 현상된 포토레지스트전극와 포토레지스트와이어를 열분해하여, 서로 연결되어 일체화된 탄소전극과 탄소와이어를 형성하는 단계가 포함될 수 있다. 이때 열분해 공정을 통하여 포토레지스트의 부피가 감소한다. The step (c) may include the step of thermally decomposing the photoresist electrode and the photoresist wire developed by the step (b-2) to form an integrated carbon electrode and carbon wire connected to each other. At this time, the volume of the photoresist decreases through the pyrolysis process.
더불어 본 발명에 따른 상기 (d)단계는, (d-1)상기 (c)단계에 의해 변환된 상기 탄소와이어 표면에 금속산화물씨앗층(seed layer)를 코팅하는 단계와, (d-2) 씨앗층이 코팅된 탄소구조물을 금속산화물 수용액을 포함하는 압력용기에 넣어 일정 온도 이상 가열하여 씨앗층 위로 단결정 금속산화물나노와이어를 성장시키는 단계가 포함될 수 있다. In addition, the step (d) according to the present invention, (d-1) coating the surface of the carbon wire converted by the step (c) in the step of coating a metal oxide seed layer (seed layer), (d-2) The step of growing a single crystal metal oxide nanowire on a seed layer by heating the seed layer coated carbon structure in a pressure vessel containing an aqueous metal oxide solution over a predetermined temperature may be included.
이때 본 발명에 따른 상기 (d-1)단계에서의 금속산화물씨앗층 코팅은 금속산화물나노파티클(nanoparticle)을 포함하는 용액을 기판에 도포하거나, 원자층 증착법 (atomic layer deposition)과 같은 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 서퍼트링(sputtering)과 같은 물리기상증착법(physical vapor deposition)을 사용하여, 금속산화물을 직접 코팅하거나 금속 박막을 기상증착한 후, 금속 박막을 산화시켜 금속산화물씨앗층을 원하는 표면에 코팅할 수 있다. 본 발명에서는 금속산화물 나노파티클을 포함한 수용액을 이용한 씨앗층 코팅법을 사용한다. 이는 씨앗층은 금속산화물 나노파티클로 이루어져 전기전도도가 금속산화물나노와이어에 비해 적어 탄소와이어를 지탱하는 두 탄소전극 사이에 전압을 인가하였을 때 전류가 탄소와이어와 탄소와이어에 성장한 금속산화물나노와이어를 통해 대부분 흐르기 때문이다.At this time, the metal oxide seed layer coating in the step (d-1) according to the present invention is a chemical vapor deposition method such as applying a solution containing a metal oxide nanoparticle to a substrate, or atomic layer deposition. (chemical vapor deposition) or by using a physical vapor deposition method such as sputtering (sputtering), directly coating a metal oxide or vapor-depositing a metal thin film, and then oxidizing the metal thin film to form a metal oxide seed layer. You can coat any surface you like. In the present invention, a seed layer coating method using an aqueous solution containing metal oxide nanoparticles is used. This is because the seed layer is made of metal oxide nanoparticles and the electrical conductivity is less than that of the metal oxide nanowires. Because most of it flows.
상기 (d-2)단계에서 탄소와이어의 온도만 선택적으로 증가시켜 금속산화물 나노와이어를 탄소와이어 표면에만 국부적으로 성장시킬 수 있다. 탄소와이어를 지탱하는 두 전극이 마이크로 또는 나노 사이즈의 탄소와이어로 만 전기적으로 연결되고 탄소와이어의 크기가 작아 전기적 저항이 높고 외부로의 열전달이 제한되기 때문에 두 탄소 전극에 전압을 인가할 경우 탄소와이어를 통해 흐르는 전류에 의한 줄열(Joule heat)이 발생하여 탄소와이어의 온도만 효과적으로 상승시킬 수 있고 이러한 줄열을 이용하여 탄소와이어 표면에만 금속산화물나노와이어를 성장시킬 수 있다. In step (d-2), only the temperature of the carbon wire is selectively increased, so that the metal oxide nanowire can be locally grown only on the surface of the carbon wire. Since the two electrodes supporting the carbon wire are only electrically connected to the micro or nano-sized carbon wire, and the size of the carbon wire is small, the electrical resistance is high and the heat transfer to the outside is limited. The Joule heat generated by the current flowing through can effectively increase the temperature of the carbon wire, and the metal oxide nanowire can be grown only on the surface of the carbon wire using the Joule heat.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서는 절연층이 포함되는 기판 상면에 서로 이격 형성되는 한 쌍의 탄소전극과, 상기 한 쌍의 탄소전극 상부를 서로 연결하는 탄소와이어와, 상기 탄소와이어의 표면에 가스 농도에 따라 전기전도도가 변화하는 금속산화물나노와이어를 포함한다.
In addition, the gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a pair of carbon electrodes spaced apart from each other on a substrate including an insulating layer, a carbon wire connecting the upper portions of the pair of carbon electrodes to each other, and the surface of the carbon wire. It includes a metal oxide nanowire that changes the electrical conductivity according to the gas concentration.
본 발명에 따른 가스센서 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.The gas sensor and its manufacturing method according to the present invention have the following effects.
첫째, 공중 부유된 형태의 전도성 탄소와이어를 단일 포토레지스트 코팅과 연속된 1차, 2차 노광 공정과 열분해 공정으로 간단하게 저비용의 일괄 공정으로 생산할 수 있다.First, it is possible to produce an air-suspended conductive carbon wire in a simple, low-cost batch process with a single photoresist coating and a continuous primary and secondary exposure process and pyrolysis process.
둘째, 탄소와이어와 탄소전극이 일체형으로 동시에 형성되므로 탄소전극와 탄소와이어의 물리적, 전기적 접촉을 향상시키기 위한 부가적인 추가 공정 없이 전기적 연결이 완벽한 가스 센서 구조를 완성할 수 있다.Second, since the carbon wire and the carbon electrode are integrally formed at the same time, a gas sensor structure in which electrical connection is perfect can be completed without an additional process for improving physical and electrical contact between the carbon electrode and the carbon wire.
셋째, 탄소와이어의 형태가 2차 노광 공정의 포토마스크의 모양과 2차 노광 에너지의 양, 그리고 열분해 공정에 의하여 결정되며 탄소와이어와 기판 사이의 간격은 포토레지스트의 높이와 열분해 공정에 의해 결정되므로 다양한 형태의 공중부유형 탄소와이어 구조를 자유롭게 형성할 수 있다. Third, the shape of the carbon wire is determined by the shape of the photomask of the secondary exposure process, the amount of the secondary exposure energy, and the thermal decomposition process, and the distance between the carbon wire and the substrate is determined by the height of the photoresist and the thermal decomposition process. Various types of floating carbon wire structures can be freely formed.
넷째, 탄소와이어 구조가 마이크로 단위의 포토레지스트의 열분해를 통한 부피 감소로 인하여 형성되므로 고가의 나노공정 장비 없이 저비용으로 나노 구조체를 생산할 수 있다.Fourth, since the carbon wire structure is formed due to the volume reduction through thermal decomposition of the micro unit photoresist, it is possible to produce a nano structure at low cost without expensive nano-processing equipment.
다섯째, 열분해 과정 중 전극의 높이에 따라 발생하는 차별적 부피 감소로 인하여 탄소와이어에 인장응력이 발생하고 이러한 인장응력은 액상의 외부 환경에 의해 발생할 수 있는 탄소와이어의 변형을 방지할 수 있다.Fifth, the tensile stress is generated in the carbon wire due to the differential volume reduction that occurs depending on the height of the electrode during the thermal decomposition process, and this tensile stress can prevent the deformation of the carbon wire that may be caused by the external environment of the liquid phase.
여섯째, 가스 감지 물질인 금속산화물나노와이어는 금속산화물 수용액이 일정 온도 이상으로 가열되었을 때 씨앗층 위에 성장하므로 탄소와이어의 온도만 줄열을 이용하여 증가시켜 탄소와이어 표면에만 국부적으로 금속산화물나노와이어를 성장시킬 수 있다. 또한 탄소와이어의 크기가 작아 적은 전기에너지로도 탄소와이어의 온도를 쉽게 상승시킬 수 있다.Sixth, the metal oxide nanowire, which is a gas sensing material, grows on the seed layer when the metal oxide aqueous solution is heated above a certain temperature, so only the temperature of the carbon wire is increased using Joule heat to grow the metal oxide nanowire only on the surface of the carbon wire. I can do it. In addition, since the size of the carbon wire is small, the temperature of the carbon wire can be easily increased even with small electric energy.
일곱째, 탄소와이어를 지탱하고 있는 두 탄소 전극의 전기적 연결이 탄소와이어와 금속산화물나노와이어로만 형성되어 가스 농도 변화로 인한 금속산화물나노와이어의 전기전도도 변화를 두 탄소 전극 사이의 저항 변화로 쉽게 측정할 수 있다. Seventh, the electrical connection of the two carbon electrodes supporting the carbon wire is formed only of the carbon wire and the metal oxide nanowire, so that the change in electrical conductivity of the metal oxide nanowire due to the change in gas concentration can be easily measured by changing the resistance between the two carbon electrodes. Can be.
여덟째, 금속산화물나노와이어가 기판으로부터 일정 간격 이격된 탄소와이어 표면에 성장되므로 금속산화물나노와이어가 기판의 온도, 오염물질, 정체층(stagnant layer) 등 기판의 영향으로부터 자유로와 센서의 감도를 높일 수 있다. Eighth, since the metal oxide nanowire is grown on the surface of the carbon wire spaced apart from the substrate, the metal oxide nanowire is free from the influence of the substrate such as the temperature of the substrate, contaminants, and stagnant layer and can increase the sensitivity of the sensor. have.
아홉째, 탄소와이어가 기판으로부터 떨어져 있기 때문에 금속산화물나노와이어를 탄소와이어 전 표면에 성장시킬 수 있으며, 금속산화물나노와이어가 탄소와이어 상에 방사상으로 벌어진 형태로 성장되어 감지하려는 가스와 금속산화물나노와이어의 접촉 면적이 최대화되어 가스 센서의 감도를 높일 수 있다.
Ninth, since the carbon wire is separated from the substrate, the metal oxide nanowire can be grown on the entire surface of the carbon wire, and the metal oxide nanowire is grown in a radially spread form on the carbon wire to detect and detect the gas and metal oxide nanowire. The contact area is maximized to increase the sensitivity of the gas sensor.
도 1은 본 발명에 따른 가스센서 제조방법의 실시 예를 보인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 (a)단계를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 (b)단계를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 (d)단계를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서 제조과정을 간략하게 보인 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 완성된 가스센서의 구성을 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 완성된 가스센서의 요부를 보인 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 탄소와이어의 형상을 나타낸 예시 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 의하여 형성된 금속산화물나노와이어가 집적된 탄소와이어 형상을 나타낸 예시 사진이다.1 is a block diagram showing an embodiment of a method for manufacturing a gas sensor according to the present invention.
2 is a block diagram showing step (a) according to an embodiment of the present invention in more detail.
3 is a block diagram showing step (b) according to an embodiment of the present invention in more detail.
4 is a block diagram showing step (d) according to an embodiment of the present invention in more detail.
5 is an exemplary view briefly showing a gas sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.
6 is an exemplary view showing the configuration of a completed gas sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary view showing a main portion of a completed gas sensor according to an embodiment of the present invention.
8 is an exemplary photo showing the shape of various carbon wires according to an embodiment of the present invention.
9 is an exemplary photo showing a shape of a carbon wire in which metal oxide nanowires formed by an embodiment of the present invention are integrated.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor appropriately explains the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle of being able to be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the configuration shown in the embodiments and the drawings described in this specification are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, and at the time of this application, they can be replaced evenly It should be understood that there may be variations.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 가스센서 제조방법의 실시 예를 보인 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 (a)단계를 보다 상세하게 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 (b)단계를 보다 상세하게 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서 제조과정을 간략하게 보인 예시도이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 완성된 가스센서의 구성을 보인 예시도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 완성된 가스센서의 요부를 보인 예시도이며, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소와이어의 형상을 보인 예시도이다.1 is a block diagram showing an embodiment of a gas sensor manufacturing method according to the present invention, Figure 2 is a block diagram showing in more detail step (a) according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an embodiment of the present invention (B) according to an example is a block diagram showing in more detail, FIG. 4 is an exemplary view showing a process of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is completed according to an embodiment of the
본 발명은 가스 감지 물질인 금속산화물나노와이어가 표면에 성장된 탄소와이어를 통하여 특정 가스의 농도를 검지하는 센서를 제조하는 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 도면을 참조하여 실시 예를 살펴보면 다음과 같다.The present invention relates to a gas sensor and a method of manufacturing a sensor for detecting a concentration of a specific gas through a carbon wire on which a metal oxide nanowire, which is a gas sensing material, is grown on the surface. Same as
(a)단계(S100)로,(a) Step (S100),
도 1 및 도 5를 참조하면 기판(10)의 상면에 포토레지스트(P)로 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20)을 형성한다.1 and 5, a pair of
이때 상기 기판(10)의 상면에 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20)을 형성하는 상기 (a)단계(S100)를 세분화한 실시 예를 도 2 및 도 5를 참조하여 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.At this time, an embodiment in which the (a) step (S100) of forming a pair of
먼저 (a-1)단계(S110)로,First (a-1) step (S110),
실리콘웨이퍼로 된 기판(10)의 상면에 절연층(11)을 형성한다.The insulating
이때 상기 절연층(11)은 이산화규소, 또는 실리콘 나이트라이드 (silicon nitride) 등의 절연 물질로 이루어진다. At this time, the insulating
또한 본 실시 예에서는 기판(10)의 상면에 절연층(11)을 형성하였으나, 상기 절연층(11)을 형성하는 단계를 생략하고, 상기 기판(10) 재질을 절연 재질로 형성하는 것도 가능하다. In addition, although the insulating
그리고 (a-2)단계(S120)로,And (a-2) step (S120),
상기 (a-1)단계(S110)에 의해 상면에 절연층(11)이 형성된 기판(10)의 상면에 포토레지스트(P)를 1차 도포한다. 즉 다시 말해 상기 기판(10)의 상면에 형성된 절연층(11)의 상면에 상기 포토레지스트(P)가 도포된다.The photoresist P is first coated on the upper surface of the
이때 상기 포토레지스트(P)는 고른 도포를 위해 스핀 코팅방식으로 도포되는 바람직하고, 상기 포토레지스트(P)로 SU-8을 사용한다. At this time, the photoresist (P) is preferably applied by a spin coating method for even application, and SU-8 is used as the photoresist (P).
본 발명의 실시 예에서는 상기 포토레지스트(P)를 SU-8로 한정하여 기술하나, 이에 한정하지 않고 네가티브(negative)형의 포토레지스트 중 어느 하나를 사용하여도 무방하다. In the exemplary embodiment of the present invention, the photoresist P is limited to SU-8, but is not limited thereto, and any one of negative photoresists may be used.
그리고 (a-3)단계(S130)로,And (a-3) step (S130),
상기 (a-2)단계(S120)에 의해 상기 포토레지스트(P)가 도포된 상기 절연층(11)의 상부에 해당 전극영역이 타공된 제1포토마스크(M1)를 위치한 후 자외선을 조사하여 1차 노광한다.The (a-2) step (S120) by placing the first photomask (M1) with the corresponding electrode region perforated on the insulating
이때 노광된 자외선 광에너지는 상기 포토레지스트(P)가 포토레지스트 최상부부터 절연층(11) 바로 위까지 경화될 수 있도록 충분한 자외선을 조사해 주어야 한다.At this time, the exposed ultraviolet light energy should be irradiated with sufficient ultraviolet light so that the photoresist P can be cured from the top of the photoresist to just above the insulating
상기 1차 노광이 완료되면, 상기 절연층(11)의 상부에는 제1포토마스크(M1)의 타공에 의해 해당 전극영역 모양으로 포토레지스트(P)가 경화된다.When the first exposure is completed, the photoresist P is cured in the shape of the corresponding electrode region by punching the first photomask M1 on the insulating
상기한 (a)단계(S100)에 의해 기판(10)의 상면에 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20)이 형성되면, 다음 단계로 (b)단계(S200)는,When a pair of
상기 (a)단계(S100)에 의해 형성된 상기 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20) 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어(30)를 형성한다.The
이때 상기 포토레지스트와이어(30)는 상기 기판(10)의 상면에 서로 이격되어 형성된 한쌍의 포토레지스트전극(20)들을 연결한 형태로 형성하는데, 상기 (b)단계(S200)를 세분화한 실시 예를 도 3 및 도 5를 참조하여 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.At this time, the
먼저 (b-1)단계(S210)로,First, to step (b-1) (S210),
상기 (a-2)단계(S120)에 의해 포토레지스트(P)가 도포된 기판(10)의 상부에 해당 와이어 형태로 타공된 제2포토마스크(M2)를 위치한 후 자외선으로 2차 노광하는데, 이때 해당 와이어 형태의 타공은 선형의 단일 와이어 또는 단일 와이어 어레이(array) 그리고, 메시(mesh)형상 또는 허니콤(honey comb)형상으로 형성할 수도 있고, 노광된 자외선 광에너지는 상기 포토레지스트(P)의 최상부만 와이어 형태로 경화되어 될 수 있도록 조절해 주어야 한다.After the second photomask (M2) perforated in the form of a corresponding wire is placed on the top of the substrate (10) coated with the photoresist (P) by the step (a-2) (S120), it is secondarily exposed with ultraviolet light. At this time, the perforation of the wire form may be formed in a linear single wire or a single wire array and a mesh shape or a honey comb shape, and the exposed ultraviolet light energy is the photoresist (P ) It should be adjusted so that only the uppermost part can be cured in the form of wire.
그리고 (b-2)단계(S220)로, And (b-2) step (S220),
상기 (b-1)단계(S210)에 의해 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트(P)를 현상하여 제거해 상기 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20)의 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어(30)를 형성한다.The photoresist wire connecting the upper portions of the pair of
따라서 상기한 과정에 의해 상기 한쌍의 포토레지스트전극(20)들 사이에는 제2포토마스크(M2)의 타공에 따라 해당 와이어 형태로 포토레지스트(P)가 경화되어, 한쌍의 상기 포토레지스트전극(20)들을 연결한 포토레지스트와이어(30)가 형성된다.Therefore, the photoresist P is cured in the form of a corresponding wire according to the perforation of the second photomask M2 between the pair of
이때 상기 포토레지스트와이어(30)는 도 8에 도시한 바와 같이 메시(mesh)형상 또는 허니콤(honey comb)형상으로 형성될 수 있다.At this time, the
상기한 (b)단계(S200)에 의해 상기 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20)들을 연결한 포토레지스트와이어(30)가 형성되면, 다음 단계로 (c)단계(S300)는,When the
상기 (a)단계(S100) 및 (b)단계(S200)에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극(20) 및 상기 포토레지스트와이어(30)를 열분해하여 탄소전극(21)들과 상기 탄소와이어(31)로 변환한다.The pair of
이때 상기 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극(20) 및 상기 포토레지스트와이어(30)는 열분해를 통해 탄소화가 될 뿐만 아니라, 직경이 100㎚ ~ 수㎛이고, 길이가 수㎛~ 수백㎛, 그리고 기판과 와이어의 간격이 1㎛~ 수십㎛가 될 수 있다. At this time, the pair of
상기 열분해의 환경 조건은 진공 상태나 불활성 가스 환경에서 800°C 이상이 되는 것이 바람직하다.The environmental conditions of the thermal decomposition is preferably 800 °C or more in a vacuum or inert gas environment.
상기한 (c)단계(S300)에 의해 한쌍의 상기 포토레지스트전극(20)과 상기 포토레지스트와이어(30)가 탄소전극(21)들과 상기 탄소와이어(31)로 변환되면, 다음 단계로 (d)단계(S400)는,If the pair of the
도 5에 도시한 바와 같이 상기 (c)단계(S300)에 의해 변환된 상기 탄소와이어(31)의 표면에 금속산화물나노와이어(41)을 형성하여 가스센서를 완성한다. As shown in FIG. 5, a
이때 금속산화물나노와이어(41)은 산화아연(ZnO), 산화구리(CuO), 산화이디윰(In2O3), 산화주석(SnO2)과 같이 금속산화물 수용액에서 기판의 온도를 높여 성장시킬 수 있으며 가스농도에 따라 전기전도도가 변화하는 금속산화물이 될 수 있고, 본 발명에서는 상기 금속산화물은 산화아연을 사용한 것을 예시한다. At this time, the
상기 (d)단계(S400)를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.Looking at the step (d) (S400) in more detail as follows.
먼저 (d-1)단계(S410)로,First, to step (d-1) (S410),
상기 (c)단계(S300)에 의해 변환된 상기 탄소와이어(31)를 포함한 기판을 성장하고자 하는 금속산화물의 나노파티클을 형성할 수 있는 용액에 침지하는데, 이때 용액의 온도를 일정시간 동안 가열하여 금속산화물 나노파티클을 기판에 코팅한다. The substrate including the
바람직하게는 산화아연 나노파티클을 코팅하기 위하여 Zinc acetate(
또한 상기 (d-1)단계에서 씨앗층 코팅은 상술한 바와 같이 금속산화물 나노파티클(nanoparticle)을 포함한 용액을 기판에 도포하는 것이 바람직하나, 원자층 증착법 (atomic layer deposition)과 같은 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상증착법(physical vapor deposition)을 사용하여 금속산화물을 집적적으로 코팅하거나, 금속 박막을 기상증착한 후 금속 박막을 산화시켜 금속산화물 씨앗층을 원하는 표면에 코팅할 수도 있다. In addition, the seed layer coating in step (d-1) is preferably applied to a substrate containing a solution containing a metal oxide nanoparticle (nanoparticle) as described above, but it is a chemical vapor deposition method such as atomic layer deposition (atomic layer deposition) ( The surface of the metal oxide seed layer is desired by directly coating the metal oxide using chemical vapor deposition or physical vapor deposition, such as sputtering, or by vapor deposition of the metal thin film to oxidize the metal thin film. It can also be coated on.
그리고 본 발명에서는 바람직하게 금속산화물나노파티클을 포함한 수용액을 이용한 씨앗층 코팅법을 사용하는데, 이는 씨앗층은 금속산화물 나노파티클로 이루어져 전기전도도가 금속산화물나노와이어에 비해 적어 탄소와이어를 지탱하는 두 탄소전극 사이에 전압을 인가하였을 때 전류가 탄소와이어와 탄소와이어에 성장한 금속산화물나노와이어를 통해 대부분 흐르기 때문이다.And in the present invention, preferably, a seed layer coating method using an aqueous solution containing metal oxide nanoparticles is used, which is composed of metal oxide nanoparticles and has less electrical conductivity than metal oxide nanowires, thereby supporting two carbons. This is because when a voltage is applied between the electrodes, the current mostly flows through the carbon wire and the metal oxide nanowire grown on the carbon wire.
그리고 (d-2)단계(S420)으로,And (d-2) step (S420),
상기 (d-1)단계(S410)에 의해 금속산화물 나노파티클이 코팅된 기판을 금속산화물 수용액을 포함한 압력용기(autoclave)에 침지한 후, 두 탄소전극(21)에 일정 전압을 인가하여 줄열에 의해, 상기 탄소와이어(31) 표면에 가스 감지물질인 금속산화물나노와이어를 선택적으로 성장시킬 수 있다. After immersing the substrate coated with the metal oxide nanoparticles in the (d-1) step (S410) in a pressure vessel (autoclave) containing an aqueous metal oxide solution, a constant voltage is applied to the two
바람직하게는 산화아연나노와이어 성장을 위하여 Zinc nitride(Zn(NO3)2), HMTA(hexamethylenetetramine)가 포함된 수용액을 사용한다. Preferably, an aqueous solution containing zinc nitride (Zn(NO3)2) and HMTA (hexamethylenetetramine) is used for the growth of zinc oxide nanowires.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서는 도 6 및 도 7을 참조하면 절연층(11)이 포함되는 기판(10) 상면에는 한쌍의 탄소전극(21)이 서로 이격 형성되고, 상기 한쌍의 탄소전극(21) 상부를 서로 연결하는 탄소와이어(31)가 형성된다.And in the gas sensor according to the embodiment of the present invention, referring to FIGS. 6 and 7, a pair of
이때 상기 탄소와이어(31)의 표면에 가스의 농도에 따라 전기전도도가 변화하는 금속산화물나노와이어(41)가 포함되는데, 이때 두 탄소전극(21)에 전압을 인가하여 흐르는 전류값의 변화를 측정해 가스의 농도를 알 수 있다. 산화아연나노와이어를 사용하면 
상기 (d-2) 단계에서 탄소와이어의 온도만 선택적으로 증가시켜 금속산화물 나노와이어를 탄소와이어 표면에만 국부적으로 성장시킬 수 있다. 탄소와이어를 지탱하는 두 전극이 마이크로 또는 나노 사이즈의 탄소와이어로만 전기적으로 연결되고, 탄소와이어의 크기가 작아 전기적 저항이 높고 외부로의 열전달이 제한되기 때문에 두 탄소 전극에 전압을 인가할 경우 탄소와이어를 통해 흐르는 전류에 의한 줄열(Joule heat)이 발생하여 탄소와이어의 온도만 효과적으로 상승시킬 수 있고 이러한 줄열을 이용하여 탄소와이어 표면에만 금속산화물나노와이어를 성장시킬 수 있다. In step (d-2), only the temperature of the carbon wire can be selectively increased, so that the metal oxide nanowire can be locally grown only on the surface of the carbon wire. Since the two electrodes supporting the carbon wire are only electrically connected to the micro or nano-sized carbon wire, and the size of the carbon wire is small, the electrical resistance is high and the heat transfer to the outside is limited. The Joule heat generated by the current flowing through can effectively increase the temperature of the carbon wire, and the metal oxide nanowire can be grown only on the surface of the carbon wire using the Joule heat.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서는 절연층이 포함되는 기판 상면에 서로 이격 형성되는 한쌍의 탄소전극과, 상기 한쌍의 탄소전극 상부를 서로 연결하는 탄소와이어와, 상기 탄소와이어의 표면에 가스 농도에 따라 전기전도도가 변화하는 금속산화물 나노와이어를 포함한다. In addition, the gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a pair of carbon electrodes spaced apart from each other on a top surface of a substrate including an insulating layer, a carbon wire connecting the upper portions of the pair of carbon electrodes to each other, and a gas on the surface of the carbon wire. It includes a metal oxide nanowire whose electrical conductivity varies depending on the concentration.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 기판 11: 절연층
20: 포토레지스트전극 21: 탄소전극
30:포토레지스트와이어 31: 탄소와이어
40: 금속산화물 씨앗층 41:금속산화물나노와이어10: substrate 11: insulating layer
20: photoresist electrode 21: carbon electrode
30: photoresist wire 31: carbon wire
40: metal oxide seed layer 41: metal oxide nanowires
Claims (11)
(b)상기 (a)단계에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어를 형성하는 단계;
(c)상기 (a)단계 및 (b)단계에 의해 형성된 상기 한쌍의 포토레지스트전극 및 상기 포토레지스트와이어를 열분해하여, 서로 연결되어 일체화된 탄소전극들과 탄소와이어로 변환하는 단계; 및
(d)상기 (c)단계에 의해 변환된 상기 탄소와이어의 표면에 금속산화물나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 가스센서 제조방법.
(a) forming a pair of photoresist electrodes spaced apart from each other with photoresist on the upper surface of the substrate;
(b) forming a photoresist wire connecting the upper portions of the pair of photoresist electrodes formed by step (a) to each other;
(c) thermally decomposing the pair of photoresist electrodes and the photoresist wire formed by steps (a) and (b), and converting them into carbon electrodes and carbon wires connected to each other; And
(d) forming a metal oxide nanowire on the surface of the carbon wire converted by the step (c).
상기 (a)단계는
(a-1)실리콘웨이퍼로 된 기판 상면에 절연층을 형성하는 단계;
(a-2)상기 (a-1)단계에 의해 형성된 상기 절연층 상에 포토레지스트를 1차 도포하는 단계; 및
(a-3)상기 (a-2)단계에 의해 상기 포토레지스트가 도포된 상기 절연층의 상부에 포토레지스트전극 영역의 형태가 타공된 제1포토마스크를 위치한 후 자외선으로 1차 노광하는 단계를 더 포함하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 1,
Step (a) is
(a-1) forming an insulating layer on the top surface of the silicon wafer;
(a-2) first applying a photoresist onto the insulating layer formed by the step (a-1); And
(a-3) placing a first photomask having a perforated shape of a photoresist electrode region on top of the insulating layer coated with the photoresist by the step (a-2), followed by primary exposure with ultraviolet light; Gas sensor manufacturing method further comprising.
상기 (b)단계는
(b-1)상기 (a)단계에 의해 상면에 전극 형태로 자외선이 노광된 포토레지스트층 상부에 해당 포토레지스트와이어 형태로 타공된 제2포토마스크를 위치한 후 자외선으로 2차 노광하는 단계; 및
(b-2)상기 (a-3)과 (b-1)에 의해 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 현상하여 제거해, 상기 서로 이격된 한쌍의 포토레지스트전극의 상부를 서로 연결하는 포토레지스트와이어를 형성하는 단계를 더 포함하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 2,
Step (b) is
(b-1) placing a second photomask perforated in the form of a corresponding photoresist wire on a photoresist layer on which an ultraviolet ray is exposed in the form of an electrode on the upper surface by the step (a), followed by secondary exposure with ultraviolet light; And
(b-2) A photoresist that develops and removes the photoresist of the remaining portions except for the portions exposed by (a-3) and (b-1) to connect the upper portions of the pair of photoresist electrodes spaced apart from each other to each other. Gas sensor manufacturing method further comprising the step of forming a resist wire.
상기 (b)단계에서
상기 포토레지스트와이어는 선형의 단일 와이어 또는 복수의 와이어가 집합된 어레이(array), 메시(mesh) 또는 허니콤(honey comb) 형상 중 어느 한 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 1 or claim 3,
In step (b) above
The photoresist wire is a gas sensor manufacturing method characterized in that it is formed in any one of an array (array), a mesh (mesh) or a honeycomb (honey comb) shape in which a single wire or a plurality of wires are aggregated.
상기 (d)단계는
(d-1)상기 (c)단계에 의해 변환된 상기 탄소전극 및 탄소와이어 표면에 금속산화물 씨앗층(seed layer)을 코팅하는 단계;
(d-2)상기 (d-1)단계에 의해 금속산화물 씨앗층이 코팅된 탄소구조물들을 금속산화물 수용액이 수용된 압력용기에 넣어 지정 온도 이상 가열하여, 상기 씨앗층 상에 단결정 금속산화물나노와이어를 성장시키는 단계를 더 포함하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 1,
Step (d) is
(d-1) coating the surface of the carbon electrode and the carbon wire converted by the step (c) with a metal oxide seed layer;
(d-2) Put the carbon structures coated with the metal oxide seed layer by the step (d-1) into a pressure vessel in which a metal oxide aqueous solution is accommodated, and heat it above a specified temperature, so that a single crystal metal oxide nanowire is placed on the seed layer. Gas sensor manufacturing method further comprising the step of growing.
상기 (d-1)단계에서
상기 금속산화물 씨앗층의 코팅은
금속산화물 나노파티클(nanoparticle)을 포함하는 용액을 기판 전체에 도포하여, 코팅하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 5,
In step (d-1) above
The coating of the metal oxide seed layer
A method of manufacturing a gas sensor, characterized in that a solution containing a metal oxide nanoparticle is coated on an entire substrate and coated.
상기 (d-1)단계에서
상기 금속산화물 씨앗층의 코팅은
화학기상증착법(chemical vapor deposition)인 원자층증착법(atomic layer deposition)으로 금속산화물을 코팅하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 5,
In step (d-1) above
The coating of the metal oxide seed layer
A gas sensor manufacturing method characterized by coating a metal oxide by atomic layer deposition, which is a chemical vapor deposition method.
상기 (d-1)단계에서
상기 금속산화물 씨앗층의 코팅은
물리기상증착법(physical vapor deposition)인 서퍼트링(sputtering)으로 금속산화물을 코팅하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 5,
In step (d-1) above
The coating of the metal oxide seed layer
Gas sensor manufacturing method characterized by coating a metal oxide with a sputtering (physical vapor deposition) method.
상기 (d-1)단계에서
상기 금속산화물 씨앗층의 코팅은
상기 탄소전극 및 상기 탄소와이어에 금속 박막을 기상증착한 후 금속 박막을 산화시켜 금속산화물씨앗층을 형성하여, 코팅하는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조방법.
The method according to claim 5,
In step (d-1) above
The coating of the metal oxide seed layer
A gas sensor manufacturing method comprising depositing a metal thin film on the carbon electrode and the carbon wire and oxidizing the metal thin film to form a metal oxide seed layer and coating the metal oxide.
상기 (d-2) 단계에서 탄소와이어의 온도만 선택적으로 증가시켜, 국부적으로 금속산화물나노와이어를 탄소와이어 표면에만 성장시키는 것을 특징으로 하는 가스센서 제조방법.The method according to claim 5,
In the step (d-2), the gas sensor manufacturing method characterized in that only the temperature of the carbon wire is selectively increased, so that the metal oxide nanowire is locally grown only on the surface of the carbon wire.
상기 한 쌍의 탄소전극 상부를 서로 연결하는 탄소와이어; 및
상기 탄소와이어의 표면에 배치된 금속산화물나노와이어를 포함하고,
상기 금속산화물나노와이어는 가스 농도에 따라 전기전도도가 변화하는 가스센서.A pair of carbon electrodes spaced apart from each other on the upper surface of the substrate including the insulating layer;
A carbon wire connecting the upper portions of the pair of carbon electrodes to each other; And
Metal oxide nanowires disposed on the surface of the carbon wire,
The metal oxide nanowire is a gas sensor in which electrical conductivity changes according to gas concentration.
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| KR20150026151A (en) | 2015-03-11 |
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