KR102190084B1 - Fbrication method of mems gas sensor and mems gas sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 멤즈 가스 센서의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 일정한 각격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계; 및 상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 전사 인쇄하는 단계; 를 포함하고, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 상기 한 쌍의 감지 전극을 가로질러 전사되는 것인, 멤즈 가스 센서의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a MEMS gas sensor, and more specifically, the step of preparing a substrate; Forming a pair of sensing electrodes spaced apart from each other and facing each other on the substrate; And transferring and printing carbon nanotubes aligned in one direction between the pair of sensing electrodes. Including, and the carbon nanotubes aligned in one direction is transferred across the pair of sensing electrodes, relates to a method of manufacturing a MEMS gas sensor.
Description
본 발명은, 멤즈 가스 센서의 제조방법 및 멤즈 가스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a MEMS gas sensor manufacturing method and a MEMS gas sensor.
가스센서는, 기체 중에 포함된 특정의 성분가스를 검지하여 그 농도에 따라 적당한 전기신 호로 변환하는 소자를 의미한다. 가스센서는, 가스의 검출 방식에 따라 크게 전기화학식(Electrochemical), 접촉연소식(Catalytic), 반도체식(Semiconductor), 광학식(Photoionization) 가스센서로 구분한다. A gas sensor means an element that detects a specific component gas contained in a gas and converts it into an appropriate electric signal according to its concentration. Gas sensors are largely classified into electrochemical, catalytic, semiconductor, and photoionization gas sensors according to gas detection methods.
반도체식 가스센서는, 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때의 전기전도도 변화를 이용하는 센서이다. 반도체식 가스센서는 산화 촉매작용의 반도체 전자 이론을 기반으로 하여 기체분자와 산화물 반도체 간에 전자의 상호작용으로 산화물의 전도성이 변화하는 현상을 기초로 하며, 이러한 전도도 측정방식의 가스센서는 가스가 접촉하였을 때 특정 화학물질이 존재하거나 결여된 상태를 전기전도성 또는 전기저항값의 변화를 기본으로 동작하므로 화학저항(chemiresistors)이라고 한다. A semiconductor gas sensor is a sensor that uses a change in electrical conductivity when a gas comes into contact with a ceramic semiconductor surface. The semiconductor type gas sensor is based on the semiconductor electron theory of oxidation catalysis, and is based on the phenomenon that the conductivity of the oxide changes due to the interaction of electrons between the gas molecule and the oxide semiconductor. When a specific chemical substance is present or absent, it is called chemiresistors because it operates based on a change in electrical conductivity or electrical resistance.
기존의 가스센서는 소비전력이 크고 크기가 커서 제한적인 서비스만 가능하므로, 안전거리에서 사용이 가능하며 적은 설치비용과 간소한 크기로 인한 사용상 이점을 가진 초소형 저전력 가스센서 소자 양산화의 요구가 높아지고 있다. 이에 MEMS 기술을 이용한 가스센서가 보고되었고, 이러한 요구를 구현할 수 있는 기술로서 마이크로 히터를 실리콘 질화막에 식각하여 형성하고 가스 채널을 마이크로 종횡 구조로 형성하여 크로마토그래피 분석으로 휘발성 유기화합물 가스를 검지한 연구결과 등이 있다. Existing gas sensors have high power consumption and large size, so only limited services are available.Therefore, there is a growing demand for mass production of ultra-compact, low-power gas sensor elements that can be used at a safe distance and have advantages in use due to low installation cost and simple size. . As a result, a gas sensor using MEMS technology was reported, and as a technology capable of realizing this demand, a study in which a micro heater was formed by etching a silicon nitride film and a gas channel was formed in a micro vertical and horizontal structure to detect volatile organic compound gas by chromatography analysis. And the results.
최근에서 전기적, 기계적, 화학적으로 기존 물질보다 우수한 특성을 가지고 있어, 재료 및 센서 분야에서 폭넓게 연구되고 있는 탄소나노튜브(CNT)를 감지 물질로 적용하는 가스 센서가 보고되고 있다. 이러한 탄소나노뷰브를 이용한 가스 센서의 제조방법은, 단일 CNT 분산 후 감지 전극 패턴, CNT 분산 용액 인가 후 증발, 감지 전극 사이에 CNT forest 성장으로 분류하고, 단일 CNT 분산 후 감지 전극 패턴은 낮은 농도의 CNT 분산액으로 단일 CNT들을 저밀도로 기판에 올린 후 개별 CNT를 찾아 양단에 감지 전극을 형성하는 방법을 적용하고 있으나, 이는 단일 CNT의 형성 위치가 규칙적이지 않고, 개별 CNT를 확인 후 그 위치를 기준으로 패턴 작업을 수행하므로 수율이 낮고, 공정 시간이 많이 소요되어 상업화에는 적합하지 않다. In recent years, gas sensors that apply carbon nanotubes (CNTs), which are widely studied in the field of materials and sensors, have been reported because they have superior properties electrically, mechanically, and chemically than conventional materials. The manufacturing method of a gas sensor using such a carbon nanotube is classified into a sensing electrode pattern after dispersing a single CNT, evaporation after applying a CNT dispersion solution, and growing a CNT forest between the sensing electrodes.After dispersing a single CNT, the sensing electrode pattern has a low concentration. Single CNTs are placed on a substrate at low density with a CNT dispersion, and then a method of finding individual CNTs and forming sensing electrodes at both ends is applied, but this is because the formation position of a single CNT is not regular, and after checking individual CNTs, Since the pattern work is performed, the yield is low and the processing time is long, which is not suitable for commercialization.
다른 제조방법으로, CNT 분산용액 인가 후 증발은 고농도의 CNT 분산액을 감지 전극 사이에 도포하고 분산용액을 건조하면, 감지 전극 사이에 CNT 다발이 네트워크를 형성하는 방법이 보고되었으나, 분산용액을 건조하면서 불규칙적으로 CNT 다발의 네트워크가 만들어지기 때문에 소자와 소자 사이에 균일성이 떨어지며, 여러 방향으로 전류가 이동하기 때문에 가스 감지 효율이 낮은 문제점이 있다. As another manufacturing method, after application of the CNT dispersion solution, evaporation has been reported to form a network of CNT bundles between the sensing electrodes when a high concentration of CNT dispersion is applied between the sensing electrodes and the dispersion solution is dried. Since the network of CNT bundles is irregularly made, the uniformity between the device and the device decreases, and the gas detection efficiency is low because the current moves in various directions.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 감지 전극 사이에 전사 인쇄하는 공정을 이용하여, 민감도 및 신뢰도가 향상되고 초소형화가 가능한 가스 센서를 간단한 공정으로 대량으로 제조할 수 있는, 멤즈 가스 센서의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above-described problem, by using a process of transferring and printing a sensing material aligned in one direction between sensing electrodes, a gas sensor having improved sensitivity and reliability and capable of miniaturization can be manufactured in large quantities in a simple process. It is possible to provide a method of manufacturing a MEMS gas sensor.
본 발명은, 민감도 및 소비 전력이 개선되고, 초소형 가능한 멤즈 가스 센서를 제공할 수 있다. The present invention can provide a MEMS gas sensor with improved sensitivity and power consumption and capable of being ultra-compact.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 일정한 각격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계; 및 상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 전사 인쇄하는 단계;를 포함하고, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 상기 한 쌍의 감지 전극을 가로질러 전사되는 것인, 멤즈 가스 센서의 제조방법에 관한 것이다. According to an embodiment of the present invention, the present invention comprises the steps of preparing a substrate; Forming a pair of sensing electrodes spaced apart from each other and facing each other on the substrate; And transferring and printing the carbon nanotubes aligned in one direction between the pair of sensing electrodes, wherein the carbon nanotubes aligned in one direction are transferred across the pair of sensing electrodes. It relates to a method of manufacturing a phosphorus, MEMS gas sensor.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고, 상기 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the carbon nanotubes aligned in one direction are aligned parallel to each other at intervals of 0.3 nm to 1 mm, and the carbon nanotubes may have a thickness of 0.3 nm to 100 μm. .
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 전사 인쇄하는 단계는, 기판 상에 수직한 방향으로 성장된 탄소나노튜브 나노선 폴리머 용액을 분사한 이후 상기 기판을 한 방향으로 당겨서 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 리본을 형성하는 단계; 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 리본의 적어도 일부분을 스탬프와 결합하는 단계; 및 상기 한 쌍의 감지 전극에 수직 방향으로 상기 탄소나노튜브를 정렬시키고 상기 감지 전극 상에 전사 인쇄하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the transferring and printing of the carbon nanotubes aligned in one direction includes spraying the carbon nanotube nanowire polymer solution grown in a vertical direction on the substrate, and then turning the substrate in one direction. Pulling to form a carbon nanotube ribbon aligned in one direction; Combining at least a portion of the carbon nanotube ribbon aligned in one direction with a stamp; And aligning the carbon nanotubes in a direction perpendicular to the pair of sensing electrodes and performing transfer printing on the sensing electrodes. It may be to include.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 스탬프와 결합하는 단계 및 상기 전사 인쇄하는 단계는, 반데르발스 힘을 이용하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of combining with the stamp and the step of performing transfer printing may be using a van der Waals force.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 멤즈 가스 센서는, 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 포함하는 감지 영역에서 일정한 방향으로 전류가 흐르는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in the MEMS gas sensor, a current flows in a predetermined direction in a sensing region including carbon nanotubes aligned in one direction.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 한 쌍의 감지 전극; 및 상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브;를 포함하고, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 상기 한 쌍의 감지 전극을 가로질러 전사된 것이고, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고, 상기 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것이고, 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 포함하는 감지 영역에서 일정한 방향으로 전류가 흐르는 것인 멤즈 가스 센서에 관한 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention provides a substrate; A pair of sensing electrodes formed on the substrate; And carbon nanotubes aligned in one direction between the pair of sensing electrodes, wherein the carbon nanotubes aligned in one direction are transferred across the pair of sensing electrodes, and in the one direction The aligned carbon nanotubes are aligned parallel to each other at intervals of 0.3 nm to 1 mm, and the carbon nanotubes have a thickness of 0.3 nm to 100 μm, in a sensing region including carbon nanotubes aligned in one direction. It may be related to a MEMS gas sensor that current flows in a certain direction.
본 발명은, 한 방향으로 정렬된 감지 물질, 예를 들어, 탄소나노튜브 다발을 기판에 전사인쇄하는 방법을 사용하여, 초소형, 저전력 및 고성능의 반도체식 가스 센서의 제조방법을 제공하고, 이러한 전사인쇄 방법은 한번에 여러 소자의 인쇄가 가능하므로 공정 효율을 개선시키고 대량 생산을 실현시킬 수 있다. The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor gas sensor of ultra-compact, low power and high performance using a method of transferring and printing a sensing material aligned in one direction, for example, a bundle of carbon nanotubes on a substrate. The printing method enables printing of several devices at once, thus improving process efficiency and realizing mass production.
본 발명은, 휴대가 용이하고 상온 및 미량의 농도의 가스에서 높은 신뢰성과 초고감도 및 고속 응답이 가능한 멤즈 가스 센서를 제공할 수 있다. The present invention can provide a MEMS gas sensor that is easy to carry and is capable of high reliability, ultra-high sensitivity, and high-speed response in gas at room temperature and a small amount of concentration.
본 발명은, 환경오염가스 감지 센서, 질환 바이오 센서, 식품 안전 진단 센서, 유독 가스센서 등에 활용되는 미량 가스 검출을 위한 초고감도 멤즈 가스 센서를 제공할 수 있다. The present invention can provide an ultra-sensitive MEMS gas sensor for detecting trace gas used in an environmental pollutant gas detection sensor, a disease biosensor, a food safety diagnosis sensor, a toxic gas sensor, and the like.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 멤즈 가스 센서의 제조방법의 흐름도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 멤즈 가스 센서의 제조방법의 공정을 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 멤즈 가스 센서의 구성을 예시적으로 나탄내 것이다. 1 is an exemplary flowchart of a method of manufacturing a MEMS gas sensor according to the present invention, according to an embodiment of the present invention.
2 shows a process of a method of manufacturing a MEMS gas sensor according to the present invention according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 exemplarily shows the configuration of a MEMS gas sensor according to the present invention, according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express a preferred embodiment of the present invention, which may vary depending on the intention of users or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be positioned "on" another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components.
이하, 본 발명의 멤즈 가스 센서의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of manufacturing the MEMS gas sensor of the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
본 발명은, 멤즈 가스 센서의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제조방법은, 한 방향으로 정렬된 감지물질 다발을 전사 인쇄 공정으로 감지 영역에 위치시켜, 신뢰도, 감도 및 전력 소비 효율이 향상된 반도체식 멤즈 가스 센서를 제공할 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a MEMS gas sensor, and in accordance with an embodiment of the present invention, the manufacturing method includes, by placing a bundle of sensing materials aligned in one direction in a sensing area by a transfer printing process, And it is possible to provide a semiconductor MEMS gas sensor with improved power consumption efficiency.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하여 설명하여, 도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른, 본 발명에 의한 멤즈 가스 센서의 제조방법의 흐름도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1에서 기판을 준비하는 단계(100), 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계(200); 및 감지 물질을 전사 인쇄하는 단계(300); 를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, with reference to FIG. 1, FIG. 1 is an exemplary flowchart of a method of manufacturing a MEMS gas sensor according to the present invention, and FIG. 1 Preparing a substrate at (100), forming a pair of sensing electrodes (200); And transfer printing the sensing material (300). It may include.
기판을 준비하는 단계(100)는, 본 발명의 멤즈 가스 센서에 적용 가능한 기판을 준비하는 단계이며, 예를 들어, 멤즈 가스 센서에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 투명 기판, 유연 기판, 웨이퍼, 실리콘, 반도체 기판, 플라스틱 기판 등일 수 있다. 구체적으로, 폴리아마이드이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(PI, Polymide), 아크릴(Acryl), 폴리카보네이트(PC), 고리형 올레핀 고분자(COC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 유리 및 강화 유리로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 투명 기판일 수 있다. The step of preparing the
한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계(200)는, 상기 기판 상에 일정한 각격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계이다. 이는 스핀 코팅, 닥터블레이드 코팅, 포토리소그래피, 그라비아 인쇄, 스크린인쇄, 옵셋인쇄, 잉크젯인쇄 등의 방법으로 이용하여 형성할 수 있다.The
한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계(200)에서 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극은, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 이격되고, 감지 전극은, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께로 형성될 수 있다. In the
상기 감지 전극은, 단층 또는 복수층으로 형성되고, 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 주석(Sn), 또는 그들의 합금과 같은 금속 소재; 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연주석산화물(IZTO), 카드뮴주석산화물(CTO), 탄소나노튜브, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등의 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The sensing electrode is formed of a single layer or a plurality of layers, and titanium (Ti), palladium (Pd), chromium (Cr), gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), zinc (Zn), aluminum ( Metal materials such as Al), nickel (Ni), tin (Sn), or alloys thereof; Indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), indium zinc tin oxide (IZTO), cadmium tin oxide (CTO), carbon nanotubes, PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) It may include at least one selected from the group consisting of conductive polymers such as.
감지 물질을 전사 인쇄하는 단계(300)는, 한 쌍의 감지 전극 사이에 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 전사 인쇄하는 단계이다. 이러한 감지 물질은 상기 한 쌍의 감지 전극 사이를 가로질러 전사되고, 상기 감지 전극 상에 양말단이 각각 결합될 수 있다. The step of transfer printing the
상기 감지 물질은, 나노섬유, 나노튜브 및 나노와이어 중 적어도 하나의 형태를 갖는 탄소 물질 다발이며, 바람직하게는 탄소나노튜브이다. 상기 탄소나노튜브는, 극미량 수준의 가스의 검출에 감도 및 신뢰성 향상에 도움을 줄 수 있다.The sensing material is a bundle of carbon materials having at least one of a nanofiber, a nanotube, and a nanowire, and preferably a carbon nanotube. The carbon nanotubes may help to improve sensitivity and reliability in the detection of very trace levels of gas.
예를 들어, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고, 상기 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것일 수 있다. For example, the carbon nanotubes aligned in one direction are aligned parallel to each other at intervals of 0.3 nm to 1 mm, and the carbon nanotubes may have a thickness of 0.3 nm to 100 μm.
감지 물질을 전사 인쇄하는 단계(300)는, 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 멤즈 가스 센서의 제조방법의 공정을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 2에서 감지 물질을 전사 인쇄하는 단계(300)는, 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 형성하는 단계(310), 스탬프를 제조하는 단계(320), 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 스탬프와 결합하는 단계(330); 및 감지 물질을 감지 전극 상에 전사 인쇄하는 단계(340)를 포함할 수 있다.The
한 방향으로 정렬된 감지 물질을 형성하는 단계(310)는, 기판 상에 감지 물질을 성장시키고 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 형성하는 단계이며, 예를 들어, 기판 상에 수직한 방향으로 성장된 탄소나노튜브 나노선(CNT forest) 폴리머 용액을 분사한 이후 상기 기판을 한 방향으로 당겨서 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브리본을 형성하는 단계이다. The
스탬프를 제조하는 단계(320)는, 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 고정하기 위해서, 몰딩법 등 다양한 방법에 의해 원하는 형태로 스탬프를 제조할 수 있다. 상기 스탬프는, PDMS(polydimethylsiloxane), PTFE(polytetrafluoroethylene pervaporation), PET(polyethylene terephthalate), PU(polyurethane), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PETE(Polyethylene Terephthalate) 등의 탄성이 있는 고무 물질이 포함될 수 있다. 상기 스탬프는, 기재 필름 상의 적어도 일부분에 상기 고무 물질층이 코팅 또는 접합될 수 있다. In the
상기 스탬프는, 원하는 면적의 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 결합하기 위해서 스탬프의 적어도 일면의 일부분에 돌출부가 형성될 수 있다. 상기 돌출부의 크기(또는, 면적)은, 감지부의 면적, 감지 전극의 크기, 이격거리 등을 고려해서 조절될 수 있다. 예를 들어, 기재 필름 상에 상기 고무물질을 포함하는 돌출부가 형성되고, 상기 기재필름은 돌출부와 동일하거나 또는 상이할 수 있고, 상기 돌출부는, 원형, 다각형 등의 구초제일 수 있다. The stamp may have a protrusion formed on a portion of at least one surface of the stamp to combine the sensing material aligned in one direction of a desired area. The size (or area) of the protrusion may be adjusted in consideration of the area of the sensing unit, the size of the sensing electrode, and a separation distance. For example, a protrusion including the rubber material is formed on a base film, and the base film may be the same as or different from the protrusion, and the protrusion may be a primitive such as a circle or a polygon.
돌출부에서 상기 감지 물질과 결합하는 일면의 면적은, 2 × 2 mm2 이하; 1.5 × 1.5 mm2 이하; 1.0 × 1.0 mm2 이하; 또는 0.5 × 0.5 mm2 이하일 수 있다. The area of one surface of the protrusion coupled to the sensing material is 2 × 2 mm 2 or less; 1.5 × 1.5 mm 2 or less; 1.0 × 1.0 mm 2 or less; Alternatively, it may be 0.5 × 0.5 mm 2 or less.
한 방향으로 정렬된 감지 물질을 스탬프와 결합하는 단계(330)는, 단계(310)에서 형성된 한 방향으로 정렬된 감지 물질의 적어도 일부분을 스탬프와 결합하는 단계이며, 이러한 결합은 스탬프와 반데르발스 힘에 의해서 기판 상에 고정된 감지 물질을 분리하여 스탬프에 결합시킬 수 있다. 이러한 결합을 위해서 감지 물질과 스탬프가 접촉된 상태에서 일정한 압력을 가할 수 있다. The
감지 물질을 감지 전극 상에 전사 인쇄하는 단계(340)는, 상기 한 쌍의 감지 전극에 수직 방향으로 상기 스탬프에 결합된 감지 물질을 정렬시키고 상기 감지 전극 상에 전사 인쇄하고, 스탬프와 감지 물질을 분리하는 단계이다. In the
이러한 전사 인쇄는, 반데르발스 힘에 의해서 스탬프 상에 고정된 감지 물질을 분리하여 감지 전극 상에 결합시킬 수 있다. 이러한 결합을 위해서 감지 물질과 감지 전극이 접촉된 상태에서 일정한 압력을 가할 수 있다. In this transfer printing, the sensing material fixed on the stamp can be separated and bonded to the sensing electrode by van der Waals force. For this combination, a certain pressure may be applied while the sensing material and the sensing electrode are in contact.
본 발명은, 멤즈 가스 센서에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 멤즈 가스 센서는, 한 방향으로 정렬된 감지 물질을 적용함으로써, 성능을 향상시키고, 초소형과 저전력의 반도체식 멤즈 가스센서를 제공할 수 있다.The present invention relates to a MEMS gas sensor, and according to an embodiment of the present invention, the MEMS gas sensor improves performance by applying a sensing material aligned in one direction, and has a microminiature and low power semiconductor MEMS gas. Sensors can be provided.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 3을 참조하면, 상기 멤즈 가스 센서는, 기판(10) 및 감지 영역(20)을 포함하고, 감지 영역(20)은, 감지 전극부(21) 및 감지 물질층(22)을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, referring to FIG. 3, the MEMS gas sensor includes a
기판(10)은, 멤즈 가스 센서에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 투명 필름, 유연 필름, 웨이퍼, 실리콘, 유리 기판, 플라스틱 기판 등일 수 있다. PET(Polyethylene Terephthalate), PI(Polymide), 아크릴(Acryl), PEN(Polyethylene Naphthalate), 또는 글라스(glass) 등의 투명 기판일 수 있다.The
감지 전극부(21)는, 기판(10) 상에 위치하고 소정의 간격을 두고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극(21a, 21b)을 포함할 수 있다. The sensing electrode unit 21 may include a pair of
감지 전극(21)은, 단층 또는 복수층으로 형성되고, 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 주석(Sn), 또는 그들의 합금과 같은 금속 소재; 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연주석산화물(IZTO), 카드뮴주석산화물(CTO), 탄소나노튜브, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등의 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The sensing electrode 21 is formed in a single layer or in a plurality of layers, and includes titanium (Ti), palladium (Pd), chromium (Cr), gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), zinc (Zn), Metal materials such as aluminum (Al), nickel (Ni), tin (Sn), or alloys thereof; Indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), indium zinc tin oxide (IZTO), cadmium tin oxide (CTO), carbon nanotubes, PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) It may include at least one selected from the group consisting of conductive polymers such as.
감지 전극(21)은, 다양한 형태로 형성될 수 있고, 예를 들어, 깍지를 낀 손가락 형태일 수 있다.The sensing electrode 21 may be formed in various forms, for example, may be in the form of an interdigitated finger.
감지 전극부(21)는, 감지 영역의 면적 크기를 조절할 수 있고, 대형에서 초소형으로 조절이 가능하다. 예를 들어, 상기 감지 영역의 면적은, 2 × 2 mm2 이하; 1.5 × 1.5 mm2 이하; 1.0 × 1.0 mm2 이하; 또는 0.5 × 0.5 mm2 이하의 크기로 형성될 수 있다.The sensing electrode unit 21 can adjust the size of the area of the sensing area, and can be adjusted from large to small. For example, the area of the sensing area is 2 × 2 mm 2 or less; 1.5 × 1.5 mm 2 or less; 1.0 × 1.0 mm 2 or less; Or it may be formed in a size of 0.5 × 0.5 mm 2 or less.
감지 물질층(22)은, 감지 물질로 한 방향으로 정렬된 섬유, 나노튜브 및 와이어 중 적어도 하나의 형태를 갖는 탄소 물질을 포함하고, 바람직하게는 탄소 나노튜브이다. 상기 탄소 물질은, 상기 한 쌍의 감지 전극을 가로질러 배치되고, 한 방향으로 정렬되므로, 일정한 방향으로 전류가 흐르고, 저항 변화 측정의 감도가 개선되고, 가스 감지 효율을 향상시킬 수 있다. The
상기 탄소 물질은, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고, 상기 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것 일 수 있다. The carbon material may be aligned parallel to each other at intervals of 0.3 nm to 1 mm, and the carbon nanotubes may have a thickness of 0.3 nm to 100 μm.
감지 영역(21)은, ppm 수준, ppb 수준 또는 ppt 수준의 극미량 가스의 검출이 가능하고, 예를 들어, 100 ppm 이하;의 감지 농도에서 초고감도 성능을 제공할 수 있다. The sensing region 21 can detect a trace gas of a ppm level, a ppb level, or a ppt level, and can provide ultra-high sensitivity performance at a detection concentration of, for example, 100 ppm or less.
상기 가스 센서는, 50 mW 이하의 소비 전력으로 작동이 가능하고, 이러한 저전력에서 고감도 성능을 제공할 수 있다.The gas sensor can operate with a power consumption of 50 mW or less, and can provide high sensitivity performance at such low power.
상기 가스 센서는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 적용 분야에 따라 구동을 위해 본 발명의 기술 분야에서 적용되는 통상적인 구성을 더 포함할 수 있으며, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않는다. The gas sensor may further include a conventional configuration applied in the technical field of the present invention for driving according to the application field, and is not specifically mentioned in the present specification, as long as it does not depart from the scope of the present invention.
본 발명에 의한 멤즈 가스 센서는, 유해 가스 검출을 위한 센서, 자동차 배기 가스 검출을 위한 센서, 질병 진단을 위한 센서, 식품 안전 진단 센서 등으로 활용할 수 있고, 예를 들어, 휘발성 유기물질(VOCs), 산성 가스, 염기성 가스, 질병의 바이오마커에 해당되는 가스 등의 감지에 적용되고, 가스의 정성 및 정량 분석이 가능하다. 예를 들어, 상기 가스는, 시안화수소, 알데이드류 , CO2 CO H2, SO2, H2S, CH4, CO, NO2, NO, CNG/LNG, NH3, 포름알데히드, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 암(예를 들어, 유방암, 폐암, 대장암), 신장병, 호흡성 질환(예를 들어, 천식) 또는 대사성 질환(예를 들어, 당뇨병)의 바이오마커 가스 등일 수 있다. The MEMS gas sensor according to the present invention can be used as a sensor for detecting harmful gas, a sensor for detecting automobile exhaust gas, a sensor for diagnosing diseases, a food safety diagnosis sensor, and the like. For example, volatile organic substances (VOCs) , Acid gas, basic gas, it is applied to the detection of gas corresponding to the biomarker of disease, and qualitative and quantitative analysis of gas is possible. For example, the gas is hydrogen cyanide, aldehydes, CO 2 CO H 2 , SO 2 , H 2 S, CH 4 , CO, NO 2 , NO, CNG/LNG, NH 3 , formaldehyde, acetone, benzene, toluene, xylene, cancer (e.g. breast cancer, lung cancer, colon cancer ), kidney disease, respiratory disease (eg, asthma) or metabolic disease (eg, diabetes) biomarker gas.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 한 쌍의 감지 전극; 및 상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브;를 포함하고, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 상기 한 쌍의 감지 전극을 가로질러 전사된 것이고, 상기 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고, 상기 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것이고, 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 포함하는 감지 영역에서 일정한 방향으로 전류가 흐르는 것인 멤즈 가스 센서에 관한 것일 수 있고, 상기 멤즈 가스 센서는 본 발명의 멤즈 가스 센서 제조방법에 의하여 제조된 것일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the present invention provides a substrate; A pair of sensing electrodes formed on the substrate; And carbon nanotubes aligned in one direction between the pair of sensing electrodes, wherein the carbon nanotubes aligned in one direction are transferred across the pair of sensing electrodes, and in the one direction The aligned carbon nanotubes are aligned parallel to each other at intervals of 0.3 nm to 1 mm, and the carbon nanotubes have a thickness of 0.3 nm to 100 μm, in a sensing region including carbon nanotubes aligned in one direction. It may relate to a MEMS gas sensor in which a current flows in a certain direction, and the MEMS gas sensor may be manufactured by the MEMS gas sensor manufacturing method of the present invention.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, even if the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or the described components are combined or combined in a form different from the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.
Claims (6)
상기 기판 상에 일정한 각격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계; 및
상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브를 전사 인쇄하는 단계;
를 포함하고,
상기 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브는, 상기 한 쌍의 감지 전극을 가로질러 전사되어 상기 한 쌍의 감지 전극 상에 위치하고,
상기 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브를 전사 인쇄하는 단계는,
기판 상에 수직한 방향으로 성장된 탄소나노튜브 나노선 폴리머 용액을 분사한 이후 상기 기판을 한 방향으로 당겨서 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브 리본을 형성하는 단계;
상기 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브의 적어도 일부분을 스탬프와 결합하는 단계; 및
상기 한 쌍의 감지 전극에 수직 방향으로 상기 탄소나노튜브를 정렬시키고 상기 감지 전극 상에 전사 인쇄하는 단계;
를 포함하고,
상기 스탬프와 결합하는 단계는, 상기 스탬프의 적어도 일면의 일부분에 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부는 상기 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브와 결합하는 면적이 1.0 × 1.0 mm2 내지 0.5 × 0.5 mm2이고,
상기 스탬프와 결합하는 단계 및 상기 감지 전극 상에 전사 인쇄하는 단계는, 반데르발스 힘을 이용하고,
상기 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고,
상기 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖고,
상기 한 쌍의 감지 전극은, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖고, 서로 0.3 nm 내지 1 mm 간격으로 이격되고,
멤즈 가스 센서는, 한 방향으로 정렬된 복수개의 탄소나노튜브를 포함하는 감지 영역에서 일정한 방향으로 전류가 흐르는 것인,
멤즈 가스 센서의 제조방법.Preparing a substrate;
Forming a pair of sensing electrodes spaced apart from each other and facing each other on the substrate; And
Transferring a plurality of carbon nanotubes aligned in one direction between the pair of sensing electrodes;
Including,
The plurality of carbon nanotubes aligned in the one direction are transferred across the pair of sensing electrodes and positioned on the pair of sensing electrodes,
Transfer printing the plurality of carbon nanotubes aligned in one direction,
Spraying a solution of a carbon nanotube nanowire polymer grown in a vertical direction on a substrate and then pulling the substrate in one direction to form a plurality of carbon nanotube ribbons aligned in one direction;
Combining at least a portion of the plurality of carbon nanotubes aligned in one direction with a stamp; And
Aligning the carbon nanotubes in a direction perpendicular to the pair of sensing electrodes and transferring and printing them on the sensing electrodes;
Including,
In the step of bonding with the stamp, a protrusion is formed on a portion of at least one surface of the stamp, and the protrusion has an area of bonding with the plurality of carbon nanotubes aligned in the one direction from 1.0 × 1.0 mm 2 to 0.5 × 0.5 mm Is 2 ,
Combining with the stamp and transferring printing on the sensing electrode, using van der Waals force,
The plurality of carbon nanotubes aligned in the one direction are aligned parallel to each other at intervals of 0.3 nm to 1 mm,
The carbon nanotubes have a thickness of 0.3 nm to 100 μm,
The pair of sensing electrodes has a thickness of 0.3 nm to 100 μm, and are spaced apart from each other by 0.3 nm to 1 mm,
The MEMS gas sensor is that current flows in a certain direction in a sensing region including a plurality of carbon nanotubes aligned in one direction,
MEMS gas sensor manufacturing method.
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2018
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