KR102260165B1 - Nitrogen oxide gas detection sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 질소산화물 가스 검출 센서는 그래핀 층 및 상기 그래핀 층의 일 면에 접하여 위치하는 금속산화물 박막을 포함하는 이중 채널; 상기 이중 채널의 상기 금속산화물 박막 상 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극; 상기 이중 채널의 상기 그래핀 층의 다른 일 면에 접하여 위치하는 게이트 산화막; 및 상기 소스 전극과 드레인 전극간 이격된 영역에 대응하는 게이트 산화막 영역 상 위치하는 게이트 전극;을 포함한다.The nitrogen oxide gas detection sensor according to the present invention comprises: a double channel including a graphene layer and a metal oxide thin film positioned in contact with one surface of the graphene layer; a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the metal oxide thin film of the double channel; a gate oxide film positioned in contact with the other surface of the double-channel graphene layer; and a gate electrode positioned on a gate oxide film region corresponding to a region spaced apart between the source electrode and the drain electrode.

Description

질소산화물 가스 검출 센서{Nitrogen oxide gas detection sensor}Nitrogen oxide gas detection sensor

본 발명은 질소산화물 가스 검출 센서에 관한 것으로, 상세하게, 우수한 가스 흡탈착 안정성 및 향상된 민감도를 가지는 질소산화물 가스 검출 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a nitrogen oxide gas detection sensor, and more particularly, to a nitrogen oxide gas detection sensor having excellent gas adsorption/desorption stability and improved sensitivity.

종래의 질소산화물(NOx) 가스 검출용 반도체 가스 센서는 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3) 및 산화텅스텐(WO3) 등의 금속산화물 기반의 가스센서를 보편적으로 이용되어 왔다. 이러한 금속산화물 기반의 가스센서는 가스 선택성이 우수하고 제작과 작동이 용이한 장점이 있으나, 저농도의 가스 검출이 어렵고 내구성이 낮다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 최근 그래핀 기반의 가스센서들이 연구되고 있다. 그래핀은 페르미 준위(Fermi level) 근처에서 선형적인 밴드 구조를 지니기 때문에 흡착된 가스에 의한 미량의 전하 이동에 의해 전류가 쉽게 변화할 수 있어, 우수한 가스 민감도를 가지며 구조적으로 안정하여 내구성이 우수한 소재이다. 그러나 이러한 높은 화학적 안정성(chemical inertness)로 인하여 검출 가스의 선택성이 떨어지며, 검출 가스의 흡착(adsorption)이 오직 그래핀의 결함(defects) 영역에서만 선택적으로 일어나고, 가스 탈착(desorption)에 의한 전류의 회복이 원활하게 진행되지 않는다는 단점이 있다. A conventional semiconductor gas sensor for detecting nitrogen oxide (NOx) gas is a gas sensor based on metal oxides such as zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), and tungsten oxide (WO 3 ). has been used universally. Such a metal oxide-based gas sensor has advantages of excellent gas selectivity and easy manufacturing and operation, but has disadvantages in that it is difficult to detect low concentration gas and has low durability. In order to solve this problem, graphene-based gas sensors are being studied recently. Graphene has a linear band structure near the Fermi level, so the current can be easily changed by the transfer of a small amount of charge by the adsorbed gas. to be. However, due to such high chemical inertness, the selectivity of the detection gas is lowered, and the detection gas is selectively adsorbed only in the graphene defects region, and the current is recovered by the gas desorption. The disadvantage is that this does not proceed smoothly.

따라서, 극미량의 질소산화물 가스에 대하여 우수한 민감도를 지님과 동시에 검출 가스의 흡·탈착 반응 안정성이 확보된 가스 센서의 개발이 필요하다.Therefore, there is a need to develop a gas sensor that has excellent sensitivity to a very small amount of nitrogen oxide gas and at the same time secures adsorption/desorption reaction stability of the detection gas.

본 발명은 질소산화물 가스에 대하여 우수한 가스 흡탈착 안정성 및 향상된 민감도를 가지는 질소산화물 가스 검출 센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a nitrogen oxide gas detection sensor having excellent gas adsorption/desorption stability and improved sensitivity to nitrogen oxide gas.

본 발명에 따른 질소산화물(NOx) 가스 검출 센서는 그래핀 층 및 그래핀 층의 일 면에 접하여 위치하는 금속산화물 박막을 포함하는 이중 채널; 이중 채널의 금속산화물 박막 상 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극; 이중 채널의 그래핀 층의 다른 일 면에 접하여 위치하는 게이트 산화막; 및 소스 전극과 드레인 전극간 이격된 영역에 대응하는 게이트 산화막 영역 상 위치하는 게이트 전극;을 포함한다.A nitrogen oxide (NOx) gas detection sensor according to the present invention includes a double channel including a graphene layer and a metal oxide thin film positioned in contact with one surface of the graphene layer; a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on a double-channel metal oxide thin film; a gate oxide film positioned in contact with the other surface of the double-channel graphene layer; and a gate electrode positioned on a gate oxide film region corresponding to a region spaced apart between the source electrode and the drain electrode.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 가스 검출 센서에 있어, 검출 센서의 게이트 전압-드레인 전류(Vgs - Ids)는 디락 포인트(Dirac point)를 가질 수 있다.In the nitrogen oxide gas detection sensor according to an embodiment of the present invention, the gate voltage-drain current (V gs - I ds ) of the detection sensor may have a Dirac point.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 가스 검출 센서에 있어, 그래핀 층은 단일층 그래핀일 수 있다.In the nitrogen oxide gas detection sensor according to an embodiment of the present invention, the graphene layer may be a single-layer graphene.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 가스 검출 센서에 있어, 금속산화물박막의 금속산화물은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 인듐(In), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y) 및 갈륨(Ga)에서 하나 이상 선택된 원소의 산화물이나 이들의 복합산화물일 수 있다. In the nitrogen oxide gas detection sensor according to an embodiment of the present invention, the metal oxide of the metal oxide thin film is titanium (Ti), zinc (Zn), indium (In), tungsten (W), niobium (Nb), molyb It may be an oxide of one or more elements selected from denum (Mo), magnesium (Mg), tin (Sn), strontium (Sr), yttrium (Y), and gallium (Ga), or a composite oxide thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 가스 검출 센서에 있어, 소스 전극과 드레인 전극은 서로 맞물린(interdigitated) 구조일 수 있다.In the nitrogen oxide gas detection sensor according to an embodiment of the present invention, the source electrode and the drain electrode may have an interdigitated structure.

본 발명은 상술한 질소산화물 가스 검출 센서를 이용한 질소산화물 가스 검출 방법을 포함한다.The present invention includes a nitrogen oxide gas detection method using the aforementioned nitrogen oxide gas detection sensor.

본 발명은 상술한 질소산화물 가스 검출 센서의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method for manufacturing the above-described nitrogen oxide gas detection sensor.

본 발명에 따른 질소산화물 가스 검출 센서는 a) 절연막 상 그래핀 층을 전사하는 단계; b) 원자층 증착을 이용하여 전사된 그래핀 층 상 금속산화물 박막을 형성하는 단계; 및 c) 금속산화물 박막 상 서로 이격된 소스 전극과 드레인 전극을 형성하고, 전사된 그래핀 층이 위치하는 절연막의 대향면 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.A nitrogen oxide gas detection sensor according to the present invention comprises: a) transferring a graphene layer on an insulating film; b) forming a metal oxide thin film on the transferred graphene layer using atomic layer deposition; and c) forming a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the metal oxide thin film, and forming a gate electrode on the opposite surface of the insulating film on which the transferred graphene layer is located.

본 발명에 따른 질소산화물 가스 검출 센서는 그래핀 층과 금속산화물 박막의 이중 채널 구조를 가져, 극미량의 질소산화물 가스를 검출할 수 있으면서도 우수한 가스 흡탈착 안정성 및 민감도를 가져 준-실시간으로 매우 정확하고 민감하게 극미량의 질소산화물 가스를 검출할 수 있는 효과가 있다.The nitrogen oxide gas detection sensor according to the present invention has a double-channel structure of a graphene layer and a metal oxide thin film, so it can detect a very small amount of nitrogen oxide gas and has excellent gas adsorption/desorption stability and sensitivity It has the effect of sensitively detecting trace amounts of nitrogen oxide gas.

도 1은 (a) 실온에서 분석된 산화아연 박막의 두께 변화에 따른 산화아연-그래핀 복합 박막의 I-V 측정 결과, (b) 250℃의 작동온도에서 분석된 산화아연 박막의 두께 변화에 따른 산화아연-그래핀 복합 박막의 I-V 측정 결과 및 (c) 작동온도 및 산화아연 박막의 두께 변화에 따른 옴 저항(ohmic resistance) 값을 측정한 결과이며,
도 2는 (a)-(d) 각각 산화아연 박막의 두께가 각각 5nm, 30nm, 50nm 및 100 nm인 산화아연-그래핀 복합 박막 기반의 질소산화물(NOx) 가스 검출 센서의 전달 특성(VDS = 0.1V)을 분석한 결과, (e) 산화아연 박막의 두께에 따른 페르미 준위 변화를 보여주는 도면 및 (f) VG = 0 V에서의 산화아연 박막의 두께에 따른 그래핀의 캐리어 농도(n)를 분석한 결과이며,
도 3은 (a) 250℃의 작동온도에서 NO2 가스 주입 전·후 산화아연-그래핀 복합 박막 기반의 NOx 가스 검출 센서의 전달 특성(VDS = 10mV)을 분석한 결과 및 (b) NO2 가스 주입 후의 전하 보상에 의한 페르미 준위의 변화를 보여주는 도면이며,
도 4는 NO2 가스 주입 후 실시예 2, 실시예 3, 실시예 5 및 비교예 1의 저항 변화를 분석한 결과이며,
도 5는 실시예 2, 실시예 3, 실시예 5 및 비교예 1의 NO2 가스에 대한 반응도를 분석한 결과이다.
1 is (a) the IV measurement result of the zinc oxide-graphene composite thin film according to the change in the thickness of the zinc oxide thin film analyzed at room temperature, (b) the oxidation according to the change in the thickness of the zinc oxide thin film analyzed at the operating temperature of 250 ° C. The IV measurement result of the zinc-graphene composite thin film and (c) the measurement result of the ohmic resistance value according to the change in the operating temperature and the thickness of the zinc oxide thin film,
2 shows (a)-(d) transmission characteristics (V DS ) of a zinc oxide-graphene composite thin film-based nitrogen oxide (NOx) gas detection sensor having a zinc oxide thin film thickness of 5 nm, 30 nm, 50 nm and 100 nm, respectively; = 0.1V), (e) a diagram showing the change in the Fermi level according to the thickness of the zinc oxide thin film, and (f) the carrier concentration of graphene according to the thickness of the zinc oxide thin film at V G = 0 V (n ) is the result of analyzing
3 is (a) a result of analyzing the transmission characteristics (V DS = 10mV) of a NOx gas detection sensor based on a zinc oxide-graphene composite thin film before and after NO 2 gas injection at an operating temperature of 250 ° C. (b) NO 2 It is a diagram showing the change of the Fermi level due to charge compensation after gas injection,
4 is a result of analyzing the resistance change of Examples 2, 3, 5 and Comparative Example 1 after NO 2 gas injection,
5 is a result of analyzing the reactivity to the NO 2 gas of Example 2, Example 3, Example 5 and Comparative Example 1.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 질소산화물 가스 검출 센서를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.Hereinafter, a nitrogen oxide gas detection sensor of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, and in the following description and accompanying drawings, Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise. In this specification and the appended claims, the units used without special mention are based on weight, and in one example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio.

본 발명에 따른 질소산화물 가스 검출 센서(이하, NOx 센서)는 그래핀 층 및 그래핀 층의 일 면에 접하여 위치하는 금속산화물 박막을 포함하는 이중 채널; 이중 채널의 금속산화물 박막 상 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극; 이중 채널의 그래핀 층의 다른 일 면에 접하여 위치하는 게이트 산화막; 및 소스 전극과 드레인 전극간 이격된 영역에 대응하는 게이트 산화막 영역 상 위치하는 게이트 전극;을 포함한다. 이때, 질소산화물 가스(NOx 가스)는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 아산화질소(N2O) 또는 이들의 혼합 가스등을 포함할 수 있다. A nitrogen oxide gas detection sensor (hereinafter, NOx sensor) according to the present invention includes a double channel including a graphene layer and a metal oxide thin film positioned in contact with one surface of the graphene layer; a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on a double-channel metal oxide thin film; a gate oxide film positioned in contact with the other surface of the double-channel graphene layer; and a gate electrode positioned on a gate oxide film region corresponding to a region spaced apart between the source electrode and the drain electrode. In this case, the nitrogen oxide gas (NOx gas) may include nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), nitrous oxide (N 2 O), or a mixed gas thereof.

본 발명에 따른 NOx 센서는 그래핀 층과 금속산화물 박막의 이중 채널 구조를 가지며 금속산화물 박막이 NOx 가스와 접촉하도록 하여, NOx 흡착에 의한 금속산화물 박막의 전하 농도 변화 및 금속산화물 박막의 전하 농도 변화에 의해 야기되는 그래핀 층의 전기적 상태 변화를 이용하여 NOx 가스를 검출할 수 있다. The NOx sensor according to the present invention has a double-channel structure of a graphene layer and a metal oxide thin film, and allows the metal oxide thin film to come into contact with NOx gas, thereby changing the charge concentration of the metal oxide thin film and the charge concentration of the metal oxide thin film due to NOx adsorption. NOx gas can be detected using the change in the electrical state of the graphene layer caused by

이에 의해, 본 발명에 따른 NOx 센서는 그래핀 층과 금속산화물 박막의 이중 채널 구조를 가져, 극미량의 NOx 가스를 검출할 수 있으면서도 우수한 가스 흡탈착 특성을 가져 준실시간으로 NOx 가스(의 변화)를 검출할 수 있는 장점이 있다. Accordingly, the NOx sensor according to the present invention has a double-channel structure of a graphene layer and a metal oxide thin film, and has excellent gas adsorption/desorption characteristics while being able to detect a very small amount of NOx gas (change) of NOx gas (change) in quasi-real time It has the advantage of being able to detect it.

상세하게, 이중 채널의 금속산화물 박막에서는 NOx 가스의 흡탈착이 발생하며, 그래핀 층에서는 전류 이동이 발생하여, NOx 가스의 유무나 농도 변화를 실시간에 준하게 극히 신속하고 신뢰성있게 검출할 수 있으며, NOx 가스에 의한 금속산화물 박막의 전하 변화가 선형 밴드를 갖는 그래핀 층의 전류 변화로 증폭되어 검출됨에 따라 극히 민감하게 극저 농도의 NOx 가스 검출이 이루어질 수 있다.In detail, adsorption and desorption of NOx gas occurs in the double-channel metal oxide thin film, and current movement occurs in the graphene layer, so the presence or absence of NOx gas or change in concentration can be detected extremely quickly and reliably in real time. , as the charge change of the metal oxide thin film caused by the NOx gas is amplified and detected as the current change of the graphene layer having a linear band, extremely sensitive detection of the NOx gas can be made.

알려진 바와 같이 NOx 가스가 금속산화물 박막에 흡착하는 경우 금속산화물 박막의 전하 농도가 변화하게 된다. 그러나, 금속산화물 박막의 전하 농도 변화를 직접적으로 측정하여 NOx 가스를 검출하는 경우, NOx 가스에 의해 발생하는 전하 농도 차가 그리 크지 않아 ppb 수준의 농도 검출에는 그 한계가 있다. As is known, when NOx gas is adsorbed to the metal oxide thin film, the charge concentration of the metal oxide thin film is changed. However, when the NOx gas is detected by directly measuring the change in the charge concentration of the metal oxide thin film, the difference in the charge concentration generated by the NOx gas is not very large, so there is a limit to the detection of the ppb level concentration.

그러나, 본 발명에 따른 NOx 센서는 금속산화물 박막 자체의 전하 농도 변화가 아닌, NOx에 의해 전하 농도가 변화된 금속산화물 박막에 의해 그래핀 층의 전기적 특성 변화를 검출함으로써, 극미량의 NOx 가스 또한 신뢰성 있게 검출할 수 있는 장점이 있다. 상세하게, NOx 가스에 의해 금속산화물 박막의 전하 농도가 변화화하 경우, 금속산화물 박막과 접하여 위치하는 그래핀은, 그래핀 고유의 선형 밴드 구조에 의해 금속산화물 박막의 미소한 전하 농도 변화에도 민감하게 전류가 변화하여 극히 우수한 가스 검출 민감도를 가질 수 있다. 또한, 실질적으로 NOx와 반응하는 영역(흡착되는 영역)이 그래핀이 아닌 금속산화물임에 따라 NOx 가스에 대해 우수한 흡/탈착 반응 안정성을 가질 수 있다. However, the NOx sensor according to the present invention detects a change in the electrical properties of the graphene layer by the metal oxide thin film whose charge concentration is changed by NOx, not the change in the charge concentration of the metal oxide thin film itself, so that a very small amount of NOx gas is also reliably It has the advantage of being able to detect it. In detail, when the charge concentration of the metal oxide thin film is changed by the NOx gas, graphene positioned in contact with the metal oxide thin film is sensitive to even a slight change in the charge concentration of the metal oxide thin film due to the unique linear band structure of graphene. The current can be varied to have extremely good gas detection sensitivity. In addition, since the region substantially reacting with NOx (adsorption region) is a metal oxide rather than graphene, it may have excellent adsorption/desorption stability for NOx gas.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 NOx 센서는 높은 가스 민감도와 함께 가스 흡/탈착 안정성을 동시에 가져, 실시간으로 매우 정확하고 민감하게 극미량의 NOx 가스를 검출할 수 있는 장점이 있다.As described above, the NOx sensor according to the present invention has high gas sensitivity and gas adsorption/desorption stability at the same time, and has the advantage of being able to detect very precisely and sensitively a very small amount of NOx gas in real time.

NOx 센서가 신뢰성있고 정량적으로 NOx 가스를 검출함과 동시에 NOx 가스에 대한 검출 민감도를 향상시키기 위해서는, NOx 가스의 흡착에 따른 NOx 센서 검출 전류(Ids(NOx), NOx 가스 존재 하 소스 전극에서 드레인 전극으로의 전류) 값 자체가 커야하며, 검출 전류(Ids(NOx))가 가능한 NOx 농도에 선형적 관계를 갖는 것이 유리하고, NOx 농도에 따라 검출 전류(Ids(NOx))의 값의 변화가 큰 것이 좋다.In order for the NOx sensor to reliably and quantitatively detect NOx gas and at the same time improve the detection sensitivity for NOx gas, the NOx sensor detection current (I ds (NOx)) according to the adsorption of NOx gas, drain from the source electrode in the presence of NOx gas the value of a current to the electrodes) value, and itself is large, the detected current (I ds (NOx)) is to the glass, and the detected current according to the NOx concentration with a linear relationship to the NOx concentration as possible (I ds (NOx)) Big change is good.

이에, 그래핀층과 금속산화물 박막의 이중 채널을 갖는 NOx 센서에서, 소스 전극-금속산화물 박막 채널-드레인 전극의 제1전류이동 경로; 소스 전극-소스 하부의 금속산화물 박막-그래핀-드레인 하부의 금속산화물 박막-드레인 전극의 제2전류이동경로; 및 제1전류이동경로 및 제2전류이동경로로 모두 전류가 흐르는 제3전류이동 경로;중, 제2 또는 제3전류이동경로로 전류가 흐르는 것이 좋으며, 특히 제2전류이동경로로 전류가 흐르는 것이 좋다.Accordingly, in the NOx sensor having a dual channel of a graphene layer and a metal oxide thin film, a source electrode-metal oxide thin film channel- a first current movement path of the drain electrode; a second current path of the source electrode-the metal oxide thin film under the source-graphene-the metal oxide thin film under the drain-drain electrode; and a third current moving path through which current flows through both the first current moving path and the second current moving path; it is preferable that the current flows through the middle, second or third current moving path, in particular, the current flows through the second current moving path it's good

일 구체예에 따른 NOx 센서에 있어, NOx 센서의 게이트 전압-드레인 전류(Vgs - Ids)는 디락 포인트(Dirac point)를 가질 수 있다. NOx 센서의 게이트 전압-드레인 전류(Vgs - Ids)에서 양극성(ambipolar) 특성이 나타남에 따라 형성되는 디락 전압은, NOx 센서의 소스-드레인간의 전류(Ids)가 제2전류이동경로 또는 제3전류이동경로에 의해 발생함을 직접적으로 지시하는 것이다. 제2전류이동경로 또는 제3전류이동경로에 의해 전류가 흐르는 경우, 검출 전류(A)가 10-2 오더(order) 내지 10-5 오더(order) 수준, 일 예로, 10-3 오더(order) 내지 10-4 오더(order) 수준, 구체적으로 1x10-4 내지 9x10-3의 큰 값을 가질 수 있으며, 나아가, 제2전류이동경로에 의해 전류가 흐르는 경우, 보다 더 큰 전류값(10-3 오더 이상)을 가질 수 있다. In the NOx sensor according to an embodiment, the gate voltage-drain current (V gs - I ds ) of the NOx sensor may have a Dirac point. The gate voltage-drain current (V gs - I ds ) of the NOx sensor is a Dirac voltage formed as an ambipolar characteristic appears, the source-drain current (I ds ) of the NOx sensor is the second current movement path or It directly indicates that it is generated by the third current movement path. When the current flows by the second current moving path or the third current moving path, the detection current A is 10 -2 order to 10 -5 order level, for example, 10 -3 order (order). ) to 10 -4 order (order) level, specifically 1x10 -4 to 9x10 -3 may have a large value, and further, when a current flows by the second current flow path, a larger current value (10 − 3 orders or more).

실험적으로 양극성 특성은 일정한 드레인 전압(Vds)에서 게이트 전압(Vgs)에 따른 드레인 전류(Ids) 값인 전압-전류 그래프가 오목한(concave) 형태를 가짐을 의미하는 것일 수 있으며, 디락 포인트(또는 디락 전압)는 오목한 형태의 전압-전류 그래프에서 최저점(전압-전류 그래프의 기울기가 양에서 음으로 바뀌는 지점)의 전압값을 의미할 수 있다. Experimentally, the bipolar characteristic may mean that the voltage-current graph, which is the value of the drain current (Ids) according to the gate voltage (V gs ) at a constant drain voltage (V ds ), has a concave shape, and the Dirac point (or Dirac voltage) may mean a voltage value at the lowest point (a point at which the slope of the voltage-current graph changes from positive to negative) in the concave voltage-current graph.

구체적으로, NOx 센서는 이중 채널의 금속산화물 박막이 100nm 이하의 두께를 가지며, 이러한 100nm 이하의 두께를 갖는 금속산화물 박막에 의해 그래핀 층과 금속산화물 박막 모두를 통해 전류(검출 전류)가 이동(제3전류이동 경로)할 수 있다. 유리하게, 금속산화물 박막의 두께는 70nm 이하, 보다 유리하게 60nm 이하, 보다 더 유리하게 50nm 이하일 수 있다. 금속산화물 박막의 두께가 얇아지며 제3전류이동 경로에서 그래핀을 통해 이동하는 전류량이 커질 수 있으며, 70nm 이하, 보다 유리하게 60nm 이하의 금속산화물 박막이 구비되는 경우 실질적으로 대부분의 전류가 그래핀 층을 통해 흐를 수 있다. 이때, 금속산화물 박막은 그래핀 층에 NOx 가스기 직접 흡착되는 것을 안정적으로 방지할 수 있도록, 균일하고 안정적인 막을 형성할 수 있는 두께, 일 예로, 2nm 이상의 두께, 보다 실질적인 일 예로 5nm 이상의 두께를 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Specifically, in the NOx sensor, the double-channel metal oxide thin film has a thickness of 100 nm or less, and the current (detection current) moves through both the graphene layer and the metal oxide thin film by the metal oxide thin film having a thickness of 100 nm or less ( a third current movement path). Advantageously, the thickness of the metal oxide thin film may be 70 nm or less, more advantageously 60 nm or less, even more advantageously 50 nm or less. As the thickness of the metal oxide thin film becomes thinner, the amount of current that moves through the graphene in the third current movement path may increase, and when a metal oxide thin film of 70 nm or less, more advantageously 60 nm or less, is provided, substantially most of the current is transferred to graphene It can flow through the layers. In this case, the metal oxide thin film has a thickness capable of forming a uniform and stable film, for example, a thickness of 2 nm or more, and a more practical example, a thickness of 5 nm or more so as to stably prevent direct adsorption of NOx gas to the graphene layer. However, it is not necessarily limited thereto.

그래핀 층을 통해 전류가 흐르는 경우(제2전류이동경로), 동일 NOx 농도에서 큰 전류(Ids)가 발생할 수 있으며, 이러한 높은 전류 값(Ids)과 그래핀의 선형적인 밴드 구조에 의한 민감한 전류 변화는 ppb 수준인 NOx 가스의 신뢰성 있는 검출을 가능하게 한다. 또한, 그래핀 층을 통해 전류가 흐르는 경우(제2전류이동경로), NOx 센서의 게이트 전압-드레인 전류에서 양극성 특성에 의해 전압 증가(또는 감소)에 따른 전류 증가의 선형성이 우수하여 보다 정량적이고 정확한 NOx 검출이 가능한 장점이 있다. 또한, 금속산화물 박막 내의 미소한 전하 변화로도 그래핀 층에서 매우 큰 전류의 변화가 발생하여 검출 민감도를 크게 향상시킬 수 있다. When a current flows through the graphene layer (second current flow path), a large current (I ds ) may occur at the same NOx concentration, and the high current value (I ds ) and the linear band structure of graphene Sensitive current changes enable reliable detection of ppb-level NOx gases. In addition, when a current flows through the graphene layer (second current flow path), the linearity of the current increase according to the voltage increase (or decrease) is excellent due to the bipolar characteristic in the gate voltage-drain current of the NOx sensor, making it more quantitative It has the advantage of being able to accurately detect NOx. In addition, even a small charge change in the metal oxide thin film causes a very large change in current in the graphene layer, thereby greatly improving the detection sensitivity.

일 구체예에 있어, NOx 센서는 금속산화물 박막의 두께에 따라 제어된 디락 전압(Dirac voltage)을 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 NOx 센서는 소스 전극과 드레인 전극이 금속산화물 박막과 접하여 있음에도 그래핀 층에 의해 전류 이동이 발생(그래핀 층에 채널이 형성, 제2전류이동 경로 또는 제3전류이동 경로)할 수 있으며, 이에 의해 그래핀 고유의 물성에 의해 나타나는 디락 전압을 가질 수 있고, 금속산화물 박막의 두께에 의해 이중 채널의 디락 전압(Dirac voltage)이 제어될 수 있다. In one embodiment, the NOx sensor may have a Dirac voltage controlled according to the thickness of the metal oxide thin film. That is, in the NOx sensor according to an embodiment of the present invention, current movement occurs by the graphene layer even though the source electrode and the drain electrode are in contact with the metal oxide thin film (a channel is formed in the graphene layer, the second current movement path or the third current movement path), thereby having a Dirac voltage indicated by the intrinsic properties of graphene, and controlling the Dirac voltage of the double channel by the thickness of the metal oxide thin film.

상세하게, NOx 센서는 일 그래핀층과 일 금속산화물 박막으로 이루어진 이중 채널을 갖되, 금속산화물 박막이 그래핀 층의 일 면에 접하여 적층되어, 그래핀 층과 계면을 이룸에 따라, 그래핀 층과 금속산화물 박막은 전기적으로 접합된 상태일 수 있다. 이에, 금속산화물 박막의 페르미 레벨(Fermi energy level)과 그래핀의 페르미 레벨(또는 디락 레벨)간의 상대적 높이에 따라, 금속산화물 박막에서 그래핀으로 또는 그래핀에서 금속산화물 박막으로 전하 이동이 발생할 수 있으며, 이러한 전하 이동 방향 및 전하 이동 정도는 그래핀 층에 도핑된 도펀트 형태(p 형 도펀트 또는 n형 도펀트) 및 도핑 정도에 상응할 수 있다. Specifically, the NOx sensor has a double channel composed of a graphene layer and a metal oxide thin film, and as the metal oxide thin film is stacked in contact with one surface of the graphene layer to form an interface with the graphene layer, the graphene layer and the The metal oxide thin film may be in an electrically bonded state. Accordingly, depending on the relative height between the Fermi energy level of the metal oxide thin film and the Fermi level (or Dirac level) of graphene, charge transfer may occur from the metal oxide thin film to graphene or from graphene to the metal oxide thin film. In addition, such charge transfer direction and charge transfer degree may correspond to the dopant type (p-type dopant or n-type dopant) and doping degree doped in the graphene layer.

일 실시예에 있어, 금속산화물 박막의 두께가 두꺼워져 금속산화물 박막(NOx 미반응 상태) 내 산소 공공 결함(oxygen vacancy)등과 같은 결함이 증가함에 따라 금속산화물 박막의 페르미 레벨이 감소하게 되며, 전자가 그래핀으로부터 금속산화물 박막으로 이동하며 그래핀 층은 n형으로 도핑된 효과를 가질 수 있다. 이에 금속산화물 박막의 두께가 두꺼워질수록 그래핀 층은 n형 도펀트로 보다 심하게 도핑된 효과를 가질 수 있다.In one embodiment, as the thickness of the metal oxide thin film increases, defects such as oxygen vacancy in the metal oxide thin film (NOx unreacted state) increase, the Fermi level of the metal oxide thin film decreases, moves from graphene to the metal oxide thin film, and the graphene layer may have an n-type doped effect. Accordingly, as the thickness of the metal oxide thin film increases, the graphene layer may have an effect of being more heavily doped with an n-type dopant.

이러한 n형 도핑 효과에 의해 이중 채널은 금속산화물 박막의 두께에 따라 디락 전압이 달라질 수 있으며, 일 실시예에 있어, 금속산화물 박막의 두께가 두꺼워질수록 보다 음의 방향으로 이동한 디락 전압을 가질 수 있다.Due to the n-type doping effect, the Dirac voltage of the double channel may vary depending on the thickness of the metal oxide thin film, and in one embodiment, as the thickness of the metal oxide thin film increases, the Dirac voltage moves in a more negative direction. can

일 구체예에 있어, 금속산화물 박막의 두께를 2 내지 100nm, 구체적으로 5 내지 100nm, 보다 구체적으로 20 내지 80nm, 보다 더 구체적으로 30 내지 70nm 수준, 더욱 더 구체적으로 40 내지 60nm로 제어함으로써, 0V 인근으로 디락 전압(디락 포인트)을 제어할 수 있으며, 대부분의 검출 전류가 실질적으로 제2전류이동 경로를 통해 흘러 선형성이 우수한 양극성을 갖는 게이트 전압-드레인 전류 특성을 가질 수 있고, 드레인 전압(소스 대비 드레인 전압) 0.1V 수준에서 10-3 오더(order) 내지 10-4 오더(order)의 극히 다량의 전류(Ids, A)를 가질 수 있다.In one embodiment, by controlling the thickness of the metal oxide thin film to 2 to 100 nm, specifically 5 to 100 nm, more specifically 20 to 80 nm, more specifically 30 to 70 nm level, even more specifically 40 to 60 nm, 0V It is possible to control the Dirac voltage (Dirac point) nearby, and most of the detection current flows substantially through the second current movement path, and it can have a gate voltage-drain current characteristic having a polarity with excellent linearity, and a drain voltage (source). in contrast drain voltage) level of 0.1V may have a 10 -3 order (order) to 10-4 extremely large amount of current (I ds, a of the order (order)).

상술한 바와 같이, 금속산화물 박막의 두께에 의해 NOx 센서의 디락 포인트가 제어됨에 따라, 금속산화물 박막의 두께 균일성이 떨어지는 경우 깨끗한 양극성 특성이 나타나기 어려우며 디락 포인트 전 후의 게이트 전압에서 전압-전류간의 선형성이 훼손될 수 있다. 이에 따라, 금속산화물 박막은 RMS 표면거칠기가 4nm이하, 좋게는 3nm이하, 실질적으로는 1 내지 3nm의 두께 균일성을 갖는 것이 좋다. As described above, since the Dirac point of the NOx sensor is controlled by the thickness of the metal oxide thin film, when the thickness uniformity of the metal oxide thin film is poor, it is difficult to show a clean bipolar characteristic, and the voltage-current linearity at the gate voltage before and after the Dirac point. This may be damaged. Accordingly, the metal oxide thin film preferably has an RMS surface roughness of 4 nm or less, preferably 3 nm or less, and substantially has a thickness uniformity of 1 to 3 nm.

일 구체예에 있어, 금속산화물 박막은 다결정 박막일 수 있으며, 금속산화물 다결정체는 직경이 100 나노미터 오더(nm order) 내지 101 나노미터 오더(nm order)인 나노그레인을 포함할 수 있다. 이러한 나노그레인과 결정립계(grain boundaries)의 구조적 불안정성으로 인해 NOx 가스의 흡·탈착이 원활하게 이루어질 수 있다는 장점을 지닌다.One in the embodiments, the metal oxide thin film may be a polycrystalline thin film, the metal oxide crystals in diameter may include a nano-grain 10 0 nanometer order (nm order) to 10 1 nanometer order (nm order) . Due to the structural instability of these nano-grains and grain boundaries, it has the advantage that NOx gas can be adsorbed and desorbed smoothly.

일 구체예에 있어, 금속산화물은 n-형(n-type) 반도체일 수 있다. n-형 반도체 금속산화물은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 인듐(In), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y) 및 갈륨(Ga)에서 하나 이상 선택된 원소의 산화물이나 이들의 복합산화물을 들 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, NOx 가스의 흡착과 탈착이 보다 안정적으로 이루어지는 측면에서 인트린직 n-형 금속산화물은 아연산화물인 것이 좋다.In one embodiment, the metal oxide may be an n-type semiconductor. The n-type semiconductor metal oxides are titanium (Ti), zinc (Zn), indium (In), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), magnesium (Mg), tin (Sn), strontium (Sr), an oxide of at least one element selected from yttrium (Y) and gallium (Ga), or a composite oxide thereof, but is not necessarily limited thereto. However, in terms of more stable adsorption and desorption of NOx gas, the intrinsic n-type metal oxide is preferably zinc oxide.

그래핀 층의 그래핀은 단일층 그래핀(monolayer graphene), 이중층 그래핀이나 삼중층 그래핀등과 같은 다층 그래핀(multi-layer graphene)일 수 있으나, 안정적이며 재현성있게 양극성 특성을 갖는 측면에서 단일층 그래핀인 것이 유리하다.The graphene of the graphene layer may be a multi-layer graphene such as monolayer graphene, double-layer graphene, or triple-layer graphene, but in terms of stable and reproducible bipolar properties It is advantageous to be single-layer graphene.

일 구체예에 있어, 서로 이격된 소스 전극과 드레인 전극 사이에 노출된 금속산화물 박막의 표면은 NOx 가스의 흡착이 발생하는 반응 영역일 수 있다. NOx 가스 흡착 면적을 극대화시키는 측면에서 소스 전극과 드레인 전극은 서로 맞물린(interdigitated) 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 센서 분야에서 반응 영역을 최대화시키는 것으로 알려진 어떠한 전극 구조를 가져도 무방하다. 소스 전극과 드레인 전극이 서로 맞물린 구조를 가질 때, 전극간의 간격은 100 내지 500 μm 수준, 전극의 폭은 50 내지 150 μm 수준, 서로 맞물리는(finger bar) 길이는 2,700 내지 3,500 수준, 구체적으로, 전극간의 간격은 50 내지 600 μm 수준일 수 있으며, 전극의 폭은 70 내지 130 μm 수준, 서로 맞물리는 길이는 2,900 내지 3,300 μm 수준, 보다 구체적으로, 전극간의 간격은 100 내지 500 μm 수준일 수 있으며, 전극의 폭은 80 내지 120 μm 수준, 서로 맞물리는 길이는 3,000 내지 3,200 μm 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment, the surface of the metal oxide thin film exposed between the source electrode and the drain electrode spaced apart from each other may be a reaction region in which adsorption of NOx gas occurs. In terms of maximizing the NOx gas adsorption area, the source electrode and the drain electrode may have an interdigitated structure, but is not limited thereto, and may have any electrode structure known to maximize the reaction area in the sensor field. When the source electrode and the drain electrode have an interdigitated structure, the distance between the electrodes is at the level of 100 to 500 μm, the width of the electrode is at the level of 50 to 150 μm, and the length of the finger bar is at the level of 2,700 to 3,500, specifically, The spacing between the electrodes may be at the level of 50 to 600 μm, the width of the electrodes at the level of 70 to 130 μm, the interlocking length at the level of 2,900 to 3,300 μm, more specifically, the spacing between the electrodes may be at the level of 100 to 500 μm, and , The width of the electrode may be 80 to 120 μm, and the interlocking length may be 3,000 to 3,200 μm, but is not limited thereto.

게이트 전극은 서로 이격 대향하는 소스 전극과 드레인 전극 간의 이격 영역에 상응하는 게이트 절연막 영역 상에 위치할 수 있다. 즉, 게이트 전극은 적어도 소스 전극과 드레인 전극 사이의 이격 영역에 위치하는 이중 채널에 수직 전계(이중 채널의 두께 방향으로의 전계)를 인가할 수 있도록 형성될 수 있다. 소스 전극과 드레인 전극이 서로 맞물린 구조를 갖는 경우, 게이트 전극은 소스 전극과 드레인 전극간의 이격 영역의 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The gate electrode may be positioned on a region of the gate insulating layer corresponding to a spaced region between the source electrode and the drain electrode spaced apart from each other. That is, the gate electrode may be formed so as to apply a vertical electric field (an electric field in the thickness direction of the dual channel) to at least a double channel located in a region spaced apart between the source electrode and the drain electrode. When the source electrode and the drain electrode have an interlocking structure, the gate electrode may have a shape corresponding to the shape of the spaced region between the source electrode and the drain electrode, but is not limited thereto.

게이트 절연막은 절연성 물질의 막이면 족하며, 일 예로, 비금속이나 전이후금속의 산화물, 질화물 또는 산질화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The gate insulating layer may be a layer of an insulating material, and may be, for example, an oxide, nitride or oxynitride of a non-metal or post-transition metal, but is not limited thereto.

선택적으로 게이트 절연막과 게이트 전극 사이에는 반도체층이 위치할 수 있으며, 도핑된 반도체층은 이중채널을 지지하는 지지체의 역할과 함께 게이트 전극에 인가되는 전압을 게이트 절연막을 통해 이중 채널에 전달하는 전극(전도체)의 역할과 게이트 쪽으로의 누설 전류를 안정적으로 억제하는 역할을 수행할 수 있다. 반도체층의 반도체는 실리콘, 저마늄등과 같은 4족 물질일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 붕소, 갈륨등과 같은 3족 원소를 포함하는 p-type 도펀트 또는 인등의 5족 원소를 포함하는 n-type 도펀트로 도핑된 상태일 수 있음은 물론이다. 이에, 반도체층은 1 내지 10 mΩcm, 바람직하게는, 1 내지 8 mΩcm, 좀더 바람직하게는, 1 내지 5 mΩcm일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. Optionally, a semiconductor layer may be positioned between the gate insulating layer and the gate electrode, and the doped semiconductor layer serves as a support for supporting the dual channel and transfers the voltage applied to the gate electrode to the double channel through the gate insulating layer ( conductor) and stably suppressing leakage current toward the gate. The semiconductor of the semiconductor layer may be a group 4 material such as silicon or germanium, but is not limited thereto, and a p-type dopant containing a group 3 element such as boron and gallium or an n containing a group 5 element such as phosphorus Of course, it may be in a state doped with a -type dopant. Accordingly, the semiconductor layer may be 1 to 10 mΩcm, preferably 1 to 8 mΩcm, more preferably, 1 to 5 mΩcm, but is not necessarily limited thereto.

소스 전극, 드레인 전극 또는 게이트 전극의 전극 물질은 금속이면 무방하며, 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 은, 금, 백금, 팔라듐등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The electrode material of the source electrode, the drain electrode, or the gate electrode may be any metal, and may include, but is not limited to, copper, aluminum, nickel, titanium, silver, gold, platinum, palladium, and the like.

본 발명은 상술한 NOx 센서를 이용한 NOx 가스 검출 방법을 포함한다.The present invention includes a NOx gas detection method using the above-described NOx sensor.

상세하게, NOx 가스 검출 방법은 NOx 가스를 함유하는 검출 대상 가스의 도입 전 상술한 NOx 센서의 드레인 전류(Ids(ref))를 측정하는 기준 설정단계; NOx 센서의 소스 전극와 드레인 전극 사이에 표면으로 노출된 금속산화물 박막 영역에 NOx 가스를 함유하는 검출 대상 가스를 도입하고 드레인 전류(Ids(NOx))를 측정하는 검출 단계;를 포함할 수 있으며, 검출 대상 가스의 도입 전 후 변화된(증가된) 드레인 전류값을 기준으로 NOx 가스를 검출할 수 있다. 이때, 검출 대상 가스의 도입 전 후애 따라 변화된 전류값이 아닌, 전류를 기준으로 산출된 저항을 이용하여 변화된 저항값으로 NOx 가스의 검출이 이루어질 수 있음은 물론이다.In detail, the NOx gas detection method includes a reference setting step of measuring the drain current I ds (ref) of the NOx sensor before introduction of the detection target gas containing NOx gas; A detection step of introducing a detection target gas containing NOx gas into the surface-exposed metal oxide thin film region between the source electrode and the drain electrode of the NOx sensor and measuring the drain current I ds (NOx); may include, NOx gas may be detected based on a drain current value changed (increased) before and after introduction of the detection target gas. In this case, it goes without saying that the NOx gas may be detected with a changed resistance value using a resistance calculated based on the current instead of a changed current value before and after the introduction of the detection target gas.

이때, 검출 대상 가스 자체 또는 검출 대상 가스가 발생, 이송 또는 배출되어 장소(NOx 센서를 이용하여 검출이 수행되는 장소)가 상온보다 높은 T1의 온도를 갖는 환경인 경우, NOx 센서 또한 T1의 온도로 가온된 상태일 수 있음은 물론이다.At this time, when the detection target gas itself, or a detection target gas is generated, transported or discharged environment with a temperature of the high T 1 more places (places where detection is performed by using a NOx sensor), the ambient temperature, the NOx sensor also in T 1 Of course, it may be in a state heated to a temperature.

기준 설정단계와 검출 단계에서 NOx 센서는 게이트 전극을 통해 게이트 전압이 인가된 상태일 수 있다. 이때, 게이트 전압은 NOx 센서의 게이트 전압-드레인 전류(Vgs - Ids) 그래프에서 게이트 전압의 증감에 따라 드레인 전류가 선형적으로 증가하는 선형 증가영역에 해당하는 전압일 수 있다. 구체적으로 선형 증가영역은 게이트 전압-드레인 전류(Vgs - Ids) 그래프에서 디락 포인트를 기준으로 양의 전압 측에 위치하는 제1구역과 음의 전압 측에 위치하는 제2구역 각각에서 단위 전압 변화에 따른 드레인 전류값의 변화인 전류의 기울기(α)가 ±10% 이내로 유지되는 영역을 의미할 수 있다. In the reference setting step and the detection step, the NOx sensor may be in a state in which a gate voltage is applied through the gate electrode. In this case, the gate voltage may be a voltage corresponding to a linear increase region in which the drain current linearly increases according to the increase or decrease of the gate voltage in the gate voltage-drain current (V gs - I ds ) graph of the NOx sensor. Specifically, the linear increase region is a unit voltage in each of the first region positioned on the positive voltage side and the second region positioned on the negative voltage side based on the Dirac point in the gate voltage-drain current (V gs - I ds ) graph. It may mean a region in which the slope (α) of the current, which is a change in the drain current value according to the change, is maintained within ±10%.

본 발명은 상술한 NOx 센서의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method for manufacturing the above-described NOx sensor.

본 발명에 따른 NOx 센서의 제조방법은 a) 절연막 상 그래핀 층을 전사하는 단계; b) 원자층 증착을 이용하여 전사된 그래핀 층 상 금속산화물 박막을 형성하는 단계; 및 c) 상기 금속산화물 박막 상 서로 이격된 소스 전극과 드레인 전극을 형성하고, 전사된 그래핀 층이 위치하는 절연막의 대향면 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.The manufacturing method of the NOx sensor according to the present invention comprises: a) transferring the graphene layer on the insulating film; b) forming a metal oxide thin film on the transferred graphene layer using atomic layer deposition; and c) forming a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the metal oxide thin film, and forming a gate electrode on the opposite surface of the insulating film on which the transferred graphene layer is located.

이때, a) 단계의 절연막은 상술한 게이트 절연막일 수 있으며, 절연막은 반도체 층(기판을 포함함)상에 형성된 것일 수 있다. 그래핀 층의 전사는 그래핀 층을 목적하는 위치에 전사하는데 사용되는 것으로 알려진 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다. 일 예로, 촉매 금속 막 상 성장한 그래핀을 덮도록 고분자 층을 형성한 후 촉매 금속 막을 제거하여 그래핀-고분자층의 복합막을 제조한 후, 그래핀을 전사하고자 하는 절연막 상에 위치시킨 후 고분자층을 제거함으로써 수행될 수 있으며, 촉매 금속 막이나 고분자층의 제거는 해당 물질을 선택적으로 녹여 제거하는 에칭액을 이용하여 수행될 수 있으나, 본 발명이 구체 그래핀 층 전사 방법에 의해 한정되는 것은 아니다. In this case, the insulating film in step a) may be the above-described gate insulating film, and the insulating film may be formed on a semiconductor layer (including a substrate). The transfer of the graphene layer may be performed by any method known to be used for transferring the graphene layer to a desired position. For example, after forming a polymer layer to cover the graphene grown on the catalyst metal film, removing the catalyst metal film to prepare a graphene-polymer layer composite film, and then placing the graphene on the insulating film to be transferred, and then placing the polymer layer may be carried out by removing the catalytic metal film or the polymer layer may be carried out using an etchant that selectively melts and removes the material, but the present invention is not limited by the spherical graphene layer transfer method.

이중 채널을 형성하기 위해, 전사된 그래핀 층 상 금속산화물 박막을 형성하는 b) 단계가 수행될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 금속산화물 박막의 두께에 의해 NOx 센서의 디락 포인트가 변화되고, NOx 가스가 금속산화물 박막에 흡착되며 금속산화물 박막 내의 전하 변화가 발생하고, 금속산화물 박막과 그래핀 층간의 전기적 상호작용에 의해, 그래핀층을 통해 흐르는 전류(Ids)가 변화되어 NOx 가스의 검출이 이루어짐에 따라, 얇으면서도 균일한 금속산화물 박막이 형성될 수 있어야 한다.In order to form a double channel, step b) of forming a metal oxide thin film on the transferred graphene layer may be performed. At this time, as described above, the Dirac point of the NOx sensor is changed by the thickness of the metal oxide thin film, NOx gas is adsorbed to the metal oxide thin film, and a charge change in the metal oxide thin film occurs, and between the metal oxide thin film and the graphene layer Due to the electrical interaction, the current (I ds ) flowing through the graphene layer is changed to detect NOx gas, so that a thin and uniform metal oxide thin film should be formed.

이에, b) 단계는 원자층 증착에 의해 수행될 수 있으며, 이를 통해 매우 정밀하게 설계된 두께를 가지면서도 RMS 표면거칠기가 극히 낮은 균일한 두께의 금속산화물 박막이 제조될 수 있다. 이와 함께, 원자층 증착을 이용하여 금속산화물 박막을 형성하는 경우 그래핀 고유의 탄소 구조 및 주름등과 같은 결함 영역에 의해 금속산화물 나노그레인이 형성이 형성될 수 있다. Accordingly, step b) may be performed by atomic layer deposition, and through this, a metal oxide thin film having a very precisely designed thickness and having an extremely low RMS surface roughness can be manufactured. In addition, when a metal oxide thin film is formed by using atomic layer deposition, metal oxide nanograins may be formed due to defect regions such as graphene's inherent carbon structure and wrinkles.

원자층 증착(ALD)을 이용한 금속산화물 박막의 제조는, 전사된 그래핀 층에 금속 전구체인 제1전구체 가스와 산소를 함유하는 제2전구체 가스를 순차적으로 교번 접촉시켜 수행될 수 있다. The fabrication of the metal oxide thin film using atomic layer deposition (ALD) may be performed by sequentially alternately contacting the transferred graphene layer with a first precursor gas that is a metal precursor and a second precursor gas containing oxygen.

이때, 산소를 함유하는 제2전구체 가스는 H2O, H2O2, O2, O3 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1전구체 가스는 통상의 화학기상증착(CVD)나 ALD 공정에서 금속의 공급원, 구체예로, 티타늄(Ti), 아연(Zn), 인듐(In), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y) 또는 갈륨(Ga)의 공급원으로 사용되는 유기 금속화합물이면 사용 가능하다. 아연을 일 예로, 제1전구체 가스는 디에틸아연(diethylzinc)등일 수 있으나, 본 발명이 금속 원소의 공급원으로 사용되는 전구체 가스의 구체 종류에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. In this case, the second precursor gas containing oxygen may include, but is not limited to, H 2 O, H 2 O 2 , O 2 , O 3 or a mixture thereof. The first precursor gas is a metal source in a conventional chemical vapor deposition (CVD) or ALD process, specifically, titanium (Ti), zinc (Zn), indium (In), tungsten (W), niobium (Nb), Any organic metal compound used as a source of molybdenum (Mo), magnesium (Mg), tin (Sn), strontium (Sr), yttrium (Y) or gallium (Ga) can be used. Using zinc as an example, the first precursor gas may be diethylzinc, etc., but the present invention is not limited by the specific type of the precursor gas used as the source of the metal element.

b) 단계의 원자층 증착시의 온도(그래핀의 온도)는 전구체 가스(제1전구체 가스 및 제2전구체 가스)에 의해 금속산화물이 원활히 형성되는 온도이면 무방하다. 일 예로, b) 단계에서 원자층 증착이 수행되는 온도는 100 내지 200℃일 수 있으나, 사용하는 구체 전구체 가스의 물질에 따라 적절히 달라질 수 있음은 물론이다.The temperature (the temperature of graphene) during the atomic layer deposition in step b) may be any temperature at which the metal oxide is smoothly formed by the precursor gas (the first precursor gas and the second precursor gas). As an example, the temperature at which the atomic layer deposition is performed in step b) may be 100 to 200° C., but may be appropriately changed depending on the material of the spherical precursor gas used.

보다 구체적으로, b) 단계는 i) 제1전구체 가스의 공급, ii) 불활성 가스에 의한 퍼징, iii) 제2전구체 가스의 공급 및 iv) 불활성 가스에 의한 퍼징의 i)스텝 내지 iv)스탭을 일 사이클로 하여, 사이클을 반복 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 사이클의 반복 횟수에 의해 금속산화물 박막의 두께가 제어됨은 물론이다. More specifically, step b) comprises i) steps i) through iv) steps of i) supply of a first precursor gas, ii) purging with an inert gas, iii) supply of a second precursor gas, and iv) purging with an inert gas. As one cycle, it may include repeating the cycle. In this case, it goes without saying that the thickness of the metal oxide thin film is controlled by the number of repetitions of the cycle.

전구체 가스(제1전구체 가스 또는 제2전구체 가스)의 공급에 의해 단일 원자층으로 물질이 증착될 수 있으며 불활성 가스에 의한 퍼징시 미 반응 전구체 가스(및 부산물)가 제거될 수 있다. A material may be deposited as a single atomic layer by supply of a precursor gas (a first precursor gas or a second precursor gas), and unreacted precursor gas (and by-products) may be removed during purging with an inert gas.

i) 스텝시, 제1전구체 가스의 공급량, 제1전구체 가스와 그래핀의 접촉 시간, 퍼징 스텝(ii, iv)시 퍼징 시간 및 iii)스텝시, 제2전구체 가스의 공급량, 제2전구체 가스와 그래핀의 접촉 시간은 원자층 증착 방법에서 통상적으로 사용되는 조건이면 무방하다. In step i), the supply amount of the first precursor gas, the contact time of the first precursor gas and graphene, the purging time in the purging steps (ii, iv) and iii), the supply amount of the second precursor gas, the second precursor gas The contact time between the graphene and the graphene may be any condition commonly used in the atomic layer deposition method.

c) 단계의 전극(게이트, 드레인, 소스 전극)은 설계된 패턴(전극 형상에 대응하는 패턴)을 갖는 마스크를 이용하여 금속을 증착함으로써 수행될 수 있다. 이때, 금속의 증착은 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 수행될 수 있으며, 구체적으로 열 증착(thermal evaporation)에 의해 수행될 수 있으나, 본 발명이 구체 증착 방법에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.The electrodes (gate, drain, and source electrodes) of step c) may be performed by depositing a metal using a mask having a designed pattern (pattern corresponding to the shape of the electrode). In this case, the deposition of the metal may be performed using physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and specifically, thermal evaporation may be performed, but the present invention provides a specific deposition method Of course, it cannot be limited by .

(실시예 1) 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 포함하는 NOx 가스 검출 센서(Example 1) NOx gas detection sensor including gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

단계 1: 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 가지는 채널층 제작Step 1: Fabrication of a channel layer having a gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

먼저, 25 ㎛ 두께의 Cu 호일을 열 화학기상증착(Thermal chemical vapor deposition, TCVD) 반응기 내부에 위치시킨 후, 100 sccm의 H2를 주입하여 1050℃로 가열시키고, 반응기 내의 온도가 안정화 되면 2 sccm의 CH4를 주입하며 25분간 반응시켜 Cu 호일 상에 그래핀을 합성하였다. 이후, Cu 호일에 합성된 그래핀 상부에 위에 PMMA(poly(methyl methacrylate))를 스핀코팅 한 후 Cu 호일을 에칭(etching)하여 제거하고, 탈이온수를 이용하여 남아있는 에칭 용액을 세척하였다. PMMA가 코팅된 그래핀을 SiO2/highly-doped Si 기판(SiO2 두께 = 300 nm, 저항 < 0.005 Ωcm) 상에 각각 전사한 뒤, 아세톤을 이용하여 PMMA를 제거하였다. 이때, 사용된 SiO2/highly-doped Si 기판은 게이트 절연체 및 게이트 전극으로 사용된 것으로, 기판의 두께는 300 nm이다.First, a 25 μm thick Cu foil is placed inside a thermal chemical vapor deposition (TCVD) reactor, and then 100 sccm of H 2 is injected and heated to 1050° C., and when the temperature in the reactor is stabilized, 2 sccm of CH 4 was injected and reacted for 25 minutes to synthesize graphene on Cu foil. Thereafter, poly(methyl methacrylate) (PMMA) was spin-coated on the graphene synthesized on the Cu foil, and then the Cu foil was removed by etching, and the remaining etching solution was washed with deionized water. PMMA-coated graphene was transferred onto a SiO 2 /highly-doped Si substrate (SiO 2 thickness = 300 nm, resistance < 0.005 Ωcm), respectively, and then PMMA was removed using acetone. In this case, the SiO 2 /highly-doped Si substrate used was used as a gate insulator and a gate electrode, and the thickness of the substrate was 300 nm.

그래핀이 전사된 SiO2/Si 기판을 원자층증착(Atomic layer deposition, ALD) 챔버 내부에 위치시킨 후, 교축 밸브(throttle valve)를 이용하여 챔버 내의 동작 압력(working pressure)을 3.0 Torr로 고정하고, 150℃에서 디에틸아연(Diethyl zinc, DEZ)와 H2O를 각각 아연(Zn)과 산소(O) 소스로 사용하여 그래핀이 전사된 SiO2/Si 기판상에 ZnO를 증착하였다. 원자층증착을 28회 반복 수행하여 ZnO의 두께가 5nm인 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 제작하였다. 이때, 원자층증착의 1회 공정은 교축 밸브를 열고 0.4초 동안 기화된 DEZ 주입하는 단계; 300 sccm의 Ar 가스를 이용하여 10초 동안 퍼징하는 단계; 교축 밸브를 열고 1초동안 기화된 H2O 주입하는 단계; 및 300 sccm의 Ar 가스를 이용하여 10초 동안 퍼징하는 단계;를 순차적으로 진행하며 수행하였다.After placing the graphene-transferred SiO 2 /Si substrate in an atomic layer deposition (ALD) chamber, a working pressure in the chamber was fixed to 3.0 Torr using a throttle valve. and ZnO was deposited on the graphene-transferred SiO 2 /Si substrate using diethyl zinc (DEZ) and H 2 O as zinc (Zn) and oxygen (O) sources, respectively, at 150°C. Atomic layer deposition was repeated 28 times to fabricate a gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer having a ZnO thickness of 5 nm. At this time, the one-time process of atomic layer deposition includes the steps of opening the throttle valve and injecting vaporized DEZ for 0.4 seconds; purging for 10 seconds using Ar gas of 300 sccm; opening the throttle valve and injecting vaporized H 2 O for 1 second; and purging for 10 seconds using Ar gas of 300 sccm; was performed sequentially.

단계 2: 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 가지는 NOx 가스 검출 센서 제작Step 2: Fabrication of NOx gas detection sensor having gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

상기 단계에서 제작된 채널층의 ZnO층 상에 금속 섀도마스크(Metal shadow mask)를 이용하여 마스킹 한 후 열증발기(thermal evaporator)를 통해 Al 전극을 증착하여, 서로 맞물린(interdigitated) 구조로 소스 전극과 드레인 전극을 형성하였다. 이때, 증착된 Al 전극의 맞물린 영역의 수는 6개, 두께는 80 nm, 전극들의 간격은 300 μm, 높이(height)은 400 um, 너비(Width)는 3100 um 및 전체 센싱 면적은 7.44 mm2이다. After masking using a metal shadow mask on the ZnO layer of the channel layer prepared in the above step, an Al electrode is deposited through a thermal evaporator, and the source electrode and the source electrode are interdigitated. A drain electrode was formed. At this time, the number of interlocking regions of the deposited Al electrode is 6, the thickness is 80 nm, the spacing between the electrodes is 300 μm, the height is 400 um, the width is 3100 um, and the total sensing area is 7.44 mm 2 to be.

(실시예 2) 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 포함하는 NOx 가스 검출 센서(Example 2) NOx gas detection sensor including gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

실시예 1의 단계 1에서 원자층증착 공정을 84회 반복 수행하여 15 nm 두께를 가지는 ZnO층을 제작하는 것만 배제하면, 실시의 1의 제조방법과 동일하다.The atomic layer deposition process is repeated 84 times in step 1 of Example 1, except that a ZnO layer having a thickness of 15 nm is manufactured, which is the same as the manufacturing method of Example 1.

(실시예 3) 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 포함하는 NOx 가스 검출 센서(Example 3) NOx gas detection sensor including gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

실시예 1의 단계 1에서 원자층증착 공정을 164회 반복 수행하여 30 nm 두께를 가지는 ZnO층을 제작하는 것만 배제하면, 실시의 1의 제조방법과 동일하다.The atomic layer deposition process was repeated 164 times in step 1 of Example 1, except that a ZnO layer having a thickness of 30 nm was manufactured, and the manufacturing method was the same as in Example 1.

(실시예 4) 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 포함하는 NOx 가스 검출 센서(Example 4) NOx gas detection sensor including gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

실시예 1의 단계 1에서 원자층증착 공정을 278 반복 수행하여 50 nm 두께를 가지는 ZnO층을 증착하여 제작하는 것만 배제하면, 실시의 1의 제조방법과 동일하다.The manufacturing method of Example 1 is the same as that of Example 1, except that the atomic layer deposition process is repeated 278 in step 1 of Example 1 to deposit and manufacture a ZnO layer having a thickness of 50 nm.

(실시예 5) 게이트 절연층/그래핀층/ZnO층을 포함하는 NOx 가스 검출 센서(Example 5) NOx gas detection sensor including gate insulating layer/graphene layer/ZnO layer

실시예 1의 단계 1에서 원자층증착 공정을 550회 반복 수행하여 100 nm 두께를 가지는 ZnO층을 제작하는 것만 배제하면, 실시의 1의 제조방법과 동일하다.The atomic layer deposition process is repeated 550 times in step 1 of Example 1, except that a ZnO layer having a thickness of 100 nm is manufactured, which is the same as the manufacturing method of Example 1.

(비교예 1) 게이트 절연층/그래핀층을 포함하는 NOx 가스 검출 센서(Comparative Example 1) NOx gas detection sensor including gate insulating layer/graphene layer

실시예 1의 단계 1에서 그래핀 상에 ZnO을 증착하는 과정을 수행하지 않고, 그래핀에 직접 서로 맞물린 구조의 소스 전극과 드레인 전극을 형성한 것을 제외하고 실시의 1과 동일한 방법으로 센서를 제조하였다.A sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that in step 1 of Example 1, the process of depositing ZnO on graphene was not performed, and a source electrode and a drain electrode having a structure directly interlocked with each other were formed on graphene. did.

(실험예 1) 산화아연-그래핀 복합 박막의 전기적 특성 분석(Experimental Example 1) Electrical Characteristics Analysis of Zinc Oxide-Graphene Composite Thin Film

산화아연-그래핀 복합 박막의 I-V 특성은 산화아연-그래핀 복합 박막을 진공 프로브 스테이션(vacuum probe station)에 위치시킨 후, 상온 및 가스센서 측정온도인 250 ℃에서 반도체특성분석장비((Keithley, 4200scs 모델)를 이용하여 -1 V 부터 1 V 영역의 전류값을 측정하였다. 산화아연-그래핀 복합 박막의 저항은 측정한 I-V 선형 그래프에서 1 V 값에서 측정된 전류값으로 계산하여 분석하였다.The IV characteristics of the zinc oxide-graphene composite thin film were measured using semiconductor characterization equipment (Keithley, 4200 scs model) was used to measure the current value in the region of -1 V to 1 V. The resistance of the zinc oxide-graphene composite thin film was analyzed by calculating the current value measured at 1 V in the measured IV linear graph.

(실험예 2) NOx 가스 검출 센서의 특성 평가(Experimental Example 2) Characteristic evaluation of NOx gas detection sensor

NOx 가스 검출 센서의 전기전도 특성은 실험예 1에서 사용한 진공 프로브 스테이션을 이용하여, 100 sccm의 불활성 가스(N2)가스를 흘려주어 일정한 압력을 유지하고, 0.1 V의 전압을 일정하게 인가하여 시간에 대한 측정되는 전류값을 이용하여 측정하고, 0.1 V에서 측정된 전류값의 변화를 저항으로 변환하여 NOx 가스 검출 센서의 전기전도 특성을 분석하였다. 또한, NOx 가스 검출 센서의 가스반응도(response)는 250℃에서 반응가스(20 ppm의 NO2 가스)를 100 sccm의 유량으로 10분간 주입하며 NOx 가스 검출 센서의 저항변화를 측정하고, 측정된 저항의 변화율을 이용하여 다음의 식으로 산출하였다. The electrical conductivity characteristics of the NOx gas detection sensor were measured by flowing an inert gas (N 2 ) gas of 100 sccm using the vacuum probe station used in Experimental Example 1 to maintain a constant pressure, and applying a constant voltage of 0.1 V to time was measured using the measured current value, and the electrical conductivity characteristics of the NOx gas detection sensor were analyzed by converting the change in the current value measured at 0.1 V into resistance. In addition, the gas response of the NOx gas detection sensor was measured by injecting a reactive gas (20 ppm NO 2 gas) at a flow rate of 100 sccm at 250° C. for 10 minutes and measuring the resistance change of the NOx gas detection sensor, and the measured resistance It was calculated by the following equation using the rate of change of .

가스 반응도=ΔR/R0 x 100 (여기에서, ΔR(저항변화율)=R-R0, R0=초기저항)Gas reactivity = ΔR/R 0 x 100 (here, ΔR (rate of change of resistance) = R-R0, R 0 = initial resistance)

NOx 가스 검출 센서의 특성을 평가하기에 앞서 가스 측정 환경에서 산화아연-그래핀 복합 박막의 전기적 특성을 확인하였으며, 그 결과를 도 1에 도시하였다.Before evaluating the characteristics of the NOx gas detection sensor, the electrical characteristics of the zinc oxide-graphene composite thin film were checked in a gas measurement environment, and the results are shown in FIG. 1 .

도 1의 (a)와 (b)는 각각 실온과 250℃의 온도에서 분석된 산화아연 박막의 두께 변화에 따른 산화아연-그래핀 복합 박막의 I-V 측정 결과이다. 도시된 바와 같이, 산화아연의 두께가 증가하거나 온도가 증가할수록 산화아연-그래핀 복합 박막의 전류 값은 낮아짐을 알 수 있는데, 이를 통해 산화아연의 두께가 증가하거나 온도가 증가할수록 산화아연-그래핀 복합 박막의 저항은 증가함을 유추할 수 있다. 1 (a) and (b) are the I-V measurement results of the zinc oxide-graphene composite thin film according to the change in the thickness of the zinc oxide thin film analyzed at room temperature and 250° C., respectively. As shown, it can be seen that the current value of the zinc oxide-graphene composite thin film decreases as the thickness of the zinc oxide increases or the temperature increases. It can be inferred that the resistance of the fin composite thin film increases.

도 1의 (c)는 작동온도 및 산화아연 박막의 두께 변화에 따른 옴 저항(ohmic resistance) 값을 측정한 결과이다. 도시된 바와 같이, 온도 또는 산화아연 박막의 두께가 증가할수록 산화아연-그래핀 복합 박막의 저항은 증가되는 것을 알 수 있다. 일반적으로 온도가 증감할수록 반도체식 산화아연 박막의 저항은 감소되며, 그래핀 박막은 그래핀 내의 포논이 활성화 되어 산란됨에 따라 저항이 증가되는데, 결과에서 보이듯이, 산화아연-그래핀 복합 박막은 그래핀의 저항특성을 따르는 것을 알 수 있다.Figure 1 (c) is a result of measuring the ohmic resistance (ohmic resistance) value according to the change in the operating temperature and the thickness of the zinc oxide thin film. As shown, as the temperature or the thickness of the zinc oxide thin film increases, the resistance of the zinc oxide-graphene composite thin film increases. In general, as the temperature increases, the resistance of the semiconductor-type zinc oxide thin film decreases, and in the graphene thin film, the resistance increases as phonons in the graphene are activated and scattered. It can be seen that the resistance characteristic of the pin follows.

따라서 도 1의 결과들을 통해, 산화아연-그래핀 복합 박막의 전자 및 전하의 주 전도 경로(main conduction path)는 산화아연이 아닌 그래핀임을 확인 할 수 있다.Therefore, through the results of FIG. 1, it can be confirmed that the main conduction path of electrons and charges of the zinc oxide-graphene composite thin film is graphene, not zinc oxide.

산화아연-그래핀 복합 구조에서 산화아연 박막의 두께 변화에 따른 전기전도 특성 변화를 분석하여 그래핀과 산화아연 간의 전기적 상호작용을 조사하였으며, 그 결과를 도 2에 도시하였다.The electrical interaction between graphene and zinc oxide was investigated by analyzing the change in electrical conductivity according to the change in the thickness of the zinc oxide thin film in the zinc oxide-graphene composite structure, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2의 (a)-(d)는 각각 산화아연 박막의 두께가 각각 5nm(실시예 1), 30nm(실시예 3), 50nm(실시예 4) 및 100 nm(실시예 5)인 NOx 가스 검출 센서의 전달 특성(VDS = 0.1V)을 분석한 결과이다. 도시된 바와 같이, 디락 포인트(Dirac point)는 낮은 전류에서 관찰되며, 디락 전압(Dirac voltage)은 각각 실시예 1(ZnO 5nm)의 경우 >150 V, 실시예 3(ZnO 30nm)의 경우 73 V, 실시예 4(ZnO 50nm)의 경우 -26 V 및 실시예 5(ZnO 100nm)의 경우 73 V이고, 산화아연 박막의 두께와 상관없이 양극성(ambipolar)의 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 한편, 실시예 1(ZnO 5nm)의 디락 전압의 경우 측정 범위를 벗어나 높은 양(+)의 게이트 전압 쪽에 위치하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 그래핀이 p-type으로 도핑된 것을 의미한다. 또한 ZnO의 두께가 증가할수록 디락 전압은 음(-)의 게이트 전압으로 이동하는 것을 알 수 있는데, 이는 그래핀의 n-type으로 도핑되는 것을 의미한다. 특히, 실시예 5(ZnO 100nm)의 경우 양극성 특성에서 홀 전도(hole conduction)가 감소한 n-type 반도체의 특성인 단극성(unipolar) 특성으로 변화되는 것을 확인할 수 있다.2(a)-(d) are NOx gases each having a thickness of a zinc oxide thin film of 5 nm (Example 1), 30 nm (Example 3), 50 nm (Example 4) and 100 nm (Example 5), respectively. This is the result of analyzing the transmission characteristics (V DS = 0.1V) of the detection sensor. As shown, the Dirac point is observed at low current, and the Dirac voltage is >150 V for Example 1 (ZnO 5 nm) and 73 V for Example 3 (ZnO 30 nm), respectively. , -26 V for Example 4 (ZnO 50 nm) and 73 V for Example 5 (ZnO 100 nm), showing ambipolar characteristics regardless of the thickness of the zinc oxide thin film. On the other hand, in the case of the Dirac voltage of Example 1 (ZnO 5 nm), it can be seen that it is located on the high positive (+) gate voltage side outside the measurement range, which means that the graphene is doped with p-type. In addition, it can be seen that as the thickness of ZnO increases, the Dirac voltage shifts to a negative (-) gate voltage, which means doping with n-type graphene. In particular, in the case of Example 5 (ZnO 100 nm), it can be confirmed that the unipolar characteristic is changed from the bipolar characteristic to the unipolar characteristic, which is a characteristic of the n-type semiconductor with reduced hole conduction.

도 2의 (e)는 산화아연 박막의 두께에 따른 페르미 준위 변화를 도시한 것으로, 산화아연 박막의 두께가 증가할수록 산화아연의 페르미 준위가 감소하는 것을 알 수 있다. 도 2의 (f)는 VG = 0 V에서의 산화아연 박막의 두께에 따른 그래핀의 캐리어 농도(n)를 분석한 결과로서, 전반적으로 산화아연 박막의 두께가 증가할수록 그래핀의 홀 농도는 감소하고 전자 농도는 증가하는 것을 알 수 있다. 결과를 통해, 산화아연 박막의 두께가 증가함에 따라 박막 내부에 존재하는 산소 공공 (oxygen vacancy)의 밀도가 증가하고, 이로부터 산화아연의 페르미 준위가 증가하여 전자가 산화아연으로부터 그래핀으로 이동함에 따라 그래핀의 n-type 도핑 현상이 나타나는 것을 알 수 있다. FIG. 2E shows the change of the Fermi level according to the thickness of the zinc oxide thin film, and it can be seen that the Fermi level of the zinc oxide decreases as the thickness of the zinc oxide thin film increases. 2(f) is a result of analyzing the carrier concentration (n) of graphene according to the thickness of the zinc oxide thin film at V G = 0 V. Overall, as the thickness of the zinc oxide thin film increases, the hole concentration of graphene decreases and the electron concentration increases. As a result, as the thickness of the zinc oxide thin film increases, the density of oxygen vacancies inside the thin film increases, and the Fermi level of zinc oxide increases from this, resulting in electrons moving from zinc oxide to graphene. Accordingly, it can be seen that the n-type doping phenomenon of graphene appears.

NOx 가스 검출 센서의 가스 센싱 특성을 확인하기 위하여, NO2 가스가 흡착되었을 때, 산화아연-그래핀 간 전기적 상호작용의 변화를 조사하였으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다.In order to confirm the gas sensing characteristics of the NOx gas detection sensor, when NO 2 gas is adsorbed, a change in the electrical interaction between zinc oxide and graphene was investigated, and the results are shown in FIG. 3 .

도 3의 (a)는 실시예 3 (ZnO의 두께: 30 nm)의 250℃의 작동온도에서 NO2 가스 주입 전·후 산화아연-그래핀 복합 박막 기반의 NOx 가스 검출 센서의 전달 특성(VDS = 10 mV)을 분석한 결과이며, 도 3의 (b)는 NO2 가스 주입 후의 전하 보상에 의한 페르미 준위의 변화를 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, NO2 가스 주입 전·후의 디락 전압은 각각 47 V 및 53 V로, NO2 가스 주입 후에 NOx 가스 센서의 전압이 증가하는 것을 알 수 있는데, 이는 가스 센서에 NO2 가스가 흡착될 경우, 그래핀이 p-type으로 도핑 된다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 도 3의 (b)를 통해 더 자세하게 설명할 수 있다. 도시된 바와 같이, 일반적으로 NO2 가스가 산화아연 표면에 흡착되면 산화아연으로 부터 전자가 NO2 가스 분자로 이동하여 산화아연의 페르미 준위가 내려가게 되면서 그래핀의 전자가 산화아연으로 이동함에 따라 그래핀의 추가적인 p-type 도핑이 일어나는 것을 알 수 있다.3 (a) shows the transfer characteristics (V) of a zinc oxide-graphene composite thin film-based NOx gas detection sensor before and after NO 2 gas injection at an operating temperature of 250° C. of Example 3 (ZnO thickness: 30 nm) DS = 10 mV), and FIG. 3 (b) is a diagram showing the change in the Fermi level due to charge compensation after NO 2 gas injection. As shown, the Dirac voltages before and after NO 2 gas injection are 47 V and 53 V, respectively, and it can be seen that the voltage of the NOx gas sensor increases after the NO 2 gas injection, which means that the NO 2 gas is adsorbed to the gas sensor. It means that graphene is doped with p-type. These results can be described in more detail through FIG. 3(b). As shown, in general, when NO 2 gas is adsorbed on the surface of zinc oxide, electrons from zinc oxide move to NO 2 gas molecules, the Fermi level of zinc oxide goes down, and electrons of graphene move to zinc oxide. It can be seen that additional p-type doping of graphene occurs.

도 4는 NO2 가스 주입 후 실시예 2(ZnO의 두께: 15nm), 실시예 3(ZnO의 두께: 30nm), 실시예 4(ZnO의 두께: 50nm), 실시예 5(ZnO의 두께: 100nm) 및 비교예 1의 저항 변화를 분석한 결과이다. 도시된 바와 같이, 산화아연-그래핀 복합 박막 기반의 NOx 가스 센서는 모든 실시예에서 우수한 가스 감지 특성을 보임을 알 수 있으며, 산화아연 박막의 두께에 따라 저항 특성이 변화되는 것을 관찰할 수 있다. 구체적으로, 산화아연 박막의 두께가 100nm 미만인 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4는 우수한 NO2 가스 감지 특성을 보이며, NO2 가스가 흡착되면 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 산화아연 박막의 두께가 100 nm인 실시예 5는 우수한 NO2 가스 감지 특성을 보이며, NO2 가스가 흡착되면 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는, 앞서 언급한 바와 같이, 산화아연 박막의 두께가 100nm 미만인 가스 센서의 경우에는 전하의 주 전도 경로가 그래핀 층이기 때문이며, 산화아연 박막의 두께가 100 nm인 가스 센서의 경우에는 그래핀이 n-type 반도체의 거동을 보임에 따라 그래핀에서 산화아연으로 전자가 이동함으로써 그래핀과 동시에 산화아연에도 전류가 흐르게 되어 일반적인 가스센서의 거동을 보이기 때문이다. 한편, 산화아연-그래핀 복합 박막 기반의 NOx 가스 센서인 실시예들은 그래핀 기반의 NOx 가스 센서인 비교예 1과 비교하여 산화아연 두께와 관계없이 우수한 복구 특성(흡탈착 특성)을 보이는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 산화아연층-그래핀층의 이중 채널을 이용함으로써 산화아연층은 주 가스 감지 채널로, 그래핀층은 주 전하 전달 채널로 각각 구분하여 이용함으로써 우수한 복구 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 4 is an example of Example 2 (ZnO thickness: 15 nm), Example 3 (ZnO thickness: 30 nm), Example 4 (ZnO thickness: 50 nm), Example 5 (ZnO thickness: 100 nm) after NO 2 gas injection ) and the result of analyzing the resistance change of Comparative Example 1. As shown, it can be seen that the NOx gas sensor based on the zinc oxide-graphene composite thin film exhibits excellent gas sensing properties in all examples, and it can be observed that the resistance characteristics change according to the thickness of the zinc oxide thin film. . Specifically, Examples 2, 3 and 4, in which the zinc oxide thin film had a thickness of less than 100 nm, showed excellent NO 2 gas sensing characteristics, and it was confirmed that the resistance decreased when the NO 2 gas was adsorbed, and the zinc oxide thin film Example 5 having a thickness of 100 nm shows excellent NO 2 gas sensing properties, and it can be seen that the resistance increases when NO 2 gas is adsorbed. This result is because, as mentioned above, in the case of a gas sensor with a zinc oxide thin film thickness of less than 100 nm, the main conduction path of electric charge is the graphene layer, and in the case of a gas sensor with a zinc oxide thin film thickness of 100 nm, yes This is because, as the pin exhibits the behavior of an n-type semiconductor, electrons move from graphene to zinc oxide, so that current flows through graphene and zinc oxide at the same time, showing the behavior of a general gas sensor. On the other hand, it can be seen that the examples of the zinc oxide-graphene composite thin film-based NOx gas sensor show excellent recovery characteristics (adsorption and desorption characteristics) regardless of the zinc oxide thickness compared to Comparative Example 1, which is a graphene-based NOx gas sensor. can Specifically, it can be seen that by using the dual channel of the zinc oxide layer and the graphene layer, the zinc oxide layer is used as the main gas sensing channel and the graphene layer is used separately as the main charge transfer channel, thereby showing excellent recovery characteristics.

도 5는 실시예 2(ZnO의 두께: 15nm), 실시예 3(ZnO의 두께: 30nm), 실시예 4(ZnO의 두께: 50nm), 실시예 5(ZnO의 두께: 100nm) 및 비교예 1의 NO2 가스에 대한 반응도를 분석한 결과이다. 도시된 바와 같이, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 실시예 5의 가스 반응도는 각각 12.4%, 18.8%, 19.7% 및 17.5%으로, 비교예 1의 가스민감도인 0.7% 보다 약 30배 향상된 결과임을 알 수 있다. 따라서 산화아연-그래핀 복합 박막 기반의 NOx 가스 센서는 그래핀 기반의 NOx 가스 센서 보다 현저하게 향상된 가스 민감도를 가지는 것을 알 수 있다. 특히, 앞서 살핀 바와 같이, 실시예 1 내지 4는 실질적으로 모든 전류가 그래핀층을 통해 흐르기 때문에 산화아연 박막 내의 미소한 전하 변화로도 그래핀 층에서 매우 큰 전류의 변화가 발생함에 따라 ppb 수준의 NOx 가스를 검출 할 수 있을 것으로 사료된다.5 shows Example 2 (thickness of ZnO: 15 nm), Example 3 (thickness of ZnO: 30 nm), Example 4 (thickness of ZnO: 50 nm), Example 5 (thickness of ZnO: 100 nm) and Comparative Example 1 It is the result of analyzing the reactivity to NO 2 gas. As shown, the gas reactivity of Examples 2, 3, 4 and 5 were 12.4%, 18.8%, 19.7%, and 17.5%, respectively, about 30 than the gas sensitivity of Comparative Example 1 of 0.7%. It can be seen that the results are doubled. Therefore, it can be seen that the zinc oxide-graphene composite thin film-based NOx gas sensor has significantly improved gas sensitivity than the graphene-based NOx gas sensor. In particular, as described above, in Examples 1 to 4, since substantially all current flows through the graphene layer, even a small charge change in the zinc oxide thin film causes a very large current change in the graphene layer, resulting in a ppb level of It is considered that NOx gas can be detected.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific details and limited examples and drawings, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (7)

그래핀 층 및 상기 그래핀 층의 일 면에 접하여 위치하는 금속산화물 박막을 포함하는 이중 채널;
상기 이중 채널의 상기 금속산화물 박막 상 서로 이격 위치하는 소스 전극과 드레인 전극;
상기 이중 채널의 상기 그래핀 층의 다른 일 면에 접하여 위치하는 게이트 산화막; 및
상기 소스 전극과 드레인 전극간 이격된 영역에 대응하는 게이트 산화막 영역 상 위치하는 게이트 전극;
을 포함하는 질소산화물(NOx) 가스 검출 센서.
a double channel including a graphene layer and a metal oxide thin film positioned in contact with one surface of the graphene layer;
a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the metal oxide thin film of the double channel;
a gate oxide film positioned in contact with the other surface of the double-channel graphene layer; and
a gate electrode positioned on a gate oxide film region corresponding to a region spaced apart between the source electrode and the drain electrode;
A nitrogen oxide (NOx) gas detection sensor comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 검출 센서의 게이트 전압-드레인 전류(Vgs - Ids)는 디락 포인트(Dirac point)를 갖는 질소산화물 가스 검출 센서.
The method of claim 1,
The gate voltage of the detection sensor-drain current (V gs - I ds ) is a nitrogen oxide gas detection sensor having a Dirac point.
제 1항에 있어서,
상기 그래핀 층은 단일층 그래핀인 질소산화물 가스 검출 센서.
The method of claim 1,
The graphene layer is a single-layer graphene nitrogen oxide gas detection sensor.
제 1항에 있어서,
상기 금속산화물 박막의 금속산화물은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 인듐(In), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 몰리브데넘(Mo), 마그네슘(Mg), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 이트륨(Y) 및 갈륨(Ga)에서 하나 이상 선택된 원소의 산화물이나 이들의 복합산화물인 질소산화물 가스 검출 센서.
The method of claim 1,
The metal oxide of the metal oxide thin film is titanium (Ti), zinc (Zn), indium (In), tungsten (W), niobium (Nb), molybdenum (Mo), magnesium (Mg), tin (Sn), A nitrogen oxide gas detection sensor that is an oxide of one or more elements selected from strontium (Sr), yttrium (Y), and gallium (Ga) or a complex oxide thereof.
제 1항에 있어서,
상기 소스 전극과 드레인 전극은 서로 맞물린(interdigitated) 구조인 질소산화물 가스 검출 센서.
The method of claim 1,
The source electrode and the drain electrode are interdigitated (interdigitated) structure of the nitrogen oxide gas detection sensor.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 질소산화물 가스 검출 센서를 이용한 질소산화물 가스 검출 방법.A nitrogen oxide gas detection method using the nitrogen oxide gas detection sensor according to any one of claims 1 to 5. a) 절연막 상 그래핀 층을 전사하는 단계;
b) 원자층 증착을 이용하여 전사된 그래핀 층 상 금속산화물 박막을 형성하는 단계; 및
c) 상기 금속산화물 박막 상 서로 이격된 소스 전극과 드레인 전극을 형성하고, 전사된 그래핀 층이 위치하는 절연막의 대향면 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 질소산화물 가스 검출 센서의 제조방법.
a) transferring the graphene layer on the insulating film;
b) forming a metal oxide thin film on the transferred graphene layer using atomic layer deposition; and
c) forming a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the metal oxide thin film, and forming a gate electrode on the opposite surface of the insulating film on which the transferred graphene layer is located;
A method of manufacturing a nitrogen oxide gas detection sensor comprising a.
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