KR102300800B1 - 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 센서 및 그 제조방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 센서부 하단에 나노갭이 형성되도록 하고 센서부가 수소와 반응하면 센서부와 전극이 접촉하게 되어 센서부가 기판에 저항을 받지 않고 자유롭게 팽창 및 수축이 가능하여 수소 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있고, 정밀한 나노갭을 저가로 균일하고 재현성 있게 형성할 수 있도록 하는 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서 및 그 제조방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 수소 센서 및 그 제조방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 센서부 하단에 나노갭이 형성되도록 하고 센서부가 수소와 반응하면 센서부와 전극이 접촉하게 되어 센서부가 기판에 저항을 받지 않고 자유롭게 팽창 및 수축이 가능하여 수소 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있고, 정밀한 나노갭을 저가로 균일하고 재현성 있게 형성할 수 있도록 하는 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서 및 그 제조방법에 대한 것이다.
수소는 정유, 화학, 철강 등의 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있으며, 수소 연료 전지가 상용화됨에 따라 일상 생활에서도 사용량이 증가하고 있다.
그러나, 수소는 가연성 기체로 공기 중 농도가 4% 이상일 경우, 열, 불꽃, 햇빛 등의 외부 자극에 의해 폭발하므로 주의를 요한다. 하지만, 수소는 특유의 무색, 무취, 무미의 성질을 가져 그 유출을 쉽게 알 수 없어, 하기의 특허문헌 등에 기재된 바와 같은 누출된 수소를 용이하게 검출하기 위한 센서가 널리 개발되고 있다.
도 1은 대표적인 종래 수소 센서의 정면도인데, 도 1을 참조하여 종래 수소 센서의 구조 및 작동 원리를 살펴보면, 상기 수소 센서(100)는 기판(110), 상기 기판(110)의 상측에 일정 간격 이격되어 위치하는 한쌍의 센서부(120)와, 상기 한쌍의 센서부(120)가 이격됨으로 인해 형성되는 나노갭(130)과, 상기 한쌍의 센서부(120)에 연결된 전극(미도시) 등을 포함하며, 상기 한쌍의 센서부(120)는 수소와 반응하여 팽창하는 전이금속(대표적으로 팔라듐이 사용됨)으로 이루어져, 수소가 없는 상태에서는 상기 전극에 전류를 공급하여도 나노갭에 의해 전류가 원활하게 흐르지 못해 큰 저항이 측정되는데 반해, 수소가 존재하는 경우 상기 한쌍의 센서부가 팽창하여 서로 접촉하게 되어 전류가 흐르게 되어 저항이 작아지게 되고, 수소의 존재 후 수소가 제거되는 경우 상기 한쌍의 센서부가 수축하여 접촉이 해제되어 나노갭에 의해 전류가 원활하게 흐르지 못해 큰 저항이 측정되므로, 저항의 변화를 측정하여 수소를 검출할 수 있게 된다.
하지만, 종래의 수소 센서(100)는 수소의 존재 여부에 따라 상기 센서부(120)가 수평 방향으로 팽창 및 수축하게 되는데, 이때 기판(110)에 의해 저항이 발생하여 센서부(120)의 변형이 제한되어 수소 센싱의 정확도가 떨어지게 된다. 한편, 기판(110)과 센서부(120) 사이에 폴리머층(미도시)을 형성하여 기판(110)과 센서부(120)의 계면 저항을 줄이는 것을 고려할 수 있으나, 이 경우 별도로 폴리머층을 형성하여야 하여 제조 과정이 복잡하게 되는 문제가 있다. 또한, 종래의 수소 센서의 제조방법으로는 나노갭을 저가로 균일하고 재현성이 있게 제작하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 센서부 하단에 나노갭이 형성되도록 하고 센서부가 수소와 반응하면 센서부와 전극이 접촉하게 되어, 센서부가 기판에 저항을 받지 않고 자유롭게 팽창 및 수축이 가능하여 수소 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있는 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 정밀한 나노갭을 저가로 균일하고 재현성 있게 제작할 수 있도록 하는 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서는 전극이 형성된 기판과, 상기 기판의 상면과 일정 간격 이격되어 위치하는 센서부와, 상기 기판과 센서부가 상하 이격됨으로 인해 형성되는 나노갭을 포함하며, 상기 센서부는 수소와 반응하여 팽창하는 소재로 이루어져, 수소 존재 시 상기 센서부는 팽창하여 하측의 전극과 접촉하게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서는 상기 기판의 상면에 결합하여 상기 센서부가 상기 기판에서 일정 간격 이격되어 위치하도록 상기 센서부를 지지하며 절연성 소재로 이루어지는 지지부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서에 있어서 상기 지지부는 상기 기판의 상면에 결합하는 제1지지부와, 상기 제1지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 상기 기판의 상면에 결합하는 제2지지부를 포함하며, 상기 센서부는 상기 지지부의 상면에 안착되는 안착부와, 상기 안착부의 하면에서 하측 방향으로 돌출되어 상기 제1지지부와 제2지지부 사이에 위치하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서에 있어서 상기 돌출부는, 돌출부의 말단과 기판 사이에 나노갭이 형성되도록 상기 기판과 수직 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하고, 상기 돌출부의 팽창시 상기 돌출부의 외측에 위치하는 지지부와 접촉하지 않도록 상기 지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서에 있어서 상기 지지부는 상기 기판의 상면에 결합하는 제1지지부와, 상기 제1지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 상기 기판의 상면에 결합하는 제2지지부를 포함하며, 상기 센서부는 제1지지부 또는 제2지지부의 상면에 안착되며 말단이 제1지지부와 제2지지부 사이의 상측에 위치하는 상측부와, 상기 상측부의 하면에서 돌출되어 상기 제1지지부와 제2지지부 사이에 위치하며 상기 기판과 일정 간격 이격되어 위치하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서에 있어서 상기 돌출부는, 돌출부의 말단과 기판 사이에 나노갭이 형성되도록 상기 기판과 수직 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하고, 상기 돌출부의 팽창시 상기 돌출부의 외측에 위치하는 지지부와 접촉하지 않도록 상기 지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서의 제조방법은 전극이 형성된 기판 상에 일정 두께로 제1희생층을 형성하는 제1희생층형성단계와, 상기 제1희생층형성단계 후 상기 제1희생층과 일정 간격을 두고 제1희생층의 외측에 절연성을 가지는 지지부를 형성하는 지지부형성단계와, 상기 지지부형성단계 후 제1희생층과 지지부 사이에 위치하는 간격부와 상기 간격부의 측면에서 일정 길이 돌출되어 제1희생층 상면 일부에 위치하는 측면돌출부를 가지는 제2희생층을 형성하는 제2희생층형성단계와, 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 지지부에 지지되고 말단이 제1희생층에 접하는 센서부를 형성하는 센서부형성단계와, 상기 센서부형성단계 후 제1희생층 및 제2희생층을 제거하여 나노갭을 형성하는 나노갭형성단계를 포함하여, 상기 제1희생층의 두께를 조절함으로 인해 기판과 센서부가 이격되어 형성되는 나노갭의 두께를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서의 제조방법은 전극이 형성된 기판 상에 일정 두께로 제1희생층을 형성하는 제1희생층형성단계와, 상기 제1희생층형성단계 후 상기 제1희생층과 일정 간격을 두고 제1희생층의 외측에 절연성을 가지는 지지부를 형성하는 지지부형성단계와, 상기 지지부형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 제1희생층 상에 일정 두께로 돌출부를 형성하는 돌출부형성단계와, 상기 돌출부형성단계 후 제1희생층과 지지부 사이에 위치하는 간격부와 상기 간격부의 측면에서 일정 길이 돌출되어 하면은 제1희생층 상면에 접하고 측면은 돌출부의 측면에 접하는 측면돌출부를 가지는 제2희생층을 형성하는 제2희생층형성단계와, 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착을 통해 상기 지지부에 지지되고 하면 중앙 부위에서 돌출부와 접하는 안착부를 형성하는 안착부형성단계와, 상기 안착부형성단계 후 제1희생층 및 제2희생층을 제거하여 나노갭을 형성하는 나노갭형성단계를 포함하여, 상기 제1희생층의 두께를 조절함으로 인해 기판과 센서부가 이격되어 형성되는 나노갭의 두께를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 센서의 제조방법에 있어서, 상기 기판은 전도성 물질로 이루어지거나 전도성 물질이 코팅된 절연 기판이 이용될 수 있으며, 상기 제1희생층은 이산화규소로 이루어질 수 있고, 상기 지지부는 산화알루미늄으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2희생층은 물에 용해되는 PVA로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 센서부 하단에 나노갭이 형성되도록 하고 센서부가 수소와 반응하면 센서부와 전극이 접촉하게 되어, 센서부가 기판에 저항을 받지 않고 자유롭게 팽창 및 수축이 가능하여 수소 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 정밀한 나노갭을 저가로 균일하고 재현성 있게 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 수소 센서의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서의 정면도이다.
도 4 내지 6은 도 2의 수소 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 도 3의 수소 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서의 정면도이다.
도 4 내지 6은 도 2의 수소 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 도 3의 수소 센서의 제조 과정을 설명하기 위한 참고도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서 및 그 제조방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서를 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 수소 센서는 전극(미도시)이 형성된 기판(1)과, 상기 기판(1)의 상면에 결합하여 상기 센서부(3)가 상기 기판(1)에서 일정 간격 이격되어 위치하도록 상기 센서부(3)를 지지하는 지지부(2)와, 상기 지지부(2)에 지지되어 상기 기판(1)의 상면과 일정 간격 이격되어 위치하는 센서부(3)와, 상기 기판(1)과 센서부(2)가 이격됨으로 인해 형성되는 나노갭(4) 등을 포함하며, 상기 센서부(2)는 수소와 반응하여 팽창하는 소재로 이루어져, 수소 존재 시 상기 센서부(2)는 팽창하여 하측의 전극과 접촉하게 되는 것을 특징으로 한다.
상기 기판(1)은 상기 수소 센서의 하면을 형성하는 구성으로, 상기 기판(1)은 전도성 소재로 이루어져 그 자체가 전극의 기능을 수행하거나, 상기 기판(1)은 PDMS 등의 고분자, 유리, 실리콘 등 절연성을 가지는 소재로 이루어지고 상기 기판상면에 코팅에 의해 전극(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 전극은 종래 수소 센서에서 전극을 형성하기 위해 사용되는 소재가 이용될 수 있으며, 예컨대 은, 구리, 금 등의 전도성이 뛰어난 소재가 사용될 수 있다.
상기 지지부(2)는 상기 기판(1)의 상면에 결합하여 상기 센서부(3)가 상기 기판(1)에서 일정 간격 이격되어 위치하도록 상기 센서부(2)를 지지하는 구성으로, 상기 지지부(2)는 산화알루미늄(Al2O3) 등의 절연성을 가지는 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 지지부(2)는 상기 기판(1)의 상면에 결합하는 제1지지부(21)와, 상기 제1지지부(21)와 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 상기 기판(1)의 상면에 결합하는 제2지지부(22)를 포함한다.
상기 센서부(3)는 상기 지지부(2)에 의해 지지되어 상기 기판(1)의 상면과 일정 간격 이격되어 위치하는 구성으로, 안착부(31), 돌출부(32) 등을 포함한다. 상기 센서부(3)는 수소와 반응하여 팽창하는 소재로 이루어지며, 예컨대 팔라듐(Pd) 등의 전이금속이 사용될 수 있다.
상기 안착부(31)는 상기 지지부(2)의 상면에 안착되는 구성으로, 일정 형상을 가지나 바람직하게는 일정 두께를 가지는 직사각형의 판의 형상을 가진다.
상기 돌출부(32)는 상기 안착부(32)의 하면에서 하측 방향으로 돌출되는 구성으로, 상기 제1지지부(21)와 제2지지부(22) 사이에 위치하며, 상기 기판(1)과 일정 간격 이격되어 위치한다. 상기 돌출부(32)의 말단과 기판(1) 사이에 나노갭(4)이 형성되도록 상기 돌출부(32)는 상기 기판(1)과 수직 방향으로 일정 간격 이격되게 되며, 상기 돌출부(32)의 팽창시 상기 돌출부(32)의 외측에 위치하는 지지부(2)와 접촉하지 않도록 상기 돌출부(32)는 상기 지지부(2)와 수평 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하게 된다.
상기 나노갭(4)은 상기 기판(1)과 센서부(2)가 이격됨으로 인해 형성되는 구성이다. 상기와 같은 구성을 가지는 수소 센서의 수소를 센싱하는 작동 과정을 살펴보면, 수소가 존재하지 않을 시에는 상기 센서부(3)가 반응하지 않아 형태의 변화가 없으나, 수소의 존재 시 상기 센서부(3)는 팽창하여 돌출부(32)의 말단이 하측으로 이동해 기판(1) 상의 전극과 접촉하게 되며, 이후 수소가 제거되면 상기 센서부(3)는 수축하여 상기 돌출부(32)의 말단이 상측으로 이동해 상기 기판(1) 상의 전극과의 접촉이 해제되게 된다. 상기 센서부(2)와 전극에는 전류가 흐르는 배선이 각각 연결되어 있으므로, 상기 과정에서 센서부(3)가 전극에 접촉하지 않은 경우 전류가 흐르지 못해 큰 저항값이 측정되나, 상기 센서부(3)가 전극에 접촉하는 경우 전류가 흘러 작은 저항값이 측정되므로, 저항값의 변화를 확인하여 수소를 센싱할 수 있게 된다. 본 발명은 종래와 달리 수직 구조의 나노갭의 형성하고 센서부가 하측으로 팽창 시 저항을 받지 않도록 하여 수소 센싱의 정확도를 높일 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서를 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 수소 센서는 기판(1), 지지부(2), 센서부(3') 및 나노갭(4) 등을 포함하는데, 센서부(3')의 형태를 제외하고 기판(1), 지지부(2), 나노갭(4) 각각은 도 2를 참조하여 설명한 기판(1), 지지부(2), 나노갭(4)과 동일한 형태를 가지므로, 이하에서는 차이가 나는 센서부(3')에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 센서부(3')는 상기 지지부(2)에 의해 지지되어 상기 기판(1)의 상면과 일정 간격 이격되어 위치하는 구성으로, 제1지지부(21) 또는 제2지지부(22)의 상면에 안착되며 말단이 제1지지부(21)와 제2지지부(22) 사이의 상측에 위치하는 상측부(31')와, 상기 상측부(31')의 하면에서 돌출되어 상기 제1지지부(21)와 제2지지부(22) 사이에 위치하며, 상기 기판(1)과 일정 간격 이격되어 위치하는 돌출부(32') 등을 포함한다. 상기 센서부(3')는 일정 형상을 가지나 바람직하게는 "L" 자 형태를 가지게 된다. 상기 돌출부(32')의 말단과 기판(1) 사이에 나노갭(4)이 형성되도록 상기 돌출부(32')는 상기 기판(1)과 수직 방향으로 일정 간격 이격되게 되며, 상기 돌출부(32')의 팽창시 상기 돌출부(32')의 외측에 위치하는 지지부(2)와 접촉하지 않도록 상기 돌출부(32')는 상기 지지부(2)와 수평 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하게 된다.
상기와 같은 구성을 가지는 수소 센서가 수소를 센싱하는 작동 과정을 살펴보면, 수소가 존재하지 않을 시에는 상기 센서부(3')가 반응하지 않아 형태의 변화가 없으나, 수소의 존재 시 상기 센서부(3')는 팽창하여 돌출부(32')의 말단이 하측으로 이동해 기판(1) 상의 전극과 접촉하게 되며, 이후 수소가 제거되면 상기 센서부(3')는 수축하여 상기 돌출부(32')의 말단이 상측으로 이동해 상기 기판(1) 상의 전극과의 접촉이 해제되게 된다. 상기 센서부(3')와 전극에는 전류가 흐르는 배선이 각각 연결되어 있으므로, 상기 과정에서 센서부(3')가 전극에 접촉하지 않은 경우 전류가 흐르지 못해 큰 저항값이 측정되나, 상기 센서부(3')가 전극에 접촉하는 경우 전류가 흘러 작은 저항값이 측정되므로, 저항값의 변화를 확인하여 수소를 센싱할 수 있게 된다. 즉, 상기 수소센서는 AFM tip-like contact 구동으로 동작하게 된다.
도 2를 참조하여 설명한 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서의 일 제조방법을 도 2, 4 및 5를 참조하여 설명하면, 상기 수소 센서의 제조방법은 전극(미도시)이 형성된 기판(1) 상에 일정 두께로 제1희생층(5)을 형성하는 제1희생층형성단계와, 상기 제1희생층형성단계 후 상기 제1희생층(5)과 일정 간격을 두고 제1희생층(5)의 외측에 절연성을 가지는 지지부(2)를 형성하는 지지부형성단계와, 상기 지지부형성단계 후 제1희생층(5)과 지지부(2) 사이에 위치하는 간격부(61)와 상기 간격부(61)의 측면에서 일정 길이 돌출되어 제1희생층(5) 상면 일부에 위치하는 측면돌출부(62)를 가지는 제2희생층(6)을 형성하는 제2희생층형성단계와, 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 지지부(2)에 지지되고 말단이 제1희생층(5)에 접하는 센서부(3)를 형성하는 센서부형성단계와, 상기 센서부형성단계 후 제1희생층(5) 및 제2희생층(6)을 제거하여 나노갭(4)을 형성하는 나노갭형성단계를 포함하며, 상기 제1희생층(5)의 두께를 조절함으로 인해 기판(1)과 센서부(3)가 이격되어 형성되는 나노갭을 정밀하고 용이하게 형성할 수 특징이 있다.
상기 제1희생층형성단계는 전극(미도시)이 형성된 기판(1) 상에 일정 두께로 제1희생층(5)을 형성하는 단계로, 예컨대 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 전극(미도시)이 형성된 기판(1)의 상면에, 일정 간격을 두고 위치하는 금속 새도우 마스크(200)를 이용하여 식각에 의해 제거 가능한 물질을 증착하여, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 기판(1) 상면 중앙 부위에 일정 두께로 제1희생층(5)을 형성할 수 있다. 상기 기판(1)은 전도성 물질로 이루어지거나 전도성 물질이 코팅된 절연 기판이 이용될 수 있으며, 상기 제1희생층(5)은 이산화규소(SiO2)로 이루어질 수 있고, PECVD, E-beam evaporation 등의 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 지지부형성단계는 상기 제1희생층형성단계 후 상기 제1희생층(5)과 일정 간격을 두고 제1희생층(5)의 외측에 절연성을 가지는 지지부(2)를 형성하는 단계로, 예컨대 제1희생층(5)의 상측에 위치하는 금속 새도우 마스크(200)를 이용하여 절연성을 가지는 물질을 증착하여 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 상기 기판(1)의 상면에 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 위치하는 제1지지부(21)와 제2지지부(22)를 형성할 수 있다. 상기 지지부(5)는 예컨대 산화알루미늄(Al2O3) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 제2희생층형성단계는 상기 지지부형성단계 후 제1희생층(5)과 지지부(2) 사이에 위치하는 간격부(61)와 상기 간격부(61)의 측면에서 일정 길이 돌출되어 제1희생층(5) 상면 일부에 위치하는 측면돌출부(62)를 가지는 제2희생층(6)을 형성하는 단계로, 예컨대 포토리소그래피 공정을 이용하여 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 기판(1)의 상면에 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 위치하는 한 쌍의 제2희생층(6)을 형성할 수 있다. 상기 제2희생층(6)은 예컨대 물에 용해되는 PVA 등으로 이루어질 수 있다.
상기 센서부형성단계는 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 지지부(2)에 지지되고 말단이 제1희생층(5)에 접하는 센서부(3)를 형성하는 단계로, 예컨대 도 5의 (b)와 같이 지지부(2), 제1희생층(5) 및 제2희생층(6)의 상면에 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착시켜, 상기 지지부(2)에 지지되는 안착부(31)와, 상기 안착부(31)의 하면 중앙 부위에 돌출되며 하면은 제1희생층(5)에 접하고 측면은 제2희생층(6)에 접하는 돌출부(32)를 가지는 센서부(3)를 형성할 수 있다. 상기 센서부는 수소와 반응하여 팽창하는 팔라듐 등으로 이루어질 수 있다.
상기 나노갭형성단계는 상기 센서부형성단계 후 제1희생층(5) 및 제2희생층(6)을 제거하여 나노갭(4)을 형성하는 단계로, 예컨대 물로 제2희생층(6)을 용해시키고 종래의 식각 방법 등을 통해 제1희생층(5)을 제거하여 기판(1)과 센서부(3)가 이격되도록 하여 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 나노갭(4)을 형성할 수 있다. 본 발명에서 나노갭(4)은 제1희생층(5)의 두께와 동일한 사이즈를 가지므로, 제1희생층(5)의 두께를 조절함으로써 기판(1)과 센서부(3)가 이격되어 형성되는 나노갭을 정밀하고 용이하게 형성할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명한 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서의 다른 제조방법을 도 2, 4 및 6을 참조하여 설명하면, 상기 수소 센서의 제조방법은 제1희생층형성단계, 지지부형성단계, 돌출부형성단계, 제2희생층형성단계, 안착부형성단계, 나노갭형성단계 등을 포함하는데, 상기 제1희생층형성단계, 지지부형성단계 및 나노갭형성단계 각각은 도 2, 4 및 5를 참조하여 앞서 설명한 수소 센서의 일 제조방법의 상기 제1희생층형성단계, 지지부형성단계 및 나노갭형성단계와 동일하므로, 이하에서는 차이가 나는 돌출부형성단계, 제2희생층형성단계, 안착부형성단계에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 돌출부형성단계는 상기 지지부형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 제1희생층(5) 상에 일정 두께로 돌출부(32)를 형성하는 단계로, 예컨대 일정 간격을 두고 위치하는 금속 새도우 마스크(200)를 이용하여, 상기 제1희생층(5) 상면에 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착하여, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 제1희생층(5) 상면 중앙 부위에 일정 두께로 돌출부(32)를 형성할 수 있다. 상기 돌출부(32)는 상기 제1희생층(5)의 좌우 폭보다 작은 좌우 폭을 가지는 것이 바람직하다.
상기 제2희생층형성단계는 상기 돌출부형성단계 후 제1희생층(5)과 지지부(2) 사이에 위치하는 간격부(61)와 상기 간격부(61)의 측면에서 일정 길이 돌출되어 하면은 제1희생층(5) 상면에 접하고 측면은 돌출부(32)의 측면에 접하는 측면돌출부(62)를 가지는 제2희생층(6)을 형성하는 단계로, 예컨대 PVA 디핑(dipping) 후 스핀 코팅(spin coating), 베이크(bake)를 하고, RIE(reactive ion etching) O2 플라즈마로 돌출부(32)의 상면이 들어나게 하거나, 반도체 공정에서 사용되는 갭 필링 용액(gap filling solution)을 이용하여, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 기판(1)의 상면에 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 위치하는 한 쌍의 제2희생층(6)을 형성할 수 있다. 상기 제2희생층(6)은 예컨대 물에 용해되는 PVA 등으로 이루어질 수 있다.
상기 안착부형성단계는 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착을 통해 상기 지지부(2)에 지지되고 하면 중앙 부위에서 돌출부(32)와 접하는 안착부(31)를 형성하는 단계로, 예컨대 도 6의 (b)와 같이 동일 평면으로 형성되는 지지부(2), 돌출부(31) 및 제2희생층(6)의 상면에 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착시켜, 도 6의 (c)와 같이 상기 지지부(2)에 지지되고 하면 중앙 부위에서 돌출부(32)와 접하는 안착부(31)를 형성할 수 있다. 상기 안착부(31)는 돌출부(32)를 구성하는 소재와 동일한 소재로 이루어진다. 상기 안착부형성단계 이후 물로 제2희생층(6)을 용해시키고 종래의 식각 방법 등을 통해 제1희생층(5)을 제거하여 기판(1)과 센서부(3)가 이격되도록 하여 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 나노갭(4)을 형성할 수 있다. 상기 수소센서의 다른 제조방법은 상기 일 제조방법과 달리 포토리소그래피 방법을 사용하지 않고, shadow mask 기반의 direct deposition 공정을 적용하여 이루어지게 된다.
도 3을 참조하여 설명한 수직 구조 나노갭을 가지는 수소 센서의 일 제조방법을 도 3, 4, 6 및 7을 참조하여 설명하면, 상기 수소 센서의 제조방법은 제1희생층형성단계, 지지부형성단계, 돌출부형성단계, 제2희생층형성단계, 상측부형성단계, 나노갭형성단계 등을 포함하는데, 상기 제1희생층형성단계, 지지부형성단계, 돌출부형성단계, 제2희생층형성단계, 나노갭형성단계 각각은 도 2, 4 및 6을 참조하여 앞서 설명한 수소 센서의 다른 제조방법의 상기 제1희생층형성단계, 지지부형성단계, 돌출부형성단계, 제2희생층형성단계, 나노갭형성단계와 동일하므로, 이하에서는 차이가 나는 상측부형성단계에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 상측부형성단계는 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착을 통해 제1지지부(21) 또는 제2지지부(22)에 안착되며 하면 말단 부위에서 돌출부(32')와 접하는 상측부(31')를 형성하는 단계로, 예컨대 금속 새도우 마스크(200)를 이용하여, 도 6의 (b)와 같이 동일 평면으로 형성되는 돌출부(32'), 제2희생층(6), 제2지지부(22) 상면에 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착하여, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 제2지지부(22)에 안착되며 하면 말단 부위에서 돌출부(32')와 접하는 상측부(31')를 형성할 수 있다. 상기 상측부형성단계 이후 물로 제2희생층(6)을 용해시키고 종래의 식각 방법 등을 통해 제1희생층(5)을 제거하여 기판(1)과 센서부(3)가 이격되도록 하여 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 나노갭(4)을 형성할 수 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 기판 2: 지지부
3, 3': 센서부 4: 나노갭
5: 제1희생층 3: 제2희색층
21: 제1지지부 22: 제2지지부
31: 안착부 32, 32': 돌출부
61: 간격부 62: 측면돌출부
31': 상측부 100: 수소 센서
110: 기판 120: 센서부
130: 나노갭 200: 금속 새도우 마스크
3, 3': 센서부 4: 나노갭
5: 제1희생층 3: 제2희색층
21: 제1지지부 22: 제2지지부
31: 안착부 32, 32': 돌출부
61: 간격부 62: 측면돌출부
31': 상측부 100: 수소 센서
110: 기판 120: 센서부
130: 나노갭 200: 금속 새도우 마스크
Claims (9)
- 전극이 형성된 기판 상에 일정 두께로 제1희생층을 형성하는 제1희생층형성단계와, 상기 제1희생층형성단계 후 상기 제1희생층과 일정 간격을 두고 제1희생층의 외측에 절연성을 가지는 지지부를 형성하는 지지부형성단계와, 상기 지지부형성단계 후 제1희생층과 지지부 사이에 위치하는 간격부와 상기 간격부의 측면에서 일정 길이 돌출되어 제1희생층 상면 일부에 위치하는 측면돌출부를 가지는 제2희생층을 형성하는 제2희생층형성단계와, 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 지지부에 지지되고 말단이 제1희생층에 접하는 센서부를 형성하는 센서부형성단계와, 상기 센서부형성단계 후 제1희생층 및 제2희생층을 제거하여 나노갭을 형성하는 나노갭형성단계를 포함하여, 상기 제1희생층의 두께를 조절함으로 인해 기판과 센서부가 이격되어 형성되는 나노갭의 두께를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 전극이 형성된 기판 상에 일정 두께로 제1희생층을 형성하는 제1희생층형성단계와, 상기 제1희생층형성단계 후 상기 제1희생층과 일정 간격을 두고 제1희생층의 외측에 절연성을 가지는 지지부를 형성하는 지지부형성단계와, 상기 지지부형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속의 증착을 통해 상기 제1희생층 상에 일정 두께로 돌출부를 형성하는 돌출부형성단계와, 상기 돌출부형성단계 후 제1희생층과 지지부 사이에 위치하는 간격부와 상기 간격부의 측면에서 일정 길이 돌출되어 하면은 제1희생층 상면에 접하고 측면은 돌출부의 측면에 접하는 측면돌출부를 가지는 제2희생층을 형성하는 제2희생층형성단계와, 상기 제2희생층형성단계 후 수소와 반응하여 팽창하는 금속을 증착을 통해 상기 지지부에 지지되고 하면 중앙 부위에서 돌출부와 접하는 안착부를 형성하는 안착부형성단계와, 상기 안착부형성단계 후 제1희생층 및 제2희생층을 제거하여 나노갭을 형성하는 나노갭형성단계를 포함하여, 상기 제1희생층의 두께를 조절함으로 인해 기판과 센서부가 이격되어 형성되는 나노갭의 두께를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 전도성 물질로 이루어지거나 전도성 물질이 코팅된 절연 기판이 이용될 수 있으며,
상기 제1희생층은 이산화규소로 이루어질 수 있고,
상기 지지부는 산화알루미늄으로 이루어질 수 있으며,
상기 제2희생층은 물에 용해되는 PVA로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 수소 센서는,
전극이 형성된 기판과, 상기 기판의 상면과 일정 간격 이격되어 위치하는 센서부와, 상기 기판과 센서부가 상하 이격됨으로 인해 형성되는 나노갭을 포함하며,
상기 센서부는 수소와 반응하여 팽창하는 소재로 이루어져, 수소 존재 시 상기 센서부는 팽창하여 하측의 전극과 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 수소 센서는,
상기 기판의 상면에 결합하여 상기 센서부가 상기 기판에서 일정 간격 이격되어 위치하도록 상기 센서부를 지지하며 절연성 소재로 이루어지는 지지부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 수소 센서의 상기 지지부는 상기 기판의 상면에 결합하는 제1지지부와, 상기 제1지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 상기 기판의 상면에 결합하는 제2지지부를 포함하며,
상기 센서부는 상기 지지부의 상면에 안착되는 안착부와, 상기 안착부의 하면에서 하측 방향으로 돌출되어 상기 제1지지부와 제2지지부 사이에 위치하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 수소 센서의 상기 돌출부는, 돌출부의 말단과 기판 사이에 나노갭이 형성되도록 상기 기판과 수직 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하고, 상기 돌출부의 팽창시 상기 돌출부의 외측에 위치하는 지지부와 접촉하지 않도록 상기 지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 수소 센서의 상기 지지부는 상기 기판의 상면에 결합하는 제1지지부와, 상기 제1지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되어 상기 기판의 상면에 결합하는 제2지지부를 포함하며,
상기 센서부는 제1지지부 또는 제2지지부의 상면에 안착되며 말단이 제1지지부와 제2지지부 사이의 상측에 위치하는 상측부와, 상기 상측부의 하면에서 돌출되어 상기 제1지지부와 제2지지부 사이에 위치하며 상기 기판과 일정 간격 이격되어 위치하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 수소 센서의 상기 돌출부는, 돌출부의 말단과 기판 사이에 나노갭이 형성되도록 상기 기판과 수직 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하고, 상기 돌출부의 팽창시 상기 돌출부의 외측에 위치하는 지지부와 접촉하지 않도록 상기 지지부와 수평 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하는 것을 특징으로 하는 수소 센서의 제조방법.
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