KR102352913B1 - 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
금속/세라믹 복합체의 제조 방법에 있어서, 금속 산화물을 준비하는 단계, 및 비활성 가스 분위기에서 상기 금속 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하여, 상기 금속 산화물의 표면을 환원시켜, 표면부터 내부를 향한 산소 농도 구배로 표면에서 내부로 연속적인 밴드갭을 갖는 금속/세라믹 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 출원은, 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속산화물을 포함하는 코어, 금속을 포함하는 쉘, 및 상기 코어와 상기 쉘 사이에 연속적인 산소 농도 구배를 갖는 중간부를 포함하는 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체식 가스센서는 세라믹 반도체 표면에 감지가스가 접촉했을 때, 발생되는 전기전도도의 변화를 감지하여 동작된다. 일반적으로, 반도체식 가스센서는 상온보다 높은 온도에서 동작되어야 하는 경우가 많고, 이에 따라, 고온 안정성이 높은 금속산화물을 가스감지층으로 사용하고 있다. 가스감지층으로는 아연산화물, 주석산화물, 철산화물 등이 주로 사용된다.
이 중에서, 주석산화물을 이용한 반도체식 가스센서는 주석산화물의 산소 공공에 의해 주로 작동된다. 즉, 주석산화물은 감지가스와 만나, 표면의 산소 원자 중에서 일부가 산소 기체로 방출된다. 이에 따라, 표면에 산소 기체가 흡착, 및 방출되는 정도가 높을수록, 가스센서의 가스민감도가 향상될 수 있다.
이에 따라, 산소 기체의 흡착 정도를 높이기 위해, 비표면적을 증가시키거나, 표면에 금속을 도핑하여, 산소 기체와의 흡착, 및 방출 속도를 항샹시키는 연구가 수행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록 특허 공보 10-1782103 (출원번호 10-2016-0096082)에는 금속-세라믹 경사기능복합체로 구성되어 외부 에너지에 의해 전류를 생성하는 전류 생성부, 상기 전류 생성부에서 생성된 전류를 측정하는 전류 측정부, 및 상기 전류 생성부의 상단 일측에 형성되어 상기 전류 생성부로부터 생성된 전류가 상기 전류 측정부를 지나 상기 전류 생성부로 순환되도록 하는 연결 단자를 포함하고, 상기 전류 생성부는 세라믹 소재로 이루어진 전류 변환층, 금속 소재로 이루어진 전류 방출층, 및 상기 전류 변환층과 전류 방출층 사이에 금속 소재 및 세라믹 소재가 혼합된 복수개의 혼합층들로 구성된 전류 전달층이 형성되고, 상기 복수개의 혼합층의 각 측은 서로 다른 조성비의 금속 및 세라믹 소재의 혼합으로 이루어지며, 상기 혼합층들중 전류 방출층에 인접한 혼합층일수록 금속 소재의 함량이 세라믹 소재의 함량보다 많고, 상기 전류 변환층에 인접한 혼합층일수록 소재의 함량이 금속 소재의 함량보다 많아져, 상기 혼합층의 각 층의 금속 소재와 세라믹 소재의 함량이 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 금속-세라믹 경사기능복합체를 이용한 센서가 개시된다.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 마이크로파 조사에 의해, 표면부터 내부까지 산소의 농도 구배로, 표면부터 내부까지 연속적인 밴드갭을 갖는 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 표면부터 내부까지 동일한 결정 구조을 갖는 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 이산화질소 가스에 대한 가스감응도가 향상된 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은, 금속/세라믹 복합체의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속/세라믹 복합체의 제조 방법은, 금속 산화물을 준비하는 단계, 및 비활성 가스 분위기에서 상기 금속 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하여, 상기 금속 산화물의 표면을 환원시켜, 표면부터 내부를 향한 산소 농도 구배로 표면에서 내부로 연속적인 밴드갭을 갖는 금속/세라믹 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하는 단계는, 3분 초과 7분 미만의 시간동안 수행되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 나노와이어의 형태를 갖는 것을 포함하고, 상기 금속 산화물을 준비하는 단계는, 실리콘 웨이퍼, 및 금속 분말을 로(furnace) 내부에 장입하는 단계, 및 산소 가스 분위기 하에서 상기 금속 분말을 열처리하여, 상기 실리콘 웨이퍼 상에서 상기 금속 분말, 및 상기 산소 가스로부터 상기 금속 산화물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 박막의 형태를 갖는 것을 포함하고, 상기 금속 산화물을 준비하는 단계는, 금속 전구체, 및 산소 전구체를 이용하여 원자층 증착 공정으로 실리콘 기판 상에 상기 금속 산화물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 전구체는, 테트라키스-디메틸아미노 주석(TDMASn)인 것을 포함하고, 상기 산소 전구체는, 물(H2O)인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 비활성 가스는, 질소 가스 또는 아르곤 가스 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은, 금속/세라믹 복합체를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속/세라믹 복합체는, 금속 산화물을 포함하는 코어, 상기 코어의 표면을 덮는 중간부, 및 상기 중간부의 표면을 덮고, 금속을 포함하는 쉘을 포함하되, 상기 중간부는, 상기 코어의 표면, 및 상기 쉘의 표면과 직접적으로 맞닿고, 상기 코어로부터 상기 쉘까지 연속적인 산소 농도의 구배를 갖는 것을 포함하고, 상기 코어, 상기 중간부, 및 상기 쉘은, 결정 구조가 동일한 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 중간부는, 상기 코어로부터 상기 쉘까지 연속적인 밴드갭을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코어는, SnO2로 형성되고, 상기 쉘은, Sn으로 형성되고, 상기 중간부는, SnO2-x로 형성되되, 상기 x는, 0 초과 2 미만의 값을 갖고, 상기 코어로부터 상기 쉘까지 연속적으로 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 주석산화물인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 나노와이어, 입자 또는 박막 중에서 적어도 어느 하나의 형태를 갖는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은, 가스센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스센서는, 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 가스감지층을 포함하되, 상기 가스감지층은, 상기 금속/세라믹 복합체를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스센서는, 0 내지 250℃의 온도 범위에 대해서, 100℃ 초과 200℃ 미만의 온도 범위에서 높은 가스감응성을 나타내는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속/세라믹 복합체는, 주석산화물을 포함하고, 이산화질소를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 금속/세라믹 복합체의 제조 방법은, 금속 산화물을 준비하는 단계, 및 비활성 가스 분위기에서 상기 금속 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하여, 상기 금속 산화물의 표면을 환원시켜, 표면부터 내부를 향한 산소 농도 구배로 표면에서 내부로 연속적인 밴드갭을 갖는 금속/세라믹 복합체를 제조하는 단계를 포함을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물을 준비하는 단계는, 구체적으로 예를 들어, 입자, 박막, 또는 나노와이어 중에서 적어도 어느 하나의 형태를 갖는 상기 금속산화물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물의 표면을 환원시키는 단계는, 상기 금속 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하고, 상기 마이크로파에 의해 상기 금속 산화물 표면의 산소 원소가 제거되어, 상기 금속 산화물의 표면이 환원되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물의 표면에서 내부로 갈수록, 상기 마이크로파에 의한 상기 금속 산화물 격자의 진동 및 열의 발생이 감소할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 산화물의 표면에서 내부로 갈수록 상기 산소 농도가 증가될 수 있다. 즉, 즉, 상술된 바에 따라, 제조된 상기 금속/세라믹 복합체는 코어로 상기 금속 산화물을 포함할 수 있고, 쉘로 상기 금속 산화물이 환원된 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속/세라믹 복합체는 상기 코어와 상기 쉘과 직접적으로 접촉하고, 상기 코어와 상기 쉘의 사이에 형성된 중간부를 포함할 수 있다. 상기 중간부는 상술된 상기 산소의 농도 구배를 갖는 영역일 수 있고, 이에 따라, 상기 중간부를 상기 코어에서부터 상기 쉘까지 연속적인 밴드갭을 가질 수 있다. 또한, 상기 쉘, 상기 코어, 및 상기 중간부는 모두 동일한 결정 구조를 가질 수 있다.
즉, 상기 마이크로파의 조사에 의해, 결정 구조는 동일하되, 표면에서부터 내부까지 산소의 농도 구배를 갖고, 이에 따라, 연속적인 밴드갭을 갖는 금속/세라믹 복합체가 제조될 수 있다. 따라서, 상기 금속/세라믹 복합체는 표면에서 가스민감도가 용이하게 향상될 수 있고, 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체는 가스센서의 가스감지층의 재료로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 결정 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 개략적인 단면도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파 조사 시간에 따른 캐리어 농도(carrier concentration), 정공 이동도(hall mobility), 및 비저항(Resistivity)을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파 조사 시간에 따른 원소 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파의 조사 전과 후의 X-선 회절 패턴(XRD)를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파의 조사 전과 후의 투과전자현미경(TEM) 이미지, 고해상도 투과전자현미경 이미지(HRTEM), 및 선택된 영역 전자 회절(SAED) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실험 예 1-1, 및 비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체의 미세구조 이미지를 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 온도에 따른 초기 저항(initial resistance)을 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 마이크로파의 조사 시간에 따라 생성된 쉘의 두께, 및 센서감응도를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 동작 온도에 따른 가스감응도를 나타내는 도면이다.
도 19는 마이크로파 조사 시간에 따라 제조된 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 가스감응도를 나타내는 도면이다.
도 20 및 도 21은 마이크로파 조사 시간에 따라 제조된 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 반응 시간(response time), 및 회복 시간(recovery time)를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 가스민감도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 결정 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 개략적인 단면도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파 조사 시간에 따른 캐리어 농도(carrier concentration), 정공 이동도(hall mobility), 및 비저항(Resistivity)을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파 조사 시간에 따른 원소 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파의 조사 전과 후의 X-선 회절 패턴(XRD)를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파의 조사 전과 후의 투과전자현미경(TEM) 이미지, 고해상도 투과전자현미경 이미지(HRTEM), 및 선택된 영역 전자 회절(SAED) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실험 예 1-1, 및 비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체의 미세구조 이미지를 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 온도에 따른 초기 저항(initial resistance)을 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 마이크로파의 조사 시간에 따라 생성된 쉘의 두께, 및 센서감응도를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 동작 온도에 따른 가스감응도를 나타내는 도면이다.
도 19는 마이크로파 조사 시간에 따라 제조된 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 가스감응도를 나타내는 도면이다.
도 20 및 도 21은 마이크로파 조사 시간에 따라 제조된 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 반응 시간(response time), 및 회복 시간(recovery time)를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 가스민감도를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 모식도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 결정 구조를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 금속 산화물(110)이 준비될 수 있다(S110).
구체적으로, 상기 금속 산화물(110)은 나노와이어, 박막, 또는 입자 중에서 적어도 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물(110)은 나노와이어의 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 금속 산화물(110)은 금속 분말과 산소 가스를 반응시켜, 상기 기판의 표면과 수직으로 성장시켜 제조될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 금속 분말이 주석 분말인 경우, 상기 주석 분말은 알루미늄 보트(boat)에 제공될 수 있다. 상기 알루미늄 보트 및 실리콘 웨이퍼는 로(furnace) 내에 장입될 수 있다. 이 때, 상기 로(furnace) 내에 산소 가스를 제공하며, 900℃의 온도로 1시간 동안 반응시켜, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 주석 나노와이어가 제조될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물(110)은 박막의 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 금속 산화물(110)은 금속 전구체, 및 산소 전구체를 이용하여 원자층 증착 공정으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 전구체는 테트라키스-디메틸아미노 주석(TDMASn)일 수 있고, 상기 산소 전구체는 물(H2O)일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 실리콘 웨이퍼가 증착기 내에 장입될 수 있고, 200℃의 온도에서 상기 상기 증착기 내에 상기 금속 전구체, 및 상기 산소 전구체가 교대로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 상기 금속 전구체, 및 상기 산소 전구체로부터 주석산화물 박막이 형성될 수 있다.
상술된 바에 따라, 제조된 상기 금속 산화물(110)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 중심부터 표면까지 동일한 물질, 및 동일한 결정 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 금속 산화물(110)은 주석산화물(SnO2)일 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 비활성 가스 분위기에서 상기 금속 산화물(110)의 표면에 마이크로파를 조사하여, 상기 금속 산화물(110)의 표면을 환원시켜, 표면부터 내부를 향한 산소 농도 구배로 표면에서 내부로 연속적인 밴드갭을 갖는 금속/세라믹 복합체(120)가 제조될 수 있다(S120).
일 실시 예에 따르면, 상기 비활성 가스 아르곤 가스 또는 질소 가스 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 금속 산화물(110)의 표면에 마이크로파를 조사하여 제조될 수 있다. 상기 마이크로파 조사에 의해, 상기 금속 산화물(110) 격자의 진동 및 열이 발생할 수 있고, 이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 산소가 제거될 수 있다. 즉, 상기 마이크로파 조사에 의해, 상기 금속 산화물(110)의 표면이 환원되어 상기 금속/세라믹 복합체(120)가 제조될 수 있다. 다시 말하면, 상기 마이크로파 조사에 의해, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 금속 산화물(110)의 표면에 상기 금속 산화물의 금속이 도핑된 형태를 가질 수 있다.
이 때, 상기 금속 산화물(110)의 표면에서 내부로 갈수록, 상기 마이크로파에 의한 상기 격자의 진동 및 열이 발생되는 정도가 감소할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 표면에서부터 내부로 상기 산소의 농도 구배를 가질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 코어(120c), 상기 코어(120c)의 표면을 감싸는 중간부(120m), 및 상기 중간부(120m)의 표면을 감싸는 쉘(120s)을 포함하되, 상기 쉘(120s)는 상기 금속 산화물(110)이 환원되어 형성된 금속일 수 있고, 상기 중간부(120m)는 쉘(120s)에서부터 상기 코어(120c)까지 상기 산소의 농도 구배를 갖는 영역일 수 있다. 따라서, 상기 코어(120c)는 상기 마이크로파에 의한 상기 산소가 제거되지 않은 영역일 수 있다. 즉, 상기 코어(120c)는 상기 금속 산화물(110)과 동일한 물질, 및 동일한 구조일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 중간부(120m)는 연속적인 상기 산소의 농도 구배를 가질 수 있고, 이에 따라, 상기 중간부(120m)의 밴드갭은 상기 쉘(120s)과 맞닿는 표면에서부터 상기 코어(120c)와 맞닿는 표면까지 연속적으로 증가할 수 있다.
또한, 상기 마이크로파의 조사에 의해, 실질적으로 상기 금속 산화물(110)의 결정구조의 변화없이, 상기 산소만 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체(120)의 상기 코어(120c), 상기 중간부(120m), 및 상기 쉘(120s)은 동일한 결정구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물(110)은 주석산화물(SnO2)일 수 있고, 이에 따라, 상기 쉘(120s)은 주석(Sn)일 수 있고, 상기 코어(120c)는 주석산화물(SnO2)일 수 있다. 또한, 상기 중간부(120m)는 산소가 결핍된 상기 주석산화물(SnO2-x)일 수 있고, 이 때, 상기 x 값은 0 초과 2 미만의 값을 포함하되, 상기 쉘(120s)과 맞닿는 표면에서부터 상기 코어(120c)와 맞닿는 표면까지 상기 x 값이 연속적으로 감소할 수 있다.
만약, 상술된 바와 달리, 상기 금속 산화물(110)이 아연산화물(ZnO)인 경우, 상기 아연산화물은 상기 마이크로파의 조사에 의해, 실질적으로 환원되지 않고 작은 입자로 쪼개질 수 있다. 즉, 상기 마이크로파의 조사에 의해, 상기 마이크로파의 조사 전보다 더 작은 입자 크기를 갖는 2차 입자가 제조될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물(110)은 상기 주석산화물일 수 있고, 상기 주석산화물은 상기 마이크로파의 조사에 의해 표면이 환원될 수 있다. 이에 따라, 상술된 바와 같이, 상기 쉘(110s)로 주석을 포함하고, 상기 쉘(110s)에서 상기 코어(120c)로 갈수록 상기 산소의 농도가 증가하여, 상기 코어(120c)로 상기 주석산화물을 포함하는 상기 금속/세라믹 복합체(120)가 제조될 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 금속 산화물(110)의 표면에 2MeV, 및 1011protons/cm2의 양성자빔(proton beam)을 조사하여 제조될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 금속 산화물(110)의 표면에 3분 초과 7분 미만의 시간동안 상기 마이크로파를 조사하여 제조될 수 있다. 이에 따라, 제조된 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 쉘(120s)을 제1 두께로 포함할 수 있다.
만약, 상술된 바와 달리, 상기 마이크로파를 조사하는 시간이 3분 이하인 경우, 제조된 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 제1 두께보다 얇은 두께의 상기 쉘(120s)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체(120)를 포함하는 후술된 가스센서의 가스감응도는 상대적으로 낮을 수 있다.
또한, 상기 마이크로파를 조사하는 시간이 7분 이상인 경우, 상기 마이크로파 조사에 의해 환원된 상기 금속 산화물(110)의 영역 중에서 일부분이 다시 산화될 수 있다. 이에 따라, 제조된 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 제1 두께보다 얇은 두께의 상기 쉘(120s)을 포함할 수 있다. 따라서, 상술된 바와 같이, 상기 금속/세라믹 복합체(120)를 포함하는 후술된 가스센서의 가스감응도는 상대적으로 낮을 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 금속 산화물(110)의 표면에 상기 마이크로파를 3분 초과 7분 미만 조사하여 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 쉘(120s)은 상대적으로 두껍게 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체(120)를 포함하는 후술된 가스센서의 가스감응도가 용이하게 향상될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 금속 산화물(110)의 표면에 상기 마이크로파가 조사될 수 있고, 이에 따라, 상기 금속 산화물(110)의 표면이 환원되어, 상기 금속/세라믹 복합체(120)가 제조될 수 있다. 즉, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 금속 산화물(110)을 포함하는 상기 코어(120c), 상기 금속 산화물(110)이 환원되어 형성된 상기 금속 산화물(110)의 금속을 포함하는 상기 쉘(120s)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 코어(120c), 및 상기 쉘(120s)의 사이에 상기 산소의 농도 구배를 갖는 상기 중간부(120m)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 금속 산화물(110)은 상기 주석산화물일 수 있고, 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 표면이 상기 주석으로 도핑된 주석, 및 주석산화물을 포함하는 복합체일 수 있고, 또한, 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 상기 쉘(120s), 상기 코어(120c), 상기 중간부(120m)가 모두 상기 주석산화물과 동일한 구조를 가질 수 있다.
이 때, 상기 마이크로파는 3분 초과 7분 미만의 시간 동안 조사될 수 있고, 이에 따라 제조된 상기 금속/세라믹 복합체(120)는 가스감응 특성이 용이하게 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 개략적인 단면도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 가스센서는 기판(210), 상기 기판(210) 상의 제1 전극(220), 상기 제1 전극(220) 상의 가스감지층(230), 및 상기 가스감지층(230) 상의 제2 전극(240)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판(210)은 절연기판 또는 상기 제1 전극(220)과의 계면에 절연 처리된 전도성 기판 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 상기 절연기판은 알루미나, 또는 사파이어 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 전도성 기판은 전도성 폴리머, 금속, 또는 전도성 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(220), 및 상기 제2 전극(240)은 금속 또는 전도성 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속은 백금(Pt), 금(Au), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 구리(Cu), 또는 텅스텐(W) 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 전도성 산화물은 주석 인듐 산화물(ITO), 또는 FTO 중에서 적어도 어느 하나이상을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스감지층(230)은 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 상기 금속/세라믹 복합체(120)로 제조될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 금속/세라믹 복합체는 3분 초과 7분 미만동안 상기 마이크로파가 조사되어 제조되는 경우, 상대적으로 높은 가스감응도를 나타낼 수 있다.
따라서, 상기 가스감지층(230)이 3분 초과 7분 미만의 시간동안 상기 마이크로파가 조사된 상기 금속/세라믹 복합체를 포함하는 경우, 상기 가스센서의 가스감응도가 향상될 수 있다.
또한, 상기 가스센서는 0℃ 내지 250℃의 온도 범위에 대하여, 100℃ 초과 200℃ 미만의 온도 범위에서 작동되는 경우, 가스 감지 시간, 및 회복 시간(recovery time)이 더 빠를 수 있다.
만약, 상술된 바와 달리, 상기 가스센서가 0℃ 내지 250℃의 온도 범위에 대하여, 100℃ 이하 또는 200℃ 이상의 온도 범위에서 작동되는 경우, 가스감응도가 낮아질 수 있고, 이에 따라, 상기 가스센서의 가스 감지 시간, 및 회복 시간이 길어질 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 상기 가스센서는 0℃ 내지 250℃의 온도 범위에 대하여, 100℃ 초과 200℃ 미만의 온도 범위에서 작동될 수 있고, 이에 따라, 상기 가스센서의 가스감응도는 향상될 수 있다.
구체적으로 예를 들어, 상기 가스감지층(230)은 상술된 바와 같이, 상기 주석산화물로 제조된 상기 금속/세라믹 복합체(120)를 포함할 수 있고, 이에 따라, 상기 가스센서는 이산화질소(NO2)에 대한 가스민감도가 높을 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실험 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조 방법 및 특성 평가 결과가 설명된다.
비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조
아연산화물 입자에 1 내지 8분 동안 2MeV, 및 1011protons/cm2의 양성자빔(proton beam)을 조사하여 비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체가 제조되었다.
실험 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조
비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체와 동일한 방법으로 제조하되, 상기 아연산화물 입자 대신 주석산화물 입자를 이용하여, 실험 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체가 제조되었다.
실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조
주석 분말 1g이 균일하게 분산된 알루미늄 보트(boat), 및 실리콘 웨이퍼가 로(furnace) 내부에 장입되었다.
900℃의 온도 및10-3Torr의 압력 조건에서 300sccm의 산소 및 1,700sccm의 아르곤의 혼합 가스를 상기 로 내에 주입하여, 상기 주석 분말, 및 상기 산소 간의 반응이 수행되었다.
1시간 이후, 2Torr의 압력 조건에서 6시간 동안 냉각시킨 후, 제조된 주석산화물 나노 와이어에 1 내지 8분 동안 2MeV, 및 1011protons/cm2의 양성자빔(proton beam)을 조사하여 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체가 제조되었다.
실험 예 1-3에 따른 금속/세라믹 복합체의 제조
주석 전구체로 테트라키스-디메틸아미노 주석(TDMASn), 및 산소 전구체로 증류수(D.I water)를 준비하였다.
실리콘 웨이퍼를 로(furnace) 내에 제공하고, 상기 로 내의 온도를 200℃로 상승시켰다.
상기 로 내에 '상기 주석 전구체 주입 1초→아르곤 가스 퍼지 20초→상기 산소 전구체 주입 1초→아르곤 가스 퍼지 20초'를 1사이클로 하여, 500사이클을 연속적으로 수행한 후, 1시간 동안 냉각시켜, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 주석산화물 박막을 제조하였다.
상기 주석산화물 박막에 1 내지 8분 동안 2MeV, 및 1011protons/cm2의 양성자빔(proton beam)을 조사하여 실험 예 1-3에 따른 금속/세라믹 복합체가 제조되었다.
상술된 비교 예 1-1 및 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-3에 따른 금속/세라믹 복합체의 상기 금속 산화물, 및 형태가 아래의 <표 1>에 작성되었다.
| 금속 산화물 | 형태 | |
| 비교 예 1-1 | 아연산화물(ZnO) | 입자 |
| 실험 예 1-1 | 주석산화물(SnO2) | 입자 |
| 실험 예 1-2 | 주석산화물(SnO2) | 나노와이어 |
| 실험 예 1-3 | 주석산화물(SnO2) | 박막 |
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파 조사 시간에 따른 캐리어 농도(carrier concentration), 정공 이동도(hall mobility), 및 비저항(Resistivity)을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실험 예 1-3에 따른 금속/세라믹 복합체는 상기 주석산화물 박막의 표면에 각각 0분, 1분, 3분, 5분, 및 8분 동안 상기 마이크로파를 조사하여 제조되었다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 금속/세라믹 복합체는 5분 미만의 조건에서, 상기 마이크로파의 조사 시간이 증가할수록, 전기적 특성이 증가하는 것을 확인하였다. 반면, 5분 이상의 조건에서는, 상기 마이크로파의 조사 시간이 증가할수록, 상기 금속/세라믹 복합체의 전기적 특성이 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 실험 예 1-3에 따른 금속/세라믹 복합체는 상기 마이크로파가 5분 동안 조사되어 제조된 경우, 가장 높은 캐리어 농도, 가장 낮은 정공 이동도, 및 가장 낮은 비저항을 갖는 것을 확인하였다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파 조사 시간에 따른 원소 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체는 상기 주석산화물 나노와이어 표면에 각각 1분(도 7의 (a)), 3분(도 7의 (b)), 5분(도 8의 (a)), 및 8분(도 8의 (b)) 동안 상기 마이크로파를 조사하여 제조되었다. 이에 따라 제조된, 상기 금속/세라믹 복합체의 주석과 산소의 원자 개수 비(atomic percent)는 아래의 <표 2>에 작성되었다.
| Sn : (Sn+O) (atomic %) | O : (Sn+O) (atomic %) | |
| 1분(도 7의 (a)) | 34.70 | 65.30 |
| 3분(도 7의 (b)) | 38.90 | 61.10 |
| 5분(도 8의 (a)) | 52.31 | 47.69 |
| 8분(도 8의 (b)) | 40.81 | 59.19 |
<표 2>에서 알 수 있듯이, 도 1 및 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 마이크로파의 조사 시간이 5분 미만인 경우, 상기 마이크로파의 조사 시간이 증가할수록, 상기 주석 원소 대비 상기 산소 원소의 양이 감소하는 것을 알 수 있다. 반면, 상기 마이크로파의 조사 시간이 5분 초과인 경우, 상기 마이크로파의 조사 시간이 증가할수록, 상기 주석 원소 대비 상기 산소 원소의 양이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 마이크로파의 조사 시간이 5분인 경우, 상기 금속/세라믹 복합체의 표면이 용이하게 환원되는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파의 조사 전과 후의 X-선 회절 패턴(XRD)를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체의 상기 마이크로파의 조사 전과 후의 결정 구조가 확인되었다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 마이크로파의 조사 전인 상기 주석산화물 나노와이어의 결정 구조와, 상기 주석산화물 나노와이어에 상기 마이크로파를 조사하여 제조된 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체의 결정 구조가 실질적으로 동일한 것을 알 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 마이크로파의 조사 전과 후의 투과전자현미경(TEM) 이미지, 고해상도 투과전자현미경 이미지(HRTEM), 및 선택된 영역 전자 회절(SAED) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 도 9를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 주석산화물 나노와이어(도 10), 및 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체(도 11)는 실질적으로 유사한 상기 선택된 영역 전자 회절 이미지를 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 주석산화물 나노와이어(도 10), 및 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체(도 11)는 실질적으로 동일한 구조를 갖는 것을 알 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실험 예 1-1, 및 비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체의 미세구조 이미지를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 쉘로 Sn, 상기 코어로 SnO2, 및 상기 쉘과 상기 코어 사이의 중간부로 SnO2-x(0<x<2)를 갖는 상기 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체의 미세구조가 관찰되었다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 금속/세라믹 복합체의 상기 쉘, 상기 코어, 및 상기 중간부의 면간 거리가 확인되었다. 이에 따라, 상기 쉘은 0.375nm, 상기 코어는 0.334nm, 및 상기 중간부는 0.556nm의 면간 거리를 갖는 것을 알 수 있다.
상기 쉘, 상기 코어, 및 상기 중간부의 면간 거리는 각각 Sn의 (111)면, SnO2의 (110)면, 및 SnO의 (002)면에 대응되는 것을 알 수 있고, 이에 따라, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 표면에서부터 내부로 상기 산소의 농도 구배를 갖는 상기 금속/세라믹 복합체가 제조된 것을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, 도 12를 참조하여 상술된 실험 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체와 달리, 상기 아연산화물 입자에 상기 마이크로파를 조사하여 제조된 비교 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체의 주사전자현미경(SEM) 이미지(도 13의 (a)), 및 투과전자현미경 이미지(도 13의 (b))가 확인되었다.
도 13에 도시된 바와 같이, 도 12를 참조하여 상술된 바와 달리, 상기 아연산화물 입자는 상기 마이크로파의 조사에 의해, 실질적으로 표면 환원이 발생되는 것이 아니라, 입자의 크기가 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로파의 조사 전, 상기 아연산화물 입자(primary ZnO)에 비하여, 상기 마이크로파의 조사 후에는 입자의 크기가 더 작은 상기 아연산화물 입자(Secondary ZnO)가 형성되는 것을 확인하였다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 금속/세라믹 복합체의 온도에 따른 초기 저항(initial resistance)을 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 주석산화물 박막, 및 상기 주석산화물 박막에 상기 마이크로파를 조사하여 제조된 실험 예 1-3에 따른 금속/세라믹 복합체의 50 내지 250℃의 온도 범위에서 온도에 따른 초기 저항이 측정되었다.
도 14에 도시된 상기 주석산화물 박막은, 도 15에 도시된 상기 금속/세라믹 복합체보다 50 내지 250℃의 온도 범위에서 높은 초기 저항을 나타내는 것을 확인하였다.
구체적으로, 도 14에 도시된 상기 주석산화물 박막은 200℃이상의 온도 범위에서 약 5000Ω 이하의 초기 저항을 갖는 것을 확인하였고, 도 15에 도시된 상기 금속/세라믹 복합체는 150℃의 온도에서 약 100Ω이하의 초기 저항을 갖는 것을 확인하였다.
실험 예 2-1에 따른 가스센서의 제조
기판 상에 티타늄 50nm를 증착하여 버퍼층을 형성하였다.
상기 버퍼층 상에 실크 스크린 방법으로 금을 도포하여 서로 이격되어 배치된 제1 전극, 및 제2 전극을 제조하였다.
상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극 상에 실험 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체를 형성하여 실험 예 2-1에 따른 가스센서를 제조하였다.
실험 예 2-2에 따른 가스센서의 제조
실험 예 2-1에 따른 가스센서와 동일한 방법으로 제조하되, 실험 예 1-1에 따른 금속/세라믹 복합체 대신 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체를 이용하여, 실험 예 2-3에 따른 가스센서를 제조하였다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 마이크로파의 조사 시간에 따라 생성된 쉘의 두께, 및 센서감응도를 나타내는 도면이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 마이크로파를 0분, 1분, 3분, 5분, 및 7분 동안 조사하여 제조된 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체가 제조되었고, 상술된 바에 따라 제조된 상기 금속/세라믹 복합체를 각각 도 5를 참조하여 상술된 바와 같이 제조하여, 본 발명의 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-2에 따른 가스센서가 제조되었다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 마이크로파의 조사 시간이 5분 미만으로 제조된 상기 금속/세라믹 복합체를 포함하는 상기 가스센서는 상기 마이크로파의 조사 시간이 증가할수록, 상기 쉘의 두께(reducted thickness), 및 상기 센서감응도가 증가하는 것을 알 수 있다. 반면, 상기 마이크로파의 조사 시간이 5분 초과인 경우, 상기 마이크로파의 조사 시간이 증가할수록, 상기 쉘의 두께(reducted thickness), 및 상기 센서감응도가 감소하는 것을 확인하였다.
따라서, 상기 마이크로파의 조사시간이 3분 초과 7분 미만인 경우, 제조된 상기 금속/세라믹 복합체의 상기 쉘의 두께(reducted thickness)가 최대값을 나타낼 수 있고, 이에 따라, 상기 금속/세라믹 복합체를 포함하는 상기 가스센서의 가스감응도가 향상되는 것을 확인하였다.
또한, 상기 금속/세라믹 복합체의 형태가 입자인 보다 나노와이어인 경우에, 상기 가스센서의 가스감응도가 더 높은 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 동작 온도에 따른 가스감응도를 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 5분 동안 상기 마이크로파를 조사하여 제조된 실험 예 1-2에 따른 금속/세라믹 복합체를 포함하는 실험 예 2-2에 따른 가스센서의 동작 온도에 따른 가스감응도가 확인되었다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 가스센서의 동작 온도가 50℃ 내지 250℃ 범위에 대하여, 상기 가스센서는 150℃에서 가장 높은 가스 감응도를 나타내는 것을 확인하였다.
도 19는 마이크로파 조사 시간에 따라 제조된 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 가스감응도를 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 0 내지 8분 동안 상기 마이크로파가 조사되어 제조된 상기 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실험 예 2-2에 따른 가스센서가 제조되었다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 상술된 바와 같이, 5분 동안 상기 마이크로파가 조사되어 제조된 상기 금속/세라믹 복합체를 포함하는 상기 가스센서의 가스감응도가 가장 높은 것을 알 수 있다.
도 20 및 도 21은 마이크로파 조사 시간에 따라 제조된 금속/세라믹 복합체를 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 반응 시간(response time), 및 회복 시간(recovery time)를 나타내는 도면이다.
도 20 내지 도 21을 참조하면, 도 19를 참조하여 상술된 실험 예 2-2에 따른 상기 가스센서를 이용하여, 상기 마이크로파의 조사 시간에 따른 상기 가스센서의 반응 시간, 및 회복 시간이 조사되었다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 상술된 바와 같이, 5분 동안 상기 마이크로파가 조사되어 제조된 상기 금속/세라믹 복합체를 포함하는 상기 가스센서에서 가장 빠른 반응 시간, 및 회복 시간을 나타내는 것을 확인하였다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서의 가스민감도를 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 실시 예 2-2에 따른 가스센서의 이산화질소(NO2), 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone), 벤젠(benzene), 자일렌(xylene), 황화수소(H2S), 암모니아(NH3), 및 이산화황(SO2) 가스에 대한 가스민감도가 아래의 <표 3>에 작성되었다.
| 가스 민감도(Ra/Rg 또는 Rg/Ra) | |
| 이산화질소(NO2) | 22.8 |
| 에탄올(ethanol) | 1.01 |
| 아세톤(acetone) | 1.08 |
| 벤젠(benzene) | 1.16 |
| 자일렌(xylene) | 1.08 |
| 황화수소(H2S) | 1.04 |
| 암모니아(NH3) | 1.02 |
| 이산화황(SO2) | 113 |
<표 n> 및 도 22에서 알 수 있듯이, 실험 예 2-2에 따른 가스센서는 상기 이산화질소에 대한 민감도가 가장 높은 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 금속 산화물
120: 금속/세라믹 복합체
120c: 코어
120m: 중간부
120s: 쉘
210: 기판
220: 제1 전극
230: 가스감지층
240: 제2 전극
120: 금속/세라믹 복합체
120c: 코어
120m: 중간부
120s: 쉘
210: 기판
220: 제1 전극
230: 가스감지층
240: 제2 전극
Claims (13)
- 주석 산화물을 준비하는 단계; 및
비활성 가스 분위기에서 상기 주석 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하여, 상기 주석 산화물의 표면을 환원시켜, 표면부터 내부를 향한 산소 농도 구배로 표면에서 내부로 연속적인 밴드갭을 갖는 금속/세라믹 복합체를 제조하는 단계를 포함하되,
상기 금속 산화물의 표면에 마이크로파를 조사하는 단계는, 3분 초과 7분 미만의 시간동안 수행되는 것을 포함하고,
상기 주석 산화물은, 나노와이어의 형태를 갖는 것을 포함하며,
상기 주석 산화물을 준비하는 단계는,
실리콘 웨이퍼, 및 주석 분말을 로(furnace) 내부에 장입하는 단계; 및
산소 가스 분위기 하에서 상기 주석 분말을 열처리하여, 상기 실리콘 웨이퍼상에서 상기 주석 분말, 및 상기 산소 가스로부터 상기 주석 산화물을 형성하는 단계를 포함하는 금속/세라믹 복합체의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 주석 산화물은, 박막의 형태를 갖는 것을 포함하고,
상기 주석 산화물을 준비하는 단계는,
주석 전구체, 및 산소 전구체를 이용하여 원자층 증착 공정으로 실리콘 기판 상에 상기 주석 산화물을 제조하는 단계를 포함하는 금속/세라믹 복합체의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,
상기 주석 전구체는, 테트라키스-디메틸아미노 주석(TDMASn)인 것을 포함하고,
상기 산소 전구체는, 물(H2O)인 것을 포함하는 금속/세라믹 복합체의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 비활성 가스는, 질소 가스 또는 아르곤 가스 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 금속/세라믹 복합체의 제조 방법.
- 주석 산화물을 포함하는 코어;
상기 코어의 표면을 덮는 중간부; 및
상기 중간부의 표면을 덮고, 주석을 포함하는 쉘을 포함하되,
상기 중간부는, 상기 코어의 표면, 및 상기 쉘의 표면과 직접적으로 맞닿고,
상기 코어로부터 상기 쉘까지 연속적인 산소 농도의 구배를 갖는 것을 포함하고,
상기 코어, 상기 중간부, 및 상기 쉘은, 결정 구조가 동일한 것을 포함하며,
상기 주석 산화물은 나노와이어 형태를 갖는 것을 포함하는 금속/세라믹 복합체.
- 제7 항에 있어서,
상기 중간부는, 상기 코어로부터 상기 쉘까지 연속적인 밴드갭을 갖는 것을 포함하는 금속/세라믹 복합체.
- 제7 항에 있어서,
상기 코어는, SnO2로 형성되고,
상기 쉘은, Sn으로 형성되고,
상기 중간부는, SnO2-x로 형성되되,
상기 x는, 0 초과 2 미만의 값을 갖고, 상기 코어로부터 상기 쉘까지 연속적으로 증가하는 것을 포함하는 금속/세라믹 복합체.
- 삭제
- 제1 전극;
제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 가스감지층을 포함하되,
상기 가스감지층은, 제7 항에 따른 금속/세라믹 복합체를 포함하는 가스센서.
- 제11 항에 있어서,
0℃ 내지 250℃의 온도 범위에 대해서, 100℃ 초과 200℃ 미만의 온도 범위에서 높은 가스감응성을 나타내는 것을 포함하는 가스센서.
- 제11 항에 있어서,
상기 금속/세라믹 복합체는, 이산화질소를 검출하는 것을 포함하는 가스센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190095895A KR102352913B1 (ko) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190095895A KR102352913B1 (ko) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210017139A KR20210017139A (ko) | 2021-02-17 |
| KR102352913B1 true KR102352913B1 (ko) | 2022-01-19 |
Family
ID=74732329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190095895A KR102352913B1 (ko) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | 가스센서용 금속/세라믹 복합체 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102352913B1 (ko) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR101671405B1 (ko) * | 2014-07-28 | 2016-11-02 | 전북대학교산학협력단 | 반도체 가스센서용 금속/반도체 코어-쉘구조의 나노입자 혼합형 가스감지물질 및 이를 이용한 반도체 가스센서 |
| KR101767886B1 (ko) * | 2015-07-31 | 2017-08-14 | 한양대학교 에리카산학협력단 | 세라믹/금속 적층형 가스센서 및 그 제조방법 |
| KR102136929B1 (ko) * | 2017-08-03 | 2020-07-23 | 한양대학교 산학협력단 | 가스 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 가스 센서 |
-
2019
- 2019-08-07 KR KR1020190095895A patent/KR102352913B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A. Mirzaei and G. Neri. Microwave-assisted synthesis of metal oxide nanostructures for gas sensing application. Sensors and Actuators B 237 (2016) pp749-775.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210017139A (ko) | 2021-02-17 |
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