KR102468714B1 - 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서는, 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부를 갖는 홈을 구비하는 기판; 상기 상부 표면 상에 배치되되, 상기 홈의 개구부 중 일부를 커버하고 상기일부를 제외한 나머지 부분은 커버하지 않는 제 1 절연층; 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 나노 구조물; 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분 및 상기 홈의 바닥면 중에서 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착되는 제 1 도전체; 상기 제 1 도전체의 일부, 상기 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연 층의 일부 및 상기 기판의 홈에 증착되는 제 2 절연층; 상기 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 형성된 제 2 도전체; 상기 나노 구조물 상면에 증착되는 제 1 도전체와 제 2 절연층의 양측 각각과 접하는 제 1 전극; 및 상기 제 2 절연층의 일부와 상기 제 2 도전체의 양측 각각과 접하는 제 2 전극을 포함하되, 상기 제 1 도전체는 상기 제 2 도전체와 서로 절연될 수 있다.

Description

공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 및 그 제조 방법{ULTRA-LOW POWER GAS SENSOR BASED ON SUSPENDED NANO STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 감지 물질과 감지 방법을 중심으로 다양한 유형의 가스 센서가 개발되는 실정이며, 그 중에서도 반도체성 금속산화물(metal oxide) 나노 물질은 높은 감도, 소형화, 낮은 가격 등의 장점으로 각광을 받고 있다.
또한, 최근 센서 시장에서는 사물인터넷(IoT) 기반 스마트 센서에 대한 수요가 증가하고 있고, 이에 지속적이고 유기적인 모니터링 및 관리에 요구되는 소형화, 저전력 소비, 지속성, 저비용 및 대량 생산 가능성에 대한 수요가 따라 증가하고 있다.
금속산화물 (ZnO, SnO2, In2O3 등)은 고온 (250~600℃)에서 작동하여 높은 소모전력을 필요로 하는데, 현재 상용화되어 있는 금속산화물 기반 가스 센서는 평균적으로 0.3-1W의 높은 소모전력을 요구하며, 이는 AA의 배터리(2000mAh)로 최대 5시간 동안만 동작이 가능하고, 외부로의 높은 열 손실로 센서 소자의 지속가능성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 금속산화물 기반 가스 센서의 전력 소비를 줄이기 위해 히터 및 센서 시스템의 소형화와 공중부유형 나노 구조를 이용한 효과적인 열 효율 향상에 대한 연구가 지속되고 있다.
한국등록특허공보, 10-1027074호 (2011.03.29. 등록)
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 이러한 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 및 그 제조 방법을 통해 현재 상용화 된 가스 센서에 비해 성능 또는 가격 측면에서 경쟁력 있는 가스센서를 제공할 수 있는 것 등이 본 발명의 해결하고자 하는 과제에 포함될 수 있다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서는, 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부를 갖는 홈을 구비하는 기판; 상기 상부 표면 상에 배치되되, 상기 홈의 개구부 중 일부를 커버하고 상기일부를 제외한 나머지 부분은 커버하지 않는 제 1 절연층; 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 나노 구조물; 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분 및 상기 홈의 바닥면 중에서 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착되는 제 1 도전체; 상기 제 1 도전체의 일부, 상기 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연 층의 일부 및 상기 기판의 홈에 증착되는 제 2 절연층; 상기 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 형성된 제 2 도전체; 상기 나노 구조물 상면에 증착되는 제 1 도전체와 제 2 절연층의 양측 각각과 접하는 제 1 전극; 및 상기 제 2 절연층의 일부와 상기 제 2 도전체의 양측 각각과 접하는 제 2 전극을 포함하되, 상기 제 1 도전체는 상기 제 2 도전체와 서로 절연될 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체 및 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체는, 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착된 제 1 도전체와 서로 절연될 수 있다.
또한, 상기 제 1 절연층과 상기 제 2 절연층을 구성하는 물질은 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 제 1 도전체, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은, 금(Au)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 도전체는, 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 홈의 개구부 중 상기 나머지 부분의 넓이는, 상기 홈의 바닥면의 넓이보다 좁을 수 있다.
또한, 상기 제 1 절연층이 커버하는 상기 홈의 개구부 중 일부는, 상기 홈의 개구부의 가장자리일 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물은, 상기 제 1 절연층 상에 배치되는 기둥부; 및 상기 기둥부에 의해 지지되며 상기 홈의 개구부를 가로지르도록 배치되는 나노 와이어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물은 상기 기둥부를 2개 포함하고, 상기 나노 와이어의 양단은, 상기 2개의 기둥부 각각에 의해서 지지될 수 있다.
일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법은, 제 1 절연층이 형성되어 있는 기판의 상부 표면 상에, 소정의 개구부를 갖는 홈을 요입 형성하는 단계; 상기 제 1 절연층 상에 나노 구조물을 형성하는 단계; 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분 및 상기 홈의 바닥면 중에서 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 제 1 도전체를 증착하는 단계; 상기 제 1 도전체의 일부, 상기 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연 층의 일부 및 상기 기판의 홈에 제 2 절연층을 증착하는 단계; 상기 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 제 2 도전체를 증착하는 단계; 상기 나노 구조물 상면에 증착되는 제 1 도전체와 제 2 절연층의 양측 각각과 접하는 제 1 전극영역을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 절연층의 일부와 상기 제 2 도전체의 양측 각각과 접하는 제 2 전극영역을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제 1 도전체는 상기 제 2 도전체와 서로 절연될 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체 및 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체는, 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착된 제 1 도전체와 서로 절연될 수 있다.
또한, 상기 제 1 절연층과 상기 제 2 절연층을 구성하는 물질을 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 제 1 도전체, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은, 금(Au)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 도전체는, 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 홈의 개구부 중 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 부분의 넓이는, 상기 홈의 바닥면의 넓이보다 좁을 수 있다.
또한, 상기 제 1 절연층이 커버하는 상기 홈의 개구부 중 일부는, 상기 홈의 개구부의 가장자리일 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물을 형성하는 단계는, 상기 제 1 절연층 상에 기둥부를 형성하는 단계; 및 상기 기둥부에 의해 지지되며 상기 홈의 개구부를 가로지르도록 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노 구조물을 형성하는 단계는, 상기 제 1 절연층 상에 상기 기둥부를 2개 형성하고, 상기 나노 와이어 양단은, 상기 2개의 기둥부 각각에 의해서 지지될 수 있다.
일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물기반 초 저전력 가스센서에서 나노 구조물의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체 및 제 1 절연층의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체는 기판의 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부를 갖는 홈의 바닥면에 증착된 제 1 도전체가 서로 전기적 절연을 이루기 때문에 나노 구조물 상부에 증착된 제 1 도전체를 이용하여 히터로 사용할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물기반 초 저전력 가스센서는 제 1 도전체의 일부, 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 나노 구조물의 표면 중 일부, 제 1 절연 층의 일부 및 기판의 홈에 제 2 절연층이 증착되고, 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 증착된 제 2 도전체를 이용하여 가스 센서로 사용할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서는 종래의 기판부착형 또는 마이크로 사이즈의 히터와는 다른 공중부유형 나노 구조물을 이용하여 히터를 활용할 수 있기 때문에 초 저전력으로 구동이 가능하며, 제 2 도전체(본 발명에서는 금속 산화물 나노와이어가 사용됨)가 코팅된 공중부유형 나노 구조물 개발을 통해 다양한 응용 분야에 사용 가능하다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서의 히터는 초소형 저전력 구동이 필요한 IoT에 응용될 수 있는 다양한 센서(가스 센서, 바이오센서, 온도 센서, 유량 센서 등)로 응용이 가능한 센서 플랫폼으로의 활용 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서의 입체도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서 제조 방법에 관한 구성도이다.
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서 제조 방법을 도시한 일 공정도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 기판을 등방식각하는 것을 설명하기 위한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서에서 나노 와이어의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서에서 나노 와이어의 단면도를 설명하기 위한 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서의 성능을 확인하기 위한 실험을 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서를 사용하였을 때의 성능과 종래의 기판형 외부열원을 사용하였을 때의 성능을 비교한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)의 단면도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)의 입체도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 기판(110), 제 1 절연층(120), 나노 구조물(130), 제 1 도전체(140), 제 2 절연층(150), 제 2 도전체(160), 제 1 전극(170) 및 제 2 전극 (180)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(110)은 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부(110-1)를 갖는 홈(115)을 구비할 수 있다.
기판(110)은 후술할 나노 구조물(130)(기둥부 및 나노와이어 포함)을 물리적으로 지지하는 지지체의 역할을 수행할 수 있다. 나아가, 기판(110)의 상부에는 후술할 나노 구조물(130)을 통해 검출되는 전류 또는 전압에 영향을 미치지 않도록 적어도 그 표면에 후술할 제 1 절연층(또는 절연막)(120)이 구비될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 사파이어, quartz 기판과 같이 등방성 식각이 가능한 절연기판일 수 있다.
보다 상세하게, 기판(110)은 웨이퍼 또는 필름(film)의 형상일 수 있으며, 물성적으로, 기판은 리지드 기판 또는 플렉시블 기판일 수 있다. 결정학적으로, 기판은 단결정체, 다결정체 또는 비정질체이거나, 결정상과 비정질상이 혼재된 혼합상일 수 있다. 기판이 둘 이상의 층이 적층된 적층기판일 경우, 각 층은 서로 독립적으로 단결정체, 다결정체, 비정질체 또는 혼합상일 수 있다.
물질적으로, 기판(110)은 반도체를 포함하는 무기 기판일 수 있다. 이러한 기판(110)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 또는 실리콘게르마늄(SiGe)을 포함하는 4족 반도체; 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 또는 갈륨인(GaP)을 포함하는 3-5족 반도체; 황화카드뮴(CdS) 또는 텔루르화아연(ZnTe)을 포함하는 2-6족 반도체; 황화납(PbS)을 포함하는 4-6족 반도체; 또는 이들에서 선택된 둘 이상의 물질이 각 층을 이루며 적층된 적층기판을 들 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 기판(110)은 그 표면에 후술할 제 1 절연층(120)이 구비될 수 있다.
제 1 절연층(120)은 상기 기판(110)의 상부 표면 상에 배치되되, 상기 기판(110)의 홈(115)의 개구부(110-1) 중 일부(110-2)만을 커버하고, 상기 일부를 제외한 나머지 부분(110-3)은 커버하지 않을 수 있다.
여기서, 제 1 절연층(120)이 커버하지 않는 상기 나머지 부분(110-3)은, 기판(110)의 홈(115)의 바닥면(110-4)의 넓이보다 좁을 수 있으며, 제 1 절연층(120)이 커버하는 기판(110)의 홈(115)의 개구부(110-1) 중 일부(110-2)는 개구부(110-1)의 가장자리일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
나노 구조물(130)은 제 1 절연층(120) 상에 배치될 수 있으며, 복수 개의 기둥부(130-1, 130-2) 및 나노 와이어(130-3)를 포함할 수 있으며, 나노 구조물(130)은 탄소(C, Carbon)로 구성될 수 있다.
복수 개의 기둥부(130-1, 130-2)는 제 1 기둥부(130-1) 및 제 2 기둥부(130-2)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 기둥부(130-1, 130-2)는 각각 적어도 2개의 슬로프면(또는 경사진 면)을 가질 수 있다.
나노 와이어(130-3)는 복수 개의 기둥부(130-1, 130-2) 각각에 의해 지지되며, 기판(110)의 홈(115)의 개구부(110-1)를 가로지르도록 배치될 수 있으며, 나노 와이어(130-3)의 양단은 복수 개의 기둥부(130-1, 130-2) 각각에 의해서 지지될 수 있다.
한편, 일 예로서, 나노 와이어(130-3)의 너비는 300 nm, 두께는 400 nm일 수 있다.
제 1 도전체(140)는 나노 구조물(130)의 표면 중 일부(140-1, 140-2), 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분(140-4) 및 기판(110)의 홈(115)의 바닥면(110-4) 중에서 제 1 절연층(120)이 커버하지 않는 개구부(110-1)에 수직 대향하는 부분(140-3)에 증착될 수 있다.
여기서, 나노 구조물(130)의 표면 중 일부에 증착되는 제 1 도전체(140-1, 140-2)는 나노 구조물(130)의 상부에 제 1 도전체(140-1)가 증착되고, 복수 개의 기둥부(130-1, 130-2) 각각에서 기판(110)의 개구부(110-1)를 향하는 방향의 슬로프면에 제 1 도전체(140-2)가 증착될 수 있다.
또한, 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분에 증착되는 제 1 도전체(140-4)는 제 1 기둥부(130-1) 및 제 2 기둥부(130-2) 사이에서, 나노 와이어(130-3)에 수직 대향하는 부분에 제 1 도전체(140-4)가 증착될 수 있다.
한편, 나노 구조물(130)의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체(140-1, 140-2) 및 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체(140-4)는, 기판(110)의 홈(115)의 바닥면 중에서 제 1 절연층(120)이 커버하지 않는 개구부(110-1)에 수직 대향하는 부분에 증착된 제 1 도전체(140-3)와 서로 절연되어 있을 수 있다.
이러한, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)는 전도성 물질로서 금(Au)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)를 이용하여 히터(또는 나노 히터)로 사용할 수 있다.
제 2 절연층(150)은 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)의 일부, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)가 증착되어 있지 않은 나노 구조물의 표면 중 일부, 제 1 절연층(120)의 일부 및 기판(110)의 홈(115)에 증착될 수 있다.
여기서, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)의 일부에 증착된 제 2 절연층(150)은 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)의 일부, 나노 구조물(130)의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체(140-2)의 표면, 기판(110)의 홈(115)의 바닥면 중에서 제 1 절연층(120)이 커버하지 않는 개구부(110-1)에 수직 대향하는 부분에 증착된 제 1 도전체(140-3)의 표면, 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체(140-4)의 표면에 증착될 수 있다.
이때, 일 예에 따른 제 1 절연층(120) 및 제 2 절연층(150)은 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition), 또는 스퍼터링 (sputtering) 및 플라즈마 화학 기상 증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 증착법 등 통상적으로 사용되는 방법을 통해 형성될 수 있다. 제 1 절연층(120)의 경우, 열산화를 사용하여 형성할 수도 있다. 비 한정적인 일 구체예로, 제 1 절연층(120) 및 제 2 절연층(150)은 실리콘 산화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 바륨-타이타늄 복합산화물, 이트륨 산화물, 텅스텐 산화물, 탄탈륨 산화물, 아연 산화물, 타이타늄 산화물, 주석 산화물, 바륨-지르코늄 복합산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 옥시나이트라이드, 지르코늄 실리케이트, 하프늄 실리케이트, 하프늄 옥사이드 이들의 혼합물(mixture) 또는 이들의 복합물(composite) 등일 수 있다.
한편, 제 1 절연층(120)과 제 2 절연층(150)을 구성하는 물질은 서로 상이할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제 2 도전체(160)는 나노 구조물(130)상에 증착되어 있는 제 2 절연층(150)의 표면 중 일부에 증착될 수 있다.
한편, 제 2 도전체(160)는 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체(140-4)의 표면에 증착된 제 2 절연층(150)의 표면 및 상기 제 1 절연층(120)에 증착된 제 2 절연층(150)의 표면에도 증착되어 있을 수도 있다.
일 예로서, 제 2 도전체(160)는 전도성 물질 또는 금속산화물 센서 물질로서 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 2 도전체(160)는 나노 와이어(130-3) 상에 증착되어 있는 제 2 절연층(150)의 표면에 증착된 씨앗층(163)과 씨앗층(163)위로 성장하는 나노 와이어(165)를 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 나노 구조물(130)상에 증착되어 있는 제 2 절연층(150)의 표면 중 일부에 증착되는 제 2 도전체(160)를 이용하여 가스 센서로 사용할 수 있다.
더 나아가, 제 2 도전체(160)는 제 2 절연층(150)으로 인하여 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)와 서로 절연되어 있을 수 있다.
제 1 전극(170)은 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)의 전원 연결을 위한 영역으로써, 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체 (140-1)와 제 2 절연층(150)의 양측 각각과 접할 수 있다.
즉, 제 1 전극(170)에 전원을 연결할 경우, 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)에 전류가 흐르면서, 제 1 도전체(140-1)를 히터로 사용할 수 있다.
이때, 제 1 전극에는 직류 전압원이 연결되어 있을 수 있으나, 이는 일 실시예일뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
제 2 전극(180)은 제 2 도전체(160)의 전원 연결을 위한 영역으로써, 제 2 절연층(150)의 일부와 제 2 도전체(160)의 양측 각각과 접할 수 있으며, 일 예로서, 제 2 전극(180)은 제 2 도전체(160)의 양측 각각의 소정의 영역과도 접할 수도 있다.
즉, 제 2 전극(180)에 전원을 연결할 경우, 나노 구조물(130)상에 증착되어 있는 제 2 절연층(150)의 표면 중 일부에 증착되는 제 2 도전체(160)에 전류가 흐르면서, 제 2 도전체(160)를 가스 센서로 사용할 수 있다.
이때, 제 2 전극(180)에는 직류 전압원 및 제 2 도전체(160)의 감지물질(예를 들어, 산화아연(ZnO))의 저항변화 측정을 위한 전류계가 연결되어 있을 수 있으나, 이는 일 실시예일뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로서, 제 1 전극(170) 및 제 2 전극(180)은 전도성 물질 또는 금속산화물 센서 물질로서 금(Au)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 제 1 전극(170)에 전원을 연결하여 전압을 가하게 되면, 줄 가열(Joule heating)이 발생하게 되면서, 제 2 도전체(160)가 가열될 수 있으며, 가스 반응에 필요한 활성화 에너지를 공급하게 되기 때문에, 종래의 기판형 외부열원과 같이 높은 소모 전력을 사용할 필요 없이 적은 전력(예를 들어, 1.8 mW)으로 장시간 가스를 감지할 수 있는 효과를 지니고 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100) 제조 방법에 관한 구성도이다. 또한, 이러한 공정은 사람 또는 제조장치에 의해 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면, 먼저 제 1 절연층(120)이 형성되어 있는 기판(110)의 상부 표면 상에 소정의 개구부(110-1)를 갖는 홈(115)을 요입 형성할 수 있다(단계 S100).
이후, 제 1 절연층(120) 상에 나노 구조물(130)을 형성할 수 있다(단계 S200).
이후, 나노 구조물(130)의 표면 중 일부, 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분 및 기판(100)의 홈(115)의 바닥면 중에서 제 1 절연층(120)이 커버하지 않는 개구부(110-1)에 수직 대향하는 부분에 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)를 증착할 수 있다(단계 S300).
이후, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)의 일부, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)가 증착되어 있지 않은 나노 구조물(130)의 표면 중 일부, 제 1 절연층(120)의 일부 및 기판(110)의 홈(115)에 제 2 절연층(150)을 증착할 수 있다(단계 S400).
이후, 나노 구조물(130)상에 증착되어 있는 제 2 절연층(150)의 표면 중 일부에 제 2 도전체(160)를 증착할 수 있다(단계 S500).
이후, 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)와 제 2 절연층(150)의 양측 각각과 접하는 제 1 전극영역(170)을 형성할 수 있다(단계 S600).
한편, 단계 S400을 수행한 후, 단계 S500을 수행하기 전 나노 구조물(130) 상에 증착되어 있는 제 1 도전체(140-1)의 일부에 증착된 제 2 절연층(150)의 일부 영역을 식각할 수 있으며, 이때 식각된 영역은 나노 구조물(130)의 기둥부 (130-1, 130-2)의 상단부일 수 있다. 또한, 단계 S600에서는 상기 식각된 영역에 제 1 전극 영역(170)을 형성할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
이후, 제 2 절연층(150)의 일부와 제 2 도전체(160)의 양측 각각과 접하는 제 2 전극영역(180)을 형성할 수 있다(단계 S700).
이때, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)는 제 2 도전체(160)와 서로 절연될 수 있고, 나노 구조물(130)의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체(140-1, 140-2) 및 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체(140-4)는, 기판(100)의 홈(115)의 바닥면 중에서 제 1 절연층(120)이 커버하지 않는 개구부(110-1)에 수직 대향하는 부분에 증착된 도전체(140-3)와 서로 절연되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 상세하게, 일 실시예 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100) 제조 방법을 도 4 및 도 5를 통해 설명하도록 한다. 도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 나노 구조물 기반 가스센서(100) 제조 방법을 도시한 일 공정도이다. 또한, 이러한 공정은 사람 또는 제조장치에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 1) 기판(110)을 마련하고, 2) 기판(110)을 산화시켜 제 1 절연층(120)을 형성할 수 있다.
이때, 기판(110)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있으며, 제 1 절연층(120)은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다.
이후, 3) 제 1 절연층(120) 상부에 제 1 포토레지스트를 코팅(예를 들어, 스핀 코팅(spin coating))하고, 4), 5) 제 1 포토 마스크를 이용하여 UV 노광을 수행함에 따라, 소정의 중심 영역의 제 1 포토레지스트를 제거할 수 있다.
여기서, 제 1 포토레지스트는 네거티브 포토레지스트일 수 있다.
6) BOE(Buffered oxide etchant) 에칭을 수행하여 소정의 중심 영역에 위치한 제 1 절연층을 제거하고, 7) 소정의 중심영역을 제외한 영역에 코팅되어 있는 제 1 포토레지스트를 제거하고, 적어도 하나 이상의 가스를 이용하여 기판(110)을 식각할 수 있다.
즉, 6) 및 7) 단계를 통해 제 1 절연층(120, 실리콘 산화막(SiO2))과 기판(110, 실리콘(Si))을 각각 등방식각할 수 있다. 7) 단계에서 기판(110)을 식각하는 속도가 제 1 절연층(120)을 식각하는 속도보다 상대적으로 매우 빠르면 개구부(110-1) 가장자리의 제 1 절연층(120) 하단으로 기판 식각이 이루어질 수 있다.
보다 상세하게, 도 6을 참조하면, 7) 단계에서, 제 1 절연층(120, SiO2) 하단으로 기판(110, Si)의 등방성 식각이 이루어지며, 등방성 식각이 이루어진 기판(110, 실리콘(Si))의 옆면이 곡선으로 이루어져 있는 것을 확인할 수 있다.
이때, 7) 단계에서 기판(110)을 식각하는데 사용되는 가스는 육플루오린화 황(SF6) 및 옥타플루오로사이클로뷰테인(C4F8) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 4를 참조하여, 8) 제 2 포토레지스트를 코팅(예를 들어, SU-8 네거티브 포토레지스트를 스핀 코팅(spin coating))할 수 있다. 이때, 제 2 포토레지스트는 기판(110)이 식각된 부분까지 제 2 포토레지스트가 코팅될 수 있다.
한편, 8) 단계에서 사용되는 제 2 포토레지스트는 SU-8 포토레지스트로서, 제 1 포토레지스트와 동일한 네거티브 포토레지스트이지만, 열분해를 통하여 카본의 변성되는 폴리머 구조, 즉 나노 구조물을 생성하기 위해서만 사용할 수 있다.
그 다음, 9) 제 2 포토 마스크를 이용하여 UV 노광을 수행하고(포토레지스트 상단부에서 기판까지 polymer의 cross-linking이 이루어지도록 할 수 있음), 10) 제 3 포토 마스크를 이용하여 UV노광을 수행함에 따라 제 1 절연층(120)에 배치된 2개의 기둥부(포토레지스트 기둥부일 수 있음)와, 2개의 기둥부를 지지하는 와이어(포토레지스트와이어일 수 있음)가 생성될 수 있으며(이때, 기판까지 cross-linking이 일어나지 않도록 노광에너지를 조절할 수 있음), 이후 11) UV에 노출되지 않은 제 2 포토레지스트를 제거하고, 12) 열분해(pyrolysis: 산화가 발생하지 않는 분위기에서 폴리머를 가열하여 폴리머를 탄소로 변환하는 공정일 수 있음)를 수행함에 따라 탄소전극들과 탄소와이어를 포함하는 나노 구조물(130)이 형성될 수 있다.
보다 상세히, 12)단계에서 열분해를 수행하는 과정에서 최대 90%의 부피 감소가 발생하기 때문에 마이크로미터 사이즈의 지름을 가지는 포토레지스트 와이어가 탄소화가 되어 나노미터 사이즈의 지름을 가지는 나노 구조물(130)(또는 탄소 나노와이어)로 변환될 수 있으며 이때 나노 구조물(130)은 직경이 수십 nm ~ 수백 nm이고, 길이가 수 ~ 수백 ㎛, 그리고 기판과 와이어의 간격이 1 ~ 수십 ㎛가 될 수 있으며, 예를 들어, 나노 구조물(130)의 직경은 250 ~ 400nm, 길이는 130 ~ 170㎛를 가진 것일 수 있다.
이때, 열분해는 진공 상태나 불활성 가스 환경에서 기 설정된 온도로 수행될 수 있으며, 열분해 온도에 따라 나노 구조물(130)의 탄소의 전기 전도도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(130)은 열분해 온도를 낮게 유지할 경우, 금속과 비교하였을 때 금속에 비해 매우 낮은 전기 전도도를 가질 수 있으며, 나노 구조물(130)은 열분해 온도에 따라 절연체와 같은 수준에서 흑연보다 높은 전도도까지 조절될 수 있다.
이때, 나노 구조물(130)은 탄소로 구성될 수 있으며, 2개의 탄소기둥과 2개의 탄소기둥을 지지하는 탄소 나노와이어를 포함하며, 이때 탄소 나노와이어는 공중부유 형태로 형성될 수 있다.
이러한 나노 구조물(130)은 도체 또는 부도체로서 형성될 수 있으며, 나노 구조물(130)이 부도체로서 형성될 경우에는 나노 구조물(130)위에 도전체가 증착되게 되면 도전체가 나노 전극체로서 작용하게 될 수 있다.
이후 13) 제 3 포토레지스터를 코팅(예를 들어, 스핀 코팅(spin coating))할 수 있고, 14) 제 4 포토마스크를 이용하여 나노 구조물(130)의 탄소 나노와이어(130-3) 부분에 UV 노광을 수행하여 15) 나노 구조물(130)의 탄소 나노와이어(130-3) 부분의 제 3 포토레지스트를 제거할 수 있다.
여기서, 제 3 포토레지스트는 네거티브 포토레지스트일 수 있다.
나노 구조물(130)의 탄소 나노와이어(130-3) 부분의 제 3 포토레지스트를 제거한 후, 16) 전자빔 증착(E-beam evaporation)을 이용하여 나노 구조물(130)의 표면 중 일부, 제 1 절연층(120)의 상면의 일부분 및 기판(110)의 식각된 부분의 바닥면에 제 1 도전체(140-3)를 증착하고, 17) 남아 있는 제 3 포토레지스터를 제거할 수 있다.
예를 들어, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)는 금(Au)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 도전체는 전기 전도도가 높은 물질을 포함할 수 있다. 또한 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)를 증착하는 방법은 전자빔 증착에 한전되지 않고, thermal evaporation, sputtering 등의 도전체를 증착하는 방법이 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 18) 제 2 절연층(150)을 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)의 일부, 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)가 증착되어 있지 않은 나노 구조물(130)의 표면 중 일부, 제 1 절연층(120)의 일부 및 기판(110)의 홈(115)에 증착시킬 수 있다. 여기서, 제 2 절연층(150)은 하프늄 옥사이드(HfO2)일 수 있다.
즉, 18) 단계를 통해 제 2 절연층(150)을 증착함으로써 히터로 사용되는 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)와 나노 구조물(130) 전체에 전기적 절연을 이루도록 할 수 있다.
이후, 19) 제 4 포토레지스트를 코팅(예를 들어, 스핀 코팅(spin coating))할 수 있다. 20), 21) 제 5 포토마스크를 이용하여 UV 노광을 수행함에 따라, 소정의 영역의 제 4 포토레지스트를 제거할 수 있다.
여기서, 제 4 포토레지스트는 네거티브 포토레지스트일 수 있다.
이후, 22) 제 4 포토레지스가 제거된 영역의 제 2 절연층(150, HfO2)을 식각하고, 23) 22)단계의 공정 수행 후, 남아 있는 제 4 포토레지스트를 제거할 수 있다.
보다 구체적으로 22) 단계는 나노 구조물(130) 상에 증착되어 있는 제 1 도전체(140-1)의 일부에 증착된 제 2 절연층(150)의 일부 영역(제 4 포토레지스트가 제거된 영역)을 식각할 수 있으며, 이때 식각된 영역은 나노 구조물(130)의 나노 와이어(130-3)의 양 끝단의 기둥부 (130-1, 130-2)의 상단부일 수 있다.
24) 제 5 포토레지스트(포지티브 포토레지스트)를 코팅(예를 들어, 스핀 코팅(spin coating))하고, 25), 26) 제 6 포토마스크를 이용하여 UV 노광을 수행함에 따라, 소정의 중심영역의 제 5 포토레지스트를 제거할 수 있다.
한편, 24) 단계에서 사용되는 제 5 포토레지스트는 제 1 포토레지스트 내지 제 4 포토레지스트와 같이 네거티브 포토레지스트가 아닌, 포지티브 포토레지스트를 사용할 수 있다. 이때, 기판까지 포토레지스트가 변성되지 않도록 에너지를 조절할 수 있다.
이후, 27) 전도성 물질 또는 금속산화물 센서 물질로서 산화아연(ZnO)을 포함하는 제 2 도전체의 씨앗층(163)을 증착하고, 28) 27)단계의 공정 수행 후, 남아 있는 제 5 포토레지스트를 제거할 수 있다.
이 경우, 제 2 도전체(160)의 씨앗층을 증착할 때, 제 2 도전체(160)의 씨앗층은 취성(brittle) 물질로서, 기판(110) 표면에 증착이 이루어지지 않는 한, 쉽게 떨어져 나갈 수 있다. 따라서, UV 노광을 수행할 경우, 별도의 UV 노광 에너지의 정밀한 조절을 필요로 하지 않는다.
이때, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)를 이용하여 히터로 사용할 경우, 히터의 온도 분포는 불균일할 수 있는데, 여기서, 제 1 도전체(140-1)의 중심 영역의 온도가 제일 높게 나타나고, 제 1 도전체의 양 끝단으로 갈수록 온도가 감소하는 특징을 보인다. 이는, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 공중 부유형 나노 구조물상에 증착된 제 1 도전체(140-1)를 이용하여 히터로 사용하기 때문에 기판과 탄소 기둥부로의 열 손실이 적게 발생하게 되기 때문이며, 이때 제 1 도전체(140-1)의 크기가 작을수록 제 1 도전체(140-1)의 중심부와 양 끝단의 온도 차이는 크게 나타날 수 있다.
한편, 제 2 도전체의 가스에 대한 반응성은 온도에 따라 달라진다. 따라서, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)에서 제 2 도전체는 비교적 온도가 균일한 부분에 코팅되어야, 재현성 있고 신뢰성 있는 감지 결과를 보일 수 있기 때문에, 제 2 도전체의 씨앗층(163)은 제 1 도전체(140-1) 영역 표면에 증착된 제 2 절연층(150)에서 소정의 중심영역(또는 나노 와이어(130-3)에서의 소정의 중심영역일 수 있음)에 증착될 수 있다.
일 예로서, 제 2 도전체(160)는 제 1 도전체(140-1) 영역 표면에 증착하는 제 2 절연층(150)에서 가열 온도가 균일한 부분(온도편차 10도 이내)에 선택적으로 코팅하기 위하여 전체 나노 와이어(130-3) 길이(예를 들어, 135 ㎛)에서 소정의 부분(예를 들어, 60㎛)에 해당하는 제 2 절연층(150)의 표면에 증착(또는 코팅)할 수 있다.
이후, 29) 일정한 압력과 온도가 유지되는 밀폐된 용기(autoclave)에서 27) 단계에서 증착된 제 2 도전체 씨앗층 상면에 제 2 도전체를 구성하는 나노물질 (일 예로서 나노와이어)를 수열(水熱)법으로 성장시킬 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 29)단계를 통해 수열법으로 성장된 제 2 도전체(160, ZnO)는 금속산화물 씨앗층(163)과 금속산화물 씨앗층 표면에 형성된 금속산화물 나노와이어(165)를 포함할 수 있으며, 금속산화물 나노와이어는 금속산화물 씨앗층의 표면에 방사형태로 성장할 수 있다.
따라서, 제 2 절연층(150)의 두께보다 제 2 도전체(160, ZnO)의 두께가 두꺼울 수 있다. 더 나아가, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)의 단면을 살펴보면, 나노 구조물(130)의 나노 와이어(130-3)에 제 1 도전체(140-1)가 코팅되어 있고, 제 1 도전체(140-1)에 제 2 절연층(150, HfO2)가 코팅되어 있으며, 제 2 절연층(150, HfO2)의 중심 영역에 제 2 도전체(160, ZnO)가 증착되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이후 30) 제 6 포토레지스트를 코팅(예를 들어, 스핀 코팅(spin coating))하고, 31), 32) 제 7 포토마스크를 이용하여 UV 노광을 수행함에 따라, 소정의 영역의 제 6 포토레지스트를 제거할 수 있다.
여기서, 제 6 포토레지스트는 네거티브 포토레지스트일 수 있다.
33) 전자빔 증착(E-beam evaporation)을 이용하여 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1)와 제 2 절연층(150)의 양측 각각과 접하는 영역과, 제 2 절연층(150)의 일부와 제 2 도전체(160)의 양측 각각과 접하는 영역에 제 1 전극영역 및 제 2 전극 영역으로써, 전기 전도도가 높은 물질을 증착할 수 있다. 일 예로서, 전기 전도도가 높은 물질은 금(Au)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 33)단계에서 증착하는 방법은 전자빔 증착에 한전되지 않고, thermal evaporation, sputtering 등의 도전체를 증착하는 방법이 사용될 수 있다.
이후, 34) 33)단계의 공정 수행 후, 남아 있는 제 6 포토레지스트를 제거할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서의 성능을 확인하기 위한 실험을 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 히터로 사용 가능한 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1) 영역에 전압을 인가하면, 제 1 도전체(140-1) 영역이 가열되고, 이에 따라 제 2 도전체(160)의 물질의 저항이 감소하게 될 수 있다.
따라서, 기 산출된 외부 온도에 따른 제 2 도전체 물질의 저항변화 정도 데이터를 통하여, 히터로 사용 가능한 나노 구조물(130) 상면에 증착되는 제 1 도전체(140-1) 영역에 전압을 인가함에 따라, 제 2 도전체(160)의 가열온도 값을 예측할 수 있다.
보다 상세하게, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 나노 구조물(130)의 상부에 증착되는 제 1 도전체(140-1)에 인가되는 전압에 따라 제 2 도전체(160)의 저항 값이 변화되고, 나노 구조물(130)의 상부에 증착된 제 1 도전체(140-1)의 평균 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)를 사용하였을 때의 성능과 종래의 기판형 외부열원을 사용하였을 때의 성능을 비교한 그래프이다.
제 1 도전체에 전압을 인가하여 제 2 도전체를 가열하면, 제 2 도전체가 가스와 반응하여 제 2 도전체의 저항이 변하게 된다. 탐지하려는 가스가 포함되지 않은 순수한 공기 상에서의 제 2 도전체의 저항을 Ra, 탐지하려는 가스에 노출되었을 때의 제 2 도전체의 저항을 Rg라고 할 때, 탐지하려는 가스와 노출하면 제 2 도전체의 저항이 증가할 경우 가스센서의 반응성을 Rg/Ra로 표현할 수 있다.
도 10을 참조하면, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)를 사용하였을 때의 이산화질소 가스 농도에 따른 가스센서의 반응성에 관한 그래프 선은 빨간색 선으로, 종래의 기판형 외부열원을 사용하였을 때의 성능에 관한 그래프 선은 파란색으로 나타나 있다.
이때, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)를 사용하였을 때의 성능과 종래의 기판형 외부열원을 사용하였을 때의 성능은 큰 차이를 보이고 있지 는 않는 반면, 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)를 사용할 경우에는 소모전력이 1.8mW이 소요되지만, 종래의 기판형 외부열원을 사용할 경우의 소모전력은 예를 들어, 50W ~ 70W가 소요될 수 있기 때문에 소모전력 면에서 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)의 소모전력이 종래의 기판형 외부열원을 사용하였을 때보다 훨씬 적다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 센서 구조 전체를 기판형 외부 열원으로 가열했을 때의 반응성과 공중 부유형 나노 구조물 기반 히터로 가열했을 때의 반응성이 유사한 것으로 볼 때, 제 2 도전체의 온도가 균일하게 가열되었음을 알 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는. 폴리머의 열분해(pyrolysis)를 통해 탄소(C)를 제외한 유기물 대부분이 휘발되는 과정에서 극심한 부피 감소(90%)가 일어나는 현상을 이용하여, 마이크로 스케일의 폴리머 구조를 제작하고 열분해함으로써 별다른 식각 또는 미세한 정렬(Alignment) 공정 없이 나노 스케일의 공중부유형 나노 구조물을 쉽게 제작을 할 수 있는 기술로써, 값비싼 장비나 기술, 재료가 필요하지 않고 대면적으로 공정이 가능하므로 생산 단가가 낮다는 특징이 있다.
이때, 제 2 도전체(160, 산화아연, ZnO) 의 온도는 4.5 mW의 낮은 전력에서 즉시 600℃로 가열될 수 있으며, 종래의 기판형 외부 열원(250℃)을 사용했을 때와 견줄 만한 NO2 가스 검출 성능(최소 측정농도 100 ppb)을 1.8 mW의 극히 적은 소비 전력으로 달성할 수 있다.
더 나아가, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는, 기판의 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부를 갖는 홈이 형성됨에 따라 포토레지스트의 높이 조절을 위한 정교한 현상(development) 공정을 수행하지 않아도, 나노 구조물(130)에 선택적으로 제 1 도전체(140-1, 140-2, 140-3, 140-4) 및 제 2 도전체(160)를 증착할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서(100)는 나노 구조물(130)에 나노 패터닝 공정이 어려운, 연성이 좋은 금과 같은 물질을 용이하게 증착(또는 코팅)시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물기반 초 저전력 가스센서에서 나노 구조물의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체 및 절연층의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체는 기판의 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부를 갖는 홈의 바닥면에 증착된 제 1 도전체가 서로 전기적 절연을 이루기 때문에 나노 구조물 상부에 증착된 제 1 도전체를 이용하여 히터로 사용할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물기반 초 저전력 가스센서는 제 1 도전체의 일부, 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 나노 구조물의 표면 중 일부, 제 1 절연 층의 일부 및 기판의 홈에 제 2 절연층이 증착되고, 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 증착된 제 2 도전체를 이용하여 가스 센서로 사용할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서는 종래의 기판부착형 또는 마이크로 사이즈의 히터와는 다른 공중부유형 나노 구조물을 이용하여 히터를 활용할 수 있기 때문에 초 저전력으로 구동이 가능하며, 제 2 도전체(본 발명에서는 금속 산화물 나노와이어가 사용됨)가 코팅된 공중부유형 나노 구조물 개발을 통해 다양한 응용 분야에 사용 가능하다.
또한, 일 실시예에 따른 공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 히터는 초소형 저전력 구동이 필요한 IoT에 응용될 수 있는 다양한 센서(가스 센서, 바이오센서, 온도 센서, 유량 센서 등)로 응용이 가능한 센서 플랫폼으로의 활용 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 공중 부유형 나노 구조물 기반 가스센서
110: 기판
120: 제 1 절연층
130: 나노 구조물
140: 제 1 도전체
150: 제 2 절연층
160: 제 2 도전체
170: 제 1 전극
180: 제 2 전극

Claims (18)

  1. 상부 표면에 요입 형성된, 소정의 개구부를 갖는 홈을 구비하는 기판;
    상기 상부 표면 상에 배치되되, 상기 홈의 개구부 중 일부를 커버하고 상기일부를 제외한 나머지 부분은 커버하지 않는 제 1 절연층;
    상기 제 1 절연층 상에 배치되는 나노 구조물;
    상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분 및 상기 홈의 바닥면 중에서 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착되는 제 1 도전체;
    상기 제 1 도전체의 일부, 상기 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연 층의 일부 및 상기 기판의 홈에 증착되는 제 2 절연층;
    상기 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 형성된 제 2 도전체;
    상기 나노 구조물 상면에 증착되는 제 1 도전체와 제 2 절연층의 양측 각각과 접하는 제 1 전극; 및
    상기 제 2 절연층의 일부와 상기 제 2 도전체의 양측 각각과 접하는 제 2 전극을 포함하되,
    상기 제 1 도전체는 상기 제 2 도전체와 서로 절연되는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체 및 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체는, 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착된 제 1 도전체와 서로 절연되는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층과 상기 제 2 절연층을 구성하는 물질은 서로 상이한
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전체, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은,
    금(Au)을 포함하는,
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 도전체는,
    산화아연(ZnO)을 포함하는,
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈의 개구부 중 상기 나머지 부분의 넓이는,
    상기 홈의 바닥면의 넓이보다 좁은
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층이 커버하는 상기 홈의 개구부 중 일부는,
    상기 홈의 개구부의 가장자리인
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 구조물은,
    상기 제 1 절연층 상에 배치되는 기둥부; 및
    상기 기둥부에 의해 지지되며 상기 홈의 개구부를 가로지르도록 배치되는 나노 와이어를 포함하는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 나노 구조물은 상기 기둥부를 2개 포함하고,
    상기 나노 와이어의 양단은,
    상기 2개의 기둥부 각각에 의해서 지지되는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서.
  10. 제 1 절연층이 형성되어 있는 기판의 상부 표면 상에, 소정의 개구부를 갖는 홈을 요입 형성하는 단계;
    상기 제 1 절연층 상에 나노 구조물을 형성하는 단계;
    상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분 및 상기 홈의 바닥면 중에서 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 제 1 도전체를 증착하는 단계;
    상기 제 1 도전체의 일부, 상기 제 1 도전체가 증착되어 있지 않은 상기 나노 구조물의 표면 중 일부, 상기 제 1 절연 층의 일부 및 상기 기판의 홈에 제 2 절연층을 증착하는 단계;
    상기 나노 구조물상에 증착되어 있는 제 2 절연층의 표면 중 일부에 제 2 도전체를 증착하는 단계;
    상기 나노 구조물 상면에 증착되는 제 1 도전체와 제 2 절연층의 양측 각각과 접하는 제 1 전극영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 절연층의 일부와 상기 제 2 도전체의 양측 각각과 접하는 제 2 전극영역을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제 1 도전체는 상기 제 2 도전체와 서로 절연되는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 나노 구조물의 표면 중 일부에 증착된 제 1 도전체 및 상기 제 1 절연층의 상면의 일부분에 증착된 제 1 도전체는, 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 개구부에 수직 대향하는 부분에 증착된 제 1 도전체와 서로 절연되는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층과 상기 제 2 절연층을 구성하는 물질을 서로 상이한
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 도전체, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은,
    금(Au)을 포함하는,
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 도전체는,
    산화아연(ZnO)을 포함하는,
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 홈의 개구부 중 상기 제 1 절연층이 커버하지 않는 부분의 넓이는,
    상기 홈의 바닥면의 넓이보다 좁은
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층이 커버하는 상기 홈의 개구부 중 일부는,
    상기 홈의 개구부의 가장자리인
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 나노 구조물을 형성하는 단계는,
    상기 제 1 절연층 상에 기둥부를 형성하는 단계; 및
    상기 기둥부에 의해 지지되며 상기 홈의 개구부를 가로지르도록 나노 와이어를 형성하는 단계를 포함하는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 나노 구조물을 형성하는 단계는,
    상기 제 1 절연층 상에 상기 기둥부를 2개 형성하고,
    상기 나노 와이어 양단은,
    상기 2개의 기둥부 각각에 의해서 지지되는
    공중 부유형 나노 구조물 기반 초 저전력 가스센서 제조 방법.
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