KR20020023821A - 알루미늄이 도핑된 산화아연 박막형 습도센서 - Google Patents

Abstract

은 전극을 사용한 알루미나 기판에 0.6 at% 알루미늄이 도핑된 산화아연(Al-doped ZnO)의 반도체막을 졸-겔 공정에 의해 제조하였으며, 그 반도체 박막을 이용한 습도센서이다. 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막은 나노입자와 다공질 구조를 갖으며, 그 산화물 반도체막의 두께는 235nm 이하이며 그 산화물 반도체 입자의 크기는 20.5nm이하이다.

Description

알루미늄이 도핑된 산화아연 박막형 습도센서{ Humidity sensor using Al-doped ZnO thin film }

제품의 소형화, 고도화, 정밀화의 추세에 따라 공업공정, 장비관리 및 제품관리 등의 분야에 있어서 습도감지와 세밀조절의 중요성이 더해지고 있으며, 일상생활 뿐만 아니라 전자공업에서 농업에 이르기 까지 전 산업분야에 걸쳐 습도센서에 대한 수요가 점차 증가하고 있다.

본 발명은 은 전극을 갖는 알루미나 기판에 0.6 at% 알루미늄이 도핑된 산화아연의 반도체막과 그를 이용한 습도센서에 관한 것이다.

종래의 습도센서는 분말을 성형, 소결하여 제조한 벌크(bulk)형 세라믹 습도센서와 고가 장비를 이용하여 제조한 박막형 습도센서가 주류를 이루고 있다. 그중 벌크형 습도센서는 저비용으로 제조할 수 있으나 다양한 습도 분위기에 민감하기 위해 물분자를 잘 흡수해야 하는데 입자크기가 너무 커서 감도의 저하를 가져온다. 또한 고가 장비를 이용한 박막형 습도센서는 나노입자를 갖는 박막을 제조 할 수 있음으로 좋은 습도감도를 나타내지만 고가 장비를 사용함으로서 생산단가가 높은 단점을 갖고 있다. 따라서 새로운 공정에 의해 나노입자 및 다공성 구조를 갖는 산화물 반도체 박막을 이용한 저가격, 고감도를 갖는 습도센서의 개발이 요구되어졌다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 하는 목적으로 안출되었으며, 이 문제를 해결하기 위해 여러 가지 실험을 행한 후, 우선 은 전극 회로가 부착된 알루미나 기판에 0.6 at% 알루미늄이 도핑된 산화아연의 코팅액을 이용하여 스핀코팅에 의해 알루미늄이 도핑된 산화아연 산화물 반도체막을 제조하였으며, 그 박막을 이용한 습도센서의 개발에 성공하였다. 0.6 at% 알루미늄을 도핑한 것은 산화아연의 전도도를 향상시키기 위해 첨가하였다.

본 발명의 제조공정은 졸-겔 공정에 의한 것으로 나노입자와 다공질 구조의 박막으로 이루어져 있으며, 저가격이며 실용성있는 습도센서를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명의 알루미늄이 도핑된 산화아연 산화물 반도체막은 종래의 고상소결에 의해 제조할 수 없는 나노입자 및 다공질 구조로 이루어진 박막이다.

그 산화물 반도체막을 제조하기 위한 알루미늄이 도핑된 산화아연 코팅액은 다음과 같이 합성하였다. 디에탄올아민(Diethanolamine)을 이소프로파놀(isopropanol)에 용해하였으며, 그용액에 zinc acetate dihydrate(Zn(CH3COO)₂ㆍ2H₂O )를 각반을 해가면서 넣었다. 그후 에탄올에 용해된aluminum nitrate nonahydrate( Al(NO₃)₃ㆍ9H₂O)을 0.6 at% 첨가하였다. 그 용액을 투명하고 균일한 용액으로 만들기 위해 30분 동안 각반하였으며, 실온에서 10일 동안 에이징처리를 하여 안정한 코팅액으로 사용하였다.

다음으로 그 코팅액을 은 전극이 형성된 알루미나(Al₂O₃) 기판위에 스핀코팅에 의해 반복코팅, 열처리, 공기 중에서 어닐링하여 기판위에 산화물 반도체막을 형성하였다. 그 열처리는 각 코팅 후 300℃에서 10분 동안 공기중에서 열처리한 후 500℃ 및 700℃에서 1시간 공기 중에서 어닐링 하였으며, 그 박막은 나노입자를 갖는 다공질 구조의 막으로 이루어져있다.

본 발명의 습도센서는 은 전극 회로가 부착된 알루미나 기판위에 상기 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막으로 구성되어 있다. 그 산화물 반도체막을 이용한 습도센서는 20% - 90%의 습도분위기에 노출시 저항변화가 발생한다.

상세한 실시 예

제작한 습도센서는 그 산화물 박막의 면적이 1 x 1cm이다. 습도변화에 따른 저항의 변화를 electrometer로 측정하였다.

알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막은 아래와 같이 제조하였다. 0.6 at% 알루미늄이 도핑된 산화아연 코팅액을 은 전극이 도포된 알루미나 기판위에 스핀코팅 (회전속도 3000 rpm) 에 의해 3회 및 5회 반복코팅을 하였다. 매회 코팅 후 300℃에서 10분간 공기 중에서 열처리를 행하였으며, 최종 코팅 후 500℃ 및 700℃에서 1시간 공기 중에서 어닐링하였다. 그 반도체막은 습도센서로서 좋은 구비조건인나노입자를 갖는 다공질 구조의 막으로 이루어져있다. 그 박막의 두께는 235nm 이하이며, 그 산화물 반도체 입자의 크기는 20.5nm이하이다.

위와 같이, 은전극회로가 부착된 알루미나 기판과 그 기판 위에 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막으로 구성된 습도센서이다. 이러한 습도센서에 있어서 어닐링온도, 반복코팅횟수와 20 - 90% 상대습도의 변화에 따른 저항의 변화는 다음 표1에 정리해 놓은 바와 같다. 5회 반복코팅한 후 500℃에서 1시간 공기 중에서 어닐링한 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막의 경우 높은 습도 감지 특성을 나타내었다.

표 1. 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막의 상대습도에 대한 저항변화

저항(R1) 조건 : 5회 반복코팅, 500℃ 공기중에서 1h 어닐링처리

저항(R2) 조건 : 3회 반복코팅, 500℃ 공기중에서 1h 어닐링처리

저항(R3) 조건 : 5회 반복코팅, 700℃ 공기중에서 1h 어닐링처리

본 발명에서는 합성한 코팅액을 이용하여 스핀코팅과 열처리에 의해 나노입자와 다공질 구조를 갖는 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막을 저가로 제조할 수 있기 때문에, 그 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막을 이용한 습도센서는 기존의 습도센서와 비교하여 보다 저가로 고성능을 갖는 습도센서를 생산할 수 있다.

Claims (1)

1. 은 전극을 사용한 알루미나 기판위에 0.6 at% 알루미늄이 도핑된 산화아연 반도체막을 이용한 습도센서.