KR20060115470A - 화학적 및 생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체반도체 시스템 - Google Patents

화학적 및 생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체반도체 시스템

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KR20060115470A
KR20060115470A KR1020050037884A KR20050037884A KR20060115470A KR 20060115470 A KR20060115470 A KR 20060115470A KR 1020050037884 A KR1020050037884 A KR 1020050037884A KR 20050037884 A KR20050037884 A KR 20050037884A KR 20060115470 A KR20060115470 A KR 20060115470A
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Abstract

본 발명은 높은 감도를 가지면서도 화학적/생물학적 센서로 응용이 가능한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템 및 그의 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템은 기판층, 상기 기판층 상의 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀, 및 상기 알루미나 나노틀 상의 상기 다중벽 탄소나노튜브를 덮는 전해질 용액, 상기 알루미나 나노틀의 에지를 덮고 상기 알루미나 나노틀의 중앙부분-센서 영역-을 오픈시키는 커버층, 및 상기 전해질용액의 전위를 고정시키기 위한 기준전극을 포함하고, 이와 같은 본 발명의 알루미나 나노틀 제작, 다중벽 탄소나노튜브 합성 및 본딩공정을 통해 제작된 ECIS 시스템은 높은 반응성을 갖는 다중벽 탄소나노튜브의 끝단을 기능화하여 나노 구조의 높은 감도를 활용할 수 있으므로 성능이 우수한 화학적/생물학적 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.
ECIS, EIS, 전해질용액, 탄소나노튜브, 다중벽, MWCNT

Description

화학적 및 생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템{CNTs-Insulator-Semiconductor System for Chemical and Biological Sensor Applications}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 ECIS 시스템을 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중벽 탄소나노튜브의 합성 방법을 도시한 공정 단면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미나 나노틀에 합성된 다중벽 탄소나노튜브의 SEM 사진,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 본딩공정을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 알루미나 나노틀/실리콘산화막/p형 실리콘기판의 본딩공정이후 SEM 사진,
도 6과 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 ECIS 시스템의 C-V(Capacitance-Voltage) 측정 결과를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 ECIS 시스템을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 ECIS 시스템을 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 실리콘기판
101 : 실리콘산화막
102 : 알루미나 나노틀
103 : 다중벽 탄소나노튜브
104 : 커버층
105 : 전해질용액
105 : 기준전극
본 발명은 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템에 관한 것으로, 특히 화학적, 생물학적 센서를 위한 전해질-탄소나노튜브-절연체-반도체 시스템(Electrolyte-Carbon nano tube-Insulator-Semiconductor system, ECIS 시스템)에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)는 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터(nm=10억분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. 탄소나노튜브(CNT)는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다.
탄소나노튜브(CNT)는 역학적 견고성과 화학적 안정성이 뛰어나고, 반도체와 도체의 성질을 모두 띨 수 있으며, 직경이 작고 길이가 상대적으로 매우 긴 특성 때문에, 평판표시소자, 트랜지스터, 에너지 저장체 등의 소재로서 뛰어난 성질을 보이고, 나노크기의 각종 전자소자로서의 응용성이 매우 크다.
최근에는 새로운 화학적/생물학적인 센서를 개발하기 위해 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이미, 다양한 종류의 탄소나노튜브(CNT)를 기반으로 한 센서 구조가 제안되었다.
대부분의 제안된 센서의 경우 탄소나노튜브(CNT)는 용액 내에 있는 분자를 감지하는 전극으로 활용되거나, 탄소 나노 튜브(CNT) 표면에 전하를 띤 입자를 흡착할 때 발생하는 저항 변화 특성을 센서에 활용하고 있다.
전자의 경우는 상용의 탄소전극 센서와 유사하지만, 수직으로 정렬된 탄소나노튜브(CNT)의 높은 감도가 장점이다. 그리고, 후자의 경우는 단일벽(Single-Walled) 탄소나노튜브(SWCNT)의 전기적인 특성 변화가 유용한 장점으로 보이지만, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)가 신뢰할 만한 필드효과트랜지스터(Field Effect transistor)로 동작해야만 한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 높은 감도를 가지면서도 화학적/생물학적 센서로 응용이 가능한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템은 기판층, 상기 기판층 상의 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀, 및 상기 알루미나 나노틀 상의 상기 다중벽 탄소나노튜브를 덮는 전해질 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 알루미나 나노틀의 에지를 덮고 상기 알루미나 나노틀의 중앙부분-센서 영역-을 오픈시키는 커버층을 더 포함하고, 상기 전해질용액은 상기 센서영역에 노출된 상기 다중벽 탄소나노튜브와 접촉하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 전해질 용액은 염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액 또는 묽게 희석된 황산(diluted H2SO4) 용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액을 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 전해질용액의 전위를 고정시키기 위한 기준전극이 상기 전해질용액에 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도 체 시스템의 제조 방법은 기판층을 준비하는 단계, 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀을 준비하는 단계, 상기 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀의 하부 영역을 상기 기판층의 표면과 본딩시키는 단계, 상기 다중벽 탄소나노튜브가 노출되는 알루미나 나노틀의 상부영역 상에 센서영역을 개방시키는 커버층을 형성하는 단계, 및 상기 커버층 상부에 상기 센서영역에 개방된 다중벽 탄소나노튜브와 접촉하는 전해질용액을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
후술하는 제1실시예에서는 탄소나노튜브와 CMOS 기술의 융합 가능성을 연구하기 위해 전해질용액-탄소나노튜브-절연체-반도체층으로 구성된 캐패시터, 즉 ECIS(Electrolyte-CNTs-Insulator-Semiconductor; ECIS) 세스템을 제작하였다.
그리고, 탄소나노튜브를 얻기 위하여 알루미나 나노틀(Al2O3-template)을 형성하는 AAO(Anodic Aluminum Oxide) 기술을 사용하고, 이러한 AAO 기술은 고밀도로 수직 정렬된 탄소나노튜브어레이를 얻기 위한 유용한 방법이다. 수직으로 정렬된 탄소나노튜브는 반도체층의 표면 전위를 변화 시키기 위한 전극으로 사용된다.
실시예에서 제공하는 ECIS 시스템의 구조는 통상의 EIS(Electrolyte-Insulator-Semiconductor) 구조처럼 동작하지만, CMOS 기술과 탄소나노튜브의 합성 기술을 융합할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 ECIS 시스템이 화학적/생물학적 센서로 응용할 수 있는 가능성은 제작된 ECIS 시스템의 캐패시턴스(capacitance) 특성을 측정하여 검증하였다.
그리고, 알루미나 나노틀을 이용하여 탄소나노튜브어레이를 반도체층 표면에 결합시키기 위하여 웨이퍼본딩(Wafer bonding) 기술을 사용하였다.
그리고, 탄소나노튜브어레이는 많은 화학 생물학적인 활성사이트(active sites)를 제공하여 상용의 EIS 시스템보다 훨씬 개선된 감도를 제공하며, 백금 기준전극(Platinum reference electrode)과 3.3 몰(M)의 염화칼륨(KCl) 용액을 이용하여 액상 게이트(liquid gate)로서 원활히 동작할 수 있음을 보였다. 특정한 전압에서 전체 시스템의 캐패시턴스(capacitance)가 급격히 감소하는 것을 보였는데, 이것은 백금 기준전극(platinum reference electrode)에 의해 반도체층 표면이 변조(modulate) 되었음을 의미한다. 높은 주파수에서 더블층 캐패시턴스(double layer capacitance)에 의한 영향이 전체 캐패시턴스 값을 감소시키는 것으로 관측되었다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 ECIS 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, p형 또는 n형 불순물이 주입된 실리콘기판(100), 실리콘기판(100) 상의 실리콘산화막(SiO2, 101), 실리콘산화막(101) 상의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, 103)가 박힌 구조의 알루미나 나노틀(102), 알루미나 나노틀(102) 상의 커버층(Cover layer, 104), 커버층(104)이 제공하는 오픈영역(센서영역)을 채우는 전해질용액(Electrolyte, 105), 전해질용액(105)의 전위를 고정시키기 위한 기준전극(106)으로 구성된다. 여기서, 알루미나 나노틀(102) 외측의 실리콘기판(100) 내에는 p형 또는 n형 불순물이 주입된 소스영역(Source, S)과 드레인영역(Drain, D)이 구비된다. 예컨대, 실리콘기판(100)과 소스영역(S) 및 드레인영역(D)에 주입된 불순물에서, p형 불순물은 붕소(Boron) 계열이고, n형 불순물은 인(P) 또는 비소(As)이다.
이와 같이, 전해질용액(105)-다중벽탄소나노튜브(103)-실리콘산화막(101)-실리콘기판(100)이 ECIS 시스템을 구성하는 것이다.
본 발명의 ECIS 시스템은 상용의 EIS(Electrolyte-Insulator-Semiconductor) 시스템과 유사하다. 하지만, 도 1과 같이, 전해질 용액(105)과 실리콘산화막(101) 사이의 계면이 알루미나 나노틀(Al2O3-templete)로 둘러싸인 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled CNT, 103)이다.
그리고, 도 1에서는 전해질용액(105)의 전위를 고정하기 위해 기준전극(Reference electrode, 106)을 사용하고, 전해질 용액(105)은 3.3몰(M) 농도의 염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액 또는 묽게 희석된 황산(diluted H2SO4) 용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액을 사용한다. 이러한 전해질 용액(105)은 커 버층(104) 형성후에 개방된 다중벽 탄소나노튜브(103) 상부에 형성하므로 옆으로 흘러내리지 않고, 더욱이 커버층(104)과 접촉하면서 장력을 가져 흘러내리지 않는다.
그리고, 전해질용액(105)과 접하는 다중벽 탄소나노튜브(103)의 표면 면적을 한정하고 필요 없는 센서 영역(비센서영역)과 전해질 용액(105)간의 접촉을 방지하기 위해서 커버층(104)을 사용한다. 즉, 커버층(104)은 알루미나 나노틀(102)의 에지(비센서영역)를 덮고 알루미나 나노틀(102)의 중앙부분-센서 영역-을 오픈시키는 구조이다. 이러한 커버층(104)은 포토레지스트(Photoresist), 절연층 또는 폴리머 중에서 선택된 어느 하나를 적용하는데, 바람직하게는 포토레지스트를 이용한다. 여기서, 포토레지스트를 커버층(104)으로 사용하는 것은 포토레지스트가 쉽게 이용할 수 있으면서도 우수한 피복 특성을 제공하기 때문이다. 한편, 커버층(104)이 알루미나 나노틀(102)의 중앙 부분을 덮기 위해서는 알루미나 나노틀(102)의 전면에 커버층(104)을 도포하고 선택적으로 식각하는 공정을 진행한다.
그리고, 실리콘산화막(101)은 열산화(thermal oxidation)를 통해 형성시킨 것이며, 그 두께는 25nm이다.
그리고, 기준전극(106)은 백금 또는 Ag/AgCl으로 형성한다.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 다중벽 탄소나노튜브의 합성 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 다중벽 탄소나노튜브의 합성 방법을 도시한 공정 단면도이다.
본 발명은 다중벽 탄소나노튜브를 ECIS 시스템에 합성하기 위해서 AAO(Anodic Aluminum oxide) 틀(template), 즉 알루미나 나노틀(Al2O3-template)을 이용한다.
이하 각 단계별로 상세히 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 알루미늄 박판(201)을 산화시켜 다수의 세공(203)을 구비하는 알루미나(202)로 된 알루미나 나노틀(Al2O3-nano template, 200)을 제조한다. 이때, 세공(pore, 203)들이 규칙적으로 배열된 다공성 알루미나 나노틀(200)의 제작을 위해 2단계 양극산화(2-step anodization) 방법을 사용한다.
상기 2단계 양극산화 방법은 양극산화(Anodization) 방법을 응용한 것으로, 이를 이용하여 다공성 알루미나 나노틀(200)을 제작하는 경우 균일한 지름의 세공(203)들이 알루미나 나노틀(200)에 수직하게 규칙적으로 배열된다.
통상적으로 양극산화 방법은 옥살산, 인산 또는 황산 중에서 선택되는 어느 하나의 산 전해질 용액에 얇은 알루미늄박판을 양극 그리고 탄소전극 등을 음극으로 하여 직류를 흘려주는 일종의 전기 분해 방법으로서, 이 때 알루미늄 박판(201)이 산화되어 알루미나(Al2O3, 202)가 되면서 알루미나(202) 내부에 세공(203)이 파지는 것으로 공지되어 있다.
2단계 양극산화 방법은 얇은 알루미늄 박판(201)을 장시간(10 시간 이상) 동안 양극산화시켜 세공(203)을 판 후 세공(203)을 이루고 있는 산화층(알루미나 층)을 산 용액에 담가 모두 제거하고 다시 첫 번째 양극산화와 같은 조건에서 원하는 깊이의 세공(203)을 파는 방법이다. 여기서, 세공(203)간의 간격은 양극산화 시킬 때 걸어주는 전압에 비례하며, 세공(203)의 깊이는 양극 산화시키는 시간에 비례한다. 세공(203)의 지름은 인산 같은 산이나 수산화나트륨 같은 염기 용액에서 확장할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 알루미나 나노틀(200)의 세공(203)을 채우는 탄소나노튜브(204)를 성장시킨다.
여기서, 탄소나노튜브(204)를 성장시키기 전에 알루미나 나노틀(200)의 세공(203)을 확장하는 과정을 수행한다.
상기 알루미나 나노틀(200)의 세공(203)을 확장하기 위하여는 상기 알루미나 나노틀(200)을 염기 용액으로 처리하는 방법이 있다. 즉, NaOH 또는 KOH 같은 염기 용액 속에 알루미나 나노틀(200)을 1분 정도의 시간동안 침지시켜 두는 것이다.
염기 용액에 담가 알루미나 나노틀(200)의 세공(203)을 확장하므로써, 세공(203)의 지름이 확장되어 다중벽 탄소나노튜브(204) 성장시 세공(203) 속으로 기체가 원활하게 들어갈 수 있으므로 다중벽 탄소나노튜브(204)의 성장이 촉진된다.
상기 세공(203)의 확장 공정은 세공(203)에 침전된 입자를 수소 기체로 환원시키기 전에 실시하거나 혹은 환원시킨 후 세공 확장을 시킬 수 있다.
본 발명은 탄화수소 기체를 열분해시키는 공정(Thermal Chemical Vapor Deposition)을 진행하여 다중벽 탄소나노튜브(204)를 성장시킨다.
이러한 다중벽 탄소나노튜브(204)의 성장은 별도의 촉매금속을 세공(203) 내부에 형성하지 않고, 알루미나 나노틀(200)의 알루미나(202)를 촉매로 하여 세공 (203) 속을 채우는 다중벽 탄소나노튜브(204)를 성장시키므로써 다중벽 탄소나노튜브(204)가 알루미나 나노틀(200)에 합성되는 것이다. 이처럼, 촉매금속을 별도로 형성하지 않아도 되므로 제조 공정이 단순하고, 또한 알루미나(202)를 촉매로 이용하므로 세공(203) 속에 다중벽 탄소나노튜브(204)를 균일하게 합성시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미나 나노틀에 합성된 다중벽 탄소나노튜브의 SEM 사진으로서, 다중벽 탄소나노튜브의 지름은 40nm이고, 길이는 40㎛로 측정되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, AAO 기술을 이용하여 다중벽 탄소나노튜브를 합성하므로써 고밀도로 수직 정렬된 다중벽 탄소나노튜브 어레이를 얻을 수 있다.
전술한 일련의 공정에 의해 알루미나 나노틀(200)에 다중벽 탄소나노튜브(204)를 합성한 후에는 알루미나 나노틀(200)의 하부에 있는 알루미늄박판(201)을 제거한 후에 다음과 같은 본딩공정(Bonding process)을 진행한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 본딩공정을 도시한 도면으로서, 본 발명은 알루미나 나노틀(Al2O3-template, 200) 속에 있는 다중벽 탄소나노튜브(204)를 실리콘기판(100)과 실리콘산화막(101)의 적층 구조에 결합하여 ECIS 시스템을 제작하기 위해 웨이퍼 본딩(Wafer bonding) 공정을 이용하여 본딩을 진행한다.
본딩 공정은 실리콘산화막(101)의 표면을 친수성(hydrophilic) 표면을 만들기 위한 표면 처리 과정과 진공 중에서 3시간 동안의 기계적 압력과 250℃의 열을 가하여 알루미나 나노틀(200)과 실리콘산화막(101)을 본딩시키는 후열처리(post anneal) 과정으로 구성된다. 이와 같이, 표면처리과정과 후열처리과정의 2단계로 웨이퍼 본딩 공정을 진행하면, 표면 거칠기와 표면의 청결도가 우수하여 본딩의 품질을 향상시킬 수 있다.
위와 같은 본딩 공정이 진행된 표면의 단면 사진이 도 5에 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 알루미나 나노틀/실리콘산화막/실리콘기판의 본딩공정이후 SEM 사진이다.
전술한 바와 같이, 알루미나 나노틀 제작, 다중벽 탄소나노튜브 합성 및 본딩공정을 통해 제작된 ECIS 시스템의 특성은 임피던스분석기(HP4194A Impedance Analyzer)로 측정한다.
도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 ECIS 시스템의 C-V(Capacitance-Voltage) 측정 결과를 나타낸 도면으로서, 도 6은 테스트영역(A)을 9mm2으로 하여 측정한 것이고, 도 7은 테스트영역(A)을 1mm2으로 하여 측정한 것이다. 도 6과 도 7에서 가로축은 기준전극에 인가한 기준전극 바이어스이고, 세로축은 ECIS 시스템에서 측정된 캐패시턴스값이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기준전극(106)에 바이어스(Reference electrode bias)를 1MHz로 인가하는 경우에는 마이너스바이어스 및 플러스바이어스에서 모두 캐패시턴스가 0의 값을 보이고, 1kHz로 인가하는 경우에는 마이너스 바이어스에서는 4.0nF의 값을 보이다가 0V 이상에서는 급격히 감소하여 1.0nF의 값을 보이고 있다.
그리고, 기준전극(106)에 바이어스를 100Hz로 인가하는 경우에는 마이너스바이어스에서는 캐패시턴스가 7.0nF의 값을 보이다가 0V 이상에서는 급격히 감소하여 1.0nF의 값을 보이고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기준전극(106)에 바이어스(Reference electrode bias)를 1MHz로 인가하는 경우에 캐패시턴스가 0의 값을 보이고, 1kHz로 인가하는 경우에는 마이너스 바이어스에서는 2.0nF 수준의 값을 보이다가 0V 이상에서는 급격히 감소하여 0.5nF 수준의 값을 보이고 있다.
그리고, 기준전극(106)에 바이어스를 100Hz로 인가하는 경우에는 마이너스 바이어스에서는 캐패시턴스가 5.5nF 수준의 값을 보이다가 0V 이상에서는 급격히 감소하여 1.0nF의 값을 보이고 있다.
전술한 바와 같은 도 6과 도 7의 결과로부터, 특정한 전압(기준전극에 인가하는 바이어스가 0V)에서 실리콘기판(100)에서의 표면 전위가 조절됨을 확인할 수 있는데, 이것은 전해질용액(electrolyte ,105)이 우수한 성능의 액상게이트(liquid gate)로 동작할 수 있다는 것을 보여준다.
이러한 특성으로부터 본 발명의 ECIS 시스템이 화학적/생물학적 센서 소자로 응용 가능함을 확인할 수 있다. 더욱이, 다중벽 탄소나노튜브(103)의 개방된 끝단은 다양한 분자들 또는 화합물과 결합할 수 있는 많은 활성사이트(Active sites)를 지닌다. 따라서 어떠한 대전된 입자가 이 다중벽 탄소나노튜브(103)의 활성사이트에 결합하면서 실리콘기판(100) 표면의 표면전위를 변화시킬 수 있다. 전체 시스템의 캐패시턴스는 기준전극(106)의 표면에서의 더블층(알루미나 나노틀과 전해질용 액) 캐패시턴스와 실리콘산화막(101)의 캐패시턴스 또는 실리콘기판(100)의 공핍 캐패시턴스(depletion capacitance)의 직렬 조합으로 구성된다. 여기서, 전해질용액(105)과 반도체기판(100)의 저항은 무시할 만하다.
그리고, 도 6과 도 7의 결과를 비교해 보면, 전체 캐패시턴스가 표면적(테스트영역)에 비례하지 않음을 알 수 있다. 이것은 기준전극(106)의 표면에서의 더블층 캐패시턴스의 영향으로 보인다.
즉, 기준전극(106)의 더블층 캐패시턴스는 같은 주파수 조건 하에서 언제나 동일하다.
표면 변조(surface modulation)는 적절한 후공정을 통해 소스 영역(S)과 드레인영역(D)을 형성하면 이 구조가 필드효과트랜지스터(Field effect transistor)로 동작할 수 있음을 확인시켜 준다. 통상적으로, 산화막의 캐패시턴스는 주파수 변화에 영향을 받지 않는 것으로 알려져 있다.
그러나, 도 6과 도 7의 실험 결과에서는 주파수 변화에 영향을 받는다는 사실을 보여둔다. 즉, 1MHz 고주파에서의 주파수 영향을 밝히기 위해 더블층 캐패시턴스(double-layer capacitance)의 주파수 의존성을 고려하고 있다.
상술한 제1실시예에서는 다중벽탄소나노튜브(103)가 합성된 알루미나 나노틀(102) 아래에 실리콘산화막(101)과 실리콘기판(100)이 위치하는 구조에 대해 설명하였으나, 본 발명은 다중벽탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀 아래에 여러가지 구조가 가능하다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 ECIS 시스템을 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, p형 또는 n형 불순물이 주입된 실리콘기판(301), 실리콘기판(301) 상의 실리콘산화막(SiO2, 302), 실리콘산화막(302) 상의 폴리실리콘층(303), 폴리실리콘층(303) 상의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, 305)가 합성된 알루미나 나노틀(304), 알루미나 나노틀(304) 상의 커버층(Cover layer, 306), 커버층(306)이 제공하는 오픈영역(센서영역)을 채우는 전해질용액(Electrolyte, 307), 전해질용액(307)의 전위를 고정시키기 위한 기준전극(308)으로 구성된다. 여기서, 알루미나 나노틀(304) 외측의 실리콘기판(301) 내에는 p형 또는 n형 불순물이 주입된 소스영역(Source, S)과 드레인영역(Drain, D)이 구비된다.
도 8에서, 커버층(306)은 포토레지스트(Photoresist), 절연층 또는 폴리머 중에서 선택된 어느 하나를 적용하는데, 바람직하게는 포토레지스트를 이용한다.
그리고, 전해질용액(307)은 3.3몰(M) 농도의 염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액 또는 묽게 희석된 황산(diluted H2SO4) 용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액을 사용한다.
그리고, 기준전극(308)은 백금 또는 Ag/AgCl으로 형성한다.
그리고, 실리콘기판(301)과 소스영역(S) 및 드레인영역(D)에 주입된 불순물에서, p형 불순물은 붕소(Boron) 계열이고, n형 불순물은 인(P) 또는 비소(As)이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 ECIS 시스템을 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, pn 접합(401), pn 접합(401) 상의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, 403)가 박힌 구조의 알루미나 나노틀(402), 알루미나 나노틀(402) 상의 커버층(Cover layer, 404), 커버층(404)이 제공하는 오픈영역(센서영역)을 채우는 전해질용액(Electrolyte, 405), 전해질용액(405)의 전위를 고정시키기 위한 기준전극(406)으로 구성된다. 여기서, pn 접합(401)은 p형 불순물이 도핑된 p형 접합층(401a)과 n형 불순물이 도핑된 n형 접합층(401b)이다.
도 9에서, 커버층(404)은 포토레지스트(Photoresist), 절연층 또는 폴리머 중에서 선택된 어느 하나를 적용하는데, 바람직하게는 포토레지스트를 이용한다.
그리고, 전해질용액(405)은 3.3몰(M) 농도의 염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액 또는 묽게 희석된 황산(diluted H2SO4) 용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액을 사용한다.
그리고, 기준전극(406)은 백금 또는 Ag/AgCl으로 형성한다.
그리고, p형 접합층(401a)에 주입된 p형 불순물은 붕소(Boron) 계열이고, n형 접합층(401b)에 주입된 n형 불순물은 인(P) 또는 비소(As)이다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바에 따른 본 발명의 알루미나 나노틀 제작, 다중벽 탄소나노튜브 합성 및 본딩공정을 통해 제작된 ECIS 시스템은 화학적/생물학적 센서로 응용이 가능한 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 높은 반응성을 갖는 다중벽 탄소나노튜브의 끝단을 기능화하여 나노 구조의 높은 감도를 활용할 수 있으므로 성능이 우수한 화학적/생물학적 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (32)

  1. 기판층;
    상기 기판층 상의 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀; 및
    상기 알루미나 나노틀 상의 상기 다중벽 탄소나노튜브를 덮는 전해질 용액
    을 포함하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미나 나노틀의 에지를 덮고 상기 알루미나 나노틀의 중앙부분-센서 영역-을 오픈시키는 커버층을 더 포함하고,
    상기 전해질용액은 상기 센서영역에 노출된 상기 다중벽 탄소나노튜브와 접촉하는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커버층은,
    포토레지스트, 절연층 또는 폴리머 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으 로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판층의 표면은 상기 알루미나 나노틀과 본딩을 통해 접속되는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판층은,
    불순물이 도핑된 실리콘기판과 절연층의 순서로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리콘기판은 p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 알루미나 나노틀 외측의 상기 실리콘기판 내에 소스영역과 드레인영역이 구비된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 절연층은,
    실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판층은,
    불순물이 도핑된 실리콘기판, 절연층 및 폴리실리콘의 순서로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘기판은,
    p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 알루미나 나노틀 외측의 상기 실리콘기판 내에 소스영역과 드레인영역이 구비된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 절연층은,
    실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판층은,
    pn 접합인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은,
    염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액 또는 묽게 희석된 황산(diluted H2SO4) 용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전해질용액의 전위를 고정시키기 위한 기준전극이 상기 전해질용액에 연결되는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기준전극은,
    백금 또는 Ag/AgCl인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  17. 기판층을 준비하는 단계;
    다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀을 준비하는 단계;
    상기 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀의 하부 영역을 상기 기판층의 표면과 본딩시키는 단계;
    상기 다중벽 탄소나노튜브가 노출되는 알루미나 나노틀의 상부영역 상에 센서영역을 개방시키는 커버층을 형성하는 단계; 및
    상기 커버층 상부에 상기 센서영역에 개방된 다중벽 탄소나노튜브와 접촉하는 전해질용액을 형성하는 단계
    를 포함하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다중벽 탄소나노튜브가 합성된 알루미나 나노틀을 준비하는 단계는,
    2단계 양극산화를 통해 다수개의 세공을 갖는 알루미나 나노틀을 형성하는 단계;
    상기 세공의 면적을 확장시키는 단계; 및
    상기 알루미나 나노틀의 표면을 촉매로 하여 다중벽 탄소나노튜브를 형성하 는 단계
    를 포함하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다중벽 탄소나노튜브를 형성하는 단계는,
    열 CVD법으로 진행하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 본딩 공정은,
    친수성 표면을 만들기 위한 표면 처리 과정과 후열처리 과정의 순서로 진행하는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 기판층은,
    불순물이 도핑된 실리콘기판과 절연층의 순서로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 실리콘기판은 p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 알루미나 나노틀 외측의 상기 실리콘기판 내에 소스영역과 드레인영역이 구비된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 절연층은,
    실리콘산화막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 기판층은,
    불순물이 도핑된 실리콘기판, 절연층 및 폴리실리콘의 순서로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 실리콘기판은,
    p형 불순물 또는 n형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 알루미나 나노틀 외측의 상기 실리콘기판 내에 소스영역과 드레인영역이 구비된 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 절연층은,
    실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템.
  29. 제17항에 있어서,
    상기 기판층은,
    pn 접합인 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  30. 제17항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은,
    염화칼륨(KCl) 용액, 염화나트륨(NaCl) 용액 또는 묽게 희석된 황산(diluted H2SO4) 용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 전해질용액의 전위를 고정시키기 위한 기준전극이 상기 전해질용액에 연결되는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 커버층은,
    포토레지스트, 절연층 또는 폴리머 중에서 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적/생물학적 센서를 위한 탄소나노튜브 절연체 반도체 시스템의 제조 방법.
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