KR20080052249A - 금속산화물 반도체 화학센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학종을 감지하는 금속산화물 반도체 화학센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 화학센서는 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막을 구비한 센서기판과 광원을 포함하는 것으로 구성되어 있다. 이렇게 구현된 화학센서는 유입된 화학종이 금속산화물 나노입자에 흡착됨으로써 감지막의 전기전도도가 변화하고, 상기 광원이 감지막에 조사되어 화학종을 탈착시켜 전기전도도를 초기 상태로 환원시킴으로써, 저온에서 화학종을 감지할 수 있다는 특징을 가진다.

화학센서(chemical sensor), 감지막, 금속산화물 반도체(Metal-Oxides-Semiconductor), 전기전도도

Description

금속산화물 반도체 화학센서 및 이의 제조 방법{METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR CHEMICAL SENSOR AND ITS FABRICATION METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 금속산화물 반도체 화학센서의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일형태에 따른 금속산화물 반도체 화학센서의 센서기판의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 형태에 따른 금속산화물 반도체 화학센서의 센서기판의 단면도로서, 도 3a는 감지전극과 절연기판 사이에 격리층 및 가열기가 설치된 구조이고, 도 3b는 감지전극이 형성된 절연기판의 반대면에 가열기 및 격리층이 설치된 구조이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 텅스텐 산화물 감지막의 표면 전자현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 텅스텐 산화물 반도체 화학센서의 NO₂ 감지에 대한 센서저항 변화 반응 곡선이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 텅스텐 산화물 반도체 화학센서의 NO₂ 농도 변화에 대한 센서저항 변화 반응 곡선이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 센서기판 11: 절연기판

12: 감지전극 13: 금속산화물 나노입자 감지막

14: 격리층 15: 가열기

20: 광원 30: 측정 챔버

31: 광투과 창 40: 전기전도도 계측기

본 발명은 화학종을 감지하는 금속산화물 반도체(Metal-Oxides-Semiconductor) 화학센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막을 구비한 센서기판과 광원을 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 전기전도도 변화를 이용하여 저온에서 화학종을 감지하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 반도체 화학센서를 제공한다.

금속산화물 반도체 화학센서는 감지막에 반도체 특성을 가지는 금속산화물 나노입자를 이용하여, 화학종 흡착 및 표면 반응에 의하여 전하 이동체(carrier)의 농도 및 금속산화물 나노입자 사이의 에너지 장벽 높이 변화를 유발하여, 유입된 화학종에 따라 전기전도도를 변화시킴으로써 화학종을 감지한다. 이러한 역할을 하는 대표적인 금속산화물로는 SnO₂, WO₃, In₂O₃ , TiO₂, ZnO 등이 있고, 유입된 화학종에 대한 감도를 극대화하기 위하여 구성 결정성 입자크기를 나노 사이즈로 줄이려는 많은 노력이 있어왔다. 금속산화물 반도체 화학센서는 산화, 환원성이 큰 분자에 대한 고감도 특성, 저가로 제작이 가능하다는 점, 반도체 공정과의 호환성이 뛰어나다는 점 등이 일반적인 장점으로 알려져 왔지만, 약 200~500℃의 작동 온도를 가진다는 점과 이러한 고온의 작동 온도 구현에 따른 어려움 및 높은 전력 소모량이 단점으로 문제가 되어왔다.

종래기술의 높은 작동 온도와 전력 소모량 문제를 해결하기 위한 방안으로, 미세가공을 통한 구조체 제작 기술을 이용하여 감지부의 면적을 감소하는 방법, 감지부와 가까운 거리에 미세가열기를 구비하는 방법, 열손실을 감소시키는 구조물을 도입하는 방법 등이 시도되어 왔다. 이러한 예로 미국특허 US 6,596,236을 들 수 있는데, 이는 박막기술을 이용하여 감지막, 가열기, 및 기공 구조체를 포함하는 소형 수소센서에 대한 발명이다. 이러한 미세가열기를 감지막에 구비하여 열손실을 최소화하는 방법은 저전력으로 구동하는 소형 금속산화물 센서에서 널리 사용되는 방법이지만, 이를 제작하기 위해서는 MEMS(microelectromechanical system) 공정이 요구된다. 현재 MEMS 미세가공기술을 이용하여 가열기를 구비한 센서 구조체를 만드는 기술들은 많이 개발된 상황이지만, 이러한 공정 기술은 소자 제작의 수율 및 신뢰성을 확보하기가 쉽지 않고 고가의 공정 장비가 필요하다. 그러므로, 저전력 구동을 구현하기 위해서는 고온 구동이 필요 없는 금속산화물 반도체 화학센서 개 발이 근본적인 해결 방안이라고 할 수 있다.

또한, 저온 구동을 가능하게 하고 센서의 감도를 높이기 위한 방안으로 탄소나노튜브(carbon nanotube)와 소재를 이용한 단일 나노선(nanowire) 화학센서 및 나노선 집합체 센서에 대한 연구가 진행되어 왔다(science 287, 622). 그러나, 이러한 방법으로는 소자제작 수율이 낮고 구동 신뢰성도 떨어지는 문제가 있었다.

따라서, 저온의 작동 온도에서도 만족할 만한 감도를 가지는 화학센서에 대한 필요성이 여전히 요구되고 있다.

상기한 종래기술의 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막(이하, "금속산화물 나노입자 감지막"이라고도 함)을 구비한 센서기판과 광원을 포함하는 저온에서 구동 가능한 금속산화물 반도체 화학센서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 저온구동이 가능한 금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 (i) 절연기판, 상기 절연기판 상부에 설치되는 감지 전극, 및 상기 감지 전극 상부에 형성되는 금속산화물 나노입자 감지막을 포함하는 센서기판; (ii) 시료의 유입과 방출이 가능한 측정 챔 버; 및 (iii) 광원을 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 전기전도도 변화를 이용하여 저온에서 화학종을 감지하기 위한 금속산화물 반도체 화학센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 금속산화물 반도체 화학센서는 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막을 구비한 센서기판, 측정 챔버, 및 광원을 포함하는 것으로 구성된다.

상기 금속산화물 반도체 화학센서는 상기 측정 챔버를 통하여 유입된 화학종이 금속산화물 나노입자에 흡착됨으로써 상기 감지막의 전기전도도가 변화하고, 상기 광원을 화학종이 흡착된 감지막에 조사하여 흡착된 화학종을 탈착시켜 변화된 전기전도도를 초기 상태로 환원시킴으로써, 저온(바람직하게는 100℃ 미만)에서 화학종을 감지할 수 있다는 특징을 가진다.

상기 감지막은 실온에서도 감지하고자 하는 화학종과의 흡착이 효과적으로 일어날 수 있도록 하는 표면 활성 흡착사이트가 다량 존재하는 금속산화물 나노입자로 구성되어 있다.

상기 절연기판은, 세라믹 센서기판, 부도체 박막으로 표면이 절연된 실리콘 센서기판, 유리 센서기판, 및 플라스틱 센서기판으로 이루어지는 군에서 선택된 임의의 센서기판을 사용할 수 있다. 일반적으로 센서기판의 열전도와 절연 특성이 우수하다는 점에서 알루미나와 같은 세라믹 센서기판이 바람직하고, MEMS 공정 기술이 필요한 경우에는 실리콘 센서기판이 바람직하다.

상기 금속산화물 나노입자는 텅스텐, 주석, 인듐, 티타늄, 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하며, 금속산화물 나노입자로 이용될 수 있는 바람직한 화합물로는, SnO₂, WO₃, TiO₂, Ta₂O₅, ZnO, In₂O₃, In₂O₃-SnO₂ 등을 들 수 있으며, 또한 여기에 금속원자(Pd, Pt, Ru, V, Cu, Au, Cd, Al, Pd)를 소량 첨가하여 센서기판의 피분석 화학종에 대한 감도와 선택성을 조절할 수도 있다.

상기 금속산화물 나노입자의 크기는 그 입경이 100 nm 이하인 것이 바람직하다.

상기 금속산화물 반도체 화학센서는 상기 센서기판 상부 또는 하부에 가열기 및 격리층을 더 포함할 수 있다. 상기 가열기는 상기 감지전극과 절연기판의 사이에 설치할 수도 있고, 상기 감지전극이 형성된 절연기판의 반대면에 설치할 수도 있으며, 상기 격리층은 상기 가열기의 상단 또는 하단 중에서 가열기가 설치된 쪽에 형성된다.

상기 가열기를 설치할 때에는 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 동시에 제작하는 것이 바람직하고, 이러한 역할을 동시에 수행할 수 있는 소재를 이용하여 가열기를 설치할 수도 있다. 이러한 역할을 하는 대표적인 소재로는 백금(Pt), 다결정성 실리콘(p-Si) 등이 있다.

상기 격리층은 상기 가열기와 상기 감지전극 사이를 전기적으로 절연하거나 또는 가열기가 외부환경에 노출되는 것을 방지하기 위하여 형성된다. 전자의 경우에는 절연성과 치밀성이 뛰어난 산화물 또는 질화물 박막을 사용하는 것이 바람직하고, 후자의 경우에는 절연성 페이스트를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

상기 측정 챔버는 시료의 유입과 방출이 가능한 구조로 되어 있고, 그 상부 가 광원이 투과될 수 있는 광 투과창으로 이루어져 있어서, 그 위에 광원을 설치함으로써 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막에 광원을 조사할 수 있으며, 이러한 광 투과창은 광원의 파장이 투과될 수 있는 유리 제품이나 고분자 제품을 사용할 수 있다.

상기 광원은 자외선 파장을 발광하는 수은 램프 또는 발광다이오드 소자가 바람직하고, 특히 350~410 nm 파장의 자외선을 발광하는 수은 램프인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명은 (i) 절연기판의 상부에 감지전극을 설치하는 단계; (ii) 상기 감지전극의 상부에 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막을 형성하여 센서기판을 형성하는 단계; (iii) 상기 센서기판을 측정 챔버에 장착하는 단계; 및 (iv) 상기 측정 챔버의 상부에 광원을 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 저온에서 화학종을 감지하기 위한 금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법을 제공한다.

상기한 금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법은, 상기 (ii) 단계 이후에 가열기 및 격리층을 설치하는 단계를 추가적으로 더 포함할 수 있는데, 이는 (a) 상기 감지전극과 절연기판의 사이에 가열기를 설치하는 단계; 및 (b) 상기 가열기가 설치된 절연기판의 상부와 감지전극 사이에 격리층을 형성하는 단계로 이루어져 있거나, (a') 상기 감지전극이 형성된 절연기판의 반대면에 가열기를 설치하는 단계; 및 (b') 상기 가열기가 설치된 절연기판의 하부에 격리층을 형성하는 단계로 이루어져 있을 수 있다. 즉, 상기 가열기는 상기 감지전극과 절연기판 사이에 설 치될 수도 있고, 감지전극이 형성된 절연기판의 반대 면에 설치될 수도 있으며, 상기 격리층은 상기 가열기가 상기 감지전극과 절연기판 사이에 설치되면 감지전극과 절연기판의 사이에 형성되고, 상기 가열기가 감지전극이 형성된 절연기판의 반대면에 설치되면 상기 가열기가 설치된 절연기판의 하부에 형성된다.

이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 이러한 실시예는 본 발명의 범위를 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 이하 도면에서 막 또는 영역들의 크기나 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장된 것이다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 화학센서 및 화학센서를 구성하는 센서기판(10)의 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 화학센서는 감지막(13)을 구비한 센서기판(10)이 측정 챔버(30) 내부에 안착되는 구조로 되어있는데, 상기 측정 챔버(30)는 피분석 기체 시료의 유입과 방출이 가능한 입출구와, 일면이 광을 투과할 수 있는 광투과 창(31)으로 이루어져 있어서, 광투과 창 상부에 위치한 광원(20)에서 나오는 빛이 센서기판(10)의 감지막(13)으로 조사될 수 있는 구조를 가진다. 그리고, 화학센서의 감지 반응을 확인하기 위하여 상기 센서기판(10)에 존재하는 감지전극(12)에서 전선을 뽑아 전기전도도 계측기(40)와 연결하여 전기전도도를 측정한다. 상기 전기전도도 계측기(40)는 센서의 저항을 직접 측정하거나 센서 감지전극 양단의 전류나 전압을 계측하여 전기전도도를 구할 수 있다.

특히, 도 2는 상기 도 1의 센서기판(10)의 단면을 도시한 것으로서, 상기 센서기판은 절연기판(11), 감지전극(12), 및 금속산화물 나노입자 감지막(13)을 포함한다. 즉, 상기 절연기판(11) 상부에 전도성 금속으로 이루어진 한쌍의 감지전극(12)이 형성되고, 상기 감지전극(12)의 상부에 금속산화물 나노입자 감지막(13)이 형성되는 구조를 가진다.

상기 감지전극(12)은 센서 소재의 전기전도도 변화를 감지하기 위한 목적으로 사용된다. 상기 감지전극(12)은 열기화(thermal evaporation), 전자빔기화(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 방법과 같은 진공 증착법으로 두께가 수 um 이내가 되도록 금속 박막을 형성한 후, 반도체 노광 공정을 이용하여 금속 전극을 패터닝(patterning)하여 제조하거나, 금속 나노입자와 접착성이 있는 유기물(폴리비닐알콜 등) 고분자로 구성된 혼합체 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅(screen printing) 공정을 이용하여 두께가 5~10 ㎛ 정도의 후막으로 형성된다. 상기 금속으로 대표적으로 많이 이용되는 것은 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), TiN, 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 다결정 실리콘(p-Si) 등이 있다. 이러한 금속을 증착하기 이전에 증착시키고자 하는 절연기판과 금속물질 간의 접착력(adhesion)을 증가시키는 보조 물질을 더 형성하기도 한다.

상기 감지전극(12)은 감지막의 저항을 측정하기 위하여 여러 가지 형태의 평면 전극 모양을 가진다. 가장 일반적인 형태는 평면 위에 두개의 접촉 패드가 있고, 각각의 접촉 패드는 센서와 접촉하는 전극 구조를 갖는다. 전극 형태는 간단 히 두개의 전극이 일자로 나열된 모양일 수도 있고 센서와의 접촉 면적을 최대화하기 위하여 빗 형태의 콤(comb) 구조를 갖는 두개가 서로 엇갈리도록 배치하기도 한다.

상기 금속산화물 나노입자 감지막(13)은 감지전극(12)의 각 전극 사이의 간격을 포함하는 감지전극(12) 상부에 진공 박막증착법을 이용하여 증착되거나 금속산화물 나노입자를 포함하는 용액을 이용하여 습식방법으로 형성된다. 대표적인 진공 증착법으로는 열증발(thermal evaporation), 전자빔증발(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 방법들이 있다. 습식방법은 금속산화물 전구체를 이용하여 센서기판 위에서 금속산화물 나노입자로 전환하는 방법을 이용하거나 미리 합성된 금속산화물 나노입자를 적당한 용매에 분산하여 금속산화물 나노입자 감지막(13)을 제작한다. 이때 용매와 나노입자 사이의 용해도가 낮아서 분산이 나쁜 경우에는 초음파와 같은 물리적인 충격을 주어서 분산을 유도한다. 이렇게 마련된 용액을 드롭코팅(drop coating), 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spay coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 방법으로 막의 두께가 0.2~5 ㎛ 정도 되도록 감지전극(12) 위에 코팅한다. 습식방법으로 제작된 감지막은 일반적으로 용매 분자를 포함하고 있으므로 열을 가해 주거나 진공 조건을 유지하여 용매를 제거하는 단계가 요구된다.

도 3은 도 2의 센서기판(10)에 온도를 제어하기 위한 가열기가 추가로 구비된 감지막을 구비한 센서기판의 단면도를 도시한 것이다. 도 3a는 감지전극(12)과 절연기판(11) 사이에 격리층(14) 및 가열기(15)가 설치된 경우이고, 도 3b는 감지 전극(12)이 형성된 절연기판(11)의 반대면에 격리층(14) 및 가열기(15)가 설치된 경우이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 가열기(15)는 절연기판(11)과 감지전극(12)의 사이에 설치될 수도 있고, 감지전극(12)이 형성된 절연기판(11)의 반대면에 설치될 수도 있다. 전자의 경우에는 상기 가열기(15)를 절연기판(11)과 감지전극(12) 사이의 절연기판(11) 상단면에 진공 증착법으로 증착시킨 다음 금속물질을 패터닝(patterning)하여 제조하고, 후자의 경우에는 금속 나노입자와 접착성이 있는 유기물 고분자로 구성된 혼합체 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅(screen printing) 공정을 이용하여 형성한다. 상기 금속물질로서 대표적으로 많이 이용되는 것은 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), TiN, 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 다결정 실리콘(p-Si) 등이 있다. 이러한 금속물질을 증착하기 전에 증착시키고자 하는 대상과 금속물질 간의 접착력(adhesion)을 증가시키기 위하여 보조 물질을 더 형성하기도 한다. 예를 들면, 유리나 실리콘 상에서 금이나 백금의 접착력을 증가시키기 위하여 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)을 미리 형성시킨다.

이하에서는, 실시예 및 실험예를 이용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 이들에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

[실시예] 텅스텐 산화물 감지막을 구비한 센서기판의 제조

(i) 텅스텐 산화물 나노입자 용액의 제조

텅스텐 산화물 나노입자로서 Aldrich #550086를 구입하여 물 용매에 분산하고, 감지막과 나노입자 사이의 응집력을 높이기 위하여 고분자 첨가제로서 폴리에틸렌 글라이콜을 추가하여 텅스텐 산화물 나노입자 용액을 제조하였다.

(ii) 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막의 제조

알루미나 세라믹 센서기판 상부에 금속 그림자 마스크(shadow mask)를 이용하여 크롬(Cr)을 약 10 nm 증착시킨 다음, e-beam 증착법을 이용하여 금(Au) 박막을 약 50~300 nm로 증착시켜서 감지전극을 설치하였다. 이렇게 형성된 감지전극은 빗살 모양의 한쌍의 전극으로 구성되고, 각 전극과 전극 사이의 간격이 300 ㎛가 되도록 하였다. 감지전극 상에 마이크로피펫을 사용하여 상기에서 제조한 텅스텐 산화물 나노입자 용액을 0.05~1 ㎕ 떨어뜨리고 실온에서 건조시켜서 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막을 제조하였다. 또한, 감지막에 남아있는 증발되지 않은 용매를 제거하기 위하여 250℃ 진공상태에서 10시간 건조하고 450℃ 질소 분위기에서 5시간 동안 열처리하는 후속 공정을 수행하였다.

[실험예 1] 감지막 표면의 전자현미경 관측

상기 실시예에서 제조된 텅스텐 산화물 나노입자로 구성된 감지막 표면을 전자현미경으로 관측하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 텅스텐 산화물 나노입자는 10~100 nm의 크기를 갖는 구형에 가까운 입자 모양을 하고 있음을 알 수 있다.

[실험예 2] NO₂ 감지에 대한 금속산화물 반도체 화학센서의 저항 측정

상기 실시예에서 제조된 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막의 실온에서의 NO₂ 감지 특성을 알아보기 위하여 검출 시간에 따라 조건을 달리하면서 센서 저항을 측정하였고, 이 결과를 도 5에 도시하였다.

도 5는 상기 텅스텐 산화물 감지막의 실온에서의 기본적인 감지특성을 보여준다. 도 5를 참조하여 설명하면, A~B 구간은 1 ppm의 NO₂가 감지막에 노출된 상태이고, B~C 구간은 NO₂ 주입을 멈추고 질소 분위기가 유지되고 있는 상태이고, C~D 구간은 UV 램프를 통하여 365 nm의 광을 감지막에 조사하고 있는 상태이다. 도 5의 감지 곡선으로부터, 실온에서도 유입된 NO₂와 감지막 사이의 상호작용에 의해서 센서 저항이 증가됨을 알 수 있다. 이것은 NO₂ 분자가 감지막에 흡착하여 전기전도도를 방해하기 때문인 것으로 설명할 수 있으며, NO₂ 분자가 기상에서 제거된 상태(B~C 구간)에서도 크게 센서저항이 변화하지 않은 결과는 이러한 흡착이 상당히 결합력이 강한 화학흡착이라는 것을 의미한다. 그러나, 자외선이 조사되면 광 흡수에너지에 의해 생성된 전자와 홀에 의해서 탈착이 용이해 짐을 알 수 있다.

[실험예 3] NO₂ 농도 변화에 따른 금속산화물 반도체 화학센서의 저항 측정

상기 실시예에서 제조된 금속산화물 나노입자로 구성된 감지막의 실온에서의 NO₂ 농도 변화에 따른 반응 특성을 알아보기 위하여 검출 시간에 따라 조건을 달리하면서 센서 저항을 측정하였고, 이 결과를 도 6에 도시하였다.

도 6은 주입된 NO₂ 분자의 0.1~1 ppm 농도 변화에 따른 감지세기의 변화를 보여 준다. 도 6에 나타난 결과로부터, NO₂의 농도가 증가함에 따라 센서저항의 변화 폭이 커짐을 알 수 있다. 또한, 텅스텐산화물 감지막의 경우에 다른 화학종(암모니아, 알콜, 벤젠)에 비하여 NO₂ 분자에 대한 감지 감도가 수십배 이상임을 확인하였으며, 이로써 본 발명에 따른 화학센서는 특정 화학종에 대한 선택적인 센서로도 제작할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 금속산화물 나노입자 감지막을 구비한 센서기판과 광원을 이용하여 저온에서 구동이 가능한 금속산화물 반도체 화학센서 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 화학센서는 낮은 전력이 요구되어 저전력이 요구되는 응용분야에 적합하고, 작은 사이즈로도 구현이 가능하여 초소형 화학센서 시스템 응용분야에 유용하게 적용할 수 있다. 특히, 상기 금속산화물 나노입자 감지막은 간단한 공정으로 구현이 가능하여 대량생산 및 기존의 반도체 공정과의 호환성이 뛰어나다. 또한, 고온이 필요 없으므로 열에 의해서 센서물질이 열화되는 문제가 발생하지 않을 것이다.

Claims (19)

1. (ⅰ) 절연기판, 상기 절연기판 상부에 설치되는 감지 전극, 및 상기 감지 전극 상부에 형성되는 금속산화물 나노입자 감지막을 포함하는 센서기판;

   (ⅱ) 시료의 유입과 방출이 가능한 측정 챔버; 및

   (ⅲ) 광원

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에서 화학종을 감지하기 위한 금속산화물 반도체 화학센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저온은 100℃ 미만인 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 절연기판은, 세라믹 센서기판, 부도체 박막으로 표면이 절연된 실리콘 센서기판, 유리 센서기판, 및 플라스틱 센서기판으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 금속산화물 나노입자는 텅스텐, 주석, 인듐, 티타늄, 및 아연 산화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
5. 제1항에 있어서,

   상기 금속산화물 나노입자는 SnO₂, WO₃, TiO₂, Ta₂O₅, ZnO, In₂O₃, 및 In₂O₃-SnO₂로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
6. 제1항에 있어서,

   상기 금속산화물 나노입자는 100 nm 이하의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
7. 제1항에 있어서,

   상기 금속산화물 반도체 화학센서는 가열기 및 격리층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
8. 제1항에 있어서,

   상기 광원은 자외선을 발광하는 수은 램프 또는 발광다이오드 소자인 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
9. 제8항에 있어서,

   상기 수은램프는 350~410 nm 파장의 자외선을 발광하는 것을 특징으로 하는

   금속산화물 반도체 화학센서.
10. (ⅰ) 절연기판의 상부에 감지전극을 설치하는 단계;

    (ⅱ) 상기 감지전극의 상부에 금속산화물 나노입자 감지막을 형성하여 센서기판을 형성하는 단계;

    (ⅲ) 상기 센서기판을 측정챔버에 장착하는 단계; 및

    (ⅳ) 상기 측정챔버의 상부에 광원을 설치하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온에서 화학종을 감지하기 위한 금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제조 방법은 상기 (ii) 단계 이후에,

    (a) 상기 감지전극과 절연기판의 사이에 가열기를 설치하는 단계; 및

    (b) 상기 가열기가 설치된 절연기판의 상부와 감지전극 사이에 격리층을 형성하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 제조 방법은 상기 (ii) 단계 이후에,

    (a) 상기 감지전극이 형성된 절연기판의 반대면에 가열기를 설치하는 단계; 및

    (b) 상기 가열기가 설치된 절연기판의 하부에 격리층을 형성하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속산화물 나노입자 감지막은 상기 감지전극의 상부에 진공 박막증착법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속산화물 나노입자 감지막은 상기 감지전극의 상부에 습식방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
15. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 저온은 100℃ 미만인 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
16. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속산화물 나노입자는 텅스텐, 주석, 인듐, 티타늄, 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
17. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속산화물 나노입자는 100 nm 이하의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
18. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광원은 자외선을 발광하는 수은 램프 또는 발광다이오드인 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 수은램프는 350~410 nm 파장의 자외선을 발광하는 것을 특징으로 하는

    금속산화물 반도체 화학센서의 제조 방법.

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