KR20100019261A - 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 센서의 제조방법은 (a) 기판(110) 상에 산화아연 나노막대 어레이(140)를 형성하는 단계; 및 (b) 산화아연 나노막대 어레이(140) 상에 양극 전극(160) 및 음극 전극(170)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에, 본 발명은 나노막대와 전극간에 병렬회로를 이루게 됨으로써 감지 특성과 관련한 나노막대 어레이의 평균값이 센서에 반영됨에 따라 신뢰성이 매우 우수한 센서를 구현할 수 있게 된다.
나노막대, 산화아연, 센서, 신뢰성
Description
본 발명은 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노막대와 전극간에 병렬회로를 이루게 됨으로써 감지 특성과 관련한 나노막대 어레이의 평균값이 센서에 반영됨에 따라 신뢰성이 매우 우수한 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
나노 막대(또는 나노 와이어)는 직경이 나노미터(nm) 단위이고, 길이는 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터(㎛) 또는 밀리미터(mm) 단위를 갖는 선형 재료를 말하며, 나노 막대(또는 나노 와이어)의 물성은 그 직경과 길이에 의존한다. 이러한 나노 막대(또는 나노 와이어)는 실리콘(Si), 주석 산화물(SnO), 갈륨 질화물(GaN) 및 아연 산화물(ZnO) 등의 소재를 이론적으로 수 나노미터(nm) 두께의 선 또는 블록으로 만들어 미세 공정에 활용할 수 있기 때문에 트랜지스터, 메모리, 감지 센서 등의 전자 소자 분야뿐만 아니라 의료, 환경 등 전자 이외의 다양한 분야까지도 응용될 수 있어 연구가 한창 진행 중에 있다.
대표적인 예로서 1차원 산화물 나노 막대(또는 나노 와이어)가 전기적, 화학 적 감지 특성이 있음이 알려지면서 나노형 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET) 방식의 센서에 대한 연구가 있어 왔다.
그러나, 이러한 1차원(단일) 나노형 전계효과 트랜지스터는 소자 구현을 위해 복잡한 포토리소그라피 공정이 요구되고, 전기전도의 변화량이 매우 미세하여 이를 측정하기 위한 고가의 정밀 측정장비가 필요한 까닭에 실제 센서에 적용하기에는 많은 한계가 있었다. 무엇보다도, 단일 나노형 전계효과 트랜지스터 방식의 센서는 소자와 전극간의 접합에 따른 오차 및 소자의 기하학적 미세 모양 차이에 따른 측정 값의 오차로 인해 신뢰성이 떨어지고, 센서의 응답 시간과 회복 시간이 느리고 민감도가 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 나노 막대의 우수한 감지 특성을 화학 센서에 응용하기 위해서는 기존의 나노형 전계효과 트랜지스터 방식이 아닌 새로운 방식의 화학 센서의 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 나노막대와 전극간에 병렬회로를 이루게 됨으로써 감지 특성과 관련한 나노막대 어레이의 평균값이 센서에 반영됨에 따라 신뢰성이 매우 우수한 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 응답 시간과 회복 시간이 빠르고 민감도가 우수한 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 제조 방법은 (a) 기판 상에 산화아연 나노막대 어레이를 형성하는 단계, 및 (b) 상기 산화아연 나노막대 어레이 상에 양극 전극 및 음극 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서 상기 산화아연 나노막대 어레이를 형성하기 전에 백금층을 형성할 수 있다.
상기 백금층을 형성하기 전에 상기 기판 상에 절연층을 형성할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 산화아연 나노막대 어레이는 화학 기상 증착법으로 형성하며, 상기 화학 기상 증착법의 소스 물질로 디엘틸아연(diethylzinc) 및 산소 가스를 이용할 수 있다.
상기 양극 및 음극 전극은 Ni층 및 Au층을 포함하는 이중층으로 형성할 수 있다.
상기 산화아연 나노막대 어레이를 구성하는 산화아연 나노막대는 병렬 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 나노막대와 전극간에 병렬회로를 이루게 됨으로써 감지 특성과 관련한 나노막대 어레이의 평균값이 센서에 반영됨에 따라 신뢰성이 매우 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 나노막대 어레이 상에 양극 전극과 음극 전극이 동시에 형성됨으로써 응답 시간과 회복 시간이 빠르고 민감도가 우수한 효과가 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모 든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서의 제조방법을 나타내는 도면이다.
먼저 도 1a를 참조하면, 기판 (110) 상에 산화아연(ZnO) 나노막대 어레이를 형성하기 전에 절연층(120)과 백금층(130)을 각각 순차적으로 형성한다.
기판(110)은 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것이 바람직하다.
절연층(120)은 기판(110)과 향후 형성될 산화아연 나노막대 어레이를 전기적으로 격리하는 역할을 하며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2)을 사용하는 것이 바람직하다.
백금층(130)은 산화아연 나노막대 어레이 성장시 수직정렬 및 수평정렬이 잘 이루어지게 하는 역할을 하며, 상기 역할을 할 수 있다면 반드시 백금으로 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 1b를 참조하면, 백금층(130) 상에 복수개의 산화아연 나노막대로 구성되는 산화아연 나노막대 어레이(140)를 형성한다. 산화아연 나노막대 어레이(140)는 화학기상 증착법을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
화학기상 증착법으로 산화아연 나노막대 어레이를 형성하는 경우, 소스 가스[즉, 프리커서(precursor)]로 디엘틸아연(diethylzinc)과 산소(O2)를, 디엘틸아연을 운반하는 캐리어 가스로 아르곤(Ar)을 사용할 수 있으나 반드시 이에 한정되지 는 않는다. 또한, 증착 온도는 500℃ 내지 600℃, 증착 압력은 3 내지 7 Torr, 증착 시간은 25 내지 35분의 범위에서 산화아연 나노막대 어레이를 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 1c를 참조하면, 산화아연 나노막대 어레이(140)를 덮도록 백금층(130) 상에 포토레지스트층(150)을 형성한다. 포토레지스트층(150)은 향후 산화아연 나노막대 어레이(140) 상에 전극을 형성할 때 전극 물질이 불필요하게 산화아연 나노막대 사이로 침투하여 쇼트가 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다. 포토레지스트층(150)은 스핀 코팅법을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 1d를 참조하면, 전극 형성을 위하여 산화아연 나노막대 어레이(140)의 일측 단부가 노출될 수 있도록 포토레지스트층(150)의 일부분을 식각한다. 포토레지스트층(150)은 건식 식각법(dry etching), 예를 들어 산소 가스를 이용한 유도결합 플라즈마(ICP) 식각법으로 식각하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
다음으로, 도 1e를 참조하면, 노출된 산화아연 나노막대 어레이(140) 상에 양극 전극(160)과 음극 전극(170)을 형성한다. 양극 전극(160)과 음극 전극(170)은 Ni층(161, 171) 및 Au층(162, 172)의 이중 구조를 취하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 노출된 산화아연 나노막대 어레이(140)이 상에 각각 Ni층(161, 171)을 형성한 후에 Au층(162, 172)을 형성하는 것이다. 이와 같이 이중 구조의 전극을 사용하는 것은 Au층(162, 172)이 전극으로서 전도성은 뛰어나나 산화아연 나노막대 어레이(140)와의 접착력이 좋기 못한 단점이 있어서 이러한 단점을 산화아연 나노 막대 어레이(140)와 접착력이 좋은 Ni층(161, 171)으로 보완할 수 있기 때문이다. 양극 전극(160)과 음극 전극(170)은 스퍼터링법(Sputtering), 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation), 레이저 분자빔 에피텍시법(laser molecular beam epitaxy; L-MBE), 펄스 레이저 증착법 (pulsed laser deposition; PLD) 및 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), HVPE(hydride vapor phase epitaxy) 등과 같이 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
한편, 도 1e에서 양극 전극(160)과 음극 전극(170)의 패터닝은 통상적인 포토리소그래피(photolithography) 공정을 사용하는 것이 바람직하다. 통상적인 포토리소그래피 공정에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 도 1f를 참조하면, 도 1e의 단계를 거친 후 잔존하는 포토레지스트층(150)을 완전히 제거한다. 포토레지스트층(150)은 아세톤 등을 사용하는 습식 식각법(wet etching)으로 제거하는 것이 바람직하다. 그리고, 양극 전극(160)과 음극 전극(17)을 저항과 전원을 포함하는 전원장치(180)로 연결하면 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서(100)가 완성된다.
(실시예)
이하 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화아연 나노막대를 이용한 센서의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, (100) 실리콘 웨이퍼(110) 상에 약 120 nm 정도의 백금층(130)을 스퍼터링법을 이용하여 형성한다. 백금층(130)은 산화아연 나노막대 어레이의 성장이 잘 이루어지도록 하는 역할을 한다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(110)의 (100)면과 백금층(130)의 (111)면은 서로 정합 관계에 있기 때문에 백금층(Pt, 130)을 통하여 산화아연 나노막대 어레이기 실리콘 웨이퍼 상에서 수직 정렬 및 수평 정렬된 상태로 성장할 수 있도록 한다.
한편, 백금층(130)을 형성하기 전에 (100) 실리콘 웨이퍼(110) 상에 약 5 nm 정도의 티탄층(Ti, 120)을 스퍼터링법을 이용하여 형성한다. 티탄층(120)은 실리콘 웨이퍼(110)와 백금층(130)의 접착력을 향상시키는 역할을 한다.
이후 백금층(130) 상에 산화아연 나노막대 어레이(140)를 성장시킨다. 본 실시예에서 산화아연 나노막대 어레이(140)는 금속유기물 화학기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하여 성장시킨다. 프리커서(precursor)로 디엘틸아연(diethylzinc)과 산소(O2)를 캐리어 가스로 아르곤을 사용한다. 증착 압력은 5 Torr, 증착 온도는 500 ℃, 증착 시간은 30분 이다. 디엘틸아연과 산소의 플로우 레이트(flow rate)는 1/68로 고정한다. 이러한 증착 조건으로 성장된 산화아연 나노막대 어레이(140)의 각 산화아연 나노막대는 평균적으로 길이는 약 4 ㎛, 직경은 약 100 nm 정도이다.
이후 산화아연 나노막대 어레이(140) 상에 스핀 코팅법을 이용하여 포토레지스트층(미도시)을 도포한다. 이때 포토레지스트층은 산화아연 나노막대 어레이(140)를 완전히 덮으면서 각 산화아연 나노막대 어레이간의 공간을 완전히 채우도록 도포된다.
이후 유도결합 플라즈마 식각법으로 포토레지스트층의 일부를 식각하여 산화 아연 나노막대 어레이의 일단이 노출되도록 한다. 식각 가스는 산소 가스를 사용한다.
이후 산화아연 나노막대 어레이(140) 상에 양극 전극층(160)과 음극 전극층(170)을 형성한다. 양극 전극층(160)과 음극 전극층(170)은 약 100 nm 정도의 Ni층과 약 50 nm 정도의 Au층을 갖는 이중 구조로 형성된다. 전극층을 구성하는 Ni층과 Au층은 열 증착법(thermal evaporation)을 이용하여 형성한다.
끝으로 남아있는 포토레지스트층을 습식 식각법(wet etching)을 제거한 후 양극 전극층(160)과 음극 전극층(170)을 전원장치(180)로 연결하면 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서(100)의 제조가 완료된다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 센서(100)는 예를 들어 산화아연 나노막대 상에 흡착되는 가스의 양에 따라 산화아연 나노막대의 저항값이 변동되는 특성을 이용하여 특정 가스의 농도를 측정할 수 있는 센서로 사용할 수 있다. 이 경우에 있어서 본 발명의 센서(100)는 산화아연 나노막대 어레이 상에 양극 전극과 음극 전극이 동시에 형성되어 나노막대와 전극간에 병렬회로를 이루게 됨으로써 나노막대 어레이의 저항값의 평균치가 반영됨에 따라 센서의 신뢰성이 매우 우수한 이점이 있다. 즉, 본 발명의 센서(100)는 각 산화아연 나노막대의 모양 및 크기의 차이에 따른 저항값의 측정 오차를 최소화 할 수 있기 때문에 보다 정확한 가스 농도를 측정할 수 있는 센서의 구현이 가능하다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 센서의 특성을 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 3a는 300 ℃의 온도와 9.7×10-4 내지 70.5 torr의 산소 압력에서 센서(100)의 I-V 특성을 나타내는 그래프이다. 도시한 바와 같이, I-V 커브는 특정 산소 가스의 농도에서는 선형적인 거동을 보이고 있으며, 아울러 I-V 커브의 기울기(slope)는 산소 가스의 농도 변화에 따라 변하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명의 센서(100)에서 산화아연 나노막대 어레이(140)와 전극(160, 170)은 우수한 오믹 컨택(ohmic contact)을 이루고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3a를 참조하면, 센서(100)의 저항값은 산소 가스의 농도가 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있다.
도 3b는 300℃의 온도와 1.1 내지 20 torr의 산소 압력에서 센서(100)의 응답 특성을 나타내는 그래프이다. 도시한 바와 같이, 센서(100)가 산소 가스에 노출되면 저항값은 급격히 증가하는 반면에 센서(100)로부터 산소 가스를 제거하면 저항값은 급격히 떨어짐을 알 수 있다. 도 3b의 결과로부터 센서(100)의 응답 시간과 회복 시간은 각각 140 내지 200초와 90 내지 140초로 계산되었다. 이 값은 본 발명의 센서(100)가 산소 농도 측정시 안정성이 매우 높고 재현성이 우수하다는 점을 나타낸다. 여기서 응답 시간과 회복 시간은 저항값에 대한 최종 평형치의 85%에 도달되는 시간으로 정의된다.
도 3c는 300℃의 온도에서 산소 가스의 농도 변화에 따른 센서(100)의 응답 특성을 나타내는 그래프이다. 도시한 바와 같이, 소정 압력의 산소 가스 분위기를 진공 상태로 대체하거나 그 반대가 될 때 센서(100)의 저항값이 각 산소 압력에서 의 응답 시간에 따라 신속하게 회복됨을 알 수 있다.
도 3d는 300℃의 온도에서 산소 가스의 농도 변화에 따른 센서(100)의 민감도(sensitivity)를 나타내는 그래프이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 센서(100)는 산소 압력이 증가할수록 민감도는 향상되었으며 약 70 torr의 산소 압력에서 대략 2,000%의 민감도를 보였다. 여기서 민감도는 [(R - Ro)/Ro]ⅹ100(%)로 Ro는 산소 가스에 노출되지 않은 경우의 저항값이고 R은 산소 가스에 노출된 경우의 저항값이다.
이상과 같이 본 발명의 센서(100)는 산소 가스에 대한 응답 시간과 회복 시간이 빠르고 민감도가 우수하여 실제 산소 가스 농도를 측정할 수 있는 센서로 구현이 가능하다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서의 제조방법을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노막대를 이용한 수소 센서의 구성을 나타내는 도면.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 센서의 특성을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 센서
110: 기판
120: 절연층
130: 백금층
140: 산화아연 나노막대 어레이
150: 포토레지스트
160, 170: 양극 전극, 음극 전극
180: 전원 장치
Claims (8)
- 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서의 제조방법으로서,(a) 기판 상에 산화아연 나노막대 어레이를 형성하는 단계; 및(b) 상기 산화아연 나노막대 어레이 상에 양극 전극 및 음극 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계에서 상기 산화아연 나노막대 어레이를 형성하기 전에 백금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서,상기 백금층을 형성하기 전에 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계에서 상기 산화아연 나노막대 어레이는 화학 기상 증착법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서,상기 화학 기상 증착법에서 소스 물질로 디엘틸아연(diethylzinc) 및 산소 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 양극 및 음극 전극은 Ni층 및 Au층을 포함하는 이중층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 산화아연 나노막대 어레이를 구성하는 산화아연 나노막대는 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 산화아연 나노막대 어레이를 이용한 센서.
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- 2008-08-08 KR KR1020080078200A patent/KR20100019261A/ko not_active Application Discontinuation
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