KR20150119603A - 복합형 One-Chip 기체센서 어레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합형 어레이 기체센서에 관한 것으로, 기판; 상기 기판의 상면에 균일하게 형성된 히터; 상기 히터와 연결되어 상기 히터를 구동시키는 히터 전극; 상기 히터 및 히터 전극을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층 상면에 서로 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 감지전극 및 감지전극 어레이; 및 상기 복수개의 감지전극위에 각각 형성되는 복수개의 기체 감지부를 포함하고, 상기 복수개의 기체 감지부는 산화물 박막 센서 모듈, 나노구조체 센서 모듈, 금속 촉매가 형성된 박막 센서 모듈, 및 금속 촉매가 형성된 나노구조체 모듈로 이루어진 군에서 선택된 서로 다른 2개 이상의 모듈인, 복합형 One-Chip 기체센서 어레이를 제공한다.
Description
본 발명은 복합형 어레이 기체센서와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다른 기체 감도를 지니는 복수 종류의 물질과 구조를 구성하는 동시에, 높은 감도와 선택성을 갖는 복합형 One-Chip 기체센서 어레이에 관한 것이다.
현대 생활환경은 대단히 많은 종류의 위험한 기체 및 독극물 등의 위협에 노출되어 있다. 산업현장 뿐 아니라 일반 가정, 업소 등에서도 가연성 기체의 폭발이나 유독기체의 누출 등의 위험성이 상시적으로 존재하고 있으며, 이를 사전에 감지하여 대처하기 위한 각종 기체센서가 개발되었다. 특히 반도체식 기체센서는 열적으로 안정된 성질을 지니며 감지할 수 있는 기체의 종류가 많고 센서의 제작이 비교적 용이한 장점이 있어서, 반도체식 기체센서 및 이들을 한데 배열해 높은 기체선택성을 갖도록 한 센서 어레이가 활발히 개발되고 있다.
최근에는 반도체식 기체 센서에 멤스(MEMS; Micro Electro-Mechanical Systems; 미소 전자 기계 시스템) 구조나 나노(Nano) 공정을 도입한 마이크로 기체 센서가 개발되면서 저전력 마이크로 기체 센서 어레이를 이용한 센서 어레이 및 전자 코 시스템을 제작할 수 있게 되었다. 더욱이 멤스(MEMS) 구조나 나노(Nano) 공정을 이용한 마이크로 기체 센서 어레이는 반도체 생산 공정으로 대량생산이 가능하여 가격을 낮출 수 있고, 크기가 작아서 휴대형 센서 어레이 및 전자 코 시스템을 제작할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 멤스(MEMS) 구조, 나노(Nano) 공정을 이용한 반도체식 기체센서에 관한 종래기술로, 실리콘 기판 위에 산화물 감지막을 증착하여 마이크로 센서를 제작하는 방식(미국공개특허 2012-0138459)이 있다. 이러한 센서는 멤스(MEMS) 구조물 상에 적층형 구조의 마이크로 발열체와 감지 전극을 형성한 후 전극 상에 감지물질을 형성시켜 제조하는 방식이다.
또한 멤스(MEMS) 구조, 나노(Nano) 공정을 이용한 기체센서 및 센서 어레이에 관한 또 다른 종래 기술로서, 실리콘 기판 위에 각기 다른 물질의 나노와이어를 형성하고 배열하여 센서 어레이를 제작하는 방식(미국등록특허 8187865)도 있다. 이러한 형태는 센서 하부에 적층형태의 발열체와 상부에 전극을 형성시키고, 그 위에 나노와이어를 형성시켜 제조한 것이다.
그러나 이들 종래기술에 의한 기존의 센서는 감지 물질들의 감도를 향상시키기 위해 나노와이어, 나노벨트와 같은 솔루션 기반의 습식(Wet) 공정이 필수적인데, 이러한 공정은 센서막 형성에 있어 재현성 및 안정성에 결함이 있으므로 대량 생산에 적합하지 못한 실정이다. 또한 종래기술은 기체센서에서 요구되는 중요한 특징인 기체선택성, 즉 판별하고자 하는 기체만을 선택적으로 감지하는 능력이 우수하지 못하다. 종래기술 중에도 반도체식 기체 센서의 모 재료와 촉매들을 여러 가지로 바꾸고 조합을 하거나, 센서의 동작 온도를 변경함으로써 기체선택성을 높이기 위한 방법들이 있으나, 여전히 한계가 있고 획기적으로 기체선택성을 향상시키기 어렵다는 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대량생산에 적합하면서도 안정성과 재현성이 뛰어난 센서막을 갖춘 센서 어레이를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 다음과 같은 수단들을 통하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 복수개의 서로 다른 물질을 이용하여 각각의 산화물 박막, 금속 촉매가 형성된 박막, 나노구조체, 금속촉매가 있는 나노구조체 등의 조합으로 구성하되, 종래 기술의 상기와 같은 문제점들을 개선하여, 센서의 재현성 및 센서막의 안정성을 높이고, 우수한 기체 선택성 및 감도를 갖는 나노구조 형태의 박막 센서 어레이를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기판; 상기 기판의 상면에 균일하게 형성된 히터; 상기 히터와 연결되어 상기 히터를 구동시키는 히터 전극; 상기 히터 및 히터 전극을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층 상면에 서로 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 감지전극 및 감지전극 어레이; 및 상기 복수개의 감지전극위에 각각 형성되는 복수개의 기체 감지부를 포함하고, 상기 복수개의 기체 감지부는 산화물 박막 센서 모듈, 나노구조체 센서 모듈, 금속 촉매가 형성된 박막 센서 모듈, 및 금속 촉매가 형성된 나노구조체 모듈로 이루어진 군에서 선택된 서로 다른 2개 이상의 모듈인, 복합형 One-Chip 기체센서 어레이를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산화물 박막 또는 나노구조체의 재료는 WO3, TiO2, SnO2, ZnO, NiO, Ga2O3, CuO, In2O3, Nb2O5, 및 Ta2O3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 복합형 One-Chip 기체센서 어레이를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 금속 촉매는, Au, Pt, Ag, Pd, Ni, 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 복합형 One-Chip 기체센서 어레이를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전극재료는, Au, Pt, Ag, ITO(Sn doped In2O3), 및 LSMO(La1-xSrxMnO3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 복합형 One-Chip 기체센서 어레이를 제공한다.
본 발명은 센서의 재현성 및 센서막의 안정성을 높인 나노구조 형태의 박막 어레이 센서를 제공한다. 아울러, 대량생산이 가능하여 저렴한 가격으로 공급 가능한 센서를 제공한다.
도 1은 종래기술의 나노구조체 기체센서 제조공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 나노구조체 기체센서 제조공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 나노구조체 기체센서 모듈의 평면 형상을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 나노구조체 기체센서 모듈의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 5는 본 발명의 박막형 기체센서 모듈을 도시한 것이다.
도 6은 200℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다.
도 7은 300℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다.
도 8은 400℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 나노구조체 기체센서 제조공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 나노구조체 기체센서 모듈의 평면 형상을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 나노구조체 기체센서 모듈의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 것이다.
도 5는 본 발명의 박막형 기체센서 모듈을 도시한 것이다.
도 6은 200℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다.
도 7은 300℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다.
도 8은 400℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다.
복합형 One-Chip 어레이 기체 센서는 다음과 같은 기술적 과제가 해결되어야한다.
첫째, 선택된 기판위에 균일한 박막 또는 나노구조체가 형성되어야 한다.
둘째, 센서의 안정된 특성을 위해 박막위에 형성된 금속촉매의 크기가 균일해야 한다. 특히 기존의 나노구조체 센서 어레이와 대비하여 동등 혹은 향상된 기체 감응도 및 선택성을 가져야 한다.
위와 같은 기술과제를 해결한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래기술의 나노구조체 기체센서 제조공정을 도시한 것이다. 종래의 기체센서는 실리콘 기판위에 약 1micrometer 두께의 실리콘산화막을 증착한 뒤 그 위에 금(Au) 또는 백금(Pt)을 2 내지 6nm 두께로 입히고 500℃에서 약 1시간 정도 열처리하여 나노구조체를 형성한다. 이와 같이 나노구조체를 형성할 경우, 불균일 분포로 인해 기체검출 감도가 떨어질 수 있다.
도 2는 발명의 나노구조체 기체센서 제조공정을 도시한 것이다. 본 발명의 일 구현예에서는 각도를 가진 전자 빔 증착(electron beam deposition)공정을 이용하여 기판면과 일정한 각도를 형성하는 기둥형상의 나노구조체를 형성한다. 상기 도2의 기둥형상에 대한 실제 형상을 전자현미경으로 촬영한 일 실시예가 도 3과 도4에 각각 평면형상과 단면형상으로 도시되어 있다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 구조체는 균일한 두께로 평행하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
상기 기존의 산화물 나노구조체에 대한 종래기술을 살펴보면, 제작 방법에 있어서 솔루션 형태로 선택된 기판위에 떨어트려(dropping) 코팅을 한다. 이러한 방법은 박막의 재현성과 균일성이 떨어져 단일 기판위에 여러 선택된 곳에 코팅하기란 쉽지 않다. 하지만 본 발명은 전자빔 증착방법(e-beam deposition)으로 단일 기판위에 선택된 여러 곳을 마스킹하여 균일하고 재현성이 높은 나노구조체 박막을 형성 시킬 수 있다. 더욱이 이러한 나노구조체는 높은 기공율과 aspect ratio(가로 세로 비)를 가지고 있어 기존의 나노구조체 박막 센서보다 월등한 감도를 갖는다. 증착 시에는 정확한 두께를 확인할 수 있어 다른 기존의 장비 보다 높은 재현성을 얻을 수 있고, 기판이 위치한 holder는 증착이 발생하는 중심 위치로 부터 360도 회전이 가능하여 다양한 나노 구조의 박막형태를 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 복합형 One-Chip 기체센서 어레이에 포함되는 단위 박막 센서의 형상을 도시한 것이다. 본 발명의 복합형 One-Chip 기체센서 어레이는 하나의 기판 위에 상기 박막뿐 아니라 나노구조체 또는 박막에 촉매가 형성(미도시)되거나 나노구조체에 촉매가 형성되는 등 방식을 달리하는 여러 센서 모듈을 배열하여 구성된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 복합형 One-Chip 기체센서 어레이는 기판 위에 각각 산화물 박막센서 모듈, 금속촉매가 형성된 박막센서 모듈, 나노구조체 센서 모듈, 금속촉매가 형성된 나노구조체 센서 모듈들을 가로방향 혹은 세로방향으로 배열하여 구성한다. 또한, 같은 산화물 박막센서 모듈, 혹은 나노구조체센서 모듈이나 금속촉매가 결합된 센서 모듈이라 할지라도, 각각의 센서 모듈을 구성하는 물질들을 서로 달리하여 배열할 수 있다. 따라서 본 발명의 복합형 One-Chip 기체센서 어레이는 개별 센서들을 구성하는 유닛의 방식이나 물질들의 구성을 종횡으로 달리하는 매트릭스(Matrix)적 형태를 취하고 있으므로, 보다 다양한 기체들에 대해 폭넓게 감지할 수 있어서 기체선택성이 획기적으로 높아지며, 감도도 우수한 센서 어레이를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 산화물 박막 또는 나노구조체의 재료는 WO3, TiO2, SnO2, ZnO, NiO, Ga2O3, CuO, In2O3, Nb2O5, 및 Ta2O3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이다. 이와 같은 재료는 검출하고자 하는 기체 종류에 따라 적절히 배치되어 사용가능하다.
본 발명의 일 구현예에서, 기판의 형태나 배열의 모양 또한 정사각형이나 직사각형 모양에만 한정되는 것이 아니라, 원모양, 타원모양, 스파이럴 형태 등 매우 다양한 모양과 배열 형태로 구성할 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 당연히 포함된다. 도한 감도가 다른 각각의 물질은 n-type과 p-type 산화물 반도체 물질을 포함하고 있다. n-type 물질은 대표적으로 TiO2, SnO2, WO3, Nb2O5, ZnO, In2O3 등을 포함하고, p-type 물질은 CuO, NiO 등을 포함한다.
상기 재료로 형성되는 박막 또는 나노구조체는 그 자체로도 기체검출을 할 수 있지만 감도를 향상시키기 위해서 금속 촉매를 사용하는 경우도 가능하다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 금속 촉매는 Au, Pt, Ag, Pd, Ni, 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 가능하다. 이러한 촉매는 기체와 박막 또는 기체와 나노구조체의 반응활성을 높여주어 기체감도를 증가시킨다.
상기 센서어레이는 기판상에 위치하는 공통의 히터위에 형성되며 상기 히터는 센서의 온도를 400℃ 이상으로 유지하는 것을 가능하게 한다. 이러한 히터는 센서형성시 사용되는 공지의 기술을 사용하며 히터에 전력을 공급하는 전극도 공지의 기술을 활용한다.
즉 본 발명의 일 구현예에서, 복합형 One-Chip 기체센서 어레이는, 기판; 상기 기판의 상면에 균일하게 형성된 히터; 상기 히터와 연결되어 상기 히터를 구동시키는 히터 전극; 상기 히터 및 히터 전극을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층 상면에 서로 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 감지전극 및 감지전극 어레이; 및 상기 복수개의 감지전극위에 각각 형성되는 복수개의 기체 감지부를 포함하고, 상기 복수개의 기체 감지부는 산화물 박막 센서 모듈, 나노구조체 센서 모듈, 금속 촉매가 형성된 박막 센서 모듈, 및 금속 촉매가 형성된 나노구조체 모듈로 이루어진 군에서 선택된 서로 다른 2개 이상의 모듈이다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 전극재료는 Au, Pt, Ag, ITO(Sn doped In2O3), 및 LSMO(La1-xSrxMnO3)로 이루어진 군에서 선택된다. 즉, 전도성이 좋고 반응성이 낮은 귀금속과 금속산화물이 사용될 수 있다.
실시예.
도 6은 200℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이고, 도 7은 300℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이며, 도 8은 400℃ 온도 조건에서 CO, CH4, NO2, SO2 기체에 대해 각 모듈별 검출감도를 도시한 것이다. CO, CH4, SO2는 온도가 높아질수록 감도가 증가하는 것을 볼 수 있지만, NO2는 오히려 온도가 높아질수록 감도가 감소하는 현상도 관찰할 수 있다. 또한, CO, CH4, SO2의 감도는 SnO2 나노구조체에서 가장 높았지만 NO2는 WO3 나노구조체에서 가장 감도가 높다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 복합형 센서 어레이는 이처럼 서로 다른 감도를 나타내는 기체별로 최적의 성분과 구조 및 형상을 선택할 수 있다는 장점을 가진다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.
Claims (4)
- 기판;
상기 기판의 상면에 균일하게 형성된 히터;
상기 히터와 연결되어 상기 히터를 구동시키는 히터 전극;
상기 히터 및 히터 전극을 감싸며 상기 기판 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상면에 서로 일정한 간격으로 이격되어 형성되는 복수개의 감지전극 및 감지전극 어레이; 및
상기 복수개의 감지전극위에 각각 형성되는 복수개의 기체 감지부를 포함하고,
상기 복수개의 기체 감지부는 산화물 박막 센서 모듈, 나노구조체 센서 모듈, 금속 촉매가 형성된 박막 센서 모듈, 및 금속 촉매가 형성된 나노구조체 모듈로 이루어진 군에서 선택된 서로 다른 2개 이상의 모듈인,
복합형 One-Chip 기체센서 어레이.
- 제 1항에 있어서,
상기 산화물 박막 또는 나노구조체의 재료는 WO3, TiO2, SnO2, ZnO, NiO, Ga2O3, CuO, In2O3, Nb2O5, 및 Ta2O3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인,
복합형 One-Chip 기체센서 어레이.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 촉매는, Au, Pt, Ag, Pd, Ni, 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인,
복합형 One-Chip 기체센서 어레이.
- 제 1항에 있어서,
상기 전극재료는, Au, Pt, Ag, ITO(Sn doped In2O3), 및 LSMO(La1-xSrxMnO3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인,
복합형 One-Chip 기체센서 어레이.
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| KR1020140045147A KR20150119603A (ko) | 2014-04-16 | 2014-04-16 | 복합형 One-Chip 기체센서 어레이 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150119603A true KR20150119603A (ko) | 2015-10-26 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210021721A (ko) | 2019-08-19 | 2021-03-02 | (주)에스팩솔루션 | 멀티칩 led 모듈 또는 멀티칩 복합센서 모듈용 고방열성 기판 |
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2014
- 2014-04-16 KR KR1020140045147A patent/KR20150119603A/ko active Search and Examination
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| KR20210021721A (ko) | 2019-08-19 | 2021-03-02 | (주)에스팩솔루션 | 멀티칩 led 모듈 또는 멀티칩 복합센서 모듈용 고방열성 기판 |
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