KR20160001369A - 가스 또는 ｖｏｃ 검출용 복합 센서 어레이 및 이의 이용 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서, 상기 센서는 벌크 음향파 공진기(bulk acoustic wave resonator: BAW), 표면 음향파 공진기(surface acoustic wave resonator: SAW). 박막형 벌크 음향파 공진기(film bulk acoustic resonator: FBAR), 및 고상 적층 공진기(solidly mounted resonator: SMR) 중 선택된 하나에 기반하며, 가스감지층을 포함하며, 상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가스 또는 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound: VOC) 검출용 복합 센서 어레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일한 칩 상에 센서의 리셉터로서 다수의 중합체와 탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT)를 복합적으로 구성한 가스 센서 어레이 및 이의 이용에 관한 것이다.
현재 가스를 검출할 수 있는 센서는 농업, 축산, 가스누출, 음주확인, 대기오염 감시 등 다양한 산업분야에서 응용되고 있으며 응용 범위가 날로 확대되어 가고 있다. 특히, 유독가스 누출의 경우 급속하게 퍼져 짧은 시간 내에 불특정 다수에게 큰 위험을 끼칠 수 있으므로 적은 농도에 대해서도 검출이 가능한 고감도 센서에 대한 필요성이 높아지고 있다.
일반적인 가스 센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 가스의 양을 측정한다. 종래에는 금속산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 기타 유기 물질 등을 이용하여 가스 센서를 제작하였다. 그러나, 금속산화물 반도체나 고체 전해질을 사용하는 경우 센서의 동작이 이루어지기 위해서는 고온으로 가열을 해야 하고 유기 물질의 경우에는 전기 전도도가 매우 낮은 문제점이 있다.
이에 비하여 최근 신소재 소자로 각광받고 있는 탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 잘 휘고 계속적인 반복 사용에도 손상되거나 마모되지 않는 등 기계적 강도가 우수하고 열적으로 안정하며 전자 방출 특성과 부피에 비하여 표면적이 매우 커서 화학적 반응성 등이 매우 우수한 특성을 나타내고 있다. 따라서, 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서는 상온에서 동작이 가능하고, 유해 가스와 반응시 전기 전도도의 변화가 커서 감도(sensitivity)가 매우 우수하며, 반응 및 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다. 종래의 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서로서, FET(field effect transistor) 타입의 전극 사이에 화학기상증착법을 이용하여 탄소나노튜브를 증착시킨 것이 있다. 또한, 이들 탄소나노튜브에 기능기(functional group)를 부착한 것을 이용한 센서도 제시되고 있으나 어떠한 기능기를 부착시켜야 센서의 민감도를 향상시킬 수 있는지에 대한 연구는 여전히 미흡한 실정이다.
이에, 다른 감지물질로서 가스물질과 결합할 수 있으며 상업적으로 입수가능한 중합체(polymer)를 이용한 센서들에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 중합체를 사용할 경우 외부 환경에 노출되어 있는 가스감지층의 특성상 중합체들이 빠르게 변질되고 또한 습기, 산, 알칼리, 염분 등을 포함한 VOC 가스물질과 결합시 중합체는 회복될 수 없는 손상(가령, 가수분해, 노화 등)을 입을 수 있는데 이는 응답의 변화 및 그에 따른 기선(baseline)의 변화라는 문제로 이어지며, 결국 감도 및 선택도가 떨어져 가스 센서로서의 수명이 단축되는 문제가 나타날 수 있다.
이와 같이, 그동안의 가스 센서의 개발은 감도 및 선택도를 높이는 차원에서 진행되어 왔을 뿐 대부분의 고안자들은 안정성, 수명 및 내구성의 측면에서는 고려하지 않았다.
따라서, 다양한 환경 조건하에서 안정적인 감도를 보장하면서도 수명을 연장할 수 있는 센서들을 개발하는 것이 필요하다.
한편, 전자 노즈(electric nose)는 센서 어레이들 및 패턴 인식 시스템들을 이용하여 인간의 감각을 흉내내고 재생하도록 고안된 것인데, 인체에 해로운 가스/VOC의 검출시 인간의 감각기관을 이용하여 검출할 수 없기 때문에 모바일 기기에 통합된 전자 노즈가 이러한 역할을 할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라, 사람들이 자신의 물리적 환경 및 음식/음료 소비에 더 많은 관심을 가지게 되면서 자신을 둘러싼 주변환경들을 감지하고 평가하는 방법에 대한 관심이 지속적으로 높아질 것이다. 따라서, 값싸고 이동성이 있는 모바일 기기에 통합된 가스/VOC 센서에 대한 필요성 또한 높아질 전망이다.
이에, 본 발명자는 반도체 박막기술을 이용하여 초소형화 및 MMIC(microwave monolithic integrated circuits)화가 가능하고 다른 모바일 기기의 부품들과 함께 집적화가 가능하고 종래 공진기들에 비해 더 나은 전력 처리 특성을 갖는 공진기들을 기반으로 한 센서 어레이를 개발하고자 예의 노력한 결과, 가스감지층의 리셉터가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열하여 구성할 경우 안정적인 감도, 우수한 수명 및 내구성을 모두 확보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이러한 결과는 탄소나노튜브를 사용함으로써 중합체만으로 구성된 종래의 센서보다 더 가벼운 센서를 구현할 수 있으며 탄소나노튜브의 다양한 기능화를 통해 다양한 가스/VOC들 각각의 검출에 가장 강한 것을 선택할 수 있으며 다양한 서로 다른 중합체들의 사용으로 주변환경에 대해 성능저하가 낮은 것들을 다수 포함시킬 수 있어서 센서의 스펙트럼이 넓어진 것에서 기인한 것으로 파악된다.
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Michele Penza, Riccardo Rossi, Marco Alvisi, Daniele Valerini, Emanuele Serra, Roberto Paolesse, Eugenio Martinelli, Arnaldo D'Amico, Corrado Di Natale, "Mealloporphyrins-functionalized carbon nanotube networked films for room-temperature VOCs sensing applications", Procedia Chemistry (2009).
본 발명의 목적은 반도체 박막기술을 이용하여 초소형화 및 집적화가 가능한 공진기를 기반으로 하여 안정적인 감도 및 우수한 수명 및 내구성을 갖는 가스/VOC용 가스 센서 어레이를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서, 상기 센서는 벌크 음향파 공진기(bulk acoustic wave resonator: BAW), 표면 음향파 공진기(surface acoustic wave resonator: SAW), 박막형 벌크 음향파 공진기(film bulk acoustic resonator: FBAR), 및 고상 적층 공진기(solidly mounted resonator: SMR) 중 선택된 하나에 기반하며, 가스감지층을 포함하며, 상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이를 제공한다.
본 발명의 센서 어레이는 집적화가 가능한 센서를 기반으로 하고 가스감지층의 감응물질이 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열시킴으로써 다양한 리셉터들의 조합으로 인해 가스/VOC들 각각의 검출에 대한 센서의 리셉터 스펙트럼을 넓힐 수 있어서 안정된 감도뿐만 아니라 우수한 수명 및 내구성을 모두 확보할 수 있는 효과가 있다. 이러한 효과를 갖는 본 발명의 센서 어레이를 모바일 기기에 사용할 경우 이동성이 있고 편리한 전자 노즈 어플리케이션으로 사용될 수 있다.
도 1은 목표로 하는 가스 또는 VOC가 선택적으로 흡착되도록 리셉터(감응물질)로 코팅된 가스감지층을 포함한 박막형 벌크 음향파 공진기(FBAR)의 측면도이다.
도 2는 목표로 하는 가스 또는 VOC가 선택적으로 흡착되도록 감응물질로 코팅된 가스감지층을 포함한 고상 적층 공진기(SMR) 타입의 박막형 벌크 음향파 공진기(FBAR)의 측면도이다.
도 3은 도 2의 SMR 타입 FBAR의 반사층의 측면 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가스감지층의 리셉터가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 세 가지 양태들을 예시적으로 도시한 센서 어레이이다.
도 2는 목표로 하는 가스 또는 VOC가 선택적으로 흡착되도록 감응물질로 코팅된 가스감지층을 포함한 고상 적층 공진기(SMR) 타입의 박막형 벌크 음향파 공진기(FBAR)의 측면도이다.
도 3은 도 2의 SMR 타입 FBAR의 반사층의 측면 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가스감지층의 리셉터가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 세 가지 양태들을 예시적으로 도시한 센서 어레이이다.
실시예들에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 본 명세서에 다수의 특정 세부사항들이 제공된다. 그러나, 본 기술분야의 당업자는 이들 특정 세부사항들 없이도 실시예들을 구현할 수 있음을 이해할 것이며, 주지된 방법, 구성요소들 및 회로들은 발명을 명확하게 하기 위해 기술이 생략된다. 본 명세서에서 개시된 특정한 구조적 및 기능적 세부사항들은 발명을 이해하기 위한 것으로서 실시예의 범주를 한정하는 것은 아니다.
본 발명은 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서, 상기 센서는 벌크 음향파 공진기(bulk acoustic wave resonator: BAW), 표면 음향파 공진기(surface acoustic wave resonator: SAW), 박막형 벌크 음향파 공진기(film bulk acoustic resonator: FBAR), 및 고상 적층 공진기(solidly mounted resonator: SMR) 중 선택된 하나에 기반하며, 가스감지층을 포함하며, 상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이를 제공한다.
또한, 본 발명은 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서, 상기 센서는 기판; 기판 위에 배치된 하부 전극; 하부 전극 위에 배치된 압전층; 압전층 위에 배치된 상부 전극; 및 상부 전극 위에 배치된 가스감지층을 포함하며, 상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이를 제공한다.
이에 대한 일 구체예로서 박막형 벌크 음향파 공진기(FBAR)에 기반한 센서(100)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. FBAR은 반도체 박막기술을 이용하여 초소형화 및 MMIC(microwave monolithic integrated circuits)화가 가능하고 다른 모바일 기기의 부품들과 함께 집적화가 가능하며 실리콘 기판에 작업이 용이하고 종래 공진기들에 비해 더 나은 전력 처리 특성을 가지므로 고감도를 갖는 본 발명의 가스 센서로서 사용하기에 바람직하다.
상기 FBAR에 기반한 센서(100)는, 실리콘 또는 유리인 기판(101)의 수평 평면상에 형성될 수 있으며, 상기 기판과 하부 전극 사이에 절연층(103)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연층(103)은 SiO2 층일 수 있다.
상기 절연층 상에 하부 전극(105)이 배치되고, 그 위에 압전층(107)이 배치된다. 상기 압전층(107)은 산화아연(ZnO), 질화알루미늄(AlN), PZT(Lead Zirconate Titanate), 또는 임의의 그 외의 압전 물질들로 구성될 수 있다. 이러한 압전층을 이루는 압전 박막은 c축 우선배향성이 좋고 표면이 평활하며, 비저항이 높도록 제조하는 것이 바람직하다. 종방향 압전 계수 및 음향 손실 계수와 같은, 압전 박막의 물질 특성들은 공진기의 성능에 대한 파라미터들이며, 성능 요인들은 Q-팩터, 삽입 손실 및 전기적/기계적 커플링을 포함한다.
상부 전극(109)이 상기 압전층(107) 위에 배치되어, 하부 전극, 압전층, 및 상부 전극이 스택을 형성한다. 상기 상부 전극(109) 상에 가스감지층(111)이 배치된다. 상기 상부 및 하부 전극은 금속박막을 스퍼터링 방법으로 증착시킬 수 있다. 또한 상기 각 공정의 중간에 반도체소자 제조 공정을 이용하여 전극과 압전층의 패턴을 형성시킬 수 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 후면 벌크 실리콘 에칭을 이용하여 스택의 후면 또는 기판(101)의 일부를 제거하여, 개구부를 형성할 수 있다. 후면 벌크 실리콘 에칭은 깊은 트렌치 반응성 이온 에칭(trench reactive ion etching)을 이용하거나, 또는 수산화 칼륨(KOH), TMAH(Tetra-Methyl Ammonium), 및 EDP(Ethylene-diamene Pyrocatechol)와 같은 결정학적 방향 의존성 에칭(crystallographic-orientation-dependent etch)을 이용하여 행해질 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 양태로서 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서, 상기 센서는 기판; SiO2와 텅스턴(W)이 교대로 적층되어 형성된 반사층; 반사층 위에 배치된 하부 전극; 하부 전극 위에 배치된 압전층; 압전층 위에 배치된 상부 전극; 및 상부 전극 위에 배치된 가스감지층을 포함하며, 상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이를 제공한다.
이에 대한 일 구체예는 도 2에 나타나 있으며, 고상 적층 공진기(SMR) 타입의 FBAR에 기반한 센서(200)를 도시한다. FBAR 제조시 상하부 전극을 통해 전계가 인가될 때, 압전 박막층에서 생기는 음향파가 기판의 영향을 받지 않아야 고품질계수(high Q)를 가지는 공진기를 만들 수 있다. 이를 위해, 상기 도 2의 SMR 타입의 FBAR은 실리콘 또는 유리인 기판(201) 상에 반사층(203)이 형성되는데, 이러한 반사층이 공진영역과 기판을 격리하는 격리층으로서 역할을 하므로 보다 고품질계수를 갖는 센서를 제조할 수 있다.
상기 반사층(203)은 도 3에 도시된 바와 같이 이산화규소(SiO2)(203a, 203c, 203e) 박막층과 텅스텐(W)(203b, 203d) 박막층이 교대로 적층된 다층구조로 형성될 수 있다. 이러한 반사층은 수직 상향 방향으로 음향파들을 반사하여 음향파가 FBAR 공진 주파수에서 고상으로 설치된 멤브레인 막에 효과적으로 포획되도록 한다. 반사층 박막들은 rf 스퍼터링 증착방법을 사용하여 증착할 수 있으며 텅스턴 박막 증착시엔 박막이 파괴되지 않도록 낮은 응력을 갖도록 제조하는 것이 바람직하다.
상기 반사층(203) 상에 하부 전극(205)가 배치되고, 다음에 압전층(207)이 배치된다. 상기 압전층(207)은 산화아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN), PZT, 또는 임의의 그외의 압전 물질들일 수 있다. 상부 전극(209)이 압전층(207) 위에 배치된다. 상기 상부 전극(209) 상에 가스감지층(211)이 배치된다. 본 발명의 상기 가스감지층(111, 211)의 리셉터(receptor, 감응물질)는 탄소나노튜브이거나 중합체일 수 있다. 센서 어레이에서 각각의 센서의 가스감지층은 서로 다른 탄소나노튜브로 형성될 수 있으며 서로 다른 중합체로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 센서의 어레이들의 예시로서 서로 다른 리셉터들을 구비한 센서들, 즉 가스감지층의 리셉터가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 가스감지층의 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 세 가지 양태를 도시하고 있다. 일예로서 상기 FBAR에 기반한 복수의 센서들이 서로 같거나 또는 다른 리셉터로 형성된 가스감지층을 구비할 수 있다.
구체적으로, 도 4의 (a)에 도시된 것과 같이, 동일 칩 상에서 리셉터들로서 탄소나노튜브(CNT)들을 이용한 센서들과 리셉터들로서 서로 다른 중합체들을 이용한 센서들을 함께 구성할 수 있다. 또한, 도 4의 (b)에 도시된 것과 같이, 동일 칩 상에서 리셉터들로서 기능화된 탄소나노튜브들(CNT)을 이용한 센서들과 서로 다른 중합체들을 함께 구성할 수 있으며, 도 4의 (c)에 도시된 것과 같이, 동일 칩 상에서 리셉터들로서 CNT-중합체의 조합체들을 이용한 센서들과 리셉터들로서 서로 다른 중합체들을 이용한 센서들을 함께 구성할 수 있다. 또한, 도 4에 도시되지는 않았으나 상기 (a) 내지 (c) 모두를 조합한 센서 어레이, 즉, 기능화되지 않은 CNT, 기능화된 CNT, CNT-중합체의 조합체, 서로 다른 중합체를 각각 리셉터로 한 복수개의 센서들이 하나의 동일한 칩 상에 배열된 센서 어레이를 제공할 수 있다. 상기 센서들은 단일한 칩 상의 능동 감지 영역들(active sensing areas)에 배치될 수 있다.
본 발명과 같은 CNT와 서로 다른 중합체들이 동일한 칩 상에 배열되어 복합적으로 가스 센서로 구성하는 것은 종래에는 없었던 신규한 구성이다.
상기 본 발명의 센서 어레이에서 탄소나노튜브 리셉터를 갖는 센서들 각각은 서로 다른 기능기로 기능화(functionalization)된 탄소나노튜브로 코팅되거나 탄소나노튜브-중합체 조합체(CNT-polymer composite)로 코팅될 수 있다. 상기 탄소나노튜브 리셉터를 갖는 센서들 각각은 서로 다른 기능기로 기능화된 탄소나노튜브로 코팅되거나 탄소나노튜브-중합체 조합체로 코팅될 수 있다. 또한, 상기 기능기는 알킬, 사이클로알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 헤테로사이클릴, 헤테로아릴, 알킬아릴, 알킬알케닐, 알킬알키닐, 알킬사이클로알킬, 알킬헤테로사이클릴, 및 알킬헤테로아릴 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 또한, 상기 기능기는 카르복실기, 아실기, 아미노기, 에스테르기, 니트로기, 아지도기, 할로겐, 및 하이드록실기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나에 의해 치환되거나 비치환된 것일 수 있다.
이러한 탄소나노튜브 코팅층은 화학기상증착법(chemical vapor deposition: CVD)에 의해 형성할 수 있다. 예컨대, 탄화수소 증기를 일반적으로 15-60분 동안 촉매가 들어있는 반응기를 통과시켜서 고온(600-1200도)에서 탄화수소를 분해시켜서 증착시킬 수 있으며 이러한 CNT를 소자 상에 패턴화시킴으로써 분해와 리셉터의 위치 제어를 더 용이하게 할 수 있다. 상기 CVD법은 많은 양의 탄화수소를 고형, 액형, 기체형 등의 다양한 형태로 잡아둘 수가 있으므로 다양한 기판에 이용될 수 있고 파우더 형태, 얇거나 두꺼운 필름 형태, 직선형 또는 코일형 등 다양한 형태로 CNT를 성장시킬 수 있는 잇점이 있다. 뿐만 아니라, 상기 CVD법을 이용한 CNT의 제조방법은 스케일업이 용이한 장점이 있다.
또한, CNT의 기능화는 상기 증착과정 중에 또는 증착과정 후에 바람직한 기능기를 사용하여 수행될 수 있다.
상기 탄소나노튜브-중합체 조합체는 탄소나노튜브 상부에 도전성 중합체가 코팅된 것일 수 있다. 다만, 탄소나노튜브-중합체 조합체를 형성할 때 그 두께가 클수록 민감도가 떨어질 수 있으므로 이를 고려하여 조합체를 제조하는 것이 바람직하다.
상기 중합체 리셉터를 갖는 센서들 각각은 목표로 하는 한 종류의 가스 또는 휘발성 유기 화합물을 감지할 수 있는 서로 다른 중합체들로 각각 코팅된 것일 수 있다. 이 경우, 한 종류의 가스 물질과 결합할 수 있는 다양한 복수 개의 리셉터들을 사용함으로써 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 중합체 리셉터를 갖는 센서들 각각은 목표로 하는 여러 종류의 가스 또는 휘발성 유기 화합물을 감지할 수 있는 서로 다른 중합체들로 각각 코팅된 것일 수 있다. 상기 코팅은 상기 중합체와 용매가 들어있는 용액을 스프레이 코팅법을 사용하고 패터닝을 보장하기 위한 마스크를 사용함으로써 수행될 수 있다.
상기 가스감지층(111, 211)의 리셉터는 목표의 가스 물질들이 선택적으로 흡착되도록 선택된다. 가스 물질이 흡착할 때 FBAR 또는 SMR 타입 FBAR은 공진 주파수(f)는 질량 부하 효과(mass loading effect)에 기인하여 Δf만큼 감소시키므로 복수의 센서들로부터 얻는 이러한 주파수 신호결과를 통해서 다른 가스물질이 다른 패턴을 생성하므로 패턴인지 알고리즘(pattern recognition algorithms)을 사용하여 목표하는 가스 물질을 검출할 수 있다. 이에 대해서는 http://www.engineering.ucsb.edu/~saurabh/Presentations/Solvents.pdf나 Hansen Solubility Parameters: A User's Handbook, Second Edition, CRC Press, 2012. 의 한센 용해도 파라미터 등을 참조할 수 있다.
한편, 본 발명에서 가스물질과 흡착반응을 하는 가스감지층의 두께는 매우 중요한 요소인데 두께가 얇을수록 반응이 빠르고 포착된 가스물질을 빠르게 탈착시킬 수 있다는 점에서 바람직하다. 특히, CNT의 경우는 속이 빈 관 형태를 하고 있기 때문에 비어있는 관 속으로 다른 대기가스가 흐를 수 있어 유해가스 물질의 제거도 빠를 것으로 예상되나 중합체의 경우 이러한 구조가 아니므로 그 두께를 조절하는 것이 보다 더 중요하다.
이와 같이, 하나의 단일한 칩 상에 다양한 기능기를 갖는 다수의 CNT와 다양한 특성을 갖는 다수의 중합체로 이루어진 복합 리셉터들을 함께 배치시킴으로써, 각각의 센서가 어떤 기능기를 갖는 CNT이냐 또는 어떠한 중합체로 코팅되었는가에 따라 상이한 감도를 가지며 습기, 산, 알칼리, 염분 등을 포함한 제반 환경 조건들에 대한 내성이 각각 다를 수 있으므로, 이들이 목표 가스와의 결합이나 가스측정 환경의 온도나 습도 등에 노출시, 일부 CNT나 일부 중합체에 변형이 생기더라도 환경조건에 보다 더 강한 CNT 또는 중합체가 남아 있어 여전히 양호한 감도를 보유할 수 있다. 따라서, 다양한 CNT 및 중합체들의 사용으로 인해 센서의 스펙트럼이 넓어진 결과 센서 자체의 안정성, 수명 및 내구성의 측면에서 더 향상되는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 향후 센서의 개선을 위해 더 나은 감응물질의 선택시 이들 리셉터 각각에 대한 센싱 결과를 참고로 활용하여 더 오랜 시간 동안 변형이 일어나지 않은 리셉터들로만 선정할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명과 같은 소형화된 화학적 센서들은 무선 이동통신 기술과 결합될 수 있으며, 예컨대 이들 화학적 센서는 무선 통신 기기나 PDA 내에 부품으로서 장착되거나 전기적 및/또는 기계적으로 연결되어서 기기 사용자의 주변의 가스나 휘발성 유기 화합물을 검출할 수 있다.
상기에서는 구체예로서 본 발명에 사용될 수 있는 센서 소자로 FBAR와 SMR에 기반하여 기술하였으나, 이에 한정되지 않으며 소형화된 화학기체 검출기에 사용될 수 있는 것이면 이에 제한되지 않고 적용될 수 있다. 예컨대, 표면 음향파 공진기(SAW)나 벌크 음향파 공진기(bulk acoustic wave resonator: BAW)에 기반하여 상기 기술한 바와 같은 본원발명의 센서 이레이를 제조할 수 있다. 다만, SAW는 소형화된 화학기체 검출기들에 사용될 수는 있으나, MMIC화가 가능하지 않은 단점이 있다. 또한, FBAR 또는 SMR이 댐핑 효과에 대해 SAW보다 둔감하고, SAW보다 적은 삽입 손실을 가지므로 더 큰 Q 및 민감도를 갖는 장점이 있다.
본 발명은 다른 하나의 양태로서 상기 기술된 바와 같은 복합 센서 어레이; 및 목표로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 존재를 판정하기 위해 패턴인지 알고리즘(pattern recognition algorithms)을 사용하여 상기 복합 센서 어레이로부터의 주파수 출력을 판정하는 수단을 포함하는 가스 검출 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 가스 검출 장치를 사용하여 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하는 방법을 제공한다.
Claims (14)
- 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서,
상기 센서는 벌크 음향파 공진기(bulk acoustic wave resonator: BAW), 표면 음향파 공진기(surface acoustic wave resonator: SAW), 박막형 벌크 음향파 공진기(film bulk acoustic resonator: FBAR), 및 고상 적층 공진기(solidly mounted resonator: SMR) 중 선택된 하나에 기반하며, 가스감지층을 포함하며,
상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이. - 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서,
상기 센서는 기판;
기판 위에 배치된 하부 전극;
하부 전극 위에 배치된 압전층;
압전층 위에 배치된 상부 전극; 및
상부 전극 위에 배치된 가스감지층을 포함하며,
상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이. - 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하기 위한 복수의 가스센서들로 각각 구성된 복수의 센서 어레이로서,
상기 센서는 기판;
SiO2와 텅스턴(W)이 교대로 적층되어 형성된 반사층;
반사층 위에 배치된 하부 전극;
하부 전극 위에 배치된 압전층;
압전층 위에 배치된 상부 전극; 및
상부 전극 위에 배치된 가스감지층을 포함하며,
상기 가스감지층의 리셉터(감응물질)가 탄소나노튜브인 복수 개의 센서들과 리셉터가 중합체인 복수 개의 센서들이 하나의 단일한 칩 상에 배열된 것을 특징으로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) 검출용 복합 센서 어레이. - 제2항에 있어서, 상기 기판과 하부 전극 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는 복합 센서 어레이.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 압전층의 압전물질은 산화아연(ZnO), 질화 알루미늄(AIN), 또는 PZT(lead zirconium titanate)인 복합 센서 어레이.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 리셉터를 갖는 센서들 각각은 서로 다른 기능기로 기능화된 탄소나노튜브로 코팅되거나 탄소나노튜브-중합체 조합체(CNT-polymer composite)로 코팅된 것인 복합 센서 어레이.
- 제6항에 있어서, 상기 기능기는 알킬, 사이클로알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 헤테로사이클릴, 헤테로아릴, 알킬아릴, 알킬알케닐, 알킬알키닐, 알킬사이클로알킬, 알킬헤테로사이클릴, 및 알킬헤테로아릴 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 복합 센서 어레이.
- 제6항에 있어서, 상기 기능기는 카르복실기, 아실기, 아미노기, 에스테르기, 니트로기, 아지도기, 할로겐, 및 하이드록실기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나에 의해 치환되거나 비치환된 것인 복합 센서 어레이.
- 제6항에 있어서, 상기 탄소나노튜브-중합체 조합체는 탄소나노튜브 상부에 도전성 중합체가 코팅된 것인 복합 센서 어레이.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서들은 단일한 칩 상의 능동 감지 영역들(active sensing areas)에 배치되는 것인 복합 센서 어레이.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 리셉터를 갖는 센서들 각각은 목표로 하는 한 종류의 가스 또는 휘발성 유기 화합물을 감지할 수 있는 서로 다른 중합체들로 각각 코팅된 것인 복합 센서 어레이.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 리셉터를 갖는 센서들 각각은 목표로 하는 여러 종류의 가스 또는 휘발성 유기 화합물을 감지할 수 있는 서로 다른 중합체들로 각각 코팅된 것인 복합 센서 어레이.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 복합 센서 어레이; 및
목표로 하는 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 존재를 판정하기 위해 패턴인지 알고리즘(pattern recognition algorithms)을 사용하여 상기 복합 센서 어레이로부터의 주파수 출력을 판정하는 수단을 포함하는 가스 검출 장치. - 상기 제13항의 가스 검출 장치를 사용하여 가스 또는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 검출하는 방법.
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| KR1020140079765A KR20160001369A (ko) | 2014-06-27 | 2014-06-27 | 가스 또는 ｖｏｃ 검출용 복합 센서 어레이 및 이의 이용 |
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