KR20180018996A - 저온소결 산화물과 반도체 나노입자가 결합된 다중 센서 어레이 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온소결 산화물과 반도체 나노입자가 결합된 다중 센서 어레이 및 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 다중 센서 어레이 제조 방법으로서, 기판 상에 n개의 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 n개의 게이트 전극 상에 n개의 게이트 절연층을 형성하는 단계, 상기 n개의 게이트 절연층 상에 n개의 채널층을 형성하는 단계, 상기 n개의 채널층 각각에 서로 다른 종류 또는 사이즈의 나노입자를 갖도록 선택적으로 패터닝된 나노입자 박막을 형성하는 단계를 포함하는 다중 센서 어레이 제조 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 저온소결 산화물과 반도체 나노입자가 결합된 다중 센서 어레이 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
센서 전자소자는 기단일원소의 반도체 혹은 두 가지 이상의 물질로 이루어진 화합물반도체 같은 무기물질을 바탕으로 발전해왔다. 이러한 무기물 반도체는 결정질이나 비결정질의 형태로 이루어져 있으면서 유기물질에 비해 상대적으로 높은 전하이동도를 가지므로 소자나 회로 또는 시스템상의 동작에서 유리한 측면을 가지고 있다. 또한 일반적으로 고온에서의 안정성이 떨어지는 유기물질에 비해, 무기물질은 화학적, 전기적으로 고온안정성을 가지며 그 밖에도 전기적, 광학적, 기계적 특성이 우수하여 센서를 위한 물질로써 가장 많이 연구되고 있는 물질이며, 산업적으로도 대부분의 경우 무기물질이 센서의 연구분야에 이용되고 있다.
또한 최근에는 양자점(quantum dots)과 같은 반도체 나노입자가 높은 표면적으로 인한 우수한 센싱 반응성으로 센서 소재로써 많은 각광을 받고 있으며 그에 따른 많은 연구가 이루어지고 있다. 반도체 나노입자의 경우 무기물질과 같이 저온 용액공정이 가능하며 고성능을 가지는 소자 및 회로가 보고되고 있다.
이러한 무기물질과 나노입자의 경우 상보적인 (Complementary)인 조합을 통하여서 이종(Heterogeneous)물질을 만드는 것이때로는 필요하다. 특히, 최근의 센서 연구의 흐름이 기존의 단순한 응용에 필요한 물질이 개발되어 왔고 사용되어 왔다면, 최근에는 다양한 요구사항을 만족할 수 있는 물질이 요구되고 있다. 이에 따라서 이종물질에 대한 연구는 더욱 더 활발해 질 것이며, 이종 센서소자의 응용처 또한 더욱 확대될 것이다.
기존의 산화물과 같은 무기물질과 나노입자를 이용한 유연전자 센서소자 및 시스템에 대한 연구를 활발히 진행 하고 있으나, 각각의 개별 감지소자의 단순 집적화에 그치고 있으며, 실제 산업화 기술에 대한 연구는 미미한 실정이다. 인간친화적인 혹은 인간 모방형의 전자기기의 완성을 위해서는 인체를 모방한 다중감지가 가능한 신경 회로망 구성이 필수적인데 현재의 기술로는 단순한 개별 감각 기능을 전기 신호로 바꾸어 디지털 형식으로 구현하는데 그치고 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 다양한 물질을 동시에 감지할 수 있는 저온소결 산화물과 반도체 나노입자를 포함하는 다중 센서 어레이를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다중 센서 어레이 제조 방법으로서, 기판 상에 n개의 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 n개의 게이트 전극 상에 n개의 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 n개의 게이트 절연층 상에 n개의 채널층을 형성하는 단계; 상기 n개의 채널층 각각에 서로 다른 종류 또는 사이즈의 나노입자를 갖도록 선택적으로 패터닝된 나노입자 박막을 형성하는 단계를 포함하는 다중 센서 어레이 제조 방법이 제공된다.
상기 n개의 채널층 각각에 형성된 나노입자 박막은 서로 다른 파장의 광을 감지하기 위해 서로 다른 종류 또는 사이즈를 갖는 양자점을 포함할 수 있다.
상기 n개의 채널층 각각에 형성된 나노입자 박막은 탄소원자를 기본으로 하는 탄소계 물질인 카본나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 퓰러린(fullerene)과 같은 반도체 물질과 도체 물질의 혼합물을 패터닝하여 형성될 수 있다.
상기 나노입자 박막의 형성 단계는, 진공 증착방식이나 스핀 코팅, 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅 (Spray coating), 트랜스퍼 프린팅 (Transfer Printing). 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 오프셋 프린팅(Offset printing), 리버스 오프셋 프린팅(Reverse offset printing), 그라비어 프린팅(Gravure printing), 롤프린팅(Roll printing), 컨택 프린팅(contact printing) 중 적어도 하나를 포함하는 용액증착방식으로 수행될 수 있다.
상기 채널층은 인듐-갈륨-징크-옥사이드(IGZO) 채널층일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n개의 게이트 전극; 상기 n개의 게이트 전극 상에 형성된 n개의 게이트 절연층; 상기 n개의 게이트 절연층 상에 형성된 n개의 채널층 및 상기 n개의 채널층 각각에 서로 다른 종류 또는 사이즈의 나노입자를 갖도록 선택적으로 패터닝된 나노입자 박막을 포함하는 다중 센서 어레이가 제공된다.
본 발명에 따르면, 개별 감지 요소의 멀티 채널화를 통해 무한 감지(cross-over) 시스템을 만들 수 있는 장점이 있다.
또한 저온용액공정을 기반으로 대면적/대량생산이 가능한 공정 및 시스템 집적화 기술을 개발하고 웨어러블 소자를 위하여 플렉서블한 기판 위에 센서 어레이를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 다중 센싱 동작을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 다중 센싱 동작을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 다중 센서 어레이는 기판(100), 게이트 전극(102), 게이트 절연층(104), 채널층(106), 소스/드레인 전극(108) 및 나노입자 박막(110)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 실리콘 웨이퍼, 종이, 텍스타일 등 다양한 재질을 포함할 수 있다.
기판(100) 상에 게이트 전극(102)이 형성되며, 여기서, 게이트 전극(102)은 금, 은, 크롬, 탄탈륨, 티타늄, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 금속 외에 ITO, IZO, ZTO 등의 금속 산화물 등으로 형성될 수 있다.
게이트 전극(102) 상에 형성된 게이트 절연층(104)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄 산화막, 탄탈륨 산화막 등의 산화막과 폴리비닐페놀 (Polyvinyl phenol), 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol), 폴리이미드 (Polyimide) 등의 유기물, 또는 산화막과 유기물의 혼합 물질, 또는 적층 구조 등으로 형성될 수 있다.
게이트 절연측(104) 상에 채널층(106)이 형성된다.
채널층(106)은 자외선 조사를 통해 기능이 활성화될 수 있다.
채널층(106)은 도핑된 반도체물질이거나 금, 은, 크롬, 탄탈륨, 티타늄, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 금속 외에 ITO, IZO, ZTO, IGZO등의 금속 산화물 등으로 형성될 수 있다. 바람직하게는 IGZO 금속 산화물로 형성될 수 있다.
소스/드레인 전극(108)은 금, 은, 크롬, 칼슘, 바륨, 탄탈륨, 티타늄, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄, 텅스텐, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 금속 외에 ITO, IZO, ZTO 등의 금속 산화물, 전도성 고분자, CNT (Carbon nanotube) 등으로 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 기판(100)에서 채널층(106)으로 이루어진 무기물 박막 트랜지스터 상에 다중 센서로 사용 가능한 나노입자 박막(110)을 형성한다.
바람직하게, 무기물 박막 트랜지스터는 인듐-갈륨-징크-옥사이드(IGZO) 채널층을 포함하는 IGZO 박막 트랜지스터일 수 있다.
바람직하게, 나노입자 박막(110)은 각 무기물 박막 트랜지스터마다 다른 종류 및 사이즈를 가진 나노입자로 패터닝될 수 있다.
보다 바람직하게, 서로 다른 채널층(106) 상에는 가시광, 적외선, 자외선과 같이 다른 파장의 광을 감지할 수 있는 다른 종류 또는 다른 사이즈의 양자점이 형성될 수 있다.
이때, 나노입자는 기존과는 다른 화학 구조를 갖는 리간드로 형성되어 적절한 파장의 빛으로 제거됨과 동시에 포토리소그라피가 가능한 형태로 제작된다.
상기에서는 나노입자 박막(110)을 양자점으로 예로 들었으나, 이에 한정됨이 없이 탄소원자를 기본으로 하는 탄소계 물질인 카본나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 퓰러린(fullerene)과 같은 반도체 물질과 도체 물질의 혼합물을 선택적으로 패터닝하여 각 채널층(106) 상에 다른 종류 또는 사이즈가 되도록 나노입자 박막(110)을 형성할 수도 있을 것이다.
즉, 무기물 박막 트랜지스터 상에 다양한 사이즈를 가진 반도체 나노입자를 선택적으로 다양하게 형성하여 트랜지스터 어레이를 통하여 특정 파장 및 다중 파장의 광 감지가 동시에 가능해지는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 2의 T1, T2, T3는 서로 다른 사이즈를 가진 양자점을 채널층 상에 형성하여 동시에 다른 파장의 광을 감지하는 트랜지스터이다.
여기서 서로 다른 사이즈를 가진 양자점은 예를 들어, 가시광, 적외선, 자외선 각각을 감지하기 위한 양자점일 수 있다.
광이 감지되는 경우, 트랜지스터의 채널 전도도가 증가하고, 트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 노드의 전압이 상승한다. 노드는 무기물 박막 트랜지스터의 게이트 전극과 직접 연결되어 있으므로 무기물 박막 트랜지스터의 출력 전류 Iout은 노드의 전압에 따라 조절된다(전류증폭단 설명).
또한 트랜지스터의 길이(채널 길이 W)를 1;2:4 비율로 다르게 하여 각각 감지된 광을 통하여 트랜지스터의 전류 크기의 비를 노드 전압에 따라 1:2:4로 조정되어, 출력단에서의 전류의 크기를 바탕으로 흡수된 광의 (파장) 종류를 알 수 있게 된다.
예를 들어, T1, T2, T3 각각의 채널 길이를 1:2:4로 다르게 하는 경우, 출력단의 전류의 기준 전류 대비 상대적 크기가 3이면 T1, T2 위의 양자점이 광을 감지한 것이고. 5이면 T1, T3 위의 양자점이, 7이면 모든 트랜지스터 위의 양자점이 광을 감지한 것이라는 점을 알 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 센서 어레이의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 용액 코팅을 통해 고성능 산화물 박막을 형성한다(단계 300).
여기서, 단계 300은 게이트 전극(102), 게이트 절연층(104), 채널층(106) 및 소스/드레인 전극(108)을 형성하는 과정이다.
이후, 채널층(106) 상에 나노입자 박막을 형성한다(단계 302).
단계 302에서 바람직하게, 양자점 나노입자 박막을 형성할 수 있다.
또한, 단계 302에서 나노입자 박막은 증착 방식을 통해 수행될 수 있다.
나노입자 박막을 증착하는 방법은 진공 증착방식이나 용액 증착방식 즉, 스핀 코팅, 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅 (Spray coating), 트랜스퍼 프린팅 (Transfer Printing). 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 오프셋 프린팅(Offset printing), 리버스 오프셋 프린팅(Reverse offset printing), 그라비어 프린팅(Gravure printing), 롤프린팅(Roll printing), 컨택 프린팅(contact printing)과 같은 방법을 모두 포함할 수 있다.
다음으로, 나노입자 박막을 패터닝한다(단계 304).
단계 304에서 개별 무기물 박막 트랜지스터마다 다양한 종류 또는 사이즈의 양자점이 포함되도록 선택적 패터닝이 이루어질 수 있다. 이에 의해 단일층 멀티채널이 형성되어 다양한 물질(광)의 동시 감지가 가능해진다.
이처럼 서로 다르게 패터닝된 나노물질 박막을 통해 다중 센서 소자 어레이 구성이 가능해진다(단계 306).
[실시예]
높은 농도로 도핑된 (heavily p-doped) 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막을 열처리 방법을 통해 200 nm의 두께로 형성하였다. 도핑된 실리콘 웨이퍼는 기판뿐만 아니라 전도성이 높아 게이트 전극으로 사용되었으며 열처리 제작한 실리콘 산화막은 게이트 절연막 역할을 한다. 이후 실리콘 산화막 상에 IGZO 산화물 반도체 형성을 위하여, IGZO 코팅용 용액을 스핀 코팅으로 실시하였다. 이때 사용된 IGZO 코팅용 용액은 용매로는 2-Methoxyethanol을 사용했으며, Indium nitrate hydrate를 0.1 몰농도(M), Ga nitrate hydrate 0.1 몰농도(M), Zinc nitrate hydrate를 0.1 몰농도(M)로 각각 섞어 사용하였다. 이후 샘플을 자외선 및 극자외선(파장대역 185 nm ~ 254 nm)을 조사할 수 있는 장비로 이동하고 자외선 및 극자외선은 120분 간 조사하였다. 이때 분위기는 질소 분위기로 유지하였으며 지속적으로 질소를 공급하였다. 이때의 온도는 150℃를 넘지 않는다. 샘플을 꺼내고 리프트 오프(Lift-off) 방법을 이용하여 100 nm 두께를 가진 IZO 전극층을 IGZO 채널층 상부에 형성하고 패터닝하여 소스 및 드레인 전극을 구성하였다.
이후 IGZO 채널층 상에 다중 센서로 사용 가능한 나노입자 박막을 형성하고, 또한 이들을 각각 패터닝하여, 다양한 사이즈를 가진 반도체 나노입자를 각각 트랜지스터 감지 박막으로 활용한다. 이렇게 패터닝된 나노입자 박막이 무기물 반도체인 IGZO와 결합하게 되어 이종 센서소자 및 회로가 형성되게 되면 다중감지 센서를 위한 플랫폼 기술이 완성되게 된다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (8)
- 다중 센서 어레이 제조 방법으로서,
기판 상에 n개의 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 n개의 게이트 전극 상에 n개의 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 n개의 게이트 절연층 상에 n개의 채널층을 형성하는 단계;
상기 n개의 채널층 각각에 서로 다른 종류 또는 사이즈의 나노입자를 갖도록 선택적으로 패터닝된 나노입자 박막을 형성하는 단계를 포함하는 다중 센서 어레이 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 n개의 채널층 각각에 형성된 나노입자 박막은 서로 다른 파장의 광을 감지하기 위해 서로 다른 종류 또는 사이즈를 갖는 양자점을 포함하는 다중 센서 어레이 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 n개의 채널층 각각에 형성된 나노입자 박막은 탄소원자를 기본으로 하는 탄소계 물질인 카본나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 퓰러린(fullerene)과 같은 반도체 물질과 도체 물질의 혼합물을 패터닝하여 형성되는 다중 센서 어레이 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 나노입자 박막의 형성 단계는, 진공 증착방식이나 스핀 코팅, 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅 (Spray coating), 트랜스퍼 프린팅 (Transfer Printing). 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 오프셋 프린팅(Offset printing), 리버스 오프셋 프린팅(Reverse offset printing), 그라비어 프린팅(Gravure printing), 롤프린팅(Roll printing), 컨택 프린팅(contact printing) 중 적어도 하나를 포함하는 용액증착방식으로 수행되는 다중 센서 어레이 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 채널층은 인듐-갈륨-징크-옥사이드(IGZO) 채널층인 다중 센서 어레이 제조 방법. - 기판;
상기 기판 상에 형성된 n개의 게이트 전극;
상기 n개의 게이트 전극 상에 형성된 n개의 게이트 절연층;
상기 n개의 게이트 절연층 상에 형성된 n개의 채널층 및
상기 n개의 채널층 각각에 서로 다른 종류 또는 사이즈의 나노입자를 갖도록 선택적으로 패터닝된 나노입자 박막을 포함하는 다중 센서 어레이. - 제6항에 있어서,
상기 n개의 채널층은 서로 다른 채널 길이를 갖는 다중 센서 어레이. - 제7항에 있어서,
상기 n개의 채널층 각각의 상대적 채널 길이는 2n(n은 0 이상의 정수)로 이루어지는 다중 센서 어레이.
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