KR20180101778A - High sensitive chemical sensor using 2-dimensional nanomaterial and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속칼고게나이드 화합물 나노구조체를 포함하는 고민감성 화학센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensitive sensitive chemical sensor including a metal chalcogenide compound nanostructure and a method for producing the same.
화학센서의 동작원리로는 반도체식, 전기화학식, 접촉연소식 또는 광학식이 있다. 이들 중 반도체식 화학센서는 감지가스의 다양성, 제조의 용이성 및 큰 시장규모 등의 장점으로 활발히 연구되고 있다.Principle of operation of chemical sensor is semiconductor type, electro chemical type, contact combustion type or optical type. Of these, semiconductor chemical sensors are being actively studied due to advantages such as diversity of sensing gas, ease of manufacture, and large market size.
반도체식 화학센서는 주로 금속산화물 소재를 활성층으로 사용하여, 금속산화물과 감지분자간의 흡착으로 인해 금속산화물에 유발되는 저항변화를 이용하여 화학물질을 감지한다.Semiconductor chemical sensors mainly use a metal oxide material as an active layer, and detect a chemical substance by using resistance change caused by metal oxide due to adsorption between metal oxide and sensing molecule.
따라서 반도체층과 감지 화학종이 만날 수 있는 면적, 즉 활성층의 물리적인 면적이 센서 민감도에 직접적으로 관여하게 되나, 기존의 센서소재 및 구조의 경우 활성층의 물리적인 면적이 반도체 소자의 크기로 한정되어 있어 고감도 센서를 제작하는데 한계가 존재한다. 또한 다수의 차세대 전자소자들은 투명성(transparency) 및 유연성(flexibility)을 기반으로 하고 있기 때문에 이러한 소자들과의 직접 확장성을 고려한다면, 기존의 금속산화물 기반의 소재는 한계성을 가질 수밖에 없으며, 이를 극복하기 위해 나노 소재에 관한 연구가 진행되고 있다.Therefore, the area of the semiconductor layer and the sensing chemical species, that is, the physical area of the active layer, is directly related to the sensor sensitivity. However, in the case of the conventional sensor material and structure, the physical area of the active layer is limited to the size of the semiconductor device There is a limitation in manufacturing a high sensitivity sensor. In addition, since many next-generation electronic devices are based on transparency and flexibility, considering the direct scalability with these devices, conventional metal oxide-based materials are bound to have limitations, Research on nanomaterials is underway.
본 발명은 기존의 센서에서 활성층으로 사용되던 금속산화물 반도체를 대신하여 2차원 결정구조를 가지는 나노구조체를 활성층으로 이용하되, 표면적을 극대화시키기 위하여 3차원적 구조를 가지도록 형성된 화학센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention relates to a chemical sensor formed so as to have a three-dimensional structure in order to maximize the surface area, and a method of manufacturing the same using a nanostructure having a two-dimensional crystal structure instead of a metal oxide semiconductor used as an active layer in a conventional sensor And the like.
본 발명의 다른 목적은 활성층의 표면적을 극대화시킨 고민감성 화학센서를 채용한 화학물질 감지장치를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a chemical sensing device employing a sensitive sensitive chemical sensor in which the surface area of the active layer is maximized.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판; 상기 기판의 상부 일면에 형성된 하나 이상의 금속전극; 및 상기 금속전극의 다른 일면에 금속전극의 형성방향과 소정의 각도를 이루도록 형성된 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체로 이루어진 활성층;을 포함하는 고민감성 화학센서를 제공한다.According to an aspect of the present invention, At least one metal electrode formed on an upper surface of the substrate; And an active layer made of a metal chalcogenide compound nanostructure formed on the other surface of the metal electrode so as to form a predetermined angle with a formation direction of the metal electrode.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 기판 상에 하나 이상의 금속전극을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 금속전극 상에 상기 금속전극이 형성된 방향과 소정의 각도를 이루도록 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체를 성장시켜 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 고민감성 화학센서의 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (1) forming at least one metal electrode on a substrate; And (2) growing a metal chalcogenide compound nanostructure on the metal electrode so as to form a predetermined angle with a direction in which the metal electrode is formed, thereby forming an active layer. .
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 고민감성 화학센서를 포함하는 화학물질 감지장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a chemical sensing apparatus including the sensitive sensing chemical sensor.
본 발명에 따른 고민감성 화학센서는 2차원 결정구조의 금속칼코게나이드 화합물을 금속전극 상에서 3차원 형태로 성장시켜 활성층을 형성하여 그 표면적이 극대화 될 수 있으므로 감지물질에 대한 민감성이 뛰어나다. 또한 전극우선공정을 통해 금속전극을 형성한 후 상기 금속전극 상에 선택적으로 활성층을 형성하므로 기존 공정에 의해 화학센서를 제조하는 경우에 비하여 화학물질 감지특성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. The sensitive chemical sensor according to the present invention is excellent in sensitivity to a sensing substance since a metal chalcogenide compound having a two-dimensional crystal structure is grown on a metal electrode in a three-dimensional form to form an active layer and its surface area can be maximized. Also, since the active layer is selectively formed on the metal electrode after the metal electrode is formed through the electrode preferential process, the chemical sensing characteristic can be improved compared to the case where the chemical sensor is manufactured by a conventional process.
도 1a는 비교예 1에 따른 화학센서의 동작원리에 대한 모식도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 화학센서의 동작원리에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 전극우선공정에 따른 센서소자 제작과정에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 가스 센서의 제작을 위한 전극의 photo-mask 설계도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 금속전극의 광학현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 광학현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 광학현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 주사현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 비교예 1에 따라 제조된 화학센서에 대한 광학현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 Raman 분석결과를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 Raman 분석결과를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 금속전극 사이에 형성된 연결물질에 대한 Raman 분석결과를 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 가스(gas) 주입에 따른 전류변화를 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 가스(gas) 주입에 따른 반응률을 측정한 도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 가스(gas) 주입에 따른 전류변화를 나타낸 도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 가스(gas) 주입에 따른 반응률을 측정한 도이다.
도 16은 본 발명의 실시예 1 및 비교예에 따른 화학센서의 NO2에 대한 반응률을 비교한 도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 inert분위기 및 air분위기에서의 반응률을 측정한 도이다.FIG. 1A is a schematic diagram of the operation principle of the chemical sensor according to Comparative Example 1. FIG.
FIG. 1B is a schematic diagram of an operation principle of a chemical sensor according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram of a sensor element fabrication process according to the electrode preferential process of the present invention.
3 is a photo-mask design diagram of an electrode for fabricating a gas sensor according to
4 is an optical microscope photograph of a metal electrode formed according to an embodiment of the present invention.
5 is an optical microscope photograph of an active layer portion of a chemical sensor manufactured according to Example 1 of the present invention.
6 is an optical microscope photograph of an active layer portion of a chemical sensor manufactured according to Example 2 of the present invention.
7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the active layer portion of a chemical sensor manufactured according to Example 2 of the present invention.
8 is an optical microscope photograph of a chemical sensor manufactured according to Comparative Example 1. Fig.
9 is a graph showing Raman analysis results of the active layer portion of the chemical sensor manufactured according to Example 1 of the present invention.
10 is a graph showing Raman analysis results of an active layer portion of a chemical sensor manufactured according to Example 2 of the present invention.
11 is a diagram showing Raman analysis results of a connecting material formed between metal electrodes of a chemical sensor manufactured according to Example 2 of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing a current change according to a gas injection of a chemical sensor manufactured according to Embodiment 1 of the present invention. FIG.
FIG. 13 is a graph showing a reaction rate measured by gas injection of a chemical sensor manufactured according to Example 1 of the present invention. FIG.
FIG. 14 is a graph showing a change in current due to the gas injection of the chemical sensor manufactured according to the second embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 15 is a graph showing a reaction rate measured by gas injection of a chemical sensor manufactured according to Example 2 of the present invention. FIG.
16 is a chart comparing the reaction rates of NO 2 with the chemical sensors according to Example 1 and Comparative Example of the present invention.
FIG. 17 is a graph showing a reaction rate in an inert atmosphere and an air atmosphere of a chemical sensor manufactured according to Example 2 of the present invention. FIG.
본 발명은 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체를 포함하는 고민감성 화학센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물을 활성층으로 사용하되, 그 표면적을 극대화시키기 위하여 금속칼코게나이드 화합물의 표면거칠기가 증가되도록 형성된 고민감성 화학센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensitive chemical sensor comprising a metal chalcogenide compound nanostructure and a method for producing the same. In order to maximize its surface area, a metal chalcogenide compound having a two- Sensitive chemical sensor formed to increase the surface roughness of a cogenconide compound and a method for producing the same.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판의 상부 일면에 형성된 하나 이상의 금속전극; 및 상기 금속전극의 다른 일면에 금속전극의 형성방향과 소정의 각도를 이루도록 형성된 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체로 이루어진 활성층;을 포함하는 고민감성 화학센서가 제공된다.According to an aspect of the present invention, At least one metal electrode formed on an upper surface of the substrate; And an active layer made of a metal chalcogenide compound nanostructure formed on the other surface of the metal electrode so as to form a predetermined angle with a forming direction of the metal electrode.
기판은 임의의 기판을 사용할 수 있다. 단단하거나 유연한 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 다른 재료로 만들어진 기판일 수 있다. 바람직한 일 실시예로서 기판은 SiO2/Si 기판을 사용할 수 있다.The substrate may be any substrate. A rigid or flexible substrate may be used, for example a glass substrate, a plastic substrate, or a substrate made of other materials. As a preferred embodiment, the substrate may be a SiO 2 / Si substrate.
금속전극은 기판의 상부 일면에 형성되며, 하나 이상의 금속전극이 형성 될 수 있다. 상기 금속전극은 Au, Ag, Cu, Ni, Ta, Ti, Ga, Al, Pt, Ir, Ru, Mo 및 Nb로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 성분의 금속일 수 있으며, 이들 중 둘 이상으로 구성된 화합물 또는 적층구조를 포함할 수 있다.The metal electrode is formed on the upper surface of the substrate, and one or more metal electrodes may be formed. The metal electrode may be a single component metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni, Ta, Ti, Ga, Al, Pt, Ir, Ru, Mo and Nb, And may include a laminated structure.
활성층은 감지대상 화학물질과 직접적으로 접촉하는 부분으로, 화학물질의 흡착으로 인해 일어난 저항변화로 해당 화학물질을 감지한다. 활성층의 비표면적이 커질수록 센서소자의 정확성 및 선택성이 증가된다. The active layer is the part directly in contact with the chemical substance to be detected, and detects the chemical substance by the resistance change caused by the adsorption of the chemical substance. As the specific surface area of the active layer increases, the accuracy and selectivity of the sensor element increases.
활성층은 2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물로 이루어진 3차원 형태의 나노구조체이다. 2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물은 in-plane 방향으로는 강한 공유결합을 하고 있는 반면, out-of-plane 방향으로는 약한 반데르발스 결합력으로 쌓여있어 분자층 수준으로 매우 얇게 형성시킬 수 있기 때문에 표면대비 부피비가 매우 큰 소재이다. 이러한 2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물은 형성시키는 방법에 따라 기판에 2차원적으로 붙어서 필름형태로 성장될 수도 있지만, 기판에 수직하게 성장하도록 하여 3차원 형태를 이루도록 함으로써 그 표면적을 극대화시킬 수 있어 고민감성 센서로 응용하기에 적합하다.The active layer is a three-dimensional nanostructure composed of a metal chalcogenide compound having a two-dimensional crystal structure. A metal chalcogenide compound having a two-dimensional crystal structure has a strong covalent bond in the in-plane direction, while a weak van der Waals bonding force in the out-of-plane direction forms a very thin layer at the molecular level It is a material with a very large volume to surface ratio. The metal chalcogenide compound having such a two-dimensional crystal structure may be grown in a film form by being attached to the substrate two-dimensionally according to a method of forming it. However, the metal chalcogenide compound may be grown perpendicularly to the substrate to have a three- And it is suitable for application as a sensitive sensor.
도 1a는 비교예의 활성층이 우선 형성된 화학센서의 동작원리에 대한 모식도이다. 도 1a를 참조하면, 도 1a의 화학센서는 활성층이 기판의 상부에 박막(film)의 형태로 먼저 형성되고, 그 위에 금속전극이 형성된 구조를 이루고 있다. 따라서 활성층을 이루는 부분 중 금속전극이 형성되지 않은 부분만이 외부로 노출되어 가스분자와 접촉이 가능하고, 활성층이 평면형의 박막을 이루고 있어 부피 대비 표면적이 극대화 될 수 없다.FIG. 1A is a schematic view of the operation principle of a chemical sensor in which an active layer of a comparative example is formed first. Referring to FIG. 1A, the chemical sensor of FIG. 1A has a structure in which an active layer is first formed on a substrate in the form of a film, and a metal electrode is formed thereon. Therefore, only the portion of the active layer where the metal electrode is not formed can be exposed to the outside, and the active layer can be in contact with the gas molecules, and the active layer can be formed as a flat thin film, so that the volume to surface area can not be maximized.
반면 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 전극이 우선 형성된 화학센서의 동작원리에 대한 모식도이다. 도 1b를 참조하면, 도 1b의 화학센서는 기판 상에 먼저 금속전극을 형성하고, 금속전극의 상부에 활성층이 형성된 구조를 이루고 있다. 따라서 금속전극이 형성된 부분에 의해 외부로 노출되는 활성층의 면적이 제한되지 않으며, 2차원 결정구조의 금속칼코게나이드 화합물이 금속전극과 일정한 각도를 이루고 각기 성장되어 불규칙하게 형성된 3차원 형태의 나노구조체 활성층을 형성하므로 부피대비 표면적을 극대화 시킬 수 있다.FIG. 1B is a schematic view of the principle of operation of a chemical sensor in which an electrode according to an embodiment of the present invention is formed first. Referring to FIG. 1B, the chemical sensor of FIG. 1B has a structure in which a metal electrode is formed first on a substrate, and an active layer is formed on a metal electrode. Therefore, the area of the active layer exposed to the outside by the portion where the metal electrode is formed is not limited, and the metal chalcogenide compound having the two-dimensional crystal structure is grown at a constant angle with the metal electrode and is irregularly formed, The active layer is formed to maximize the volume-to-surface area.
금속칼코게나이드 화합물은 금속과 칼코겐 원소로 구성된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예로서 금속칼코게나이드 화합물은 Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, In 및 Ge로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속과 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 칼코겐 원소로 구성될 수 있다. Metal chalcogenide compounds consist of metal and chalcogen elements. As a preferred embodiment of the present invention, the metal chalcogenide compound is at least one metal selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, And at least one chalcogen element selected from the group consisting of.
또 다른 일 실시예로 금속칼코게나이드 화합물은 MX, MX2 또는 M2X3의 화학식을 가질 수 있다. 상기 화학식에서 M은 금속이며, 바람직하게는 Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, In 및 Ge로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 일 수 있다. 상기 화학식에서 X는 칼코겐 원소이며, 바람직하게는 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 일 수 있다. 구체적인 예로 MoS, MoS2, Mo3S2, MoSe, MoSe2, Mo3Se2, MoTe, MoTe2, Mo3Te2, WS, WS2, W3S2, WSe, WSe2, W3Se2, WTe, WTe2, W3Te2, NbS, NbS2, Nb3S2, NbSe, NbSe2, Nb3Se2, NbTe, NbTe2, Nb3Te2, GaS, GaS2, Ga3S2, GaSe, GaSe2, Ga3Se2, GaTe, GaTe2, Ga3Te2, TaS, TaS2, Ta3S2, TaSe, TaSe2, Ta3Se2, TaTe, TaTe2, Ta3Te2, ZrS, ZrS2, Zr3S2, ZrSe, ZrSe2, Zr3Se2, ZrTe, ZrTe2, Zr3Te2, TiS, TiS2, Ti3S2, TiSe, TiSe2, Ti3Se2, TiTe, TiTe2, Ti3Te2, HfS, HfS2, Hf3S2, HfSe, HfSe2, Hf3Se2, HfTe, HfTe2, Hf3Te2, SnS, SnS2, Sn3S2, SnSe, SnSe2, Sn3Se2, SnTe, SnTe2, Sn3Te2, InS, InS2, In3S2, InSe, InSe2, In3Se2, InTe, InTe2, In3Te2, GeS, GeS2, Ge3S2, GeSe, GeSe2, Ge3Se2, GeTe, GeTe2 및 Ge3Te2 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직한 일 실시예로 SnS 또는 SnS2를 사용할 수 있다.In another embodiment, the metal chalcogenide compound may have the formula MX, MX 2, or M 2 X 3 . In the above formula, M is a metal, and may be any one selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, In and Ge. In the above formula, X is a chalcogen element, and may be any one selected from the group consisting of S, Se and Te. Specific examples MoS, MoS 2, Mo 3 S 2, MoSe, MoSe 2, Mo 3 Se 2, MoTe, MoTe 2, Mo 3 Te 2, WS, WS 2, W 3 S 2, WSe, WSe 2, W 3 Se 2, WTe, WTe 2, W 3 Te 2, NbS, NbS 2, Nb 3 S 2, NbSe, NbSe 2, Nb 3 Se 2, NbTe, NbTe 2, Nb 3 Te 2, GaS, GaS 2, Ga 3 S 2, GaSe, GaSe 2, Ga 3 Se 2, GaTe, GaTe 2, Ga 3 Te 2, TaS, TaS 2, Ta 3 S 2, TaSe, TaSe 2, Ta 3 Se 2, TaTe, TaTe 2, Ta 3 Te 2, ZrS, ZrS 2, Zr 3 S 2, ZrSe, ZrSe 2, Zr 3 Se 2, ZrTe, ZrTe 2, Zr 3 Te 2, TiS, TiS 2, Ti 3 S 2, TiSe, TiSe 2, Ti 3 Se 2, TiTe, TiTe 2, Ti 3 Te 2, HfS, HfS 2, Hf 3 S 2, HfSe, HfSe 2, Hf 3 Se 2, HfTe, HfTe 2, Hf 3 Te 2, SnS, SnS 2, Sn 3 S 2 , SnSe, SnSe 2 , Sn 3 Se 2 , SnTe, SnTe 2 , Sn 3 Te 2 , InS, InS 2 , In 3 S 2 , InSe, InSe 2 , In 3 Se 2 , InTe, InTe 2 , In 3 Te 2, GeS, GeS 2, Ge 3 s 2, GeSe, GeSe 2, Ge 3 Se 2, GeTe, GeTe 2 and Ge 3 Te include 2 including but not limited to this, a preferred embodiment as SnS or SnS 2 can be used All.
금속칼코게나이드 화합물 나노구조체는 상기 금속전극의 형성방향과 소정의 각도를 이루도록 형성된다. 본 발명 명세서 전반에서 사용되는 용어인 '소정의 각도'라 함은 금속전극과 평행하지 않고 일정한 각도(θ)를 형성하는 것을 의미하는 것으로서 각도가 0°를 초과하는 경우를 모두 포함할 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 90°, 더욱 바람직하게는 30 내지 90°, 더더욱 바람직하게는 60 내지 90° 의 각도를 이루도록 형성된다. The metal chalcogenide compound nanostructure is formed so as to form a predetermined angle with the formation direction of the metal electrode. The term 'predetermined angle' used in the specification of the present invention means to form a certain angle (θ) not parallel to the metal electrode, and may include all cases where the angle exceeds 0 °, Preferably 5 to 90 DEG, more preferably 30 to 90 DEG, still more preferably 60 to 90 DEG.
2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물은 하부에 금속성분이나 결함성분(defect)이 존재할 때, 그 부분을 기준으로 수직하게 우선성장하는 특성을 가지고 있다. 관련하여 도 1b를 참조하면, 2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물이 금속전극을 기준으로 일정한 각도를 이루도록 성장함에 따라 3차원 나노구조체를 이루게 되는 것이다. 따라서 기판에 금속전극을 우선 형성시킨 후, 그 상부에 직접적으로 2차원 금속칼코게나이드 화합물을 합성시켜 3차원 형태를 가지는 활성층을 형성시킴으로써 부피대비 표면적을 극대화한 센서소자를 얻을 수 있다.A metal chalcogenide compound having a two-dimensional crystal structure has a characteristic that when a metal component or a defect exists in the lower part, the metal chalcogenide compound grows vertically first based on the part. Referring to FIG. 1B, a metal chalcogenide compound having a two-dimensional crystal structure grows at a predetermined angle with respect to a metal electrode, thereby forming a three-dimensional nanostructure. Therefore, a metal electrode is first formed on a substrate, and then a two-dimensional metal chalcogenide compound is synthesized directly on the metal electrode to form an active layer having a three-dimensional shape, thereby obtaining a sensor element having a maximized volume-to-surface area.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서 고민감성 화학센서는 예를 들어 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O5, N2O6, NH3, H2O 및 H2S 등의 가스분자를 감지할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Emotion chemical sensor trouble as one preferred embodiment of the present invention may include, for example, NO, NO 2, NO 3, N 2 O, N 2 O 3, N 2
본 발명의 다른 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,
(1) 기판 상에 하나 이상의 금속전극을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 금속전극 상에 상기 금속전극이 형성된 방향과 소정의 각도를 이루도록 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체를 성장시켜 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 고민감성 화학센서의 제조방법을 제공한다.(1) forming at least one metal electrode on a substrate; And (2) growing a metal chalcogenide compound nanostructure on the metal electrode so as to form a predetermined angle with a direction in which the metal electrode is formed, thereby forming an active layer. .
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고민감성 화학센서의 제조방법은 전극우선공정(electrode first process)에 따르는 것을 특징으로 한다. 관련하여 도 2는 전극우선공정에 따라 화학센서를 제작하는 개략적인 모식도를 나타낸다.The method of manufacturing a sensitive sensor according to a preferred embodiment of the present invention is characterized in that it is according to an electrode first process. 2 shows a schematic schematic diagram of manufacturing a chemical sensor according to an electrode preferential process.
일반적으로 2차원 나노소재를 화학센서의 소재로 사용하는 이유는 표면대비 부피비가 매우 크기 때문이다. 하지만 2차원 나노소재를 기판 상에 먼저 형성시킨 후 그 상부에 금속전극을 형성하여 센서소자를 제조하는 경우 전극이 형성되지 않는 부분의 활성층만이 표면에 드러나 감지대상 화학물질과 접촉할 수 있기 때문에 그 특징을 충분히 발휘할 수 없다.In general, two-dimensional nanomaterials are used as materials for chemical sensors because of their large surface-to-surface volume ratio. However, when a two-dimensional nanomaterial is first formed on a substrate and then a metal electrode is formed on the substrate to form a sensor element, only the active layer in the portion where no electrode is formed can be exposed on the surface and contacted with the chemical substance The characteristics can not be sufficiently exhibited.
따라서 표면대비 부피비가 매우 큰 2차원 나노소재인 금속칼코게나이드 화합물의 장점을 극대화하기 위하여 기판 상에 금속전극을 우선 형성하고, 상기 금속전극 상에 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체를 형성하는 전극우선공정을 적용하는 것이 바람직하다.Accordingly, in order to maximize the merit of the metal chalcogenide compound, which is a two-dimensional nanomaterial having a very large surface-to-surface volume ratio, a metal electrode is first formed on a substrate, and an electrode for forming a metal chalcogenide compound nanostructure on the metal electrode It is preferable to apply the process.
앞서 설명한 바와 같이, 2차원 결정구조를 가지는 금속칼코게나이드 화합물은 하부에 금속성분이나 결함성분(defect)이 존재할 때, 그 부분을 기준으로 수직하게 우선성장하는 특성을 가지고 있다. 따라서 기판에 금속전극을 우선 형성시킨 후, 그 상부에 직접적으로 2차원 금속칼코게나이드 화합물을 합성시켜 3차원 형태를 가지는 활성층을 형성시킴으로써 활성층의 표면적을 극대화한 센서소자를 얻을 수 있다.As described above, a metal chalcogenide compound having a two-dimensional crystal structure has a property that when a metal component or a defect exists in the lower part, the metal chalcogenide compound grows vertically first based on that part. Accordingly, a metal electrode is first formed on a substrate, and then a two-dimensional metal chalcogenide compound is synthesized directly on the metal electrode to form an active layer having a three-dimensional shape, thereby obtaining a sensor element having a maximized surface area of the active layer.
(1) 단계에서 기판에 금속전극을 형성하는 방법은 일반적으로 이용되는 사진 식각(photo-lithography) 공정 등의 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어 포토레지스트(photo resist)액 도포, 노광(exposure), 현상(development), 금속증착(e-beam evaporation) 및 lift-off 과정을 거쳐 원하는 금속전극의 패턴을 형성할 수 있다.The method of forming the metal electrode on the substrate in the step (1) may be formed by a commonly used photo-lithography process or the like. For example, a pattern of a desired metal electrode can be formed through a photo resist liquid application, exposure, development, e-beam evaporation and lift-off processes.
기판 및 금속전극의 종류는 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 설명은 그 부분을 참조하기로 한다.Since the kinds of the substrate and the metal electrode are the same as those described above, a detailed description thereof will be referred to.
센서소자의 민감도를 향상시키기 위해 전극의 형태는 면적 대비 표면적이 넓은 형태로 제작할 수 있다. 면적대비 높은 표면적을 가지는 경우 더 많은 감지대상 화학물질들을 흡착할 수 있으므로 센서의 민감성을 향상시킬 수 있다. In order to improve the sensitivity of the sensor element, the shape of the electrode can be formed in a wide area area. If the surface area is higher than the surface area, the sensitivity of the sensor can be improved because it can adsorb more substances to be detected.
도 3은 본 발명에 따른 가스 센서의 제작을 위한 전극의 photo-mask 설계도면으로써, 면적대비 높은 표면적을 가지는 바람직한 전극형태의 예를 나타내고 있다. 그러나 본 발명에 따른 전극의 형태가 이들 예에 한정되는 것은 아니다.FIG. 3 is a photo-mask design drawing of an electrode for manufacturing a gas sensor according to the present invention, and shows an example of a preferable electrode shape having a surface area as high as an area. However, the shape of the electrode according to the present invention is not limited to these examples.
(2) 단계에 이용되는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 기상합성법(vapor phase growth)에 의할 수 있다. 기상합성법은 2차원 나노결정체를 합성하기 위한 방법 중에서 단일층으로 합성하기 유리하고, 수십 마이크로미터의 비교적 큰 크기의 소재를 합성할 수 있는 방법이다.The method used in step (2) is not particularly limited, but vapor phase growth can be preferably used. The vapor phase synthesis method is advantageous in synthesizing a single layer among the methods for synthesizing two-dimensional nanocrystals, and is a method of synthesizing a material having a relatively large size of several tens of micrometers.
보다 구체적으로 상기 기상합성법은 화학기상증착법(chemical vapor deposition, 이하 CVD) 또는 화학기상이동법(chemical vapor transport, 이하 CVT)일 수 있다. More specifically, the vapor phase synthesis method may be a chemical vapor deposition (CVD) method or a chemical vapor transport (CVT) method.
일반적으로 CVD법에 의하는 경우 비교적 얇은 두께의 나노소재를 2차원의 형태로 형성할 수 있으며, CVT법은 2차원 결정구조의 소재를 수직한 방향으로 성장시켜 표면적을 극대화시킨 3차원의 형태를 형성하기에 유리하다. 그러나 상기에서 설명한바와 같이 기판에 전극을 우선하여 형성하는 경우, 금속칼코게나이드 화합물이 금속전극을 기준으로 수직 성장하는 특성을 나타내므로 CVD법 및 CVT법 모두 효과적으로 3차원의 형태의 금속칼코게나이드 활성층을 형성할 수 있다.Generally, when CVD method is used, a relatively thin nano material can be formed in a two-dimensional form. CVT method is a three-dimensional method in which a material having a two-dimensional crystal structure is grown in a vertical direction to maximize the surface area Which is advantageous for forming. However, when the electrode is preferentially formed on the substrate as described above, since the metal chalcogenide compound exhibits a vertical growth characteristic with respect to the metal electrode, both the CVD method and the CVT method effectively form a metal chalcogenide An active layer can be formed.
(2) 단계에서 사용되는 열화학증착 장치는 본 발명의 실시예에서 구체적으로 설명하고 있지는 않으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 이해될 수 있는 구성으로 이루어진다.The thermochemical deposition apparatus used in the step (2) is not described in detail in the embodiment of the present invention, but it can be easily understood by a person skilled in the art to which the present invention belongs.
금속칼코게나이드 화합물은 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 설명은 그 부분을 참조하기로 한다.Since the metal chalcogenide compound is the same as that described above, the detailed description will be referred to that part.
금속칼코게나이드의 금속성분은 금속원소, 금속산화물 또는 금속황화물을 원료로 사용할 수 있으며, 금속산화물 또는 금속황화물을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 주석산화물(SnO2) 또는 주석황화물(SnS) 등을 사용할 수 있다.The metal component of the metal chalcogenide may be a metal element, a metal oxide or a metal sulfide as a raw material, and it is preferable to use a metal oxide or a metal sulfide. For example, tin oxide (SnO 2 ) or tin sulfide (SnS) can be used.
상기 (2) 단계의 공정온도는 500 내지 950℃의 범위에서 이루어지며, 적용되는 공정에 따라 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들어, CVD법에 의하는 경우 600 내지700℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, CVT법에 의하는 경우 600 내지 850℃의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.The process temperature in the step (2) is in the range of 500 to 950 ° C and can be appropriately controlled according to the process to be applied. For example, the CVD process is preferably performed at a temperature of 600 to 700 ° C, and the CVT process is preferably performed at a temperature of 600 to 850 ° C.
상기 (2) 단계에서 형성된 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체는 상기 금속전극이 형성된 방향과 소정의 각도를 이루도록 형성된다. 소정의 각도는 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 설명은 그 부분을 참조하기로 한다.The metal chalcogenide compound nanostructure formed in the step (2) is formed at a predetermined angle with the direction in which the metal electrode is formed. Since the predetermined angle is the same as that described above, the detailed description will be referred to that portion.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,According to still another aspect of the present invention,
상기의 고민감성 화학센서를 포함하는 화학물질 감지장치를 제공한다. And a chemical sensing device including the sensitive sensitive chemical sensor.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 화학센서는 극대화된 표면적을 구현할 수 있으므로, 반도체 표면의 변화로부터 신호를 감지하는 메커니즘을 이용하는 센서 종류의 기본적인 플랫폼으로 응용될 수 있으며, 따라서 다양한 화학물질 감지장치에 적용될 수 있다.Since the chemical sensor according to the preferred embodiment of the present invention can realize a maximized surface area, it can be applied as a basic platform of a sensor type using a mechanism for sensing a signal from a change in a semiconductor surface, Can be applied.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 통상의 기술자에게 있어서 자명할 것이다.It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention.
<실시예><Examples>
실시예 1Example 1
기판은 SiO2/Si 기판을 사용하였다. 금속전극을 형성하기 위해 CAD를 통해 도 3과 같이 photo-mask를 설계하였으며, 이에 따라 long line 형 금속전극을 패터닝 하고자 하였다. 금속전극의 형성을 위하여 사진 식각(photo-lithography) 공정을 이용하였으며, 포토레지스트(photo resist)액 도포, 노광(exposure), 현상(development), 금속증착(e-beam evaporation) 및 lift-off 의 일련의 과정을 거쳐 설계된 패턴에 따라 금속전극을 형성하였다.The substrate was a SiO 2 / Si substrate. In order to form a metal electrode, a photo-mask was designed through CAD as shown in FIG. 3, and thus a long-line metal electrode was patterned. A photo-lithography process was used for the formation of the metal electrodes, and a photoresist coating, exposure, development, e-beam evaporation and lift-off A metal electrode was formed according to a designed pattern through a series of processes.
금속전극을 형성한 후 금속전극 상에 금속칼코게나이드 화합물을 형성하기 위하여 열화학기상 증착기를 사용하였다. 주석산화물(SnO2) 파우더 및 황(sulfer)을 원료로 사용하였으며, 600 내지 700℃의 온도범위에서 CVD(chemical vapor deposition) 공정을 수행하였다. 이 때 주석산화물(SnO2) 파우더는 노(furnace) 중심의 고온부에 두고 원하는 온도로 가열한 반면, 황화를 위한 원료인 황은 상대적으로 녹는점이 낮기 때문에 노의 외부에 위치시켜 공정 중간에 황이 소진되는 것을 방지하였다. 또한 고온부의 원료부에 기판을 같이 위치시켜 화학반응을 유도하였다. After forming the metal electrode, a thermochemical vaporizer was used to form a metal chalcogenide compound on the metal electrode. Tin oxide (SnO 2 ) powder and sulfer were used as raw materials, and a CVD (chemical vapor deposition) process was performed at a temperature range of 600 to 700 ° C. In this case, the tin oxide (SnO 2 ) powder is heated to a desired temperature in the central portion of the furnace, while sulfur, which is a raw material for sulphurization, is located outside the furnace because the melting point is relatively low. . In addition, the substrate was placed in the raw material portion of the high temperature portion to induce a chemical reaction.
이와 같이 금속전극 상에 금속칼코게나이드 화합물이 형성된 화학센서 소자를 이용하여 화학센서를 제조하였다.A chemical sensor having a metal chalcogenide compound formed on a metal electrode was prepared.
실시예 2Example 2
기판은 SiO2/Si 기판을 사용하였으며, photo-mask를 설계에 따라 빗(comb) 모양의 금속전극을 패터닝하고자 하였다. 금속전극의 형성을 위하여 사진 식각(photo-lithography) 공정을 이용하였으며, 포토레지스트(photo resist)액 도포, 노광(exposure), 현상(development), 금속증착(e-beam evaporation) 및 lift-off 의 일련의 과정을 거쳐 설계된 패턴에 따라 금속전극을 형성하였다.The substrate was a SiO 2 / Si substrate, and a comb-shaped metal electrode was patterned according to the design of the photo-mask. A photo-lithography process was used for the formation of the metal electrodes, and a photoresist coating, exposure, development, e-beam evaporation and lift-off A metal electrode was formed according to a designed pattern through a series of processes.
금속전극을 형성한 후 금속전극 상에 금속칼코게나이드 화합물을 형성하기 위하여 열화학기상 증착기를 사용하였다. 실시예 1과 달리 주석황화물(SnS) 결정체와 황(sulfer)을 원료로 사용하였으며, 600 내지 850℃의 온도범위에서 CVT(chemical vapor transport) 공정을 수행하였다. 이 때 주석황화물(SnS) 결정체는 노(furnace) 중심의 고온부에 두고 원하는 온도로 가열한 반면, 황화를 위한 원료인 황은 상대적으로 녹는점이 낮기 때문에 노의 외부에 위치시켜 공정 중간에 황이 소진되는 것을 방지하였다. 또한 상기 실시예 1과 달리 기판을 노의 아울렛(outlet)단에 두어 기화된 원료가 해당 기판에서 응축(condensation)될 수 있도록 하였다.After forming the metal electrode, a thermochemical vaporizer was used to form a metal chalcogenide compound on the metal electrode. Unlike Example 1, tin sulfide (SnS) crystals and sulfer were used as raw materials and a chemical vapor transport (CVT) process was performed at a temperature range of 600 to 850 ° C. At this time, the tin sulphide (SnS) crystals are heated to the desired temperature in the center of the furnace, while sulfur, which is the raw material for sulphurization, is located outside the furnace because the melting point is relatively low, Respectively. Also, unlike Example 1, the substrate was placed at the outlet end of the furnace so that the vaporized material could be condensed on the substrate.
이와 같이 금속전극 상에 금속칼코게나이드 화합물이 형성된 화학센서 소자를 이용하여 화학센서를 제조하였다.A chemical sensor having a metal chalcogenide compound formed on a metal electrode was prepared.
비교예 1Comparative Example 1
전극우선형성 공정에 따른 상기 실시예 1 및 2의 화학센서와 비교평가를 위하여 활성층을 우선 형성하는 기존의 일반적 공정에 따른 화학센서 소자를 제조하고자 하였다. For the comparative evaluation with the chemical sensors of Examples 1 and 2 according to the electrode first forming process, an attempt was made to fabricate a chemical sensor device according to a conventional general process for forming an active layer first.
기판은 SiO2/Si 기판을 사용하였으며, 활성층의 소재 역시 상기 실시예 1 및 2와 동일한 SnS2 소재를 이용하였고, 벌크(bulk) 소재로부터 박막(film)형태의 SnS2 활성층을 얻는 기계적 박리법을 이용하여 기판 상에 SnS2 활성층을 형성하였다. The substrate is SiO was used as a 2 / Si substrate, was performed using the material is also the same SnS 2 material in the Example 1 and 2 of the active layer, the bulk (bulk) a thin film (film) from the material in the form of SnS mechanical separation method to obtain a second active layer Was used to form an SnS 2 active layer on the substrate.
기판 상에 형성된 박막형태의 SnS2 활성층의 상부에 금속전극을 패터닝 하였으며, 금속전극을 형성하는 방법은 실시예 1과 동일한 공정에 따랐다.A metal electrode was patterned on top of a SnS 2 active layer in the form of a thin film formed on a substrate. The method of forming the metal electrode was the same as that of Example 1.
이와 같이 금속칼코게나이드 화합물 박막이 형성된 기판 상에 금속전극이 형성시킨 화학센서 소자를 이용하여 화학센서를 제조하였다.A chemical sensor was fabricated by using a chemical sensor element having a metal electrode formed on a substrate having a metal chalcogenide compound thin film formed thereon.
<시험예><Test Example>
표면 형태 관찰Surface morphology observation
실시예 1, 2 및 비교예 1에 따른 화학센서의 표면에 대하여 광학현미경 및 주사현미경(SEM)을 이용해 그 형태를 관찰하였다.The surface of the chemical sensor according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was observed using an optical microscope and a scanning electron microscope (SEM).
도 4는 실시예 2에 따른 화학센서 제조과정 중 형성된 금속전극의 광학 현미경 사진이다. 도 4를 참조하면, 설계된 photo-mask에 따라 원하는 형태의 패턴이 잘 형성되었음을 확인 할 수 있으며, 패턴의 치수(dimension) 역시 초기 설계와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 4 is an optical microscope photograph of a metal electrode formed in the chemical sensor manufacturing process according to Example 2. FIG. Referring to FIG. 4, it can be confirmed that a desired pattern is well formed according to the designed photo-mask, and the dimension of the pattern is almost the same as the initial design.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 광학현미경 사진이다. 도 5를 참조하면, 활성층을 이루고 있는 SnS2 상이 금속전극이 형성되지 않은 곳에서는 전혀 성장하지 않았으나, 금속전극이 형성되어 있는 부분에서만 선택적으로 성장하였음을 확인할 수 있었다. 아울러 보다 확대된 사진을 통해 매끄럽지 않은 표면의 형태를 관찰할 수 있었고, 이를 통해 활성층을 이루고 있는 SnS2 나노 구조체가 금속전극의 표면에서 복잡한 3차원 구조를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 5 is an optical microscope photograph of the active layer portion of the chemical sensor manufactured according to Example 1. Fig. Referring to FIG. 5, it can be seen that the SnS 2 phase as the active layer did not grow at all without the metal electrode, but was selectively grown only at the portion where the metal electrode was formed. In addition, we could observe the smooth surface morphology through the enlarged photographs, and it was confirmed that the SnS 2 nanostructure constituting the active layer exhibits a complex three-dimensional structure on the surface of the metal electrode.
도 6은 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 광학현미경 사진이다. 도 6을 참조하면, 빗(comb) 모양의 금속전극을 따라 활성층이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 역시 3차원의 입체구조를 이루고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 금속전극의 사이에도 활성층이 형성되어 두 금속전극 간 간격을 성공적으로 연결하고 있음을 확인할 수 있었다.6 is an optical microscope photograph of the active layer portion of the chemical sensor manufactured according to Example 2. Fig. Referring to FIG. 6, it can be seen that the active layer is formed along the comb-shaped metal electrode, and it is confirmed that the active layer also has a three-dimensional structure. Also, it was confirmed that the active layer was formed between the metal electrodes to successfully connect the gap between the two metal electrodes.
도 7은 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 주사현미경(SEM) 사진이다. 도 7을 참조하면, 금속전극이 형성된 부분에만 활성층이 집중적으로 형성된 점을 확인할 수 있었다. 또한 활성층의 표면을 보다 확대한 사진으로부터 2차원 결정구조의 SnS2 결정들이 금속전극으로부터 성장하여 금속전극과 일정한 각도를 이루며 3차원 형태의 나노구조체를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the active layer portion of the chemical sensor manufactured according to Example 2. Fig. Referring to FIG. 7, it can be seen that the active layer is concentrated only on the portion where the metal electrode is formed. Further, from the enlarged photograph of the surface of the active layer, it was confirmed that the SnS 2 crystals having a two-dimensional crystal structure grow from the metal electrode and form a three-dimensional nanostructure at a certain angle with the metal electrode.
도 8은 비교예 1에 따라 제조된 화학센서에 대한 광학현미경 사진이다. 도 8을 참조하면, 실시예 1 및 2와 달리 활성층의 상부에 금속전극이 형성된 구조임을 확인할 수 있었다.8 is an optical microscope photograph of a chemical sensor manufactured according to Comparative Example 1. Fig. Referring to FIG. 8, it can be seen that, unlike the first and second embodiments, the metal electrode is formed on the active layer.
Raman 분석 평가Raman analysis evaluation
실시예 1 및 2에 따른 화학센서의 활성층 부분에 대하여 Raman 분석을 실시하였다.Raman analysis was performed on the active layer portions of the chemical sensors according to Examples 1 and 2.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 Raman 분석결과를 나타낸 도이다. 도 9를 참조하면, 315㎝-1 부근에서 주 피크(major peak)가 관찰되었고, 약 200 ㎝-1 부근에서 미약한 피크가 관찰되었으며, 이러한 측정결과는 SnS2 결정체의 전형적인 Alg 진동모드(315㎝-1) 및 Eg 진동모두(200㎝-1)에 의한 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 SnS2 결정체에 대한 기존 문헌의 내용과 일치되는 경향으로, 이로써 실시예 1의 활성층 부분이 SnS2 결정체로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.9 is a graph showing Raman analysis results of the active layer portion of the chemical sensor manufactured according to Example 1. FIG. Referring to Figure 9, 315㎝ was the main peak (major peak) observed in the vicinity of -1, were observed a weak peak at about 200 ㎝ -1, these measurement results are typical lg A vibration mode of SnS 2 crystals ( 315 cm -1 ) and E g It was confirmed that the vibration was due to both (200 cm -1 ). These results suggest that SnS 2 As a result, the active layer portion of Example 1 was found to be SnS 2 < RTI ID = 0.0 > Crystals.
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 활성층 부분에 대한 Raman 분석결과를 나타낸 도이다. 도 10을 참조하면, 실시예 1에서와 같이 315㎝-1 부근에서 주 피크(major peak)가 , 약 200 ㎝-1 부근에서 약한 피크가 관찰되었다. 이에 따라 실시예 2의 활성층 부분 역시 SnS2 결정체로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.10 is a graph showing Raman analysis results of the active layer portion of the chemical sensor manufactured according to Example 2. FIG. The Figure 10, the embodiment has the main peak (major peak) in the vicinity of -1 315㎝ as in Example 1, a weak peak at about 200 ㎝ -1 was observed. As a result, it was confirmed that the active layer portion of Example 2 was also made of SnS 2 crystals.
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 금속전극 사이에 형성된 연결물질에 대한 Raman 분석결과를 나타낸 도이다. 도 11을 참조하면, 실시예 2의 활성층에 대한 결과와 일치되는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 금속전극 사이에 형성된 연결물질 역시 SnS2 결정체로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.FIG. 11 is a graph showing Raman analysis results of a connecting material formed between metal electrodes of a chemical sensor manufactured according to Example 2. FIG. Referring to FIG. 11, it can be seen that the results are consistent with the results of the active layer of Example 2, and it was confirmed that the connecting material formed between the metal electrodes was also made of SnS 2 crystals.
가스 감지(gas sensing) 특성 평가Evaluation of gas sensing characteristics
실시예 1, 2 및 비교예 1에 따른 화학센서의 가스센싱 특성을 평가하기 위하여, 가스(gas) 주입에 따른 전류의 변화 및 반응률을 측정하였다.In order to evaluate the gas sensing characteristics of the chemical sensors according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the change in current and the reaction rate according to the gas injection were measured.
도 12는 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 가스 농도변화에 따른 전류변화를 나타낸 도이고, 도 13은 실시예 1에 따라 제조된 화학센서의 가스 농도변화에 따른 변화율을 측정한 도이다. 도 12 및 13을 참조하면, NO2, NH3, H2S, H2 4종의 화학물질에 대하여 감지(sensing) 특성을 확인할 수 있었으며, 다소간의 차이는 있었지만 모두 미약하게 3ppm 이상에서 반응(response)이 있는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 12 is a graph showing a current change according to a gas concentration change of the chemical sensor manufactured according to the first embodiment, and FIG. 13 is a graph showing a change rate according to the gas concentration change of the chemical sensor manufactured according to the first embodiment. Referring to FIGS. 12 and 13, the sensing characteristics of the chemical substances NO 2 , NH 3 , H 2 S and H 2 were confirmed. response).
도 14는 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 가스 농도변화에 따른 전류변화를 나타낸 도이고, 도 15는 실시예 2에 따라 제조된 화학센서의 가스 농도변화에 따른 변화율을 측정한 도이다. 도 14 및 15를 참조하면, 실시예 1의 화학센서와 마찬가지로 NO2, NH3, H2S, H2 4종의 화학물질에 대하여 감지(sensing) 특성을 확인할 수 있었으며, 미약하게 3ppm 이상에서 반응(response)이 있는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 14 is a graph showing the current change according to the gas concentration change of the chemical sensor manufactured according to the second embodiment, and FIG. 15 is a chart showing the change rate according to the gas concentration change of the chemical sensor manufactured according to the second embodiment. Referring to FIGS. 14 and 15, as in the case of the chemical sensor of Example 1, the sensing characteristics of the chemical substances of NO 2 , NH 3 , H 2 S and H 2 were confirmed, And it was confirmed that there was a response.
도 16은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에 따른 화학센서의한 NO2 에 대한 반응률을 비교하여 나타낸 도이다. 도 16을 참조하면, 실시예 1의 화학센서가 비교예 1의 화학센서에 비하여 약 2배 이상의 반응성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. FIG. 16 is a graph showing the reaction rates of the chemical sensors according to Example 1 and Comparative Example 1 to NO 2 according to the present invention. Referring to FIG. 16, it was confirmed that the chemical sensor of Example 1 had about twice the reactivity of the chemical sensor of Comparative Example 1.
비교예 1의 화학센서는 벌크소재에서 박리한 SnS2 소재를 활성층으로 사용하고 있으므로, 기상합성법에 의한 실시예 1의 SnS2 활성층에 비하여 물리적 특성이 우수할 것으로 예상되었다. 그러나 이러한 물리적인 특성의 차이에도 불구하고 실시예 1에 따른 화학센서의 반응률이 비교예 1에 따른 화학센서에 비해 우수한 것으로 확인되었고, 이는 실시예 1에 따른 화학센서의 활성층 표면적이 월등히 넓기 때문인 것으로 이해될 수 있다.The chemical sensor of Comparative Example 1 was expected to have superior physical properties as compared with the SnS 2 active layer of Example 1 by the vapor phase synthesis method because the SnS 2 material peeled off from the bulk material was used as the active layer. However, despite the differences in physical properties, it was confirmed that the reaction rate of the chemical sensor according to Example 1 was superior to that according to Comparative Example 1, because the surface area of the active layer of the chemical sensor according to Example 1 was much wider Can be understood.
목적 가스분자에 대한 선택성(selectivity) 평가Evaluation of selectivity for the target gas molecules
실시예 1 및 2에 따른 화학센서의 목적 가스분자에 대한 선택성(selectivity)을 평가하기 위해 Inert 분위기 및 Air 분위기에서 각 가스분자에 대한 감지 반응률(sensing response)을 측정하였다.In order to evaluate the selectivity of the chemical sensor according to Examples 1 and 2 to the target gas molecules, the sensing response of each gas molecule was measured in inert atmosphere and air atmosphere.
도 17은 NO2, NH3, H2S 및 H2 4종의 화학물질에 대하여 각각 Air 분위기 및 Inert 분위기에서의 감지반응 결과를 나타난 것이다. 도 17을 참조하면, Inert 분위기와 비교하여 Air 분위기에서의 선택성은 NO2를 제외하고는 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Air 분위기에서도 선택적으로 3ppm의 미량 화학물질을 성공적으로 검출할 수 있는 화학센서가 제조되었음을 확인할 수 있었다.FIG. 17 shows the results of the detection reaction in the air atmosphere and the inert atmosphere for the chemical substances of NO 2 , NH 3 , H 2 S and H 2 , respectively. Referring to FIG. 17, it can be seen that selectivity in the air atmosphere is increased rather than NO 2 , compared with the inert atmosphere. Therefore, it was confirmed that a chemical sensor capable of selectively detecting 3 ppm of trace chemical substances was manufactured even in air atmosphere.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the present invention.
Claims (11)
상기 기판의 상부 일면에 형성된 하나 이상의 금속전극; 및
상기 금속전극의 다른 일면에 금속전극의 형성방향과 소정의 각도를 이루도록 형성된 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체로 이루어진 활성층;을 포함하는 고민감성 화학센서.Board;
At least one metal electrode formed on an upper surface of the substrate; And
And an active layer made of a metal chalcogenide compound nanostructure formed on the other surface of the metal electrode so as to form a predetermined angle with a forming direction of the metal electrode.
상기 금속칼코게나이드 화합물은,
Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, In 및 Ge로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속과 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 칼코겐 원소로 구성된 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서.The method according to claim 1,
The metal chalcogenide compound may be,
And at least one chalcogen element selected from the group consisting of S, Se and Te and at least one metal selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, Sensitive Sensitive Chemical Sensor.
상기 금속칼코게나이드 화합물은,
SnS 또는 SnS2인 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서.The method according to claim 1,
The metal chalcogenide compound may be,
SnS or SnS2. ≪ / RTI >
상기 소정의 각도는 5 내지 90ㅀ 인 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined angle is 5 to 90 degrees.
(2) 상기 금속전극 상에 상기 금속전극이 형성된 방향과 소정의 각도를 이루도록 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체를 성장시켜 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 고민감성 화학센서의 제조방법.(1) forming at least one metal electrode on a substrate; And
(2) growing a metal chalcogenide compound nanostructure on the metal electrode so as to form a predetermined angle with a direction in which the metal electrode is formed, thereby forming an active layer.
상기 (2) 단계는 화학기상증착법(chemical vapor deposition) 또는 화학기상이동법(chemical vapor transport)에 의하는 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서의 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the step (2) is performed by a chemical vapor deposition method or a chemical vapor transport method.
상기 금속칼코게나이드 화합물은,
Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, In 및 Ge로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속과 S, Se 및 Te로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 칼코겐 원소로 구성된 화합물인 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서의 제조방법.6. The method of claim 5,
The metal chalcogenide compound may be,
At least one chalcogen element selected from the group consisting of S, Se and Te and at least one metal selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ga, Ta, Zr, Ti, Hf, Sn, Wherein the method comprises the steps of:
상기 금속칼코게나이드 화합물은,
SnS 또는 SnS2인 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서의 제조방법.6. The method of claim 5,
The metal chalcogenide compound may be,
SnS or SnS2. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
상기 소정의 각도는 5 내지 90ㅀ 인 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서의 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the predetermined angle is 5 to 90 ㅀ.
상기 (2) 단계는 금속칼코게나이드 화합물 나노구조체가 상기 금속전극의 표면에서 선택적으로 성장되어 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고민감성 화학센서의 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the metal chalcogenide compound nanostructure is selectively grown on the surface of the metal electrode to form an active layer in the step (2).
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