KR20210065762A - 탄소나노튜브 기반 가스 센서의 제조방법 및 탄소나노튜브 기반 가스 센서 - Google Patents
탄소나노튜브 기반 가스 센서의 제조방법 및 탄소나노튜브 기반 가스 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법 및 탄소나노튜브 기반의 가스 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 정렬된 상부 기판을 준비하는 단계; 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극이 형성된 하부 기판을 준비하는 단계; 및 상기 한 쌍의 감지 전극 사이를 가로질러 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 위치되도록 상기 하부 기판 상에 상기 상부 기판을 배치하는 단계; 를 포함하고, 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 상기 상부 기판에 형성된 홀(hole)을 가로질러 정렬된 것인, 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법 및 탄소나노튜브 기반의 가스 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 탄소나노튜브 기반 가스 센서의 제조방법 및 탄소나노튜브 기반 가스 센서에 관한 것이다.
가스센서는, 기체 중에 포함된 특정의 성분가스를 검지하여 그 농도에 따라 적당한 전기신호로 변환하는 소자를 의미한다. 가스센서는, 가스의 검출 방식에 따라 크게 전기화학식(Electrochemical), 접촉연소식(Catalytic), 반도체식(Semiconductor), 광학식(Photoionization) 가스센서로 구분한다.
반도체식 가스센서는, 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때의 전기전도도 변화를 이용하는 센서이다. 반도체식 가스센서는 산화 촉매작용의 반도체 전자 이론을 기반으로 하여 기체분자와 산화물 반도체 간에 전자의 상호작용으로 산화물의 전도성이 변화하는 현상을 기초로 하며, 이러한 전도도 측정방식의 가스센서는 가스가 접촉하였을 때 특정 화학물질이 존재하거나 결여된 상태를 전기전도성 또는 전기저항값의 변화를 기본으로 동작하므로 화학저항(chemiresistors)이라고 한다.
기존의 가스센서는 소비전력이 크고 크기가 커서 제한적인 서비스만 가능하므로, 안전거리에서 사용이 가능하며 적은 설치비용과 간소한 크기로 인한 사용상 이점을 가진 초소형 저전력 가스센서 소자 양산화의 요구가 높아지고 있다. 이에 MEMS 기술을 이용한 가스센서가 보고되었고, 이러한 요구를 구현할 수 있는 기술로서 마이크로 히터를 실리콘 질화막에 식각하여 형성하고 가스 채널을 마이크로 종횡 구조로 형성하여 크로마토그래피 분석으로 휘발성 유기화합물 가스를 감지한 연구결과 등이 있다.
최근에서 전기적, 기계적, 화학적으로 기존 물질보다 우수한 특성을 가지고 있어, 재료 및 센서 분야에서 폭넓게 연구되고 있는 탄소나노튜브(CNT)를 감지 물질로 적용하는 가스 센서가 보고되고 있다. 이러한 탄소나노뷰브를 이용한 가스 센서의 제조방법은, 단일 CNT 분산 후 감지 전극 패턴, CNT 분산 용액 인가 후 증발, 감지 전극 사이에 CNT forest 성장으로 분류하고, 단일 CNT 분산 후 감지 전극 패턴은 낮은 농도의 CNT 분산액으로 단일 CNT들을 저밀도로 기판에 올린 후 개별 CNT를 찾아 양단에 감지 전극을 형성하는 방법을 적용하고 있으나, 이는 단일 CNT의 형성 위치가 규칙적이지 않고, 개별 CNT를 확인 후 그 위치를 기준으로 패턴 작업을 수행하므로 수율이 낮고, 공정 시간이 많이 소요되어 상업화에는 적합하지 않다. 더욱이, 매우 작은 CNT 가닥을 이용하기 때문에 CNT를 낮은 농도로 기판에 뿌린 후 SEM으로 한 가닥을 찾아 공정을 진행하므로, 공정의 난이도가 높고, 균일성이 떨어지며, 여러 방향으로 전류가 이동하기 때문에 가스 감지 효율이 낮다.
다른 제조방법으로, 기판에 전극을 형성하고 전극의 윗면에 절연체(산화막)를 덮은 후, 전극 사이에 전기장을 걸고 thermal CVD 장비에서 합성 가스를 공급하여 CNT가 전극의 옆면에서 자라 서로 연결되도록 하는 방식이 보고되었으나, 전극을 먼저 형성하고 thermal CVD를 이용하여 CNT를 성장하기 때문에 CNT의 밀도가 일정하지 않고, 공정의 난이도가 높으므로, 대량 생산에 적합하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 상기 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 전극 상에 탄소나노튜브의 배열 또는 연결 방식 보다 공정을 단순화시키고, 일정하고 균일하게 탄소나노튜브를 배열 또는 연결하고, 공정 효율이 향상되어 대량 생산 가능성을 높일 수 있는, 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 제조방법에 의해서 민감도, 신뢰도 및 소비 전력이 향상된 가스 센서를 제공할 수 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 정렬된 상부 기판을 준비하는 단계; 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극이 형성된 하부 기판을 준비하는 단계; 및 상기 한 쌍의 감지 전극 사이를 가로질러 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 위치되도록 상기 하부 기판 상에 상기 상부 기판을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 상기 상부 기판에 형성된 홀(hole)을 가로질러 정렬된 것인, 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 홀을 가로질러 한 방향 또는 여러 방향으로 랜덤한 간격으로 정렬된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 상부 기판을 준비하는 단계는: 제1 기판을 준비하는 단계; 상기 제1 기판 상에 홀을 형성하는 단계; 및 상기 홀을 가로질러 복수개의 다발형 탄소나노튜브를 한 방향 또는 여러 방향으로 랜덤한 간격으로 정렬시키는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 기판은, PDMS, 실리콘 웨이퍼 및 글라스 웨이퍼 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다발형 탄소나노튜브는, 2개 이상의 탄소나노튜브가 동일한 방향으로 나란하게 배열되거나 또는 꼬여진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다발형 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 5 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고, 상기 다발형 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 홀은, 원형 또는 다각형 단면을 가지며, 상기 제1 기판의 깊이 방향으로 관통하여 형성되고, 상기 홀의 직경은, 상기 상부 기판의 직경 대비 100 % 미만인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 하부 기판을 준비하는 단계는, 제2 기판을 준비하는 단계; 상기 제2 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 하부 기판을 준비하는 단계는: 제2 기판을 준비하는 단계; 상기 제2 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층에 홀을 형성하는 단계; 상기 홀을 사이에 두고 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 상기 절연층 상에 형성하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 절연층에 홀을 형성하는 단계는, 상기 절연층의 깊이 보다 더 큰 깊이를 갖는 홀을 에칭하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 절연층에 홀을 형성하는 단계에서 상기 홀의 직경은, 상기 한 쌍의 감지 전극 간의 이격 거리 대비 100 % 내지 80 %인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 하부 기판은 제2 기판에 형성된 홀을 더 포함하고, 상기 상부 기판의 홀과 상기 하부 기판의 홀은, 동일한 형태 또는 직경을 갖고, 상기 상부 기판을 상기 하부 기판 상에 배치하는 단계에서 상기 상부 기판의 홀과 상기 하부 기판의 홀이 서로 마주보도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 정렬된 상부 기판; 및 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극이 형성된 하부 기판을 포함하고, 상기 한 쌍의 감지 전극 사이로 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 위치되도록 상기 상부 기판이 상기 하부 기판 상에 배치되고, 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 상기 상부 기판에 형성된 홀(hole)을 가로질러 정렬된 것인, 탄소나노튜브 기반의 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 하부 기판은, 상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 홀을 더 포함하고, 상기 상부 기판의 홀과 상기 하부 기판의 홀은 서로 마주보는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 상부 기판의 직경은, 상기 하부 기판의 직경의 50 % 내지 80 %인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소나노튜브 기반의 가스 센서는 마이크로 히터-프리(free)인 것일 수 있다.
본 발명은, 저전력 및 고성능의 반도체식 가스 센서의 공정 효율을 개선시키고 대량 생산을 실현시킬 수 있는 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명은, 마이크로 히터를 사용하지 않음으로써 저전력 구동이 가능한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서를 제공할 수 있다.
본 발명은, 휴대가 용이하고 상온 및 미량의 농도의 가스에서 높은 신뢰성과 초고감도 및 고속 응답이 가능하고, 환경오염가스 감지 센서, 질환 바이오 센서, 식품 안전 진단 센서, 유독 가스센서 등에 활용되는 미량 가스 검출을 위한 초고감도 가스 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법은, 다발형 탄소나노튜브을 포함하는 상부 기판을 준비하는 단계; 전극을 포함하는 하부 기판을 준비하는 단계; 및 하부 기판 상에 상부 기판을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법은, 다발형 탄소나노튜브를 이용한 감지 영역에 해당되는 탄소나노튜브의 밀도 및 균일도를 개선하여 센서 성능을 증가시키고, 제조 공정의 공정 효율을 개선시키고 대량 생산의 가능성을 제공할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법은 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 다발형 탄소나노튜브를 포함하는 상부 기판을 준비하는 단계는, 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)가 정렬된 상부 기판(100)을 준비하는 단계이다. 즉, 기존의 탄소나노튜브 기반의 제조 공정에서 CNT의 밀도가 일정하지 않고, 공정의 난이도가 높은 문제점을 해결하기 위한 것이며, 다발형 탄소나노튜브의 적용에 의해서 간단한 공정으로 탄소나노튜브의 배열의 규칙성 및 균일도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 상부 기판(100)을 준비하는 단계는, 제1 기판(110)을 준비하는 단계; 제1 기판(110) 상에 홀(hole, 120)을 형성하는 단계; 및 홀(120)을 가로질러 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)를 한 방향 또는 여러 방향으로 랜덤한 간격으로 정렬시키는 단계 를 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(110)을 준비하는 단계에서 제1 기판(110)은, 투명 기판, 유연 기판, 웨이퍼, 글라스 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼, 고분자 기판 등일 수 있고, 필름, 시트, 박막 등의 형태일 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르(polyester), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리비닐페놀(poly-4-vinylphenol), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 셀룰로스(cellulose), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
제1 기판(110)은, 10 um 내지 5 mm 두께를 포함하고, 제1 기판(110)의 직경(또는, 면적, 크기)은 상기 하부 기판(예를 들어, 제2 기판(210)) 직경(또는, 면적, 크기) 대비 100 % 이하; 100 % 미만; 50 % 내지 90 %; 또는 50 % 내지 80 %일 수 있다.
상기 제1 기판(110) 상에 홀(hole, 120)을 형성하는 단계는, 제1 기판(110) 상의 적어도 일부분에 제1 기판(110)의 깊이 방향으로 관통하는 홀(hole, 120)을 에칭하여 형성할 수 있다.
홀(hole, 120)은, 원형 또는 다각형 단면을 가지며, 예를 들어, 직사각형 또는 정사각형 단면을 가지면, 홀 전체(위면, 아랫면 및 몸통)는 동일한 단면 및 직경으로 형성된다. 예를 들어, 홀(120)의 직경은, 제1 기판(110, 또는 상부 기판)의 직경 대비 100 % 미만; 50 % 내지 80 %일 수 있다.
홀(120)을 가로질러 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)를 한 방향 또는 여러 방향으로 랜덤한 간격으로 정렬시키는 단계는, 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)를 홀(120)의 서로 마주보는 면을 가로질러 정렬시키는 것으로, 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)는, 0.3 nm 내지 5 mm; 0.3 nm 내지 1 mm; 또는 1 mm 내지 5 mm 중 2종 이상의 간격으로 서로 평행하게 정렬되거나 또는 여러 방향, 예를 들어, 직선 및/또는 사선으로 정렬될 수 있다.
다발형 탄소나노튜브(130)는, 2개 이상의 탄소나노튜브가 동일한 방향으로 나란하게 배열되거나 또는 꼬여진 섬유일 수 있다.
다발형 탄소나노튜브(130)의 적용에 의해서 균일한 밀도로 단순한 공정에 의해서 탄소나노튜브를 배열시킬 수 있고, 미세관측장비 없이 균일한 밀도로 탄소나노튜브를 배열시키고, 가스 센서의 공정 효율 및 양산성을 높일 수 있다.
다발형 탄소나노튜브(130)는, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 다발형 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1에서 상기 전극을 포함하는 하부 기판을 준비하는 단계는, 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극(230)이 형성된 하부 기판(200)을 준비하는 단계이다.
본 발명의 일 예로, 상기 전극을 포함하는 하부 기판을 준비하는 단계는, 제2 기판(210)을 준비하는 단계; 제2 기판(210) 상에 절연층(220)을 형성하는 단계; 절연층(220) 상에 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극(230)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(210)을 준비하는 단계는, 가스 센서에 적용 가능한 기판을 준비하는 단계이며, 예를 들어, 가스 센서에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있고, 투명 기판, 알루미나 기판, 사파이어 기판, 유연 기판, 웨이퍼, 실리콘, 반도체 기판, 플라스틱 기판 등일 수 있다. 구체적으로, 폴리아마이드이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET, Polyethylene Terephthalate), 폴리이미드(PI, polymide), 아크릴(acryl), 폴리카보네이트(PC), 고리형 올레핀 고분자(COC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 실리콘 웨이퍼, 유리 및 강화 유리로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 기판일 수 있다.
상기 제2 기판(210) 상에 절연층(220)을 형성하는 단계는, 제2 기판(210) 상에 절연성 재료로 절연층(220)을 형성하는 것으로, 상기 절연성 재료는 유기 절연성, 산화물 절연성 재료 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, Al2O3, SiO2, Y2O3, MgO, 및 ZrO2 등의 절연성 금속 또는 반금속의 산화물, 글라스 재료; 폴리비닐페놀, PMMA, 폴리이미드, 불소 수지 등의 유기 고분자 재료 등일 수 있다.
절연층(220)은 10 nm 에서 1 mm 두께를 포함하고, 라미네이팅법, 코팅, CVD법, 스퍼터링법, 원자층 증착법(atomic layer deposition) 등을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 감지 전극(230)을 형성하는 단계는, 절연층(220) 상에 스핀 코팅, 닥터블레이드 코팅, 포토리소그래피, 그라비아 인쇄, 스크린인쇄, 옵셋인쇄, 잉크젯인쇄 등의 방법으로 이용하여 형성할 수 있다.
상기 감지 전극(230)을 형성하는 단계에서 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극(230)은, 1 um 내지 5 mm 간격; 으로 이격되고, 감지 전극(230)은, 0.3 nm 내지 1mm; 또는 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
감지 전극(230)은, 단층 또는 복수층으로 형성되고, 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 주석(Sn), 또는 그들의 합금과 같은 금속 소재; 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 아연산화물(ZnO), 인듐아연주석산화물(IZTO), 카드뮴주석산화물(CTO), 탄소나노튜브, PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 등의 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 기판일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 도 2를 참조하며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 의한 탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법의 제조 공정을 예시적으로 나타낸 것이다. 도 2에서 상기 하부 기판을 준비하는 단계는, 제2 기판(210)을 준비하는 단계; 제2 기판(210) 상에 절연층(220)을 형성하는 단계; 절연층(220)에 홀(hole, 240)을 형성하는 단계; 및 홀(240)을 사이에 두고 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극(230)을 절연층(220) 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
절연층(220)에 홀(240)을 형성하는 단계는, 절연층(220)의 깊이 보다 더 큰 깊이를 갖는 홀(240)을 에칭하여 형성하고, 제2 기판(210)을 관통하지 않는다. 홀(220)은, 원형 또는 다각형 단면을 가지며, 예를 들어, 직사각형 또는 정사각형 단면을 가지면, 홀 전체(위면, 아랫면 및 몸통)는 동일한 단면 및 직경으로 형성된다.
예를 들어, 홀(240)의 직경은, 한 쌍의 감지 전극(230) 간의 이격 거리 대비 100 % 내지 80 %; 또는 100 % 내지 50 %일 수 있다. 바람직하게는 홀(240)은 제1 기판의 홀(120)과 동일한 크기(예를 들어, 직경) 및/또는 형태를 가지거나 상이할 수 있으며, 예를 들어, 하부 기판의 홀(240)의 직경은, 상부 기판의 홀(120)의 직경의 100 % 내지 180 %; 또는 100 % 내지 150 %일 수 있다. 본 발명에 의한 가스 센서에서 홀(120) 및 홀(240)은, 상부 기판(100) 및 하부 기판(200)의 배열 시 서로 마주보도록 위치 및 형태 등이 디자인될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 하부 기판 상에 상부 기판을 배치하는 단계는, 한 쌍의 감지 전극(230) 사이를 가로질러 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)가 위치되도록 하부 기판(200) 상에 상부 기판(100)을 배치하는 단계이다. 즉, 제1 기판(110)의 다발형 탄소나노튜브(130)는 한 쌍의 감지 전극(230)의 수직 방향으로 위치되고 다발형 탄소나노튜브(130)의 양말단의 적어도 일부분은 한 쌍의 전극(230)에 각각 접촉하게 된다.
또한, 도 2에 따라, 상부 기판(200)의 홀(240)이 형성될 경우에, 홀(120) 및 홀(240)이 서로 마주보며, 다발형 탄소나노튜브(130)이 감지 전극(230)에 접촉함으로써, 다발형 탄소나노튜브(130)는 홀(120) 및 홀(240) 사이에 배치된다.
본 발명은, 본 발명에 의한 제조방법으로 제조된 탄소나노튜브 기반의 가스 센서에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 및 감지 전극을 포함하는 하단 기판 상에 감지 물질인 다발형 탄소나노튜브를 포함하는 상부 기판이 적층된 것일 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 가스 센서는, 상부 기판(100) 및 하부 기판(200)을 포함하고, 상부 기판(100)은 제1 기판(110), 홀(120) 및 다발형 탄소나노튜브(130)를 포함할 수 있다. 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)는 홀(120)을 가로질러 정렬될 수 있다. 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)는, 상기 한 쌍의 감지 전극(230)을 가로질러 배치되고, 저항 변화 측정의 감도가 개선되고, 가스 감지 효율을 향상시킬 수 있다.
하부 기판 (200)은, 제2 기판(210), 절연층(220) 및 한 쌍의 감지 전극(230)을 포함하고, 한 쌍의 감지 전극(230)은, 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하도록 배치된다. 상기 한 쌍의 감지 전극(230)의 형태는, 다발형 탄소나노튜브(130)의 민감도, 전류의 흐름, 감도 등을 개선시킬 수 있도록 적절하게 선택될 수 있다.
상부 기판(200)의 직경은, 하부 기판(100)의 직경의 100 % 이하; 100 % 미만; 50 % 내지 90 %; 또는 50 % 내지 80 %일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 하부 기판 (200)은, 제2 기판(210), 절연층(220) 및 한 쌍의 감지 전극(230)을 포함하고, 한 쌍의 감지 전극(230) 사이에 홀(240)을 더 포함할 수 있다. 홀(240)에 의해서 탄소나노튜브(130)의 열분산을 막을 수 있고, 온도 조절을 위한 마이크로 히터의 장착(마이크로 히터-프리(free)) 없이 고성능의 가스 센서로 작동할 수 있다.
또한, 상부 기판의 홀(120)과 하부 기판의 홀(240)은 서로 마주보도록 배치되고, 이들 사이에 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)가 위치되고, 복수개의 다발형 탄소나노튜브(130)은 홀(120)에 의해 노출되고 감지 대상 가스의 접촉에 유리해지고, 홀(240)에 의해 열분산 조절이 용이해질 수 있다.
하부 기판의 홀(240)의 직경은, 상부 기판의 홀(120)의 직경의 100 % 내지 180 %; 또는 100 % 내지 150 %일 수 있다.
상기 가스 센서는, 50 mW 이하의 소비 전력으로 작동이 가능하고, 이러한 저전력에서 고감도 성능을 제공할 수 있다.
상기 가스 센서는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 적용 분야에 따라 구동을 위해 본 발명의 기술 분야에서 적용되는 통상적인 구성을 더 포함할 수 있으며, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명에 의한 가스 센서는, 유해 가스 검출을 위한 센서, 자동차 배기 가스 검출을 위한 센서, 질병 진단을 위한 센서, 식품 안전 진단 센서 등으로 활용할 수 있고, 예를 들어, 휘발성 유기물질(VOCs), 산성 가스, 염기성 가스, 질병의 바이오마커에 해당되는 가스 등의 감지에 적용되고, 가스의 정성 및 정량 분석이 가능하다. 예를 들어, 상기 가스는, 시안화수소, 알데이드류, CO2 CO H2, SO2, H2S, CH4, CO, NO2, NO, CNG/LNG, NH3, 포름알데히드, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 암(예를 들어, 유방암, 폐암, 대장암), 신장병, 호흡성 질환(예를 들어, 천식) 또는 대사성 질환(예를 들어, 당뇨병)의 바이오마커 가스 등일 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (17)
- 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 정렬된 상부 기판을 준비하는 단계;
일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극이 형성된 하부 기판을 준비하는 단계; 및
상기 한 쌍의 감지 전극 사이를 가로질러 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 위치되도록 상기 하부 기판 상에 상기 상부 기판을 배치하는 단계;
를 포함하고,
상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 상기 상부 기판에 형성된 홀(hole)을 가로질러 정렬된 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 홀을 가로질러 한 방향 또는 여러 방향으로 랜덤한 간격으로 정렬된 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 상부 기판을 준비하는 단계는:
제1 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 기판 상에 홀을 형성하는 단계; 및
상기 홀을 가로질러 복수개의 다발형 탄소나노튜브를 한 방향 또는 여러 방향으로 랜덤한 간격으로 정렬시키는 단계;
를 포함하는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 기판은, PDMS, 실리콘 웨이퍼 및 글라스 웨이퍼 중 적어도 하나를 포함하는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다발형 탄소나노튜브는, 2개 이상의 탄소나노튜브가 동일한 방향으로 나란하게 배열되거나 또는 꼬여진 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다발형 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 5 mm 간격으로 서로 평행하게 정렬되고,
상기 다발형 탄소나노튜브는, 0.3 nm 내지 100 ㎛ 두께를 갖는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 홀은, 원형 또는 다각형 단면을 가지며, 상기 제1 기판의 깊이 방향으로 관통하여 형성되고,
상기 홀의 직경은, 상기 상부 기판의 직경 대비 100 % 미만인 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 기판을 준비하는 단계는,
제2 기판을 준비하는 단계;
상기 제2 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 기판을 준비하는 단계는:
제2 기판을 준비하는 단계;
상기 제2 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층에 홀을 형성하는 단계;
상기 홀을 사이에 두고 일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극을 상기 절연층 상에 형성하는 단계;
를 포함하는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 절연층에 홀을 형성하는 단계는, 상기 절연층의 깊이 보다 더 큰 깊이를 갖는 홀을 에칭하는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 절연층에 홀을 형성하는 단계에서 상기 홀의 직경은, 상기 한 쌍의 감지 전극 간의 이격 거리 대비 100 % 내지 80 %인 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 기판은 제2 기판에 형성된 홀을 더 포함하고,
상기 상부 기판의 홀과 상기 하부 기판의 홀은, 동일한 형태 또는 직경을 갖고,
상기 상부 기판을 상기 하부 기판 상에 배치하는 단계에서 상기 상부 기판의 홀과 상기 하부 기판의 홀이 서로 마주보도록 배치되는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서의 제조방법.
- 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 정렬된 상부 기판; 및
일정한 간격으로 이격되고 서로 대향하는 한 쌍의 감지 전극이 형성된 하부 기판
을 포함하고,
상기 한 쌍의 감지 전극 사이로 상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브가 위치되도록 상기 상부 기판이 상기 하부 기판 상에 배치되고,
상기 복수개의 다발형 탄소나노튜브는, 상기 상부 기판에 형성된 홀(hole)을 가로질러 정렬된 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서.
- 제14항에 있어서,
상기 하부 기판은, 상기 한 쌍의 감지 전극 사이에 홀을 더 포함하고,
상기 상부 기판의 홀과 상기 하부 기판의 홀은 서로 마주보는 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서.
- 제14항에 있어서,
상기 상부 기판의 직경은, 상기 하부 기판의 직경의 50 % 내지 80 %인 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서.
- 제14항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 기반의 가스 센서는 마이크로 히터-프리(free)인 것인,
탄소나노튜브 기반의 가스 센서
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| KR1020190154867A KR102277642B1 (ko) | 2019-11-27 | 2019-11-27 | 탄소나노튜브 기반 가스 센서의 제조방법 및 탄소나노튜브 기반 가스 센서 |
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| KR20080052297A (ko) * | 2006-12-04 | 2008-06-11 | 한국전자통신연구원 | 부양형 나노선 센서 및 그 제조 방법 |
| KR20120116713A (ko) * | 2011-04-13 | 2012-10-23 | 경희대학교 산학협력단 | 탄소나노튜브를 이용한 금속 나노와이어 및 그 제조방법 |
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| KR20150026151A (ko) * | 2013-09-02 | 2015-03-11 | 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 | 가스센서 및 그 제조방법 |
| KR20160054170A (ko) * | 2014-11-06 | 2016-05-16 | 한국과학기술연구원 | 개선된 감도를 갖는 탄소나노튜브 센서의 제조방법 |
-
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