KR20210107421A - Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same - Google Patents

Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
KR20210107421A
KR20210107421A KR1020200022396A KR20200022396A KR20210107421A KR 20210107421 A KR20210107421 A KR 20210107421A KR 1020200022396 A KR1020200022396 A KR 1020200022396A KR 20200022396 A KR20200022396 A KR 20200022396A KR 20210107421 A KR20210107421 A KR 20210107421A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chemical gas
gas detection
wafer
detection substrate
rhodamine
Prior art date
Application number
KR1020200022396A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102298184B1 (en
Inventor
최선경
박대영
정병근
정문석
Original Assignee
국방과학연구소
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소, 성균관대학교산학협력단 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020200022396A priority Critical patent/KR102298184B1/en
Publication of KR20210107421A publication Critical patent/KR20210107421A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102298184B1 publication Critical patent/KR102298184B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

A chemical gas detection substrate capable of structural simplicity and/or always-on detection is provided. The chemical gas detection substrate comprises a wafer, and a coating layer laminated on an upper surface of the wafer. According to the present invention, a gas may be collected on the substrate by rhodamine 6G, and the surface plasmon effect may be exhibited by Ag nanowires.

Description

화학가스 검출기판 및 이의 제작 방법{Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same}Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same}

본 발명은 화학 가스 검출기판에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유기 발광체와 은 나노와이어를 이용한 화학가스 검출기판 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a chemical gas detection substrate, and more particularly, to a chemical gas detection substrate using an organic light emitting body and silver nanowires, and a method for manufacturing the same.

각종 화학 오염물질들은 차량, 발전소 등 많은 분야에서 가스 형태로 대기 중에 배출된다. 이와 같은 많은 화학가스들은 인체에 해로울 뿐만 아니라 환경에 미치는 영향도 크기 때문에 가스의 배출은 법적/행정적으로 규제를 받는다.Various chemical pollutants are emitted into the atmosphere in the form of gases in many fields such as vehicles and power plants. Many of these chemical gases are not only harmful to the human body, but also have a large impact on the environment, so the emission of gas is regulated legally/administratively.

때문에 유해물질의 배출여부를 상시 감시하기 위해 가스를 포집하고 분석하는 장치가 요구된다. 기존 분석법은 구조적 복잡성 및/또는 상시 검출에 제약이 있기 때문에 광신호 검출과 같은 간단한 분석 장치가 필요하다. 또한, 기존 형광 센서의 경우 낮은 감도로 인해 가스를 검출하는데 제약을 받는다.Therefore, a device that collects and analyzes gas is required to constantly monitor the emission of harmful substances. Conventional analysis methods have structural complexity and/or limitations in detection at all times, so a simple analysis device such as optical signal detection is required. In addition, the conventional fluorescent sensor is limited in detecting gas due to low sensitivity.

1. 한국공개특허번호 제10-2019-0111250호1. Korea Patent Publication No. 10-2019-0111250

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해, 구조적 단순성 및/또는 상시 검출이 가능한 화학가스 검출기판 및 이의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a chemical gas detection substrate capable of structural simplicity and/or constant detection, and a method for manufacturing the same, in order to solve the problems according to the above background art.

또한, 본 발명은 높은 감도를 이용하여 가스 검출에 제약이 없는 화학가스 검출기판 및 이의 제작 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a chemical gas detection substrate that does not have restrictions on gas detection using high sensitivity and a method for manufacturing the same.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 구조적 단순성 및/또는 상시 검출이 가능한 화학가스 검출기판을 제공한다.The present invention provides a chemical gas detection substrate capable of structural simplicity and/or always-on detection in order to achieve the above object.

상기 화학가스 검출기판은,The chemical gas detector substrate,

웨이퍼; 및 wafer; and

상기 웨이퍼의 상면에 적층되는 코팅부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.and a coating part laminated on the upper surface of the wafer.

이때, 상기 웨이퍼의 직경은 300nm인 것을 특징으로 한다.At this time, it is characterized in that the diameter of the wafer is 300 nm.

또한, 상기 코팅부는, 은나노 와이어층 및 로다인 6G층이 순차적으로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the coating unit is characterized in that the silver nanowire layer and the rhodyne 6G layer are sequentially stacked.

또한, 상기 은나노 와이어층은 은나노 와이어(Ag nanowire) 용액을 상기 웨이퍼의 상면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the silver nanowire layer is characterized in that it is formed by applying a silver nanowire (Ag nanowire) solution on the upper surface of the wafer.

또한, 상기 은나노 와이어 용액은 은나노 와이어 입자를 에탄올 용매에 혼합하며, 상기 에탄올 용매는 10배 희석하여 사용하며, 100℃에서 10분 동안 가열됨으로써 증발되는 것을 특징으로 한다.In addition, the silver nanowire solution is characterized in that the silver nanowire particles are mixed in an ethanol solvent, the ethanol solvent is diluted 10 times, and evaporated by heating at 100° C. for 10 minutes.

또한, 상기 은나노 와이어 용액의 나노 와이어 입자는 지름이 50nm이고, 길이가 5 ~ 50μm인 것을 특징으로 한다.In addition, the nanowire particles of the silver nanowire solution have a diameter of 50 nm and a length of 5 to 50 μm.

또한, 상기 로다인 6G층은 로다인(Rhodamine) 6G 용액을 상기 웨이퍼의 상면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the rhodine 6G layer is characterized in that it is formed by applying a rhodamine 6G solution on the upper surface of the wafer.

또한, 상기 로다인(Rhodamine) 6G 용액은 0.1g의 로다인 6G를 10ml의 에탄올 용매에 용해시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.In addition, the rhodamine 6G solution is characterized in that it is prepared by dissolving 0.1 g of rhodamine 6G in 10 ml of an ethanol solvent.

또한, 상기 화학가스 검출기판은, 상면이 개방되며 내측벽에 나사산이 형성되고, 상기 웨이퍼의 하단면이 부착되는 내측 바닥면이 형성되는 지지 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the chemical gas detector substrate, the upper surface is open, a thread is formed on the inner wall, the support plate is formed with an inner bottom surface to which the lower surface of the wafer is attached; characterized in that it comprises a.

또한, 상기 화학가스 검출기판은, 상기 지지 플레이트와 체결되며 화학가스가 담긴 가스 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the chemical gas detection substrate, coupled to the support plate, a gas chamber containing chemical gas; characterized in that it comprises a.

또한, 레이저를 발사하여 형광 측정이 진행되며, 상기 레이저는 로다민 6G의 550 ~ 650nm 부근의 파장을 갖는 형광보다 작은 405nm의 파장을 갖는 레이저인 것을 특징으로 한다.In addition, fluorescence measurement is carried out by emitting a laser, and the laser is characterized in that it is a laser having a wavelength of 405 nm, which is smaller than fluorescence having a wavelength of 550 to 650 nm of rhodamine 6G.

또한, 상기 은나노 와이어층의 표면은 표면 플라즈몬 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, the surface of the silver nanowire layer is characterized in that it has a surface plasmon structure.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 웨이퍼를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 웨이퍼의 상면에 코팅부(200)가 적층되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판의 제작 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention, (a) preparing a wafer; and (b) laminating the coating unit 200 on the upper surface of the wafer.

본 발명에 따르면, 로다민(Rhodamine) 6G에 의해 가스가 기판에 포집될 수 있으며, 은나노와이어(Ag nanowire)에 의해 표면 플라즈몬 효과가 나타날 수 있다.According to the present invention, a gas may be collected on a substrate by rhodamine 6G, and a surface plasmon effect may be exhibited by silver nanowires.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 가스의 포집 및 분석이 하나의 기판 내에서 이루어지므로 탈부착이 가능하며, 표면증강 형광에 의해 정확한 가스 분석 결과를 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다.In addition, as another effect of the present invention, since gas is collected and analyzed within a single substrate, attachment and detachment are possible, and accurate gas analysis results can be obtained by surface-enhanced fluorescence.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출기판의 제작 과정을 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 따라 제작된 화학가스 검출기판의 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구성중 하나인 은나노 와이어의 SEM(Secondary electron microscopy) 측정 결과이다.
도 4는 일반적인 로다민 6G가 없는 경우를 보여주는 SEM 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 로다민 6G가 있는 경우를 보여주는 SEM 측정 결과이다.
도 6은 도 2에 도시된 화학가스 검출 기판에 대한 시간영역 유한 차분법(Finite Difference Time Domain) 결과이다.
도 7은 로다민(Rhodamine) 6G, 은나노 와이어(Ag nanowire), 및 두 물질이 모두 실리콘 웨이퍼에 코팅되었을 때의 흡수 파장을 나타내는 그래프이다.
도 8은 은나노 와이어(Ag nanowire)와 로다민(Rhodamine) 6G 및 독성화학물질의 유사체로 사용되는 목표 화학가스(CEES, CEPS 및 DMMP)의 형광 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 목표 화학가스(CEES, SEPS 및 DMMP)를 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출 기판으로 포집후 형광 측정 결과이다.
도 10은 다양한 산업용 가스(toluene, hexane, DMF, DI water 및 ethyl alcohol)를 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출기판으로 포집후 형광 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 11은 화학가스(DMMP 및 CEES)를 포집한 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출기판을 이용하여 라만 측정을 실시한 결과를 보여주는 그래프이다.1 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional conceptual view of the chemical gas detector substrate manufactured according to FIG. 1 .
3 is a secondary electron microscopy (SEM) measurement result of a silver nanowire, which is one of the components according to an embodiment of the present invention.
4 is an SEM measurement result showing a case in which there is no general rhodamine 6G.
5 is an SEM measurement result showing the presence of rhodamine 6G according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a finite difference time domain result for the chemical gas detection substrate shown in FIG. 2 .
7 is a graph showing absorption wavelengths when Rhodamine 6G, Ag nanowire, and both materials are coated on a silicon wafer.
8 is a graph showing fluorescence measurement results of target chemical gases (CEES, CEPS, and DMMP) used as analogs of silver nanowires and rhodamine 6G and toxic chemicals.
9 is a fluorescence measurement result after capturing target chemical gases (CEES, SEPS, and DMMP) with a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing fluorescence measurement results after collecting various industrial gases (toluene, hexane, DMF, DI water and ethyl alcohol) with a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing a result of Raman measurement using a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention in which chemical gases (DMMP and CEES) are collected.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.In order to clearly express various layers and regions in the drawings, the thicknesses are enlarged. Throughout the specification, like reference numerals are assigned to similar parts. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, it includes not only the case where the other part is "directly on" but also the case where there is another part in between. Conversely, when we say that a part is "just above" another part, we mean that there is no other part in the middle. Also, when it is said that a part is formed "wholely" on another part, it means that it is formed not only on the entire surface (or front) of the other part, but also on a part of the edge.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출기판의 제작 과정을 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 핫플레이트(106)를 준비하고 이 핫플레이트(106)의 상단면에 웨이퍼(104)가 위치된다. 이후, 은나노 와이어 용액(103)이 이 실리콘 웨이퍼(104)에 주입된다(단계 S110). 은 나노 와이어(Ag nanowire) 용액(103)은 에탄올 용매를 사용하여 은나노 와이어 입자를 혼합하며, 에탄올 용매는 10배 희석하여 사용된다. 은나노 와이어(Ag nanowire) 용액(103)에 혼합되는 은나노 와이어 입자는 지름=약50 nm, 길이=약5 ~ 50μm가 될 수 있다.1 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , a hot plate 106 is prepared and a wafer 104 is placed on the top surface of the hot plate 106 . Thereafter, the silver nanowire solution 103 is injected into the silicon wafer 104 (step S110). The silver nanowire (Ag nanowire) solution 103 is mixed with silver nanowire particles using an ethanol solvent, and the ethanol solvent is diluted 10 times and used. The silver nanowire particles mixed in the Ag nanowire solution 103 may have a diameter = about 50 nm, and a length = about 5 to 50 μm.

웨이퍼(104)는 Si, Ge 등의 단일원소 반도체와 GaAs 등의 화합물 반도체가 될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 실리콘 웨이퍼를 들어 설명하기로 한다. 웨이퍼(104)의 직경은 300nm가 될 수 있다. The wafer 104 may be a single element semiconductor such as Si or Ge and a compound semiconductor such as GaAs. In an embodiment of the present invention, a silicon wafer will be described. The diameter of the wafer 104 may be 300 nm.

단계 S110에서 핫플레이트(106)를 이용하여 온도 약 100℃에서 약 10분 동안 가열함으로써, 에탄올 용매를 모두 증발시킨다.By heating at a temperature of about 100° C. for about 10 minutes using the hot plate 106 in step S110, all of the ethanol solvent is evaporated.

이후, 마이크로 피펫(105)을 이용하여 웨이퍼(104)의 표면상에 로다인(Rhodamine) 6G 용액(102)이 도포된다(단계 S120). 로다인(Rhodamine) 6G 용액(102)은 0.1g의 Rhodamine 6G를 10ml의 에탄올 용매에 용해시켜 제조한다. 또한, 단계 S120에서, 제조한 로다인(Rhodamine) 6G 용액(102)을 은나노(Ag nanowire)가 올라간 웨이퍼(104)위에 도포후 다시 약 온도 100℃에서 약10분 동안 가열함으로써 에탄올 용매를 모두 제거한다.Thereafter, a rhodamine 6G solution 102 is applied on the surface of the wafer 104 using a micropipette 105 (step S120). Rhodamine 6G solution 102 is prepared by dissolving 0.1 g of Rhodamine 6G in 10 ml of ethanol solvent. In addition, in step S120, after applying the prepared rhodamine 6G solution 102 on the wafer 104 on which the silver nanowire is mounted, the ethanol solvent is removed by heating again at a temperature of about 100° C. for about 10 minutes. do.

단계 S110 및 단계 S120에 의해 화학가스 검출기판(101)이 제조된다. 화학가스 검출기판(101)을 지지 플레이트(107)에 부착시킨다. 지지 플레이트(107)는 상면이 개방되며, 내측벽에 나사산(107-2)이 형성되는 구조이다. 화학가스 검출기판(101)의 웨이퍼(104) 하단면이 지지 플레이트(107)의 내측 바닥면(107-1)에 부착된다(단계 S140). 부착은 접착제를 이용하여 이루어질 수 있다. 접착제로는 실리콘, 에폭시, 에틸렌-초산비닐계, 폴리올레핀계, 스티렌블록공중합체계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 우레탄계 등이 될 수 있다.The chemical gas detection substrate 101 is manufactured by steps S110 and S120. The chemical gas detector substrate 101 is attached to the support plate 107 . The support plate 107 has an open upper surface, and has a structure in which a screw thread 107-2 is formed on the inner wall. The bottom surface of the wafer 104 of the chemical gas detector substrate 101 is attached to the inner bottom surface 107-1 of the support plate 107 (step S140). Attachment can be made using an adhesive. The adhesive may be silicone, epoxy, ethylene-vinyl acetate-based, polyolefin-based, styrene block copolymer-based, polyamide-based, polyester-based, or urethane-based adhesive.

화학가스 검출기판(101)은 지지 플레이트(107)에 흡착되며, 포집된 가스의 성분을 분석한다. 이렇게 제작된 화학가스 검출기판(101)을 지지 플레이트(107)에 부착시킨 후, 1ml의 화학가스(108)가 담긴 가스 챔버(109)를 부착한다(단계 S150). 즉, 가스 챔버(109)의 상단 외측 외주면에 나사산(미도시)이 형성된다. 따라서, 이 나사산과 지지 플레이트(107)의 내주면에 형성되는 나사산(107-2)이 치합되어 체결된다.The chemical gas detection substrate 101 is adsorbed to the support plate 107 , and the components of the collected gas are analyzed. After attaching the chemical gas detector substrate 101 manufactured in this way to the support plate 107, a gas chamber 109 containing 1 ml of the chemical gas 108 is attached (step S150). That is, a screw thread (not shown) is formed on the upper outer peripheral surface of the gas chamber 109 . Accordingly, the screw thread and the screw thread 107-2 formed on the inner circumferential surface of the support plate 107 are engaged and fastened.

이후, 핫플레이트(106) 위에서 약 온도 60℃로 약1분 동안 가열한 뒤, 화학가스가 포집된 화학가스 검출기판(101)을 꺼내서 레이저를 발사하여 형광 측정을 진행한다(단계 S150,S160). 로다민 6G의 550 ~ 650nm 부근의 파장을 갖는 형광(110)보다 작은 405 nm 파장을 갖는 레이저(111)가 사용된다.Thereafter, after heating the hot plate 106 to a temperature of about 60° C. for about 1 minute, the chemical gas detection substrate 101 on which the chemical gas is collected is taken out and a laser is fired to measure the fluorescence (steps S150 and S160) . A laser 111 having a wavelength of 405 nm smaller than the fluorescence 110 having a wavelength around 550 to 650 nm of rhodamine 6G is used.

도 2는 도 1에 따라 제작된 화학가스 검출기판(101)의 단면 개념도이다. 도 2를 참조하면, 화학가스 검출기판(101)은, 웨이퍼(104)는 Si층(211)과 Si층(211)의 표면을 보호하는 산화막인 SiO2층(212)으로 이루어진다. 이 웨이퍼(104)의 상단면에 코팅부(200)가 형성된다. 코팅부(200)는 나노 와이어층(220)이 형성되고, 이 은나노 와이어층(220)을 덮는 로다인 6G층(230)이 형성된다. 도 2에서 NW는 NanoWire를 나타낸다.FIG. 2 is a cross-sectional conceptual view of the chemical gas detection substrate 101 manufactured according to FIG. 1 . Referring to FIG. 2 , the chemical gas detection substrate 101, the wafer 104 includes a Si layer 211 and an SiO 2 layer 212 that is an oxide film protecting the surface of the Si layer 211 . A coating portion 200 is formed on the upper surface of the wafer 104 . In the coating unit 200 , the nanowire layer 220 is formed, and the Rhodyne 6G layer 230 covering the silver nanowire layer 220 is formed. In FIG. 2, NW stands for NanoWire.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구성중 하나인 은나노 와이어의 SEM(Secondary electron microscopy) 측정 결과이다. 도 3을 참조하면, 확대된 결과 화면(310)과 오리지널 측정 화면(320)이 예시된다. 3 is a secondary electron microscopy (SEM) measurement result of a silver nanowire, which is one of the components according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 , an enlarged result screen 310 and an original measurement screen 320 are illustrated.

도 4는 일반적인 로다민 6G가 없는 경우를 보여주는 SEM 측정 결과이다. 도 4를 참조하면, 오리지널 측정 화면(410)을 확대하여 확대된 결과 화면(420)상에 형광 신호의 변화를 감지하지 못한다.4 is an SEM measurement result showing a case in which there is no general rhodamine 6G. Referring to FIG. 4 , the change in the fluorescence signal is not detected on the enlarged result screen 420 by enlarging the original measurement screen 410 .

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 로다민 6G가 있는 경우를 보여주는 SEM 측정 결과이다. 도 5를 참조하면, 오리지널 측정 화면(510)을 확대하여 확대된 결과 화면(520)상에 형광 신호의 변화가 감지된다. 형광 신호의 감도를 향상하기 위해 은나노 와이어(Ag nanowire)의 표면에 표면 플라즈몬 효과를 위해 표면 플라즈몬 구조가 형성될 수 있다.5 is an SEM measurement result showing the presence of rhodamine 6G according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5 , a change in the fluorescence signal is detected on the enlarged result screen 520 by enlarging the original measurement screen 510 . In order to improve the sensitivity of the fluorescence signal, a surface plasmon structure may be formed on the surface of the Ag nanowire for the surface plasmon effect.

금속의 표면 플라즈몬 진동수와 입사광의 진동수가 일치하면 공명이 발생하여 표면 플라즈몬이 발생한다. 405nm 입사광의 진동수는 은나노 와이어의 표면 플라즈몬을 발생시킬 수 있는 공진 주파수 대에 있어 은나노 와이어에 405nm 입사광이 조사되면 표면 플라즈몬이 발생하고 이에 따라 전자기장이 증폭된다. 증폭된 전자기장은 입사파를 증강시키며 또한 발생되어 나오는 형광도 증강시킨다.When the frequency of the surface plasmon of the metal coincides with the frequency of the incident light, resonance occurs and surface plasmon is generated. The frequency of the 405 nm incident light is in the resonant frequency band that can generate the surface plasmon of the silver nano wire. The amplified electromagnetic field enhances the incident wave and also enhances the generated fluorescence.

또한, 검출되는 필요 파장에 따라 금속 종류의 다변화가 가능하다. 은나노 와이어(Ag nanowire)는 가시광 영역대의 공진 주파수를 가지고 있어 보라색 및 파란색 입사광에 적합하다. 가스포집 기판에 코팅된 Rhodamine 6G는 가스포집의 핵심 기술이며, 화학 가스와 반응하여 형광 신호의 변화를 감지한다.In addition, it is possible to diversify the type of metal according to the required wavelength to be detected. Silver nanowire (Ag nanowire) has a resonant frequency in the visible range, so it is suitable for purple and blue incident light. Rhodamine 6G coated on a gas trapping substrate is a key technology for gas trapping, and it detects changes in fluorescence signals by reacting with chemical gases.

도 6은 도 2에 도시된 화학가스 검출 기판에 대한 시간영역 유한 차분법(Finite Difference Time Domain) 결과이다. 도 6을 참조하면, 은나노 와이어(Ag nanowire)의 표면 플라즈몬 효과를 확인하기 위해 시간영역 유한 차분법을 사용한다. 이를 통해 405nm 입사광에 대한 Ag nanowire의 표면 플라즈몬이 나타남을 증명하였다.FIG. 6 is a finite difference time domain result for the chemical gas detection substrate shown in FIG. 2 . Referring to FIG. 6 , a time-domain finite difference method is used to confirm the surface plasmon effect of silver nanowires. Through this, it was proved that the surface plasmon of Ag nanowire for 405 nm incident light appears.

도 7은 로다민(Rhodamine) 6G, 은나노 와이어(Ag nanowire), 및 두 물질 모두 실리콘 웨이퍼에 코팅되었을 때의 흡수 파장을 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 로다민(Rhodamine) 6G만으로 실리콘 웨이퍼에 코팅이 이루어진 경우(710), 은나노 와이어(Ag nanowire)만으로 실리콘 웨이퍼에 코팅이 이루어진 경우(720), 두 물질이 모두 실리콘 웨이퍼에 코팅된 경우(730) 완성된 화학가스 검출기판의 흡수 파장을 나타내었다.7 is a graph showing absorption wavelengths when Rhodamine 6G, Ag nanowire, and both materials are coated on a silicon wafer. Referring to FIG. 7 , when the silicon wafer is coated with only rhodamine 6G (710), when the silicon wafer is coated with only silver nanowires (Ag nanowire) (720), both materials are coated on the silicon wafer In case 730, the absorption wavelength of the completed chemical gas detection substrate is shown.

도 8은 은나노 와이어(Ag nanowire)와 로다민(Rhodamine) 6G 및 독성화학물질의 유사체로 사용되는 목표 화학가스(CEES, CEPS 및 DMMP)의 형광 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서 CEES는 2-chloroethyl ethyl sufide, CEPS는 2-chloroethyl phenyl sulfide, DMMP는 dimethyl methylphosphonate를 각각 나타낸다. 도 8을 참조하면, AgNW(Ag nanowire)/R6G(Rhodamine 6G) 및 R6G의 경우(810), R6G/CEES 및 R6G의 경우(820), CEES, CEPS,DMMP의 경우(820), 형광 측정 결과이다.8 is a graph showing fluorescence measurement results of target chemical gases (CEES, CEPS, and DMMP) used as analogs of silver nanowires and rhodamine 6G and toxic chemicals. Here, CEES stands for 2-chloroethyl ethyl sufide, CEPS stands for 2-chloroethyl phenyl sulfide, and DMMP stands for dimethyl methylphosphonate, respectively. 8, in the case of Ag nanowire (AgNW)/Rhodamine 6G (R6G) and R6G (810), in the case of R6G/CEES and R6G (820), in the case of CEES, CEPS, DMMP (820), fluorescence measurement results am.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 화학가스 검출기판과 목표 화학가스 간의 검출 파장이 다름을 확인하였다. 7 and 8, it was confirmed that the detection wavelength is different between the chemical gas detection substrate of the present invention and the target chemical gas.

도 9는 목표 화학가스(CEES, SEPS 및 DMMP)를 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출 기판으로 포집후 형광 측정 결과이다. 도 9를 참조하면, CEES의 경우(910), CEPS의 경우(920), DMMP의 경우(930), 형광 측정 결과이다.9 is a fluorescence measurement result after capturing target chemical gases (CEES, SEPS, and DMMP) with a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9 , in the case of CEES (910), in the case of CEPS (920), in the case of DMMP (930), fluorescence measurement results are shown.

도 10은 다양한 산업용 가스(toluene, hexane, DMF, DI water 및 ethyl alcohol)를 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출기판으로 포집후 형광 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서 DMF는 dimethylformamide, DI는 deionized water를 각각 나타낸다. 도 10을 참조하면, 톨루엔(Tol)의 경우(1010), 헥산(Hex)의 경우(1020), DMF(dimethylformamide)의 경우(1030), 초순수 정제수(DI: Deionized water)의 경우(1040), 에틸알코올(EtOH)의 경우(1050), 형광을 측정한 결과이다.10 is a graph showing fluorescence measurement results after collecting various industrial gases (toluene, hexane, DMF, DI water, and ethyl alcohol) with a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention. Here, DMF stands for dimethylformamide and DI stands for deionized water, respectively. 10, in the case of toluene (Tol) (1010), in the case of hexane (Hex) (1020), in the case of DMF (dimethylformamide) (1030), ultrapure purified water (DI: Deionized water) case (1040), In the case of ethyl alcohol (EtOH) (1050), fluorescence is measured.

도 9 및 도 10을 참조하면, Rhodamine 6G와 목표 화학가스 및 다양한 산업용 가스가 반응하여 형광 신호가 변화하였으며, Ag nanowire의 표면 플라즈몬 효과에 의해 형광 신호가 증강되었다. 최종적으로 목표 화학가스를 본 발명의 화학가스 검출기판으로 검출하는데 성공하였다.Referring to FIGS. 9 and 10 , the fluorescence signal was changed by reacting Rhodamine 6G with the target chemical gas and various industrial gases, and the fluorescence signal was enhanced by the surface plasmon effect of the Ag nanowire. Finally, the target chemical gas was successfully detected by the chemical gas detection substrate of the present invention.

도 11은 화학가스(DMMP 및 CEES)를 포집한 본 발명의 일실시예에 따른 화학가스 검출기판을 이용하여 라만 측정을 실시한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, CEES의 경우(910), CEPS의 경우(920), DMMP의 경우(930), 라만 측정의 결과이다. 11 is a graph showing a result of Raman measurement using a chemical gas detection substrate according to an embodiment of the present invention in which chemical gases (DMMP and CEES) are collected. Referring to FIG. 11 , in the case of CEES (910), in the case of CEPS (920), in the case of DMMP (930), Raman measurement results are obtained.

도 11을 참조하면, 동일한 방법으로 가스를 포집후 형광보다 좁은 범위의 스펙트럼을 얻을 수 있는 라만 측정을 실시하였다. 은나노 와이어(Ag nanowire)를 사용하지 않은 경우 신호가 검출되지 않았던 반면, 은나노 와이어(Ag nanowire)를 이용해 표면 플라즈몬 효과를 이용한 경우 신호 검출이 가능하였다. Referring to FIG. 11 , after collecting gas in the same manner, Raman measurement was performed to obtain a spectrum in a narrower range than that of fluorescence. When silver nanowires were not used, no signal was detected, whereas when silver nanowires were used and the surface plasmon effect was used, the signal could be detected.

또한, 좁은 범위의 스펙트럼을 자세히 관찰할 수 있어 분자지문 확인이 가능하였으며, 정확한 가스 분석 결과를 얻을 수 있었다.In addition, it was possible to observe a narrow range of spectra in detail, which made it possible to confirm molecular fingerprints and to obtain accurate gas analysis results.

101: 화학가스 검출기판
102: 로다인(Rhodamine) 6G 용액(102)
103: 은나노 와이어 용액
104: 웨이퍼
105: 마이크로 피펫
106: 핫플레이트
107: 지지 플레이트
108: 화학 가스
200: 코팅층
211: Si층
212: SiO2층101: chemical gas detection substrate
102: Rhodamine 6G solution (102)
103: silver nano wire solution
104: wafer
105: micro pipette
106: hot plate
107: support plate
108: chemical gas
200: coating layer
211: Si layer
212: SiO 2 layer

Claims (13)

웨이퍼(104); 및
상기 웨이퍼(104)의 상면에 적층되는 코팅부(200);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
wafer 104; and
a coating unit 200 laminated on the upper surface of the wafer 104;
Chemical gas detection substrate comprising a.
 제 1 항에 있어서,
상기 웨이퍼(104)의 직경은 300nm인 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
The method of claim 1,
A chemical gas detection substrate, characterized in that the wafer (104) has a diameter of 300 nm.
 제 1 항에 있어서,
상기 코팅부(200)는, 은나노 와이어층(220) 및 로다인 6G층(230)이 순차적으로 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
The method of claim 1,
The coating part 200 is a chemical gas detection substrate, characterized in that the silver nanowire layer 220 and the rhodyne 6G layer 230 are sequentially stacked.
 제 3 항에 있어서,
상기 은나노 와이어층(220)은 은나노 와이어(Ag nanowire) 용액(103)을 상기 웨이퍼(104)의 상면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
4. The method of claim 3,
The silver nanowire layer 220 is a chemical gas detection substrate, characterized in that formed by applying a silver nanowire (Ag nanowire) solution 103 to the upper surface of the wafer (104).
 제 4 항에 있어서,
상기 은나노 와이어 용액(103)은 은나노 와이어 입자를 에탄올 용매에 혼합하며, 상기 에탄올 용매는 10배 희석하여 사용하며, 100℃에서 10분 동안 가열됨으로써 증발되는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
5. The method of claim 4,
The silver nanowire solution 103 is a chemical gas detection substrate, characterized in that the silver nanowire particles are mixed with an ethanol solvent, the ethanol solvent is diluted 10-fold, and evaporated by heating at 100° C. for 10 minutes.
 제 5 항에 있어서,
상기 은나노 와이어 용액(103)의 나노 와이어 입자는 지름이 50nm이고, 길이가 5 ~ 50μm인 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
6. The method of claim 5,
The nanowire particles of the silver nanowire solution 103 have a diameter of 50 nm and a length of 5 to 50 μm.
 제 4 항에 있어서,
상기 로다인 6G층(230)은 로다인(Rhodamine) 6G 용액(102)을 상기 웨이퍼(104)의 상면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
5. The method of claim 4,
The rhodine 6G layer (230) is a chemical gas detection substrate, characterized in that formed by applying a rhodamine (Rhodamine) 6G solution (102) on the upper surface of the wafer (104).
 제 7 항에 있어서,
상기 로다인(Rhodamine) 6G 용액(102)은 0.1g의 로다인 6G를 10ml의 에탄올 용매에 용해시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
8. The method of claim 7,
The rhodamine 6G solution 102 is a chemical gas detection substrate, characterized in that it is prepared by dissolving 0.1 g of rhodamine 6G in 10 ml of an ethanol solvent.
 제 1 항에 있어서,
상면이 개방되며 내측벽에 나사산(107-2)이 형성되고, 상기 웨이퍼(104)의 하단면이 부착되는 내측 바닥면(107-1)이 형성되는 지지 플레이트(107);를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
The method of claim 1,
and a support plate 107 having an open top surface, a screw thread 107-2 on the inner wall, and an inner bottom surface 107-1 to which the lower end surface of the wafer 104 is attached. A chemical gas detection substrate with
 제 9 항에 있어서,
상기 지지 플레이트(107)와 체결되며 화학가스(108)가 담긴 가스 챔버(109);를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
10. The method of claim 9,
and a gas chamber (109) coupled to the support plate (107) and containing a chemical gas (108).
 제 10 항에 있어서,
레이저를 발사하여 형광 측정이 진행되며, 상기 레이저는 로다민 6G의 550 ~ 650nm 부근의 파장을 갖는 형광(110)보다 작은 405nm의 파장을 갖는 레이저(111)인 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
11. The method of claim 10,
The fluorescence measurement is carried out by emitting a laser, wherein the laser is a laser 111 having a wavelength of 405 nm which is smaller than the fluorescence 110 having a wavelength of 550 to 650 nm of rhodamine 6G.
 제 3 항에 있어서,
상기 은나노 와이어층(220)의 표면은 표면 플라즈몬 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판.
4. The method of claim 3,
The surface of the silver nanowire layer 220 is a chemical gas detection substrate, characterized in that it has a surface plasmon structure.
 (a) 웨이퍼(104)를 준비하는 단계; 및
(b) 상기 웨이퍼(104)의 상면에 코팅부(200)가 적층되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학가스 검출기판의 제작 방법.(a) preparing a wafer (104); and
(b) laminating the coating part 200 on the upper surface of the wafer 104;
Method of manufacturing a chemical gas detection substrate comprising a.
KR1020200022396A 2020-02-24 2020-02-24 Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same KR102298184B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200022396A KR102298184B1 (en) 2020-02-24 2020-02-24 Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200022396A KR102298184B1 (en) 2020-02-24 2020-02-24 Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210107421A true KR20210107421A (en) 2021-09-01
KR102298184B1 KR102298184B1 (en) 2021-09-07

Family

ID=77779966

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200022396A KR102298184B1 (en) 2020-02-24 2020-02-24 Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102298184B1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090001015A (en) * 2007-06-29 2009-01-08 한국과학기술원 Spectral sensor for surface-enhanced raman scattering
KR20150000751A (en) * 2013-06-25 2015-01-05 국방과학연구소 Stimuli-responsive Surface Enhanced Raman Scattering Substrates with High Sensitivity for Trace Analysis and the Method Thereof
JP2016008820A (en) * 2014-06-22 2016-01-18 株式会社 京都モノテック Gas sensor and gas detector
CN107144557A (en) * 2017-04-18 2017-09-08 苏州大学 A kind of detection method of silicon substrate SERS chips and preparation method thereof and TNT
KR20190111250A (en) 2018-03-22 2019-10-02 서울시립대학교 산학협력단 Methods for surface-enhanced Raman scattering using three-dimensional porous nanoplasmonic network

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090001015A (en) * 2007-06-29 2009-01-08 한국과학기술원 Spectral sensor for surface-enhanced raman scattering
KR20150000751A (en) * 2013-06-25 2015-01-05 국방과학연구소 Stimuli-responsive Surface Enhanced Raman Scattering Substrates with High Sensitivity for Trace Analysis and the Method Thereof
JP2016008820A (en) * 2014-06-22 2016-01-18 株式会社 京都モノテック Gas sensor and gas detector
CN107144557A (en) * 2017-04-18 2017-09-08 苏州大学 A kind of detection method of silicon substrate SERS chips and preparation method thereof and TNT
KR20190111250A (en) 2018-03-22 2019-10-02 서울시립대학교 산학협력단 Methods for surface-enhanced Raman scattering using three-dimensional porous nanoplasmonic network

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Timur Shegai 등, applied physics letters, 2010, 96권.(2010.03.10.)* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102298184B1 (en) 2021-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8319963B2 (en) Compact sensor system
Gunnarsson et al. Interparticle coupling effects in nanofabricated substrates for surface-enhanced Raman scattering
KR101387198B1 (en) An apparatus and associated methods
US9964440B2 (en) Wafer level spectrometer
CN107636445A (en) The spectroscopic system and its method of middle infrared high spectrum
WO2009031838A1 (en) Spectral analyzer for measuring the thickness and identification of chemicals of organic thin films using cars microscopy
TW201432248A (en) Spectroscopic assembly and method
US20060290925A1 (en) Gas monitor device
Dikovska et al. ZnO thin film on side polished optical fiber for gas sensing applications
US20150212000A1 (en) Surface-enhanced raman scattering element
EP2884264B1 (en) Surface-enhanced raman scattering element, and method for producing same
TWI500921B (en) Optical sensing chip
JP2007147607A (en) Method of measuring stress or strain of sample
De Luca et al. Filterless non-dispersive infra-red gas detection: A proof of concept
KR102298184B1 (en) Substrate for detecting chemical gas and Method for manufacturing the same
Nikolaidou et al. Monolithic integration of multi-spectral optical interference filter array on thin film amorphous silicon photodiodes
Lamprecht et al. A luminescence lifetime-based capillary oxygen sensor utilizing monolithically integrated organic photodiodes
WO2019074442A1 (en) Chemical sensor and method of forming the same
CN108088837A (en) A kind of trace explosive and drug detector and its application method
CA2681958C (en) Measuring air quality using a micro-optical mechanical gas sensor
Wu et al. A surface micromachined thermopile detector array with an interference-based absorber
CN110687068B (en) Infrared detector and infrared gas sensor
JP2018532112A (en) Organic fluorescent sensor with low background signal
US20220181840A1 (en) Devices for generation of electromagnetic radiation of predetermined profile
Sakae et al. Compact LSPR biosensor system for early virus detection integrated with a filter-free wavelength sensor and LED

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant