KR20230059902A - 자기조립단분자막을 이용한 가스 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기판의 젖음성 특성을 제어할 수 있는 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 가스 센서는 MEMS 기판, MEMS 기판 위에 형성된 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer; SAM), 및 자기조립단분자막 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 형성되는 감지층을 포함한다.
Description
본 발명은 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기판의 젖음성(wetting) 특성을 제어할 수 있는 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer; SAM)을 이용한 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
공기청정기, 가스누출, 변압기 등의 유해 가스 진단이나 분석 등에 가스 센서가 사용된다.
최근 가스 센서의 소형화와 저전력화를 위해 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기술 기반의 가스 센서가 제작되고 있다. 가스 센서의 가스 감도 특성을 향상시키기 위해 다양한 감지소재가 개발되고 있다.
감지소재를 MEMS 기판 위에 형성되기 위해서는, 다양한 유기용매를 이용하여 잉크화 과정을 거치게 되며, 이후 인쇄 방법을 통해 MEMS 기판 위에 인쇄하여 가스 센서용 감지층을 형성한다.
이때 가스 센서가 우수한 감도 특성 갖기 위해서는, 일정한 두께(넓은 표면적 필요) 이상으로 감지층을 형성할 필요가 있다. 하지만 유기용매로 제조된 감지소재 잉크와 MEMS 기판 사이에서 표면 에너지가 다르기 때문에, 감지소재 잉크가 MEMS 기판 위에서 퍼지거나 커피링 현상(Coffee-ring effect)이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 MEMS 기판의 젖음성 특성을 제어하여 감지층을 원하는 두께로 균일하게 형성할 수 있는 자기조립단분자막(SAM)을 이용한 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 MEMS 기판; 상기 MEMS 기판 위에 형성된 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer; SAM); 및 상기 자기조립단분자막 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 형성되는 감지층;를 포함하는 가스 센서를 제공한다.
상기 자기조립단분사막은 상기 MEMS 기판 표면에 소수성을 제공한다.
상기 자기조립단분자막은 ODTS 및 Anhydrous n-Hexane이 혼합된 용액으로 형성될 수 있다.
상기 감지소재는 SnO2, WO3, ZnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, V2O5, RuO2, IrO2, MnO2 및 InTaO4으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속산화물을 포함한다.
본 발명은 또한, MEMS 기판 위에 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer; SAM)을 형성하는 단계; 및 상기 자기조립단분자막 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 감지층을 형성하는 단계;를 포함하는 가스 센서의 제조 방법을 제공한다.
상기 자기조립단분자막을 형성하는 단계에서, 상기 자기조립단분자막은 딥핑, 코팅 및 프린팅 중에 적어도 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
상기 자기조립단분자막을 형성하는 단계에서, 상기 MEMS 기판을 ODTS 및 Anhydrous n-Hexane이 혼합된 용액에 딥핑하여 상기 자기조립단분자막을 형성할 수 있다.
상기 감지소재 잉크는 BC(Butyl Carbitol), EG(Ethylene Glycol), Ethanol, Tetralin, PGMA, Toluene, Phenol, NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), glycerin, diglyme(diethylene glycol dimethyl ether) 및 아세트산 중에 적어도 하나의 용매를 포함할 수 있다.
상기 감지층을 형성하는 단계에서, 상기 감지소재 잉크는 스크린(Screen), 잉크젯(Inkjet), 그라비아(Gravure), 리버스(Reverse), 3D 프린팅(3D printing), 디스펜싱(Dispensing), 임프린팅(Imprinting) 및 에어로졸(Aerojol) 중에 적어도 하나의 방법으로 인쇄하여 상기 감지층을 형성할 수 있다.
그리고 상기 감지층을 형성하는 단계에서, 상기 감지층을 인쇄한 이후에, 상온에서 방치, 열처리, 진공건조 및 전류 주입을 통한 건조 중에 적어도 하나의 방법으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, MEMS 기판 위에 자기조립단분자막(SAM)을 형성하여 표면 처리 함으로써, MEMS 기판의 젖음성 특성을 개선할 수 있다. 이로 인해 표면 처리된 MEMS 기판 위에 감지층을 목표로 하는 두께로 균일하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자기조립단분자막을 이용한 가스 센서를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기조립단분자막을 이용한 가스 센서의 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 자기조립단분자막을 형성하기 전의 MEMS 기판의 물에 대한 접촉각을 보여주는 사진이다.
도 4는 자기조립단분자막을 형성한 후의 MEMS 기판의 물에 대한 접촉각을 보여주는 사진이다.
도 5는 비교예에 따른 제조 방법으로 제조된 가스 센서를 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 가스 센서를 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기조립단분자막을 이용한 가스 센서의 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 자기조립단분자막을 형성하기 전의 MEMS 기판의 물에 대한 접촉각을 보여주는 사진이다.
도 4는 자기조립단분자막을 형성한 후의 MEMS 기판의 물에 대한 접촉각을 보여주는 사진이다.
도 5는 비교예에 따른 제조 방법으로 제조된 가스 센서를 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 가스 센서를 보여주는 사진이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기조립단분자막을 이용한 가스 센서를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스 센서(100)는 MEMS 기판(10), 자기조립단분자막(20) 및 감지층(30)을 포함한다. 자기조립단분자막(20)은 MEMS 기판(10) 위에 형성된다. 그리고 감지층(30)은 자기조립단분자막(20) 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 형성된다.
이와 같이 본 발명에 따른 가스 센서(100)는 MEMS 기판(10) 위에 자기조립단분자막(20)을 형성하여 표면 처리 함으로써, MEMS 기판(10)의 젖음성 특성을 개선할 수 있다. 이로 인해 표면 처리된 MEMS 기판(10) 위에 감지층(30)을 목표로 하는 두께로 균일하게 형성할 수 있다.
여기서 자기조립단분자막(20)은 MEMS 기판(10)에 소수성을 제공함으로써 젖음성 특성을 개선한다. 즉 자기조립단분자막(20)은 MEMS 기판(10)이 낮은 젖음성을 갖도록 표면을 개질한다.
이러한 자기조립단분자막(20)은 ODTS 및 Anhydrous n-Hexane이 혼합된 용액으로 형성할 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 자기조립단분자막(20)은 딥핑, 코팅 및 프린팅 중에 적어도 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
그리고 감지층(30)은 MEMS 기판(10)의 자기조립단분자막(20) 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 형성한다.
감지소재 잉크는 금속산화물과 용매를 포함한다.
여기서 금속산화물로는 SnO2, WO3, ZnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, V2O5, RuO2, IrO2, MnO2 및 InTaO4으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 소재가 사용될 수 있다.
그리고 용매로는 BC(Butyl Carbitol), EG(Ethylene Glycol), Ethanol, Tetralin, PGMA, Toluene, Phenol, NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), glycerin, diglyme(diethylene glycol dimethyl ether) 및 아세트산 중에 적어도 하나가 사용될 수 있다.
감지소재 잉크를 인쇄하는 방법으로는 스크린(Screen), 잉크젯(Inkjet), 그라비아(Gravure), 리버스(Reverse), 3D 프린팅(3D printing), 디스펜싱(Dispensing), 임프린팅(Imprinting) 및 에어로졸(Aerojol) 중에 적어도 하나의 방법이 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 가스 센서(100)의 제조 방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 본 발명의 발명에 따른 자기조립단분자막(20)을 이용한 가스 센서(100)의 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
먼저 S10단계에서 MEMS 기판(10) 위에 자기조립단분자막(20)을 형성한다.
이때 S10단계를 수행하기 전에 MEMS 기판(10)의 표면을 클리닝하는 단계를 수행할 수 있다. 예컨대 클리닝하는 단계는 UVO3를 이용하여 MEMS 기판(10)의 표면에 잔류하는 유기물을 제거할 수 있다.
그리고 S30단계에서 자기조립단분자막(20) 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 감지층(30)을 형성함으로써, 본 발명에 따른 가스 센서(100)를 제조할 수 있다.
여기서 S30단계는 감지소재 잉크를 인쇄하는 단계와 건조하는 단계를 포함한다. 건조하는 단계는 감지층(30)을 인쇄한 이후에, 상온에서 방치, 열처리, 진공건조 및 전류 주입을 통한 건조 중에 적어도 하나의 방법으로 수행할 수 있다.
[실시예 및 비교예]
본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 가스 센서의 젖음성 특성을 확인하기 위해서, 실시예 및 비교예에 따른 제조 방법으로 가스 센서를 제조하였다.
실시예
① MEMS 기판의 표면처리(자기조립단분자막 형성)
UVO3를 이용하여 MEMS 기판 표면의 유기물을 제거하였다. 다음으로 유기물이 제거된 MEMS 기판을 ODTS(1.34 mL)와 Anhydrous n-Hexane(1.0 L)가 혼합된 용액에 30분 동안 딥핑함으로써, MEMS 기판 위에 자기조립단분자막을 형성하였다.
다음으로 자기조립단분자막이 형성된 MEMS 기판을 ODTS와 Anhydrous n-Hexane의 혼합 용액에서 꺼낸 후, n-Hexane 용액에 10분간 딥핑함으로써, 자기조립단분자막의 형성 공정을 중지시켰다.
다음으로 에탄올(Ethanol)이 담긴 용기에 MEMS 기판을 딥핑한 후 3분 동안 MEMS 기판을 흔들어 표면의 이물질을 제거하였다. 이어서 120℃의 핫 플레이트(Hot plate)에서 10분 동안 열처리함으로써 표면의 유기용매를 제거하였다.
최종적으로 클로로포름(Chloroform) 용액에 담근 후 3분 동안 MEMS 기판을 흔들어 마지막 세정을 진행한 후, 120℃의 핫 플레이트에서 10분 동안의 열처리를 통해 유기용매를 제거함으로써, MEMS 기판 위에 자기조립단분자막을 형성하였다.
② 감지소재 잉크 제조
감지소재 잉크 조성물은 WO3 0.5g, CeO2 0.01g, Si sol 0.021g, 복합용매 5.25g, 분산제(BYK-110) 0.2g으로 구성된다. 여기서 복합용매는 BC(Butyl Carbitol) 1.0g, EG(Ethylene Glycol) 3.5g, 에탄올 0.75g로 구성된다.
그리고 각 조성물을 혼합한 후 분쇄기(Planetary Mixer)에 0.3Φ, 0.7Φ 크기의 세라믹 비드와 함께 넣어 700rpm에서 2시간 동안 분쇄하여 감지소재 잉크를 제조하였다.
③ MEMS 기판 표면에 감지층 형성
자기조립단분자막이 형성된 MEMS 기판 표면에 감지소재 잉크를 잉크젯 방법을 통해 15 drop 씩 20회(총 300 drop) 반복적으로 토출하여 감지층을 형성하였다.
비교예
비교예에 따른 가스 센서는 자기조립단분자막이 형성되지 않은 MEMS 기판을 이용하여 ② 감지소재 잉크 제조 및 ③ MEMS 기판 표면에 감지층 형성 단계를 수행하여 제조하였다.
도 3은 자기조립단분자막을 형성하기 전의 MEMS 기판의 물에 대한 접촉각을 보여주는 사진이다.
도 4는 자기조립단분자막을 형성한 후의 MEMS 기판의 물에 대한 접촉각을 보여주는 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 자기조립단분자막이 형성된 MEMS 기판이 자기조립단분자막이 형성되지 않은 MEMS 기판과 비교해서 젖음성이 개선된 것을 확인할 수 있다. 즉 자기조립단분자막이 형성된 MEMS 기판이 상대적으로 높은 접촉각을 갖기 때문에, 자기조립단분자막에 의해 젖음성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 제조 방법으로 제조된 가스 센서를 보여주는 사진이다. 그리고 도 6은 도 2의 제조 방법으로 제조된 가스 센서를 보여주는 사진이다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 가스 센서는 감지층(A)이 넓게 퍼지게 형성된 것을 확인할 수 있다.
반면에 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 가스 센서는 감지층(B)이 좁게 형성된 것을 확인할 수 있다.
즉 비교예에 따른 자기조립단분자막이 형성되지 않은 MEMS 기판은, 실시예에 따른 자기조립단분자막이 형성된 MEMS 기판과 비교해서, 상대적으로 높은 젖음성을 갖기 때문에, 감지층(A)이 MEMS 기판 위에 넓게 퍼지게 형성된다.
이로 인해 실시예에 따른 감지층(B)이 비교예에 따른 감지층(A) 보다는 두껍게 형성됨을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, MEMS 기판의 젖음성을 자기조립단분자막을 통해서 개선할 수 있기 때문에, 자기조립단분자막을 형성하는 MEMS 기판의 표면 처리를 통해서, MEMS 기판 위에 형성된 감지층(B)을 목표로 하는 두께로 균일하게 형성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : MEMS 기판
20 : 자기조립단분자막
30 : 감지층
100 : 가스 센서
20 : 자기조립단분자막
30 : 감지층
100 : 가스 센서
Claims (12)
- MEMS 기판;
상기 MEMS 기판 위에 형성된 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer; SAM); 및
상기 자기조립단분자막 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 형성되는 감지층;
를 포함하는 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 자기조립단분사막은 상기 MEMS 기판 표면에 소수성을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 자기조립단분자막은 ODTS 및 Anhydrous n-Hexane이 혼합된 용액으로 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 감지소재는 SnO2, WO3, ZnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, V2O5, RuO2, IrO2, MnO2 및 InTaO4으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - MEMS 기판 위에 자기조립단분자막(Self Assembled Monolayer; SAM)을 형성하는 단계; 및
상기 자기조립단분자막 위에 감지소재 잉크를 인쇄하여 감지층을 형성하는 단계;
를 포함하는 가스 센서의 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 자기조립단분사막은 상기 MEMS 기판 표면에 소수성을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 자기조립단분자막을 형성하는 단계에서,
상기 자기조립단분자막은 딥핑, 코팅 및 프린팅 중에 적어도 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 자기조립단분자막을 형성하는 단계에서,
상기 MEMS 기판을 ODTS 및 Anhydrous n-Hexane이 혼합된 용액에 딥핑하여 상기 자기조립단분자막을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 감지소재 잉크는 SnO2, WO3, ZnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, V2O5, RuO2, IrO2, MnO2 및 InTaO4으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 감지소재 잉크는 BC(Butyl Carbitol), EG(Ethylene Glycol), Ethanol, Tetralin, PGMA, Toluene, Phenol, NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), glycerin, diglyme(diethylene glycol dimethyl ether) 및 아세트산 중에 적어도 하나의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 감지층을 형성하는 단계에서,
상기 감지소재 잉크는 스크린(Screen), 잉크젯(Inkjet), 그라비아(Gravure), 리버스(Reverse), 3D 프린팅(3D printing), 디스펜싱(Dispensing), 임프린팅(Imprinting) 및 에어로졸(Aerojol) 중에 적어도 하나의 방법으로 인쇄하여 상기 감지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법. - 제5항에 있어서, 상기 감지층을 형성하는 단계에서,
상기 감지층을 인쇄한 이후에, 상온에서 방치, 열처리, 진공건조 및 전류 주입을 통한 건조 중에 적어도 하나의 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210143224A KR102622679B1 (ko) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | 자기조립단분자막을 이용한 가스 센서 및 그의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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| KR20230059902A true KR20230059902A (ko) | 2023-05-04 |
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ID=86379825
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| KR20100119100A (ko) * | 2009-04-30 | 2010-11-09 | 주식회사 아모그린텍 | 금속산화물 나노입자를 이용한 가스센서 및 그 제조방법 |
| KR101652339B1 (ko) * | 2013-02-26 | 2016-08-31 | 국민대학교산학협력단 | 자기조립 단분자막에 의하여 처리된 몰드를 이용한 패턴 형성 방법 |
| KR102040216B1 (ko) | 2017-04-14 | 2019-11-06 | 한국기계연구원 | 나노구조물의 네트워크 구조를 갖는 가스센서 및 가스센서의 제조방법 |
| KR102192973B1 (ko) * | 2013-12-19 | 2020-12-18 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 나노 구조체를 갖는 센서 및 그 제조 방법 |
-
2021
- 2021-10-26 KR KR1020210143224A patent/KR102622679B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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