KR100604229B1 - 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서제작방법 - Google Patents

네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서제작방법 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명은 네트워크(network) 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용하여 산소나 질소, 일산화탄소, 이산화탄소를 네트워크 접촉면에 존재하는 공핍층의 증가와 감소를 통하여 검출할 수 있는 소자를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법에 있어서, 전기적으로 절연된 기판상부에 스핀코팅(spin coating)방법을 이용해서 금속촉매를 배열시키는 촉매 배열과정; 상기 기판상부에 형성된 금속촉매를 핵으로 하여 반도체 나노선을 네트워크 형태로 성장시키는 성장과정; 및 상기 반도체 나노선에 열 증착방법을 이용해서 실린더(cylinder)형으로 금속전극을 코팅시키는 코팅과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
실린더형 금속전극, 반도체 나노선, 가스 센서, 스핀코팅

Description

네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법{Fabrication method of gas sensors by using networked GaN nanowires}
도 1a 내지 도 1e는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서를 제작하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 본 발명이 적용된 실시예로서, 스핀코팅을 이용하여 배열된 촉매위에 나노선이 합성된 SEM 사진
도 3a 내지 도 3d는 본 발명이 적용된 실시예로서, 열 증착방법을 이용하여 나노선 표면에 약 400nm 두께의 실린더형 금속전극이 코팅된 SEM 사진.
도 4a 및 도 4b는 네트워크 형태로 연결된 나노선 내부에서 공핍층 크기의 증가와 감소를 통하여 가스를 검출하는 원리를 개략적으로 나타낸 단면도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ***
10 : 기판 20 : 금속촉매
30 : 반도체 나노선 40 : 금속전극
50 : 공핍영역 60 : 가스분자
본 발명은 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 스핀코팅방법을 사용하여 배열한 촉매 상부에 나노 크기의 지름을 갖는 반도체 나노선(nanowire)을 성장시켜 네트워크 형태로 연결될 수 있도록 하고 열 증착방법을 이용하여 실린더형 금속전극을 형성하여 가스센서를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
가스센서는 연소과정에서 생성되는 배출가스 중 공해 물질 및 유독가스를 검지하는 용도를 가지고 있다.
환경기준의 강화에 따라 다양한 목적에 부합하는 센서의 개발이 주목을 받고 있으며 다수의 기술적 시도가 이루어지고 있다.
일반적으로 반도체 가스센서는 센서의 표면에 흡, 탈착되는 가스에 의한 전기전도도가 변화되고, 상기 전기전도도의 변화량을 측정하여 가스를 검지하게 된다. 즉, 가스에 의해 반도체 가스센서의 표면에서 전하의 이동이 유발되며, 이로 인해 전기전도도가 증가 또는 감소하게 된다. 증가 또는 감소되는 전기전도도를 전기적으로 측정하여 공해 물질 및 유독가스를 검지하게 된다.
상기 반도체 가스센서는 가격이 저렴하며 높은 선택성 및 안정성을 가지는 특징이 있다.
일반적으로 반도체 나노선은 지름이 줄어듦에 따라 발생하는 양자효과로 인하여 광학 및 전기적 성질이 우수하고, 이로 인해 기술적으로 매우 중요한 소재로 각광받고 있다.
또한, 상기 반도체 나노선은 반도체 벌크(bulk) 보다 체적 대비 표면적의 비가 크기 때문에 표면에 결합하는 기체 분자들에 의해 전기적인 특성이 크게 변화하여 가스센서 소재로 이용될 경우 높은 감응도를 가질 수 있는 물질로써 많이 연구되고 있다.
기존의 반도체 나노선 가스센서는 단일 나노선을 전자빔 패터닝방법을 이용하여 전극을 연결하는 방법으로 이루어지고 있다.
이때, 상기와 같은 단일 나노선 전자빔 패터닝방법을 이용하여 반도체 나노선 가스센서를 대량으로 제작하는 것은 불가능하다. 전자빔 패터닝방법은 금속전극을 형성하는데 오랜 시간을 요구하기 때문에 효율이 매우 낮으며, 심지어 기판상에 성장된 나노선들 중에서 단일 나노선을 분리하고 절연막이 형성된 기판상에 배열하는 복잡한 공정을 거치고 있기 때문이다.
한편, 기판상에 네트워크 형태로 성장된 반도체 나노선은 전기적으로 연결되어있어 단일 나노선으로 분리하지 않은 형태의 소재로써 응용이 가능하다.
또한, 실린더형 금속전극은 반도체 나노선을 모두 감싸고 있는 형태의 전극이며 네트워크 형태로 성장된 반도체 나노선에서도 균일하게 전극을 형성할 수 있도록 한다.
이에 따라서, 높은 감응도를 가짐과 동시에 가격이 저렴한 가스센서를 제작하기 위하여 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용하여 가스센서를 제작하는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 요구에 의해 안출된 것으로서, 전기적으로 절연된 기판상에 네트워크 형태의 반도체 나노선을 성장시키고, 실린더형으로 금속전극을 형성한 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는, 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법에 있어서, 전기적으로 절연된 기판상부에 스핀코팅(spin coating)방법을 이용해서 금속촉매를 배열시키는 촉매 배열과정; 상기 기판상부에 형성된 금속촉매를 핵으로 하여 반도체 나노선을 네트워크 형태로 성장시키는 성장과정; 및 상기 반도체 나노선에 열 증착방법을 이용해서 실린더(cylinder)형으로 금속전극을 코팅시키는 코팅과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 상기 나노선은, GaN, ZnO, SnO2, In2O3 및 Si 중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 상기 금속전극은, Ti, Al, Ag, Au 및 Pt 중 어느 하나의 성분으로 이 루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 상기 기판은, Al2O3, Al2O3/Si, SiO2/Si, 중 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1d는 네트워크 형태로 연결된 나노선을 이용한 가스센서를 제작하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 기판상부에 스핀코팅을 이용하여 기판상부에 금속촉매가 배열된 SEM 사진이고, 도 2b는 본 발명이 적용된 실시예로서, 스핀코팅을 이용하여 배열된 금속촉매 상부에 나노선이 합성된 SEM 사진이다.
도 3a 및 도 3d는 본 발명이 적용된 실시예로서, 열 증착방법을 이용하여 나노선 표면에 약 400nm 두께의 실린더형 금속전극이 코팅된 SEM 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 네트워크 형태로 연결된 나노선 내부에서 공핍층 크기의 증가와 감소를 통하여 가스를 검출하는 원리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
먼저, 기판(10) 상부에 스핀코팅방법을 이용하여 금속촉매(20)를 배열한다(첨부 도면 도 1a 및 도 2a 참조). 이때, 상기 기판(10)은 Al2O3, Al2O 3/Si, SiO2/Si, 중 하나의 물질로 이루어지며, 전기적으로 절연되어 있다. 상기와 같이 금속촉매 (20)가 배열된 절연된 기판(10)을 소스(source)와 함께 열처리 방법을 사용하여 기판(10) 상부의 금속촉매(20)를 핵으로 하여 반도체 나노선(30)이 합성된다(첨부도면 도 1b 및 도 2b 참조). 이때, 상기 반도체 나노선(30)은 GaN, ZnO, SnO2, In2O 3 및 Si 중 어느 하나의 성분으로 이루어지며, 네트워크 형태로 전기적으로 연결된다.
그리고, 상기와 같이 반도체 나노선(30)이 합성된 기판(10)에 열 증착방법을 사용하여 실린더형 금속전극(40)을 균일하게 형성시킨다(첨부도면 도 1b 내지 도 1d 참조). 이때, 열 증착방법에 의해 형성되는 금속전극(40)은 Ti, Al, Ag, Au 및 Pt 중 어느 하나의 성분으로 이루어진다.
즉, 기판상(10)의 금속촉매(20)가 열처리에 의해 액상이 되면서 나노선 구성원소인 Ga와 N이 상기 액상의 금속촉매(20)에 녹아들어가고, 상기와 같은 원소들이 액상 촉매 내에서 포하되며, 포화된 Ga와 N이 GaN의 고상으로 촉매에서 분리되어 나노선의 형태를 띠며 성장하게 된다. 그리고 첨부 도면 도 1c에 도시된 바와 같이 마스크를 이용하여 metal deposition 공정이 이루어지도록 하여 금속이 코팅된 금속전극(40)이 좌우 양단에 형성되고, 그 가운데 영역에 금속코팅이 이루어지지 않은 반도체 나노선(30)만 존재되도록 하며, 상기 반도체 나노선(30)은 센싱수단으로 이용된다.
첨부 도면 도 1e는 반도체 나노선 가스 센서를 개념적으로 도시한 도면이다.
그리고, 첨부도면 도 2a의 SEM 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 스핀코팅방법을 이용하게 되는 경우 기판 상부에 금속촉매를 배열시킬 수 있음을 알 수 있다. 그리고 도 2b는 상기 금속촉매를 핵으로 합성된 반도체 나노선을 보여주는 SEM 사진으로서, 고밀도로 네트워크 형성된 나노선이 합성됨을 알 수 있다.
또한, 첨부 도면 도 3a 내지 도 3d는 열 증착방법을 사용하여 실린더형 금속전극을 형성시킨 반도체 나노선을 설명하기 위한 SEM 사진으로서, 반도체 나노선에 약 400nm의 두께로 금속전극이 실린더형으로 코팅되었음을 알 수 있다. 그리고, 도 3a에 삽입된 삽입도는 다수의 반도체 나노선 중 하나의 반도체 나노선을 확대한 것으로서, 끝부분에 금속팁(금속촉매)가 존재함을 알 수 있다.
그리고, 첨부 도면 도 3b는 metal deposition 공정이 이루어진 것으로서 좌우 양단 검은 부분이 금속전극이며, 금속전극 사이가 센싱수단으로 작용하는 반도체 나노선이다. 이때, 센싱부분의 길이가 약 1000 ㎛로 형성된다.
그리고, 첨부도면 도 3c의 점선 좌측부분은 metal deposition을 하지 않은 부분으로 센싱수단으로 이용되는 부분이고, 점선 우측부분은 metal deposition이 이루어져 금속전극으로 이용되는 부분이다.
상기와 같이 본 발명의 네트워크 형태의 반도체 나노선을 이용한 가스센서제작 방법을 이용하여 높은 감응도를 가지는 반도체 나노선 가스센서를 제작할 수 있다.
첨부 도면 도 4a 및 도 4b는 가스 센싱의 원리를 나타내는 개념도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 소수의 가스분자(60)가 반도체 나노선(30) 에 흡착되며 음으로 대전되어(전자 상태에너지의 차이에서 기인) 반도체 나노선(30)의 표면에 공핍영역(50)이 생성된다. 이때 공핍영역(50)은 소수의 가스분자(60)로 인해 상대적으로 얇으며 전도채널은 충분하게 형성되어 상대적으로 큰 전류흐름을 가지게 된다.
이때 반도체 나노선은 네트워크 형태를 가지고 있으므로 도 4a 및 도4b에 도시된 바와 같이 나노선 접합영역을 통하여 전류가 흐르게 된다.
한편, 첨부 도면 도 4b에 도시된 바와 같이 다수의 가스분자(60)가 반도체 나노선(30)에 흡착되며 음으로 대전되어(전자 상태에너지의 차이에서 기인) 반도체 나노선(30)의 표면에 공핍영역(50)이 생성된다.
이때, 공핍영역(50)은 다수의 가스분자(60)로 인해 상대적으로 두꺼우며 전도채널은 충분하게 형성되지 못하여 상대적으로 작은 전류흐름을 가지게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 네트워크 형태의 반도체 나노선을 이용한 가스센서제작 방법으로 인하여, 반도체 나노선 가스센서를 비교적 간단한 공정으로 대량생산할 수가 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반도체 나노선에 실린더형의 금속전극을 형성시키는 제작방법이 여러 가지 반도체 나노선 전자소자의 제작에서 금속전극을 형성하는 방법으로 사용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법에 있어서,
    전기적으로 절연된 기판상부에 스핀코팅방법을 이용해서 금속촉매를 배열시키는 촉매 배열과정;
    상기 기판상부에 형성된 금속촉매를 핵으로 하여 반도체 나노선을 네트워크 형태로 성장시키는 성장과정; 및
    상기 반도체 나노선에 열 증착방법을 이용해서 실린더형으로 금속전극을 코팅시키는 코팅과정;
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 나노선은,
    GaN, ZnO, SnO2, In2O3 및 Si 중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속전극은,
    Ti, Al, Ag, Au 및 Pt 중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하 는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은,
    Al2O3, Al2O3/Si 및 SiO2/Si 중 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 네트워크 형태로 연결된 반도체 나노선을 이용한 가스센서 제작방법.
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