KR100790884B1 - 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 가스 센서 Download PDF

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이헌주
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Abstract

탄소나노튜브를 이용한 가스 센서가 개시된다. 개시된 가스 센서는 복수의 관통공이 형성된 기판; 관통공들 사이의 기판 상에 형성되는 전극들; 및 관통공들을 덮도록 전극들 사이에 형성되는 탄소나노튜브;를 구비한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 가스 센서{Gas sensor using carbon natotubes}
도 1은 종래 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 개략적이 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 본 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 가스 센서의 기판을 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 기판 상에 전극이 형성된 상태를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 기판을 찍은 SEM 사진이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7에 도시된 기판 상에 탄소나노튜브가 형성된 모습을 찍은 SEM 사진들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 가스 측정결과를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 재사용 측정 결과를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 112a... 제1 전극
112b... 제2 전극 120... 탄소나노튜브
150... 관통공
본 발명은 탄소나노트브를 이용한 가스 센서에 관한 것으로, 상세하게는 감도(sensitivity) 및 재사용(recycle) 효율이 향상된 가스 센서에 관한 것이다.
과학문명의 발달은 인간의 삶의 질을 향상시킨 것이 사실이나 산업화 진행에 따른 자연 파괴 및 에너지 사용 증가에 의한 환경오염은 그 확산 속도가 빠르고 범위가 넓어 짧은 시간 내에 불특정 다수에게 큰 위해를 끼친다. 따라서, 공기 오염의 원인이 되는 각종 유독가스를 검출하여 정량화할 수 있는 고감도의 신뢰성있는 가스 센서가 절실히 필요하게 되었다. 현재 가스 센서는 산업(공업, 농업, 축산, 사무기기), 민생(조리, 환기), 방범(음주확인), 환경(대기오염감시, 연소제어), 방재(가스누출, 탄광의 산소결핍경보, 화재감시), 의료(혈중가스분석, 마취가스분석) 등과 같은 다양한 분야에 응용되고 있으며, 그 용용범위가 날로 확대되어 가고 있다.
일반적으로, 가스 센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 유해 가스의 양을 측정한다. 종래에는 금속 산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 기타 유기 물질 등을 이용하여 가스 센서를 제작하였다. 그러나, 금속 산화물 반도체나 고체 전해질을 사용하는 가스 센서의 경우에는 200℃ 내지 600℃ 혹은 그 이상의 온도로 가열을 하여야 센서의 동작이 이루어 지고, 유기 물질을 사용하는 가스 센서는 전기 전도도가 매우 낮으며, 특히 카본 블랙(carbon black)과 유기 복합체를 사용하는 가스 센서는 매우 낮은 감도(sensitivity)를 가진다는 문제점이 있다.
이에 대하여, 최근 신소재로 각광 받고 있는 탄소나노튜브(CNTs; carbon nanotubes)는 전자방출특성과 화학적 반응성 등이 매우 우수하여 다양한 산업분야에 응용될 수 있다. 특히 탄소나노튜브는 부피에 비하여 표면적이 매우 큰 물질이므로 높은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분의 검출과 수소 저장과 같은 응용분야에 매우 유용하다. 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서는 탄소나노튜브에 흡착되는 가스의 전자 성질(electron property)에 따라 다르게 방출되는 전기적 신호(컨덕턴스(conductance), 저항(resistance))를 측정함으로써 유해 가스를 감지하게 된다. 이러한 탄소나노튜브를 가스 센서에 사용할 경우, 상온에서 센서의 동작이 가능하게 되고, 또한 NH3, No2 등과 같은 유해가스와 반응시 전기 전도도가 커서 감도가 매우 좋고, 반응 및 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다.
도 1에는 탄소나노튜브를 사용하는 종래 가스 센서의 평면이 개략적으로 도시되어 있다. 그리고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 제1 및 제2 전극(12a,12b)이 교대로 형성되어 있으며, 이러한 제1 및 제2 전극(12a,12b)을 덮도록 기판(10) 상에 탄소나노튜브(20)가 코팅되어 있다. 상기와 같은 구조에서, 특정 가스가 가스 센서에 접촉하게 되면, 탄소나노튜브(20)는 이 가스를 흡착하게 되고, 이에 따라 제1 전 극(12a)과 제2 전극(12b) 사이에서의 전기적 신호가 변화함으로써 특정 가스를 감지하게 된다. 그러나, 상기와 같은 종래 가스 센서에서는 기판(10) 상에 탄소나노튜브(20)가 2차원적 구조로 형성되어 있으므로, 가스와 반응할 수 있는 표면을 극대화시킬 수 없게 되고, 이에 따라 감도를 보다 향상시킬 수 없다는 단점이 있다. 또한, 가스 센서를 재사용(recycle)하기 위해서는 탄소나노튜브(20)에 흡착된 가스를 제거하여야 하는데, 상기와 같이 2차원적 구조로 형성된 탄소나노튜브(20)로부터 흡착된 가스를 완전히 제거하는데에는 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 감도(sensitivity) 및 재사용(recycle) 효율이 우수한 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따른 가스 센서는,
복수의 관통공이 형성된 기판;
상기 관통공들 사이의 상기 기판 상에 형성되는 전극들; 및
상기 관통공들을 덮도록 상기 전극들 사이에 형성되는 탄소나노튜브;를 구비한다.
여기서, 상기 관통공들을 상기 기판에 표면에 대하여 수직으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 관통공들을 상기 전극들과 나란한 방향으로 형성될 수 있다.
상기 전극들은 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 전극은 상기 관통공을 사이에 두고 서로 교대로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 상기 전극들을 덮도록 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
한편, 상기 가스 센서는 특정 가스와 반응할 수 있는 물질을 더 구비함으로써 상기 특정 가스를 제거하는 필터 역할을 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성을 위하여 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서를 개략적으로 도시한 평면도이며, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 본 단면도이다. 그리고, 도 5는 도 3에 도시된 가스 센서의 기판을 도시한 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 기판 상에 전극들이 형성된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 기판(110) 상에 전극들(112a,112b)이 형성되어 있으며, 이 전극들(112a,112b)을 덮도록 상기 기판(110) 상에 탄소나노튜브(CNTs: carbon nanotubes,120)가 형성되어 있다. 상기 기판(110)으로는 일반적으로 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 기판(110)에는 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 관통공(150)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 관통공들(150)은 기판(110)의 표면에 대하여 수직으로 관통되어 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상 기 관통공들(150)은 기판(110)의 표면에 대하여 경사지게 형성되는 것도 가능하다. 그리고, 이러한 관통공들(150)은 전극들(112a,112b)에 나란한 방향으로 형성될 수 있다. 한편, 도면에는 상기 관통공들(150)이 2열로 형성되는 경우가 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 1열 이나 3열 이상으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 관통공들(150)의 형상도 다양하게 변형될 수 있다. 도 7에는 관통공들(150)이 형성된 기판을 찍은 SEM 사진이 도시되어 있다.
상기 관통공들(150)이 형성된 기판(110) 상에는 도 6에 도시된 바와 같이 전극들(112a,112b)이 증착되어 형성되어 있다. 상기 전극들(112a,112b)은 기판(110)에 형성된 관통공(150)을 사이에 두고 서로 교대로 형성되는 제1 전극(112a)및 제2 전극(112b)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극(112a,112b)은 예를 들면 깍지낀 손가락 형상(inter-digitated shape)으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 제1 및 제2 전극(112a,112b)은 이외에도 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(112a,112b)은 전기 전도성이 양호한 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 전극(112a,112b)은 금(Au), 티타늄(Ti) 등으로 이루어질 수 있으며, 이외에도 다양한 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 기판(110) 상에는 탄소나노튜브(120)가 관통공들(150)을 덮도록 전극들(112a,112b) 사이에 형성되어 있다. 여기서, 상기 탄소나노튜브(150)는 기판(110) 상에 전극들(112a,112b)을 덮도록 형성될 수 있다. 이러한 탄소나노튜브(150)는 화학기상증착법(CVD; chemical vapor deposition), 탄소나노튜브 페이스트(CNT paste)를 이용하는 방법 또는 Langmuir-Blodgett법(LB법)에 의하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노튜브(150)는 화학기상증착법(CVD)법에 의하여 기판(110) 상에 성장시키거나 또는 탄소나노튜브 페이스트를 기판(110) 상에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브(120)는 Langmuir-Blodgett법에 의하여 탄소나노튜브가 분산된 용액 내에서 기판(110)을 끌어올림으로써 형성될 수도 있다. 도 8a는 Langmuir-Blodgett법에 의하여 기판(110) 상에 탄소나노튜브(120)를 형성한 상태를 도시한 SEM 사진이며, 도 8b 및 도 8c는 도 8a를 확대하여 찍은 SEM 사진이다. 도 8a 내지 도 8c에서는 편의상 전극들은 도시되지 않았다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 탄소나노튜브(120)가 관통공들(150) 위에 균일하게 형성되었음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에서는 관통공들(150)이 형성된 기판(110) 상에 관통공들(150)을 덮도록 탄소나노튜브(120)를 형성함으로써, 상기 탄소나노튜브(120)의 상면 뿐만 아니라 기판(110)에 수직으로 형성된 관통공들(150)을 통하여 상기 탄소나노튜브(120)의 하면도 외부에 노출된다. 따라서, 특정 가스가 본 발명에 따른 가스 센서에 접촉하는 경우, 상기 가스는 탄소나노튜브(120)의 상면 뿐만 아니라 하면에도 흡착될 수 있으며, 또한 탄소나노튜브(120)를 상하로 관통하여 흐르면서 상기 탄소나노튜브(120)에 흡착될 수도 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 가스 센서에서는 관통공들(150)이 형성된 기판(110) 상에 탄소나노튜브(120)가 3차원적 구조를 가지고 형성됨에 따라 가스와 반응할 수 있는 탄소나노튜브(120)의 표면을 극대화할 수 있고, 이에 따라 가스 센서의 감도(sensitivity)를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소나노튜브(120)에 흡착된 가스들을 기판(110)에 형성된 관통공 들(150)을 통하여 효과적으로 빠르게 제거할 수 있으므로, 가스 센서의 재사용(recycle) 효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 상기와 같은 가스 센서는 탄소나노튜브(120)의 표면에 특정 가스와 선택적으로 반응할 수 있는(즉, 특정 가스를 선택적으로 흡착시킬 수 있는) 물질(미도시)을 형성하게 되면 가스 필터(filter)의 역할도 할 수 있게 된다. 예를 들면, 디클로로에틸렌(dichloroethylene), 아세트산(acetic acid), 프로판산(propanoic acid) 등으로 이루어진 가스는 은(Ag)에 흡착될 수 있으며, 에틸렌(ethylene), 벤젠(benzene), 시클로핵산(cyclohexane) 등으로 이루어진 가스는 이리듐(Ir)에 흡착될 수 있다. 또한, 메탄(methane), 포름산(formic acid) 등으로 이루어진 가스는 몰리브덴(Mo)에 흡착될 수 있으며, 메탄(methane), 메탄올(methanol), 벤젠(benzene) 등으로 이루어진 가스는 니켈(Ni)에 흡착될 수 있다. 그리고, 벤젠, 아세틸렌(acetylene), 에틸렌(ethylene), 메탄올(methanol), 벤젠(benzene)+일산화탄소(CO), 메탄(methane) 등으로 이루어진 가스는 팔라듐(Pd)에 흡착될 수 있으며, 아닐린(aniline), 암모니아(ammonia), 시아노벤젠(cyanobenzene), m-크실렌(m-xylene), 나프탈렌(naphthalene), N-부틸벤젠(N-butylbenzene), 아세토니트릴(acetonitrile) 등으로 이루어진 가스는 백금(Pt)에 흡착될 수 있다. 그리고, 이외에도 특정 가스들에 대한 흡착 선택성을 가지는 금속들이 다양하게 존재할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서를 이용하여 특정 가스를 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 9에는 측정 가스로서 2.5 ppm의 이산화질소(NO2)가 주입되었을 때 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 저항값을 측정한 결과가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 결과를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 컨덕턴스 변화(△G = (Gi - G0)/G0)를 계산하여 보았다. 여기서, Gi는 가스 주입후 컨턱던스를 나타내며, G0는 가스 주입전 초기 컨덕턴스를 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 컨덕턴스 변화(△G)는 대략 1.11을 나타내었다. 한편, 도 1에 도시된 종래 가스 센서의 컨덕턴스 변화(△G)는 대략 0.80d을 나타내었다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서가 종래 가스 센서보다 감도가 대략 39% 향상되었음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 재사용(recycle) 측정 결과를 도시한 것이다. 도 10에는 측정 가스로서 2.5 ppm의 이산화질소(NO2)를 사용하였으며, 3회의 사이클(cycle)로 재사용을 수행하여 측정된 결과를 도시한 것이다. 또한, 가스 센서의 재사용을 위하여 가스 센서에 자외선을 조사하고 질소(N2)를 불어넣어 주었다. 도 10을 참조하면, 가스가 주입되기 전에 각 사이클에서의 저항값은 거의 비슷한 값을 보여주고 있으며, 가스가 주입된 후에도 각 사이클에서의 저항값이 거의 비슷한 값을 보여주고 있다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서의 재사용 효율은 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 관통공들이 형성된 기판 상에 탄소나노튜브를 형성함으로써 가스와 접촉하는 탄소나노튜브의 표면을 극대화시킬 수 있고, 이에 따라 가스 센서의 감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 사용으로 인하여 탄소나노튜브에 흡착된 가스를 기판에 형성된 관통공들을 통하여 효과적으로 빠르게 제거할 수 있으므로, 가스 센서의 재사용 효율을 증대시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 복수의 관통공이 형성된 기판;
    상기 관통공들 사이의 상기 기판 상에 형성되는 전극들; 및
    상기 전극들 및 상기 전극들 사이의 관통공들을 덮도록 형성되는 탄소나노튜브;를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통공들을 상기 기판에 표면에 대하여 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관통공들을 상기 전극들과 나란한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들은 제1 및 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 관통공을 사이에 두고 서로 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD), 탄소나노튜브 페이스트(CNT paste)를 이용하는 방법 또는 Langmuir-Blodgett법(LB법)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들은 금(Au) 또는 티타늄(Ti)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 센서는 특정 가스와 반응할 수 있는 물질을 더 구비함으로써 상기 특정 가스를 제거하는 필터 역할을 하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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