KR100856577B1 - 탄소나노튜브 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 전원이 인가되는 전극, 상기 전극 사이에 연결되며 탄소나노튜브 페이스트가 도포된 감지막, 및 상기 전극, 상기 감지막을 탑재하는 기판을 포함하여 구성되며, 그 제조방법은 기판에 감광제를 코팅한 후, 노광 및 식각하는 단계, 상기 기판에 촉매를 패터닝하는 단계, 상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계, 및 상기 기판 위에 상기 전극을 커버하며 바인더, 알파-테피놀, 카본나노튜브, 글래스프릿을 혼합한 탄소나노튜브 페이스트를 증착하는 단계를 포함하고, 탄소나노튜브 페이스트를 감지체로 하여 물질의 유전율변화 및 전기전도도 변화, pH, 습도 등을 우수한 감도로서 검출 또는 측정할 수 있게 된다.

탄소나노튜브 페이스트, 유전율, 전기전도도, pH, 습도

Description

탄소나노튜브 센서 및 그 제조방법{Carbon nanotube sensor and method for manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 센서의 사시도이다.

도 2는 도1의 Ⅰ - Ⅰ선의 단면도이다.

도3는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 센서의 개략적인 사시도이다

도4는 상기 도3의 II - II선의 단면도이다.

도5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 또 다른 센서의 사시도이다.

도6은 본 발명의 감지막에 적용되는 탄소 나노 튜브의 전자 현미경 사진이다.

도7은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 센서의 사시도이다.

도8은 상기 도7의 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11, 21 : 기판 12, 22 : 감지막

13, 23 : 전극 14, 24 : 리드선

25 : 제 1 절연층 26 : 제 2 절연층

본 발명은 탄소나노튜브 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브의 성질을 이용하여 응용할 수 있는 전기전도도 센서, 유전율 변화 센서, pH 센서, 습도 센서와 상기 센서들에 적용할 수 있는 탄소나노튜브 센서의 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브(carbon nanotubes)는 그라파이트(graphite)를 둥글게 말아 놓은 sp²결합의 관모양을 하고 있어서 단위면적당 표면적이 매우 넓어 가스분자 또는 이온에 대해 흡착능력이 우수하다.

상기 탄소나노튜브는 단일벽 구조(Single-walled Nanotube), 복수벽 구조(Multiwall Nanotube), 나노튜브 로프(Nanstube Rope)구조와 같은 형태를 가진다.

또한, 탄소나노튜브는 전기적으로 금속과 같은 도체 또는 반도체의 특성을 가지고 있으며, 가스 분자 또는 이온의 흡착에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 가지고 있다.

상기 흡착성이 좋은 탄소나노튜브에 흡수되는 물질의 상태에 따라서 이온 흡착 정도가 변화하고 이는 상기 탄소나노튜브를 감지체로 하였을 때 상기 탄소나노튜브가 분자 단위의 작용을 하게 됨으로써, 탄소나노튜브에 흡착되는 물질의 전기적인 성질이나 pH, 습도 등의 변화를 측정할 수 있는 소자로로서 활용할 수 있음을 나타내는 것이다.

그러나, 상기 탄소나노튜브를 이용한 상기 전기적 성질, pH, 습도의 변화를 체크하기 위한 센서의 적용에는 그 감도나 유동적인 외란 효과에 의하여 그 측정 감도를 보장할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 탄소나노튜브를 감지체로 하여 물질의 유전율변화 및 전기전도도 변화, pH, 습도 등을 감지할 수 있는 탄소나노튜브 센서를 제공하기 위한 것이다.

또한, 상기 탄소나노튜브를 이용한 전도도, 전기용량, pH, 습도 센서를 제조함에 있어서 측정 감도가 우수한 탄소나노튜브 센서의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서는, 전원이 인가되는 전극, 상기 전극 사이에 연결되며 탄소나노튜브 또는 나노물질을 포함한 페이스트가 도포된 감지막, 및 상기 전극, 상기 감지막을 탑재하는 기판을 포함하며, 상기 감지막은 상기 탄소나노튜브 또는 나노물질에 흡착되는 물질의 전기전도도, 유전율, pH 또는 습도 중 적어도 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서에 있어서, 상기 전극은 Al, Pt, Au 또는 Mo 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어 진 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서에 있어서, 상기 전극은 탄소나노튜브로 이루어 진 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서에 있어서, 상기 전극 또는 상기 감지막은 빗살무늬 형태로 가지가 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서에 있어서, 상기 전극 패턴 또는 기판 사이에 제1절연층, 상기 전극패턴과 상기 감지막 사이에는 제2절연층이 포함되고, 상기 절연층은 실리콘 산화막 또는 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서의 제조 방법은, 기판에 감광제를 코팅한 후, 노광 및 식각하는 단계, 상기 기판에 촉매를 패터닝하는 단계, 상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계, 및 상기 기판 위에 상기 전극을 커버하며 바인더, 알파-테피놀, 카본나노튜브, 글래스프릿을 혼합한 탄소나노튜브 페이스트를 증착하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계는 CVD, 프린팅, 기상증착(evaporating) 또는 스퍼터링에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브 페이스트를 증착하는 단계는 스크린, 프린팅 또는 스프레이에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명 하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전기전도도 검출센서로서 그 구동 메커니즘을 설명하기 위한 개략적인 사시도이고 도2는 상기 도1의 Ⅰ - Ⅰ선의 단면도이다.

도1, 도2에서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전기전도도 검출센서는 전원이 인가되는 전극(13), 상기 전극(13) 사이에 연결되며 전기전도도의 변화를 감지하는 탄소 나노 튜브 또는 나노물질을 포함하여 형성된 감지막(12), 상기 감지막(12) 및 상기 전극(13)을 탑재하는 기판(11)을 포함한다.

여기서, 상기 센서의 기판(11)은 유리 또는 실리콘 등이 사용되고, Al, Pt, Au, Mo에서 선택되는 금속물질로 이루어진다.

상기 기판(11) 상에 증착되어 성장되어 형성된 탄소나노튜브는 감지막(12)으로서 상기 전극(13) 사이에 걸쳐 브릿지로서 연결되어 있다.

또한, 상기 전극(13)은 리드선(14)에 의하여 전원과 연결되며, 상기 리드선(14)은 상기 전극(13)에 부착되어 전체 폐회로를 만들게 된다.

상기 전극(13)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 감지막(12)과 동일하게 탄소나노튜브로 전극을 형성하는 것도 가능하다.

상기 감지막(12)으로서 연결된 탄소나노튜브는 반도체 공정 및 스크린 프린팅 기술 또는 직접 성장 방법을 이용하여 증착시킬 수 있다.

상기 감지막(12)이 탄소나노튜브로 구성되는 경우, 직류전압을 인가하면, 상기 탄소나노튜브에 흡착되는 이온의 변화량에 따라 전기 저항이 변화하게 되고, 이 에 따라 전기전도도의 변화를 검출할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서의 다른 실시예로 탄소나노튜브를 이용한 유전율 변화 검출 센서에 대한 설명을 위해 도3, 도4를 참조한다.

도3는 탄소나노튜브를 이용한 유전율 변화 검출센서의 일실시예로서로서 그 구동 메커니즘을 설명하기 위한 개략적인 사시도이고 도4는 상기 도3의 II - II선의 단면도이다.

도3, 도4에서, 상기 탄소나노튜브를 이용한 유전율 변화 검출센서는 전원이 인가되는 전극(23), 상기 전극(23)에 연결되며 유전율 변화를 감지하는 탄소 나노 튜브 또는 나노물질을 포함한 페이스트로 형성된 감지막(22), 상기 감지막(22) 및 상기 전극(23)을 탑재하는 기판(21)을 포함한다.

여기서, 상기 센서의 기판(21)은 유리 또는 실리콘 등이 사용된다.

상기 전극(23)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 감지막(22)과 동일하게 탄소나노튜브로 전극을 형성하는 것도 가능하다.

상기 유전율 변화 검출 센서에서, 금속 또는 ITO로 이루어진 상기 전극(23) 위에 탄소나노튜브가 증착 및 스크린프린팅 되어 있으나, 상기 전극(23)을 탄소 나노 튜브로 형성하는 것도 가능하다.

또한, 도3을 참조하면 상기 유전율 변화 검출 센서에서, 상기 전극(22)은 빗살무늬 형태로 가지가 분기되어 있는 것이 더욱 바람직한데, 이 경우 감지막(22)으로 기능하는 탄소나노튜브가 상기 전극(22) 위에 증착되어 있으므로 상기 전기 용량의 측정 전극의 표면적을 넓히게 되므로 그 측정 감도가 크게 향상될 수 있기 때 문이다.

도3, 4의 경우에, 사진식각 공정을 이용한 빗살전극 형태의 기초전극 위에 탄소나노튜브를 스크린 프린팅을 하거나 직접성장 방법을 이용하여 감지막을 형성시킬 수 있다.

상기 센서에서 유전율 변화를 측정하기 위해 스크린프린팅 방법을 사용한 경우, 빗살전극의 폭은 100um 이하, 전극의 간격은 100um 이하이며, 직접성장방법의 경우, 전극간의 간격은 50um 이하로 하는 것이 적합하다.

그리고, 상기 센서의 감지막(22)에 사용된 탄소나노튜브는 크기가 작으면서도 이온 흡착 및 저장 기능이 있으며, 단위 면적당 표면적이 넓으므로 감도가 높고 응답속도가 빠르면서도 물리화학적 내구성이 우수하다는 장점이 있다.

도5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 또 다른 실시예의 유전율 변화 검출 센서의 사시도이고, 도6은 본 발명의 감지막에 적용되는 탄소 나노 튜브의 전자 현미경 사진이다.

도5에서 도시된 센서는 전원이 인가되는 전극(23) 패턴, 상기 전극(23) 패턴이 형성된 기판(21), 상기 전극(23) 패턴을 커버하며 상기 기판(21)의 전체 면적 중 소정 부분에 증착되는 탄소나노튜브로 이루어진 감지막(22)을 포함한다.

상기 도3, 도4에 도시된 실시예에서는 상기 감지막인 탄소나노튜브는 상기 전극(23) 부분에만 증착되어 있으나, 상기 도5에서 도시된 감지막은 탄소나노튜브 또는 나노물질을 포함하는 페이스트로서 상기 전극(23) 패턴을 모두 뒤덮고 있음은 물론 상기 기판(21)의 소정 부분 위에 전체적으로 다 도포되어 형성되어 있다.

도5의 경우에 있어서, 상기 감지막(22)의 상기 탄소나노튜브 입자들 사이에서, 상기 탄소나노튜브 입자와 그 이웃하는 탄소나노튜브 입자 간에는 미세한 전기용량을 가지게 되고, 결과적으로 상기 전기 용량 값의 변화량을 검출할 수 있는 더욱 미세한 감도를 확보할 수 있게 된다.

도5와 도6을 참조하면, 상기 감지막(22)으로 기능하는 탄소나노튜브는 전압이 인가되는 경우 상기 탄소나노튜브에 흡착되는 이온의 변화량에 따라 전기 용량의 변화를 일으키게 됨으로써 상기 유전율의 변화를 검출하게 된다.

또한, 상기 탄소나노튜브를 감지막(12, 22)로 이용한 검출 센서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 좁은 면적에 많은 전극을 형성하여 고감도의 센서를 제조하게 되며 센서 규격을 일정하게 할 수 있다.

한편, 상기 탄소나노튜브를 증착하여 제조되는 상기 전기전도도 변화 검출센서와 유전율 변화 검출센서는 기존의 제조 방법에 비하여 새로운 순서로 제조 가능하다.

그 첫 번째 방법으로서는 반도체 공정기술을 이용한 탄소나노튜브 센서의 제조공정 순서로서 첫째, 기판에 감광제 코팅, 노광 및 식각 과정을 포함하는 리소그래피 단계를 수행하고,

둘째, 상기 기판에 메탄 가스와 같은 촉매를 패터닝하는 단계를 우선 수행하고,

셋째, 상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계를 거친 후에 상기 기판 위에 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계의 순서로 이루어지는 것이 바람직하다.

그 두 번째 방법으로서는 스크린프린팅 기술을 이용한 탄소나노튜브 센서의 제조공정 순서로서 첫째, 기판에 감광제 코팅, 노광 및 식각 과정을 포함하는 리소그래피 단계를 수행한 후,

둘째, 바인더와 알파-테피놀을 섞어 가열하여 녹이는 단계를 수행하고,

셋째, 탄소나노튜브를 글래스프릿과 알파-테피놀을 섞어 가열하여 녹인 물질에 섞는 단계를 우선 수행하고,

넷째, 상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계를 거친 후에 상기 기판 위에 탄소 나노 튜브를 스크린 프린팅하여 소결시키는 단계의 순서로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계는 CVD, 프린팅, 기상증착(evaporating) 또는 스퍼터링에 의하여 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄소나노튜브 페이스트를 증착하는 단계는 스크린, 프린팅 또는 스프레이에 의하여 수행되는 것이 바람직하다.

이제, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 센서에서 pH 센서와 습도 센서의 응용에 대하여 설명한다.

탄소나노튜브에 흡착된 물질이 시간이 지남에 따라서 산도가 변화하게 되는데, 예를들면 엔진 오일과 같은 경우 사용됨에 따라서 점차 산성화되면서 저항이 감소하는 경향을 보여주게 된다.

이것은 산성화가 진행되면 탄소나노튜브에 점착된 물질은 그 저항값이 감소하면서 전기전도도가 점차로 증가한다는 것을 의미하게 된다.

그러므로, 상기 도1, 도2에 도시된 바와 같이 전기전도도 변화를 검출하기 위하여, 탄소나노튜브를 이용한 저항형 센서는 바로 산성도(pH)를 확인하는 검출 센서로 응용될 수 있는 것이다.

한편, 탄소나노튜브에 흡착된 물질에 함유되는 수분(H₂O)의 함량은 전기 용량값에 큰 영향을 미치게 된다.

왜냐하면, 탄소 나노튜브는 수분에 대해 매우 민감하게 반응을 보이고 이를 매우 잘 흡착할 수 있는 성질을 갖고 있기 때문이다.

그리고 센서에서 용량형 센서는 그 용량을 측정할 때의 원리는 두 개의 전극사이에 위치한 유전체의 특성을 측정하는 것인데, d는 이격거리, A는 단면적, ε_r은 비유전율, ε_o는 진공 유전율이라고 하면, 캐패시턴스값은 다음식

C=ε_rε_o(A/d)에 의하여 정하여진다.

이때, 공기의 비유전율이 4인데 비하여, 수분(H₂O)의 비유전율은 80에 이른다.

따라서, 탄소나노튜브에 흡착된 물질에 수분(H₂O)의 함량이 커질수록 캐패시턴스값은 크게 나타나게 된다.

따라서, 도3, 5의 용량 센서는 결국 습도 센서로서 수분(H₂O)의 함량을 검출할 수 있는 센서로 적용가능하게 된다.

도7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 유전율, 습도센서의 일실시예 이고 도8은 상기 도7의 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도이다.

도7과 도8에서 도시된 감지막은 탄소나노튜브 페이스트로서 상기 전극(23) 패턴을 모두 뒤덮고 있음은 물론 상기 기판(21)의 소정 부분 위에 전체적으로 다 도포되어 형성되어 있다.

또한, 도8을 참조하면, 기판(21)과 전극(23) 패턴 사이에 산화물이나 질화물 계열의 제1절연층(25)을 증착시켜 상기 기판(21)과 전극(23) 패턴을 절연시키고, 상기 전극(23) 패턴과 감지막(22) 사이에 산화물이나 질화물 계열의 제2절연층(26)을 형성시켜서 정전용량을 측정하는 센서로 제작이 가능하다.

이는 기판(21)이 실리콘이나 금속 박막과 같은 반도체나 도체일 때 가능한 구조이다.

상기 기판(21)이 실리콘인 경우에 상기 기판(21)과 전극(23) 패턴 사이에 형성되는 제1절연층(25)인 상기 산화물은 산화실리콘(SiO₂)으로 형성할 수 있으며, 상기 제1절연층(25)을 질화막으로 형성할 수도 있다.

도 7과 도 8에서 상기 전극(23) 패턴과 감지막(22) 사이에 산화물이나 질화물 계열의 제2절연층(26)을 형성하는 것은 전극(23) 패턴과 감지막(22)이 서로 도전되지 않게 하여 정전용량을 보다 용이하게 측정하게 하며 센서의 수율을 높이게 한다.

도8을 참조하면, 상기 탄소나노튜브 입자는 상기 감지막(22)을 이루면서 상기 전극(23) 뿐만 아니라 절연층(26) 사이 및 위에도 뒤덮여 있음을 알 수 있다.

도6, 도7, 도8을 참조하면, 상기 감지막(22)으로 기능하는 탄소나노튜브는 전압이 인가되는 경우 상기 탄소나노튜브에 흡착되는 이온의 변화량에 따라 전기 용량의 변화를 일으키게 됨으로써 상기 유전율의 변화를 검출하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브 페이스트를 감지체로 하여 물질의 유전율변화 및 전기전도도 변화, pH, 습도 등을 감지 또는 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 페이스트를 이용한 센서의 제조 방법에 의하면 센서의 측정 감도를 높일 수 있으면서도 용이하게 센서를 제조할 수 있게 되는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 전원이 인가되는 전극 패턴;

   상기 전극 패턴이 형성된 기판; 및

   상기 전극 패턴을 전부 커버하며 상기 기판의 전체 면적 중 소정 부분에 증착 또는 프린팅되는 탄소나노튜브 또는 나노물질을 포함한 페이스트로 이루어진 감지막을 포함하며, 상기 감지막은 상기 탄소나노튜브 또는 나노물질에 흡착되는 물질의 전기전도도, 유전율, pH 또는 습도 중 적어도 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 패턴은 Al, Pt, Au, Mo에서 선택되는 금속물질로 이루어 진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 패턴은 탄소나노튜브로 이루어 진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 패턴 또는 상기 감지막은 빗살무늬 형태로 가지가 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 패턴 또는 기판 사이에 제1절연층, 상기 전극패턴과 상기 감지막 사이에는 제2절연층이 포함되고, 상기 절연층은 실리콘 산화막 또는 질화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서.
6. 기판에 감광제를 코팅한 후, 노광 및 식각하는 단계;

   상기 기판에 촉매를 패터닝하는 단계;

   상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계; 및

   상기 기판 위에 상기 전극을 커버하며 바인더, 알파-테피놀, 카본나노튜브, 글래스프릿을 혼합한 탄소나노튜브 페이스트를 증착하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 센서의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 기판에 전극을 패터닝하는 단계는 CVD, 프린팅, 기상증착(evaporating) 또는 스퍼터링에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서의 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 페이스트를 증착하는 단계는 스크린, 프린팅 또는 스프레 이에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 센서의 제조 방법.

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