KR101507538B1 - Pn 광 다이오드 기반 무전원 분자 검출 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
Pn 광 다이오드 기반 무전원 분자 검출 소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 무전원 분자 검출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 무전원 분자 검출 소자는 기판 및 기판 상에 형성된 PN 광 다이오드를 포함하며, PN 광 다이오드는 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질을 포함하고, p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다.
Description
본 발명은 전이금속 디칼코게나이드를 이용한 원자층 PN 광 다이오드 기반 무전원 분자 검출 시스템에 관한 것이다.
종래의 분자 검출 소자는 높은 전력 소모, 높은 동작 온도가 필요하다는 단점이 존재하였다. 분자 검출 반응을 확인하기 위해 지속적인 전압 또는 전류를 인가해야 하고, 타겟 분자와 소재 사이의 화학적 반응을 위해 열 또는 광을 가해주어야 한다.
최근 n-ZnO/p-Si 나노선에서 태양광으로 생성된 전하에 의해 내부 전위를 생성하고, ZnO 표면에 흡착되는 분자에 따른 전위차를 통하여 분자 흡착 반응을 검출할 수 있는 방법이 보고되었다. 그러나 이는 금속 산화물 기반의 분자 흡착 반응이기에 상온에서의 반응속도가 매우 느리게 나타난다.
또한 압전 효과 기반의 자가발전 분자 검출 센서가 보고된 바 있으나 압전 소자의 특성상 기계적 마모에 따른 수명의 한계 때문에 안정적인 분자 검출 시스템 구현이 불가능하였다.
본 발명은 외부 전원 없이도 신속하게 분자 검출이 가능한 PN 광 다이오드 방식의 분자 검출 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀은 기판 및 상기 기판 상에 형성된 PN 광 다이오드를 포함하며, 상기 PN 광 다이오드는 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질을 포함하고, 상기 p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀이 포함하는 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀의 기판은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀이 포함하는 PN 광 다이오드는 두께가 3nm 내지 5nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 무전원 분자 검출 셀을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이는, n 타입 도전형 물질 상에 p 타입 도전형 물질이 형성되어 p 타입 도전형 물질이 노출된 P 타입 셀; p 타입 도전형 물질 상에 n 타입 도전형 물질이 형성되어 n 타입 도전형 물질이 노출된 N 타입 셀; p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질 상에 형성된 캐핑(capping) 층을 더 포함한 기준 셀;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자는 사익 분자 검출 셀 어레이(Cell Array) 및 상기 무전원 분자 검출 소자의 전도도의 변화를 감지하여 신호를 발생하는 신호 발생부를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자 제조 방법은 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 P 타입 도전형 물질 및 N 타입 도전형 물질을 포함하는 PN 광 다이오드를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 P 타입 도전형 물질 및 상기 N 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)에 의하여 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, 기화된 MoCl5, WCL6, MO(CO)6, WH2(iprCp)2 또는 이들의 조합을 전이금속 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, H2S, H2Se, Se(C2H5)2 또는 이들의 조합을 칼코겐 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, 중합체를 이용한 전사법 또는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)에 의한 직접 합성법을 이용하여 PN 접합을 형성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때, 두께를 3nm 내지 5nm로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자 제조 방법은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면 외부 전원 없이도 신속하게 분자 검출이 가능한 PN 광 다이오드 방식의 분자 검출 소자를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 원자층 PN 광 다이오드의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 기반 분자 검출 소자의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 P 타입 셀의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 N 타입 셀의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기준 셀의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자를 적용한 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자를 적용한 휴대기기이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 공정의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 WS2시트의 분자 검출 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 기반 분자 검출 소자의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 P 타입 셀의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 N 타입 셀의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기준 셀의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자를 적용한 전자 장치의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자를 적용한 휴대기기이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 공정의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따라 형성된 WS2시트의 분자 검출 결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 '~위에', '~상에' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 사이에 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
본 발명은 전이금속 디칼코게나이드 기반의 PN 광 다이오드를 이용한 무전원 분자 검출 소자에 관한 것으로서, 외부 전압 없이도 빠른 반응 속도를 나타내어 실용성이 높은 분자 검출 소자를 제공한다.
도 1은 이차원 전이금속 디칼코게나이드 물질로 형성된 원자층 PN 광 다이오드를 나타낸 도면이다.
기존의 금속 산화물 반도체의 경우, 합성 과정에서의 중간층(interlayer) 형성 및 원자간 상호 확산으로 인하여 PN 광 다이오드의 두께를 줄이는 것에 한계가 있었다. 그러나 도 1에 도시한 바와 같이, 전이금속 디칼코게나이드 물질로 PN 광 다이오드를 형성할 경우 각 층이 반데르발스 결합으로 이루어져 중간층이 형성되지 않는다. 따라서 두께가 5nm 미만인 원자층 PN 광 다이오드의 제작이 가능하다.
원자층 두께로 형성가능한 것 이외에도 전이금속 디칼코게나이드는 두께 대비 높은 광반응 특성, 가시광 영역부터 자외선 영역까지 광대역 파장대의 빛 흡수율, 높은 광 투과도를 가지고 있어 무전원 분자 검출 소재로서 우수하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 기반 분자 검출 셀(100)의 개념도이다.
PN 광 다이오드 기반 분자 검출 셀(100)은 PN 광 다이오드(101) 및 전극(102a,102b)으로 구성된다. 도 2에 도시된 PN 광 다이오드(101)는 p 타입 도전형 물질(101a) 및 n 타입 도전형 물질(101b)로 구성되며, p 타입 도전형 물질(101a) 및 n 타입 도전형 물질(101b)의 위치는 바뀔 수 있다. 도 2에 도시한 분자 검출 셀(100)은 n 타입 도전형 물질(101b)이 노출된 N 타입 셀이나 이는 이해를 돕기 위한 예시이며 p 타입 도전형 물질(101a)이 노출된 P 타입 셀로도 제작이 가능하다. 전극은 p 타입 도전형 물질(101a)과 접촉된 제 1 전극(102a) 및 n 타입 도전형 물질(101b)과 접촉된 제 2 전극(102b)로 구분된다.
타겟 분자(103)가 n 타입 도전형 물질(101b)의 표면에 흡착되면 도핑 효과가 발생하여 PN 광 다이오드(101)의 밴드 구조가 변화하고, 이 때 두 전극(102a,102b) 사이의 전도도의 변화의 변화(Voc)를 측정하여 타겟 분자(103)의 검출이 가능하다. 검출되는 타겟 분자(103)는 NOX, NH3, CO, TEA, HF, SOX, THF, 아세톤 또는 H2S가 될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
p 타입 도전형 물질(101a) 및 n 타입 도전형 물질(101b) 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성된다. 전이금속 디칼코게나이드 중 WSe2는 p 타입으로 사용될 수 있으며, MoS2는 n 타입으로 사용될 수 있다. 그 외에 전이금속 디칼코게나이드 물질인 MoSe2, WS2, MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2 또는 TiTe2 등이 p 타입 또는 n 타입으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 전이금속 디칼코게나이드 물질들은 PN 접합되는 물질에 따라 p 타입 또는 n타입으로 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)의 평면도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 PN 광 다이오드를 기반으로 한 무전원 분자 검출 셀을 2개 이상 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 P 타입 셀, N 타입 셀, 기준 셀을 포함할 수 있다.
P 타입 셀은 p 타입 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있다. N 타입 셀은 n 타입 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있다. 기준 셀은 노출되는 분자에 반응하지 않고 빛에만 반응할 수 있도록 하여 기준 광 전압을 설정할 수 있다. P 타입 셀 또는 N 타입 셀은 노출되는 분자에 반응하면 전도도가 변하여 전압이 변화하므로, 기준 셀에서 측정한 기준 광 전압과 비교하여 분자를 감지할 수 있다. 이하에서 도 4를 참조하여 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)의 구조를 더 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)의 사시도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 기판(210) 상에 제조된다. 기판(210)은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. ITO, 그래핀 또는 이들의 조합으로 구성된 기판(210) 상에 전이금속 디칼코게나이드를 포함하는 PN 광 다이오드를 형성하면 광 투과도 및 유연성이 높은 무전원 분자 소자를 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)는 기판(210), PN 광 다이오드(100), 전극(102a,102b), 캐핑 층(220)을 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이는 복수 개의 셀이 병렬로 연결된 구조일 수 있다. 여러 셀을 병렬로 연결함으로써 소자의 오류를 줄일 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이는 P 타입 셀, N 타입 셀, 기준 셀을 포함할 수 있다. 기준 셀은 캐핑 층(220)을 포함할 수 있다. 각 셀의 구조는 도 5 내지 도 7을 참조하여 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 5는 도 4에 도시된 'A 부'를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 P 타입 셀의 단면도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, P 타입 셀은 p 타입 도전형 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있도록 p 타입 도전형 물질이 노출된다. 노출되는 p 타입 도전형 물질은 WSe2, MoSe2, 또는 WS2일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도 6는 도 4에 도시된 'B 부'를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 N 타입 셀의 단면도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, N 타입 셀은 n 타입 도전형 물질에 반응하는 분자를 검출할 수 있도록 n 타입 도전형 물질이 노출된다. 노출되는 n 타입 도전형 물질은 MoS2, MoSe2, 또는 WS2일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 언급한 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질 이외에도 MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2 또는 TiTe2 로 원자층 PN 광 다이오드를 형성할 수 있다. 상기 언급한 전이금속 디칼코게나이드 물질들은 PN 접합이 이루어지는 물질에 따라서 p 타입 도전형 물질 또는 n 타입 도전형 물질이 될 수 있다.
도 7는 도 4에 도시된 'C 부'를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기준 셀의 사시도이다. 기준 셀은 도 5에 도시된 P 타입 셀 또는 도 6에 도시된 N 타입 셀 위에 캐핑 층(capping layer)을 더 포함할 수 있다. 캐핑 층은 Al2O3를 증착하여 형성할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 캐핑 층으로 인해 기준 셀은 노출되는 분자에 반응하지 않고 빛에만 반응할 수 있어서, 무전원 분자 검출 셀 어레이의 기준 광 전압을 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자(300)의 블록도가 도 8에 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 무전원 분자 검출 소자(300)는 무전원 분자 검출 셀 어레이(200) 및 무전원 분자 검출 셀 어레이(200)에서 감지된 전도도의 변화를 신호로 변환하는 신호 발생부(310)를 포함한다.
무전원 분자 검출 소자(300)를 적용한 전자 장치의 블록도가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 전자 장치는 도 10에 도시된 휴대기기의 형태로 사용될 수 있다. 휴대기기의 형태는 도 10에 도시된 형태로 제한되지 않으며, 휴대폰, 스마트 안경, 스마트 시계 등 다양한 형태로 응용 가능하다. 휴대기기는 도 9에 도시된 블록도에 따른 장치를 구비하여, 타겟 분자(103)가 감지되면 신호를 발생할 수 있다. 신호 발생부는 무전원 분자 검출 셀 어레이에서 감지된 전도도의 변화를 다양한 형태의 신호로 변환할 수 있다.
도 11 내지 13를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 PN 광 다이오드 형성 방법을 설명한다. 설명되는 PN 광 다이오드는 전이금속 디칼코게나이드를 기반으로 한다.
기계적/화학적 박리법, CVD(Chemical Vapor Deposition), 용액 공정법으로는 원자층 단위 두께 조절 및 대면적으로 균일하게 소재를 합성하는 것이 불가능하였으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자 제조 방법은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 이용하여 원자층 두께 조절이 가능하고 2인치 이상의 균일도가 높은 대면적 소자 합성이 가능하다. 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정의 개념도가 도 11에 도시되어 있다.
원자층 증착 공정은 기판 표면에서의 자기 제한 화학 반응을 기반으로 한다. 도 10을 참조하면, 원자층 증착 공정은 기판에 전이금속 전구체를 공급하는 단계, 미반응 전이금속 전구체를 제거하는 단계, 기판에 칼코겐 전구체를 공급하는 단계, 미반응 칼코겐 전구체를 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 PN 광 다이오드가 포함하는 p 타입 도전형 물질 또는 n 타입 도전형 물질은, 도 9에 도시된 원자층 증착 공정 1 cycle을 수 회 반복하여 형성될 수 있다.
전이금속 디칼코게나이드 물질로 PN 광 다이오드를 형성하기 위해 기화된 MoCl5, WCL6, MO(CO)6, WH2(iprCp)2 또는 이들의 조합을 전이금속 전구체로 사용할 수 있으며, H2S, H2Se, Se(C2H5)2 또는 이들의 조합을 칼코겐 전구체로 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 PN 광 다이오드를 형성할 때 PN 접합 방법을 나타낸 도면이다. 먼저 원자층 증착 공정을 이용하여 기판 상에 p 타입 도전형 물질과 n 타입 도전형 물질을 각각 형성하여 두 개의 박막을 형성하고, 두 박막을 중합체를 이용한 전사법을 이용하여 PN 접합을 형성한다.
중합체를 이용한 전사법의 일 실시 예는, 중합체를 두 박막 중 하나의 박막 위에 스핀 코팅한 뒤 아래의 기판을 제거하는 단계; 및 중합체가 코팅된 박막을 물에 띄우고 다른 박막으로 코팅된 박막을 건져내는 단계;를 포함한다. 중합체는 PMMA(Polymethylmethacrylate, 폴리메타크릴산 메틸)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
PN 접합을 형성하는 방법은 상기와 같이 중합체를 이용하는 방법으로 제한되지 않는다. 다른 방법의 일 실시 예로, 원자층 증착 공정을 반복하여 PN 접합을 형성할 수 있다. 도 13에 도시된 PN 접합 방법은 원자층 증착 공정을 반복하여 직접 합성을 통해 PN 접합을 형성한다. 도 11에 도시된 원자층 증착 공정으로 기판 상에 p 타입 도전형 물질을 형성한 뒤, 형성된 p 타입 도전형 물질 위에 다시 원자층 증착 공정을 이용해 n 타입 도전형 물질을 형성함으로써 PN 접합을 형성한다. 상기 p 타입 도전형 물질과 n 타입 도전형 물질이 형성되는 순서는 바뀔 수 있다.
이하에서 전이금속 디칼코게나이드를 분자 검출 소재로 사용한 실험 예의 결과를 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.
WS2 시트를 기판 상에 원자층 증착 공정에 따라 형성하고, 시트 양단에 전극을 증착하였다. 양 전극에 5 V의 전압을 인가하고, 이산화질소(NO2)에 노출시키면서 전류의 변화를 계측하였다.
도 14을 참조하면, WS2를 분자 기체에 노출시켰을 때(음영이 들어간 부분) 전류가 변화하는 것을 볼 수 있다. 전류 변화를 측정하여 분자 검출의 response((미노출시 소재의 저항-가스 노출시 소재의 저항)/가스 노출시 소재의 저항을 %단위로 나타낸 값)를 나타낸 그래프가 도 15에 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 무전원 분자 검출 소자는 이러한 전도도의 변화를 신호로 변환시키는 방법을 이용한다.
이상에서 실시 예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시 예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.
100 : 무전원 분자 검출 셀
101 : PN 광 다이오드
101a : p 타입 도전형 물질
101b : n 타입 도전형 물질
102a, 102b : 전극
200 : 무전원 분자 검출 셀 어레이
210 : 기판
220 : 캐핑 층(capping layer)
300 : 무전원 분자 검출 소자
310 : 신호 발생부
101 : PN 광 다이오드
101a : p 타입 도전형 물질
101b : n 타입 도전형 물질
102a, 102b : 전극
200 : 무전원 분자 검출 셀 어레이
210 : 기판
220 : 캐핑 층(capping layer)
300 : 무전원 분자 검출 소자
310 : 신호 발생부
Claims (13)
- 무전원 분자 검출 셀을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이로,
상기 무전원 분자 검출 셀은,
기판; 및
상기 기판 상에 형성된 PN 광 다이오드;를 포함하며,
상기 PN 광 다이오드는 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질을 포함하고,
상기 p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성되며,
상기 무전원 분자 검출 셀 어레이는:
상기 무전원 분자 검출 셀에 있어서 n 타입 도전형 물질 상에 p 타입 도전형 물질이 형성되어 p 타입 도전형 물질이 노출된 P 타입 셀;
상기 무전원 분자 검출 셀에 있어서 p 타입 도전형 물질 상에 n 타입 도전형 물질이 형성되어 n 타입 도전형 물질이 노출된 N 타입 셀; 및
상기 무전원 분자 검출 셀에 있어서 p 타입 도전형 물질 및 n 타입 도전형 물질 상에 형성된 캐핑(capping) 층을 더 포함한 기준 셀;
을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이(Cell Array).
- 제 1 항에 있어서,
상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, WTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2 또는 이들의 조합을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이.
- 제 2 항에 있어서,
상기 기판은 SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함하는 무전원 분자 검출 셀 어레이.
- 제 3 항에 있어서,
상기 PN 광 다이오드는 두께가 3nm 내지 5nm인 무전원 분자 검출 셀 어레이.
- 삭제
- 제 1 항에 따른 무전원 분자 검출 셀 어레이(Cell Array); 및
상기 무전원 분자 검출 셀의 전도도의 변화를 감지하여 신호를 발생하는 신호 발생부;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자.
- 기판을 제공하는 단계;
상기 기판 상에 P 타입 도전형 물질 및 N 타입 도전형 물질을 포함하는 PN 광 다이오드를 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 p 타입 도전형 물질 및 상기 n 타입 도전형 물질 중 적어도 하나는 전이금속 디칼코게나이드로 형성되며,
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
제 1 기판 상에 p 타입 도전형 물질로 제 1 박막을 형성하는 단계;
제 2 기판 상에 n 타입 도전형 물질로 제 2 박막을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 박막 또는 상기 제 2 박막 중 하나의 박막 위에 중합체를 스핀 코팅하고 다른 박막을 상기 중합체에 접착시켜 PN 접합을 형성하는 단계;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 공정을 이용하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
기화된 MoCl5, WCL6, MO(CO)6, WH2(iprCp)2 또는 이들의 조합을 전이금속 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성하는 단계;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 PN 광 다이오드를 형성하는 단계는,
H2S, H2Se, Se(C2H5)2 또는 이들의 조합을 칼코겐 전구체로 사용하여 상기 P 타입 도전형 물질 또는 상기 N 타입 도전형 물질을 형성하는 단계;
를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,
상기 PN 광 다이오드의 두께를 3nm 내지 5nm로 형성하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 기판을 제공하는 단계는;
SiO2, ITO, 그래핀 또는 이들의 조합을 제공하는 단계를 포함하는 무전원 분자 검출 소자 제조 방법.
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