KR20020003464A - 탄소나노튜브를 이용한 가스센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 가스센서 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR20020003464A
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Abstract

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에서는 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 금속 패턴이 형성되어 있고, 그 위에 탄소나노튜브가 수직 방향으로 성장되는 것을 막기 위한 절연막 패턴이 형성되어 있다. 이웃하는 두 금속 패턴 사이에는 금속 패턴으로부터 수평 방향으로 성장된 탄소나노튜브가 형성되어 있으며, 절연막 패턴 상부에는 제1 및 제2 금속 전극이 각각 형성되어 절연막 패턴과 금속 패턴을 덮으며 탄소나노튜브와 연결되어 있는데, 제1 및 제2 금속 전극은 인터 디지트 형태를 이룬다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 고감도이며, 응답 속도가 빠르고 상온 동작이 가능하며, 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시키므로 제조 공정이 단순해진다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 가스센서 및 그의 제조 방법{gas sensors based on carbon nanotubes and manufacturing method thereof}
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수평으로 성장된 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정하는 원리에 의해 작동된다. 가스센서로 많이 사용되어온 물질로는 SnO2와 같은 금속산화물 반도체, 고체전해질 물질, 다양한 유기물질, 그리고 카본 블랙(carbon black)과 유기물의 복합체 등이 있다.
그런데 이와 같은 물질로 이루어진 가스센서의 경우 많은 문제점이 있다. 예를 들어, 금속산화물 반도체나 고체전해질을 사용하는 경우에는 200 내지 600℃ 혹은 그 이상의 온도로 가열을 하여야 센서의 동작이 정상적으로 이루어지고, 유기물질의 경우에는 전기전도도가 매우 낮으며, 카본 블랙과 유기물의 복합체는 매우 낮은 감도(sensitivity)를 가지고 있다.
이에 비하여 최근 신소재 소자로 각광받고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 상온에서 동작이 가능하고, 감도가 매우 좋으며 반응 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 탄소나노튜브가 갖는 물성에서 기인하는데, 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들로 이루어진 흑연 판상(sp2)을 둥글게 말아서 생긴 튜브 형태의 분자로 그 직경이 수 내지 수십 ㎚에 이른다. 탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 잘 휘고 계속적인 반복 사용에도 손상되거나 마모되지 않으며, 또한, 말린 형태와 구조 및 직경에 따라 전기적 특성이 달라진다. 뿐만 아니라, 탄소나노튜브는 전자 방출 특성과 화학적 반응성 등이 매우 우수하기 때문에 다양한 산업분야에서 많이 활용될 수 있는데, 특히 탄소나노튜브는 부피에 비하여 표면적이 매우 큰 물질이므로 높은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분의 검출과 수소저장과 같은 응용분야에서도 매우 유용하다.
이러한 탄소나노튜브를 이용하여 가스센서로서의 기능을 확인한 결과가 미국의 스탠포드(Stanford) 대학의 Dai 교수팀에 의해 제시되었다(Science, Vol.287, p.622~625).
이는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube)를 이용하여 NH3와 NO2같은 유독가스를 감지하는 가능성을 보여준 것으로, 탄소나노튜브를 가스센서에 이용할 경우 상온 동작이 가능하고, 유해 가스와 반응시 전기전도도의 증가 및 감소 정도가 크기 때문에 감도가 매우 좋으며 응답 시간이 수 초로 반응 속도가 빠르다는 장점이 있다.
또한, 탄소나노튜브를 이용한 센서를 200℃ 정도로 가열할 경우 원래의 전기전도도로 복귀가 되며, 반복적인 실험을 하더라도 성능의 저하가 이루어지지 않는다.
그러나 이와 같은 탄소나노튜브를 이용한 센서는 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition)과 같은 일반적인 탄소나노튜브의 성장 방법에 의해 성장된 탄소나노튜브(10)가 두 전극(21, 22) 사이에 배치되어 있는 구조로 이루어지는데, 이 경우 원자힘 현미경(AFM : atomic force microscope) 팁과 같은 미세기구를 이용한 조작이 필요하므로 제작하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 과제는 고감도이며 상온 동작이 가능한 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 구조와 제조 방법을 제시하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 기술에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 평면도.
도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ´선을 따라 자른 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 과정을 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 과정을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 금속 패턴
120 : 절연막 패턴 131 : 제1 금속 전극
132 : 제1 연결선 133 : 제1 금속 패드
141 : 제2 금속 전극 142 : 제2 연결선
143 : 제2 금속 패드 150 : 탄소나노튜브
160 : 도금층
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시켜 가스센서에 적용한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법에서는 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 다수의 금속 패턴을 형성하고, 그 위에 절연막 패턴을 형성한다. 이어, 탄소나노튜브를 형성한 후 절연막 패턴 상부에 탄소나노튜브와 연결되어 있는 다수의 전극을 형성한다.
여기서, 금속 패턴은 Ni이나 Fe 또는 Co 중의 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 금속 패턴의 두께는 1,000 Å 이하일 수 있다.
한편, 전극의 폭은 5 내지 20 ㎛인 것이 바람직하며, 전극 사이의 간격은 2 내지 5 ㎛인 것이 좋다.
본 발명에서, 절연막 패턴은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 또 다른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법에서는 기판 위에 다수의 금속 패턴을 형성하고, 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성한 다음, 금속 패턴의 적어도 하나의 측면에 천이 금속으로 이루어진 도금층을 형성한다. 이어, 도금층과 이어진 탄소나노튜브를 형성한 후, 절연막 패턴 상부에 탄소나노튜브와 연결되어 있는 전극을 형성한다.
여기서, 도금층의 형성은 전기 도금 방법을 이용하거나, 화학기상증착법을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에서는 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 다수의 금속 패턴이 형성되어 있다. 금속 패턴 상부에는 절연막 패턴이 형성되어 있고, 기판과 나란한 방향을 가지며 금속 패턴 사이에 탄소나노튜브가 형성되어 있다. 이어, 절연막 패턴 상부에 탄소나노튜브와 연결되어 있으며 인터 디지트 형태를 이루는 전극이 형성되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 또 다른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에서는 기판 위에 다수의 금속 패턴이 형성되어 있고, 그 위에 절연막 패턴이 형성되어 있다. 금속 패턴의 측면에는 천이 금속으로 이루어진 도금층이 형성되어 있으며, 금속 패턴 사이에 기판과 나란한 방향을 가지는 탄소나노튜브가 형성되어 있다. 이어, 절연막 패턴 상부에 탄소나노튜브와 연결되어 있으며 인터 디지트 형태를 이루는 전극이 형성되어 있다.
이와 같이 본 발명에서는 탄소나노튜브를 가스센서에 적용하여 고감도이며 상온 동작이 가능하고 응답 속도가 빠른 가스센서를 제공할 수 있으며, 가스센서 제작시 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시킴으로써 제작 공정을 단순화할 수 있다.
그러면, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서 및 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 평면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 구조는 유해가스와 탄소나노튜브의 반응을 증진시키기 위하여 인터 디지트(inter digit) 형태의 구조를 가진다. 이와 같은 구조의 가스센서에는 세로 방향으로 나란한 다수의 제1 금속 전극(141)이 형성되어 있고 제1 금속 전극(141)을 연결하는 제1 연결선(142)이 가로 방향으로 형성되어 있으며, 제1 연결선(142)은 전극 접합을 위한 제1 전극 패드(143)와 이어져 있다. 또한, 제1 금속 전극(141)과 나란하며 대응하는 제1 금속 전극(141)과 일정 간격 이격되어 배치되어 있는 다수의 제2 금속 전극(151)이 형성되어 있다. 제2 금속 전극(151)은 제2 연결선(152)으로 이어져 있으며, 제2 연결선(152)은 제2 전극 패드(153)와 연결되어 있다. 제1 금속 전극(141)과 제2 금속 전극(151) 사이에는 다수의 탄소나노튜브(130)가 형성되어 있다.
여기서, 센서의 적용 분야에 따라 금속 전극(141, 151)의 선폭과 두 금속 전극(141, 151) 사이의 간격은 변화하는데, 선폭이 너무 작으면 전극이 끊어지거나 형성하기 어렵고 선폭이 너무 크면 가스를 감지하기 위한 영역이 작아지므로 일반적으로 선폭은 5 내지 20 ㎛ 정도가 되도록 하고 간격은 2 내지 5 ㎛ 정도가 되도록 한다. 또한, 전극 패드(143, 153)는 사각형 모양으로 그 크기는 전극의 접합을 위해 250 ㎛ ×150 ㎛의 크기로 하는데, 다른 형태를 가지도록 할 수도 있다.
이와 같은 구조를 가지는 탄소나노튜브를 이용한 센서에 대하여 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ´선을 따라 자른 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 천이 금속(transition metal)으로 이루어진 금속 패턴(110)이 형성되어 있고, 그 위에 절연막 패턴(120)이 형성되어 있다. 이웃하는 두 금속 패턴(110) 사이에는 탄소나노튜브(130)가 형성되어 있으며, 절연막 패턴(120) 상부에는 제1 및 제2 금속 전극(141, 151)이 각각 형성되어 절연막 패턴(120)과 금속 패턴(110)을 덮으며 탄소나노튜브(130)와 연결되어 있다.
그러면, 도 4a 내지 도 4c 및 앞서의 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 유리나 실리콘과 같은 기판(100) 위에 금속 패턴(110)을 형성한다. 금속 패턴(110)은 금속막을 증착한 후 감광막(photo resister)을 이용한 사진 식각 공정으로 형성할 수 있으며, 또는 패턴(110)이 형성될 부분 이외의 부분에 감광막을 형성한 다음 금속막을 증착하고 감광막과 그 상부의 금속막을 함께 제거하는 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 형성할 수도 있다.
이때, 금속 패턴(110)은 탄소나노튜브(130)를 성장시키기 위한 금속 촉매로서, 니켈(Ni)이나 철(Fe), 코발트(Co) 또는 이들의 합금과 같은 천이 금속(transition metal)으로 형성한다.
금속 패턴(110)의 두께는 이후 형성되는 탄소나노튜브(130)의 직경과 관계가 있는데, 탄소나노튜브(130)는 직경이 작은 경우 반도체의 특성을 나타내며, 직경이 큰 경우에는 금속의 성질을 가진다. 탄소나노튜브(130)를 센서와 같은 소자에 응용하기 위해서는 탄소나노튜브(130)가 반도체의 성질을 갖는 것이 바람직하므로 탄소나노튜브(130)의 직경이 작게 되도록 금속 패턴(110)의 두께를 얇게 하는 것이 좋다. 이때, 금속 패턴(110)의 두께는 1,000 Å 이하로 형성하는 것이 좋다.
다음, 도 4b에 도시한 바와 같이 금속 패턴(110) 상부에 절연막 패턴(120)을 형성한다. 여기서, 절연막 패턴(120)은 탄소나노튜브(130)가 수직 방향으로 성장되는 것을 방지하는 것으로, 금속 패턴(110) 상부에만 형성할 수도 있고 도 2의 가장 바깥쪽에 있는 전극(141)과 같이 경우에 따라 탄소나노튜브(130)가 형성되지 않는 쪽의 측면까지 덮도록 형성할 수도 있다. 이때, 절연막 패턴(120)의 두께는 하부의 금속 패턴(110)이 탄소나노튜브의 성장 시 탄소를 포함하는 반응가스에 노출되지 않도록 100 Å 이상으로 형성한다.
절연막 패턴(120)은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 형성할 수 있으며, 또는 다른 절연 특성을 가지는 물질을 이용할 수도 있다. 절연막 패턴(120)을 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막으로 형성할 경우에는 화학기상증착법 등의 방법으로 증착한 후 패터닝하여 형성한다.
이어, 도 4b의 기판(100)을 탄소나노튜브 성장 장치에 장입하여 bias전압의 방향과 크기 성장조건의 조절을 통하여 탄소나노튜브(130)를 성장시키면 도 4c에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브(130)는 금속 패턴(110)의 일측면으로부터 이웃하는 금속 패턴(110)의 일측면까지 수평 방향으로 성장된다. 이때, 탄소나노튜브(130)를 성장시키는 방법으로는 플라즈마 화학기상증착법이나 핫 필라멘트 화학기상증착법 또는 열 화학기상증착법 등을 이용할 수 있다.
다음, 도 3에 도시한 바와 같이 도 4c의 절연막 패턴(120) 상부에 절연막 패턴(120) 및 금속 패턴(110)을 덮으며 탄소나노튜브(130)와 연결되도록 제1 및 제2 금속 전극(141, 151)을 각각 형성함으로써 수평 방향으로 성장된 탄소나노튜브(130)를 이용한 가스센서를 제조할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 연결선(142, 152)과 제1 및 제2 전극 패드(143, 153)도 같이 형성된다.
여기서, 제1 및 제2 금속 전극(141, 151) 형성시 리프트 오프 방법을 이용할 수 있는데, 이 경우 탄소나노튜브(130)와 금속 전극(141, 151) 간의 접합 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 탄소나노튜브(130)의 성장에 관여하는 금속 촉매 즉, 금속 패턴(110)의 성장 방향은 기판(100)에 수직인 방향으로 탄소나노튜브(130)의 성장 방향과는 수직이 된다. 도금이나 화학기상증착법을 이용하여 금속 촉매의 성장 방향을 탄소나노튜브(130)의 성장 방향 즉, 기판(100)에 수평한 방향으로 성장시킬 경우 탄소나노튜브(130)의 성장을 촉진시킬 수도 있다.
이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소나노튜브를 가스센서의 제조 방법에 대하여 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 앞선 제1 실시예에서와 마찬가지로 기판(100) 위에 금속 패턴(110)을 형성하고 그 위에 절연막 패턴(120)을 형성한다. 이때, 금속 패턴(110)은 제1 실시예에서와 같이 반드시 천이 금속일 필요는 없으며 전기장을 가해 줄 수 있는 금속이면 가능하다.
이어, 도 5b에 도시한 바와 같이 금속 패턴(110) 측면에 천이 금속으로 이루어진 도금층(160)을 형성한다. 여기서, 도금층(160)은 수용액 중에 이온 형태로 존재하는 금속을 전기에너지를 이용하여 석출하는 전기 도금 방법으로 형성하거나 화학기상증착법을 이용하여 형성할 수도 있다. 이때 도금층(160)은 기판(100)에 대해 수평 방향으로 성장되므로 이후 탄소나노튜브(130)가 수평 방향으로 성장하는 것을 촉진시킬 수 있다.
다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브(130)를 성장시킨다. 여기서도 제1 실시예와 마찬가지로 플라즈마 화학기상증착법이나 핫 필라멘트 화학기상증착법 또는 열 화학기상증착법을 이용할 수 있다.
이어, 도 5d에 도시한 바와 같이 절연막 패턴(120) 상부에 제1 및 제2 금속 전극(141, 151)을 형성한다. 여기서, 제1 및 제2 금속 전극(141, 151) 형성시 제1 및 제2 연결선(142, 152)과 제1 및 제2 전극 패드(143, 153)도 같이 형성된다.
이와 같이 본 발명에서는 탄소나노튜브를 제작하여 가스센서에 적용할 수 있다.
본 발명에서는 탄소나노튜브를 가스센서에 적용하여 미세한 양의 유해 가스를 감지할 수 있으며, 상온 동작이 가능하고 응답 속도가 빠른 가스센서를 제공할 수 있다.
또한, 가스센서 제작시 탄소나노튜브를 수평 방향으로 성장시킴으로써 제작 공정을 단순화하여 비용을 절감할 수 있고, 탄소나노튜브의 성장 후 금속 전극을 형성하여 탄소나노튜브와 전극의 접촉 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 기판을 구비하는 단계,
    상기 기판 위에 천이 금속으로 이루어진 다수의 금속 패턴을 형성하는 단계,
    상기 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성하는 단계,
    탄소나노튜브를 형성하는 단계,
    상기 절연막 패턴 상부에 상기 탄소나노튜브와 연결되어 있는 다수의 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 패턴은 Ni이나 Fe 또는 Co 중의 어느 하나로 이루어진 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 패턴의 두께는 1,000 Å 이하인 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극의 폭은 5 내지 20 ㎛인 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 사이의 간격은 2 내지 5 ㎛인 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연막 패턴은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 이루어진 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  7. 기판을 구비하는 단계,
    상기 기판 위에 다수의 금속 패턴을 형성하는 단계,
    상기 금속 패턴 상부에 절연막 패턴을 형성하는 단계,
    상기 금속 패턴의 적어도 하나의 측면에 천이 금속으로 이루어진 도금층을형성하는 단계,
    상기 도금층과 이어진 탄소나노튜브를 형성하는 단계,
    상기 절연막 패턴 상부에 상기 탄소나노튜브와 연결되어 있는 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 도금층의 형성은 전기 도금 방법을 이용하는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 도금층의 형성은 화학기상증착법을 이용하는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 제조 방법.
  10. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 천이 금속으로 이루어진 다수의 금속 패턴,
    상기 금속 패턴 위에 형성되어 있는 절연막 패턴,
    상기 기판과 나란한 방향을 가지며 상기 금속 패턴 사이에 형성되어 있는 탄소나노튜브,
    상기 절연막 패턴 상부에 상기 탄소나노튜브와 연결되어 있으며 인터 디지트 형태를 이루는 전극
    을 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서.
  11. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있는 다수의 금속 패턴,
    상기 금속 패턴 위에 형성되어 있는 절연막 패턴,
    상기 금속 패턴의 측면에 형성되어 있으며 천이 금속으로 이루어진 도금층,
    상기 기판과 나란한 방향을 가지며 상기 금속 패턴 사이에 형성되어 있는 탄소나노튜브,
    상기 절연막 패턴 상부에 상기 탄소나노튜브와 연결되어 있으며 인터 디지트 형태를 이루는 전극
    을 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서.
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