KR20060068534A - 나노와이어 센서 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
나노와이어(nanowire) 센서 및 제조 방법을 제시한다. 본 발명에 따르면, 서로 이격된 두 전극과, 두 전극 사이에 부착된 바나듐 산화물(V2O5) 나노와이어가 헬륨(He) 원소를 포함하는 감지 대상원소를 감지함에 따라 나노와이어의 저항을 감지하는 측정부를 포함하여 구성되는 나노와이어 센서를 제시한다.
나노와이어, 헬륨 감지 센서, 저항, 바나듐 산화물, 진공
Description
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서를 설명하기 위해서 도시한 주사전자현미경사진(SEM) 및 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서를 이용하여 진공계와 대기 중에서 측정한 전압(V)-전류(I) 특성 그래프(graph)이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서에서 측정되는 전도도 변화를 설명하기 위한 측정 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서의 헬륨 감지에 따른 저항 변화를 설명하기 위한 측정 그래프이다.
본 발명은 감지 센서(sensor)에 관한 것으로, 특히, 바나듐 산화물(V2O5) 나노와이어(nanowire)를 이용한 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
기체 또는/ 및 액체와 같은 유체 내의 특정 원소를 감지하거나 또는 특정 원 소의 분압(partial pressure)을 측정하는 데 감지 센서가 사용될 수 있다. 또한, 진공 장비 및 진공 챔버(chamber)에 형성된 진공도 측정하거나 또는 진공 장비 및 진공 챔버의 기체 누설 위치를 파악하는 데 감지 센서가 사용될 수도 있다. 또한, 기체 또는/ 및 액체와 같은 유체의 압력을 측정하는 데 감지 센서가 사용될 수 있으며, 기체 또는 액체 내에 특성 원소의 농도 등을 감지 센서를 사용하여 측정할 수 있다. 이러한 감지 센서는 여러 가지 원리를 이용하여 여러 형태로 개발되고 있다.
그런데, 헬륨 기체와 같은 불활성 기체 또는 불활성 원소는 다른 물질과 반응하지 않는 특성을 가지고 있다고 알려져 있어, 이러한 불활성 원소를 감지하는 감지 센서를 개발하기는 어렵다고 알려져 있다. 종래의 경우 이러한 헬륨(He) 기체의 존재 유무를 파악하기 위해서, 예컨대 질량 분석기를 이용하여 질량을 측정하여 헬륨 기체를 인지하는 방법이 제시되고 있다.
따라서, 이러한 불활성 원소를 포함하여 여러 원소에 대해 그 존재 유무를 감지할 수 있으며, 이러한 감지 성능을 이용하여 진공 상태의 진공도 측정, 또는/ 및 유체의 압력을 포함한 흐름을 감지할 수 있는 새로운 감지 센서의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이러한 불활성 원소를 포함하여 여러 원소에 대해 그 존재 유무를 감지할 수 있는 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 관점은, 바나듐 산화물 나노와이어(nanowire)를 이용한 감지 센서를 제시한다.
상기 나노와이어 센서는 감지 대상 원소를 포함하는 측정 대상계; 서로 이격된 두 전극; 상기 두 전극 사이에 부착되되 상기 측정 대상계에 인입된 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(nanowire); 및 상기 감지 대상 원소를 감지함에 따른 상기 나노와이어의 저항 변화를 감지하는 측정부를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 감지 대상 원소는 헬륨(He)일 수 있다. 또는, 상기 감지 대상 원소는 대기 중에 포함된 대기 성분 원소일 수 있다. 예컨대, 상기 감지 대상 원소는 산소(O2), 질소(N2), 물(H2O) 또는 수소(H2)일 수 있다.
따라서, 상기 측정 대상계는 진공계이거나 액상 또는 기상을 포함하는 계(system)일 수 있다.
상기 측정부는 상기 나노와이어의 저항 변화를 측정하여 상기 측정 대상계 내에서의 상기 감지 대상 원소의 분압 또는 농도를 측정하는 것일 수 있다.
상기 측정부는 상기 나노와이어의 저항 변화를 측정하여 상기 측정 대상계 내의 진공도를 측정하거나 압력 변화를 측정하는 것일 수 있다.
상기 측정부는 상기 측정 대상계가 기체 또는 유체의 흐름일 때 상기 나노와이어의 저항 변화를 측정하여 상기 흐름의 압력 변화를 측정하는 것일 수 있다.
또한, 상기 나노와이어 센서를 제조하는 방법은, 서로 이격된 두 전극을 도 입하는 단계; 상기 두 전극들 상에 걸쳐지게 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(nanowire)들을 도입하는 단계; 상기 두 전극에 교류 전압을 인가하여 상기 나노와이어들이 인가되는 교류 전기장에 의해서 상호 이격되게 정렬시키는 단계; 상기 정렬된 나노와이어들을 상기 두 전극에 걸쳐지게 부착하는 단계; 및 상기 두 전극을 측정부에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
또는, 상기 나노와이어 센서를 제조하는 방법은, 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(nanowire)들이 분산된 용액을 준비하는 단계; 상기 두 전극들 상 및 상기 두 전극들 사이에 상기 용액을 도입하는 단계; 상기 두 전극에 교류 전압을 인가하여 상기 용액 내에 분산된 상기 나노와이어들이 인가되는 교류 전기장에 의해서 상기 두 전극에 걸쳐지되 상호 이격되게 정렬시키는 단계; 상기 용액 중의 용매 성분을 증발시키는 단계; 상기 정렬된 나노와이어들을 상기 두 전극에 부착하는 단계; 및 상기 두 전극을 측정부에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 헬륨과 같은 불활성 기체 원소를 효과적으로 감지할 수 있어, 진공도의 측정 또는 진공 누설 감지 등에 사용될 수 있는 나노 와이어 센서를 제공할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어 져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는, 바나듐 산화물(V2O5) 나노와이어를 이용하여 기존에 감지할 수 없었던 헬륨(He) 기체를 포함한 불활성 기체, 진공도, 그리고, 기체의 압력을 포함한 흐름을 감지할 수 있는 센서를 제시한다. 2 탐침 전극 또는 경우에 따라 4 탐침 전극을 두 그룹(group)으로 분할하고, 전극들 사이에 전극에 실질적으로 연결되게 V2O5 나노와이어를 정렬시킨 후, 전기적으로 한 전극에는 소스 전극(source node)을 부착하고, 다른 한 전극에는 드레인 전극(drain node)을 부착하여 서로 간에 흐르는 전류를 측정함으로써 저항을 알아낼 수 있다. 이로부터, 일반 대기 중에서의 저항과 진공 중에서의 저항 그리고, 헬륨 기체를 주입하였을 때, 기타 기체와 압력이 변하였을 때 저항이 각각 다르게 나타나게 되며, 이로부터 기체 또는/및 유체의 압력과 농도 흐름을 감지할 수 있다.
이와 같은 센서의 고감지도를 이용하여 공기 중에 존재하는 액체와 기체의 변화량을 감지하여 그들의 개개 액체 또는/및 기체에 대한 정보를 개별화할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 주사전자현미경사진(SEM) 및 모식도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서는, 도 1a에 제시된 바와 같이, 두 전극(11, 15) 사이에 V2O5 나노와이어(20)를 정렬시킨 후 전기적으로 연결한다. 두 전극(11, 15) 아래의 전극(10)과 두 전극(11, 15) 사이에 교류 전기장을 이용하여 나노와이어(20)를 정렬시켜 부착한다. 정렬되어진 나노와이어(20)의 양 전극(11, 15) 사이에 전압을 인가하고 이때 흐르는 전류를 읽어 들인다. 즉, 감지 대상 원소, 예컨대, 헬륨 원소를 포함하는 측정 대상계(system of sensing target: 40) 내에 도 1b에 제시된 바와 같이 서로 이격된 두 전극(11, 15)을 도입하고, 두 전극(11, 15) 사이에 실질적으로 양 끝단이 부착되게 측정 대상계에 인입된 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(20)를 포함하여 센서가 구성될 수 있다.
이때, 두 전극(11, 15)에 각각 소스 전극 및 드레인 전극을 부착하여 외부로 연장시켜 측정부(30)에 연결시킨다. 측정부(30)는 두 전극(11, 15)에 전압을 인가하고 감지 대상 원소를 감지함에 따른 나노와이어(20)를 흐르는 전류의 변화를 감지하여 나노와이어(20)의 저항 변화를 감지한다.
이와 같은 나노와이어 센서는 먼저 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어들이 분산된 용액을 준비하는 단계를 포함하는 과정으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(20)들을 형성한 후, 이러한 나노와이어(20)들을 용매에 분산시켜 나노와이어가 분산된 용액을 형성한다. 이후에, 이러한 나노와이어가 분산된 용액을 도 1a에 제시된 바와 같이 도입된 두 전극들(11, 15)과 그 아래의 전극(10) 상 및 이들 전극들(10, 11, 15) 사이에 떨어뜨린다. 용액이 두 전극 들(11, 15) 상 및 사이에 도입된 상태에서, 두 전극(10, 11)에 교류 전압을 인가한다. 인가된 교류 전압에 의해서 용액 내에 분산된 나노와이어들(20)이 두 전극(11, 15) 및 두 전극(11, 10) 사이의 모든 전극에 걸쳐지되 상호 이격되게 정렬된다. 이때, 나노와이어들(20)은 상호 실질적으로 평행하게 정렬된다. 이는 도 1a의 SEM 사진으로도 입증된다.
이후에, 용액 중의 용매 성분을 증발시켜 나노와이어(20)를 남겨 정렬된 나노와이어(20)들이 두 전극(11, 10) 사이의 모든 전극에 걸쳐서 부착되게 한다. 그리고, 두 전극(11, 15)에 각각 소스 전극 및 드레인 전극을 부착하여 측정부(40)에 전기적으로 연결시켜 센서를 완성한다.
이와 같은 나노와이어 센서의 나노와이어(20)를 측정 대상계(30)에 인입하고, 측정 대상계(30) 내의 측정 원소를 감지하게 한다. 이때, 감지 대상 원소는 헬륨(He)과 같은 불활성 기체 원소뿐만 아니라, 대기 중에 포함된 대기 성분 원소 또는/및 기타 다른 성분일 수 있다. 예컨대, 감지 대상 원소는 산소(O2), 질소(N2), 물(H2O) 또는 수소(H2)일 수 있다.
측정부(40)는 나노와이어(20)의 저항 변화를 감지하여 측정 대상계(30), 예컨대, 진공 챔버 내부와 같은 진공계, 일반 대기 중, 액상 상태의 계, 또는 액상이 도입되어 액상 성분이 대기 중으로 증발하는 계 내에서의 감지 대상 원소의 분압 또는 농도, 그리고, 이들의 변화 등을 측정할 수 있고, 진공도를 측정하거나 압력 변화를 측정할 수 있으며, 측정 대상계(30)가 기체 또는 유체의 흐름일 때 이러한 흐름의 압력 변화를 측정할 수 있다.
실제 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서를 이용하여 진공도를 측정한 결과를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서를 이용하여 측정한 진공계와 대기 중에서의 전압(V)-전류(I) 특성 그래프(graph)이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 센서를 진공 챔버(vacuum chamber) 내에 투입하고, 두 전극(도 1a의 11, 15)은 외부 측정부(도 1b의 40)에 연결하여 헬륨 기체가 있을 때와 없을 때 그리고, 진공이 이루어졌을 때, 그리고, 대기 중일 때의 경우를 고려하여 저항 변화를 측정한다. 이러한 측정으로부터 얻어진 결과는 도 2에 제시된 바와 같은 전압-전류 특성 그래프로 표시될 수 있다. 참조부호 201은 1×10-2torr 정도의 진공도에서 측정된 전압-전류 특성 그래프이고, 참조부호 205는 대기 중에서 측정된 전압-전류 특성 그래프이다. 결과에서 제시된 바와 같이 저항값이 진공일 경우 더 낮게 나타난다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서를 이용하여 측정한 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 일정한 전압을 인가해준 상태에서 진공 상태에서 공기를 주입하며 변화되는 전도도의 변화량을 측정할 수 있다. 즉, 전도도의 변화량은 공기 중일 때의 전도도값(S0)을 기준으로 하여 측정된 전도도(S)를 정규화한다. 도 3에 제시된 바와 같이 전도도는 진공 펌프(vacuum pump)를 켜 진공계를 형성하였을 때 급격히 증가함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서의 헬륨 감지에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 진공도가 1×10-2 torr 일 때(401)와 헬륨 기체를 주입하여 760torr가 되어질 때(405)의 두 조건에서 서로 다른 저항값이 측정되고 있다. 즉, 헬륨 기체의 주입에 따라 저항의 변화량이 감지된다. 이러한 도 4의 결과는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 센서가 헬륨과 같은 불활성 원소의 존재 여부에 대한 정보를 얻는 데 매우 유용함을 보여준다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는 나노와이어를 이용한 불활성 기체 그리고, 진공도에 대해서 센서로서 동작함을 측정한 전도도의 변화량으로 그 값을 정할 수 있음을 보여준다. 즉, 진공도가 대기압 상태의 공기의 압력 상태에서 점점 그 크기가 낮아짐에 따라서 측정하는 전도도의 크기가 점점 증가하고, 뿐만 아니라 이렇게 진공도가 유지된 상태에서 불활성 기체가 주입되었을 때 전도도 또한 다시 증가함을 보여준다. 이는 삽입되는 기체의 종류에 따라서 다르게 나타나며, 특히 일반적인 기체뿐만 아니라 화학적으로 반응하지 않는 불활성 기체에 대해서도 반응함을 보여준다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 나노와이어 센서는 기존의 헬륨 감지 장치를 대체할 수 있으며, 기타 불활성 및 활성 기체의 감지도 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 센서는 고진공하에서 많이 사용되고 있는 진공 장비의 기체 누출 위치를 쉽게 파악할 수 있다. 즉, 고진공 상태의 진공 장비가 진공이 잘 잡히지 않을 때 어느 부분에서 진공이 새고 있는 지를 파악하기 위하여, 진공 챔버 내에 헬륨 기체를 흘려주었을 때, 본 발명에서 제기하는 센서를 이용하여 쉽게 그 위치를 알아낼 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 기존에 사용되고 있는 질량 분석을 통한 헬륨 감지 장치보다 그 크기가 작고, 헬륨 감지의 기구(mechanism)가 훨씬 간편한 이점을 가지는 나노와이어 센서를 제시할 수 있다. 본 발명에서 제시하는 나노와이어 센서는 아주 작은 크기로 소자를 제작할 수 있고, 나노와이어를 이용함으로써 전체적인 감지 표면적을 넓혀준다는 점에서, 충분히 고진공하에서의 헬륨 기체의 누출을 감지할 수 있음을 의미한다.
또한 본 발명은 진공 중에서 주변에 형성되어진 진공도를 알아낼 수 있는 장치로도 사용되어질 수 있다. 예컨대, 진공 누설의 감지 등에 이용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명을 통하여 불활성 기체와 불활성 기체를 제외한 기타 기체의 존재유무를 파악할 수 있으며, 그들의 압력 변화와 유량 변화를 알아 낼 수 있다. 또한, 공기 중일 때를 비롯하여 진공 중이거나, 기타 혼합 기체들에 섞여져 있을 때에도 개개 기체의 존재 유무를 알아낼 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
Claims (10)
- 감지 대상 원소를 포함하는 측정 대상계;서로 이격된 두 전극;상기 두 전극 사이에 부착되되 상기 측정 대상계에 인입된 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(nanowire); 및상기 감지 대상 원소를 감지함에 따른 상기 나노와이어의 저항 변화를 감지하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 감지 대상 원소는 헬륨(He)인 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 감지 대상 원소는 대기 중에 포함된 대기 성분 원소 또는 대기 중에 포함된 다른 성분인 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 감지 대상 원소는 산소(O2), 질소(N2), 물(H2O) 또는 수소(H 2)인 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 측정 대상계는 진공계이거나 액상 또는 기상을 포함하는 계(system)인 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 측정부는 상기 나노와이어의 저항 변화를 측정하여 상기 측정 대상계 내에서의 상기 감지 대상 원소의 분압 또는 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 측정부는 상기 나노와이어의 저항 변화를 측정하여 상기 측정 대상계 내의 진공도를 측정하거나 압력 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 제1항에 있어서,상기 측정부는 상기 측정 대상계가 기체 또는 유체의 흐름일 때 상기 나노와이어의 저항 변화를 측정하여 상기 흐름의 압력 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서.
- 서로 이격된 두 전극을 도입하는 단계;상기 두 전극들 상에 걸쳐지게 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(nanowire)들을 도입하는 단계;상기 두 전극에 교류 전압을 인가하여 상기 나노와이어들이 인가되는 교류 전기장에 의해서 상호 이격되게 정렬시키는 단계;상기 정렬된 나노와이어들을 상기 두 전극에 걸쳐지게 부착하는 단계; 및상기 두 전극을 측정부에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서 제조 방법.
- 바나듐 산화물(V2O5)의 나노와이어(nanowire)들이 분산된 용액을 준비하는 단계;상기 두 전극들 상 및 상기 두 전극들 사이에 상기 용액을 도입하는 단계;상기 두 전극에 교류 전압을 인가하여 상기 용액 내에 분산된 상기 나노와이어들이 인가되는 교류 전기장에 의해서 상기 두 전극에 걸쳐지되 상호 이격되게 정렬시키는 단계;상기 용액 중의 용매 성분을 증발시키는 단계;상기 정렬된 나노와이어들을 상기 두 전극에 부착하는 단계; 및상기 두 전극을 측정부에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 센서 제조 방법.
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