KR20120100536A - 은이 도핑된 산화아연 나노선을 갖는 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 센서는 기판, 상기 기판 상에 형성된 절연막, 상기 절연막 상에 위치하며, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선, 및 상기 절연막 상에 서로 이격되어 위치하며, 상기 나노선과 전기적으로 연결된 복수개의 전극들을 포함한다. 이에 따라, 높은 가스검출 감응도를 가지며, 다양한 유해 가스를 검출할 수 있는 가스 센서를 제공할 수 있다.

Description

은이 도핑된 산화아연 나노선을 갖는 가스 센서 및 그 제조 방법{Gas Sensor having Ag-doped ZnO nanowire and method of manufacturing the same}
본 발명은 은이 도핑된 산화아연 나노선을 갖는 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스 센서에 이용되는 대표적인 반도체 물질로서, 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화텅스텐(WO3) 등이 있다. 이중에서도 특히 산화아연(ZnO)은 밴드갭이 약 3.35 전자볼트(eV)이고 n형 반도체 특성을 가지고 있으며, 다양한 분야에의 응용 가능성이 확인되면서 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한, 산화아연(ZnO)은 상대적으로 넓은 밴드갭과 더불어 높은 약 60 meV의 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy)를 가지고 있어, 단파장 영역에서의 광전자 소자로서의 응용 연구가 많이 이루어지고 있다.
종래의 박막형 또는 벌크형 가스 센서의 특성은 반응 물질에 따른 입자 표면과 검출 가스의 흡착 및 탈착 과정에 의해 생기므로 입자의 크기를 작게 하고, 표면의 거칠기를 극대화하거나, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속을 첨가함으로써 반응할 수 있는 영역을 향상시킨다. 그러나, 이러한 박막형 또는 벌크형 가스 센서에서 입자 크기의 감소는 제한이 있기 때문에, 이에 대한 대안으로 1차원 구조물인 나노선을 이용한 가스검출 연구가 활발히 진행되고 있다.
종래의 박막형이나 벌크형의 구조는 미래의 전자 산업에서 요구되는 큰 부피 대비 표면적, 고집적, 저전력을 실현하는데 한계가 있다. 이에 비해, 1차원 나노선은 작은 면적에 다양한 고밀도의 디바이스를 제작할 수 있으므로, 장래 가스 센서뿐 아니라 다양한 응용분야에서 이용될 것으로 예상되고 있다.
나노구조체(nanostructure)들은 나노 단위의 크기(nanoscale dimension), 양자구속 효과, 탁월한 결정성 및 체적 대비 높은 표면적 등 기존의 벌크(bulk) 소재에서는 발견할 수 없는 다양한 물리적 및 화학적 특성들을 나타낼 수 있다.
따라서, 나노구조체를 이용하여 상대적으로 고도화되고 소형화된 전기 화학적 또는 광학적 소자들을 구현할 수 있으며, 기존에는 불가능했던 새로운 특성 또는 구조를 구현할 수도 있다. 여기서 나노구조체란, 나노미터(㎚) 수준의 크기를 갖는 구조체를 의미한다.
물리적, 화학적, 광학적 및 역학적 특성은 입자의 크기와 형태에 따라 매우 민감하게 변할 수 있다.　나노기술을 적용하여 만든 나노물질 및 나노구조체들은 촉매, 광전자, 전자 재료, 신소재, 의학을 포함한 정보통신공학, 전기전자공학 및 생명공학 등 광범위한 분야에서 응용이 진행되고 있으며, 응용 가능한 기술 개발에 많은 연구가 이루어지고 있다.
나노기술이 이용되는 분야 중에서 반도체 산업 분야는 점점 더 좁은 영역에 더 많은 전자소자를 집적하는 방향으로 진행되어, 나노기술이 나노구조체를 합성하여 적용되기에 이르렀다.　이러한 나노구조체를 합성하여 응용하는 나노기술을 적용하여 반도체 산업 분야의 소자를 제작할 수 있다.
특히, 나노선의 다양한 응용을 위해서는 자유롭게 전기적 특성을 변화시킬 수 있어야 하는데, 도핑은 반도체 기반 연구에서, 다양한 범위의 전기적 특성을 변화할 수 있는 방법 중 하나로 알려졌다. 또한, 가스 센서 응용에서 도핑 물질 및 도핑 농도 조절을 통해 가스 검출 감응도를 향상시킬 수 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 이용하여 높은 가스 검출 감응도를 갖는 가스 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 가스 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 가스 센서는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연막; 상기 절연막 상에 위치하며, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선; 및 상기 절연막 상에 서로 이격되어 위치하며, 상기 나노선과 전기적으로 연결된 복수개의 전극들을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선은, 상기 은(Ag)의 도핑 범위가 0.01 % 내지 40 %일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 가스 센서는 질소산화물(NOx), 탄소산화물(COx), 에탄올(C2H5OH), 벤젠(C6H6), 오존(O3), 염산(HCl), 암모니아(NH3), 불산(HF), 시안화수소(HCN), 황산화물(SOx) 및 휘발성유기화합물(VOC) 중에서 적어도 하나의 가스를 검출할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 가스 센서의 제조 방법은, 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 합성하는 단계; 상기 나노선을 용액에 혼합하는 단계; 상기 용액을 상기 절연막 상에 도포하여, 상기 나노선을 상기 절연막 상에 위치시키는 단계; 및 상기 나노선과 전기적으로 연결되며, 서로 이격된 복수개의 전극들을 패터닝하여 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 합성하는 단계는, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)을 포함하는 타겟 물질을 나노선 성장 기판과 인접하게 위치시키는 단계; 레이저를 인가하여 상기 타겟 물질을 기화시키는 단계; 및 상기 나노선 성장 기판 상에 상기 기화된 타겟 물질을 누적하여 상기 나노선을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 합성하는 단계는, 상기 나노선 성장 기판의 표면을 긁어내거나 상기 나노선 성장 기판에 초음파를 인가하여, 상기 나노선 성장 기판으로부터 상기 성장된 나노선을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 가스 센서 및 그 제조 방법에 따르면, 은(Ag)을 도핑하여 전기적 특성의 변화를 유도하여 가스검출 감응도를 차별화함으로써, 다양한 유해가스를 선택적 검출할 수 있다. 또한, 종래의 박막형 및 벌크형 가스 센서보다 더 적은 유해가스 농도에서도 높은 가스검출 감응도를 얻을 수 있어서, 가스 센싱이 필요한 다양한 기술 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 사시도이다.
도 2는 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 공정에 따라 제조한 도 1의 가스 센서의 전자 현미경 사진이다.
도 3은 도 1의 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선의 전자 현미경 사진이다.
도 4는 도 1의 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 에너지 분산형 분석기(EDS)에 의해 분석한 분석 데이터이다.
도 5는 도 1의 가스 센서의 이산화 질소(NO2) 가스 검출 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 가스 센서의 에탄올(C2H5OH) 가스 검출 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7e는 도 1의 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 표시 장치의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 사시도이다. 도 2는 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 공정에 따라 제조한 도 1의 가스 센서의 전자 현미경 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스 센서는, 기판(11), 상기 기판(11) 상에 형성된 절연막(12), 상기 절연막(12) 상에 위치하는 나노선(13) 및 상기 절연막(12) 상에서 상기 나노선(13)을 사이에 두고 서로 이격하여 위치하는 복수 개의 전극들(14)을 포함한다.
상기 기판(11)은 나노선 가스 센서 제작을 위한 기판이며, 실리콘(Si) 또는 실리콘 화합물을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 기판(11)은 폴리실리콘(poly-silicon) 계열의 물질을 포함할 수도 있다.
상기 절연막(12)은 상기 기판(11) 상에 형성되며, 절연 성질을 이용하여 게이트(Gate) 쪽으로 흘러가는 전류를 막아주고, 게이트 전압의 전계를 형성시켜주는 게이트 절연막에 해당한다. 상기 절연막(12)은 이산화 실리콘(SiO2), 질화 알루미늄(AlN), 질화 실리콘(Si3N) 및 이산화 티타늄(TiO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 절연막(12)은 상기 기판(11)을 열처리하여 형성될 수도 있다. 또한, 상기 절연막(12)의 두께는 약 100 ㎚ 내지 약 600 ㎚일 수도 있다.
다른 실시예에서, 상기 절연막(12) 상에 마이크로 히터, 저항성 히터 또는 가열로를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 가스 센서는 가스 측정시 온도 가열이 가능할 수 있다.
상기 나노선(13)은 상기 절연막(12)에 위치한다. 도 1에 도시된 나노선(13)은 하나의 나노선의 실제 크기 및 형상을 도시하는 것이 아니라, 하나 이상의 나노선(13)이 위치하는 영역을 나타내는 것이다. 상기 나노선(13)은 하나의 나노선을 포함할 수 있고, 두 개 이상의 나노선들을 포함할 수도 있다.
상기 나노선(13)은 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다. 상기 나노선(13)의 은(Ag)의 도핑 범위는 약 0.01 % 내지 약 40 %일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.01 % 내지 약 20 %일 수 있다.
예를 들어, 상기 나노선(13)은 은(Ag)이 약 1 중량%(wt%) 내지 약 5 wt%로 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다. 은(Ag)은 주기율표 IB 족에 속하는 원소의 하나로, 최외각 전자가 1이므로 산화아연(ZnO)의 아연(Zn) 사이트(site)에 치환되어 억셉터(acceptor)의 기능을 할 수 있다.
예컨대, 치환된 은(Ag)이 전도대(conduction band) 바로 아래의 약 0.23 전자볼트(eV)에서 억셉터로 기능하여 은(Ag) 도핑된 산화아연(ZnO)은 p형 반도체 특성을 가질 수 있다. 또한, 은(Ag)은 아연 사이트에 치환 또는 침입형으로 존재할 수도 있다.
상기 전극들(14)은 상기 절연막(12) 상에 이격되어 형성되며, 상기 나노선(13)과 접촉하여 전기적으로 연결된다. 상기 전극들(14)은 상기 나노선(13) 상에 형성될 수 있으며, 상기 전극들(14)은 상기 나노선(13)의 일부 또는 전부와 물리적으로 접촉할 수 있다.
상기 전극들(14)은 나노선 가스 센서에서 소스 전극 및 드레인 전극에 해당한다. 도 1에서 상기 전극들(14)은 두 개인 것으로 도시되었으나, 필요에 따라 세 개 이상일 수도 있다. 상기 전극들(14)이 세 개인 경우, 상기 전극들(14)은 각각 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극일 수 있다. 또한, 상기 전극들(14)이 네 개 이상인 경우, 하나의 나노선(13)에 두 개의 전극들(14)이 전기적으로 연결될 수도 있다. 이는 일례에 불과하며, 필요에 따라 다양하게 실시할 수 있다.
상기 전극들(14)은 금(Au) 전극일 수 있으며, 또는 전극으로 이용할 수 있는 모든 금속 등 도전 물질을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 전극들(14)의 두께는 약 200 ㎚로서, 상기 나노선(13)을 충분히 덮을 수 있을 정도의 두께일 수 있다. 상기 전극들(14) 사이의 간격은 약 3 ㎛ 내지 약 5 ㎛일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 절연막(12)과 상기 전극들(14)과의 접착력을 향상하기 위하여 상기 전극들(14)을 적층하기 전에 티타늄(Ti)을 약 10 ㎚ 내지 약 30 ㎚의 두께로 먼저 적층할 수 있다. 도 1에서 상기 전극들(14)은 단일층인 것으로 도시하였으나, 필요에 따라 이중 이상의 다중층을 포함할 수도 있다.
상기 전극들(14)은 전자빔 증착법(e-beam evaporation) 또는 열 증착법(thermal evaporation) 등에 의하여 물질을 증착하고, 포토리소그래피(photolithography) 공정 또는 리프트오프(lift-off) 공정 등에 의하여 증착된 물질을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 기술된 상기 전극들(14)을 형성하기 위한 공정은 예시적인 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하면 클러스터(cluster) 나노선의 패터닝이 가능하고, 상기 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정을 이용하면 단일 나노선의 패터닝이 가능하다.
예컨대, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 공정을 이용하여 상기 기판(11) 상의 상기 나노선(13)의 위치를 찾고, 상기 나노선(13)과 인접하여 상기 전극들(14)을 형성할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 절연막이 놓여진 실리콘(Si) 기판 상에 서로 이격된 소스 전극 및 드레인 전극과 그 사이의 단일 나노선을 확인할 수 있다. 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극은 상기 단일 나노선의 상부에 형성되고, 상기 단일 나노선과 물리적으로 접촉되어 있다. 이 때, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이의 거리는 약 3 ㎛이다.
상기 가스 센서는 다양한 유해 가스를 선택적으로 검출할 수 있다. 예를 들어, 상기 가스 센서는 질소산화물(NOx), 탄소산화물(COx), 에탄올(C2H5OH), 벤젠(C6H6), 오존(O3), 염산(HCl), 암모니아(NH3), 불산(HF), 시안화수소(HCN), 황산화물(SOx) 및 휘발성유기화합물(VOC) 중에서 적어도 하나의 가스를 검출할 수 있다.
도 3은 도 1의 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선의 전자 현미경 사진이다. 도 4는 도 1의 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 에너지 분산형 분석기(EDS)에 의해 분석한 분석 데이터이다.
도 3을 참조하면, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어진 타겟 물질을 이용하여 약 800 ℃에서 합성된 나노선의 전자 현미경 사진이다. 상기 나노선이 형성된 기판은 사파이어 기판일 수 있으며, 상기 사파이어 기판 상에 촉매 물질로 이용되는 금(Au) 박막을 형성할 수 있다. 상기 금(Au) 박막의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛일 수 있다.
도 4를 참조하면, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선의 성분 분석 결과를 알 수 있고, 그 중 은(Ag)의 성분을 확인 할 수 있다. 여기서, x 축은 에너지를 나타내고, y 축은 각 성분의 상대적인 강도를 나타낸다. 도 4의 그래프에서, 성장된 나노선에 은(Ag)이 잘 도핑됨을 확인 할 수 있다.
도 5는 도 1의 가스 센서의 이산화 질소(NO2) 가스 검출 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6은 도 1의 가스 센서의 에탄올(C2H5OH) 가스 검출 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, x 축은 시간을 나타내고, y 축은 저항을 나타낸다.
도 5에서 반응온도가 약 300 °C이고 이산화 질소(NO2) 농도가 약 1 ppm일 때, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 가스 센서의 특성을 측정하였다.
도 5를 참조하면, 에탄올(C2H5OH) 가스 주입 전에는 저항이 약 40000 Ω으로서 비교적 안정적이다. 이후, 가스가 주입되면 저항이 약 80000 Ω까지 상승하여 가스를 측정할 수 있다. 실험에서는 에탄올(C2H5OH) 가스를 주입과 배기를 반복하였다. 이때, 저항의 안정과 불안정이 반복하는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 은(Ag)의 도핑농도에 따른 나노선의 가스 센싱 특성을 알아보기 위하여 단일 나노선 가스 센서를 이용하였으나, 이외에 다양한 클러스터 나노선 가스 센서를 통해서도 상대적으로 나노선의 전기적 특성을 조절하여 다양한 가스 센싱 감도를 얻을 수 있다.
도 6에서 반응온도가 약 300 °C이고 에탄올(C2H5OH) 농도가 약 1 ppm일 때, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 가스 센서는 약 120 % 이상의 감응도를 나타내고 있다. 역시, 산화아연(ZnO) 가스의 주입과 배기가 반복됨에 따라, 저항의 안정과 불안정이 반복하는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 나노선 가스 센서에서 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선의 지름은 약 60 ㎚ 내지 약 110 ㎚일 수 있으며, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)은 가스흡착 과정에서 흡착에 의한 공핍층 형성이 나노선의 지름과 비슷한 크기로 일어나게 된다.
또한, 나노선은 우수한 단결정성이므로, 고 저항층인 입계(grain boundary)의 존재가 없어, 전류의 흐름에 손실이 적고, 박막이나 벌크형보다 부피 대비 표면적이 상당히 크기 때문에 높은 가스검출 감응도를 나타낸다.
따라서, 본 실시예에 따른 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선 가스 센서는 종래의 1종의 가스 검출에 의존하지 않고, 다양한 가스의 반응을 선택적으로 확인 할 수 있으므로, 추후 도핑된 나노선 가스 센서들의 네트워크화를 통한 어레이(array)에 응용하면 단시간에 다종의 가스를 검출 할 수 있는 가스 센서 소자 기술에 응용될 수 있을 것이다.
도 7a 내지 도 7e는 도 1의 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7a를 참조하면, 제1 기판(11)상에 절연막(12)을 형성할 수 있다. 상기 제1 기판(11)은 나노선 가스 센서 제작을 위한 기판이며, 실리콘(Si) 또는 실리콘 화합물을 포함할 수 있다.
한편, 상기 절연막(12)은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연막은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어질 수도 있다. 상기 절연막(12)의 두께는 약 100 nm 내지 약 600 nm일 수도 있다.
도 7b를 참조하면, 제2 기판(21)상에 나노선(23)을 형성할 수 있다. 상기 제2 기판(21)은 추후 상기 제1 기판(11)으로 옮겨질 나노선(23)이 미리 성장되기 위한 기판으로, 상기 나노선(23)의 성장을 위해 적합한 물질로 이루어질 수 있다.
예컨대, 상기 제2 기판(21)은 사파이어(sapphire)를 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 제2 기판(21) 상에는 상기 나노선(23)의 형성을 위한 촉매 물질(22)이 형성되어 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 기판(21)의 표면을 아세톤, 메탄올, 또는 탈이온수(deionized water; DI water) 등으로 세척하고, 상기 촉매 물질(22)로서 금(Au)을 증착할 수 있다.
상기 촉매 물질(22)의 두께에 따라 형성되는 상기 나노선(23)의 특성이 변화하므로, 상기 촉매 물질(22)의 두께는 목적하는 상기 나노선(23)의 특성에 따라 적절히 결정될 수 있다. 예컨대, 상기 촉매 물질(22)의 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm 일 수 있다.
상기 나노선(23)은 상기 촉매 물질(22)을 이용하여 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition; PLD)에 의하여 형성될 수 있다. 먼저 소정의 타겟 물질(미도시)을 상기 제2 기판(21)과 인접하여 위치시키고, 상기 타겟 물질에 레이저를 인가하여 기화시킬 수 있다.
예를 들어, 약 800 ℃의 온도, 약 90 sccm의 아르곤(Ar) 분위기 및 약 1.2 Torr의 진공도를 갖는 공정 조건하에서, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)으로 이루어진 타겟 물질에 약 30분간 레이저를 인가하여 기화시킬 수 있다. 이때 레이저로는 예컨대, 약 235 nm의 불화크립톤(KrF) 엑시머(eximer) 레이저를 이용할 수도 있다.
상기 기화된 타겟 물질이 상기 제2 기판(21)상의 상기 촉매 물질(22)의 바닥 부분에 쌓이면서 VLS(Vapor Liquid Solid) 방법으로 나노선(23)이 성장하게 된다. 그 결과, 성장된 나노선(23)은 타겟 물질과 마찬가지로 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 타겟 물질이 기화되어 상기 나노선(23)으로 형성되므로, 상기 타겟 물질의 조성을 조절함으로써, 상기 나노선(23) 내의 은(Ag) 도핑계수를 다양한 범위에서 조절할 수 있다.
예컨대, 상기 타겟 물질이 약 1 wt% 내지 약 5 wt%의 은(Ag)을 포함하는 산화아연(ZnO)으로 이루어지도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기 타겟 물질과 상기 제2 기판(21)의 상대적인 위치에 따라 다양한 지름 및 길이를 갖는 상기 나노선(23)을 합성할 수 있다.
도 7b에 도시된 상기 나노선(23)의 크기 및 형상은 발명의 이해를 위하여 과장하여 도시된 것으로서, 실제 나노선의 크기 및 형상을 나타내는 것이 아니라는 점은 당업자에게 이해될 것이다.
도 7c를 참조하면, 상기 나노선(23)을 상기 제2 기판(21)으로부터 분리시켜 용액(240)에 혼합시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(21)의 표면을 긁어내는 물리력에 의한 방법 또는 초음파를 인가하는 방법에 의하여 상기 제2 기판(21)으로부터 나노선 클러스터(230)를 분리해낼 수 있다.
분리된 나노선 클러스터(230)를 용액(240)에 혼합하여 나노선 용액(24)을 형성할 수 있다. 또는, 상기 나노선(23)이 형성된 상기 제2 기판(21) 전체를 용액(240) 내에 넣고 초음파를 인가함으로써 나노선 용액(24)을 형성할 수도 있다. 상기 용액(240)은 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올(isopropyl alcohol; IPA) 및 탈이온수 중 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 나노선 클러스터(230)의 균일한 분산을 위하여 용액(240) 내에 나노선 클러스터(230)를 넣은 후 초음파 처리를 수행할 수도 있다. 예컨대, 상기 나노선 용액(24)에 약 30초간 초음파를 인가함으로써, 상기 나노선 클러스터(230)의 분산의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 7d를 참조하면, 상기 나노선 용액(24)을 상기 제1 기판(11)에 도포하여, 상기 게이트 절연막(12)상에 상기 나노선(13)을 형성할 수 있다.
예컨대, 상기 나노선 용액(24)을 도포한 후 스핀 코팅(spin coating)시켜 상기 나노선(13)을 상기 게이트 절연막(12)상에 흡착시킬 수도 있다. 도 7d에 도시된 나노선(13)은 하나의 나노선의 실제 크기 및 형상을 도시한 것이 아니라, 하나 이상의 나노선이 위치하는 영역의 크기를 나타낸 것이다. 상기 나노선(13)은 하나의 나노선을 포함할 수 있고, 두 개 이상의 나노선들을 포함할 수도 있다.
도 7e를 참조하면, 상기 나노선(13)의 양단에 전극들(14)을 형성할 수 있다. 상기 전극들(14)은 금(Au) 전극일 수 있으며, 또는 전극으로 이용할 수 있는 모든 금속 등 도전 물질을 포함할 수도 있다.
상기 전극들(14)은 전자빔 증착법(e-beam evaporation) 또는 열 증착법(thermal evaporation) 등에 의하여 물질을 증착하고, 포토리소그래피(photolithography) 공정 또는 리프트오프(lift-off) 공정 등에 의하여 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 전극들(14)을 형성하기 위한 공정은 전술한 것에 제한되는 것은 아니다.
본 실시예에 따라 형성된 가스 센서가 포함하는 나노선은 우수한 단결정성이므로, 전류의 흐름에 손실이 적고, 높은 가스검출 감응도를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 센서는 은(Ag)을 도핑하여 전기적 특성의 변화를 유도하여 가스검출 감응도를 차별화함으로써, 다양한 유해 가스들을 선택적 검출할 수 있다. 또한, 더 적은 유해가스 농도에서도 높은 가스검출 감응도를 얻을 수 있으므로, 가스 센싱이 필요한 기술 분야에 다양하게 활용될 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11: 기판 12: 절연막
13: 나노선 14: 전극들

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 절연막;
    상기 절연막 상에 위치하며, 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선; 및
    상기 절연막 상에 서로 이격되어 위치하며, 상기 나노선과 전기적으로 연결된 복수개의 전극들을 포함하는 가스 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선은,
    상기 은(Ag)의 도핑 범위가 0.01 % 내지 40 %인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    질소산화물(NOx), 탄소산화물(COx), 에탄올(C2H5OH), 벤젠(C6H6), 오존(O3), 염산(HCl), 암모니아(NH3), 불산(HF), 시안화수소(HCN), 황산화물(SOx) 및 휘발성유기화합물(VOC) 중에서 적어도 하나의 가스를 검출하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  4. 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;
    은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 합성하는 단계;
    상기 나노선을 용액에 혼합하는 단계;
    상기 용액을 상기 절연막 상에 도포하여, 상기 나노선을 상기 절연막 상에 위치시키는 단계; 및
    상기 나노선과 전기적으로 연결되며, 서로 이격된 복수개의 전극들을 패터닝하여 형성하는 단계를 포함하는 가스 센서의 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 합성하는 단계는,
    은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO)을 포함하는 타겟 물질을 나노선 성장 기판과 인접하게 위치시키는 단계;
    레이저를 인가하여 상기 타겟 물질을 기화시키는 단계; 및
    상기 나노선 성장 기판 상에 상기 기화된 타겟 물질을 누적하여 상기 나노선을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 나노선을 합성하는 단계는,
    상기 나노선 성장 기판의 표면을 긁어내거나 상기 나노선 성장 기판에 초음파를 인가하여, 상기 나노선 성장 기판으로부터 상기 성장된 나노선을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제조 방법.

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