KR20130033939A - Fabrication method for gas sensor and temperature sensor based on suspended carbon nanowires - Google Patents

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KR20130033939A
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a gas sensor and a temperature sensor based on an air-borne type carbon nanowire is provided to manufacture an air-borne type carbon nanowire simply at low costs through primary and secondary exposure processes which are consecutive with a single photoresist coating and a pyrolysis process. CONSTITUTION: A method for manufacturing a gas sensor and a temperature sensor based on an air-borne type carbon nanowire is as follows. A primary insulating layer is formed in a plurality of electrode portions on the substrate is formed(S110). The substrate is etched(S120). A secondary insulating layer is stacked on the etched portion of the substrate and the primary insulating layer(S130). A photresist is coated on the etched portion and primary insulating layer(S140). The electrode portion is primarily exposed(S150). The top of the photoresist between the electrode portions is secondarily exposed at a state of a wire of micro size connecting the electrode portions through a photomask(S160). The rest of the photoresist except for the exposed portion is etched(S170). The electrode regions and the wire of the micro size, which are remained after the etching process, are pyrolyzed so that an integrated carbon electrode and a carbon nanowire are formed(S180). Gas sensing substances are stacked on the carbon nanowire(S190). [Reference numerals] (AA) Start; (BB) Forming a primary insulating layer on a silicon substrate; (CC) End; (S111) Laminating the primary insulating layer; (S112) Etching the primary insulating layer; (S120) Etching the silicon substrate; (S130) Laminating a secondary insulating layer; (S140) Coating a photoresist in the insulating layers and the etched portions; (S150) Primarily exposing an electrode portion; (S160) Selectively secondarily exposing the top of the photoresist into a wire shape; (S170) Forming a floated wire structure through selective etching of the photoresist; (S180) Forming an integrated carbon electrode and carbon nanowire through pyrolysis; (S190) Laminating gas sensing substances on the carbon nanowire;

Description

공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 및 온도센서 제조방법 {FABRICATION METHOD FOR GAS SENSOR AND TEMPERATURE SENSOR BASED ON SUSPENDED CARBON NANOWIRES}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a carbon nanowire-based gas sensor and a method of manufacturing the carbon nanowire-based gas sensor and a temperature sensor,

본 발명은 공중부유형 탄소 나노와이어 가스센서 및 온도센서 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공중부유형 탄소나노와이어를 통하여 특정 가스의 농도 또는 온도를 검지하는 센서를 제조하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 및 온도센서 제조방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a carbon nanowire gas sensor and a method for manufacturing a temperature sensor. More particularly, the present invention relates to a carbon nanowire sensor for manufacturing a sensor for detecting a concentration or temperature of a specific gas, Wire-based gas sensor and a method of manufacturing a temperature sensor.

최근 환경문제에 대한 관심 증가와 정보통신 기기의 발전과 더불어 다양한 가스에 대한 센서가 개발되고 있는 가운데 반도체 기술을 접목함으로써 제조가 간편해지고 그 성능이 향상되고 있다. 모든 센서는 성능 향상을 위하여 감지도를 높이는 것이 최대 목표이며, 이러한 목표를 달성하기 위한 노력도 증가되고 있다. In recent years, with increasing interest in environmental problems and the development of information and communication devices, sensors for various gases are being developed, incorporating semiconductor technology is simplifying manufacturing and improving its performance. All sensors have the highest goal of improving sensitivity to improve performance, and efforts to achieve these goals are increasing.

한편, 종래의 반도체식 가스센서는 감지 물질이 반도체 박막이기 때문에 감지도에 대한 한계가 있었으며, 일예로, 이산화탄소(CO₂)와 같은 안정된 화학물질의 경우 감지가 거의 불가능하였다. On the other hand, the conventional semiconductor gas sensor has a limit on the sensitivity because the sensing material is a semiconductor thin film, for example, it was almost impossible to detect a stable chemical such as carbon dioxide (CO₂).

따라서 일산화탄소(CO)나 이산화탄소 등과 같은 유해한 가스를 감지하기 위한 센서는 용액의 도전방식을 이용한 전기화학적 방법과 적외선 흡수법에 의한 광학적 방법, 그리고 나노입자 또는 나노와이어의 전기 저항을 측정하는 법이 적용되고 있다. Therefore, sensors for detecting harmful gases such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide are applied to the electrochemical method using the conductivity method of solution, the optical method by infrared absorption method, and the method of measuring the electrical resistance of nanoparticles or nanowires. It is becoming.

상기 전기화학적 방법은 대상 가스를 전기화학적으로 산화 또는 환원하여 외부의 회로에 흐르는 전류를 측정하거나, 전해질 용액이나 고체에 용해 또는 이온화한 가스 상의 이온이 이온전극에 작용하여 생기는 기전력을 이용하는 것으로서, 이는 매우 느린 반응속도를 나타냄과 더불어 가스의 감지범위 및 사용 환경이 한정되어 있는데다가 가격도 비싸다는 단점이 있다.The electrochemical method is to measure the current flowing through the external circuit by electrochemically oxidizing or reducing the target gas, or to use the electromotive force generated by the action of the ions in the gas phase dissolved or ionized in the electrolyte solution or solid, In addition to showing a very slow reaction rate, the detection range and use environment of the gas is limited, and the price is expensive.

또한, 적외선 흡수법에 의한 광학적 방법은 여타의 혼합가스나 습도에 의한 영향을 거의 받지 않는다는 장점은 있으나, 장치가 복잡하고 크기가 커질 뿐만 아니라 가격도 고가라는 단점이 있다.In addition, the optical method by the infrared absorption method has the advantage that it is almost unaffected by other mixed gas or humidity, but the disadvantage is that the device is not only complicated and large size but also expensive.

일반적으로, 화학센서는 접촉연소법에 의해 가스를 감지하기 위한 구조로 이루어져 있는 바, 가스가 촉매인 백금선을 포함하는 센서와 반응하였을 때 발열반응이나 흡열반응에 의한 백금선의 저항변화를 이용하여 가스를 감지할 수 있도록 되어 있어서 센서의 안정성과 감도를 향상시켰다.In general, a chemical sensor has a structure for detecting a gas by contact combustion method. When a gas reacts with a sensor including a platinum wire as a catalyst, the chemical sensor uses a change in resistance of the platinum wire due to an exothermic or endothermic reaction. It can be detected to improve the stability and sensitivity of the sensor.

한편, 최근에는 가스의 화학흡착에 의한 접촉반응과 전자밀도와의 관계가 규명되면서 산화물 반도체식 가스센서가 개발되어 상용화되고 있는 바, 이러한 반도체식 가스센서는 가연성 가스를 비롯한 대부분의 가스를 감지할 수 있도록 개발되었고, 그에 따라 다른 방식의 가스센서에 비해 소형화와, 저가격화, 신뢰성의 향상이 가능하게 되었다.On the other hand, in recent years, as the relationship between the contact reaction and the electron density due to chemical adsorption of gas has been identified, an oxide semiconductor gas sensor has been developed and commercialized. Such a semiconductor gas sensor can detect most gases including flammable gas. It has been developed so that it can be miniaturized, low cost and improved reliability compared to other gas sensors.

이러한 반도체식 가스센서로서 적용되는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 여타의 센서가 산화질소 등을 검출하기 위해 약 300℃까지 가열하여야 하였지만, 탄소나노튜브가 실온에서도 동작이 가능하고, 탄소나노튜브의 입자크기가 나노단위이기 때문에 여타의 센서에 비해서 센서의 감도가 수천 배 정도 높다는 장점이 있다.The gas sensor using carbon nanotubes applied as the semiconductor gas sensor had to be heated up to about 300 ° C. to detect nitrogen oxides, but the carbon nanotubes can be operated at room temperature. Because of the nanoscale particle size, the sensor's sensitivity is thousands of times higher than that of other sensors.

측정 가스의 농도에 따른 나노 입자 자체 또는 나노 입자를 코팅한 물질의 전기 저항 변화를 측정하는 형식의 가스 센서가 개발되었다. 나노입자를 사용하면 부피 대 면적비가 매우 높아 가스농도 변화에 따른 표면 반응의 효과의 전체 부피에 대한 저항 변화로의 효과가 매우 크기 때문에 감도가 매우 높은 센서 제작이 가능하다.Gas sensors have been developed that measure the change in electrical resistance of nanoparticles themselves or nanoparticle-coated materials depending on the concentration of the measurement gas. When nanoparticles are used, the volume-to-area ratio is very high, and the effect of the surface reaction according to the gas concentration is very large.

일반적으로 나노 입자나 나노와이어를 사용하는 센서는 이러한 물질을 표면에 불규칙하게 분산시켜 특정 부분에만 이들 나노물질의 전기 저항 변화를 측정할 수 있는 전극을 연결하거나 미리 패터닝된 전극 위에 나노물질을 흘려보내거나 전기영동법을 사용하여 전극에 접촉시켜 전기 저항을 측정하였다. 이러한 방법은 나노물질과 전극과의 물리적, 전기적 연결이 불안정하고 표면과 접촉된 형태의 나노물질은 가스 센싱 과정에서 표면의 영향을 받는다는 단점을 지니고 있다.In general, sensors using nanoparticles or nanowires can disperse these materials irregularly on the surface, connecting electrodes capable of measuring the change in electrical resistance of these nanomaterials only to specific portions, or flowing nanomaterials on a previously patterned electrode Or by electrophoresis to measure the electrical resistance. This method has the disadvantage that the physical and electrical connection between the nanomaterial and the electrode is unstable and the nanomaterial in contact with the surface is affected by the surface during gas sensing.

이후, 나노와이어를 표면과 일정 간격 이격되어있는 형태, 즉 기둥 형태의 전극 위에 전기영동법으로 고착시키거나 나노와이어를 한 쪽 전극에서 반대 쪽 전극으로 선택적으로 성장시켜 공중부유 형태로 나노와이어 기반 센서를 제작하였다. 이러한 기존 공중 부유형 나노와이어 센서는 감도는 좋지만 나노와이어와 전극의 접촉이 좋지 않고 제조 과정의 제어가 어려우며 제조 방식이 비용이 많이 들거나 제조 시간이 길어 센서의 대량생산을 통한 상용화에 한계를 지니고 있다. Thereafter, the nanowires are fixed by electrophoresis on a pole-shaped electrode spaced apart from the surface, or nanowires are selectively grown from one electrode to the opposite electrode to form nanowire-based sensors Respectively. However, it is difficult to control the manufacturing process because the contact between the nanowire and the electrode is difficult, and the manufacturing method is expensive, or the manufacturing time is long, so that the conventional nanowire sensor has a limitation in commercialization through mass production of the sensor .

본 발명은 물리적, 화학적 성질이 우수한 탄소 나노와이어를 공중부유형 형태로 적용한 센서 제조방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a method of manufacturing a sensor in which carbon nanowires excellent in physical and chemical properties are applied in the form of a public part type.

또한, 본 발명은, 종래 기판에 부착된 형태의 나노와이어가 가지는 기판으로 부터의 영향에 의한 감도 감소 및 노이즈 문제를 해결하고 나노와이어 표면 전체를 감지부로 사용하며, 나노와이어와 전극과의 접촉이 물리적, 전기적으로 안정하며 가스를 감지하는 센서의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. It is another object of the present invention to solve the problem of sensitivity reduction and noise caused by influences from the substrate of a conventional nanowire attached to a substrate and to use the entire surface of the nanowire as a sensing part, The present invention provides a method of manufacturing a sensor that is physically and electrically stable and senses gas.

그리고 본 발명은, 나노와이어의 위치, 개수, 구조 등의 형태를 자유롭게 제어할 수 있으며, 나노와이어 기반의 센서의 생산 비용이 적으며 생산성이 획기적으로 높여 대량생산이 가능하며 가스를 감지하는 센서의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention can freely control the position, number and structure of the nanowire, and can be manufactured in a mass production with a low production cost of the nanowire-based sensor, a high productivity, and a gas sensor And a method for manufacturing the same.

본 발명은 공중부유형 나노와이어에서 발생하는 표면장력에 의한 나노와이어 변형 문제를 해결한 가스를 감지하는 센서의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a method of manufacturing a sensor for detecting a gas which solves a problem of deformation of a nanowire due to a surface tension generated in a public part type nanowire.

마지막으로 본 발명은 공중부유형 나노와이어의 저항변화를 이용하여 온도를 감지할 수 있는 센서의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. Finally, the present invention is to provide a method of manufacturing a sensor capable of sensing a temperature using a resistance change of a hollow-type nanowire.

본 발명에 따른 가스센서 제조방법은, (a) 기판 상측의 복수개의 전극영역에 1차 절연층을 형성하는 단계;(b) 상기 기판을 식각하는 단계; (c) 상기 1차 절연층 및 기판의 식각영역에 2차 절연층을 적층하는 단계; (d) 상기 1차 절연층 및 상기 식각영역 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계; (e) 상기 전극영역을 1차 노광하는 단계; (f) 상기 전극영역 사이의 포토레지스트 상부를 와이어 형태의 포토마스크를 통하여 상기 전극 영역을 연결하는 마이크로 사이즈의 와이어 형태로 2차 노광하는 단계; (g) 상기 (e), (f) 단계에서 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 에칭하는 단계; (h) 에칭 과정 이후 남아있는 상기 전극 영역 및 마이크로 사이즈의 와이어를 열분해하여 일체형 탄소 전극과 탄소나노와이어를 형성하는 단계; 및 (i) 상기 탄소나노와이어에 가스 감지 물질을 적층하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a gas sensor according to the present invention includes the steps of: (a) forming a first insulating layer on a plurality of electrode regions on a substrate; (b) etching the substrate; (c) laminating a secondary insulation layer in the etching region of the primary insulation layer and the substrate; (d) coating a photoresist on the primary insulation layer and the etch region; (e) firstly exposing the electrode region; (f) secondarily exposing the upper portion of the photoresist between the electrode regions to a micro-sized wire connecting the electrode regions through a wire-shaped photomask; (g) etching the remaining portions of the photoresist except for the exposed portions in the steps (e) and (f); (h) thermally decomposing the remaining electrode area and micro-sized wire after the etching process to form an integral carbon electrode and a carbon nanowire; And (i) depositing a gas sensing material on the carbon nanowire.

상기 방법에 의하여 감지성이 향상되고, 크기 및 부피가 감소된 공중부유형 탄소나노와이어를 적용한 가스를 감지하는 센서가 제공된다. There is provided a sensor for sensing a gas applied with a hollow-type carbon nanowire having improved sensitivity and reduced size and volume by the above method.

바람직하게는, 상기 (a) 단계는, (a-1) 기판 상면에 1차 절연층을 적층하는 단계 및 (a-2) 1차 절연층을 선택적으로 식각하는 단계를 포함한다. Preferably, the step (a) includes the steps of: (a-1) laminating a primary insulating layer on the upper surface of the substrate; and (a-2) selectively etching the primary insulating layer.

상기 (a-1) 단계에서 적층되는 1차 절연층은 기판이 전도성 물질이나 반도체일 경우 나노와이어를 통한 전기적 측정을 수행할 경우 합선을 방지하며, 상기 (c) 단계의 기판 식각 공정 시 식각이 원하는 영역에만 이루어질 수 있도록 하는 마스크 역할을 한다.The primary insulation layer stacked in the step (a-1) prevents a short circuit when electrical measurement is performed through the nanowire when the substrate is a conductive material or a semiconductor, and the etching is performed during the substrate etching process in the step (c) And serves as a mask that can be made only in a desired area.

상기 (a-2) 단계를 통하여, (a-1) 단계에서 적층된 1차 절연층을 선택적으로 식각하여 기판이 노출되도록 한다. 이렇게 노출된 기판영역은 (b) 단계에서 식각이 되며 식각이 되지 않고 남아 있는 1차 절연층은 식각영역 이외의 기판영역을 보호하는 역할을 한다.Through the above step (a-2), the first insulating layer stacked in step (a-1) is selectively etched to expose the substrate. The exposed substrate region is etched in the step (b), and the remaining primary insulating layer, which is not etched, serves to protect the substrate region other than the etching region.

바람직하게, 상기 (b) 단계에서는, 기판을 등각 식각하여, 식각에 의하여 제거되는 상기 기판의 식각영역의 일단은, 측면방향으로 오목하게 들어가도록 형성된다. 이와 같이. 기판을 등각 식각함으로써 (a-2) 단계에서 식각되지 않고 남은 1차 절연층 하부에 빈 공간이 형성되어 절연층이 (i) 단계의 가스 감지 물질 적층시 차양과 같은 역할을 한다. 따라서 (i) 단계의 가스 감지 물질 적층 시 전극 및 탄소나노와이어 부분에 적층된 가스 감지 물질층과 (b) 단계에서 식각된 부분에 적층된 가스 감지 물질층이 공간적으로 분리되어 기판을 제외한 탄소나노와이어 영역의 전기 저항만을 전극을 통하여 측정할 수 있다. Preferably, in the step (b), the substrate is conformally etched so that one end of the etching region of the substrate, which is removed by etching, is recessed in the lateral direction. like this. By conformal etching of the substrate, an empty space is formed below the primary insulating layer that is not etched in the step (a-2), so that the insulating layer acts as a shade when the gas sensing material is stacked in the step (i). Accordingly, in the deposition of the gas sensing material in step (i), the gas sensing material layer laminated on the electrode and the carbon nanowire part and the gas sensing material layer laminated on the part etched in step (b) are spatially separated, Only the electrical resistance of the wire region can be measured through the electrodes.

상기 (c) 단계에서 2차 절연층을 (b) 단계의 등각 식각으로 드러난 기판부분을 포함한 모든 표면에 적층하여 이후 제조 과정과 센서 측정 과정에서 발생할 수 있는 합선 문제를 예방한다.In the step (c), the secondary insulation layer is laminated on all surfaces including the substrate portion exposed by the conformal etching of the step (b), thereby preventing short-circuit problems that may occur in the manufacturing process and the sensor measurement process.

상기 (d),(e) 단계에서 우선 포토레지스트를 코팅하고, 전극영역에 대응하는 모양으로 된 창을 포함한 포토마스크를 통하여 충분한 에너지의 광을 1차 노광하여 포토레지스트 상단에서부터 하단까지 광학적 변성이 이루어지도록 한다.In the steps (d) and (e), first, a photoresist is coated, and light of sufficient energy is firstly exposed through a photomask including a window corresponding to the electrode area, whereby optical denaturation .

상기 (f) 단계의 2차 노광 시 노광의 에너지를 (e) 단계의 1차 노광보다 적게 조절하여 포토레지스트 상단에만 광학적 변성이 발생하도록 할 수 있다. 2차 노광시 사용되는 포토마스크는 두 전극을 연결하는 폭이 수 마이크로 미터인 와이어 모양의 창을 가지고 있다. 따라서 마이크로 미터 단위의 와이어 모양으로 포토레지스트 상단을 광학적으로 변성을 할 수 있다. 또한 포토레지스트 와이어의 높이는 2차 노광 에너지의 양에 따라 조절될 수 있다.The energy of the exposure in the secondary exposure in the step (f) may be adjusted to be smaller than that of the primary exposure in the step (e) so that optical denaturation occurs only on the top of the photoresist. The photomask used in the second exposure has a wire-shaped window with a width of several micrometers connecting the two electrodes. Therefore, the upper part of the photoresist can be optically modified in a micrometer-wire shape. The height of the photoresist wire can also be adjusted according to the amount of secondary exposure energy.

상기 (g) 단계의 포토레지스트 에칭에서는 광학적으로 변성된 부분만 선택적으로 에칭할 수 있는 에칭액을 사용하여 두 포토레지스트 전극 부분과 이를 연결하는 와이어 모양의 포토레지스트 구조를 형성할 수 있다. 이로서 마이크로 포토레지스트 와이어는 2차 절연층 최상단과 소정 간격 부양된 형태가 된다. In the photoresist etching in the step (g), an etching solution capable of selectively etching only the optically-denatured portion may be used to form a photoresist structure of a wire shape connecting the portions of the two photoresist electrodes with each other. As a result, the microphotoresist wire is floated at a predetermined interval from the uppermost end of the secondary insulation layer.

상기 (h) 단계의 열분해 공정을 통하여 포토레지스트의 부피가 감소하게 된다. 따라서 열분해 공정의 시간, 온도, 가열 속도, 냉각 속도, 가스 등의 조건에 따라 마이크로 단위의 포토레지스트 와이어 구조가 다양한 크기의 탄소 나노와이어 (폭: 100nm ~ 800 nm, 높이: 100nm ~ 800nm, 길이: 20ㅅm ~ 150ㅅm)로 변환되게 된다. 또한 열분해를 통한 부피 감소는 전극 부분에도 발생하는데 전극 상단부분의 부피감소가 크기 때문에 열분해로 완성된 최종 탄소나노와이어는 길이 방향으로 팽창되어 탄소나노와이어에 인장응력이 발생하게 된다. 이러한 인장응력은 탄소 나노와이어와 바닥 식각영역 사이에 갇혀진 액체로 발생하는 표면장력으로 인한 탄소 나노와이어의 변형을 방지할 수 있다. 따라서 공중부유형 나노와이어 형태에서 흔히 경험되는 표면 코팅 과정이나 실제 가스 검측 과정에서의 나노와이어 변형문제를 해결할 수 있다.The volume of the photoresist is reduced through the pyrolysis process of the step (h). Therefore, depending on the time, temperature, heating rate, cooling rate, gas, etc. of the pyrolysis process, carbon nanowires having various sizes of micro-resists (width: 100 nm to 800 nm, height: 100 nm to 800 nm, length: 20m-150m). In addition, the volume reduction through pyrolysis occurs in the electrode portion, too, and since the volume of the upper end portion of the electrode is reduced, the final carbon nanowire completed by pyrolysis expands in the longitudinal direction and tensile stress is generated in the carbon nanowire. This tensile stress can prevent deformation of the carbon nanowires due to the surface tension generated by the liquid trapped between the carbon nanowires and the bottom etching region. Thus, it is possible to solve the surface coating process, which is often experienced in the form of a hollow-type nanowire, or the problem of nanowire deformation in an actual gas detection process.

상기 (i) 단계에서, 상기 가스 감지 물질은 팔라듐 또는 백금과 같이 특정 가스에 전도성이 변화되는 물질이다. 팔라듐 또는 백금은 가스센서의 감도를 향상시키고, 카본 나노와이어의 열적 스트레스를 감소시킬 수 있게 된다.
In the step (i), the gas sensing material is a material whose conductivity is changed to a specific gas such as palladium or platinum. Palladium or platinum can improve the sensitivity of the gas sensor and reduce the thermal stress of the carbon nanowire.

본 발명에 따른 가스센서 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.The method of manufacturing a gas sensor according to the present invention has the following effects.

첫째, 공중 부유된 형태의 전도성 나노와이어를 단일 포토레지스트 코팅과 연속된 1차, 2차 노광 공정과 열분해 공정으로 간단하게 저비용의 일괄 공정으로 생산할 수 있다.First, the suspended nanowires of the floating type can be produced in a simple low-cost batch process by a single photoresist coating and subsequent primary and secondary exposure and pyrolysis processes.

둘째, 탄소 나노와이어와 탄소 전극부가 일체형으로 동시에 형성되므로 전극부와 나노와이어의 물리적, 전기적 접촉을 향상시키기 위한 부가적인 추가 공정 없이 전기적 연결이 완벽한 가스 센서 구조를 완성할 수 있다.Second, since the carbon nanowire and the carbon electrode are integrally formed at the same time, the gas sensor structure can be completed without any additional process for improving the physical and electrical contact between the electrode and the nanowire.

셋째, 나노와이어의 형태가 2차 노광 공정의 포토마스크의 모양과 2차 노광 에너지의 양, 그리고 열분해 공정에 의하여 결정되며 나노와이어와 기판 사이의 간격은 포토레지스트의 높이와 열분해 공정에 의해 결정되므로 다양한 형태의 공중부유형 나노와이어 구조를 자유롭게 형성할 수 있다. Third, the shape of the nanowire is determined by the shape of the photomask in the secondary exposure process, the amount of secondary exposure energy, and the thermal decomposition process, and the distance between the nanowire and the substrate is determined by the height of the photoresist and the pyrolysis process Various types of aerial part type nanowire structures can be freely formed.

넷째, 탄소나노와이어 구조가 마이크로 단위의 포토레지스트의 열분해를 통한 부피 감소로 인하여 형성되므로 고가의 나노공정 장비 없이 저비용으로 나노 구조체를 생산할 수 있다.Fourth, since the carbon nanowire structure is formed due to volume reduction through pyrolysis of a micro-unit photoresist, a nanostructure can be produced at low cost without expensive nano processing equipment.

다섯 째, 열분해 과정 중 전극의 높이에 따라 발생하는 차별적 부피 감소로 인하여 탄소 나노와이어에 인장응력이 발생하고 이러한 인장응력은 액상의 외부 환경에 의해 발생할 수 있는 탄소 나노와이어의 변형을 방지할 수 있다.Fifth, tensile stress occurs in the carbon nanowire due to the differential volume reduction caused by the height of the electrode during the pyrolysis process, and this tensile stress can prevent the deformation of the carbon nanowire that may be caused by the external environment of the liquid phase .

여섯 째, 기판을 1차 절연층 하부로 등각 에칭함에 따라 탄소 전극과 탄소 나노와이어 영역이 기판과 분리되어 가스 감지 물질을 기판 전체에 적층하여도 가스센서의 합선이나 불량을 방지하여 높은 감도의 가스센서를 얻을 수 있다. 이러한 절연층 마스크 하에서의 일반 기판에 대한 등각 식각을 통한 합선 방지 구조는 SOI(silicon on insulator)를 이용한 구조에 비하여 비용이 저렴하고 식각영역 바닥의 깊이를 자유롭게 조절할 수 있다는 장점이 있다. Sixthly, by etching the substrate to the lower part of the primary insulation layer, the carbon electrode and the carbon nanowire region are separated from the substrate to prevent short-circuiting or defect of the gas sensor even if the gas sensing material is laminated on the entire substrate, Sensor can be obtained. The short-circuit prevention structure through conformal etching on a general substrate under such an insulation layer mask is advantageous in that it is less expensive than a structure using a silicon on insulator (SOI), and the depth of the bottom of the etching region can be freely adjusted.

일곱째, 온도에 따라 탄소나노와이어의 저항이 변화하는 것을 이용하여 온도를 감지하는 센서를 제공할 수 있다. Seventh, it is possible to provide a sensor that senses the temperature by utilizing the change of the resistance of the carbon nanowire according to the temperature.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스를 감지하는 센서 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1의 센서 제조공정을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 탄소나노와이어를 확대 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 탄소나노와이어의 열분해 전, 후를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 탄소나노와이어의 전류변화를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 온도를 감지하는 센서의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 온도를 감지하는 센서에 소정전압을 인가한 경우의 저항-온도 그래프이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a sensor for sensing a gas according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a view showing the sensor manufacturing process of Fig. 1. Fig.
3 is an enlarged view of the carbon nanowire of FIG.
FIG. 4 is a view showing the carbon nanowires of FIG. 1 before and after thermal decomposition.
FIG. 5 is a graph showing a current change of the carbon nanowire of FIG. 1. FIG.
6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a sensor for sensing temperature according to an embodiment of the present invention.
7A to 7D are graphs of resistance-temperature when a predetermined voltage is applied to a sensor for sensing a temperature according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, at the time of the present application, It should be understood that variations can be made.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 2는 도 1의 가스센서 제조공정을 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 가스센서 탄소나노와이어의 열분해 전, 후를 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 가스센서의 탄소나노와이어를 확대 도시한 도면이며, 도 5는 도 1의 가스센서의 탄소나노와이어의 인가 전압에 대한 전류변화를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view illustrating a process of manufacturing the gas sensor of FIG. 1, FIG. 4 is an enlarged view of a carbon nanowire of the gas sensor of FIG. 1, and FIG. 5 is a view showing a change of a current with respect to an applied voltage of the carbon nanowire of the gas sensor of FIG. 1 to be.

우선, 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조방법은, 실리콘 기판 상측의 복수개의 전극영역에 1차 절연층을 형성하는 단계(S110); 상기 실리콘 기판을 식각하는 단계(S120); 상기 1차 절연층 및 실리콘 기판의 식각영역에 2차 절연층을 적층하는 단계(S130); 상기 1차 절연층 및 상기 식각영역 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계(S140), 상기 전극영역을 1차 노광하는 단계(S150); 상기 전극영역 사이의 포토레지스트 상부를 와이어 형태의 포토마스크를 통하여 상기 전극 영역을 연결하는 마이크로 사이즈의 와이어 형태로 2차 노광하는 단계(S160); 상기 1차 노광하는 단계(S150) 및 2차 노광하는 단계(S160)에서 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 에칭하는 단계(S170); 에칭 과정 이후 남아있는 상기 전극 영역 및 마이크로 사이즈의 와이어를 열분해하여 일체형 탄소 전극과 탄소나노와이어를 형성하는 단계(S180); 및 상기 탄소나노와이어에 가스 감지 물질을 적층하는 단계(S190)로 이루어진다. First, referring to FIGS. 1 and 2, a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention includes: forming a primary insulating layer on a plurality of electrode regions on a silicon substrate (S110); Etching the silicon substrate (S120); A step (S130) of laminating a secondary insulation layer on an etching region of the primary insulation layer and the silicon substrate; (S140) coating a photoresist on the first insulating layer and the etching region, and performing a first exposure (S150) on the electrode region; (S160) secondary exposure of the upper portion of the photoresist between the electrode regions through a wire-shaped photomask in the form of micro-sized wires connecting the electrode regions; (S170) etching the remaining portions of the photoresist except for the exposed portions in the primary exposure step (S150) and the secondary exposure step (S160); (S180) of thermally decomposing the remaining electrode region and the micro-sized wire after the etching process to form the integral carbon electrode and the carbon nanowire; And depositing a gas sensing material on the carbon nanowire (S190).

상기 실리콘 기판 상측의 복수개의 전극영역에 1차 절연층을 형성하는 단계는, 실리콘 기판 상면에 1차 절연층을 적층하는 단계(S111) 및 1차 절연층을 선택적으로 식각하는 단계(S112)로 이루어진다. 본 실시예에서는 실리콘 기판을 사용하였으나 다른 재질의 기판이 사용될 수 있음은 물론이다. The step of forming the primary insulating layer on the plurality of electrode regions on the silicon substrate includes a step (S111) of laminating a primary insulating layer on the upper surface of the silicon substrate and a step (S112) of selectively etching the primary insulating layer . Although a silicon substrate is used in this embodiment, other substrates may be used.

우선, 상기 실리콘 기판의 상면 전체에 1차 절연층을 형성한다. 상기 1차 절연층은 이산화규소, 또는 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)와 같이 실리콘 기판을 식각하는 단계(S120)에서 식각이 잘 되지 않는 물질로 이루어진다.(도 2(a))First, a primary insulating layer is formed on the entire upper surface of the silicon substrate. The primary insulating layer is made of a material which is not easily etched in step S120 of etching a silicon substrate such as silicon dioxide or silicon nitride (FIG. 2 (a)).

상기 1차절연층을 선택적으로 식각하는 단계(S112)는, 상기 전극영역 상측의 1차절연층을 제외한 나머지 영역의 1차절연층을 제거한다.(도 2(b)) In the step (S112) of selectively etching the primary insulating layer, the primary insulating layer in the remaining region except for the primary insulating layer on the upper side of the electrode region is removed (Fig. 2 (b)).

이때, 상기 기판(110)에 1차 절연층(120)을 적층하는 단계(S111)와 1차 절연층(120)을 선택적으로 식각하는 단계(S112)를 통하여 기판의 특정 부위를 노출시켜, 기판을 식각하는 단계(S120)에서, 식각되지 않은 상기 1차 절연층(120)이 식각 마스크 역할을 할 수 있도록 한다. 1차 절연층(120)의 식각 형태는 광학적 노광 단계를 이용하여 형성된 포토레지스트 마스크의 형태에 의해 결정된다. 이러한 광학적 노광 단계는 1차 절연층(120) 적층 단계(S111)와 1차 절연층(120) 식각 단계(S112) 사이에 수행한다.At this time, a specific portion of the substrate is exposed through the step of laminating the primary insulating layer 120 on the substrate 110 and the step S112 of selectively etching the primary insulating layer 120, The non-etched primary insulating layer 120 may serve as an etch mask in step S120. The etch pattern of the primary insulating layer 120 is determined by the shape of the photoresist mask formed using the optical exposure step. This optical exposure step is performed between the laminating step (S111) of the primary insulating layer (120) and the etching step (S112) of the primary insulating layer (120).

본 실시예에서는, 식각공정을 이용하여 전극영역 상측에 1차절연층을 형성하고 있으나, 그 외의 증착방법 또는 인쇄방법 등의 방법을 이용하여 1차 절연층을 형성하는 것도 가능하다. 1차절연층은 기판을 절연하는 역할 이외에 실리콘 기판을 식각하는 단계(S120)에서 실리콘 기판을 선택적으로 식각되도록 하는 마스크 역할의 비중이 더 높다. 즉, 2차 절연층(150) 적층만으로 실리콘 기판을 통한 합선문제를 방지할 수 있다. 따라서 1차 절연층은 절연물질 외에 실리콘 기판을 식각하는 단계(S120)에서 기판을 보호할 수 있는 임의의 물질이 될 수 있다. In this embodiment, the primary insulating layer is formed on the upper side of the electrode region using the etching process, but it is also possible to form the primary insulating layer by other methods such as a vapor deposition method or a printing method. The primary insulating layer has a higher specific gravity as a mask for selectively etching the silicon substrate in the step of etching the silicon substrate (S120) in addition to insulating the substrate. That is, the problem of short-circuiting through the silicon substrate can be prevented only by laminating the secondary insulation layer 150. Thus, the primary insulation layer may be any material capable of protecting the substrate in step S120 of etching the silicon substrate in addition to the insulating material.

상기 실리콘 기판을 식각하는 단계(S120)에서는, 복수개의 전극영역이 분리되도록 기판을 식각한다. 상기 기판(110)을 식각하는 단계(S120)에서, 기판(110)은 등각 식각될 수 있다. 등각 식각이란, 기판(110)의 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향으로도 동일한 정도로 식각이 일어나는 것을 의미한다. 상기 등각식각에 의하여 제거되는 상기 기판의 식각영역의 일단은, 측면방향으로 오목하게 들어가도록 형성된다.(도 2(c)) In the step of etching the silicon substrate (S120), the substrate is etched so that a plurality of electrode regions are separated. In step S120 of etching the substrate 110, the substrate 110 may be conformally etched. The term " conformal etching " means etching is performed to the same degree not only in the vertical direction of the substrate 110 but also in the horizontal direction. One end of the etching region of the substrate, which is removed by the conformal etching, is formed so as to concave in the lateral direction (Fig. 2 (c)).

즉, 도 2(c)에 도시된 바와 같이 1차 절연층 식각 단계(S112)에 의하여 형성된 1차 절연층(120) 사이의 너비(d1)보다 식각된 기판의 영역의 너비(d2)가 더 크게 형성될 수 있으며, 수평하게 식각된 영역이 후술할 절연영역(144)이 될 수 있다. 수직방향과 수평방향의 동시 식각은 등방성 식각 이외에도 비등방성 습식 식각으로도 수행될 수 있다. That is, as shown in FIG. 2 (c), the width d2 of the region of the substrate etched with respect to the width d1 between the primary insulating layers 120 formed by the primary insulating layer etching step S112 And the horizontally etched region may be an insulating region 144 to be described later. Simultaneous etching in vertical and horizontal directions can be performed by anisotropic wet etching as well as isotropic etching.

상기 기판(110)을 등각 식각하는 단계(S120)에서, 식각영역(140)은 도전영역(142)과 절연영역(144)으로 형성될 수 있다. 이때, 도전영역(142)은 식각된 1차 절연층(120) 아래로 노출된 기판(110)이 수직하게 식각된 영역을 의미하고, 절연영역(144)은 1차 절연층(120) 아래로 기판(110)이 수평하게 식각되어 기판측으로 오목하게 들어간 영역이라고 할 수 있다. 이러한 도전영역(142)은 후술할 가스 감지물질이 적층되는 단계(S190)에서 가스 감지물질이 적층될 수 있으나, 상기 절연영역(144)은 1차 절연층(120) 하부의 기판(110)이 수평방향으로 식각되어 형성되었기 때문에 수직 방향으로 적층되는 가스 감지물질이 1차 절연층(120)에 차단되어 가스 감지물질이 적층되지 않는 기판영역이 된다. 상기 절연영역(144)은 가스센서에 전극을 연결하여도 식각영역(140)과 탄소 구조체(200)가 전기적으로 연결되는 것을 방지하여 가스센서의 합선 및 파손을 방지할 수 있다. The etching region 140 may be formed as a conductive region 142 and an insulating region 144 in step S120 of conformally etching the substrate 110. [ The conductive region 142 refers to a region where the substrate 110 exposed under the etched first insulating layer 120 is vertically etched and the insulating region 144 is formed under the first insulating layer 120 It can be said that the substrate 110 is horizontally etched and recessed into the substrate side. The conductive region 142 may be formed by depositing a gas sensing material on the substrate 110 under the primary insulation layer 120 while the gas sensing material may be deposited in a step S190 of depositing a gas sensing material, The gas sensing material stacked in the vertical direction is blocked by the primary insulation layer 120 and becomes a substrate region where the gas sensing material is not stacked. The insulation region 144 may prevent short-circuiting and breakage of the gas sensor by preventing an electrical connection between the etching region 140 and the carbon structure 200 by connecting an electrode to the gas sensor.

상기 기판(110)의 식각이 완료되면, 1차 절연층(120) 및 식각영역(140)에 2차 절연층(150)을 등방위성으로 적층할 수 있다(S130).(도 2(d)) 이후, 2차 절연층(150) 상에 포토레지스트를 코팅(S140)한 뒤 1차 노광(S150)및 2차 노광(S160)으로 나누어 노광처리 할 수 있다.After the etching of the substrate 110 is completed, the secondary insulating layer 150 may be deposited on the primary insulating layer 120 and the etching region 140 by an isotropic satellite (S130) After that, the photoresist is coated on the secondary insulation layer 150 (S140), and then subjected to the exposure treatment by dividing the primary exposure (S150) and the secondary exposure (S160).

우선, 2차 절연층(150)이 코팅된 기판 상부에 포토레지스트(160)를 코팅할 수 있다(S140). 상기 포토레지스트(160)는 SU-8 포토레지스트를 포함한 네가티브 포토레지스트를 이용할 수 있으며, 예시적으로 7ㅅm ~ 75ㅅm 두께의 SU-8포토레지스트가 될 수 있다.(도 2(e)) First, the photoresist 160 may be coated on the substrate coated with the secondary insulation layer 150 (S140). The photoresist 160 may use a negative photoresist including a SU-8 photoresist, and may be, for example, a SU-8 photoresist having a thickness of 7 μm to 75 μm. )

상기와 같이 2차 절연층(150)에 포토레지스트(160)를 코팅하면, 이를 전극 모양의 포토마스크 창을 통하여 자외선에 노출시켜 1차 노광을 수행할 수 있다(S150). 이와 같이 1차 노광이 완료되면, 1차 절연층 상부에는 전극 모양으로 포토레지스트가 경화되어 포토레지스트 전극부(182)가 형성될 수 있다. 이 때 노광된 광 에너지는 포토레지스트가 포토레지스트 최상부부터 2차 절연층(150) 바로 위까지 경화될 수 있을 만큼 충분하여야 한다.(도 2(f))When the photoresist 160 is coated on the secondary insulation layer 150 as described above, the primary exposure may be performed by exposing the photoresist 160 to ultraviolet rays through an electrode-shaped photomask window (S150). When the first exposure is completed, the photoresist electrode portion 182 may be formed on the first insulating layer in an electrode shape by curing. The exposed light energy should be sufficient to allow the photoresist to cure from the top of the photoresist to just above the secondary insulation layer 150 (Figure 2 (f)).

1차 노광(S150)이 완료되면, 마이크로 크기의 와이어 형태의 창을 가진 포토마스크를 통하여 전극영역 사이의 포토레지스트를 자외선에 노출시키는 2차 노광을 수행한다(S160). 2차 노광 단계에서 포토레지스트가 흡수할 수 있는 자외선의 에너지를 1차 노광보다 적도록 제한하여 포토레지스트의 상단만을 경화할 수 있도록 한다. 상기 2차 노광을 통하여, 포토레지스트 전극부(182)들 사이의 포토레지스트 일부가 와이어 형상으로 경화되어 상기 포토레지스트 전극부들을 서로 연결하는 마이크로 포토레지스트 와이어(184)를 형성한다.(도 2(g)) When the first exposure (S150) is completed, a secondary exposure is performed to expose the photoresist between the electrode regions to ultraviolet rays through a photomask having a window of a micro-sized wire shape (S160). The energy of ultraviolet rays that can be absorbed by the photoresist in the secondary exposure step is limited to be less than the primary exposure so that only the top of the photoresist can be cured. A portion of the photoresist between the photoresist electrode portions 182 is cured into a wire shape through the secondary exposure to form a micro photoresist wire 184 connecting the photoresist electrode portions to each other g))

2차 노광 단계(S160)을 완료한 후, 자외선에 노출되지 않은 포토레지스트에 대한 에칭속도가 노출된 포토레지스트에 대한 에칭속도보다 빠른 선택적 에칭액을 이용하여 자외선에 노출되지 않은 포토레지스트(190)를 선택적으로 에칭한다. 이러한 선택적 포토레지스트 에칭을 통하여 부유된 형태의 마이크로 포토레지스트 와이어(184) 및 포토레지스트 전극부(182)만이 남는다(S170).(도 2(h)) After completing the secondary exposure step S160, the photoresist 190 not exposed to ultraviolet rays is etched using a selective etching solution whose etching rate for the photoresist not exposed to ultraviolet rays is higher than the etching rate for the exposed photoresist Selectively etching. Only the microphotoresist wire 184 and the photoresist electrode portion 182 remain in the floating form through this selective photoresist etching (S170) (Fig. 2 (h)).

한편, 본 발명의 실시 예에서는 포토레지스트로 SU-8포토레지스트를 예를 들어 설명하지만, 포토레지스트의 종류에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, in the embodiment of the present invention, the SU-8 photoresist is described as an example of the photoresist, but the present invention is not limited or limited by the kind of the photoresist.

상기 마이크로 포토레지스트 와이어(184)는 1차 절연층(120) 위에 적층된 2차 절연층(150)에서부터 소정 간격 부양(浮揚)되도록 형성될 수 있다. The micro photoresist wire 184 may be formed to be lifted at a predetermined interval from the secondary insulation layer 150 stacked on the primary insulation layer 120.

상기 마이크로 포토레지스트 와이어(184)와 포토레지스트 전극부(182)는 열분해를 통해 탄소 구조체(200)로 형성될 수 있다(S180). 이를 위하여 진공 상태나 불활성 가스 환경에서 800ㅀC 이상의 고열에서 열분해할 수 있으며, 열분해를 통해 마이크로 포토레지스트 와이어(184) 및 포토레지스트 전극부(182)는 탄소 나노와이어(202)와 탄소 전극부(204)로 변환될 수 있다.(도 2(i)) The micro-photoresist wire 184 and the photoresist electrode 182 may be formed of a carbon structure 200 through pyrolysis (S180). The micropatterned resist wire 184 and the photoresist electrode portion 182 may be thermally decomposed at a high temperature of 800 ㅀ C or more in a vacuum state or an inert gas environment to decompose the carbon nanowires 202 and the carbon electrode portions 204 (Fig. 2 (i)).

즉, 도 3 및 도 4를 참고하면, 상기 마이크로 포토레지스트 와이어를 열분해하여 형성된 탄소 나노와이어(202)는 폭이 100nm ~ 800 nm, 높이는 100nm ~ 800nm, 길이는 20ㅅm ~ 150ㅅm이 될 수 있다. 상기 열분해 과정에서 와이어의 부피가 감소하여 와이어의 크기가 마이크로 미터에서 나노 미터 단위로 감소된 것을 알 수 있다. That is, referring to FIGS. 3 and 4, the carbon nanowires 202 formed by pyrolyzing the micro photoresist wire may have a width of 100 nm to 800 nm, a height of 100 nm to 800 nm, and a length of 20 μm to 150 μm. Can be. The volume of the wire is reduced in the pyrolysis process, and the size of the wire is reduced from the micrometer to the nanometer scale.

도 3을 참고하면, 탄소 전극부(204)의 폭이 상단부에서 하단부로 내려올수록 증가함을 알 수 있다. 이는 열분해 과정이 상단부부터 이루어지고 열분해로 인하여 제거된 물질이 확산에 의하여 이동하기 때문이다. 따라서 열분해 과정을 통하여 형성된 탄소 나노와이어는 포토레지스트 마이크로 와이어보다 길이가 길어지게 된다. 이러한 탄소 나노와이어의 길이 방향 팽창은 탄소 나노와이어에 길이 방향으로 인장응력을 형성하게 된다. 일반적인 공중부유형 나노와이어 표면에 국부적으로 액상의 물질을 이용하여 특정 물질을 코팅하거나 나노와이어를 포함한 기판에 액상의 물질을 이용한 공정을 진행할 경우 액상 물질을 건조하는 과정에서 액상 물질이 나노와이어와 기판 사이에 갇힐 수 있다. 이러한 갇힌 액상물질로 인한 표면장력 때문에 건조 과정 중에 나노와이어가 기판 방향으로 변형될 수 있고 심할 경우 와이어가 끊어지거나 기판에 영구 고착될 수 있다. 그러나 본 실시예의 열분해로 형성된 탄소 나노와이어는 인장응력을 지니고 있기 때문에 표면장력으로 인한 변형을 감소시킬 수 있어 탄소 나노와이어에 액상 물질을 이용한 다양한 공정 및 실험을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the width of the carbon electrode part 204 increases from the upper end to the lower end. This is because the pyrolysis process is made from the upper part and the material removed due to thermal decomposition moves by diffusion. Therefore, the carbon nanowires formed through the pyrolysis process become longer than the photoresist micro-wires. The longitudinal expansion of the carbon nanowires forms a tensile stress in the longitudinal direction of the carbon nanowires. In general, when a specific material is coated on a surface of a nanowire by using a local liquid material or a process using a liquid material is performed on a substrate including a nanowire, the liquid material is mixed with the nanowire and the substrate You can be trapped between. Due to the surface tension due to this trapped liquid material, the nanowire may be deformed toward the substrate during the drying process, and the wire may break or be permanently fixed to the substrate. However, since the carbon nanowires formed by pyrolysis of the present embodiment have tensile stress, deformation due to surface tension can be reduced, and various processes and experiments using liquid materials can be performed on the carbon nanowires.

상기와 같이 마이크로 포토레지스트 와이어의 열분해를 통해 탄소 나노와이어(202)를 형성하면, 탄소 나노와이어(202)에 가스 감지 물질을 적층할 수 있다(S190). 다시 도 2를 참고하면, 비등방성 물리 증착법을 통하여 가스 감지 물질(210)은 탄소 구조체(200) 상부 표면, 2차 절연층(150) 최상부와 식각영역(140)의 도전영역(142) 상에 적층될 수 있다. 상기 기판의 식각영역의 일단은 측면방향으로 오목하게 들어가도록 형성되어, 상기 절연영역(144)을 형성하므로, 가스감지 물질이 수직방향으로 적층될 경우 도전영역(142)에만 가스 감지 물질이 적층된다. 이로 인하여 탄소 전극부(204)에 외부전극을 연결하여도 두 탄소 전극부(204)가 탄소 나노와와이어(202)로만 전기적으로 연결되어 가스 감지를 탄소 나노와이어만을 통하여 수행할 수 있다.(도 2(j)) When the carbon nanowires 202 are formed by thermal decomposition of the micro photoresist wires as described above, the gas sensing material may be deposited on the carbon nanowires 202 (S190). 2, the gas sensing material 210 is deposited on the upper surface of the carbon structure 200, the uppermost portion of the secondary insulation layer 150, and the conductive region 142 of the etching region 140 through anisotropic physical vapor deposition Can be stacked. One end of the etching region of the substrate is formed to be recessed in the lateral direction to form the insulating region 144 so that the gas sensing material is deposited only in the conductive region 142 when the gas sensing material is vertically stacked . Therefore, even when the external electrode is connected to the carbon electrode part 204, the two carbon electrode parts 204 are electrically connected only to the carbon nano wire 202, so that gas sensing can be performed only through the carbon nanowire. 2 (j)

한편, 본 발명의 실시 예에서는 가스 감지 물질의 적층이 수직방향으로만 이루어지는 비등방성 적층의 예를 들어 설명하지만, 식각영역(140)의 식각 깊이와 절연영역(144)의 폭에 따라 등방성 적층법을 사용할 수 있다. 그러므로 가스 감지 물질 적층법의 종류에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.In the embodiment of the present invention, an anisotropic lamination method in which the gas sensing material is laminated only in the vertical direction will be described. However, depending on the etching depth of the etching region 140 and the width of the insulating region 144, Can be used. Therefore, the present invention is not limited or limited by the kind of the gas sensing material lamination method.

또한, 탄소 나노와이어(202)는 2차 절연층(150) 최상단과 소정 간격 이격되어 있다. 따라서, 탄소 나노와이어(202)에 전기신호를 인가하여도 탄소 나노와이어(202)가 기판(110)이나 2차 절연층(150)으로부터 전기적, 열적 영향을 받지 않는다. The carbon nanowires 202 are spaced apart from the uppermost end of the secondary insulation layer 150 by a predetermined distance. Therefore, even if an electric signal is applied to the carbon nanowires 202, the carbon nanowires 202 are not electrically and thermally affected by the substrate 110 or the secondary insulating layer 150.

상기와 같이 탄소 나노와이어(202)가 2차 절연층(150) 최상단 및 식각영역(140)의 도전영역(142)과 이격되어 위치하기 때문에 인가전압에 대한 저항 측정은 탄소 나노와이어(202)에 의해서만 이루어지고, 탄소 나노와이어(202)로의 기판부의 영향을 최소화 할 수 있게 된다. Since the carbon nanowires 202 are positioned at the uppermost portion of the secondary insulating layer 150 and the conductive region 142 of the etching region 140 as described above, resistance measurement for the applied voltage is performed on the carbon nanowires 202 And the influence of the substrate portion on the carbon nanowires 202 can be minimized.

즉, 도 5의 전류 - 전압 곡선에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 가스센서에 적용된 탄소 나노와이어(202)는 전압이 증가하여도 전류가 선형적으로 증가하는 옴(Ohmic) 저항 특성을 보인다. 이러한 선형적 전류 증가는 가스 감지 중에도 나노와이어의 전기 저항의 변화가 측정 전류에 의해 변화되지 않고 가스의 농도에 의해서만 영향을 받아 신뢰성 있는 가스 감지가 가능함을 나타낸다. 일반적으로 나노와이어를 미리 형성된 전극부에 연결하는 형태로 구성된 센서는 나노와이어와 전극부의 물리적, 전기적 접촉이 완벽하지 않다. 따라서 이러한 나노와이어 기반 센서 가공 공정은 나노와이어와 전극부의 접촉 저항을 옴(Ohmic) 저항으로 만들기 위한 추가적인 전도성 물질 코팅 공정을 수반한다. 이러한 부가적인 코팅 공정은 나노와이어의 부피를 증가시켜 감도를 감소시키거나 공정이 복잡하여 비용이 높으며 불량률이 높게 된다. 하지만 탄소 나노와이어(202)와 탄소 전극부(204)는 열분해 단일 공정으로 단일 탄소 구조(200)로 형성됨으로써 앞서 구술한 일반 나노와이어 센서가 가지는 문제점을 해결할 수 있다. That is, according to the current-voltage curve of FIG. 5, the carbon nanowire 202 applied to the gas sensor according to the embodiment of the present invention exhibits an Ohmic resistance characteristic in which the current linearly increases even when the voltage increases . This linear current increase indicates that the change in the electrical resistance of the nanowire during gas sensing is not affected by the measured current, but is only affected by the concentration of the gas, allowing reliable gas sensing. Generally, a sensor configured to connect a nanowire to a previously formed electrode part is not perfect in physical and electrical contact between the nanowire and the electrode part. Thus, these nanowire-based sensor fabrication processes involve additional conductive material coating processes to make the contact resistance of the nanowire and electrode portions ohmic. This additional coating process increases the volume of the nanowire to reduce the sensitivity or complexity of the process, resulting in high cost and high defect rate. However, the carbon nanowire 202 and the carbon electrode 204 are formed of a single carbon structure 200 by a single thermal decomposition process, thereby solving the problems of the conventional nanowire sensor.

한편, 상기 가스 감지 물질(210)으로는 팔라듐 또는 백금 등과 같은 물질이 될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 팔라듐이 적층되는 것을 예를 들기로 한다. 팔라듐은 수소 가스와 접촉하여 탄소 나노와이어의 저항이 변화하게 된다. 하지만 가스 감지 물질로 다양한 물질이 사용될 수 있다. 그러므로 가스 감지 물질의 종류에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, the gas sensing material 210 may be a material such as palladium or platinum, and in the embodiment of the present invention, palladium is stacked. Palladium makes contact with hydrogen gas, and the resistance of the carbon nanowires changes. However, various materials can be used as gas sensing materials. Therefore, the present invention is not limited or limited by the kind of the gas sensing material.

본 발명의 일시예에 따른 가스센서의 제조방법은 나노크기의 탄소 나노와이어(202)가 구비된 가스센서를 형성하므로 각종 가스를 감지하는 센서부 크기가 나노 단위이다. 따라서, 본 실시예의 가스센서의 제조방법은 가스 감지 물질로 인한 표면의 저항 변화가 전체 나노와이어 저항 변화에 크게 영향을 주기 때문에 기존의 센서에 비하여 감도가 크게 향상될 수 있다. 더불어 상기 탄소나노와이어(202)를 제조하기 위하여 열분해를 이용함으로써, 다양한 형태의 공중 부유된 마이크로 포토레지스트 와이어(184)를 유사한 형태로 부피가 감소된 탄소 나노와이어(202)로 간단히 변환할 수 있다. 공중 부유된 탄소 나노와이어(202)는 검출하려는 가스와 모든 표면에서 접촉할 수 있어 기판 표면에 고착된 형태의 나노와이어 센서 보다 감도가 높으며 기판으로 부터의 전기적, 열적 영향을 받지 않기 때문에 감지 신호의 노이즈(noise)를 감소시킬 수 있다. 또한 탄소 나노와이어와 이를 공중에 지탱해주는 전극부가 일체형으로 단일 열분해를 통하여 형성되기 때문에 나노와이어의 저항 변화가 측정 전류 변화에 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있다. The method of manufacturing a gas sensor according to one example of the present invention includes forming a gas sensor having nano-sized carbon nanowires 202, so that the size of a sensor unit for sensing various gases is in the nanometer range. Therefore, the manufacturing method of the gas sensor of the present embodiment can greatly improve the sensitivity as compared with the conventional sensor because the change in the resistance of the surface due to the gas sensing material greatly affects the change of the entire nanowire resistance. In addition, by using pyrolysis to produce the carbon nanowires 202, various types of airborne microphotoresist wires 184 can be simply converted into a similarly reduced volume carbon nanowire 202 . Since the airborne carbon nanowire 202 has higher sensitivity than a nanowire sensor in contact with the gas to be detected at all surfaces and fixed to the substrate surface, and is not affected by the electrical and thermal effects from the substrate, It is possible to reduce noise. In addition, since the carbon nanowire and the electrode for supporting the carbon nanowire are integrally formed through single pyrolysis, the change in resistance of the nanowire has an advantage that it is not affected by the change in the measurement current.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도를 감지하는 센서의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도를 감지하는 센서에 소정전압을 인가한 경우의 저항-온도 그래프이다.FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a sensor for sensing a temperature according to another embodiment of the present invention. FIGS. 7A to 7D illustrate a method of manufacturing a sensor according to another embodiment of the present invention, In the case of the resistance-temperature graph.

본 발명의 다른 실시예에 따른 온도를 감지하는 온도센서의 제조방법은, 실리콘 기판 상측의 복수개의 전극영역에 1차 절연층을 형성하는 단계(S210); 상기 실리콘 기판을 식각하는 단계(S220); 상기 1차 절연층 및 실리콘 기판의 식각영역에 2차 절연층을 적층하는 단계(S230); 상기 1차 절연층 및 상기 식각영역 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계(S240), 상기 전극영역을 1차 노광하는 단계(S250); 상기 전극영역 사이의 포토레지스트 상부를 와이어 형태의 포토마스크를 통하여 상기 전극 영역을 연결하는 마이크로 사이즈의 와이어 형태로 2차 노광하는 단계(S260); 상기 1차 노광하는 단계(S250) 및 2차 노광하는 단계(S260)에서 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 에칭하는 단계(S270); 에칭 과정 이후 남아있는 상기 전극 영역 및 마이크로 사이즈의 와이어를 열분해하여 일체형 탄소 전극과 탄소나노와이어를 형성하는 단계(S280)로 이루어진다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a temperature sensor for sensing a temperature, comprising: forming a first insulating layer on a plurality of electrode regions on a silicon substrate; Etching the silicon substrate (S220); A step (S230) of laminating a secondary insulation layer on the etching region of the primary insulation layer and the silicon substrate; Coating a photoresist on the first insulating layer and the etching region (S240), and performing a first exposure (S250) on the electrode region; (S260) secondary exposure of the upper portion of the photoresist between the electrode regions through a wire-shaped photomask in the form of micro-sized wires connecting the electrode regions; (S270) etching the remaining portions of the photoresist except the exposed portions in the primary exposure step S250 and the secondary exposure step S260; (S280) of thermally decomposing the remaining electrode region and the micro-sized wire after the etching process to form the integral carbon electrode and the carbon nanowire.

본 발명의 다른 실시예의 상기 S210 내지 S280단계는, 상술한 본 발명의 일실시예의 S110 내지 S180단계와 동일한 구성을 가지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. The steps S210 to S280 of the other embodiment of the present invention are the same as the steps S110 to S180 of the above-described embodiment of the present invention, so a detailed description thereof will be omitted.

이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도를 감지하는 센서의 제조방법의 작용원리를 살펴보면, 본 실시예에 따른 온도센서의 탄소나노와이어는 온도의 변화에 따라 저항값이 비례하여 변하게 된다. The operation principle of the method of manufacturing a sensor for sensing a temperature according to another embodiment of the present invention will now be described in which the resistance value of the carbon nanowire of the temperature sensor according to the present embodiment changes in proportion to a change in temperature.

이를 수학식으로 나타내면 다음 [수학식 1]과 같다. This can be expressed by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기에서, ΔR : 저항변화값Here,? R: resistance change value

R0 : 초기 저항값R0: initial resistance value

ΔT : 온도변화값ΔT: temperature change value

α : 저항의 온도 계수
α: Temperature coefficient of resistance

이에 따라 상기 탄소나노와이어의 저항값의 변화를 측정하면, 온도변화를 측정할 수 있게 되고, 이에 기초하여 온도를 결정할 수 있게 되는 것이다. Accordingly, when the change in the resistance value of the carbon nanowires is measured, the temperature change can be measured, and the temperature can be determined based on the change.

도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 상기 탄소나노와이어에 각각의 다른 전압을 인가하였을 때, 온도 변화에 따른 저항값 변화를 알 수 있다. Referring to FIGS. 7A to 7D, when different voltages are applied to the carbon nanowires, a change in resistance value according to temperature changes can be known.

도 7a는 0.001V를 인가하였을 때, 도 7b는 0.01V를 인가하였을 때, 도 7c는 0.1V를 인가하였을 때, 도 7d는 1V를 인가하였을 때의 온도-저항 값의 그래프이다. FIG. 7A is a graph of temperature-resistance values when applying 0.001 V, FIG. 7B is applied with 0.01 V, FIG. 7C is applied with 0.1 V, and FIG.

상기 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 저항값 역시 증가하는 것을 알 수 있는 바, 이러한 데이터에 근거하여 온도를 측정할 수 있다. As can be seen from the graph, it can be seen that as the temperature increases, the resistance value also increases, and the temperature can be measured based on this data.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면 감지 물질을 바이오 물질 감지 물질로 변형하면 탄소 나노와이어를 바이오 센서로 형성할 수 있으며 감지 물질 적층에 기상증착법이나 액상증착법을 사용할 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. For example, if a sensing material is transformed into a biomaterial sensing material, the carbon nanowire can be formed as a biosensor, and a vapor deposition method or a liquid deposition method can be used for the deposition of the sensing material. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

110: 실리콘 기판 120: 1차 절연층
140: 식각영역 142: 도전영역
144: 절연영역 150: 2차 절연층
160: 포토레지스트 182 : 포토레지스트 전극부
184 : 포토레지스트 와이어 200 : 탄소구조체
202 : 탄소나노와이어 204 : 탄소 전극부
210 : 가스 감지 물질110: silicon substrate 120: primary insulating layer
140: etching region 142: conductive region
144: insulating region 150: secondary insulating layer
160: photoresist 182: photoresist electrode portion
184: photoresist wire 200: carbon structure
202: Carbon nanowire 204: Carbon electrode part
210: Gas sensing material

Claims (8)

(a) 기판 상측의 복수개의 전극영역에 1차 절연층을 형성하는 단계;
(b) 상기 기판을 식각하는 단계;
(c) 상기 1차 절연층 및 기판의 식각영역에 2차 절연층을 적층하는 단계;
(d) 상기 1차 절연층 및 상기 식각영역 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계;
(e) 상기 전극영역을 1차 노광하는 단계;
(f) 상기 전극영역 사이의 포토레지스트 상부를 와이어 형태의 포토마스크를 통하여 상기 전극 영역을 연결하는 마이크로 사이즈의 와이어 형태로 2차 노광하는 단계;
(g) 상기 (e), (f) 단계에서 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 에칭하는 단계;
(h) 에칭 과정 이후 남아있는 상기 전극 영역 및 마이크로 사이즈의 와이어를 열분해하여 일체형 탄소 전극과 탄소나노와이어를 형성하는 단계; 및
(i) 상기 탄소나노와이어에 가스 감지 물질을 적층하는 단계를 포함하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법
(a) forming a primary insulating layer on a plurality of electrode regions on a substrate;
(b) etching the substrate;
(c) laminating a secondary insulation layer in the etching region of the primary insulation layer and the substrate;
(d) coating a photoresist on the primary insulation layer and the etch region;
(e) firstly exposing the electrode region;
(f) secondarily exposing the upper portion of the photoresist between the electrode regions to a micro-sized wire connecting the electrode regions through a wire-shaped photomask;
(g) etching the remaining portions of the photoresist except for the exposed portions in the steps (e) and (f);
(h) thermally decomposing the remaining electrode area and micro-sized wire after the etching process to form an integral carbon electrode and a carbon nanowire; And
(i) depositing a gas sensing material on the carbon nanowire; and
청구항 1에서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 상기 기판 상면에 1차 절연층을 적층하는 단계 및
(a-2) 1차 절연층을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법.
In claim 1,
The step (a)
(a-1) laminating a primary insulating layer on the upper surface of the substrate, and
and (a-2) selectively etching the primary insulation layer.
청구항 1에서
상기 (b) 단계는, 상기 기판을 등각 식각하는 것을 특징으로 하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법In claim 1
Wherein the step (b) comprises etching the substrate by conformal etching. 청구항 1에 있어서,
상기 (b)단계의 식각에 의하여 제거되는 상기 기판의 식각영역의 일단은, 측면방향으로 오목하게 들어가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법The method according to claim 1,
Wherein one end of the etched region of the substrate removed by the etching in step (b) is formed to be recessed in the lateral direction. 청구항 1에 있어서,
상기 포토레지스트는, SU-8 인 것을 특징으로 하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법The method according to claim 1,
Wherein said photoresist is SU-8. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI > 청구항 1에 있어서,
상기 (h) 단계에서,
상기 탄소나노와이어의 폭은 100nm ~ 800 nm이고, 높이는 100nm ~ 800nm이며, 길이는 20ㅅm ~ 150ㅅm으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노와이어를 포함하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법The method according to claim 1,
In the step (h),
Airborne carbon nanowire-based gas sensor comprising carbon nanowires, characterized in that the width of the carbon nanowires is 100nm ~ 800 nm, the height is 100nm ~ 800nm, the length is 20㎛ ~ 150㎛ Manufacturing method 청구항 1에 있어서,
상기 (i) 단계에서,
상기 도전물질은 팔라듐 또는 백금인 것을 특징으로 하는 탄소나노와이어를 포함하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 가스센서 제조방법The method according to claim 1,
In the step (i),
The conductive material is airborne carbon nanowire-based gas sensor manufacturing method comprising carbon nanowires, characterized in that the palladium or platinum. (a) 기판 상측의 복수개의 전극영역에 1차 절연층을 형성하는 단계;
(b) 상기 기판을 식각하는 단계;
(c) 상기 1차 절연층 및 기판의 식각영역에 2차 절연층을 적층하는 단계;
(d) 상기 1차 절연층 및 상기 식각영역 상에 포토레지스트를 코팅하는 단계;
(e) 상기 전극영역을 1차 노광하는 단계;
(f) 상기 전극영역 사이의 포토레지스트 상부를 와이어 형태의 포토마스크를 통하여 상기 전극 영역을 연결하는 마이크로 사이즈의 와이어 형태로 2차 노광하는 단계;
(g) 상기 (e), (f) 단계에서 노광된 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스트를 에칭하는 단계;
(h) 에칭 과정 이후 남아있는 상기 전극 영역 및 마이크로 사이즈의 와이어를 열분해하여 일체형 탄소 전극과 탄소나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 공중부유형 탄소 나노와이어 기반 온도센서 제조방법(a) forming a primary insulating layer on a plurality of electrode regions on a substrate;
(b) etching the substrate;
(c) laminating a secondary insulation layer in the etching region of the primary insulation layer and the substrate;
(d) coating a photoresist on the primary insulation layer and the etch region;
(e) firstly exposing the electrode region;
(f) secondarily exposing the upper portion of the photoresist between the electrode regions to a micro-sized wire connecting the electrode regions through a wire-shaped photomask;
(g) etching the remaining portions of the photoresist except for the exposed portions in the steps (e) and (f);
(h) thermally decomposing the remaining electrode area and micro-sized wire after the etching process to form an integral carbon electrode and a carbon nanowire.
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