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금속 산화물 나노구조형 마이크로 박막 센서의 제작 및 가스 응답 특성
Microfabrication of Thin Film Sensor with Metal Oxide Nanostructure and Their Gas Sensing Properties 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.43 no.8 = no.350, 2006년, pp.13 - 18  

강봉휘 (대구과학대학 경찰사이버보안과) ,  이상록 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) ,  송갑득 (경북대학교 모바일 디스플레이 산학연 센터) ,  주병수 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) ,  이덕동 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부)

초록
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Sn과 Zn 금속을 이용해 각각 산소와 아르곤 가스를 주입한 대기압 분위기에서 열처리를 통해 $SnO_2$ZnO 나노박막을 형성시켰다. 나노구조로 형성된 $SnO_2$ 박막의 경우 CO 가스(5,000 ppm)에 대해 $200^{\circ}C$의 동작온도에서 약 50 %의 감도를 나타내었으며, $SnO_2$ 나노 금속산화물Pt 금속을 이온 코팅법에 의해 첨가한 박막의 경우에는 동작온도 $150^{\circ}C$에서 73 %의 높은 감도를 얻을 수 있었다. 순수 ZnO 나노 박막의 경우 NOx(20 ppm) 가스에 대해 낮은 감도를 나타내었으나, Cu를 이온 코팅법에 의해 첨가한 박막의 경우에는 동작온도 $200^{\circ}C$에서 90 %의 높은 감도를 나타내었다. 나노 구조가 아닌 $SnO_2$와 ZnO 박막이 가지는 CO와 NOx에 대한 가스 감도에 비해 매우 높은 감도를 가짐을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

[ $SnO_2$ ] and ZnO nanostructures were grown on the surface of thin film by heat treatment of metal Sn, Zn under Ar gas flow and $O_2$ at atmospheric pressure, respectively. The sensitivity of the $SnO_2$ thin film device on which grown nanowires to CO gas(5,000 ppm...

주제어

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제안 방법

  • 3) 를 사용하여 Pt를 소량 이온 코팅(5 mA의 전류로 40초 동안 코팅, 진공도 15 Pa)한 후의 저항 특성을 보여준다. 그림 6(c)에서는 Zn 박막을 02 가스를 유입시켜 열처리하여 ZnO 나노로드가 성장된 박막과 Cu를 소량 이온 코팅(5 mA의 전류로 30초 동안 코팅, 진공도 15 Pa)한 후의 박막의 저항 특성을 비교하였다. Sn(由 나노와이어가 성장된 박막은 나노와이어의 성장으로 인해 박막의 저항이 증가하여 상온에서는 상용 디지털멀티미터(digital multimeter)로는 저항 측정이 불가능하였고 100 ℃ 이상의 온도에서부터 저항을 측정할 수 있었다.
  • 후, 이를 대기압하에서 Ar 또는 。2 가스를 유입 시켜 열처리함으로써 SnO2 나노와이어 및 ZnO 나노 로드를 성장시켰다. 나노구조의 성장은 반응 가스의 종류 및 가스의 유입량에 의존하였다.
  • 후, 대기압하에서 Ar 또는。2 가스를 유입시켜나노 구조를 갖는 산화막 감지 물질을 형성하여 유독가스인 CO 및 NOx 가스에 대한 감응 특성을 조사하였다. 또한 백금(Pt, 이하 Pt), 구리 (Cu, 이하 Cu) 등의 촉매를 나노구조 위에 분산 시켜 안정도, 감도 및 선택성의 향상 여부를 살펴보았다.
  • CO)를 사용하여 Ti/Pt를 200 A/2,000 A의 두께로 증착, lift off 방법으로 전극을 형성하였다. 감지 막 부를 형성하기 위하여 스핀 코 터를 사용하여 positive PR인 AZ 1512를 백금(Pt) 전극이 형성된 기판 위에 전면 도포 한 후, mask #2를 사용하여 감지 막이 증착될 패턴을 형성하였다. 그런 다음, 열증칙.
  • 본 연구에서 제작된 센서는 제조공정을 단순화하기 위하여 동일면 상에 감지 전극과 히터 전극을 형성하였다. 감지 전극의 선폭 및 전극 간격은 40 W40 이고, 감지 전극에서 20 ㎛의 간격을 두고 동일면상에 선폭 20 ㎛의 Pt 히터 전극과 온도 센서를 제작하였다 감지막부는 2.25 I血의 면적으로 제작하였다. 또한 박막 소자의 CO 및 NOx 가스에 대한 감도 향상을 위해 각각 SnO2 나노와이어가 형성된 박막에 Pt 40, ZnO 나노 로드가 형성된 박막에 Cu를 소량 이온 코팅하였다
  • 시험대상 가스로는 CO와 NOx 가스를 사용하였고 기준 가스로는 air를 사용하였다. 그림 5와 같이 제작된 센서를 반응조에 넣고 가스 주입 전과 후의 전압차를 측정하여 저항값으로 변환시켜 센서의 감응 특성을 LabVIEW 프로그램을 사용하여 조사하였다. 센서의 특정 가스에 대한 감응 특성은 식 (1) 에 의해 정의된 감도(sensitivity, S)를 이용하여 조사하였다.
  • 그런 다음, 열증칙.(thermal evaporator, KOREA VACUUM CO)를 사용하여 IDT 전극 위에 Sn, Zn 박막을 증착하여 lift off 한 후, 증착된 Sn 박막은 전기로(electric furnace, LINDBERG, 1-800-657-0770)를 사용하여 대기압에서 Ar 가스를 900 笆 에서 3 시간 동안 주입하여 SnOz 나노와이어를 형성하였고, Zn 박막은 650 笆에서 02 가스를 2 시간 동안 주입하여 ZnO 나노 로드를 형성하였다. 전체 제작공정과 제작된 소자의 사진을 각각 그림 1, 2에 나타내었다.
  • 25 I血의 면적으로 제작하였다. 또한 박막 소자의 CO 및 NOx 가스에 대한 감도 향상을 위해 각각 SnO2 나노와이어가 형성된 박막에 Pt 40, ZnO 나노 로드가 형성된 박막에 Cu를 소량 이온 코팅하였다
  • 또한 백금(Pt, 이하 Pt), 구리 (Cu, 이하 Cu) 등의 촉매를 나노구조 위에 분산 시켜 안정도, 감도 및 선택성의 향상 여부를 살펴보았다.
  • 전체 제작공정과 제작된 소자의 사진을 각각 그림 1, 2에 나타내었다. 본 연구에서 제작된 센서는 제조공정을 단순화하기 위하여 동일면 상에 감지 전극과 히터 전극을 형성하였다. 감지 전극의 선폭 및 전극 간격은 40 W40 이고, 감지 전극에서 20 ㎛의 간격을 두고 동일면상에 선폭 20 ㎛의 Pt 히터 전극과 온도 센서를 제작하였다 감지막부는 2.

대상 데이터

  • 고온의 열처리 공정 과정에서 기판의 열화를 최소화하기 위하여 quartz 기판을 사용하였다. 먼저 세척한 quartz 기판 위에 스핀 코 터 (spin coater)를 사용하여 image reverse PR인 AZ 5214E를 전면에 도포하였다.
  • 시험대상 가스로는 CO와 NOx 가스를 사용하였고 기준 가스로는 air를 사용하였다. 그림 5와 같이 제작된 센서를 반응조에 넣고 가스 주입 전과 후의 전압차를 측정하여 저항값으로 변환시켜 센서의 감응 특성을 LabVIEW 프로그램을 사용하여 조사하였다.
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참고문헌 (8)

  1. Z. L. Wang, 'Nanobelts, nanowires, and nanodiskettes of semiconducting oxides' Materials to nanodevices, Adv. Mater. vol. 15, pp. 432-436, 2003 

  2. J. X. Wang, D. F. Liu, et al, 'Growth of $SnO_2 $ nanowires with uniform branched structures', Solid State Communications. vol. 130, pp. 89-94, 2004 

  3. C. M. Carney. S. Yoo and S. A. Akbar, ' $TiO_2-SnO_2 $ nanostructures and their $H_2 $ sensing behavior', Sensors and Actuators B. vol. 108, pp. 29-33, 2005 

  4. Y. Chean, X. Cui, K. Zhang, D. Pan, S. Zhang, B. Wang and J. G. Hou, 'Bulk-quantity synthesis and self-catallytic VLS growth of $SnO_2$ nanowires by lower-temperature evaporation', Chemical Physics letters. vol. 369, pp 16-20. 2003 

  5. Z. W. Pan, Z. R. Dai, and Z. L. Wang, 'Nanobelts of semiconducting oxides', Science. vol. 291, pp. 1947-1949, 2001 

  6. M. Z. Atashbar . S. Singamaneni, 'Room temperature gas sensor based on metallic nanowires' Sensors and Actuators B , vol. 111-112, pp. 13-21, 2005 

  7. B. C. Tofield, Solid State Gas Sensors, Adam Hilger, Bristol and Philadelphia pp. 213-221, 1987 

  8. G. H. Lee et al., 'Fabrication of chestnut bur-like particles covered with ZnO nanowires', Journal of Crystal Growth, vol. 277, Issues 1-4, pp. 15-19, 2004 

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