Study on Core Technology for High-Performance Gas Sensor Architecture Using TGV (Through Glass Via) Technology

Abstract

산업 고도화에 따른 지속가능한 성장을 위하여 수소를 이용한 친환경 에너지 기술이 세계적으로 주목받고 있다. 수소는 운반, 저장, 사용 등의 이용 과정에서 급격한 산화로 폭발할 가능성이 높아, 수소 에너지의 이용 과정에서 수소 가스의 누출을 감지할 센서의 필요성이 높아지고 있다. 특히, 최근 수소 연료전지의 상용화로 인해 안전한 수소의 사용에 필수적인 신뢰성 높은 고성능 수소가스센서를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 기존 수소가스센서의 성능을 향상시키기 위해 나노 재료 합성 및 나노 소자 공정기술을 기초로 하는 수소 가스센서 요소 기술 개발에 대한 연구를 진행하였다. 본 학위논문은 총 5개의 장으로 구성되어 있다. 제 1장에서는 수소 및 수소가스센서와 관련된 다양한 배경지식을 소개하였다. 특히 촉매연소식 수소센서의 촉매 및 디바이스 구조에 대해 집중적으로 다루었고, 고성능 수소센서제조 기술의 의의와 필요성을 고찰하였다. 제 2장에서는 촉매연소식 수소센서의 촉매 구조 디자인을 위해 화학구조 및 모폴로지 조절이 쉬운 구형의 멜라민-포름알데하이드 (Melamine-formaldehyde sphere, MFS) 고분자 지지체를 도입하였고, 단량체 및 산촉매의 비율 조절과 같은 공정 변수를 제어함으로써 다양한 크기 및 산소를 포함하는 작용기 비율이 조절된 MFS 합성 조건 최적화 연구를 보였다. Pt 나노입자를 담지하여, 합성된 MFS의 화학적/구조적 특성이 촉매로서 수소가스감지에 미치는 영향을 확인하였을 때, 폴리머 표면의 hydroxyl 작용기가 많을수록 전반적으로 수소감지성능이 향상되는 것을 확인하였으나, 이에 따른 열적 특성 저하로 성능 향상에 한계를 보여준다. 제 3장에서는 촉매연소식 수소센서의 고성능 촉매 제조를 위해 열적안정성이 우수하며, 촉매 지지체로서 금속-촉매지지체 상호작용을 할 수 있는 질소가 도핑된 탄소 구형입자를 도입하였다. 앞선 제 2장에서 연구된 MFS를 이용하여 탄화 온도 및 시간에 대한 공정 변수를 제어함으로써 높은 함량의 질소가 도핑된 탄소 구형입자 (nitrogen-doped carbon sphere, NCS)를 재현성 있게 합성하였다. NCS는 다양한 질소를 포함하는 방향족 작용기 골격으로 구성되어 있으며, MFS의 화학조성에 따라 모폴로지 변화가 관찰되었다. 합성된 NCS의 화학적/구조적 특성이 촉매로서 수소가스감지에 미치는 영향을 확인하고자 Pt나노입자를 담지하였으며, NCS 표면의 hydroxyl 작용기가 많을수록, mesoporous한 구조를 보일수록 수소감지성능이 향상됨을 보여준다. 제 4장에서는 촉매연소식 수소센서칩의 감도 향상을 위해 양면 cavity 구조의 기판을 설계하였다. 이를 구현하기 레이저 유도 에칭 (Laser-inducted deep etching, LIE) 공정을 통해 간편하게 석영유리 기판을 가공하여 복잡한 반도체 공정 기반의 Si-MEMS 기술을 대체하고자 하였다. 양면 cavity 구조의 기판은 우수한 단열성능을 보여주었으며, LIE 공정으로 제작된 마스크를 이용하여 Pt 전극을 형성하여 수소센서칩을 제작하였다. 양면 cavity 기판이 수소가스감제에 미치는 영향을 확인하고자 제 3장에서 연구된 Pt/NCS 촉매를 센서칩에 도포하였으며, 기판의 단열특성이 향상됨에 따라 수소감지성능이 향상됨을 보여주었다. 마지막으로, 5장에서 본 논문의 전반적인 내용 및 시사하는 바를 정리하였다. |Hydrogen-based eco-friendly energy technology is attracting worldwide interest because of its potential to encourage sustainable growth. The requirement for a sensor to detect hydrogen gas leakage in the use of hydrogen energy is increasing since hydrogen is highly possible to an explosion due to rapid oxidation during transport, storage, and use. Research has been actively conducted for highly reliable and high hydrogen gas sensors, which are essential for the safe use of hydrogen, in particular, due to the rapid commercialization of hydrogen fuel cells. In this study, to improve the performance of conventional hydrogen gas sensors, research was conducted on the development of hydrogen gas sensor element technology based on nanomaterial synthesis and nanodevice processing technology. There are five chapters in this dissertation. In chapter 1, the background about hydrogen and hydrogen gas sensors was introduced. In particular, the importance and requirement of high-performance hydrogen sensor manufacturing technologies were discussed on the catalyst and device structure of the catalytic combustion hydrogen sensor. In chapter 2, for the catalyst structure design of the catalytic combustion hydrogen sensor, a melamine-formaldehyde sphere (MFS) polymer support with simple chemical structure and morphology control was introduced. A study on the optimization of MFS synthesis conditions with various sizes and oxygen-containing functional group ratios was demonstrated by controlling process factors such as monomer and acid catalyst ratios. The hydrogen sensing performance was confirmed to be improved overall as the amount of hydroxyl functional groups on the polymer surface increased when the chemical/structural properties of the MFS supported with Pt nanoparticles as a catalyst were confirmed. In chapter 3, for the design of high-performance catalysts in catalytic combustion-type hydrogen sensors, nitrogen-doped carbon spherical particles (NCS), which have excellent thermal stability and are capable of metal-catalyst support interaction, were synthesized using the MFS discussed in chapter 2 in a repeatable manner by controlling the process parameters for carbonization temperature and time. Depending on the chemical composition of MFS, morphological changes were observed in NCS, which is composed of various nitrogen-containing aromatic functional groups. Pt nanoparticles were supported to confirm the effect of the chemical/structural properties of the synthesized NCS on hydrogen gas sensing as a catalyst. It shows that the more hydroxyl functional groups on the NCS surface and the more mesoporous structure, the better the hydrogen sensing performance. In Chapter 4, a substrate with a double-sided cavity structure was designed to enhance the sensitivity of a hydrogen sensor chip that utilizes catalytic combustion. To accomplish this, it was intended to simply process the quartz substrate by the laser-inducted deep etching (LIE) process, replacing the complex semiconductor process-based Si-MEMS technology. In order to confirm the effect of the double-sided cavity substrate on the hydrogen gas sensing properties, the Pt/NCS catalyst was applied to the sensor chip, and it was shown that the hydrogen sensing performance improved as the insulation properties of the substrate. Finally, in Chapter 5, the overall contents and implications of this thesis are summarized.