고감도 가스 검출을 위한 금속 나노 입자 장식 나노로드 어레이의 제작 및 특성 분석

Abstract

본 논문에서는 MEMS기술 기반으로 한 마이크로 센서 구조체를 제작하였으며, 가스감지물질로 많이 쓰이는 ZnO를 나노로드 형태로 합성하기 위하여 수열합성(Hydrothermal Method)과 전기화학증착법(Electrochemical-Deposition)을 사용하였다. 또한 가스 감도를 향상시키기 위해 ZnO 나노로드 위에 Au, Pt 등의 귀금속 촉매 장식을 적용해 보는 연구를 수행하였다. 또한 MEMS를 통해 제작된 센서 구조체에 감지물질을 적용하여 NO2 가스에서의 감도를 비교하였다. 마이크로 센서 구조체는 Oxide-Nitride-Oxide 형태의 복합 박막층을 이용한 절연체 위에 마이크로 히터구조와 전극 메탈층이 결합된 형태로 제작하였으며, 마이크로 히터는 300도 이상에서 11mW 이하의 저전력에서 구동하도록 설계하였다. 감지물질로 사용된 ZnO는 수열합성과 전기화학증착법을 적용하여 나노로드 형태로 합성하였으며, ZnO 나노로드 성장 메카니즘 파악을 위한 몰농도, 전압 등의 파라미터를 변화시켜서 선수실험을 진행하였다. 또한 ZnO 나노로드의 구조적 및 광학적 특성을 분석하기 위해 SEM, AFM, CL, TEM 장비 분석을 진행하였다. 또한 귀금속 촉매인 Au, Pt를 첨가하기 위해 E-Beam Evaporator를 통한 조건 실험을 진행하였고, Dot 형태의 증착 여부 확인을 위해 TEM-EDS를 통한 분석을 수행하였다. MEMS기반 가스 구조체 위에 감지물질을 후막형과 박막형 형태로 적용해 보았으며, 박막형 형태는 순수 ZnO 나노로드와 Pt 장식이 더해진 나노로드로 구분하여 제작하였다. 이후 50ppm의 NO2 가스에 대한 센서 감지능력을 평가하였다. 후막형과 박막형의 비교실험에서는 Density가 높았던 후막형에서 좋은 감지능력을 나타내었다. 박막형 내에서는 Pt 장식이 된 나노로드가 그렇지 않은 타입에 비해 저항변화 비율이 0.25 대비 0.66으로 촉매 역할에 의해 감도가 상승된다는 효과를 얻을 수 있었다.