Gas sensor device operating at room temperature using one-dimensional semiconductor and nano-to-micrometer architectures

Abstract

나노기술(nano-technology)은 약 10년동안의 기간동안 고체 기반(solid-state) 반도체 가스센서분야에 있어서 빠른 반응 속도, 매우 높은 감도, 에너지 소비 효율의 상승 및 센서 집합체를 통한 ‘전기코(E-nose)와 같은 기술적 요구성능을 만족시킬 수 있는 새로운 가능성에 대한 과학적 발전을 이끌어 왔다. 나노수준의 물질의 특성인 높은 표면-부피 비(surface-to-volume ratio), 높은 비 표면적, 높은 표면 반응성은 가스센서소자의 특성향상을 이끌어낼 수 있었으나, 아직까지 몇 가지 한계점이 존재하고 있으며 이는 사물인터넷으로 대표되는 차세대 센서기술의 적용에 큰 장애물이 되고 있다. 따라서 본 연구에서 혁신적인 가스센서의 소자 제작기술 및 그 소자들의 가스 감지 특성에 관한 연구를 진행하였다. 특히 저전력, 소자의 크기 및 가격에 관련된 부분에서의 향상을 위해 방법들이 제시되어 있으며, 상온에서 안정적으로 가스들과 반응할 수 있는 소자들의 제작 및 평가에 대한 부분에 집중하였다. 본 학위논문은 총 6개의 장으로 구성되어 있다. 제1장(Introduction, 도입)에서는 가스 센싱(Sensing) 기술의 대한 필요성을 3가지 예시로 설명하였다. 또한 가스센서 기술의 발달과정, 앞으로의 전망 및 시장상황을 통해 기술의 중요성, 발전방향이 고찰되었다. 제2장(Fundamentals, 배경지식)에서는 가스 센싱 기술과 관련된 다양한 배경지식이 소개되어 있다. 현제까지 제시된 다양한 종류의 가스센서 기술에 대한 내용을 시작으로 반도체식 가스센서 기술과 열화학 가스센서 기술에 대해 집중적으로 다뤘으며, 기본적인 가스센서의 작동방식 및 성능지표에 관한 내용이 포함되어 있다. 제3장에서는 갈바닉 치환 반응을 통한 텔루륨(Tellurium, Te)박막을 기반으로 제작된 상온에서 작동가능한 가스센서 소자의 제작방법을 제시하였다. 갈바닉 치환반응의 경우 복잡한 공정없이 상온에서 적용 가능하며 미세전자기계시스템(Microelectromechanical systems, MEMS)기반 소자에 적용가능한 방법으로 전체적인 소자의 제작비용 및 공정을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 특히 텔륨기반 센서 소자의 경우 황화수소 가스에 대해 우수한 센싱 특성을 보이는 것을 확인하였다. 또한 실리콘 웨이퍼의 구조를 변경하고, 표면을 금(Au) 나노 입자를 통해 개질 하여 향상된 특성을 얻을 수 있었다. 제4장에서는 기존의 산업전반에 많이 쓰이고 있는 다층 세라믹 케페시터(MLCC, multi-layered ceramic capacitor)를 이용해 제작된 MLES(multi-layered ceramic/metal electrode system)를 기반으로 제작된 가스센서의 소자의 가스 센싱 특성 및 가능성을 제시하였다. 백금 나노 입자를 통해 표면이 기능화된 카본 나노 튜브를 이용하여 수소, 이산화질소, 암모니아 및 황화수소 가스들에 대한 감도를 통해 MLES의 센서 플랫폼으로써의 가능성을 확인하였으며, 텔루륨 나노와이어를 통해 이산화질소 가스에 대한 선택성을 확보함으로써 향후 추가적인 성능향상의 가능성을 확인하였다. 제5장에서는 텔루륨 나노와이어와 백금 나노입자로 표면이 개질된 그래핀 나노 구조체를 이용해 이론적으로 가자발전이 가능한 신개념의 수소센서소자의 제작방법을 제시하였다. 우수한 수소 가스의 감지 특성을 확인하였으며, 촉매층의 신 설계를 통해 수분에 대한 저항성을 갖는 것을 확인하였다. 마지막으로 6장에서는 전반적인 내용 및 시사점에 대해서 정리하였다.