KR101444336B1 - Gas sensor and method for manufacturing gas sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스센서 및 가스센서의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속산화물 또는 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질을 이용한 가스센서 및 가스센서의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가스센서의 제조 방법은, 다수의 나노홀을 갖는 금속 산화물 구조체를 마련하는 제1 단계; 금속 산화물 구조체의 나노홀에 금속, 금속산화물 및 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질을 도포하여 나노 와이어를 성장시키는 제2 단계; 제 2단계에서 생성된 금속 산화물 구조체의 전면(全面)을 절연체로 몰딩하는 제3 단계; 제 3단계에서 생성된 금속 산화물 구조체를, 나노 와이어의 길이 방향으로 커팅하는 제4 단계; 제4 단계에서 커팅된 금속 산화물 구조체의 단면에 나노 와이어가 노출되도록 처리하는 제5 단계; 및 제5 단계에서 노출 처리된 나노 와이어에 외부전극을 연결하는 제6 단계를 포함한다.
본 발명의 가스센서 및 가스센서의 제조 방법은 종래의 가스센서 제조법에 비해 간단하고 저렴하며, 산업화에 유리하도록 대량 생산이 가능한 효과가 있다.The present invention relates to a gas sensor and a method for manufacturing a gas sensor, and more particularly, to a gas sensor using a material selected from the group consisting of a metal oxide or a conductive polymer and a method for manufacturing the gas sensor.
A method of manufacturing a gas sensor according to the present invention includes: a first step of providing a metal oxide structure having a plurality of nano holes; A second step of growing a nanowire by applying a material selected from the group consisting of a metal, a metal oxide, and a conductive polymer to a nano-hole of the metal oxide structure; A third step of molding the entire surface of the metal oxide structure formed in the second step with an insulator; A fourth step of cutting the metal oxide structure formed in the third step in the longitudinal direction of the nanowire; A fifth step of exposing the nanowires to a cross section of the metal oxide structure cut in the fourth step; And a sixth step of connecting an external electrode to the exposed nanowire in the fifth step.
The method of manufacturing the gas sensor and the gas sensor of the present invention is simple and inexpensive compared to the conventional method of manufacturing a gas sensor, and has the effect of being mass-produced so as to be advantageous for industrialization.
Description
본 발명은 가스센서 및 가스센서의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속, 금속산화물 또는 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질을 이용한 가스센서 및 가스센서의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor and a method for manufacturing a gas sensor, and more particularly, to a gas sensor using a metal, a metal oxide, or a conductive polymer, and a method of manufacturing the gas sensor.
최근, 금속, 금속산화물, 전도성 고분자 등을 이용하여 특정 가스를 센싱하기 위한 가스센서의 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 수소를 센싱하기 위한 가스센서의 개발은 가까운 미래에 개발될 수소자동차 등 수소에너지를 사용하게 되는 모든 기계장치에 반드시 필요한 기술이며, 미래 연료에 대한 안전 대책 및 그 실효성을 보증할 수 있는 원천 기술로 각광받고 있다.2. Description of the Related Art In recent years, research and development of a gas sensor for sensing a specific gas using metals, metal oxides, conductive polymers, etc. have been actively conducted. In particular, the development of a gas sensor for hydrogen sensing is a necessary technology for all machinery that use hydrogen energy, such as hydrogen cars, which will be developed in the near future. It is a source that can guarantee safety measures against future fuels and its effectiveness Technology.
현재, 센서용 가스감지기술로는 후막이나 박막형 재료를 이용하는 기술과 MISFET 등의 반도체를 이용하는 기술 등이 보고되고 있다. 그러나 이들 기술이 보유한 각각의 장점에도 불구하고, 가스센서의 핵심이라 할 수 있는 감지할 수 있는 최소 가스농도, 반응 시간, 감지 온도, 구동 소비 전력 등의 측면에서 보면 가스센서의 성능은 아직 미미한 수준에 머물러 있다.Currently, gas sensing technologies for sensors have been reported, including technologies using thick film or thin film materials and techniques using semiconductors such as MISFETs. However, despite the advantages of each of these technologies, the performance of the gas sensor is still insignificant in terms of the minimum detectable gas concentration, reaction time, sensing temperature, and driving power consumption, .
최근, 이에 대한 대안으로서 미세 와이어 형태의 가스센서가 발표되고 있다. 미세 와이어법은, 가스감지 물질의 크기를 줄이고 길이를 길게 하였기 때문에 공기 중에 접촉할 수 있는 표면적이 매우 커서 센서로서의 성능을 극대화 할 수 있고, 감지소자로서의 가능성도 충분하기 때문에 실용화하기에 적당한 방법이다. 차세대 가스센서 기술로 주목을 받고 있는 미세 와이어법에서는 가스감지 물질의 크기와 밀도를 제어하는 것이 가스센서의 성능을 좌우하게 된다. Recently, a gas sensor in the form of a fine wire has been proposed as an alternative thereto. Since the size of the gas sensing material is reduced and the length of the gas sensing material is reduced, the surface area that can be contacted with the air is very large, so that the performance as a sensor can be maximized and the possibility of a sensing element is also sufficient. . In the fine wire method, which is attracting attention as a next-generation gas sensor technology, controlling the size and density of the gas sensing material determines the performance of the gas sensor.
미세 와이어를 이용한 방법으로 최근에 제시된 것이 메조와이어(meso-wire)법과 단일 마이크로 와이어법이 있다. 이들은 기존방법을 적절히 보완하였지만 제조된 재료의 균일도가 떨어지고 성능면에서도 기존 센서에 대한 대안이 되지 못하는 실정이다.Recently, meso-wire method and single microwire method have been proposed as methods using fine wires. Although these methods adequately compensate the existing methods, the uniformity of the manufactured materials is lowered and the performance is not an alternative to existing sensors.
사이언스(Science)지에 보고된 프랑스 CNRS 그룹의 나노와이어 가스센서는 그라파이트(graphite)의 계단 구조(stepedge)에 전기도금을 이용하여 수소감지 물질인 팔라듐 나노와이어를 도금하여 제조되었다. 최소 50 nm 크기의 나노와이어를 구현하였지만 그라파이트 계단 구조의 구조상 제곱인치 당 수십 개의 와이어를 제조하기도 어려우며, 엄밀하게는 와이어라기보다는 입자들의 체인형태에 불과하기 때문에 성능 면에서도 감지할 수 있는 최소의 수소농도와 민감도가 각각 0.5 %와 15 % 수준에 불과했다.The CNRS group's nanowire gas sensor, reported in Science, was fabricated by plating palladium nanowire, a hydrogen sensing material, with electroplating on the steppedge of graphite. Although a nanowire of at least 50 nm is implemented, it is difficult to fabricate dozens of wires per square inch of the structure of the graphite step structure. It is strictly a chain of particles rather than wires. Therefore, The concentrations and sensitivities were only 0.5% and 15%, respectively.
또한 미국의 UCI에서는 완벽한 형태의 와이어를 구현하였지만, 복잡한 고가공정인 광 사진식각(photo- lithography)공정으로 만들어진 폭 1 ㎛ 크기의 패턴을 전기도금으로 채워 와이어를 구현하였기 때문에 와이어는 제곱인치에 수개에 불과하며 와이어의 균일도를 제외하면 반응시간, 민감도, 와이어의 밀도 등이 CNRS 그룹보다 더 떨어지는 결과를 얻었다.In addition, UCI in U.C. implemented a wire of perfect shape, but since the wire was implemented by electroplating a pattern with a width of 1 ㎛ made by a complicated high-cost photo-lithography process, , And except for the uniformity of the wire, the reaction time, sensitivity, and wire density were lower than the CNRS group.
본 발명은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 종래의 가스센서 제조법에 비해 간단하고 저렴하며, 산업화에 유리하도록 대량 생산이 가능한 가스센서 및 가스센서의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a gas sensor and a method of manufacturing a gas sensor that are simpler and less expensive than conventional gas sensor manufacturing methods and mass-producible for industrialization.
또한, 본 발명은 견고한 구조를 이루며 내구성이 향상된 가스센서 및 가스센서의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a gas sensor and a method of manufacturing the gas sensor which have a rigid structure and improved durability.
또한, 본 발명은 고밀도 구조이며 감도가 뛰어난 반면, 구동소비전력이 적은 가스센서 및 가스센서의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a gas sensor and a method of manufacturing a gas sensor which have a high density structure and excellent sensitivity, while having low driving power consumption.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems to be solved by the present invention, which are not mentioned here, can be understood by referring to the following description to those skilled in the art It will be understood clearly.
본 발명에 따른 가스센서의 제조 방법은, 다수의 나노홀을 갖는 금속 산화물 구조체를 마련하는 제1 단계; 금속 산화물 구조체의 나노홀에 금속, 금속산화물 및 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질을 도포하여 나노 와이어를 성장시키는 제2 단계; 제 2단계에서 생성된 금속 산화물 구조체의 전면(全面)을 절연체로 몰딩하는 제3 단계; 제 3단계에서 생성된 금속 산화물 구조체를, 나노 와이어의 길이 방향으로 커팅하는 제4 단계; 제4 단계에서 커팅된 금속 산화물 구조체의 단면에 나노 와이어가 노출되도록 처리하는 제5 단계; 및 제5 단계에서 노출 처리된 나노 와이어에 외부전극을 연결하는 제6 단계를 포함한다.A method of manufacturing a gas sensor according to the present invention includes: a first step of providing a metal oxide structure having a plurality of nano holes; A second step of growing a nanowire by applying a material selected from the group consisting of a metal, a metal oxide, and a conductive polymer to a nano-hole of the metal oxide structure; A third step of molding the entire surface of the metal oxide structure formed in the second step with an insulator; A fourth step of cutting the metal oxide structure formed in the third step in the longitudinal direction of the nanowire; A fifth step of exposing the nanowires to a cross section of the metal oxide structure cut in the fourth step; And a sixth step of connecting an external electrode to the exposed nanowire in the fifth step.
또한, 본 발명의 제2 단계에서는, 제1 단계에서 금속 산화물 구조체 제조시 금속 산화물 구조체의 상면 또는 하면에 형성되는 금속층을 도금 전극으로 사용하거나, 금속층 및 상기 금속 산화물 구조체의 상단 또는 하단을 제거한 후, 다른 재질의 전도성 금속을 금속 산화물 구조체의 상면 또는 하면에 형성하여 도금 전극으로 사용하는 것을 특징으로 한다.In the second step of the present invention, the metal layer formed on the upper surface or the lower surface of the metal oxide structure may be used as a plating electrode in manufacturing the metal oxide structure in the first step, or the upper or lower end of the metal layer and the metal oxide structure may be removed , A conductive metal of another material is formed on the upper or lower surface of the metal oxide structure and used as a plating electrode.
또한, 본 발명의 제3 단계에서는, 절연체는 고분자, 무기물 또는 고분자 복합재료 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Further, in the third step of the present invention, the insulator is at least one of a polymer, an inorganic material, and a polymer composite material.
또한, 본 발명의 제3 단계에서는, 절연체는 에폭시 수지와 경화제의 배합액을 경화시켜 몰딩하는 것을 특징으로 한다.Further, in the third step of the present invention, the insulator is characterized in that the compounding liquid of the epoxy resin and the curing agent is hardened and molded.
또한, 본 발명의 제4 단계에서는, 금속 산화물 구조체를. 나노 와이어의 길이 방향에 수직하는 방향으로 간격을 두고 복수개가 되도록 커팅하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the fourth step of the present invention, And cutting a plurality of nanowires so as to be spaced apart in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the nanowires.
또한, 본 발명의 외부전극은, 나노 와이어의 길이 방향으로 서로 간격을 두고, 적어도 하나 이상의 나노 와이어의 표면을 가로질러서 형성되는 것을 특징으로 한다.The external electrode of the present invention is characterized in that it is formed across the surface of at least one or more nanowires spaced apart from each other in the longitudinal direction of the nanowire.
또한, 본 발명의 외부전극은, 금속 산화물 구조체의 커팅면의 일면 또는 양면에 형성되는 것을 특징으로 한다.Further, the external electrode of the present invention is formed on one or both surfaces of a cutting surface of the metal oxide structure.
또한, 본 발명의 제6 단계를 통하여 제조된 가스센서에 기판을 부착하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include a seventh step of attaching the substrate to the gas sensor manufactured through the sixth step of the present invention.
또한, 본 발명의 나노 와이어의 길이는 10㎛ 내지 10㎜이며, 나노 와이어의 지름은 15㎚ 내지 400㎚이고, 하나의 가스센서에 포함되는 나노 와이어의 개수는 5개 내지 10000개인 것을 특징으로 한다.The length of the nanowire of the present invention is 10 to 10 mm, the diameter of the nanowire is 15 to 400 nm, and the number of nanowires included in one gas sensor is 5 to 10000 .
또한, 본 발명의 나노 와이어의 재질은 팔라듐(Pd), 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 인듐산화주석(SnO2-In), 산화주석(SnO2), 안티모디 산화주석(SnO2-Sb), 루테늄 산화주석(SnO2-Ru), 산화아연(ZnO), 팔라듐 산화아연(ZnO-Pd), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 은(Ag), 타이타늄(Ti), 갈륨(Ga) 백금산화주석(ZnO-Pt), 삼산화텅스텐(WO3), 산화텔루륨(TeO2), 오산화바나듐(V2O5), 삼산화아연주석(ZnSnO3), 규소(Si), 폴리아닐린(polyaniline), 중합체 와이어(polymer wire), 고분자 전도체(PEDOT/PSS) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.The material of the nanowire of the present invention may be at least one selected from the group consisting of Pd, In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , SnO 2 -In, SnO 2 , (SnO 2 -Sb), ruthenium tin oxide (SnO 2 -Ru), zinc oxide (ZnO), zinc oxide (Pd), platinum (Pt), gold (Au) , Silver (Ag), titanium (Ti), gallium (Ga) platinum tin oxide (ZnO-Pt), tungsten trioxide (WO 3 ), tellurium oxide (TeO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) And is at least one of tin (ZnSnO 3 ), silicon (Si), polyaniline, a polymer wire, and a polymer conductor (PEDOT / PSS).
본 발명의 가스센서는, 상면에 다수의 나노홈을 갖는 육면체 형상의 금속 산화물 구조체; 금속, 금속산화물 및 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질로 금속 산화물 구조체의 나노홈에 형성되며 서로 이웃하여 나란히 배치되는 복수의 나노 와이어층; 나노 와이어층의 표면에 연결되는 외부전극; 및 금속 산화물 구조체의 측면을 둘러싸는 절연 지지체를 포함한다.A gas sensor of the present invention includes: a hexahedral metal oxide structure having a plurality of nano grooves on an upper surface thereof; A plurality of nanowire layers formed in any one of a metal, a metal oxide, and a conductive polymer in the nano grooves of the metal oxide structure and arranged adjacent to and adjacent to each other; An external electrode connected to the surface of the nanowire layer; And an insulating support surrounding the sides of the metal oxide structure.
또한, 본 발명의 나노 와이어층의 길이는 10㎛ 내지 10㎜이며, 나노 와이어층의 지름은 15㎚ 내지 400㎚이고, 하나의 가스센서에 포함되는 나노 와이어층의 개수는 5개 내지 10000개인 것을 특징으로 한다.The length of the nanowire layer of the present invention is 10 to 10 mm, the diameter of the nanowire layer is 15 to 400 nm, and the number of nanowire layers included in one gas sensor is 5 to 10000 .
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 가스센서 및 가스센서의 제조 방법은 종래의 가스센서 제조법에 비해 간단하고 저렴하며, 산업화에 유리하도록 대량 생산이 가능한 효과가 있다.The gas sensor and the gas sensor manufacturing method of the present invention are simpler and more inexpensive than the conventional gas sensor manufacturing method, and can be mass-produced so as to be advantageous for industrialization.
또한, 본 발명의 가스센서 및 가스센서의 제조 방법은 견고한 구조를 이루며 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the method of manufacturing a gas sensor and a gas sensor of the present invention has a robust structure and has an effect of improving durability.
또한, 본 발명의 가스센서 및 가스센서의 제조 방법은 고밀도 구조이며 감도가 뛰어난 반면, 구동소비전력을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the method of manufacturing a gas sensor and a gas sensor of the present invention has a high density structure and excellent sensitivity, while reducing drive power consumption.
또한, 본 발명의 가스센서 및 가스센서의 제조 방법은 다양한 재질로 나노 와이어를 구성함으로써, 다양한 종류의 가스를 센싱할 수 있는 효과가 있다.In addition, the method of manufacturing a gas sensor and a gas sensor of the present invention has the effect of sensing various kinds of gases by constructing nanowires of various materials.
특히, 본 발명의 가스센서는 팔라듐 나노 와이어를 이용하여 제조함으로써, 수소의 센싱 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.Particularly, the gas sensor of the present invention has an effect of maximizing the sensing efficiency of hydrogen by manufacturing using the palladium nanowire.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제1 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제2 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제3 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제4 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제4 단계의 추가 커팅 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제5 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제6 단계에 의해 완성된 가스센서를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제6 단계에 의해 완성된 다른 구조의 외부전극을 갖는 가스센서를 나타낸 도면이다.
도 10은 비교예의 가스센서를 나타낸 도면이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a first step of a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a second step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a third step of a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a fourth step of a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining an additional cutting method of a fourth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a fifth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a gas sensor completed by the sixth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a gas sensor having an external electrode of another structure completed by the sixth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention.
10 is a view showing a gas sensor of a comparative example.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings.
또한, 본 발명은 나노 와이어를 이용하여 특정 가스를 센싱하는 가스센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 이하에서는 다양한 종류의 금속, 금속 산화물 및 전도성 고분자 중 수소감지 물질인 팔라듐(Pd)을 이용하여 제조한 팔라듐 나노 와이어를 일례를 들며, 금속 산화물 구조체로는 AAO(anodic alumnin oxide:Al2O3) 구조체를 일례를 들어, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. The present invention relates to a gas sensor for sensing a specific gas using a nanowire and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a gas sensor for sensing a specific gas using nanowires, A palladium nanowire is exemplified, and the metal oxide structure is an AAO (anodic alumina oxide: Al 2 O 3 ) structure, and the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 제조되는 가스센서를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제1 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제2 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제3 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제4 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제4 단계의 추가 커팅 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제5 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제6 단계에 의해 완성된 가스센서를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법 중 제6 단계에 의해 완성된 다른 구조의 외부전극을 갖는 가스센서를 나타낸 도면이다.1 to 9 are views for explaining a method of manufacturing a gas sensor and a gas sensor manufactured by the method according to an embodiment of the present invention. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a view for explaining a second step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a third step of a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention FIG. 5 is a view for explaining a fourth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view for explaining a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention FIG. 7 is a view for explaining a fifth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a view for explaining an additional cutting method of the present invention Examples of the gas sensor 9 is a view showing a gas sensor having an external electrode of another structure completed by the sixth step of the method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. Fig.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서는 다음의 단계에 의해 제조된다.As shown in Figs. 1 to 9, a gas sensor according to an embodiment of the present invention is manufactured by the following steps.
먼저, 제1 단계(S110)에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 나노홀(111)을 갖는 AAO(anodic alumnin oxide:Al2O3) 구조체(110)를 마련한다. 구체적으로, AAO 구조체(110)는 팔라듐을 나노와이어 형상으로 제조하기 위한 것으로서, 고순도 알루미늄 기판을 양극 산화하는 통상적인 방법으로 제조하게 되는 바, H2SO4용액을 전해 용액으로 하고, 알루미늄 기판을 양극전극으로, 탄소봉을 음극전극으로 하여 전해반응을 시키게 되면, 양극전극으로 이용된 알루미늄 기판을 다수의 나노홀을 갖는 AAO 구조체 형상으로 제조할 수 있다. First, as shown in FIG. 2, an AAO (anodic alumina oxide: Al 2 O 3 )
이때, 전해 용액은 상기 H2SO4용액으로 한정되지 않으며, 황산, 옥살산, 인산을 사용하여 홀의 크기와 홀 사이의 간격, 홀의 길이가 다른 AAO 구조체(110)를 제조하는 것이 가능하다. 홀의 길이는 양극산화시간, 홀 간의 거리는 전해액의 종류 및 양극산화 전압, 홀의 크기는 후처리 공정에 따라 결정된다.At this time, the electrolytic solution is not limited to the H 2 SO 4 solution, and it is possible to produce the
다음으로, 제2 단계(S120)에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, AAO 구조체(110)의 나노홀(111)을 팔라듐(Pd)으로 도금하여 팔라듐 나노 와이어(120)를 성장시킨다. 구체적으로, AAO 구조체(110)를, 팔라듐을 함유한 전해 용액에 담근 후, 전해반응시킴으로써 나노홀(111)에 팔라듐을 도금하는 것이 가능하게 된다.Next, in a second step S120, the
이때, 전해반응에 사용되는 도금 전극(10)으로는, 제1 단계(S120)에서 AAO 구조체(110) 제조시, AAO 구조체(110)의 상면 또는 하면에 형성되는 금속층을 그대로 사용하는 것이 가능하다. 이에 따라 별도의 도금 전극 형성할 필요가 없으므로, 제조 공정을 간단하게 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있다. 여기서, 전해반응에 사용되는 도금 전극(10)으로 주로 사용되는 금속층으로는 알루미늄(Al)층이 있다. At this time, as the plating
또한, 본 발명의 일실시에서는 금속층을 제거하며, 금속 산화물 구조체의 상단 또는 하단, 보다 바람직하게는 금속층과 AAO 구조체(110) 사이에 있는 배리어 레이어(barrier layer, 도시하지 않음)층을 제거하여, 금속 나노홀(111)의 상하면이 개방된 멤브레인 구조를 만든 후, 금, 니켈, 구리 등의 전도성 금속을 AAO 구조체(110)의 상면 또는 하면에 형성하여 도금 전극(10)으로 사용하는 것도 가능하다. 예컨대, 금을 이용한 도금 전극은 불용성의 목적으로 사용한다. In one embodiment of the present invention, the metal layer is removed, and a barrier layer (not shown) between the metal layer and the
한편, 도금 전극(10)은 가스센서의 작동에 영향을 미치지 않으므로, 추후 공정에서 제거하지 않아도 무방하다.On the other hand, since the
이와 같은 전해 도금 방식에 의해, 팔라듐은 나노홀(111)의 형상에 따라 원기둥 형상으로 제조되어 팔라듐 나노 와이어(120)를 이루며, 그 길이가 10㎛ 내지 10㎜로 되고, 직경이 15㎚ 내지 400㎚로 된다. According to the electrolytic plating method, the palladium is formed into a cylindrical shape in accordance with the shape of the
다음으로, 제3 단계(S130)에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, AAO 구조체(110)의 전면(全面)을 절연체(130)로 몰딩한다. 절연체(130)의 몰딩은, 다음의 제4 단계(S130)에서 커팅 시 AAO 구조체(110)의 손상 및 파손을 방지하고 커팅을 원활하게 하는 한편, 제조된 가스센서의 측면을 절연하며 지지하는 구조를 이룸으로써, 견고성과 내구성을 확보할 수 있다. 절연체(130)는 고분자 수지, 무기물, 고분자 복합재료 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 에폭시 수지를 사용하도록 한다. 에폭시 수지는 열경화성 플라스틱의 하나로 내열성 및 내구성이 우수하고, 빨리 굳으며, 접착력이 강하므로, 본 발명의 일실시예에서는 가스센서의 보호용 코팅의 기능을 가진다. Next, in a third step S130, the entire surface of the
에폭시 수지를 이용한 절연체(130)의 몰딩 방법으로는, AAO 구조체(110)를 에폭시 수지와 경화제의 배합액에 담근 후, 고온분위기 예컨대, 150℃에서 1시간 정도 동안 열경화시켜 몰딩하도록 한다.As the molding method of the
다음으로, 제4 단계(S140)에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, AAO 구조체(110)를, 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이 방향(도 5에서 상하 방향)으로 커팅한다. 이때, 커팅되는 AAO 구조체(110)는 하나의 단위 가스센서가 되므로, 적어도 하나 이상의 팔라듐 나노 와이어(120)가 포함되도록 한다.Next, in a fourth step S140, the
한편, 제4 단계(S140)에서는, 도 6과 같이, AAO 구조체(110)를, 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이 방향에 수직하는 방향(도 6에서 전후 방향)으로 간격을 두고 복수개가 되도록 커팅하는 것도 가능하다. 즉, 에폭시 몰딩된 AAO 구조체(110)를 여러번 자르는 것으로 복수개의 가스센서의 제조가 가능하게 된다.6, the
다음으로, 제5 단계(S150)에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 커팅된 AAO 구조체(110)의 단면에 팔라듐 나노 와이어(120)가 노출되도록 처리한다. 즉, 커팅 후 랜덤하게 드러난 팔라듐 나노 와이어(120)를 더 잘 드러나도록 다양한 처리를 한다. 처리 방법에는 AAO 구조체(110)의 표면을 화학적으로 식각하는 방법, 기계적으로 연마하는 방법 등 다양한 방법이 있으므로, 사용자의 필요에 따라 선택적으로 사용하도록 한다. 한편, 도 7에서 점선 부분은 팔라듐 나노 와이어(120)가 이탈되거나 드러나지 않아, AAO 구조체(110) 표면에서 팔라듐 나노 와이어(120)가 없는 부분을 나타낸다.Next, in a fifth step S150, as shown in FIG. 7, the
이와 같이 형성되는 팔라듐 나노 와이어(120)는 원기둥 형상을 이루며, 팔라듐 나노 와이어(120)의 규격은, 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이(a)를 10㎛ 내지 10㎜로 하고, 팔라듐 나노 와이어(120)의 지름(b)을 15㎚ 내지 400㎚로 하며, 하나의 가스센서에 포함되는 팔라듐 나노 와이어(120)의 개수(c)는 5개 내지 10000개 것이 바람직하다. 이는, 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이(a)가 10㎛ 미만이면 제조가 어렵고 감도가 떨어지고, 10㎜를 초과하면 제조가 어렵고 안정성이 저하되기 때문이며, 팔라듐 나노 와이어(120)의 지름(b)이 15㎚ 미만이면 전기저항이 커서 감지가 어렵고, 400㎚를 초과하면 감도가 저하되기 때문이며, 팔라듐 나노 와이어(120)의 개수(c)가 5개 미만이면 제조가 어려우며 내구성이 저하되고, 10000개를 초과하면 감도가 저하되기 때문이다. 즉, 상기의 범위는 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서를 제작하기 위한 팔라듐 나노 와이어(120)의 최상의 규격이다.The length of the
다음으로, 제6 단계(S160)에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 팔라듐(120)의 표면에 외부전극(140)을 연결한다. 즉, 외부전극(140)은 팔라듐(120)의 표면 상에 적층된 형상으로 형성된다. 외부전극(140)은 팔라듐 나노 와이어(120)의 수소 센싱 동작에 따른 전기 신호 변화를 외부의 측정 수단으로 전달하기 위한 것으로, 외부전극(140)은 한 쌍으로 마련되되, 팔라듐(120)의 길이방향으로 서로 간격을 두고, 적어도 하나 이상의 팔라듐 나노 와이어(120)의 표면을 가로질러서 형성시킨다. 한편, 외부전극(140)은 AAO 구조체(110)의 커팅면의 일면뿐만 아니라, 양면에 형성하는 것도 가능하다. 이에 따라, 외부전극(140)의 센싱 효율을 증가시킬 수 있다. 외부전극(140)의 재질은 금, 니켈, 구리 등의 전도성 금속 중 어느 하나를 사용하도록 한다.Next, in a sixth step S160, the
제6 단계(S160)에 의해 완성되는 가스센서는, 상면에 다수의 나노홈을 갖는 육면체 형상의 AAO 구조체(110)와, AAO 구조체(110)의 나노홈에 형성되며 서로 이웃하여 나란히 배치되는 복수의 팔라듐 나노 와이어층(120)과, 팔라듐 나노 와이어층(120)의 표면에 연결되는 한 쌍의 외부전극(140)과, AAO 구조체(110)의 측면을 둘러싸는 절연 지지체(130)를 포함하여 구성된다. The gas sensor completed in the sixth step S160 includes a
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제6 단계(S160)에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 외부전극(140)을 4개로 형성하는 것도 가능하다. 이때, 4개의 외부전극(140) 중 상측과 하측의 최외각의 외부전극 쌍은 전류를 인가하기 위한 것이고, 나머지 내측에서 서로 이웃하는 외부전극 쌍은 전압 강하를 측청하기 위한 것이다.In a sixth step S160 according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 9, four
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 제6 단계(S160)에 의해 완성되는 가스센서는 단독으로 사용하는 것도 가능하지만, 너무 얇게 형성된 경우 등에는, 제6 단계를 통하여 제조된 가스센서에 기판을 부착하는 제7 단계를 더 포함하는 것도 가능하다.Meanwhile, although the gas sensor completed in the sixth step S160 according to the embodiment of the present invention can be used alone, when the gas sensor is formed to be too thin, the gas sensor manufactured through the sixth step And a seventh step of attaching the light emitting diode chip.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 나노홀 단위로 커팅되는 AAO 구조체가 하나의 가스센서가 되므로, 종래의 가스센서 제조법에 비해 간단하고 저렴하며, 산업화에 유리하도록 대량 생산이 가능하게 된다.As described above, according to the embodiment of the present invention, since the AAO structure cut in the unit of the nanohole becomes one gas sensor, it is simple and inexpensive as compared with the conventional gas sensor manufacturing method, and can be mass-produced so as to be advantageous for industrialization.
또한, 가스센서는 절연 지지체(130)에 의해 보호되므로, 제조공정에서는 물론, 그 자체로도 견고한 구조를 이루며 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the gas sensor is protected by the
또한, 커팅에 의해 최소단위의 가스센서가 제조되므로, 고밀도 구조이며 감도가 뛰어난 반면, 구동소비전력을 줄일 수 있다.Further, since the minimum unit gas sensor is manufactured by cutting, it is possible to reduce driving power consumption while having high density structure and high sensitivity.
<실시예 1 내지 실시예 3>≪ Examples 1 to 3 >
전해액으로 옥살산 및 인산을 사용하여 나노홀(111)의 길이가 500㎛인 AAO 멤브레인을 만든 후, 후처리공정을 통해 나노홀(111)의 지름이 각각 50㎚, 80㎚, 250㎚인 AAO 멤브레인를 제조하였다. 이 AAO 멤브레인의 일면에 니켈을 열증착법으로 300nm 증착하여 AAO 구조체(110)을 제조하였다. 이 AAO 구조체를 팔라듐이 함유된 전해액에 담근 후, 전기도금을 하여 팔라듐 나노와이어(120)를 성장시켰다. 이때 사용된 전해액은 PdCl2 0.2mM, KCl 0.1M, EDTA 0.22mM로 제조하였다. 다음으로 팔라듐이 도금된 AAO 구조체(110)를 에폭시 레진(YD-114, 국도 화학)과 경화제(KBH-1089)가 1:1의 비율로 이루어진 배합액에 담근 후, 150℃에서 한 시간 동안 열경화시켜 몰딩하였다. 이렇게 몰딩된 AAO 구조체(110)를 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이방향으로 커팅하였다. 이후 AAO 구조체(110)의 커팅면에 외부전극(140, Au)을 옥살산을 사용하여 제조한 AAO 구조체(110)는 폭이 약 5㎛, 인산을 사용하여 제조한 AAO 구조체(110)는 폭이 약 25㎛가 되게 형성시켜 동작하는 팔라듐 나노 와이어(120)의 수가 약 50개가 되도록 하여 가스센서를 제조하였다. 이와 같이 제조된 가스센서의 팔라듐 나노 와이어(120)는, 길이가 500㎛이며, 개수가 50개 정도이며, 지름이 실시예 1은 50㎚이고, 실시예 2는 80㎚이며, 실시예 3은 250㎚로 제조되었다.An AAO membrane having a length of 500 μm was formed by using oxalic acid and phosphoric acid as an electrolyte solution and then an AAO membrane having a diameter of 50 nm, 80 nm, and 250 nm, respectively, was formed through a post- . Nickel was deposited on one side of the AAO membrane by thermal evaporation at 300 nm to prepare the
다음의 표 1은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 가스센서의 제조 방법에 의해 제조된 가스센서의 감도 및 반응 속도를 측정하여 나타낸 표로서, 제조된 가스센서의 팔라듐 나노 와이어(120) 양단의 외부전극(140)이 외부 전원인가 장치에 연결되도록 설치한 반응 챔버에 넣고 진공상태로 만든 후(5x10-3 torr), 수소(0.1%)와 질소(99.9%)가 혼합된 가스를 흘려주면서 0.1V의 전압을 인가하여 가스센서의 반응 속도 및 저항 변화량에 따른 감도를 측정하였다. The following Table 1 shows measurement results of the sensitivity and the reaction rate of the gas sensor manufactured by the method of manufacturing the gas sensor according to the first to third embodiments of the present invention. The
표 1을 참조하면 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 가스센서의 감도는 비교예에 대비하여 약 200% 향상되었으며 반응속도는 15% 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 가스센서의 최소 센싱 가능 범위는 비교예의 100ppm과 비교하여 5ppm으로 측정되어, 최소 센싱 가능 범위가 아래의 비교예보다 월등이 개선되었다.Referring to Table 1, the sensitivity of the gas sensor according to the first to third embodiments of the present invention is improved by about 200% and the reaction rate is improved by 15% as compared with the comparative example. In addition, the minimum sensing range of the gas sensor according to the first to third embodiments of the present invention was measured at 5 ppm as compared with 100 ppm of the comparative example, and the minimum sensing range was improved to a far greater extent than the comparative example below.
<실시예 4 내지 실시예 6>≪ Examples 4 to 6 >
전해액으로 옥살산을 사용하여 나노홀(111)의 길이가 각각 50㎛, 500㎛, 5mm인 AAO 멤브레인을 만든 후, 후처리공정을 통해 나노홀(111)의 지름이 80㎚인 AAO 멤브레인을 제조하였다. 이 AAO 멤브레인의 일면에 니켈을 열증착법으로 300nm 증착하여 AAO 구조체(110)을 제조하였다. 이 AAO 구조체(110)를 팔라듐이 함유된 전해액에 담근 후, 전기도금을 하여 팔라듐 나노와이어(120)를 성장시켰다. 이때 사용된 전해액은 PdCl2 0.2mM, KCl 0.1M, EDTA 0.22mM로 제조하였다. 다음으로 팔라듐이 도금된 AAO 구조체(110)를 에폭시 레진(YD-114, 국도 화학)과 경화제(KBH-1089)가 1:1의 비율로 이루어진 배합액에 담근 후, 150℃에서 한 시간 동안 열경화시켜 몰딩하였다. 이렇게 몰딩된 AAO 구조체(110)를 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이방향으로 커팅하였다. 이후 AAO 구조체(110)의 커팅면에 외부전극을 폭이 약 5㎛가 되게 형성시켜 동작되는 팔라듐 나노 와이어(120)의 수가 약 50개가 되도록 하여 가스센서를 제조하였다. 이와 같이 제조된 가스센서의 팔라듐 나노 와이어(120)는, 길이가 실시예 4는 50㎛이고, 실시예 5는 500㎛이고, 실시예 6은 5㎜이며, 개수가 50개 정도이며, 지름이 80㎚로 제조되었다.AAO membranes each having a length of
다음의 표 2는 본 발명의 제4 내지 제6 실시예에 따른 가스센서의 제조 방법에 의해 제조된 가스센서의 감도 및 반응 속도를 측정하여 나타낸 표로서, 제조된 가스센서의 팔라듐 나노 와이어(120) 양단의 외부전극(140)이 외부 전원인가 장치에 연결되도록 설치한 반응 챔버에 넣고 진공상태로 만든 후(5x10-3 torr), 수소(0.1%)와 질소(99.9%)가 혼합된 가스를 흘려주면서 0.1V의 전압을 인가하여 가스센서의 반응 속도 및 저항 변화량에 따른 감도를 측정하였다.The following Table 2 shows measurement results of the sensitivity and reaction speed of the gas sensor manufactured by the method of manufacturing the gas sensor according to the fourth to sixth embodiments of the present invention. The
표 2를 참조하면 본 발명의 제4 내지 제6 실시예에 따른 가스센서의 감도 및 반응 속도가 아래의 비교예보다 월등히 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 제4 내지 제6 실시예에 따른 가스센서의 최소 센싱 가능 범위는 5PPM으로 측정되어, 최소 센싱 가능 범위가 아래의 비교예보다 월등이 개선되었다.It can be seen from Table 2 that the sensitivity and response speed of the gas sensor according to the fourth to sixth embodiments of the present invention are significantly improved compared to the comparative example below. Further, the minimum sensing range of the gas sensor according to the fourth to sixth embodiments of the present invention was measured at 5PPM, and the minimum sensing range was improved to a far better degree than the comparative example below.
<실시예 7 내지 실시예 10>≪ Examples 7 to 10 >
전해액으로 옥살산 및 인산을 사용하여 나노홀(111)의 길이가 500㎛, 나노홀(111)의 지름이 80㎚인 AAO 멤브레인을 제조하였다. 이 AAO 멤브레인의 일면에 니켈을 열증착법으로 300nm 증착하여 AAO 구조체(110)을 제조하였다. 이 AAO 구조체(110)를 팔라듐이 함유된 전해액에 담근 후, 전기도금을 하여 팔라듐 나노와이어(120)를 성장시켰다. 이때 사용된 전해액은 PdCl2 0.2mM, KCl 0.1M, EDTA 0.22mM로 제조하였다. 다음으로 팔라듐이 도금된 AAO 구조체(110)를 에폭시 레진(YD-114, 국도 화학)과 경화제(KBH-1089)가 1:1의 비율로 이루어진 배합액에 담근 후, 150℃에서 한 시간 동안 열경화시켜 몰딩하였다. 이렇게 몰딩된 AAO 구조체(110)를 팔라듐 나노 와이어(120)의 길이방향으로 커팅하였다. 이후 AAO 구조체(110)의 커팅면에 외부전극을 폭이 각각 약 1㎛, 10㎛, 100㎛, 1mm가 되게 형성시켜 동작되는 팔라듐 나노 와이어(120)의 수가 각각 약 10개, 100개, 1000개, 10,000개가 되도록 하여 가스센서를 제조하였다. 이와 같이 제조된 가스센서의 팔라듐 나노 와이어(120)는, 길이가 500㎛이며, 동작되는 나노와이어 개수가 실시예 7은 약 10개이고, 실시예 8은 약 100개이고, 실시예 9는 약 1000개이고, 실시예 10은 약 10,000개이며, 지름이 80㎚로 제조되었다.An AAO membrane having a length of
다음의 표 3은 본 발명의 제7 내지 제10 실시예에 따른 가스센서의 제조 방법에 의해 제조된 가스센서의 감도 및 반응 속도를 측정하여 나타낸 표로서, 제조된 가스센서의 팔라듐 나노 와이어(120) 양단의 외부전극(140)이 외부 전원인가 장치에 연결되도록 설치한 반응 챔버에 넣고 진공상태로 만든 후(5x10-3 torr), 수소(0.1%)와 질소(99.9%)가 혼합된 가스를 흘려주면서 0.1V의 전압을 인가하여 가스센서의 반응 속도 및 저항 변화량에 따른 감도를 측정하였다.The following Table 3 shows the sensitivity and the reaction rate of the gas sensor manufactured by the method of manufacturing the gas sensor according to the seventh to tenth embodiments of the present invention, The
표 3을 참조하면 본 발명의 제7 내지 제10 실시예에 따른 가스센서의 감도 및 반응 속도가 아래의 비교예보다 월등히 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 제7 내지 제10 실시예에 따른 가스센서의 최소 센싱 가능 범위는 5PPM으로 측정되어, 최소 센싱 가능 범위가 아래의 비교예보다 월등이 개선되었다.Referring to Table 3, it can be seen that the sensitivity and the reaction speed of the gas sensor according to the seventh to tenth embodiments of the present invention are significantly improved as compared with the comparative example below. In addition, the minimum sensing range of the gas sensor according to the seventh to tenth embodiments of the present invention was measured at 5PPM, and the minimum sensing range was improved to a far better degree than the comparative example below.
<비교예><Comparative Example>
도 10은 비교예의 가스센서를 나타낸 도면이다.10 is a view showing a gas sensor of a comparative example.
도 10을 참조하면, 비교예의 가스센서는 다음의 제조 방법으로 제조된다. Referring to Fig. 10, the gas sensor of the comparative example is manufactured by the following manufacturing method.
전해액으로 옥살산을 사용하여 나노홀(111)의 길이가 500㎛, 나노홀(111)의 지름이 80㎚인 AAO 멤브레인를 제조하였다. 이 AAO 멤브레인의 일면에 금을 열증착법으로 500nm 증착하여 AAO 구조체를 제조하였다. 이 AAO 구조체를 팔라듐이 함유된 전해액에 담근 후, 전기도금을 하여 팔라듐 나노와이어를 성장시켰다. 이때 사용된 전해액은 PdCl2 0.2mM, KCl 0.1M, EDTA 0.22mM로 제조하였다. 이후 상기 금전극의 반대편에 다시 금을 열증착법으로 500nm 증착시켜 금전극을 형성시켰다. 이후 상기 양면에 금전극이 형성된 AAO 구조체를 500μ× 500μ의 크기로 자른 후 1M의 수산화나트륨 수용액에 담가 산화알루미늄(Al2O3)을 제거한 후 가스센서를 제조하였다. Using an oxalic acid as an electrolytic solution, an AAO membrane having a length of
이때, 비교예의 가스센서는 감도가 14.5%, 반응속도가 75㎳로 측정되었으며, 비교예의 가스센서의 최소 센싱 가능 범위는 100PPM으로 측정되었다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 경우, 감도가 비교예에 대비하여 약 200% 이상 향상되었으며, 반응속도가 비교예에 대비하여 약 15% 이상 향상되었고, 최소 센싱 가능 범위가 5ppm으로 측정된 점에서, 본 발명의 일실시예에서는 고성능의 가스센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.At this time, the gas sensor of the comparative example had a sensitivity of 14.5% and a reaction speed of 75 ms, and the minimum sensing range of the comparative gas sensor was measured to be 100 PPM. On the other hand, in the case of the gas sensor according to an embodiment of the present invention, the sensitivity was improved by about 200% or more as compared with the comparative example, the reaction speed was improved by about 15% or more compared with the comparative example, It is advantageous to manufacture a high-performance gas sensor in an embodiment of the present invention.
즉, 비교예의 가스센서가 상하 외부전극 사이에 적어도 25,000,000개 정도의 나노 와이어를 형성시켜 가스를 센싱하는 것 보다 본 발명의 일실시예의 5개 내지 10,000개 정도의 나노 와이어로 형성된 가스센서의 감도가 월등히 향상되었으며 반응속도도 짧아졌다. That is, the sensitivity of the gas sensor formed of about 5 to 10,000 nanowires in one embodiment of the present invention is lower than that of the gas sensor of the comparative example by forming at least 25,000,000 nanowires between upper and lower external electrodes And the response speed was also shortened.
한편 종래의 기술에서는 AAO구조체가 모두 제거되어서 나노 와이어가 쉽게 손상될 수 있는 위험이 있었으나, 본 발명은 외부로 드러나지 않은 내부의 AAO구조체가 나노 와이어를 지지하므로 나노 와이어를 견고하게 지지할 수 있는 장점이 있다. Meanwhile, in the related art, there is a risk that the AAO structure is completely removed to easily damage the nanowire. However, the present invention is advantageous in that the inner AAO structure that is not exposed to the outside supports the nanowire, .
<다른 실시예><Other Embodiments>
본 발명의 다른 실시예에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서의 제조 방법에 따르되, 팔라듐 대신에, 특정 가스에 반응하는 금속 산화물, 전도성 고분자 등을 선택적으로 사용하여 나노 와이어를 형성함으로써, 다양한 종류의 가스를 센싱할 수 있는 가스센서를 제조하는 것이 가능하다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention, wherein a nanowire is formed by selectively using a metal oxide, a conductive polymer, or the like, It is possible to manufacture a gas sensor capable of sensing various kinds of gases.
즉, 본 발명의 다른 실시예에서는, 나노 와이어의 재질로서 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 인듐산화주석(SnO2-In), 산화주석(SnO2), 안티모디 산화주석(SnO2-Sb), 루테늄 산화주석(SnO2-Ru), 산화아연(ZnO), 팔라듐 산화아연(ZnO-Pd), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 은(Ag), 타이타늄(Ti), 갈륨(Ga) 백금산화주석(ZnO-Pt), 삼산화텅스텐(WO3), 산화텔루륨(TeO2), 오산화바나듐(V2O5), 삼산화아연주석(ZnSnO3), 무전해 금입자(Au-Porous), 규소(Si), 폴리아닐린(polyaniline), 중합체 와이어(polymer wire), 고분자 전도체(PEDOT/PSS) 중 적어도 하나를 사용하는 것이 가능하다.That is, in another embodiment of the present invention, the material of the nanowire is indium oxide (In 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), indium tin oxide (SnO 2 -In), tin oxide (SnO 2 ) (SnO 2 -Sb), ruthenium tin oxide (SnO 2 -Ru), zinc oxide (ZnO), zinc oxide (Pd), platinum (Pt), gold (Au) , Silver (Ag), titanium (Ti), gallium (Ga) platinum tin oxide (ZnO-Pt), tungsten trioxide (WO 3 ), tellurium oxide (TeO 2 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) It is possible to use at least one of tin (ZnSnO 3 ), electroless gold particles (Au-Porous), silicon (Si), polyaniline, polymer wire and polymer conductor (PEDOT / PSS).
상술한 금속, 금속 산화물 또는 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질의 나노 와이어로 제조되는 가스센서는 다음의 가스를 센싱할 수 있다. A gas sensor made of a nanowire made of any one of the metal, the metal oxide, and the conductive polymer described above can sense the following gas.
산화인듐(In2O3) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 이산화질소(NO2), 암모니아(NH3)의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor including indium oxide (In 2 O 3 ) nanowires, sensing of nitrogen dioxide (NO 2 ) and ammonia (NH 3 ) is possible.
산화갈륨(Ga2O3) 나노 와이어, 인듐산화주석(SnO2-In) 나노 와이어 또는 안티모디 산화주석(SnO2-Sb) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 에탄올의 센싱이 가능하다.For gas sensors including gallium oxide (Ga 2 O 3 ) nanowires, indium tin oxide (SnO 2 -In) nanowires or antimodal tin oxide (SnO 2 -Sb) nanowires, sensing of ethanol is possible.
산화주석(SnO2) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 산소(O2),오존(O3), 암모니아, 일산화탄소(CO),이산화질소(NO2),에탄올의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor comprising tin oxide (SnO 2 ) nanowires, oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), ammonia, carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and ethanol can be sensed.
루테늄 산화주석(SnO2-Ru) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 이산화질소, 액화 석유가스의 센싱이 가능하다.In the case of gas sensors containing ruthenium tin oxide (SnO 2 -Ru) nanowires, sensing of nitrogen dioxide and liquefied petroleum gas is possible.
산화아연(ZnO) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 산소, 에탄올, 암모니아, 이산화질소, 일산화탄소의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor comprising zinc oxide (ZnO) nanowires, sensing of oxygen, ethanol, ammonia, nitrogen dioxide, and carbon monoxide is possible.
팔라듐 산화아연(ZnO-Pd) 나노 와이어, 백금(Pt) 나노 와이어, 백금산화주석(ZnO-Pt) 나노 와이어, 금(Au) 나노 와이어, 니켈(Ni) 나노 와이어, 은(Ag) 나노 와이어 또는 타이타늄(Ti) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 수소의 센싱이 가능하다.(Au) nanowire, a nickel (Ni) nanowire, a silver (Ag) nanowire, or a mixture of two or more materials selected from the group consisting of palladium oxide, zinc oxide, In the case of a gas sensor comprising titanium (Ti) nanowires, hydrogen sensing is possible.
갈륨(Ga) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 일산화탄소의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor comprising gallium (Ga) nanowires, sensing of carbon monoxide is possible.
삼산화텅스텐(WO3) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 이산화질소, 황화수소의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor comprising tungsten trioxide (WO 3 ) nanowires, sensing of nitrogen dioxide and hydrogen sulphide is possible.
산화텔루륨(TeO2) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 이산화질소, 암모니아, 황화수소의 센싱이 가능하다.For gas sensors containing tellurium oxide (TeO 2 ) nanowires, sensing of nitrogen dioxide, ammonia and hydrogen sulphide is possible.
오산화바나듐(V2O5) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 헬륨, 1-부틸아민톨루엔, 1-프로파놀의 센싱이 가능하다.For gas sensors containing vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) nanowires, it is possible to sense helium, 1-butylamine toluene, 1-propanol.
삼산화아연주석(ZnSnO3) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 산소, 에탄올의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor containing zinc oxide tin (ZnSnO 3 ) nanowires, oxygen and ethanol can be sensed.
규소(Si) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 산소, 암모니아의 센싱이 가능하다.In the case of a gas sensor including silicon (Si) nanowires, the sensing of oxygen and ammonia is possible.
폴리아닐린(polyaniline) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 염화수소, 암모니아, 메탄올, 하이드라진(N2H4), 클로로폼(ChCl3)의 센싱이 가능하다.For gas sensors containing polyaniline nanowires, it is possible to sense hydrogen chloride, ammonia, methanol, hydrazine (N 2 H 4 ), and chloroform (ChCl 3 ).
중합체 와이어(polymer wire) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 암모니아, 에탄올의 센싱이 가능하다. For gas sensors containing polymer wire nanowires, sensing of ammonia and ethanol is possible.
고분자 전도체(PEDOT/PSS) 나노 와이어를 포함하는 가스센서의 경우, 에탄올, 메탄올, 아세톤의 센싱이 가능하다.For gas sensors containing polymer conductors (PEDOT / PSS) nanowires, it is possible to sense ethanol, methanol and acetone.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 다양한 재질로 나노 와이어를 구성함으로써, 다양한 종류의 가스를 센싱할 수 있다. 특히, 수소의 센싱 효율을 극대화시키기 위해서는 팔라듐 나노 와이어를 이용하는 것이 바람직하다.As described above, in one embodiment of the present invention, various kinds of gases can be sensed by constructing nanowires with various materials. Particularly, in order to maximize the sensing efficiency of hydrogen, it is preferable to use palladium nanowires.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it is to be understood that the technical structure of the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing description, All changes or modifications that come within the scope of the equivalent concept are to be construed as being included within the scope of the present invention.
10 : 도금 전극
110 : AAO 구조체
111 : 나노홀
120 : 팔라듐 나노 와이어, 팔라듐 나노 와이어층
130 : 절연체, 절연 지지체
140 : 외부전극10: Plating electrode
110: AAO structure
111: Nano hole
120: Palladium nanowire, Palladium nanowire layer
130: insulator, insulating support
140: external electrode
Claims (12)
상기 금속 산화물 구조체의 나노홀에 금속, 금속산화물 및 전도성 고분자 중 어느 하나의 재질을 도포하여 나노 와이어를 성장시키는 제2 단계;
이후의 제4 단계에서 커팅시 상기 금속 산화물 구조체의 손상 및 파손을 방지하고, 제조된 가스센서의 측면을 절연하며 지지하는 구조를 이루도록, 상기 제 2단계에서 생성된 상기 금속 산화물 구조체의 전면(全面)을 고분자, 무기물 또는 고분자 복합재료 중 적어도 어느 하나로 제조되는 절연체로 몰딩하는 제3 단계;
상기 제 3단계에서 생성된 상기 금속 산화물 구조체를, 상기 나노 와이어의 길이 방향으로 커팅하되 상기 나노 와이어의 길이 방향에 수직하는 방향으로 간격을 두고 복수개가 되도록 커팅하여, 커팅되는 상기 금속 산화물 구조체 하나가 단위 가스센서가 되게 하는 제4 단계;
상기 제4 단계에서 커팅된 상기 금속 산화물 구조체의 단면에 상기 나노 와이어가 노출되도록 처리하는 제5 단계; 및
상기 제5 단계에서 노출 처리된 상기 나노 와이어에 외부전극을 연결하는 제6 단계;
를 포함하는 가스센서의 제조 방법.A first step of providing a metal oxide structure having a plurality of nano holes;
A second step of growing a nanowire by applying a material selected from the group consisting of a metal, a metal oxide, and a conductive polymer to the nanoholes of the metal oxide structure;
In the fourth step, the metal oxide structure is prevented from being damaged and broken at the time of cutting, and the side surface of the manufactured gas sensor is insulated and supported. ) With an insulator made of at least one of a polymer, an inorganic material, and a polymer composite material;
Cutting the metal oxide structure formed in the third step in a longitudinal direction of the nanowire so that a plurality of the metal oxide structures are cut in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the nanowire, A fourth step of causing the sensor to be a unit gas sensor;
A fifth step of exposing the nanowires to a cross section of the metal oxide structure cut in the fourth step; And
A sixth step of connecting an external electrode to the nanowire exposed and processed in the fifth step;
And a gas sensor.
상기 제2 단계에서는,
상기 제1 단계에서 상기 금속 산화물 구조체 제조시 상기 금속 산화물 구조체의 상면 또는 하면에 형성되는 금속층을 도금 전극으로 사용하거나,
상기 금속층 및 상기 금속 산화물 구조체의 상단 또는 하단을 제거한 후, 다른 재질의 전도성 금속을 상기 금속 산화물 구조체의 상면 또는 하면에 형성하여 도금 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조 방법.The method according to claim 1,
In the second step,
The metal layer formed on the upper surface or the lower surface of the metal oxide structure at the time of manufacturing the metal oxide structure in the first step may be used as a plating electrode,
Wherein a conductive metal of another material is formed on an upper surface or a lower surface of the metal oxide structure after the upper or lower ends of the metal layer and the metal oxide structure are removed and used as a plating electrode.
상기 절연체는 에폭시 수지와 경화제의 배합액을 경화시켜 몰딩하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the insulator is molded by curing a liquid mixture of an epoxy resin and a curing agent.
상기 외부전극은,
상기 나노 와이어의 길이 방향으로 서로 간격을 두고, 적어도 하나 이상의 상기 나노 와이어의 표면을 가로질러서 형성되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조 방법.The method according to claim 1,
The external electrode
Wherein the nanowire is formed across the surface of at least one of the nanowires at a distance from one another in the longitudinal direction of the nanowire.
상기 외부전극은,
상기 금속 산화물 구조체의 커팅면의 일면 또는 양면에 형성되는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조방법. The method according to claim 1,
The external electrode
Wherein the metal oxide structure is formed on one side or both sides of a cutting surface of the metal oxide structure.
상기 제6 단계를 통하여 제조된 가스센서에 기판을 부착하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조 방법.The method according to claim 1,
And a seventh step of attaching the substrate to the gas sensor manufactured through the sixth step.
상기 나노 와이어의 길이는 10㎛ 내지 10㎜이며, 상기 나노 와이어의 지름은 15㎚ 내지 400㎚이고, 하나의 가스센서에 포함되는 상기 나노 와이어의 개수는 5개 내지 10000개인 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the length of the nanowire is 10 to 10 mm, the diameter of the nanowire is 15 to 400 nm, and the number of the nanowires included in one gas sensor is 5 to 10000. ≪ / RTI >
상기 나노 와이어의 재질은 팔라듐(Pd), 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 인듐산화주석(SnO2-In), 산화주석(SnO2), 안티모디 산화주석(SnO2-Sb), 루테늄 산화주석(SnO2-Ru), 산화아연(ZnO), 팔라듐 산화아연(ZnO-Pd), 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 은(Ag), 타이타늄(Ti), 갈륨(Ga) 백금산화주석(ZnO-Pt), 삼산화텅스텐(WO3), 산화텔루륨(TeO2), 오산화바나듐(V2O5), 삼산화아연주석(ZnSnO3), 규소(Si), 폴리아닐린(polyaniline), 중합체 와이어(polymer wire), 고분자 전도체(PEDOT/PSS) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 가스센서의 제조 방법.The method according to any one of claims 1, 2, 4, 6 to 9,
The material of the nanowire is selected from the group consisting of palladium (Pd), indium oxide (In 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), indium tin oxide (SnO 2 -In), tin oxide (SnO 2 ) (SnO 2 -Sb), ruthenium tin oxide (SnO 2 -Ru), zinc oxide (ZnO), zinc oxide (Pd), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni) ), titanium (Ti), gallium (Ga) platinum tin oxide (ZnO-Pt), trioxide, tungsten (WO 3), oxide tellurium (TeO 2), vanadium pentoxide (V 2 O 5), antimony trioxide zinc tin (ZnSnO 3 ), Silicon (Si), polyaniline, a polymer wire, and a polymer conductor (PEDOT / PSS).
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