특허 개요
본 특허는 유해가스 분자를 빠르게 감지하기 위한 나노구조체 배열 센서와 그 제조 기술입니다. 기판의 프리패턴 위에 센싱물질을 증착한 뒤, 이온 봄바드먼트(ion bombardment) 식각으로 이탈한 입자를 패턴 측면에 재증착하고 프리패턴을 제거해 고종횡비 나노구조체를 형성합니다. 작은 그레인과 그레인 계면갭이 분자 흡착 사이트를 늘리며, SnO2/NiO 조성은 P-N 접합을 활용해 황화수소 감지 반응을 높이는 방식입니다.
- 핵심 기능
센싱물질을 증착한 프리패턴에 이온식각을 적용하면 이탈 입자가 측면에 재증착되고, 프리패턴 제거 후 라인형·격자형 등 나노구조체 배열이 남습니다. 이 배열은 높은 비표면적과 작은 계면갭으로 감지 대상 분자의 흡착에 따른 저항 변화를 측정하며, 증착 순서·두께·횟수와 식각 각도·시간으로 조성과 형상을 조절할 수 있습니다.
- 차별 강점
종래 센서는 극미세 나노구조체를 구현하기 어렵고, 실온의 황화수소 감지에서 응답이 느린 문제가 있었습니다. 본 특허는 프리패턴 측면 재증착과 제거 공정을 결합해 선폭이 작은 고종횡비 구조를 형성하고, 센싱물질 조성 및 계면 구조를 조절해 흡착 사이트와 감지 반응을 높이는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 황화수소·이산화질소 등 유해가스 검지, VOC 및 방향족 화합물 센싱, 수소·일산화탄소·이산화탄소·수증기 감지 분야에 활용 가능하며, 혈액·생체분자·균·아세톤·알코올 감지 연구로도 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 산업 안전 설비, 유해가스 모니터링 장치, 환경 계측기, 공정 안전 센서 및 휴대형 가스 검지 제품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
SnO2, SnO2/NiO, SnO2/Au 등 라인형 나노구조체 저항형 센서를 대상으로 황화수소 농도와 구동 온도를 달리해 응답 진폭, 응답 시간 및 복구 시간을 측정했습니다. 대면적 제조 균일성, 장기 안정성, 반복 구동 내구성, 실사용 환경에서의 선택성 및 패키징은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: SnO2, SnO2/NiO, SnO2/Au 기반 라인형 나노구조체 저항형 센서
- 비교군: Au, Au/Cu 및 Au/Pd 나노구조체 센서
- 측정 조건: 공기 하 가스 감지 챔버, Au/Ti 전극 4-프로브 및 일정 바이어스 측정
- 가스·온도 조건: 황화수소 0.05～50 ppm 또는 5～100 ppm, 실온·75℃·300℃
현재 성과
SnO2 나노구조체 센서는 공기 하 황화수소 5 ppm 조건에서 응답 진폭 Rair/Ra 378, 응답 시간 9초, 복구 시간 70초를 보였습니다. 작은 그레인과 계면갭을 포함하는 나노구조체 배열이 분자 흡착 사이트를 늘려 저항 변화 기반 감지 신호를 형성합니다.
SnO2, SnO2/NiO, SnO2/Au 등의 라인형 나노구조체 저항형 센서를 공기 하 가스 감지 챔버에서 평가했습니다. Au/Ti 전극 4-프로브, 일정 바이어스 및 다중 채널 측정 조건에서 실온·75℃·300℃의 황화수소 감지 특성을 확인했습니다.
프리패턴 측면에 센싱물질을 재증착한 후 희생 패턴을 제거하는 공정으로 나노구조체 배열을 형성하는 것이 핵심입니다. 증착 순서·두께·횟수와 이온식각 각도·시간을 조절해 재증착 물질의 성분, 함량비 및 형상을 변경할 수 있으며, 단일·이성분계·삼성분계 센싱물질에 적용할 수 있습니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 제조 시 나노구조체 선폭·높이·조성 및 계면갭의 균일성 검증
장기 보관·연속 측정·반복 노출 조건에서의 소자 안정성 및 내구성 검증
온도·습도·혼합가스가 존재하는 실사용 환경에서의 선택성 및 오경보 특성 검증
목표 제품 환경에 맞춘 패키징, 전력 소모 및 센서 모듈 신뢰성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
나노구조체를 포함하는 센서 및 이의 제조 방법
10-2020-0005527 (2020.01.15)
1020200088787 (2020.07.23)
1024112510000 (2022.06.16)
정희태 (한국과학기술원), 강호형 (한국과학기술원), 주희은 (한국과학기술원), 조수연 (한국과학기술원), 정우빈 (한국과학기술원)
한국과학기술원