인듐-주석-산화물 박막의 생분해성 위험유해물질 센서 응용에 관한 연구

Abstract

센서는 대상의 물리적, 화학적 신호를 전기적 신호로 바꾸는 소자이며, 센서 기술은 기계장치에 감각기능을 부여하여 인간의 감각기능을 확장하는 기술이다. 특히 인간의 감각으로 느낄 수 없는 정보들을 얻을 수 있다는 점에 매우 중요한 전자소자이다. 과학기술이 발전함에 따라 여러 가지 신호나 정보가 센서에 의해 감지되고 정확하게 처리되어 다양한 형태의 정보로 제공되며, 이러한 정보는 현재의 정보통신 기술과 맞물려 유용하게 사용되고 있다. 센서 기술은 소형화, 다기능화, 집적화, 지능화, 시스템화의 경향을 뚜렷이 나타내고 있다. 또한 가정에서부터 산업현장, 우주탐사에까지 대단히 광범하게 활용되고 있다. 하지만 센서의 보다 폭넓은 활용을 위해서 개선되어야 할 점도 다수 존재한다. 검출하고자 하는 대상의 종류에 따라 센서 동작 환경이나 검출 한계 등에 있어서 센서의 중요성이 더해가고 있으며, 이를 위해서는 센서의 동작 환경에 대한 한계 극복, 감도를 높이고 신뢰성을 확보할 수 있는 새로운 기술의 도입이 요구된다. 본 연구에서는 해수 중 위험유해물질(HNS)의 검출이 가능한 생분해성 개발을 위하여 센서 재료의 선택과 생분해성 센서 제작방법의 검토, 이를 통한 경제적인 센서 제작 및 성능의 검증에 관하여 연구하였다. 우선 화학적으로 안전한 금속 산화물 나노 입자를 활용하여 접촉 면적을 넓힘으로써 높은 감도와 안정성을 확보할 수 있다고 판단하였다. 또한 금속산화물 나노입자를 이용하여 센서를 제작하기 위하여 인쇄공학적 접근법을 제안하였으며, 생분해성 센서를 제작하기 위하여 기판으로 생분해성 플라스틱을 이용하여 센서를 구현하였다. 특히 위험유해물질 센서를 구현할 목적으로 별도의 히터 작동 없이 상온에서 부유성 위험유해물질을 검출할 수 있는 기능을 구현하기 위해 센서 메커니즘을 고찰하여 위험유해물질에 대한 선택성을 부여할 수 있는 방법을 연구하였다. 제1장에서는 센서 기술에 대한 기본적인 내용, 위험유해물질 센서의 필요성, ITO의 특성, 생분해성 위험유해물질 센서의 중요성 및 연구의 목적에 대해서 설명하였다. 제2장에서는 실험 부분으로써, 인쇄공학기법을 이용한 ITO박막 제작 방법에 대해 서술하고, 본 연구에 사용된 특성 분석 기술에 대해 설명하였다. 제3장에서는 생분해성 플라스틱 기판 상 ITO 박막을 제작하기 위한 인쇄공정의 최적화 방법과 제작한 ITO 박막의 기본적인 물성 및 센서 특성에 관하여 조사하였다. 제4장에서는 인쇄공학 기법으로 제작된 ITO 센서의 검출한계와 응답 특성을 개선하기 위해 ITO 박막의 전사기술을 도입하였다. 박막을 전사하기 위한 ITO 템플릿 제작 조건을 최적화하였으며, 이를 이용한 전사 ITO박막제작 조건을 최적화하였다. 제작한 전사 박막 ITO의 물성평가와 센서 동작 특성에 대해 설명하였다. 제5장에서는 전사 공정으로 제작한 ITO 센서의 부유성 HNS에 대한 검출 특성을 조사하였다. HNS 농도에 대한 센서의 응답 변화와 상승 시간의 관점에서 검출 성능을 평가하였다. 제6장에서는 제작한 ITO 센서의 HNS 검출 메커니즘을 고찰하였다. 반도체-액체 계면의 전기화학적 전위 관점에서 결과를 해석하였으며, 이를 통하여 각각의 HNS에 대하여 제작한 센서가 선택성을 가질 수 있음을 설명하였다. 마지막으로 제7장에서는 본 연구에서 얻은 결과를 정리하여 요약 및 결론에 대하여 기술하였다. 본 연구에서 목적한 해수 중 부유성 HNS를 검출 가능한 생분해성 센서를 구현하였으며, 경제적인 방법으로 센서를 제작할 수 있음과, 이러한 센서를 통하여 신뢰성 있는 신호를 발생할 수 있음을 입증하였다.