고온가압 열처리법을 이용한 indium-tin-oxide의 전기적 특성 개선과 가스센서 응용에 관한 연구

Abstract

가스센서는 일상 생활환경에서 많은 종류의 유해한 가스를 검출하는 소자이다. 현대사회에서는 없어서는 안 되는 필수적인 소자로, 다양한 물질을 이용한 연구가 진행되고 있으며, 현재 상용화 되고 있는 가스센서에서 많은 부분이 금속 산화물반도체로 구성되고 있다. 금속 산화물 반도체를 이용한 가스센서는 반도체 물질의 물리적 특성과 전기전도도가 변화하는 특성을 이용한 소자로, 다른 가스센서에 비해 저 농도의 가스를 검출하는데 있어 안정성 및 견고성이 뛰어난 특성을 가지고 있다. 특히 WO2, ZnO, SnO2, In2O3 와 같은 금속 산화물은 동작의 안정성 측면에서 다른 재료보다 유리하여, 지금까지 이를 이용한 다양한 종류의 가스센서 응용에 대한 연구가 진행되었다. 그 중에서도 SnO2와 In2O3는 전기적 특성과 화학적 특성이 뛰어나고, 높은 감응도를 가지는 물질로 많이 사용되고 있으며, 최근에는 대기에서 안정하고, 높은 가스 선택성 특성을 가지고 있는 indium-tin-oxide(ITO) 가스센서에 대한 연구가 많은 관심을 받고 있다.

ITO를 이용한 가스센서의 동작은 표면에 가스가 흡착되어 생기는 캐리어농도의 변화로 인해 전기전도의 변화를 나타낸다. 이러한 변화는 물질의 물리적 특성, 동작온도, 물질의 표면 그리고 첨가 물질에 의해 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 그 중에서도 높은 감응도를 얻기 위해서는 높은 동작온도가 필수적으로 요구되지만 이것은 ITO의 구조를 열화시키며, 가연성 가스센서의 응용에 있어서 제한되는 문제점을 가지고 있다. 최근에는 이러한 낮은 감도를 증가시키기 위한 방법으로 ITO 나노입자를 이용한 접근법이 주목 받고 있다. 나노 입자를 이용하여 가스센서로 제작할 경우에는 가스흡착 표면적이 증가하여 우수한 감응도를 확보할 수 있기 때문이다. 따라서 실온에서의 동작하는 가스센서의 제작에 관한 연구는 매우 중요하며, 특히 ITO 나노입자를 이용한 인쇄전자공학 접근법은 실온에서의 낮은 감응도라는 문제점을 해결할 수 있다. 하지만 여전히 인쇄전자공학 기술로 제작된 ITO 가스센서는 저항이 높아 아직까지 응용에 걸림돌로 지적되고 있는 실정이다.

본 연구에서는 인쇄전자공학 기술을 이용하여 제작한 ITO 가스센서의 전기적 특성 개선 방법을 제안하고, 이를 실온 가스센서로 응용한 연구를 하였다. 가스센서로 제작하기에 앞서 분말 ITO 박막의 저항을 저감시킬 수 있는 새로운 방법이 필요하다고 판단하여, ITO 박막 내 전도성 캐리어 발생 원인에 대한 고찰을 진행하였고, 이를 바탕으로 고온에서 캐리어 농도의 감소를 막기 위한, 새로운 고온가압열처리방법을 제안하였다. 또한 이렇게 제작된 시료의 전기적 특성 개선 효과를 고찰하고, 분말 ITO를 이용하여 인쇄전자공학적 기법으로 제작한 실온가스센서의 응용가능성을 입증하였다.

1장에서는 가스센서의 분류와 기본적인 원리와 ITO의 특성, 그리고 인쇄전자공학의 중요성 및 본 연구의 목적에 대해여 언급한다.

2장에서는 본 연구에서 사용된 실험장치와 인쇄기술을 이용한 ITO 박막제작을 간단히 소개하고, 특성평가를 위해 사용된 다양한 측정기술에 대하여 설명하였다.

3장에서는 고온에서 열처리된 ITO 박막의 저항 증가 원인해 대한 고찰을 하고, 새로운 열처리방법을 제안하여, 개선된 ITO박막의 특성을 고찰하였다.

4장은 인쇄전자방법으로 제작한 코일형 ITO 가스센서에 새로운 열처리 방법을 적용하였을 때의 전기적인 특성을 고찰하고, 마지막으로 실온에서의 Ar, N2, O2 가스에 대한 응답특성확인을 통해 응용가능성을 확인하였다.

5장에서는 본 연구에서 얻은 결과를 정리하였다.