The operating temperature of electrical chemo-resistive gas sensors is directly related to performance of the devices. Self-heating type gas sensors provide the required operating temperature by utilizing Joule heating effect arising in the sensing material for devices to work in their optimum environment. This paper reports a highly-ordered suspended nanowire array as an adequate structure for self-heating type gas sensors. As a first demonstration of the proposed structure, a hydrogen gas sensor with palladium nanowire array was fabricated and evaluated. Estimated temperature through FEM simulation verifies the excellent self-heating capability of the fabricated device. When the performance as a hydrogen gas sensor was evaluated, remarkable enhancement in performance could be achieved as the operating temperature elevated through self-heating.
최근 휴대용 기기에 적용하기 위한 초 저전력 가스 센서에 대한 수요가 크게 증가함에 따라, 나노와이어 기반의 자기 가열 타입 가스 센서를 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 지금까지의 연구는 가장 기본적인 구조의 가스 센서를 제작해보고 그것이 실제로 잘 작동하는지, 개념을 검증하는 단계에 머물러 있다. 따라서 본 연구에서는 자기 가열을 효과적으로 이용할 수 있는 정렬된 공중 부양 나노와이어 어레이를 새롭게 제안하고, 그러한 구조를 갖는 팔라듐 수소 센서를 구현하여 그 성능을 평가해 보았다. 제안된 구조는 인접한 나노와이어 사이의 열 중첩 효과를 기대할 수 있고, 기판으로 열 손실을 제거하여 효율적인 가열이 가능하기 때문에 자기 가열 타입 가스 센서로 매우 적합하다고 할 수 있다.
실제 소자는 나노그레이팅 기반 나노와이어 생산 기술을 활용하여 구현하였다. 이 기술을 활용하면 나노그레이팅 기판 위에 간단히 물리 기상 증착법을 적용하여 다양한 물질의 정렬된 나노와이어를 손쉽게 제작하는 것이 가능했다. 본 연구에서는 생산성을 높이기 위해 복제된 나노그레이팅 기판을 이용하였고 반도체 공정 기술을 적용하여 차례로 나노와이어 감지물질과 컨택 패드를 패터닝하였다. 이 후, 산소 플라즈마 식각 과정을 통해 나노와이어를 공중에 띄움으로써 제안된 구조의 정렬된 공중 부양 나노와이어 어레이를 성공적으로 제작하였다.
제안된 구조의 자기 가열 능력은 시뮬레이션을 통해 우선적으로 검증하였다. 실제 제작된 소자의 크기와 전기적 측정으로부터 추출된 물리 값들을 시뮬레이션에 대입하여 인가 전압에 따른 상승 온도를 추정하였다. 그 결과, 정렬된 나노와이어의 열 중첩 효과와 기판으로 열 손실 제거를 통한 온도 상승 효과 모두를 확인할 수 있었고, 이런 장점을 바탕으로 제작된 소자는 매우 적은 소비 전력으로 높은 온도까지 자기 가열이 가능하였다. 마지막으로, 제작된 소자의 자기 가열을 이용하며 수소 센서로서의 성능을 평가하였다. 처음에는 소자에 인가되는 전압이 증가함에 따라 수소 가스에 대한 반응 속도가 매우 빨라지더니, 인가되는 전압이 더욱 증가하였을 때는 갑자기 저항 변화 경향이 바뀌고, 민감도가 비정상적으로 높아지는 특이한 현상이 관측되었다. 특히, 비정상적으로 높은 민감도는 기존에 알려진 수소 가스 감지 원리로 설명되지 않았기 때문에 몇 가지 실험 결과를 바탕으로 새로운 수소 가스 센싱 메커니즘을 제시하였다. 결론적으로 제안된 구조로부터 기인한 효과적인 자기 가열 현상을 이용하여 초 저전력, 고성능의 가스 센서를 구현하는데 성공하였다.
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