Today, with air pollution from fossil fuels becoming a social issue, hydrogen is attracting a lot of attention as an alternative energy source due to its cleanliness and abundance. At the same time, hydrogen is a colorless odorless gas with a dangerous property of have a low explosive limit of 4%. For this reason, as the demand for the hydrogen fuel is increasing, the demand for hydrogen sensors for safety is also increasing. Among the hydrogen sensors, the palladium nanogap hydrogen sensors, which use a volume expansion property of palladium by the reaction with hydrogen, have advantages on fast response speed, excellent selectivity to hydrogen, and room temperature operation.
In this study, a palladium nanogap structure was fabricated using a chromium oxide film oxidized by oxygen plasma as a shadowing film for electron beam deposition of palladium, and used as a palladium nanogap hydrogen sensor. The above process method is compatible with the existing CMOS process, and it is expected that fabrication of the palladium nanogap hydrogen sensor can be achieved by using a simple and cheap process method. Based on the experiment and the simulation, design to improve the performance of the sensor was carried out. The fabricated palladium nanogap hydrogen sensor showed high sensitivity $\Delta$ I / $I_{Nitrogen}$>$10^8$ to the 4 % hydrogen. Fabricated sensor showed a fast response to the 4 % hydrogen, the shortest response time for 4 % hydrogen was 22 s, and the limit of detection of the fabricated sensor was 1.5%
오늘날 화석 연료로 인한 대기 오염이 사회 문제로 대두되는 가운데, 수소는 그 청정함과 풍부하여 주변에서 쉽게 구할 수 있다는 장점 때문에 대체 에너지로서 많은 주목을 받고 있다. 이와 동시에 수소는 무색/무취의 기체로 4%의 낮은 폭발 하한계를 갖는 위험한 성질이 있다. 이러한 이유로 수소 에너지의 수요가 증가함과 동시에 수소의 안전한 사용을 위한 수소 센서에 대한 수요 또한 증가하고 있다. 수소 센서 중에서도, 팔라듐이 수소를 선택적으로 흡수하여 부피가 팽창한다는 성질을 이용한 팔라듐 나노갭 수소 센서는 빠른 응답속도와 수소에 대한 선택성이 우수하다는 점 그리고 상온 구동이 가능하다는 점에서 다른 종류의 수소센서들과 비교했을 때 이점이 있다.
본 연구에는 산소 플라즈마를 이용하여 산화시킨 크롬 산화막을 전자빔 증착기를 이용하여 팔라듐을 증착할 때 가림막으로 이용하여 팔라듐 나노갭 구조를 제작하였고 이를 팔라듐 나노갭 수소 센서로 활용하였다. 위 공정 방법은 기존의 CMOS 공정과 호환이 가능하며 이를 이용하게 되면 간단하고 저렴한 공정방법으로 팔라듐 나노갭 수소 센서의 생산이 가능할 것이라 기대된다. 실험과 시뮬레이션을 통하여 센서의 능을 향상시키기 위한 설계를 진행하였다. 설계를 통해 제작된 팔라듐 나노갭 수소 센서는 4 % 수소에 대하여 $\bigtriangleup I$ / $I_{질소}$ 값이 $10^8$ 이상으로 높은 감도를 보였다. 제작된 센서의 4 % 수소에 대한 가장 짧은 응답시간($t_{SNR>50}$)은 22초로 센서는 4% 수소에 대하여 빠른 응답속도를 보였으며, 센서의 감지 하한 농도는 1.5 % 였다.
