Electric nose (E-nose), an artificial sense system that mimics the human olfactory system using a multi-array sensor system, is key technology of high-performance gas detection. However, since design and fabrication of multi-array sensing channel have been significantly limited with time-consuming and non-universal process, development of commercializable and high-throughput top-down fabrication approaches is critically required. Here, for the first time, commercializable high-resolution top-down lithography is developed for E-nose fabrication. Five different metal oxide semiconductor (MOS) nanopattern channels ($NiO, CuO, Cr_{2}O_{3}, SnO_{2}, WO_{3}$) were fabricated into multi-array sensors by unique lithographic approach, that utilize the sputtering of the metals’ grains by low-energy bombardment of the plasma. The nanopattern channels shows i) high-resolution (15 nm scale), ii) high-aspect-ratio (11; width: 14 nm height: 150 nm) and iii) ultra-small grains (5.1 nm) with high uniformity in cm2 scale, leading to high sensitivity for each target analytes. Our E-nose system composed of five MOS nanopattern channels could successfully distinguish seven different hazard analytes including volatile organic compounds (VOCs; $C_{7}H_{8}, C_{2}H_{5}OH, CH_{3}COCH_{3}, C_{6}H_{14}, C_{3}H_{6}O$) and nitrogen containing compounds ($NO$ and $NH_3$) were successfully distinguished. It is expected that this unique top-down lithography can provide a simple and reliable approach for channel diversification and high-resolution channel fabrication in commercial level and e-nose would have further applications in real life situation.
전자코 다중채널 시스템은 현재 가스 센서의 선택성 문제를 해결하고 고성능 가스 검출을 위한 핵심 기술이다. 그러나 현재까지 다중채널을 제작하는 방법은 주로 여러 채널을 제작하기 위해 각기 다른 공정 법을 가지고 있다. 이러한 복잡한 공정은 상용화를 하기에 한계점을 가지고 있으므로 높은 정밀도와 다량생산이 가능한 공정이 필요하다. 본 연구에서는 하향식 리소그래피를 이용한 상용화 수준의 나노패턴 제작방식을 제안한다. 이는 낮은 에너지의 아르곤 플라즈마 에칭을 이용하여 고해상도, 고종횡비의 나노패턴을 물질에 상관없이 모두 같은 공정으로 제작할 수 있다. 그 결과 다섯 종류의 금속산화물 나노패턴 채널을 (NiO, CuO, Cr2O3, SnO2, WO3) 제작했을 때 모두 i)고해상도, ii)고종횡비 (11; 두께: 14 nm, 높이: 150nm), iii)작은 그래인들로 이루어진 (5.1 nm) 채널이 확인됐으며 $cm^2$ 면적에서도 높은 균일성을 보였다. 더 나아가, 다섯 개의 나노패턴 금속산화물 센서 채널을 이용해 7종류의 가스들을 구분하는 전자코 시스템으로 테스트했을 때 모든 가스가 성공적으로 식별되었다. 본 연구를 통해 상용화 수준의 전자코 제작에 필요한 공정성, 민감도 두 가지를 모두 포함한 신뢰성이 높은 하향식 리소그래피를 개발할 수 있었다.
