ZnO/Au-SWCNT-COOH/Si 이종접합 가스 센서의 제작 및 특성 분석 = Fabrication and Characterization of ZnO/Au-SWCNT-COOH/Si Heterojunction Gas Sensor

국문 초록 (Abstract)

가스 센서는 환경 모니터링, 산업 안전, 의료 진단, 실내 공기질 관리 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다. 사물인터넷(IoT), 웨어러블 디바이스, 스마트 시티 기술의 급속한 확산에 따라 소형화, 저전력, 고감도 및 실시간 검출이 가능한 가스 센서 플랫폼에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 기존의 금속산화물 반도체 가스 센서는 높은 감도와 안정성을 제공하지만, 높은 작동 온도, 큰 기준 저항, 습도 간섭, 낮은 가스 선택도 등의 한계로 인해 실제 적용에는 제약이 따른다. 이러한 문제를 극복하기 위한 방안으로, 이종접합 기반 소자 구조와 나노소재를 결합한 접근법이 유망한 대안으로 주목받고 있다.

본 연구에서는 ZnO/Au-SWCNT-COOH/Si 이종접합을 기반으로 한 저전력·고감도 가스 센서를 설계·제작하고, 상온에서 암모니아(NH₃) 검출 특성을 체계적으로 분석하였다. 센서는 p형 ⟨100⟩ 실리콘 기판 위에 n⁺-Si 활성층을 형성하여 p–n 접합 다이오드를 구현한 후, 카복실기 기능화 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT-COOH), 금 나노입자(AuNPs), 그리고 스퍼터링된 ZnO 박막을 순차적으로 증착하여 수직 이종접합 구조를 형성하였다. AuNPs의 도입은 촉매 활성 및 전하 전달 매개 효과를 통해 센서 응답을 크게 향상시키는 것으로 확인되었다. ZnO 증착 이후 기준 저항이 감소하였으며, 이는 아연 간극(Znᵢ)과 산소 공공(Vₒ)과 같은 ZnO 고유 결함에 의해 유도된 n형 전도 특성과, 표면 흡착 사이트 밀도 증가에 기인한 것으로 해석된다.

가스 감지 실험 결과, NH₃ 노출 시 저항이 명확히 증가하였고, 역바이어스 조건에서 신호가 더욱 증폭되어 계면 장벽 변조가 감지 거동을 지배함을 확인하였다. 센서는 상대습도가 증가함에 따라 향상된 응답을 보였으며, 이는 ZnO 표면에 형성된 다층 흡착 수분막 내에서 발생하는 물-보조 양성자 매개 반응에 기인한다. 상대습도 40% 조건에서 NH₃에 대해 0.069 ppm(약 69 ppb)의 검출 한계를 달성하였다. 또한 선택도 평가 결과, NO₂ 등 간섭 가스 대비 NH₃에 대해 현저히 높은 응답을 나타내어 효과적인 표적 가스 선택성을 입증하였다.

감지 메커니즘을 규명하기 위해 Sentaurus Technology Computer-Aided Design(TCAD)을 이용한 2차원 ZnO/SWCNT/Si 모델 시뮬레이션을 수행하였다. 가스 노출 효과는 ZnO 표면의 음의 고정 전하 밀도를 조절하는 방식으로 모사하였다. 시뮬레이션 결과, 표면 전하 밀도가 감소함에 따라 저항이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 실험 결과와 잘 일치한다. 에너지 밴드 분석을 통해 ZnO 표면에서의 장벽 변조와 가스 노출 시 SWCNT 에너지 밴드의 하향 이동이 확인되었고, 이로 인해 SWCNT/n⁺-Si 계면에서의 전자 터널링이 억제됨을 알 수 있었다. 이러한 터널링 전류 감소가 NH₃ 노출 시 저항 증가의 주된 원인으로 규명되었다. 본 연구 결과는 ZnO/Au-SWCNT-COOH/Si 이종접합 센서가 차세대 환경 모니터링 및 IoT 기반 가스 센싱 응용을 위한 효과적인 저전력·고성능 센싱 플랫폼임을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• 그림목차 iii
• 표목차 v
• ABSTRACT vi
• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 5
• 2.1. 가스 센서 개요 5
• 2.1.1. 가스 센서의 분류 5
• 2.1.2. 가스 센서 분류별 작동 원리 6
• 2.1.3. 반도체식 가스 센서 소재의 물성 8
• 2.1.4. 가스 흡착 및 반응 메커니즘 9
• 3. ZnO/SWCNT/Si 이종접합 가스 센서 제작 12
• 3.1. 소자 제작 공정 12
• 3.1.1. SWCNT 분산 및 증착 14
• 3.1.2. RF 스퍼터링 기반 ZnO 박막 형성 15
• 3.1.3. ZnO/SWCNT 이종접합 구조 형성 16
• 4. ZnO/SWCNT/Si 이종접합 가스 센서 특성 분석 18
• 4.1. 가스 센서 특성 평가 시스템 18
• 4.2. 암모니아 가스 검출 특성 20
• 5. 전산모사 기반 이종접합 가스 센서의 동작 메커니즘 분석 34
• 5.1. ZnO/SWCNT/Si 이종접합 가스 센서 모델링 34
• 5.2. 가스 검출 메커니즘 시뮬레이션 37
• 5.3. ZnO/SWCNT/Si 이종접합 가스 센서 특성 분석 40
• 6. 결론 43
• 7. 참 고 문 헌 46