• Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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• v.25 no.11
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• pp.7-14
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• 2008

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.103.2-103.2
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• 2014

최근 생활 수준이 향상되면서 보다 쾌적하고, 안전하고, 편안하고, 행복한 삶을 위해 주변 환경 모니터링 기술에 대한 관심이 더욱 증대되고 있는 실정이다. 환경모니터링을 위해서는 다양한 고기능 화학센서들이 필요하며, 이에 대한 연구 또한 매우 활발히 진행되고 있다. 특히, 이러한 고기능 화학센서들은 높은 수준의 감도, 선택성, 안정성 등을 요구받고 있어, 이에 부응하기 위한 연구가 지속적으로 필요한 상황이다. 또한, 더욱 초소형화, 저전력화, 고집적화도 에너지 효율 향상과 휴대 기능을 위해 추가적으로 요구되고 있다. 이러한 차세대의 고기능 환경센서 개발을 구현하기 위해서는 여러가지 요소기술이 필요하며, 그 중 마이크로 공정 기술, 나노 소재와 공정 기술이 요소 기술 중 핵심적인 기술로 부각되고 있다고 할 수 있다. 본 발표에서는 최근 이슈가 되고 있는 환경문제에 대하여 언급하고, 환경을 실시간 모니터링하기 위하여 최신 마이크로/나노 기술을 활용한 화학센서의 연구사례를 가스센서와 수질센서로 크게 나누어 살펴보고, 향후 연구 방향에 대하여 논의하고자 한다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.26.2-26.2
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• 2011

최근 주목 받고 있는 산화아연(ZnO)은 레이저 다이오드, 가스 센서, 자외선 센서, 투명전극 등으로 다양하게 사용될 수 있어 연구개발이 폭 넓게 이루어지고 있는 상황이다. 특히, 3.3 eV의 direct bandgap 에너지를 가지고 있는 ZnO은 현재 자외선센서로 많이 적용되고 있는 물질인 GaN계열을 대체할 수 있는 유망한 물질로 주목 받고 있다. 공기중의 산소나 수분의 표면반응에 의한 자외선 측정을 하는 ZnO을 나노선으로 만들게 되면, 표면대비 부피비가 박막에 비해 급격히 증가하기 때문에 민감도가 커지고 반응시간이 짧아지게 된다. 본 연구에서는 자외선센서의 민감도와 반응성을 향상시키기 위해 전기화학적 합성법을 통해 ZnO의 박막과 나노선을 제조하였다. 사진공정을 통해 3 ${\mu}m$의 간격을 가진 금(Au) 전극을 만든 후, 전기화학적 합성법을 통해 아연이온이 포함된 용액에서 정전류를 흘려보내 아연 또는 ZnO을 증착시킬 수 있었다. 첫 번째로 ZnO을 양쪽 Au 전극에서 동시에 증착하여 두 박막이 접합하였고, 두 번째는 100nm의 지름을 가진 Ni 나노선를 전극 양쪽에서 자석을 통해 자기장을 형성해 정렬시키고 ZnO을 Au 전극과 Ni 나노선에 증착한 후, Ni 나노선를 산화시킴으로써, ZnO 나노구조를 형성하였다. 세 번째로는 Au 전극 양쪽에 아연을 전기화학적 합성을 하여 박막으로 증착하고 고온에서 산화과정을 통해 100 nm 이하의 지름을 가진 ZnO 나노선를 형성하였다. 이렇게 만들어진 세가지 구조의 ZnO의 나노구조와 결정성은 주사전자현미경과 X선 회절 분석기를 통해 측정하였으며, 자외선에 대한 민감도와 반응성은 365 nm의 파장을 가진 자외선발생기와 소스미터장치를 통해 측정하였다. 박막에서 100 nm 이하의 지름을 가진 ZnO 나노선로 갈 수록 자외선에 대한 민감도와 반응성이 향상되었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2016.11a
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• pp.96-96
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• 2016

나노섬유(nanofiber), 나노선(nanowire), 그리고 나노튜브(nanotube)와 같은 1차원 구조의(one-dimensional structure) 나노재료는 벌크(bulk) 및 박막(film) 재료와는 다르게 물리적, 화학적으로 특이한 성질을 가지고 있으며, 이러한 성질은 나노재료의 구조, 형상, 크기 등에 큰 영향을 받는다. 첫 째, 전기방사(electrospinning) 공정을 이용한 나노섬유의 합성; 용액의 특성, 전기장 세기, 방사시간 등의 변수를 조절하게 되면 방출되는 재료의 형상을 입자 혹은 섬유상의 형태로 얻을 수 있으며, 전기방사를 통해 합성된 나노재료의 소결 온도 및 시간을 달리함으로써 나노입자의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 템플레이트 합성법(template synthesis) 및 이중노즐(coaxial nozzle)을 이용해 속이 빈 형태인 중공(hollow) 구조의 나노섬유를 얻을 수 있으며, 전기방사에 사용되는 전구물질에 원하는 금속 및 산화물을 첨가함으로써 복합체(composite) 나노섬유를 얻을 수 있다. 둘 째, VLS(Vapor-Liquid-Solid) 공정을 이용한 나노선의 성장; 온도, 압력, 전구물질의 양, 그리고 시간 등의 변수를 조절하게 되면 원하는 직경 및 길이를 갖는 나노선을 성장시킬 수 있다. 그리고 ALD(Atomic Layer Deposition)를 이용해 나노선에 추가적인 층을 형성함으로써 코어-셀 구조를 형성할 수 있으며, 감마선, UV와 같은 공정을 이용해 귀금속 촉매를 나노선에 기능화 시킬 수도 있다. 코어-셀 구조를 갖는 나노선/나노섬유는 코어 혹은 셀 층의 전자나 홀의 이동을 유발하여 전자공핍층(electron depletion layer) 또는 정공축적층(hole accumulation layer)을 확대 및 축소시켜 센서의 초기저항을 증가시키거나 감소시키는 역할로써 이용되고 있으며, 특히, 셀 층의 두께가 셀 층 재료의 Debye length와 유사한 크기를 갖게 되면, 셀 층은 완전공핍층(fully depleted layer)을 형성해 최대의 감도를 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 다양한 제조 공정을 통해 제작될 수 있는 1차원 나노-구조물을 가스센서에 적용하는 사례들을 소개하고, 이러한 가스센서의 감응성능을 향상시키기 위한 방법의 한 가지로 원자층증착법으로 나노선/나노섬유의 표면에 셀층을 형성하여 감응성 향상 메커니즘 및 관련 주요 변수들을 조사하고자 한다.

• 기계와재료
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• v.23 no.2
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• pp.48-53
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• 2011

나노 기술을 바이오 분야에 접목하면 기존의 샘플 재취 및 분석시간, 분석 환경 등의 한계를 극복하여 현장진단, 실시간 진단 등이 가능한 고기능 바이오센서 개발이 가능해진다. 나노와이어 기반 바이오센서는 합성과정에서 전자 특성을 쉽게 제어할 수 있고, 용액내에서 바이오 및 화학물질을 감지하는 성능이 탁월하여 빠른 응답시간, 고감도, 고선택성 등의 동작특성이 향상될 수 있고, 집적화된 센서소자구현이 가능하다. 나노 바이오센서는 의료 분야뿐만 아니라 환경, 시설유지, 에너지관리, 공업프로세스 등 다양한 응용분야를 가지고 있다, 본 논문에서는 여러 나노 구조체 중에서도 전기화학 증착방법을 이용한 나노와이어의 기술적 특징과 합성방법, 전기적 센싱 시스템에 대해서 알아보고, 앞으로 개선되어야 할 사항들에 대해서 살펴보았다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2010.05a
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• pp.34.1-34.1
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• 2010

국내외적으로 다양한 형태의 저차원 구조 나노재료를 화학센서에 응용하고자 하는 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 현재까지 발표된 많은 연구는 단일 산화물 반도성 재료를 이용한 센서 특성 측정 및 센싱특성 향상 연구가 주를 이루고 있다. 이에 비해 2 가지 이상의 물질로 구성되는 이종접합(heterojuction) 나노재료는 단일 재료에 비해 화학센서로서의 특성을 향상시킬 여러 가능성이 제시되고 있으나, 이러한 이종접합 구조의 가스감응특성에 대한 기본 모델 제시는 부족한 상태이다. 본 연구에서는 $SnO_2$-ZnO 등의 코아-쉘 구조 나노섬유 및 ZnO-$SnO_2$ 이종접합 구조 나노섬유 나노재료를 제조하였다. 이러한 나노재료의 가스 감응특성을 조사하고 그 결과들을 바탕으로 이종접합 나노재료의 가스 감응특성에 대한 메커니즘을 제시하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.346-346
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• 2011

실리콘 나노와이어는 높은 표면적으로 인해 뛰어난 감지 능력을 가지는 재료 중 하나로 다양한 센서 응용 분야에 사용되고 있다. 이를 제작하는 방법에는 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 공정을 이용한 Top-down 방식과 Vapor-Liquid-Solid (VLS) 공정을 이용한 Bottom-up 방식이 널리 사용되고 있다. 특히 Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)와 Au 촉매를 이용한 Bottom-up 방식은 수십 나노미터 이하의 실리콘 나노와이어를 간단한 변수 조절을 통해 성장시킬 수 있다. 또한 Au/Si의 공융점인 363$^{\circ}C$보다 낮은 온도에서 $SiH_4$를 분해시킬 수 있어 열적 효과로 인한 손실을 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다. 하지만 PECVD를 이용한 실리콘 나노와이어 성장은 VLS 공정을 통해 표면으로부터 수직으로 성장하게 되는데 이는 센서 응용을 위한 전극 사이의 수평 연결 어려움을 지니고 있다. 따라서 이를 피하기 위한 표면 성장된 실리콘 나노와이어가 요구된다. 본 연구에서는 PECVD VLS 공정을 이용하여 $HAuCl_4$를 촉매로 이용한 표면 성장된 Tree-like 실리콘 나노와이어를 성장시켰다. 공정가스로는 $SiH_4$와 이를 분해시키기 위해 Ar 플라즈마를 사용 하였고 웨이퍼 표면에 HAuCl4를 분사하고 고진공 상태에서 챔버 기판을 370$^{\circ}C$까지 가열한 후 플라즈마 파워(W) 및 공정 압력(mTorr)을 변수로 두어 실험을 진행하였다. 기존의 보고된 연구와 달리 환원된 금 입자 대신 $HAuCl_4$용액을 그대로 사용하였는데 이는 표면 조도(Surface roughness)를 가지는 Au 박막 상태로 존재하게 된다. 이 중 마루(Asperite) 부분에 PECVD로부터 발생된 실리콘 나노 입자가 상대적으로 높은 확률로 흡착하게 되어 실리콘 나노와이어의 표면성장을 유도하게 된다. 성장된 실리콘 나노와이어는 SEM과 EDS를 이용하여 직경, 길이 및 화학적 성분을 측정하였다. 직경은 약 100 nm, 길이는 약 10 ${\mu}m$ 정도로 나타났으며 Tree-like 실리콘 나노와이어가 성장되었다. 향후 전극이 형성된 기판위에 이를 직접 성장시킴으로써 이 물질의 I-V 특성을 파악 할 것이며 이는 센서 응용 분야에 도움이 될 것으로 기대된다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.40 no.2
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• pp.103-110
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• 2016

Fine wires made from platinum have been used as sensors to evaluate the convection performance of nanofluids. However, the wire sensor is difficult to handle due to its fragility. Additionally, an unrealistic convective heat transfer coefficient (h) is obtained if a rigorous calibration process combined with precision equipment is not used for measurement. This paper proposes a new evaluation apparatus for h of nanofluids that uses a thermistor sensor instead of the platinum wire. The working principles are also explained in detail. Validation experiments for pure engine oil comparing h from the two sensors confirmed numerous practical benefits of the thermistor. The proposed system can be used as a useful tool to justify the adoption of developed nanofluids.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.106-106
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• 2017

가스센서는 사내 및 산업 환경에서의 유독성 또는 폭발성 가스 검출, 환경 모니터링, 질병 진단 등 매우 다양한 응용분야에서 큰 관심을 가지고 있다. 반도체 금속산화물(SMOs) 기반의 센서 분야에서는 이들의 감도 및 선택성을 향상시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 이는 센서의 선택성을 부여하게 되면 다양한 가스들이 존재하는 환경에서도 검출자가 원하는 가스만의 응답을 얻을 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 MOF(Metal-Organic Framwork) 기반 멤브레인으로 ZIF-8(Zeolitic Imidazolate Frameworks 구조들 중 하나) 멤브레인 쉘 층을 이용하여 ZnO 나노선에 형성하였다. ZnO 나노선은 VLS공정 (Vapor-Liquid-Solid)을 이용하여 패턴된 전극을 갖는 $SiO_2$-grown Si 웨이퍼 상에 성장되었고, 성장된 ZnO 나노선은 2-methyl imidazole과 methanol이 포함된 고용체에 넣고 폐쇄된 압력용기 속에서 가열시켜 얻게 된다. 이렇게 얻어진 ZIF-8@ZnO 나노선의 ZIF-8 멤브레인은 분자 체 구조(molecular sieving structure)를 갖게 되며, 이들의 pore 크기는 약 $3.4{\AA}$을 갖는다. 따라서 이보다 더 큰 동적 직경을(kinetic diameter) 갖는 가스 종은 이 멤브레인을 통과할 수 없음을 나타내므로 제작된 시편은 $H_2$(kinetic diameter : $2.89{\AA}$), $C_7H_8$(kinetic diameter : $5.92{\AA}$), 그리고 $C_6H_6$(kinetic diameter : $5.27{\AA}$) 가스들을 각각 사용함으로써 ZIF-8@ZnO 나노선의 센서 특성을 조사했으며, 보다 정확한 비교를 위해 순수한 ZnO 나노선 역시 동일한 조건에서 측정되었다. 결과를 통해, 수소 가스를 제외한 다른 가스들에 대해서는 반응을 하지 않고, 오직 수소 가스에 대해서만 반응을 나타냈으며, 순수 ZnO 나노선의 수소 감응도보다 낮은 감응도를 나타내었다. 이는 멤브레인 쉘 층을 형성함으로써 ZnO 나노선의 표면적이 감소해 가스 분자와의 접촉점을 감소시키기 때문이라고 판단된다. 이와 같은 MOF 멤브레인의 캡슐화 전략은 가스센서뿐 아니라 바이오 센서 및 광촉매 등과 같은 이온 선택성을 필요로 하는 다양한 응용분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.422.1-422.1
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• 2014

E-textile과 같은 웨어러블 전자소자는 휴대용 전자소자, 의료센서 및 디스플레이 등을 포함하는 다기능 직물등의 적용가능 응용분야에서의 잠재력으로 인하여 많은 관심을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이같은 응용분야에 적용하기 위하여 전기방사를 이용한 나노크기의 나일론 섬유를 제작하고 reduced graphene oxide를 섬유에 코팅하여 전도성을 가지는 나노섬유를 제작하였다. 나일론 알갱이를 포름산에 녹인 용액을 이용하여 전기방사를 통해 약 100 nm 두께를 가지는 나노섬유를 제작하였다. 제작된 나일론 섬유와 그래핀 옥사이드 사이의 결합력을 향상시키기 위하여 BSA(bovine serum albumin)으로 표면 처리를 하였다. 마지막으로 나일론 섬유에 코팅된 그래핀 옥사이드를 hydrazine을 이용하여 환원하여 전도성을 가지는 섬유를 제작하였다. 제작된 전도성을 가지는 섬유는 약 10 kohm 정도의 저항을 가지는 것을 확인하였으며, 물리적인 외부 변형에서도 안정적으로 전도성을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 전도성을 가지는 나노섬유는 웨어러블 전자소자를 제작하는데 응용 가능할 뿐만 아니라, 전기방사를 통한 나노구조물 제작 기술을 가스센서, 바이오센서, 태양전지, 나노소자등 다양한 분야에 적용 가능한 우수한 기술이라고 생각한다.