매우 안정적인 나노튜브

Scientific Reports 11권, 기사 번호: 22915(2021) 이 기사 인용

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가스 센서 시장은 다양한 사회경제적, 산업적 요인에 의해 빠르게 성장하고 있습니다. 중적외선(MIR) 가스 센서는 의료, 스마트 홈 및 자동차 부문에서 점점 더 많은 감지 애플리케이션에 탁월한 성능을 제공합니다. 저비용, 소형화, 에너지 효율적인 광원에 접근하는 것은 MIR 센서의 모놀리식 통합에 매우 중요합니다. 여기에서는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 마이크로 핫플레이트와 유전체 캡슐화된 탄소 나노튜브(CNT) 흑체 층을 결합하여 제작된 온칩 광대역 열 MIR 소스를 제시합니다. 마이크로 핫플레이트는 CNT 층의 고온(>700\(^{\circ }\)C) 성장을 촉진하고 성장 후 열 어닐링을 위해 마이크로 반응기로 제조하는 동안 사용되었습니다. 우리는 600\(^{\circ }\)C 이상의 히터 온도에서 유전체 캡슐화 CNT 층을 갖춘 장치의 공기 중에서 안정적으로 확장된 작동을 처음으로 시연합니다. 시연된 장치는 전체 MIR 스펙트럼에 걸쳐 거의 단일 방사율을 나타내어 사물 인터넷을 위한 저비용, 고도로 통합된 MIR 분광학에 이상적인 솔루션을 제공합니다.

가스 센서는 많은 과학, 산업 및 상업 응용 분야에 의해 주도되는 연구 개발 노력의 중심에 있습니다1. 여기에는 삼림 벌채2, 차량 및 산업3으로 인한 환경 오염 물질과 건물 내 공기 질4에 대한 모니터링이 포함됩니다. 대기 오염이 인간 건강에 미치는 영향에 대한 인식이 높아지면서3, 저비용, 접근 가능하고 컴팩트하며 쉽게 배포 가능한 대기 질 모니터링5에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 새롭게 떠오르는 글로벌 수요를 유지하려면 가스 센서는 성능과 비용 사이에서 적절하고 까다로운 균형을 충족해야 합니다1. 경제적으로 실행 가능한 것 외에도 점점 더 많은 센서가 엄격한 전력 및 용량 제약1을 갖고 있습니다. 예를 들어 사물 인터넷(IoT)6 및 모바일 플랫폼7에 배포되는 센서입니다. 이러한 요구 사항은 연구자들이 소형화, 구성 요소의 모놀리식 통합, 저비용, 전력 소비 감소 및 제조 가능성을 달성하기 위해 새로운 재료, 설계 및 기술을 탐구하도록 동기를 부여합니다1.

다양한 감지 기술 중에서 광학 가스 센서는 선택성과 장기적인 작동 안정성 측면에서 여러 가지 장점을 제공합니다1. 특히, 비분산 적외선(NDIR) 센서는 현재 이산화탄소(CO\(_2\)) 가스 센서 시장을 지배하고 있으며 다른 많은 응용 분야에도 사용됩니다8. 그러나 고유한 장점(예: 분광 감지)에도 불구하고 NDIR 가스 센서는 현재 단일 분석물질 또는 몇 가지 종을 동시에 감지하는 데 주로 사용됩니다. 더 폭넓은 채택의 한계는 저렴하고 광학적으로 효율적인(아마도 광학 가스 센서의 핵심)1 소형화된 광대역 MIR 광원의 가용성이었습니다. 전구 기반 열원은 전통적으로 사용되어 왔지만 깨지기 쉽고 부피가 크며 5\(\upmu\)m 이상의 파장에서는 광학 효율이 제한됩니다. 발광 다이오드(LED)는 향상된 통합성과 신뢰성을 제공하지만 전문 III-V 반도체 기술을 사용하기 때문에 제조 비용이 더 높습니다9.

표준 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 공정을 활용하는 것은 저비용 통합 열 MIR 소스 및 검출기를 제작하는 매력적인 방법이며 많은 혁신적인 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 기반 장치로 이어졌습니다1,10. 단위 광대역 방사율11,12 또는 특정 MIR 밴드13,14에 대한 플라즈몬 메타물질을 제공하는 탄소 나노튜브(CNT) 흡착층의 사용을 포함하여 CMOS-MEMS 열 장치의 방사율/흡수율1을 향상시키기 위한 다양한 기술이 제안되었습니다. 다중 종 분광 검출을 위해서는 MIR 소스가 대상 MIR 파장대의 앙상블에서 작동해야 하므로 전체 CNT 광대역 방출 향상11,12이 분광학1에 매력적입니다. 그러나 흑체와 같은 장점에도 불구하고15,16 지금까지 대부분의 연구에서는 CNT 및 일반적으로 모든 흑연 나노탄소 흡착층이 400\(^{\circ }\)C 이상의 온도에서 작동할 때 공기 중에서 연소되는 것을 관찰했습니다. . 이로 인해 일반적으로 이러한 온도에서 작동되는 CMOS MEMS 마이크로 핫플레이트 MIR 소스에 통합하는 데 제한(광학 방출 및 작동 안정성)이 발생합니다19. CNT 연소를 방지하기 위해 불활성 가스를 사용할 수 있지만 이를 위해서는 전문적으로 밀봉된 세라믹 또는 금속 패키지를 사용해야 하며 이는 비용에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.