일반기술

실리콘질화물 / 글래스 적층구조의 수소이온 감지막을 갖는 마이크로 수소이온농도 센서

□ 기술개요□ 목적 해당 기술은 유리전극의 표면을 실리콘질화물로 감싸줌으로써 시험용액의 OH 기에 의한 수화반응과 유리전극의 Na+ 이온의 소모를 최대한 억제하여 센서의 수명을 크게 연장시킬 수 있으면서 안정적인 동작을 구현할 수 있는 실리콘질화물/글래스 적층구조의 수소이온 감지막을 갖는 마이크로 pH 센서를 제공함에 그 목적이 있다. □ 구성 실리콘질화물/글래스 적층구조의 수소이온 감지막을 갖는 마이크로 pH 센서는, 실리콘기판, 실리콘기판의 상면에 형성되는 기준전극, 실리콘기판의 에칭부에 충진되는 완충용액 및 실리콘기판의 배면에 그 에칭부를 폐쇄하도록 부착되어 시험용액에 침지되는 유리전극을 구비하는 마이크로 pH 센서에 있어서, 수소이온 감지막인 유리전극의 표면을 덮도록 미세 두께의 실리콘질화물 박막층이 형성된 것을 특징으로 한다. 이에 따라 해당 기술은, 실리콘질화물에 의해 시험용액의 OH 기에 의한 수화반응과 유리전극의 Na+ 이온의 소모가 최소화되어 센서의 수명을 크게 연장시킬 수 있음은 물론 안정적인 동작을 구현할 수 있게 되므로 마이크로 pH 센서의 신뢰성 향상과 유지보수비용 절감 등에 큰 효과를 발휘하게 된다. 이러한 실리콘질화물은 시험대상 용액의 내부에서 이온의 흐름을 상당부분 억제하면서도 수소이온의 교환에는 지장을 주지 않는 특성을 지닌다. 따라서, 유리전극(14)의 표면을 감싸도록 실리콘질화물 박막층(18)이 형성된 해당 기술의 마이크로 pH 센서는 시험용액 중의 OH 기가 유리전극(14)으로 이동되는 현상이 효과적으로 차단되어 종래와 같은 OH 기에 의한 수화반응이 최소화됨은 물론, 유리전극(14)의 Na+ 이온이 시험용액으로 빠져나가는 현상도 최대한 억제되게 된다. 그러므로 해당 기술의 마이크로 pH 센서는 유리전극(14)을 포함한 센서의 소형화를 보장하면서 종래에 비해 수명이 크게 향상되고, 검출하고자 하는 수소이온의 교환은 지속적으로 발생하여 동작의 안정성을 얻을 수 있게 된다. □ 종래기술 해당 기술은 미세 전자 기계 구조(micro electro mechanical system:MEMS) 공정을 이용하여 제작되는 마이크로 pH 센서(micro pH sensor)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소이온 감응막으로 사용되는 소다-라임 글래스(soda-lime glass)의 수화반응 억제 및 Na+ 이온의 감소로 인한 감도저하가 방지되도록 소다-라임 글래스 위에 실리콘 질화물(Si₃N₄)의 박막을 화학기상증착(chemical vapor deposition:CVD)장치로 형성한 실리콘질화물/글래스 적층구조의 수소이온 감지막을 갖는 마이크로 pH 센서에 관한 것이다. 일반적으로 산성도 및 염기성의 정도를 측정하기 위한 pH 검출장치는 유리전극을 통하여 얻어지는 수소이온의 농도를 측정하여 결과를 얻는 방법을 사용하고 있다. 즉, 유리전극은 가장 일반적으로 사용되는 소다-라임 글래스를 사용하는데, 이 때 사용되는 글래스중의 Na+ 이온과 수소이온의 상호작용에 의하여 얇은 유리전극을 통해 수소이온에 의한 전위차가 형성되도록 함으로써 시험용액의 pH를 측정하는 것이다. 그런데, 이 과정에서 유리전극 내부에 존재하는 Na+ 이온은 점차 측정대상이 되는 시험용액으로 빠져나가게 되어 유리전극의 Na+ 이온의 농도가 감소하게 된다. 이 같은 Na+ 이온의 감소현상은 유리전극의 면적과 두께에 직접적인 영향을 받으며, 유리전극의 면적이 넓을수록 또한 두께가 두꺼울수록 이온의 감소가 느린 양상을 보이게 된다. 따라서, 안정적인 pH 센서의 수소이온 감지막으로 사용되기 위한 유리전극은 크기가 크고 두께가 두꺼워야 하나, 이 경우 유리전극의 소형화와 감도 확보에 역행하게 되므로 바람직한 해결책이 될 수 없으며 pH 센서의 안정화에 한계가 존재할 수밖에 없다. 예컨대, 일반적인 구조를 갖는 pH 센서에서의 유리전극은 0.5㎜ 미만의 매우 얇은 두께로 제작되어야 올바른 수소이온의 검출결과를 얻을 수 있는 바, 수화반응과 Na+ 이온의 감소로 인한 센서의 사용수명은 제한적일 수밖에 없어 주기적인 교환이 필요하게 된다. 한편, 근래들어 MEMS 공정의 발달에 기인하여 대부분의 pH 센서가 MEMS 공정에 의해 극소형으로 제작되고 있으며, 도 1에 MEMS 공정으로 제작된 종래 마이크로 pH 센서의 구성을 개략적으로 도시하였다. 이것은 실리콘 기판(1)상에 Ag/AgCl의 기준전극(3)이 에칭부(2)에 침입하도록 형성되어 있고, 에칭부(2)의 주위에는 아크릴(5)이 적층되어 있다. 실리콘 기판(1)의 배면에는 에칭부(2)를 폐쇄하도록 유리전극(4)이 부착되고, 에칭부(2)에는 KCl의 완충용액(6)이 충진되어 에폭시(7)로 밀폐되어 있다. 그런데, 이러한 마이크로 pH 센서의 경우, 유리전극(4)이 3㎜ ×3㎜의 면적에 두께가 0.1㎜ 미만으로 제작되어 일반적인 유리전극에 비해 크기가 작고 매우 얇기 때문에, 전술한 수화반응 및 Na+ 이온의 감소현상이 더욱 빠르고 심하게 일어난다. 통상, 수소이온 감지막용 소다-라임 글래스의 경우 SiO₂가 75％, Na₂O 성분이 21％, CaO 성분이 4％ 정도로 제작되며, 다른 유리들에 비하여 Na₂O 성분이 매우 많이 포함되는 것을 알 수 있는데, 이는 수소이온 검출을 원활하게 하기 위한 조성으로 이런 조성의 유리는 수화가 빠르고 Na+ 이온의 방출이 심한 단점을 지닌다. 그러므로 종래 마이크로 pH 센서는 도 2에 나타낸 바와 같이, 시험용액중의 OH 기에 의한 수화가 매우 빠르게 일어나며, Na+ 이온의 소모도 빠르게 진행되어 센서의 수명이 상당히 짧은 문제점을 안고 있다. □ 효과 수소이온 감지막이 Si₃N₄/글래스의 적층구조로 구성되어 수화반응과 Na+ 이온의 감소 현상이 최소화되므로 마이크로 pH 센서의 동작 안정성을 구현하고, 수명향상을 도모할 수 있게 된다. 이에 따라 마이크로 pH 센서의 제작공정 및 사용분야에서 보다 안정적인 사용이 가능하며, 표준적인 CVD 공정을 이용하여 제작되므로 낮은 단가로 손쉽게 제작할 수 있어 공정의 효과 역시 클 것으로 판단된다. □ 기술의 특징 해당 기술은 실리콘질화물/글래스 적층구조의 수소이온 감지막을 갖는 마이크로 pH센서를 개시한다. 해당 기술은 실리콘기판, 실리콘기판의 상면에 형성되는 기준전극, 실리콘기판의 에칭부에 충진되는 완충용액 및 실리콘기판의 배면에 그 에칭부를 폐쇄하도록 부착되어 시험용액에 침지되는 유리전극을 구비하는 마이크로 pH 센서에 있어서, 수소이온 감지막인 유리전극의 표면을 덮도록 미세 두께의 실리콘질화물 박막층이 형성되어 구성된다. 실리콘질화물 박막층은 유리전극 위에 CVD장치에 의해 1㎛ 두께로 증착된다. 해당 기술은 실리콘질화물에 의해 시험용액의 OH 기에 의한 수화반응과 유리전극의 Na+ 이온의 소모가 최소화되어 센서의 수명을 크게 연장시킬 수 있음은 물론 안정적인 동작을 구현할 수 있게 되고, 이에 따라 센서의 제작공정 및 사용분야에서 보다 안정적인 사용이 가능하며 표준적인 CVD 공정을 이용하여 제작되므로 낮은 단가로 손쉽게 제작할 수 있어 공정의 효과도 기대할 수 있다. *** 대표도면 및 도면의 설명/ 기술의 상세한 내용은 하단의 <기술관련자료> 참조