Fabrication of Hydrogel and Gas Permeable Membranes for FET Type Dissolved $CO_{2}$ Sensor by Photolithographic Method

사진식각법을 이용한 FET형 용존 $CO_{2}$ 센서의 수화젤막 및 가스 투과막 제작

A field effect transistor(FET) type dissolved carbon dioxide($pCO_{2}$) sensor with a double layer structure of hydrogel membrane and $CO_{2}$ gas permeable membrane was fabricated by utilizing a $H^{+}$ ion selective field effect transistor(pH-ISFET) with Ag/AgCl reference electrode as a base chip. Formation of hydrogel membrane with photo-crosslinkable PVA-SbQ or PVP-PVAc/photosensitizer system was not suitable with the photolithographic process. Furthermore, hydrogel membrane on pH-ISFET base chip could be fabricated by photolithographic method with the aid of N,N,N',N'-tetramethyl othylenediarnine(TED) as $O_{2}$ quencher without using polyester film as a $O_{2}$ blanket during UV irradiation process. Photosensitive urethane acrylate type oligomer was used as gas permeable membrane on top of hydrogel layer. The FET type $pCO_{2}$ sensor fabricated by photolithographic method showed good linearity (linear calibration curve) in the range of $10^{-3}{\sim}10^{0}\;mol/{\ell}$ of dissolved $CO_{2}$ in aqueous solution with high sensitivity.

$H^{+}$ 이온에 선택적으로 감응하는 field effect transistor(pH-ISFET)를 바탕소자로 하고, 그 gate 주위에 Ag/AgCl 기준전극을 형성한 다음, 이를 둘러싼 수화젤(hydrogel)막 및 기체투과막의 이중막 구조를 가진 용존이산화탄소($CO_{2(aq)}$) 센서소자를 사진식각(photolithography)법으로 제작하였다. PVA-SbQ 혹은 PVP-PVAc/감광제 형의 광가교형 감광액은 수화젤막 형성에 적합하지 않았으나, 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA) 및 acrylamide를 포함하는 광중합형 감광액을 사용할 경우에는 사진식각법에 의한 수화젤막이 좋은 해상도로 얻어졌다. 기체투과막은 urethane acrylate계 UV-oligomer를 주성분으로 한 감광액을 써서 사진식각법으로 수화젤막위에 형성할 수 있었다. 또한 수화젤막 및 기체투과막을 사진식각법으로 형성할 때 N,N,N',N'-tetramethyl ethplenediamine(TED) 을 $O_{2}$ quencher로서 감광액 중에 도입함으로써 UV 노광시에 polyester film을 부착하는 번거로운 공정을 생략할 수 있음을 알았다. 이렇게 제조된 $pCO_{2}$ 센서는 수용액 중에서 $10^{-3}{\sim}10^{0}\;mol/{\ell}$의 $CO_{2}$ 농도변화에 대하여 직선적인 검정곡선(calibration curve)을 얻을 수 있었다.