KR100844513B1 - 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서 - Google Patents

탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 이온 게이지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서에 관한 것이다. 이를 위해, 금속층(31) 상에 형성된 탄소나노튜브(35) 어레이; 탄소나노튜브(35) 어레이의 상부에 위치하는 제 1 그리드(32); 제 1 그리드(32)의 상부에 소정거리만큼 이격된채 위치하는 제 2 그리드(33); 및 직사각형 폐루프 형태의 제 2 그리드(33)에 의해 감싸지는 구성을 취하는 와이어 형태의 콜렉터(40);로 구성되어, 탄소나노튜브(35)로부터 방출되는 전자가 가스분자(16)와 충돌하여 이온화(14)하고, 이온화된 양이온(19)을 콜렉터(40)가 검출하여 전기신호로 출력한다.
탄소나노튜브, 압력센서, 진공, 전자, 콜렉터, 그리드, 양이온, 이온화, 이온게이지

Description

탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서{Pressure sensor using a Carbon Nanotube field emission}
도 1은 종래의 탄소나노튜브를 이용한 압력센서의 개략적인 단면도 및 사용상태도,
도 2는 도 1중 A-부분의 부분 확대 사시도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서의 개략적인 단면도 및 사용상태도,
도 4는 도 3중 B-부분의 부분 확대 사시도,
도 5는 도 3에 도시된 압력센서의 사시도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서의 개략적인 단면도 및 사용상태도,
도 7은 도 6에 도시된 압력센서에서 1개의 콜렉터가 사용된 예의 사시도,
도 8은 도 6에 도시된 압력센서에서 2개의 콜렉터가 사용한 예의 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유리기판,
11 : 금속층,
12 : 그리드,
14 : 이온화,
15 : CNT,
16 : 가스분자,
19 : 양이온,
20 : 콜렉터,
30 : 유리기판,
31 : 금속층,
32 : 제 1 그리드,
33 : 제 2 그리드,
35 : CNT,
36 : 가스분자,
34 : 이온화,
40 : 콜렉터.
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 이온 게이지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서에 관한 것이다.
진공측정을 위한 대표적인 센서 중 하나인 압력센서(이온게이지)는 반도체 공정에서 챔버의 환경을 측정하는데 필수적으로 사용되고 있는 게이지이다. 반도체 공정에서 챔버의 압력을 낮게 유지하고 정확히 측정하는 것은 박막의 조성 및 소자 특성과 밀접한 관계가 있기 때문에 매우 중요하다. 본 발명의 기술분야에서 사용되는 압력센서는 고전적인 압력 측정법인 벽에 미치는 힘을 측정하는 것이 아니라 챔버내의 기체밀도를 측정한다. 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube, 이하 CNT라 함)에 의해 발생된 열전자를 가속시켜 챔버내 기체분자를 이온화시키고, 발생된 이온들을 검출하여 전류를 측정함으로써 진공상태를 측정하게 된다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브를 이용한 압력센서의 개략적인 단면도 및 사용상태도이고, 도 2는 도 1중 A-부분의 부분 확대 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 압력센서는 3극 구조로서 콜렉터(20), 그리드(12), 그리고 전자방출원(CNT(15))로 구성된다. 이를 위해, 금속층(11) 및 콜렉터(20)에는 그리드(12) 보다 낮은 Vs, Vg 전압이 각각 인가되고, 그리드(12)에는 금속층(11) 및 콜렉터(20) 보다 높은 Vc 전압이 인가된다. 이 때, 콜렉터(20) 전위를 그리드(12) 전위보다 낮게 설정하면 CNT(11)로부터 방출된 대부분의 열전자(e-)가 가스분자(16)와 충돌하여 이온화(14)를 시킨 후 전자가 급속히 감속되어 그리드(12)로 되돌아오게 되고 이온화된 기체분자들은 양이온(19)이 되어 콜렉터(20) 방향으로 움직이게 된다
이를 세부적으로 설명하면 다음과 같다. 즉 금속층(11)과 전기적으로 접속된 CNT(15)의 단부에서는 냉전자(e-)가 방출된다. 방출된 전자(e-)는 그리드(12)로 전계되면서 가속되고 그리드(12)를 통과하게 된다.
이 때, 진공 분위기 하에서 희박한 밀도의 가스분자(16)가 존재하게 된다. 이러한 가스분자(16)는 상대적으로 큰 거리의 콜렉터(20)와 그리드(12) 사이에 분포하고 있다. 그리드(12)를 통과한 전자(e-)는 가스분자(16)와 충돌하면서 가스분자(16)를 이온화(14)한다. 이 과정에서 양이온(19)이 생성된다. 생성된 양이온(19)은 콜렉터(20)로 이동하여 수집된다. 즉 콜렉터(20) 주변으로 양이온(19)들이 몰려들면서 이온전류(Ion Current)가 생성된다. CNT(15)에서 발생한 전자와 이온분자에서 분리된 전자들은 다시 그리드(12)로 돌아오게 된다.
한편, 생성된 이온전류는 콜렉터(20)를 통해 외부로 반출되고 증폭기(미도시)에서 측정 가능한 크기까지 증폭된다. 즉, 가스 압력은 가스 분자의 갯수에 비례하고, 압력이 증가하게 되면 측정되는 챔버내의 기체분자의 수가 증가하여 이온화될 확률이 증가하고 검출되는 이온전류도 비례하여 증가하게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 진공압력 측정용 압력센서는 다음과 같은 문제점이 있다 CNT(15)에서 발생한 전자와 이온분자에서 분리된 전자들은 다시 그리드(12)로 돌아오게 되는데, 이 때, 전자들이 그리드(12)를 때리게 되어, 그리드(12)의 손상과 발열 현상이 일어나게 된다. 이로 인해, 그리드(12)의 하위에 있는 CNT(15)의 손상이 발생한다. 이는 결국 압력센서의 내구성을 저하시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, CNT의 손상을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 도 5에서와 같이
금속층(31) 상에 형성된 탄소나노튜브(35) 어레이;
상기 탄소나노튜브(35) 어레이의 상부에 위치하는 제 1 그리드(32);
상기 제 1 그리드(32)와 밑면 사이의 거리가 1 mm 되도록 위치하여, 콜렉터(40)를 감싸는 구성을 갖는 직사각형 폐루프 형태의 제 2 그리드(33); 및
상기 제 2 그리드(33)가 감싸는 폐루프 영역의 중앙에 한개 혹은 두개의 대칭형태로 위치하는 콜렉터(40);로 구성되어,
상기 탄소나노튜브(35)로부터 방출되는 전자가 가스분자(16)와 충돌하여 이온화(14)하고, 이온화된 양이온(19)을 상기 콜렉터(40)가 검출하여 전기신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서로 달성될 수 있다.
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그리고, 제 1 그리드(32), 제 2 그리드(33) 및 콜렉터(40)에 각각 인가되는 제 1 그리드(32)의 전압(Vg), 제 2 그리드(33)의 전압(Vg') 및 콜렉터(40)의 전압(Vc)은 Vc < Vg < Vg'의 전압 크기 관계가 성립하는 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 제 1 그리드(32)의 전압(Vg)이 200 V일 때,
제 2 그리드(33)의 전압(Vg')은 220 V ~ 270 V이고,
콜렉터(40)의 전압(Vc)은 80 V ~ 100 V인 것이 적합할 수 있다.
또한, 콜렉터(40)는 와이어 형태 뿐만 아니라 일정한 넓이를 갖는 메쉬 구조를 갖는 것이 가능하다.
또한 변형예로서 도 2에서와 같이 제 2 그리드(33)가 콜렉터(40)를 감싸는 형태가 아닌 서로 분리된 두개의 독립적인 평판 그리드로 대체되어 위판이 독립적인 콜렉터(40)의 역할을 할 수 있도록 구성할 수 있다.
이때, 두개의 독립적인 평판 그리드에는 각기 역할이 다르기 때문에 상이한 전압이 인가되며, 두개의 판은 절연체로 구분되어져야 한다.
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본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.
이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
(제 1 실시예)
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서의 개략적인 단면도 및 사용상태도이고, 도 4는 도 3중 B-부분의 부분 확대 사시도이며, 도 5는 도 3에 도시된 압력센서의 사시도이다. 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, CNT(35)는 높은 종횡비와 팁 끝단에서의 작은 곡률 반경으로 전자방출원(Emitter)으로서 많은 장점을 갖는다. 본 발명에서는 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)를 스크린 프린팅 기법을 이용하여 CNT(35) 어레이를 구성하는 방식을 택하였다. 그러나 CNT(15)를 수직 성장 시킬 수 있는 구성으로 전자방출원으로 사용될 수 있으면 대체가 가능하다.
진공측정을 위해서 유리기판(30)위에 CNT(35)가 프린팅되거나 열화학기상증착법(Thermal Chmical Vapor Deposition)이나 플라즈마화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 CNT를 직접 성장시킨 부분의 성장된 영역의 면적은 0.5 ㎝ × 0.5 ㎝ ~ 2 ㎝ × 2 ㎝로 다양하게 측정범위에 따라 전류의 양을 조절하기 위해 변경될 수 있다. 스크린 프린팅 기법을 중심으로 설명하면, CNT(35) 어레이를 구성한 후 0.2㎜의 두께의 유리기판(30)위에 구멍을 가공하였으며 Cr을 100 ㎚ 두께로 증착시켜 제 1 그리드(32)를 제작하였다. 그 후 제작된 제 1 그리드(32)를 프린팅된 CNT(35) 어레이 위에 얹어 놓은 형태를 취한 후 현미경을 이용해 정렬하였다. 열화학기상증착법이나 플라즈마화학기상증착법을 이용할 경우 먼저 Ni, Co, Fe 등의 촉매금속이 증착된 금속층 위에 절연막을 설치하고 다시 금속 그리드를 구성하여 전극을 구성한 후 CNT(35)를 성장시켜 전자방출원을 제작할 수도 있다.
제 2 그리드(33)는 제 1 그리드(32) 상부에 위치하며, 제 1 그리드(32)와 같은 평판 모양의 매쉬를 가질 수 있다. 콜렉터(40)는 제 2 그리드(33)과 동일한 형태를 갖는 것으로 일정한 거리 만큼 이격되어 위치하도록 구성할 수 있다. 따라서 제 2 그리드(33)는 제 1 그리드(32)와 콜렉터(40) 사이에 위치하는 형태를 취한다. 다시말해, CNT(15)어레이와 제 1 그리드(32)로 구성된 전자방출원 위에 평판 모양을 갖는 두개의 메쉬가 위치하게 되며, 제 1 그리드(32)에 가까운 곳에 위치하는 메쉬가 제 2 그리드가 되고, 그 위에 콜렉터(40)가 위치하는 형태를 갖는다.
특히 도 5에서, 제 2 그리드(33)와 콜렉터(40)는 메쉬 타입이고, 메쉬 간격은 1 mm ~ 3 mm 범위이며, 콜렉터(40)와 제 2 그리드(33)의 형상과 구성이 같을 수 있ㅈ지만, 콜렉터의 경우 그 형태를 메쉬형태 이외에 다양하게 구성하는 것이 가능하다. 아울러, 제 1, 2 그리드(32, 33)의 떨어진 간격은 약 1 mm 정도이며, 제 2 그리드(33)와 콜렉터(40) 사이는 1 ~ 3 cm 정도의 간격이다.
제 1 그리드(32)에는 약 200 V의 전압(Vg)이 인가되고, 제 2 그리드(33)에는 220 V ~ 270 V의 전압(Vg')이 인가되고, 콜렉터(40)에는 80 V ~ 100 V의 전압(Vc) 이 인가된다. 즉, 인가되는 전압의 크기를 상호 비교하면, Vc < Vg < Vg'의 관계이다. 이와 같은 압력 변화를 시켰을 경우, 콜렉터 전압(Vc)을 그리드 전압(Vg, Vg') 보다 낮게 설정하여 이온화 전류의 변화를 측정할 수 있다.
제2그리드(32)와 콜렉터(40) 사이에서 이온화(34) 된 후의 기체분자에서 분리된 전자들은 다시 제 1 그리드(32)를 향하게로 된다. 그러나, 제 2 그리드(33)로 인하여, 제 1 그리드(32)까지 도달하는 전자는 극히 적어지며, 대부분, 제 2 그리드(33) 주위에 모이게 된다. 따라서, 전자들이 제 1 그리드(32)를 때리게 되어, 제 1 그리드(32)가 손상이나 발열 현상이 일어나는 일은 없거나 극히 적어진다. 이로 인해, 제 1 그리드(32)의 하위에 있는 CNT(35)의 손상이 최소화된다. 이는 결국 압력센서의 내구성을 향상시키는 결과로 이어진다.
(제 2 실시예)
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서의 개략적인 단면도 및 사용상태도이고, 도 7은 도 6에 도시된 압력센서에서 1개의 콜렉터가 사용된 예의 사시도이며, 도 8은 도 6에 도시된 압력센서에서 2개의 콜렉터가 사용한 예의 사시도이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 제 2 실시예중 제 1 실시예와 동일한 구성에 대해서는 앞서 기술한 설명을 인용하면서 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유리기판(30), CNT 및 제 1 그리드(32)의 구성은 제 1 실시예의 구성과 유사하다.
그러나 제 1 실시예에서 사용된 제 2 그리드와 콜렉터(40)를 연결하여 폐루프 형태를 취하도록 구성한 후, 이것이 와이와 형태의 새로운 콜렉터(40)를 감싸는 형태의 구성이다. 각 그리드(32, 33)와 콜렉터(40)에 인가되는 전압은 제 1 실시예와 유사하다. 제 1 실시예에서는 콜렉터가 평판 모양의 메쉬 형태를 가졌지만 제 2 실시예에서는 와이어 형태를 갖으며, 또한 제 2 그리드가 콜렉터를 감싸는 형태를 갖는다. 본 발명에서는 이와 같이 두 개의 평판을 연결하여 구성된 제 2 그리드는 도 7 과 같이 와이어가 직육면체형태를 갖는 절연체 프레임을 둘러싸고 있는 구조를 갖도록 구성하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유리기판(30)과 제 1 그리드(32) 상부에 직사각형 폐루프 형태로 구성된 제 2 그리드(33)가 위치하고, 이것이 와이어 구조로 구성된 콜렉터(40)를 감싸는 형태를 취한다. 이때 제 2 그리드(33)는 도 7과 같이 한개의 콜렉터(40)를 감싸는 직사각형 폐루프 형태로 구성할 수도 있으며, 도 8과 같이 제 2그리드(33)가 상호 평행한 2개의 콜렉터(40)를 감싸고 있는 폐루프 형태로 구성될 수도 있다.
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그러나, 도 6, 도 7 및 도 8의 구체적인 구성은 본 발명의 요지를 설명하기 위한 일실시예에 불과한 것으로서, 제 1 그리드(32)와 콜렉터(40) 사이에 제 2 그리드(33)가 위치하는 구성이면 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 6, 7 및 8과 같은 제 2 실시예의 경우 전자의 이동경로가 더 길어져 이온화의 가능성이 더 높아진다. 이는 가스분자(16)의 밀도가 극히 희박한 고진동에 대해서도 압력 측정이 가능함을 의미한다.
본 발명에 따른 압력센서는 10-7 ~ 0.01 Torr 의 범위에서 특성 검출이 가능하였다. 10-7 Torr 보다 낮은 영역에서의 측정을 가능하게 만들기 위해서는 전자방출량을 크게 증가시키고 그리드와 콜렉터 사이의 거리를 크게 증가시키거나 콜렉터의 구조를 변형시킬 수도 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 기존의 열음극(Hot Cathode) 이온게이지와는 달리 상대적으로 높은 진공도 측정이 가능하며 낮은 전압에서도 우수한 효율의 압력센서로서 활용될 수 있다.
또한, 제 2 그리드(33)를 추가함으로써 CNT의 손상을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라 CNT의 우수한 전계방출효과를 이용하여 효율 높은 저가의 냉음극 이온게이지 형태인 압력센서가 생산될 수 있다.
제 2 실시예는 제 1 실시예의 확장된 개념이기 때문에 본 발명에서는 제 2 실시예를 기준으로 특허를 청구하고자 한다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (5)

  1. 금속층(31) 상에 형성된 탄소나노튜브(35) 어레이;
    상기 탄소나노튜브(35) 어레이의 상부에 위치하는 제 1 그리드(32);
    상기 제 1 그리드(32)와 밑면 사이의 거리가 1 mm 되도록 위치하여, 콜렉터(40)를 감싸는 구성을 갖는 직사각형 폐루프 형태의 제 2 그리드(33); 및
    상기 제 2 그리드(33)가 감싸는 폐루프 영역의 중앙에 한개 혹은 두개의 대칭형태로 위치하는 콜렉터(40);로 구성되어,
    상기 탄소나노튜브(35)로부터 방출되는 전자가 가스분자(16)와 충돌하여 이온화(14)하고, 이온화된 양이온(19)을 상기 콜렉터(40)가 검출하여 전기신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 그리드(32), 제 2 그리드(33) 및 콜렉터(40)에 각각 인가되는 제 1 그리드(32)의 전압(Vg), 제 2 그리드(33)의 전압(Vg') 및 콜렉터(40)의 전압(Vc)은 Vc < Vg < Vg'의 전압 크기 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜렉터(40)는 메쉬 혹은 와이어 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜렉터(40)는 와이어 형태로 그대로 구성되고, 제 2 그리드(33)가 콜렉터(40)를 감싸는 형태의 일체형이 아닌 서로 분리된 두개의 독립적인 평판 그리드로 대체되어 그 사이에 콜렉터(40)가 위치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 두개의 독립적인 평판 그리드에는 상이한 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 전계효과를 이용한 압력센서.
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