KR101553796B1 - 트랜지스터형 수소 검출 센서 - Google Patents

트랜지스터형 수소 검출 센서 Download PDF

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Abstract

트랜지스터형 수소 검출 센서가 개시된다. 수소 검출 센서는 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 전기 전도성 촉매 금속으로 이루어진 게이트 전극 및 게이트 전극과 게이트 절연막 사이에 배치되고 수소 원자를 트랩하여 수소 원자가 게이트 절연막 또는 채널층으로 확산되는 것을 방지하는 수소 트랩층을 구비한다.

Description

트랜지스터형 수소 검출 센서{TRANSISTOR TYPED HYDROGEN DETECTING SENSOR}
본 발명은 트랜지스터형 수소 검출 센서에 관한 것으로서, 채널 전류 측정을 통해 수소를 검출할 수 있다.
신재생 에너지에 대한 관심이 증가하면서, 수소 가스를 연료로 사용하는 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 이러한 연료전지를 자동차에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 연료전지를 자동차에 적용하기 위해서는 수소의 폭발 위험성으로 인하여 수소 연료의 안전 확보가 필수적으로 요구되고, 수소 연료의 안전 확보를 위해서는 저농도 및 고농도 수소를 안정적으로 그리고 효율적으로 감지할 수 있는 수소 센서가 요구된다. 또한, 정유공장, 화학공장 등 수소를 연료로 사용하는 분야가 증가함에 따라 저농도 및 고농도의 수소를 검출하기 위한 수소 센서 개발은 더욱 중요해지고 있다.
하지만, 종래의 수소 센서 개발 동향은 전기식 수소 센서 기술을 이용하여 저농도나 극저농도의 수소를 검출하는 기술에 편중되어 있었으며, 고농도의 수소를 검출하기 위한 수소 센서에 개발은 크게 관심을 받지 못했다. 고농도의 수소를 검출할 수 있는 수소 센서를 개발하기 위해서는, 사용되는 금촉 촉매의 결함발생, 수소 농도에 대한 신호의 불균일성, 응답 전류 포화 등의 문제가 해결되어야 한다.
본 발명의 목적은 게이트 전극과 게이트 절연막 사이에 수소 트랩층을 통해 수소원자가 게이트 절연막 또는 채널층과 비가역적으로 반응하는 것을 방지할 수 있는 수소 검출 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 검출 센서는 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 전기 전도성 촉매 금속으로 이루어진 게이트 전극; 상기 게이트 전극 하부에 배치된 채널층; 상기 채널층과 접촉하는 소스 전극; 상기 소스 전극과 이격되고 상기 채널층과 접촉하는 드레인 전극; 상기 게이트 전극과 상기 채널층 사이에 배치된 게이트 절연막; 및 상기 게이트 전극과 상기 게이트 절연막 사이에 배치되고, 수소 원자를 트랩할 수 있는 물질로 형성된 수소 트랩층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 촉매 금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수소 트랩층은 금속산화물계 물질, 탄소계 물질 또는 금속질화물계 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 금속산화물계 물질은 백금 산화물(Platinum oxide), 팔라듐 산화물(Palladium oxide), 로듐 산화물(Rhodium oxide), 루테늄 산화물(Ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(Beryllium oxide), 망간 산화물(Manganese oxide), 구리 산화물(Copper oxide), 철 산화물(Iron oxide), 니켈 산화물(Nickel oxide), 코발트 산화물(Cobalt oxide), 세륨 산화물(Cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide) 및 지르코늄 산화물(zirconium oxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 탄소계 물질은 그라핀(Graphene) 또는 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 포함할 수 있으며, 상기 금속질화물계 물질은 보론 질화물(Boron nitride)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 수소 트랩층은 상기 금속산화물계 물질의 수소화된 물질, 상기 탄소계 물질의 수소화된 물질 또는 상기 금속질화물계 물질의 수소화된 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수소 검출 센서는 상기 드레인 전극에 전기적으로 연결되어 상기 채널층을 흐르는 전류를 측정하는 제1 분석회로를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수소 검출 센서는 상기 게이트 전극 및 상기 채널층에 전기적으로 연결되어 상기 수소 트랩층 및 상기 게이트 절연막의 정전용량 변화를 측정하는 제2 분석회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 수소 트랩층이 상기 게이트 전극으로부터 확산되는 수소 원자를 가역적으로 트랩하여 상기 수소 원자가 상기 게이트 절연막 및 상기 채널층으로 확산되는 것을 방지하므로, 게이트 누설 전류의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 수소 원자와 상기 게이트 절연막 및 상기 채널층의 영구적인 비가역 반응에 의해 상기 수소 검출 센서가 센싱 능력을 상실하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소 검출 센서(100)는 게이트 전극(110), 채널층(120), 소스 전극(130), 드레인 전극(140), 게이트 절연막(150) 및 수소 트랩층(160)을 포함할 수 있다.
상기 게이트 전극(110)은 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 전기 전도성 촉매 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 게이트 전극(110)은 반도체 기판(10)에 형성된 상기 채널층(120)과 이격되게 상기 채널층(120) 상부에 배치될 수 있다.
상기 채널층(120)은 상기 게이트 전극(110)의 하부에 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 채널층(120)은 실리콘 기판과 같은 반도체 기판(10)에 불순물을 도핑함으로써 형성될 수 있다. 상기 채널층(120)은 상기 게이트 전극(110)에 인가되는 게이트 전압에 의해 제어되어 상기 소스 전극(130)과 상기 드레인 전극(140) 사이에 전기적 신호가 흐르는 통로를 제공할 수 있다.
상기 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 전기 전도성 물질로 형성되고, 상기 채널층(120)을 사이에 두고 서로 이격되게 배치될 수 있다. 일 실시예로, 상기 소스 전극(130)은 상기 채널층(120)의 제1 부분과 접촉하도록 상기 반도체 기판(10) 상에 형성될 수 있고, 상기 드레인 전극(140)은 상기 제1 부분과 이격된 상기 채널층(120)의 제2 부분과 접촉하도록 상기 반도체 기판(10) 상에 형성될 수 있다.
상기 게이트 절연막(150)은 상기 채널층(120)과 상기 게이트 전극(110) 사이에 배치되어 상기 게이트 전극(110)을 상기 채널층(120)과 전기적으로 절연시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 게이트 절연막(150)은 상기 채널층(120)과 접촉하도록 형성될 수 있다. 상기 게이트 전극(110)과 상기 채널층(120)을 전기적으로 절연시킬 수 있다면, 상기 게이트 절연막(150)의 물질은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 게이트 절연막(150)은 박막트랜지스터에 적용되는 공지의 게이트 절연막 물질이 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 수소 트랩층(160)은 상기 게이트 전극(110)과 상기 게이트 절연막(150) 사이에 배치되고, 수소 원자를 트랩할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 수소 트랩층(160)은 수소 원자를 트랩할 수 있는 금속산화물계 물질, 탄소계 물질, 금속질화물계 물질 등으로 형성될 수 있다. 상기 수소 원자를 트랩할 수 있는 금속산화물계 물질은, 예를 들면, 백금 산화물(Platinum oxide), 팔라듐 산화물(Palladium oxide), 로듐 산화물(Rhodium oxide), 루테늄 산화물(Ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(Beryllium oxide), 망간 산화물(Manganese oxide), 구리 산화물(Copper oxide), 철 산화물(Iron oxide), 니켈 산화물(Nickel oxide), 코발트 산화물(Cobalt oxide), 세륨 산화물(Cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide) 등을 포함할 수 있다. 상기 수소 원자를 트랩할 수 있는 탄소계 물질은, 예를 들면, 그라핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 등을 포함할 수 있다. 상기 수소 원자를 트랩할 수 있는 금속질화물계 물질은, 예를 들면, 보론 질화물(Boron nitride) 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 수소 트랩층(160)은 수소 원자와의 비가역적인 이차 반응을 방지하여 가역적 수소 반응을 유도하기 위하여, 열처리에 의해 수소화된 금속산화물계 물질, 탄소계 물질, 금속질화물계 물질 등으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 검출 센서(100)에서는, 상기 게이트 전극(110)을 통해 제공된 수소 원자와의 흡착 및 탈착 반응에 의해 야기되는 상기 수소 트랩층(160)의 정전용량 변화에 따른 전기장 변화를 통해 상기 채널층(120)을 흐르는 전류가 제어된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 수소 검출 센서(100)는 상기 수소 트랩층(160)의 정전용량 변화 또는 상기 채널층(120)의 전류를 측정하여 수소를 검출할 수 있다.
이를 위해, 도면에 도시되진 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 수소 검출 센서(100)는 상기 드레인 전극(140)에 전기적으로 연결되어 상기 채널층(120)을 흐르는 전류를 측정하는 제1 분석회로(미도시) 및 상기 게이트 전극(110)과 상기 채널층(120)에 전기적으로 연결되어 상기 수소 트랩층(160) 및 상기 게이트 절연막(150)의 정전 용량 변화를 측정하는 제2 분석회로(미도시) 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 수소 검출 센서(100)에 따르면, 상기 수소 트랩층(160)이 상기 게이트 전극(110)으로부터 확산되는 수소 원자를 가역적으로 트랩하여 상기 수소 원자가 상기 게이트 절연막(150) 및 상기 채널층(120)으로 확산되는 것을 방지하므로, 게이트 누설 전류의 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 수소 원자와 상기 게이트 절연막(150) 및 상기 채널층(120)의 영구적인 비가역 반응에 의해 상기 수소 검출 센서(100)가 센싱 능력을 상실하는 것을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 전기 전도성 촉매 금속으로 이루어진 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 하부에 배치된 채널층;
    상기 채널층과 접촉하는 소스 전극;
    상기 소스 전극과 이격되고 상기 채널층과 접촉하는 드레인 전극;
    상기 게이트 전극과 상기 채널층 사이에 배치된 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 전극과 상기 게이트 절연막 사이에 배치되고, 수소 원자를 트랩할 수 있는 물질로 형성된 수소 트랩층을 포함하고,
    상기 수소 트랩층은 수소화된 금속산화물계 물질 또는 수소화된 금속질화물계 물질로 형성되며,
    상기 게이트 전극으로부터 제공된 수소 원자와의 흡착 및 탈착 반응에 의해 야기되는 상기 수소 트랩층의 정전용량 변화에 따라 상기 채널층을 흐르는 전류가 변화하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물계 물질은 백금 산화물(Platinum oxide), 팔라듐 산화물(Palladium oxide), 로듐 산화물(Rhodium oxide), 루테늄 산화물(Ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(Beryllium oxide), 망간 산화물(Manganese oxide), 구리 산화물(Copper oxide), 철 산화물(Iron oxide), 니켈 산화물(Nickel oxide), 코발트 산화물(Cobalt oxide), 세륨 산화물(Cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide) 및 지르코늄 산화물(zirconium oxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 금속질화물계 물질은 보론 질화물(Boron nitride)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 드레인 전극에 전기적으로 연결되어 상기 채널층을 흐르는 전류를 측정하는 제1 분석회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극 및 상기 채널층에 전기적으로 연결되어 상기 수소 트랩층 및 상기 게이트 절연막의 정전용량 변화를 측정하는 제2 분석회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
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