KR101610629B1 - 수소 센서 - Google Patents

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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 한 가지 양태에 따라서, 탄성 재질의 기판과, 상기 기판 표면에 제공되고 다수 개의 나노갭이 형성된 전이금속 또는 그 합금 박막과, 상기 박막에 형성되는 전극을 포함하는 수소 센싱부와; 상시 수소 센싱부에 연결되는 박막 트랜지스터를 포함하고, 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인) 또는 게이트와 접속부를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 센세가 제공된다.

Description

수소 센서{HYDROGEN SENSOR}
본 발명은 수소 센서에 관한 것이다.
수소 에너지는 재활용이 가능하고, 환경 오염 문제를 일으키지 않는 장점이 있어, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 수소 가스는 대기 중에 4% 이상 누출되면, 폭발 위험성이 있으므로, 사용시 안전이 담보되지 않으면 실생활에 널리 적용되기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 수소 에너지의 활용에 대한 연구와 함께, 실제 사용시 수소 가스의 누출을 조기에 검출할 수 있는 수소 가스 검출 센서(이하, 간단히 '수소센서'라고 함)의 개발이 병행되어 진행되고 있다.
한편, 수소 에너지가 사용화됨에 따라, 가장 먼저 자동차 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다. 특히, 고압으로 된 수소를 자동차에 적재하는 방향으로 연구가 추진되고 있는 점을 감안하면, 연료부 및 전장 시스템에 적용하여 수소 누출을 검지할 수 있는 수소 안전 센서의 개발이 요구되고 있다. 그리고, 수소 연료 전지 운전 장치 중 수소 저장 및 수소 공급계의 세부 부품으로 수소 누설의 검지, 수소 농도의 모니터링 등을 위하여 수소 센서가 필수적이다. 뿐만 아니라, 냉매를 이용하는 에어컨이나 냉장고 등 장비의 가스 누출 검지를 기존에는 헬륨 가스를 이용하였으나, 더욱 정밀한 검출을 위하여, 수소를 사용하여 누설되는 부분을 찾아내는 용도로 수소 센서가 사용되기도 한다.
이러한 수소 센서와 관련하여, 팔라듐(Pd) 또는 그 합금 박막을 탄성 기판에 배치하고, 상기 기판을 인장하여 나노갭을 형성하고, 이러한 나노갭을 이용하여 수소를 검출하는 수소 센서가 알려져 있다(예컨대, 등록특허 제10-1067557호 참조). 그런데, 이러한 수소 센서는 전류의 변화를 이용하여 수소를 검출하는 방식으로서, 수소 센서를 컴퓨터 등에 연결하여, 수소 센서에서 검출되는 전류를 전압으로 변환해 주어야 컴퓨터가 신호를 인식할 수가 있다. 그런데, 기존의 수소 센서는 검출되는 전류 신호가 작다는 단점이 있다. 즉, 전압 신호를 온-오프 상태로 구분하기 위해서는 특정의 기준 전압이 필요한데, 기존의 수소 센서의 경우, 낮은 수소 농도에서 발생하는 전류 신호는 그 세기가 너무 낮아서 전압 신호로 변경을 하여도, 온-오프 상태를 구분하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 낮은 농도의 수소를 쉽고 빠르게 검출할 수 있는 수소 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 가지 양태에 따라서, 탄성 재질의 기판과, 상기 기판 표면에 제공되고 다수 개의 나노갭이 형성된 전이금속 또는 그 합금 박막과, 상기 박막에 형성되는 전극을 포함하는 수소 센싱부와; 상시 수소 센싱부에 연결되는 박막 트랜지스터를 포함하고, 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인) 또는 게이트와 접속부를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 센세가 제공된다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 a-IGZO 박막 트랜지스터일 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 수소 센서부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 연결되어 인버터 방식의 수소 센서가 구성되고, 상기 수소 센싱부를 통해 감지되는 수소 농도의 전류 변화가, 상기 박막 트랜지스터를 통해 ON-OFF 형식의 전압 신호로 변환된다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 인버터 방식의 수소 센서는 약 0.05%의 수소 농도까지 검출할 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 게이트에 연결되어 게이트 방식의 수소 센서가 구성되고, 상기 게이트 방식의 수소 센서는 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 연결되는 방식과 비교하여, 더 낮은 농도의 수소를 검출할 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 게이트 방식의 수소 센서는 0.04%의 수소 농도까지 검출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 탄성 재질의 기판과, 상기 기판 표면에 제공되고 다수 개의 나노갭이 형성된 전이금속 또는 그 합금 박막과, 상기 박막에 형성되는 전극을 포함하는 수소 센싱부와; 상시 수소 센싱부에 연결되는 박막 트랜지스터를 포함하고, 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 연결되는 인버터 방식과 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 게이트와 연결되는 게이트 방식이 혼합된 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 수소 센서가 제공된다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 a-IGZO 박막 트랜지스터일 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 게이트 방식의 수소 센싱부를 통해 검출되는 수소 농도에 따른 전류 변화는 상기 인버터 방식의 박막 트랜지스터를 통해 온-오프 형식의 전압 신호로 변환될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소 센서부를 TFT에 연결함으로써, 보다 낮은 농도의 수소를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 수소 센서 시스템에 적용되는 수소 센서부의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 수소 센서 시스템의 개략도이다.
도 3은 여러 농도의 수소를 수소 센서에 노출시켰을 때 얻어지는 검출 전류 대 시간의 그래프 및 a-IGZO 소자의 드레인 전류-게이트 전압 트랜스퍼 곡선을 나타낸다.
도 4는 여러 수소 농도로 실험한 인버터 방식의 수소 센서 시스템을 통해 얻어지는 VOUT 대 VIN의 그래프 및 여러 수소 농도에서의 출력 전압 대 시간의 그래프를 보여준다.
도 5는 초기 a-IGZO TFT, Pd 박막 가변 커패시터에 연결된 a-IGZO TFT로부터 얻어지는 ID-IG 트랜스퍼 곡선과 Pd 격자 중에 수소 분자가 묽게 그리고 집중하여 분포된 Pd 박막 커패시터 및 레지스터 모델을 모식적으로 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 기술에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면, 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명자는 나노 갭 기반 Pd 수소 센서를 전기적으로 안정한 비정질 InGaZnO 박막 트랜지스터(a-IGZO TFT)에 두 가지 상이한 방법, 즉 TFT 소스(또는 드레인)에 Pd 나노갭 박막을 연결하거나 TFT 게이트에 Pd 나노갭 박막을 연결하여, 상기 센서의 수소 검지 능력을 현저히 개선한 수소 센서 시스템을 제안한다. 한 가지 실시예에서, IGZO TFT를 선택하였는데, 왜냐하면 이 트랜지스터는 수소 검출 중에 게이트 바이어스 스트레스를 견디기에 충분히 안정하기 때문이며, Pd 나노갭 수소 센서와 일체화되어, 수소 센서 시스템을 구성한다. TFT 소스에 Pd을 연결한 결과, 본 발명의 수소 센서 회로는 출력 전압과 관련하여 수소에 의해 유도되는 신호를 30배 이상 크게 개선하여, 0.05% 정도의 최소 수소 함량을 분석할 수 있었다. 한편, 상기 나노갭 기반 Pd 센서를 TFT 게이트에 접속한 경우, 0.05%보다 적은 수소 함량을 가시적으로 검출할 수 있었다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다.
먼저, 폴리디메틸실록산(PDMS) 엘라스토머를 수소 가스 센서의 기판으로서 사용하여, Pd 박막 중에 나노크랙(나노갭)을 형성하였다. 베이스 수지(Sylgard 184, Dow Corning)를 10:1의 부피비로 경화제와 함께 혼합한 다음에, 10분 동안 진공 챔버 중에 놓아두어 기포(air bubbles)를 제거하였다. 이어서, PDMS 혼합물을 423K에서 핫플레이트 상에서 30분 동안 경화시켰다. 수소 가스 센서를 제작하기 위하여, DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여, 10 nm 두께의 Pd 박막을 PDMS 기판 위에 증착하였다. Pd 증착 후에, Pd-PDMS 기판을 스트레칭 기계에 장착하여, 인장 응력 하에서 나노크랙을 형성하였다. 도 1a는 크랙이 형성된 대로의 Pd 박막 소자의 개략도인데(영역 크기 10 mm [L] × 20 mm [W]), 많은 나노갭 스트라이프가 도시되어 있으며, 이 중 하나가 도 1b에 단면도 형태로 도시되어 있다. 하나의 나노크랙은 변형된 것으로 보이지만 내부 연결 상태(이러한 연결은 전기 전도 측정에 의해 확인하였다)를 유지하고 있다. 그러나, 초기에 크랙이 형성된 영역이 수소 가스 분자와 접촉하고(즉, 수소에 노출되어 PdHx 화합물을 형성하면: 도 1c 참조) 그 수소 가스 분자들이 소개(제거)되면, 상기 크랙은 도 1d에 도시한 것과 같이, 나노갭을 가진 채 항구적으로 개방된 상태에 놓이게 된다. 도 1e 및 1f는 크랙이 형성되고 또 나노갭을 갖고 있는 Pd 박막의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 상기 SEM에 따르면, 크랙이 형성된 Pd는 크랙 스트라이프 둘레의 두 Pd 영역 사이에 물리적 접촉을 보여주고 있으며, 나노갭을 담고 있는 Pd로부터 다른 스트라이프는 약 50 nm 분리(갭 거리)를 나타내고 있다. 그러나, 상기 갭 거리는 균일하지는 않다. 도 1d 및 1f의 구조에 기초하여, Pd 나노갭 박막은 이제 수소 센서로서 동작하는데, 그 이유는 Pd 표면에서의 수소 분자 흡착의 정도에 따라 또는 Pd과의 수소 반응에 따라, 가변 저항으로 ON/OFF(접촉/비접촉)가 Pd 박막 중에서 일어나기 때문이다. 수소가 흡착된 Pd 박막은 그 상이 PdHx로 변화고 부피가 팽창하는데, 이는 나노갭의 물리적 접촉을 야기한다. 그 결과, 나노갭 Pd 박막의 가변 전기 전도도가 수소 함량을 나타낼 수 있다. 한편, 이와 같은 Pd 나노갭 박막을 형성하는 방법, 이를 이용한 수소 센서 제조 방법 등은 예컨대, 등록특허 제10-1067557호에 개시되어 있으며, 상기 종래 기술에 개시된 내용은 본 명세서에 참고로서 일체로 합체된다.
본 발명의 일실시예에서 채용되는 a-IGZO TFT의 구조는 100:10 ㎛의 폭 대 길이 비를 갖고 바닥 게이트를 이용하는 인버티드-스태거 타입이다. 300 nm 두께의 SiO2 게이트 절연층을 PECVD 시스템을 이용하여, 패턴닝된 Cu-MoTi 게이트 전극 상에 증착하였다. 이어서, 60 nm 두께의 액티브 채널층(a-IGZO)을 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템에 의해 증착하였다. SiO2 엣칭 스토퍼(75 nm) 및 Mo 소스/드레인 전극의 형성을 순차적으로 수행하고, 이어서, 300 nm 두께의 PECVD SiO2 부동태층(passivation layer)을 형성하였다. 모든 패터닝 프로세스는 습식 화학 엣칭 및 PECVD 프로세스를 포함하는 포로리쏘그래피에 의해 수행하였다. 주변 공기 중에서 300℃에서 소자 어닐링을 최종 프로세스로서 수행하였다. 이와 같이, 인버티드 타입의 TFT를 제조하는 방법, 그 구조, 기능 등 자체는 이미 널리 알려진 것으로서, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 시스템의 개략도인데, 상기 시스템은 약 250 ㎖의 부피를 갖는 작은 가스 챔버와, 순수한 100% N2(for purging) 및 96% N2 및 4% 수소의 혼합 가스(for sensing)에 대한 질량 유동 컨트롤러(MFC)를 포함한다. 챔버 내의 압력은 실온에서 1 atm으로 유지하였다. 도시한 바와 같이, 상기 Pd 나노갭 박막 소자를 가스 챔버 내에 장착하고, 암실 환경의 프로브 스테이션의 전기적으로 안정한 a-IGZO TFT 소자(소스 전극)에 통상의 와이어(접속부) 등을 이용하여 연결하였다. 공급 전압 및 입력 전압(VDD 및 VIN)을 반도체 파라미터 분석기(Model HP 4155C, Agilent Technologies)에 의해 인가하였다. 수소 감지에 따른 출력 전압(VOUT) 역시 상기 반도체 분석기에 의해 측정하였다. 도 2의 회로도는 Pd 나노갭 박막 소자 및 a-IGZO TFT의 평면도를 포함하는데, 이들 이미지는 광학현미경 이미지이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 Pd 박막은 많은 나노갭 스트라이프를 포함하고 있으며, 그 갯수는 대략 60 내지 70개이다. 본 실시예에서 이용한 측정 셋업은, 일정한 부하 레지스터 대신에 수소 감지 Pd 나노갭 박막으로 구성된 가변 레지스터를 갖고 있다는 것을 제외하고는, 디지털 출력을 위한 로직 인버터 회로와 유사하다(도 2의 접속 방식을 인버터 접속 방식이라 지칭하기로 한다). 이러한 회로 구성을 통해, 본 발명자는 수소에 의해 유도되는 작은 아날로그 전류가 전압 신호에서 적절히 증폭될 것이라는 것을 예상하였다.
도 3a는 검출 전류 대 시간의 플롯으로서, 수소 가스 제어식 ON/OFF 스위칭에 의해 상기 Pd 나노갭 박막(0.1V 이하)으로부터 얻어진 것이다. (순수 N2와 혼합한) 4%, 2%, 1%, 0.5%, 0.4%, 0.3% 및 0.2%의 다양한 수소 분위기를 상기 Pd 센서에 노출시켰다. 0.3%보다 높은 수소 농도는 2 mA 내지 수 백 μA의 전류 범위에서 꽤 잘 검출되었지만, 더 낮은 수소 함량을 전류 신호로부터 알아차리는 것은 쉽지 않음을 알 수 있다. 특히, 0.2% 수소는 간신히 감지되었고, 도 3a의 삽입 도면으로 나타낸 바와 같이 감지 신호(약 200 nA)를 확대해야만 알아차릴 수 있었다. 더 나쁘게는, 감지(및 회복) 시간은 수소 함량이 더 작아짐에 따라, 더 길어져서, 0.3% 수소를 검출하는 데에 20초 이상이 걸렸다. 따라서, 본 발명자는 감지 신호를 증폭하고 동시에 감지 시간을 단축하기 위하여, 전기적으로 안정한 a-IGZO TFT를 채용하여, 출력 신호를 전류에서 전압으로 변환하였다. 도 3b는 게이트 누설 전류(IG) 곡선과 함께 TFT의 드레인 전류-게이트 전압(ID-VG) 트랜스퍼 특성을 보여주는 도면으로서, VD=5V의 드레인 바이어스 하에서 얻어진 것이다. 도 3b의 TFT 트랜스퍼 곡선에 나타낸 바와 같이, TFT는 0.1 pA IG 누설에 대하여 매우 안정적이고 게이트 이력이 없으며, 0V 이상에서 턴온된다(ON/OFF 비는 약 108 이상이고, 포화 계 효과 이동도(sturation field effect mobility)는 약 10 cm2V-1s-1이었다). 트랜지스터 드레인 전류(ID)는 20 ㎂ 내지 0.1 pA의 넓은 범위에 걸쳐 있고, Pd 센서는 2 mA 내지 수 백 nA의 전류 범위를 갖고 있기 때문에, 이들 두 소자가 직렬 연결되는 경우, 겹쳐진 전류 영역을 통해 합리적인 VOUT 신호가 기대된다.
상기 직렬 접속은 도 2에서 소개하였고, 이제 도 4a의 삽입 회로도에 도시되어 있는데, 여기서 VOUT 대 VIN 플롯이 주요 측정 결과로서 표시되어 있다. 수소 검출 실험을 위해, 1%, 0.05%, 0%의 수소 가스(100% N2 가스로 정화됨)를 다음의 과정에 따라 도 2의 수소 검지 챔버 내로 도입하였다(즉 초기에 1%의 수소 주입, N2 퍼지, 0.05% 수소 주입 그리고 최종적으로 N2 퍼지). 그 결과, 도 4a에 도시한 바와 같이, 5V의 VDD 하에서 각각의 VOUT 곡선이 얻어졌다. 이 플롯에 따르면, 0.05% 수소 검출을 위한 VOUT은 1% 수소 검지를 위한 것과 거의 동일하였다(약 5V). 이 결과는 플롯의 일부를 확대하여 확인하였다(VIN=4~5V의 범위에 대한 삽입 플롯 참조). 도시한 VOUT-VIN 플롯에 기초하여, 본 발명자는 시간 도메인 수소 검출 실험(VOUT 대 시간 플롯을 위해)을 수행하였는데, VDD=VIN=5V의 고정 전압 조건 하에서, 수소 농도를 4%에서 0.04%로 변화시켰다. 도 4b는 시간 도메인에서의 수소 검출 플롯을 보여주는데, 검출 전압 VOUT은 4% 내지 0.05%의 수소 농도 모든 경우에 대하여 약 5V이었으며, 이는 도 4a의 결과로부터 예측한 바와 같다. 검출 전압은, 수소 함량이 0.04%로 더욱 감소하면 약 5V에서 0.4V로 급격히 감소하였는데, 이 결과는 0.05% 및 그 이상의 수소 농도의 경우와 달리 실제로는 재현성이 없다(irreproducible). 따라서, 수소 검지를 위한 직렬 접속 셋업은 0.05%에서 여전히 그 검출 한계를 갖고 있는 것으로 보인다. 그러나, 이러한 제한에도 불구하고, 본 발명의 로직 인버터형 회로를 아날로그 Pd 나노갭 박막에 적용하면, 낮은 수소 농도 신호의 가시도를 수 십배 정도 증대시킬 수 있고, 동시에 그 검지(및 회복) 시간은 1 내지 2초 정도로 단축할 수 있는데(도 3a에서 보면, 수소 4% 노출 상태의 검출 전류가 약 2.0 mA이고 0.3% 수소에 노출한 경우는 약 0.2 mA 인 것에 반하여, 인버터 형식으로 제작한 센서의 경우 4% 와 0.2%의 경우 검출되는 VOUT은 거의 변화가 없으며, 반응 시간의 경우 인버터 방식은 VOUT이 수직적으로 변하는 것을 확인할 수 있다), 이는 의미 있는 결과이다. 사실, Pd 나노갭 박막 중의 전기 전도도 또는 전도성 경로는 0.05%의 낮은 수소 분자로도 존재하지만, 측정 또는 추정하기에는 너무 작고, 따라서 본 발명에서 제시한 바와 같이, 트랜지스터에의 접속을 통해서만 가시적으로 볼 수 있다. 나노갭 Pd 박막 중의 명백한 전기적 절단(electrical disconnection)은 종국에는, 극히 낮은 수소 농도(본 실시예의 경우, 0.04%는 개방 회로의 시작점이다)에서 관찰된다.
완전한 갭 개방은 소정의 희박한 주변 수소 농도점에서 하나 또는 몇몇 나노갭 스트라이프에서 일어나, 갑작스러운 절단을 야기할 수 있다. 이 경우, 나노갭을 포함하는 Pd 박막은 갭 거리로 인하여 전하 용량(charge capacitance)을 갖게 된다. 갭 거리는 수소 농도에 매우 의존적이어서, 나노갭 Pd 박막의 전하 용량을 유전체 산화물(300 nm 두께의 SiO2)을 갖고 있는 동일한 a-IGZO TFT에 도입함으로써, 극히 낮은 수소 농도를 추정할 수 있다. 이러한 커패시터-유도형 회로가 도 5a에 도시되어 있고, 0.04% 및 0%의 수소라고 하는 두 가지 주변 조건 하에서 산화물 TFT와 Pd 박막 가변 커패시터를 갖는 회로로부터 트랜스퍼 곡선을 얻었다. 초기 트랜스퍼 곡선은 TFT 단독으로부터 참조 곡선으로서 얻었다. Pd 나노갭 박막을 TFT 게이트에 직렬 접속하면, 회로의 전체 게이트 용량(Ctotal)은 유전체 산화물 용량(Cox)보다 작아지는데, 왜냐하면 하기 식에 나타낸 바와 같이, 나노갭에 의해 유도되는 용량(Cgap) 역시 고려하여야 하기 때문이다.
Figure 112014015561018-pat00001

도 5a에 나타낸 바와 같이, 전체 게이트 용량(Ctotal)이 작을수록, 동일한 온-상태(예컨대, 3V)에서 산화물 용량(Cox) 단독에 의한 것보다 더 작은 ID가 유도된다. 동시에, 동일한 오프-상태(예컨대, 약 0.3 pA)에서, 전체 게이트 용량(Ctotal)이 작을수록, 더 많은 음의 VG가 야기된다. 즉, Pd 박막 커패시터를 갖는 TFT의 트랜스퍼 곡선은 더 낮은 수소 농도에서 음으로 더 많이 이동된 VG를 보여주는데, 왜냐하면 산화물 용량(Cox)에 의해 유도되는 게이트 충전 이전에, 나노갭에 의해 유도되는 용량(Cgap)으로 인하여 추가의 충전 및 전압 강하(Vgap=VG-VGi)가 이루어지기 때문이다. 나노갭에 의해 유도되는 용량(Cgap)은 Aε0/d로 표현할 수 있는데, A는 나노갭 스트라이프의 벽 영역(10 nm×20 mm)의 두께이고, d는 갭 거리이며, ε0는 공기(또는 N2) 중 유전 상수이다. Vgap은 트랜스퍼 곡선으로부터 측정되는데, 초기 TFT의 오프-상태 전압(VGi)은 도 5a의 점선으로 표기된다. 이러한 게이트 전압(VG)의 이동 결과, 극히 낮은 수소 농도(도시한 예의 경우, 0.04%)조차 감지할 수 있고 또 동시에 수소 농도에 의존적인 평균 갭 거리 역시 추정하기 위한 해결책을 제공해준다. 수소 농도에 대한 Vgap 및 Cgap 의존성을 이용하여, 본 발명자는 0% 및 0.04% 수소 주변에서 평균 갭 거리가 약 30 nm 및 약 9 nm라고 추정하였다. 회로는 Pd 박막 레지스터를 통해 게이트에 연결되므로, 챔버 분위기에서의 수소 함량이 0.05% 이상이라면, 이러한 조건 하에서의 트랜스퍼 곡선은 Pd 박막 접속 없이 얻어지는 초기 트랜스퍼 곡선과 거의 동일하게 된다. 사실 도 5b는 초기 곡선과 꽤 겹쳐진 두 곡선을 보여준다. 등가의 회로가 도 5b의 삽입 도면에 도시되어 있는데, Pd 나노갭 박막을 가변 레지스터로서 표현하였다. 도 5c, 5d는 각각 Pd 격자 중에 수소 분자가 묽게 그리고 집중하여 분포된 Pd 박막 커패시터 및 레지스터 모델을 모식적으로 보여주는 도면이다. 이처럼, 도 5에 나타낸 바와 같이, a-IGZO TFT에 연결된 Pd 수소 센서가 두 가지, 즉 가변저항(도 5b)과 캐패시터(도 5a)로 작용할 수 있다. 가변 저항으로 작용하는 경우는 Pd 센서가 ON 모드에서 작용한다. 그리고 OFF 모드에서는 Pd 박막의 갭의 크기의 변화에 의해 캐패시터의 변화가 생기고 그로인해 ID 가 쉬프트 된다. 따라서, Pd 박막의 OFF 모드인 낮은 농도에서도 검지가 가능하다
이와 같이, 본 발명에 따르면, Pd 나노갭 박막부에서 수소를 감지하여 전류 신호가 생성되고, 이 전류 신호가 TFT에서 전압 신호로 변환 또는 증폭된다. 즉, Pd 나노갭 박막부가 TFT의 소스(드레인)에 연결되는 인버터 방식의 수소 센서 시스템에 따르면, Pd 나노갭 박막부에서 검출된 전류 신호가 TFT에서 전압 신호로 변환되는 동시에 완벽한 ON-OFF 모드로 변형된다. 한편, Pd 나노갭 박막부가 TFT의 게이트에 연결되는 게이트 방식의 수소 센서 시스템에 따르면, 낮은 농도에 노출된 수소 센서(Pd 나노갭 박막부)가 축전지로 작용하여, TFT에 채널을 형성하여, 낮은 농도의 수소를 검출한다(농도에 따라, 수소 센서의 갭의 크기(갭 거리)가 달라지게 되고, 이에 따라 게이트에 인가되는 전압이 달라져서 저 농도의 수소를 검출할 수 있게 된다). 즉 낮은 농도에서는 Pd 갭의 크기가 달라짐에 따라 축전지의 세기가 달라지게 된다(갭이 클수록 축전지의 용량은 작아지고 반대로 갭이 작을수록 축전지의 용량이 커진다). 이에 따라 낮은 수소의 농도에서 갭이 존재하지만(OFF 상태) 축전용량에 의하여 게이트에 가해지는 전압이 생기게 되고 이로 인하여 ID가 쉬프트된다. 이를 통하여 Pd 센서로 검출할 수 있는 농도 이하도 검출할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 일실시예에 따라서, 수소 함량에 의존적인 아날로그 가변 레지스터로서 기능하는 Pd 나노갭 박막과 전기적으로 안정한 a-IGZO TFT를 포함하는 수소 센서 시스템이 제공된다. Pd 나노갭 박막을 상기 TFT의 소스(또는 드레인)에 연결하면, 인버터형 수소 센서 회로가 구성되어, 출력 전압 면에서, 수소에 의해 유도되는 신호의 가시도 및 감지 속도가 크게 개선되어, 0.05% 정도의 수소도 감지할 수 있다. 한편, Pd 나노갭 박막을 상기 TFT의 게이트에 연결하면, 0.05%보다 낮은 농도의 수소도 검출할 수 있는데, Pd 박막이 수소에 의존적인 가변 용량을 갖는 커패시터로서 작용하기 때문이다. 따라서, 본 발명에서 제시하는 수소 센서 시스템을 이용하면 극히 낮은 농도의 수소도 검출할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 상기 실시예에서는, 수소 센서부를 TFT의 소스(또는 드레인)에 연결하는 인버터 방식, 게이트에 연결하는 게이트 방식의 수소 센서 시스템을 설명하였다. 그러나, TFT의 게이트에 연결한 수소 센서부(게이트 방식)를 TFT의 소스(또는 드레인)에 연결하면(인버터 방식), 즉 1개의 수소 센서부를 TFT의 소스(또는 드레인) 및 게이트에 연결하면(하이브리드 방식), 보다 낮은 농도의 수소를 게이트 방식을 통해 검출할 수 있고, 이 검출된 신호를 인버터 방식을 통해 ON-OFF 형식의 전압 신호로 변환하여 얻을 수 있으며, 이러한 방식 역시 본 발명의 범위 내에 속한다. 즉, 상기 실시예는 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (9)

  1. 탄성 재질의 기판과, 상기 기판 표면에 제공되고 다수 개의 나노갭이 형성된 전이금속 또는 그 합금 박막과, 상기 박막에 형성되는 전극을 포함하는 수소 센싱부와;
    상기 수소 센싱부에 연결되는 박막 트랜지스터
    를 포함하고,
    상기 수소 센싱부의 박막은 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인) 또는 게이트와 접속부를 통해 연결되고,
    상기 박막 트랜지스터는 수소와 직접 접촉하여 수소를 검출하는 것이 아니라,
    상기 박막의 나노 갭을 통해 감지되는 수소 농도 관련 전류 신호를 상기 접속부를 통해 연결된 수소 센싱부로부터 수신하여 상기 전류 신호를 전압 신호로 변환하여 증폭하거나,
    상기 수소 센싱부의 나노 갭이 수소에 노출됨에 따라, 채널을 형성하여 상기 게이트에 가해지는 전압을 통해 수소를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 a-IGZO 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 연결되어 인버터 방식의 수소 센서가 구성되고, 상기 수소 센싱부를 통해 감지되는 수소 농도의 전류 변화가, 상기 박막 트랜지스터를 통해 ON-OFF 형식의 전압 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 인버터 방식의 수소 센서는 0.05%의 수소 농도까지 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 게이트에 연결되어 게이트 방식의 수소 센서가 구성되고, 상기 게이트 방식의 수소 센서는 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 연결되는 방식과 비교하여, 더 낮은 농도의 수소를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 게이트 방식의 수소 센서는 0.04%의 수소 농도까지 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  7. 탄성 재질의 기판과, 상기 기판 표면에 제공되고 다수 개의 나노갭이 형성된 전이금속 또는 그 합금 박막과, 상기 박막에 형성되는 전극을 포함하는 수소 센싱부와;
    상기 수소 센싱부에 연결되는 박막 트랜지스터
    를 포함하는 수소 센서로서,
    상기 수소 센서는
    상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 소스(또는 드레인)에 연결되는 인버터 방식과 상기 수소 센싱부의 박막이 상기 박막 트랜지스터의 게이트와 연결되는 게이트 방식이 혼합된 하이브리드 방식의 구성을 포함하고,
    상기 하이브리드 방식의 구성에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 수소와 직접 접촉하여 수소를 검출하는 것이 아니라, 상기 수소 센싱부의 나노 갭이 수소에 노출됨에 따라 채널을 형성하여, 상기 게이트에 가해지는 전압을 통해 수소를 검출하고 그 전압을 온-오프 형식의 전압 신호로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 수소 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 박막 트랜지스터는 a-IGZO 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 수소 센서.
  9. 삭제
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