KR101638221B1 - 전하 밀도파 특성 물질을 이용한 온도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전하밀도파 특성을 가진 물질로 구성된 온도 감지부를 포함하는 온도센서에 관한 것으로, 전하밀도파 특성을 가진 물질에는 전이금속 트리칼코게나이드 유사 일차원 고체와 전이금속 디칼코게나이드 이차원 고체 다층 박막이 포함되며, 전하밀도파 특성을 가진 물질은 고자기장하에서도 자기 저항, 자기 전도도에 변화가 없어 정밀한 온도 센싱을 가능하게 한다.

Description

전하 밀도파 특성 물질을 이용한 온도센서{Temperature Sensors Using Material with Charge Density Wave Property}

본 발명은 전하 밀도파 특성을 가진 물질을 이용하여 온도를 감지하는 온도센서에 관한 것이다.

보통의 재료나 전자 소자는 온도에 따라 전기특성이 변화하기 때문에 모두 온도센서가 될 수 있는 것이지만, 검출 온도 영역과 검출 정밀도, 온도 특성, 양산성, 신뢰성 등의 면에서 사용목적에 알맞는 것이 온도센서로써 쓰이고 있다. 공업계측용으로서는 열전쌍, 온도측정 저항체, 서미스터(NTC), 금속식 온도계가, 그리고 생활필수품 기기의 센서로써는 서미스터(NTC, PTC, CTR) 감온 페라이트, 금속식 온도계가 많이 쓰이고, 특수용도로서 NQR(핵4중극공명), 초음파, 광섬유를 사용한 센서도 있다. 온도의 기준용으로서는 기체온도계, 유리제2중관 온도계, 수정 온도계, 백금온도 측정저항체, 백금-백금로듐 열전쌍이 쓰이고 있다.

저항과 자기 저항의 온도 의존도는 5K 이상의 온도에서 3차원 Mott VRH에 의해 설명되고 5K 이하의 온도에서 Efros-Shklovskii VRH에 의해 설명된다. 한편, 일반적인 온도 감지 소자를 구성하는 물질들은 10T 이상의 자기장이 인가되면 자기장에 의해 온도 감지 센서의 저항이 커진다. 그러면, 온도센서에 있어서, 인가되는 자기장의 크기와 센서의 저항이 비례하여, 온도 감지값이 변화하게 된다. 즉, 설정 온도에 해당하는 감지값이 아닌 오차가 발생하게 되므로, 자기부상 열차와 같은 고자기장의 환경에서는 정확한 측정을 할 수 있는 온도 센서를 제공할 수 없는 문제점이 있다.

국제공개번호 WO2004/108593(2004년 12월 16일 공개) 유럽특허공개 EP0580019A1 (1994년 1월 26일 공개)

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 고자기장 하에서도 정확한 온도 센싱이 가능한 온도센서를 제공하는 데 있다.

상기 한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 전이금속 트리칼코게나이드(trichalcogenide) 유사 일차원 고체로 형성된 온도감지부를 포함하고, 상기 전이금속 트리칼코게나이드는 화학식 MX₃ 로 표현되고, 상기 M 원소는 전이금속 중에서 선택된 하나의 원소 또는 이들의 복합 원소이고, X는 칼코겐 원소 중에서 선택된 어느 하나인 온도 센서를 제공한다.
상기 온도감지부는 NbSe₃ 또는 TaSe₃ 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는 전이금속 디칼코게나이드(dicalcogenide) 이차원 고체 다층 박막으로 형성된 온도 감지부를 포함하고, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 화학식 MX₂로 표현되고, 상기 M 원소는 전이 금속 중에서 선택된 하나의 원소 또는 이들의 복합 원소이고, X는 칼코겐 원소 중에서 선택된 어느 하나인 온도센서를 제공한다.
상기 온도감지부는 MoS₂, MoSe₂, TaS₂ 또는 NbSe₂ 중 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 온도감지부는 10 레이어 이하의 나노 박막으로 형성되고, 바람직하게, 상기 온도감지부는 3 레이어 이상 5 레이어 이하의 나노 박막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 온도 센서는 상기 온도감지부에 전기적으로 연결되는 감지 전극을 추가로 포함할 수 있다.

삭제

삭제

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 높은 자기장 환경 하에서도 자기 전도도에 영향을 받지 않고 정밀한 온도 측정을 할 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서의 MoS₂ 온도감지부와 전극을 나타낸 사진,
도 3은 MoS₂ 온도 감지부의 1.3K에서 I-V 특성 곡선을 나타내는 그래프; 그리고,
도 4는 MoS2 온도 감지부의 -35T, 1.3K에서 자기 전도도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.

본 발명은 전하 밀도파(CDW: Charge Density Wave) 특성을 보이는 물질을 온도 감지 수단으로 사용하는 온도 센서에 관한 것이다.

전하 밀도파는 반대방향으로 이동하는 결합 전자 상태에 의해 생성된 전자파동함수 내의 정상파인 전하 밀도의 주기적 변조를 말한다. 금속에서 전자 밀도는 매우 균일하고, 이온의 평형위치는 완벽하게 주기적인 격자를 형상한다. 전자 밀도의 변화(고밀도 또는 저밀도의 부분영역)는 많은 쿨롱 에너지를 소비하여 강하게 억제된다. 소위 1차원 및 2차원 금속에서는 그러나 밀도의 정적 변조가 임의의 조건하에서 안정적이다. 전이 금속-칼코게나이드에서(예를 들어, NbSe₂, NbSe₃, TaS₂, TaS₃) 및 청동(K_{0 .3}MoO₃)에서, 전자 가스와 이온 격자는 임계 전이 온도 Tp(여기서 p는 Peirels) 이하로 온도가 감소할 때, 자연스럽게 주기적인 변조를 생성한다. 이러한 전자 밀도의 변조를 전하 밀도파라 부른다.

이온 격자의 주기적 왜곡은 최고 에너지 전자의 운동 에너지(양자 효과)를 약간 감소시키는 슈퍼-유닛 셀을 형성한다. 이 게인은 온도의 감소와 같이 중요도를 증가시킨다. Tp 이하에서, 게인은 격자 왜곡 비용과 쿨롱 에너지 비용을 오프셋하기에 충분히 크다. CDW는 이온 격자와 전자 가스 모두 샘플의 전체 자유 에너지를 낮추는 왜곡을 생성하는 협조 상태의 예이다. CDW가 전기장에서 이동하는 지 여부에 대하여, CDW는 파장의 트로프(trough)가 레드에서 전체 에너지를 바꾸지 않고 어디든 배치될 수 있기 때문에, CDW는 자유롭게 슬라이드 할 수 있다. 전기장에서, 전류를 전도할 수 있고, 초전도도 가능하다.

전하밀도파는 전하 밀도의 주기적 변조를 말한다. 반대 방향으로 움직이는 전자 상태의 결합에 의해 만들어진 전자파 함수 내의 정상파이다. CDW는 예를 들어, NbSe₂, NbSe₃, TaS₂, TaS₃, MoS₂와 같은 전이금속 칼코게나이드에서 발견할 수 있다.

도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예 중 MoS₂를 온도감지부로 이용한 온도센서의 사진으로, 기판 상에 MoS₂ 박막으로 구성된 온도 감지부를 형성하고 그 위에 감지전극을 형성한 것이다.

전하 밀도파를 보이는 물질 중 화학식 MX₂를 가진 전이금속 디칼코게나이드(Dichalcogenide) 계열 물질은 수직으로 쌓이는 구조이다. 따라서, 그래핀의 초기 생성 방법인 기계적 박리법을 통해서 MX₂ 레이어를 얻어낼 수 있다. 온도 감지부를 구성하는 레이어의 수가 작을 수록 자기 저항에 의한 오류가 적어지는 것을 확인할 수 있다. 도 1 및 2는 MoS₂ 결정을 온도 감지부로 이용한 실시예로서, MoS₂ 결정은 수직으로 쌓이는 구조이므로 그래핀 초기 생성 방법인 기계적 박리법을 이용하여 레이어를 분리해 낼 수 있다. 온도 감지부를 구성하는 MoS₂ 레이어는 10레이어 이하가 바람직하고, 3 레이어 내지 5 레이어가 더욱 바람직하다. 온도 감지부의 두께는 수nm 스케일이 바람직하다. 도시된 실시예에서 온도 감지부는 3레이어, 2.3nm이다.

전이금속 칼코게나이드의 온도 센서의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다. 전이금속 칼코게나이드는 공통된 결정구조를 가지고 전기적, 자기적 및 광학적 이방성을 가진다. Ⅴ족 전이금속으로서 Nb 또는 Ta이고, 칼코겐 원소로서 Se 또는 S인 디칼코게나이드 결정이 있다. 전이금속 칼코게나이드 중 NbSe₂나 TaS₂ 등 의 Ⅴ족 전이금속 디칼코게나이드에서 초전도나 저차원 이방성 등의 특성을 찾을 수 있다. 몰리브데넘 디설파이드 레이어는 2H-MoS₂ 단결정으로부터 기계적 박리로 생성된다. MoS₂ 레이어는 300nm의 열성장된 SiO₂로 커버된 p-강도핑 실리콘 기판 상에 적층할 수 있다. MoS₂ 플레이크는 광학 현미경에서 광 대조로 식별된다. MoS₂ 플레이크의 두께는 테이프 모드를 사용하여 원자현미경으로 결정된다. FET는 표준 전자빔 리소그래피를 이용하여 제작된다. 열증착과 e-빔 증착에 의해 전극 Ti/Au(5/50nm)를 증착할 수 있고, 아세톤에서 리프트 오프된다. 전기 접촉 향상을 위해 고 진공(2.5 x 10^-6Torr), 120℃에서 열 아닐링을 수행하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 온도 센서의 자기 전도도(MC:Magnetic Conductivity)는 31T 자기 저항 자석을 이용하여 측정할 수 있다. 자기 전도도는 4 프로브 지오메트리(probe geometry)를 이용하여 4-프로브 법으로 전류-전압 특성 측정을 통해 구할 수 있다. MC 측정은 저온에서 높은 저항때문에 2-프로브 지오메트리와 전위계를 사용하여 수행할 수도 있다.

도 3은 1.3K에서 MoS₂의 I-V 특성을 나타낸 그래프이고 도 4는 자기전도도를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 자기장이 0T인 검정색 곡선과 -35T에서 측정한 붉은색 곡선의 I-V 특성이 일치한다. 즉, 고자기장(-35T)과 저자기장(0T)의 I-V 특성이 일치하므로 자기저항에 변함이 없다는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 고자기장하에서 자기 전도도(MC)가 0에 수렴되는 것을 알 수 있다. 즉, 고자기장하에서도 자기장에 의한 영향으로 온도에 따른 감지값에 변함이 없는 온도 센서를 제공할 수 있게 된다.

위에 설명한 바와 같이, 전하밀도파 특성을 보이는 금속 칼코게나이드 물질은 고 자기장에서 자기전도도가 0으로 수렴하므로 고자기장에서도 온도에 따른 자기저항의 증가로 인한 온도 감지값에 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 전하밀도파 특성을 보이는 물질로 구성된 온도감지부는 전기장에 의해 조절되는 고자기장 스위칭 장치에서도 응용될 수 있다. 고자기장 스위칭 장치는 전류가 임계값이상 흐르게 되면 자기장이 '0'으로 감소하여 턴오프 된다. 이를 이용하여, 전류 오버플로우로 인한 자석의 냉각 효과를 방지할 수도 있다.

본 발명은 온도 감지부로 상기와 같은 특징의 금속-칼코게나이드 박막을 이용하여 고자기장 하에서 자기 저항이 소멸하여 정확한 센싱이 가능한 온도 센서를 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 전이금속 디칼코게나이드(dicalcogenide) 이차원 고체 다층 박막으로 형성된 온도 감지부를 포함하고,
   상기 전이금속 디칼코게나이드는 화학식 MX₂로 표현되고, 상기 M 원소는 전이 금속 중에서 선택된 하나의 원소 또는 이들의 복합 원소이고, X는 칼코겐 원소 중에서 선택된 어느 하나이고,
   상기 온도 감지부는 상기 전이금속 디칼코게나이드를 기계적 분리법을 이용하여 단층으로 분리한 박막 레이어가 3 레이어 이상 10 레이어 이하로 적층되어 형성되는 온도센서.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 온도감지부는 MoS₂, MoSe₂, TaS₂ 또는 NbSe₂ 중 선택된 어느 하나를 포함하는 온도센서.
6. 삭제
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 온도감지부는 3 레이어 이상 5 레이어 이하의 나노 박막으로 형성되는 온도 센서.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 온도감지부에 전기적으로 연결되는 감지 전극을 추가로 포함하는 온도 센서.

Images