KR101722460B1 - 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스를 검출하는 가스센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 소자에 흡착된 가스를 표면 탄성파 소자를 이용하여 탈착시키는 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가스를 검출하는 가스센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 소자에 흡착된 가스를 표면 탄성파 소자를 이용하여 탈착시키는 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서에 관한 것이다.
반도체 산업의 발전에 따라, 각종 마이크로 센서 및 마이크로 가열 장치가 개발되고 있다. 반도체 가스 센서는 높은 감도와 저렴한 생산 단가로 인해 많은 응용이 기대되고 있으나, 반도체 가스 센서는 열효율이 떨어져 높은 전력 소모가 요구되기 때문에 응용 분야가 제한되고 있다. 예컨대, 통상의 반도체 가스 센서는 기판 상에 히터 층과 상기 히터 층과 이웃하며, 가스를 감지하는 감지 층을 포함하며, 히터 층을 통해 감지 층을 가열하여 감지 층을 활성화 시킨다. 즉 가스 센서는 감지 층에 흡착된 가스를 탈착하여 감지 층을 초기화하기 위해 가열 장치가 필수적으로 요구된다.
따라서 종래의 반도체 가스 센서는 가열 장치로 인한 높은 전력 소모 때문에 휴대폰과 같은 모바일 기기 또는 무선 센서노드와 같이 제한된 전력 공급을 갖는 분야에서 가스 센서가 활용되지 못하고 있는 실정이다.
따라서 가스센서의 저전력 소모 설계를 통해 가스센서를 소형화하기 위한 기술의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 감지 층의 활성화(초기화)를 위해 가열 장치 보다 부피 및 전력소모가 적은 표면탄성파(SAW) 소자를 적용하여 표면탄성파 소자를 통해 발생되는 표면탄성파를 이용해 감지 층에 흡착된 가스를 탈착시키는 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서를 제공함에 있다.
또한, 각각 다른 주파수 발진 특성의 표면탄성파 소자를 갖는 단위 가스센서를 어레이 형태로 복수 개 구비하고, 각각의 단위 가스센서에서 특정 주파수에 해당하는 가스 분자를 탈착시켜 각각의 단위 가스센서를 통해 혼합가스의 분석이 가능한 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 가스센서는, 기판; 상기 기판의 일면에 구비되어 가스를 흡착 및 탈착하는 감지부; 및 상기 기판의 일면 상에 상기 감지부에 인접 구비되어 상기 감지부에 흡착된 가스의 결합력 보다 강한 에너지를 갖는 표면탄성파를 상기 감지부로 발진하는 탈착부; 를 포함한다.
또한, 상기 탈착부는, 상기 감지부의 일측 및 타측에 각각 한 쌍이 배치된다.
다른 실시 예로, 상기 가스센서는, 상기 감지부 및 탈착부를 포함하는 단위 센서; 가 복수 개 배치되되, 각각의 단위 센서에 구비된 감지부는, 각각 서로 다른 주파수 발진 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 탈착부는 표면탄성파 소자로 이루어지며, 상기 표면탄성파 소자의 주파수 발진 특성은, 소자의 전극 너비 및 상기 전극 간의 폭을 통해 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서는, 감지 층의 활성화를 위해 가열 장치 대신 표면탄성파 소자를 적용하여 전력 소모가 현저하게 줄어들기 때문에 휴대폰과 같은 소형 모바일 기기 또는 제한된 전력으로 운용되는 무선 센서노드에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 특정주파수에 해당하는 가스 분자의 선택적 탈착이 가능하여 각기 다른 주파수 발진 특성을 갖는 표면탄성파 소자를 갖는 가스 센서를 복수 개 배치할 경우 혼합가스의 분석이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서 전체사시도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서 평면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서 단면도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스센서 평면도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서 평면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서 단면도
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스센서 평면도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
- 단일 센서 형
도 1에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서(100, 이하 '가스센서')의 전체사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서(100)의 평면도가 도시되어 있다. 또한, 도 3에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 가스센서(100)의 단면도가 도시되어 있다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 가스센서(100)는 기판(110), 감지부(120) 및 탈착부(150)를 포함하여 구성된다.
기판(110)은 통상의 가스센서에 적용되는 기판이 적용될 수 있으며, 압전(piezoelectric) 소재가 적용될 수 있다. 일예로 석영(Quartz), 리튬니오베이트(LiNbO3) 등의 무기물 소재가 적용될 수 있다. 다른 예로 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)와 같이 압전 성능을 갖는 폴리머 재질이 적용될 수 있다.
또한, 기판(110)은 유연한 폴리머 재질의 몸체 또는 투명한 폴리머 재질의 몸체에 상술될 압전 소재를 박막 코팅하여 구성하게 되면, 플렉서블 또는 투명한 기판의 구현이 가능하다.
감지부(120)는 기판(110)의 상면에 구비된 그래핀(Graphene) 층일 수 있다. 상기 그래핀 층은 탄소 원자 1개의 두께로 이루어진 탄소 원자층으로 이루어질 수 있다. 또한 그래핀 층이 단일 층으로 이루어질 경우 빛의 흡수도가 낮아져 투명하게 구성할 수 있다. 또한, 그래핀의 탄소 원자들은 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는 장점이 있다. 상기 그래핀 층은 화학기상증착방법 등으로 형성될 수 있다. 필요 시 기판(110)의 상면에 전사한 그래핀에 일반적인 반도체 패터닝 공정인 노광 및 건식식각공정으로 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 상기 패턴을 먼저 형성한 후 기판(110)의 상면에 전사할 수도 있다.
다른 실시 예로 감지부(120)는 기판(110)의 상면에 구비된 그래핀 필름(그래핀 네트워크 필름)일 수 있다. 그래핀 필름은 스핀 코팅(spin coating)이나 진공 여과(vacuum filtration)법으로 그래핀 플레이크(Graphene flake)를 적층하여 이루어진다. 감지부(120)는 상기 그래핀 필름의 형성 시 PR류에 패턴을 형성한 여과필름을 사용하면 그래핀 필름이 패터닝된 상태로 형성되며, 이를 기판(110)의 상면에 전사하여 형성할 수 있다. 그래핀 필름으로 감지부(120)를 구성할 경우 상술된 단원자층 그래핀에 비해 재연성이나 제작 단가 측면에서 유리한 장점이 있다.
상기와 같은 구성의 감지부(120)에 가스 분자가 흡착되며, 상기 그래핀 층의 양단에 형성된 전극(미도시)을 통해 가스 분자의 흡착 시 그래핀 층의 전기전도도 변화에 관할 시그널을 모니터링하여 가스 분자를 분석하게 된다.
또한 가스 분자의 탈착 시에도 상기 전극을 통해 그래핀 층의 전도도 변화를 모니터링하여 가스 분자를 분석하게 된다.
탈착부(150)는 감지부(120)에 흡착된 가스 분자를 탈착시키기 위한 구성으로 탈착부(150)는 표면탄성파를 발진하는 표면탄성파(surface acoustic wave, SAW) 소자일 수 있다. 탈착부(150)는 기판(110)의 일면에 구비된다. 더욱 상세하게 탈착부(150)는 감지부(120)의 일측과 타측에 이웃하여 한 쌍이 구비될 수 있다.
표면탄성파 소자는 특정주파수 발진을 위한 금속전극으로 이루어지며, 발진 주파수는 상기 금속전극의 너비 및 금속 전극간의 간격을 통해 결정될 수 있다.
상기 표면탄성파는 상기 감지부에 흡착된 가스 분자의 결합력보다 강한 에너지로 발진될 수 있다. 즉 감지부(120)를 활성화하기 위해 감지부(120)에 흡착된 가스 분자의 탈착이 요구될 경우 탈착부(150)의 포면탄성파 소자를 통해 발진되는 표면탄성파에 의해 그래핀 층으로 에너지가 가해지고 상기 에너지에 의해 흡착되었던 가스 분자가 탈착하게 된다.
탈착부(150)에서 표면탄성파를 발진하기 위해 소모되는 전력량은 약 0.5W 수준이기 때문에 큰 전력을 소모하는 가열 식 탈착부에 비해 그 크기를 소형화 및 박막화 할 수 있어 가스센서(100)의 휴대화에 유리한 장점이 있다.
- 복수 감지 형
도 4에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서(1000, 이하 '가스센서')의 평면도가 도시되어 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 가스센서(1000)는 상술된 제1 실시 예의 가스센서(100)를 단위 센서로 하여 상기 단위 센서가 복수 개 구비될 수 있다.
즉 가스센서(1000)는 메인기판(1010) 및 복수 개의 단위센서(1100, 1200, 1300, 1400)를 포함하여 구성된다. 본 실시 예에서는 단위센서가 4개 적용된 것으로 도시되어 있으나, 사용 환경에 따라 단위센서의 수가 가감될 수 있음은 자명하다.
메인기판(1010)은 통상의 가스센서에 적용되는 기판이 적용될 수 있으며, 일예로 수지재의 기판이 적용될 수 있다. 바람직하게 기판(1010)은 플라스틱과 같은 플렉서블 기판이 적용될 수 있으며, 보다 바람직하게 기판(1010)은 투명한 기판일 수 있다.
메인기판(1010)은 통상의 가스센서에 적용되는 기판이 적용될 수 있으며, 압전(piezoelectric) 소재가 적용될 수 있다. 일예로 석영(Quartz), 리튬니오베이트(LiNbO3) 등의 무기물 소재가 적용될 수 있다. 다른 예로 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)와 같이 압전 성능을 갖는 폴리머 재질이 적용될 수 있다.
또한, 메인기판(1010)은 플렉서블 또는 투명한 폴리머 재질의 몸체에 상술될 압전 소재를 박막 코팅하여 구성하게 되면, 플렉서블 또는 투명한 기판의 구현이 가능하다.
메인기판(1010)의 일면에는 제1 내지 제4 단위센서(1100~1400)가 구비된다. 제1 내지 제4 단위센서(1100~1400)는 일정 간격으로 열과 행을 이루어 배치될 수 있다. 단위센서(1100~1400)의 구성은 상술된 제1 실시 예의 가스센서(100)의 구성과 동일 유사하므로 상세 설명은 생략하기로 한다.
제1 단위센서(1100)는 제1 탈착부(1150)를 포함하며, 제2 단위센서(1200)는 제2 탈착부(1250)를 포함하고, 제3 단위센서(1300)는 제3 탈착부(1350)를 포함하며, 제4 단위센서(1400)는 제4 탈착부(1450)를 포함한다.
이때 제1 내지 제4 탈착부(1150~1450)는 각각 서로 다른 주파수 발진 특성을 갖는다. 즉 제1 내지 제4 단위센서(1100~1400)는 서로 다른 발진 주파수를 갖는 표면탄성파를 발진하여 각각의 감지부에 흡착된 가스 분자를 탈착시키게 된다. 따라서 각각의 단위센서에서는 제1 내지 제4 단위센서(1100~1400) 각각의 특정 주파수에 해당하는 가스 분자만을 탈착시키기 때문에 혼합 가스가 가스센서(1000)에 흡착되더라도 혼합 가스의 가스 분자 분석이 가능한 장점이 있다.
제1 내지 제4 탈착부(1150~1450)가 서로 다른 발진 주파수를 갖는 표면탄성파를 발진하기 위해서는 상술한 바와 같이 제1 내지 제4 탈착부(1150~1450) 각각의 금속전극의 너비 및 금속 전극간의 간격을 서로 상이하게 하여 구성할 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 가스센서 110 : 기판
120 : 감지부 150 : 탈착부
1000 : 가스센서 1100 : 제1 단위센서
1200 : 제2 단위센서 1300 : 제3 단위센서
1400 : 제4 단위센서 1150 : 제1 탈착부
1250 : 제2 탈착부 1350 : 제3 탈착부
1450 : 제4 탈착부
120 : 감지부 150 : 탈착부
1000 : 가스센서 1100 : 제1 단위센서
1200 : 제2 단위센서 1300 : 제3 단위센서
1400 : 제4 단위센서 1150 : 제1 탈착부
1250 : 제2 탈착부 1350 : 제3 탈착부
1450 : 제4 탈착부
Claims (8)
- 기판;
상기 기판의 일면에 구비되어 가스를 흡착 및 탈착하는 감지부;
상기 기판의 일면 상에 상기 감지부에 인접 구비되어 상기 감지부에 흡착된 가스의 결합력 보다 강한 에너지를 갖는 표면탄성파를 상기 감지부로 발진하는 탈착부; 를 포함하며,
상기 감지부 및 탈착부를 포함하는 단위 센서; 가 복수 개 배치되되,
각각의 단위 센서에 구비된 감지부는, 각각 서로 다른 주파수 발진 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 탈착부는,
상기 감지부의 일측 및 타측에 각각 한 쌍이 배치되는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 탈착부는 표면탄성파 소자로 이루어지며,
상기 표면탄성파 소자의 주파수 발진 특성은, 소자의 전극 너비 및 상기 전극 간의 폭을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판은,
무기물 압전 벌크 소재이거나 또는 수지 재질에 압전 소재를 박막 코팅하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 감지부는, 단원자층 그래핀 또는 다층 그래핀 필름으로 이루어지며,
상기 기판의 일면에 전사하여 형성되되,
필요 시 상기 전사 공정의 전 또는 후에 패터닝으로 형상이 형성된 것을 특징으로 하는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 감지부는,
진공 여과법을 통한 그래핀 플레이크 네트워크 필름으로 이루어지며,
상기 기판의 일면에 전사하여 형성되되, 필요 시 상기 전사 공정의 후에 패터닝으로 형상이 형성된 것을 특징으로 하는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
- 제 1항에 있어서,
상기 감지부는,
진공 여과법을 통한 그래핀 플레이크 네트워크 필름으로 이루어지며,
상기 진공 여과법 시 패턴이 형성된 여과필름을 통해 패턴을 갖는 그래핀 플레이크 네트워크 필름으로 제작한 후 상기 패턴을 갖는 그래핀 플레이크 네트워크 필름을 기판의 상면에 전사하여 형성된 것을 특징으로 하는, 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서.
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| KR1020140194802A KR101722460B1 (ko) | 2014-12-31 | 2014-12-31 | 표면 탄성파를 이용한 그래핀 가스센서 |
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