KR101974579B1 - 압력 센서 및 압력 센싱 방법 - Google Patents

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Abstract

압력 센서 및 압력 센싱 방법이 개시된다. 개시된 압력 센서는, 기판과, 기판 상에 마련되고, 게이트 절연층을 구비하며, 게이트 절연층이 유기물 매트릭스를 포함하고 이 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산되도록 형성된 센서 박막트랜지스터와, 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호를 인가하는 전원부와, 센서 박막트랜지스터로부터 검출되는 드레인 전류를 이용하여 잔류 분극값을 얻어 압력을 센싱하는 압력 센싱부를 포함한다.

Description

압력 센서 및 압력 센싱 방법{Pressure sensor and method for sensing pressure by using the same}
압력 센서 및 그 압력 센싱 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 트랜지스터 형태로 집적된 압력 센서 및 그 압력 센싱 방법에 관한 것이다.
최근 플렉서블 전자 부품을 구현하기 위하여, 부품과 이를 이루는 재료는 우수한 전기적 특성뿐만 아니라, 기계적인 안정성을 만족시켜야 한다. 이를 가능케 하기 위해, 재료과학/공학 측면에서, 많은 연구개발이 진행되어 왔다. 이와 같은 기술은 플렉서블 전자부품 뿐만 아니라, 스트레쳐블 (늘어나는, 신축성이 있는) 전자부품에도 적용 될 수 있다.
기존 유기물은 플렉서블 기판에 제작 가능한 저온 공정이 가능하나, 압전 특성이 우수하지 않다. 반면에, 기존 무기물은 압전 특성은 우수하나, 딱딱한 기판에 적용 가능하고, 고온 공정이 요구되어 플렉서블 기판에 적용이 불가하다. 이는 유기물과 무기물이, 전자 피부 향 압력센서로는 적용이 불가한 각각의 기술적 이슈를 가지고 있다는 것을 의미한다. 따라서 플렉서블하고, 저온공정이 가능하며, 압전 특성이 우수한 물질이 필요하다.
플렉서블 기판 위에 구현 가능하며 박막트랜지스터 형태로 집적된 압력 센서 및 압력 센싱 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센서는, 기판과; 상기 기판 상에 마련되고, 게이트 절연층을 구비하며, 상기 게이트 절연층이 유기물 매트릭스를 포함하고 이 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산되도록 형성된 센서 박막트랜지스터와; 상기 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호를 인가하는 전원부와; 상기 센서 박막트랜지스터로부터 검출되는 드레인 전류를 이용하여 잔류 분극값을 얻어 압력을 센싱하는 압력 센싱부;를 포함한다.
상기 게이트에 인가되는 교류 신호의 진폭을 VG amp, 상기 드레인 전류의 진폭을 ID amp , 상기 드레인 전류의 평균값을 ID mean이라 할 때, 상기 잔류 분극값은
Figure 112012071836350-pat00001
에 비례하며, 이 잔류분극값의 변화를 이용하여 가해지는 압력을 구분 가능하게 센싱할 수 있다.
상기 인가되는 교류 신호는 0.001Hz 내지 1GHz의 주파수를 가질 수 있다.
상기 인가되는 교류 신호의 진폭 전압은 0.01V-100V 범위일 수 있다.
상기 유기물은 압전 유기물일 수 있다.
상기 압전 유기물은, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CtFE) 중에서 선택될 수 있다.
상기 압전 무기물 나노입자는, Gallium orthophosphate (GaPO4), Langasite (La3Ga5SiO14), a quartz analogic crystal, Barium titanate (BaTiO3), Lead titanate (PbTiO3), Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1??x]O3 0≤x≤1), Potassium niobate (KNbO3), Lithium niobate (LiNbO3), Lithium tantalate (LiTaO3), Sodium tungstate (Na2WO3), Zinc oxide (Zn2O3), Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Sodium potassium niobate ((K,Na)NbO3), Bismuth ferrite (BiFeO3), Sodium niobate NaNbO3, Bismuth titanate Bi4Ti3O12, Sodium bismuth titanate Na0.5Bi0.5TiO3을 포함하는 그룹 중에서 선택될 수 있다.
상기 센서 박막트랜지스터에 전기적으로 연결된 스위칭 박막트랜지스터를 더 포함하여, 센서 픽셀 구조가 하나의 스위칭 박막트랜지스터와 하나의 센서 박막트랜지스터를 포함하는 구조를 가질 수 있다.
상기 유기물 매트릭스는 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 유기물 매트릭스는 120도 이상에서 열처리를 하여 결정 구조로 형성될 수 있다.
상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
상기 기판은 폴리이미드를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 방법은, 압전성 게이트 절연층을 가지는 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호를 인가하는 단계와; 상기 센서 박막트랜지터로부터 드레인 전류를 검출하는 단계와; 상기 검출되는 드레인 전류를 이용하여 잔류 분극값을 얻고 이로부터 압력을 센싱하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 압전성 게이트 절연층은, 유기물 매트릭스를 포함하며, 이 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산된 구조일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 따르면, 압전 특성이 좋은 압전 무기물 나노입자를 게이트 절연층의 유기물내에 분포하도록 함으로써, 기판으로 플렉서블 기판의 사용이 가능하면서도, 저온 공정 및 무기물의 우수한 압전 특성을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 센싱 방법에 따르면, 압전 센싱 동작시, 압전성 게이트 절연층을 가지는 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호를 인가함으로써, 압력 변화에 따른 드레인 전류(ID)의 변화량을 크게 할 수 있어, 압력에 대한 센서 민감도를 증가시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서는 플렉서블 또는 스트레쳐블 전자 부품에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)를 개략적으로 보인 등가 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 센서 박막트랜지스터를 개략적으로 보인 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 박막트랜지스터 제조 공정을 보여준다.
도 5는 P(VDF-TrFE)의 열처리(annealing) 온도에 따른 압전 계수(Piezoelectric coefficient: d33) 변화를 보여준다.
도 6은 BaTiO3의 함량(wt%)에 따른 압전 계수(d33) 변화를 보여준다.
도 7은 유기물 매트릭스를 P(VDF-TrFE)로 형성하고, 이러한 P(VDF-TrFE) 매트릭스 내에 BaTiO3 압전 무기물 나노입자를 분산시킨 구조일 때, BaTiO3 압전 무기물 나노입자 함량 변화에 따른 XRD 회절 패턴 변화를 보여준다.
도 8은 압전 무기물 나노입자가 분산되어 있는 P(VDF-TrFE)를 약 140도의 온도에서 결정화한 경우, 분극을 발생시켰을 때와, 그로부터 일정 시간(약 46시간)이 흘렀을 때 분극 상태 이미지를 보여준다.
도 9는 도 8의 샘플에 대한 위치에 따른 PFM(Piezoelectric Force Microscopy) 신호 변화를 보여준다.
도 10은 도 8의 샘플에 대한 PFM 신호의 시간 경과에 따른 변화를 보여준다.
도 11은 압전 무기물 나노입자가 분산되어 있는 P(VDF-TrFE)를 약 80도의 온도에서 결정화한 경우, 분극을 발생시켰을 때와, 그로부터 일정 시간(약 44시간)이 흘렀을 때 분극 상태 이미지를 보여준다.
도 12는 도 11의 샘플에 대한 위치에 따른 PFM(Piezoelectric Force Microscopy) 신호 변화를 보여준다.
도 13은 도 11의 샘플에 대한 PFM 신호의 시간 경과에 따른 변화를 보여준다.
도 14는 센서 박막트랜지스터의 게이트에 인가되는 게이트 전압(Vgate)과 드레인 전압(VDD)을 예를 들어 보여준다.
도 15는 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호가 인가될 때 얻어지는 사인파의 드레인 전류(ID)를 나타낸다.
도 16은 압력을 가할 때와 가하지 않을 때의 잔류 분극(Remnant Polarization: Pr)값의 변화를 보여준다.
도 17은 가해지는 압력을 단계적으로 변화시켰을 때 얻어지는 잔류분극 Pr값의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서 및 압력 센싱 방법을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)를 개략적으로 보인 등가 회로도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)의 센서 박막트랜지스터(30)를 개략적으로 보인 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면도를 보여준다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)는, 압전성 게이트 절연층(33)을 가지는 센서 박막트랜지스터(30)와, 상기 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트(G1)에 교류 신호(AC signal) 즉, 교류 전압을 인가하는 전원부(70)와, 상기 센서 박막트랜지스터(30)로부터 얻어지는 드레인 전류를 이용하여 잔류 분극값(Pr)을 얻고 이로부터 압력을 센싱하는 압력 센싱부(100)를 포함한다. 압력 센서(10)는, 센서 박막트랜지스터(30)를 어드레싱(addressing) 하기 위한 스위칭 박막트랜지스터(50)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 센서 박막트랜지스터(30)에 전기적으로 연결된 스위칭 박막트랜지스터(50)를 더 포함하는 경우, 압력 센서(10)는 센서 픽셀 구조가 하나의 스위칭 박막트랜지스터(50)와 하나의 센서 박막트랜지스터(30)를 포함하는 구조를 갖게 된다. 압력 센서(10)에는 하나의 스위칭 박막트랜지스터(50)와 하나의 센서 박막트랜지스터(30) 쌍이 각 픽셀을 이루며, 이러한 픽셀이 2차원 어레이로 배열될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 센서 박막트랜지스터(30)는 기판(1) 상에 형성되는 게이트 전극(31), 상기 게이트 전극(31)을 덮도록 형성되는 게이트 절연층(33), 상기 게이트 절연층(33) 상에 형성되는 채널층(35), 상기 채널층(35) 상에 서로 이격되게 형성되는 소스 전극(37) 및 드레인 전극(39)을 포함할 수 있다. 도 2에서는 센서 박막트랜지스터(30)가 바텀-게이트(bottom-gate) 구조를 가지는 경우를 보여주는데, 이는 예시적으로 보인 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)에서 센서 박막트랜지스터(30)는, 소스 전극(37)과 드레인 전극(39)이 채널층(35) 아래에 위치하고, 채널층(35) 위에 게이트 절연층(33)이 위치하고, 게이트 절연층(33) 상에 게이트 전극(31)이 위치하는 탑-게이트(top-gate) 구조를 가질 수도 있다. 상기 게이트 전극(31), 소스 전극(37) 및 드레인 전극(39)은 금속성 물질로 형성될 수 있다.
상기 기판(1)은 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(1)은 폴리이미드을 포함하는 물질로 이루어진 기판일 수 있다.
상기 게이트 절연층(33)은, 압전성 게이트 절연층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 절연층(33)은, 유기물 매트릭스를 포함하고, 이 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산된 형태로 형성될 수 있다.
상기 유기물 매트릭스는 게이트 절연층(33)을 형성하도록 박막 형태이며, 압전 유기물로 이루어질 수 있다. 상기 유기물 매트릭스는, 열처리 공정을 통해 결정 구조를 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 유기물 매트릭스는 약 120도 이상에서 열처리하여 결정 구조로 형성될 수 있다. 이러한 유기물 매트릭스를 형성하기 위한 압전 유기물은, 예를 들어, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CtFE) 중에서 선택될 수 있다.
상기 압전 무기물 나노입자는, 박막 형태인 상기 유기물 매트릭스 내에 분산될 수 있다. 이와 같이 압전 무기물 나노입자를 박막 형태의 유기물 매트릭스에 분산시킨 구성으로 게이트 절연층(33)을 형성하면, 유기물과 무기물의 장점을 활용할 수 있다. 즉, 상기 기판(1)으로서 플렉서블 기판에 저온 공정으로 압전 특성이 우수한 압력 센서(10)를 형성하는 것이 가능하게 된다.
상기 게이트 절연층(33)에 적용하는 압전 무기물 나노입자는, 예를 들어, Gallium orthophosphate (GaPO4), Langasite (La3Ga5SiO14), a quartz analogic crystal, Barium titanate (BaTiO3),Lead titanate (PbTiO3), Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1-x]O3 0≤x≤1), Potassium niobate (KNbO3), Lithium niobate (LiNbO3), Lithium tantalate (LiTaO3), Sodium tungstate (Na2WO3), Zinc oxide (Zn2O3), Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Sodium potassium niobate ((K,Na)NbO3), Bismuth ferrite (BiFeO3), Sodium niobate NaNbO3, Bismuth titanate Bi4Ti3O12, Sodium bismuth titanate Na0.5Bi0.5TiO3 중에서 선택될 수 있다.
이와 같이, 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산된 구조로 형성한 게이트 절연층(33)은 나노 혼합물 형태를 이루게 되며, 이러한 게이트 절연층(33)은, 유기물의 플렉시블하고 저온 공정이 가능한 특성을 가지며, 무기물의 향상된 압전 계수 특성을 가질 수 있다.
상기와 같은 센서 박막트랜지스터(30)는 예를 들어, 도 4와 같은 공정을 통해 제조할 수 있다. 도 4에서는 도 2에 보여진 바와 같은 바텀-게이트형 센서 박막트랜지스터(30)를 제조하는 공정을 예시적으로 보여주는데, 도 4의 제조 공정은 탑-게이트형 센서 박막트랜지스터(30)를 제조하는데 적용하도록 변형될 수 있다. 탑-게이트형 센서 박막트랜지스터(30)를 제조하는 공정은 아래의 바텀-게이트형 센서 박막트랜지스터(30)를 제조하는 공정으로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 여기서는 그 제조 공정에 대한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)의 센서 박막트랜지스터(30)를 제조하는 공정은 도 4에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형 및 타 실시예가 가능하다.
도 4를 참조하면, 먼저, 기판(1) 예컨대, 폴리이미드 필름 형태의 기판 상에, 게이트 전극(31)을 전기 도금으로 형성할 수 있다(S100). 게이트 전극(31)은 예를 들어, 니켈(Ni)을 포함하는 금속 물질로 형성할 수 있다.
이와 같이 게이트 전극(31)을 형성한 다음, 이 게이트 전극(31)을 덮도록 게이트 절연층(33)을 형성한다(S1000).
게이트 절연층(33)은 예를 들어, 압전성 유기물에 압전성 무기물 나노입자가 분산된 압전성 나노 혼합물(nanocomposite)을 스핀 코팅(spin coating)하여 절연층을 형성하고(S200), 이 절연층을 건조하고(S300), 이를 용융(melting)시킨 다음(S500), 재결정화(Re-crystallizing) 과정(S500)을 통해 형성될 수 있다. 이때, 절연층 용융은 예를 들어, 약 200℃까지의 온도 조건에서 어닐링하여 이루어지고, 재결정화는 120℃이상의 온도 예를 들어, 약 140℃에서 약 2시간 동안 유지하는 과정을 통해 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 절연층을 용융시키고 재결정화하는 히트 싸이클(Heat cycle)은 결정화 및 압전 특성을 보다 개선하기 위해 최소 1회 이상 추가할 수도 있다.
상기와 같이 게이트 절연층(33)을 형성한 다음, 이 게이트 절연층(33) 상에 반도체 물질을 이용하여 채널층(35)을 예컨대, 펜타센(Pentacene) 층으로 형성하고(S600), 이 채널층(35) 상에 소스 전극(37)과 드레인 전극(39)을 형성할 수 있다(S700).
상기 채널층(35)은 예를 들어, 열적 증착(thermal evaporation) 방식에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 소스 전극(37) 및 드레인 전극(39)은 예컨대, 열적 증착 방식에 의해 형성될 수 있다. 소스 전극(37)과 드레인 전극(39)은 예를 들어, 금(Au)을 포함하는 금속 물질로 형성할 수 있다.
상기한 바와 같은 센서 박막트랜지스터(30)에서, 게이트 절연층(33)의 압전 특성(d33)은 유기물 매트릭스의 결정화 온도와 압전 무기물 나노입자의 양을 조절하여 조절할 수 있다.
예를 들어, 유기물 매트릭스를 P(VDF-TrFE)로 형성하고, 이러한 P(VDF-TrFE) 매트릭스 내에 BaTiO3 압전 무기물 나노입자를 분산시킨 구조로 게이트 절연층(33)을 형성한 경우를 고려해보자.
도 5는 P(VDF-TrFE)의 열처리(annealing) 온도에 따른 압전 계수(Piezoelectric coefficient: d33) 변화를 보여준다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 열처리 온도가 100도 이상 예를 들어, 약 120도나 약 140도 정도가 되면, 유기물 매트릭스의 압전 계수(d33)를 크게 향상시킬 수 있다.
도 6은 BaTiO3의 함량(wt%)에 따른 압전 계수(d33) 변화를 보여준다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, BaTiO3 압전 무기물 나노입자의 양을 증가시키면 압전계수를 크게 향상시킬 수 있다.
도 7은 유기물 매트릭스를 P(VDF-TrFE)로 형성하고, 이러한 P(VDF-TrFE) 매트릭스 내에 BaTiO3 압전 무기물 나노입자를 분산시킨 구조일 때, BaTiO3 압전 무기물 나노입자 함량 변화에 따른 XRD 회절 패턴 변화를 보여준다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, P(VDF-TrFE) 매트릭스만으로 이루어진 경우와, 이러한 P(VDF-TrFE) 매트릭스 내에 분산된 BaTiO3 압전 무기물 나노입자 양이 10%, 20%, 30%인 경우를 비교해보면, P(VDF-TrFE) 매트릭스 내에 BaTiO3 압전 무기물 나노입자 양이 증가할수록, ●로 표시된 BaTiO3의 피크 강도가 증가함을 알 수 있다. 이는 P(VDF-TrFE) 매트릭스만으로 이루어진 경우에 보이던 비정질 위상(amorphous phase)의 양이 줄어들었음을 의미한다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 유기물 매트릭스의 결정화 온도와 압전 무기물 나노 입자의 양을 조절하여 게이트 절연층(33)의 특성을 개선할 수 있다.
예를 들어, 유기물 매트릭스를 P(VDF-TrFE)로 형성할 때, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 결정화 온도가 높을수록 압전 특성이 우수하다. 또한, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 유기물 매트릭스 내에 분산되는 압전성 무기물 나노입자의 양이 증가할수록 압전 특성이 우수함을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10은 압전 무기물 나노입자가 분산되어 있는 P(VDF-TrFE)를 약 140도의 온도에서 결정화한 샘플에 대한 특성을 보여준다. 비교예로서, 도 11 내지 도 13은 압전 무기물 나노입자가 분산되어 있는 P(VDF-TrFE)를 약 80도의 낮은 온도에서 결정화한 샘플에 대한 특성을 보여준다.
도 8은 압전 무기물 나노입자가 분산되어 있는 P(VDF-TrFE)를 약 140도의 온도에서 결정화한 경우, 분극을 발생시켰을 때와, 그로부터 일정 시간(약 46시간)이 흘렀을 때 분극 상태 이미지를 보여준다. 도 8에서, (a)의 이미지는 분극을 발생시켰을 때(0 hour), (b)의 이미지는 분극 발생후 약 46시간(46 hour)이 경과했을 때의 분극 상태를 보여준다. 도 9는 도 8의 샘플에 대한 위치에 따른 PFM(Piezoelectric Force Microscopy) 신호 변화를 보여준다. 도 10은 도 8의 샘플에 대한 PFM 신호의 시간 경과에 따른 변화를 보여준다. 도 9 및 도 10의 그래프로부터 도 8의 샘플에서 왼편의 분극과 오른편의 분극이 서로 반대 극성을 가짐을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 약 140도 정도의 충분히 높은 결정화 온도에서 P(VDF-TrFe)를 결정화하여, 고결정(high crystalline) 상태일 경우에는, 시간이 경과해도 분극이 잘 유지될 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 압전 무기물 나노입자가 분산되어 있는 P(VDF-TrFE)를 약 80도의 온도에서 결정화한 경우, 분극을 발생시켰을 때와, 그로부터 일정 시간(약 44시간)이 흘렀을 때 분극 상태 이미지를 보여준다. 도 11에서, (a)의 이미지는 분극을 발생시켰을 때(0 hour), (b)의 이미지는 분극 발생후 약 44시간(44 hour)이 경과했을 때의 분극 상태를 보여준다. 도 12는 도 11의 샘플에 대한 위치에 따른 PFM(Piezoelectric Force Microscopy) 신호 변화를 보여준다. 도 13은 도 11의 샘플에 대한 PFM 신호의 시간 경과에 따른 변화를 보여준다. 도 12 및 도 13의 그래프로부터 도 11의 샘플에서 왼편의 분극과 오른편의 분극이 서로 반대 극성을 가짐을 알 수 있다.
도 11 내지 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 약 80도 정도의 낮은 결정화 온도에서 P(VDF-TrFe)를 결정화하여, 저결정(low crystalline) 상태일 경우에는, 고결정 상태인 경우에 비해, 시간이 경과하는 경우 분극이 잘 유지되지 않음을 알 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 전원부(70)는 상기 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트 전극(31)에 전기적으로 연결되어, 압력 센싱 동작동안, 상기 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트 전극(31)에 교류 신호를 인가한다.
상기 압력 센싱부(100)는, 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트(G1)에 교류 신호가 인가되고 있는 상태에서 센서 박막트랜지스터(30)로부터 얻어지는 드레인 전류(ID)를 이용하여 압력을 센싱한다. 즉, 압력 센싱부(100)에서는 드레인 전류로부터 잔류 분극값(Pr)을 얻고, 이로부터 압력을 산출한다.
도 14는 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트에 인가되는 게이트 전압(Vgate)과 드레인 전압(VDD)을 예를 들어 보여준다. 도 14에서와 같이, 게이트(G1)에 인가되는 게이트 전압은 DC 성분에 사인(sine)파의 교류 신호가 부가된 형태의 전압이 인가될 수 있다.
이와 같이, 게이트(G1)에 DC 성분에 사인(sine)파의 교류 신호가 부가된 형태의 게이트 전압이 인가될 때, 결과적으로 사인파의 드레인 전류(ID)가 얻어진다. 수학식 1은 게이트(G1)에 인가되는 사인파의 교류 신호(VG)를 나타내며, 수학식 2 및 도 15는 결과적으로 얻어지는 사인파의 드레인 전류(ID)를 나타낸다. 도 15에서 가로축 및 세로축의 스케일은 예시적으로 나타낸 것으로, 절대적인 값은 아니다.
Figure 112012071836350-pat00002
Figure 112012071836350-pat00003
수학식 1에서 VG amp는 게이트 바이어스(gate bias)의 진폭 즉, 사인파의 교류 신호의 진폭을 나타내며, 수학식 2에서 ID mean은 드레인 전류의 평균값, ID amp는 드레인 전류의 진폭을 나타낸다.
여기서, ID mean과 ID amp는 센서 박막트랜지스터(30)의 채널 폭(W), 채널 길이(L)와 수학식 3과 같은 관계가 있다.
Figure 112012071836350-pat00004
수학식 3에서, VD는 드레인 전압, V0는 센서 박막트랜지스터(30)에 전류가 흐르기 시작하는 게이트 전압을 나타낸다.
수학식 3을 이용하면 V0는 수학식 4와 같이 얻어지고, 이로부터 얻어지는 잔류분극 Pr과 V0의 관계는 수학식 5와 같다. 즉, 수학식 4 및 수학식 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 잔류분극 Pr은
Figure 112012071836350-pat00005
에 비례한다.
Figure 112012071836350-pat00006
Figure 112012071836350-pat00007
수학식 5에서, ε0 는 약 8.854 ㅧ 10-14 F/cm이며, εr은 유전 상수, d는 게이트 절연층(33)의 두께를 나타낸다.
따라서, 잔류분극 Pr값으로부터 수학식 6의 식으로부터 압전계수(Piezoelectric-coefficient) d33을 얻을 수 있다. 또한, 압전계수를 미리 알고 있는 경우, 수학식 5에 의해 얻어지는 잔류분극 Pr 값을 이용하여, 압력 센서(10)에서 압력을 측정할 수 있다. 수학식 6에서 σ3은 압력 센서(10)의 소정 위치에 가해지는 응력을 나타낸다.
Figure 112012071836350-pat00008
한편, 잔류 분극 Pr값은 압력에 따라 구분 가능하게 얻어질 수 있다. 도 16은 압력을 가할 때와 가하지 않을 때의 잔류 분극(Remnant Polarization: Pr)값의 변화를 보여준다. 도 16에서 알 수 있는 바와 같이, 압력을 가할 때와 가하지 않았을 때 얻어지는 잔류분극 Pr값에 분명한 차이가 있으므로, 잔류분극 Pr값으로부터 압력이 가해졌는지 여부를 충분히 센싱할 수 있다.
도 17은 가해지는 압력을 단계적으로 변화시켰을 때 얻어지는 잔류분극 Pr값의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 가해지는 압력이 달라질 때, 얻어지는 잔류분극 Pr값도 달라지므로, 압력에 따라 구분 가능한 잔류 분극 Pr값을 얻어 압력을 구분 가능하게 센싱할 수 있다.
또한, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어, P(VDF-TrFE) 매트릭스 내에 BaTiO3 나노 입자의 양에 따라 서로 다른 압전 계수(d33)를 얻을 수 있으므로, 정확하고 정밀하게 압력 센싱이 가능한 압전 계수를 갖도록 압전 무기물 나노입자의 함량을 조절하여 게이트 절연층(33)을 형성함으로써, 보다 정확하고 감도가 좋은 압력 센서(10)를 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유기물에 압전성 무기물 나노입자를 분산시킨 구조로 게이트 절연층(33)을 형성함으로써, 제한된 압전 특성에서 압력에 대한 센서 민감도를 크게 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)에서, 센서 박막트랜지스터(30)는 예를 들어, 약 120 내지 약 960 pC/N의 포지티브 압전 계수(d33)를 나타내도록 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)에 따르면, 압력 센싱 동작시, 전원부(70)에서 압력 센서(10)의 입력단인 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트(G1)에 교류 신호(AC signal)를 인가하여, 드레인 전류(ID) 및 Vo를 센싱한다. 이러한 압력 센싱을 위해, 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트(G1)에 입력되는 교류 신호는 약 0.001 Hz 내지 약 1GHz의 주파수를 가질 수 있다. 또한, 상기 교류 신호는 약 0.01V 내지 약 100V의 진폭 전압을 가질 수 있다.
센싱된 드레인 전류(ID) 및 Vo를 이용하여, 압력 센싱부(100)에서,
Figure 112012071836350-pat00009
에 비례하는 잔류 분극 Pr값을 검출하여, 이 잔류 분극 Pr값의 변화를 이용하여 가해지는 압력을 구분 가능하게 센싱할 수 있다. 즉, 압력의 변화와 압력의 절대값을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)에 따르면, 압전 특성이 좋은 압전 무기물 나노입자를 게이트 절연층(33)의 유기물내에 분포하도록 함으로써, 기판(1)으로 플렉서블 기판(1)의 사용이 가능하면서도, 저온 공정 및 무기물의 우수한 압전 특성을 이용할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 압전 센싱 방법에 따르면, 압전 센싱 동작시, 압전성 게이트 절연층(33)을 가지는 센서 박막트랜지스터(30)의 게이트(G1)에 교류 신호를 인가함으로써, 압력 변화에 따른 드레인 전류(ID)의 변화량을 크게 할 수 있어, 압력에 대한 센서 민감도를 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(10)는, 플렉서블 또는 스트레쳐블 전자 부품에 적용할 수 있다. 스트레쳐블 전자 부품의 응용 범위는 새로운 분야의 응용제품에 기여할 수 있으며, 그 응용분야는 대면적 센서, 액츄에이터, 메모리, 태양전지, 자체 전원 공급이 가능한 전자소자 등 매우 폭넓은 분야에 적용 할 수 있다.
1...기판 10...압력 센서
30...센서 박막트랜지스터 31...게이트 전극
33...게이트 절연층 35...채널층
37,39...소스 전극 및 드레인 전극 50...스위치 박막트랜지스터
70...전원부 100...압력 센싱부

Claims (21)

  1. 기판과;
    상기 기판 상에 마련되고, 게이트 전극, 채널층, 상기 게이트 전극과 채널층 사이에 위치하는 압전성 게이트 절연층을 구비하며, 상기 압전성 게이트 절연층이 유기물 매트릭스를 포함하고 이 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산되도록 형성된 센서 박막트랜지스터와;
    압력 센싱 동작동안 상기 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호를 인가하는 전원부와;
    상기 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호가 인가되고 있는 상태에서 상기 센서 박막트랜지스터로부터 검출되는 드레인 전류를 이용하여 잔류 분극값을 얻어 압력을 센싱하는 압력 센싱부;를 포함하는 압력센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 게이트에 인가되는 교류 신호의 진폭을 VG amp, 상기 드레인 전류의 진폭을 ID amp , 상기 드레인 전류의 평균값을 ID mean이라 할 때, 상기 잔류 분극값은
    Figure 112012071836350-pat00010
    에 비례하며, 이 잔류분극값의 변화를 이용하여 가해지는 압력을 구분 가능하게 센싱하는 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인가되는 교류 신호는 0.001Hz 내지 1GHz의 주파수를 가지는 압력 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인가되는 교류 신호의 진폭 전압은 0.01V-100V 범위인 압력 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기물 매트릭스는 압전 유기물을 포함하는 압력 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 압전 유기물은, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CtFE) 중에서 선택되는 압력 센서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유기물 매트릭스는 결정 구조를 갖는 압력 센서.
  8. 제5항에 있어서, 상기 압전 무기물 나노입자는, Gallium orthophosphate (GaPO4), Langasite (La3Ga5SiO14), a quartz analogic crystal, Barium titanate (BaTiO3), Lead titanate (PbTiO3), Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1-x]O3 0≤x≤1), Potassium niobate (KNbO3), Lithium niobate (LiNbO3), Lithium tantalate (LiTaO3), Sodium tungstate (Na2WO3), Zinc oxide (Zn2O3), Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Sodium potassium niobate ((K,Na)NbO3), Bismuth ferrite (BiFeO3), Sodium niobate NaNbO3, Bismuth titanate Bi4Ti3O12, Sodium bismuth titanate Na0.5Bi0.5TiO3을 포함하는 그룹 중에서 선택되는 압력 센서.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 박막트랜지스터에 전기적으로 연결된 스위칭 박막트랜지스터를 더 포함하여, 센서 픽셀 구조가 하나의 스위칭 박막트랜지스터와 하나의 센서 박막트랜지스터를 포함하는 구조를 갖는 압력 센서.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기물 매트릭스는 결정 구조를 갖는 압력 센서.
  11. 제10항에 있어서, 상기 유기물 매트릭스는 120도 이상에서 열처리를 하여 결정 구조로 형성되는 압력 센서.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 플렉서블 기판인 압력 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기판은 폴리이미드를 포함하는 물질로 이루어진 압력 센서.
  14. 게이트 전극, 채널층 및 상기 게이트 전극과 채널층 사이에 위치하는 게이트 절연층을 포함하며, 상기 게이트 절연층이 유기물 매트릭스를 포함하고 이 유기물 매트릭스 내에 압전 무기물 나노입자가 분산되도록 형성된 센서 박막트랜지스터의 게이트에 압력 센싱 동작동안 교류 신호를 인가하는 단계와;
    상기 센서 박막트랜지스터의 게이트에 교류 신호가 인가되고 있는 상태에서 상기 센서 박막트랜지스터로부터 드레인 전류를 검출하는 단계와;
    상기 검출되는 드레인 전류를 이용하여 잔류 분극값을 얻고 이로부터 압력을 센싱하는 단계;를 포함하는 압력 센싱 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 게이트에 인가되는 교류 신호의 진폭을 VG amp, 상기 드레인 전류의 진폭을 ID amp , 상기 드레인 전류의 평균값을 ID mean이라 할 때, 상기 잔류 분극값은
    Figure 112012071836350-pat00011
    에 비례하며, 이 잔류분극값의 변화를 이용하여 가해지는 압력을 구분 가능하게 센싱하는 압력 센싱 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 인가되는 교류 신호는 0.001Hz 내지 1GHz의 주파수를 가지는 압력 센싱 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 인가되는 교류 신호의 진폭 전압은 0.01V-100V 범위인 압력 센싱 방법.
  18. 삭제
  19. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기물 매트릭스는 압전 유기물인 압력 센싱 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 압전 유기물은, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CtFE) 중에서 선택되는 압력 센싱 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 압전 무기물 나노입자는, Gallium orthophosphate (GaPO4), Langasite (La3Ga5SiO14), a quartz analogic crystal, Barium titanate (BaTiO3),Lead titanate (PbTiO3), Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi1-x]O3 0≤x≤1), Potassium niobate (KNbO3), Lithium niobate (LiNbO3), Lithium tantalate (LiTaO3), Sodium tungstate (Na2WO3), Zinc oxide (Zn2O3), Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Sodium potassium niobate ((K,Na)NbO3), Bismuth ferrite (BiFeO3), Sodium niobate NaNbO3, Bismuth titanate Bi4Ti3O12, Sodium bismuth titanate Na0.5Bi0.5TiO3 중에서 선택되는 압력 센싱 방법.
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