KR101974983B1 - Hemt 수소센서 - Google Patents

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한혁수
정영규
이창우
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 게이트에 수소를 감지할 수 있는 물질이 담지된 HEMT 수소센서에 관한 기술로서, 기판과, 기판 상부에 적층되는 버퍼층과, 버퍼층 상부에 적층되고 2차원 전자가스 채널을 포함하는 채널 형성층과, 채널 형성층 상부에 적층되어 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 채널 공급층과, 채널 공급층 상부에 적층되는 소스와, 채널 공급층 상부에 적층되는 드레인과, 채널 공급층 상부에 적층되는 게이트와, 게이트 상부에 코팅된 수소검출층을 포함한다.

Description

HEMT 수소센서 {HEMT HYDROGEN SENSOR}
본 발명은 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 수소센서에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 게이트에 수소를 감지할 수 있는 물질이 담지된 HEMT 수소센서에 관한 기술이다.
헤테로 구조 FET(Heterostructure FET; HFET) 또는 변조 도핑 FET (Modulation-doped FET; MODFET)로도 알려진 HEMT(High Electron Mobility Transistor)는 도핑 영역 대신 채널과는 다른 밴드 갭을 갖는 두 물질 사이의 접합을 통합하는 전계 효과 트랜지스터이다. 일반적으로 사용되는 재료 조합은 AlGaAs가 포함 된 GaAs이지만 소자의 응용에 따라 폭 넓은 편차가 있다. 보다 많은 인듐을 포함하는 장치는 일반적으로 고주파 성능이 우수하지만, 최근에는 질화 갈륨 HEMT가 고출력 성능으로 인해 주목을 받고 있다. 다른 FET와 마찬가지로, HEMT는 집적 회로에서 디지털 온-오프 스위치로 사용된다. FET는 작은 전압을 제어 신호로 사용하여 많은 양의 전류를 앰프로 사용할 수도 있다. 이 두 가지 용도 모두 FET 고유의 전류-전압 특성에 의해 가능해진다. HEMT 트랜지스터는 밀리미터 파 주파수까지 일반 트랜지스터보다 높은 주파수에서 작동 할 수 있음에 따라, 휴대전화, 위성 TV 수신기, 전압 변환기 및 레이더 장비와 같은 고주파 제품에 주로 이용된다.
한편, 화석연료는 온실가스 및 미세먼지를 발생시켜 세계적으로 환경문제를 야기하고 있다. 또한, 화선연료의 고갈이 전망됨에 따라, 신재생에너지 및 친환경에너지의 필요성이 대두되고 있다. 화석연료를 대체 연료로서 수소가스가 주목받고 있다. 수소는 기존의 화석연료 시스템에 큰 변경 없이 적용 가능하고, 친환경적이기 때문에 장래 연료로 활용하기 위해 다양한 연구가 실시중이다. 하지만, 수소의 가장 큰 문제는 폭발성이 강하기 때문에 소량만 누출되더라도 대형 사고가 발생될 수 있는 위험을 내재하고 있다.
이에 따라, 안전한 수소 연료의 이용을 위해서는 높은 민감도로 수소의 누출을 검출할 수 있는 센서가 요구되고 있다. 종래의 수소센서에는 접촉 연소식 센서, 금속산화물 반도체식 센서, 전기 화학식 센서, 광 검출식 센서, 금속 흡수식 센서, FET 식 센서가 있다.
접촉 연소식 센서는 저항변화로 수소를 검출하는 센서로서, 온/습도의 영향을 적게 받고, 5년 이상의 긴 수명을 가지는 장점이 있다. 그러나, 기계적 충격에 약하고, 장시간 사용 시 감도저하가 나타남에 따라 차량과 같이 반복적인 진동과 충격이 발생되는 환경에는 적합하지 않다.
금속산화물 반도체식 센서는 저항변화로 수소를 검출하는 센서로서, 고감도인 장점이 있으나, 온/습도의 영향이 크고, 섭씨 200도 이상의 높은 동작온도가 필요하여 오히려 수소 폭발을 야기할 수 있는 문제가 있다.
전기 화학식 센서는 기전력 변화로 수소를 검출하는 센서로서, 고감도인 장점이 있으나, 온/습도의 영향을 크게 받고, 2년 미만의 짧은 수명을 가지기 때문에 상품화에 적합하지 않다.
광 검출식 센서는 색 또는 반사율 변화로 수소를 검출하는 센서로서, 소자 내에 전기회로가 불필요한 장점이 있으나, 상대적으로 응답속도가 느리고, 감도가 낮은 단점이 있다.
금속 흡수식 센서는 부피변화로 수소를 검출하는 센서로서, 가스선택성이 우수하고, 고감도이며, 응답성이 신속한 장점이 있으나, 기계적 특성이 취약하고, 장시간 사용 시 신뢰성이 크게 떨어지며, 섭씨 100도 이상의 높은 동작온도가 필요한 문제가 있다.
또한, 대다수의 종래 수소 검출 센서는 백금, 팔라듐과 같은 귀금속이 재료로 사용되기 때문에 제조단가가 높은 문제도 있다.
따라서, 난방, 자동차, 발전 등 다양한 분야에서 수소 연료가 안전하게 이용되기 위해서는 기계적 특성이 우수하고, 장시간 안정적으로 동작하며, 저렴하게 제조할 수 있는 고 내구성의 수소 센서가 요구되고 있다.
한국등록특허공보 특0155307
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 게이트에 수소를 감지할 수 있는 물질이 담지된 HEMT 수소센서를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 HEMT 수소센서는, 기판과, 상기 기판 상부에 적층되는 버퍼층과, 상기 버퍼층 상부에 적층되고 2차원 전자가스(two-dimensional electron gas) 채널을 포함하는 채널 형성층과, 상기 채널 형성층 상부에 적층되어 상기 채널 형성층에 상기 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 채널 공급층과, 상기 채널 공급층 상부에 적층되는 소스와, 상기 채널 공급층 상부에 적층되는 드레인과, 상기 채널 공급층 상부에 적층되는 게이트와, 상기 게이트 상부에 코팅된 수소검출층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소검출층은 환원그래핀산화물인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 환원그래핀산화물은 상기 게이트 상부에 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식으로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 환원그래핀산화물은 수소 가스의 흡착력을 향상시키기 위해 Co, V, Pd, Pt 중에서 선택된 적어도 하나 내지는 둘 이상의 전이금속이 도핑된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전이금속은 상기 게이트와 대향되는 면에는 도핑되지 않은 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 환원그래핀산화물은 전기전도성 향상 및 상기 전이금속의 도핑 사이트 형성을 위해 질소가 도핑되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전이금속 및 상기 질소는 원팟(one-pot) 도핑되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 환원그래핀산화물은 비표면적 향상을 위해 동결 건조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 HEMT 수소센서는 표면의 손상 방지를 위해 패시베이션(passivation) 처리 된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 HEMT 수소센서에 따르면 아래와 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 환원그래핀산화물이 수소를 검출하는 주요 재료로 이용되므로, 종래의 금, 백금, 팔라듐 등 귀금속을 주촉매로 이용하는 수소센서보다 저렴하게 제조할 수 있다.
둘째, 본 발명의 그래핀산화물은 질소 및 전이금속이 원팟 도핑됨에 따라 제조가 보다 용이하게 된다.
셋째, 본 발명의 그래핀산화물은 랭뮤어 블로드젯 공법을 이용하여 프린팅 방식보다 더 미소한 높이로 게이트에 코팅됨에 따라 HEMT 수소센서의 민감도가 크게 향상된다.
넷째, 본 발명은 수소 흡착력이 높은 전이금속이 게이트에 마주보는 영역에만 도핑되고, 게이트와 대향되는 영역에는 도핑되지 않기 때문에 그래핀산화물이 수소 분자만 선택적으로 전이금속에 접근하게 하는 여과막 기능을 하여 검출 값의 신뢰도가 크게 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HEMT 수소센서의 단면도.
도 2는 환원그래핀산화물에 코발트 또는 바나듐이 도핑된 것을 나타낸 도면.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 HEMT 수소센서에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HEMT 수소센서는 기판과, 기판 상부에 적층되는 버퍼층과, 버퍼층 상부에 적층되고 2차원 전자가스(two-dimensional electron gas) 채널을 포함하는 채널 형성층과, 채널 형성층 상부에 적층되어 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 채널 공급층과, 채널 공급층 상부에 적층되는 소스와, 채널 공급층 상부에 적층되는 드레인과, 채널 공급층 상부에 적층되는 게이트와, 게이트 상부에 코팅된 수소검출층을 포함한다.
기판은, 예를 들면 사파이어 기판일 수 있다. 버퍼층은 예를 들면 AlN 또는 AlGaN의 적층일 수 있다. 버퍼층 상에 채널 형성층 및 채널 공급층이 순차적으로 적층되어 있다. 채널 형성층과 채널 공급층은 분극율이 다르고 밴드 갭이 다른 반도체층일 수 있다. 채널 형성층의 분극률과 밴드 갭은 채널 공급층보다 작을 수 있다. 채널 형성층은 반도체층으로써, 예를 들면 GaN층이나 InGaN층일 수 있고, AlGaN층/GaN층일 수도 있다. 채널 형성층은 2차원 전자가스 채널을 포함한다.
채널 형성층 상에 채널 공급층이 적층되어 있다. 채널 공급층은 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널을 형성시키는 층, 혹은 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 층이다.
채널 공급층은 채널 형성층보다 분극률이 큰 반도체층이다. 채널 공급층과 채널 형성층 사이의 분극률 차이에 따라 채널 공급층에 분극이 나타나고, 상기 분극에 의해 채널 공급층과 접촉하는, 곧, 채널 공급층과 접촉하는 채널 형성층의 계면에 2차원 전자가스가 생성된다. 이렇게 해서, 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널이 형성된다.
채널 공급층은 AlGaN층, AlN층 또는 AlInN층일 수 있다. 채널 공급층의 두께는, 예를 들면 1~100nm 또는 그 이상일 수 있다.
채널 공급층 상에 소스, 게이트 및 드레인이 존재한다. 소스와 드레인은 게이트를 중심으로 마주하게 배치된다. 게이트와 소스 및 드레인은 서로 다른 물질일 수 있다.
다른 실시예로서, HEMT에 해당되는 기판과 버퍼층의 상이, 버퍼층과 채널 형성층의 사이, 채널 형성층과 채널 공급층의 사이에는 별도의 층이 추가 적층될 수 있다. 또한, 채널 공급층과 소스, 게이트, 드레인 중 적어도 어느 하나의 사이에는 별도의 층이 추가 적층될 수 있다.
수소검출층은 환원그래핀산화물이 될 수 있다. 그래핀산화물은 수소분위기에서 쉽게 환원되는 성질이 있는데, 수소가스가 접촉되면 그래핀산화물의 표면 전하 상태가 변화된다. 따라서, 환원그래핀산화물의 전위 변화, 저항 변화 등을 모니터링하면 수소분자의 접촉 여부를 검출할 수 있게 된다. 환원그래핀산화물에는 수소분자가 반데르발스 포스 방식으로 결합되기 때문에 환원그래핀산화물에 붙은 수소분자를 제거하기가 용이하다. 반면, 종래의 수소검출 센서에 이용되는 금, 백금, 팔라듐과 같은 귀금속 재료에서는 온도가 높아질수록 응집현상이 심화되어 촉매 크기가 조대화 되기 때문에 수소분자가 귀금속 내부로 침투하는 현상이 발생되어 수소분자를 제거하는데 어려움이 있다. 따라서, 환원그래핀산화물은 종래 귀금속 기반의 수소검출 물질보다 재사용이 용이하다. 또한, 그래핀은 귀금속보다 재료비용이 저렴한 장점도 있다.
한편, HEMT의 게이트에 적층된 환원그래핀산화물은 단독으로 게이트에 전위 변화를 발생시키기에는 에너지가 미비할 수 있다. 따라서, 환원그래핀산화물은 수소 가스의 흡착력을 향상시켜 보다 큰 전위 변화를 발생시키기 위해 Co, V, Pd, Pt 중에서 선택된 적어도 하나 내지는 둘 이상의 전이금속이 도핑된다.
도 2를 참조하면, 코발트(Co), 바나듐(V)과 같은 전이금속은 환원그래핀산화물에 안정적으로 도핑된다.
또한, 환원그래핀산화물은 질소(N)도 도핑된다. 질소로 도핑된 환원그래핀산화물은 전기전도성이 향상된다. 또한, 환원그래핀산화물에 전이금속의 도핑 사이트가 형성되게 한다.
특히, 전이금속 및 질소는 환원그래핀산화물에 원팟(one-pot) 도핑될 수 있다. 예를 들어, 그래핀산화물 솔루션에 암모니아 및 전이금속 전구체를 녹인 후 약 섭씨 70도에서 환류(Refluxing)를 실시하는 것으로 전이금속 및 질소의 원팟 도핑을 실시할 수 있다. 전이금속 및 질소가 원팟 도핑되면 제조공정이 보다 간소화되어 환원그래핀산화물의 양산이 더 유리해진다.
또한, 환원그래핀산화물은 제조 공정 중 동결 건조된다. 동결 건조된 환원그래핀산화물은 더 많은 기공이 확보되어 비표면적이 향상된다. 예를 들어, 동결 건조의 온도는 액체 질소의 기화 온도가 약 섭씨 -196도 이므로 약 섭씨 -180도 내지 -200도의 온도로 설정할 수 있다.
또한, 전이금속은 게이트와 대향되는 면에는 도핑되지 않은 것을 특징으로 할 수 있다. 수소분자는 그래핀 구조의 미소한 기공을 통과할 수 있으나, 다른 물질은 기공을 통과하기가 어렵다. 즉, 전이금속이 환원그래핀산화물의 게이트와 마주보는 영역에만 도핑되고, 게이트와 대향되는 면에 도핑되지 않으면, 수소분자 이외의 물질은 전이금속으로 접근할 수 없게 된다. 따라서, 전이금속과 반응하는 수소 외의 이종물질이 수소검출층에 접촉되더라도 상기 이종물질은 전이금속에 접근할 수 없게 된다. 수소검출층의 게이트와 마주보는 영역은 주 수소검출 영역, 게이트와 대향되는 영역은 보조 수소검출 영역 및 수소가스만 통과시키는 여과막 영역이 된다. 수소 이외에 전이금속과 반응할 수 있는 이종물질이 차단됨에 따라, 수소검출층이 코팅된 HEMT 수소센서는 수소 검출 기능의 신뢰성이 향상된다.
수소검출층은 게이트 상부에 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식으로 코팅될 수 있다. HEMT는 수십 나노미터의 미소한 두께로 제조되는 박막형 소자이다. 환원그래핀산화물을 잉크화 하고, 프린팅 공정으로 인쇄하는 방식으로는 미소한 HEMT 소자의 게이트에 환원그래핀산화물을 적층하기가 매우 곤란하다. 또한, 프린팅 공정을 이용할 경우 환원그래핀산화물 층이 랭뮤어 블로드젯 방식보다 상대적으로 두껍게 형성(수 마이크로미터 내지 수 밀리미터 스케일)되는데, 환원그래핀산화물 층이 두꺼우면 오히려 게이트와의 전기전도도가 저감되어 HEMT 수소센서의 민감도가 약해지게 된다. 반면, 랭뮤어 블로드젯 방식을 이용하면 단원자층의 코팅이 가능하다. 게이트에 환원그래핀산화물이 단원자층 두께로 코팅되면 게이트와의 전기전도도가 크게 향상되므로 HEMT 수소센서의 민감도가 크게 향상될 수 있게 된다.
랭뮤어 블로드젯 공정은 먼저 수면에 수소검출층의 재료를 투입하여 수면 상에 떠 있게 준비하고, 수소검출층의 재료가 떠 있는 수면을 압축(compress)하는 것으로 수소검출층의 재료를 정렬한 후, HEMT 소자의 게이트를 수면에 입출시키는 것으로 실시될 수 있다.
환원그래핀산화물에서 전이금속이 게이트와 대향되는 면에 도핑되지 않는 실시예의 경우, 예를 들어, 전이금속이 도핑된 그래핀산화물이 투입된 제1 수조와 전이금속이 도핑되지 않은 그래핀산화물이 투입된 제2 수조를 준비하고, HEMT의 게이트를 제1 수조와 제2 수조에 순차적으로 입출시키는 것으로 랭뮤어 블로드젯 공정이 실시될 수 있다.
HEMT 수소센서는 표면의 손상 방지를 위해 패시베이션(passivation) 처리 된다. 패시베이션 처리는 채널 공급층 상부에 표면산화막이 형성되는 것으로 실시될 수 있다. 표면산화막은 채널 공급층이 손상되는 것으로 방지하여 채널 공급층 손상에 의한 수소 검출 민감도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 패시베이션 처리는 게이트만 개방된 형태로 주변 영역에 실시되므로 랭뮤어 블로드젯 공정 중 게이트 외 다른 부위에 수소검출층의 재료가 코팅되더라도 게이트에만 수소검출층의 신호가 전달되어 HEMT 소자의 오작동을 방지하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110 : 기판 120 : 버퍼층
130 : 채널 형성층 132 : 2차원 전자가스 채널
140 : 채널 공급층 150S : 소스
150D : 드레인 160 : 게이트
170 : 수소검출층 172 : 조촉매 도핑층
180 : 패시베이션층

Claims (9)

  1. 기판과;
    상기 기판 상부에 적층되는 버퍼층과;
    상기 버퍼층 상부에 적층되고 2차원 전자가스(two-dimensional electron gas) 채널을 포함하는 채널 형성층과;
    상기 채널 형성층 상부에 적층되어 상기 채널 형성층에 상기 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 채널 공급층과;
    상기 채널 공급층 상부에 적층되는 소스와;
    상기 채널 공급층 상부에 적층되는 드레인과;
    상기 채널 공급층 상부에 적층되는 게이트와;
    상기 게이트 상부에 코팅된 수소검출층을 포함하고,
    상기 수소검출층은 환원그래핀산화물이며,
    상기 환원그래핀산화물은 상기 게이트와의 전기전도도 향상을 위해, 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식을 이용하여 단원자층으로 코팅되고,
    상기 환원그래핀산화물은 수소 가스의 흡착력을 향상시키기 위해 Co, V 중에서 선택된 적어도 하나 내지는 둘의 전이금속이 도핑되며,
    상기 전이금속은 상기 게이트와 마주보는 영역에 도핑되고, 상기 게이트와 대향되는 면에는 도핑되지 않아, 상기 환원그래핀산화물이 수소분자 이외의 물질은 상기 전이금속으로 접근할 수 없게 여과막 기능을 하는 것을 특징으로 하는 HEMT 수소센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환원그래핀산화물은 전기전도성 향상 및 상기 전이금속의 도핑 사이트 형성을 위해 질소가 도핑되는 것을 특징으로 하는 HEMT 수소센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전이금속 및 상기 질소는 원팟(one-pot) 도핑되는 것을 특징으로 하는 HEMT 수소센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 환원그래핀산화물은 비표면적 향상을 위해 동결 건조되는 것을 특징으로 하는 HEMT 수소센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 HEMT 수소센서는 표면의 손상 방지를 위해 패시베이션(passivation) 처리 된 것을 특징으로 하는 HEMT 수소센서.
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KR20170109785A (ko) * 2016-03-22 2017-10-10 재단법인대구경북과학기술원 그래핀-환원된 그래핀 산화물 복합체 및 이의 제조방법

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