KR102110299B1 - 고감도 수소센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오일 내부에 삽입되어 오일에 함유된 수소를 고감도로 센싱할 수 있는 수소센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 수소센서는, 중앙부가 복수의 원뿔대 형상으로 이루어진 실리콘기판; 상기 실리콘기판 상에 적층된 제1 SiO2 층; 상기 실리콘기판의 중앙부의 주변부 중 일부에 적층된 2개의 금속층; 상기 금속층의 적어도 일부에 적층된 제2 SiO2 층; 및 상기 제1 SiO2 층 및 제2 SiO2 층에 적층된 Pd 층을 포함한다.

Description

고감도 수소센서 및 이의 제조방법{High sensitive hydrogen sensor in oil for sensing hydrogen contained within the oil and method for manufacturing the sensor}

본 발명은 고감도 수소센서에 관한 것으로서, 특히 오일 내부에 삽입되어 오일에 함유된 수소를 고감도로 센싱할 수 있는 수소센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

유압변압기 등과 같은 고전압 전력설비에는 오일을 절연유로 사용하고 있다. 이러한 전력설비는 고온, 고압의 환경에 노출되므로 열화가 진행됨에 따라 수소 가스의 농도가 증가하게 되므로 오일 내 수소의 농도를 측정하면 오일의 열화 여부를 체크할 수 있다. 실제 유압변압기의 경우 오일 내 용존수소가 1000ppm 이상이면 폭발의 위험이 있다고 보고되고 있다.

오일 내에 함유된 수소를 검출하는 방식으로 광학적인 방식, 점도측정방식, 전기화학적 방법, 가스 크로마토그래프 방식, 기체분리 방식 등이 알려져 있으나, 이러한 방식들은 측정 대상인 액체의 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 방식이 아니어서 현장에서 실시간으로 열화 여부를 판단할 수 없다.

종래에 오일 내 함유된 수소를 검출하는 수소센서가 제시되어 있다. 하지만 종래에 제시된 수소센서는 고분자 물질을 사용하거나 고체전기화학식 수소센서소자를 사용해야 하므로 제조비용이 증가하고 고감도 센싱이 어렵다는 문제점이 있다.

한국 등록특허 제1579484호 한국 등록특허 제1512189호 한국 등록특허 제0155307호

이에, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 오일 내에서 오일에 함유된 수소를 고감도로 감지할 수 있는 고감도 수소센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 수소센서는, 중앙부가 복수의 원뿔대 형상으로 이루어진 실리콘기판; 상기 실리콘기판 상에 적층된 제1 SiO2 층; 상기 실리콘기판의 중앙부의 주변부 중 일부에 적층된 2개의 금속층; 상기 금속층의 적어도 일부에 적층된 제2 SiO2 층; 및 상기 제1 SiO2 층 및 제2 SiO2 층에 적층된 Pd 층을 포함한다.

본 발명에서, 상기 2개의 금속층은 상기 실리콘기판의 양쪽 끝단부에 서로 대향하도록 각각 형성된다.

본 발명에서, 상기 금속층은 알루미늄(Al)을 포함한다.

본 발명에서, 상기 Pd 층은 Pd, Pd와 Mo의 혼합물, Pd와 Cr의 혼합물, 또는 Pd, Mo 및 Cr의 혼합물 중 선택된 하나를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수소센서의 제조방법은, 직육면체 형상의 실리콘기판의 중앙부를 복수의 원뿔대로 형성하는 제1단계; 상기 원뿔대를 포함한 실리콘기판 상에 제1 SiO2 층을 형성하는 제2단계; 상기 실리콘기판의 중앙부를 제외한 주변부의 일부의 위치에 있는 상기 제1 SiO2 층의 상면에 복수의 금속층을 형성하는 제3단계; 상기 금속층의 상면에 제2 SiO2 층을 형성하는 제4단계; 및 상기 제2 SiO2 층의 상면에 Pd 층을 형성하는 제5단계를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제1단계는, 상기 실리콘기판의 상면에 SiO2 층을 적층하는 적층단계; 상기 실리콘기판의 중앙부에 기설정된 크기와 간격으로 복수의 위치의 SiO2를 제외한 나머지 SiO2를 제거하는 제1제거단계; 상기 나머지 SiO2가 제거된 실리콘기판을 TMAH 용액 또는 KOH 용액에 일정시간 침지시켜 상기 SiO2가 남아있는 부분을 제외하고 나머지 실리콘기판을 식각하여 상기 실리콘기판의 중앙부를 상기 복수의 원뿔대로 형성하는 형성단계; 및 상기 복수의 원뿔대의 상면에 남아있는 SiO2를 제거하는 제2제거단계를 포함한다.

본 발명에서, 상기 형성단계에서 상기 실리콘기판은 깊이방향과 폭방향으로 식각되는 양이 서로 다르다.

본 발명에서, 상기 제거단계는, 상기 기설정된 크기와 간격으로 복수의 위치에 마스크를 유지하는 단계; 및 포토공정을 통해 상기 마스크에 대응되는 위치의 SiO2를 제외한 나머지 SiO2를 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제2제거단계는, CF4와 O2의 혼합가스를 이용한 플라즈마 환경에서 건식에칭(dry etching)을 통해 상기 SiO2를 제거한다.

본 발명에서, 상기 제3단계는, 상기 제1 SiO2 층의 상면에 금속층을 적층하는 단계; 및 상기 실리콘기판의 중앙부를 제외한 주변부의 일부의 위치에 대응하는 2개의 금속층을 제외하고 나머지 금속층을 에칭공정을 통해 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제4단계는, 상기 금속층의 상면의 일부에 상기 제2 SiO2를 직접 적층하거나 또는 상기 금속층 및 상기 제1 SiO2 층을 포함한 상면에 상기 제2 SiO2 층을 적층한 후, 상기 금속층 상에 마스크를 유지하여 기설정된 포토공정을 통해 상기 마스크에 대응되는 위치의 제2 SiO2를 제외한 나머지 제2 SiO2를 제거하여 상기 금속층 상면의 제2 SiO2 층을 형성한다.

본 발명에서, 상기 Pd 층은 Pd, Pd와 Mo의 혼합물, Pd와 Cr의 혼합물, 또는 Pd, Mo 및 Cr의 혼합물 중 선택된 하나를 포함한다.

본 발명에 의하면 오일 내부에 삽입되어 오일에 함유되어 있는 수소 가스를 고감도로 실시간 센싱이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면 수소센서를 오일 내부에 삽입하여 오일 내에 함유된 수소 가스를 검출함으로써 오일의 열화 정도를 실시간으로 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고감도 수소센서의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 A-A' 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고감도 수소센서의 제조를 위한 제조공정도이다.

이하, 본 발명의 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고감도 수소센서의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 수소센서의 A-A' 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 실시 예에 따른 고감도 수소센서(100)는 직육면체 형상의 실리콘기판(110)을 포함한다. 실리콘기판(110)의 중앙부(A)는 복수의 원뿔대(120)로 형성된다. 여기서 원뿔대(120)는 원뿔을 밑면에 평행한 평면으로 잘랐을 때 꼭짓점이 있는 위쪽을 뺀 나머지 부분으로 이루어진 입체도형을 말한다. 이러한 각 원뿔대(120)의 높이(L1)는 2~4㎛이고 윗면(121)의 폭(L2)은 350~450㎚이며 윗면(121) 간의 간격(L3)은 5~6㎛인 것이 바람직하다.

이처럼 중앙부(A)가 복수의 원뿔대(120)로 형성된 실리콘기판(110) 상에 제1 이산화규소(SiO2) 층(130)이 적층된다. 즉, 복수의 원뿔대(120)를 포함하여 실리콘기판(110)의 모든 영역에 제1 SiO2 층(130)이 적층된다.

또한, 실리콘기판(110) 상에서 중앙부(A)의 주변에 있는 주변부(B) 중 일부에 두 개의 금속층(140)이 각각 형성된다. 도면의 일례와 같이 금속층(140)은 실리콘기판(110)의 양쪽 끝단부에 서로 대향하도록 각각 형성될 수도 있다. 이러한 금속층(140)은 도전성을 갖는 도전체를 포함함이 바람직하며, 일례로 알루미늄(Al)층이 될 수 있다. 금속층(140)은 300㎚~1㎛의 두께로 적층됨이 바람직하다.

이로써 실리콘기판(110)의 중앙부(A)가 복수의 원뿔대(120) 형상으로 이루어지고 그 상면에 제1 SiO2 층(130)이 적층되며, 이러한 제1 SiO2 층(130)의 상면 중 주변부(B)에 대응하는 위치에 2개의 금속층(140)이 각각 형성되는 것이다.

또한, 각 금속층(140)의 상부에 제2 SiO2 층(150)이 각각 적층된다.

또한, 복수의 원뿔대(120)에 적층된 제1 SiO2 층(130)과 제2 SiO2 층(150)의 상면에 각각 팔라듐(Pd) 층(160)이 형성된다. 이러한 Pd 층(160)은 순수 Pd를 포함할 수도 있고, Pd와 Mo의 혼합물, Pd와 Cr의 혼합물, 또는 Pd, Mo 및 Cr의 혼합물 중 하나를 포함할 수도 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 수소센서(100)는 실리콘기판(110)의 일부를 복수의 원뿔대(120)로 형성하고 이에 Pd 층(160)을 형성함으로써 Pd 층(160)이 수소와 접촉하는 면적을 증대시켜 수소감지 성능이 향상되도록 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고감도 수소센서의 제조를 위한 제조공정도이다.

도 3을 참조하면, (a)에는 직육면체 형상의 실리콘기판(110)에 SiO2 층(111)을 적층한다. 이러한 SiO2 층(111)의 적층에는 예컨대 PECVD 공법을 이용할 수 있다. (b)에는 복수의 마스크(112)를 기설정된 개수와 간격으로 유지한 채 기설정된 포토공정을 통해 마스크(112)에 대응되는 위치의 SiO2(113)를 제외한 나머지 SiO2를 제거하도록 한다. 이와 같이 일부 SiO2가 제거된 형상이 (c)에 도시된다.

(d)에는 (c)의 결과물을 TMAH 용액 또는 KOH 용액에 침지시키는 공정을 나타낸다. 이러한 침지공정은 80~90℃의 TMAH 용액 또는 KOH 용액에 90~150초로 담그도록 한다.

이러한 침지공정에 의해 (e)와 같이 SiO2가 남아있는 부분을 제외하고 나머지 실리콘기판(110)은 식각된다. 이때, 침지공정에서 실리콘기판(110)이 식각될 때 실리콘기판(110)의 특성상 깊이와 폭은 식각되는 정도가 다르다. 즉, 본 실시 예에서는 깊이방향과 폭방향으로 식각되는 양이 서로 다른 실리콘기판(110)을 마련하도록 한다.

이와 같이 실리콘기판(110)의 깊이와 폭의 식각정도가 다르기 때문에 (e)와 같이 실리콘기판(110)은 그 일부(중앙부)가 복수의 원뿔대(120) 형상으로 만들어지는 것이다. 다시 말하면, SiO2가 남아있는 부분은 식각되지 않아 각 원뿔대(120)의 윗면(121)이 되고, 나머지 SiO2가 없는 부분은 식각되는 것이다. 원뿔대(120)의 높이(L1)는 2~4㎛이고 윗면(121)의 폭(L2)은 350~450㎚이며 윗면(121) 간의 간격(L3)은 5~6㎛인 것이 바람직하다.

(f)는 각 원뿔대(120)의 윗면(121)에 각각 남아있는 SiO2를 제거한 결과를 도시한다. 이러한 SiO2 제거를 위해 예컨대 RIE 장비에서 CF4와 O2의 혼합가스를 이용한 플라즈마 환경에서 건식에칭(dry etching)을 실시한다.

다음으로, 도 4를 참조하여 수소센서의 제조방법을 이어서 설명한다. 도 4에서 (a)는 도 3에 도시된 (f)의 형상에서 A-A' 단면을 도시한 것이다. (a)에는 실리콘기판(110)의 중앙부(A)가 복수의 원뿔대(120) 형상으로 이루어진 구성을 도시한다.

(b)에서는 이러한 실리콘기판(110)의 상면에 제1 SiO2 층(130)이 적층된다.

(c)에서는 제1 SiO2 층(130)의 상면 중 실리콘기판(110)에서 중앙부(A)를 제외한 주변부(B)의 일부의 위치에 금속층(140)을 적층한다. 도면에는 도시하지 않았으나 다른 예로서 제1 SiO2 층(130)의 상면에 금속층(140)을 0.5~1㎛의 두께로 증착한 후, 실리콘기판(110)에서 중앙부(A)를 제외한 주변부(B)의 일부의 위치에 대응하는 금속층(140)을 제외하고 나머지 금속층은 소정의 에칭공정을 통해 제거할 수도 있다. 이러한 공정을 통해 (c)와 같이 실리콘기판(110)의 주변부(B) 중 2군데에 각각 금속층(140)이 남아있게 된다. 금속층(140)은 도전성의 도체를 포함하며, 일례로 Al층으로 형성될 수 있다.

(d)에서는 각 금속층(140)의 상면의 적어도 일부에 제2 SiO2 층(150)을 적층한다. 이러한 제2 SiO2 층(150)은 일례로 각 금속층(140)의 상면의 일부에 직접 적층될 수도 있고, 다른 예로 (d)에서 2개의 금속층(140) 및 제1 SiO2 층(130)을 포함한 전체 상면에 제2 SiO2 층(150)을 적층한 후, 각 금속층(140) 상에 원하는 크기의 마스크(미도시)를 유지한 채 기설정된 포토공정을 통해 해당 마스크에 대응되는 위치의 SiO2를 제외한 나머지 SiO2를 제거함으로써 2개의 제2 SiO2 층(150)만 남기도록 할 수도 있다. 제2 SiO2 층(150)은 금속층(140)의 절연 및 산화방지를 위한 것이다.

(e)에서는 Pd 층(160)을 제2 SiO2 층(150)과 각 원뿔대(120)에 적층된 제1 SiO2 층(130)의 상면에 각각 적층한다. 이때, Pd 층(160)은 Pd, Pd와 Mo의 혼합물, Pd와 Cr의 혼합물, Pd, Mo, Cr의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 Pd 층(160)은 수소감지 기능을 수행한다.

이와 같이 제조된 수소센서에서는 Pd 층(160)에 접촉되는 수소가스에 의해 전극에 유도되는 전압의 크기에 따라 수소의 양을 센싱하도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 실리콘기판의 일부 영역이 복수의 원뿔대 형상으로 이루어지도록 하고 그 원뿔대의 표면에 SiO2 층과 Pd 층을 적층하여 Pd층의 면적이 더 증가하도록 한다. 이는 Pd층의 면적의 증대로 수소와 접촉하는 면적이 커지도록 하기 위한 것이다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 실리콘기판 120 : 원뿔대
130 : 제1 SiO2 층 140 : 금속층
150 : 제2 SiO2 층 160 : Pd 층

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 직육면체 형상의 실리콘기판의 중앙부를 복수의 원뿔대로 형성하는 제1단계;
   상기 원뿔대를 포함한 실리콘기판 상에 제1 SiO2 층을 형성하는 제2단계;
   상기 실리콘기판의 중앙부를 제외한 주변부의 일부의 위치에 있는 상기 제1 SiO2 층의 상면에 복수의 금속층을 형성하는 제3단계;
   상기 금속층의 상면에 제2 SiO2 층을 형성하는 제4단계; 및
   상기 제2 SiO2 층의 상면에 Pd 층을 형성하는 제5단계를 포함하며,
   상기 제1단계는,
   상기 실리콘기판의 상면에 SiO2 층을 적층하는 적층단계;
   상기 실리콘기판의 중앙부에 기설정된 크기와 간격으로 복수의 위치의 SiO2를 제외한 나머지 SiO2를 제거하는 제1제거단계;
   상기 나머지 SiO2가 제거된 실리콘기판을 TMAH 용액 또는 KOH 용액에 일정시간 침지시켜 상기 SiO2가 남아있는 부분을 제외하고 나머지 실리콘기판을 식각하여 상기 실리콘기판의 중앙부를 상기 복수의 원뿔대로 형성하는 형성단계; 및
   상기 복수의 원뿔대의 상면에 남아있는 SiO2를 제거하는 제2제거단계를 포함하며,
   상기 제1제거단계는,
   상기 기설정된 크기와 간격으로 복수의 위치에 마스크를 유지하는 단계; 및
   포토공정을 통해 상기 마스크에 대응되는 위치의 SiO2를 제외한 나머지 SiO2를 제거하는 단계를 포함하며,
   상기 제3단계는,
   상기 제1 SiO2 층의 상면에 금속층을 적층하는 단계; 및
   상기 실리콘기판의 중앙부를 제외한 주변부의 일부의 위치에 대응하는 2개의 금속층을 제외하고 나머지 금속층을 에칭공정을 통해 제거하는 단계를 포함하며,
   상기 제4단계는,
   상기 금속층의 상면의 일부에 상기 제2 SiO2를 직접 적층하거나 또는 상기 금속층 및 상기 제1 SiO2 층을 포함한 상면에 상기 제2 SiO2 층을 적층한 후, 상기 금속층 상에 마스크를 유지하여 기설정된 포토공정을 통해 상기 마스크에 대응되는 위치의 제2 SiO2를 제외한 나머지 제2 SiO2를 제거하여 상기 금속층 상면의 제2 SiO2 층을 형성하도록 하는 수소센서의 제조방법.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서, 상기 형성단계에서 상기 실리콘기판은 깊이방향과 폭방향으로 식각되는 양이 서로 다른 수소센서의 제조방법.
8. 삭제
9. 제5항에 있어서, 상기 제2제거단계는,
   CF4와 O2의 혼합가스를 이용한 플라즈마 환경에서 건식에칭(dry etching)을 통해 상기 SiO2를 제거하는 수소센서의 제조방법.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제5항에 있어서, 상기 Pd 층은 Pd, Pd와 Mo의 혼합물, Pd와 Cr의 혼합물, 또는 Pd, Mo 및 Cr의 혼합물 중 선택된 하나를 포함하는 수소센서의 제조방법.

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