KR102609959B1 - 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 박막 트랜지스터를 이용한 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 전계효과 트랜지스터를 포함하여 이루어지는 가스 센서를 제공하고, 상기 가스센서는 채널층이 제1두께의 유기 반도체 층으로 이루어지는 제1트랜지스터 및 채널층이 상기 제1두께와 다른 제2두께의 유기 반도체 층으로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 서로 다른 소재로 이루어진 트랜지스터를 이용할 필요없이, 유기 박막 트랜지스터에 포함된 유기 반도체 층의 두께를 변화시킴으로써, 서로 다른 종류의 기체들을 구분하여 감지할 수 있는 가스 센서를 제공할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 유기 박막 트랜지스터를 이용한 가스 센서에 관한 것이다.
일반적으로 사람들은 실내 생활에서 생활하는 시간이 전체 시간의 약 85%를 차지한다. 즉, 사람들은 실외보다는 실내에서 대부분의 시간을 보낸다. 실내에는 실외보다 많은 오염물질이 존재한다. 구체적으로, 실내에는 가구, 건축자재 및 음식조리 등 각종 오염원으로부터 발생된 오염물질이 존재한다.
한편, 유기 박막 트랜지스터(organic thin-film transistor)는 트랜지스터의 채널에 유기 반도체 기술을 사용한 트랜지스터이다. 유기박막트랜지스터를 이용한 센서는 타겟물질이 화학적 정보를 미세한 농도에서도 선택성 높게 전기적 신호로 변환하여 매우 정확하게 특정 화학물질을 감지해 낼 수 있다.
한편, 유기 박막 트랜지스터는 고감도 특성 이외에서 소형화 제작이 용이하다는 장점이 있어, 다양한 분야에 적용될 가능성이 높다.
본 발명은 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기박막 트랜지스터를 이용하여 서로 다른 종류의 기체를 구분하여 감지할 수 있는 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수의 전계효과 트랜지스터를 포함하여 이루어지는 가스 센서를 제공하고, 상기 가스센서는 채널층이 제1두께의 유기 반도체 층으로 이루어지는 제1트랜지스터 및 채널층이 상기 제1두께와 다른 제2두께의 유기 반도체 층으로 이루어진다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2트랜지스터는, 기판, 상기 기판 위에 배치되는 게이트 전극, 상기 게이트 전극을 덮도록 배치되는 절연막, 상기 절연막 위에 배치되는 소스 및 드레인 전극 및 상기 절연막 위에 배치되고, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 배치되는 유기 반도체층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 유기 반도체층은 diketopyrrolopyrrole-thieno[3,2-b]thiophene로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1두께는 1 내지 5nm인 것을 특징으로 하고, 상기 제2두께는 8 내지 12nm일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 가스 센서는 암모니아, 에탄올 및 에틸렌 기체 중 적어도 하나를 선택적으로 검출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 소재로 이루어진 트랜지스터를 이용할 필요 없이, 유기 박막 트랜지스터에 포함된 유기 반도체 층의 두께를 변화시킴으로써, 서로 다른 종류의 기체들을 구분하여 감지할 수 있는 가스 센서를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 센서에 포함된 전계효과 트랜지스터의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 3b는 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 4b는 서로 다른 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에탄올 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 5b는 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에틸렌 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 서로 다른 기체 노출되었을 때, 파라메터의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 3b는 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 4b는 서로 다른 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에탄올 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 5b는 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에틸렌 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 서로 다른 기체 노출되었을 때, 파라메터의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 가스 센서는 유기 박막 트랜지스터를 이용하여 구현된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 가스 센서는 복수의 전계효과 트랜지스터를 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 가스 센서는 채널층이 제1두께의 유기 반도체 층으로 이루어지는 제1트랜지스터 및 채널층이 상기 제1두께와 다른 제2두께의 유기 반도체 층으로 이루어지는 제2트랜지스터를 포함한다.
이하에서는, 상기 제1 및 제2트랜지스터에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 센서에 포함된 전계효과 트랜지스터의 구조를 나타내는 개념도이다.
상기 제1 및 제2 트랜지스터는 기판(110)위에 형성될 수 있으며, 게이트(120), 소스(151) 및 드레인(152) 전극을 포함한다.
도 1을 참조하면, 게이트(120) 전극은 기판(110)위에 형성될 수 있다. 전계효과 트랜지스터는 게이트(120) 전극의 위치에 따라 크게 두 가지로 분류될 수 있다.
첫 번째로, 게이트 전극이 소스 및 드레인 전극보다 상부에 위치하는 구조이다. 이러한 경우, 기판 위에는 소스 및 드레인 전극이 형성될 수 있다. 두 번째로, 게이트 전극이 소스 및 드레인 전극보다 하부에 위치하는 구조이다. 이러한 경우, 도 1과 같이, 기판 위에는 게이트 전극이 위치할 수 있다.
게이트 전극이 하부에 위치하는 경우, 후술할 유기 반도체층이 외부와 접촉하는 면적이 넓어진다. 이에 따라, 센서의 감도가 향상될 수 있다. 다만, 이는 일 실시 예에 불과하며, 본 발명의 가스 센서에 포함된 트랜지스터는 게이트 전극이 소스 및 드레인 전극보다 상부에 위치하는 구조를 가질 수 있다.
기판(210)은 글라스로 이루어질 수 있다. 한편, 기판(210)은 연성을 갖는 플라스틱(고분자화합물 또는 합성수지)으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱은 폴리에틴렌 테리프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리스타이렌(polystyrene, PS) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
게이트(120) 전극 위에는 절연막(130)이 형성될 수 있다. 절연막(130)은 게이트(120) 전극과 소스(151) 및 드레인(152) 전극을 전기적으로 분리시킨다. 절연막(130)은 SiO2로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
소스(151) 및 드레인(152) 전극은 절연막(130) 위에 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 트랜지스터는 대칭형 소자로, 소스 및 드레인 전극의 구조적인 차이는 없고, 양 전극에 전압을 인가하였을 때, 양전극에 인가된 전압 값에 따라 소스 및 드레인 전극이 결정된다.
한편, 상기 게이트 및 소스 전극에 전압이 인가되면 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 채널 층이 형성된다. 이는, 기 공지된 전계 효과 트랜지스터와 동일 하므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 제1 및 제2 트랜지스터는 채널 층이 유기 반도체 층(140)으로 이루어진다. 구체적으로, 유기 반도체 층(140)은 절연막(130) 위에 배치되고, 소스(151) 및 드레인(152) 전극 사이에 배치된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 및 제2트랜지스터는 절연막 위에 유기 반도체 층이 배치되고, 유기 반도체 층 위에 소스 및 드레인 전극이 배치되는 구조를 가질 수 있다.
유기 반도체 층(140)은 타겟물질을 흡착한다. 이에 따라, 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류량이 감소한다. 본 발명에 따른 센서는 이러한 전류 변화를 감지하여 기체를 검출할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 센서는 상기 전류 변화에 한정되지 않고, 타켓물질이 유기 반도체 층(140)에 흡착됨에 따라 발생하는 트랜지스터의 특성변화를 이용하여 기체를 검출할 수 있다.
하지만, 유기 반도체 층은 유기 반도체 층에 흡착되는 모든 기체에 대하여 반응성을 가질 수 있다. 따라서, 한 종류의 트랜지스터를 이용한 가스센서는 서로 다른 기체를 구분하여 감지하기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 유기 반도체 층(140)이 그 두께에 따라 가스에 대한 서로 다른 민감도를 가지는 것을 활용한다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 유기 박막 트랜지스터에 포함된 유기 반도체 층의 두께가 얇아질수록, 암모니아에 대한 민감도가 높아지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 유기 반도체층의 두께에 따른 민감도 변화량은 기체의 종류에 따라 다를 수 있다.
도 3a 및 3b는 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 5nm 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타낸다. 한편, 도 3b는 12nm 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타낸다.
도 3a와 3b를 비교하면, 5nm 두께의 유기 반도체 층이 12nm 두께의 유기 반도체 층보다 암모니아 기체에 대한 높은 민감도를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
도 4a 및 4b는 서로 다른 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에탄올 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 5nm 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에탄올 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타낸다. 한편, 도 4b는 12nm 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 암모니아 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타낸다.
도 4a와 4b를 비교하면, 유기 반도체 층의 에탄올에 대한 민감도는 유기 반도체 층의 두께에 거의 영향을 받지 않는 것으로 확인된다.
도 5a 및 5b는 서로 다른 두께의 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에틸렌 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 5nm 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에탄올 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타낸다. 한편, 도 5b는 12nm 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 에틸렌 기체에 노출되었을 때, 드레인 전류의 변화를 나타낸다.
도 5a와 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 유기 반도체 층은 에틸렌 기체에 대하여 매우 낮은 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
드레인 전류에 한정되지 않고, 본 발명의 가스센서에 포함된 트랜지스터는 기체의 종류에 따라 서로 다른 파라메터들을 가진다. 구체적으로, 본 발명의 가스센서에 포함된 트랜지스터는 기체의 종류에 따라 서로 다른 문턱전압, 오프상태 전류, Sub Threshold slop를 가진다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 서로 다른 기체 노출되었을 때, 파라메터의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6a를 참조하면, 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 암모니아에 노출되었을 때 문턱전압이 지수함수 형태로 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 에탄올 기체에 노출되었을 때, 문턱전압이 선형함수 형태로 증가함을 확인할 수 있다.
한편, 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터가 암모니아에 노출되었을 때 lon이 매우 급격하게 감소하고, loff는 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 또한, 에탄올 기체에 노출되었을 때, lon은 선형으로 감소하고, loff는 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6c를 참조하면, 암모니아, 에탄올, 에틸렌 기체 중 에탄올 기체에 노출된 경우에만 Sub Threshold slop변화가 큰 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터는 유기 반도체층의 두께 및 기체의 종류에 따라 서로 다른 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
본 발명은 서로 다른 종류의 기체들을 구분하여 감지할 수 있도록, 서로 다른 두께의 유기 반도체 층을 포함하는 트랜지스터들을 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 트랜지스터에 포함된 유기 반도체 층은 제1두께로 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 제2트랜지스터에 포함된 유기 반도체 층은 상기 제1두께와 다른 제2두께로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1두께는 1 내지 5nm일 수 있고, 상기 제2두께는 8 내지 12nm일 수 있다.
한편, 유기 반도체 층(140)은 diketopyrrolopyrrole-thieno[3,2-b]thiophene(DPPT-TT)로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 유기 반도체 층은 DPP-기반 폴리머로 이루어질 수 있다.
DPPT-TT는 하기 화학식 1로 표시할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 서로 다른 두께의 유기 반도체 층을 가지는 트랜지스터로부터 발생되는 파라메터 변화를 감지하여 서로 다른 종류의 기체들을 구분하여 감지할 수 있게 된다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (5)
- 복수의 전계효과 트랜지스터를 포함하여 이루어지는 가스 센서에 있어서,
채널층이 제1두께의 유기 반도체 층으로 이루어지는 제1트랜지스터; 및
채널층이 상기 제1두께와 다른 제2두께의 유기 반도체 층으로 이루어지는 제2트랜지스터를 포함하고,
상기 제1 및 제2트랜지스터는,
기판;
상기 기판 위에 배치되는 게이트 전극;
상기 게이트 전극을 덮도록 배치되는 절연막;
상기 절연막 위에 배치되는 소스 및 드레인 전극; 및
상기 절연막 위에 배치되고, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 배치되는 유기 반도체층을 포함하여 이루어지며,
상기 유기 반도체층은 diketopyrrolopyrrole-thieno[3,2-b]thiophene로 이루어지고,
상기 제1두께는 1 내지 5nm인 것을 특징으로 하며,
상기 제2두께는 8 내지 12nm인 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어
상기 가스 센서는 암모니아, 에탄올 및 에틸렌 기체 중 적어도 하나를 선택적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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Patent Citations (1)
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