KR20000012243A - 다층구조의 부 온도 계수 적외선 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 다층구조의 NTC 적외선 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 후막 및 박막 제조법으로 얇은 NTC 층을 제조하고 이를 적층하여 NTC 소체를 형성하고 적층되는 NTC 층간에 내부전극을 형성시킴으로써, 낮은 상온 전기저항특성과 높은 B 정수값을 가져, 적외선 검출 감도의 증가와 저노이즈화 및 미세저항조절을 실현하는 것을 특징으로 한다.
Description
본원의 발명은 다층구조를 갖는 부 온도 계수(Negative temperature coefficient, 이하 NTC라함) 적외선 센서를 제조하는 방법 및 그 구조에 관한 것으로서, 다층 NTC 막을 일체화하고 고품질의 내부전극을 형성함으로 미세저항조절 및 낮은 상온 전기저항특성을 갖고, 수학식 1에서 나타낸 온도에 따른 저항변화를 나타내는 B 정수값이 높은 NTC 적외선 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
상기한 수학식 1에서 R은 T(K)에서의 저항을 나타내며 R0는 T0(K)에서의 저항값을 나타낸다.
일반적으로 적외선센서는 크게 광전효과형과 가열형으로 구분되고, NTC 적외선 센서는 가열형의 일종으로 입사된 적외선이 가지고 있는 열효과로 인해 센서소자의 온도 상승과 동시에 NTC 소체의 저항이 감소하게 되어 적외선 감지센서로 동작된다.
도 1은 일반적인 NTC 적외선 센서의 구조로서 0.1~10mm의 평면 크기로 0.1~10M ohm을 갖는 두개의 NTC 후막 또는 박막 소자로 구성된다. 한 쌍의 NTC 센서들은 절연기판(유리, 수정, 사파이어, 고분자막 등)등에 지지되어 네 개의 핀(14)과 연결된다. 이중 적외선 감지 NTC 센서(11)는 적외선 광학창(optical window, 13)밑에, 보상 NTC 센서(12)는 적외선으로부터 차폐된 곳에 위치한다. 광학창은 원하는 적외선 파장대를 통과시키기 위해 여러 박막이 코팅된 Si, Ge 성분의 광학창을 일반적으로 사용한다. Bridge 회로형태로 연결된 감지 NTC 센서와 보상 NTC 센서의 단자는 주위환경에 대해서는 같은 저항 변화를 일으키나, 적외선이 입사되는 경우, 감지 NTC 센서만 온도가 상승하여 그 저항값이 보상 NTC 센서보다 낮아져 두개의 NTC 센서의 저항차로서 적외선을 감지할 수 있게 된다.
NTC 적외선 센서는 여러 종류의 적외선 센서들과 비교하여, 불연속응답특성과 낮은 생산단가, 적은 유지비의 장점이 있으나 감도가 낮은 단점으로 인해 널리 활용되지 못하고 있는 현실이다. 이러한 문제점을 극복하여 고감도, 고기능의 적외선 감지센서를 제조하기 위해서는, NTC 센서들은 적정하게 낮은 상온 저항값과 높은 B 정수 값을 갖고 있어야 하며, 빠른 응답속도를 위해서는 얇은 두께의 형태를 이루고 있어야 한다. 그러나, 도 2에서 보는 바와 같이 B 정수 값이 높아질수록 상온 저항값은 급격하게 증가함을 알 수 있고, 이러한 상온 저항의 증가는 NTC 적외선 센서의 잡음(Noise)의 급격한 증가를 가져와 적외선 감지기능을 급격히 감소시키는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 후막 및 박막 제조법으로 얇은 NTC 층을 제조하고 이를 적층하여 NTC 소체를 형성하고, 적층되는 층간에 전극을 인쇄하고 소성하여 내부전극을 형성시킴으로써, 전극의 단면적을 증가시키고 NTC 소체와 내부전극 사이에 오옴 접촉(Ohmic contact) 형성으로 전기적 접촉을 향상시켜 상온 저항이 낮으면서도 높은 B 정수 값을 갖는 NTC 소체를 제조하여, 적외선에 대한 감도를 증가시키는 다층형 NTC 적외선 센서를 제조하는 제조방법을 제공하는 데 있다. 또한, 이러한 제조 방법에 따라 NTC 소체 한 층의 두께가 수십Å에서 수백㎛에 이르는 다층 NTC 적외선 센서를 제조하는데 본 발명의 목적이 있다.
도 1 일반적인 NTC 적외선 센서
도 2 NTC 센서의 온도·저항특성
도 3 테이프 캐스팅법에 의한 다층 NTC 적외선 센서 제조 공정
도 4 스크린 프린팅법에 의한 다층 NTC 적외선 센서 제조 공정
도 5 스퍼터링법에 의한 다층 NTC 적외선 센서 제조 공정
도 6 NTC 센서의 온도에 따른 저항 특성 변화
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 적외선 검출 NTC 센서는 일정 조성의 분말과 이 분말들로 이루어진 페이스트(paste) 또는 슬러리(slurry)를 제조하고, 이 페이스트 또는 슬러리를 이용하여 스크린 프린팅 법 또는 테이프 캐스팅 법을 통해 NTC 센서의 다층 구조를 형성하며, 층간에는 전극을 프린팅 방법으로 형성하여 소성으로 일체화 되도록 하고, 적층된 NTC 소체에 도금법 또는 전극 페이스트를 이용하여 내부전극과 연결되는 외부 전극을 형성하여 제조한다.
또한 본 발명에 따른 적외선 검출 NTC 센서는 상기 외의 후막형성방법 또는 박막형성방법(화학적 증착, 물리적 증착, 플라즈마 증착 등)을 이용하여 NTC 층을 제조하고 층간에 내부전극을 형성되도록 NTC 층과 내부 전극층을 교대로 적층 형성하여 내부전극이 형성된 다층 NTC 소체를 제조한 후, 적층된 NTC 소체에 도금법 또는 전극 페이스트를 이용하여 내부전극과 연결되는 외부 전극을 형성하여 제조한다.
본 발명에 따른 다층구조의 NTC 적외선 센서의 제조에 관한 실시예를 도면을 참조하여 하기에서 보다 상세하게 살펴본다.
첫 번째 실시 예로서 테이프 캐스팅법에 의한 제조 방법을 설명하면 아래와 같다. NTC의 일반적인 조성물인 Mn, Ni, Co, Fe, Al, Cu 등의 전이금속원료 적당량, 바람직하게는 Mn3O4, NiO, Co3O4의 원료를 Ni-Mn-Co 스핀넬(spinel)의 조성에 따라 칭량한 적당량을 볼밀(ball mill)을 이용하여 24시간 정도 충분히 습식 혼합하고, 건조한 후 900℃ 정도에서 3시간 동한 하소한 후, 하소된 분말을 볼밀로 24시간 이상 분쇄하여 테이프 캐스팅에 적합한 입도로 미분쇄한다.
상기와 같이 제조된 하소 분말(약 60wt%)과, 결합제(약 5wt%), 가소제(약 4.3wt%), 용매(약 30wt%), 분산제(약 0.7wt%) 등을 혼합하여 NTC 조성의 슬러리(slurry)를 만든다.
상기와 같이 제조된 슬러리를 테이프 캐스팅법을 통하여 일정 두께(약 70μm)의 그린 시트(Green sheet, 31)로 제조하여 적당한 크기(15X15 cm)로 절단된 그린 시트 위에 도 3과 같이 스트린 프린팅 방법으로 각층마다 서로 교차되는 복수개의 내부전극 패턴(32, 도면에는 한 쌍의 패턴만 표시)을 형성한 후, 전극이 프린팅된 시트를 원하는 층수(예를들면 5층)로 적층한 후 가압한다. 이때 내부전극 형성시 내부전극의 패턴을 변화시킴으로써 원하는 저항값으로의 미세저항조절이 가능하다.
상기와 같이 제조된 적층된 그린 시트는 소성후의 크기가 패키지(package)에 적합한 크기, 예를들면 2mmX2mm가 되도록 절단 하여 적층 NTC 소체(33)를 제조한 후, 결합제 및 가소제 등의 유기물의 탈지를 위해 burn-out을 600℃의 온도에서 3시간 정도 유지하여 충분히 유기물을 날려보낸 후 1300℃정도의 온도에서 3시간 정도 소결을 수행하여 소결체로 제조하고, 적층 NTC 소체(33)의 내부전극과 연결되도록 소체의 양 끝단에 외부 전극(34)을 도금법 또는 전극 페이스트법 등을 이용하여 형성하여 다층형 NTC 센서(35)를 제조한다.
상기와 같이 제조되는 다층형 NTC 센서는 NTC 소체 한 층의 두께를 수㎛에서 수십㎛로 조절할 수 있으며, 적층수도 필요에 따라 조절 가능하다.
상기와 같이 제조된 NTC 센서를 이용하고 광학창, 외부 연결핀들을 구성하여 도1과 같이 적외선 센서로 완성시킬 수 있다.
두 번째 실시 예로서 스크린 프린팅법에 의한 제조 방법을 도4를 참조하여 설명하면 아래와 같다. NTC의 일반적인 조성물인 Mn, Ni, Co, Fe, Al, Cu 등의 전이금속원료 적당량, 바람직하게는 Mn3O4, NiO, Co3O4의 원료를 Ni-Mn-Co 스핀넬(spinel)의 조성에 따라 칭량한 적당량을 볼밀(ball mill)을 이용하여 24시간 정도 충분히 습식 혼합하고 건조한 후, 900℃ 정도에서 3시간 동한 하소하여 스핀넬 상을 얻고, 하소 후의 분말은 볼밀로 24시간 이상 분쇄하여 스크린 프린팅에 적합한 입도로 분쇄하였다.
상기와 같이 제조된 원료 분말(약 76wt%)과, 용매(약 20wt%), 바인더(약 3wt%), 분산제(약 0.4wt%), 계면활성제(약 0.2wt%), Thixotropic agent(약 0.3wt%) 등을 첨가하여 Three-roll mixer를 사용하여 NTC 조성의 스트린 프린팅용 페이스트로 제조한다.
상기와 같이 제조된 페이스트를 스크린 프린터를 이용하여 적절한 크기로(2.5X2.5 cm)로 레이저 부분 절단(Trimming)되어 있는 알루미나(Alumina) 기판(41, Quartz, Silcon, MgO 기판도 가능) 위에 도 4와 같이 NTC 막, 전극막, NTC 막, 전극막의 순서로 부분 절단되어 있는 크기에 맞추어 전극패턴이 형성되도록 복수개의 패턴으로 스트린 프린팅하여 다층 구조로 적층한다. 이때 전극막은 좌우 교차되어 배치되며, 전극막의 패턴을 변화시킴으로써 원하는 저항값으로의 미세저항조절이 가능하다.
상기와 같이 제조된 적층물을 150∼170℃ 정도에서 20분 정도 건조시키고 450∼500℃ 정도에서 3시간 정도 탈지(binder burn-out)한 후 레이저 부분 절단되어 있는 위치에서 절단한 후 1300℃ 정도에서 3시간 정도 열처리하여 적층된 NTC 소결체로 제조하고 적층 NTC 소체(44)의 내부전극과 연결되도록 소체의 양끝단에 외부 전극(45)을 도금법, 증착법 또는 전극 페이스트법 등을 이용하여 형성하여 다층형 NTC 센서(46)를 제조한다.
상기와 같이 제조되는 다층형 NTC 센서는 NTC 소체 한 층의 두께를 수㎛에서 수십㎛로 조절할 수 있으며, 적층수도 필요에 따라 조절 가능하다.
상기와 같이 제조된 NTC 센서를 이용하고 광학창, 외부 연결핀들을 구성하여 도1과 같이 적외선 센서로 완성시킬 수 있다.
세 번째 실시 예로서 박막증착법에 의한 제조 방법을 설명하면 아래와 같다. NTC의 일반적인 조성물인 Mn, Ni, Co, Fe, Al, Cu 등의 전이금속원료을 이용하여 스퍼터링 타겟(Sputtering target)을 제조한다. 바람직하게는 Mn3O4, NiO, Co3O4의 원료를 Ni-Mn-Co 스핀넬(spinel)의 조성에 따라 칭량한 적당량을 볼밀(ball mill)을 이용하여 24시간 정도 충분히 습식 혼합하고 건조한 후, 900℃ 정도에서 3시간 동한 하소하고 볼밀로 24시간 이상 분쇄한 분말을 정수압가압기를 이용하여 가압 성형하여 원하는 크기의 성형체로 제조한 후, 성형체를 1300℃ 정도의 온도에서 3시간 소결을 수행하여 스퍼터링 타겟으로 완성하였다.
상기와 같이 제조된 스퍼터링 타겟을 이용하여 두 번째 실시예에서 사용한 기판과 동일한 기판 또는 고분자 재료 기판(51)에 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)법을 이용하여 NTC 박막(52)을 제조하였다. 이때 NTC 박막은 여러 제조 조건에서 제조될 수 있으며, 예를들면 증착전에 챔버를 8X10-6 mTorr 이하의 압력으로 감압하고, 기판 온도는 300℃, 산소 대 아르곤(O2/Ar)의 스퍼터링 가스 비는 1:9, RF 전력은 60watt, 증착시간은 두께에 따라 다르나 6시간 정도, 기판과 타겟간의 거리는 약5cm, 증착이 진행되는 동안의 압력이 10mTorr인 조건에서 NTC 박막을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 NTC 박막 위에는 원하는 크기의 내부전극(53)을 도 5와 같이 형성한다. 이때 내부 전극은 전극 패턴이 형성된 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 마스크 패턴 내에 전극을 스퍼터링하여 원하는 크기와 형태로 형성하거나, NTC 박막의 전면에 전극을 증착한 후 반도체 제조 공정 등에서 흔히 사용되는 사진식각법에 의해 원하는 크기와 형태로 제조한다. 내부 전극막이 제조된 위에는 도 5와 같이 다시 NTC 박막을 제조하고, NTC 박막 위에는 다시 원하는 패턴으로 전극층을 형성한다. 이러한 과정을 복수 회 반복하여 원하는 적층 수의 다층 NTC 적층물을 형성한다.
상기와 같이 제조되는 다층 NTC 적층물은 기판에 복수개의 전극 패턴을 형성함으로 한 기판에 복수개의 적층물을 제조할 수 있으며, 내부 전극의 패턴을 변화시킴으로써 미세저항조절이 가능하고, NTC 박막층의 두께는 박막 증착 조건을 변화시킴으로서 수십 Å에서 수십 μm에 이르는 두께 범위로 조절이 가능하다.
또한 NTC 박막은 상기와 같은 스퍼터링법 외에 NTC 조성을 이루는 구성 금속 원소로 제조된 복수개의 금속 타겟을 이용하여 반응성 스퍼터링하여 제조하거나, NTC 조성의 구성 원료, 예를들면 각 원소의 금속유기화합물을 원료로 사용하는 화학적증기증착법 으로도 제조할 수 있다.
상기와 같이 제조된 다층 NTC 적층물은 전기적 특성 향상을 위해 별도의 후속 열처리를 하기도 한다.
상기와 같이 제조된 NTC 박막 적층물을 적절한 크기로 절단된 적층 NTC 소체로(54) 형성하고 소체내의 내부 전극과 연결되는 외부 전극(55)을 도금법 또는 전극 페이스트 등을 이용하여 형성하여 다층형 NTC 센서(56)를 제조한다.
상기와 같이 제조된 다층형 NTC 센서를 이용하고 광학창, 외부 연결핀들을 구성하여 도 1과 같이 적외선 센서로 완성시킬 수 있다.
완성된 다층구조의 NTC 적외선 센서의 적외선 감지 특성은 도 6에서 보는 바와 같이 낮은 상온 저항값을 가지면서 높은 B 정수를 갖는 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉, 노이즈 증가없이 B 정수를 증가시킨 다층구조의 NTC 적외선 센서는 같은 에너지의 적외선 입사에 대해 큰 저항값의 변화를 일으켜, 그 만큼 감도는 증가되게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 후막 및 박막 제조법으로 얇은 NTC 층을 제조하고 이를 적층하여 NTC 소체를 형성하고, 적층되는 층간에 전극을 제조하여 내부전극을 형성시킴으로써 전체 전극의 단면적을 증가시키고 NTC 소체와 내부전극 사이에 오옴 접촉 형성으로 전기적 접촉을 향상시켜, 상온 저항이 낮으면서도 높은 B 정수 값을 갖는 NTC 적외선 센서를 제조하여, 적외선에 대한 감도를 증가시키는 효과가 있다.
Claims (14)
- 부온도계수 특성을 이용한 적외선 센서에 있어서,부온도 계수 특성을 가지는 복수개의 NTC 층이 적어도 두 층이상 적층되어 제조된 NTC 소체,상기의 적층된 NTC 층 사이에 형성된 복수개의 내부 전극,NTC 층과 내부 전극이 적층된 소체의 양끝단의 표면에 형성되어 상기의 내부 전극와 연결되는 외부 전극으로 이루어진 부온도계수를 갖는 다층구조 NTC 센서를 포함하는 적외선 센서.
- 제 1 항에 있어서, NTC 층을 테이프 캐스팅법을 이용하여 제조하여 하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제 1 항에 있어서, NTC 층을 스크린 프린팅법을 이용하여 제조하여 하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제 1 항에 있어서, NTC 층을 박막형성법을 이용하여 제조하여 하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제 4 항에 있어서, NTC 층을 스퍼터링법 이나 화학증기증착법을 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 한 항에 있어서, NTC 층의 두께가 수㎛ 에서 수백 ㎛에 이르는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제 1 항 또는 제 4 항 내지 제 5 항중 한 항에 있어서, NTC 층의 두께가 수십 Å에서 수백 ㎛에 이르는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 부온도계수 특성을 이용한 적외선 센서 제조에 있어서,NTC 층을 형성하는 단계,NTC 층 위에 내부 전극을 원하는 형태로 형성하는 단계,복수개의 NTC 층과 내부 전극이 교대로 배치되도록 하는 단계,복수개의 NTC 층과 내부 전극으로 형성된 적층물의 양 끝단에 내부 전극과 연결되는 외부 전극을 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
- 부온도계수 특성을 이용한 적외선 센서 제조에 있어서,소정 조성의 슬러리를 이용하여 NTC 성형 시트를 제조하는 단계,NTC 성형 시트 표면 위에 내부 전극을 원하는 형태로 인쇄하는 단계,내부 전극이 인쇄된 NTC 성형 시트를 적층하여 NTC 성형 시트와 내부 전극 이 교호로 배치되도록 하는 단계,상기의 적층물을 가열하여 일체화된 NTC 소결체를 제조하는 단계,소결된 적층물의 양 끝단에 내부 전극과 연결되는 외부 전극을 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
- 부온도계수 특성을 이용한 적외선 센서 제조에 있어서,소정 조성의 NTC 페이스트를 제조하는 단계,기판위에 상기의 NTC 페이스트를 프린팅하여 NTC 층을 형성하는 단계,상기의 NTC 층 표면 위에 내부 전극을 원하는 형태로 인쇄하는 단계,상기의 NTC 층 프린팅과 와 내부 전극의 인쇄를 복수회 반복하여 NTC 층과 내부 전극 이 교대로 배치되는 적층물을 제조하는 단계,상기의 적층물을 가열하여 NTC 소결체를 제조하는 단계,소결된 적층물의 양 끝단에 내부 전극과 연결되는 외부 전극을 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
- 부온도계수 특성을 이용한 적외선 센서 제조에 있어서,기판위에 NTC 박막을 증착하는 단계,상기의 NTC 박막의 표면 위에 내부 전극을 원하는 형태로 증착하는 단계,상기의 NTC 박막층과 내부 전극을 복수회 증착하여 NTC 박막층과 내부 전극 이 교대로 배치되는 적층물을 제조하는 단계,상기 적층물의 양 끝단에 내부 전극과 연결되는 외부 전극을 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, NTC 박막은 스퍼터링법이나 화학증착방법으로 제조하는 것을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
- 제 8 항 내지 제 10 항중 한 항에 있어서, NTC 층의 두께가 수㎛ 에서 수백 ㎛에 이르는 것을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
- 제 8 항, 제 11 항 또는 제 12 항중 한 항에 있어서, NTC 층의 두께가 수십Å에서 수백 ㎛에 이르는 것을 특징으로 하는 NTC 적외선 센서용 NTC 소자의 제조방법.
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1999
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