KR20050069798A - 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 리튬이온 전도체를 고체전해질로 사용하는 이산화탄소 센서는 물리적으로 약한 리튬이온 전도체를 보호하기 위해 전체 구조물을 실링제로 감싸는 벌크형 센서와 튼튼한 기판 상에 리튬이온 전도체를 형성하는 후막이나 박막형 센서 구조로 사용하는데, 이온 전도도를 높이기 위해 가열하는 경우 별도의 히터나 온도계가 필요한 벌크형 센서는 가열을 위한 전력소모가 크고 균일한 가열이 불가능하며, 후막형이나 박막형 센서는 접촉된 기판등의 구조물을 모두 가열해야 하므로 전력 소모가 크고 온도구배가 높아지므로 이러한 센서 구조들은 모두 수명이 짧고 고르지 않은 특성 열화로 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 센서 구조물이 위치할 일부 영역이 경사 제거된 기판 상에 형성된 맴브레인층 상에 수분에 강하고 감도가 높은 리튬이온 고체전해질을 위치시키고, 그 상부 영역 중 일부 영역에 참조전극과 감지전극 및 감지물질을 배치하며, 그 상부에 절연층으로 절연된 히터 및 온도계를 위치시키는 것으로 상기 리튬이온 고체전해질을 튼튼한 구조물로 지지하면서도 외부 환경과 단열시켜 히터에 의해 제공되는 열을 효과적이고 균일하게 흡수하도록 함으로써 센서의 초기 구동시간과 발열을 위한 전력 소모를 줄이고 소자의 수명과 특성 및 신뢰성을 개선하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 고체전해질로 습기에 강하고 감도가 뛰어난 리튬이온 전도체를 사용하여 형성한 이산화탄소 센서 구조물을 부분 식각된 기판 상에 형성하여 상기 식각 영역에 위치하는 센서 구조물이 외부 환경과 단열되도록 한 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업 사회로의 급격한 발전은 보다 많은 화석 연료의 사용으로 이어지게 되었으며, 그로인해 환경 오염 문제가 인간의 생존을 위협할 수준에 이르게 되었다. 이 중에서도 대기중의 CO2 증가는 매우 심각한 문제들을 야기하고 있는데 특히 지구 온난화를 발생시키는 주 원인으로 밝혀져 세계 각국은 다양한 방법으로 이를 줄이기 위한 노력을 강구하고 있다. 이에 국지적인 CO2농도를 연속적으로 측정하고, 그 발생원의 통제와 대처 방안을 강구함으로써 대기 및 작업환경의 보호와 개선책을 마련하는 일이 시급한 실정이며, 이를위한 기본 과제로 CO2의 농도를 측정할 수 있는 장치의 개발이 매우 필요하게 되었다.
CO2는 대기 중에서 화학적으로 매우 안전한 기체로서 그 농도를 측정하기가 어렵다. 이러한 CO2를 감지하기 위한 센서로는 광학식 센서를 가장 많이 사용하고 있는데, 이 방식은 방출된 빛(레이저)의 특수 파장의 빛이 공기중의 CO2에 의해 흡수되며, 이에 빛의 세기가 줄어든 양을 감지하여 CO2의 양을 측정하는 방식이다. 이 장치는 선택성과 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정을 위해서 밀폐된 공간이 필요하며 구성 요소들과 필터들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 문제점이 있었다. 특히 구동부 및 측정 소자가 매우 고가이며 제어를 위한 처리부의 구성이 복잡하므로 전체적인 측정 장비의 가격이 높을 수 밖에 없어 그 용도가 매우 다양함에도 불구하고 광범위하게 활용되고 있지 못하다.
CO2 농도를 측정하기 위한 또 다른 방식으로는 SnO2혹은 TiO2등의 반도체화합물을 이용한 반도체형 가스센서가 이용되고 있는데, 이는 가스입자가 반도체화합물의 표면에 흡착되었을 때 나타나는 저항변화를 통해 가스의 농도를 측정하는 원리이다. 이 경우, 박막형 소자형태의 센서제작이 가능하다는 장점이 있으나, 흡착되는 서로 다른 종류의 가스입자를 구분하기가 어렵기 때문에 가스 선택성이 현저히 떨어진다는 단점이 있어 CO2 만을 선별하여 측정하는 장비로 사용하기 어렵다.
따라서, 최근에는 고체전해질을 이용한 전기화학식 가스센서에 관한 관심이 증폭되고 있다. 이러한 고체전해질 물질을 이용한 센서는 전기 화학 반응을 통해 측정이 이루어지므로 특정한 가스만 선택적으로 감지할 수 있는 가스 선택성이 우수하고, 가스농도의 정량적인 측정이 가능하다.
이러한 전기화학식 이산화탄소 가스센서로 가장 많이 사용되는 것이 나시콘(NASICON : Na3Zr2Si2PO12) 이나 베타 알루미나(β-alumina : Na2Oㆍχ Al2O3 )라고 하는 나트륨이온(Na+) 전도체 물질을 고체전해질로 사용하는 것으로, 특성상 나시콘을 제일 많이 사용하고 있다. 하지만, 나시콘의 경우 5개의 원소가 함유된 물질이기 대문에 각 원소들의 함량등을 정확하게 조절해 주어야 하는 등 제조상의 어려움이 많을 뿐만 아니라, 소결온도가 1000℃ 정도로 높아 박막으로 사용할 때에는 많은 제약이 따른다.
그로인해, Na2CO3, Li2CO3, K2CO3와 같은 알칼리금속 탄산염을 고체전해질로 이용하는 경우도 있는데, 이러한 Li나 Na와 같은 알칼리 금속은 물에 대한 반응성이 크기 때문에 습기에 약하며, 이온 전도도가 낮으므로 감도가 낮아 정밀한 CO2 센서를 만들기 어렵다.
따라서, 최근에 Li3PO4나 LIPON(Lithium Phosphorous OxyNitride)와 같은 리튬이온 전도체를 고체전해질로 사용하는 CO2 센서가 등장하게 되었다(센서스 앤드 액츄에이터스(Sensors and Actuators) B 88, 2003년, 55~59 페이지 참조). 이러한 리튬이온 전도체는 Li나 Na와 같은 알칼리 금속보다 물에 대한 반응성이 낮아 습기 에 강하고 이온 전도도 역시 높아 감도가 뛰어나다.
도 1은 종래 제안된 리튬이온 전도체를 고체전해질로 사용하는 이산화탄소 센서의 단면도를 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 리튬이온 전도체(1) 하부에 참조 전극(2)을 형성하고, 상기 리튬이온 전도체(1)와 상기 참조 전극(2)에 각각 귀금속 전극(3, 4)을 형성한 후, 감지 전극 형성을 위해 상기 리튬이온 전도체(1) 상에 감지물질(5)을 형성하여 구성된다. 이 경우 상기 감지물질(5)좌 접하는 전극(3)이 감지전극이 된다.
상기 각 전극(3, 4)에 걸리는 기전력을 분석하게 되면 측정되는 이산화 탄소의 분압을 알 수 있게 된다. 이를 좀더 구체적인 측정 원리와 함께 설명하도록 한다.
리튬이온 전도체를 고체전해질로 이용하는 CO2 센서의 기본 구성 및 동작 원리는 다음과 같다.
CO2, O2, 감지전극 ∥ 고체전해질 ∥ 참조전극, O2
이는 도시된 구성을 간단하게 나타낸 것으로, 감지전극은 전극과 감지물질을 함께 이르는 것이다.
도시된 구성에서, 고체전해질로 사용되는 리튬이온 전도체(1)는 Li3PO4나 이온 전도성을 높이기 위해 상기 물질에 5%(몰비)의 TiO2 또는 SiO2 물질을 첨가한 것을 사용할 수 있으며, LIPON이라 칭해지는 LixPOyNz(x, y, z 는 계수) 물질을 이용할 수 있다. 본 실시예에서는 Li2.88PO3.73N0.14를 고체전해질로 사용한다.
Pt나 Au와 같은 귀금속으로 이루어진 감지전극(3) 상에는 감지물질(5)이 형성되는데, 이는 Li2CO3를 사용한다. 상기 감지 전극에서의 반응은 다음과 같다.
Li2CO3 → 2Li++ 2e- + CO2 + ½ O2
이를 통해 생성된 리튬이온은 전해질을 통과하여 참조전극(2)쪽으로 이동하여 그 계면에서 반응을 일으키게 된다. 일반적으로 참조전극(2)은 LiCoO2 + Co3O4(5%)나 Li2TiO3 + TiO2(5%)를 사용하는데, 여기서 참조전극(2)은 LiCoO2 + CoO3O4를 예로든다.
6Li+ + 6e- + 2Co3O4 + 2O2 → 6LiCoO2
상기 두가지 반응을 하나로 표현하면 다음과 같다.
3Li2CO3 + 2Co3O4 + ½ O2 → 6LiCoO2 + 3CO2
위와 같은 화학반응으로 출력 전압이 발생하고, 이 발생된 전압은 넌스트(Nernst) 식에 대입하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
EMF = E0 + (RT/12F) × lnPO2 - (RT/2F) × lnPCO2
여기서 EMF는 기전력(electromotive force)이며, Eo는 상수이며, F는 페러데이 상수, PCO2, PO2 는 각각 CO2와 O2의 분압을 나타낸다. 따라서 이 식에 의해 CO2의 분압에 따라 기전력이 변하며, 기전력을 측정함으로써 CO2의 분압을 알 수가 있다.
이러한 리튬이온 전도체를 CO2 센서로 사용하기 위해서, 지금까지의 연구는 소결체로 제작하는 벌크 형태로 개발되었다. 이러한 고체전해질을 이용하여 CO2의 분압을 측정하기 위해서는 이온 전도도를 높이기 위해 보통 300~500℃ 정도의 구동 온도가 보장되어야 하기 때문에 이를 센서 형태로 구체화 하기 위해서는 센서를 가열시킬 발열체(heater)가 필요하다.
벌크 형태로 개발된 센서는 벌크형 고체전해질 하부에 참조전극을 위치시키고, 그 상하부에 전극 및 감지물질을 형성한 후 외부 전극과 연결하고 유리물질로 실링한 구조를 가지는데, 이러한 구조물을 가열하기 위해서는 히터를 센서 외부에 별도로 설치해야 하므로 구조가 복잡해진다. 그리고 벌크 형태의 센서 구조물을 가열하기 위해서는 많은 전력과 시간이 소모되며, 사용 시간에 따른 소자 열화로인한 신뢰도가 낮아지게 된다. 또한, 센서에서 측정되는 기전력은 측정하고자 하는 가스의 농도가 동일하다고 해도 가열된 온도에 따라 다르게 나타날 수 있으므로 온도를 측정할 수 있는 온도계 역시 외부에 별도로 설치해야 한다.
상기 벌크보다 개량된 형태로 센서에 히터와 온도계를 모두 형성한 후막형 및 박막형 센서가 간혹 등장하기도 한다. 이는 알루미나와 같은 기판 위에 졸-겔 공정이나, 스핀코팅 방법과 같은 후막 또는 박막 증착 방법을 이용하여 참조전극과 리튬이온 전해질을 형성하고, 전극과 감지물질을 형성한 구조인데, 상기 기판 하부에 금속선을 패터닝하여 히터와 온도계를 구현한다. 하지만, 히터가 기판 하부에 형성되므로 히터로부터의 열 에너지가 기판, 참조전극을 지나서야 리튬이온 고체전해질에 도달하므로 많은 전력과 초기 구동시간이 소모되며 상기 센서가 고정 및 장착되는 부분까지 열이 확산되기 쉬우므로 온도분포의 불균형을 의미하는 온도구배가 높아져 사용이 진행될 수록 소자가 열화되고 신뢰도(reliability)가 악화된다.
이러한 온도구배에 따른 가열의 불균일성은 센서의 측정 신뢰성을 악화시키게 되는데, 이러한 문제점을 유발하는 가장 큰 원인은 벌크형이나 후막/박막으로 형성되는 센서의 물리적인 강도 유지를 위해 고체전해질로 사용되는 리튬이온 전도체를 다양한 실링제나 기판등으로 지지하고 있는 구조에서 찾을 수 있다. 리튬이온 전도체는 물리적으로 대단히 약하기 때문에 지지하는 구조물이 물리적으로 충분히 강하지 않다면 실제 적용시 부서지기 쉽다. 따라서, 이를 방지하기 위해 각종 지지물로 튼튼하게 지지하게 되고, 이러한 지지물을 통해 가열시 열이 발산되므로 온도구배가 높아질 수 밖에 없는 구조적인 한계를 가지게 되는 것이다.
상기한 바와 같이 종래 리튬이온 전도체를 고체전해질로 사용하는 이산화탄소 센서는 물리적으로 약한 리튬이온 전도체를 보호하기 위해 전체 구조물을 실링제로 감싸는 벌크형 센서와 튼튼한 기판 상에 리튬이온 전도체를 형성하는 후막이나 박막형 센서 구조로 사용하는데, 이온 전도도를 높이기 위해 가열하는 경우 별도의 히터나 온도계가 필요한 벌크형 센서는 가열을 위한 전력소모가 크고 균일한 가열이 불가능하며, 후막형이나 박막형 센서는 접촉된 기판등의 구조물을 모두 가열해야 하므로 전력 소모가 크며 온도구배가 높아지므로 이러한 센서 구조들은 모두 수명이 짧고 고르지 않은 특성 열화로 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 센서 구조물이 위치할 일부 영역이 경사 제거된 기판에 형성된 맴브레인 층 상에 수분에 강하고 감도가 높은 리튬이온 고체전해질을 위치시키고, 그 상부 영역 중 일부 영역에 참조전극과 감지전극 및 감지물질을 배치하며, 그 상부에 절연층으로 절연된 히터 및 온도계를 위치시키는 것으로 상기 리튬이온 고체전해질을 튼튼한 구조물로 지지하면서도 외부 환경과 단열시켜 히터에 의해 제공되는 열을 효과적이고 균일하게 흡수하도록 한 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 소정 영역이 제거된 기판과; 상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과; 상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 리튬이온 고체전해질층과; 상기 리튬이온 고체전해질층 상부에서 이격되어 형성된 참조전극 및 감지 물질이 형성된 감지전극과; 절연층을 통해 상기 리튬이온 고체전해질층과 절연되며 상기 리튬이온 고체전해질층 상부에 위치하는 금속 히터 및 온도계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 리튬이온 고체전해질층은 Li3PO4나 LIPON(Lithium Phosphorous OxyNitride)과 같은 리튬이온 전도체 물질을 단일 물질로 사용하거나 Li3PO4에 5%(몰비)의 TiO2 또는 SiO2 물질을 첨가한 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 참조전극은 LiCoO2 혹은 Li2TiO3 을 단일 물질로 사용하거나, LiCoO
2에 Co3O4를 3~20%(몰비) 혼합한 물질 혹은 Li2TiO3에 TiO2를 3~20%(몰비) 혼합한 물질을 사용한다.
또한, 본 발명은 기판 상하부에 맴브레인 물질을 성막한 후 그 상부에 리튬이온 고체전해질층을 형성하는 단계와; 상기 리튬이온 고체전해질층 전면에 절연층을 성막 및 패터닝하여 참조전극 및 감지전극이 형성될 상기 리튬이온 고체전해질층을 복수 영역으로 노출시키는 단계와; 상기 노출된 리튬이온 고체전해질층의 일부 영역에 참조전극을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 금속을 성막 및 패터닝하여 감지전극 및 참조전극 상부 전극을 형성하며, 상기 리튬이온 고체전해질층 상부 절연층 상에 히터 및 온도계로 사용될 금속 패턴을 형성하는 단계와; 상기 감지전극 상부에 감지물질을 형성하고 기판을 후면 식각하여 상기 리튬이온 고체전해질층의 적어도 일부 부분이 맴브레인층 상에서 부유하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 방법으로 실시되는 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 일 실시예의 구조를 보이는 단면도로서, 도시한 바와 같이 일부 영역이 제거된 기판(10)에 형성된 맴브레인층(11) 상부에 차례로 리튬이온 고체전해질층(12), 참조전극(14) 및 참조전극 상부 전극(17), 감지전극(15) 및 감지물질(18), 그리고 절연층(13)으로 절연된 히터 및 온도계(16)가 위치한다.
상기와 같은 구조로 형성된 센서 구조물은 히터(16)가 가열해 주어야 하는 센서 영역이 한정되며 발생한 열이 확산되는 기판(10)의 크기가 줄어들기 때문에 상기 기판(10)을 통한 열의 발산이 작아 측정을 위해 상기 리튬이온 고체전해질층(12)을 가열하는 시간이 줄어들고 소비 전력 역시 크게 줄어들게 된다. 그리고, 히터(16)의 열이 절연층(13)을 통해 리튬이온 고체전해질층(12)에 쉽게 전해지게 되며, 제거된 기판 영역이 주변 환경과 상기 센서를 열적으로 단열하여 주기 때문에 온도구배가 낮아 소자의 열화를 방지하고 신뢰성을 높일 수 있게 된다.
무엇보다 실리콘 기판의 일부 영역 만을 물리적 강도가 높도록 경사 식각한 구조를 이용하므로 물리적으로 취약한 리튬이온 전도체를 튼튼하게 지지할 수 있으면서도 위와 같이 외부 환경에 대한 단열 효과를 얻을 수 있게 된다는 것에 주목할 필요가 있다. 즉, 본 발명의 구조는 물리적인 강도를 무시하고 무리하게 리튬이온 고체전해질층(12)을 노출시키는 구조가 아닌 물리적으로 충분한 지지를 제공하는 구조라는 것에 주의한다.
이러한 구조는 센서의 가열에 필요한 소비전력을 크게 줄여 본 발명에서 제안하는 CO2 센서를 휴대용 장비에도 쉽게 적용할 수 있도록 하므로 본 발명의 활용성을 크게 높일 수 있다.
상기 리튬이온 고체전해질층(12)은 Li3PO4나 LIPON(Lithium Phosphorous OxyNitride)이라 칭해지는 LixPOyNz(x, y, z 는 계수) 물질을 이용할 수 있는데, 이러한 리튬이온 전도체는 수분과의 반응성이 낮아 습기에 강하며, 이온전도도가 탄산염 보다 더 높기 때문에 감도가 높은 CO2 센서를 제작할 수 있다.
상기 리튬이온 고체전해질층(12)을 이루는 주 물질을 Li3PO4로 사용하는 경우 5%(몰비)의 TiO2 또는 SiO2 물질을 첨가하면 이온전도도를 더욱 높일 수 있게 되므로 감도가 더욱 높아질 수 있다.
상기 구조로 이루어진 CO2 센서의 가스 선택성을 높이기 위해서 상기 감지물질(18)로 Li2Co3를 이용하게 돠며, 참조전극(14)은 LiCoO2 혹은 Li2
TiO3 을 사용한다. 신뢰성 향상을 위해 LiCoO2에 Co3O4를 3~20%(몰비) 혼합한 물질이나 Li2TiO3
에 TiO2를 3~20%(몰비) 혼합한 물질을 참조전극(14)으로 사용할 수도 있다.
또한, 상기 감지전극(15)은 격자나 빗살형태와 같은 복잡하고 표면적이 넓은 구조를 가지도록 하여 감지 성능 향상을 기대할 수 있게 된다.
따라서, 상기 언급한 바와 같이 이온 전도도가 높은 리튬이온 고체전해질층(12)을 CO2에 대한 선택성을 높이는 감지물질(18) 및 참조전극(14)과 함께 사용하면서 본 발명의 특징적인 구조를 형성하게 되면 기계적인 안정성을 보장하면서도 효과적인 가열이 가능하게 되어 반복 사용에 따른 소자의 불규칙한 열화를 줄이고 이온 전도도를 더욱 높일 수 있게 된다. 따라서, 전기화학식 가스센서를 이용하여 광 센서에 근접한 성능을 달성할 수 있게 되므로 본 발명에서 제안하는 리튬이온 고체전해질층(12)을 이용한 구조로 얻을 수 있는 효과는 대단히 크다는 것에 주목해야 한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보이는 수순 단면도로서, 도시된 바와 같이 리튬이온 고체전해질층(12) 상부에 절연층(13)을 먼저 형성한 후, 이를 패터닝하여 각종 전극들과 반응 물질들 및 히터들을 형성한다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 기판(10) 상에 맴브레인층(11)을 성막한 후 그 상부에 리튬이온 고체전해질층(12)을 형성한다. 상기 맴브레인층(11)은 저응력 질화막이 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 센서 구조물을 기판이 없는 부분에서 지지하기 위한 부분이므로 실리콘 질화막이 형성된 기판을 이용하거나 산화물/질화물/산화물(ONO) 구조의 막이 형성된 기판을 이용할 수도 있다. 그리고, 상기 리튬이온 고체전해질층(12)은 맴브레인층(11) 상에 리튬이온 전해질 물질을 졸-겔 공정, 스핀코팅 방법, 스퍼터링 증착 방법 중 하나로 증착한 후 센서 크기에 맞추어 패터닝하여 형성할 수 있다.
그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이 상기 리튬이온 고체전해질층(12)상부 전면에 스퍼터 방법이나 화학 기상 증착 방법등을 이용하여 실리콘 산화막(SiO2)으로 절연층(13)을 형성하고 각 전극(참조전극 및 감지전극)이 형성될 복수의 영역에서 상기 리튬이온 고체전해질층(12)이 노출되도록 패터닝한다.
그 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 노출된 리튬이온 고체전해질층(12)의 일부 영역에 참조전극(14)을 졸-겔 공정, 스핀코팅 방법, 스퍼터링 증착 방법 중 하나로 증착한 후 패터닝한다. 이를 센서의 외부로 연장하여 직접 외부 전극과 연결 가능한 패드부를 더 형성할 수 있지만, 신뢰성있는 측정을 위해 본 실시예에서는 이러한 방법을 사용하지 않고, 이후 상기 참조전극(14) 상부에 별도의 금속 전극(17)을 형성하여 이를 외부 전극과 연결 가능한 패드부로 사용하도록 하여 측정 신뢰성을 더욱 높일 수 있도록 한다.
그 다음, 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 구조물 상부에 금속을 성막 및 패터닝하여 감지전극(15) 및 참조전극 상부 전극(17)을 형성하며, 상기 리튬이온 고체전해질층(12) 상부에 위치한 절연층(13) 상에 히터 및 온도계로 사용될 금속 패턴(16)을 형성한다. 이는 별도의 금속 물질과 금속 공정을 통해 상기 감지전극(15) 및 참조전극 상부 전극(17)은 귀금속(Pt, Au)으로 형성하고, 히터 및 온도계(16)는 히터로 사용 할 수 있는 금속(Pt, Mo)으로 순차적으로 형성할 수 있으나, Pt, Mo 등의 금속으로 단일 공정으로 형성할 수 도 있으며, 단일 공정으로 형성할 경우 공정 편의성을 높이고 비용을 줄일 수 있게 된다. 상기 감지전극(15)은 감지 성능 향상을 위해 표면적이 넓은 격자, 빗살등의 복잡한 형태를 가지도록 하는 것이 바람직하다.
그 다음, 도 3e에 도시한 바와 같이 상기 감지전극(15) 상부에 감지물질(18)로 Li2CO3를 증착한 후 상기 기판을 후면 식각하여 상기 리튬이온 고체전해질층(12)의 적어도 일부 부분이 맴브레인층(31) 상에서 부유하도록 한다. 상기 기판(30)의 후면을 식각하는 과정은 물리적인 지지 강도를 위해 벌크 마이크로 머시닝 공정을 이용하는데, 실리콘 기판(10)의 후면에 형성된 맴브레인층(11)을 패터닝하여 식각 영역을 정의하고, KOH 벌크 식각액을 이용하여 이방성 습식 식각하여 실리콘 기판의 경계면 특성에 따른 경사를 가지는 캐비티를 형성한다.
상기 과정을 통해 센서 구조물의 대부분이 맴브레인층(11)에 지지되며 허공에 부유하게 되는데, 이를 통해 공기층으로 주변 환경(예를 들어, 상기 전체 센서 구조물을 지지및 장착하는 외부 구조물과의 접촉으로 인한 열 손실)과 단열을 실시할 수 있어 효율적이고 안정적인 리튬이온 고체전해질층(12)의 가열이 가능해진다. 따라서, 센서의 초기 가열 시간이 줄어들고 소모 전력이 줄어들며 신뢰성이 높아지는 것은 물론이고 물리적으로 취약한 리튬이온 전도체를 안정적으로 지지할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명 고체전해질 이산화탄소 센서 및 그 제조방법은 센서 구조물이 위치할 일부 영역이 경사를 가지면서 제거된 기판 상에 형성된 맴브레인 층 상에 수분에 강하고 감도가 높은 리튬이온 고체전해질을 위치시키고, 그 상부 영역 중 일부 영역에 참조전극과 감지전극 및 감지물질을 배치하며, 그 상부에 절연층으로 절연된 히터 및 온도계를 위치시키는 것으로 상기 리튬이온 고체전해질을 튼튼한 구조물로 지지하면서도 외부 환경과 단열시켜 히터에 의해 제공되는 열을 효과적이고 균일하게 흡수하도록 함으로써 센서의 초기 구동시간과 발열을 위한 전력 소모를 줄이고 균일한 가열로인해 소자의 수명과 특성 및 신뢰성을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 종래 리튬이온 전도체를 고체전해질로 이용한 이산화 탄소 센서의 구조를 보이는 단면도.
도 2는 본 발명 다른 실시예의 구조를 보이는 단면도.
도 3a내지 도 3e는 본 발명 일 실시예의 제조과정을 보이는 수순단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 기판 11: 맴브레인층
12: 리튬이온 고체전해질층 13: 절연층
14: 참조전극 15: 감지전극
16: 히터 및 온도계 17: 참조전극 상부 전극
18: 감지물질
Claims (9)
- 소정 영역이 제거된 기판과; 상기 기판 상에 형성된 맴브레인층과; 상기 기판이 제거된 영역의 맴브레인층 상에 형성된 리튬이온 고체전해질층과; 상기 리튬이온 고체전해질층 상부에서 이격되어 형성된 참조전극 및 감지 물질이 형성된 감지전극과; 절연층을 통해 상기 리튬이온 고체전해질층과 절연되며 상기 리튬이온 고체전해질층 상부에 위치하는 금속 히터 및 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 리튬이온 고체전해질층은 Li3PO4나 LIPON(Lithium Phosphorous OxyNitride)과 같은 리튬이온 전도체 물질인 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 리튬이온 고체전해질층은 Li3PO4에 5%(몰비)의 TiO2 또는 SiO2 물질을 첨가한 물질인 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 참조전극은 LiCoO2 혹은 Li2TiO3 인 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 참조전극은 LiCoO2에 Co3O4를 3~20%(몰비) 혼합한 물질이거나 Li2TiO3에 TiO2를 3~20%(몰비) 혼합한 물질인 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 감지물질은 Li2Co3인 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 감지전극은 감지 성능 향상을 위해 격자나 빗살형태를 가지는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서.
- 기판 상하부에 맴브레인 물질을 성막한 후 그 상부에 리튬이온 고체전해질층을 형성하는 단계와; 상기 리튬이온 고체전해질층 전면에 절연층을 성막 및 패터닝하여 참조전극 및 감지전극이 형성될 상기 리튬이온 고체전해질층을 복수 영역으로 노출시키는 단계와; 상기 노출된 리튬이온 고체전해질층의 일부 영역에 참조전극을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 금속을 성막 및 패터닝하여 감지전극 및 참조전극 상부 전극을 형성하며, 상기 리튬이온 고체전해질층 상부 절연층 상에 히터 및 온도계로 사용될 금속 패턴을 형성하는 단계와; 상기 감지전극 상부에 감지물질을 형성하고 기판을 후면 식각하여 상기 리튬이온 고체전해질층의 적어도 일부 부분이 맴브레인층 상에서 부유하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서 제조 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 감지전극 및 참조전극 상부 전극과 히터 및 온도계는 단일 금속 공정을 통해 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체전해질 이산화탄소 센서 제조 방법.
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| KR100780924B1 (ko) * | 2006-12-20 | 2007-11-30 | 박진성 | 센서 소자 및 그 제조 방법 |
| KR100958695B1 (ko) * | 2008-01-07 | 2010-05-18 | 한국과학기술연구원 | 이산화탄소 감지용 고성능 센서 및 그의 제조방법 |
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- 2003-12-31 KR KR1020030102254A patent/KR100575651B1/ko not_active IP Right Cessation
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