KR20070115571A - 급격한 ｍｉｔ 소자, 그 소자를 이용한 ｍｉｔ 센서 및 그ｍｉｔ 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발 방지 회로 - Google Patents

급격한 ｍｉｔ 소자, 그 소자를 이용한 ｍｉｔ 센서 및 그ｍｉｔ 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발 방지 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 급격한 MIT를 일으키는 전이 온도 또는 전이 전압을 요구되는 특정 온도 또는 특정 전압으로 가변할 수 있는 급격한 MIT 소자, 그 급격한 MIT 소자를 이용한 MIT 센서, 및 그 MIT 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발방지 회로를 제공한다. 그 급격한 MIT 소자는 전이 온도 또는 전이 전압에서 급격한 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition:MIT)를 일으키는 급격한 MIT 박막; 급격한 MIT 박막에 컨택하는 적어도 2 개의 전극 박막;을 포함하고, 전극박막으로 인가되는 전압, 급격한 MIT 박막에 영향을 미치는 전자파, 압력 및 개스 농도 변화 중 적어도 하나의 인자의 변화에 의해 전이 온도 또는 전이 전압이 가변된다. 그 MIT 센서는 급격한 MIT 소자를 이용하여 형성되고, 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 등이 될 수 있다. 또한, 그 경보기는 MIT 센서; 및 MIT 센서에 직렬로 연결된 경보신호기;를 포함하고, 그 이차전지 폭발방지 회로는 이차전지; 이차전지에 부착되어 이차전지의 온도를 감지하여 이차전지의 폭발을 방지하는 MIT 센서; 및 이차 전지에 의해 전력을 공급받는 회로 본체;를 포함한다.
금속-절연체 전이, 급격한 MIT 소자, 온도 센서, 경보기 회로, 리튬이온 전 지 보호회로

Description

급격한 ＭＩＴ 소자, 그 소자를 이용한 ＭＩＴ 센서 및 그 ＭＩＴ 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발 방지 회로{Abrupt metal-insulator transition(MIT) device, MIT sensor using the same abrupt MIT device, and alarming apparatus and secondary battery anti-explosion circuit comprising the same MIT sensor}
도 1은 종래의 서미스터 온도센서를 이용한 경보기에 대한 회로도이다.
도 2는 적층형 급격한 MIT 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3a 및 3b는 평면형 급격한 MIT 소자를 보여주는 단면도 및 평면도이다.
도 4는 특정온도에서 급격한 MIT 현상을 일으키는 바나듐다이옥사이드(VO2)로 제조된 급격한 MIT 소자의 온도에 대한 저항의 그래프이다.
도 5는 특정전압에서 전류의 불연속 점프를 일으키는 도 4의 급격한 MIT 소자의 전압-전류 그래프이다.
도 6은 도 4의 급격한 MIT 소자에 전압을 가하면서 측정한 전류의 온도의존성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 저농도 정공이 첨가된 갈륨아세나이드(GaAs)로 제조된 급격한 MIT 소자에서 전압을 가하면서 측정한 전류의 온도의존성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT 박막에 조사되는 전자파의 세기에 따 라 전이 전압이 변화되는 것을 보여주는 전압-전류 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 급격한 MIT 소자를 이용한 온도 센서를 포함한 경보기를 보여주는 회로도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 급격한 MIT 소자를 이용한 온도 센서를 포함한 경보기를 보여주는 회로도이다.
도 11은 딥(DIP)형 MIT 소자를 이용하여 제작된 경보기에 대한 사진이다.
도 12는 캔(CAN)형 MIT 소자를 이용하여 제작된 경보기에 대한 사진이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 MIT 소자를 이용한 이차전지 폭발 방지용 회로도이다.
도 14는 도 13의 변형예를 보여주는 이차전지 폭발 방지용 회로도이다.
도 15는 도 13의 또 다른 변형예를 보여주는 이차전지 폭발 방지용 회로도이다.
<도면에 주요 부분에 대한 설명>
100: 기판 200: 버퍼층
300,300a: 급격한 MIT 박막 400,400a: 전극 박막
410,410a: 제1 전극 박막 420,420a: 제2 전극 박막
500: 부저 600: 발광 다이오드
700: 급격한 MIT 소자를 이용한 온도 센서
710, 713, 715: 급격한 MIT 소자 또는 센서
720: 가변 저항 800: 릴레이 스위치
820: 릴레이 저항 833, 835: 트랜지스터850: PTC
900: 이차전지 950: 회로 본체
본 발명은 센서 및 경보기에 관한 것으로, 특히 전이 온도 또는 전이 전압에서 급격한 MIT를 일으키는 급격한 MIT 소자, 그 급격한 MIT소자를 이용한 온도 센서, 압력 센서, 화학 개스 농도 센서 등의 MIT 센서 및 그 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발방지 회로에 관한 것이다.
산업 전반에 걸쳐 온도의 정확한 측정과 관리는 매우 중요하다. 그러한 온도의 측정과 관리는 센서를 통하여 이루어지는데, 센서들 중 온도를 감지하는 센서가 바로 온도센서이다. 특정온도를 감지하는 온도센서에는 여러 종류가 있으나 가장 값이 저렴하면서 사용하기 편리한 온도센서로는 서미스터(thermistor)를 예로 들 수 있다.
서미스터는 코발트, 구리, 망간, 철, 니켈, 티탄 등의 산화물을 적당한 저항률과 온도계수를 가지도록 혼합하여 소결한 반도체로, 주위의 온도변화에 따라 도전율이 변화하는 특성을 가진다. 서미스터는 일반적인 금속과는 달리, 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지고 있는데 이것을 NTC(negative temperature coefficient) 서미스터라 한다. 이러한 서미스터는 온도를 감지하고 릴레이 스위치를 구동하여 경보신호가 발생하도록 하는 장치에 주로 사용된다.
도 1은 종래의 서미스터를 이용한 경보기를 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 경보기는 센서 부분(직사각형 점선)과 경보신호기 부분을 포함한다. 센서 부분은 서미스터(10)와 증폭기(20) 및 트랜지스터(30)를 포함한다. 경보신호기 부분은 부저(50) 및 발광 다이오드(60)를 포함한다. 센서 부분과 경보신호기 부분은 릴레이 스위치(40)를 통하여 연결된다.
경보기의 작용을 간단히 설명하면, 서미스터(10)가 온도에 의해 저항이 변함에 따라 증폭기(20)의 마이너스 입력 측의 전압이 변화하게 되고 그에 따라 증폭기(20)의 출력전압이 변하게 된다. 출력전압은 트랜지스터(30)의 베이스로 입력되는데 특정온도 이상의 출력전압에서 트랜지스터(30)는 턴온(turn-on) 된다. 그에 따라 릴레이 스위치(40)도 턴온 되어, 부저(50) 및 발광 다이오드(60)가 작동하게 된다.
이와 같은 서미스터를 이용한 경보기가 보편적으로 널리 사용되고 있으나, 도시된 바와 같이 증폭기, 트랜지스터 및 다수의 저항을 포함하여 회로가 복잡하다는 단점과 함께, 일단 설계된 서미스터의 저항 변화율에 의해 센싱할 수 있는 온도가 특정 온도로 고정된다는 단점이 있다.
온도 센서의 다른 예로서 바이메탈을 이용한 온도센서가 있는데, 바이메탈도 역시 값이 저렴하여 널리 사용되고 있기는 하나 특정온도의 범위가 너무 넓다는 단점을 가지며, 그에 따라 원하는 특정 온도만을 정확히 센싱하기 힘들다는 단점이 있다.
한편, 또 다른 온도 센서로 바나듐다이옥사이드(VO2)를 이용한 것이 있다. VO2 는 68 ℃ 근처에서 사방정계에서 정방정계로 구조로 구조 상전이가 일어나고(이하, 구조 상전이가 일어나는 온도를 '임계 온도'라 한다), 그에 따라 전기적으로 저항변화가 일어난다. 이러한 현상을 이용하여 VO2를 온도 센서로 이용하는데, 큰 전류가 흐르면 세라믹 온도센서가 깨어지는 현상이 자주 발생하고, 또한 일정 온도, 즉 임계 온도만을 측정할 수 있다는 단점을 가진다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 급격한 MIT를 일으키는 전이 온도 또는 전이 전압을 요구되는 특정 온도 또는 특정 전압으로 가변할 수 있는 급격한 MIT 소자, 그 급격한 MIT 소자를 이용하여 온도, 압력, 화학 개스 농도를 센싱할 수 있는 MIT 센서, 및 그 MIT 센서를 포함한 경보기 및 이차전지 폭발방지 회로를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전이 온도 또는 전이 전압에서 급격한 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition:MIT)를 일으키는 급격한 MIT 박막; 상기 급격한 MIT 박막에 컨택하는 적어도 2 개의 전극 박막;을 포함하고, 상기 전극박막으로 인가되는 전압, 상기 급격한 MIT 박막에 영향을 미치는 전자파, 압력 및 개스 농도 변화 중 적어도 하나의 인자의 변화에 의해 상기 전이 온도 또는 전이 전압이 가변 되는 급격한 MIT 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 급격한 MIT 소자는 상기 MIT 박막을 사이에 두고 상기 전극 박막 두 개가 상하로 적층된 적층형이거나, 또는 상기 MIT 박막 양 끝단으로 상기 전극 박막 두 개가 형성된 평면형으로 형성될 수 있다.
상기 급격한 MIT 박막은 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기물 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 급격한 MIT 박막은, 바나듐다이옥사이드(VO2) 또는 저 농도의 정공이 첨가된 갈륨아세나이드(GaAs)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 전자기파는 자외선을 포함하고, 상기 MIT 소자의 전이 온도 또는 전이 전압은 상기 전자기파를 상기 급격한 MIT 박막에 조사함으로써 가변시킬 수 있고, 상기 급격한 MIT 소자는 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 중 적어도 하나에 이용될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 급격한 MIT 소자를 이용하여 제작된 MIT 센서를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 MIT 센서는 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 중 적어도 하나이며, 상기 MIT 센서는 상기 급격한 MIT 소자들이 직렬, 병렬 또는 직렬 및 병렬로 연결되거나, 어레이 또는 매트릭스(matrix) 구조로 배열되어 형성될 수 있다.
상기 MIT 센서의 상기 급격한 MIT 소자는, 상기 급격한 MIT 박막 및 전극 박막들이 밀봉재로 밀봉된 딥(dip) 형 또는 상기 급격한 MIT 박막의 일정 부분이 노출된 캔(can) 형으로 형성될 수 있고, 상기 급격한 MIT 소자가 상기 캔형으로 제작된 경우, 상기 캔형의 개구부에는 전자기파를 상기 급격한 MIT 박막으로 집광하기 위한 렌즈가 형성될 수 있다. 이와 같이 캔형으로 형성된 급격한 MIT 소자의 상기 급격한 MIT 박막에 전자기파가 조사됨으로써, 상기 급격한 MIT 소자의 전이 온도 또는 전이 전압이 가변될 수 있다.
또한, 상기 MIT 센서는 경보신호전달을 위해, 릴레이 스위치를 통해 또는 바로 경보 신호기와 전기적으로 연결되어, 상기 MIT 센서가 온도, 압력, 개스 농도 및 전자파 세기 중 적어도 하나를 감지하여 기준 온도, 기준 압력, 기준 개스 농도 또는 기준 전자파 세기 이상인 경우에 상기 경보신호기를 통해 경보가 발생하도록 할 수 있다. 여기서, 상기 개스 농도는 산소, 탄소, 수소, 질소, 염소, 황 원소의 농도 중 적어도 하나의 개스 농도일 수 있다.
한편, 상기 MIT 센서는, 상기 급격한 MIT 박막의 열을 외부로 방출하기 위한 방열판을 포함할 수 있고, 상기 급격한 MIT 소자로 인가되는 전압을 조절하기 위하여 상기 급격한 MIT 소자에 직렬로 연결된 가변저항을 포함할 수 있다.
더 나아가 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 MIT 센서; 및 상기 MIT 센서에 직렬로 연결된 경보신호기;를 포함하는 경보기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 MIT 센서는 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 전자기파는 자외선을 포함하고, 상기 MIT 소자의 전이 온도 또는 전이 전압은 상기 전자기파를 상기 급격한 MIT 박막에 조사함으로써 가변시킬 수 있다.
상기 MIT 센서는 상기 급격한 MIT 소자들이 직렬, 병렬 또는 직렬 및 병렬로 연결되거나, 어레이 또는 매트릭스(matrix) 구조로 배열되어 형성될 수 있는데, 상기 MIT 센서가 상기 어레이 또는 매트릭스(matrix) 구조로 형성된 경우, 상기 MIT 센서가 적외선을 포함한 전자기파를 감지하여, 영상신호를 포함한 경보신호를 상기 경보신호기로 전달할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 이차전지; 상기 이차전지에 부착되어 상기 이차전지의 온도를 감지하여 상기 이차전지의 폭발을 방지하는 상기 MIT 센서; 및 상기 이차 전지에 의해 전력을 공급받는 회로 본체;를 포함하는 이차전지 폭발방지 회로를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 이차 전지의 일 단자는 상기 MIT 센서의 급격한 MIT 소자의 일 전극 박막, 4단자 릴레이 스위치의 제1 단자 및 상기 회로 본체의 일 단자로 연결되고, 상기 이차 전지의 타 단자는 상기 릴레이 스위치의 제2 및 제3 단자, 및 상기 회로 본체의 타 단자로 연결되며, 상기 급격한 MIT 소자의 타 전극 박막은 상기 릴레이 스위치의 제4 단자로 연결되며, 상기 이차 전지의 온도 상승에 따른 상기 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT에 의해 상기 릴레이 스위치의 상기 제3 단자와 제4 단자 사이에 급격한 전류 변화가 발생하고, 상기 급격한 전류 변화에 의해 상기 릴레이 스위치의 제1 단자와 제2 단자가 턴온(turn-on) 됨으로써, 상기 이차 전지의 폭발이 방지될 수 있다.
또한, 상기 이차 전지의 일 단자와 상기 급격한 MIT 소자의 일 전극 박막 사이에 상기 급격한 MIT 소자의 보호 또는 전이 온도 변경을 위한 가변 저항이 연결되고, 상기 이차 전지의 일 단자와 상기 릴레이 스위치의 제1 단자 사이에 상기 폭발방지 회로의 단락(short) 방지를 위한 릴레이 저항이 연결될 수 있으며, 상기 이차 전지의 일 단자와 상기 회로 본체의 일 단자 사이에 과전류 방지 소자(Positive Temperature Coefficient Thermistor: PTC)가 연결될 수도 있다.
상기 릴레이 스위치는 이차전지와 보호회로 본체와 직렬로 연결될 수 있고, 그 릴레이를 동작하는 MIT 소자 또는 센서는 전지에 부착될 수 있다. 또한, 릴레이 대신에 트랜지스터 스위치가 사용될 수 있다. 트랜지스터는 충전과 방전에 따라 방향성을 갖도록 이차전지와 보호회로 본체 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명에서는 특정 온도에서 급격한 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition:MIT)를 일으키는 급격한 MIT 소자, 특히 상기 급격한 MIT가 일어나는 특정 온도를 가변할 수 있는 급격한 MIT 소자, 그 급격한 MIT 소자를 이용한 온도 센서, 및 그 온도센서를 포함한 경보기를 제안한다. 이하에서 상기 급격한 MIT 소자가 급격한 MIT를 일으키는 상기 특정 온도를 '전이 온도'라 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 한편, 도면상에서 동일 참조부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.
급격한 MIT 소자는, 급격한 MIT 박막 및 적어도 2 개의 전극 박막을 포함한다. 급격한 MIT 소자는 전이 박막 및 전극 박막들의 위치에 따라 적층형(또는 수직형) 구조와 평면형 구조를 가질 수 있다.
도 2는 적층형 구조를 가지는 급격한 MIT 소자에 대한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 적층형 구조를 가지는 급격한 MIT 소자는, 기판(100), 기판(100) 상에 형성된 버퍼층(200) 및 버퍼층(200) 상부에 형성된 제1 전극 박막(410), 급격한 MIT 박막(300) 및 제2 전극 박막(420)을 포함한다.
버퍼층(200)은 기판(100)과 제1 전극 박막(410) 사이에 격자 부정합을 완화시키는 역할을 수행한다. 기판(100)과 제1 전극 박막(410) 사이에 격자 부정합이 매우 작을 때는, 버퍼층(200) 없이 제1 전극 박막(410)을 기판(100) 위에 형성할 수 있다. 이러한 버퍼층(200)은 SiO2 또는 Si3N4막을 포함하여 형성할 수 있다.
급격한 MIT 박막(300)은 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기물 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 급격한 MIT 박막(300)은 n형이면서 매우 큰 저항을 갖는 반도체 및 절연체를 포함하여 형성될 수도 있다. 여기서, 첨가된 정공의 농도는 3 x 1016 ㎝-3 정도이다.
한편, 전극 박막(400)은, W, Mo, W/Au, Mo/Au, Cr/Au, Ti/W, Ti/Al/N, Ni/Cr, Al/Au, Pt, Cr/Mo/Au, YBa2Cu3O7 -d, Ni/Au, Ni/Mo, Ni/Mo/Au, Ni/Mo/Ag, Ni/Mo/Al, Ni/W, Ni/W/Au, Ni/W/Ag 및 Ni/W/Al 중에서 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성할 수 있다. 이러한 전극 박막(400)은 스퍼터링 증착법, 진공증착법 및 E-빔증착법 중에서 적어도 하나의 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
기판(100)의 경우, Si, SiO2, GaAs, Al2O3, 플라스틱, 유리, V2O5, PrBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7, MgO, SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3 및 절연 박막 위의 실리콘(SOI) 중에서 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성할 수 있다.
본 발명에 적용되는 급격한 MIT소자는 온도에 따라 전기적 특성이 급격하게 변한다. 즉, 전이온도 이하에서 급격한 MIT 소자는 절연체의 특성을 나타내며, 전이 온도 이상에서 급격한 전이가 발생하여 금속성 물질의 성질을 띠게 된다.
도 3a은 평면형 구조를 가지는 급격한 MIT소자에 대한 단면도이다.
도 3a을 참조하면, 평면형 구조를 가지는 급격한 MIT소자는, 기판(100), 기판(100) 상에 형성된 버퍼층(200), 버퍼층(200) 상면 일부에 형성된 급격한 MIT 박막(300a) 및 버퍼층(200)의 상부로 급격한 MIT 박막(300a) 측면과 상면으로 서로 대향하면서 형성된 제1 전극 박막(410a) 및 제2 전극 박막(420a)을 포함한다. 즉, 제1 전극 박막(410a)과 제2 전극 박막(420a)은 급격한 MIT 박막(300a)을 사이에 두고 서로 분리되어 있다.
버퍼층(200)은 급격한 MIT 박막(300a)과 기판(100) 사이에 격자 부정합을 완화시켜준다. 기판(100)과 급격한 MIT 박막(300a) 사이에 격자 부정합이 매우 작을 때는, 버퍼층(200) 없이 급격한 MIT 박막(300a)을 기판(100) 상에 형성할 수 있다.
버퍼층(200), 급격한 MIT 박막(300a), 전극 박막(400a) 및 기판(100)이 도 2의 설명에서 전술한 재질들로 형성될 수 있음은 물론이다. 한편, 적층형 및 평면형 급격한 MIT 소자는 마이크로 미터(㎛) 단위의 소형으로 만들 수 있고, 경제적인 측면에서도 매우 저렴한 가격으로 제작할 수 있다.
도 3b는 도 3a에서 설명한 평면형 급격한 MIT 소자에 대한 평면도이다. 도 3b를 참조하면, 급격한 MIT 소자의 버퍼층(200), 급격한 MIT 박막(300a) 및 제1 및 제2 전극박막(410a,420a)이 도시되어 있다. 일반적으로 급격한 MIT 소자는 특정 전압(이하, '전이 전압'이라 한다)에서 급격한 MIT를 일으키는데, 이러한 전이 전압은 소자의 구성요소의 구조에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 두 전극박막(410a,420a)의 거리(d)의 변화나 전극박막의 폭(w)의 변화를 줌으로써, 전이 전압을 변화시킬 수 있다. 이러한 전이 전압의 변화는 또한 전이 온도의 변화를 초래할 수 있다. 이에 대한 설명은 도 6 ~ 도 8에 대한 설명 부분에서 상세히 설명한다.
도 4는 전이온도에서 급격한 금속-절연체 전이 현상을 일으키는 바나듐다이옥사이드(VO2)로 제조된 급격한 MIT 소자를 이용한 온도센서의 온도에 대한 저항의 그래프이다.
도 4를 참조하면, 그래프의 가로축은 절대온도를 나타내며 단위는 K이고, 세로축은 저항을 나타내며 단위는 옴(Ω)이다. 온도센서는 절대온도 약 338 K 이하에서는 105 Ω 이상의 높은 저항을 나타내며, 거의 절연체로서 특성을 가진다. 그러나 338 K 정도, 즉 65 ℃정도(A)에서 저항이 급격하게 낮아져 약 수십 Ω 정도의 저항을 가진 금속으로서의 성질을 나타낸다. 온도센서가 급격한 저항의 변화를 보이는 이유는 전술한 대로 급격한 MIT 소자가 약 65 ℃ 정도에서 급격한 금속-절연체 전이 현상을 일으키기 때문이다. 따라서, 본 실험예의 온도센서로 사용되는 급격한 MIT 소자의 전이온도는 약 65 ℃ 정도이다.
본 실험예에서 VO2 로 제작된 온도센서는 65℃에서 급격한 금속-절연체 전이가 일어나지만, 적절한 물질을 도핑함으로써 전이온도를 변경할 수 있다. 또한, 급격한 MIT 소자를 구성하는 구성요소들의 재질이나 구조를 변화시켜서도 전이온도를 변경시킬 수 있다. 이와 같이 전이온도에서 급격한 금속-절연체 전이 현상을 일으키는 급격한 MIT 소자를 이용하여 온도센서를 만들 수 있다.
한편, 본 발명의 온도센서는 전이온도 이상의 온도를 감지하고 외부로 그러한 상태를 알리기 위해서, 온도센서에 전기 또는 전자소자 등이 연결되게 된다. 또한, 온도센서는 전이온도에서 전기적 특성, 즉 저항이 급격히 변화므로 그러한 변화를 측정하기 위해서는 소정의 특정 전압이 전극 박막을 통하여 급격한 MIT 박막에 지속적으로 인가되어야 한다.
본 발명의 온도센서는 급격한 MIT 소자를 이용함으로써, 급격한 MIT 소자의 전이온도에 해당하는 특정온도 이상의 온도를 정확히 감지할 수 있으며, 소형 및 경제적인 가격으로 제작할 수 있다.
그러나 이러한 급격한 MIT 소자는 처음에 설계된 구성 요소의 재질이나 구조 등에 따라 전이 온도가 특정되고, 그에 따라 이러한 급격한 MIT 소자를 이용한 온도 센서 역시 특정 온도 이상만을 센싱할 수 있는 단점을 가진다. 따라서, 때에 따라 전이 온도를 가변시킬 수 있는 급격한 MIT 소자가 요구된다. 이하에서 전이 온도를 가변할 수 있는 급격한 MIT 소자에 대하여 설명한다. 이러한 급격한 MIT 소자는 홀-드리븐 MIT 이론을 기반으로 발명되었고, 이 이론은 Physica C 341-348 (2000) 729; http//xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0110112; New J. Phys. 6 (2004) 52 에 공개되어 있다.
도 5는 특정 전압에서 전류의 불연속 점프를 일으키는 도 4의 급격한 MIT 소자의 전압-전류 그래프로서, 특히 도 3a의 평판형 급격한 MIT 소자에서, 급격한 MIT 박막이 VO2로 형성되고, 전극 간격(d)이 20㎛이며 전극 폭(w)이 50㎛인 경우에 측정된 전류-전압 특성곡선이다. 도 5를 참조하면, 21.5V에서 불연속 MIT(B)이 일어나므로, 급격한 MIT 소자의 전이 전압은 약 21.5V로 볼 수 있다.
도 6은 도 4의 급격한 MIT 소자에 전압을 가하면서 측정한 전류의 온도의존성을 보여주는 그래프로서, 역시 급격한 MIT 박막이 VO2로 형성되고, 전극 간격(d)이 20㎛이며 전극 폭(w)이 50㎛인 평면형 급격한 MIT 소자에서 측정한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 급격한 MIT 소자에 1V의 전압을 가하였을 때에는 VO2의 전 형적인 전류곡선을 보여준다. 즉, 이것을 온도에 대한 저항으로 표시하면 도 4의 그래프가 된다. 또한, 전압이 증가할수록 온도에 따른 급격한 MIT 소자의 전이 온도가 낮은 온도로 이동됨을 보여준다. 가해준 전압이 급격한 MIT 소자의 전이 전압, 즉 21.5V에 가까이 갈수록 전이 온도가 거의 상온에 근접해 간다. 22V를 가하였을 때는 옴의 법칙만을 보여주며, 전이 온도는 나타나지 않는다. 즉, 전이 전압 이상의 전압을 가하게 되면, 전압만에 의한 급격한 MIT가 발생하므로, 온도에 의한 급격한 MIT가 발생할 여지가 없다.
한편, 인가된 각 전압에 따른 전이 온도에서 전류 점프 이후에는 옴의 법칙과 그에 따른 전류의 변화를 확인할 수 있다. 68℃ 근방에서 전류 변화는 전압이 증가할수록 약간 감소하는데 이것은 사방정계에서 정방정계로 구조가 변화(C라인 부근)하는 것을 의미한다. 즉, VO2 는 68℃ 부근에서 사방 정계 구조에서 정방정계 구조로 구조 상전이가 일어나고, 그에 따라, 금속-절연체 전이가 일어나 전기적으로 저항 변화가 발생하기 때문이다. 결국, 본 그래프를 통해서 본 발명의 급격한 MIT 소자의 각 전압에 따른 전이 온도에서의 발생하는 급격한 MIT는 임계 온도에 따른 구조 상전이와 관계없음을 확연히 알 수 있다.
본 본명의 급격한 MIT 소자는 인가되는 전압을 변화시킴으로써, 전이 온도를 변화시킬 수 있다. 이와 같은 전이 온도가 가변되는 급격한 MIT 소자를 이용하여 감지하고자 하는 특정 온도로 센싱 온도를 조절할 수 있는 온도 센서의 제작이 가능하다. 또한, 전술한 바와 같이 급격한 MIT 소자를 소형 및 경제적으로 제작할 수 있으므로, 역시 센싱 온도가 가변되는 온도 센서를 소형 및 경제적으로 제작할 수 있다.
급격한 MIT 소자에 인가되는 전압을 가변시키는 손쉬운 방법으로 급격한 MIT 소자에 가변 저항을 직렬로 하는 방법이 이용될 수 있다. 한편, 급격한 MIT 소자를 온도 센서로 이용하는 경우, 정확한 온도를 센싱하기 위하여, 급격한 MIT 박막에 발생한 열을 빨리 외부로 방출하는 것이 바람직하고, 그에 따라 급격한 MIT 소자는 급격한 MIT 박막에 연결되고 소자 외곽부분으로 형성된 방열판을 포함할 수 있다.
한편, 급격한 MIT 소자의 구성요소의 재질이나 구조가 바뀌어 전이 전압이 변경되는 경우에는, 인가되는 전압의 변화에 따른 전이 온도의 가변 범위가 달라질 수 있음은 물론이다. 여기서, 급격한 MIT 박막에 인가되는 전압은 전자기학적인 개념에서 전기장 또는 전자파로도 해석가능하다.
도 7은 저농도 정공이 첨가된 갈륨아세나이드(GaAs)로 제조된 급격한 MIT 소자에서 전압을 가하면서 측정한 전류의 온도의존성을 보여주는 그래프이다.
일반적으로 반도체 갈륨아세나이드(GaAs)는 임계 온도가 없는 것으로 알려져 있다. 즉, 구조 상전이가 발생하지 않는다. 그러나 본 그래프를 통해 저농도의 정공이 첨가된 반도체 GaAs로 제조된 급격한 MIT 소자에서도 급격한 MIT는 발생하며, 또한 도 6과 같이 인가되는 전압에 따라 전이 온도가 변화될 수 있음을 알 수 있다.
결국, VO2 뿐만 아니라, 여러 반도체 재료를 이용하여, 가변되는 전이 온도 를 가지는 급격한 MIT 소자를 제작할 수 있고, 또한 그 급격한 MIT 소자를 이용하여 센싱 온도를 가변할 수 있는 온도 센서를 제작할 수 있다.
도 8은 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT 박막에 조사되는 전자파의 세기에 따라 전이 전압이 변화되는 것을 보여주는 전압-전류 그래프로서, 특히 파장 1.55 ㎛인 전자파를 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT 박막에 조사하여 전류-전압 특성을 측정한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 전이 전압이 가해지는 전자파의 광파워가 증가함에 따라 낮아짐을 확인할 수 있다. 즉, -30dBm의 광파워에 비해 20dBm의 광파워로 전자파를 조사했을 때, 전이 전압 거의 12 V에서 7V 정도로 감소함을 확인할 수 있다. 여기서 dBm은 파워단위와 같은 에너지 단위이다. 결국, 전자파에 의해 급격한 MIT소자의 전이 전압을 가변시킬 수 있다. 또한, 이러한 전자파에 의해 전이 전압을 가변할 수 있다는 개념은 적외선 열선과 같은 복사파에 의해서 전이 전압을 가변할 수 있다는 개념으로도 해석할 수 있다. 또한, 압력, 자기장, 화학 개스 농도 등에 의한 물리 및 화학작용에 의해서도 전이 온도 또는 전이 전압 가변과 같이 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT 특성을 가변시킬 수 있다. 여기서, 화학 개스로는 산소, 탄소, 수소, 황, 염소 원소 등을 들 수 있다.
한편, 이러한 결과를 이용하여 전자파를 감지할 수 있다. 즉, 급격한 MIT 소자에서 전류가 급격히 점프하는 전압을 측정함으로써, 해당하는 전자파의 파워를 감지할 수 있다. 따라서, 이러한 급격한 MIT 소자는 전자파 등을 감지하는 센서, 예컨대 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 및 스위치 등에 유용하게 이용될 수 있으며, 또한 전술한 물리 및 화학작용 등을 감지할 수 있는 압력 센서, 화학 개스 농도 센서 등에도 이용될 수 있다.
이하에서는 급격한 MIT 소자를 이용한 온도센서를 포함한 경보기에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 경보기에 대한 일 실시예에 따른 급격한 MIT 소자를 이용한 온도센서를 포함한 경보기에 대한 회로도이다.
도 9를 참조하면, 경보기는 급격한 MIT 소자를 이용한 온도센서(700), 온도센서(700)에 연결된 릴레이 스위치(800) 및 릴레이 스위치에 연결된 부저(500)와 발광 다이오드(600)를 포함한다. 릴레이 스위치(800), 부저(500) 및 발광 다이오드(600)에는 각각 전원전압(Vcc)이 인가된다.
온도센서(700)는 전술한 대로 전이온도에서 급격한 MIT를 일으키는 급격한 MIT 소자(710) 및 급격한 MIT 소자(710)의 인가 전압을 가변시키기 위한 가변 저항(720)을 포함한다. 따라서, 온도 센서(700)는 가변 저항(720)을 통해 급격한 MIT 소자(710)에 인가되는 전압을 조절하여 급격한 MIT 소자(710)의 전이 온도를 가변시킬 수 있고, 그에 따라 요구되는 적절한 온도로 센싱 온도를 조절할 수 있다.
여기서, 부저(500) 및 발광 다이오드(600)는 온도 센서(700)에 의해 감지된 센싱 온도 이상의 온도 상태를 알려주는 경보신호기다. 즉, 센싱 온도 이상이 되면, 부저(500)는 소리를 내게 되고, 발광 다이오드(600)는 빛을 내게 된다. 부저(500) 및 발광 다이오드(600)는 경보 신호기의 일 예시에 불과하며, 전기신호, 빛, 소리 등을 발생시킬 수 있는 다양한 전기 또는 전자소자가 경보 신호기로 사용 될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 부저(500)와 발광 다이오드(600)를 함께 사용하고 있으나 그 중 하나만이 이용될 수 있음은 물론이다.
한편, 도시한 바와 같이 발광 다이오드(600)는 직렬연결된 다이오드 보호용 저항(R)을 포함할 수 있다. 또한, 회로 상으로 온도센서(700) 가까이에 경보신호기(500,600)가 표현되어 있지만, 원거리의 관제소 등에 경보신호기(500,600)를 설치하고 전선을 통해 온도센서(700)와 연결되게 할 수 있음은 물론이다. 이때, 온도센서(700)는 온도변화를 측정하고자 하는 곳에 설치됨은 당연하다.
본 실시예에 의한 경보기의 작용을 간단히 설명하면, 외부의 온도가 센싱 온도 즉, 전이온도 이상이 되면 온도센서(700)의 급격한 MIT 소자(710)는 급격한 MIT를 일으켜 전류가 갑자기 증가한다. 증가된 전류는 릴레이 스위치(800)를 턴온 시키고 그에 따라 부저(500) 및 발광 다이오드(600)로 전류가 통하게 되어 소리 및 빛의 신호를 발생시킨다.
본 실시예는 도 1의 종래 경보기의 센서 부분의 수많은 회로의 구성부분을 단 하나의 급격한 MIT 소자를 이용한 온도센서로 대체한다. 따라서, 회로적인 면에서 매우 간단하게 경보기를 제작할 수 있다. 또한, 본 발명의 온도센서는 가변 저항을 변경함으로써, 용이하게 센싱 온도를 변경할 수 있고, 그에 따라 원하는 센싱 온도에서 경보기가 작동할 수 있도록 설계할 수 있다. 또한, 전술한 대로 센서를 소형 및 경제적으로 제작할 수 있으므로 그에 따라 본 실시예의 경보기도 소형 및 경제적으로 제작할 수 있다.
도 10은 본 발명의 경보기에 대한 다른 실시예에 따른 급격한 MIT 소자를 이 용한 온도센서를 포함한 경보기에 대한 회로도이다.
도 10을 참조하면, 경보기는 도 8의 경보기와 비슷하나 릴레이 스위치가 생략된다. 따라서, 릴레이 스위치에 인가되는 전원전압(Vcc) 역시 생략된다.
본 실시예의 경보기의 작용을 설명하자면, 센싱 온도, 즉 전이 온도에서 온도센서(700)의 급격한 MIT 소자(710)가 급격한 MIT를 일으켜 다량의 전류가 흐르게 되고, 그에 따라 부저(500) 및 발광 다이오드(600)에도 전류가 흐르게 되어 소리 및 빛의 신호가 발생하게 된다. 물론, 전이 온도 이하에서도 소량의 전류가 흐르게 되나, 그러한 전류는 부저(500)를 작동하기에는 미약하다. 또한, 발광 다이오드(600)도 대부분의 전압이 온도센서(700)에 인가됨으로써, 발광 다이오드(600) 양 단의 전압은 발광 다이오드(600)를 턴온 시키기에는 미약한 전압이 된다.
본 실시예에서도 역시 경보신호기로 부저(500) 및 발광 다이오드(600) 뿐만 아니라 다양한 전기신호, 빛, 소리 등을 발생시킬 수 있는 전기 또는 전자 소자들이 이용될 수 있음은 물론이다. 또한, 부저(500) 및 발광 다이오드(600) 둘 중 하나만 경보신호기로 사용할 수 있고, 이들 경보신호기들(500,600)이 온도센서(700)에서 원거리에 있는 관제소 등에 설치될 수 있음도 물론이다.
본 실시예에서는 릴레이 스위치까지 생략함으로써, 경보기의 내부회로를 좀더 단순화시킬 수 있고, 그에 따라 경보기를 더욱 소형화 및 경제적으로 제작할 수 있다.
도 11은 도 10의 경보기 회로를 기반으로 제작된 경보기에 대한 사진으로, 딥(DIP)형 급격한 MIT 소자를 이용하여 제작된 경보기에 대한 사진이다.
도 11을 참조하면, 빨간색 원으로 표시된 부분이 DIP 형 급격한 MIT 소자(710a)이고, 파란색 부분이 가변 저항(720)이다. 여기서, DIP 형이란 일반 반도체 칩과 비슷하게 급격한 MIT 소자가 에폭시(epoxy)와 같은 밀봉재로 완전히 밀폐된 형태로 제작된 형태를 말한다.
도 12 역시, 도 10의 경보기 회로를 기반으로 제작된 경보기에 대한 사진이나, 캔(CAN)형 급격한 MIT 소자를 이용하여 제작된 경보기에 대한 사진이다.
도 12를 참조하면, 빨간색 원으로 표시된 부분이 캔(CAN) 형 급격한 MIT 소자(710b)이고, 파란색 부분은 도 11과 마찬가지로 가변 저항(720)이다. 여기서, CAN 형이란 DIP 형과 달리 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT 박막의 일부가 외부로 노출되도록 상부면이 개방된 형태로 제작된 것을 말한다. CAN 형 급격한 MIT 소자는 이러한 개방부분을 통해서 전자파가 조사됨으로써, 전자파 감지 센서, 예컨대 적외선 검출기 등에 유용하게 이용될 수 있다. 한편, 급격한 MIT 소자가 CAN 형으로 제작된 경우, 개방부로는 렌즈가 형성될 수 있는데, 이러한 렌즈를 형성함으로써, 급격한 MIT 박막으로 빛을 집광시킬 수 있고, 또한 급격한 MIT 소자를 외부와 차단하여 오염 등을 예방할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 MIT 소자를 이용한 이차전지 폭발 방지용 회로도이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예의 이차전지 폭발방지 회로는 이차전지(900), 이차전지(900)에 부착되어 이차전지(900)의 온도를 감지하여 이차전지(900)의 폭발을 방지하는 MIT 센서(710), 및 이차 전지(900)에 의해 전력을 공급받는 보호회로 본체(950)를 포함한다. 여기서, 이차전지는 충방전이 가능한 전지로서, 예컨대 리튬이온 이차전지 등이 될 수 있고, MIT 센서(710)는 이차전지(900)의 온도 상승에 의한 폭발을 방지하기 위하여, 이차전지(900)의 온도를 감지할 수 있는 온도 센서이다.
이차전지 폭발 방지 회로를 좀더 상세히 설명하면, 이차전지(900)의 일 단자는 MIT 센서(710)의 급격한 MIT 소자의 일 전극 박막, 4 단자 릴레이 스위치(800)의 제1 단자 및 보호회로 본체(950)의 일 단자로 연결된다. 또한, 이차전지(900)의 타 단자는 릴레이 스위치(800)의 제2 및 제3 단자, 및 상기 보호회로 본체(950)의 타 단자로 연결되며, 급격한 MIT 소자의 타 전극 박막은 릴레이 스위치(800)의 제4 단자로 연결된다. 이와 같이 연결됨으로써, 이차전지(900)의 온도 상승에 따른 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT에 의해 릴레이 스위치(800)의 제3 단자와 제4 단자 사이에 급격한 전류 변화가 발생하고, 급격한 전류 변화에 의해 릴레이 스위치(800)의 제1 단자와 제2 단자가 턴온(turn-on) 됨으로써, 이차전지(900)의 폭발이 방지될 수 있다.
한편, 도시된 바와 같이 이차전지(900)의 일 단자와 급격한 MIT 소자의 일 전극 박막 사이에 급격한 MIT 소자의 전이온도 변화 또는 급격한 MIT 소자 보호를 위한 가변 저항(720)이 연결될 수 있고, 이차 전지(900)의 일 단자와 릴레이 스위치(800)의 제1 단자 사이에 단락(short) 방지를 위한 릴레이 저항(820)이 연결될 수 있다. 또한, 이차 전지(900)의 일 단자와 상기 보호회로 본체(950)의 일 단자 사이에 상기 보호회로 본체(950) 보호를 위한 과전류 방지 소자(850, Positive Temperature Coefficient Thermistor: PTC)가 연결될 수도 있다. 여기서, 릴레이 저항(820)은 수 Ω 정도로서 단락을 방지할 정도의 값을 가지며, 가변 저항(720)은 릴레이 저항(820)보다는 크게 하는 것이 바람직하다.
도 14는 도 13의 변형예를 보여주는 이차전지 폭발 방지용 회로도로서, 릴레이스위치(800)가 이차전지(900)와 본체(950) 사이에 직렬연결되어있다. 정상 동작시에 릴레이 스위치(800)는 이차전지(900)와 본체(950)를 연결하여 단순 도통기능을 한다. 그런데 이차 전지(900)의 충방전 시 이차 전지(900)의 온도가 올라가면 이차 전지(900)에 붙어있는 MIT 센서(713)가 작동되어 릴레이 스위치(800)를 단락시키고 이차 전지(900)의 또 다른 MIT 센서(710)가 작동되어 이차전지의 전하량을 방전시켜서 폭발을 방지한다. 이차 전지(900)의 온도가 낮아지면 다시 정상동작을 한다. 여기서, 도면상 MIT 센서(713)가 이차 전지(900)와 분리되어 도시되고 있지만 실제로는 MIT 센서(710)와 마찬가지로 이차 전지(900)에 부착되어 동작한다.
도 15는 도 13의 또 다른 변형예를 보여주는 이차전지 폭발 방지용 회로도로서, 도 14와 같은 동작원리로 작동하는데, 릴레이 대신에 트랜지스터를 사용한다. 여기서도 역시 각 MIT 센서들(710, 715)은 이차 전지에 부착되어 있다. 이차 전지(900)의 충전과 방전시 전류의 방향이 달라지므로 충전용과 방전용 트랜지스터(835)를 사용한다. 충전할 경우에 전지에 부착된 MIT 센서(715)가 MIT가 일어나기 전이므로 전류는 트랜지스터(835)를 통해 도통하고, 충전시 전지에서 발열이 일어나면 MIT 센서(715)가 동작되어 트랜지스터의 도통전류를 차단한다. 그리고 MIT 센서(710)가 동작되어 이차전지의 전하량을 방전시켜 폭발을 방지한다. 방전할 경 우는 또 다른 트랜지스터(835)가 정상동작을 하다가 전지에서 발열이 나면 MIT 센서(715)가 동작되어 트랜지스터에 흐르는 전류를 차단한다. 그리고 MIT 센서(710)가 동작되어 이차전지(900)의 전하량을 방전시켜서 전지의 폭발을 방지한다. 트랜지스터(835)는 게이트에 전류가 흐를 때 양단의 전류를 차단시키고, 게이트에 전류가 흐르지 않을 때 전류가 도통하는 트랜지스터를 사용한다.
결국, 본 실시예의 이차전지 폭발 방지회로는 전이 온도, 예컨대 68 ℃ 이상에서 이차전지의 큰 전류가 릴레이 스위치 방향으로 흘러서 방전이 일어나며, 그에 따라 이차전지의 내부 전압이 강하하여 이차전지의 폭발이 예방된다. 따라서, 본 실시예의 이차전지 폭발 방지회로는 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등의 이차전지를 사용하는 여러 전자, 전기 및 기계 장치 등에 유용하게 활용될 수 있다.
앞서, 급격한 MIT 소자에 영향을 미치는 변수로 온도 및 적외선과 같은 전자기파를 예를 들어 주로 설명하였지만, 다른 외부 변수 예를 들면, 압력, 자기장, 전자파, 또는 산소, 탄소, 수소, 질소, 염소, 황 원소를 포함하는 화학 개스 등에 의해서도 급격한 MIT가 가능하므로 본 실시예의 MIT 센서는 다양한 용도로 여러 산업 분야에 활용될 수 있다. 한편, MIT 센서는 급격한 MIT 소자들을 직렬, 병렬, 또는 직렬 및 병렬로 연결하거나 어레이(array) 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배열하여 전자기파를 센싱하여 영상신호를 전달할 수 있는 이미지 센서로도 활용할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예 시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른, 급격한 MIT 소자는 인가되는 전압 또는 전기장을 변화시킴으로써, 전이 온도를 가변시킬 수 있다.
또한, 이러한 급격한 MIT 소자를 이용하여 MIT 센서를 제작함으로써, 요구되는 특정 온도로 센싱 온도를 제어할 수 있는 온도 센서, 전자파 감지를 위한 자기장 센서, 이미지 센서 등의 다양한 전자파 감지 센서, 및 압력, 개스 농도 센서 등의 화학 및 물리적 특성 변화를 감지하기 위한 센서 등의 구현을 가능하게 한다.
더 나아가, 그러한 온도 센서를 포함하여 경보기를 제작함으로써, 센싱 온도를 가변할 수 있고, 소형화 및 경제적인 경보기를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 MIT 센서, 특히 온도 센서는 이차전지에 부착되어 이차전지의 과도한 온도 상승에 의한 이차전지의 폭발을 방지할 수 있는 이차전지 폭발방지 회로에 이용됨으로써, 핸드폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등의 이차전지를 사용하는 여러 전자, 전기 및 기계 장치 등에 유용하게 활용될 수 있다.

Claims (26)

  1. 전이 온도 또는 전이 전압에서 급격한 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition:MIT)를 일으키는 급격한 MIT 박막;
    상기 급격한 MIT 박막에 컨택하는 적어도 2 개의 전극 박막;을 포함하고,
    상기 전극박막으로 인가되는 전압, 상기 급격한 MIT 박막에 영향을 미치는 온도, 전자파, 압력 및 개스 농도 변화 중 적어도 하나의 인자의 변화에 의해 상기 전이 온도 또는 전이 전압이 가변 되는 급격한 MIT 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 급격한 MIT 소자는 상기 MIT 박막을 사이에 두고 상기 전극 박막 두 개가 상하로 적층된 적층형이거나, 또는 상기 MIT 박막 양 끝단으로 상기 전극 박막 두 개가 형성된 평면형인 것을 특징으로 하는 급격한 MIT 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 급격한 MIT 박막은
    산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기물 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 적어도 하나 를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 급격한 MIT 소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 급격한 MIT 박막은,
    바나듐다이옥사이드(VO2) 또는 저 농도 정공이 첨가된 갈륨아세나이드(GaAs)로 형성된 것을 특징으로 하는 급격한 MIT 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전자기파는 자외선을 포함하고,
    상기 MIT 소자의 전이 온도 또는 전이 전압은 상기 전자기파를 상기 급격한 MIT 박막에 조사함으로써 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 급격한 MIT 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 급격한 MIT 소자는 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 중 적어도 하나에 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 급격한 MIT 소자.
  7. 제1 항의 급격한 MIT 소자를 이용하여 제작된 MIT 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 상기 급격한 MIT 소자들이 직렬, 병렬 또는 직렬 및 병렬로 연결되거나,
    어레이 또는 매트릭스(matrix) 구조로 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 MIT 센서의 상기 급격한 MIT 소자는,
    상기 급격한 MIT 박막 및 전극 박막들이 밀봉재로 밀봉된 딥(dip) 형 또는 상기 급격한 MIT 박막의 일정 부분이 노출된 캔(can) 형으로 형성된 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 급격한 MIT 소자는
    상기 캔형으로 제작되되, 상기 캔형의 개구부에는 전자기파를 상기 급격한 MIT 박막으로 집광하기 위한 렌즈가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전자기파가 상기 급격한 MIT 박막에 조사됨으로써, 상기 급격한 MIT 소자의 전이 온도 또는 전이 전압이 가변될 수 있는 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 경보신호전달을 위해, 릴레이 스위치를 통해 또는 바로 경보 신호기와 전기적으로 연결되어 있고,
    상기 MIT 센서가 온도, 압력, 개스 농도 및 전자파 세기 중 적어도 하나를 감지하여 기준 온도, 기준 압력, 기준 개스 농도 또는 기준 전자파 세기 이상인 경우에 상기 경보신호기를 통해 경보가 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 개스 농도는 산소, 탄소, 수소, 질소, 염소 및 황 원소가 포함된 개스 중 적어도 하나의 개스 농도인 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  15. 제7 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는,
    상기 급격한 MIT 박막의 열을 외부로 방출하기 위한 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  16. 제7 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는
    상기 급격한 MIT 소자로 인가되는 전압을 조절하기 위하여 상기 급격한 MIT 소자에 직렬로 연결된 가변저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 MIT 센서.
  17. 제7 항의 MIT 센서; 및
    상기 MIT 센서에 직렬로 연결된 경보신호기;를 포함하는 경보기.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 온도 센서, 적외선 센서, 이미지 센서, 압력 센서, 및 개스 농도 센서 및 스위치 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 경보기.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 전자기파는 자외선을 포함하고,
    상기 MIT 소자의 전이 온도 또는 전이 전압은 상기 전자기파를 상기 급격한 MIT 박막에 조사함으로써 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 경보기.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 상기 급격한 MIT 소자들이 직렬, 병렬 또는 직렬 및 병렬로 연결되거나,
    어레이 또는 매트릭스(matrix) 구조로 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 경보기.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 상기 어레이 또는 매트릭스(matrix) 구조를 통하여 적외선을 포함한 전자기파를 감지하여, 영상신호를 포함한 경보신호를 상기 경보신호기로 전달하는 것을 특징으로 하는 경보기.
  22. 이차전지;
    상기 이차전지에 부착되어 상기 이차전지의 온도를 감지하여 상기 이차전지의 폭발을 방지하는 제7 항의 MIT 센서; 및
    상기 이차 전지에 의해 전력을 공급받는 회로 본체;를 포함하는 이차전지 폭발방지 회로.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 일 단자는 상기 MIT 센서의 급격한 MIT 소자의 일 전극 박막, 4단자 릴레이 스위치의 제1 단자 및 상기 회로 본체의 일 단자로 연결되고,
    상기 이차 전지의 타 단자는 상기 릴레이 스위치의 제2 및 제3 단자, 및 상 기 회로 본체의 타 단자로 연결되며,
    상기 급격한 MIT 소자의 타 전극 박막은 상기 릴레이 스위치의 제4 단자로 연결되며,
    상기 이차 전지의 온도 상승에 따른 상기 급격한 MIT 소자의 급격한 MIT에 의해 상기 릴레이 스위치의 상기 제3 단자와 제4 단자 사이에 급격한 전류 변화가 발생하고, 상기 급격한 전류 변화에 의해 상기 릴레이 스위치의 제1 단자와 제2 단자가 턴온(turn-on) 됨으로써, 상기 이차 전지의 폭발이 방지되는 것을 특징으로 하는 이차전지 폭발방지 회로.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 이차 전지의 일 단자와 상기 급격한 MIT 소자의 일 전극 박막 사이에 상기 급격한 MIT 소자의 보호 또는 전이 온도 변경을 위한 가변 저항이 연결되고,
    상기 이차 전지의 일 단자와 상기 릴레이 스위치의 제1 단자 사이에 상기 폭발방지 회로의 단락(short) 방지를 위한 릴레이 저항이 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지 폭발방지 회로.
  25. 제22 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 제1 및 제2 MIT 센서를 포함하고,
    상기 이차 전지의 일 단자는 상기 제1 MIT 센서의 일 단자에 연결되고, 상기 제1 MIT 센서의 타 단자는 상기 이차전지의 타 단자에 연결되고, 4 단자 릴레이 스 위치는 상기 이차 전지와 회로 본체 사이에 직렬로 연결되고, 상기 릴레이 스위치를 제어하는 상기 제2 MIT 센서의 일 단자는 상기 이차 전지의 타자 및 릴레이 스위치의 제1 단자에 연결되고, 상기 제2 MIT 센서의 타 단자는 상기 릴레이 스위치의 제어입력단자인 제2 단자에 연결되고, 상기 릴레이 스위치의 제3 단자는 그라운드와 연결되고 제4 단자는 회로 본체에 연결되며,
    상기 이차 전지의 온도 상승에 따른 상기 제2 MIT 소자의 동작에 의해 릴레이에 흐르는 전류의 차단과 동시에 제1 MIT 소자의 동작에 의해 전지의 방전에 의해 상기 이차 전지의 폭발이 방지되는 것을 특징으로 하는 이차전지 폭발방지 회로.
  26. 제22 항에 있어서,
    상기 MIT 센서는 제1, 제2, 및 제3 MIT 센서를 포함하고,
    상기 이차 전지의 일 단자는 상기 제1 MIT 센서의 일 단자에 연결되고, 상기 제1 MIT 센서의 타 단자는 상기 이차전지의 타 단자에 연결되고, 2개의 병렬 트랜지스터가 상기 이차 전지의 일 단자와 회로 본체 사이에 직렬로 연결되고, 상기 제2 MIT 센서는 상기 2개의 트랜지스터 중 제1 트랜지스터의 게이트 단자와 이차전지 사이에 연결되고(방전), 제3 MIT 센서는 상기 2개의 트랜지스터 중 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 회로 본체 단자에 연결되고(충전),
    상기 이차 전지의 온도 상승에 따른 상기 제2, 제3 MIT 센서의 동작에 의해 트랜지스터에 흐르는 전류의 차단과 동시에 제1 MIT 소자의 동작에 의해 전지의 방 전에 의해 상기 이차 전지의 폭발이 방지되는 것을 특징으로 하는 이차전지 폭발방지 회로.
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