KR20120068176A - 기울기 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

기울기 센서, 및 기울기 센서 제조 방법이 개시된다. 기울기 센서는 서로 마주 보는 기판, 및 각 기판에서 각각 형성되어 서로 접하고 압전 특성을 가지는 나노선을 포함한다. 이러한 구성으로 인해, 나노선을 이용하여 기울기 센서를 제조하면서도 부가적인 반도체 공정이 필요 없어 유독 물질의 발생을 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.

Description

기울기 센서 및 그 제조 방법{Tilt sensor and fabrication method of the tilt sensor}
본 발명은 센서 및 센서 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노선을 이용하여 제조된 기울기 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
3차원 벌크(bulk) 및 2차원 필름(film) 반도체 물질의 화학적, 물리적 특성을 이용하여 여러 외부 환경에 따른 변화를 측정할 수 있었다. 나노선들이 가지는 가장 큰 특징은 부피 대 표면적 비율(Volume to Surface ratio)이 크기 때문에 미세한 화학전, 물리적 외부 자극을 쉽게 측정할 수 있고, 나노 크기의 물질로 인해 휴대성을 기대할 수 있다는 점이다.
다양한 나노선들을 이용하여 온도, 압력, 가속도, 빛, 가스(질소, 수소, 산소, 암모니아 등), 습도 등을 측정할 수 있었다. 특히 산화아연 나노선은 Direct Wide Bandgap, 빠른 전자 이동도(mobility), 압력에 의해 기전력이 발생하는 압전 성질 등 발광 소자 또는 에너지 소자 용도로 사용하기에 최적의 특성을 가지고 있다.
미국의 Z.L. Wang Group은 산화아연의 광학 특성을 이용해 광학 스위치(Optical Switch)를 개발하였고, 압전 성질을 이용하여, 나노 발전기(Nano Generator)를 개발하였다. 1개의 나노선을 이용하여 10nW를 생산 가능하다고 Science 저널에서 밝힌 Z.L. Wang은 미래에는 접을 수 있고, 입을 수 있고, 친환경적인 나노 발전기를 기대한다고 밝혔다.
이러한 압전 특성은 물질의 구조에서 기인하는 것으로서, 외부의 압력에 의해 안정적인 구조가 변형되면서 국소적으로 전위(potential) 차이가 발생하는 것으로부터 밝힐 수 있다.
종래의 나노선을 이용한 센서 제작 방법은 리소그라피(Lithography)를 이용한 여러 단계의 공정을 포함하고 있다. 기본적인 반도체 공정은 1 사이클 내에 코팅, 열처리, 식각, 현상(develope), 증착, 리프트오프(lift-off) 등을 포함한다. 대부분의 반도체 공정은 유독 물질을 사용해 인체에 해로울 뿐만 아니라, 시스템 구축 및 유지 보수에 많은 비용과 시간을 요구한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 부가적인 반도체 공정이 필요 없어 유독 물질의 발생을 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있는 나노선을 이용한 센서 및 센서 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 기울기 센서는 서로 마주 보는 기판, 및 각 기판에서 각각 형성되어 서로 접하고 압전 특성을 가지는 나노선을 포함한다. 이러한 구성으로 인해, 나노선을 이용하여 기울기 센서를 제조하면서도 부가적인 반도체 공정이 필요 없어 유독 물질의 발생을 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.
기울기 센서는, 기판들 사이에 전류를 인가하기 위한 전류 인가용 단자, 및 전류 인가용 단자와 기판상의 다른 위치에 위치하고 기판들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 측정용 단자를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 전압 측정용 단자가 전류 인가용 단자와는 별도의 위치에서 전압을 측정하기 때문에, 단자의 설치로 인한 접촉 저항의 영향을 배제한 소자 자체의 특성을 측정할 수 있게 된다.
또한, 전압 측정용 단자는 기판마다 복수개 설치될 수 있다. 이 경우 한 축이 아니라 복수축의 기울기 측정이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 기울기 센서 제조 방법은, 기판상에 압전 특성을 가지는 나노선을 성장시키는 단계, 및 나노선이 서로 접하도록 서로 다른 기판을 결합시키는 단계를 포함한다.
또한 기울기 센서 제조 방법은, 기판들 사이에 전류를 인가하기 위한 전류 인가를 위한 단자, 및 전류 인가용 단자와 기판상의 다른 위치에 위치하고 기판들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 측정용 단자를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 전압 측정용 단자는 기판마다 복수개 설치될 수 있다.
본 발명에 의해, 부가적인 반도체 공정이 필요 없어 유독 물질의 발생을 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있는 나노선을 이용한 기울기 센서를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 기울기 센서의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 기울기 센서의 실제 구현예의 도면.
도 2는 도 1의 기울기 센서의 실제 구현예의 도면.
도 3은 도 2의 기울기 센서에서의 전압-전류 특성의 변화의 예를 도시한 그래프.
도 4는 도 2의 기울기 센서에서의 전압-전류 특성의 변화의 예를 시뮬레이션 결과와 비교한 도면.
도 5는 주파수와 각도 변화에 따른 4단자 전압-전류 측정의 예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 기울기 센서 제조 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 기울기 센서의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 기울기 센서는 서로 마주 보는 기판(100), 및 각 기판(100)에서 각각 형성되어 서로 접하는 압전 특성을 가지는 나노선(120)을 포함한다. 이러한 구성으로 인해, 나노선(120)을 이용하여 기울기 센서를 제조하면서도 부가적인 반도체 공정이 필요 없어 유독 물질의 발생을 줄일 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.
기울기 센서는, 기판(110)들 사이에 전류를 인가하기 위한 전류 인가용 단자(130), 및 전류 인가용 단자(130)와 기판(110)상의 다른 위치에 위치하고 기판(110)들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 측정용 단자(140)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 전압 측정용 단자(140)가 전류 인가용 단자(130)와는 별도의 위치에서 전압을 측정하기 때문에, 단자의 설치로 인한 접촉 저항의 영향을 배제한 소자 자체의 특성을 측정할 수 있게 된다.
또한, 전압 측정용 단자(140)는 기판(100)마다 복수개 설치될 수 있다. 이 경우 한 축이 아니라 복수축의 기울기 측정이 가능하게 된다.
이하, 상기 기울기 센서를 더욱 구체적인 예와 함께 설명한다.
도 2는 도 1의 기울기 센서의 실제 구현예의 도면이다.
도 2에서 (a)는 실리콘 기판 위에 수직으로 성장된 산화아연 나노선 기판 2개를 서로 포개서 만든 기울기 센서를 도시하고 있고, (b)는 기울기 센서의 단면의 사진(SEM 사진)을 도시하고 있으며, (c)는 (b)의 도면을 확대한 사진을 도시하고 있다.
반도체 공정을 이용한 실리콘기반 공정은 공정 비용뿐만 아니라 공정 시간이 오래걸리는 단점을 가지고 있다. 본 실시예에서는 CVD(화학 기상 방법)을 이용하여 압전 특성을 갖는 나노선을 웨이퍼(wafer) 단위로 수직 성장시키고 이것을 센서의 크기에 맞게 사각형으로 절단하여 나노선이 있는 부분을 서로 마주보게 접합한 구조의 소자를 사용한다.
수직 성장된 나노선들과 나노선들이 서로 겹쳐진 소자는 마찰력과 반데르발스의 힘에 의하여 쉽게 떨어지지 않는다. 소자가 기울어지면 한쪽 기판의 무게에 의해 나노선들이 기울어진 방향으로 휘게 되고 이로 인하여 나노선 표면에 전하의 분극이 생성된다.
전류가 한 기판에서 다른 기판으로 흘러가는 형태가 될 때 분극된 나노선에 의해서 전류의 흐름이 방해를 받게 되고 이로 인하여 소자의 전압-전류 특성이 달라지게 된다. 달라진 전압-전류특성을 측정함으로써 소자의 기울어짐 정도를 파악한다.
도 3은 도 2의 기울기 센서에서의 전압-전류 특성의 변화의 예를 도시한 그래프이다.
도 3에서, (a)는 각도가 변함에 다른 전압-전류 특성의 변화를 도시하고 있고, (b)는 (a)와 반대 방향의 예를 도시하고 있고, (c)는 (a)의 경우에 있어서 각도에 따라 변하는 전류 변화를 도시하고 있으며, (d)는 (b)의 경우에 있어서 각도에 따라 변하는 전류 변화를 도시하고 있다.
미세한 신호를 측정하기 위해서 소자의 네 모서리 (위, 아래를 합하면 8개의 모서리)를 이용하여 4단자 측정을 한다. 나노선은 그 크기가 매우 작기 때문에 본 실시예에서 제안한 소자의 경우 소자와 외부로부터의 배선을 연결할 경우에 큰 접촉저항이 생길 수 있다.
도 4는 도 2의 기울기 센서에서의 전압-전류 특성의 변화의 예를 시뮬레이션 결과와 비교한 도면이다.
도 4에서 (a)는 각도가 변함에 따른 전압-전류 특성의 변화 실험 결과를 도시하고 있고, (b)는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다. 이때, (b)에서 제너 다이오드는 접촉 저항을 고려한 것이다.
4단자 측정은 전류를 흘려주고 전압을 측정함으로써 접촉저항의 특성을 무시하고 소자 본연의 특성을 측정할 수 있게 한다. 이를 이용하여 한 기판에서 다른 기판으로 전류를 흘러주고 양쪽 기판에 인가된 전압을 측정하는 방법을 사용한다. 또한, 총 8개의 모서리를 이용하여 도합 2개의 4단자 측정 시스템을 적용할 수 있기 때문에 xyz 좌표계를 고려했을 때 한 축이 아닌 두 개의 축, 즉 2차원의 기울기 측정을 가능하게 한다.
도 5는 주파수와 각도 변화에 따른 4단자 전압-전류 측정의 예를 도시한 도면이다.
도 5에서, (a)는 주파수와 각도 변화에 따른 4단자 전압-전류 측정(f=10Hz & 30Hz)에서 각도가 변함에 따른 전압-전류 특성의 변화 실험 결과를 도시하고 있고, (b)는 그 전기적 등가 모델이고, (c)는 30Hz에서 출력 전압의 최대값이 10Hz보다 작음을 증명한 시뮬레이션 결과를 도시하고 있으며(C: 3μF, R: 22M), (d)는 커패시턴스 변화에 따른 위상 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 기울기 센서 제조 방법을 수행하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 6에서, 먼저, 기판상에 압전 특성을 가지는 나노선을 성장시키고(S110), 나노선이 서로 접하도록 서로 다른 기판을 결합시킨다(S120).
이어서, 기판들 사이에 전류를 인가하기 위한 전류 인가를 위한 단자, 및 전류 인가용 단자와 기판상의 다른 위치에 위치하고 기판들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 측정용 단자를 설치한다(S130) 이때, 전압 측정용 단자는 기판마다 복수개 설치될 수 있다.
본 발명에서는 실리콘 기판 위에 수직 성장된 압전 특성을 가지는 나노선들을 물리적 힘을 이용하여 붙인 후, 기울기가 변함에 따라 변하는 나노선의 전기적 특성을 관찰함으로써, 압전 특성을 가지는 나노선을 기울기 센서로 사용한다.
압전 특성을 갖는 물질을 수직으로 성장시킨 실리콘 기판을 서로 마주보도록 물리적인 힘으로 붙여 만든 간단한 기울기 및 가속도 센서로, 부가적인 반도체 공정이 필요 없이 간단하고, 무해하고 저렴하게 제작할 수 있다. 이를 이용하여 압력의 방향과, 가속도의 방향 등을 예측할 수 있으며, 현재 사용되고 있는 경사계와 가속도계의 가격과 크기를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
110: 기판
120: 나노선
130: 전류 인가용 단자
140: 전압 측정용 단자

Claims (6)

  1. 서로 마주 보는 기판; 및
    상기 각 기판에서 각각 형성되어 서로 접하며, 압전 특성을 가지는 나노선을 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판들 사이에 전류를 인가하기 위한 전류 인가용 단자; 및
    상기 전류 인가용 단자와 기판상의 다른 위치에 위치하고 상기 기판들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 측정용 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전압 측정용 단자는 기판마다 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 기울기 센서.
  4. 기판상에 압전 특성을 가지는 나노선을 성장시키는 단계; 및
    상기 나노선이 서로 접하도록 서로 다른 상기 기판을 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 센서 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 기판들 사이에 전류를 인가하기 위한 전류 인가를 위한 단자, 및 상기 전류 인가용 단자와 기판상의 다른 위치에 위치하고 상기 기판들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 측정용 단자를 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 센서 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전압 측정용 단자는 기판마다 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 기울기 센서 제조 방법.
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