KR20140118286A - 환원된 그래핀 산화물을 이용한 온도 감지 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

환원된 그래핀 산화물(R-GO)을 전계 효과 트랜지스터(FET)의 활성층으로 사용하여 온도와 적외선을 감지하고, R-GO층을 주위 환경으로부터 보호하기 위한 인캡슐레이션층을 형성하여 FET의 전기적 특성에 미치는 영향을 차단한다. 본 발명에 따른 온도 감지 소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 덮고 있는 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에 형성되어 있으며, 온도를 감지할 수 있는 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성층; 상기 활성층 위에 형성되어 있는 소스 및 드레인 전극; 및 적어도 상기 활성층을 덮는 인캡슐레이션층을 포함하여 이루어진다.

Description

환원된 그래핀 산화물을 이용한 온도 감지 소자 및 그 제조 방법{Temperature sensing device using reduced graphene oxide and fabrication method thereof}
본 발명은 환원된 그래핀 산화물을 이용한 온도 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 물리적, 화학적, 생물학적 자극에 응답하는 자극감응형 소재와 이를 이용하는 센서 소자에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
특히, 자극감응형 전계 효과 트랜지스터(FET: Field-Effect Transistor)는 구조가 단순하며, 대량 생산이 용이하고, 자체적으로 신호를 증폭할 수 있는 등의 여러 이점이 있어 감지 기능을 포함하는 다양한 응용분야에서 관심을 끌고 있다.
자극감응형 소자로서, 압전체인 PVDF 공중합체를 센서 소재로 사용하고 FET를 신호변환기로 사용하는 터치 센서 어레이가 개시된 바 있다(Bauer et al., Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 073501). 개시된 연구에서는 FET 소자의 게이트 전극을 연장하여 센서부인 압전체와 연결함으로써, 센싱과 동시에 FET 소자를 통해 신호를 증폭하는 방식으로 작동하도록 되어 있다.
다른 연구에서는 압저항 전극소재를 적용한 OTFT 기반 압력 센서와 별도의 온도 센서를 집적화하여 온도 및 압력을 동시에 감지할 수 있는 형태의 어레이 구조를 개시하고 있다(Someya et al., PNAS, 102, 12321, 2005).
그러나, 이와 같이 센서부와 FET 신호변환기가 분리된 구조를 사용할 경우에는, 센서 픽셀의 밀도가 제한되고 제조 공정이 복잡해지는 등의 많은 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 자극감응형 소재를 FET의 활성층으로 직접 포함하는 온도 감지 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 환원된 그래핀 산화물(R-GO)을 전계 효과 트랜지스터(FET)의 활성층으로 사용하여 온도를 감지하고, R-GO층을 주위 환경으로부터 보호하기 위한 인캡슐레이션층을 형성하여 FET의 전기적 특성에 미치는 영향을 차단한다.
즉, 본 발명의 일면에 따른 온도 감지 소자는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 덮고 있는 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에 형성되어 있으며, 온도를 감지할 수 있는 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성층; 상기 활성층 위에 형성되어 있는 소스 및 드레인 전극; 및 적어도 상기 활성층을 덮는 인캡슐레이션층을 포함하여 이루어진다.
상기 온도 감지 소자는 상기 게이트 절연막 위에 형성되어 있는 자기조립 단분자막(SAM: self assembled monolayer)을 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 활성층은 흑연박리법으로 형성된 그래핀 산화물을 상기 SAM에 그물망 형태로 흡착시킨 후 환원시켜 형성할 수 있다.
상기 인캡슐레이션층은 소수성 소재, 특히, tetratetracontane(TTC, CH3(CH2)42CH3)으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기판의 거침(roughness)을 줄이기 위하여 상기 기판 위에 형성되어 있는 베어층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따른 온도 감지 소자의 제조 방법은, 기판 위에 섀도우마스크를 이용한 전자빔 증착법으로 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 위에 원자층 증착법으로 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 위에 온도를 감지할 수 있는 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 섀도우마스크를 이용한 열증착법으로 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 적어도 상기 활성층을 덮는 인캡슐레이션층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 온도 감지 소자의 제조 방법은, 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계 이후에, 상기 게이트 절연막 위에 자기조립 단분자막(SAM: self assembled monolayer)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 활성층을 형성하는 단계는, 흑연박리법으로 형성된 그래핀 산화물을 상기 SAM에 흡착시키는 단계; 및 상기 그래핀 산화물을 하이드라진 수화물 (hydrazine hydrate) 증기에 노출하여 환원시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 게이트 전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 기판 위에 고분자 재료를 스핀코팅하여 베어층(bare layer)을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 인캡슐레이션층을 형성하는 단계는, 상기 활성층을 포함하는 전체 소자를 열처리(annealing)하는 단계; 및 적어도 상기 활성층 위에 인캡슐레이션층을 덮는 단계를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 인캡슐레이션층은 소수성 소재, 특히, tetratetracontane(TTC, CH3(CH2)42CH3)으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상온 내지 80℃의 온도 범위에서 1℃ 간격으로 온도를 측정할 수 있는 FET 센서 소자와 그 제조 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 온도 감지 소자는 인캡슐레이션층에 의해 활성층이 대기환경으로부터 보호되어 이력현상이 제거되고, 높은 안정성과 재현성을 보장한다.
본 발명의 FET 센서 소자는 온도 감지와 함께 적외선 감지 성능을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물(R-GO) 활성층을 포함하는 전계 효과 트랜지스터(FET)의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도 3은 인캡슐레이션층에 의해 캡슐화된 소자와 그렇지 않은 소자의 이력현상을 나타낸 것이다.
도 4는 인캡슐레이션층에 의해 캡슐화된 소자와 그렇지 않은 소자의 전기적 안정성을 나타낸 것이다.
도 5는 대기 조건에서 캡슐화된 소자와 그렇지 않은 소자의 전하중성점(CNP: charge neutrality point)의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET의 온도 응답을 나타낸 것이다.
도 7은 온도 변화에 따른 최소 채널 컨덕턴스를 나타낸다.
도 8은 R-GO FET의 시간에 따른 온도 응답을 나타낸다.
도 9는 온도 변화에 따른 캐리어 이동도의 변화를 나타낸다.
도 10은 온도 변화에 따른 캐리어 농도의 변화를 나타낸다.
도 11은 소자의 전달 특성을 여러 온도에서 반복 측정한 것이다.
도 12는 R-GO FET의 재현성을 나타낸다.
도 13은 R-GO FET의 적외선 감지 성능을 나타낸다.
도 14는 소자의 IR 응답을 나타낸다.
도 15는 R-GO FET의 IR 응답 곡선의 실험 데이터와 피팅 데이터를 나타낸다.
도 16은 IR에 대한 R-GO FET 응답의 이완 곡선의 실험 데이터와 피팅 데이터를 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 환원된 그래핀 산화물(R-GO)을 포함하는 온도 감지 소자 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 R-GO 활성층을 포함하는 FET의 제조 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 R-GO 활성층을 포함하는 FET의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 R-GO 활성층을 포함하는 FET는, 도 2의 (a) 내지 (h)를 참조하면, 기판(10), 기판(10) 위에 형성되어 있는 베어층(20), 베어층(20) 위에 형성되어 있는 게이트 전극(30), 게이트 전극(30)을 덮고 있는 게이트 절연막(40), 게이트 절연막(40) 위에 형성되어 있는 자기조립 단분자막(SAM: self assembled monolayer)(50), SAM(50) 위에 형성되어 있으며, 온도를 감지할 수 있는 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성층(60), 활성층(60) 위에 형성되어 있는 소스 및 드레인 전극(70), 및 소스 및 드레인 전극(70) 위에 형성된 인캡슐레이션층(80)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 온도 감지 소자인 R-GO FET 소자는, 균일하게 자기조립(self-assembled)된 그물망 형태의(networked) R-GO 나노시트로 이루어진 활성층을 포함하여, 이 활성층은 온도 변화나 적외선 조사와 같은 물리적인 자극에 대한 응답성이 매우 높다. 온도 변화에 대한 소자의 민감도(ΔGS/K, ΔGS는 채널 컨덕턴스 변화량)는 6.7nS/K로 나타났다.
또한, 진공 상태에서 소자를 열처리하고, 유기 재료의 인캡슐레이션층으로 소자를 캡슐화함으로써, 이력현상(hysteresis)을 줄이고, 높은 안정성과 재현성을 얻을 수 있다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET의 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 먼저 유리 기판(10) 위에 폴리-4-비닐 페놀(PVP)를 스핀코팅하여 베어층(bare layer)(20)를 형성한다(S120). 베어층(20)의 두께는 400nm 가량이며, 유리 기판(10)의 거침(roughness)을 줄이기 위한 것이다.
이때, 기판의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 유리, 실리콘, 플라스틱, 쿼츠 기판 등이 사용될 수 있다. 또한, 베어층의 재료로도 PVP 외에 다양한 폴리머 재료가 사용될 수 있다.
베어층(20) 위에 섀도우마스크를 이용한 전자빔 증착법(e-beam evaporation)을 이용하여 니켈을 증착하여 게이트 전극(30)을 형성한다(S130). 게이트 전극(30)의 두께는 100nm 가량이다.
게이트 전극(30) 위에 원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition)을 이용하여 200nm 두께의 산화 알루미늄(Al2O3)을 증착하여 게이트 절연막(40)을 형성한다(S140).
이 때, 게이트 절연막의 재료는 산화 알루미늄에 한정되지 않으며, HfO2나 ZrO2 등 저온 ALD로 증착할 수 있는 다른 산화물을 모두 사용할 수 있다.
다음, Al2O3층 위에 염화 폴리 다이얼릴 디메틸 암모늄(PDDA: poly (diallyldimethylammonium chloride)을 이용하여 자기조립 단분자막(SAM: self-assembled monolayer)(50)을 형성하는데(S150), 이는 그래핀 산화물 나노시트가 절연막 위에 잘 흡착되어, 얇고 연속적인 그래핀 산화물 네트워크를 형성하도록 하기 위한 것이다.
여기에서, SAM의 형성은 PDDA를 사용하는 방법에 제한되는 것은 아니며, 그밖에도 APTMS, APTES 등 다른 아민 그룹을 형성시킬 수 있는 SAM을 사용하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
이제, SAM(50) 위에 R-GO로 이루어진 활성층(채널층)(60)을 형성한다(S160). 활성층(60)의 형성 방법은, 먼저, 변형된 Hummer의 흑연박리법으로 형성된 그래핀 산화물 나노시트의 그래핀 산화물 수용액(0.2mg/mL)을 이용하여, 그래핀 산화물을 PDDA에 의해 변형된 SAM 층을 갖는 게이트 절연막에 흡착시킨다. 흡착된 그물망 형태의(networked) 그래핀 산화물층을 40℃에서 하이드라진 수화물(hydrazine hydrate) 증기에 18시간 노출하여 환원시킴으로써 FET의 활성층인 R-GO층(60)이 형성된다.
이와 같이 형성된 R-GO층(60)은 온도 변화와 적외선 조사에 대한 높은 응답 특성을 갖고 있어 R-GO FET를 온도 감지용의 센서 소자로 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET 소자는 상온~80℃의 온도 범위에서 1℃ 간격으로 온도를 측정할 수 있으며, 소자의 민감도(ΔGS/K, ΔGS는 채널 컨덕턴스 변화량)는 6.7nS/K이다.
소스 및 드레인 전극(70)은 섀도우마스크를 사용하여 금(Au)과 크롬(Cr)을 각각 50nm와 5nm 두께로 열증착하여 형성한다(S170).
자극감응형 FET를 이용한 센서 소자에 있어서는 소자의 전기적 안정성이 매우 중요한데, FET의 활성층을 구성하는 R-GO 박막에 존재하는 결함(defect and disorder)은 대기환경(ambient environment)에 매우 민감하여 이력현상을 발생시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET에서는 완성된 FET 소자 위에 유기재료로 인캡슐레이션층(encapsulation layer)(80)을 형성한다(S180).
인캡슐레이션층(80)은 tetratetracontane(TTC, CH3(CH2)42CH3)으로 형성하며, R-GO FET의 성능을 개선하고 R-GO 활성층(60)이 주위의 산소나 수분을 흡착함으로써 발생하는 전기적 불안정성을 제거하기 위한 것이다.
즉, S110 내지 S170 단계를 거쳐 형성된 R-GO FET 소자를 10-5 Torr의 고진공 상태와 150℃의 온도에서 3시간 동안 열처리(annealing)하여 흡착된 분자들을 제거하고, 그 위에 인캡슐레이션층(80)을 덮는다. 높은 소수성을 갖는 TTC층은 수증기와 같은 극성 용매의 흡착을 최소화하여 R-GO FET의 활성층을 보호한다.
도 3은 인캡슐레이션층에 의해 캡슐화된 소자와 그렇지 않은 소자의 이력현상을 나타낸 것이다.
도 3의 (a)에 나타난 바와 같이, 캡슐화된 소자(본 발명)의 경우 이력현상이 줄어들고 캐리어 이동도가 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 전하중성점(CNP: charge neutrality point)은 0의 게이트 전압(VG)에 가깝게 이동한 것을 볼 수 있다.
CNP는 전달 곡선(transfer curve)의 소스-드레인 전류(IDS)가 최소값을 갖는 VG 값을 의미한다.
이와 반대로, 캡슐화되지 않은 소자의 경우 높은 이력현상과 낮은 캐리어 이동도를 보여주며(도 3의 (b)), CNP는 13V 정도로 나타났다.
도 4는 각각 인캡슐레이션층에 의해 캡슐화된 소자와 그렇지 않은 소자의 전기적 안정성을 나타낸 것이다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 캡슐화된 R-GO FET의 전달 특성을 대기 조건(ambient condition)에서 6시간 간격으로 6번 측정한 결과, 도 4의 (a)에 나타난 바와 같이, 36시간이 경과한 후에도 전류의 전달 특성이 거의 변화하지 않음을 알 수 있다.
이에 비해, 캡슐화되지 않은 소자의 경우, 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 대기 조건에 노출시키고 몇 분이 지나자마자 IDS가 증가하는 것을 볼 수 있다.
도 5는 대기 조건에서 캡슐화된 소자와 그렇지 않은 소자의 CNP 변화를 나타낸 것이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 캡슐화된 소자(본 발명)의 CNP는 36시간 공기에 노출된 후에도 거의 변화하지 않았지만, 캡슐화되지 않은 소자의 경우 몇 분간의 노출에 의해서도 CNP가 양의 VG 방향으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 캡슐화되지 않은 소자의 불안정성은 대기 중의 습기나 산소가 R-GO 박막에 흡착되는 것의 영향으로써 R-GO FET의 전기적 특성에 영향을 미치게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET의 온도 응답을 나타낸 것이다.
R-GO FET의 온도 응답을 조사하기 위하여 303 내지 353K에서 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 캡슐화된 R-GO FET의 전달특성을 측정하였다. 측정 과정에서 소스-드레인 전압(VDS)은 5V로 고정하였으며, 온도가 증가함에 따라 R-GO 활성층의 컨덕턴스가 증가하는 것을 알 수 있다.
도 7은 온도 변화에 따른 최소 컨덕턴스를 나타낸다.
도 7은 도 6에 나타난 전달특성 그래프의 CNP에서 R-GO 채널의 최소 채널 컨덕턴스 값을 측정 온도의 함수로 나타낸 것으로서, 온도 변화에 대하여 6.7nS/K의 높은 응답성(ΔGS/K, ΔGS는 채널 컨덕턴스 변화량)을 갖는 것을 알 수 있다.
도 7에 삽입된 그래프는 1000/T의 함수로 ln(Gs_min)을 나타낸 것으로서 Arrhenius 모델과 잘 맞는 것을 알 수 있으며, R-GO FET의 온도 응답 특성이 전하 캐리어의 열 활성화에 기인한 것임을 시사한다.
도 8은 R-GO FET의 시간에 따른 온도 응답을 나타낸다. IDS를 모니터링하는 동안 VG와 VDS는 각각 5V로 유지하였다.
도 9는 온도 변화에 따른 캐리어 이동도의 변화를 나타낸다. 각 캐리어 타입에 대한 전계효과 이동도 μ는 전달 특성의 두 부분으로부터 추출될 수 있다. 도 9에 나타난 바와 같이, 정공 및 전자 이동도는 303K에서 343K로 온도가 증가함에 따라 점차 증가하며, 이는 나노시트 내부와 나노시트 사이의 호핑(hopping transport)에 의해 설명될 수 있다. 그물망 형태의 R-GO 박막의 경우 R-GO 나노시트 내의 결함(defects and disorders)과 나노시트 사이의 접합부(junctions)에 의해 캐리어가 포텐셜 장벽 근처에서 국재화(localized)되거나 포획(trapped)된다. 결함 또는 접합부에서 캐리어가 국재화되면, 캐리어가 한쪽에서 다른 쪽으로 움직이기 위하여 격자 진동(lattice vibration)이 필수적이다. 이것이 호핑 이동 과정이며 온도가 증가함에 따라 이동도가 증가하는 것으로 기대된다. 그러나, R-GO FET의 성능에 대한 연구에서는 나노시트 사이의 호핑 이동이 제한됨에 따라 그물망 형태의 R-GO 박막 기반 소자의 이동도가 단일 나노시트 기반 소자에 비해 낮은 것으로 나타났다. 이는 나노시트 간의 저항이 나노시트 내의 저항에 비해 소자의 전계효과 채널 이동도에 더 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET의 경우 소스 및 드레인 전극 사이의 거리가 나노시트의 측방향 크기의 몇 배 이상 크기 때문에 R-GO 채널 내에 다수의 나노시트가 존재하며, 이에 따라 R-GO FET의 채널 저항은 나노시트 간 저항의 영향을 주로 받는다. 따라서, R-GO 채널 내의 호핑 이동은 나노시트 내의 것보다 나노시트 사이의 캐리어 호핑이 될 것이다. 그러나, μ 값은 온도가 343K에서 353K로 변화하는 구간에서는 더 이상 눈에 띄게 증가하지 않는데, 이러한 현상은 유전체 표면 극성 포논(dielectric surface polar phonon)의 산란이 증가하는 것과 온도가 높아짐에 따라 캐리어-캐리어 산란이 증가하는 것에 의한 현상으로 생각된다.
도 10은 온도 변화에 따른 캐리어 농도의 변화를 나타낸다. 온도의 증가 에 따른 nmin 값의 증가와 ln(nmin) 대 1000/T의 그래프는 120meV의 활성화 에너지에서 Arrhenius 식과 잘 맞는 것을 알 수 있다. 300-355K의 높은 온도에서 나타난 120meV의 활성화 에너지는 보고된 R-GO 박막의 에너지 밴드갭에 비해 약 2-10배 이상 큰 것이며, 이 경우 캐리어의 열 활성화는 페르미 에너지와는 다른 에너지 상태 전이와 관련된 것으로 생각된다. 따라서, R-GO FET의 채널 컨덕턴스의 온도에 따른 변화는 R-GO 채널의 전자-정공 쌍의 발생을 일으키는 전하 캐리어의 열 활성화에 기인한 것으로 생각된다.
도 11은 소자의 전달 특성을 여러 온도에서 반복 측정한 것이고, 도 12는 R-GO FET의 재현성을 나타낸다.
대기 조건에서 R-GO FET의 온도 응답성의 신뢰성 검증을 위하여 소자의 안정성과 재현성(reproducibility)를 평가하였다.
도 11에 나타난 바와 같이, 온도 변화에 따른 소자 안정성의 변화를 조사하기 위하여 소자의 전달 특성을 303K, 308K 및 313K의 온도에서 4번 반복 측정하였으며, 각 측정에서 전달 곡선은 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다.
소자의 재현성은 가열 사이클에 따른 측정에 의해 조사하였으며, 소자의 온도 응답을 303K(30℃)에서 323K(50℃) 온도 범위의 두 가열 사이클 동안 2K 간격으로 측정하였다. 각 가열 사이클에 대하여 CNP에서 IDS의 응답 값을 기록한 결과, 각 가열 사이클의 IDS,min 응답 값은 소자의 재현성이 두 가열 사이클 동안 양호한 것을 보여준다. 그러나, 가열 및 냉각 사이클에 대응하여 IDS,min에 약간의 차이가 있으며, 이는 R-GO FET의 온도 응답에 약간의 이력 현상이 있음을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET는 온도뿐만 아니라, 적외선(IR)을 감지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET의 IR 감지 성능을 나타낸다. 할로겐 등을 이용하여 소자의 표면에 IR을 조사하여 R-GO FET의 IR 응답을 측정하였다. 800nm 미만의 파장을 차단하기 위한 필터를 할로겐 등 전면에 설치하고 측정하였으며, 도 13은 1000 내지 2000mWcm-2의 IR 세기에 대해 전달 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 14는 소자의 IR 응답을 나타낸 것으로서, IDS를 서로 다른 IR 세기에 대하여 시간의 함수로 표시하였다. IDS 응답은 VG=5V 및 VDS=5V의 조건에서 측정되었다.
도 15는 R-GO FET의 IR 응답 곡선의 실험 데이터와 피팅 데이터를 나타낸다. R-GO FET에 IR을 조사한 응답 곡선은 다음의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기에서, t1과 t2는 시간 상수이며, x는 IR이 켜진 시간, I0는 암 전류(dark current), A1 및 A2는 스케일링 상수이다.
이러한 피팅에 기초하여, R-GO FET의 IR 응답 곡선은 지수적으로 변화하며, 이는 열 기여 효과(thermal contributing effect)로 알려져 있다. 또한, R-GO FET의 전류는 IR 광원이 켜지고 수초 내에 증가하는데, 이와 같은 응답 전류의 빠른 증가는 광 응답이 R-GO FET의 IR 응답성에 기여하는 것을 나타낸다.
도 16은 IR에 대한 R-GO FET 응답의 이완 곡선의 실험 데이터와 피팅 데이터를 나타낸다. R-GO FET에 IR을 조사한 동적 이완 곡선은 다음의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00002
여기에서, t1과 t2는 시간 상수이며, x는 IR이 꺼진 시간, I0는 암 전류(dark current), A1 및 A2는 스케일링 상수이다.
이러한 피팅에 기초하여, R-GO FET의 IR에 대한 이완 곡선은 지수적 변화를 나타내며, 이는 열 기여 효과(thermal contributing effect)로 알려져 있다. 또한, R-GO FET의 전류는 IR 광원이 꺼지고 수초 내에 감소하는데, 이와 같은 응답 전류의 빠른 감소는 광 응답이 R-GO FET의 IR 응답성에 기여하는 것을 나타낸다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 상온 내지 80℃의 온도 범위에서 1℃ 간격으로 온도를 측정할 수 있는 R-GO FET 센서 소자와 그 제조 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 R-GO FET는 인캡슐레이션층에 의해 활성층이 대기환경으로부터 보호되어 이력현상이 제거되고, 높은 안정성과 재현성을 보장한다.
또한, 본 발명의 R-GO FET는 온도 감지와 함께 적외선 감지 성능을 제공할 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 기판 20: 베어층
30: 게이트 전극 40: 게이트 절연막
50: SAM 60: 활성층
70: 소스 및 드레인 전극 80: 인캡슐레이션층

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극을 덮고 있는 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 위에 형성되어 있으며, 온도를 감지할 수 있는 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성층;
    상기 활성층 위에 형성되어 있는 소스 및 드레인 전극; 및
    적어도 상기 활성층을 덮는 인캡슐레이션층
    을 포함하는 온도 감지 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 절연막 위에 형성되어 있는 자기조립 단분자막(SAM: self assembled monolayer)을 더 포함하는 온도 감지 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 활성층은,
    흑연박리법으로 형성된 그래핀 산화물을 상기 SAM에 그물망 형태로 흡착시킨 후 환원시켜 형성된 것인 온도 감지 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인캡슐레이션층은,
    소수성 소재로 이루어진 온도 감지 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 인캡슐레이션층은,
    tetratetracontane(TTC, CH3(CH2)42CH3)으로 이루어진 온도 감지 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 거침(roughness)을 줄이기 위하여 상기 기판 위에 형성되어 있는 베어층을 더 포함하는 온도 감지 소자.
  7. 기판 위에 섀도우마스크를 이용한 전자빔 증착법으로 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 위에 원자층 증착법으로 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연막 위에 온도를 감지할 수 있는 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 섀도우마스크를 이용한 열증착법으로 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    적어도 상기 활성층을 덮는 인캡슐레이션층을 형성하는 단계
    을 포함하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 게이트 절연막을 형성하는 단계 이후에,
    상기 게이트 절연막 위에 자기조립 단분자막(SAM: self assembled monolayer)을 형성하는 단계를 더 포함하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계는,
    흑연박리법으로 형성된 그래핀 산화물을 상기 SAM에 흡착시키는 단계; 및
    상기 그래핀 산화물을 하이드라진 수화물(hydrazine hydrate) 증기에 노출하여 환원시키는 단계를 포함하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 게이트 전극을 형성하는 단계 이전에,
    상기 기판 위에 고분자 재료를 스핀코팅하여 베어층(bare layer)을 형성하는 단계를 더 포함하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 인캡슐레이션층을 형성하는 단계는,
    상기 활성층을 포함하는 전체 소자를 열처리(annealing)하는 단계; 및
    적어도 상기 활성층 위에 인캡슐레이션층을 덮는 단계를 포함하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 인캡슐레이션층은,
    소수성 소재로 형성하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 인캡슐레이션층은,
    tetratetracontane(TTC, CH3(CH2)42CH3)으로 형성하는 온도 감지 소자의 제조 방법.
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