KR20180072351A - 복합 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 센서에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 센서(10)는, 기판(100), 기판(100) 상에 형성되고, 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200). 탄소 전극막(200) 상에 형성된 절연막(300), 절연막(300) 상의 적어도 일부에 형성되며, 상호 이격된 제1 전극(410) 및 제2 전극(420)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 복합 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 용량형 센서, 저항형 센서, 3전극 전기화학 센서의 다양한 용도로 사용가능하며, 소형화가 가능한 복합 센서에 관한 것이다.
측정 대상에 존재하는 특정 물질의 존재 유무의 판별 혹은 특정 물질을 정량하는 센서와 방법들이 알려져 있다. 이러한 센서들은 정전용량(Capacitance)의 변화를 측정하는 용량형 센서, 도전율(Conductance)의 변화를 측정하는 저항형 센서, 전기화학적인 반응에 의한 전압, 전류의 변화를 3전극으로 측정하는 전기화학 센서 등으로 구분될 수 있고, 유체, 대기 속에 포함된 가스, 이온의 전기적 특성을 측정하여 측정 대상의 상태를 감지할 수 있으며, 바이오 관련 항원-항체 특성 변화, DNA, RNA, 생체반응용 물질 등의 화학적 변화를 측정할 수 있다.
센서가 사용되는 한 예로서, 절연유의 열화 상태를 센싱할 수 있다. 절연유(Insulating Oil)는 변압기, 차단기, 축전기 등 고전압설비의 절연성능을 유지하기 위하여 사용된다. 절연유는 사용 중에 점차 열화될 수 있으며, 열화가 진행되면 슬러지가 생성되고 절연성능을 저하시킬 수 있다. 고가의 변압기가 열화때문에 파손되기 전에 절연유를 교체하거나 변압기를 수리할 수 있도록, 절연유의 열화 상태를 미리 센싱할 필요성이 높게 요구된다.
종래의 열화 상태를 측정 방법은 샘플을 채취하여 실험실에서 화학적으로 분석하는 가스분석방식이나, 절연유 산가 및 내압치를 측정하는 방식을 사용해왔기 때문에 실시간으로 이루어지기 어려운 문제점이 있고, 절연유 수분 증가로 변압기가 절연 파괴되거나, 폭발할 위험이 있는 문제점이 있다.
한편, 종래의 전기화학 센서는 고전적으로 3전극 (reference, working, counter) 형태로 제작되고 있다. 예를 들어, 도 1과 같이, 기준전극(1), 작동전극(2), 및 상대전극(3)의 3전극을 기판(4) 상에 배치하고, 이러한 센서를 채널에 나열하여 액상의 측정 대상 물질의 화학적 특성 변화를 측정하는 방식이다.
위와 같은, 종래의 열화 상태를 측정하는 장치는, 유전 상수 변화를 측정하기 위해 부피가 큰 실린더 형태나 평행판 구조 형태의 장치를 포함하고 있어, 대량 생산과 소형화에서 문제점을 가지고 있다. 또한, 도 1과 같은 3전극 센서는 3전극(1-3)을 기판(4) 위에 동시에 배열하는 형태를 가지므로, 센서의 크기가 매우 커질 수 밖에 없는 문제점이 있다.
또한, 측정 대상의 정밀하게 분석하기 위해서는 다각도의 방법으로 분석이 필수적이지만, 종래의 센서는 측정 대상의 물리, 화학적인 변화를 한 가지 관점에서만 포착하여 분석할 수 밖에 없는 한계를 갖는다. 따라서, 소형화가 가능하고 다양한 특성을 측정 가능한 복합 센서가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다양한 용도로 사용하여 측정 대상 물질을 다각도로 분석할 수 있는 복합 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 측정 대상 물질의 전기적 특성 또는 전기적 특성의 변화를 높은 감도로 측정할 수 있는 복합 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 응답 속도가 빠르고, 우수한 감도 및 높은 신뢰성을 가지고, 소형화 할 수 있는 복합 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 센서는, 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막; 상기 탄소 전극막 상에 형성된 절연막; 상기 절연막 상의 적어도 일부에 형성되며, 상호 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 실리콘, 유리 또는 알루미나(Alumina)를 포함할 수 있다.
상기 기판이 실리콘을 포함하는 경우, 상기 실리콘은 N형 또는 P형으로 도핑된 실리콘일 수 있다.
상기 기판이 유리 또는 알루미나를 포함하는 경우, 상기 기판과 상기 탄소 전극막 사이에 전도성막(Conductive Layer)이 더 형성될 수 있다.
상기 탄소 전극막은, 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 인조흑연(Artificial Graphite), 카본블랙(Carbon Black), 활성탄소(Activated Carbon) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소 전극막이 가지는 전기 용량값은, 상기 탄소 전극막이 포함하는 복수의 탄소 입자들 각각의 사이에서 발생하는 전기 용량의 총합일 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 적어도 일부를 커버하며 상기 절연막 상에 형성된 보호막을 더 포함할 수 있다.
상기 기판 및 상기 탄소 전극막의 접촉체는 커패시터(Capacitor)로 기능하고, 상기 복합 센서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전원을 인가하여 정전용량의 변화를 측정하는 용량형 센서일 수 있다.
상기 복합 센서는 상기 기판에 전원을 인가하여 상기 기판의 저항 변화를 측정하는 저항형 센서일 수 있다.
상기 기판 및 상기 탄소 전극막은 작동전극(Working Electrode), 상기 제1 전극은 기준전극(Reference Electrode), 상기 제2 전극은 상대전극(Counter Electrode)으로 기능하고, 상기 복합 센서는 상기 작동전극과 상기 기준전극 사이의 전위차를 측정하는 3전극 전기화학 센서일 수 있다.
상기 작동전극의 단면이 사각형, 원형, 반원형 또는 삼각형의 형태일 수 있다.
상기 작동전극의 단면을 이루는 적어도 하나의 폭이 500μm 이하일 수 있다.
상기 기준전극 및 상기 상대전극이 상기 작동전극의 단면과 수평방향으로 상기 절연막 상에 배치될 수 있다.
상기 기준전극 및 상기 상대전극이 상기 작동전극의 단면과 수직방향으로 연장된 형태로 상기 절연막 상에 배치될 수 있다.
상기 기준전극 및 상기 상대전극은 각각 패턴화된 형태를 갖고, 각각의 패턴화된 형태가 서로 맞물려 있도록 배치될 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 철(Fe), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd) 세슘(Cs), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-알루미늄(Mg-Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 대향하도록 배치되는 빗살형 전극(Interdigit Electrode)일 수 있다.
상기 탄소 전극막의 두께는 10nm 내지 5㎛일 수 있다.
상기 절연막의 두께는 10nm 내지 1㎛일 수 있다.
상기 기판은 측정 대상 물질이 상기 탄소 전극막에 직접적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
상기 보호막은 측정 물질이 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 직접적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 다양한 용도로 사용하여 측정 대상 물질을 다각도로 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 측정 대상 물질의 전기적 특성 또는 전기적 특성의 변화를 높은 감도로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 응답 속도가 빠르고, 우수한 감도 및 높은 신뢰성을 가지고, 소형화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 3전극 센서를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 전극막의 전기적 특성이 변화하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 실시예에 따른 통합 센서를 나타내는 개략 사시도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 전극막의 전기적 특성이 변화하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 회로 구성을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현 될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성 요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음을 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서(10)를 나타내는 개략 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서(10)를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 통합 센서(10)는 기판(100), 탄소 전극막(200), 절연막(300), 한 쌍의 전극(400: 410, 420)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 유리 또는 실리콘을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 기판(100)은 알루미나(Alumina)를 포함하는 알루미나 기판으로 구현될 수도 있다. 기판(100)이 실리콘으로 구현된 경우, 실리콘은 전도성을 갖도록 N형 또는 P형으로 도핑(Doping)된 실리콘일 수 있다. N형 실리콘의 경우는 기판에 포함된 전자(electron), P형 실리콘의 경우는 기판에 포함된 정공(hole)을 최대한 활용하기 위해서, 불순물을 높게 주입(highly doping)할 필요가 있다.
기판(100)이 유리나 알루미나 재질인 경우에는, 기판(100) 상에 전도도가 높게 형성되도록, 전도성막(Conductive Layer)를 기판(100)의 적어도 일면 상에 더 형성할 수 있다. 전도성막은 금속 재질의 도체일 수 있으며, 기판(100)과 탄소 전극막(200) 사이에서 전도가 이루어지도록 할 수 있다.
탄소 전극막(200)은 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 탄소 전극막(200)은 탄소물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 탄소 전극막(200)은 탄소물질을 포함할 수 있도록, 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 인조흑연(Artificial Graphite), 카본블랙(Carbon Black), 활성탄소(Activated Carbon) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 중에서, 그래핀이나 카본나노튜브는 탄소 원자들이 2차원 상에서 sp2 결합에 의한 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 갖는 물질로서, 물리적, 화학적으로 매우 안정할 뿐만 아니라, 나노리본(Nanoribbons)의 가장자리 구조를 이용하면 고감도의 통합 센서(10)를 제조할 수 있는 장점이 있다. 한편, 기판(100) 상에 형성된 탄소 전극막(200)의 면적에 따라 통합 센서(10)의 감도(Sensitivity)가 변화할 수 있으므로, 탄소 전극막(200)은 기판(100)의 일부분 상에만 형성될 수도 있다.
일 실시예에 따라, 탄소 전극막(200)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 사용하거나, 에피택셜(Epitaxial) 성장법을 사용하여 구현되는 것이 바람직하다. 이 경우, 탄소 전극막(200) 내의 탄소 물질들이 규칙적으로 배열될 수 있고, 균일한 막을 형성할 수 있어, 탄소 전극막(200)이 정전용량을 높게 가질 수 있게 된다. 그리하여, 감도를 증대시킨 센서를 구현할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 그래핀을 포함하는 탄소 전극막(200)을 형성하기 위해서, 기계적 박리법, 화학적 박리법, 프린팅법 등을 사용할 수 있고, 카본나노튜브를 형성하기 위해서, 전기방전법(Arc-Discharge), 레이저 증착법(Laser Vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced CVD), 열화학기상증착법(Thermal CVD), 기상합성법(Vapor Phase Growth) 등을 사용할 수 있다.
탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200)은 기판(100)과 접촉하여 통합 센서(10)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 전기적 특성은 캐피시턴스(Capacitance)라고도 불리는 전기 용량(Electric Capacity), 유전율(Permittivity), 또는 유전 상수(Dielectric Constant)일 수 있다. 기판(100)과 탄소 전극막(200)의 접촉체가 높은 초기 용량값을 가지는 커패시터(Capacitor)로서 기능하여 통합 센서(10)의 전기적 특성을 향상시킬 수도 있다.
화학기상증착법 또는 에피택셜 성장법을 사용하여 탄소 전극막(200)을 형성할 시, 탄소 전극막(200)은 10nm 내지 5㎛의 두께로 형성될 수 있다. 탄소 전극막(200)의 두께가 얇을수록 센서의 감도가 향상될 수 있는데, 상기 방법을 통해서 막 두께를 용이하게 제어할 수 있고, 얇은 두께로 균일하게 형성할 수 있는 이점이 있다.
절연막(300)은 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200) 상에 형성될 수 있다. 절연막(300)은 기판(100)/탄소 전극막(200)과 그 위에 배치되는 한 쌍의 전극(400)을 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다. 절연막(300)은 예를 들어, 산화물, 질화물과 같은 무기 절연 재료 또는 유기 절연재료를 포함할 수 있다. 무기 절연 재료는 Si3N4, SiON, SiO2, ZnO, AlN, MgF2, In2O3, CeO2, La2O3, TiO2 등이 있으며, 열 증착(Thermal Evaporation), 전자빔 증착(E-Beam Evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광 CVD, MO-CVD, 레이져 CVD, LPCVD(Low Pressure CVD), UHVCVD(Ultra-high vacuum CVD), DLICVD(Direct liquid injection CVD), AACVD(Aerosol-assisted CVD), MPCVD(Microwave Plasma CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD), ALCVD(Atomic Layer CVD). Sol-Gel 법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 유기 절연 재료는 아크릴 수지(Acrylic Resin), PC(Poly Carbonate), PES(Polyether Sulfone), PET(Polyethylene Terephthalate), PI(Polyimide), Teflon 등이 있으며, 스핀 코팅(Spin Coating), 스프레이 코팅(Spray Coating), 정전 스프레이 코팅(Electro Spray Coating), 전기방사(Electrospinning), Sol-Gel 법, 필름 코팅(Film Coating) 등을 사용하여 형성할 수 있다.
절연막(300)의 두께는, 예를 들어, 10nm 내지 1㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 20nm 내지 500nm일 수 있다. 이 범위에서 기판(100)/탄소 전극막(200)과 전극(400; 410, 420) 사이를 전기적으로 절연시키는데 적절하다.
절연막(300)이 500nm보다 두꺼우면 절연 특성은 향상될 수 있으나, 통합 센서(10)를 용량형 센서로 적용할 경우, 초기 용량값이 낮아지고 감도가 감소할 수 있다. 또한, 절연막(300)의 두께가 20nm보다 작으면, 절연막(300)이 탄소 전극막(200)을 충분히 덮지 못하여 절연막(300) 상에 형성되는 전극(400)과 탄소 전극막(200)이 연결됨에 따라, 유전체를 사용하여 유전율을 측정할 수 있는 용량형 센서 또는 전기화학센서인 3전극 센서로서 사용하기 어려워지며, 저항을 측정하는 저항형 센서로서 작동할 수 있다. 다만, 본 발명이 절연막(300)의 두께에 의하여 그 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 통합 센서(10)는 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200)이 기판(100)과 절연막(300) 사이에 개재되어 정전용량을 높게 형성할 수 있다. 이로서 통합 센서(10)가 용량형 센서로 사용될 때, 탄소 전극막(200)에 결함 발생 가능성을 낮추어, 센서의 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
그래핀, 탄소나노튜브 등을 포함하는 탄소 전극막이 용량형 센서의 최외곽에 배치되는 경우, 탄소 전극막이 박리되거나 갈라지는 등의 결함이 발생할 가능성이 높다. 이 결함은 전체 정전용량(Capacitance)를 낮추는 결과를 낳을 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면 아래와 같다.
첫번째로, 가령, 그래핀 페이스트를 사용하여 센서의 최외곽에 스크린 프린팅을 하는 경우에는, 그래핀 파우더에 의해 각각의 그래핀 판상이 규칙적으로 배열될 수 없어 정전용량의 증가에 악영향을 미칠 수 있다.
두번째로, 그래핀 페이스트를 만들기 위해서는, 그래핀, 에틸셀룰로우즈(Ethyl Cellulose), 알파-테피놀(α-Terpineol), 글래스프릿(Glass Frit) 과 같은 물질을 섞는다. 그리고, 그래핀 페이스트에 소결 공정을 거치면, 에틸셀룰로우즈와 알파-테피놀은 휘발되어 사라지고, 글래스프릿은 그래핀을 고정해두기 위해 남게되는데, 이 글래스프릿이 불순물로 작용할 수 있다. 뿐만 아니라, 그래핀은 400℃ 이상에서부터 Tg(Thermogravimetry) 값이 급격히 하강하는데, 400℃ 이상에서 수행되는 소결 공정은 그래핀의 손실을 유발하며, 이는 탄소 전극막의 전체 정전용량을 떨어뜨리는 악영향을 미칠 수 있다.
세번째로, 용량형 센서로서 변압기 절연유의 전기적 특성을 측정하는 과정에서, 절연유 등의 기름이 탄소 전극막에 접촉하고 유동하는 과정에서 탄소 전극막을 박리시킬 수 있다. 이에 따라 정전용량이 낮아지고, 용량형 센서의 안정성이 낮아지는 현상이 발생한다.
반면에, 본 발명은 기판(100) 상부에 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200)을 화학기상증착법 등을 사용하여 증착하거나, 에피텍셜 성장시킴에 따라서 그래핀, 카본나노튜브 등이 규칙적으로 배열될 수 있다. 또한, 증착, 에피텍셜 성장 등은 소결 공정을 추가로 수행할 필요가 없으므로, 형성된 탄소 전극막(200)이 손실되는 문제점을 해소할 수 있다. 이 외에, 그래핀 페이스트를 사용하여 탄소 전극막(200)을 형성한다고 하여도 기판(100)과 절연막(300) 사이에 탄소 전극막(200)을 배치하므로 소결 공정을 생략할 수 있어, 탄소 전극막(200)이 손실되는 문제점을 해소할 수 있다.
그리고, 측정 대상 물질의 전기적 특성을 측정하는 과정에서, 물질과 탄소 전극막(200)의 직접적인 접촉이 일어나지 않고, 전도성 있는 기판(100)에 의해 탄소 전극막(200)이 보호될 수 있다.
이와 같은 이유로, 탄소 전극막(200)은 불순물이 없고, 균일하고 규칙적인 배열을 가지는 탄소물질을 포함할 수 있으므로, 정전용량을 높게 형성할 수 있으며, 탄소 전극막(200)에 결함 발생 가능성을 낮출 수 있게 된다.
다시, 도 2 및 도 3을 참조하면, 한 쌍의 전극(400: 410, 420)이 절연막(300) 상의 적어도 일부에 형성될 수 있다. 제1 전극(410)과 제2 전극(420)은 상호 소정거리 이격될 수 있다. 전극(400)은 소정의 패턴을 갖도록 구현될 수 있다.
전극(400)은 전도체(Electric Conductor), 예컨대, 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag) 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 철(Fe), 구리(Cu), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 세슘(Cs), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-알루미늄(Mg-Al) 등과 같은 금속 물질 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 전극(400)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 그래핀이나 카본나노튜브와 같이 탄소를 포함하는 투명 전극으로 구현될 수도 있다. 전극(400)은 열 증착(Thermal Evaporation), 전자빔 증착(E-Beam Evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광 CVD, MO-CVD, 레이져 CVD, LPCVD(Low Pressure CVD), UHVCVD(Ultra-high vacuum CVD), DLICVD(Direct liquid injection CVD), AACVD(Aerosol-assisted CVD), MPCVD(Microwave Plasma CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD), ALCVD(Atomic Layer CVD). Sol-Gel 법, 프린팅 방법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 전극(400)은 100nm 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있다. 전극(400)에는 60Hz 내지 100kHz의 주파수를 갖는 전원이 인가될 수 있으나, 본 발명이 전극(400)에 인가되는 전원의 주파수의 범위에 한정되는 것은 아니다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 복합 센서(10)는, 용량형 센서, 저항형 센서, 3전극 전기화학 센서가 통합된 센서로 사용되는 것을 특징으로 한다.
첫째로, 복합 센서(10)의 제1 전극(410) 및 제2 전극(420)에 교류 전원을 인가하여 정전용량의 변화를 측정하는 용량형 센서로 사용할 수 있다. 절연유 등의 측정 대상 물질이 복합 센서(10)의 표면에 접촉되고, 탄소 전극막(200)의 정전 용량의 변화를 측정함에 따라 측정 대상 물질의 상태를 판단할 수 있다. 탄소 전극막(200)의 개재로 정전 용량이 높게 형성되어 센서의 감도가 향상됨은 상술한 바 있다.
둘째로, 복합 센서(10)의 기판(100)에 직류 전원을 인가하여 기판(100)의 도전률(Conductance), 저항 변화를 측정하는 저항형 센서로 사용할 수 있다. 기판(100)이 도핑된 실리콘이거나, 전도성막이 형성되어 전도성을 가지는 경우에는 기판(100) 자체가 전극으로서 기능할 수 있으므로, 기판(100)의 저항 변화를 측정할 수 있다. 이때, 기판(100)의 적어도 두 지점에 저항이 매우 낮은 전극이 연결되어 직류 전원을 인가받는 단자로 기능할 수 있다. 한편, 기판(100)에 촉매를 코팅하여 측정 대상 물질이 기판(100) 표면에 부착되어 저항이 변화되는 양을 증폭시켜 감도를 더 향상시킬 수도 있다.
셋째로, 복합 센서(10)의 기판(100)/탄소 전극막(200), 제1 전극(410), 제2 전극(420)을 각각 작동전극(Working Electrode), 기준전극(Reference Electrode), 상대전극(Counter Electrode)으로 적용하여, 3전극 전기화학 센서로 사용할 수 있다. 직류 전원을 인가하여 전압, 전류의 변화를 측정할 수 있으며, 유체 및 대기 속에 포함된 가스 및 이온의 특성을 측정할 수 있다.
이하에서는 복합 센서(10)를 3전극 전기화학 센서로 사용하는 실시예에 대해서 더 설명한다.
작동전극인 기판(100)/탄소 전극막(200)은 기준전극인 제1 전극(410)과 상대전극인 제2 전극(420)을 지지하는 지지체로서 작용할 수 있다. 기판(100)/탄소 전극막(200)은 단순히 판상의 형태가 아니라, 단면적이 800,000 ㎛2 내지 1,200,000 ㎛2 범위, 단면에 수직방향의 두께가 200 ㎛ 내지 600 ㎛ 범위의 입체 형상으로 제작되므로, 기판 상에 제작된 종래의 3전극 시스템(도 1 참조)에 비하여, 측정 대상 물질과 접촉할 수 있는 작동전극의 표면적을 증가시킬 수 있어, 센서의 성능을 향상시킬 수 있다. 복합 센서(10)는 작동전극 위에 2개의 제1, 2 전극(410, 420), 즉 기준전극 및 상대전극을 배치함으로써, 전체적인 센서의 크기를 줄일 수 있다. 전극의 면적에 비례하여 센서의 특성 변화가 바뀌는 것을 고려할 때, 이러한 전기화학 센서(10)의 구조는 수 mm 이하로 센서 크기를 줄이면서 표면적을 넓혀 센서의 다양한 구조 변경 및 활용을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동전극[기판(100)/탄소 전극막(200)]의 단면적은 800,000 ㎛2 내지 1,200,000 ㎛2 일 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 작동전극[기판(100)/탄소 전극막(200)]의 단면을 이루는 적어도 하나의 폭이 500㎛ 이하일 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 작동전극[기판(100)/탄소 전극막(200)]의 단면의 수직방향 두께는 200㎛ 내지 4mm 일 수 있다.
상기 단면적 및 두께(t) 범위에서 작동전극은 측정 대상 물질과 접촉할 수 있는 표면적을 극대화하면서 안정적인 센서 구조를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동전극[기판(100)/탄소 전극막(200)]의 단면은 정사각형, 직사각형, 원형, 반원형, 삼각형 등의 형태일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 전기화학 센서의 적용 환경에 따라 다양한 형태 변경이 가능하다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기준전극[제1 전극(410)] 및 상대전극[제2 전극(420)]은 작동전극[기판(100)/탄소 전극막(200)]의 단면과 수평방향으로 절연막(300) 상에 배치될 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 기준전극 및 상대전극은 작동전극의 단면과 수직방향으로 연장된 형태로 절연막(300) 상에 배치될 수 있다.
기준전극[제1 전극(410)] 및 상대전극[제2 전극(420)]은 각각 다양하게 패턴화된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 기준전극 및 상대전극은 전형적인 직사각형 형태뿐만 아니라, 적어도 하나의 돌기 또는 홈이 서로 맞물리는 형태로 일정간격 이격되어 배치될 수 있다. 도 4의 (a), 도 4의 (b), 도 5의 (b)와 같이, 기준전극이 원형이고, 상대전극이 기준전극과 일정거리를 유지하면서 그 둘레를 감싸는 형태로 패터닝될 수 있다. 또한, 도 5의 (a)와 같이, 기준전극이 1 이상의 돌기(또는 톱니)가 있는 기하학적 형태이고, 상대전극은 기준전극과 일정거리를 유지하면서, 기준전극의 돌기(또는 톱니)와 서로 맞물리는 형태로 홈(또는 톱니)이 있는 기하학적 형태를 가질 수 있다. 기준전극 및 상대전극의 형태는 예시된 형태에 한정되지 않으며, 다양하게 패터닝될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전기화학 센서(10)는, 기준전극[제1 전극(410)]을 기준으로 작동전극[기판(100)/탄소 전극막(200)]의 전위가 일정하게 유지되도록 전위를 제어하는 전류조절기를 더 포함하며, 작동전극에 전압을 걸어주고, 작동전극과 상대전극[제2 전극(420)] 사이에 흐르는 전류량을 측정함으로써, 측정 대상 물질의 특성을 전기화학적으로 측정할 수 있다.
3전극 전기화학 센서(10)의 작동 원리를 설명하기 위한 회로도를 도 10에 예시하였다. 도 10을 참조하면, 상대전극(420)은 대부분의 전류가 작동전극(100, 200)과 상대전극(420)을 통하여 흐르도록 유도하며, 이에 따라 작동전극(100, 200)에 적절한 전압이 제공될 수 있다. 작동전극(100, 200)의 전위는 기준전극(410)을 기준으로 하여 전위조절기에 의해 조절된다. 작동전극(100, 200)과 기준전극(410) 사이의 전위차는 전극 반응에 의해 흐르는 전류값에 관계없이 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같은 3전극 시스템은 전해질 저항이 높거나, 흐르는 전류가 큰 경우에는 저항에 의해 하강되는 전압(iRs)에 의한 오차를 가능한 최소화할 수 있다.
도 6에는 도 3 내지 도 5와는 다른 형태의 전극(400)이 도시되어 있다. 제1 전극(410)과 제2 전극(420)은 빗살형 전극(Interdigit Electrode)으로 구현될 수 있다. 이러한 전극 형태는 통합 센서(10)를 용량형 센서로서 사용할 경우 보다 유리하다.
빗살형 전극으로 구현되는 제1 전극(410)과 제2 전극(420)이 갖는 패턴은 아래의 실시예를 통하여 설명될 수 있지만, 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극(410)과 제2 전극(420)은 원형, 삼각형, 및 사각형 등을 포함하는 다각형 형태의 빗살형 전극으로 구현될 수도 있다.
제1 전극(410)은 제1 방향, 예컨대 기판(100)의 길이 방향(또는, 폭 방향)으로 연장된 제1 연장부(411)와 제1 연장부(411)로부터 제2 방향, 예컨대 기판(100)의 폭 방향(또는, 길이 방향)으로 돌출된 다수의 제1 가지부들(Branch; 413)을 포함한다. 이때, 제2 방향과 제1 방향은 서로 직각을 형성하거나 미리 정해진 각도를 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 전극(410)과 제2 전극(420)은 톱니 형의 빗살형 전극으로 구현될 수도 있다.
제2 전극(420)은 제1 방향과 반대 방향 또는 제1 방향으로 연장된 제2 연장부(421)와 제2 연장부(421)로부터 제2 방향과는 반대 방향으로 돌출된 다수의 제2 가지부들(423)을 포함한다. 제2 방향은 제2 전극(420)을 향하는 방향이므로, 제1 가지부들(413)과 제2 가지부들(423)은 서로 엇갈려서 배치될 수 있다.
또한, 제1 전극(410)의 폭과 제2 전극(420)의 폭, 특히 제1 가지부들(413)의 폭과 제2 가지부들(423)의 폭은 100㎛ 이하로, 제1 전극(410)과 제2 전극(420), 특히 제1 가지부들(413)과 제2 가지부들(423) 사이의 간격은 100㎛ 이하로 구현될 수 있으나, 본 발명이 전극의 폭이나 전극 사이의 간격에 제한되는 것은 아니다.
위와 같이 소정의 패턴을 제1 전극(410)과 제2 전극(420)에 구현하여, 마주보는 전극의 표면적을 증가시키므로 용량형 센서(10)의 감도가 크게 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 실시예에 따른 통합 센서(20)를 나타내는 개략 단면도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 실시예에 따른 통합 센서(20)를 나타내는 개략 사시도이다. 이하에서는, 통합 센서(10)와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하고 차이점에 대해서만 설명한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 통합 센서(20)는 제1 전극(410) 및 제2 전극(420)의 적어도 일부를 커버하며, 절연막(300) 상에 형성된 보호막(500)을 더 포함할 수 있다. 보호막(500)은 절연막(300)과 같은 산화물 또는 질화물로 구현될 수 있고, 100nm 내지 1000nm의 두께로 형성될 수 있다.
보호막(500)은 통합 센서(20)의 상부를 보호하고, 측정 대상 물질의 찌꺼기가 제1 전극(410)과 제2 전극(420) 사이에 남아 전극끼리의 단락(Short)이 생기는 것을 방지한다. 또한, 기판(100) 표면 외에 측정 대상 물질이 접촉될 수 있는 표면을 제공할 수 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 복합 센서(20)는 용량형 센서, 저항형 센서, 3전극 전기화학 센서가 통합된 센서로 사용되는 것을 특징으로 한다. 특히, 용량형 센서로 사용되는 경우에, 절연유 등의 측정 대상 물질이 보호막(500)의 표면에 접촉되고, 탄소 전극막(200)의 정전 용량의 변화를 측정함에 따라 측정 대상 물질의 상태를 판단할 수 있다. 그리고, 3전극 전기화학 센서로 사용되는 경우에, 보호막(500)에 의해 커버되지 않고, 외부로 일부 노출된 제1 전극(410) 및 제2 전극(420)의 부분을 통해 직류 전원을 인가하고, 전압, 전류의 변화를 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 전극막(200)의 전기적 특성이 변화하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
탄소 전극막(200)은 탄소물질을 복수의 입자 형태로 포함할 수 있다. 도 9에는, 설명의 편의를 위해, 탄소물질을 그래핀으로 상정하고, 서로 이웃하는 2개의 그래핀 입자들(201, 202)만을 도시한다.
제1 전극(410)과 제2 전극(420)에 전원이 인가되는 경우, 그래핀 입자(201, 202)들에 흡착되는 이온의 양이 변화하게 되고, 이에 따라 탄소 전극막(200)[및 전도성 기판(100)]의 전기 용량(또는 유전율)이 변화하게 된다.
제1 그래핀 입자(201)와 제2 그래핀 입자(202)의 이격거리가 d일 때, 제1 그래핀 입자(201)와 제2 그래핀 입자(202) 간에는 미세한 전기 용량을 가지게 된다. 제1 그래핀 입자(201)는 제2 그래핀 입자(202) 이외의 복수의 그래핀 입자들과 인접할 수 있고, 제1 그래핀 입자(201)를 중심으로 얻을 수 있는 전기 용량은 제1 그래핀 입자(201)와 인접하는 복수의 그래핀 입자들 각각과의 사이에서 발생하는 미세한 전기 용량 또는 탄소 전극막(200)에 포함된 복수의 그래핀 입자들 각각과의 사이에서 발생하는 미세한 전기 용량의 총합으로 볼 수 있다.
이와 같이 방식으로, 탄소 전극막(200)에 포함된 복수의 그래핀 입자들 각각의 전기 용량이 고려될 수 있고, 탄소 전극막(200)의 전기 용량은 상기 복수의 그래핀 입자들 각각의 전기 용량을 모두 합산한 값이 될 수 있다.
탄소 전극막(200)은 수많은 탄소 입자들이 포함되어 있어, 높은 초기 용량값을 갖는 통합 센서(10)가 제작될 수 있다. 즉, 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200)을 사용하지 않을 경우, 전극(400) 자체만의 초기 용량값은 수~수십㎊으로, 초기 용량값이 낮아 용량형 센서로 사용하기에는 감도가 낮을 수 있다. 반면에, 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막(200)을 사용할 경우, 초기 용량값이 수백㎊~수nF 이상이 되어 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 센서(10)는 용량형 센서, 저항형 센서, 3전극 전기화학 센서가 통합된 센서로서, 다양한 용도로 사용하여 측정 대상 물질을 다각도로 분석할 수 있는 이점이 있다. 그리고, 통합 센서(10)는 측정 대상 물질의 전기적 특성 또는 전기적 특성의 변화를 높은 감도로 측정할 수 있으며, 응답 속도가 빠르고, 우수한 감도, 및 높은 신뢰성을 가지며, 소형화할 수 있고, 저비용으로 대량 생산이 가능한 이점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
10, 20: 통합 센서
100: 기판, 작동전극
200: 탄소 전극막, 작동전극
300: 절연막
400: 전극
410: 제1 전극, 기준전극
420: 제2 전극, 상대전극
500: 감지막
100: 기판, 작동전극
200: 탄소 전극막, 작동전극
300: 절연막
400: 전극
410: 제1 전극, 기준전극
420: 제2 전극, 상대전극
500: 감지막
Claims (21)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되고, 탄소물질을 포함하는 탄소 전극막;
상기 탄소 전극막 상에 형성된 절연막;
상기 절연막 상의 적어도 일부에 형성되며, 상호 이격된 제1 전극 및 제2 전극
을 포함하는, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 실리콘, 유리 또는 알루미나(Alumina)를 포함하는, 복합 센서. - 제2항에 있어서,
상기 기판이 실리콘을 포함하는 경우, 상기 실리콘은 N형 또는 P형으로 도핑된 실리콘인, 복합 센서. - 제2항에 있어서,
상기 기판이 유리 또는 알루미나를 포함하는 경우, 상기 기판과 상기 탄소 전극막 사이에 전도성막(Conductive Layer)이 더 형성되는, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 전극막은, 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nanotube), 탄소섬유(Carbon Fiber), 인조흑연(Artificial Graphite), 카본블랙(Carbon Black), 활성탄소(Activated Carbon) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 전극막이 가지는 전기 용량값은, 상기 탄소 전극막이 포함하는 복수의 탄소 입자들 각각의 사이에서 발생하는 전기 용량의 총합인, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 적어도 일부를 커버하며 상기 절연막 상에 형성된 보호막을 더 포함하는, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판 및 상기 탄소 전극막의 접촉체는 커패시터(Capacitor)로 기능하고,
상기 복합 센서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전원을 인가하여 정전용량의 변화를 측정하는 용량형 센서인, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복합 센서는 상기 기판에 전원을 인가하여 상기 기판의 저항 변화를 측정하는 저항형 센서인, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판 및 상기 탄소 전극막은 작동전극(Working Electrode), 상기 제1 전극은 기준전극(Reference Electrode), 상기 제2 전극은 상대전극(Counter Electrode)으로 기능하고,
상기 복합 센서는 상기 작동전극과 상기 기준전극 사이의 전위차를 측정하는 3전극 전기화학 센서인, 복합 센서. - 제10항에 있어서,
상기 작동전극의 단면이 사각형, 원형, 반원형 또는 삼각형의 형태인, 복합 센서. - 제10항에 있어서,
상기 작동전극의 단면을 이루는 적어도 하나의 폭이 500μm 이하인, 복합 센서. - 제10항에 있어서,
상기 기준전극 및 상기 상대전극이 상기 작동전극의 단면과 수평방향으로 상기 절연막 상에 배치된, 복합 센서. - 제10항에 있어서,
상기 기준전극 및 상기 상대전극이 상기 작동전극의 단면과 수직방향으로 연장된 형태로 상기 절연막 상에 배치되는, 복합 센서. - 제10항에 있어서,
상기 기준전극 및 상기 상대전극은 각각 패턴화된 형태를 갖고, 각각의 패턴화된 형태가 서로 맞물려 있도록 배치된, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 철(Fe), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd) 세슘(Cs), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 마그네슘-알루미늄(Mg-Al) 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 대향하도록 배치되는 빗살형 전극(Interdigit Electrode)인, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 전극막의 두께는 10nm 내지 5㎛인, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 절연막의 두께는 10nm 내지 1,000nm인, 복합 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 측정 대상 물질이 상기 탄소 전극막에 직접적으로 접촉하는 것을 방지하는, 복합 센서. - 제7항에 있어서,
상기 보호막은 측정 물질이 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 직접적으로 접촉하는 것을 방지하는, 복합 센서.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160175828A KR20180072351A (ko) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | 복합 센서 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020160175828A KR20180072351A (ko) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | 복합 센서 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20180072351A true KR20180072351A (ko) | 2018-06-29 |
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ID=62780901
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20180072351A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210021721A (ko) | 2019-08-19 | 2021-03-02 | (주)에스팩솔루션 | 멀티칩 led 모듈 또는 멀티칩 복합센서 모듈용 고방열성 기판 |
-
2016
- 2016-12-21 KR KR1020160175828A patent/KR20180072351A/ko not_active Application Discontinuation
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