KR20200094460A - 바이어스를 이용한 가스 센싱 능력 향상 장치 - Google Patents

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방재훈
최명식
이남규
박현우
최형수
엄완식
최연식
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

바이어스를 이용한 가스 센싱 능력 향상 기술에 관한 것으로, 일실시예에 따른 가스 센싱 장치는 산화성 가스 및 반응성 가스 중에서 적어도 하나의 가스를 센싱하는 가스 센싱부 및 가스 센싱부에 구비된 기판에 바이어스를 인가하는 바이어스부를 포함할 수 있다.

Description

바이어스를 이용한 가스 센싱 능력 향상 장치{GAS SENSING ABILITY ENHANCING APPARATUS USING THE BIAS}
반도체식 가스 센싱 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 센싱 장치에서 바이어스를 이용하여 가스 센싱 능력을 향상 시키는 기술적 사상에 관한 것이다.
최근 센서는 기존에 적용되던 개별적 소자 및 기기 이용뿐만 아니라 자동차, 스마트폰, 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 접목되어 활용되고 있다. IoT 시대가 본격화 됨에 따라 센서의 활용은 더욱 높아지고 있으며 일례로 일반 자동차에는 200여개, 스마트폰에는 20여개에 달하는 센서가 장착되고 있는 상황이다.
센서의 종류에는 온도 센서, 가스 센서, 압력 센서, 광 센서 등이 있다. 이 중 가스 센서는 검출하고자 하는 가스의 농도를 감지하는 센서로 최근 유해 가스와 미세 먼지의 증가로 관심과 수요가 높아지고 있다.
유해 가스로는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 산화물(oxidant), 탄화수소, 불소화합물, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아 등이 있으며 인체에 악영향을 끼치거나 대기 중에서 반응하여 스모그 현상을 발생시킬 수 있다.
하지만 국내 센서 수요의 80% 이상을 수입에 의존하고 있는 것이 현 실정이며, 한국의 기술력은 세계 센서 시장을 주도하는 미국의 63% 수준이다.
또한 센서는 다품종 소량 생산의 산업 구조 특성 때문에 대기업보다는 중소기업이 개발을 주도하고 있으며 기술적 고부가 가치성 때문에 기술선진국들은 기술이전을 기피하고 있을 뿐만 아니라 기술보호 장벽을 높이 쌓고 있다. 이에 센서 원천 기술 확보 및 기술 주도를 위해 우리나라에서도 활발하게 연구를 진행 중이다.
한편, 가스 센싱을 위한 반응 시간(response time)과 회복 시간(recovery time)은 센서에서 감도만큼이나 중요한 인자다. 반응 시간이란 센서가 타겟 가스를 감지할 때 90%의 포화상태가 될 때까지 얼마만큼의 시간이 필요한지를 말하며, 회복 시간은 감지를 마치고 90%의 원상태로 회복하는데 소요되는 시간을 말한다. 감도와 별개로 가스를 감지하는데 많은 시간이 걸린다면 데이터 처리 및 연산 측면에서 매우 불리하며 실시간 가스감지가 어렵다.
구체적으로, 반응시간과 회복시간이 오래 걸린다는 점을 보완하기 위한 대표적인 방법으로 히터를 사용하고 있다. 하지만 히터가 센서 소자 내부에 장착되면 발열로 인한 소자 내구성 및 다른 연동 소자에 영향을 주며 특히 스마트폰과 같은 한정된 크기의 기기 내에서의 소자 집적화에서는 불리하다.
또한 히터를 사용하게 되면 소비 전력이 증가하여 모바일 이동 기기 등 배터리가 필요한 기기에도 단점으로 작용된다.
한국등록특허 제10-1755269호, "산화물 박막 가스 센서 및 이를 이용한 가스 센싱 방법"
본 발명은 히터 없이 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 소자의 집적화, 단순 구조 소자, 소비 전력 문제를 보완할 수 있는 가스 센싱 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 기판에 바이어스를 인가하여 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 신뢰성, 안정성, 데이터 및 연산 처리 속도 문제를 보완하여 각종 센서와 웨어러블 소자 및 기기에 적용 가능한 가스 센싱 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 가스 센싱 장치는 산화성 가스 및 반응성 가스 중에서 적어도 하나의 가스를 센싱하는 가스 센싱부 및 가스 센싱부에 구비된 기판에 바이어스를 인가하는 바이어스부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 가스 센싱부는 기판 상에 형성된 제1 전극, 제2 전극 및 기판 상에 형성되고 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되는 센싱 물질을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 바이어스부는 가스 센싱부에서 산화성 가스를 센싱하면, 반응 구간에서 기판에 양의 바이어스를 인가하고, 회복 구간에서 기판에 음의 바이어스를 인가할 수 있다.
일측에 따르면, 바이어스부는 가스 센싱부에서 환원성 가스를 센싱하면, 반응 구간에서 기판에 음의 바이어스를 인가하고, 회복 구간에서 기판에 양의 바이어스를 인가할 수 있다.
일실시예에 따르면, 히터 없이 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 소자의 집적화, 단순 구조 소자, 소비 전력 문제를 보완할 수 있다.
일실시예에 따르면, 기판에 바이어스를 인가하여 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 신뢰성, 안정성, 데이터 및 연산 처리 속도 문제를 보완하여 각종 센서와 웨어러블 소자 및 기기에 적용할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 일실시예에 따른 가스 센싱 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 일실시예에 따른 가스 센싱 장치에서 산화성 가스를 센싱할 때 바이어스를 인가하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 일실시예에 따른 가스 센싱 장치에서 환원성 가스를 센싱할 때 바이어스를 인가하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 일실시예에 따른 가스 센싱 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 일실시예에 따른 가스 센싱 장치(100)는 히터 없이 상온 및 비교적 저온에서 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 소자의 집적화, 단순 구조 소자, 소비 전력 문제를 보완할 수 있다.
또한, 가스 센싱 장치(100)는 일반적인 센싱 장치와는 다르게 기판에도 바이어스를 인가하여 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 신뢰성, 안정성, 데이터 및 연산 처리 속도 문제를 보완하여 각종 센서와 웨어러블 소자 및 기기에 적용할 수 있다.
이를 위해 가스 센싱 장치(100)는 가스 센싱부(110) 및 바이어스부(120)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 일실시예에 따른 가스 센싱부(110)는 산화성 가스 및 반응성 가스 중에서 적어도 하나의 가스를 센싱할 수 있다.
예를 들면, 산화성 가스는 이산화질소(NO2) 가스일 수 있고, 반응성 가스는 환원성 가스는 일산화탄소(CO) 가스일 수 있다.
일측에 따르면, 가스 센싱부(110)는 기판 상에 형성된 제1 전극, 제2 전극 및 기판 상에 형성되고 제1 전극과 제2 전극 사이에 구비되는 센싱 물질을 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 바이어스부(120)는 가스 센싱부(110)에 구비된 기판에 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 바이어스부(120)는 기판에 바이어스를 인가하여 센싱 물질 표면의 산소 반응기가 쉽게 부착 및 탈착할 수 있도록 제어함으로써, 참조부호 130의 그래프에 도시된 것과 같이 가스 센싱을 위한 반응시간 및 회복시간을 단축(빠르게) 할 수 있다. 다시 말해, 대부분의 반응 가스들은 극성 화합물이기 때문에 바이어스를 인가하면 더 빠르게 표면에 도달하도록 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 바이어스부(120)에서 기판에 바이어스를 인가하는 예시는 이후 실시예 도 2a 내지 도 3b를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2b는 일실시예에 따른 가스 센싱 장치에서 산화성 가스를 센싱할 때 바이어스를 인가하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 일실시예에 따른 가스 센싱 장치의 바이어스부는 가스 센싱부에서 산화성 가스를 센싱하면, 반응 구간(Response)에서 기판에 양의 바이어스를 인가하고, 회복 구간(Recovery)에서 기판에 음의 바이어스를 인가할 수 있다.
보다 구체적으로, 참조부호 210 내지 220에 따르면 산화성 가스의 경우에는 반응 구간(Response)에 양(+)의 바이어스를 인가하여 산소 반응기를 더욱 생성하고, 회복 구간(Recovery)에는 음(-)의 바이어스를 인가하여 산소 반응기를 빠르게 제거할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 일실시예에 따른 가스 센싱 장치에서 환원성 가스를 센싱할 때 바이어스를 인가하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 일실시예에 따른 가스 센싱 장치의 바이어스부는 가스 센싱부에서 환원성 가스를 센싱하면, 반응 구간에서 기판에 음의 바이어스를 인가하고, 회복 구간에서 기판에 양의 바이어스를 인가할 수 있다.
보다 구체적으로, 참조부호 310 내지 320에 따르면 환원성 가스의 경우에는 반응 구간(Response)에 음(-)의 바이어스를 인가하여 산소 반응기를 더욱 빠르게 제거하고, 회복 구간(Recovery)에는 양(+)의 바이어스를 인가하여 산소 반응기를 빠르게 생성할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면, 히터 없이 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 소자의 집적화, 단순 구조 소자, 소비 전력 문제를 보완할 수 있다.
또한, 기판에 바이어스를 인가하여 반응시간 및 회복시간을 단축함으로써 신뢰성, 안정성, 데이터 및 연산 처리 속도 문제를 보완하여 각종 센서와 웨어러블 소자 및 기기에 적용할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 가스 센싱 장치
110: 가스 센싱부
120: 바이어스부

Claims (4)

  1. 산화성 가스 및 반응성 가스 중에서 적어도 하나의 가스를 센싱하는 가스 센싱부 및
    상기 가스 센싱부에 구비된 기판에 바이어스를 인가하는 바이어스부
    를 포함하는 반도체식 가스 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 센싱부는
    상기 기판 상에 형성된 제1 전극, 제2 전극 및 상기 기판 상에 형성되고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 센싱 물질을 더 포함하는
    반도체식 가스 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스부는
    상기 가스 센싱부에서 상기 산화성 가스를 센싱하면, 반응 구간에서 상기 기판에 양의 바이어스를 인가하고, 회복 구간에서 상기 기판에 음의 바이어스를 인가하는
    반도체식 가스 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스부는
    상기 가스 센싱부에서 상기 환원성 가스를 센싱하면, 반응 구간에서 상기 기판에 음의 바이어스를 인가하고, 회복 구간에서 상기 기판에 양의 바이어스를 인가하는
    반도체식 가스 센싱 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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