KR20210112954A - 비분산적외선 방식으로 독성가스 검출을 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
독성가스 검출을 위한 NDIR 가스 센서용 중적외선 흡수 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중적외선을 흡수하는 비냉각형 적외선 센서의 구조에 있어서, 적외선을 반사하는 기판, 그 위에 비정질 탄소를 희생층으로 하며, 그 위에 절연층 역할을 하는 지지층 기판을 형성하며, 그 위에 적외선 감지부가 있는 구조로 이루어져 있으며, 희생층을 제거하여도 지지층 기판이 공중에 이격되어 유지할 수 있도록하는 지지기둥, 흡수층의 열적 고립을 향상시키기 위해 지지기둥과 연결한 연결레그를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 NDIR 방식의 독성가스 센서용 중적외선 흡수 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 비분산 적외선(NDIR) 방식으로 독성가스 검출을 위해 비냉각형 중적외선 흡수 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 감지도(Detectivity)와 응답도(Responsivity)가 써모파일(thermopile)과 초전체(pyroelectric) 보다 우수한 볼로미터(bolometer) 타입의 비접촉식 열형 센서가 중적외선 영역에 흡수율이 크게 나타나는 독성가스를 NDIR 방식으로 검출하기 위해 독성가스의 흡수파장 영역을 투과하는 필터와 필터를 투과한 중적외선 파장을 흡수하는 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
비접촉식 열형 센서는 적외선 입사 또는 온도가 변함에 따라서 전기적인 출력 형태가 변하며 대표적으로 3가지 형태로 구분한다. 볼로미터(bolometer)는 내부의 저항이 변하는 원리, 써모파일(thermopile)은 전압이 변하는 원리, 초전체(pyroelectric)는 내부 분극이 변하는 원리를 이용한다.
볼로미터(bolometer)의 뜻은 그리스어로 광선을 뜻하는 bolo와 계측을 뜻하는 meter가 결합되어 광선(적외선)을 측정한다는 의미이다. 볼로미터는 적외선을 받으면 내부 저항이 변하는 센서로써 서미스터와 동작원리가 동일하며 서미스터의 저항온도계수(TCR, temperature coefficient of resistance) 효과가 볼로미터에서도 동일하게 적용된다.
볼로미터를 적외선 센서로 사용하기 위해서는 적외선을 흡수하는 층과 열저장소에 열을 전달하기 위해 연결된 구조를 갖는다. 외부에서 적외선이 입사되면 흡수층에서 적외선을 흡수하여 내부의 온도가 올라가게 되며, 센서의 감지속도를 결정하는 열시상수(thermal time constant)는 열용량 C와 열전도계수 G의 비와 같다. 내부의 저항 변화를 측정하고, 측정이 끝나면 내부에 있는 열이 열 저장소로 빠지게 되어 있다.
볼로미터가 적외선에 잘 반응하기 위해서는 주변환경과의 작은 열전도, 적외선을 최대한 많이 입사할 수 있도록 수광면적을 최대화 하는 구조, 큰 TCR 값을 가는 저항체 소재, 낮은 1/f 잡음 특성 등을 구현해야 한다. 현재 상용으로 사용되는 소재는 바나듐 산화물(VOx), 비정질 실리콘(amorphous Si), 실리콘 다이오드 등이 있다.
볼로미터와 주변환경과의 열전도를 최소화하기 위해서 만든 다리(leg)는 길면서도 작은 단면적과 낮은 열전도도를 가지는 물질이며, 통상의 열전도는 10-8 W/K 정도이다. 그리고 주위 대기로 열손실을 막기 위해서 0.01mbar 정도의 진공을 유지한다. 또한 진공을 장기간 유지하기 위해 게터(getter)라는 재료를 사용하여 진공을 유지하고 있다. 수광면적을 나타내는 필 펙터(fill factor)는 입사하는 적외선을 흡수하는 데 사용하는 픽셀 면적으로 정의한다. 상온에서 바나듐 산화물은 2~3%/K의 TCR 특성이 있으며, 소자의 저항이 높을수록 노이즈가 증가하기 때문에 낮은 저항을 가지는 V2O3의 생성이 중요하다. 비정질 실리콘은 2~3%/K의 TCR 특성이 있으며, 기존 반도체 생산설비에 그대로 제조될 수 있다는 장점이 있다. 이 소재의 멤브레인은 매우 얇아 열용량이 낮으므로 열전도를 낮게 유지하는 설계가 필요하며, 1/f 잡음이 비교적 큰 것이 단점이다. 실리콘 다이오드는 p-n 접합 또는 쇼트키(Schottky) 장벽접합의 정방향 전합의 온도 의존성을 통해 적외선 센싱이 가능한 원리를 이용한 것이다. 일반적으로 pn접합의 경우 0.7V, 쇼트키 다이오드의 경우 0.6V의 정방향 전압을 가지며, 1~2mV/K의 온도-전압특성을 통해 약 0.2%/K의 TCR 특성이 있다.
초전체는 소자는 세라믹을 사용함으로써 반도체 공정을 이용한 제조가 어려우며, 흡수층의 두께가 두꺼워 열용량이 크고 적외선에 대한 감지도(108 )가 낮으며 기계적인 초퍼(chopper)가 사용된다. 써모파일은 여러 개의 열전쌍을 직렬로 연결시켜야 하기 때문에 부피가 크고, 흡수층의 두께가 매우 두꺼워 열용량이 크며 이로인해 감지도(107~108)가 낮다. 또한 주위의 온도변화에 따른 신호의 잡믐이 크다. 반면에 볼로미터는 써모파일이나 초전체보다 적외선의 감지도(108~109)가 우수하다.
독성가스란 공기 중에 일정량 이상 존재하는 경우 인체에 유해한 독성을 가진 가스로서 허용 농도가 200ppm 이하인 것을 말한다. 일반적으로 독성가스의 인체 허용농도 기준은 TLV-TWA (Threshold Limit Value-Time Weighted Average) 값을 물질 고유 허용치로 활용된다. 대표적인 독성가스(CO, NH3, H2S, NO2, SO2, Cl2)의 인체 허용농도는 25ppm 이하로 매우 낮다. NDIR 방식의 측정기술은 기체 혼합물의 분석에 대단히 유용하다고 알려져 왔다. 하지만 독성가스의 경우 허용농도가 작고 감지도가 낮은 센서를 사용함으로써 계측기기의 적외선이 독성가스와 반응하는 셀의 길이를 길게 만들어야만 하였다. 따라서 NDIR 계측기의 크기가 크다는 단점이 있었으며 특별하게 셀을 제작하여야만 하였으며 기기의 비용이 비싸게 되었다.
볼로미터 소자의 감지도는 기존에 사용하던 서모파일보다는 많게는 100배 높으며, 초전형 보다는 10배 이상 높기 때문에 독성가스를 검출하기 위해서 NDIR 계측기의 센서로 최고의 감지도를 갖고있는 볼로미터 소자를 적용하고자 한다.
측정하려는 독성가스의 중적외선 흡수파장 영역만을 최대로 투과할 수 있게 광학필터를 제작하고 적외선 흡수 소자보다 앞에 위치시킨다.
광학필터를 투과한 중적외선을 최대한 흡수할 수 있또록 흡수층을 제작하여 독성가스를 검출할 수 있는 민감도를 최대화 시킨다.
독성가스를 검출하기 위해서 새롭게 제작된 볼로미터 타입의 중적외선 감지 소자를 기존제품과 교체함으로써 감지도를 향상시킨다.
독성가스를 검출하기 위해서 새롭게 제작된 볼로미터 타입의 중적외선 감지 소자에 최적화되도록 NDIR 계측기의 셀의 길이와 계측기의 크기를 획기적으롤 축소하여도 독성가스를 측정할 수 있도록 한다.
볼로미터 소자의 감지도는 기존에 사용하던 서모파일보다는 많게는 100배 높으며, 초전형 보다는 10배 이상 높기 때문에 NDIR 계측기의 센서를 볼로미터 소자로 교체함으로써 NDIR 계측기의 크기를 획기적으로 줄일수 있으며 가격 또한 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자에서 픽셀의 3차원 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 흡수율 향상을 위해
공극을 갖는 마이크로 볼로미터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 흡수율을 시뮬레이션한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 흡수율 향상을 위해
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 흡수율을 시뮬레이션한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자에서 픽셀의 3차원 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자에서 픽셀의 3차원 구조가 지지기둥을 공유하는 기본 형태를 갖는다. 가로방향으로 배열된 행과 세로방향으로 배열된 열로서 픽셀이 놓일 수 있으며 행과 열이 바뀌어표현될 수 있다.
도 2는 발명의 다른 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 흡수율 향상을 위해 
공극을 갖는 마이크로 볼로미터의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자에서 픽셀의 3차원 구조는 반사판과 감지부 중심 사이의 거리가 측정하려는 파장의 중심파장에 
만큼의 공극을 갖는 것을 표현하지만, 감지부의 중심에 한정되어 표현한 것은 아니며 감지부 어디 위치로 하여도 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 흡수율을 시뮬레이션한 도면이다.
본 실시예에 따른 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자에서 감지부의 적층 소재, 두께 및 순서의 한 사례를 대상으로 시뮬레이션을 수행한 것이며 소재, 두께 및 순서에 한정을 두지 않는다.
100: ROIC 패드
200: 기판
300: 반사판
400: 지지층
500: 지지기둥
600: 연결레그
700: 중적외선 감지부
200: 기판
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Claims (4)
- NDIR 방식으로 독성가스 검출을 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자 및 그 제조방법에 있어서, 기판 및 반사판; 상기 기판 및 반사판 위에 희생층; 상기 희생층 위에 지지층; 기판과 지지층을 연결하는 지지기둥; 상기 지지층 위에 적외선 감지부가 구성되며; 상기 지지층과 적외선 감지부는 지지기둥과 레그로 연결되며; 상기 감지부를 포함한 모든 층은 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자의 3차원 구조
- 청구한 1에 있어서, 상기 기판 상부의 양단에 신호전극이 형성되어 있으며, 지지기둥과 감지부가 상기 신호전극에 연결되어 있음을 특징으로 하는 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자
- 청구항 1에 있어서, 상기와 같이 구성된 감지 소자들을 M x N 형태의 병렬로 연결되어 있음을 특징으로 하는 독성가스를 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자
- 청구한 1에 있어서, 독성가스는 일산화탄소(CO)를 포함하며 NDIR 방식으로 감지하기 위한 비냉각형 중적외선 흡수 소자
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