KR20210153244A

KR20210153244A - P,n 반도체 방식 압전소자의 p형 반도체 제조를 위한 혼합조성물

Info

Publication number: KR20210153244A
Application number: KR1020200070077A
Authority: KR
Inventors: 박문석
Original assignee: 박문석
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-17
Also published as: KR20220159298A

Abstract

본 발명은 적은 진동이나 소리에도 반응이 가능한 “피에조 효과(Piezo effect)”를 증진시킨 압전소자를 제조하는 데 필요한 P형 반도체의 제작을 위한 혼합조성물에 관한 기술이다.
다시말해, 기존의 압전소자와 달리 아주 미세한 진동이나 낮은 주파수의 소리에도 반응하여, 피에조 효과(Piezo effect)를 증진시킨 새로운 압전소자를 제조하는데 필요한 P형 반도체를 제조하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 "P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물”을 활용하여 압전소자를 제조할 경우, 낮은 진동이나 소리에도 반응하여 전기에너지 생산이 가능하다. 소리에도 반응하여 압전효과를 거둘 수 있기 때문에, 도로 및 공사현장 등 다양한 소음현장에서 소리를 에너지로 전환하는데 활용할 수 있다. 낮은 소리에도 반응할 수 있기 때문에 소리를 전기로 전환하는 신재생에너지 기술 분야에 적용가능하며, 낮은 진동 및 주파수에도 압전효과를 거둘 수 있기 때문에, 다양한 산업현장이나 가정 내에서 발전용으로 활용이 가능하다.

Description

P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물{A mixture for the production of the P-type semiconductor of piezoelectric element of P, N semiconductor type}

본 발명은 적은 진동이나 소리에도 반응이 가능한 피에조 효과(Piezo effect)를 증진시킨 압전소자에 관한 기술이다.

기존의 압전소자와 달리 아주 미세한 진동이나 낮은 주파수의 소리에도 반응하여 압전효과(Piezo-electric effect)를 극대화 시킨 새로운 압전소자 기술에 관한 것이다.

압전효과는 결정구조를 가진 재질 내에서 기계적-전기적 상태 사이의 상호작용을 통해 나타나는 것으로 설명할 수 있다. 즉, 해당 재질에 기계적 변화(압축 혹은 인장)를 주면 전기적인 신호가 발생하고, 거꾸로 전기적인 신호를 가하면 기계적인 변화가 발생하는 것이다. 이 때, 전자를 1차 압전효과라 부르며, 후자를 2차 압전효과 혹은 역압전효과라 부른다. 각각은 기계적 에너지를 전기 에너지로, 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것이라 볼 수 있다.

수정, 전기석 등과 같이 압전효과를 나타내는 소자를 압전소자라 하는데, 압전소자는 매우 다양한 분야에서 사용되고 있다. 압전소자가 가장 먼저 사용된 것은 1917년 1차 대전 중 프랑스의 과학자들에 의해 개발된 초음파 잠수함 탐지기이다. 먼저 초음파 신호를 탐지기에서 발생시키고, 이 신호가 잠수함 등 수중물체에 부딪쳤을 때, 되돌아오는 신호를 탐지하기 위하여 얇은 석영결정을 압전소자로 사용하였다. 이후, 이러한 압전소자의 응용은 폭발적으로 증가하기 시작하였다.

가장 잘 알려진 응용분야는 전기 라이터이다. 라이터를 켜기 위해, ‘딸깍’하고 엄지로 스프링버튼을 누르면, 라이터 내부의 작은 망치가 압전소자를 때리게 된다.이때 압전소자에서 발생한높은 전압의 전기가,미리 만들어 둔 전기회로 내 작은 간극에 스파크(spark)를 발생시킨다. 이 스파크를 이용해가스를 점화시키는 것이 전기 라이터의 원리이다.

또 다른 응용의 예로 신호를 받아들이는 센서가 있다. 압전소자는 음파 형태의 압력신호를 감지하여 전기신호를 발생시킬 정도로 정밀하고 민감한 반응을 나타낸다. 이를 이용하여 음성신호를 전기적 신호로 변환시켜주는 센서 즉, 마이크의 제작이 가능하다. 또한, 앞서 언급한 군사용 음파탐지 센서에의 적용도 가능하며, 더 나아가 의료용 혹은 산업용 비파괴검사(Non-destructive testing) 센서에도 적용이 가능하다.

한편, 최근에는 압전폴리머(압전성고분자, piezoelectric polymer) 생성이 가능해져서 국내에서는 서두에서 언급한 투명한 압전필름 제조가 이루어지고 있으며, 1차, 2차 압전효과를 이용해 각각 마이크와 스피커 효과를 얻을 수 있는 제품도 개발되어 실용화되고 있다.

1차 압전효과는 1880년 피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859~1906), 자크 퀴리(Jacques Curie, 1856~1941) 형제에 의해서 알려지게 된다. 퀴리형제는 어떤 물질에 온도변화가 생기면 전기가 발생하는 것에 착안하여 몇가지 물질에서 전기적인 신호를 실험적으로 발생시키는 데 성공했다. 이것으로 압전효과가 비로소 세상에 알려지게 된 것이다. 하지만, 그들은 역압전 효과를 예측하지는 못했다.

이는 1881년 가브리엘 리프만(Gabriel Lippmann, 1845~1921)에 의해 수학적으로 추론되게 된다. 그리고 이어서 다시 퀴리 형제에 의해 압전결정의 전기신호에 의한 변화값이 산출적으로 계산 가능해진다.약 30년 후인 1910년에 이르면, 압전결정이 20여 종의 재료결정학적 분류에 따라 나눠지게 되며, 이들 분류에 기초한 압전상수(piezoelectric constant)도 도출되었다.

결정 구조를 가진 소재 중에는 분자구조상 혹은 결정 격자구조상 전기쌍극자를 가진 물질이 있다. 자연계의 대부분의 물질은 전체적으로 양의 전하량과 음의 전하량이 같기 때문에 전기적으로 중성을 나타낸다. 그러나 결정구조의 단위로 볼 때는 양의 전하와 음의 전하의 위치가 약간 어긋나 있어, 원자나 분자 단위에서 그 주변에 전기장을 형성시키는 경우가 있는데 이를 전기쌍극자(electric dipole)이라고 한다.

전기쌍극자를 가진 재료에 물리적인 외부응력(external stress)을 주었을 때에는 결정을 구성하는 분자 간 혹은 이온 간 상태변화가 발생한다. 재료가 힘을 받으면 결정 구조가 찌그러지면서 전기쌍극자의 크기(전기쌍극자 모멘트)의 변화를 일으켜 주변의 전기장이 바뀌게 되는 것이다.

이와 같은 원리를 통해 압전소자에 연결된 전기회로에는 양 또는 음의 전기가 발생한다(1차 압전효과). 또한 이와 반대로 압전소자 회로에 전기를 가하면 외부의 전기적 인력 혹은 척력에 의해 전기쌍극자가 변화하게 되는데, 이는 궁극적으로 압전소자의 물리적인 변형(deformation)을 불러오게 되면서 역압전효과를 일으키게 된다(2차 압전효과).

압전소자는 마이크로 고정밀 모터, 잉크젯 프린터의 분사기, 디젤 자동차의 연료 분사기, 액스레이 셔터 등 소형의 정밀기계와 관련된 산업전반에 다양하게 활용되고 있다. 측정이 어려운 미세한 변형을 측정과 기록이 쉬운 전기신호로 바꿔주고, 이와는 반대로 눈에 보이지 않는 전기력을 원하는 만큼의 정밀한 물리력으로 변환시켜주는 압전소자는 앞으로도 그 응용분야가 계속 넓어질 것으로 예상된다.

압전소자에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

피에조 효과(Piezo effect)란 압전기 효과를 말한다. 결정에 압력을 가할 때 전기 분극에 의해서 전압이 발생하는 현상을 의미한다.

어떤 종류의 결정체는 어떤 방향에서 힘을 받으면 물질 내부의 전하가 이동하고 중화상태가 깨어져 양의 전하를 갖는 부분과 음의 전하를 갖는 부분으로 나누어진다. 이러한 유전 분극현상은 1880년 프랑스의 물리학자 퀴리에 의해서 발견되어 압전효과라 불리워지고 있다. 압전효과는 응력에 비례하여 전계를 발생할 때의 양효과, 전계에 의해 일그러짐이 생길 때를 역효과라 구별하며, 반드시 상반한다. 모든 결정은 32종의 결정계로 분류되고 그 중에서 대칭의 중심을 가지지 않는 20종의 결정계가 압전효과를 일으키는 것으로 알려져 있다. 이러한 결정에서 막대상, 박판상의 결정편을 따낸 다음 적당한 전극을 배려해서 교류 전계를 가하면 인가전계와 같은 주파수 외력이 발생하고, 전계의 주파수가 결정편의 탄성진동 고유주파수에 일치한 경우에는 결정편은 공진하여 크게 진동한다. 압전기 진동자는 이 성질을 이용한 것이다.

압전효과는 전기와 일그러짐의 변환을 안정하게 하는 트랜스듀서로 이용된다. 특히 수정, 로셀염, 치탄산 바륨은 압전효과를 현저하게 나타내므로 양효과로서 픽업, 마이크폰, 인디케이터 등에, 또 역효과로는 수화기, 확성기, 초음파 발생기, 공진자 등에 응용된다. 하지만 기존의 압전소자는 감지능력이 낮아 높은 압력에 반응하기 때문에 미세한 진동이나 소리에는 반응하지 못해, 전기발전에 활용하는데 한계를 지니고 있다.

반도체는 전압, 전류 등 전기적 조건에 따라 도체나 부도체의 성질을 갖는 물질을 말한다. 가전자가 1개인 물질은 도전성이 우수한 도체, 가전자가 8개인 물질은 부도체의 특성을 갖는다. 대표적 반도체 물질인 실리콘(Si)는 4개의 가전자를 가진 4가 원소이며, 인접한 원자의 가전자들이 서로 공유되어 공유결합을 형성한다. 가전자가 에너지를 얻으면 원래 가전자가 공유결합 위치에서 이탈하는데 이를 자유전자라고 한다. 이는 전계에 의해 이동할 수 있어서 전류를 운반하는 역할을 한다. 또한 전자가 이탈한 자리는 전자의 빈자리가 남는데 이를 정공이라 한다. 자유전자는 전계가 가해지면 +쪽으로 끌려가며 이로 의해 전자 전류가 발생한다. 또한 가전자대역에서 이동하는 정공은 정공전류를 발생시킨다. 즉 전자와 정공은 한 장소에서 다른 장소로 전자를 운반하기 때문에 캐리어라고 불린다. 불순물이 첨가되지 않은 순수한 반도체를 진성 반도체라고 한다. 이는 거의 쓰이지 않고 적당히 3가 또는 5가 불순물을 첨가해 사용한다. 즉 불순물 반도체를 사용하는데 이렇게 불순물을 첨가해 전류운반 캐리어의 농도를 크게 만드는 과정을 도핑이라 한다. N형 반도체는 인(P), 비소(As) 같은 5가 불순물을 첨가한 반도체로, 불순물 원자에서 공유결합을 이루고 남는 가전자 1개가 자유전자가 생겨 -전하를 띠는 전자의 농도를 증가시켰다. 그래서 전자의 농도가 정공의 농도보다 크며, 전자를 다수 캐리어, 정공을 소수 캐리어라고 한다.반면 P형 반도체는 붕소(B), 갈륨(Ga)과 같은 3가 불순물을 첨가한 반도체로 불순물 원자에서 공유결합을 이루기 위한 1개의 가전자가 부족하게 되어 1개의 정공이 생겨 +전하를 띠는 정공의 농도를 증가시켰다. 그래서 정공의 농도가 전자의 농도보다 크며 정공을 다수 캐리어, 전자를 소수 캐리어라고 한다. PN 접합은 P형 반도체와 N형 반도체를 붙인 것이다. 여기서 P형 영역에 연결된 전극을 애노드(anode), N형 영역에 연결된 전극을 캐소드(Cathode)라고 한다. 반도체 내부에 캐리어 농도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 확산 현상이 발생하며, 캐리어의 확산에 의해 발생하는 전류를 확산전류(Diffusion current, ID)라 한다. 여기서 PN 접합의 캐리어 농도 차이에 의해 정공과 전자가 각각 이동해 재결합해 소멸한다. 이는 캐리어의 이동도에 비례한다. 그 과정에서 캐리어가 없는 영역이 형성되는데 이를 공핍 영역이라고 한다. 그 사이에는 전위차가 생기게 된다. 그렇게 되면 공핍 영역 사이에 나타나는 전압 강하는 정공과 전자들이 각각 다른 부분으로 넘어가기 위한 장벽(Barrier)으로 작용한다. 표류전류(Drift current, IS)는 열생성된 캐리어가 전계에 의해 끌려가면서 이동하는데 그 과정에서 발생한다. 개방 회로에서의 PN 접합은 열적 평형 상태를 유지한다. 외부 전류는 없으므로 ID=IS이다. P형 영역에 양(+)의 전압 영역에 음(-)의 전압이 인가된 상태를 순방향 바이어스가 인가되었다고 하는데 이때 P형 반도체 쪽에는 정공을, N형 반도체 쪽에는 전자를 반대편으로 밀어낸다. 그래서 전자와 정공이 접합면을 통해 이동하므로 전류가 흐른다. P형 영역에 음(-)의 전압 영역에 양(+)의 전압이 인가되면 상태를 역방향 바이어스가 인가되었다고 하는데 이때 P형 반도체 쪽에는 정공을, N형 반도체 쪽에는 전자를 단자 쪽으로 끌어당긴다. 그래서 전자와 정공이 접합면을 통과하지 못해 전류가 흐르지 않는다. 이렇게 한쪽으로만 전류가 되는 특성을 지닌 것을 다이오드라고 한다.

P형 반도체는 전하 운반자 역할을 하는 양공의 수가 전자의 수에 비해서 훨씬 많이 있는 반도체이다. 4개의 원자가전자를 가지는 14족 원소(Si, Ge 등)의 원자로 이루어진 진성 반도체의 경우, 상온에서 아주 적은 수의 전하 운반자가 존재하며, 이들 전하 운반자를 구성하는 전자와 양공의 수는 같다. 이러한 진성 반도체를 형성하는 원자의 일부를 이들 보다 원자가전자가 하나 적은 13족 원소(B, Al, Ga 등)의 원자로 치환하여 첨가하게 되면, 각 13족 원소의 원자 1개당 존재하는 3개의 원자가 전자가 14족 원소의 원자들과 공유결합에 참여하게 되는데, 이때 채우지 못하고 비어 있는 양공이 전하 운반자의 역할을 하게 되어 p형 반도체는 진성 반도체에 비하여 전하 운반자인 양공의 밀도가 높아서 전기적인 특성이 향상된다. p형 반도체를 만들기 위하여 첨가하는 13족 원소의 원자를 받개(acceptor)라고 하고, 이를 p형 첨가라고 한다. 이와는 반대로, 15족 원소(P, As, Sb 등)의 원자로 치환하여 첨가하게 되면, 전자가 전하 운반자의 역할을 하는 n형 반도체를 만들 수 있다. 전자구조의 관점으로는, 받개 원자에 속해 있는 양공들로 인해 받개 준위가 진성반도체에 의한 원자가띠 바로 위에 형성된다. 따라서 p형 반도체의 페르미 에너지는 받개 준위와 원자가띠 사이에 형성되어 진성 반도체의 페르미 에너지보다 작다. 따라서 받개 준위에 있는 양공들은 쉽게 원자가띠로 올라갈 수 있어서 진성반도체에 비하여 더 높은 전기 전도도를 가질 수 있게 된다.

보다 자세히 살펴보면, P형 반도체(P-type semiconductor)란, 다수의 정공과 소수의 전자를 포함하는 반도체를 의미한다. 일반적으로 상온에서 반도체 내의 전자와 정공의 수는 매우 적은데 다량의 정공이 필요할 경우 불순물 원자를 적절히 주입시켜 반도체를 도핑할 수 있다. 여기서 P형 반도체란 반도체를 도핑할 때, 불순물 원자로 억셉터(acceptor) 원자를 주입하는 반도체이다. 규소(Si)와 같은 4가 원소의 진성 반도체에 붕소(B)와 같은 3족 원소를 주입하면 3개의 전자만 규소 원자와 공유결합을 할 수 있어 한 개의 정공이 생성된다. 이때, 이 정공은 여분의 전자를 받아들일 수 있다. 억셉터는 ‘전자를 받아들인다’하여 붙여진 이름으로, 붕소(B)가 가장 많이 사용되며 갈륨(Ga), 인듐(In)도 종종 사용된다. 정공은 양(Positive)의 전하량을 운반하므로 Positive의 머리글자를 따서 P형 반도체라고 하며, P형 반도체에서는 정공이 다수 캐리어(majority carrier), 전자가 소수 캐리어(minority carrier)가 된다. 억셉터 원자의 이온화 에너지는 원자마다 다르며 규소(Si)에서의 억셉터 이온화 에너지는 붕소(B), 알루미늄(Al), 인듐(In) 순으로 높다. 이온화 에너지가 크다는 것은 여분의 전자를 받아들여 정공을 생성시키는 데 필요한 에너지가 많다는 것을 의미한다.

기존의 압전소자는 압전효과를 지닌 물질들을 적층식으로 쌓아서 제작하는 경우가 대다수이다. 하지만 이러한 제조법은 압전효율이 낮아 P형 및 N형 반도체를 활용한 새로운 압전소자 기술이 필요하며, 본 기술은 압전소자 제조를 위한 P형 반도체의 혼합조성물에 관한 기술이다.

공개특허공보 제10-2019-0042552호 (공개일자 2019.04.24.) 공개특허공보 제10-2018-0010939호 (공개일자 2018.01.31.)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 낮은 진동이나 소리에도 반응하여 전기를 생산할 수 있는 압전소자 제조에 필요한 P형 반도체에 관한 새로운 기술이다.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 “뒤모르티에라이트, 이산화텔루륨, 탄탈라이트”를 80-120nm 사이즈의 나노 크기로 제조한 다음, 이를 일정한 비율로 혼합하여 혼합조성물을 구성하도록 한다. 이를 통하여 압전소자를 제조하는데 필요한 P형 반도체를 제조하도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 "P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물"을 적용하여 압전소자를 제조할 경우 낮은 진동이나 소리에도 반응하여 전기에너지 생산이 가능하다. "P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물"을 사용하여 압전소자를 제조할 경우, 소리에도 반응하여 압전효과를 거둘 수 있기 때문에, 도로 및 공사현장 등 다양한 소음현장에서 소리를 에너지로 전환하는데 활용할 수 있다. 낮은 소리에도 반응할 수 있기 때문에 소리를 전기로 전환하는 신재생에너지 기술분야에 적용가능하며, 낮은 진동 및 주파수에도 압전효과를 거둘 수 있기 때문에, 다양한 산업현장이나 가정 내에서 발전용으로 활용이 가능하다.

본 발명에 의한 “P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물”을 구현하기 위한 혼합조성물은 “뒤모르티에라이트, 이산화텔루륨, 탄탈라이트”로 구성되어 지며, 이에 대한 구체적인 내용을 살펴보면 다음과 같다.

뒤모르티에라이트(Dumortierite)란, 사방정계(斜方晶系)에 속하는 광물이다. 굳기는 7, 비중은 약 3.3이며, 청색, 녹청색, 자주색을 띤다.프랑스 고생물학자인 뒤모르티에에서 이름을 따왔는데, 운모나 견운모로 쉽게 변질되며 페그마타이트, 편마암에서 발견된다. 화학성분은 Al8Si3O20BH이다. 섬유상(纖維狀) 또는 주상(柱狀)의 결정을 이룬다. 굳기 7, 비중 3.3이다. 청색 ·녹청색 또는 자주색으로 ［100］면에서 쪼개짐이 명확하다. 명칭은 프랑스의 고생물학자 E.뒤모르티에에서 연유한다. 운모나 견운모(絹雲母)로 쉽게 변질되며 페그마타이트(pegmatite)나 편마암에서 발견된다. 보헤미아 ·애리조나에서 산출된다.

이산화텔루륨(Tellurium dioxide)텔루르의 연소에 의해 생성하는데, 제조에는 텔루르 분말의 물현탁액에 진한 질산을 작용시켜 얻어지는 염기성 질산염을 가열하거나 또는 텔루르산을 가열하여 얻는다. 백색 결정성 물질이며, 350℃ 이하에서 얻어지는 것은 정방 결정계(루틸형 구조)이며, 그 이상의 온도에서는 사방 결정계(판(板)티탄석과 비슷하다)의 것이 얻어진다. 일정한 녹는점을 나타내지 않고, 733℃ 부근에서 암황색액이 된다. 물에 잘 안 녹는다. 수용액은 리트머스에 대해 중성을 나타낸다. 양쪽성 산화물로, 진한 강한 산에 의해 염기성염을, 강한 알칼리에 의해 아텔루르산염을 생성한다.

탄탈라이트(Tantalite)는 중요한 탄탈럼의 광석이며 컬럼바이트와 비슷지만 컬럼바이트보다 비중이 훨씬 더 크다. 화학성분은 (Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6이다. 페그마타이트 속에서 산출되며 중요한 탄탈럼의 광석이다. 컬럼바이트와 비슷하지만 탄탈럼의 함유량이 나이오븀보다 많다. 굳기 5.5∼7.3, 비중 5.5∼7.3이다. 사방정계이며 주상 또는 판상 결정을 이루며 입상·괴상을 이룬다. 검은색으로 불투명하며 아금속 광택을 가진다. 조흔색(條痕色)은 흑색 또는 암적갈색이다. 무른 광물이다.

위에서 언급한 물질들로 구성된 “P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물”을 구현하기 위한 혼합조성물의 구성비를 살펴보면 [표 1] 과 같다.

본 발명에 따른 “P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물”을 구현하기 위한 혼합조성물의 구성비

구 분	나노 사이즈	구성비율	비고
뒤모르티에라이트 (Dumortierite)	120nm	60wt%	오차율±1wt%
이산화텔루륨 (Tellurium dioxide)	80nm	20wt%	오차율±0.5wt%
탄탈라이트 (Tantalite)	120nm	20wt%	오차율±0.5wt%
총 계		100wt%

상기한 구성비는 반복 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다.

Claims

뒤모르티에라이트(Dumortierite) 60wt%, 이산화텔루륨(Tellurium dioxide) 20wt%, 탄탈라이트(Tantalite) 20wt%로 구성되어진 것을 특징으로 하는 “P,N 반도체 방식 압전소자의 P형 반도체 제조를 위한 혼합조성물.”