WO2020122501A1 - 투명하고 구부림이 가능한 인버터 타입의 볼티지 소형 센서 - Google Patents

투명하고 구부림이 가능한 인버터 타입의 볼티지 소형 센서 Download PDF

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WO2020122501A1
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voltage
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김규태
이국진
이혜빈
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Korea University Research and Business Foundation
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    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037—NOx

Definitions

  • the present invention relates to a transparent and bendable inverter-type voltage sensor.
  • Nitrogen dioxide is an odor-stimulating reddish brown gas that is produced as a result of reactions based on fossil fuels such as factories or exhaust gases.
  • the nitrogen dioxide forms ozone by ultraviolet rays, and therefore, a boundary beam such as an ozone warning is issued.
  • the commercially available nitrogen dioxide sensor is large in size and consumes a lot of power.
  • a small sensor capable of detecting NO 2 gas by using four electrodes is manufactured to minimize power consumption, thereby increasing the lifespan, and utilizing the advantages of being transparent and bendable to be utilized for various purposes such as wearables. It is an object of the present invention to provide a transparent and bendable inverter-type voltage miniature sensor.
  • a sensor includes a substrate; A dielectric layer disposed on the substrate and having a first region and a second region, a dielectric layer disposed on the first region of the first electrode; A second electrode disposed on the dielectric layer; A third electrode disposed on the dielectric layer and spaced apart from the second electrode; A fourth electrode disposed on the dielectric layer and spaced apart from each of the second electrode and the third electrode; A first channel layer electrically connecting the second electrode and the third electrode; A second channel layer electrically connecting the second electrode and the fourth electrode; And a passivation layer disposed on the dielectric layer to cover the first channel layer. It includes.
  • the second region of the first electrode may be exposed.
  • the first electrode may be a gate electrode
  • the second electrode may be an output electrode
  • the third electrode may be a source electrode
  • the fourth electrode may be a drain electrode
  • the voltage output from the second electrode is output with a drain voltage applied to the fourth electrode, and a second voltage that is higher than the first voltage is applied to the first electrode.
  • the voltage output from the second electrode may be a source voltage applied to the third electrode.
  • the first channel layer may be an n-type channel
  • the second channel layer may be a p-type channel
  • the substrate is a flexible substrate
  • the flexible substrate is a polyethylene terephthalate (PET) substrate, a polyethylene naphthalate (PEN) substrate, a polyimide (PI) substrate, a polycarbonate (PC) substrate, a polypropylene (PP) substrate, triacetyl It may be selected from the group consisting of a cellulose (TAC) substrate and a polyethersulfone (PES) substrate.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PI polyimide
  • PC polycarbonate
  • PP polypropylene
  • TAC cellulose
  • PES polyethersulfone
  • Each of the first channel layer and the second channel layer may be any one selected from MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 and MoTe 2 .
  • the first electrode is a transparent electrode
  • the transparent electrode is ITO (Indium tin oxide), In 2 O 3 (Indium oxide), SnO 2 (Tin oxide), graphene (Graphene), carbon nanotube (Carbon nanotube), It may be selected from the group consisting of a metal nanowire, a metal nanomesh, a metal nanofiber, a metal nanotrough, and a conducting polymer.
  • a small sensor capable of detecting NO 2 gas using four electrodes is manufactured to minimize power consumption, thereby increasing the lifespan, and utilizing the advantages of being transparent and bendable, such as wearables. It can be used for various purposes.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a sensor according to the present invention
  • FIG. 2 is a top view of a sensor according to the invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 2,
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B' in FIG. 2,
  • FIG. 6 is an exemplary view showing the operating principle of the sensor according to the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing process of the sensor according to the present invention.
  • FIG. 12 is an exemplary view showing a bending characteristic of a sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • 17 is a graph showing the threshold voltages of the sensors according to the first to sixth embodiments of the present invention.
  • 20 is a graph showing simulation results of a sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a sensor according to the present invention
  • FIG. 2 is a top view of the sensor according to the present invention
  • FIG. 3 is a SEM image of the electrode area of the sensor according to the present invention
  • FIG. 4 is A- in FIG. 2 A'is a cross-sectional view
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line B-B' in FIG. 2
  • FIG. 6 is an exemplary view showing the operating principle of the sensor according to the present invention
  • FIG. 7 is to confirm the inverter characteristics of the sensor according to the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the result of changing the threshold voltage and driving current of the sensor according to the present invention.
  • the sensor 100 includes a substrate 110, a first electrode 120, a dielectric layer 130, a second electrode 140, and a third electrode 150 , A fourth electrode 160, a first channel layer 170, a second channel layer 180 and a passivation layer 190.
  • the sensor used in the present invention is described in the bottom gate contact (BGBC) structure, but is not limited thereto, and may also be applied to a bottom gate top contact (BGTC) structure.
  • BGBC bottom gate contact
  • BGTC bottom gate top contact
  • the substrate 110 is a silicon wafer, glass substrate, polyethersulphone, polyacrylate, polyetherimide, polyimide, polyethylene terephthalide, polyethylene naphthalene naphthalate), and plastic films selected from the group consisting of indium tin oxide (indium tin oxide) coated glass substrates and plastic films.
  • the substrate 110 is preferably composed of a flexible substrate having bending properties
  • the substrate is a polyethylene terephthalate (PET) substrate, a polyethylene naphthalate (PEN) substrate, a polyimide (PI) substrate, polycarbonate (PC) It can be selected from the group consisting of a substrate, a polypropylene (PP) substrate, a triacetyl cellulose (TAC) substrate and a polyethersulfone (PES) substrate.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PI polyimide
  • PC polycarbonate
  • PP polypropylene
  • TAC triacetyl cellulose
  • PES polyethersulfone
  • the first electrode 120 is gold (AU), aluminum (Al), aluminum alloy (Al-alloy), molybdenum (Mo), molybdenum alloy (Mo-alloy), silver nanowires (silver nanowire), gallium indium eutics (gallium indium eutectic), PEDOT; can be formed by any one selected from PSS.
  • the first electrode 120 may use the above materials as ink to manufacture a gate electrode using a printing process such as inkjet printing or spraying. Through the printing process, the first electrode 120 is formed and a vacuum process can be excluded, so that a reduction in manufacturing cost can be expected.
  • the first electrode 120 is ITO (Indium tin oxide), In 2 O 3 (Indium oxide), SnO 2 (Tin oxide), graphene (Graphene), carbon nanotube (Carbon nanotube), metal nanowire ( It may be a transparent electrode selected from the group consisting of Metal nanowire), Metal nanomesh, Metal nanofiber, Metal nanotrough, and Conducting polymer.
  • the first electrode 120 may be implemented as a gate electrode, and hereinafter, the first electrode may be described by mixing it with the gate electrode.
  • the first electrode 120 may include a first region 121 and a second region 122.
  • the first region 121 includes a dielectric layer 130, a second electrode 140, a third electrode 150, a fourth electrode 160, a first channel layer 170, a second channel layer 180, and passivation.
  • Layer 190 may be disposed.
  • the first region 121 may be a region covered with the dielectric layer 130.
  • the second region 122 may be exposed to the outside, and may form a point contact of the gate electrode.
  • the dielectric layer 130 may be disposed on the first region 121 of the first electrode 120.
  • the dielectric layer 130 is included as a single film or a multi-layer film of an organic insulating film or an inorganic insulating film, or as an organic-inorganic hybrid film.
  • the organic insulating film include polymethacrylate (PMMA, polymethylmethacrylate), polystyrene (PS, polystyrene), phenolic polymer, acrylic polymer, imide polymer such as polyimide, aryl ether polymer, amide polymer, fluorine polymer, p- A xylene polymer, vinyl alcohol polymer, or parylene is used.
  • PMMA polymethacrylate
  • PS polystyrene
  • phenolic polymer acrylic polymer
  • imide polymer such as polyimide, aryl ether polymer, amide polymer, fluorine polymer, p- A xylene polymer, vinyl alcohol polymer, or parylene is used.
  • the inorganic insulating film any one or a plurality of silicon oxide films,
  • Dielectric layer 130 for example, after forming an insulating material by a spin coating (spin coating) method or a dispensing (dispensing) using a dispenser (dispenser), heat curing or ultraviolet curing (ultraviolet-ray curing) ) Can be formed by curing.
  • spin coating spin coating
  • dispensing dispenser
  • heat curing ultraviolet curing (ultraviolet-ray curing)
  • the second electrode 140 may be disposed on the dielectric layer 130.
  • the second electrode 140 is gold (AU), aluminum (Al), aluminum alloy (Al-alloy), molybdenum (Mo), molybdenum alloy (Mo-alloy), silver nanowire (silver nanowire), gallium indium eutics (gallium indium eutectic), PEDOT; can be formed by any one selected from PSS.
  • the second electrode 140 may use the above materials as ink to manufacture a gate electrode using a printing process such as inkjet printing or spraying. Through the printing process, the second electrode 140 is formed and the vacuum process can be excluded, so that a reduction in manufacturing cost can be expected.
  • the second electrode 140 may be embodied as an output electrode, and hereinafter, the second electrode may be described by mixing the output electrode.
  • the third electrode 150 and the fourth electrode 160 are respectively disposed on the dielectric layer 130 and are spaced apart from each other and may be spaced apart from the second electrode 140.
  • the third electrode 150 and the fourth electrode 160 may be formed of a single layer selected from Au, Al, Ag, Mg, Ca, Yb, Cs-ITO or alloys thereof, and the adhesiveness with the substrate. In order to improve, it may be formed of multiple layers by further including an adhesive metal layer such as Ti, Cr or Ni. In addition, graphene, carbon nanotubes (CNT), and PEDOT:PSS conductive polymer silver nanowires can be used to manufacture more flexible and flexible devices than conventional metals, and the above materials are used as ink.
  • the third electrode 150 and the fourth electrode 160 may be manufactured using a printing process such as inkjet printing or spraying.
  • the third electrode 150 may be a source electrode
  • the fourth electrode 160 may be a drain electrode
  • the source/drain electrodes may be manufactured on the dielectric layer 130 through the third electrode 150 and the fourth electrode 160.
  • channel layers 170 and 180 are formed on the dielectric layer 130.
  • the channel layers 170 and 180 include the first channel layer 170 and the second channel layer 180.
  • the first channel layer 170 is formed between the second electrode 140 and the third electrode 150, and the second channel layer 180 is formed between the second electrode 140 and the fourth electrode 160. Can be.
  • a first channel layer 170 is formed between the output electrode 140 and the source electrode 150, so that the output electrode 140 and the source electrode 150 are electrically connected through the first channel layer 170. Can be connected.
  • a second channel layer 180 is formed between the output electrode 140 and the drain electrode 160 so that the output electrode 140 and the drain electrode 160 can be electrically connected through the second channel layer 180. have.
  • a channel region may be formed in the first channel layer 170 by a voltage formed between the output electrode 140 and the source electrode 150, and may be formed by a voltage formed between the output electrode 140 and the drain electrode 160.
  • a channel region may be formed in the second channel layer 180.
  • the output electrode 140, the source electrode 150, and the drain electrode 160 may be formed to directly contact the first channel layer 170 or the second channel layer 180, and may include one or more other materials having conductivity. It can also be connected indirectly through mediation.
  • the first channel layer 170 and the second channel layer 180 may cover each of the output electrode 140, the source electrode 150, and the drain electrode 160.
  • the channel layers 170 and 180 may be formed through processes such as spin coating, inkjet printing, or vacuum deposition.
  • the channel layers 170 and 180 may include an organic semiconductor layer, an inorganic semiconductor layer, or an organic-inorganic mixed semiconductor layer.
  • the organic semiconductor layer may include a polymer active layer.
  • the channel layer (170, 180) in the present invention MoS 2, MoSe 2, WS 2, WSe 2, MoTe may be any one selected from 2, when the WSe 2 NO 2 is that the WSe 2, P-type doping Plays a role.
  • the threshold voltage (threshold voltage, Vth) moves to the right, and the output voltage increases.
  • the channel layers 170 and 180 may be bent and formed of an organic semiconductor layer having flexibility.
  • the passivation layer 190 may be selectively formed on the first channel layer 170.
  • the passivation layer 190 is directly formed on the first channel layer 170 and may be disposed to cover all of the first channel layer 170.
  • the passivation layer 190 is included as a single film or a multilayer film of an organic insulating film or an inorganic insulating film, or as an organic-inorganic hybrid film.
  • the organic insulating film include polymethacrylate (PMMA, polymethylmethacrylate), polystyrene (PS, polystyrene), phenolic polymer, acrylic polymer, imide polymer such as polyimide, aryl ether polymer, amide polymer, fluorine polymer, p- A xylene polymer, vinyl alcohol polymer, or parylene is used.
  • PMMA polymethacrylate
  • PS polystyrene
  • phenolic polymer acrylic polymer
  • imide polymer such as polyimide, aryl ether polymer, amide polymer, fluorine polymer, p- A xylene polymer, vinyl alcohol polymer, or parylene
  • the inorganic insulating film any one or a plurality of silicon oxide film, silicon
  • the first channel layer 170 covered by the passivation layer 190 has an N-type electrical characteristic and a second channel layer not covered by the passivation layer 190.
  • the electrical characteristic of 180 is P-type.
  • a source voltage (GND, ground) is applied to the third electrode 150, a drain voltage is applied to the fourth electrode 160, and a gate voltage (input voltage) is applied to the first electrode 120 at a low voltage (zero 1 voltage) (e.g., -13V) to high voltage (second voltage) (e.g., -8V) is applied, and when measuring the voltage value output from the second electrode 140, the first electrode ( When a low voltage (first voltage) (for example, -13V) is applied to 120), current flows toward the second channel layer 180 where the passivation layer 190 is not covered, as shown by the red arrow in FIG. 2, The drain voltage applied to the fourth electrode 160 is output.
  • a low voltage first voltage
  • first voltage for example, -13V
  • a high voltage (second voltage) (for example, -8V) is applied to the first electrode 120, as shown in the blue arrow in FIG. 2, toward the first channel layer 170 covered with the passivation layer 190.
  • the current flows, and the source voltage applied to the fourth electrode 160 is output.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view sequentially showing a manufacturing process of a sensor according to the present invention.
  • a channel layer material MoS 2 , WSe 2
  • MoS 2 , WSe 2 a channel layer material
  • thermal release tape is attached to the FET fabricated on the silicon wafer, and the FET is mechanically removed.
  • Example 1 Example 2 Example 3
  • Example 4 Example 5
  • Example 6 Board Si Si PET PET PET PET Channel layer MoS 2 WSe 2 MoS 2 WSe 2 MoS 2 WSe 2 Passivation layer X X X O O
  • FIG. 10 is a photograph and a graph showing the characteristics of the sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A shows a SEM image of a sensor using a channel material as MoS 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • Figure 10b shows the transfer curve of the sensor with the channel material MoS 2 when the target substrate is Si / SiO 2 .
  • FIG. 10C shows a log scale transfer curve of a sensor using channel material MoS 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • FIG. 10D shows the output characteristic of a sensor having a channel material of MoS 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • FIG. 11 is a photo and a graph showing the characteristics of the sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A shows an SEM image of a sensor having a channel material of WSe 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • FIG. 11B shows a transfer curve of a sensor having a channel material of WSe 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • Figure 11c shows the log scale transfer curve of the sensor with a channel material of WSe 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • Figure 11d shows the output characteristic of the sensor with a channel material of WSe 2 when the target substrate is Si/SiO 2 .
  • the target substrate is Si/SiO 2
  • the channel material is WSe 2
  • the Id-Vg (transfer curve) and Id-Vd (output characteristic) graphs were confirmed, and the characteristics of the sensor produced in a general manner were similar to those of the sensor. It can be seen that it has a level of electrical characteristics.
  • FIG. 12 is an exemplary view showing a bending characteristic of a sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • a PET/ITO (gate) substrate was prepared and Al 2 O 3 (dielectric) was deposited through an ALD process.
  • the bending test is performed after bending the substrate on which the device is raised 200 times, and comparing electrical characteristics before and after bending, and thus reliability can be confirmed.
  • FIG. 13 is a photograph and graph showing the characteristics of a sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A shows an optical image of a sensor having a channel material of MoS 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • 13B shows a SEM image of a sensor using channel material MoS 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • Figure 13c shows the transfer curve before and after bending of the sensor with the channel material MoS 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • Figure 13d shows the log scale transfer characteristic before and after bending of the sensor with the channel material MoS 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • Figure 13e shows the output characteristic before bending of the sensor with the channel material MoS 2 when the target substrate is PET / ITO / Al 2 O 3 .
  • Figure 13f shows the output characteristic after bending of the sensor with the channel material MoS 2 when the target substrate is PET / ITO / Al 2 O 3 .
  • the electrical properties of the sensor can be confirmed when the channel material is MoS 2 .
  • FIG. 14 is a photograph and graph showing characteristics of a sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14A shows an optical image of a sensor having a channel material of WSe 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • 14B shows a SEM image of a sensor using a channel material as WSe 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • Figure 14c shows the transfer curve before and after bending of the sensor with the channel material as WSe 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • Figure 14d shows the log scale transfer characteristic before and after bending of the sensor with the channel material as WSe 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • FIG. 14e shows the output characteristic before bending of the sensor with the channel material as WSe 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • Figure 14f shows the output characteristic after bending of the sensor with the channel material as WSe 2 when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 .
  • the electrical properties of the sensor can be confirmed when the channel material is WSe 2 .
  • 15 is a photograph and graph showing the characteristics of a sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15A shows the optical image of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated to the channel, and the channel material is MoS 2 .
  • 15B shows a SEM image of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is MoS 2 .
  • 15C shows a transfer curve before and after bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is MoS 2 .
  • FIG. 15d shows a log scale transfer characteristic before and after bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is MoS 2 .
  • FIG. 15E shows the output characteristic before bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is MoS 2 .
  • 15F shows the output characteristic after bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is MoS 2 .
  • the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel
  • the channel material is MoS 2 .
  • 16 is a photograph and graph showing characteristics of a sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16A shows the optical image of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated to the channel, and the channel material is WSe 2 .
  • 16B shows a SEM image of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated to the channel, and the channel material is WSe 2 .
  • FIG. 16C shows a transfer curve before and after bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is WSe 2 .
  • FIG. 16d shows a log scale transfer characteristic before and after bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel, and the channel material is WSe 2 .
  • FIG. 16E shows the output characteristic before bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated to the channel, and the channel material is WSe 2 .
  • FIG. 16F shows the output characteristic after bending of the sensor when the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated to the channel, and the channel material is WSe 2 .
  • the target substrate is PET/ITO/Al 2 O 3 and Al 2 O 3 is passivated in the channel
  • the channel material is WSe 2 .
  • the N-type has dominant ambipolar characteristics.
  • the WSe 2 device that is not passivated is P-type.
  • the transfer curve and the output characteristic graph before and after the bending test it can be confirmed that the electrical characteristics are not different.
  • 17 is a graph showing threshold voltages of the sensors according to the first to sixth embodiments of the present invention.
  • FIG. 17A shows the range of the threshold voltage of the sensor generated for each condition in a box diagram when the channel material is MoS 2 and the target substrates are different and passivation is performed.
  • FIG. 17B is a box diagram showing a range of threshold voltages of sensors generated for each condition when the channel material is WSe 2 and the target substrates are different and passivation is performed.
  • the threshold voltages of the sensors according to the first to sixth embodiments can be checked, and the minimum, maximum, and average values can be checked using a box diagram.
  • the threshold voltage is distributed near 0V.
  • FIG. 18A is a box diagram showing the on/off ratio of the sensor generated for each condition when the channel material is MoS 2 , the target substrate is different, and the passivation is performed, and the electric charge mobility is symbolized.
  • FIG. 18B is a box diagram showing the on/off ratio of the sensor generated for each condition when the channel material is WSe 2 , the target substrate is different, and when passivation is performed, and the electric charge mobility is represented by symbols.
  • the on/off ratio and mobility are similar, or the fifth and sixth embodiments in which the channel is passivated. It can be seen that the examples show excellent properties.
  • 19 is a graph showing simulation results of a sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • 19A is a transfer curve graph comparing actual measurement results with simulation results when Si/SiO 2 is used as a target substrate.
  • 19B is a schematic diagram of conditions used in simulation.
  • 19C is a graph showing the electric field and electron density applied to the channel and the dielectric (SiO 2 ).
  • the measured value and the simulated value are similar.
  • the gate voltage is -5V
  • the electron concentration of the channel inset of the graph on the left
  • the electric field applied to the dielectric layer is about 1.3 Mev.
  • 20 is a graph showing simulation results of a sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 20A is a transfer curve graph comparing actual measurement results with simulation results when PET/ITO/Al 2 O 3 is used as a target substrate.
  • 20B is a schematic diagram of the conditions used in the simulation.
  • 20C is a graph showing the electric field and electron density applied to the channel and the dielectric (Al 2 O 3 ).
  • the gate voltage is not depleted at -5V (the same voltage as the gate voltage of PET), and the electric field applied to the gate oxide is 0.22MeV, and the electric field applied to Al 2 O 3 You can see that it is about 6 times smaller.

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Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 제1영역 및 제2영역을 갖는 제1전극 상기 제1전극의 제1영역 상에 배치되는 유전층; 상기 유전층 상에 배치되는 제2전극; 상기 유전층 상에 배치되며, 상기 제2전극과 이격된 제3전극; 상기 유전층 상에 배치되며, 상기 제2전극 및 상기 제3전극 각각과 이격된 제4전극; 상기 제2전극과 상기 제3전극을 전기적으로 연결하는 제1채널층; 상기 제2전극과 상기 제4전극을 전기적으로 연결하는 제2채널층; 및 상기 제1채널층을 덮도록 상기 유전층 상에 배치된 패시베이션층; 을 포함하는 투명하고 구부림이 가능한 인버터 타입의 볼티지 소형 센서를 개시한다.

Description

투명하고 구부림이 가능한 인버터 타입의 볼티지 소형 센서
본 발명은 투명하고 구부림이 가능한 인버터 타입의 볼티지 소형 센서에 관한 것이다.
이산화질소(NO2)는 냄새가 자극적인 적갈색의 기체로 공장이나 배기 가스와 같은 화석연료를 기반으로 한 반응의 결과물로 생성된다.
이러한 이산화질소는 자외선에 의해 오존을 형성하는데, 이 때문에 오존 주의보 등의 경계보가 내려진다.
또한, 산성비를 만드는 주범이며 인체에 노출 시 호흡기 기관에 영향을 미치며, 직접 노출 시 염증을 발생하고 심한 경우 화상을 입을 수도 있다.
기존에 사용되고 있는 상용 이산화질소 센서는 크기가 크고, 전력 소모가 심한 편이다.
또한, 휘어짐이 불가능하고 불투명하여 웨어러블 등의 다양한 용도로 사용되기에는 무리가 있다.
본 발명은 4개의 전극을 활용하여 NO2 가스를 검출할 수 있는 소형의 센서를 제작하여, 전력의 소모를 최소화하여 수명을 늘리고, 투명하고 구부림이 가능한 장점을 살려 웨어러블 등의 다양한 용도로 활용할 수 있는 투명하고 구부림이 가능한 인버터 타입의 볼티지 소형 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 센서는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 제1영역 및 제2영역을 갖는 제1전극 상기 제1전극의 제1영역 상에 배치되는 유전층; 상기 유전층 상에 배치되는 제2전극; 상기 유전층 상에 배치되며, 상기 제2전극과 이격된 제3전극; 상기 유전층 상에 배치되며, 상기 제2전극 및 상기 제3전극 각각과 이격된 제4전극; 상기 제2전극과 상기 제3전극을 전기적으로 연결하는 제1채널층; 상기 제2전극과 상기 제4전극을 전기적으로 연결하는 제2채널층; 및 상기 제1채널층을 덮도록 상기 유전층 상에 배치된 패시베이션층; 을 포함한다.
상기 제1전극의 상기 제2영역은 노출될 수 있다.
상기 제1전극은 게이트 전극, 상기 제2전극은 출력 전극, 상기 제3전극은 소스 전극, 상기 제4전극은 드레인 전극일 수 있다.
상기 제1전극에 제1전압 인가 시, 상기 제2전극에서 출력되는 전압은 상기 제4전극에 인가된 드레인 전압이 출력되고, 상기 제1전극에 상기 제1전압에 비해 고압인 제2전압 인가 시, 상기 제2전극에서 출력되는 전압은 상기 제3전극에 인가된 소스 전압이 출력될 수 있다.
상기 제1전극에 상기 제1전압 인가 시, 상기 제2채널층으로 전류가 흐르며, 상기 제1전극에 상기 제2전압 인가 시, 상기 제1채널층으로 전류가 흐를 수 있다.
상기 제1채널층은 n-type 채널이고, 상기 제2채널층은 p-type 채널일 수 있다.
상기 기판은 유연성 기판이고, 상기 유연성 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 기판, 폴리이미드(PI) 기판, 폴리카보네이트(PC) 기판, 폴리프로필렌(PP) 기판, 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 기판 및 폴리에테르술폰(PES) 기판으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 제1채널층 및 상기 제2채널층 각각은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 제1전극은 투명 전극이고, 상기 투명 전극은 ITO(Indium tin oxide), In2O3(Indium oxide), SnO2(Tin oxide), 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 금속나노선(Metal nanowire), 금속나노메쉬(Metal nanomesh), 금속나노파이버(Metal nanofiber), 금속나노트러프(Metal nanotrough) 및 전도성 고분자(Conducting polymer)로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 4개의 전극을 활용하여 NO2 가스를 검출할 수 있는 소형의 센서를 제작하여, 전력의 소모를 최소화하여 수명을 늘리고, 투명하고 구부림이 가능한 장점을 살려 웨어러블 등의 다양한 용도로 활용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 센서를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 센서의 상면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 센서의 전극 영역의 SEM 이미지이고,
도 4는 도 2의 A-A'선 단면도이고,
도 5는 도 2의 B-B'선 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 센서의 작동원리를 나타낸 예시도이고,
도 7은 본 발명에 따른 센서의 인버터 특성을 확인할 수 있는 그래프이고,
도 8은 본 발명에 따른 센서의 문턱전압과 구동전류를 변화시킨 결과 그래프이고,
도 9는 본 발명에 따른 센서의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 단면도이고,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이고,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이고,
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 센서의 벤딩 특성을 나타낸 예시도이고,
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이고,
도 14은 본 발명의 제4실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이고,
도 15는 본 발명의 제5실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이고,
도 16은 본 발명의 제6실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이고,
도 17은 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서의 문턱 전압을 나타낸 그래프이고,
도 18은 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서의 on/off ratio와 이동도를 나타낸 그래프이고,
도 19는 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이고,
도 20은 본 발명의 제5실시예에 따른 센서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명에 따른 센서를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 센서의 상면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 센서의 전극 영역의 SEM 이미지이고, 도 4는 도 2의 A-A'선 단면도이고, 도 5는 도 2의 B-B'선 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 센서의 작동원리를 나타낸 예시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 센서의 인버터 특성을 확인할 수 있는 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 센서의 문턱전압과 구동전류를 변화시킨 결과 그래프이다.
우선, 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 센서(100)는 기판(110), 제1전극(120), 유전층(130), 제2전극(140), 제3전극(150), 제4전극(160), 제1채널층(170), 제2채널층(180) 및 패시베이션층(190)을 포함한다.
본 발명에 사용되는 센서는 BGBC (Bottom gate bottom contact) 구조에 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 BGTC(Bottom Gate Top Contact) 구조 등에서도 적용될 수 있다.
기판(110)은 실리콘 웨이퍼, 유리기판, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르 이미드(polyetherimide), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate), 폴리에틸렌 나프탈렌(polyethylene naphthalate)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 플라스틱 필름과 인듐틴옥사이드(indium tinoxide)가 코팅된 유리기판 및 플라스틱 필름을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
특히, 기판(110)은 굽힘 특성이 있는 유연 기판으로 구성되는 것이 바람직하며, 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 기판, 폴리이미드(PI) 기판, 폴리카보네이트(PC) 기판, 폴리프로필렌(PP) 기판, 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 기판 및 폴리에테르술폰(PES) 기판으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
제1전극(120)은 금(AU), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다. 제1전극(120)은 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 게이트 전극을 제조할 수 있다. 이러한 인쇄공정을 통해서 제1전극(120)을 형성하며 진공공정을 배제할 수 있어서 제조비용의 절감효과를 기대할 수 있다.
한편, 제1전극(120)은 ITO(Indium tin oxide), In2O3(Indium oxide), SnO2(Tin oxide), 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 금속나노선(Metal nanowire), 금속나노메쉬(Metal nanomesh), 금속나노파이버(Metal nanofiber), 금속나노트러프(Metal nanotrough) 및 전도성 고분자(Conducting polymer)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 투명 전극일 수 있다.
여기서, 제1전극(120)은 게이트 전극으로 구현될 수 있으며, 이하에서는 제1전극을 게이트 전극과 혼용하여 설명할 수 있다.
한편, 제1전극(120)은 제1영역(121)과 제2영역(122)을 포함할 수 있다.
제1영역(121)에는 유전층(130), 제2전극(140), 제3전극(150), 제4전극(160), 제1채널층(170), 제2채널층(180) 및 패시베이션층(190)이 배치될 수 있다.
특히, 제1영역(121)은 유전층(130)으로 덮이는 영역일 수 있다.
제2영역(122)은 외부로 노출될 수 있으며, 게이트 전극의 점접을 형성할 수 있다.
유전층(130)은 제1전극(120)의 제1영역(121) 상에 배치될 수 있다.
유전층(130)은 유기절연막 또는 무기절연막의 단일막 또는 다층막으로 포함되거나 유-무기 하이브리드 막으로 포함된다. 유기절연막으로는 폴리메타아크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다. 무기절연막으로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다.
유전층(130)은 예시적으로, 스핀 코팅(spin coating) 방식 또는 디스펜서(dispenser)를 이용한 분사(dispensing) 방식으로 절연성 물질을 형성한 후, 열 경화(heat curing)나 자외선 경화(ultraviolet-ray curing) 등의 방식에 의해 경화함으로써 형성될 수 있다.
제2전극(140)은 유전층(130) 상에 배치될 수 있다.
제2전극(140)은 금(AU), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다. 제2전극(140)은 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 게이트 전극을 제조할 수 있다. 이러한 인쇄공정을 통해서 제2전극(140)을 형성하며 진공공정을 배제할 수 있어서 제조비용의 절감효과를 기대할 수 있다.
여기서, 제2전극(140)은 출력 전극으로 구현될 수 있으며, 이하에서는 제2전극을 출력 전극과 혼용하여 설명할 수 있다.
제3전극(150) 및 제4전극(160)은 유전층(130) 상에 각각 배치되며 상호 이격되고, 제2전극(140)과 이격될 수 있다.
제3전극(150) 및 제4전극(160)은 Au, Al, Ag, Mg, Ca, Yb, Cs-ITO 또는 이들의 합금 중에서 선택되는 단일층으로 형성될 수 있으며, 기판과의 접착성을 향상시키기 위하여 Ti, Cr 또는 Ni과 같은 접착 금속층을 더욱 포함하여 다중층으로 형성될 수 있다. 또한 그라핀(graphene), 카본나노튜브(CNT), PEDOT:PSS 전도성 고분자 실버 나노와이어(silver nanowire) 등을 이용하여 기존의 금속보다 탄성에 더욱 유연한 소자를 제조할 수 있으며 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 제3전극(150) 및 제4전극(160)을 제조할 수 있다.
여기서, 제3전극(150)은 소스 전극일 수 있고, 제4전극(160)은 드레인 전극일 수 있다.
즉, 제3전극(150) 및 제4전극(160)을 통해, 유전층(130) 상에 소스/드레인 전극을 제조할 수 있다.
한편, 유전층(130) 상에 채널층(170, 180)이 형성된다.
여기서, 채널층(170, 180)은 제1채널층(170) 및 제2채널층(180)을 포함한다.
제1채널층(170)은 제2전극(140)과 제3전극(150) 사이에 형성되며, 제2채널층(180)은 제2전극(140)과 제4전극(160) 사이에 형성될 수 있다.
이에 따라, 출력 전극(140)과 소스 전극(150) 사이에 제1채널층(170)이 형성되어, 출력 전극(140)과 소스 전극(150)은 제1채널층(170)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 출력 전극(140)과 드레인 전극(160) 사이에 제2채널층(180)이 형성되어 출력 전극(140)과 드레인 전극(160)은 제2채널층(180)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
출력 전극(140)과 소스 전극(150) 간에 형성되는 전압에 의하여 제1채널층(170)에 채널 영역이 형성될 수 있고, 출력 전극(140)과 드레인 전극(160) 간에 형성되는 전압에 의하여 제2채널층(180)에 채널 영역이 형성될 수 있다.
출력 전극(140), 소스 전극(150) 및 드레인 전극(160)은 제1채널층(170) 또는 제2채널층(180)에 직접 접촉하도록 형성될 수도 있고, 도전성을 갖는 하나 이상의 다른 물질을 매개로 간접적으로 연결될 수도 있다.
제1채널층(170) 및 제2채널층(180)은 출력 전극(140), 소스 전극(150) 및 드레인 전극(160) 각각을 덮을 수 있다.
채널층(170, 180)은 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 또는 진공 증착 등의 공정을 통해 형성될 수 있다. 채널층(170, 180)은 유기 반도체층, 무기 반도체층 또는 유무기 혼합 반도체층을 포함할 수 있다. 유기 반도체층은 폴리머 활성층을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에서 채널층(170, 180)은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2 중 선택된 어느 하나일 수 있으며, WSe2인 경우 NO2가 WSe2를 P-type doping 하는 역할을 한다. 여기서, P-type doping이 되면 문턱 전압(문턱 전압, Vth)가 오른쪽으로 이동하게 되며 출력되는 출력 전압의 크기가 증가하게 된다.
따라서, NO2가 있는 경우 출력 전압의 크기가 증가함을 통해 NO2 가스 센서로 활용할 수 있다.
채널층(170, 180)을 잘 구부러지고 유연성을 갖는 유기 반도체층으로 형성될 수 있다.
패시베이션층(190)은 제1채널층(170) 상에 선택적으로 형성될 수 있다. 패시베이션층(190)은 제1채널층(170) 상에 직접 형성되며, 제1채널층(170)을 모두 덮도록 배치될 수 있다.
패시베이션층(190)은 유기절연막 또는 무기절연막의 단일막 또는 다층막으로 포함되거나 유-무기 하이브리드 막으로 포함된다. 유기절연막으로는 폴리메타아크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다. 무기절연막으로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다.
한편, 도 7 및 도 8을 참조하면, 패시베이션층(190)으로 덮인 제1채널층(170)은 전기적 특성이 N-type의 특성을 가지며, 패시베이션층(190)으로 덮이지 않은 제2채널층(180)은 전기적 특성이 P-type의 특성을 가진다.
또한, 제3전극(150)에 소스 전압(GND, 접지)을 인가하고, 제4전극(160)에 드레인 전압을 인가하고, 제1전극(120)에 게이트 전압(입력전압)을 저전압(제1전압)(예를 들어, -13V)부터 고전압(제2전압)(예를 들어, -8V)까지 인가해 주며, 제2전극(140)에서 출력되는 전압 값을 측정하면, 제1전극(120)에 저전압(제1전압)(예를 들어, -13V)이 인가된 경우에는 도 2의 빨간 화살표와 같이 패시베이션층(190)이 덮이지 않은 제2채널층(180) 측으로 전류가 흘러, 제4전극(160)에 인가한 드레인 전압이 출력되게 된다.
반면, 제1전극(120)에 고전압(제2전압)(예를 들어, -8V)이 인가된 경우에는 도 2의 파란 화살표와 같이 패시베이션층(190)이 덮인 제1채널층(170) 측으로 전류가 흘러, 제4전극(160)에 인가한 소스 전압이 출력되게 된다.
또한, 도8을 참조하면, NMOS와 PMOS를 실험 결과와 동일한 소자로 제작한 이후, PMOS의 문턱전압과 구동전류를 변화시킨 결과를 얻었다.
이하에서는 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 센서의 제조 공정을 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 센서의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
우선, 접찹성 테이프(Adhesive tape)를 이용하여 채널층 물질(MoS2, WSe2)를 전사하고 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 FET를 제작한다.
이후, 실리콘 웨이퍼 상에 제작된 FET에 열박리 이형 테이프(thermal release tape)을 붙이고 mechanically FET를 떼어 내다.
이후, FET와 함께 떨어진 열박리 이형 테이프를 원하는 목적 기판에 붙인 후, 오븐에 넣어 열박리 이형 테이프의 접착력을 잃게 만들어 주면 원하는 목적 기판에 제작된 FET를 옮길 수 있다.
이하에서는 도 10 내지 도20을 참조하여, 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서의 특성을 비교 설명한다.
한편, 제1실시예 내지 제6실시예의 구성은 다음의 [표1]과 같다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
기판 Si Si PET PET PET PET
채널층 MoS2 WSe2 MoS2 WSe2 MoS2 WSe2
패시베이션층 X X X X O O
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이다.여기서, 도 10a는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 SEM 이미지를 나타낸다. 도 10b는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 Transfer curve를 나타낸다. 도 10c는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 log scale transfer curve을 나타낸다. 도 10d는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 output characteristic을 보여준다.
도 10을 참조하면, 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 전기적 특성을 확인할 수 있다. Id-Vg(transfer curve)와 Id-Vd(output characteristic) 그래프를 확인한 결과 일반적인 방식으로 제작되는 센서의 특성과 큰 차이 없이 비슷한 수준의 전기적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이다.
여기서, 도 11a는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 SEM 이미지를 나타낸다. 도 11b는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 Transfer curve를 나타낸다. 도 11c는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 log scale transfer curve을 나타낸다. 도 11d는 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 output characteristic을 보여준다.
도 11을 참조하면, 목적 기판이 Si/SiO2인 경우 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 전기적 특성을 확인할 수 있다.
이를 통해, MoS2를 채널물질로 한 제1실시예의 센서와 마찬가지로, Id-Vg(transfer curve)와 Id-Vd(output characteristic) 그래프를 확인한 결과 일반적인 방식으로 제작되는 센서의 특성과 큰 차이 없이 비슷한 수준의 전기적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, Au Exfoliation method를 이용해 센서를 transfer하는 방식의 안정성을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 센서의 벤딩 특성을 나타낸 예시도이다.
목적 기판이 PET인 경우 PET/ITO(gate)인 기판을 준비하고 ALD 공정을 통해 Al2O3(유전체)를 증착 했습니다.
벤딩 테스트는 소자가 올라간 기판을 200번 구부린 후에 측정을 진행하고 벤딩 전/후의 전기적 특성을 비교하였고, 이에 따른 신뢰성을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이다.
여기서, 도 13a는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 광학 이미지를 나타낸다. 도 13b는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 SEM image를 나타낸다. 도 13c는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 구부림 전후 transfer curve을 나타낸다. 도 13d는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 구부림 전후 log scale transfer characteristic을 보여준다. 도 13e는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 구부림 전의 output characteristic을 보여준다. 도 13f는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 MoS2로 하는 센서의 구부림 후의 output characteristic을 보여준다.
도 13을 참조하면, 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우도 마찬가지로 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 전기적 특성을 확인할 수 있다.
벤딩 테스트 전/후로 transfer curve와 output characteristic 그래프를 비교해보면, 벤딩 테스트 후 문턱 전압이 왼쪽으로 이동하고 off current가 증가하는 경향을 확인할 수 있습니다.
이는 벤딩을 하며 유전층(Al2O3)이 손상되어 fixed charge가 생긴 것으로 해석할 수 있으며, 실제 측정된 gate leakage current의 값도 pA에서 nA 레벨로 증가함을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이다.
여기서, 도 14a는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 광학 이미지를 나타낸다. 도 14b는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 SEM image를 나타낸다. 도 14c는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 구부림 전후 transfer curve을 나타낸다. 도 14d는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 구부림 전후 log scale transfer characteristic을 보여준다. 도 14e는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 구부림 전의 output characteristic을 보여준다. 도 14f는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우 채널 물질을 WSe2로 하는 센서의 구부림 후의 output characteristic을 보여준다.
도 14를 참조하면, 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3인 경우도 마찬가지로 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 전기적 특성을 확인할 수 있다.
이를 통해, MoS2를 채널물질로 한 제3실시예의 센서와 마찬가지로, 벤딩 테스트 전/후로 transfer curve와 output characteristic 그래프를 비교해보면, 벤딩 테스트 후 문턱 전압이 왼쪽으로 이동하고 off current가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 유전층이 손상되어 보여지는 결과일 수 있다.
도 15는 본 발명의 제5실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이다.
여기서, 도 15a는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 광학 이미지를 나타낸다. 도 15b는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 SEM image를 나타낸다. 도 15c는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 구부림 전후 transfer curve을 나타낸다.
또한, 도 15d는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 구부림 전후 log scale transfer characteristic을 보여준다. 도 15e는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 구부림 전의 output characteristic을 보여준다. 도 15f는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 구부림 후의 output characteristic을 보여준다.
도 15를 참조하면, 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 MoS2일 때, 센서의 전기적 특성을 확인할 수 있다.
벤딩 테스트 전/후로 transfer curve와 output characteristic 그래프를 비교해보면, 채널에 Al2O3가 passivation이 되지 않은 소자와는 달리 off current나 문턱 전압의 변화가 거의 없어, 전기적 특성이 차이가 있지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 제6실시예에 따른 센서의 특성을 나타낸 사진과 그래프이다.
여기서, 도 16a는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 광학 이미지를 나타낸다. 도 16b는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 SEM image를 나타낸다. 도 16c는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 구부림 전후 transfer curve을 나타낸다.
또한, 도 16d는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 구부림 전후 log scale transfer characteristic을 보여준다. 도 16e는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 구부림 전의 output characteristic을 보여준다. 도 16f는 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 구부림 후의 output characteristic을 보여준다.
도 16을 참조하면, 목적 기판이 PET/ITO/Al2O3이고, 채널에 Al2O3가 패시베이션(passivation)된 타입으로, 채널 물질이 WSe2일 때, 센서의 전기적 특성을 확인할 수 있다.
채널 물질을 WSe2로 사용하고 채널을 Al2O3로 passivation 시킨 소자의 경우, 이전 WSe2 소자들과는 달리 N-type이 dominant한 ambipolar의 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 여기서, passivation이 되지 않은 WSe2 소자의 경우 P-type인 것을 확인할 수 있다. 또한, Bending test 전/후로 transfer curve와 output characteristic 그래프를 비교해보면, 전기적 특성이 차이가 있지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 17은 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서의 문턱 전압을 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 17a는 채널물질을 MoS2로 하고, 목적 기판을 각각 다르게 했을 때, Passivation을 했을 때, 조건마다 발생하는 센서의 문턱전압의 범위를 박스 다이어그램으로 표시한 것이다. 도 17b는 채널물질을 WSe2로 하고, 목적 기판을 각각 다르게 했을 때, passivation을 했을 때, 조건마다 발생하는 센서의 문턱전압의 범위를 박스 다이어그램으로 표시한 것이다.
도 17을 참조하면, 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서의 문턱 전압을 확인할 수 있으며, 박스 다이어그램(Box diagram)을 이용하여 최솟값, 최댓값, 평균값을 확인할 수 있다.
제1실시예 및 제2실시예 와는 달리 제3실시예 내지 제6실시예의 경우 문턱 전압이 0V 근처에 분포하고 있습니다.
도 18은 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서의 on/off ratio와 이동도를 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 18a는 채널물질을 MoS2로 하고, 목적 기판을 각각 다르게 했을 때, Passivation을 했을 때, 조건마다 발생하는 센서의 on/off ratio를 박스 다이어그램으로, 전계 전하 이동도를 기호로 표시한 것이다. 도 18b는 채널물질을 WSe2로 하고, 목적 기판을 각각 다르게 했을 때, passivation을 했을 때, 조건마다 발생하는 센서의 on/off ratio를 박스 다이어그램으로, 전계 전하 이동도를 기호로 표시한 것이다.
도 18을 참조하면, 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 센서 별로 on/off ratio와 이동도를 확인할 수 있다.
측정된 결과들의 평균값으로 나타냈으며, 바 형태의 그래프는 on/off ratio를 동그라미 그래프는 이동도를 나타낸다.
여기서, 채널 영역이 passivation된 제5실시예 및 제6실시예와 제1실시예 및 제2실시예를 비교해보면 On/off ratio와 이동도가 비슷하거나 채널이 패시베이션된 제5실시예 및 제6실시예가 우수한 특성을 보이는 것을 확인 할 수 있다.
도 19는 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서 도 19a는 Si/SiO2를 목적 기판으로 했을 때, 실제 측정 결과를 시뮬레이션 결과와 비교한 transfer curve 그래프이다. 도 19b는 시뮬레이션에서 사용한 조건에 대한 모식도이다. 도 19c는 채널과 유전체(SiO2)에 가해지는 전계와 전자의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 19을 참조하면, 제1실시예 및 제2실시예와 달리 제3실시예 내지 제6실시예의 경우 문턱 전압이 0V 근처인 것을 확인하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
제3실시예 내지 제6실시예의 경우 측정값과 시뮬레이션 값(문턱 전압, on/off ratio)이 비슷한 것을 확인 할 수 있으며, 게이트 전압이 -5V 일 때, 채널의 전자 농도(왼쪽 그래프의 inset)가 이미 디플리션되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 제3실시예 내지 제6실시예에서 각 영역에 걸리는 전기장을 시뮬레이션으로 확인해보면 유전층에 걸리는 전기장은 1.3Mev정도 됨을 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 제5실시예에 따른 센서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서 도 20a는 PET/ITO/Al2O3를 목적 기판으로 했을 때, 실제 측정 결과를 시뮬레이션 결과와 비교한 transfer curve 그래프이다. 도 20b는 시뮬레이션에서 사용한 조건에 대한 모식도이다. 도 20c는 채널과 유전체(Al2O3)에 가해지는 전계와 전자의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 20을 참조하면, 제1실시예 및 제2실시예에서도 시뮬레이션을 비교해 보면,
제3실시예 내지 제6실시예와는 달리 게이트 전압이 -5V(PET의 게이트 전압과 같은 voltage)에서 디플리션이 되어있지 않으며 gate oxide에 걸리는 전기장은 0.22MeV로 Al2O3에 걸리는 전기장보다 6배 정도 작은 것을 확인 할 수 있다.
이는 Al2O3에 걸리는 전계가 6배 정도 더 크기 때문에 더 빨리 디플리션되면서, PET 기판위의 소자의 문턱 전압이 0V 근처인 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
한편, 각 실시예의 유전층에 걸리는 전계를 다음의 수학식1과 같이 계산해 보면, Al2O3의 캐패시턴스 값이 6배 정도 더 크게 계산되어 수식적으로 Al2O3에 걸리는 전계가 6배 더 큰 것을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2019017055-appb-M000001
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
100: 센서 110: 기판
120: 제1전극 130: 유전층
140: 제2전극 150: 제3전극
160: 제4전극 170: 제1채널층
180: 제2채널층 190: 패시베이션층

Claims (9)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 제1영역 및 제2영역을 갖는 제1전극
    상기 제1전극의 제1영역 상에 배치되는 유전층;
    상기 유전층 상에 배치되는 제2전극,
    상기 유전층 상에 배치되며, 상기 제2전극과 이격된 제3전극;
    상기 유전층 상에 배치되며, 상기 제2전극 및 상기 제3전극 각각과 이격된 제4전극;
    상기 제2전극과 상기 제3전극을 전기적으로 연결하는 제1채널층;
    상기 제2전극과 상기 제4전극을 전기적으로 연결하는 제2채널층; 및
    상기 제1채널층을 덮도록 상기 유전층 상에 배치된 패시베이션층; 을 포함하는 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극의 상기 제2영역은 노출되는 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극은 게이트 전극, 상기 제2전극은 출력 전극, 상기 제3전극은 소스 전극, 상기 제4전극은 드레인 전극인 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1전극에 제1전압 인가 시, 상기 제2전극에서 출력되는 전압은 상기 제4전극에 인가된 드레인 전압이 출력되고,
    상기 제1전극에 상기 제1전압에 비해 고압인 제2전압 인가 시, 상기 제2전극에서 출력되는 전압은 상기 제3전극에 인가된 소스 전압이 출력되는 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1전극에 상기 제1전압 인가 시, 상기 제2채널층으로 전류가 흐르며,
    상기 제1전극에 상기 제2전압 인가 시, 상기 제1채널층으로 전류가 흐르는 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1채널층은 n-type 채널이고, 상기 제2채널층은 p-type 채널인 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유연성 기판이고,
    상기 유연성 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 기판, 폴리이미드(PI) 기판, 폴리카보네이트(PC) 기판, 폴리프로필렌(PP) 기판, 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 기판 및 폴리에테르술폰(PES) 기판으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1채널층 및 상기 제2채널층 각각은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2 중 선택된 어느 하나인 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 투명 전극이고,
    상기 투명 전극은 ITO(Indium tin oxide), In2O3(Indium oxide), SnO2(Tin oxide), 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 금속나노선(Metal nanowire), 금속나노메쉬(Metal nanomesh), 금속나노파이버(Metal nanofiber), 금속나노트러프(Metal nanotrough) 및 전도성 고분자(Conducting polymer)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 센서.
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