[논문]온도장 가시화를 위한 연성회로기판을 이용한 온도센서 어레이 제작 및 성능평가

안철희; 김형훈; 차제명; 권봉현; 하만영; 박상후; 정지환; 김귀순; 조종래; 손창민; 이정호; 고정상

doi:10.5407/jksv.2010.7.2.017

[국내논문] 온도장 가시화를 위한 연성회로기판을 이용한 온도센서 어레이 제작 및 성능평가
Fabrication and Performance Evaluation of Temperature Sensor Matrix Using a Flexible Printed Circuit Board for the Visualization of Temperature Field 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.7 no.2, 2010년, pp.17 - 21

안철희 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 김형훈 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 차제명 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 권봉현 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 하만영 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 박상후 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 정지환 (School of Mechanical Engineering Pusan National University) , 김귀순 (Department of Aerospace Engineering Pusan National University) , 조종래 (Division of Mechanical and Information Engineering Korea Maritime University) , 손창민 (Rolls-Royce International limited) , 이정호 (Korea Institute of Machinery and Materials) , 고정상 (School of Mechanical Engineering Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the fabrication and performance measurement of a temperature sensor array on a flexible substrate attachable to a curved surface using MEMS technology. Specifically, the fabrication uses the well-developed printed circuit board fabrication technology for complex electrode definition. The temperature sensor array are lifted off with a $10{\times}10$ matrix in a $50\;mm{\times}50\;mm$ to visualize temperature distribution. Copper is used as temperature sensing material to measure the change in resistances with temperature increase. In a thermal oven with temperature control, the temperature sensor array is Characterized. The constant slope of resistance change is obtained and temperature distribution is measured from the relationship between resistance and temperature.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 온도 분포를 가지는 곡면의 온도 가시화를 위해 연성회로기판에 미소기전집적 기술(MEMS)을 이용하여 곡면에 부착 가능한 온도센서 어레이를 제작하고, 제작된 온도센서의 성능 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 온도장의 가시화를 위해 반도체 제조공정 기술과 연성회로기판 제작 기술을 이용하여 온도 센서 어레이를 제작하고 그 성능을 평가하였다.

제안 방법

곡면에 부착할 수 있는 연성회로기판(FPCB; flexible printed cirucuit board) 제조 기술과 반도체 공정 기술을 이용하여, 전극 와이어가 제작된 연성회로기판 위에 구리 박막을 증착, 식각하여 온도센서 어레이를 제작한다.
연성회로기판에 제작될 센서의 출력 신호를 읽기 위한 전극 와이어는 기판의 공간을 활용하기 위해 센서가 제작될 반대 면에 위치하도록 설계하였으며, 기판에 커넥터를 직접 연결할 수 있도록 전극 배열을 조절하였다. 센서와 전극 와이어와의 연결을 위하여 기판에 구멍을 내어 접점을 가지도록 하였으며, 50 mmx50mm 면적 안에 10x10로 총 100개의 온도센서가 배열 되도록 설계하였다.
와이어의 저항 값이 온도 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위해 전극 와이어의 선폭을 150 pm, 접점과의 연결 부위는 100 um, 두께는 10 um로 센서의 설계값보다 크게 하였으며, 센서와 연결될 접점의 반경은 250 nm 크기를 갖도록 설계하였다.
연성회로기판을 이용한 온도센서 어레이는 반도체 제조 공정 기술과 연성회로기판 제작 기술을 이용하여 제작하였으며, 공정 순서는 다음과 같다.
첫째로 온도센서 어레이가 제작될 연성회로기판을 Fig. 1(a)와 같이 연성회로기판의 아랫면에 임베디드된 구리 박막을 식각하여 전극 와이어를 제작하였으며, 윗면 역시 임베디드된 구리 박막을 식각하여 온도 센서와 와이어와의 접점을 제작하였다. 윗면의 접점과 아랫면의 구리 와이어와는 기판에 구멍을 형성하고 흘을도금하여 전기적으로 연결하였다.
둘째로 제작된 연성회로기판에 Fig. 1(b)와 같이 실리콘 웨이퍼에 감광제(AZ5214E)를 500rpm으로 5초간 회전시킨 뒤, 1000 RPM으로 속도를 올려 30초간 회전 시켜 감광제를 웨이퍼에 고르게 코팅하고 105 ℃ 에서 2분간 열처리 (soft bake)를 진행함과 동시에 감광제의 점성력을 이용하여 연성회로기판을 웨이퍼에 부착하였다.
1(c) - (d)와 같이 사진작업 공정 중 형상 반전 공정 (image reversal process)을 적용하여 감광제에 센서 형상을 형성하였다. 105℃에서 2분 동안 열처리(soft bake)를 수행한 후, 64.26 mJ의 광량을 조사한 후, 110 에서 5분간 반전 열처리(PEB)하였다. 기판이 실리콘웨이퍼일 경우 1101에서 2분간 반전 열처리를 하여도 충분하나 연성회로기판을 붙여 공정을 진행하기 때문에 열처리 시간이 증가하였다.
넷째로 Fig. 1(e)와 같이 E-beam 증착기 (E-beam evaporator)로 금속의 부착력을 향상시키기 위해 200 A두께의 크롬을 증착한 후, 이어서 3000 A두께의 구리를 최종적으로 증착하였다.
제작된 온도센서 어레이의 온도 측정을 위한 실험장비 구성은 Fig. 4와 같이 센서에 균일한 온도를 가할 수 있는 오븐과 센서의 저항 값을 읽을 데이터 로거 (DAQ) 장비로 구성하였으며, 온도에 따른 저항을 측정하기에 앞서 Fig. 5와 같이 센서의 위치에 따른 좌표를 부여하였다.
5VC에서 100℃까지 HTC씩 온도를 증가시켜 가며 온도에 따른 각 센서의 저항 값을 측정하였다. E 열에서 측정한 저항 값을 Fig.
센서와 전극 와이어와의 연결을 위하여 기판에 구멍을 내어 접점을 가지도록 하였으며, 50 mmx50mm 면적 안에 10x10로 총 100개의 온도센서가 배열 되도록 설계하였다.

대상 데이터

온도 측정은 온도를 전기적 신호로 전환하여 측정 하는 측온저 항체 (resistance temperature detector)인 구리박막을 이용하였다. 측온 저항체는 금속의 전기 저항이 온도 변화에 따라 변하는 성질을 이용하여 전기 저항과 온도와 관계로부 찾고 이로부터 저항 변화에 따라 온도를 측정하는 원리이다.
상온에서 초기 저항 값이 40 Q이 되도록 온도 센서 하나의 길이는 14.15 mm, 선폭은 50 두께는 3000 A으로 설계하였으며, 설계된 센서의 크기는 1.22mmx 2.18mm이다. 계산에서 구리의 비저항 p는 0.
온도센서 어레이를 제작할 연성회로기판의 재질은 절연성, 열적 내성, 기계적 강도, 화학적 내성 및 고온에서의 안정성을 가진 폴리이미드(polyimide)를 사용하였다(3, 4, 5, 6, 7).
전극 와이어가 제작된 폴리이미드 연성회로기판에 측온저항체를 50mmx50mm 면적 안에 10x10의 배열을 갖도록 설계, 제작하였다. 기판에 제작되어 있는 와이어의 길이가 위치에 따라 달라 센서의 초기 저항값들이 설계 값에 비해 다소 크게 나왔으나 온도에 따른 센서의 저항 값을 보정하여 온도측정이 가능함을 보였다.

성능/효과

실험을 통해 얻은 초기 저항 값과 기울기 값을 바탕으로 측정한 온도의 평균 오차는 55℃에서 1.63%, 95℃에서 2.89%로 얻어졌다. 오차가 발생한 이유는 온도측정 중 구리가 산화되어 측온저항체의 저항 값이 달라졌기 때문이다.
갖도록 설계, 제작하였다. 기판에 제작되어 있는 와이어의 길이가 위치에 따라 달라 센서의 초기 저항값들이 설계 값에 비해 다소 크게 나왔으나 온도에 따른 센서의 저항 값을 보정하여 온도측정이 가능함을 보였다. 온도에 대한 저항 값의 기울기 값과 초기 저항 값을 이용하여 온도를 측정한 결과, 동일 온도에 대한 센서의 평균 오차는 55℃에서 1.
기판에 제작되어 있는 와이어의 길이가 위치에 따라 달라 센서의 초기 저항값들이 설계 값에 비해 다소 크게 나왔으나 온도에 따른 센서의 저항 값을 보정하여 온도측정이 가능함을 보였다. 온도에 대한 저항 값의 기울기 값과 초기 저항 값을 이용하여 온도를 측정한 결과, 동일 온도에 대한 센서의 평균 오차는 55℃에서 1.63%, 95℃에서 2.89%임을 알 수 있었다. 이러한 오차는 센서 표면에 산화 방지막을 제작함으로써 줄일 수 있을 것이다.

후속연구

곡면에 부착 가능한 온도센서 어 레이를 이용하여 냉장고, 에어컨 및 컴퓨터 등과 같은 전자 제품의 효율을향상시키기 위한 열에너지의 메니지먼트에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

Frank P. Incropera, David P. DeWitt, 2001, "Introduction of the heat transfer 4th Edition," John Wiley & Sons Inc, pp.370-406
Ogam technology, www.ogamtech.com
S.Y. Xiao, L.F. Che, X.X. Li, Y.L. Wang, 2007, "A novel fabrication process of MEMS devices on polyimide flexible substrates," Microelectronic Engineering, Vol.85, pp. 452-457

상세보기
Fukang Jiang, Gwo-Bn Lee, Yu-Chong Tai, Chih-Ming Ho, 1999, "A flexible micromachine-based shear-stress sensor array and its application to separation-point detection," Sensors and Actuators, Vol.79, pp. 194-203
Kui Liu, Wei-zheng Yuan, Jin-jun Deng, Bing-he Ma, Cheng-yu Jiang, 2007, "Detection of the boundary-layer separation point based on the flexible sensor arrays," Microsystem Technology, Vol.14, pp. 1-6

상세보기
Bonnie T. Chia, Duo-Ru Chang, Hsin-Hung Liao, Yao-Joe Yang, Wen-Pin Shih, Fu-Yu Chang, Kuang-Chao Fan, 2007, "Temperature Sensor Array Using Flexible Substrate," IEEE 20th International Conference , pp.589-592
Takao Someya, Tsuyoshi Sekitani, Shingo Iba, Yusaku Kato, Hiroshi Kawaguchi, Takayasu Sakurai, 2004, "A large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial skin applications," Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 101, No. 27, pp.9966-9970

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