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문제 정의
- 그러나 낮은 열 확산 계수를 가지는 초전형 필름의 제작이 어렵고 이를 이용한 상용화된 센서의 종류가 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 분극 처리된 후막 P(VDF/TrFE) 초전형 적외선 센서와 박막 P(VDF/TrFE) 을 성막시킨 후 초전성을 증가시키기 위한 분극 처리하여 박막을 제작하고 이를 이용한 초전형 적외선 센서를 제작하여 P(VDF/TrFE) 필름의 두께에 따른 초전형 적외선 센서의 특성을 비교하였다. 제작된 센서는 모두 FET와 저항이 내장된 TO-5 패키지에 하우징하고 웰딩 하였다.
제안 방법
- 따라서 필름에 절연파괴가 일어나지 않을 정도의 높은 전계를 걸어주어 C-F 쌍극자를 한쪽 방향으로 배향 시켜 주는 추가적인 분극 공정을 필요로 한다[11]. P(VDF/TrFE) 박막의 분극공정으로는 열분극, 코로나분극, 전자빔을 이용한 방법 등[11]이 있으나 본 실험에서는 상온에서 DC 전압을 이용한 열분극 공정을 행하였다. 최적조건의 분극공정을 실현하기 위하여 실험한 여러 가지 조건의 분극공정 조건을 Table.
- P(VDF/TrFE) 필름의 두께에 따른 초전형 적외선 센서의 성능지수를 비교 하기 위하여 25 ㎛ 두께의 P(VDF/TrFE) 후막 초전형 적외선 센서와 1.6 ㎛ 두께의 P(VDF/TrFE) 박막 초전형 적외선 센서를 제작하였다. 후막 초전형 적외선 센서의 감지부분은 대량생산이 가능한 필름 형태의 분극 처리된 P(VDF/TrFE) 를 사용하였고, 박막 초전형 적외선 센서의 감지부분은 65/35 wt% 의 P(VDF/TrFE)를 2-butanone 용액에 용해시켜 제조한 10 wt%용액으로 스핀코팅 방법을 통해 P(VDF/TrFE) 박막을 성막 후 박막의 압전성을 줄이고 초전성을 증가시키기 위해 분극 처리후 센서 제작을 하였다.
- 분극 중에 발생할 수 있는 막의 브레이크다운 현상을 감소시키면서 최대 전계를 막에 가해 주기 위해 막에 20 ㎹/m부터 100 ㎹/m까지 전압을 단계적으로 20 ㎹/m씩 증가시키면서 분극을 행하였다. 각각의 분극 시간은 8분이었으며 각 단계 사이에 분극에 의한 스트레스 제거를 위해 4분씩 상하전극을 서로 단락 시켰다. 이 방법으로 전기적인 브레이크다운은 저전압에서부터 만들어진 분극에 의해 감소하고 열적인 브레이크다운은 제한된 전류와 전도성의 감소로 인해 줄어들게 된다.
- 같은 방법으로 상부전극을 진공 증착 하였으며 상·하부 전극으로는 Al을 각각 3000 Å과 6000 Å의 두께로 진공 증착을 하였다.
- 대량생산이 가능한 필름 형태의 P(VDF/TrFE) 후막을 사용하여 적외선 센서를 제작하였다[8]. 적외선 센서에 사용된 P(VDF/TrFE) 후막의 비닐리딘플루오라이드(VDF, CH2CF2)와 트리플루오르에틸렌(TrFE, CHFCF2)의 질량비는 각각 75/25이다[9].
- 제작된 센서는 모두 FET와 저항이 내장된 TO-5 패키지에 하우징하고 웰딩 하였다. 또한 상용센서와 같은 실험조건하에서 센서의 전압 출력, 잡음전압 출력, 전압감도, NEP(noise equivalent power) 및 specific detectivity D*를 측정하여 P(VDF/TrFE) 필름의 두께에 따른 초전형 적외선 센서의 성능지수를 비교하였다.
- 2는 본 실험에서 행한 분극 방법을 전계와 시간에 따른 그래프로 나타내었다. 분극 공정후 소자를 주위의 잡음이나 간섭으로부터 차폐하고 P(VDF/TrFE) 필름의 두께에 따른 적외선 센서의 특성 비교를 위해 후막 센서와 같은 사양의 TO-5 패키지에 하우징을 하였다.
- 분극 중에 발생할 수 있는 막의 브레이크다운 현상을 감소시키면서 최대 전계를 막에 가해 주기 위해 막에 20 ㎹/m부터 100 ㎹/m까지 전압을 단계적으로 20 ㎹/m씩 증가시키면서 분극을 행하였다. 각각의 분극 시간은 8분이었으며 각 단계 사이에 분극에 의한 스트레스 제거를 위해 4분씩 상하전극을 서로 단락 시켰다.
- 제작된 소자를 420 °K의 열원과 1 ㎐의 주파수로 열원으로부터 발생하는 적외선에 따라 변화하는 전압의 변화를 72.5 dB로 증폭하여 측정하였고 잡음의 측정은 완전히 차폐된 용기 안에서 파이로 일렉트로미터(pyroelectrometer)를 이용하여 72.5 dB로 증폭하여 측정하였다.
- P(VDF/TrFE)의 녹는점 온도가 160 ℃ 정도로 낮기 때문에 진공 증착시 가열되는 소스의 복사열이 P(VDF/TrFE)에 복사 전도되어 P(VDF/TrFE) 필름이 녹아 내리거나 타버리는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 피하기 위해 진공 증착시 가열되는 소스와 P(VDF/TrFE) 필름의 거리를 조절하여 가열되는 소스의 복사열이 P(VDF/TrFE) 필름으로 복사 전도 되지 않도록 하였다. 같은 방법으로 상부전극을 진공 증착 하였으며 상·하부 전극으로는 Al을 각각 3000 Å과 6000 Å의 두께로 진공 증착을 하였다.
- 제작된 박막 센서 소자는 분극 처리된 후막 P(VDF/TrFE) 필름 적외선 센서와 같은 조건에서 측정되었다. 측정된 값은 신호의 전압 출력이 1.
- 여기서 두 상부전극 중 한 개의 전극에 대하여 적외선을 차단하고 측정한 이유는 본 실험에서 제작된 소자의 경우 적외선이 각각의 전극에 동일하게 조사 될 경우 각각의 소자에 유기되는 초전 전압의 절대치가 서로 같아 압전효과에 의한 것과 마찬가지로 상쇄되기 때문이다. 제작된 소자는 FET와 저항에 연결하여 출력과 잡음을 측정하였으며 인체 검지용으로 사용하기 위하여 5.5 ~ 14 ㎛의 적외선 필터가 부착된 TO-5에 하우징 하였다. 제작된 소자를 420 °K의 열원과 1 ㎐의 주파수로 열원으로부터 발생하는 적외선에 따라 변화하는 전압의 변화를 72.
- 제작된 소자를 420 °K의 열원과 1 ㎐의 주파수로 열원으로부터 발생하는 적외선에 따라 변화하는 전압의 변화를 72.5 dB로 증폭하여 측정하였고 잡음의 측정은 완전히 차폐된 용기 안에서 파이로 일렉트로미터(pyroelectrometer)를 이용하여 72.5 dB로 증폭하여 측정하였다.
- 스핀코팅으로 제조된 박막의 내부에 남아있는 2-butanone 용액의 증발과 건조, 그리고 막의 결함 제거 및 결정성 증가, 스트레스 해소를 위해 24시간 동안 상온에서 건조시킨 다음, 120 ℃에서 2시간 동안 열처리하였다[10]. 진공 증착시 가열되는 소스와 P(VDF/TrFE) 막과의 거리를 조절하여 가열되는 소스의 복사열이 P(VDF/TrFE) 막으로 복사 전도 되지 않도록 하여 상부 전극으로 Al을 3000 Å의 두께로 증착한 후 P(VDF/TrFE) 막과 상부전극과의 응착과 식각공정, 그리고 더욱 더 좋은 결정성 증가를 위하여 추가적인 열처리 과정을 실시하였다. 상부전극이 증착된 소자를 150 ℃에서 10분간 열처리하였다.
- 하부전극이 증착된 기판 위에 65/35 wt%의 P(VDF/TrFE) 분말과 2-butanone 용액을 80 ℃의 온도에서 1시간동안 용해시켜 제조한 10 wt% 농도의 P(VDF/TrFE) 용액으로 스핀코팅 방법을 통해 P(VDF/TrFE) 박막을 성막 시켰다. 첫번째 단계에서는 500 rpm과 2초, 그리고 두번째 단계에서는 5000 rpm과 30초의 스핀 코팅 방법으로 1.6 ㎛의 박막을 제조하였다.
- 측정시에는 두 상부전극 중 한 개에 대하여 적외선을 차단한 후 측정을 하였다. 여기서 두 상부전극 중 한 개의 전극에 대하여 적외선을 차단하고 측정한 이유는 본 실험에서 제작된 소자의 경우 적외선이 각각의 전극에 동일하게 조사 될 경우 각각의 소자에 유기되는 초전 전압의 절대치가 서로 같아 압전효과에 의한 것과 마찬가지로 상쇄되기 때문이다.
- 하부전극이 증착된 기판 위에 65/35 wt%의 P(VDF/TrFE) 분말과 2-butanone 용액을 80 ℃의 온도에서 1시간동안 용해시켜 제조한 10 wt% 농도의 P(VDF/TrFE) 용액으로 스핀코팅 방법을 통해 P(VDF/TrFE) 박막을 성막 시켰다. 첫번째 단계에서는 500 rpm과 2초, 그리고 두번째 단계에서는 5000 rpm과 30초의 스핀 코팅 방법으로 1.
- 6 ㎛ 두께의 P(VDF/TrFE) 박막 초전형 적외선 센서를 제작하였다. 후막 초전형 적외선 센서의 감지부분은 대량생산이 가능한 필름 형태의 분극 처리된 P(VDF/TrFE) 를 사용하였고, 박막 초전형 적외선 센서의 감지부분은 65/35 wt% 의 P(VDF/TrFE)를 2-butanone 용액에 용해시켜 제조한 10 wt%용액으로 스핀코팅 방법을 통해 P(VDF/TrFE) 박막을 성막 후 박막의 압전성을 줄이고 초전성을 증가시키기 위해 분극 처리후 센서 제작을 하였다. Table.
대상 데이터
- 박막 초전형 적외선 센서의 기판은 열팽창계수가 크고 열차단 구조가 가능하며 프리앰프단의 FET의 제작이 가능한 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 충분히 세척된 실리콘 웨이퍼에 습식 산화법을 이용하여 3000 Å의 두께로 SiO2 층을 성장시켰다.
- 분극 처리된 P(VDF/TrFE) 후막 필름의 두께는 25 ㎛ 였고 제작한 소자의 크기는 가로×세로가 3 ㎜× 5 ㎜였다.
- 분극 처리된 P(VDF/TrFE) 후막 필름의 두께는 25 ㎛ 였고 제작한 소자의 크기는 가로×세로가 3 ㎜× 5 ㎜였다. 필름에 상부 및 바닥 전극 형성을 위하여 먼저 두께가 50 ㎛ 의 몰리브덴판을 소자 전극 제작용 쉐도우 마스크로 제작하였다. 제작된 쉐도우 마스크를 사용하여 먼저 하부 전극을 분극 처리된 P(VDF/TrFE) 필름에 진공증착 하였다.
이론/모형
- 박막 초전형 적외선 센서의 기판은 열팽창계수가 크고 열차단 구조가 가능하며 프리앰프단의 FET의 제작이 가능한 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 충분히 세척된 실리콘 웨이퍼에 습식 산화법을 이용하여 3000 Å의 두께로 SiO2 층을 성장시켰다.
성능/효과
- 95 × 10-7 W 로서 다른 상용 세라믹 초전형 적외선 센서와 다소 비슷한 편이었다[12-14]. 1.6 ㎛ 두께의 박막 초전형 적외선 센서는 후막 초전형 센서의 전압감도에 비해 두단위 이상의 우수한 감도를 나타내었으며, NEP 와 D* 도 한단위 이상의 우수한 성능을 나타내었다. 이는 1.
- 제작된 소자는 적외선원 13 × 10-6 W/cm2 과 초핑 주파수 1 ㎐ 에 대해 9.62 × 105 V/W 의 전압감도를 나타내었으며 NEP(noise equivalent power)는 3.95×10-7 W, 그리고 specific detectivity D* 는 5.06×105 ㎝/W 를 각각 나타내었다.
- 제작된 소자는 적외선원 13×10-6 W/㎠ 과 초핑 주파수 1㎐ 에 대해 1.01×107 V/W 의 높은 전압감도를 나타내었으며 NEP는 2.13×10-8 W, 그리고 D*는 9.37×106 ㎝/W를 나타내었다.
- 5 dB로 증폭 하여 측정하였다. 측정된 값은 신호의 전압 출력이 0.5 V, 잡음 전압 출력이 380 ㎷로 측정되었다. 제작된 소자는 적외선원 13 × 10-6 W/cm2 과 초핑 주파수 1 ㎐ 에 대해 9.
- 제작된 박막 센서 소자는 분극 처리된 후막 P(VDF/TrFE) 필름 적외선 센서와 같은 조건에서 측정되었다. 측정된 값은 신호의 전압 출력이 1.315 V, 잡음 전압 출력이 215.7 ㎷로 측정되었다. 제작된 소자는 적외선원 13×10-6 W/㎠ 과 초핑 주파수 1㎐ 에 대해 1.
후속연구
- 6 ㎛ 두께의 박막 초전형 적외선 센서는 후막 초전형 센서의 전압감도에 비해 두단위 이상의 우수한 감도를 나타내었으며, NEP 와 D* 도 한단위 이상의 우수한 성능을 나타내었다. 이는 1.6 ㎛ 두께의 박막 P(VDF/TrFE) 필름의 낮은 열확산 계수에 기인하는 것으로서 보다 얇은 박막 초전형 적외선 센서가 이러한 열형 적외선 센서의 성능을 향상하는 것으로 사료되며 이러한 실험결과로서 박막 P(VDF/TrFE) 필름을 사용한 초전형 적외선 센서의 제작 및 상용화가 가능하리라 판단된다.
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