[논문]감지막으로 Ta2O5를 이용한 정전용량형 수소 가스센서

최제훈; 김성진

doi:10.4313/jkem.2013.26.12.882

감지막으로 Ta2O5를 이용한 정전용량형 수소 가스센서
Capacitive-type Hydrogen Gas Sensor Using Ta2O5 as Sensitive Layer 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.12, 2013년, pp.882 - 887

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated a SiC-based hydrogen gas sensor with metal-insulator-semiconductor (MIS) structure for high temperature process monitoring and leak detection applications. The sensor was fabricated by Pd/$Ta_2O_5$/SiC structure, and a thin tantalum oxide ($Ta_2O_5$) layer was exploited with the purpose of sensitivity improvement, because tantalum oxide has good stability at high temperature as well as high permeability for hydrogen gas. In the experiment, dependence of I-V characteristics and capacitance response properties on hydrogen gas concentrations from 0 to 2,000 ppm was analyzed at room temperature to $500^{\circ}C$. As the result, our sensor exploiting a $Ta_2O_5$ dielectric layer showed possibilities with regard to use in hydrogen gas sensors for high-temperature applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소가스를 검지하기 위한 센서개발에 관한 것으로, 수소는 최근 화학, 석유, 식품, 반도체 등 다양한 산업 분야와 유가 상승으로 화석 연료의 대체 자원으로 주목 받고 있다. 또한 수소는 가스나 액체 상태로 쉽게 수송할 수 있고, 고압가스 혹은 액체수소로 저장하여 필요 시 사용할 수 있다.
현재 석유화학산업이나 연료전지용 자동차에 수소가스가 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 자동차 엔진부와 같은 고온의 열악한 환경에서 사용이 가능한 수소가스 센서를 개발하고자 하였다. 이를 위해고온에 적합한 SiC를 기판으로 사용하여 센서를 제작 하였다.
비교적 안정된 특성과 양호한 감도를 보여주고 있지만, 주로 저온용으로 제한될 뿐만 아니라 여전히 감도 개선이 필요한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 유전율이 매우 높은 탄탈륨 산화 (Ta₂O₅)막 [16]을 이용하여 정전용량 (capacitive)형으로 센서를 제작하여 그 특성을 고찰해 보고자 한다. 이를 위해 SiC 반도체 기판을 이용한 금속-산화막-반도체 (MIS) 구조의 수소가스 센서를 제작하였다.

제안 방법

그림 7에서 나타난 바와 같이 (a) 상온, (b) 300℃, 및 (c) 500℃에서 0부터 2,000 ppm의 수소 농도에 대해 시간에 따른 정전용량의 변화를 측정하였다. 전체적으로 수소의 농도가 증가할수록, 센서의 정전용량은 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 Pd전극에 흡착 되는 수소 농도의 증가에 기인한다고 볼 수 있다.
제작된 센서는 MIS구조로서, 수소가스에 대한 반응이 우수한 물질로 알려진 Pd를 촉매 전극과 Ta₂O₅를 유전체 박막으로 사용하여 Pd(전극)/Ta₂O₅ (유전체 박막)/SiC(반도체 기판)으로 제작하였다. 그리고 센서로부터 응답특성을 보기위해 전류-전압 특성 곡선과 정전용량의 변화를 측정하였다. 그 결과, 전류-전압 특성은 수소 가스농도의 증가에 따라 턴온 전압이 감소하는 양상으로 나타났지만, 변화폭은 거의 무시할 만큼 작았다.
주입할 수소가스 농도는 질량유량제어기 (MFC)를 이용하여 500, 1,000, 1,500, 및 2,000 ppm의 4단계로 조절하였다. 센서의 응답 특성을 측정하기 위해 그림 3과 같이 반도체소자측정기와 LCR meter 장비로 구성된 일련의 측정도구를 이용하여 전류-전압특성 및 정전용량의 변화를 측정하였다.
온도를 가변할 수 있는 석영 튜브관으로 구성된 전기로를 이용하여 상온으로부터 300℃, 및 500℃의 온도에서 측정하였다. 주입할 수소가스 농도는 질량유량제어기 (MFC)를 이용하여 500, 1,000, 1,500, 및 2,000 ppm의 4단계로 조절하였다.
8이다. 우리는 고온에서 동작이 가능한 수소가스센서를 실험하기 위해 상온으로부터 500℃의 온도 범위에서 센서의 정전용량 변화 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 자동차 엔진부와 같은 고온의 열악한 환경에서 사용이 가능한 수소가스 센서를 개발하고자 하였다. 이를 위해고온에 적합한 SiC를 기판으로 사용하여 센서를 제작 하였다. 제작된 센서는 MIS구조로서, 수소가스에 대한 반응이 우수한 물질로 알려진 Pd를 촉매 전극과 Ta₂O₅를 유전체 박막으로 사용하여 Pd(전극)/Ta₂O₅ (유전체 박막)/SiC(반도체 기판)으로 제작하였다.
제작된 센서의 박막 구조를 확인하기 위해 SEM 측정을 하였으며, 그림 4와 같이 SiC 기판위에 두께가 약 120 nm인 탄탈륨 산화막 (Ta₂O₅)과 그 위에 두께가 약 160 nm인 팔라듐 (Pd) 전극이 형성된 것을 확인하였다.
온도를 가변할 수 있는 석영 튜브관으로 구성된 전기로를 이용하여 상온으로부터 300℃, 및 500℃의 온도에서 측정하였다. 주입할 수소가스 농도는 질량유량제어기 (MFC)를 이용하여 500, 1,000, 1,500, 및 2,000 ppm의 4단계로 조절하였다. 센서의 응답 특성을 측정하기 위해 그림 3과 같이 반도체소자측정기와 LCR meter 장비로 구성된 일련의 측정도구를 이용하여 전류-전압특성 및 정전용량의 변화를 측정하였다.

대상 데이터

3. A set of equipment for testing hydrogen sensors.
소자 제작을 위해 기판으로 고온에 적합한 4H-SiC (n-type) 웨이퍼를 선택하였으며, 1×1 cm2 크기로 자른 조각 시편을 사용하였다.
이에 따라 본 연구에서는 유전율이 매우 높은 탄탈륨 산화 (Ta₂O₅)막 [16]을 이용하여 정전용량 (capacitive)형으로 센서를 제작하여 그 특성을 고찰해 보고자 한다. 이를 위해 SiC 반도체 기판을 이용한 금속-산화막-반도체 (MIS) 구조의 수소가스 센서를 제작하였다.
이를 위해고온에 적합한 SiC를 기판으로 사용하여 센서를 제작 하였다. 제작된 센서는 MIS구조로서, 수소가스에 대한 반응이 우수한 물질로 알려진 Pd를 촉매 전극과 Ta₂O₅를 유전체 박막으로 사용하여 Pd(전극)/Ta₂O₅ (유전체 박막)/SiC(반도체 기판)으로 제작하였다. 그리고 센서로부터 응답특성을 보기위해 전류-전압 특성 곡선과 정전용량의 변화를 측정하였다.
제작한 수소 가스 센서는 n형 SiC 기판상에 Ta₂O₅유전체 박막과 Pd 전극으로 구성되어 있다. 이를 에너지 밴드 구조로 나 타내면, Pd의 일함수가 5.

성능/효과

이는 주위 온도가 높을수록 수소 가스 분자의 활동이 활성화되어 Pd 전극에 좀 더 강한 흡착이 일어난 것에 기인한다고 판단된다. 결과적으로 상온보다는 고온인 500℃에서 측정할 때, 정전용량의 변화는 상대적으로 크게 나타났으며, 최종치의 90% 이상에 도달하는 반응 시간 (response time)은 약 1분 내외로 나타났다. 한편, 500℃에서 감도 (S)는 식(2)와 같이 계산하였을 때, 약 9%의 정전용량 변화를 보였다.
결론적으로 Ta₂O₅ 유전체 박막은 지금까지 가스센서의 감지막으로 거의 사용된 적이 없는 유전체이지만, 이번 실험을 통해 수소가스를 검지할 수 있는 유용한 금속 산화막임을 확인하였다.
그리고 센서로부터 응답특성을 보기위해 전류-전압 특성 곡선과 정전용량의 변화를 측정하였다. 그 결과, 전류-전압 특성은 수소 가스농도의 증가에 따라 턴온 전압이 감소하는 양상으로 나타났지만, 변화폭은 거의 무시할 만큼 작았다. 한편 정전용량의 변화 특성은 전류-전압 특성에 비해 상당히 양호한 것으로 나타났다.
전체적으로 수소의 농도가 증가할수록, 센서의 정전용량은 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 Pd전극에 흡착 되는 수소 농도의 증가에 기인한다고 볼 수 있다. 그리고 상온에서는 수소농도에 따른 정전용량의 변화가 작았지만, 온도가 증가할수록 정전용량이 크게 변화 하였다. 이는 주위 온도가 높을수록 수소 가스 분자의 활동이 활성화되어 Pd 전극에 좀 더 강한 흡착이 일어난 것에 기인한다고 판단된다.
6 V으로 턴온 전압이 낮아졌다. 그리고 전반 적으로 수소가스 농도에 따른 전류의 변화는 미비하였으며, 수소의 농도가 증가할수록 턴온 전압은 조금씩 감소하는 양상을 보였다. 이것은 수소가스의 농도에 비례하여, 흡착되는 수소이온에 의한 전기 쌍극자의 증가로 전위장벽이 낮아지는 효과에 기인하는 것으로 판단된다.
한편 정전용량의 변화 특성은 전류-전압 특성에 비해 상당히 양호한 것으로 나타났다. 온도를 높일수록 감도가 증가하였으며, 고온인 500℃에서 감도가 가장 우수한 것으로 나타났다. 이것은 온도가 증가할수록 Pd 전극 내부로 수소가스의 흡착현상이 강하게 일어나 Ta₂O₅ 유전체 박막에 유전분극을 유발하는 것으로 해석할 수 있다.
그림 7에서 나타난 바와 같이 (a) 상온, (b) 300℃, 및 (c) 500℃에서 0부터 2,000 ppm의 수소 농도에 대해 시간에 따른 정전용량의 변화를 측정하였다. 전체적으로 수소의 농도가 증가할수록, 센서의 정전용량은 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 Pd전극에 흡착 되는 수소 농도의 증가에 기인한다고 볼 수 있다. 그리고 상온에서는 수소농도에 따른 정전용량의 변화가 작았지만, 온도가 증가할수록 정전용량이 크게 변화 하였다.
그 결과, 전류-전압 특성은 수소 가스농도의 증가에 따라 턴온 전압이 감소하는 양상으로 나타났지만, 변화폭은 거의 무시할 만큼 작았다. 한편 정전용량의 변화 특성은 전류-전압 특성에 비해 상당히 양호한 것으로 나타났다. 온도를 높일수록 감도가 증가하였으며, 고온인 500℃에서 감도가 가장 우수한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘이 250℃ 이상의 온도에서 사용이 제한되는 이유는?	한편 실리콘은 반도체 산업에서 널리 사용되는 소재이지만 상대적으로 1.1 eV의 작은 밴드 갭으로 인해 250℃ 이상의 온도에서는 큰 누설 전류의 발생으로 사용이 제한된다. 이에 따라 실리콘을 대신할 고온용 반도체 [5-7]에 관한 연구가 활발히 진행되어왔으며, 주로 전력용반도체 소자에 이용되고 있는 SiC 반도체가 그 대상이 되고 있다.
	기존의 수소 가스센서는 저온용으로 제한이 있으며 감도 개선이 필요하기 때문에 어떤 물질을 이용한 센서를 제작해 보았는가?	비교적 안정된 특성과 양호한 감도를 보여주고 있지만, 주로 저온용으로 제한될 뿐만 아니라 여전히 감도 개선이 필요한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 유전율이 매우 높은 탄탈륨 산화 (Ta2O5)막 [16]을 이용하여 정전용량 (capacitive)형으로 센서를 제작하여 그 특성을 고찰해 보고자 한다. 이를 위해 SiC 반도체 기판을 이용한 금속-산화막-반도체 (MIS) 구조의 수소가스 센서를 제작하였다.
	수소가스 취급 시 가스 누출 검지 센서가 필요한 이유는?	더욱이 수소는 지구상에 무한정한 물을 분해하여 생산할수 있으며, 수소의 사용 후에 생기는 생성물은 다시 물로 재순환되므로 친환경적이다. 하지만 수소 가스가 대기 중에 4% 이상 누출되면 폭발 위험성이 높고, 금속의 부식에도 주요 원인으로 작용하고 있어, 수소가스를 취급할 때 가스 누출을 검지할 수 있는 센서가 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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