[논문]고온에서 Pd 전극의 형태가 수소 센서의 감도에 미치는 영향

김성진

doi:10.7471/ikeee.2018.22.2.356

고온에서 Pd 전극의 형태가 수소 센서의 감도에 미치는 영향
Effect on the Sensitivity of a Hydrogen Sensor by Pd Electrode Patterns at High Temperature 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.2, 2018년, pp.356 - 361

김성진 (Dept. of Electronics Engineering, Kyungnam University)

초록
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고온에서 이용 가능한 수소 센서에 관해 연구하였다. 센서는 $Pd/Ta_2O_5/SiC$으로 구성된 MOS 구조로 제작되었으며, $Ta_2O_5$ 박막은 급속 열 산화법(RTO)법으로 형성하였다. 본 연구에서는 3가지 다른 패턴의 팔라듐(Pd) 전극으로 만든 센서를 제작하여, Pd 전극의 형태가 응답 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 그 결과, 센서는 Pd 전극의 채워진 면적이 클수록, 정전용량의 응답특성이 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated a hydrogen gas sensor which is available in a high temperature atmosphere. The hydrogen sensors were fabricated into a metal-oxide-semiconductor (MOS) structure made of $Pd/Ta_2O_5/SiC$, and the thin tantalum oxide ($Ta_2O_5$) layer was fabricated by rapid thermal oxidation (RTO). In the experiment, we made three types of sensors with different palladium (Pd) patterns to evaluate the effect of Pd electrode on response characteristics. As the result, the response characteristics in capacitance were improved further when the filled area of the Pd electrode became larger.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

향후 연료전지형 수소 자동차의 보급 확대와 함께 이에 따른 수소저장소의 설치 확대로 인해, 수소 센서에 대한 수요가 급증할 것으로 기대된다.본 연구는 고온의 환경에서도 동작할 수 있는 수소센서를 개발하기 위한 목적으로, 수소 센서에서 중요한 매질인 팔라듐(Pd) 전극의 역할을 평가하였다. 이를 위해 고온에 적합한 SiC를 이용하여 센서를 제작하였다.
팔라듐(Pd) 전극은 상온과 대기압에서 수소를 선택적으로 흡수할 수 있는 촉매 금속으로, 수소 검지용으로 백금(Pt)과 함께 널리 사용하고 있다. 본 연구에서는 다양한 형태의 팔라듐(Pd) 전극이 수소 센서의 응답특성에 미치는 영향을 평가하기 위해, 3 가지 패턴을 설계하여 MOS 구조의 수소 센서를 제작하였으며, 최고 2,000 ppm의 수소농도 범위에 대해 센서의 정전용량 응답특성을 고찰하였다.

제안 방법

제작된 센서는 MOS구조로서, SiC 기판 위에 유전체 박막으로 Ta₂O₅을 형성하고 그 위에 3 가지의 패턴이 다른 팔라듐(Pd) 전극으로 센서를 제작하였다. 센서의 응답특성은 수소농도에 대한 정전용량의 변화로 평가하였다. 그 결과, Pd의 표면적이 넓을수록 센서의 감도는 증가하였으며, 또한 수소농도에 대해 선형적인 응답 특성을 보였다.
우리는 상온으로부터 400 ℃의 온도범위까지 Pd 패턴이 다른 3종류의 센서에 대해 수소 농도에 따른 정전용량 변화특성을 고찰하였다. 본 실험에서 채택한 정전용량형 센서는 저항형 센서보다 온도변화에 대한 의존성이 거의 없기 때문에, 온도 변화가 큰 실험조건에서 상대적으로 신뢰도가 높다.
본 연구는 고온의 환경에서도 동작할 수 있는 수소센서를 개발하기 위한 목적으로, 수소 센서에서 중요한 매질인 팔라듐(Pd) 전극의 역할을 평가하였다. 이를 위해 고온에 적합한 SiC를 이용하여 센서를 제작하였다. 제작된 센서는 MOS구조로서, SiC 기판 위에 유전체 박막으로 Ta₂O₅을 형성하고 그 위에 3 가지의 패턴이 다른 팔라듐(Pd) 전극으로 센서를 제작하였다.
실험 장치로는 온도를 가변할 수 있는 석영 튜브 관으로 구성된 전기로를 이용하여 상온으로부터 200 ℃와 400 ℃까지 온도를 조절하여 실험하였다. 주입할 수소가스의 농도는 질량 유량 제어기(MFC)를 이용하여 0, 500, 1,000과 2,000 ppm의 4단계로 조절하였다. Ta₂O₅ 유전체는 약 25정도의 유전상수 값을 갖는 강유전체로서, 정전용량형 센서에 적합하다.

대상 데이터

본 연구에서는 고온용 수소 센서를 제작하기 위해 고온에 적합한 n형 4H-SiC 웨이퍼를 기판으로 선택하였다. SiC 시편의 크기는 1.2 cm x 1.2 cm이며, 탄탈륨(Ta)을 300 W 파워에서 60초간 스퍼터로 증착한 후에, 온도 900 ℃의 산소분위기에서 1분 동안 급속열처리 (rapid thermal oxidation: RTO)공정으로 탄탈륨 산화막(Ta₂O₅)을 형성하였다. 그리고 나서 시편의 아래 면에 전극을 형성하기 위해 Ni을 증착한 후에 950 ℃에서 1분 동안 추가로 어닐링 공정을 진행하여 오믹접합이 되도록 하였다.
본 연구에서는 고온용 수소 센서를 제작하기 위해 고온에 적합한 n형 4H-SiC 웨이퍼를 기판으로 선택하였다. SiC 시편의 크기는 1.
지금까지 MOS 구조에 이용된 산화막으로는 SiO2 [1], TiO2[2], WO3 [3] 및 Ta₂O₅ [4] 등이 있으며, 정전용량형 센서로는 유전상수가 크고, SiC의 에너지밴드 구조에 적당한 장벽높이를 갖는 Ta₂O₅ 박막이 유리한 것으로 알려지고 있다 [5]. 본 연구에서는 산화막으로 T_a2O₅ 박막을 이용하였다.
센서는 3 cm x 3 cm 크기의 석영 기판위에 금(Au)으로 전극 패드를 만들고, 센서를 석영판 위에 고정시켰다. 센서의 구조는 SiC 기판위에 Ta₂O₅박막과 그 위에 팔라듐(Pd) 전극으로 이루어졌다. 그림 2(a), (b)와 (c)는 각각 100, 75 및 50 %가 오픈된 마스크를 사용하여 제작된 센서의 실물 사진을 보여주고 있다.
실험 장치로는 온도를 가변할 수 있는 석영 튜브 관으로 구성된 전기로를 이용하여 상온으로부터 200 ℃와 400 ℃까지 온도를 조절하여 실험하였다. 주입할 수소가스의 농도는 질량 유량 제어기(MFC)를 이용하여 0, 500, 1,000과 2,000 ppm의 4단계로 조절하였다.
이를 위해 고온에 적합한 SiC를 이용하여 센서를 제작하였다. 제작된 센서는 MOS구조로서, SiC 기판 위에 유전체 박막으로 Ta₂O₅을 형성하고 그 위에 3 가지의 패턴이 다른 팔라듐(Pd) 전극으로 센서를 제작하였다. 센서의 응답특성은 수소농도에 대한 정전용량의 변화로 평가하였다.

성능/효과

1,000과 2,000 ppm의 수소농도에 대해 센서의 정전용량은 115 nF로부터 160과 170 nF까지 증가하였다. 이것은 그림 5(a)의 결과에 비해 감도가 줄었으며, 수소농도가 커질수록 정전용량의 증가치도 감소하였다. 끝으로 그림 5(c)는 Pd가 50 %로 채워진 전극으로 만든 센서로 부터 얻은 결과이다.
초기값은 온도 증가에도 불구하고 정전용량은 125 nF을 유지하였다. 1,000 ppm의 수소농도에 대해, 센서의 정전용량은 170 nF까지 상승하였으며, 2,000 ppm에서는 210 nF까지 상승하였다.
결론적으로 Pd 전극은 수소 분자를 흡착하여 팔라듐 수소화물인 PdH_x를 생성하고, Pd층 내부로 확산하여 Ta₂O₅ 박막에 유전분극을 증가시키는 매카니즘에 중요한 역할을 하고 있음을 확인하였다.
센서의 응답특성은 수소농도에 대한 정전용량의 변화로 평가하였다. 그 결과, Pd의 표면적이 넓을수록 센서의 감도는 증가하였으며, 또한 수소농도에 대해 선형적인 응답 특성을 보였다. 정전용량의 변화 특성은 온도를 높일수록 감도가 증가하였으며, 400℃에서 우수한 감도를 보였다.
우리는 상온으로부터 400 ℃의 온도범위까지 Pd 패턴이 다른 3종류의 센서에 대해 수소 농도에 따른 정전용량 변화특성을 고찰하였다. 본 실험에서 채택한 정전용량형 센서는 저항형 센서보다 온도변화에 대한 의존성이 거의 없기 때문에, 온도 변화가 큰 실험조건에서 상대적으로 신뢰도가 높다.
와 △C는 0 ppm에서 측정한 정전용량과 변화량을 나타낸다. 전반적으로 수소 농도의 증가에 대해 정전용량의 변화는 거의 선형적인 결과를 보였다. 그림 5(b)는 Pd가 75 %로 채워진 전극으로 만든 센서로 부터 얻은 결과이다.
반면에 200 ℃에서는 상온에 비해 수소 농도를 2,000 ppm까지 증가시켰을 때, 정전용량이 서서히 증가하는 결과를 나타냈다. 전반적으로 수소의 농도가 증가할수록, 센서의 정전용량은 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 고온일수록 Pd 촉매 전극을 통해 생성된 팔라듐 수소화물의 증가에 기인한 것으로 추정된다. 그림 4(a)는 Pd이 100 %로 채워진 전극을 사용한 센서로 부터 측정한 결과이며, 정전용량의 초기값은 약 125 nF을 보였다.
그 결과, Pd의 표면적이 넓을수록 센서의 감도는 증가하였으며, 또한 수소농도에 대해 선형적인 응답 특성을 보였다. 정전용량의 변화 특성은 온도를 높일수록 감도가 증가하였으며, 400℃에서 우수한 감도를 보였다.

후속연구

향후 연료전지형 수소 자동차의 보급 확대와 함께 이에 따른 수소저장소의 설치 확대로 인해, 수소 센서에 대한 수요가 급증할 것으로 기대된다.본 연구는 고온의 환경에서도 동작할 수 있는 수소센서를 개발하기 위한 목적으로, 수소 센서에서 중요한 매질인 팔라듐(Pd) 전극의 역할을 평가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소의 대기중 분포 상황은?	수소는 대기중에 0.5 ppm 정도로 아주 미약하게 분포하고 있다. 무독성의 무색, 무취의 기체로서 가볍기 때문에 대기 중에 쉽게 확산하는 특성을 가지고 있다.
	고온에서 사용가능한 반도체에는 무엇이 있는가?	고온에서 사용가능한 반도체로는 상대적으로 밴드갭 에너지가 큰 SiC, GaP와 GaN 등이 해당된다. 그 중에서 SiC를 기판으로 사용한 센서 연구가 활발히 진행되고 있으며, 주로 MOS 구조로 된 센서에 대해 연구가 활발히 진행되어 왔다.
	무독성의 무색, 무취의 기체로서 가볍기 때문에 대기 중에 쉽게 확산하는 특성을 갖고 있는 기체는?	수소는 대기중에 0.5 ppm 정도로 아주 미약하게 분포하고 있다.

참고문헌 (5)

C. Loa, S. W. Tan, C. Y. Wei, J. H. Tsai, and W. S. Lour, "Sensing properties of resistive-type hydrogen sensors with a $Pd-SiO_2$ thin-film mixture," Int. J . Hydrog. Energy, vol. 38, pp. 313-318, 2013.DOI:10.1016/j.ijhydene.2012.10.051

상세보기
C. Lu and Z. Chen, "High-temperature resistive hydrogen sensor based on thin nanoporous rutile $TiO_2$ film on anodic aluminum oxide," Sens. Actuator B., vol. 140, pp. 109-115, 2009.DOI:10.1016/j.snb.2009.04.004

상세보기
K. Shimizu, I Chinzei, H. Nishiyama, S. Kakimoto, S. Sugaya, H. Yokoi, and A. Satsuma, "Hydrogen sensor based on $WO_3$ subnano-clusters and Pt co-loaded on $ZrO_2$ ," Sens. Actuators B., vol. 134, pp. 2618-2624, 2008.DOI:10.1016/j.snb.2008.06.004
W. M. Tang, C. H. Leung, and P. T. Lai. "Effect of $N_2$ -annealing conditions on the sensing properties of $Pt/HfO_2/SiC$ Schottky- diode hydrogen sensor," Thin Solid Films, vol. 519, pp. 505-511, 2010.DOI:10.1016/j.tsf.2010.08.090

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S. J. Joo, J. H. Choi, S. J. Kim, and S. C. Kim, " $Pd/Ta_2O_5/SiC$ Schottky-diode hydrogen sensors formed by using rapid thermal oxidation of a Ta thin films," J. Korean Phys. Soc., vol. 63, pp. 1794-1798, 2013.DOI:10.3938/jkps.63.1794

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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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