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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국세라믹기술원 |
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연구책임자 | 조정호 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2017-07 |
과제시작연도 | 2016 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201800040125 |
과제고유번호 | 1415146937 |
사업명 | 산업소재핵심기술개발 |
DB 구축일자 | 2018-10-13 |
키워드 | 액상.스피넬.세라믹 박막.열선.게터. |
□ 핵심기술
액상공정을 이용한 열변화형 세라믹 박막 및 저온 진공 박막 게터 기술
□ 최종목표
○ 상온 액상공정 기반의 열변화형 세라믹 소재, 박막 제조공 정 및 진공 패키징용 저온 박막 게터 기술 개발
- 상온 열감지용 spinel형 세라믹 소재 및 전구체 개발
- 액상을 이용한 세라믹 박막 합성 공정 및 저온 열처리 기술 개발
- 진공 패키지용 저온 게터 소재 및 박막화 기술 개발
- 상온 열감지 모듈 시제품 제작 및 성능 평가
개발내용 및 결과
○ 한국세라믹기술원에
□ 핵심기술
액상공정을 이용한 열변화형 세라믹 박막 및 저온 진공 박막 게터 기술
□ 최종목표
○ 상온 액상공정 기반의 열변화형 세라믹 소재, 박막 제조공 정 및 진공 패키징용 저온 박막 게터 기술 개발
- 상온 열감지용 spinel형 세라믹 소재 및 전구체 개발
- 액상을 이용한 세라믹 박막 합성 공정 및 저온 열처리 기술 개발
- 진공 패키지용 저온 게터 소재 및 박막화 기술 개발
- 상온 열감지 모듈 시제품 제작 및 성능 평가
개발내용 및 결과
○ 한국세라믹기술원에서는 기존의 열선 감지 물질인 바나듐 산화물에 비해, 380℃의 낮은 열처리 온도에서 세계 최고 수준의 우수한 전기적 특성(비저항, TCR(저항온도계수), 1/f 노이즈)을 나타내는 스피넬 망가나이트계 원천 소재를 개발하였음.
○ 한양대학교에서는 기존 게터 대비, 세계 최고 수준의 수분, 수소 흡착도를 나타내는 고성능 박막 게터를 국내 자체 기술로 개발하였음.
○ (주)유우일렉트로닉스에서는 한국세라믹기술원에서 개발한 열선 감지 물질과 한양대학교에서 개발한 게터소재를 적용한 8인치 대면적화 공정 기술 확립 및 센서를 개발하였고, (주)오토산업은 기존 -10~50℃ 온도구간 대비, -10~85℃ 의 고온구간까지 적용 가능한 차 실내 인체 검지기 모듈을 개발하였으며, 각 기관별 세부 개발내용 및 결과는 아래와 같음.
< 경상대학교 >
- Ni-Mn, Zn-Mn, Co-Mn계 세라믹스 중 Co-Mn인 경우 가장 낮은 비저항(418~565 Ω·cm)과 높은 B 정수 값 (4000K 이상)을 나타내어 최적 조성으로 개발되었으며, 기존에 보고되지 않은 스피넬계 조성으로써 기존 바나듐 산화물 조성보다도 우수한 전기적 특성을 나타냄.
- 각 이성분계 세라믹스에 Cu, Co, 고요를 치환함으로써 전기적 특성을 향상시켰으며, 다음과 같은 최적의 새로운 벌크 조성을 얻을 수 있었음.
Ni0.79CUxMn2.21-xO4(x=0.2), Ni0.79CoyMn2.21-yO4(y=0.1)
Zn1.1CuxMn1.9-xO4(x=0.05), Zn1.1CoyMn1.9-yO4(y=0.1)
Co1.57CuxMn1.43-xO4(x=0.1), Co1.57ZnyMn1.43-yO4(y=0.1)
< 한국세라믹기술원 >
- 액상 기반 세라믹 박막 제조용 스피넬 망가나이트계 전구체 개발 및 저온 박막 증착을 위한 Oxide Plating, Spin Spray Deposition, MOD 공정 기술을 개발하였음.
- 저온 증착 박막의 구조적 및 전기적 특성 개선을 위한 Spin Spray Deposition과 MOD 혼합 증착, MOD 증착 후 plasma 및 RTA 처리, Cu sputtering 및 heating 후 MOD 박막 증착 기술을 개발하였으며, 저온 열처리에 매우 효과적이었음.
- 조성변화(Ni-Mn, Ni-Mn-Cu, Ni-Mn-Cu-Co, 첨가제 B, Cr), 공정변수변화(Cu층 두께조절, 스핀코팅조건 등)를 통한 저온(380℃)에서 낮은 비저항(11 Ω·cm), 높은 TCR(-2.75 %/K @25℃, -2.33 %/K @85℃), 낮은 1/f 노이즈(74 nV/Hz1/2) 를 나타내는 세계 최고 수준의 고성능 스피넬 세라믹 박막 조성을 개발하였음.
- 세라믹 박막 센서 어레이 적용을 위한 1인치→4인치→6 인치→8인치 순으로 세라믹 증착 박막을 대면적화 하는데 성공하였고, 증착된 세라믹 박막의 균일성, 두께, 적극과의 접촉 및 확산 여부를 제어하여 ROIC wafer에 적용하였음. 액상 기반의 스피넬 망가나이트계 조성을 증착한 기술은 기존 바나듐 산화물보다 높은 결정성을 나타내어 열처리 온도를 효과적으로 낮추는데 큰 역할을 하였음.
< 한양대학교 >
- 수분게터재 다공성 SiO2, AI2O3를 금속 입자 기반 화학적 식각법, 양극산화법 또는 두 가지의 혼합법으로 합성 및 상단에 Pd을 전자빔 증착한 후 열처리하여 수소게터재 PdO를 형성하는 박막 수분-수소 게터 합성 기술을 개발 하였음.
- 수분-수소 게터 흡착능을 향상시키기 위해 SiO2, AI2O3의 형상, 기공크기, 기공도, 두께, PdO의 비표면적, 두께 조절 기술 개발함으로써 세계 최고 수준의 수분-수소 흡착 도가 9.348% (RH=35%), 0.37 cctorr/cm2 (전범위)인 고성능 박막 게터를 합성하였음.
- 대면적 웨이퍼의 일부 영역에 게터를 형성하기 위하여 코팅층 적합성 판단, 공정 호환성 평가 및 4인치→6인치→8인치 캡웨이퍼 기반 박막 게터 담지 기술 개발 및 소자 진공 평가를 진행함.
- 수율 향상 및 안정화를 위한 차세대 박막 게터 형성 기술로 동시 증착법을 도입, 수소 흡착재(Ti)의 산화를 막고, 이종 물질(Pd)이 수소 기체의 해리 및 이동 통로 역할을 하는 Pd-Ti 나노구조체 구현함으로써 세계 최고 수준의 0.5 cctorr/cm2 (전범위) 달성함.
< (주)유우일렉트로닉스 >
- 적외선 센서와의 모노리식 공정을 위한 센서 구동 회로인 ROIC wafer 설계 및 제작, 35um pixel level 80x80 적외선 어레이 센서 공정 개발 및 한국세라믹기술원에서 개발된 세라믹 적외선 감지박막을 이용하여 센서를 제작하였음.
- 적외선 센서의 진공 특성과 수율 증가 및 사이즈 감소를 위한 Wafer level vacuum package 기술 개발 및 제작, WLVP bonding을 위한 AuSn 적층 방식의 솔더 개발, ROIC wafer와의 WLVP bonding 위한 Cap wafer 개발 및 한양대 상온 게터 적용하여 8인치 ROIC/Cap wafer를 개발하였음
- 유우일렉트로닉스 자체 기술을 이용하여 열영상 획득용 보드 개발, ROIC 컨트롤 보드 및 Host로 NI와 MCU 보드 제작, 아날로그/디지털 출력 획득, 열 영상 측정을 위한 항온 챔버, 블랙바디 소스, 적외선 투과 윈도우 설치/ 평가용 렌즈를 제작, PC와 호환을 위한 USB 인터페이스를 이용한 열 영상 획득용 모듈을 제작하였고, 100% 국산화를 달성하였음.
< (주)오토산업 >
- 벤치마크 분석 및 개발 비냉각형 열선 감지 센서를 활용한 전장용 검지기 모듈 활용안을 도출하였음.
- 비냉각형 열선 감지 센서를 적용한 -10~85℃ 온도구간의 차 실내 인체 검지기 모듈을 제작하였고, 실차 평가수행 및 적용 가능성을 확인함.
○ 최종 정량적 결과
- 박막합성온도 : 380℃
- Wafer size : 8 inch
- 상온비저항 : 11 Ω·cm
- TCR : -2.75 %/K @25℃, -2.33 %/K @85℃
- 1/f 노이즈 : 74 nV/Hz1/2
- 사용 온도 : -10 ~ 85℃
- H2 sorption capacity : 0.37 cc.torr/cm2
- Moisture sorption capacity : 9.35 %
- Activation 온도 : 상온
□ 기술개발 배경
○ 21세기에 들어오면서 전 세계적으로 신종 급성 전염병이 유행함에 따라 이를 조기에 확인 및 차단하기 위한 열화상 카메라가 널리 보급되면서 적외선 센서에 대한 관심이 고조 되고 있는 상황임.
○ 군사적 목적으로 제작된 야간 투시경 및 미사일 추적 장치 뿐만 아니라 민수용으로 보안 및 방범용 카메라, 체열 감지 센서, 건축물 안전 진단 장비, 차량용 나이트비전 등으로 응용범위 점차 확대되고 있음.
○ 특히, 차량 공조 제어 자동화를 위한 적외선 센서의 활용 기술은 세계적으로 도입 초기 단계이며, 진입 선점을 통한 시장 확보를 위하여 치열하게 기술 개발이 이루어지고 있는 실정임.
○ 열선 감지기 시장 진입이 어려운 이유는 감지 물질에 대한 원천 특허 회피가 용이하지 않기 때문임. 따라서 관련 시장진입을 위해서는 기존 소재의 복제가 아닌 기존 소재에 비하여 우수한 장점이 있는 새로운 원천 소재 및 공정의 개발이 필요함.
○ 세계 생산량 점유율 1위인 미국의 묘사의 적외선 센서는 열선 감지 물질로 바나듐 산화물을 사용하고 있는데, 현재 고온 작동온도 범위가 50℃로 낮기 때문에 고온 동작시 성능이 크게 저하되어 별도 냉각 모듈이 필요하다는 단점이 있음. 따라서 5O℃ 이상의 고온에서도 온도안정성이 우수한 비냉각형의 새로운 물질이 요구되고 있는 상황임.
○ 기존의 열변화형 열선 감지 물질인 바나듐 산화물은 수십 Ω·cm의 낮은 비저항을 나타내는 반면, -2%/K 대의 TCR을 나타내고 있어 고온에서의 센서 감도를 증진시키기 위해서 더 높은 TCR을 가지는 물질 개발이 요구되고 있음. 이를 만족하는 소재로 비록 비저항은 수백~수천 Ω·cm로 높은 편이지만 -3~-4%/K의 높은 TCR을 나타내는 스피넬 구조의 망가나이트계가 주목을 받고 있음. 또한 TCR을 제어하는 것보다 결정구조나 미세구조 조절을 통한 비저항을 제어하기 것이 더 쉽기 때문에 높은 TCR은 유지하면서 비저항을 낮추는 방향으로 스피넬 망가나이트계 소재를 연구하는 것이 필요함.
□ 핵심개발 기술의 의의
○ 기존의 적외선 센서에 사용되는 열선 감지 물질인 바나듐 산화물 대비, 25℃~120℃ 온도범위에서 세계 최고 수준의 낮은 비저항과 높은 TCR을 나타내는 고성능 스피넬 구조의 망가나이트 조성을 개발하였음. 특히 고온(85O℃이상)에서 높은 TCR 특성은 기존 센서의 작동온도 범위를 넓혀줌으로써 고온 안정성 비냉각형 적외선 센서 개발이 가능하게 하여 별도 냉각 모듈이 필요 없기 때문에 제조 단가를 낮출 수 있고 응용범위를 확대시킬 것으로 예상됨.
○ 액상 기반의 다양한 증착법들(Oxide Plating, Spin Spray Deposition, MOD 등)을 적용하여 박막의 결정화를 증진시킴으로써 저온(400℃ 이하)에서의 열처리를 가능하게 함.
○ 선진 기술 도용이 아닌 국내 독자적인 새로운 방식을 적용한 고성능의 상온 진공게터를 개발하여 국산화가 가능하게 하였고, 기존 특성 대비 세계 최고 수준의 수분-수소 흡착도를 상온에서도 나타내어 센서 응용 범위를 확대시킴.
○ 박막의 전기적 특성과 구조적(결정구조, 미세구조) 특성과의 상관관계 및 원인 규명을 통해 전기적 특성을 효율적으로 제어하는 방법을 제시함.
○ 본 개발 사업 결과물을 실제 완성차 및 공조사 납품사로 제안했을시, 공동 평가 수행 등 사양 선점을 유도하여 공조 제어용으로의 활용 가능성을 확인할 수 있었음.
□ 적용 분야
차 실내 인체 감지용 적외선 센서 모듈, 차량용 나이트비전, 보안 및 방법용 카메라, 체열감지센서, 건축물 안전진단 장비
( 출처 : 최종보고서초록 - 3. 개발결과 요약 4p )
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연구책임자(Manager) : | - |
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총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
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