초록 ▼

□ 연구개요
수소연료전지의 작동 환경조건과 같이 저농도 및 고농도의 넓은 영역의 수소가스를 정밀하게 검출할 수 있는 MEMS/CMOS 공정기술 기반의 고감도, 고안정성 반도체형 수소센서를 개발하고자 하였으며, 자기보상이 가능한 저전력 FET 형 마이크로 수소센서 설계제작 기술과 게이트 촉매금속의 표면개질에 의한 나노 다공성 박막과 새로운 촉매합금 물질을 적용함으로서 수소감도를 크게 높이고, 저농도 감지 특성이 우수한 FET형 수소센서와 고농도 영역 대 수소 감지가 가능한 저항형 마이크로 센서 제작 기술 및 집적화 방법에 대해서

□ 연구개요
수소연료전지의 작동 환경조건과 같이 저농도 및 고농도의 넓은 영역의 수소가스를 정밀하게 검출할 수 있는 MEMS/CMOS 공정기술 기반의 고감도, 고안정성 반도체형 수소센서를 개발하고자 하였으며, 자기보상이 가능한 저전력 FET 형 마이크로 수소센서 설계제작 기술과 게이트 촉매금속의 표면개질에 의한 나노 다공성 박막과 새로운 촉매합금 물질을 적용함으로서 수소감도를 크게 높이고, 저농도 감지 특성이 우수한 FET형 수소센서와 고농도 영역 대 수소 감지가 가능한 저항형 마이크로 센서 제작 기술 및 집적화 방법에 대해서 연구함.
<주요 연구개발 내용>
-MEMS/CMOS 공정기술을 이용하여 열적 고립구조를 갖는 저전력, 자기보상형 FET 마이크로 수소센서 플랫폼을 개발함
-비표면적을 극대화 시킬 수 있는 나노 다공성 촉매금속 박막 공정기술과 고감도 촉매합금을 개발하여 수소센서 플랫폼에 적용함으로서 수소 감지성능을 크게 향상시킴
-저농도 감지 특성이 우수한 FET형 수소센서와 고농도 영역 대 수소 감지가 가능한 MEMS형 수소센서를 설계 제작함
-반도체 마이크로 수소센서의 수소가스 감지특성 측정평가 및 수소가스 반응/검출 메카니즘 해석 연구함

□ 연구 목표대비 연구결과
o (1차년도) 센서 멤브레인을 수소가스에 반응하는 sensing FET와 수소가스에 반응을 하지 않는 reference FET를 한 쌍으로 구성하여 외부 환경(온도)변화에 독립적인 자기보상형의 FET형 반도체 수소센서를 설계 제작하였고, 또한, 가스 감응영역의 온도를 제어하고 균일한 분포를 유지시키기 위해서 센서 멤브레인이 주변과 열적으로 고립되도록 제작함. 제작된 FET형 센서는 수소가스에 대해서 높은 감도를 지니고, 온도의 영향이 없으며, 균일한 온도 분포를 유지할 수 있는 열적 안정성과 낮은 작동전력, 빠른 반응속도 및 회복속도의 특성을 나타내었음.
o (2차년도) FET 센서의 게이트 전극에 수소가스를 감지할 수 있는 Pd 촉매금속을 적용하고, 게이트 전극을 나노 다공성으로 표면개질화 하여 비표면적을 극대화 시킴으로서 센서 감지 성능을 크게 향상시킴. 기존 dense한 Pd 박막으로 된 게이트 전극보다 나노 다공성의 게이트 전극의 FET 센서는 수소가스 감도가 약 40% 이상 향상되었음.
o (3차년도) 수소 고감도 특성의 Au-CNT계 감지물질과 graphene-Pd-Ag계 감지 물질을 개발하여 MEMS형 센서와 FET 반도체 수소센서에 적용함으로서 고감도 MEMS 및 FET 수소센서를 개발하였음. 제작된 MEMS 저항형 센서는 100ppm~수%H₂ 고농도 영역 대까지 높은 수소감도 특성을 나타내고, 저전력형 FET 반도체 센서는 1ppm~5,000ppmH2의 매우 낮은 저농도 대에서도 우수한 수소감도 특성을 구현하였음.

□ 연구개발결과의 중요성
o 본 연구개발의 중요한 결과로서 외부 온도변화에 안정적인 자기보상형 및 열적 고립형의 고감도 FET형 반도체 수소센서 제작기술은 난이도가 매우 높은 반도체 센서기술로서 학술적으로나 기술적으로 매우 큰 의미를 지닌 연구결과임
o MEMS/FET 형 수소센서 모듈은 장차 다가올 수소에너지 시대의 주요 운송수단인 수소연료자동차 뿐만 아니라 수소저장고, 가정용, 산업용 등에도 광범위하게 활용될 수 있는 매우 중요한 원천기술임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• (1) 1차년도 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• (2) 2차년도 연구수행내용 및 연구결과 ... 9
• (3) 3차년도 연구수행내용 및 연구결과 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 대표적 연구실적 ... 22
• 끝페이지 ... 37