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준 엽
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1 대한기계학회논문집 A 권, 제 31 권제 4 호, pp. 417~424, < 논문 > 탄소섬유를이용한압력센서제작및특성평가 박창신 * 강보선 이동원 ** (2006 년 8 월 4 일접수, 2007 년 3 월 16 일심사완료 ) Fabrication and Characterization of a Pressure Sensor using a Pitch-based Carbon Fiber Chang-sin Park, Bo-seon Kang and Dong-weon Lee Key Words : Carbon Fiber( 탄소섬유 ), Piezoresistive Effect( 압저항효과 ), Dielectrophoresis( 유전영동 ) Abstract This paper reports fabrication and characterization of a pressure sensor using a pitch-based carbon fiber. Pitch-based carbon fibers have been shown to exhibit the piezoresistive effect, in which the electric resistance of the carbon fiber changes under mechanical deformation. The main structure of pressure sensors was built by performing backside etching on a SOI wafer and creating a suspended square membrane on the front side. An AC electric field which causes dielectrophoresis was used for the alignment and deposition of a carbon fiber across the microscale gap between two electrodes on the membrane. The fabricated pressure sensors were tested by applying static pressure to the membrane and measuring the resistance change of the carbon fiber. The resistance change of carbon fibers clearly shows linear response to the applied pressure and the calculated sensitivities of pressure sensors are 0.25 ~ 0.35 and 61.8 Ω/kΩ bar for thicker and thinner membrane, respectively. All these observations demonstrated the possibilities of carbon fiber-based pressure sensors. 1. 서론 압력센서는각종시스템에서압력을측정하는소자로서, 검출방식에따라, 기계식, 전기식, 반도체식등이있으며, 최근에는집적회로기술과마이크로머시닝기술의발전으로소형화, 복합화된다기능스마트센서에대한관심이높아지고있다. (1,2) 반도체압력센서는기계식보다고감도, 고신뢰성, 선형성이우수하며, 히스테리시스현상이없고소형, 경량으로진동에도매우강한것이특징이다. 이센서는외부압력을응력으로변환하 책임저자, 회원, 전남대학교기계시스템공학부 bskang@chonnam.ac.kr TEL : (062) FAX : (062) * 전남대학교기계공학과대학원 ** 전남대학교기계시스템공학부 는다이어프램과다이어프램에서발생하는응력을전기신호로변환하는두부분으로구성되어있다. 다이어프램은단결정실리콘을화학적으로식각하여형성하며, 다이어프램에서발생하는응력을전기적신호로변환하는방법으로주로압저항형과정전용량형이가장많이사용되고있다. 압저항형은응력의변화가압저항물질의저항변화로나타나는원리를이용한것이며, 저항소자를형성시킬때에반도체의불순물확산공정이이용되기때문에저항확산형이라고도한다. 단결정실리콘은변형률에따른감도특성이금속보다대략 100 배정도높아잘알려진압저항소자이다. 이러한단결정실리콘을압저항소자로이용한실리콘압저항형압력센서는감지방법이비교적간단하고, 고감도, 소형이기때문에, 고성능센서시스템에효과적으로사용되고있지만, 온도변화에민감하다는단점을가지고있다. 이

2 418 박창신 강보선 이동원 러한온도민감성은압저항소자자체의온도에따른저항값변화나압저항소자와그것이부착된다이어프램사이의온도팽창률차이에기인하며, 이를보상해주기위한구조가필요하다. (3~5) 최근에는기존압저항형압력센서의압저항소자를대신할수있는물질로, 각광받고있는신소재인탄소나노튜브를사용하는가능성에대한연구도진행되고있다. (6,7) 하지만, 탄소나노튜브는나노단위소자이어서측정및관측의어려움이있고, 한개의탄소나노튜브를압저항소자로써이용하는데에많은어려움이존재해, 압력센서제작이용이하지않다. 본연구에서는탄소나노튜브와물리적, 기계적, 화학적특성들이유사하지만, 크기가마이크로단위인금속성탄소섬유 (Pitch-based Carbon Fiber) 를압저항소자로이용한새로운개념의압력센서를제작하고그특성을평가하였다. 전체적인압력센서구조는마이크로머시닝기술을기반으로제작되는실리콘압저항압력센서와유사하지만, SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼와탄소섬유를사용함으로써, 기존실리콘압저항압력센서의비교적복잡한제작공정을매우단순화하였다. 즉, SOI 웨이퍼내부의산화막층 (SiO 2 ) 을이용함으로써, 압력센서의다이어프램두께를균일하고, 정확하게형성할수있다. 또한, 기존실리콘압저항압력센서의압저항소자형성시요구되는, 불순물확산공정인이온주입 (Ion Implantation) 은고가장비의이용을필요로한다는단점을가지기때문에이를대신하여, 압저항소자의역할을하는전도성탄소섬유를유전영동법 (Dielectrophoresis) 을이용하여매우빠르고, 저렴하며, 간편하게원하는위치에정렬하였다. 제작된압력센서를이용하여, 인가압력에따른다이어프램의변형, 탄소섬유의저항변화, 온도의존성과같은특성을측정, 분석하여, 새로운압력센서로써의가능성을살펴보았다. 2. 압력센서제작 2.1 탄소섬유의특성탄소섬유는복합재료생산에가장많이이용되는강화섬유이며, 탄소의육각고리가연이어층상격자를형성하고있는구조이다. 금속광택이있고, 흑색이나회색을띠며, 금속 ( 알루미늄 ) 보다가벼운반면, 금속 ( 철 ) 에비해탄성과강도가뛰어나다. 다핵방향족으로구성된탄소섬유는탄소원자사이에 sp 2 혼 성궤도에의한결합을하고있고, p 궤도에있는전자가쉽게이동할수있기때문에전기전도도가우수하다. 특히, 압저항소자처럼외부응력에따라저항변화가나타나는압저항효과 (Piezoresistive Effect) 가나타나고전기전도성이우수하기때문에응력센서로써도이용되고있다. (8) 본연구에서사용한탄소섬유는 1,000 의열처리를통해얻은피치계탄소섬유이며, 전도성이고 ~ Ω cm 범위의비저항값을갖는다. 2.2 압력센서의제작현재상용화된실리콘압저항압력센서를제작하기위해서는보통 4 ~ 5 장정도의마스크가필요하며, 제작공정이비교적복잡하다. 일반적인실리콘압저항압력센서의다이어프램은대개습식식각에사용되는 KOH나 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 와같은이방성식각용액에의한벌크마이크로머시닝기술을기반으로제작된다. 압력센서의다이어프램을습식식각으로제작하려면, 식각용액에대한실리콘식각비를계산하고정확한제어를통해제작하여야한다. 본연구에서는이러한복잡한공정을단순화하기위하여, SOI 웨이퍼를사용하였다. SOI 웨이퍼는반도체소자간의전기적격리를더욱강화시키기위해서, 실리콘과실리콘사이에일정두께의산화층을만들어놓은웨이퍼이다. 이웨이퍼를사용하면, 산화막층은식각용액에반응을하지않으면서식각이정지되므로, 간단하게다이어프램두께를정확히제작할수있다. 즉, SOI 웨이퍼의중간산화막층위의실리콘두께가다이어프램의두께가된다. 또한, 불순물확산공정인이온주입법에의해형성되는저항소자를사용하는대신에, 압저항소자의역할을하는전도성탄소섬유를이용함으로써, 필요한마스크수를 2 장으로줄여제작공정을크게단순화하였다. 사용된마스크는다이어프램위의전극형성용마스크와습식식각으로형성되는다이어프램제작을위한식각용마스크이다. 탄소섬유가정렬되게되는전극위치와형상을결정할때, 다이어프램의변형에따른탄소섬유의저항변화를가장많이얻기위해서는, 응력이가장크게걸리는부분, 즉변형률이가장큰위치를파악하여야한다. 이를위하여, 일정압력을다이어프램에인가하였을때, 다이어프램의응력분포와변형률에대해상용 ANSYS 프로그램을이용하여수치해석하였다. 해석결과다이어프램가장자리의중앙위치주변에서변형률이가장크게나타

탄소섬유를이용한압력센서제작및특성평가 419 Table 1 Specifications of fabricated pressure sensors Contents Specifications Sensor size 4.0 4.0 mm 2 Diaphragm thickness 3, 21 µm Diaphragm size 1.5 1.

이를바탕으로, 탄소섬유를가장자리의중앙위치에서가장자리와수직방향으로정렬되도록전극위치를결정하였으며, 전극간격은사용하는탄소섬유의평균길이인 150 µm 로하였다. Table 1 은제작된압력센서의사양이며, Fig. 1 은제작된압력센서를간략하게나타낸것이다. 인가압력의범위를고려하여다이어프램두께는 3, 21 µm 인두종류의압력센서를제작하였다. 압력센서의제작공정은 Fig.

이웨이퍼양면에저압화학기상증착법 (LPCVD, Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 을이용하여두께 250 nm의저응력질화막 (Si 3 N 4 ) 을증착하였다 [Fig. 2(b)]. 다이어프램위의전극을형성하기위해, 웨이퍼앞면에음성감광액 (AZ 5124) 을코팅하고, 전극형성용마스크를이용하여노광하였다.

3 탄소섬유를이용한압력센서제작및특성평가 419 Table 1 Specifications of fabricated pressure sensors Contents Specifications Sensor size mm 2 Diaphragm thickness 3, 21 µm Diaphragm size mm 2 Electrode gap 150 µm Electrode thickness 0.1 µm Fig. 2 Fabrication process for 3 µm diaphragm thickness Fig. 1 Schematics of a pressure sensor; (a) cross section view (b) top view 나는것을확인하였다. 이를바탕으로, 탄소섬유를가장자리의중앙위치에서가장자리와수직방향으로정렬되도록전극위치를결정하였으며, 전극간격은사용하는탄소섬유의평균길이인 150 µm 로하였다. Table 1 은제작된압력센서의사양이며, Fig. 1 은제작된압력센서를간략하게나타낸것이다. 인가압력의범위를고려하여다이어프램두께는 3, 21 µm 인두종류의압력센서를제작하였다. 압력센서의제작공정은 Fig. 2 에나타내었다. 웨이퍼는 525 µm 두께의 4 인치 SOI 웨이퍼이고, 유전층인 산화막두께는 1 µm, 산화막위실리콘두께는 3 µm 이다 [Fig. 2(a)]. 이웨이퍼양면에저압화학기상증착법 (LPCVD, Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 을이용하여두께 250 nm의저응력질화막 (Si 3 N 4 ) 을증착하였다 [Fig. 2(b)]. 다이어프램위의전극을형성하기위해, 웨이퍼앞면에음성감광액 (AZ 5124) 을코팅하고, 전극형성용마스크를이용하여노광하였다. 다음, 전자선증착기 (Electron Beam Evaporator) 를이용하여 Au/Cr(1500 A /300 A ) 를증착하고, 기생층제거공정 (Lift-off) 에의해 Au/Cr 금속전극을형성하였다 [Fig. 2(c)]. 습식식각으로센서의캐비티를만들기위해, 웨이퍼뒷면에감광액을코팅하여식각용마스크를이용해노광하고, 건식식각장비인 RIE (Reactive Ion Etching) 로질화막을부분적으로식각하여패턴을형성하였다 [Fig. 2(d)]. 다음으로웨이퍼뒷면에캐비티를만들기위해, 실리콘습식식각용액인 TMAH(22 w%, 83 ) 를이용하여웨이퍼유전층의산화막이드러날때까지습식식각하였다 [Fig. 2(e)]. 식각용액에산화막은반응하지않고산화막아래의실리콘만식각되므로, 산화막이드러나면식각이멈춘다. 습식식각시웨이퍼앞면의금속층을식각용액으로부터보호하기위해, 테플론으로제작한홀더를사용하여, 웨이퍼뒷면만이식각되도록하였다. 드러난 1 µm 두께의산화막층은불산 (BHF) 용액으로제거하였다 [Fig. 2(f)].

420 박창신 강보선 이동원 2.3 탄소섬유정렬및부착방법 SOI 웨이퍼를이용해제작된압력센서의다이어프램위에형성된두전극사이에탄소섬유를정렬하는방법으로, 매우빠르고저렴하며, 간단하게상온에서도탄소섬유의정렬과부착이가능한유전영동법 (Dielectrophoresis) 을이용하였다.

유전영동에의해발생되는힘은다음과같이표현된다. (10,11) D Electric field AC L DC Carbon fiber Electrode Fig.

4 420 박창신 강보선 이동원 2.3 탄소섬유정렬및부착방법 SOI 웨이퍼를이용해제작된압력센서의다이어프램위에형성된두전극사이에탄소섬유를정렬하는방법으로, 매우빠르고저렴하며, 간단하게상온에서도탄소섬유의정렬과부착이가능한유전영동법 (Dielectrophoresis) 을이용하였다. (8) 유전영동에관한이론이나실험은이미여러논문들에서보고가되었으며, 탄소나노튜브를정렬하는방법으로도많이이용되고있다. (10,11) Figure 3은유전영동법을이용하여탄소섬유를정렬하는방법을나타내고있다. 양전극에교류나직류전압을가하면, 균일하지않은전기장에서발생하는유전영동에의한힘이입자에작용하여, 입자가전극으로끌려와정렬되면서금속전극끝부분에부착되게된다. 유전영동에의해발생되는힘은다음과같이표현된다. (10,11) D Electric field AC L DC Carbon fiber Electrode Fig. 3 Deposition of a carbon fiber between electrodes using dielectrophoresis F = ε ε 3 p m 2 2 a ε m Re E ε p 2ε m π (1) Carbon fiber 여기서, a 는입자의크기를나타내며, 물의유전상수 (Dielectric Constant), ε p ε m 은매개 는입자의 유전상수, 그리고 E는전기장을나타낸다. 유전영동법의준비과정으로, 탄소섬유를아주짧게자른후 (L= 150 ~ 250 µm), 에탄올에아주적은양을희석한뒤, 초음파기 (Sonicator) 를이용하여 1 ~ 2 시간정도분리작업을하였다. 탄소섬유들이적절하게분리되었는지여부는, 탄소섬유용액의미세량을광학현미경을이용하여관찰하였으며, 탄소섬유가개별적으로잘분리되었음을확인하였다. 다음으로두전극사이에함수발생기를이용하여직류와교류전압을가해준후, 탄소섬유용액미세량을두전극사이에떨어뜨려, 1 개의탄소섬유가전극사이에정렬되도록하였다. 사용전압은직류는 5 V, 교류는 10 V, 주파수 5 MHz 이다. Figure 4 는두금속전극사이에 1 개의탄소섬유 (L= 203 µm, D= 7.22 µm) 가정렬된사진이다. 두전극사이에정렬된탄소섬유는단순히전극위에놓여진상태이기때문에전극과의접촉이좋지않다. 따라서탄소섬유가부착된전극위로 Au 금속을증착하여, 전극금속면과탄소섬유의접촉면에서발생하는접촉저항을크게감소시켰다. Figure 4 의탄소섬유의경우, Au 금속증착전탄소섬유의저항값이 kω 이었지만, 증착후에는 kω 으로약 6 배정도저항값이감소되었고, Au/Cr electrode Fig. 4 A carbon fiber assembled on between electrodes 실험에사용한다른탄소섬유의경우도하부전극과탄소섬유간의접촉저항값감소로인해평균 2 ~ 6 배정도감소하였다. 3. 실험장치 100µm 실험장치는 Fig. 5 와같이센서의캐비티에압력을공급하기위한시스템, 다이어프램의변위를측정하기위한레이저변위계 (Laser Vibrometer), 탄소섬유의미세저항변화를측정하는시스템으로구성되어있다. 제작된센서는파이렉스유리를가공하여양극접합방법 (Anodic Bonding) 을이용하여접합한후, 접합부주위를에폭시접합 (Epoxy Bonding) 하여, 압력인가시기체의누설을방지하였다. 파이렉스유리위에는압력센서의신호를검출하기위해소스미터와연결된회로기판을접합하였고, 와이어본더 (Kulicke & Soffa Ltd., Model 4254) 를이용하여회로기판과압력센서의전극사이를연결하였다. 질소고압실린더와압력센서의캐비티사이에

탄소섬유를이용한압력센서제작및특성평가 421 Table 2 Experimental conditions and characteristics of carbon fibers Case Length Resistance Diameter at 22 (µm) (µm) (R 0, kω) A-1 250 13.42 1.9835 A-2 172 8.54 1.

5 Schematic diagram of measurement setup Carbon fiber Pressure sensor Cavity Pyrex glass Pressure Fig. 7 Simulation result of diaphragm stress at t = 21 µm Fig.

5 탄소섬유를이용한압력센서제작및특성평가 421 Table 2 Experimental conditions and characteristics of carbon fibers Case Length Resistance Diameter at 22 (µm) (µm) (R 0, kω) A A A Diaphragm thickness (µm) Pressure range (bar) 21 0 ~ 3 B ~ 1 Fig. 5 Schematic diagram of measurement setup Carbon fiber Pressure sensor Cavity Pyrex glass Pressure Fig. 7 Simulation result of diaphragm stress at t = 21 µm Fig. 6 Deflection of a carbon fiber on the diaphragm of pressure sensor 는압력조절장치를이용하여압력을미세하게조절할수있도록하였다. Figure 6 은인가압력에따른다이어프램과탄소섬유의변형을간략하게나타낸것이다. 압력센서의다이어프램변위를측정하는레이저변위계는 10 nm 의분해능을가지고있어, 다이어프램의아주미세한변위도측정할수있으며, 진동에의한잡음영향을최대한줄이기위하여방진테이블위에서측정하였다. 제작된압력센서의인가압력에따른미세저항변화측정은상온에서수행하였으며, 소스미터 (Keithely, Model 2400) 를사용하여, 일정전류모드로 1 ma 를인가하였고, 압력인가에따른미세저항변화를측정하였다. 압력센서의특성을평가하기위한실험조건및사용한탄소섬유의특성은 Table 2 에나타내었다. 다이어프램두께가 21 µm 인압력센서는압력을 0 ~ 3 기압까지변화시켰으며, 최고 5 기압까지측정이가능하였다. 반면에, 두께가 3 µm 인압력센서는 1 기압이상의경우다이어프램이파열되어 0 ~ 1 기압까지만압력을변화시켰다. Fig. 8 Simulation result of diaphragm strain at t = 21 µm 4. 결과및고찰 4.1 다이어프램의변위해석및측정압력센서의설계시, 다이어프램의변형에따른탄소섬유의저항변화를가장많이얻기위하여, 인가압력에따른다이어프램의응력분포와변형률을수치해석하였다. 21 µm 두께다이어프램에 1 기압의일정압력을가했을때, 다이어프램의응

6 422 박창신 강보선 이동원 력분포와변형률을 Fig. 7 과 8 에나타내었다. 응력이큰부분은다이어프램가장자리중앙부터중심방향으로 140 µm 까지의영역임을알수있고, 3 µm 두께의다이어프램의해석결과도유사하였다. Figure 8 은 Fig. 7 에표시한 X-X 길이단면에서의변형률을나타낸다. 응력을크게받는부분의변형률이높음을알수있으며, 이를토대로탄소섬유를가장자리의중앙위치에서가장자리와수직방향으로정렬되도록전극위치를결정하였다. Figure 9 는인가압력에따른압력센서다이어프램의변위를레이저변위계를이용하여측정한결과와수치해석결과를비교하여나타내었다. 변위측정은다이어프램의가장자리중앙부터 150 µm 전극간격사이의 110 ~ 120 µm 정도지점에레이저변위계의초점을맞추어측정하였다. 인가압력에따라다이어프램의변위는선형적으로증가하였으며, 실험측정값과수치해석값이유사하였다. 또한, 다이어프램의두께에따라변위의차이가매우큼을확인할수있다. 두께가 21 µm 인압력센서는 1 기압당 0.5 µm 정도의변위를보인반면, 3 µm 두께의다이어프램은 0.1 기압당 8 µm 정도씩변화하여총 80 µm 정도의변형이나타나, 두께 21 µm 인다이어프램보다약 160 배높은변형을나타냈다. 4.2 인가압력에따른저항특성일반적인압저항압력센서의감도, S (Sensitivity, Ω/kΩ bar) 는아래식으로구해진다. V R S 1 = = 1 (2) V p R p 0 여기서, V 는전압차, R 은저항변화값 (R-R 0, Ω), R 0 는초기저항값 (kω), p 는압력차 (bar) 이다. Figure 10은상온에서인가압력에따른탄소섬유의저항변화 ( R/R 0 ) 를측정한결과이며, 일반적으로인가압력에따라탄소섬유의저항변화가선형적으로나타남을확인할수있다. 이러한결과는탄소섬유를압저항소자로이용한압력센서의가능성을확인시켜주는점이다. 두께 21 µm 다이어프램압력센서의감도는 A-1, A-2, A-3 각각의경우, 0.31, 0.35, 0.25 Ω/kΩ bar 이 (a) (a) (b) Fig. 9 Diaphragm deflection by applied pressure; (a) t = 21 µm, (b) t = 3 µm (b) Fig. 10 Change in resistance of a carbon fiber according to applied pressure; (a) t = 21 µm, (b) t = 3 µm

7 탄소섬유를이용한압력센서제작및특성평가 423 다. A-1 의경우, 선형적저항변화특성에서약간벗어나는경향을보이는데, 이는탄소섬유가두전극사이에정확히일렬로정렬이되지않았거나, 약간의뒤틀림을갖고있는탄소섬유의경우등으로예측된다. 두께 3 µm 다이어프램압력센서의감도는 61.8 Ω/kΩ bar 로써, 두께가 21 µm 인경우보다약 200 배높은감도를보였다. 이는, 같은인가압력일지라도다이어프램두께에따라탄소섬유의저항변화가달라져감도에차이를가져오기때문이다. 즉, 다이아프램의변형특성에서도설명하였듯이, 다이어프램의두께가얇을수록변형이크게일어나서탄소섬유의저항변화가커지기때문에압력센서의감도는높아진다. 하지만, 다이어프램은인가압력에파열되지않을정도의최소한의두께는있어야한다. 압력센서의감도는제작되는다이어프램의크기와두께, 압저항소자의게이지계수, 온도조건등에따라매우다르기때문에, 센서간의정확한비교는다소어렵지만, 본연구에서제작한탄소섬유를이용한압력센서의가장높은감도는단결정실리콘을이용한압저항압력센서의일반적인감도인 30 mv/v bar 보다높거나비슷한수준임을알수있다. 압력센서의감도와밀접한관계가있는압저항소자의게이지계수, K 는아래식 (3) 에서와같이외부압력에따른압저항소자의변형률, ε 에대한저항변화율로정의된다. R 1 = R ε K (3) 0 게이지계수값이크다는것은압저항소자의감도가우수함을나타내며, 단결정실리콘압저항소자의게이지계수는대략 100 정도이다. 식 (3) 을이용하여탄소섬유의게이지계수를계산하려면, 외부응력에의한탄소섬유의저항변화와변형률을알아야한다. 하지만, 탄소섬유의변형률은탄소섬유의작은크기로인해정확한값을측정하기가어렵다. 따라서, 탄소섬유가다이어프램과완벽하게밀착되어있다고가정하여, 탄소섬유의변형률대신다이어프램의변형률을사용하면, 약 50 정도의게이지계수값이나온다. 실제실험에서는탄소섬유가다이어프램과완전히밀착되어있다고보기가어렵고, 금속전극사이에탄소섬유의끝단이고정되어있고가운데부분만이다이어프램과접촉됐을가능성이높다. 만일, 탄소섬유가다이어프램과완벽하게밀착되어있다면, 탄소섬유의변형이훨씬크게일어나고, 그에따른저항변화도많이일어나서, 50 보다는높은게이지계수값이구해질것으로예측된다. 4.3 온도특성 Figure 11은탄소섬유를이용한압력센서를상온에서 250 까지온도변화를주었을때, 온도변화에따른탄소섬유의저항변화특성을나타낸것이다. 250 에서의저항값은상온에서의저항값보다약 8.5 % 감소하였다. 이를바탕으로하여상온 ~ 250 사이의온도범위에서탄소섬유를이용한압력센서의온도의존성은 %/ 의감도오차가존재함을알수있다. 일반적인실리콘압저항압력센서는 - 40 ~ 120 온도범위에서온도의존성에의한감도오차가 0.1 %/ 이하이므로, (12,13) 탄소섬유를이용한압력센서의온도특성이기존의실리콘압저항압력센서와비슷하거나작음을알수있다. 또한, 일반실리콘웨이퍼를이용하여제작한실리콘압저항압력센서는 p- n 접합특성상 150 이상의고온에서는 p-n 접합을통한누설전류가급격히증가하여사용이불가능해진다. (14) 하지만본연구에서제안한탄소섬유를이용한압력센서는압저항소자인탄소섬유와압력센서의다이아프램사이에저응력질화막의증착이가능하다. 이박막은센서부에서실리콘기판으로흘러가는누설전류를막는절연체역할을하기때문에, 고온에따른탄소섬유와웨이퍼사이의접합누설은발생하지않는다고볼수있다. Fig. 11 Effect of temperature on the resistance of a carbon fiber.

8 424 박창신 강보선 이동원 5. 결론 본연구에서는복합재료생산에많이이용되는탄소섬유를압저항소자로이용한새로운개념의압력센서를제작하고, 그특성을분석하였다. 전체적인압력센서구조와원리는마이크로머시닝기술을기반으로제작되는실리콘압저항압력센서와유사하지만, SOI 웨이퍼와탄소섬유를압저항소자로사용하고, 유전영동법을이용하여탄소섬유를간단하고빠르게전극사이에정렬함으로써, 기존실리콘압저항압력센서의복잡한제작공정을매우단순화하였다. 제작된압력센서를이용하여, 인가압력에따른다이어프램의변형, 탄소섬유의저항변화, 온도의존성과같은특성을측정, 분석하였다. 인가압력에따른압력센서다이어프램의변위는선형적으로변화하였으며, 실험과수치해석결과가유사하였다. 인가압력에따른탄소섬유의저항변화도선형적으로나타났으며, 두께 3, 21 µm 다이어프램압력센서의감도는각각 61.8, 0.25 ~ 0.35 Ω/kΩ bar 로나타났다. 탄소섬유를사용한압력센서도감도에영향을미치는온도의존성은존재하였다. 본연구에서제안한탄소섬유를압저항소자로이용하는새로운개념의압력센서는, 간단한제작공정과, 기존압력센서와유사한성능특성으로인하여, 소형, 경량및고성능의압력센서로이용가능할수있을것으로기대된다. 참고문헌 (1) Sze, S. M., 1994, Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA. (2) Carr, J. J., 1997, Sensors and Circuits, Prentice- Hall, Inc., New Jersey, USA. (3) Obieta,I. and Gracia, F. J., 1994, Sputtered Silicon Thin Film for Piezoresistive Pressure Microsensors, Sensor & Actuators A, Vol. 41, pp. 521~528. (4) Singh, R., Ngo, L. L., Seng, H. S. and Mok, F. N. C., 2002, A Silicon Piezoresistive Pressure Sensor, The 1st IEEE Int. Workshop on Electronic Design, Test and Applications (DELTA '02), p (5) Ishihara, T., Suzaki, K., Suwazono, S., Hirata, M. and Tanigawa, H., 1987, CMOS Integrated Silicon Pressure Sensor, J. Solid-state Circuit, Vol. SC-22, pp. 151~156. (6) Kuzumaki, T. and Mitsuda, Y., 2004, Dynamic Measurement of Electrical Conductivity of Carbon Nanotubes during Mechanical Deformation by Nanoprobe Manipulation in Transmission Electron Microscopy, Applied Physics Letters, Vol. 85, pp. 1250~1252. (7) Stampfer, C., Hebling, T., Obergfell, D., Schoberle, B., Tripp, M. K., Jungen, A., Roth, S., Bright, V. M. and Hierold, C., 2006, Fabrication of Single-Walled Carbon-Nanotube-Based Pressure Sensors, Nano Letters, Vol. 6, No. 2, pp. 233~237. (8) Chen, P. W. and Chung, D.D.L., 1995, Concrete as a New Strain/stress Sensor, Carbon, Vol. 27B, pp. 11~23. (9) Takahashi, T., Mureyama, T., Higuchi, A., Awano, H. and Yonetake, K., 2005, Aligning Vapor-grown Carbon Fibers in Polydimethylsiloxane using DC Electric or Magnetic Field, Carbon, Vol. 44. pp. 1180~1188. (10) Chung, J. H. and Lee, J. H., 2003, Nanoscale Gap Fabrication and Integration of Carbon Nanotubes by Micromachining, Sensor & Actuators A, Vol. 104, pp. 229~235. (11) Chung, J. H., Hoon, K. and Lee, J. H., 2004, Toward Large-scale Integration of Carbon Nanotubes, Langmuir, Vol. 20, pp. 3011~3017. (12) Melvas, P., Kalvesten, E. and Stemme, G., 2002, A Temperature Compensated Dual Beam Pressure Sensor, Sensors and Actuators A, Vol. 100, pp. 46~53. (13) Lee, B. N., Kim, K. N., Park, H. D. and Shin, S. M., 1999, Calibration and Temperature Compensation of Silicon Pressure Sensors using Ion-implanted Trimming Resistors, Sensors and Actuators A, Vol. 72, pp. 148~152. (14) Lee, Y. T., Seo, H. D., Takano, R., Matsumoto, Y., Ishida, M. and Nakamura, T., 1995, Design Consideration for Silicon Rectangular Diaphragm Pressure Sensor with Single-element Four-terminal Strain Gauge, Sensors and Materials, Vol. 7, pp. 53~63.

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method