[0001]【技术领域】
[0002][0001]본 발명은 스트레인 게이지에 관한 것으로, 보다 구체적으로 쇼트키 장벽 변화 기반의 스트레인 게이지 및 이를 포함하는 스트레인 센서에 관한 것에 관한 것이다.
[0003]【背景技术】
[0004][0002]스트레인 게이지(Strain gauge)는 가해지는 기계적 힘의 크기에 따른 변화를 전기 신호로 검출하는 기기이다. 측정하고자 하는 물체에 부착하면 그 표면에서 발생하는 기계적 힘(Strain)을 측정하는 것이 가능하다.
[0005][0003]일반적으로 사용되고 있는 금속 스트레인 게이지는 힘에 의한 변형에서 발생하는 저항 변화를 기반으로 하고, 3 이하의 낮은 게이지율(gauge factor)을 갖는다. 그렇기 때문에 1,000~10,000배로 신호를 증폭시켜야 기계적 힘을 읽을 수 있고 증폭을 위한 추가적인 증폭 회로 연결이 필요하다.
[0006][0004]이를 극복하고자 피에조 저항 효과(Piezoresistive effect)를 이용한 높은 게이지율을 갖는 반도체 스트레인 게이지가 개발되었으나, 측정하고자 하는 힘의 크기가 점차 미세해짐에 따라 이 역시 추가적인 증폭 회로 연결이 필요하게 되었고 더 큰 게이지율을 가지는 센서가 요구되고 있다.
[0007][0005]본 발명의 일 목적은 높은 게이지율을 갖는 쇼트키 장벽 변화 기반 스트레인 게이지를 제공하는 것이다.
[0008][0006]본 발명의 다른 목적은 상기 스트레인 게이지를 포함하는 스트레인 센서를 제공하는 것이다.
[0009][0007]본 발명의 일 목적을 위한 스트레인 게이지는 베이스 기재 상에 배치되고 압전 물질로 형성된 압전 효과 채널; 상기 베이스 기재 상에 상기 압전 효과 채널과 연결되도록 상기 압전 효과 채널 양단에 각각 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 압전 효과 채널 상부로부터 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 적어도 하나로 연장된 적어도 하나의 그래핀 전극을 포함하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 적어도 하나는 상기 그래핀 전극을 통해 상기 압전 효과 채널과 연결된다.
[0010][0008]일 실시예에서, 상기 그래핀 전극을 하나 포함하는 경우, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 하나는 상기 그래핀 전극을 통해 상기 압전 효과 채널에 연결되고, 상기 그래핀 전극과 연결되지 않은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 다른 하나는 상기 압전 효과 채널과 직접 연결될 수 있다.
[0011][0009]일 실시예에서, 본 발명의 스트레인 게이지는 상기 그래핀 전극을 둘 포함하는 경우, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 각각 상기 그래핀 전극을 통해 상기 압전 효과 채널과 연결될 수 있다.
[0012][0010]일 실시예에서, 상기 압전 물질은 압전 반도체일 수 있다.
[0013][0011]이때, 상기 압전 반도체는 이황화몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2)을 포함할 수 있다.
[0014][0012]이때, 상기 압전 반도체는 II-VI족 간 화합물 반도체 및 III-V족 간 화합물 반도체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[0015][0013]일 실시예에서, 상기 압전 효과 채널 및 상기 그래핀 전극 중 적어도 하나는 도펀트로 도핑될 수 있다.
[0016][0014]일 실시예에서, 외력이 가해지는 경우, 상기 그래핀 전극 및 상기 압전 효과 채널 사이의 쇼트키 장벽이 변화할 수 있다.
[0017][0015]본 발명의 일 목적을 위한 다른 스트레인 게이지는 베이스 기재 상에 배치되고 압전 물질로 형성된 압전 효과 채널; 상기 베이스 기재 상에 상기 압전 효과 채널과 연결되도록 상기 압전 효과 채널 양단에 각각 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 압전 효과 채널 상부로부터 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 적어도 하나로 연장된 적어도 하나의 그래핀 전극; 상기 스트레인 게이지는 상기 압전 효과 채널 상부에서 상기 압전 효과 채널과 상기 그래핀 전극의 접촉부를 커버하도록 배치된 게이트 전극; 및 상기 게이트 전극과 상기 압전 효과 채널 사이에 게재되도록 상기 압전 효과 채널 및 상기 그래핀 전극 상에 배치된 유전막을 포함하고, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 적어도 하나는 상기 그래핀 전극을 통해 상기 압전 효과 채널과 연결된다.
[0018][0016]일 실시예에서, 상기 그래핀 전극을 하나 포함하는 경우, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 하나는 상기 그래핀 전극을 통해 상기 압전 효과 채널에 연결되고, 상기 그래핀 전극과 연결되지 않은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 중 다른 하나는 상기 압전 효과 채널과 직접 연결될 수 있다.
[0019][0017]일 실시예에서, 본 발명의 스트레인 게이지는 상기 그래핀 전극을 둘 포함하는 경우, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 각각 상기 그래핀 전극을 통해 상기 압전 효과 채널과 연결될 수 있다.
[0020][0018]일 실시예에서, 상기 압전 물질은 압전 반도체일 수 있다.
[0021][0019]이때, 상기 압전 반도체는 이황화몰리브덴을 포함할 수 있다.
[0022][0020]이때, 상기 압전 반도체는 II-VI족 간 화합물 반도체 및 III-V족 간 화합물 반도체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[0023][0021]일 실시예에서, 외력이 가해지는 경우, 상기 그래핀 전극 및 상기 압전 효과 채널 사이의 쇼트키 장벽이 변화할 수 있다.
[0024][0022]본 발명의 다른 목적을 위한 스트레인 센서는 상기에서 설명한 본 발명의 스트레인 게이지 중 어느 하나를 포함한다.
[0025][0023]본 발명에 따르면, 본 발명은 압전 효과 채널과 그래핀 전극을 구비하여 기존의 스트레인 게이지 보다 높은 게이지율을 갖는 쇼트키 장변 변화 기반의 스트레인 게이지를 제공할 수 있다. 본 발명의 스트레인 게이지는 추가 증폭장치 없이도 높은 스트레인 게이지율을 가져, 신호 증폭 회로를 요구하지 않아 면적을 감소시킬 수 있는 동시에 우수한 민감도로 기존 스트레인 센서로는 측정이 어려운 스트레인을 높은 민감도로 측정할 수 있다.
[0026]【附图说明】
[0027][0024]도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 스트레인 게이지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.도 3은 본 발명의 스트레인 게이지를 설명하기 위한 모식도이다.도 4는 본 발명의 스트레인 게이지의 쇼트키 장벽 변화를 설명하기 위한 도면이다.도 5는 본 발명의 스트레인 게이지의 전류 변화 및 게이지율 변화를 설명하기 위한 도면이다.
[0028][0025]이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
[0029][0026]본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
[0030][0027]다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
[0031][0028]도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 스트레인 게이지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
[0032][0029]도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 본 발명의 스트레인 게이지는 베이스 기재(110) 상에 배치된 압전 효과 채널(120), 소스 전극(130), 드레인 전극(140) 및 그래핀 전극(150, 151, 152)을 포함한다.
[0033][0030]베이스 기재(110)는 그 형상이나 구조가 특별히 제한되지 않는다. 다만, 본 발명의 베이스 기재(110)는 유연성을 갖는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 유연성을 갖는 고분자 기판 등이 사용될 수 있다. 일 실시예로, 베이스 기재(110)가 고분자 기판인 경우, 본 발명의 베이스 기재(110)는 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 및/또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)로 형성될 수 있다.
[0034][0031]압전 효과 채널(120)은 베이스 기재(110) 상에 배치되고, 압전 효과를 갖는 압전 물질로 형성된다. 일 실시예로, 압전 물질은 피에조 효과(Piezo-electric effect) 특성을 갖는 반도체 물질(압전 반도체)일 수 있고, 예를 들어, 압전 반도체는 II-VI족 간 화합물 반도체 및 III-V족 간 화합물 반도체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 II-VI족 간 화합물은 황화카드뮴(CdS), 셀렌화카드뮴(CdSe), 산화아연(ZnO), 황화아연(ZnS) 등을 포함하고, 상기 III-V족 간 화합물은 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 등을 포함할 수 있다. 또는, 상기 압전 반도체는 이황화몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 이황화몰리브덴은 단층 이황화몰리브덴(Monolayer MoS2)인 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예로, 압전 효과 채널(120)은 도펀트로 도핑된 것이 바람직할 수 있고, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 하기에서 후술하도록 한다.
[0035][0032]소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 각각 베이스 기재(110) 상에서 압전 효과 채널(120)과 전기적 소통 가능하게 연결되도록 압전 효과 채널(120) 양단에 배치된다. 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 각각 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 그래핀, 전도성 고분자, 전도성 금속 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 그래핀 또는 금속일 수 있다.
[0036][0033]그래핀 전극(150, 151, 152)은 압전 효과 채널(120)의 상부로부터 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140) 중 적어도 하나로 연장된다. 본 발명의 스트레인 게이지는 적어도 하나의 그래핀 전극(150, 151, 152)을 포함한다. 일 실시예로, 도 1의 a 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 본 발명의 스트레인 게이지가 하나의 그래핀 전극(150)을 포함하는 경우, 하나의 그래핀 전극(150)은 압전 효과 채널(120)의 상부로부터 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140) 중 하나로 연장되고(도 1a에서는 드레인 전극(140)으로 연장된 경우를 도시함), 그래핀 전극(150)과 연결된 전극(드레인 전극(140)/소스 전극(130))은 그래핀 전극(150)을 통해 압전 효과 채널(120)과 연결된다. 이때, 그래핀 전극(150)과 연결되지 않은 다른 하나의 전극(소스 전극(130)/드레인 전극(140))은 압전 효과 채널(120)과 직접 연결된다. 한편, 다른 실시예로, 도 1b 및 도 1d에 도시한 바와 같이, 본 발명의 스트레인 게이지가 두 개의 그래핀 전극(151, 152)을 포함하는 경우, 각각의 그래핀 전극(151, 152)은 각각 압전 효과 채널(120)의 상부로부터 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)으로 연장되어, 각각 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)이 그래핀 전극(151, 152)을 통해 압전 효과 채널(120)과 연결된다. 이때, 그래핀 전극(150)은 도펀트로 도핑된 것이 바람직할 수 있고, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 하기에서 후술하도록 한다.
[0037][0034]또한, 본 발명의 스트레인 게이지는 게이트 전극(160) 및 유전막(170)을 더 포함할 수 있다(도 1c 및 1d 참조).
[0038][0035]게이트 전극(160)은 압전 효과 채널(120) 상부에서, 압전 효과 채널(120) 및 이의 상부로부터 연장되는 그래핀 전극(150)의 접촉부를 커버하도록 배치된다. 예를 들어, 그래핀 전극(150)이 하나인 경우, 게이트 전극(160)은 하나의 그래핀 전극(150)과 압전 효과 채널(120)의 단일 접촉부를 커버하는 크기 및 위치로 압전 효과 채널(120) 상부에 배치될 수 있고, 그래핀 전극이 두 개인 경우, 게이트 전극(160)은 두 개의 그래핀 전극(151, 152)이 각각 압전 효과 채널(120)과 접촉하는 제1 접촉부 및 제2 접촉부 모두를 커버하는 크기 및 위치로 압전 효과 채널(120) 상부에 배치될 수 있다. 게이트 전극(160)은 도전성 물질로 형성될 수 있고, 예를 들면, 금속 또는 그래핀으로 형성될 수 있다.
[0039][0036]유전막(170)은 게이트 전극(160)과 압전 효과 채널(120) 사이에 게재되도록 압전 효과 채널(120) 및 그래핀 전극(150) 상에 배치된다. 유전막(170)은 압전 효과 채널(120) 및 압전 효과 채널(120) 상부에서 압전 효과 채널(120)과 이의 상부로부터 연장되는 그래핀 전극(150)의 접촉부를 커버하도록 배치된 게이트 전극(160) 사이에 게재되도록 배치되어, 압전 효과 채널(120)과 압전 효과 채널(120)과 그래핀 전극(150)의 접촉부를 포함하여 그래핀 전극(150)의 일부를 커버하도록 배치된다. 유전막(170)은 유전체 물질로 형성될 수 있고, 유전체 물질은 정전기장을 가할 때 전기편극은 생기지만 직류전류는 생기지 않게 하는 물질이면 특별히 제한되지 않고 가능하다. 예를 들어, 유전막(170)은 h-BN, Al2O3, HfO2 등으로 형성될 수 있다.
[0040][0037]이하에서, 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 본 발명의 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기로 한다.
[0041][0038]도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
[0042][0039]먼저, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 스트레인 게이지의 각 제조 단계에서의 단면도를 나타내고, 도 2a 내지 도 2d에서 도시된 구조의 각 구성 요소 도면부호는 도 1a 내지 도 1d를 참조한다.
[0043][0040]먼저, 도 2a 및 도 2b의 (S1)을 도 1a 내지 도 1d와 함께 참조하면, 베이스 기재(110) 상에 압전 물질로 압전 효과 채널(120)을 형성한다. 이때, 도면에서는 도시하지 않았으나, 압전 효과 채널(120)은 도펀트로 도핑될 수 있고, 일례로, 도펀트로 도핑된 압전 물질로 형성하거나, 이와 달리, 압전 물질로 압전 효과 채널(120)을 형성한 후 도펀트로 도핑하는 공정을 더 포함할 수 있다.
[0044][0041]도 2a 및 도 2b의 (S2) 및 (S3)를 참조하면, 압전 효과 채널(120) 상에 그래핀을 전사하여 그래핀 층을 형성한 후(S2), 형성된 그래핀 층을 패터닝하여 그래핀 전극(150, 151, 152)을 형성한다(S3). 일례로, 상기 그래핀 층의 패터닝은 포토리소그래피 공정으로 수행할 수 있다. 이때, 그래핀 층을 패터닝하여 형성되는 그래핀 전극(150, 151, 152)은 하나(도 2a 참조) 또는 두 개일 수 있다(도 2b 참조). 일례로, 도면에서는 도시하지 않았으나, 그래핀 전극(150, 151, 152)은 도펀트로 도핑될 수 있고, 예를 들어, 그래핀 전극(150, 151, 152)은 도펀트로 도핑된 그래핀으로 형성되거나, 이와 달리, 그래핀 전극(150, 151, 152)을 형성한 후 도펀트로 도핑하는 공정을 더 포함할 수 있다.
[0045][0042]도 2a 및 도 2b의 (S4)를 참조하면, 그래핀 전극(150, 151, 152)이 형성된 베이스 기재(110) 상에서 압전 효과 채널(120) 양단에 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)을 형성한다. 이때, 예를 들어, 그래핀 전극(150)을 하나 형성하는 경우(도 2a 참조), 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140) 중 어느 하나는 압전 효과 채널(120)과 직접 접촉하여 연결되도록 형성하고, 다른 하나는 그래핀 전극(150)과 연결되도록 형성하여, 그래핀 전극(150)을 통해 압전 효과 채널(120)과 간접 연결되도록 형성할 수 있다. 또한, 이와 달리, 그래핀 전극(151, 152)을 두 개 형성하는 경우(도 2b 참조), 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 각각 압전 효과 채널(120) 양단에 직접 접촉하도록 형성할 수 있다.
[0046][0043]즉, 이에 따라, 상기에서 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 본 발명의 스트레인 게이지를 제조할 수 있다.
[0047][0044]한편, 상기에서 도 1c 및 1d를 참조하여 설명한 것과 같은 구조의 게이트 전극(160) 및 유전막(170)을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은 도 2c 및 도 2d에서 나타낸다.
[0048][0045]도 2c 및 도 2d의 (S1) 내지 (S3)은 실질적으로 상기 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 이에 중복되는 상세한 설명은 생략하고 차이점을 위주로 후술하도록 한다.
[0049][0046]도 2c 및 도 2d의 (S4)를 참조하면, 그래핀 전극(150, 151, 152)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 유전막(170)을 형성한다. 유전막(170)은 유전체 물질을 원자층 증착(ALD) 또는 화학기상증착(CVD)하여 형성할 수 있다.
[0050][0047]도 2c 및 도 2d의 (S5)를 참조하면, 유전막(170)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 게이트 전극(160)과 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)을 형성한다. 이때, 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)은 베이스 기재(110) 상의 압전 효과 채널(120) 양단에 형성하고, 게이트 전극(160)은 유전막(170) 상에 형성한다. 소스 전극(130) 및 드레인 전극(140)의 형성은 도 2a 및 도 2b의 (S4)를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일하므로, 이에 중복되는 상세한 설명은 생략하고 게이트 전극(160)의 형성을 위주로 설명하기로 한다. 게이트 전극(160)은 유전막(170) 상에 형성하는데, 이때, 게이트 전극(160)은 압전 효과 채널(120)과 그래핀 전극(150, 151, 152) 사이의 접촉부를 모두 커버하도록 형성한다. 즉, 게이트 전극(160)의 크기와 게이트 전극(160)이 형성되는 위치는 압전 효과 채널(120)과 그래핀 전극(150, 151, 152) 사이의 접촉부를 모두 커버하는 크기 및 위치일 수 있다.
[0051][0048]이하에서는, 도 3 내지 도 5와 표 1을 참조하여 그래핀 전극을 포함하는 본 발명의 스트레인 게이지의 특성을 설명하기로 한다.
[0052][0049]먼저, 도 3은 본 발명의 스트레인 게이지를 설명하기 위한 모식도이다.
[0053][0050]도 3의 a는 그래핀 전극을 포함하는 본 발명의 스트레인 게이지의 밴드 다이어그램을 나타내고, b는 일반 금속 전극을 포함하는 스트레인 게이지의 밴드 다이어그램을 나타낸다.
[0054][0051]도 3를 도 1a 내지 도 1d와 함께 참조하면, 본 발명의 압전 효과 채널(120)은 피에조 효과 특성을 갖는 압전 물질(도 3에서는 MoS2를 예시적으로 도시)로 형성되어, 외부 힘(strain)을 가하는 경우 채널 물질 내부에 분극화된 전하를 발생시키고 이 분극화된 전하는 내부 전계를 발생시킨다. 이때, 본 발명의 스트레인 게이지는 디랙 포인트(Dirac point) 근처의 상태 밀도가 적어서 전계에 의해 쉽게 페르미 레벨이 변화하는 그래핀 전극(150)을 포함하고 있어, 도 3의 a에서 도시한 바와 같이, 발생된 전계에 의해 압전 효과 채널(120)과 연결된 그래핀 전극(150)의
