민감도와 압력 감지 범위가 개선된 박막 트랜지스터 통합 정전용량 방식 유연 압력 센서 배열 개발 = Development of a Capacitive type Flexible Pressure Sensor Array with Thin Film Transistors with Enhanced Sensitivity and Detection Range

국문 초록 (Abstract)

4차 산업혁명이 가속화됨에 따라 웨어러블 디바이스 및 유연 소재의 전자 섬유 및 인공 피부에 대한 개발이 활발한 시점이다. AI 기술 개발까지 더해 인간과 기계간 인터페이스 구축의 중요성이 부각됨에 따라 영상 신호나 온도, 광전자, 촉각 등 다양한 센서를 통해 정밀한 정보 습득이 요구되며 촉각 센서 분야에서도 이와 같은 이유로 촉각 정보에 대한 정밀한 정보 습득 및 분석을 유연 소재 기반의 소자를 통해 이루고자 하는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 그 중 압력 센서는 향상된 압력 감지 능력을 보유한 소자 개발이 주요 관심사이다. 압력 센서의 주요 요구 성능은 소형화, 안정성, 유연성, 민감도, 출력, 감지 범위 등 다양한 요소가 있으며 적용 환경에 따라 우선시 되는 요구 성능이 다르다.
본 연구에서는 로봇 그리퍼와 동시에 신체에도 접목 가능하도록 유연 기판 상에서 동일한 압력 input 대비 높은 output을 내는 소자 개발을 목표로 유연성 확보 및 압력 민감도와 감지 범위의 개선을 주요 요구 성능으로 선정하였다. 압력 민감도 및 감지 범위를 향상시키기 위해 압력 센서의 유전체 구조 개질을 통한 복합 박막 구조를 적용하였다. 이에 따라 피라미드 구조와 다공성 구조가 단일 막 대신 적층된 구성으로 형성하였다. 이를 통해 인가 압력에 대한 유전체 압착 메커니즘의 구분을 극대화하는 것이 목표였으며 이를 위해 다양한 유전체 구조에 대하여 압력에 대한 정전용량 변화 양상을 관찰하였다. ΔC/C0 및 Sensitivity값에 기반하여 최적 패턴 및 구조를 선정하였고 해당 구조는 100 kPa 이상의 고압 범위에서 우수한 감도와 감지 범위를 나타냈다.
마찰전기적(PDMS), 압전기적(P(VDF-TrFE)), 및 강유전성(BaTiO3) 특성이 피라미드 및 다공성 구조에 복합되었으며, 해당 복합적인 전기적 특성을 보이는 압력 센서 구조에서 가장 우수한 정전용량 특성을 보유하였다. 최종적으로 박막 트랜지스터 및 압력 센서 배열로 통합된 소자의 신뢰성을 압력 감지 기능 및 내구성 실험을 통해 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 요 지 Ⅵ
• 1. 서 론 · 1
• 1-1. 연구 배경 1
• 1-1-1. 유연 촉각 압력 센서 1
• 1-1-2. 정전용량 방식 압력 센서 3
• 1-1-3. 박막 트랜지스터와 통합된 압력 센서 배열 · 4
• 1-2. 연구 동향 5
• 1-2-1. 연구 동향 · 5
• 1-2-2. 기존 연구와의 차이점 7
• 1-3. 연구 목표 및 방법 8
• 1-3-1. 연구 목표 · 8
• 1-3-2. 연구 방법 · 9
• 2. 설 계 10
• 2-1. 단일 소자 photo mask 설계 10
• 2-2. 통합 소자 photo mask 설계 12
• 2-3. 배열 shadow mask 설계 14
• 3. 제작 16
• 3-1. 하단 박막 트랜지스터 배열 제작 · 16
• 3-1-1. Bottom gate electrode 패턴 증착 · 16
• 3-1-2. Gate insulator 패턴 증착 17
• 3-1-3. Active layer 패턴 증착 18
• 3-1-4. Source/Drain 패턴 photo-lithography 19
• 3-2. 상단 압력 센서 유전체 Si Mold 제작 · 21
• 3-2-1. Si wafer 기판 준비 · 21
• 3-2-2. 유전체 패턴 photo-lithography 22
• 3-2-3. 건식 식각(RIE) 및 HMDS treatment 24
• 3-2-4. PR strip 및 습식 식각(KOH) 26
• 3-2-5. 습식 식각(BOE) 및 CF4 Plasma treatment 29
• 3-3. 상단 압력 센서 유전체 제작 31
• 3-3-1. BaTiO3 및 P(VDF-TrFE) annealing 31
• 3-3-2. PDMS blade coating · 32
• 3-3-3. PDMS 및 Polystyrene curing 33
• 3-3-4. Polystyrene 선택 습식 식각(Toluene) 34
• 3-4. 박막 트랜지스터와 통합된 압력 센서 배열 제작 35
• 4. 실험 방법 36
• 4-1. 하단 박막 트랜지스터 구조 별 성능 비교 실험 36
• 4-2. 상단 압력 센서 유전체 패턴 별 성능 비교 실험 37
• 4-3. 상단 압력 센서 유전체 구조 별 성능 비교 실험 38
• 4-4. 압력 감지 능력 및 내구도 실험 39
• 5. 결과 및 토의 41
• 5-1. 하단 박막 트랜지스터 구조 별 실험 결과 41
• 5-1-1. Gate insulator 구조 별 I-V curve 결과 41
• 5-1-2. 유연 기판 적용 하단 박막 트랜지스터 배열 I-V curve 결과 · 43
• 5-2. 상단 압력 센서 유전체 패턴 별 실험 결과 · 44
• 5-2-1. 유전체 패턴 별 C-V curve 결과 · 44
• 5-2-2. 유전체 패턴 별 ΔC/C0 결과 · 45
• 5-2-3. 유전체 패턴 별 Sensitivity 결과 46
• 5-3. 상단 압력 센서 유전체 물질 및 구조 별 실험 결과 48
• 5-3-1. 유전체 구조 별 ΔC/C0 결과 · 48
• 5-3-2. 유전체 구조 별 Sensitivity 결과 49
• 5-3-3. 유전체 구조 별 Detection range 결과 50
• 5-3-4. 유전체 구조 별 Linearity 결과 51
• 5-4. FE-SEM 및 EDS 결과 53
• 5-5. 압력 감지 능력 및 내구도 실험 결과 55
• 5-5-1. 배열 감지 구분 Test 결과 · 55
• 5-5-2. Cycle Test 결과 57
• 6. 결 론 59
• 참고문헌 · 61
• Abstract · 64
• 감사의 글 66