가스 센서 성능 향상을 위한 마이크로 히터 구조 설계 = Design of Microheater Structures for Enhanced Performance of a Gas Sensor

국문 초록 (Abstract)

가스 센서는 산업 안전 분야, 의료 및 환경 분야 등 다양한 분야에서 수요와 필요성이 증가하고 있다. 산업 현장에서 가연성 가스나 유해 가스를 조기에 감지함으로써 폭발 및 중독 사고를 예방할 수 있으며 의료 분야에서는 호기 내 가스를 분석하여 질병 조기 진단 등에 활용되고 있다. 또한 대기오염 및 기후 변화에 대응하기 위한 가스 센서의 수요도 지속적으로 증가하고 있다. 따라서 이와 관련하여 고신뢰성 센서 기술 개발 필요성이 부각되고 있다.
가스센서는 센서 감지층에서 타겟 가스의 흡착과 탈착을 활성화시키기 위하여 최적 반응 온도 조건을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 따라서 금속 산화물 반도체 가스 센서에서 마이크로 히터는 필수 구성 요소이며 센서 신뢰성을 향상시키는 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 가스 센서의 신뢰성 향상을 위해 다양한 마이크로 히터 형상에 대하여 인가 전압에 따른 발열 온도를 시뮬레이션 하였다. 또한 그 결과를 비교 분석 함으로써 가스 센서에 적합한 히터 구조를 도출하고 그 특성을 확인하였다.
마이크로 히터 형상 설계 및 시뮬레이션에는 ANSYS Electronics Desktop Student 2023 R2 프로그램을 사용하였고, 전류 분포 해석과 정상 상태에서의 온도를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 형상은 가장 균일한 전류 밀도 및 열 분포를 나타낸 나선형 구조의 형상을 마이크로 히터로 적용하였다. 시뮬레이션을 통해 예측된 히터 온도와 실제 측정된 온도 간의 오차율은 4.3%로 나타났으며, 이를 통해 시뮬레이션 기반 마이크로 히터 설계가 실제 제작에서도 큰 오차가 없음을 확인하였다. 센서는 산화주석을 감지 물질로 적용하였고, 암모니아 가스를 타겟 가스로 감지 성능 실험을 수행한 결과 농도 증가에 따른 저항 변화가 우수한 선형성을 나타내었고, 반복 측정 시 변동률도 신뢰성 기준에 만족하였다. 선택성 평가에서도 타 가스와 비교해 암모니아 가스에서 가장 큰 저항 응답을 나타내며 높은 선택성을 확인하였다.
본 논문에서 도출된 시뮬레이션 기반 히터 형상 분석과 실험 결과는 가스 종류별 최적 작동 온도 설정 및 센서 구조 설계에 필요한 전기적‧열적 기준을 제시함으로써 향후 다양한 타겟 가스 검출을 위한 고감도‧고신뢰성 센서 개발의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅲ
• 그 림 목 차 ⅳ
• 기 초 약 어 ⅶ
• 국 문 요 약 ⅹ
• Ⅰ. 연구 배경 및 필요성 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• Ⅱ. 기초 이론 4
• 2.1 센서 이론 4
• 2.1.1 센서의 개요 4
• 2.1.2 센서의 특성 5
• 2.2 가스 센서 14
• 2.2.1 가스의 성질 14
• 2.2.2 가스 센서 종류와 구조 15
• 2.3 가스 센서 히터 22
• 2.3.1 마이크로 히터 22
• 2.3.2 마이크로 히터 동작 원리 25
• 2.3.3 전류와 전류밀도 27
• 2.3.4 전기저항 28
• 2.3.5 열전달 이론 30
• Ⅲ. 마이크로 히터 형상 시뮬레이션 38
• 3.1 마이크로 히터 시뮬레이션 38
• 3.1.1 마이크로 히터 모델링 38
• 3.1.2 마이크로 히터 온도 시뮬레이션 41
• Ⅳ. 시작품 제작 및 성능 평가 99
• 4.1 마이크로 히터 설계 및 시뮬레이션 99
• 4.2 가스 센서 공정 110
• 4.2.1 마이크로 히터 공정 112
• 4.2.2 감지층 공정 116
• 4.3 센서 성능 평가 118
• Ⅴ. 결론 123
• Ⅵ. 참고문헌 126
• ABSTRACT 132