준 엽 
 1 대 한 기계 학회 논문집 A 권 , 제 31 권제 4 호 , pp . 417 ~ 424 , < 논문 > 탄소 섬유 를 이용 한 압력 센서 제작 및 특성 평가 박창신 * 강보선 이동원 ** ( 2006 년 8 월 4 일 접수 , 2007 년 3 월 16 일 심사 완료 ) 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 ( 탄소 섬유 ) , Piezoresistive Effect ( 압 저항 효과 ) , Dielectrophoresis ( 유전 영동 ) 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 / k Ω bar for thicker and thinner membrane , respectively . All these observations demonstrated the possibilities of carbon fiber - based pressure sensors . 1 . 서론 압력 센서 는 각종 시스템 에서 압력 을 측정 하 는 소자 로서 , 검출 방식 에 따라 , 기계식 , 전기식 , 반 도 체식 등 이 있 으며 , 최근 에 는 집적회로 기술 과 마이크 로 머시닝 기술 의 발전 으로 소형 화 , 복합 화 된다 기능 스마트 센서 에 대한 관심 이 높 아 지 고 있 다 . ( 1 , 2 ) 반도체 압력 센서 는 기계식 보다 고감도 , 고 신뢰 성 , 선형 성 이 우수 하 며 , 히스테리시스 현상 이 없 고 소형 , 경량 으로 진동 에 도 매우 강한 것 이 특징 이 다 . 이 센서 는 외부 압력 을 응력 으로 변환 하 책임 저자 , 회원 , 전남 대학교 기계 시스템 공학부 TEL : ( 062 ) FAX : ( 062 ) * 전남 대학교 기계 공학 과 대학원 ** 전남 대학교 기계 시스템 공학부 는 다이어프램 과 다이어프램 에서 발생 하 는 응력 을 전기 신호 로 변환 하 는 두 부분 으로 구성 되 어 있 다 . 다이어프램 은 단결정 실리콘 을 화학 적 으로 식각 하 여 형성 하 며 , 다이어프램 에서 발생 하 는 응력 을 전기 적 신호 로 변환 하 는 방법 으로 주로 압 저항 형 과정 전용량 형 이 가장 많이 사용 되 고 있 다 . 압 저항 형 은 응력 의 변화 가 압 저항 물질 의 저항 변화 로 나타나 는 원리 를 이용 한 것 이 며 , 저항 소자 를 형성 시킬 때 에 반도체 의 불순물 확산 공정 이 이용 되 기 때문 에 저항 확산 형 이 라고 도 한다 . 단결정 실리콘 은 변형 률 에 따른 감도 특성 이 금속 보다 대략 100 배 정도 높 아 잘 알려진 압 저항 소자 이 다 . 이러 한 단결정 실리콘 을 압 저항 소자 로 이용 한 실리콘 압 저항 형 압력 센서 는 감지 방법 이 비교 적 간단 하 고 , 고감도 , 소형 이 기 때문 에 , 고 성능 센서 시스템 에 효과 적 으로 사용 되 고 있 지만 , 온도 변화 에 민감 하 다는 단점 을 가지 고 있 다 . 이 
 2 418 박창신 강보선 이동원 러 한온 도 민감 성 은 압 저항 소자 자체 의 온도 에 따른 저항 값 변화 나 압 저항 소자 와 그것 이 부착 된 다이어프램 사이 의 온도 팽창 률 차이 에 기인 하 며 , 이 를 보상 해 주 기 위한 구조 가 필요 하 다 . ( 3 ~ 5 ) 최근 에 는 기존 압 저항 형 압력 센서 의 압 저항 소자 를 대신 할 수 있 는 물질 로 , 각광 받 고 있 는 신 소재 인 탄소 나노 튜브 를 사용 하 는 가능 성 에 대한 연구 도 진행 되 고 있 다 . ( 6 , 7 ) 하 지만 , 탄소 나노 튜브 는 나노 단위 소자 이 어서 측정 및 관측 의 어려움 이 있 고 , 한 개 의 탄소 나노 튜브 를 압 저항 소자 로써 이용 하 는 데 에 많 은 어려움 이 존재 해 , 압력 센서 제작 이용 이 하 지 않 다 . 본 연구 에서 는 탄소 나노 튜브 와 물리 적 , 기계 적 , 화학 적 특성 들 이 유사 하 지만 , 크기 가 마이크 로 단위 인 금속 성 탄소 섬유 ( Pitch - based Carbon Fiber ) 를 압 저항 소자 로 이용 한 새로운 개념 의 압력 센서 를 제작 하 고 그 특성 을 평가 하 였 다 . 전체 적 인 압력 센서 구조 는 마이크 로 머시닝 기술 을 기반 으로 제작 되 는 실리콘 압 저 항압력 센서 와 유사 하 지만 , SOI ( Silicon on Insulator ) 웨이퍼 와 탄소 섬유 를 사용 함 으로써 , 기존 실리콘 압 저 항압력 센서 의 비교 적 복잡 한 제작 공정 을 매우 단순 화 하 였 다 . 즉 , SOI 웨이퍼 내부 의 산화 막 층 ( SiO 2 ) 을 이용 함 으로써 , 압력 센서 의 다이어프램 두께 를 균일 하 고 , 정확 하 게 형성 할 수 있 다 . 또한 , 기존 실리콘 압 저 항압력 센서 의 압 저항 소자 형성 시 요구 되 는 , 불순물 확산 공정 인 이온 주입 ( Ion Implantation ) 은고 가 장비 의 이용 을 필요 로 한다는 단점 을 가지 기 때문 에 이 를 대신 하 여 , 압 저항 소자 의 역할 을 하 는 전도성 탄소 섬유 를 유전 영동 법 ( Dielectrophoresis ) 을 이용 하 여 매우 빠르 고 , 저렴 하 며 , 간편 하 게 원 하 는 위치 에 정렬 하 였 다 . 제작 된 압력 센서 를 이용 하 여 , 인가 압력 에 따른 다이어프램 의 변형 , 탄소 섬유 의 저항 변화 , 온도 의 존성 과 같 은 특성 을 측정 , 분석 하 여 , 새로운 압력 센서 로써 의 가능 성 을 살펴보 았 다 . 2 . 압력 센서 제작 2 . 1 탄소 섬유 의 특성 탄소 섬유 는 복합 재료 생산 에 가장 많이 이용 되 는 강화 섬유 이 며 , 탄소 의 육각 고리 가 연이 어 층상 격자 를 형성 하 고 있 는 구조 이 다 . 금속광택 이 있 고 , 흑색 이나 회색 을 띠 며 , 금속 ( 알루미늄 ) 보다 가벼운 반면 , 금속 ( 철 ) 에비 해탄 성 과 강도 가 뛰어나 다 . 다핵 방향 족 으로 구성 된 탄소 섬유 는 탄소 원자 사이 에 sp 2 혼 성 궤도 에 의한 결합 을 하 고 있 고 , p 궤도 에 있 는 전자 가 쉽 게 이동 할 수 있 기 때문 에 전기전도도 가 우수 하 다 . 특히 , 압 저항 소자 처럼 외부 응력 에 따라 저항 변화 가 나타나 는 압 저항 효과 ( Piezoresistive Effect ) 가 나타나 고 전기 전도성 이 우수 하 기 때문 에 응력 센서 로써 도 이용 되 고 있 다 . ( 8 ) 본 연구 에서 사용 한 탄소 섬유 는 1 , 000 의 열처리 를 통해 얻 은 피치 계 탄소 섬유 이 며 , 전도성 이 고 ~ Ω cm 범위 의 비저항 값 을 갖 는다 . 2 . 2 압력 센서 의 제작 현재 상용 화 된 실리콘 압 저 항압력 센서 를 제작 하 기 위해서 는 보통 4 ~ 5 장 정도 의 마스크 가 필요 하 며 , 제작 공정 이 비교 적 복잡 하 다 . 일반 적 인 실리콘 압 저 항압력 센서 의 다이어프램 은 대개 습식 식각 에 사용 되 는 KOH 나 TMAH ( Tetramethyl Ammonium Hydroxide ) 와 같 은 이방성 식각 용액 에 의한 벌크 마이크 로 머시닝 기술 을 기반 으로 제작 된다 . 압력 센서 의 다이어프램 을 습식 식각 으로 제작 하 려면 , 식각 용액 에 대한 실리콘 식각 비 를 계산 하 고 정확 한 제어 를 통해 제작 하 여야 한다 . 본 연구 에서 는 이러 한 복잡 한 공정 을 단순 화 하 기 위하 여 , SOI 웨이퍼 를 사용 하 였 다 . SOI 웨이퍼 는 반도체 소자 간 의 전기 적 격리 를 더욱 강화 시키 기 위해서 , 실리콘 과 실리콘 사이 에 일정 두께 의 산화층 을 만들 어 놓 은 웨이퍼 이 다 . 이 웨이퍼 를 사용 하 면 , 산화 막 층 은 식각 용액 에 반응 을 하 지 않 으면서 식각 이 정지 되 므로 , 간단 하 게 다이어프램 두께 를 정확히 제작 할 수 있 다 . 즉 , SOI 웨이퍼 의 중간 산화 막 층위 의 실리콘 두께 가 다이어프램 의 두께 가 된다 . 또한 , 불순물 확산 공정 인 이온 주 입법 에 의해 형성 되 는 저항 소자 를 사용 하 는 대신 에 , 압 저항 소자 의 역할 을 하 는 전도성 탄소 섬유 를 이용 함 으로써 , 필요 한 마스크 수 를 2 장 으로 줄여 제작 공정 을 크 게 단순 화 하 였 다 . 사용 된 마스크 는 다이어프램 위 의 전극 형성 용 마스크 와 습식 식각 으로 형성 되 는 다이어프램 제작 을 위한 식각 용 마스크 이 다 . 탄소 섬유 가 정렬 되 게 되 는 전극 위치 와 형상 을 결정 할 때 , 다이어프램 의 변형 에 따른 탄소 섬유 의 저항 변화 를 가장 많이 얻 기 위해서 는 , 응력 이 가장 크 게 걸리 는 부분 , 즉 변형 률 이 가장 큰 위치 를 파악 하 여야 한다 . 이 를 위하 여 , 일정 압력 을 다이어프램 에 인가 하 였을 때 , 다이어프램 의 응력 분포 와 변형 률 에 대해 상용 ANSYS 프로그램 을 이용 하 여 수치 해석 하 였 다 . 해석 결과 다이어프램 가장자리 의 중앙 위치 주변 에서 변형 률 이 가장 크 게 나타 
 8 424 박창신 강보선 이동원 5 . 결론 본 연구 에서 는 복합 재료 생산 에 많이 이용 되 는 탄소 섬유 를 압 저항 소자 로 이용 한 새로운 개념 의 압력 센서 를 제작 하 고 , 그 특성 을 분석 하 였 다 . 전체 적 인 압력 센서 구조 와 원리 는 마이크 로 머시닝 기술 을 기반 으로 제작 되 는 실리콘 압 저 항압력 센서 와 유사 하 지만 , SOI 웨이퍼 와 탄소 섬유 를 압 저항 소자 로 사용 하 고 , 유전 영동 법 을 이용 하 여 탄소 섬유 를 간단 하 고 빠르 게 전극 사이 에 정렬 함 으로써 , 기존 실리콘 압 저 항압력 센서 의 복잡 한 제작 공정 을 매우 단순 화 하 였 다 . 제작 된 압력 센서 를 이용 하 여 , 인가 압력 에 따른 다이어프램 의 변형 , 탄소 섬유 의 저항 변화 , 온도 의 존성 과 같 은 특성 을 측정 , 분석 하 였 다 . 인가 압력 에 따른 압력 센서 다이어프램 의 변위 는 선형 적 으로 변화 하 였으며 , 실험 과 수치 해석 결과 가 유사 하 였 다 . 인가 압력 에 따른 탄소 섬유 의 저항 변화 도 선형 적 으로 나타났으며 , 두께 3 , 21 µ m 다이어프램 압력 센서 의 감도 는 각각 61 . 8 , 0 . 25 ~ 0 . 35 Ω / k Ω bar 로 나타났 다 . 탄소 섬유 를 사용 한 압력 센서 도 감도 에 영향 을 미치 는 온도 의 존성 은 존재 하 였 다 . 본 연구 에서 제안 한 탄소 섬유 를 압 저항 소자 로 이용 하 는 새로운 개념 의 압력 센서 는 , 간단 한 제작 공정 과 , 기존 압력 센서 와 유사 한 성능 특성 으로 인하 여 , 소형 , 경량 및 고 성능 의 압력 센서 로 이용 가능 할 수 있 을 것 으로 기대 된다 . 참고 문헌 ( 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 1 st 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 . 27 B , 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 .