이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서 및 그 제조방법{Tactile Sensor using MoS2 and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 힘의 세기를 측정할 수 있는 촉각센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

촉각 센서는 헬스 케어 모니터링 시스템에서 로보틱스의 전자 피부(E-스킨) 분야에서 많은 연구 관심을 끌고 있다. 좋은 감도와 기계적 유연성을 갖추면서도 대면적과 고성능인 촉각 센서의 개발에 많은 노력이 들어가고 있다. 이를 위해 다양한 스트레인 물질들이 연구되고 있다. 그래핀 또는 카본나노튜브와 같은 나노물질, 금속입자-폴리머와 도전성 물질-나노구조의 폴리머와 같은 하이브리드 물질들이 포함된다. 외부 스트레인에 대한 고감도에도 불구하고 현존하는 센서들은 몇가지 문제점을 갖고 있다. 즉, 높은 히스테리시스, 비선형성, 열악한 반복성이 그것이다.

예를 들어, 기존 촉각 센서에 재료로 널리 사용되는 압력 감응형 고무(Pressure sensitive Rubber, PSR)는 반복성이 좋지 않고 높은 이력 특성을 가진다. 또한 얇은 실리콘을 사용하는 촉각 센서는 민감도가 좋지만, 굴곡이 심한 표면 위에서 유연성의 한계점을 지닌다.

한편, 반도체 물질에 기반한 압전저항 센서는 높은 감도와 안정된 동작 성능을 갖는다. 선택적으로 MoS ₂ 반도체는 두드러진 기계적 성능, 광학적 투과율, 높은 게이지 팩터 및 조율 가능한 밴드갭으로 인해 최근 많은 관심을 끌고 있다. 이로 인해 실제 응용분야에서의 센서 개발에 많은 연구개발이 이루어지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 힘의 세기 측정에 관해 민감도가 매우 높고, 투명한 이황화몰리브덴(MoS ₂ )을 이용한 촉각센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 유연하고 대면적의 센서 생산이 가능한 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은, 능동 소자 구동 회로와 결합하여 높은 스위칭 속도를 구현할 수 있기 때문에 고밀도 집적 공정이 가능한 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 실리콘 기반의 웨이퍼(60)를 준비하는 단계(제 1 단계); 웨이퍼(60)의 일면을 패시베이션 처리하여 제 1 패시베이션층(62)을 형성하는 단계(제 2 단계); 제 1 패시베이션층(62)상에 그래핀층(64)을 성막하는 단계(제 3 단계); 그래핀층(64)을 패터닝하여 그래핀패턴(65)을 형성하는 단계(제 4 단계); 그래핀패턴(65)위에 이산화황몰리브덴(70)을 인쇄하고 패터닝하는 단계(제 5 단계); 이산화황몰리브덴(70)의 일면을 패시베이션 처리하여 제 2 패시베이션층(80)을 형성하는 단계(제 6 단계); 및 웨이퍼(60)로부터 분리하여 촉각센서를 생성하는 단계(제 7 단계);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서의 제조방법이 제공된다.

그리고, 제 3 단계에서 그래핀층(64)은 CVD 방법에 의해 성막될 수 있다.

또한, 제 1, 2 패시베이션층(62, 80)중 적어도 하나는 SU-8 에폭시를 포함하는 것이 가능하다.

아울러, 제 4 단계에서의 패터닝은 그래핀층(64)으로부터 형성된 제 1, 2 그래핀 전극(110, 115)이 각각 연장되어 상호 접촉없이 교호적으로 맞물리는 형상인 것이 더욱 바람직하다.

뿐만 아니라, 제 5 단계는 포토리소그래피 공정에 의해 수행될 수 있다.

그리고, 제 3 단계의 그래핀층(64)의 두께는 0.5 ~ 1.0 nm 범위이고, 제 5 단계에서 이산화황몰리브덴(70)의 두께는 1 ~ 2 nm 범위이다.

촉각센서는 가로변의 길이가 1.5 mm ~ 2.5 mm 범위이고, 세로변의 길이가 1.5 mm ~ 2.5 mm 범위이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 카테고리로서, 전술한 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서에 의해 달성될 수 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 카테고리는, 그래핀전극(110, 115)으로부터 연장되어 패턴을 형성하는 그래핀 패턴층(65); 및 그래핀 패턴(65)의 일면에 형성된 이황화몰리브덴층(70);을 포함하는 것을 특징으로 하는 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서이다.

그리고, 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서는 80% 이상의 투과율을 갖는다.

또한, 촉각센서는 스트레인 게이지(150)로 사용하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 힘의 세기 측정에 관해 MoS ₂ 는 반도체 특성을 지니기 때문에 민감도가 매우 높고, 전극으로 사용되는 그래핀과의 좋은 접촉 특성을 지니며, 투명한 특징이 있다.

그리고, 나노미터 수준의 두께로 인해 매우 유연하고 대면적의 센서 생산이 가능하여 손가락이나 가죽 등의 소재에 이용될 수 있다.

아울러, 능동 소자 구동 회로와 결합하여 높은 스위칭 속도를 구현할 수 있기 때문에 고밀도 집적 공정을 통해 대량생산이 가능하다.

따라서, 본 발명의 촉각센서는 피부 위에 센서를 구현하거나 옷감 등에 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.

더 나아가, 본 발명에 따른 유연 촉각 센서는 인체 등에 이식되거나 피부 위에 부착되어 의료용으로 사용될 수 있으며, 인공 피부로의 활용도도 매우 높다. 또한, 압력을 구분하기 때문에 디스플레이와 결합된 촉각 인터페이스 활용이 가능하고, 외부 회로와 연결되어 기기를 제어할 수 있는 리모컨 시스템에 활용될 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 웨이퍼-크기의 박막 MoS ₂ 를 합성하기 위하여 개략적인 장치 구성도,
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서 제조방법을 단계적으로 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각센서가 응용된 스트레인 게이지 디바이스(100)의 평면도,
도 7은 도 6중 A-부분의 부분확대 사시도,
도 8 내지 도 10은 도 1에 의해 합성된 박막 MoS ₂ 의 성능을 측정한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.

본 출원에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

박막 MoS ₂ 의 합성

도 1은 웨이퍼-크기의 박막 MoS ₂ 를 합성하기 위하여 개략적인 장치 구성도이고, 도 8 내지 도 10은 도 1에 의해 합성된 박막 MoS ₂ 의 성능을 측정한 그래프이다. 도 1, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 박막 이황화몰리브덴(MoS ₂ )을 합성하기 위하여, 합성장치의 구성을 먼저 설명한다.

제 3 튜브(10)의 내부에는 2인치 쿼츠 튜브인 제 1 튜브(20)와 제 2 튜브(30)가 병렬로 구비된다. 제 1 영역(21)은 제 1 튜브(20)의 내부로서 황(S)이 공급되고, 제 2 영역(31)은 제 2 튜브(30)의 내부로서 MoO ₃ 파우더가 공급되고, 제 3 튜브(10)중 나머지 영역으로는 아르곤 기체(45)가 공급된다. 제 3 영역(41)은 제 1, 2 영역(21, 31)의 전방으로서 베이스(47)가 구비되고, 베이스(47) 위에는 합성을 위한 웨이퍼 크기의 기판(40)이 놓여진다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 합성장치의 합성 공정에 대해 상세히 설명하도록 한다. 먼저, 0.5 ~ 1.5gdml 황(S)(25)을 제 1 튜브(20)의 제 1 영역(21)에서 공급한다. 이와 동시에 20 ~ 70 mg의 MoO ₃ 파우더(99.5%, 시그마-올드리치)(35)를 제 2 튜브(30)의 제 2 영역(31)에서 공급한다.

그리고 4 cm ×3 cm 의 SiO ₂ (300nm)/Si 기판(40)을 하류의 제 3 영역(41)에 구비한다. 제 1 영역(S 파우더), 제 2 영역(MoO ₃ 파우더), 제 3 영역(SiO ₂ /Si)의 설정 온도는 각각 110 ~ 150℃, 580 ~ 650℃, 650 ~ 750℃이다. 반응과정중 제 3 튜브(10)는 아르곤(45) 분위기(100 sccm의 유동속도)에서 저압(0.7 Torr)을 유지한다. 30 ~ 60분후, 로를 끄고, 챔버내의 기판(40)을 실온까지 서냉시켜 완성한다.

이하에서는 상기와 같은 공정으로 합성된 MoS ₂ 기판의 품질검사에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 8에 도시된 바와 같이, AFM(Atomic Force Microscopy)를 사용하여 합성된 MoS ₂ 층의 두께를 측정하였더니 1.4 nm 이하 이거나 이중층이였다. 이러한 이중층 MoS ₂ 는 전기적 특성과 광학적 특성이 가장 합리적인 특성을 나타내기 때문이다. MoS ₂ 이중층내의 Mo와 S의 결합에너지를 측정하기 위하여, XPS(X-ray Photoemission Spectroscopy)를 사용하였다. 도 8에 도시된 바와 같이 Mo 3d _5/2 및 Mo 3d _3/2 의 두개 피크가 229.4 eV 및 232.5 eV에 위치한다. 그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 2가 황화 이온(S ^2- )의 오비탈 S 2p _3/2 와 S 2p _1/2 에 대응하는 2개의 다른 피크가 162.3 eV 및 163.5 eV에서 관찰된다. 도 8과 도 9의 이러한 결과는 Mo와 S가 1 : 2의 원자 조성비를 가진 Mo ⁴⁺ 및 S ^2- 가 존재한다는 것을 나타낸다. 더욱이, 도 10은 MoS ₂ 이중층에 대한 라만 및 포토루미네센스 스펙트라를 나타낸다(Uni-RAM2, UniNanoTech). 라만 특성은 384 cm ^-1 과 405 cm ^-1 에서 피크를 나타내는데 이는 Mo와 S원자의 면내 진동(E ¹ _2g 모드)과 S원자의 면외 진동(A _1g 모드)을 각각 나타낸다. E ¹ _2g 모드와 A _1g 모드 사이의 주파수차(Δk)는 21cm ^-1 이하이고, 이는 박리된 이중층 MoS ₂ 에 가깝다. 도 10의 우측 상부에 삽입된 PL 스펙트럼은 1.88 eV인 하나의 주된 방사 피크를 나타내는데, 이는 얻어진 MoS ₂ 의 이중층 특성과 좋은 결정 품질을 입증하는 것이다. 합성된 MoS ₂ 필름의 전기적 특성을 확인하게 위하여 제조된 전계효과 트랜지스터는 10 ⁷ 의 온/오프비 및 0.51±0.10 cm ² /V·S의 평균 이동성을 나타낸다. 이와 같은 측정 결과에 비추어볼 때 MoS ₂ 기판의 제조가 가능하다는 것 뿐만 아니라 합성된 MoS ₂ 기판의 품질 역시 이중층으로서 전기적, 광학적 성능이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.

촉각센서의 제조방법

이하에서는 상기와 같이 전기적, 광학적 성능이 입증된 MoS ₂ 에 기초하여 촉각센서의 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다. 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이황화몰리브덴을 이용한 촉각센서 제조방법을 단계적으로 나타낸 사시도이다. 먼저, 2.2 cm × 2.2 cm의 대면적 위에 4 × 4(총16개)의 MoS ₂ 스트레인 게이지를 제조하기 위해 SiO ₂ /Si 핸들링 웨이퍼(60)를 준비한다(제 1 단계).

그 다음 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(60)의 일면을 패시베이션 처리하여 제 1 패시베이션층(62)을 형성한다(제 2 단계). 이러한 제 1 패시베이션층(62)은 SU-8 에폭시에 의해 코팅(두께 약 35 nm)됨으로써 성막 가능하다.

그 다음, 제 1 패시베이션층(62)상에 그래핀층(64)을 성막한다(제 3 단계). 보다 구체적으로는 CVD 방법에 의해 성장한 그래핀을 전달하고, 그래핀층(64)의 두께는 0.5 ~ 1.0 nm 범위이고, 보다 바람직하게는 약 0.9 nm 이다.

그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀층(64)을 상호 맞물려서 연결하는 형상으로 패터닝을 하여 그래핀 패턴(65)을 형성한다(제 4 단계). 이 때 패터닝은 그래핀층(64)으로부터 형성된 제 1, 2 그래핀 전극(110, 115)이 각각 연장되어 상호 접촉없이 교호적으로 맞물리는 형상이다(도 7 참조).

그 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 그래핀패턴(65)위에 이산화황몰리브덴(70)을 인쇄하고 패터닝한다(제 5 단계). 이러한 이산화황몰리브덴(70)의 인쇄와 패터닝은 포토리소그래피 공정과 CHF ₃ /O ₂ 플라즈마(35/15 sccm, 100W, 10s)를 사용하여 수행될 수 있고, 이산화황몰리브덴(70)의 두께는 1 ~ 2 nm 범위이고, 보다 바람직하게는 약 1.4 nm 이다.

그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 이산화황몰리브덴(70)의 일면을 패시베이션 처리하여 제 2 패시베이션층(80)을 형성한다(제 6 단계). 이러한 제 2 패시베이션층(80)은 SU-8 에폭시에 의해 코팅(두께 약 35 nm)됨으로써 성막 가능하다.

그 다음, 웨이퍼(60)로부터 분리하여 촉각센서를 생성한다(제 7 단계). 즉, 핸드링 웨이퍼로부터 디바이스를 떼어내어 프리스탠딩(freestanding) 필름으로 만든다. 이렇게 만들어진 촉각센서는 16개가 한번에 완성되고, 각 촉각센서는 가로변의 길이가 1.5 mm ~ 2.5 mm 범위이고, 세로변의 길이가 1.5 mm ~ 2.5 mm 범위이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각센서가 응용된 스트레인 게이지 디바이스(100)의 평면도이고, 도 7은 도 6중 A-부분의 부분확대 사시도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지 디바이스(100)의 크기는 가로×세로의 길이가 약 2.2 cm ×2.2 cm 이며, 내부에 16개의 단위 스트레인 게이지(150)가 포함되어 있다. 도 6에 도시된 16개의 스트레인 게이지(150)는 당업자의 이해를 돕기 위해 일예에 불과한 것이며, 대량생산을 위해 더 많은 스트레인 게이지(150)를 설계하거나, 대면적을 위해 더 큰 스트레인 게이지(150)를 설계할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 단위 스트레인 게이지(150)는 2개의 그래핀 전극(110, 115)으로부터 각각 연장되어 상호 접촉없이 교호적으로 맞물리는 형상을 갖는다. 도 7의 부분 상세도에 도시된 바와 같이, 스트레인 게이지(150)의 하부층은 그래핀 전극(65)이고, 상부층은 이산화황몰리브덴(70)을 포함하고 있다.

이와 같은 구성으로 인해, 스트레인 게이지는 반도체 특성을 지녔고 민감도가 매우 좋은 촉각 센서로 구현될 수 있다. 또한 나노미터 수준의 두께를 갖기 때문에 매우 유연하고, 전극으로 사용되는 그래핀과 좋은 접촉 특성을 지니고, 투명성이 매우 높은 장점을 가진다. 이러한 특징으로 인해 본 발명의 일실시예에 따른 스트레인 게이지와 같은 촉각센서는 웨어러블 소자로서 구현이 용이하다.

특히, 본 발명의 일실시예에 따른 촉각 센서는 1,000번의 반복 부하에서도 높은 감도, 좋은 균일성 및 선형성을 나타냈다. 덧붙여, 1.98%의 스트레인을 넘는 뛰어난 기계적 유연성을 발휘하고, 80% 보다 좋은 투명도를 나타냈다.

더욱이, 본 발명의 일실시예에 따른 촉각 센서는 총두께를 75 nm 미만으로 줄였기 때문에 원자적으로 얇은 MoS ₂ 에 의해 가시광선 영역에서 높은 광학적 투과율(80% 이상)을 나타낸다. 일실시예에서 72.3 nm의 투명한 플라스틱 기판상에 제조된 초박막 촉각센서는 가죽이나 인간의 손가락끝과 같은 의외의 기판상에서도 안정적인 성능을 나타냈다.

도 1에 도시된 장치는 본 발명의 촉각센서 성능을 입증하기 위한 실험실 레벨의 간략한 제조장치이다. 따라서, 산업적으로 양산하는 경우 같은 원리가 적용되는 대규모 제조시설이나 제조라인으로 구현이 가능하다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

10 : 제 3 튜브,
20 : 제 1 튜브,
21 : 제 1 영역,
25 : 황(S),
30 : 제 2 튜브,
31 : 제 2 영역,
35 : MoO ₃ ,
40 : 기판,
41 : 제 3 영역,
45 : 아르곤(Ar) 가스,
47 : 베이스,
60 : 웨이퍼,
62 : 제 1 패시베이션층,
64 : 그래핀층,
65 : 그래핀 패턴,
70 : 이황화몰리브덴(MoS ₂ ),
80 : 제 2 패시베이션층,
100 : 스트레인 게이지 디바이스,
110 : 제 1 그래핀전극,
115 : 제 2 그래핀전극,
150 : 스트레인 게이지.