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[자립형 MEMS 센서 네트워크를 활용한 에너지 절약 ①] 환경 센싱 디바이스의 개발

2017-11-01

[자립형 MEMS 센서 네트워크를 활용한 에너지 절약 ①] 환경 센싱 디바이스의 개발 본고에서는 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 연구로서 여러 기업들과 공동으로 검토하고 있는 중소 오피스용 에너지 절약 정보 시스템(이하, 그린 센서 네트워크 프로젝트: GSN) 중 이온 액체를 이용한 저소비전력 소형 CO₂센서의 개발과 소형 고감도 서모파일형 적외선 어레이 센서에 대해 소개한다. 정리 편집부 사무용 빌딩(office building), 제조현장 등의 전력 절약화(저전력화)를 추진할 때에는 사람의 위치 및 인원수를 파악하여 부재 시 또는 부재개소의 공조·조명에너지를 낮추는 것이 효과적이다. 또 건물위생관리법에 있어서 이산화탄소(CO₂) 농도를 1000ppm 이하로 하는 기준이 정해져 있기 때문에 환기가 필요하다. 업무의 효율면에 있어서도 CO₂농도가 높아지지 않도록 환기제어를 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 과잉환기는 에너지 손실로 이어지기 때문에 CO₂농도를 모니터링하여 필요 최소한의 환기를 유지하는 것이 에너지 절약화에 있어서 중요하다. 사무용 빌딩 등에서 사람의 위치 및 환기의 필요성을 검출하는 센서로는 CO₂센서 및 적외선 센서를 꼽을 수 있다. CO₂센서에 대해서는 CO₂가 적외선의 특정 파장을 흡수하는 원리를 이용한 NDIR방식(비분산형 적외분광법)과 CO₂가스와 고체 전해질(파인세라믹스)의 화학반응을 이용한 전지형의 2종류가 있다. 그러나 NDIR방식은 적외선을 흡수하기 위한 광로길이 및 광원이 필요하고, 전지형은 실온에서의 전해질인 파인세라믹스의 전도도가 낮고 히터에 의한 가온(약 400℃)이 필요하기 때문에 ①소비전력이 크다 ②사이즈가 크다 ③광원 및 전지의 수명이 존재하는 등 양자 모두 해결해야 할 과제가 있다. 이에 본고에서는 이러한 문제들을 해결하는 새로운 센싱 방법에 대해 소개하기로 한다. 적외선 센서의 대표적인 검지방식으로는 ▲초전형 ▲ 볼로미터형 ▲서모파일형이 존재한다. 이 가운데 저가격화에는 일반 IC 제작 시의 CMOS 프로세스를 이용할 수 있는 서모파일형이 유리하다. 또한, 적외선 어레이 센서의 저가격화를 위해서는 소자의 소형화도 유효하다. 하지만 이 경우 소형화로 인해 감도가 저하되기 때문에 고감도화를 실현하는 기술이 필요하다. 서모파일형 적외선 센서의 감도 향상 대책으로서 서모파일의 수를 증가시키거나 흡수막을 크게 함으로써 개구율(開口率)을 높이는 방법이 채용되고 있지만, 양쪽 모두 소형화에 반하는 방법들이다. 그리하여 소형이면서 저렴한 적외선 어레이 센서 실현을 목표로 기존의 CMOS 프로세스로 제작한 서모파일형 적외선 어레이 센서를 이용하고, 소자의 소형화에 따른 감도 저하를 보완하기 위해 웨이퍼 레벨에서의 진공밀봉을 이용한 적외선 어레이 센서를 소개하기로 한다. 이온 액체를 이용한 CO₂센서 CO₂센서의 구성 GSN에서는 이온 액체의 CO₂흡착을 이용하여 기존의 CO₂센서에 비해 ▲저소비전력(기존 대비 1/100) ▲ 소형(센서 사이즈 10×10mm) ▲장수명 ▲저코스트의 CO₂센서 개발에 착수했다. [그림 1]에 개발 중인 CO₂센서의 개략도를 나타냈다. 전극기판은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용해 유리기판 및 Si기판상에 전극부를 형성했다. 중앙부에 이온 액체를 구현하고, 액체 누수 방지를 위해 가스 투과막으로 덮었다. 이온 액체를 이용한 CO₂센서의 개발 내용 CO₂농도를 제어할 수 있는 쳄버를 제작하고, 가스 농도는 질량 유량계(mass flow meter)로 제어를 실시했다. [그림 2]에 실험장치의 계통도를 나타냈다. 임피던스치의 측정은 전기화학계측시스템(영국 Solartron, 12608)을 이용했다. 셀은 [그림 3]에 나타낸 전기화학셀(토요(東陽) 테크니카, SP-CIR-C)을 사용하고, 이온 액체를 미크로피펫으로 2㎖ 적하하여 측정을 실시했다. 이온 액체는 EMIMBF₄(ethyl-methyl-imidazolium tetrafluoroborate), EMIMTFSI(ethyl-methyl-imidazolium) 등을 사용했다. [그림 4]에 개발에 사용한 이온 액체의 분자식을 나타냈다. 측정방법은 챔버 내에 전기화학셀을 세팅하고, 진공 10kPa 정도로 하여 N₂와 O₂를 80:20의 비율로 투입했다. 기압은 1atm으로 유지했다. 그 후 소정량의 CO₂를 투입했다. CO₂농도의 측정은 0~4000ppm의 범위에서 실시했다. 이온 액체를 이용한 CO₂센서의 특장점 EMIMTFSI의 CO₂농도를 600ppm으로 유지한 상태에서의 임피던스 특성을 [그림 5]에 나타냈다. 주파수는 0.1Hz에서 계측을 실시했다. 임피던스치는 측정 후 10분 정도 값이 변동하였지만 그 이후 안정을 찾았다. 따라서 챔버 내에 소정의 CO₂농도를 투입하고 나서 10분 후에 측정한 임피던스치를 채용했다. [그림 6]에 EMIMTFSI의 CO₂농도 0~4000ppm에서의 임피던스 특성을 나타냈다. [그림 6]으로부터 CO₂농도가 증가함에 따라 임피던스치가 저하되는 결과를 얻었다. [그림 7]에 CO₂농도와 임피던스치의 상관도를 나타냈다. 측정주파수 0.01Hz에서 CO₂농도와 임피던스치의 관계가 1차 선형인 관계를 얻었다. [그림 7]에서 개발 중인 CO₂농도 센서의 분해능은 100ppm으로, 기존의 NDIR 및 고체 전해질형 CO₂센서의 분해능과 동등 이상의 분해능을 가지는 것을 알 수 있다. 개발 중인 CO₂농도 센서를 이용하면 소형 및 저소비전력이 실현되므로 상기의 어플리케이션에 있어서도 대응 가능할 것으로 기대된다. 또 상품화를 고려할 시 CO₂센서의 센싱 부분인 이온 액체의 장기 신뢰성 확보 및 제조 프로세스의 간소화를 위해 이온 액체의 겔화가 검토 중에 있다. 서모파일 적외선 어레이 센서 개발 콘셉트 (1) 개발 목표 소형이면서 저렴한 적외선 어레이 센서를 개발함으로써 사무실 및 클린룸 내의 공조설비 및 조명기기의 에너지 절약화에 기여하는 것을 최종 목표로 한다. 이에 따라 저코스트화·소형화에 최적의 MEMS 기술을 구사함으로써 환경온도 및 사람의 존재 검지에 적합한 적외선 어레이 센서칩을 개발하는 것을 목표로 하였다. (2) 적외선 어레이 센서의 사양 적외선 어레이 센서의 사양을 [표 1]에 나타냈다. 화소수와 화소 크기는 높이 3m의 천정 위치에서 3.6m 각(角)의 영역의 사람을 센싱했을 때 1화소의 시야범위와 사람이 같은 정도의 크기가 되도록 설정하였다. 또 1화소의 응답속도는 프레임 레이트(Frame rate) 10fps로 사람의 존재 검지가 가능하도록 설정했다. (3) 적외선 어레이 센서의 특징 개발 중인 적외선 어레이 센서의 특징은 웨이퍼 레벨 진공밀봉에 의한 센서 소자의 소형화 및 고감도화다. 보다 상세한 내용은 이하에 기재한다. 일반적인 서모파일형 적외선 어레이 센서의 단면 모식도를 [그림 8]에 나타냈다. 멤브레인상에 P형과 N형의 폴리실리콘으로 서모파일이 형성되고 있다. 적외선 흡수막에 흡수된 적외선이 열로 변환되어 제베크 효과에 의해 전압이 출력된다. 서모파일형 적외선 센서의 출력 S(V)는 식(1)로 나타난다. 여기에서 n은 서모파일 대수(對數), a는 제베크 계수(V/K), η는 적외선 흡수율, R은 열저항(K/W), A는 적외선 흡수막 면적(㎡), P는 입사광 밀도(W/㎡), ΔT(K)는 온접점과 냉접점의 온도차이다. 또 열저항 R은 MEMS 구조체의 열저항과 주위 기체의 열저항의 합성저항이다. 센서 소자의 소형화와 고감도화를 양립시키기 위해 n의 서모파일 대수와 A의 적외선 흡수막 면적을 증가시키는 것에는 한계가 있다. a의 제베크 계수와 η의 적외선 흡수율은 사용하는 재질에 의존한다. 따라서 열저항 R을 크게 하는 것이 감도 향상을 위한 대책이 된다. 이 R을 크게 만드는 효과적인 방법은 센서 주위의 압력을 낮추는 것이다. 즉, 웨이퍼 레벨 진공밀봉을 실시함으로써 칩 사이즈를 확대하지 않고 센서 소자의 고감도화를 실현할 수 있다. 시험제작 결과 실제로 제작한 센서칩의 SEM상을 [그림 9](a)에, 웨이퍼 레벨 진공밀봉 후의 칩 단면사진을 [그림 9](b)에 나타냈다. 센서 웨이퍼와 캡 웨이퍼는 AuSn 공정(共晶) 접합을 이용하여 진공밀봉을 실시하고 있다. 초퍼를 이용해 센서 소자에 적외선을 간헐적으로 조사하여 1화소의 아날로그 출력을 오실로스코프로 측정한 결과, 1화소의 응답속도는 18msec 이하였다.센서 소자의 감도 평가 시스템을 [그림 10]에 나타냈다. 센서 소자에 대해 주위 온도보다 25℃ 높은 흑체로(黑體爐)에서 방사되는 적외선을 조사하고, 센서 소자의 출력으로부터 감도를 산출, 진공밀봉 전과 후의 감도를 비교하여 진공밀봉에 의한 센서 감도 향상 효과(이하, 진공효과)를 측정했다. [표 2]에 진공효과를 측정한 결과를 나타냈다. 이를 통해 진공밀봉으로 센서의 감도가 약 2.0배 향상된 것을 확인할 수 있었다. < Energy News >