http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2014.23.5.337 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
불순물 첨가에 따른 VO 2 후막 급변온도센서의 온도-저항 특성
최정범1·강종윤2·윤석진2·유광수1,+
Temperature vs. Resistance Characteristics by Dopants of VO 2
Thick-Film Critical Temperature Sensors
Jung Bum Choi1, Chong Yun Kang2, Seok-Jin Yoon2, and Kwang Soo Yoo1,+
Abstract
For various additives doped-VO
2critical temperature sensors using the nature of semiconductor to metal transition, the crystallinity, microstructure, and temperature vs. resistance characteristics were systematically investigated. As a starting material of VO
2sensor, vanadium pentoxide (V
2O
5) powders were used, and CaO, SrO, Bi
2O
3, TiO
2, and PbO dopants were used, respectively. The V
2O
5pow- ders with dopants were mixed with a vehicle to form paste. This paste was silk screen-printed on Al
2O
3substrates and then V
2O
5-based thick films were heat-treated at 500
oC for 2 hours in N
2gas atmosphere for the reduction to VO
2. From X-ray diffraction analysis, VO
2phases for pure VO
2, and CaO and SrO-doped VO
2thick films were confirmed and their grain sizes were 0.57 to 0.59 µm. The on/
off resistance ratio of the VO
2sensor in phase transition temperature range was 5.3×10
3and that of the 0.5 wt.% CaO-doped VO
2sensor was 5.46 ×10
3. The presented critical temperature sensors could be commercialized for fire-protection and control systems.
Keywords: Vanadium oxide, Temperature sensor, Critical temperature resistor, Thick film
1. 서 론
VO, VO
2, TiO
2, NiO
3, NbO
2, Fe
2O
3등의 금속산화물들은 압 력, 온도, 또는 불순물의 농도 등이 변함에 따라 결정구조가 변 하여 절연체에서 금속으로 상전이를 일으키는 MIT(Metal-Insulator Transition) 특성을 나타내며, 상전이 구간에서는 급격한 광학적, 전기적 특성 변화를 나타낸다. 특정 온도 영역에서 전기저항이 10
2~10
5order 정도로 급격하게 변하는 산화물 반도체를 CTR(Critical Temperature Resistor) 라고 하며 CTR 효과를 나타 내는 대표적인 반도성 세라믹 재료가 VO
2이다[1,2].
Vanadium-oxygen system은 산소함량에 따라 안정한 산화물 인 VO, VO
2, V
2O
3, V
3O
5, V
2O
5등이 있으며 V
3O
5와 VO
2사이
에는 V
nO
2n-1(4 ≤n≤8)의 Magneli 상이 존재하는 복잡하고 다양한 조성을 가지고 있는 계이다. 그 중에서 VO
2는 온도가 증가함에 따라 결정구조가 상전이 온도인 68
oC 에서 단사정 결정구조에서 정방정 결정구조로 변화한다. 이는 반강유전체에서 상유전체로 상전이될 때 V-O-V결합이 공유결합에서 금속결합으로 변하기 때문으로 알려졌다. 이러한 MIT의 특성을 이용하여 온도센서 및 정보기록매체용으로 응용할 수 있는데 VO
2소자는 상전이 부근에서 온도계수가 큰 특성과 저항급변특성을 이용한 온도센 서 및 온도스위치로서 화재경보장치 또는 배터리 등의 과열보 호장치로 이용가치가 높다[3-5].
V
2O
5로부터 환원하여 안정한 VO
2를 제조할 때 가장 어려운 공정은 열처리 공정이다. 최적의 열처리 조건은 열처리 온도 및 시간, 환원성 가스의 주입량, 퍼징(purging) 온도 등이 주요 변 수이다[6]. VO
2의 전기, 광학 특성은 소자의 미세구조(입자의 크 기)와 결함, 상전이 온도, 저항 변화 차이, hysteresis 폭 등에 영 향을 받는 것으로 알려졌다[7-9].
그동안 VO
2산화물 반도체에 대한 연구는 꾸준히 진행되어, VO
2박막의 제조, 가스감지특성 및 불순물 첨가에 따른 광학특 성 내지는 VO
2나노입자의 상전이시 결함거동 등에 대한 연구 결과가 발표되었다[10-14]. 한편, VO
2반도체의 CTR 특성과 전 이온도 변경은 VO
2에 결함을 만들어 주어 비화학양론화합물 (non-stoichiometric compound)로 만들거나 염기성 산화물 또는 산성 산화물을 불순물로 첨가하여 변화시킬 수 있다. Futaki와
1
서울시립대학교 신소재공학과(Department of Materials Science and Engineering, University of Seoul)
Seoulsiripdaero 163, Dongdaemun-gu, Seoul 130-743, Korea
2
한국과학기술연구원 전자재료연구센터(Electronic Materials Research Center, Korea Institute of Science and Technology)
Hwarangro 14-gil 5, Seongbuk-gu, Seoul 136-791, Korea
+
Corresponding author: [email protected]
(Received : Aug. 18, 2014, Revised: Sep. 16, 2014, Accepted : Sep. 19, 2014)
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Aoki 의 보고[15]에 따르면, Fe, Co, Ni, Mo, Nb 등은 전이온도 를 떨어뜨리며, Ge, Ti 등은 전이온도를 높여주는 효과가 있다 고 하였다.
최근 대형건물의 화재로 인한 인적, 물적 피해가 급증하는 추 세에 있어, 현재 채용되고 있는 부정확하고 오작동의 문제점이 있는 화재경보기를 대체할 경제성, 내구성, 신뢰성 등이 우수한 VO
2계 온도스위치의 개발이 요구되고 있다. 하지만, 화재경보 온도인 68
oC 부근에서 저항 변화의 폭이 충분히 크고, 저렴하 게 대량생산이 가능하며, 안정된 VO
2상을 얻는 것이 쉽지 않다.
따라서, 본 연구에서는 상온에서 안정상인 V
2O
5를 출발 물질 로 하여 다양한 종류의 불순물을 첨가하였을 때, 결정상과 미세 구조의 변화, 상전이 온도에서 저항 변화 폭(jumping 크기)의 증 가여부 등을 체계적으로 측정/평가하여 화재경보장치에의 응용 가능성을 타진하는데 주목적을 두었다. 불순물로는 CaO, SrO, Bi
2O
3및 PbO를 첨가하여 이종원자가도핑(aliovalent doping)을 통해 VO
2에 결함을 유발시켜 특성변화를 고찰하였으며, 동종원 자가도핑(homovalent doping)으로 TiO
2를 사용하여 다른 불순 물들의 영향과 상호 비교하여 보았다.
2. 실험방법
2.1 센서 제조
급변온도센서의 감지물질 제조에는 출발물질로 고순도 V
2O
5(99.9%, Cerac) 를 사용하였으며, 첨가물로는 CaO(99%, High purity), SrO(99.5%, Cerac), Bi
2O
3(99.999%, Alfa Products), PbO (99.99%, Cerac) 및 TiO
2(99.9%, Cerac) 를 사용하였다. 순수한 V
2O
5에 각각의 불순물을 첨가하고 알루미나볼을 사용하여 24시 간 동안 건식으로 분쇄하였다. 본 실험에서는 다양한 불순물의 첨가효과를 확인하기 위해 불순물의 첨가량은 각각 0.5 wt.%로 고정하였다. 이와 같은 볼밀링 과정을 거쳐 얻은 분말을 vehicle(56 wt% α-terpinel, 27 wt% 2-butoxy ethoxy, 11.5 wt% polyvinyl butyral-co-vinyl alcohol-co-vinyl acetate, 16.5 wt% polyethylene glycol) 과 함께 질량비로 분말 : vehicle = 1 : 0.7의 비율로 혼 합하여 페이스트(paste)화 하였다.
후막형 급변온도센서를 제작하기 위한 소자 구조설계 및 제 작에 대한 공정은 다음과 같다. 50.8 × 50.8 × 0.4 mm
3(가로 × 세로 × 두께)의 크기를 갖는 알루미나기판을 준비하고, 단위소 자의 크기를 5 × 10 × 0.4 mm
3가 되도록 하여 50개의 소자가 나오도록 단위 소자의 크기를 정했다. 위 단위 소자 내에서의 감지물질의 패턴은 Fig. 1과 같다.
Fig. 1과 같은 패턴으로 감지물질 페이스트를 알루미나 기판 위에 실크스크린 프린팅(silk screen-printing)법으로 후막을 형성 하였으며, 형성된 패턴은 상온에서 24시간 동안 건조하였다. Fig.
1과 같이 준비된 소자를 정밀한 가스 주입량과 열처리 온도를
제어하기 위해 반도체공정에 사용되는 튜브형 전기로(N+ annealing tube)를 사용하여 환원성 분위기에서 열처리 하였다. 열처리 공 정은 Song 등[6]의 사전 연구 결과를 참고하여 열처리 시 최적 의 N
2가스 주입량과 퍼징온도를 위해 3 l/min의 속도로 60
oC에 서 1시간 동안 퍼징하였고, 5
oC/min의 승온 속도로 250
oC에서 2시간 유지하여 페이스트 제조 시 사용하였던 vehicle의 바인더 성분을 모두 하소하였으며, 다시 500
oC에서 2시간 유지하여 열 처리 하였다.
2.2 물성 측정
열처리된 시편의 환원 정도와 결정상을 알아보기 위해 X-선 회절 분석을 실행하였다. X-선 회절 분석은 X-ray diffractometer (XRD, D8 DISCOVER Bruker AXS GmbH) 로 Cu K
α선 ( λ
1=1.542 Å) 타겟과 Ni 필터를 사용하여 주사속도는 1
oC/min, 2 θ 값이 10
o와 60
o사이에서 조사하였다. 시편 표면의 미세구조 는 Field Emission Scanning Electron Microscopy(FE-SEM, Hitachi, S-4300) 를 사용하여 관찰하였다.
급변온도센서의 전기적 특성으로는 온도-저항특성을 측정하 였다. 온도-저항특성 측정은 Climatic Chamber(Vtsch, VC4018) 를 사용하여 25~55
oC와 75~100
oC 영역에서는 1
oC/min, 상전이 점 부근인 55~75
oC 영역에서는 0.1
oC/min의 승온 속도를 유지 하면서 측정하였다. 이때, 소자의 정확한 온도를 측정하기 위해 소자 바로 옆에 K-type의 열전대를 놓고 기록계(Yogokawa, MV- 100)를 통해 센서의 전기저항과 온도를 동시에 측정하였다.
소자의 저항 변화 폭(jumping 크기)은 on/off resistance ratio ( 이후 ON/OFF ratio라 함)로 비교하였다. 이 ON/OFF ratio의 온 도 범위는 일반적으로 25
oC에서 80
oC를 말한다.
3. 결과 및 고찰 3.1 기본 물성 분석
Fig. 1. Schematic diagram of the VO
2sensor.
기본 물성 분석으로 제조된 소자들에 대하여 X-선 회절 분석, 미세구조와 입자의 크기를 관찰하였다.
Fig. 2 는 여러 불순물이 첨가된 V
2O
5후막을 500
oC 에서 2시 간 동안 환원분위기에서 열처리한 시편의 X선회절분석도로서, 불순물이 첨가되지 않은 순수한 V
2O
5의 경우 완전히 VO
2로 환 원되었음을 확인할 수 있었다. CaO와 SrO 불순물이 첨가된 경 우 각각 VO
2결정상 (110), (011), (121) 피크가 나타났다. 반면 에, Bi
2O
3와 TiO
2불순물이 첨가된 시편에서는 VO
2의 주피크인 (110) 피크 만이 발견되었으며, PbO가 첨가된 시편의 경우에는 어떠한 VO
2피크도 발견되지 않았다. 여기서, 불순물과 모물질 의 고용체 형성과 VO
2의 환원과의 상관관계는 추가적인 연구 가 필요한 것으로 사료된다. 이때 VO
2결정상은 Fig. 2의 하단 회절도인 JCPDS #44-0253(P4
2/mnm)과 일치하였으며, 모든 시 편에서 Al
2O
3기판 피크가 함께 나타났다.
Table 1은 직경측정법을 이용하여 계산한 평균 결정립 크기를 나타낸 것이다. 측정 결과 순수한 V
2O
5를 열처리하여 VO
2로 환 원한 시편과 CaO, SrO 불순물이 첨가된 경우 0.57~0.59 μm의 값을 나타내었다. 다만 TiO
2와 PbO가 첨가된 시편의 경우에는 각각 0.42 μm와 0.36 μm로 작은 입자로 이루어졌음을 확인하였다.
Fig. 3 은 첨가된 불순물에 따른 V
2O
5후막을 환원분위기에서 열처리하여 VO
2로 변한 시편에 대한 미세구조를 나타낸 사진 Table 1. The average grain size for various sensors
Sensor Grain Size ( µm)
VO
20.59
CaO-doped VO
20.57
SrO-doped VO
20.58
Bi
2O
3-doped VO
20.52
TiO
2-doped VO
20.42
PbO-doped VO
20.36
Fig. 2. XRD diffraction patterns of the VO
2sensor.
Fig. 3. SEM images for various sensors added 0.5 wt% dopants; (a)
Pure VO
2, (b) CaO-doped, (c) SrO-doped, (d) Bi
2O
3-doped,
(e) TiO
2-doped, and (f) PbO-doped VO
2, respectively.
이다. 순수한 VO
2와 CaO와 SrO가 첨가된 시편의 경우 비슷한 형상과 입자의 크기를 가지는 미세구조를 보였으나, Bi
2O
3가 첨 가된 경우에는 입자의 크기가 작아졌으며, TiO
2와 PbO를 첨가 하였을 때 입자가 더 미세해진 것을 볼 수 있다. Razavi 등[8]
은 미세한 입자의 구조는 입계(grain boundary)에 non-stoichiometry 상의 농도를 증가시켜 저항 변화 차이를 감소시키는 원인이 된 다고 하였다. 이상의 미세구조는 X-선 회절 분석으로부터 얻은 VO
2결정상의 형성 정도 및 입자의 크기와도 일치함을 알 수 있다.
3.2 온도-저항 특성
CTR의 특성은 온도가 증가함에 따라 전기저항이 특정 온도 에서 10
2~10
5order 정도로 급격히 감소하는 것인데, 그 이유는 VO
2계의 경우 저항이 급격히 변하는 부근의 온도에서 결정구조 의 변화로 반도성에서 금속성으로 변하기 때문이다[16]. 전이온 도가 화재경보 기준온도와 비슷한 68
oC인 VO
2는 상온에서는 비 교적 높은 저항값을 가져 전류를 통과시키기 어렵지만 온도를 점차적으로 올려 상전이 온도 이상이 되면 저항이 갑자기 감소 하여 전류를 쉽게 통과시키는 특이한 특성을 가지고 있다. VO
2소자는 이러한 특성으로 인하여 저항 변화 폭(jumping 크기)이 10
3order 이상 되면 화재경보장치에 급변온도센서로 이용이 가 능한 것으로 알려졌다.
Fig. 4 (a), (b), (c)는 조성변화에 따른 VO
2온도센서의 온도- 저항 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 저항 변화 폭은 ON/
OFF ratio 로 계산하였는데, ON/OFF 온도는 각각 화재경보에서 기준으로 정한 80
oC 와 25
oC 로 하였다.
Fig. 4(a) 에 나타낸 바와 같이, 불순물이 첨가되지 않은 VO
2센서의 경우, ON/OFF ratio가 5.3×10
3(=10
3.72) 으로 이미 보고된 결과와도 비슷한 결과를 얻었음을 확인하였다[6,17]. 이는 V
2O
5를 출발물질로 하여 후막으로 제조한 다음 열처리한 결과 VO
2로 환원이 잘 이루어졌음을 의미한다. 0.5 wt.% CaO를 첨가할 경우, ON/OFF ratio는 5.46×10
3으로 순수한 VO
2보다 다소 증 가하여, 온도-저항 특성이 향상되었음을 알 수 있으며, 재현성 실험에서도 동일한 결과를 얻었다. 두 그래프 모두 상전이 온도 인 68℃부근에서 급격한 저항의 감소 현상을 볼 수 있는데 이 것은 그만큼 반응성이 크다는 것을 의미하며, 이 결과는 결정성 이 양호했던 X선 회절 분석 결과와도 일치한다.
Fig. 4(b) 와 (c)는 각각 SrO와 Bi
2O
3, TiO
2와 PbO를 첨가했을 때의 온도-저항 특성이다. 같은 이종원자가 도핑임에도 불구하 고 CaO를 첨가했을 경우에는 ON/OFF ratio가 향상되었는데, SrO를 첨가했을 경우에는 순수한 VO
2보다 ON/OFF ratio가 3.14×10
3으로 약간 감소하는 경향을 보였으며, Bi
2O
3와 PbO 첨 가 시에는 각각 4.4×10
2, 8.76×10
1으로 낮은 값을 보였다. 동종 원자가 도핑인 TiO
2를 첨가했을 때 역시 ON/OFF ratio가 1.61×10
2으로 매우 낮은 값을 나타냈다. 이 결과는 X선 회절 분석결과 VO
2결정상 피크의 크기 및 유무와 미세구조 관찰결과 입자의
Fig. 4. Temperature vs. resistance characteristics of the various sen-
sors added 0.5 wt% dopants; (a) Pure VO
2and CaO-doped
VO
2, (b) SrO-doped VO
2and Bi
2O
3-doped VO
2, (c) TiO
2-
doped VO
2and PbO-doped VO
2, and (d) various additives-
doped VO
2.
크기변화와도 일치하고 있다. 예를 들어, CaO와 SrO를 첨가했 을 경우 X선 회절 피크의 차이와 On/Off ratio의 차이가 동일한 경향을 보임을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 출발물질로 V
2O
5모물질에 이종원자가 도핑으 로 CaO, SrO, Bi
2O
3및 PbO와 동종원자가도핑으로 TiO
2를 첨 가하여 후막으로 제조한 다음, 500
oC 의 N
2환원분위기에서 2시 간 동안 열처리한 VO
2급변온도센서의 기본 물성과 온도-저항 특성을 고찰하였다. X선 회절 분석결과, 순수한 V
2O
5의 경우 500
oC 에서 열처리 하였을 때 VO
2로의 환원과 결정화도가 우수 하였으며, CaO와 SrO 불순물을 첨가하였을 때 잘 고용되어 순 수한 V
2O
5를 환원 열처리한 VO
2와 같은 회절피크를 나타내었 으나, 나머지 불순물들이 첨가된 시편의 경우 VO
2결정상이 잘 형성되지 않았다. SEM을 통한 미세구조 분석결과도 순수한 VO
2와 CaO와 SrO가 첨가된 시편의 경우 비슷한 형상과 입자의 크 기를 가졌으나, 나머지 불순물들이 첨가된 시편의 경우에는 입 자가 더 감소하였다. 전기적 특성인 온도-저항 특성은 불순물이 첨가되지 않은 VO
2센서의 경우, 저항 변화폭인 ON/OFF ratio 가 5.3×10
3(=10
3.72) 이었으며, 0.5 wt.% CaO가 첨가된 센서의 경 우, ON/OFF ratio는 5.46×10
3으로 순수한 VO
2보다 향상되었 다. 반면에, SrO가 첨가된 센서는 ON/OFF ratio가 3.14×10
3으 로 약간 감소하였으며, 나머지 불순물들이 첨가된 센서의 경우 에는 화재경보장치로 사용이 불가능한 수준의 매우 낮은 값들 을 나타내었다. 결론적으로, CaO 이종원자가 도핑을 하면 순수 한 VO
2센서보다 온도-저항 특성이 향상된 센서를 얻을 수 있 으며, 성능이 우수한 급변온도센서로서 화재경보장치 등에 실용 화가 가능할 것으로 사료된다.
감사의 글
이 논문은 2012년도 서울시립대학교 연구년교수 연구비에 의 하여 연구되었으며, 이에 감사드립니다.
REFERENCES