SENSOR재료

[Kim byoungil]

Chapter 5  Sensor 재료

(1) 반도체 재료

  반도체 재료가 본격적으로 센서로 응용되기 시작한 것은 1900년대 말 부터이고 주로 광도전 재료, 예를 들면 Ag2S 등의 유화물, ZnO 등의 산화물이나 ZnSe 등의 셀렌 화물이 촬상관의 광전재료로서 또한 전자 감광 재료로서 증착기술을 중심으로 개발이 진행되어 왔다.

  한편 금속 반도체로서는 Ge, Si, Se, Te 등이 광센서, 자기 센서, 온도 센서로서 또한 최초에는 압력센서로서는 이용되기 시작하고 그 중에서도 Si는 반도체 이론의 확립과 함께 응용이 확대되고 pn 접합 기술, 미세가공기술, 표면처리기술과 전극형성ㅑ조립기술 등의 급속한 진보에 의해 포토다이오드를 비롯해 현재에는 2차원 어레이어에 의한 고체 촬상소자나 의용FET센서, 또한 자동차 탑재용 압력센서 등으로의 응용이 활발히 진행되고 있다. 센서에 응용되는 반도체 재료는 위의 표와 같이 주로 광센서에 집중되고 있다.

(2) 세라믹 재료

  세라믹 재료를 센서로 응 용하는 시도가 최근 급 피치로 진행되고 있다. 즉, 재료 기술의 발전에 의해서 많은 비금속 무기물질이 재료로서 사용하게 되고 우수한 기 능이 이용될 수 있도록 되었기 때문이다. 이 중 많은 것은 센서로서도 사용한다. 세라믹의 본래의 특성인 내열, 내식, 내마모성이 이들의 우 수한 센서 기능을 유감없이 살리고 있다. 검출되는 정보도 전기, 자기, 열, 위치(속도, 가속도를 포함), 빛 이온, 가스, 습도 등 다양하다. 센 서용 세라믹 재료는 다음과 같다.

(3) 유기 재료

  센서에 이용되는 유기 재 료를 기능 면에서 분리하면 다음과 같이 된다.

유기 센서 재료가 응답하는 자극은 물리적 자극과 화학적 자극의 2 종류이다. 이들의 자극에 대해서 전기적인 특성을 변화(전기적 변환)하는 것이 센서 재료로서 바람직한 것 이다. 그러나 전기적 변환 이외의 자극 응답도 충분히 센서 재료로 이용할 수 있다. 이하는 표의 분류에 따른 대표적인 유기 센서 재료의 기 능을 설명한다.

① 전계감응기능

  전계감응 기능을 분류하면 그림과 같이 압전효과, 전기광학효과, 전기화학반응 등이 포함된다. 압전효과를 나타내는 고분자에는 폴리불화비닐덴(PVDF) 이외에 폴리 아크릴 니트릴, 아크릴산 코토리아 등이 있다. 전기광학 효과로서 일렉트로루미네슨스(EL), 일렉트로다이크로이즘, 전기 광학적 광산란 등 이 유기 센서 재료의 기능으로서 중요하다.

② 자계감응기능

  자계감응 효과로서는 제만 효과, 홀효과, 죠셉슨 효과 또는 자기공명 흡수 등이 있다. 유기재료로서 관계 깊은 것이 자기공명 흡수이고 유기재료 일반으로서 인정된 다. 특히 안정한 유기 래디컬은 전자스핀 공명흡수의 스핀 프로브로서 널리 사용되고 있다.

③ 응력감응기능

  압력과 왜형이 가해지면 여러 가지 효과가 나오지만 그들 중에서 유기 재료로서 흥미가 있는 것이 가압 도전성이다. 이것은 압력에 따라 전기 저항이 절연 상태에서 수십Ω 이하로 급속하게 가역적으로 변화하는 현상이다. 가압도전성을 나타내는 고무가 주목되고 가압도전성 고무, 가압도전성 에라스토 머, 감압도전시트 또는 감압시트 등이라고 불린다.

④ 광감응기능

  빛 조사되었을 때 발생하 는 변화로서 이용되고 있다. 유기 반도체의 광도전 효과에는 폴리비닐+증감계가, 집전효과에는 PVDF, TGS가 또한 편광에는 PVA/I2 필름이 사용되고 있다.

⑤ 온도감응기능

  유기 반도체는 세라믹 반 도체와 같은 온도-저항 특성(NTC)을 나타낸다. 가역화폴리염화비닐 또는 폴리우레탄에 Na 테트라시아 노하라키노 등을 분산시킨 유기 재 료가 플라스틱 서미스터 재료로서 이용되고 있다.

(4) 금속재료

  금속재료는 동질의 것이라 도 그 사용 목적과 사용 방법에 따라서 개성화 되어 있다고 말할 수 있다. 최근에는 아몰포스 합금, 금속 초미립자 등 재료의 새로운 질과 형 태가 얻어지게 되고 센서용 금속 재료로서 응용의 가능성이 확대되고 있다. 아몰포스합금의 내식성과 자성, 은 등 초미립자분의 촉매성 등 이 주목되고 있으며, 형상기억합금, 금속수소화합물 등 신 기능의 응용도 진행되고 있다. 이와 같이 금속 재료의 센서 응용 범위는 점차로 확대ㅑ심화되고 있지만 재래의 금속 재료에 대한 적절한 이용이 역시 대세를 점하고 중요한 지위를 유지하고 있는 것에는 변함이 없다고 생각된다. 센서의 구성상 중요한 역할을 맡는 금속재료로는 다음 표와 같다.

(5) 복합재료

  복합 재료에는 여러 가지 정의가 있지만 보통은 넓은 의미로 해석해서 『다른 재료를 조합해서 만들어진 것이므로 만들어진 재료의 안에서 원래 재료의 특성이 각각 충분히 살아있고 복합화 하는 것에 의해서 단일 재료에서는 전망할 수 없는 새로운 기능을 갖게 된 재료』라고 말할 수 있다. 복합 재료에 는 합체계와 생성 계로 구별되는 데, 합체 계라는 것은 복합 전후에 있어서 구성 소재의 재질, 분율, 형태가 거의 변화하지 않는 것을 말하 고, 생성 계는 복합 전후에 있어서 위의 3요소가 꽤 변화하는 것이다. 현재 실용화되고 있는 복합 재료에는 대부분이 합체 계이고 생성 계에 서는 일 방향 응고 합금 등 몇 개의 예 밖에 없다.