첨단 접착 기술로 센서 제조 공정 간소화

센서는 디지털화된 사회의 중추로, 일상 소비자 제품부터 항공우주, 자동차, 산업, 의료, 광학 및 스마트 센서 기반 장치에 의존하는 기타 모든 애플리케이션의 미션 크리티컬 시스템까지 모든 유형의 애플리케이션에서 광범위한 물리적 특성을 측정합니다. 센서는 온도와 압력 같은 모든 유형의 기본 물리량뿐만 아니라 가속도와 회전 같은 동적 특성도 측정할 수 있습니다.

각 측정 유형마다 제품 개발자는 필요한 동적 범위, 감도, 정확도를 가진 센서를 찾을 수 있습니다. 단일 패키지와 모듈로 결합된 고도로 통합된 솔루션은 신호 조절 체인, 프로세서, 심지어 광학 서브시스템을 포함한 다중 센서를 통합하여 생체인식, 관성 측정, 다양한 모니터링 기능 같은 더 복잡한 측정 모달리티를 지원합니다. 능동 화학 바이오센서는 분자를 에폭시 수지로 구성된 매트릭스나 멤브레인에 임베딩하여 분자의 관심 분자와의 상호작용 능력을 저하시키지 않으면서 고정합니다. 사실 에폭시와 실리콘 화합물은 모든 유형의 센서에서 중요한 역할을 합니다.

단순 접합 소자, 첨단 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 소자, 바이오센싱 멤브레인 기반이든 센서는 거친 취급, 가혹한 환경, 열적·화학적·기계적 요인으로 인한 지속적인 스트레스 등 어떤 조합의 불리한 작동 조건에서도 정확한 데이터를 안정적으로 제공할 것으로 기대됩니다. 이들의 성능과 수명은 여러 재료를 정밀 어셈블리로 결합하는 첨단 제조 방법에 비판적으로 의존합니다.

이 어셈블리 내에서 에폭시와 실리콘 화합물은 접착제, 언더필 캡슐화제, 포팅 화합물, 컨포멀 코팅으로서 센서 구성 요소를 제조 중과 대상 애플리케이션에서 지속적 사용 중에 안정화, 결합, 보호하는 중요한 역할을 합니다. 센서 구성 요소를 결합하고 보호함으로써 이 화합물들은 센서 제조를 단순화하고 이러한 장치의 지속적인 성능을 보장합니다. 역할을 수행하면서 이 화합물들은 모든 애플리케이션에 고유한 엄격한 요구 사항 조합을 지원해야 합니다.

다양한 요구 사항 충족

다른 감지 장치의 제조와 배치를 지원하는 데 필요한 다양한 특성에도 불구하고, 설계 엔지니어와 제조업체는 거의 모든 성능과 취급 요구 사항에 맞게 설계된 기성품 또는 쉽게 맞춤화 가능한 에폭시와 실리콘 시스템을 찾을 수 있습니다. 온도 감지 애플리케이션용 장치의 경우, 제조업체는 측정을 손상시키지 않기 위해 필요한 높은 열전도성을 나타내는 화합물을 활용할 수 있습니다.

열전도성과 극저온 서비스성: 온도 센서 어셈블리에 필수적인 요구 사항인 높은 열전도성은 다른 유형의 센서 시스템에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 항공우주와 천체물리학 애플리케이션에서는 열전도성과 극저온 서비스성이 모두 중요한 요구 사항일 수 있습니다. GL 사이언티픽 엔지니어들은 망원경용 적응 광학 이미저 장치에 사용될 적외선 센서 칩 어레이를 수용할 모듈을 개발해야 했습니다. ^[1]

설계 목표 중 하나는 크라이오제닉 및 열 사이클링 조합을 사용하여 모듈 베이스플레이트와 이미저 초점면 온도를 0.1 켈빈(K) 이내로 제어하여 열적 안정성을 달성하는 능력이었습니다. 이 설계에서 온도 센서와 히터는 초점면과 베이스플레이트에 결합되어 열 사이클링을 모니터링하고 제어합니다. 결과적으로 설계에는 전기 절연 결합 화합물이 필요했습니다. 높은 열전도성, 극저온까지 열 사이클링을 견디면서 결합 강도와 열적·구조적 안정성 유지 능력. 또한 결합 화합물은 이종 재료와 확실하게 강한 결합을 형성해야 했습니다. 이 경우 초점면은 티타늄-지르코늄-몰리브덴과 몰리브덴으로 구성되고 최종적으로 금 도금되었습니다; 베이스플레이트는 알루미늄으로 구성되고 니켈 도금되었습니다. 이 애플리케이션을 위해 GL 사이언티픽 엔지니어링 팀은 마스터 본드(Master Bond) EP37-3FLFA0 — 4K~250°C 온도 범위에서 기계적 유연성을 유지하면서 높은 열전도성, 우수한 전기 절연 특성, 양호한 물리적 강도를 가진 에폭시 시스템 — 을 선택했습니다.

전기 절연과 취급: 결합 화합물의 특정 성능과 취급 특성은 애플리케이션마다 극적으로 다를 수 있습니다. 생화학 또는 생물물리 애플리케이션만큼 결합 화합물이 직면하는 광범위한 요구 사항을 보여주는 애플리케이션은 드뭅니다. 일련의 실험에서 카네기 멜론 대학교 연구자들은 포토리소그래픽 기술을 사용하여 다양한 약물에 노출된 세포의 임피던스 변화를 측정하기 위한 미세 전극 어레이를 만들었습니다. ^[2] 이 방법은 쉽게 자동화될 수 있어 약물 스크리닝 처리량을 크게 높여 의료에 중요한 역량을 제공할 수 있습니다.

이 접근법의 민감성 때문에 연구팀은 측정 신호 체인이 결과를 변경할 수 있는 아티팩트로부터 자유로운지 확인해야 했습니다. 이 경우 팀은 전극 어레이 노출 부분을 코팅하여 측정값을 크게 변경할 수 있는 기생 정전 용량을 줄일 수 있는 화합물이 필요했습니다. 동시에 화합물은 생화학적 환경에 중립을 유지하여 생물학적 표적에 영향을 주지 않아야 했습니다. 이 애플리케이션을 위해 연구자들은 마스터 본드 EP30HT — 강력한 전기 절연 특성과 화학 저항성을 가진 에폭시 시스템 — 을 선택했습니다. 여기서 연구팀은 전극에서 약 150pm 떨어진 상호연결을 코팅하기 위해 마스터 본드 EP30HT를 사용하여 살아있는 세포를 목욕시키는 액체 매질과 상호연결 사이의 기생을 성공적으로 줄였습니다.

광범위한 성능과 가공 요구 사항 충족

적합한 접착제 시스템은 기본 화합물에 다른 로딩 팩터로 결합된 필러 재료를 사용하여 특성이 미세 조정되어 쉽게 구할 수 있습니다. 다른 필러를 사용하여 제조업체는 전기 또는 열전도성, 화학 저항성, 안정성 같은 특정 성능 특성 조합뿐만 아니라 점도, 작업 시간, 경화 시간 같은 가공 특성에 최적화된 접착 화합물을 만들 수 있습니다.

다른 유형의 특수 에폭시와 실리콘 화합물은 의료, 항공우주 및 기타 산업의 주요 표준과의 호환성을 보장하도록 설계되었습니다. 이식 또는 피부 배치용으로 설계된 더 정교한 센서를 개발하는 엔지니어들은 이미 생체적합성 접착 화합물을 최대한 활용하여 기기와 뼈 조직 사이의 보호 인터페이스 제공, ^[3] 용존 산소 측정 가능하게 하기, ^[4] 완전 이식형 바이오센서 어레이 캡슐화, ^[5] 등을 수행했습니다. 이러한 특수 화합물은 필요한 열적 및 전기적 전도성 특성을 제공할 뿐만 아니라 USP Class VI와 ISO10993-5 표준에 지정된 생체적합성 요구 사항도 충족합니다.

마찬가지로 민감한 전자장치가 있는 항공우주 시스템이나 기타 애플리케이션 어셈블리 작업을 하는 엔지니어들은 저가스 방출을 위한 ASTM E595와 NASA 요구 사항을 충족하는 접착 화합물을 찾을 수 있습니다. 이러한 화합물을 사용하면 경화 후에도 접착제에서 때때로 분출되는 휘발성 화합물로부터 광학 시스템, 민감한 전자장치 또는 기타 표면이 오염되지 않도록 보장할 수 있습니다.

신소재와 신공법

센서 기술은 소재 과학과 제조 공학의 발전과 보조를 맞추며 빠르게 발전하고 있습니다. 단일벽 탄소 나노튜브 나노복합체 기반 첨단 변형 센서나 신흥 질화갈륨(GaN) 소자의 압전 특성을 사용하는 고감도 열 검출기는 이러한 나노센서를 사용하여 미세한 현상을 감지하는 새로운 애플리케이션을 주도할 것을 약속합니다.

다른 센서 기술들도 다양한 감지 모달리티에 유사한 이점을 제공합니다. 직물에 짜 넣거나, 표면에 페인트하거나, 3D 프린팅 방법으로 제작될 운명인 새로운 유형의 센서들은 더 포괄적인 측정 데이터에 접근할 수 있는 스마트 제품 개발을 가능하게 할 것입니다. 그 어느 때보다 이러한 신흥 센서들은 전도성, 생체적합성, 제조에 대한 특정 요구 사항을 충족할 수 있는 접착 화합물을 요구할 것입니다. 센서와 마찬가지로 새로운 화합물들도 그래핀, 탄소 나노튜브, 나노실리케이트 등 첨단 소재 기반 필러를 사용하는 신소재와 신공법으로 계속 등장할 것입니다.

이 기사는 마스터 본드(Master Bond, 해켄색, 뉴저지)의 수석 제품 엔지니어 로힛 람나스(Rohit Ramnath)가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.

참고문헌

1. Luppino, G. (2003). GSAOI H2RG 4Kx4K Detector Mosaic Module Design Description. GL Scientific Technical Report. GLSTR-0301.
2. Nguyen, D., Domach, M. Huang, X., Greve, D. Impedance Array Studies of Mammalian Cell Growth.
3. To, G, et al. (2008). Multi-channels wireless strain mapping instrument for total knee arthoplasty with 30 microcantilevers and ASIC technology. IEEE SENSORS 2008 Conference.
4. Wittkampf, M., et al. (1997). Silicon thin film sensor for measurement of dissolved oxygen. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 43, doi:10.1016/S0925-4005(97)00138-X.
5. Baj-Rossi, C. et al. (2013). Fabrication and packaging of a fully implantable biosensor array. 2013 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, BioCAS 2013. 166-169. doi:10.1109/BioCAS.2013.6679665.