KR0128551Y1 - 후막형 가스센서 소자 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가연성가스의 누출을 검지하는 가스센서에 사용되는 가스센서소자에 관한 것으로, 특히 내충격성이 우수하고, 조립공정을 단순화하여 작업생산성을 크게 개선한 후막형 가스센서 소자에 관한 것이다. 본 고안은 가연성 가스를 검지하는 가스센서 소자에 있어서, 일정크기의 알루미나 기판위에 ㄷ자 형상의 서로 마주보는 2개의 발열 및 전극겸용 후막을 일정선 간격과 일정선 폭으로 부착하고, 상기 전극의 상부중앙에는 가스 감지용 반도성 후막을 일정크기로 중첩 부착시킴을 특징으로하는 가스센서 소자를 제공한다.

Description

후막형 가스센서 소자

제1도는 본 고안에 따른 후막형 가스센서 소자의 사시도.

제2도는 제1도에 도시된 후막형 가스센서 소자의 측면도.

제3도는 본 고안의 후막형 가스센서소자를 이용한 실시예를 도시한 구성도.

제4도는 측정온도에 따른 일산화탄소가스감도를 도시한 그래프도.

제5도는 측정온도에 따른 수소가스감도를 도시한 그래프도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 후막형 가스센서 소자 11 : 알루미나 세라믹 기판

12a,12b : ㄷ형 전극 13 : 반도성후막

30 : 전원 32 : 스위치

E : 도선 d : 선간격

W : 선폭

본 고안은 가연성가스의 누출을 검지하는 가스센서에 사용되는 가스센서소자에 관한 것으로, 특히 내충격성이 우수하고, 조립공정을 단순화하여 작업생산성을 크게 개선한 후막형 가스센서 소자에 관한 것이다.

일반적인 가스센서소자로는 반도체 방식의 가스센서 소자가 이용된다.

가장 많이 쓰이는 반도체 방식의 가스센서는 반도성 세라믹 내부에 열선이 들어가 있는 방식이다. 즉 열선을 반도체 내부에 삽입하고, 그 열선에 전류를 흘려주므로써 발열시키고, 그로 인하여 반도체의 온도를 가스 감지가 용이한 섭씨 200-300도 정도까지 승온시켜 왔다. 이 경우 반도체 내부에 열선을 삽입하는 공정이 복잡하여 공정 자동화가 어려웠으며, 반도체 내부에서 나온 가는 금속선인 열선을 가는 금속기둥에 고정시켜 놓는 구조적 불안정성으로 인하여 작은 충격에도 가는 열선과 금속기둥의 용접이 떨어지는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결코자 최근에는 세라믹 기판에 반도성 후막을 입히는 방식이 제안되고 있다. 그러나, 최근에 실용화를 서두르고 있는 후막형 반도체 가스센서는 세라믹 기판의 한면에 발열선을 바르고, 다른 한면에 반도성 후막을 입히고 있다. 이는, 자동차 서리제거용 발열선과 유사한 기능의 소형 발열선에 전류를 흘려 섭씨 200-300도 정도로 승온시킨다.

이렇게 온도가 올라가면 세라믹 기판 반대면의 반도성 후막의 온도도 함께 올라간다. 따라서 가스를 감지할 수 있는 조건이 갖추어진다. 그러나 상기와 같이 하면 발열선을 인쇄한후 반대면의 반도성 후막의 전기전도 변화를 측정하기 위한 또다른 전극 막을 입혀야 되는 문제점이 있다.

본 고안자는 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 1994 실용신안등록출원 제13223호(1994. 6월8일)상에 발열선 및 전극을 일체화시킨 후막형 가스센서소자를 제안하였고, 여러가지 실험을 통하여 승온이 가능한 지를 증명한바 있다. 본 고안은 상기 실용신안등록출원 제94-13223호의 내용을 실제 부품조립에 용이하도록 그 조립방법을 개선하고자 한 것이다.

상기 실용신안등록출원 제94-13223호에 제시된 후막형 가스 센서 소자에서는 전극의 굴곡수가 두번 이상이었다. 그러나 실제로 이와같이 설계하여 실험을 계속하면서 그 성공율이 매우 낮음을 알았고 그 원인이 발열선의 선폭이 좁았다는 것에 기인함을 알 수 있었다. 발열선의 선폭이 좁으면, 많은 공정을 거치면서 그 선이 끊어질 가능성이 높다. 또한 발열선의 소성전 함유물이 미세한 금속분말과 일종의 저융점 유리분말인 프릿트(Frit), 그리고 유기결합제등이므로, 발열 후막내에서 금속 분말간의 접촉이 100% 연속적이 되기 어려운 실정이다. 따라서 정상적인 소성을 거치더라도 발열 후막의 폭이 넓거나, 두께가 두꺼워야 발열선의 역할을 수행할 수 있다. 그리고, 종래의 2회이상의 굴곡진 후막은 그 끝부분에 전선을 감기 때문에 공장자동화가 어려운 것이다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 적은 크기의 세라믹 기판위에 후막의 굴곡횟수를 감소시켜 공장자동화가 용이함으로서 작업생산성을 크게 개선한 후막형 가스센서소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 일정크기의 알루미나 세라믹 기판위에 ㄷ자 형상의 발열 및 전극겸용 막을 부착하고, 가스 감지용 반도성 세라믹 후막을 상기 막 사이에 중첩 부착함으로써 가연성가스를 검지하는 가스센서소자에 있어서, 상기 막은 서로의 선간격이 숏트를 방지하도록 일정길이 이상으로 형성되고 선폭이 단선을 방지하도록 일정길이 이상으로 형성되며 굴곡된 부분이 서로 가까이 있게 대향 배치되도록 소성으로 형성된 후막임을 특징으로 하는 후막형 가스센서 소자를 마련함에 의한다.

이하, 본 고안을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 고안의 후막형 가스센서소자(1)는 가로,세로 및 두께가 5㎜x2.5㎜x0.6㎜인 알루미나 세라믹 기판(11)을 갖추고, 그 일측면에는 발열 및 전극겸용 백금후막(12a)(12b)이 실크스크린법으로 인쇄되어 부착되며, 상기 백금 후막(12a)(12b)은 각각 ㄷ자형의 서로 마주보는 상태로 2개가 부착되며 후막(12a)(12b)사이의 선간격(d)은 0.5㎜이며, 각각의 후막(12a)(12b)의 선폭(W)은 1㎜이다. 그리고, 상기 발열 및 전극겸용 백금 후막(12a)(12b)의 상부면 중앙에는 가스 감지용 반도성 후막(13)을 인쇄하여 부착하며 상기 반도성 후막(13)의 크기는 가로,세로가 각각 2.5㎜x3㎜로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 작용 및 효과를 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

본 고안은 96% 알루미나 세라믹 기판(11)을 가로 5㎜, 세로 2.5㎜, 두께 0.6㎜로 가공한 후 아세톤으로 세척한 다음 백금 전극(12a)(12b)을 실크 스크린법으로 인쇄하였다. 백금 전극(12a)(12b)은 저융점 유리인 프릿트를 첨가한 것과 첨가하지 않은 것 두 종류를 사용하였다. 스크린의 촘촘함은 325mesh로 하였고, 두께는 100 마이크로미터와 50마이크로미터 두종류를 사용하였다. 백금 전극의 인쇄모양 및 치수는 제1도에 나타낸 바와같이 ㄷ자 모양을 마주보게 하였다. 전극(12a)(12b)간 거리인 선 간격(d)은 모드 0.5㎜를 띄웠고, 전극의 선폭(W)은 1.0㎜로 하였다. 이렇게 인쇄된 후막(12a)(12b)은 섭씨 150도의 건조기에서 24시간 건조시킨 다음, 섭씨 1000도까지 분당 5도의 속도로 승온시켜 2시간 유지하여 소성하였다.

그다음에 분당 10도의 속도로 냉각시켰다. 상기와 같이 소성된 백금 후막(12a)(12b)위에 반도체 후막(13)을 인쇄하였다. 상기 반도체 후막(13)의 제조는 아래와 같았다.

출발 조성은 통상의 93SnO₂-1Mg(NO₃)₂6H₂O-1PdCl₂-5ThO₂(mol%)로 하였다. 상기 물질을 부피 250㏄인 플라스틱 통에 약 50g을 넣고, 혼합용매인 증류수를 50㏄, 지르코니아 볼을 200g 넣어 12-14시간 볼밀링하였다. 볼밀링이 끝난 슬러리를 건조오븐에 5시간 이상 건조시킨후, 섭씨 500도 까지 분당 5도의 속도로 승온하여 2시간 유지하여 하소시킨 다음, 분당 10도의 속도로 냉각하였다. 상기 하소된 분말을 백금 전극(12a)(12b)위에 인쇄하여 부착시켰다. 이와같이 인쇄된 후막(12a)(12b)을 갈라지지 않도록 서서히 건조시키고, 유기결합제를 소각시킨후 소성시키기 위하여 섭씨 900도까지 승온하여 2시간 유지시켜 소성한 후 섭씨 400도까지 분당 10도의 속도로 냉각한후 로냉하였다.

이와같이 제작된 가스 센서소자(10)의 특성을 측정하기 위하여 제3도에 도시된 바와같이 전원(30)을 연결하고, 도선(E)으로 연결하였다. 따라서, 왼쪽 ㄷ자형 전극 끝(21)에서 전류가 나와 ㄷ자형을 따라 흐르고 다른 한 끝(22)으로 간후, 다시 오른쪽에 입혀진 ㄷ자형 전극의 한끝(23)으로 연결되어 간 다음, 이는 다시 ㄷ자형 전극 후막을 통과하여 나머지 한끝(24)을 통해 흘러 나간다. 즉 왼쪽, 오른쪽 두개의 ㄷ자형 전극이 서로 직렬 연결되어 발열체로 작용한다.

잠시후 가열이 완료되어 섭씨 200-300도 정도까지 승온되면, 가스 감도 측정이 가능해지고 이때는 상기 왼쪽 ㄷ의 끝단(22)과 오른쪽 ㄷ를 있는 끝단(23)사이의 스위치(32)에서 도선(E)를 끊어주면 된다. 이와같이 가스 감도의 측정시엔 왼쪽 전극(12a)은 전체가 플러스 단자가 되고 오른쪽 전극(12b)는 마이너스 단자가 되어 두 ㄷ형 전극(12a)(12b)사이에 얹혀진 반도성 후막(13)의 전기저항을 측정하게된다.

그리고, 반도성 후막(13)의 가열 정도를 열전대로 측정하였다. 이때, 백금후막(12a)(12b)에 전류를 흘려 그로인한 발열효과는 표 1에 정리한 바와같이 섭씨 300도 이상이 가능하였다.

일산화탄소에 대한 감도는 제3도에 나타낸 바와같다. 이는 측정온도가 바뀜에 따라 그 감도가 바뀌고 있음을 알 수 있다. 감도 측정을 위하여 왼쪽 ㄷ자 모양의 전극(12a) 끝(22)에서 나와 오른쪽 전극(12b)의 한끝(23)에 연결된 전선의 중간을 끊어준다. 이와같이 측정시엔 왼쪽 전극(12a)은 전체가 플러스 단자가 되고 오른쪽 전극(12b)은 마이너스 단자가 되어 두 ㄷ사이에 얹혀진 반도성 후막(13)이 전기저항을 측정하게된다. 약 30V의 전압을 플러스, 마이너스 단자양단에 인가하고 그때 흐르는 전류를 측정하되, 5000ppm(0,5%)의 일산화탄소 농도하에서의 전류값을 순수한 건조 공기를 흘려줄때의 전류값으로 나눈 값이다.

각 시험편의 제조 조건은 표 2에 나타낸 바와같이 백금계 전도성 잉크의 성분과 인쇄 막의 두께가 다르다.

측정 데이타(제4도)가운데 시편C의 특성이 가장 우수하였다. 섭씨 240도에서 최고의 감도를 나타냈으며 그 감도는 21이었다. 이 값은 비교재 값인 10과 비교하여 200% 이상 향상된 우수한 값이다.

수소 가스에 대한 감도는 제5도에 나타낸 바와같다. 시편의 번호는 표 2와 동일 하다. 측정온도가 상승하면서 그 감도가 계속 상승하고 있다. 이는 일산화탄소의 감도 곡선과는 다른 양상을 띠어 그 측정온도에 따라 감지하는 가스의 종류가 달라짐을 보이고 있다. 즉 가스 감지의 선택성이 있다고 보인다. 목적으로 하는 가스에 따라 그 측정온도를 바꾸어주면 각각의 가스를 감지할 수 있다. 또한 특이한 점은 200ppm의 수소 가스에 대한 감도가 160정도까지 가능했다는 점이다. 이는 현재까지 10정도 였던 비교재에 비하여 16배 이상 향상된 값이다. 이는 발열 후막이 칠해지지 않은 알루미나 기판의 다른 면에 반도체 후막을 형성하던 기존의 방식에서 볼 수 없었던 현상이다. 즉 발열 및 전극 겸용 후막위에 곧바로 가스 감지가 가능한 반도성 후막이 입혀진 본 소자에서만 발견되는 현상이다.

상기의 원인으로는 발열 및 전극 겸용 후막과 반도체 후막사이의 전기적 접촉면이 넓어졌기 때문일 수도 있다. 그러나 프릿트가 함유되지 않은 시편에서 위와같은 현상이 심한 것으로 보다 재료자체의 변화때문인 것으로 유추할 수 있다. 즉 발열 및 전극 겸용 후막의 재질인 백금 성분이 약간이나마 반도체 후막에 번져 올라왔을 가능성도 있다는 것이다. 이경우 일종의 저융점 유리 가루인 프릿트가 있으면 백금 분말을 응집하는 효과가 더욱 커서 백금 분말의 이동을 억제할 가능성이 더높다. 프릿트가 함유되지 않은 백금 잉크를 발열 및 전극 후막으로 사용한 시편에서 상기의 감도 향상이 두드러졌음이 상기 추리를 뒷받침한다.

이와같이 제작된 센서는 기존의 세라믹 덩어리형 센서소자보다 충격에 강하고, 제조 공정의 자동화를 앞당길 수 있다. 또한 최근에 개발된 소자라 할 지라도 기판의 한면에는 발열 후막을 또 한면에는 반도성 후막과 전극용 후막을 입혀야 하므로 발열 후막에 접속되는 전선과, 전극에 연결되는 전선을 각각 용접해야 하는 공정이 있었으나, 본 고안의 경우 한쪽면에만 전선을 접속해도 작동이 가능하게되어, 조립공정을 단순화 시킬 수 있다. 또한 전력 소모를 줄이기 위하여 기판(11)의 크기를 5㎜x2.5㎜로 줄인 경우엔 발열 및 전극 겸용 후막(12a)(12b)이 2회 이상 굴곡시 그 선폭(W)이 0.4㎜이하로 되어 미세한 분말이 서로 연결된 형태의 백금 후막이 단선될 확률이 높아진다. 따라서 굴곡 수를 ㄷ자형으로 하여 1회만 하면 그러한 단선의 위험을 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 전극(12a)(12b)사이의 선 간격(d)도 0.3㎜이하이면, 후막 소성시 제5도와같이 번지는 경우가 발생하여 숏트가 일어나기도 하므로 최소한 0.5㎜이상이 확보되는 본 고안의 전극은 번짐에 의한 숏트를 방지하는 효과가 있다.

상기에서와 같이 본고안에 의하면, 적은 크기의 알루미나 세라믹 기판(11)위에 전극(12a)(12b)의 굴곡 횟수를 감소시켜 인쇄하고, 상기 전극(12a)(12b)위에 반도성 후막(13)을 중첩하여 인쇄하기 때문에 작업공정이 단순화되어 공장자동화가 용이하며, 그에 따른 작업생산성이 크게 향상되는 효과를 얻는 것이다.

Claims (1)

1. 일정크기의 알루미나 세라믹 기판(11)위에 ㄷ자 형상의 발열 및 전극 겸용 막을 부착하고, 가스 감지용 반도성 세라믹 후막(13)을 상기 막 사이에 중첩 부착함으로써 가연성가스를 검지하는 가스센서소자에 있어서, 상기 막은 서로의 선간격(d)이 숏트를 방지하도록 일정길이 이상으로 형성되고 선폭(W)이 단선을 방지하도록 일정길이 이상으로 형성되며 굴곡된 부분이 서로 가까이 있게 대향 배치되도록 소성으로 형성된 후막(12a)(12b)임을 특징으로 하는 후막형 가스센서 소자.