KR0179136B1 - 가스감지용 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스감지용 가스센서에 관한 것으로, 성질이 다른 가스 중에 혼합되어 있는 탄화수소계 가스들을 효율적으로 감지하여 신뢰성이 있는 경보체계를 구축하는데 적당한 가스감지용 센서에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 가스감지용 센서는 알루미나 기판상에 특정 형태로 분리 패터닝되는 히터 및 전극, 상기 히터 상부에 코팅되어 외부 가스와의 접촉에 따른 연소작용으로 히터전류를 변화시키는 촉매층과, 상기 전극 상부에 코팅되어 외부가스와의 접촉에 따른 전기전도도를 변화시키는 감지막과, 상기 촉매층에 의한 연소작용에 따른 히터전의 변화를 검출하는 전류검출수단을 포함하여 이루어져 탄화수소계 가스에 대한 센싱감도를 향상 시키기 위해 상기 전기전도도 변화 및 히터 전류 변화를 동시에 이용함을 특징으로 한다.

Description

가스감지용 센서

제1도는 종래 반도체식 가스센서를 나타낸 도면.

제2도는 종래 반도체식 가스센서의 동작회로.

제3도는 종래 접촉 연소식 가스센서를 나타낸 도면.

제4도는 종래 접촉 연소식 가스센서의 동작회로.

제5도는 본 발명의 가스감지용 센서의 평면구조,

제6도는 본 발명의 가스감지용 센서의 동작회로.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 알루미나 기판 2 : 히터

3 : 전극 4 : 절연층

5 : 촉매층 6 : 감지막

7 : 전류검출수단

본 발명은 가스감지용 센서에 관한 것으로, 특히 성질이 다른 가스 중에 혼합되어 존재하는 탄화수소계의 가스들의 효율적으로 분리하여 감지하는데 적당하도록 한 가스감지용 센서에 관한 것이다.

일반적으로 현재 상용화되고 있는 가스센서는 크게 두 종류로 분류되는데 그 중 하나는 산화물 반도체를 분류재료로 사용한 반도체식(Semiconductor Type) 또는 저항 변화형(Resistive Type)이고 다른 하나는 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등의 촉매담체를 이용한 접촉 연소식이 있다.

제1도는 종래의 반도체식 가스센서를 나타낸 것이고, 제2도는 종래 반도체식 가스센서의 동작회로도이다.

종래 반도체식 가스센서를 제1도 및 제2도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

반도체식은 주로 일산화탄소(CO), 수소(H₂) 알코올류 등의 환원성 가스감지용으로서 대기 중에 존재하는 환원성 가스가 센서 감지물질 표면에 흡착되어 센서 표면에서 산화/환원반응이 일어나도록 함으로써 전저교환이 이루어지는 일련의 과정을 거치면서 동작된다.

즉, 환원성 가스(R)가 가열된 센서표면에 이미 흡착되어진 산소이온과 결합하여 아래 식과 같이 전도전자를 발생시킨다.

이때 전자농도가 변화함에 따라 산화물 반도체의 저항이 변화된다.

R + O^-→ RO + e^-(전도전자)

R + O^-2→ RO + 2_e ^-

이런한 반응은 환원성 가스(R)의 종류, 센서의 재료(감지물질), 촉매의 종류와 량, 동작온도(가열온도) 등에 따라 차이가난다.

따라서 감지하고자 하는 가스의 종류가 무었이냐에 따라 센서의 감지물질, 촉매의 종류와 량을 조절해야 한다.

또한 센서표면을 적절한 온도를 가열해 주어야 하므로 히터를 센서에 정착 하여야 하며, 그에 따른 경제성과 양산성 및 내구성을 고려해야 한다.

즉, 제1도에서와 같이 세라믹 튜브(1) 내에 센서를 가열시키기 위한 히터(2)가 코일형태로 정착되고, 상기 세라믹 튜브(1) 외벽에 전극(3)이 형성되어 리드선(4)이 연결되며, 상기 전극(3) 위에는 Pb 또는 Pt 등의 귀금속 촉매가 혼합된 산화주석(SnO₂)으로 된 감지막(5)이 도포된 구조로 되어 있다.

따라서, 히터(2)를 가열하여 감지막(5)이 검출가스와의 반응이 활성화되도록 일정한 온도로 유지시킨다.

이렇게 가열된 감지막(5) 표면에 검출하고자 하는 가스가 접촉하게 되면 검출가스분자와 감지막(5) 표면에서 전하이동이 생겨 전기전도도, 즉, 저항치가 변하게 되고 전극(3)에 흐르는 전류치도 변하게 되므로 가스의 존재를 검출하게 된다.

한편 제3도는 종래 접촉 연소식 가스센서를 나타낸 것이고, 제4도는 종래 접촉 연소식 가스센서의 동작회로이다.

종래 접촉 연소식 가스센서를 제3도 및 제4도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

종래 접촉 연소식 가스센서는 제3도에서와 같이 촉매가 있는 감지 셀(Sensing Cell)과 촉매가 없는 기준 셀(Reference Cell)이 쌍(Pair))을 이루어야만 사용이 가능하다.

즉, LNG와 LPG와 같은 가열성 가스가 약 300∼400℃ 정도로 가열되어 있는 감지 셀 표면의 촉매에 닿으면 곧바로 연소하게 되어 온도상승 효과를 일으키게 되며 그로 인해 금속 저항체(통상 백금이 주로 사용됨)로 제작된 히터에 흐르는 전류가 감소하게 된다.

이와 같이 가스 연소열(Heat of Combustion)을 히터의 전류변화로 감지함으로써 일정농도 이상의 가스 유무를 감지한다.

그러나 상기와 같은 종래의 반도체식 및 접촉 연소식 가스센서는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 반도체식은 감지재료의 조성선택에 따라 어느 정도까지는 특성가스에 대한 감도를 높이고 다른 가스에 대한 감도를 줄일 수는 있으나 그것만으로는 충분치 못하여 감지하고자 하는 대상 가스가 아닌 다른 가스에 대한 반응 때문에 항상 오작동의 위험을 갖고 있다.

그리고 접촉 연소식은 가스의 연소열을 히터에 흐르는 미세한 전류변화로서 감지해야 하므로 일정농도 이상의 고농도의 레벨에서만 가스의 유무를 판단할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 산화물 반도체 방식의 센서에 접촉연소 효과를 부가시켜 성질이 서로 다른 다양한 가스중에 혼합되어 있는 탄화수소계 가스들을 효과적으로 분리하여 감지할 수 있는 가스감지용 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스감지용 센서는 알루미나 기판상에 특정형태로 분리 패터닝되는 히터 및 전극, 상기 히터 상부에 코팅되어 외부 가스와의 접촉에 따른 연소작용으로 히터전류를 변화시키는 촉매층과, 상기 전극 상부에 코팅되어 외부가스와의 접촉에 따른 전기전도도를 변화시키는 감지막과, 상기 촉매층에 의한 연소작용에 따른 히터전류의 변화를 검출하는 전류검출수단을 포함하여 이루어져 특정가스의 센싱감도 향상을 위해 상기 전기전도도 변화 및 하터 전류변화를 동시에 이용함을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 가스감지용 센서를 설명하면 다음과 같다.

제5도는 본 발명의 가스감지용 센서의 평면구조도 이고, 제6도는 본 발명의 가스감지용 센서의 동작회로도이다.

본 발명의 가스감지용 센서는 제5도(a)에서와 같이, 알루미나 재질의 기판(11)에 RuO₂, Ni-Cu계 Pt, W-Pt 계통의 전도성 물질을 스크린 프린팅(Screen Printing)법으로 히터부(2)와, 전극(3)을 프린팅한다.

제5도(b)에서와 같이, 상기 히터부(2)를 패터닝한 후 제5도(c)에서와 같이, 상기 패터닝된 히터부(2) 상부에 절연층(4)을 코팅한다.

그리고, 제5도(d)에서와 같이, 상기 절연층(4) 위에 촉매층(5)을 코팅하고 제5도(e)에서와 같이, 상기 전극(3) 위에 감지막(6)을 코팅한다.

이때, 상기 감지막(6)은 SnO₂기판에 대한 점척력 증대를 위해 TiO₂, 입자 성장을 억제하기 위해 In₂O₃, 저항치 조절을 위해 Sb₂O₅, 반응성 증대를 위해 Pd를 각각 10∼0.1wt% 첨가한 산화물 반도체를 사용한다.

제5도 및 제6도에서와 같이 히터(3)에 전압을 인가하여 가열헤 주면, 상기 히터(3) 위에 형성된 촉매층(5)에서 가연성 가스와 접촉함에 따라 가스연소에 의한 온도가 상승하고 이는 센서의 감도를 향상시킨다.

따라서, 산화물 반도체에 의한 센서의 감도와 상기 촉매층(5)에 의한 센서 감도 향상효과로 인해 결과적으로 센서의 감도를 더욱 향상시키게 된다.

이때 상기 가열성 가스가 연소함에 따라 히터(3)에 흐르는 전류는 감소하게 되는데 제6도에서와 같이 전류검출 수단부(7)에 의해 히터(3)에 흐르는 전류를 검출하여 전류가 특정값 이상 감소하면 탄화수소(Hydrocarbon)계 가스의 존재를 확인할 수 있다.

즉, 히터(3)의 전류를 측정하여 탄화수소계 가스에 대한 센서의 감도를 향상시키게 된다.

따라서, 본 발명의 가스감지용 센서를 LNG나 LPG 등의 누설 경보기에 응용하면 담배연기, 음식냄새 등에 의한 오작동을 방지하여 정확한 경보기능을 수행할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 가스감지용 센서는 감지대상 가스 및 가스농도에 관계없이 센싱감도가 우수하여 신뢰성 있는 경보체계를 감출수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 알루미나 기판상에 특정 형태로 분리 패터닝되는 히터 및 전극, 상기 히터 상부에 코팅되어 외부 가스와의 접촉에 따른 연소작용으로 히터전류를 변화시키는 촉매층과, 상기 전극 상부에 코팅되어 외부가스와의 접촉에 따른 전기전도도를 변화시키는 감지막과, 상기 촉매층에 의한 연소작용에 따른 하터전류의 변화를 검출하는 전류 검출수단을 포함하여 이루어져 탄화수소계 가스에 대한 센싱감도를 향상시키기 위해 상기 전기전도도 변화 및 히터 전류 변화를 동시에 이용함을 특징으로 하는 가스감지용 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 감지막은 SnO₂에 TiO₂, In₂O₃, Sb₂O₅, Pd를 각각 10∼0.1wt% 첨가한 산화물 반도체를 사용함을 특징으로 하는 가스감지용 센서.