KR100236336B1 - 산화물 반도체 후막형 오존센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오존에 대한 감도 및 응답속도 특성이 뛰어날 뿐만 아니라 낮은 농도에서도 오존의 측정이 가능한 산화물 반도체 후막형 오존센서 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 알루미나 기판의 전면과 배면상에 백금을 각각 스크린 인쇄한후 열처리하여 히터와 전극을 형성하는 단계와, In2O3에 NiO나 ZrO2를 0.1-10wt% 첨가한 후 열처리하여 감지물질의 혼합분말을 형성하는 단계와, 상기 혼합분말을 유기 비이클(Vehicle)과 섞어 만든 페이스트를 상기 전극을 포함하는 기판상에 인쇄하여 감지막을 형성하는 단계와, 상기 감지막이 형성된 기판을 열처리한후 단일센서로 패키징하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 산화물 반도체 후막형 가스센서에 관한 것으로, 특히 대기중의 오존농도의 측정에 있어서 오존농도에 대한 감도 및 오존응답 특성을 개량한 산화물 반도체 후막형 오존센서에 관한 것이다.
오존은 자극성의 연푸른 기체로 산소 원자 3개가 결합되어 형성되는 물질이다. 성층권에 존재하는 오존은 태양으로부터 나오는 자외선을 차단하여 지구상의 생물이 존재할 수 있는 환경을 만들어 준다.
하지만, 대기중에 존재하는 오존은 산화력이 큰 물질이기 때문에 생명체에 해로운 영향을 끼친다. 대기중의 오존은 주로 질소 화합물과 휘발성 유기 화합물의 광반응으로 생성되며, 이러한 화합물의 생성은 대기중의 탄화수소 및 질소 산화물의 농도에 의존하기 때문에 자동차의 석유연소시설 및 저장시설 등이 주요한 배출원이 된다. 오존발생에 따른 영향은 주의보발령 기준인 120ppb 정도에서 1시간 정도 노출되면 호흡기를 자극하거나 눈, 목 등의 점막을 자극하는 증세를 일으킨다. 경보발령 기준인 300ppb에서 2시간 정도 노출되면 폐 기능의 감소에 따른 저항력 약화로 만성심장 질환이나 폐기종을 일으키며, 식물의 잎 손상 및 곡물의 수확량의 감소가 야기되며, 맑은 날씨에도 가까운 거리의 물체가 보이지 않는 광학 스모그의 원인이 되기도 한다. 따라서 세계 각국에서는 산성비의 원인이 되는 NOx, SOx, HCl, 온실효과의 원인이 되는 CO2, CH4, H2O, Fluorocarbon과 함께 오존에 대하여도 많은 관심을 가지고 연구하고 있고 오존농도를 측정하는 여러가지 종류의 센서와 그의 제조방법이 있으며 가격의 저렴성이나 부피가 작은 점에 있어서 큰 장점을 가진 산화물 반도체 가스센서가 널리 사용되고 있다.
산화물 반도체 가스센서는 박막형과 후막형으로 대별될수 있고, 종래의 전형적인 산화물 반도체 박막형 가스센서는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 알루미나 기판(10), 백금전극(11), 상기 백금전극(11)을 포함하여 상기 알루미나 기판(10)상에 형성된 In2O3감지막(12), 상기 알루미나 기판(10)의 배면에 형성된 백금히터(13), 상기 In2O3감지막(12)위에 오존가스의 선택성을 높이기 위해 형성된 헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane)층(14)으로 구성되어 있으며, 상기 백금전극(11), In2O3감지막(12), 백금히터(13)는 박막제조 공정인 물리기상증착(physical vapor deposition)을 이용하여 형성하고 상기 헥사메틸다실록산층(14)은 화학기상증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 In2O3감지막(12)위에 증착하여 형성한다.
상기 가스센서에 의하면 상기 백금히터(13)에 의해 활성화되도록 가열된 In2O3감지막(12)위에 오존가스가 접촉하게 되면 이들 사이에서 흡·탈착반응이 일어나게 되고 이로 인해 In2O3감지막(12)의 저항이 증가하게 되어 백금전극(11)에 흐르는 전류값이 변하게 되므로 이를 이용하여 오존가스를 검출하게 되는 것으로, 오존가스에 대한 감도측정 결과 감지막의 두께가 얇을수록 감도가 우수하고 동작온도는 380℃부근이 가장 양호하다.
한편, 종래의 산화물 반도체 후막형 가스센서는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 알루미나 기판(20)상의 전면 및 이면에 각각 스크린 인쇄방법을 이용하여 형성된 백금전극(21)과 백금히터(23)와, 상기 백금전극(21)위에 역시 스크린 인쇄방법을 이용하여 형성된 In2O3감지막(22) 또는 In2O3에 미량의 Fe2O3가 포함된 혼합 감지막(22)으로 형성된 것으로, 이들 작동역시 상술한 박막형 가스센서와 동일하다.
상술한 산화물 반도체 박막형 가스센서는 동작방법이 간단하고 소형으로 오존측정기를 만들수 있다는 장점이 있으나 센서의 제조에서 물리기상증착(phisical vapor deposition) 등의 박막제조 공정을 사용하기 때문에 제조공정이 복잡하고 제조시에 사용되는 장비들도 고가여서 제조비용이 높을 뿐만 아니라 감지막이 박막으로 되어 있어 장시간 사용시 신뢰성이 떨어지는 등의 문제점이 있으며, 산화물 반도체 후막형 가스센서는 통상의 스크린 인쇄기술을 이용하여 후막형으로 센서를 제조하기 때문에 제조공정이 간단하고 제조장비들도 저렴할 뿐만 아니라 감지막도 후막으로 되어 있어 장시간 사용으로 인한 신뢰저하의 문제가 발생되지 않는 등의 장점도 있으나, 전반적으로 오존에 대한 감도가 박막형 가스센서에 비하여 떨어질 뿐만 아니라 1ppm 이하의 낮은 오존농도하에서는 센서의 감도가 현저히 떨어져서 오존측정이 불가능하다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 목적은 오존에 대한 감도 및 응답속도 특성이 뛰어날 뿐만 아니라 낮은 농도에서도 오존의 측정이 가능한 산화물 반도체 후막형 오존센서 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 산화물 반도체 박막형 오존센서를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 2는 종래의 산화물 반도체 후막형 오존센서를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 후막형 오존센서의 전면과 배면을 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 종래의 박막형 센서(동작온도 380℃)와 본 발명 제 1 실시예에 의해 제조된 후막형 오존센서(동작온도 350-600℃)의 오존응답 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 종래의 박막형 센서(동작온도 380℃)와 본 발명 제 1 실시예에 의해 제조된 후막형 오존센서(동작온도 350-600℃)의 오존농도에 따른 감도를 나타낸 그래프,
도 6은 종래의 박막형 센서(동작온도 380℃)와 본 발명 제 1 실시예에 의해 제조된 후막형 오존센서(동작온도 250-350℃)의 오존응답 특성을 나타낸 그래프,
도 7은 종래의 박막형 센서(동작온도 380℃)와 본 발명 제 2 실시예에 의해 제조된 후막형 오존센서(동작온도 200-400℃)의 오존응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 20, 30 : 기판 11, 21, 31 : 백금전극
12, 22, 32 : 백금히터 13, 23, 33 : 감지막
14 : 헥사메틸 디실록산막
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 산화물 반도체 후막형 오존센서의 제조방법은, 알루미나 기판의 전면과 배면상에 백금을 각각 스크린 인쇄한후 열처리하여 히터와 전극을 형성하는 단계와, In2O3에 NiO를 0.1-10wt% 첨가한 후 열처리하여 감지물질의 혼합분말을 형성하는 단계와, 상기 혼합분말을 유기 비이클(Vehicle)과 섞어 만든 페이스트를 상기 전극을 포함하는 기판상에 인쇄하여 감지막을 형성하는 단계와, 상기 감지막이 형성된 기판을 열처리한후 단일센서로 패키징하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 산화물 반도체 후막형 오존센서의 제조방법은 알루미나 기판의 전면과 배면상에 백금을 각각 스크린 인쇄한후 열처리하여 히터와 전극을 형성하는 단계와, In2O3에 ZrO2를 0.1-10wt% 첨가한 후 열처리하여 감지물질의 혼합분말을 형성하는 단계와, 상기 혼합분말을 유기 비이클과 섞어 만든 페이스트를 상기 전극을 포함하는 기판상에 인쇄하여 감지막을 형성하는 단계와, 상기 감지막이 형성된 기판을 열처리한후 단일센서로 패키징하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명의 또 하나의 다른 특징에 따른 산화물 반도체 후막형 오존센서는 알루미나 기판과, 상기 알루미나 기판의 전면에 스크린 인쇄층으로 형성된 백금전극과, 상기 알루미나 기판의 배면에 스크린 인쇄층으로 형성된 백금히터와, 상기 전극을 포함하는 알루미나 기판의 전면에 90-99.9wt의 In2O3와 0.1-10wt%의 NiO나 ZrO2중에서 선택된 첨가제로 이루어진 감지물질을 스크린 인쇄로 형성한 오존감지층을 구비함을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 산화물 반도체 후막형 오존센서의 전면 및 배면을 각각 나타낸 것으로, 본 발명의 산화물 반도체 후막형 오존센서는, 알루미나 기판(30)과, 알루미나 기판(30)의 전면과 배면에 각각 백금을 스크린 인쇄하여 형성한 백금전극(31) 및 백금히터(32)와, 상기 백금전극(31)을 포함하여 알루미나 기판(30)상에 In2O3을 주성분으로 하고 여기에 NiO 또는 ZrO2의 어느 하나를 0.1-10wt%로 첨가 혼합하여 이루어진 감지물질의 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성한 오존감지층(33)으로 구성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 오존센서의 제조방법에 대한 실시예에 대하여 설명한다.
(제 1 실시예)
먼저, 세척한 알루미나 기판(30) 전면상 및 배면상에 백금 페이스트를 소정 패턴으로 스크린 인쇄하여 백금전극(31)과 백금히터(32)을 형성한후, 1100℃에서 1시간 동안 열처리한다. 이와 동시에 In2O3를 주성분으로 하고 여기에 NiO 0.1-10wt% 첨가한 혼합분말을 1000-1500℃로 1시간동안 열처리한후 유기 비이클(vichicle)과 섞어 페이스트(paste)를 만든다. 이와 같이 제조된 페이스트를 상기 백금전극(31)이 형성된 알루미나 기판(30)위에 스크린 인쇄방법을 이용하여 인쇄한후 1시간동안 800℃로 열처리한다. 그다음 단일 센서로 패키징하여 제조공정을 완료한다.
(제 2 실시예)
제 2 실시예는 제 1 실시예에서의 In2O3에 NiO 첨가하는 대신에 ZrO2를 첨가하는 것이외에는 제 1 실시예와 동일하므로 그 이외 부분에 대하여서는 설명을 생략한다.
(제 3 실시예)
제 3 실시예는 제 1 실시예의 감지물질을 사용하는 혼합분말의 열처리 온도 를 1000-1500℃로 하는 대신에 1000℃ 이하로 한 경우를 제외하고는 제 1 실시예와 동일하므로 그 이외부분에 대하여서는 설명을 생략한다.
(제 4 실시예)
제 4 실시예는 제 2 실시예에서의 감지물질로 사용되는 혼합분말의 열처리 온도를 1000-1500℃로 하는 대신에 1000℃ 이하로 하는 것을 제외하고는 동일하므로 그 이외부분에 대하여는 설명을 생략한다.
그리고, 상기 제 3 실시예 및 제 4 실시예에서 1000℃ 이하의 열처리는 열처리를 전혀 하지 않는 것도 포함된다.
도 4는 제 1 실시예와 제 2 실시예의 방법으로 제조된 산화물 반도체 후막형 오존센서와 종래 산화물 반도체 박막형 오존센서의 시간에 따른 감도(Rg/Ra; Ra는 공기중에서의 센서저항, Rg 오존에 노출되었을 때의 센서저항)로 표시되는 오존응답 특성을 나타낸 그래프로, 본 발명에 의한 오존센서는 350-600℃에서 동작되고 종래 박막형 가스센서는 가장 뛰어난 특성을 나타내는 380℃에서 동작되며 이때의 오존농도는 100ppb로서 A는 제 1 실시예에 의한 오존센서, B는 제 2 실시예에 의한 오존센서, C는 종래 박막형 오존센서의 특성을 나타낸 것이다.
그리고 도 5는 제 1 실시예와 제 2 실시예의 방법으로 제조된 산화물 반도체 후막형 오존센서와 종래의 박막가스센서의 오존농도에 대한 감도를 나타낸 것으로, 동작온도는 도 4의 경우와 동일하다.
또한 도 6은 본 발명에 의한 오존센서의 동작온도를 250-350℃로 한 것 이외에는 도 4와 동일 조건으로 동일센서에 대하여 측정한 오존응답 특성을 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 제 3 실시예와 제 4 실시예의 방법에 의해 제조된 후막형 오존센서와 종래의 산화물 반도체 박막형 가스센서의 오존특성을 나타낸 그래프로, 동작온도는 본 발명의 센서가 200-400℃, 종래의 센서가 380℃이고, 오존농도는 100ppb이며, D.E.는 본 발명의 제 3 및 제 4 실시예에 따라 제조된 센서를 나타낸 것이다.
상기 도 4-도 6의 그래프로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예의 제조방법에 대해 제조된 오존센서는 특성이 뛰어나다는 박막형 가스센서보다는 오존응답 특성이나 오존농도에 따른 감도의 특성이 더욱 뛰어남을 알수 있으며, 제 2 실시예의 제조방법에 의해 제조된 오존센서 역시 오존응답 특성이 종래의 박막형 가스센서 보다 뛰어나고, 오존농도에 따른 감도의 특성도 종래의 박막형 가스센서에 비하여 거의 유사함을 알수 있다.
또한 제 1 및 제 2 실시예의 방법에 따라 제조된 오존센서는 동작온도를 350-600℃로 할때 오존감도가 높을 뿐만 아니라 응답속도도 40-60초 정도로 매우 빨라 범용의 오존측정에 매우 유용한 특성을 가지고 있음을 알수 있다.
또한 제 1 및 제 2 실시예에 따라 제조된 오존센서는 200-350℃에서 동작시킬때에는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 빠른 시간에 센서감도가 안정화 되지 못하고 계속 증가하는 경향을 나타내기 때문에 오존농도 측정에는 이용할수 없으나, 센서의 감도가 매우 크기 때문에 오존누출이나 대기중의 오존증가를 알려줄수 있어 오존경보 시스템에 적용하여 사용할수 있고 특히 이경우 저온으로 동작하기 때문에 전력소모가 작아 휴대용에 적용하면 매우 유용함을 알수 있다.
그리고 제 3 및 제 4 실시예에 따라 제조된 오존센서는 도 7에 도시된 바와 같이 종래의 박막형 가스센서에 비하여 오존응답 특성이 매우 뛰어남을 확인할수 있다.
특히 이 실시예의 제조방법은 혼합분말의 열처리를 1000℃ 이하에서 행하거나 또는 열처리를 하지 않고 센서를 제조하기 때문에 제조시의 소비전력을 줄이거나 제조공정 자체를 줄일수 있는 장점을 가지고 있다.
이상과 같이 본 발명의 제조방법에 의한 산화물 반도체 후막형 오존센서는 후막형 오존센서에 따른 장점을 지니면서도 저농도에서 오존측정이 가능할 뿐만아니라 오존에 대한 응답특성이 매우 뛰어나다는 효과가 있다.
Claims (7)
- 알루미나 기판의 전면과 배면상에 백금을 각각 스크린 인쇄한후 열처리하여 히터와 전극을 형성하는 단계와,In2O3에 NiO를 0.1-10wt% 첨가하여 감지물질의 혼합분말을 형성한후 상기 혼합분말을 유기 비이클(hehicle)과 섞어 만든 페이스트를 상기 전극을 포함하는 기판상에 인쇄하여 감지막을 형성하는 단계,상기 감지막이 형성된 기판을 열처리한후 단일센서로 패키징하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 혼합분말은 유기 비이클과 섞기전에 1000℃ 이하에서 열처리하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 혼합분말은 유기 비이클과 섞기전에 1000-1500℃에서 열처리되는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서 제조방법.
- 알루미나 기판의 전면과 배면상에 백금을 각각 스크린 인쇄한후 열처리하여 히터와 전극을 형성하는 단계와,In2O3에 ZrO2를 0.1-10wt% 첨가하여 감지물질의 혼합분말을 형성한후 상기 혼합분말을 유기 비이클과 섞어 만든 페이스트를 상기 전극을 포함하는 기판상에 인쇄하여 감지막을 형성하는 단계와,상기 감지막이 형성된 기판을 열처리한후 단일센서로 패키징하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 혼합분말을 유기 비이클과 섞기전에 1000℃ 이하에서 열처리되는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 혼합분말은 유기 비이클과 섞기전에 1000-1500℃에서 열처리되는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서 제조방법.
- 알루미나 기판과,상기 알루미나 기판의 전면에 스크린 인쇄층으로 형성된 전극과,상기 알루미나 기판의 배면에 스크린 인쇄층으로 형성된 히터와,상기 전극을 포함하는 알루미나기판의 전면에 90-99.9wt의 In2O3와 0.1-10wt%의 NiO나 ZrO2중에서 선택된 첨가제로 이루어진 감지물질을 스크린 인쇄하여 형성한 오존감지층을 구비함을 특징으로 하는 산화물 반도체 후막형 오존센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019970065918A KR100236336B1 (ko) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | 산화물 반도체 후막형 오존센서 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019970065918A KR100236336B1 (ko) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | 산화물 반도체 후막형 오존센서 및 그의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR19990047482A KR19990047482A (ko) | 1999-07-05 |
| KR100236336B1 true KR100236336B1 (ko) | 1999-12-15 |
Family
ID=19526463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019970065918A KR100236336B1 (ko) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | 산화물 반도체 후막형 오존센서 및 그의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100236336B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100475743B1 (ko) * | 2002-02-16 | 2005-03-15 | 유광수 | R.F. 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 In2O3 박막 오존가스센서 및 그 제조방법 |
| KR100981166B1 (ko) * | 2007-11-23 | 2010-09-10 | 고려대학교 산학협력단 | 쾌속 반응 산화물 반도체형 가스 센서 및 그 제조방법 |
-
1997
- 1997-12-04 KR KR1019970065918A patent/KR100236336B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100475743B1 (ko) * | 2002-02-16 | 2005-03-15 | 유광수 | R.F. 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 In2O3 박막 오존가스센서 및 그 제조방법 |
| KR100981166B1 (ko) * | 2007-11-23 | 2010-09-10 | 고려대학교 산학협력단 | 쾌속 반응 산화물 반도체형 가스 센서 및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR19990047482A (ko) | 1999-07-05 |
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