KR100276287B1 - 수소 및 알콜 감지용 반도체식 가스센서 감지재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체식 가스센서의 감지재료에 관한 것으로서, 그 목적은 제조공정이 간단하고, 가스감도 성능이 우수한 산화인듐에 은이 함유된 감지재료을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 산화인듐분말에 인듐을 기준으로 0.1-20mol%의 은 이 함유되어 구성되는 수소 및 알콜 감지용 반도체식 가스센서 감지재료에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

수소 및 알콜 감지용 반도체식 가스센서 감지재료

본 발명은 반도체식 가스센서의 감지재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화인듐에 은이 함유되어 수소 및 알콜에서 매우 우수한 감도를 갖는 반도체식 가스센서 감지재료에 관한 것이다.

일반적으로 가스 경보를 위한 가스센서는 접촉연소식 센서와 반도체식 센서가 주로 사용된다. 이중 반도체식 가스센서의 원리는 대상가스가 센서 소자의 표면과 화학 반응 하면서 발생하는 센서의 전기저항의 변화를 이용하여 가스의 농도 또는 존재유무를 알아내는 것으로서 n형 반도체 재료가 주로 사용된다.

상기 반도체식 가스센서에 요구되는 성질은;

첫째, 공기중의 전기저항과 가스가 유입되었을 때의 전기저항의 비율(이하,'가스감도'라 한다) 이 커야한다

둘째, 전기신호의 안정성면에서 공기 중의 저항값의 최대 50OKohm 이하로 작을수록 좋다. 상기 두가지 조건을 만족하는 가스센서 감지재료로서 지금까지는 산화주석이 가장 많이 사용되어 왔으며, 그 제조 방법은 일반적으로 염화주석을 중화시키는 제조방법을 많이 사용하였다. 구체적으로 상기 방법은 염화주석을 암모니아수를 이용하여 침전시키고, 세척 건조 하고, 열처리의 순서로 이루어지는데, 이때 센서의 전기 저항을 줄이기 위하여 일반적으로 염화 안티몬을 공침하는 등의 공정이 추가로 들어간다. 그러나, 산화주석계 가스센서 감지재료의 제조를 위해서는 암모니아에 침전시키고 건조해야 하는등 제조공정이 복잡한 문제가 있다.

한편, 산화인듐은 산화주석계와 같은 n형 반도체로서 매우 낮은 공기 중 저항값을 갖는 등의 장점이 있는 반면 가스 감도가 낮기 때문에 지금까지는 거의 사용되지 않았다. 그러나, 산화인듐이 가스센서의 요구조건인 공기중 저항값이 매우 낮고, 감지재료의 기본성분인 산화인듐 분말 자체가 상용화되어 있는 특성이 있기 때문에 상기 산화주석계 가스 감지재료의 한계를 극복하고, 가스 감도성능만 향상시킬 수 있다면 보다 향상된 가스센서 감지재료로 이용될 수 있는 가능성이 있다.

따라서, 본 발명은 산화인듐을 이용하여 제조공정이 간단하고, 성능이 우수한 반도체식 가스센서를 제조하는데 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 반도체식 가스센서의 일례도.

도2는 산화인듐에 함유된 은의 함량과 수소가스 감도의 관계를 나타내는 그래프.

도3은 1mol%의 은이 함량된 산화인듐 감지재료와 가스 감도의 관계를 나타내는 그래프.

도4는 산화 주석계 가스센서와 가스 감도와의 관계를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 알루미나 기판 2 : 감지재료

3 : 전극 4 : 리드선

5 : RuO₂히터

본 발명은 산화인듐분말에 인듐을 기준으로 0.1-20mol%의 은이 함유되어 구성되는 수소 및 알콜 감지용 반도체식 가스센서 감지재료에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 산화인듐이 가지고 있는 낮은 전기저항의 장점을 가스센서 재료에 응용하기 위한 연구결과로서, 낮은 전기저항의 장점은 그대로 유지하고, 매우 높은 가스감도를 갖도록 상기 산화인듐 분말에 은을 소량 함유하는 것에 특징이 있다.

본 발명은 상용화 되어 있는 산화인듐분말을 질산은 수용액에 침적하여, 예를들면 100℃에서 24시간 건조하여 인듐을 기준으로 0.1-20mol%의 은이 함유되도록 한다. 이후, 상기 은이 함유된 산화분말을 약 600℃에서 30분 가량 하소 처리하고, 유발로 분쇄시켜 감지재료용분말을 완성한다. 상기 산화인듐 자체의 가스 감도는 1.5로서 아주 낮은 가스 감도 성능을 가지고 있다. 여기에 인듐을 기준으로 은을 20mol% 함유될 때 까지 가스감도성능이 향상되지만, 인듐을 기준으로 0.5-5mol% 함유될 때 가장 우수한 감도 성능을 나타나므로, 은의 함유량은 인듐을 기준으로 0.5-5mol% 함유되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 유발로 분쇄하는 과정은 분말을 2-5㎛정도로 분쇄하여 인쇄하여도, 가스감도성능에는 아무런 영향이 없는데, 이것은 본 감지재료용 분말이 갖는 제조상에 큰 장점이다. 이는 통상의 감지재료의 감도성능을 유지하기 위하여 분말입도를 엄격히 제한하는 것에 비교해 볼 때 본 발명의 부가적인 장점이라 할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

산화인듐분말 5g을 질산은 수용액 통에 함침하고, 100℃에서 24시간 건조하여 수분을 증발시키고, 은을 하기표 1와 같이 함유시켰다. 상기 은이 함유된 산화인듐을 600℃에서 30분 동안 열처리 하고, 분말을 유발을 사용하여 5㎛로 분쇄하였다. 상기 분말을 가지고 도1에 나와 있는 통상의 반도체식 가스센서 후막을 제조하였다.

우선, 상기 감지재료 원료분말과 유기결합제를 1:1로 혼합하고, 이 혼합된 감지재료(2)를 알루미나 기판(1)위에 약 10㎛ 두께로 인쇄하였다. 인쇄된 패턴은 100℃에서 24시간 건조하여 유기용제를 없애고, 600㎛에서 30분 동안 열처리 하였다.

이후, 상기 감지 패턴의 인쇄되지 않은 알루미나 기판(1)의 이면에는 RuO₂히터(5)를 20㎛ 두께로 인쇄하고, 도통시킬 수 있는 전극(3)을 형성한 다음, 상기 전극(3)으로 부터 리드선(4)을 인출 하였다.

위와 같이 구성된 후막형 가스센서는 공기의 온도 26㎛, 상대습도 70%, 센서의 작동온도 약 350℃에서 수소 100ppm 에 대한 가스감도를 측정하고, 그 결과를 하기표1에 나타내었다. 가스감도는 상기 공기 분위기에서의 측정한 저항(20Kohm)을 수소 100ppm 가스 분위기에서 측정한 저항으로 나눈 값으로 하였다.

[표 1]

상기표 1에 나타난 바와 같이, 은이 함유되지 않은 비교예(1)인 경우에는 가스 감도가 1.5로 낮은 값을 나타내었고, 또한 은이 40mol%인 비교예(2)는 가스 감도가 2로 은 함유의 효과가 거의 나타나지 않았다. 반면에 은이 인듐을 기준으로 0.1-20mol% 함유한 감지재료인 경우에는 가스 감도가 4-20으로 큰 값을 나타내었다. 상기의 결과를 도2에 그래프로 나타내었는데, 이는 상용화된 산화주석계 반도체식 가스센서인 일본 Figaro 사의 TGS2620가 수소 100ppm 에서의 가스 감도가 10인것과 비교할 때 은 함유량은 인듐을 기준으로 0.5-5mol% 범위가 함유된 본 발명의 가스센서의 경우가 오히려 우수함을 알 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1에서, 발명예(3)에 따른 가스 센서를 가지고 수소, 에탄올, 일산화탄소의 가스농도를 하기표 2와 같이 변화시키면서 가스감도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내았다. 그리고, 종래예는 상용화된 산화주석계 반도체식 가스센서인 일본 Figaro 사의 TGS2620의 가스감도 값이다.

[표 2]

상기 표2에 나타난 바와 같이 발명예(7)의 가스센서는 종래예에 비교하여 가스 감도가 2-3배 이상이 우수한 가스감도를 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 상기 표 2에서 발명예(7)은 도3에, 종래예는 도4에 나타내었는데, 본 발명예에 따른 가스센서의 감도는 종래 보다 우수하였으며, 특히 도3에 나타나 있듯이 본 발명에서는 일산화탄소보다 수소와 에탄올과의 가스감도 값이 상대적으로 크게 나타났다. 이는 가스센서가 가스종류에 따른 선택적 속성이 우수함을 알 수 있었고, 수소 및 알콜 감지용에 적용될 수 있음을 확인하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 가스센서 재료는 낮은 저항을 가지는 산화인듐의 장점이 그대로 유지되어 가스에 대하여 높은 감도를 나타내고, 특히 알콜 센서와 수소센서에 매우 유용하게 응용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 반도체식 가스센서용 감지재료에 있어서, 산화인듐분말에 인듐을 기준으로 0.1-20mol%의 은(Ag) 이 함유되어 구성됨을 특징으로 하는 수소 및 알콜 감지용 반도체식 가스센서 감지재료
2. 제1항에 있어서, 상기 은(⒰) 함유량은 인듐을 기준으로 0.5-5mol% 함유됨을 특징으로 하는 수소 및 알콜 감지용 반도체식 가스센서 감지재료