KR100325344B1 - 반도체식 가스센서의 감지재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체식 가스센서의 감지재료에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 감도 및 선택성 등의 성능을 향상시키기 위해 센서의 감지재료에 첨가되는 귀금속의 첨가형태를 알루미나 입자에 Pt 또는 Pd가 코팅되어 있는 분말로 하여 첨가함으로써, 기존의 감지재료 보다도 저렴하면서도 우수한 성능을 얻을 수 있는 반도체식 가스센서의 감지재료를 제공하고자 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 SnO2혹은 In2O3분말을 기재로 하는 반도체식 가스센서의 감지재료에 있어서, 상기 감지재료에, 알루미나 분말에 대한 1-20wt%의 Pt 또는 Pd가 코팅된 알루미나 분말을 1-50wt% 함유시키는 반도체식 가스센서의 감지재료에 관한 것을 그 요지로 한다.
Description
본 발명은 반도체식 가스센서의 감지재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미나 입자에 Pt, Pd의 귀금속을 코팅시킨 분말이 첨가되는 반도체식 가스센서의 감지막 재료에 관한 것이다.
일반적으로, 가스센서는 메탄, 프로판 등의 가연성가스나 일산화탄소 등의 독성가스의 누출을 알려주는 가스 경보기의 핵심부품으로 사용되며, 현재에는 반도체식과 접촉연소식이 가장 많이 사용된다. 이중에서 반도체식 가스센서는 감도가 매우 우수하며, 안정성 및 수명이 뛰어나기 때문에 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있다. 반도체식 가스센서는 대상가스가 센서 소자의 표면과 화학 반응을 일으키면서 발생하는 센서의 전기적 변화를 이용하여 가스의 농도 또는 존재 유무를 알아내는 것으로, 주로 SnO2, In2O3등의 n형 반도체 재료의 분말에 가스감도 및 선택성 등의 성능을 향상시키기 위하여 몇가지 첨가제를 첨가하여 제조한다. 이때, 첨가제로는 대부분의 가스센서에서 주로 Pd, Pt 등의 귀금속을 많이 사용하며, 첨가량은 약 0.5-10%정도이다. 또한, 첨가방법은 귀금속염(PdCl2, H2PtCl6등) 수용액에 감지재료분말을 넣고 물을 증발시킨 후, 열처리하여 귀금속을 환원시키는 함침법을 주로 많이 사용한다. 이렇게 첨가된 귀금속은 역시 분말형태로서 존재하게 되며, 대상 가스를 귀금속 분말입자의 표면에 흡착시키거나 활성도를 높여주는 촉매 역할을 수행하여, 결과적으로 가스센서의 감도 및 선택성을 향상시키게 된다.
하지만, 상기와 같은 기존에 사용하는 귀금속 첨가제 원료인 PdCl2, H2PtCl6등은 값이 매우 비싸다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 감도 및 선택성 등의 성능을 향상시키기 위해 센서의 감지재료에 첨가되는 귀금속의 첨가형태를 알루미나 입자에 Pt 또는 Pd가 코팅되어 있는 분말로 하여 첨가함으로써, 기존의 감지재료 보다도 저렴하면서도 우수한 성능을 얻을 수 있는 반도체식 가스센서의 감지재료를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 반도체식 가스센서의 구조를 보이는 모식도
도 2는 Pd이 코팅된 알루미나가 첨가된 산화인듐 감지막의 메탄가스 1000ppm에 대한 감도를 나타내는 그래프
도 3은 PdCl2가 첨가된 산화인듐 감지막의 메탄가스 1000ppm에 대한 감도를 나타내는 그래프
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 알루미나 기판 2 : 감지막
3 : 전극 4 : 리드선
5 : RuO2히터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 SnO2혹은 In2O3분말을 기재로 하는 반도체식 가스센서의 감지재료에 있어서, 상기 감지재료에, 알루미나 분말에 대한 1-20wt%의 Pt 또는 Pd가 코팅된 알루미나 분말을 1-50wt% 함유시키는 반도체식 가스센서의 감지재료에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 SnO2혹은 In2O3반도체 분말에 Pt 또는 Pd가 1-20wt%의 함량으로 코팅된 알루미나 분말을 1-50wt% 함유시킨다.
기존에 사용하던 반도체식 가스센서의 귀금속 첨가제의 원료인 PdCl2, H2PtCl6등과 같은 것 대신에, Pt 또는 Pd가 코팅된 알루미나 분말을 사용한다. 이때, 첨가 방법은 습식 또는 건식의 분말 혼합방법을 모두 적용할 수 있으며, Pt 또는 Pd가 코팅된 알루미나 분말은 이른바 "Pd on Alumina" 또는 "Pt on Alumina"와 같은 상용 분말을 사용하거나 별도의 방법으로 알루미나에 Pt 또는 Pd를 코팅하여 사용할 수 있다. 첨가량은 센서의 저항과 가스감도 특성 등을 고려하여 1wt%이상으로 하고, 50wt%를 초과하면 센서의 공기중 저항의 측정이 힘들 정도인 수MΩ이상의 고저항이기 때문에 일반적인 회로로 계측하기 힘들고 고가의 별도 장비 혹은 회로가 필요로 되어 진다. 따라서, 본 발명에서는 첨가되는 Pt 또는 Pd가 코팅된 알루미나의 함량을 1-50wt%로 한정하는 것이 바람직하다.
또한, 알루마나 분말에 코팅되는 Pt 또는 Pd의 함량은 1-20wt%가 바람직한데, 1wt%미만에서는 코팅효과가 나타나지 않고, 20wt%를 초과하면 더 이상의 첨가효가 증가가 없기 때문이다.
한편, 본 발명에 적용가능한 반도체로서는 SnO2, In2O3등과 같은 것을 들 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예
산화인듐분말 5g에 Pd가 코팅된 알루미나 분말(상품명'Pd on Alumina분말'-Pd가 4wt%함유된 Aldrich사의 제품)을 각각 1-50wt%로 넣어 막자사발에서 30분간 혼합하였다. 얻어진 혼합분말과 유기결합제를 1:1로 배합하여 얻어진 배합물을 절연체인 알루미나 기판위에 인쇄하여, 도 1과 같은 통상적인 구조 및 형상의 반도체식 가스센서 후막을 제조하였다. 이때, 알루미나 기판(1)위에 인쇄된 감지재료(2)의 두께는 10μm였으며, 알루미나 기판(1)의 양면에는 전기를 도통시킬 수 있는 백금전극(3)이 형성되어 있고, 김지재료(2)가 인쇄되는 면의 반대쪽 면에 RuO2히터(5)가 10μm두께로 인쇄되어 있다. 상기와 같이 인쇄를 행한 후, 인쇄된 패턴은 100℃에서 24시간 건조하여 유기용제를 없애고, 600℃에서 30분 동안 열처리한 다음, 상기 전극으로 부터 리드선(4)를 인출하였다.
또한, 기존에 사용되던 첨가제를 넣어서 감지재료 분말을 제조하였다. 즉, 산화인듐분말 5g과 1-20wt%의 PdCl2수용액을 혼합한 후, 건조, 분쇄, 600℃에서 30분간 열처리의 과정을 거쳐 Pd가 첨가된 감지분말을 제조한 후, 상기와 동일한 방법으로 도 1과 같은 후막형 가스센서를 제조하였다.
상기한 바와같이 구성된 2종류의 후막형 가스센서는 공기온도 27℃, 상대습도 30-80%, 센서의 온도는 센서에 내장된 히터의 전력을 800mW로 조절하여 350℃로 유지하였다. 이때, 센서의 작동온도는 파이러미터(pyrometer)로 측정한 것이다.
이와같은 조건에서 가스(메탄가스)에 대한 감지시험을 행한 후, 그 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2는 'Pd on Alumina'가 첨가된 산화인듐 감지막의 첨가량에 따른 메탄가스 1000ppm에 대한 감도를 나타낸 것이다. 이때의 측정조건은 27℃, 상대습도 60%이었다. 센서의 성능을 나타내는 가스감도는 센서 주위의 분위기가 공기에서 대상가스를 포함한 공기로 바뀔 때의 감지막의 전기저항 변화율(S)로 결정되는데, 공기중 저항(Rair)과 가스 중 저항(Rgas)의 비율이 클수록 좋은 것이다.
도 2에 나타난 바와같이, Pd로 코팅된 알루미나를 사용한 분말을 적용하여 센서의 감지재료를 제조하더라도 기존에 비해 떨어지지 않는 성능이 유지됨을 알 수 있었다. 또한, 'Pd on Alumina'의 첨가량이 10wt%일 때 메탄가스에 대한 감도가 5로서 가장 컸다.
도 3은 기존에 사용되던 방법으로서, PdCl2로 부터 Pd를 첨가한 감지막의 첨가량에 따른 메탄가스 1000ppm에 대한 감도를 나타낸 것이다. 도 3에서 알 수 있는 바와같이, 가스감도는 첨가량이 4wt%일 때 감도가 5로서 가장 컸다.
이상과 같은 본 실시예에서 알 수 있듯이, 첨가제로서 'Pd onAlumina'를 사용하였을 경우와 PdCl2를 사용하였을 경우, 비슷한 정도의 최대감도를 얻을 수 있었고, 최대감도를 얻기 위해 첨가되는 양은 각각 10wt%와 4wt%로 차이는 있으나, 실질적인 가격에서는 본 발명의 경우가 훨씬 저렴하였다.
상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 반도체식 가스센서 재료에 있어 첨가제로 많이 사용되는 귀금속의 원료로 알루미나 분말입자에 귀금속이 코팅된 분말을 사용함으로써, 기존 방식에 비해 원가를 낮출 수 있고, 또한 반도체식 가스센서 제조시 기계적강도를 얻기 위해 통상 첨가되는 알루미나 분말을 별도로 첨가하지 않아도 되는 효과가 제공된다.
Claims (1)
- SnO2혹은 In2O3분말을 기재로 하는 반도체식 가스센서의 감지재료에 있어서,상기 감지재료에, 알루미나 분말에 대한 1-20wt%의 Pt 또는 Pd가 코팅된 알루미나 분말을 1-50wt% 함유시키는 것을 특징으로 하는 반도체식 가스센서의 감지재료
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1997
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| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20060206 Year of fee payment: 5 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |