KR100734517B1 - 수소가스를 검출하는 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소가스를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 수소와 반응하여 저항치가 변화하는 원소로 구성된 박막이 라인 형상으로 형성되어 있는 다수의 단위저항들이 수소가스의 진행 방향과 평행하게 어레이를 형성하는 저항 어레이부; 저항 어레이부의 각 단위저항들의 저항값을 검출하는 저항검출수단; 수소가스와의 접촉시 저항검출수단으로부터 입력되는 저항값들에 근거하여 수소가스의 존재 여부 및 농도를 산출하여 출력하는 연산부; 및 연산부로부터 입력되는 수소가스의 유출 여부 및 농도를 표시하는 표시부;를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 검출감도와 검출범위에 따라 별도제작이 가능하고, 생산성이 높고 공정시간을 단축할 수 있으며, 신뢰도가 높은 수소가스 검출장치를 제공할 수 있다.
수소가스, 농도, 검출, 저항, 어레이
Description
도 1은 본 발명에 따른 수소가스 검출장치의 구성도,
도 2는 도 1의 저항 어레이부를 센서로 구현한 제 1실시예의 개략도,
도 3은 도 2의 센서부의 횡단면도,
도 4는 다양한 농도의 수소가스 접촉시 도 2의 저항어레이부로부터 검출되는 전압값을 나타내는 그래프,
도 5는 도 1의 저항 어레이부를 센서로 구현한 제 2실시예의 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 수소가스 검출방법을 설명하기 위한 순서도,
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 센서부 110 : 저항어레이부
120 : 마이크로채널 130 : 실리콘기판
112 : 백금 114 : 팔라듐
400 : 저항검출수단 410 : 정전류원
420 : 전압검출부 430 : 연산부
440 : 표시부
본 발명은 수소가스를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 백금/팔라듐을 실리콘 기판상에 지그재그 형태의 박막 라인으로 증착 형성하고 각 박막 라인의 저항의 변화를 검출함으로써 수소가스의 유출시에 가스의 유출 여부 및 농도를 산출할 수 있는 수소가스 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 수소 가스는 반도체 박막 처리로부터 자동차 연료전지, 항공우주 산업에서의 로켓 연료에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있으며 수소의 가연 특성으로 인해 수소가스의 누출에 대한 검출방법 또한 매우 대양하게 연구되고 있다. 이들 기술 분야와 그 외에 유사한 기술 분야에서는 기체 상태의 수소를 검출 및 모니터링하는 능력이 공통적으로 요구되고 있다.
넓은 범위의 산소와 습기 농도에 걸쳐 수소를 빠르고 확실하게 검출하는 수소 가스 센서는 촉매를 이용하는 접촉연소식, 반도체 산화물을 이용하는 반도체식, 수소에 반응하는 전해질을 이용하는 전해질 센서 등 여러 가지 검출방식을 이용하고 있다.
제작단가, 센서의 신뢰도, 패키지의 다양성을 위해서 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)기술을 이용하여 센서의 일체화 및 소형화하려는 연구 개발이 활발히 진행되고 있으나, 아직 이러한 기술에 의한 수소센서는 prototype 으로 출시되고 있다.
수소센서와 관련하여 집중적으로 연구되고 있는 기술분야는 수소와 반응하는 8족 원소인 팔라듐(Palladium) 및 백금(Platinum)을 이용하는 방법이 집중적으로 연구되고 있으며, 특히 주변 환경과 관계없이 수소와 반응하는 성질을 갖고 있는 팔라듐을 이용하는 기술이 주목을 받고 있다.
팔라듐을 이용하는 수소센서의 예로서, 팔라듐 필름을 캔틸레버(Cantilever)의 편면에 증착한 후, 팔라듐이 수소를 흡수하여 팽창함에 따라 deflection 이 발생하고 이에 따라 base plate 간에 capacitance가 변화를 검출하는 방법이 연구되고 있다.
하지만, 상기한 수소가스 검출방법은 온도 및 습도 등의 외부환경과 제작과정에서 수반되는 잔류응력 등의 영향을 많이 받는다는 문제점이 있었다.
수소가스를 다른 검출하는 다른 기술분야로서, 팔라듐이 수소가스를 흡수하면 저항이 증가한다는 현상을 이용한 기술로서, Wheatstone bridge hydrogen sensor 및 팔라듐 nano-wire를 실리콘 기판위에 배열한 수소센서 등이 있다.
하지만 상기한 종래의 수소 센서시스템은 아직까지 크기가 크고, 제작공정이 복잡하며, 공정시간이 길고 생산성이 떨어지며, 가격이 매우 비싸고, 신뢰도가 떨어진다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 공정이 간단하여 공정시간을 단축할 수 있고 생산성이 향상되며, 검출농도의 범위 및 검출감도를 달리하여 제작이 가능하면서 신뢰도가 높은 수소가스 검출장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 수소가스 검출장치는 수소와 반응하여 저항치가 변화하는 원소로 구성된 박막이 라인 형상으로 형성되어 있는 다수의 단위저항들이 상기 수소가스의 진행 방향과 평행하게 어레이를 형성하는 저항 어레이부; 상기 저항 어레이부의 각 단위저항들의 저항값을 검출하는 저항검출수단; 상기 수소가스와의 접촉시 상기 저항검출수단으로부터 입력되는 저항값들에 근거하여 상기 수소가스의 존재 여부 및 농도를 산출하여 출력하는 연산부; 및 상기 연산부로부터 입력되는 상기 수소가스의 유출 여부 및 농도를 표시하는 표시부;를 포함한다.
바람직하게는 상기 단위저항은 실리콘 기판상에 형성되어 있는 라인형상의 백금 박막 상에 팔라듐이 증착되어 형성되는 백금/팔라듐의 박막 라인으로 어레이를 형성하고 있다.
그리고, 상기 수소가스와의 접촉시, 상기 수소가스가 상기 박막 라인의 어레이를 순차적으로 접촉하면서 진행할 수 있도록 상기 수소가스의 진행경로를 가이드 하기 위하여, 상기 저항어레이부를 에워싸도록 튜브 형상의 마이크로 채널을 더 포함하고 상기 단위저항은 상기 수소가스의 진행방향에 대하여 직각방향으로 굴곡을 반복하는 지그재그 형상을 갖는 것이 바람직하다.
또한 상기 연산부는 상기 단위저항의 포화상태 미발생시 상기 입력되는 저항값들의 최대값 및 상기 단위저항의 포화상태 발생시 상기 포화상태인 저항값을 갖는 단위저항의 수에 근거하여 상기 수소의 존재 여부 및 농도를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 수소가스 검출방법은, 수소와 반응하여 저항치가 변화하는 원소로 구성된 박막이 라인 형상으로 형성되어 있는 다수의 단위저항들이 수소가스의 진행 방향과 평행하게 어레이를 형성하는 장치를 사용하여 상기 수소가스를 검출하는 방법에 있어서, a) 상기 다수의 단위저항들로부터 상기 수소가스와 접촉시의 저항값을 검출하는 단계; b) 상기 검출된 상기 단위저항들의 저항값들에 근거하여 상기 수소가스의 존재 여부 및 농도를 산출하는 단계; 및 c) 상기 수소가스의 존재 여부 및 산출된 농도를 표시하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 b) 단계는 상기 단위저항의 포화상태 미발생시 상기 검출된 저항값들의 최대값 및 상기 단위저항의 포화상태 발생시 상기 포화상태인 저항값을 갖는 단위저항의 수에 근거하여 상기 수소의 존재 여부 및 농도를 산출하는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 동작에 대하여 상세히 설명하다.
도 1은 본 발명에 따른 수소가스 검출장치의 구성도, 도 2는 도 1의 저항 어레이부를 센서로 구현한 제 1실시예의 개략도 및 도 3은 도 2의 센서부의 횡단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 크게 센서부(100), 센서부(100)로부터 저항값을 검출하는 저항검출수단(400), 저항검출수단(400)으로부터 검출된 저항값들에 근거하여 수소의 농도를 산출하는 연산부(430) 및 연산된 수소가스의 농도를 표시하는 표시부로 구성된다.
센서부(100)는 실리콘기판(130)상에 튜브형상의 마이크로채널(120)이 형성되 어 있고, 그 채널 내부의 실리콘기판(130)상에 저항 어레이부(110)가 형성되어 있다. 저항 어레이부(110)에는 저항검출수단(400)이 접속되어 있어 저항 어레이부(110)를 구성하는 다수의 단위저항(R1 내지 R10)들의 저항값을 검출하여 출력한다. 저항검출수단(400)은 직렬로 접속되어 있는 다수의 단위저항(R1 내지 R10)에 정전류를 공급하는 정전류원(410) 및 단위저항(R1 내지 R10)에 접속되어 전압값을 검출하는 전압검출부(420)가 접속되어 있다. 전압검출부(420)는 단위저항(R1 내지 R10)에 각각 접속되어 전압을 검출하는 다수의 볼트미터(VM)로 구성되어 있다.
단위저항(R1 내지 R10)은 백금(112)으로 구성된 박막의 라인이 지그재그 형상으로 형성되어 있고 그 상면에는 팔라듐(114)이 증착되어 있다.
그리고, 이들 단위저항(R1 내지 R10)들은 마이크로채널(120) 내부에서 수소가스의 진행방향을 따라 어레이를 형성하고 있다.
수소가스가 유출되어 센서부(100)의 마이크로채널(120)의 내부로 유입되면, 저항어레이부(110)의 가장 좌측에 있는 제 1단위저항(R1)이 수소가스를 일부 흡수하면서 저항값이 증가하게 된다. 이어서 제 2단위저항(R2)이 수소가스를 일부 흡수하면서 저항값이 증가하게 된다. 이와 같이 유입된 수소가스는 마이크로채널(120) 내부를 통과하면서 다수의 단위저항(R1 내지 R10)들과 순차적으로 접촉하게 되면서 농도가 차츰 떨어지게 된다.
도 4는 다양한 농도의 수소가스 접촉시 도 2의 저항어레이부로부터 검출되는 전압값을 나타내는 그래프이다.
즉, 수소가스가 유출되어 마이크로채널(120) 내부로 유입되었을 때 저항어레 이부(110)의 각 단위저항(R1 내지 R10)에 접속되어 있는 전압검출부(420)의 볼트미터(VM)로부터 검출된 전압값을 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로채널(120) 내부로 저항어레이부(110)의 온도보다 높은 온도의 공기가 유입되었을 경우의 그래프(310)를 살펴보면, 저항어레이부(110)의 제 1단위저항(R1)은 온도상승으로 인하여 저항값이 소폭 증가하지만 공기가 마이크로채널 (120)을 통과하여 우측으로 진행하면서 단위저항(R1 내지 R10)들에게 열을 빼앗겨 제 10단위저항(R10)은 제 1단위저항(R10)보다 낮은 저항값을 나타낸다. 이 때, 연산부(430)는 전압검출부(420)의 제 1단위저항(R1)으로부터 입력되는 저항값이 포화상태(즉, 단위저항(R1 내지 R10)이 수소가스를 포화상태로 흡수하여 저항값이 최대치가 된 상태)가 아닌 경우, 유출된 수소가스의 농도는 제 1단위저항(R10)의 저항값에 비례하도록 연산처리한다.
농도가 약 20%인 수소가스가 마이크로채널(120) 내부로 유입되었을 경우의 그래프(320)를 살펴보면, 유입된 수소가스는 제 1단위저항(R1)에 의해 일부 흡수되어 우측으로 진행하면서 점차 그 농도가 떨어져 제 10단위저항(R10)은 R1에 비해 절반 이하의 저항값을 나타낸다. 이경우 역시, 제 1단위저항(R1)의 저항값이 포화상태가 아니므로, 연산부(430)는 유출된 수소가스의 농도는 제 1단위저항(R10)의 저항값에 비례하도록 연산처리한다.
하지만, 농도가 약 50%인 수소가스가 마이크로채널 보호막(120) 내부로 유입되었을 경우의 그래프(330)를 살펴보면, 제 1단위저항(R1) 및 제 4단위저항(R4)이 포화상태로 수소가스를 흡수하여 최대 저항값을 나타내고, 제 5백금/팔라듐부터 저 항값이 떨어지기 시작함을 알 수 있다.
이 경우, 연산부(430)는 전압검출부(420)의 제 1단위저항(R1)으로부터 입력되는 저항값이 포화상태이므로, 전체 단위저항(R1 내지 R10)들 가운데 포화상태의 단위저항이 몇 개인지를 연산한다. 그리고, 연산부(430)는 유출된 수소가스의 농도는 포화상태인 단위저항(R1 내지 R4)의 수에 비례하도록 연산처리한다. 이때, 그래프 320에서 살펴보았듯이 수소가스의 농도가 약 20% 일 때 그래프가 떨어지기 시작함을 알 수 있다. 즉, 그래프 330에서는 그래프가 떨어지기 시작하는 지점(332)에서의 수소가스의 농도가 약 20%임을 추측할 수 있고, 따라서 연산부(430)는 20% + 비례상수 * (포화상태의 단위저항의 수) 의 형식으로 수소가스의 농도를 연산할 수 있다.
한편, 농도가 거의 100%인 수소가스가 마이크로채널(120) 내부로 유입되었을 경우의 그래프(340)를 살펴보면, 제 1단위저항(R1) 내지 제 10단위저항(R4)이 모두 포화상태로 수소가스를 흡수하여도 수소가스의 농도가 낮아지질 않아 모든 단위저항(R1 내지 R10)이 최대 저항값을 나타낸다. 이때, 단위저항(R1 내지 R10)이 몇 개 더 있었더라면 그래프의 떨어지는 지점이 발견될 수도 있었을 것이다. 이처럼, 수소가스의 농도를 측정하고자 하는 범위에 따라 단위저항(R1 내지 R10)의 수를 조절할 수도 있다.
이와 같이 다양한 농도의 수소가스를 센서부(100)와 인위적으로 접촉하여 실험적으로 단위저항(R1 내지 R10)들의 저항값을 측정함으로써, 유출되는 수소가스의 존재 여부 및 농도의 측정이 가능하다.
그리고, 저항어레이부(110)의 높이(h)를 조절함으로써 수소가스의 검출감도의 조절이 가능하다. 즉, 저항어레이부(110)의 높이를 증가시키면 검출감도가 높아지고 반대로 저항어레이부(110)의 높이를 감소시키면 검출감도가 낮아진다. 또한, 저항어레이부(110)의 각 단위저항(R1 내지 R10)의 수를 조절함으로써 수소가스 농도의 검출범위의 조절이 가능하다. 즉, 단위저항(R1 내지 R10)의 수를 증가시키면 수소가스 농도의 검출범위가 늘어나고 배열 수를 감소시키면 검출범위가 감소하게 된다.
도 5는 도 1의 저항 어레이부를 센서로 구현한 제 2실시예의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 저항어레이부(110)에 형성된 박막 어레이 라인이 연속적으로 형성되어 있다. 즉, 하나의 어레이 라인 단위로 모두 볼트미터(VM)가 접속되어 있어 유출되는 수소가스의 농도를 보다 높은 감도로 섬세하게 측정이 가능하다.
상기한 본 발명에서는 저항 어레이부(110)의 저항값을 검출하는 수단으로서, 직렬로 접속되어 있는 저항 어레이부(110)에 정전류를 공급하고 단위저항(R1 내지 R10)의 전압을 검출하였으나, 저항 어레이부(110)의 단위저항(R1 내지 R10)을 병렬로 접속하고 정전압을 공급하여 각 단위저항(R1 내지 R10)의 전류를 검출할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 수소가스의 검출방법에 대하여 첨부한 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 수소가스 검출방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 수소와 반응하여 저항치가 변화하는 원소로 구성된 박막이 라인 형상 으로 형성되어 있는 다수의 단위저항(R1 내지 R10)들이 수소가스의 진행 방향과 평행하게 어레이를 형성하는 장치를 사용하여 수소가스를 검출함에 있어서, 다수의 단위저항(R1 내지 R10)들로부터 유출되는 수소가스와 접촉시의 저항값을 검출한다(단계 610).
그리고, 상기한 단위저항(R1 내지 R10)의 저항값이 검출되면, 단위저항(R1 내지 R10)의 포화상태 미발생시 검출된 저항값들의 최대값 및 단위저항(R1 내지 R10)의 포화상태 발생시 포화상태인 저항값을 갖는 단위저항의 수에 근거하여 수소의 존재 여부 및 농도를 산출한다(단계 620). 그리고, 산출된 수소가스의 농도를 표시한다(단계 630).
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소가스 검출장치 및 방법은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명은 공정이 간단하고, 공정시간을 단축할 수 있으며, 생산성을 극대화하여 생산단가를 저감할 수 있다.
그리고, 수소가스 검출농도의 범위 및 검출감도를 달리하여 패키지 제작이 가능며 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
Claims (7)
- 수소가스를 검출하는 장치에 있어서,수소와 반응하여 저항치가 변화하는 원소로 구성된 박막이 라인 형상으로 형성되어 있는 다수의 단위저항들이 상기 수소가스의 진행 방향과 평행하게 어레이를 형성하는 저항 어레이부;상기 저항 어레이부의 각 단위저항들의 저항값을 검출하는 저항검출수단;상기 수소가스와의 접촉시 상기 저항검출수단으로부터 입력되는 저항값들에 근거하여 상기 수소가스의 존재 여부 및 농도를 산출하여 출력하는 연산부; 및상기 연산부로부터 입력되는 상기 수소가스의 유출 여부 및 농도를 표시하는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출장치.
- 제 1항에 있어서,상기 단위저항은 실리콘 기판상에 형성되어 있는 라인형상의 백금 박막 상에 팔라듐이 증착되어 형성되는 백금/팔라듐의 박막 라인으로 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출장치.
- 제 1항에 있어서,상기 수소가스와의 접촉시, 상기 수소가스가 상기 다수의 단위저항들을 순차적으로 접촉하면서 진행할 수 있도록 상기 수소가스의 진행경로를 가이드 하기 위 하여, 상기 저항어레이부를 에워싸도록 튜브 형상의 마이크로 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출장치.
- 제 1항에 있어서,상기 단위저항은 상기 수소가스의 진행방향에 대하여 직각방향으로 굴곡을 반복하는 지그재그 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출장치.
- 제 1항에 있어서,상기 연산부는a) 상기 단위저항의 포화상태 미발생시 상기 입력되는 저항값들의 최대값에 근거하고,b) 상기 단위저항의 포화상태 발생시 상기 포화상태인 저항값을 갖는 단위저항의 수에 근거하여,상기 수소의 존재 여부 및 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출장치.
- 수소와 반응하여 저항치가 변화하는 원소로 구성된 박막이 라인 형상으로 형성되어 있는 다수의 단위저항들이 수소가스의 진행 방향과 평행하게 어레이를 형성하는 장치를 사용하여 상기 수소가스를 검출하는 방법에 있어서,a) 상기 다수의 단위저항들로부터 상기 수소가스와 접촉시의 저항값을 검출 하는 단계;b) 상기 검출된 상기 단위저항들의 저항값들에 근거하여 상기 수소가스의 존재 여부 및 농도를 산출하는 단계; 및c) 상기 수소가스의 존재 여부 및 산출된 농도를 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출방법.
- 제 6항에 있어서,상기 b) 단계는a) 상기 단위저항의 포화상태 미발생시 상기 검출된 저항값들의 최대값에 근거하고,b) 상기 단위저항의 포화상태 발생시 상기 포화상태인 저항값을 갖는 단위저항의 수에 근거하여,상기 수소의 존재 여부 및 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 수소가스 검출방법.
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| KR1020060030626A KR100734517B1 (ko) | 2006-04-04 | 2006-04-04 | 수소가스를 검출하는 장치 및 방법 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH09145655A (ja) * | 1995-10-16 | 1997-06-06 | General Motors Corp <Gm> | 水素センサ |
| US6120835A (en) | 1998-10-05 | 2000-09-19 | Honeywell International Inc. | Process for manufacture of thick film hydrogen sensors |
| KR20030007914A (ko) * | 2001-04-06 | 2003-01-23 | 어드밴스드 테크놀러지 머티리얼즈, 인코포레이티드 | 수소, 암모니아 및 황을 함유한 가스의 검출을 위한 미소가공된 박막 센서 어레이 및 그 제조 방법 |
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-
2006
- 2006-04-04 KR KR1020060030626A patent/KR100734517B1/ko active IP Right Grant
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