KR100958695B1 - High-performance sensor for detecting carbon dioxide and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 감지용 고성능 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 기준 전극, 감지 전극 및 상기 두 전극 사이에 Li-B-W-O계 전해질 박막을 포함하는 본 발명의 이산화탄소 감지 센서는 높은 이온 전도성을 갖는 Li-B-W-O계 전해질 박막의 사용에 기인하여 센서의 전력 소모를 줄이고, 우수한 감지도(sensitivity) 및 복구력(recovering time)을 가지며, 전류 집전체의 배열을 다양화할 수 있어 고성능 센서로서 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a high-performance sensor for detecting carbon dioxide and a method for manufacturing the same, wherein the carbon dioxide detecting sensor of the present invention including a reference electrode, a sensing electrode, and a Li-BWO-based electrolyte thin film between the two electrodes has a high ion conductivity. Due to the use of the BWO-based electrolyte thin film, it reduces the power consumption of the sensor, has excellent sensitivity and recovery time, and can be used as a high performance sensor because it can vary the arrangement of the current collector. .

Description

이산화탄소 감지용 고성능 센서 및 그의 제조방법{HIGH-PERFORMANCE SENSOR FOR DETECTING CARBON DIOXIDE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}High-performance sensor for detecting carbon dioxide and its manufacturing method {HIGH-PERFORMANCE SENSOR FOR DETECTING CARBON DIOXIDE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 우수한 Li 이온 전도 특성을 나타내는 이산화탄소 감지용 고성능 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high performance sensor for detecting carbon dioxide exhibiting excellent Li ion conducting properties and a method of manufacturing the same.

이산화탄소 감지 센서는 일반적으로 식물생장, 미생물 배양, 배기가스 분석, 냉동저장 등 그 사용 용도가 매우 다양하다. 현재, 주로 사용되고 있는 이산화탄소 감지 센서의 종류는 이산화탄소 농도에 따라 전해질 양단에 있는 전극간 전기화학반응(산화환원 반응)을 통하여 전극간에 발생하는 전압이나 전류를 감지하는 전해질형 센서와 4.24㎛ 적외선 파장의 광을 이산화탄소가 흡수하는 원리를 이용하는 광학식 센서, 그리고 기체의 열전도도 차에 의한 발열체의 온도변화를 이용한 기체열전도식 센서 등이 있다.Carbon dioxide detection sensors generally have a wide variety of uses, including plant growth, microbial culture, exhaust gas analysis, and freezing storage. Currently, the type of carbon dioxide sensor that is mainly used is electrolyte type sensor that detects voltage or current generated between electrodes through electrochemical reaction (redox reaction) between electrodes according to carbon dioxide concentration and 4.24㎛ infrared wavelength. Optical sensors using the principle that carbon dioxide absorbs light, and gas thermal conductivity sensors using the temperature change of the heating element due to the difference in thermal conductivity of the gas.

도 1은 종래 기술의 전해질형 센서의 개략적인 구조를 도시한 모식도로서, 벌크 구조의 Li3PO4 고체 전해질을 사용하여 제조한 이산화탄소 감지 센서를 나타낸다.1 is a schematic diagram showing a schematic structure of a prior art electrolyte type sensor, showing a carbon dioxide sensing sensor manufactured using a Li 3 PO 4 solid electrolyte of a bulk structure.

이와 관련된 L. Satyanarayana 등의 문헌[solid state ionics 177 (2007), 3485-3490, Characteristics and performance of binary carbonate auxiliary phase CO2 sensor baed on Li3PO4 solid electrolyte]에 따라, 전해질로서 Li3PO4를 사용하고, 기준 전극으로서 Li2TiO2-TiO2를 사용하여 기존의 고상 반응법 또는 소결 방법으로 제조한 이산화탄소 감지 센서는 그의 두께가 실제로 효과적으로 줄어들지 않았으며, 아크바의 후속 연구에 따라 제조된, SiO2가 5 몰% 첨가된 Li3PO4 전해질을 갖는 센서는 오히려 Li-P-O-N의 전해질을 갖는 센서에 비하여 동일한 이산화탄소의 농도하에서 더 높은 기전력(electromotive force, EMF)값을 나타냈다. An electrolyte according to the related literature, such as L. Satyanarayana [solid state ionics 177 ( 2007), 3485-3490, Characteristics and performance of binary carbonate auxiliary phase CO 2 sensor baed on Li 3 PO 4 solid electrolyte] Li 3 PO 4 The carbon dioxide sensing sensor manufactured by the conventional solid-phase reaction method or the sintering method using Li 2 TiO 2 -TiO 2 as a reference electrode, the thickness of the carbon dioxide sensor was not effectively reduced effectively, and was manufactured according to the follow-up studies of Arkbar. The sensor having a Li 3 PO 4 electrolyte added with 5 mol% of SiO 2 exhibited a higher electromotive force (EMF) value at the same concentration of carbon dioxide than the sensor having an electrolyte of Li-PON.

한국 특허 공개번호 제 2005-0005899 호 또한 벌크 구조의 박막형 가스 센서를 개시하고 있다. Korean Patent Publication No. 2005-0005899 also discloses a thin film gas sensor having a bulk structure.

도 2는 또 다른 종래 기술의 전해질형 센서의 제조과정을 도시한 모식도로서, Na-Si-Co-N 전해질 박막을 사용하여 초소형 정밀기계 공정(microelectromechanical system, MEMS)에 따라 제조한 이산화탄소 감지 센서의 제조과정을 나타낸다. FIG. 2 is a schematic diagram showing another manufacturing process of an electrolyte sensor of the prior art, wherein a carbon dioxide sensor manufactured according to a microelectromechanical system (MEMS) using a Na-Si-Co-N electrolyte thin film is shown. The manufacturing process is shown.

이와 관련된 리(Lee) 등의 문헌[sensor and actuators B 102 (2004), 20-26, Thin film micro carbon dioxide sensor using MEMS process]에서는, 전해질로서 Na-Si-Co-N를 사용하고, 기준 전극 박막을 사용하지 않으며 초소형 정밀기계 공 정(MEMS)으로 박막형 이산화탄소 감지 센서를 제조하였다.In this regard, Lee et al., Sensor and actuators B 102 (2004), 20-26, Thin film micro carbon dioxide sensor using MEMS process, use Na-Si-Co-N as an electrolyte and use a reference electrode. The thin film type CO2 sensor was manufactured by using micro precision mechanical process (MEMS).

상술한 종래의 이산화탄소 센서들은 구조의 관점에서는 벌크 구조 및 박막 공정을 이용한 MEMS 구조로 나뉠 수 있다. 소재의 관점에서는 감지 전극의 경우 Li2CO3, SnO2, LaOCl, La2O3 또는 이들의 복합 산화물로 나뉠 수 있고, 기준 전극의 경우 Li 전도체 또는 무(無)기준 전극으로 나뉠 수 있고, 전해질의 경우 Li계 전해질 또는 Na계 전해질로 나뉠 수 있다.The conventional carbon dioxide sensors described above may be divided into a bulk structure and a MEMS structure using a thin film process in terms of structure. From the point of view of the material, the sensing electrode may be divided into Li 2 CO 3 , SnO 2 , LaOCl, La 2 O 3, or a composite oxide thereof, and the reference electrode may be divided into a Li conductor or a non-reference electrode. The electrolyte may be divided into a Li-based electrolyte or a Na-based electrolyte.

동일한 소재를 사용할 경우, 박막 공정을 이용한 MEMS 구조의 이산화탄소 감지 센서가 벌크 구조의 이산화탄소 센서에 비해 우수한 전력 소모 특성 및 감지 특성을 가질 수 있고, 특히 생산 및 특성관리면에서 유리할 수 있어 상용화되기 쉽다. When the same material is used, the carbon dioxide sensor of the MEMS structure using the thin film process may have superior power consumption characteristics and sensing characteristics than the carbon dioxide sensor of the bulk structure, and in particular, it may be advantageous in terms of production and characteristics management, and thus it is easy to be commercialized.

그러나, 박막 공정을 이용하여 전해질 박막을 제조하기 위해서는 긴 공정시간 또는 긴 열처리시간이라는 단점을 가지게 된다. 구체적으로, Li-P-O-N 전해질의 경우는 최소 6 내지 7시간의 긴 공정시간을 필요로 하고, Na-Si-Co-N 전해질의 경우는 목적하는 결정상을 얻기 위하여 7 내지 10시간의 긴 열처리시간을 필요로 한다. 이러한 단점은 실제 이산화탄소 감지 센서의 상용화에 있어 고 비용의 문제를 발생시키게 되고, 특히 Na-Si-Co-N 전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서에서는 결정상의 차이로 인하여 센서 동특성의 차이를 유발할 수 있다.However, in order to manufacture the electrolyte thin film using the thin film process has a disadvantage of a long process time or a long heat treatment time. Specifically, in the case of Li-PON electrolyte, a long process time of at least 6 to 7 hours is required, and in the case of Na-Si-Co-N electrolyte, a long heat treatment time of 7 to 10 hours is required to obtain a desired crystal phase. in need. This disadvantage causes a cost problem in the commercialization of the actual carbon dioxide sensor, especially in the carbon dioxide sensor using a Na-Si-Co-N electrolyte may cause a difference in sensor dynamics due to the crystal phase difference.

이에, 본 발명자들은 예의연구한 결과, 최근 박막형 Li 이차전지의 전해질로 개발된 Li-B-W-O계의 전해질이 단순 진공 증발법으로 제조되어 공정 시간이 수분 정도로 매우 짧고, 특히 비정질 상태에서도 우수한 이온 전도 특성을 나타냄에 착안하여, 이를 이용하여 단순 열증발법으로 짧은 시간 내에 대면적의 기판에 Li-B-W-O계의 전해질 박막을 증착하고 MEMS로 이산화탄소 감지 센서를 제조함으로써 고성능 센서를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have studied diligently, the Li-BWO-based electrolyte recently developed as an electrolyte of a thin-film Li secondary battery is manufactured by a simple vacuum evaporation method, so the process time is very short as a few minutes, especially in the amorphous state excellent ion conduction characteristics With this in mind, it was found that a high-performance sensor can be manufactured by depositing Li-BWO-based electrolyte thin film on a large-area substrate in a short time by simple thermal evaporation method and manufacturing a carbon dioxide sensor using MEMS. The present invention has been completed.

[문헌 1] 한국 특허 공개번호 제 2005-0005899 호 (LG전자 주식회사) 2005.01.15[Document 1] Korean Patent Publication No. 2005-0005899 (LG Electronics Co., Ltd.) 2005.01.15

[문헌 2] L. Satyanarayana et al., solid state ionics 177 (2007), 3485-3490, Characteristics and performance of binary carbonate auxiliary phase CO2 sensor baed on Li3PO4 solid electrolyteL. Satyanarayana et al., Solid state ionics 177 (2007), 3485-3490, Characteristics and performance of binary carbonate auxiliary phase CO 2 sensor baed on Li 3 PO 4 solid electrolyte

[문헌 3] Lee et al., sensor and actuators B 102 (2004), 20-26, Thin film micro carbon dioxide sensor using MEMS processLee et al., Sensor and actuators B 102 (2004), 20-26, Thin film micro carbon dioxide sensor using MEMS process

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 Li 이온 전도 특성을 나타내는 고체 Li 전해질-함유 고성능 이산화탄소 감지 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a solid Li electrolyte-containing high performance carbon dioxide sensing sensor exhibiting excellent Li ion conducting properties and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기준 전극, 감지 전극 및 상기 두 전 극의 사이에 Li-B-W-O계 전해질 박막을 포함하는, 이산화탄소 감지 센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a carbon dioxide sensing sensor comprising a reference electrode, a sensing electrode and a Li-B-W-O-based electrolyte thin film between the two electrodes.

또한, 본 발명은, 초소형 정밀기계 공정(microelectromechanical system, MEMS)을 이용하여 이산화탄소 감지 센서를 제조하는 방법에 있어서,The present invention also provides a method for manufacturing a carbon dioxide sensor using a microelectromechanical system (MEMS),

(1) 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 기재 위에 기준 전극 및 제 1 전류 집전체 박막 각각을 증착시키는 단계;(1) depositing each of the reference electrode and the first current collector thin film on the substrate using sputtering or vacuum evaporation;

(2) 상기 단계 (1)에서 제조한 박막 위에, 진공 증발법을 이용하여 Li-B-W-O계 전해질 박막을 증착시키는 단계; 및(2) depositing a Li-B-W-O-based electrolyte thin film on the thin film prepared in step (1) by using a vacuum evaporation method; And

(3) 상기 단계 (2)에서 제조한 전해질 박막 위에, 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 제 2 전류 집전체 및 감지 전극 박막 각각을 증착시키는 단계(3) depositing each of the second current collector and the sensing electrode thin film on the electrolyte thin film prepared in step (2) by sputtering or vacuum evaporation;

를 포함하는, 상기 이산화탄소 감지 센서의 제조방법을 제공한다.It includes, it provides a method of manufacturing the carbon dioxide sensor.

본 발명에 따른 고체 Li 전해질-함유 이산화탄소 감지 센서는, 종래의 벌크 공정 또는 후막 공정으로 달성하기 어려운 아주 얇은 두께의 고체 Li 전해질을 이용하여 모든 전극을 박막화함으로써 센서의 전력 소모를 줄이고, 우수한 감지도 및 복구력을 가지며, 전류 집전체의 배열을 다양화할 수 있어 고성능 센서로서 유용하게 사용될 수 있다.The solid Li electrolyte-containing carbon dioxide sensing sensor according to the present invention reduces the power consumption of the sensor by thinning all electrodes using a very thin solid Li electrolyte, which is difficult to be achieved by a conventional bulk process or a thick film process. And it has a recovery force, can be varied in the arrangement of the current collector can be usefully used as a high performance sensor.

본 발명의 실시양태에 따른 이산화탄소 감지 센서는 (1) 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 기재 위에 기준 전극 및 제 1 전류 집전체 박막 각각을 증착시키는 단계; (2) 상기 단계 (1)에서 제조한 박막 위에, 진공 증발법을 이용하여 Li-B-W-O계 전해질 박막을 증착시키는 단계; 및 (3) 상기 단계 (2)에서 제조한 전해질 박막 위에, 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 제 2 전류 집전체 및 감지 전극 박막 각각을 증착시키는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조될 수 있으며, 각 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.According to an embodiment of the present invention, a carbon dioxide sensor includes: (1) depositing each of a reference electrode and a first current collector thin film on a substrate using sputtering or vacuum evaporation; (2) depositing a Li-B-W-O-based electrolyte thin film on the thin film prepared in step (1) by using a vacuum evaporation method; And (3) depositing each of the second current collector and the sensing electrode thin film by using sputtering or vacuum evaporation on the electrolyte thin film prepared in step (2), wherein The steps are described in more detail as follows.

<단계 (1)> <Step (1)>

단계 (1)에서는, 통상적인 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 기재 위에 기준 전극 및 제 1 전류 집전체 박막 각각을 증착한다.In step (1), each of the reference electrode and the first current collector thin film is deposited on the substrate using conventional sputtering or vacuum evaporation.

상기 기재, 기준 전극 및 제 1 전류 집전체는 이산화탄소 감지 센서를 구성함에 있어서 통상적으로 사용되는 재질로 이루어질 수 있으며 통상적인 범위의 두께를 가질 수 있다.The substrate, the reference electrode, and the first current collector may be made of a material commonly used in constructing a carbon dioxide sensing sensor, and may have a thickness in a conventional range.

상기 기재로는 양면이 연마된 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 실리콘은 비교적 저가의 재료로서 표면이 매우 평활하고 이를 공정 처리할 수 있는 장치들이 많이 존재하므로 기재로 사용하기에 적합하다. As the substrate, a silicon wafer having both surfaces polished can be used. Silicon is a relatively inexpensive material and is suitable for use as a substrate because of its very smooth surface and many devices that can process it.

상기 기준 전극에 적합한 재질로는 Li의 확산 및 전자 전도를 동시에 갖는 물질을 사용할 수 있는데, 이의 구체적인 예로는 LiCoO2, V2O5, LiMnO2, LiMn2O4 및 이들의 복합산화물을 들 수 있고, 본 발명에서는 LiCoO2가 바람직하다. As a suitable material for the reference electrode, a material having both diffusion and electron conduction of Li may be used. Specific examples thereof include LiCoO 2 , V 2 O 5 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4, and composite oxides thereof. In the present invention, LiCoO 2 is preferable.

상기 제 1 전류 집전체에 적합한 재질로는 Ti, Pt, Au, 이들의 혼합물 및 Ti/Pt 이중 박막을 사용할 수 있다.As a material suitable for the first current collector, Ti, Pt, Au, a mixture thereof, and a Ti / Pt double thin film may be used.

본 발명에서는, 양면이 연마된 실리콘 웨이퍼의 일면을 산화한 후 산화된 웨이퍼 표면을 원하는 패턴으로 식각(예: 반응성 이온 식각(RIE, reactive ion etching) 또는 KOH 식각)한 다음 스퍼터링(sputtering)법 또는 진공 증발(vacuum evaporation)법을 이용하여 패턴화된 표면 위에 기준 전극 박막을 증착시킬 수 있다. 이후, 기준 전극 위에 감광체(photoresist, PR)를 코팅하고, 스퍼터링법 또는 진공 증발법을 이용하여 감광체층 위에 제 1 전류 집전체를 증착할 수 있다. In the present invention, the surface of the silicon wafer polished on both sides is oxidized, and then the oxidized wafer surface is etched in a desired pattern (eg, reactive ion etching (RIE) or KOH etching), and then sputtering or Vacuum evaporation can be used to deposit the reference electrode thin film on the patterned surface. Thereafter, a photoresist (PR) may be coated on the reference electrode, and the first current collector may be deposited on the photoreceptor layer by sputtering or vacuum evaporation.

상기 기준 전극 및 전류 집전체 박막의 증착순서는 어느 것을 먼저해도 무방하며, 기준 전극은 전류 집전체의 면적보다 큰 것이 바람직하다. 이어서, 형성된 감광체층을 분리제거(lift off)함으로써 기재 위에 원하는 패턴으로 기준 전극층 및 제 1 전류 집전체층을 형성할 수 있다.The order of deposition of the reference electrode and the current collector thin film may be any first, and the reference electrode is preferably larger than the area of the current collector. The reference electrode layer and the first current collector layer can then be formed on the substrate in a desired pattern by lifting off the formed photoconductor layer.

<단계 (2)><Step (2)>

단계 (2)에서는, 상기 단계 (1)에서 제조한 제 1 전류 집전체 박막 위에, 통상적인 진공 증발법을 이용하여 Li-B-W-O계 전해질 박막을 증착한다. In step (2), a Li-B-W-O-based electrolyte thin film is deposited on the first current collector thin film prepared in step (1) by using a conventional vacuum evaporation method.

상기 Li-B-W-O계 전해질 박막은 0.2 내지 50 ㎛의 두께로 증착할 수 있으며, 하기 화학식 1로 표시되는 재질로 이루어질 수 있다:The Li-B-W-O-based electrolyte thin film may be deposited to a thickness of 0.2 to 50 ㎛, it may be made of a material represented by the following formula (1):

Lix-By-Wz-Oδ Li x -B y -W z -O δ

상기 식에서, Where

x는 0.5 내지 1.2이고, x is from 0.5 to 1.2,

y는 0.5 내지 1.2이고,y is 0.5 to 1.2,

z는 0.6 내지 1.5이고,z is from 0.6 to 1.5,

δ는 0.5 내지 1.5이다.δ is 0.5 to 1.5.

<단계 (3)><Step (3)>

단계 (3)에서는, 상기 단계 (2)에서 제조한 전해질 박막 위에, 통상적인 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 제 2 전류 집전체 및 감지 전극 박막 각각을 증착한다. In step (3), the second current collector and the sensing electrode thin film are deposited on the electrolyte thin film prepared in the above step (2) using conventional sputtering or vacuum evaporation, respectively.

상기 제 2 전류 집전체 및 감지 전극은 이산화탄소 감지 센서를 구성함에 있어서 통상적으로 사용되는 재질로 이루어질 수 있으며 통상적인 범위의 두께를 가질 수 있다.The second current collector and the sensing electrode may be made of a material commonly used in constructing a carbon dioxide sensing sensor, and may have a thickness in a conventional range.

상기 제 2 전류 집전체에 적합한 재질로는 상기 제 1 전류 집전체에 사용한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다. As a material suitable for the second current collector, the same material as that used for the first current collector can be used.

상기 감지 전극에 적합한 재질로는 Li2CO3, SnO2, LaOCl, La2O3 및 이들의 복합산화물을 사용할 수 있고, 본 발명에서는 Li2CO3가 바람직하다.Li 2 CO 3 , SnO 2 , LaOCl, La 2 O 3 and composite oxides thereof may be used as a suitable material for the sensing electrode, and Li 2 CO 3 is preferable in the present invention.

본 발명에서는, 상기 단계 (2)에서 제조한 전해질 박막 위에 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 제 2 전류 집전체를 증착할 수 있는데, 이때 필요에 따라 마스크를 사용하여 선택적으로 원하는 위치에 증착을 수행할 수 있다. 이후, 스퍼터링법 또는 진공 증발법을 이용하여 감지 전극 박막을 증착할 수 있다.In the present invention, the second current collector may be deposited on the electrolyte thin film prepared in the step (2) by sputtering or vacuum evaporation, wherein the deposition is optionally performed at a desired position using a mask as necessary. can do. Thereafter, the sensing electrode thin film may be deposited by sputtering or vacuum evaporation.

상기 감지 전극 및 제 2 전류 집전체의 증착순서는 어느 것을 먼저해도 무방하며, 감지 전극은 전류 집전체의 면적보다 큰 것이 바람직하다.The order of deposition of the sensing electrode and the second current collector may be any first, and the sensing electrode is preferably larger than the area of the current collector.

마지막으로, 통상적인 초소형 정밀기계 공정(MEMS)에 기초하여 기재 후면의 식각을 수행함으로써 본 발명의 이산화탄소 감지 센서를 제조할 수 있다.Finally, the carbon dioxide sensing sensor of the present invention can be manufactured by performing etching on the back side of the substrate based on a conventional micro precision mechanical process (MEMS).

본 발명의 하나의 실시양태에 따른 이산화탄소 감지 센서 제조과정의 모식도를 도 3b에 나타내었다.A schematic diagram of a carbon dioxide detecting sensor manufacturing process according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. 3B.

이산화탄소 감지 센서 제작 순서는 기준 전극/ 전해질 박막/ 감지 전극 또는 그 반대의 순서 모두 가능하며, 전해질은 시간이 경과하면서 수분 등과 반응할 수 있으므로, 전해질의 대기중 열화를 방지하기 위하여 전해질 위에 위치하는 박막의 면적을 전해질 박막의 면적보다 크게 조절하는 것이 바람직하다. The carbon dioxide sensor can be manufactured in the order of reference electrode / electrolyte thin film / sensing electrode or vice versa. Since the electrolyte can react with moisture over time, the thin film placed on the electrolyte to prevent degradation of the electrolyte in the air. It is preferable to adjust the area of the film to be larger than the area of the electrolyte thin film.

본 발명에 의한 이산화탄소 감지용 고성능 센서는 25 내지 500℃의 동작온도에서 100 내지 10,000 ppm, 바람직하게는 500 내지 5,000 ppm의 감지영역을 나타낼 수 있다.The high performance sensor for detecting carbon dioxide according to the present invention may exhibit a detection area of 100 to 10,000 ppm, preferably 500 to 5,000 ppm at an operating temperature of 25 to 500 ° C.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1. 기준 전극 및 제 1 전류 집전체의 제조Example 1 Fabrication of Reference Electrode and First Current Collector

통상의 양면 연마된 실리콘 웨이퍼 전면에, R.F 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 3 x 3 mm2 면적의 LiCoO2 기준 전극을 200 nm의 두께로 증착한 후, 700℃의 온도에서 30분 동안 열처리를 하였다. 이때 R.F 파워는 150 W, 증착 시간은 30분이었으며, 이용된 타겟은 4인치였다. 이어, 기준 전극 위에 감광체층을 코팅한 후, 스퍼터링을 이용하여 형성된 감광체층은 분리제거하였다. Ti/Pt 이중 박막을 순서대로 각각 20 nm 및 200 nm의 두께로, 면적 1.5 x 1.5 mm2의 면적으로 D.C 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 증착하여 제 1 전류 집전체층을 형성하였다. 이때 D.C 파워는 150 W(400V, 0.37~0.38A), 증착 시간은 Ti/Pt 이중 박막 각각에 대해서 5분 및 10분이었다. On a conventional double-side polished silicon wafer, a 3 × 3 mm 2 area LiCoO 2 reference electrode was deposited to a thickness of 200 nm using RF magnetron sputtering, followed by heat treatment at a temperature of 700 ° C. for 30 minutes. The RF power was 150 W, the deposition time was 30 minutes, and the target used was 4 inches. Subsequently, after the photoconductor layer was coated on the reference electrode, the photoconductor layer formed by sputtering was separated and removed. Ti / Pt double thin films were deposited in order of thickness of 20 nm and 200 nm, respectively, with an area of 1.5 × 1.5 mm 2 by DC magnetron sputtering to form a first current collector layer. At this time, the DC power was 150 W (400 V, 0.37-0.38 A), and the deposition times were 5 minutes and 10 minutes for the Ti / Pt double thin films, respectively.

실시예 2. 전해질 박막의 제조Example 2. Preparation of Electrolyte Thin Film

상기 실시예 1에서 제조된 제 1 전류 집전체 위에, 진공 증발법을 이용하여 10분 동안 면적 4 x 4 mm2 및 두께 1 ㎛의 Li-B-W-O계 전해질 박막(이때, Lix-By-Wz-Oδ에서 x는 1, y는 1.1, z는 1, δ는 1.1이다)을 증착하였다.On the first current collector manufactured in Example 1, a Li-BWO-based electrolyte thin film having an area of 4 x 4 mm 2 and a thickness of 1 μm for 10 minutes by using a vacuum evaporation method (in this case, Li x -B y -W x is 1, y is 1.1, z is 1, and δ is 1.1 at z- O δ ).

실시예 3. 감지 전극 및 제 2 전류 집전체의 제조Example 3 Fabrication of Sense Electrode and Second Current Collector

상기 실시예 2에서 제조된 박막 위에, D.C 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Ti/Pt 이중 박막을 각각 20 nm 및 200 nm의 두께로, 1.5 x 1.5 mm2의 면적으로 제 2 전류 집전체층을 형성하였다. 이때, 마스크를 사용하여 제 2 전류 집전체층을 원하는 패턴 위에 선택적으로 형성하였다. 증착 조건은 상기 실시예 1의 제 1 전류 집전체와 동일하였다. 이후, R.F 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 5 x 5 mm2 면적의 Li2CO3 감지 전극을 300 nm의 두께로 증착한 후, 650℃의 온도에서 30분 동안 열처리를 하였으며, 증착 조건은 증착 시간이 40분인 것을 제외하고는 상기 실시예 1의 기준 전극과 동일하였다.On the thin film prepared in Example 2, a Ti / Pt double thin film was formed using DC magnetron sputtering to a thickness of 20 nm and 200 nm, respectively, to form a second current collector layer with an area of 1.5 x 1.5 mm 2 . At this time, a second current collector layer was selectively formed on the desired pattern using a mask. Deposition conditions were the same as those of the first current collector of Example 1 above. Subsequently, a Li 2 CO 3 sensing electrode having an area of 5 x 5 mm 2 was deposited to a thickness of 300 nm by using RF magnetron sputtering, and then heat-treated for 30 minutes at a temperature of 650 ° C. It was the same as the reference electrode of Example 1 except that it was minutes.

실시예Example 4.  4. MEMSMEMS 구조의 제조 Manufacture of structures

감지 전극의 위치와 정확히 일치하는 실리콘 웨이퍼의 반대면에 후면 식각 공정을 초소형 정밀기계 공정(MEMS)에 기초하여 수행함으로써 최종 면적이 기준 전극 면적과 동일하거나 또는 50% 이내인 막(membrane)을 제조하였다. 참고로, 실리콘 기판 위에 전극 및 Li-B-W-O계 고체 Li 전해질 박막을 증착한 것을 FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy)으로 촬영한 사진을 도 3a에, 단차 형태의 실리콘 기판 위에 증착된 전류 집전체 및 Li-B-W-O계 전해질 박막을 FESEM으로 촬영한 사진을 도 4에 나타내었다.A backside etching process on the opposite side of the silicon wafer that exactly matches the position of the sensing electrode is performed on the basis of micro-mechanical processes (MEMS) to produce a membrane whose final area is equal to or less than 50% of the reference electrode area. It was. For reference, a photograph taken by FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) of depositing an electrode and a Li-BWO-based solid Li electrolyte thin film on a silicon substrate is shown in FIG. 3A, and a current collector and Li deposited on a stepped silicon substrate. A photograph taken of the BWO-based electrolyte thin film by FESEM is shown in FIG. 4.

도 1은 종래 기술의 벌크 구조의 Li3PO4 고체 Li 전해질을 사용하여 제조한 이산화탄소 감지 센서의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a schematic diagram of a carbon dioxide sensing sensor prepared using a Li 3 PO 4 solid Li electrolyte of the bulk structure of the prior art.

도 2는 또 다른 종래 기술의 Na-Si-Co-N 전해질 박막을 사용하여 초소형 정밀기계 공정(MEMS)으로 제조한 이산화탄소 감지 센서 제조과정의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 2 shows a schematic diagram of a carbon dioxide sensing sensor manufacturing process manufactured by a micro precision mechanical process (MEMS) using another conventional Na-Si-Co-N electrolyte thin film.

도 3a는 실리콘 기판 위에 전극 및 Li-B-W-O계 고체 Li 전해질 박막을 증착한 경우를 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy)으로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.FIG. 3A illustrates a photograph taken by FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) when the electrode and the Li-B-W-O-based solid Li electrolyte thin film are deposited on a silicon substrate.

도 3b는 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 이산화탄소 감지 센서 제조과정의 모식도를 나타낸 것이다.Figure 3b shows a schematic diagram of a carbon dioxide sensor manufacturing process according to an embodiment of the present invention.

도 4는 단차 형태의 Si 기판 위에 증착된 전류 집전체 및 Li-B-W-O계 전해질 박막을 FESEM으로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.Figure 4 shows a photograph taken with the current collector and the Li-B-W-O-based electrolyte thin film deposited on the stepped Si substrate in FESEM.

Claims (8)

기준 전극, 감지 전극 및 상기 두 전극 사이에 Li-B-W-O계 전해질 박막을 포함하며,A reference electrode, a sensing electrode, and a Li-B-W-O-based electrolyte thin film between the two electrodes, 상기 Li-B-W-O계 전해질 박막이 하기 화학식 1로 표시되는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 감지 센서:Carbon dioxide detecting sensor, characterized in that the Li-B-W-O-based electrolyte thin film made of a material represented by the following formula (1): [화학식 1][Formula 1] Lix-By-Wz-Oδ Li x -B y -W z -O δ 상기 식에서, Where x는 0.5 내지 1.2이고, x is from 0.5 to 1.2, y는 0.5 내지 1.2이고,y is 0.5 to 1.2, z는 0.6 내지 1.5이고,z is from 0.6 to 1.5, δ는 0.5 내지 1.5이다.δ is 0.5 to 1.5. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Li-B-W-O계 전해질 박막이 0.2 내지 50 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 감지 센서.The Li-B-W-O-based electrolyte thin film, characterized in that having a thickness of 0.2 to 50 ㎛, carbon dioxide detection sensor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기준 전극이 LiCoO2, V2O5, LiMnO2, LiMn2O4 및 이들의 복합산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 감지 센서.And the reference electrode is made of a material selected from the group consisting of LiCoO 2 , V 2 O 5 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4, and composite oxides thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 감지 전극이 Li2CO3, SnO2, LaOCl, La2O3 및 이들의 복합산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 감지 센서.And the sensing electrode is made of a material selected from the group consisting of Li 2 CO 3 , SnO 2 , LaOCl, La 2 O 3, and composite oxides thereof. 초소형 정밀기계 공정(microelectromechanical system, MEMS)을 이용하여 이산화탄소 감지 센서를 제조하는 방법에 있어서,In the method of manufacturing a carbon dioxide sensor using a microelectromechanical system (MEMS), (1) 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 기재 위에 기준 전극 및 제 1 전류 집전체 박막 각각을 증착시키는 단계;(1) depositing each of the reference electrode and the first current collector thin film on the substrate using sputtering or vacuum evaporation; (2) 상기 단계 (1)에서 제조한 박막 위에, 진공 증발법을 이용하여 Li-B-W-O계 전해질 박막을 증착시키는 단계; 및(2) depositing a Li-B-W-O-based electrolyte thin film on the thin film prepared in step (1) by using a vacuum evaporation method; And (3) 상기 단계 (2)에서 제조한 전해질 박막 위에, 스퍼터링 또는 진공 증발법을 이용하여 제 2 전류 집전체 및 감지 전극 박막 각각을 증착시키는 단계(3) depositing each of the second current collector and the sensing electrode thin film on the electrolyte thin film prepared in step (2) by sputtering or vacuum evaporation; 를 포함하는, 이산화탄소 감지 센서의 제조방법.Including, the manufacturing method of the carbon dioxide sensor. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 기준 전극 및 상기 감지 전극 박막이 제 1 및 제 2 전류 집전체 박막보다 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 감지 센서의 제조방법. And the reference electrode and the sensing electrode thin film have an area larger than that of the first and second current collector thin films. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 전해질 박막 위에 증착하는 박막이 전해질 박막보다 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 감지 센서의 제조방법.And a thin film deposited on the electrolyte thin film has a larger area than the electrolyte thin film.
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