KR101113315B1 - 촉매층을 구비하는 가스센서 및 이의 동작방법 - Google Patents

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Abstract

가스센서 및 이의 동작방법을 제공한다. 상기 가스센서는 배면 상에 히터를 구비하는 기판, 상기 기판의 상부면 상에 배치되는 가스 감지층, 상기 가스 감지층 상에 배치되고, +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 금속촉매로 이루어진 촉매층, 및 상기 가스 감지층과 전기적으로 접속하는 전극을 포함한다. 또한, 상기 가스센서 동작방법은 배면 상에 히터를 구비하는 기판, 상기 기판의 상부면 상에 배치되는 가스 감지층, 상기 가스 감지층 상에 배치되고, +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 금속촉매로 이루어진 촉매층, 및 상기 가스 감지층과 전기적으로 접속하는 전극을 구비하는 가스센서를 제공하는 단계, 상기 히터를 동작시켜, 상기 가스 감지층에 동작온도를 인가시키고, 가스에 노출시키는 단계, 및 상기 가스 감지층의 저항 변화를 측정하는 단계를 포함한다.
가스센서, 촉매층, Rh층

Description

촉매층을 구비하는 가스센서 및 이의 동작방법{Gas sensor having catalyst layer and method for operating the same}
본 발명은 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매층을 구비하는 가스센서 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
금속 산화물 반도체를 이용하는 가스 센서는 금속 산화물 반도체와 주위 가스 사이의 상호작용으로 인해 나타나는 저항의 변화를 이용하여, O3, O2, CO, CH4 또는 NOx와 같은 가스를 검출할 수 있다. 이러한 금속 산화물 반도체를 이용하는 가스센서는 높은 민감도와 빠른 반응 시간을 가지고 있어 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 이러한 민감도와 반응시간은 금속 산화물 반도체층을 형성할 때의 증착온도에 따라 변화되므로, 높은 민감도와 빠른 반응 시간을 확보하기 위해서는 상기 금속 산화물 반도체층의 증착이 고온에서 이루어져야 한다. 이러한 경우, 가스센서를 구성하는 히터 및 전극 등의 열적 변형 및 안정성에 대한 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 금속 산화물 반도체층을 고온에서 형성시키기 않고, 높은 민감도와 빠른 반응 시간을 확보할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 금속 산화물 반도체층의 증착온도를 감소시키면서도 높은 민감도와 빠른 반응시간을 유지할 수 있는 촉매층을 구비하는 가스센서 및 이의 동작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 가스센서를 제공한다. 상기 가스센서는 배면 상에 히터를 구비하는 기판, 상기 기판의 상부면 상에 배치되는 가스 감지층, 상기 가스 감지층 상에 배치되고, +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 금속촉매로 이루어진 촉매층, 및 상기 가스 감지층과 전기적으로 접속하는 전극을 포함한다.
상기 촉매층은 Rh층일 수 있으며, 0.0025nm 내지 0.025nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 가스 감지층은 SnO2층, In2O3층, ZnO층, WO3층, CuO층, Co3O4층, FeO층 또는 NiO층일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 가스센서 동작방법을 제공한다. 상기 가스센서 동작방법은 배면 상에 히터를 구비하는 기판, 상기 기 판의 상부면 상에 배치되는 가스 감지층, 상기 가스 감지층 상에 배치되고, +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 금속촉매로 이루어진 촉매층, 및 상기 가스 감지층과 전기적으로 접속하는 전극을 구비하는 가스센서를 제공하는 단계, 상기 히터를 동작시켜, 상기 가스 감지층에 동작온도를 인가시키고, 가스에 노출시키는 단계, 및 상기 가스 감지층의 저항 변화를 측정하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 가스 감지층 상에 촉매층을 형성하여 가스센서를 구성하는 경우, 상기 촉매층에 구비된 촉매가 상기 가스 감지층과 상기 가스와의 반응을 가속화시켜 줄 수 있으므로, 상기 가스센서의 높은 민감도 및 빠른 반응시간을 확보할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 구조를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 후막에 히터(20)가 배치된 기판(10)을 제공한다. 상기 기판(10)은 절연체 기판일 수 있으며, 일 예로서, 상기 기판(10)은 알루미나(Al2O3) 기판, 실리카(SiO2) 기판 또는 실리콘(Si) 기판일 수 있다.
상기 히터(20)는 금속 발열체로 이루어질 수 있다. 상기 히터(20)는 고온에서의 산화성과 반응성이 적은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 일 예로서, 상기 금속 발열체는 Pt계, Ru계, Ni-Cr계 또는 Ir-Pd계 물질일 수 있으며, 바람직하게는 Pt계 물질일 수 있다. 상기 히터(20)는 금속 발열체 물질을 함유하는 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성할 수 있다.
상기 히터(20)는 상기 히터(20)와 전기적으로 접속하는 히터전극(22)을 더구비할 수 있다. 상기 히터(20)는 상기 히터전극(22)을 통해 전압을 인가하여 열을 발생시킬 수 있다. 상기 히터전극(22)은 Au, Pt 또는 Ag일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 가스 감지층(12)이 배치된다. 상기 가스 감지층(12)은 금속 산화물 반도체층일 수 있다. 상기 금속 산화물 반도체는 n형 반도체와 p형 반도체로 분류될 수 있다. 일 예로서, 상기 가스 감지층(12)이 n형 반도체로 구성된 경우, 상기 가스 감지층(12)은 SnO2층, In2O3층 또는 ZnO층일 수 있으며, 상기 가스 감지층(12)이 p형 반도체로 구성된 경우, 상기 가스 감지층(12)은 CuO층, WO3층, Co3O4층, FeO층 또는 NiO층일 수 있다. 상기 가스 감지층(12)은 분무열분해법 또는 스크린 인쇄법을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 가스 감지층(12) 상에 구형의 금속촉매가 도포된 촉매층(14)이 배치된다. 상기 촉매는 +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 물질을 사용할 수 있다. 여기서, 만약, 상기 촉매가 +1.7V 미만의 산화환원전위를 가지는 경우, 쉽게 이온화되어 대기중의 산소와 반응할 수 있으므로, 상기 가스 감지막(12) 상에 산화막이 형성될 수 있다. 이에 따라, 금속 촉매로서의 기능이 상실될 수 있다. 일 예로서, 상기 촉매층(14)은 Rh층일 수 있다.
상기 촉매층(14)은 이-빔 증발기(e-beam evaporator) 또는 열증발기(thermal evaporator)를 사용하여 구형의 촉매를 제조한 후, 마이크로 이-빔 증발기(micro e-beam evaporator)를 사용하여 상기 가스 감지층(12) 상에 증착시킬 수 있다.
상기 촉매층(4)과 전기적으로 접속하는 전극(16)이 배치된다. 상기 전극(16)은 Au, Pt 또는 Ag일 수 있다.
이하에서는 상기 가스센서의 동작방법을 자세히 설명한다.
상기 가스센서를 동작시키기 위해, 상기 히터전극(22)에 전압을 인가하여 상기 히터(20)를 작동시킬 수 있다. 이러한 경우, 상기 가스 감지층(12)에 특정 동작온도가 인가될 수 있다. 상기와 같이 특정 동작온도를 인가하는 경우, 상기 가스 감지층(12)의 표면에서 검출가스를 감지하기 위한 활성화 에너지를 부여해줄 수 있다. 상기 동작온도는 350℃ 내지 550℃의 온도일 수 있다.
상기와 같은 동작온도에서 상기 가스센서가 CO, CH4, O3, O2, H2, NO, NO2, 또는 SO2등의 가스에 노출되는 경우, 상기 가스센스는 상기 가스와 상기 가스 감지층(12)을 구성하는 물질과의 반응에 의해 저항이 변화될 수 있다. 이때, 상기 가스 감지층(12) 상에 위치한 전극(16)은 상기 가스 감지층(12)에서 변화된 저항의 전기적 신호를 외부로 송출시켜줄 수 있어, 이를 통해 가스를 검출하거나, 가스의 농도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 저항이 변화되는 원리를 살펴보면, 상기 히터(20)를 통해 상기 가스 감지층(12)에 열에너지가 부여되면, 상기 가스 감지층(12) 내에 자유전자들이 증가하게 된다. 이때, n형 반도체로 구성된 상기 가스 감지층(12)을 대기 중에 노출시키는 경우, n형 반도체 내의 모자라는 산소의 수를 대기중의 산소를 흡착하여 채울 수 있다. 이러한 경우, 상기 흡착된 산소들은 상기 자유전자들을 포획하여, n형 반도체의 입자계면에 전위장벽을 형성하므로, 상기 가스 감지층(12) 내의 저항은 증가될 수 있다.
이와 같은 상태에서 상기 가스 감지층(12)을 CO, CH4 또는 Ox와 같은 가스에 노출시키는 경우, 상기 가스 감지층(12)내에 흡착된 산소는 하기 반응식들 1 내지 3에 의해 CO2, H2O, 또는 O2로 형성되어 상기 가스 감지층(12)으로부터 탈착될 수 있으므로, 상기 산소에 의해 포획된 전자들은 다시 자유롭게 이동할 수 있게 되어, 상기 가스 감지층(12)의 저항을 다시 감소시킬 수 있다.
<반응식 1>
2CO + O2 → 2CO2
<반응식 2>
CH4 + O2 → 2CO2 + H2O
<반응식 3>
2Ox + O2 → (X+1)O2
상기 반응식 3에서 상기 x는 2 또는 3의 정수이다.
이와는 달리 p형 반도체로 구성된 가스 감지층(12)은 전자의 수에 비해 산소의 수가 과잉상태를 나타내므로, 상기 가스 감지층(12)을 대기 중에 노출시켜도 가스 감지층(12) 내의 저항은 변화되지 않는다. 이러한 가스 감지층(12)을 양이온을 함유하는 가스에 노출시키는 경우, 상기 가스 감지층(12) 내의 모자라는 양이온을 주변의 가스로부터 공급받을 수 있다. 이때, 상기 양이온들이 공급됨에 따라 상기 과잉산소는 상기 양이온들을 포획하여 입자계면에 전위장벽을 형성하므로, 상기 가스 감지층(12) 내의 저항은 증가될 수 있다. 이때 상기 가스는 H2, NO, NO2, 또는 SO2일 수 있다.
상기 가스센서는 상기와 같은 원리에 의해 가스를 검출할 수 있으나, 상기가스 감지층(12)의 민감도는 상기 가스 감지층(12)의 증착온도에 많은 영향을 받는 다. 즉, 가스 감지층(12)의 증착온도가 높을수록 높은 민감도와 빠른 반응 시간을 가질 수 있다. 이는 상기 가스 감지층(12)의 증착온도가 높을수록 가스 감지층(12)을 이루는 입자들의 배열이 균일해지고, 입자의 성장이 촉진될 수 있으므로, 상기 입자들 사이의 기공율의 증가로 인해 상기 가스 감지층(12)과 상기 가스와의 접촉면적이 향상될 수 있다. 그 결과, 가스감지층(12)의 민감도가 향상될 수 있다. 그러나, 가스 감지층(12)의 증착온도가 높은 경우, 열적 안정성의 측면에서 공정상에 적용되는 재료들의 제한을 가져올 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 가스센서가 촉매층(14)을 구비하는 경우, 상기 촉매층(14)에 구비된 촉매가 상기 가스 감지층(12)과 상기 가스와의 반응을 가속화시킬 수 있으므로, 상기 가스 감지층(12)을 저온에서 형성하여도 가스센서의 높은 민감도 및 빠른 반응시간을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예들(examples)을 제시한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
가스센서를 제조하기 위해, 히터로서 백금 페이스트를 준비하고, 이를 알루미나 기판의 후막 상에 스크린 프린팅하여 히터를 형성하였다. 이어, 용매로서 물 을 준비하고, 전구체로서 0.2M의 InCl3를 준비한 후, 분무열분해법을 이용하여 상기 알루미나 기판의 상부면 상에 가스 감지층으로서 40nm의 In2O3막을 형성하였다. 이때, 상기 가스 감지층의 증착온도를 350℃, 400℃, 450℃, 500℃ 및 550℃로 달리하여 각각의 가스센서들을 제조하였다.
이와 같이 제조된 가스센서의 상대 습도를 35% 내지 45% 사이로 유지하고, 동작 온도를 270℃로 하여, 증착온도에 따른 각 가스 감지층의 가스 감지 민감도를 측정하였다.
도 2는 실험예 1에 따른 가스센서들의 가스 감지층의 증착온도 변화에 따른 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 가스센서는 가스 감지층의 증착온도가 350℃인 경우, 매우 낮은 민감도를 보였으나, 증착온도가 증가될수록 민감도가 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 증착온도의 증가에 따라 가스 감지층을 이루는 입자가 균일해지고, 입자의 성장이 촉진되므로, 상기 가스 감지층의 물질들 사이의 기공률 증가에 따른 상기 가스와 상기 가스 감지층과의 접촉면적 향상으로, 상기 가스와 상기 가스 감지층과의 반응성이 향상될 수 있는 것으로 판단된다.
<실험예 2>
가스센서를 제조하기 위해, 히터로서 백금 페이스트를 준비하고, 이를 알루 미나 기판의 후막 상에 스크린 프린팅하여 히터를 형성하였다. 이어, 용매로서 물을 준비하고, 전구체로서 0.2M의 InCl3를 준비한 후, 분무열분해법을 이용하여 상기 알루미나 기판의 상부면 상에 가스 감지층으로서 40nm의 In2O3막을 형성하여, 가스센서를 제조하였다. 이때, 상기 가스 감지층의 증착온도는 350℃로 하였다.
이렇게 제조된 가스센서를 다섯 개 제조하고, 상기 가스센서들 상에 0nm, 0.0025nm, 0.01nm, 0.025nm 및 0.1nm 두께의 Rh 촉매층을 각각 형성하였다. 이때, 상기 Rh 촉매층은 열증발기를 사용하여, 구형의 Rh 촉매를 제조하고, 이를 마이크로 이-빔 증발기로 증착시켜 형성하였다. 마지막으로 상기 촉매층 상에 스크린 프린팅법을 사용하여 Au전극을 형성하였다.
이와 같이 제조된 가스센서의 상대 습도를 35% 내지 45% 사이로 유지하고, 동작 온도를 270℃로 하여, 촉매층의 두께에 따른 가스 감지층에서의 가스 감지 민감도를 측정하였다.
하기 표 1은 본 발명의 실험예 2에 따른 촉매층의 두께 변화에 따른 민감도의 변화를 나타낸다.
촉매층의 두께(nm) 민감도(~ 1ppm O3)
0 2.5 × 102
0.0025 8.2 × 102
0.01 2.0 × 104
0.025 1.4 × 102
0.1 ~ 10
상기 표 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 촉매층은 두께의 변화에 따라 민감도가 변화된다. 그 중에서도 상기 촉매층의 두께가 0.01nm인 경우, 가스센서는 2.0×104로서 가장 높은 민감도를 나타내었다.
이는 촉매층의 두께가 너무 얇은 경우, 상기 가스 감지층과의 반응성을 촉진시켜주기 위한 촉매의 양이 부족하고, 촉매층의 두께가 너무 두꺼운 경우, 상기 촉매층이 상기 가스 감지층과 가스와의 반응을 차단하여, 오히려 상기 가스 감지층과 상기 가스와의 반응을 저하시키는 것으로 판단된다.
따라서, 상기 촉매층의 두께는 0.025nm 미만일 수 있고, 구체적으로 상기 촉매층의 두께는 0.01nm 이하일 수 있으며, 더욱 구체적으로 상기 촉매층의 두께는 0.0025nm 내지 0.01nm일 수 있다.
또한, 실험예 1을 통해 미리 실험한 바에 의해, 촉매층을 구비하지 않은 가스센서는 최대 민감도가 가스 감지층의 증착온도가 550℃일 때 나타났으며, 이때의 민감도는 약 ~104인 것을 알 수 있다. 그러나, 실험예 2에 의해 측정된 가스센서의 민감도는 증착온도가 350℃와 같이 저온임에도 불구하고, 상기 촉매층을 구비하지 않은 가스센서의 최대 민감도와 대응하는 값을 나타내었다. 이를 통해, 촉매층을 구비함으로써 상기 가스 감지층의 증착온도를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 실험예 1에 따른 가스센서들의 가스 감지막의 증착온도 변화에 따른 민감도를 나타내는 그래프이다.

Claims (5)

  1. 배면 상에 히터를 구비하는 기판;
    상기 기판의 상부면 상에 배치되는 가스 감지층;
    상기 가스 감지층 상에 0.0025nm 내지 0.01nm의 두께로 형성되고, +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 금속촉매인 Ph를 구비하는 촉매층; 및
    상기 가스 감지층과 전기적으로 접속하는 전극을 포함하는 오존 가스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속촉매는 구형의 Rh인 오존 가스센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 0.01nm의 두께를 가지는 오존 가스센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 감지층은 SnO2층, In2O3층, ZnO층, WO3층, CuO층, Co3O4층, FeO층 또는 NiO층인 오존 가스센서.
  5. 배면 상에 히터를 구비하는 기판, 상기 기판의 상부면 상에 배치되는 가스 감지층, 상기 가스 감지층 상에 0.0025nm 내지 0.01nm의 두께로 형성되고, +1.7V 이상의 산화환원전위를 가지는 금속촉매인 Rh로 이루어진 촉매층, 및 상기 가스 감지층과 전기적으로 접속하는 전극을 구비하는 오존 가스센서를 제공하는 단계;
    상기 히터를 동작시켜, 상기 가스 감지층에 동작온도를 인가시키고, 오존 가스에 노출시키는 단계; 및
    상기 가스 감지층의 저항 변화를 측정하는 단계를 포함하는 오존 가스센서의 동작방법.
KR1020090106871A 2009-11-06 2009-11-06 촉매층을 구비하는 가스센서 및 이의 동작방법 KR101113315B1 (ko)

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