KR101252232B1 - 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 가스센서는, 전기장 인가용 제1전극판과; 상기 제1전극판의 상부면에 접합된 제1절연판과; 상기 제1절연판의 상부면에 배치되며, 센싱전극들이 패터닝되고 상기 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판과; 상기 제1절연판과는 일정간격 이격되어, 상기 제1절연판과 대향하도록 배치되는 제2절연판과; 상기 제2절연판의 상부면에 접합되는 전기장 인가용 제2전극판을 구비한다. 본 발명에 따르면, 상온에서 사용이 가능하며, 고민감성 및 고회복성을 가지는 가스센싱이 가능하다.

Description

전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법{Structure of gas sensor using electric field, method for fabricating the same and gas sensing method using the same}

본 발명은 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기장을 이용하여 가스 흡착 및 가스 탈착을 유도하여, 고민감성 및 고회복성을 갖는 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법에 관한 것이다.

발전소, 폐기물 소각로 및 자동차의 연소기관 내에서의 연소과정 동안에 형성되는 NO_x, CO_x, SO_x 가스들은 광화학 스모그 및 산성비의 주요 원인으로 작용한다. 이들 유해가스들은 대부분 인체의 감각기관으로는 감지할 수 없기 때문에 특히 위험하여 이를 조기에 감지할 수 있는 조기 감지센서의 개발 필요성이 증가하고 있다. 현재 대기오염의 원인 및 인체에 유해한 가스를 위한 다양한 형태의 가스센서들이 개발 되어있다.

이러한 가스센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정하는 원리에 의해 작동된다.

가스센서로 많이 사용되어온 물질로는 SnO₂와 같은 금속산화물 반도체, 고체전해질 물질, 다양한 유기물질, 유기물 복합체, 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 등이 있다.

금속산화물이나 고체전해질 가스센서는 200 내지 600℃ 혹은 그 이상의 높은 온도로 가열을 하여야 센서의 동작이 정상적으로 이루어진다는 문제점이 있다.

유기물질의 경우에는 전기전도도가 매우 낮으며, 카본 블랙과 유기물의 복합체는 매우 낮은 감도(sensitivity)를 가진다는 문제가 있다.

탄소나노튜브(Carbon NanoTube) 가스센서는 상온에서 동작이 가능하다는 장점이 있으나 감응시간이 느리고, 상온에서의 열에너지보다 탈착에 필요한 에너지가 더 크기 때문에 가스분자의 탈착이 쉽지 않으므로 본래의 전도도로 회복되는데 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 고민감성 및 고회복성의 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 가스 흡착 및 가스 탈착이 용이한 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상온에서 사용이 가능한 전기장을 이용한 가스센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 가스센싱방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 가스센서는, 센싱전극들이 패터닝되고 상기 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판이, 전기장 인가용 두 개의 전극판들 사이에 배치된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 가스센서는, 전기장 인가용 제1전극판과; 상기 제1전극판의 상부면에 접합된 제1절연판과; 상기 제1절연판의 상부면에 배치되며, 센싱전극들이 패터닝되고 상기 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판과; 상기 제1절연판과는 일정간격 이격되어, 상기 제1절연판과 대향하도록 배치되는 제2절연판과; 상기 제2절연판의 상부면에 접합되는 전기장 인가용 제2전극판을 구비할 수 있다.

상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 간의 간격은 2 내지 20mm 일 수 있다.

상기 가스센서는, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판에 전기장을 인가하기 위한 전압 발생기와; 상기 센싱전극들의 저항변화율을 측정하기 위한 전류 및 전압 측정기를 더 구비할 수 있다.

상기 센싱기판은 상기 제1절연판의 중앙에 배치될 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 가스센서의 제조방법은, 전기장 인가용 제1전극판과 제2전극판, 및 제1절연판과 제2절연판을 준비하고, 상기 제1전극판의 상부면에 상기 제1절연판을 접합하고, 상기 제2절연판의 상부면에 상기 제1전극판을 접합하는 제1단계와; 상기 제1절연판과 상기 제2절연판이 일정간격으로 이격되어 서로 대향하도록 배치시키고, 센싱전극들이 패터닝되고 상기 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판을 상기 제1절연판 상에 배치하는 제2단계를 구비한다.

상기 제2단계는, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판에 전기장을 인가하기 위한 전압 발생기를 연결하고, 상기 센싱전극들의 저항변화율 측정을 위한 전류 및 전압측정기를 상기 센싱기판에 연결하는 단계를 더 구비할 수 있다.

상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 간의 간격은 2 내지 20mm 일 수 있다.

상기 전압 발생기는 적어도 50 내지 1400V의 전압을 발생할 수 있다.

상기 제1전극판 및 상기 제2전극판은 구리, 동, 은, 백금, 텅스텐, 크롬, 및 이들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 가질 수 있다.

상기 제1절연판 및 상기 제2절연판은 베이크라이트, 폴리에스텔, 에폭시수지, 멜라민 수지, 페놀수지, 폴리우레탄 합성수지, 운모, 석면, 유리섬유, 자기, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 가질 수 있다.

상기 가스흡착용 물질은 금속산화물 반도체, 고체전해질물질, 유기물질, 유기물복합체, 카본블랙, 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 가질 수 있다.

상기 가스흡착용 물질은, 진공증착법, 스핀코팅법, 스프레이분사법, 층간증착법, 화학기상증착법, 이온플레이팅법, 이온주입법, 이온빔믹싱법, 펄스레이저이포지션법, 및 스퍼터링법 중에서 선택된 적어도 하나의 방법에 의해 로딩될 수 있다.

상기 센싱기판은 실리콘 기판이며, 상기 센싱기판은 상기 제1절연판의 중앙에 배치될 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 가스센서를 이용한 가스 센싱방법은, 제1전극판의 상부면에 접합된 제1절연판과, 상기 제1절연판과 일정간격 이격되어 대향하며 상부면에 제2전극판이 접합된 제2절연판과, 상기 제1절연판 상에 배치되며, 센싱전극들이 패터닝되고 상기 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판을 가지는 구조의 가스센서를 준비하는 단계와; 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판에 정방향의 전기장을 인가하여 상기 센싱기판에 가스의 흡착을 유도하는 단계와; 상기 센싱기판에 흡착된 가스의 탈착을 유도하기 위하여 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판에 역방향의 전기장을 인가하는 단계와; 상기 센싱전극들의 저항변화율을 측정하여 가스를 센싱하는 단계;를 구비한다.

상기 전기장의 인가는, 상기 제1전극판 및 상기 제2전극판에 연결된 전압 발생기를 통해서 수행되며, 상기 전압 발생기는 적어도 50 내지 1400V의 전압을 발생하며 전압 인가 방향의 변경이 가능한 구조를 가질 수 있다.

상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 간의 간격은 2 내지 20mm 일 수 있다.

상기 센싱전극들의 저항변화율 측정은, 상기 센싱기판에 연결된 전류 및 전압측정기를 통해 수행될 수 있다.

상기 정방향 전기장은 상기 제2전극판에서 상기 제1전극판 방향으로 인가되는 전기장이며, 상기 역방향 전기장은 상기 제1전극판에서 상기 제2전극판 방향으로 인가되는 전기장일 수 있다.

상기 센싱기판은 상기 제1절연판의 중앙에 배치될 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 가스센서의 센싱방법은, 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판에 정방향 전기장을 인가하여 가스흡착을 유도하고, 상기 센싱기판에 역방향 전기장을 인가하여 가스 탈착을 유도하는 방식을 통해, 상기 센싱기판의 저항변화율을 측정하여 가스를 센싱하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 히터가 필요없으며 상온에서 사용이 가능하고, 전기장을 이용함에 의해 고민감성 및 고회복성을 갖는 가스 센싱이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 센싱기판의 구조를 나타낸 것이이다.
도 3은 도 1의 가스센서를 이용한 센싱방법을 나타낸 순서도이이다.
도 4는 도 1의 가스센서가 일반적인 가스 센서 반응기에 연결된 구조를 나타낸 것이이다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 가스센서 반응기를 이용한 시험결과를 나타낸 그래프들이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서(100)는, 제1전극판(110b) 및 제2전극판(110a), 제1절연판(120b) 및 제2절연판(120a), 가스흡착용 물질(140)이 로딩된 센싱기판(130)을 구비한다.

상기 제1전극판(110b)의 상부면에 상기 제1절연판(120b)이 접착되고, 상기 제2전극판(110a)은 상기 제2절연판(120a)의 상부면에 접착되는 구조를 가진다.

상기 제1전극판(110b)의 상부면에 접합된 상기 제1절연판(120b)과 상기 제2절연판(120a)은 일정간격 이격되어 서로 대향하도록 배치된다.

상기 제1전극판(110b)과 상기 제2전극판(110a)은 전기장 인가를 위해 전압발생기(150)에 연결되는 구조를 가진다. 상기 전압발생기(150)는 전압인가방향의 변경이 가능한 구조를 가지며, 0V~1500V의 전압 인가가 가능한 구조를 가진다.

여기서 상기 전압발생기(150)의 인가 가능한 전압이 50V 미만일 경우 전기장의 세기가 미약하여 상기 센싱기판(130)으로의 가스분자 흡착유도가 원활하지 못한 문제가 발생할 수 있다. 또한 인가 가능한 전압이 1400V를 초과할 경우 전기장의 세기가 과도하여 주위 장비작동에 영향을 미치는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 상기 전압발생기는 50V~1400V의 전압인가가 가능한 구조임이 바람직하다.

또한 전압발생기(150)는 가스의 반응시에는 제1전극판(110b)에서 제2전극판(110a)으로 정방향 전기장을 인가하여 가스흡착을 유도하고, 반응 후 저항의 회복시에는 제2전극판(110a)에서 제1전극판(110b)으로 역방향 전기장을 인가하여 가스탈착을 유도하게 된다.

상기 제1전극판(110b)과 상기 제2전극판(110a)의 간격은 2~20mm 일 수 있다.

상기 제1전극판(110b)과 상기 제2전극판(110a)의 간격이 2mm 미만일 경우 상기 센싱기판(130)을 위치시키기 어렵고, 상기 제1전극판(110b)과 상기 제2전극판(110a) 사이에 가스의 흐름이 원활하지 못하여 감응특성 측정이 어렵게 된다.

또한, 상기 제1전극판(110b)과 상기 제2전극판(110a)의 간격이 20mm 초과할 경우 전극판들(110a,110b)사이에 형성되는 전기장의 세기가 약하여 민감성과, 회복성 증대 효과를 기대하기 어렵기 때문에 바람직하지 않다.

상기 센싱기판(130)은 상기 제1절연판(120b)의 상부면에 배치된다. 상기 센싱기판(130)은 전기장 인가용 전극들(110a,110b)의 모서리부에서 발생하는 모서리효과의 영향을 피하기 위하여, 상기 제1절연판(120b) 상의 중앙부위에 배치될 수 있다.

상기 센싱기판(130)은 도 2에 도시된 바와 같이, 센싱기판(130) 상에 두 개의 센싱전극들(135a, 135b)이 패터닝되고, 상기 센싱전극들(135a,135b) 사이에 가스흡착용 물질(140)이 로딩된 구조를 가진다. 상기 가스흡착용 물질(140)은 상기 센싱전극들(135a,135b) 사이에만 증착될 수도 있고, 상기 센싱전극들(135a,135b)을 포함하여 상기 센싱전극들(135a,135b)이 패터닝된 상기 센싱기판(130) 상부면 전체에 걸쳐 증착되는 것도 가능하다. 물론 전류/전압 측정기(220)와 연결되기 위한 접촉 부분은 가스흡착용 물질(140)이 로딩되지 않는다.

상기 센싱기판(130)은 예를 들어, 절연막(또는 실리콘 산화막)이 형성된 실리콘 기판 상에 두 개의 센싱전극들(135a,135b)을 패터닝하고, 상기 두 개의 센싱전극들(135a,135b) 사이에 상기 가스흡착용 물질을 로딩함에 의해 제조될 수 있다. 상기 두 개의 센싱전극들(135a,135b)은 가스 흡착시와 가스 탈착시의 전기전도도(또는 저항변화율) 측정과정에서 가스센싱을 위해 사용되며, 이들 센싱전극들(135a,135b)은 전류/전압 측정기(220)와 연결되게 된다.

상술한 바와 같은 구조를 가지는 가스센서는 다음과 같이 제조된다.

우선 일정크기의 제1전극판(110b) 및 제2전극판(110a)과, 일정크기의 제1절연판(120b)과 제2절연판(120a)을 제조한다.

상기 제1전극판(110b) 및 상기 제2전극판(110a)은 구리, 동, 은, 백금, 텅스텐, 크롬, 및 이들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 가질 수 있다. 이외에도 다양한 금속재질을 가질 수 있다.

상기 제1절연판(120b) 및 상기 제2절연판(120a)은 절연효과가 좋은 것이라면 어느 것을 사용하여도 무방하나, 베이크라이트, 폴리에스텔, 에폭시수지, 멜라민수지, 페놀수지, 폴리우레탄 합성수지, 운모, 석면, 유리섬유, 석면, 자기 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 가질 수 있다.

다음으로 상기 제1절연판(120b)의 하부면에 상기 제1전극판(110b)을 접착하고, 상기 제2절연판(120a)의 상부면에 상기 제2전극판(110a)을 접착한다. 그리고, 상기 제1전극판(110b)이 접착된 상기 제1절연판(120b)과 상기 제2전극판(110a)이 접착된 상기 제2절연판(120a)이 일정간격을 두고 서로 대향하도록 배치한다. 즉 상기 제1절연판(120b)의 상부면과 상기 제2절연판(120a)의 하부면이 일정간격을 두고 서로 대향하도록 배치한다. 여기서 상기 제1전극판(110b)과 상기 제2전극판(110a)의 간격이 2~20mm 가 되도록 상기 제1절연판(120b)과 상기 제2절연판(120a)이 배치될 수 있다.

상기 제1전극판(110b) 및 상기 제2전극판(110a)은 상기 전압발생기(150)에 연결되어 있다. 연결공정은 절연판들(120a,120b)과의 접합공정이후에 수행될 수도 있고, 상기 제1전극판(110b)이 접착된 상기 제1절연판(120b)과 상기 제2전극판(110a)이 접착된 상기 제2절연판(120a)이 일정간격을 두고 서로 대향하도록 배치한 이후에 수행될 수도 있다.

이후 상기 제1절연판(120b)의 상부면에, 가스흡착용 물질(140)이 로딩된 센싱기판(130)을 배치함에 의해 상술한 구조를 가지는 가스센서의 제조가 완성되게 된다. 상기 센싱기판(130)은 상기 제1절연판(120b)의 중앙부위에 배치될 수 있다.

상기 센싱기판(130)은 센싱전극들(135a,135b)이 패터닝되고, 상기 센싱전극들(135a,135b) 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 구조를 가진다. 상기 센싱기판(130)은 예를 들어, 절연막(또는 실리콘 산화막)이 형성된 실리콘 기판 상에 두 개의 센싱전극들(135a,135b)을 패터닝하고, 상기 두 개의 센싱전극들(135a,135b) 사이에 상기 가스흡착용 물질을 로딩함에 의해 제조될 수 있다. 상기 두 개의 센싱전극들(135a,135b)은 가스 흡착시와 가스 탈착시의 전기전도도(또는 저항변화율) 측정을 통한 가스센싱을 위해 사용되며, 이들 센싱전극들(135a,135b)은 전류 및 전압측정기(220)와 연결되게 된다.

상기 가스흡착용 물질(140)은 금속산화물 반도체, 고체전해질물질, 유기물질, 유기물복합체, 카본블랙, 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 가질 수 있다. 이외에도 기판위에 로딩하여 사용할 수 있는 가스흡착용 재료라면 어느 것이라도 무방하다.

상기 가스흡착용 물질(140)의 로딩은 진공증착법, 스핀코팅법, 스프레이분사법, 층간증착법, 화학기상증착법, 이온플레이팅법, 이온주입법, 이온빔믹싱법, 펄스레이져디포지션법, 및 스퍼터링법 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 방법이 이용될 수 있다.

도 3은 도 1의 구조를 가지는 가스센서를 이용한 센싱방법을 나타낸 센싱순서도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 우선 상술한 바와 같은 구조를 가지는 가스센서를 준비한다(S110).

다음으로 상기 가스센서(100)를 가스에 노출시킨 상태에서 상기 제1전극판(110b) 및 상기 제2전극판(110a)에 정방향의 전기장을 인가하여 상기 센싱기판(130)에 가스의 흡착을 유도하게 된다(S112). 여기서 상기 전기장의 인가는, 상기 제1전극판(110b) 및 상기 제2전극판(110a)에 연결된 전압 발생기(150)를 통해서 수행되며, 적어도 50 내지 1400V의 전압 중에서 선택된 일정전압을 인가함에 의해 전기장을 발생시킨다.

상기 정방향의 전기장은 상기 제2전극판(110a)에서 상기 제1전극판(110b) 방향으로 인가되는 전기장을 의미할 수 있다. 즉 상기 정방향의 전기장은 상기 제2전극판(110a)을 양극(+)으로 하고 상기 제1전극판(110b)를 음극(-)으로 하여 일정전압을 인가함에 의해 발생되는 것이다.

상기 정방향의 전기장을 인가하게 되면, 가스분자가 상기 센싱기판(130)에 로딩된 가스흡착용 물질(140)에 흡착되게 된다. 전기장을 인가하게 되면 강한 전기장에 의하여 가스가 이온성을 갖게 되고, 전기적 특성을 갖게 되므로 전기장 방향에 따라 가스 흡착이 유도되어 전기장을 인가하지 않는 경우에 비해 가스흡착율을 높일 수 있게 된다.

이후 센싱기판(130)의 전기전도도(또는 저항변화율)를 측정하고(S114), 저항변화율이 한계치에 도달하는 경우에 상기 제1전극판(110b) 및 상기 제2전극판(110a)에 역방향의 전기장을 인가하여 상기 센싱기판(130)에 흡착된 가스의 탈착을 유도하게 된다(S116). 역방향의 전기장을 인가하게 되면, 정방향 전기장 인가시와 반대로 가스 탈착이 유도되게 된다.

마지막으로 상기 센싱기판(130)의 센싱전극들(135a,135b)의 전기전도도(저항변화율)를 측정하여 가스를 센싱하게 된다(S118). 즉 가스흡착된 경우의 전기전도도와 가스 탈착된 경우의 전기전도도 차이를 이용하여 가스를 센싱하게 된다.

도 4는 도 1의 구조를 가지는 가스센서의 가스 감응특성을 평가하기 위한 가스센서 반응기를 나타낸 것이고, 도 4 내지 도 8은 도 2를 통해 평가된 시험결과를 나타낸 그래프들이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가스센서 반응기는 일반적으로 사용되는 것으로서, 컴퓨터(210), 전류/전압 측정기(220), 반응챔버(280), 전압발생기(150), 진공펌프(270), 기체유량조절기(230), 타겟가스탱크(250), 및 질소가스탱크(260)를 포함하여 이루어진다. 상기 가스 센서 반응기는 일반적으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 잘 알려져 있으므로 더 이상의 설명을 생략한다. 이하 각 시험예들을 설명한다.

시험예 1

시험예 1은 전기장 인가에 따른 다중벽탄소나노튜브 가스센서의 산화성 가스에 대한 성능시험에 관한 것으로, 다중벽탄소나노튜브를 가스흡착용 물질로 하여 화학기상증착법으로 상기 센싱기판(130) 상에 로딩시키고, 가스 감응 특성을 평가하기에 앞서 80℃에서 0.5시간 동안 수분을 증발시키기 위한 전처리를 하였다.

25℃의 온도(상온)에서 전기장 인가용 전극판들(110a,110b)간 거리는 5mm, 타겟가스 분자의 흡착을 유도하기 위하여 인가전압은 0 내지 1500V를 인가해주었다. 타겟가스로는 NO 가스를 50ppm의 농도로 주입하여 측정하였고, 타겟가스와 반응후 저항값이 안정화 되면 역방향의 전기장을 0V 내지 1500V 인가하였다. 측정된 결과값은 도 5에 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, NO 가스의 감응특성에 따른 가스센서의 민감성을 나타내는 저항 변화율은 0V, 50V, 500V, 800V, 1000V, 1500V 전압 인가시 각각 0.7%, 0.8%, 1%, 1.4%, 1.7%, 0.72%로 최저대비 최고 약 2.4배 증가하였으며, 1500V 전압 인가시에는 전기장을 형성하지 않았을 경우와 크게 다르지 않았다.

가스센서의 저항변화율이 한계치에 도달하였을 때에 타겟가스 분자의 탈착을 유도하기 위하여 역방향의 전기장 인가하였으며, 이때 가스센서의 회복성을 나타내는 회복시간은 0V, 50V, 500V, 800V, 1000V, 1500V 인가시 각각 2640분, 18분, 29분, 37분, 35분, 2600분으로 민감도가 최저대비 가장 좋았을 경우에 약 98% 감소하였다.

이와 같은 결과로부터 본 발명에 의한 전기장을 이용한 가스센서는 고민감성, 고회복성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 2

시험예 2는 전기장 인가에 따른 다중벽탄소나노튜브 가스센서의 환원성 가스에 대한 성능시험을 위한 것으로, 다중벽탄소나노튜브를 가스흡착용 물질로 하여 화학기상증착법으로 상기 센싱기판(130) 상에 로딩시키고, 가스 감응 특성을 평가하기에 앞서 80℃에서 0.5시간 동안 수분을 증발시키기 위한 전처리를 하였다.

25℃의 온도(상온)에서 전기장 인가용 전극판들(110a,110b) 간 거리는 5mm, 타겟가스 분자의 흡착을 유도하기 위하여 인가전압은 0 내지 1500V를 인가해주었다. 타겟가스로는 CO 가스를 50ppm의 농도로 주입하여 측정하였고, 타겟가스와 반응후 저항값이 안정화 되면 역방향의 전기장을 0V 내지 1500V 인가하였다. 측정된 결과값은 도 6에 도시하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, CO 가스의 감응특성에 따른 가스센서의 민감성을 나타내는 저항 변화율은 0V, 50V, 500V, 800V, 1000V, 1500V 전압인가시 각각 0.6%, 0.7%, 0.8%, 1.2%, 1.5%, 0.59%로 최저대비 최고 약 2.4배 증가하였으나 1500V 전압 인가시에는 전기장을 형성하지 않았을 경우와 크게 다르지 않았다.

가스센서의 저항변화율이 한계치에 도달하였을 때에 타겟가스 분자의 탈착을 유도하기 위하여 역방향의 전기장 인가시 가스센서의 회복성을 나타내는 회복시간은 0V, 50V, 500V, 800V, 1000V, 1500V 전압인가시 각각 2640분, 18분, 29분, 37분, 35분, 2600분으로 민감도가 최저대비 가장 좋았을 경우에 약 98% 감소하였다.

여기서 그래프의 X축은 측정시간을 나타내고, Y축은 저항 변화율을 나타낸다.

이와 같은 결과로부터 본 발명에 의한 전기장 인가를 이용한 가스센서는 고민감성, 고회복성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 3

시험예 3은 전기장 인가용 전극간 거리에 따른 다중벽탄소나노튜브 가스센서의 산화성 가스에 대한 성능시험에 관한 것으로, 다중벽탄소나노튜브를 가스흡착용 물질로 하여 화학기상증착법으로 상기 센싱기판(130) 상에 로딩시키고, 가스 감응 특성을 평가하기에 앞서 80℃에서 0.5시간 동안 수분을 증발시키기 위한 전처리를 하였다.

25℃의 온도(상온)에서 전기장 인가용 전극간 거리는 각각 2mm, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm로 고정하고 타겟가스 분자의 흡착을 유도하기 위하여 인가전압은 1000V를 인가해주었다. 타겟가스로는 NO 가스를 50ppm의 농도로 주입하여 측정하였고, 타겟가스와 반응후 저항값이 안정화 되면 역방향의 전기장을 인가하였다. 측정된 결과값은 도 7에 나타내었다.

도 7에 도시된 바와 같이, NO 가스의 감응특성에 따른 가스센서의 민감성을 나타내는 저항 변화율은 전극간격이 2mm, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm일 때, 각각 1.2%, 1.7%, 1.7%, 1.6%, 0.9%로 민감도가 최저대비 최고 29% 증가하였으나, 30mm일 경우에는 전기장 인가에 의한 민감도 증가효과를 확인할 수 없었다.

가스센서의 저항변화율이 한계치에 도달하였을 때에 타겟가스분자의 탈착을 유도하기 위하여 역방향의 전기장 인가시 가스센서의 회복성을 나타내는 회복시간은 전극간격이 2mm, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm일 때, 각각 18분, 37분, 37분, 35분, 255분으로 회복성이 최저대비 최고 50% 증가하였으나, 30mm일 경우에는 73% 감소하였다.

이와 같은 결과로부터 본 발명에 의한 전기장 인가를 이용한 가스센서는 고민감성, 고회복성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 4

시험예 4는 전기장 인가에 따른 ZnO 가스센서의 성능시험에 관한 것으로, 100 중량부의 디메틸포름아마이드에 2중량부의 ZnO분말을 분산시켜 스핀코팅법을 이용하여 센싱전극들 사이에 로딩시키고, 가스 감응 특성을 평가하기에 앞서 80℃에서 0.5시간 동안 수분을 증발시키기 위한 전처리를 하였다.

ZnO 분말이 로딩된 센싱기판(130)을 전극판들(110a,110b)사이에 위치시키고, 400℃에서 전기장 인가용 전극판들(110a,110b)간 거리는 5mm, 타겟가스 분자의 흡착을 유도하기 위하여 인가전압은 각각 0V, 1000V를 가해주었다.

타겟가스로는 NO 가스를 50ppm의 농도로 주입하여 측정하였고, 측정된 결과값을 도 8에 나타내었다. 그래프의 X축은 측정시간을 나타내고, Y축은 저항 변화율을 나타낸다.

도 8에 도시된 바와 같이, NO 가스의 감응특성에 따른 가스센서의 민감성을 나타내는 저항 변화율은 0V, 1000V 인가시 각각 약 9%, 17%로 1000V 인가시 약 2배 증가하였다. 가스센서의 저항변화율이 한계치에 도달하였을 때에 타겟가스분자의 탈착을 유도하기 위하여 역방향의 전기장 인가시 가스센서의 회복성을 나타내는 회복시간은 각각 약 14분, 7분으로 1000V 인가시 약 50% 감소하였다.

본 발명에 의한 가스센서는 0V 인가시, 50ppm의 NO가스에 대하여 저항변화율이 한계치에 도달하는 데에는 약 9 내지 10분이 소요되며, 회복성은 14분이 소요된다. 1000V 인가시에는, 50ppm의 NO가스에 대하여 저항변화율이 한계치에 도달하는 데에는 약 13 내지 14분이 소요되며, 회복성은 약 7분이 소요된다.

이와 같은 결과로부터 본 발명에 의한 전기장 인가를 이용한 가스센서는 고민감성, 고회복성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 5

시험예 5는 다공성 탄소나노섬유 가스센서의 성능시험에 관한 것으로, 다공성 탄소나노섬유를 그라인딩하고, 100 중량부의 아세톤에 2중량부의 다공성 탄소나노섬유를 분산시켜 스프레이분사법을 이용하여 다공성 탄소나노섬유를 가스흡착용 물질로 하여 센싱전극들 사이에 로딩시키고, 가스 감응 특성을 평가하기에 앞서 80℃에서 0.5시간 동안 수분을 증발시키기 위한 전처리를 하였다.

다공성 탄소나노섬유를 로딩한 센싱기판(130)을 상기 전극판들(110a,110b)사이에 위치시키고, 상온에서 전기장 인가용 전극판들(110a,110b)간 거리는 5mm, 타겟가스 분자의 흡착을 유도하기 위하여 인가전압은 각각 0V, 1000V를 가해주었다.

타겟가스로는 NO 가스를 50ppm의 농도로 주입하여 측정하였고, 측정된 결과값을 도 9에 나타내었다. 그래프의 X축은 측정시간을 나타내고, Y축은 저항 변화율을 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, NO 가스의 감응특성에 따른 가스센서의 민감성을 나타내는 저항 변화율은 0V, 1000V 인가시 각각 약 -1.4%, -8% 로 1000V 인가시 약 6배 증가하였다. 가스센서의 저항변화율이 한계치에 도달하였을 때에 타겟가스분자의 탈착을 유도하기 위하여 역방향의 전기장 인가시 가스센서의 회복성을 나타내는 회복시간은 각각 약 24시간, 8분으로 1000V 인가시 약98.8% 감소하였다.

본 발명에 의한 가스센서는 0V 인가시, 50ppm의 NO가스에 대하여 저항변화율이 한계치에 도달하는 데에는 약 7 내지 8분이 소요되며, 회복성은 약 24시간이 소요된다. 1000V 인가시, 50ppm의 NO가스에 대하여 저항변화율이 한계치에 도달하는 데에는 약 7 내지 9분이 소요되며, 회복성은 약 8분이 소요된다.

이와 같은 결과로부터 본 발명에 의한 전기장 인가를 이용한 가스센서는 고민감성, 고회복성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전기장을 이용한 가스센서를 제조함에 의하여 상온에서 사용이 가능하며 고민감성 및 고회복성을 가지는 가스센싱이 가능함을 알 수 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

110a,110b : 전기장 인가용 전극판 120a,120b : 절연판
130 : 센싱기판 140 : 가스흡착용 물질
150 : 전압발생기

Claims (20)

1. 삭제
2. 가스센서에 있어서,
   상기 가스센서는,
   전기장 인가용 제1전극판과;
   상기 제1전극판의 상부면에 접합된 제1절연판과;
   상기 제1절연판의 상부면에 배치되며, 센싱전극들이 패터닝되고 상기 센싱전극들 사이에 가스흡착용 물질이 로딩된 센싱기판과;
   상기 제1절연판과는 일정간격 이격되어, 상기 제1절연판과 대향하도록 배치되는 제2절연판과;
   상기 제2절연판의 상부면에 접합되는 전기장 인가용 제2전극판을 구비하며,
   상기 센싱기판은 상기 제1절연판의 상부면 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스센서.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1전극판 및 상기 제2전극판 간의 간격은 2 내지 20mm 임을 특징으로 하는 가스센서.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 가스센서는,
   상기 제1전극판 및 상기 제2전극판에 전기장을 인가하기 위한 전압 발생기와;
   상기 센싱전극들의 저항변화율(전기전도도)을 측정하기 위한 전류 및 전압 측정기를 더 구비함을 특징으로 하는 가스센서.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
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18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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