KR101304340B1 - 수소농도 측정장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일면에 수소흡착층이 형성된 제1기판과, 상기 제1기판과 이격되고, 상기 제1기판과 마주보는 면에 도전층이 형성된 제2기판과, 상기 수소흡착층에 전압을 인가하며, 상기 수소흡착층에 전압이 인가되고 소정기간 경과 후에 상기 수소흡착층과 도전층에 전압을 인가하여 상기 수소흡착층과 도전층을 대전시키는 제어부, 및 상기 수소흡착층과 연결되어 수소농도를 측정하는 측정부를 포함하는 수소농도 측정장치 및 그 제조방법을 개시한다.
Description
본 발명은 수소농도 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 수소흡착층에 흡착된 수소를 용이하게 탈착할 수 있는 수소농도 측정장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경오염을 방지하기 위하여 수소 에너지의 개발이 가속화되고 있으며, 이러한 노력의 결실로 수소 에너지를 이용한 다양한 기술들이 실용화 단계에 이르고 있다.
그러나 수소는 미세한 농도로 대기 중에 노출되어도 쉽게 폭발하는 특성이 있기 때문에 수소 농도의 측정 및 누출을 감지할 수 있는 수소센서에 대한 관심이 높아지고 있다.
일반적으로 사용되고 있는 수소센서는 수소 농도에 따른 소자의 전기적 특성 변화를 측정하는 방식으로 촉매연소 또는 열선방식의 센서를 이용하고 있다.
그러나 이러한 센서는 센서 자체가 발화나 폭발의 원인이 되고 소비전력이 큰 문제가 있어 최근에는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 이용한 수소센서에 대한 연구가 활발하다. (한국 공개특허 제2010-0081098호 등)
그러나 일반적으로 수소센서로 개발되고 있는 단일벽 탄소나노튜브 수소센서는 수소와 잘 반응하지 않는 문제가 있으며, 제조과정에서 금속적인 특성과 반도체적인 특성이 서로 섞여있어 이를 분리하기 위하여 매우 복잡한 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.
또한, 이러한 수소센서를 구비하는 수소농도 측정장치는 수소가 탄소나노튜브에 흡착되어 수소농도를 측정한 후에, 수소를 제거하기 위하여 약 400℃로 가열하여 수소를 제거하고 있으나, 수소를 탈착하기 위하여 가열하는 방법은 수소 탈착 시간이 오래 걸리고, 수소가스의 흡/탈착 반응속도가 늦어 수소센서의 분해능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 수소흡착층에 흡착된 수소를 빠르게 제거할 수 있는 수소농도 측정장치를 제공한다.
또한, 대면적의 제조가 용이하고 제조공정이 간단하면서도 고효율, 고정밀의 수소 누출 감지가 가능한 수소농도 측정장치를 개시한다.
본 발명의 일 특징에 따른 수소농도 측정장치는, 일면에 수소흡착층이 형성된 제1기판; 상기 제1기판과 이격되고, 상기 제1기판과 마주보는 면에 도전층이 형성된 제2기판; 상기 수소흡착층에 전압을 인가하며, 상기 수소흡착층에 전압이 인가되고 소정기간 경과 후에 상기 수소흡착층과 도전층에 전압을 인가하여 상기 수소흡착층과 도전층을 대전시키는 제어부; 및 상기 수소흡착층과 연결된 저항 측정기;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 수소농도 측정장치는, 수소흡착층이 탄소나노튜브 시트로 구성되고, 상기 탄소나노튜브 시트의 표면에는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상의 금속입자가 코팅된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 수소농도 측정장치는, 상기 성장판에 수직 성장된 탄소나노튜브 번들의 일측면에 접착부재를 부착한 후, 상기 접착부재를 횡방향으로 잡아당겨 탄소나노튜브 시트를 제조한다.
본 발명의 일 특징에 따른 수소농도 측정장치 제조방법은, 탄소나노튜브 시트를 제조하여 제1기판에 부착하는 단계; 및 제2기판에 도전층을 형성하고, 상기 도전층이 상기 탄소나노튜브 시트와 마주보도록 제2기판을 이격 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 탄소나노튜브 시트는 성장판에 성장시킨 탄소나노튜브 번들의 일측면에 접착부재를 부착한 후, 상기 접착부재를 횡방향으로 잡아당겨 형성한다.
본 발명의 일 특징에 따른 수소농도 측정방법은, 수소농도 측정장치를 준비하는 준비단계; 상기 수소흡착층의 양단에 전압을 인가하여 상기 수소흡착층의 저항변화를 검출하는 수소농도 측정단계; 및 상기 저항변화 측정이 완료된 후에 상기 수소흡착층과 도전층에 전압을 인가하여 상기 수소흡착층에 흡착된 수소를 제거하는 리셋단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 수소흡착층에 흡착된 수소를 쉽게 제거할 수 있다.
또한, 기존의 탄소나노튜브를 이용한 수소센서보다 대면적으로 제조가 가능하며, 제조공정이 간단해지는 장점이 있다. 따라서 고효율, 고정밀 수소 누출의 감지가 가능하며, 내구성 및 유연성이 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소농도 측정장치의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소흡착층에 수소가 흡착되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 흡착층에 흡착된 수소가 제거되는 상태를 보여주는 개념도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소농도 측정장치의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 흡착층에 흡착된 수소가 제거되는 상태를 보여주는 개념도이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소흡착층을 제조하는 과정을 보여주는 개략도이고,
도 7은 도 6에 따라 제조된 수소흡착층을 보여주는 SEM 사진이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 수소흡착층에 에칭 처리를 하는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 시트의 표면에 그라핀 형상이 형성된 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소흡착층에 수소가 흡착되는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 흡착층에 흡착된 수소가 제거되는 상태를 보여주는 개념도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소농도 측정장치의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 흡착층에 흡착된 수소가 제거되는 상태를 보여주는 개념도이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소흡착층을 제조하는 과정을 보여주는 개략도이고,
도 7은 도 6에 따라 제조된 수소흡착층을 보여주는 SEM 사진이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 수소흡착층에 에칭 처리를 하는 과정을 보여주는 개념도이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 시트의 표면에 그라핀 형상이 형성된 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소농도 측정장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소흡착층에 수소가 흡착되는 과정을 보여주는 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 흡착층에 흡착된 수소가 제거되는 상태를 보여주는 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 수소농도 측정장치는, 일면에 수소흡착층(11)이 형성된 제1기판(10)과, 상기 제1기판(10)과 이격되고 상기 제1기판(10)과 마주보는 면에 도전층(21)이 형성된 제2기판(20)과, 상기 수소흡착층(11)에 전압을 인가하며, 상기 수소흡착층(11)에 전압이 인가되고 소정기간 경과 후에 상기 수소흡착층(11)과 도전층(21)에 전압을 인가하여 상기 수소흡착층(11)과 도전층(21)을 대전시키는 제어부(40), 및 상기 수소흡착층(11)와 연결된 저항 검출기(14)를 포함한다.
제1기판(10)은 소정의 두께를 갖고 종류에 관계없이 선택될 수 있으며, 구체적인 예로는 웨이퍼, 사파이어 기판, 유리기판 등이 다양하게 선택될 수 있다. 이때, 실리콘 기판이 선택되는 경우에는 유연성이 뛰어난 수소농도 측정장치를 제작할 수 있는 장점이 있다.
상기 제1기판(10) 상에 형성되는 수소흡착층(11)은 수소가 흡착될 수 있는 재료이면 종류에 관계없다. 예를 들면, 탄소나노튜브, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 구성될 수 있다. 또는 이하에서 설명하는 탄소나노튜브 시트로 구성될 수도 있다. 이하에서는 수소흡착층이 탄소나노튜브 시트로 구성된 일 예로 설명한다.
본 발명에 따르면 탄소나노튜브 시트(12)는, 제1기판(10)상에 부착되고 그 위에 필름층(13)이 더 형성된다. 필름층(13)은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상의 금속으로 이루어져 탄소나노튜브 시트(12)에 수소가 잘 흡착되도록 촉매 역할을 수행한다. 탄소나노튜브 시트 자체로 어느 정도의 수소 흡착력이 있으나 팔라듐(Pd)의 경우 수소를 선택적으로 흡착하여 해리시키는데 우수한 성질이 있다.
그러나 수소흡착층(11)의 구성은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 탄소나노튜브 시트(12)의 표면에 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상의 금속으로 이루어진 금속입자가 코팅될 수도 있다.
이러한 수소흡착층(11)은 탄소나노튜브 시트(12)로 구성되는 경우 대면적이 가능하며 플렉서블한 장점이 있다. 또한, 탄소나노튜브 시트(12)는 나노 구조체로서, 내부에 수소가 흡착될 수 있는 표면적이 넓어 다량의 수소 흡착이 용이하므로 수소의 농도가 높은 곳에서도 정확한 수소농도를 측정할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 시트는 기존의 탄소나노튜브를 무질서하게 분산시킨 탄소나노튜브 필름에 비해 전기 전도도가 좋아 수소 흡착에 따른 저항/전류의 변화를 측정하기 용이하다. 이때, 탄소나노튜브 시트의 양단에 전압을 인가할 수 있는 전극을 더 형성하여도 좋다.
제2기판(20)은 제1기판(10)과 동일한 재질과 동일한 두께가 선택될 수 있으며, 제1기판(10)과 소정 거리(d1)를 갖고 이격 배치된다. 제2기판(20)은 제1기판(10)과 마주보는 면에 도전층(21)이 형성된다. 이러한 도전층(21)은 일반적으로 전도성을 갖는 금속이 선택될 수 있으며 특별한 제한은 없다.
제1기판(10)과 제2기판(20)의 이격거리(d1)는 후술하는 바와 같이 수소흡착층과 도전층을 대전시켜 흡착된 수소를 제거하는데 매우 중요한 요소이다.
이격 거리(d1)가 너무 길거나 짧은 경우 수소흡착층(11)에 흡착된 수소가 원활하게 제거되지 않는 문제가 있다. 다시 말하면, 수소흡착층에 흡착된 수소가 인가된 전압에 따라 전기장의 세기가 결정되는데(V=Ed), 양판의 이격거리(d1)가 너무 길면 그만큼 고전압이 인가되어야 하므로 효율적이 못한 문제가 있으며, 이격 거리(d1)가 너무 짧은 경우에는 기판 사이가 쇼트 될 수 있는 문제가 있다. 바람직하게는, 제1기판과 제2기판의 이격거리는 100 μm 내지 200 μm 가 바람직하다.
그러나 이러한 이격거리(d1)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 수소흡착층 면적의 크기 또는 인가되는 전압의 세기 등 다양한 조건에 따라 가변적일 수 있다.
제어부(40)는 상기 수소흡착층(11)의 양단에 전압을 인가하도록 전원(30)을 제어한다. 수소흡착층(11)의 탄소나노튜브 시트 또는 팔라듐(Pd)에 수소가 흡착되면 수소가 흡착되는 정도에 따라 전기 저항값이 변화하게 되고 이러한 전기 저항값의 변화를 저항 검출기(14)에서 측정한다. 이때, 제어부(40)는 검출기(14)로부터 전기 저항값 정보를 수신하고 이를 이용하여 수소 농도를 산출하고, 제어부(40)에 의해 산출된 수소 농도는 디스플레이부(50)에서 출력되어 관측자가 측정 지역의 수소 농도를 확인할 수 있다.
본 발명에서는 일 예로 저항 검출기를 예시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 수소가 흡착됨에 따라 변화하는 값을 측정하여 수소 농도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 전류 검출기, 전압 검출기 등이 선택될 수 있다.
또한, 제어부(40)는 수소농도 측정장치에 의한 수소 농도의 측정이 완료되면, 수소흡착층(11)과 도전층(21)에 전압을 인가하도록 제어한다. 이때, 수소농도의 측정이 완료되어 수소흡착층(11)과 도전층(21)에 전압을 인가하는 시점은 미리 설정된 타이머에 의해 정해질 수 있다.
서로 이격된 수소흡착층(11)과 도전층(21)에 전압이 인가되면, 수소흡착층(11)의 표면은 양(+)으로 대전되고 도전층(21)의 표면은 음(-)으로 대전된다. 따라서, 양이온인 수소원자는 수소흡착층(11)의 표면과는 서로 척력이 발생하는 동시에 도전층(21)의 표면에 대전된 음(-)전하에 이끌려 도전층(21)으로 이동하게 되므로 수소흡착층에 흡착되었던 수소는 쉽게 제거된다.
본 발명에 따르면, 이러한 리셋과정을 통해 다시 수소농도를 측정할 수 있고, 별도의 열을 가하지 않고도 신속하게 수소흡착층에서 수소를 제거할 수 있어 효율이 높은 장점이 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따라 수소흡착층(11)과 도전층(21)에 전압을 인가하는 회로의 구성은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 도 4와 같이 스위칭 소자(31)를 이용하여 스위치(31)가 제1단자(31a)에 스위치 온(On) 된 경우 제1전원(32)에서 수소흡착층(11)에 전압을 인가하고, 수소 농도의 측정이 완료되면 도 5와 같이 스위치(31)가 제2단자(31b)에 스위치 온(On) 되어 제2전원(30)에 의해 수소흡착층(11)과 도전층(21)의 양단에 전압을 인가하도록 구성될 수도 있는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 수소농도 측정장치 제조방법은, 탄소나노튜브 시트를 제조하여 제1기판에 부착하는 단계, 및 제2기판에 도전층을 형성하고, 상기 도전층이 상기 탄소나노튜브 시트와 마주보도록 제2기판을 이격 배치하는 단계로 구분된다.
제1기판상에 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계는 도 6을 참조할 때, 탄소나노튜브 번들을 제조하는 단계와 탄소나노튜브 번들에서 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계로 구분된다.
먼저, 탄소나노튜브 번들을 제조하는 단계는, 일반적으로 기판에 수직하게 성장시키는 다양한 방법이 모두 적용될 수 있다. 그 중에서 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)은 반복 재현성이 높으며 촉매의 크기를 제어하여 직경을 쉽게 제어할 수 있고 대면적 기판의 합성이 가능한 장점이 있으므로 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 탄소나노튜브를 제조하는 것이 유리하다.
먼저 성장판(100) 위에 촉매금속으로서 Fe, Ni, Co, 또는 이들이 혼합된 합금을 증착한 후, 성장판(100)을 CVD 장치의 반응로(미도시)에 집어넣고, 750 ~ 1050 ℃의 온도에서 NH₃또는 H2 가스를 사용하여 나노 크기의 미세한 촉매금속 패턴을 형성한다.
이후, NH3, H2, He, Ar, N2 등 가스와 CH4, C2H2 와 같은 탄화수소 가스를 혼합하여 750 ~1050 ℃의 온도에서 탄소나노튜브를 합성시키면 촉매금속의 형태를 따라서 다수개의 탄소나노튜브(201)가 성장하게 된다.
이때, 탄소나노튜브(201)는 성장판(100)의 촉매를 따라 수직한 방향으로 성장된다. 이렇게 제조된 탄소나노튜브(201)는 직경이 약 5~100nm이고, 튜브의 가운데가 비어있고 그래파이트 면이 수개에서 수십 개 정도로 구성된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 그러나 실시 태양에 따라 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브로 제조할 수도 있다.
이때, 성장판(100)상에 수직하게 형성된 탄소나노튜브(201)는 반데르발스의 힘(Vanderwaals force)에 의해서 덩어리(bundle) 형태로 뭉쳐지게 된다. 이와 같이 탄소나노튜브(201)가 덩어리 형태로 뭉쳐진 것을 "탄소나노튜브 번들"로 정의한다.
이후, 탄소나노튜브 시트(12)를 형성하는 단계는, 상기 성장판(100)위에 형성된 탄소나노튜브 번들(200)의 일측면에 접착 부재(400)를 부착한 후, 이를 잡아당겨 탄소나노튜브 시트(12)를 형성한다.
상기 접착 부재(400)는 막대 등의 평평한 면(400a)에 접착제 또는 접착테이프를 코팅하여 제조한다. 이때 접착제 또는 접착 테이프는 상기 접착 부재(400)에 부착된 탄소나노튜브(201)를 성장판(100)에서 떼어낼 정도의 점도를 가지면 종류에 관계없이 사용 가능하다.
상기 접착 부재(400)의 길이는 상기 탄소나노튜브 번들(200)의 측면의 길이와 동일하거나 더 길게 형성되어 횡방향으로 접착 부재(400)를 잡아당길 때 가능한 많은 양의 상기 탄소나노튜브(201)가 성장판(100)에서 떨어질 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 횡방향으로 다수의 탄소나노튜브(201)가 성장판(100)에서 이탈하게 될 때, 각각의 탄소나노튜브(201) 사이에는 반데르 발스의 힘이 작용하고 있으므로, 도 6의 확대도와 같이 이웃한 탄소나노튜브(201)가 반데르발스의 힘에 끌려 연속적으로 성장판(100)에서 떨어지게 된다. 이때 탄소나노튜브(201)가 뭉쳐진 덩어리 단위로 성장판(100)에서 떨어질 수도 있다.
즉, 탄소나노튜브(201)는 순차적으로 성장판(100)에서 분리되고, 떨어진 탄소나노튜브(201)는 반데르발스 힘에 의하여 서로 연결되어 탄소나노튜브 시트(12)를 형성하게 된다. 이를 도 7을 참고하여 살펴보면, 탄소나노튜브(201) 층에서 탄소나노튜브 시트(12)가 마치 실과 같이 연속적으로 형성되는 것을 볼 수 있다.
이러한 구조의 탄소나노튜브 시트(12)는 기존의 코팅방식의 탄소나노튜브가 기판에 무질서하게 배열되어 있는 것과 달리, 각각의 탄소나노튜브가 연속적으로 방향성을 갖고 형성되어 전기 전도도가 높아지는 효과가 있다.
다시 도 6을 참고할 때, 접착 부재(400)를 수평면을 기준으로 너무 높은 각도로 잡아당기거나 너무 빠르게 잡아당기면 탄소나노튜브(201) 간의 인력이 끊어지는 문제가 있으므로, 접착 부재(400)는 1~60°의 각도(θ)와 0.1m/s이하의 속도로 잡아당기는 것이 바람직하다.
이때, 상기 탄소나노튜브(201)의 길이가 0.2mm이하인 경우에는 탄소나노튜브(201) 간의 반데르발스 힘이 약해 쉽게 끊어지므로 탄소나노튜브(201)는 적어도 0.2mm이상의 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 접착부재(400)를 잡아당겨 탄소나노튜브 시트(12)를 형성하는 동시에 금속입자를 분사하여 탄소나노튜브 시트(12)에 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo)과 같은 금속 입자를 코팅할 수 있다. 구체적으로는 분사노즐(500)을 통해 분사된 금속입자를 탄소나노튜브 시트의 외면에 코팅할 수 있다. 이 경우 별도의 코팅 공정을 수행할 필요가 없고 탄소나노튜브 시트를 제조하고 그 위에 바로 금속입자까지 코팅할 수 있어 제조 공정이 간단해지는 장점이 있다. 그러나 금속입자 코팅 방법은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 탄소나노튜브 시트(12)를 금속입자가 용융된 용액에 침지하여 코팅할 수도 있다.
이후, 탄소나노튜브 시트(12)를 제1기판(10)에 고정한다. 상기 제1기판(10)은 전술한 바와 같으며, 필요에 따라 탄소나노튜브 시트(12)의 부착력을 높이기 위해 알코올 처리를 할 수 있다.
예를 들면, 탄소나노튜브 시트(12)에 알코올을 분사하는 방법 또는 알코올에 넣었다가 실온에서 건조하는 방법 등에 의하여 제1기판(10) 에 탄소나노튜브 시트(12)를 견고하게 접착할 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트(12)는 탄소나노튜브 번들로부터 원하는 길이로 형성할 수 있으므로 필요에 따라 대면적 수소센서를 제조할 수 있고, 센서의 면적이 크기 때문에 고효율, 고정밀의 수소 누출 감지가 가능해지는 장점이 있다.
이후, 탄소나노튜브 시트(12)를 에칭하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 단계는 탄소나노튜브 시트(12)의 표면을 에칭함으로써 탄소나노튜브 시트(12)의 표면적을 넓히는 단계이다.
도 8을 참조할 때, 먼저 상기 탄소나노튜브 시트(12) 상에 폴리머(700)를 전체적으로 도포한다. 만약 폴리머(700)가 탄소나노튜브 시트(12) 상면에 형성되지 않은 경우, 에칭단계에서 탄소나노튜브 시트(12)가 기판(600)에서 분리되어 에칭이 제대로 수행되지 않는 문제가 있다. 여기서 기판(600)은 상기 언급한 제1기판(10)과 동일한 기판일 수도 있고 다른 기판일 수도 있다.
폴리머(700)는 상기 탄소나노튜브 시트(12)를 커버하고 기판(600)에 고정할 수 있는 재료이면 종류에 제한이 없다. 또한, 상기 폴리머의 코팅 두께 역시 제한이 없다.
에칭 방법은 상기 탄소나노튜브 시트(12)의 표면을 에칭할 수 있는 방법이 모두 적용 가능하다. 본 발명에서는 편의상 Ar, O2 등의 이온을 이용한 플라즈마 에칭을 일 실시예로 설명하나 일반적인 에칭 방법이 모두 적용될 수 있다. 플라즈마 에칭 방법 자체는 이미 공지된 방법과 동일하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
플라즈마 에칭이 진행되면서 상기 탄소나노튜브 시트(12)의 표면이 순차적으로 식각되어 시트의 두께는 점점 감소하게 된다. 이때 플라즈마 에칭은 탄소나노튜브 시트(12)의 두께를 미세하게 조절하도록 제어되는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브 시트(12)는 전술한 바와 같이 다수 개의 탄소나노튜브(201)로 구성되므로, 플라즈마 에칭에 의하여 탄소나노튜브(201)의 표면이 절개된 경우 탄소나노튜브(201)의 튜브 형상은 깨지게 된다.
구체적으로 탄소나노튜브(201)의 절개된 부위가 벌어져 표면적이 넓어지게 된다. 즉, 에칭에 의하여 탄소나노튜브(201)가 찢어져 튜브형상에서 평면형상으로 변형되는 것이다. 여기서 탄소나노튜브(201)가 찢어져 벌어진 형상을 "그라핀 리본 형상"으로 정의한다.
그라핀 리본 형상은 탄소나노튜브 시트(12) 전면적에 형성될 수도 있으나 부분적으로 형성되는 경우에도 전체 표면적이 상당 부분 증가한다. 도 9를 참조할 때, 탄소나노튜브시트에 부분적으로 그라핀 리본 형상이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 그라핀 리본 형상에 의하여 이웃한 탄소나노튜브(201)와 접촉 면적이 넓어지게 되어 전기전도도가 증가하게 되고 면저항이 감소하여 더 작은 전류를 흘려주어도 정확한 측정이 가능해지고, 전체 표면적이 넓어져 더 많은 양의 수소가 흡착될 수 있으므로 대용량 수소 센싱이 가능해진다.
이후, 제2기판(20)에 도전층(21)을 형성하는 단계는 일반적인 전극층을 형성하는 과정이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면 제2기판에 스퍼터 등을 이용하여 도전층을 형성하거나, 금속 코팅을 이용하여 도전층을 형성할 수 있다. 이후 스위칭 소자를 포함하는 제어부, 저항 검출기 및 디스플레이 장치를 연결하여 제조 공정을 완료한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 제1기판 11: 수소흡착층
12: 탄소나노튜브 시트 20: 제2기판
21: 도전층 30: 전원
40: 제어부 50: 디스플레이부
12: 탄소나노튜브 시트 20: 제2기판
21: 도전층 30: 전원
40: 제어부 50: 디스플레이부
Claims (12)
- 일면에 수소흡착층이 형성된 제1기판;
상기 제1기판과 이격되고, 상기 제1기판과 마주보는 면에 도전층이 형성된 제2기판;
상기 수소흡착층의 양단에 전압을 인가하며, 상기 수소흡착층에 전압이 인가되고 소정기간 경과 후에 상기 수소흡착층과 도전층 간에 전압을 인가하여 상기 수소흡착층과 도전층을 대전시키는 제어부; 및
상기 수소흡착층과 연결된 저항 측정기;를 포함하되,
상기 수소흡착층은 탄소나노튜브 시트이고, 상기 탄소나노튜브 시트의 표면에는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상의 금속입자가 부착된 수소농도 측정장치. - 제1항에 있어서, 상기 수소흡착층은 탄소나노튜브 시트, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상으로 형성되는 수소농도 측정장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 시트는 성장판에 수직 성장된 탄소나노튜브 번들의 일측면에 접착부재를 부착한 후, 상기 접착부재를 횡방향으로 잡아당겨 형성되는 수소농도 측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 시트는 일부 표면이 에칭되어 그라핀 리본이 형성된 수소농도 측정장치.
- 제4항에 있어서, 상기 성장판에 수직 성장된 탄소나노튜브 번들은 단일, 이중 및 다중벽 탄소나노튜브 중 어느 하나로 구성되는 수소농도 측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부에 의해 상기 수소흡착층과 도전층에 전압이 인가된 경우, 상기 수소흡착층의 표면은 양(+)으로 대전되고 상기 도전층의 표면은 음(-)으로 대전되는 수소농도 측정장치.
- 탄소나노튜브 시트를 제조하여 제1기판에 부착하는 단계;
제2기판에 도전층을 형성하고, 상기 도전층이 상기 탄소나노튜브 시트와 마주보도록 제2기판을 이격 배치하는 단계; 및
상기 탄소나노튜브 시트에 금속입자를 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 탄소나노튜브 시트는 성장판에 성장시킨 탄소나노튜브 번들의 일측면에 접착부재를 부착한 후, 상기 접착부재를 횡방향으로 잡아당겨 형성하는 수소농도 측정장치 제조방법. - 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 시트의 상부에 코팅되는 금속입자는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 산화아연(ZnO), 금(Au), 로듐(Rb), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상인 수소농도 측정장치 제조방법.
- 제10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 시트에 금속입자를 코팅하는 단계는, 상기 탄소나노튜브 번들의 일측면에 접착 부재를 부착한 후, 상기 접착부재를 횡방향으로 잡아당기면서 금속입자를 코팅하는 수소농도 측정장치 제조방법.
- 삭제
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| KR102051520B1 (ko) * | 2019-03-05 | 2019-12-05 | 한국생산기술연구원 | Cnt 박막 제조 방법, cnt 박막, cnt 박막을 이용한 수소 센서 제조방법 및 cnt 박막을 이용한 수소 센서 |
| KR20230038841A (ko) | 2021-09-13 | 2023-03-21 | 한국표준과학연구원 | 이동통신 단말기 앱과 연동되는 수소 가스 센서 시스템 및 이를 이용한 측정 방법 |
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| KR20130047289A (ko) | 2013-05-08 |
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