KR101511346B1 - 센서 소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 센서 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 개선된 절연층을 구비한 센서 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 센서 소자의 제조방법은 미소결 상태의 측정 셀과 미소결 상태의 가열소자를 적층한 후 소결하여 센서 소자를 제조하는 방법으로서, 미소결 상태의 가열소자를 제조하는 방법은, 지지층 그린시트를 제조하는 단계와, 제1절연층 그린시트를 제조하는 단계와, 제2절연층 그린시트를 제조하는 단계와, 제1절연층 그린시트에 히터 층을 인쇄하는 단계와, 지지층 그린시트, 제1절연층 그린시트 및 제2절연층 그린시트를 순서대로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 센서 소자의 제조방법은 절연층 그린시트를 히터 층 위·아래에 적층하는 방법으로 절연층을 형성하므로, 이 방법으로 제조된 센서 소자의 절연층은 두께가 두껍고 치밀하다. 따라서 절연층의 절연특성이 우수하다. 또한, 절연층과 지지층의 수축률 차이 등 소결거동 차이가 최소화되어 층간박리 및 캠버 등의 발생이 감소한다는 장점이 있다.

Description

센서 소자의 제조방법{METHOD OF PRODUCING SENSOR ELEMENT}
본 발명은 센서 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 개선된 절연층을 구비한 센서 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 평판형 산소 센서 소자의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 평판형 산소 센서 소자는 전기 화학적 측정 셀(112) 및 가열소자(114)를 구비한다. 측정 셀(112)은, 제 1 고체 전해질 포일(121) 및 내부에 일체화되어 있는 기준 채널(126)을 가진 제 2 고체 전해질 포일(125)을 구비한다. 측정 셀(112)은 산소 농도의 변화를 전기 신호로 변환한다.
가열소자(114)는 측정 셀(112)이 작동할 수 있는 온도로 측정 셀(112)을 가열하는 역할을 한다. 가열소자(114)는 지지포일(141)과 지지포일(141)의 상면 위에 피복된 외부 절연층(142)과, 외부 절연층(142) 위에 형성된 저항 가열체(144) 및 저항 가열체(144) 위에 피복된 내부 절연층(150)을 포함한다. 내부 절연층(150)의 상면은 제 2 고체 전해질 포일(125)의 하면과 연결된다.
상술한 종래의 평판형 산소 센서 소자에 있어서, 외부 절연층(142)과 내부 절연층(150) 및 저항가열체(144)는 소결되지 않은 지지포일(141)위에 스크린 인쇄법에 의해서 외부 절연층(142)을 도포하고, 그 위에 저항가열체(144) 층과 내부 절연층(150)을 도포한 후 소결하는 방법으로 형성한다.
등록특허공보 제0464466호
상술한 종래의 평판형 산소 센서 소자는 스크린 인쇄법을 이용하여 절연층을 형성하기 때문에 형성할 수 있는 절연층의 두께에 한계가 있었다. 또한, 인쇄성에 문제가 생기기 때문에 절연층 형성을 위해 사용되는 페이스트의 고형분의 함량을 충분히 높일 수 없었다. 또한, 인쇄성을 향상시키기 위해, 용제, 연화제, 결합제 등이 다량으로 함유되어 있어 소결시에 절연층의 밀도가 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제들로 인해서 절연층의 절연효과가 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 고형분의 함량의 차이, 조성의 차이 등으로 인해서 소결시에 가열소자의 지지포일과 절연층의 소결거동이 달라서 층간박리(delamination) 및 캠버(camber)가 나타나는 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 절연층의 두께를 충분히 두껍게 할 수 있는 새로운 센서 소자 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 절연특성이 우수한 센서 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 센서 소자의 제조방법은 미소결 상태의 측정 셀과 미소결 상태의 가열소자를 적층한 후 소결하여 센서 소자를 제조하는 방법으로서, 미소결 상태의 가열소자를 제조하는 방법은, 지지층 그린시트를 제조하는 단계와, 제1절연층 그린시트를 제조하는 단계와, 제2절연층 그린시트를 제조하는 단계와, 제1절연층 그린시트에 히터 층을 인쇄하는 단계와, 지지층 그린시트, 제1절연층 그린시트 및 제2절연층 그린시트를 순서대로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 센서 소자의 제조방법은, 절연 페이스트를 인쇄한 후 소결하여 절연층을 형성하는 것이 아니라, 절연층 그린시트를 소결하여 제1절연층과 제2절연층을 형성하므로, 두께가 두껍고 밀도가 높은 절연층을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
상술한 센서 소자의 제조방법에 있어서, 제1절연층 그린시트를 제조하는 단계와, 제2절연층 그린시트를 제조하는 단계는 슬러리를 제조하는 단계를 포함하며, 슬러리를 제조하는 단계는, Al2O3 70 ~ 95 중량%와, MgO, CaO, SiO2, TiO2, ZrO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물 0.1 ~ 25 중량% (각각의 성분은 10 중량% 이하로 첨가됨)에 연화제 0.1 ~ 10 중량%와 결합제 0.1 ~ 10 중량% 및 용제 0.1 ~ 10 중량%를 혼합하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 연화제는 프탈레이트(phthalate)계 가소제인 것이 바람직하다.
또한, 상기 결합제는 폴리비닐부트랄(PVB, Polyvinyl butyral)인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 측정 셀과 측정 셀을 가열하는 가열소자를 포함하며, 가열소자의 히터는 제1절연층과 제2절연층에 의해서 절연된 센서 소자에 있어서, 상기 제1절연층과 제2절연층은, Al2O3 70 ~ 95 중량부와, MgO, CaO, SiO2, TiO2, ZrO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물 0.1 ~ 25 중량부 (각각의 성분은 10 중량부 이하로 첨가됨)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 소자가 제공된다.
본 발명에 따른 센서 소자의 제조방법은 절연층 그린시트를 히터 층 위·아래에 적층하는 방법으로 절연층을 형성하므로, 이 방법으로 제조된 센서 소자의 절연층은 두께가 두껍고 치밀하다. 따라서 절연층의 절연특성이 우수하다. 또한, 절연층과 지지층의 수축률 차이 등 소결거동 차이가 최소화되어 층간박리 및 캠버 등의 발생이 감소한다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 평판형 산소 센서 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서 소자의 일실시예의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 센서 소자의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 센서 소자의 일실시예의 분해 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 센서 소자는 산소 농도의 변화를 전기 신호로 변환하는 측정 셀(1)과 측정 셀(1)을 작동이 가능한 온도까지 가열하기 위한 가열소자(2)를 포함한다.
측정 셀(1)은, 제1고체 전해질 층(10), 제2고체 전해질 층(20), 기준전극 층(14), 측정전극 층(15) 및 다공성 보호층(30)을 포함한다.
제1고체 전해질 층(10)의 상면에는 측정전극 층(15)이 형성되며, 하면에는 기준전극 층(14)이 형성된다. 측정전극 층(15)은 제1접속접점(17)과 제2접속접점(18)을 포함하며, 제2접속접점(18)은 기준전극 층(14)과 비아홀(19)을 통해서 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1고제 전해질 층은 측정전극 층(15)과 기준전극 층(14)의 인쇄가 용이하도록 두개의 층(11, 12)으로 이루어질 수 있다.
다공성 보호층(30)은 측정전극 층(15)의 보호를 위해서 측정전극 층(15)의 일부를 덮는다.
제2고체 전해질 층(20)에는 중심부에는 기준채널(21)이 길게 형성되어 있다. 제2고체 전해질 층(20)의 상면은 제1고체 전해질 층(10)의 하면과 결합한다.
제1고체 전해질 층(10)과 제2고체 전해질 층(20)은 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)로 이루어질 수 있다.
기준전극 층(14)과 측정전극 층(15)은 백금으로 이루어질 수 있다.
도 2를 참고하면, 가열소자(2)는 지지 층(40), 지지 층(40) 위에 배치된 제4고체 전해질 층(60), 제4고체 전해질 층(60) 위에 배치되는 제1절연층(70), 제1절연층(70) 위에 형성된 히터(80), 히터(80) 위에 배치된 제2절연층(71) 및 제2절연층(71) 위에 배치되는 제3고체 전해질 층(50)을 포함한다. 제3고체 전해질 층(50)의 상면은 제2고체 전해질 층(20)의 하면과 결합한다.
히터(80)는 제1절연층(70)과 제4고체 전해질 층(60) 및 지지 층(40)에 형성된 비아홀들(79, 69, 49)을 통해서 지지 층(40)의 하면에 형성된 히터 전극(45)과 전기적으로 연결된다. 히터(80)는 발열량을 높이기 위해 사행형으로 형성한다.
지지 층(40), 제3고체 전해질 층(50) 및 제4고체 전해질 층(60)은 이트리아 안정화 지르코니아로 이루어질 수 있으며, 히터(80)와 히터 전극(45)은 백금으로 이루어질 수 있다.
제1절연층(70)과 제2절연층(71)은 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹으로 이루어진다. 제1절연층(70)과 제2절연층(71)은 Al2O3 70 ~ 95 중량부와, MgO, CaO, SiO2, TiO2, ZrO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물 0.1 ~ 25 중량부 (각각의 성분은 10 중량부 이하로 첨가됨)로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 도 3을 참고하여, 상술한 센서 소자의 제조방법에 대해서 설명한다.
먼저, 지지 층, 제1절연층 및 제2절연층, 제3고체 전해질 층 및 제4고체 전해질 층의 그린 시트를 제조한다(S1, S2, S3, S4, S5). 지지 층, 제3고체 전해질 층 및 제4고체 전해질 층의 그린 시트는 이트리아 안정화 지르코니아 분말, 유기용제 및 유기 바인더 등을 혼합하여 슬러리를 제조한 후 에이징을 통해서 슬러리 내의 기포를 제거하고 테이프 캐스팅 등의 방법으로 슬러리를 시트 형태로 성형하고, 성형된 시트를 건조하여 제조한다.
제1절연층과 제2절연층의 그린 시트는 Al2O3 70 ~ 95 중량%와, MgO, CaO, SiO2, TiO2, ZrO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물 0.1 ~ 25 중량% (각각의 성분은 10 중량% 이하로 첨가됨)에 연화제 0.1 ~ 10 중량%와 결합제 0.1 ~ 10 중량% 및 용제 0.1 ~ 10 중량%를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 이를 성형하여 제조한다. 연화제로는 프탈레이트(phthalate)계 가소제 등을 사용할 수 있으며, 결합제로는 폴리비닐부트랄(PVB, Polyvinyl butyral) 등을 사용할 수 있다. 제1절연층과 제2절연층의 그린 시트는 지지 층의 그린시트의 제조방법과 동일한 방법으로 성형할 수 있다. 본 발명에 있어서, 제1절연층과 제2절연층의 그린 시트는 절연특성을 나타내는 고형분의 함량이 70 중량% 이상으로 매우 높으므로 그린 시트를 소결하여 만들어지는 제1절연층과 제2절연층의 밀도가 높아 절연특성이 매우 우수하다.
다음, 제1절연층 그린시트에 비아홀을 형성한다(S6).
다음, 제1절연층 그린시트 위에 스크린 프린팅 방법으로 백금 히터 층을 인쇄한다(S7). 이때 비아홀에도 백금 페이스트가 채워진다.
다음, 지지층 그린시트과 제4고체 전해질 층의 그린 시트에 비아홀을 형성한다(S8, S10).
다음, 지지층 그린시트의 하면에 히터 전극 층을 인쇄한다(S9). 이때 지지층 그린시트의 비아홀에도 백금 페이스트가 채워진다.
다음, 히터 전극 층이 인쇄된 지지층 그린시트에 제4고체 전해질 층 그린시트와, 백금 히터 층이 인쇄된 제1절연층 그린시트와, 제2절연층 그린시트와 제3고체 전해질 층 그린시트를 적층하여 미소결 상태의 가열소자를 제조한다(S11).
다음, 미리 제조된 미소결 상태의 측정 셀(S12)과 미소결 상태의 가열소자를 적층한다(S13).
다음, 적층된 미소결 상태의 센서 소자를 진공 포장한 후 HIP(Hot isostatic press) 등의 방법으로 압착한 후(S14), 절단하여 단위 센서 소자들로 분리한 후(S15), 하소공정을 통해서 단위 센서 소자들에 포함되어 있는 용제와 결합제 및 연화제를 제거한 후(S16), 소결을 통해서 단위 센서 소자를 완성한다(S17).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
1: 측정 셀 2: 가열소자
10: 제1고체 전해질 층 14: 기준전극 층
15: 측정전극 층 20: 제2고체 전해질 층
30: 다공성 보호층 40: 지지 층
45: 히터 전극 50: 제3고체 전해질 층
60: 제4고체 전해질 층 70: 제1절연층
71: 제2절연층 80: 히터

Claims (5)

  1. 미소결 상태의 측정 셀과 미소결 상태의 가열소자를 적층한 후 소결하여 센서 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    미소결 상태의 가열소자를 제조하는 방법은,
    지지층 그린시트를 제조하는 단계와,
    별도의 제1절연층 그린시트를 제조하는 단계와,
    별도의 제2절연층 그린시트를 제조하는 단계와,
    제1절연층 그린시트에 히터 층을 인쇄하는 단계와,
    지지층 그린시트, 제1절연층 그린시트 및 제2절연층 그린시트를 순서대로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1절연층 그린시트를 제조하는 단계와, 제2절연층 그린시트를 제조하는 단계는 슬러리를 제조하는 단계를 포함하며,
    슬러리를 제조하는 단계는,
    Al2O3 70 ~ 95 중량%와, MgO, CaO, SiO2, TiO2, ZrO2 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물 0.1 ~ 25 중량% (각각의 성분은 10 중량% 이하로 첨가됨)에 연화제 0.1 ~ 10 중량%와 결합제 0.1 ~ 10 중량% 및 용제 0.1 ~ 10 중량%를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 소자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연화제는 프탈레이트(phthalate)계 가소제인 것을 특징으로 하는 센서 소자의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합제는 폴리비닐부트랄(PVB, Polyvinyl butyral)인 것을 특징으로 하는 센서 소자의 제조방법.
  5. 삭제
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