KR101550173B1 - 광범위 농도의 수소를 검출하는 수소 검출 센서 - Google Patents

광범위 농도의 수소를 검출하는 수소 검출 센서 Download PDF

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KR101550173B1
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이영안
노용규
에스. 카라누르 산카라
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아주대학교산학협력단
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Abstract

수소 검출 센서가 개시된다. 수소 검출 센서는 기판 표면 상에 배치된 제1 전극층, 제1 전극층 상부에 배치되고 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 이루어진 제2 전극층, 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 배치되고 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 절연층 및 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 구비한다.

Description

광범위 농도의 수소를 검출하는 수소 검출 센서{HYDROGEN DETECTING SENSOR CAPABLE OF DETECTING WIDE CONCENTRATION RANGE HYDROGEN GAS}
본 발명은 광범위 농도의 수소를 검출하는 수소 검출 센서에 관한 것으로서, 수소와의 반응에 의해 야기되는 정전용량 변화를 측정하여 수소를 검출할 수 있다.
수소 검출을 위한 수소 센서는 주로 수소의 존재 유무를 검지하기 위해서 개발되어 왔다. 즉, 수소 센서는 주로 저농도의 수소를 검출할 수 있도록 검출 민감도를 향상하는 방향으로 주로 개발되어 왔다. 이러한 수소 센서 개발 경향에 있어서, 현재 가장 많이 사용되는 수소 검출 방식은 팔라듐(Pd) 금속 촉매를 수소 가스에 노출시키는 경우 발생하는 팔라듐 금속 촉매의 전기 전도도 변화를 측정하는 방식이다.
하지만, 팔라듐 촉매의 전기 전도도 변화를 측정하여 수소를 검출하는 방식은 고농도 수소에서는 전류 포화가 발생하여 고농도의 수소를 검출하는 것이 거의 불가능하다. 따라서 구조가 단순하면서도 고농도의 수소를 검출할 수 있는 센서의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 고농도의 수소를 검출할 수 있는 수소 검출 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 검출 센서는 기판 표면 상에 배치된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상부에 배치되고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속을 포함하는 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되어 상기 제1 전극층과 면접촉하는 하부면 및 상기 제2 전극층과 면접촉하는 상부면을 구비하고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 제1 절연층; 및 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되어 상기 제1 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 촉매 금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연성 물질은 백금 산화물(platinum oxide), 팔라듐 산화물(palladium oxide), 로듐 산화물(rhodium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(beryllium oxide), 망간 산화물(manganese oxide), 구리 산화물(copper oxide), 철 산화물(iron oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), 코발트 산화물(cobalt oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide) 및 보론 질화물(boron nitride)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수소 검출 센서는 상기 제2 전극층과 이격되도록 상기 제2 전극층 상부에 배치되고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속을 포함하는 제3 전극층; 상기 제2 전극층과 상기 제3 전극층 사이에 배치되어 상기 제2 전극층과 면접촉하는 하부면 및 상기 제3 전극층과 면접촉하는 상부면을 구비하고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 제2 절연층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제3 전극층을 전기적으로 연결시키는 연결배선을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서는 기판의 표면 상에 형성된 박막 구조의 박막 전극부를 구비하는 제1 전극층; 상기 박막 전극부의 표면을 피복하도록 상기 기판의 표면 상에 배치되고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 절연층; 상기 절연층의 표면을 피복하도록 상기 기판의 표면 상에 배치되고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 이루어진 수소 해리 전극부를 구비하는 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되어 상기 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극층은 상기 박막 전극부와 접촉하고, 상기 기판을 관통하는 제1 관통 전극부를 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 정전용량 측정기는 상기 제1 관통 전극부에 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극층은 상기 수소 해리 전극부와 접촉하고, 상기 기판을 관통하는 제2 관통 전극부를 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 정전용량 측정기는 상기 제2 관통 전극부에 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 상기 제2 관통 전극부는 상기 수소 해리 전극부와 다른 금속으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서는 기판 표면 상에 배치된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상부에 배치되고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 절연층; 상기 절연층 내부에 배치된 제2 전극층; 상기 절연층의 표면을 피복하도록 상기 기판 표면 상에 형성되고, 상기 제1 전극층과 접촉하며, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속을 포함하는 제3 전극층; 및 상기 제1 전극층 및 상기 제3 전극층 중 하나 및 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되어 상기 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극층은 상기 제1 전극층과 평행하게 배치된 플레이트 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 이루어진 전극층과 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 물질로 이루어진 절연막을 이용하여 수소를 검출하므로 고농도의 수소도 검출할 수 있다.
그리고 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 구성하도록 센서를 구성하고, 절연층의 정전용량 변화를 통해 수소를 검출함으로써 수소의 농도를 더욱 정밀하게 검출할 수 있다.
그리고 절연막의 표면을 피복하도록 외부의 촉매 전극층을 형성함으로써 절연층이 외부 오염 물질에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 센서의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 검출 센서(100)는 제1 전극층(110), 절연층(120), 제2 전극층(130) 및 정전용량 측정기(140)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(110)은 기판(150) 상에 형성된 박막(thin film) 형태를 가질 수 있고, 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극층(110)은 전도성 금속, 전도성 합금, 전도성 고분자, 전도성 탄소계 물질 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극층(110)은 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극층(110)을 안정적으로 지지할 수 있다면, 상기 기판(150)의 물질 및 구조는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 기판(150)으로는 절연성 고분자 기판, 반도체 기판 등이 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 절연층(120)은 상기 제1 전극층(110)과 면접촉하도록 상기 제1 전극층(110) 상부에 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 절연층(120)은 상기 제1 전극층(110)과 접촉하는 하부면 및 상기 제2 전극층(130)과 접촉하는 상부면을 구비하고, 상기 제1 및 제2 전극층(110, 130)보다 큰 일정한 두께를 갖는 구조를 가질 수 있다. 상기 절연층(120)의 두께는 측정하고자 하는 수소의 농도범위를 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
상기 절연층(120)은 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(120)은 백금 산화물(platinum oxide), 팔라듐 산화물(palladium oxide), 로듐 산화물(rhodium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(beryllium oxide), 망간 산화물(manganese oxide), 구리 산화물(copper oxide), 철 산화물(iron oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), 코발트 산화물(cobalt oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 보론 질화물(boron nitride) 등으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(130)은 상기 절연층(120)의 상부면과 면접촉하도록 상기 절연층(120) 상에 박막 형태로 형성될 수 있고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 전극층(130)은 수소 분자와의 접촉면적을 증가시키고 촉매금속의 사용량을 감소시키기 위하여, 촉매금속 나노입자들을 상기 절연층(120) 상에 도포하여 형성될 수 있다.
상기 정전용량 측정기(140)는 상기 제1 전극층(110) 및 상기 제2 전극층(130)과 전기적으로 연결되어 수소 원자와의 반응에 의해 야기되는 상기 절연층(120)의 정전용량 변화를 측정할 수 있다. 외부의 수소 가스가 상기 제1 및 제 2 전극층(110, 130)을 통해 수소 원자로 해리되어 상기 절연층에 제공되는 경우, 상기 절연층(120)은 수소 원자와의 반응에 의해 정전용량 및 전기 전도도가 변화하게 된다. 상기 정전용량 측정기(140)는 상기 절연층(120)의 변화하는 물성 중 정전용량의 변화를 측정하여 외부 수소 가스의 농도를 파악할 수 있다. 한편, 상기 정전용량 측정기(140)는 상기 절연층(120)이 전기적 저항의 변화를 추가적으로 측정할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서(200)는 제1 전극층(210), 제1 절연층(220), 제2 전극층(230), 제2 절연층(260), 제3 전극층(270), 연결배선(280) 및 정전용량 측정기(240)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(210), 제1 절연층(220), 제2 전극층(230) 및 정전용량 측정기(250)는 도 1을 참조하여 설명한 수소 검출 센서(100)의 제1 전극층(110), 절연층(120), 제2 전극층(130) 및 정전용량 측정기(140)와 실질적으로 동일하므로 이들에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
상기 제2 절연층(260)은 상기 제2 전극층(230)과 면접촉하도록 상기 제2 전극층(230) 상에 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 절연층(260)은 상기 제2 전극층(230)과 접촉하는 하부면 및 상기 제3 전극층(270)과 접촉하는 상부면을 구비하고, 상기 제1 내지 제3 전극층(210, 230, 270)보다 큰 일정한 두께를 갖는 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 절연층(260)의 두께는 상기 제1 절연층(220)의 두께와 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있으며, 상기 제1 및 제2 절연층(220, 260)의 두께는 측정하고자 하는 수소 가스의 농도범위를 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
상기 제2 절연층(260)은 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 절연층(260)은 백금 산화물(platinum oxide), 팔라듐 산화물(palladium oxide), 로듐 산화물(rhodium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(beryllium oxide), 망간 산화물(manganese oxide), 구리 산화물(copper oxide), 철 산화물(iron oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), 코발트 산화물(cobalt oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 보론 질화물(boron nitride) 등으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(260)은 상기 제1 절연층(220)과 동일한 물질로 형성될 수도 있고, 상기 제1 절연층(220)과 다른 물질로 형성될 수도 있다.
상기 제3 전극층(270)은 상기 제2 절연층(260)의 상부면과 면접촉하도록 상기 제2 절연층(260) 상에 박막 형태로 형성될 수 있고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제3 전극층(270)은 수소 분자와의 접촉 면적을 증가시키고 촉매금속의 사용량을 감소시키기 위하여, 촉매금속 나노입자들을 도포하여 형성될 수 있다.
상기 연결배선(280)은 전도성 물질로 형성될 수 있고, 상기 제1 전극층(210)과 상기 제3 전극층(270)을 전기적으로 연결할 수 있다. 이와 같이 상기 연결배선(280)을 통해 상기 제1 전극층(210)과 상기 제3 전극층(270)을 전기적으로 연결하는 경우, 상기 제1 전극층(210), 상기 제1 절연층(220) 및 상기 제2 전극층(230)에 의해 정의되는 제1 커패시터와 상기 제2 전극층(230), 상기 제2 절연층(260) 및 상기 제3 전극층(270)에 의해 정의되는 제2 커패시터가 병렬로 연결될 수 있다. 그리고, 이와 같이 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터를 상기 연결배선(280)을 이용하여 병렬로 연결시키는 경우, 상기 제1 절연층(220) 및 제2 절연층(260)에서 발생하는 정전용량의 변화를 더욱 민감하게 측정할 수 있고, 그 결과, 수소 가스의 농도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서(300)는 제1 전극층(310), 절연층(320), 제2 전극층(330) 및 정전용량 측정기(340)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(310)은 기판(350) 상에 형성된 박막(thin film) 형태를 가지는 박막 전극부(311) 및 상기 박막 전극부(311)를 외부 회로, 예를 들면, 상기 정전용량 측정기(340)와 연결하기 위하여 상기 기판(350)을 관통하도록 형성된 제1 관통 전극부(312)를 포함할 수 있다. 상기 박막 전극부(311)와 상기 제1 관통 전극부(312)는 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 박막 전극부(311)와 상기 제1 관통 전극부(312)는 서로 동일한 물질로 형성될 수도 있고, 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다.
상기 절연층(320)은 상기 제1 전극층(310)의 박막 전극부(311) 표면 전체를 덮도록 상기 기판(350) 상에 형성될 수 있다. 상기 절연층(320)은 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(320)은 백금 산화물(platinum oxide), 팔라듐 산화물(palladium oxide), 로듐 산화물(rhodium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(beryllium oxide), 망간 산화물(manganese oxide), 구리 산화물(copper oxide), 철 산화물(iron oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), 코발트 산화물(cobalt oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 보론 질화물(boron nitride) 등으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(330)은 상기 절연층(320)의 표면 전체를 덮도록 상기 기판(350) 상에 형성된 수소 해리 전극부(331)를 포함할 수 있다. 상기 수소 해리 전극부(331)는 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 수소 해리 전극부(331)는 수소 분자와의 접촉면적을 증가시키고 촉매금속의 사용량을 감소시키기 위하여, 촉매금속 나노입자들을 상기 절연층(320) 표면 상에 도포하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 전극층(330)은 상기 수소 해리 전극부(332)를 통하여 외부 회로, 예를 들면, 정전용량 측정기(340)에 전기적으로 연결될 수도 있으나, 상기 정전용량 측정기(340)에 전기적으로 연결되기 위하여 상기 기판(350)을 관통하는 제2 관통 전극부(332)를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 제2 관통 전극부(332)는 상기 수소 해리 전극부(331)와 동일한 물질로 형성될 수도 있으나 상기 수소 해리 전극부(331)와 다른 물질로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 상기 수소 해리 전극부(331)는 상기 촉매 금속으로 형성될 수 있고, 상기 제2 관통 전극부(332)는 상기 촉매 금속과는 다른 금속 물질로 형성될 수 있다.
상기 정전용량 측정기(340)는 상기 제1 전극층(310) 및 상기 제2 전극층(330)과 전기적으로 연결되어 수소 원자와의 반응에 의해 야기되는 상기 절연층(320)의 정전용량 변화를 측정할 수 있다. 일 실시예로, 상기 정전용량 측정기(340)는 상기 제1 관통 전극부(312)를 통하여 상기 제1 전극층(310)에 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 수소 해리 전극부(331) 및 상기 제2 관통 전극부(332) 중 하나를 통하여 상기 제2 전극층(330)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에서와 같이 상기 제2 전극층(330)의 수소 해리 전극부(331)로 상기 절연층(320)의 표면 전체를 피복하는 경우, 상기 촉매 금속으로 이루어진 수소 해리 전극부(331)는 수소를 제외한 다른 오염 가스를 차단할 수 있으므로 상기 절연층(320)이 외부의 오염 가스에 의해 오염되는 것을 방지하여 상기 수소 검출 센서(300)의 수명을 향상시킬 수 있다. 그리고 상기 절연층(320)으로 상기 제1 전극층(310)의 박막 전극부(311) 표면 전체를 피복하는 경우, 상기 절연층(320)에 의해 상기 제1 전극층(310)과 상기 제2 전극층(330)이 전기적으로 절연될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 검출 센서(400)는 제1 전극층(410), 절연층(420), 제2 전극층(430), 제3 전극층(450) 및 정전용량 측정기(440)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(410)은 기판(450) 상에 형성된 박막(thin film) 형태를 가질 수 있고, 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극층(410)은 전도성 금속, 전도성 합금, 전도성 고분자, 전도성 탄소계 물질 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극층(410)은 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다.
상기 절연층(420)은 상기 제1 전극층(410)과 면접촉하도록 상기 제1 전극층(410) 상부에 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 절연층(420)은 상기 제1 전극층(410)과 접촉하는 하부면 및 상기 제2 전극층(430)과 접촉하는 상부면을 구비하고, 일정한 두께를 갖는 구조를 가질 수 있다. 상기 절연층(420)의 두께는 측정하고자 하는 수소의 농도범위를 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
상기 절연층(420)은 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 절연층(120)은 백금 산화물(platinum oxide), 팔라듐 산화물(palladium oxide), 로듐 산화물(rhodium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(beryllium oxide), 망간 산화물(manganese oxide), 구리 산화물(copper oxide), 철 산화물(iron oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), 코발트 산화물(cobalt oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 보론 질화물(boron nitride) 등으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극층(430)은 상기 절연층(420) 내부에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 전극층(430)은 일정한 두께를 갖는 플레이트 구조를 가질 수 있고, 상기 절연층(420) 내부에서 상기 제1 전극층(410)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 제2 전극층(430)의 물질은 특별히 제한되지 않고, 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 전극층의 형성 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 제1 전극층(410) 상에 상기 절연층(420)의 일부를 형성한 후 그 위에 전도성 물질을 도포하여 상기 제2 전극층(430)을 형성하고, 이어서 상기 제2 전극층(430)이 형성된 상기 절연층(420)의 일부 상에 다시 절연물질을 도포하여 상기 절연층(420)을 완성함으로써, 상기 절연층(420) 내부에 상기 제2 전극층(430)을 형성할 수 있다.
상기 제3 전극층(450)은 상기 절연층(420)의 표면 전체를 피복하도록 상기 절연층(420) 표면 상에 형성될 수 있고, 하부 단부에서 상기 제1 전극층(410)과 접촉하여 상기 제1 전극층(410)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제3 전극층(450)은 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 형성될 수 있다. 상기 촉매 금속은, 예를 들면, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제3 전극층(270)은 수소 분자와의 접촉 면적을 증가시키고 촉매금속의 사용량을 감소시키기 위하여, 촉매금속 나노입자들을 도포하여 형성될 수 있다.
이와 같이 상기 제1 전극층(410)과 전기적으로 연결되고, 상기 절연층(420) 표면 전체를 피복하도록 상기 제3 전극층(450)을 형성하는 경우, 상기 절연층(420)에서 발생하는 정전용량의 변화를 더욱 민감하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 상기 절연층(420)이 외부 오염 가스에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극층(210)과 전기적으로 연결되도록 상기 제3 전극층(450)이 형성된 경우, 상기 제1 전극층(410)과 상기 제2 전극층(430) 및 이들 사이에 위치하는 상기 절연층(420)의 일부분에 의해 정의되는 제1 커패시터와 상기 제2 전극층(430)과 상기 제3 전극층(450) 및 이들 사이에 위치하는 상기 절연층(420)의 일부분에 의해 정의되는 제2 커패시터가 병렬로 연결되므로, 상기 절연층(420) 전체에서 발생하는 정전용량의 변화를 더욱 민감하게 측정할 수 있다. 그리고 상기 제3 전극층(450)이 상기 절연층(420) 표면 전체를 피복하므로, 상기 제3 전극층(450)에 의해 상기 절연층(420)이 외부 오염 물질로부터 보호될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 기판 표면 상에 배치된 제1 전극층;
    상기 제1 전극층 상부에 배치되고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속을 포함하는 제2 전극층;
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되어 상기 제1 전극층과 면접촉하는 하부면 및 상기 제2 전극층과 면접촉하는 상부면을 구비하고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 제1 절연층;
    상기 제2 전극층과 이격되도록 상기 제2 전극층 상부에 배치되고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속을 포함하는 제3 전극층;
    상기 제2 전극층과 상기 제3 전극층 사이에 배치되어 상기 제2 전극층과 면접촉하는 하부면 및 상기 제3 전극층과 면접촉하는 상부면을 구비하고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 제2 절연층;
    상기 제2 전극층과 상기 제3 전극층을 전기적으로 연결시키는 연결배선; 및
    상기 제1 전극층과 상기 제3 전극층 중 하나 및 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되어 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 포함하는 수소 검출 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실버(Ag), 금(Au), 코발트(Co) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 물질은 백금 산화물(platinum oxide), 팔라듐 산화물(palladium oxide), 로듐 산화물(rhodium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 베릴륨 산화물(beryllium oxide), 망간 산화물(manganese oxide), 구리 산화물(copper oxide), 철 산화물(iron oxide), 니켈 산화물(nickel oxide), 코발트 산화물(cobalt oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 실버 산화물(silver oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide) 및 보론 질화물(boron nitride)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  4. 삭제
  5. 기판의 표면 상에 형성된 박막 구조의 박막 전극부를 구비하는 제1 전극층;
    상기 박막 전극부의 표면을 피복하도록 상기 기판의 표면 상에 배치되고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 절연층;
    상기 기판 상부에 노출된 상기 절연층의 표면 전체를 피복하도록 상기 기판의 표면 상에 배치되고, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속으로 이루어진 수소 해리 전극부를 구비하는 제2 전극층; 및
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되어 상기 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 포함하는 수소 검출 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 상기 박막 전극부와 접촉하고, 상기 기판을 관통하는 제1 관통 전극부를 더 포함하고,
    상기 정전용량 측정기는 상기 제1 관통 전극부에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 수소 해리 전극부와 접촉하고, 상기 기판을 관통하는 제2 관통 전극부를 더 포함하고,
    상기 정전용량 측정기는 상기 제2 관통 전극부에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 관통 전극부는 상기 수소 해리 전극부와 다른 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
  9. 기판 표면 상에 배치된 제1 전극층;
    상기 제1 전극층 상부에 배치되고, 수소 원자와 반응하여 환원될 수 있는 절연성 물질로 형성된 절연층;
    상기 절연층 내부에 배치된 제2 전극층;
    상기 절연층의 표면을 피복하도록 상기 기판 표면 상에 형성되고, 상기 제1 전극층과 접촉하며, 수소 분자를 수소 원자로 해리시킬 수 있는 촉매 금속을 포함하는 제3 전극층; 및
    상기 제1 전극층 및 상기 제3 전극층 중 하나 및 상기 제2 전극층과 전기적으로 연결되어 상기 절연층의 정전용량 변화를 측정하는 정전용량 측정기를 포함하는 수소 검출 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 제1 전극층과 평행하게 배치된 플레이트 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수소 검출 센서.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101679778B1 (ko) * 2015-04-15 2016-11-25 포항공과대학교 산학협력단 가역적 수소저장소자 및 그 사용방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101052164B1 (ko) 2008-11-27 2011-07-26 한국원자력연구원 방사선 및 가스 동시 측정센서 및 이의 제조방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100397928B1 (ko) * 2001-08-11 2003-09-13 재단법인 포항산업과학연구원 전극간의 절연층을 구비한 수소이온농도 측정센서
KR20060088700A (ko) * 2005-02-02 2006-08-07 엘지전자 주식회사 정전용량 변화를 이용한 수소센서 및 그 제조방법
KR20060111296A (ko) * 2005-04-22 2006-10-27 엘지전자 주식회사 수소 센서 및 그 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101052164B1 (ko) 2008-11-27 2011-07-26 한국원자력연구원 방사선 및 가스 동시 측정센서 및 이의 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101679778B1 (ko) * 2015-04-15 2016-11-25 포항공과대학교 산학협력단 가역적 수소저장소자 및 그 사용방법

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