KR101858712B1 - 반도체형 가스 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체형 가스센서에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 반도체형 가스센서의 작동을 위한 히팅 온도를 현저히 낮춰 가스센서의 작동 소비전력 및 유지 비용을 줄일 수 있도록 함과 더불어, 가스센서의 제작 비용을 낮출 수 있고, 가스센서의 측정 감응도는 향상시키면서, 가스센서 주변 온도 및 습도의 변화에 따른 측정 변동성은 감소시켜 정확한 가스 검출이 가능하도록 한 반도체형 가스센서에 관한 것으로,
본 발명에 따른 반도체형 가스센서는, 기판; 상기 기판의 상측면에 소정 패턴으로 형성되는 전극; 상기 전극의 외부 노출면을 감싸게 소정 두께로 구비되며, 내부 중심에는 SnO₂가 위치하고, 상기 내부 중심에 위치한 SnO₂의 주변으로, Sn, SnO 및 SnO₂가 불규칙하게 산재되어 비정질층을 형성하는 감지물질을 포함하여 구성되는 가스 감지막; 및, 상기 기판의 하측면에 밀착되어 상기 가스 감지막을 소정온도로 가열하는 히터;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체형 가스 센서{Semiconductor type gas sensor}

본 발명은 반도체형 가스센서에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 반도체형 가스센서의 작동을 위한 히팅 온도를 현저히 낮춰 가스센서의 작동 소비전력 및 유지 비용을 줄일 수 있도록 함과 더불어, 가스센서의 제작 비용을 낮출 수 있고, 가스센서의 측정 감응도는 향상시키면서, 가스센서 주변 온도 및 습도의 변화에 따른 측정 변동성은 감소시켜 정확한 가스 검출이 가능하도록 한 반도체형 가스센서에 관한 것이다.

현대 사회 및 자동차 산업의 빠른 발전으로 그 부산물인 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소 및 이산화질소 등의 유독가스에 의한 대기오염 문제가 부각되고 있으며, 가스 폭발이나 가스 중독의 위험성이 증대되고 있는 실정으로 시각으로 인식할 수 없는 가스를 측정할 수 있는 가스센서에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

종래 가스센서 중 반도체형 가스센서는 금속산화물 반도체인 SnO₂, ZnO, In₂O₃ 등의 소결체로서 공기 중 특정 가스의 유무 및 농도를 저항변화로 측정하게 되는데, 이러한 반도체형 가스센서는 1968년 일본의 Figaro 사에 의해 상업화된 후, 가스누출경보, 가스의 농도측정에 주로 사용되어 왔다. 반도체형 가스센서는 가스센서의 재료 및 적용 감지기구의 개량을 통하여 각각의 검지가스 및 용도에 알맞게 진화하였고, 상용화되어 산업, 의료 및, 실생활 분야 등에서 사용되고 있다.

반도체는 그 전기전도 메카니즘에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분되며, SnO₂는 n형 반도체에 속하며, 양이온(Sn)의 수보다 음이온(O)의 수가 정량적으로 적어서 과잉의 전자가 생겨나게 되고, 이것이 전기전도도에 기여하게 된다. 이러한 SnO₂는 부족한 산소종을 대기중에서 흡착하여 양/음이온 개수비의 불균형을 해소하려고 하는 경향을 가지게 되는데 흡착된 산소종의 전기음성도에 기인하여 반도체 내의 전기전도 역할을 하는 전자가 흡착산소 표면에 국소화되어 있는 상태가 되며, 이때는 전기전도성을 잃게 된다. 이 상태에서 일산화탄소나 암모니아 등의 환원성 가스에 의해 노출되면 표면의 흡착산소가 노출된 기체종들과 반응하여 표면의 흡착산소를 다시 탈착시키게 된다. 이때 산소 주위에 포획된 전자가 다시 자유로워져서 전기전도도에 기여하게 되며, 검지하고자 하는 목적 가스에 따라 반도체 센서의 전기 전도도가 변화하게 되고, 이를 통해 노출된 기체종의 존재 유무 및 농도를 알 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 과정을 통해, 주변 가스를 검출해 내는 종래 반도체형 가스센서의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판 위에 감응제인 SnO₂ 가스 감지막의 전기 전도도 변화에 따른 전류 검출을 위한 전극이 마련되며, 상기 전극의 둘레 주변으로는 감응제인 SnO₂의 가스 감지막이 소정두께로 형성되고, 상기 기판의 하측면에는 히터가 구비되며, 상기 히터를 작동시켜 히터 상측면에 놓인 기판을 통해 상기 가스 감지막을 300 ~ 400℃로 가열 활성화시키게 된다.

이처럼, 종래 반도체형 가스센서의 경우, 가스 감지막의 활성화를 위해 히터를 최소 300℃ 이상으로 가열한 후, 지속적으로 활성 온도를 유지해야 하므로, 에폴시 수지 등을 사용한 일반 PCB 기판을 사용하지 못하고 세라믹 기판 등 고가의 내열성 기판을 주로 사용하여 생산 단가 및 소비 전력이 증가되는 문제점이 있고, 종래 가스 감지막의 경우, 주변 노출 가스와의 감응도를 향상시키기 위해 Pt 등의 별도 촉매제를 첨가시켜야 하는 어려움이 있으며, 또한, 가스 감지막 주변의 온도 및 습도의 변화에 따라 가스 감응도가 변화되어 정확한 가스 감지가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 활성화 온도가 현저히 낮은 상태에서도 작동되는 가스 감지막을 구비하여 반도체형 가스센서의 작동을 위한 히팅 온도를 월등히 낮출 수 있도록 하고, 가스센서의 작동 소비전력 및 유지 비용을 줄일 수 있도록 함과 함께, 고가의 내열성 기판이 아닌 저가의 일반 PCB 기판으로도 반도체형 가스센서를 제작할 수 있도록 하여 가스센서 제작비용을 줄일 수 있도록 하고,

또한, 가스 감지막의 측정 감응도는 향상시키면서, 가스 센서 주변 온도 및 습도의 변화에 따른 측정 변동성은 감소시켜 정확한 가스 검출이 가능하도록 하는 반도체형 가스센서를 제공할 수 있도록 한다.

상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 형태에서는, 기판; 상기 기판의 상측면에 소정 패턴으로 형성되는 전극; 상기 전극의 외부 노출면을 감싸게 소정 두께로 구비되며, 내부 중심에는 SnO₂가 위치하고, 상기 내부 중심에 위치한 SnO₂의 주변으로, Sn, SnO 및, SnO₂가 불규칙하게 산재되어 비정질층을 형성하는 감지물질을 포함하여 구성되는 가스 감지막; 및, 상기 기판의 하측면에 밀착되어 상기 가스 감지막을 소정온도로 가열하는 히터;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체형 가스 센서를 제공한다.

본 발명의 일 형태에 따른 반도체형 가스 센서는, 상기 기판은, 에폭시 수지 또는 페놀 수지로 형성되며; 상기 히터를 작동시켜 상기 가스 감지막을 110 ~ 170℃로 가열할 수 있으며,

바람직하게는, 상기 가스 감지막은, 내부 중심에는 SnO₂가 위치하고, 상기 내부 중심에 위치한 SnO₂의 주변으로, Sn, SnO 및, SnO₂가 불규칙하게 산재되어 비정질층을 형성하는 감지물질을, 소정량의 열경화성 수지 및, 실란 커플링제(Silane Coupling agent)와 혼합시켜 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 반도체형 가스센서는, 가스센서가 작동되기 위한 가스 감지막의 활성화 온도를 현저히 낮춰 활성화에 필요한 히팅 온도를 낮출 수 있고, 히터의 작동에 필요한 소비전력 및 유지 비용을 절감할 수 있으며, 저가의 일반 PCB 기판으로도 반도체형 가스센서를 제작할 수 있어 가스센서 제작비용을 월등히 줄일 수 있고,

또한, 전기 전도도가 향상된 가스 감지막을 통해 가스센서의 측정 감응도가 높으면서, 가스 센서 주변 온도 및 습도의 변화에 따른 측정 변동성은 감소되어 주변 환경 변화에 상관없이 정확한 가스 검출이 가능하게 된다.

도 1은 종래 반도체형 가스센서를 나타내는 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 반도체형 가스센서를 나타내는 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 반도체형 가스센서에 있어서, 가스 감지막을 형성하는 감지물질을 간략히 나타내는 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 반도체형 가스센서에 있어서, 가스 감지막을 형성하는 감지물질의 성분 분포를 나타내는 그래프; 및,
도 5는 히팅 온도 150℃에서, 본 발명에 따른 반도체형 가스센서의 시간에 따른 저항값의 변화를, 종래 반도체형 가스센서와, 비교한 그래프;이다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 2는 본 발명에 따른 반도체형 가스센서를 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반도체형 가스센서에 있어서, 가스 감지막을 형성하는 감지물질을 간략히 나타내는 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 반도체형 가스센서에 있어서, 가스 감지막을 형성하는 감지물질의 성분 분포를 나타내는 그래프이고, 도 5는 히팅 온도 150℃에서, 본 발명에 따른 반도체형 가스센서의 시간에 따른 저항값의 변화를, 종래 반도체형 가스센서와, 비교한 그래프이다.

본 발명에 따른 반도체형 가스센서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 크게, 소정두께로 형성되는 기판과, 상기 기판의 상측면에 소정 패턴으로 형성되는 전극과, 상기 전극의 일측 둘레를 감싸게 소정두께로 구비되는 가스 감지막과, 상기 기판의 하측면에 밀착되어 상기 기판을 통해 상기 가스 감지막을 소정 온도로 가열하여 활성화 시키는 히터를 포함하여 형성된다.

상기 기판은, 도 2에 도시된 바와 같이, 소정두께의 판 상으로 형성되며, 상측에는 상기 전극 및 가스 감지막이 구비되어 하측면에 위치하는 히터의 히팅열을 상기 전극 및 가스 감지막으로 전달하게 된다.

상기 가스 감지막은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판의 상측으로 상기 전극의 외부 노출면을 감싸게 구비되며, 내부 중심에 SnO₂가 위치하고, 상기 내부 중심에 위치한 SnO₂의 주변으로 Sn, SnO 및 SnO₂가 불규칙하게 산재되어 비정질층을 형성하는 감지물질로 구성된다.

상기 히터는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판의 하측면에 밀착되어 상측면에 위치한 기판을 통해 상기 가스 감지막을 소정 활성온도로 가열시키게 된다. 상기 히터의 작동온도가 110℃보다 낮은 경우에는 가스 감지막을 활성화시키지 못해 가스 센서가 제대로 작동되지 못하는 문제점이 있으며, 170℃보다 높은 경우에는, 에폭시수지나 페놀 수지와 같은 일반 합성수지 기판을 사용하기 어려운 문제점이 있으므로, 바람직하게는, 히터의 작동온도를 110 ~ 170℃로 설정 사용하도록 한다.

종래 순수 SnO₂로만 형성된 감지물질에 금, 백금, 은 등의 촉매제를 첨가시켜 가스 감지막의 전기전도도를 향상시키도록 하고 있으나, 본 발명에 따른 반도체형 가스센서의 경우, SnO₂를 중심으로 주변에 Sn, SnO 및 SnO₂가 불규칙하게 산재되어 형성된 비정질층을 통해 가스 감지막의 전기전도도가 월등히 향상되어 전기전도도 향상을 위한 별도의 촉매제를 첨가를 생략할 수 있으며, 특히, 비정질층의 외곽에 위치하는 금속성의 Sn은 낮은 활성온도에서도 주변 가스와 반응하여 전기전도도를 변화시켜 상기 기판 하측면에 위치하는 히터의 작동 히팅 온도를 현저히 낮출 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 가스 감지막의 활성온도가 낮아짐으로 인해, 히터의 히팅을 위한 소비전력 및 가스 센서의 작동 유지 비용을 절감할 수 있게 되고, 종래에는 가스 감지막을 300 ~ 400℃의 높은 활성온도로 가열시키기 위해 세라믹 기판과 같은 고가의 내열성 기판을 사용하였으나, 본 발명에 따른 반도체형 가스센서의 경우, 110 ~ 170℃의 낮은 온도로도 상기 가스 감지막의 활성이 가능하여 저가의 일반 페놀 수지 또는 에폭시 수지의 기판을 사용할 수 있게 되고, 반도체형 가스센서의 제작 비용을 현저히 낮출 수 있게 된다.

내부 중심에 SnO₂가 위치하고 주변에 Sn, SnO 및 SnO₂가 불규칙하게 산재된 비정질층이 형성되는 감지물질을 형성하기 위한 바람직한 제조방법으로는, 먼저, 이산화주석(SnO₂) 분말에 숯과 같은 탄소 분말을 소정량 혼합하고, 믹싱 작업을 통해 혼합분말을 균질화시킨다. 상기 균질화 시킨 혼합분말을 고에너지 빔 조사 장치 내부에 투입하고 외부와 밀폐시킨 후, 밀폐된 고에너지 빔 조사 장치 내부로 질소 가스를 투입하며, 질소 가스가 투입된 상태에서 전자빔, 이온빔, 또는 마이크로파 등의 고에너지 빔을 소정시간 투사하여 상기 혼합분말을 발열시키고, 발열된 탄소 분말은 기화하면서 이산화주석 일부를 Sn이나 SnO로 환원시키게 되며, 환원 생성된 Sn나 SnO 및 환원되지 못한 일부 SnO₂가 이산화주석을 중심으로 둘레에 쌓이면서 비정질층을 형성하게 된다. 또한, 질소 가스는 비정질층이 형성된 SnO₂을 N 도핑시켜 전기전도도를 향상시키게 된다.

도 4는 이와 같이 형성된 감지물질의 성분 분석 그래프로, 일부 N 및 C와 함께, 이산화주석을 중심으로 Sn, SnO 및 SnO₂가 산재 분포된 형태로 비정질층이 형성된 것을 알 수 있다.

바람직하게는, 비정질층이 형성된 SnO₂의 감지물질에, 소정량의 열경화성 수지 및 바인더로 기능하는 실란 커플링제(Silane Coupling agent)를 혼합하고, 상기 혼합물을 소정두께로 상기 전극의 외부에 도포하여 상기 가스 감지막을 형성시킴으로써, 상기 비정질층이 형성된 SnO₂의 감지물질이 상기 전극의 외측면에 잘 점착될 수 있도록 함과 함께, 혼합된 열경화 수지 및 실란 커플링제가 상기 감지물질의 보호막으로 기능하여 가스 센서 주변 온도 및 습도의 변화에 따른 상기 가스 감지막의 전도도 변화 영향을 최소화시키고, 보다 정확하게 가스 검출 측정이 가능하도록 한다.

도 5는 히팅 온도 150℃에서, 본 발명에 따른 반도체형 가스센서의 시간에 따른 저항값의 변화를 종래 반도체형 가스센서와 비교한 그래프로, 본 발명의 반도체형 가스센서의 경우, 히팅 온도 150℃에서도 이산화질소 존재에 따른 가스 감지막의 저항변화(전기전도도 변화)를 확인할 수 있으나, 종래 반도체형 가스센서의 경우, 종래 가스 감지막의 활성온도(300 ~ 400 ℃)에 미치지 못하는 현저히 낮은 히팅 온도(150℃)로 인해, 이산화질소의 누출에 따른 저항변화(전기전도도 변화)가 발생되고 있지 않음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 반도체형 가스센서는, 가스센서가 작동되기 위한 가스 감지막의 활성화 온도가 현저히 낮아 활성화에 필요한 히팅 온도를 낮출 수 있고, 히터의 작동에 필요한 소비전력 및 유지 비용을 절감할 수 있으며, 저가의 일반 합성수지 PCB 기판으로도 반도체형 가스센서를 제작할 수 있어 가스센서 제작비용을 월등히 줄일 수 있고,

또한, 전기 전도도가 향상된 가스 감지막을 통해 가스센서의 측정 감응도가 높으면서, 가스 센서 주변 온도 및 습도의 변화에 따른 측정 변동성은 감소되어 주변 환경 변화에 상관없이 정확한 가스 검출이 가능하게 된다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.

1 : 반도체형 가스센서

Claims (3)

1. 기판;
   상기 기판의 상측면에 소정 패턴으로 형성되는 전극;
   상기 전극의 외부 노출면을 감싸게 소정 두께로 구비되며, 내부 중심에는 SnO₂가 위치하고, 상기 내부 중심에 위치한 SnO₂의 주변으로, Sn, SnO 및 SnO₂가 불규칙하게 산재되어 비정질층을 형성하는 감지물질을 포함하여 구성되는 가스 감지막; 및,
   상기 기판의 하측면에 밀착되어 상기 가스 감지막을 소정온도로 가열하는 히터;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체형 가스 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판은, 에폭시 수지 또는 페놀 수지로 형성되며;
   상기 히터를 작동시켜 상기 가스 감지막을 110 ~ 170℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체형 가스 센서.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가스 감지막은,
   내부 중심에는 SnO₂가 위치하고, 상기 내부 중심에 위치한 SnO₂의 주변으로, Sn, SnO 및 SnO₂가 불규칙하게 산재되어 비정질층을 형성하는 감지물질을, 소정량의 열경화성 수지 및 실란 커플링제(Silane Coupling agent)와 혼합시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체형 가스 센서.

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