KR101990121B1 - 가스센서 - Google Patents

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Abstract

실시 예는, 제1기판; 제2기판; 상기 제1기판상에 배치되는 제1센서층; 및 상기 제2기판상에 배치되고 상기 제1센서층과 접촉하는 제2센서층을 포함하고, 상기 제1기판과 제2기판은 두께 방향으로 형성되어 가스가 유입되는 복수 개의 기공을 포함하고, 상기 제1센서층과 제2센서층의 사이 영역은 상기 제1센서층과 제2센서층이 접촉하는 제1영역 및 상기 제1센서층과 제2센서층이 이격된 제2영역을 포함하고, 상기 제1센서층과 상기 제2센서층은 상기 가스와 반응시 상기 제1영역은 증가하고 상기 제2영역은 감소하는 가스센서를 개시한다.

Description

가스센서{GAS SENSOR}
실시 예는 가스센서에 관한 것이다.
최근에는 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 누출을 감지할 수 있는 수소센서와 이를 이용한 수소가스농도 측정장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
일반적으로 사용되는 수소센서는 감도를 높이기 위해 비표면적을 넓혀야 하므로 나노 구조체 형태로 제작하고 있다. 그러나, 나노 구조체로 제작하기 위해서는 물리적/화학적 공정과 함께 포토리소그래피(Photolithography) 또는 E-beam 리소그라피 공정이 필요하므로 공정이 복잡하고 단가가 상승하는 문제가 있다.
실시 예는 감도를 향상시킬 수 있는 가스센서를 제공할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스센서는, 제1기판; 제2기판; 상기 제1기판상에 배치되는 제1센서층; 및 상기 제2기판상에 배치되고 상기 제1센서층과 접촉하는 제2센서층을 포함하고, 상기 제1기판과 제2기판은 두께 방향으로 형성되어 외부 가스가 유입되는 복수 개의 기공을 포함하고, 상기 제1센서층과 제2센서층의 사이 영역은 상기 제1센서층과 제2센서층이 접촉하는 제1영역 및 상기 제1센서층과 제2센서층이 이격된 제2영역을 포함하고, 상기 제1센서층과 상기 제2센서층이 상기 가스와 반응하면 상기 제1영역은 증가하고 상기 제2영역은 감소한다.
상기 제1센서층과 제2센서층의 측면은 상기 제1기판과 제2기판 사이로 노출될 수 있다.
상기 제1센서층과 제2센서층은 서로 마주보는 일면의 표면 거칠기(surface roughness) RMS가 0.1nm 내지 50nm일 수 있다.
상기 제1센서층과 제2센서층의 두께는 50nm 내지 1000nm일 수 있다.
상기 제1센서층은 제1방향으로 연장되어 상기 제2기판의 외측으로 노출되고, 상기 제2센서층은 제2방향으로 연장되어 상기 제1기판의 외측으로 노출되고, 상기 제1센서층의 제2방향 폭은 상기 제1기판의 제2방향 폭보다 작고, 상기 제2센서층의 제1방향 폭은 상기 제1기판의 제1방향 폭보다 작고, 상기 제1방향과 제2방향은 서로 교차할 수 있다.
상기 제1센서층은 두께 방향으로 배치된 복수 개의 홀을 포함하고, 상기 제1기판의 기공을 통해 유입된 가스는 상기 홀을 통해 상기 사이 영역으로 유입될 수 있다.
상기 제1센서층은 상기 제2센서층보다 얇을 수 있다.
실시 예에 따르면, 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 구조가 간단하므로 제작 공정 및 제조 비용이 절감될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스센서의 개념도이고,
도 2는 도 1의 분해 사시도이고,
도 3은 가스 흡착 전 가스 센서의 개념도이고,
도 4는 가스 흡착 후 가스 센서의 개념도이고,
도 5는 종래 구조와 실시 예에 따른 가스 센서의 저항 변화를 측정한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스센서의 개념도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스센서의 개념도이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스센서의 개념도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 다른 가스센서는 제1기판(110), 제2기판(120), 제1기판(110)상에 배치되는 제1센서층(130), 및 제2기판(120)상에 배치되어 제1센서층(130)과 접촉하는 제2센서층(140)을 포함한다. 제1기판(110)은 접착 부재에 의해 제2기판(120)에 고정될 수 있다.
제1기판(110) 및 제2기판(120)은 다양한 재질이 선택될 수 있다. 제1기판(110)과 제2기판(120)은 센서층을 지지할 수 있을 정도의 두께 및 강도를 가질 수 있다. 기판의 두께는 100㎛ 내지 100mm일 수 있다. 기판의 두께가 100㎛보다 얇은 경우에는 센서층을 충분히 지지하지 못하는 문제가 있으며, 두께가 100mm보다 두꺼운 경우에는 가스가 유입되는 채널이 길어져 감도가 떨어질 수 있다.
기판의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예시적으로 제1기판(110)과 제2기판(120)은 SiO2 재질을 포함할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제1기판(110)과 제2기판(120)은 고무와 같은 탄성재질, 플렉시블한 재질 및 다양한 고분자 레진으로 제작될 수도 있다.
제1기판(110) 및 제2기판(120)은 기공(111, 121)을 포함할 수 있다. 기공(111, 121)은 기판의 두께 방향으로 형성될 수 있다. 기공(111, 121)은 두께 방향으로 불규칙하게 휘어져 형성될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 제1기판(110) 및 제2기판(120)은 일정한 직경을 가질 수도 있다.
기공(111, 121)의 직경은 0.01㎛ 내지 1.0㎛일 수 있다. 기공(111, 121)의 직경이 0.01㎛보다 작은 경우에는 가스의 유입이 원활하지 않을 수 있으며, 직경이 1.0㎛보다 큰 경우에는 먼지가 유입되어 센서의 성능이 저하될 수 있다.
제1센서층(130)은 제1기판(110)상에 배치될 수 있다. 제2센서층(140)은 제2기판(120)상에 배치되어 제1센서층(130)과 마주보게 배치될 수 있다. 실시 예에 따르면, 제1센서층(130)의 일면과 제2센서층(140)의 일면은 서로 마주보게 배치되어 일부 영역이 접촉할 수 있다.
제1센서층(130)과 제2센서층(140)은 가스를 흡착할 수 있는 다양한 재질을 포함할 수 있다. 예시적으로 제1센서층(130)과 제2센서층(140)은 Pd, Pt, PdO, WO3와 같은 가스 흡착 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 센서층은 측정하고자 하는 가스를 흡착할 수 있는 다양한 재질로 구성될 수도 있다. 이하에서는 수소 가스를 예로 설명하나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
예시적으로 제1센서층(130)과 제2센서층(140)은 수소에 의해 팽창 가능한 합금을 포함할 수 있다. 합금은 Pd-Ni, Pt-Pd, Pd-Ag, Pd- Ti, Pd-Fe, Pd-Zn, Pd-Co, Pd-Mn, Pd-Au, Pd-W, Pt-Ni, Pt-Ag, Pt-Ag, Pt-Ti, Fe-Pt, Pt-Zn, Pt-Co, Pt-Mn, Pt-Au, Pt-W 중에서 선택될 수 있다. 예컨대, Pd-Ni 또는 Pd-Au 합금의 경우, Pd는 수소와의 반응에서 촉매 역할을 수행하며, Ni나 Au는 Pd의 격자 상수를 감소시킴으로써, Pd-Ni 또는 Pd-Au 합금으로 제조된 수소 센서의 내구성을 높이고 수소와 반응하는 시간을 단축시키는 역할을 할 수 있다.
제1센서층(130)과 제2센서층(140)을 제작 방법은 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 제1, 제2센서층(130, 140)은 스퍼터링(Sputtering), 증발법(Evaporation) 등의 물리적 증착법과, 화학기상법(CVD: chemical vapor deposition), 원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition) 등의 증착법에 의해 기판상에 형성될 수 있다.
제1센서층(130)과 제2센서층(140)은 제1, 제2기판(110, 120)의 외측으로 일부 노출되어 저항측정계(150)와 연결될 수 있다. 예시적으로 제1센서층(130)은 제1방향(X방향)으로 연장되어 제2기판(120)의 외측으로 노출되고, 제2센서층(140)은 제2방향(Y방향)으로 연장되어 제1기판(110)의 외측으로 노출될 수 있다. 제1방향과 제2방향은 서로 교차하는 방향일 수 있다.
이때, 제1센서층(130)의 제2방향 폭은 제1기판(110)의 제2방향 폭보다 작고, 제2센서층(140)의 제1방향 폭은 제2기판(120)의 제1방향 폭보다 작을 수 있다. 이러한 구성에 의하면 측면에서 유입되는 가스가 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 사이 영역에 유입될 확률이 높아져 감도가 상승할 수 있다.
제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 측면은 외부로 노출될 수 있다. 따라서, 가스는 기공(111, 121)을 통해 센서층으로 유입되는 동시에 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 측면으로 직접 유입될 수 있다.
수소가 유입되어 제1센서층(130)과 제2센서층(140) 사이 영역의 접촉 면적이 변화하면 전류 인가시 저항이 변화할 수 있다. 따라서, 변화하는 저항을 측정함으로써 가스 농도를 산출할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 전류계 또는 전압계와 같은 다양한 전원 측정 장치가 연결될 수 있다.
제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 두께는 10 nm 내지 1000 nm일 수 있다. 두께가 10 nm보다 작은 경우에는 두께가 너무 얇아 접촉면 균일도 문제가 발생할 수 있다. 접촉면 균일도가 문제가 있으면 균일한 전기 저항값 측정이 측정이 어려워 질 가능성이 있다. 또한, 두께가 1000 nm보다 두꺼운 경우에는 센서층의 비표면적이 커지므로 기공(111, 121)을 통해 유입된 수소가 유입되어도 면적 변화율이 저하될 수 있다. 따라서, 센싱 감도가 저하될 수 있다.
도 3은 가스 흡착 전 가스 센서의 개념도이고, 도 4는 가스 흡착 후 가스 센서의 개념도이고, 도 5는 종래 구조와 실시 예에 따른 가스 센서의 저항 변화를 측정한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 사이 영역(160)은 제1센서층(130)과 제2센서층(140)이 접촉하는 제1영역(161)과 제1센서층(130)과 제2센서층(140)이 접촉하지 않는 제2영역(162)을 포함할 수 있다. 즉, 제1센서층(130)과 제2센서층(140)은 일부 영역만이 접촉할 수 있다.
그러나 도 4와 같이 가스와 반응하면 제1센서층(130)과 제2센서층(140)이 팽창하게 되므로 제1영역(161)은 점차 증가하고 제2영역(162)은 점차 감소할 수 있다. 즉, 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 접촉 면적이 증가하게 된다. 따라서, 저항은 감소하게 된다. 따라서, 감소된 저항비를 이용하여 가스의 농도를 산출할 수 있다.
감도를 높이기 위해서는 비표면적을 넓혀야 하나 정해진 규격에서 비표면적을 넓히기 위해서는 나노 구조체 형태로 제작되어야 하므로 공정이 복잡해지고 비용이 상승하는 문제가 있다. 그러나, 실시 예에 따르면 제1센서층(130)과 제2센서층(140)을 겹쳐 배치하는 것에 의해 비표면적을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판의 일면에만 센싱층을 갖는 종래 센서의 경우 비표면적이 작아 수소가 유입된 경우와 제거된 경우 저항비가 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 실시 예에 따른 센서는 기공(111, 121)을 이용하여 유입된 가스에 의해 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 접촉면적이 변화하므로 나노 구조체로 제작하여 비표면적을 늘리지 않아도 감도가 향상되고 제작이 간단해지는 장점이 있다.
접촉면적의 제어는 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 예시적으로 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 일면(131, 141)은 거칠기를 갖도록 형성되어 전체 면적이 접촉하지는 않도록 제작될 수 있다. 이를 위해 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 일면에는 표면 처리 공정을 수행할 수 있다. 표면 처리 방법은 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 표면 처리 공정은 Ar, Air, O2 등의 플라즈마를 이용하여 건식 식각(dry etching)할 수 있다.
제1센서층(130)과 제2센서층(140)은 서로 마주보는 일면의 표면 거칠기(surface roughness) RMS가 0.1nm 내지 50nm일 수 있다. 표면 거칠기는 센싱층 두께와 관련되어 있으므로 표면 거칠기가 0.1nm보다 작은 경우 센싱층의 두께를 얇게 제작하기 제어하기 어렵다. 또한, 표면 거칠기가 50nm 보다 큰 경우에는 너무 두꺼워져 센싱 감도가 저하되는 문제가 있다. 여기서 RMS(Root Mean Square)는 표면 거칠기 곡선의 제곱평균제곱근일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스센서의 개념도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가스센서의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 제1센서층(130) 및/또는 제2센서층(140)에는 복수 개의 홀(132)이 형성될 수 있다. 따라서, 기공(111, 121)을 통해 유입된 가스는 홀(132)을 통해 제1센서층(130)과 제2센서층(140)의 사이 영역(160)으로 유입될 수 있다. 따라서, 가스 유입시 제1센서층(130)과 제2센서층(140)이 마주보는 면이 용이하게 팽창하여 접촉 영역이 증가할 수 있다.
홀(132)의 직경은 0.01㎛ 내지 1.0㎛일 수 있다. 홀(132)의 직경이 0.01㎛보다 작은 경우에는 가스의 유입이 원활하지 않을 수 있으며, 직경이 1.0㎛보다 큰 경우에는 기판에 증착된 센서층이 골격을 유지하지 못할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1센서층(130)의 두께(t1)은 제2센서층(140)의 두께(t2)보다 얇을 수 있다. 제1센서층(130)이 제2센서층(140)보다 얇은 경우 제1기판(110)의 기공(111)을 통해 유입된 가스는 제1센서층(130)을 통과해 사이 영역(160)에 유입될 수 있다. 따라서, 가스 유입시 제1센서층(130)과 제2센서층(140)이 마주보는 면이 용이하게 팽창하여 접촉 영역이 증가할 수 있다. 제1센서층(130)의 두께는 약 10nm 내지 100nm일 수 있다. 제1센서층(130)의 두께가 10nm보다 작은 경우 충분한 비표면적을 갖기 어려우며, 두께가 100nm보다 큰 경우 가스의 침투가 원활하지 않을 수 있다.

Claims (7)

  1. 제1기판;
    제2기판;
    상기 제1기판상에 배치되는 제1센서층; 및
    상기 제2기판상에 배치되고 상기 제1센서층과 접촉하는 제2센서층을 포함하고,
    상기 제1기판과 제2기판은 두께 방향으로 형성되어 가스가 유입되는 복수 개의 기공을 포함하고,
    상기 제1센서층과 상기 제2센서층은 상기 가스와 반응하면 팽창하여 상기 제1센서층과 상기 제2센서층의 접촉면적이 증가하고,
    상기 제1센서층과 상기 제2센서층의 접촉면적 증가에 의한 저항 변화를 측정하여 상기 가스의 농도를 측정하는 가스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1센서층과 제2센서층의 사이 영역은 상기 제1센서층과 제2센서층이 접촉하는 제1영역 및 상기 제1센서층과 제2센서층이 이격된 제2영역을 포함하고,
    상기 제1센서층과 상기 제2센서층은 상기 가스와 반응시 상기 제1영역은 증가하고 상기 제2영역은 감소하고,
    상기 제1센서층과 제2센서층의 측면은 상기 제1기판과 제2기판 사이로 노출되는 가스센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1센서층과 제2센서층은 서로 마주보는 일면의 표면 거칠기(surface roughness) RMS가 0.1nm 내지 50nm인 가스센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1센서층과 제2센서층의 두께는 50nm 내지 1000nm인 가스센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1센서층은 제1방향으로 연장되어 상기 제2기판의 외측으로 노출되고,
    상기 제2센서층은 제2방향으로 연장되어 상기 제1기판의 외측으로 노출되고,
    상기 제1센서층의 제2방향 폭은 상기 제1기판의 제2방향 폭보다 작고,
    상기 제2센서층의 제1방향 폭은 상기 제2기판의 제1방향 폭보다 작고,
    상기 제1방향과 제2방향은 서로 교차하는 가스센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1센서층은 두께 방향으로 배치된 복수 개의 홀을 포함하고,
    상기 제1기판의 기공을 통해 유입된 가스는 상기 홀을 통해 상기 사이 영역으로 이동하는 가스센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1센서층은 상기 제2센서층보다 얇은 가스센서.
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