KR101995498B1 - 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서 - Google Patents

금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서 Download PDF

Info

Publication number
KR101995498B1
KR101995498B1 KR1020170172289A KR20170172289A KR101995498B1 KR 101995498 B1 KR101995498 B1 KR 101995498B1 KR 1020170172289 A KR1020170172289 A KR 1020170172289A KR 20170172289 A KR20170172289 A KR 20170172289A KR 101995498 B1 KR101995498 B1 KR 101995498B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
functional layer
hydrogen
support
deposited
delete delete
Prior art date
Application number
KR1020170172289A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190071327A (ko
Inventor
정영규
한혁수
이창우
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020170172289A priority Critical patent/KR101995498B1/ko
Publication of KR20190071327A publication Critical patent/KR20190071327A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101995498B1 publication Critical patent/KR101995498B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/40—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45523—Pulsed gas flow or change of composition over time
    • C23C16/45525—Atomic layer deposition [ALD]
    • C23C16/45555—Atomic layer deposition [ALD] applied in non-semiconductor technology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/26—Anodisation of refractory metals or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/34—Anodisation of metals or alloys not provided for in groups C25D11/04 - C25D11/32

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

환원성 가스가 흡착되면 전기저항이 변화되는 기능성 레이어가 증착된 복합 센서소재와, 그것을 이용하여 가스를 고민감도로 검출하는 견고한 구조의 가스센서에 관한 기술로서, 1μm 내지 10μm의 폭을 가지는 지지체와, 지지체에 증착되며 환원성 가스와 반응하여 전기저항이 변화되는 기능성 레이어를 포함한다.

Description

금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서 {SENSOR MATERIAL DEPOSITED WITH A METAL OXIDE AND GAS SENSORS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 환원성 가스가 흡착되면 전기저항이 변화되는 기능성 레이어가 증착된 복합 센서소재와, 그것을 이용하여 가스를 고민감도로 검출하는 견고한 구조의 가스센서에 관한 기술이다.
화석연료는 온실가스 및 미세먼지를 발생시켜 세계적으로 환경문제를 야기하고 있다. 또한, 화선연료의 고갈이 전망됨에 따라, 신재생에너지 및 친환경에너지의 필요성이 대두되고 있다.
화석연료를 대체 연료로서 수소가스가 주목받고 있다. 수소는 기존의 화석연료 시스템에 큰 변경 없이 적용 가능하고, 친환경적이기 때문에 장래 연료로 활용하기 위해 다양한 연구가 실시중이다.
하지만, 수소의 가장 큰 문제는 폭발성이 강하기 때문에 소량만 누출되더라도 대형 사고가 발생될 수 있는 위험을 내재하고 있다.
이에 따라, 안전한 수소 연료의 이용을 위해서는 높은 민감도로 수소의 누출음 검출할 수 있는 센서가 요구되고 있다.
종래의 수소 센서에는 접촉 연소식 센서, 금속산화물 반도체식 센서, 전기 화학식 센서, 광 검출식 센서, 금속 흡수식 센서, FET 식 센서가 있다.
접촉 연소식 센서는 저항변화로 수소를 검출하는 센서로서, 온/습도의 영향을 적게 받고, 5년 이상의 긴 수명을 가지는 장점이 있다. 그러나, 기계적 충격에 약하고, 장시간 사용 시 감도저하가 나타남에 따라 차량과 같이 반복적인 진동과 충격이 발생되는 환경에는 적합하지 않다.
금속산화물 반도체식 센서는 저항변화로 수소를 검출하는 센서로서, 고감도인 장점이 있으나, 온/습도의 영향이 크고, 섭씨 200도 이상의 높은 동작온도가 필요하여 오히려 수소 폭발을 야기할 수 있는 문제가 있다.
전기 화학식 센서는 기전력 변화로 수소를 검출하는 센서로서, 고감도인 장점이 있으나, 온/습도의 영향을 크게 받고, 2년 미만의 짧은 수명을 가지기 때문에 상품화에 적합하지 않다.
광 검출식 센서는 색 또는 반사율 변화로 수소를 검출하는 센서로서, 소자 내에 전기회로가 불필요한 장점이 있으나, 상대적으로 응답속도가 느리고, 감도가 낮은 단점이 있다.
금속 흡수식 센서는 부피변화로 수소를 검출하는 센서로서, 가스선택성이 우수하고, 고감도이며, 응답성이 신속한 장점이 있으나, 기계적 특성이 취약하고, 장시간 사용 시 신뢰성이 크게 떨어지며, 섭씨 100도 이상의 높은 동작온도가 필요한 문제가 있다.
FET 식 센서는 게이트 전위(Gate potential)에 의한 전류변화로 수소를 검출하는 센서로서, 고감도이고, 가스 선택성이 우수하며, 신속한 응답성을 가지고, 소형화 및 대량생산이 용이하나, 기계적 특성이 취약하고, 자기 안정성이 낮은 단점이 있다.
또한, 대다수의 종래 수소 검출 센서는 금과 같은 귀금속이 재료로 사용되기 때문에 제조단가가 높은 문제도 있다.
따라서, 난방, 자동차, 발전 등 다양한 분야에서 수소 연료가 안전하게 이용되기 위해서는 기계적 특성이 우수하고, 장시간 안정적으로 동작하며, 저렴하게 제조할 수 있는 고 내구성의 수소 센서가 요구되고 있다.
한국등록특허공보 10-1440648
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 환원성 가스가 흡착되면 전기저항이 변화되는 기능성 레이어가 증착된 복합 센서소재와, 그것을 이용하여 가스를 고민감도로 검출하는 견고한 구조의 가스센서를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 금속산화물이 증착된 복합 센서소재는, 1μm 내지 10μm의 폭을 가지는 지지체와, 상기 지지체에 증착되며, 환원성 가스와 반응하여 전기저항이 변화되는 기능성 레이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지체는 비표면적 증가를 위한 요철이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지지체는 양극산화 방식으로 제조된 50nm 내지 100nm 크기의 기공이 형성된 나노튜브인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기능성 레이어는 10nm 이하의 두께로 증착된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기능성 레이어는 원자증착장비(Atomic Layer Deposition)를 이용하여 증착된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기능성 레이어는 반도성 금속산화물인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지지체는
Figure 112017124791163-pat00001
,
Figure 112017124791163-pat00002
중에서 선택된 적어도 하나 내지는 둘 이상의 복합체를 이루는 물질인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기능성 레이어는 상기 지지체 상에서 디플리션(depletion) 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지지체는
Figure 112017124791163-pat00003
이고, 상기 기능성 레이어는
Figure 112017124791163-pat00004
이며, 상기 기능성 레이어는 상기 지지체 상에서 전체 영역이 디플리션(depletion) 되고, 수소(
Figure 112017124791163-pat00005
)가 흡착되면 전기저항이 감소되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기능성 레이어에 코팅되어, 선택된 가스만 통과되게 하는 여과막을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 여과막은 그래핀 모노레이어(Graphene monolayer)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 여과막은 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식으로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서에 따르면 아래와 같은 효과가 있다.
첫째, 지지체의 폭이 미소함에 따라, 지지체에 증착되는 기능성 레이어의 두께도 미소하게 되어 상대적으로 환원성 가스가 흡착되었을 때 발생되는 전기저항의 변화 비율이 크게 된다.
둘째, 지지체 요철이 형성되고, 지지체의 요철에 대응하여 기능성 레이어가 증착됨에 따라, 환원성 가스가 기능성 레이어에 흡착될 수 있는 기회가 더 증대된다.
셋째, 기능성 레이어는 원자증착장비로 증착됨에 따라 요철이 형성된 지지체의 외부면에도 균일한 두께로 증착될 수 있게 된다.
넷째, 지지체에 미소한 두께로 증착된 기능성 레이어는 전체가 디플리션(depletion) 됨에 따라, 환원성 가스가 흡착되었을 때 전기저항의 변화 비율이 매우 커지게 된다.
다섯째, 기능성 레이어 위에 선택된 물질만 통과되게하는 여과막이 코팅됨에 따라, 본 발명이 센서의 검출부재로 이용되었을 때 높은 신뢰성을 가지게 된다.
여섯째, 여과막이 그래핀 모노레이어(Graphene monolayer)로 적용되면 수소기체만 선택적으로 통과될 수 있고, 그래핀 모노레이어의 특성에 의해 열 및 기계적 특성이 향상되어 센서가 보다 견고하게 된다.
일곱째, 본 발명은 지지체가 양극산화 방식으로 제조되고, 기능성 레이어가 원자증착장비로 증착되며, 여과막이 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식으로 코팅됨에 따라, 대량 양산이 가능한 공정만으로도 제조가 가능하기 때문에 생산성이 우수하다.
여덟째, 금, 백금과 같은 귀금속이 사용되지 않기 때문에 고민감도, 고신뢰성, 고내구성, 저비용의 수소 검출 센서를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 센서소재를 단순화 하여 일측면을 확대한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 센서소재를 현미경으로 촬영한 사진.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 센서소재의 단면을 현미경으로 촬영한 사진.
도 4는 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00006
)에 수소(
Figure 112017124791163-pat00007
)가 흡착되었을 때 물이 발생되는 것을 나타낸 DFT 시뮬레이션 결과의 도면.
도 5는 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00008
)의 지지체에 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00009
)가 원자증착장비(ALD)로 증착되었을 때와, 벌크(bulk)하게 증착되었을 때 디플리션(depletion)되는 영역의 차이를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서와, 가스센서 및 감시부로 구성된 검출시스템을 나타낸 구성도.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 안드로이드 시스템 로그 분석 시스템 및 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물이 증착된 복합 센서소재(100)는 반도성의 지지체(120)에 환원성 가스와 반응하여 전기저항이 변화되는 기능성 레이어(140)가 미소한 두께로 증착되었다. 이 실시예의 복합 센서소재(100)는 미소한 크기를 가짐에 따라, 소량의 환원성 가스와 반응하더라도 상대적으로 전기저항의 변화 비율이 크게 나타나 고민감도의 센서를 구현할 수 있게 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 센서소재(100)는 1μm 내지 10μm의 폭을 가지는 지지체(120)와, 지지체(120)에 증착되며 환원성 가스와 반응하여 전기저항이 변화되는 기능성 레이어(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
지지체(120)는
Figure 112017124791163-pat00010
,
Figure 112017124791163-pat00011
중에서 선택된 적어도 하나 내지는 둘 이상의 복합체를 이루는 물질이 될 수 있다.
특히, 지지체(120)는 비표면적 증가를 위한 외주면에 요철이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다. 복합 센서소재(100)의 비표면적이 넓으면 환원성 가스와 반응할 수 있는 영역이 보다 증가되기 때문에 환원성 가스에 대한 민감도가 더욱 높아지게 된다.
지지체(120)의 제조방법에는 양극산화(Anodizing) 방식이 이용될 수 있다. 일 실시예에 따른 양극산화 공정은 전기연마(electro-polishing)를 실시하는 단계, 1차 양극산화 처리 단계, 에칭(etching) 단계, 2차 양극산화 처리 단계, 기공을 확장(pore widening)하는 단계로 구성될 수 있다. 도 2는 상기 실시예에 따른 양극산화 공정으로 제조된 지지체(120)의 측면을 촬영한 것으로, 지지체(120)가 나노스케일의 튜브 형태를 가지면서 외주면에 요철이 형성되었다. 나노튜브 형상으로 제조된 지지체(120)에는 50nm 내지 100nm 크기의 기공이 형성된다.
한편, 기능성 레이어(140)는 반도성 금속산화물이 될 수 있다. 반도성 금속산화물에는
Figure 112017124791163-pat00012
,
Figure 112017124791163-pat00013
,
Figure 112017124791163-pat00014
,
Figure 112017124791163-pat00015
,
Figure 112017124791163-pat00016
등과 같은 물질이 있으며, 기능성 레이어(140)는 반도성 금속산화물 중에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 복합체로 구성 될 수 있다.
특히, 기능성 레이어(140)는 지지체(120) 상에 10nm 이하의 두께로 증착된다. 도 3의 실제 제조된 나노튜브의 가장자리 단면 사진을 참조하면, 지지체(120)의 외주면을 따라서 미소한 두께의 기능성 레이어(140)가 균일하게 증착된 것을 확인할 수 있다.
기능성 레이어(140)는 미소한 두께의 균일한 증착을 위해, 원자증착장비(Atomic Layer Deposition)가 이용될 수 있다.
도 2 및 도 3의 실시예는 기능성 레이어(140)로서 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00017
)가 이용되었다. 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00018
)는 환원성 가스 중 수소(
Figure 112017124791163-pat00019
) 검출에 이용될 수 있다. 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00020
)는 100도 내지 200도의 온도로 가열되면 전자가 생성된다. 이 때, 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00021
)표면에 산소(O)가 흡착되면 상기 생성된 전자는 흡착된 산소(O)로 이동되어 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00022
)내의 전하공핍으로 인해 전기저항이 커지게 된다.
도 4를 참조하면, 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00023
)에 한 개의 수소(
Figure 112017124791163-pat00024
) 분자가 흡착되면 수소(
Figure 112017124791163-pat00025
) 분자가 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00026
)의 산소(O) 원자와 산화되면서 물(
Figure 112017124791163-pat00027
)이 생성되고, 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00028
)는 하나의 산소(O) 원자를 잃으며 환원된다. 이때, 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00029
)는 산소(O)로 이동되었던 전자를 돌려받음에 따라 전기저항이 보다 작아지게 된다. 따라서, 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00030
)의 전기저항 값 또는 전기 전도도 등의 시그널을 모니터링하면 수소(
Figure 112017124791163-pat00031
)를 검출할 수 있게 된다.
이 실시예의 지지체(120)는 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00032
)로 실시되었다. 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00033
)와 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00034
)가 결합되면 두 물질의 결합면에는 공핍층(depletion layer)이 형성된다. 이는, 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00035
)와 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00036
)가 결합되면 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00037
)의 전자는 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00038
)로 이동되고, 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00039
)의 홀은 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00040
)로 이동됨에 따른 것이다.
특히, 이 실시예와 같이 티타늄옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00041
)에 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00042
)가 매우 미소한 두께로 증착되면, 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00043
)는 전체 영역이 디플릭션(depletion)된다.
도 5는 원자증착장비를 이용하여 미소한 두께로 증착된 기능성 레이어(140)와 종래의 인쇄 방식 등과 같은 방법으로 벌크(bulk)하게 증착된 기능성 레이어(140)를 비교한 도면이다. 원자증착장비를 이용하여 기능성 레이어(140)인 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00044
)가 지지체(120) 상에 미소하게 증착되면, 기능성 레이어(140) 전체가 디플릭션(depletion; 142)된다. 하지만, 기능성 레이어(140)가 벌크(bulk)하게, 즉 상대적으로 두껍게 증착되면, 지지체(120)와 결합된 면을 중심으로 일부만 디플릭션(depletion; 142)된다.
기능성 레이어(140)가 벌크(bulk)하게 증착되어 일부영역에서만 디플릭션(depletion; 142)이 발생되면, 디플릭션(depletion)되지 않은 영역(145)을 통해 전기가 흐를 수 있게 된다. 반면, 이 실시예와 같이 기능성 레이어(140)가 매우 미소한 두께로 증착되어 기능성 레이어(140)의 모든 영역이 디플릭션(depletion; 142)되면, 벌크(bulk)하게 증착된 것보다 전기 전도도가 더 작아지게 된다.
즉, 벌크(bulk)하게 증착된 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00045
)에 수소(
Figure 112017124791163-pat00046
)가 흡착되었을 때의 전기저항 변화 비율보다 미소한 두께로 증착된 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00047
)에 수소(
Figure 112017124791163-pat00048
)가 흡착되었을 때의 전기저항 변화 비율이 더욱 크게 나타난다. 전기저항의 변화 비율이 더 크게 나타나면 전기 신호의 변화를 검출하기가 더 용이하게 되므로, 더 민감도가 높은 센서를 실현할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물이 증착된 복합 센서소재(100)는 기능성 레이어(140)에 코팅되어, 선택된 가스만 통과되게 하는 여과막(160)을 더 포함할 수 있다(도 1 참조).
기능성 레이어(140)가 검출 대상과 상이한 물질와 반응하여 전기저항이 변화하면 센서의 검출 값을 신뢰할 수 없게 된다. 허용된 가스 분자만 통과할 수 있는 여과막(160)이 기능성 레이어(140)에 코팅되면, 기능성 레이어(140)가 복수의 물질과 반응할 수 있더라도 선택된 단일 물질 또는 여과막(160)의 기공 미만의 크기를 가지는 분자만 통과할 수 있게 되어 선택된 물질만 기능성 레이어(140)에 접근할 수 있게 된다.
일 실시예로서, 기능성 레이어(140)가 수소(
Figure 112017124791163-pat00049
) 검출 목적으로 증착된 바나듐옥사이드(
Figure 112017124791163-pat00050
)일 경우, 여과막(160)은 그래핀 모노레이어(Graphene monolayer)가 될 수 있다. 그래핀 모노레이어의 기공은 수소(
Figure 112017124791163-pat00051
) 분자만 통과할 수 있는 크기임이 보고된 바 있다.
그래핀 모노레이어는 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식으로 기능성 레이어(140) 상에 코팅될 수 있다.
랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 공정은 먼저 수면에 그래핀 모노레이어를 투입하여 수면 상에 그래핀 모노레이어가 떠 있게 준비하고, 그래핀 모노레이어가 떠 있는 수면을 압축(compress)하는 것으로 그래핀 모노레이어를 정렬한 후, 기능성 레이어(140)가 증착된 지지체(120)를 수면에 입출시키는 것으로 실시될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명은 다른 실시예로서 상기 실시예에 따른 복합 센서소재(100)를 가스검출부(11)로 이용하는 가스센서(10)가 될 수 있다.
또한, 상기 가스센서(10)의 검출 값을 모니터링하는 것으로 수소(
Figure 112017124791163-pat00052
) 등 환원성 가스의 검출을 판단하는 감시부(20)가 더 포함되는 것으로 검출시스템이 실시될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
10 : 가스센서 11 : 가스검출부
20 : 감시부 100 : 복합 센서소재
120 : 지지체 140 : 기능성 레이어
142 : 디플리션(depletion) 영역 145 : 비 디플리션(depletion) 영역
160 : 여과막

Claims (13)

1μm 내지 10μm의 폭을 가지고, 수소(
Figure 112019051532673-pat00064
)와 반응할 수 있는 영역의 증가를 위해 요철이 형성된 지지체;
수소 흡착 시 전기저항 변화 비율을 높이기 위해 상기 지지체에 10nm 이하의 두께로 증착되어 전체영역이 디플리션(depletion) 되며, 수소가 흡착되면 전기저항이 감소되는 반도성 금속산화물인 기능성 레이어;
상기 기능성 레이어 위에 코팅되어, 수소만 통과되게 하여 상기 기능성 레이어가 수소 외 물질과 반응하는 것을 방지하는 그래핀 모노레이어(Graphene monolayer)로 구성된 여과막;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 검출을 위한 가스센서.
제1항에 있어서,
상기 지지체는 양극산화 방식으로 제조된 50nm 내지 100nm 크기의 기공이 형성된 나노튜브인 것을 특징으로 하는 수소 검출을 위한 가스센서.
제2항에 있어서,
상기 지지체는
Figure 112019051532673-pat00053
,
Figure 112019051532673-pat00054
중에서 선택된 적어도 하나 내지는 둘 이상의 복합체를 이루는 물질인 것을 특징으로 하는 수소 검출을 위한 가스센서.
제1항에 있어서,
상기 기능성 레이어는 원자증착장비(Atomic Layer Deposition)를 이용하여 증착된 것을 특징으로 하는 수소 검출을 위한 가스센서.
제1항에 있어서,
상기 여과막은 랭뮤어 블로드젯(Langmuir-Blodgett) 방식으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 수소 검출을 위한 가스센서.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
KR1020170172289A 2017-12-14 2017-12-14 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서 KR101995498B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170172289A KR101995498B1 (ko) 2017-12-14 2017-12-14 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170172289A KR101995498B1 (ko) 2017-12-14 2017-12-14 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190071327A KR20190071327A (ko) 2019-06-24
KR101995498B1 true KR101995498B1 (ko) 2019-07-02

Family

ID=67055851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170172289A KR101995498B1 (ko) 2017-12-14 2017-12-14 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101995498B1 (ko)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101440648B1 (ko) 2006-10-12 2014-09-22 넥스테크 머티리얼스, 엘티디. 수소 민감성 복합 재료, 수소 및 기타 기체 검출용 튜브형 센서
KR101832849B1 (ko) * 2015-11-30 2018-02-27 선문대학교 산학협력단 반도체 생산현장의 ｖｏｃ 가스 제거 기능을 갖는 공기 정화장치
KR101812946B1 (ko) * 2016-03-22 2017-12-28 재단법인대구경북과학기술원 그래핀-환원된 그래핀 산화물 복합체 및 이의 제조방법

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
'Atomic Layer Deposition for the Conformal Coating...', JeffreyW. Elam 외, Journal of Nanomaterials, 2006(64501), pp.1-5 (2006.05.10.)
'Ceramic foams directly-coated with flame-made V2O5/TiO2...', Bjoern Schimmoeller 외, Journal of Catalysis, 243(2006), pp.82-92 (2006.08.22.)
'Cross-sensitivity reduction of QCM humidity sensor...', Bin Liu 외, ELECTRONICS LETTERS, 50(20), pp.1447-1449 (2014.09.25.)
'Doping Graphene with Metal Contacts', G. Giovannetti 등, Phys. Rev. Lett., 2008, 101, 026803
'Graphene-based electronic sensors', Q. He 등, Chem. Sci., 2012, 3, 1764-1772
'Hydrogen sensors based on AlGaN/AlN/GaN HEMT', X. Wang 등, Microelectronics Journal, 2008, 39, 20-23
'Pd-doped reduced graphene oxide sensing films for H2 detection', P. Pandey 등, Sensors and Actuators B, 2013, 183, 478-487 (2013.04.15.)*
'Reduced Graphene Oxide-Functionalized High Electron Mobility Transistors for Novel Recognition Pattern Label-Free DNA Sensors', X. Zhang 등, Small, 2013, 9(23), 4045-4050 (2013.12.09.)*
'Ultra-sensitive and highly selective H2 sensors based on FSP-made Rh-substituted SnO2 sensing films', K. Inyawilert 등, Sensors and Actuators B, 2017, 240, 1141-1152

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190071327A (ko) 2019-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chauhan et al. Hydrogen gas sensing methods, materials, and approach to achieve parts per billion level detection: A review
Sharma et al. Recent advances on H2 sensor technologies based on MOX and FET devices: A review
Hübert et al. Developments in gas sensor technology for hydrogen safety
Long et al. Nanowire-assembled hierarchical ZnCo2O4 microstructure integrated with a low-power microheater for highly sensitive formaldehyde detection
Park et al. Nonstoichiometric Co-rich ZnCo2O4 hollow nanospheres for high performance formaldehyde detection at ppb levels
Zuruzi et al. Highly sensitive gas sensor based on integrated titania nanosponge arrays
Behzadi Pour et al. Hydrogen sensors: palladium-based electrode
JP5145463B2 (ja) 水素センサー及びその製造方法
Jung et al. Fast-response room temperature hydrogen gas sensors using platinum-coated spin-capable carbon nanotubes
US7875194B2 (en) Method for manufacturing hydrogen sensors using Pd nano wire
Du et al. Palladium/bismuth nanowires with rough surface for stable hydrogen sensing at low temperatures
Torrisi et al. Graphene oxide/Cu junction as relative humidity sensor
Zhang et al. A chemiresistive-potentiometric multivariate sensor for discriminative gas detection
Kim et al. Room-temperature hydrogen gas sensor composed of palladium thin film deposited on NiCo2O4 nanoneedle forest
Sathe Rhodium nanoparticle–carbon nanosphere hybrid material as an electrochemical hydrogen sensor
Yang et al. Fast, Sensitive, and highly selective room-temperature hydrogen sensing of defect-rich orthorhombic Nb2O5–x nanobelts with an abnormal p-type sensor response
Anggraini et al. Zn–Ta-based oxide as a hydrogen sensitive electrode material for zirconia-based electrochemical gas sensors
KR101995498B1 (ko) 금속산화물이 증착된 복합 센서소재와 그것이 포함된 가스센서
CN104165917B (zh) 微机械传感器装置
Kılınç Resistive hydrogen sensors based on nanostructured metals and metal alloys
Ali et al. Solid-state gas sensors: sensing mechanisms and materials
Roh et al. Unprecedentedly low CO2 transport through vertically aligned, conical silicon nanotube membranes
KR20140118021A (ko) 수소센서 및 그 제조 방법
Gross et al. Microfabricated electrochemical gas sensor
Jeong et al. Highly stable and reversible hydrogen sensors using Pd-coated SnO2 nanorods and an electrode–substrate interface as a parallel conduction channel

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant