KR102009938B1 - 가스 검출 소자 및 이를 이용하는 가스 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 기판의 공극에 나노 구조물이 구비된 검출 소자에 관한 것으로써, DC 전압 인가시 나노 구조물이 산화팁으로 작용함으로써 공극 내부에서 코로나 방전을 일으키며, 이때 발생되는 절연파괴전압 및 절연파괴전압에서 발생하는 전류의 크기를 측정할 수 있으며, 이를 이용하여 투입된 가스의 종류와 농도를 검출할 수 있는 가스 검출 소자를 제공한다.

Description

가스 검출 소자 및 이를 이용하는 가스 센서{GAS DETECTING ELEMENT AND GAS SENSOR USING SAME}
본 발명은 측정 가스의 종류 및 농도를 검출할 수 있는 가스 검출 소자 및 이를 이용하는 가스 센서에 관한 것이다.
가스 센서는 일반적으로 일산화탄소, 이산화황, 산화질소와 같은 유독 가스를 감지하는 센서 장치를 의미한다. 현재 가스 센서는 그 작용 기작에 따라 크게 접촉 연소형 가스 센서와 반도체형 가스 센서로 분류될 수 있는데, 이 중에서 반도체형 가스 센서는 금속 산화물인 주석산화물, 아연산화물, 인듐산화물 등을 가스 감지 물질로 이용한다. 가스 감지 물질로서 적용되는 상기 금속 산화물은 공기 중 특정 가스의 유무 및 농도에 따라 자체의 전기적 저항이 변화될 수 있는데, 이러한 전기적 저항의 변화를 관찰함으로써 특정 가스의 존재 유무를 알아낼 수 있다.
그러나, 종래의 반도체식 가스센서는 가스 분자가 검출소자 표면에 흡착했을 때 일어나는 특성 변화를 감지하기 때문에, 검지 후에 가열하여 가스 분자를 탈착하는 과정이 필요하여, 재사용을 위한 재생 시간이 길어지는 단점 및 히터가 함께 설치되어야 하며, 가스 센서부분이 오염될 수 있다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 특정 가스에 대한 선택성이 높아 여러 종류의 가스에 대한 검출이 어려워, 다양한 환경에 대응하기 어려운 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 여러 종류의 가스 및 가스의 농도의 분석이 가능한 가스 검출 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 가스 검출 소자를 포함하는 가스 센서를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 가스 센서를 이용한 가스 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위해,
복수개의 공극을 구비한 다공성 기판 및 상기 공극 내에 형성된 전도성 나노구조물로 이루어진 감지 수단을 포함하는 가스 검출 소자를 제공한다.
또한, 상기 전도성 나노 구조물은 전압 인가시 코로나 방전이 일어나는 것을 특징으로 한다.
일 구현예에 따르면,
상기 감지 수단은 금속전극층 상에 구비되고, 상기 감지 수단 상에 스페이서에 의해 소정 간격 이격되어 위치하는 상대전극을 포함하며,
상기 상대전극에 전압을 인가함으로써 상기 다공성 기판의 공극에 형성된 전도성 나노 구조물에 의해 코로나 방전이 일어나는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 검출 소자를 포함하는 가스센서를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 가스센서는
시료가스가 유입되는 유입구가 형성된 하우징;
상기 입구를 통해 유입된 가스를 검출하는 검출소자를 포함하는 검출기 본체; 및
상기 검출기 본체 내에 시료가스를 배출시키는, 배출구를 구비하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 가스센서를 이용하는 가스 검출 방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 검출 방법은
가스 센서에 시료 가스를 공급하는 단계;
상기 가스 센서에 전압을 인가하여 나노 구조물이 형성된 다공성 전극 내부에 코로나 방전을 발생시키는 단계;
상기 코로나 방전에 의해 시료 가스가 이온화 및 절연파괴되는 단계; 및
상기 시료 가스의 절연파괴전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 다공성 기판의 공극에 나노 구조물이 구비된 가스 검출 소자를 제공함으로써, DC 전압 인가시 나노 구조물이 산화팁으로 작용하여 공극 내부에서 코로나 방전을 일으킬 수 있다. 이때 발생되는 절연파괴전압 및 절연파괴전압에서 발생하는 전류의 크기를 측정함으로써, 투입된 시료가스의 종류와 농도를 검출할 수 있는 가스 검출 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 다공성 기판의 제작 방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 일 실시예에 따라 제조된 다공성 기판의 SEM 화상이다.
도 3은 코로나 방전에 의한 가스 검출 원리를 나타내는 개념도이다.
도 4는 가스 검출소자의 모듈을 나타내는 것이다.
도 5는 일 실시예에 따라 제조된 SWNT가 공극에 구비된 다공성 기판의 구조도 및 SEM 화상이다.
도 6은 가스센서로 측정된 가스의 전류밀도-전류 곡선을 나타낸다.
도 7은 가스센서로 측정된 Fowler-Nordheim plot(F-N plot)이다.
도 8은 시료가스의 농도에 따른 절연파괴전압의 변화 추이를 나타낸 것이다.
도 9는 절연파괴 전압에서, 시료가스의 농도에 따른 전류 밀도의 변화 추이를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 가스 검출 소자는
다공성 기판의 공극에 전도성 나노 구조물이 형성된 구조를 포함하며,
DC 전압을 인가시 상기 나노 구조물에 의해 공극 내부에서 코로나 방전이 일어난 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 가스 검출 소자는,
금속전극층;
상기 금속전극층 상에 구비된 상기 다공성 기판;
상기 다공성 기판상에 위치한 스페이서; 및
상기 스페이서에 상기 다공성 기판과 소정의 간격으로 위치된 상대전극을 포함하며, DC 전압을 인가함으로써 상기 다공성 기판의 공극에 구비된 나노 구조물에 의해 코로나 방전이 일어나며, 상기 코로나 방전에 의해 절연파괴된 시료 가스의 절연파괴전압을 측정하여 시료 가스의 종류를 분석할 수 있는 가스 검출 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 상기와 같은 검출 소자의 구조를 나타낸 것이며, 상기 검출 소자를 이용한 코로나 방전에 의한 시료가스의 검출 원리를 나타낸다.
또한, 다공성 기판의 공극 내부에 구비된 나노 구조물은, 평판상의 구조에 비해 시료 가스와의 접촉면적이 증가될 수 있으며, 침상 구조의 역할을 함으로써, 발생된 전기장이 공극 내부에 밀집되어 형성될 수 있어 전기장의 손실을 최소화 할 수 있어 코로나 방전에 의한 시료 가스의 이온화 및 절연파괴 등의 반응이 보다 효율적으로 일어날 수 있으며, 외부 진동 및 충격에 의한 파손을 최소화 할 수 있어 소자의 내구성을 높일 수 있다.
상기 검출소자는 단일 소자이거나, 또는 도 2와 같이 모듈화를 통해 소자의 성능을 개선할 수 있다.
검출소자의 모듈화는 다수의 가스 검출 소자를 형성하여 이루어짐으로써, 탐지 신호의 감도를 강화할 수 있어 오탐지를 감소시키고, 데이터의 정확도를 및 신뢰도를 향상시킴으로써, 가스 탐지 시스템의 효능을 높일 수 있다.
코로나 방전(corona discharge)란 도체 주위의 유체의 이온화로 인해 발생하는 전기적 방전현상을 의미하는 것이며, 구체적으로 양극 코로나와 음극 코로나가 있다. 양극 코로나는 침(tip) 전극을 양극으로 한 경우의 코로나를 의미하는 것이며, 전극간에 걸리는 전압이 상승함에 따라 절연파괴에 이른다。
음극 코로나는 양극 코로나에 비해서 낮은 전압에서 형성되며, 본 발명에 따르면, 양극 코로나에 비해 전로파괴에 이르는 전압이 낮게 측정될 수 있으며, 양극 코로나의 환경에서 DC 전압에 의해 발생한 방전 전류가 더 안정할 수 있다.
본 발명은, 이와 같은 코로나 방전에 있어서, 다공성 전극에 형성된 나노 구조물을 코로나 방전을 유도하는 침전극으로 하였으며, DC 전압을 인가하여 코로나 방전으로부터 시료 가스가 절연파괴되는 것을 이용하여 가스를 검출할 수 있다.
이는 특정 가스가 특정 절연파괴전압을 가지며, 절연파괴전압은 농도가 변하더라도 거의 일정한 값을 가짐으로써, 지문(fingerprint)과 같은 역할을 할 수 있으며, 따라서, 절연파괴전압을 측정하는 것만으로 가스의 종류를 구별할 수 있게 된다.
또한, 이러한 시료 가스의 절연파괴전압에서는 일정한 크기의 방전전류가 유도되며, 방전 전류의 경우 시료 가스 농도에 비례하여 증가하는 경향을 나타내므로, 이를 이용하여 시료 가스의 농도 또한 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 다공성 기판은 메탈 폼을 사용하거나 금속판을 전기화학적으로 산화시켜 다공성 기판을 제조할 수 있다.
본 발명에서는 전도성 금속의 메탈폼을 사용하여도 되고, 또는 전도성 금속을 전기화학적 에칭법을 이용하여 다공성 금속을 제조하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 전기화학적 에칭법을 이용하여 제조된 다공성 실리콘을 제조하는 방법은,
금속층 상에 실리콘 웨이퍼 준비하는 단계;
상기 실리콘 웨이퍼를 HF 용액에 담궈 자연 산화막을 제거하는 단계;
상기 산화막이 제거된 웨이퍼의 뒷면에 크롬(Cr), 골드(Au)와 같은 금속을 증착하여 열처리하는 단계;
상기 표면이 거칠어진 웨이퍼를 도 3의 장치를 이용하여 양극 산화시키는 단계; 및
상기 양극 산화 공정이 후 증류수로 세척하고 질소 또는 아르곤가스로 건조시키는 단계를 포함하는 방법을 제조될 수 있으며, 상기 산화 공정에서 상대전극으로 사용되는 전극은 백금(Pt) 등이 사용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전기화학적 산화법으로 식각된 다공성 Si 웨이퍼의 SEM 화상을 나타내는 것이다.
다공성 실리콘 공극의 크기는 수 나노미터에서 수 마이크론 까지 조절이 가능하며, 이는 전기화학적 부식 중에 흘려준 전류의 양과, 실리콘에 불순물로 첨가한 첨가제의 양, HF의 양에 비례하고 케리어의 형태(n, p)에 따라 달라질 수 있다. 이러한 다공성 실리콘의 제작 과정은 재현성이 크고, 신속히 제작할 수 있고, 제작하는데 비용이 적다는 장점이 있다.
또는, 실리콘 기판 상부에 천공된 마스크를 형성하는 단계;
상기 마스크에 의해 노출된 실리콘 기판 면을 과산화수소와 에탄올 등이 첨가된 불산(HF) 용액에 접하게 한 후, 상기 실리콘 기판 하부의 금속층에 양전압을 인가하고 HF 용액에 음전압을 인가하는 단계;
HF 용액에 노출된 실리콘 표면이 양극산화 전기화학 식각이 되면서 미세 다공성 실리콘 기판이 형성되는 단계;
상기 마스크를 제거한 다음, 상기 다공성 실리콘 구조물을 열산화시켜 미세 다공성 실리콘 산화 구조물로 전환시키는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다.
상기 다공성 기판의 재료는 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 산화마그네슘(MgO), 실리콘 탄소(SiC), 실리콘(Si), 탄소(C), 탄화붕소(B4C) 및 질화붕소(BN)와 같은 세라믹 및 그 등가물 중 하나일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 다공성 기판에 나노 구조물을 형성하는 것일 수 있으며, 상기 나노 구조물은 화학적기상증착법(CVD) 또는 물리적기상증착법(PVD)으로 형성되는 것일 수 있으며, 바람직하게는, 화학기상증착법(CVD)으로 형성되는 것일 수 있다.
예를 들면, 나노 구조물의 제조 방법은
다공성 나노기판;
상기 다공성 기판의 공극에 금속 촉매를 투입하는 단계;
상기 다공성 기판의 공극에 나노구조물 원료 가스를 투입하는 단계; 및
상기 금속 촉매와 원료 기체가 반응하여 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있으며, 상기 다공성 나노기판의 공극 이외의 부분이 반응하지 않도록 원료 기체와 반응하지 않는 물질로 코팅하거나 마스크를 형성한 후 나노와이어를 형성시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 전도성 나노 구조물은 탄소, ZnO, In2O3 및 Bi2S3의 성분으로 이루어진 것일 수 있으며, 바람직하게는 탄소나노구조물 일 수 있다. 예를 들면 SWNT(단일벽탄소나노튜브), DWNT(이중벽 탄소나노튜브), MWNT(다중벽탄소나노튜브), 탄소나노와이어, 탄소나노섬유 또는 탄소나노로드일 수 있다.
또한, 상기 전도성 나노 구조물은 코로나 방전을 위해 단위 면적당 전하밀도가 높아야 하는 구조를 가져야 하므로 뾰족하거나 긴 형태를 포함하여야 하며, 예를 들면, 침상형, 와이어형, 로드형, 나노헤어, 나노섬유, 나노콘 또는 나노튜브형 등의 구조를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 중공형의 나노튜브형을 사용하므로써, 시료가스와의 표면적을 넓힐 수 있어 코로나 방전이 보다 효율적으로 일어날 수 있다.
상기 금속 촉매는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 우라늄(U), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 합금을 사용할 수 있다.
상기 스페이서는 상기 다공성 기판과 상대전극을 전기적으로 격리시키는 역할을 할 수 있는 절연성 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 이산화규소(SiO2), 산화알루미륨(Al2O3), 산화탄탈륨(Ta2O5), 산화지르코늄(ZrO2), 이산화하프늄(HfO2), 이산화타이타늄(TiO2) 등을 포함하는 산화막과 산화질화규소(SiON), 질화규소(Si3N4) 등을 포함하는 질화막 또는 하프늄 실리콘 옥시나이트라이드(HfSiON), 하프늄실리케이트(HfSiXOY, 이때 0.1<X<9 이고, 2<Y<4 이다.) 등을 포함하는 하프늄(Hf) 계열의 절연막 등을 사용할 수 있다.
상기 스페이서에 의해 형성된 다공성 기판과 상대전극 사이의 공간은 진공을 유지될 수 있으며, 상기 사이 공간을 통해 시료가스가 유동될 수 있다.
또한, 일 구현예에 따르면, 상기 검출소자를 포함하는 가스센서는, 도 3 에서 보는 바와 같이,
시료가스가 유입되는 유입구가 형성된 하우징;
상기 입구를 통해 유입된 가스를 검출하는 검출소자를 포함하는 검출기 본체; 및
상기 검출기 본체의 시료가스를 배출시키는, 배출구를 구비하는 것일 수 있다.
상기 배출구는 검출기 본체에 공급된 시료 가스 중 코로나 방전에 의해 이온화 또는 절연파괴되지 않고 잔류하는 시료 가스를 검출기 본체로부터 배출시키는 것일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 검출 소자를 포함하는 검출기 본체 부분은 진공 상태일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 시료 가스의 유입구에는 시료가스의 유량을 조절하는 유량 조절기가 구비되어 있을 수 있으며, 예를 들면, 니들 밸브(needle valve)가 구비되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 가스 센서를 이용하여 시료 가스의 종류 및 농도를 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 가스 검출 방법은,
상기 가스 센서에 시료 가스를 공급하는 단계;
상기 가스 센서에 DC 전압을 인가하여 나노 구조물이 형성된 다공성 전극 내부에 코로나 방전을 발생시키는 단계;
상기 코로나 방전에 의해 시료 가스가 이온화 및 절연파괴되는 단계; 및
상기 시료 가스의 절연파괴전압을 측정하는 단계를 포함하는 방법으로 가스를 검출할 수 있다.
코로나 방전에 의한 시료 가스의 검출 방법은, 시료 가스를 검출 소자에 투입한 후 DC 전압을 점차적으로 증가하면서 인가하여, 시료 가스의 이온화에 의한 절연파괴를 유도하고, 이때, 절연파괴가 발생되는 시점의 전압 및 전류를 측정하여 시료가스의 성분 및 농도를 분석할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<제조예> 다공성 실리콘 웨이버의 전기화학적 제조방법
순수한 p-type 의 실리콘 단결정 웨이퍼 (boron doped, <100>, 0.0008~0.0012Ω/cm)를 이용하였으며, Kithley 2420 모델을 이용하여 정전류를 흘려주어 전기화학적 식각을 통해 다공성 실리콘을 제작하였다. 식각 용매로는 HF용액 (48% by weight: Fisher Scientific)과 무수 에탄올 (Fisher Scien- tific)을 사용하였다. 대상기판으로는 2 inch 웨이퍼를 사용하였다. 전기화학적 식각을 하기 전에 웨이퍼의 표면에 이물질이 존재하지 않도록 에탄올로 2~3 회 씻은 후 Ar gas 를 이용하여 표면처리를 해준다. 전기화학적 식각을 하기 위하여 도 1 의 장치에 실리콘 웨이퍼를 고정화 시킨 후 컴퓨터에 의해 조절되는 current power source 를 이용해서 정전류를 흘려준다. 전기화학적 부식을 수행하기 위한 용매는 48% HF 와 에탄올을 3:1의 부피비로 혼합하여 사용하였다. 전기화학적 식각은 두 개의 전극을 사용하여 Teflon cell 안에서 수행하였다. 양극으로 백금선을 사용하였으며 음극으로는 알루미늄 foil 을 사용하였다. 식각에 사용되는 전류는 50 mA/cm2 의 전류밀도로 흘려주면서 진행하였다.
< 실시예 1> 다공성 Si 상에 CVD법으로 증착된SWCNT 기판의 제조
양극산화를 통한 다공성 실리콘 기판 위에 Fe, Ni, Co, 등의 금속을 마그네트론 스퍼터링을 방법을 이용하여 증착하고, 이 시료를 열화학기상증착법 장치에 장입하고 850℃의 온도에서 NH3, H2 등의 가스로 시료의 촉매금속을 식각하여 나노 사이즈의 작은 그레인들을 형성시킨다. 이 때 최종적인 촉매의 직경은 처리시간을 조절하여 수십나노미터 이하로 결정된다. 나노 사이즈의 촉매금속 그레인들 위에 20sccm 의 유량으로 다양한 탄화수소 가스를 공급하여 탄소나노튜브를 합성을 진행한다. 이 때, 탄소나노튜브의 직경은 식각 가스의 유량을 조절하여 결정된 촉매금속의 크기에 의해 결정된다. 상기와 같이 제조된 다공성 기판의 SEM 화상을 도 5 에 나타내었다.
< 비교예 1> 다공성 Si 상에 스프레이법으로 증착된 SWCNT 기판의 제조
전기화학적 산화법으로 제조된 다공성 실리콘 웨이퍼상에 스프레이 분사법을 이용하여 SWCNT 를 형성시킨 기판을 제조하였다. 스프레이 분사법에 사용된 탄소나노튜브 분산용액은 DMF 용매에 5wt%의 기상증착법으로 합성된 단일벽탄소나노튜브를 초음파를 이용하여 분산시킨 용액을 이용하였다.
< 실험예 1> 다공성 구조와 평판 구조의 검출성능 비교
상기 실시예 1 및 비교예 1 에서 제조된 기판상에 스페이서와 상대전극을 결합하여 가스검출 소자를 제작하였다. 가스 검출 소자를 챔버에 넣은 후 전극을 연결하고, 소자에 N2, O2, Ar 등의 기체를 주입한 다음, keithely 2400 전원 공급기를 이용하여, 3V/um 의 전기장이 형성될 수 있는 전압을 인가했다. 기체의 코로나 방전시에 발생하는 전기적 변화(절연 파괴전압 및 전류)를 측정하여 하기 도 6 및 도 7 에 나타내었다.
도 6에 의하면, 다공성 기판상에 SWCNT를 형성시킨 구조를 사용하는 실시예 1의 검출 소자에서 더 높은 전류 밀도를 나타내었으며, 이는 다공성 기판 구조로부터 표면적이 넓어진 기판 구조에 의해 SWCNT 구조물 주변에 반응이 일어나는 시료가스의 농도가 더 높은 것을 의미할 수 있으며, 절연파괴가 일어나는 전기장의 크기 계시전계가 다공성의 구조의 검출소자가 더 작은 값을 나타낸다. 이로부터, 다공성 구조의 검출 소자에서의 반응이 더 효율적임을 알 수 있다.
도 7에서는 F-N plot 이 직선의 형태를 나타내는 것으로부터 소자의 전류의 성분이 전자 방출 전류임을 알 수 있으며, 다공성 구조가 평판의 구조에서보다 더 높은 전류량을 나타내는 것으로부터 다공성 구조의 검출 소자에서 더 많은 전자 방출 전류가 유도되는 것을 알 수 있다.
< 실험예 2> 다공성 Si - SWCNT 기판을 이용한 시료 기체의 검출
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 다공성 기판을 이용하여 N2, O2, Ar 기체의 절연파괴전압 및 방전 전류를 측정하여 도 8 및 도 9에 나타내었다.
도 8의 측정결과에 따르면, 각각의 기체의 절연파괴전압은 시료가스의 농도 변화에도 거의 일정하게 나타나며, 이는 가스 검출에 있어서 지문과 같이 작용될 수 있다. 즉, 각각의 기체에 대한 절연파괴전압 값을 지표로하여 미지의 시료에 포함된 가스의 성분을 유추할 수 있게 된다.
또한, 도 8은 화학기상증착에 의해 다공성 기판에 형성된 나노구조물을 포함하는 검출 소자가 스프레이법으로 증착된 다공성 기판보다 더 낮은 절연파괴 전압을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 기판의 일함수와 같은 전기적 특성과 관련된 것일 수 있다.
또한, 도 9의 측정결과에 따르면, 각각의 기체의 절연파괴전압을 시료가스에 인가하였을 때 유도되는 방전전류를 측정할 경우 특정 크기의 방전 전류가 유도되는 것을 알 수 있으며, 투입되는 시료가스의 농도가 높아짐에 따라, 상기 농도에 비례하여 방전 전류가 증가하는 것을 알 수 있다. 이로부터, 미지시료의 절연파괴전압에서의 방전 전류를 측정하는 것으로 미지 시료의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 다공성 구조상에 나노 구조물이 형성된 기판을 가스 검출 소자로서 포함하며, 상기 소자로 코로나 방전을 통한 검출 방법을 이용함으로써, 여러 종류의 시료 가스의 검출이 가능할 뿐만 아니라, 농도까지 측정가능한 가스 센서를 제공할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (16)

  1. 복수개의 공극을 구비한 다공성 기판 및 상기 공극 내에 형성된 전도성 나노구조물로 이루어진 감지 수단을 포함하고,
    상기 감지 수단은 금속전극층 상에 구비되고, 상기 감지 수단 상에 스페이서에 의해 소정 간격 이격되어 위치하는 상대전극을 포함하며,
    상기 상대전극에 전압을 인가함으로써 상기 다공성 기판의 공극에 형성된 전도성 나노 구조물에 의해 코로나 방전이 일어나는 것인 가스 검출 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 나노구조물의 재료는 탄소, ZnO, In2O3 및 Bi2S3로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 가스 검출 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 나노구조물이 침상형, 와이어형, 로드형, 나노헤어, 나노섬유 및 나노튜브형에서 선택되는 하나 이상의 형상을 갖는 것인 가스 검출 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 기판은 금속 기판을 전기적으로 산화시켜 얻은 것인 가스 검출 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조물이 탄소나노튜브인 가스 검출 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 화학기상증착법(CVD)로 형성된 것인 가스 검출 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서에 의해 형성된 다공성 기판과 상대전극 사이의 공간이 진공으로 유지되는 것인 가스 검출 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코로나 방전이 양극 코로나 방전인 가스 검출 소자.
  11. 제1항, 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 가스 검출 소자를 포함하는 가스 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    시료가스가 유입되는 유입구가 형성된 하우징;
    상기 유입구를 통해 유입된 가스를 검출하는 검출소자를 포함하는 검출기 본체; 및
    상기 검출기 본체 내에 시료가스를 배출시키는, 배출구를 구비하는 것인 가스 센서.
  13. 제11항에 따른 가스 센서에 시료 가스를 공급하는 단계;
    상기 가스 센서에 전압을 인가하여 나노 구조물이 형성된 다공성 기판의 공극에서 코로나 방전을 발생시키는 단계;
    상기 코로나 방전에 의해 시료 가스가 이온화 및 절연파괴되는 단계; 및
    상기 시료 가스의 절연파괴전압을 측정하는 단계를 포함하는 가스 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 인가되는 전압을 점차적으로 증가시켜, 측정 가스의 절연파괴가 발생하는 절연파괴전압을 측정하고, 이로부터 가스의 종류를 구별하는 것인 가스 검출 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 절연파괴전압의 크기는 상기 시료 가스의 농도변화에 영향을 받지 않는 것인 가스 검출 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시료 가스의 농도가 높아짐에 따라, 방전 전류의 크기가 증가하는 것인 가스 검출 방법.
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