KR102627784B1 - Hydrogen gas sensor and Method for manufacturing thereof - Google Patents

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KR102627784B1
KR102627784B1 KR1020210178524A KR20210178524A KR102627784B1 KR 102627784 B1 KR102627784 B1 KR 102627784B1 KR 1020210178524 A KR1020210178524 A KR 1020210178524A KR 20210178524 A KR20210178524 A KR 20210178524A KR 102627784 B1 KR102627784 B1 KR 102627784B1
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Abstract

본 발명은 수소 가스 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 상온작동이 가능함과 동시에, 수소 가스에 대한 높은 민감도 및 선택성을 가지는 수소 가스 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 가스 센서는 금속산화물층; 상기 금속산화물층 상 서로 이격 위치하는 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 위치하는 금속 나노입자층; 상기 금속 나노입자층 상에 위치하는 고분자층; 및 상기 고분자층 상에 위치하며, 금속산화물, 금속 나노입자 및 실리케이트를 함유하는 다공성 색변환감지층;을 포함한다.
The present invention relates to a hydrogen gas sensor, and more specifically, to a hydrogen gas sensor capable of operating at room temperature and having high sensitivity and selectivity to hydrogen gas, and a method of manufacturing the same.
The hydrogen gas sensor according to the present invention includes a metal oxide layer; A first electrode and a second electrode positioned spaced apart from each other on the metal oxide layer; a metal nanoparticle layer located in an area where the first electrode and the second electrode are spaced apart; A polymer layer located on the metal nanoparticle layer; and a porous color conversion sensing layer located on the polymer layer and containing metal oxide, metal nanoparticles, and silicate.

Description

수소 가스 센서 및 이의 제조방법 {Hydrogen gas sensor and Method for manufacturing thereof}Hydrogen gas sensor and method for manufacturing same {Hydrogen gas sensor and Method for manufacturing thereof}

본 발명은 수소 가스 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 수소 가스에 대한 높은 민감도 및 선택성을 가지는 수소 가스 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen gas sensor, and more specifically, to a hydrogen gas sensor with high sensitivity and selectivity to hydrogen gas and a method of manufacturing the same.

화석연료의 고갈 및 환경오염 문제로 인해 대두되고 있는 수소 에너지는 산업용 기초소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지, 핵융합에너지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 가능성을 지니고 있다. Hydrogen energy, which is emerging due to the depletion of fossil fuels and environmental pollution problems, has the potential to be used in almost all fields used in the current energy system, including basic industrial materials, general fuels, hydrogen cars, hydrogen airplanes, fuel cells, and nuclear fusion energy. I have it.

하지만, 수소가스는 폭발농도범위가 넓고(4~75%), 발화에너지가 작아 미세한 정전기에도 쉽게 발화되기 때문에 누출된 양이 미량이라도 매우 위험할 수 있다. 이에, 수소 누출에 의한 대형사고 및 인명 피해를 줄이기 위해 수소가스를 빠르고 정확하게 탐지할 수 있는 고성능 센서가 요구된다. However, hydrogen gas has a wide explosive concentration range (4-75%) and small ignition energy, so it is easily ignited by even the slightest static electricity, so even a small amount of hydrogen gas leaked can be very dangerous. Accordingly, high-performance sensors that can quickly and accurately detect hydrogen gas are required to reduce major accidents and casualties caused by hydrogen leaks.

현재까지 촉매연소 또는 열선을 사용한 센서, SiO2, AlN 금속산화(질화)물 반도체, 그리고 벌크 Pd, Pt에 SiC, GaN등을 이용하여 2극 구조의 숏키 장벽 다이오드(Schottky barrier diode)를 사용한 센서 등 다양한 수소 가스 센서가 개발되고 있지만, 이들은 크기가 크고 구조가 복잡할 뿐만 아니라 가격도 고가이다. 또한 300 ℃이상의 고온에서 동작하므로 소비전력이 클 뿐만 아니라 수소에 대한 민감도가 떨어지는 등의 한계성을 지니고 있다.To date, sensors using catalytic combustion or heat wire, SiO2, AlN metal oxide (nitride) semiconductors, and sensors using Schottky barrier diodes with a two-pole structure using bulk Pd, Pt, SiC, GaN, etc. Although various hydrogen gas sensors are being developed, they are not only large in size and complex in structure, but also expensive. In addition, since it operates at a high temperature of over 300 ℃, it not only consumes a lot of power, but also has limitations such as low sensitivity to hydrogen.

이에, 대한민국 등록특허공보 제10-0870126호 'Pd 나노와이어를 이용한 수소 가스 센서 제조방법'에 개시된 바와 같이, 수소 가스 센서로서 성능을 최적화할 수 있는 수소 가스 센서 재료 및 구조에 대한 연구가 진행중에 있으나, 여전히 상온에서 수소 가스에 대한 높은 민감도를 가질 수 있도록 작동하는 센서에 대한 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, as disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 10-0870126, 'Method for manufacturing hydrogen gas sensor using Pd nanowire', research on hydrogen gas sensor materials and structures that can optimize performance as a hydrogen gas sensor is in progress. However, there is still a need to develop a sensor that operates with high sensitivity to hydrogen gas at room temperature.

: 대한민국 등록특허공보 제10-0870126호: Republic of Korea Patent Publication No. 10-0870126

본 발명의 목적은 상온 작동이 가능함과 동시에, 수소 가스에 대한 높은 민감도 및 선택성을 가지는 수소 가스 센서를 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a hydrogen gas sensor that can operate at room temperature and has high sensitivity and selectivity for hydrogen gas.

본 발명의 또 다른 목적은 고감도로 수소 가스를 센싱할 수 있는 수소 가스 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a hydrogen gas sensor capable of sensing hydrogen gas with high sensitivity.

본 발명에 따른 수소 가스 센서는 금속산화물층; 상기 금속산화물층 상 서로 이격 위치하는 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 위치하는 금속 나노입자층; 상기 금속 나노입자층 상에 위치하는 고분자층; 및 상기 고분자층 상에 위치하며, 금속산화물, 금속 나노입자 및 실리케이트를 함유하는 다공성 색변환감지층;을 포함한다.The hydrogen gas sensor according to the present invention includes a metal oxide layer; A first electrode and a second electrode positioned spaced apart from each other on the metal oxide layer; a metal nanoparticle layer located in an area where the first electrode and the second electrode are spaced apart; A polymer layer located on the metal nanoparticle layer; and a porous color conversion sensing layer located on the polymer layer and containing metal oxide, metal nanoparticles, and silicate.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 다공성 색변환감지층의 상기 금속산화물의 금속은 아연(Zn), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W))으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the metal of the metal oxide of the porous color conversion sensing layer is a group consisting of zinc (Zn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and tungsten (W). It may be any one or more selected from.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 다공성 색변환감지층의 상기 금속나노입자의 금속은 팔라듐일 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the metal of the metal nanoparticles of the porous color conversion sensing layer may be palladium.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 실리케이트는 C1-4 알콕시실란계 화합물의 축합반응에 의해 제조된 것일 수 있다. In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the silicate may be manufactured by a condensation reaction of a C 1-4 alkoxysilane-based compound.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 다공성 색변환감지층에 포함되는 상기 금속산화물 : 상기 금속 나노입자 : 상기 실리케이트의 중량비는 1 : 0.5~1.5 : 0.1~0.5일 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the weight ratio of the metal oxide: the metal nanoparticle: the silicate included in the porous color conversion sensing layer may be 1:0.5 to 1.5:0.1 to 0.5.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역의 상기 금속산화물층 표면은 상기 금속 나노입자층이 위치하는 제1영역과, 금속 나노입자층이 위치하지 않는 제2영역을 포함할 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the surface of the metal oxide layer in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart includes a first area where the metal nanoparticle layer is located, and a surface where the metal nanoparticle layer is located. It may include a second region that is not used.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 제2영역의 면적은 상기 제1전극 및 제2전극에 의해 구획된 상기 금속산화물층 표면의 총 면적 중 50 % 내지 90%일 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the area of the second region may be 50% to 90% of the total area of the surface of the metal oxide layer partitioned by the first electrode and the second electrode. .

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 고분자층의 고분자는 아크릴레이트계 고분자일 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the polymer of the polymer layer may be an acrylate-based polymer.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 고분자층의 고분자는 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트일 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the polymer of the polymer layer may be non-porous polymethyl methacrylate.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 금속산화물층은 유연기판 상에 위치할 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the metal oxide layer may be located on a flexible substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 금속산화물층은 수축필름 상에 위치할 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, the metal oxide layer may be located on the shrink film.

본 발명에 따른 수소 가스 센서의 제조방법은 a) 절연층 일면에 금속산화물층을 형성하는 단계; b) 상기 절연층과 접하지 않는 금속산화물층 일면에 서로 이격되는 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계; c) 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 1 내지 5nm 두께의 금속 나노입자층을 형성하는 단계; d) 상기 금속 나노입자층 상에 고분자층을 형성하는 단계; e) 금속산화물 및 금속 나노입자를 포함하는 제1용액과 및 C1-4 알콕시실란계 화합물을 포함하는 제2용액을 혼합하여 코팅액을 제조하는 단계; 및 f) 상기 코팅액을 상기 고분자층 상에 도포 및 건조하여 다공성 색변환감지층을 형성하는 단계;를 포함한다.The method of manufacturing a hydrogen gas sensor according to the present invention includes the steps of a) forming a metal oxide layer on one surface of the insulating layer; b) forming a first electrode and a second electrode spaced apart from each other on one surface of the metal oxide layer that is not in contact with the insulating layer; c) forming a metal nanoparticle layer with a thickness of 1 to 5 nm in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart; d) forming a polymer layer on the metal nanoparticle layer; e) preparing a coating solution by mixing a first solution containing metal oxide and metal nanoparticles and a second solution containing a C 1-4 alkoxysilane compound; and f) forming a porous color conversion sensing layer by applying and drying the coating solution on the polymer layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에 있어서, 상기 f) 단계는 상기 C1-4 알콕시실란계 화합물이 축합반응되어 실리케이트로 전환될 수 있다.In the method for manufacturing a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, in step f), the C 1-4 alkoxysilane-based compound may be converted to a silicate through a condensation reaction.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 제조방법에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 금속 나노입자층은 상기 금속산화물층 표면의 일부영역에 증착되어 형성될 수 있다.In the method of manufacturing a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, in step c), the metal nanoparticle layer may be formed by depositing on a partial area of the surface of the metal oxide layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, d) 단계는 용매에 용해된 폴리메틸메타크릴레이트를 상기 금속 나노입자층 상에 도포 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, step d) may include applying and drying polymethyl methacrylate dissolved in a solvent on the metal nanoparticle layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서에 있어서, 상기 d1) 단계에서, 상기 용매는 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물일 수 있다.In the hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention, in step d1), the solvent may be a halogenated alkoxy benzene compound.

본 발명에 따른 수소 가스 센서는 금속산화물층-금속 나노입자층-고분자층-다공성 색변환감지층 순으로 적층된 구조를 통해, 상온작동이 가능함과 동시에 수소 가스에 대한 높은 민감도 및 선택성을 가질 수 있다 The hydrogen gas sensor according to the present invention has a structure in which a metal oxide layer, a metal nanoparticle layer, a polymer layer, and a porous color conversion sensing layer are laminated in that order, enabling room temperature operation and at the same time having high sensitivity and selectivity to hydrogen gas.

또한, 본 발명에 따른 수소 가스 센서는 전기적 방식에 의한 수소 감지 및 광학적인 방식에 의한 수소 감지를 동시에 수행하여 수소 가스를 고감도로 신뢰성 높게 측정할 수 있다. In addition, the hydrogen gas sensor according to the present invention can measure hydrogen gas with high sensitivity and reliability by simultaneously detecting hydrogen by electrical method and hydrogen detection by optical method.

아울러, 본 발명에 따른 수소 가스 센서는 10 nW 이하의 낮은 전력으로도 구동이 가능하다는 장점이 있다.In addition, the hydrogen gas sensor according to the present invention has the advantage of being able to be driven with low power of 10 nW or less.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 측면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고분자층의 주사전자현미경 사진,
도 4는 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 수소 감응 테스트 결과를 나타내는 사진,
도 5는 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 수소 농도별 검지테스트 결과 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 반복 검지테스트 결과 그래프,
도 7은 도 1에 도시된 수소 가스 센서의 수소 가스 선택성 검지테스트 결과 그래프이다.
1 is a perspective view of a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a side view of the hydrogen gas sensor shown in Figure 1;
Figure 3 is a scanning electron microscope photograph of a polymer layer according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a photograph showing the results of a hydrogen sensitivity test of the hydrogen gas sensor shown in Figure 1;
FIG. 5 is a graph of detection test results for each hydrogen concentration of the hydrogen gas sensor shown in FIG. 1.
Figure 6 is a graph showing the results of a repeated detection test of the hydrogen gas sensor shown in Figure 1;
FIG. 7 is a graph showing the results of a hydrogen gas selectivity detection test of the hydrogen gas sensor shown in FIG. 1.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Unless otherwise defined, the technical and scientific terms used in this specification have the meanings commonly understood by those skilled in the art to which this invention pertains, and the gist of the present invention is summarized in the following description and accompanying drawings. Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Additionally, as used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, units used without special mention in this specification are based on weight, and as an example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and weight % refers to the amount of any one component of the entire composition unless otherwise defined. It refers to the weight percent occupied in the composition.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used in this specification includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all double-defined values, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of the lower bounds. Unless otherwise specified in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental error or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. The term 'comprise' in this specification is an open description with the same meaning as expressions such as 'comprising', 'contains', 'has' or 'characterized by', and includes elements that are not additionally listed, Does not exclude materials or processes.

종래 수소 가스 센서는 촉매연소 또는 열선을 사용한 센서, SiO2, AlN 금속산화(질화)물 반도체, 그리고 벌크 Pd, Pt에 SiC, GaN등을 이용하여 2극 구조의 숏키 장벽 다이오드(Schottky barrier diode)를 사용한 센서 등이 개발되고 있다. 그러나, 이들은 크기가 크고 구조가 복잡할 뿐만 아니라 가격도 고가이다. 또한 300℃ 이상의 고온에서 동작하므로 소비전력이 클 뿐만 아니라 수소에 대한 민감도가 떨어지는 등의 한계성을 지니고 있다.Conventional hydrogen gas sensors include sensors using catalytic combustion or heat wire, SiO 2 , AlN metal oxide (nitride) semiconductors, and Schottky barrier diodes with a two-pole structure using bulk Pd and SiC and GaN for Pt. Sensors using , etc. are being developed. However, they are not only large in size and complex in structure, but also expensive. Additionally, since it operates at a high temperature of over 300℃, it not only consumes a lot of power but also has limitations such as low sensitivity to hydrogen.

또한, 수소 가스에 노출 시, 색변환되는 수소 가스 변색 안료를 통해 수소 가스를 감지하는 센서 들이 개발되었으나, 수소 가스 노출에 따라 변화되는 색상이 육안으로 식별 가능할 정도로 높지 않으며, 감도가 낮아, 실질적으로 수소 가스 센서로서 사용되기 어렵다는 단점이 있다.In addition, sensors that detect hydrogen gas through hydrogen gas discoloration pigments that change color when exposed to hydrogen gas have been developed, but the color that changes depending on exposure to hydrogen gas is not high enough to be discerned with the naked eye, and the sensitivity is low, making it virtually impossible to detect hydrogen gas. It has the disadvantage of being difficult to use as a hydrogen gas sensor.

본 발명에 따른 수소 가스 센서는 금속산화물층; 상기 금속산화물층 상 서로 이격 위치하는 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 위치하는 금속 나노입자층; 상기 금속 나노입자층 상에 위치하는 고분자층; 및 상기 고분자층 상에 위치하며, 금속산화물, 금속 나노입자 및 실리케이트를 함유하는 다공성 색변환감지층;을 포함하는 것으로, 감지부로서, 금속산화물층-금속 나노입자층-고분자층- 다공성 색변환감지층 순으로 적층된 구조를 포함함에 따라, 상온작동이 가능함과 동시에 수소 가스에 대한 높은 민감도 및 선택도를 가질 수 있다. 또한, 전기적 방식에 의한 수소 감지 및 변색과 같은 광학적인 방식에 의한 수소 감지를 동시에 수행하여 수소 가스를 고감도로 신뢰성 높게 측정할 수 있다. The hydrogen gas sensor according to the present invention includes a metal oxide layer; A first electrode and a second electrode positioned spaced apart from each other on the metal oxide layer; a metal nanoparticle layer located in an area where the first electrode and the second electrode are spaced apart; A polymer layer located on the metal nanoparticle layer; and a porous color conversion sensing layer located on the polymer layer and containing metal oxide, metal nanoparticles, and silicates, wherein, as a sensing unit, a metal oxide layer-metal nanoparticle layer-polymer layer-porous color conversion detection layer is included. By including a structure in which layers are stacked in order, room temperature operation is possible and at the same time, it can have high sensitivity and selectivity to hydrogen gas. In addition, hydrogen gas can be measured with high sensitivity and reliability by simultaneously detecting hydrogen by an electrical method and detecting hydrogen by an optical method such as discoloration.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 가스 센서가 도시되어 있다.1 to 2 show a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 실시예에 따른 수소 가스 센서에 대해 상세히 설명한다. 첨부한 도면은 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다. Hereinafter, a hydrogen gas sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The attached drawings are provided as examples in order to sufficiently convey the technical idea of the present invention to technicians, and the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in many other forms.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 수소 가스 센서는, 기판(10), 기판(10)상에 위치하는 금속산화물층(15); 상기 금속산화물층(15) 상 서로 이격 위치하는 제1전극(21)과 제2전극(23); 상기 제1전극(21)과 제2전극(23)이 이격된 영역에 위치하는 금속 나노입자층(30); 상기 금속 나노입자층(30) 상에 위치하는 고분자층(50); 및 상기 고분자층(50) 상에 위치하며, 금속산화물, 금속 나노입자 및 실리케이트를 함유하는 다공성 색변환감지층(70);을 포함한다. Referring to Figures 1 and 2, the hydrogen gas sensor of the present invention includes a substrate 10, a metal oxide layer 15 located on the substrate 10; A first electrode 21 and a second electrode 23 spaced apart from each other on the metal oxide layer 15; a metal nanoparticle layer 30 located in an area where the first electrode 21 and the second electrode 23 are spaced apart; a polymer layer 50 located on the metal nanoparticle layer 30; and a porous color conversion sensing layer 70 located on the polymer layer 50 and containing metal oxide, metal nanoparticles, and silicate.

구체적으로, 기판(10)은 절연성을 가지는 소재로 이루어진 것이라면 크게 제한되지 않으나, 다공성 색변환감지층(70)의 수소 가스 노출 여부에 따른 색변화를 육안으로 손쉽게 감지할 수 있도록 투명한 소재로 제조되는 것이 바람직하다. 일 예로 기판(10)은 유리일 수 있다.Specifically, the substrate 10 is not greatly limited as long as it is made of an insulating material, but is made of a transparent material so that the color change of the porous color conversion sensing layer 70 due to exposure to hydrogen gas can be easily detected with the naked eye. It is desirable. For example, the substrate 10 may be glass.

바람직하게, 기판(10)은 광투과성 유연기판으로, 금속산화물층(15)은 유연기판 상에 위치할 수 있다. 일 예로, 유연기판은 유연성 폴리이미드 또는 유연성 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같은 유연기판을 포함하는 수소 가스 센서는 유연성을 가질 수 있고, 이에, 누출위험도가 높으며, 가스 봄베, 배관, 밸브 등의 굴곡된 위치에 설치될 수 있어, 활용도가 더욱 높아질 수 있다. 아울러, 곡면을 형성하는 위치에 밀착되어 설치될 수 있어, 수소 가스의 누출을 센싱함과 동시에 누출 위험을 방지할 수 있다.Preferably, the substrate 10 is a light-transmissive flexible substrate, and the metal oxide layer 15 may be located on the flexible substrate. For example, the flexible substrate may be flexible polyimide or flexible polyethylene terephthalate, but is not limited thereto. A hydrogen gas sensor including such a flexible substrate can be flexible, has a high risk of leakage, and can be installed in curved positions such as gas cylinders, pipes, valves, etc., thereby further increasing its usability. In addition, it can be installed in close contact with a position forming a curved surface, thereby detecting leakage of hydrogen gas and preventing the risk of leakage.

또는 기판(10)은 수축필름으로, 금속산화물층(15)은 수축필름 상에 위치할 수 있다. 수축필름은 유연함과 동시에 열과 같은 외력에 의해 수축이 가능한 소재일 수 있다. 구체적으로, 폴리에스테르(Polyester, PET), 배향성 폴리스티렌(Oriented polystyrene, OPS), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 및 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 고분자로 이루어진 소재일 수 있다. 이와 같은 수축필름를 포함하는 수소 가스 센서는 배관, 봄베 및 저장탱크 등 여러 설치위치와 대응되는 형상으로 변형되어 설치위치에 한정되지 않고 설치될 수 있으며, 수축에 의해 쉽게 설치되어, 설치가 매우 손쉽게 이루어질 수 있다. Alternatively, the substrate 10 may be a shrink film, and the metal oxide layer 15 may be located on the shrink film. Shrink film can be a material that is flexible and can be contracted by external forces such as heat. Specifically, it consists of one or more polymers selected from the group consisting of polyester (PET), oriented polystyrene (OPS), polyvinyl chloride (PVC), and polypropylene (PP). It could be material. A hydrogen gas sensor containing such a shrink film can be installed without being limited to the installation location by being transformed into a shape that corresponds to various installation locations such as pipes, bombs, and storage tanks. It is easily installed by shrinking, making installation very easy. You can.

상술한 바와 같이, 금속산화물층(15)-금속 나노입자층(30)-고분자층(50)- 다공성 색변환감지층(70)은 수소를 감지하는 감지부이다. 구체적으로, 제1 및 제2전극에 전원을 공급한 상태에서 감지부에 수소 가스가 노출될 경우, 수소 가스가 다공성 색변환감지층(70)에 흡착되며, 색변화를 통해 육안으로 감지할 수 있고, 다공성 색변환감지층(70)을 통과한 수소 가스는 고분자층(50)을 통해 금속산화물층(15) 및 금속 나노입자층(30)에 도달하며, 금속산화물층(15) 및 금속 나노입자층(30)에 수소가 흡착되며 전기적 특성이 변화하여 수소를 검지할 수 있다.As described above, the metal oxide layer 15-metal nanoparticle layer 30-polymer layer 50-porous color conversion sensing layer 70 is a sensing unit that detects hydrogen. Specifically, when hydrogen gas is exposed to the sensing unit while power is supplied to the first and second electrodes, the hydrogen gas is absorbed into the porous color conversion sensing layer 70 and can be detected with the naked eye through color change. The hydrogen gas that has passed through the porous color conversion sensing layer 70 reaches the metal oxide layer 15 and the metal nanoparticle layer 30 through the polymer layer 50. Hydrogen is adsorbed on (30) and the electrical properties change, allowing hydrogen to be detected.

금속산화물층(15)은 금속산화물(MOx)로 이루어진 것으로, 산화 재질정도에 따라 Ox가 O1 내지 O10에서 선택될 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 금속산화물층(15)의 금속은 수소 흡착능을 가지는 것이면 한정되지 않는다. 일 예로, 금속산화물층(15)의 금속은 주석일 수 있으며, 금속산화물층(15)은 주석산화물(SnO2)층일 수 있다. 주석산화물층은 타 금속산화물층(15)에 비해 면적대비 수소 흡착률이 높아 저농도 수소 가스도 센싱이 가능하도록 한다The metal oxide layer 15 is made of metal oxide (MO x ), and O x may be selected from O 1 to O 10 depending on the degree of oxidation material, but is not limited thereto. The metal of the metal oxide layer 15 is not limited as long as it has hydrogen adsorption capacity. For example, the metal of the metal oxide layer 15 may be tin, and the metal oxide layer 15 may be a tin oxide (SnO 2 ) layer. The tin oxide layer has a higher hydrogen adsorption rate compared to other metal oxide layers (15), making it possible to sense even low-concentration hydrogen gas.

금속산화물층(15)의 두께는 5 내지 300 ㎚, 상세하게 30 내지 200 ㎚ 일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다만, 상기 범위에서 두께 대비 높은 수소 감응을 나타낼 수 있다. The thickness of the metal oxide layer 15 may be 5 to 300 nm, specifically 30 to 200 nm, but is not limited thereto. However, within the above range, it can exhibit high hydrogen sensitivity compared to the thickness.

금속 나노입자층(30)은 금속산화물층(15) 상 제1,2전극이 이격된 영역에 위치하는 것으로, 금속산화물층(15) 상에 불연속적인 금속 나노입자로 분산되어 위치한다. 구체적으로, 금속 나노입자는 0차원 입자 또는 0차원 입자의 응집체로 존재할 수 있다. 구체예로, 금속 나노입자는 평균 반경이 0.5 내지 1nm인 응집체로 이루어질 수 있다. 금속은 팔라듐인 것이 수소 흡착능에 있어서, 유리하며, 이와 같은 금속 나노입자층(30)은 전도성과 우수한 수소흡착능을 동시에 가짐에 따라 다량의 수소 가스를 흡착할 수 있으며, 고감도 센싱이 가능하도록 한다. The metal nanoparticle layer 30 is located on the metal oxide layer 15 in an area where the first and second electrodes are spaced apart, and is located by discontinuous metal nanoparticles dispersed on the metal oxide layer 15. Specifically, metal nanoparticles may exist as zero-dimensional particles or aggregates of zero-dimensional particles. As a specific example, the metal nanoparticles may be made of aggregates with an average radius of 0.5 to 1 nm. It is advantageous for the metal to be palladium in terms of hydrogen adsorption capacity, and this metal nanoparticle layer 30 has both conductivity and excellent hydrogen adsorption capacity, so it can adsorb a large amount of hydrogen gas and enables highly sensitive sensing.

금속 나노입자층(30)의 두께는 수소 흡착이 가능한 두께라면 한정되지 않으나, 바람직하게 팔라듐 나노입자층의 두께는 1 내지 5 nm, 구체적으로 2 내지 4 nm 일 수 있다. The thickness of the metal nanoparticle layer 30 is not limited as long as it is capable of hydrogen adsorption, but preferably the palladium nanoparticle layer has a thickness of 1 to 5 nm, specifically 2 to 4 nm.

상술한 바와 같이, 금속 나노입자층(30)의 금속이 팔라듐(팔라듐 나노입자층)이고, 금속산화물층(15)의 금속이 주석(주석산화물층)일 경우, 수소 가스 센서의 수소 흡착능에 있어서 매우 유리할 수 있다. 특히, 팔라듐 나노입자층이 특정영역, 즉, 금속산화물층(15) 상 제1전극 및 제2 전극이 이격된 영역에 위치함에 따라 높은 민감도로 수소가스 센싱이 가능하다. 팔라듐 나노입자는 상기 영역에서 불연속인 입자로 분산되어 있으며, 바람직하게, 팔라듐 나노입자는 제1전극과 제2전극이 이격된 영역의 주석산화물층 표면의 일부영역에만 분포되어, 제1전극과 제2전극이 이격된 영역의 주석산화물층 표면이 팔라듐 나노입자층이 위치하는 제1영역과, 팔라듐 나노입자층이 위치하지 않는 제2영역을 포함할 수 있다. As described above, when the metal of the metal nanoparticle layer 30 is palladium (palladium nanoparticle layer) and the metal of the metal oxide layer 15 is tin (tin oxide layer), it is very advantageous in terms of the hydrogen adsorption capacity of the hydrogen gas sensor. You can. In particular, hydrogen gas sensing is possible with high sensitivity as the palladium nanoparticle layer is located in a specific area, that is, an area where the first and second electrodes on the metal oxide layer 15 are spaced apart. The palladium nanoparticles are dispersed as discontinuous particles in the area. Preferably, the palladium nanoparticles are distributed only in a portion of the surface of the tin oxide layer in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart, so that the first electrode and the second electrode are dispersed as discontinuous particles. The surface of the tin oxide layer in the area where the two electrodes are spaced apart may include a first area where the palladium nanoparticle layer is located and a second area where the palladium nanoparticle layer is not located.

상세하게, 팔라듐 나노입자가 위치하지 않고 외부로 노출된 주석산화물층의 상부 면적, 즉, 제2영역의 면적은 제1전극 및 제2전극에 의해 구획된 주석산화물층 표면의 총 면적 중 50% 내지 90%, 바람직하게는 60% 내지 80%일 수 있다. 상기와 같은 주석산화물층 및 팔라듐 나노입자층을 포함하는 수소 가스 센서는 고민감도 센싱뿐만 아니라, 다양한 환경조건 하에서도 수소센싱이 가능하다. 구체적으로, 수소 가스 센서는 -50℃ 내지 300℃ 온도 10 내지 80%의 습도 하에서도 고감도의 수소 센싱이 가능하다. In detail, the upper area of the tin oxide layer exposed to the outside without palladium nanoparticles, that is, the area of the second region, is 50% of the total area of the tin oxide layer surface partitioned by the first electrode and the second electrode. It may be from 90% to 90%, preferably from 60% to 80%. The hydrogen gas sensor including the tin oxide layer and palladium nanoparticle layer as described above is capable of not only highly sensitive sensing, but also hydrogen sensing under various environmental conditions. Specifically, the hydrogen gas sensor is capable of highly sensitive hydrogen sensing even under temperatures of -50°C to 300°C and humidity of 10 to 80%.

제1전극 및 제2전극은 전류 또는 저항의 변화를 측정하기 위한 것으로, 금속산화물층(15) 상에 서로 이격되어 위치한다. 일 예로, 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 은, 금, 백금 및 팔라듐 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 일반적인 전극으로 사용되는 소재는 모두 사용 가능하다. 제1,2 전극의 각각 두께는 10㎚ 내지 200㎚ 구체적으로, 50㎚ 내지 150㎚일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The first electrode and the second electrode are used to measure changes in current or resistance, and are positioned spaced apart from each other on the metal oxide layer 15. Examples include, but are not limited to, copper, aluminum, nickel, titanium, silver, gold, platinum, and palladium, and any material used as a general electrode can be used. The thickness of the first and second electrodes may be 10 nm to 200 nm, specifically 50 nm to 150 nm, but is not limited thereto.

고분자층(50)은 수소 가스를 선택적으로 투과할 수 있도록 하여 더욱 고감도의 수소 가스 센싱이 가능하도록 한다. 나아가 고분자층(50)은 금속 나노입자의 이탈 방지 등 감지부를 보호하는 역할을 하여 장시간 동안 외부 노출 시 수분 등에 의해 수소 가스 민감도가 떨어지는 것을 방지한다. 즉, 고분자층(50)은 감지부의 민감도, 수소선택성, 물리적 및 화학적 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다.The polymer layer 50 allows hydrogen gas to selectively pass through, enabling more sensitive hydrogen gas sensing. Furthermore, the polymer layer 50 plays a role in protecting the sensing unit, such as preventing metal nanoparticles from leaving, and prevents hydrogen gas sensitivity from being reduced due to moisture, etc. when exposed to the outside for a long period of time. In other words, the polymer layer 50 can significantly improve the sensitivity, hydrogen selectivity, and physical and chemical stability of the sensing unit.

금속산화물층(15) 상에 고분자층(50)이 형성될 시, 외부로 노출된 금속산화물층(15)의 상부, 즉, 제2영역은 고분자층(50)과 직접 접촉될 수 있다. 이와 같은 수소 가스 센서는 수소 선택성을 더욱 높일 수 있다.When the polymer layer 50 is formed on the metal oxide layer 15, the upper part of the metal oxide layer 15 exposed to the outside, that is, the second region, may be in direct contact with the polymer layer 50. Such a hydrogen gas sensor can further increase hydrogen selectivity.

고분자층(50)의 고분자는 아크릴레이트계 고분자 또는 비닐계 고분자일 수 있다. 구체적으로, 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트(polyethylmetacrylate), 폴리이미드(PI), 폴리스타이렌(PS) 또는 이들의 혼합물에서 하나 이상 선택되는 것일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. The polymer of the polymer layer 50 may be an acrylate-based polymer or a vinyl-based polymer. Specifically, polymethacrylate, polymethylacrylate, polymethyl methacrylate (PMMA), polyethylacrylate, polyethylmethacrylate, and polyimide (PI). , polystyrene (PS), or mixtures thereof, but is not limited thereto.

특히, 고분자층(50)의 고분자는 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)층일 수 있다. 이와 같은 고분자층(50)은 수소 선택도를 매우 높여 더욱 더 신뢰도가 높은 수소 가스 센싱이 가능하도록 한다. 구체적으로, 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 고분자층(50)은 다공질 폴리메틸메타크릴레이트보다도 더욱 높은 수소 선택성을 가질 수 있어, 수소 가스 센싱에 있어 감도 및 신뢰성을 높일 수 있다.In particular, the polymer of the polymer layer 50 may be a non-porous polymethyl methacrylate (PMMA) layer. This polymer layer 50 greatly increases hydrogen selectivity, enabling more reliable hydrogen gas sensing. Specifically, the polymer layer 50 made of non-porous polymethyl methacrylate can have higher hydrogen selectivity than porous polymethyl methacrylate, thereby improving sensitivity and reliability in hydrogen gas sensing.

다공성 색변환감지층(70)은 금속산화물, 금속나노입자 및 실리케이트를 함유하는 것으로, 수소 가스 센서의 최외층에 위치하여, 수소 가스에 노출 시 색변환되어 수소 가스 노출 여부를 육안으로 손쉽게 판단할 수 있도록 한다. 또한, 상술한 고분자층(50)과 더불어, 금속산화물층(15) 및 금속 나노입자층(30)으로 수소 가스를 선택적으로 투과시켜, 수소 가스 센서의 선택성을 더욱 높일 수 있으며, 고분자층(50)과 함께 수분 및 공기 등과 같은 외부 인자로부터 수소 가스 센서를 보호할 수 있다.The porous color conversion sensing layer 70 contains metal oxides, metal nanoparticles, and silicates, and is located on the outermost layer of the hydrogen gas sensor. It changes color when exposed to hydrogen gas, making it easy to visually determine whether or not exposure to hydrogen gas has occurred. make it possible In addition, in addition to the polymer layer 50 described above, hydrogen gas can be selectively transmitted through the metal oxide layer 15 and the metal nanoparticle layer 30, thereby further increasing the selectivity of the hydrogen gas sensor, and the polymer layer 50 Together with this, the hydrogen gas sensor can be protected from external factors such as moisture and air.

구체적으로, 금속산화물(MOx)은 산화 재질정도에 따라 Ox가 O1 내지 O10에서 선택될 수 있으나 이에 한정되진 않는다. Specifically, metal oxide (MO x ) may have O x selected from O 1 to O 10 depending on the degree of oxidation material, but is not limited thereto.

금속산화물의 금속은 아연(Zn), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W))으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 일 예로, 금속산화물은 텅스텐산화물(WO3)일 수 있다. 이와 같은 금속산화물은 후술할 금속 나노입자와 더불어 수소 가스에 대해 고감도로 변색할 수 있다. The metal of the metal oxide may be one or more selected from the group consisting of zinc (Zn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and tungsten (W). For example, the metal oxide may be tungsten oxide (WO 3 ). Such metal oxides, along with metal nanoparticles, which will be described later, can discolor with high sensitivity to hydrogen gas.

금속 나노입자는 금속산화물과 더불어 수소 가스에 대해 변색하는 것으로, 금속 나노입자의금속은 팔라듐인 것이 수소 가스 변색에 있어서 유리하다. 구체적으로, 상기 금속산화물이 텅스텐산화물이며, 금속 나노입자가 팔라듐 나노입자일 시, 텅스텐산화물 및 금속 나노입자는 상호 응집된 응집체를 형성하며, 수소 가스와 반응하는 변색 활성능이 높아 질 수 있다. 구체적으로, 텅스텐 산화물 및 금속 나노입자를 포함하는 다공성 색변환감지층(70)은 수소 노출 전 비교적 투명하나, 수소 노출 후 청색을 나타낼 수 있다. Metal nanoparticles, along with metal oxides, discolor in response to hydrogen gas, and it is advantageous for the metal of the metal nanoparticles to be palladium in discoloring hydrogen gas. Specifically, when the metal oxide is tungsten oxide and the metal nanoparticle is palladium nanoparticle, the tungsten oxide and metal nanoparticle form a mutually aggregated aggregate, and the discoloration activity ability to react with hydrogen gas can be increased. Specifically, the porous color conversion sensing layer 70 containing tungsten oxide and metal nanoparticles is relatively transparent before exposure to hydrogen, but may appear blue after exposure to hydrogen.

실리케이트는 가교됨에 따라 다공성의 시트상을 형성하는 것으로, 다공성 색변환감지층(70) 전체영역에 있어서, 금속산화물 및 금속 나노입자와 이들의 응집체를 균일하게 분산시키되 안정적으로 고정 및 지지하는 역할을 할 수 있다. Silicate forms a porous sheet as it is crosslinked, and serves to uniformly disperse metal oxides, metal nanoparticles, and their aggregates in the entire area of the porous color conversion sensing layer 70, while stably fixing and supporting them. can do.

실리케이트는 3차원 다공성 구조체를 형성하는 것이면 한정되지 않으나, 바람직하게는 C1-4 알콕시실란계 화합물의 축합반응에 의해 제조된 것일 수 있다. 일 예로, 알콕시실란계 화합물은 테트라에틸 오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS)일 수 있다.The silicate is not limited as long as it forms a three-dimensional porous structure, but is preferably manufactured through a condensation reaction of a C1-4 alkoxysilane compound. As an example, the alkoxysilane-based compound may be tetraethyl orthosilicate (TEOS).

다공성 색변환감지층(70)에 포함되는 금속산화물, 금속 나노입자 및 실리케이트의 함량은 수소 가스 센싱능을 나타낼 수 있는 것이라면, 구체적으로 한정되지 않는다. 구체적으로, 금속산화물 : 금속 나노입자 : 실리케이트의 중량비는 1 : 0.5~1.5 : 0.1~0.5 구체적으로, 1 : 0.7~1.2 :0.2~0.4일 수 있다. The content of metal oxide, metal nanoparticles, and silicate contained in the porous color conversion sensing layer 70 is not specifically limited as long as it can exhibit hydrogen gas sensing ability. Specifically, the weight ratio of metal oxide: metal nanoparticle: silicate may be 1:0.5-1.5:0.1-0.5, specifically, 1:0.7-1.2:0.2-0.4.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 다공성 색변환감지층(70)은 특히 텅스텐 산화물, 팔라듐 나노입자 및 실리케이트를 포함함에 따라, 수소 가스에 대한 높은 선택성 및 고민감도를 가짐과 동시에, 육안으로도 손쉽게 판단할 수 있을 만큼 높은 색변화도를 가질 수 있다. 나아가 이와 같은 다공성 색변환감지층(70)은 수소 가스 노출 시, 상온에서도 손쉽게 색변화되며, 수소 농도가 10%이하, 구체적으로, 5%이하, 더욱 구체적으로, 0.05 내지 4%의 저농도 수소 가스에도 육안으로 쉽게 판별가능한 색변화도, 즉, 시인성이 높아질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous color conversion sensing layer 70 particularly contains tungsten oxide, palladium nanoparticles, and silicates, and thus has high selectivity and sensitivity to hydrogen gas, and is easily visible to the naked eye. It can have a color change high enough to make a judgment. Furthermore, such porous color conversion sensing layer 70 easily changes color even at room temperature when exposed to hydrogen gas, and has a hydrogen concentration of 10% or less, specifically, 5% or less, more specifically, low concentration hydrogen gas of 0.05 to 4%. The color change that can be easily discerned with the naked eye, that is, visibility, can be increased.

상기한 본 발명의 수소 가스 센서를 통해 본 발명의 수소 가스를 검출하는 방법은 감지부에 검출 대상 가스를 노출시킨 전 후의 전류 또는 저항을 측정하여 이루어질 수 있음과 동시에, 육안으로 색변화를 감지하여 측정할 수 있다. 전류 또는 저항을 측정하는 경우, 수소 가스 센서의 드레인 전류(Ids(ref))를 측정하여 기준을 설정하는 단계; 제1,2전극 사이에 위치하는 감지부에 검출 대상 가스를 도입하는 단계; 검출 대상 가스가 도입되었을 때의 드레인 전류(Ids(detect))를 측정하는 검출 단계; 및 측정된 드레인 전류값을 이용하여 검출 가스의 농도를 분석하는 단계;를 포함할 수 있으며, 검출 대상 가스의 도입 전 후 변화된(증가된) 드레인 전류값을 기준으로 검출 가스를 검출할 수 있다. 이와 달리, 검출 대상 가스의 도입 전 후에 따라 변화된 드레인 전류값이 아닌, 변화된 저항값으로 검출 가스의 검출이 이루어질 수 있음은 물론이다. The method of detecting hydrogen gas of the present invention through the hydrogen gas sensor of the present invention described above can be accomplished by measuring the current or resistance before and after exposing the detection target gas to the detection unit, and at the same time detecting the color change with the naked eye. It can be measured. When measuring current or resistance, setting a standard by measuring the drain current (Ids(ref)) of the hydrogen gas sensor; Introducing a gas to be detected into a detection unit located between the first and second electrodes; A detection step of measuring the drain current (Ids(detect)) when the detection target gas is introduced; and analyzing the concentration of the detection gas using the measured drain current value. The detection gas may be detected based on the drain current value changed (increased) before and after introduction of the detection target gas. In contrast, of course, the detection gas can be detected with a changed resistance value rather than a drain current value that changes before and after the introduction of the detection target gas.

이처럼 육안으로 수소 가스 센서는 상술한 감지부를 포함함에 따라, 전기적 방식에 의한 수소 감지 및 기체변색 또는 광학적인 방식에 의한 수소 감지를 동시에 수행하여 수소 가스를 고감도로 신뢰성 높게 측정할 수 있다. As the hydrogen gas sensor with the naked eye includes the above-mentioned detection unit, hydrogen gas can be measured with high sensitivity and reliability by simultaneously detecting hydrogen by an electrical method and detecting hydrogen by gas discoloration or optical methods.

이때, 수소 가스 센서의 작동(검출) 온도는 -50 내지 300 ℃, 구체적으로 -10 내지 200 ℃, 보다 구체적으로 4 내지 100 ℃ 범위일 수 있다.At this time, the operating (detection) temperature of the hydrogen gas sensor may be in the range of -50 to 300 °C, specifically -10 to 200 °C, and more specifically 4 to 100 °C.

이와 같은 수소 가스 검출 방법은 0.1 내지 100000 ppm, 구체적으로 1 내지 80000 ppm의 농도 범위를 가지는 수소 가스를 검출할 수 있다.This hydrogen gas detection method can detect hydrogen gas having a concentration range of 0.1 to 100,000 ppm, specifically 1 to 80,000 ppm.

이하, 본 발명의 수소 가스 센서의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the hydrogen gas sensor of the present invention will be described in detail.

a) 절연층 일면에 금속산화물층을 형성하는 단계; b) 상기 절연층과 접하지 않는 금속산화물층 일면에 서로 이격되는 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계; c) 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 1 내지 5nm 두께의 금속 나노입자층을 형성하는 단계; d) 상기 금속 나노입자층 상에 고분자층을 형성하는 단계; e) 금속산화물 및 금속 나노입자를 포함하는 제1용액과 및 C1-4 알콕시실란계 화합물을 포함하는 제2용액을 혼합하여 코팅액을 제조하는 단계; 및 f) 상기 코팅액을 상기 고분자층 상에 도포 및 건조하여 다공성 색변환감지층을 형성하는 단계;를 포함한다.a) forming a metal oxide layer on one side of the insulating layer; b) forming a first electrode and a second electrode spaced apart from each other on one surface of the metal oxide layer that is not in contact with the insulating layer; c) forming a metal nanoparticle layer with a thickness of 1 to 5 nm in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart; d) forming a polymer layer on the metal nanoparticle layer; e) preparing a coating solution by mixing a first solution containing metal oxide and metal nanoparticles and a second solution containing a C 1-4 alkoxysilane-based compound; and f) forming a porous color conversion sensing layer by applying and drying the coating solution on the polymer layer.

본 발명에서 a) 단계 이후, b) 단계 및 c) 단계가 순차적으로 수행될 수 있으나, 공정의 용이성에 따라a) 단계 이후, c) 단계 그 다음 b)단계가 수행될 수 있다.In the present invention, after step a), step b) and step c) may be performed sequentially, but depending on the ease of the process, step a), step c) and then step b) may be performed.

상세하게, 절연층의 일면에 금속산화물층을 형성하는 단계(이하, a)단계)는 절연층에 금속 산화물의 전구체물질을 포함하는 전구체용액을 코팅시켜 수행될 수 있다. 구체적으로 금속 산화물은 주석 산화물일 수 있으며, 전구체 물질은 사용되는 용매에 용해가 되는 것이면 어떤 종류라도 가능하며, 클로라이드계열, 아세테이트 계열, 할로겐화물 등 특정 전구체에 제한을 두지 않으며 사용될 수 있다. 용매는 2-메톡시에탄올(2-mathoxyethanol), 이소프로판올(isopropanol), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세틸아세톤(acetylacetone) 및 디메틸아민보란(dimethylamineborane) 으로 이루어진 군에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전구체용액 내 전구체 물질의 몰농도는 0.01M 내지 3M, 구체적으로 0.025M 내지 0.2M, 더욱 구체적으로 0.05 내지 0.15M일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. In detail, the step (hereinafter referred to as step a) of forming a metal oxide layer on one surface of the insulating layer may be performed by coating the insulating layer with a precursor solution containing a metal oxide precursor material. Specifically, the metal oxide may be tin oxide, and the precursor material may be any type as long as it is soluble in the solvent used, and may be used without limitation to specific precursors such as chloride series, acetate series, and halide. The solvent is a group consisting of 2-methoxyethanol, isopropanol, dimethylformamide, ethanol, methanol, acetylacetone, and dimethylamineborane. may include at least one. The molar concentration of the precursor material in the precursor solution may be 0.01M to 3M, specifically 0.025M to 0.2M, and more specifically 0.05 to 0.15M, but is not limited thereto.

전구체 용액은 당업계에서 사용되는 용액 안정화제를 더 포함할 수 있다.The precursor solution may further include a solution stabilizer used in the art.

a)단계는 전구체 용액을 상술한 절연성을 가지는 기판위에 도포하여 전구체 박막을 형성한다. 전구체 용액은 스핀코팅, 잉크젯 프리팅, 딥코팅 등 당업계에 알려진 코팅 방법으로 도포될 수 있다. 이후, 기판의 전구체 박막에 열처리를 진행하여 금속산화물층을 형성한다.Step a) forms a precursor thin film by applying the precursor solution onto a substrate having the above-described insulating properties. The precursor solution can be applied by coating methods known in the art, such as spin coating, inkjet printing, and dip coating. Thereafter, heat treatment is performed on the precursor thin film of the substrate to form a metal oxide layer.

열처리는 200℃ 내지 500℃, 구체적으로 280℃ 내지 400℃에서 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 온도를 상이하게 하여 1,2차로 나누어 수행될 수 있다. The heat treatment may be performed at 200°C to 500°C, specifically 280°C to 400°C, but is not limited thereto, and may be performed in 1st and 2nd stages at different temperatures.

이와 달리, a)단계는 이온빔방법 등 당업계에 알려진 금속산화물층 형성방법이라면 제한되지 않고 수행이 가능할 수 있다.In contrast, step a) may be performed without limitation by any method of forming a metal oxide layer known in the art, such as the ion beam method.

이후, 금속산화물층 상에 서로 이격되는 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계(이하, b)단계)를 수행한다.Thereafter, a step (hereinafter referred to as step b) of forming a first electrode and a second electrode spaced apart from each other on the metal oxide layer is performed.

구체적으로, 먼저, a) 단계를 거쳐 금속산화물층이 형성된 기판에 제1전극 및 제2전극 형상 개구부를 갖는 섀도 마스크를 배치한다. 섀도 마스크는 개구부를 통해 증착용 재료들이 선택적으로 증착될 수 있도록 설계된 마스크로, 정밀한 형상의 전극부를 제조할 수 있다. 섀도 마스크는 메탈 섀도 마스크, PDMS 또는 PMMA와 같은 고분자 섀도 마스크 등을 사용할 수 있다.Specifically, first, a shadow mask having openings in the shape of the first electrode and the second electrode is placed on the substrate on which the metal oxide layer is formed through step a). The shadow mask is a mask designed to selectively deposit deposition materials through the openings, making it possible to manufacture electrode parts with precise shapes. The shadow mask can be a metal shadow mask, a polymer shadow mask such as PDMS or PMMA, etc.

이어서, 섀도 마스크가 배치된 기판 상에 금속을 전자빔으로 증착하여, 금속산화물층 상에 제1전극 및 제2전극을 형성한다. 금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 은, 금, 백금 및 팔라듐 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.Next, metal is deposited using an electron beam on the substrate on which the shadow mask is placed, thereby forming a first electrode and a second electrode on the metal oxide layer. Metals include, but are not limited to, copper, aluminum, nickel, titanium, silver, gold, platinum, and palladium.

그 다음, 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 금속 나노입자층을 형성하는 단계(이하, c) 단계)를 수행한다. Next, a step (hereinafter referred to as step c) of forming a metal nanoparticle layer in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart is performed.

c)단계에서 금속 나노입자층은 팔라듐 나노입자층일 수 있으며, 금속 나노입자층은 클러스터 및 분산된 입자형태의 금속 나노입자가 증착되어 형성될 수 있다. 금속 나노입자의 증착은 물리적 또는 화학적 방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔증착법, 전기도금법, 금속 수용액을 샘플 표면에 뿌리는 형식 등으로 증착할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In step c), the metal nanoparticle layer may be a palladium nanoparticle layer, and the metal nanoparticle layer may be formed by depositing metal nanoparticles in the form of clusters and dispersed particles. Metal nanoparticles can be deposited using physical or chemical methods, preferably by sputtering, thermal evaporation, electron beam evaporation, electroplating, or spraying an aqueous metal solution on the sample surface, but are not limited to these. That is not the case.

본 발명의 일 양태에 있어서, c) 단계에서, 금속 나노입자층은 금속산화물층 표면의 일부영역에만 증착되어 형성될 수 있다. 이에, 제1전극 및 제2전극이 이격된 영역의 금속산화물층 표면이 금속 나노입자층이 위치하는 제1영역과, 금속 나노입자층이 위치하지 않아 외부로 노출된 제2영역으로 구분될 수 있으며, 더욱더 우수한 민감도를 가지는 수소 가스 센서의 제작이 가능하다.In one aspect of the present invention, in step c), the metal nanoparticle layer may be formed by depositing only on a partial area of the surface of the metal oxide layer. Accordingly, the surface of the metal oxide layer in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart can be divided into a first area where the metal nanoparticle layer is located and a second area exposed to the outside because the metal nanoparticle layer is not located, It is possible to produce a hydrogen gas sensor with even better sensitivity.

또한, c) 단계에서, 금속 나노입자층은 1 내지 5㎚, 바람직하게는 2 내지 4㎚의 두께로 형성될 수 있다.Additionally, in step c), the metal nanoparticle layer may be formed to a thickness of 1 to 5 nm, preferably 2 to 4 nm.

d) 단계는 제1전극, 제2전극 및 금속 나노입자층 상에 고분자층을 형성하는 단계이다.Step d) is a step of forming a polymer layer on the first electrode, the second electrode, and the metal nanoparticle layer.

d)단계에서 고분자층은 금속산화물층 및 금속 나노입자층 상에 액상의 고분자수지가 코팅되어 형성될 수 있다. 구체적으로 고분자수지는 아크릴레이트계 고분자 수지 또는 비닐계 고분자 수지일 수 있으나, 폴리메타크릴레이트 수지인 것이 유리하다. In step d), the polymer layer may be formed by coating a liquid polymer resin on the metal oxide layer and the metal nanoparticle layer. Specifically, the polymer resin may be an acrylate-based polymer resin or a vinyl-based polymer resin, but it is advantageous for it to be a polymethacrylate resin.

바람직하게 고분자 수지는 스핀코팅, 스프레이코팅, 나이프코팅, 롤 코팅을 통해 도포될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 당업계에 알려진 다양한 방법으로 코팅될 수 있다. 고분자수지는 수지 종류에 따라 다양한 방법으로 경화될 수 있다. 비한정적인 일 구체예로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 수지의 경우 용매에 용해된 용액을 도포한 후, 용매를 증발시킴으로써 경화될 수 있다. 구체적으로, d)단계는 용매에 용해된 폴리메틸메타크릴레이트를 금속 나노입자층 상에 도포 및 건조하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 이때, 용매는 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물일 수 있다. 할로겐은 염소, 플루오르 및 브롬일 수 있다. 일 예로, 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물은 아니솔(CH₃OCH )일 수 있다. 이와 같은 용매를 통해 제조되는 고분자층은 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트으로, 상술한 바와 같이, 수소 가스의 선택성을 매우 높일 수 있다. Preferably, the polymer resin can be applied through spin coating, spray coating, knife coating, or roll coating, but is not limited to this and can be coated by various methods known in the art. Polymer resin can be hardened in various ways depending on the type of resin. As a non-limiting example, polymethyl methacrylate (PMMA) resin can be cured by applying a solution dissolved in a solvent and then evaporating the solvent. Specifically, step d) may be performed including applying and drying polymethyl methacrylate dissolved in a solvent on the metal nanoparticle layer. At this time, the solvent may be a halogenated alkoxy benzene compound. Halogens can be chlorine, fluorine, and bromine. As an example, the halogenated alkoxy benzene compound may be anisole (CH₃OCH). The polymer layer produced using such a solvent is non-porous polymethyl methacrylate, and as described above, the selectivity of hydrogen gas can be greatly increased.

e) 단계는 다공성 색변환감지층을 형성하기 위한 코팅액을 제조하는 단계로, 금속산화물 및 금속 나노입자를 포함하는 제1용액과 및 C1-4 알콕시실란계 화합물을 포함하는 제2용액을 혼합하여 코팅액을 제조한다. Step e) is a step of preparing a coating solution for forming a porous color conversion sensing layer, mixing a first solution containing metal oxide and metal nanoparticles and a second solution containing a C 1-4 alkoxysilane-based compound. To prepare a coating liquid.

구체적으로, 제1용액은 용매에 금속산화물 및 금속 나노입자가 혼합된 졸일 수 있으며, 금속산화물 및 금속 나노입자와 이들의 응집체를 포함할 수 있다. 제1용액 내 금속 나노입자 : 금속산화물의 함량은 서로 균일하게 혼합될 수 있는 범위라면 한정되지 않는다. 다만, 제1용액 내 금속 나노입자 : 금속산화물의 금속의 몰비가 1 : 10 내지 100, 구체적으로, 1 : 20 내지 70인 범위에서, 제조된 다공성 색변환 감지층의 시인성이 더욱 우수할 수 있다. 제2용액은 C1-4 알콕시실란계 화합물 및 용매를 포함하는 것으로, C1-4 알콕시실란계 화합물은 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS)일 수 있다. Specifically, the first solution may be a sol mixed with a solvent and a metal oxide and metal nanoparticles, and may include a metal oxide, metal nanoparticles, and aggregates thereof. Metal nanoparticles in the first solution: The content of metal oxide is not limited as long as it can be uniformly mixed with each other. However, when the molar ratio of metal nanoparticles to metal oxide in the first solution is in the range of 1:10 to 100, specifically, 1:20 to 70, the visibility of the prepared porous color conversion sensing layer may be more excellent. . The second solution contains a C1-4 alkoxysilane-based compound and a solvent, and the C1-4 alkoxysilane-based compound may be tetraethyl orthosilicate (TEOS).

제1용액 및 제2용액의 용매는 유기용매 및 유기용매를 함유하는 수용액일 수 있으며, 일 예로, 에탄올일 수 있다.The solvent of the first solution and the second solution may be an organic solvent or an aqueous solution containing an organic solvent, for example, ethanol.

제1용액 및 제2용액의 혼합비는 제조되는 다공성 색변환감지층에 요구되는 조건에 따라 적절히 조절될 수 있다. 구체적으로, e) 단계에서 혼합되는 제1용액 : 제2용액의 부피비는 1 : 0.01 내지 1, 구체적으로, 1: 0.1 내지 0.7일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The mixing ratio of the first solution and the second solution can be appropriately adjusted according to the conditions required for the porous color conversion sensing layer to be manufactured. Specifically, the volume ratio of the first solution to the second solution mixed in step e) may be 1:0.01 to 1, specifically, 1:0.1 to 0.7, but is not limited thereto.

f)단계는 e) 단계에서 제조된 코팅액을 고분자층 상에 도포 및 건조하여 다공성 색변환감지층을 형성하는 단계이다. 코팅액은 스핀코팅, 스프레이코팅, 나이프코팅, 롤 코팅 및 딥코팅을 통해 도포될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 당업계에 알려진 다양한 방법으로 코팅될 수 있다. 또한 건조는 코팅액 내 포함된 용매를 증발시킴으로써 경화될 수 있다. Step f) is a step of forming a porous color conversion sensing layer by applying and drying the coating solution prepared in step e) on the polymer layer. The coating solution can be applied through spin coating, spray coating, knife coating, roll coating, and dip coating, but is not limited to this and can be coated by various methods known in the art. Additionally, drying can result in curing by evaporating the solvent contained in the coating liquid.

f) 단계는 코팅액이 고분자층에서 도포 및 건조됨에 따라 상기 C1-4 알콕시실란계 화합물이 축합반응되어 실리케이트로 전환될 수 있다. 이에, 3차원 가교 구조의 다공성 색변환감지층을 형성할 수 있으며, 금속산화물 및 금속 나노입자가 균일하게 혼합되고, 이들이 안정적으로 고정된 높은 시인성을 가지는 다공성 색변환감지층을 형성할 수 있다. In step f), as the coating solution is applied and dried on the polymer layer, the C 1-4 alkoxysilane-based compound may undergo a condensation reaction and be converted to silicate. Accordingly, a porous color conversion sensing layer with a three-dimensional cross-linked structure can be formed, and a porous color conversion sensing layer with high visibility in which metal oxides and metal nanoparticles are uniformly mixed and stably fixed can be formed.

(제조예 )_다공성 색변환감지층 제조(Manufacturing example)_Manufacture of porous color conversion sensing layer

먼저, 20㎖ 에탄올에 텅스텐(W) 파우더 : 30% 과산화수소(H202)를 1 : 3 몰비로 투입한 후, 2시간 동안 교반하여 원심분리하였다. 상층액을 분리하여 3시간 동안 80℃에서 가열한 후, 에탄올을 첨가하여 0.3 M의 WO3 전구체졸을 얻었다. 이후, 팔라듐 : 텅스텐의 몰비가 1:50이 되도록 염화팔라듐(PdCl2)을 WO3 전구체졸에 투입하여, 제1용액을 제조하였다. First, tungsten (W) powder and 30% hydrogen peroxide (H 2 0 2 ) were added to 20 mL of ethanol at a molar ratio of 1:3, then stirred for 2 hours and centrifuged. The supernatant was separated and heated at 80°C for 3 hours, and then ethanol was added to obtain a 0.3 M WO 3 precursor sol. Afterwards, palladium chloride (PdCl 2 ) was added to the WO 3 precursor sol so that the molar ratio of palladium:tungsten was 1:50 to prepare a first solution.

테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS, 208.33, AR) : 암모니아수(NH4OH) : 99% 에탄올 수용액을 1: 2: 40 몰비로 혼합한 혼합물을 1시간동안 교반하였다. 이후, 혼합물의 수소이온농도지수(pH)가 중성(pH7)이 되도록 회전증발농축기를 통해 혼합물 내 암모니아수를 제거하였다. 중성화된 혼합물을 에탄올을 통해 0.4M농도로 희석한 후, 제2용액을 제조하였다.A mixture of tetraethyl orthosilicate (TEOS, 208.33, AR): aqueous ammonia (NH 4 OH): 99% ethanol aqueous solution at a molar ratio of 1: 2: 40 was stirred for 1 hour. Afterwards, the ammonia water in the mixture was removed through a rotary evaporator so that the hydrogen ion concentration index (pH) of the mixture became neutral (pH7). The neutralized mixture was diluted with ethanol to a concentration of 0.4M, and then a second solution was prepared.

상기 제조된 제1용액 : 제2용액을 부피비 1 : 0.3으로 혼합하여 코팅액을 제조하였다. A coating solution was prepared by mixing the prepared first solution and the second solution at a volume ratio of 1:0.3.

(실시예 1) (Example 1)

세척된 silicon wafer 기판(두께 : 500-550um, 비저항 : <0.005 ohm, SiO2두께 : 3000A (Dry))에 액상의 폴리이미드(polyimide,PI) 수지를 스핀코팅(1000rpm, 30초)한 후, 단계별로 온도를 높여가며 베이킹하여 유연기판을 제조하였다. 각 단계는 60, 80, 150, 230 및 300℃ 온도로 수행되었으며, 각 단계는 30분간 진행되었으나, 마지막 300℃ 온도는 1시간동안 수행되었다.After spin coating (1000 rpm, 30 seconds) liquid polyimide (PI) resin on the cleaned silicon wafer substrate (thickness: 500-550um, resistivity: <0.005 ohm, SiO 2 thickness: 3000A (Dry)), A flexible substrate was manufactured by baking while increasing the temperature step by step. Each step was performed at temperatures of 60, 80, 150, 230, and 300°C, and each step lasted 30 minutes, with the final temperature of 300°C lasting 1 hour.

제조된 유연기판 상에 2-methoxyethanol을 용매로 한 0.1M SnCl2 용액을 스핀코팅 진행 (3,000rpm, 60초) 후 400℃ 에서 1시간동안 어닐링하여 SnO2층을 형성하였다. 그 다음, 섀도 마스크를 통해 Al을 두께 90nm, 너비 1000㎛로 증착하여 제1,2전극을 형성하였다. 이때, 제1,2전극의 이격거리는 200㎛였다. 그 다음 평균 3㎚ 두께를 갖도록 Pd을 thermal evaporator 이용하여 0.1Å/s의 속도로 증착하였다. 이후, 4mg/ml의 PMMA(용매 아니솔)를 1차 스핀코팅 (500rpm, 5초)한 후, 2차 스핀코팅(4000rpm, 30초)한 다음 175℃에서 10분간 열처리하여 PMMA층을 형성였다. A 0.1M SnCl 2 solution using 2-methoxyethanol as a solvent was spin coated on the manufactured flexible substrate (3,000 rpm, 60 seconds) and then annealed at 400°C for 1 hour to form a SnO 2 layer. Next, Al was deposited to a thickness of 90 nm and a width of 1000 μm through a shadow mask to form the first and second electrodes. At this time, the separation distance between the first and second electrodes was 200㎛. Next, Pd was deposited at a speed of 0.1Å/s using a thermal evaporator to have an average thickness of 3㎚. Afterwards, 4 mg/ml of PMMA (solvent anisole) was first spin-coated (500 rpm, 5 seconds), followed by second spin-coating (4000 rpm, 30 seconds), followed by heat treatment at 175°C for 10 minutes to form a PMMA layer. .

제조된 PMMA층의 주사전자현미경 이미지를 확인하여 도 3에 도시하였다.A scanning electron microscope image of the manufactured PMMA layer was confirmed and shown in Figure 3.

최종적으로, 형성된 PMMA층 상에 제조예에서 제조한 코팅액을 스핀코팅(800rpm,120초)한 다음 50℃에서 1시간동안 열처리하여 수소 가스 센서를 제조하였다.Finally, the coating solution prepared in the production example was spin-coated (800 rpm, 120 seconds) on the formed PMMA layer and then heat-treated at 50°C for 1 hour to manufacture a hydrogen gas sensor.

(실시예 2 내지 5) (Examples 2 to 5)

실시예 1에 있어서, PMMA의 용매를 아니솔 대신 각각 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드 및 클로로벤젠을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 수소 가스 센서를 제조하였다.In Example 1, a hydrogen gas sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that acetone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, and chlorobenzene were used instead of anisole as the solvent for PMMA.

(실험예 1) 검지테스트 (Experimental Example 1) Detection test

가스 검지 특성은 MFC 시스템이 있는 MSTECH 프로브 스테이션의 반도체 매개변수 분석기 (B15000A, Agilent)를 사용하여 측정하였다. 수소 가스 센서는 가스 튜브 아래 약 1cm 거리에 위치시키고, 요구되는 농도의 가스에 직접적으로 노출시켰다. 수소가스 검지 테스트는 상온에서 진행하였다. MFC를 이용해서 H2 gas (100ppm, 1%, 10% in N2) 와 dry air를 혼합하여 원하는 농도의 수소 가스 제작하였다. 검지 특성은 수소 가스에 노출되기 전과 후의 수소 가스 센서의 색변화 및 전류비교 통해 나타내었다. Gas detection characteristics were measured using a semiconductor parametric analyzer (B15000A, Agilent) on an MSTECH probe station with an MFC system. The hydrogen gas sensor was placed approximately 1 cm below the gas tube and directly exposed to the required concentration of gas. The hydrogen gas detection test was conducted at room temperature. Using MFC, H2 gas (100ppm, 1%, 10% in N2) was mixed with dry air to produce hydrogen gas of the desired concentration. Detection characteristics were expressed by comparing the color change and current of the hydrogen gas sensor before and after exposure to hydrogen gas.

도 3을 참조하면, 실시예 1 내지 5의 PMMA층 표면의 비교 사진(SEM이미지)이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 실시예 1의 경우 비다공질임을 확인할 수 있었다.Referring to Figure 3, comparative photographs (SEM images) of the surfaces of PMMA layers of Examples 1 to 5 are shown. Referring to Figure 3, it was confirmed that Example 1 was non-porous.

도 4는 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 검지테스트 결과를 육안으로 비교한 사진이다. 구체적으로, 도 4a)는 검지테스트 전, 도 4b)는 검지테스트 결과 후가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 수소 가스 센서는 수소 가스에 노출되기 전 비교적 높은 광투과성을 가지나, 수소가스에 노출된 후 청색을 나타내며, 매우 높은 시인성으로 수소 가스 검지가 가능함을 확인할 수 있었다. 특히, 반응 시간이 20초 미만으로 종래 대비 매우 빠른 시간 내에 수소 가스의 검지가 가능함을 확인할 수 있었다.Figure 4 is a photograph comparing the detection test results of the hydrogen gas sensor according to Example 1 with the naked eye. Specifically, Figure 4a) shows before the detection test, and Figure 4b) shows after the detection test results. Referring to FIG. 4, the hydrogen gas sensor has relatively high light transparency before exposure to hydrogen gas, but after exposure to hydrogen gas, it turns blue, and it was confirmed that hydrogen gas detection is possible with very high visibility. In particular, it was confirmed that hydrogen gas could be detected much faster than before, with a reaction time of less than 20 seconds.

도 5는 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 수소 가스 농도별 검지테스트(전류변화)를 나타내는 그래프이다. 구체적으로 도 5를 참조하면, 저농도에서 고농도까지 수소 센싱이 가능하여 센싱범위가 매우 넓음을 확인 할 수 있었다. Figure 5 is a graph showing a detection test (current change) for each hydrogen gas concentration of the hydrogen gas sensor according to Example 1. Specifically, referring to Figure 5, it was confirmed that hydrogen sensing was possible from low to high concentrations, so the sensing range was very wide.

도 6은 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 수소 가스 반복 감응 테스트 결과 그래프가 도시되어 있다. 수소 가스 반복 감응 테스트는 0.5% 및 1% 및 4% 농도의 수소가스를 5회간 실험예의 방법으로 측정한 것이다. Figure 6 shows a graph showing the results of a hydrogen gas repetitive sensitivity test of the hydrogen gas sensor according to Example 1. The hydrogen gas repeated sensitivity test was performed by measuring hydrogen gas at concentrations of 0.5%, 1%, and 4% five times using the method of the experimental example.

도 6을 참조하면, 실시예 1에 따른 수소 가스 센서의 반복적인 수소 센서 측정 시, 센싱 민감도가 저하되지 않으며, 고감도로 감도가 유지됨을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 도 6의 투과율 (transmittance, %) 변화그래프를 살펴보면 반복 측정에도 고감도로 색변환를 통한 수소 감지가 가능하며, 전류비교(Response, Ig/Ia) 그래프를 통해, 전기적 반응을 통한 고감도 수소 센싱 역시 가능함을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 6, it was confirmed that during repeated hydrogen sensor measurements of the hydrogen gas sensor according to Example 1, the sensing sensitivity did not deteriorate and the sensitivity was maintained at high sensitivity. Specifically, looking at the transmittance (%) change graph in FIG. 6, it is possible to detect hydrogen through color conversion with high sensitivity even in repeated measurements, and through the current comparison (Response, I g /I a ) graph, high sensitivity through electrical response. It was confirmed that hydrogen sensing was also possible.

도 7은 실시예 1 내지 5에 따른 수소 가스 센서의 검지테스트 비교 결과 그래프이다. 구체적으로 1000ppm의 수소 가스를 각 수소 가스 센서에 노출시켜 검지테스트를 하였다.Figure 7 is a graph showing comparison results of detection tests of hydrogen gas sensors according to Examples 1 to 5. Specifically, a detection test was performed by exposing each hydrogen gas sensor to 1000 ppm of hydrogen gas.

도 7을 참조하면, 비다공질인 실시예 1의 경우, 동일한 농도의 수소 가스를 공급했음에도 불구하고 매우 고감도로 수소 가스의 센싱이 가능함을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 7, in the case of Example 1, which was non-porous, it was confirmed that sensing of hydrogen gas was possible with very high sensitivity even though the same concentration of hydrogen gas was supplied.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific details, limited embodiments, and drawings, but these are provided only to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention Anyone skilled in the art can make various modifications and variations from this description.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all modifications that are equivalent or equivalent to the scope of this patent claim shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .

1 : 수소 가스 센서 10 : 기판
15 : 금속산화물층 21 : 제1전극
23 : 제2전극 30 : 금속 나노입자층
50 : 고분자층 70 : 색변환감지층
1: Hydrogen gas sensor 10: Substrate
15: metal oxide layer 21: first electrode
23: second electrode 30: metal nanoparticle layer
50: polymer layer 70: color conversion sensing layer

Claims (16)

금속산화물층;
상기 금속산화물층 상 서로 이격 위치하는 제1전극과 제2전극;
상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 위치하는 금속 나노입자층;
상기 금속 나노입자층 상에 위치하는 고분자층; 및
상기 고분자층 상에 위치하며, 금속산화물, 금속 나노입자 및 실리케이트를 함유하는 다공성 색변환감지층;을 포함하는 수소 가스 센서.
Metal oxide layer;
A first electrode and a second electrode positioned spaced apart from each other on the metal oxide layer;
a metal nanoparticle layer located in an area where the first electrode and the second electrode are spaced apart;
A polymer layer located on the metal nanoparticle layer; and
A hydrogen gas sensor comprising a porous color conversion sensing layer located on the polymer layer and containing metal oxide, metal nanoparticles, and silicate.
제1항에 있어서,
상기 다공성 색변환감지층의 상기 금속산화물의 금속은 아연(Zn), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor, wherein the metal of the metal oxide of the porous color conversion sensing layer is at least one selected from the group consisting of zinc (Zn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and tungsten (W).
제1항에 있어서,
상기 다공성 색변환감지층의 상기 금속나노입자의 금속은 팔라듐인, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor, wherein the metal of the metal nanoparticles of the porous color conversion sensing layer is palladium.
제1항에 있어서,
상기 실리케이트는 C1-4 알콕시실란계 화합물의 축합반응에 의해 제조된 것인, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
The silicate is a hydrogen gas sensor prepared by a condensation reaction of a C 1-4 alkoxysilane-based compound.
제1항에 있어서,
상기 다공성 색변환감지층에 포함되는 상기 금속산화물 : 상기 금속 나노입자 : 상기 실리케이트의 중량비는 1 : 0.5~1.5 : 0.1~0.5인, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor, wherein the weight ratio of the metal oxide: the metal nanoparticle: the silicate included in the porous color conversion sensing layer is 1:0.5-1.5:0.1-0.5.
제5항에 있어서,
상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역의 상기 금속산화물층 표면은 상기 금속 나노입자층이 위치하는 제1영역과, 금속 나노입자층이 위치하지 않는 제2영역을 포함하는, 수소 가스 센서
According to clause 5,
The surface of the metal oxide layer in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart includes a first area where the metal nanoparticle layer is located and a second area where the metal nanoparticle layer is not located, a hydrogen gas sensor.
제6항에 있어서,
상기 제2영역의 면적은 상기 제1전극 및 제2전극에 의해 구획된 상기 금속산화물층 표면의 총 면적 중 50 % 내지 90%인, 수소 가스 센서.
According to clause 6,
The area of the second region is 50% to 90% of the total area of the surface of the metal oxide layer partitioned by the first electrode and the second electrode.
제1항에 있어서,
상기 고분자층의 고분자는 아크릴레이트계 고분자인, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor in which the polymer of the polymer layer is an acrylate-based polymer.
제1항에 있어서,
상기 고분자층의 고분자는 비다공질 폴리메틸메타크릴레이트인, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor wherein the polymer of the polymer layer is non-porous polymethyl methacrylate.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물층은 유연기판 상에 위치하는, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor wherein the metal oxide layer is located on a flexible substrate.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물층은 수축필름 상에 위치하는, 수소 가스 센서.
According to paragraph 1,
A hydrogen gas sensor wherein the metal oxide layer is located on a shrink film.
a) 절연층 일면에 금속산화물층을 형성하는 단계;
b) 상기 절연층과 접하지 않는 금속산화물층 일면에 서로 이격되는 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계;
c) 상기 제1전극과 제2전극이 이격된 영역에 1 내지 5nm 두께의 금속 나노입자층을 형성하는 단계;
d) 상기 금속 나노입자층 상에 고분자층을 형성하는 단계;
e) 금속산화물 및 금속 나노입자를 포함하는 제1용액과 및 C1-4 알콕시실란계 화합물을 포함하는 제2용액을 혼합하여 코팅액을 제조하는 단계; 및
f) 상기 코팅액을 상기 고분자층 상에 도포 및 건조하여 다공성 색변환감지층을 형성하는 단계;를 포함하는 수소 가스 센서의 제조방법.
a) forming a metal oxide layer on one side of the insulating layer;
b) forming a first electrode and a second electrode spaced apart from each other on one surface of the metal oxide layer that is not in contact with the insulating layer;
c) forming a metal nanoparticle layer with a thickness of 1 to 5 nm in the area where the first electrode and the second electrode are spaced apart;
d) forming a polymer layer on the metal nanoparticle layer;
e) preparing a coating solution by mixing a first solution containing metal oxide and metal nanoparticles and a second solution containing a C 1-4 alkoxysilane compound; and
f) forming a porous color conversion sensing layer by applying and drying the coating solution on the polymer layer.
제12항에 있어서,
상기 f) 단계는 상기 C1-4 알콕시실란계 화합물이 축합반응되어 실리케이트로 전환되는, 수소 가스 센서의 제조방법.
According to clause 12,
In step f), the C 1-4 alkoxysilane-based compound is converted to silicate through a condensation reaction.
제12항에 있어서,
상기 c) 단계에서, 상기 금속 나노입자층은 상기 금속산화물층 표면의 일부영역에 증착되어 형성되는, 수소 가스 센서의 제조방법.
According to clause 12,
In step c), the metal nanoparticle layer is formed by depositing on a partial area of the surface of the metal oxide layer.
제12항에 있어서,
상기 d) 단계는 용매에 용해된 폴리메틸메타크릴레이트를 상기 금속 나노입자층 상에 도포 및 건조하는 단계를 포함하는, 수소 가스 센서의 제조방법.
According to clause 12,
Step d) includes applying and drying polymethyl methacrylate dissolved in a solvent on the metal nanoparticle layer.
제15항에 있어서,
상기 d) 단계에서,
상기 용매는 할로겐화 알콕시 벤젠 화합물인, 수소 가스 센서의 제조방법.
According to clause 15,
In step d) above,
A method of manufacturing a hydrogen gas sensor, wherein the solvent is a halogenated alkoxy benzene compound.
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