KR200170013Y1 - 후막형 메탄 가스센서 - Google Patents

Abstract

본 고안은 대기 중에 누출된 메탄가스의 감지특성을 가일층 향상시킬수 있도록 한 후막형 메탄 가스센서에 관한것으로 그 기술적인 구성은, 알루미나 기판(1)의 상측 및 하측으로 감지막(5) 및 RuO₂히터(2)를 개재하여 백금 페이스트(3)(4)가 각각 도포토록 되며, 상기 백금 페이스트(3)(4)는 백금선(6)으로 연설토록 되며, 상기 감지막(5)을 스크린 인쇄법으로 촉매제인 백금이 1∼5wt% 첨가된 SnO₂후막을 감지막(5)으로 이용하며, 상부전극으로서 백금 전극(7)을 증착시킨 것을 고안의 요지로 한다.

이에 따라서, 감지막 하측으로 도포된 감지막용 전극과 함께 감지막위에 상부 전극으로서 백금(Pt)을 스퍼터링법으로 증착하여 형성함으로써, 메탄가스에 대한 감시특성을 가일층 향상시킬 수 있게 되며, 가스와 감지막과의 반응에 의한 신호전달을 빠르게 함으로써 가스 감지 시간을 줄일수 있게되고, 저전력으로 가스 감지를 위해 필요한 온도를 유지할 수 있음은 물롬, 일산화탄소 같은 방해가스에 대한 영향이 낮아 보일러실과 같이 메탄가스와 이의 연소로 인한 일산화탄소 등이 공존하는 장소에서도 뛰어난 성능을 갖게되는 것이다.

Description

후막형 메탄 가스센서

본 고안은 대기 중에 누출된 메탄가스의 감지특성을 가일층 향상시킬수 있도록 한 후막형 메탄 가스센서에 관한것으로 이는 특히, 스크린 인쇄법으로 촉매제인 백금이 1∼5wt% 첨가된 SnO₂후막을 감지막으로 이용하고, 상부전극으로서 백금(Pt) 전극을 증착시킴으로 인하여, 메탄가스에 대한 감지특성을 가일층 향상시킬 수 있게 되며, 가스와 감지막과의 반응에 의한 신호전달을 빠르게 함으로써 가스 감지 시간을 줄일수 있게되고, 저전력으로 가스 감지를 위해 필요한 온도를 유지할 수 있도록한 후막형 메탄 가스센서에 관한 것이다.

일반적으로 가스연료의 편리성으로 인하여, 각종 가스의 사용량은 날로 증가하고 있으며, 증가된 가스의 사용량과 함께 가스의 누출을 인한 안전사고 또한 증가하고 있다.

특히, 가스의 누출로 인한 폭발사고는 대형의 인적, 물적 피해를 야기함으로써 사회의 큰 우려를 낳고 있는 실정인 것이다.

한편, 메탄가스는 천연가스(LNG:liquefied natural gas)의 주성분이며, 또한 자동차의 내연기관에서 화석연료를 태울 때 발생하는 가스로서 대기오염의 주요원인 가스인 것이다.

그러나, 메탄가스는 화학적으로 매우 안정되어 부탄, 프로판가스등과 같은 탄화수소계가스에 비해 감지하기가 힘들게 되며, 이에따라 Pb, Pt, Ph와 같은 귀금속을 촉매로 첨가하여 가스에 대한 감지특성을 향상 시키는 것이다.

이와같은 기술과 관련된 종래의 세라믹 메탄가스 센서는 제 1도에 도시한 바와같이, 알루미나 기판(1)의 상측 및 하측으로 감지막(5) 및 RuO₂히터(2)를 개재하여 백금 페이스트(3)(4)가 각각 도포토록 되며, 상기 백금 페이스트(3)(4)는 백금선(6)으로 연설되는 구성으로 이루어진다.

그러나 상기 알루미나 기판(1)상에 도포된 감지막(5)의 도포작업이 수작업으로 이루어짐에 따라, 가스감지 특정의 재현성이 일정하게 유지되기 어려우며, 자동화에 의한 대량생산이 어렵게 되는 단점이 있는 것이다/

또한, 현재 제조되고 있는 후막형 센서의 경우, 감지막(5) 하측으로 백금 페이스트(4)를 이용한 하부 전극만을 사용함으로 인하여, 표면 전도형인 SnO₂와 같은 금속산화물 반도체의 특성을 모두 이용하지 못하고 있는 것이다.

즉, 가스와 반응하여 생긴 표면의 전도 전자가 아래쪽의 전극까지 확산되어야 감지막(5)의 저항이 변화게 되는데, 특히 안정된 가스인 메탄가스에서는 이러한 전도전자의 확산이 늦어지게 되어 감지속도가 크게 떨어지게 되는 등 많은 문제점이 있었던 것이다.

본 고안에서는 상기한 바와같은 종래의 여러 문제점을 해결하기 위하여안출된 것으로서 그 목적은, 감지막 하측으로 도포된 감지막용 전극과 함께 감지막위에 상부 전극으로서 백금(Pt)을 스퍼터링법으로 증착하여 형성함으로써, 메탄가스에 대한 감지특성을 가일층 향상시킬 수 있게 되며, 가스와 감지막과의 반응에 의한 신호전달을 빠르게 함으로써 가스 감지 시간을 줄일수 있게되고, 저전력으로 가스 감지를 위해 필요한 온도를 유지할 수 있음은 물론, 일산화탄소 같은 방해가스에 대한 영향이 낮아 보일러실과 같이 메탄가스와 이의 연소로 인한 일산화탄소 등이 공존하는 장소에서도 뛰어난 성능을 갖게되는 후막형 메탄 가스센서를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 고안은, 스크린 인쇄법으로 촉매제인 백금이 1∼5wt% 첨가된 SnO₂후막을 감지막으로 이용하고, 상부전극으로서 백금(Pt) 전극을 증착시킨 구성으로 이루어진 후막형 메탄 가스센서를 마련함에 의한다.

제 1도는 종래의 후막형 메탄 가스센서의 정단면 구조도.

제 2도는 본 고안에 따른 후막형 메탄 가스센서의 정단면 구조도.

제 3도는 촉매제로서 첨가한 백금(Pt)의 첨가량에 따른 후막형 메탄가스 센서의 가스 감응특성 그래프도.

제 4도는 백금이 1wt% 첨가된 후막형 메탄 가스센서의 상부전극으로서 백금 박막을 증착한 본 고안의 소자 가스 감응 특성 그래프도.

제 5도는 백금이 7wt% 첨가된 소자의 상부전극으로서 백금(Pt)을 증착한 본 고안의 소자 가스 감응특성 그래프도.

제 6도는 백금이 10wt% 첨가된 소자의 상부전극으로서 백금을 증착시킨 본 고안의 소자 가스 감응특성 그래프도.

제 7도는 본 고안에 따른 후막형 메탄 가스 센서의 응답특성 그래프도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ; 알루미나 기판2 ; RuO₂히터

3,4 ; 백금 페이스트5 ; 감지막

6 ; 백금선7 ; 백금(Pt)박막

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 고안의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제 2도는 본 고안에 따른 후막형 메탄 가스센서의 정단면 구조도로서, 알루미나 기판(1)의 상측 및 하측으로 감지막(5) 및 RuO₂히터(2)를 개재하여 백금 페이스트(3)(4)가 각각 도포토록 되며, 상기 백금 페이스트(3)(4)는 백금선(6)으로 연설토록 된다.

또한, 스크린 인쇄법으로 촉매제인 백금이 1∼5wt% 첨가된 SnO₂후막을 감지막(5)으로 이용하며, 상부전극으로서 백금 전극(7)을 증착시킨 구성으로 이루어진다.

이하, 본 고안의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

SnCl₄수용액을 준비한후, 얻고자 하는 SnO₂의 양에 따라 SnCl₄수용액을 희석한다. 그리고 최종의 모물질에 촉매로써 백금(Pt)을 첨가하기 위해 액체상태인 염화백금산을 최종 SnO₂모물질의 1∼5wt%가 되도록 SnCl₄수용액에 자기교반기로 교반하며 첨가하였다.

수용액을 침전시키기 위하여 NH₄OH를 첨가한다.

상기 수용액이 침전된 상태에 Sn(OH)₄를 0.1M의 NH₄NO₃수용액을 이용하여 세척한다. 세척된 물질을 전기로를 이용하여 90∼100℃에서 건조한후 초기 분쇄한다.

분쇄된 물질을 꺼낸후 다시 분쇄하어 가스센서 감지막용 SnO₂모물질을 제조토록 한다.

상기의 공정을 거쳐 제조된 모물질을 이용하여 메탄 가스센서를 제작하여 제 2 도에 도시한 바와같은 구조의 후막형 메탄 가스센서 소자를 완성한다.

먼저, 소자의 제작을 위하여 0.2mm두께의 알루미나 기판(1)을 준비한다. 준비된 알루미나 기판(1)위에 가스센서의 동작온도 유지를 위한 RuO₂히터(2)로서 RuO₂페이스트를 인쇄한다.

그리고 백금 페이스트(3)를 RuO₂히터(2)위에 인쇄하여 히터전극을 형성한다. RuO₂히터(2)가 인쇄된 알루미나 기판(1)의 뒷면에는 역시 백금 페이스트(4)를 인쇄하여 감지막 전극을 형성한다.

앞에 설명한 공정을 거쳐 제조한 맥금이 첨가된 SnO₂분말을 슬러리 상태로 만들어 백금 페이스트(4)인 감지막 전극이 형성된 알루미나 기판(1)위에 인쇄하여 감지막(5)을 형성한다.

이어서 700∼900℃에서 1∼3시간 공기 분위기에서 소성한후, 백금선(6)을 소자의 전극 부분에 부착한다. 그리고 스퍼터링기를 이용하여 백금(Pt)을 감지막 위에 증착하여 백금 박막(7)인 상부전극을 형성한다.

이때 알루미늄 테이프를 이용하여 감지막의 전극폭만큼 감지막을 스크린하여 백금이 감지전극의 폭만큼 증착되지 않도록 한후, 이를 포장하여 센서의 제작을 완료한다.

상기와 같이 제작된 메탄가스 센서의 가스에 대한 감지예를 설명하면 아래와 같다.

제 3도는 촉매제로서 첨가한 백금(Pt)의 첨가량에 따른 후막형 메탄 가스센서의 가스감응특성을 나타낸 것이다.

도면에서 피검가스에 대한 감지특성은 다음의 식으로 나타내었다.

R = R₀C^-S(1)

식에서 R은 메탄가스 분위기에서의 저항값이며,

R₀는 공기 분위기에서의 초기 저항값이고,

C는 피검가스의 농도 -S는 기울기를 각각 나타낸다.

식(1)에 상용대수를 취하면,

logR = logR₀-SlogC(2)

가 되며, logR과 logC의 관계는 일차방정식을 만족시킨다.

그러므로 logR과 logC의 기울기로부터 S를 구할 수 있으며, 절대값이 클수록 저항의 변화폭이 크게되어 감지특성이 좋음을 나타낸다.

도면에서 보는 바와 같이 백금(Pt)이 1,3,5 wt%가 첨가된 경우, 모두 -0.42정도의 기울기를 나타냄으로써 비슷한 가스감응특성을 나타내었으나, 7wt%이상의 백금이 첨가된 소자의 경우 -0.14이하의 값을 나타내었다.

즉 기울기의 절대값이 클수록 가스에 대한 큰 감도를 나타냄으로 백금이 1∼5wt%가 첨가된 소자가 메탄 가스센서로 이용될 수 있음을 볼 수 있다.

제 4도는 백금이 1wt% 첨가된 후막형 메탄가스센서의 상부전극으로서 백금 박막을 증착한 소자의 가스감응특성을 나타낸 것이다.

메탄가스에 대해 -0.62의 기울기를 나타내었는데, 백금 박막이 상부전극으로 증착함으로써 메탄가스에 대한 감응특성을 더욱 향상시킬수 있다.

탄화수소계가스의 한 종류인 프로판 가스에 대해서도 비슷한 감지특성을 나타내므로 LNG, LPG 공용 가스센서로 이용할 수 있다.

그러나 방해가스로라고 볼수 있는 일산화탄소에 대한 저항변화는 25%로서 극히 미미함을 볼 수 있다. 즉, 메탄 가스에 대한 뛰어난 선택성을 볼 수 있다.

제 5도와 제 6도는 백금이 7,10wt%첨가된 소자의 상부전극으로서 백금(Pt)을 증착한 소자의 메탄가스에 대한 감지특성을 나타낸 것이다.

초기저항만 증가할 뿐 메탄 및 프로판 가스에 대한 감지특성이 좋지 못함을 볼 수 있다. 또한 일산화탄소에 대한 감지특성이 메탄가스에 대한 특성보다 좋음을 볼 수 있다. 즉 선택성을 확보할 수 없다.

제 7도는 본 고안의 메탄가스 센서의 응답특성을 나타낸 것이다. 7초 이내의 응답특성을 볼 수 있다. 백금 박막이 증착되지 않은 소자의 경우 제 3도에서 보는 바와 같이 메탄가스에 대한 감지특성이 좋지 않을 뿐만 아니라 감지 시간도 40초로 길었다.

이상과 같이 본 고안에 따른 후막형 메탄 가스센서에 의하면, 감지막 하측으로 도포된 감지막용 전극과 함께 감지막위에 상부 전극으로서 백금(Pt)을 스퍼터링법으로 증착하여 형성함으로써, 메탄가스에 대한 감지특성을 가일층 향상시킬 수 있게 되며, 가스와 감지막과의 반응에 의한 신호전달을 빠르게 함으로써 가스 감지 시간을 줄일수 있게되고, 저전력으로 가스 감지를 위해 필요한 온도를 유지할 수 있음은 물론, 일산화탄소 같은 방해가스에 대한 영향이 낮아 보일러실과 같이 메탄가스와 이의 연소로 인한 일산화탄소 등이 공존하는 장소에서도 뛰어난 성능을 갖게되는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 알루미나 기판(1)의 상측 및 하측으로 감지막(5) 및 RuO₂히터(2)를 개재하여 백금 페이스트(3)(4)가 각각 도포토록 되며, 상기 백금 페이스트(3)(4)는 백금선(6)으로 연설토록 되는 구조로된 후막형 메탄 가스센서에 있어서,

   상기 감지막(5)을 스크린 인쇄법으로 촉매제인 백금이 1∼5wt% 첨가된 SnO₂후막을 감지막(5)으로 이용하며, 상부전극으로서 백금 전극(7)을 증착시킨 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 후막형 메탄 가스센서.