KR20050122587A - 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서에 관한 것으로서, 결정성 나노 와이어를 실리콘 기판 상에 규칙적으로 배열하되, 상기 실리콘 기판 상에 있는 티타늄 금속필름 상에 배열하고, 상기 나노 와이어의 상단 및 상기 티타늄 금속필름 상에 각각 전극을 형성하여 전기 저항을 측정할 수 있는 수소센서를 제조함으로써, 4% 이하의 수소농도를 정확하게 측정할 수 있으며, 구조가 단순하여 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 응답 속도도 매우 빠른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팔라듐을 나노 와이어의 규칙적으로 배열된 형태로 만들어 이를 수소센서로 활용함으로써, 구조가 단순하여 비용이 절약될 뿐만 아니라, 응답 속도 또한 빠른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서에 관한 것이다.
종래의 수소센서로는 접촉 연소식(catalytic combustion)센서, 반도체(semiconductor)센서, 전기화학(electrochemical)센서, 팔라듐(palladium) FET(field effect transistor)센서, 그리고 팔라듐(palladium)저항 센서로 구분할 수 있다.
상기 접촉연소식 센서는, 수소가 가열된 촉매가 담지된 입자를 통과하면서 연소할 때 생기는 온도의 차이를 휘트스톤 브리지(wheatstone bridge)를 사용하여 측정하는 방식의 센서로서, 가장 널리 사용되는 센서이다.
이 센서는 1 ~ 5%의 수소농도의 측정에 사용이 가능하여 안전 센서로서 활용성이 있으며, 응답 속도도 10초 이내로 빠르다는 장점이 있지만, 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.
상기 반도체 센서는 금속산화물 반도체를 사용하여 수소 흡착에 대한 저항의 변화를 측정하는 형태의 센서이다.
이 센서는 범용적으로는 활용이 가능하지만, 연료전지용 수소센서로는 적합하지 않다.
상기 전기화학 센서는 수소를 연료로 하는 전기화학 전지를 구성하여 환원제인 산소를 동시에 공급하면서 전류를 발생시키고, 이 전류를 측정함으로써, 수소의 농도를 구하는 형태의 센서이다.
이 센서는 정확한 농도의 측정이 가능하지만, 가격이 너무 비싸기 때문에 연료전지 자동차용 수소센서로는 적합하지 않다.
상기 팔라듐 FET센서는 수소에 매우 민감한 금속 팔라듐을 게이트(gate)로 사용하여 트랜지스터를 구성한 형태의 센서로서, 수소를 흡수한 팔라듐이 미소하게 저항이 변화하는 것을 이용하여 이를 전류, 전압 특성신호로 바꾸어 수소의 농도를 측정한다.
이 센서는 매우 낮은 농도까지 측정이 가능하기 때문에 안전센서로 활용이 가능하지만, 구조가 다소 복잡하다는 단점이 있다.
상기 팔라듐 저항센서는 수소의 흡수에 따라 팔라듐의 저항이 변화하는 것을 직접 측정하여 수소의 농도를 결정하는 형태의 센서로서, 그 구조는 단순하지만, 응답 시간이 늦는 것이 하나의 단점이라고 할 수 있다.
이와 같은 종래의 수소센서 중, 접촉연소식 센서가 실제적인 용도로 가장 근접해 있는 것으로 알려져 있으며, 이러한 접촉연소식 센서는 응답속도나 선택도 측면에서 다른 종류의 센서에 비해 우수하기 때문에 안정성이 높다고 할 수 있다.
또한, 상기 접촉연소식 센서의 작동 원리상 다른 종류의 센서에 비하여, 응답 속도는 빠르기는 하지만 선택도 측면에서는 수소 이외의 산화가 가능한 기체에도 응답할 수 있기 때문에 특별히 우수한 성능을 보인다고 말 할 수는 없으며, 이러한 접촉연소식 센서의 가장 큰 문제점은 가격이 비싸고, 소비전력이 높으며, 또한 구동회로가 복잡하다는 문제점이 있다.
한편, 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서는 2001년, 사이언스 저널(F. Favier, et al., Science 293, 2227 (2001))에 소개된 이후에 많은 연구가 진행되고 있는 바, 이러한 팔라듐 나노 와이어 수소센서는 수소에 대한 응답속도가 1초 이내로 빠르고, 소비 전력도 거의 없으며, 상온에서 작동이 가능하다는 점 때문에 매우 큰 관심을 끌게 되었다.
또한, 이 센서는 기존의 팔라듐 센서와 감지방법에 있어서, 차별성이 있기 때문에 더욱 향상된 성능을 나타낸다.
이 센서에서 사용하는 팔라듐 나노 와이어는 수많은 팔라듐 나노입자들이 모여서 하나의 와이어를 이루는 형태로 구성되는 바, 수소가 주입되면 각각의 팔라듐 나노입자들은 부피가 팽창하게 되고, 끊어져 있던 나노입자들이 부피가 팽창되면서 연결되어 나노 와이어의 저항이 감소하게 되는 현상을 이용하는 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 양쪽 전극 사이에 여러 가닥의 팔라듐 나노 와이어가 연결되어 있으며, 작은 전류를 계속적으로 흘려주게 되며, 수소 분위기에서 팔라듐 입자가 수소를 흡장하여 부피 팽창함으로써, 전체 전기저항을 감소시켜 수소량을 감지할 수 있게 된다.
이러한 점은 기존의 팔라듐 저항센서가 수소가 주입되면 저항이 증가하는 현상과는 완전히 대별되는 현상으로서, 이 방법의 활용을 통해 응답 속도도 빨라지며, 일산화탄소와 같이 수소의 감지에 영향을 주는 기체의 영향도 줄일 수 있다.
그러나, 언제나 일정한 형태의 팔라듐 나노 와이어를 만들기가 어렵고, 수소농도도 4% 이하는 측정이 불가능하며, 수소의 농도가 높아질수록 응답속도도 느려지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 결정성 나노 와이어를 실리콘 기판 상에 규칙적으로 배열하되, 상기 실리콘 기판 상에 있는 티타늄 금속필름 상에 배열하고, 상기 나노 와이어의 상단 및 상기 티타늄 금속필름 상에 각각 전극을 형성하여 전기 저항을 측정할 수 있는 수소센서를 제조함으로써, 4% 이하의 수소농도를 정확하게 측정할 수 있으며, 구조가 단순하여 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 응답 속도도 매우 빠른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서를 제공하는데 그 발명의 목적이 있다.
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서는, 결정성 나노 와이어(11)를 실리콘 기판(12) 상에 규칙적으로 배열하되, 상기 실리콘 기판(12) 상에 있는 티타늄 금속필름(13) 상에 배열하고, 상기 나노 와이어(11)의 상단 및 상기 티타늄 금속필름(13) 상에 각각 전극(14a,14b)을 형성하여 전기 저항을 측정 가능토록 한 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 나노 와이어(11)가 수소를 흡수하여 부피가 팽창하게 될 경우, 나노 와이어(11) 사이의 거리가 가까워지게 되어 양쪽 전극(14a,14b) 사이의 전기 저항이 감소하게 되는 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서를 나타내는 개략적인 도면이며, 도 2는 본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서의 작동원리를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서는, 종래 발명에서 설명한 것과 유사하게 팔라듐 나노 와이어(11)를 사용하지만 본 발명에서 사용되는 나노 와이어(11)는 끊어진 나노입자로 구성된 나노 와이어(11)가 아니며 결정성 나노 와이어(11) 즉, 나노크기의 막대 형태이며, 많은 수의 나노 와이어(11)가 규칙적으로 배열된 형태로 구성된다.
이때, 상기 나노 와이어(11)의 크기는 직경이 약 80나노미터(㎚) 정도의 실린더 형상이며, 각각의 나노 와이어(11) 사이의 간격은 약 수 나노미터(㎚)에서부터 100 나노미터(㎚) 정도이다.
이와 같은 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서(10)에 있어서, 상기 결정성 나노 와이어(11)는, 실리콘 기판(12) 상에 규칙적으로 배열되는 바, 더욱 상세하게는 상기 실리콘 기판(12) 상에 있는 티타늄 금속필름(13) 상에 배열되고, 그 상단에 전극(14a)을 형성하게 된다.
그리고, 상기 티타늄 금속필름(13) 상에 또 다른 전극(14b)을 형성하여 상기 전극(14b)과 함께 전기 저항을 측정할 수 있는 작동 구조로 이루어져 있다.
이때, 상기 나노 와이어(11)들은 수소가 있는 경우, 수소를 흡수하여 팔라듐 수소화물이 되면서 팽창하여 부피가 3.5% 정도까지 커지게 되며, 팔라듐 나노와이어 그 자체로는 저항이 증가하게 되겠지만 팽창한 부피때문에 옆에 있는 와이어에 가까워지게 되면, 배열된 형태 전체의 저항은 감소하게 되며, 이를 통하여 결국에 두 전극(14a,14b) 사이의 저항은 감소하게 된다.
이때, 상기 티타늄 금속필름(13)은, 실리콘 기판(12)으로부터 팔라듐 나노 와이어(11)를 성장시키기 위한 필름이며, 팔라듐 나노 와이어(11)쪽의 상단에 형성된 전극(14a)과 그 상방에 접속되어 있는 전극(14b)을 서로 연결시켜주는 기능을 하게 된다.
한편, 수소가 없어지게 되면, 수소는 팔라듐 나노 와이어(11)로부터 다시 빠져 나오게 되면서, 원래 상태의 저항으로 돌아가게 된다.
이때, 팔라듐 나노 와이어(11)의 표면적이 매우 크기 때문에 수소의 출입이 매우 빠르게 일어날 수 있으며, 따라서 응답 속도도 매우 빨라지게 된다.
또한 배열된 나노 와이어(11) 사이의 간격이 일정하지 않아 상대적으로 가까운 간격과, 먼 간격으로 이루어지는데, 이는 수소의 농도를 낮은 농도에서부터 높은 농도까지 측정할 수 있도록 하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서에 의하면, 기존의 수소센서에 비해 응답속도가 빠르다는 장점 이외에 구조가 단순하여 가격이 저렴하고, 구조의 단순성으로 인하여 내구성도 높아질 수 있으며, 특히 수소의 농도를 감지하는데 있어서 다른 기체의 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서를 나타내는 개략적인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서의 작동원리를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소센서 11 : 나노 와이어
12 : 실리콘 기판 13 : 티타늄 금속필름
14a,14b : 전극
Claims (2)
- 결정성 나노 와이어(11)를 실리콘 기판(12) 상에 규칙적으로 배열하되, 상기 실리콘 기판(12) 상에 있는 티타늄 금속필름(13) 상에 배열하고, 상기 나노 와이어(11)의 상단 및 상기 티타늄 금속필름(13) 상에 각각 전극(14a,14b)을 형성하여 전기 저항을 측정 가능토록 한 것을 특징으로 하는 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 나노 와이어(11)가 수소를 흡수하여 부피가 팽창하게 될 경우, 나노 와이어(11) 사이의 거리가 가까워지게 되어 양쪽 전극(14a,14b) 사이의 전기 저항이 감소하게 되는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소센서.
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