KR20070095205A - 센서 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 물리 증착(physical vapor deposition) 박막 기술을 이용하여 백금 히터, 리튬 이온 전도체 및 금 전극을 형성하고, 후막법을 이용하여 기준 물질과 감지 물질을 형성하여 평면 적층식 이산화탄소 센서 소자를 제조함으로써 소자의 신뢰성과 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 구조를 단순화시킬 수 있어 크기를 소형화시킬 수 있고 이에 따라 소비 전력을 감소시킬 수 있다.
평면 적층식, 전위차형, 이산화탄소, 센서 소자, 박막 기술, 후막법
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 단면도.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서의 이산화탄소 농도 변화에 따른 기전력 변화 특성을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 백금 박막 히터 20 : 알루미나 기판
30 : 리튬 이온 전도체 박막 41 및 42 : 제 1 및 제 2 전극
50 : 기준 물질 60 : 감지 물질
본 발명은 센서 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기판 일면의 히터와 기판 타면의 리튬 이온 전도체 및 금 전극을 진공 증착 방법을 이용하여 형성한 후 기준 물질과 감지 물질을 후막법으로 형성하여 양산성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 평면 적층(planar stack)식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
생물 호흡 및 석유, 석탄과 같은 화석 연료 사용에 의해 급격히 증가하는 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 물질이지만, 저농도의 이산화탄소는 인체 및 동식물에 무해하고 광합성에 반드시 필요하다. 이산화탄소 농도의 환경 기준치는 1000ppm(parts per million)이고, 현재 지구상에는 평균적으로 약 380ppm이며, 아파트와 같은 실내 환경은 약 1500∼2000ppm의 상태이다. 그러나, 이산화탄소의 농도가 높아져 3000ppm 정도되면 약간의 현기증을 유발하게 되고, 더 높아져 5000ppm 이상이 될 경우 구토나 호흡 곤란을 야기하기 때문에 즉시 환기가 요구된다. 이렇게 이산화탄소 농도의 측정은 현재 환경 문제를 비롯하여 건물의 실내 공조 및 원예용 온실내 이산화탄소 농도 조절등 나날이 그 필요성이 증가하고 있다.
이산화탄소 농도를 측정하기 위한 이산화탄소 감지용 센서로서 이용되는 고체 전해질을 이용한 센서는 리튬, 나시콘(Nasicon), 나트륨-베타 알루미나와 같은 이온 전도체를 두껍게 벌크로 제작하였다. 특히, 나시콘과 같은 나트륨 이온 전도체는 조성이 복잡하여 안정한 이온 전도체의 합성이 어려웠고, 고체 전해질을 벌크 또는 후막 상태로 제작하기 때문에 양산 과정에서 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라 소자의 크기를 줄이는데도 한계가 있었다. 전해질을 벌크로 제작하는 고체 전해질 센서는 기준 물질, 전극, 고체 전해질, 전극, 및 감지 물질의 구조로 되어 있다. 즉, 벌크의 고체 전해질의 한쪽에는 기준 물질을 배치하고 다른쪽에는 감지 물질을 배치한다. 그런데, 산소 분압 의존성을 줄이기 위하여 기준 물질 부위는 밀봉해야 하기 때문에 많은 공정이 필요하고, 이에 따른 다수의 문제점을 가지고 있을 뿐만 아니라 부피도 크기 때문에 소비 전력도 높아야 한다. 또한, 전극 물질로 사용되는 금은 페이스트 상태로 도포되는데, 금 페이스트에는 유리와 같은 결합제가 포함되어 있어 소자 제작 중의 열처리 및 사용 중의 열에 의해 유리질이 형성되어 감지 물질 및 기준 물질의 접착성을 떨어뜨리게 되어 소자 불량을 야기하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 구조를 단순화하고, 양산성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 감지용 센서 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 박막 기술과 후막 기술을 이용하여 소자를 제조함으로써 양산성과 신뢰성이 높은 이산화탄소 감지용 센서 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 밀봉이 필요 없는 기준 물질을 이용하여 구조 및 제조 공정이 단순한 이산화탄소 감지용 센서 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 제조 방법은 알루미나 기판의 후면에 백금 박막 히터를 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하는 단계; 상기 알루미나 기판의 전면에 리튬 이온 전도체 박막을 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하는 단계; 상기 리튬 이온 전도체 박막 상부에 금 박막을 물리 증착 박막 기술로 형성하여 서로 소정 간격 이격된 제 1 및 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극을 피복하도록 기준 물질을 후막법으로 형성하는 단계; 및 상기 제 2 전극을 피복하도록 감지 물질을 후막법으로 형성하는 단계를 포함한다.
상기 리튬 이온 전도체 박막은 리튬포스페이트(Li3PO4)를 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성한다.
상기 기준 물질은 밀봉이 필요없는 산화물을 이용하여 형성한다.
상기 기준 물질은 리튬티타네이트(Li2TiO3)에 이산화티타늄(TiO2)을 혼합한 산화물을 이용하여 형성한다.
상기 감지 물질은 리튬탄산염(Li2CO3) 또는 리튬탄산염(Li2CO3)에 바륨탄산(BaCO3), 스트론티움탄산(SrCO3) 또는 기타 첨가제를 혼합한 물질을 후막법을 이용하여 형성한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 적층식 이산화탄소 센서 소자는 알루미나 기판(20)과, 알루미나 기판(20)의 일면에 센서를 작동시키는 열에너지를 제공하는 박막 히터(11 및 12)와, 박막 히터(11 및 12)가 형성되지 않은 알루미나 기판(20) 타면의 전체 상부에 형성되어 전위차형 센서의 이온 전도성을 제공하는 리튬 이온 전도체 박막(30)과, 리튬 이온 전도체 박막(30) 상부에 서로 소정 간격 이격되어 형성된 제 1 및 제 2 전극(41 및 42)과, 제 1 전극(41)을 피복하도록 형성된 기준 물질(50) 및 제 2 전극(42)을 피복하도록 형성된 감지 물질(60)을 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 제조 방법을 도 2(a) 내지 도 2(d)를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 2(a)를 참조하면, 알루미나 기판(20)의 일면에 백금(Pt)을 물리 증착(physical vapor deposition) 박막 기술로 형성하여 박막 히터(10)를 형성한다. 박막 히터(10)는 알루미나 기판(20)의 서로 이격된 두 영역을 노출시키도록 제작된 메탈 마스크를 이용하여 물리 증착 박막 기술로 형성하거나 형성된 백금 박막에 사진 및 식각 공정으로 패터닝하여 형성한다. 이에 의해 센서를 작동시키는 열에너지를 제공하는 백금 박막 히터(10)가 형성된다.
도 2(b)를 참조하면, 백금 히터(10)가 형성되지 않은 알루미나 기판(20)의 타면의 상부에 리튬 이온 전도체 박막(30)을 형성한다. 리튬 이온 전도체 박막(30)은 리튬포스페이트(Li3PO4)를 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하며, 0.5∼5㎛의 두께로 형성한다.
도 2(c)를 참조하면, 리튬 이온 전도체 박막(30) 상부에 금(Au) 박막을 이용하여 제 1 및 제 2 전극(41 및 42)을 형성한다. 제 1 및 제 2 전극(41 및 42)는 리튬 이온 전도체 박막(30)의 소정 영역을 노출시키도록 제작된 메탈 마스크를 이용하여 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하거나, 형성된 금 박막을 사진 및 식각 공정으로 패터닝하여 형성한다. 이때, 제 1 및 제 2 전극(41 및 42)는 각각 0.1∼2㎛의 두께로 형성한다.
도 2(d)를 참조하면, 제 1 및 제 2 전극(41 및 42)를 포함한 알루미나 기판(20) 상부에 산화물층을 형성한다. 산화물층은 밀봉이 필요없는 산화물, 예를들어 리튬티타네이트(Li2TiO3)에 이산화티타늄(TiO2)을 혼합한 산화물을 인쇄 방식등의 후막법을 이용하여 형성하여 밀봉이 필요 없는 기준 물질(50)을 형성한다. 이후 제 2 전극(42)을 피복하도록 감지 물질(60)을 형성하는데, 감지 물질(60)은 리튬탄산염(Li2CO3)을 단독으로 사용하거나 리튬탄산염(Li2CO3)에 바륨탄산(BaCO3), 스트론티움탄산(SrCO3) 또는 기타 첨가제 등을 혼합한 물질을 후막법을 이용하여 형성하며, 기준 물질(50)과 소정의 간격을 유지하도록 형성한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막 기술과 후막법을 이용하여 제조된 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서의 이산화탄소 농도 변화에 따른 기전력(electromove force; EMF) 변화 특성을 나타낸 그래프로서, 가스 농도를 10배 변화시켰을 때 작동 온도 500℃에서의 기전력 변화 값을 보여주고 있다. 도시된 바와 같이 네른스트(Nernst)식에 따라 계산 가능한 이론값인 76.7㎷에 매우 근접하는 75㎷의 우수한 특성을 얻을 수 있다.
[표 1]은 본 발명의 일 실시 예에 따른 물리 증착 박막 기술과 후막법을 이용하여 제조된 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자의 특성과 종래 벌크의 리튬 이온 전도체에 전극, 기준 물질, 그리고 감지 물질을 후막으로 제조한 벌크형 이산화탄소 감지용 전위차형 센서의 특성을 비교한 것으로, 90% 반응 및 회복 특성과 소비 전력을 비교하였다. 실시 예는 본 발명에 의하여 제작된 것이고 비교 예는 종래의 기술로 제작된 것이다.
[표 1]에서 보는 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 이산화탄소 센서 소자는 소자의 크기가 작고 얇아서 종래의 기술보다 소비 전력이 낮았고, 반응 및 회복 속도도 종래의 기술에 비하여 우수하다.
| 실시 예 | 비교 예 | |
| 소비전력 | 200㎽ 이내 | 250mW 이내 |
| 90% 반응 및 회복속도 | 30초 이내 | 60초 이내 |
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 물리 증착 박막 기술을 이용하여 히터, 리튬 이온 전도체 및 전극을 형성하고, 후막법을 이용하여 기준 물질과 감지 물질을 형성하여 평면 적층식 이산화탄소 감지용 전위차형 센서 소자를 제조함으로써 소자의 신뢰성과 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 구조를 단순화시키고, 크기를 소형화시킬 수 있으며 이에 따라 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 특히, 기준 물질로 산화물을 이용함으로써 기준 물질을 형성하기 위한 밀봉이 필요없게 되어 제조 과정이 간단해진다. 또한, 전극으로 금 박막을 이용하기 때문에 리튬 이온 전도체와 감지 물질 또는 기준 물질간의 접착력이 우수하면서도 전기적 신호 값을 신뢰성 있게 감지할 수 있어 신뢰성이 높은 소자를 제작할 수 있다.
Claims (5)
- 알루미나 기판의 후면에 백금 박막 히터를 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하는 단계;상기 알루미나 기판의 전면에 리튬 이온 전도체 박막을 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하는 단계;상기 리튬 이온 전도체 박막 상부에 금 박막을 물리 증착 박막 기술로 형성하여 서로 소정 간격 이격된 제 1 및 제 2 전극을 형성하는 단계;상기 제 1 전극을 피복하도록 기준 물질을 후막법으로 형성하는 단계; 및상기 제 2 전극을 피복하도록 감지 물질을 후막법으로 형성하는 단계를 포함하는 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리튬 이온 전도체 박막은 리튬포스페이트(Li3PO4)를 물리 증착 박막 기술을 이용하여 형성하는 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기준 물질은 밀봉이 필요없는 산화물을 이용하여 형성하는 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기준 물질은 리튬티타네이트(Li2TiO3)에 이산화티타늄(TiO2)을 혼합한 산화물을 이용하여 형성하는 센서 소자의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 감지 물질은 리튬탄산염(Li2CO3) 또는 리튬탄산염(Li2CO3)에 바륨탄산(BaCO3), 스트론티움탄산(SrCO3) 또는 기타 첨가제를 혼합한 물질을 후막법을 이용하여 형성하는 센서 소자의 제조 방법.
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-
2007
- 2007-03-16 KR KR1020070026116A patent/KR20070095205A/ko not_active Application Discontinuation
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