KR20090075025A - 평판형 접촉연소식 수소 및 가연성 가스센서 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 기판을 적용한 접촉연소식 가연성 가스 센서로서, 기존의 접촉연소식 가스센서 형태인 비드형 접촉연소식 가스센서와는 달리 평판형 알루미나 기판을 아주 작게 하기위해 다이싱 기술공정을 사용하고 그 위에 패턴이 설계된 금속마스크를 이용하여 백금 히터선을 박막 증착법으로 형성한 뒤 백금족 촉매 PdCl2, PtCl2 및 알루미나 분말 혼합물로 구성된 검지물질을 도포법을 이용하여 윗면과 아랫면 한 번에 모두 코팅하여 저렴한 비용으로 대량 생산하면서도 센서로서의 기능이 우수한 접촉연소식 가연성 가스 센서를 제공하고 있다.
수소가스센서, 백금 히터, 평판형 알루미나 기판
Description
본 발명은 수소, 메탄, 프로판 가스 등 가연성의 가스 누설 탐지기에 사용되는 접촉연소식 가스센서에 관한 것으로, 특히 다양한 분야에서 많이 사용되고 있는 LNG가스, LPG 가스 및 청정에너지로 관심을 받고 있는 수소가스 등의 누출을 단 시간 내에 정확히 감지할 수 있도록 초소형이면서 대량생산이 가능한 기술로, 양면이 촉매반응하도록 백금히터를 형성한 알루미나 평판형 지지체에 검지물질을 일체화로 도포한 접촉연소식 가스센서에 관한 것이다.
일반적으로 사용하는 접촉연소식 가스센서는 백금 코일에 알루미나 페이스트를 도포하여 지지체를 형성하고, 그 위에 촉매층을 형성하여 감지소자를 만든다.
구체적으로 보면, 약 7회 정도 감은 소형 백금코일에 알루미나 페이스트를 도포해서 지지체를 원형으로 만든 후, 건조와 열처리로 단단하게 형성한다. 여기에 외피층을 알루미나 혹은 티타니아 등의 복합금속산화물에 백금이나 팔라듐 촉매를 분산하여 담지한 촉매층을 둥글게 바르고, 전기를 통해서 약 600℃정도로 열처리하는 방법이다.
한편, 실리콘 기판위에 이산화 실리콘층을 형성하고 혹은 그 위에 알루미나 박막을 형성한 후, 지그제그형 백금 히터를 형성하고 그위에 검지촉매층을 평면으로 한층을 형성하여 접촉연소식을 완성하는 경우도 있다.
위의 처음 방법으로 제조된 센서는 코일의 감기, 절단, 융착과 알루미나 페이스트의 도포 등이 완전 개개씩 수작업으로 이루어지므로 대량생산이 어렵다. 특성면에서는 반응속도가 20초 이상으로 느리고, 최저 측정범위가 약 0.1%정도로 감도가 둔하다는 단점을 가지고 있다.
두 번째 방법은 실리콘 웨이프를 사용하는 반도체 공정으로 이루어지므로 대량생산은 가능하나 공정이 복잡하며, 고가의 장비가 필요로 한다. 그러나 평판으로 된 센서의 한쪽면만이 촉매반응을 하므로 역시 반응속도가 느리며, 감도가 약해서 저농도 측정이 불가능하다.
본 발명은 종래의 구형 알루미나 지지체 대신 기존의 아주 얇은 알루미나 기판을 아주 작게 절단하여 사용함으로 대량생산공정이 수월하고, 초소형으로 가능하며, 또한, 백금히터를 박막증착기술로 형성하므로 균일하고 대량생산이 가능하고 소형제작이 가능한 기술에 관한 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 접촉연소식 수소센서의 알루미나 지지체를 평판형 얇은 기판으로 바꾸면서 백금히터를 증착방법으로 만들고, 다이싱 기술을 적용해서 초소형 센서 지제체를 제작하므로 접촉연소식 수소가스 센서의 감지속도 및 감도를 향상시키고, 대량생산과 가격저렴화를 달성하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 증착에 의해서 센서 기판을 소형화 하여 낮은 제조 단가 및 간단한 공정에 의해서 대량생산이 가능토록하고, 우수한 수소/가연성 가스 감지 성능을 제공할 수 있는 마이크로 평판기판의 양면 검지층을 일체화한 접촉연소식 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 목적을 달성하고자 알루미나 지지체를 평판형 기판으로 하고, 한 기판을 수천 개의 개별 지지체 기판이 되도록 사전에 다이싱을 하여 두고, 백금히터전극을 진공증착으로 형성함에 있어 적절하게 설계제작된 마스크를 사용하여 접촉연소식 센서 기판을 소형화하며, 기존의 백금코일이 들어있는 비드형 알루미나를 박막 백금히터가 코팅된 평판형 기판에 검지층을 전후면으로 일체가 되도록 둥글게 형성시킴으로써, 센서의 감지속도 및 감도를 향상시키고 있으며, 낮은 제조 단가 및 간단한 공정에 의해서 대량생산이 가능토록하고, 우수한 수소/ 가연성 가스 감지 성능을 제공할 수 있는 마이크로 평판기판의 양면 검지층을 일체화한 접촉연소식 센서의 제조방법을 제공하고 있다.
평판형임므로 센서를 대량생산이 가능하고, 평판형이지만 양면 접촉연소가 일어남으로 감도가 10배 이상 민감하며, 반응속도가 3초까지로 아주 빠른 장점을 갖는다.
이로써, 수소, 도시가스, 프로판 등의 폭발 위험성이 높은 가스누출을 미량검출가능하며, 신속히 검지하여 응급처치가 가능하다. 특히 본 센서는 가연성가스로서 위험성이 높은 수소가스에 아주 적합하게 사용될 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 본 발명은 마이크로 평판형 알루미나 기판을 적용한 감지소자와 그 제조방법으로 구성된다.
이와 같은 본 발명의 마이크로 기판을 적용한 접촉연소식 가연성 가스 센서는, 기존의 접촉연소식 가스센서 형태인 비드형 접촉연소식 가스센서와는 달리 평판형 알루미나 기판을 아주 작게 하기위해 다이싱 기술공정을 사용하고 그 위에 패턴이 설계된 금속마스크를 이용하여 백금 히터선을 증착법으로 박막으로 형성한 뒤 백금족 촉매 PdCl2, PtCl2 및 알루미나 분말 혼합물로 구성된 검지물질을 도포법을 이용하여 윗면과 아랫면 한 번에 모두 코팅한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 바람직하게는 접촉 연소식 가스센서를 제조하는 방법으로서, 가로 및 세로가 각각 5 내지 15cm인 알루미나 기판막을 가로 및 세로가 각각 0.1 내지 3.0mm가 되도록 가로와 세로로 레이져 다이싱(dicing)하는 단계; 각각의 다이싱된 알루미나 기판막에 금속 마스크를 이용하여 백금을 증착시켜 지그제그형 백금 히터선과 그 백금 히터선 양 끝단의 전극패드를 형성시키거나, 마스크 없이 기판막 전체에 백금을 증착한 후에 포토레지스트 마스크를 이용하여 사진식각법으로 지그제그형 백금 히터선과 그 양 끝단의 전극패드를 형성시키는 단계; 백금 히터선의 양 끝단에 형성된 전극패드에 백금 또는 금으로 형성된 리드 와이어를 백금 또는 금 페이스트를 이용하여 부착시키는 단계; 및 백금 히터선, 전극패드 및 리드와이어가 부착된 알루미나 기판의 아래 위 양면에 검지물질을 도포하고 건조한 후에 600 내지 1000℃로 열처리하여 센서검지체를 형성시키는 단계를 포함하여 접촉연소식 가스센서를 제조하는 방법을 제공하고 있다. 열처리 온도가 낮으면 검지체의 강도가 약하여 센서 수명과 신뢰성이 부족하게 되며, 1000℃ 이상으로 높으면 센서표면의 기공이 현격히 감소하여 감도가 약하고 저농도에서 측정이 어렵다.
본 발명은 또한 상기와 같은 방법으로 제조된 접촉연소식 가스센서로서, 가로와 세로가 각각 0.1 내지 3.0mm인 알루미나 기판막; 이러한 알루미나 기판막상에 증착된 백금히터선과, 백금 히터선의 양단에 형성된 전극패드; 전극패드에 부착된 리드와이어; 및 백금 히터선, 전극패드 및 리드와이어가 부착된 알루미나 기판의 아래 위 양면에 검지물질을 도포하고 건조한 후에 열처리함으로써 형성된 센서검지 체를 포함하는 접촉연소식 가스센서를 제공하고 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
두께 0.5mm이하, 크기가 가로 및 세로 각각 5 내지 15cm가 되는 알루미나 기판막을 크기가 가로 및 세로 각각 0.1 내지 3.0mm가 되도록 가로와 세로로 레이져 다이싱(dicing, 공정후 각각 낱개로 분리되도록 구멍이나 홈을 한줄로 파두는 작업)을 한다(도1). 이로써 히터증착 후에 한 기판에 수백에서 수천 개의 낱개 센서기판이 나오도록 분리가 용이하다.
이 알루미나 기판막에 진공증착 방법으로 한 면에 20 내지 90오옴의 지그제그형의 백금 히터선을 형성시켜 센서로서 사용하기에 유용한 저항이 형성되게 한다. 이 방법으로는 히터선의 폭이 30 내지 70um, 선길이가 150 내지 550um, 선간격이 55 내지 95um이고, 패드가 가로 150 내지 550um, 세로가 100 내지 400um인 히터선을 양단에 형성되고, 히터선이 2 내지 5회 반복적으로 지그제그형 이 형성되도록 설계(도 2)된 두께가 0.1 내지 0.3mm인 스테인레스 스틸 금속마스크(도 3)를 씌우고 열가열법이나 스퍼터링법으로 증착하거나, 마스크없이 면 전체에 백금을 증착한 후, 상기의 지그제그형 백금히터선 모형을 포토레지스트 마스크로 사용하여 사진식각방법으로 지그제그형 히터를 형성하는 방법으로 만든다.
상기의 마스크를 알루미나 기판과 단단히 밀착하여 고정하고, 진공증착기내의 증착백금체 맞은 편에 설치하여 두고 저항가열법이나 전자열선법으로 백금을 증발시켜 두께 0.5에서 30um로 증착하여 백금히터를 완성한다(도 4).
그 히터의 양 끝단에 형성된 전극패드에는 직경 20 내지 70um의 백금 혹은 금과 같은 귀금속 리드와이어를 백금이나 금페이스트를 융착제로 발라서 건조열처리하여 부착한다. 페이스트 건조는 20℃ 내지 100℃에서 10분에서 2시간하고, 다시 열처리는 400℃ 내지 900℃에서 5 내지 30분간 한다(도 5). 각 양단 리드와이어의 끝은 센서보디의 핀전극에 전기융착으로 고정한다.
상기의 리드와이어가 부착된 기판 알루미나 기판막에 검지물질 페이스트를 소량 떨어뜨려서 기판의 앞뒤를 포함한 전체면에 도포하여 4각의 둥근 구형의 센서검지체를 형성한 후, 충분한 건조를 위해서 2 내지 4볼트 전기통전으로 20℃ 내지 100℃에서 10분에서 2시간동안 건조하고, 3 내지 10볼트로 600 내지 1000℃, 10 내지 40분간 공기분위기 열처리로 단단한 센서검지체를 만든다. 완성된 센서는 전압을 2 내지 6볼트 공급하여 백금히터가 발생하는 자체 열로 1 내지 10시간 에이징하여 완성한다(도 6).
[실시예]
두께 0.25mm, 크기가 가로 및 세로 각각 10cm가 되는 알루미나 기판막을 크기가 가로 및 세로 각각 0.5와 1.0mm가 되도록 가로와 세로로 레이져 다이싱을 한다.
이 알루미나 기판막에 진공증착 방법으로 한 면에 40오옴의 지그제그형의 백금 히터선을 형성시켜 센서로서 사용하기에 유용한 저항이 형성되게 한다. 이 방법으로는 히터선의 폭이 40um, 선길이가 350um, 선간격이 65um이고, 패드가 가로 350um, 세로가 250um인 히터선을 양단에 형성되고, 히터선이 2.5회 반복적으로 지그제그형 이 형성되도록 설계된 두께가 0.2mm인 스테인레스 스틸 금속마스크를 씌우고 스퍼터링법으로 증착하여 지그제그형 히터를 형성한다. 이 경우 마스크를 알루미나 기판과 단단히 밀착하여 고정하고, 이를 진공증착기내의 증착백금체 맞은 편에 설치하여 두고 백금을 증발시켜 두께 1.5um로 증착하여 백금히터를 완성한다. 그 히터의 양 끝단에 형성된 전극패드에는 직경 30um의 백금같은 귀금속 리드와이어를 금페이스트 융착제로 발라서 건조열처리하여 부착한다. 페이스트 건조는 100℃에서 10분에서 2시간하고, 다시 열처리는 800℃에서 20분간 한다. 각 양단 리드와이어의 끝은 센서보디의 핀전극에 전기융착으로 고정한다.
상기의 리드와이어가 부착된 기판 알루미나 기판막에 검지물질 페이스트를 소량 떨어뜨려서 기판의 앞뒤를 포함한 전체면에 도포하여 4각의 둥근 구형의 센서검지체를 형성한 후, 충분한 건조를 위해서 4볼트 전기통전으로 100℃에서 10분에서 2시간동안 건조하고, 7볼트로 800℃, 30분간 공기분위기 열처리로 단단한 센서검지체를 만든다. 완성된 센서는 전압을 5볼트 공급하여 백금히터가 발생하는 자체 열로 8시간 에이징하여 완성한다.
도 7은 본 발명으로 제작된 평판형 접촉연소식 수소가스센서의 수소 가스 감도 특성 그래프를 나타내는 것으로 0.5, 1.0, 2.0, 3.0%의 수소에서도 확실한 감도를 보여주며, 4개 피크의 꼭지점을 연결하면 알 수 있듯이 선형성이 뛰어나고, 피크의 증가와 감소의 속도가 3-5초로 신속하며 100ppm의 저농도도 피크가 잘 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 피크의 제자리 복귀성이 아주 양호하는 등 신뢰성도 우수하였다.
도 1은 본 발명의 센서기판으로 사용되는 알루미나 기판이 여러개로 다이싱(dicing)된 모양
도 2는 본 발명의 초소형으로 대량제조용으로 사용되는 스테인래스 전극증착 마스크 모양
도 3은 히터전극제조용 마스크의 설계사양
도 4은 본 발명으로 제작된 평판형 기판 사진
도 5은 본 발명으로 제작된 리드와이어가 부착된 평판형 연소식 가연성 및 수소가스센서의 사진
도 6은 본 발명으로 제작된 평판형 기판에 양면으로 둥글게 검지물질이 도포된 접촉연소식 가연성 및 수소가스센서의 사진
도 7은 본 발명으로 제작된 평판형 접촉연소식 가연성 및 수소가스센서의 소 가스 감도 특성 그래프
Claims (9)
- 평판형 접촉 연소식 가스센서를 제조하는 방법으로서, 가로 및 세로가 각각 5 내지 15cm인 알루미나 기판막을 가로 및 세로가 각각 0.1 내지 3.0mm가 되도록 가로와 세로로 레이져 다이싱(dicing)하는 단계; 각각의 다이싱된 알루미나 기판막에 금속 마스크를 이용하여 백금을 증착시켜 지그제그형 백금 히터선과 그 백금 히터선 양 끝단의 전극패드를 형성시키거나, 마스크 없이 기판막 전체에 백금을 증착한 후에 포토레지스트 마스크를 이용하여 사진식각법으로 지그제그형 백금 히터선과 그 양 끝단의 전극패드를 형성시키는 단계; 백금 히터선의 양 끝단에 형성된 전극패드에 백금 또는 금으로 형성된 리드 와이어를 백금 또는 금 페이스트를 이용하여 부착시키는 단계; 및 백금 히터선, 전극패드 및 리드와이어가 부착된 알루미나 기판의 아래 위 양면에 검지물질을 도포하고 건조한 후에 600 내지 1000℃로 열처리하여 센서검지체를 형성시키는 단계를 포함하여 알루미나 기판을 사용하혀 초소형 접촉연소식 가스센서를 제조하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 검지물질이 백금족 촉매 PdCl2, PtCl2 및 알루미나 분말 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 백금 히터선의 폭이 30 내지 70um이며, 길이가 150 내지 550um이고, 지그제그형으로 형성된 선 간격이 55 내지 95um이고, 백금 히터선의 양단에 형성된 패드의 가로가 150 내지 550um이고 세로가 100 내지 400um이며, 백금 히터선이 2 내지 5회 반복된 지그제그형임을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 히터선의 양 끝단에 형성된 전극패드에 리드와이어를 부착하는 단계가 직경 20 내지 70um의 백금 혹은 금과 같은 귀금속 리드와이어를 백금이나 금페이스트를 융착제로 발라서 건조 열처리하며, 페이스트 건조는 20℃ 내지 100℃에서 10분에서 2시간하고, 열처리는 400℃ 내지 900℃에서 5 내지 30분간 수행함을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 검지물질을 도포 및 건조하고 열처리하는 단계가, 리드와이어가 부착된 기판 알루미나 기판막에 검지물질 페이스트를 소량 떨어뜨려서 기판의 앞뒤를 포함한 전체면에 도포하여 4각의 둥근 구형의 센서검지체 모양을 형성하고, 2 내지 4볼트 전기통전으로 20℃ 내지 100℃에서 10분에서 2시간동안 건조하고, 3 내지 10볼트로 600 내지 1000℃, 10 내지 40분간 공기분위기 열처리로 센서검지체를 단단하게 만든 후, 완성된 센서는 전압을 2 내지 6볼트 공급 하여 백금히터가 발생하는 자체 열로 1 내지 10시간 에이징함을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 따른 방법으로 제조된 접촉연소식 가스센서로서, 가로와 세로가 각각 0.1 내지 3.0mm인 알루미나 기판막; 이러한 알루미나 기판막상에 증착된 백금히터선과, 백금 히터선의 양단에 형성된 전극패드; 전극패드에 부착된 리드와이어; 및 백금 히터선, 전극패드 및 리드와이어가 부착된 알루미나 기판의 아래 위 양면에 검지물질을 도포하고 건조한 후에 열처리함으로써 형성된 센서검지체를 포함하는 접촉연소식 가스센서.
- 제 6항에 있어서, 백금히터선이 폭이 30 내지 70um이며, 길이가 150 내지 550um이고, 2 내지 5회 지그제그형으로 반복되며 그 반복된 선 간격이 55 내지 95um이며, 저항이 20 내지 90오옴임을 특징으로 하는 접촉연소식 가스센서.
- 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 전극패드가 가로가 150 내지 550um이고, 세로가 100 내지 400um임을 특징으로 하는 접촉연소식 가스센서.
- 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 센서검지체를 형성시키는 검지물질이 백금족 촉매 PdCl2, PtCl2 및 알루미나 분말 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 접촉연소식 가스센서.
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