KR20120114323A - 수소 소스를 포함하는 독립형 물 검출 디바이스 - Google Patents

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KR20120114323A
KR20120114323A KR1020127019828A KR20127019828A KR20120114323A KR 20120114323 A KR20120114323 A KR 20120114323A KR 1020127019828 A KR1020127019828 A KR 1020127019828A KR 20127019828 A KR20127019828 A KR 20127019828A KR 20120114323 A KR20120114323 A KR 20120114323A
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porous silicon
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KR1020127019828A
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제시카 테리
필리쁘 코로넬
뱅상 포쉐
장-이브 로랑
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 제 1 전극 (2), 전해질 층 (3), 제 2 전극 (4), 및 전기적 측정 디바이스 (5) 를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 물 검출 디바이스로서, 연료 전지의 제 1 전극이, 물의 존재 시에, 수소 흐름을 유리시키도록 하는 방식으로, Si-H 본드들을 포함하는 다공성 실리콘 기판 (1) 의 제 1 면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스에 관한 것이다. 유리하게도, 다공성 실리콘 기판은 물에 대해 침투성인 제 1 하우징 (6) 에 포함되고, 연료 전지는 제 2 하우징 (8) 에 포함되며, 제 2 하우징은 물에 대해 불침투성이고 산소에 대해 침투성이다.

Description

수소 소스를 포함하는 독립형 물 검출 디바이스{STAND-ALONE WATER DETECTION DEVICE THAT INCLUDES A HYDROGEN SOURCE}
본 발명의 분야는 에너지 자율적 물 검출 디바이스들의 분야이며, 보다 정확하게는, 공지된 물 검출기들에서 제공되는 바와 같은, 오로지 이원적 모드에서만, 즉 물의 존재 또는 부재 시에만 동작할 수 있는 것이 아니라 물의 양을 평가할 수 있는 물 검출 디바이스들에 관한 것이다.
대다수의 물 검출 디바이스들은 에너지 면에서 자율적이지 않다. 에너지의 공급은, 디바이스 (전력 전지들) 내부의 소스를 통해 또는 그 밖에도 배전 시스템을 통해서 발생한다. 이러한 이유로, 기존의 디바이스들은 소형화될 수 없으며, 제한된 사이즈의 공간들과 양립 불가능하거나 액세스하기에 곤란한 접속 수단을 요구한다.
그러나, 특허출원 FR 2 906 037 에, 볼타 전지 타입의 에너지-자율적 물 검출기가 이미 설명되어 있다. 전해질은 다공성 재료로 구성된다. 다공성 층은 이온 종 (coating liberating ionic species) 을 유리시키는 코팅을 갖는다. 전해질이 물과 접촉할 때, 전해질 내의 이온들의 유리화를 통해 이온 전도가 발생하고, 하기의 화학 반응들을 통해 에너지 생성이 일어난다:
Zn → 2e- + Zn2 +
2 H2O + 2e- → 2HO- + H2
이러한 타입의 검출기는 누설 사이즈가 평가되게 하지 않는다. 신호의 어떠한 그라데이션도 존재하지 않는다: 물의 존재 시에는 신호가 존재하지만, 그 반면에 물이 없다면, 어떠한 신호도 존재하지 않는다. 정보는 이원적이다. 또한, 일단 아연 전극이 소모되었으면, 시스템은 더 이상 작동하지 않는다.
이 맥락에서, 본 발명의 주제는 전기 신호의 공급자 역할을 하는 연료 전지에 공급할 수소 자체를 유리시키는 화학 반응을 트리거하기 위해 물의 존재를 이용하는 것으로 이루어진 솔루션이다. 이러한 디바이스의 관심은 그것이 물의 양에 비례하는 신호를 공급한다는 사실에 있다.
더 정확하게 말해서, 본 발명의 주제는, 제 1 전극, 전해질 층, 제 2 전극, 및 전기적 측정 디바이스를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하며, 전지의 상기 제 1 전극이, 물의 존재 시에, 수소 흐름을 유리시키도록하는 방식으로, Si-H 본드들을 포함하는 다공성 실리콘 기판의 제 1 면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스이다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 디바이스는 실리콘 기판의 다공들 내부에 상기 수소 흐름의 유리화를 촉진하는 촉매를 더 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 촉매는 수산화 이온들을 유리시킬 수 있는 재료를 포함하며, 이 재료는 KOH 타입의 것일 수 있다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 물 검출 디바이스는, 다공성 실리콘 기판을 포함하는, 물에 대해 침투성인 제 1 하우징을 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 물 검출 디바이스는, 연료 전지를 포함하며, 물에 대해 불침투성이고 산소에 대해 침투성인 제 2 하우징을 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 물 검출 디바이스는 기초 전지들의 어셈블리를 포함하며, 각각의 기초 전지는 적어도 하나의 기초 연료 전지 및 하나의 기초 다공성 실리콘 기판을 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 물 검출 디바이스는, 전극들의 평면에 수직인 디멘전들이 물의 다양한 기초 레벨들을 검출할 수 있도록 하는 방식으로 그래디언트에 따라서 분배되는 다공성 실리콘 기판들을 포함하는 기초 전지들의 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 물 검출 디바이스는, 공통 전해질 층, 전해질 재료 층의 어느 일 측에서 불연속인 제 1 전극들 및 제 2 전극들, 및 공통 다공성 실리콘 기판을 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 공통 전해질 층은 기초 전지들의 내부에서 광자들을 구분하도록 하는 방식으로 그 광자들에 대해 불침투성인 절연된 횡단 영역들을 포함한다.
본 발명의 일 변형예에 따르면, 물 검출 디바이스는 기초 물 검출 전지들의 매트릭스 구성을 포함한다.
본 발명의 다른 주제는, 매트릭스 전기적 측정들을 위한 디바이스가 장착되고, 본 발명에 따른 물 검출 디바이스를 수성 영역들의 지도 제작용 디바이스이다.
본 발명의 추가 주체는, 본 발명에 따른 수성 영역들의 지도 제작용 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 디바이스이다.
첨부한 도면과 함께, 비제한적인 실시예로 제시되는 하기의 설명을 읽으면, 본 발명은 더 잘 이해되고, 다른 이점들도 명백해질 것이다.
- 도 1 은 본 발명에서 이용되는 연료 전지를 예시한다;
- 도 2 는 본 발명에 따른 물 검출 디바이스의 제 1 변형예를 예시한다;
- 도 3 은 본 발명에 따른 물 검출 디바이스의 제 2 변형예를 예시한다;
- 도 4 는 본 발명에 따른 물 검출 디바이스의 제 3 변형예를 예시한다;
- 도 5 는 도 4 에 예시된 변형예의 개선된 실시형태를 예시한다;
- 도 6 은 기본 검출 전지들을 포함하는, 본 발명에 따른 물 검출 디바이스를 예시한다;
- 도 7a 및 도 7b 는 지문 식별용 디바이스에서 유리하게 사용될 수 있는, 본 발명에 따른 수성 영역들의 지도 제작을 위한 디바이스를 예시한다.
일반적인 방식으로, 본 발명에서 이용되는 연료 전지 원리가 도 1 에 예시되어 있다. 수소에 대해 침투성인 애노드 전극은 하기의 화학 반응의 시트 (seat) 이다:
H2 → 2H+ + 2e-
전해질 재료는 공기 중에 존재하는 산소의 공급 및 전자들의 공급에 의해 하기의 화학 반응의 시트인 캐소드에게로의 광자들의 수송을 제공한다:
½ O2 + 2e- + 2H+ → H2O
따라서, 본 발명의 물 검출기의 일반적인 동작 원리는 하기의 블록도에 의해 예시될 수 있다:
Figure pct00001
소정량의 물의 존재 시, 검출기는 물의 양에 비례하는 양의 수소를 생성한다. 동시에, 검출기는 수소의 양에 비례하는 세기의 신호를 생성한다.
도 2 는 본 발명에 따른 물 검출기의 제 1 변형예를 예시한다. 검출기는 다공성 실리콘으로 제조된 기판 (1) 을 포함한다. 이 다공성 실리콘은 Si-H 타입의 본드들을 포함한다. 다공들은 다공성 실리콘에 산재해 있다. 유리하게도, 실리슘의 다공들은, 물의 존재 시에 수산화 이온들을 유리시키는 코팅에 의해 형성될 수 있는 촉매 (미도시) 를 포함할 수 있고; 일반적으로, 이 코팅은 가성 칼륨 (caustic potash) 일 수 있다. 촉매는 또한 검출될 수용액 내에 포함될 수도 있다.
물의 존재 시, 수소는 하기의 화학 반응을 통해 유리화된다:
Figure pct00002
수소는 다공성 실리콘의 다공들을 통해 이동하여, 전극 (2) 에 도달한다. 전극 (2) 은 전자 전도성이고 하기의 화학 반응에 대해 활성인 활성 전극에 대응한다:
Figure pct00003
층 (3) 은 전해질의 기능을 제공하는 층이며; 유리하게는, 광자-전도 멤브레인으로 구성된다.
전극 (4) 은 하기의 화학 반응을 촉진시키는 전자-전도 전극이다:
Figure pct00004
그 결과, 물의 존재 시, 수소가 생성되고, 연료 전지가 활성 상태에 진입한다. 전극 (2) 과 전극 (4) 사이에는 0 V 내지 1.1 V 사이의 범위에 전압 U 가 존재한다.
그 후, 전지는, 유리하게는 알람 또는 작용 디바이스를 포함할 수 있는 전기적 측정 디바이스 (5) 에 전력을 공급할 수 있다. 디바이스 (5) 는, 동작 전압을 고정시키는 제어기, 및 알람 (청각적 또는 시각적) 및/또는 액추에이터를 포함할 수 있다.
또한, 알람 또는 액추에이터에 전력을 공급하기 위해, 디바이스 (5) 내에 용량성 시스템 또는 배터리들을 추가하여, 전지에 의해 공급되는 에너지를 저장하는 것도 가능하다. 제어기는 우선적으로 배터리, 또는 커패시터를 충전할 수 있고, 그 다음에 전지에 의해 생성되는 전류 세기에서의 변동을 시간의 함수로서 분석할 수 있다. 전류 세기가 수소의 흐름에 상관되므로, 이것은 그에 따라 물의 흐름이 추론되게 한다.
도 3 은, 검출기가 물에 대해 침투성인 제 1 하우징 (6) 내에 통합되어 있는, 본 발명의 제 2 변형예를 예시한다. 수소는 물의 존재 시에 자연적으로 전극 (2) 으로 향하게 된다. 물의 레벨이 감소할 때, 형성된 수소는 누출 방지 (leak-tight) 하우징을 거쳐서 배출된다. 캐소드 측에서, 물에 불침투성이지만 산소를 통과시키는 제 2 소수성 하우징 (8) 의 존재는, 물의 레벨이 레벨 Z = d 를 초과하는 경우에 전극이 침수되는 것을 방지한다. 하우징 (8) 은 또한 다공성 소수성 코팅일 수도 있다. 하우징 (6) 및 다공성 실리콘은 견고하게 부착된다. 일단 다공성 실리콘이 소모되었으면, 시스템은 이 목적을 위해 제공된 파스닝 엘리먼트들 (14) 에서 어셈블리 (1+6) 를 접속 해제시키고 새로운 어셈블리 (1+6) 를 여기에 접속시켜 재충전될 수 있다.
안전성의 이유로, (㎤/분의 표준 단위에 대응하는) 1 sccm 보다 큰 흐름의 수소 생성의 경우에 있어서, 하우징 (6) 은 또한, 액체 상태 물을 통과시키지만 수소는 통과시키지 않는, 도 4 에 도시된 제 3 변형예에서예시된 바와 같은 누출 방지 역류 방지 (anti-return) 밸브 (7) 가 장착된 누출 방지 하우징일 수도 있다.
도 5 에 예시된 개선된 실시형태에서, 역류 방지 밸브 (7) 는 또한 접속부 (15) 를 거쳐서, 기대되는 방식으로, 액추에이터 (5) 에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 물 검출기의 제 1 예시적 실시형태:
검출 디바이스는 여러 개의 기초 전지들을 포함한다. 따라서, 도 6 은, 공통 전해질 층을 거쳐 형성된 연료 전지들을 포함하는 3 개의 전지들 C1, C2, C3 의 어셈블리를 실례로서 도시하고 있다. 이러한 목적으로, 불연속 전극들 (21, 22, 23) 이 불연속 전극들 (41, 42, 43) 과 함께 제공된다. 이 방식으로, 검출기는 도 6 에 도시된 바와 같이, 예를 들어 물의 레벨을 평가하는 데 사용될 수 있다. 물의 레벨이 레벨 a 와 레벨 b 사이의 범위에 있다면, 전지 (1) 의 단자들에 걸쳐서 전위차 U 가 나타나며, 작용 1 (또는 신호 1) 을 생성하는 전류 I 가 생성된다.
물의 레벨이 레벨 b 와 레벨 c 사이의 범위에 있다면, 전지 C2 가 활성화되고, 역시 활성화된 전지 C1 과 병행하여 신호 2/작용 2 를 생성한다.
레벨이 레벨 c 보다 크다면, 전지 C3 이 활성화되고, 역시 활성화된 전지들 C1 및 C2 와 병행하여 신호 3/작용 3 을 생성하는 등, n 개의 전지들 (미도시) 에 이르기까지 동일한 상황이 일어난다.
따라서, 시스템 (10) 은 물의 레벨의 동적 변동이 모니터링되게 한다.
본 발명에 따른 물 검출 디바이스의 제 2 예시적 실시형태:
검출 시스템은, 매트릭스 형태로 조직된, 연료 전지들을 포함하는 여러 개의 기초 전지들을 포함한다. 이 시스템은 물의 "이미지"의 검출을 허용하며: 예를 들어, 지문들의 검출의 프레임워크에서 사용될 수도 있다.
시스템은 손가락의 피크들 및 트로프들 (troughs) 에 의해 생성된 물의 변동들에 기초하여 지문의 형상의 이미지를 제공한다. 도 7a 는 디바이스의 상면도를 도시하고, 도 7b 는 매트릭스 구성 및 프로세싱 회로들을 강조한 개략도를 예시하고 있다.
도 7a 는, 매트릭스 구성의 하나의 로우 (row) 상에서, 기초 전지들이 서로 실링 (seal) 되게 하는 이온 비전도성 영역들 (9) 을 포함하는 공통 전해질 층 (3) 을 강조한다. 전극들 (211, ..., 21N) 및 전극들 (411, ..., 41N) 의 어셈블리는 검출기의 기초 전지들 (C11, ..., C1N) 의 제 1 로우의 연료 전지들이 형성되게 한다.
여러 개의 전지들의 배열로 구성된 검출기의 본 경우에 있어서, 2 개의 전지들의 근접성과 연관된 간섭을 방지하기 위해, 멤브레인은 불연속적일 수도 있고, 또는 영역들 (9) 내에서 이온 비전도성이 될 수도 있다.
전지의 횡방향 디멘전은 10 ㎚ 와 10 ㎝ 사이의 범위에 있다. 바람직하게는, 전지의 크기는 0.1 ㎛ 와 1000 ㎛ 사이의 범위에 있다. 전지들 사이의 공간은 바람직하게는 0.1 내지 50 ㎛ 사이의 범위에 있다.
이미징 시스템이 픽셀화된 검출기와 접촉하게 될 때, 물 (또는 수성) 의 영역들과 접촉하는 전지들이 활성화된다. "활성화된"은, 전지의 단자들에 걸쳐서 0 내지 1.1 V 사이의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 1.1 V 사이의 범위에 있는 전위차 U 와, 전류 I 의 생성이 존재한다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 활성화된 전지들의 판독은 매트릭스 어드레스 지정을 거쳐서 실행된다. 회로 (12) 는 컬럼 전극이 선택되게 하며, 회로 (13) 는 로우 전극이 선택되게 한다.
정보 U 는, 전지가 물과 접촉하는지가 공지되게 하며, 그에 따라 검출기와 접촉하는 객체의 물의 지도가 정의되게 한다. 정보 I 는 물의 양이 추론되게 한다.
전극들은 전자 전도성의 촉매 재료로 구성된다. 그들은 플래티늄 Pt 또는 플래티늄을 함유한 합금 (예를 들어, 타입 플래티늄/루테늄), 팔라듐 또는 금, 탄소, 혹은 전술된 원소들의 어셈블리로 구성된다.
전극들 (2) 의 콤포넌트들은 전극들 (4) 의 콤포넌트들과는 상이할 수도 있고, 또는 동일할 수도 있다.
전해질 (3) 은 광자-전도성 합성물이다. 이 합성물은 -COOH, -SO3H 또는 -PO(OH)2 타입의 산 그루핑 (acid groupings) 으로 기능화되는 플루오로카본 타입의 폴리머일 수 있다. 합성물은 또한 전술된 산 그루핑으로 기능화된 카본 폴리머일 수도 있다. 전해질 (3) 은 Nafion® 이거나 또는 Nafion® 으로부터 파생된 다른 폴리머이다. 이온-교환 멤브레인에 현재 가장 폭넓게 사용되는 재료도 느무르 (Nemours) 의 듀퐁 (Dupont) 에 의해 제조된 Nafion 이다. 이것은 설포네이트 SO3 - 그루핑이 이식된 (Teflon 타입의) 과플루오르화 구조와의 코폴리머이다. 그것의 두께는 50 내지 150 ㎛ 정도이다. 광자들의 이동을 보장하기 위해서는, 우수한 이온 전도성 덕택에, 멤브레인은 수화 (hydrate) 되어야 한다.
바람직하게는, 제 1 전극과 제 2 전극을 이격시키는 전해질의 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 사이 및 더 구체적으로는 1 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이의 범위에 있다.
수화된 다공성 실리콘 기판을 형성하기 위해, 유리하게도, 수소화는 도핑된 실리콘 기판의 산을 이용한 전기화학적 처리에 의해 영향받을 수 있다. 다공들의 사이즈는 바람직하게는 1 ㎚ 내지 100 ㎚ 사이의 범위에 있다.
촉매가 이용되면, 물과 접촉 시의 수산화 이온들을 유리시키는 물질이 다공성 실리콘 (1) 에 포함된다. 다른 솔루션은 하우징 (6) 에서 로컬화된 수산화 이온들을 유리시키는 코팅을 이용하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 물의 존재 시, 전지 또는 연료 전지들은 활성이며: 전지 또는 전지들의 전압은 0 내지 1.1 V 사이의 범위에 있다.
바람직하게는, 배터리 또는 커패시터를 충전하기 위해, 전압은 약 1.1 내지 0.4 V 사이의 범위에 있다. 시간의 함수로서 세기 변동의 연구를 위해, 전압은 0 내지 1.1 V 사이의 범위에서, 및 바람직하게는 0 내지 0.5 V 사이의 범위에 있는 전압으로 설정된다.

Claims (12)

  1. 제 1 전극 (2), 전해질 층 (3), 제 2 전극 (4) 을 포함하는 적어도 하나의 연료 전지, 및 전기적 측정 디바이스 (5) 를 포함하는 물 검출 디바이스로서,
    상기 연료 전지의 상기 제 1 전극은, 물의 존재 시에, 수소 흐름을 유리시키도록 하는 방식으로, Si-H 본드들을 포함하는 다공성 실리콘 기판 (1) 의 제 1 면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 다공들 내부에 상기 수소 흐름의 유리화를 촉진하는 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매는, KOH 타입의 것일 수 있는, 수산화 이온들을 유리시킬 수 있는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 실리콘 기판을 포함하는, 물에 대해 침투성인 제 1 하우징 (6) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지를 포함하는 제 2 하우징 (8) 을 포함하며,
    상기 제 2 하우징은 물에 대해 불침투성이고, 산소에 대해 침투성인 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기초 전지들 (C1, C2, C3) 의 어셈블리를 포함하며,
    각각의 기초 전지는 적어도 하나의 기초 연료 전지 및 하나의 기초 다공성 실리콘 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극들의 평면에 수직인 디멘전들이 물의 다양한 기초 레벨들을 검출할 수 있도록 하는 방식으로 그래디언트에 따라서 분배되는 다공성 실리콘 기판들을 포함하는 기초 전지들의 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    공통 전해질 층, 전해질 재료 층의 어느 일 측에서 불연속인 제 1 전극들 (211, ..., 21N) 및 제 2 전극들 (411, ..., 41N), 및 공통 다공성 실리콘 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공통 전해질 층은 상기 기초 전지들의 내부에서 광자들을 구분 (partition) 하도록 하는 방식으로 광자들에 대해 불침투성인 절연 횡단 영역들 (9) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기초 물 검출 전지들의 매트릭스 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 검출 디바이스.
  11. 매트릭스 전기적 측정들 (12, 13) 을 위한 디바이스를 구비하고, 제 10 항에 기재된 물 검출 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성 영역들의 지도 제작용 디바이스.
  12. 제 11 항에 기재된 수성 영역들의 지도 제작용 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 식별 디바이스.
KR1020127019828A 2010-01-26 2011-01-20 수소 소스를 포함하는 독립형 물 검출 디바이스 KR20120114323A (ko)

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