KR20200002460A - 가스센서용 전극 제조방법 및 가스센서 - Google Patents

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Abstract

챔버 내에 다공성 고분자막을 제공하는 과정; 상기 챔버 내에 처리가스를 넣으면서 형성된 플라즈마로서 상기 다공성 고분자막의 표면을 플라즈마 전처리하는 과정; 및 상기 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막 상에 물리적 증착법으로 금속 박막을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

Description

가스센서용 전극 제조방법 및 가스센서{Manufacturing Method of Electrode for Gas Sensor and Gas Sensor}
본 발명은 가스센서용 전극 제조방법 및 가스센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성 고분자막에 접착력을 높여 금속 박막과의 접합이 잘 되도록 하는 가스센서용 전극 제조방법 및 이를 이용해 제조된 가스센서이다.
산업사회가 고도화됨에 따라 생산 현장이 다양화 되며 각각의 산업현장에서는 여러 종류의 가스를 사용할 뿐만 아니라 발생시키고 있어 이에 대한 가스사고 안전관리가 심각한 문제로 대두되고 있다. 가스관련 안전 사고를 미연에 방지하기 위해서는 작은 가스농도의 변화를 감지 할 수 있어야 될 뿐 아니라 인체에 작은 양이나마 장시간 노출 시 인체에 해가 될 수 있는 유독 가스의 경우 저농도의 가스 존재 또한 감지 할 수 있어야 한다. 유독 가스와 산소가스 등 환경오염 및 산업현장에서의 가스안전 사고와 밀접한 관련이 있는 가스의 경우 산화환원 반응을 이용한 전기화학식 가스센서가 가장 적합하여 이미 널리 사용되고 있다. 그 구조는 일반적으로 일측에 가스 유입구가 형성 되어 있어 외부의 가스가 유입될 수 있도록 하며, 유입된 가스는 다공성 고분자막을 통해 전극에서 분해 되어 이온을 발생시키고 발생된 이온은 전해질을 통해 반대측 전극으로 이동하여 전류를 형성 시킬 수 있게 되어 있다.
종래의 전기화학식 가스센서의 경우 다공성 고분자막에 전극을 형성할 때 다공성 고분자막에 프링팅으로 전극을 형성하거나 스퍼터링 방법 등으로 전극을 형성하였다. 다공성 고분자막에 전극을 프린팅을 하여 전극을 형성할때는 열처리를 과정을 수행 하여야하기 때문에 다공성 고분자막이 열적충격을 받아 휘거나 변형 및 수축이 일어나는 문제점이 있었다. 또한, 스퍼터링 방법으로 진행하면 열처리 과정이 없기에 위와 같은 문제점은 없으나 다공성 고분자막과 전극 사이에 접착력이 약하기 때문에 많은 불량이 발생는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제10-2006-0080786호
본 발명은 가스센서용 전극을 제조할 때 다공성 고분자막의 접착력을 향상하여 금속 박막과의 접합이 잘 일어나도록 하는 가스센서용 전극 제조 방법 및 이를 이용해 제조된 가스센서이다.
챔버 내에 다공성 고분자막을 제공하는 과정; 상기 챔버 내에 처리가스를 넣으면서 형성된 플라즈마로서 상기 다공성 고분자막의 표면을 플라즈마 전처리하는 과정; 및 상기 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막 상에 물리적 증착법으로 금속 박막을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 전처리하는 과정과 상기 금속 박막을 형성하는 과정을 인시츄(In-situ)로 연속해서 진행할 수 있다.
상기 처리가스는 아르곤(Ar) 또는 산소(O2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 박막을 형성하는 과정은 상온에서 스퍼터링법으로 진행할 수 있다.
상기 다공성 고분자막은 테프론 또는 폴리에틸렌으로 이루어질 수 있다.
상기 금속박막은 Au, Pt, Ag 및 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 박막의 두께는 0mm를 초과하고 0.4mm 이하이며, 상기 금속 박막의 표면에 발생하는 기공의 크기는 0㎛를 초과하고 0.3㎛ 이하일 수 있다.
검지 대상 가스를 전기 화학 반응시키는 작업전극; 상기 작업전극에 대응되는 상대전극; 상기 작업 전극의 전위를 제어하는 기준전극; 상기 작업전극, 상대전극 및 기준전극 사이에 제공되는 전해질; 및 상기 작업전극, 상대전극, 기준전극 및 전해질을 수용하고, 상기 가스가 통과하는 가스 통과구가 형성된 하우징을 포함하고, 상기 작업전극, 상대전극 및 기준전극 중 적어도 어느 하나는 상기 청구항 제 1항 내지 청구항 제 7항의 가스센서용 전극 제조방법으로 제조될 수 있다.
상기 전해질은 고체 또는 반고체의 상태일 수 있다.
본 발명은 다공성 고분자막 표면에 플라즈마 전처리를 하여 접착력을 향상시켜 금속박막이 잘 접합하도록 하기 위한 가스센서용 전극 형성 방법 및 이를 이용해 제조된 가스센서이다.
다공성 고분자막 표면에 플라즈마 전처리를 진행시 화학적으로는 표면의 구성원소의 결합의 일부분을 끊어 줌으로써 표면에너지가 낮아져 안정적이던 다공성 고분자막의 표면에너지가 높아짐으로 인하여 다른 물질과의 접착력이 향상될 수 있다. 또한, 물리적으로는 표면을 거칠게 만듦으로써 다른 물질과의 결합력을 높여 접착력이 또한 증진될 수 있다.
위와 같은 방법으로 접착력이 향상된 다공성 고분자막에 물리적 증착법으로 전극을 증착시킴으로써 전극이 분리되지 않아 가스센서의 효과가 증대된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서용 전극 형성방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막의 표면 에너지를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막의 표면을 SEM으로 관찰한 그림.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전처리된 전극 저항 측정 결과 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 결합 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
가스센서는 전극과 전해질 용액의 계면을 일정한 전위로 유지하면서 전해를 하고, 다공성 고분자막을 통과한 검지 가스가 작업전극과 반응하여 설정한 전위를 바꿈으로써 산화, 환원반응을 선택적으로 진행시켜 가스를 정량적으로 검지하는 센서이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스센서용 전극 형성방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스센서용 전극 형성 방법은 챔버 내에 다공성 고분자막(200)을 제공하는 과정(S100); 상기 챔버 내에 처리가스를 넣으면서 형성된 플라즈마로서 상기 다공성 고분자막(200)의 표면을 플라즈마 전처리하는 과정(S200); 및 상기 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막(200) 상에 물리적 증착법으로 금속 박막을 형성하는 과정(S300)을 포함할 수 있다.
먼저, 챔버 내에 다공성 고분자막(200)을 제공하는 과정을 진행한다(S100). 상기 챔버는 내부공간을 제공하고 진공상태로 유지할 수 있으며 하단부에 지지대가 제공되어 원하는 대상을 놓을 수 있고 상단에는 전극이 제공되어 있다. 상기 다공성 고분자막(200)은 가스센서의 가스 투과막으로서 투과성이 우수한 다공질막이다.
다음으로, 상기 다공성 고분자막(200)에 플라즈마 전처리를 진행한다(S200). 상기 플라즈마(Plasma)는 기체 상태의 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자와 이온을 포함하고 있는 상태로 전기 전도율이 높은 특성을 갖는다. 따라서 불순물이 포함된 기체가 방전극을 통과하면, 방전극에서 생성된 전자가 불순물 입자에 부착되어 입자들이 음전하를 띠게 되고, 음전하를 띤 입자는 정전기적 인력에 의해 양전하가 걸려 있는 집전극으로 이동하여 부착됨으로써 다공성 고분자막(200)의 불순물들이 제거될 수 있다.
또한, 플라즈마가 상기 지지대 하부에 제공된 전극으로 이동하여 부딪힘으로써 다공성 고분자막(200)의 화학적 결합이 끊어져 표면 에너지를 증가시켜 접착력을 향상시키며 물리적 효과로서는 다공성 고분자막(200)의 표면을 거칠게 만들어 표면적을 늘려 다른 물질과의 접착력이 또한 증대되는 효과를 볼 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전처리 과정에 따라 처리가스(또는 방전가스)에 따른 테프론의 표면 에너지를 나타내는 그래프이다. 도 2(a)는 플라즈마 처리를 안한 테프론의 결합에너지를 나타낸다. 도 2(b)는 처리가스 중 아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 한 테프론의 결합에너지를 나타낸다. 도 2(c)는 처리가스 중 산소(O2) 플라즈마 처리를 한 테프론의 결합에너지를 나타낸다. 도 4(d)는 처리가스 중 아르곤(Ar)과 산소(O2) 플라즈마 처리를 한 테프론의 결합에너지를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 처리가스는 아르곤(Ar) 또는 산소(O2) 중 적어도 하나를 포함하는 과정을 더 포함할 수 있다. 또한, 도 2는 테프론의 F 1s XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)의 측정값을 나타내고 상기 XPS는 X-선 광전자 분광법으로 일정한 에너지의 광자를 통해 표면과 계면의 구성원소 및 화학적 결합상태, 에너지 준위 등을 알아내는 표면분석방법이다. 본 발명의 실시예인 테프론은 PTFE(C2F4)로서 여러 개의 CF2가 연결되어 있는 구조이며, 표면에너지가 낮아서 안정적이기 때문에 다른 물질과의 접착력이 좋지 못하다. 따라서 상기 테프론에 플라즈마 전처리를 진행하면 CF2 결합의 일부분을 끊어줌으로써 표면에너지를 증가시켜 다른 물질과의 접착력을 향상 시킬 수 있다.
테프론의 F 1s XPS의 측정값을 나타내는 도 2(a)를 참조하면, 테프론에 플라즈마 처리를 안한 경우, 결합에너지는 690 eV 부근에서 CF2의 피크만 검출되는 것을 볼 수 있다. 하지만 도 2(b),(c),(d)를 보면 처리가스에 따라 결합에너지가 687 eV 부근에 F가 없는 C-CF2 피크가 함께 검출 됨으로써 플라즈마 처리를 통해 C와 F의 결합이 끊어진 것을 확인할 수 있다.또한, C-CF2의 피크를 보면 아르곤(Ar), 산소(O2), 아르곤(Ar)+산소(O2)의 순서로 피크가 더 높진 것으로 보아 아르곤(Ar), 산소(O2), 아르곤(Ar)+산소(O2)의 순서로 표면에너지가 높아져 접착력이 더 향상 되었다고 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전처리시 처리가스에 따른 테프론의 표면을 SEM으로 관찰한 그림이다. 도 3(a)는 플라즈마를 처리하지 않은 테프론의 표면이고, 도 3(b)는 아르곤(Ar) 플라즈마, 3(c)는 산소(O2) 플라즈마, 3(d)는 아르곤(Ar)+산소(O2)플라즈마 처리를한 테프론의 표면을 SEM으로 관찰한 그림이다.
도 3을 참조하면, 도 3(a)의 플라즈마 처리를 안한 테프론의 표면은 깨끗하고 균일한 것을 확인 할 수 있다. 그리하여 표면적이 상대적으로 없어 다른 물질과의 접촉 면적이 적어 접착력이 낮은 것으로 판단된다. 도 3(b)는 아르곤(Ar) 플라즈마를 처리한 테프론의 표면 그림으로서 플라즈마 처리를 안한 테프론의 경우 보다 표면이 약간 거칠어 진 것을 볼 수 있다. 도 3(c)와 도 3(d)는 산소(O2) 플라즈마, 아르곤(Ar)+산소(O2) 플라즈마를 처리한 테프론의 표면은 매우 거칠어 졌으며, 특히 산소(O2) 플라즈마의 경우 대기공이 생긴 것을 볼 수 있다. 이와 같이 표면의 거칠기가 생김으로써 다공성 고분자막이 금속박막을 더 잘 지지할 수 있다. 하지만 상기 산소(O2) 플라즈마의 경우처럼 너무 커버린 대기공이 형성되면 그 위에 형성된 금속 박막이 잘 지지되지 않으며 접착력도 떨어지는 단점이 생긴다.
다음으로, 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막(200) 상에 물리적 증착법으로 금속 박막을 형성하는 과정을 진행한다(S300). 상기 물리적 기상 증착법은 예를들면 스퍼터링, 전자빔증착법, 열증착법, 레이저분자빔증착법, 펄스레이저증착법 등일 수 있다. 본 발명의 실시예는 스퍼터링 방법에 의하여 상기 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막(200)에 금속 박막을 증착하는 방법일 수 있다. 특히 스퍼터링은 이온화된 원자를 전기장에 의해 가속시켜 박막재료(source material)에 충돌시키면, 이 충돌에 의해 박막재료의 원자 또는 분자들이 튀어나온다. 이 방출된 원자들이 원하는 물질의 표면에 증착되어 금속박막을 얇은 두께로 형성할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 플라즈마 처리되지 않은 다공성 고분자막(200)에 전극을 증착 시킬 때 접착력이 좋지 않아 가스센서를 운용할 시 전극이 분리되어 오작동이 일어나거나 원하는 성능이 나오지 않는 부작용이 있었다.
이러한 문제점을 극복하고자 본 발명은 다공성 고분자막(200) 표면에 플라즈마 전처리를 하여 타 물질과의 접착력을 향상시켰다. 그리하여 본 발명의 실시예에 따라 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막(200) 상에 스퍼터링법을 통해 금속박막을 증착하여 제작된 전극은 기존의 전극보다 안정적으로 가스센서에서 작동을 할 수 있게 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 처리가스(아르곤(Ar), 산소(O2), 아르곤(Ar)+산소(O2)) 플라즈마로 처리된 테프론 위에 전극을 각각 증착 한 후 스카치테이프를 통한 접착력 평가를 진행하였다. 스카치테이프 평가 방법은 다공성 고분자막(200)위에 증착된 전극을 스카치테이프로 붙였다가 떼어내어 전극이 고분자막(200)에 남아 있는지를 평가하는 방법이다.
플라즈마 처리를 하지 않은 테프론에 증착된 전극은 스카치테이프에 많은 전극이 붙어 있음으로써 전극과 고분자막(200)의 접착력이 좋지 않다는것을 알 수 있었다. 그 다음으로 아르곤(Ar) 플라즈마를 이용해 표면처리된 다공성 고분자막(200)에 증착된 전극에 스카치테이프 방법으로 접착력을 평가했을 때 스카치테이프에 전극이 묻어 나오지 않음이 확인되면서 고분자막(200)과 전극사이의 접착이 잘 되어 있어 접착력이 향상 되었음을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 산소(O2)와 아르곤(Ar)+산소(O2) 플라즈마로 처리한 테프론위에 증착된 전극을 스카치테치프 방법으로 접착력을 시험했을 때 아르곤(Ar) 플라즈마로 처리했을때와 마찬가지로 스카치테이프에 전극이 묻어나오지 않았다. 하지만 산소(O2)의 영향에 의해 산화 되었는지 전극의 색깔이 변색 되는 점이 확인 되었다. 하지만 이는 실시예일뿐 이에 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전처리시 처리가스에 따른 전극 저항 측정 결과 그래프이다.
도 4를 참조하면, 플라즈마를 처리하지 않은 테프론에 증착된 전극의 경우 저항이 측정되지 않았다. 다음으로 아르곤(Ar) 플라즈마 처리를 한 테프론에 증착된 전극의 경우 가장 낮은 전극 저항 값을 얻을 수 있었다. 산소(O2)와 아르곤(Ar)+산소(O2) 플라즈마를 처리한 테프론에 증착된 전극의 경우 아르곤(Ar) 플라즈마를 처리한 테프론에 증착된 전극보다 높은 저항 값을 나타냈다. 이는 앞서 스카치테이프에 의한 접착력 평가에서 전극 색 변화에 따른 산화 영향으로 예상이 된다. 또한 산소(O2) 플라즈마를 처리한 테프론에 증착된 전극의 경우 가장 높은 저항 값을 나타내었는데, 이는 도 3(c)를 참조하면 미세구조에서 확인된 기공의 영향 때문으로 판단된다.
본 발명의 실시예에 따른 위의 도 2, 도 3, 도 4, 상기 스카치테이프에 의한 접착력 평가에 의해 종합적으로 판단해보면 도 2에 따라 아르곤(Ar)+산소(O2) 플라즈마 처리한 다공성 고분자막(200)의 표면에너지가 가장 높고 도 3에 따라 표면의 거칠기도 좋았으나 도 4에서 상대적으로 저항이 높고 스카치테이프에 의한 접착력 평가시 전극이 산화되어 변색이 되는 아쉬운점이 있었으므로 산소(O2) 플라즈마, 아르곤(Ar)+산소(O2)플라즈마의 접착력면에서는 훌륭하였지만 그에 더해 아르곤(Ar) 플라즈마를 처리한 다공성 고분자막(200)에 증착된 전극이 변색문제도 없고 접착력도 양호하며 저항이 상대적으로 작음으로써 가장 알맞은 처리가스라고 볼 수 있다.
한편, 상기 플라즈마 전처리하는 과정과 상기 금속 박막을 형성하는 과정을 인시츄(In-situ)로 연속해서 진행할 수 있다. 인시츄(In-situ)로 진행하지 않는다면 진공상태의 챔버에서 다공성 고분자막(200)을 플라즈마 처리를 한 후 다시 진공을 해제하고 후에 금속 박막을 형성하는 과정을 진행하기 위해 다시 진공상태로 챔버를 만드는 등 불필요한 시간과 노력이 들어감으로써 효율이 떨어진다. 그렇기 때문에 플라즈마 전처리하는 과정과 금속 박막을 형성하는 과정을 진행하는 상기 챔버는 단일 공간을 갖는 챔버 또는 두개 이상의 공간이 형성되고 그 공간 사이가 연결된 형태의 챔버로 형성되어 두가지 공정을 동일한 공간에서 진행할 수 있다.
상기 금속 박막을 형성하는 과정은 상온에서 스퍼터링법으로 진행할 수 있다.
종래의 기술에서는 다공성 고분자막에 금속 입자를 포함하는 용액을 프린팅하여 전극을 형성하는데, 도포된 용액을 건조한 후 열처리하여 소성하는 과정이 필수적이다. 이때 열처리(소성) 과정 중에 열적 안정성이 낮은 다공성 고분자막에 열이 가해지면서 휘거나 수축되어 금속박막이 올바르게 증착되지 못하였다.
그리하여 본 발명은 이를 극복하기 위해 본 발명은 다공성 고분자막(200)의 표면에 플라즈마를 처리함으로써 화학적으로 그리고 물리적으로 변형을 주어 접착력을 높이는데 이를 통해 물리적 증착법 예를들면 스퍼터링 방법 등을 통해 플라즈마 처리되어 접착력이 높아진 다공성 고분자막(200)에 전극이 증착됨으로써 접합이 잘 일어나게 되고 가스센서 운용시 전극이 분리되어 효율이 감소하는것을 방지 할 수 있다.
또한, 스퍼터링을 진행하면 박막 재료의 원자 또는 분자가 튀어나오면서 높은 에너지를 가지게 되고 그로 인하여 상온에서도 금속 박막을 형성할 수 있음에 따라 챔버 내부에 온도를 변화를 주지 않아도 되어 공정을 진행하는 시간이 빨라 지고 온도 변화에 따른 공정 지연도 방지 할 수 있다. 또한, 상온에서 진행함으로써 다공성 고분자막에 소성과정을 거치지 않아 열적충격이 없으므로 휘거나 수축되지 않으며, 다공성 고분자막 상에 균일하면서 얇은 금속 박막을 형성하는 것이 가능해진다.
상기 다공성 고분자막(200)은 테프론 또는 폴리에틸렌으로 이루어 질 수 있다. 가스센서에 사용되는 가스 투과막은 가스투과성이 우수해야 한다. 그 중에서도 성능이 좋은 테프론 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 다공성 고분자막(200)을 이용하여 가스센서 전극을 제조할 수 있다.
상기 금속박막은 Au, Pt, Ag 및 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.전극에 사용되는 금속을 반응성이 큰 금속을 사용하여 금속 박막을 형성한다면 전기전도도를 떠나 금속 박막이 산화되면서 가스센서의 수명이 오래 가지 못하는 문제점이 있을 것이다. 그리하여 전극은 반응성이 낮아 안정적이고 산화되지 않는 안정한 금속을 사용하여 전극을 제조해야 가스센서를 오랜기간 사용할 수 있다.
상기 금속 박막의 두께는 0mm를 초과하고 0.4mm 이하이며, 상기 금속 박막의 표면에 발생하는 기공의 크기는 0㎛를 초과하고 0.3㎛ 이하일 수 있다. 금속 박막의 두께가 상기 수치상의 두께가 되어야 다공성 고분자막과의 접착력이 향상되고 금속 박막이 균일하게 증착이 될 수 있다. 만약 금속박막의 두꼐가 0.4mm를 초과하면 접착력도 감소할 뿐만 아니라 균일하게 증착되지 못해 전기적 신호가 일정하지 못하여 가스센서의 성능이 저하 될 수 있다.
또한, 금속 박막의 표면에 기공의 크기가 0.3㎛를 초과하여 커지면 도 3(c)와 도 4를 참조하여 보면 산소(O2) 플라즈마로서 표면처리된 다공성 고분자막(200)에 대기공이 생겨 전극의 저항이 높아 진 것을 볼 수 있고, 상술 했듯이 금속 박막의 지지도 원할히 수행하지 못하게 된다. 또한 전극자체에도 기공이 생긴다면 저항이 높아져 미세한 전류를 측정하지 못하는 부작용이 발생할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스센서를 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 실시예에 따른 가스센서용 전극 제조방법과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스센서 결합 단면도이다.
도 5를 참조하면, 검지 대상 가스를 전기 화학 반응시키는 작업전극(300); 상기 작업전극(300)에 대응되는 상대전극(310); 상기 작업 전극의 전위를 제어하는 기준전극(310); 상기 작업전극(300), 상대전극(310) 및 기준전극(310) 사이에 제공되는 전해질(400); 및 상기 작업전극(300), 상대전극(310), 기준전극(310) 및 전해질(400)을 수용하고, 상기 가스가 통과하는 가스 통과구(110)가 형성된 하우징(100)을 포함하고, 상기 작업전극(300), 상대전극(310) 및 기준전극(310) 중 적어도 어느 하나는 상기 가스센서용 전극 제조방법으로 제조될 수 있다.
작업 전극은 가스를 검지하는 가스 전극으로서 피검지 가스를 전기 화학 반응시킨다. 상대전극(310)은 당해 작업 전극에 대응된다. 작용 전극의 전위를 제어하는 기준전극(310)의 3전극을 마련하였으며, 또한 이들이 접촉 가능한 전해질(400)을 수용한 전해조와, 각 전극의 전위를 설정하는 회로 등이 접속되어 있다.
상기 3전극의 재료로는 상기 가스센서용 전극 제조방법으로 제조된 다공질 고분자막(200)에 백금(Pt)이나 금(Au), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속 촉매 등을 도포한 것이다.
전해질(400)로는 황산이나 인산 등의 산성 수용액 등이 이용되었다.
상기 가스센서는 가스 통과구(110)이 뚫려 있는 하우징(100)에 다공성 고분자막(200)이 맞닿고 상기 다공성 고분자막(200)에 증착된 작업전극(300)의 표면에는 전해질(400)이 제공된다. 상대전극(310)과 기준전극(310)은 가지형태를 가지고 지그재그 형식으로 같은면에 포개져 있고 작업전극(300)과 마주보며 다공성 고분자막(200)에 증착되어 있으며 상기 다공성 고분자막(200)은 하우징(100)과 맞닿는다.한편, 상기 다공성 고분자막(200)과 작업전극(300), 상대전극(310), 및 기준전극(310)중 적어도 어느 하나는 상기 가스센서용 전극 제조방법으로 제조되었다. 하지만 이는 실시예일뿐 이에 한정되지 않는다.
하우징(100)은 일면에 가스통과구(110)가 포함되어 있고 상기 작업전극(300), 상대전극(310), 기준전극(310) 및 전해질(400)을 수용하여 안정적으로 가스센서를 구성할 수 있게 해주고, 하우징(100) 내부에 작업전극(300), 상대전극(310) 및 기준전극(310)을 전기적으로 연결될 수 있게 금속단자가 포함되어 있어 검지되는 가스의 전기 화학의 반응을 통하여 발생하는 전류가 통할 수 있게 만들어 준다.
또한, 정전위 전해식 가스 센서는 주위의 환경 변화에 대해 작용 전극의 전위를 제어하여 일정하게 유지함으로써, 작업전극(300)과 상대전극(310) 사이에 주위의 환경 변화에 상당하는 전류를 발생시킨다. 그리고 작업 전극의 전위가 변하지 않고, 또 가스종류에 따라 산화 환원 전위가 다르다는 것을 이용함으로써, 회로의 설정 전위에 따라서는 가스의 선택적인 검지가 가능해진다. 또한, 가스 전극에 이용하는 촉매를 바꿈으로써, 목적으로 하는 가스에 대해 높은 선택성을 부여할 수 있다.
상기 전해질(400)은 고체 또는 반고체의 상태일 수 있다. 종래에는 액상으로 된 전해질(400)을 사용하여 무겁고 액체이기 때문에 이동성에도 문제점이 있었다. 그렇기 때문에 전해질(400)을 고체 또는 반고체로 형성하여 이동의 편의성의 이점을 얻을 수 있고 액체가 아닌 고체이므로 더욱 경량화가 가능할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
S100 : 다공성 고분자막 제공 S200 : 플라즈마 전처리
S300 : 금속박막 형성
100 : 하우징 110 : 가스 통과구
200 : 다공질 고분자막 300 : 작업전극 310 : 상대전극/기준전극 400 : 전해질

Claims (9)

  1. 챔버 내에 다공성 고분자막을 제공하는 과정;
    상기 챔버 내에 처리가스를 넣으면서 형성된 플라즈마로서 상기 다공성 고분자막의 표면을 플라즈마 전처리하는 과정; 및
    상기 플라즈마 전처리된 다공성 고분자막 상에 물리적 증착법으로 금속 박막을 형성하는 과정을 포함하는 가스센서용 전극 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 전처리하는 과정과 상기 금속 박막을 형성하는 과정을 인시츄(In-situ)로 연속해서 진행하는 가스센서용 전극 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 처리가스는 아르곤(Ar) 또는 산소(O2) 중 적어도 하나를 포함하는 가스센서용 전극 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 박막을 형성하는 과정은 상온에서 스퍼터링법으로 진행하는 가스센서용 전극 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 고분자막은 테프론 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 가스센서용 전극 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속박막은 Au, Pt, Ag 및 Pd 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스센서용 전극 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 박막의 두께는 0mm를 초과하고 0.4mm 이하이며,
    상기 금속 박막의 표면에 발생하는 기공의 크기는 0㎛를 초과하고 0.3㎛ 이하인 가스센서용 전극 제조방법.
  8. 검지 대상 가스를 전기 화학 반응시키는 작업전극;
    상기 작업전극에 대응되는 상대전극;
    상기 작업 전극의 전위를 제어하는 기준전극;
    상기 작업전극, 상대전극 및 기준전극 사이에 제공되는 전해질; 및
    상기 작업전극, 상대전극, 기준전극 및 전해질을 수용하고, 상기 가스가 통과하는 가스 통과구가 형성된 하우징을 포함하고,
    상기 작업전극, 상대전극 및 기준전극 중 적어도 어느 하나는 상기 청구항 제 1항 내지 청구항 제 7항의 가스센서용 전극 제조방법으로 제조된 가스센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전해질은 고체 또는 반고체의 상태인 가스센서.





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