KR20210096501A

KR20210096501A - Mim 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치

Info

Publication number: KR20210096501A
Application number: KR1020200010038A
Authority: KR
Inventors: 안성훈; 김영균; 조영균
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-08-05
Also published as: KR20210111719A; KR102338846B1; WO2021153854A1; KR102298686B1

Abstract

본 발명은 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것으로, MIM 구조를 사용하는 가스 센서는 제1메탈층; 상기 제1메탈층 하부에 배치되며, 광학적으로 투명 또는 반투명성을 가지는 인슐레이터층; 상기 인슐레이터층 하부에 구비되며, 광택을 가지는 제2메탈층을 포함하며, 상기 제1메탈층이 기체와 반응하여 두께가 변화되거나, 상기 인슐레이터층이 기체와 반응하여 굴절률이 변화되며, 기체에 의해 상기 제1메탈층의 두께가 변화되어 색깔이 표시되거나, 기체에 의해 상기 인슐레이터층의 굴절률이 변화되어 색깔이 표시되는 것을 특징으로 하는 것이며, MIM 구조를 사용하는 가스 센서를 포함하는 가스 검출장치는, 상기 가스 센서; 상기 가스 센서 상부에 구비되면, 기체를 통과시키는 기체 투과층; 상기 가스 센서가 부착되는 본체부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치 {Color gas sensor using MIM structural coloration and Gas detector having thereof}

본 발명은 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체와 반응하여 두께가 변화하는 제1메탈층과 기체와 반응하여 굴절률이 변화되는 인슐레이터층을 포함하는 MIM 구조를 사용함에 따라, 감지되는 기체에 의해 색깔이 표시되는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것이다.

NO_X 가스는 수백 PPM 이상이 사람에게 노출되었을 경우 폐질환을 포함한 각종 호흡기 질환에 문제를 일으킬 수 있는 유해가스로, 이에 대한 센싱 및 정화가 필요한 가스이다.

NO_X 가스를 센싱하기 위해서 NO_X 가스 센서가 사용되고 있으며, 종래의 NO_X 가스 센서는 대부분 WO₃ 등의 반도체 소재와 MOFSET 구조 등을 이용하여 만들어진다. 종래의 NO_X 가스의 작동 방법을 살펴보면 다음과 같다.

종래의 NO_X 가스 센서는 WO₃ 등의 소재로 회로를 구성하고, 별도의 가열 장치가 회로를 지나가게 된다. NO_X 가스가 이를 지나가면 회로 부분이 도핑 되고, 이때 해당 회로의 저항값이 변하면서 이 변화를 MOFSET 등의 구조에서 증폭시켜 NO_X 가스를 측정하게 된다.

종래의 NO_X 가스 센서는 민감도가 높다는 장점이 있으나, 장치를 구축하기 위해 별도의 가열장치와 회로에 흐르는 전류값을 측정하는 별도의 측정장비가 필요하다는 단점이 있다.

일반적인 산업분야에서는 NO_X 가스를 정밀하게 측정해야 하는 경우도 있으나, NO_X 가스를 간단하게 측정해야 하는 경우도 발생할 수 있다. 이 경우 별도의 가열장치와 측정 장비가 필요한 종래의 NO_X 가스 센서를 제작하여 사용하는 것은 적합하지 않으며, 이에 가스를 간단하게 측정하면서 제작이 용이한 가스 센서가 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 기체와 반응하여 두께가 변화하는 제1메탈층과 기체와 반응하여 굴절률이 변화되는 인슐레이터층을 포함하는 MIM 구조를 사용함에 따라, 감지되는 기체에 의해 색깔이 표시되는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서는, 제1메탈층; 상기 제1메탈층 하부에 배치되며, 광학적으로 투명 또는 반투명성을 가지는 인슐레이터층; 상기 인슐레이터층 하부에 구비되며, 광택을 가지는 제2메탈층을 포함하며, 상기 제1메탈층이 기체와 반응하여 두께가 변화되거나, 상기 인슐레이터층이 기체와 반응하여 굴절률이 변화되며, 기체에 의해 상기 제1메탈층의 두께가 변화되어 색깔이 표시되거나, 기체에 의해 상기 인슐레이터층의 굴절률이 변화되어 색깔이 표시되는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 제1메탈층은 기체에 의해 부식되면서 두께가 변화될 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 인슐레이터층의 두께는 10 내지 1000 nm 일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 제1메탈층의 두께는 5 내지 50 nm 일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 제2메탈층의 두께는 5 nm 이상일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 제1메탈층과 반응하여 상기 제1메탈층의 두께를 변화시키거나, 상기 인슐레이터층과 반응하여 상기 인슐레이터층의 굴절률을 변화시키는 기체는 NO_X, SO_X, HF, NH₄ 중 어느 하나 이상을 포함하는 부식성 기체일 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 제1메탈층과 상기 제2메탈층은, Ag, Sn, Ni, Al, Pt, Au 중 어느 하나의 금속으로 이루어질 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 상기 인슐레이터층은, SiO₂, WO₃, TiO₂, Cr Doped TiO₂, Al₂O₃, PO₃, Hydrogel, Nafion 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서는 점착제가 구비된 기재층이 더 포함할 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 MIM 구조를 사용하는 가스 센서를 포함하는 가스 검출장치는, 가스 센서; 상기 가스 센서 상부에 구비되면, 기체를 통과시키는 기체 투과층; 상기 가스 센서가 부착되는 본체부;를 포함하며, 상기 가스 센서는, 제1메탈층; 상기 제1메탈층 하부에 배치되며, 광학적으로 투명 또는 반투명성을 가지는 인슐레이터층; 상기 인슐레이터층 하부에 구비되며, 광택을 가지는 제2메탈층을 포함하며, 상기 제1메탈층이 기체와 반응하여 두께가 변화되거나, 상기 인슐레이터층이 기체와 반응하여 굴절률이 변화되며, 기체에 의해 상기 제1메탈층의 두께가 변화되어 색깔이 표시되거나, 기체에 의해 상기 인슐레이터층의 굴절률이 변화되어 색깔이 표시되는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것으로, 기체와 반응하여 두께가 변화하는 제1메탈층과 기체와 반응하여 굴절률이 변화되는 인슐레이터층을 포함하는 MIM 구조를 사용하여 기체를 감지함에 따라 별도의 측정장치 없이 용이하게 기체를 감지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 별도의 가열 장치가 필요하지 않음에 따라 전력소비와 발열이 적은 장점이 있으며, 본 발명은 제작비용이 저렴해서 산업상 이용 가능성이 높은 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 제1메탈층과 인슐레이터층의 두께를 나타내는 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서의 각 층의 재질을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MIM구조를 시간 영역 유한 차분법(FDTD)으로 해석한 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 인슐레이터층의 두께에 따른 흡수픽을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 인슐레이터층의 두께에 따른 가스 센서에 구현되는 컬러 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 포터블 디바이스에 MIM 구조를 사용하는 가스 센서가 구비된 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 의복에 MIM 구조를 사용하는 가스 센서가 구비된 것을 나타내는 도면이다.

본 명세서는 본 발명의 권리범위를 명확히 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록, 본 발명의 원리를 설명하고, 실시 예들을 개시한다. 개시된 실시 예들은 다양한 형태로 구현될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어, 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것으로, 기체와 반응하여 두께가 변화하는 제1메탈층과 기체와 반응하여 굴절률이 변화되는 인슐레이터층을 포함하는 MIM 구조를 사용함에 따라, 감지되는 기체에 의해 색깔이 표시되는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에 관한 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치에서 검출되는 기체는 NO_X _, SO_X, HF, NH₄ 등을 포함하는 부식성 가스일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1메탈층과 반응하여 제1메탈층의 두께를 변화시키거나 인슐레이터층과 반응하여 인슐레이터층의 굴절률을 변화시킬 수 있는 기체라면 다양한 기체일 수 있다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 제1메탈층(110), 인슐레이터층(120), 제2메탈층(130)을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 메탈(Metal)-절연체(Insulator)-메탈(Metal)의 구조로 이루어진 MIM 구조를 사용하는 것으로, MIM 구조를 통해 가시광선 영역의 일부 파장대의 빛을 선택적으로 흡수하여 빛(컬러)을 구현할 수 있게 된다.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조에 백색광(10)을 조사하면, 두 개의 메탈 미러층(제1메탈층, 제2메탈층) 사이에 갇힌 빛이 인슐레이터층에서 공명을 일으키는 동시에 메탈 미러층(제1메탈층, 제2메탈층)에서 가시광선 영역의 일부 파장대의 빛을 선택적으로 흡수하여 반사색(20)이 구현될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)의 상기 제1메탈층(110)은 기체와 반응하여 두께가 변화될 수 있으며, 상기 제1메탈층(110)의 두께가 변화됨에 따라 흡수되는 빛의 파장대가 변경되면서 색 변화가 시인될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)의 상기 인슐레이터층(120)은 기체와 반응하여 굴절률이 변화될 수 있으며, 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률이 변화됨에 따라 흡수되는 빛의 파장대가 변경되면서 색이 구현될 수 있다.

이를 위해 상기 제1메탈층(110)은 기체와 반응을 일으켜 두께가 변화되는 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 인슐레이터층(120)은 기체와 반응하여 굴절률이 변화되는 재질로 이루어질 수 있다.

상기 제1메탈층(110)은 기체와 반응하여 두께가 변화하는 금속으로 이루어질 수 있는 것으로, 상기 제1메탈층(110)은 기체에 의해 부식되면서 두께가 변화될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1메탈층(110)은 부식 이외에도 다른 기체와의 화학 반응으로 인해 두께가 변화될 수도 있다.

상기 제1메탈층(110)과 상기 제2메탈층(130) 사이에서 조사되는 백색광(10)의 빛을 가두기 위해 상기 제1메탈층(110)은 광택과 반사율을 가지는 금속으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 제1메탈층(110)은 Ag, Sn, Ni, Al, Pt, Au 중 어느 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제1메탈층(110)은 이에 한정되는 것은 아니며, 기체와 화학 반응을 하여 두께가 변화되면서 광택과 반사율을 가지는 금속이라면 다양한 금속일 수 있다.

상기 인슐레이터층(120)은 상기 제1메탈층(110) 하부에 배치되며, 광학적으로 투명 또는 반투명성을 가지는 것이다. 상기 인슐레이터층(120)은 광학적으로 투명성을 가지는 세라믹 또는 폴리머로 구성되는 것으로, 상기 인슐레이터층(120)은, SiO₂, WO₃, TiO₂, Cr Doped TiO₂, Al₂O₃, PO₃, Hydrogel, Nafion 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 인슐레이터층(120)은 기체와 반응하여 굴절률이 변화될 수 있는 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는, 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률이 변화되어 색 변화가 시인될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는, 기체에 의해 상기 제1메탈층(110)의 두께가 변화되어 색 변화가 표시되거나, 기체에 의해 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률이 변화되어 색 변화가 표시될 수 있는 것이다. 상기 제1메탈층(110)의 두께 변화와 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률 변화가 선택적으로 조합하거나 상기 제1메탈층(110)의 두께 변화와 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률 변화 모두가 이용되어 색 변화가 표시될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)에서 상기 제1메탈층(110)과 반응하여 상기 제1메탈층(110)의 두께를 변화시키거나, 상기 인슐레이터층(120)과 반응하여 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률을 변화시키는 기체는 NO_X, SO_X, HF, NH₄ 중 어느 하나 이상을 포함하는 부식성 가스 일 수 있다.

다만, 상기 기체는 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1메탈층(110)과 반응하여 상기 제1메탈층(110)의 두께를 변화시키거나, 상기 인슐레이터층(120)과 반응하여 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률을 변화시킬 수 있다면 다양한 기체일 수 있다.

상기 제2메탈층(130)은 상기 인슐레이터층(120) 하부에 구비되며, 광택을 가지는 것이다. 상기 제1메탈층(110)과 상기 제2메탈층(130) 사이에서 조사되는 백색광(10)의 빛을 가두기 위해 상기 제2메탈층(130)은 광택과 반사율을 가지는 금속으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 제2메탈층(130)은 Ag, Sn, Ni, Al, Pt, Au 중 어느 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제2메탈층(130)은 이에 한정되는 것은 아니며, 광택과 반사율을 가지는 금속이라면 다양한 금속일 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 점착제가 구비되는 기재층(140)을 더 포함할 수 있다. 상기 기재층(140)은 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)를 다른 장치와 결합하기 위한 것으로, 상기 기재층(140)은 glass, polymer, graphite 등 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 상기 인슐레이터층(120)은 복수 개의 층으로 이루어질 수도 있다. 상기 인슐레이터층(120)은 기체에 의해 굴절률이 변화될 수 있는 것으로, 굴절률을 다양하게 변화시키기 위해 상기 인슐레이터층(120)은 복수 개의 층으로 이루어질 수도 있다.

도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 기체 투과층(160)을 더 포함할 수 있다. 상기 기체 투과층(160)은 상기 제1메탈층(110) 상부에 구비될 수 있는 것으로, 상기 기체 투과층(160)을 통해 상기 제1메탈층(110) 상부로 기체가 유입될 수 있다.

상기 기체 투과층(160)을 형성하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)를 인디케이터로써 사용할 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 기체 투과층(160)에 경고 문구, 경고 형상 등 지정된 형상으로 기체가 통과할 수 있는 투과부를 형성하면, 상기 투과부의 형상을 따라 색깔이 발현될 수 있게 된다.

또한, 상기 기체 투과층(160)을 통해 지정된 기체만 통과시키면서 다른 물질을 거를 수도 있다. 상기 기체 투과층(160)은 지정된 기체만 통과시킬 수 있는 멤브레인으로 이루어질 수 있으며, 이를 통해 습기, 염분 등과 같은 다른 오염 물질을 통과시키지 않아 가스 센서(100)를 보호할 수 있다.

상기 기체 투과층(160)은 고어텍스 등의 불소코팅 섬유를 포함하는 소재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 기체에 의해 손상되지 않으면서 기체를 투과시킬 수 있다면 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)의 상기 제1메탈층(110)의 두께는 5 내지 50 nm 로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 인슐레이터층(120)의 두께는 10 내지 1000 nm 로 이루어지는 것이 바람직하다.

인간은 가시광선 영역에 대한 빛(컬러)을 인식할 수 있기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 가시광선 영역에서 반사색(20)을 구현해야 한다. 이를 위해 상기 인슐레이터층(120)의 두께는 10 내지 1000 nm 로 이루어지는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 인슐레이터층(120)의 두께가 가시광선 파장(800nm 이하) 일 때 상기 가스 센서(100)로 가시광선 영역에서 반사색을 구현할 수 있게 되는데, 상기 인슐레이터층(120)의 두께가 지나치게 두꺼우면(1000nm 이상이면) 컬러의 선명도가 떨어짐에 따라 시인성이 좋지 않은 문제점이 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MIM구조를 시간 영역 유한 차분법(FDTD)으로 해석한 것으로, 도 4를 참조하면, 상기 인슐레이터층(120)의 두께가 10 내지 400nm 일 때 뚜렷한 흡수픽(파란색 선)을 확인할 수 있다. 상기 인슐레이터층(120)의 두께가 1000nm가 넘어가면 파란색 선의 중첩이 심해져서 복합픽이 심해질 수 있으며, 이에 따라 컬러의 선명도가 떨어짐에 따라 시인성이 저하될 수 있다.

상기 인슐레이터층(120)의 두께가 너무 작으면(5nm), 상기 인슐레이터층(120)의 제작이 어려우며, 가시광선 영역에서 반사색(20)을 구현하기 어렵기 때문에, 상기 인슐레이터층(120)의 두께는 5nm 보다 큰 것이 바람직하다.

상기 제1메탈층(110)의 두께는 5 내지 50 nm 로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 제1메탈층(110)의 두께가 5nm 이상일 때 가시광선 영역에서 반사색(20)을 구현할 수 있으며, 상기 제1메탈층(110)의 두께가 5nm 보다 작으면 가시광선 영역에서 선명한 반사색(20)을 구현하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 상술한 바와 같이 상기 제1메탈층(110)은 기체와 반응하여 두께가 변화될 수 있는데, 상기 제1메탈층(110)의 두께가 5nm 보다 작으면 두께가 줄어들 수 있는 영역이 없어서 센서로서의 역할을 하기 어려운 문제점이 있다.

상기 제1메탈층(110)의 두께는 50nm 이하인 것이 바람직하다. 도 5를 참조하면, 상기 제1메탈층(110)의 두께가 35nm 이상부터 컬러 변화의 폭이 적어지며, 육안으로는 전반사가 발생하여 silver 또는 gold로 컬러가 시인됨에 따라 육안으로 컬러를 감지하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 상기 제1메탈층(110)의 두께가 5nm 보다 작거나 50nm 보다 크면, 상기 제1메탈층(110)과 상기 제2메탈층(130) 사이에서 공명(resonance) 현상이 줄어들어 컬러 시인이 되지 않는 문제점이 있다. 따라서, 상기 제1메탈층(110)의 두께는 5nm 내지 50nm 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 제1메탈층(110)의 두께는 5nm 내지 35nm 인 것이 좋다.

상기 제2메탈층(130)의 두께는 5nm 이상인 것이 바람직하다. 도 2를 참조하면, 상기 제2메탈층(130)은 반사판 역할을 할 수 있는 것이기 때문에, 이를 위해 상기 제2메탈층(130)의 두께는 5nm 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 30nm 이상인 것이 좋다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 별도의 가열 장치를 포함할 수도 있다. 상기 가열 장치는 가스와의 반응성을 높이기 위한 것으로, 상기 가열 장치를 통해 열을 가함에 따라 가스 센서와 기체와의 반응성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 기체의 노출량 및 기체의 노출 시간에 따라 상기 제1메탈층(110)의 두께를 변화시키거나 상기 인슐레이터층(120)의 굴절률을 변화시킬 수 있는 것이다.

이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 기체의 노출량 및 기체의 노출 시간에 따라 상기 가스 센서(100)에서 다른 색의 컬러를 구현할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서(100)는 기체의 노출량 및 기체의 노출 시간에 따라 색깔을 변화시키면서 기체를 감지할 수 있는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서를 포함하는 가스 검출장치는 가스 센서(100), 기체 투과층(160), 본체부를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서를 포함하는 가스 검출장치는, 상술한 가스 센서(100)를 사용할 수 있는 검출장치이다. 상기 가스 센서(100)는 상술한 가스 센서(100)와 동일한 것이므로 이하에서는 상세한 설명을 생략한다.

상기 기체 투과층(160)은 상기 가스 센서(100)에 기체를 선택적으로 투과시킬 수 있는 것이다. 상기 기체 투과층(160)을 형성하면, 상기 가스 센서(100)를 인디케이터로써 사용할 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 기체 투과층(160)에 경고 문구, 경고 형상 등 지정된 형상으로 기체가 통과되는 투과부를 형성하면, 상기 투과부의 형상을 따라 색깔이 발현될 수 있게 된다.

또한, 상기 기체 투과층(160)을 통해 지정된 기체만 통과시키며, 다른 물질을 거를 수도 있다. 상기 기체 투과층(160)은 지정된 기체만 통과시킬 수 있는 멤브레인으로 이루어질 수 있으며, 이를 통해 습기, 염분 등과 같은 다른 오염 물질을 통과시키지 않음에 따라 가스 센서(100)를 보호할 수 있게 된다.

상기 본체부는 상기 가스 센서(100)가 부착되는 것으로, 상기 가스 센서(100)가 부착될 수 있다면 상기 본체부는 다양한 구성일 수 있다. 도 7을 참조하면, 상기 본체부는 봉 형상으로 이루어진 포터블 디텍터(portable detector)(210)일 수 있다.

상기 가스 센서(100)는 상기 기저층(140)에 부착된 점착제(150)를 통해 상기 포터블 디텍터(210)에 결합될 수 있으며, 다른 오염 물질로부터 상기 가스 센서(100)를 보호하기 위해 멤브레인으로 이루어진 상기 기체 투과층(160)을 형성할 수 있다.

상기 포터블 디텍터(210)는 사용자가 이동할 수 있도록 봉 형상으로 제작될 수 있는 것으로, 사용자는 상기 포터블 디텍터(210)를 휴대함에 따라 다양한 장소에서 기체를 검출할 수 있게 된다.

도 8을 참조하면, 상기 본체부는 의류(220)일 수도 있다. 상기 의류(220)는 상기 가스 센서(100)가 부착된 것으로, 위험 지역에서 근무하는 사용자는 상기 의류(220)를 통해 기체의 노출량을 확인할 수 있다.

상기 본체부가 의류(220)로 이루어진 경우, 상기 가스 센서(100)는 인디케이터로 사용될 수 있다. 기체의 노출량에 따라 상기 가스 센서(100)에서 색깔이 구현되는데, 이때 상기 의류(220)의 경고 문구를 따라 색깔을 구현시킴에 따라 상기 가스 센서(100)를 인디케이터로 사용할 수 있다.

상술한 설명에서는 상기 본체부를 상기 포터블 디텍터(210)와 상기 의류(220)로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 가스 센서(100)가 부착되어 사용될 수 있다면, 상기 본체부는 다양한 구성일 수 있다.

또한, 상기 가스 센서(100)는 색 변화가 시인될 수 있다면, 상기 본체부에 다양한 형태로 부착될 수도 있다.

가령, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가스 센서(100)는 투명한 제1기저층과 상기 제1기저층과 이격되면서 배치되며, 하부에 제1점착제가 구비된 제2기저층을 포함한다. 상기 제1메탈층(110), 상기 인슐레이터층(120), 상기 제2메탈층(130)으로 이루어진 MIM 구조는 제2점착제를 통해 상기 제2기저층 상부에 부착된다.

상기 제1기저층과 상기 제2기제층의 일측과 타측에는 상기 제1기저층과 상기 제2기저층을 연결하면서 기체를 투과할 수 있는 멤브레인으로 이루어진 기체 투과층이 형성되며, 상기 가스 센서(100)는 상기 제2기저층에 구비된 상기 점착제를 통해 상기 본체부에 부착될 수 있다.

상기 제1기저층은 투명한 재질로 이루어져 있기 때문에, 기체에 의해 MIM 구조가 반응하여 색 변화가 시인되면, 사용자는 상기 제1기저층을 통해 이를 인식할 수 있게 된다.

상술한 설명에서는 상기 가스 센서(100)가 상기 본체부에 부착되는 형태를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 가스 센서(100)는 색 변화가 시인될 수 있다면, 상기 본체부에 다양한 형태로 부착될 수 있다.

상술한 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치는 기체와 반응하여 두께가 변화하는 제1메탈층과 기체와 반응하여 굴절률이 변화되는 인슐레이터층을 포함하는 MIM 구조를 사용하여 기체를 감지함에 따라 별도의 측정장치 없이 용이하게 기체를 감지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래의 가스 센서는 가열 장치가 반드시 필요했으나, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치는 상온에서 변화가 가능하여 별도의 가열 장치가 필요하지 않음에 따라 전력소비와 발열이 적은 장점이 있다.

이와 함께, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치는 제작비용이 저렴해서 산업상 이용 가능성이 높은 장점이 있으며, 본 발명의 실시 예에 따른 MIM 구조를 사용하는 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출장치는 모바일 디바이스(mobile device)나 웨어버블(wearable) 장치에 다양하게 응용될 수 있는 장점이 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100...가스 센서 110...제1메탈층
120...인슐레이터층 130...제2메탈층
140...기재층 150...점착제
160...기체 투과층 210...포터블 디텍터
220...의류

Claims

가스를 감지하면 색이 변하는 가스 센서에 있어서,
제1메탈층;
상기 제1메탈층 하부에 배치되며, 광학적으로 투명 또는 반투명성을 가지는 인슐레이터층;
상기 인슐레이터층 하부에 구비되며, 광택을 가지는 제2메탈층을 포함하며,
상기 제1메탈층이 기체와 반응하여 두께가 변화되거나, 상기 인슐레이터층이 기체와 반응하여 굴절률이 변화되며,
기체에 의해 상기 제1메탈층의 두께가 변화되어 색깔이 표시되거나, 기체에 의해 상기 인슐레이터층의 굴절률이 변화되어 색깔이 표시되는 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1메탈층은 기체에 의해 부식되면서 두께가 변화되는 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 인슐레이터층의 두께는 10 내지 1000 nm 인 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1메탈층의 두께는 5 내지 50 nm 인 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2메탈층의 두께는 5 nm 이상인 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1메탈층과 반응하여 상기 제1메탈층의 두께를 변화시키거나, 상기 인슐레이터층과 반응하여 상기 인슐레이터층의 굴절률을 변화시키는 기체는 NO_X _, SO_X, HF, NH₄ 중 어느 하나 이상을 포함하는 부식성 기체인 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1메탈층과 상기 제2메탈층은, Ag, Sn, Ni, Al, Pt, Au 중 어느 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
상기 인슐레이터층은, SiO₂, WO₃, TiO₂, Cr Doped TiO₂, Al₂O₃, PO₃, Hydrogel, Nafion 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
제1항에 있어서,
점착제가 구비된 기재층이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서.
가스를 감지하여 가스를 검출하는 가스 검출장치에 있어서,
가스 센서;
상기 가스 센서 상부에 구비되면, 기체를 통과시키는 기체 투과층;
상기 가스 센서가 부착되는 본체부;를 포함하며,
상기 가스 센서는,
제1메탈층;
상기 제1메탈층 하부에 배치되며, 광학적으로 투명 또는 반투명성을 가지는 인슐레이터층;
상기 인슐레이터층 하부에 구비되며, 광택을 가지는 제2메탈층을 포함하며,
상기 제1메탈층이 기체와 반응하여 두께가 변화되거나, 상기 인슐레이터층이 기체와 반응하여 굴절률이 변화되며,
기체에 의해 상기 제1메탈층의 두께가 변화되어 색깔이 표시되거나, 기체에 의해 상기 인슐레이터층의 굴절률이 변화되어 색깔이 표시되는 것을 특징으로 하는 MIM 구조를 사용하는 가스 센서를 포함하는 가스 검출장치.