KR20210132489A - 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서 - Google Patents

전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20210132489A
KR20210132489A KR1020200050946A KR20200050946A KR20210132489A KR 20210132489 A KR20210132489 A KR 20210132489A KR 1020200050946 A KR1020200050946 A KR 1020200050946A KR 20200050946 A KR20200050946 A KR 20200050946A KR 20210132489 A KR20210132489 A KR 20210132489A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
membrane
electrode
measured
substrate
Prior art date
Application number
KR1020200050946A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102541962B1 (ko
Inventor
강문식
Original Assignee
주식회사 이너센서
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 이너센서 filed Critical 주식회사 이너센서
Priority to KR1020200050946A priority Critical patent/KR102541962B1/ko
Priority to PCT/KR2021/005291 priority patent/WO2021221425A1/ko
Publication of KR20210132489A publication Critical patent/KR20210132489A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102541962B1 publication Critical patent/KR102541962B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333—Ion-selective electrodes or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/302—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells pH sensitive, e.g. quinhydron, antimony or hydrogen electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

전극 구조물은, 측정 전극을 둘러싸도록 기판 상에 배치되며, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 생성물과 접촉하는 수소 접촉막 및 수소 접촉막을 둘러싸도록 기판 상에 배치되어 피측정 용액으로부터 수소 접촉막을 보호하며, 수소 생성물을 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함한다. 결과적으로, 전극 구조물은 피측정 용액에 포함된 수소 이온의 농도에 대한 측정값을 보다 높은 신뢰도로 획득할 수 있다.

Description

전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서{DEVICE OF ELECTRODE AND pH SENSOR INCLUDING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명의 실시예들은 피측정 용액으로부터 생성된 수소 생성물을 선택적으로 투과시키는 멤브레인을 포함하는 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서에 관한 것이다.
pH 센서는 피측정 용액의 pH를 측정하기 위한 센서로서, 화학공정, 수질검사, 토양분석 및 바이오/화학센서 등 다양한 분야에 적용된다. pH를 측정하기 위해서는 수소 이온(H+)의 농도에 따라 변화하는 전위차의 크기를 측정하는 전위차법이 이용된다.
가장 일반적으로 이용되는 pH센서인 유리 전극은, pH를 감응할 수 있는 유리 박막을 이용한다. 유리 박막에는 음전하를 띄는 규산염과 전하 균형을 맞추기 위한 나트륨 이온(Na+) 등이 포함될 수 있다. 이로써, 유리 전극은 유리 박막의 경계면에서 나트륨 이온(Na+) 및 수소 이온(H+)을 선택적으로 교환시킬 수 있다. 따라서, 유리 전극은 유리막의 내/외부 경계면 사이에서 발생하는 전위차를 이용하여 피측정 용액의 수소 이온 농도를 측정할 수 있다.
그런데, 유리 전극을 이용한 pH센서는, 유리 멤브레인, KCl, HCl 용액을 이용한 복잡한 구조로 이루어져 있어 제작이 용이하지 못한 문제점이 있다. 또한, 유리 전극은 유리 멤브레인과 유리관을 이용하기 때문에 취성이 약해 충격에 잘 깨지는 문제점이 있다. 이로써, 유리 전극을 이용한 pH 센서의 파손으로 인해 화학 약품에 의한 오염 사고가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 금속 산화물의 산화환원반응을 이용하여 피측정 용액의 pH를 측정할 수 있다. 그러나, 상기 금속 산화물이 피측정 용액 내 수소 이온 뿐 아니라 유기물과 같은 부산물에도 반응하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 금속 산화물의 산화환원반응을 이용한 pH측정법은 측정값의 오차가 크므로 그 측정결과가 낮은 신뢰도를 갖는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 피측정 용액에 포함된 수소 이온의 농도를 측정함에 있어서, 쉽게 파손되지 않도록 구성되어 다양한 환경에서 용이하게 활용할 수 있으며, 높은 신뢰도의 측정 결과값을 도출할 수 있는 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조물은 기판 상에 배치된 측정 전극, 상기 측정 전극을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되며, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 생성물과 접촉하는 수소 접촉막 및 상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 생성물을 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은, 상기 피측정 용액 중 상기 수소 생성물을 제외한 부산물이 상기 멤브레인으로 흡착되는 것을 방지하는 재질로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 멤브레인은, 백금(Pt) 및 알루미나(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극 구조물은, 상기 멤브레인의 상부에 상기 멤브레인을 둘러싸도록 배치되며, 상기 피측정 용액에서 상기 수소 생성물을 제외한 부산물이 상기 멤브레인으로 흡착되는 것을 방지하기 위한 흡착 방지막을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 흡착 방지막은, 백금(Pt) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 pH센서는, 기판 상에 배치되며, 기준 전위에 해당하는 제1 전극, 상기 기판 상에 상기 제1 전극과 물리적으로 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극, 상기 기판 상에 상기 제2 전극을 둘러싸도록 배치되고, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 이온과 접촉 및 감응하여, 상기 수소 생성물의 농도에 따라 변화하는 정전 용량값을 갖도록 구성되는 수소 접촉막 및 상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 이온을 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 pH센서는, 기판 상에 배치되며, 기준 전위에 해당하는 제1 전극, 상기 기판 상에 상기 제1 전극과 물리적으로 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극, 상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 전극들을 연결하도록 배치되고, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 기체와 접촉하며, 상기 수소 기체를 흡착함으로써 상기 수소 기체의 흡착량에 따라 변화하는 저항값을 갖도록 구성되는 수소 접촉막 및 상기 기판 상에서 상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 기체를 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조물은, 측정 전극을 둘러싸도록 기판 상에 배치되며, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 생성물과 접촉하는 수소 접촉막 및 상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 생성물을 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함한다.
결과적으로, 상기 전극 구조물은 상기 피측정 용액에 포함된 수소 이온의 농도에 대한 측정값을 보다 높은 신뢰도로 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 포함하는 pH 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 포함하는 pH 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
본 발명의 실시예들에서 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들이 이들 사이에 개재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결되는 것으로 설명되는 경우 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화는 충분히 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차를 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 요소들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상은 요소들의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물(1000)은 측정 전극(100), 수소 접촉막(300) 및 멤브레인(500)을 포함한다.
상기 측정 전극(100)은 기판(10) 상에 배치된다. 이때, 상기 기판(10)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 비소(As), 산화 알루미늄(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)와 같은 고분자 재료 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 측정 전극(100)은 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 구리(Cu)와 같은 금속 재료 및 전도성 고분자 재료, 금속 나노 구조체와 같은 유연 소재 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다. 상기 기판(10)이 고분자 재료로 구성되거나 상기 측정 전극(100)이 유연 소재로 구성됨으로써, 상기 전극 구조물(1000)이 필름 형태의 유연성 기판(10)을 구성할 수 있다.
상기 수소 접촉막(300)은 상기 측정 전극(100)을 둘러싸도록 상기 기판(10) 상에 배치된다. 상기 수소 접촉막(300)은 피측정 용액(30)으로부터 생성된 수소 생성물과 접촉할 수 있다. 상기 수소 접촉막(300)은 상기 수소 생성물에 감응하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 수소 접촉막(300)은 일종의 상기 수소 생성물의 감지막의 역할을 할 수 있다. 상기 수소 접촉막(300)의 상기 수소 생성물에 대한 구체적인 감응 반응에 관해서는 후술하기로 한다.
상기 멤브레인(500)은 상기 수소 접촉막(300)을 둘러싸도록 상기 기판(10) 상에 배치된다. 상기 멤브레인(500)은 상기 피측정 용액(30)으로부터 상기 수소 접촉막(300)을 보호할 수 있다. 또한, 상기 멤브레인(500)은 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 생성물을 상기 수소 접촉막(300)으로 선택적으로 투과시키도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 멤브레인(500)은 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+) 또는 수소 기체(H2)를 상기 수소 접촉막(300)으로 선택적으로 투과시킬 수 있다. 이로써, 상기 피측정 용액(30)에서 수소 이온(H+) 또는 수소 기체(H2)를 제외한 부산물이 상기 수소 접촉막(300)과 접촉하는 것이 방지될 수 있다. 즉, 상기 멤브레인(500)은 상기 수소 접촉막(300) 및 피측정 용액(30) 간의 직접 접촉을 방지함으로써 상기 수소 접촉막(300)의 수소 이온(H+) 또는 수소 기체(H2)에 대한 감지 성능을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 멤브레인(500)은 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)로 구성될 수 있다. 폴리벤지미다졸(PBI)은 수소의 투과비가 높고 내열성 및 내화학성을 가진 기능성 열가소성 플라스틱으로서, 상기 수소 접촉막(300) 상에 용액상태로 도포가 가능한 특성을 가진다. 이로써, 상기 멤브레인(500)이 폴리벤지미다졸(PBI)로 이루어짐으로써, 상기 전극 구조물(1000)은 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 생성물을 상기 수소 접촉막(300)으로 온전히 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전극 구조물(1000)은 용이하게 제조될 수 있으며 내열성 및 내화학성의 특성을 가질 수 있다. 상기 멤브레인(500)은 상기 기판(10) 상에서 코팅되거나 증착됨으로써 구성될 수 있다.
상기 수소 접촉막(300)은 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 생성물에 감응하여, 상기 수소 생성물의 농도에 따라 변화하는 정전 용량(Capacitance) 또는 저항(Resistance) 값을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 수소 접촉막(300)의 내부 경계면은 상기 측정 전극(100)과 접촉한 상태에서, 상기 수소 접촉막(300)의 외부 경계면은 상기 수소 생성물과 접촉하도록 구성될 수 있다. 이러한 상태에서, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 수소 접촉막(300)의 내외 경계면 간에, 상기 수소 생성물의 농도에 따라 변화하는 정전 용량값 또는 저항값을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 수소 접촉막(300)은 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+)에 감응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 접촉막(300)은 수소 이온의 농도에 따라 변화하는 정전 용량값을 갖도록 산화 팔라듐(PdO), 산화 이리듐(IrO2), 산화하프늄(HfO2)과 같은 산화 금속물로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 기판(10) 상에서 스퍼터링(Sputtering), 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD) 및 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition, CVD)을 통해 구성될 수 있다.
상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 생성물인 수소 이온은, 상기 멤브레인(500)을 통과하여 상기 수소 접촉막(300)과 접촉한다. 이때, 상기 멤브레인(500)은 수소 이온을 선택적으로 상기 수소 접촉막(300)을 향해 투과시킬 수 있다. 이어서, 상기 수소 접촉막(300)은, 상기 수소 이온과 산화환원반응을 통해 상기 수소 접촉막(300)의 내외부 경계면 간의 전위차를 변화시킬 수 있다.
이로써, 상기 전극 구조물(1000)은 상기 수소 접촉막(300) 및 수소 이온 간의 산화환원반응에 의한 전위차의 변화량을 측정함으로써 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다. 상기 변화량의 측정을 위해, 상기 전극 구조물(1000)은 기준 전극 및 전압계를 더 포함하여, 상기 기준 전극 및 전압계가 상기 기판(10)을 매개로 상기 측정 전극(100)과 상호 연결되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 피측정 용액(30)으로부터 생성된 수소 기체(H2)에 감응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 접촉막(300)은 수소 기체의 농도에 따라 변화하는 저항값을 갖도록 팔라듐(Pd)과 같은 금속으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 기판(10) 상에서 스퍼터링을 통해 구성될 수 있다.
일단, 상기 전극 구조물(1000)을 이용하여 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+)의 농도를 측정하기 위해, 전기분해를 통해 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+)을 수소 기체(H2)로 변화한 상기 피측정 용액(30)을 준비할 수 있다.
상기 피측정 용액(30)으로부터 생성된 상기 수소 생성물인 수소 기체는, 상기 멤브레인(500)을 통과하여 상기 수소 접촉막(300)과 접촉한다. 이때, 상기 멤브레인(500)은 수소 기체를 선택적으로 상기 수소 접촉막(300)을 향해 투과시킬 수 있다. 팔라듐은 표면에 수소 기체를 흡착하는 성질을 가지며, 흡착된 상기 수소 기체는 팔라듐 내부로 흡수된다. 이때, 수소 기체는 수소 원자(H)로 나뉘어져 팔라듐 내부로 흡수될 수 있다. 따라서, 수소 원자가 상기 팔라듐의 격자 사이에 들어가 격자 결함을 유발할 수 있다. 이로써, 수소 원자는 상기 팔라듐 내부에서 전자의 산란을 유발함으로써, 상기 수소 접촉막(300)의 저항값을 증가시킬 수 있다.
상기 전극 구조물(1000)은 상기 수소 접촉막(300) 및 수소 기체의 흡착 반응에 의한 저항값의 변화량을 측정함으로써 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 기체의 농도를 획득할 수 있다. 이로써, 상기 전극 구조물(1000)은 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다. 상기 전극 구조물(1000)은 기준 전극 및 전류계를 더 포함할 수 있다. 상기 기준 전극 및 전류계는 상기 기판(10)을 매개로 상기 측정 전극(100)과 상호 연결될 수 있다. 이로써, 전극 구조물(1000)은 상기 수소 접촉막(300)의 저항값 변화량을 측정함으로써, 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 멤브레인은, 백금(Pt) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 멤브레인(500)은 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 및 산화알루미늄(Al2O3)의 혼합물로 구성될 수 있다. 이와 다르게, 상기 멤브레인(500)은 백금(Pt) 및 산화알루미늄(Al2O3)의 결합물을 포함할 수 있다. 즉, 상기 멤브레인(500)은 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)과 함께 백금(Pt) 및 산화알루미늄(Al2O3)의 결합물을 혼합하여 구성될 수 있다. 이를 통해, 상기 피측정 용액(30) 중 상기 수소 생성물을 제외한 부산물이 상기 멤브레인(500)으로 흡착되는 현상이 방지될 수 있다. 이로써, 상기 멤브레인(500)의 표면에 전하가 축적되는 현상이 방지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 전극 구조물(1000)은 흡착 방지막(700)을 더 포함할 수 있다.
상기 흡착 방지막(700)은 상기 멤브레인(500)의 상부에 상기 멤브레인(500)을 둘러싸도록 배치된다. 상기 흡착 방지막(700)은 상기 피측정 용액(30)에서 상기 수소 생성물을 제외한 부산물이 상기 멤브레인(500)으로 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 흡착 방지막(700)은 유기물이 상기 멤브레인(500)에 흡착하는 것을 방지할 수 있다. 상기 흡착 방지막(700)은 상기 멤브레인(500)의 외부 경계면에 코팅 및 증착하는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 흡착 방지막(700)은 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 및 팔라듐(Pd)의 나노 입자를 멤브레인(500)에 분사 코팅하거나 상기 멤브레인(500)과 혼합시킴으로써 구성될 수 있다. 이와 다르게, 상기 흡착 방지막(700)은, 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti) 및 팔라듐(Pd) 중 선택된 1종 이상의 나노 입자와 산화 알루미늄(Al2O3)을 혼합함으로써 구성될 수 있다.
이로써, 상기 흡착 방지막(700)은 상기 멤브레인(500)의 표면 상 전하 발생을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 상기 수소 접촉막(300)의 수소 이온 및 기체에 대한 감지 성능의 신뢰도 및 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 포함하는 pH 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서(2000)는 제1 전극(110), 제2 전극(130), 수소 접촉막(300), 멤브레인(500)을 포함한다.
상기 제1 전극(110)은 기판(10) 상에 배치되며 기준 전위에 해당한다. 상기
상기 제2 전극(130)은 상기 기판(10) 상에 상기 제1 전극(110)과 물리적으로 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극(110)과 전기적으로 연결된다.
상기 수소 접촉막(300)은 상기 기판(10) 상에 상기 제2 전극(130)을 둘러싸도록 배치된다. 또한, 상기 수소 접촉막(300)은 피측정 용액(30)으로부터 생성된 수소 이온과 접촉 및 감응한다. 이를 통해, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 수소 이온의 농도에 따라 변화하는 정전 용량값을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 접촉막(300)은 산화 이리듐(IrO2) 재질로 구성될 수 있다.
상기 멤브레인(500)은 상기 수소 접촉막(300)을 둘러싸도록 상기 기판(10) 상에 배치된다. 상기 멤브레인(500)은 상기 피측정 용액(30)으로부터 상기 수소 접촉막(300)을 보호하며, 상기 수소 이온을 상기 수소 접촉막(300)으로 선택적으로 투과시키도록 구성된다.
여기서, 상기 제1 전극(110)은 상기 전극 구조물(1000)에서의 기준 전극의 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(130)은 일종의 도 1 내지 도 3에 도시된 측정 전극(100)으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 pH 센서(2000)는 산화 이리듐(IrO2) 재질의 상기 수소 접촉막(300)을 포함하며, 이때 상기 수소 접촉막(300)은 금속 산화물로서 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+)에 감응하도록 구성될 수 있다. 이로써, 상기 pH 센서(2000)는 상기 수소 접촉막(300) 및 수소 이온 간의 산화환원반응에 의한 전위차의 변화량을 측정함으로써 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다. 상기 pH 센서(2000)는 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(130) 사이에 전압계를 더 포함할 수 있다. 이로써, 상기 pH 센서(2000)는 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(130) 간의 전위차를 측정함으로써, 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다. 이때, 상기 멤브레인(500)은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 포함할 수 있다.
상기 pH 센서(2000)에 포함되는 상기 기판(10), 피측정 용액(30), 수소 접촉막(300), 멤브레인(500)에 관한 구체적인 내용은 도 1 내지 도 3을 참고로 전술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 포함하는 pH 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 센서(3000)는 제1 전극(110), 제2 전극(130), 수소 접촉막(300) 및 멤브레인(500)을 포함한다.
상기 제1 전극(110)은 기판(10) 상에 배치되며, 기준 전위에 해당한다.
상기 제2 전극(130)은 상기 기판(10) 상에 상기 제1 전극(110)과 물리적으로 이격되어 배치된다. 또한, 상기 제2 전극(130)은 상기 제1 전극(110)과 전기적으로 연결되도록 구성된다.
상기 수소 접촉막(300)은 상기 기판(10) 상에서 상기 제1 및 제2 전극들(110, 130)을 연결하도록 배치된다. 상기 수소 접촉막(300)은 피측정 용액(30)으로부터 생성된 수소 기체와 접촉하도록 구성된다. 또한, 상기 수소 접촉막(300)은 팔라듐(Pd) 재질로 형성되어 상기 수소 기체를 흡착함으로써 상기 수소 기체의 흡착량에 따라 변화하는 저항값을 갖도록 구성된다.
상기 멤브레인(500)은 상기 기판 상에서 상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 배치된다. 상기 멤브레인(500)은 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호할 수 있다, 상기 멤브레인(500)은 상기 수소 기체를 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 및 제2 전극들(110, 130)은 상기 수소 접촉막(300)을 매개로 전기적으로 상호 연결될 수 있다.
또한, 상기 pH 센서(3000)는 상기 제1 및 제2 전극들(110, 130)을 각각 둘러싸는 차단막(400)을 더 포함할 수 있다. 상기 차단막(400)은 상기 제1 및 제2 전극들(110, 130)을 둘러싸되 상기 수소 접촉막(300)을 덮지 않도록 구성될 수 있다. 상기 차단막(400)은 상기 제1 및 제2 전극들(110, 130)과 상기 피측정 용액(30) 간의 직접 접촉을 차단할 수 있다. 이로써, 상기 피측정 용액(30)으로부터 생성된 수소 기체가 상기 수소 접촉막(300)과 선택적으로 접촉함으로써, 상기 수소 접촉막(300)의 수소 기체 흡착에 의한 저항값 변화량의 오차 및 노이즈를 최소화할 수 있다.
한편, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 피측정 용액(30)으로부터 생성된 수소 기체(H2)에 감응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 접촉막(300)은 수소 기체의 농도에 따라 변화하는 저항값을 갖도록 팔라듐(Pd)과 같은 금속으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 수소 접촉막(300)은 상기 기판(10) 상에서 스퍼터링을 통해 구성될 수 있다.
일단, 상기 전극 구조물(1000)을 이용하여 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+)의 농도를 측정하기 위해, 전기분해를 통해 상기 피측정 용액(30)에 포함된 수소 이온(H+)을 수소 기체(H2)로 변화한 상기 피측정 용액(30)을 준비할 수 있다.
상기 피측정 용액(30)으로부터 생성된 상기 수소 생성물인 수소 기체는, 상기 멤브레인(500)을 통과하여 상기 수소 접촉막(300)과 접촉한다. 이때, 상기 멤브레인(500)은 수소 기체를 선택적으로 상기 수소 접촉막(300)을 향해 투과시킬 수 있다. 팔라듐은 표면에 수소 기체를 흡착하는 성질을 가지며, 흡착된 상기 수소 기체는 팔라듐 내부로 흡수된다. 이때, 수소 기체는 수소 원자(H)로 나뉘어져 팔라듐 내부로 흡수될 수 있다. 따라서, 수소 원자가 상기 팔라듐의 격자 사이에 들어가 격자 결함을 유발할 수 있다. 이로써, 수소 원자는 상기 팔라듐 내부에서 전자의 산란을 유발함으로써, 상기 수소 접촉막(300)의 저항값을 증가시킬 수 있다.
상기 pH 센서(3000)는 상기 수소 접촉막(300) 및 수소 기체의 흡착 반응에 의한 저항값의 변화량을 측정함으로써 상기 피측정 용액(30)으로부터 생성된 상기 수소 기체의 농도를 획득할 수 있다. 이를 통해, 상기 pH 센서(3000)는 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다. 상기 pH 센서(3000)는 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(130) 사이에 전류계 또는 전압계를 더 포함할 수 있다. 이로써, 상기 pH 센서(3000)는 상기 제1 전극(110) 및 제2 전극(130) 간의 일정한 전압에 대한 전류변화나 일정한 전류에 대한 전압변화를 측정할 수 있다. 그리하여, 상기 pH 센서(3000)는 상기 수소 접촉막(300)의 저항값의 변화량을 측정함으로써, 상기 피측정 용액(30)에 포함된 상기 수소 이온의 농도를 획득할 수 있다. 이때, 상기 멤브레인(500)은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 포함할 수 있다.
상기 pH 센서(3000)에 포함되는 상기 기판(10), 피측정 용액(30), 수소 접촉막(300), 멤브레인(500)에 관한 구체적인 내용은 도 1 및 도 3을 참고로 전술하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 기판 30 : 피측정 용액
100 : 측정 전극 110 : 제1 전극
130 : 제2 전극 300 : 수소 접촉막
500 : 멤브레인 700 : 흡착 방지막
1000 : 전극 구조물 2000 : pH 센서
3000 : pH 센서

Claims (9)

  1. 기판 상에 배치된 측정 전극;
    상기 측정 전극을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되며, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 생성물과 접촉하는 수소 접촉막: 및
    상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 생성물을 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함하는 전극 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인은, 백금(Pt) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인의 상부에 상기 멤브레인을 둘러싸도록 배치되며, 상기 피측정 용액 중 상기 수소 생성물을 제외한 부산물이 상기 멤브레인으로 흡착되는 것을 방지하기 위한 흡착 방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 흡착 방지막은, 백금(Pt) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  6. 기판 상에 배치되며, 기준 전위에 해당하는 제1 전극;
    상기 기판 상에 상기 제1 전극과 물리적으로 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극;
    상기 기판 상에 상기 제2 전극을 둘러싸도록 배치되고, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 이온과 접촉 및 감응하여, 상기 수소 생성물의 농도에 따라 변화하는 정전 용량값을 갖도록 구성되는 수소 접촉막: 및
    상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 상기 기판 상에 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 이온을 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함하는 pH 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)를 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
  8. 기판 상에 배치되며, 기준 전위에 해당하는 제1 전극;
    상기 기판 상에 상기 제1 전극과 물리적으로 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극과 전기적으로 연결된 제2 전극;
    상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 전극들을 연결하도록 배치되고, 피측정 용액으로부터 생성된 수소 기체와 접촉하며, 상기 수소 기체를 흡착함으로써 상기 수소 기체의 흡착량에 따라 변화하는 저항값을 갖도록 구성되는 수소 접촉막: 및
    상기 기판 상에서 상기 수소 접촉막을 둘러싸도록 배치되어 상기 피측정 용액으로부터 상기 수소 접촉막을 보호하며, 상기 수소 기체를 상기 수소 접촉막으로 선택적으로 투과시키도록 구성되는 멤브레인을 포함하는 pH 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)를 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
KR1020200050946A 2020-04-27 2020-04-27 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서 KR102541962B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200050946A KR102541962B1 (ko) 2020-04-27 2020-04-27 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서
PCT/KR2021/005291 WO2021221425A1 (ko) 2020-04-27 2021-04-27 전극 구조물 및 이를 포함하는 ph 센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200050946A KR102541962B1 (ko) 2020-04-27 2020-04-27 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210132489A true KR20210132489A (ko) 2021-11-04
KR102541962B1 KR102541962B1 (ko) 2023-06-14

Family

ID=78373708

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200050946A KR102541962B1 (ko) 2020-04-27 2020-04-27 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102541962B1 (ko)
WO (1) WO2021221425A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108091746B (zh) * 2017-11-13 2019-06-25 厦门市三安光电科技有限公司 一种半导体元件

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090123042A (ko) * 2008-05-27 2009-12-02 연세대학교 산학협력단 전기분해 및 팔라듐의 수소 흡착을 이용한 피에이치 센서및 그 제조 방법
KR20100013893A (ko) * 2008-08-01 2010-02-10 전남대학교산학협력단 안티파울링 특성을 가지는 광학 ｐＨ센서용 고분자막 및 그제조방법
KR20130125183A (ko) * 2012-05-08 2013-11-18 연세대학교 산학협력단 수소 센서 및 수소 센서 제조방법
WO2017170236A1 (ja) * 2016-03-28 2017-10-05 Tdk株式会社 バイオセンサ及びバイオチップ

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101297809B1 (ko) * 2011-05-20 2013-08-19 경북대학교 산학협력단 수소이온농도 감지막 및 그 제조 방법
KR101269510B1 (ko) * 2012-01-30 2013-05-31 엔케이인터내셔널 주식회사 수소 농도 측정이 가능한 수소 감지 센서

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090123042A (ko) * 2008-05-27 2009-12-02 연세대학교 산학협력단 전기분해 및 팔라듐의 수소 흡착을 이용한 피에이치 센서및 그 제조 방법
KR20100013893A (ko) * 2008-08-01 2010-02-10 전남대학교산학협력단 안티파울링 특성을 가지는 광학 ｐＨ센서용 고분자막 및 그제조방법
KR20130125183A (ko) * 2012-05-08 2013-11-18 연세대학교 산학협력단 수소 센서 및 수소 센서 제조방법
WO2017170236A1 (ja) * 2016-03-28 2017-10-05 Tdk株式会社 バイオセンサ及びバイオチップ

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021221425A1 (ko) 2021-11-04
KR102541962B1 (ko) 2023-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9134270B2 (en) Amorphous thin film for sensing
CN102023178B (zh) 用于探测气体的探测装置和方法
KR20100044944A (ko) 금속산화물층을 갖는 나노구조물 가스센서, 나노구조물 가스센서 어레이 및 그 제조 방법
Niskanen et al. Atomic layer deposition of tin dioxide sensing film in microhotplate gas sensors
US11933752B2 (en) Gas sensor and fuel cell vehicle
Singh et al. Hydrogen gas sensing properties of platinum decorated silicon carbide (Pt/SiC) Nanoballs
KR102541962B1 (ko) 전극 구조물 및 이를 포함하는 pH 센서
US10557814B2 (en) Electrochemical detector
CN106525921B (zh) 一种电化学检测器及其制造方法和检测目标物质的方法
US20190317036A1 (en) Gas sensor
KR101113315B1 (ko) 촉매층을 구비하는 가스센서 및 이의 동작방법
KR20130057056A (ko) 탄소나노튜브를 이용한 이온 농도 측정용 센서 및 그 제조방법
Nascimento et al. Mechanisms of ion detection for fet-sensors using FTO: Role of cleaning process, ph sequence and electrical resistivity
Xu et al. Development and performance of an all-solid-stated pH sensor based on modified membranes
KR101380926B1 (ko) 표면 개질된 탄소나노구조체를 이용한 이온 농도 측정용 센서 및 그 제조방법
CN108279266B (zh) 电化学检测器
KR101698680B1 (ko) 고선택도 및 고감도 가스 센서 소자
Joshi et al. Antimony Doped Tin Oxide Thin Films: Co Gas Sensor
KR102627784B1 (ko) 수소 가스 센서 및 이의 제조방법
CN113008956B (zh) 气体感应元件
US20220244206A1 (en) Sensor having a solid-state layered structure, and method of producing a sensor
KR20200120381A (ko) 수소 센서
CN109490370A (zh) 感测元件
US20240159700A1 (en) Metal oxide semiconductor gas sensor
KR20230111316A (ko) 수소 가스 센서 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)