KR20220049800A - 이중 촉매층을 구비한 수소 센서를 포함하는 수소 센서 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상온에서도 수소 촉매 반응이 가능하게 되어, 히터를 사용하지 않아도 수소 농도를 센싱할 수 있는 수소 센서 패키지에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지는,
자외선을 방사하는 자외선 광원; 상기 자외선 광원에서 방사된 자외선에 의해 광촉매 기작으로 동작하는 수소 센서;를 포함한다. 상기 수소 센서는, 기판 상에 형성되며 2차원 전자채널을 포함하는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되며 적어도 일부가 함몰된 리세스부를 구비한 배리어층; 상기 리세스부에 형성된 수소 촉매층; 상기 수소 촉매층 상에 형성되며, 상기 자외선 광원에서 방사된 자외선에 의해 광촉매 기작이 발생하는 금속 산화물 반도체층;을 포함한다.

Description

이중 촉매층을 구비한 수소 센서를 포함하는 수소 센서 패키지{Hydrogen sensor package comprising a hydrogen sensor with a double catalyst layer}
본 발명은 상온에서도 수소 촉매 반응이 가능하게 되어, 히터를 사용하지 않아도 수소 농도를 센싱할 수 있는 수소 센서 패키지에 관한 것이다.
수소 에너지는 기존의 석유 연료를 대체하기 위한 친환경 재생 에너지로서 광범위하게 탐구되어 왔다. 따라서 산업 안전 및 환경 보호를 위해 수소 센서가 많이 요구된다. 수소 가스는 농도가 4.65 %를 초과할 때 가연성이 높기 때문에, 수소 농도의 빠르고 정확한 검출은 수소 센서의 필수 요건이다.
수소 가스를 검출하기 위한 수소 센서로서, 종래의 수소 센서 패키지는 수소 가스를 센싱하기 위한 센싱 물질 및 센싱 물질을 활성화하기 위한 히터를 포함하였다. 여기서, 센싱 물질이 수소 가스를 센싱하기 위해서는 활성화가 되어야 하는데, 종래의 수소 센서 패키지는 센싱 물질을 활성화시키기 위해 히터를 이용하였다. 종래의 수소 센서 패키지는 히터를 이용하여 센싱 물질의 온도를 상승시킴으로써, 센싱 물질을 활성화시켜 수소 가스를 센싱하였다.
그러나, 수소 센서 패키지 내에 히터를 포함해야 하므로, 부피가 커지고 전력 소모 크다는 문제가 있다. 또한, 수소 센서 패키지 내 센싱 물질이 활성화되기 위해서는 가열되어야 하는 점에서, 상온의 환경에서 바로 사용되지 못하고 일정 시간 가열되어야만 사용될 수 있는 문제가 있다. 히터를 센서 제작시 집적화하는 공정도 가능하지만 이 경우에도 히터 동작에 따른 전력 소모 및 가열 안정화 시간이 필요한 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1974983호 (2019.04.26.)
본 발명은 상온에서도 수소 촉매 반응이 가능하게 되어, 히터를 사용하지 않아도 수소 농도를 센싱할 수 있는 수소 센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지는,
자외선을 방사하는 자외선 광원; 상기 자외선 광원에서 방사된 자외선에 의해 광촉매 기작으로 동작하는 수소 센서;를 포함한다. 상기 수소 센서는, 기판 상에 형성되며 2차원 전자채널을 포함하는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되며 적어도 일부가 함몰된 리세스부를 구비한 배리어층; 상기 리세스부에 형성된 수소 촉매층; 상기 수소 촉매층 상에 형성되며, 상기 자외선 광원에서 방사된 자외선에 의해 광촉매 기작이 발생하는 금속 산화물 반도체층;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 수소 촉매층은, 백금족 원소 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은, 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화텅스텐(WO3), 산화철(Fe2O3) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은, 금속 산화물 반도체 물질이 나노 입자, 나노 필름, 또는 나노 튜브 형태로 상기 수소 촉매층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은, 상기 수소 촉매층 상에 10 내지 500nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 배리어층 상에 형성되는 캡층과, 상기 캡층 상에 형성되는 인-시츄층을 더 포함하며, 상기 기판은 실리콘 기판이고, 상기 버퍼층은 4.2㎛ 두께의 GaN으로 형성된 GaN 버퍼층이며, 상기 배리어층은 10nm 두께의 AlGaN으로 형성된 AlGaN 배리어층이고, 상기 캡층은 4nm 두께의 GaN으로 형성된 GaN 캡층이며, 상기 인-시츄층은 10nm 두께의 SiNx로 형성되고, 상기 수소 촉매층은 Pd를 포함하며, 상기 금속 산화물 반도체층은 복수개의 산화아연(ZnO) 나노 입자가 10 내지 500 nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 자외선 광원은 200 내지 400 nm 파장 대역의 자외선을 방사하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 수소 센서의 온도를 측정한 온도값을 제어부로 전송하는 온도 센서; 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도값이 기준치 이상인 지를 판단하고, 기준치 이상인 경우, 상기 자외선 광원으로 공급되는 전원 공급을 차단하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 센서 패키지에 있어서, 상기 기준치는 150℃인 것이 바람직하다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 수소 센서에 자외선이 조사되면, 이중 촉매층은 상온에서도 수소 촉매 반응이 가능하게 되어, 히터를 사용하지 않아도 수소 농도를 센싱할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 패키지가 개념적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 수소 센서 패키지에 대한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서가 도시된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 금속 산화물 반도체층에 자외선이 조사될 경우의 광촉매 작용을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 종래 기술에 따른 수소 센서를 사용하여 다양한 온도 조건에서 자외선이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우의 전압 대비 전류 특성이 도시된 그래프이다.
도 5b는 도 5a의 결과를 이용하여 도출된 센서 응답 반응도가 도시된 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서를 사용하여 다양한 온도 조건에서 자외선이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우의 전압 대비 전류 특성이 도시된 그래프이다.
도 6b는 도 6a의 결과를 이용하여 도출된 센서 응답 반응도가 도시된 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서 패키지가 개념적으로 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '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. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이중 촉매층을 구비한 수소 센서를 포함하는 수소 센서 패키지(이하, 수소 센서 패키지라 함)를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 패키지가 개념적으로 도시된 도면이고, 도 2는 도 1의 수소 센서 패키지에 대한 등가 회로도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 패키지(10)는, 하우징(11)과 자외선 광원(100)과 수소 센서(200)를 포함한다.
하우징(11)은 소정 형상으로 형성되며, 하우징(11) 내에는 자외선 광원(100)과 수소 센서(200)가 배치된다. 도시되어 있지는 않지만, 하우징(11)은 자외선 광원(100)과 수소 센서(200)를 보호하는 하우징 커버를 포함하며, 하우징 커버에는 적어도 하나 이상의 통공이 형성될 수 있다. 통공은 수소, 공기를 포함하는 각종 가스의 이동 통로가 될 수 있다. 예를 들어, 하우징 커버는 메시망 형태로 형성될 수 있다.
하우징(11)은 외부에서 수소 센서 패키지(10)로 전원을 공급하는 핀(12 : 12a, 12c)들과 센싱 출력 핀(12b)을 포함한다. 핀(12a)은 그라운드와 연결되며, 핀(12b)는 센싱 전극으로써 그라운드와 핀(12b) 사이의 전압을 센싱하며, 핀(12c)은 LED와 센서를 동작시키기 위한 (+)극을 연결한다. 핀(12c)를 통해 공급된 전원은 자외선 광원(100)과 수소 센서(200)로 공급된다.
자외선 광원(100)은 기설정된 파장 대역의 자외선을 생성하여 일 방향으로 조사하거나 또는 방사 방향으로 방사한다. 자외선 광원(100)은 P타입 진화물계 반도체층과 N타입 질화물계 반도체층과 자외선 파장 대역의 광을 생성하는 활성층을 포함하는 자외선 LED일 수 있다.
수소 센서(200)는 이종접합 기반 전계효과 트랜지스터일 수 있다. 수소 센서(200)는 수소 노출에 따라 촉매 작용으로 배리어층의 표면 전위를 변화시켜서 2차원 전자채널(2DEG, 2 Dimensional Electron Gas)의 전자 농도의 변화로 전류 변화를 유도하여 수소를 감지할 수 있다.
일반적으로 수소 촉매 반응은 상온에서 거의 발생하지 않고 고온에서 촉매 반응이 일어나기 때문에 일반적으로 히터가 센서 패키지에 추가되어야 하고 이로 인한 부피 손실추가적인 전력 소모가 매우 크다는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 패키지(10)에서 수소 센서(200)는 수소 촉매층과 금속 산화물 반도체층으로 구성된 이중 촉매층을 사용하고, 금속 산화물 반도체층에 자외선을 조사하여 상온에서도 수소 촉매 반응이 일어날 수 있도록 함으로써 센서 패키지의 전력 소모를 감소시킬 수 있도록 한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서(200)에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서가 도시된 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서(200)는, 기판(210), 버퍼층(220), 배리어층(230), 캡층(240), 인-시츄층(250), 수소 촉매층(260), 금속 산화물 반도체층(270)을 포함할 수 있다. 수소 촉매층(260)과 금속 산화물 반도체층(270)은 이중 촉매층을 구성한다.
기판(210)은 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride)을 증착하기에 좋은 Si(Silicon)(111), sapphire, SiC, GaN 기판인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
버퍼층(220)은 기판(210) 상에 형성되어 기판(210)과 버퍼층(220) 상부에 형성되는 배리어층(230) 간의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이를 완충할 수 있다. 여기서, 버퍼층(220)은 GaN계인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않고, AlGaN(Aluminium Gallium Nitride)계 물질, InGaN(Indium Gallium Nitride)계 물질 및 AlInGaN(Aluminium Indium Gallium Nitride)계 물질 등과 같은 GaN 기반의 화합물을 다양하게 형성하여 적용할 수 있으며, 도핑 또는 이온주입 공정으로 다양한 조성의 화합물 층을 형성하여 사용할 수도 있다. 이 때, 버퍼층(220)의 두께는 약 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 이에 한정되지는 않는다.
배리어층(230)은 버퍼층(220) 상에 형성되며, GaN 버퍼층(220)과 AlGaN 배리어층(230)이 순차적으로 적층됨으로써 AlGaN/GaN의 이종접합 박막구조를 형성할 수 있다. 이때, GaN 버퍼층(220)과 AlGaN 배리어층(230) 사이에는 비의도적으로 도핑된(unintentionally doped) GaN 채널이 포함될 수 있고, 이는 AlGaN/GaN의 이종접합 박막구조의 계면에 분극에 의한 2차원 전자채널(210, 2DEG) 기능을 수행한다. 2차원 전자채널(210)의 홀 이동도(Hall mobility)와 시트 캐리어 농도(sheet carrier concentration)는 각각 1470cm2/V·s, 9.0 × 1012cm2일 수 있다.
배리어층(230)은 AlGaN계인 것인 바람직하나, 버퍼층(220)과의 계면에 분극 현상이 일어날 수 있는 한 GaN계 물질, InGaN계 물질 및 AlInGaN계 물질 등의 GaN 기반의 화합물을 다양하게 형성하여 적용할 수 있으며, 도핑 또는 이온 주입 공정으로 다양한 조성의 화합물 층을 형성하여 사용할 수 있다. 다만, 배리어층(230)과 버퍼층(220)을 모두 알루미늄(Al)을 포함하는 재질을 사용하는 경우에는 분극 현상을 일으키기 위하여 배리어층(230)에 포함된 알루미늄의 비율이 버퍼층(220)에 포함된 알루미늄의 비율보다 높아야 한다. 이때, 배리어층(230)의 두께는 약 3nm 이상 30nm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 23nm일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
캡층(240)은 배리어층(230) 상에 약 1nm 이상 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 4nm일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 캡층(240)은 GaN으로 형성될 수 있으며, 설계에 따라 캡층(240)은 생략될 수 있다.
유기금속 화학증착(metal-organic chemical vapor depositoin; MOCVD) 장비를 이용한 에피택셜(epitaxial) 성장 방식으로 배리어층(230) 및 캡층(240)이 형성된 후, 추가적으로 인-시츄(in-situ) 상태에서 인-시츄층(250)을 증착하여 형성할 수 있다. 인-시츄층(250)은 캡층(240) 상에 약 1nm 이상 30nm 이하의 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 10nm일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 인-시츄층(250)은 SiNx로 형성될 수 있으며, 설계에 따라 인-시츄층(250)은 생략될 수 있다.
캐소드 오믹 컨택(C1)은 배리어층(230) 상에 형성되고, 캐소드 전극(C)은 캐소드 오믹 컨택(C1) 상에 금속 전극층으로 형성될 수 있다. 캐소드 오믹 컨택(C1)은 옴 접합(Ohmic contacts)으로 Ti/Al/Ni/Au 금속층을 증착하고, 질소 분위기에서 약 830℃로 약 30초간 합금화하는 작업을 통하여 형성될 수 있다.
한편, 배리어층(230)에는 리세스부가 형성될 수 있다. 리세스부는 센서 활성 영역을 정의한다. 리세스부는 배리어층(230)의 일부 상면이 2차원 전자채널(210) 방향으로 함몰된 형태로 형성될 수 있다. 리세스부는 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각을 이용하여 인-시츄층(250) 및 캡층(240)을 관통 식각하고, 배리어층(230)의 일부를 식각하여 형성될 수 있으며, 설계에 따라 리세스부는 생략될 수 있다.
수소 촉매층(260)은 함몰 형성된 리세스부에 형성된다. 수소 촉매층(260)은 높은 수소 용해도와 확산도 특성을 가지는 물질을 촉매로 하는 층이다. 수소 촉매층(260)은 백금족 원소 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 백금족 원소는 전이금속 원소 중 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)의 6원소를 의미한다. 바람직하게, 수소 촉매층(260)은 Pt, Pd 등이 될 수 있다.
금속 산화물 반도체층(270)은, 예를 들어, 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화텅스텐(WO3), 산화철(Fe2O3) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 물론, 이에 한정되는 것은 아니다. 미설명 도면 부호 280은 SiNx로 이루어지는 절연층이다.
금속 산화물 반도체층(270)은, 금속 산화물 반도체 물질이 나노 입자, 나노 필름, 또는 나노 튜브 형태로 수소 촉매층(260) 상에 10 내지 500 nm의 두께로 형성될 수 있다. 10 nm 미만인 경우, 단층 두께가 5~10 nm 이므로 충분한 반응을 위해서 금속 산화물 반도체층이 10 nm 이상으로 적층되어야 하고, 500 nm 초과인 경우, 금속 촉매층으로부터 거리가 멀어져 충분한 확산이 발생하지 못하게 된다. 따라서, 10 내지 500 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 수소 촉매층(260)과 금속 산화물 반도체층(270)은 이중 촉매층을 구성한다.
예를 들어, 이중 촉매층은, 팔라듐(Pd)으로 형성된 수소 촉매층(260) 상에 산화아연(ZnO) 나노 입자로 형성된 박막의 금속 산화물 반도체층(270)으로 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 팔라듐 위에 산화아연 나노 입자 박막이 형성된 구조를 “ZnO/Pd”로 표시한다.
예시적으로, ZnO로 이루어진 금속 산화물 반도체층(270)은 다음과 같은 방식으로 제조될 수 있다.
먼저, Zn(CH3COO)2·2H2O를 메탄올(99.9% 순도)에서 KOH(95% 순도)로 가수 분해하여 ZnO 나노 입자(이하, “ZnO-NP”라고도 함)를 제조한다. ZnO-NP 표면에 존재하는 임의의 불순물을 제거하기 위해, 원심 분리, 상청액을 경사 분리 및 메탄올에 ZnO-NP의 분산 공정을 수회(예를 들어, 3회) 반복한다. 2시간 동안, ZnO-NP를 클로로포름/에탄올(3:1, v:v) 공용매(cosolvent)에 분산시킨다. 클로로포름/에탄올(3:1, v:v) 공용매는 균일한 분산에 최적화된 용액이다.
다음, 스핀 코팅 방식을 이용하여 수소 촉매층(260) 상에 ZnO-NP를 증착하여 금속 산화물 반도체층(270)을 형성할 수 있다.
수소 센서(200)에 자외선이 조사되면, 이중 촉매층은 상온에서도 수소 촉매 반응이 가능하게 되어, 히터를 사용하지 않아도 수소 농도를 센싱할 수 있게 된다.
도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 자외선 광촉매 작용을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서의 금속 산화물 반도체층(ZnO)에 자외선이 조사될 경우의 광촉매 작용을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 (a)는 자외선 노출시 ZnO EHP가 발생하는 것을 개념적으로 도시하고 있고, (b)는 상온 조건에서 공기 노출시 ZnO-NP의 표면 산화를 개념적으로 도시하고 있다. 또한, (c)는 상온 조건에서 공기와 수소 가스에 노출시 ZnO-NP 표면에서의 H2O 생성 반응을 개념적으로 도시하고 있고, (d)는 상온 조건에서 공기와 수소 가스 노출과 동시에 자외선 노광시 ZnO-NP 표면의 H+ 이온화 및 흡착 반응 활성화 과정을 개념적으로 도시하고 있다.
280nm UV는 ZnO의 에너지밴드갭 보다 큰 photon energy를 가지기 때문에 자외선이 조사될 경우 ZnO에서 광발생 전자-정공 쌍(photo generated electron-hole pair, EHP)이 발생한다. (도 4의 (a) 참조)
공기 중에 노출되었을 때 ZnO 표면에 흡수된 O2는 이온화되어 O-, O2- 등으로 이온화되어 있지만 자외선이 조사되어 발생된 electron-hole에서 hole과 반응하여 다시 O2로 환원되는 경향이 있다. (도 4의 (b) 참조)
H2가 흡수될때 이온화된 O-, O2- 이온이 있는 경우, 상온에서 H2O로 화학 반응이 일어나면서 촉매 반응에 기여하지 못하게 되는데, 고온 환경에서는 산소 이온이 O2로 환원되어 H2가 흡수되면서 H+로 이온화가 잘 이루어진다. 따라서, 고온 환경에서 수소 센싱이 가능하게 된다. (도 4의 (c) 참조)
이때 상온에서 자외선이 사용될 경우 발생하는 전자-정공쌍에서 정공이 O-, O2- 와 반응하여 O2로 변화시키게 되면 H2의 흡수를 도와 상온에서도 촉매 반응을 가능하게 된다. (도 4의 (d) 참조)
따라서, 수소 센서(200)에 자외선이 조사되면, 이중 촉매층은 상온에서도 수소 촉매 반응이 가능하게 되어, 히터를 사용하지 않아도 수소 농도를 센싱할 수 있게 된다.
다음, 도 5a 내지 도 6b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서 패키지의 동작 성능을 설명한다.
도 5a는 종래 기술에 따른 수소 센서를 사용하여 다양한 온도 조건에서 자외선이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우의 전압 대비 전류 특성이 도시된 그래프이고, 도 5b는 도 5a의 결과를 이용하여 도출된 센서 응답 반응도가 도시된 그래프이다.
센서 응답의 반응도는 다음 식 (1)와 같이 정의될 수 있다.
식 (1) :
Figure pat00001
여기서 Igas는 수소 가스가 주입될 때 측정된 센서 전류의 크기이고, Iair는 수소 주입없이 측정된 전류의 크기이다.
도 5a 및 도 5b에 사용된 수소 센서는, 수소 촉매층만 있고, 금속 산화물 반도체층(270)은 없는 종래의 수소 센서이다. 도 5a 및 도 5b의 수소 센서에서 수소 촉매층으로 Pd를 사용하였다.
도 5a의 (a) 내지 (d) 및 도 5b의 (a) 내지 (d)를 참조하면, Pd 수소 촉매층만 있는 경우, 상온에서 200℃까지 온도 변화를 시키며 자외선이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우의 전압 대비 전류 특성이 도시된 그래프인데, 수소 센서의 전류 및 전압 변화를 확인하여 식 (1)에 따라 반응도를 확인한 결과, 전체적으로 안정된 반응도가 유지되는 것을 확인할 수 있고, 온도가 증가할수록 반응도가 증가하다 150℃ 부터 반응도 변화가 포화되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 상온에서 자외선을 사용하지 않은 경우와 자외선을 사용한 경우를 대비하면, 두 경우 모두 수소 노출 전후의 전류 변화가 매우 작고, 반응도 또한 매우 낮음을 알 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 센서를 사용하여 다양한 온도 조건에서 자외선 조사된 경우와 조사되지 않은 경우의 전압 대비 전류 특성이 도시된 그래프이고, 도 6b는 도 6a의 결과를 이용하여 도출된 센서 응답 반응도가 도시된 그래프이다.
도 6a 및 도 6b에 사용된 수소 센서는, 수소 촉매층(260)과 금속 산화물 반도체층(270)으로 이루어진 이중 촉매층을 구비한 본 발명의 수소 센서이다. 도 6a 및 도 6b의 수소 센서에서 수소 촉매층으로 Pd를 사용하고, 금속 산화물 반도체층으로 ZnO-NP를 사용하였다.
상온에서 200℃까지 온도 변화를 시키며 ZnO-NPs/Pd 이중 촉매층이 기능화된 수소 센서의 전류 및 전압 변화를 확인하여 식 (1)에 따라 반응도를 확인한 결과, 전체적으로 안정된 반응도가 유지되는 것을 확인할 수 있고, 온도가 증가할수록 반응도가 증가하다 150℃ 부터 반응도 변화가 포화되는 것을 확인할 수 있다.
특히, 상온에서 자외선을 사용하지 않은 경우와 자외선을 사용한 경우를 대비하면, 자외선을 사용하지 않은 경우에는 수소 노출 여부와 관계없이 전류값은 실질적으로 동일하고 반응도는 대략 5% 이하로 매우 낮음을 알 수 있다. 이는 이중 촉매층을 구비한 경우라도 자외선이 조사되지 않으면 실질적으로 수소를 센싱할 수 없음을 시사한다.
상온에서 자외선을 사용한 경우, 수소 노출 여부에 따라 전류값이 크게 차이난다. 일 예로, 전압 6V에서 수소 노출시 전류값은 약 6mA, 수소 노출 없는 경우 전류값은 약 4.7mA이며, 이때의 반응도는 약 25%임을 알 수 있다. 이는 이중 촉매층을 구비하고 상온에서 자외선이 조사되면 수소 센싱 능력이 크게 향상됨을 시사한다.
한편, 도 6a 및 도 6b의 (b) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 상온이 아닌 경우에는 자외선 조사 여부와 무관하게 수소 노출시 또는 비노출시의 전류값 차이 및 이로부터 산출된 반응도 값은 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 이중 촉매층을 구비하고 자외선이 조사되는 환경이라도 실제 수소 센싱 능력은 크게 차이가 없음을 시사한다.
따라서, 도 5a 내지 도 6b를 참조하면, 상온에서 이중 촉매층을 구비한 수소 센서에 자외선이 조사되는 환경이면, 자외선 광촉매 효과로 수소 센싱 능력이 크게 향상됨을 알 수 있다.
다음, 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서 패키지를 설명한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서 패키지가 개념적으로 도시된 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 센서 패키지(20)는, 하우징(11)과 자외선 광원(100)과 수소 센서(200)와 온도 센서(300)를 포함한다. 자외선 광원(100)과 수소 센서(200)에 대한 설명은 전술한 일 실시예와 실질적으로 동일하므로, 반복 설명은 생략한다.
하우징(11) 내에는 온도 센서(300)가 더 배치될 수 있다.
온도 센서(300)는 수소 센서(200)의 온도를 측정하여, 제어부(미도시)로 유무선 방식으로 전송한다. 제어부는 측정된 온도값이 기준치 이상인 지를 판단하고, 기준치 이상인 경우 자외선 광원(100)으로 공급되는 전원 공급을 차단할 수 있다.
제어부는 마이컴(micom) 형태로 하우징(11) 내부에 실장되거나, 외부에 별도로 배치될 수 있다. 외부에 배치될 경우, 온도 센서(300)는 측정값을 외부로 전송하는 무선 통신칩과 일체로 형성될 수 있다.
한편, 전술한 도 5a 내지 도 6b를 참조하면, 상온에서 UV를 사용한 경우, 수소 노출 여부에 따라 전류값이 크게 차이 나서, 수소 센싱 능력이 크게 향상되나, 상온이 아닌 경우에는 자외선 조사 여부와 무관하게 수소 노출시 또는 비노출시의 전류값 차이가 적어서 자외선이 조사될 필요가 없음을 알 수 있다. 실험에 의해, 자외선 사용 여부에 따라 수소 감지에 유용한 전류값 차이를 보여 주는 온도는 150℃임을 알 수 있었다. 본 발명에서는 이를 기준 온도값으로 정한다.
온도 센서(300)에 의해 측정된 온도값이 자외선 사용에 유용한 기준 온도값 미만이면, 제어부는 자외선 광원(100)의 작동을 유지시켜서 자외선을 수소 센서(200)로 조사한다. 한편, 측정된 온도값이 자외선 사용이 무용한 기준 온도값 이상이면, 제어부는 자외선 광원(100)의 작동을 오프시켜서 자외선 광원(100)에 의한 전력 소모를 저감시키고, 또한, 자외선 광원(100)의 수명을 향상시킨다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10, 20 : 수소 센서 패키지
100 : 자외선 광원 200 : 수소 센서
210 : 기판 220 : 버퍼층
230 : 배리어층 240 : 캡층
250 : 인-시츄층 260 : 수소 촉매층
270 : 금속 산화물 반도체층 280 : 절연층
300 : 온도 센서

Claims (9)

  1. 자외선을 방사하는 자외선 광원;
    상기 자외선 광원에서 방사된 자외선에 의해 광촉매 기작으로 동작하는 수소 센서;를 포함하며,
    상기 수소 센서는,
    기판 상에 형성되며 2차원 전자채널을 포함하는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되며 적어도 일부가 함몰된 리세스부를 구비한 배리어층;
    상기 리세스부에 형성된 수소 촉매층;
    상기 수소 촉매층 상에 형성되며, 상기 자외선 광원에서 방사된 자외선에 의해 광촉매 기작이 발생하는 금속 산화물 반도체층;
    을 포함하는 수소 센서 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 수소 촉매층은,
    백금족 원소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은,
    산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화텅스텐(WO3), 산화철(Fe2O3) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은,
    금속 산화물 반도체 물질이 나노 입자, 나노 필름, 또는 나노 튜브 형태로 상기 수소 촉매층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은,
    상기 수소 촉매층 상에 10 내지 500nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배리어층 상에 형성되는 캡층과, 상기 캡층 상에 형성되는 인-시츄층을 더 포함하며,
    상기 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 버퍼층은 4.2㎛ 두께의 GaN으로 형성된 GaN 버퍼층이며,
    상기 배리어층은 10nm 두께의 AlGaN으로 형성된 AlGaN 배리어층이고,
    상기 캡층은 4nm 두께의 GaN으로 형성된 GaN 캡층이며,
    상기 인-시츄층은 10nm 두께의 SiNx로 형성되고,
    상기 수소 촉매층은 Pd를 포함하며,
    상기 금속 산화물 반도체층은 복수개의 산화아연(ZnO) 나노 입자가 0 내지 500 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자외선 광원은 200 내지 400 nm 파장 대역의 자외선을 방사하는 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 센서의 온도를 측정한 온도값을 제어부로 전송하는 온도 센서;
    상기 온도 센서에 의해 측정된 온도값이 기준치 이상인 지를 판단하고, 기준치 이상인 경우, 상기 자외선 광원으로 공급되는 전원 공급을 차단하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기준치는 150℃인 것을 특징으로 하는 수소 센서 패키지.
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