KR20240003670A - A hydrogen gas sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되고 내부에 히터 및 온도센서를 포함하는 절연층; 상기 절연층 상면에 형성되고, 수소 흡착에 의하여 전기 저항이 가역적으로 변하는 촉매금속과 전이금속의 합금으로 이루어지는 수소감지부;를 포함하고, 상기 수소감지부는 제1 합금층 및 상기 제2 합금층 상부에 적층 형성되는 제2 합금층을 포함하되, 상기 제1 합금층의 전이금속과 제2 합금층의 전이금속은 상호 이종이다.A hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention includes a substrate; an insulating layer disposed on top of the substrate and including a heater and a temperature sensor therein; A hydrogen sensing portion formed on the upper surface of the insulating layer and made of an alloy of a catalytic metal and a transition metal whose electrical resistance changes reversibly by hydrogen adsorption, wherein the hydrogen sensing portion includes a first alloy layer and the second alloy layer. It includes a second alloy layer formed by stacking on the top, where the transition metal of the first alloy layer and the transition metal of the second alloy layer are different from each other.
Description
본 발명은 수소검출센서에 관한 것으로, 구체적으로는 수소가 금속에 침투 및 흡착 시 해리되면서 발생하는 저항변화를 이용하여 수소를 검출할 수 있는 수소검출센서에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen detection sensor, and more specifically, to a hydrogen detection sensor that can detect hydrogen using the change in resistance that occurs as hydrogen dissociates when it penetrates and adsorbs on a metal.
최근 친환경 에너지에 대한 관심도가 높아지고 있는 상황에서 수소가 클린 에너지로서 가장 유망한 신재생 에너지 자원 중 하나로서 고려되고 있다.Recently, with interest in eco-friendly energy increasing, hydrogen is being considered as one of the most promising renewable energy resources as clean energy.
그러나 수소는 화염속도가 가장 빨라서 공기 중에 소량이라도 누출되면 조그만 착화열에도 쉽게 폭발하는 치명적인 단점 때문에 화석연료와 같이 널리 이용되려면 수소 누출사고에 대한 안전을 보장할 수 있는 수소검출센서의 사용이 필연적이다. However, hydrogen has the fastest flame speed, so if it leaks even a small amount into the air, it easily explodes at the slightest heat of ignition. Therefore, if it is to be widely used like fossil fuels, it is inevitable to use a hydrogen detection sensor that can guarantee safety against hydrogen leakage accidents. .
특히, 수소 연료 자동차의 상용화가 가속화되면서 수소가스 폭발사고 위험을 방지하고 안전을 보장하기 위해서 필연적으로 사용되는 고감도 수소검출센서 개발에 대한 중요성이 더욱 커지고 있다. In particular, as the commercialization of hydrogen fuel vehicles accelerates, the importance of developing high-sensitivity hydrogen detection sensors, which are inevitably used to prevent the risk of hydrogen gas explosion accidents and ensure safety, is increasing.
수소검출센서는 수소가스를 검지하고 수소가스 농도에 비례하여 이에 상응하는 크기의 전기적 신호를 발생할 수 있는 트랜스듀서(transducer) 소자라고 할 수 있다.The hydrogen detection sensor can be said to be a transducer element that can detect hydrogen gas and generate an electrical signal of a size corresponding to the hydrogen gas concentration.
특히, MEMS와 같은 실리콘 공정기술이 적용됨으로써 획기적인 센서기술의 진척이 이루어졌고, 마이크로 크기의 초소형 센서 플랫폼 제작, 높은 가스 감도와 빠른 반응속도 및 센서소자의 소비전력을 크게 감소시키는 등 많은 장점을 가진 다양한 방식의 수소검출센서가 제안되고 있다.In particular, the application of silicon processing technology such as MEMS has made groundbreaking progress in sensor technology, and has many advantages such as manufacturing a micro-sized sensor platform, high gas sensitivity, fast response speed, and greatly reducing the power consumption of sensor elements. Various types of hydrogen detection sensors have been proposed.
이중 나노 팔라듐 박막을 이용하여 수소의 흡착과 침투에 의한 저항 변화에 기초하여 수소의 농도를 검출할 수 있는 수소검출센서는 감지대상 가스에 대한 선택성, 민감도 및 반응속도가 우수하다는 장점이 있는 센서로서, 반응속도의 추가 향상에 대한 요구가 높아지고 있는 상황이다. The hydrogen detection sensor, which can detect the concentration of hydrogen based on the change in resistance due to hydrogen adsorption and penetration using a double nano-palladium thin film, has the advantage of excellent selectivity, sensitivity, and reaction speed for the gas to be detected. , there is a growing demand for further improvement in reaction speed.
본 발명의 일 실시예에 따른 상술한 수소검출센서의 요구사항을 반영하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다. In order to reflect the requirements of the above-described hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention, the purpose is to solve the following problems.
종래 대비 수소감지 반응속도가 향상된 수소검출센서를 제공하는 것이다. The aim is to provide a hydrogen detection sensor with improved hydrogen detection reaction speed compared to the conventional one.
또한, 히터의 전력 효율이 개선된 수소검출센서를 제공하는 것이다. In addition, a hydrogen detection sensor with improved heater power efficiency is provided.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되고 내부에 히터 및 온도센서를 포함하는 절연층; 상기 절연층 상면에 형성되고, 수소 흡착에 의하여 전기 저항이 가역적으로 변하는 촉매금속과 전이금속의 합금으로 이루어지는 수소감지부;를 포함하고, 상기 수소감지부는 제1 합금층 및 상기 제2 합금층 상부에 적층 형성되는 제2 합금층을 포함하되, 상기 제1 합금층의 전이금속과 제2 합금층의 전이금속은 상호 이종이다.A hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention includes a substrate; an insulating layer disposed on top of the substrate and including a heater and a temperature sensor therein; A hydrogen sensing portion formed on the upper surface of the insulating layer and made of an alloy of a catalytic metal and a transition metal whose electrical resistance changes reversibly by hydrogen adsorption, wherein the hydrogen sensing portion includes a first alloy layer and the second alloy layer. It includes a second alloy layer formed by stacking on the top, where the transition metal of the first alloy layer and the transition metal of the second alloy layer are different from each other.
상기 촉매금속은 팔라듐(Pd)을 포함하는 것이 바람직하다.The catalyst metal preferably contains palladium (Pd).
상기 제1 합금층의 전이금속은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제2 합금층의 전이금속은 금(Au)을 포함하는 것이 바람직하다.The transition metal of the first alloy layer preferably includes nickel (Ni), and the transition metal of the second alloy layer preferably includes gold (Au).
상기 제1 합금층은 복수 개의 합금라인이 미리 설정된 방향을 따라서 형성된 라인패턴이고, 상기 제2 합금층은 상기 복수 개의 합금라인 상부에 적층 형성되는 것이 바람직하다.The first alloy layer is a line pattern in which a plurality of alloy lines are formed along a preset direction, and the second alloy layer is preferably formed by stacking on top of the plurality of alloy lines.
상기 제2 합금층의 두께는 상기 제1 합금층의 두께보다 작도록 형성되는 것이 바람직하다.The thickness of the second alloy layer is preferably formed to be smaller than the thickness of the first alloy layer.
상기 제1 합금층의 두께는 10nm 이상 60nm 이하의 두께로 형성되고, 상기 제2 합금층은 1nm 이상 5nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The first alloy layer is preferably formed to a thickness of 10 nm to 60 nm, and the second alloy layer is preferably formed to a thickness of 1 nm to 5 nm.
상기 기판의 하부가 미리 설정된 형상으로 식각되어 식각영역을 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable that the lower part of the substrate is etched into a preset shape to form an etched area.
상기 식각영역은 상기 기판의 일측 및 타측 사이의 중간부에 형성되는 것이 바람직하다.The etched area is preferably formed in the middle between one side and the other side of the substrate.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는 수소감지부로 Pd-Ni 합금 및 Pd-Au 합금을 함께 적용함으로써 고농도에서의 수소 감지 안정성을 담보하는 동시에 수소감지 반응속도를 함께 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. The hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention has the effect of ensuring the stability of hydrogen detection at high concentrations and simultaneously improving the hydrogen detection reaction speed by applying Pd-Ni alloy and Pd-Au alloy together as the hydrogen detection part. can be expected.
또한, 기판의 하부에 식각영역을 형성함으로써 히터에서 발생되는 열전도성을 개선함으로써 히터의 전력 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. In addition, by forming an etch area on the lower part of the substrate, the power efficiency of the heater can be expected to be improved by improving the thermal conductivity generated by the heater.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서의 단면을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 1% 수소농도에 대한 수소 반응속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 3은 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 1% 수소농도에 대한 수소가스 제거 후 회복속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 4는 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 4% 수소농도에 대한 수소 반응속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 5는 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 4% 수소농도에 대한 수소가스 제거 후 회복속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 6은 제1 합금층 형성에 대한 추가 실시예를 설명하기 위한 수소검출센서의 평면도이다.
도 7은 도 6의 A-A’부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소검출센서의 단면을 간략히 도시한 도면이다
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소검출센서에서 식각영역의 깊이에 따른 열전도 모델링 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 모델링 결과에 기초하여 산출된 열전도율의 그래프이다.Figure 1 is a diagram briefly illustrating a cross section of a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph comparing the hydrogen reaction rate for 1% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
Figure 3 is a graph comparing the recovery speed after hydrogen gas removal for 1% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
Figure 4 is a graph comparing the hydrogen reaction rate for 4% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
Figure 5 is a graph comparing the recovery speed after removal of hydrogen gas for 4% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
Figure 6 is a plan view of a hydrogen detection sensor for explaining an additional example of forming the first alloy layer.
Figure 7 is a cross-sectional view taken along line A-A' of Figure 6.
Figure 8 is a diagram briefly showing a cross section of a hydrogen detection sensor according to another embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing the results of heat conduction modeling according to the depth of the etch region in a hydrogen detection sensor according to another embodiment of the present invention.
Figure 10 is a graph of thermal conductivity calculated based on the modeling results of Figure 9.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings, but identical or similar components will be assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and duplicate descriptions thereof will be omitted.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.Additionally, when describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, it should be noted that the attached drawings are only intended to facilitate easy understanding of the spirit of the present invention, and should not be construed as limiting the spirit of the present invention by the attached drawings.
이하 본 발명에 따른 수소검출센서를 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, the hydrogen detection sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(100), 절연층(200) 및 수소감지부(300)를 포함하도록 구성된다.The hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention is configured to include a substrate 100, an
기판(100)은 후술할 절연층(200) 및 수소감지부(300)를 지지해주는 구성으로, 다양한 재료 및 구조의 기판이 사용될 수 있고, 종이, 고분자, 글라스, 금속, 세라믹 등으로 이루어진 기판이 사용될 수 있으며, 특히 실리콘 기판인 것이 바람직하지만 그 재료 및 구조가 특별히 제한되지 않는다.The substrate 100 is a structure that supports the
절연층(200)은 기판(100) 상에 형성되는 구성으로, 내부에 히터(210) 및 온도센서(220)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 특히 히터(210)의 고온 발열시에도 화학적 변화가 적은 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 절연층(200)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정을 통하여 형성된 실리콘 질화막(Silicon Nitride)으로 형성될 수 있다.The
상술한 바와 같이 절연층(200)은 내부에 전원 인가를 통하여 열을 발생시키는 히터(210) 및 수소검출센서의 온도를 검출하기 위한 온도센서(220)를 포함한다.As described above, the
수소검출센서는 온도가 상승하면 반응 속도가 증가하고 감도가 낮아지는 등 온도 및 습도 등 외부 환경에 의한 영향을 받기 때문에 온도센서(220)에서 검출한 온도에 기초하여 히터(210)를 실시간 제어함으로써 사용 목적 및 환경에 따라 수소검출센서의 적절한 온도 유지가 가능하게 된다. Since the hydrogen detection sensor is affected by the external environment such as temperature and humidity, as the reaction speed increases and the sensitivity decreases when the temperature rises, the heater 210 is controlled in real time based on the temperature detected by the temperature sensor 220. It is possible to maintain an appropriate temperature of the hydrogen detection sensor depending on the purpose of use and environment.
아울러 히터(210) 및 온도센서(220)와 기판(100) 간의 절연을 위하여, 히터(210), 온도센서(220)와 기판(100) 과의 계면에는 추가적인 절연층(120)을 마련하는 것이 바람직하다.In addition, for insulation between the heater 210, the temperature sensor 220, and the substrate 100, an additional insulating layer 120 is provided at the interface between the heater 210, the temperature sensor 220, and the substrate 100. desirable.
수소감지부(300)는 절연층(200) 상부에 형성되어 수소 농도에 따른 전기 저항을 측정하는 기능을 수행하는 구성이고, 수소감지부(300)의 단부에는 복수 개의 수소감지전극(미도시)이 배치될 수 있다.The hydrogen sensing unit 300 is formed on the upper part of the
이러한 수소감지전극은 수소감지부(300)와 접촉할 수 있도록 구성되며 도전성 물질, 예를 들면, 금속으로 형성될 수 있고 그 형상이나 구조가 특별히 제한되지 않는다.This hydrogen sensing electrode is configured to contact the hydrogen sensing unit 300 and can be formed of a conductive material, for example, metal, and its shape or structure is not particularly limited.
상술한 수소감지전극 이외에 수소검출센서는 히터(210) 및 온도센서(220)와의 전기적 연결을 위한 온도센서 전극 및 히터 전극을 구비하는데, 이러한 온도센서 전극 및 히트 전극은 제어유닛과 전기적으로 도통되도록 구성된다.In addition to the hydrogen detection electrode described above, the hydrogen detection sensor is provided with a temperature sensor electrode and a heater electrode for electrical connection with the heater 210 and the temperature sensor 220. These temperature sensor electrodes and heat electrodes are electrically connected to the control unit. It is composed.
특히 수소감지부(300)는 수소의 흡착량이 증가할수록 전기 저항이 변화하는 촉매금속 및 전이금속의 합금 물질로 형성될 수 있는데 촉매금속으로는 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등을 포함할 수 있고, 상기 전이금속으로는 촉매금속의 결정상 변태를 억제시킬 수 있는 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 금(Au) 등을 포함할 수 있다.In particular, the hydrogen sensing unit 300 may be formed of an alloy material of a catalytic metal and a transition metal whose electrical resistance changes as the amount of hydrogen adsorbed increases. The catalytic metal may include palladium (Pd), platinum (Pt), etc. The transition metal may include nickel (Ni), magnesium (Mg), gold (Au), etc., which can suppress crystalline transformation of the catalyst metal.
한편, 순수 팔라듐은 수소를 흡착하는 능력이 강하고 상기 팔라듐의 결정상 중 알파(α) 상은 수소의 흡착량에 비례하여 전기 저항이 가역적으로 변할 수 있어서 수소 검출 물질로 일반적으로 사용되고 있으나, 수소의 흡착량이 지나치게 증가하는 경우, 즉 4% 이상의 고농도 수소에 노출되는 경우에는 결정상이 베타(β) 상으로 변태되는 문제점이 있다. On the other hand, pure palladium has a strong ability to adsorb hydrogen, and the alpha (α) phase of the crystal phase of palladium can change its electrical resistance reversibly in proportion to the amount of hydrogen adsorbed, so it is generally used as a hydrogen detection material. If it increases too much, that is, when exposed to a high concentration of hydrogen of 4% or more, there is a problem that the crystal phase is transformed into a beta (β) phase.
상기 베타(β) 상의 팔라듐은 수소의 흡착량이 증가하는 경우 전기 저항이 일정한 값으로 수렴하는 특성을 가져서 수소 검출 물질로 사용될 수 없을 뿐만 아니라 알파(α) 상에서 베타(β) 상으로 변태될 때 부피 팽창을 수반하므로 가역적인 수소와의 반응에 의해 내부에 균열 또는 파단이 발생하여 수소 감지부(300)의 내구성 및 수명을 저하시키는 문제점이 있다.The beta (β) phase palladium has the characteristic that the electrical resistance converges to a certain value when the amount of hydrogen adsorption increases, so not only can it not be used as a hydrogen detection material, but also the volume is reduced when it is transformed from the alpha (α) phase to the beta (β) phase. Since expansion is accompanied by a reversible reaction with hydrogen, internal cracks or fractures occur, which reduces the durability and lifespan of the hydrogen sensing unit 300.
따라서 수소감지부(300)는 촉매금속인 팔라듐과 전이금속인 니켈 또는 마그네슘의 합금으로 형성되는 것이 바람직하며, 이때 알파(α) 상의 팔라듐이 니켈이나 마그네슘과 합금화되는 경우 상변태가 억제되어 고농도의 수소에 노출되더라도 알파(α) 상에서 베타(β) 상으로 변태되는 것을 방지할 수 있고, 그 결과, 팔라듐과 니켈의 합금을 수소 검출 물질로 사용하는 경우 고농도의 수소를 감지할 수 있다.Therefore, the hydrogen sensing unit 300 is preferably formed of an alloy of palladium, a catalytic metal, and nickel or magnesium, a transition metal. In this case, when palladium in the alpha (α) phase is alloyed with nickel or magnesium, phase transformation is suppressed and a high concentration of hydrogen is produced. Even when exposed to , transformation from the alpha (α) phase to the beta (β) phase can be prevented, and as a result, high concentrations of hydrogen can be detected when an alloy of palladium and nickel is used as a hydrogen detection material.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소감지부(300)는 제1 합금층(310) 및 제1 합금층(310)의 상부에 적층 형성되는 제2 합금층(320)으로 구성된다.Meanwhile, the hydrogen sensing unit 300 according to an embodiment of the present invention is composed of a
이때 제1 합금층(310)은 상술한 바와 같이 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 이루어지고, 제2 합금층(320)은 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. At this time, the
이는 수소감지부(300)로 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni) 합금 적용시 고농도 수소 감지 안정성은 높지만 추가적으로 수소감지 반응 속도를 향상시키기 위하여 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 이루어지는 제1 합금층(310) 상부에 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어진 제2 합금층(320)을 적층 형성하며, 여기에서 제2 합금층(320)은 continuous한 layer로 형성될 수 있으나, 랜덤한 island type의 layer로 형성되는 것도 가능할 것이다. When applying palladium (Pd) and nickel (Ni) alloy to the hydrogen sensing unit 300, the stability of high concentration hydrogen detection is high, but in order to additionally improve the hydrogen sensing reaction speed, the first device made of an alloy of palladium (Pd) and nickel (Ni) is used. A
상술한 제2 합금층(320)의 추가 형성에 의한 효과를 확인하기 위하여 수소농도가 1%인 상황 및 수소농도가 4%인 상황에서 제2 합금층(320)을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 수소감지부(300)의 저항 변화량, 반응시간 및 회복시간을 확인한 결과는 하기 <표 1>과 같다.In order to confirm the effect of additional formation of the above-described
농도H 2
density
상기 표 1에서, No.1은 상온(22~23℃) 하에서 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 구성된 제1 합금층(310)만 형성한 수소검출센서이고, No.2는 상온(22~23℃) 하에서 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 구성된 제1 합금층(310) 에 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어진 제2 합금층(320)을 추가 형성한 수소검출센서이고, No.3은 80℃ 하에서 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 구성된 제1 합금층(310) 에 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어진 제2 합금층(320)을 추가 형성한 수소검출센서이다.In Table 1, No. 1 is a hydrogen detection sensor in which only the
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이 제1 합금층(310) 상에 제2 합금층(320)을 추가 형성한 No.2 수소검출센서의 경우, 제1 합금층(310)만을 적용한 No.1 수소검출센서 대비 저항 변화량이 1% 이하의 수소 농도 하에서는 20 ~ 30% 상승한 것으로 확인되며, 1% 이상의 농도에서는 6 ~ 8% 상승한 것으로 확인되며, 이를 통하여 제2 합금층(320)을 적용할 경우 민감도(농도변화에 따른 신호변화)는 제2 합금층(320)을 적용하지 않은 경우 대비 유사하거나 다소 증가되는 것으로 파악된다.As confirmed in Table 1 above, in the case of the No. 2 hydrogen detection sensor in which the
또한 수소반응시간의 경우 No.2 수소검출센서가 No.1 수소검출센서 대비 40 ~ 50% 감소하고, 회복시간 또한 No.2 수소검출센서가 No.1 수소검출센서 대비 40 ~ 50% 감소한 것으로 확인된다. In addition, the hydrogen reaction time of the No.2 hydrogen detection sensor was reduced by 40 to 50% compared to the No.1 hydrogen detection sensor, and the recovery time of the No.2 hydrogen detection sensor was also reduced by 40 to 50% compared to the No.1 hydrogen detection sensor. It is confirmed.
상술한 내용은 23℃ 및 1%의 수소농도의 환경 하에서, 제1 합금층(310) 및 제2 합금층(320)을 함께 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 제1 합금층(310)만을 적용한 종래의 수소검출센서의 저항 변화량, 수소 반응속도 및 회복속도를 비교 도시한 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있다.The above description is a hydrogen detection sensor and a first alloy layer according to an embodiment of the present invention in which the
아울러 도 4 및 도 5는 23℃ 환경 하에서 제1 합금층(310) 및 제2 합금층(320)을 함께 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 제1 합금층(310)만을 적용한 종래의 수소검출센서에서 4% 수소농도에 대한 저항 변화량, 수소 반응속도 및 회복속도를 비교한 그래프이며, 상술한 바와 같이 고농도의 수소 검출시에도 제1 합금층(310) 및 제2 합금층(320)을 함께 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서의 수소반응속도 및 회복속도가 제1 합금층(310)만을 적용한 종래의 수소검출센서 대비 감소함을 확인할 수 있다.In addition, Figures 4 and 5 show a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention in which the
상기 내용들을 고려해 볼 때, 제1 합금층(310) 상부에 제2 합금층(320)을 적층 형성할 경우, 수소검출센서의 민감도의 저하가 발생하지 않는 동시에 반응속도가 2배 이상 개선된 것을 확인할 수 있다.Considering the above, when the
나아가 상온이 아닌 고온(80℃) 하에서의 제1 합금층(310) 상에 제2 합금층(320)을 추가 형성한 No.3 수소검출센서의 경우 제2 합금층(320)을 추가 형성하지 않은 수소검출센서 대비 저항 변화량은 55 ~ 65%가 상승한 것으로 확인되며, 반응시간 및 회복시간은 각각 50 ~ 60% 및 80 ~ 90%가 감소한 것으로 확인되며, 이를 통하여 상온 뿐만 아니라 고온 하에서도 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서의 성능이 종래 수소검출센서 대비 향상됨을 알 수 있다.Furthermore, in the case of the No. 3 hydrogen detection sensor in which the
제2 합금층(320)의 두께는 제1 합금층(310)의 두께보다 작도록 형성되는 것이 바람직하며, 이때 제1 합금층(310)의 두께는 continuous한 박막이 이루어지는 가장 작은 두께인 10nm 이상 60nm 이하의 두께로 형성되고, 제2 합금층(320)의 두께는 1nm 이상 5nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The thickness of the
아울러 제2 합금층(320)의 경우 continuous한 레이어로 형성될 수 있으나 랜덤한 island type의 레이어로 형성하는 것도 가능하며, 미세입자 형태의 Ni-Au를 제1 합금층(310)의 상부에 흩뿌리는 과정을 통하여 제2 합금층(320)을 형성할 수 있다. In addition, in the case of the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는 도 1에 도시된 바와 같이 단일 면적의 박막으로 구성될 수 있으나, 반응성을 높이기 위하여 제1 합금층(310)을 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 얇은 선폭을 구비한 복수 개의 합금라인으로 구성된 라인패턴 또는 복수 개의 나노 와이어(Nano Wire) 패턴으로 형성하고, 제2 합금층(320)을 복수 개의 합금라인 상부에 적층 형성할 수 있다.Meanwhile, the hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention may be composed of a thin film of a single area as shown in FIG. 1, but in order to increase reactivity, the
이때 제1 합금층(310)을 구성하는 합금라인의 일측 및 타측을 각각 다른 수소감지전극과 각각 연결되도록 구성하고, 이러한 복수 개의 합금 라인이 가급적 상호 단락되지 않도록 구성한다.At this time, one side and the other side of the alloy line constituting the
이 경우 제1 합금층(310)과 수소와 접촉할 수 있는 표면적이 넓어지게 되며, 즉 수소가 합금라인의 상면 및 측면으로 확산해 들어가기 때문에 수소에 의한 각 합금라인의 저항 변화가 작은 수소농도 하에서도 크게 나타나고 나아가 수소의 확산 속도도 빠르다는 효과가 있다.In this case, the surface area that can be in contact with the
또한 각 합금라인이 병렬로 배치되어 병렬저항으로써 기능하며, 이로 인하여 제1 합금층(310)의 전체저항은 하기 수식 1과 같이 산출되게 되므로, 제1 합금층(310) 형성 과정에서 한 두개의 합금라인이 끊어지거나 잘못 형성되더라도 전체 저항의 변화를 쉽게 읽을 수 있게 된다는 효과를 기대할 수 있다.In addition, each alloy line is arranged in parallel and functions as a parallel resistance. As a result, the total resistance of the
<수식 1><Formula 1>
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 + … + 1/Rn 1/R = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 + 1/R 4 + … + 1/ Rn
(여기에서 R은 제1 합금층의 전체 저항이고, R1, R2, R3, R4 … Rn은 각 합금라인의 개별 저항임)(Here, R is the total resistance of the first alloy layer, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 … R n is the individual resistance of each alloy line)
한편, 상술한 절연층(200)의 히터(210)의 경우 전력의 공급에 의하여 발열되도록 구성되는데, 이때 히터(210)의 발열을 위한 전력 공급을 최소화하는 것이 중요하다. Meanwhile, the heater 210 of the above-described
이를 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소검출센서는 도 8에 도시된 바와 같이 기판(100)의 하부에 미리 설정된 형상으로 식각되어 식각영역(110)을 형성하도록 구성될 수 있다.To this end, the hydrogen detection sensor according to another embodiment of the present invention may be configured to be etched in a preset shape at the bottom of the substrate 100 to form an etch region 110, as shown in FIG. 8.
이러한 식각영역(110)은 기판(100)의 일측 및 타측 사이의 중간부에 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 식각영역(110)에 의하여 수소검출센서의 전체적인 부피가 줄어들게 되고, 결국 수소감지부(300)의 열용량 및 열전도성이 줄어들고, 수소검출센서의 소자 바닥으로 소실되는 열을 감쇠시킴으로써 히터(210)의 열 효율을 개선할 수 있게 된다.This etching area 110 is preferably formed in the middle between one side and the other side of the substrate 100. This etching area 110 reduces the overall volume of the hydrogen detection sensor, ultimately reducing the hydrogen detection unit 300. )'s heat capacity and thermal conductivity are reduced, and the thermal efficiency of the heater 210 can be improved by attenuating the heat lost to the bottom of the element of the hydrogen detection sensor.
특히 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 식각영역(110)의 깊이가 깊어질수록 열효율이 개선되는 것으로 확인되며, 이를 통하여 수소검출센서의 전체적인 전력효율을 극대화할 수 있다.In particular, as shown in FIGS. 9 and 10, it is confirmed that thermal efficiency improves as the depth of the etched region 110 increases, and through this, the overall power efficiency of the hydrogen detection sensor can be maximized.
아울러 본 발명에 따른 수소검출센서는, 수소감지부(300), 히터(210) 및 온도센서(220) 중 적어도 하나와 연결되어 수소감지부(300)의 전기적 저항 변화를 측정하고 분석하는 제어유닛을 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen detection sensor according to the present invention is a control unit that is connected to at least one of the hydrogen detection unit 300, the heater 210, and the temperature sensor 220 to measure and analyze the change in electrical resistance of the hydrogen detection unit 300. It may further include.
이러한 제어유닛은 수소검출센서의 기판(100)과 일체로 형성될 수도 있으며, 또는 독립적으로 형성될 수도 있으며, 나아가 제어유닛의 일부 구성만을 독립적으로 형성하는 것도 가능할 것이다.This control unit may be formed integrally with the substrate 100 of the hydrogen detection sensor, or may be formed independently. Furthermore, it may be possible to form only some components of the control unit independently.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다. Above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to the specific embodiments and should be interpreted in accordance with the appended claims. Additionally, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
100: 기판
110: 식각영역
200: 절연층
210: 히터
220: 온도센서
300: 수소감지부
310: 제1 합금층
320: 제2 합금층100: substrate
110: Etching area
200: insulating layer
210: heater
220: Temperature sensor
300: Hydrogen detection unit
310: first alloy layer
320: second alloy layer
Claims (7)
상기 기판의 상부에 배치되고 내부에 히터 및 온도센서를 포함하는 절연층; 및
상기 절연층 상면에 형성되고, 수소 흡착에 의하여 전기 저항이 가역적으로 변하는 촉매금속과 전이금속의 합금으로 이루어지는 수소감지부;
를 포함하고,
상기 수소감지부는 제1 합금층 및 상기 제2 합금층 상부에 적층 형성되는 제2 합금층을 포함하되, 상기 제1 합금층의 전이금속과 제2 합금층의 전이금속은 상호 이종인 수소검출센서.
Board;
an insulating layer disposed on top of the substrate and including a heater and a temperature sensor therein; and
a hydrogen sensing unit formed on the upper surface of the insulating layer and made of an alloy of a catalytic metal and a transition metal whose electrical resistance changes reversibly by hydrogen adsorption;
Including,
The hydrogen detection unit includes a first alloy layer and a second alloy layer stacked on top of the second alloy layer, wherein the transition metal of the first alloy layer and the transition metal of the second alloy layer are mutually different types. .
상기 촉매금속은 팔라듐(Pd)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
A hydrogen detection sensor wherein the catalyst metal includes palladium (Pd).
상기 제1 합금층의 전이금속은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제2 합금층의 전이금속은 금(Au)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
A hydrogen detection sensor, wherein the transition metal of the first alloy layer includes nickel (Ni), and the transition metal of the second alloy layer includes gold (Au).
상기 제1 합금층은 복수 개의 합금라인이 미리 설정된 방향을 따라서 형성된 라인패턴이고,
상기 제2 합금층은 상기 복수 개의 합금라인 상부에 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
The first alloy layer is a line pattern in which a plurality of alloy lines are formed along a preset direction,
The second alloy layer is a hydrogen detection sensor, characterized in that the second alloy layer is formed by stacking the upper part of the plurality of alloy lines.
상기 제2 합금층의 두께는 상기 제1 합금층의 두께보다 작도록 형성되되,
상기 제1 합금층의 두께는 10nm 이상 60nm 이하의 두께로 형성되고,
상기 제2 합금층의 두께는 1nm 이상 5nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
The thickness of the second alloy layer is formed to be smaller than the thickness of the first alloy layer,
The thickness of the first alloy layer is formed to be 10 nm or more and 60 nm or less,
A hydrogen detection sensor, characterized in that the second alloy layer is formed to a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less.
상기 기판의 하부가 미리 설정된 형상으로 식각되어 식각영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
A hydrogen detection sensor, wherein the lower part of the substrate is etched into a preset shape to form an etched area.
상기 식각영역은 상기 기판의 일측 및 타측 사이의 중간부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.In claim 6,
A hydrogen detection sensor, characterized in that the etch area is formed in the middle between one side and the other side of the substrate.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |