KR930000541B1 - 후막형 가스 감지소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

후막형 가스 감지소자

제1도는 본 발명의 후막형 가스 감지소자를 예시하는 일부 절개 사시도.

제2도는 본 발명에 따른 후막형 가스 감지소자의 비교 감도 특성 곡선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가스감지재료 2 : 니크롬선

3 : 전극 4 : 리드선

5 : 세라믹 절연튜브

본 발명은 가연성 가스를 탐지하는데 이용되는 가스감지센서(sensor)에 관한 것으로, 특히 In₂O₃계 반도체 가스감지재료를 이용한 후막형 가스 감지소자에 관한 것이다.

일반적으로 가정용이나 산업용으로 널리 사용되고 있는 가연성 가스의 종류는 메탄(CH₄), 부탄(C₄H₁₀), 프로판(C₃H₈)등이 있다.

이같은 가연성 가스들을 검출하는데 보관적으로 사용되고 있는 반도체식의 가스감지센서는 반도체 표면에 피검가스가 접촉하여 발생하는 전기 전도도의 변화를 이용하여 가스의 농도를 측정하는 방법으로 가스의 유출여부를 감지하게 되는 것으로서, 이러한 감지소자는 튜브(tube)형의 절연체위에 전극을 형성하고 그위에 다시 산화물 반도체를 도포하여 제조된다. 그리고 후막형 가스센서의 제조형태로는, 소지내에 히터(hea ter)를 매립한 직렬형과, 소자근방에 소형히터를 배치한 방렬형의 두종류로 구분되고 있는바, 이러한 센서의 전극구성을 보다 구체적으로 살펴보면, 직렬형은 소자 양쪽에 형성된 Pt코일(coil)이 히터겸 전극역활을 하도록 구성되고 있고, 방렬형은 원통형 튜브위에 전극을 구성하여 리드와이어(lead wire)를 연결하도록 구성되고 있는 것으로서 이들중 직렬형은 부피가 클뿐만아니라 소비전력 또는 커서 방렬형의 사용이 증대되고 있는 실정에 있다.

상기와 같이 제조된 후막형 가스감지소자는, 가스의 허용농도 및 그밖의 기준치에 해당하는 가스농도를 감지, 경보할 수 있어야 하고 공존물질(잡가스)에 의한 간섭이 비교적 적으며, 장시간에 걸쳐 안전하게 동작하여야 함은 물론 고장시 보수가 용이하고, 가스누출감지와 경보가 신속하게 이루어지며, 가격이 또한 저렴해야 한다는 등의 조건을 만족해야 한다. 그러나 종래의 가스감지소자는 공존물질에 대해 간섭을 받아 가스를 선택적으로 감지하기가 어려웠다. 따라서 상기 소자로 감지온도를 변화시켜 가스를 감지하는 방법을 사용하기도 하였으나, 이같은 감지수단은 계절의 변화 혹은 일교차의 심한 주위 온도차로 인한 변화에 따른 오동작이 발생하고, 감지하고자 하는 가스를 선택적으로 검출하지 못하는 중대한 문제가 있었다.

본 발명은 이상에서와 같은 문제점들은 해소하기 위하여 안출된 것으로서 가연성가스 감지시 오동작을 효과적으로 방지할 수 있는 후막형 가스감지소자를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스선택성을 높이기 위해 가스감지재료의 조성을 변화시켜 잡가스에 대하여는 감도를 갖지 않고 가연성가스에 대해서만 선택적으로 감도를 나타내는 개량된 형태의 감지소자를 제공하는데 있다. 또한 상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 SnO₂와 Al₂O₃, PdCl₂및 미량의 Fe₂O₃를 가스감지용 재료로 하는 후막형 가스감지소자에 있어서, 상기 소자조성물에 In₂O₃계의 가스감지재료를 첨가하여 조성함을 특징으로 한다. 이때 상기 가스감지재료 조성물중 첨가되는 In₂O₃계 감지재료의 혼합비는 조성물 전체중량에 대하여 1~20중량%, 더욱 바람직하기로는 5~20중량%가 첨가되는 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면중, 제1도는 본 발명에 따른 후막형 가스감지소자의 일예를 보인 구조도로서, 도시된 바와 같이 세라믹 절연튜브(5)위에 전극(3)을 형성하되 전극(3) 외주연에 리드선(4)을 연결하고, 전극(3)이 형성된 세라믹 절연튜브(5)의 외부에는 가스감지재료(1)를 소정의 두께로 코팅하며, 내벽이 관통된 세라믹 절연튜브(5)내측 중앙에 니크롬선(2)을 인입하여 소망의 가스감지소자를 구성하는 것이다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 후막형 가스감지소자의 비교감도특성을 그래프로 나타낸 특성 곡선도로서, 이를 측정함에 있어서는 전압검출방식으로 소자의 감도를 측정하였는바, 측정결과인 (A)는 소자의 조성비에 따른 알콜(C₂H₅OH)과 부탄(C₄H₁₀)의 비교감도특성 곡선도이고, (B)는 소자의 조성비에 따른 알콜(C₂H₅OH)과 메탄(CH₄)의 비교감도특성 곡선도이며, (C)와 (D)는 소자의 조성비에 따른 메탄 (CH₄)과 부탄(C₄H₁₀)의 비교감도특성 곡선도이고, (E)는 소자의 조성비에 따른 알콜 (C₂H₅OH), 메탄(CH₄), 부탄(C₄H₁₀)의 비교감도특성 곡선도이다.

상술한 구성에 의거하여 본 발명을 첨부된 도면의 실시에에 따라 상세히 설명한다.

본 발명에 따르면, n-타입 금속산화물 반도체로서, 가스센서의 대표적 재료인 SnO₂가스감지재료에서 나타나는 결점을 보완함과 동시에 잡가스에 대한 오동작을 배제하기 위해, 새로운 재료인 In₂O₃계의 가스감지재료를 이용하여 반도체 가스감지소자를 제조하는 것으로서, 보다 구체적으로는 가스감지재료인 SnO₂, In₂O₃, Al₂O₃및 Fe₂O₃혼합물에 촉매물질 PdCl₂를 첨가하여 소정의 조성비에 따라 혼합한후 가스감지소자를 제조하는 것이다.

상기 In₂O₃는 원래 가스감지재료로서 사용할 수 있는 저항값의 변화는 충분히 있으나, 가스누출경보장치에 이용하는데는 소자 저항값이 매우 작으므로 회로설계가 곤란하여 실용화에 많은 어려움이 따르고 있었다. 그래서 본 발명은 In₂O₃를 가스감지재료로 하여 소자의 저항값을 높이고 가스에 대한 감도를 떨어뜨리지 않기 위해 종래기술에 사용한 가스감지재료 SnO₂와 같이 사용한다. Al₂O₃는 소결체의 치밀화를 억제하여 가스의 흡착이 용이한 다공질 표면을 갖게 하기 위해 사용하는 것이며, PdCl₂는 강도를 향상시켜 주고 응답속도을 빠르게 하기 위한 귀금속 활성촉매로서 사용한다. 또한, 가스감지소자의 제조방법은 일반적인 세라믹스 제조기법에 따르되, 새로운 원료 In₂O₃를 이용하여 하기 실시예에 따른 조성비로 각각의 원료를 조합하여 소자를 제조한다.

먼저 소자의 가스감지재료(1)인 금속산화물을 각각 소정의 조성비로 혼합한후, 450℃에서 1시간을 유지하여 하소한 다음, 상기 하소된 분말은 다시 미세하게 분쇄하고 나서 건조시켜 페이스트를 제조한다. 상기 제조된 페이스트를 전극(3)이 형성된 세라믹 절연튜브(5)위에 도포하여 1일정도 상온에 건조시키고 나서 전기로를 사용하여 600℃에서 30분동안 유지하여 소결한후 로냉(爐冷)한다. 반도체 가스감지소자는 반도체의 표면현상을 이용한 것으로서, 소자의 표면이 다공질이어야 가스를 잘 흡수할 수 있으나, 비교적 낮은 온도에서 소결하기 때문에 기계적 강도에 매우 약하다. 그래서 기계적 강도를 증진시키기 위해 Al₂O₃의 결합제를 사용하고 있다. 이와 같이 소결하여 제조한 가스감지소자를 제1도에서 도시한 바와 같이 세라믹 절연튜브(5)내에 니크롬선(2)을 인입하여 줌으로서 소자표면을 가열할 수 있도록 한다.

통상 소자표면의 온도를 200℃~400℃로 유지한채 사용하게 되는데 원료의 조성 및 검출가스의 종류에 따라 다르기는 하나 본 발명의 실시예에서는 가열성 가스감지소자이므로 250℃로 가열하여 감도측정을 하였다. 이때에 사용된 감지방식은 저항비로 소자의 감도특성을 나타내는 방법과 전압검출법으로 감도측정을 하였다. 상기 전압검출법은, 가스감지소자에 직렬로 연결된 부하저항을 사용하여, 소자의 저항이 변화하면 부하저항에 걸리는 전압 또는 변화하므로, 이 부하저항에 나타나는 전압변화를 측정하여 소자의 감도특성을 측정하는 것이다. 다음에 본 발명의 실시예를 들어 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

소자의 조성비를 고순도의 분말로된 In₂O₃20중량%, SnO₂69중량%, Al₂O₃10중량%, PdCl₂1.0중량%로 하여 상술한 바와 같은 제조공정을 거쳐 가연성 가스감지소자를 얻었다. 이 가스감지소자의 농도변화에 대한 감도특성은 제2도의 (A)와 같이 부탄가스(C₄H₁₀)에 높은 감도특성을 갖고 알콜(C₂H₅OH)에 대해서는 매우 낮으므로, 선택성이 높은 가연성 가스감지소자로 적당한 것임을 알 수 있었다. 여기서 메탄가스(CH₄)도 부탄가스(C₄H₁₀)와 거의 같은 감도를 갖는다. 가연성가스의 폭발한계는 CH₄5.3%, C₃H₈2.2% 및 n-C₄H₁₀1.9%로서 이 폭발한계의 약 1/10 이하의 농도인 0.1-0,5%에서 확실히 감지하면 가스누출경보농도로 충분히 이용이 가능한 것이다.

[실시예 2]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃10중량%, SnO₂74중량%, Al₂O₃15중량%, PdCl₂1.0중량%로 하여 실시예 1과 같은 제조공정을 거쳐 가연성 가스감지소자를 제조하였다. 이와 같이 제조한 감지소자의 감도특성을 측정한 결과는 제2도의 (B)와 같이 메탄가스(CH₄)에 대하여 높은 감도특성을 갖고 알콜(C₂H₅OH)에 대해서는 매우 낮은 특성이 나타냄을 알 수 있었다. 여기서 부탄가스(C₄H₁₀)는 메탄가스(CH₄)와 거의 같은 감도를 나타낸다.

[실시예 3]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃5중량%, SnO₂79중량%, Al₂O₃15중량%, PdCl₂1.0중량%로 하여 실시예1과 같은 제조공정을 거쳐 가연성 가스감지소자를 제조하였다. 이와 같이 제조한 감지소자의 감도특성을 측정한 결과는 제2도의 (C)와 같다. 이때 메탄(CH₄)에 대한 감도가 높고 메탄(CH₄)보다 부탄(C₄H₁₀)에 대한 감도는 조금 낮지만 높은 감도특성을 나타냄을 알 수 있었다.

[실시예 4]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃5중량%, SnO₂85중량%로 변경하여 총 중량%가 100중량%를 유지하도록 Al₂O₃및 PdCl₂를 조성한 다음 실시예 1과 동일한 방법으로 가연성 가스삼지소자를 제조하여 감도특성을 측정한 결과 제2도의 (D)에 도시한 바와 같은 특성곡선을 얻을 수 있었다. 이때 부탄(C₄H₁₀)에 대한 감도가 메탄(CH₄)에 대한 감도보다 높으나 둘다 높은 감도특성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다.

[실시예 5]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃5중량%, Fe₂O₃2.5중량%로 하여 총중량%가 100중량%가 되도록 SnO₂, Al₂O₃및 PdCl₂를 조성한 다음 실시예 1과 동일한 방법으로 가연성 가스감지소자를 제조하여 감도특성을 측정한 결과 제2도의 (E)에 도시한 바와 같은 특성곡선을 얻을 수 있었다. 이때 알콜(C₂H₅OH)에 대한 감도는 여전히 낮지만 부탄(C₄H₁₀) 및 메탄(CH₄)에 대한 감도는 비교적 높은 상태임을 알 수 있었다.

상기 가연성 감지소자의 조성비는 여러실험을 통해 최소 가연성가스를 감지할 수 있는 범위에 대한 실시예만을 다룬 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 후막형 가스감지소자에 의하면, 감지재료 In₂O₃를 이용하여 감지재료의 조성을 변화시켜 저농도의 가스감지에 유효하게 이용할 수 있고, 특히 가스의 선택성이 있어 공존물질(잡가스)에 대한 간섭을 완전히 배제할 수 있으며, 나아가 간단한 회로만으로도 소망의 경보장치를 만들 수 있어 저렴한 가격으로 양질의 제품을 제공할 수 있는 등 여러가지의 잇점을 나타내게 되는 것이다.

Claims (7)

1. SnO₂와 Al₂O₃, PdCl₂및 미량의 Fe₂O₃를 가스감지재료로 하는 가스감지소자에 있어서, 상기소자 조성물에 In₂O₃계 가스감지재료를 첨가함을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료의 조성비가, In₂O₃20중량%, SnO₂69중량%, Al₂O₃10중량% 및 PdCl₂1.0중량%가 조성됨을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료의 조성비가, In₂O₃10중량%, SnO₂74중량%, Al₂O₃15중량% 및 PdCl₂1.0중량%가 조성됨을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료의 조성비가, In₂O₃5중량%, SnO₂79 중량%, Al₂O₃15중량% 및 PdCl₂1.0중량%가 조성됨을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료를 구성하는 조성물이, In₂O₃5중량%, SnO₂85중량%를 포함하며, 여기서 Al₂O₃및 PdCl₂혼합물 10중량%를 첨가하여 전체 중량이 100중량%가 되도록 조성됨을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료를 구성하는 조성물이, In₂O₃5중량%와 Fe₂O₃2.5중량%를 포함하며, 여기에 SnO₂, Al₂O₃및 PdCl₂혼합물 92.5중량%를 첨가하여 전체 중량이 100중량%가 되도록 조성됨을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료 조성물중, 첨가되는 In₂O₃계 감지재료의 성분비가 전체 중량에 대하여 1~20중량%임을 특징으로 하는 후막형 가스감지소자.

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