KR930000542B1 - 박막형 가스감지소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

박막형 가스 감지소자

제1도는 본 발명의 박막형 가스감지소자를 예시하는 일부 절개 사시도.

제2도는 본 발명의 제조방법에 따라 전극을 형성한 알루미나 기판의 전체 구성도.

제3도는 본 발명에 따른 박막형 가스감지소자의 비교 감도 특성 곡선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가스감지재료 2 : 전극

3 : 알루미나 기판 4 : 발열체 재료

본 발명은 가연성 가스를 탐지하는데 이용되는 가스감지 센서(Sensor)에 관한 것으로, 특히 센서의 제조형태를 변형한 박막형 가스감지소자에 관한 것이다.

일반적으로 가스센서의 대표적인 제조형태는, 소자내에 히터(Heater)를 매립한 직렬형과 소자 근방에 소형히터를 배치한 방렬형의 두 종류로 나누어지고 있는 후박형 가스 감지센서가 널리 사용되고 있다. 이러한 후막형센서는 장치가 간단하고 가격이 저렴하다는 잇점과 함께, 열화가 비교적 빠르고 안정성이 불량할 뿐만 아니라 가스의 선택성 또한 부족한 문제점을 안고 있었다.

그밖에 또다른 센서의 형태로서 세라믹가스센서가 있는데, 세라믹센서는 다른 방식과는 달리 가스에 대한 응답이 빠르고, 낮은 농도 영역(300ppm 이하)에서는 특별히 높은 감도를 나타내고 있는 반면에, 신뢰성이 부족한 점과 일정한 규격의 소자를 제조하는데 용이하지 않은 점, 그리고 여러종류의 가스에 대해 영향을 받기 쉬운점 등이 해결되어야 할 중대한 과제로 지적되고 있는 것이다.

따라서 새로운 가스탐지센서의 개발이 계속 연구되고 있는바, 바람직하기로는 가스의 식별능력이 있고 안전성이 향상되면서, 작업성이 용이하고 생산성이 높으며 가스 감지능력이 거의 일정한 제품이 절실히 요구되고 있는 것이다. 따라서 본 발명자는 이러한 조건들을 모두 충족시킬 수 있는 형태인 박막형 가스탐지센서의 개발에 심혈을 기울여 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 가연성 가스감지소자를 이용하여 가스를 감지할 때, 소자의 안정성 및 가스의 선택성을 향상시키기 위하여 알루미나 기판 위에 전극을 형성하는 형태로 구성할 수 있는 박막형 가스감지소자를 제공하는데 그 주된 목적이 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 알루미나 기판위에 전극을 형성하고, 기판 밑면에 발열체 재료로 구성되는 일정두께의 막을 형성하며, 전극 위에는 다시 In₂O₃와 SnO₂, Al₂O₃, PdCl₂및 미량의 Fe₂O₃조성물로 이루어지는 가스감지재료를 도포하여 형성하게 되는 것이다. 이때 전극 위에 도포되는 가스감지막 중에는 In₂O₃계 감지재료의 조성비가 조성물 전체 중량에 대하여 1~20중량%, 더욱 바람직하게로는 5~20중량% 포함되는 것이며, 또한 상기 기판 저부에 구성되는 발열체 재료로는 RuO₂를 사용함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면의 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면중 제1도는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 박막형 가스감지소자의 일부 절개 사시도이고, 제2도는 전극을 형성한 알루미나 기판의 성형예시도로서, 본 발명의 가스감지소자는 양단에 전극(2)을 구비하는 알루미나 기판(3) 상하면을 가스감지재료(1) 및 발열체 재료(4)로서 피복하여 구성된다. 가스감지재료(1)는, 표면 감지온도가 200~300℃ 정도로 비교적 높은 온도이므로, 이 온도에서 산화되지 않고 안정한 페이스트(Paste)를 사용한다.

박막형 가스탐지센서의 전극(2) 형태는 제2도에서 도시한 바와같이 얇은 알루미나 기판(3) 위에 바둑판 형태로 구성한 후 점선부분을 따라 절단하여 사용하는 것이므로, 생산성 향상과 더불어 가스감지소자의 성능을 균일하게 유지할 수 있는 것이다.

발열체 재료(4)는 또한 금속산화물 재료인 페이스트를 사용하므로서, 소자 표면 온도를 가스 흡,탈착이 용이한 200~300℃를 유지할 수 있도록 하는 것이다.

가스감지소자의 제조방법은, 일반적인 세라믹스 제조기법에 따른 것으로, 먼저 소자의 가스감지재료(1)인 금속산화물을 각각의 조성비로 혼합한 다음 분쇄하고, 습식 건조하여 페이스트를 제조한다. 이와같이 제조한 페이스트를 1일정도 상온에서 건조시킨 다음 이를 450℃에서 1시간에 걸쳐 하소시킨다. 다음에는 알루미나 기판(3)위에 백금전극(2)을 형성하여 1,200℃에서 10분간 소성하며 이어서 기판(3) 저면에 RuO₂금속산화물 발열체 재료(4)로 막을 코팅하여 650℃에서 소성한다.

상기 RuO₂금속산화물 발열체 재료(4)는 가연성 가스감지소자의 온도 조건에서 가장 적합한 재료이다. 다음에는 이미 제조된 페이스트 상태의 가스감지재료를 전극(2)위에 도포하여 막을 형성시킴으로서 박막형 가스감지소자를 완성한다.

본 발명의 가스감지재료로는 후막형과 거의 동일한 SnO₂를 모물질로 하는 금속산화물 반도체 재료를 사용한다. 여기서 가스감지소자가 효과적으로 작동되기 위해서는 가스에 대한 민감성과 특정가스에 대한 선택성이 우수해야 하며, 응답속도가 빨라야 하고 출력감도가 주위의 온도 및 습도에 영향을 받지 않아야 한다.

상기 SnO₂는 어떤 특정한 가스를 흡착함에 따라 전기저항이 변화하는 성질이 있어 이것을 이용하여 환경보존, 화재경보, 자동차 엔진 연소 제어 등에 광범위하게 사용되는 재료이다.

가스감지재료에 첨가되는 재료로는, 소결 방지재로서 Al₂O₃를, 선택성 증감재로서 In₂O₃를, 감도를 향상시켜 주는 귀금속 활성 촉매로서 PdCl₂를 각기 사용한다. 모물질에 활성 촉매를 첨가하게 되면 감도를 향상시킴과 동시에 가스 응답속도를 빠르게 하는 효과를 얻을 수 있다.

이와같이 제조된 가스감지소자의 감도 측정은 가스감지소자를 밀폐된 테스트 박스(Test Box) 중앙에 고정시키고 나서, 부하저항으로 4KΩ을 연결하며, 그 양단에 멀티테스터(Multi Tester)를 연결한 후 가스실린더에 연결한 플로우미터(Flowmeter)를 통하여 가스를 주입한 다음 가스감지소자의 감도특성을 측정하였다. 이때 사용된 가스 감지방식은 전압검출법과 함께, 공기중에서의 저항을 Rair 가스중에서의 저항을 Rgas라고 할때 그 저항비(Rgas/Rair)로서 소자의 감도 특성을 측정하였다.

박막형 가스탐지센서는 기계적 감도가 뛰어나므로 소결 온도 변화에 의한 가스 감지능력이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예는 소결 온도 변화 시험을 거쳐 모물질을 변화시켜 피검가스를 측정한 것으로서, 이에 대한 구체적인 실시예는 다음과 같다.

[실시예 1]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃10중량%, SnO₂79중량%, Al₂O₃10중량%, PdCl₂1.0중량%를 각기 혼합하여 상술한 제조공정을 거쳐 박막형 가스감지소자를 제조하였다. 상기 가스감지소자의 농도변화에 대한 감도특성은 전압 검출 방식으로 실험한다. 이때 가스감지소자는 부탄(C₄H₁₀), 프로판(C₃H₈), 메탄(CH₄)에 대해서 높은 감도를 나타내고, 알콜(C₂H₅OH), 이산화탄소(CO)에서는 낮은 경향을 보인다.

가연성 가스 폭발 한계는 CH₄5.3%, C₃H₈2.2% 및 n-C₄H₁₀1.9%로서 이 폭발 한계 이하의 농도에서 확실히 감지하므로 가스 누출 경보농도로 충분히 이용이 된다. 이와같이 제조한 감지소자의 특성을 측정한 결과는 제3도의 (A)에 도시한 바와같다.

[실시예 2]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃15중량%, SnO₂74중량%, Al₂O₃10중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 하여 실시예 1과 동일한 방법으로 박막형 가스감지소자를 제조하였다.

이와같이 제조한 감지소자는 농도변화에 대한 감도특성을 전압 검출 방식으로 실험하였는바, 측정한 결과는 제3도의 (b)에 도시한 바와같이 메탄(CH₄), 부탄 (C₄H₁₀)는 프로판(C₃H₈)에 대해 높은 감도를 나타내었다.

[실시예 3]

소자의 조성을 고순도의 분말로된 In₂O₃5중량%, SnO₂79중량%, Al₂O₃15중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 하여 실시예1과 동일한 방법으로 박막형 가스감지소자를 제조하였다. 이때 나타낸 가스 감지 방식은, 공기중에서의 가스감지소자 저항값(Rair)과, 가스중에서의 가스감지소자 저항값(Rgas)의 저항비(Rgas/Rair)로서 가스 감도를 나타낸다. 여기서 상기 가스감도를 저항비로 나타내면 가스감도는 가스가 계속 주입될 수록 낮은 값을 나타내는 것이다. 이와같이 제조한 감지소자의 감도특성을 측정한 결과는 제3도의 (c)에 도시한 바와같이 메탄(CH₄)에 대한 감도가 더 높으며, 전압 검출 방식으로 가스감지소자의 감도특성을 측정해도 거의 같은 결과가 나오는 것을 알 수 있었다.

[실시예 4]

소자의 조성을 고순도 분말로 된 In₂O₃5중량%, Fe₂O₃2중량%, Al₂O₃10중량%, SnO₂82중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 하여 실시예1과 동일한 방법으로 박막형 가스감지소자를 제조하였다. 이때 가스 감지 방식은 저항비(Rgas/Rair)로 가스감도를 나타낸다. 이와같이 제조한 감지소자의 감도특성을 측정한 결과는 제3도의 (D)에 도시한 바와 같으며, 알콜(C₂H₅OH)에 대한 감도는 낮지만 부탄(C₄H₁₀)에 대한 감도 및 프로판(C₃H₈), 메탄(CH₄)에 대한 감도가 높음을 알 수 있었다.

상술한 바와같이 본 발명은 박막형 가스감지소자로서 종래의 후막형 가스 센서나 세라믹 가스센서의 단점을 보완하여 균일한 감도기능을 가지도록 함으로서 기계적 감도가 충분하여 생산성이 향상되는 등의 여러가지 이점을 제공하는 것이다.

Claims (7)

1. 가연성 가스감지소자에 있어서, 알루미나 기판(3)위에 전극(2)을 형성하고, 기판 밑면에 발열체 재료(4)로 구성되는 일정두께의 막을 형성하며, 전극위에는 다시 In₂O₃와 SnO₂, Al₂O₃, PdCl₂및 미량의 Fe₂O₃의 조성물로 이루어지는 가스감지재료(1)를 도포하여 막을 형성함을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.
2. 제1항에 있어서, 기판(3) 저부에 구성되는 상기 발열체 재료(4)로서 RuO₂를 사용함을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료의 성분비가, In₂O₃10중량%, SnO₂79중량%, Al₂O₃10중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 조성됨을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료의 성분비가, In₂O₃15중량%, SnO₂74중량%, Al₂O₃10중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 조성됨을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료(1)의 성분비가, In₂O₃5중량%, SnO₂79중량%, Al₂O₃15중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 조성됨을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료(1)의 성분비가, In₂O₃5중량%, Fe₂O₃2중량%, Al₂O₃10중량%, SnO₂82중량% 및 PdCl₂1.0중량%로 조성됨을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 가스감지재료 조성물중, 첨가되는 In₂O₃계 감지재료의 성분비가 전체 중량에 대하여 1~20중량%임을 특징으로 하는 박막형 가스감지소자.

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