WO2021221425A1 - 전극 구조물 및 이를 포함하는 ph 센서 - Google Patents

전극 구조물 및 이를 포함하는 ph 센서 Download PDF

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WO2021221425A1
WO2021221425A1 PCT/KR2021/005291 KR2021005291W WO2021221425A1 WO 2021221425 A1 WO2021221425 A1 WO 2021221425A1 KR 2021005291 W KR2021005291 W KR 2021005291W WO 2021221425 A1 WO2021221425 A1 WO 2021221425A1
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hydrogen
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electrode
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solution
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강문식
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주식회사 이너센서
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an electrode structure and a pH sensor including the same. More specifically, embodiments of the present invention relate to an electrode structure including a membrane that selectively permeates a hydrogen product generated from a solution to be measured, and a pH sensor including the same.
  • the pH sensor is a sensor for measuring the pH of a solution to be measured, and is applied to various fields such as chemical process, water quality test, soil analysis, and bio/chemical sensor.
  • a potential difference method is used to measure the magnitude of the potential difference that changes according to the concentration of hydrogen ions (H + ).
  • a glass electrode which is the most commonly used pH sensor, uses a glass thin film capable of responding to pH.
  • the glass thin film may contain negatively charged silicate and sodium ions (Na + ) for balancing the charge. Accordingly, the glass electrode can selectively exchange sodium ions (Na + ) and hydrogen ions (H + ) at the interface of the glass thin film. Accordingly, the glass electrode can measure the hydrogen ion concentration of the solution to be measured by using the potential difference generated between the inner/outer interface of the glass film.
  • the pH sensor using a glass electrode has a problem in that it is not easy to manufacture because it has a complex structure using a glass membrane, KCl, and HCl solution.
  • the glass electrode since the glass electrode uses a glass membrane and a glass tube, it is brittle and is easily broken by impact. Accordingly, a contamination accident by chemicals may occur due to damage of the pH sensor using the glass electrode.
  • the pH of the solution to be measured can be measured using the redox reaction of the metal oxide.
  • the metal oxide reacts not only with hydrogen ions in the solution to be measured but also with by-products such as organic matter. Therefore, the pH measurement method using the oxidation-reduction reaction of the metal oxide has a problem in that the measurement result has a low reliability because the error of the measurement value is large.
  • Embodiments of the present invention are configured not to be easily damaged in measuring the concentration of hydrogen ions contained in a solution to be measured, so that they can be easily utilized in various environments, and electrode structures capable of deriving high reliability measurement results;
  • a pH sensor including the same is provided.
  • Electrode structures according to embodiments of the present invention include a measurement electrode disposed on a substrate, a hydrogen contact layer disposed on the substrate to surround the measurement electrode, and contacting a hydrogen product generated from a solution to be measured, and the hydrogen contact and a membrane disposed on the substrate to surround the membrane to protect the hydrogen contact membrane from the solution to be measured, and a membrane configured to selectively permeate the hydrogen product to the hydrogen contact layer.
  • the membrane polybenzimidazole (PBI)
  • PI polyimide
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the membrane may be made of a material that prevents byproducts other than the hydrogen product from being adsorbed to the membrane in the solution to be measured.
  • the membrane may include at least one of platinum (Pt) and alumina (Al 2 O 3 ).
  • the electrode structure is disposed on the upper part of the membrane to surround the membrane, and an adsorption prevention film for preventing by-products other than the hydrogen product from being adsorbed to the membrane in the solution to be measured may further include.
  • the adsorption prevention layer may include at least one of platinum (Pt) and titanium (Ti).
  • the pH sensor according to embodiments of the present invention is disposed on a substrate, a first electrode corresponding to a reference potential, is physically spaced apart from the first electrode on the substrate, and is electrically connected to the first electrode
  • the membrane polybenzimidazole (PBI)
  • PI polyimide
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the pH sensor according to embodiments of the present invention is disposed on a substrate, a first electrode corresponding to a reference potential, is physically spaced apart from the first electrode on the substrate, and is electrically connected to the first electrode
  • a connected second electrode disposed to connect the first and second electrodes on the substrate, in contact with hydrogen gas generated from a solution to be measured, and adsorbing the hydrogen gas, a resistance varying according to the amount of hydrogen gas adsorbed a hydrogen contacting film configured to have a value, and a membrane arranged to surround the hydrogen contacting film on the substrate to protect the hydrogen contacting film from the solution to be measured, and to selectively permeate the hydrogen gas to the hydrogen contacting film;
  • the membrane polybenzimidazole (PBI)
  • PBI polybenzimidazole
  • It may include polyimide (PI) and polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PI polyimide
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the electrode structure according to the embodiments of the present invention as described above is disposed on the substrate to surround the measurement electrode, and the hydrogen contact film in contact with the hydrogen product generated from the solution to be measured and the substrate to surround the hydrogen contact film and a membrane disposed on the membrane to protect the hydrogen-contacting membrane from the solution to be measured, and configured to selectively permeate the hydrogen product to the hydrogen-contacting membrane.
  • the electrode structure may obtain a measured value of the concentration of hydrogen ions included in the solution to be measured with higher reliability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a pH sensor including an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a pH sensor including an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, third, etc. may be used to describe various items such as various elements, compositions, regions, layers and/or portions, the items are not limited by these terms. will not be
  • Embodiments of the present invention are described with reference to schematic diagrams of ideal embodiments of the present invention. Accordingly, variations from the shapes of the diagrams, eg, variations in manufacturing methods and/or tolerances, are those that can be fully expected. Accordingly, embodiments of the present invention are not to be described as being limited to the specific shapes of the areas described as diagrams, but rather to include deviations in the shapes, and the elements described in the drawings are entirely schematic and their shapes It is not intended to describe the precise shape of the elements, nor is it intended to limit the scope of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • an electrode structure 1000 includes a measurement electrode 100 , a hydrogen contact layer 300 , and a membrane 500 .
  • the measuring electrode 100 is disposed on the substrate 10 .
  • the substrate 10 is silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga), arsenic (As), aluminum oxide (Al2O3), silicon carbide (SiC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate It may be made of a material including at least one of a polymer material such as (PEN).
  • the measuring electrode 100 is a metal material such as silver (Ag), gold (Au), aluminum (Al), platinum (Pt), copper (Cu), a conductive polymer material, a flexible material such as a metal nano structure It may be made of a material including at least one.
  • the electrode structure 1000 may constitute the flexible substrate 10 in the form of a film.
  • the hydrogen contact layer 300 is disposed on the substrate 10 to surround the measurement electrode 100 .
  • the hydrogen contact layer 300 may be in contact with a hydrogen product generated from the solution 30 to be measured.
  • the hydrogen contact layer 300 may be configured to react to the hydrogen product. Accordingly, the hydrogen contact film 300 may serve as a kind of detection film for the hydrogen product. A specific reaction reaction of the hydrogen contact layer 300 with respect to the hydrogen product will be described later.
  • the membrane 500 is disposed on the substrate 10 to surround the hydrogen contact layer 300 .
  • the membrane 500 may protect the hydrogen contact layer 300 from the solution 30 to be measured.
  • the membrane 500 may be configured to selectively permeate the hydrogen product included in the solution 30 to be measured through the hydrogen contact membrane 300 . That is, the membrane 500 may selectively transmit hydrogen ions (H + ) or hydrogen gas (H 2 ) included in the solution 30 to be measured through the hydrogen contact membrane 300 .
  • byproducts other than hydrogen ions (H + ) or hydrogen gas (H 2 ) in the solution 30 to be measured may be prevented from contacting the hydrogen contact membrane 300 . That is, the membrane 500 prevents direct contact between the hydrogen contact membrane 300 and the solution 30 to be measured, thereby preventing the hydrogen ions (H + ) or hydrogen gas (H 2 ) of the hydrogen contact membrane 300 . detection performance can be improved.
  • the membrane 500 may be made of polybenzimidazole (PBI).
  • PBI polybenzimidazole
  • PBI polybenzimidazole
  • the electrode structure 1000 completely transfers the hydrogen product included in the solution 30 to be measured to the hydrogen contact layer 300 .
  • the electrode structure 1000 may be easily manufactured and may have heat resistance and chemical resistance characteristics.
  • the membrane 500 may be formed by being coated or deposited on the substrate 10 .
  • the membrane 500 may be made of polyimide (PI), polybenzimidazole (PBI), Teflon, or polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PI polyimide
  • PBI polybenzimidazole
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the hydrogen contact layer 300 may have a capacitance or resistance value that changes according to the concentration of the hydrogen product in response to the hydrogen product included in the solution 30 to be measured. Specifically, the inner interface of the hydrogen contact film 300 may be in contact with the measurement electrode 100 , and the outer interface of the hydrogen contact film 300 may be in contact with the hydrogen product. In this state, the hydrogen contact layer 300 may be configured to have a capacitance value or a resistance value that varies depending on the concentration of the hydrogen product between the inner and outer interfaces of the hydrogen contact layer 300 .
  • the hydrogen contact membrane 300 may be configured to respond to hydrogen ions (H + ) contained in the solution 30 to be measured.
  • the hydrogen contact layer 300 may be formed of a metal oxide such as palladium oxide (PdO), iridium oxide (IrO 2 ), or hafnium oxide (HfO 2 ) to have a capacitance value that varies according to the concentration of hydrogen ions. can be configured.
  • the hydrogen contact layer 300 may be formed on the substrate 10 through sputtering, atomic layer deposition (ALD), and chemical vapor deposition (CVD).
  • Hydrogen ions which are the hydrogen products included in the solution 30 to be measured, pass through the membrane 500 and come into contact with the hydrogen contact membrane 300 .
  • the membrane 500 may selectively transmit hydrogen ions toward the hydrogen contact membrane 300 .
  • the hydrogen contact layer 300 may change the potential difference between the inner and outer interfaces of the hydrogen contact layer 300 through a redox reaction with the hydrogen ions.
  • the electrode structure 1000 can obtain the concentration of the hydrogen ions contained in the solution 30 to be measured by measuring the amount of change in the potential difference due to the redox reaction between the hydrogen contact layer 300 and the hydrogen ions. have.
  • the electrode structure 1000 may further include a reference electrode and a voltmeter, so that the reference electrode and the voltmeter are interconnected with the measurement electrode 100 via the substrate 10 have.
  • the hydrogen contact film 300 may be configured to respond to hydrogen gas (H 2 ) generated from the solution 30 to be measured.
  • the hydrogen contact layer 300 may be made of a metal such as palladium (Pd) to have a resistance value that changes according to the concentration of hydrogen gas.
  • the hydrogen contact layer 300 may be formed through sputtering on the substrate 10 .
  • hydrogen ions included in the solution 30 to be measured using the electrode structure 1000 hydrogen ions included in the solution 30 to be measured through electrolysis
  • the solution 30 to be measured in which (H + ) is changed to hydrogen gas (H 2 ) may be prepared.
  • the hydrogen gas which is the hydrogen product generated from the solution 30 to be measured, passes through the membrane 500 and comes into contact with the hydrogen contact membrane 300 .
  • the membrane 500 may selectively transmit hydrogen gas toward the hydrogen contact membrane 300 .
  • Palladium has a property of adsorbing hydrogen gas on the surface, and the adsorbed hydrogen gas is absorbed into the palladium.
  • the hydrogen gas may be divided into hydrogen atoms (H) and absorbed into the palladium.
  • hydrogen atoms may enter between the lattice of the palladium and cause lattice defects. Accordingly, the hydrogen atoms cause electron scattering in the palladium, thereby increasing the resistance value of the hydrogen contact layer 300 .
  • the electrode structure 1000 may obtain the concentration of the hydrogen gas included in the solution 30 to be measured by measuring a change in resistance due to an adsorption reaction between the hydrogen contact layer 300 and the hydrogen gas. Accordingly, the electrode structure 1000 may acquire the concentration of hydrogen ions included in the solution 30 to be measured.
  • the electrode structure 1000 may further include a reference electrode and an ammeter. The reference electrode and the ammeter may be interconnected with the measurement electrode 100 via the substrate 10 . Accordingly, the electrode structure 1000 may obtain the concentration of the hydrogen ions included in the solution 30 to be measured by measuring the amount of change in the resistance value of the hydrogen contact layer 300 .
  • the membrane may further include at least one of platinum (Pt) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the membrane 500 may be composed of a mixture of polybenzimidazole (PBI) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the membrane 500 may include a combination of platinum (Pt) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ). That is, the membrane 500 may be formed by mixing a combination of platinum (Pt) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with polybenzimidazole (PBI).
  • PBI polybenzimidazole
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode structure 1000 may further include an anti-adsorption layer 700 .
  • the adsorption prevention layer 700 is disposed on the membrane 500 to surround the membrane 500 .
  • the adsorption prevention film 700 may prevent byproducts excluding the hydrogen product from being adsorbed to the membrane 500 in the solution 30 to be measured. That is, the adsorption prevention layer 700 may prevent organic matter from adsorbing to the membrane 500 .
  • the anti-adsorption layer 700 may be configured to be coated and deposited on the outer interface of the membrane 500 .
  • the anti-adsorption layer 700 is formed by spray coating nanoparticles of gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti) and palladium (Pd) on the membrane 500 or mixing them with the membrane 500 .
  • the anti-adsorption layer 700 is formed by mixing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with one or more nanoparticles selected from gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), and palladium (Pd).
  • the anti-adsorption layer 700 can minimize the generation of charges on the surface of the membrane 500 , thereby improving the reliability and precision of the hydrogen ion and gas sensing performance of the hydrogen contact layer 300 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a pH sensor including an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • the pH sensor 2000 includes a first electrode 110 , a second electrode 130 , a hydrogen contact membrane 300 , and a membrane 500 .
  • the first electrode 110 is disposed on the substrate 10 and corresponds to a reference potential. remind
  • the second electrode 130 is disposed on the substrate 10 to be physically spaced apart from the first electrode 110 , and is electrically connected to the first electrode 110 .
  • the hydrogen contact layer 300 is disposed on the substrate 10 to surround the second electrode 130 .
  • the hydrogen contact membrane 300 contacts and reacts with hydrogen ions generated from the solution 30 to be measured.
  • the hydrogen contact layer 300 may be configured to have a capacitance value that changes according to the concentration of the hydrogen ions.
  • the hydrogen contact layer 300 is iridium oxide (IrO 2 ) It may be made of material.
  • the membrane 500 is disposed on the substrate 10 to surround the hydrogen contact layer 300 .
  • the membrane 500 is configured to protect the hydrogen contact membrane 300 from the solution 30 to be measured, and to selectively transmit the hydrogen ions to the hydrogen contact membrane 300 .
  • the first electrode 110 may serve as a reference electrode in the electrode structure 1000 .
  • the second electrode 130 may serve as a kind of measuring electrode 100 shown in FIGS. 1 and 3 .
  • the pH sensor 2000 includes the hydrogen contact layer 300 made of iridium oxide (IrO 2 ), wherein the hydrogen contact layer 300 is a metal oxide and hydrogen ions contained in the solution 30 to be measured. It can be configured to be sensitive to (H + ). Accordingly, the pH sensor 2000 can obtain the concentration of the hydrogen ions contained in the solution 30 to be measured by measuring the amount of change in the potential difference due to the redox reaction between the hydrogen contact membrane 300 and the hydrogen ions. have.
  • the pH sensor 2000 may further include a voltmeter between the first electrode 110 and the second electrode 130 . Accordingly, the pH sensor 2000 may obtain the concentration of the hydrogen ions included in the solution 30 to be measured by measuring the potential difference between the first electrode 110 and the second electrode 130 .
  • the membrane 500 may include polybenzimidazole (PBI).
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a pH sensor including an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • the pH sensor 3000 includes a first electrode 110 , a second electrode 130 , a hydrogen contact membrane 300 , and a membrane 500 .
  • the first electrode 110 is disposed on the substrate 10 and corresponds to a reference potential.
  • the second electrode 130 is disposed on the substrate 10 to be physically separated from the first electrode 110 .
  • the second electrode 130 is configured to be electrically connected to the first electrode 110 .
  • the hydrogen contact layer 300 is disposed on the substrate 10 to connect the first and second electrodes 110 and 130 .
  • the hydrogen contact film 300 is configured to contact hydrogen gas generated from the solution 30 to be measured.
  • the hydrogen contact layer 300 is formed of a palladium (Pd) material and adsorbs the hydrogen gas to have a resistance value that changes according to the amount of the hydrogen gas adsorbed.
  • the membrane 500 is disposed on the substrate to surround the hydrogen contact layer.
  • the membrane 500 may protect the hydrogen contact membrane from the solution to be measured.
  • the membrane 500 is configured to selectively permeate the hydrogen gas to the hydrogen contact membrane.
  • the first and second electrodes 110 and 130 may be electrically interconnected via the hydrogen contact layer 300 .
  • the pH sensor 3000 may further include a blocking film 400 surrounding each of the first and second electrodes 110 and 130 .
  • the blocking layer 400 may be configured to surround the first and second electrodes 110 and 130 but not to cover the hydrogen contact layer 300 .
  • the blocking layer 400 may block direct contact between the first and second electrodes 110 and 130 and the solution 30 to be measured. Accordingly, the hydrogen gas generated from the solution 30 to be measured selectively contacts the hydrogen contact membrane 300 , thereby minimizing the error and noise of the resistance value change due to hydrogen gas adsorption of the hydrogen contact membrane 300 . can do.
  • the hydrogen contact film 300 may be configured to respond to hydrogen gas (H 2 ) generated from the solution 30 to be measured.
  • the hydrogen contact layer 300 may be made of a metal such as palladium (Pd) to have a resistance value that changes according to the concentration of hydrogen gas.
  • the hydrogen contact layer 300 may be formed through sputtering on the substrate 10 .
  • hydrogen ions included in the solution 30 to be measured using the electrode structure 1000 hydrogen ions included in the solution 30 to be measured through electrolysis
  • the solution 30 to be measured in which (H + ) is changed to hydrogen gas (H 2 ) may be prepared.
  • the hydrogen gas which is the hydrogen product generated from the solution 30 to be measured, passes through the membrane 500 and comes into contact with the hydrogen contact membrane 300 .
  • the membrane 500 may selectively transmit hydrogen gas toward the hydrogen contact membrane 300 .
  • Palladium has a property of adsorbing hydrogen gas on the surface, and the adsorbed hydrogen gas is absorbed into the palladium.
  • the hydrogen gas may be divided into hydrogen atoms (H) and absorbed into the palladium.
  • hydrogen atoms may enter between the lattice of the palladium and cause lattice defects. Accordingly, the hydrogen atoms cause electron scattering in the palladium, thereby increasing the resistance value of the hydrogen contact layer 300 .
  • the pH sensor 3000 may obtain the concentration of the hydrogen gas generated from the solution 30 to be measured by measuring the amount of change in the resistance value due to the adsorption reaction between the hydrogen contact layer 300 and the hydrogen gas. Through this, the pH sensor 3000 may acquire the concentration of the hydrogen ions included in the solution 30 to be measured.
  • the pH sensor 3000 may further include an ammeter or a voltmeter between the first electrode 110 and the second electrode 130 . Accordingly, the pH sensor 3000 may measure a current change with respect to a constant voltage or a voltage change with respect to a constant current between the first electrode 110 and the second electrode 130 . Thus, the pH sensor 3000 may obtain the concentration of the hydrogen ions contained in the solution 30 to be measured by measuring the amount of change in the resistance value of the hydrogen contact layer 300 .
  • the membrane 500 may include polybenzimidazole (PBI).
  • Embodiments of the present invention relate to an electrode structure including a membrane that selectively permeates a hydrogen product generated from a solution to be measured, and a pH sensor including the electrode structure, and relates to a chemical process, water quality test, soil analysis, and bio/chemical It can be applied to various fields such as sensors.

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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
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)
, 폴리이미드(Polyimide, PI), PDMS(Polydimethylsiloxane)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(Al 2O 3) 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)
, 폴리이미드(Polyimide, PI), PDMS(Polydimethylsiloxane)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),
폴리이미드(Polyimide, PI), PDMS(Polydimethylsiloxane)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(H 2)를 상기 수소 접촉막(300)으로 선택적으로 투과시킬 수 있다. 이로써, 상기 피측정 용액(30)에서 수소 이온(H +) 또는 수소 기체(H 2)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(H 2)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.
이와 다르게, 상기 멤브레인(500)은 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole; PBI), 테프론 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)으로 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(IrO 2), 산화하프늄(HfO 2)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(H 2)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(H 2)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.
한편, 도 2를 참조하면, 상기 멤브레인은, 백금(Pt) 및 산화 알루미늄(Al 2O 3) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 멤브레인(500)은 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 및 산화알루미늄(Al 2O 3)의 혼합물로 구성될 수 있다. 이와 다르게, 상기 멤브레인(500)은 백금(Pt) 및 산화알루미늄(Al 2O 3)의 결합물을 포함할 수 있다. 즉, 상기 멤브레인(500)은 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI)과 함께 백금(Pt) 및 산화알루미늄(Al 2O 3)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 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3를 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(Al 2O 3)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 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조물을 포함하는 pH 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4을 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(IrO 2) 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 및 도 3에 도시된 측정 전극(100)으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 pH 센서(2000)는 산화 이리듐(IrO 2) 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 3를 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(H 2)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(H 2)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 3를 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.
본 발명의 실시예들은 피측정 용액으로부터 생성된 수소 생성물을 선택적으로 투과시키는 멤브레인을 포함하는 전극 구조물 및 상기 전극 구조물을 포함하는 pH 센서에 관한 것으로서, 화학공정, 수질검사, 토양분석 및 바이오/화학센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

Claims (12)

  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), 폴리이미드(Polyimide, PI) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 멤브레인은, 백금(Pt) 및 산화 알루미늄(Al 2O 3) 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), 폴리이미드(Polyimide, PI) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 멤브레인은, 백금(Pt) 및 산화 알루미늄(Al 2O 3) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
  9. 제6항에 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 pH 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 흡착 방지막은, 백금(Pt) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
  11. 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.
  12. 제11항에 있어서, 상기 멤브레인은, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI), 폴리이미드(Polyimide, PI) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 센서.
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