KR101924462B1 - 빠른 응답속도의 이온화 방식 가스 센서 및 가스 센싱방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 센서 및 가스 센싱방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 화학반응을 사용하지 않고, 선택적으로 특정 가스를 빠르게 탐지할 수 있는 빠른 응답속도의 이온화 방식 가스 센서 및 가스 센싱방법에 관한 것이다. 이를 위해 가스 센서는 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 하전부; 이온화된 양이온을 포집하는 포집부; 및 포집부 내부에 위치하고, 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 이온 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

빠른 응답속도의 이온화 방식 가스 센서 및 가스 센싱방법{IONIZATION TYPE GAS SENSOR WITH FAST RESPONSE SPEED AND GAS SENSING METHOD}

본 발명은 가스 센서 및 가스 센싱방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 화학반응을 사용하지 않고, 선택적으로 특정 가스를 빠르게 탐지할 수 있는 빠른 응답속도의 이온화 방식 가스 센서 및 가스 센싱방법에 관한 것이다.

산업사회가 고도화됨에 따라 생산현장에서부터 일반가정에 이르기까지 각종 가스의 사용이 폭증하고, 그 종류도 날로 다양해지고 있다. 이러한 가스를 감지하는 가스센서는 주로 가연성 또는 독성가스를 조기에 감지하여 신속한 대응을 하기 위한 화학센서의 일종으로, 그 동안 여러 가지 검출 방법을 이용한 수많은 가스 센서가 연구 개발되어왔다.

특히, 환경, 테러, 보건영역에서 초극미량의 독성, 폭발성 가스 및 휘발성 가스를 선제적으로 검지할 수 있는 고감도 센서재료의 개발이 매우 중요하며, 이에 관련된 원천기술의 확보가 국내외적으로 중요한 이슈가 되고 있다. 이러한 고감도 센서가 개발될 경우, 국방용, 특수 목적용으로 응용 가능할 뿐만 아니라, 다양한 산업 현장에 이용됨으로써 더욱 안전한 사회를 만드는데 일조할 수 있다. 아울러, 일산화탄소(CO) 등과 같은 환원성 가스나 각종 휘발성 유기화합물(VOCs; volatile organic compounds)의 경우, 인체에 상당히 유해하기 때문에 고감도 센서의 활용성은 매우 높을 것으로 예상된다.

예를 들어, 일산화탄소(CO)가 인체에 흡입될 경우, 상기 CO는 혈액 내에서 카르복시-헤모글로빈을 형성하여 산소 운반을 방해하고 적혈구의 기체 교환 능력을 감소시켜 사망의 원인이 될 수도 있기 때문에, ppb 레벨 내지 수백 ppm 레벨의 극미량 검출이 요구되는 물질이다. 따라서, CO와 같은 환원성 기체를 검출해낼 수 있는 고감도 센서의 수요가 증가할 것으로 예상되고 있다.

통상적으로 가스센서는 크게 고체 전해질, 접촉 연소식, 전기 화학식, 반도체식으로 분류된다. 종래의 가스센서에는 산화물 반도체 재료를 사용하는 반도체식 가스센서와 팔라듐, 백금 같은 촉매, 알루미나 담채를 이용한 접촉 연소식 가스센서가 주로 이용되고 있다. 특히, SnO₂, TiO₂, ZrO 및 In₂O₃와 같은 금속 산화물을 이용한 반도체식 가스센서는 주위 가스의 흡착 및 탈착에 의에 발생하는 감지체의 표면반응을 이용하여 가스의 농도 및 종류를 측정하는 것으로 부식성 분위기 같은 가혹한 조건 내에서도 신뢰성 있게 작동 할 수 있고, 재료의 선택 및 제조 방법에 따라 검지하고자 하는 가스의 감도 및 응답특성을 개선시킬 수 있다는 장점으로 가장 많이 이용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 금속 산화물로 이루어진 가스센서의 경우, 반응 가스와 감지체의 표면 반응에 의한 감도 및 응답특성을 높이기 위해서는 200 내지 600℃의 고온 작동이 요구되고, 혼합가스 분위기에서 원하는 가스만을 선택적으로 감지하는 특성인 선택성 부분이 기술적 한계로 남아있다. 이에, 고온 분위기를 조성하지 않아도 되고, 선택적으로 원하는 가스를 감지할 수 있는 가스센서에 대한 개발이 요구되고 있다.

일본 등록특허공보 제5910683호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 빠른 응답속도의 이온화 방식 가스 센서 및 가스 센싱방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

상기 목적은, 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 하전부; 이온화된 양이온을 포집하는 포집부; 및 포집부 내부에 위치하고, 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 이온 측정부;를 포함하는 가스 센서에 의해 달성될 수 있다.

하전부는, 소정의 거리로 이격되어 배치된 한 쌍의 기판; 일측의 기판에 구비된 접지전극; 및 타측의 기판에 구비된 팁전극;을 포함할 수 있고, 이때, 팁전극은, 복수 개일 수 있으며, 삼각뿔 형상일 수 있다.

포집부는, 소정의 거리로 이격되어 배치된 한 쌍의 기판; 및 각 기판에 구비된 전극;을 포함할 수 있다.

이온 측정부는, 기판; 기판 상에 구비된 IDT(Inter digital transducer) 전극; 및 IDT 전극 상부에 구비되는 감지막;을 포함할 수 있고, 이때, 감지막은, 다공성 물질로 제조될 수 있다.

또한, 상기 목적은, 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 하전단계; 이온화된 양이온을 포집하는 포집단계; 및 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 측정단계;를 포함하는 가스 센싱방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 확산이나 화학반응을 필요로 하지 않고, 고온 분위기를 형성하지 않아도 빠르게 가스를 감지할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 이온화 방식을 사용하여 혼합 가스 내에서 선택적으로 특정 가스를 빠르게 감지할 수 있는 효과를 가진다.

나아가, 미세 크기의 팁전극을 이용하므로 저전압으로 구동할 수 있고, 별도의 고온장치를 필요로 하지 않아 소형화가 가능하며, 이에 따라 다양한 제품에 적용할 수 있는 효과를 가진다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 하전부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 포집부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 예에 따른 이온 측정부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 위에서 바라본 도 4의 단면도이다.
도 6은 측면에서 바라본 도 4의 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(100)는 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 하전부(10); 이온화된 양이온을 포집하는 포집부(20); 및 포집부(20) 내부에 위치하고, 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 이온 측정부(30);를 포함한다. 본 발명은 종래의 방식과 달리 이온화 방식을 적용한 가스 센서(100)로서, 혼합 가스 내의 특정 가스를 선택적으로 빠르게 감지할 수 있는 효과를 가진다. 또한, 별도의 고온 환경을 조성하지 않아도 되므로 전체 장비의 소형화가 가능하고, 이에 따라 차량 등 다양한 제품 등에 적용할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 하전부(10)는 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 기능을 수행한다. 도 2는 일 예에 따른 하전부(10)를 개략적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 구체적으로 설명한다. 하전부(10)는 소정의 거리로 이격되어 배치된 한 쌍의 기판(11); 일측의 기판(11)에 구비된 접지전극(12); 및 타측의 기판(11)에 구비된 팁전극(13);을 포함할 수 있다. 또한, 도면상에 도시하지 않았으나, 가스가 유입되는 유입부와 후술할 포집부(20)와 연결되는 가스 이송 배관 등을 포함할 수 있다. 하전부(10)의 전체적인 형상은 원형, 다각형 등 다양한 형태의 챔버일 수 있고, 기판(11)에 구비된 접지전극(12) 및 팁전극(13)은 전원 장치와 연결될 수 있다.

전원장치를 이용하여 접지전극(12)과 팁전극(13) 사이에 전압을 인가하면 팁전극(13) 주위에 높은 전기장이 형성된다. 형성된 전기장에 의해 하전부(10)에 유입되는 가스분자는 이온화된다. 가스가 이온화될 때의 전압을 이온화 전압이라고 정의하고, 접지전극(12)과 팁전극(13)의 형상, 스페이서(팁전극(13) 끝단과 접지전극(12) 사이의 공간)의 크기, 온도 및 압력 등 다른 모든 조건을 동등하게 조절할 경우, 가스의 종류마다 특정 이온화 전압을 가지게 된다. 따라서, 본 발명은 혼합 가스 내에서 감지하고자 하는 특정 가스의 유무를 감지할 수 있는 효과를 가진다.

기판(11)은 한 쌍이 소정의 거리로 이격되어 마주보고 배치되고, 각 기판(11)에 구비된 접지전극(12) 및 팁전극(13)을 지지하고 절연하는 역할을 할 수 있다. 기판(11)은 특별히 제한되는 것은 아니고, 실리콘 웨이퍼 기판, 석영 기판, 산화물 기판 등을 사용할 수 있다.

접지전극(12) 및 팁전극(13)은 기판(11)에 구비되고, 접지전극(12) 및 팁전극(13)은 특별히 제한되지 않고, 공지의 다양한 재료로 제조할 수 있으며, 포토리소그래피 공정(photolithograpy process) 등 공지의 다양한 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(100)가 상압의 조건에서 사용될 경우, 규소/금(Si/Au), 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO), 금(Au), 산화구리(CuO)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 팁전극(13)의 끝단과 접지전극(12) 사이의 최단 거리는 100~200㎛일 수 있으나, 측정하고자 하는 가스의 종류 등에 따라 거리를 조절할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 팁전극(13)은 기판(11) 상에 복수 개 구비될 수 있다. 팁전극(13)은 제조하고자 하는 가스 센서(100) 또는 하전부(10)의 크기에 따라 개수를 늘리거나 줄일 수 있다.

또한, 팁전극(13)은 주위에 높은 전기장을 형성하고, 낮은 전압으로 구동하기 위하여 나노미터급 곡률을 가지는 끝단을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 팁전극(13)은 끝단이 뾰족한 다양한 형상으로 제조되는 것이 바람직하다. 제조 공정이 용이하고, 재연성이 우수한 측면에서 삼각뿔 형상으로 제조되는 것이 바람직하나, 끝단이 뾰족한 형상이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.

일 실시예에 있어서, 하전부(10)는 복수 개가 연결되어 구성될 수 있다. 상술한 것처럼, 가스는 동일한 조건에서 서로 다른 이온화 전압을 가지기 때문에 감지하고자 하는 가스의 종류가 복수 개일 경우, 각각의 가스를 이온화시킬 수 있는 하전부(10)가 연속적으로 형성될 수 있다. 이 경우, 동시에 복수 개의 특정 가스들에 대해 빠르게 감지할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 포집부(20)는 이온화된 양이온을 포집하는 기능을 수행한다. 도 3은 일 예에 따른 포집부(20)를 개략적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 구체적으로 설명한다. 포집부(20)는 소정의 거리로 이격되어 배치된 한 쌍의 기판(21); 및 각 기판(21)에 구비된 전극(22);을 포함할 수 있다. 하전부(10)에 의해 이온화된 가스 분자의 양이온들은 가스 이송 배관을 통해 포집부(20)로 공급되어 한 쌍의 전극(22) 사이로 이동하게 되고, 포집부(20)는 전원장치(미도시)와 연결하여 기판(21)에 구비된 전극(22)에 전압(예를 들어 5~10V의 DC 전압)을 인가함으로써 전위차를 형성할 수 있다. 형성된 전위차에 의해 양이온은 음극 쪽으로 이동하게 되고, 후술하는 이온 측정부(30)로 유도될 수 있다. 기판(21) 및 전극(22)은 하전부(10)에 사용된 기판(11) 및 전극(접지전극(12) 또는 팁전극(13))과 동일한 것을 사용할 수 있으므로, 중복된 설명은 생략한다.

일 실시예에 있어서, 이온 측정부(30)는 포집부(20) 내부에 위치하고, 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 기능을 수행한다. 도 4는 일 예에 따른 이온 측정부(30)를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 위에서 바라본 도 4의 단면도이며, 도 6은 측면에서 바라본 도 4의 단면도이다. 이를 참조하여 구체적으로 설명한다. 이온 측정부(30)는 기판(31); 기판(31) 상에 구비된 IDT(Inter digital transducer) 전극; 및 IDT 전극(32) 상부에 구비되는 감지막(33);을 포함할 수 있다. 이때, 감지막(33)은 IDT 전극(32)이 전원 장치와 연결되는 부분을 제외한 나머지 부분을 덮을 수 있도록 형성될 수 있다. 이온 측정부(30)는 일정한 전류를 IDT 전극(32)에 흐르게 한 후, 양이온이 감지막(33)에 포집되기 전과 후의 임피던스 변화를 측정함으로써 특정 가스의 농도를 계산할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 포집부(20)에 의해 양이온이 이온 측정부(30)로 유도되어 감지막(33)에 포집되면, 감지막(33)의 전기전도도가 증가하게 되어 임피던스가 변화하고, 이를 통해 포집된 가스의 농도를 계산할 수 있다.

기판(31) 및 IDT 전극(32)은 상술한 하전부(10)의 기판(11) 및 전극(접지전극(12) 및 팁전극(13))과 동일한 소재의 종류로 제조할 수 있다. 감지막(33)은 다공성 세라믹 물질로 제조하는 것이 바람직하다. 다공성 세라믹 물질은 특별히 제한되는 것은 아니나, 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂), 이트리아(Y₂O₃) 및 지르코니아(ZrO₂)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 특정 가스를 감지하는 가스 센싱방법에 대해 설명한다. 가스 센싱방법을 설명함에 있어 상술한 가스 센서(100)를 중심으로 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니고, 다양한 가스 센서를 활용하여 센싱할 수 있다. 가스 센서(100)에 대해 상술하여 중복된 부분에 있어서는 생략하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 다른 가스 센싱 방법은 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 하전단계; 이온화된 양이온을 포집하는 포집단계; 및 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 측정단계;를 포함한다. 본 발명은 종래의 방식과 달리 이온화 방식을 적용하여 혼합 가스 내의 특정 가스를 선택적으로 빠르게 감지할 수 있는 효과를 가진다. 또한, 별도의 고온 환경을 조성할 필요가 없다는 장점을 가진다.

일 실시예에 있어서, 하전단계는 가스 분자를 이온화 시키는 단계로서, 소정의 거리로 이격되어 배치된 전극에 전압을 인가하여 전기장을 형성함으로써 유입되는 가스 분자를 이온화할 수 있다. 이때, 측정하고자 하는 가스의 이온화 전압을 인가하여 특정 가스만을 이온화시킬 수 있다. 또한, 소정의 거리로 이격되어 배치된 전극의 일측은 평평한 형상의 접지전극일 수 있고, 타측은 끝단이 뾰족한 형상의 팁전극일 수 있다. 끝단이 뾰족한 팁전극을 사용할 경우, 상대적으로 저전압을 인가하여도 높은 전기장을 형성할 수 있는 장점을 가진다.

일 실시예에 있어서, 포집단계는 하전단계에 의해 이온화된 가스 분자의 양이온을 포집하는 단계로서, 한 쌍의 전극을 소정의 거리로 이격하여 배치하고, 전압을 인가한 후, 음극이 형성된 전극으로 양이온을 유도한다. 보다 구체적으로, 음극이 형성된 전극 측에 이온 측정부(30)를 설치하여 양이온이 이온 측정부(30)에 포집되도록 한다.

일 실시예에 있어서, 측정단계는 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 단계로, 이온화된 양이온을 감지막(33)에 포집한 후, 임피던스의 변화를 측정하고, 이를 통해 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

하전부, 포집부 및 이온 측정부를 구비한 가스 센서(도 1 참조)를 준비하되, 하전부의 팁전극 및 접지전극의 소재, 팁전극 끝단과 접지전극 사이의 간격을 달리하였다.

[실험예]

실시예에 의해 준비된 가스 센서의 구동 압력 범위를 달리하면서 여러 종류의 가스의 이온화 전압을 확인하였고, 이를 표 1에 기재하였다.

[표 1]

상기 표 1에서와 같이, 특정 전극 물질, 전극 사이의 간격 및 구동 압력에 따라 여러 종류의 가스의 이온화 전압을 측정할 수 있었고, 이러한 이온화 전압을 이용하여 특정 가스를 감지할 수 있는 가스 센서를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

100 : 가스 센서
10 : 하전부
11 : 기판
12 : 접지전극
13 : 팁전극
20 : 포집부
21 : 기판
22 : 전극
30 : 이온 측정부
31 : 기판
32 : IDT 전극
33 : 감지막

Claims (8)

1. 유입되는 가스분자에 전압을 인가하여 가스분자를 이온화시키는 하전부;
   이온화된 양이온을 포집하는 포집부; 및
   포집부 내부에 위치하고, 포집된 양이온에 의해 변화되는 임피던스를 측정하는 이온 측정부;를 포함하며,
   상기 하전부는,
   소정의 거리로 이격되어 배치된 한 쌍의 기판;
   일측의 기판에 구비된 접지전극; 및
   타측의 기판에 구비된 팁전극;을 포함하여,
   혼합 가스의 이온화 전압을 토대로 특정 가스의 유무를 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 팁전극은,
   복수 개인 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
4. 제1항에 있어서, 팁전극은,
   삼각뿔 형상인 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
5. 제1항에 있어서, 포집부는,
   소정의 거리로 이격되어 배치된 한 쌍의 기판; 및
   각 기판에 구비된 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
6. 제1항에 있어서, 이온 측정부는,
   기판;
   기판 상에 구비된 IDT(Inter digital transducer) 전극; 및
   IDT 전극 상부에 구비되는 감지막;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
7. 제6항에 있어서, 감지막은,
   다공성 물질로 제조된 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
8. 삭제

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