[논문]평탄형 접촉 연소식 가스 센서의 특성

김영복; 노효섭; 박진성

doi:10.4313/jkem.2008.21.9.812

평탄형 접촉 연소식 가스 센서의 특성
Characteristics of Catalytic Combustible Gas Sensor Based on Planar Technology 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.9, 2008년, pp.812 - 817

김영복 (조선대학교 신소재공학과) , 노효섭 (조선대학교 신소재공학과) , 박진성 (조선대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A catalytic combustible sensor for LPG/LNG detection was fabricated on $Al_2O_3$ substrate using planar technology. The catalysts of Pd and Pt were added to ${\alpha}$- and ${\gamma}-Al_2O_3$ powders. The mixture of Pt, Pd and $Al_2O_3$ were homogenized by using a three roll mixer. TCR characteristics of Pt heater were optimized with the heat treatment temperature. Sensing properties were investigated as a function of the microstructure of $Al_2O_3$, the gas concentration and the variation of input voltage. ${\alpha}-Al_2O_3$ sintered at 500 $^{\circ}C$ is more suitable as LPG/LNG sensor due to good grain shape and size distribution of about 300 nm than that of ${\gamma}-Al_2O_3$ which is in irregular shape and with a particle size of 5-30 ${\mu}m$. The sensor has shown maximum output voltage of 14 mV for 1000 ppm $C_4H_{10}$ and 3.8 mV for 1000 ppm $CH_4$ at 5.0 V input voltage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Hio 농도에 따른 출력 특성이다. C₁-AI2O₃와 Y -AI2O₃의 부탄에 대한 (C₄Hio) 감지 특성을 알아보기 위해 1000~5000 ppm까지 변화시켜가면서 센서의 출력전압 변화를 측정한 결과로 이다. 전체적으로 우수한 직선성을 나타내고, 특히 500 ℃ 열처리한 후막 시편의 출력 값이 가장 크다.
본 연구는 평탄화 접촉 연소식 센서 실용화를위한 것으로 스크린 프린팅 기술과 최적설계로 소자를 mm급 이하로 줄인 후막형 접촉연소식 가스센서에 대한 결과이다.
순수 금속 Pt의 온도 저항계수는 3850 ppm/℃ 이고 이에 근접하는 온도저항계수 (TCR: temperature-resistance coefficient)# 구현하고자 하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 백금후막은 남아 있는 용제가 제거되고, 1100 笆까지는입자들은 서로 유기적으로 연결되며 성장하나 다공성 구조는 유지됨을 알 수 있고, 1200 ℃ 열처리경우는 소결체와 유사하게 치밀화가 이루어지며기공이 감소함을 알 수 있다.

제안 방법

CHU의 경우 출력 특성이 비교적 선형적이지만, C₄H₁₀의 경우는 5 V를 기준으로 기울기가 감소하여 본 실험의 입력전압을 5 V로, 즉 작동전압을 5V로 하여 추가적인 감지 특성을 측정하였고, 5 V 일 때 소비 전력은 약 520 mW이다.
가스 응답 특성은 인가전압과 메탄, 부탄 농도에 따른 감도로 측정하였다. 접촉 연소식 가스센서의 기본 감지 원리는 감지가스의 산화 연소열에따른 센서의 저항 변화를 휘스톤 브릿지 회로로검출하는 것이다.
감지소자 초기 모물질은 a-Al2O₃ 와 x-A12O₃ 두종류를 사용하여 감지소자 쪽에는 모물질에 용해시킨 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 첨가하였다. 제조한감지 페이스트는 Pt heater가 인쇄된 기판위에 인쇄한 후 100 ℃에서 건조시키고 승온 속도 5 ℃/min 으로 하여 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃로 1시간 동안공기 중에서 열처리 하였다.
1 驹로 설계하였다. 기판 한 면에 Pt- 열선 위에 촉매가 분산된 감지소자 혹은 촉매가없는 보상 소자를 인쇄하여 제작하였다. Heater는 Pt-paste를 사용하여 스크린 프린팅하여 제조하였다.
제조하였다. 백금 페이스트의 열처리조건에 따른 후막 백금히터의 TCR값을 측정하였으며, 인가전압에 따른 감도 변화를 관찰 하였고감지물질의 열처리 온도에 따른 미세구조 변화와 LPGZ丄NG에 대한 반응특성의 상관과계를 조사하였다.
Heater는 Pt-paste를 사용하여 스크린 프린팅하여 제조하였다. 인쇄 후 열처리한 Pt Heater위에 Pt, Pd 같은귀금속 촉매가 첨가 된 감지소자와, 귀금속 촉매가첨가되지 않은 보상소자를 각각 인쇄하였다.
제조한감지 페이스트는 Pt heater가 인쇄된 기판위에 인쇄한 후 100 ℃에서 건조시키고 승온 속도 5 ℃/min 으로 하여 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃로 1시간 동안공기 중에서 열처리 하였다. 귀금속 촉매가 없는보상소자의 페이스트를 Pt Heater가 인쇄 된 기판위에 인쇄하고 600 ℃에서 1시간 열처리 하였다.

대상 데이터

것이다. 알루미나 기판 한 cell의 크기는 0.4 mm X 1.1 驹로 설계하였다. 기판 한 면에 Pt- 열선 위에 촉매가 분산된 감지소자 혹은 촉매가없는 보상 소자를 인쇄하여 제작하였다.
후막 인쇄기술을 이용하여 평탄형 접촉연소식가스센서를 제조하였다. 백금 페이스트의 열처리조건에 따른 후막 백금히터의 TCR값을 측정하였으며, 인가전압에 따른 감도 변화를 관찰 하였고감지물질의 열처리 온도에 따른 미세구조 변화와 LPGZ丄NG에 대한 반응특성의 상관과계를 조사하였다.

성능/효과

메탄 부탄 모두 Pt-히터의 입력 전압 증가(즉온도 증가)로 센서특성인 출력전압은 증가하였고, 선형성은 메탄이 우수하다. CI-AI2O₃가 Y-AI2O₃ 보다 출력 특성이 우수하고 그 이유는 그림 5의 미세구조와 관련하여 입자크기, 분포 균일도, 그리고미세기공의 유지 등에 의한 표면 반응성이 a -AI2O₃ 가 우수하여 감지 특성도 우수하게 나타난것으로 추정된다.
순수 금속 Pt의 온도 저항계수는 3850 ppm/℃ 이고 이에 근접하는 온도저항계수 (TCR: temperature-resistance coefficient)# 구현하고자 하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 백금후막은 남아 있는 용제가 제거되고, 1100 笆까지는입자들은 서로 유기적으로 연결되며 성장하나 다공성 구조는 유지됨을 알 수 있고, 1200 ℃ 열처리경우는 소결체와 유사하게 치밀화가 이루어지며기공이 감소함을 알 수 있다. 이러한 미세구조 변화는 발열체의 온도저항특성에 영향을 줄 수 있고, 계측 결과를 그림 4에 나타내었다’ 계측 온도에 따른 TCR 값은 선형적으로 증가했으나, 450 ℃에서계측한 TCR 값은 응집화가 가장 심한 1200 ℃ 열처리 경우 2732 ppm/℃S 가장 낮았으며, 1100 ℃ 에서 열처리 경우는 3345 ppm/莒로 가장 높은 값을 보였고, 이때의 저항 값은 10-11 Q이다.
C₁-AI2O₃와 Y -AI2O₃의 부탄에 대한 (C₄Hio) 감지 특성을 알아보기 위해 1000~5000 ppm까지 변화시켜가면서 센서의 출력전압 변화를 측정한 결과로 이다. 전체적으로 우수한 직선성을 나타내고, 특히 500 ℃ 열처리한 후막 시편의 출력 값이 가장 크다. C₄H₁₀ 1000 ppm에 대해 변화 값이 a-AhO₃ 경우 14 mV, Y-AI2O₃ 경우 9.

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