[논문]평판형 접촉연소식 마이크로 수소센서의 감지특성 향상

김찬우; 곽지혜; 전일수; 한상도; 최시영

doi:10.5369/jsst.2009.18.3.202

[국내논문] 평판형 접촉연소식 마이크로 수소센서의 감지특성 향상
Improved hydrogen sensing characteristics of flat type catalytic combustible hydrogen gas sensor of micro-structure 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.18 no.3, 2009년, pp.202 - 206

김찬우 (경북대학교) , 곽지혜 (한국에너지기술연구원) , 전일수 (한국에너지기술연구원) , 한상도 (한국에너지기술연구원) , 최시영 (경북대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Flat type catalytic combustible hydrogen sensors were fabricated using platinum micro-heaters and sensing material pastes. The platinum micro-heater was formed on an alumina substrate by sputtering method. The paste for the sensing materials was prepared using ${\gamma}-Al_2O_3$ 30 wt%, $SnO_2$ 35 wt%, and Pd/Pt 30 wt% and coated on the platinum micro-heater. The sensing performances were tested for the prepared sensors with different substrate sizes. The micro catalytic combustible hydrogen sensors showed quick response time, high reliability, and good selectivity against various gases(CO, $C_3H_8,\;CH_4$) at low operating temperature of $156^{\circ}\C$.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

본 연구에서는 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여 평판형 알루미나 기판위에 마이크로 박막히터를 제조하고, 소량의 금속촉매를 포함하는 산화물 감지물질 페이스트를 코팅하여 접촉연소식 수소센서를 제조하였다. 제조된 센서에 대해 소비전력, 반응속도, 저농도 및 고농도에서의 수소감지 성능을 측정하였으며, 타 가연성가스에 대한 선택성 실험을 하였다.
본 연구에서는 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용하여 평판형 알루미나 기판위에 마이크로 박막히터를 제조하고, 소량의 금속촉매를 포함하는 산화물 감지물질 페이스트를 코팅하여 접촉연소식 수소센서를 제조하였다. 제조된 센서에 대해 소비전력, 반응속도, 저농도 및 고농도에서의 수소감지 성능을 측정하였으며, 타 가연성가스에 대한 선택성 실험을 하였다.
감지물질은 γ-Al2O3 30 wt%, SnO2 35 wt%, Pd/Pt 30 wt%을 무기/유기바인더와 함께 한 시간 동안 볼밀링(ball-milling)하여 제조하였다.
평판형 마이크로 접촉연소식 센서의 감지소자 및 보상소자는 spot welder(TITH Coperating, WMH-V1)와 백금 와이어(Φ50 µm)를 이용하여 센서 몸체에 연결하였다(Fig. 2).
5 kΩ)과 보상소자와 연결하여 휘스톤 브릿지(Wheatston bridge) 회로를 구성하였다. 수소 감지 성능을 측정하기 위한 장치의 개략도는 Fig. 3과 같은데, 항온항습기 안에 설치된 챔버 내에 원하는 양의 수소와 공기를 MFC를 통하여 주입하여 측정하였고, 기판 면적에 따른 센서의 온도별 수소주입 전의 감지전압(V_in)과 수소주입 후의 감지전압(V_out) 차(∆V)를 비교하여 측정하였다.
제작되어진 백금 박막히터의 저항은 약 70 Ω이었으며 인가전압별 저항의 표면온도 및 소모전력을 비교하기 위하여 전압을 1~6 V까지 히터에 인가한 상태에서 적외선 카메라(NEC TH9100MLN)를 이용하여 관찰하였다.
제작되어진 센서의 최적 동작온도를 알아내기 위해 히터 전압을 0~6 V 까지 변화시켜 가며 H₂ 1%에 대한 감도특성을 측정하였다. Fig.
소형 알루미나 기판에 스퍼터링 방식으로 백금 박막히터를 제작하여 낮은 최적 동작온도에서 수소를 감지할 수 있는 접촉연소식 마이크로 수소센서를 제작하였다. 기판 면적을 줄인 접촉연소식 센서의 응답 시간은 최적 온도 156℃(히터 인가 전압 2.

대상 데이터

Pt target(99.99 %)과 shadow mask를 이용하여 평판형 접촉연소식 수소센서의 백금 박막 히터를 스퍼터링 방식으로 증착하였다. Fig.
제작된 센서소자를 다른 두 개의 고정저항(1.5 kΩ)과 보상소자와 연결하여 휘스톤 브릿지(Wheatston bridge) 회로를 구성하였다. 수소 감지 성능을 측정하기 위한 장치의 개략도는 Fig.

성능/효과

수소센서의 소비전력(Bridge 회로에 센서 적용시)은 센서 A의 경우 약 175 mW 였고, 센서 B의 경우에는 약 108 mW 였다. 수소농도에 따른 센서의 수소 감지 성능을 알아보기 위해 200 ppm에서 3 % 까지 수소농도를 변화시켜 가면서 센서의 출력전압 변화를 측정하였는데, Fig. 6에 나타낸 그 결과에 따르면 제작된 수소센서는 500 ppm에서부터 반응을 하여 3 % 까지의 수소농도에 대해 감도 특성이 우수함(선형성)을 알 수 있다.
소형 알루미나 기판에 스퍼터링 방식으로 백금 박막히터를 제작하여 낮은 최적 동작온도에서 수소를 감지할 수 있는 접촉연소식 마이크로 수소센서를 제작하였다. 기판 면적을 줄인 접촉연소식 센서의 응답 시간은 최적 온도 156℃(히터 인가 전압 2.7 V)에서 5초로 빠르게 나타났으며 선택성도 우수함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제작한 접촉연소식 센서는 외부 온·습도 변화에 따른 수소 감지성능 및 장기안정성에 관한 연구를 통해 실제 현장에서 적용될 수 있는 센서로 개발 가능할 것으로 판단된다.
제작되어진 히터의 표면 온도는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 상대적으로 큰 기판면적의 경우(이하 ‘센서 A’ 로 명명) 인가전압 2, 3, 4 V에서 각각 96, 156, 224℃였고, 작은 기판 면적의 경우(이하 ‘센서 B’ 로 명명) 인가전압 2, 3, 4 V에서 109.2, 182.1, 254.7℃ 였으며, 이를 통해 알루미나 기판 위에 스퍼터링 방식에 의해 증착된 백금 히터는 기존의 백금 코일 히터와 온도 특성면에서 매우 유사한 성질을 가지는 것이 확인되었다.

후속연구

7 V)에서 5초로 빠르게 나타났으며 선택성도 우수함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제작한 접촉연소식 센서는 외부 온·습도 변화에 따른 수소 감지성능 및 장기안정성에 관한 연구를 통해 실제 현장에서 적용될 수 있는 센서로 개발 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평판형 접촉연소식 수소센서의 단점을 극복하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?	상용화된 비드형과 마찬가지로 기판 면적이 큰 평판형 접촉연소식 수소센서는 응답시간(response time)이 길고, 작동온도가 높은 단점을 가진다[4-8]. 그러한 단점을 극복하기 위하여 최근 평판 면적을 줄여 응답시간을 줄이고 작동온도 또한 낮추는 평판형 접촉연소식 센서에 대한 연구가 진행되고 있으며, MEMS 및 NEMS 기술에 의해 히터에서 발열되는 열손실을 줄여 저 소모전력을 가지는 센서에 대한 연구개발도 진행되고 있다[9.10].
	수소가 위험성을 가지고 있는 이유는 무엇인가?	수소는 연소하기 쉬운 기체로 발화에너지가 작아서 위험성이 있지만, 적절한 조건으로 이용하면 일반 도시가스처럼 쉽게 에너지원으로 사용가능하다. 수소의 LEL(lower explosive limit)은 4%로 산소와의 급격한 반응에 의해 폭발할 수 있어 안전사고 예방을 위해 수소의 누출을 감지할 수 있는 정밀하고 안전한 가스센서의 개발이 요구된다[1-3].
	수소의 LEL은 몇 퍼센트인가?	수소는 연소하기 쉬운 기체로 발화에너지가 작아서 위험성이 있지만, 적절한 조건으로 이용하면 일반 도시가스처럼 쉽게 에너지원으로 사용가능하다. 수소의 LEL(lower explosive limit)은 4%로 산소와의 급격한 반응에 의해 폭발할 수 있어 안전사고 예방을 위해 수소의 누출을 감지할 수 있는 정밀하고 안전한 가스센서의 개발이 요구된다[1-3].

참고문헌 (13)

V.A. Goltsov and T.N. Veziroglu, 'A step on the road to hydrogen civilization', Int. J. Hydrogen Energy, vol. 27, no. 7-8, pp. 719-723, 2004

상세보기
T. Sasahara, A. Kido, S. Uematsu, and M. Egashira, 'Identification and quantification of alcohol by a micro gas sensor based on adsorption and combustion', Sens. Actuators B, vol. 99, no. 2-3, pp. 532-538, 2004

상세보기
A. katsuki and K. Fukui, ' $H_2$ selective gas sensor based on $SnO_2$ ', Sens. Actuators B, vol. 78, no. 1-2,pp. 83-88, 1998
S.V. Baran, G.A. Branitsky, and M.I. Ivanovskaya, 'Thermocatalytic sensors with Pd-Pt- $Al_2O_3$ catalyst', Sens. Actuators B, vol. 13-14, no. 1-3, pp. 244-247, 1993
J.G. Firth, A. Jones, and T.A. Jones, 'The principle of the detection of flammable atmospheres by catalytic devices', Combust. Flame, vol. 20, no. 3, pp. 303-311, 1973

상세보기
S.J. Gentry and T.A. Jones, 'The role of catalysts in solid-state gas sensors', Sens. Actuators B, vol. 10, no. 1-2, pp. 141-163, 1986

상세보기
M.G. Jones and T.G. Nevell, 'The detection of hydrogen using catalytic flammable gas sensors', Sens. Actuators B, vol. 16, no. 3, pp. 215-224, 1989

상세보기
G.K. Mor, M.A. Carvalho, O.K. Varghege, M.V. Pishko, and C.A. Grimes, 'A room temperature $TiO_2$ -nanotube hydrogen sensorable to self clean photo activity from environmental contamination', J. Mater. Res. vol. 19, no.2, pp. 628-634, 2004

상세보기
P. Fau, M. Sauvan, S. Trautweiler, C. Nayral, L. Erades, A. Maisonnat, and B. Chaudret, 'Nanosized tin oxide sensitive layer on a silicon platform for domestic gas applications', Sens. Actuators B, vol. 78, no. 1-3, pp. 83-88, 2001

상세보기
I.J. Kim, S.D. Han, I. Singh, H.D. Lee, and J.S. Wang, 'Sensitivity enhancement for CO gas detection using a $SnO_2$ - $CeO_2$ -PdOX system', Sens. Actuators B, vol. 107, no. 2, pp. 825-830, 2005

상세보기
한상도, 홍대웅, 한치환, 전일수, '나노 결정 SnO2와 백금 박막히터를 이용한 접촉연소식 마이크로 가스 센서의 감응특성 연구', 센서학회지, 제17권, 제3호, pp. 178-182, 2008

원문보기 상세보기
P.T. Moseley and B.C. Tofrield, 'Solid state gas sensors', Electrochemical Society Extended Abstracts,vol. 84, no. 2, pp. 36, 1984
S.Y. Choi, G.H. Lee, J.H.Chung, D.C. Lee, Y. Tabata, T. Kodama, and K. Nishimura, 'A study on the minimum ignition energy measurement of flam- mable gas mixtures due to electrostatic discharge', '96 한국산업안전학회, vol. 11, no. 1, pp. 121-126, 1996

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증