가스센서의 개요와 반도체 가스센서의 제조공정

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1 가스센서의 개요와 반도체 가스센서의 제조공정
담당교수 : 이진휘 교수님 C조 박경민 정동호 한상훈 노영준 구태윤

2 가스센서의 주재료 - SnO2 ① 세라믹스의 특질인 [내열성], [내식성]이 뛰어난 물질.
② 치밀하게 소결하기 힘들고, 다 공 질 체의 반영구적 유지. ③ 공기 중에서는 입자 표면에 산소가스가 흡착되어 있음. ④ 본래 전기를 잘 통하나, 산소흡착 시 전기가 잘 안 통함. ⑤ n형 반도체이므로 움직이기 쉬운 전자를 가졌음.

3 다공질 SnO2 - 구조와 기능

4 가연성 가스의 검출 ① 산화주석의 다 공 질 체를 약 300℃로 가열하여 두면,
프로판가스 등의 가연성 가스의 접근 시, 흡착산소와 가스가 반응. → C3H O2-(흡착산소) = 3 CO2 + 4 H2O + 20 e ② n형 반도체(SnO2)로부터 흡착산소에 빼앗겼던 전자가, 다시 반도체로 되돌아와, SnO2의 전기 전도성을 회복. → 저 항 값의 변화로 가스 검출 ③ 산화주석 가스센서의 가연성 가스 접촉 후, 응답속도와 저항 값의 변화가 크게 변하는 것이 양립 되는 최적온도는 300℃ 부근.

5 귀금속 미립자 촉매 ① 산소가 산화주석 표면에 흡착-탈 착 속도는 300℃ 이하에서는 너무 작음.
② 속도를 크게 하기 위해 산화주석 표면에 백금, 팔 라듐 (palladium) 등의 금속(귀금속 미립자)를 촉매로 가함. ③ 귀금속 미립자는 응답속도를 높여 주고, 가스의 종류에 따라 저항 변화의 양을 변화 시키는 데에도 도움이 됨. → 가스 종류의 선별 가능. → 알코올, 과산화질소(NO x), CO 등에 특별히 감응하는 센서가 개발됨.

6 가스센서의 종류 - 재료별 분류 재 료 이용하는 성질 가스와의 상호작용 변화량 명칭(일반적) 단결정 유기 화합물 액 체
전자의 수수 일 함수 표면준위 이온 반응 팽윤 변화량 전기전도도 전류-전압 특성 용량-전압 특성 용량 변화 명칭(일반적) 유기반도체 가스센서 고분자 전해질 가스센서 습도센서 전기화학식 가스센서 반도체 화학 센서 (CSSD)* 세라믹스 반도체 전해질 다공질 촉매담체 흡착제 이온의 이동 접촉연소 해리 흡착 기전력 온도 표면 이온 전도 반도체 가스 센서 고체 전해질 센서 접촉 연소식 센서 세라믹스 습도센서 저항형 다이오드형 트랜지스터형 흡습성

7 가스센서의 종류 - 검지 가능 가스 센 서 CO CO2 H2S NH3 HCN HC l COCl2 Cl2 NOX SO2 O2
CH4 C3H8 H2 H2O 반도체 가스센서 ○ 고체 전해질 센서 접촉 연소식 센서 반도체 화학센서 ○ △ 유기반도체 가스센서 ○ 전기화학식 센서 ○ 열전도식 가스센서 ○ 고분자 전해질 가스센서 ○ △

8 가스센서의 실용화 요건 ① 검지 감도가 높고 농도의 측정 정밀도가 높아야 함.
② 검지 하려는 가스만을 선택적으로 검지할 수 있고, 공존 가스에 의한 방해나 영향을 받지 않아야 함. ③ 응답 속도가 빠르고 반복 측정을 할 수 있어야 함. → 가역성 ④ 분위기 습도, 온도 등의 변화의 영향을 받지 않고, 경시적으로 안정된 감도를 나타내어야 함.

9 가스센서의 성능 비교 항 목 정밀도 선택성 응답속도 메 인 티 넌 스 경제성 감 도 장기안정성 측정범위 △ ○ ◎ × -
반도체 가스센서 고체전해질 산소센서 접촉 연소식 센서 습도센서 열전도식 전기화학식 화학센서 측정범위 △ ○ ◎ × - 수 p p m ~ LEL 1 p p m ~ 100% 10 p p m ~ 3 LEL 상대습도 1~100% 1~1,000 p p m ○ : 대단히 좋다 ◎ : 좋다 △ : 별로 좋지 않다 × : 나쁘다 * : 중점적 연구 개발 중 LEL : 폭발 하한계 농도 *

10 반도체 가스센서 - 주원료 별 ① SnO2 재 료 검출가스 비 고 환원성 가스 CH4 (350℃) CO (200℃)
n-C4H10 CO NO x SnO2 + Pd, Pt + R h + ThO2 + T i, N b + Na2O + Cr2O3 + 疎水性 실 리 카 감도 발진 현상 음 특성 경보 정밀도 스위치 습도 의존성 후막 소자, 선택성 박막 탄화수소 H2 알코올, 습도 H2S (50℃) H2S + Z n O + 테 트라 에 틸 실 리 케 이 트 + Pd + Pt-Al2O3 + A g + Pd + ThO2 + 다공질수산 아파타이트 + 트리 메 틸 클 로 로 실 란 SnO2 (TGS) 기계적 강도 감도, 선택성 발진 기구

11 반도체 가스센서 - 주원료 별 ② Z n O ③ TiO2 재 료 검출가스 비 고 재 료 검출가스 비 고 환원성 가스 알코올
n-C4H10, C3H8 (200~400℃) 알코올, 습도 Z n O + Pt, Pd + V2O5 + Ag2O + Pt + 다공질 아파타이트 박막 선택성 감도 반응 기구 재 료 검출가스 비 고 O2, CO H2 (실온) 탄화수소 H2S, CH3SH (420℃) TiO2 + V2O5 + Nb2O5 감도 프로 톤 전도 안정성

12 반도체 가스센서 - 주원료 별 ④ Fe2O3 ⑤ 기타 재 료 검출가스 비 고 재 료 검출가스 비 고 환원성 가스 도시가스
LP 가스 C3H8 (350℃) 습도(실온) 가연성 가스 (250℃) α-Fe2O3 γ-Fe2O3 + Pt, I r 응답성, 습도 의존성 안정성 감도 선택성 재 료 검출가스 비 고 O2 (800℃) i-C4H10 (800℃) 가연성 가스 (200~250℃) H2S, NH3 NO2 H2, 탄화수소 CO (실온) Co O Co1-XM g XO Co3O4 WO3 WO3 + Pt In2O3 In2O3 + Pt V2O5 + A g Ag2O 감도 안정성 습도 의존성 선택성

13 반도체 가스센서 - 제작 공정도 방법１ 방법 2

14 반도체 가스센서 - 구조 ① 센서의 구조는 소 결 형과 박 막 형으로 크게 구별됨.
② 소 결형 센서는 앞장의 공정처럼 산화물 분말에 소량의 물 등을 가해 혼 련 해서 만들어지는 감(感)가스 페 이스트를 전극간에 도포나 스크린 인쇄 등으로 붙인 후, 건조, 소결하여 제작. ③ 박막형 센서는 스 패 터 법이나 진공 증 착 법으로 제작. 기판은 알루미나를 사용. 전극은 0.5mm에서 수mm 정도 간격으로 Au를 증 착. 후막은 통상 1,000~10,000Å 정도임.

15 소 결형 센서 - 형태 원통형 후막형 디스크형

16 후막형 센서 - 제작 공정도

17 반도체 가스센서 - 설계도(실례) 모델명 : KGS 101, 102 ㈜ 케이엔씨

18 반도체 가스센서 - 설계도(실례) 모델명 : TO - 39 Type NanoSenTech MICS-2610 MICS-2710

19 반도체 가스센서 - 설계도(실례) 모델명 : SMD Type NanoSenTech MICS-4514

20 고 찰 ① 가스센서의 검지 대상이 되는 가스. → 가연성 가스(H2,CH4), 유독 가스(CO,NO x,H2S,NH3,SO2)
고 찰 ① 가스센서의 검지 대상이 되는 가스. → 가연성 가스(H2,CH4), 유독 가스(CO,NO x,H2S,NH3,SO2) → 불쾌감을 주는 가스(습도,연기,알코올,악취발생가스) → 연소제어에 필요한 산소 ② 가스센서 제조 시, 주재료(SnO2, Z n O 등)의 표면에 가하는 귀금속 미립자에 따라 가스 종류의 선별 가능. ③ 검지 대상 가스를 모두 검지하는 검출방식은 미 발견. ④ 센서 연구의 대부분은 반도체를 사용하는 형식을 채용. ⑤ 가스센서는 사고예방과 쾌적한 생활환경 제공에 도움.

21 나노센텍 : http://nanosentech.co.kr/web/
참고문헌 가스센서와 그 응용 저자 : 김영해 발행처 : 서울기전연구사 발행일 : 1993. 나노센텍 : ㈜ 케이엔씨 :

22 T h e E n d ~ *^^* Thank you