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KR102758502B1 - A hydrogen gas sensor - Google Patents

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KR102758502B1
KR102758502B1 KR1020220081524A KR20220081524A KR102758502B1 KR 102758502 B1 KR102758502 B1 KR 102758502B1 KR 1020220081524 A KR1020220081524 A KR 1020220081524A KR 20220081524 A KR20220081524 A KR 20220081524A KR 102758502 B1 KR102758502 B1 KR 102758502B1
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hydrogen
hydrogen detection
alloy
detection sensor
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김기범
정승환
김재정
추성일
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정의수
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주식회사 엠엔텍
덕우전자주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되고 내부에 히터 및 온도센서를 포함하는 절연층; 상기 절연층 상면에 형성되고, 수소 흡착에 의하여 전기 저항이 가역적으로 변하는 촉매금속과 전이금속의 합금으로 이루어지는 수소감지부;를 포함하고, 상기 수소감지부는 제1 합금층 및 상기 제2 합금층 상부에 적층 형성되는 제2 합금층을 포함하되, 상기 제1 합금층의 전이금속과 제2 합금층의 전이금속은 상호 이종이다.According to one embodiment of the present invention, a hydrogen detection sensor comprises: a substrate; an insulating layer disposed on an upper portion of the substrate and including a heater and a temperature sensor therein; a hydrogen detection unit formed on an upper surface of the insulating layer and made of an alloy of a catalytic metal and a transition metal, the electrical resistance of which reversibly changes by hydrogen adsorption; and the hydrogen detection unit comprises a first alloy layer and a second alloy layer laminated on an upper portion of the second alloy layer, wherein the transition metal of the first alloy layer and the transition metal of the second alloy layer are mutually different.

Description

수소검출센서{A HYDROGEN GAS SENSOR}Hydrogen detection sensor {A HYDROGEN GAS SENSOR}

본 발명은 수소검출센서에 관한 것으로, 구체적으로는 수소가 금속에 침투 및 흡착 시 해리되면서 발생하는 저항변화를 이용하여 수소를 검출할 수 있는 수소검출센서에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen detection sensor, and more particularly, to a hydrogen detection sensor capable of detecting hydrogen by utilizing a change in resistance that occurs when hydrogen dissociates upon penetration and adsorption into a metal.

최근 친환경 에너지에 대한 관심도가 높아지고 있는 상황에서 수소가 클린 에너지로서 가장 유망한 신재생 에너지 자원 중 하나로서 고려되고 있다.As interest in eco-friendly energy is increasing, hydrogen is being considered as one of the most promising renewable energy resources as clean energy.

그러나 수소는 화염속도가 가장 빨라서 공기 중에 소량이라도 누출되면 조그만 착화열에도 쉽게 폭발하는 치명적인 단점 때문에 화석연료와 같이 널리 이용되려면 수소 누출사고에 대한 안전을 보장할 수 있는 수소검출센서의 사용이 필연적이다. However, hydrogen has the fastest flame speed, so if even a small amount leaks into the air, it can easily explode with a small amount of ignition heat, which is a fatal flaw. Therefore, if hydrogen is to be widely used like fossil fuels, the use of a hydrogen detection sensor that can ensure safety against hydrogen leak accidents is essential.

특히, 수소 연료 자동차의 상용화가 가속화되면서 수소가스 폭발사고 위험을 방지하고 안전을 보장하기 위해서 필연적으로 사용되는 고감도 수소검출센서 개발에 대한 중요성이 더욱 커지고 있다. In particular, as the commercialization of hydrogen fuel cell vehicles accelerates, the importance of developing high-sensitivity hydrogen detection sensors that are inevitably used to prevent hydrogen gas explosion accidents and ensure safety is increasing.

수소검출센서는 수소가스를 검지하고 수소가스 농도에 비례하여 이에 상응하는 크기의 전기적 신호를 발생할 수 있는 트랜스듀서(transducer) 소자라고 할 수 있다.A hydrogen detection sensor can be said to be a transducer element that can detect hydrogen gas and generate an electrical signal of a size proportional to the hydrogen gas concentration.

특히, MEMS와 같은 실리콘 공정기술이 적용됨으로써 획기적인 센서기술의 진척이 이루어졌고, 마이크로 크기의 초소형 센서 플랫폼 제작, 높은 가스 감도와 빠른 반응속도 및 센서소자의 소비전력을 크게 감소시키는 등 많은 장점을 가진 다양한 방식의 수소검출센서가 제안되고 있다.In particular, groundbreaking sensor technology has been advanced by applying silicon process technologies such as MEMS, and various types of hydrogen detection sensors with many advantages, such as the production of micro-sized ultra-small sensor platforms, high gas sensitivity, fast response speed, and greatly reduced power consumption of sensor elements, are being proposed.

이중 나노 팔라듐 박막을 이용하여 수소의 흡착과 침투에 의한 저항 변화에 기초하여 수소의 농도를 검출할 수 있는 수소검출센서는 감지대상 가스에 대한 선택성, 민감도 및 반응속도가 우수하다는 장점이 있는 센서로서, 반응속도의 추가 향상에 대한 요구가 높아지고 있는 상황이다. A hydrogen detection sensor that can detect the concentration of hydrogen based on the change in resistance due to hydrogen adsorption and penetration using a double nano palladium thin film is a sensor that has the advantages of excellent selectivity, sensitivity, and response speed for the target gas, and there is an increasing demand for further improvement in the response speed.

본 발명의 일 실시예에 따른 상술한 수소검출센서의 요구사항을 반영하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다. In order to reflect the requirements of the above-described hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention, the following problems are aimed at being solved.

종래 대비 수소감지 반응속도가 향상된 수소검출센서를 제공하는 것이다. The purpose is to provide a hydrogen detection sensor with an improved hydrogen detection reaction speed compared to conventional sensors.

또한, 히터의 전력 효율이 개선된 수소검출센서를 제공하는 것이다. In addition, a hydrogen detection sensor with improved heater power efficiency is provided.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary knowledge in the relevant technical field from the description below.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는, 기판; 상기 기판의 상부에 배치되고 내부에 히터 및 온도센서를 포함하는 절연층; 상기 절연층 상면에 형성되고, 수소 흡착에 의하여 전기 저항이 가역적으로 변하는 촉매금속과 전이금속의 합금으로 이루어지는 수소감지부;를 포함하고, 상기 수소감지부는 제1 합금층 및 상기 제2 합금층 상부에 적층 형성되는 제2 합금층을 포함하되, 상기 제1 합금층의 전이금속과 제2 합금층의 전이금속은 상호 이종이다.According to one embodiment of the present invention, a hydrogen detection sensor comprises: a substrate; an insulating layer disposed on an upper portion of the substrate and including a heater and a temperature sensor therein; a hydrogen detection unit formed on an upper surface of the insulating layer and made of an alloy of a catalytic metal and a transition metal, the electrical resistance of which reversibly changes by hydrogen adsorption; and the hydrogen detection unit comprises a first alloy layer and a second alloy layer laminated on an upper portion of the second alloy layer, wherein the transition metal of the first alloy layer and the transition metal of the second alloy layer are mutually different.

상기 촉매금속은 팔라듐(Pd)을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that the above catalytic metal contains palladium (Pd).

상기 제1 합금층의 전이금속은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제2 합금층의 전이금속은 금(Au)을 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that the transition metal of the first alloy layer includes nickel (Ni), and the transition metal of the second alloy layer includes gold (Au).

상기 제1 합금층은 복수 개의 합금라인이 미리 설정된 방향을 따라서 형성된 라인패턴이고, 상기 제2 합금층은 상기 복수 개의 합금라인 상부에 적층 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the first alloy layer is a line pattern in which a plurality of alloy lines are formed along a preset direction, and the second alloy layer is formed in a laminated manner on top of the plurality of alloy lines.

상기 제2 합금층의 두께는 상기 제1 합금층의 두께보다 작도록 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the thickness of the second alloy layer be formed to be smaller than the thickness of the first alloy layer.

상기 제1 합금층의 두께는 10nm 이상 60nm 이하의 두께로 형성되고, 상기 제2 합금층은 1nm 이상 5nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the first alloy layer be formed to have a thickness of 10 nm or more and 60 nm or less, and the second alloy layer be formed to have a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less.

상기 기판의 하부가 미리 설정된 형상으로 식각되어 식각영역을 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable that the lower part of the above substrate is etched into a preset shape to form an etching area.

상기 식각영역은 상기 기판의 일측 및 타측 사이의 중간부에 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the above etching area be formed in the middle portion between one side and the other side of the substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는 수소감지부로 Pd-Ni 합금 및 Pd-Au 합금을 함께 적용함으로써 고농도에서의 수소 감지 안정성을 담보하는 동시에 수소감지 반응속도를 함께 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. A hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention can be expected to have the effect of ensuring hydrogen detection stability at high concentrations while simultaneously improving the hydrogen detection response speed by applying a Pd-Ni alloy and a Pd-Au alloy together as a hydrogen detection unit.

또한, 기판의 하부에 식각영역을 형성함으로써 히터에서 발생되는 열전도성을 개선함으로써 히터의 전력 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다. In addition, by forming an etched area at the lower part of the substrate, it is expected that the power efficiency of the heater can be improved by improving the thermal conductivity generated from the heater.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서의 단면을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 1% 수소농도에 대한 수소 반응속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 3은 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 1% 수소농도에 대한 수소가스 제거 후 회복속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 4는 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 4% 수소농도에 대한 수소 반응속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 5는 23℃ 환경 하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 종래 수소검출센서에서의 4% 수소농도에 대한 수소가스 제거 후 회복속도를 비교 도시한 그래프이다.
도 6은 제1 합금층 형성에 대한 추가 실시예를 설명하기 위한 수소검출센서의 평면도이다.
도 7은 도 6의 A-A’부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소검출센서의 단면을 간략히 도시한 도면이다
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소검출센서에서 식각영역의 깊이에 따른 열전도 모델링 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 모델링 결과에 기초하여 산출된 열전도율의 그래프이다.
FIG. 1 is a drawing schematically illustrating a cross-section of a hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph comparing the hydrogen response speed for 1% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
FIG. 3 is a graph comparing the recovery speed after hydrogen gas removal for 1% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
FIG. 4 is a graph comparing the hydrogen response speed for a 4% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
FIG. 5 is a graph comparing the recovery speed after hydrogen gas removal for 4% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention and a conventional hydrogen detection sensor under a 23°C environment.
Figure 6 is a plan view of a hydrogen detection sensor for explaining an additional example of forming a first alloy layer.
Figure 7 is a cross-sectional view of section A-A' of Figure 6.
FIG. 8 is a drawing schematically illustrating a cross-section of a hydrogen detection sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating the results of thermal conductivity modeling according to the depth of an etching area in a hydrogen detection sensor according to another embodiment of the present invention.
Figure 10 is a graph of thermal conductivity calculated based on the modeling results of Figure 9.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Regardless of the drawing symbols, identical or similar components will be given the same reference numerals and redundant descriptions thereof will be omitted.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In addition, when describing the present invention, if it is judged that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, it should be noted that the attached drawings are only intended to facilitate easy understanding of the idea of the present invention, and should not be construed as limiting the idea of the present invention by the attached drawings.

이하 본 발명에 따른 수소검출센서를 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a hydrogen detection sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(100), 절연층(200) 및 수소감지부(300)를 포함하도록 구성된다.A hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention is configured to include a substrate (100), an insulating layer (200), and a hydrogen detection unit (300) as illustrated in FIG. 1.

기판(100)은 후술할 절연층(200) 및 수소감지부(300)를 지지해주는 구성으로, 다양한 재료 및 구조의 기판이 사용될 수 있고, 종이, 고분자, 글라스, 금속, 세라믹 등으로 이루어진 기판이 사용될 수 있으며, 특히 실리콘 기판인 것이 바람직하지만 그 재료 및 구조가 특별히 제한되지 않는다.The substrate (100) is configured to support the insulating layer (200) and hydrogen detection unit (300) to be described later. A substrate of various materials and structures can be used. A substrate made of paper, polymer, glass, metal, ceramic, etc. can be used. In particular, a silicon substrate is preferable, but the material and structure are not particularly limited.

절연층(200)은 기판(100) 상에 형성되는 구성으로, 내부에 히터(210) 및 온도센서(220)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 특히 히터(210)의 고온 발열시에도 화학적 변화가 적은 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 절연층(200)은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정을 통하여 형성된 실리콘 질화막(Silicon Nitride)으로 형성될 수 있다.The insulating layer (200) is formed on a substrate (100) and may be configured to include a heater (210) and a temperature sensor (220) therein. In particular, it is preferable to form the insulating layer (200) with a material that undergoes little chemical change even when the heater (210) is heated at a high temperature. The insulating layer (200) may be formed with a silicon nitride film formed through a CVD (Chemical Vapor Deposition) process.

상술한 바와 같이 절연층(200)은 내부에 전원 인가를 통하여 열을 발생시키는 히터(210) 및 수소검출센서의 온도를 검출하기 위한 온도센서(220)를 포함한다.As described above, the insulating layer (200) includes a heater (210) that generates heat by applying power thereto and a temperature sensor (220) for detecting the temperature of the hydrogen detection sensor.

수소검출센서는 온도가 상승하면 반응 속도가 증가하고 감도가 낮아지는 등 온도 및 습도 등 외부 환경에 의한 영향을 받기 때문에 온도센서(220)에서 검출한 온도에 기초하여 히터(210)를 실시간 제어함으로써 사용 목적 및 환경에 따라 수소검출센서의 적절한 온도 유지가 가능하게 된다. Since the hydrogen detection sensor is affected by external environments such as temperature and humidity, such that the reaction speed increases and the sensitivity decreases as the temperature rises, it is possible to maintain an appropriate temperature of the hydrogen detection sensor according to the purpose of use and environment by controlling the heater (210) in real time based on the temperature detected by the temperature sensor (220).

아울러 히터(210) 및 온도센서(220)와 기판(100) 간의 절연을 위하여, 히터(210), 온도센서(220)와 기판(100) 과의 계면에는 추가적인 절연층(120)을 마련하는 것이 바람직하다.In addition, in order to insulate between the heater (210), the temperature sensor (220), and the substrate (100), it is preferable to provide an additional insulating layer (120) at the interface between the heater (210), the temperature sensor (220), and the substrate (100).

수소감지부(300)는 절연층(200) 상부에 형성되어 수소 농도에 따른 전기 저항을 측정하는 기능을 수행하는 구성이고, 수소감지부(300)의 단부에는 복수 개의 수소감지전극(미도시)이 배치될 수 있다.The hydrogen detection unit (300) is formed on the upper part of the insulating layer (200) and is configured to perform the function of measuring electrical resistance according to hydrogen concentration, and a plurality of hydrogen detection electrodes (not shown) may be arranged at the end of the hydrogen detection unit (300).

이러한 수소감지전극은 수소감지부(300)와 접촉할 수 있도록 구성되며 도전성 물질, 예를 들면, 금속으로 형성될 수 있고 그 형상이나 구조가 특별히 제한되지 않는다.These hydrogen-sensing electrodes are configured to be in contact with the hydrogen-sensing unit (300) and can be formed of a conductive material, for example, a metal, and their shape or structure is not particularly limited.

상술한 수소감지전극 이외에 수소검출센서는 히터(210) 및 온도센서(220)와의 전기적 연결을 위한 온도센서 전극 및 히터 전극을 구비하는데, 이러한 온도센서 전극 및 히트 전극은 제어유닛과 전기적으로 도통되도록 구성된다.In addition to the hydrogen detection electrode described above, the hydrogen detection sensor is provided with a temperature sensor electrode and a heater electrode for electrical connection with a heater (210) and a temperature sensor (220), and the temperature sensor electrode and the heater electrode are configured to be electrically connected to the control unit.

특히 수소감지부(300)는 수소의 흡착량이 증가할수록 전기 저항이 변화하는 촉매금속 및 전이금속의 합금 물질로 형성될 수 있는데 촉매금속으로는 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등을 포함할 수 있고, 상기 전이금속으로는 촉매금속의 결정상 변태를 억제시킬 수 있는 니켈(Ni), 마그네슘(Mg), 금(Au) 등을 포함할 수 있다.In particular, the hydrogen detection unit (300) can be formed of an alloy material of a catalytic metal and a transition metal, the electric resistance of which changes as the amount of hydrogen adsorption increases. The catalytic metal can include palladium (Pd), platinum (Pt), etc., and the transition metal can include nickel (Ni), magnesium (Mg), gold (Au), etc., which can suppress the crystal phase transformation of the catalytic metal.

한편, 순수 팔라듐은 수소를 흡착하는 능력이 강하고 상기 팔라듐의 결정상 중 알파(α) 상은 수소의 흡착량에 비례하여 전기 저항이 가역적으로 변할 수 있어서 수소 검출 물질로 일반적으로 사용되고 있으나, 수소의 흡착량이 지나치게 증가하는 경우, 즉 4% 이상의 고농도 수소에 노출되는 경우에는 결정상이 베타(β) 상으로 변태되는 문제점이 있다. Meanwhile, pure palladium has a strong ability to adsorb hydrogen, and among the crystal phases of palladium, the alpha (α) phase can reversibly change electrical resistance in proportion to the amount of hydrogen adsorbed, so it is generally used as a hydrogen detection material. However, when the amount of hydrogen adsorbed increases excessively, that is, when exposed to a high concentration of hydrogen of 4% or more, there is a problem that the crystal phase transforms into the beta (β) phase.

상기 베타(β) 상의 팔라듐은 수소의 흡착량이 증가하는 경우 전기 저항이 일정한 값으로 수렴하는 특성을 가져서 수소 검출 물질로 사용될 수 없을 뿐만 아니라 알파(α) 상에서 베타(β) 상으로 변태될 때 부피 팽창을 수반하므로 가역적인 수소와의 반응에 의해 내부에 균열 또는 파단이 발생하여 수소 감지부(300)의 내구성 및 수명을 저하시키는 문제점이 있다.The above beta (β) phase palladium has a characteristic in which the electrical resistance converges to a constant value when the amount of hydrogen adsorption increases, so it cannot be used as a hydrogen detection material. In addition, when it transforms from the alpha (α) phase to the beta (β) phase, it undergoes volume expansion, so there is a problem in that cracks or fractures occur internally due to a reversible reaction with hydrogen, which reduces the durability and lifespan of the hydrogen detection unit (300).

따라서 수소감지부(300)는 촉매금속인 팔라듐과 전이금속인 니켈 또는 마그네슘의 합금으로 형성되는 것이 바람직하며, 이때 알파(α) 상의 팔라듐이 니켈이나 마그네슘과 합금화되는 경우 상변태가 억제되어 고농도의 수소에 노출되더라도 알파(α) 상에서 베타(β) 상으로 변태되는 것을 방지할 수 있고, 그 결과, 팔라듐과 니켈의 합금을 수소 검출 물질로 사용하는 경우 고농도의 수소를 감지할 수 있다.Therefore, it is preferable that the hydrogen detection unit (300) be formed of an alloy of palladium, which is a catalytic metal, and nickel or magnesium, which is a transition metal. In this case, when palladium in the alpha (α) phase is alloyed with nickel or magnesium, phase transformation is suppressed, so that even when exposed to a high concentration of hydrogen, transformation from the alpha (α) phase to the beta (β) phase can be prevented. As a result, when the alloy of palladium and nickel is used as a hydrogen detection material, a high concentration of hydrogen can be detected.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소감지부(300)는 제1 합금층(310) 및 제1 합금층(310)의 상부에 적층 형성되는 제2 합금층(320)으로 구성된다.Meanwhile, a hydrogen detection unit (300) according to one embodiment of the present invention is composed of a first alloy layer (310) and a second alloy layer (320) laminated on top of the first alloy layer (310).

이때 제1 합금층(310)은 상술한 바와 같이 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 이루어지고, 제2 합금층(320)은 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. At this time, it is preferable that the first alloy layer (310) is made of an alloy of palladium (Pd) and nickel (Ni) as described above, and the second alloy layer (320) is made of an alloy of palladium (Pd) and gold (Au).

이는 수소감지부(300)로 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni) 합금 적용시 고농도 수소 감지 안정성은 높지만 추가적으로 수소감지 반응 속도를 향상시키기 위하여 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 이루어지는 제1 합금층(310) 상부에 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어진 제2 합금층(320)을 적층 형성하며, 여기에서 제2 합금층(320)은 continuous한 layer로 형성될 수 있으나, 랜덤한 island type의 layer로 형성되는 것도 가능할 것이다.When a palladium (Pd) and nickel (Ni) alloy is applied to a hydrogen detection unit (300), the stability of high-concentration hydrogen detection is high, but in order to additionally improve the hydrogen detection reaction speed, a second alloy layer (320) made of an alloy of palladium (Pd) and gold (Au) is laminated and formed on top of a first alloy layer (310) made of an alloy of palladium (Pd) and nickel (Ni). Here, the second alloy layer (320) can be formed as a continuous layer, but it may also be formed as a random island type layer.

상술한 제2 합금층(320)의 추가 형성에 의한 효과를 확인하기 위하여 수소농도가 1%인 상황 및 수소농도가 4%인 상황에서 제2 합금층(320)을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 수소감지부(300)의 저항 변화량, 반응시간 및 회복시간을 확인한 결과는 하기 <표 1>과 같다.In order to verify the effect of additional formation of the second alloy layer (320) described above, the resistance change, response time, and recovery time of the hydrogen detection unit (300) were verified when the second alloy layer (320) was applied and not applied in situations where the hydrogen concentration was 1% and 4%, respectively. The results are as shown in <Table 1> below.

H2
농도
H 2
density
저항 변화량(Ω)Resistance change (Ω) 반응시간(s)Reaction time (s) 회복시간(s)Recovery time (s)
No.1 No.1 No.2No.2 No.3No.3 No.1No.1 No.2No.2 No.3No.3 No.1No.1 No.2No.2 No.3No.3 0.1%0.1% 1.31.3 1.71.7 0.60.6 5555 2525 5555 100100 6060 55 0.3%0.3% 2.02.0 2.52.5 0.840.84 2626 15.115.1 7.17.1 100100 5050 66 0.5%0.5% 2.52.5 3.13.1 1.171.17 18.518.5 9.49.4 3.73.7 8585 4545 8.68.6 1%1% 3.73.7 4.04.0 1.621.62 1111 6.56.5 3.03.0 6868 3535 6.26.2 2%2% 5.15.1 5.55.5 2.292.29 9.09.0 4.64.6 2.12.1 5959 2828 44 3%3% 6.16.1 6.56.5 2.962.96 7.27.2 3.73.7 1.81.8 5050 2525 3.73.7 4%4% 7.07.0 7.47.4 3.233.23 5.65.6 3.43.4 1.01.0 4545 2020 3.53.5

상기 표 1에서, No.1은 상온(22~23℃) 하에서 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 구성된 제1 합금층(310)만 형성한 수소검출센서이고, No.2는 상온(22~23℃) 하에서 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 구성된 제1 합금층(310) 에 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어진 제2 합금층(320)을 추가 형성한 수소검출센서이고, No.3은 80℃ 하에서 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)의 합금으로 구성된 제1 합금층(310) 에 팔라듐(Pd) 및 금(Au)의 합금으로 이루어진 제2 합금층(320)을 추가 형성한 수소검출센서이다.In the above Table 1, No. 1 is a hydrogen detection sensor in which only a first alloy layer (310) composed of an alloy of palladium (Pd) and nickel (Ni) is formed at room temperature (22 to 23°C), No. 2 is a hydrogen detection sensor in which a second alloy layer (320) composed of an alloy of palladium (Pd) and gold (Au) is additionally formed on the first alloy layer (310) composed of an alloy of palladium (Pd) and nickel (Ni) at room temperature (22 to 23°C), and No. 3 is a hydrogen detection sensor in which a second alloy layer (320) composed of an alloy of palladium (Pd) and gold (Au) is additionally formed on the first alloy layer (310) composed of an alloy of palladium (Pd) and nickel (Ni) at 80°C.

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이 제1 합금층(310) 상에 제2 합금층(320)을 추가 형성한 No.2 수소검출센서의 경우, 제1 합금층(310)만을 적용한 No.1 수소검출센서 대비 저항 변화량이 1% 이하의 수소 농도 하에서는 20 ~ 30% 상승한 것으로 확인되며, 1% 이상의 농도에서는 6 ~ 8% 상승한 것으로 확인되며, 이를 통하여 제2 합금층(320)을 적용할 경우 민감도(농도변화에 따른 신호변화)는 제2 합금층(320)을 적용하지 않은 경우 대비 유사하거나 다소 증가되는 것으로 파악된다.As confirmed in the above Table 1, in the case of the No. 2 hydrogen detection sensor in which the second alloy layer (320) is additionally formed on the first alloy layer (310), the resistance change is confirmed to increase by 20 to 30% at a hydrogen concentration of 1% or less, and by 6 to 8% at a concentration of 1% or more, compared to the No. 1 hydrogen detection sensor to which only the first alloy layer (310) is applied. Through this, it is understood that when the second alloy layer (320) is applied, the sensitivity (signal change according to concentration change) is similar to or slightly increased compared to when the second alloy layer (320) is not applied.

또한 수소반응시간의 경우 No.2 수소검출센서가 No.1 수소검출센서 대비 40 ~ 50% 감소하고, 회복시간 또한 No.2 수소검출센서가 No.1 수소검출센서 대비 40 ~ 50% 감소한 것으로 확인된다. In addition, in terms of hydrogen response time, the No. 2 hydrogen detection sensor was confirmed to be reduced by 40 to 50% compared to the No. 1 hydrogen detection sensor, and the recovery time was also confirmed to be reduced by 40 to 50% compared to the No. 1 hydrogen detection sensor.

상술한 내용은 23℃ 및 1%의 수소농도의 환경 하에서, 제1 합금층(310) 및 제2 합금층(320)을 함께 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 제1 합금층(310)만을 적용한 종래의 수소검출센서의 저항 변화량, 수소 반응속도 및 회복속도를 비교 도시한 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있다.The above-described contents can be confirmed in FIGS. 2 and 3, which compare the resistance change amount, hydrogen reaction speed, and recovery speed of a hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention to which the first alloy layer (310) and the second alloy layer (320) are applied together and a conventional hydrogen detection sensor to which only the first alloy layer (310) is applied, under an environment of 23°C and a hydrogen concentration of 1%.

아울러 도 4 및 도 5는 23℃ 환경 하에서 제1 합금층(310) 및 제2 합금층(320)을 함께 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서와 제1 합금층(310)만을 적용한 종래의 수소검출센서에서 4% 수소농도에 대한 저항 변화량, 수소 반응속도 및 회복속도를 비교한 그래프이며, 상술한 바와 같이 고농도의 수소 검출시에도 제1 합금층(310) 및 제2 합금층(320)을 함께 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서의 수소반응속도 및 회복속도가 제1 합금층(310)만을 적용한 종래의 수소검출센서 대비 감소함을 확인할 수 있다.In addition, FIGS. 4 and 5 are graphs comparing the resistance change, hydrogen reaction speed, and recovery speed for 4% hydrogen concentration in a hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention to which the first alloy layer (310) and the second alloy layer (320) are applied together and a conventional hydrogen detection sensor to which only the first alloy layer (310) is applied under a 23°C environment, and as described above, it can be confirmed that the hydrogen reaction speed and recovery speed of the hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention to which the first alloy layer (310) and the second alloy layer (320) are applied together are reduced compared to the conventional hydrogen detection sensor to which only the first alloy layer (310) is applied even when detecting high concentrations of hydrogen.

상기 내용들을 고려해 볼 때, 제1 합금층(310) 상부에 제2 합금층(320)을 적층 형성할 경우, 수소검출센서의 민감도의 저하가 발생하지 않는 동시에 반응속도가 2배 이상 개선된 것을 확인할 수 있다.Considering the above contents, it can be confirmed that when the second alloy layer (320) is laminated and formed on top of the first alloy layer (310), the sensitivity of the hydrogen detection sensor does not decrease and the response speed is improved by more than twice.

나아가 상온이 아닌 고온(80℃) 하에서의 제1 합금층(310) 상에 제2 합금층(320)을 추가 형성한 No.3 수소검출센서의 경우 제2 합금층(320)을 추가 형성하지 않은 수소검출센서 대비 저항 변화량은 55 ~ 65%가 상승한 것으로 확인되며, 반응시간 및 회복시간은 각각 50 ~ 60% 및 80 ~ 90%가 감소한 것으로 확인되며, 이를 통하여 상온 뿐만 아니라 고온 하에서도 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서의 성능이 종래 수소검출센서 대비 향상됨을 알 수 있다.Furthermore, in the case of the No. 3 hydrogen detection sensor in which a second alloy layer (320) is additionally formed on the first alloy layer (310) at a high temperature (80°C) rather than at room temperature, it is confirmed that the resistance change increases by 55 to 65% compared to the hydrogen detection sensor in which the second alloy layer (320) is not additionally formed, and the response time and recovery time are confirmed to decrease by 50 to 60% and 80 to 90%, respectively. Through this, it can be seen that the performance of the hydrogen detection sensor according to an embodiment of the present invention is improved compared to the conventional hydrogen detection sensor not only at room temperature but also at high temperatures.

제2 합금층(320)의 두께는 제1 합금층(310)의 두께보다 작도록 형성되는 것이 바람직하며, 이때 제1 합금층(310)의 두께는 continuous한 박막이 이루어지는 가장 작은 두께인 10nm 이상 60nm 이하의 두께로 형성되고, 제2 합금층(320)의 두께는 1nm 이상 5nm 이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the thickness of the second alloy layer (320) be formed to be smaller than the thickness of the first alloy layer (310). At this time, the thickness of the first alloy layer (310) is formed to a thickness of 10 nm or more and 60 nm or less, which is the smallest thickness at which a continuous thin film is formed, and the thickness of the second alloy layer (320) is formed to a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less.

아울러 제2 합금층(320)의 경우 continuous한 레이어로 형성될 수 있으나 랜덤한 island type의 레이어로 형성하는 것도 가능하며, 미세입자 형태의 Ni-Au를 제1 합금층(310)의 상부에 흩뿌리는 과정을 통하여 제2 합금층(320)을 형성할 수 있다. In addition, the second alloy layer (320) can be formed as a continuous layer, but it is also possible to form it as a random island type layer, and the second alloy layer (320) can be formed through a process of scattering Ni-Au in the form of fine particles on top of the first alloy layer (310).

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소검출센서는 도 1에 도시된 바와 같이 단일 면적의 박막으로 구성될 수 있으나, 반응성을 높이기 위하여 제1 합금층(310)을 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 얇은 선폭을 구비한 복수 개의 합금라인으로 구성된 라인패턴 또는 복수 개의 나노 와이어(Nano Wire) 패턴으로 형성하고, 제2 합금층(320)을 복수 개의 합금라인 상부에 적층 형성할 수 있다.Meanwhile, a hydrogen detection sensor according to one embodiment of the present invention may be formed of a single-area thin film as illustrated in FIG. 1, but in order to increase reactivity, the first alloy layer (310) may be formed as a line pattern composed of a plurality of alloy lines having a thin line width as illustrated in FIGS. 6 and 7 or as a plurality of nano wire patterns, and the second alloy layer (320) may be formed by laminating the plurality of alloy lines.

이때 제1 합금층(310)을 구성하는 합금라인의 일측 및 타측을 각각 다른 수소감지전극과 각각 연결되도록 구성하고, 이러한 복수 개의 합금 라인이 가급적 상호 단락되지 않도록 구성한다.At this time, one side and the other side of the alloy line constituting the first alloy layer (310) are configured to be respectively connected to different hydrogen sensing electrodes, and these multiple alloy lines are configured so as not to be mutually short-circuited as much as possible.

이 경우 제1 합금층(310)과 수소와 접촉할 수 있는 표면적이 넓어지게 되며, 즉 수소가 합금라인의 상면 및 측면으로 확산해 들어가기 때문에 수소에 의한 각 합금라인의 저항 변화가 작은 수소농도 하에서도 크게 나타나고 나아가 수소의 확산 속도도 빠르다는 효과가 있다.In this case, the surface area that can come into contact with the first alloy layer (310) and hydrogen is expanded, that is, hydrogen diffuses into the upper and side surfaces of the alloy lines, so that the change in resistance of each alloy line due to hydrogen is large even at a low hydrogen concentration, and furthermore, the diffusion speed of hydrogen is also fast.

또한 각 합금라인이 병렬로 배치되어 병렬저항으로써 기능하며, 이로 인하여 제1 합금층(310)의 전체저항은 하기 수식 1과 같이 산출되게 되므로, 제1 합금층(310) 형성 과정에서 한 두개의 합금라인이 끊어지거나 잘못 형성되더라도 전체 저항의 변화를 쉽게 읽을 수 있게 된다는 효과를 기대할 수 있다.In addition, since each alloy line is arranged in parallel and functions as a parallel resistor, the overall resistance of the first alloy layer (310) is calculated as in Equation 1 below. Therefore, even if one or two alloy lines are broken or incorrectly formed during the formation of the first alloy layer (310), it is expected that the change in the overall resistance can be easily read.

<수식 1><Formula 1>

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 + … + 1/Rn 1/R = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 + 1/R 4 + … + 1/ Rn

(여기에서 R은 제1 합금층의 전체 저항이고, R1, R2, R3, R4 … Rn은 각 합금라인의 개별 저항임)(Here, R is the total resistance of the first alloy layer, and R 1 , R 2 , R 3 , R 4 … R n are the individual resistances of each alloy line.)

한편, 상술한 절연층(200)의 히터(210)의 경우 전력의 공급에 의하여 발열되도록 구성되는데, 이때 히터(210)의 발열을 위한 전력 공급을 최소화하는 것이 중요하다. Meanwhile, in the case of the heater (210) of the above-described insulating layer (200), it is configured to generate heat by supplying power, and at this time, it is important to minimize the power supply for heat generation of the heater (210).

이를 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소검출센서는 도 8에 도시된 바와 같이 기판(100)의 하부에 미리 설정된 형상으로 식각되어 식각영역(110)을 형성하도록 구성될 수 있다.To this end, a hydrogen detection sensor according to another embodiment of the present invention may be configured to form an etching area (110) by etching a lower portion of a substrate (100) in a preset shape, as shown in FIG. 8.

이러한 식각영역(110)은 기판(100)의 일측 및 타측 사이의 중간부에 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 식각영역(110)에 의하여 수소검출센서의 전체적인 부피가 줄어들게 되고, 결국 수소감지부(300)의 열용량 및 열전도성이 줄어들고, 수소검출센서의 소자 바닥으로 소실되는 열을 감쇠시킴으로써 히터(210)의 열 효율을 개선할 수 있게 된다.It is preferable that this etching region (110) be formed in the middle portion between one side and the other side of the substrate (100), and the overall volume of the hydrogen detection sensor is reduced by this etching region (110), which ultimately reduces the heat capacity and thermal conductivity of the hydrogen detection unit (300), and improves the heat efficiency of the heater (210) by attenuating the heat dissipated to the bottom of the element of the hydrogen detection sensor.

특히 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 식각영역(110)의 깊이가 깊어질수록 열효율이 개선되는 것으로 확인되며, 이를 통하여 수소검출센서의 전체적인 전력효율을 극대화할 수 있다.In particular, as shown in FIGS. 9 and 10, it is confirmed that the thermal efficiency improves as the depth of the etching area (110) increases, and through this, the overall power efficiency of the hydrogen detection sensor can be maximized.

아울러 본 발명에 따른 수소검출센서는, 수소감지부(300), 히터(210) 및 온도센서(220) 중 적어도 하나와 연결되어 수소감지부(300)의 전기적 저항 변화를 측정하고 분석하는 제어유닛을 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen detection sensor according to the present invention may further include a control unit that is connected to at least one of the hydrogen detection unit (300), the heater (210), and the temperature sensor (220) to measure and analyze the electrical resistance change of the hydrogen detection unit (300).

이러한 제어유닛은 수소검출센서의 기판(100)과 일체로 형성될 수도 있으며, 또는 독립적으로 형성될 수도 있으며, 나아가 제어유닛의 일부 구성만을 독립적으로 형성하는 것도 가능할 것이다.This control unit may be formed integrally with the substrate (100) of the hydrogen detection sensor, or may be formed independently, and further, it may be possible to form only a part of the control unit independently.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다. Above, although the present invention has been described in detail using preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those who have acquired common knowledge in this technical field should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

100: 기판
110: 식각영역
200: 절연층
210: 히터
220: 온도센서
300: 수소감지부
310: 제1 합금층
320: 제2 합금층
100: Substrate
110: Etching area
200: Insulation layer
210: Heater
220: Temperature sensor
300: Hydrogen detection unit
310: First alloy layer
320: Second alloy layer

Claims (7)

기판;
상기 기판의 상부에 배치되고 내부에 히터 및 온도센서를 포함하는 절연층; 및
상기 절연층 상면에 형성되고, 수소 흡착에 의하여 전기 저항이 가역적으로 변하는 촉매금속과 전이금속의 합금으로 이루어지는 수소감지부;
를 포함하고,
상기 수소감지부는 제1 합금층 및 상기 제1 합금층 상부에 적층 형성되는 제2 합금층을 포함하되, 상기 제1 합금층의 전이금속과 제2 합금층의 전이금속은 상호 이종인 것을 특징으로 하며,
상기 촉매금속은 팔라듐(Pd)을 포함하며,
상기 제1 합금층의 전이금속은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제2 합금층의 전이금속은 금(Au)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
substrate;
An insulating layer disposed on the upper portion of the substrate and including a heater and a temperature sensor therein; and
A hydrogen sensing part formed on the upper surface of the insulating layer and made of an alloy of a catalytic metal and a transition metal, the electrical resistance of which reversibly changes by hydrogen adsorption;
Including,
The above hydrogen detection unit includes a first alloy layer and a second alloy layer laminated on top of the first alloy layer, wherein the transition metal of the first alloy layer and the transition metal of the second alloy layer are mutually different.
The above catalyst metal includes palladium (Pd).
A hydrogen detection sensor, characterized in that the transition metal of the first alloy layer includes nickel (Ni), and the transition metal of the second alloy layer includes gold (Au).
청구항 1에 있어서,
상기 제1 합금층은 복수 개의 합금라인이 미리 설정된 방향을 따라서 형성된 라인패턴이고,
상기 제2 합금층은 상기 복수 개의 합금라인 상부에 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
The above first alloy layer is a line pattern in which a plurality of alloy lines are formed along a preset direction,
A hydrogen detection sensor, characterized in that the second alloy layer is formed in a laminated manner on top of the plurality of alloy lines.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 합금층의 두께는 상기 제1 합금층의 두께보다 작도록 형성되되,
상기 제1 합금층의 두께는 10nm 이상 60nm 이하의 두께로 형성되고,
상기 제2 합금층의 두께는 1nm 이상 5nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
The thickness of the second alloy layer is formed to be smaller than the thickness of the first alloy layer,
The thickness of the first alloy layer is formed to be 10 nm or more and 60 nm or less,
A hydrogen detection sensor, characterized in that the second alloy layer has a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less.
청구항 1에 있어서,
상기 기판의 하부가 미리 설정된 형상으로 식각되어 식각영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 1,
A hydrogen detection sensor characterized in that the lower part of the substrate is etched into a preset shape to form an etching area.
청구항 4에 있어서,
상기 식각영역은 상기 기판의 일측 및 타측 사이의 중간부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수소검출센서.
In claim 4,
A hydrogen detection sensor, characterized in that the etching region is formed in the middle portion between one side and the other side of the substrate.
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