JP7634595B2 - Gas sensor for sensing volatile organic compounds and method for manufacturing said gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、揮発性有機化合物を感知するガスセンサに係り、より詳細には、揮発性有機化合物の中でホルムアルデヒドを特異的に感知することができるガスセンサ、及び前記ガスセンサの製造方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects volatile organic compounds, and more specifically to a gas sensor that can specifically detect formaldehyde among volatile organic compounds, and a method for manufacturing the gas sensor.
新築住宅又は改築後の住宅で目の痛み、頭痛、アレルギーなどの身体的障害が起こることがある。それをシークハウス症候群というが、その原因は、ホルムアルデヒド(Formaldehyde)を代表とする揮発性有機化合物(VOC:Volatile Organic Composite)であると言われている。 Newly built or renovated homes can cause physical problems such as sore eyes, headaches, and allergies. This is called "stolen house syndrome," and it is said to be caused by volatile organic compounds (VOCs), such as formaldehyde.
揮発性有機化合物の中でも、ホルムアルデヒドは、各種接着剤や床材、パーティクルボード又は合板などに含有されており、これらが室内空間で使用されるとき、放出されて問題を起こしている。これらを完全に使用しないことはできず、ホルムアルデヒドを含む揮発性有機化合物が発生した場合に室内の居住者に多くの悪影響を及ぼしている。 Among volatile organic compounds, formaldehyde is contained in various adhesives, flooring materials, particle boards, and plywood, and is released when these are used indoors, causing problems. It is not possible to completely avoid using these substances, and when volatile organic compounds containing formaldehyde are generated, they have many adverse effects on indoor occupants.
ホルムアルデヒドが人体に及ぼす影響を見ると、空気中のホルムアルデヒド濃度が0.04ppm程度になれば神経組織の刺激が始まるが、敏感な子供たちは、アトピー性皮膚炎が生じることがある。空気中のホルムアルデヒド濃度が0.05~1.0であれば、臭いが感じられ、この濃度はカナダやカリフォルニアの室内基準値である。空気中のホルムアルデヒド濃度が0.2ppm程度であれば、目の刺激が始まり、空気中のホルムアルデヒド濃度が0.25~0.33ppmであれば、呼吸器障害が発生するおそれがある。空気中のホルムアルデヒド濃度0.5ppmは、のどの刺激が始まる最低値であり、韓国の産業衛生学会で許容する最高値である。空気中のホルムアルデヒド濃度が2.0~3.0であれば、目を刺すような痛みが生じ、空気中のホルムアルデヒド濃度が4.0であれば、涙が出ることがある。空気中のホルムアルデヒド濃度が10.0~20.0であれば、激しく涙が出たり正常な呼吸が困難であったりし、30.0ppm以上であれば、数分内に急性中毒を起こし、毒性肺気腫で死亡することもある。 When it comes to the effects of formaldehyde on the human body, when the concentration of formaldehyde in the air reaches about 0.04 ppm, it starts to irritate the nervous tissue, and sensitive children may develop atopic dermatitis. When the concentration of formaldehyde in the air is between 0.05 and 1.0, the odor can be detected, and this concentration is the indoor standard value in Canada and California. When the concentration of formaldehyde in the air is around 0.2 ppm, eye irritation starts, and when the concentration is between 0.25 and 0.33 ppm, respiratory problems may occur. A concentration of 0.5 ppm in the air is the minimum value at which throat irritation starts, and is the maximum value permitted by the Korean Society of Industrial Hygiene. When the concentration of formaldehyde in the air is between 2.0 and 3.0, it causes a stinging pain in the eyes, and when the concentration is 4.0, it can cause tears. If the concentration of formaldehyde in the air is between 10.0 and 20.0 ppm, it can cause intense tearing and difficulty in breathing normally, and if it is 30.0 ppm or higher, it can cause acute poisoning within minutes and even death from toxic emphysema.
ちなみに、国際保健機関(WHO)、日本などで定めた室内環境基準は、空気中のホルムアルデヒド濃度が0.08ppmとなっている。このような基準に合わせて、空気中のホルムアルデヒド濃度をガスセンサを用いて検出するようにすることが必要である。 Incidentally, the indoor environmental standard set by the World Health Organization (WHO), Japan, and other countries is a formaldehyde concentration of 0.08 ppm in the air. In accordance with this standard, it is necessary to use a gas sensor to detect the formaldehyde concentration in the air.
ところが、ホルムアルデヒドが発生する場合、アルコールなどの他の揮発性有機化合物(VOC)ガスが存在することがある。しかし、一般な揮発性有機化合物とホルムアルデヒドは人体への影響が互いに異なるため、ホルムアルデヒドに特異的な選択的感受性が要求される。 However, when formaldehyde is generated, other volatile organic compound (VOC) gases such as alcohol may be present. However, since general volatile organic compounds and formaldehyde have different effects on the human body, selective sensitivity specific to formaldehyde is required.
一般なガスセンサは、ほとんどの揮発性有機化合物に類似した感度を示すが、このような例が日本国特許第3854358号公報に開示されている。ここでは、基板上に金(Au)電極を形成し、その間に感知材料として、Ga、Y、La、Ndなどから選択された1種類以上の元素を添加した酸化スズ(SnO2)を使用する。 A typical gas sensor shows similar sensitivity to most volatile organic compounds, and an example of such a sensor is disclosed in Japanese Patent No. 3854358. In this sensor, gold (Au) electrodes are formed on a substrate, and tin oxide ( SnO2 ) doped with one or more elements selected from Ga, Y, La, Nd, etc. is used as a sensing material between the electrodes.
しかし、この種の従来のガスセンサは、ほとんどの揮発性有機化合物に類似した感度を示す。例えば、SiO2にPdやGdを添加した感知材料を使用したとき、ホルムアルデヒド0.1ppmに対して感度Sは20%であるが、揮発性有機化合物1ppmに対しても感度Sは25%である。前記感度は、抵抗変化の百分率を換算して得たものである。このように、従来のガスセンサは、ホルムアルデヒドと揮発性有機化合物の両方を高感度で検出し、ホルムアルデヒドのみを選択的に検出することはできなかった。 However, this type of conventional gas sensor shows similar sensitivity to most volatile organic compounds. For example, when a sensing material in which Pd or Gd is added to SiO2 is used, the sensitivity S is 20% for 0.1 ppm of formaldehyde, but is also 25% for 1 ppm of volatile organic compounds. The above sensitivity is obtained by converting the percentage of resistance change. Thus, conventional gas sensors can detect both formaldehyde and volatile organic compounds with high sensitivity, but cannot selectively detect only formaldehyde.
図1には、従来のガスセンサの反応性を示している。これは、論文「Study on a micro-gas sensor with SnO2-NiO sensitive film for indoor formaldehyde detection」(Sensors and Actuators B vol132,(2008)p74~80)に開示されている。ここでのガスセンサは、感知材料として酸化スズ-酸化ニッケルを用い、電極にPtを用いたMEMS構造であって、ホルムアルデヒドを検出するものである。 Figure 1 shows the reactivity of a conventional gas sensor. This is disclosed in the paper "Study on a micro-gas sensor with SnO 2 -NiO sensitive film for indoor formaldehyde detection" (Sensors and Actuators B vol. 132, (2008) pp. 74-80). The gas sensor in this case has a MEMS structure that uses tin oxide-nickel oxide as the sensing material and Pt for the electrodes, and detects formaldehyde.
しかし、この論文に開示されているガスセンサは、ホルムアルデヒドの0.06ppmの感度Sは1.6%であり、エタノール1ppmの感度Sは0.1%以下である。さらに、ホルムアルデヒドとエタノールの感度比は10以上と大きく、エタノールガスの干渉は抑制されていた。ところが、ホルムアルデヒドの感度Sは1.6%と非常に低い。 However, the gas sensor disclosed in this paper has a sensitivity S of 1.6% at 0.06 ppm of formaldehyde, and a sensitivity S of less than 0.1% at 1 ppm of ethanol. Furthermore, the sensitivity ratio between formaldehyde and ethanol is large, at over 10, and interference from ethanol gas is suppressed. However, the sensitivity S of formaldehyde is very low at 1.6%.
言い換えれば、前記ガスセンサは、アルコールを含む揮発性有機化合物よりもホルムアルデヒドに対してさらに感度が高いが、ホルムアルデヒドを選択的に感知することができないという根本的な限界があった。 In other words, the gas sensor is more sensitive to formaldehyde than to volatile organic compounds, including alcohol, but has a fundamental limitation in that it cannot selectively sense formaldehyde.
したがって、従来のガスセンサは、揮発性有機化合物の存在を感知するものの、前記揮発性有機化合物にホルムアルデヒドが含まれているか、含まれていればどれだけ含まれているかに関する情報を提供することができないという問題があった。 Therefore, while conventional gas sensors can detect the presence of volatile organic compounds, they have the problem of being unable to provide information about whether the volatile organic compounds contain formaldehyde and, if so, how much.
本発明の目的は、揮発性有機化合物中のホルムアルデヒドに対する感度が最も高いガスセンサを提供することにある。 The objective of the present invention is to provide a gas sensor that is most sensitive to formaldehyde, a volatile organic compound.
本発明の目的は、揮発性有機化合物中のホルムアルデヒドの存在又は濃度を感知することが可能なガスセンサを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a gas sensor capable of detecting the presence or concentration of formaldehyde in volatile organic compounds.
本発明の目的は、高感度と高選択性の両方を維持するガスセンサを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a gas sensor that maintains both high sensitivity and high selectivity.
本発明の一の態様
本発明は、その一の態様として以下のものを提案することができる。
〔1〕
揮発性有機化合物を感知するガスセンサであって、
非伝導性物質で構成された基板と;
前記基板に伝導性物質で構成された電極と;
前記電極の少なくとも一部に接触するか、又は、前記電極を覆うように形成され、ガスと反応する感知層と;を備えてなり、
前記感知層は、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物と酸化スズの化合物を含む、揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔2〕
前記アルカリ金属酸化物は、Li、Na、K、Rb、Cs、及びFrの中から選択される少なくとも1種の元素を含む、〔1〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔3〕
前記アルカリ土類金属酸化物は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、及びRaの中から選択される少なくとも1種の元素を含む、〔1〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔4〕
前記電極は酸化インジウムスズ(ITO)で構成される、〔1〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔5〕
前記電極は、
前記基板に形成された第1電極と、
前記基板上に前記第1電極と離隔して形成された第2電極と、を備え、
前記感知層は、前記第1電極と前記第2電極とを接続するように配置される、〔1〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔6〕
前記感知層は、前記第1電極の少なくとも一部と前記第2電極の少なくとも一部が空気中に曝されるように構成される、〔5〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔7〕
前記基板はヒータを更に備え、
前記ヒータは、前記電極がある基板の表面、又は、前記電極がある基板の表面の反対側の表面に位置する、〔1〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔8〕
揮発性有機化合物を感知するガスセンサであって、
非伝導性物質で構成された基板と;
前記基板に位置する感知層と;
伝導性物質で構成され、前記感知層内の電子移動及び静電容量を感知する電極と;を備えてなり、
前記電極は、伝導性物質で構成された第1電極と、
前記第1電極に電流を供給するか、又は、前記第1電極から電流の供給を受ける第2電極と、を備え、
前記感知層は、前記第1電極と前記第2電極とを接続し、前記第1電極の少なくとも一部と前記第2電極の少なくとも一部が大気中に曝されるように構成される、揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔9〕
前記感知層は前記基板と前記電極との間に配置される、〔8〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔10〕
前記第1電極と前記第2電極は前記感知層の外面に備えられる、〔9〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔11〕
前記感知層は、前記第1電極の少なくとも一部と前記第2電極の少なくとも一部とを遮蔽する、〔8〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔12〕
前記基板はヒータを更に備え、
前記ヒータは、前記電極がある基板の表面、又は、前記電極がある基板の表面の反対側の表面に位置する、〔8〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。
〔13〕
感知層を形成し、基板上に形成された電極同士を接続したガスセンサを製造する方法であって、
酸化インジウムスズ(ITO)を用いて電極を形成するステップと;
アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物と酸化スズの化合物を用いて前記感知層を形成するステップと;を含んでなる、揮発性有機化合物を感知するガスセンサの製造方法。
〔14〕
前記アルカリ金属酸化物は、Li、Na、K、Rb、Cs、及びFrの中から選択される少なくとも1種の元素を含み、或いは、
前記アルカリ土類金属酸化物は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、及びRaの中から選択される少なくとも1種の元素を含む、〔13〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサの製造方法。
〔15〕
前記感知層は、Mg-SnO2を分散させた、純水とグリセリンの混合溶液を塗布し、所定の温度で加熱して形成される、〔14〕に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサの製造方法。
One Aspect of the Present Invention The present invention can propose the following as one aspect thereof.
[1]
A gas sensor for sensing a volatile organic compound, comprising:
A substrate constructed of a non-conductive material;
an electrode made of a conductive material on the substrate;
a sensing layer in contact with or overlying at least a portion of the electrodes, the sensing layer being reactive with gas;
A gas sensor for sensing volatile organic compounds, wherein the sensing layer comprises a compound of an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide and tin oxide.
[2]
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 1, wherein the alkali metal oxide contains at least one element selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr.
[3]
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 1, wherein the alkaline earth metal oxide contains at least one element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra.
[4]
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 1, wherein the electrodes are made of indium tin oxide (ITO).
[5]
The electrode is
A first electrode formed on the substrate;
a second electrode formed on the substrate and spaced apart from the first electrode;
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 1, wherein the sensing layer is arranged to connect the first electrode and the second electrode.
[6]
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 5, wherein the sensing layer is configured such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are exposed to air.
[7]
the substrate further comprising a heater;
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 1, wherein the heater is located on a surface of the substrate on which the electrodes are located, or on a surface opposite to the surface of the substrate on which the electrodes are located.
[8]
A gas sensor for sensing a volatile organic compound, comprising:
A substrate constructed of a non-conductive material;
a sensing layer disposed on the substrate;
an electrode made of a conductive material for sensing electron transfer and capacitance in the sensing layer;
The electrodes include a first electrode made of a conductive material;
a second electrode that supplies a current to the first electrode or receives a current from the first electrode;
A gas sensor for sensing a volatile organic compound, wherein the sensing layer connects the first electrode and the second electrode, and is configured such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are exposed to the atmosphere.
[9]
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 8, wherein the sensing layer is disposed between the substrate and the electrode.
[10]
The gas sensor for sensing volatile organic compounds according to claim 9, wherein the first electrode and the second electrode are provided on an outer surface of the sensing layer.
[11]
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 8, wherein the sensing layer shields at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode.
[12]
the substrate further comprising a heater;
The gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 8, wherein the heater is located on a surface of the substrate on which the electrodes are located, or on a surface opposite to the surface of the substrate on which the electrodes are located.
[13]
A method for manufacturing a gas sensor in which a sensing layer is formed and electrodes formed on a substrate are connected to each other, comprising the steps of:
forming an electrode using indium tin oxide (ITO);
forming said sensing layer using a compound of an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide and tin oxide.
[14]
The alkali metal oxide contains at least one element selected from Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr, or
The method for producing a gas sensor for sensing a volatile organic compound according to claim 13, wherein the alkaline earth metal oxide contains at least one element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra.
[15]
The method for manufacturing a gas sensor for sensing a volatile organic compound described in [14], wherein the sensing layer is formed by applying a mixed solution of pure water and glycerin in which Mg-SnO2 is dispersed, and heating the mixture at a predetermined temperature.
本発明は、アルカリ金属元素又はアルカリ土類金属元素を含有する感知材料の新規組み合わせでガスセンサを構成し、高感度と高選択性を有するセンサを提供する。 The present invention provides a gas sensor with a novel combination of sensing materials containing alkali metal elements or alkaline earth metal elements, and provides a sensor with high sensitivity and high selectivity.
本発明は、酸化スズをアルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物と共に用いて化合物を作って感知層を形成することにより、ホルムアルデヒドを検出することができる。 The present invention can detect formaldehyde by using tin oxide together with an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide to create a compound to form a sensing layer.
本発明は、ガスセンサを構成する際に、酸化インジウムスズ(ITO)からなる電極を備える。 When constructing a gas sensor, the present invention provides electrodes made of indium tin oxide (ITO).
本発明は、非伝導性物質で作られた基板と、前記基板に伝導性物質で形成される電極と、前記電極のうちの少なくとも一部に接触するか或いは前記電極を覆うように形成され、ガスと反応する感知層と、を含み、前記感知層は、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物と酸化スズの化合物を含むことができる。 The present invention includes a substrate made of a non-conductive material, electrodes formed on the substrate of a conductive material, and a sensing layer formed to contact or cover at least a portion of the electrodes and react with a gas, the sensing layer may include a compound of an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide and tin oxide.
前記アルカリ金属酸化物は、Li、Na、K、Rb、Cs及びFrの中から選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。 The alkali metal oxide may contain at least one element selected from Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr.
前記アルカリ土類金属酸化物は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba及びRaの中から選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。 The alkaline earth metal oxide may contain at least one element selected from Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra.
前記電極は、酸化インジウムスズ(ITO)で形成できる。 The electrodes can be made of indium tin oxide (ITO).
前記電極は、前記基板に形成される第1電極と、前記基板に前記第1電極と離隔して形成される第2電極と、を含むことができ、前記感知層は、前記第1電極と前記第2電極とを接続するように配置されることができる。 The electrodes may include a first electrode formed on the substrate and a second electrode formed on the substrate at a distance from the first electrode, and the sensing layer may be disposed to connect the first electrode and the second electrode.
前記感知層は、前記第1電極と前記第2電極のうちの少なくとも一部を空気中にさらすように形成できる。 The sensing layer can be formed so that at least a portion of the first electrode and the second electrode are exposed to air.
前記基板にはヒータがさらに備えられるが、前記ヒータは、前記電極がある基板の表面、又は前記電極がある基板の表面の反対側の表面に位置することができる。 The substrate is further provided with a heater, which may be located on the surface of the substrate on which the electrodes are located or on the surface opposite the surface of the substrate on which the electrodes are located.
本発明は、非伝導性物質で作られる基板と、前記基板に位置する感知層と、伝導性物質で作られ、前記感知層内の電子移動及び静電容量を感知する電極と、を含むことができ、前記電極は、伝導性物質で形成される第1電極と、前記第1電極に電流を供給するか或いは前記第1電極から電流の供給を受ける第2電極と、を含むことができ、前記感知層は、前記第1電極と前記第2電極とを接続するが、少なくとも前記第1電極と前記第2電極の一部が大気中にさらされるように形成されることができる。 The present invention may include a substrate made of a non-conductive material, a sensing layer located on the substrate, and electrodes made of a conductive material for sensing electron movement and capacitance in the sensing layer, the electrodes may include a first electrode formed of a conductive material and a second electrode for supplying current to the first electrode or receiving current from the first electrode, the sensing layer connects the first electrode and the second electrode, and may be formed such that at least a portion of the first electrode and the second electrode are exposed to the atmosphere.
前記感知層は、前記基板と前記電極との間に配置されることができる。 The sensing layer can be disposed between the substrate and the electrode.
前記第1電極と前記第2電極は、前記感知層の外面に備えられることができる。 The first electrode and the second electrode may be provided on the outer surface of the sensing layer.
前記感知層は、前記第1電極の一部と前記第2電極の一部とを遮蔽することができる。 The sensing layer can shield a portion of the first electrode and a portion of the second electrode.
前記基板にはヒータがさらに備えられることができ、前記ヒータは、前記電極がある基板の表面、又は前記電極がある基板の表面の反対側の表面に位置することができる。 The substrate may further include a heater, which may be located on the surface of the substrate on which the electrodes are located or on the surface opposite the surface of the substrate on which the electrodes are located.
本発明は、基板上に形成された電極を接続するように感知層が形成されたガスセンサを製造する方法であって、酸化インジウムスズ(ITO)を用いて前記電極を形成するステップと、アルカリ金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物と酸化スズの化合物を用いて前記感知層を形成するステップと、を含むことができる。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas sensor in which a sensing layer is formed to connect electrodes formed on a substrate, and can include the steps of forming the electrodes using indium tin oxide (ITO) and forming the sensing layer using an alkali metal oxide or a compound of an alkaline earth metal oxide and tin oxide.
前記アルカリ金属酸化物は、Li、Na、K、Rb、Cs及びFrの中から選択される少なくとも1種の元素を含むことができ、前記アルカリ土類金属酸化物は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba及びRaの中から選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。 The alkali metal oxide may contain at least one element selected from Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr, and the alkaline earth metal oxide may contain at least one element selected from Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra.
前記感知層は、Mg-SnO2を純水とグリセリンの混合溶液に分散させて塗布し、所定の温度で加熱して形成することができる。 The sensing layer can be formed by dispersing Mg-- SnO2 in a mixed solution of pure water and glycerin, applying the solution, and heating the solution at a predetermined temperature.
本発明によるガスセンサでは、次の効果の少なくとも1種を有することができる。 The gas sensor according to the present invention can have at least one of the following effects:
本発明では、ホルムアルデヒドガスを10ppbの低濃度まで検出することができるという効果がある。 The present invention has the effect of being able to detect formaldehyde gas at concentrations as low as 10 ppb.
本発明では、ホルムアルデヒドと他のガスとの干渉を回避することができるという効果がある。よって、ホルムアルデヒドのみを効果的に検出することができる。 The present invention has the advantage of being able to avoid interference between formaldehyde and other gases. Therefore, it is possible to effectively detect only formaldehyde.
本発明のガスセンサでは、代表的な揮発性有機化合物であるエタノールガス1ppmは、ホルムアルデヒド10ppb以下に相当する感度を有する。よって、本発明のガスセンサは、他の揮発性有機化合物に比べてホルムアルデヒドをより良く検出することができるため、ホルムアルデヒドに高い選択性を有する。 In the gas sensor of the present invention, 1 ppm of ethanol gas, a typical volatile organic compound, has a sensitivity equivalent to 10 ppb or less of formaldehyde. Therefore, the gas sensor of the present invention can detect formaldehyde better than other volatile organic compounds, and has high selectivity for formaldehyde.
以下、添付図面を参照して、本明細書に開示された実施例を詳細に説明する。本明細書は、互いに異なる実施例でも、同一・類似の構成については同一・類似の参照番号を付与し、その説明は最初の説明に代える。本明細書で使用される単数の表現は、文脈上明らかに別段の意味を有しない限り、複数の表現を含む。なお、本明細書に開示された実施例を説明する際に、関連する公知の技術についての具体的な説明が、本明細書に開示された実施例の要旨を不明瞭にするおそれがあると判断された場合、その詳細な説明は省略する。また、添付図面は、本明細書に開示された実施例を容易に理解することができるようにするためのものに過ぎず、本明細書に開示された技術的思想が添付図面によって制限されると解釈されてはならないことを留意すべきである。 Hereinafter, the embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the attached drawings. In this specification, the same or similar reference numbers are used for the same or similar configurations even in different embodiments, and the description thereof replaces the initial description. As used in this specification, singular expressions include plural expressions unless otherwise clearly indicated in the context. In addition, when describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a specific description of related publicly known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed description will be omitted. In addition, it should be noted that the attached drawings are merely intended to facilitate an understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical ideas disclosed in this specification should not be construed as being limited by the attached drawings.
図2には、本発明の実施例のガスセンサの構造が概略的に示されている。本発明の実施例のガスセンサ10は、骨格を形成する基板100を有する。前記基板100上には電極200がある。前記電極200同士を接続するように感知層300がある。 Figure 2 shows a schematic structure of a gas sensor according to an embodiment of the present invention. The gas sensor 10 according to the embodiment of the present invention has a substrate 100 that forms a skeleton. Electrodes 200 are provided on the substrate 100. A sensing layer 300 is provided to connect the electrodes 200 to each other.
前記基板100は、例えば二酸化ケイ素(SiO2)などの非伝導体で作られる。前記基板100は、樹脂系を材料として前記電極200と感知層300を支持する役割を果たす。前記基板100は、所定の形状を有する板であってもよい。前記基板100としては、ガラス基板、アルミナ基板などが使用されてもよい。 The substrate 100 is made of a non-conductive material such as silicon dioxide ( SiO2 ). The substrate 100 is made of a resin-based material and serves to support the electrode 200 and the sensing layer 300. The substrate 100 may be a plate having a predetermined shape. The substrate 100 may be a glass substrate, an alumina substrate, or the like.
前記電極200は、第1電極210と第2電極220の少なくとも一対からなることができる。前記第1電極210と第2電極220は、外部と電気的に接続されることができる。前記第1電極210と第2電極220は、それぞれ基板100に所定の間隔をおいて形成されるが、前記第1電極210と前記第2電極220との間では、前記感知層300を介して電流が伝達できる。 The electrode 200 may be composed of at least one pair of a first electrode 210 and a second electrode 220. The first electrode 210 and the second electrode 220 may be electrically connected to the outside. The first electrode 210 and the second electrode 220 are formed on the substrate 100 at a predetermined interval, and a current can be transmitted between the first electrode 210 and the second electrode 220 via the sensing layer 300.
本発明のガスセンサ10は、前記第1電極210と第2電極220との間を流れる電流を感知したり、電流の変化を感知したり、前記電極200の電気抵抗又は静電容量の変化を感知したりしてホルムアルデヒドを感知することができる。 The gas sensor 10 of the present invention can sense formaldehyde by sensing the current flowing between the first electrode 210 and the second electrode 220, by sensing a change in the current, or by sensing a change in the electrical resistance or capacitance of the electrode 200.
前記感知層300は、前記第1電極210と第2電極220を覆うように形成できる。前記感知層300は、前記第1電極210と第2電極220との間を流れる電流の強さ、又は電極200の静電容量(Capacitance)又は電気抵抗を変化させることができる。すなわち、前記感知層300を形成する材料は、固有の抵抗を有するが、ホルムアルデヒドと接触又は結合すると、電気的性質が変化する可能性がある。 The sensing layer 300 can be formed to cover the first electrode 210 and the second electrode 220. The sensing layer 300 can change the strength of the current flowing between the first electrode 210 and the second electrode 220, or the capacitance or electrical resistance of the electrode 200. That is, the material forming the sensing layer 300 has an inherent resistance, but when it comes into contact with or combines with formaldehyde, its electrical properties can change.
例えば、前記感知層300を形成する材料は、前記ホルムアルデヒドと接触又は結合すると、前記ホルムアルデヒドと酸化還元反応を起こしながら電子を前記電極200に伝達するか、或いは前記電極200から電子の供給を受けることができる。あるいは、前記感知層300を形成する材料は、前記ホルムアルデヒドと接触又は結合すると、前記ホルムアルデヒドの浸透により前記感知層300の分子配置構造を変化させて全体電荷容量が変化する可能性がある。 For example, when the material forming the sensing layer 300 comes into contact with or combines with the formaldehyde, it can transfer electrons to the electrode 200 or receive electrons from the electrode 200 while undergoing an oxidation-reduction reaction with the formaldehyde. Alternatively, when the material forming the sensing layer 300 comes into contact with or combines with the formaldehyde, the penetration of the formaldehyde can change the molecular arrangement structure of the sensing layer 300, thereby changing the overall charge capacity.
しかし、前記感知層300は、ホルムアルデヒド以外には、他の揮発性有機化合物とは何らの反応もしないか、或いはホルムアルデヒドに比べて非常に低い反応性を有することができる。 However, the sensing layer 300 may not react with any other volatile organic compounds other than formaldehyde, or may have a very low reactivity compared to formaldehyde.
このような特徴によって、本発明のガスセンサ10では、ホルムアルデヒドを特異的に感知することができる。これは、大気中又は室内に揮発性有機化合物と共にホルムアルデヒドが存在しても、前記感知層300がホルムアルデヒド以外に他の揮発性有機化合物と反応しないか、或いは非常に低い反応性を有するためである。 Due to these characteristics, the gas sensor 10 of the present invention can specifically detect formaldehyde. This is because even if formaldehyde is present in the atmosphere or indoors together with volatile organic compounds, the sensing layer 300 does not react with other volatile organic compounds other than formaldehyde, or has very low reactivity with them.
以下では、本発明のガスセンサ10がホルムアルデヒドに特異的に反応してホルムアルデヒドを感知し、他の揮発性有機化合物には反応しないため他の揮発性有機化合物を感知しないか、或いは他の揮発性有機化合物に対する感度が低下する特徴について説明する。 The following describes the characteristics of the gas sensor 10 of the present invention, which reacts specifically to formaldehyde and detects formaldehyde, but does not react to other volatile organic compounds and therefore does not detect other volatile organic compounds or has reduced sensitivity to other volatile organic compounds.
本発明のガスセンサ10では、前記電極200と感知層300の材料を特定する。すなわち、前記電極200と感知層300の材料がホルムアルデヒドに特異的に反応するか、或いは残りの揮発性有機化合物よりもホルムアルデヒドに対する感度が著しく大きい特性を持つようにするのである。 In the gas sensor 10 of the present invention, the materials of the electrode 200 and the sensing layer 300 are specified. That is, the materials of the electrode 200 and the sensing layer 300 are specified to have a characteristic that reacts specifically to formaldehyde or has a significantly higher sensitivity to formaldehyde than to other volatile organic compounds.
本発明では、研究を通じて、前記感知層300の材料がアルカリ金属元素の酸化物又はアルカリ土類金属元素の酸化物と酸化スズ(SnO2)の化合物になると、ホルムアルデヒドに対する感度が残りの揮発性有機化合物に対する感度よりも著しく大きいか、或いはホルムアルデヒドのみと特異的に反応することが分かる。 Through research, the present invention has found that when the material of the sensing layer 300 is a compound of an oxide of an alkali metal element or an oxide of an alkaline earth metal element and tin oxide ( SnO2 ), its sensitivity to formaldehyde is significantly greater than its sensitivity to other volatile organic compounds, or it reacts specifically with only formaldehyde.
したがって、本発明のガスセンサ10の感知層300を形成する材料としては、アルカリ金属元素の酸化物又はアルカリ土類金属元素の酸化物と酸化スズ(SnO2)の化合物を選択した。 Therefore, a compound of an oxide of an alkali metal element or an oxide of an alkaline earth metal element and tin oxide (SnO 2 ) is selected as the material for forming the sensing layer 300 of the gas sensor 10 of the present invention.
前記アルカリ金属元素は、Li、Na、K、Rb、Cs及びFrの中から選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。また、アルカリ土類金属元素は、Be、Mg、Ca、Sr、Ba及びRaの中から選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。 The alkali metal element may include at least one element selected from Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr. The alkaline earth metal element may include at least one element selected from Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra.
本発明の感知層300の材料としてMg-SnO2が使用されたとき、エタノール、トルエン、及びホルムアルデヒドと感度を示すことが図3にグラフとして示されている。図3を参照すると、揮発性有機化合物の中でホルムアルデヒドAと最も競争的に反応するエタノールBとトルエンCよりもホルムアルデヒドAに対する感度が一層高いことが分かる。 When Mg- SnO2 is used as the material of the sensing layer 300 of the present invention, the sensitivity to ethanol, toluene, and formaldehyde is shown as a graph in Figure 3. Referring to Figure 3, it can be seen that the sensitivity to formaldehyde A is higher than that to ethanol B and toluene C, which react most competitively with formaldehyde A among volatile organic compounds.
すなわち、本発明のガスセンサ10は、前記ホルムアルデヒドAに対する感度が20%~70%の間であり、エタノール(B)とトルエン(C)はほとんどの濃度で10%未満であるか或いはやっと10%を超えることが分かる。 That is, the gas sensor 10 of the present invention has a sensitivity to formaldehyde A between 20% and 70%, while most concentrations of ethanol (B) and toluene (C) are less than 10% or just exceed 10%.
また、本発明のガスセンサ10は、ホルムアルデヒドAの濃度(Concentration)が100ppb未満であっても20%以上の感度を示すが、エタノールBとトルエンCの濃度が1000ppb以上であっても20%を超えない感度を示すことが分かる。 It can also be seen that the gas sensor 10 of the present invention exhibits a sensitivity of 20% or more even when the concentration of formaldehyde A is less than 100 ppb, but exhibits a sensitivity of not more than 20% even when the concentrations of ethanol B and toluene C are 1000 ppb or more.
前記感知層300がMg-SnO2で作られ且つ前記電極200が後述のITOで作られる場合、0.03ppm~0.30ppmのホルムアルデヒドA濃度でガスセンサ10が感知した感度は、20~60%であった。 When the sensing layer 300 was made of Mg-- SnO.sub.2 and the electrode 200 was made of ITO as described below, the sensitivity of the gas sensor 10 at formaldehyde A concentrations of 0.03 ppm to 0.30 ppm was 20 to 60%.
しかし、エタノールBの濃度1ppmに対して、本発明のガスセンサ10の感度は2.3%と非常に低かった。前記感度は、ホルムアルデヒドに換算すると、0.01ppm以下の感度に相当する。 However, the sensitivity of the gas sensor 10 of the present invention was very low at 2.3% for a concentration of ethanol B of 1 ppm. This sensitivity corresponds to a sensitivity of 0.01 ppm or less when converted to formaldehyde.
トルエンCに対しては、1.5ppmの濃度で本発明のガスセンサ10の感度は6.8%と測定されたが、前記感度は、ホルムアルデヒド濃度0.01ppm以下に相当する。 For toluene C, the sensitivity of the gas sensor 10 of the present invention was measured to be 6.8% at a concentration of 1.5 ppm, which corresponds to a formaldehyde concentration of 0.01 ppm or less.
その結果、本発明のガスセンサ10は、例えば、国際保健機関の環境基準値である濃度0.08ppm付近のホルムアルデヒドAを高感度で検出することができる。また、本発明のガスセンサ10では、エタノールBやトルエンCを含む揮発性有機化合物は、ホルムアルデヒドを基準に0.01ppm以下の感度で測定して、ホルムアルデヒドに選択性を持っていることを確認することができる。 As a result, the gas sensor 10 of the present invention can detect formaldehyde A at a concentration of about 0.08 ppm, which is the environmental standard value set by the International Health Organization, with high sensitivity. In addition, the gas sensor 10 of the present invention can measure volatile organic compounds including ethanol B and toluene C with a sensitivity of 0.01 ppm or less based on formaldehyde, confirming that it has selectivity for formaldehyde.
本発明のガスセンサ10は、前記感知層300をアルカリ金属元素の酸化物又はアルカリ土類金属元素の酸化物及び酸化スズの化合物で作って、ホルムアルデヒドAを特異的に感知することができる。 The gas sensor 10 of the present invention is capable of specifically sensing formaldehyde A by making the sensing layer 300 from an oxide of an alkali metal element or an oxide of an alkaline earth metal element and a compound of tin oxide.
一方、本発明のガスセンサ10は、感知層300に他の金属元素は適用しなくてもよい。従来のガスセンサは、前記感知材料として種々の他の金属元素を適用した。これらの従来のガスセンサがホルムアルデヒドに対する特異的な効果を導出せず、ほとんどの揮発性有機化合物全体の存否や濃度のみを検出するというのは周知の事実だからだ。 On the other hand, the gas sensor 10 of the present invention does not require the application of other metal elements to the sensing layer 300. Conventional gas sensors have applied various other metal elements as the sensing material. This is because it is a well-known fact that these conventional gas sensors do not derive a specific effect on formaldehyde, but only detect the presence or concentration of most volatile organic compounds as a whole.
また、実験的にアルカリ金属やアルカリ土類金属以外に他の金属を前記感知層300の材料として用いると、図3のようにホルムアルデヒドにのみ特異的に反応するか、或いは前記ホルムアルデヒドに対する感度がエタノール、トルエンよりもさらに高い実験結果を得ることができなかった。 In addition, when metals other than alkali metals and alkaline earth metals were used as materials for the sensing layer 300 in experiments, they reacted specifically only to formaldehyde as shown in Figure 3, or the sensitivity to formaldehyde was not higher than that to ethanol and toluene.
そして、本発明のガスセンサ10は、前記アルカリ金属元素からニッケル及びニッケル酸化物は除くことができる。図1に用いられた従来の感知センサは、感知層の材料として酸化ニッケルと酸化スズの化合物を使用した。具体的には、従来の感知センサでは、感知層の材料としてSnO2-NiOが、電極としては金(Au)が使用された。図1のようにホルムアルデヒドが0.03ppm~0.20ppmである場合、従来のセ感知センサの感度は26~61%であった。しかし、従来の感知センサでは、エタノールに対しては1ppmの濃度で感度は68%と、ホルムアルデヒドの感度よりもさらに大きい。 In addition, the gas sensor 10 of the present invention can exclude nickel and nickel oxide from the alkali metal elements. The conventional gas sensor used in FIG. 1 uses a compound of nickel oxide and tin oxide as the material of the sensing layer. Specifically, in the conventional gas sensor, SnO2 -NiO is used as the material of the sensing layer, and gold (Au) is used as the electrode. When formaldehyde is 0.03 ppm to 0.20 ppm as shown in FIG. 1, the sensitivity of the conventional gas sensor is 26 to 61%. However, the sensitivity of the conventional gas sensor to ethanol at a concentration of 1 ppm is 68%, which is even greater than the sensitivity to formaldehyde.
その結果、従来の感知センサでは、感知材料にニッケル化合物が含まれているとき、エタノールの応答又は感度がさらに大きいため、大気中又は室内にホルムアルデヒドとエタンホールが一緒にある場合には、ホルムアルデヒドとエタノールを互いに区別することができないことが分かる。これは、ニッケルの場合、酸化物の分子構造や原子の直径などがホルムアルデヒドにのみ特異的に反応せず、他の官能基を有する有機化合物からなるガスにさらに大きく反応するためと理解することができる。 As a result, it can be seen that in conventional sensors, when the sensing material contains a nickel compound, the response or sensitivity to ethanol is even greater, so that when formaldehyde and ethanol are present together in the air or indoors, it is not possible to distinguish between them. This can be understood as being because in the case of nickel, the molecular structure of the oxide and the diameter of the atoms do not react specifically to only formaldehyde, but react more strongly to gases made of organic compounds with other functional groups.
すなわち、ニッケルは、ホルムアルデヒドよりもエタノールなどに対してより容易且つ強く且つ迅速に反応することが分かる。したがって、本発明のガスセンサ10は、前記感知層300にアルカリ金属元素の酸化物又はアルカリ土類金属元素の酸化物を用いる場合、ニッケル及びニッケル酸化物は除くことができる。 That is, nickel reacts more easily, strongly, and quickly to ethanol and the like than to formaldehyde. Therefore, in the gas sensor 10 of the present invention, when an oxide of an alkali metal element or an oxide of an alkaline earth metal element is used for the sensing layer 300, nickel and nickel oxide can be excluded.
図4は、本発明のガスセンサ10がホルムアルデヒドに特異的に反応するメカニズムを説明している。金属酸化物では、金属イオンと非金属イオンが結合しながら化学量論的(stoichiometric)組成から非化学量論的組成(non-stoichiometric)を成す。金属イオンと酸素イオンが化学量論的組成から非化学量論的組成を成す過程で伴われる格子欠陥がドナー(donor)又はアセプター(acceptorー)として作用する。 Figure 4 explains the mechanism by which the gas sensor 10 of the present invention reacts specifically to formaldehyde. In metal oxides, metal ions and nonmetal ions combine to form a non-stoichiometric composition from a stoichiometric composition. Lattice defects that are created in the process in which metal ions and oxygen ions change from a stoichiometric composition to a non-stoichiometric composition act as donors or acceptors.
本発明のガスセンサ10の感知層300をなす材料が、ニッケルを除いたアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物と酸化スズの化合物から構成されると、前記ホルムアルデヒド又はホルムアルデヒド反応基が前記感知層300の格子構造に投入できる。 When the material constituting the sensing layer 300 of the gas sensor 10 of the present invention is composed of an oxide of an alkali metal or alkaline earth metal excluding nickel and a compound of tin oxide, the formaldehyde or formaldehyde reactive group can be introduced into the lattice structure of the sensing layer 300.
図4の(a)を参照して説明する。室内又は大気中にホルムアルデヒドAを含む揮発性有機化合物が存在することができるが、例えば、室内又は大気中にホルムアルデヒドAとエタノールBが一緒に存在することができる。 The following description will be given with reference to (a) of FIG. 4. Volatile organic compounds including formaldehyde A may be present indoors or in the air, and for example, formaldehyde A and ethanol B may be present together indoors or in the air.
図4の(b)には、ホルムアルデヒドAが感知層300の格子構造に収容されたことが示されている。このようにホルムアルデヒドAが感知層300の格子構造に収容されると、前記感知層300全体の静電容量又は電気抵抗を変化させることができる。 FIG. 4(b) shows that formaldehyde A is accommodated in the lattice structure of the sensing layer 300. When formaldehyde A is accommodated in the lattice structure of the sensing layer 300 in this manner, the capacitance or electrical resistance of the entire sensing layer 300 can be changed.
また、前記感知層300に収容されたホルムアルデヒドAは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属と酸化還元反応を強く発生させながら、多量の電子移動を発生させることができる。したがって、感知層300の内部で発生した多量の電子移動は増幅されながら前記電極部200へ伝達されることができ、前記電極200の静電容量又は電気抵抗を変化させることができる。 In addition, the formaldehyde A contained in the sensing layer 300 can generate a large amount of electron transfer while strongly generating an oxidation-reduction reaction with an alkali metal or an alkaline earth metal. Therefore, the large amount of electron transfer generated inside the sensing layer 300 can be amplified and transmitted to the electrode unit 200, and the capacitance or electrical resistance of the electrode 200 can be changed.
これにより、本発明のガスセンサ10は、少量のホルムアルデヒドAでも高い感度で感知することができる。しかし、ホルムアルデヒドA以外に、エタノールBやトルエンCなどのように分子構造が大きい或いは他の官能基を有する揮発性有機化合物は、感知層300の格子構造に投入できない。 As a result, the gas sensor 10 of the present invention can detect even small amounts of formaldehyde A with high sensitivity. However, other than formaldehyde A, volatile organic compounds such as ethanol B and toluene C, which have large molecular structures or other functional groups, cannot be introduced into the lattice structure of the sensing layer 300.
言い換えれば、エタノールBは、前記感知層300に接触することはできても、前記感知層300の内部の格子構造に投入されることはできない。また、前記エタノールBは、前記感知層300と強い酸化還元反応を起こすこともできない。 In other words, ethanol B can come into contact with the sensing layer 300, but cannot be introduced into the lattice structure inside the sensing layer 300. Furthermore, ethanol B cannot undergo a strong oxidation-reduction reaction with the sensing layer 300.
したがって、エタノールBなどの揮発性有機化合物は、前記感知層300で多量の電子移動を発生させることもできず、前記感知層300の静電容量又は電気抵抗を変化させることができない。 Therefore, volatile organic compounds such as ethanol B cannot generate a large amount of electron transfer in the sensing layer 300 and cannot change the capacitance or electrical resistance of the sensing layer 300.
その結果、本発明のガスセンサ10は、ホルムアルデヒドを除く揮発性有機化合物には反応しないか、或いは感度が非常に低いことがある。したがって、本発明のガスセンサ10は、ホルムアルデヒドAに対して高感度及び感知特異性を確保することができる。 As a result, the gas sensor 10 of the present invention may not react to volatile organic compounds other than formaldehyde, or may have very low sensitivity. Therefore, the gas sensor 10 of the present invention can ensure high sensitivity and sensing specificity for formaldehyde A.
一方、実験結果、本発明のガスセンサ10は、前記電極200が酸化インジウムスズ(ITO)から構成されれば、上述した効果が現れるかさらに大きくなることが分かる。これは、前記電極200が一般な金(Au)や白金(Pt)の化合物から構成される場合には、感知層300で発生する特異的な静電容量の変化や電子移動の受信感度が低下するおそれがあることを意味する。 Meanwhile, experimental results show that the gas sensor 10 of the present invention exhibits or is enhanced when the electrode 200 is made of indium tin oxide (ITO). This means that if the electrode 200 is made of a general gold (Au) or platinum (Pt) compound, there is a risk of a decrease in the reception sensitivity of the specific capacitance change and electron transfer that occurs in the sensing layer 300.
具体的には、前記電極200は、Ti、Zn、In及びSnのうちの少なくとも1種の元素を含む金属酸化物で作られることができ、金(Au)や白金(Pt)は含まなくてもよい。 Specifically, the electrode 200 may be made of a metal oxide containing at least one of the elements Ti, Zn, In, and Sn, and may not contain gold (Au) or platinum (Pt).
前記感知層300は、前記電極200を完全に覆うように構成できる。これにより、前記第1電極210と第2電極220とが前記感知層300によって接続されることを保障することができる。 The sensing layer 300 can be configured to completely cover the electrode 200. This ensures that the first electrode 210 and the second electrode 220 are connected by the sensing layer 300.
そして、前記感知層300が大気中又は室内の空気中にさらされる面積を最大化してホルムアルデヒドの感知性能をさらに向上させることができる。 In addition, the area of the sensing layer 300 exposed to the atmosphere or indoor air can be maximized to further improve formaldehyde sensing performance.
図5には、本発明によるガスセンサ10’の他の実施例が示されている。本実施例のガスセンサ10’は、前記感知層300がホルムアルデヒドと特異的に反応する性質を持っているため、前記電極200全体を覆う必要がない場合がある。 Figure 5 shows another embodiment of the gas sensor 10' according to the present invention. In the gas sensor 10' of this embodiment, the sensing layer 300 has a property of reacting specifically with formaldehyde, so there are cases where it is not necessary to cover the entire electrode 200.
したがって、本実施例のガスセンサ10’では、前記電極200の表面領域のうち、一部領域Iがさらされるようにし、残りの領域IIは、感知層300に覆われるようにすることができる。電極200における、さらされた部分を露出領域Iといい、前記感知層300に覆われている領域を遮断領域IIという。 Therefore, in the gas sensor 10' of this embodiment, a portion of the surface area of the electrode 200, region I, can be exposed, and the remaining region II can be covered by the sensing layer 300. The exposed portion of the electrode 200 is called the exposed region I, and the region covered by the sensing layer 300 is called the blocked region II.
本実施例は、前記感知層300が前記第1電極210と第2電極220との間を接続しながら大気中又は室内のホルムアルデヒドと接触することができれば、正常な機能を発揮することができるという点を考慮した。このようにすれば、感知層300を相対的に狭い領域に形成することができるため、感知層300を形成する材料の量を最小化することができる。 This embodiment takes into consideration that the sensing layer 300 can function normally if it can contact formaldehyde in the atmosphere or indoors while connecting the first electrode 210 and the second electrode 220. In this way, the sensing layer 300 can be formed in a relatively narrow area, thereby minimizing the amount of material used to form the sensing layer 300.
そして、前記露出領域Iを設けると、電極200が正しく設置されているか、或いは前記電極200が正常に作動するか否かを容易に確認することができる。参考までに、本実施例のように電極200に露出領域Iを設けると、この露出領域Iを外部との接続のためのリード線が接続される部分として活用することもできるため、ガスセンサ10’の大きさを小型化することができる。 By providing the exposed region I, it is easy to check whether the electrode 200 is installed correctly or whether the electrode 200 is operating normally. For reference, by providing the exposed region I on the electrode 200 as in this embodiment, the exposed region I can also be used as a portion to which a lead wire for connection to the outside is connected, so that the size of the gas sensor 10' can be reduced.
図6には、本発明のガスセンサ10”の別の実施例が示されている。本実施例のガスセンサ10”は、感知層300がホルムアルデヒドAと特異的に反応する性質を持っているため、前記電極部200が感知層300によって接続できれば、感知層300がどの位置にあっても、正常な機能を発揮することができるという点を考慮した。 Figure 6 shows another embodiment of the gas sensor 10" of the present invention. The gas sensor 10" of this embodiment has a sensing layer 300 that reacts specifically with formaldehyde A, so as long as the electrode section 200 can be connected by the sensing layer 300, it can function normally no matter where the sensing layer 300 is located.
本実施例では、基板100上に感知層300が形成され、前記感知層300上に電極200が形成されている。前記電極200は、第1電極210と第2電極220とが対をなして所定の間隔だけ離れて形成されている。ここで、前記第1電極210と第2電極220とは、それぞれ外部とは別途のリード線(図示せず)を介して接続されてもよい。 In this embodiment, a sensing layer 300 is formed on a substrate 100, and an electrode 200 is formed on the sensing layer 300. The electrode 200 is formed by pairing a first electrode 210 and a second electrode 220 with a predetermined distance between them. Here, the first electrode 210 and the second electrode 220 may each be connected to the outside via a separate lead wire (not shown).
そして、前記電極200は、それ自体がホルムアルデヒドA又は揮発性有機化合物に反応しないため、室内又は大気中にさらされても構わない。このような点を反映して、前記電極200が前記感知層300上に形成されるようにしたのである。 The electrode 200 itself does not react with formaldehyde A or volatile organic compounds, so it can be exposed indoors or in the air. In light of this, the electrode 200 is formed on the sensing layer 300.
本実施例では、前記基板100に感知層300が先に形成され、前記感知層300上に電極200が形成される。すなわち、前記基板100と電極200との間に感知層300が介在しており、前記第1電極210と第2電極220は前記感知層300の表面に形成されることができる。このように、感知層300上に第1電極210と第2電極220が形成されることにより、感知層300によって第1電極210と第2電極220とが接続されることを保障することができる。 In this embodiment, the sensing layer 300 is first formed on the substrate 100, and the electrode 200 is formed on the sensing layer 300. That is, the sensing layer 300 is interposed between the substrate 100 and the electrode 200, and the first electrode 210 and the second electrode 220 can be formed on the surface of the sensing layer 300. In this manner, by forming the first electrode 210 and the second electrode 220 on the sensing layer 300, it is possible to ensure that the first electrode 210 and the second electrode 220 are connected by the sensing layer 300.
本実施例では、前記第1電極210と第2電極220が前記感知層300に装着される面を除いては、外面が全て外部にさらされる。したがって、外部との電気的接続のためのリード線接続がさらに容易であり得る。特に、製造過程において前記第1電極210と第2電極220の形成が相対的に容易になることができ、製造後のメンテナンスが相対的に容易になることができる。 In this embodiment, all of the outer surfaces of the first electrode 210 and the second electrode 220 are exposed to the outside except for the surfaces where the first electrode 210 and the second electrode 220 are attached to the sensing layer 300. Therefore, it may be easier to connect lead wires for electrical connection to the outside. In particular, it may be relatively easy to form the first electrode 210 and the second electrode 220 during the manufacturing process, and maintenance after manufacturing may be relatively easy.
次に、図7には、図2に示された実施例にヒータ400が追加されたことが示されている。ここでは、説明の便宜上、図2に示された実施例と同様の図面符号を使用し、前記ヒータ400を追加する。 Next, FIG. 7 shows that a heater 400 has been added to the embodiment shown in FIG. 2. For ease of explanation, the same reference numerals as in the embodiment shown in FIG. 2 are used here, and the heater 400 has been added.
前記ヒータ400は、熱を提供することにより、ガスセンサ10が特定の温度で動作することを可能とする。前記ヒータ400は、金又は白金で作られることができる。前記ヒータ400は、図7に示すように、基板100の表面のうち、電極200がある反対側の表面にあり得る。しかし、前記電極200がある表面に、前記電極200の周囲に電極200を囲むようにヒータ400があってもよい。 The heater 400 provides heat to enable the gas sensor 10 to operate at a particular temperature. The heater 400 can be made of gold or platinum. The heater 400 can be on the surface of the substrate 100 opposite the surface on which the electrode 200 is located, as shown in FIG. 7. However, the heater 400 may also be located on the surface on which the electrode 200 is located, surrounding the electrode 200.
以下では、本発明のガスセンサ10の製造方法の一実施例を説明する。説明の便宜上、図2に示されたガスセンサ10を参照して説明する。 Below, an embodiment of a method for manufacturing the gas sensor 10 of the present invention will be described. For convenience of explanation, the gas sensor 10 shown in FIG. 2 will be referred to for explanation.
本発明のガスセンサ10では、電極200の材料として酸化インジウムスズ(ITO)を用いる。感知層300の材料として、Mgを含む酸化スズ(Mg-SnO2)を使用している。 In the gas sensor 10 of the present invention, indium tin oxide (ITO) is used as the material of the electrode 200. As the material of the sensing layer 300, Mg-containing tin oxide (Mg-SnO 2 ) is used.
Mg-SnO2の製造について説明する。塩化スズ(SnCl2)と硫酸マグネシウムの水溶液を反応させる。ここで、SnとMgの含有量は、モル比でSn:Mg=20:1に設定することができる。この水溶液にアンモニア水を滴下させると、沈殿物を得ることができる。 The production of Mg- SnO2 will be explained. Tin chloride ( SnCl2 ) and an aqueous solution of magnesium sulfate are reacted. Here, the content of Sn and Mg can be set to a molar ratio of Sn:Mg=20:1. A precipitate can be obtained by dropping ammonia water into this aqueous solution.
この沈殿物を蒸留水で洗浄した後に乾燥させる。乾燥は、大気中で行われることができる。乾燥した粉末を600~800℃で焼成して、Mg-SnO2を得ることができる。 The precipitate is washed with distilled water and then dried. Drying can be performed in air. The dried powder can be calcined at 600-800°C to obtain Mg- SnO2 .
前記基板100の表面に、酸化インジウムスズ(ITO)を材料とする電極200を形成することができる。前記電極200の第1電極210と第2電極220を基板100に形成した後には、感知層300を形成する。前記感知層300は、上述したMg-SnO2を材料とする。Mg-SnO2を純水とグリセリンの混合溶液に分散させて、第1電極210と第2電極220とを接続するように塗布することにより、感知層300を形成することができる。 An electrode 200 made of indium tin oxide (ITO) may be formed on the surface of the substrate 100. After the first electrode 210 and the second electrode 220 of the electrode 200 are formed on the substrate 100, a sensing layer 300 is formed. The sensing layer 300 is made of the above-mentioned Mg- SnO2 . The sensing layer 300 may be formed by dispersing Mg- SnO2 in a mixed solution of pure water and glycerin and applying the solution to connect the first electrode 210 and the second electrode 220.
前記感知層300を形成した後、500℃で加熱処理することができる。 After forming the sensing layer 300, it can be heat treated at 500°C.
本発明のガスセンサ10を用いてガス応答を測定することを説明する。前記ガスセンサ10をガス導入容器内に設置し、濃度調整したガスにさらす。この状態で第1電極210と第2電極220との間の抵抗値の変化を検出して感度などを測定することができる。 The following describes how to measure gas response using the gas sensor 10 of the present invention. The gas sensor 10 is placed in a gas introduction container and exposed to a gas with an adjusted concentration. In this state, the change in resistance between the first electrode 210 and the second electrode 220 can be detected to measure the sensitivity, etc.
濃度調整したガスは、純水空気を希釈ガスとしてガス発生装置(Permeator)で発生させ、質量流量制御器(Mass Flow Controller)を用いて流量を調整してガス導入容器に投入することができる。湿度は、蒸留水をバブリング(Bubbling)することにより発生させることができる。図3の結果を得た相対湿度は、54%に設定されることができる。 The gas with adjusted concentration can be generated in a gas generator (Permeator) using pure air as a dilution gas, and the flow rate can be adjusted using a mass flow controller and introduced into the gas introduction vessel. Humidity can be generated by bubbling distilled water. The relative humidity obtained from the results in Figure 3 can be set to 54%.
前記ガスセンサ10における抵抗値は、エレクトロメータセンサ素子に設置した配線を介して電圧を印加し、電流を測定することにより得た。 The resistance value of the gas sensor 10 was obtained by applying a voltage through wiring installed in the electrometer sensor element and measuring the current.
本発明のガスセンサ10は、様々な家電製品に使用できる。例えば、空気調和機、空気清浄機、洗濯機、乾燥機、衣類管理機に設置して、ホルムアルデヒドが発生したか否かを感知し、それにより必要な動作を行うようにすることができる。 The gas sensor 10 of the present invention can be used in a variety of home appliances. For example, it can be installed in air conditioners, air purifiers, washing machines, dryers, and clothing management machines to detect whether formaldehyde is being generated and perform the necessary operations accordingly.
本発明は、様々な形態に変形して実施できるが、上述した実施例にその権利範囲が限定されるものではない。よって、変形した実施例が本発明の特許請求の範囲の構成要素を含んでいる場合、本発明の権利範囲に属するものと理解すべきである。 The present invention can be modified and embodied in various forms, but the scope of the rights is not limited to the above-mentioned embodiment. Therefore, if a modified embodiment includes elements of the claims of the present invention, it should be understood that it falls within the scope of the rights of the present invention.
10、10’、10” ガスセンサ
100 基板
200 電極
210 第1電極
220 第2電極
300 感知層
400 ヒータ
10, 10', 10" Gas sensor 100 Substrate 200 Electrode 210 First electrode 220 Second electrode 300 Sensing layer 400 Heater
Claims (4)
非伝導性物質で構成された基板と;
前記基板に位置する感知層と;
伝導性物質で構成され、前記感知層内の電子移動及び静電容量を感知する電極と;を備えてなり、
前記電極は、伝導性物質で構成された第1電極と、
前記第1電極に電流を供給するか、又は、前記第1電極から電流の供給を受ける第2電極と、を備え、
前記感知層は、前記第1電極と前記第2電極とを接続し、前記第1電極の少なくとも一部と前記第2電極の少なくとも一部が大気中に曝されるように構成され、
前記電極は酸化インジウムスズ(ITO)で構成され、
前記感知層は、Mg-SnO2で構成され、
前記感知層は、前記基板と前記電極との間に配置される、揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。 A gas sensor for sensing a volatile organic compound, comprising:
A substrate constructed of a non-conductive material;
a sensing layer disposed on the substrate;
an electrode made of a conductive material for sensing electron transfer and capacitance in the sensing layer;
The electrodes include a first electrode made of a conductive material;
a second electrode that supplies a current to the first electrode or receives a current from the first electrode;
the sensing layer is configured to connect the first electrode and the second electrode, and at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are exposed to the atmosphere;
The electrodes are made of indium tin oxide (ITO),
The sensing layer is made of Mg - SnO2 ,
The sensing layer is disposed between the substrate and the electrode .
前記ヒータは、前記電極がある基板の表面、又は、前記電極がある基板の表面の反対側の表面に位置する、請求項1に記載の揮発性有機化合物を感知するガスセンサ。 the substrate further comprising a heater;
2. The gas sensor for sensing volatile organic compounds according to claim 1 , wherein the heater is located on a surface of the substrate on which the electrodes are located or on a surface opposite to the surface on which the electrodes are located.
酸化インジウムスズ(ITO)を用いて電極を形成するステップと;
Mg-SnO2を用いて前記感知層を形成するステップと;を含んでなり、
前記感知層は、Mg-SnO 2 を分散させた、純水とグリセリンの混合溶液を塗布し、所定の温度で加熱して形成される、揮発性有機化合物を感知するガスセンサの製造方法。
A method for manufacturing a gas sensor in which a sensing layer is formed and electrodes formed on a substrate are connected to each other by the sensing layer, comprising the steps of:
forming an electrode using indium tin oxide (ITO);
forming the sensing layer using Mg - SnO2 ;
The sensing layer is formed by applying a mixed solution of pure water and glycerin in which Mg--SnO2 is dispersed, and heating it at a predetermined temperature .
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