첨단세라믹스  해외기술정보

열전식 수소 센서로 수소 0.5ppm에서 5%까지 검지
(독)産業技術總合硏究所(이사장 吉川弘之)(이하 ‘産總硏’이라고 함)는 넓은 범위의 수소농도를 검지하는, 수소가 새는 것을 검지하는 센서의 개발에 성공했다. 세라믹스 담지 백금 촉매를 열전 변환 MEMS디바이스 위에 패턴 형성하는 기술을 개발함으로써 고감도로 내구성이 있는 마이크로 열전식 수소 센서 소자를 제작할 수 있었다. 이 센서 소자는 연료전지의 보급에 따라 이용이 확대될 것으로 보이는 수소가스의 안전관리에 적합하다.
시판되고 있는 대부분의 수소센서는 접촉 연소식 혹은 반도체식이다. 양쪽 모두 JIS규격 M7626의 해설에 동작원리 등이 상세하게 기술되어 있다. 접촉 연소식은 접촉연소의 발열에 의한 약간의 소자온도상승(히터의 저항변화)을 신호로 하기 때문에 낮은 가스 농도에서의 감도가 나빠, 1000ppm에서 몇 %의 검시농도 범위에서 이용된다. 반도체식의 경우는 그 표면이 가연성 가스에 의해 환원됨으로써 저항이 변화하지만, 어떤 가스 농도 이상에서는 포화하므로 저항변화가 생기지 않는다. 따라서 통상 5000ppm 미만의 검지농도 범위에서 이용된다. 열전식은 열전 변환막과 그 표면의 일부 위에 형성된 촉매막으로 구성되어, 가스와 촉매의 발열반응으로 발생하는 국부적인 온도차를 열전변환 막에서 전압신호로 변환한다. 그러나 저가·고감도의 소자 개발에는 센서 소자의 소형화·집적화 기술·마이크로히터 기술의 개발이 필요했다.
이번에는 실리콘 웨이퍼 위에 박막 상의 열전막, 촉매막, 전극·배선, 히터를 형성하는 마이크로 열전 변환 디바이스 소자 제조 기술을 이용, 열전식 소자 센서의 플로토 타입을 제작했다.열전변환 디바이스에 이용한 SiGe열전 변환 재료는 열전 특성이 높고, 실리콘 프로세스와의 적합성이 우수하다. 또 센서 응답의 습도에 의한 영향을 없애기 위해 촉매온도를 100℃로 유지하는 히터 집적화 기술로서 열 차단에 우수한 마이크로 히터를 MEMS기술로 제작했다. 고성능의 세라믹스 촉매 재료를 집적화한 마이크로 센서 소자는 수소검지성능이 비약적으로 향상하여 대기 중의 수소 농도 0.5ppm에서 5%까지를 직선성 좋게 검지할 수 있었다. 또 센서를 실온·상대 습도 약 65%의 분위기에서 3개월 연속 동작시켜, 100ppm, 1000ppm, 1%의 수소농도에 대한 응답 특성이 충분히 안정적이라는 것을 확인했다. 지구 상의 대기에는 수소가 약 0.5ppm존재하고, 또 수소는 공기 중 4% 이상에서 폭발한다. 개발된 마이크로 열전식 수소 센서는 0.5ppm에서 5%까지 검지할 수 있기 때문에 수소가 새는지 검지하는 센서로서 가장 적합한 감도영역을 갖고 있다. 개발한 수소센서 소자의 플로토타입은 産總硏의 연구시료 제공에 의해 샘플 제공을 실시한다. (CJ)

다공질 대응의 플렉시블 가스실(seal) 재료 개발
(재)파인세라믹스센터(회장 瀨谷博道) 須田聖一 주임연구원 등 연구팀은 800℃ 이하에서 융착할 수 있고, 상대 재료가 다공질이어도 충분히 가스를 실할 수 있는 플렉시블 가스실 재료를 개발했다.
다공질 부재에 대해 가스를 실하는 재료는 고체산화물형 연료전지(SOFC)나 가스센서 등 용도가 많은데, 실성(性)이나 안정성 등 과제가 있었다. 이 개발 시트재는 두께 70~200㎛, 폭은 약 14cm이다. 800℃이하에서 용융할 수 있는 글라스계 실재로 개(開)기공률 30%의 다공질 재료여도 융착했을 때에 다공체 내부에 대한 침투를 50㎛이내까지 억제할 수 있으며, 동시에 높은 절연성(650℃에서 약 1MΩ)을 보인다. 가스실이 필요한 부분에 맞추어 잘라서 붙일 수 있는 유연성을 갖추고 있기 때문에 표면이 거칠어도 또 구부러져 있는 다공질 부재여도 충분하게 실할 수 있다는 것이 특징 가운데 하나이다.
SOFC의 저온작동을 위한 연구 가운데, 전해질을 박막화하여 전극으로 셀 전체를 지지하는 전극 지지형 구조가 주목되고 있다. 저온이며 동시에 높은 효율로 전극 지지 구조 셀을 작동하기 위해서는 다공질 전극을 가스실할 수 있는 재료가 불가결하게 된다. 이 센터에서는 이 실재를 이용한 SOFC의 특성평가와 실성의 장기안정성에 대해서 더욱 검증을 추진해나갈 예정이다.
본 연구개발은 新에너지·産業技術總合開發機構(NEDO)의 위탁사업 ‘세라믹 리액터 개발’의 일환으로 이루어졌다. (CJ)