KR20250102564A - Battery electrolyte leak detection using battery electrolyte leak detection sensor - Google Patents
Battery electrolyte leak detection using battery electrolyte leak detection sensor Download PDFInfo
- Publication number
- KR20250102564A KR20250102564A KR1020230194328A KR20230194328A KR20250102564A KR 20250102564 A KR20250102564 A KR 20250102564A KR 1020230194328 A KR1020230194328 A KR 1020230194328A KR 20230194328 A KR20230194328 A KR 20230194328A KR 20250102564 A KR20250102564 A KR 20250102564A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- leak detection
- base material
- detection structure
- sensor
- pattern
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
- G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/08—Oxides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4228—Leak testing of cells or batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
반도체 형태의 누출감지 구조체를 포함하는 배터리 전해질 누출감지 센서와, 이를 이용한 배터리 누출감지 시스템을 제공한다. 본 발명의 누출감지 센서 및 누출감지 시스템은 센서에 Si계열 웨이퍼 기판 상에 형성되는, 하나 이상의 베이스물질 증착체를 포함하고, 상기 하나 이상의 베이스물질 증착체 상에는, 1종 이상의 감응물질이 증착되어 기 설정된 1종 이상의 목표 감지 물질을 효과적으로 감지할 수 있다.A battery electrolyte leak detection sensor including a semiconductor-type leak detection structure and a battery leak detection system using the same are provided. The leak detection sensor and the leak detection system of the present invention include one or more base material deposits formed on a Si series wafer substrate in the sensor, and one or more types of sensitive materials are deposited on the one or more base material deposits so as to effectively detect one or more preset target detection materials.
Description
본 발명은 배터리 전해질 누출감지 구조체와 이를 포함하는 누출감지 센서, 그리고 센서를 구비한 배터리 전해액 누출감지 시스템에 대한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 형태의 누출감지 구조체를 포함하는 배터리 전해질 누출감지 센서와, 이를 이용한 배터리 누출감지 시스템에 대한 것이다.The present invention relates to a battery electrolyte leak detection structure, a leak detection sensor including the same, and a battery electrolyte leak detection system having the sensor. More specifically, the present invention relates to a battery electrolyte leak detection sensor including a semiconductor-type leak detection structure, and a battery leak detection system using the same.
최근 전기차 및 노트북, 이동통신기기의 급속한 보급에 따라 재충전이 가능한 경량, 대용량의 전원공급수단에 대한 필요성이 높아지고 있는 추세이다.Recently, with the rapid spread of electric vehicles, laptops, and mobile communication devices, the need for lightweight, large-capacity power supplies that can be recharged is increasing.
이와 같은 추세에 따라 전해질을 이온화시키고 전극 간 기전력을 발생시켜서 전원을 충전하여 방전시키는 니켈 수소(Ni-MH)전지와 리튬(Li)전지 및 리튬이온(Li-ion)전지 등이 사용되고 있으며, 이러한 전지들을 대부분 이차 전지라 한다.Following this trend, nickel-metal hydride (Ni-MH) batteries, lithium (Li) batteries, and lithium-ion (Li-ion) batteries, which charge and discharge electricity by ionizing the electrolyte and generating an electromotive force between the electrodes, are being used, and most of these batteries are called secondary batteries.
보통 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로, 외관상으로는 원통형 전지 각형 전지 파우치 전지 등으로 구분되며, 필요에 따라 다양한 형태의 이차전지를 필요한 곳에 사용하게 된다.Secondary batteries are usually rechargeable and can be made small and large in size. They are classified by appearance into cylindrical batteries, square batteries, and pouch batteries. Depending on the need, secondary batteries of various shapes are used where needed.
상기와 같은 통상의 이차전지는 정극과 부극의 사이에 주입된 전해질로부터 이온이 발생하여 전극 간에 이동하므로 기전력을 발생시키고, 그 작용에 의해 충ㆍ방전이 이루어지도록 하는 방식으로 운영된다.Conventional secondary batteries, such as the above, operate by generating electromotive force by generating ions from an electrolyte injected between the positive and negative electrodes and moving between the electrodes, thereby causing charging and discharging.
따라서, 이차전지는 충ㆍ방전 용량에 영향을 미치는 전해질의 손실을 방지하고, 또 내압 발생을 고려하여 전해질의 누출을 방지할 수 있는 밀폐형의 구조를 갖는다.Accordingly, the secondary battery has a sealed structure that can prevent loss of electrolyte that affects charge/discharge capacity and prevent leakage of electrolyte by considering the generation of internal pressure.
이러한 이차전지에서의 가장 큰 문제점은, 외부에서의 지속적인 기계적, 전기적, 열적 자극에 의한 열폭주(Thermal Runaway) 현상이다. 열폭주 현상은 이차전지 배터리의 열 관리에 실패할 시 내부 전해질이 기체화되면서 밀폐형 구조를갖는 이차전지 내부의 압력이 높아지면서 배터리 셀을 손상시키고, 전해질 기체와 함께 가연성 기체 등이 분출되면서 착화, 종국적으로 셀 전체에 화재가 발생하여 인명 및 재산상의 손실을 끼친다는 것이다.The biggest problem with these secondary batteries is the thermal runaway phenomenon caused by continuous mechanical, electrical, and thermal stimulation from the outside. The thermal runaway phenomenon occurs when the internal electrolyte vaporizes when the secondary battery fails to manage its heat, causing the pressure inside the sealed secondary battery to increase, damaging the battery cell, and igniting the entire cell with flammable gases and electrolyte gases. This ultimately causes a fire. This can lead to loss of life and property.
도 1은 이차전지 배터리의 열폭주를 설명하기 위한 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리의 과열(Thermal Abuse; 열 남용)이 발생하면 시간의 흐름에 따라 내부 전해질의 기체화에 따라 배터리 내부의 압력(Battery Internal Pressure)이 급증하고, 그 결과 배터리가 파손되어 기체화된 내부 전해질이 분출(1st venting and Gas diffusion)된다.Figure 1 is a graph for explaining thermal runaway of a secondary battery. As shown in Figure 1, when overheating (thermal abuse) of a battery occurs, the pressure inside the battery (battery internal pressure) increases rapidly over time due to vaporization of the internal electrolyte, and as a result, the battery is damaged and the vaporized internal electrolyte is ejected (1st venting and gas diffusion).
그런데 상기 내부 전해질 분출(Gas diffusion) 단계에서는, 아직 배터리에 화재가 발생하진 않은 상태로서, 이때 분출되는 기체화된 전해질 증기물질은 DMC(Dimethyl carbonate), DEC(Diethyl carbonate), EC,(Ethylene carbonate), EMC(Ethyl-methylcarbonate) 등이다.However, in the above internal electrolyte eruption (gas diffusion) stage, the battery has not yet caught fire, and the gasified electrolyte vapor substances emitted at this time include DMC (Dimethyl carbonate), DEC (Diethyl carbonate), EC (Ethylene carbonate), EMC (Ethyl-methylcarbonate), etc.
그리고 시간이 흐름에 따라 온도가 지속적으로 상승하면서, HTR(Heat-Temperature Reaction)루프라고 알려진 연쇄반응이 일어나면서 온도가 비정상적으로 상승, 열폭주로 화재가 발생하는 단계(Thermal runaway and Combustion)가 되면서 화재 및 폭발이 일어나게 되는 것이다. 이때는 전해질의 분해물질들인 CO2 및 CO, HF와 같은 유해물질, H2와 같은 인화성 물질이 대량 발생 및 분출되어 큰 사고로 이어지게 되는 것이다.And as time passes and the temperature continues to rise, a chain reaction known as a Heat-Temperature Reaction (HTR) loop occurs, causing the temperature to rise abnormally, reaching the stage of thermal runaway and combustion, which can cause a fire and explosion. At this time, hazardous substances such as CO2, CO, and HF, which are decomposition products of the electrolyte, and flammable substances such as H2 are generated and emitted in large quantities, leading to a major accident.
상기와 같은 열폭주로 인한 화재는, 전해질 성분 중 하나인 리튬 이온이 물과 반응을 잘 하기 때문에 통상의 화재진압 방법인 물뿌리기가 오히려 화재를 더 키울 수 있기 때문에 사용할 수 없어, 통상의 화재보다도 더 큰 인명과 재산상의 피해를 줄 수 있기 때문에 치명적이다. 따라서 통상의 배터리 열폭주 방지는, 열폭주의 원인인 배터리 과열 상태를 아예 막고 배터리의 열관리를 수행하기 위하여, 배터리 조립체 시스템(BSA; Battery System Assembly)에 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)을 더하여 배터리의 열관리를 수행하고, 배터리가 위험상황에 처하는 것을 감지하여 전자적으로 통보한다.Fires caused by thermal runaway as described above are fatal because they can cause greater damage to life and property than normal fires, as the conventional fire-fighting method of spraying water cannot be used because lithium ions, which are one of the electrolyte components, react well with water. Therefore, conventional battery thermal runaway prevention is to completely prevent battery overheating, which is the cause of thermal runaway, and to perform battery thermal management by adding a battery management system (BMS) to the battery system assembly (BSA), perform battery thermal management, and detect when the battery is in a dangerous situation and notify electronically.
하지만 통상의 BMS는 전기장치적 시스템에 의존하므로 오작동의 우려가 있으며 또는 그 자체가 전기적인 배터리 자극원으로서 기능하기도 하고, 복잡한 시스템적 구성을 가져 유지보수가 용이하지 않는 등의 문제점이 발생하였다.However, conventional BMSs rely on electrical devices, so there is a risk of malfunction, or they themselves function as an electrical battery stimulus source, and there are problems such as complex system configurations that make maintenance difficult.
특히 본 발명의 출원인은, 배터리의 파손에 따라 1차 전해질 가스가 분출한 뒤 열 폭주가 발생할때까지의 시간차가 있다는 것에 착안하여, 본 발명을 고안하게 되었다.In particular, the applicant of the present invention devised the present invention by noting that there is a time difference between the occurrence of thermal runaway after the primary electrolyte gas is emitted due to damage to the battery.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 배터리의 파손에 따라 발생하는 1차 전해질 가스를 감지할 수 있는 누출감지 구조체 및 누출감지 센서와, 이를 포함하는 누출감지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to provide a leak detection structure and a leak detection sensor capable of detecting primary electrolyte gas generated due to damage to a battery, and a leak detection system including the same, in order to solve the problems of the prior art as described above.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above-mentioned purpose of the present invention,
누출감지 구조체로서, Si계열 웨이퍼 기판 상에 형성되는, 하나 이상의 베이스물질 증착체를 포함하고, 상기 하나 이상의 베이스물질 증착체 상에는, 1종 이상의 감응물질이 증착되어 있는 누출감지 구조체를 제공한다.A leak detection structure is provided, which comprises one or more base material deposits formed on a Si series wafer substrate, and one or more types of sensitive materials are deposited on the one or more base material deposits.
상기에서, 하나 이상의 베이스물질 증착체는 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화구리(CuO), 산화니켈(NiO), 이산화티타늄(TiO2) 중 선택된 어느 하나 이상의 성분인 것이 바람직하다.In the above, it is preferable that the at least one base material deposit is at least one component selected from tin oxide (SnO2), tungsten trioxide (WO3), copper oxide (CuO), nickel oxide (NiO), and titanium dioxide (TiO2).
상기에서, 감응물질은 1종 이상의 금속원소 또는 1종 이상의 p형 반도체용 금속산화물 중 선택된 어느 하나 이상의 성분인 것이 바람직하다.In the above, it is preferable that the responsive material is at least one component selected from at least one metal element or at least one metal oxide for a p-type semiconductor.
또한 본 발명은 상기 누출감지 구조체의 제조방법으로서, Si계열 웨이퍼 기판 상에 폴리스티렌 성분의 프리패턴을 형성하는 프리패턴 형성단계(S11); 상기 단계(S11) 이후, 베이스물질을 1차 증착시키는 베이스물질 1차 증착단계(S12); 상기 단계(S12) 이후, 스퍼터링 방식으로 1차 증착된 베이스물질을 상기 프리패턴의 측면에 증착시켜 하나 이상의 측면 베이스물질 증착체를 형성시키는 베이스물질 2차 증착단계(S13); 상기 단계(S13) 이후, 상기 프리페턴을 제거하는 프리패턴 제거단계(S14); 그리고 상기 단계(S14) 이후, 1종 이상의 감응물질을 증착시키는 감응물질 증착단계(S15)를 포함하는 누출감지 구조체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing the leak detection structure, comprising: a pre-pattern forming step (S11) of forming a pre-pattern of a polystyrene component on a Si series wafer substrate; a base material first deposition step (S12) of first depositing a base material after the step (S11); a base material second deposition step (S13) of first depositing the base material by a sputtering method on a side surface of the pre-pattern to form one or more side base material deposition bodies; a pre-pattern removing step (S14) of removing the pre-pattern after the step (S13); and a sensitive material deposition step (S15) of depositing one or more sensitive materials after the step (S14).
상기 제조방법에서, 하나 이상의 베이스물질은 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화구리(CuO), 산화니켈(NiO), 이산화티타늄(TiO2) 중 선택된 어느 하나 이상의 성분인 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, it is preferable that at least one base material is at least one component selected from tin oxide (SnO2), tungsten trioxide (WO3), copper oxide (CuO), nickel oxide (NiO), and titanium dioxide (TiO2).
상기 제조방법에서, 하나 이상의 측면 베이스물질 증착체는 폭(sw) 대비 높이(sh)가 sw:sh=1~13~18 범위인 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, it is preferable that the height (sh) of one or more side base material deposition bodies has a range of sw:sh=1~13~18 relative to the width (sw).
상기 제조방법에서, 감응물질은 1종 이상의 금속원소 또는 1종 이상의 p형 반도체용 금속산화물 중 선택된 어느 하나 이상의 성분인 것이 바람직하다.In the above manufacturing method, it is preferable that the responsive material is at least one component selected from at least one metal element or at least one metal oxide for p-type semiconductors.
또한 본 발명은, 누출감지 구조체를 하나 이상 포함하는 누출감지 센서를 제공한다.The present invention also provides a leak detection sensor including one or more leak detection structures.
또한 본 발명은, 누출감지 센서를 하나 이상 포함하는 누출감지 시스템으로서, 상기 누출감지 센서를 하나 이상 포함하는 센서측정부; 상기 센서측정부에서 송신하는 센싱 신호를 처리하는 신호처리부; 그리고 출력부를 포함하고, 상기 신호처리부는 하나 이상의 노이즈필터; 그리고 드리프트 보정부를 포함하는 누출감지 시스템을 제공한다.In addition, the present invention provides a leak detection system including one or more leak detection sensors, comprising: a sensor measurement unit including one or more of the leak detection sensors; a signal processing unit for processing a sensing signal transmitted from the sensor measurement unit; and an output unit, wherein the signal processing unit includes one or more noise filters; and a drift correction unit.
본 발명에 의하면, 감지 목표 물질인 전해질 가스를 감지함으로서 배터리가 열폭주 되기 전 배터리의 손상을 빠르게 파악하여 위급한 인명사고를 방지하거나 또는 최소화하고, 재산상의 피해 또한 최소화할 수 있도록 하는 고신뢰성의 배터리 고장 및 누출감지 센서를 제공할 수 있다.According to the present invention, a highly reliable battery failure and leakage detection sensor can be provided that detects electrolyte gas, which is a detection target substance, to quickly detect damage to a battery before the battery thermal runaway, thereby preventing or minimizing critical casualties and also minimizing property damage.
도 1은 배터리의 열폭주 화재 설명 그래프.
도 2는 본 발명의 구조체 제작공정 순서도.
도 3은 본 발명의 구조체 제작 구조도.
도 4는 누출가스 물리량 기재표.
도 5는 본 발명의 구조체 프리패턴 사진.
도 6은 본 발명의 구조체 종횡비 구조도.
도 7은 본 발명의 센서 실물 사진.
도 8a~8d, 도 9, 도 10은 본 발명의 구조체 실험 결과 그래프.
도 11은 본 발명의 시스템 구조도.Figure 1 is a graph explaining the thermal runaway fire of a battery.
Figure 2 is a flow chart of the structure manufacturing process of the present invention.
Figure 3 is a structural diagram of the structure of the present invention.
Figure 4 is a table showing the physical quantities of leaked gas.
Fig. 5 is a photograph of a pre-pattern of a structure of the present invention.
Figure 6 is a structural diagram of the aspect ratio of the structure of the present invention.
Figure 7 is an actual photograph of the sensor of the present invention.
Figures 8a to 8d, Figures 9 and 10 are graphs showing the results of structural experiments of the present invention.
Figure 11 is a system structure diagram of the present invention.
이하에서는 바람직한 실시예 및 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해와 실시를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자들은 당업자들은 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형이나 변경 또는 수정이 있을 수 있음을 이해할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments and the accompanying drawings. The following description is intended to aid understanding and practice of the present invention, but is not intended to limit the present invention. Those skilled in the art will understand that various modifications, changes, or alterations may be made within the spirit of the present invention as set forth in the claims below.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification of the present invention, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only cases where it is “directly connected,” but also cases where it is “electrically connected” with another element in between.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification of the present invention, when it is said that a member is positioned “on” another member, this includes not only cases where the member is in contact with the other member, but also cases where another member exists between the two members.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.Throughout the specification of the present invention, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but rather that other components can be included, unless otherwise specifically stated. The terms “about,” “substantially,” and the like used throughout the specification of the present invention are used in a meaning that is at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly utilizing the disclosure contents that are stated as exact or absolute values to help the understanding of the present invention.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The terms “step of ~” or “step of ~” as used throughout the specification of the present invention do not mean “step for ~.”
본 발명의 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present invention, the term “combination(s) thereof” included in the expressions in the Makushi format means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expressions in the Makushi format, and means including one or more selected from the group consisting of said components.
도 2는 본 발명의 누출감지 센서에 사용되는, 누출감지 구조체(110) 및 누출감지 센서를 제조하기 위한 공정 순서도이며, 도 3은 도 2의 단계에 따른 누출감지 구조체(110)의 제작 형태를 순서대로 도시한 구조도이다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 통하여, 본 발명의 누출감지 센서에서 사용되는 누출감지 구조체 및 누출감지 센서의 제조 방법에 대하여 설명한다.FIG. 2 is a process flow diagram for manufacturing a leak detection structure (110) and a leak detection sensor used in the leak detection sensor of the present invention, and FIG. 3 is a structural diagram sequentially showing the manufacturing form of the leak detection structure (110) according to the steps of FIG. 2. Hereinafter, a method for manufacturing a leak detection structure and a leak detection sensor used in the leak detection sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
상술한 바와 같이, 배터리는 열폭주 전에는 기체화된 전해질 물질인 DMC, DEC, EC, EMC가 누출되며, 열폭주로 화재가 발생하였을 때는 CO2나 CO, HF, H2, H2S와 같은 인화성 물질이나 고중합체의 발화에 따른 유독가스가 발생한다. 본 발명에서는, 감지 대상으로서 열폭주 전 누출되는 DMC, DEC, EC, EMC 중 어느 하나 이상을 감지하여 배터리의 열폭주 전 긴급상황 및 배터리의 고장을 통보함으로서 안전사고의 방지 또는 인명사고의 예방 및 최소화를 꾀한다.As described above, before thermal runaway, the battery leaks gasified electrolyte materials such as DMC, DEC, EC, and EMC, and when a fire occurs due to thermal runaway, flammable materials such as CO2, CO, HF, H2, and H2S, or toxic gases due to ignition of high-polymers are generated. In the present invention, by detecting at least one of DMC, DEC, EC, and EMC leaking before thermal runaway as a detection target, an emergency situation and a battery failure before the battery thermal runaway are notified, thereby preventing safety accidents or preventing and minimizing casualties.
이하에서는 가장 바람직한 실시예로서, 본 발명의 누출감지 센서에 포함되는 누출감지 구조체가 상기 전해질 증기물질 중 가장 대표적인 물질인 DMC(Dimethyl carbonate)를 감지하는 것을 일예시로 하여 설명한다.Hereinafter, as a most preferred embodiment, a leak detection structure included in the leak detection sensor of the present invention will be described by way of example in which it detects DMC (Dimethyl carbonate), which is the most representative substance among the electrolyte vapor substances.
상기 DMC를 바람직한 실시예 감지 목표 물질로 설정한 것은, 도 4에 도시된 바와 같이 방출되는 통상의 전해질 증기들 중 끓는점이 가장 낮다고 알려져(약 90℃) 배터리 고장 및 과열 시 가장 빠르게 누출되어 신속한 감지가 가능하고, 타 물질에 비해 증기 흡입에 대한 독성 기준(LC50)이 140mg/L로서 비교적 무독성이어서 누출이 빠르게 일어나더라도 인명 피해가 발생하지 않고 사용자가 누출 감지 통보 후 필요한 조치를 취하거나 배터리가 장착된 지역/장치에서 이탈할 때까지 해를 끼칠 염려가 적기 때문에 상기 DMC를 바람직한 실시예 감지 목표 물질로 설정하였다.The reason why the above DMC is set as a preferred embodiment detection target substance is because, as shown in FIG. 4, it is known to have the lowest boiling point among the common electrolyte vapors emitted (approximately 90°C), so it leaks the fastest in case of battery failure and overheating, allowing for rapid detection, and compared to other substances, it has a toxicity standard (LC50) for vapor inhalation of 140 mg/L, making it relatively non-toxic, so even if a rapid leak occurs, no casualties will occur, and there is little concern about harm until the user takes necessary measures after being notified of a leak or leaves the area/device where the battery is installed. Therefore, the above DMC was set as a preferred embodiment detection target substance.
도 2를 통하여 설명되는, 본 발명의 센서는 반도체식 DMC 감지 센서로서, 통상의 반도체 제조공정이 사용될 수 있다. 이하에서 설명될 특정한 방법 외에도 반도체 제작에 사용되며, 이하에서 설명할 특정한 방법과 치환될 수 있는 다른 제조방법이 사용될 수도 있으며, 또한 The sensor of the present invention, described through Fig. 2, is a semiconductor DMC detection sensor, and a conventional semiconductor manufacturing process can be used. In addition to the specific method described below, other manufacturing methods that are used in semiconductor manufacturing and can be substituted for the specific method described below can also be used, and
먼저 통상의 반도체 제조용 SiO2/Si 웨이퍼 기판(111) 상에 폴리스티렌(Polystrene; PS)의 프리패턴(111a)을 형성하는 프리패턴 형성 단계(S11)가 실시된다.First, a pre-pattern formation step (S11) is performed to form a pre-pattern (111a) of polystyrene (PS) on a SiO 2 /Si wafer substrate (111) for conventional semiconductor manufacturing.
웨이퍼 기판 상에 프리패턴이 형성되는 방법은 통상의 리소그래피(Lithography) 방식이 사용되는데, 예를 들어 열경화/UV경화 나노 임프린트 리소그래피(Nano Imprint Lithography; NIL), 전자빔 리소그래피(E-beam Lithography), 극자외선 리소그래피(EUV lithography), 양자 리소그래피(Quantum Lithography) 등 패턴을 형성할 수 있는 방법은 모두 사용될 수 있다.The method for forming a pre-pattern on a wafer substrate is a conventional lithography method, and any method capable of forming a pattern, such as thermal/UV curing nano imprint lithography (NIL), electron beam lithography, extreme ultraviolet lithography (EUV lithography), and quantum lithography, can be used.
그리고 상기 프리패턴 형성 단계(S11)는, 식각 공정(Etching)을 더 포함하는데, 상기 식각 공정은 본 발명의 누출감지 구조체의 3차원 형태를 제작하기 용이하도록 건식 식각(Dry Etching)방식으로 진행된다.And the above-mentioned pre-pattern forming step (S11) further includes an etching process, and the etching process is performed by a dry etching method to facilitate manufacturing a three-dimensional shape of the leak detection structure of the present invention.
상기 프리패턴 형성 단계(S11)에서의 식각 공정은, 통상의 건식 식각 방식을 사용하는데, 식각에 사용되는 가스 종류 및 유량, 조건에 따라 패터닝 형태 및 모양이 차이가 나므로 다양한 조건에서 패턴을 형성한 결과, 도 5와 같은 형태의 이상적인 패턴을 얻어낼 수 있었다. 도 5와 같은 패턴을 얻어내기 위하여, 통상의 비등방성(Non-isotropic) 건식 식각을 수행하였다.The etching process in the above-mentioned pre-pattern formation step (S11) uses a conventional dry etching method, but since the patterning form and shape differ depending on the type and flow rate of gas used for etching and the conditions, an ideal pattern of the form shown in Fig. 5 was obtained as a result of forming a pattern under various conditions. In order to obtain a pattern like Fig. 5, conventional non-isotropic dry etching was performed.
식각장비를 이용하여 0.03~0.07mbar, 75~85W에서 80~95초간 반응시켰으며 아르곤(Ar) 분위기 하에서 사플루오린화탄소(CF4) 2~4sccm(standard cc per minute), 산소(O2) 25~28sccm 투입시켰다. The reaction was performed for 80 to 95 seconds at 0.03 to 0.07 mbar and 75 to 85 W using an etching device, and 2 to 4 sccm (standard cc per minute) of carbon tetrafluoride (CF 4 ) and 25 to 28 sccm of oxygen (O 2 ) were injected under an argon (Ar) atmosphere.
상기에서, 아르곤 가스는 식각의 방향성을 결정하는 통상의 건식 식각에서 사용되는 가스이며, 산소 가스는 거칠기(Roughness)를 조절하는데 산소 가스가 25sccm 미만으로 투입되면 효과가 나타나지 않고, 28sccm 초과하여 투입시키면 식각 수준이 너머 커져 폴리머 패턴이 손상되는 것이 확인되어 상기 범위 내에서 결정한다.In the above, argon gas is a gas used in normal dry etching to determine the directionality of etching, and oxygen gas is used to control roughness. If oxygen gas is injected at less than 25 sccm, it is ineffective, and if it is injected at more than 28 sccm, the etching level becomes excessive and the polymer pattern is damaged, so it is determined within the above range.
또한 사플루오린화탄소 역시 소량 첨가 시 균일한 식각 및 패턴형성을 도모할 수 있는 것으로 확인되어 본 발명의 공정에 포함시켰으며, 2sccm 미만으로 투입되면 효과가 나타나지 않고, 4sccm을 초과하여 투입되면 식각이 너무 많이 되어 폴리머 패턴 및 기판이 손상되는 것이 확인되어 상기 범위 내에서 결정한다.In addition, carbon tetrafluoride was also included in the process of the present invention as it was confirmed that uniform etching and pattern formation can be achieved when added in small amounts. However, if it is added in less than 2 sccm, no effect is observed, and if it is added in excess of 4 sccm, too much etching occurs, damaging the polymer pattern and substrate. Therefore, it is determined within the above range.
상기 단계(S11)를 통해 기판(111) 상에 폴리스티렌 프리패턴(111a)을 형성시킨 뒤, 베이스물질을 1차 증착(112)시키는 베이스물질 1차 증착단계(S12)가 실시된다.After forming a polystyrene pre-pattern (111a) on a substrate (111) through the above step (S11), a base material primary deposition step (S12) is performed to perform primary deposition (112) of a base material.
상기 단계(S12)에서 선택되는 베이스물질은, 바람직하게는 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화구리(CuO), 산화니켈(NiO), 이산화티타늄(TiO2) 중 선택된 어느 하나 이상을 사용한다.The base material selected in the above step (S12) preferably uses at least one selected from tin oxide (SnO 2 ), tungsten trioxide (WO 3 ), copper oxide (CuO), nickel oxide (NiO), and titanium dioxide (TiO 2 ).
가장 바람직하게는, 본 발명의 바람직한 실시예 목표 물질인 DMC에 대한 감지를 용이하게 하기 위하여, 삼산화텅스텐(WO3)을 사용한다. 이하에서는, 상기 베이스물질을 삼산화텅스텐(WO3)을 사용하는 것을 일예시로 하여 설명하기로 한다.Most preferably, tungsten trioxide (WO 3 ) is used to facilitate detection of DMC, which is a preferred embodiment of the target material of the present invention. Hereinafter, the use of tungsten trioxide (WO 3 ) as the base material will be described as an example.
상기 단계(S12)에서는, 삼산화텅스텐(WO3)인 베이스물질을 증착(112)하는데, 상기 패턴형성된 기판 상에 10~20nm 수준으로 통상의 방법을 통하여 베이스물질을 증착한다. 보다 구체적으로, 전자빔 스퍼터링(E-beam Sputtering) 방식으로 20nm 두께의 베이스물질 막을 증착(112)하였을 때 향후 3차원 구조체가 용이하게 형성되는 것이 확인되었으므로 상기와 같이 한다.In the above step (S12), a base material, tungsten trioxide (WO 3 ), is deposited (112), and the base material is deposited on the patterned substrate at a level of 10 to 20 nm using a conventional method. More specifically, it has been confirmed that when a 20 nm thick base material film is deposited (112) using an electron beam sputtering method, a three-dimensional structure is easily formed in the future, and therefore, the above is performed.
그 뒤에 상기 베이스물질을 2차 증착하는 베이스물질 2차 증착단계(S13)가 실시되는데, 상기 단계(S13)에서는 통상의 PVD 스퍼터링(PVD Sputtering) 방법으로 프리패턴(111a)의 측면에 일정 두께의 베이스물질을 증착(113)시키는데, 이때 상기 기판(111) 및 프리패턴(111a) 위에 증착되어 있는 베이스물질 막(112)을 깎아내어 상기 측면 베이스물질을 증착(113)시키게 된다. 바람직하게는, 상기 측면 베이스물질 증착(113)은 15~25nm 두께가 되도록 증착시킨다.Thereafter, a base material secondary deposition step (S13) for secondary deposition of the base material is performed. In the step (S13), a base material of a certain thickness is deposited (113) on the side surface of the pre-pattern (111a) using a conventional PVD sputtering method. At this time, the base material film (112) deposited on the substrate (111) and the pre-pattern (111a) is scraped off to deposit the side surface base material (113). Preferably, the side surface base material deposition (113) is deposited to a thickness of 15 to 25 nm.
이는 스퍼터링 방식의 특징으로, 상기 베이스물질 막(112)에 이온 플라즈마 빔을 조사시켜 기 도포된 막(112) 성분을 물리화학적으로 기화시키고 입자덩어리를 튀어나오게 하여 상기 프리패턴(111a)의 측면에 붙여 측면 베이스물질 막(113)을 형성하는 것이다. 바람직하게는 상기 기판(111) 및 프리패턴(111a) 위에 증착되어 있는 베이스물질 막(112)에 대하여, 350~450초 간 아르곤 플라즈마 밀링(Ar-plasma milling)공정을 통해 재증착하여 측면에 베이스물질을 증착(113)시키는 것이 바람직하다. This is a characteristic of the sputtering method, in which an ion plasma beam is irradiated onto the base material film (112) to physically and chemically vaporize the components of the previously applied film (112) and cause the particle masses to protrude and attach to the side surface of the prepattern (111a) to form a side base material film (113). Preferably, the base material film (112) deposited on the substrate (111) and the prepattern (111a) is re-deposited through an argon plasma milling process for 350 to 450 seconds to deposit the base material (113) on the side surface.
상기 단계(S13)를 통해 프리패턴의 측면에 베이스물질을 증착(113)한 다음, 통상의 비등방성 식각 방식을 통하여 0.1mbar, 100W, 아르곤(Ar) 분위기에서 산소(O2) 75~85scam을 투입하면서 12분 간 반응시켜 프리패턴(112a)을 제거하는 프리패턴 제거단계(S14)가 실시된다.Through the above step (S13), a base material is deposited (113) on the side of the pre-pattern, and then a pre-pattern removal step (S14) is performed to remove the pre-pattern (112a) by reacting for 12 minutes in an argon (Ar) atmosphere at 0.1 mbar and 100 W while injecting 75 to 85 scans of oxygen (O2) using a conventional anisotropic etching method.
상기 단계(S14)가 실시됨에 따라, 기판(111)상에는 두께 15~25nm 수준의 측면 베이스물질 증착체(113)만이 남아있게 되는데, 상기 측면 베이스물질 증착체(113)가 본 발명의 구조체(110)의 기반을 이루는 몸체가 된다.As the above step (S14) is performed, only a side base material deposition body (113) with a thickness of 15 to 25 nm remains on the substrate (111), and the side base material deposition body (113) becomes the body forming the basis of the structure (110) of the present invention.
여기서, 상기 측면 베이스물질 증착체(113)는 도 6에 도시된 바와 같이, 그 폭(sw)과 높이(sh)가 일정 비율을 이루도록 하는 것이 바람직하다. 만약 폭(sw) 대비 높이(sh)가 너무 낮으면 본 발명의 구조체(110)가 형성하는 단면적이 작아져 감지 목표 물질에 대한 민감도가 떨어져 성능이 저하되고, 폭(sw) 대비 높이(sh)가 너무 높으면 구조적 안정성이 떨어져 상기 증착체(113)가 손상되거나 부러지는 등 문제가 생길 수 있다.Here, it is preferable that the side base material deposition body (113) has a width (sw) and a height (sh) that are in a certain ratio, as shown in Fig. 6. If the height (sh) is too low compared to the width (sw), the cross-sectional area formed by the structure (110) of the present invention becomes small, so that the sensitivity to the target detection material decreases and the performance deteriorates. If the height (sh) is too high compared to the width (sw), the structural stability decreases, so that the deposition body (113) may be damaged or broken, causing problems.
상기 폭(sw) 대비 높이(sh)는, sw:sh가 1:13~18 정도로 하는 것이 바람직하고, 가장 이상적으로 증착체(113)의 구조적 안정성을 확보한 상태에서 최대한의 면적을 보장받는 비율은 1:15인 것으로 확인되었다. 예를 들어, 상기 증착체(113)의 폭(sw)가 20nm이라면, 상기 높이(sh)는 260~360nm인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 상기 높이(sh)는 300nm 정도가 된다.It is preferable that the height (sh) to the width (sw) above be sw:sh in the range of 1:13 to 18, and it has been confirmed that the ratio that guarantees the maximum area while securing the structural stability of the deposition body (113) is 1:15. For example, if the width (sw) of the deposition body (113) is 20 nm, the height (sh) is preferably 260 to 360 nm, and more preferably, the height (sh) is approximately 300 nm.
상기 단계(S14)를 통하여 기판(111) 상에 다수의 증착체(113)를 형성시킨 뒤, 감응물질을 증착하는 감응물질 증착단계(S15)가 실생된다.After forming a plurality of deposition bodies (113) on the substrate (111) through the above step (S14), a deposition step (S15) of depositing a sensitizing material is performed.
상기 감응물질은 감지 목표 물질에 대하여 민감하게 반응함으로서 상기 기판(111) 및 증착체(113)가 본 발명의 센서에 사용될 수 있는 구조체(110)로서 기능할 수 있도록 하는 물질로, 통상의 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 감응물질(114)을 증착체(113) 상에 증착시킨다.The above-mentioned sensitive material is a material that reacts sensitively to a detection target material, thereby allowing the substrate (111) and the deposited material (113) to function as a structure (110) that can be used in the sensor of the present invention. The sensitive material (114) is deposited on the deposited material (113) using a conventional sputtering process.
상기 감응물질은, 1종 이상의 금속원소 및 금속산화물 중 선택된 어느 하나 또는 선택된 어느 하나 이상의 조합일 수 있다. 바람직하게는, 상기 감응물질은 백금(Pt), 팔라듐(Pd)원소와 같은 귀금속원소이거나, 또는 산화니켈(NiO), 산화크롬(Cr2O3)과 같은 금속산화물, 특히 p형 반도체용 금속산화물 중 선택된 어느 하나이거나, 또는 선택된 어느 하나 이상의 조합이다. 이외에도, 금속원소 또는 금속산화물 중 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, p형 반도체용 금속산화물로서 사용되고 있는 산화제1주석(SnO), 구리산화물 계열(CuOx), 산화아연(ZnO) 등이 사용될 수도 있다.The above-mentioned responsive material may be one selected from among one or more metal elements and metal oxides, or a combination of one or more selected ones. Preferably, the responsive material is a noble metal element such as platinum (Pt) or palladium (Pd), or a metal oxide such as nickel oxide (NiO) or chromium oxide (Cr 2 O 3 ), particularly, one selected from among metal oxides for p-type semiconductors, or a combination of one or more selected ones. In addition, a metal element or a metal oxide may be selected and used. For example, stannous oxide (SnO), copper oxide series (CuO x ), zinc oxide (ZnO), etc., which are used as metal oxides for p-type semiconductors, may be used.
상기 감응물질(114)을 증착체(113) 상에 증착시킴으로서, 본 발명의 센서에서 사용할 수 있는 누출감지 구조체(110)를 만들 수 있다.By depositing the above-mentioned sensitive material (114) on a deposition body (113), a leak detection structure (110) that can be used in the sensor of the present invention can be created.
상기 누출감지 구조체(110)를 만든 뒤, 상기 누출감지 구조체(110)를 포함하는 센서를 제작하는 센서 제작 단계(S16)가 실행된다. 상기 단계(S16)에서는, 와이어 본딩 등의 통상의 반도체 패키징 공정을 통해 제작될 수 있으므로 상기 센서 제작에 대한 설명은 생략한다. 바람직하게는, 상기 센서는 누출감지 구조체(110)를 포함하는, 1개 이상의 다중 입출력, 바람직하게는 4개의 입출력부를 지원하는 ROIC(Readout IC; 판독집적회로)로 구현하는 것이 바람직하다.After the above leak detection structure (110) is made, a sensor manufacturing step (S16) of manufacturing a sensor including the leak detection structure (110) is performed. In the above step (S16), since the sensor can be manufactured through a typical semiconductor packaging process such as wire bonding, a description of the sensor manufacturing is omitted. Preferably, the sensor is implemented as a ROIC (Readout IC; readout integrated circuit) that supports one or more multiple input/outputs, preferably four input/output sections, including the leak detection structure (110).
도 7은 상기 단계(S16)를 통해 제작된 누출감지 센서의 예시 사진이다.Figure 7 is an example photograph of a leak detection sensor manufactured through the above step (S16).
상기 단계(S16)를 통해 제작된 누출감지 센서에 대하여, 본 발명의 목적인 감지 목표 물질을 용이하게 탐지할 수 있는지 테스트를 진행하였고, 이하에서 테스트 결과에 대하여 설명한다.A test was conducted to determine whether the leak detection sensor manufactured through the above step (S16) can easily detect the target substance for detection, which is the purpose of the present invention, and the test results are described below.
[시험예 1 : 감지범위 및 민감도 테스트][Test Example 1: Detection Range and Sensitivity Test]
도 8a~8d는 상기 4종의 감응물질(Pt, Pd, NiO, Cr2O3)이 증착된 누출감지 구조체(110)를 포함하는 누출감지 센서에 대한 반응성 그래프이다. 상기 누출감지 센서는 통상의 4-프로브 저항 타입 센서로서 일정한 바이어스가 인가될 수 있도록 만들어졌고, 이러한 상기 누출감지 센서의 동적 감지 응답을 공기 하에서 테스트하였다. 상기 감지 목표 물질은 DMC로 하였다.Figures 8a to 8d are reactivity graphs for a leak detection sensor including a leak detection structure (110) on which the four types of sensitive materials (Pt, Pd, NiO, Cr 2 O 3 ) are deposited. The leak detection sensor is a conventional 4-probe resistance type sensor and is made so that a constant bias can be applied, and the dynamic detection response of the leak detection sensor was tested under air. The detection target material was DMC.
DMC 가스를 시간차를 두고 0.1, 1, 2, 3, 4, 5ppm으로 농도를 변화시키며 투입하면서, 1초 단위로 센서 상의 누출감지 구조체(110)에 대한 응답 진폭(Rair/Rg)을 측정하여 y축 반응성(Gas response)으로서 사용하였다.DMC gas was injected at concentrations of 0.1, 1, 2, 3, 4, and 5 ppm with time differences, and the response amplitude (R air /R g ) for the leak detection structure (110) on the sensor was measured every second and used as the y-axis reactivity (gas response).
우선 도 8a~8d에 도시된 바와 같이, x축 시간 상 가장 앞쪽(1000sec 이전)에 투입된 DMC 가스의 농도는 0.1ppm인데, 0.1ppm의 DMC 가스에 대해서도 노이즈 대비 평균 3배 이상의 높은 반응성(민감도)을 보여, 본 발명의 누출감지 구조체(110)가 감지 목표 물질에 대하여 매우 넓은 감지범위를 확보하였음을 알 수 있었다.First, as shown in FIGS. 8a to 8d, the concentration of DMC gas injected at the frontmost point (before 1000 sec) on the x-axis time is 0.1 ppm, and even for 0.1 ppm of DMC gas, it shows a high reactivity (sensitivity) that is more than 3 times higher than the average noise, and it can be seen that the leak detection structure (110) of the present invention secures a very wide detection range for the target detection substance.
또한 민감도의 측면에서도, 0.1ppm의 DMC가스에 대하여 평균 3배 이상의 민감도를 보였으며, ppm이 높아질수록 민감도가 급격히 상승하여 산화크롬 증착 구조체의 경우 DMC 5ppm 가스에 대하여 최대 4,500%, 산화니켈 증착 구조체의 경우 최대 7,000%의 민감도를 보여 상기한 반응물질이 매우 높은 민감도를 가지고 있어 본 발명의 누출감지 구조체(110)에 사용하기 적합한 것을 확인하였다.Also, in terms of sensitivity, it showed an average sensitivity of more than 3 times for 0.1 ppm of DMC gas, and as the ppm increased, the sensitivity increased rapidly, showing a sensitivity of up to 4,500% for 5 ppm of DMC gas for the chromium oxide deposition structure, and up to 7,000% for the nickel oxide deposition structure, confirming that the above-mentioned reactive material has very high sensitivity and is suitable for use in the leak detection structure (110) of the present invention.
[시험예 2 : 반응속도 테스트][Example 2: Reaction speed test]
상기 반응물질로서 백금을 사용한 누출감지 구조체를 포함하는 누출감지 센서에 대하여 반응속도를 테스트하였다. DMC 10ppm에 해당 센서를 노출시켜 반응성(민감도)를 측정하였으며, 120초 이내로 반응하는 것을 목표로 하였다.The response speed of a leak detection sensor including a leak detection structure using platinum as the above-mentioned reactant was tested. The reactivity (sensitivity) was measured by exposing the sensor to 10 ppm of DMC, and the target was to respond within 120 seconds.
그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 120초 내인 92초에 센서가 반응하였음을 확인하였다. 나머지 반응물질(팔라듐, 산화니켈, 산화크롬)에 대하여도 동일 조건에서 실험한 결과, 모두 백금을 반응물질로서 사용한 센서보다 더 빠르게 반응하여, 4종의 반응물질 모두 반응속도가 빨라 본 발명의 센서로서 사용하기 적합한 것을 확인하였다.And as shown in Fig. 9, it was confirmed that the sensor reacted in 92 seconds, within 120 seconds. As a result of experiments on the remaining reactants (palladium, nickel oxide, and chromium oxide) under the same conditions, all reacted faster than the sensor using platinum as a reactant, confirming that all four reactants have fast reaction speeds and are suitable for use as the sensor of the present invention.
[시험예 3 : 선택성 테스트][Example 3: Selectivity Test]
상기 반응물질이, 감지 목표 물질을 정확하게 선택하여 감지할 수 있는지 테스트하기 위하여, 산화크롬을 사용한 누출감지 구조체를 포함하는 누출감지 센서에 대하여 선택성 테스트를 수행하였다. 감지 목표 물질인 DMC 외에도 대표적인 전해질 누출가스 중 하나인 DEC, 그리고 배터리의 연소에 따라 발생하는 대표적인 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 각각 5ppm 농도로 맞춘 가스에 상기 산화크롬을 사용한 누출감지 구조체를 노출시켜, 반응성을 테스트하였다.In order to test whether the above-mentioned reactant can accurately select and detect the target detection substance, a selectivity test was performed on a leak detection sensor including a leak detection structure using chromium oxide. In addition to the detection target substance DMC, the leak detection structure using chromium oxide was exposed to DEC, one of the representative electrolyte leakage gases, and hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), which are representative gases generated by battery combustion, each having a concentration of 5 ppm, to test the reactivity.
그 결과가 도 10에 도시된 바와 같이, 감지 목표 물질인 DMC가 연소에 따라 발생하는 수소 및 일산화탄소 대비 3배 더 민감하게(3,000%) 반응함으로서, 연소에 따라 배출되는 가스들 대비 감지 목표 물질인 DMC를 선명하게 선택하여 감지할 수 있음이 확인되었다.As a result, as shown in Fig. 10, it was confirmed that the detection target substance, DMC, can be clearly selected and detected compared to gases emitted from combustion, as it reacted three times more sensitively (3,000%) than hydrogen and carbon monoxide generated from combustion.
또한 도 10에 도시된 바와 같이, 산화크롬을 사용한 누출감지 구조체 센서는 DMC 뿐 아니라, 대표적인 전해질 누출가스인 DEC에 대해서도 4,500% 수준의 높은 민감도 반응성을 보였다. 이는 산화크롬을 사용한 누출감지 구조체 센서가 감지 목표 물질로서 DMC 뿐 아니라 DEC도 사용할 수 있다는 것을 보여준다. DEC와 DMC를 구분하여 감지하기 위해서는 반응성 수준으로 결정하면 되기 대문에 DEC 또는 DMC를 감지한 민감도 출력값을 외부의 제어부 등이 선택하여 판단할 수 있으며, 따라서 상기 산화크롬을 사용한 누출감지 구조체 센서는 DMC 뿐 아니라 DEC도 구분하여 감지할 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 10, the leak detection structure sensor using chromium oxide showed a high sensitivity responsivity of 4,500% not only for DMC but also for DEC, a representative electrolyte leak gas. This shows that the leak detection structure sensor using chromium oxide can use not only DMC but also DEC as a detection target material. In order to distinguish between DEC and DMC, it is sufficient to determine the responsivity level, and therefore, the leak detection structure sensor using chromium oxide can distinguish between DEC and DMC by selecting and judging the sensitivity output value detected as DEC or DMC. Accordingly, the leak detection structure sensor using chromium oxide can distinguish between DEC and DMC.
그리고 나머지 상기한 시험예(시험예1, 시험예 2)에 대해서도, 감지 목표 물질로서 DMC가 아닌 DEC를 사용하여 동일 조건에서 실험한 결과 DMC를 사용한 도 8a~8d, 도 9와 거의 동일한 결과를 얻어, 감지 목표 물질로서 DEC 또한 사용할 수 있는 것을 확인하였다.And for the remaining test examples (Test Example 1, Test Example 2) mentioned above, DEC instead of DMC was used as the detection target substance, and the results obtained under the same conditions were almost the same as those in Figs. 8a to 8d and Fig. 9 using DMC, confirming that DEC can also be used as the detection target substance.
그리고 상기 시험예(시험예 1~3)을 통하여 실험한 결과, 상기 반응물질로서 적합한 것은 p형 반도체용 금속산화물인 산화니켈이나 산화크롬이었고, 가장 바람직한 것은 산화크롬인 것이 확인되었다. 이는 Pd, Pt와 같은 귀금속 물질에 비해 p형 반도체용 금속산화물은 구하기 쉽고 경제적일 뿐만 아니라 상기 증착체(113)와 p-n접합(p-n junction)을 이루게 되면서 민감도와 선택성이 크게 향상된 것이 확인되었기 때문이다. 따라서 본 발명의 센서에 사용할 수 있는 가장 바람직한 구조체(110)는, 산화텅스텐-산화크롬(WO3-Cr2O3) 헤테로 구조인 것이 확인되었다.And as a result of the experiment through the above test examples (Test Examples 1 to 3), it was confirmed that nickel oxide or chromium oxide, which are metal oxides for p-type semiconductors, are suitable as the reactant, and chromium oxide is the most preferable. This is because, compared to noble metal materials such as Pd and Pt, metal oxides for p-type semiconductors are not only easy to obtain and economical, but also it was confirmed that the sensitivity and selectivity are greatly improved when forming a pn junction with the deposited body (113). Therefore, it was confirmed that the most preferable structure (110) that can be used in the sensor of the present invention is a tungsten oxide-chromium oxide (WO 3 -Cr 2 O 3 ) heterostructure.
도 11은 본 발명의 센서를 포함하는 누출감지 시스템(1000)의 구조도이다. 이하에서는, 도 11을 통하여 본 발명의 누출감지 시스템(1000)에 대하여 설명한다.FIG. 11 is a structural diagram of a leak detection system (1000) including a sensor of the present invention. Hereinafter, the leak detection system (1000) of the present invention will be described through FIG. 11.
설명에 앞서, 본 발명의 시스템(1000)은 하나 이상의 연산장치와 기억장치, 입출력장치를 포함하는 컴퓨팅 시스템이거나, 또는 하나 이상의 마이크로컨트롤러(Microcontroller)일 수 있으며, 또는 하나 이상의 다중입력 ROIC이거나, 이들의 둘 이상의 조합일 수도 있다. 본 발명의 시스템(1000)의 각각의 기능부를 구현하기 위한 하드웨어 장치는 통상의 전기전자 시스템 중 제작자가 선택하여 구현하면 되는 것으로서 이에 대한 설명은 생략한다.Before the description, the system (1000) of the present invention may be a computing system including one or more arithmetic units, memory units, and input/output units, or one or more microcontrollers, or one or more multi-input ROICs, or a combination of two or more of these. The hardware devices for implementing each functional unit of the system (1000) of the present invention may be selected and implemented by the manufacturer from among conventional electrical and electronic systems, and thus the description thereof will be omitted.
본 발명의 누출감지 시스템은, 하나 이상의 감지 목표 물질을 감지할 수 있는 센서(100a, 100b...)를 하나 이상 포함하는 센서측정부(100)를 포함한다.The leak detection system of the present invention includes a sensor measurement unit (100) including one or more sensors (100a, 100b...) capable of detecting one or more detection target substances.
상기한 바와 같이, 상기 센서측정부(100)에 포함되는 센서는 하나 이상(100a, 100b...)이며, 상기 센서(100a, 100b)는 각각, 구조체(110)를 하나 이상 포함한다. 상기 각각의 구조체(110a, 110b...)는 감지 목표 물질을 감지할 수 있는 반도체 구조체로서, 각각의 구조체(110a, 110b...)가 감지할 수 있는 물질의 종류에 따라 연결된 각각의 센서(100a, 100b...)의 감지 대상이 결정된다. 따라서 상기 각각의 센서(100a, 100b....)는 서로 다른 물질을 감지 목표 물질로서 감지할 수 있다.As described above, the sensor measuring unit (100) includes one or more sensors (100a, 100b...), and each of the sensors (100a, 100b) includes one or more structures (110). Each of the structures (110a, 110b...) is a semiconductor structure capable of detecting a target substance, and the detection target of each connected sensor (100a, 100b...) is determined based on the type of substance that each of the structures (110a, 110b...) can detect. Therefore, each of the sensors (100a, 100b...) can detect different substances as target substances.
또한 상기 센서측정부(100)에 포함되어 있는 각각의 센서(100a, 100b...)는, 필요에 따라 다른 감지 목표 물질을 설정하기 위하여 탈부착 가능한 교환 구조를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 상기 각각의 센서(100a, 100b...)는 본 발명의 시스템(1000) 상에서 통상의 방법으로 탈부착 가능한 서브모듈 형태로 구현될 수 있다.In addition, it is preferable that each sensor (100a, 100b...) included in the sensor measurement unit (100) has a detachable exchange structure in order to set a different detection target material as needed. Accordingly, each of the sensors (100a, 100b...) can be implemented in the form of a sub-module that can be detached in a conventional manner on the system (1000) of the present invention.
그리고 본 발명의 시스템(1000)은 신호처리부(200)를 포함한다.And the system (1000) of the present invention includes a signal processing unit (200).
상기 신호처리부(200)는 상기 센서측정부(100)에서 송신하는 센싱 신호를 처리하여 외부 공중상에 감지 목표 물질이 존재하는지를 판단하는 부분으로서 상기 센서측정부(100)에서 송신하는 센싱 신호에서 기 입력된 1종 이상의 감지 목표 물질이 존재하는지 여부를 판단할 수 있는 하나 이상의 내장 프로그램을 포함한다.The signal processing unit (200) is a unit that processes the sensing signal transmitted from the sensor measurement unit (100) to determine whether a detection target substance exists in the external air, and includes one or more built-in programs that can determine whether one or more types of detection target substances that have been previously input exist in the sensing signal transmitted from the sensor measurement unit (100).
그리고 상기 신호처리부(200)는 하나 이상의 노이즈 필터(210)를 포함한다.And the signal processing unit (200) includes one or more noise filters (210).
상기 노이즈 필터(210)는 상기 센서측정부(100)에서 송신하는 센싱 신호에 포함되어 있는 부득이한 노이즈를 제거하는 기능을 한다.The above noise filter (210) has the function of removing unavoidable noise included in the sensing signal transmitted from the sensor measurement unit (100).
따라서 상기 노이즈 필터(210)는, 상기 센서측정부(100)의 측정 신호에서의 노이즈를 제거하기 위한 통상의 아날로그 회로 필터와 디지털 회로 필터 중 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.Therefore, the noise filter (210) includes at least one selected from among a conventional analog circuit filter and a digital circuit filter for removing noise from the measurement signal of the sensor measurement unit (100).
그리고 상기 신호처리부(200)는, 상기 센서측정부(100)가 장기간 사용되지 않을 시 발생하는 드리프트(Drift; 센서의 감도나 출력 변화)를 보정하기 위한 드리프트 보정부(220)를 포함한다.And the signal processing unit (200) includes a drift correction unit (220) for correcting drift (change in sensitivity or output of the sensor) that occurs when the sensor measurement unit (100) is not used for a long period of time.
상기 드리프트 보정부(220)는, 상기 센서측정부(100)의 드리프트를 보정하기 위한 하나 이상의 드리프트 방지 알고리즘을 포함한다. 상기 드리프트 방지 알고리즘은, 통상의 ADC(Automatic baseline calibration) 알고리즘으로서 상기 센서측정부(100)에서 송신하는 센싱 신호의 최저 측정값을 모니터링하여 기 계산되어 저장되어 있는 값과 매칭한 뒤, 차이만큼 보정해 주는 알고리즘인 것이 바람직하다.The above drift correction unit (220) includes one or more drift prevention algorithms for correcting the drift of the sensor measurement unit (100). It is preferable that the drift prevention algorithm be an algorithm that monitors the lowest measurement value of the sensing signal transmitted from the sensor measurement unit (100) as a typical ADC (Automatic Baseline Calibration) algorithm, matches it with a previously calculated and stored value, and then corrects for the difference.
그리고 본 발명의 시스템(1000)은 출력부(300)를 포함한다. 상기 출력부(300)는 상기 센서측정부(100)가 송신하는 센싱 정보를 상기 신호처리부(200)에서 판독한 결과 감지 목표 물질이 누출되고 있다고 판단할 시, 외부의 사용자에게 이를 가시적 또는 음성적으로 알릴 수 있는 디스플레이 또는 스피커 등을 포함하는 통상의 출력 수단이다.And the system (1000) of the present invention includes an output unit (300). The output unit (300) is a typical output means including a display or speaker that can visually or audibly notify an external user when the signal processing unit (200) determines that the target substance is leaking as a result of reading the sensing information transmitted by the sensor measuring unit (100).
100 : 센서.
110 : 구조체.
111 : 기판.
111a : 프리패턴.
112, 113 : 베이스물질.
114 : 감응물질.
200 : 신호처리부.
210 : 노이즈 필터.
220 : 드리프트 보정부.
300 : 출력부.100: Sensor. 110: Structure.
111: Substrate. 111a: Free pattern.
112, 113: Base material. 114: Sensing material.
200: Signal processing unit. 210: Noise filter.
220: Drift compensation unit. 300: Output unit.
Claims (9)
Si계열 웨이퍼 기판 상에 형성되는, 하나 이상의 베이스물질 증착체를 포함하고,
상기 하나 이상의 베이스물질 증착체 상에는, 1종 이상의 감응물질이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 누출감지 구조체.As a leak detection structure,
Comprising one or more base material deposits formed on a Si series wafer substrate,
A leak detection structure characterized in that one or more types of sensitive materials are deposited on one or more of the above base material deposits.
Si계열 웨이퍼 기판 상에 폴리스티렌 성분의 프리패턴을 형성하는 프리패턴 형성단계(S11);
상기 단계(S11) 이후, 베이스물질을 1차 증착시키는 베이스물질 1차 증착단계(S12);
상기 단계(S12) 이후, 스퍼터링 방식으로 1차 증착된 베이스물질을 상기 프리패턴의 측면에 증착시켜 하나 이상의 측면 베이스물질 증착체를 형성시키는 베이스물질 2차 증착단계(S13);
상기 단계(S13) 이후, 상기 프리페턴을 제거하는 프리패턴 제거단계(S14);
그리고 상기 단계(S14) 이후, 1종 이상의 감응물질을 증착시키는 감응물질 증착단계(S15)를 포함하는, 누출감지 구조체의 제조방법.A method for manufacturing a leak detection structure according to claim 1,
A pre-pattern formation step (S11) for forming a pre-pattern of a polystyrene component on a Si series wafer substrate;
After the above step (S11), a base material first deposition step (S12) for first depositing the base material;
After the above step (S12), a second base material deposition step (S13) of depositing the base material first deposited by sputtering onto the side surface of the pre-pattern to form one or more side base material deposition bodies;
After the above step (S13), a pre-pattern removal step (S14) for removing the pre-pattern;
And a method for manufacturing a leak detection structure, including a sensitive material deposition step (S15) of depositing one or more sensitive materials after the above step (S14).
상기 누출감지 센서를 하나 이상 포함하는 센서측정부;
상기 센서측정부에서 송신하는 센싱 신호를 처리하는 신호처리부;
그리고 출력부를 포함하고,
상기 신호처리부는 하나 이상의 노이즈필터; 그리고 드리프트 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 누출감지 시스템.A leak detection system comprising at least one leak detection sensor of clause 8,
A sensor measuring unit including one or more of the above leak detection sensors;
A signal processing unit that processes the sensing signal transmitted from the above sensor measurement unit;
And includes an output section,
A leak detection system, characterized in that the signal processing unit includes one or more noise filters; and a drift correction unit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230194328A KR20250102564A (en) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Battery electrolyte leak detection using battery electrolyte leak detection sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230194328A KR20250102564A (en) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Battery electrolyte leak detection using battery electrolyte leak detection sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20250102564A true KR20250102564A (en) | 2025-07-07 |
Family
ID=96394100
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230194328A Pending KR20250102564A (en) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Battery electrolyte leak detection using battery electrolyte leak detection sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20250102564A (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101249981B1 (en) | 2010-06-29 | 2013-04-05 | 한국과학기술원 | Three Dimensional Nanostructure and Method for Preparing the Same |
| KR101821493B1 (en) | 2015-06-24 | 2018-01-23 | 인피니언 테크놀로지스 아게 | System and method for a mems transducer |
| KR102390992B1 (en) | 2021-10-14 | 2022-04-27 | (주)티톱이앤지 | A system of leaking inspection of toxic substance and leaking inspection method of toxic substance using thereof |
| KR102411251B1 (en) | 2019-01-15 | 2022-06-22 | 한국과학기술원 | Sensor including nanostructures and method for manufacturing the same |
-
2023
- 2023-12-28 KR KR1020230194328A patent/KR20250102564A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101249981B1 (en) | 2010-06-29 | 2013-04-05 | 한국과학기술원 | Three Dimensional Nanostructure and Method for Preparing the Same |
| KR101821493B1 (en) | 2015-06-24 | 2018-01-23 | 인피니언 테크놀로지스 아게 | System and method for a mems transducer |
| KR102411251B1 (en) | 2019-01-15 | 2022-06-22 | 한국과학기술원 | Sensor including nanostructures and method for manufacturing the same |
| KR102390992B1 (en) | 2021-10-14 | 2022-04-27 | (주)티톱이앤지 | A system of leaking inspection of toxic substance and leaking inspection method of toxic substance using thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7289953B2 (en) | System and method for monitoring gas analytes | |
| JP7191441B2 (en) | VEHICLE BATTERY FIRE DETECTION DEVICE AND METHOD | |
| Kim et al. | A correlation study between barrier film performance and shelf lifetime of encapsulated organic solar cells | |
| US20120169296A1 (en) | Sensor system and method to prevent battery flaming in overcharge | |
| JP7134554B2 (en) | VEHICLE BATTERY FIRE DETECTION DEVICE AND METHOD | |
| JP2023545632A (en) | Thermal runaway detection system for batteries inside the housing and how to use it | |
| JP2007265658A (en) | Electric storage element module | |
| US12027678B2 (en) | Thermal runaway detection system and battery system | |
| CN110595704B (en) | Liquid leakage detection method and system for an energy storage battery | |
| US9551064B2 (en) | Moisture-resistant and anti-corrosive energy storage devices and associated methods | |
| US11688895B1 (en) | Battery safety system for detecting analytes | |
| JP2023526886A (en) | Case leakage detection method and leakage detection system | |
| WO2017199326A1 (en) | Battery protecting device and power storage system | |
| KR20250102564A (en) | Battery electrolyte leak detection using battery electrolyte leak detection sensor | |
| US20200049645A1 (en) | Dual heater gas sensor module | |
| Feinauer et al. | Effects of main aging mechanism and state of charge on the safety of 21700 Li-ion battery cells with Ni-rich NMC cathode | |
| JP3986984B2 (en) | Calibration method for catalytic combustion type hydrogen sensor | |
| Lee et al. | MOS-based Gas Sensors for Early Alert of Thermal Runaway in Lithium-ion Batteries | |
| TW202403304A (en) | Battery safety system for detecting analytes | |
| Yang et al. | Sensors for electrical vehicle thermal runaway detection | |
| EP3476974A1 (en) | Method and system of adjusting process gas flow of vacuum coating equipment | |
| KR20240079854A (en) | System for early fire, thermal runaway detection of ESS battery modules | |
| US20250076237A1 (en) | Thermal runaway detection and control device and method thereof | |
| JP3875163B2 (en) | Gas sensor state determination device | |
| EP4264711B1 (en) | Electric energy storage module for a vehicle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
St.27 status event code: A-0-1-A10-A12-nap-PA0109 |
|
| PA0201 | Request for examination |
St.27 status event code: A-1-2-D10-D11-exm-PA0201 |
|
| R18-X000 | Changes to party contact information recorded |
St.27 status event code: A-3-3-R10-R18-oth-X000 |
|
| PG1501 | Laying open of application |
St.27 status event code: A-1-1-Q10-Q12-nap-PG1501 |
|
| D13-X000 | Search requested |
St.27 status event code: A-1-2-D10-D13-srh-X000 |