KR0166390B1 - Production method of lithium ion conductive powder carbon dioxide detect material and carbon dioxide sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리티움 이온 전도체 분말 탄산가스 감시소재의 제조방법 및 그 감지소재를 사용한 고체전해질 탄산가스센서에 관한 것으로서, 종래의 나트륨 이온 전도체 분말 탄산가스센서가 5,000ppm 부근의 농도에서 농도에 따른 직선성이 결여되고 특성의 안정도가 소재제작시에 1,200℃ 이상의 고온공정이 요구되는 문제점을 해결하기 위하여, 습식법으로 Li 이온을 포함하는 알콕사이드겔을 제조하는 공정, 제조한 금속 알콕사이드겔의 수분을 제거하는 공정, 포함된 유기물을 제거하기 위한 600~800℃에서의 하소공정과 미세분말을 얻기 위한 분쇄공정, 분쇄한 분말의 성형공정, 성형체의 치밀화와 결정화를 위한 900~1,100℃에서의 소결공정을 거쳐 Li 이온 전도체 분말인 탄산가스 감지소재를 제조하고, 이 감지소재에 동작전극과 기준전극을 부착하여 탄산가스 감지센서를 제작한다.The present invention relates to a method for producing a lithium ion conductor powder carbon dioxide gas monitoring material and a solid electrolyte carbon dioxide gas sensor using the sensing material, the conventional sodium ion conductor powder carbon dioxide gas sensor according to the concentration at a concentration of around 5,000ppm In order to solve the problem that the high temperature process of 1,200 ° C. or higher is required when producing the material, the process of preparing an alkoxide gel containing Li ions by the wet method, removing water from the prepared metal alkoxide gel Process, calcination process at 600 ~ 800 ℃ to remove contained organic matter, grinding process to obtain fine powder, shaping process of pulverized powder, and sintering process at 900 ~ 1,100 ℃ for densification and crystallization A carbon dioxide gas sensing material, which is a Li ion conductor powder, was prepared, and a carbon dioxide was detected by attaching a working electrode and a reference electrode to the sensing material. , To produce a scan sensor.

Description

리티움 이온 전도체 분말 탄산가스 감지소재의 제조방법 및 그 감지소재를 사용한 고체전해질 탄산가스센서Lithium ion conductor powder carbon dioxide gas sensing material manufacturing method and solid electrolyte carbon dioxide gas sensor using the sensing material

제1도는 본 발명의 실시예1의 감시소재를 사용한 고체전해질 탄산가스센서의 단면구조.1 is a cross-sectional structure of a solid electrolyte carbon dioxide gas sensor using the monitoring material of Example 1 of the present invention.

제2도는 본 발명의 실시예2의 감시소재를 사용한 고체전해질 탄산가스센서의 단면구조.2 is a cross-sectional structure of a solid electrolyte carbon dioxide gas sensor using the monitoring material of Example 2 of the present invention.

제3도는 900℃에서 열처리한 본 발명의 감시소재를 사용한 탄산가스센서의 감응특성.3 is a sensitivity of the carbon dioxide gas sensor using the monitoring material of the present invention heat-treated at 900 ℃.

제4도는 1,000℃에서 열처리한 본 발명의 감지소재를 사용한 탄산가스센서의 감응특성.4 is a sensitivity of the carbon dioxide gas sensor using the sensing material of the present invention heat-treated at 1,000 ℃.

제5도는 1,100℃에서 열처리한 본 발명의 감지소재를 사용한 탄산가스센서의 감응특성.5 is a sensitivity of the carbon dioxide gas sensor using the sensing material of the present invention heat-treated at 1,100 ℃.

제6도는 본 발명의 감지소재와 기판사이에 Ni/NiO를 삽입한 탄산가스센서의 감응특성.6 is a sensitivity of the carbon dioxide gas sensor is inserted Ni / NiO between the sensing material and the substrate of the present invention.

제7도는 본 발명의 탄산가스센서의 가스에 대한 시간응답특성을 나타낸 도면.7 is a view showing a time response characteristic of the carbon dioxide gas sensor of the present invention.

제8도는 본 발명의 탄산가스센서의 장기안정도특성을 나타낸 도면이다.8 is a diagram showing the long-term stability characteristics of the carbon dioxide gas sensor of the present invention.

본 발명은 공기중의 탄산가스(CO2)의 양을 고감도로 신뢰성있게 검지·정량할 수 있는 리티움 이온 전도체 분말 탄산가스 감지소재의 제조방법 및 그 감지소재를 이용한 고체전해질 탄산가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a lithium ion conductor powder carbon dioxide sensing material capable of reliably detecting and quantifying carbon dioxide (CO 2 ) in the air with high sensitivity and to a solid electrolyte carbon dioxide gas sensor using the sensing material. will be.

탄산가스(CO2)는 깨끗한 공기중에는 약 0.03%(300ppm) 정도 포함되어 있으나 최근 화석연료 사용량의 증가로 인해 그 농도가 350ppm 이상으로 측정되고 있다. 대기중에 함유된 탄산가스의 양이 증가하게 되면 지구로부터 대기중으로 부단히 복사되는 적외선을 흡수하는 정도가 높아져 지구온난화로 표현되는 기후변동을 일으키는 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 탄산가스의 양을 연속적으로 검지정량하여 대처하는 일은 환경측정분야 및 환경제어분야의 주요한 과제로 대두되고 있다.Carbon dioxide (CO 2 ) is contained in clean air at about 0.03% (300ppm), but the concentration is more than 350ppm due to the recent increase in fossil fuel usage. Increasing the amount of carbon dioxide contained in the atmosphere increases the absorption of infrared radiation from the Earth into the atmosphere, which is known to cause climate change represented by global warming. Therefore, continuously detecting and coping with the amount of carbon dioxide gas has emerged as a major problem in the field of environmental measurement and environmental control.

지금까지 탄산가스의 농도를 측정하기 위해 주로 비분산적외선법(NDIR법)과 광-음파측정법(photo-acoustic 측정법)이 이용되고 있으나 이들 방법을 이용한 장치는 가격이 비싸고 사용방법이 단순하지 않아 일반보급형으로는 부적합한 것으로 평가되고 있다.Until now, non-dispersive infrared method (NDIR method) and photo-acoustic measurement method are mainly used to measure the concentration of carbon dioxide, but the devices using these methods are expensive and simple to use. It is evaluated as unsuitable for the popular type.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해 최근 소형이며 사용이 간편한 반도체식 또는 고체전해질식 탄산가스 감지소자의 개발에 큰 관심이 모아지고 있다.In order to overcome such a problem, a great deal of attention has recently been focused on the development of small and easy-to-use semiconductor or solid electrolyte carbon dioxide gas sensing devices.

최근 소개되고 있는 반도체식 탄산가스 감지센서에는 SnO2+La2O3및 Sm2O3-BaCO3-Na2CO3그리고 PbO-BaTiO3등의 물질을 이용한 센서들이 있으나 이들은 습도의존성 및 최적동작온도가 600℃ 이상의 고온이라는 점 등이 문제로 되고 있다. 그리고 고체전해질식 탄산가스 감지소자로는 NASICON과 Li2Ti2(PO4)+Li3PO4등의 이온 전도체소자가 소개되고 있다(일본 特開平 4-230842, 4-174354, 4-344456, 5-107220, 4-110649 및 논문 Sensor and Actuators B, 13-14, 1993. 476-479 등 참조)Recently introduced carbon dioxide gas sensors include sensors using materials such as SnO 2 + La 2 O 3 and Sm 2 O 3 -BaCO 3 -Na 2 CO 3 and PbO-BaTiO 3 . The problem is that temperature is high temperature of 600 degreeC or more. As the solid electrolyte carbon dioxide gas sensing device, ion conductor devices such as NASICON and Li 2 Ti 2 (PO 4 ) + Li 3 PO 4 have been introduced (Japanese Patent 4-230842, 4-174354, 4-344456, 5-107220, 4-110649 and Papers Sensor and Actuators B, 13-14, 1993. 476-479, etc.)

이들 센서 중 대부분을 점하고 있는 NASICON을 이용한 센서는 5,000ppm 부근의 농도에서 농도에 따른 직선성이 결여되고 특성의 안정도가 낮으며 소자 제작시에 1,200℃ 이상의 고온공정이 요구되는 점 등의 문제가 있다.NASICON sensor, which occupies most of these sensors, has problems such as lack of linearity according to concentration at low concentration of around 5,000ppm, low stability of characteristics, and high temperature process of more than 1,200 ℃ for device manufacturing. have.

본 발명은 졸-겔(sol-gel)법에 의해 합성된 Li 이온 전도체 분말을 탄산가스 감지소재로 사용함으로써 종래 기술의 위와 같은 문제점을 해결하고 소형경량의 새로운 물질조성을 갖는 탄산가스(CO2) 감지센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention solves the above problems of the prior art by using the Li ion conductor powder synthesized by the sol-gel method as a carbon dioxide gas sensing material and has a small and lightweight new material composition (CO 2 ) It is an object to provide a detection sensor.

본 발명은 또한 탄산가스농도, 300~5,000ppm에서 양호한 직선성을 갖는 센서소자와 종래의 센서소자의 제작시 요구되는 열처리온도(1,200℃ 이상)보다 낮은 900℃의 열처리 공정으로 탄산가스에 대해 높은 감지특성을 갖는 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is also characterized in that the carbon dioxide gas concentration is high with respect to the carbon dioxide gas in the heat treatment process of 900 ℃ lower than the heat treatment temperature (1,200 ℃ or more) required for the production of a sensor device having a good linearity at 300 ~ 5,000ppm It is an object to provide a material having sensing characteristics.

위와 같은 목적에 따라, 종래의 건식혼합법에 의한 벌크형 탄산가스 감지소재의 모물질 형성법과는 달리 습식혼합법으로 Li 이온전도성을 갖는 모물질을 형성하고 이를 성형하여 열처리공정과 동작전극 및 기준전극 형성을 위한 공정을 거침으로써 고감도 및 양호한 직선성의 고체전해질식 탄산가스 감지센서가 제공되는 바, 습식법으로 Li 이온을 포함하는 알콕사이드 겔(gel)을 제조하는 공정, 제조한 금속알콕사이드 겔의 수분을 제거하는 공정, 포함된 유기물을 제거하기 위한 하소 공정(calcination process)과 미세분말을 얻기 위한 분쇄공정, 분쇄한 분말의 성형 공정, 성형체의 치밀화와 결정화를 위한 소결(열처리) 공정, 탄산가스에 대한 감도와 선택성을 높이기 위해 탄산염과 금(Au)망을 이용한 동작전극형성공정, 기준전극형성공정 및 기판 또는 석영관과의 접착공정을 포함하는 방법으로 본 발명의 고체전해질식 탄산가스 감지센서가 제조된다.According to the above object, unlike the conventional method of forming the parent material of the bulk carbon dioxide sensing material by the dry mixing method, by forming a parent material having Li ion conductivity by the wet mixing method and molding the heat treatment process and the operation electrode and the reference electrode Through the process for forming a high sensitivity and good linear solid electrolyte carbon dioxide gas sensor is provided, a process for producing an alkoxide gel (gel) containing Li ions by a wet method, to remove the water of the metal alkoxide gel Process, calcination process to remove contained organic matter, pulverization process to obtain fine powder, shaping process of pulverized powder, sintering (heat treatment) process for densification and crystallization of molded body, sensitivity to carbon dioxide gas And electrodeposition process, reference electrode formation process and substrate or quartz using carbonate and gold The solid electrolyte carbon dioxide gas sensor of the present invention is manufactured by a method including an adhesion process with a tube.

위와 같은 본 발명의 센서는 졸-겔(sol-gel)법에 의한 미세분말의 이온 전도체를 이용함으로써 탄산가스의 농도 300~5,000ppm의 영역에서 높은 감도와 안정성을 가지며 그 농도변화에 따른 기전력의 값이 선형적으로 변화하여 계측화가 용이하고 비교적 낮은 열처리공정(900℃)에서도 고감도의 탄산가스 감지소재의 제조가 가능하다.The sensor of the present invention as described above has a high sensitivity and stability in the range of carbon dioxide gas concentration of 300 ~ 5,000ppm by using the ionic conductor of the fine powder by the sol-gel method of electromotive force The value changes linearly to make it easy to measure and to manufacture carbon dioxide sensing material with high sensitivity even at relatively low heat treatment process (900 ℃).

이하, 본 발명을 실시예에 의해 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

[실시예 1]Example 1

본 발명은 탄산가스 감지센서의 원료물질을 다음에 설명하는 습식공정에 따라 합성하고 이를 이용하여 고감도 탄산가스 감지소재를 제조하였다. 먼저 바탕물질인 리티움 이온 전도체(LISICON)를 다음과 같이 합성하였다.The present invention synthesized the raw material of the carbon dioxide gas sensor according to the wet process described below and manufactured a high sensitivity carbon dioxide gas sensing material using the same. First, Lithium ion conductor (LISICON), which is a base material, was synthesized as follows.

(1) 에칠알콜 5㎖, 질산 20㎕ 및 물 2㎖의 비로 잘 혼합한 용액에 TEOS 20㎖를 첨가하였다.(1) 20 ml of TEOS was added to a well mixed solution at a ratio of 5 ml of ethyl alcohol, 20 µl of nitric acid and 2 ml of water.

(2) (1)의 용액에 지르코늄 30㎖를 첨가하여 자기교반기로 충분히 잘 혼합하였다.(2) 30 ml of zirconium was added to the solution of (1) and mixed well with a magnetic stirrer.

(3) (2)의 과정이 끝난 혼합용액에 에칠알콜과 물을 각각 5㎖ 및 20㎖ 첨가하여 혼합하였다.(3) To the mixed solution of step (2), 5 ml and 20 ml of ethyl alcohol and water were added and mixed.

(4) (3)의 과정이 끝난 용액에 14㎖의 트리부틸포스페이트(PO[OC4H9]3)를 첨가하여 이를 잘 혼합하였다.(4) 14 ml of tributyl phosphate (PO [OC 4 H 9 ] 3 ) was added to the finished solution of ( 3 ) and mixed well.

(5) (4)의 과정이 끝난 용액에 에칠알콜과 물을 각각 3㎖ 및 1㎖ 첨가하였다.(5) To the finished solution of (4), 3 ml and 1 ml of ethyl alcohol and water were added, respectively.

(6) (5)의 과정이 끝난 용액에 리티움메톡사이드 6g을 넣고 잘 혼합하였다. 리티움메톡사이드 대신에 리티움에톡사이드를 사용할 수도 있다.(6) 6 g of lithium methoxide was added to the finished solution of (5) and mixed well. Lithium ethoxide may be used instead of lithium methoxide.

(7) (6)의 과정이 끝난 용액에 에칠알콜 및 아세트산을 각각 8㎖ 및 860㎕ 되게 칭량하여 넣고 이를 잘 혼합 교반하였다.(7) Ethyl alcohol and acetic acid were weighed out to 8 ml and 860 µl, respectively, and the mixture was stirred well.

(8) (1)~(7)의 과정으로부터 얻어진 용액을 100℃에서 48시간 건조시켜 짙은 갈색의 물질을 얻었다.(8) The solution obtained from the process of (1)-(7) was dried at 100 degreeC for 48 hours, and the dark brown substance was obtained.

(9) 덩어리 상태의 물질을 분쇄한 후 이를 600~800℃에서 2시간 정도 하소(열처리)하여 LISICON 분말을 얻었다.(9) After pulverizing the mass of the material, it was calcined (heat treatment) at 600 ~ 800 ℃ for 2 hours to obtain a LISICON powder.

위의 원료들의 혼합량은 예로서 제시한 것이며 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 혼합비는 중요하지 아니하다.The mixing amount of the above raw materials is presented as an example and the present invention is not limited thereto, and the mixing ratio is not important.

상기와 같은 방법으로 얻은 분말을 5 ton/cm2의 압력으로 직경 10mm, 두께 1mm의 디스크형으로 성형한 후 다음의 과정으로 제1도의 구조로 된 센서를 제조하였다.The powder obtained by the above method was molded into a disk shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm at a pressure of 5 ton / cm 2 , and then a sensor having the structure of FIG. 1 was manufactured by the following procedure.

(1) 900~1,100℃의 온도에서 10~30시간 소결(열처리)하여 LISICON 시편을 얻었다.(1) Sintering (heat treatment) for 10 to 30 hours at a temperature of 900 ~ 1,100 ℃ to obtain a LISICON specimen.

(2) 소결된 시편(3)의 한 면에 제1도와 같이 백금 또는 금 메쉬(4)를 얹고 그 위에 알칼리 금속의 탄산염을 융착시켜 동작전극(5)을 형성하였다.(2) A platinum or gold mesh 4 was placed on one surface of the sintered test piece 3 as shown in FIG. 1, and an carbonate of an alkali metal was fused thereon to form an operation electrode 5.

(3) 소결된 시편의 다른 한 면에 백금블랙(Pt-black)을 바르고 백금선을 부착하여 기준전극(2)을 형성하였다.(3) Platinum black (Pt-black) was applied to the other side of the sintered specimen and the platinum wire was attached to form a reference electrode (2).

(4) 무기질 접착제(6)를 이용하여 (1)~(3)의 과정을 거친 시편과 알루미나기판(1)을 접착시켰다.(4) Using the inorganic adhesive (6) was bonded to the specimen and the alumina substrate (1) through the process of (1) ~ (3).

제1도는 이렇게 하여 제작한 고체전해질 탄산가스센서의 치수는 15×15×4mm3이며, 제1도의 도면에서 7은 히터, 8은 히터보호판이다.In FIG. 1, the size of the solid electrolyte carbon dioxide gas sensor thus manufactured is 15 × 15 × 4 mm 3. In FIG. 1, 7 is a heater and 8 is a heater protection plate.

[실시예 2]Example 2

원료물질의 합성「공정(1)~공정(9)」을 실시예1에서와 같은 순서로 제조한 LISICON 분말로 탄산가스 감지센서를 다음의 공정에 따라 제작하였다.Synthesis of Raw Material [0085] A carbon dioxide gas sensor was manufactured from LISICON powder prepared in the same procedure as in Example 1 according to the following process.

(1)~(2)까지는 실시예1과 같이 LISICON 시편을 만들고, 동작전극(6)을 형성하였다.From (1) to (2), LISICON specimens were made as in Example 1, and the operation electrode 6 was formed.

(3) 소결된 시편의 한 면에 백금블랙(2')을 바르고 그 위에 Ni/NiO 또는 PdO 분말(2'')을 부착시켜 기준전극(2)을 형성하였다.(3) Platinum black (2 ') was applied to one surface of the sintered specimen and Ni / NiO or PdO powder (2' ') was attached thereon to form a reference electrode (2).

(4) 실시예1의 (4) 공정과 동일하게 제작하였다.(4) It produced similarly to the process (4) of Example 1.

제2도는 실시예2의 방법으로 제작한 Li 이온 전도체의 탄산가스 감지센서의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a carbon dioxide gas sensor of a Li ion conductor manufactured by the method of Example 2. FIG.

위에서 본 발명의 탄산가스 감지소자용 소재를 제조하는 방법을 실시예에 의해 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, Li 이온을 포함하는 금속알콜사이드겔을 습식법으로 제조한 후 건조, 분쇄, 열처리하여 성형, 소결하는 공정에 의한 탄산가스 감지소지용 소재의 제조방법은 모두 본 발명의 범위에 속한다.Although the method for producing the carbon dioxide gas sensing element material of the present invention has been described above by way of example, the present invention is not limited thereto, and a metal alcohol side gel including Li ions is manufactured by a wet method, followed by drying, pulverizing, and heat treatment. All methods for producing a carbon dioxide gas detecting and holding material by forming and sintering are all within the scope of the present invention.

제1도 및 제2도에 보인 고체전해질 탄산가스 감지센서의 구조는 다음과 같이 나타낼 수 있다.The structure of the solid electrolyte carbon dioxide gas sensor shown in FIGS. 1 and 2 can be expressed as follows.

(+) Pt, CO2', O2' |LISICON|M(CO3)|CO2'', O2'', Au(-) ――― (1)(+) Pt, CO 2 ′, O 2 | LISICON | M (CO 3 ) | CO 2 '', O 2 '', Au (-) ――― (1)

여기서 M(CO3)는 알칼리금속의 탄산염을 나타내며 동작전극용 물질로 사용된다. CO2' 및 O2'은 기준전극에서의 탄산가스 및 산소를, CO2'' 및 O2''은 동작전극에서의 탄산가스 및 산소를 각각 나타낸다.M (CO 3 ) is an alkali metal carbonate and used as a material for the working electrode. CO 2 'and O 2' is a carbon dioxide and oxygen in the reference electrode, CO 2 '', and O 2 '' denotes a carbon dioxide gas and oxygen at the operating electrodes.

LISICON과 Li2CO3(MCO3중의 하나) 사이의 계면에서 CO2와의 반응식은,At the interface between LISICON and Li 2 CO 3 (one of MCO 3 ) the reaction with CO 2 is

2Li + ½O2+ CO2+ 2e- → Li2CO3――― (2)2Li + ½O 2 + CO 2 + 2e- → Li 2 CO 3 ――― (2)

2Li++ Li2CO3→ 2Li++ Li2O + CO2――― (3)2Li + + Li 2 CO 3 → 2Li + + Li 2 O + CO 2 ――― (3)

로 주어지고 위 반응의 Nernst 식은 다음과 같다.And the Nernst equation for the above reaction is

여기서,here,

E : 발생기전력 R : 기체상수E: Generator electromotive force R: Gas constant

T : 절대온도 F : 파라데이상수T: Absolute temperature F: Faraday constant

n : 반응전자의 수 Pco2: 탄산가스분압n: number of reaction electrons Pco 2 : partial pressure of carbon dioxide

Po2: 산소분압Po 2 : partial pressure of oxygen

만일, 소자 양단의 산소분압이 같을 경우에는 (4)식은 다음과 같이 된다. 즉,If the oxygen partial pressures at both ends of the device are the same, Equation (4) is as follows. In other words,

따라서, 기전력의 값은 소자 양단의 탄산가스 농도의 차에 비례하게 된다.Thus, the value of the electromotive force is proportional to the difference in the carbon dioxide concentration across the device.

제3도는 본 발명의 LISICON 소자의 탄산가스 농도에 따른 기전력의 값을 측정한 결과로서 이는 실시예1에 따라 제작한 센서의 특성을 나타낸 것이다. 제3도의 특성은 Li 이온전도체의 형성을 위한 열처리 온도를 900℃로 한 경우이며, Nernst식에 잘 따르고 있음을 알 수 있다. 제3도에 나타낸 온도는 센서의 동작온도이다. 센서의 동작온도를 높일수록 같은 탄산가스의 농도에서 나타내는 기전력의 값이 높아지고 있으며, 탄산가스의 농도 300~5,000ppm에서 좋은 직선성을 나타내고 있다. 제3도에서 보는 바와 같이 900℃에서 열처리한 탄산가스 감지소재는 센서의 동작온도가 350℃에서도 양호한 감도를 나타내고 있고 400℃의 동작온도에서 탄산가스의 농도가 300→3,000ppm으로 증가할 때 센서출력전압(기전력)의 변화는 약 60mV 정도가 된다.3 is a result of measuring the value of the electromotive force according to the carbon dioxide gas concentration of the LISICON device of the present invention, which shows the characteristics of the sensor manufactured according to Example 1. The characteristic of FIG. 3 is a case where the heat treatment temperature for forming the Li ion conductor is 900 ° C., and it can be seen that the Nernst equation is well followed. The temperature shown in FIG. 3 is the operating temperature of the sensor. The higher the operating temperature of the sensor, the higher the value of the electromotive force represented by the same concentration of carbon dioxide gas, and good linearity at the concentration of 300 to 5,000 ppm of carbon dioxide gas. As shown in FIG. 3, the carbon dioxide sensing material heat-treated at 900 ° C. exhibits good sensitivity even at 350 ° C. and the carbon dioxide gas concentration increases from 300 to 3,000 ppm at 400 ° C. The change in output voltage (electromotive force) is about 60mV.

제4도는 이온전도체 형성을 위한 열처리온도를 1,000℃로 한 경우의 탄산가스에 대한 감도를 나타낸 것으로 900℃로 열처리한 탄산가스 감지소재에 비해 출력 전압의 절대치가 높은 경향을 보이고 있다. 이 그림에서 보는 바와 같이 400℃의 동작온도에서 탄산가스의 농도가 300→3,000ppm으로 변화할 때 출력전압(기전력)값의 변화치가 약 70mV로서 이는 식(5)의 Nernst식에 의해 계산한 값과 거의 같은 좋은 감지특성을 보이고 있다. 그리고 350℃ 정도의 낮은 동작온도에서도 같은 탄산가스 농도변화(300→3,000ppm)에 대해 그 기전력의 변화치가 약 60mV 정도를 나타내고 있다.4 shows the sensitivity to carbon dioxide gas when the heat treatment temperature for forming the ion conductor is 1,000 ° C., and the absolute value of the output voltage is higher than that of the carbon dioxide gas sensing material heat-treated at 900 ° C. FIG. As shown in this figure, the change in output voltage (electromotive force) is about 70 mV when the carbon dioxide concentration changes from 300 to 3,000 ppm at an operating temperature of 400 ° C, which is calculated by the Nernst equation in Eq. (5). It shows good detection characteristics such as The change in electromotive force of the same carbon dioxide gas concentration change (300 → 3,000 ppm) is about 60mV even at a low operating temperature of about 350 ° C.

제5도는 열처리온도를 1,100℃로 하여 얻은 Li 이온 전도체로서 제작한 센서의 탄산가스에 대한 감도특성이다. 이 센서의 특징은 900℃(센서 A) 및 1,000℃(센서 B)로 열처리한 것보다 같은 탄산가스 농도에서 나타나는 기전력의 절대치가 낮고 직선의 기울기가 상대적으로 완만하다는 것이다. 1,100℃로 열처리한 감지소재로 만든 센서(센서 C)는 탄산가스의 농도를 300→3,000ppm으로 변화하였을 때 그 기전력의 변화치가 약 50mV로서 열처리 온도를 900℃로 한 소자(센서 A)와 1,000℃로 한 소자(센서 B)에 비해 낮은 값을 나타내고 있다. 그러나 이 역시 탄산가스 농도측정용 소자로서 이용하기에는 충분한 기전력의 변화값인 것으로 믿어진다.5 is a sensitivity characteristic of carbon dioxide gas of a sensor fabricated as a Li ion conductor obtained at a heat treatment temperature of 1,100 ° C. The sensor is characterized by a lower absolute value of electromotive force at the same carbon dioxide concentration and a relatively gentle slope of the straight line than heat treatment at 900 ° C (Sensor A) and 1,000 ° C (Sensor B). Sensor (Sensor C) made of a sensing material heat-treated at 1,100 ℃ has a change of electromotive force of about 50mV when carbon dioxide concentration is changed from 300 → 3,000ppm. The value is lower than that of the element (sensor B) in degrees Celsius. However, this is also believed to be a change in electromotive force sufficient to be used as an element for measuring carbon dioxide concentration.

제6도는 기준전극을 형성할 때 기판과 감시소재 사이에 Ni/NiO 또는 PdO를 삽입하여 제조한 센서(센서 D)의 탄산가스에 대한 감도특성이다. 이는 센서 C와 유사한 특성을 나타내고 있으나 제7도에서 보는 바와 같이 응답시간이 센서 A 또는 센서 B에 비해 빠른 것이 특징이다. 그러나 안정도의 관점에서 장차 개선의 여지가 있는 것으로 보여진다.6 is a sensitivity characteristic of the sensor (sensor D) to the carbon dioxide gas produced by inserting Ni / NiO or PdO between the substrate and the monitoring material when forming the reference electrode. This shows similar characteristics to the sensor C, but the response time is faster than that of the sensor A or the sensor B as shown in FIG. However, there seems to be room for improvement in terms of stability.

제7도는 센서의 동작온도를 400℃로 하였을 때 탄산가스 1,000ppm에 대한 응답 시간을 나타낸 것으로 기전력의 값이 포화치의 90%에 이르는데 센서 D는 약 10초, 센서 A와 B는 약 20초 정도 소요된다.7 shows the response time for 1,000 ppm of carbon dioxide gas when the operating temperature of the sensor is 400 ° C. The electromotive force reaches 90% of the saturation value. The sensor D is about 10 seconds, and the sensors A and B are about 20 seconds. It takes about.

제8도는 본 발명에 의해 제작한 센서의 장기안정도 특성을 나타낸 것으로 센서를 동작시킨 후(400℃ 동작온도) 120시간 이후의 출력전압을 측정해 본 결과이다. 이 결과에서 센서 A 및 센서 C는 약 2% 정도의 미세한 출력전압 값의 변동을 보였으나 센서 B는 그 출력전압의 값이 거의 변동이 없이 일정한 값을 나타내었다.8 shows the long-term stability characteristics of the sensor fabricated according to the present invention, which is the result of measuring the output voltage after 120 hours after the sensor was operated (400 DEG C operating temperature). In this result, the sensor A and the sensor C showed a slight variation in the output voltage value of about 2%, but the sensor B showed a constant value with almost no change in the output voltage value.

위와 같은 본 발명의 탄산가스 감지센서는 습식법으로 합성한 Li 이온전도체 분말을 이용하여 비교적 낮은 열처리온도(900~1,000℃)에서 제작한 소형 경량의 센서로서 탄산가스의 농도 300~3,000ppm의 영역에서 그 검지출력전압이 매우 우수한 직선성을 나타내며 350℃의 낮은 동작온도에서 탄산가스에 대한 높은 감도(300~3,000ppm의 탄산가스 농도변화에 대해 약 60mV 기전력 변화)와 양호한 장기안정도 및 시간응답특성을 나타내는데, 이러한 특성은 미세분말의 Li 이온전도체 합성과 센서구조의 최적화로 효율이 높은 감지전극을 형성한 결과이다.Carbon dioxide gas sensor of the present invention as described above is a compact and lightweight sensor manufactured at a relatively low heat treatment temperature (900 ~ 1,000 ℃) using Li ion conductor powder synthesized by the wet method in the region of 300 ~ 3,000 ppm concentration of carbon dioxide gas The detection output voltage has very good linearity and high sensitivity to carbon dioxide gas (approximately 60mV electromotive force change for 300 ~ 3,000ppm carbon dioxide gas change) and good long-term stability and time response at low operating temperature of 350 ℃. These characteristics are the result of the formation of highly efficient sensing electrode by synthesizing Li ion conductor of fine powder and optimizing the sensor structure.

Claims (5)

질산, 지르코늄, 트리부틸포스페이트, 리티움메톡사이드(또는 리티움에톡사이드) 및 아세트산을 혼합, 교반하여 리티움이온을 포함하는 금속알콕사이드 겔을 습식법으로 제조하는 공정, 상기 금속알콕사이드 겔의 건조·분쇄·열처리공정, 분쇄된 금속 알콕사이드의 성형 및 열처리공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 Li 이온전도체 분말 탄산가스 감지소재의 제조방법.A process for producing a metal alkoxide gel containing a lithium ion by a wet method by mixing and stirring nitric acid, zirconium, tributyl phosphate, lithium methoxide (or lithium ethoxide) and acetic acid, drying the metal alkoxide gel. A method for producing a Li ion conductor powder carbon dioxide gas sensing material comprising a grinding and heat treatment step, a shaping and heat treatment step of a pulverized metal alkoxide. 제1항에 있어서, 리티움 이온을 포함하는 상기 금속알콜사이드 겔의 제조에 에틸 알코올과 물이 첨가되는 것을 특징으로 하는 Li 이온전도체 분말 탄산가스 감지소재의 제조방법.The method of manufacturing a Li ion conductor powder carbon dioxide gas sensing material according to claim 1, wherein ethyl alcohol and water are added to the metal alcohol gel containing the lithium ions. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속알콜사이드 분말의 열처리가 900~1,100℃의 온도에서 10~30시간에 걸쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 Li 이온전도체 분말 탄산가스 감지소재의 제조방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment of the metal alcohol side powder is carried out over a period of 10 to 30 hours at a temperature of 900 ~ 1,100 ℃. 탄산가스 감지소재, 탄산가스 감지소재의 일면에 부착된 기준전극, 탄산가스 감지소재의 타면에 부착된 동작전극, 탄산가스 감지소재와 기준전극과 동작전극의 결합체가 부착되고 히터가 장착된 절연기판을 포함하여 이루어지는 고체전해질 탄산가스센서에 있어서, 상기 탄산가스 감지소재는 질산, 지르코늄, 트리부틸포스페이트, 리티움메톡사이드(또는 리티움에톡사이드) 및 아세트산을 혼합, 교반하여 제조된 리티움이온을 포함하는 금속알콕사이드 겔을 건조·분해·열처리한 후 얻어진 분말을 디스크형으로 성형하고 소결한 것을 특징으로 고체전해질 탄산가스센서.Carbon dioxide gas sensing material, reference electrode attached to one side of carbon dioxide gas sensing material, working electrode attached to the other side of carbon dioxide gas sensing material, insulation board equipped with heater and carbon dioxide gas sensing material and combination of reference electrode and working electrode In the solid electrolyte carbon dioxide gas sensor comprising a, carbon dioxide gas sensing material is a lithium ion prepared by mixing and stirring nitric acid, zirconium, tributyl phosphate, lithium methoxide (or lithium ethoxide) and acetic acid And a powder obtained by drying, decomposing and heat-treating the metal alkoxide gel comprising a disk into a disk shape and sintering the solid electrolyte carbon dioxide gas sensor. 제4항에 있어서, 상기 기준전극이 상기 탄산가스 감지소재에 바른 백금 블랙 위에 부착된 백금선, Ni/NiO 또는 PdO인 고체전해질 탄산가스 센서.The solid electrolyte carbon dioxide gas sensor of claim 4, wherein the reference electrode is platinum wire, Ni / NiO, or PdO attached on a platinum black applied to the carbon dioxide sensing material.
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