KR100414195B1 - SOLID ELECTROLYTE-TYPE SOx SENSOR USING OXIDE REFERENCE ELECTRODE - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체전해질을 이용한 SOx가스 센서로서, 고체전해질과, 황산염을 이용한 감지전극과, Na-Ti-O계의 산화물 2상 혼합체를 이용한 기준전극을 가지며, 유리질의 보호막으로 이루어진 가스센서에 관한 것이다. 종래의 고체전해질형 SOx가스 센서는 일반적으로 기전력이 불안정하고, 연속 측정에 부적합하거나, 혹은 고온에서 안정정인 감도를 나타내지 못하는 등의 문제점을 가지고 있었으나, 본 발명에 따른 SOx가스 센서는 유리질의 보호막을 포함함으로써 기준전극 주위에 Na2SO4가 생성되지 않도록 반응을 억제하여, 기전력이 안정화된 SOx가스센서의 제공을 가능하게 한다. 또한 본 발명의 방법으로 제조된 센서는 재현성이 우수할 뿐 아니라, 고온에서도 안정적인 감도를 나타낸다.The present invention relates to a SO x gas sensor using a solid electrolyte, comprising a solid electrolyte, a sensing electrode using a sulfate, and a reference electrode using a Na-Ti-O-based oxide two-phase mixture. It is about. Conventional solid electrolyte type SO x gas sensors generally have problems such as unstable electromotive force, unsuitable for continuous measurement, or inability to exhibit stable sensitivity at high temperature. However, the SO x gas sensor according to the present invention is glassy. By including the protective film, the reaction is suppressed so that Na 2 SO 4 is not produced around the reference electrode, thereby providing the SO x gas sensor with stabilized electromotive force. In addition, the sensor manufactured by the method of the present invention not only has excellent reproducibility, but also exhibits stable sensitivity even at high temperatures.
Description
본 발명은 SOx가스센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 고체전해질을 이용한 SOx가스센서로서, 황산염을 이용한 감지전극과, Na-Ti-O계의 산화물 2상 혼합체를 이용한 기준전극을 가지며, 유리질의 보호막으로 이루어진 가스센서에 관한 것이다.The present invention relates to a SO x gas sensor. More particularly having a reference electrode as SO x gas sensor using a solid electrolyte, and using the sulphate sensing electrode, with the oxide two-phase mixture of type Na-Ti-O, relates to a gas sensor composed of a glassy protective film.
SO2, SO3등의 SOx는 자동차 배기관, 보일러 등에 의하여 발생하는 전형적인 유해가스로서, 대기오염의 원인일 뿐 아니라, 산성비의 원인이 되므로 SOx가스의 검출은 대기오염의 측정에 가장 중요한 요소 중의 하나로 알려져 있다.SO 2, SO 3 SO x, such as is a typical toxic gas generated by an automobile exhaust pipe, the boiler, as well as one cause of the air pollution, it can cause acid rain detection of SO x gas is the most important element for the measurement of air pollution Known as one of the
종래 SOx를 측정하는 방법으로서는, 1) 피검가스를 흡수액에 포집하여, 이 포집액의 화학분석, 흡광도측정, 전기전도도 등을 측정하는 방법, 2) 직접 피검가스를 적외선분광계로 정량하는 방법이 일반적이었다. 그러나 1)의 방법은, 포집액을 사용하는 것이므로 조작과 취급이 곤란하고 연속측정이 어려우며, 또한 2)의 방법은, 사용하는 적외선분광계가 고가일뿐 아니라, CO2의 적외선 흡수량이 커서 시험전에 CO2를 제거하여야 하고, 연속측정도 불가능한 등의 결함을 가지고 있었다.Conventionally, methods for measuring SO x include 1) collecting a test gas into an absorbent liquid and measuring chemical analysis, absorbance measurement and electrical conductivity of the collected liquid, and 2) directly quantifying the test gas with an infrared spectrometer. It was common. However, since method 1) uses a collection liquid, it is difficult to operate and handle, and continuous measurement is difficult. In addition, method 2) is not only expensive to use an infrared spectrometer, but also has a large amount of infrared absorption of CO 2 . 2 had to be removed, and continuous measurement was impossible.
이에 비하여, 고체전해질형 SOx가스센서는 감지전극을 SOx와 접촉시킴으로써 생기는 기전력으로부터 SOx가스의 양을 측정하는 것을 그 측정원리로 하고 있는데, 감지전극-고체전해질-기준전극의 단순한 구조를 갖기 때문에 작은 소자형태의 센서제작이 가능할 뿐 아니라, 특정한 가스에만 선택적으로 감지하는 감지전극을 이용함으로써 가스 선택성을 높이고, 가스농도의 정량적인 측정이 가능하다는 장점이 있다.In contrast, the solid electrolyte SO x gas sensor measures the amount of SO x gas from the electromotive force generated by contacting the sensing electrode with SO x . The simple principle of the sensing electrode-solid electrolyte-reference electrode is shown in FIG. As a result, it is possible not only to manufacture a small element type sensor, but also to increase gas selectivity by using a sensing electrode that selectively detects a specific gas, and to quantitatively measure gas concentration.
이와 같은 고체전해질을 사용하면, 종래의 SOx가스 측정방법의 문제점들은어느 정도 해소가 되나, 이러한 고체전해질센서는 일반적으로 기전력이 불안정하여 경시적으로 감도가 떨어진다든지, 혹은 SOx와의 접촉 후에 센서의 응답시간이 너무 길어 연속 측정이 곤란하다거나, 혹은 고온에서 안정정인 감도를 나타내지 못하는 등의 문제점을 가지고 있었다. 가장 주된 문제점으로 지적되는, 기전력이 불안정한 원인은 일반적으로 전극의 계면부근에서 피로황산염 등이 생성되기 때문으로 인정된다.The use of such a solid electrolyte solves the problems of the conventional SO x gas measurement method to some extent, but such a solid electrolyte sensor is generally unstable due to unstable electromotive force, or after a contact with the SO x sensor. The response time was too long to make continuous measurement difficult or to exhibit stable sensitivity at high temperatures. The cause of unstable electromotive force, which is pointed out as the main problem, is generally recognized because pyrosulfate and the like are generated near the interface of the electrode.
위와 같은 고체전해질형 SOx센서의 단점을 극복하는 방안으로서, 시험관형 ZrO2튜브를 이용하여 기준전극과 감지전극간의 가스확산을 막음으로써 기전력을 안정화시키는 등(일본 특개평6-174692)의 노력이 있었다. 그러나 상기와 같은 SOx센서의 여러 문제점을 해결함으로써, 기전력의 안정성, 측정치의 재현성, 고온에서의 안정성, 연속측정 가능성 등을 가지면서도, 그 구조가 간편하여, 제조 및 취급이 용이한 SOx가스 센서는 아직 개발되지 않고 있고, 관심의 대상이 되고 있는 환경문제와 맞물려, 실용적인 SOx가스센서의 개발에 대한 요청은 점점 높아지고 있다.As a way to overcome the disadvantages of the solid electrolyte type SO x sensor as described above, efforts such as stabilizing electromotive force by preventing gas diffusion between the reference electrode and the sensing electrode using a test tube-type ZrO 2 tube (Japanese Patent Laid-Open No. 6-174692) There was this. However, by solving the various problems of the SO x sensor as described above, while having the stability of electromotive force, the reproducibility of the measured value, the stability at high temperature, the possibility of continuous measurement, etc., the structure is simple, and the SO x gas is easy to manufacture and handle. Sensors have not yet been developed, and coupled with the environmental issues of interest, there is an increasing demand for the development of practical SO x gas sensors.
본 발명자들은 상기와 같은 종래의 고체전해질형 SOx센서의 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 SOx센서를 개발하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 감지전극으로 황산염화합물을, 기준전극으로는 Na-Ti-O계의 산화물 2상 혼합체를 사용하고, 기준전극 주위의 고체전해질 표면에 유리질의 보호막을 형성시킴으로써, 기전력을 안정화시키고, SOx측정의 재현성이 뛰어난 SOx센서를 개발하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The present inventors conducted a study to develop a new SO x sensor that can solve the problems of the conventional solid electrolyte SO x sensor as described above, as a result, a sulfate compound as a sensing electrode, Na-Ti-O as a reference electrode By using an oxide two-phase mixture of the system and forming a glassy protective film on the surface of the solid electrolyte around the reference electrode to stabilize the electromotive force, to develop a SO x sensor excellent in the reproducibility of the SO x measurement, to complete the present invention Reached.
도1은 본 발명에 따른 산화물 기준전극을 이용한 고체전해질형 SOx가스센서의 구조를 보여주는 개략 단면도.1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a solid electrolyte type SO x gas sensor using an oxide reference electrode according to the present invention.
도2는 본 발명에 따른 산화물 기준전극 주위에 유리질의 보호막이 있는 센서와 유리질의 보호막이 없는 센서의 SOx에 대한 응답특성을 비교하는 그래프.Figure 2 is a graph comparing the response characteristics for SO x of the sensor with a glass protective film and the sensor without a glass protective film around the oxide reference electrode according to the present invention.
도3은 본 발명에 따른 유리질의 보호막이 있는 센서에 있어서, SOx의 농도변화에 따른 센서의 응답특성을 나타낸 그래프.3 is a graph showing the response characteristics of the sensor according to the concentration change of SO x in the sensor with a glass protective film according to the present invention.
도4는 500∼700℃ 사이의 각 온도에서, SOx의 농도와 본 발명에 따른 SOx가스센서의 출력전압과의 관계를 나타낸 그래프.4 is at each temperature between 500~700 ℃, a graph showing the relationship between the output voltage of the SO x gas concentration sensor according to the present invention, the SO x.
본 발명에 따른 고체전해질을 이용한 SOx감지센서는, 전도체로 이루어진 고체전해질과, 상기 고체전해질의 일측면에 부착되며 황산염화합물로 이루어진 감지전극과, 상기 고체전해질의 타측면에 부착되며, Na-Ti-O계 화합물의 2상혼합체로 이루어진 기준전극과, 상기 기준전극 주위의 고체전해질 표면에 코팅된 유리질의 보호막을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.SO x sensor using a solid electrolyte according to the present invention comprises a solid electrolyte made of a conductor, is attached at one side of the solid electrolyte is attached to the other surface of the sensing electrode, the solid electrolyte consisting of a sulfate compound, Na- And a glassy protective film coated on the surface of the solid electrolyte around the reference electrode.
본 발명의 SOx감지센서의 구조와 작동원리에 대하여 상세하게 설명한다.The structure and operation principle of the SO x detection sensor of the present invention will be described in detail.
A. 가스센서의 구조A. Structure of Gas Sensor
먼저 SOx를 감지하기 위한 고체전해질 센서는 다음과 같은 기본 구조로 제작된다.First, a solid electrolyte sensor for detecting SO x is manufactured with the following basic structure.
제1리드선 / 감지전극 / 고체전해질 / 산화물 기준전극 / 제2리드선1st lead wire / sensing electrode / solid electrolyte / oxide reference electrode / 2nd lead wire
(단, 제1 및 제2리드선 : 백금페이스트 혹은 백금, 감지전극 : 황산염화합물, 고체전해질 : Na+이온전도체(NASICON), 기준전극 : Na-Ti-O계 화합물의 2상 혼합체이다.)(However, the first and second lead wires: platinum paste or platinum, sensing electrode: sulfate compound, solid electrolyte: Na + ion conductor (NASICON), reference electrode: two-phase mixture of Na-Ti-O-based compound.)
위의 기본구조에 대응하여, 본 발명에 의한 고체전해질 센서는 예컨대, 다음의 반응식 1과 같은 구조로 제작된다.Corresponding to the above basic structure, the solid electrolyte sensor according to the present invention is manufactured, for example, in the structure shown in Scheme 1 below.
반응식 1Scheme 1
반응식 1의 오른쪽 부분은 산소만이 반응에 관계하는 산화물 기준전극이며, 왼쪽 부분은 SOx로 대표되는 황산화물을 감지하기 위한 감지전극으로서, 황산염을 이용하였다.The right part of Scheme 1 is an oxide reference electrode in which only oxygen is involved in the reaction, and the left part is used as a sensing electrode for detecting sulfur oxides represented by SO x .
본 발명에 있어서, 고체전해질로서는, 알칼리금속황산염, B2O3-Li2SO4-Al2O3계와 Na2O-B2O3-Na2SO4-Al2O3계의 복합화합물, Na-β-알루미나, NASICON등을 사용할 수 있으며, NASICON을 사용하는 것이 소결온도를 낮출 수 있고, 전도도의 면에서 유리하므로 바람직하다.In the present invention, as a solid electrolyte, an alkali metal sulfate, a complex compound of B 2 O 3 -Li 2 SO 4 -Al 2 O 3 system and Na 2 OB 2 O 3 -Na 2 SO 4 -Al 2 O 3 system, Na-β-alumina, NASICON, etc. can be used, and using NASICON is preferable because it can lower the sintering temperature and is advantageous in terms of conductivity.
감지전극의 황산염화합물은, 고체전해질과 산화물 기준전극의 금속이온에 따라, K2SO4, Na2SO4, Li2SO4, 등을 사용할 수 있으며, 바람직한 조합으로서, NASICON 전해질과, Na-Ti-O계의 산화물 기준전극을 채용하는 경우, Na2SO4를 사용하는 것이 바람직하다.As the sulfate compound of the sensing electrode, K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , Li 2 SO 4 , etc. may be used according to the metal ions of the solid electrolyte and the oxide reference electrode. As a preferable combination, a NASICON electrolyte and a Na— In the case of employing a Ti-O-based oxide reference electrode, it is preferable to use Na 2 SO 4 .
또한, 산화물 기준전극으로는 Na2Ti3O7-Na2Ti6O13, Na2Ti6O13-TiO2,Na2TiO3-Na2Ti3O7등의 Na-Ti-O계의 산화물 2상 혼합체 중의 하나를 사용하는 것이 바람직하며, Na2Ti3O7-Na2Ti6O13를 사용하는 것이 특히 바람직하다.In addition, as the oxide reference electrode, Na-Ti-O type such as Na 2 Ti 3 O 7 -Na 2 Ti 6 O 13 , Na 2 Ti 6 O 13 -TiO 2, Na 2 TiO 3 -Na 2 Ti 3 O 7, and the like. Preference is given to using one of the oxide biphasic mixtures of Na 2 Ti 3 O 7 -Na 2 Ti 6 O 13 .
B. 작동원리B. How it Works
산화물 기준전극의 반쪽전지반응은, 예를 들어 다음의 반응식 2와 같이 산소가 관계하는 반응이며,The half cell reaction of the oxide reference electrode is a reaction in which oxygen relates, for example, as shown in Scheme 2 below.
반응식 2Scheme 2
감지전극에서는,In the sensing electrode,
반응식 3Scheme 3
과 같이 SO3와 O2가 모두 관계하는 반응이 일어나게 된다.As such, a reaction involving both SO 3 and O 2 occurs.
따라서 위의 두 가지 반쪽전지 반응은 다음의 반응식 4와 같은 전체반응을 이루게 된다.Therefore, the two half-cell reactions achieve the overall reaction as shown in Equation 4 below.
반응식 4Scheme 4
이 반응에 의해 센서양단에는 SO3의 농도에 따른 일정한 크기의 기전력이 발생하는데, 출력전압의 크기(E)는 다음의 반응식 5에 따라 결정된다.By this reaction, electromotive force of constant magnitude is generated at the both ends of the sensor according to the concentration of SO 3. The magnitude of the output voltage (E) is determined according to the following Equation 5.
반응식 5Scheme 5
출력전압 :Output voltage:
(단, E: 가스센서의 출력전압, E°: 기준전압(상수), R: 기체상수, F: 패러데이 상수, T: 온도, Pso3: SO3분압을 가리킨다).(E: gas sensor output voltage, E °: reference voltage (constant), R: gas constant, F: Faraday constant, T: temperature, Pso 3 : SO 3 partial pressure).
대기중에서 SOx의 대부분은 SO2의 형태로 존재하는데, 고온(약 500℃)에서는 아래의 반응식 6과 같은 가스성분들간의 반응평형에 의해 SO3가 생성된다.In the atmosphere, most of SO x exists in the form of SO 2. At high temperature (about 500 ° C.), SO 3 is generated by reaction equilibrium between gas components as shown in Equation 6 below.
반응식 6Scheme 6
열역학적 평형을 이루는 가스성분들간의 비율은 다음의 반응식 7에 의하여 결정되는데,The ratio between the gas components in thermodynamic equilibrium is determined by the following equation:
반응식 7Scheme 7
여기서K T 는 온도에 의해 결정되는 상수이며, 이 관계식을 이용하면 SO2와 SO3를 합한 SOx의 전체농도를 구할 수 있다.Here, K T is a constant determined by temperature, and using this relation, the total concentration of SO x obtained by adding SO 2 and SO 3 can be obtained.
반응식 8Scheme 8
이를 센서의 기전력을 나타내는 식에 대입하면 아래와 같이 표현할 수 있다.Substituting this into an equation representing the electromotive force of the sensor can be expressed as follows.
반응식 9Scheme 9
출력전압 :Output voltage:
( 단, E:가스센서의 출력전압, Eo:기준전압(상수), R:기체상수, F:패러데이상수, T:온도, Po2:O2분압, Pso3:SO3분압, Pso2,total:상온에서의 SO2분압이다).(E: gas sensor output voltage, Eo: reference voltage (constant), R: gas constant, F: Faraday constant, T: temperature, Po 2 : O 2 partial pressure, Pso 3 : SO 3 partial pressure, Pso 2 , total : SO 2 partial pressure at room temperature).
이 식에 따라, 산소분압을 알고 있다면, 센서양단에 형성되는 기전력을 통해 SOx의 농도를 측정할 수 있게 된다.According to this equation, if the oxygen partial pressure is known, the concentration of SO x can be measured through the electromotive force formed across the sensor.
다음으로 본 발명에서 사용된 유리질의 보호막의 역할에 대하여 상세하게 설명한다. 공기중에 존재하는 SOx는 전해질내부의 Na2O와 반응하여 다음 반응식 10과 같이 Na2SO4를 생성할 수 있다.Next, the role of the glassy protective film used in the present invention will be described in detail. SO x present in air may react with Na 2 O in the electrolyte to generate Na 2 SO 4 , as shown in Scheme 10 below.
반응식 10Scheme 10
( 단, R:기체상수, T:온도,ΔG°:깁스자유에너지,pso3:SO3분압,aNa2O:Na2O의 활동도,aNa2SO4:Na2SO4의 활동도이다).(Where R is gas constant, T is temperature, ΔG ° is Gibbs free energy, p so 3 : SO 3 partial pressure, a Na 2 O: Na 2 O activity, a Na 2 SO 4 : Na 2 SO 4 Activity).
여기서, K는 위 반응의 평형상수로서, 온도에만 의존하는 값이다. 즉, 위의 반응이 평형을 이룰 때, Na2O와 SO3의 활동도(SO3의 경우에는 대기중의 농도와 동일하다)의 곱은 일정한 값을 갖게 되며, 여기서 벗어나는 경우에는 평형을 이루기 위해 어느 한 쪽 방향으로 반응이 진행된다.Where K is the equilibrium constant of the above reaction and is a value dependent only on temperature. That is, when the above reaction time to achieve the balance, Na 2 O and SO 3 activity of the will have a product of a constant value (in the case of SO 3 is the same as the concentration in the atmosphere), out of it has to achieve a balance The reaction proceeds in either direction.
이 반응의 방향성은 Na2O와 SO3의 활동도에 의해 열역학적으로 결정되는데, 문헌에 보고된 Na+-전해질(NASICON) 내의 Na2O 활동도를 이용하여 계산하면, SO3의 공기중 농도가 매우 작은 경우(1ppm 이하)에도 반응평형이 오른쪽으로 진행된다는 것을 밝혀낼 수 있었다. 이것은 대기중에 SOx(SO2, SO3)가 미량 존재할 때에도 전해질 표면에 Na2SO4가 자발적으로 생성된다는 것을 의미한다.The direction of the reaction there is thermodynamically determined by a degree of Na 2 O and SO 3 activity, the Na + reported in the literature - when calculated using the Na 2 O activity in the electrolyte (NASICON), the concentration in air of SO 3 It was found that the reaction equilibrium proceeds to the right even in very small cases (<1 ppm). This means that even in the presence of trace amounts of SO x (SO 2 , SO 3 ) in the atmosphere, Na 2 SO 4 is spontaneously produced on the surface of the electrolyte.
본 발명에 따른 SOx를 감지하기 위한 센서의 구조는 도 1에 나타난 바와 같이 고체전해질을 사이에 두고, 한쪽 측면에는 감지전극으로 이용되는 황산염화합물이 입혀져 있고, 다른 한쪽 측면에는 기준전극으로 이용되며 Na2O의 활동도(activity)를 고정시킬 수 있는 Na-Ti-O계 화합물의 2상혼합체를 가지는 것으로 이루어진다. 위의 두 전극은 고체전해질에 의해 서로 분리되어 있어야 하는데, 만약 고체전해질 표면에 Na2SO4가 자발적으로 생성된다면 두 전극이 전기적으로 단락(short-circuited)되는 결과로 나타난다.The structure of the sensor for sensing SO x according to the present invention has a solid electrolyte interposed therebetween, and one side is coated with a sulfate compound used as a sensing electrode, and the other side is used as a reference electrode. It consists of having a two-phase mixture of Na-Ti-O-based compound capable of fixing the activity of Na 2 O. The two electrodes must be separated from each other by a solid electrolyte. If Na 2 SO 4 is spontaneously produced on the surface of the solid electrolyte, the two electrodes are electrically short-circuited.
도 2의 그래프 상부의 경우가 이에 해당하는 결과인데, 공기중의 SOx의 농도를 변화시켜도 센서의 신호가 계속 0으로 수렴하는 것을 알 수 있다. 즉 센서로서의 기능이 상실되었다는 것을 보여주고 있다.The case of the upper part of the graph of FIG. 2 corresponds to this, and it can be seen that the signal of the sensor continues to converge to 0 even if the concentration of SO x in the air is changed. In other words, the function as a sensor is lost.
이와 같이 센서의 특성을 잃지 않고, 계속 유지하기 위해서는 기준전극으로사용되는 산화물 주위에 Na2SO4가 생성되지 않도록 반응을 억제하는 것이 필수적이며, 본 발명에서는, 구성된 센서의 기준전극 주위의 고체전해질 표면에 보호막으로서 유리질(glass)을 코팅하므로써, 주위의 SOx와 전해질이 반응하여 Na2SO4가 생성되는 반응을 효과적으로 방지할 수 있도록 하였다.In order to maintain the sensor without losing the characteristics of the sensor, it is essential to suppress the reaction so that Na 2 SO 4 is not formed around the oxide used as the reference electrode. In the present invention, the solid electrolyte around the reference electrode of the configured sensor By coating glass as a protective film on the surface, it was possible to effectively prevent the reaction that the surrounding SO x and the electrolyte reacts to form Na 2 SO 4 .
본 발명에 있어서, 보호막은 SOx를 감지할 수 있는 반응과는 직접적인 관련이 없으므로, 전해질과 SOx의 접촉을 억제하여 Na2SO4의 생성을 효과적으로 방지할 수 있는 것이면, 보호막의 종류에는 제한이 없다. 따라서 보호막을 형성하기 위해서, 고온에서의 열처리를 통해 여러 가지 조성의 유리질을 전해질표면에 코팅하는 방법 혹은 센서의 각 성분과 반응하지 않는 물질(Al2O3등)을 박막증착(sputtering) 등의 기술을 이용하여 코팅하는 방법 등, 공지의 방법이 사용될 수 있다.In the present invention, the protective film is not directly related, so long as to inhibit contact of the electrolyte with the SO x that can effectively prevent the generation of Na 2 SO 4, the type of the protective film is limited and the reaction is able to detect the SO x There is no Therefore, in order to form a protective film, a method of coating a glass of various compositions on the surface of the electrolyte through a heat treatment at a high temperature, or sputtering a substance (Al 2 O 3, etc.) that does not react with each component of the sensor A well-known method, such as a method of coating using a technique, can be used.
센서의 신호를 읽어낼 리드선으로는 백금페이스트(paste)와 백금선을 사용하였다.Platinum paste and platinum wire were used as lead wires for reading out the sensor signal.
본 발명의 SOx센서의 형태에는 특별한 제한이 없으나, 디스크 형상 또는 소자형상인 것이 바람직하다.The form of the SO x sensor of the present invention is not particularly limited, but is preferably in the form of a disk or an element.
이하 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명에 따른 SOx센서 및 그 제조방법에 있어서, 하기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이므로, 이러한 수정, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로보아야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, in the SO x sensor and its manufacturing method according to the present invention, the following embodiments are merely exemplary, and various modifications, changes, additions, etc. will be possible to those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. Etc. shall be regarded as belonging to the following claims.
[실시예]EXAMPLE
첨부된 도면에 의거하여, 본 발명에 따른 기준전극을 이용한 고체전해질형 SOx센서의 구조와 그의 제조방법 및 센서의 감응특성을 설명하면 다음과 같다.Based on the accompanying drawings, the structure of the solid electrolyte type SO x sensor using the reference electrode according to the present invention, a manufacturing method thereof and the sensor's response characteristics are as follows.
SOSO xx 가스센서의 구조Structure of Gas Sensor
첨부된 도 1은 황산염으로 된 감지전극과, 고체전해질인 NASICON, 그리고 Na-Ti-O계 2상혼합 산화물 기준전극을 포함하는 고체전해질형 SOx가스센서의 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a solid electrolyte type SO x gas sensor including a sensing electrode made of sulfate, NASICON as a solid electrolyte, and a Na-Ti-O based two-phase mixed oxide reference electrode.
센서의 세 구성요소(고체전해질, 감지전극, 기준전극)중 감지전극으로는 Na2SO4에 백금 페이스트를 혼합한 것, 기준전극으로는 Na-Ti-O계 2상혼합체에 백금페이스트를 일정 비율로 혼합한 것을 채용하고, 고체전해질로 사용된 NASICON의 각 반대면에 부착하여 사용하였다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고체전해질형 SOx가스센서는 NASICON으로 이루어진 디스크형의 고체전해질(3)의 일측면에 황산염으로 이루어진 디스크형 박막 감지전극(2)이 부착되고, 타측면에 Na-Ti-O계 2상혼합 산화물로 이루어진 디스크형 기준전극(5)이 부착되어 있으며, 구성된 센서의 기준전극(5) 주위의 고체전해질 표면에 보호막(4)으로서 유리질(glass)을 코팅한 구조를 가지고 있다.Among the three components of the sensor (solid electrolyte, sensing electrode, reference electrode), the sensing electrode is a mixture of platinum paste mixed with Na 2 SO 4 , and as the reference electrode, the platinum paste is fixed on a Na-Ti-O-based two-phase mixture. A mixture mixed in proportion was employed, and was attached to each opposite surface of NASICON used as a solid electrolyte. That is, as shown in Figure 1, the solid electrolyte type SO x gas sensor according to the present invention is attached to the disk-shaped thin film sensing electrode (2) made of sulfate on one side of the disk-shaped solid electrolyte (3) made of NASICON On the other side, a disk-shaped reference electrode 5 made of Na-Ti-O-based two-phase mixed oxide is attached, and a glass-like film (4) is formed on the surface of the solid electrolyte around the reference electrode 5 of the configured sensor. It has a structure coated with glass.
가스센서의 제조방법Manufacturing method of gas sensor
1) 기준전극의 제조1) Preparation of Reference Electrode
원판형 전해질(NASICON)의 한쪽 면에 Na-Ti-O화합물의 2상혼합체(two-phase mixture)로서 Na2Ti3O7-Na2Ti6O13와 백금페이스트를 6:4(volume ratio)의 비율로 잘 혼합하여 얇게 바른 후, 약 1000℃에서 2시간 정도 열처리를 거쳐 기준전극을 부착하였다.Na 2 Ti 3 O 7 -Na 2 Ti 6 O 13 and platinum paste as a two-phase mixture of Na-Ti-O compounds on one side of a disk-shaped electrolyte (NASICON) 6: 4 (volume ratio) After mixing well and thinly applying the ratio of), the reference electrode was attached by heat treatment at about 1000 ° C. for about 2 hours.
2) 보호막의 형성2) Formation of protective film
기준전극 주위에는 상기한 바와 같이, 유리질을 코팅하여 보호막을 형성시켰다. 보호막을 형성시키기 위하여 보로실리케이트유리 분말을 유기용매에 개어서 기준전극물질 주위의 고체전해질 표면상에 고르게 바른 후, 고온(약 900℃)에서 1시간 정도 열처리를 하여 기준전극 주위의 고체전해질표면을 코팅하였다. 이때, 유리질의 보호막과 기준전극물질 사이에 전해질이 노출되지 않도록 주의하여야 한다.As described above, the glass was coated around the reference electrode to form a protective film. In order to form a protective film, borosilicate glass powder was applied to an organic solvent and evenly applied onto the surface of the solid electrolyte around the reference electrode material. It was. At this time, care should be taken not to expose the electrolyte between the glass protective film and the reference electrode material.
3) 감지전극의 제조 3) Preparation of sensing electrode
SOx를 감지할 수 있는 물질로 Na2SO4를 이용하였는데, 기준전극을 부착할 때와 마찬가지로 백금페이스트와 Na2SO4분말을 4:6(volume ratio)의 비율로 잘 혼합한 다음, 기준전극의 반대쪽 측면에 바르고 약 850℃에서 30분동안 열처리하였다. 가스출입이 원활하도록 함으로써, 센서의 감응성을 높이려는 목적으로, Na2SO4의 융점 이하에서 열처리를 하여 다공성 구조를 가지는 감지전극을 형성하였으며, 이때 백금은 가스와의 반응성을 향상시키는 촉매로서 작용한다.Na 2 SO 4 was used as a material to detect SO x . As with the reference electrode, platinum paste and Na 2 SO 4 powder were mixed well at a ratio of 4: 6 (volume ratio), and then It was applied to the opposite side of the electrode and heat treated at about 850 ° C. for 30 minutes. In order to improve the sensitivity of the sensor by smoothly entering and exiting the gas, heat treatment was performed at the melting point of Na 2 SO 4 or lower to form a sensing electrode having a porous structure. do.
가스센서의 감응특성Response characteristics of gas sensor
도 2는 기준전극 주위에 유리질의 보호막이 있는 센서와, 유리질의 보호막이 없는 센서의 SOx에 대한 응답특성을 비교한 그래프이다.FIG. 2 is a graph comparing the response characteristics to SO x of a sensor having a glassy protective film around a reference electrode and a sensor without a glassy protective film.
먼저 전해질표면이 기체와 자유롭게 접촉할 수 없도록 유리질을 이용하여 차단한 센서의 경우에는, SO2의 농도가 바뀔 때마다 급격한 신호의 변화가 일어나면서 정상상태에 도달하고 있음을 알 수 있다. 반면, 유리질을 사용하지 않고 주위의 가스와 전해질이 자유롭게 접촉할 수 있게 제작된 센서의 경우에는, SO2의 농도를 변화시켜 주는 순간에는 값의 변화가 있지만, 시간의 경과에 따라 점점 0에 가까운 값으로 수렴해 가는 현상을 관찰할 수 있다.First, in the case of the sensor cut off using glass to prevent the electrolyte surface from freely contacting the gas, it can be seen that a rapid signal change occurs each time the concentration of SO 2 is changed and reaches a steady state. On the other hand, in the case of a sensor designed to freely contact the surrounding gas and electrolyte without using glass, the value changes at the moment of changing the concentration of SO 2 , but gradually approaches zero. The phenomenon of convergence by value can be observed.
이는 센서의 전해질 양단이 모두 주위의 가스에 노출되어 있는 경우에는 센서로서의 특성, 즉 감도를 경시적으로 상실하게 된다는 것을 의미하는데, 유리질을 이용한 보호막은 이러한 현상을 효과적으로 방지하고 있다는 것을 알 수 있다.This means that when both ends of the electrolyte of the sensor are exposed to the surrounding gas, the sensor loses its characteristics, namely, sensitivity over time. It can be seen that the protective film made of glass effectively prevents this phenomenon.
도 3은 유리질의 보호막을 입혀서 제작한 센서에 대하여, SOx의 농도 변화에 따른 센서의 응답특성을 나타낸 그래프이다. 측정방법은 SOx의 농도가 변함에 따라 센서에서 나타내는 전기적 신호를 디지털멀티미터(DMM)를 통해 측정하였는데, 이때 SOx의 농도는 1.25ppm에서 10ppm까지 각 농도에서 일정시간을 유지시켜 준 후 다른 농도로 바꾸어 주면서 측정하였다.3 is a graph showing the response characteristics of the sensor according to the change in the concentration of SO x for the sensor fabricated by wearing a glass protective film. Measurement method other then given to maintain a certain amount of time at each concentration was measured in the electrical signal representative of the sensor through a digital multimeter (DMM), wherein the concentration of SO x is from 1.25ppm to 10ppm according to change the concentration of SO x Measured while changing to concentration.
SOx의 농도를 일정하게 유지시켜주었을 때에는 센서의 신호도 일정하게 유지되고 있으며, 이후 SOx의 농도를 변화시켜주면 센서의 신호도 빠르게 변하여 새로운평형값에 도달하고 있음을 알 수 있다. 또한 동일한 가스농도에 대해 동일한 센서신호가 나타나는 것으로 보아 재현성도 매우 우수하다고 할 수 있다. 도 3에 나타낸 것은 504℃에서 SOx의 농도를 바꾸어주면서 측정한 결과인데, 다른 온도에서도 비슷한 양상을 나타내었다.When the concentration of SO x is kept constant, the signal of the sensor is also kept constant. After changing the concentration of SO x , the signal of the sensor changes rapidly and reaches a new equilibrium value. In addition, since the same sensor signal appears for the same gas concentration, the reproducibility is very excellent. 3 is a result of measuring the concentration of SO x at 504 ° C., showing a similar pattern at other temperatures.
도 4는 500~700℃ 사이의 각 온도에서 측정한 결과로서, SOx의 농도와 센서의 출력전압과의 관계를 나타낸 도면이다. 도 4에서 보는 바와 같이, SOx의 농도가 감소함에 따라 센서양단의 전압이 증가하였으며, 상기한 출력전압을 나타내는 식에서와 같이 SOx농도의 로그값에 대해 우수한 직선성을 나타내고 있음을 볼 수 있다.4 is a result measured at each temperature between 500 and 700 ° C. and shows a relationship between the concentration of SO x and the output voltage of the sensor. As shown in FIG. 4, as the concentration of SO x decreased, the voltage across the sensor increased, and as shown in the equation representing the output voltage, it can be seen that the linearity of the logarithm of the SO x concentration was excellent. .
본 발명에 의한 산화물 기준전극을 이용한 고체전해질형 SOx가스센서는, 유리질의 보호막을 가짐으로써, 보호막이 없는 고체전해질형 SOx센서에 비하여 기전력이 안정되고, 감도가 우수하며, 재현성 및 열안정성이 좋은 센서를 제공할 수 있다.The solid electrolyte type SO x gas sensor using the oxide reference electrode according to the present invention has a glassy protective film, and thus has a stable electromotive force, excellent sensitivity, and excellent reproducibility and thermal stability compared to the solid electrolyte type SO x sensor without a protective film. This can provide a good sensor.
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