KR100938673B1

KR100938673B1 - 이산화탄소센서 및 상기 이산화탄소센서가 구비된이산화탄소 측정장치

Info

Publication number: KR100938673B1
Application number: KR1020070141885A
Authority: KR
Inventors: 유정근; 김준웅
Original assignee: 주식회사 시오스
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2007-12-31
Publication date: 2010-01-25
Also published as: KR20090073825A

Abstract

본 발명은 이산화탄소센서 및 상기 이산화탄소센서가 구비된 이산화탄소 측정장치에 관한 것으로서, 기준전극이 구비되는 기준전극안착홈이 형성된 고체전해질을 이용하고, 센서가 구비되는 센서안착홈이 형성된 가열수단을 이용하여 고정력을 높여 내구성을 향상시키고 규격화가 가능하여 대량생산이 용이하고, 센서 신호의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있는 이산화탄소센서 및 상기 이산화탄소센서가 구비된 이산화탄소 측정장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이산화탄소센서는 일측 면에 내측으로 함입된 기준전극안착홈이 형성된 고체전해질, 상기 고체전해질의 기준전극안착홈에 형성되는 기준전극, 상기 고체전해질의 타측 면에 형성되는 감지전극, 및 상기 기준전극 및 감지전극과 각각 연결되어 연장되는 한 쌍의 기전력리드선 을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치는 일측 면에 상기 이산화탄소센서가 구비되는 센서안착홈이 형성되는 가열수단, 및 상술한 바와 같은 특징을 가지는 이산화탄소센서를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 이산화탄소센서 및 상기 이산화탄소센서가 구비된 이산화탄소 측정장치는 기준전극을 정확한 위치에 형성하고, 가열수단에 센서를 정확한 위치에 형성 가능하여 제조의 편의성을 높여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 내구성을 높여 사용수명을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 가열수단과 이산화탄소센서의 고정력을 높이고, 외부 물질 또는 밀폐층과 같은 다른 물질의 확산을 방지하여 센서 출력을 안정적으로 확보함으로써 초기 구동시간을 줄이고, 이산화탄소 농도 측정의 신뢰성을 보다 높일 수 있는 장점이 있다.

고체전해질, 이산화탄소, 농도, 기전력

Description

이산화탄소센서 및 상기 이산화탄소센서가 구비된 이산화탄소 측정장치{THE CARBON DIOXIDE ELECTROCHEMICAL SENSOR AND THE MEASURING DEVICE EQUIPPED WITH SAME}

대기 중의 이산화탄소는 대기 중에서 화학적으로 매우 안정한 기체로 지구 온난화를 발생시키는 주원인이 되며, 이에 따라 환경문제를 비롯하여 건물의 실내 공조 및 원예용 온실 내 이산화탄소 농도 조절의 필요성이 증가하고 있다.

현재 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법으로 광학적인 방법(NDIR 방식)을 가장 많이 사용하고 있는데, 이 방식은 이산화탄소가 특정파장의 적외선만을 흡수하는 원리를 이용하여 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소 농도를 측정하는 방식이다.

이 장치는 선택성과 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정을 위해서 밀폐된 공간이 필요하며 구성요소들과 필터들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 문제점이 있었다. 또한 구동부 및 측정소자가 매우 고가이며 제어를 위한 처리부의 구성이 복잡하므로 전체적인 측정 장비의 가격이 높을 수밖에 없어 그 용도가 매우 다양함에도 불구하고 광범위하게 활용되고 있지 못하고 있다. 특히 열악한 환경에 노출될 경우 광학계가 오염되기 쉽기 때문에 사용범위가 실내로 제한되는 단점이 있다.

이산화탄소 농도를 측정하기 위한 또 다른 방식으로는 SnO₂ 또는 TiO₂ 등의 반도체 화합물을 이용한 반도체형 가스센서가 이용되고 있는데, 이는 가스 입자가 반도체 화합물의 표면에 흡착되었을 때 나타나는 저항변화를 통해 가스의 농도를 측정하는 원리이며, 작은형태의 센서 제작이 가능하다는 장점이 있으나, 흡착되는 서로 다른 종류의 가스입자를 구분하기가 어렵기 때문에 가스선택성이 현저히 떨어지는 단점이 있다.

이에 비해 고체전해질을 이용한 가스센서는 단순한 구조를 갖으며 작은 소자 형태의 센서제작이 가능 할 뿐 만 아니라, 특정한 가스만 선택적으로 감지하는 감지전극을 이용함으로써 가스선택성을 높이고 가스농도의 정량적인 측정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 가격이 저렴할 뿐만 아니라 산화물을 사용하기 때문에 극한 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

상기 고체전해질을 이용한 가스센서는 1970년대 Gauthier와 Chamberland의 탄산칼륨염을 이용한 이산화탄소 센서 연구 이래, 발전을 거듭하여 나시콘(NASICON), 리시콘(LISICON), 베타 알루미나(NBA) 등의 고체전해질과 결합된 기전력형 이산화탄소 센서가 수년간 활발히 연구, 개발되어왔다.

그러나 이와 같이 많은 장점을 가진 상기 고체전해질을 이용한 이산화탄소 가스센서가 광범위하게 상용화되지 못하는 가장 큰 이유는 센서를 꺼둔 상태(오프(off) 상태)에서 장시간 방치해 두었다가 다시 켰을(온(On)) 경우 올바른 신호 값에 도달하는데 2~3 시간이 소요되고, 상기 가동에 요구되는 시간이 방치된 시간(오프 상태인 시간)에 비례하여 커지는 측정을 위해 요구되는 시간이 긴 이유 때문이다.

상기와 같은 문제점은 대기 중에 존재하는 수분이 전해질 표면이나 기준 및 감지물질에 흡착하여 발생되는 것으로 알려져 있으나, 이러한 센서의 늦은 초기 동작 시간 동안에는 올바른 이산화탄소 측정이 불가능 하므로 사용자는 잘못된 이산화탄소 농도를 인식하게 되고, 이 문제점을 해결하기 위해서는 또 다른 이산화탄소 농도 보정 알고리즘을 필요로 하기 때문에 측정 결과의 신뢰성, 재현성이 저하될 뿐만 아니라 사용의 불편함을 가져오게 된다.

상기 고체전해질 센서를 이용한 이산화탄소 측정장치의 형태를 도 1에 도시하였으며, 상기 도 1에 도시한 이산화탄소 측정장치는 고체전해질(10), 상기 고체전해질(10)의 일측 면에 형성되어 측정 대상 가스와 열역학적 평형 반응이 일어나는 감지전극(30), 상기 고체전해질(10)의 타측 면에 형성되는 기준전극(20)을 포함 하는 이산화탄소센서(고체전해질 센서), 상기 이산화탄소 센서의 일측 면에 구비되는 가열수단(50)을 포함하여 형성된다.

이 때, 상기 이산화탄소 측정장치는 각각 상기 감지전극(30) 및 기준전극(20)과 연결되는 한 쌍의 기전력리드선(40) 및, 상기 가열수단(50) 일측에 형성된 패턴(60) 및 상기 패턴(60)이 양 단부에 연결되어 전압을 인가하는 전압인가리드선(70)이 구비된다.

상기 이산화탄소센서는 갈바닉 전지셀이 주로 이용되어 왔으며, 상기 갈바닉 구조는 전해질의 양측 면에 구비되는 기준전극 및 감지전극에서 측정된 기전력이 주변의 이산화탄소 가스의 농도에 따라 네른스트(Nernst) 식에 의해 변화되는 원리를 이용하여 이산화탄소의 농도를 측정하며, 적정 구동온도 (450℃∼550℃)에서 CO₂ 가스 분압에 상당히 안정적인 기전력(EMF) 값을 거동을 보여준다.

상기 가열수단은 전해질의 이온전도도를 높이고, 가스와 전극 간 평형 반응을 유지하여 센서의 원활한 동작을 위해서 고온을 유지하도록 하는 수단이나, 상기 도 1에 도시한 이산화탄소 측정장치는 상기 가열수단과 센서의 접합과정에서 접합 물질이 상기 기준전극으로 확산되어 측정값을 변화를 일으켜 결과적으로 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 상기 이산화탄소 측정장치는 상기 센서와 가열수단이 접합됨에 따라 상기 센서의 부착위치가 제조시마다 달라져 재현성이 저하되고 생산성이 낮아져 대량 생산 공정에 적합하지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고체전해질에 기준전극안착홈이 형성되어 기준전극의 형성 위치 정확도와 상기 가열수단에 센서안착홈이 형성되어 상기 가열수단에 접합되는 센서 위치의 정확도를 높여 제조 공정의 재현성을 확보하고 접합 불량의 위험성을 낮추며 내구성을 증대할 수 있고, 센서의 오프시간, 온-오프 횟수 등 과는 관계없이 신호의 안정성을 확보하여 이산화탄소 농도 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 이산화탄소센서 및 상기 이산화탄소센서가 구비된 이산화탄소 측정장치를 제공하는 것이다.

또한, 상기 고체전해질은 상기 기준전극안착홈과 수평방향으로 연통되어 상기 기준전극과 연결되는 기전력리드선이 내장되는 리드선홈이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 기준전극은 Na, 또는 Li 원소를 포함하는 금속 산화물 또는 산화물 의 혼합물, 또는 Pt 또는 Au 원소의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 감지전극은 상기 고체전해질의 일측 면에 순차적으로 귀금속층, 및 귀금속과 탄산염이 혼합된 혼합층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치는 일측 면에 상기 이산화탄소센서가 구비되는 센서안착홈이 형성되는 가열수단, 및 상술한 바와 같은 특징을 가지는 이산화탄소센서 를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가열수단은 상기 이산화탄소 센서와 접촉되지 않는 타측 면에 Pt를 함유하는 페이스트(Paste)를 이용하여 형성된 특정 패턴이 형성된 알루미나 기판과, 상기 패턴의 양 단부에 연결되어 연장되는 한 쌍의 전압인가 리드선을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 이산화탄소 측정장치(1000)는 상기 알루미나 기판(210)의 일측에 상기 이산화탄소센서(100) 고체전해질(110)의 외면과 기준전극(120)을 감싸도록 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질화물을 포함하는 밀폐층(230)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이산화탄소 측정장치(1000)는 상기 알루미나 기판(210)과 접촉되는 고체전해질(110)의 일측 면에 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질화물이 포함된 페이스트(Paste)를 이용하여 형성된 확산방지층(150)이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 이산화탄소센서(100) 및 상기 이산화탄소센서(100)가 구비된 이산화탄소 측정장치(1000)를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소센서(100)의 분해사시도이고, 도 3은 상기 도 2에 도시한 이산화탄소센서(100)의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소센서(100)의 다른 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치(1000)의 분해사시도이며, 도 6은 상기 도 5에 도시한 이산화탄소 측정장치(1000)의 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치(1000)의 다른 단면도이며, 도 8a는 상기 도 7에 도시한 이산화탄소 측정장치(1000)의 센서 온-오프 반복에 따른 기전력 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 상기 도 7에 도시한 이산화탄소 측정장치(1000)의 시간에 따른 기전력 변화를 나타낸 그래프이다.

상기 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 이산화탄소센서(100)는 일측 면에 기준전극안착홈(111)이 형성된 고체전해질(110), 상기 기준전극안착홈(111)에 형성되는 기준전극(120), 상기 고체전해질(110)의 타측 면에 형성되는 감지전극(130), 및 상기 각각의 전극에 연결되어 연장되는 한 쌍의 기전력리드선(140)을 포함하여 형성된다.

상기 고체전해질(110)은 Na⁺ 또는 Li⁺ 이온 전도체가 이용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NBA(Na₂Oㆍ11Al₂O₃), 나시콘(NASICON : Na_1+XZr₂Si_XP_3-XO₁₂), 베타 알루미나(β-alumina : Na₂Oㆍχ Al₂O₃), Na₂CO₃, Li₂CO₃, K₂CO₃와 같은 알칼리금속 탄산염, Li₃PO₄나 LIPON(Lithium Phosphorous OxyNitride), LISICON(Li_1+yZr2Si_yP_3-yO₁₂), 또는 이들의 혼합물(상기 X, Y는 독립적으로 각각 1~2의 상수이다)일 수 있고, 일측 면에 상기 기준전극(120)이 삽입형성될 수 있도록 내측으로 일정영역 중공된 기준전극안착홈(111)이 형성된다.

본 발명의 이산화탄소센서(100)는 상기 고체전해질(110)에 기준전극안착홈(111)이 형성되어 상기 가열수단(200)과 인접하게 위치되는 기준전극(120)의 형성위치를 정확하게 할 수 있어 센서 제작의 재현성을 높일 수 있게 된다.

이 때, 상기 기준전극(120)과 연결되는 기전력리드선(140)은 상기 기준전극(120)이 상기 고체전해질(110)의 기준전극안착홈(111)에 삽입 형성됨에 따라 다른 구성의 변형이나 가열수단(200)과의 접합시 접합능력을 저하할 수 있으므로, 본 발명의 이산화탄소센서(100)는 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 고체전해질(110)은 상기 기준전극안착홈(111)과 수평방향으로 연통되어 상기 기준전극(120)과 연결되는 기전력리드선(140)이 내장되는 리드선홈(112)이 더 형성되도록 한다.

상기 기준전극(120)은 귀금속-금속산화물-산화물의 혼합물, 더욱 상세하게는 Na, 또는 Li 원소를 포함하는 금속산화물 또는 산화물의 혼합물, 또는 Pt 또는 Au 원호의 혼합물을 페이스트 형태로 제조하여 상기 기준전극안착홈(111)에 균일한 두께의 층을 형성할 수 있으며, 이 때, 상기 층의 두께는 약 40~50 μm로 형성한 후, 공기 중에서 열처리하여 상기 고체전해질(110)과의 접합력이 우수한 기준전극(120)을 형성하도록 한다.

상기 기준전극(120)의 구성 물질은 바람직하게 백금, 금, 은과 같은 귀금속과 Na₂ZrO₃-ZrO₂, Na₂MoO₄-MoO₃, Na₂WO₄-WO₃, Na₂SnO₃-SnO₂, Na₂Ti₆O₁₃-TiO₂, Na₂Ti₆O₁₃-Na₂Ti₃O₇, Na₂Si₂O₅-SiO₂, Na₂Si₂O₅-Na₂Si₁O₃, Na₂Ge₄O₃-GeO₂, Li₂TiO₃-TiO₂, LiCoO₂-Co₃O₄등의 혼합물이며, 더욱 바람직하게는 상기 귀금속과 Na₂Ti₆O₁₃-TiO₂, LiCoO₂-Co₃O₄, Li₂TiO₃-TiO₂의 혼합물이 이용될 수 있다.

상기 감지전극(130)은 상기 고체전해질(110)의 일측 면에 순차적으로 귀금속층(131), 및 귀금속과 탄산염이 혼합된 혼합층(132)으로 구성될 수있으며, 먼저 상기 귀금속층(131)은 페이스트 형태의 재료를, 스크린프린팅, 스프레이, 닥터 블레이드, 스핀 코팅, 또는 스텐실 프린팅에서 선택되는 어느 한 방법을 이용하여 약 15 ~20 μm의 균일한 두께의 층을 형성하고, 공기 중에서 열처리하여 형성할 수 있다.

아울러, 상기 혼합층(132)은 상기 귀금속층(131)을 형성 한 뒤, 상기 귀금속층(131)의 상층에 귀금속과 탄산염을 포함하는 페이스트 형태의 재료를 상기 귀금속층(131)의 형성 방법과 같이 스크린프린팅, 스프레이, 닥터 블레이드, 스핀 코팅, 또는 스텐실 프린팅에서 선택되는 어느 한 방법을 이용하여 약 40~50 μm의 균일한 두께의 층을 형성하고, 공기 중에서 열처리하여 혼합층(132), 감지전극(130)을 형성할 수 있다.

상기 감지전극(130)의 귀금속층(131) 구성 물질은 백금, 금, 은과 같은 귀금속일 수 있으며, 상기 혼합층(132)의 구성 물질은 백금, 금, 은과 같은 귀금속과, Na₂CO₃, BaCO₃, Li₂CO₃, SrCO₃, CaCO₃, Cs₂CO₃, MnCO₃, MgCO₃, K₂CO₃, Rb₂CO₃, CuCO₃ 또는 이들의 혼합물인 탄산염 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 탄산염의 물질은 더욱 바람직하게 BaCO₃, Na₂CO₃, Li₂CO₃, K₂CO₃ 또는 이들의 혼합물이다.

한편, 본 발명의 이산화탄소 측정장치(1000)는 상기 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 이산화탄소센서(100)가 이용되며, 일측 면에 상기 이산화탄소센서(100)가 구비되는 센서안착홈(211)이 형성되는 가열수단(200)을 포함하여 형성된다.

상기 가열수단(200)은 상기 이산화탄소센서(100)의 동작을 원활히 하기 위해 고온을 유지하는 수단으로서 측정 대상 가스와 전극 간의 평형 반응을 유지하는 기능을 담당한다.

상기 가열수단(200)은 일측 면에 상기 센서안착홈(211)이 형성되고, 타측 면(상기 센서와 접촉되지 않는 반대쪽 면)에 Pt를 함유하는 페이스트를 이용하여 형성된 특정 패턴(212)이 형성된 알루미나 기판(210)과, 상기 패턴(212)의 양 단부에 연결되어 연장되고, 전압을 인가하는 한 쌍의 전압인가리드선(220)을 포함하여 형성된다.

본 발명의 이산화탄소 측정장치(1000)는 상기 센서안착홈(211)이 형성되어 상기 이산화탄소센서(100)의 위치를 정확히 할 수 있어 이산화탄소 측정장치(1000)의 생산성을 향상시키고 및 신뢰성 저하 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.

상기 이산화탄소 측정장치(1000)는 상기 알루미나 기판(210)의 일측(센서가 구비되는 측)에 상기 고체전해질(110) 및 기준전극(120)을 감싸도록 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질화물을 포함하는 밀폐층(230)이 형성되어 상기 이산화탄소센서(100)와 가열수단(200)을 접합한다.(상기 도 5는 분해사시도로서, 상기 이산화탄소센서(100)와 가열수단(200)을 접합하는 밀폐층(230)이 삭제된 상태를 도시하였 다.)

이 때, 상기 밀폐층(230)은 구체적으로 Al, Fe, Au, SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, AlN 등이 이용될 수 있으며, 상기 고체전해질(110)의 외면 전체를 밀폐하도록 형성되어 상기 고체전해질(110) 및 기준전극(120)과 외부 대기의 접촉을 방지하도록 한다.

상기 밀폐층(230)은 상기 이산화탄소센서(100)와 가열수단(200)을 접합하는 1차 목적뿐만 아니라, 수분, 먼지 등의 기타 오염물질에 의한 기준전극(120) 및 고체전해질(110)의 열화를 방지하는 2차 목적을 방지하고 있어, 종래의 센서보다 초기 구동시간(정확한 이산화탄소센서(100)값을 갖는데 요구되는 시간)을 월등히 줄여 사용의 편의성을 높이며 측정 결과의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

상기 밀폐층(230)이 형성되는 경우에, 본 발명의 이산화탄소 측정장치(1000)는 상기 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 밀폐층(230)의 물질이 기준전극(120)으로 확산될 수 있으므로, 상기 알루미나 기판(210)과 접촉되는 고체전해질(110)의 일측 면에 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질화물이 포함된 페이스트를 이용하여 확산방지층(150)이 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 확산방지층(150)은 상기 밀폐층(230)과 기준전극(120)의 접촉을 막아 센서 출력 신호의 안정성을 확보하도록 하며, 스크린프린팅, 스프레이, 닥터 블레이드, 스핀 코팅, 또는 스텐실 프린팅에서 선택되는 어느 한 방법을 이용하여 약 15~30 μm의 균일한 두께의 층을 형성하고, 상기 확산방지층(150)이 형성된 이산화탄소센서(100)를 상기 가열수단(200)의 센서안착홈(211)에 장착한 후 상기 밀폐 층(230)를 형성하고 공기 중에서 열처리하는 것이 바람직하다.

상기 확산방지층(150)은 상기 고체전해질(110)(이산화탄소센서(100))과 가열수단(200)과의 접착력을 증가시켜 반복 사용에 따른 열응력, 각 성분의 열팽창 계수 차이에 의한 분리(Delamination) 등의 문제점을 해결하여 내구성을 증대시키며 측정 결과의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

이에 따라, 본 발명의 이산화탄소 감지센서는 감지전극(130)의 형성 위치 및 센서의 접착 위치를 정확하게 하고, 상기 이산화탄소센서(100)와 가열수단(200)의 접합력을 높일 수 있어 내구성을 높일 수 있으며, 밀폐층(230)에 의해 외부로부터의 오염을 방지하고, 확산방지층(150)이 형성되어 이산화탄소 농도 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

[실시예1]

기본적인 구성은 상기 도 7에 도시한 형태를 가지며, 상기 고체전해질(110)은 NBA(Na₂O·11Al₂O₃)로 형성하고, 상기 기준전극(120)은 Na₂Ti₆O₁₃-TiO₂-Pt 혼합물을 스크린 프린팅 방법에 의해 40μm 두께로 형성한 후 900℃에서 열처리하고, 상 기 감지전극(130)은 귀금속층(131)과 귀금속과 탄산염이 혼합된 혼합층(132)이 순차적으로 구성되며, 상기 귀금속층(131)은 Au를 페이스트 형태로 기전력 리드선과 함께 15μm 두께로 형성하여 810℃에서 열처리 하였으며, 그 이후에 상기 혼합층(132)은 Na₂CO₃-BaCO₃-Au 혼합물을 스크린 프린팅 방법에 의해 40μm 두께로 상기 귀금속 층 위에 형성한 후 810℃에서 열처리하였다. 다음으로 상기 고체전해질(110)의 기준전극(120)이 안착된 면의 기준전극(120)이 형성된 부분을 제외하고 Al₂O₃페이스트를 이용하여 15μm 두께의 확산방지층(150)을 형성한 이산화탄소센서(100)를 타측 면에 Pt 패턴(212)이 형성되고 일측 면에 깊이 100μm의 센서안착홈(211)이 형성된 가열수단(200)에 장착하고 페이스트 형태의 밀폐층(230)을 형성한 후 900℃로 1시간 동안 열처리하여 제조하였다.

상기한 바와 같이 제조된 이산화탄소 측정장치(1000)를 상기 가열수단(200)의 구동온도가 450℃이고, 500ppm의 일정 이산화탄소 농도 하에서 시간에 따른 기전력(EMF) 변화 추이 관찰하였으며, 센서 온-오프 반복 횟수에 따른 기전력 변화를 도 8a에, 시간에 따른 기전력 변화를 도 8b에 도시하였다.

도 9a 및 도 9b는 상기 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 종래의 이산화탄소 측정장치(1000)를 실시예1과 동일한 물질 및 방법을 이용하여 제조한 뒤 같은 조건에서 실험한 결과를 나타내었다.

상기 도 9a는 센서의 온-오프가 반복됨에 따라 일정 구간은 특정 센서값을 갖지만, 약 39번째의 실험시에 이상 거동을 보이는 반면에 본 발명에 따른 도 8a는 이상 거동 없이 일정한 출력값을 보임을 확인할 수 있다.

또한, 상기 도 9b는 이산화탄소 농도는 일정함에도 시간에 따라 출력값이 점차 상승하는 반면, 본 발명에 따른 도 8a는 매우 일정한 기전력값을 가짐을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 이산화탄소 측정장치(1000)는 이산화탄소센서(100)의 온-오프가 반복적으로 수행되거나 시간이 지난다하더라도 열응력 및 각 구성의 열팽창계수 차이, 또는 수분 흡착이 발생되어 센서의 내구성이 저하됨을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 이산화탄소 측정장치를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소센서의 분해사시도.

도 3은 상기 도 2에 도시한 이산화탄소센서의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소센서의 다른 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치의 분해사시도.

도 6은 상기 도 5에 도시한 이산화탄소 측정장치의 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치의 다른 단면도.

도 8a는 상기 도 7에 도시한 이산화탄소 측정장치의 센서 온-오프 반복에 따른 기전력 변화를 나타낸 그래프.

도 8b는 상기 도 7에 도시한 이산화탄소 측정장치의 시간에 따른 기전력 변화를 나타낸 그래프.

도 9a는 상기 종래 도 1에 도시한 이산화탄소 측정장치의 센서 온-오프 반복에 따른 기전력 변화를 나타낸 그래프.

도 9b는 상기 종래 도 1에 도시한 이산화탄소 측정장치의 시간에 따른 기전력 변화를 나타낸 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1000 : 본 발명에 따른 이산화탄소 측정장치

100 : 이산화탄소센서

110 : 고체전해질

111 : 기준전극안착홈 112 : 리드선홈

120 : 기준전극

130 : 감지전극

131 : 귀금속층 132 : 혼합층

140 : 기전력리드선

150 : 확산방지층

200 : 가열수단

210 : 알루미나 기판

211 : 센서안착홈 212 : 패턴

220 : 전압인가리드선

230 : 밀폐층

Claims

외부 물질이 기준전극(120)측으로 확산되지 않도록 일측 면에 내측으로 함입된 기준전극안착홈(111)이 형성된 고체전해질(110),

상기 고체전해질(110)의 기준전극안착홈(111)에 형성되는 기준전극(120),

상기 고체전해질(110)의 타측 면에 형성되는 감지전극(130), 및

상기 기준전극(120) 및 감지전극(130)과 각각 연결되어 연장되는 한 쌍의 기전력리드선(140) 을 포함하여 형성되며,

상기 기준전극(120) 및 감지전극(130)에서 측정된 기전력이 주변의 이산화탄소 가스의 농도에 따라 네른스트(Nernst) 식에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소센서(100).
제1항에 있어서,

상기 고체전해질(110)은 상기 기준전극안착홈(111)과 수평방향으로 연통되어 상기 기준전극(120)과 연결되는 기전력리드선(140)이 내장되는 리드선홈(112)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소센서(100).
제2항에 있어서,

상기 기준전극(120)은 Na, 또는 Li 원소를 포함하는 금속 산화물, 상기 금속 산화물의 혼합물, 또는 Pt 또는 Au 원소의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소센서(100).
제3항에 있어서,

상기 감지전극(130)은 상기 고체전해질(110)의 일측 면에 순차적으로 귀금속층(131), 및 귀금속과 탄산염이 혼합된 혼합층(132)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소센서(100).
제1항 내지 제4항에서 선택되는 어느 한 항에 의한 이산화탄소센서(100) 및 일측 면에 상기 이산화탄소센서(100)가 구비되는 센서안착홈(211)이 형성되는 가열수단(200); 을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 측정장치.
제5항에 있어서,

상기 가열수단(200)은

상기 이산화탄소센서(100)와 접촉되지 않는 타측 면에 Pt를 함유하는 페이스트(Paste)를 이용하여 형성된 특정 패턴(212)이 형성된 알루미나 기판(210)과, 상기 패턴(212)의 양 단부에 연결되어 연장되는 한 쌍의 전압인가리드선(220)을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 측정장치.
제6항에 있어서,

상기 이산화탄소 측정장치(1000)는

상기 알루미나 기판(210)의 일측에 상기 이산화탄소센서(100) 고체전해질(110)의 외면과 기준전극(120)을 감싸도록 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질화물을 포함하는 밀폐층(230)이 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 측정장치.
제7항에 있어서,

상기 이산화탄소 측정장치(1000)는

상기 알루미나 기판(210)과 접촉되는 고체전해질(110)의 일측 면에 금속, 금속 산화물, 또는 금속 질화물이 포함된 페이스트(Paste)를 이용하여 형성된 확산방지층(150)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 측정장치.
제8항에 있어서,

상기 확산방지층(150)은 15~30 μm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 측정장치.