KR100980821B1 - Multi-layer solid electrolyte for gas sensor, Method of preparing the same and Gas sensor device comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질과 그 제조방법 및 이를 포함하는 가스 센서 소자에 관한 것이다. 본 발명의 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질은, 감지전극과 기준전극 사이에 개재되는 가스 센서용 고체 전해질에 있어서, 상기 고체 전해질이 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제1층; 금속 박막으로 형성된 배리어층; 및 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제2층이 순차적으로 적층되어 형성된 다층 구조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질은 고체 전해질 층들 사이에 개재된 배리어층이 전해질 내부에서 양이온 등의 물질 이동 및 물질의 재배열을 억제하여 전해질의 열화를 방지할 수 있다.The present invention relates to a multi-layered solid electrolyte for a gas sensor, a method for manufacturing the same, and a gas sensor device including the same. The multi-layered solid electrolyte for a gas sensor of the present invention includes a solid electrolyte for a gas sensor interposed between a sensing electrode and a reference electrode, the solid electrolyte comprising: a first layer formed of an ion conductive solid electrolyte; A barrier layer formed of a metal thin film; And a multilayer structure formed by sequentially stacking a second layer formed of an ion conductive solid electrolyte. In the multi-layered solid electrolyte for a gas sensor of the present invention, the barrier layer interposed between the solid electrolyte layers can prevent deterioration of the electrolyte by inhibiting material movement such as cations and rearrangement of the material.
배리어층, 고체 전해질, 가스 센서 Barrier Layer, Solid Electrolyte, Gas Sensor
Description
본 발명은 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질과 그 제조방법 및 이를 포함하는 가스 센서 소자에 관한 것이며, 보다 상세하게는 열화가 억제되어 가스 감응 특성이 장시간 동안 우수하게 유지될 수 있는 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질과 그 제조방법 및 이를 포함하는 가스 센서 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-layered solid electrolyte for a gas sensor, a method for manufacturing the same, and a gas sensor element including the same. More specifically, the multilayered structure for a gas sensor can be excellently maintained for a long time due to suppression of degradation. The present invention relates to a solid electrolyte, a method of manufacturing the same, and a gas sensor device including the same.
최근 환경에 대한 관심이 고조되면서 쾌적한 생활환경에 대한 사회적 요구가 증대되고 있으며, 이에 따라 각종 환경규제도 점차 강화되고 있는 실정이다. 이에 따라, 다양한 유해 가스를 감지할 수 있는 가스 센서에 대한 관심도 증가하고 있다.Recently, as the interest in environment increases, social demands for a pleasant living environment are increasing, and accordingly, various environmental regulations are gradually strengthened. Accordingly, interest in gas sensors that can detect various harmful gases is also increasing.
현재 이산화탄소 등의 가스를 감지하기 위해 사용되는 센서로는 가스크로마토그래피를 이용한 센서와 SnO2 또는 TiO2 등의 반도체 화합물을 이용한 가스센서 등이 있다. 그런데 가스크로마토그래피를 이용한 가스 센서는 부피 및 무게가 크고 고가라는 단점이 있으므로 극히 제한된 용도로만 사용되고 있다. 그리고 반도체 화합물을 이용한 가스센서는 소자 형태의 센서 제작이 가능하다는 장점은 있지만, 반도체 화합물의 표면에 흡착되는 가스의 종류를 구별하기 어려워 가스 선택성이 떨어지는 단점이 있다.Currently, sensors used to detect gases such as carbon dioxide include sensors using gas chromatography and gas sensors using semiconductor compounds such as SnO 2 or TiO 2 . However, the gas sensor using gas chromatography has a disadvantage in that the volume and weight are large and expensive, so it is only used for extremely limited purposes. In addition, the gas sensor using the semiconductor compound has the advantage that it is possible to manufacture a sensor in the form of an element, but it is difficult to distinguish the type of gas adsorbed on the surface of the semiconductor compound has a disadvantage inferior gas selectivity.
한편 최근에는 단순한 구조로 인해 작은 소자 형태의 센서 제작이 가능하고 가스선택성이 우수하여 특정 가스농도의 정량적인 측정이 가능한 고체 전해질형 가스 센서가 개발되어 주목을 받고 있다. On the other hand, recently, due to its simple structure, it is possible to manufacture a small element-type sensor and has excellent gas selectivity, and thus, a solid electrolyte type gas sensor capable of quantitatively measuring a specific gas concentration has been developed and attracts attention.
고체 전해질형 가스 센서 소자는 고체 전해질이 감지전극과 기준전극 사이에 개재되어 이루어지는 기본 구조를 갖는다. 그런데, 종래의 고체 전해질을 이용한 센서에서 시간이 경과함에 따라 센서의 출력(기전력)이 점차 감소되는 현상이 관찰되었으며, 이러한 현상은 센서의 성능저하의 중요한 요인의 하나이다.The solid electrolyte type gas sensor element has a basic structure in which a solid electrolyte is interposed between the sensing electrode and the reference electrode. However, a phenomenon in which the output (electromotive force) of the sensor gradually decreases with time has been observed in the conventional sensor using a solid electrolyte, and this phenomenon is one of the important factors of the degradation of the sensor.
그러나, 아직까지 이러한 문제점의 효과적 해결책이 보고된 바 없으며, 이에 따라 장기간의 사용에도 성능이 저하되지 않는 센서의 개발이 시급하다.However, no effective solution has been reported so far, and therefore, there is an urgent need to develop a sensor that does not deteriorate even after long-term use.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 장시간 사용해도 대상 가스에 대한 민감도가 저하되지 않도록 우수한 성능을 유지할 수 있는 가스 센서용 전해질 및 이를 구비하는 가스 센서 소자를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas sensor electrolyte and a gas sensor device having the same, which can maintain excellent performance so that sensitivity to a target gas does not decrease even when used for a long time.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질은, 감지전극과 기준전극 사이에 개재되는 가스 센서용 고체 전해질에 있어서, 상기 고체 전해질이, 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제1층; 금속 박막으로 형성된 배리어층; 및 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제2층이 순차적으로 적층되어 형성된 다층 구조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the multi-layered solid electrolyte for a gas sensor of the present invention, in the gas sensor solid electrolyte interposed between the sensing electrode and the reference electrode, the solid electrolyte, the first layer formed of an ion conductive solid electrolyte ; A barrier layer formed of a metal thin film; And a multilayer structure formed by sequentially stacking a second layer formed of an ion conductive solid electrolyte.
본 발명의 발명자는 종래의 감지전극, 고체 전해질 및 기준전극으로 이루어지는 센서 소자에서는 가스농도에 따라 일정한 기전력이 형성되게 되며, 이는 상기 센서 소자가 회로에 연결되어 있는 경우에는 미세한 전류가 흐르게 되는 원인이 되기도 하고, 내부적으로는 물질이동의 동력으로 작용하게 됨을 알게 되었으며, 이러한 물질이동이나 전류의 흐름이 존재하게 되었을 때는 전해질 소재 자체의 열화가 일어나거나 전극반응이 원활하지 않은 경우에 전극의 평형상태에서 벗어나게 될 수 있음을 알아내었다. The inventors of the present invention, in the sensor element consisting of a conventional sensing electrode, a solid electrolyte and a reference electrode is formed a constant electromotive force according to the gas concentration, which is a cause that a minute current flows when the sensor element is connected to a circuit It has been found that internally, it acts as a power of mass transfer. When such mass transfer or current flow is present, the electrolyte material itself deteriorates or the electrode reaction is not smooth. I found out that I could get away.
이에 따라, 본 발명의 고체 전해질은 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제1층과 제2층 사이에 개재된 배리어층이 양이온 등의 물질전달을 억제하여 고체 전해 질의 열화를 방지하고 센서 소자의 성능을 우수하게 유지할 수 있다.Accordingly, in the solid electrolyte of the present invention, the barrier layer interposed between the first layer and the second layer formed of the ion conductive solid electrolyte suppresses the transfer of substances such as cations, thereby preventing deterioration of the solid electrolyte quality and improving the performance of the sensor element. I can keep it.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질의 제조방법은, (S1) 고체 전해질 분말, 가소제, 바인더, 분산제 및 유기 용매를 포함하는 이온 전도성 고체 전해질 슬러리를 준비하는 단계; (S2) 상기 슬러리를 기판 또는 바탕필름에 캐스팅하고 건조시켜 이온 전도성 고체 전해질 시트를 얻는 단계; (S3) 상기 시트를 소결하는 단계; (S4) 상기 소결체의 일면에 금속 페이스트를 도포하여 배리어층을 형성하고, 상기 배리어층 상에 제2의 상기 소결체를 적층하는 단계; 및 (S5) 상기 결과물을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in order to solve the above problems, the method for producing a multi-layered solid electrolyte for a gas sensor of the present invention, (S1) to prepare an ion conductive solid electrolyte slurry containing a solid electrolyte powder, a plasticizer, a binder, a dispersant and an organic solvent. step; (S2) casting the slurry on a substrate or a base film and drying to obtain an ion conductive solid electrolyte sheet; (S3) sintering the sheet; (S4) forming a barrier layer by applying a metal paste on one surface of the sintered body, and stacking the second sintered body on the barrier layer; And (S5) sintering the resultant.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 가스 센서용 다층 구조 고체 전해질의 제조방법은, (S1) 고체 전해질 분말, 가소제, 바인더, 분산제 및 유기 용매를 포함하는 이온 전도성 고체 전해질 슬러리를 준비하는 단계; (S2) 상기 슬러리를 기판 또는 바탕필름에 캐스팅하고 건조시켜 이온 전도성 고체 전해질 시트를 얻는 단계; (S3) 상기 시트의 일면에 금속 페이스트를 도포하여 배리어층을 형성하고, 상기 배리어층 상에 제2의 시트를 적층하는 단계; 및 (S4) 상기 결과물을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in order to solve the above problems, the method for producing a multi-layered solid electrolyte for a gas sensor of the present invention, (S1) to prepare an ion conductive solid electrolyte slurry containing a solid electrolyte powder, a plasticizer, a binder, a dispersant and an organic solvent. step; (S2) casting the slurry on a substrate or a base film and drying to obtain an ion conductive solid electrolyte sheet; (S3) forming a barrier layer by applying a metal paste on one surface of the sheet, and stacking a second sheet on the barrier layer; And (S4) sintering the resultant.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 본 발명에 따른 다층 구조 고체 전해질을 구비하는 가스 센서 소자를 제공할 수 있다.In addition, in order to solve the above problems, the present invention can provide a gas sensor device having a multi-layered solid electrolyte according to the present invention.
본 발명의 다층 구조 고체 전해질은 전해질 내부에서 양이온 등의 물질 이동 및 물질의 재배열이 억제되어 열화가 방지되며, 그에 따라 본 발명의 다층 구조 전 해질을 구비하는 가스 센서는 장시간의 사용에도 그 성능이 저하되지 않을 수 있다.In the multilayered solid electrolyte of the present invention, deterioration is prevented by suppressing material movement such as cations and rearrangement of the material in the electrolyte. Accordingly, the gas sensor having the multilayered structure electrolyte of the present invention is capable of long-term use. This may not be degraded.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.
도 1에는 본 발명에 따른 다층 구조의 고체 전해질(10)의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 하지만, 이하 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.1 schematically shows an embodiment of a
본 발명에 따른 다층 구조 고체 전해질(10)은 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제1층(11), 금속 박막으로 형성된 배리어층(12) 및 이온 전도성 고체 전해질로 형성된 제2층(13)을 포함하여 이루어진다.The multi-layered
상기 이온 전도성 고체 전해질 제1층(11) 및 제2층(13)은 이온 전도성 고체 전해질 슬러리를 제조한 후, 이를 미리 정해진 형태로 기판 또는 바탕 필름에 도포 후 건조하여 시트를 형성하고, 상기 시트를 소결시켜 얻을 수 있다. 상기 슬러리는 이온 전도성 고체 전해질층을 제조하기 위해 당분야에서 통상적으로 사용되는 슬러 리가 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 고체 전해질 분말, 가소제, 바인더, 분산제 및 유기 용매를 포함하여 제조될 수 있다.The ion conductive solid electrolyte
고체 전해질 분말은 당분야에 알려진 통상적인 양이온전도성 고체전해질 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들면 나트륨이온전도체인 나시콘(NASICON), 나트륨베타알루미나(Na-β-Alumina) 또는 리튬이온전도체인 리튬란탄티타네이트(lithium lanthanum titanate, LLT) 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solid electrolyte powder may use a conventional cationic conductive solid electrolyte material known in the art, for example, sodium ion conductor Nasicon (NASICON), sodium beta alumina (Na-β-Alumina) or lithium ion conductor lithium lanthanum Titanate (lithium lanthanum titanate, LLT) and the like, but is not limited thereto.
가소제로는 당분야에서 통상적으로 사용되는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 폴리알킬렌글리콜(polyalkylene glycol), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate) 또는 디옥틸 프탈레이트(dioctyl phthalate), 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가소제의 함량은 상기 고체 전해질 분말 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 10 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 범위에서 슬러리가 건조되어 형성된 시트가 취급이 가장 용이한 연성을 가질 수 있다.As the plasticizer, polyethylene glycol, polyalkylene glycol, dibutyl phthalate or dioctyl phthalate, or a mixture thereof, which are commonly used in the art, may be used. However, it is not limited thereto. The amount of the plasticizer may be included in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid electrolyte powder, and the sheet formed by drying the slurry in the above range may have the ductility that is easiest to handle.
바인더로는 당분야에서 통상적으로 사용되는 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 또는 폴리아크릴레이트 에스테르(polyacrylate esters), 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바인더의 함량은 상기 고체 전해질 분말 100 중량부에 대하여 1 ~ 30 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 범위에서 슬러리가 건조되어 형성된 시트가 취급이 가장 용이한 강도를 가질 수 있다.As the binder, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol or polyacrylate esters, or mixtures thereof, which are commonly used in the art, may be used. no. The binder may be included in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid electrolyte powder, and the sheet formed by drying the slurry in the above range may have the easiest strength to handle.
분산제로는 당분야에서 통상적으로 사용되는 글리세릴 트리올레이트(glycerol trioleate), 피시오일(Fish oil) 또는 포스페이트 에스테르(Phosphate ester), 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 분산제의 함량은 상기 고체 전해질 분말 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 10 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 범위에서 슬러리가 취급하기에 가장 적절한 점도를 가질 수 있다.As a dispersant, glycerol trioleate, fish oil or phosphate ester, or a mixture thereof, which are commonly used in the art, may be used, but are not limited thereto. The content of the dispersant may include 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid electrolyte powder, and may have a viscosity most suitable for handling the slurry in the above range.
유기 용매로는 당분야에서 통상적으로 사용되는 트리클로로에틸렌(trichloroethylene, TCE), 에틸알코올(ethyl alcohol, EtOH), 톨루엔(toluene) 또는 메틸에틸케톤(metyl ethyl ketone, MEK), 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 유기 용매의 함량은 상기 고체 전해질 분말 100 중량부에 대하여 50 ~ 200 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 범위에서 슬러리가 취급하기에 가장 적절한 점도를 가질 수 있다.As the organic solvent, trichloroethylene (TCE), ethyl alcohol (EtOH), toluene or methyl ethyl ketone (MEK), or mixtures thereof commonly used in the art May be used, but is not limited thereto. The content of the organic solvent may include 50 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid electrolyte powder, the slurry may have the most suitable viscosity for handling in the above range.
상기 이온 전도성 고체 전해질 제1층(11) 및 제2층(13)의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택할 수 있으며, 예를 들면 각각 200 ~ 1000 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 두께 범위에서 센서 소자의 성능이 충분히 발현될 수 있으며 경제적일 수 있다.The thickness of the ion conductive solid electrolyte
상기 금속 박막으로 형성된 배리어층(12)은 배리어층 형성용 금속 페이스트를 사용하여 얻어질 수 있다. 배리어층 형성용 금속 페이스트는 금속, 바인더, 분산제, 용매를 포함하여 제조될 수 있으며, 당분야에서 상용화된 금속 페이스트(Electro Science Lab. Inc.(미국)사의 8880 Gold conductor, Tanaka Kikinzoku Group(일본)사의 AY-5022, Heraeus(독일)사의 C-5729 등)를 이용할 수도 있다.The
본 발명에 따른 배리어층 형성용 금속 페이스트에 사용될 수 있는 금속으로 는 화학적 안전성 및 전도성이 우수하고 배리어층 형성시 전해질에 존재하는 양이온 등의 물질이동을 억제할 수 있는 금속이면 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt) 또는 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 금 또는 백금을 사용할 수 있다.As a metal that can be used for the barrier layer forming metal paste according to the present invention, any metal can be used without limitation as long as it has excellent chemical safety and conductivity, and can inhibit material movement such as cations present in the electrolyte when forming the barrier layer. For example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), aluminum (Al), or the like can be used, and preferably gold or platinum can be used.
상기 배리어층(12)의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택할 수 있으며, 예를 들면 1 ~ 10 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 두께 범위에서 전해질의 기능이 충분히 발휘됨과 동시에 전해질 내부의 양이온 등의 물질 이동을 가장 효과적으로 억제할 수 있다.The thickness of the
본 발명의 다층 구조 고체 전해질의 제조방법의 일 예는 다음과 같다.An example of a method of manufacturing a multilayer structure solid electrolyte of the present invention is as follows.
상기와 같이 준비된 이온 전도성 고체 전해질 슬러리를 충분히 혼합한 후, 기판 또는 바탕필름(carrier film)에 도포하고 건조하여 시트를 형성하고, 상기 시트를 소결시켜 이온 전도성 고체 전해질 소결체를 얻을 수 있다. 이 때 원하는 두께의 고체 전해질 소결체를 얻기 위해 상기 제조된 시트를 1장 이상 적층하고 소결시킬 수 있다. 여러 장의 시트를 적층하는 경우에는, 시트의 성형시 성형방향으로 형성되는 배향성을 고려하여 적층되는 각 시트의 성형방향이 직교하도록 시트를 적층하는 것이 바람직하다. 이 때 소결 온도는 900~1300℃에서 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 소결 온도 범위에서 전해질의 소결밀도가 높고, 전기전도도가 높은 전해질을 제조할 수 있다.After fully mixing the ion conductive solid electrolyte slurry prepared as described above, it is applied to a substrate or a carrier film (carrier film) and dried to form a sheet, the sheet may be sintered to obtain an ion conductive solid electrolyte sintered body. At this time, in order to obtain a solid electrolyte sintered body having a desired thickness, one or more sheets prepared above may be laminated and sintered. In the case of stacking a plurality of sheets, it is preferable to stack the sheets so that the forming direction of each sheet to be laminated is orthogonal in consideration of the orientation formed in the forming direction at the time of forming the sheet. At this time, the sintering temperature may be preferably performed at 900 ~ 1300 ℃. In the sintering temperature range, an electrolyte having a high sintered density and high electrical conductivity may be prepared.
이온 전도성 고체 전해질 소결체가 준비되면 그 일면에 상기와 같이 준비된 배리어층 형성용 금속 페이스트를 도포하고, 배리어층 형성용 금속 페이스트층이 두 이온 전도성 고체 전해질 소결체 사이에 개재되도록 도포된 상기 금속 페이스트 상에 다른 제2의 이온 전도성 고체 전해질 소결체를 접착한 후, 다시 소결시키면 본 발명의 다층 구조 고체 전해질을 얻을 수 있다. 이때 소결 온도는 700~1200℃에서 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 소결 온도 범위에서 금속 페이스트 상의 용매가 충분히 제거될 수 있고, 고체 전해질층과 배리어층의 접착 상태가 가장 우수할 수 있다.When the ion conductive solid electrolyte sintered body is prepared, the barrier layer forming metal paste prepared as described above is coated on one surface thereof, and the barrier layer forming metal paste layer is coated on the metal paste coated so as to be interposed between the two ion conductive solid electrolyte sintered bodies. After adhering another second ion conductive solid electrolyte sintered body and sintering again, the multilayer structure solid electrolyte of the present invention can be obtained. At this time, the sintering temperature may be preferably performed at 700 ~ 1200 ℃. The solvent on the metal paste may be sufficiently removed in the sintering temperature range, and the adhesion state between the solid electrolyte layer and the barrier layer may be the best.
본 발명의 다른 구현예에서, 이온 전도성 고체 전해질 소결체를 제조하기 위한 소결 단계와 다층구조 고체 전해질을 얻기 위한 소결 단계를 동시에 수행할 수도 있다. 즉, 상기 고체 전해질층용 시트 또는 시트 적층체 상에 배리어층 형성용 금속 페이스트를 도포하고, 상기 도포된 금속 페이스트 상에 다른 제2의 고체 전해질층용 시트 또는 시트 적층체를 접착한 후, 소결시키면 본 발명의 다층 구조 고체 전해질을 얻을 수 있다. 이 때 소결온도는 고체 전해질용 시트와 배리어층이 모두 소결될 수 있는 온도로 결정될 수 있으며, 예를 들면 900~1200℃일 수 있다.In another embodiment of the present invention, the sintering step for producing an ion conductive solid electrolyte sintered body and the sintering step for obtaining a multilayered solid electrolyte may be simultaneously performed. That is, a barrier layer forming metal paste is applied onto the solid electrolyte layer sheet or sheet laminate, and another second solid electrolyte layer sheet or sheet laminate is adhered to the applied metal paste, followed by sintering. The multilayered solid electrolyte of the invention can be obtained. At this time, the sintering temperature may be determined as the temperature at which both the solid electrolyte sheet and the barrier layer can be sintered, for example, may be 900 ~ 1200 ℃.
본 발명의 다층 구조 고체 전해질은 가스 센서 소자를 제조하는 데 사용될 수 있으며, 도 2에는 본 발명의 다층 구조 고체 전해질을 사용한 가스 센서 소자의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.The multilayered solid electrolyte of the present invention can be used to fabricate a gas sensor element, and FIG. 2 schematically illustrates one embodiment of a gas sensor element using the multilayered solid electrolyte of the present invention.
본 발명에 따른 가스 센서 소자는 감지전극(1), 다층 구조 고체 전해질(10), 기준전극(20), 기판(30), 발열체 패턴(40) 및 리드선(50)를 포함하여 이루어질 수 있다.The gas sensor device according to the present invention may include a sensing electrode 1, a multilayered
감지전극(1)은 다층 구조 고체 전해질(10)의 일면에 형성되며, 당분야에서 통상적인, 예를 들면 금속 탄산염 및 금속을 혼합한 감지전극 형성용 페이스트를 열처리하여 제조될 수 있다. 금속 탄산염으로는 탄산 나트륨(Na2CO3), 탄산 리튬(Li2CO3) 등이 사용될 수 있으며, 금속으로는 페이스트는 금, 은, 백금 등이 사용될 수 있다.The sensing electrode 1 is formed on one surface of the multi-layered
기준전극(20)은 감지전극(1)과 대향되도록 다층 구조 고체 전해질(10)의 다른 면에 형성되며, 당분야에서 통상적인 기준전극 형성용 페이스트, 예를 들면 Na를 포함한 산화물(Na-Ti-O, Na-Mn-O, Na-Si-O) 의 2상 혼합체 또는 Li 포함한 산화물 (Li-Fe-O)의 2상 혼합체, 및 금속 페이스트를 혼합한 기준전극 형성용 페이스트를 열처리하여 제조될 수 있다. 금속 페이스트로는 상기 감지전극 형성용 페이스트에 사용된 동일한 금속 페이스트가 사용될 수 있다.The
기판(30)은 기준전극(20)과 발열체 패턴(50) 사이에 위치하여 발열체로부터 상기 전해질 및 전극들을 분리하며, 통상적으로 알루미나가 사용될 수 있다.The
발열체 패턴(40)은 상기 기판(30)의 일면에 형성되며, 통상적으로 백금이 사용될 수 있다.The
발열체 패턴(40), 기판(30)과 기준전극(20) 사이 및 전해질(10)과 감지전극(1) 사이에는 리드선(50)이 연결되며, 특히 기판(30)과 기준전극(20) 사이 및 전해질(10)과 감지전극(1) 사이에는 각 구성요소들의 접착 및 리드선의 부착을 용이하기 위해 감지전극 또는 기준전극의 제조시에 사용되는 금속페이스트가 도포될 수 있다(도시되지 않음).The
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
실시예Example
<다층구조 고체 전해질 제조><Multilayer Structure Solid Electrolyte Preparation>
하기 표 1에 나타난 바와 같이 고체 전해질 분말, 가소제, 바인더, 분산제 및 유기 용매를 준비하였다.As shown in Table 1, a solid electrolyte powder, a plasticizer, a binder, a dispersant, and an organic solvent were prepared.
상기 원료들을 Planetary Ball Mill(PM-100)을 사용하여 균일하게 혼합하여 이온 전도성 고체 전해질 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리 내부의 공기를 제거하고 적절한 점도의 슬러리를 얻기 위하여, 회전식 진공 펌프를 사용하여 탈포 처리를 하였다.The raw materials were uniformly mixed using a Planetary Ball Mill (PM-100) to prepare an ion conductive solid electrolyte slurry. In order to remove the air in the slurry and to obtain a slurry having a suitable viscosity, a degassing treatment was performed using a rotary vacuum pump.
얻어진 슬러리를 0.7 cm/s의 속도로 이동하는 바탕필름(carrier film) 상에 약 150㎛의 두께가 되도록 캐스팅하였다. 캐스팅된 상기 슬러리를 실온에서 건조하여 시트를 얻었다. 상기 시트를 4㎝ X 4㎝ 로 절단한 후, 절단된 시트들의 캐스팅 방향이 직교하도록 적층하고, 70℃의 열판 프레스를 사용하여 압축성형하여 380㎛의 두께의 시트 적층체를 얻었다. 제조된 시트 적층체를 1.6℃/min 승온속도로 100℃까지 가열하고, 1℃/min 승온속도로 600℃까지 가열한 후 2시간 유지하고, 다시 3℃/min 승온속도로 1150℃까지 가열한 후 8시간 동안 소결시켰다. 이 후 furnace 내에서 상온까지 공냉하여 고체 전해질을 얻었다.The resulting slurry was cast to a thickness of about 150 μm on a carrier film traveling at a rate of 0.7 cm / s. The cast slurry was dried at room temperature to obtain a sheet. The sheet was cut into 4 cm × 4 cm, and then laminated so that the casting directions of the cut sheets were orthogonal, and compression molding was performed using a hot plate press at 70 ° C. to obtain a sheet laminate having a thickness of 380 μm. The prepared sheet laminate was heated to 100 ° C. at a temperature increase rate of 1.6 ° C./min, heated to 600 ° C. at a temperature increase rate of 1 ° C./min, maintained for 2 hours, and further heated to 1150 ° C. at a temperature increase rate of 3 ° C./min. After sintering for 8 hours. Thereafter, air cooled to room temperature in a furnace to obtain a solid electrolyte.
상기 얻어진 고체 전해질의 일면에 금 페이스트(Gold conductor-8880, Electro Science Lab. Inc(미국)사)를 도포하여 배리어층을 형성하고, 그 위에 다시 다른 고체 전해질을 적층한 후, 1000℃까지 가열하여 다층 구조 고체 전해질을 얻었다.Gold paste (Gold conductor-8880, Electro Science Lab. Inc.) was applied to one surface of the obtained solid electrolyte to form a barrier layer, and another solid electrolyte was laminated thereon, and then heated to 1000 ° C. A multilayered solid electrolyte was obtained.
<가스 센서 소자 제조><Manufacture of gas sensor element>
상기 얻어진 다층 구조 고체 전해질의 일면에 Na-Ti-O 산화물의 2상 혼합체와 상기 금 페이스트를 혼합한 기준전극 형성용 페이스트를 도포하고 건조시켰다. 상기 다층 구조 고체 전해질의 다른 면에는 금속 리드선을 부착하기 위해 금 페이스트를 도포하고 건조 시켰다.On one surface of the obtained multi-layered solid electrolyte, a reference electrode forming paste, in which a two-phase mixture of Na-Ti-O oxides and the gold paste was mixed, was applied and dried. On the other side of the multi-layered solid electrolyte, a gold paste was applied and dried to attach a metal lead wire.
한편, 0.3mm 두께의 알루미나 기판의 일면에 백금 페이스트(TR-7905, Tanaka Kinkinzoku K.K사)를 일정한 패턴으로 도포하고, 그 반대편 일면에는 전극 및 리드선의 부착을 용이하게 하기 위해 금 페이스트를 도포하고 건조시켜, 발열체 패턴이 형성된 기판을 얻었다.On the other hand, platinum paste (TR-7905, Tanaka Kinkinzoku KK Co., Ltd.) was applied to one surface of an alumina substrate having a thickness of 0.3 mm in a predetermined pattern, and gold paste was applied to one side of the alumina substrate to facilitate the attachment of electrodes and leads and dried. To obtain a substrate on which a heating element pattern was formed.
상기 기판의 금 페이스트가 도포된 층과 기준전극 형성용 페이스트층이 접하도록 상기 기준전극 형성용 페이스트층이 형성된 다층 구조 고체 전해질을 기판에 부착시켰다. 이때, 기판의 금 페이스트가 도포된 층에 금 리드선을 함께 부착시키고, 발열체 패턴과 다층 구조 고체 전해질에 도포된 금 페이스트층에도 금 리드선을 함께 부착시킨 후, 전체를 1000℃에서 1시간 동안 열처리하여 1차 구조체를 얻었다.The multi-layered solid electrolyte having the reference electrode forming paste layer was attached to the substrate such that the gold paste coated layer of the substrate and the reference electrode forming paste layer were in contact with each other. At this time, the gold lead wire is attached together to the gold paste coated layer of the substrate, the gold lead wire is also attached to the heating element pattern and the gold paste layer applied to the multi-layer solid electrolyte, and then the whole is heat-treated at 1000 ° C. for 1 hour. The primary structure was obtained.
상기 1차 구조체에서 다층 구조 전해질의 금 리드선이 부착된 면에 탄산 나트륨과 금 페이스트가 혼합된 감지전극 형성용 페이스트를 도포하고, 750℃에서 30분 동안 열처리하여 다층 구조 고체 전해질을 구비한 가스 센서 소자를 얻었다.In the primary structure, a sensing electrode forming paste in which sodium carbonate and a gold paste is mixed is applied to a surface to which a gold lead wire of the multilayer structure is attached, and heat treated at 750 ° C. for 30 minutes to provide a gas sensor having a multilayer solid electrolyte. The device was obtained.
비교예Comparative example
고체 전해질에 배리어층을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 고체 전해질을 구비한 가스 센서 소자를 얻었다.A gas sensor device having a solid electrolyte was obtained in the same manner as in Example, except that a barrier layer was not formed on the solid electrolyte.
실험예Experimental Example
실시예와 비교예에 따라 제조된 2개의 센서를 동일한 실험용 챔버에 넣고 이산화탄소의 농도를 100ppm으로 일정하게 유지한 상태에서 500℃에서 각 센서의 거동을 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다.Two sensors prepared according to Examples and Comparative Examples were placed in the same experimental chamber, and the behavior of each sensor was measured at 500 ° C. while maintaining a constant carbon dioxide concentration of 100 ppm. The results are shown in FIG. 3.
도 3에서, 초기에 기전력이 급속히 감소하는 것은 소자 제조공정에서의 열처리 과정과 완성된 소자의 작동온도가 다르기 때문에 발생하는 것으로 소자의 작동온도에서 평형이 이루어지는 과정이며, 이는 소자의 초기 안정화 과정이라고 할 수 있다.In FIG. 3, the rapid decrease in electromotive force initially occurs because the operating temperature of the finished device is different from the heat treatment process in the device manufacturing process, and is a process in which the equilibrium is performed at the operating temperature of the device. can do.
도 3에 나타난 바와 같이, 실시예의 센서의 경우에는 200 시간이상 일정한 기전력을 유지하고 있는 반면, 비교예의 센서는 기전력이 지속적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 측정하는 동안 감소된 기전력의 크기는 약 10mV로서 이를 이산화탄소의 농도로 환산하면 약 50%의 농도변화가 있는 것과 같은 결과이다. 즉, 센서가 측정하고자 하는 이산화탄소의 농도가 일정하게 유지되고 있음에도 불구하고 비교예에서는 센서의 기전력이 변화함으로써 결과적으로 가스 농도 측정의 오차가 50%까지 발생한 것을 의미한다.As shown in FIG. 3, the sensor of the embodiment maintains a constant electromotive force for 200 hours or more, while the sensor of the comparative example shows that the electromotive force decreases continuously. The magnitude of the reduced electromotive force during the measurement is about 10 mV, which translates into a concentration change of about 50% in terms of carbon dioxide concentration. That is, although the concentration of carbon dioxide to be measured by the sensor is kept constant, in the comparative example, the electromotive force of the sensor is changed, and as a result, an error in gas concentration measurement is generated up to 50%.
따라서, 배리어층을 구비한 고체 전해질을 사용하는 실시예의 센서는 물질의 이동 및 재배열을 효과적으로 억제하고, 이를 통해 센서의 성능 저하를 방지할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the sensor of the embodiment using the solid electrolyte having the barrier layer effectively suppresses the movement and rearrangement of the material, thereby preventing the degradation of the performance of the sensor.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings, which are attached to this specification, illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the contents of the present invention serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is limited to the matters described in such drawings. It should not be construed as limited.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조 고체 전해질의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a multilayer structure solid electrolyte according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서 소자의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a gas sensor device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조 고체 전해질을 사용한 가스 센서 소자와 비교예에 따라 제조된 가스 센서 소자의 시간에 따른 센서의 성능 측정 결과를 도시한 그래프이다.3 is a graph illustrating a performance measurement result of a sensor according to time of a gas sensor device using a multilayered solid electrolyte and a gas sensor device manufactured according to a comparative example according to an embodiment of the present invention.
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