KR101636546B1 - Oxygen Sensor Using Reference Electrode Capable of Fixing Metal Activity and Solid Electrolyte - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 전해질 산소 센서를 개시한다. 상기 고체 전해질 산소 센서는, Na의 양이온에 대해 전도체로서 기능하는 고체 전해질, 상기 고체 전해질의 표면에 형성되는 감지 전극 및 기준 전극; 상기 감지 전극 및 상기 기준 전극과 각각 연결되는 제1 및 제2단자를 포함하고, 상기 감지 전극은 등온 상태에서 Na2O에 대한 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어지고, 상기 기준 전극은 등온 상태에서 Na의 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 산소 센서의 감지 전극과 기준 전극이 노출되는 대기를 엄격하게 분리하기 위한 구조가 불필요하므로 산소 센서의 구조가 간단하고 YSZ와 같은 산소 이온 전도체를 고체 전해질로 사용하는 기존의 산소 센서보다 구동 온도를 더 낮출 수 있다.
The present invention discloses a solid electrolyte oxygen sensor. The solid electrolyte oxygen sensor includes: a solid electrolyte that functions as a conductor with respect to cations of Na; a sensing electrode and a reference electrode formed on a surface of the solid electrolyte; And a first electrode and a second electrode respectively connected to the sensing electrode and the reference electrode, wherein the sensing electrode is made of a compound whose thermodynamic activity against Na 2 O is constantly fixed at an isothermal state, And is made of a compound in which the activity of Na is constantly fixed in an isothermal state.
According to the present invention, since the structure for strictly separating the sensing electrode of the oxygen sensor and the reference electrode is not required, the structure of the oxygen sensor is simple and the oxygen sensor using the oxygen ion conductor such as YSZ is used as the solid electrolyte, The driving temperature can be further lowered.

Description

금속 활동도가 고정되는 기준 전극과 고체 전해질을 이용한 산소 센서{Oxygen Sensor Using Reference Electrode Capable of Fixing Metal Activity and Solid Electrolyte}Technical Field [0001] The present invention relates to an oxygen sensor using a reference electrode and a solid electrolyte,

본 발명은 전기화학적 방식으로 네른스트(Nernst) 원리에 따라 산소 가스의 농도를 측정할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor capable of measuring the concentration of oxygen gas in an electrochemical manner according to the Nernst principle.

산소 센서는 대기 오염도 측정, 자동차 및 보일러 등의 연소 장치에서 연료 절감과 열효율 향상, 배기가스의 유해성분 감소, 산소를 필요로 하는 제조 설비에서의 산소 농도 조절 등을 목적으로 광범위하게 사용된다.Oxygen sensors are used extensively for the purpose of measuring air pollution, improving fuel efficiency and thermal efficiency in combustion devices such as automobiles and boilers, reducing hazardous components in exhaust gases, and controlling the oxygen concentration in production facilities requiring oxygen.

산소 센서에는 여러 가지 종류가 있는데, 그 중에서 고체 전해질을 이용하는 산소 센서는 단순한 구조를 가지며, 작은 소자 형태의 센서 제작이 가능할 뿐만 아니라 대량 생산 시에 가격이 저렴하고 재현성이 우수하여 가장 폭 넓게 사용되고 있다.There are various kinds of oxygen sensors, among which oxygen sensors using a solid electrolyte have a simple structure and can be used not only in manufacturing a sensor of a small element type, but also in a mass production, because they are cheap and reproducible and widely used .

도 1에 도시된 바와 같이, 고체 전해질 산소 센서(A)는 감지 전극(10), 고체 전해질(20) 및 기준 전극(30)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. As shown in FIG. 1, the solid electrolyte oxygen sensor A has a structure in which the sensing electrode 10, the solid electrolyte 20, and the reference electrode 30 are sequentially stacked.

고체 전해질 산소 센서(A)가 작동되면, 상기 감지 전극(10)과 상기 기준 전극(30) 사이에 기전력(ElectroMotive Force)이 유발되며, 열역학적 이론에 의해 기준 전극(30)이 노출된 대기의 산소 농도와 기전력 측정 결과로부터 감지 전극(10)이 노출된 대기의 산소 분압을 정량적으로 계산할 수 있다.When the solid electrolyte oxygen sensor A is operated, an electromotive force is induced between the sensing electrode 10 and the reference electrode 30, and the oxygen of the atmosphere in which the reference electrode 30 is exposed by thermodynamic theory The oxygen partial pressure of the atmosphere in which the sensing electrode 10 is exposed can be quantitatively calculated from the concentration and electromotive force measurement results.

감지 전극(10)은, 백금(Pt), 은(Ag), 금(Au) 등 고체 전해질(20)과 반응성이 없고 고체 전해질(20)과 산소 가스와의 반응을 촉진시켜 주는 금속 물질로 이루어진다. The sensing electrode 10 is made of a metal material which is not reactive with the solid electrolyte 20 such as platinum (Pt), silver (Ag), gold (Au) or the like and promotes the reaction between the solid electrolyte 20 and oxygen gas .

고체 전해질(20)은, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)와 같은 산소 이온 전도체로 이루어진다. 고체 전해질(20)은 상부와 하부에 산소 가스의 분압차가 생겼을 때 산소 이온을 산소 가스의 분압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동시켜 기전력을 발생시키는 역할을 한다. The solid electrolyte 20 is made of an oxygen ion conductor such as YSZ (Yttria Stabilized Zirconia). The solid electrolyte 20 functions to generate electromotive force by moving the oxygen ions from the higher part of the oxygen gas to the lower part when the partial pressure difference of the oxygen gas occurs in the upper part and the lower part.

기준 전극(30)은, 감지 전극(10)과 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, Ni/NiO, Ti/TiO2, Cu/Cu2O 등과 같은 금속/금속 산화물의 혼합물로 이루어질 수 있다. 기준 전극(30)은 산소 농도를 측정하고자 하는 측정 대기와 분리시켜 산소 분압이 일정하게 유지되는 기준 대기(reference gas)와 접촉시킬 필요가 있다.The reference electrode 30 may be made of the same material as the sensing electrode 10 or may be a mixture of metal and metal oxide such as Ni / NiO, Ti / TiO 2 , Cu / Cu 2 O, The reference electrode 30 needs to be in contact with a reference gas in which the oxygen concentration is maintained constant by separating the oxygen concentration from the measurement atmosphere to be measured.

고체 전해질 산소 센서(A)가 동작하는 동안, 감지 전극(10)과 기준 전극(30)에서는 다음과 같은 반쪽 전지 반응(half-cell reaction)이 우세하게 일어난다. During the operation of the solid electrolyte oxygen sensor A, the following half-cell reaction prevails in the sensing electrode 10 and the reference electrode 30.

참고로, 감지 전극(10)의 반쪽 전지 반응에서 생기는 산소 이온은 고체 전해질(20)을 통해 기준 전극(30) 쪽으로 수송된다.
For reference, oxygen ions generated in the half-cell reaction of the sensing electrode 10 are transported toward the reference electrode 30 through the solid electrolyte 20.

감지 전극: 1/2O2 , sensing + 2e-1↔ O2 - Sensing electrode: 1 / 2O 2 , sensing + 2e -1 - O 2 -

기준 전극: O2 -↔1/2O2 , reference + 2e-
Reference electrode: O 2 - ↔ 1 / 2O 2 , reference + 2e -

여기서, 상기 O2,reference 및 O2,sensing은, 각각 측정 대기와 기준 대기에 존재하는 산소 가스를 나타낸다.Here, O 2, reference, and O 2, sensing denote the oxygen gas present in the measurement atmosphere and the reference atmosphere, respectively.

또한, 감지 전극(10)과 기준 전극(30) 사이에 생기는 기전력은, 상기 2개의 반쪽 전지 반응으로부터 열역학 이론에 의해 유도될 수 있으며, 다음의 수식1로 나타낼 수 있다.
The electromotive force generated between the sensing electrode 10 and the reference electrode 30 can be derived from the thermodynamic theory from the two half-cell reactions and can be expressed by the following equation (1).

<수식 1>&Lt; Formula 1 >

기전력(V):

Figure 112014028258453-pat00001

Electromotive force (V):
Figure 112014028258453-pat00001

상기 수식1에서, R은 이상기체 상수이고, F는 패러데이 상수이다.In the above equation (1), R is an ideal gas constant and F is a Faraday constant.

상기 수식1에 따르면, 감지 전극(10)과 기준 전극(30)을 통해 측정되는 기전력(V)과 기준 전극(30)이 위치하는 기준 대기의 산소 분압(

Figure 112014028258453-pat00002
)을 알면, 감지 전극(10)이 위치하는 측정 대기의 산소 분압(
Figure 112014028258453-pat00003
)을 쉽게 계산할 수 있다. 하지만 감지 전극(10)과 기준 전극(30)이 각각 측정 대기 및 기준 대기로부터 완벽하게 분리되지 않으면 상기 수식1에 의해 계산되는 산소 분압(
Figure 112014028258453-pat00004
)을 신뢰할 수 없다. 따라서, 기존의 고체 전해질 산소 센서(A)는 구동 메커니즘이 간단하더라도 구조적 형태와 응용 분야에 있어서 많은 제약이 따르는 문제가 있었다.According to Equation 1, the electromotive force V measured through the sensing electrode 10 and the reference electrode 30 and the oxygen partial pressure of the reference atmosphere 30 in which the reference electrode 30 is located
Figure 112014028258453-pat00002
, The oxygen partial pressure of the measurement atmosphere in which the sensing electrode 10 is located
Figure 112014028258453-pat00003
) Can easily be calculated. However, if the sensing electrode 10 and the reference electrode 30 are not completely separated from the measurement atmosphere and the reference atmosphere, respectively, the oxygen partial pressure
Figure 112014028258453-pat00004
) Can not be trusted. Therefore, although the conventional solid electrolyte oxygen sensor (A) has a simple driving mechanism, there is a problem that there are many restrictions in the structural form and application field.

또한, YSZ와 같은 산소 이온 전도체는, 700도 이상의 고온 상태가 되어야만 측정 가능한 충분한 크기의 기전력을 발생시킬 수 있다. 하지만, 산소 센서의 작동 온도가 너무 높으면 전력 소모량도 증가하고 센서의 내구성도 떨어지는 문제가 있기 때문에 응용 분야에 제한이 따를 수 밖에 없다.
In addition, an oxygen ion conductor such as YSZ can generate an electromotive force of sufficient magnitude that can be measured only at a high temperature state of 700 degrees or more. However, if the operating temperature of the oxygen sensor is too high, the power consumption is increased and the durability of the sensor is lowered. Therefore, there is a limitation in the application field.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 인식하여 창안된 것으로서, 산소 이온 전도체를 사용하는 산소 센서보다 저온에서 구동이 가능하면서도 감지 전극과 기준 전극이 노출되는 대기의 엄격한 분리가 필요하지 않아 구조적 형태의 제약이 따르지 않는 고체 전해질 산소 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in recognition of the above-described problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide an oxygen sensor that can be driven at a lower temperature than an oxygen sensor using oxygen ion conductors and does not require strict separation of the atmosphere in which the sensing electrode and the reference electrode are exposed. There is a need to provide a solid electrolyte oxygen sensor that does not incur constraints.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고체 전해질 산소 센서는, 금속의 양이온에 대해 전도체로서 기능하는 고체 전해질, 상기 고체 전해질의 표면에 형성되는 감지 전극 및 기준 전극; 상기 감지 전극 및 상기 기준 전극과 각각 연결되는 제1 및 제2단자를 포함하는 것으로서,According to an aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte oxygen sensor comprising: a solid electrolyte that functions as a conductor against positive ions of a metal; a sensing electrode and a reference electrode formed on a surface of the solid electrolyte; And first and second terminals connected to the sensing electrode and the reference electrode, respectively,

상기 감지 전극은 등온 상태에서 Na2O의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어지고, 상기 기준 전극은 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다. Wherein the sensing electrode is made of a compound in which the thermodynamic activity of Na 2 O is constantly fixed in an isothermal state and the reference electrode is made of a compound in which the thermodynamic activity of Na is constantly fixed at an isothermal state.

일 측면에 따르면, 상기 고체 전해질은, 산소 센서의 반쪽 전지 반응에 참여하는 Na의 양이온을 수송할 수 있는 물질이라면 특별히 제한이 없는데, 바람직하게는 NASICON(Na1+xZr2SixP3-xO12), NBA(Na2O·11Al2O3) 또는 Na β-알루미나(Na2O·χAl2O3)일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a material capable of transporting cations of Na participating in the half cell reaction of the oxygen sensor. Preferably, NASICON (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3- x O 12 ), NBA (Na 2 O · 11Al 2 O 3 ), or Na β-alumina (Na 2 O · χAl 2 O 3 ).

다른 측면에 따르면, 상기 기준 전극은, 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되도록 하는 성분(component)의 수와 상(phase)의 수를 가지는 화합물이라면 특별히 제한되지 않는데, 바람직하게는 Na-Si, Na-Mg 또는 Na-Sr 와 같은 Na 합금이나, NaxCoO2와 같은 Na 산화물로 이루어질 수 있다.According to another aspect, the reference electrode is not particularly limited as long as it is a compound having a number of phases and a number of components that allow the thermodynamic activity of Na to be fixed at an isothermal state, preferably Na Na alloy such as -Si, Na-Mg or Na-Sr, or an Na oxide such as Na x CoO 2 .

또 다른 측면에 따르면, 상기 감지 전극은, 등온 상태에서 Na2O의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되도록 하는 성분(component)의 수와 상(phase)의 수를 가지는 화합물이라면 특별히 제한되지 않는데, 바람직하게는 Na2Ti3O7-Na2Ti6O13, Na2Ti6O13-TiO2, Na2TiO3-Na2Ti3O7, NaFeO2-Na2FeO2와 같은 Na-M-O 이상 혼합물(M은, Ti 및 Fe를 포함하는 전이금속 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소)로 이루어질 수 있다.According to another aspect of the present invention, the sensing electrode is not particularly limited as long as it is a compound having a number of phases and a number of components that allow the thermodynamic activity of Na 2 O to be constantly maintained in an isothermal state. Advantageously 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, Na-MO such as NaFeO 2 -Na 2 FeO 2 (M is at least one element selected from transition metals including Ti and Fe).

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 고체 전해질 산소 센서는, Na의 양이온에 대해 전도체로서 기능하고 등온 상태에서 Na2O의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 고체 전해질을 이용한 고체 전해질 산소 센서로서,
상기 고체 전해질의 한쪽 표면에 형성되고, 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 기준 전극; 상기 고체 전해질의 대향되는 양쪽 표면 중 상기 기준 전극이 형성된 표면과 대향되는 표면에 직접적으로 연결된 제1단자; 및 상기 기준 전극에 연결된 제2단자를 포함하고, 상기 제1단자가 연결된 상기 고체 전해질의 표면 부위는 산소 농도를 감지하는 감지 전극으로 기능하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte oxygen sensor comprising: a solid electrolyte made of a compound that functions as a conductor against cations of Na and has a constant thermodynamic activity of Na 2 O at an isothermal state; As a solid electrolyte oxygen sensor used,
A reference electrode formed on one surface of the solid electrolyte and made of a compound whose thermodynamic activity of Na is constantly fixed in an isothermal state; A first terminal directly connected to a surface of the opposite surface of the solid electrolyte opposite to the surface on which the reference electrode is formed; And a second terminal connected to the reference electrode, wherein a surface portion of the solid electrolyte to which the first terminal is connected functions as a sensing electrode for sensing the oxygen concentration.

삭제delete

본 발명의 다른 측면에 있어서, 상기 고체 전해질은, 산소 센서의 반쪽 전지 반응에 참여하는 Na의 양이온을 수송할 수 있는 물질이라면 특별히 제한이 없는데, 바람직하게는 NASICON(Na1+xZr2SixP3-xO12), NBA(Na2O·11Al2O3) 또는 Na β-알루미나(Na2O·χAl2O3)일 수 있다. In another aspect of the present invention, the solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a material capable of transporting cations of Na participating in the half-cell reaction of the oxygen sensor, preferably NASICON (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3-x O 12 ), NBA (Na 2 O 11Al 2 O 3 ), or Na β-alumina (Na 2 O x Al 2 O 3 ).

바람직하게, 상기 기준 전극은, 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되도록 하는 성분(component)의 수와 상(phase)의 수를 가지는 화합물이라면 특별히 제한되지 않는데, 바람직하게는 전술한 Na 합금 또는 Na 산화물일 수 있다.Preferably, the reference electrode is not particularly limited as long as it is a compound having the number of phases and the number of components that allow the thermodynamic activity of Na to be fixed at an isothermal state. Preferably, the Na Alloy or Na oxide.

본 발명에 따르면, 산소 센서의 감지 전극과 기준 전극이 노출되는 대기를 엄격하게 분리하기 위한 구조가 불필요하므로 산소 센서의 구조가 간단하고 YSZ와 같은 산소 이온 전도체를 고체 전해질로 사용하는 기존의 산소 센서보다 구동 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 산소 센서의 응용 분야가 넓고 전력 소모도 줄일 수 있다.According to the present invention, since the structure for strictly separating the sensing electrode of the oxygen sensor and the reference electrode is not required, the structure of the oxygen sensor is simple and the oxygen sensor using the oxygen ion conductor such as YSZ is used as the solid electrolyte, The driving temperature can be lowered. Therefore, the application field of the oxygen sensor is wide and the power consumption can be reduced.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 고체 전해질 산소 센서의 구조를 예시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체 전해질 산소 센서의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 전해질 산소 센서의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 고체 전해질 산소 센서를 이용하여 600도의 등온 조건에서 산소 분압에 따라 기전력을 측정하고 측정 기전력과 이론 기전력을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 고체 전해질 산소 센서를 이용하여 700도의 등온 조건에서 산소 분압에 따라 기전력을 측정하고 측정 기전력과 이론 기전력을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given above, serve to further the understanding of the technical idea of the invention, And should not be construed as interpretation.
1 is a cross-sectional view illustrating the structure of a solid electrolyte oxygen sensor according to the prior art.
2 is a cross-sectional view illustrating the structure of a solid electrolyte oxygen sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing the structure of a solid electrolyte oxygen sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a result of measuring electromotive force according to an oxygen partial pressure at an isothermal condition of 600 ° C. using a solid electrolyte oxygen sensor fabricated according to an embodiment of the present invention, and comparing measured electromotive force and theoretical electromotive force.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of electromotive force according to oxygen partial pressure and comparison of measured electromotive force and theoretical electromotive force at an isothermal condition of 700 ° C. using a solid electrolyte oxygen sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고체 전해질 산소 센서를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다. Hereinafter, a solid electrolyte oxygen sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that the idea of the present invention can be sufficiently transmitted. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms. Also, like reference numerals designate like elements throughout the specification.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가짐은 자명하다. 또한, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. Unless defined otherwise, technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In the following description and the accompanying drawings, descriptions of well-known functions and constructions that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고체 전해질 산소 센서의 구조를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating the structure of a solid electrolyte oxygen sensor according to an embodiment of the present invention.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 예시에 따른 고체 전해질 산소 센서(B)는, 종래의 고체 전해질 산소 센서(A)와 유사하게, 기본 구조로서 산소 가스와 선택적으로 반응을 하는 감지 전극(40), 반쪽 전지 반응에 참여하는 금속 양이온에 대해 전도성을 가지는 고체 전해질(50) 및 기준 전극(60)을 포함하고, 상기 감지 전극(40) 및 상기 기준 전극(60) 사이에 생기는 기전력(V)을 측정하기 위해 상기 감지 전극(40) 및 상기 기준 전극(60)에 각각 형성된 제1단자(70) 및 제2단자(80)를 포함한다.As shown in the figure, a solid electrolyte oxygen sensor (B) according to an example of the present invention includes, as similar to a conventional solid electrolyte oxygen sensor (A), a sensing electrode 40, a solid electrolyte 50 having conductivity with respect to metal cations participating in the half cell reaction, and a reference electrode 60, and the electromotive force V (V) between the sensing electrode 40 and the reference electrode 60 (70) and a second terminal (80) formed on the sensing electrode (40) and the reference electrode (60), respectively.

상기 고체 전해질 산소 센서(B)는, 기전력 가스 센서의 일종으로서, 고체 전해질(50) 상에 감지 전극(40)과 기준 전극(60)을 형성하고 측정하고자 하는 가스의 농도에 따라 변하는 두 전극과 고체 전해질 사이의 전위차에 따라 가스의 농도를 측정하는 이른바 네른스트(Nernst) 원리에 기초한 가스 센서이다.The solid electrolyte oxygen sensor B is a type of electromotive force gas sensor which includes a sensing electrode 40 and a reference electrode 60 formed on a solid electrolyte 50 and has two electrodes that vary depending on the concentration of a gas to be measured It is a gas sensor based on the so-called Nernst principle that measures the concentration of gas in accordance with the potential difference between solid electrolytes.

상기 고체 전해질 산소 센서(B)의 원활한 동작을 위해서는, 금속 양이온에 대한 고체 전해질(50)의 이온 전도도가 높아야 하고 산소 가스와 감지 전극(40) 간의 평형 반응을 빠른 시간 내에 유도하여 잘 유지시켜야 한다. 따라서, 상기 고체 전해질 산소 센서(B)는 수백도 이상의 온도로 가열될 수 있는 히터 패드(미도시) 위에 부착되어 마운트될 수 있다. In order to smoothly operate the solid electrolyte oxygen sensor B, the ion conductivity of the solid electrolyte 50 with respect to the metal cations must be high and the equilibrium reaction between the oxygen gas and the sensing electrode 40 must be induced and maintained in a short time . Accordingly, the solid electrolyte oxygen sensor B can be mounted and mounted on a heater pad (not shown), which can be heated to a temperature of several hundreds or more.

바람직하게, 상기 히터 패드는 절연물, 예컨대 알루미나 패드의 표면에 백금(Pt)이나 텅스텐(W) 등의 고온 발열선이 소정의 패턴으로 형성된 구조를 가진다. Preferably, the heater pad has a structure in which a high temperature heating line such as platinum (Pt) or tungsten (W) is formed in a predetermined pattern on the surface of an insulating material such as an alumina pad.

상기 히터 패드에 대해서는 가스 센서가 속한 기술 분야에서 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 상기 히터 패드의 유무가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Since the heater pads are widely known in the technical field to which the gas sensor belongs, a detailed description thereof will be omitted, and the presence or absence of the heater pads does not limit the scope of the present invention.

일 측면에 따르면, 상기 고체 전해질(50)은, 반쪽 전지 반응에 참여하는 금속의 양이온을 수송할 수 있는 물질이라면 특별히 제한이 없다.According to one aspect, the solid electrolyte (50) is not particularly limited as long as it is a material capable of transporting positive ions of a metal participating in a half-cell reaction.

바람직하게는, 상기 금속은 Na일 수 있고, 상기 고체 전해질(50)은 Na 양이온(Na+)에 대해서 양호한 전도성을 가지는 NASICON(Na1 + xZr2SixP3 - xO12), NBA(Na2O·11Al2O3) 또는 Na β-알루미나(Na2O·χAl2O3)일 수 있다.Preferably, the metal may be Na and the solid electrolyte 50 may be selected from the group consisting of NASICON (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3 - x O 12 ) having good conductivity for Na cation (Na + ), NBA (Na 2 O. 11Al 2 O 3 ) or Na β-alumina (Na 2 O χAl 2 O 3 ).

상기 감지 전극(40)은, 산소 센서의 반쪽 전지 반응에 참여하는 전기화학적 반응종(electrochemical reactant)으로서 고체 전해질(50)에 의해 양이온 상태로 수송되는 금속 또는 그 금속의 산화물을 포함하고, 등온 상태에서 상기 금속 또는 그 산화물의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되도록 하는 성분(component)의 수와 상(phase)의 수를 가지는 화합물로 이루어질 수 있다.The sensing electrode 40 is an electrochemical reactant participating in the half-cell reaction of the oxygen sensor, and includes a metal or an oxide of the metal transported in a cationic state by the solid electrolyte 50, May be composed of a compound having a number of phases and a number of components that allow the thermodynamic activity of the metal or its oxide to be fixed at a constant level.

바람직하게, 상기 고체 전해질(50)이 Na 양이온(Na+)에 대해서 전도성을 가질 경우, 상기 감지 전극(40)은, Na-M-O 이상 혼합물(M은, Ti 및 Fe를 포함하는 전이금속 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소)로 이루어질 수 있다. Preferably, when the solid electrolyte 50 has conductivity with respect to the Na cation (Na + ), the sensing electrode 40 may be formed of a mixture of Na-MO and more (M is a transition metal group containing Ti and Fe) At least one selected element).

일 예로서, 상기 감지 전극(40)은, Na2Ti3O7-Na2Ti6O13, Na2Ti6O13-TiO2, Na2TiO3-Na2Ti3O7 등과 같은 Na-Ti-O 이상 혼합물 또는 NaFeO2-Na2FeO2와 같은 Na-Fe-O 이상 혼합물로 이루어질 수 있다.For example, the sensing electrode 40 may be formed of a metal 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 , -Ti-O biphasic mixture or NaFeO 2 -Na 2 FeO can be made of a mixture-over Na FeO 2, and so on.

상기 감지 전극(40)이 Na-M-O 이상 혼합물로 이루어질 경우, 이상 혼합물에 있어서 Na2O의 열역학적 활동도는 등온 상태에서 일정하게 고정되는데, 이는 깁스의 상 규칙(Gibbs phase rule)에 의해 이론적 검증이 가능하다.When the sensing electrode 40 is made of a mixture of Na-MO and more, the thermodynamic activity of the Na 2 O in the ideal mixture is constantly fixed in the isothermal state because of the Gibbs phase rule This is possible.

구체적으로, 고상 물질과 같은 응축계(Condensed System)에 대한 깁스의 상 규칙은, 다음의 수식2와 같이 나타낼 수 있다.
Specifically, the Gibbs phase rule for a condensed system, such as a solid matter, can be expressed as: &quot; (2) &quot;

<수식 2>&Quot; (2) &quot;

응축계에서의In the condensation system 깁스 상 규칙: F = C - P + 1 Gibbs phase rule: F = C - P + 1

여기서, 파라미터 F는 응축계를 완전하게 설명하기 위해 고정해야 하는 세기 변수(intensive variables)의 최소한의 수로서 응축계의 자유도를 나타낸다. 파라미터 C는 평형 상태에서 응축계를 구성하는 구성 성분의 수를, 파라미터 P는 평형 상태에서 응축계를 구성하는 상의 수를, 가장 마지막의 숫자 1은 응축계에 있어서 온도에 대한 자유도를 나타낸다.Here, the parameter F represents the degree of freedom of the condensation system as a minimum number of intensive variables that must be fixed to fully describe the condensation system. The parameter C represents the number of components constituting the condensation system in the equilibrium state, the parameter P represents the number of phases constituting the condensation system in the equilibrium state, and the last numeral 1 represents the degree of freedom with respect to the temperature in the condensation system.

Na-Ti-O 이상 혼합물의 경우, 파라미터 C는 2이고(두 개의 산화물을 구성 성분으로 함, Na2O/TiO2), 파라미터 P 또한 2(두 개의 상, 예를 들면 Na2Ti6O13/Na2Ti3O7 또는 Na2Ti6O13/TiO2)이므로, 깁스 상 규칙에 따른 자유도 F는 1이 된다. In the case of a mixture of Na-Ti-O and more, the parameter C is 2 (two oxides constitute Na 2 O / TiO 2 ), the parameter P is also 2 (two phases, for example Na 2 Ti 6 O 13 / Na 2 Ti 3 O 7 or Na 2 Ti 6 O 13 / TiO 2 ), the degree of freedom F according to the Gibbs phase rule becomes 1. [

자유도 1은 결국 온도에 의한 것이므로 온도가 정해지면 Na-Ti-O 이상 혼합물에 대한 모든 열역학적 물성, 특히 이상 혼합물을 구성하는 구성 성분 중 하나인 Na2O의 열역학적 활동도가 다른 변수와 무관하게 일정하게 고정될 수 있다.If the temperature is determined, the thermodynamic properties of Na 2 O, which is one of the constituent components of the ideal mixture, are not related to the other parameters It can be fixed constantly.

위와 같은 깁스 상 규칙의 적용은, Na-Fe-O 이상 혼합물에 대해서도 유사하게 적용할 수 있다.The application of the above-mentioned Gibbs phase rule can be similarly applied to a mixture of Na-Fe-O and more.

위와 같은 이론적 검증과는 별개로, 상기 감지 전극(40)이 Na-M-O 이상 혼합물로 이루어질 경우, 이상 혼합물에 있어서의 Na2O에 대한 열역학적 활동도가 등온 상태에서 일정하게 고정된다는 사실에 대한 실험적 검증 결과는 후술하기로 한다.Separately from the above theoretical verification, the experimental results on the fact that the thermodynamic activity of Na 2 O in the ideal mixture is constantly fixed in the isothermal state when the sensing electrode 40 is made of a mixture of Na-MO and more The verification result will be described later.

상기 기준 전극(60)으로 사용될 수 있는 물질로는, 상기 감지 전극(40)과 유사하게 고체 전해질(50)을 통해 양이온 상태로 수송되는 금속 또는 그 산화물을 포함하고, 등온 상태에서 상기 금속 또는 그 산화물의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되도록 하는 성분(component)의 수와 상(phase)의 수를 가지는 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다.Examples of the material that can be used as the reference electrode 60 include a metal or an oxide thereof transported in a cationic state through the solid electrolyte 50 similarly to the sensing electrode 40, And is not particularly limited as long as it is a compound having the number of the components and the number of the phases such that the thermodynamic activity of the oxide is fixed to a constant value.

바람직하게, 상기 기준 전극(60)은, NaxCoO2(x는 0.70~0.76)와 같이 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 Na 산화물로 이루어질 수 있다. Preferably, the reference electrode 60 may be made of Na oxide whose thermodynamic activity of Na is constantly fixed at an isothermal state such as Na x CO 2 (x is 0.70 to 0.76).

여기서, NaxCoO2는 CoO6 팔면체(octahedral)가 엣지를 따라 결합된 결정 구조를 가지며, Na+ 이온은 상기 결정 구조 내에 존재하는 (CoO2)n 층상 구조물의 층간 경계를 따라서 삽입될 수 있다. Here, Na x CoO 2 has a crystal structure in which a CoO 6 octahedral is bonded along an edge, and Na + ions can be inserted along an interlayer boundary of an (CoO 2 ) n- layer structure existing in the crystal structure .

상기 NaxCoO2계에서 Na 활동도가 등온 상태에서 고정된다는 사실에 대해서는 후술하는 실험 결과를 통하여 검증하기로 한다.The fact that the Na activity in the Na x CoO 2 system is fixed in the isothermal state will be confirmed by the experimental results described later.

대안적으로, 상기 기준 전극(60)은 Na-Si, Na-Mg 또는 Na-Sr 등 Na 합금과 같이 Na의 열역학적 활동도가 대기와 무관하게 고정될 수 있는 Na 합금으로 이루어질 수도 있다.Alternatively, the reference electrode 60 may be made of an Na alloy, such as Na-Si, Na-Mg, or Na-Sr such that the thermodynamic activity of Na can be fixed regardless of the atmosphere.

또한, 상기 기준 전극(60)은, NaxCoO2와 동일한 결정학적 구조를 갖는 화합물 AxMXz(A는 Na와 동일한 족에 속하는 원소, M은 전이금속, X는 산소와 동일한 족에 속하는 원소)로 이루어질 수 있다. The reference electrode 60 is made of a compound A x MX z (A is an element belonging to the same group as Na, M is a transition metal, and X is a group belonging to the same group as oxygen) having the same crystallographic structure as Na x CoO 2 Element).

이러한 경우, 고체 전해질(50)은 원소 A의 양이온을 소송할 수 있는 물질로 선택되어야 하고, 감지 전극(40)도 산소 가스와 반응성을 보이는 구성 성분으로서 원소 A 또는 그 산화물을 포함하고 등온 조건에서 상기 원소 A 또는 그 산화물의 열역학적 활동도가 고정되는 물질로 선택될 수 있다.In this case, the solid electrolyte 50 should be selected as a substance capable of citing the cation of the element A, and the sensing electrode 40 should also contain the element A or its oxide as a component showing reactivity with the oxygen gas, And the thermodynamic activity of the element A or its oxide is fixed.

상기 제1단자(70)와 상기 제2단자(80)는, 감지 전극(40)과 기준 전극(60) 사이에서 유발되는 기전력을 측정하는데 사용되는 단자이다. The first terminal 70 and the second terminal 80 are used to measure an electromotive force induced between the sensing electrode 40 and the reference electrode 60.

상기 제1단자(70)와 상기 제2단자(80)를 구성할 수 있는 물질로는, 기전력을 측정할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않는데, 바람직하게는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 귀금속 또는 그들의 합금으로 이루어질 수 있다. The material that can constitute the first terminal 70 and the second terminal 80 is not particularly limited as long as it can measure the electromotive force and preferably includes gold (Au), silver (Ag) Platinum (Pt), or the like, or an alloy thereof.

상기 제1단자(70)와 상기 제2단자(80)는 패드 형상을 가지는 것으로 도시되어 있으나 와이어 형태를 가져도 무방하다. 따라서, 본 발명은 제1단자(70) 및 제2단자(80)의 형상에 의해 그 범위가 한정되지 않는다.Although the first terminal 70 and the second terminal 80 are illustrated as having a pad shape, they may have a wire shape. Therefore, the scope of the present invention is not limited by the shape of the first terminal 70 and the second terminal 80. [

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 전해질 산소 센서(B')의 구조를 예시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating the structure of a solid electrolyte oxygen sensor (B ') according to another embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 고체 전해질 산소 센서(B')는 별도의 감지 전극이 존재하지 않고 제1단자(70)가 형성된 고체 전해질(50)의 표면 영역이 감지 전극으로서 기능한다는 점이 앞서 설명된 실시 예와 다르다.The solid electrolyte oxygen sensor B 'shown in FIG. 3 has a structure in which the surface area of the solid electrolyte 50 in which the first terminal 70 is formed does not have a separate sensing electrode and functions as a sensing electrode. .

감지 전극의 생략이 가능한 이유는, 고체 전해질(50)이 NASICON(Na1 + xZr2SixP3 -xO12), NBA(Na2O·11Al2O3) 또는 Na β-알루미나(Na2O·χAl2O3)로 이루어질 경우, Na-M-O 이상 혼합물로 이루어진 감지 전극(40)과 마찬가지로 고체 전해질(50)의 구성 성분 중 하나인 Na2O에 대한 열역학적 활동도가 등온 상태에서 일정하게 고정될 수 있기 때문이다.The reason why the sensing electrode can be omitted is that the solid electrolyte 50 is made of a material such as NASICON (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3 -x O 12 ), NBA (Na 2 O · 11Al 2 O 3 ) Na 2 O · χ Al 2 O 3 ), the thermodynamic activity of Na 2 O, which is one of the components of the solid electrolyte 50, as in the case of the sensing electrode 40 made of Na-MO or more, Because it can be fixed constantly.

일 예로, 고체 전해질(50)이 단일 상의 NASICON인 경우, 깁스의 상 규칙에 있어서, 구성 성분의 수 C는 제조 단계에서 구성 산화물 (Na2O, ZrO2, SiO2, P2O5)의 비율이 결정되기 때문에 실질적으로 1이고 상을 나타내는 파라미터 P 또한 1이므로, 자유도 F는 1이다. 따라서, NASICON의 경우도 Na-M-O 이상 혼합물과 마찬가지로 등온 상태에서 Na2O의 열역학적 활동도가 일정하게 고정될 수 있다.
For example, when the solid electrolyte 50 is a single phase NASICON, in the Gibbs phase rule, the number of constituent components C is the number of constituent oxides (Na 2 O, ZrO 2 , SiO 2 , P 2 O 5 ) The degree of freedom F is 1, since the ratio P is substantially 1 and the parameter P representing the phase is also 1. Therefore, in the case of NASICON, the thermodynamic activity of Na 2 O can be fixed constantly in the isothermal state as in the case of Na-MO mixture.

<실험 예><Experimental Example>

이하에서는, 본 발명에 따른 실험 예를 설명하기로 한다. 본 실험은, 고체 전해질 산소 센서의 감지 전극과 기준 전극에서 반쪽 전지 반응에 참여하는 전기화학적 반응종의 열역학적 활동도가 등온 상태에서 일정하게 고정되기 때문에 산소 농도에만 의존하여 기전력을 발생시키는 것을 검증하기 위해 실시되었다.Hereinafter, an experimental example according to the present invention will be described. In this experiment, the thermodynamic activity of the electrochemical reactive species participating in the half-cell reaction at the sensing electrode and the reference electrode of the solid electrolyte oxygen sensor is fixed constantly in the isothermal state. Therefore, it is verified that the electro- .

고체 전해질 산소 센서를 구성하는 감지 전극, 고체 전해질 및 기준 전극으로는, 각각 고상반응법으로 합성한 Na2Ti6O13-TiO2 이상 혼합물, NASICON 및 NaxCoO2(x=0.7~0.76)를 사용하였다. The sensing electrode, the solid electrolyte, and the reference electrode constituting the solid electrolyte oxygen sensor were Na 2 Ti 6 O 13 -TiO 2 mixture, NASICON and Na x CoO 2 (x = 0.7-0.76) synthesized by the solid-phase reaction method, Were used.

고체 전해질 산소 센서 제작을 위해, 단면이 3mmⅹ3 mm이고, 두께가 0.2mm인 NASICON 시편을 준비하고 그 상부 면 및 하부 면에 Na2Ti6O13-TiO2 이상 혼합물과 NaxCoO2을 포함하는 페이스트를 전극 형상으로 각각 스크린 프린트한 후 건조 및 열처리하여 1mm 이하의 두께로 감지 전극과 기준 전극을 형성하였다. 그런 다음, 감지 전극과 기준 전극 위에 Au 페이스트를 스크린 프린트한 후 건조 및 열처리하여 기전력 측정을 위한 한 쌍의 단자를 형성하였다. 그러고 나서, 한 쌍의 단자가 형성된 산소 센서를 온도를 제어할 수 있는 히팅 패드 위에 부착하여 마운팅하였다. 이어서, 산소 농도를 정밀하게 조절할 수 있는 챔버에 제작된 산소 센서를 로딩한 상태에서 2가지의 등온 조건(600도 및 700도)에서 산소 농도의 변화를 주면서 감지 전극과 기준 전극에 형성한 한 쌍의 단자를 통해 기전력을 측정하였다. 이 때, 감지 전극과 기준 전극에 대해서는 노출되는 대기를 엄격하게 분리하기 위한 별도의 조치를 취하지 않았다.To fabricate a solid electrolyte oxygen sensor, a NASICON specimen with a cross section of 3 mm × 3 mm and a thickness of 0.2 mm was prepared, and a mixture of Na 2 Ti 6 O 13 -TiO 2 mixture and Na x CoO 2 The paste was screen-printed in the form of an electrode, dried and heat-treated to form a sensing electrode and a reference electrode with a thickness of 1 mm or less. Then, a Au paste was screen printed on the sensing electrode and the reference electrode, followed by drying and heat treatment to form a pair of terminals for measurement of electromotive force. Then, the oxygen sensor having a pair of terminals was mounted on a heating pad capable of controlling the temperature. Then, in a state in which an oxygen sensor fabricated in a chamber capable of precisely controlling the oxygen concentration is loaded, a pair of sensing electrodes and a pair of electrodes formed on the reference electrode under two isothermal conditions (600 degrees and 700 degrees) The electromotive force was measured through the terminal of the electrode. At this time, no separate measures were taken to strictly separate the exposed atmosphere from the sensing electrode and the reference electrode.

상기 준비된 고체 전해질 산소 센서에 있어서, 감지 전극과 기준 전극에서 우세하게 일어나는 반쪽 전지 반응은 다음과 같다.
In the prepared solid electrolyte oxygen sensor, the half-cell reaction predominantly occurring in the sensing electrode and the reference electrode is as follows.

감지 전극: Na2O ↔ 2Na+ + 2e- + 1/2O2 Detection electrode: Na 2 O ↔ 2Na + + 2e - + 1 / 2O 2

기준 전극: Na+ + e- ↔ Na
Reference electrode: Na + + e - ↔ Na

상기 2개의 반쪽 전지 반응으로부터 열역학 이론에 의해 유도되는 기전력(V)은, 다음과 같은 수식3으로 나타낼 수 있다.
The electromotive force (V) induced by the thermodynamic theory from the two half-cell reactions can be expressed by the following equation (3).

<수식 3>&Quot; (3) &quot;

기전력(V):

Figure 112014028258453-pat00005

Electromotive force (V):
Figure 112014028258453-pat00005

여기서,

Figure 112014028258453-pat00006
는 Na2O의 포메이션 자유 에너지(formation free energy)로서 온도에 따라 고유하게 결정되는 파라미터이고,
Figure 112014028258453-pat00007
는 감지 전극(40)에서의 Na2O의 열역학적 활동도를,
Figure 112014028258453-pat00008
는 기준 전극(60)에서의 Na의 활동도를 나타낸다. here,
Figure 112014028258453-pat00006
Is the formation free energy of Na 2 O and is a parameter that is uniquely determined by temperature,
Figure 112014028258453-pat00007
Shows the thermodynamic activity of Na 2 O in the sensing electrode 40,
Figure 112014028258453-pat00008
Represents the activity of Na in the reference electrode 60. FIG.

만약, 등온 조건에서, Na2O와 Na의 활동도가 일정하게 고정된다면, 수식 3의 기전력 계산식에 있어서 마이너스 기호 다음의 인자(term)들은 실험을 통하여 미리 결정할 수 있는 상수라고 가정할 수 있다. 그러한 가정에 의할 경우, 상기 수식 3은 다음 수식 4와 같이 나타낼 수 있다.
If the activity of Na 2 O and Na is constantly fixed under isothermal conditions, then the term following the minus sign in equation 3 can be assumed to be a constant that can be determined in advance through experimentation. According to such an assumption, Equation (3) can be expressed as Equation (4).

<수식4>
&Lt; Equation 4 &

Figure 112014028258453-pat00009
Figure 112014028258453-pat00009

도 4와 도 5는, 각각 600도 및 700도 조건에서 챔버 내의 대기에 포함된 산소 분압에 따라서 고체 전해질 산소 센서의 단자를 통해 측정된 기전력과 상기 수식 4에 의해 계산되는 이론 기전력을 서로 비교한 결과를 나타낸 그래프들이다. 4 and 5 are graphs comparing the electromotive force measured through the terminal of the solid electrolyte oxygen sensor with the theoretical electromotive force calculated by the equation 4 according to the oxygen partial pressure contained in the atmosphere in the chamber at 600 ° and 700 °, Graphs showing the results.

각 도면에서, ● 표시는 측정 기전력을 나타내고, 실선은 수식 4에 의한 이론 기전력을 나타낸다.In each figure, the symbol &amp; cir &amp; indicates the measured electromotive force, and the solid line indicates the theoretical electromotive force according to the equation (4).

도 4와 도 5를 참조하면, 측정 기전력과 이론 기전력이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 600도 및 700도 조건에서 산소 분압에 따른 기전력의 크기 변화가 이론 기전력 직선의 기울기에 해당하는 2.303RT/2F(600도에서는 43mV/decade, 700도에서는 48mV/decade)와 거의 같기 때문이다. 이러한 실험 결과로부터 다음과 같은 사실을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 5, it can be seen that the measured electromotive force and the theoretical electromotive force are almost the same. That is, the change in the magnitude of the electromotive force due to the partial pressure of oxygen at 600 ° C. and 700 ° C. is almost the same as 2.303 RT / 2F (43 mV / decade at 600 ° C and 48 mV / decade at 700 ° C), which corresponds to the slope of the theoretical EMF . The following facts can be confirmed from these experimental results.

먼저, 고체 전해질 산소 센서의 동작 온도가 100도 변화하더라도 측정 기전력(●)이 이론 기전력(실선)을 잘 추종하고 있다. 따라서, 수식 3에 있어서 마이너스 기호 이후의 수식에 포함된 파라미터들, 특히 감지 전극으로 사용되는 Na-M-O 이상 혼합물에서의 Na2O에 대한 열역학적 활동도

Figure 112014028258453-pat00010
와 기준 전극으로 사용된 NaxCoO2에서의 Na에 대한 열역학적 활동도
Figure 112014028258453-pat00011
는 등온 조건에서 일정하다고 볼 수 있다. 이는 깁스의 상 규칙을 이용한 이론적 검증 결과와 일치한다.First, even if the operating temperature of the solid electrolyte oxygen sensor changes by 100 degrees, the measured electromotive force (●) follows the theoretical electromotive force (solid line). Therefore, the parameters included in the equation after the minus sign in Eq. 3, in particular the thermodynamic activity for Na 2 O in mixtures above the Na-MO used as sensing electrodes
Figure 112014028258453-pat00010
And the thermodynamic activity of Na in Na x CoO 2 used as a reference electrode
Figure 112014028258453-pat00011
Can be considered to be constant under isothermal conditions. This is consistent with the theoretical verification results using Gibbs' phase rule.

또한, 고체 전해질을 통해 양이온이 수송되는 과정에서 감지 전극과 기준 전극에서 일어나는 반쪽 전지 반응에 관여하는 전기화학 반응종의 활동도가 등온 조건에서 고정될 경우 본 실험 조건과 같이 감지 전극과 기준 전극이 노출되는 대기가 엄격하게 분리하지 않더라도 산소 농도를 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다. 이처럼 양 전극이 노출되는 대기의 분리가 요구되지 않으면, 고체 전해질 산소 센서의 구조를 단순화할 수 있고 응용 분야에 있어서도 제약이 따르지 않는다.When the activity of the electrochemical reaction species involved in the half-cell reaction occurring in the sensing electrode and the reference electrode in the process of transporting the cation through the solid electrolyte is fixed at the isothermal condition, the sensing electrode and the reference electrode It can be seen that the oxygen concentration can be accurately measured even if the exposed atmosphere is not strictly separated. If the separation of the atmosphere in which both electrodes are exposed is not required, the structure of the solid electrolyte oxygen sensor can be simplified and there is no restriction in the application field.

또한, 700도는 물론이고 600도 조건에서도 측정 기전력이 이론 기전력을 잘 추종하므로, 기존의 산소 이온 전도체를 채용한 고체 전해질 산소 센서에 비해 구동 온도를 더 낮출 수 있다. 고체 전해질 산소 센서의 구동 온도가 낮아지면, 소비 전력을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 수명과 내구성도 향상시킬 수 있다.In addition, since the measured electromotive force follows the theoretical electromotive force even at 700 degrees as well as at 600 degrees, the driving temperature can be further lowered compared with a solid electrolyte oxygen sensor using a conventional oxygen ion conductor. When the driving temperature of the solid electrolyte oxygen sensor is lowered, not only the power consumption can be lowered but also the life and durability can be improved.

본 실시 예에 있어서, 산소 센서를 구성하는 감지 전극, 고체 전해질 및 기준 전극은 원형, 사각형, 타원형 등 여러 가지 형상을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 산소 센서를 구성하는 요소의 형상에 의해 한정되지 않는다.In the present embodiment, the sensing electrode, the solid electrolyte, and the reference electrode constituting the oxygen sensor may have various shapes such as a circle, a rectangle, and an ellipse. Therefore, the present invention is not limited by the shape of the elements constituting the oxygen sensor.

또한, 감지 전극과 기준 전극은 고체 전해질의 상부 면과 하부 면에 각각 위치하도록 형성하는 것이 아니라, 상부 면 또는 하부 면에 함께 위치하도록 형성하는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명은 감지 전극과 기준 전극의 위치에 의해 한정되지 않는다.Further, the sensing electrode and the reference electrode may be formed so as to be located on the upper surface or the lower surface, respectively, instead of being formed on the upper surface and the lower surface of the solid electrolyte, respectively. Therefore, the present invention is not limited by the position of the sensing electrode and the reference electrode.

본 발명의 본질적인 기술적 사상은, 700도 이하의 온도 조건에서도 금속 양이온에 대해 전도성을 가지는 고체 전해질의 표면에 상기 고체 전해질에 의해 양이온 상태로 수송되는 금속 또는 그 금속의 산화물을 구성 성분으로 포함하며 상기 금속 또는 그 금속의 산화물이 갖는 열역학적 활동도가 등온 상태에서 고정될 수 있는 물질을 이용하여 감지 전극과 기준 전극을 구성하는데 있다. The essential technical idea of the present invention is that a solid electrolyte having conductivity against metal cations at a temperature of 700 ° C or less contains a metal transported in a cationic state by the solid electrolyte on the surface of the solid electrolyte or an oxide of the metal, The thermodynamic activity of a metal or an oxide of the metal can be fixed in an isothermal state to constitute a sensing electrode and a reference electrode.

따라서, 본 발명은 고체 전해질에 의해 양이온 상태로 수송되는 금속의 종류나 감지 전극 및 기준 전극 내에서 열역학적 활동도가 고정되는 금속 또는 그 산화물의 구체적인 종류에 의해 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다.Therefore, it should be understood that the present invention is not limited by the type of metal transported in a cationic state by the solid electrolyte, or the specific species of the metal or oxide thereof to which the thermodynamic activity is fixed in the sensing electrode and the reference electrode.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Various changes and modifications will be possible.

10, 40: 감지 전극 20, 50: 고체 전해질
30, 60: 기준 전극 70, 80: 제1단자, 제2단자
10, 40: sensing electrode 20, 50: solid electrolyte
30, 60: reference electrode 70, 80: first terminal, second terminal

Claims (11)

Na의 양이온에 대해 전도체로서 기능하는 고체 전해질, 상기 고체 전해질의 표면에 형성되는 감지 전극 및 기준 전극; 상기 감지 전극 및 상기 기준 전극과 각각 연결되는 제1 및 제2단자를 포함하는 산소 센서에 있어서,
상기 감지 전극은 등온 상태에서 Na2O의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어지고, 상기 기준 전극은 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 고체 전해질 산소 센서.
A solid electrolyte which functions as a conductor with respect to cations of Na, a sensing electrode and a reference electrode formed on the surface of the solid electrolyte; And a first and a second terminal respectively connected to the sensing electrode and the reference electrode,
Wherein the sensing electrode is made of a compound in which the thermodynamic activity of Na 2 O is constantly fixed in an isothermal state and the reference electrode is made of a compound in which the thermodynamic activity of Na is fixed at an isothermal state, sensor.
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질은, NASICON(Na1 + xZr2SixP3 - xO12), NBA(Na2O·11Al2O3) 또는 Na β-알루미나(Na2O·χAl2O3)임을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
The method according to claim 1,
The solid electrolyte may be one selected from the group consisting of NASICON (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3 - x O 12 ), NBA (Na 2 O 11Al 2 O 3 ), or Na β-alumina (Na 2 O x Al 2 O 3 ) Features a solid electrolyte oxygen sensor.
제1항에 있어서,
상기 기준 전극은, 노출되는 대기와 상관 없이 등온 상태에서 Na의 활동도가 고정되는 Na 합금인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the reference electrode is an Na alloy in which the activity of Na is fixed in an isothermal state regardless of the atmosphere being exposed.
제3항에 있어서,
상기 Na 합금은 Na-Si, Na-Mg 또는 Na-Sr 인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
The method of claim 3,
Wherein the Na alloy is Na-Si, Na-Mg, or Na-Sr.
제1항에 있어서,
상기 기준 전극은, 등온 상태에서 Na의 활동도가 고정되는 Na 산화물인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the reference electrode is an Na oxide whose Na activity is fixed at an isothermal state.
제5항에 있어서,
상기 Na 산화물은, NaxCoO2(x=0.7-0.76)인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
6. The method of claim 5,
Wherein the Na oxide is Na x CoO 2 (x = 0.7-0.76).
제1항에 있어서,
상기 감지 전극은, 등온 조건에서 Na2O의 활동도가 고정되는 Na-M-O 이상 혼합물(M은, Ti 및 Fe를 포함하는 전이금속 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소)인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the sensing electrode is a mixture of Na-MO secondary ions whose activity is fixed at an isothermal condition, wherein M is at least one element selected from the group consisting of transition metals including Ti and Fe. sensor.
제7항에 있어서,
상기 Na-M-O 이상 혼합물은, Na2Ti3O7-Na2Ti6O13, Na2Ti6O13-TiO2, Na2TiO3-Na2Ti3O7, NaFeO2-Na2FeO2인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
8. The method of claim 7,
The Na-MO above mixture, 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, NaFeO 2 -Na 2 FeO 2. & Lt; / RTI &gt;
Na의 양이온에 대해 전도체로서 기능하고 등온 상태에서 Na2O의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 고체 전해질을 이용한 고체 전해질 산소 센서에 있어서,
상기 고체 전해질의 한쪽 표면에 형성되고, 등온 상태에서 Na의 열역학적 활동도가 일정하게 고정되는 화합물로 이루어진 기준 전극;
상기 고체 전해질의 대향되는 양쪽 표면 중 상기 기준 전극이 형성된 표면과 대향되는 표면에 직접적으로 연결된 제1단자; 및
상기 기준 전극에 연결된 제2단자를 포함하고,
상기 제1단자가 연결된 상기 고체 전해질의 표면 부위는 산소 농도를 감지하는 감지 전극으로 기능하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
A solid electrolyte oxygen sensor using a solid electrolyte made of a compound which functions as a conductor against cations of Na and whose thermodynamic activity of Na 2 O is constantly fixed at an isothermal state,
A reference electrode formed on one surface of the solid electrolyte and made of a compound whose thermodynamic activity of Na is constantly fixed in an isothermal state;
A first terminal directly connected to a surface of the opposite surface of the solid electrolyte opposite to the surface on which the reference electrode is formed; And
And a second terminal connected to the reference electrode,
Wherein the surface area of the solid electrolyte to which the first terminal is connected functions as a sensing electrode for sensing oxygen concentration.
제9항에 있어서,
상기 고체 전해질은, NASICON(Na1 + xZr2SixP3 - xO12), NBA(Na2O·11Al2O3) 또는 Na β-알루미나(Na2O·χAl2O3)인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
10. The method of claim 9,
The solid electrolyte is, NASICON (Na 1 + x Zr 2 Si x P 3 - x O 12), NBA (Na 2 O · 11Al 2 O 3) or β- Na alumina (Na 2 O · χAl 2 O 3) of Wherein the solid electrolyte oxygen sensor is a solid electrolyte.
제9항에 있어서,
상기 기준 전극은, Na 합금 또는 Na 산화물임을 특징으로 하는 고체 전해질 산소 센서.
10. The method of claim 9,
Wherein the reference electrode is a Na alloy or an Na oxide.
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