KR20060025079A - Ph sensing electrode having a solid-state electrolyte layer and ph measuring system containing same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형 수소이온 센서 전극과 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 도전성 집전체, 적어도 하나 이상의 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 적어도 하나 이상의 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)을 포함하는 수소이온 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것이다. 상기 도전성 집전체 위에 금속/금속산화물 복합체 층이 위치하고, 그 위에 산소이온 전도성 고체 전해질 층이 위치한다. The present invention relates to an integrated hydrogen ion sensor electrode and a pH measurement system using the same, and more particularly, a conductive current collector, at least one metal / metal oxide composite layer and at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer. It relates to a hydrogen ion sensor electrode and a pH measurement system using the same. A metal / metal oxide composite layer is positioned on the conductive current collector, and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer is positioned thereon.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소이온 센서전극은 고체전해질 층과 금속/금속산화물 층이 박막으로 제조됨에 따라 전자 전달이 원활하고 임피던스가 낮아 전극반응 속도가 향상됨으로, 고온 수용액의 넓은 온도 범위, 특히 상대적으로 낮은 온도(예를 들면, 150℃)에서도 정확한 pH 측정이 가능하다. 특히 수소이온 센서전극의 직경을 현격하게 줄일 수 있어서 2 mm 이하의 미세공간에서도 활용할 수 있으며, 또한 제작 단가가 저렴하다.Hydrogen ion sensor electrode according to the present invention is configured as described above is a solid electrolyte layer and a metal / metal oxide layer is made of a thin film, the electron transfer is smooth and the impedance is low, the electrode reaction rate is improved, wide temperature range of high temperature aqueous solution In particular, accurate pH measurements are possible even at relatively low temperatures (eg 150 ° C). In particular, since the diameter of the hydrogen ion sensor electrode can be significantly reduced, it can be utilized in a micro space of 2 mm or less, and the manufacturing cost is low.

일체형 수소이온 센서, pH 센서, pH 측정시스템, 산소이온 전도성 고체 전해질Integrated hydrogen ion sensor, pH sensor, pH measuring system, oxygen ion conductive solid electrolyte

Description

고체 전해질 층을 갖는 수소이온 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템 {pH sensing electrode having a solid-state electrolyte layer and pH measuring system containing same}Hydrogen ion sensor electrode having a solid electrolyte layer and pH measurement system using the same {pH sensing electrode having a solid-state electrolyte layer and pH measuring system containing same}

도 1은 본 발명에 따른 pH 센서전극의 개략도이고,1 is a schematic diagram of a pH sensor electrode according to the present invention,

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서 전극과 종래의 센서 전극을 사용하여 pH를 측정한 결과를 나타낸 그래프이고,2 is a graph showing a result of measuring pH using a sensor electrode and a conventional sensor electrode according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서 전극의 전기화학적 임피던스 측정 결과를 나타내는 그래프이고,3 is a graph showing an electrochemical impedance measurement result of a sensor electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서 전극과 종래의 센서 전극의 전기화학적 임피던스 측정 결과를 비교한 그래프이다.Figure 4 is a graph comparing the electrochemical impedance measurement results of the sensor electrode and the conventional sensor electrode according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 고체 전해질 층을 갖는 새로운 개념의 수소이온 센서 전극과 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)을 포함하여 보다 넓은 온 도범위에서 pH 측정 결과 신뢰성이 높고, 미세 공간에 있는 용액의 pH 측정에 적용 가능하고, 더욱이 제조비용 면에서 탁월하게 유리한 새로운 개념의 수소이온 센서 전극 및 이를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a novel hydrogen ion sensor electrode having a solid electrolyte layer and a pH measuring system using the same, and more particularly, to a metal / metal oxide composite layer and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer. The present invention relates to a new concept of hydrogen ion sensor electrode and pH measuring system using the same, which has high reliability as a result of pH measurement in a wider temperature range, is applicable to pH measurement of a solution in a microcavity, and is also advantageous in terms of manufacturing cost.

종래로부터, 수용액 등의 pH를 측정하기 위한 각종 pH 전극이 개발되어왔다. 예를 들어, 대한민국 특허출원 제1978-1723호는 이온, ORP, pH 등을 측정할 수 있는 pH 등 측정용 복합전극을 개시하고 있으며, 대한민국 특허출원 제1980-3262호는 화학동 도금액의 pH 및 환원제농도를 pH 값으로 변환하여 장기간 연속적으로 정확하게 측정할 수 있는 pH 측정용 주 전극에 관해 개시하고 있다.Conventionally, various pH electrodes for measuring pH, such as aqueous solution, have been developed. For example, Korean Patent Application No. 1978-1723 discloses a composite electrode for measuring pH, etc., which can measure ions, ORP, pH, etc., and Korean Patent Application No. 1980-3262 discloses pH and pH of a chemical copper plating solution. Disclosed is a main electrode for pH measurement, in which a reducing agent concentration can be converted into a pH value and measured accurately continuously for a long time.

그러나 상기한 종래의 발명 등은 통상의 온도에서 pH를 측정하기 위한 pH 전극에 관해 개시하고 있을 뿐이다.However, the above-described conventional inventions and the like only disclose a pH electrode for measuring pH at a normal temperature.

한편, 고온의 수용액에 적용하기 위해 개발된 pH(-log[H+]) 측정 전극으로는 수소전극(Hydrogen electrode), 팔라듐-수소(Pd-H) 전극, 금속/금속산화물 전극, 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 전극 등이 있다.Meanwhile, the pH (-log [H + ]) measuring electrode developed for application to high temperature aqueous solution includes hydrogen electrode, palladium-hydrogen (Pd-H) electrode, metal / metal oxide electrode, and oxygen ion conductivity. Metal / metal oxide electrodes based on ceramic films.

첫째, 상기 수소전극의 전극반응과 전위는 다음과 같이 표현된다. First, the electrode reaction and potential of the hydrogen electrode are expressed as follows.

전극반응 : 2H+(용액) + 2e- → H2 (Pt)Electrode reaction: 2H + (solution) + 2e - → H 2 ( Pt)

전위 : E = -(2.303RT/2F)log(f H2) - (2.303RT/F)pHPotential: E =-(2.303RT / 2F) log ( f H2 )-(2.303RT / F) pH

상기 수소전극의 pH 측정용 적용 온도 범위는 25 ~ 300℃ 로 알려져 있다. 하지만 상기 전극은 수소분자가 용액에 반드시 존재해야 하고, 수소에 의한 환원반응에 안정한 시스템에서만 적용할 수 있다는 제약이 있고, 더욱이 정확한 전위를 계산하기 위해서는 수소 도산능(fugacity( f H2 ))을 알아야 하는데 이를 측정하기가 또한 쉽지 않아 실제 사용에 있어서 불편하다는 단점이 있다.Application temperature range for pH measurement of the hydrogen electrode is known to be 25 ~ 300 ℃. However, the electrode is a hydrogen, and the molecule has to be present in solution, the need to know in order to have a restriction that it can only work with a stable system to the reduction by hydrogen, and further calculates the exact potential hydrogen bankrupt capacity (fugacity (f H2)) It is also not easy to measure, which is disadvantageous in actual use.

둘째, 상기 팔라듐-수소(Pd-H) 전극의 전극반응은 다음과 같이 표현된다.Second, the electrode reaction of the palladium-hydrogen (Pd-H) electrode is expressed as follows.

전극반응 : H+(용액) + e- → H (Pd)Electrode reaction: H + (solution) + e - → H (Pd )

상기 전극의 실질적인 적용 온도 범위는 25 ~ 200℃ 로 알려져 있다. 그런데 일반적으로 고온 수용액의 pH 측정에서는 적용 가능한 온도가 최소 300℃ 정도는 요구된다는 점에서 상기 전극은 적용 온도 범위가 좁아 고온 수용액의 pH 측정에 바람직하게 사용될 수 없다. 더욱이, 상기 전극의 더 근본적인 제약은 용존산소 등과 같은 산화제가 포함된 용액에서는 상기 센서전극을 pH 측정 전극으로 사용할 수 없다는 점이다.The practical application temperature range of the electrode is known to be 25 to 200 ° C. However, in general, in the measurement of pH of a high temperature aqueous solution, at least 300 ° C. of the applicable temperature is required, the electrode may not be preferably used for measuring a pH of a high temperature aqueous solution because the application temperature range is narrow. Moreover, a more fundamental limitation of the electrode is that the sensor electrode cannot be used as a pH measuring electrode in a solution containing an oxidizing agent such as dissolved oxygen.

셋째, 상기 금속/금속산화물 전극의 경우는 W/WO3 시스템을 제외하고는 네른시안 pH 거동(Nernstian pH behavior)을 보이지 않아 정확한 pH를 측정할 수 없다는 단점이 있다. 한편, 상기 금속/금속산화물 전극 중 네른시안 pH 거동을 보이는 W/WO3 시스템의 전극반응과 전위는 다음과 같이 표현된다.Third, in the case of the metal / metal oxide electrode, except for the W / WO 3 system, there is a disadvantage in that accurate pH cannot be measured because Nernstian pH behavior is not exhibited. On the other hand, the electrode reaction and the potential of the W / WO 3 system showing the Nernian pH behavior of the metal / metal oxide electrode is expressed as follows.

전극반응 : WO3 + 6H+(용액) + 6e- → W + 3H2OElectrode reaction: WO 3 + 6H + (solution) + 6e - → W + 3H 2 O

전위 : E = Eo W/WO3 - (2.303RT/F)pHPotential: E = E o W / WO3-(2.303RT / F) pH

그러나, 상기 전극의 실질적인 적용 온도 범위는 25 ~ 200℃ 로 알려져 있어, 상기 팔라듐-수소(Pd-H) 전극의 경우와 같이 고온 수용액의 pH 측정에 바람직하게 사용될 수 없다. 또한, 텅스텐 산화물의 화학적 형태가 매우 다양하고 내구성이 떨어져 사용하는데 많은 어려움이 있다는 단점도 있다.However, since the practical application temperature range of the electrode is known to be 25 to 200 ° C., it cannot be preferably used for pH measurement of a high temperature aqueous solution as in the case of the palladium-hydrogen (Pd-H) electrode. In addition, there are disadvantages in that the chemical form of tungsten oxide is very diverse and difficult to use due to its poor durability.

마지막으로, 상기 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 전극은 세라믹 막이 화학적 저항성을 가지고 있어서 다양한 화학적 환경에 적용 가능하기 때문에 현재 가장 많이 사용되고 있다. 상기한 세라믹 막으로는 산소 이온 전도성이 탁월하고 기계적 강도가 좋은 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 센서전극(M/MO|YSZ|H+,H2O)이 가장 널리 사용되고 있다. Finally, the metal / metal oxide electrode based on the oxygen ion conductive ceramic film is currently used most because the ceramic film has chemical resistance and thus can be applied to various chemical environments. The yttria-stabilized zirconia (YSZ) sensor electrode (M / MO | YSZ | H + , H 2 O) having excellent oxygen ion conductivity and good mechanical strength is most widely used as the ceramic membrane.

상기 전극의 전체 전극반응 및 전위는 다음과 같다.The total electrode reaction and potential of the electrode are as follows.

전체 전극반응 : MOx + 2xH+(용액) + 2xe- → M + xH 2OThe electrode reaction: MO x + 2 x H + ( solution) x 2 + e - → M x + H 2 O

전위 : E = Eo M/MO x - (2.303RT/F)pHPotential: E = E o M / MO x- (2.303RT / F) pH

상기 전체 전극반응식과 전위식을 살펴보면 상기 전위는 세라믹 막과는 전혀 상관이 없는 것처럼 보인다. 하지만 실제 측정된 전위는 세라믹 막의 종류에 따라 바뀔 수 있다. 세라믹 막에서는 산소이온 전도가 일어나는데 이 전도도가 충분히 높은 경우에만 측정된 전위가 오직 용액의 pH에 의존한다. 다시 말해서 산소 이온 전도도가 떨어지는 세라믹 막에서 측정된 전위는 용액의 pH를 정확히 반영하지 못하게 된다는 단점이 있다.Looking at the total electrode reaction equation and the potential equation, the potential does not seem to have anything to do with the ceramic film. However, the actual measured potential may vary depending on the type of ceramic film. Oxygen ion conduction occurs in the ceramic membrane, and the potential measured only depends on the pH of the solution if the conductivity is high enough. In other words, the potential measured in the ceramic membrane with poor oxygen ion conductivity does not accurately reflect the pH of the solution.

상기한 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 전극에 대한 종래기술로는 미국특허 제4,264,424호 및 6,551,478호가 있다.Conventional technologies for metal / metal oxide electrodes based on the oxygen ion conductive ceramic membranes include US Pat. Nos. 4,264,424 and 6,551,478.

상기 미국특허 제4,264,424호(미국 GE 사)는 산소이온 전도성 세라믹 막을 기반으로 하는 금속/금속산화물 수소이온 센서전극에 관한 것으로, 세라믹 막의 주성분으로 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 토륨 산화물(thorium oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 란타늄 산화물(lanthanum oxide) 등을 사용하고, 첨가제로 이트리아(yttria), 스칸디아(scandia), 칼시아(calcia), 마그네시야(magnesia) 등을 사용하며, 또한 내부 전극물질로는 구리/구리 산화물(copper/copper oxide), 철/복합 철 산화물 (iron/ferrous oxide+magnetite) 등을 사용한 수소이온 센서전극을 개시하고 있다.The U.S. Patent No. 4,264,424 (GE, USA) relates to a metal / metal oxide hydrogen ion sensor electrode based on an oxygen ion conductive ceramic film. The main components of the ceramic film are zirconium oxide, thorium oxide, Cerium oxide, lanthanum oxide, etc. are used, yttria, scandia, calcia, magnesia, etc., are used as additives, and internal electrodes are also used. A hydrogen ion sensor electrode using copper / copper oxide, iron / ferrous oxide + magnetite, or the like is disclosed as a material.

또한, 미국특허 제6,551,478호(미국 에너지부)에는 구부리기 쉬운 튜브 (flexible tube), 튜브 끝에 위치한 산소이온 전도성 세라믹 플러그(plug), 금속/금속산화물 전극반응 시스템으로 구성된 센서전극을 개시하고 있다. 상기 특허에서 튜브의 재질로는 테프론(teflon)이 기술되어 있고, 세라믹 플러그의 재질로는 안정 화된 지르코니아가 기술되어 있다. 또한, 전극반응 시스템으로는 구리/구리 산화물, 철/철 산화물, 은/은 산화물, 니켈/니켈 산화물, 수은/수은 산화물 등이 기술되어 있다.In addition, U. S. Patent No. 6,551, 478 (U.S. Department of Energy) discloses a sensor electrode consisting of a flexible tube, an oxygen ion conductive ceramic plug located at the end of the tube, and a metal / metal oxide electrode reaction system. In this patent, Teflon is described as the material of the tube, and stabilized zirconia is described as the material of the ceramic plug. In addition, as the electrode reaction system, copper / copper oxide, iron / iron oxide, silver / silver oxide, nickel / nickel oxide, mercury / mercury oxide, and the like are described.

상기한 종래의 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극은 세라믹 막의 화학적 비활성으로 인하여 다양한 화학적 환경으로의 적용가능성, 높은 정밀성 및 탁월한 내구성으로 인하여 현재 가장 널리 사용되고 있는 실정이다. The conventional ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrode is the most widely used at present because of the applicability to various chemical environments, high precision and excellent durability due to chemical inertness of the ceramic membrane.

하지만 지금까지 알려진 수소이온 센서전극들은 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다. However, hydrogen ion sensor electrodes known to date have some problems as follows.

첫째, 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극 중 성능이 비교적 우수한 YSZ 막 기반 센서 전극에서도 Hg/HgO 시스템을 제외하고는 180℃ 이하의 비교적 낮은 온도 영역에서는 센서전극의 임피던스가 크게 증가하는 경향을 나타내며, 이 때문에 센서전극이 네른시안 pH 거동(Nernstian pH behavior)을 보이지 않고, 따라서 결과적으로 용액의 pH 측정에 있어서 큰 오차가 발생하여 바람직하게 사용될 수 없다. 한편, 적용온도 범위가 상대적으로 넓어 비교적 낮은 온도 영역에서도 보다 정확한 pH를 측정할 수 있는 Hg/HgO 시스템에서는 사용되는 물질인 Hg이 친환경적인 물질이 아니기 때문에 사용에 큰 불편함이 따른다는 단점이 있다.First, the YSZ membrane-based sensor electrode, which has a relatively high performance among ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrodes, tends to increase the impedance of the sensor electrode at a relatively low temperature region of less than 180 ° C except for the Hg / HgO system. Because of this, the sensor electrode does not show the Nernstian pH behavior, and as a result, a large error occurs in pH measurement of the solution, and thus cannot be used preferably. On the other hand, in the Hg / HgO system, which can measure pH more accurately even at a relatively low temperature range due to the relatively wide application temperature range, Hg, which is a material used, is not an environmentally friendly material. .

둘째, 상기 종래의 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극의 경우, 센서의 크기가 커서 미세 공간에서는 pH를 측정하기가 어렵다는 단점이 있다. Second, the conventional ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrode has a disadvantage that it is difficult to measure pH in a micro space due to the large size of the sensor.

마지막으로, 상기 종래의 세라믹 막 기반 수소이온 센서전극의 경우, 제조단 가가 너무 비싸다는 단점이 있다.Finally, in the case of the conventional ceramic membrane-based hydrogen ion sensor electrode, there is a disadvantage that the manufacturing cost is too expensive.

이에, 본 발명자 등은 수소이온 센서전극에 있어서, 낮은 온도에서도 네른시안 pH 거동을 보이므로, 고온 수용액의 전 온도 영역에서 보다 정확한 pH의 측정이 가능하고, 더불어 센서전극의 사이즈와 제조단가를 줄일 수 있는 수소이온 센서전극을 제공하기 위해 예의 연구한 결과 적절한 방법에 의해 센서전극의 전기화학적 임피던스를 낮추고 사이즈를 줄일 수 있는 새로운 구조의 센서 전극을 개발함으로서 본 발명을 완성하였다.Thus, the inventors of the present invention show the pH behavior of Nernstian at a low temperature in the hydrogen ion sensor electrode, so that it is possible to measure pH more accurately in the entire temperature range of the high temperature aqueous solution, and also to reduce the size and manufacturing cost of the sensor electrode. As a result of intensive studies to provide a hydrogen ion sensor electrode, the present invention has been completed by developing a sensor electrode having a new structure capable of reducing the electrochemical impedance and reducing the size of the sensor electrode by an appropriate method.

따라서 본 발명의 목적은 상기 종래 수소이온 전극센서의 문제점을 해결하여 측정 대상물인 고온 수용액의 낮은 온도에서도 높은 정확성을 보이고, 미세 공간에 있는 용액의 pH 측정에 적용 가능하고, 더욱이 제조단가가 낮은 새로운 구조의 수소이온 센서전극을 제공하기 위한 것이다.Therefore, the object of the present invention is to solve the problems of the conventional hydrogen ion electrode sensor shows a high accuracy even at a low temperature of the high-temperature aqueous solution to be measured, can be applied to the pH measurement of the solution in the microcavity, and further the low manufacturing cost It is to provide a hydrogen ion sensor electrode of the structure.

본 발명의 다른 목적은 상기 수소이온 센서전극을 사용한 pH 측정시스템을 제공하기 위한 것이다.
Another object of the present invention is to provide a pH measurement system using the hydrogen ion sensor electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은;In order to achieve the above object, the present invention;

수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 수소이온 센서 전극은 도전성 집전체, 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)이 순차적으로 형성되어 구성되는 수소이온 센서 전극을 제공한다.In the hydrogen ion sensor electrode, the hydrogen ion sensor electrode provides a hydrogen ion sensor electrode is formed by sequentially forming a conductive current collector, a metal / metal oxide composite layer and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer. .

또한 본 발명은;In addition, the present invention;

i) 도전성 집전체, 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)을 포함하는 수소이온 센서 전극; i) a hydrogen ion sensor electrode comprising a conductive current collector, a metal / metal oxide composite layer and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer;

ii) 고온 기준전극; 및 ii) high temperature reference electrode; And

iii) 높은 인풋 임피던스(input impedance)를 가진 전압 측정 장치(electrometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 측정시스템을 제공한다.iii) providing a pH measuring system comprising a voltage measuring device having a high input impedance.

본 발명에 따른 상기 수소이온 센서 전극에서, 전극의 상기 금속/금속산화물 복합체 층은 상기 도전성 집전체 위에 위치하고, 상기 산소이온 전도성 고체 전해질 층은 상기 금속/금속산화물 복합체 층 위에 위치한다.In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, the metal / metal oxide composite layer of the electrode is located on the conductive current collector, and the oxygen ion conductive solid electrolyte layer is located on the metal / metal oxide composite layer.

본 발명에 따른 수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 도전성 집전체는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들로 표면 처리된 금속, 이들의 조합 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, the conductive current collector is copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium (Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin (Sn), metals surface-treated with them, combinations thereof, and alloys thereof.

본 발명에 따른 수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 금속/금속산화물 복합체 층의 주성분인 금속은 구체적으로 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들의 조합 및 이들의 합금을 포함한다. In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, the main metal of the metal / metal oxide composite layer is specifically copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium ( Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin (Sn), combinations thereof, and alloys thereof.

본 발명에 따른 수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 산소이온 전도성 고체 전해질은 지르코늄(Zr) 산화물, 토륨(Th) 산화물, 비스무쓰(Bi) 산화물 및 세륨(Ce) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 주성분과 이트륨(Y) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 칼슘(Ca) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 어븀(Er) 산화물 및 사마륨(Sm) 산화물로 이룬어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제(dopant)를 포함한다.In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, the oxygen ion conductive solid electrolyte is a main component and yttrium selected from the group consisting of zirconium (Zr) oxide, thorium (Th) oxide, bismuth (Bi) oxide and cerium (Ce) oxide And one or more dopants selected from the group consisting of (Y) oxides, magnesium (Mg) oxides, calcium (Ca) oxides, scandium (Sc) oxides, erbium (Er) oxides, and samarium (Sm) oxides.

상기 고온 기준전극은 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금/수소(Pt/H2) 전극, 팔라듐/수소(Pd-H) 전극 중 하나를 사용할 수 있다.The high temperature reference electrode may be one of a silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrode, a platinum / hydrogen (Pt / H 2 ) electrode, and a palladium / hydrogen (Pd-H) electrode.

상기 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압을 측정하는 일렉트로메터(electrometer)의 인풋 임피던스(input impedance)는 바람직하기로는 108 ohm 이상이고 보다 바람직하기로는 1010 ohm 이상이고 가장 바람직하기로는 10 12 ohm 이상이다.The input impedance of the electrometer measuring the voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode is preferably 10 8 ohm or more, more preferably 10 10 ohm or more and most preferably 10 12 ohm. That's it.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 100 내지 300℃와 같은 고온의 pH 측정에서 보다 넓은 온도범위, 특히 상대적으로 낮은 온도 영역에서도 용액의 pH를 보다 정확하게 측정할 수 있어 광범위한 온도 범위에서 적용 가능하고, 미세 공간에 있는 용액의 pH 측정에 적용 가능하고, 특히 제조 비용 면에서 탁월하게 유리한 pH 측정시스템을 제공하는 것으 로, 상기 pH 측정시스템은 상술한 바와 같이, i) 도전성 집전체, 금속/금속산화물 복합체 층 및 산소이온 전도성 고체 전해질 층을 포함하는 수소이온 센서 전극; ii) 고온 기준전극; 및 iii) 높은 인풋 임피던스(input impedance)를 가진 전압 측정 장치(electrometer)로 구성된다.The present invention can more accurately measure the pH of a solution in a wider temperature range, especially in a relatively low temperature region, in high temperature pH measurement such as 100 to 300 ° C., and therefore can be applied over a wide range of temperature ranges. In order to provide a pH measurement system that is applicable to pH measurement and particularly advantageous in terms of manufacturing cost, the pH measurement system, as described above, comprises: i) a conductive current collector, a metal / metal oxide composite layer and an oxygen ion conductivity; A hydrogen ion sensor electrode comprising a solid electrolyte layer; ii) high temperature reference electrode; And iii) a voltage meter with a high input impedance.

본 발명에 따른 상기 수소이온 센서 전극의 구성은 도전성 집전체 위에 금속/금속산화물 복합체 층이 존재하고, 그 위에 산소이온 전도성 고체 전해질 층이 존재한다. 따라서 산소이온 전도성 고체 전해질 층만이 용액에 노출되게 된다. 이렇게 구성된 본 발명에 따른 상기 수소이온 센서 전극에 의해 수소 이온 농도가 감지되는 원리를 살펴보면 다음과 같다. 먼저 세라믹 재료로 되어 있는 고체 전해질의 용액 쪽 계면에서 용액에 존재하는 수소이온과 세라믹 격자 내에 있는 산소이온이 반응하여 물이 생성되는 반응(A)이 있고, 그리고 나서 고체전해질 내부에서는 산소이온의 농도 기울기에 따른 확산에 의한 이동현상(B)이 나타나고, 고체 전해질의 금속/금속산화물 복합체 층 계면에서는 금속/금속산화물의 전극반응(C)이 있어난다. 이러한 수소이온 센서전극에서 일어나는 세부적인 반응을 살펴보면 다음과 같다.In the structure of the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention, a metal / metal oxide composite layer is present on the conductive current collector, and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer is present thereon. Thus, only the oxygen ion conductive solid electrolyte layer is exposed to the solution. Looking at the principle that the hydrogen ion concentration is detected by the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention configured as described above are as follows. First, there is a reaction (A) in which water is generated by the reaction of hydrogen ions in the solution with oxygen ions in the ceramic lattice at the solution-side interface of the solid electrolyte made of ceramic material, and then the concentration of oxygen ions in the solid electrolyte. The migration phenomenon (B) due to the diffusion due to the slope appears, and the electrode reaction (C) of the metal / metal oxide occurs at the metal / metal oxide composite layer interface of the solid electrolyte. Looking at the detailed reaction occurring in the hydrogen ion sensor electrode as follows.

A. 용액 쪽 계면 : 2xH+ (용액) + O2- (고체전해질) → H2OA. Solution-side interface: 2 x H + (solution) + O 2- (solid electrolyte) → H 2 O

B. 고체전해질 내부 : 산소이온 이동B. Solid electrolyte interior: Oxygen ion migration

C. 고체전해질 안쪽 계면 : MOx + 2xe- → M + O2- (고체전해질)C. The solid electrolyte inside interface: MO x + 2 x e - → M + O 2- ( solid electrolyte)

상기 세 반응(A ~ C)을 합치면 다음과 같은 전체 반응식을 얻을 수 있다.When the three reactions (A to C) are combined, the following overall reaction formula can be obtained.

전체 전극반응식 : MOx + 2xH+(용액) + 2xe- → M + x H 2OThe electrode reaction scheme: MO x + 2 x H + ( solution) x 2 + e - → M x + H 2 O

결과적으로 용액의 수소이온 농도는 고체 전해질 층의 산소이온 농도에 영향을 미치고, 고체 전해질 층의 산소이온 농도는 금속/금속산화물의 전극반응에 영향을 미친다.As a result, the hydrogen ion concentration of the solution affects the oxygen ion concentration of the solid electrolyte layer, and the oxygen ion concentration of the solid electrolyte layer affects the electrode reaction of the metal / metal oxide.

상기 전체 전극반응의 네른스트 식을 쓰면 다음과 같다.The Nernst equation of the total electrode reaction is as follows.

전위식 : E = Eo M/MO x - (2.303RT/F)pHPotential: E = E o M / MO x- (2.303RT / F) pH

따라서, 상기 전위식으로 알 수 있듯이, 전위가 용액의 수소이온 농도에만 의존하기 때문에 수소이온 센서전극에서 측정된 전위로부터 용액의 pH를 계산할 수 있다.Thus, as can be seen from the above potential equation, since the potential depends only on the concentration of hydrogen ions in the solution, the pH of the solution can be calculated from the potential measured at the hydrogen ion sensor electrode.

상기 센서전극이 낮은 온도에서도 네른시안 pH 거동을 보이기 위해서는 센서전극의 전기화학적 임피던스를 낮추어야 한다. 센서전극 임피던스의 주요 요소는 고체 전해질 내부에서 일어나는 산소이온 이동에 기인한 임피던스, 내부 전극물질의 전극반응에 기인한 임피던스 등이다. 낮은 온도에서도 산소이온 이동에 기인한 임피던스를 낮추기 위해서는 세라믹 막의 두께를 얇게 하거나, 세라믹 막의 종류를 바꾸는 것이 제안될 수 있는데, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 수소이온 센서 전극의 상기 주요 임피던스 중에서 특히 산소이온 이동에 기인한 임피던스를 크게 낮춰 전기화학 반응속도를 향상시켰다.In order for the sensor electrode to show the Nernian pH behavior even at a low temperature, the electrochemical impedance of the sensor electrode should be lowered. The main components of the sensor electrode impedance are impedance due to oxygen ion movement inside the solid electrolyte and impedance due to electrode reaction of the internal electrode material. In order to lower the impedance due to oxygen ion migration even at a low temperature, it may be proposed to reduce the thickness of the ceramic film or to change the type of the ceramic film. As described above, in the present invention, oxygen ions, among the main impedances of the hydrogen ion sensor electrode, may be proposed. Improving the electrochemical reaction rate by greatly reducing the impedance due to the movement.

즉, 종래의 세라믹 막 기반 센서전극에서는 세라믹 막의 두께가 두꺼워서 산소이온의 이동에 따른 임피던스가 200℃ 이하의 비교적 낮은 온도 영역에서는 매우 높다는 등의 제반 문제점을 가지고 있었지만, 상기와 같이 구성되는 본 발명에의 전극센서는 산소이온 이동에 기인한 임피던스를 줄이기 위해 고체전해질의 두께를 현저히 줄이는 방법을 사용함으로, 전극반응의 속도를 상당하게 향상시켰다.That is, in the conventional ceramic film-based sensor electrode, the thickness of the ceramic film has a problem such that the impedance due to the movement of oxygen ions is very high in a relatively low temperature range of 200 ° C. or less, but the present invention constituted as described above. The electrode sensor significantly improves the rate of electrode reaction by using the method of remarkably reducing the thickness of solid electrolyte to reduce the impedance caused by oxygen ion migration.

이하 본 발명에 따른 수소이온 센서전극의 자세한 제작과정을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a detailed manufacturing process of the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 수소이온 센서전극의 제작은 상기 도전성 집전체가 전기화학적 산화환원 반응에 산화종(oxidized species) 또는 환원종(reduced species)으로 참여하느냐, 하지 않느냐에 따라 크게 두 가지로 나누어 질 수 있다. 상기 도전성 집전체의 모양(shape)은 와이어(wire), 판(plate) 또는 막대(rod) 형태를 포함한다.Fabrication of the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention can be divided into two types depending on whether or not the conductive current collector participates as an oxidized species or reduced species in the electrochemical redox reaction. have. The shape of the conductive current collector may include a wire, plate, or rod shape.

첫째, 상기 도전성 집전체가 단순 전자 전달의 리드선(lead wire) 역할 뿐만 아니라 전기화학적 산화환원 반응에 참여하는 경우이다. 이 경우는 상기 도전성 집전체와 금속/금속산화물 복합체의 금속이 동일하다. 상기 집전체 금속표면에 다양한 방법을 사용하여 금속/금속산화물 복합체 층이 위치하게 한다. 금속/금속산화물 복합체 층을 제조하는 방법은 금속표면을 산화시키는 방법, 금속산화물을 물리화학적으로 금속입자 표면에 붙이는 방법 등을 포함한다. 금속표면 산화방법으로는 공기 중 산화, 산소 분위기 하에서 열에 의한 산화, 다양한 화학조건 하에 있는 용액에 의한 산화(chemical oxidation) 등을 포함한다. 물리화학적으로 붙이는 방법에 는 플라즈마 스프레이 코팅법(plasma spray coating), 액티브 스퍼터링에 의한 증착법(deposition by active sputtering), 스핀 코팅법(spin coating), 압착법(pressing) 등을 포함한다. 상기 도전성 집전체는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들로 표면 처리된 금속, 이들의 조합 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된다. 상기 도전성 집전체의 금속/금속산화물 복합체 층 위에 산소이온이 선택적으로 통과하는 고체전해질 층을 형성시킨다. 상기 고체전해질 층을 형성시키는 방법은 플라즈마 스프레이 코팅법(plasma spray coating), 액티브 스퍼터링에 의한 증착법(deposition by active sputtering), 스핀 코팅법(spin coating), 압착법(pressing) 등의 공지된 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 산소이온 전도성 고체 전해질은 지르코늄(Zr) 산화물, 토륨(Th) 산화물, 비스무쓰(Bi) 산화물 및 세륨(Ce) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 주성분과 이트륨(Y) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 칼슘(Ca) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 어븀(Er) 산화물 및 사마륨(Sm) 산화물로 이룬어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제(dopant)를 포함한다.First, the conductive current collector participates in an electrochemical redox reaction as well as a lead wire of simple electron transfer. In this case, the conductive current collector and the metal of the metal / metal oxide composite are the same. The metal / metal oxide composite layer is positioned on the current collector metal surface using a variety of methods. The method of manufacturing the metal / metal oxide composite layer includes a method of oxidizing a metal surface, a method of attaching a metal oxide to the surface of metal particles, and the like. Metal surface oxidation methods include oxidation in air, oxidation by heat under oxygen atmosphere, chemical oxidation by solution under various chemical conditions, and the like. Physical chemical bonding methods include plasma spray coating, deposition by active sputtering, spin coating, pressing, and the like. The conductive current collector may be copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium (Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin ( Sn), metals surface-treated with them, combinations thereof, and alloys thereof. A solid electrolyte layer through which oxygen ions selectively pass is formed on the metal / metal oxide composite layer of the conductive current collector. The solid electrolyte layer may be formed by a known method such as plasma spray coating, deposition by active sputtering, spin coating, or pressing. Can be used. In addition, the oxygen ion conductive solid electrolyte is a main component selected from the group consisting of zirconium (Zr) oxide, thorium (Th) oxide, bismuth (Bi) oxide and cerium (Ce) oxide and yttrium (Y) oxide, magnesium (Mg) One or more dopants selected from the group consisting of oxides, calcium (Ca) oxides, scandium (Sc) oxides, erbium (Er) oxides and samarium (Sm) oxides.

둘째, 상기 도전성 집전체가 전기화학적으로 비활성물질로서 단순히 전자 전달을 하는 리드선 역할만 하는 경우이다. 상기 도전성 집전체는 반드시 전기화학적 반응에 참여하는 금속/금속산화물 복합체 층을 포함한다. 금속/금속산화물 복합체 층의 형성 방법 중 바람직한 예로는 먼저 도전성 집전체 위에 금속을 입히고, 금속으로 표면 처리된 집전체 위에 금속산화물을 형성시키는 방법이다. 금속을 도전성 집전체 위에 입히는 방법은 전기화학적 도금법, 진공증착법 등의 공지된 방법을 사용할 수 있다. 상기 금속산화물 형성 방법은 금속표면을 산화시키는 방법, 금속산화물을 물리화학적으로 금속입자 표면에 붙이는 방법 등을 포함한다. 금속표면 산화방법으로는 공기 중 산화, 산소 분위기 하에서 열에 의한 산화, 다양한 화학조건 하에 있는 용액에 의한 산화(chemical oxidation) 등을 포함한다. 물리화학적으로 붙이는 방법에는 플라즈마 스프레이 코팅법(plasma spray coating), 액티브 스퍼터링에 의한 증착법(deposition by active sputtering), 스핀 코팅법(spin coating), 압착법(pressing) 등을 포함할 수 있다. 상기 도전성 집전체는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들로 표면 처리된 금속, 이들의 조합 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된다. 상기 금속/금속산화물 복합체 층의 주성분인 금속의 예로는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들의 조합 및 이들의 합금을 들 수 있다. 상기 도전성 집전체의 금속산화물 층 위에 산소이온이 선택적으로 통과하는 고체전해질 층을 형성시킨다. 상기 고체전해질 층을 형성시키는 방법은 플라즈마 스프레이 코팅법(plasma spray coating), 액티브 스퍼터링에 의한 증착법(deposition by active sputtering), 스핀 코팅법(spin coating), 압착법(pressing) 등의 공지된 방법을 사용할 수 있다. 상기 산소이온 전도성 고체 전해질은 지르코늄(Zr) 산화물, 토륨(Th) 산화물, 비스무쓰(Bi) 산화물 및 세륨(Ce) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 주성분과 이트륨(Y) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 칼슘(Ca) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 어븀(Er) 산화물 및 사마륨(Sm) 산화물로 이룬어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제(dopant)를 포함한다.Second, the conductive current collector is an electrochemically inert material, and merely serves as a lead wire for electron transfer. The conductive current collector necessarily includes a metal / metal oxide composite layer that participates in the electrochemical reaction. A preferred example of the method of forming the metal / metal oxide composite layer is a method of first coating a metal on a conductive current collector and then forming a metal oxide on the current collector surface-treated with metal. As a method of coating the metal on the conductive current collector, a known method such as an electrochemical plating method or a vacuum deposition method can be used. The metal oxide forming method includes a method of oxidizing a metal surface, a method of attaching a metal oxide to the surface of a metal particle, and the like. Metal surface oxidation methods include oxidation in air, oxidation by heat under oxygen atmosphere, chemical oxidation by solution under various chemical conditions, and the like. The physicochemical bonding method may include plasma spray coating, deposition by active sputtering, spin coating, pressing, or the like. The conductive current collector may be copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium (Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin ( Sn), metals surface-treated with them, combinations thereof, and alloys thereof. Examples of the metal that is the main component of the metal / metal oxide composite layer include copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium (Ir), rhodium (Rh), and zirconium (Zr). ), Palladium (Pd), tin (Sn), combinations thereof, and alloys thereof. A solid electrolyte layer through which oxygen ions selectively pass is formed on the metal oxide layer of the conductive current collector. The solid electrolyte layer may be formed by a known method such as plasma spray coating, deposition by active sputtering, spin coating, or pressing. Can be used. The oxygen ion conductive solid electrolyte includes a main component selected from the group consisting of zirconium (Zr) oxide, thorium (Th) oxide, bismuth (Bi) oxide and cerium (Ce) oxide, yttrium (Y) oxide, magnesium (Mg) oxide, One or more dopants selected from the group consisting of calcium (Ca) oxide, scandium (Sc) oxide, erbium (Er) oxide and samarium (Sm) oxide.

상기 pH 측정시스템의 고온 기준전극의 예로는 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금/수소(Pt/H2) 전극, 팔라듐/수소(Pd-H) 전극이 있다. 은/염화은 전극의 경우, 고온 환원 환경에서 흔히 발생하는 염화은의 열 가수분해 현상으로 인해 수명이 떨어지기 때문에 외부 기준전극 방식을 취하는 것이 바람직하다.Examples of the high temperature reference electrode of the pH measurement system include silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrodes, platinum / hydrogen (Pt / H 2 ) electrodes, and palladium / hydrogen (Pd-H) electrodes. In the case of the silver / silver chloride electrode, it is preferable to take an external reference electrode method because the life is shortened due to the thermal hydrolysis of silver chloride, which is commonly occurring in a high temperature reducing environment.

상기 pH 측정시스템의 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압은 적절한 일렉트로메터를 사용하여 측정한다. 센서전극의 전류량이 매우 작기 때문에 이보다 많은 전류가 일렉트로메터 쪽으로 흐르게 되면 센서전극의 평형반응을 훼손하기 되어 측정된 전위는 용액의 pH를 정확하게 반영하지 못하게 된다. 이러한 이유에서 일렉트로메터 쪽으로 전류가 거의 흐르지 않도록 인풋 임피던스(input impedance)가 큰 일렉트로메터를 사용해야 한다. 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압을 측정하는 일렉트로메터의 인풋 임피던스는 높을수록 바람직하며, 적어도 108 ohm 이상은 되어야 한다. 일반적으로 1012 ohm 이상의 높은 인풋 임피던스를 가진 일렉트로메터를 사용하는 것이 바람직하다.The voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode of the pH measurement system is measured using a suitable electrometer. Since the current amount of the sensor electrode is very small, if more current flows toward the electrometer, the equilibrium reaction of the sensor electrode is impaired, and the measured potential does not accurately reflect the pH of the solution. For this reason, an electrometer with a large input impedance should be used so that little current flows toward the electrometer. The higher the input impedance of the electrometer, which measures the voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode, is preferred, and should be at least 10 8 ohms or more. In general, it is desirable to use an electrometer with a high input impedance of more than 10 12 ohms.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소이온 센서전극에서는 도전성 집전 체, 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)이 순차적으로 입혀져 구성되고, 상기 금속/금속산화물 복합체 층은 금속산화물이 금속의 표면에 도포되는 형태로 존재하는 금속/금속산화물 일체형 복합체를 사용함으로, 전자 전달이 원활하고 임피던스가 낯아 전극반응 속도가 향상됨으로, 고온 수용액의 넓은 온도 범위, 특히 상대적으로 낮은 온도에서도 정확한 pH 측정이 가능하고, 상기한 도전성 집전체 위에 금속/금속산화물 복합체 층이, 그 위에 산소이온 전도성 고체 전해질 층이 순차적으로 입혀져 구성되므로 전극의 사이즈를 줄여 미세공간에서도 활용할 수 있으며, 또한 제작 단가가 저렴하다.In the hydrogen ion sensor electrode according to the present invention constituted as described above, a conductive current collector, a metal / metal oxide composite layer and an oxygen ion conductive solid electrolyte layer are sequentially coated, and the metal / metal oxide composite The layer uses a metal / metal oxide integrated composite in which the metal oxide is applied to the surface of the metal, and thus, the electron reaction is smooth and the impedance is low, thereby improving the electrode reaction rate. Accurate pH can be measured at low temperature, and the metal / metal oxide composite layer is sequentially coated on the conductive current collector, and the oxygen ion conductive solid electrolyte layer is sequentially coated on the conductive current collector, so that the size of the electrode can be reduced and utilized in microcavity. In addition, the production cost is low.

이하 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 보다 자세히 설명한다. 아래의 실시예는 다만 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아님은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. The following examples are merely presented to aid the understanding of the present invention, of course, the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1><Example 1>

온도가 150℃로 일정하게 유지되는 오븐에 Ni 와이어(일본 Nilaco 사, 순도 = 99.99%, 직경 = 1.0 mm)를 넣고 20시간 이상 동안 산소분위기 하에서 Ni 와이어 표면을 부분적으로 산화시켰다. 산화처리된 Ni 와이어의 표면 코팅막을 YSZ(yttria-stabilized zirconia, yttria = 8.5 wt%) 분말로부터 플라즈마 스프레이 코팅법(plasma spray coating)을 사용하여 형성하였다. 상기 전극을 고정 및 보호하기 위하여 적절하게 고안된 스테인레스 몸체(body)에 장전하였다.Ni wire (Nilaco, Japan, purity = 99.99%, diameter = 1.0 mm) was put in an oven where the temperature was kept constant at 150 ° C, and the surface of the Ni wire was partially oxidized under an oxygen atmosphere for at least 20 hours. The surface coating film of the oxidized Ni wire was formed from YSZ (yttria-stabilized zirconia, yttria = 8.5 wt%) powder using plasma spray coating. The electrode was loaded in a properly designed stainless body to secure and protect the electrode.

<실시예 2><Example 2>

테스트 용액으로 0.01M B(OH)3 수용액을 사용하였다. 이 용액을 고온 고압의 오토클레이브(autoclave)에 넣고 10 시간 이상 동안 아르곤 가스 퍼지(purging)를 실시하여 용액에 녹아 있는 CO2와 산소를 완전히 제거하였다. 이 오토클레이브에 실시예 1에 따라 제작된 수소이온 센서전극과 외부 Ag/AgCl 기준전극을 장전하였다. 140, 180, 220 및 260℃의 네 온도 조건에서 수소이온 센서전극의 전위를 측정한 후 네른스트 식을 이용하여 테스트 용액의 pH를 계산하였다. 수소이온 센서전극과 기준전극 사이의 전압은 Keithley 602 electrometer(인풋 임피던스 = 1014 ohm)를 사용하여 측정하였다. 측정된 pH 결과는 도 2에 나타내었다. 특히 180℃에서는 전기화학적 임피던스를 분석하였다. 주파수 범위는 100 kHz ~ 10 mHz 였고, AC 진폭(amplitude)는 50 mV 였다. 임피던스 분석 결과는 도 3에 나타내었다.A 0.01 MB (OH) 3 aqueous solution was used as the test solution. The solution was placed in an autoclave of high temperature and high pressure, and argon gas purging was performed for 10 hours or more to completely remove the dissolved CO 2 and oxygen in the solution. The autoclave was loaded with a hydrogen ion sensor electrode prepared according to Example 1 and an external Ag / AgCl reference electrode. After measuring the potential of the hydrogen ion sensor electrode at four temperature conditions of 140, 180, 220 and 260 ℃, the pH of the test solution was calculated using the Nernst equation. The voltage between the hydrogen ion sensor electrode and the reference electrode was measured using a Keithley 602 electrometer (input impedance = 10 14 ohm). The measured pH results are shown in FIG. 2. In particular, the electrochemical impedance was analyzed at 180 ° C. The frequency range was 100 kHz to 10 mHz and the AC amplitude was 50 mV. The impedance analysis results are shown in FIG. 3.

<실시예 3><Example 3>

백금 와이어(한국 희성금속, 순도 = 99.99%, 직경 = 1.0 mm)에 진공증착법으로 구리(Cu)를 10 um 이상 입혔다. 구리가 입혀진 백금선을 온도가 150℃로 일정하게 유지되는 오븐에 넣고 10시간 이상 동안 산소분위기 하에서 표면의 구리를 부분적으로 산화시켰다. 상기 표면처리된 백금 와이어의 표면 코팅막을 YSZ(yttria-stabilized zirconia, yttria = 8.5 wt%) 분말로부터 플라즈마 스프레이 코팅법(plasma spray coating)을 사용하여 형성하였다. 상기 전극을 고정 및 보호하기 위하여 적절하게 고안된 스테인레스 몸체(body)에 장전하였다.Copper (Cu) was coated on the platinum wire (Korean Heesung Metal, purity = 99.99%, diameter = 1.0 mm) by vacuum evaporation method over 10 um. The copper coated platinum wire was placed in an oven where the temperature was kept constant at 150 ° C., and the surface copper was partially oxidized under an oxygen atmosphere for at least 10 hours. The surface coating film of the surface-treated platinum wire was formed from YSZ (yttria-stabilized zirconia, yttria = 8.5 wt%) powder using plasma spray coating. The electrode was loaded in a properly designed stainless body to secure and protect the electrode.

<비교예 1>Comparative Example 1

전극반응 물질로 NiO로 표면처리된 Ni 분말 대신 Ni(Alfa 사, 순도 = 99.99%, 입도 = 5 um)과 NiO(Aldrich 사, 순도 = 99.99%, 입도 = 10 um)의 혼합 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 하여 수소이온 센서전극을 제조하였다. Ni 분말과 NiO 분말은 YSZ 튜브 내로 넣기 전에 1 대 1의 무게비로 혼합기를 이용하여 고르게 혼합하였다.Except for using NiO (Alfa, Purity = 99.99%, Particle Size = 5 um) and NiO (Aldrich, Purity = 99.99%, Particle Size = 10 um) instead of NiO surface treated with NiO In the same manner as in Example 1 to prepare a hydrogen ion sensor electrode. Ni powder and NiO powder were mixed evenly using a mixer at a weight ratio of 1 to 1 before entering into the YSZ tube.

<비교예 2>Comparative Example 2

비교예 1에서 제조된 센서전극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건과 방법으로 pH 및 임피던스를 측정하여, 그 결과를 도 2 및 도 4에 각각 나타내었다.Except for using the sensor electrode prepared in Comparative Example 1 and the pH and impedance were measured in the same conditions and methods as in Example 2, the results are shown in Figure 2 and 4, respectively.

도 2를 살펴보면 180 ~ 260℃ 온도 범위에서는 실시예 2 및 비교예 2에서 측정된 pH값 모두 실제 pH 값과 거의 유사하다. 하지만 140℃에서는 실시예 2의 경우 실제 pH와 큰 차이가 없지만 비교예 2에서는 큰 오차가 발생함을 알 수 있다. 또한, 180℃에서 측정된 도 3과 도 4의 임피던스 결과를 살펴보면 본 발명의 일체형 수소 이온 센서전극의 임피던스가 종래의 전극보다 훨씬 낮은 임피던스를 보이는 것을 확인할 수 있다. 2, the pH value measured in Example 2 and Comparative Example 2 is almost similar to the actual pH value in the 180 ~ 260 ℃ temperature range. However, at 140 ° C., in Example 2, there is no significant difference from the actual pH, but in Comparative Example 2, it can be seen that a large error occurs. In addition, looking at the impedance results of FIGS. 3 and 4 measured at 180 ° C., it can be seen that the impedance of the integrated hydrogen ion sensor electrode of the present invention shows much lower impedance than the conventional electrode.

이 결과는 종래의 단순 금속/금속산화물 혼합물을 사용한 경우 센서전극의 140℃ 정도의 낮은 온도에서는 임피던스가 커서 오차가 발생하고 따라서 고온 수용액의 비교적 낮은 온도 영역에서는 적절하게 사용할 수 없지만 본 발명에 따른 수소전극의 경우는 140℃ 정도의 낮은 온도에서도 오차가 발생하지 않고 따라서 고온 수용액의 비교적 낮은 온도 영역을 포함하는 전 영역에서 바람직하게 사용될 수 있다.This result shows that when the conventional simple metal / metal oxide mixture is used, the impedance is large at the low temperature of about 140 ° C. of the sensor electrode, and thus an error occurs. Therefore, hydrogen according to the present invention cannot be used properly in the relatively low temperature region of the high temperature aqueous solution. In the case of the electrode, no error occurs even at a low temperature of about 140 ° C., and therefore, the electrode can be preferably used in the whole region including the relatively low temperature region of the high temperature aqueous solution.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소이온 센서전극은 전자 전달이 원활하고 임피던스가 낯아 전극반응 속도가 향상됨으로, 고온 수용액의 넓은 온도 범위, 특히 상대적으로 낮은 온도에서도 정확한 pH 측정이 가능하고, 전극의 사이즈를 줄여 미세공간에서도 활용할 수 있으며, 또한 제작 단가가 저렴하다.Hydrogen ion sensor electrode according to the present invention is configured as described above because the electron transfer is smooth and the impedance is poor, the electrode reaction rate is improved, it is possible to measure the accurate pH even in a wide temperature range of the high temperature aqueous solution, especially at a relatively low temperature, the electrode It can be used in the micro space by reducing the size of the product, and the production cost is low.

Claims (16)

수소이온 센서 전극에 있어서, 상기 수소이온 센서 전극은 도전성 집전체(current collector), 적어도 하나 이상의 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 적어도 하나 이상의 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)을 포함하고, 여기서 상기 금속/금속산화물 복합체 층은 상기 도전성 집전체 위에 존재하고, 그 위에 고체 전해질 층이 위치는 것을 특징으로 수소이온 센서 전극.In the hydrogen ion sensor electrode, the hydrogen ion sensor electrode comprises a conductive current collector, at least one metal / metal oxide composite layer and at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer, Wherein the metal / metal oxide composite layer is on the conductive current collector, wherein a solid electrolyte layer is positioned thereon. 제 1항에 있어서, 상기 도전성 집전체는 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들로 표면 처리된 금속, 이들의 조합 또는 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극. The method of claim 1, wherein the conductive current collector is copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti), iridium (Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin (Sn), a hydrogen ion sensor electrode, characterized in that at least one selected from the group consisting of metals surface-treated with these, combinations thereof or alloys thereof. 제 1항에 있어서, 상기 금속/금속산화물 복합체 층(layer)의 금속은 상기 도전성 집전체와 화학적으로 동일하거나, 구리, 철, 은, 백금, 금, 니켈, 코발트, 아연, 텅스텐, 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이들의 조합 또는 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극. The method of claim 1, wherein the metal of the metal / metal oxide composite layer is chemically the same as the conductive current collector, or copper, iron, silver, platinum, gold, nickel, cobalt, zinc, tungsten, titanium (Ti). ), Iridium (Ir), rhodium (Rh), zirconium (Zr), palladium (Pd), tin (Sn), hydrogen ion sensor electrode, characterized in that at least one selected from the group consisting of a combination or alloys thereof. 제 1항에 있어서, 상기 금속/금속산화물 복합체 층(layer)의 금속산화물은 구리 산화물, 철 산화물, 은 산화물, 백금 산화물, 금 산화물, 니켈 산화물, 코발트 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 주석(Sn) 산화물 및 알루미늄의 산화물 또는 이들 산화물의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극. The metal oxide of claim 1, wherein the metal oxide of the metal / metal oxide composite layer is copper oxide, iron oxide, silver oxide, platinum oxide, gold oxide, nickel oxide, cobalt oxide, zinc oxide, tungsten oxide, titanium (Ti). ) Hydrogen, iridium (Ir) oxide, rhodium (Rh) oxide, zirconium (Zr) oxide, tin (Sn) oxide and an oxide of aluminum or a hydrogen ion sensor electrode characterized in that at least one selected from the group consisting of a mixture of these oxides. . 제 1항에 있어서, 상기 도전성 집전체 위에 위치한 금속/금속산화물 복합체 층(layer)의 두께는 0.001 내지 500 um임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극. The hydrogen ion sensor electrode of claim 1, wherein a thickness of the metal / metal oxide composite layer on the conductive current collector is 0.001 to 500 um. 제 5항에 있어서, 상기 도전성 집전체 위에 위치한 금속/금속산화물 복합체 층(layer)의 두께는 0.01 내지 100 um임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극. 6. The hydrogen ion sensor electrode as claimed in claim 5, wherein the metal / metal oxide composite layer on the conductive current collector has a thickness of 0.01 to 100 um. 제 1항에 있어서, 상기 산소이온 전도성 고체전해질은 지르코늄(Zr) 산화물, 토륨(Th) 산화물, 비스무쓰(Bi) 산화물 및 세륨(Ce) 산화물로 이루어진 군에서 선 택된 주성분과 이트륨(Y) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 칼슘(Ca) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 어븀(Er) 산화물 및 사마륨(Sm) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제(dopant)로 구성됨을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극.2. The yttrium oxide of claim 1, wherein the oxygen ion conductive solid electrolyte is selected from a group consisting of zirconium (Zr) oxide, thorium (Th) oxide, bismuth (Bi) oxide, and cerium (Ce) oxide. Hydrogen ion sensor comprising one or more dopants selected from the group consisting of magnesium (Mg) oxide, calcium (Ca) oxide, scandium (Sc) oxide, erbium (Er) oxide and samarium (Sm) oxide electrode. 제 7항에 있어서, 상기 첨가제의 양은 3 내지 20 중량%임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극.8. The hydrogen ion sensor electrode according to claim 7, wherein the amount of the additive is 3 to 20% by weight. 제 8항에 있어서, 상기 첨가제의 양은 5 내지 15 중량%임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극.9. The hydrogen ion sensor electrode according to claim 8, wherein the amount of the additive is 5 to 15% by weight. 제 1항에 있어서, 상기 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 위에 위치한 고체전해질 층의 두께는 0.01 내지 100 um임을 특징으로 하는 수소이온 센서 전극. The hydrogen ion sensor electrode of claim 1, wherein a thickness of the solid electrolyte layer positioned on the metal / metal oxide composite layer is 0.01 to 100 um. i) 도전성 집전체(current collector), 적어도 하나 이상의 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 및 적어도 하나 이상의 산소이온 전도성 고체 전해질 층(layer)을 포함하는 수소이온 센서 전극; i) a hydrogen ion sensor electrode comprising a conductive current collector, at least one metal / metal oxide composite layer and at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer; ii) 고온 기준전극; 및 ii) high temperature reference electrode; And iii) 높은 인풋 임피던스(input impedance)를 가진 전압 측정 장치(electrometer)를 포함함을 특징으로 하는 pH 측정시스템.iii) a pH measurement system, comprising a voltage meter with a high input impedance. 제 11항에 있어서, 상기 고온 기준전극은 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금/수소(Pt/H2) 전극, 팔라듐/수소(Pd-H) 전극 중 하나임을 특징으로 하는 pH 측정시스템.The pH measuring system of claim 11, wherein the high temperature reference electrode is one of a silver / silver chloride (Ag / AgCl) electrode, a platinum / hydrogen (Pt / H 2 ) electrode, and a palladium / hydrogen (Pd-H) electrode. . 제 11항에 있어서, 상기 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압을 측정하는 일렉트로메터(electrometer)의 인풋 임피던스는 108 ohm 이상임을 특징으로 하는 pH 측정시스템.12. The pH measurement system of claim 11, wherein an input impedance of an electrometer for measuring the voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode is 10 8 ohm or more. 제 13항에 있어서, 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압을 측정하는 일렉트로메터(electrometer)의 인풋 임피던스는 1010 ohm 이상임을 특징으로 하는 pH 측정시스템.The pH measurement system of claim 13, wherein an input impedance of an electrometer for measuring the voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode is 10 10 ohm or more. 제 14항에 있어서, 수소이온 센서와 기준전극 사이의 전압을 측정하는 일렉트로메터(electrometer)의 인풋 임피던스는 1012 ohm 이상임을 특징으로 하는 pH 측정시스템.15. The pH measurement system of claim 14, wherein an input impedance of an electrometer for measuring the voltage between the hydrogen ion sensor and the reference electrode is 10 12 ohm or more. 제 11항에 있어서, 상기 수소이온 센서 전극의 금속/금속산화물 복합체 층(layer) 위에 위치한 고체전해질 층의 두께는 0.01 내지 100 um임을 특징으로 하는 pH 측정시스템. 12. The pH measurement system of claim 11, wherein the thickness of the solid electrolyte layer positioned on the metal / metal oxide composite layer of the hydrogen ion sensor electrode is 0.01 to 100 um.
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