KR20210020472A - Electrochemical sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예들은, 전기화학 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 복수의 고체 전해질(solid electrolyte)을 사용하여 다양한 종류의 기체를 선택적으로 검출할 수 있는 전기화학 센서에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to an electrochemical sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an electrochemical sensor capable of selectively detecting various types of gases using a plurality of solid electrolytes.
기체 센서는 특정 종류의 기체의 농도 또는 존재를 검출하는 장치로, 기체 중에 함유된 특정 화학 물질을 검지하여, 그 농도를 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 예를 들면 기체 센서는, 생활안전의 보호를 위하여, CO2, NO, NOx, SO2 등과 같은 유해 가스를 감지하기 위하여 이용된다. The gas sensor is a device that detects the concentration or presence of a specific type of gas, and may detect a specific chemical substance contained in the gas, convert the concentration into an electrical signal, and output it. For example, gas sensors are used to detect harmful gases such as CO 2 , NO, NO x , and SO 2 for protection of life safety.
기체 센서는 예를 들면, 전기화학 반응을 이용하는 전기화학 센서를 포함할 수 있다. 전기화학 센서는 크기가 작고 구동을 위해 요구되는 전력이 작으며, 우수한 선형성과 반복성을 가질 수 있다. 또한, 반도체식이나 유전체식 등 다른 방식의 기체 센서보다 선택성(selectivity)이 우수하고, 작동 원리가 간단하며, 측정시간이 짧은 장점이 있다. The gas sensor may include, for example, an electrochemical sensor using an electrochemical reaction. The electrochemical sensor has a small size, small power required for driving, and can have excellent linearity and repeatability. In addition, there are advantages of superior selectivity, simple operation principle, and short measurement time than other gas sensors such as semiconductor type or dielectric type.
전기화학 센서는 예를 들면, 전극의 작용에 의해 검출 대상 가스가 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 발생하는 전자의 양(즉, 전류)를 측정함으로써, 가스의 농도를 검지할 수 있다. 전기화학 센서에는, 예를 들면, 전극들 사이에서 이온 전도성(ion conductivity)을 가지는 고체 전해질(solid electrolyte)이 사용될 수 있다. The electrochemical sensor can detect the concentration of the gas by, for example, measuring the amount of electrons (ie, current) generated when the detection target gas undergoes an oxidation or reduction reaction by the action of an electrode. In the electrochemical sensor, for example, a solid electrolyte having ionic conductivity between electrodes can be used.
이러한 전기화학 기체 센서는, 전해질의 종류나 전극의 전위차에 따라, 검출 대상 가스의 선택성에 있어서 제한적일 수밖에 없는 문제점이 있다.Such an electrochemical gas sensor has a problem that is inevitably limited in the selectivity of a detection target gas depending on the type of electrolyte or the potential difference between electrodes.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 복수의 고체 전해질 및 복수의 작업전극을 사용하여, 검출 가스의 선택성을 극대화한 전기화학 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. The present invention has been devised to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electrochemical sensor that maximizes selectivity of a detection gas by using a plurality of solid electrolytes and a plurality of working electrodes. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서는, 전기화학 센서에서 전하가 이동할 수 있는 상대전극; 상기 상대전극 상에, 동일한 층에 나란히 배치된, 제1 고체 전해질과 제2 고체 전해질; 상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 형성된 제1 작업전극; 및 상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 형성되고 상기 제1 작업전극과 구분되는 제2 작업전극;을 포함할 수 있다. An electrochemical sensor according to an embodiment of the present invention includes a counter electrode through which electric charges can move in the electrochemical sensor; A first solid electrolyte and a second solid electrolyte disposed side by side in the same layer on the counter electrode; A first working electrode formed to contact both an upper surface of the first solid electrolyte and an upper surface of the second solid electrolyte; And a second working electrode formed to contact both the upper surface of the first solid electrolyte and the upper surface of the second solid electrolyte and separated from the first working electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학 센서는, 상기 제1 작업전극 상에 형성된 제1 전하 집전체; 및 상기 제2 작업전극 상에 형성된 제2 전하 집전체;를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, the electrochemical sensor includes: a first charge current collector formed on the first working electrode; And a second charge current collector formed on the second working electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전하 집전체는 외부의 제1 회로를 통해 상기 상대전극과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전하 집전체는 상기 제1 회로와 다른, 외부의 제2 회로를 통해 상기 상대전극과 전기적으로 연결될 수 있다. According to an embodiment, the first charge current collector is electrically connected to the counter electrode through an external first circuit, and the second charge current collector is through an external second circuit different from the first circuit. It may be electrically connected to the counter electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이에 가해지는 제1 전위차와, 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이에 가해지는 제2 전위차는 서로 다를 수 있다. According to an embodiment, a first potential difference applied between the first working electrode and the counter electrode and a second potential difference applied between the second working electrode and the counter electrode may be different from each other.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 작업전극 및 상기 제2 작업전극에서는 제1 기체 및 제2 기체를 포함하는 복수의 기체들의 산화 반응이 일어날 수 있고, 상기 제1 전위차는 상기 제1 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차이고, 상기 제2 전위차는, 상기 제2 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차일 수 있다. According to an embodiment, an oxidation reaction of a plurality of gases including a first gas and a second gas may occur in the first working electrode and the second working electrode, and the first potential difference is the oxidation of the first gas. A potential difference at which a reaction is promoted, and the second potential difference may be a potential difference at which an oxidation reaction of the second gas is accelerated.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전위차에 의해 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이에서 측정되는 제1 전류 값 및 상기 제2 전위차에 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이에서 측정되는 제2 전류 값에 기초하여, 복수의 종류의 기체들을 검출할 수 있다. According to an embodiment, a first current value measured between the first working electrode and the counter electrode by the first potential difference and a second electric current value measured between the second working electrode and the counter electrode according to the second potential difference Based on the current value, a plurality of types of gases can be detected.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 기체의 산화 반응에 의한 상기 제1 전류 값과 상기 제1 기체의 산화 반응에 의한 상기 제2 전류 값은 다르고, 상기 제1 전류 값 및 상기 제2 전류 값을 이용하여 상기 제1 기체의 종류를 판별할 수 있다. According to an embodiment, the first current value due to the oxidation reaction of the first gas and the second current value due to the oxidation reaction of the first gas are different, and the first current value and the second current value are By using it, the type of the first gas can be determined.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 고체 전해질은 산화 이온 전도성을 가지고, 상기 제2 고체 전해질은 수소 이온 전도성을 가질 수 있다. According to an embodiment, the first solid electrolyte may have oxide ion conductivity, and the second solid electrolyte may have hydrogen ion conductivity.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 고체 전해질은, 상기 상대전극에서의 물의 전기분해에 의해 생성된 산화 이온을 상기 작업전극으로 공급하여, 상기 작업전극에서의 기체의 산화 반응을 촉진시킬 수 있다. According to an embodiment, the first solid electrolyte may supply oxide ions generated by electrolysis of water at the counter electrode to the working electrode, thereby promoting an oxidation reaction of the gas at the working electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 고체 전해질은, 상기 작업전극에서의 기체의 산화 반응에 의해 생성된 수소 이온을 상기 상대전극으로 이동시켜, 상기 작업전극에서의 상기 산화 반응을 촉진시킬 수 있다. According to an embodiment, the second solid electrolyte may promote the oxidation reaction at the working electrode by moving hydrogen ions generated by an oxidation reaction of gas at the working electrode to the counter electrode.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서의 제조 방법은, 상대전극을 금속 망 형태로 형성하는 단계; 상기 상대전극 상에, 제1 고체 전해질과 제2 고체 전해질을 동일한 층에 나란히 형성하는 단계; 상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 제1 작업전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록, 상기 제1 작업전극과 구분되는 제2 작업전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. A method of manufacturing an electrochemical sensor according to an embodiment of the present invention includes forming a counter electrode in the form of a metal network; Forming a first solid electrolyte and a second solid electrolyte side by side in the same layer on the counter electrode; Forming a first working electrode to contact both an upper surface of the first solid electrolyte and an upper surface of the second solid electrolyte; And forming a second working electrode separated from the first working electrode so as to contact both the upper surface of the first solid electrolyte and the upper surface of the second solid electrolyte.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학 센서의 제조 방법은, 상기 제1 작업전극 상에 제1 전하 집전체를 형성하는 단계; 및 상기 제2 작업전극 상에 제2 전하 집전체를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, a method of manufacturing the electrochemical sensor may include forming a first charge current collector on the first working electrode; And forming a second charge current collector on the second working electrode.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 고체 전해질은 산화 이온 전도성을 가지는 물질을 포함하고, 상기 제2 고체 전해질은 수소 이온 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the first solid electrolyte may include a material having oxide ion conductivity, and the second solid electrolyte may include a material having hydrogen ion conductivity.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 고체 전해질은, 바륨으로 도핑된 물질을 사용할 수 있다. According to an embodiment, as the second solid electrolyte, a material doped with barium may be used.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 고체 전해질은, 이트륨(Y) 및 이터븀(Yb) 이온으로 동시 도핑된 바륨 지르코네이트-세레이트(Barium zirconate-cerate)를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the second solid electrolyte may include barium zirconate-cerate, which is simultaneously doped with yttrium (Y) and ytterbium (Yb) ions.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서의 기체 검출 방법은, 상대전극, 상기 상대전극의 상면에 나란히 배치된 제1 고체 전해질과 제2 고체 전해질, 상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 형성된 제1 작업전극과 제2 작업전극을 포함하는 전기화학 센서를 이용하여, 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이의 제1 전류 값을 측정하는 단계; 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이의 제2 전류 값을 측정하는 단계; 및 상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값을 이용하여, 상기 제1 작업전극과 상기 제2 작업전극에서 산화 반응이 일어나는 기체의 종류를 판별하는 단계;를 포함할 수 있다. The gas detection method of an electrochemical sensor according to an embodiment of the present invention includes a counter electrode, a first solid electrolyte and a second solid electrolyte arranged side by side on an upper surface of the counter electrode, and Measuring a first current value between the first working electrode and the counter electrode by using an electrochemical sensor including a first working electrode and a second working electrode formed to all contact the upper surface of the solid electrolyte; Measuring a second current value between the second working electrode and the counter electrode; And determining the type of gas in which an oxidation reaction occurs in the first working electrode and the second working electrode by using the first current value and the second current value.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학 센서의 기체 검출 방법은, 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이에 제1 전위차를 가하고, 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이에 상기 제1 전위차와 다른 제2 전위차를 가하는 단계;를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, in the gas detection method of the electrochemical sensor, a first potential difference is applied between the first working electrode and the counter electrode, and different from the first potential difference between the second working electrode and the counter electrode. The step of applying a second potential difference; may further include.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 작업전극 및 상기 제2 작업전극은, 제1 기체 및 제2 기체를 포함하는 복수의 기체들의 산화반응을 촉진시키고, 상기 제1 전위차는 상기 제1 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차이고, 상기 제2 전위차는, 상기 제2 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차일 수 있다. According to an embodiment, the first working electrode and the second working electrode promote an oxidation reaction of a plurality of gases including a first gas and a second gas, and the first potential difference is the oxidation of the first gas. A potential difference at which a reaction is promoted, and the second potential difference may be a potential difference at which an oxidation reaction of the second gas is accelerated.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 고체 전해질 및 복수의 작업전극을 사용하여, 검출 가스의 선택성을 극대화할 수 있다. According to an embodiment of the present invention made as described above, a plurality of solid electrolytes and a plurality of working electrodes are used to maximize selectivity of the detection gas.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄화수소 기체의 산화 반응을 촉진시켜, 탄화수소 기체의 검출의 선택성을 극대화할 수 있다. In particular, according to an embodiment of the present invention, it is possible to maximize the selectivity of detection of the hydrocarbon gas by promoting the oxidation reaction of the hydrocarbon gas.
물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학 센서(100)를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)의 제조 방법을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)의 제조 방법의 개략적인 흐름도이다.1 is a perspective view schematically showing an
2 is a schematic front view of the
3A to 3D are perspective views schematically showing a method of manufacturing an
4 is a schematic flowchart of a method of manufacturing an
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. Effects and features of the present invention, and a method of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described later in detail together with the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various forms.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and when describing with reference to the drawings, the same or corresponding constituent elements are assigned the same reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. .
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. In the following embodiments, terms such as first and second are used for the purpose of distinguishing one constituent element from other constituent elements rather than a limiting meaning.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In the following examples, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. In the following embodiments, terms such as include or have means that the features or elements described in the specification are present, and do not preclude the possibility of adding one or more other features or elements in advance.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다. In the following embodiments, when a part such as a region, component, part, block, module, etc. is above or on another part, not only the case directly above the other part, but also another region, component, part in the middle thereof. , Blocks, modules, etc. are also included.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In the drawings, components may be exaggerated or reduced in size for convenience of description. For example, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, and the present invention is not necessarily limited to what is shown.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소, 부, 블록, 모듈들 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록, 모듈들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.In the following embodiments, when a region, component, unit, block, module, etc. are connected, not only the case where the region, component, unit, block, module are directly connected, but also the region, component, unit, block, module, etc. Other areas, components, parts, blocks, and modules are interposed between them and indirectly connected.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 전기화학 센서(100)를 개략적으로 도시한 정면도이다. 1 is a perspective view schematically showing an
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학(electrochemical) 센서(100)는, 상대전극(counter electrode)(10), 제1 고체 전해질(solid electrolyte)(21), 제2 고체 전해질(22), 작업전극(working electrode)(30), 및 전하 집전체(charge collector)(40)를 포함할 수 있다. 1 and 2, an
전기화학 센서(100)에서, 작업전극(30)과 상대전극(10)의 사이에 고체 전해질(21, 22)이 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상대전극(10)의 상부에 고체 전해질(21, 22)이 위치되고, 고체 전해질(21, 22)의 상부에 작업전극(30)이 위치될 수 있다. 작업전극(30)의 상부에는 전하 집전체(40)가 위치될 수 있고, 전하 집전체(40)는 외부의 회로(50)를 통해 상대전극(10)과 연결될 수 있다.In the
상대전극(10), 고체 전해질(21, 22), 작업전극(30), 전하 집전체(40)는 서로 전기적으로 연결될 수 있다.The
작업전극(30)에서는 검출 대상 기체의 전기화학 반응(예: 산화 환원 반응)이 일어날 수 있다. 따라서 작업전극(30)은 센싱 전극(sensing electrode)으로 지칭될 수 있다. 예를 들면, 작업전극(30)에서의 검출 대상 기체의 산화 반응에 의하여 전자(e-)가 발생할 수 있다. 작업전극(30)에 결합된 전하 집전체(40)는, 상기 산화 반응에 의해 발생하는 전자(e-)를 모아서(collect) 외부의 회로(50)를 통해 상대전극(10)으로 흐르도록 할 수 있다. In the working
한편, 전기화학 센서(100)는, 상대전극(10)이 수면(WL)에 접촉하도록 설치될 수 있다. 예를 들면, 기체의 검출이 요구되는 환경에서, 전기화학 센서(100)의 하부에 급수구, 배수구, 수로, 채널(water channel) 등이 지나가도록 설치할 수 있다. 따라서 전기화학 센서(100)의 하면, 즉 상대전극(10)의 하부가 수면(WL)에 접촉할 수 있다. 상대전극(10)에서는 예를 들면, 물의 전기분해(water electrolysis)나 물의 합성과 같은 반응이 일어날 수 있다. 상대전극(10)은 수전극(water electrode)으로 지칭될 수 있다. Meanwhile, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회로(50)는, 작업전극(30)과 상대전극(10) 사이에 전위차(V)를 가할 수 있다. 또는, 회로(50)는 고체 전해질(21, 22)의 상면과 하면 사이에 전위차(V)를 가할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the
고체 전해질(21, 22)은 상기 전위차(V)에 따른 이온 이동도 또는 이온 전도성을 가질 수 있다. 따라서, 작업전극(30)에서의 검출 대상 기체의 산화 환원 반응에 의해 발생하는 이온이 고체 전해질(21, 22)을 통해 흐를 수 있다. 예를 들면, 작업전극(30)에서의 산화 환원 반응에 의해, 산화 이온(O2-) 및/또는 수소 이온(H+)이 고체 전해질(21, 22)을 통해 흐를 수 있다. The
상술한 바와 같이, 작업전극(30)에서의 검출 대상 기체의 산화 환원 반응에 의해 발생된 전자(e-), 산화 이온(O2-), 수소 이온(H+) 등에 의해, 전기화학 센서(100)에 전류가 흐를 수 있다. 이 전류 값의 측정에 의해, 전기화학 센서(100)는 기체를 검출할 수 있다. As described above, by means of electrons (e-), oxide ions (O 2- ), hydrogen ions (H + ), etc. generated by the redox reaction of the gas to be detected in the working
일 실시예에 따르면, 작업전극(30)에서 탄화수소 기체(예: 펜탄(pentane, C5H12))의 산화 반응이 일어나는 경우, 반응물로 산화 이온(O2-)이 소모될 수 있고, 생성물로 전자(e-) 또는 수소 이온(H+)이 생성될 수 있다. 이 때 예를 들어 상대전극(10)에 대하여 작업전극(30)의 전위가 높도록 전위차(V)를 가해준 경우, 전류는 작업전극(30)에서 고체 전해질(21, 22) 층을 통해 상대전극(10)으로 흐르는 방향으로 흐를 수 있다. 또한, 작업전극(30)에서 발생된 전자(e-)는, 작업전극(30)에 결합된 전하 집전체(40)에 의해 집전(collect)되어, 외부의 회로(50)를 통해 상대전극(10)으로 흐를 수 있다. 따라서 예를 들면 작업전극(30)은 애노드(anode), 상대전극(10)은 캐소드(cathode)일 수 있다. According to an embodiment, when an oxidation reaction of a hydrocarbon gas (eg, pentane, C 5 H 12 ) occurs in the working
상술한 바와 같이, 산화 이온(O2-), 수소 이온(H+)의 이동에 의한 전류 값 측정에 의해 검출 대상 기체를 검지할 수 있다. 상기 전류 값은 예를 들면 공급해준 전위차(V)에 따라 달라질 수 있다. 상기 전류 값은, 전위차(V)에 비례하지 않을 수 있으며, 예를 들면, 전위차(V)를 공급하지 않아도(즉, V=0이어도) 검출 대상 기체의 산화 환원 반응에 의해 전류가 흐를 수 있다. As described above, the detection target gas can be detected by measuring a current value by movement of oxide ions (O 2- ) and hydrogen ions (H + ). The current value may vary depending on, for example, a supply potential difference (V). The current value may not be proportional to the potential difference (V), for example, even if the potential difference (V) is not supplied (ie, even if V = 0), the current may flow due to the redox reaction of the detection target gas. .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기체의 종류에 따라 산화 반응이 촉진되는 전위차(V)의 값(또는 범위)이 다를 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전위차(V)에 따라 고체 전해질(21, 22)의 이온 이동도(또는 이온 전도성)는 다른 값을 가지며, 이 값은 미리 실험 등을 통해 제공될 수 있다. 따라서 기체의 종류, 전위차(V), 및 그에 따른 전류 값의 관계는 미리 실험 등을 통해 제공될 수 있을 것이다. According to an embodiment of the present invention, the value (or range) of the potential difference V at which the oxidation reaction is accelerated may be different depending on the type of gas. According to an embodiment, the ionic mobility (or ionic conductivity) of the
따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 특정 전위차(V)를 공급하여 측정된 전류 값 또는, 전위차(V)에 따라 측정된 전류 값의 패턴을 확인하여, 특정 기체의 종류를 검출할 수 있다. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, a specific type of gas can be detected by checking a current value measured by supplying a specific potential difference (V) or a pattern of a current value measured according to the potential difference (V).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 작업전극(30)과 상대전극(10) 사이에 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)을 포함하는 복수의 고체 전해질들이 병렬로 배치될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a plurality of solid electrolytes including the first
일 실시예에 따르면, 제1 고체 전해질(21)과 제2 고체 전해질(22)은 같은 평면 또는 같은 층(layer) 상에서 나란히 배치되며, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)의 일 면(예: 상면)은 작업전극(30)에 접촉하고, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)의 타 면(예: 하면)은 상대전극(10)에 접촉할 수 있다. 예를 들면, 작업전극(30)의 하면의 일부분은 제1 고체 전해질(21)의 상면과 접촉되고 작업전극(30)의 하면의 나머지 일부분은 제2 고체 전해질(22)의 상면과 접촉될 수 있다. 또한 상대전극(10)의 상면의 일부분은 제1 고체 전해질(21)의 하면과 접촉되고 상대전극(10)의 상면의 나머지 일부분은 제2 고체 전해질(22)의 하면과 접촉될 수 있다.According to an embodiment, the first
따라서, 작업전극(30)과 상대전극(10)은, 제1 고체 전해질(21)을 통하는 제1 경로와 제2 고체 전해질(22)을 통하는 제2 경로를 통해, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말하면 제1 고체 전해질(21)을 통해 작업전극(30)과 상대전극(10)이 전기적으로 연결됨과 동시에, 제2 고체 전해질(22)을 통해 작업전극(30)과 상대전극(10)이 전기적으로 연결될 수 있다. Accordingly, the working
제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)은 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 고체 전해질(21)은 산화 이온(O2-) 전도성(conductivity)을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 제2 고체 전해질(22)은, 수소 이온(H+) 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 즉 제1 고체 전해질(21)은 산화 이온(O2-)을 이동시킬 수 있고, 제2 고체 전해질(22)은 수소 이온(H+)을 이동시킬 수 있다. The first
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 고체 전해질(21)은, 상대전극(10)에서의 물의 전기분해에 의해 생성된 산화 이온(O2-)을 작업전극(30)으로 공급함으로써, 작업전극(30)에서의 검출 대상 기체의 산화 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한, 제2 고체 전해질(22)은, 작업전극(30)에서의 검출 대상 기체의 산화 반응에 의해 생성된 수소 이온(H+)을 상대전극(10)으로 이동시킴으로써, 작업전극(30)에서의 상기 산화 반응을 촉진시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)는, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)을 포함하는 복수의 전해질을 사용함으로써, 검출 대상 기체의 선택성(selectivity)을 향상시킬 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the first solid electrolyte 21 works by supplying oxide ions (O 2 - ) generated by electrolysis of water in the
이하에서는, 전기화학 센서(100)에서 펜탄(pentane, C5H12)을 검출하는 경우, 제1 고체 전해질(21)을 통하는 제1 경로 및 제2 고체 전해질(22)을 통하는 제2 경로에 대한, 화학 반응식의 예시를 기술한다. Hereinafter, when the
먼저, 제1 고체 전해질(21)을 통하는 제1 경로에 대하여는, 상대전극(10)에서는 이하와 같은 물의 전기분해가 일어날 수 있다. First, with respect to the first path through the first
H2O + 2e- → H2 + O2- H 2 O + 2e - → H 2 + O 2-
상대전극(10)에서 발생한 산화 이온(O2-)은, 제1 고체 전해질(21)을 통해 작업전극(30)에게 공급되어, 작업전극(30)에서의 이하와 같은 펜탄의 산화탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응을 촉진시킬 수 있다. Oxide ions (O2- ) generated in the
C5H12 + O2- → C5H10 + H2O + 2e- C 5 H 12 + O 2- → C 5
작업전극(30)에서 발생한 전자(e-)는, 전하 집전체(40)에 의해 집전(collect)되어, 외부의 회로(50)를 통해 상대전극(10)으로 흐를 수 있다. Electrons e- generated in the working
다음으로, 제2 고체 전해질(22)을 통하는 제2 경로에 대하여, 작업전극(30)에서는 이하와 같은 펜탄의 산화탈수소화 반응이 일어날 수 있다. Next, with respect to the second path through the second
C5H12 → C5H10 + 2H+ + 2e- C 5 H 12 → C 5 H 10 + 2H + + 2e -
작업전극(30)에서 발생한 전자(e-)는, 전하 집전체(40)에 의해 집전(collect)되어, 외부의 회로(50)를 통해 상대전극(10)으로 흐를 수 있다. 작업전극(30)에서 발생한 수소 이온(H+)은, 제2 고체 전해질(22)을 통해 상대전극(10)에게 공급되어, 작업전극(30)에서의 상기 펜탄의 산화탈수소화 반응을 촉진시킬 수 있다. 상대전극(10)에게 공급된 수소 이온(H+)은, 상대전극(10)에서 이하와 같은 물의 합성의 반응물로 이용될 수 있다. Electrons e- generated in the working
2H+ + 2e- + 1/2 O2- → H2O 2H + + 2e - + 1/2 O 2- → H 2 O
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 작업전극(30)과 상대전극(10) 사이에 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)을 포함하는 복수의 고체 전해질을 사용하여, 작업전극(30)에서의 산화 환원 반응을 촉진시킬 수 있고, 검출 대상 기체의 선택성을 극대화할 수 있는 효과가 있다. Therefore, according to an embodiment of the present invention, using a plurality of solid electrolytes including the first
한편 전술한 바와 같은 제1 고체 전해질(21)의 산화 이온 전도성(또는 이동도)은, 제1 고체 전해질(21)의 상면과 하면 사이의 전위차(V)에 따라 달라질 수 있으며, 제2 고체 전해질(22)의 수소 이온 전도성도 제2 고체 전해질(22)의 상면과 하면 사이에 전위차(V)에 따라 달라질 수 있다. 상기 전위차(V)에 따른 산화 이온 전도성 및 수소 이온 전도성은 미리 실험을 통해 측정될 수 있다. 상기 산화 이온 전도성 및 수소 이온 전도성이 높을수록, 작업전극(30)에서의 기체의 산화 반응이 촉진될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 기체의 종류마다, 산화 반응이 촉진되는 전위차(V)의 값(또는 범위)은 다를 수 있다. 기체의 종류마다 산화 반응을 촉진시키는(예를 들면 전류 값이 커지는) 전위차(V)는, 미리 측정을 통해 알고 있을 수 있다. Meanwhile, the oxidation ion conductivity (or mobility) of the first
한편 본 발명은 상술한 예시에 한정되지 않으며, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22) 외에, 검출 대상 기체의 선택성을 향상시키기 위하여, 작업전극(30)에서의 산화 환원 반응을 촉진시킬 수 있는 다른 고체 전해질을 더 포함할 수도 있을 것이다. 예를 들면, 세 종류 이상의 복수의 고체 전해질들이, 작업전극(30)과 상대전극(10) 사이에 병렬로 배치되어, 산화 이온(O2-) 및 수소 이온(H+)의 이동도를 향상시킬 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 복수의 고체 전해질들은 같은 층(layer)(즉, 작업전극(30)과 상대전극(10) 사이의 층) 상에서 나란히 배치되며, 복수의 고체 전해질들의 일 면(예: 상면)은 작업전극(30)에 접촉하고, 복수의 고체 전해질들의 타 면(예: 하면)은 상대전극(10)에 접촉할 수 있을 것이다. Meanwhile, the present invention is not limited to the above-described examples, and in addition to the first
작업전극(30)은, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)에 모두 접촉하도록, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)의 상부에 배치될 수 있다. 만약 전기화학 센서(100)가 세 종류 이상의 복수의 고체 전해질들을 포함하는 경우, 작업전극(30)은 상기 복수의 고체 전해질들에 모두 접촉하도록 배치될 수 있다. The working
작업전극(30)에서는, 전위차(V)에 따라, 검출 대상 기체의 전기화학 반응(예: 산화 환원 반응)이 일어날 수 있다. 예를 들면, 작업전극(30)은, 검출 대상 기체의 산화 반응을 촉진시킬 수 있는, 촉매 작용을 할 수 있다. In the working
작업전극(30)은, 제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)을 포함하는 복수의 작업전극들로 이루어질 수 있다. 상기 복수의 작업전극들은 각각 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)에 모두 접촉하도록, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)의 상부에 배치될 수 있다. The working
복수의 작업전극들에는 각각 전하 집전체가 결합될 수 있다. 도 1을 참조하면, 제1 작업전극(31)의 상부에는 제1 전하 집전체(41)가 부착될 수 있고, 제2 작업전극(32)의 상부에는 제2 전하 집전체(42)가 부착될 수 있다. A charge current collector may be coupled to each of the plurality of working electrodes. Referring to FIG. 1, a
제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)에는, 상대전극(10)을 기준으로 각각 다른 전위차가 인가될 수 있다. 예를 들어, 제1 작업전극(31)과 상대전극(10) 사이에는 제1 전위차가 인가될 수 있고, 제2 작업전극(32)과 상대전극(10) 사이에는, 제1 전위차와 다른 제2 전위차가 인가될 수 있다. Different potential differences may be applied to the first working
제1 전위차와 제2 전위차는, 복수의 검출 대상 기체들의 종류에 따라, 산화 반응이 일어나기 쉬운 전위차들로 각각 설정할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 기체의 종류마다, 산화 반응이 촉진되는 전위차(V)의 값(또는 범위)은 다를 수 있다. 기체의 종류마다 산화 반응을 촉진시키는(예를 들면 전류 값이 커지는) 전위차(V)는, 미리 측정을 통해 알고 있을 수 있다. The first potential difference and the second potential difference may be set as potential differences in which oxidation reactions are likely to occur, respectively, according to the types of the plurality of detection target gases. That is, as described above, the value (or range) of the potential difference V at which the oxidation reaction is accelerated may be different for each type of gas. The potential difference (V) for accelerating the oxidation reaction for each gas type (for example, increasing the current value) can be known through measurement in advance.
따라서, 일 예를 들면, 제1 작업전극(31)에는 제1 기체의 산화 반응이 촉진되는 제1 전위차를 공급하고, 제2 작업전극(32)에는 제1 기체와 다른 제2 기체의 산화 반응이 촉진되는 제2 전위차를 공급할 수 있다. Thus, for example, a first potential difference is supplied to the first working
한편 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 센서(100)가, 제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32) 외에 세 개 이상의 작업전극들로 구성될 수 있음은 물론이다. 각각의 작업전극들에 인가되는 전위차는, 복수의 검출 대상 기체들의 산화 반응이 촉진되는 전위차들로 각각 설정할 수 있을 것이다. Meanwhile, it goes without saying that the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 작업전극(31)과 상대전극(10)을 연결하는 제1 회로와, 제2 작업전극(32)과 상대전극(10)을 연결하는 제2 회로가 서로 구분될 수 있다. 예를 들면 상기 제1 회로와 제2 회로는 서로 독립될 수 있다. 따라서, 제1 회로에서의 제1 전위차에 의한 전류 값과, 제2 회로에서의 제2 전위차에 의한 전류 값이, 서로 독립적으로 측정될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a first circuit connecting the first working
전술한 바와 같이, 전위차에 따라, 특정 기체의 산화 반응의 정도가 달라질 수 있고, 따라서 그 결과 측정되는 전류 값이 달라질 수 있다. 또한, 여러 종류의 기체마다, 상기 전위차에 따른 산화 반응의 정도(또는 전류 값의 패턴)가 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 작업전극들(31, 32) 각각에서 측정되는 전류 값의 패턴을 이용하여, 검출된 기체의 종류를 확인할 수 있다. As described above, depending on the potential difference, the degree of the oxidation reaction of the specific gas may vary, and thus the measured current value may vary. In addition, for each type of gas, the degree of oxidation (or current value pattern) according to the potential difference may vary. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the type of the detected gas can be identified by using a pattern of current values measured by each of the plurality of working
다시 말하면, 제1 작업전극(31)에서 제1 전위차에 따라 측정되는 전류 값과 제2 작업전극(32)에서 제2 전위차에 따라 측정되는 전류 값을 이용하여, 검출 대상 기체의 종류를 확인할 수 있다. In other words, by using the current value measured according to the first potential difference at the first working
이와 같이, 복수의 고체 전해질(21, 22)뿐만 아니라 복수의 작업전극들(31, 32)을 이용함으로써 기체의 선택성을 더욱 극대화 할 수 있다. In this way, it is possible to further maximize gas selectivity by using not only the plurality of
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)의 제조 방법을 개략적으로 도시한 사시도이다. 3A to 3D are perspective views schematically showing a method of manufacturing an
도 3a를 참조하면, 먼저 상대전극(10)을, 얇은 금속 망(metal mesh) 또는 금속 박막(metal foil)의 형태로 형성할 수 있다. 상대전극(10)은, 니켈(Ni) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3A, first, the
도 3b를 참조하면, 상기 금속 망 또는 금속 박막 위에, 얇은 고체 전해질(solid electrolyte)(21, 22) 층을 형성할 수 있다. 고체 전해질(21, 22) 층은, 닥터 블레이드 기술(Doctor Blade techniqhe)로 형성될 수 있으며, 수십 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3B, a thin
고체 전해질(21, 22)은, 동일한 층(layer)에 서로 다른 물질인 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22)이 나란히 위치하도록, 형성될 수 있다. The
제1 고체 전해질(21)은 산화 이온(O2-) 전도성(conductivity)을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 제2 고체 전해질(22)은, 수소 이온(H+) 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.The first
일 실시예에 따르면, 제1 고체 전해질(21)은, 이트륨 안정화 지르코니아(Yittrium Stabilized Zirconia, YSZ), 가돌리늄(Gd)으로 도핑된 CeO2, 이트륨(Y)으로 도핑된 Bi2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면 제1 고체 전해질(21)은, 상기 물질들 중에서 선택된 하나의 물질로 구성될 수 있다. According to an embodiment, the first
일 실시예에 따르면, 제2 고체 전해질(22)에는, BZCYYb(이하에서 설명), BaTbO3, BaCeO3 등과 같은, 바륨(Ba)으로 도핑된 물질을 사용하여, 수소 이온(H+) 전도성을 부여할 수 있다. According to an embodiment, in the second
본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 이온(H+) 전도성을 가지는 BZCYYb은, BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ으로, 이트륨(Y) 및 이터븀(Yb) 이온으로 동시 도핑된 바륨 지르코네이트-세레이트(Barium zirconate-cerate)를 나타낸다. BZCYYb는, 보다 낮은 작동 온도에서 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 산화 이온 전도성 전해질보다 높은 전도성을 나타낼 수 있다. BZCYYb 전해질은, 작동 조건에 따라 양성자 및 산화 이온 빈자리(vacancy) 모두의 운반을 용이하게 할 수 있다. BZCYYb 분말은 Pecini 방법으로 합성할 수 있다. BZCYYb having hydrogen ion (H + ) conductivity according to an embodiment of the present invention is BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ, and barium doped simultaneously with yttrium (Y) and ytterbium (Yb) ions It represents a zirconate-cerate (Barium zirconate-cerate). BZCYYb may exhibit higher conductivity than an oxide ion conductive electrolyte such as yttrium stabilized zirconia (YSZ) at lower operating temperatures. The BZCYYb electrolyte can facilitate the transport of both proton and oxide ion vacancy, depending on the operating conditions. BZCYYb powder can be synthesized by the Pecini method.
도 3c를 참조하면, 상기 고체 전해질(21, 22) 층 위에, 기체의 산화 반응에 촉매로 작용하는 작업전극(30)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 3C, a working
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)을 포함하는 복수의 작업전극들을, 고체 전해질(21, 22) 층 위에 형성할 수 있다. 복수의 작업전극들은, 리소그래피(lithography) 또는 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a plurality of working electrodes including the first working
복수의 작업전극들 각각은, 제1 고체 전해질(21) 및 제2 고체 전해질(22) 에 모두 접촉하도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 작업전극(31)의 일부는 제1 고체 전해질(21) 위에, 나머지 일부는 제2 고체 전해질(22) 위에 배치되도록 형성될 수 있으며, 제2 작업전극(32)의 일부는 제1 고체 전해질(21) 위에, 나머지 일부는 제2 고체 전해질(22) 위에 배치되도록 형성될 수 있다. Each of the plurality of working electrodes may be formed to contact both the first
복수의 작업전극들(31, 32)은, 기체의 산화 반응에 촉매 작용을 하는 물질로 형성될 수 있다. The plurality of working
일 실시예에 따르면, 작업전극(31, 32)의 재료로 금(Au)이 사용될 수 있으며, 금의 안정성을 향상시키기 위해, 금을 NiO 매트릭스에 분산(disperse)시켜, 응집(agglomeration)과 입자 성장(grain growth)을 방지하며, 원래의 금 입자의 형태를 유지할 수 있다. 예를 들면, 금 및 NiO 분말을 유기 용매에 혼합하여 페이스트(paste)를 획득할 수 있다. 상기 페이스트를 리소그래피 또는 스크린 프린팅하여 고체 전해질(21, 22) 상에 침착(deposit)시킬 수 있다. According to an embodiment, gold (Au) may be used as the material of the working
일 실시예에 따르면, 작업전극(31, 32)의 재료로 Mg2V2O7 및/또는 Mg3V2O8이 사용될 수 있다. 상기 촉매들은, 비교적 낮은 온도에서 알칸의 반응을 활성화시키는 데 적합한 양의 산화 물질들을 제공할 수 있다. 상기 촉매들은, 출발 물질(starting material)로써 Mg(NO3)26H2O 및 NH4VO3를 사용하여, 시트레이트(citrate) 방법으로 제조될 수 있다. 상기 제조된 결과물을 리소그래피 또는 스크린 프린팅할 수 있다. According to an embodiment, Mg 2 V 2 O 7 and/or Mg 3 V 2 O 8 may be used as the material of the working
일 실시예에 따르면, 작업전극(31, 32)의 재료로 팔라듐(Pd)이 사용될 수 있다. 다공성(porous) 팔라듐(Pd)은, 탄화수소의 산화 작용에 대해 촉매 작용을 할 수 있다. According to an embodiment, palladium (Pd) may be used as a material of the working
본 발명의 다양한 실시예들에서, 제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)을 포함하는 복수의 작업전극들은, 상술한 재료들 중 선택된 하나로 구성될 수 있다. In various embodiments of the present invention, a plurality of working electrodes including the first working
도 3d를 참조하면, 상기 복수의 작업전극들(31, 32) 위에, 전하 집전체(40)(charge collector) 역할을 하도록, 매우 얇은 전극을 각각 형성한다. 일 실시예에 따르면, 제1 작업전극(31) 상에 제1 전하 집전체(41)를 형성하고, 제2 작업전극(32) 위에 제2 전하 집전체(42)를 형성할 수 있다. Referring to FIG. 3D, very thin electrodes are formed on the plurality of working
전하 집전체(40)는, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 센서(100)의 제조 방법의 개략적인 흐름도이다. 4 is a schematic flowchart of a method of manufacturing an
도 4를 참조하면, S401에서, 상대전극(10)을 금속 망 형태로 형성할 수 있다. 상대전극(10)은, 금속 망(mesh) 형태이자, 얇은 금속 박막 형태로 제조될 수 있다. 상대전극(10)은, 니켈(Ni) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, in S401, the
S402에서, 상대전극(10) 상에, 제1 고체 전해질(21)과 제2 고체 전해질(22)을 동일한 층에 나란히 형성할 수 있다. 고체 전해질(21, 22) 층은, 닥터 블레이드 기술(Doctor Blade technique)로 형성될 수 있으며, 수십 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다. In S402, on the
제1 고체 전해질(21)은 산화 이온(O2-) 전도성을 가질 수 있고, 제2 고체 전해질(22)은, 수소 이온(H+) 전도성을 가질 수 있다. 제1 고체 전해질(21)은, 이트륨 안정화 지르코니아(Yittrium Stabilized Zirconia, YSZ), 가돌리늄(Gd)으로 도핑된 CeO2, 이트륨(Y)으로 도핑된 Bi2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 고체 전해질(22)은, 이트륨(Y) 및 이터븀(Yb) 이온으로 동시 도핑된 바륨 지르코네이트-세레이트(Barium zirconate-cerate) (BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ), BaTbO3, BaCeO3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The first
S403에서, 제1 고체 전해질(21)의 상면과 제2 고체 전해질(22)의 상면에 모두 접촉하도록 제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)을 형성할 수 있으며, 예를 들면 리소그래피(lithography) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 방법으로 형성될 수 있다. 제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)은, 기체의 산화 반응에 촉매 작용을 할 수 있다. In S403, the first working
제1 작업전극(31) 및 제2 작업전극(32)은, NiO 매트릭스에 분산된(dispersed) 금(Au), Mg2V2O7, Mg3V2O8, 다공성(porous) 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The first working
S404에서, 제1 작업전극(31) 상에 제1 전하 집전체(41)를 형성하고, 제2 작업전극(32) 상에 제2 전하 집전체(42)를 형성할 수 있다. 제1 전하 집전체(41) 및 제2 전하 집전체(42)는, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. In S404, a
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to an embodiment shown in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and variations of the embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 전기화학 센서
10: 상대전극
21: 제1 고체 전해질
22: 제2 고체 전해질
30: 작업전극
31: 제1 작업전극
32: 제2 작업전극
40: 전하 집전체
41: 제1 전하 집전체
42: 제2 전하 집전체
50: 회로100: electrochemical sensor
10: counter electrode
21: first solid electrolyte
22: second solid electrolyte
30: working electrode
31: first working electrode
32: second working electrode
40: electric charge collector
41: first charge current collector
42: second charge current collector
50: circuit
Claims (18)
상기 상대전극 상에, 동일한 층에 나란히 배치된, 제1 고체 전해질과 제2 고체 전해질;
상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 형성된 제1 작업전극; 및
상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 형성되고 상기 제1 작업전극과 구분되는 제2 작업전극;을 포함하는, 전기화학 센서. A counter electrode through which electric charges can move in the electrochemical sensor;
A first solid electrolyte and a second solid electrolyte disposed side by side in the same layer on the counter electrode;
A first working electrode formed to contact both an upper surface of the first solid electrolyte and an upper surface of the second solid electrolyte; And
The electrochemical sensor comprising; a second working electrode formed to contact both the upper surface of the first solid electrolyte and the upper surface of the second solid electrolyte and separated from the first working electrode.
상기 제1 작업전극 상에 형성된 제1 전하 집전체; 및
상기 제2 작업전극 상에 형성된 제2 전하 집전체;를 더 포함하는, 전기화학 센서.The method according to claim 1,
A first charge collector formed on the first working electrode; And
The electrochemical sensor further comprising; a second charge collector formed on the second working electrode.
상기 제1 전하 집전체는 외부의 제1 회로를 통해 상기 상대전극과 전기적으로 연결되고,
상기 제2 전하 집전체는 상기 제1 회로와 다른, 외부의 제2 회로를 통해 상기 상대전극과 전기적으로 연결되는, 전기화학 센서. The method according to claim 2,
The first charge current collector is electrically connected to the counter electrode through an external first circuit,
The second charge current collector is electrically connected to the counter electrode through an external second circuit different from the first circuit.
상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이에 가해지는 제1 전위차와, 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이에 가해지는 제2 전위차는 서로 다른, 전기화학 센서. The method according to claim 1,
An electrochemical sensor, wherein a first potential difference applied between the first working electrode and the counter electrode and a second potential difference applied between the second working electrode and the counter electrode are different from each other.
상기 제1 작업전극 및 상기 제2 작업전극에서는 제1 기체 및 제2 기체를 포함하는 복수의 기체들의 산화 반응이 일어날 수 있고,
상기 제1 전위차는 상기 제1 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차이고,
상기 제2 전위차는, 상기 제2 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차인, 전기화학 센서. The method of claim 4,
In the first working electrode and the second working electrode, an oxidation reaction of a plurality of gases including a first gas and a second gas may occur,
The first potential difference is a potential difference at which the oxidation reaction of the first gas is accelerated,
The second potential difference is a potential difference at which an oxidation reaction of the second gas is accelerated, an electrochemical sensor.
상기 제1 전위차에 의해 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이에서 측정되는 제1 전류 값 및 상기 제2 전위차에 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이에서 측정되는 제2 전류 값에 기초하여, 복수의 종류의 기체들을 검출하는, 전기화학 센서. The method of claim 5,
Based on a first current value measured between the first working electrode and the counter electrode by the first potential difference and a second current value measured between the second working electrode and the counter electrode based on the second potential difference, An electrochemical sensor that detects a plurality of types of gases.
상기 제1 기체의 산화 반응에 의한 상기 제1 전류 값과 상기 제1 기체의 산화 반응에 의한 상기 제2 전류 값은 다르고,
상기 제1 전류 값 및 상기 제2 전류 값을 이용하여 상기 제1 기체의 종류를 판별하는, 전기화학 센서. The method of claim 6,
The first current value due to the oxidation reaction of the first gas and the second current value due to the oxidation reaction of the first gas are different,
An electrochemical sensor for determining the type of the first gas using the first current value and the second current value.
상기 제1 고체 전해질은 산화 이온 전도성을 가지고,
상기 제2 고체 전해질은 수소 이온 전도성을 가지는, 전기화학 센서. The method according to claim 1,
The first solid electrolyte has oxide ion conductivity,
The second solid electrolyte has a hydrogen ion conductivity, electrochemical sensor.
상기 제1 고체 전해질은, 상기 상대전극에서의 물의 전기분해에 의해 생성된 산화 이온을 상기 작업전극으로 공급하여, 상기 작업전극에서의 기체의 산화 반응을 촉진시키는, 전기화학 센서. The method of claim 8,
The first solid electrolyte, by supplying oxide ions generated by electrolysis of water at the counter electrode to the working electrode to promote an oxidation reaction of gas at the working electrode.
상기 제2 고체 전해질은, 상기 작업전극에서의 기체의 산화 반응에 의해 생성된 수소 이온을 상기 상대전극으로 이동시켜, 상기 작업전극에서의 상기 산화 반응을 촉진시키는, 전기화학 센서. The method of claim 8,
The second solid electrolyte is an electrochemical sensor that promotes the oxidation reaction at the working electrode by moving hydrogen ions generated by an oxidation reaction of a gas at the working electrode to the counter electrode.
상기 상대전극 상에, 제1 고체 전해질과 제2 고체 전해질을 동일한 층에 나란히 형성하는 단계;
상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록 제1 작업전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 고체 전해질의 상면과 상기 제2 고체 전해질의 상면에 모두 접촉하도록, 상기 제1 작업전극과 구분되는 제2 작업전극을 형성하는 단계;를 포함하는, 전기화학 센서의 제조 방법. Forming a counter electrode in the form of a metal mesh;
Forming a first solid electrolyte and a second solid electrolyte side by side in the same layer on the counter electrode;
Forming a first working electrode to contact both an upper surface of the first solid electrolyte and an upper surface of the second solid electrolyte; And
Forming a second working electrode separated from the first working electrode so as to contact both the upper surface of the first solid electrolyte and the upper surface of the second solid electrolyte; Containing, method of manufacturing an electrochemical sensor.
상기 제1 작업전극 상에 제1 전하 집전체를 형성하는 단계; 및
상기 제2 작업전극 상에 제2 전하 집전체를 형성하는 단계;를 더 포함하는, 전기화학 센서의 제조 방법. The method of claim 11,
Forming a first charge current collector on the first working electrode; And
Forming a second charge collector on the second working electrode; further comprising, the method of manufacturing an electrochemical sensor.
상기 제1 고체 전해질은 산화 이온 전도성을 가지는 물질을 포함하고, 상기 제2 고체 전해질은 수소 이온 전도성을 가지는 물질을 포함하는, 전기화학 센서의 제조 방법. The method of claim 11,
The method of manufacturing an electrochemical sensor, wherein the first solid electrolyte includes a material having oxide ion conductivity, and the second solid electrolyte includes a material having hydrogen ion conductivity.
상기 제2 고체 전해질은, 바륨으로 도핑된 물질을 사용하는, 전기화학 센서의 제조 방법. The method of claim 11,
The second solid electrolyte is a method of manufacturing an electrochemical sensor using a material doped with barium.
상기 제2 고체 전해질은, 이트륨(Y) 및 이터븀(Yb) 이온으로 동시 도핑된 바륨 지르코네이트-세레이트(Barium zirconate-cerate)를 포함하는, 전기화학 센서의 제조 방법. The method of claim 11,
The second solid electrolyte includes barium zirconate-cerate, which is simultaneously doped with yttrium (Y) and ytterbium (Yb) ions.
상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이의 제1 전류 값을 측정하는 단계;
상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이의 제2 전류 값을 측정하는 단계; 및
상기 제1 전류 값과 상기 제2 전류 값을 이용하여, 상기 제1 작업전극과 상기 제2 작업전극에서 산화 반응이 일어나는 기체의 종류를 판별하는 단계;를 포함하는, 전기화학 센서의 기체 검출 방법.A counter electrode, a first solid electrolyte and a second solid electrolyte arranged side by side on an upper surface of the counter electrode, a first working electrode and a second operation formed to contact both the upper surface of the first solid electrolyte and the upper surface of the second solid electrolyte Using an electrochemical sensor including an electrode,
Measuring a first current value between the first working electrode and the counter electrode;
Measuring a second current value between the second working electrode and the counter electrode; And
Using the first current value and the second current value, determining the type of gas in which an oxidation reaction occurs in the first working electrode and the second working electrode; including, gas detection method of an electrochemical sensor .
상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이에 제1 전위차를 가하고, 상기 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이에 상기 제1 전위차와 다른 제2 전위차를 가하는 단계;를 더 포함하는, 전기화학 센서의 기체 검출 방법.The method of claim 16,
Applying a first potential difference between the first working electrode and the counter electrode, and applying a second potential difference different from the first potential difference between the second working electrode and the counter electrode; further comprising, of the electrochemical sensor Gas detection method.
상기 제1 작업전극 및 상기 제2 작업전극은, 제1 기체 및 제2 기체를 포함하는 복수의 기체들의 산화반응을 촉진시키고,
상기 제1 전위차는 상기 제1 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차이고,
상기 제2 전위차는, 상기 제2 기체의 산화 반응이 촉진되는 전위차인, 전기화학 센서의 기체 검출 방법.The method of claim 17,
The first working electrode and the second working electrode promote an oxidation reaction of a plurality of gases including a first gas and a second gas,
The first potential difference is a potential difference at which the oxidation reaction of the first gas is accelerated,
The second potential difference is a potential difference at which an oxidation reaction of the second gas is accelerated, the gas detection method of an electrochemical sensor.
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