KR20210091993A - 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법은 고체전해질 기판을 준비하는 단계; 상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계; 및 상기 고체전해질 기판의 타면에 기준전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 감지전극은 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 감지전극으로 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)를 이용함으로써, 암모니아에 대한 선택적 감지 특성 및 안정성을 극대화할 수 있는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
센서는 물리량이나 화학량의 절대치나 변화, 소리, 빛, 전파의 강도를 검지 및 검출하거나 판별 및 측정하여 유용한 신호로 변환하는 기능을 갖춘 소자이다.
특히, 화학 센서는 외부의 화학물질 또는 화학량을 선택적으로 감지하여 전기 신호로 변환하는 소자이며, 화학센서의 수감부에서 감지 물질에 대한 선택 기능을 가지며, 그 변환부에서 전기 신호로 변환하는 기능을 갖춘 것이다.
한편, 고체전해질을 이용한 전기화학식 가스센서는 대기뿐만 아니라, 용융금속 등의 가혹한 환경에서도 안정적이고, 특정한 화학종을 감지하는 특히 우수한 방법이다.
한편, 자동차, 화학공정, 농업영역 등에서 광범위하게 사용되는 암모니아는 주된 환경오염원으로 그 농도의 정량적 측정이 필요하다.
특히, 암모니아 가스에 오랫동안 노출될 경우, 고암모니아혈증을 일으켜 인간의 뇌에 손상을 일으키게 되며 소량의 암모니아 가스가 사용된 경우에도 수중 생태계 환경 등에는 치명적일 수 있다.
이에 소량의 암모니아 농도까지도 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있고 재현성이 가능하며, 경제적으로 상용화가 가능한 효율적인 암모니아화학 센서의 제조가 절실한 상태이다.
한편, 측정하고자 하는 가스 성분이 포함된 고체 물질이 존재하지 않거나, 열적 안정성이 취약할 경우에는 적합한 센서용 셀을 구성할 수 없는 문제점이 있었다.
NH3, C3H8, NO, NO2 가스 등이 이 경우에 해당하고 이러한 가스 측정을 위해 전기화학-촉매적 특성을 갖는 귀금속 또는 산화물 전극을 이용하여 제작된 것이 혼합전위형 센서(mixed potentiometric type sensor)이다.
상기 혼합전위형 센서의 구조는 단순하고 고체전해질, 귀금속 기준 전극 및 산화물 감지전극으로 구성되어 있다.
일반적으로 고체전해질은 산소이온 전도체인 안정화 지르코니아를 사용하고, 귀금속 기준전극은 산소 전극의 특성을 나타내는 백금(Pt)이 사용되고, 산화물 감지 전극은 산화물 반도체가 주로 이용된다.
상기 혼합 전위형 센서의 감지전극에서는 두 가지의 전기화학 반응이 동시에 일어나며, 이들 전기화학반응의 속도가 같아지는 조건에서 결정되는 혼합전위 포텐셜과 기준전극의 평형 포텐셜 사이에 측정되는 기전력 신호를 이용한다.
혼합전위 방식의 센서는 열역학적으로 평형상태에 있지 않은 가스를 센싱하는 방법이며, 귀금속 촉매전극과 산화물 촉매전극 사이의 촉매 반응 차이를 이용하므로 기전력 방식의 Nernstian behavior를 따르지 않는다.
즉, 혼합전위 방식을 이용하는 암모니아 센서의 산화물 감지전극은 암노니아와 산소에 반응성을 가지나 기준 전극은 산소에만 반응성을 갖고 있다.
따라서 가스 중에 포함된 암모니아의 농도에 따라 기준전극과 산화물 감지전극 사이에 전압차가 생기므로 이 기전력의 차이값을 측정하여 암모니아의 양을 측정하는 방식이 혼합 전위 방식이며, 이러한 혼합 전위 방식을 이용하여 소량의 암모니아 농도까지도 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있고 재현성이 가능하며, 경제적으로 상용화가 가능한 효율적인 암모니아화학 센서의 제조가 절실한 상태이다.
본 발명은 상술한 문제점 및 필요성에 의해 창안된 것으로, 혼합전위차형 센서의 감지전극으로 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)를 이용함으로써, 암모니아에 대한 선택적 감지 특성 및 안정성을 극대화할 수 있으며, 나노용침법을 이용하여 미세구조를 최적화함으로써 550℃의 작동온도에서도 신호특성 극대화, 반응 및 회복속도 최적화에 따른 소비전력을 감소시킬 수 있는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서 및 이의 제조방법 제공을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 고체전해질 기판을 준비하는 단계, 상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계 및 상기 고체전해질 기판의 타면에 기준전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 감지전극은 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)일 수 있다.
바람직하게 상기 고체전해질 기판은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)일 수 있다.
바람직하게 상기 상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계는 상기 CFO 분말을 Sn, Ni 또는 Zn의 금속 이온 전구체를 함유하는 용액에 첨가한 후 교반하여 CFO(CuFe2O4)-MOX 복합체를 형성하는 단계, 상기 복합체를 여과하여 수득한 후, 일정온도에서 소결하는 단계, 소결된 상기 복합체를 상기 고체전해질 기판 일면에 스크린 인쇄하는 단계 및 상기 복합체가 인쇄된 상기 고체전해질 기판을 일정온도에서 소결하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 복합체를 여과하여 수득한 후, 일정온도에서 소결하는 단계는 900℃에서 2시간 동안 소결될 수 있다.
바람직하게 상기 복합체가 인쇄된 상기 고체전해질 기판을 일정온도에서 소결하는 단계는 1,000℃에서 2시간 동안 소결될 수 있다.
바람직하게 상기 기준전극은 Pt로 이루어질 수 있다.
본 발명은 혼합전위차형 센서의 감지전극으로 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)를 이용함으로써, 암모니아에 대한 선택적 감지 특성 및 안정성을 극대화할 수 있으며, 나노용침법을 이용하여 미세구조를 최적화함으로써 550℃의 작동온도에서도 신호특성 극대화, 반응 및 회복속도 최적화에 따른 소비전력을 감소시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 개념도다.
도 2는 1,000℃에서 소결된 CFO-MOX(M = Sn, Ni, Zn)의 표면 미세 구조 SEM 이미지(a~c) 및 이에 상응하는 EDS 맵핑이미지(d~f)다.
도 3은 대기 및 NH3 농도별(10~80ppm) CFO-NiO 센서의 DC분극 그래프다.
도 4는 O2 농도에 따른 반응의 변화(ΔV)(2~21 vol%)(a), H2O 농도(0.025~ 0.186 atm)(b), 80ppm NH3을 향한 연속 사이클에 대한 CFO-NiO 센서의 동적 반응, 복원 및 ΔV의 변화(%)(d) 및 5개월에 걸친 CFO-NiO 센서의 장기 안정성 결과를 보여주는 그래프(d)다.
도 5는 650 및 700℃에서 다양한 산화 및 환원 가스의 80ppm 농도에 대한 CFO-NiO 센서의 반응결과(ΔV)를 보여주는 그래프다.
도 6은 CFO구조체에 Ni를 나노용침법에 의해 용침시킨 감지전극의 미세구조를 보여주는 SEM이미지다.
도 2는 1,000℃에서 소결된 CFO-MOX(M = Sn, Ni, Zn)의 표면 미세 구조 SEM 이미지(a~c) 및 이에 상응하는 EDS 맵핑이미지(d~f)다.
도 3은 대기 및 NH3 농도별(10~80ppm) CFO-NiO 센서의 DC분극 그래프다.
도 4는 O2 농도에 따른 반응의 변화(ΔV)(2~21 vol%)(a), H2O 농도(0.025~ 0.186 atm)(b), 80ppm NH3을 향한 연속 사이클에 대한 CFO-NiO 센서의 동적 반응, 복원 및 ΔV의 변화(%)(d) 및 5개월에 걸친 CFO-NiO 센서의 장기 안정성 결과를 보여주는 그래프(d)다.
도 5는 650 및 700℃에서 다양한 산화 및 환원 가스의 80ppm 농도에 대한 CFO-NiO 센서의 반응결과(ΔV)를 보여주는 그래프다.
도 6은 CFO구조체에 Ni를 나노용침법에 의해 용침시킨 감지전극의 미세구조를 보여주는 SEM이미지다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 개념도, 도 2는 1,000℃에서 소결된 CFO-MOX(M = Sn, Ni, Zn)의 표면 미세 구조 SEM 이미지(a~c) 및 이에 상응하는 EDS 맵핑이미지(d~f), 도 3은 대기 및 NH3 농도별(10~80ppm) CFO-NiO 센서의 DC분극 그래프, 도 4는 O2 농도에 따른 반응의 변화(ΔV)(2~21 vol%)(a), H2O 농도(0.025~ 0.186 atm)(b), 80ppm NH3을 향한 연속 사이클에 대한 CFO-NiO 센서의 동적 반응, 복원 및 ΔV의 변화(%)(d) 및 5개월에 걸친 CFO-NiO 센서의 장기 안정성 결과를 보여주는 그래프(d), 도 5는 650 및 700℃에서 다양한 산화 및 환원 가스의 80ppm 농도에 대한 CFO-NiO 센서의 반응결과(ΔV)를 보여주는 그래프이며, 도 6은 CFO구조체에 Ni를 나노용침법에 의해 용침시킨 감지전극의 미세구조를 보여주는 SEM이미지다.
상기 도 1 내지 6을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법은 고체전해질 기판을 준비하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 고체전해질 기판은 안정화 지르코니아 재질이고, 특히 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)이며, 고체 전해질층은 LGZ(Lantanium Gadolinium Zirconia), CeO2, Y2O3, 지르코니아가 혼합된 Al2O3, 안정화 지르코니아일 수 있고, 산소 이온 전도도를 향상시키기 위해 다공성한 YSZ를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법은 상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 감지전극은 혼합전위차형 센서에 있어서 가장 중요한 역할을 수행하며 보다 상세하게 상기 감지전극은 주입되는 암모니아 가스의 분해로 산소 이온이 형성되고 형성된 산소 이온은 상기 고체 전해질층을 통해 이동되므로 전극 사이에서는 기전력이 발생하게 된다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 감지전극은 스피넬(spinel) 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)를 이용하며, 본 발명에 있어서 가장 큰 특징은 감지전극의 조성으로 상술한 CFO(CuFe2O4)-MOX를 이용한다는 점이다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계는 상기 CFO 분말을 Sn, Ni 또는 Zn의 금속 이온 전구체를 함유하는 용액에 첨가한 후 교반하여 CFO(CuFe2O4)-MOX 복합체를 형성하는 단계, 상기 복합체를 여과하여 수득한 후, 일정온도에서 소결하는 단계, 소결된 상기 복합체를 상기 고체전해질 기판 일면에 스크린 인쇄하는 단계 및 상기 복합체가 인쇄된 상기 고체전해질 기판을 일정온도에서 소결하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 CFO(CuFe2O4)-MOX 복합체는 상술한 바와 같이 상기 CFO 분말을 Sn, Ni 또는 Zn의 금속 이온 전구체를 함유하는 용액에 첨가한 후 교반하여 제조될 수 있으며, 다른 실시 예에 있어서는 준비된 CFO와 SnO2, NiO 또는 ZnO의 용침(infiltration)반응을 통해 표면에 형성하여 안정성 높은 암모니아 가스센서를 제조할 수 있다.
한편, 상기 복합체를 여과하여 수득한 후, 일정온도에서 소결하는 단계는 다양한 방법 조건 하에서 수행될 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 900℃에서 2시간 동안 소결된다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 복합체가 인쇄된 상기 고체전해질 기판을 일정온도에서 소결하는 단계는 1,000℃에서 2시간 동안 소결된다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법은 상기 고체전해질 기판의 타면에 기준전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 기준전극은 Pt로 이루어지는 것을 특징으로 하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 Au, Ag, Ni, Ni alloy, NiCr, AgNi, Pt alloy, Cu 및 Cu alloy로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용할 수도 있다.
이하에서는 상기 도 2 내지 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 특성에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 상기 도 2를 참조하면, YSZ 고체 전해질 기판상에서 1000 ℃에서 소결 된 감지전극이 밀접하게 결합됨을 확인할 수 있고, 2차 성분인 Sn, Ni 또는 Zn의 산화물이 CFO골격 위에 증착되어 가스 확산을 위한 다공성 채널을 형성함을 확인할 수 있으며, EDS 원소 맵핑을 통해 모든 원소가 균일하게 분포된 복합체가 합성되었음을 확인할 수 있다.
한편, 상기 도 4를 참조하면, 반응이 2부피에서 21부피%로 O2 농도의 증가에 따라 로그에 따라 변화 함을 보여 주었고(a), 이와 달리, pH2O를 0.025에서 0.186atm으로 증가시키면 NH3의 전기화학적 산화의 양극 반응을 역방향으로 구동함으로써 반응이 감소되었다.
또한, CFO-NiO가 장착 된 센서는 O2 및 H2O의 변화에 대해 비교적 안정적인 응답성을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, CFO-NiO는 4%미만의 오차로 몇 번의 연속 사이클에서 우수한 반복성을 나타냄을 확인할 수 있다.
아울러, CFO-NiO는 150일이 지난 후에도 안정적인 반응 이루어져 장기작동에 대한 센서의 적합성을 확인할 수 있다.
한편, 상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서는 NH3에 대해 상당히 높은 반응성을 보였으며, NH3 > NO2 > NO > CH4 > CO의 순서대로 높은 반응성을 보임을 확인할 수 있다.
한편, 상기 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법은 상기 CFO(CuFe2O4)-MOX 복합체를 제조함에 있어서 상술한 단순혼합 방식 외에 나노용침법을 이용할 수 있다.
이에 대해 보다 상세하게 설명하면 상기 CFO(CuFe2O4)-MOX 복합체는 1,000℃에서 열처리된 CFO 구조체에 이차상인 Sn, Ni 또는 Zn이 나노용침법을 통해 용침시켜 제조될 수 있다.
이때, 상기 나노용침법을 통해 미세구조를 최적화함으로써 550℃의 작동온도에서도 신호특성 극대화, 반응 및 회복속도 최적화에 따른 소비전력을 감소시킬 수 있는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서를 제조할 수 있다.
결과적으로 본 발명의 실시 예에 따른 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서 및 이의 제조방법은 혼합전위차형 센서의 감지전극으로 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)를 이용함으로써, 암모니아에 대한 선택적 감지 특성 및 안정성을 극대화할 수 있으며, 나노용침법을 이용하여 미세구조를 최적화함으로써 550℃의 작동온도에서도 신호특성 극대화, 반응 및 회복속도 최적화에 따른 소비전력을 감소시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
Claims (8)
- 고체전해질 기판을 준비하는 단계;
상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계; 및
상기 고체전해질 기판의 타면에 기준전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 감지전극은 스피넬 구조를 갖는 CFO(CuFe2O4)-MOX (여기서, M=Sn, Ni 또는 Zn)인 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고체전해질 기판은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)인 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 CFO(CuFe2O4)-MOX는 1,000℃에서 열처리된 CFO 구조체에 Sn, Ni 또는 Zn이 나노용침법을 통해 용침된 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상기 고체전해질 기판의 일면에 암모니아를 선택적으로 감지하기 위한 감지전극을 형성하는 단계:는
상기 CFO 분말을 Sn, Ni 또는 Zn의 금속 이온 전구체를 함유하는 용액에 첨가한 후 교반하여 CFO(CuFe2O4)-MOX 복합체를 형성하는 단계;
상기 복합체를 여과하여 수득한 후, 일정온도에서 소결하는 단계;
소결된 상기 복합체를 상기 고체전해질 기판 일면에 스크린 인쇄하는 단계; 및
상기 복합체가 인쇄된 상기 고체전해질 기판을 일정온도에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 복합체를 여과하여 수득한 후, 일정온도에서 소결하는 단계는 900℃에서 2시간 동안 소결되는 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 복합체가 인쇄된 상기 고체전해질 기판을 일정온도에서 소결하는 단계는 1,000℃에서 2시간 동안 소결되는 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기준전극은 Pt로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중, 어느 한 항으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고체전해질 기반 혼합전위차형 암모니아센서.
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2020
- 2020-01-15 KR KR1020200005398A patent/KR102337245B1/ko active IP Right Grant
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| The Kashif Ali et al., Journal of magnetism and materials, 2017, 428, p. 417-423.(2017.12.31.) * |
Also Published As
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| KR102337245B1 (ko) | 2021-12-07 |
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