고체전해질 센서(solid electrolyte sensor)는 산화성 기체(oxidic gases)를 감지하는 전위차센서(potentiometric sensor)로서 기전력(electromotive force)의 변화로 그 특성을 알 수 있다. 본 연구에서는 소형화 디지털화 저 전력화에 적합한 반도체와 유사한 평탄(planar)형의 신뢰성 있는 소형 이산화탄소 기체센서 개발에 초점을 맞추어 연구를 하였다. 본 연구의 고체전해질 ...
고체전해질 센서(solid electrolyte sensor)는 산화성 기체(oxidic gases)를 감지하는 전위차센서(potentiometric sensor)로서 기전력(electromotive force)의 변화로 그 특성을 알 수 있다. 본 연구에서는 소형화 디지털화 저 전력화에 적합한 반도체와 유사한 평탄(planar)형의 신뢰성 있는 소형 이산화탄소 기체센서 개발에 초점을 맞추어 연구를 하였다. 본 연구의 고체전해질 이산화탄소 센서 소자는 Li^(+) 이온전도체인 Li₃PO₄ 전해질, Li₂TiO₃ 기준전극과 Li₂CO₃ 감지전극의 3 요소를 알루미나기판의 단일 면에 구현하고 기판의 반대쪽에 Pt 히터를 내장하여 구성하였다. 본 연구의 결과, 열역학적 자료를 이용하여 본 연구의 센서가 가지는 실제 기전력의 이론값을 계산하여 대기 중(20% O₂, CO₂ 380 ppm)의 기전력의 이론값은 436 ㎷ 이었다. 본 연구에서는 내장형 히터를 박막으로 구현하여 트림과정을 간소화하고, 일자형 패턴으로 구현하여 기판에서의 온도구배를 최소화 하였으며, 히터 두께의 변화로 저항을 달리하여 5 V 전압구동에서 400 ~ 500℃의 발열온도를 얻었으며, 연결선은 직경이 작은 50 ㎛를 사용하여 소비전력을 낮추었다. 전해질은 Li₃PO₄를 사용하여 박막화, 패턴화 하였다. 전해질의 두께와 열처리 온도가 증가함에 따라 입자의 성장이 이루어지며 치밀 화가 이루어지지만 두꺼운 두께와 높은 열처리 온도는 crack이 생기며 감도에 악영향을 가져왔다. 1.2 ㎛ 두께의 Li₃PO₄를 열처리온도 775℃, 센서작동온도 500℃의 최적의 조건에서 이론값에 가까운 감도 특성을 얻었다. Au 전극의 두께와 열처리 조건을 달리하여 연구한 결과, 400 ㎚ 두께의 700℃ 열처리로 다공성의 금속전극을 만들어 전해질과 감지전극이 만나는 접촉면적을 최대한 늘렸다. 이와 같은 결과는 계면의 화학반응평형에 기여하여, CO₂ 농도가 평형에 도달했을 때 기전력이 변화 없이 굉장히 안정하였으며, 초기 기전력 값뿐 만 아니라 회복 능력 또한 우수한 결과를 얻었다. 감지전극물질로 순수한 Li₂CO₃을 사용하였을 경우 작동온도 500℃에서 장기간 구동하였을 때 감지물질이 분리되는 현상을 볼 수 있었다. 작동 온도를 낮추기 위한 방법으로 계면에서의 전도도를 높이기 위해 감지전극 물질에 BaCO₃의 첨가량을 변화시키며 감도특성을 본 결과 20 ㏖% BaCO₃을 첨가하였을 경우 작동온도를 50 ~ 100℃ 낮추어도 이론값에 가까운 우수한 특성을 나타내었다. 이는 SEM과 EDAX, XRD, DTA 분석을 통하여 전해질과 감지물질의 계면에 새로운 Li₂CO₃ BaCO₃ Li₃PO₄의 혼합층이 생기며 전해질과 감지물질의 계면의 Li 이온의 밀도를 높여 이온전도가 향상되었으며 기계적 강도 또한 크게 개선되었다. 반면 많은 양의 BaCO₃이 첨가된 경우는 계면에서 Ba 이온이 dominant 해지기 때문에 감도가 현저히 떨어지는 결과를 얻었다. 제조된 센서를 패키징하여 5 V 인가전압에서 센서의 특성을 본 결과, 계측기의 input impedance에 따라 가시화되는 기전력의 값이 10 ㏁일 때와 10 GΩ일 경우 160 ㎷ 이상의 차이가 났으며 이는 계측기의 내부저항에 따라 우리가 실제 이론값의 기전력을 얻지 못하는 원인이다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 최소한 10 GΩ 이상의 input impedance를 가진 계측기와 모듈을 사용하였다. 제조된 센서의 반응과 회복속도는 30초 이내였으며, 160 ~ 5000 ppm 범위의 반복적인 CO₂ 기체의 변화에도 우수한 재현성을 보였다. 주위환경의 5 ~ 45℃의 온도변화와 30 ~ 80%의 습도변화에도 안정한 특성을 보였으며, 일산화탄소, 수소, 알코올의 간섭효과에서도 CO₂에 대한 우수한 선택성을 나타내었다. 또한 작동온도 450℃에서 1년 반의 수명을 가질 것을 예측하였다. 본 연구의 센서는 실내 환경의 모니터링을 위한 센서로서 감도, 반응과 회복, 선택성, 주위환경에 대한 안정성, 장기신뢰성 등에서 우수한 특성을 보이며 소형화, 저 전력화, 모듈화가 가능한 최초의 박막형 전위차식 CO₂ 기체센서의 상용화가 실현될 것으로 기대된다.
고체전해질 센서(solid electrolyte sensor)는 산화성 기체(oxidic gases)를 감지하는 전위차센서(potentiometric sensor)로서 기전력(electromotive force)의 변화로 그 특성을 알 수 있다. 본 연구에서는 소형화 디지털화 저 전력화에 적합한 반도체와 유사한 평탄(planar)형의 신뢰성 있는 소형 이산화탄소 기체센서 개발에 초점을 맞추어 연구를 하였다. 본 연구의 고체전해질 이산화탄소 센서 소자는 Li^(+) 이온전도체인 Li₃PO₄ 전해질, Li₂TiO₃ 기준전극과 Li₂CO₃ 감지전극의 3 요소를 알루미나기판의 단일 면에 구현하고 기판의 반대쪽에 Pt 히터를 내장하여 구성하였다. 본 연구의 결과, 열역학적 자료를 이용하여 본 연구의 센서가 가지는 실제 기전력의 이론값을 계산하여 대기 중(20% O₂, CO₂ 380 ppm)의 기전력의 이론값은 436 ㎷ 이었다. 본 연구에서는 내장형 히터를 박막으로 구현하여 트림과정을 간소화하고, 일자형 패턴으로 구현하여 기판에서의 온도구배를 최소화 하였으며, 히터 두께의 변화로 저항을 달리하여 5 V 전압구동에서 400 ~ 500℃의 발열온도를 얻었으며, 연결선은 직경이 작은 50 ㎛를 사용하여 소비전력을 낮추었다. 전해질은 Li₃PO₄를 사용하여 박막화, 패턴화 하였다. 전해질의 두께와 열처리 온도가 증가함에 따라 입자의 성장이 이루어지며 치밀 화가 이루어지지만 두꺼운 두께와 높은 열처리 온도는 crack이 생기며 감도에 악영향을 가져왔다. 1.2 ㎛ 두께의 Li₃PO₄를 열처리온도 775℃, 센서작동온도 500℃의 최적의 조건에서 이론값에 가까운 감도 특성을 얻었다. Au 전극의 두께와 열처리 조건을 달리하여 연구한 결과, 400 ㎚ 두께의 700℃ 열처리로 다공성의 금속전극을 만들어 전해질과 감지전극이 만나는 접촉면적을 최대한 늘렸다. 이와 같은 결과는 계면의 화학반응평형에 기여하여, CO₂ 농도가 평형에 도달했을 때 기전력이 변화 없이 굉장히 안정하였으며, 초기 기전력 값뿐 만 아니라 회복 능력 또한 우수한 결과를 얻었다. 감지전극물질로 순수한 Li₂CO₃을 사용하였을 경우 작동온도 500℃에서 장기간 구동하였을 때 감지물질이 분리되는 현상을 볼 수 있었다. 작동 온도를 낮추기 위한 방법으로 계면에서의 전도도를 높이기 위해 감지전극 물질에 BaCO₃의 첨가량을 변화시키며 감도특성을 본 결과 20 ㏖% BaCO₃을 첨가하였을 경우 작동온도를 50 ~ 100℃ 낮추어도 이론값에 가까운 우수한 특성을 나타내었다. 이는 SEM과 EDAX, XRD, DTA 분석을 통하여 전해질과 감지물질의 계면에 새로운 Li₂CO₃ BaCO₃ Li₃PO₄의 혼합층이 생기며 전해질과 감지물질의 계면의 Li 이온의 밀도를 높여 이온전도가 향상되었으며 기계적 강도 또한 크게 개선되었다. 반면 많은 양의 BaCO₃이 첨가된 경우는 계면에서 Ba 이온이 dominant 해지기 때문에 감도가 현저히 떨어지는 결과를 얻었다. 제조된 센서를 패키징하여 5 V 인가전압에서 센서의 특성을 본 결과, 계측기의 input impedance에 따라 가시화되는 기전력의 값이 10 ㏁일 때와 10 GΩ일 경우 160 ㎷ 이상의 차이가 났으며 이는 계측기의 내부저항에 따라 우리가 실제 이론값의 기전력을 얻지 못하는 원인이다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 최소한 10 GΩ 이상의 input impedance를 가진 계측기와 모듈을 사용하였다. 제조된 센서의 반응과 회복속도는 30초 이내였으며, 160 ~ 5000 ppm 범위의 반복적인 CO₂ 기체의 변화에도 우수한 재현성을 보였다. 주위환경의 5 ~ 45℃의 온도변화와 30 ~ 80%의 습도변화에도 안정한 특성을 보였으며, 일산화탄소, 수소, 알코올의 간섭효과에서도 CO₂에 대한 우수한 선택성을 나타내었다. 또한 작동온도 450℃에서 1년 반의 수명을 가질 것을 예측하였다. 본 연구의 센서는 실내 환경의 모니터링을 위한 센서로서 감도, 반응과 회복, 선택성, 주위환경에 대한 안정성, 장기신뢰성 등에서 우수한 특성을 보이며 소형화, 저 전력화, 모듈화가 가능한 최초의 박막형 전위차식 CO₂ 기체센서의 상용화가 실현될 것으로 기대된다.
The properties of solid electrolyte sensors, the potentiometric sensors detecting the oxidic gases, could be found out through the variation of electromotive forces. Solid electrolyte sensor device for CO₂ gas in this study was fabricated and consisted of Li^(+) ion conducting electrolyte, reference...
The properties of solid electrolyte sensors, the potentiometric sensors detecting the oxidic gases, could be found out through the variation of electromotive forces. Solid electrolyte sensor device for CO₂ gas in this study was fabricated and consisted of Li^(+) ion conducting electrolyte, reference electrode, and sensing electrode formed on one side of alumina substrate whereas heater mounted on the other side. Pt thin films were deposited as the heater and the constant resistance of heater was realized, varying thickness of Pt thin films. The variation of heating temperature by the applied voltage was measured. Li₃PO₄ thin films, Li^(+) ion conductor, were used as electrolytes and effects of films thickness and sintered temperature on sensing properties of sensors were investigated. Au electrodes were fabricated by thin the film process. Their surface morphology and sensing properties of sensor devices were studied with film thickness and heat-treatment temperatures. Sensing electrode material was prepared by mixing pure Li₂CO₃ with alkali earth metal auxiliary material (BaCO₃). Various properties of sensor devices such as sensitivity, operating temperature, lifetime, effects of humidity, long-term stability, and interference of other gases were investigated with the mixing ratio of pure Li₂CO₃ with auxiliary material (BaCO₃). Theoretical value of electromotive force in our sensors was calculated using thermodynamic data. Internally mounted heater prepared by thin film process simplified the trimming process. Temperature of heater ranged form 400 to 500 at the applied voltage of 5 V could be obtained through the optimization of heater resistance by controlling film thickness. It was also found out that various factors had an effect on the consumption of power. Small-sized sensor devices were possible by adopting electrolyte thin films. Excellent sensing properties of sensor devices with Li₃PO₄ electrolyte thickness of 1.2 ㎛ were obtained at the operating temperature of 500℃ after sintered at 775℃. Au porous electrodes could be obtained by controlling electrode thickness and heat-treatment conditions. The optimization of metal electrodes through heat-treated 400 ㎚ thick electrodes at 700℃ contributed to equilibrium of chemical reaction at the interface. Li₂CO₃-20 ㏖% BaCO₃ as sensing electrode material decreased the operating temperature by a maximum of 100℃ and response time to CO₂ gas within 30 seconds. Excellent reliability to repetitive variation of gases could also be obtained. It could be attributed to the improvement of ionic conductivity in the interface between electrolyte and sensing electrode. Stable sensing properties were measured under the ambient temperature from 5℃ to 45℃ and the relative humidity from 30% to 80%. Good selectivity to CO₂ gas was also obtained under the interference of CO gas, hydrogen gas, and alcohol gas. From the results of this study, it was found out that our sensor devices had enough lifetime and long-term reliability as well as excellent sensing properties and are most invulnerable as sensors monitoring the indoor environments.
The properties of solid electrolyte sensors, the potentiometric sensors detecting the oxidic gases, could be found out through the variation of electromotive forces. Solid electrolyte sensor device for CO₂ gas in this study was fabricated and consisted of Li^(+) ion conducting electrolyte, reference electrode, and sensing electrode formed on one side of alumina substrate whereas heater mounted on the other side. Pt thin films were deposited as the heater and the constant resistance of heater was realized, varying thickness of Pt thin films. The variation of heating temperature by the applied voltage was measured. Li₃PO₄ thin films, Li^(+) ion conductor, were used as electrolytes and effects of films thickness and sintered temperature on sensing properties of sensors were investigated. Au electrodes were fabricated by thin the film process. Their surface morphology and sensing properties of sensor devices were studied with film thickness and heat-treatment temperatures. Sensing electrode material was prepared by mixing pure Li₂CO₃ with alkali earth metal auxiliary material (BaCO₃). Various properties of sensor devices such as sensitivity, operating temperature, lifetime, effects of humidity, long-term stability, and interference of other gases were investigated with the mixing ratio of pure Li₂CO₃ with auxiliary material (BaCO₃). Theoretical value of electromotive force in our sensors was calculated using thermodynamic data. Internally mounted heater prepared by thin film process simplified the trimming process. Temperature of heater ranged form 400 to 500 at the applied voltage of 5 V could be obtained through the optimization of heater resistance by controlling film thickness. It was also found out that various factors had an effect on the consumption of power. Small-sized sensor devices were possible by adopting electrolyte thin films. Excellent sensing properties of sensor devices with Li₃PO₄ electrolyte thickness of 1.2 ㎛ were obtained at the operating temperature of 500℃ after sintered at 775℃. Au porous electrodes could be obtained by controlling electrode thickness and heat-treatment conditions. The optimization of metal electrodes through heat-treated 400 ㎚ thick electrodes at 700℃ contributed to equilibrium of chemical reaction at the interface. Li₂CO₃-20 ㏖% BaCO₃ as sensing electrode material decreased the operating temperature by a maximum of 100℃ and response time to CO₂ gas within 30 seconds. Excellent reliability to repetitive variation of gases could also be obtained. It could be attributed to the improvement of ionic conductivity in the interface between electrolyte and sensing electrode. Stable sensing properties were measured under the ambient temperature from 5℃ to 45℃ and the relative humidity from 30% to 80%. Good selectivity to CO₂ gas was also obtained under the interference of CO gas, hydrogen gas, and alcohol gas. From the results of this study, it was found out that our sensor devices had enough lifetime and long-term reliability as well as excellent sensing properties and are most invulnerable as sensors monitoring the indoor environments.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.