[논문]YSZ 전해질을 이용한 농담전지식 자동차용 NOx센서

박진수; 박광철; 박종욱

doi:10.5369/jsst.2007.16.6.434

YSZ 전해질을 이용한 농담전지식 자동차용 NOx센서
Potentiometric NOx sensors for automotive exhaust using YSZ(yittria stabilized zirconia) electrolyte 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.16 no.6, 2007년, pp.434 - 440

박진수 (한국과학기술원 신소재공학과) , 박광철 (한국과학기술원 신소재공학과) , 박종욱 (한국과학기술원 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Two kinds of new NOx sensing mechanism was proposed and examined. One of those was potentiomtric sensor based on the measurement of decomposed oxygen from NO using YSZ porous diffusion barrier and Pd catalytic electrode. The sensor based on decomposed oxygen measurement responded to the range of 300 - 1000 ppm NO in $N_{2}$ environment and the sensitivities were coincident with theoretical values at 700 and $800^{\circ}C$ but the decomposition rate depended on gas flow rate. The other sensor was equilibrium potentiometric type using $Gd_{2}O_{3}$-nitrates solid solution as sensing material. The sensor using $Gd_{2}O_{3}$-nitrates solid solution was suitable for NOxxsensing at $700^{\circ}C$ in 5 % oxygen and the sensitivity was 19.3 mV/decade. However, long term stability of the sensing material at high temperature was not sufficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

. 본 연구에서는 자동차용 산소센서의 재료로 배기가스환경에 적합한 YSZ(yittria stabilized zirconia)전해질을 이용한 새롭고 단순한 구조를 갖는 NOx 센서를 제작하고 그 감지 특성을 평가하였다.

가설 설정

4. In the temperature of 700 ℃ and the flow rate of 300 cc/min, NO sensing behavior of NOx sensor with Pd catalytic electrode heated at 1000 ℃ (a) EMF responses with NO partial pressure and (b) EMF as a function of NO partial pressure.

제안 방법

NOx감지물질의 고온 안정성을 향상시킬 수 있는 방법으로는 격자상수가 큰 산화물에 비교적 녹는점이 높은 nitrate인 Ba(NO₃)₂와 Sr(NO₃)₂를 고용시켜 새로운 감지물질을 합성하는 것을 고안하였다. 그림 3은 YSZ를 전해질로, 금속/금속산화물을 기준전극으로, oxidenitrate solid solution을 감지물질로 이용한 센서의 모식도이다.
NO분해율을 높이기 위하여 Pd 촉매전극을 1300에서 1시간동안 열처리해서 700 ℃와 800 ℃에서 그림 5와 6의 NO 가스 감지특성을 얻었다. 이 센서는 Pd 촉매전극을 1000에서 처리한 센서와 비슷한 회복성, 반응속도 특성을 가지고 있었으며 낮은 NO 분압 범위인 100 ~ 1000ppm 범위에서 42% 정도의 높은 분해율을 보이고 있다.
O 혼합물을 고체기준물질로 사용하였다. 감지물질은 Gd₂O₃, Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂를 24시간 습식혼합한 후 건조시키고, 열처리하여 얻어진 분말올 organic binder에 섞어 paste형태로 제작하여 감지전극위에 도포하였다.
전극 처리가 끝난 후 측정 전극쪽 홈에 YSZ분말과 organic binder를 혼합한 YSZ paste를 채우고 1100 ℃에서 1시간동안 열처리하여 다공성 확산 방지막을 형성하였다. 그리고 기준전극의 산소분압이 일정히 유지되도록 기준전극이 있는 홈에 Cu/Cu₂O 혼합물을 채운 후 sealing glass를 이용하여 외부와 밀폐하였다. 산소 펌핑셀은 YSZ 펠렛의 양쪽에 Pt전극을 만들어 양단에 전압을 가해줌으로서 만들 수 있다.
두 가지의 새로운 전기화학식 MOx센서의 감지특성을 평가하였다. 먼저，1300 ℃에서 열처리된 Pd전극을 NO분해 촉매전극, YSZ를 전해질로, 다공성 YSZ paste를 diflusion barrier로 하고, CWCu₂O혼합물을 고체기 준물질로 하는 NO 가스의 분해로 발생한 산소로 기전력을 측정하는 NOx 센서의 감지특성은 700 ℃와 800 ℃에서 NO 가스 분압의 변화에 대한 빠른 반응성을 나타내며, 이론 감도와 측정감도가 동일하였다.
그림 4는 1000 ℃에서 30분 동안 열처리한 Pd 촉매 전극의 700 ℃에서 NOx 감지특성이다. 측정전극쪽에 유입된 가스는 NO 가스와 N₂가스를 혼합하여 NO 50000 ppm, 33000 ppm, 25000 ppm, 16700 ppm, 10000 ppm으로 변화시키고, 다시 역순으로 NO 분압을 증가시키면서 센서가 나타내는 기전력을 측정하였다. 센서의 기전력은 각각의 N O 가스분압에 대하여 일정한 값을 보이고 있으며, NO 가스 분압 변화에 의한 기전력이 안정화되는 데는 약 2~3분 정도가 소요되었다.
합성된 감지물질이 nitrate가 Gd2O3의 격자사이에 고용된 solid solution을 이루는지 확인하기 위하여 XRD분석을 수행하였다.

대상 데이터

Oxide-nitrate solid solution을 감지물질로 이용한 센서의 제작은 NOx분해에 의한 산소농도 측정 센서와 마찬가지로 성형 후 소결한 YSZ 전해질과 CWCu₂O 혼합물을 고체기준물질로 사용하였다. 감지물질은 Gd₂O₃, Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂를 24시간 습식혼합한 후 건조시키고, 열처리하여 얻어진 분말올 organic binder에 섞어 paste형태로 제작하여 감지전극위에 도포하였다.
녹는점이 가장 높은 nitrate인 Sr(NO₃)₂와 Ba(NO₃)₂가 Gd₂O₃에 고용된 물질이 평형전위형 NOx센서의 감지물질로 사용되었다. 합성된 감지물질이 nitrate가 Gd₂O₃의 격자사이에 고용된 solid solution을 이루는지 확인하기 위하여 XRD분석을 수행하였다.

성능/효과

Nitarte를 산화물에 고용시켜 NOx 감지물질로 하는 평형전위 센서 중에서 몰비 1:0.34:0.1인 Gd₂O₃-Sr(NO₃)₂-Ba(NO₃)₂를 감지물질로 하는 센서가 700 ℃, 산소 5 %에서 탁월한 NOx감지 특성을 보였다. 자동차배기가스의 NOx구성과 유사한 NOx에 대하여 센서의 신호는 NOx농도에 대수적 관계를 나타내었으며 감도는 19.
다양한 Sr(NO3)2, Ba(NO3)2와 Gd2O3 모상의 비율중에서 몰비로 1:0.34:0.1인 Gd2O3-Sr(NO3)2-Ba(NO3)2의 혼합물질을 800 ℃에서 4시간 하소하여 얻어진 감지물질이 가장 탁월한 NOx 감지특성을 보였다.
먼저，1300 ℃에서 열처리된 Pd전극을 NO분해 촉매전극, YSZ를 전해질로, 다공성 YSZ paste를 diflusion barrier로 하고, CWCu2O혼합물을 고체기 준물질로 하는 NO 가스의 분해로 발생한 산소로 기전력을 측정하는 NOx 센서의 감지특성은 700 ℃와 800 ℃에서 NO 가스 분압의 변화에 대한 빠른 반응성을 나타내며, 이론 감도와 측정감도가 동일하였다.
NO분해율을 높이기 위하여 Pd 촉매전극을 1300에서 1시간동안 열처리해서 700 ℃와 800 ℃에서 그림 5와 6의 NO 가스 감지특성을 얻었다. 이 센서는 Pd 촉매전극을 1000에서 처리한 센서와 비슷한 회복성, 반응속도 특성을 가지고 있었으며 낮은 NO 분압 범위인 100 ~ 1000ppm 범위에서 42% 정도의 높은 분해율을 보이고 있다. 또한 700 ℃에서 이론감도 3.
1인 Gd₂O₃-Sr(NO₃)₂-Ba(NO₃)₂를 감지물질로 하는 센서가 700 ℃, 산소 5 %에서 탁월한 NOx감지 특성을 보였다. 자동차배기가스의 NOx구성과 유사한 NOx에 대하여 센서의 신호는 NOx농도에 대수적 관계를 나타내었으며 감도는 19.3 mV/ decade였다. 그러나 nitrate를 산화물에 고용시켜 감지물질의 고온안정성을 높이려는 시도는 감지 물질의 수명이 700 ℃에서 20시간이내인 것을 고려하면 충분하지 않다고 생각된다.

참고문헌 (11)

K. M. Adams, J. V. Cavataio, and R. H. Hammerle, 'Lean NOx catalysis for diesel passenger cars: Investigating effects of sulfur dioxide and space velocity', Applied Catalysis E, vol. 10, pp. 157-181, 1996

상세보기
D. Bosteels and R. A. Searles, 'Exhaust emission catalyst technology', Platinum Metals Rev., vol. 46, no. 1, pp. 27-36, 2002
Kanemitsu Nishio, The fundamentals of automotive engine control sensors, Fontis media, Lausanne, pp. 117-125, 2001
D. L. West, F. C. Montgomery, and T. R. Armstrong, 'Electrically biased NOx sesnsing elements with coplanar electrodes', J. Electrochem. Soc., vol. 152, no. 6, pp. H74-H79, 2005

상세보기
D. C. Skelton, R. G. Tobin, D. K. Lambert, C. L. DiMaggio, and G. B. Fisher, 'A surface-sciencebased model for the selectivity of platinum-gold alloy electrodes in zirconia-based NOx sensors', Sensors and Actuators B, vol. 96, pp. 46-52, 2003

상세보기
Francis Menil, Veronique Coillard, Claude Lucat, 'Critical review of nitrogen monoxide sensors for exhaust gases of lean burn engines', Sensors and Actuators B, vol. 67, pp. 1-23, 2000

상세보기
최무희, 마대형, '진공증착법으로 제조한 $In_2O_3$ 나노벨트막의 NO가스감지특성', 센서학회지, 제15권, 제6호, pp. 406-410, 2006

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조우성, 문승일, 백경갑, 박정호, 주병권, '패턴이 형성된 탄소나노튜브 매트의 이산화질소 감응 특성', 센서학회지, 제15권, 제3호, pp. 199-204, 2006

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B. G. Nair, J. A. Nachlas, and M. Middlemas, 'NOx gas sensor method and device', Uinted States Patent, patent no. US007217355B2, 2007
N. Miura, S. Yao, Y. Shimizu, and N. Yamazoe, 'New auxiliary sensing materials for solid electrolyte $NO_2$ sensors', Solid State Ionics, vol. 70-71, pp. 572-577, 1994
H. Kurosawa, Y. Yan, N. Miura, and N. Yamazoe, 'Stabilized zirconia-based NOx sensor operative at high temperature', Solid State Ionics, vol. 79, pp. 338-343, 1995

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