[논문]전류검출형 NO2가스 센서의 제작과 특성평가

김귀열

doi:10.4313/jkem.2007.20.9.821

전류검출형 NO2가스 센서의 제작과 특성평가
Fabrication and Characteristics of Amperometric NO2 Gas Sensors 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.20 no.9, 2007년, pp.821 - 827

김귀열 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The nitrogen oxides, NO and $NO_2$, abbreviated usually as NOx, emitted from combustion facilities such as power plants and automobiles are the typical air-pollutants causing acid rain and photochemical smog. In order to solve the NOx-related pollution problems effectively, we need efficient techniques to monitor NOx in the combustion exhausts and in environments. Development of solid-state electrochemical devices for detecting NOx is demonstrated based on various combination of solid electrolytes and auxiliary sensing materials. The object of this research is to develop various sensor performance for solid state amperometric sensor, and to test gas sensor performance manufactured. So we try to present a guidance for developing amperometric gas sensor. We concentrated on development of manufacturing process and performance test. Amperometric Nitrogen dioxide sensor was fabricated using NASICON and an $NaNO_2$ layer deposited on the counter electrode. The current response was almost linear with Nitrogen dioxide concentration in the range 1-350 ppb at $150^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 보고에서는 고상반응법으로 제조한 고체 전해질인 NASICON을 사용하여, 고감도이며 높은 정도를 갖는 전류검출형 센서를 제작하고, 그 특성을 분석하고자 한다.
확인하였다. 따라서 본 실험방법을 통해 센서의 장기안정성에 크게 기여하는 새로운 방법을 제시하였다.

제안 방법

석영유리관중에 장착하였다. 가스의 유량제어는 유량계를 사용하였고, 검지전극의 전위는 potentiostat (Hokuto Denko, HA-301) 를 사용하여 참조 전극에 대하여 일정하게 제어하고, 이 상태에서 검지 전극과 대전극과의 사이에 흐르는 전류값을 전류계 (electrometer, TR8652) 로 측정하여 센서신호로 사용했다. 그리고 가스센서의 감도는 검지 가스 중과 공기 중에서 전류값의 차로서 표시했다.
그리고 나시콘의 도전율 분석을 위해서 나시 콘의 표면을 사포로서 연마를 한 다음, 양면에 금 페이스트(paste)를 도포하여 건조한 후 온도 700 ℃ 에서 시간 30분 동안 소성함으로서 전극을 형성하였다. 도전율 측정용소자의 나시콘 디스크의 직경은 9 mm, 두께는 0.
측정하면 전류와 NO?농도와의 사이에는 그림 10에 표시한 것처럼 양호한 직선성이 0-350 ppb의 범위에서 관찰하였다. 또한 낮은 농도에서 높은 센서감도를 표시하였다.
본 소자는 검지극 및 대극에서 아래와 같은 전기화학적 반응의 진행에 수반하여 Na*가 NASICON 내부를 이동하고, 그것에 대응한 전류가 응답 신호로서 얻어진다고 생각된다.
894 mm, 전극의 직경은 5 mm로하였다. 측정은 Solartron 1260(Impedance/Gain Phase Analyzer) 와 Solatron 1287(Electrochemical Interface)를 사용하여, 주파수범위 1 MHz ~ 100 Hz, 진폭전압 50 mV의 조건에서 합성 공기 분위기에서 온도 100 ~ 300 ℃ 의 범위에서 측정하였다.
합성한 나시콘의 디스크 표면을 충분히 연마한 후 X선회절겨) (RINT2100, 이학전기)를 사용하여 CuKa선으로서 정성분석을 하였다.

대상 데이터

그림 1에서 보는 바와 같이 NASICON의 제조공정은 합성원료로서 NaaPQ와 ZrSiQt를 사용하였다. NasPQj와 ZrSiQt을 몰비1:2로서 혼합한 후, 용매로서 에탄올을 사용하여 지르코니아볼로서 24시간 혼합분쇄를 하였다.
도전율 측정용소자의 나시콘 디스크의 직경은 9 mm, 두께는 0.894 mm, 전극의 직경은 5 mm로하였다. 측정은 Solartron 1260(Impedance/Gain Phase Analyzer) 와 Solatron 1287(Electrochemical Interface)를 사용하여, 주파수범위 1 MHz ~ 100 Hz, 진폭전압 50 mV의 조건에서 합성 공기 분위기에서 온도 100 ~ 300 ℃ 의 범위에서 측정하였다.
본 연구에서는 고상반응법에 의하여 가장 이온 도전율이 높다고 보고되고 있는 NASICON (Na3Zr2Si2POi2)을 합성하였다.
이 전구체 디스크는 NasPd의 분말밴드를 사용하여 온도 1, 220 笆에서 14시간동안 본 소성 (sintering) 을 통해 실험용 시편으로 제작하였다.

성능/효과

따라서 낮은 농도에서 높은 감도를 나타내었으며, 이것은 분자구조를 보다 간단히 평판형으로 함으로서 전극면적을 보다 넓게 할 수 있다고 생각된다.
감도는 응답, 회복과 더불어 빠르게 반복 응답시켜도 일정하였다. 따라서 이상의 실험을 통해 NG가스농도를 ppb 단위까지 측정이 가능하다는 것을 생각하고, 제작한 센서소자를 350 ppb NO₂가스농도까지 작동온도 150 ℃, 검지극 전위 -150 mV에서 작동시켰을 때, 응답전류의 감도는 NG가스 농도의존성을 그림 10 에 나타내었다.
센서감도는 시간의 경과에 따라 저하하지만, 센서 소자에 역바이어스 전압를 인가함으로서 향상됨을 확인하였다. 따라서 본 실험방법을 통해 센서의 장기안정성에 크게 기여하는 새로운 방법을 제시하였다.
이와 같이 센서감도저하의 원인으로 되고 있다고 생각되는 검지극의 생성물(NaNQz 혹은 NaNOG을분해 처리함으로서 그림 11과 같이 저하된 센서 감도를 향상시킬 수가 있었다.
그러나 500시간에서 더욱. 이처럼 센서 감도의 저하를 방지하기 위하여 검지극 전위를 350 mV 로 전환하면 즉 정기적으로 센서에 역 바이어스를 인가하여, 센서의 감도는 다시 회복되어 증가하는 것을 알 수 있다.
었다. 한편 전류 검출형 가스센서소자는 그 특성을 조사한 결과, 낮은 농도에서도 높은 센서감도를 확인하였으며, NO₂ 가스농도가 0 ppb 에서 350 ppb 의 범위에 걸쳐서 직선성을 관찰하였다.

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