초록 ▼

높은 이온전도성을 갖는 다양한 고체전해질의 합성법, 각 가스를 감지 가능한 감지 물질 및 이온 활동도를 일정하게 하는 기준물질을 개발하였다. 이를 바탕으로 $CO_{2}$/SOx/NOx를 동시에 측정 가능한 멀티이온칩 개발을 위해 먼저 각 개별 센서의 연구를 parallel하게 진행하여 전극/전해질, 전극/감지물질, 전해질/가스 사이의 전기 화학 반응을 규명하였다.
$CO_{2}$ 센서는 Na-beta-Alumina 고체전해질을 이용하여 초소형 후막형, 벌크형, 소형 벌크형 $C

높은 이온전도성을 갖는 다양한 고체전해질의 합성법, 각 가스를 감지 가능한 감지 물질 및 이온 활동도를 일정하게 하는 기준물질을 개발하였다. 이를 바탕으로 $CO_{2}$/SOx/NOx를 동시에 측정 가능한 멀티이온칩 개발을 위해 먼저 각 개별 센서의 연구를 parallel하게 진행하여 전극/전해질, 전극/감지물질, 전해질/가스 사이의 전기 화학 반응을 규명하였다.
$CO_{2}$ 센서는 Na-beta-Alumina 고체전해질을 이용하여 초소형 후막형, 벌크형, 소형 벌크형 $CO_{2}$센서를 제작하여 특성 평가를 하였으며 하나의 칩 형태로 구성하기 위하여 최종적으로 NASICON 과 YSZ를 이용한 Bi-electrolyte $CO_{2}$센서를 제작하여 특성평가를 하였다. SOx 센서는 Ag2SO4-base 소결체 제조 및 센서소자제작 하여 개별 소자의 특성을 평가하였으며 이를 바탕으로 NASICON 과 YSZ를 이용한 Bi-electrolyte SOx센서를 제작하여 특성을 평가하였다.
이와 같은 각 개별센서의 개발을 통하여 하나의 고체전해질위에서 세 가지 가스를 동시에 감지 가능한 멀티이온칩을 구현하고 특성을 평가하였다. 또한, beta-alumina 고체전해질 $CO_{2}$센서를 이용하여 센서의 패키징 및 히터를 설계하고 장기안정성을 평가하였으며, 센서 교체시기를 알려주는 알고리즘을 개발하였다.

Abstract ▼

It is developed that synthesis methode of various solid electrolyte having high ion conductivity, working materials for detection of $CO_{2}$/NOx/SOx and reference material to keep ion activity. To develop multi-ion chip detecting $CO_{2}$/SOx/NOx, is researched in parallel wit

It is developed that synthesis methode of various solid electrolyte having high ion conductivity, working materials for detection of $CO_{2}$/NOx/SOx and reference material to keep ion activity. To develop multi-ion chip detecting $CO_{2}$/SOx/NOx, is researched in parallel with each individual sensors. It is inquired out that electrochemical reaction of between electrode/electrolyte, electrode/sensing materials and electrolyte/gases.
Various types of $CO_{2}$ sensors(compact thick film, basic bulk and compact bulk $CO_{2}$ sensor device) are worked in solid electrolyte. But to be $CO_{2}$ sensing part of Multi ion chip, Bi-electrolyte $CO_{2}$ sensor is worked in NASICON and YSZ electrolyte and evaluated sensing characteristics. And two NOx sensors are researched and evaluated their sensing characteristics. One is decomposed oxygen measurement type. the other is mixed potential type. Ag2SO4-base sintering materials is made and then SOx is fabricated using it
Multi ion chip that is sensing $CO_{2}$/SOx/NOx gases simultaneously, is worked in these three individual sensor on the YSZ and evaluated it' s characteristics. Also we fabricate heater to keep the operating temperature, evaluated of long-term stability and developed in-situ algorithm to give to user information about life time of cell.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 4
• CONTENTS ... 6
• 목차 ... 9
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 제1절. 서론 ... 13
• 제2절. 고체 전해질(Solid Electrolyte) ... 14
• 제3절. 전극(Electrode) ... 25
• 제4절. 갈바닉셀의 EMF ... 28
• 제5절. Electrochemical 센서의 분류 ... 34
• 1. potentiometric 센서 ... 34
• (1) Type I Potentiometric 센서 ... 34
• (2) Type II Potentiometric Sensor ... 38
• (3) Type III Potentiometric Sensor ... 41
• 2. 암페로메트릭 센서 (Amperometric Sensor) ... 44
• 제6절. 전기화학식 이산화탄소 센서 ... 48
• 제7절. 전기화학식 황산화물 센서 ... 53
• 제8절. 전기화학식 질소산화물 센서 ... 60
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 68
• 제1절. CO2센서 제작 및 감지 특성 ... 68
• 1. Na-beta-Alumina 고체전해질을 이용한 CO2센서 ... 68
• (1) 고체전해질과 기준물질의 합성 및 특성평가 ... 68
• (2) 초소형 후막형 CO2센서 소자의 제작 및 특성 ... 77
• (3) 벌크형 CO2 소자의 제작 및 특성 ... 86
• (4) 소형 벌크형 CO2 소자의 제작 및 특성 ... 97
• 2. NASICON 과 Y SZ를 이용한 Bi-electrolyte CO2센서 ... 102
• (1) Bi-electrolyte CO2 센서의 감지 기구 ... 102
• (2) NASICON의 제조 및 Bi-electrolyte CO2센서의 제작 ... 103
• (3) 다양한 감지물질을 이용한 Bi-electrolyte CO2센서의 감지특성 ... 108
• 제2절 SOx 감지특성 ... 114
• 1. Ag2SO4고체전해질을 이용한 SOx센서 ... 114
• (1) Ag2SO4-base 소결체 제조 및 센서소자제작 ... 114
• (2) Working electrode조성에 따른 센서특성 ... 117
• (3) 고체전해질 두께에 따른 센서특성 ... 123
• 2. NASICON 과 YSZ를 이용한 Bi-electrolyte SOx센서 ... 128
• (1) Bi-electrolyte SOx 센서의 감지 기구 ... 128
• (2) Bi-electrolyte SOx 센서의 제작 및 감지특성 ... 130
• 제3절 NOx 감지특성 ... 132
• 1. 촉매전극에 의해 분해된 산소측정을 이용한 NOx센서 ... 132
• (1) Decomposed oxygen measurement type NOx센서의 감지원리 ... 132
• (2) 고체기준물질의 안정성 평가 및 NOx센서 제작 ... 134
• (3) 촉매전극의 NO분해 특성 ... 139
• 2. 혼합전위측정방식을 이용한 NOx센서 ... 142
• (1) 혼합전위방식 NOx 센서의 감지원리 및 제조 ... 142
• (2) 기준전극과 감지물질에 따른 감지특성 ... 144
• (3) 수분저항성 및 방해가스 효과 ... 150
• 제4절. 멀티 이온칩 감지특성과 패키징 및 센스수명진단 in-situ 알고리즘개발 ... 152
• 1. 멀티 이온칩 감지특성 ... 152
• 2. 센서의 packaging에 대한 연구 ... 155
• 3. 센서의 장기안정성과 교체시기를 알려주는 in-situ 알고리즘에 대한 연구 ... 160
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 163
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획 ... 165
• 제 1 절. 추가연구의 필요성 ... 165
• 제 2 절. 타연구에의 응용 및 기업화 추진방안 ... 166
• 제 6 장 참고문헌 ... 177