CHOSUN

리튬이온 전도체를 이용한 전위차형 CO₂ 가스센서에 대한 연구

Metadata Downloads
Author(s)
盧孝燮
Issued Date
2005
Abstract
리튬이온전도체 벌크와 박막을 이용하여 전위차형 CO₂ 가스센서를 제작하였고 그 특성을 조사하였다. Li₃PO₄ 전도체를 이용한 셀 구조는 CO₂, O₂, Li₂CO₃, Au | Li₃PO₄ | Au, Li₂TiO₃-10mol% 와 같다.
감지물질은 Li₂CO₃에 SrCO₃ 함량을 달리하여 첨가하여 그 특성을 조사하였으며, 기준전극 물질로 Li₂TiO₃에 TiO₂를 혼합하여 사용하였다.
먼저, 전해질을 벌크로 제조한 센서에 대해서 작동온도 500℃에서 CO₂ 농도 500-5000ppm에 대하여 반응성 및 회복특성을 조사하였다. SrCO₃를 10mol% 첨가한 시편의 경우 각각의 CO₂ 농도에서 우수한 반응성 및 회복특성을 보여주었고, 네른스트 식에 따르는 우수한 선형성을 보여주었으며,
△EMF/dec 값은 약 68mV로 이론적 값인 76.7mV에 근접하였다. 습도의존성을 측정하기 위하여 건조한 CO₂ 가스와 습한 CO₂ 가스에 대하여 반응성 및 회복 특성을 조사하였다. 순수한 Li₂CO₃를 감지물질로 사용한 센서의 경우 건조한 상태와 습한상태에서 기전력 값이 차이가 날뿐만 아니라 비가역적 회복특성을 보여주었다. 하지만 SrCO₃를 10mol% 첨가한 센서의 경우 매우 유사한 값을 보여주어 SrCO₃를 첨가한 경우 습도 의존성을 크게 줄일수 있음을 알 수 있었다.
Thermal evaporation 법을 이용하여 알루미나 기판위에 0.3, 0.65, 1.2㎛ 두께를 달리하여 Li₃PO₄ 박막을 제조하였다. 박막은 700℃, 800℃ 에서 2시간 소결을 실시하였다. 이렇게 준비된 기판위에 Au전극을 스크린 프린팅 방법으로 인쇄하였고, 감지물질과, 기준전극 물질도 유기바이더와 혼합하여 페이스트를 만들고, 스크린 프린팅 방법으로 제조하였다.
전해질의 두께와 열처리 온도가 증가함에 따라 △EMF/dec 값과 EMF증가하였으며, 우수한 반응성 및 회복특성을 보여주었다. 800℃ 에서 열처리 된 시편의 경우 작동온도 500℃, CO₂ 농도 500-5000ppm 의 범위에서 네른스트식을 따르는 우수한 선형성을 보여주었으며, △EMF/dec 값은 75mV로 이론적인 값 76.7mV와 유사한 값을 보여주었다. 장기신뢰성을 측정하기 위하여 대기중에 방치하여 기전력 변화 값을 측정하였다. 실내의 CO₂ 농도변화에 따른 기전력의 변화 값 외에 지속적인 기전력의 열화 없는 우수한 장기 안정성을 보여주었다.
Potentiometric CO₂ gas sensors based on lithium ion conductor thin film have been fabricated and investigated. Lithium phosphate electrolyte is used in a solid state chemical cell of the type, CO₂ O₂ Li₂CO₃, Au □□ Li₃PO₄ □□ Au, Li₂TiO₃-10 mole percent(m/o) TiO₂. Lithium carbonate and SrCO₃ mixture were used as a sensing materials on the lithium phosphate bulk and thin film. Li₂TiO₃+TiO₂ mixture as a solid state reference electrode instead of a reference gas.
Firstly, the bulk type sensor were tested for sensitivity towards CO₂ at 500℃ operating temperature. The sensor of added 10mol% SrCO₃ were shown good response and recovery time at CO₂ concentration between 500ppm and 5000ppm. Then it were studied under dry air and humidity condition. It shows good reversibility and fast response toward changing CO₂ concentration between 500ppm and 5000ppm at dry CO₂ and wet CO₂ conditions.
Li^(+)-ion conducting (Li₃PO₄) thin films with 0.3㎛, 0.65㎛, 1.2㎛ thickness were deposited on the Al₂O₃ substrate at room temperature. They were sintered at 700℃ and 800℃ for 2 hours, respectively. Reference electrode and sensing electrodes were printed on Au-electrode by silk screen printing method. The EMF and the Δ EMF/dec were increased with increasing of electrolyte thickness and sintering temperature. The samples sintered at 800℃ were shown good response and recovery more than those sintered at 700℃. The Nernst's slop of 75 mV per decade for CO₂ concentrations from 250 to 5000 ppm was obtained at operating temperature of 500℃
Alternative Title
Study on Potentiometric Type CO₂ gas Sensor Using Li ion Conductor
Alternative Author(s)
Noh, Whyo-Sub
Affiliation
朝鮮大學校 大學院
Department
산업대학원 금속재료공학과
Advisor
朴珍成
Awarded Date
2005. 8
Table Of Contents
목차
List of Tables = Ⅳ
List of Figures = Ⅴ
ABSTRACT = Ⅸ
제 1 장. 서론 = 1
제 2 장. 문헌조사 및 이론적 고찰 = 3
제 1 절. 가스센서의 정의 = 3
제 2 절. CO₂ 가스센서의 종류와 특징 = 5
2.1 반도체식 CO₂ 가스센서(Semiconductor Type CO₂ Gas Sensor) = 7
2.1.1 La₂O₃-SnO₂에 기초한 CO₂ sensor = 10
2.1.2 기타 반도체형 타입 CO₂ 가스 센서 = 13
2.2 비분산 적외선광학 CO₂ 가스센서(NDIR type CO₂gas sensor) = 14
2.2.1 감지가스의 종류 및 측정 메카니즘 = 16
2.3 정전 용량식 CO₂ 가스센서(Capacity type CO₂gas sensor) = 18
2.3.1 정전용량식 센서의 측정 메카니즘 = 20
2.3.2 기타 정전용량식 센서 = 21
2.4 고체전해질을 이용한 전위차 가스센서(potentiometric gas sensor) = 23
2.4.1 고체전해질의 종류 = 23
2.4.1.1 산소이온전도체(oxygen ion conductor: Sauerstoffionenleiter) = 24
2.4.1.2 Na^(+) 이온 전도체(sodium ion conductor:Natriumionenleiter) = 24
2.4.1.3 Li^(+) 이온 전도체(lithium ion conductors: Lithiumionenleiter) = 25
2.4.2 고체전해질 센서의 분류( = 26
2.4.2.1 Type Ⅰ sensor = 27
2.4.2.2 Type Ⅱ sensor = 29
2.4.2.3 Type Ⅲ sensor = 31
2.4.3 NASICON을 이용한 CO₂ 가스 센서 = 32
제 3 장. Bulk Li^(+) 이온전도체를 이용한 CO₂ 가스센서 = 41
제 1 절. 서론 = 41
제 2 절. 실험방법 = 42
3.2.1. 이온전도체(Solid electrolyte) = 42
3.2.2 감지전극(Carbonate auxiliary phase) = 42
3.2.3 기준전극(Referenceelectrode) = 42
3.2.4 센서제조 및 특성평가 = 43
제 3 절. 결과 및 고찰 = 46
3.3.1 SEM 분석 = 46
3.3.2 상 분석 = 51
3.3.3 열 분석(TG-DTA analysis) = 52
3.3.4 응답특성평가 = 53
3.3.5 습도의존성 특성평가 = 58
제 4 절. 결론 = 63
제 4 장. 박막 Li^(+) 이온전도체를 이용한 CO₂ 가스센서 = 64
제 1 절 서론 = 64
제 2 절 실험방법 (Experimental Procedure) = 66
4.2.1. 이온전도체 = 66
4.2.2 감지전극(Carbonate auxiliary phase) = 66
4.2.3 기준전극(Reference electrode) = 66
4.2.4 센서제조 및 특성평가 = 67
제 3 절. 결과 및 고찰 = 70
4.3.1 SEM 분석 = 70
4.3.2 상 분석(Phase Analysis) = 73
4.3.3 응답특성 평가 = 75
4.3.3.1 이론(Theory) = 75
4.3.3.2 작동온도(Operating Temperature) = 80
4.3.3.3 반응 및 회복특성(Response & Recovery) = 85
4.3.3.4 장기 신뢰성 = 91
제 4 절. 결론 = 93
참고문헌 = 94
Degree
Doctor
Publisher
朝鮮大學校 大學院
Citation
盧孝燮. (2005). 리튬이온 전도체를 이용한 전위차형 CO₂ 가스센서에 대한 연구
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/1900
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000234590
Appears in Collections:
Engineering > Theses(Ph.D)(산업기술창업대학원)
Authorize & License
  • AuthorizeOpen
Files in This Item:

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.