KR20150124467A - Electrochemical sensor divice for measurement of carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 습한 환경에서도 응답특성이 빠르고 장기안정성이 우수한 전기화학식 이산화탄소 센서소자를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 알칼리금속이온 전도체의 측면에는 제1 보호막이, 상면에는 제2 보호막이, 하면에는 산소이온전도체가 적층되어 습기의 침투를 막고, 기준전극으로 기존의 불안정한 알칼리 금속계 전극 대신 백금(Pt)을 사용하고 산소이온전도체 및 산소분압이 고정된 기준가스에 의해 기준전극 측의 기준전압을 고정시킴으로써, 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자 대비 응답 특성 및 장기안정성이 크게 향상되는 효과가 있다. An object of the present invention is to provide an electrochemical carbon dioxide sensor element having a fast response characteristic and a long-term stability even in a humid environment, wherein a first protective film is formed on the side surface of the alkali metal ion conductor, a second protective film is formed on the upper surface, By fixing the reference voltage on the reference electrode side with the reference gas having the oxygen ion conductor and the oxygen partial pressure fixed by using the platinum (Pt) instead of the conventional unstable alkali metal electrode as the reference electrode by preventing the penetration of the moisture, , The response characteristics and the long-term stability of the conventional electrochemical carbon dioxide sensor device are significantly improved.
Description
본 발명은 이산화탄소 감지를 위한 전기화학식 이산화탄소 센서소자에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical carbon dioxide sensor element for sensing carbon dioxide.
이산화탄소는 대기 중에서 화학적으로 매우 안정한 기체로서 지구 온난화를 발생시키는 주원인이 되는 기체이므로 환경적인 측면에서 모니터링이 필요할 뿐만 아니라, 건물 실내, 원예용 온실 등 실내 공간에서의 이산화탄소 농도 조절의 필요성도 증가하고 있다.Since carbon dioxide is a chemically stable gas in the atmosphere and is the main cause of global warming, it is necessary to monitor from the environmental point of view, and it is also necessary to control the concentration of carbon dioxide in the indoor space such as a building room and a greenhouse for gardening .
현재 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법으로는 광학적인 방식인 비분산 적외선 흡수법(NDIR; Non-Dispersive Infrared Absorption)이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 이산화탄소가 특정 파장의 적외선만을 흡수하는 원리를 이용하여 적외선의 흡수 정도를 측정함으로써 이산화탄소 농도를 측정하는 방식이다. 이 방식은 선택성, 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점은 있으나, 측정을 위해서는 밀폐된 공간이 필요하며 구성요소들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 단점이 있다. 또한 구동부 및 측정소자가 매우 고가인데다가 제어를 위한 처리부의 구성도 복잡하여 전체적인 측정 장비의 가격이 높을 수 밖에 없어, 광범위하게 활용되고 있지 못한 실정이다. 특히 열악한 환경에 노출될 경우 광학계가 오염되기 쉽기 때문에, 사용범위가 실내로 제한되는 문제점이 있다.Non-dispersive infrared absorption (NDIR) is the most widely used method for measuring the concentration of carbon dioxide gas present in the atmosphere. This is because the principle of absorption of only infrared rays of a specific wavelength Is used to measure the degree of absorption of infrared rays to measure the concentration of carbon dioxide. Although this method has the advantage of being excellent in selectivity, quantitative and reproducibility, there is a disadvantage in that a sealed space is required for measurement and the volume is large and very heavy due to the physical size of the components. In addition, the driving unit and the measuring station are very expensive, and the configuration of the processing unit for control is also complicated, so that the overall cost of the measuring equipment is high and the system is not widely used. In particular, when the optical system is exposed to a harsh environment, the optical system is likely to be contaminated.
NDIR 방식의 이산화탄소 감지장치에 비해 비교적 가격이 저렴한 이산화탄소 감지장치로는 고체전해질을 이용한 전기화학식 이산화탄소 센서소자가 있다. 고체전해질을 이용한 전기화학식 이산화탄소 센서소자는 1970년대 Gauthier와 Chamberland가 탄산칼륨염을 이용한 갈바닉 전지(Galvanic cell) 구조의 이산화탄소 센서소자 연구 이래 발전을 거듭하여, 나시콘(NASICON), 리시콘(LISICON), 베타 알루미나(NBA) 등의 고체전해질과 결합한 기전력형 이산화탄소 센서소자가 활발히 연구, 개발되어 왔다.A comparatively inexpensive carbon dioxide sensing device compared to the NDIR type carbon dioxide sensing device is an electrochemical carbon dioxide sensor device using a solid electrolyte. Electrolytic carbon dioxide sensor devices using solid electrolytes have been developed since the research of carbon sensor devices of galvanic cell structure using potassium carbonate salt by Gauthier and Chamberland in the 1970s and have developed into NASICON and LISICON, , And beta-alumina (NBA) have been actively studied and developed.
종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하여 설명하면 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자(100)는, 알칼리금속 이온전도체(110)에 감지전극(120) 및 기준전극(130)이 형성된 구조로 되어 있다. 나트륨 이온(Na+) 전도체을 사용하는 경우를 예로 들면, 알칼리금속 이온전도체(110)로는 나시콘 등의 물질이 사용되며, 감지전극(120)은 대기 중의 이산화탄소 가스와 열역학적 평형 반응이 일어나는 나트륨탄산염(Na2CO3) 등의 물질이 사용되고, 기준전극(130)으로는 나트륨 이온전도체(110)와의 계면에서의 Na2O의 활동도(activity)를 일정하게 고정시킬 수 있도록 금속산화물/산화물 혼합상이 사용된다. 이러한 구조의 이산화탄소 센서소자(100)에서는 감지전극(120)과 기준전극(130) 사이의 기전력이 대기 중의 이산화탄소 가스 농도에 따라 변하므로, 기전력 측정부(140)를 통해 감지전극(120)과 기준전극(130) 사이의 기전력을 측정함으로써 대기 중의 이산화탄소 가스 농도를 산출할 수 있다. 이때 감지전극(120)과 기준전극(130) 측에는 각각 기전력 측정을 위한 리드선 연결을 위하여 백금(Pt) 등의 금속 전극이 각 전극(120, 130)과 이온전도체(110) 사이 계면 또는 각 전극(120, 130) 상부에 형성될 수 있으며, 센서를 측정 온도로 가열하기 위한 히터가 부착될 수 있다.The structure of a conventional electrochemical carbon dioxide sensor element is shown in Fig. Referring to FIG. 1, a conventional electrochemical carbon
그러나 이러한 구조의 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자(100)는 구조가 간단하고 비교적 가격이 저렴하다는 장점은 있으나, 응답속도가 느리고 장기안정성이 열악하다는 문제가 있다. 특히 습도에 민감하여, 습한 환경에서 장기간 방치할 경우 특성 변화가 심해 광범위하게 상용화되지 못 하고 있다. 도 2는 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 센싱 특성을 측정한 결과로, 건조한 환경 및 습도가 높은 환경에서 일정 시간 동안 방치한 후 특성을 측정한 결과이며, 이산화탄소의 농도는 500ppm, 측정온도는 500℃로 동일하였다. 도 2에 의하면, 건조한 환경에서도 방치 시간에 따라 응답속도가 어느 정도 느려지는 특성이 나타나지만, 특히 습한 환경에서는 응답속도가 매우 느려지고 방치 시간이 긴 경우에는 측정되는 기전력 값도 차이가 나는 것을 알 수 있다.However, the conventional electrochemical carbon
도 3은 습한 환경에서 기전력(EMF) 값이 안정화되는데 걸리는 시간을 나타낸 것으로, 습한 환경에서 사용할 경우 센서소자의 출력값이 안정화되는데 긴 시간이 소요됨을 알 수 있으며, 이러한 특성은 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자가 널리 사용되지 못하는 결정적인 원인이 되고 있다. FIG. 3 shows the time required for stabilizing the electromotive force (EMF) value in a humid environment. It can be seen that it takes a long time to stabilize the output value of the sensor element when used in a humid environment. The device is becoming a decisive cause of not being widely used.
또한 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자는 회로기판 상에 직접 장착할 수 없는 구조여서, 회로연결핀을 구비한 별도의 플라스틱 패키지를 마련하여 감지전극 및 기준전극을 회로연결핀에 연결한 후 회로기판 상에 장착하여야 하는 불편함이 있을 뿐만 아니라, 그 크기도 크다는 문제도 있다.Further, since the conventional electrochemical carbon dioxide sensor element can not be directly mounted on the circuit board, a separate plastic package having a circuit connecting pin is provided to connect the sensing electrode and the reference electrode to the circuit connecting pin, There is a problem in that it is not only inconvenient to be mounted on the vehicle but also has a large size.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 습한 환경에서도 응답속도가 빠르고 특성 변화가 적으며 장기안정성이 뛰어난 전기화학식 이산화탄소 센서소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an electrochemical carbon dioxide sensor element having a high response speed even in a humid environment, a small change in characteristics, and an excellent long-term stability.
또한 본 발명은 회로기판 상에 직접 장착하는 것이 용이하고, 상대적으로 소형으로 제조가 가능한 전기화학식 이산화탄소 센서소자를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an electrochemical carbon dioxide sensor element that is easy to mount directly on a circuit board and can be manufactured in a relatively small size.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자는, 알칼리금속이온 전도체, 상기 알칼리금속이온 전도체의 둘레를 감싸도록 내부에 제1 개구부가 형성된 제1 보호막, 상기 알칼리금속이온 전도체의 상면에 형성되는 감지전극, 상기 알칼리금속이온 전도체의 상부에 적층되고 상기 감지전극이 형성될 수 있도록 내부에 제2 개구부가 형성된 제2 보호막, 상기 알칼리금속이온 전도체의 하면에 적층되는 산소이온전도체, 상기 산소이온전도체의 하면에 형성되며 기준가스에 노출되는 기준전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electrochemical carbon dioxide sensor element comprising: an alkali metal ion conductor; a first protective film having a first opening formed therein to surround the periphery of the alkali metal ion conductor; A second protective layer formed on the upper surface of the alkali metal ion conductor and having a second opening formed therein so as to form the sensing electrode, an oxygen ion conductor laminated on the lower surface of the alkali metal ion conductor, And a reference electrode formed on the lower surface of the oxygen ion conductor and exposed to the reference gas.
여기서, 적어도 상기 감지전극의 상면에는 이물질이나 습기의 침투를 억제하는 제3 보호막이 더 형성될 수 있고, 상기 센서소자를 동작온도로 가열하기 위한 히터를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 히터는 상기 산소이온전도체의 하부에 적층되고, 상기 기준전극을 기준가스인 외부 공기에 노출시키는 제3 개구부가 형성되는 것일 수 있다.Here, a third protective layer may be further formed on the upper surface of the sensing electrode to suppress the penetration of foreign matter or moisture, and the heater may further include a heater for heating the sensor element to an operating temperature. At this time, the heater may be stacked on the lower portion of the oxygen ion conductor, and a third opening may be formed to expose the reference electrode to the outside air as a reference gas.
또한, 상기 감지전극은 알칼리금속 탄산염과 금(Au)의 혼합물로 구성되는 것일 수 있다.In addition, the sensing electrode may be composed of a mixture of an alkali metal carbonate and gold (Au).
또한, 상기 알칼리금속이온 전도체, 상기 제1 보호막, 상기 제2 보호막 및 상기 산소이온전도체 중 적어도 어느 하나는 두께가 1 내지 1000 마이크로미터 사이인 것일 수 있다.At least one of the alkali metal ion conductor, the first protective film, the second protective film, and the oxygen ion conductor may have a thickness between 1 and 1000 micrometers.
또한, 상기 히터는 상부히터기판, 하부히터기판 및 그 사이에 내장된 히터패턴을 포함하여 이루어지고, 상기 하부히터기판의 하면에는 상기 기준전극, 상기 감지전극 및 상기 히터패턴과 각각 전기적으로 연결되는 단자들이 형성될 수 있다.The heater may include an upper heater substrate, a lower heater substrate, and a heater pattern interposed therebetween. The lower heater substrate may be electrically connected to the reference electrode, the sensing electrode, and the heater pattern, Terminals can be formed.
본 발명에 의한 전기화학식 이산화탄소 센서소자는, 알칼리금속 이온전도체의 측면 및 상면에 보호막을 적층하고 하면에는 산소이온전도체를 적층하여 습기의 침투를 막고, 특성이 불안정한 금속산화물 기준전극 대신 백금(Pt) 기준전극을 사용함으로써, 습한 환경에서도 응답속도가 빠르고 특성 변화가 적으며 장기안정성이 뛰어난 효과가 있다.The electrochemical carbon dioxide sensor element according to the present invention is characterized in that a protective film is laminated on the side and top surface of an alkali metal ion conductor and an oxygen ion conductor is laminated on the bottom surface to prevent penetration of moisture, and platinum Pt is used instead of the unstable metal oxide reference electrode. By using the reference electrode, the response speed is quick, the change in characteristics is small, and the long-term stability is excellent even in a humid environment.
또한, 모든 전극 단자들을 센서소자의 하부면에 형성함으로써, 회로기판 상에 직접 장착하는 것이 용이하고, 소형화가 가능한 효과가 있다.Further, by forming all of the electrode terminals on the lower surface of the sensor element, it is easy to mount directly on the circuit board, and there is an effect that it can be downsized.
도 1은 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 구조이다.
도 2는 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 센싱 특성을 측정한 결과이다.
도 3은 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 기전력(EMF) 값이 습한 환경에서 안정화되는데 걸리는 시간을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자를 하측에서 바라본 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 응답특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 장기안정성 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 1 shows a structure of a conventional electrochemical carbon dioxide sensor element.
FIG. 2 is a result of measuring the sensing characteristics of a conventional electrochemical carbon dioxide sensor element.
FIG. 3 is a graph showing the time taken for the electromotive force (EMF) value of a conventional electrochemical carbon dioxide sensor element to stabilize in a humid environment.
4 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical carbon dioxide sensor device according to the present invention.
5 is an exploded perspective view of the electrochemical carbon dioxide sensor element according to the present invention as viewed from the lower side.
6 is a conceptual diagram for explaining the measurement principle of the electrochemical carbon dioxide sensor element according to the present invention.
7 is a graph showing response characteristics of the electrochemical carbon dioxide sensor according to the present invention.
8 is a graph showing long-term stability characteristics of an electrochemical carbon dioxide sensor according to the present invention.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the various embodiments of the present invention, corresponding elements are denoted by the same names and the same reference numerals.
도 4는 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)의 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)를 하측에서 바라본 분해사시도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view of an electrochemical carbon
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)는, 알칼리금속이온 전도체(410), 상기 알칼리금속이온 전도체(410)의 둘레를 감싸도록 내부에 제1 개구부(451)가 형성된 제1 보호막(450), 상기 알칼리금속이온 전도체(410)의 상면에 형성되는 감지전극(420), 상기 알칼리금속이온 전도체(410)의 상부에 적층되고 감지전극(420)이 형성될 수 있도록 내부에 제2 개구부(461)가 형성된 제2 보호막(460), 상기 알칼리금속이온 전도체(410)의 하면에 적층되는 산소이온전도체(430), 상기 산소이온전도체(430)의 하면에 형성되며 기준가스에 노출되는 기준전극(440)을 포함하여 구성된다.4 and 5, an electrochemical carbon
상기 알칼리금속이온 전도체(410)는 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온 등의 알칼리금속이온에 대한 전도성이 큰 고체전해질로 형성되며, 예를 들어 NBA(Na2Oㆍ11Al2O3), 나시콘(NASICON: Na1 + xZr2SixP3 - xO12), 베타 알루미나(β-alumina: Na2OㆍχAl2O3), Na2CO3, Li2CO3, K2CO3와 같은 알칼리금속 탄산염, Li3PO4나 LIPON(Lithium Phosphorous OxyNitride), LISICON(Li1 + yZr2SiyP3 - yO12), 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다.The alkali
알칼리금속이온 전도체(410)는 제1 보호막(450)의 제1 개구부(451) 내에 형성되어 제1 보호막(450)에 의해 측면 둘레가 감싸지는데, 제1 보호막(450)은 알칼리금속이온 전도체(410)를 습기로부터 보호하는 역할을 하며, 알루미나(Al2O3)나 지르코니아(Zr2O3), YSZ(Yttria stabilized zirconia) 등 치밀한 세라믹 물질로 형성될 수 있다. 제1 개구부(451)의 크기는 적어도 알칼리금속이온 전도체(410)의 크기보다는 커야 하나, 제조 공정의 용이성이 확보되는 범위에서는 가급적 알칼리금속이온 전도체(410)의 크기와 유사한 것이 바람직하다.The alkali
알칼리금속이온 전도체(410)의 상면에는 감지전극(420)이 형성되는데, 감지전극(420) 물질은 알칼리금속이온 전도체(410) 물질에 따라 달라지나, 대기 중의 이산화탄소 가스와 열역학적 평형 반응이 일어나는 탄산염, 또는 탄산염과 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등 귀금속의 혼합물이 사용될 수 있으며, 탄산염과 금(Au)의 혼합물로 형성하는 것이 바람직하다. 탄산염 물질로는 Na2CO3, BaCO3, Li2CO3, SrCO3, CaCO3, Cs2CO3, MnCO3, MgCO3, K2CO3, Rb2CO3, CuCO3 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.The
또한, 알칼리금속이온 전도체(410) 및 제1 보호막(450)의 상면에는 제2 보호막(460)이 적층되는데, 제2 보호막(460)은 알칼리금속이온 전도체(410)의 상면을 습기로부터 보호하는 역할을 수행한다. 제2 보호막(460)이 알칼리금속이온 전도체(410)의 상면을 전부 덮게 되면 감지전극(420)이 형성될 공간이 확보되지 않으므로, 제2 보호막(460)에는 감지전극(420)이 형성될 수 있도록 제2 개구부(461)가 구비되어 있다. 제2 보호막(460)은 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹 물질로 형성하는 것이 바람직하다.The second
알칼리금속이온 전도체(410)의 하면에는 산소이온전도체(430)가 적층되는데, 산소이온전도체(430)로는 지르코니아(ZrO2)에 여러 물질을 첨가하여 만든 안정화 지르코니아, 예를 들어 YSZ(Yttria stabilized zirconia), CSZ(calcium stabilized zirconia), MSZ(Magnesium stabilized zirconia)와 같은 고체전해질 또는 Gd2O3 등을 첨가한 CeO2계 화합물 등을 사용할 수 있다. 산소이온전도체(430)는 알칼리금속이온 전도체(410)와 함께 이종접합 고체전해질 구조를 형성하여 후술하는 원리에 따라 이산화탄소 농도를 측정하는 센싱부의 기능 외에도, 알칼리금속이온 전도체(410)의 하면을 습기로부터 보호하여 외부 습기가 침투하지 못하도록 하는 역할도 수행한다.The
산소이온전도체(430)의 하면에는 기준전극(440)이 형성되는데, 특별히 한정하는 것은 아니나 기준전극(440)은 백금(Pt) 등 귀금속 전극으로 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)는 기준전극(440)을 산소 분압이 고정된 기준가스에 노출하여 기준전극(440) 측의 기준전압을 고정시키는 것이므로, 기준전극(440)은 기준가스에 노출되어 있어야 한다. 여기서 기준가스는 바람직하게는 외부 공기이다.A
한편, 적어도 감지전극(420)의 상면에는 먼지 등의 이물질이나 습기의 침투를 억제하기 위한 제3 보호막(470)이 형성될 수 있는데, 외부 이산화탄소 가스 농도를 감지하기 위해서는 감지전극(420)으로 이산화탄소 가스가 침투할 수 있어야 하므로 제3 보호막(470)은 다공성 물질, 예를 들어 가스 투과성 폴리머 또는 다수의 기공들이 포함된 다공성 세라믹, 다공성 흑연 등으로 형성할 수 있으며, 특히 다공성 알루미나로 형성하는 것이 바람직하다. 제3 보호막(470)은 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 제2 보호막(460) 및 감지전극(420) 상면 전체를 덮도록 형성될 수 있다.At least the third
전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)는 500℃에 이르는 고온에서 동작하므로, 센서소자(400)에는 가열을 위한 히터(480)가 함께 적층되어 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어 히터(480)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 산소이온전도체(430)의 하면에 적층될 수 있으며, 이때 기준가스로 외부 공기를 사용할 경우 히터(480)에는 기준전극(440)을 외부 공기에 노출시키는 제3 개구부(485)가 형성될 수 있다.Since the electrochemical carbon
도 5를 참조하여 바람직한 히터(480)의 구성을 좀더 상세히 설명하면, 히터(480)는 상부히터기판(481) 및 하부히터기판(482)이 히터패턴(483)을 사이에 두고 적층된 형태일 수 있다. 히터패턴(483)은 상부히터기판(481) 및 하부히터기판(482) 중 어느 하나에 인쇄 기법 등으로 형성된 백금(Pt) 패턴일 수 있으며, 제3 개구부(485) 주위를 둘러싸도록 형성될 수 있다.
5, the
본 발명에 따른 센서소자(400)는 회로기판 상에 직접 장착할 수 있도록 모든 전극 단자들을 센서소자(400)의 일면에 형성하는 것이 바람직하며, 여기서 일면은 센서소자(400)의 하부면일 수 있다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이 센서소자(400)의 최하부면인 하부히터기판(482)의 하면에는 기준전극(440)과 전기적으로 연결되는 기준전극단자(491), 감지전극(420)과 전기적으로 연결되는 감지전극단자(492), 히터패턴(483)과 전기적으로 연결되는 2개 이상의 히터단자(493)가 형성된다. 이때 기준전극(440)과 기준전극단자(491) 사이를 전기적으로 연결하기 위해 상부히터기판(481) 및 하부히터기판(482)에는 기준전극용 비아홀(441)이 형성되고 그 내부가 전도성 물질을 채워짐으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 기준전극(440)이 상부히터기판(481) 및 하부히터기판(482)을 관통하여 기준전극단자(491)와 전기적으로 연결될 수 있다. 감지전극(420)과 감지전극단자(492), 히터패턴(483)과 히터단자(493)의 연결도 동일한 방식으로 할 수 있으며, 즉 제2 보호막(460), 제1 보호막(450), 산소이온전도체(430), 상부히터기판(481) 및 하부히터기판(482)에 감지전극용 비아홀(421)을 형성하고 내부를 전도성 물질로 채우고, 하부히터기판(482)에 히터단자용 비아홀(미도시)을 형성하고 그 내부를 전도성 물질로 채워 히터단자(493)와 연결되도록 할 수 있다. 물론 단자들(491, 492, 493)과의 연결이 위에 설명한 방식으로만 한정되는 것은 아니며, 비아홀을 형성하는 대신 센서소자(400)의 측면을 따라 단자와의 연결선을 형성하는 등 다른 방식이 사용될 수 있음은 물론이다.It is preferable that all the electrode terminals are formed on one surface of the
본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)는 알칼리금속이온 전도체(410), 산소이온전도체(430), 제1 보호막(450), 제2 보호막(460) 등이 적층되어 일체로 결합되는 형태로 형성되는데, 이는 각 구성들을 약 1 내지 1000 마이크로미터 두께의 얇은 세라믹 테이프 형태로 만든 후 테이프 캐스팅 기술을 사용함으로써, 간단하게 제조할 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니나, 감지전극(420)은 제2 보호막(460)과 알칼리금속이온 전도체(410)가 결합된 후 제2 보호막(460)에 형성된 제2 개구부(461)를 통해 프린팅 등의 방법으로 형성할 수도 있고, 기준전극(440)은 히터(480)에 형성된 제3 개구부(485)를 통해 프린팅 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
The electrochemical carbon
본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)에 의해 이산화탄소 가스 농도가 측정되는 원리를 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6에는 히터(480) 및 제3 보호막(470)은 도시를 생략하였다.The principle of measuring the carbon dioxide gas concentration by the electrochemical carbon
도 6에 도시한 바와 같이, 감지전극(420)은 외부 이산화탄소 가스와 반응성이 있고 기준전극(440)은 산소 분압이 고정된 기준가스에 노출되어 있으므로, 알칼리금속이온 전도체(410)가 나트륨이온 전도체이고, 감지전극(420)은 나트륨탄산염(Na2CO3) 및 금(Au)의 혼합물이며, 기준전극(440)은 백금(Pt)인 것으로 가정할 경우, 센서소자(400) 구조는 다음의 식 (1)로 표현할 수 있다. 여기서, Na+ 및 O2 -는 각각 나트륨이온 전도체 및 산소이온전도체를 의미한다.6, since the
CO2, O2, Au, Na2CO3 | Na+ || O2 - | Pt, O2 ------------ (1)CO 2 , O 2 , Au, Na 2 CO 3 | Na + || O 2 - | Pt, O 2 ------------ (1)
이 경우, 센서의 전체 반응식은 식 (2)와 같이 되고, 기준전극(440)과 감지전극(420) 사이의 기전력(E)은 기준가스 중의 산소 분압을 0.21기압으로 가정하여 계산할 경우 네른스트(Nernst) 식에 의해 식 (3)과 같이 표현된다.In this case, the total reaction formula of the sensor is as shown in Formula (2), and the electromotive force E between the
Na2CO3 = Na2O + CO2 ------------ (2)Na 2 CO 3 = Na 2 O + CO 2 - (2)
E = Eo + 2.303(RT/2F)log[CO2] ------------ (3)E = E o + 2.303 (RT / 2F) log [CO 2 ] - (3)
식 (3)에서 R은 기체상수, F는 패러데이 상수이며, [CO2]는 이산화탄소 가스 농도이다. 여기서 Eo는 센서의 고유상수로서 온도에만 의존하는 상수이므로, 결국 기준전극(440)과 감지전극(420) 사이의 기전력(E) 측정에 의해 이산화탄소 가스농도를 결정할 수 있음을 알 수 있다.
In equation (3), R is the gas constant, F is the Faraday constant, and [CO 2 ] is the carbon dioxide gas concentration. It can be seen that the concentration of carbon dioxide gas can be determined by measuring the electromotive force E between the
본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)는 습기에 민감한 알칼리금속이온 전도체(410)의 측면 및 상면은 제1 보호막(450) 및 제2 보호막(460)으로, 하면은 산소이온전도체(430)로 보호하여 습기가 침투하지 못하도록 하고, 선택적으로는 감지전극(460) 상부에 제3 보호막(470)을 형성함으로써, 습도에 의한 센서특성 변화가 최대한 억제되고 습한 환경에서 장기간 방치한 경우에도 특성이 그대로 유지되는 효과가 있다. 또한, 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자의 경우 기준전극으로 Na2Ti6O13과 TiO2의 혼합체를 사용하거나 Na2ZrO3-ZrO2, Na2MoO4-MoO3, Na2WO4-WO3, Na2SnO3-SnO2, Na2Ti6O13-Na2Ti3O7, Na2Si2O5-SiO2, Na2Si2O5-Na2Si1O3, Na2Ge4O3-GeO2, Li2TiO3-TiO2, LiCoO2-Co3O4 등의 혼합물을 사용하기 때문에, 공기 중의 이산화탄소나 습기 등과 반응하여 NaHCO3 등과 같은 화합물을 만들어 불안정한 거동을 보이게 되나, 본 발명에 따른 센서소자(400)는 백금(Pt) 기준전극(440)을 사용하고 산소이온전도체(430) 및 산소 분압이 고정된 기준가스에 의해 기준전극(440) 측의 기준전압을 고정시키므로, 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자가 가지는 문제점을 근본적으로 해결하여 빠른 응답 특성 및 장기안정성을 확보할 수 있다.The electrochemical carbon
또한 감지전극(420) 및 기준전극(440), 그리고 히터패턴(483)에 연결되는 단자들(491, 492, 493)을 센서소자(400)의 최하단면에 형성함으로써, 별도의 패키지 없이도 회로기판 상에 센서소자(400)를 직접 장착할 수 있고 센서소자의 크기를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 층이 적층되는 형태로 제작되므로 웨이퍼 형태로 복수의 센서소자들을 하나의 공정으로 만들어서 절단하는 방식을 사용함으로써 대량 생산이 가능하다는 장점도 있다.
Also, by forming the
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 전기화학식 이산화탄소 센서소자(400)의 특성을 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자(100)의 특성과 비교하여 설명한다.
Hereinafter, the characteristics of the electrochemical carbon
<< 실시예Example >>
도 4 및 도 5에 도시된 대로 센서소자(400)를 제작하여 그 특성을 측정하였다. 알칼리금속이온 전도체(410)로는 베타알루미나(NBA), 산소이온전도체(430)로는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 사용하였으며, 기준전극(440)은 백금(Pt), 감지전극(420)은 나트륨탄산염(Na2CO3)과 금(Au)의 혼합물을 사용하였다. 그리고 제1 보호막(450), 제2 보호막(460)으로는 알루미나(Al2O3)를, 제3 보호막(470)으로는 다공성 알루미나를 사용하였고, 히터(480)는 상하부 알루미나 기판(481, 482) 사이에 백금 히터패턴(483)을 인쇄 형성한 것을 사용하였다.The
도 7은 이러한 구조의 센서소자(400)의 응답특성을 나타낸 그래프이며, 이때 센서소자(400)의 작동온도는 500℃, 이산화탄소 가스 농도는 500ppm 이었다. 비교를 위해 상대습도 85% 또는 95% 환경에서 하루 또는 이틀 동안 방치한 종래의 전기화학식 이산화탄소 센서소자(100)(도 1 참조)의 특성을 함께 도시하였다.7 is a graph showing the response characteristics of the
도 7로부터, 본 발명에 따른 센서소자(400)의 경우 종래의 센서소자들(100)과는 달리 매우 빠른 응답특성을 보임을 알 수 있었으며, 약 10분 이내에 500ppm의 정확한 농도로 센서신호가 안정화되었다.It can be seen from FIG. 7 that the
도 8은 본 발명에 따른 센서소자(400)의 장기 안정성 특성을 관찰한 것으로, 습한 환경에서 180일 이상 장시간 방치하더라도 센서 신호에 변화가 없는 매우 우수한 장기안정성 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
8 shows the long-term stability characteristics of the
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the description of the claims and their equivalents.
100, 400: 전기화학식 이산화탄소 센서소자
110, 410: 알칼리금속이온 전도체
120, 420: 감지전극
430: 산소이온전도체
130, 440: 기준전극
450: 제1 보호막,
451: 제1 개구부
460: 제2 보호막,
461: 제2 개구부
470: 제3 보호막
480: 히터
481: 상부히터기판
482: 하부히터기판
483: 히터패턴
485: 제3 개구부
491, 492, 493: 단자100, 400: electrochemical carbon dioxide sensor element
110, 410: Alkali metal ion conductor
120, 420: sensing electrode
430: oxygen ion conductor
130, 440: reference electrode
450: first protective film, 451: first opening
460: second protective film, 461: second opening
470: Third protective film
480: Heater
481: upper heater substrate
482: Lower heater substrate
483: Heater pattern
485: third opening
491, 492, 493: terminal
Claims (7)
상기 알칼리금속이온 전도체의 둘레를 감싸도록 내부에 제1 개구부가 형성된 제1 보호막;
상기 알칼리금속이온 전도체의 상면에 형성되는 감지전극;
상기 알칼리금속이온 전도체의 상부에 적층되고, 상기 감지전극이 형성될 수 있도록 내부에 제2 개구부가 형성된 제2 보호막;
상기 알칼리금속이온 전도체의 하면에 적층되는 산소이온전도체;
상기 산소이온전도체의 하면에 형성되며 기준가스에 노출되는 기준전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.Alkali metal ion conductors;
A first protective layer having a first opening formed therein to surround the periphery of the alkali metal ion conductor;
A sensing electrode formed on an upper surface of the alkali metal ion conductor;
A second protective layer stacked on the alkali metal ion conductor and having a second opening formed therein so that the sensing electrode can be formed;
An oxygen ion conductor laminated on a lower surface of the alkali metal ion conductor;
A reference electrode formed on a bottom surface of the oxygen ion conductor and exposed to a reference gas;
Wherein the carbon dioxide sensor element is a carbon dioxide sensor element.
적어도 상기 감지전극의 상면에는 이물질이나 습기의 침투를 억제하는 제3 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.The method according to claim 1,
Wherein a third protective film is formed on an upper surface of the sensing electrode to suppress penetration of foreign matter or moisture.
상기 센서소자를 동작온도로 가열하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.The method according to claim 1,
Further comprising a heater for heating the sensor element to an operating temperature.
상기 히터는 상기 산소이온전도체의 하부에 적층되고, 상기 기준전극을 기준가스인 외부 공기에 노출시키는 제3 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.The method of claim 3,
Wherein the heater is laminated on the lower portion of the oxygen ion conductor and a third opening is formed to expose the reference electrode to the outside air as a reference gas.
상기 감지전극은 알칼리금속 탄산염과 금(Au)의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.The method according to claim 1,
Wherein the sensing electrode is composed of a mixture of an alkali metal carbonate and gold (Au).
상기 알칼리금속이온 전도체, 상기 제1 보호막, 상기 제2 보호막 및 상기 산소이온전도체 중 적어도 어느 하나는 두께가 1 내지 1000 마이크로미터 사이인 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein at least one of the alkali metal ion conductor, the first protective film, the second protective film, and the oxygen ion conductor has a thickness between 1 and 1000 micrometers.
상기 히터는 상부히터기판, 하부히터기판 및 그 사이에 내장된 히터패턴을 포함하여 이루어지고,
상기 하부히터기판의 하면에는 상기 기준전극, 상기 감지전극 및 상기 히터패턴과 각각 전기적으로 연결되는 단자들이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학식 이산화탄소 센서소자.The method of claim 3,
The heater includes an upper heater substrate, a lower heater substrate, and a heater pattern interposed therebetween,
And a terminal electrically connected to the reference electrode, the sensing electrode, and the heater pattern are formed on the lower surface of the lower heater substrate.
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