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목차

1. 가스센서에 대한 이론
①가스센서란?
②가스센서의 구조 및 원리
③가스센서 기술
④결론

2. "반도체식 가스센서"를 제조하기 위한 공정
①반도체식 가스센서란
②반도체식 가스센서의 구조 및 원리
③반도체식 가스센서 구하는 식
④반도체식 가스센서 기술
⑤반도체식 가스센서 공정
⑥결론

3. 접촉연소식 가스센서
①접촉연소식 구조 및 원리, 식
②접촉연소식 가스센서 특성
③접촉연소식 가스센서의 용도

4. 전기화학식 가스센서
①전기화학식 구조 및 원리
②전기화학식 가스센서의 특성
③전기화학식 가스센서의 식

5. 고체 전해질 가스센서
①고체 전해질 가스센서란
②고체 전해질 가스센서의 구조 및 원리
③고체 전해질 가스센서의 식

6. 각종 반도체식 가스센서의 사용처

7. 참고문헌

본문내용

고정밀도
가스선택성 우수
장기적인 수명
우수한 가격경쟁력
③전기화학식 가스센서의 식
5. 고체 전해질 가스센서
①고체 전해질 가스센서란
최초의 고체 전해질 CO2센서는 1977년에 캐나다의 Gauthier에 의해서 제안 되었다. 이원리는 K2CO3을 이온 전도체로서, 그 양면에 Pt극을 부착하여 가열하면, 양극부근에서의 피검 CO2가스의 농도차가 있으면 그 면의 K2CO3 해리평형의 상태로 차가 생겨 그것을 양 Pt극의 전위의 변화로서 취한 것이다.
일본은 1984년에 금속염의 이온전도체인 고체전해질의 일부에 그 금속염을 태워서 형성하고 그 표면의 잔여부분을 완전밀폐로 한 센서소자가 출원되었다. 그 후 고체 전해질에 NASICON을 사용한 Na+전도체의 것이 발표되었다. 그 후 이계통의 것이 본격적으로 연구되어 센서화되었지만 사용한 Na2CO3의 흡습성이 결점이기 때문에 센서의 실용화에 접근하지 못했다. 이 흡습성의 개선을 위하여 물에 대한 용해성이 대단히 작은 알카리류 탄산염인 BaCO3, CaCO3, SrCO3등을 Na2CO3에 대하여 몰비로서 1:1 이상 가한 혼합금속염이 제안되고 있으며 비교적 내수성이 양호한 Li2CO3계에 연구가 집중되고 있다. 한편 고체전해질도 그것에 수반하여 Li+계, NASICON에 glass계의 Na2O, Al2O3, SiO2를 첨가한 것 MgZrPSIO 전해질등이 검토되며 또 ZrO2에 알카리탄산염을 첨가한 것에서도 그 얇은 계면 생성물이 이온 전도체로 되어 동작하는 일도 확인되어 연구는 다양화하였다. 단 고체전해질 및 그 전극계면이 장시간 사용할 때 열적, 전기적 특성이 안정하게 유지되는가가 가장 기본적인 문제로 남는다.
고체전해질은 이온전도율이 크고, 전자전도율이 작은 고체 재료 이다. 이것을 사용하면 전고체형의 전기화학셀 (전지나 전해셀)이 구축가능하지만 이 셀을 가스센서에 이용한 것이 고체전해질 가스센서이다. 대표적인 것은 안정화 지르코니아를 사용한 산소센서이며, 특히 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 최근 신형센서가 CO2, NO2, SO2 검지용으로서 제안되어 주목되고 있다.
안정화지르코니아를 사용한 산소센서의 예에서 알수 있는 바와 같이 적당한 고체전해질을 보면 감도, 선택성이 우수한 고체전해질의 가스센서가 얻어진다. 그러나 고체전해질의 종류가 한정된 것이 오래 전부터 문제였으나 최근 개선되고 있다. Na+도전체(NASICON등)나 O2-도전체(안정화지르코니아등)로 알려진 고체전해질을 기본으로 하여 이것에 무기산소염을 보존상으로 하여 결합한 새로운 형태의 고체전해질 가스센서가 보이게 되었다.
②고체 전해질 가스센서의 구조 및 원리
고체전해질형 가스센서는 주로 금속산화물인 세라믹의 전기전도성에서 전자나 정공의 이동에 의한 전자전도도가 아니라 이온의 이동에 의한 이온전도도의 특성을 이용한 것이다. 세라믹재료의 이온 움직임은 실온에서는 전자에 비해 매우 느리나 고온영역에서는 그 이동성이 활발해져서 이온전도성이 두드러진다. 고체전해질형 센서소자로서의 필요조건은 (1)이온전도성이 좋아야 한다(>10-2ohm-1cm-1, 다량의 점결합(point defects)이 존재), (2) 반응물질이 내부를 통과하지 않도록 치밀할 것(gas tightness), (3) 적절한 기계적 강도, 그리고 (4) 화학적 안정성 등이다.
고체전해질형 가스센서는 이온전도성을 띠는 고체전해질 센서소자를 이용하여 전지(cell) 구성하여 주로 대상가스와 전해질과의 반응으로부터 발생하는 전압 또는 전류의 신호에 의해 가스를 감지한다. 이 타입은 간단한 전지구성으로 응용할 수 있어서 구조가 간단하고 가격이 저렴하게 제작될 수 있으며 전범위에서의 가스농도 측정 그리고 이온종류에 따라 가스를 감지할 수 있어서 선택성이 매우 우수한 편이고 또한 연속적인 측정이 가능하여 향후 기술개발에 따라 적용범위가 확대될 전망이다. 대표적인 고체전해질 센서소자로는 지르코니아(ZrO2) O2/CO센서로서 전극간에 생기는 기전력의 변화로 가스 농도를 감지한다. 순수한 지르코니아(ZrO2)는 대표적인 절연체이고 또 고융점(약2700℃)을 가지고 있기 때문에 우수한 내열재료이지만 소량의 저원자가의 산화물(Y2O3, MgO, CaO 등)을 고용시키면 +4가의 Zr원자가 +3가나 +2가의 원자로 치환하게 되어 음이온인 산소원자 공공이 생성되어 결과적으로 산소이온의 전도도가 증가하게 된다. 정해진 온도와 산소압력의 범위내에서 산소 농도가 높은 쪽과 낮은 쪽 사이에서 산소 공공을 통하여 산소이온이 확산 이동함으로써 이온전도도를 갖게 되고 기전력(EMF)어 발생되어 센서로서 활용할 수 있다.
<고체전해질형 산소센서의 가스감지 구조>
③고체 전해질 가스센서의 식
<고체 전해질 가스센서에서의 기전력을 구하는 식>
6. 각종 반도체식 가스센서의 사용처
반도체 가스센서의
분류
이용되는 물리현상 및
검출원리
검출범위
및 정밀도
검출대상
및 사용처
가연성
가스센서
CO 가스센서
반도체표면과 기체와의 상호작용에 의해 표면전도 전자의 밀도변화에 따른 소자의 저항변화
～50ppm
～5%
가정난방 및
공해측정
탄화수소계
가스센서
표면전도전자의 밀도변화 또는 벌크내의 결정상태변화에 따른 전도변화
～50ppm
～5%
주택난방용
및 산업용
수소
가스센서
가스의 고체표면 투과현상에 의한 캐리어농도변화
～10ppm
～5%
공정 및
산업용
비가연성
가스센서
산소 센서
이온화금속의 농도변화 또는 생성이온의 확산
～10ppm
～5%
내연기관,
의료용
CO 센서
이온농도 변화
～50ppm
～5%
의료용,
공해측정
각종 반도체식 가스센서의 발전은 현재 응용되고 있는 사용처에서 더 넓은 범위로 좀 더 다양한 다양하게 발전 되어야 할 것이다.
7. 참고문헌
⑴ 김원회, 김준식, [자동화를 위한 센서 공학], 성안당
⑵ 가스센서 기술 및 활용 현황 -한국가스공사 연구개발원 가스이용기기 연구실-
⑶ 김동룡, 오상균, (공학도를 위한 센서 공학 실무), 기전연구사
⑷ 김동화, (센서공학), 태훈출판사
⑸ (주)케이엔씨 http://www.newcera.co.kr
⑹ 해송산업 http://www.gassensor.co.kr

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서울산업대,   무기화학공학,   가스센서,   반도체식 가스센서