Amperometric and mixed potential type gas sensor operating at room temperature was designed to detect the carbon monoxide(CO). The closed and open reference was applied to amperometric and mixed potential type.
Amperometric type sensor responded to CO gas concentration. However, the sensitivity and stability of signal from sensor was not enough to use in the field.
In mixed potential type sensor, the closed-reference type CO sensor was fabricated to evaluate whether its EMF responses follow the equilibrium potential at the electrodes. Unfortunately, it was deviated from the Nernstian behavior. Based on the result from closed-reference type CO sensor, open-reference CO sensor was proposed and examined. The open-reference type CO sensor responded to the range of 15-150 ppm CO at 28℃. Its performance, especially sensitivity, was better than the closed-reference type sensor. Both of CO sensors used Nafion 117 as solid electrolyte membrane. Also, humidity and temperature effect to sensor was measured.
최근 쾌적한 환경에 대한 요구가 증가함에 따라 실내의 대기 오염에 대한 관심이 급증하고 있고 실내 공기질 관리법 등의 법규가 마련되고 있다. 자동차의 배기가스에 포함되어 있고 연료의 연소 중에 발생되는 독성이 강한 일산화탄소(CO) 가스는 대기 환경 보전법에 포함되어 배출허용기준이 마련되어 있다.
이러한 배출허용기준을 준수하여 일산화탄소의 위험으로부터 벗어나기 위해서 일산화탄소를 검출할 수 있는 가스 센서의 필요성이 커지고 있으며 전기화학 방식, 반도체 방식 등 다양한 방법이 연구 개발되고 있다. 반도체 방식의 경우 높은 감도 및 안정성을 바탕으로 가정 및 산업 현장에서 많이 사용되고 있지만, 센서의 작동 온도가 약 300℃이기 때문에 히터에 의한 전력소비가 필요할 뿐만 아니라 방해가스에 의한 영향이 크다. 하지만 전해질을 이용한 전기화학 방식의 경우 상온에서 작동이 가능하기 때문에 소비전력이 낮을 뿐만 아니라, 반응성이 빠르고, 감도가 높으며 적은 비용으로 제작이 가능한 장점을 가지고 있다.
기존의 전기화학 방식을 이용한 일산화탄소 가스 센서의 연구는 제한 전류식(limiting current) 센서를 이용하고 있다. 하지만, 전류 제한 방식의 경우, 일정한 전압을 전해질에 가해주어야 하기 때문에 센서의 장기 안정성에 문제가 발생하게 된다. 제한 전류식 센서의 장기 안정성 문제점을 해결하기 위해 전해질에 일정한 전류를 가해주지 않는 혼합 전위형(mixed potential) 가스 센서에 대한 연구가 진행되었다. 고체 전해질 사이에 다른 종류의 전극이 존재하며 두 종류의 전극은 산소와 산화 혹은 환원 가스의 혼합물에 노출되어있다. 각 전극에서 일어나는 산화·환원 반응 속도 차이는 각 전극의 전압 차이 값에 의한 혼합 전위를 발생시킨다. 하지만, 기존 혼합 전위형 가스 센서의 작동 온도가 약 600℃이기 때문에 전력 소비가 큰 단점이 있다. Nafion은 수소이온 전도체로 알려져 있으며 상온에서 작동 가능한 대표적인 전해질로서, 가스 센서를 포함한 다양한 종류의 전기화학 장치에 사용되고 있다. 기존 혼합 전위형 가스 센서의 단점을 보완하기 위해 Nafion을 이용하여 상온에서 작동 가능한 혼합 전위 방식의 일산화탄소 가스 센서에 대한 가능성을 확인 한 후, 실내 일산화탄소 가스의 농도를 측정하는 혼합 전위형 일산화탄소 가스 센서를 제작하고 그 감지 특성을 평가하였다.
센서의 기전력 신호가 Nerstian 관계를 따르지 않는다면 혼합 전위형 센서로서 응용 가능하다. 이러한 점을 바탕으로 혼합 전위형 일산화탄소 가스 센서의 가능성을 확인하기 위해 Pt로 형성한 감지전극과 기준전극 사이에 전해질을 위치시키고 감지전극은 일산화탄소 가스와 산소의 혼합가스 분위기에 노출시켰으며, 기준전극은 산소 가스 분위기에 노출시켰다. 측정결과 Nerstian 관계에서 벗어난 결과를 얻을 수 있었으며, 혼합 전위형 가스 센서로의 응용을 확인할 수 있었다.
혼합 전위형 센서의 가능성을 확인한 후, 감지전극과 기준전극 모두 일산화탄소와 산소의 혼합가스 분위기에 노출시켜 실제 사용 가능한 센서의 구조를 설계하였다. 이와 같은 구조에서는 감지전극은 일산화탄소에 대한 산화력이 기준전극의 일산화탄소에 대한 산화력보다 커야 한다. Pt는 일산화탄소에 대한 산화력이 매우 크므로 감지전극으로 사용하였으며, 다양한 전극 물질(Ru, Pd, Au, Ag)을 측정하여 Au가 기준전극으로서 적합함을 확인 할 수 있었다. 또한, 실제 환경에서 센서는 습도에 큰 영향을 받게 된다. 이러한 점을 극복하기 위해 센서 위에 수분 차단 고분자 막을 설치하여 습도에 대한 영향을 최소화 시켰다.
