Carbon dioxide in the air is chemically stable and is the main cause of global warming. The need for adjusting carbon dioxide concentrations within indoor air conditioning systems and in greenhouses is on the rise. Non-dispersive infrared type sensors are the most widely used method for measuring the concentration of carbon dioxide gas in the air. It has a high level of selectivity, quantitativity, and reproducibility, but it is bulky and heavy owing to the physical size of the components and filters involved. For these reasons, the overall measuring equipment is inevitably high-priced, thus obstructing its widespread utilization despite wide-ranging potential uses.
In contrast, a solid electrolyte-based gas sensor has a simpler structure, enables the production of sensors in the form of small devices, and utilizes a sensing electrode that selectively detects certain types of gas only, thus enhancing gas selectivity and facilitating measurement of gas concentration quantitatively. The sensor is also inexpensive, and it can be used stably in extreme environments as it utilizes oxides.
In this study, fundamental and applied research on the electrochemical CO2 sensor has been performed. As part of basic research, the basic properties of the sensor and related phenomena are studied depending on various device structures and designs. It involves the CO2 gas sensing mechanism and its properties, sensitivity to interference by other gases, sensor design.
In an effort to commercialize the electrochemical CO2 sensor, the long-term stability has been studied. To identify which factor determines the lifetime of a sensor, a stress test is performed on each sensor, by increasing the operating temperature from as low as 400℃ up to 600℃, to compare the extent of degradation. Based on these test results, an algorithm for forecasting the remaining lifetime of a sensor is suggested.
이산화탄소 가스는 대기 중에서 화학적으로 매우 안정한 기체로 지구 온난화를 발생시키는 주원인으로, 환경문제를 비롯하여 건물의 실내 공조 및 원예용 온실 내 이산화탄소 농도 조절의 필요성이 증가하고 있다. 현재 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법으로 비 분산 적외선 흡수 방식(Non-Dispersive Infrared Type)을 가장 많이 사용하고 있는데, 이 방식은 이산화탄소가 특정파장(4.2㎛)의 적외선만을 흡수하는 원리를 이용하여 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소 농도를 측정하는 방식이다.
하지만, 이 장치는 선택성과 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정을 위해서 밀폐된 공간이 필요하며 구성요소들과 필터들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 문제점이 있었다. 또한 구동부 및 측정소자가 매우 고가이며 제어를 위한 처리부의 구성이 복잡하므로 전체적인 측정 장비의 가격이 높을 수밖에 없어 그 용도가 매우 다양함에도 불구하고 광범위하게 활용되고 있지 못하고 있다. 특히 열악한 환경에 노출될 경우 광학계가 오염되기 쉽기 때문에 사용범위가 실내로 제한되는 단점이 있다.
이에 비해 고체전해질을 이용한 가스 센서는 단순한 구조를 갖으며 작은 소자 형태의 센서 제작이 가능 할 뿐 만 아니라, 특정한 가스만 선택적으로 감지하는 감지전극을 이용함으로써 가스선택성을 높이고 가스농도의 정량적인 측정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 가격이 저렴할 뿐만 아니라 산화물을 사용하기 때문에 극한 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있으므로 그 연구 포텐셜은 상당하다 하겠다.
따라서 본 연구에서는 전기화학식 CO2 센서의 기초에서 응용 연구까지 수행하였다. 기초 연구로써, 다양한 디바이스의 재료 및 구조 디자인에 기반한 센서 특성 및 그와 관련된 현상에 대해 다루었다. 특히, 이산화탄소 감지 메커니즘과 감도, 타가스에 대한 선택성을 조사하여 만족할 만한 성과를 거두었다.
이와 같은 기본 물성을 기반으로 전기화학식 CO2 센서의 상용화를 위한 노력으로 장기 안정 특성 및 초기 동작 특성 등 현재 상존하는 전기화학식 CO2 센서의 문제점을 개선하기 위한 원인 분석, 개선된 성능의 셀 제시, 새로운 감지메커니즘 제안, 특성 평가 등을 수행하였으며, 마지막으로 제작된 디바이스의 수명을 결정짓는 인자를 밝혀내고, 이를 기반으로 경험식을 통해 센서의 수명을 예측할 수 있는 알고리즘을 제안하였다.
향후, 고체 전기화학식 이산화탄소 센서가 장기간 안정적인 특성을 나타내기 위해서는 센서의 기본적인 감지특성을 유지하면서 작동온도를 최대한 낮추는 방향으로의 심도 있는 고찰이 필요할 것으로 보인다.
