현재 상용화된 수소센서와 계측기들은 제작과 측정의 편리성, 생산과 유지의 비용적인 부분에 있어 알루미늄 탈개스 공정에서 사용하기에 부족한 부분이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제들을 해결할 수 있는 수소센서 및 계측기를 제안하였다.
본 연구에서 개발한 수소센서 프로브인 Park-Rapp probe는 서로 다른 산소이온전도체 전해질과 수소이온전도체 전해질의 이종접합 고체전해질을 제작하여 측정하고자 하는 수소분위기가 아닌 공기 중의 산소분압을 기준전극의 전위를 유지하는데 사용할 수 있도록 하였다. 이로 인해 본 연구에서 개발한 수소센서는 상용화된 수소센서 계측기들과 달리 훨씬 제작이 간편한 구조를 가질 수 있다. 또한 기준가스를 따로 사용하지 않아도 되어 유지비용 경쟁에 있어서도 우위에 있다.
이러한 수소센서는 알루미늄 용탕 내의 환경과 유사하게 제작된 챔버시스템에서 수소분압의 변화에 따른 EMF의 Nernstian 거동을 확인하였다. 공기를 기준가스로 사용할 때, 이종접합 고체전해질 계면의 수분의 분압은 온도와 수소농도에 변화에도 일정하게 나타남을 확인했다. 온도에 따른 센서의 EMF 거동 변화와 각 온도에서 이론적 감도대비 측정 감도를 확인하였다. 그리고 CuO/Cu2O 고체기준물질로 산소분압을 유지하여 수소측정이 가능함을 확인하였다.
다양한 패키징 구조를 적용하여 알루미늄 용탕안에서 EMF의 거동을 관찰하였다. 하지만 수소프로브는 용탕으로부터의 열충격에 쉽게 파손되거나 양쪽 전극의 가스분위기를 서로 고립시킬 수 있도록 glass sealing을 안정적으로 구현하는 것이 어려웠다.
하지만 sealing을 안정적으로 구현할 경우 용탕내에서 수소측정이 가능한 것을 확인하였다. 따라서 완벽한 sealing이 가능한 YSZ Tube에 CZI를 접합한 구조의 센서를 제작하기 위해 압출방법을 적용하여 YSZ tube를 제작하였다. 이러한 tube는 소결 후 몇 차례 측정과정에서 내구성이 쉽게 떨어지는 것을 확인하였고, tube내의 binder를 확실히 제거하기 위해 산소를 불어넣어 주는 1차 열처리 공정을 거쳐 보다 높은 소결성을 얻었다. 이러한 tube형 센서를 패키징하여 용탕에서 측정하였을 때, 용탕내의 수소측정의 가능성을 확인하였다.
하지만 용탕에서 사용하기 위해서는 장기적으로 내구성의 향상이 필요하다고 판단된다.
