Study on solid state electrochemical carbon dioxide sensor fabricated by tape casting technique for automatic ventilation systems in automobiles자동차 실내 환기를 위한 테이프 캐스팅 기법으로 제작된 고체 전기화학식 이산화탄소 센서에 관한 연구

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자동차 업체의 평가 결과, 2011년 이후 자동차의 HVAC (heating, ventilation, air conditioning) 시스템에 대해 기존의 프레온 가스 대신 이산화탄소 냉매로 변경 됨에 따라 차량 내부 이산화탄소 농도의 증가가 확인되었다. 이에 따라 자동차 내의 이산화탄소 농도의 증가로 인한 졸음운전을 방지하기 위해서 차내 공기 질 관리 시스템이 주목 받고 있으며, 이산화탄소 농도를 확인 할 수 있는 저가의 이산화탄소 가스센서 시스템이 필요하게 되었다. 하지만 대표적으로 사용되고 있는 NDIR 방식의 이산화탄소 센서의 경우 부피가 크고 가격이 비싸며 실시간 측정이 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점들을 탈피한 전기화학적 방식을 이용한 센서 구현이 필요하다. 본 연구에서는 나트륨이온전도체 Na-Beta-Alumina (NBA)와 산소이온전도체 Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)의 이종접합을 이용한 새로운 형태의 전기화학식 이산화탄소 센서를 개발하였다. 기존의 전기화학식 센서의 경우 기준 전극 물질을 사용함으로써 긴 초기 구동시간 문제를 발생시켰지만 이 논문에서 개발되는 전기화학식 이산화탄소 센서는 고체전해질인 YSZ/Pt를 기준전극으로 변경하여 이산화탄소 센서를 제작함으로써 이를 해결했다. 논문은 먼저 NBA의 나트륨 함량과 YSZ의 Yttria 조성을 변화해 가면서 분말의 압축성형을 통해서 센서를 제작하고 특성을 평가하였다. 그리고 Tape casting 기술을 이용하여 원가를 절감하며 대량 생산이 가능한 방식으로 제작하여 테스트를 진행했다. 측정범위는 이산화탄소 농도를 1000ppm에서 5000ppm까지 확인해보았고 650도에서 이론적 감도와의 오차가 1%로 정확하게 나왔다. 또한 Tape casting 공법에서 문제가 되던 이종간의 계면 문제를 NBA의 조성변화를 통해 계면을 강화시켜서 해결하였다. 또한, 센서의 패키지의 경우 기존의 금속선에 의해서 공중에 고정되어 있던 방법에서 표면에 접착이 가능한 소형 패키지를 구현함으로써 진동이 심하거나 충격에 위험이 있는 차량용 실내 환기시스템에 어울리는 기판을 개발하였다. 이를 통해서 진동이나 충격에 강화된 특성을 바탕으로 차량용 환기시스템에 활용 될 가능성을 보았다. 현재 Tape casting 기법을 이용한 센서의 개발은 양산화 된지 얼마 되지 않았고, 더욱이 이종접합을 이용한 센서의 경우로는 첫 시도이다. Tape casting 기법을 이용한 이종접합 센서 기술이 개발이 된다면 이것이 시발점이 되어 다양한 전해질을 이용한 센서가 개발 될 것으로 예상된다. 또한 회로에 직접 연결이 가능한 소형 패키지(SMD) 구현으로 인해 센서의 다양한 활용이 가능하리라 판단된다. 예로서 차량용 대기모니터링을 벗어나 산업단지 및 대도시의 환경을 측정하고, 가정 및 회사 등 실내에서 발생할 수 있는 이산화탄소 가스에 대한 모니터링도 가능할 것으로 예상된다.
Advisors
Park, Chong Ookresearcher박종욱researcher
Description
한국과학기술원 :신소재공학과,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2015
Identifier
325007
Language
eng
Description

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과, 2015.2 ,[vi, p.66 :]

Keywords

Carbon dioxide sensor; Bi-electrolyte; Tape casting; Packaging; Yttria Stabilized Zirconia; Sodium beta alumina; 이산화탄소 센서; 테이프 캐스팅; 나트륨 베타 알루미나; 이트리아 안정화 지르코니아

URI
http://hdl.handle.net/10203/206254
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=608441&flag=dissertation
Appears in Collection
MS-Theses_Master(석사논문)
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