기술자료

기술지원

Home :: 기술지원 :: 기술자료

기술자료

한계전류형 산소센서 작동원리

  • 관리자 (nanoionics)
  • 2019-01-24 18:10:00
  • hit243
  • vote1
  • 106.240.248.210

 (그림 1)  제한전류형 산소 센서 개략도

 

 산소이온 전도체인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 양단에 전극을 구성하고 전압을 인가할 경우, 아래의 반응과 같이 산소기체는 음극(cathode)에서 전자와 반응하여 산소 이온으로 환원되고

 

 

환원된 산소이온은 산소이온 전도체인 YSZ를 통해 이동하여 아래의 반응과 같이 양극(anode)에서 다시 산소 기체로 산화되는 과정을 거쳐서 산소가 음극에서 양극으로 펌핑됩니다.

 

 

여기서 (그림 1)과 같이 음극 쪽에 확산장벽을 부착하고 전압을 걸어주면 펌핑셀 표면에서는 산소기체가 양극 쪽으로 빠져나가게 되고, 확산기공(diffusion hole)을 통해서 펌핑셀 표면으로 Fick’s 1st law에 의한 산소 기체의 확산이 일어나게 됩니다. 이 때 펌핑셀의 산소 펌핑량이 확산기공을 통해서 확산해 들어오는 산소 기체의 양보다 충분히 크다면, 확산기공을 통한 산소기체의 확산과정이 율속단계(rate determining step)가 되고 이와 같이 산소의 펌핑량이 산소의 확산에 의해 제한되는 것을 한계전류(limiting current)라고 합니다.

 

그림 2는 펌핑셀에서 전압의 크기에 따른 전류의 변화를 개략적으로 나타낸 것입니다. 이러한 전압 전류 곡선은 크게 3부분으로 나눌 수 있습니다. 영역 (I)에서는 산소의 펌핑량이 확산기공에서 일어나는 산소의 확산량보다 작기 때문에 인가전압의 크기가 증가할수록 산소의 펌핑량이 선형적으로 증가하게 됩니다. 이 때 기울기는 전극 및 고체 전해질의 저항에 의해 결정됩니다.

 

 영역 (II)에서는 산소의 펌핑량이 산소의 확산량에 의해서 결정되므로 인가 전압의 크기에 관계없이 전류의 크기는 일정하게 됩니다. 이러한 제한전류 영역에서 산소의 확산량은 앞서 언급한 바와 같이 확산기공을 통한 챔버 내외부의 산소농도차에 비례하고, 챔버 내부의 산소농도는 외부의 산소농도에 비해 무시할 만큼 작으므로, 제한전류의 크기는 산소의 농도에 비례하게 됩니다. 따라서 이러한 제한전류 현상을 이용하여 산소의 농도를 측정하는 것이 가능합니다.

 

(그림 2) 제한전류형 산소센서의 전압-전류 특성

 

영역 (III)과 같이 인가전압의 크기가 보다 커지면 YSZ 고체 전해질이 전기 분해되어 산소 이온의 농도가 커지므로 다시 전류량이 커지게 됩니다.

확산기공을 통한 확산의 경우 확산기공의 크기에 따라서 정상(normal) 확산과 Knudsen 확산 두 가지로 나뉘게 됩니다. 확산기공의 크기가 기체의 평균자유경로(mean free path)보다 매우 클 때에는 기체의 확산이 기공외벽의 영향을 받지 않고 기체 분자 간의 충돌에 더 큰 영향을 받게 되고 이 때를 정상 확산이라고 합니다. 확산기공의 크기가 기체의 평균자유경로보다 아주 작으면 기체 간의 영향보다는 기체와 확산장벽 간의 영향이 확산에 영향을 주게 되고 이 때를 Knudsen 확산이라고 합니다.

 

 여기에서 λ는 기체의 평균자유경로, d는 확산기공의 지름을 의미합니다.

 보통 이 두 확산은 위와 같이 표현되는 Knudsen 수(Knudsen number), Kn 에 의해서 결정될 수 있습니다.

 

Kn≫1 : Knudsen 확산   

 Kn≪1: 정상 확산

 

.

(표1)  Knudsen 확산과 정상 확산에 의한 제한 전류 비교

 F : Faraday 상수, R : 기체상수, S : 확산기공 단면적, Dk : Knudsen 확산계수, Dn : Normal 확산계수, P : 전체압력, l : 확산기공 길이

 

(표1)과 같이 Knudsen 확산에 의한 산소센서는 일정한 전압을 인가했을 때, 제한전류 크기가 산소 농도(산소 분압)와 정비례 관계로 나타납니다.

 

제한전류형 산소센서는 액체전해질형 전기화학 산소센서(electrochemical oxygen sensor)의 문제점인 증발에 의한 전해질 소실이 발생하지 않아 사용가능 수명이 상대적으로 길다는 장점이 있습니다. 한편, 전압측정형 지르코니아 산소센서(zirconia oxygen sensor)와 비교하면 기준전극이 불필요하므로 작은 소자 형태로 제작이 가능합니다, 또한, 높은 산소농도 영역에서는 산소농도 변화량 대비 센서출력신호 변화량이 지르코니아형 산소센서보다 상대적으로 더 크기 때문에 더 정밀한 측정이 가능하다는 장점이 있습니다.

 

 

 

게시글 공유 URL복사