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ZrO2 산소센서

지르코니아방식 산소센서의 작동원리

이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, YSZ)는 높은 온도에서 순수한 산소 이온 전도체이며 높은 화학적 안정성을 지니고 있어 연료전지, 산소 센서, 단열 코팅 등 여러 분야에서 사용되는 물질입니다. 이트리아(Y2O3)는 지르코니아(ZrO2)에 도핑되면서 산소 이온 빈자리(Oxygen ion vacancy)를 생성하여 지르코니아의 산소 이온 전도도를 높여주는 역할을 합니다. (그림 1)

본 사(社)에서는 이트리아가 8mol% 도핑된 지르코니아를 사용하여 산소 분압 센서를 제작합니다.

그림 2에 도시한 바와 같이 지르코니아 방식 산소 센서는 기준 전극(Reference electrode)과 작동 전극(Working electrode)이 서로 격리되어 있는 구조입니다. 기준 전극은 주변 대기에 노출되어 있어 항상 산소 분압 21%를 유지하며, 작동 전극으로는 산소 분압을 측정할 가스가 순환됩니다. 기체 상태의 산소 분자는 YSZ의 표면에서 다음과 같은 반응식에 의해 산소 이온 빈자리를 채우게 되며, 이 때 전자가 소멸됩니다.

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질량 작용의 법칙(Mass action law)에 의해 고정된 온도에서 각 전기화학종(electrochemical species)의 농도는 아래와 같은 수식으로 표현됩니다. 산소 이온 빈자리의 농도는 이트리아의 도핑농도에 의해 결정되므로 전자의 농도는 산소 분압에 비례하게 됩니다.

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따라서 기준 전극과 작동 전극의 산소 분압 차이에 의해 YSZ의 두 전극 간에 전위차가 발생하게 됩니다. 두 전극 간의 전위차는 Nernst 식에 의해 다음과 같이 정의됩니다.

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즉, 기준 전극에서의 산소 분압(공기, 21%)을 알고 있으므로 두 전극 간의 전위차를 측정하면 기체의 산소 분압을 산출할 수 있습니다.

위와 같은 지르코니아 방식의 산소센서는 지르코니아가 가지고 있는 물리화학적 특성(높은 내화학성, 내부식성) 때문에 다양한 조건의 가스 분위기에서 안정적인 측정이 가능하고, 일반적으로 구현할 수 있는 모든 산소분압을 측정할 수 있어 다양한 분야에 적용이 가능합니다.

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(그림 1) YSZ의 Unit cell structure
(J. Phys.: Condens. Matter 25, 2013, 395001)

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(그림 2) YSZ의 Unit cell structure
(J. Phys.: Condens. Matter 25, 2013, 395001)

Zirconia O2 sensor</br>(Solid electrolyte) Zirconia O2 sensor
(Solid electrolyte)
Limiting current O2 sensor Limiting current O2 sensor
Electrochemical O2 sensor</br>(Liquid electrolyte) Electrochemical O2 sensor
(Liquid electrolyte)
Optical O2 sensor Optical O2 sensor
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