지구의 환경오염과 인간의 삶을 위협하고 있는 많은 유해한 배출 가스 중 NO₂ 가스는 주로 자동차, 석유화학, 철강제련, 화력발전소, 소각장등에서 발생한다. 본 연구에서는 이와 같은 산업시설물의 연소시설로부터 배출되고 있는 NO₂ 가스를 모니터링 할 수 있는 센서의 구성 물질에 관하여 연구하였다. 지금까지 NO₂ 가스 센서는 주로 고체전해질을 이용한 전기화학센서와 전기저항을 이용한 산화물 반도체 센서의 연구가 진행되어 왔다. 하지만 이들 제조공정은 복잡하거나 온습도의 의존성이 높을 뿐만 아니라 다른 가스에 의한 간섭효과에 취약한 단점을 지니고 있다.
따라서 본 연구의 초점은 NO₂ 가스에 민감하면서 구조 및 제조공정이 간단할 뿐만 아니라 다른 가스에 의한 간섭이 상대적으로 낮은 혼합전위식 센서를 제작하여 그 특성에 관하여 연구하였다. 특히 단순 제조공정과 우수한 생산성을 기대할 수 있는 용사코팅법을 적용하여 고체전해질 층을 형성 하고 NO₂ 가스에 민감한 산화물 감지물질 특성에 대해 연구하였다. 먼저 센서를 제작하기에 앞서 0.25t 두께의 Al₂O₃ 기판을 준비한 후 가스의 감도 측정에 필요한 작동 온도 600℃이상을 발현 시키기 위하여 기판 뒷면에 Pt 히터를 형성하였다. Al₂O₃ 기판에 8YSZ 고체전해질을 직접적으로 용사 코팅을 진행하였으나 심각한 박리현상이 일어났다. 일반적으로 용사 코팅의 경우 접착력 향상을 위해 3㎛ ~ 5㎛의 기판 조도 형성이 필요하다. 그래서 물리적 방법인 Grid Blasting 처리와 화학적인 방법인 산처리로 조도 형성을 시도 하였지만 0.4㎛의 조도 형성에 불과하였다. 조도 형성을 위한 또 하나의 방법으로 Al₂O₃ 스프레이 코팅법을 적용하여 시험하였다. 그 결과 2.5㎛ ~ 8.8㎛의 기판의 조도가 형성 되어 용사 코팅을 진행하였다. 이때 과립분말은 Y₂O₃ 13.75wt%, ZrO₂ 86.25wt% 비율로 혼합한 후 63㎛ 크기의 8YSZ 과립분말을 제조하여 이용하였다. 코팅된 고체전해질 층은 XRD를 통해 ZrO₂ 단일상이 존재함을 확인하였고 이를 통해 결정구조가 파괴되지 않음을 추측 할 수 있었다. 용사 코팅 층의 표면은 테입캐스팅에 의해 제조된 전해질 보다 매우 불균일 한 거친 형상을 띄었으며 단면은 입자가 치밀하면서도 Columnar 구조의 수직분리 형상이 선명하게 드러나면서 입자간 결함과 미세 크랙이 존재하였다. 그러나 테입캐스팅법으로 제조된 전해질은 표면과 단면이 균일하면서 크고 많은 기공을 관찰 할 수 있었다. 이들 전해질 층에 대해 기공률을 측정한 결과 용사코팅 전해질 층이 약 23% 높았으며 특히 0.1㎛ ~ 10㎛ 크기의 미세 기공이 분포되면서 비표면적 또한 약 3.5배가 높았다. 이온전도 특성을 분석한 결과 용사코팅 전해질 층이 약 55% 낮게 측정되었다. 그 이유는 용사 코팅 전해질 층은 입자간 necking이 잘 이루어지지 않으면서 부분적인 미세 크랙에 의해 이온이 Blocking 되는 현상이 발생 했을 것으로 추측된다. 그러나 온도에 따른 산소 분압에 관계없이 일정한 이온 전도특성을 나타냈으며 유사한 활성화 에너지 값을 확인 할 수 있어 NO₂ 센서의 전해질 특성이 충분히 존재함을 확인 할 수 있었다. 실제 전해질 층 형성 방법에 따른 NO₂ 센서 감응특성 분석을 위해 NiO 감지 물질을 스크린프린팅법으로 형성하여 센서를 제작하고 작동온도 700℃에서 NO₂ 가스 감응 특성을 평가한 결과 용사코팅 전해질 층의 센서가 약 25% 높은 특성을 보였다. 본 연구의 또 하나의 주제인 좀 더 높은 감응특성을 나타내는 센서에 필요한 가스감지 물질을 조사하여 그 특성을 시험 평가하였다. 먼저 용사 코팅 전해질 층에 촉매특성이 우수한 Perovskite 결정구조를 지닌 4종의 감지물질(Cr₂O₃, In₂O₃, CuO, NiO)를 이용하여 센서를 제작하였다. 평가 결과 Cr₂O₃와 In₂O₃ 감지물질은 적합하지 않음을 확인 할 수 있었고 CuO에 비해 NiO 물질이 우수한 감응 특성을 보였다. 좀 더 높은 감응특성을 발현 시키고자 열처리시 NiO의 입자 성장을 억제하는 25w% YSZ를 첨가하여 결정립 미세화를 이루었다. 그 결과 NiO·YSZ 감지물질 센서의 감응 특성은 작동온도 550℃ ~ 700℃에서 단일 NiO 감지물질 센서 보다 5.5배가 높은 우수한 감응 특성을 나타내었다. 따라서 감지물질의 미세한 입자와 고체전해질 층의 높은 비표면적을 지닌 센서가 NO₂ 가스와의 많은 접점(TPB, Triple Phase Boundary)을 형성하면서 우수한 NO₂ 가스 감응특성을 나타 낸 것으로 확인 되었다.