소개: 산소 센서 자동차 및 산업 현장에서 배출되는 매연으로 인해 발생하는 가스를 분석하여 정보를 전달하는 기기입니다. 다양한 유형의 O₂ 센서가 있으며, 자동차 촉매 분석기부터 산업용 산소 분석기까지 다양합니다.
그림 1: 자동차 산소 센서
산소 센서 650°C에서 효과적으로 작동따라서 고온 응용 분야에 이상적입니다. 깨끗한 환경에서 10초 미만의 응답 시간과 최대 10년의 수명을 가진 센서를 선택하는 것이 좋습니다.
발전소의 연소 최적화든 화학 공정의 안전 확보든, 지르코니아 기반 산소 센서는 필수적인 도구입니다. 하지만 기술적 전문성을 넘어, 이 센서들이 귀사의 사업에 어떻게 적용되고 어디에서 조달되는지가 정말 중요합니다.
또한 비용과 목적에 미치는 영향도 고려해야 합니다.
이 기사에서는 고품질 지르코니아 산소 센서에 투자하고자 하는 구매자를 위한 기본 사항과 실질적인 고려 사항을 강조합니다.
지르코늄은 고급 세라믹이며 보석, 연마재, 내화재 및 도자기 제품의 유약 생산에 사용되는 반도체 소재입니다. 안정화된 지르코니아 산화물은 다음과 같은 역할을 합니다. 열 차단 코팅(TBC) 고온 기계용.
지르코늄 기질은 세라믹 코팅 물질로 매우 좋은 선택입니다.
산화 지르코늄으로 코팅된 제품은 내구성, 강도, 마모 및 파손에 대한 저항성, 부식에 대한 저항성 등의 뚜렷한 특징을 갖추고 있습니다.
그러나 다른 모든 산업 제품과 마찬가지로, 세라믹 코팅은 장기간 사용 시 마모될 수 있다는 우려가 있습니다. 이러한 소재의 벗겨짐과 마모 발생을 줄이기 위해 지르코니아를 안정화하는 것이 필수적입니다.
그림 2: 지르코니아 블레이드
지르코니아 산화물의 안정화는 이 첨단 세라믹 재료의 우수한 특성을 최대한 활용하기 위해 수행됩니다. 안정화되지 않은 지르코니아 O2는 단일 상으로 존재하지 않기 때문에 사용하기에 신뢰할 수 없습니다. 지르코늄 산화물은 단사정계, 정방정계, 입방정계 결정 구조의 세 가지 과도 상태를 보입니다.
산소 분석기에 사용되는 지르코늄 산화물의 가장 신뢰할 수 있는 특징은 입방정계 상입니다. 따라서 안정화 과정을 통해 지르코늄 산화물은 사용 가능한 형태인 입방정계 결정 구조로 변환됩니다.
지르코니아는 어떻게 안정화되는가
지르코늄 산화물의 안정화는 지르코늄 산화물 기판과 이트륨의 결합에 의해 촉진됩니다. 이트륨은 지르코늄 산화물의 합금으로 작용합니다. 합금은 금속 또는 비금속 이온의 결합을 통해 생성되며, 향상된 품질을 제공합니다. 이트륨은 지르코늄 산화물의 일부 이온을 대체합니다.
지르코늄 산화물과 이트륨의 조합은 YSZ를 생성합니다. 이트리아 안정화 지르코니아. 이 단계에서는 지르코니아 산화물이 강화되고 더욱 진보된 세라믹 소재로 변형되어 장기간 사용으로 인한 고온, 부식 및 마모를 견딜 수 있습니다.
이트리아 안정화 지르코니아의 특성
안정화 지르코니아 산화물은 구조적으로 강합니다. 이는 지르코늄 O2와 결합된 이트륨의 강도 때문입니다. 이로 인해 지르코니아 산화물은 단단하고 가공하기 어려운 금속을 절단하는 데 유용합니다. 고온 조건을 견딜 수 있으며, 산소를 매우 효과적으로 전달하고 특정 산과 염에 대한 부식에 강합니다.
그림 3: 이트리아 안정화 지르코니아의 물리적 구조
안정화 지르코늄 O2는 매우 강합니다. 지르코늄 옥사이드는 본래의 고급 세라믹 특성을 그대로 유지하므로 코팅 소재로 적합합니다. 하지만 안정화 공정을 통해 강도가 더욱 향상됩니다.
언제 이트리아 안정화 지르코니아 매우 극한의 온도 조건에서 사용되므로 마모와 손상을 잘 견딥니다. 따라서 자동차 배기 시스템에 장착된 산소 센서 제조에 매우 적합합니다. 빈번하게 사용하거나 연소에 최적화되지 않은 연료를 사용하는 경우에도 엔진 손상을 방지합니다.
예를 들어, 비행기 엔진과 가스터빈은 압력과 부식에 강한 세라믹 물질로 코팅되어 있습니다. 그러나 이러한 세라믹 코팅 기계를 장기간 사용하면 마모가 발생합니다. 안정화 지르코니아 코팅은 인성, 낮은 열전도도, 내부식성, 소결 특성을 결합하여 기계를 보호합니다.
안정화 지르코니아는 이온 전도도를 높이기 위해 이트리아 또는 마그네시아와 결합하는 경우가 많습니다. 산소 센서에서 고체 전해질 역할을 하며, 고온에서는 산소 이온의 이동을 허용하여 주변 가스의 산소 농도에 해당하는 전압 신호를 생성합니다.
전기화학에 기반을 둔 이 원리는 수십 년에 걸쳐 산업용으로 개선되었습니다.
지르코니아 산소 센서의 작동 원리는 다음과 같습니다. 두 개의 다공성 백금 전극 사이에 안정화된 지르코니아 층이 샌드위치처럼 끼워져 있습니다. 한쪽 면은 기준 가스(일반적으로 공기)에 노출되고, 다른 쪽 면은 샘플 가스를 향합니다. 산소 분압의 차이는 네른스트 방정식에 따라 기전력을 발생시키고, 이는 측정 가능한 전압으로 변환됩니다.
전압 범위는 산소 농도에 따라 0~1.2V입니다. 이 전압은 산업용 모델에 적합하도록 안정적이고 선형적이어서 제어 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다.
1.티타니아 산소 센서: 이 센서는 람다 센서라고도 합니다. 자체 전압을 생성하지 않습니다. 대신, 티타늄 산소 센서는 자동차 배기 파이프 내부에서 순환하는 산소에 대해 전기 저항을 발생시킵니다. 이 장치의 O2 가스 감지는 대기의 영향을 받지 않습니다.
이 센서는 산화 티타늄을 사용하여 엔진 제어 장치(ECU)에 신호를 보내고 자동차 연소 시스템의 이상을 경고합니다. ECU는 신호를 수신하면 공기와 연료의 비율을 올바른 측정값으로 조정합니다.
산화티타늄 센서는 마모 및 파손에 취약하므로 사용 시 주의해야 합니다. 산화티타늄 센서 성능 저하의 원인으로는 전선 및 회로 연결 불량, 우발적인 물리적 손상, 오염된 오일과의 접촉 등이 있습니다.
2. 광대역 산소 센서 연료 공급 시스템을 정밀하게 조정하고 엔진의 연료/공기 비율을 정확하게 추정합니다. 이 센서는 가속과 같은 주요 기어 조작 시 연료/공기 비율을 정확하게 측정할 수 있도록 합니다. 펌프 셀, 기준 공기 챔버, 네른스트 셀, 그리고 히터 소자로 구성됩니다.
공기실은 주변 공기 대비 산소 농도를 측정하는 기준점 역할을 합니다. 펌프 셀은 펌핑 전류를 통과하는 공기의 산소 농도를 측정합니다. 네른스트 셀은 배기 공기와 주변 공기의 산소 농도 차이를 측정하고, 히터 소자는 센서의 온도를 조절합니다.
그림 4: 광대역 산소 분석기.
3. 협대역 산소 센서 다양한 산소 농도에 노출될 때 이산화지르코늄을 사용하여 열을 발생시킵니다. 배기가스 성분을 모니터링하여 차량의 유해 배출가스를 줄입니다. 이를 통해 자동차 엔진의 효율적인 연소를 보장하여 촉매 변환기의 성능을 양호하게 유지합니다.
협대역 산소 센서는 자동차 배기구에 장착됩니다. 양면 기능을 갖추고 있습니다. 한쪽 면은 기준 공기가 있는 쪽을 향하고, 다른 쪽 면은 배기구 쪽을 향합니다. 다른 유형의 산소 센서보다 저렴하고 일반적으로 사용됩니다. 하지만 광대역 산소 센서만큼 에너지 절약적인 것은 아닙니다.
그림 5: 자동차 엔진에 장착된 산소 센서.
4. 가열 산소 센서 시스템이나 공간의 온도를 측정하는 온도계로, 산업, 자동차, 소비자 가전 등 다양한 분야에 사용됩니다. 열전대라고도 하며, 물체 내부의 원자 활동량을 측정합니다. 물체에서 뜨거운 느낌이 느껴지지 않으면, 그 물체 내부에는 원자 활동이 없다고 가정할 수 있습니다.
열이 가해지면 물체 내부에서 원자가 움직이기 시작하고, 우리는 열 감각을 느낍니다. 물체에서 방출되는 열은 적외선 신호라고도 합니다. 이것이 바로 적외선 안경이 야간 투시경에 장착되어 어둠 속에서도 볼 수 있도록 돕는 이유입니다.
5. 평면 산소 센서 낮은 두께와 밀도를 가지며, 광합성 과정에서 빛이나 어둠에 대한 잎의 반응을 모니터링하는 데 사용됩니다. 일반적으로 생물학 실험에 사용됩니다.
6. 지르코니아 산소 센서: 지르코니아는 첨단 세라믹 산업에서 내구성이 뛰어나고 오래 지속되는 소재를 생산하는 데 사용되는 금속 원소입니다. 지르코늄이 산소와 결합하면 산화지르코늄(또는 이산화지르코늄)이 생성되는데, 화학적 형태는 ZrO2입니다.
지르코니아 센서의 산업적 응용
산업용 가스 모니터링 분야에서 안정화 지르코니아만큼 신뢰성과 다재다능함을 입증한 소재는 거의 없습니다. 이 세라믹 화합물은 다양한 산소 센서의 핵심을 이루며, 정확도가 작동의 성패를 좌우하는 혹독한 환경에서도 정밀한 측정을 가능하게 합니다.
그림 6: 산업용 산소 분석기
안정화 지르코니아 산소 센서는 산업 현장의 배기가스, 보일러, 용광로의 산소 농도 모니터링에 가장 신뢰성이 높습니다. 발전소에서는 연소를 미세 조정하여 연료 낭비와 배출을 줄이는 데 사용됩니다. 석유 및 가스 산업에서는 플레어 스택 모니터링에 사용됩니다.
화학 제조는 반응기 공정 제어를 위해 이러한 센서를 활용하는데, 정밀한 산소 분석을 통해 폭발이나 비효율을 방지합니다. 바이오매스 및 폐기물 에너지화 시설도 지르코니아 산소 분석기를 사용하면 잦은 교체 없이 오염되고 미세먼지가 많은 환경에서도 작업할 수 있어 이점을 누릴 수 있습니다.
자동차 시험실에서도 배출가스 분석에 지르코니아를 사용합니다. 하지만 실제로는 중장비 산업에서 지르코니아 O₂ 분석기가 주로 사용됩니다. 지르코니아 O₂ 분석기는 연속 산소 모니터링에 매우 중요합니다. 특수한 요구 사항을 충족하는 고온 모델은 최대 1,700°C까지 견딜 수 있어 용융이나 금속 가공에 적합합니다.
그림 7: 테스트 실험실의 산소 분석기
지르코늄 산소 센서 시장 확대
에너지 효율성에 대한 요구와 가스 배출에 대한 엄격한 기준 시행으로 인해 지르코늄 산소 센서에 대한 수요가 증가했습니다. 시장은 다음과 같이 평가되었습니다. 2024년에는 약 1조 4천억 150만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 시장 가치는 2033년에는 1조 4천억 250만 달러 이상으로 증가할 것으로 예상됩니다. 이러한 추정은 6.51조 3천억 달러의 연평균 성장률(CAGR)을 기준으로 합니다.
그림 8: 열 차단 코팅으로 제작된 우주선
결론: 지르코니아 산소 센서 제조업체, 자동차 소유자 또는 정비사 모두에게 이 글은 도움이 될 것입니다. ggsceramics는 정밀하고 고품질의 소재를 제공합니다. 저희 제품은 귀사의 시스템과 완벽하게 통합됩니다. 지금 바로 방문하셔서 지르코늄 세라믹 우수하고 저렴한 가격으로.