KR100382315B1 - 스페이서를 삽입구성한 용존산소센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스페이서(spacer)를 삽입구성하여 용존산소를 측정하는 용존산소센서 및 그장치에 관한 것으로, 액상성분은 투과시키지 않고 산소만을 선택적으로 투과시키는 멤브레인과, 상기 멤브레인을 투과한 산소의 양에 따라서 전류변화를 일으키는 전극과, 상기 멤브레인과 상기 전극 사이에 위치하여 산소를 수직적으로 전극으로 투과시키는 스페이서를 포함한 용존산소센서가 제공된다. 상기 스페이서는 측면이 정면에 비해서 매우 촘촘하여 측면확산(side diffusion)을 효과적으로 줄이고, 충격에 따른 스팬 시프트(span shift)현상에 강한 내성을 갖으며, 또한, 스페이서의 미세수직구멍은 산소가 수직적으로 전극으로 들어오게 하는것을 특징으로 한다.

Description

스페이서를 삽입구성한 용존산소센서{The DO Sensor Inserted The Spacer}

본 발명은 스페이서(spacer)가 삽입구성되어 용존산소를 측정하는 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측면이 정면에 비해 더 촘촘한 간극을 형성한 스페이서를 전극과 멤브레인 사이에 삽입구성하여 산소의 측면 확산(side diffusion)을 줄이고, 정면을 통하여 수직적으로 전극으로 투과되는 직진성 향상과 동시에, 충격에 따른 스팬 시프트(span shift)에 대한 안전성을 향상시킨 용존산소측정센서 및 그 장치에 관한 것이다.

종래에는 용존산소의 격막식 센서 구조는 1956년 클라크(Clark)가 도 2처럼 제안하였고, 그 후 측면확산(side diffusion)을 개선한 것으로는 가드 전극(guard cathode)을 추가한 용존산소센서가 제안되었다.그러나, 기존 센서의 구조는 멤브레인(Teflon)(1)과 전극(2) 사이의 간격을 크게(10㎛이상)하면, 측면확산의 영향이 크고, 또한, 멤브레인(1)과 전극(Pb)(2) 사이의 간격을 작게(10㎛이하)하면, 전극 표면에서 환원된 OH가 누적되어 신호가 감소하고 직선성이 나빠져 산소감지기능이 떨어지게 된다.이와 같이, 멤브레인(1)과 전극(2)사이에 간격을 일정하게 유지하지 못하고, 또한, 작은 충격에도 신호값이 변하는 스팬 시프트 현상이 빈번히 발생하여, 사용하기 전에 용존산소센서의 표준화를 수행해야 했다.일반적으로, 임의의 산소 농도에서 1 포인트에서의 표준화는 센서가 직선성을 가진다는 것을 전제로 하는데, 센서가 산소 농도에 대해서 직선성을 가지지 않는 다면, 이 센서는 여러점에서의 표준화가 필요하고 측정 오차도 낳게된다.그러므로, 센서가 산소 농도에 대해서 직선성을 가지는 것이 매우 중요한 것이다.한편, 센서의 직선성을 개선하기 위하여 전극(2)의 크기를 줄이고 멤브레인(1)의 두께를 늘리는 방향으로 센서의 구조를 개선하였으나, 이 경우, 측정 대상의 산소 농도에 비례하는 신호는 작아지고 측면확산의 영향은 커지게 되어, 저농도 산소 측정시 측정 오류가 커지게 되었다.전극의 크기가 큰 경우에는 저농도 산소에서 신호가 크고, 산소 농도 측정시 신호의 안정성과 대표성이 크나, 전극의 크기가 작은 경우에 비해 OH 누적에 의한 산소의 분압이 큰 곳에서 산소의 농도에 대한 직선성이 떨어진다는 것이다.

일반적으로, 용존산소센서에서의 확산의 두 가지의 경로 중 하나는 수직적으로 들어오는 확산과 수직이 아닌 옆에서 들어오는 측면확산이다.

한편, 기존의 클라크(Clark) 센서가 용존산소센서로 쓰이는데 있어서 두가지의 충족조건이 있다. 첫째, 전극으로 들어오는 산소는 수직으로 들어오면, 측면에서 확산되는 것은 매우 적어서 무시할 정도의 적은 양이다. 둘째, 전해질 피막(film)과 멤브레인의 확산 계수는 농도, 온도, 시간에 관계없이 두 개의 상은 일정하다라는 것이다. 여기의 첫번째의 가정, 즉, 수직적으로 들어오는 산소에 비해, 측면확산에 의해 들어오는 산소가 매우 적어서 무시할 정도의 적은 양이나, 실제로는 적지만 무시할 정도가 아니라는 것이다.

또한, 보통의 센서에서 센서의 신호값을 크게 하기 위해서 멤브레인을 전극에 가능하면 밀착하려는 노력이 있었는데 여기서의 문제는, 멤브레인이 양전극(Pt, Au)(3)에 5㎛ 이하로 너무 밀착되면, 양전극에서 산소가 환원된 OH가 빠져나가지 못해서 전해질(electrolyte)(KCI)(4)안에 남아있게 되어 전해질의 pH가 높아지고, 전해질의 pH가 높아짐에 따라 음극에서의 산소가 환원(reduction)되는 것이 줄어들게 되어, 용존산소센서의 화학적 이론정수비가 깨어지는 단점이 있다. 반응식은 다음과 같다.

O₂+ 2H₂O + 4e- →4OH^-(산성 전해질)

이렇게 되면, OH의 축적에 따라 반응하는 전자의 수가 떨어지게 되고, 결과적으로 신호값이 떨어지게 된다. 또한 OH의 축적을 막기 위해서 멤브레인과 전극사이의 간격을 넓혀주어야 한다. 그렇지 않으면, 센서의 신호값이 떨어진다. 멤브레인의 밀착이 느슨하게 되면, 작은 충격에도 스팬 시프트 현상이 나타난다. 이렇게 되면, 안정성이 떨어지게 되어, 센서로서의 역할을 할 수가 없게 된다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 측면이 정면에 비해 매우 촘촘한 스페이서를 삽입구성함으로써 산소의 측면확산을 줄이고, 수직적으로 전극으로 투과시키는 직진성 향상과, 충격에 따른 스팬 시프트 현상에 대해 성능을 향상시키는 용존산소센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 용존산소를 측정하는 센서에 있어서, 산소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인과 상기 멤브레인을 투과한 산소의 양에 따라 전류 변화를 일으키는 전극과의 사이에 스페이스를 삽입 구성하여 이루어진 용존산소센서 및 그 장치를 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 스페이서가 삽입 구성된 상태의 용존산소센서의 단면도

도 2는 종래의 용존산소센서의 단면도

도 3은 본 발명의 스페이서가 삽입구성된 조직 구조를 나타낸 사시도 및 단면 확대도

도 4a, 4b는 종래의 용존산소센서와 본 발명의 스페이서가 삽입구성된 센서의 직선성 실험을 나타낸 그래프

도 5a, 5b는 종래의 용존산소센서와 본 발명의 스페이서가 삽입구성된 센서의 감응(response)실험과 일부 확대 그래프

도 6은 종래의 용존산소센서와 본 발명의 스페이서가 삽입구성된 센서의 스팬 시프트(span shift)개선 상태를 나타낸 그래프

도 7은 전극의 크기와 멤브레인의 두께에 따른 용존산소 센서의 신호값 변화를 나타낸 그래프

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 멤브레인(membrane) 2 : 음 전 극(cathode)

3 : 양 전 극(anode) 4 : 전 해 질(electrolyte)

5 : 스페이서(spacer)

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 용존산소의 매크로 전극에 사용되어 산소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인(1)과, 상기 멤브레인을 투과한 산소의 양에 따라서 전류변화를 일으키는 음전극(2)과, 상기 멤브레인(1)과 상기 음전극(2)사이에 위치하는 스페이서(5)를 포함하여 구성되는 용존산소센서 및 그 장치에 관련된다.

상기한 스페이서(5)는 도 3에 도시된 바와 같이, 스페이서의 윗면을 확대한 그물망구조(7)와, 스페이서의 측면을확대한 구조(8) 및 미세수직구멍(6)을 나타낸다. 상기 스페이서(5)의 두께는 약 20∼90㎛이고, 인위적으로 전극과 멤브레인 사이를 일정한 간격으로 넓혀주는 역할을 하는 것이다.또, 상기 스페이서(5)으 측면의 밀도가 정면에 비해서 무척이나 높아서 정면에 비해서 측면의 산소 확산 영향은 거의 무시할 수 있다.즉, 상기 스페이서(5)의 측면이 정면에 비해서 무척이나 촘촘하기 때문에, 옆에서 들어오는 측면확산을 효과적으로 차단하게 된다. 또한, 상기 스페이서(5)는 미세수직구멍(6)이 있어, 산소 분자의 흐름(flux)이 전극 표면의 수직(axial)방향으로 들어오게 유도된다.이때, 사용할 수 있는 스페이서(5)의 재질로서는 압착 천연 펄프로 만들어진 필터나, 화학섬유로 만들어진 엉성한 조직의 천이 적당한다.

다음으로, 상기 언급한 직선상, 측면확산, 스팬 시프트 현상 및 전극의 크기에 따른 영향에 대한 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 스페이서(5)를 부착하지 않은 센서는 직선상이 산소의 농도가 증가할수록 떨어지지만〔도4a 참조〕, 스페이서(5)를 부착한 센서에서의 직선성은 상관관계(correlation)가 거의 1이 될 정도로 뛰어남을 보이고 있다〔도4b 참조〕

도 5a에 도시된 실험 결과에서 보는 바와 같이, 스페이서(5)를 부착한 센서를 산소가 전혀 없는 제로용액(N₂SO₃)에 담갔을 때 센서가 제로 반응을 하는가에 대한 실험에서 스페이서(5)를 부착한 센서는 더많이 떨어지며 제로쪽으로 가는 것을 볼 수 있다.또한, 스페이서(5)를 부착한 센서에서 측면확산은 스페이서(5)를 넣지 않은 것에 비해서 측면확산이 수직적확산에 비해서 너무나도 작다는 것을 알 수 있고, 그래서, 확실한 것은 스페이서(5)를 부착한 것은 그러지 않은 것에 비해서 측면확산을 더 억제한다는 것이다. 도 5b는 도 5a를 일부확대한 그림이다.

도 6은 스페이서(5)를 부착한 것과 안한 것에 일정한 충격을 주었을 때 일어나는 스팬 시프트 현상에 관한 것으로,스페이서(5)를 부착하지 않은 것은 신호의 값이 급격히 증가했다가 원래의 상태로 돌아오지 않고, 또다른 충격을 주었을 때 다시 다른 값으로 시프트되는 스팬 시프트 현상을 볼 수 있다〔도6 참조〕센서가 충격을 받을 때마다 일일이 표준화를 해주어서 신호의 값을 일정하게 얻을 수는 있지만 이것은 결코 바람직한 방법은 아니다. 스페이서(5)를 부착한 것은 눈에 띄게 스팬 시프트에 강함을 보여주고 있다. 충격을 받았을 때 신호가 아주 잠깐 동안 올라가지만, 곧 제자리를 찾아가는 것을 보여주고 있다또한 스페이서(5)를 넣었을 때, 효과는 신호의 노이즈 레벨이 무척이나 적어졌다는 것이다〔도 6 참조〕이것은 센서가 매우 안정적이어서 스페이서(5)를 넣지 않은 센서보다 외부의 영향을 덜 받는다는 것을 의미한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전극의 크기가 큰(9mm)경우 전극의 크기가 작은(1mm)경우에 비해, OH누적에 의한 산소의 분압이 큰 곳에서 산소의 농도에 대한 직선성이 떨어진다는 것이다. 그러나, 스페이서(5)를 삽입한 음전극(2)의 크기를 9mm로 증가시킬 때에도, 고농도의 산소에서도 직선성이 잘 유지되며, 멤브레인(1)을 음전극(2)에 강하게 밀착시켜도, 일정한 간격을 유지하여 충격을 주어도 스팬 시프트현상이 일어나지 않으며, 고농도 산소에서도 OH- 누적현상이 현저하게 감소하였다. 또한, 스페이서(5)의 미세수직구멍(6)이 산소센서의 이론적 근간인 1차 확산 모델에 잘 일치하도록 산소의 확산을 수직으로 유도한다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 으해서 해석되어야 할 것이다.

이상, 본 발명에 따르면, 측면이 정면에 비해 매우 촘촘한 스페이서를 삽입구성한 용존산소센서를 제공함으로써 산소의 측면확산을 줄이고, 수직적으로 전극으로 투과되는 직진성을 향상시켜서 정확한 실제 용존산소의 농도를 측정 할 수 있게하였고, 또한 충격에 따른 스팬 시프트 현상이 방지되는 효과가 있어, 용존산소센서 기능의 안정적인 농도측정 효과가 있으며, 따라서 수질환경 개선에 크게 기여할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 용존 산소를 측정하는 센서에 있어서, 용존산소의 매크로 전극에 사용되어 산소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인(1)과 멤브레인(1)을 투과한 산소의 양에 따라 전류변화를 일으키는 음전극(2)사이에 평면적으로는 그물망구조(7)를 갖고, 수직적으로는 미세수직구멍(6)을 갖는 스페이서(5)를 삽입구성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용존산소센서.
2. 삭제
3. 제 1항 있어서

   상기 스페이서(5)는 압착 천연 펄프 필터나 화학섬유로 짜여진 엉성한 천으로 이루어지며, 두께 20∼90㎛로 이루어짐을 특징으로 하는 용존산소센서
4. 용존산소를 측정하는 센서에 있어서, 용존산소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인(1)과, 상기 멤브레인(1)을 투과한 산소의 양에 따라 전류변화를 일으키는 음전극(2)사이에 평면적으로는 그물망구조(7)를 갖고, 수직적으로는 미세수직구멍(6)을 갖는 스페이서(5)가 삽입, 구성되어 용존산소의 농도를 측정할 수 있도록 이루어져 있는것을 특징으로하는 용존산소 센서장치.