KR101011296B1 - 한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지및 측정 방법 - Google Patents

한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

한계 전류식 산소 센서는 이온 전도체; 한 쌍의 전극; 확산율 결정화 기체를 공급하기 위한 기체 확산 장치; 및 이온 전도체를 가열하기 위한 히터를 구비한다. 기체 확산 장치는 기체 확산 구멍 및 기체 확산 구멍과 통하는 내부 공간을 포함한다. 제1 실시예에서, 기체 확산 장치는 내부 공간의 두께(lin)가 기체 확산 구멍의 구멍 지름(Sl) 이상의 크기가 되도록 구성된다. 이는 기체 확산 구멍에서의 확산율 결정을 조절할 수 있게 하고 내부 공간에서의 확산율 결정의 영향을 최소화할 수 있어서, 정확하게 한계 전류 값을 검지할 수 있게 한다. 제2 실시예에서, 기체 확산 장치는 내부 공간에서의 산소 농도 구배가 소정의 수학식을 만족하도록 구성된다. 이는 저 산소 농도에서도 정확하게 산소 농도를 검지 및 측정할 수 있게 하여 용이하게 제조할 수 있고 비용을 절감할 수 있게 한다.
한계 전류, 산소 센서, 확산율

Description

한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지 및 측정 방법 { Limiting current type oxygen sensor and method of sensing and measuring oxygen concentrations using the same }
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 화살표 A방향에서 본 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 사시도이다.
도 3은 도 1의 화살표 B방향에서 본 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 기체 확산 장치에서 내부 공간의 다른 두께에 따라 소정의 산소 농도 분위기하에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서에서 기체 확산 구멍의 구멍 길이 및 구멍 면적과 출력 전류와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서에서 기체 확산 구멍의 구멍 길이 및 구멍 면적과 출력 전류와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 기체 농도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 종래의 한계 전류식 산소 센서의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 11은 종래의 한계 전류식 산소 센서의 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 산소 농도의 검지 및 측정에 이용하기 위한 한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지 및 측정 방법에 관한다.
종래부터, 한계 전류식 산소 센서는 예로서 산화이트륨(Y2O3)을 첨가물로 하는 고체 전해질의 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia: YSZ)로 구성된 이온 전도체를 이용하는 것이 공지되어 있다. 도 10은 종래의 한계 전류식 산소 센서의 구조를 나타내는 모식도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 일반적인 종래의 한계 전류식 산소 센서(100)는 양면에 감시 전압을 인가하기 위한 다공질 재료로 이루어진 애노드(102) 및 캐소드 전극(103)을 구비한 고체 전해질의 이온 전도 체(101)를 포함한다. 하나의 전극(103)에 확산율 결정 기체(diffusion-rate-determined gas)를 공급하기 위해 기체 확산 구멍(104, 105) 및 내부 공간(106a)을 구비한 기체 확산 장치가 이온 전도체에 부착된 캡(106)에 구성되어 있다.
이온 전도체(101)를 몇백 도의 감시 온도로 설정하기 위해 캡(106)의 외측에 히터(107)가 구비되어 있다. 히터(107)에는 리드선(108)이 접속되어 있다. 일반적으로 사용되는 한계 전류식 산소 센서는 기체 확산 구멍(104, 105) 중 하나, 예로서 기체 확산 구멍(105)을 포함하지 않는 유형이다.
한계 전류식 산소 센서(100)는 전극들(102, 103) 사이에 감시 전압의 인가로 인해 전압이 낮은 동안 전압에 비례해서 출력 전류가 이온 전도체(101)에 흐르도록 하는 구조로 되어 있다. 또한, 한계 전류식 산소 센서(100)는 전압이 상승하면 출력 전류가 포화하는 특징이 있다. 포화 영역에서의 출력 전류를 한계 전류라고 한다. 출력 전류의 크기는 산소 농도와 관련이 있다. 따라서 한계 전류식 산소 센서(100)는 감시 전압에 따라 얻어진 한계 전류 값으로부터 산소 농도를 검지하고 측정하는 것을 가능하게 한다.
한계 전류식 산소 센서(100)의 이온 전도체(101)에서의 전류 흐름은 산소 이온의 이동에 근거하고 전압 및 온도에 의존하는 전류 값을 갖는다. 따라서 한계 전류식 산소 센서(100)는 400-500℃ 정도의 감시 온도로 설정되고 전압 구동된다. 통상적으로, 감시 온도는 한계 전류식 산소 센서(100)의 몸체부 또는 캡(106)에 히터(107)를 구비하고 이것에 전류를 통하게 함으로써 설정된다.
이러한 한계 전류식 산소 센서(100)는 많은 경우에 히터(107)에 항상 전류가 통한 상태로 전극들(102, 103) 사이에 감시 전압을 인가하는 방식으로 구동된다(특허 문헌 1: 일본 특허 제3373741호 참조). 더 낮은 산소 농도를 검지하고 측정하자마자 출력 전류 값을 증가시키기 위하여, 종래의 한계 전류식 산소 센서(100)는 캡(106)을 관통하여 형성된 기체 확산 구멍(104)뿐만 아니라 기체 확산 구멍(105)도 포함하는 기체 확산 장치를 구비하여 구성된다.
캡(106)을 관통하여 형성된 기체 확산 구멍들(104, 105)과 같은 구멍 부분을 포함하는 구조로 된 기체 확산 구조를 구비한 한계 전류식 산소 센서(100)에서, 기체 확산 장치는 산소 농도를 측정하기 위해 다음 수학식 1의 조건을 만족하도록 구성된다.
Figure 112007046748156-pat00001
여기서, F는 패러데이 상수, D는 확산 계수, S는 구멍 부분의 구멍 면적, P는 전체 기압, R은 기체 상수, T는 온도, L은 구멍 부분의 구멍 길이, PO2는 산소 분압, 및 IL은 출력 전류 값이다.
이러한 한계 전류식 산소 센서에서, 기체 확산 장치는 전극과 그것에 대향하는 내면 사이의 내부 공간의 거리, 즉 기체 확산 구멍(104)의 관통방향에서 내면(106a)의 두께가 기체 확산 구멍(104)의 구멍 지름보다 작게 구성된다. 이 경우, 출력 전류 값은 도 11에 도시된 다음의 특성을 나타낸다. 도 11은 이러한 유형의 종래 한계 전류식 산소 센서에서 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 한계 전류식 산소 센서의 기체 확산 장치에서 내부 공간의 두께가 기체 확산 구멍의 구멍 지름보다 작으면, 센서에서 바이어스 전압(Vs)과 출력 전류(Is)와의 관계는 실선(111)으로 나타나는 특징이 있다. 즉, 내부 공간의 두께가 더 작으면, 내부 공간으로 기체 확산 구멍을 통하여 확산한 산소 분자가 캐소드 전극의 단부에 도달하기 전에 내부 공간에서 결정된 확산율이다. 따라서 실선(111)에서 직선 부분(112)은 수직 기울기(일정하지 않은 값)가 더 커지는 특성을 나타낸다. 그러므로 종래의 한계 전류식 산소 센서에서 감시 전압에 따른 한계 전류 값은 이러한 특성에 의해 나타나고, 산소 농도는 이 값에 기초해서 검지되고 측정된다. 이렇게, 내부 공간의 두께가 더 작은 종래의 한계 전류식 산소 센서는 전압-전류 관계에서 더 큰 기울기를 갖는 직선 부분을 특징으로 한다. 따라서, 감시 전압에서의 흔들림, 변동 또는 불균일성이 한계 전류 값의 검지 정밀도를 악화시켜서 정확한 값의 한계 전류를 얻는 것을 곤란하게 한다.
상기 종래의 한계 전류식 산소 센서(100)에서는, 더 낮은 산소 농도의 검지 및 측정을 위하여 기체 확산 구멍(104)뿐만 아니라 캡(106)을 관통하는 새로운 기체 확산 구멍(105)이 형성되어야 한다. 이는 한계 전류식 산소 센서를 제조하는 공정에서 더 많은 공정 단계들을 필요로 하고 센서 구조 자체를 복잡하게 하여, 결국 제조 비용을 증가시킨다.
더욱이, 한계 전류식 산소 센서(100)에서, 새로운 기체 확산 구멍(105)은 이온 전도체(101)에서 전극(103)의 표면(전극면)을 따라 캡을 관통하여 형성되어 있 다. 따라서 기체 확산 구멍(105)이 형성되지 않은 유형과 비교하면, 가공 정밀도에 따라 제조 정밀도에서 더 큰 변동이 생기기 쉽다. 그 결과, 기울기 특성에서 변동이 발생하고 측정 정밀도는 안정화되지 않는다.
또한, 상기 특허 문헌 1에 기재된 종래의 한계 전류식 산소 센서의 기체 확산 구멍(105) 대신 기체 확산 구멍(104)의 구멍 지름이 커질 수 있고, 기체 확산 구멍(105)이 구비되지 않을 수도 있다. 이러한 센서에서, 1% 이하의 산소 농도를 갖는 한계 전류 영역 내에, 한계 전류 값이 상기 수학식 1의 조건을 만족하지 않을 수 있다. 따라서 정확한 산소 농도를 검지하고 측정하는 것이 불가능해진다.
본 발명은 이러한 문제점을 고려하여 이루어진 것으로 한계 전류 값의 검지 정밀도를 향상할 수 있는 한계 전류식 산소 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 더 낮은 산소 농도에서도 정확하고 양호하게 산소 농도를 검지하고 측정할 수 있으며, 생산성이 좋고, 상기된 기울기 특성에서의 불균일성을 방지하고, 비용을 줄일 수 있는 한계 전류식 산소 센서를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. 또한, 이를 사용하는 산소 농도의 검지 및 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 한계 전류식 산소 센서는 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체; 전계를 인가하기 위해 이온 전도체에 부착된 다공질의 전극쌍; 전극쌍 중 하나의 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치; 및 상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고, 기체 확산 장치는 상기 전극쌍의 하나의 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 내부 공간이 센서의 외측과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함하고, 기체 확산 장치는 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 내부 공간의 거리가 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되도록 형성되어 있다. 기체 확산 장치는 다수의 상기 기체 확산 구멍 및 상기 다수의 기체 확산 구멍과 통하는 내부 공간을 포함하고, 기체 확산 장치는 내부 공간의 거리가 다수의 기체 확산 구멍의 모든 지름의 합 또는 다수의 기체 확산 구멍의 유효 단면적으로부터 계산된 값 이상의 크기가 되도록 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 한계 전류식 산소 센서는 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체; 전계를 인가하기 위해 이온 전도체에 부착된 다공질의 전극쌍; 전극쌍 중 하나의 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치; 및 상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고, 기체 확산 장치는 상기 전극쌍의 하나의 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 내부 공간이 센서의 외측과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함하고, 기체 확산 장치는 내부 공간에서의 산소 농도 구배가 다음 수학식을 만족하도록 구성된다.
1/Ilim = (1/4FDCO2){(l/S) + (lin/Sin)}
이는 패러데이 상수(F); 확산 계수(D); 산소 농도(CO2); 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S); 기체 확산 구멍의 관통 방향에서의 구멍 길이(l); 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 내부 공간의 거리(lin); 내부 공간의 유효 단면적(Sin); 및 출력 전류 값(Ilim)의 관계에 근거한다. 기체 확산 장치는 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 내부 공간의 거리가 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되도록 형성 된다. 기체 확산 장치는 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S) 및 구멍 길이(l)의 비율(S/l)이 50 내지 250㎛가 되도록 구성된다.
본 발명은 또한 한계 전류식 산소 센서를 이용하여 산소 농도를 검지하고 측정하는 방법을 제공하며, 이 센서는 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체; 전계를 인가하기 위해 이온 전도체에 부착된 다공질의 전극쌍; 전극쌍 중 하나의 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치; 및 상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고, 이 방법은 기체 확산 장치에 상기 전극쌍의 하나의 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 내부 공간이 센서의 외측과 통하도록 기체 확산 구멍을 형성하는 단계; 및 내부 공간에서의 산소 농도 구배가 다음 수학식의 조건을 만족하는 계산을 함으로써 산소 농도를 검지하고 측정하는 단계를 포함한다:
1/Ilim = (1/4FDCO2){(l/S) + (lin/Sin)}
이는 패러데이 상수(F); 확산 계수(D); 산소 농도(CO2); 상기 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S); 기체 확산 구멍의 관통 방향에서의 구멍 길이(l); 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 상기 내부 공간의 거리(lin); 상기 내부 공간의 유효 단면적(Sin); 및 출력 전류 값(Ilim)의 관계에 근거한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기체 확산 장치는 전극쌍의 하나의 전극과 접촉하여 이루어진 내부 공간, 및 내부 공간이 센서의 외측과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함한다. 기체 확산 장치는 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 내 부 공간의 거리가 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되도록 형성되어 있다. 따라서 센서의 내부 공간에서 확산율 결정의 영향을 최소화할 수 있고 정확한 한계 전류 값을 검지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기체 확산 장치는 전극쌍의 하나의 전극과 접촉하여 이루어진 내부 공간, 및 내부 공간이 센서의 외측과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함한다. 기체 확산 장치는 내부 공간에서의 산소 농도 구배가 소정의 수학식을 만족하도록 구성된다. 그러므로 다수의 기체 확산 구멍을 구비한 종래의 경우와 비교해서, 기체 확산 구멍의 가공이 더욱 쉬워진다. 또한, 소정의 수학식의 조건을 만족하는 농도 구배에 근거해서, 산소 농도가 정확하게 검지되고 측정될 수 있다. 이는 1% 이하의 더 낮은 산소 농도에서도 정확하고 양호하게 산소 농도를 검지하고 측정할 수 있도록 하며, 용이하게 제조할 수 있게 하고, 가공 정밀도 특성의 불균일성을 억제하고, 제조 비용을 줄일 수 있다.
이하에서는, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서에 대해서 설명한다.
[제 1 실시예]
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서(10)는 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체(11), 전극쌍의 전극(12a, 12b), 전극들(12a, 12b) 중 하나의 전극(12a)을 덮도록 부착된 캡(13), 및 이온 전도체(11)를 가열하기 위해 배치된 히터(17)를 구비한다. 전극들(12a, 12b)은 다공 질 재료로 구성되고 이들 사이에 전계를 인가하기 위해 이온 전도체(11)에 부착된다.
이온 전도체(11)는 몇 백도의 고온에서 내부 이온의 이동에 따라 도전성을 나타내는 안정화 지르코니아 등의 절연체로 이루어진다. 전극들(12a, 12b)은 다공질의 백금(Pt) 또는 은(Ag)으로 이루어지고 이온 전도체(11)의 양면에 형성되어 있다. 이 실시예의 한계 전류식 산소 센서는 전극(12a)이 캐소드 전극이고 전극(12b)이 애노드 전극이 되도록 구성되어 있다.
캡(13)은 바닥이 있는 원통형 외관을 갖는 세라믹으로 이루어지고 이온 전도체(11)에 부착되도록 오목한 측면으로 되어 있다. 바닥이 있는 원통형의 캡(13)의 바닥 중앙부분을 관통하여, 하나의 기체 확산 구멍(14)이 두께 방향으로 형성되어 있다. 캡(13)은 기체가 기체 확산 구멍(14)을 통하여서만 전극(12a)에 공급될 수 있도록 캐소드 전극인 전극(12a)에 면하는 측면과 밀착하여 이온 전도체(11)에 부착되어 있다. 내부 공간(15)은 전극(12a)에 면하는 이온 전도체(11)의 측면과 캡(13) 사이에 형성되어 있다. 내부 공간(15) 및 기체 확산 구멍(14)은 전극(12a)에 확산율 결정 기체를 공급하는 기체 확산 장치(16)를 구성한다.
그러므로 한계 전류식 산소 센서(10)에서, 전극(12a)은 내부 공간(15)에 접하여 부착되고 전극(12b)은 외부 공기에 접하여 부착된다. 이온 전도체(11)의 설치시 이용하는 측면에 반대편인 캡(13)의 외면에, 이온 전도체(11)를 약 400 내지 500℃의 감시 온도까지 가열하기 위해 히터(17)가 부착되어 있다.
기체 확산 장치(16)의 기체 확산 구멍(14)은 도 1에 도시된 바와 같이, 관통 방향으로 소정의 구멍 지름(Sl)과 소정의 구멍 길이(l)를 갖도록 캡(13)을 관통하여 형성되어 있다. 기체 확산 장치(16)의 내부 공간(15)은 기체 확산 구멍(14)의 관통 방향에서 소정의 두께(lin; 구체적으로, 전극(12a)의 표면과 이에 대향하여 배치된 캡(13)의 내벽면 사이의 거리)를 갖도록 형성되어 있다. 제1 실시예에서, 기체 확산 장치(16)는 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 직경(Sl) 이상의 크기가 되도록 구성되어 있다. 캡(13)은 그 내부에 형성된 이러한 기체 확산 구멍(14)을 다수 포함하고 있다. 이때, 내부 공간(15)의 두께(lin)는 다수의 기체 확산 구멍(14)의 모든 지름의 합 또는 다수의 기체 확산 구멍(14)의 유효 단면적으로부터 이미 계산된 값 이상의 크기로 형성되어 있다.
전극들(12a, 12b)은 리드선들(18a, 18b)에 각각 접속되어 있다. 리드선들(18a, 18b)은 감시 전압을 인가하기 위해 외부로 꺼내져서 전원(30)에 접속되어 있다. 전원(30)은 전류계(31)와 직렬로, 전압계(32)에 병렬로 접속되어 있다. 또한, 히터(17)는 리드선(19)에 접속되어 있다. 리드선(19)은 히터 전원(33)에 접속되어 있다. 히터(17)는 예를 들면, 사용하는 동안 히터 전원(33)으로부터 항상 전류를 공급받아 약 400℃의 감시 온도로 설정된다.
이렇게 구성된 한계 전류식 산소 센서(10)에서, 히터 전원(33)은 히터(17)에 전력을 공급하고, 한계 전류식 산소 센서(10) 자체를 감시 온도까지 가열하기 위해 저항 발열시킨다. 동시에, 전원(30)은 전극들(12a, 12b)에 소정의 감시 전압을 인가한다. 감시 전압이 인가되면, 이온 전도체(11) 및 캡(13)에 의해 둘러싸인 기체 확산 장치(16)의 내부 공간(15) 내에 존재하는 기체에 함유된 산소 분자가 전 극(12a)을 개재해서 전자를 받아서 산소 이온으로 되고, 이온 전도체(11)로 들어간다. 산소 이온은 이온 전도체(11) 내의 산소 이온 공공(空孔)을 개재하고 도 1에서 그 두께 방향 위쪽으로 이온 전도체(11)를 통하여 이동한다. 이동된 산소 이온은 전극(12b)에 도달해서 전자를 잃고 다시 산소 분자로 되며, 외부 공기에 노출된다. 산소 분자의 이동은 전극들(12a, 12b)에 전류가 흐르도록 한다.
산소 분자의 이동에 의해, 한계 전류식 산소 센서의 내부 공간(15)은 대기압 이하로 되고 기체가 외부 대기로부터 기체 확산 구멍(14)을 통하여 유입된다. 이때 유입되는 기체의 양은 기체 확산 구멍(14)을 통하여 제한된다. 따라서 한계 전류식 산소 센서(10)의 전류(I)-전압(V) 특성에 있어서, 전극(12a, 12b) 사이에 인가되는 감시 전압을 상승시켜도 전류 변화가 일어나지 않는 한계 전류 값을 검지할 수 있다.
한계 전류식 산소 센서(10)는 기체 확산 장치(16)의 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl) 이상의 크기가 되도록 형성되어 있다. 따라서 내부 공간(15)에서 확산율 결정의 영향을 최소화할 수 있고 기체 확산 구멍(14)에서의 확산율 결정을 조절할 수 있는 구조로 되어 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 한계 전류식 산소 센서(10)에서 바이어스 전압(Vs)과 출력 전류(Is)의 관계는 실선(41)으로 나타나는 특성이 있다. 즉, 기체 확산 장치(16)의 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl) 이상의 크기로 형성되기 때문에, 실선(41)에서 직선 영 역(42)의 기울기는 0이 되거나 가능한 한 이에 가깝게 된다. 따라서 한계 전류식 산소 센서(10)에서, 직선 영역(42)의 출력 전류 값 또는 한계 전류 값은 감시 전압의 흔들림, 변동 또는 불균일성 등의 외부 불안요소들이 존재하더라도 일정 값을 나타낸다. 따라서 한계 전류 값의 검지 정밀도를 향상시킬 수 있다. 본 발명자들은 기체 확산 장치(16)에서 내부 공간(15)의 두께(lin)와 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl)의 관계에 대해서 다음과 같은 실험을 하였다.
도 5는 기체 확산 장치에서 내부 공간의 다른 두께에 따라 소정의 산소 농도 분위기하에서 본 발명의 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서의 전압(V)-전류(I) 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실선(51)은 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl) 이상일 경우의 바이어스 전압(Vs)과 출력 전류(Is) 사이의 특성을 나타낸다. 파선(52)은 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl)보다 작을 경우의 바이어스 전압(Vs)과 출력 전류(Is) 사이의 특성을 나타낸다. 일점쇄선(53)은 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl)보다 극도로 작을 경우의 바이어스 전압(Vs)과 출력 전류(Is) 사이의 특성을 나타낸다.
도 5에 도시된 실선(51)으로 나타난 바와 같이, 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 직경(Sl) 이상인 경우 직선 영역(54)의 기울기는 거의 0이거나 평탄하다. 이때, 출력 전류 값에 의해 나타내어지는 한계 전류 값도 정확한 값을 나타낸다. 한편, 파선(52) 또는 일점쇄선(53)으로 나타난 바와 같이, 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl)보다 작거나 극도로 작 을 경우 직선 영역(54)의 기울기는 실선(51)에서 더욱더 커진다. 그 결과, 정확한 한계 전류 값을 얻을 수 없고 산소 농도 검지 및 측정에 오차가 발생한다.
따라서 한계 전류식 산소 센서(10)에 있어서, 내부 공간(15)의 두께(lin)를 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl) 이상으로 형성하여 기체 확산 장치(16)를 구성한다. 이때, 한계 전류 값을 정확하게 검지할 수 있고 검지 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이는 또한 이러한 기체 확산 구멍(14)을 다수 구비하는 경우에도 동일하다. 이때, 내부 공간(15)의 두께(lin)는 다수의 기체 확산 구멍(14)의 모든 지름의 합 또는 다수의 기체 확산 구멍(14)의 유효 단면적으로부터 이미 계산된 값 이상의 크기로 형성되어 있다.
상기된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 한계 전류식 산소 센서(10)의 기체 확산 장치(16)는 전극(12a) 방향으로 캡(13)을 관통하여 형성된 기체 확산 구멍(14), 및 기체 확산 구멍(14)과 통하는 내부 공간(15)을 포함한다. 내부 공간(15)의 두께(lin)는 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl) 이상의 크기로 형성되어 있다. 따라서 한계 전류식 산소 센서(10)의 내부 공간(15)에서 확산율 결정의 영향을 최소화할 수 있고 정확한 한계 전류 값을 검지할 수 있다.
[제 2 실시예]
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지 및 측정 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서는 제1 실시예의 구조와 거의 유사하여 제1 실시예와 관련된 도 1을 참조하여 설명한다. 제1 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서(10) 와 같이, 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서는 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체(11), 전극쌍의 전극들(12a, 12b), 전극들(12a, 12b) 중 하나의 전극(12a)을 덮도록 부착된 캡(13), 및 이온 전도체(11)를 가열하기 위해 배치된 히터(17)를 구비한다. 전극들(12a, 12b)은 다공질 재료로 구성되고 이들 사이에 전계를 인가하기 위해 이온 전도체(11)에 부착된다. 바닥이 있는 원통형의 캡(13)의 바닥 중앙부분을 관통하여, 하나의 기체 확산 구멍(14)이 두께 방향으로 형성되어 있다. 캡(13)은 기체가 기체 확산 구멍(14)을 통하여서만 전극(12a)에 공급될 수 있도록 캐소드 전극인 전극(12a)에 면하는 측면과 밀착하여 이온 전도체(11)에 부착되어 있다. 내부 공간(15)은 전극(12a)에 면하는 이온 전도체(11)의 측면과 캡(13) 사이에 형성되어 있다. 내부 공간(15) 및 기체 확산 구멍(14)은 제1 실시예와 마찬가지로 전극(12a)에 확산율 결정 기체를 공급하는 기체 확산 장치(16)를 구성한다.
기체 확산 장치(16)의 기체 확산 구멍(14)은 도 1에 도시된 바와 같이, 관통 방향으로 소정의 구멍 지름(Sl)과 소정의 구멍 길이(l)를 갖도록 캡(13)을 관통하여 형성되어 있다. 기체 확산 장치(16)의 내부 공간(15)은 기체 확산 구멍(14)의 관통 방향에서 소정의 두께(lin; 구체적으로, 전극(12a)의 표면과 이에 대향하여 배치된 캡(13)의 내벽면 사이의 거리)를 갖도록 형성되어 있다. 제2 실시예에서, 기체 확산 장치(16)는 내부 공간(15)의 산소 농도 구배가 이후에 기재되는 소정의 수학식의 조건을 만족하도록 구성되어 있다. 기체 확산 장치(16)가 내부 공간(15)의 두께(lin)가 기체 확산 구멍(14)의 구멍 지름(Sl)보다 크도록 여기에서 구성되었지만, 제2 실시예는 이 구성에 한정되지 않는다.
이러한 한계 전류식 산소 센서(10)는 기체 확산 구멍(14)의 형태, 측정시 센서 온도, 대기압 등이 일정하다면, 대기에서의 산소 농도에 의존하는 한계 전류 값을 갖는다. 그러므로 발명자들은 한계 전류 값과 산소 농도 간의 관계에 기초해서, 적절한 산소 농도 구배를 분석하여 그것을 기체 확산 장치(16)에 적용하였다. 이렇게 하여, 한계 전류식 산소 센서(10)는 더 낮은 산소 농도에서도 양호한 산소 농도의 검지 및 측정을 가능하게 했다.
도 6 및 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서에서 기체 확산 구멍의 구멍 길이 및 구멍 면적과 출력 전류와의 관계를 각각 나타내는 그래프이다. 우선, 발명자들은 상기된 바와 같이, 한계 전류식 산소 센서(10)에서 캡(13)의 바닥 중앙부를 관통하는 하나의 기체 확산 구멍(14)을 형성하였다. 그리고 나서, 기체 확산 구멍(14)의 구멍 면적(S)과 구멍 길이(l)를 다양하게 변화시킨 환경에서, 한계 전류 값 또는 센서 출력 전류(IL)를 측정하였다. 그 결과, 기체 확산 구멍(14)의 구멍 면적(S)과 구멍 길이(l)의 비(이하에서는 "S/l"이라 함)와 한계 전류(IL)가 도 6에 도시된 바와 같은 관계가 성립하는 것을 확인하였다. 이때, 파선(61) 및 실선(62)으로 나타내어지는 특성을 얻을 수 있었다. 파선(61)은 상술한 종래의 수학식 1을 이용하여 계산된 이론값에 의해 나타내어지는 특성을 나타내고 실선(62)은 실제로 측정된 값에 의해 나타내어지는 특성을 나타내고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실제로 측정된 값에 기초하여 실선(62)으로 나타내어진 한계 전류(IL)는, S/l 값이 증가함에 따라 종래의 수학식 1을 사용하여 계산된 파선(61)으로 나타내어지는 이론값보다 작은 값을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, S/l 값이 약 50-250㎛의 범위로 되면, S/l 및 한계 전류(IL)는 직선 관계를 나타내는 것이 밝혀졌다. 이러한 사실로부터, 예를 들면 기체 확산 장치(16)의 기체 확산 구멍에서뿐만 아니라 내부 공간(15)에서의 농도 구배가 1% 이하의 저 산소 농도로 존재한다는 것이 추정된다. 이때, 근사식은 기체 확산 장치(16)에 적용되는 산소 농도 구배를 만족하는 다음의 수학식 2의 조건을 산출하도록 해석된다. S/l 값이 약 50-250㎛ 범위로 되면, 하나 이상의 기체 확산 구멍(14)이 구비되어도 좋다.
발명자들은 패러데이 상수(F); 확산 계수(D); 산소 농도(CO2); 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S); 기체 확산 구멍의 관통 방향에서의 구멍 길이(l); 내부 공간의 두께(lin); 내부 공간의 유효 단면적(Sin); 및 출력 전류 값(Ilim)이 다음의 관계를 갖는 조건의 산소 농도 구배를 한계 전류식 산소 센서(10)에 적용하였다.
Figure 112007046748156-pat00002
이로써, 도 7에서 실선(71)으로 나타내어진 바와 같이, 기체 확산 구멍(14)의 구멍 면적(S)에 대한 구멍 길이(l)의 비(이하에서는 "l/S"라 함)와 한계 전류의 역수(1/IL)의 관계를 얻었다. 그 결과, 예로서 상기된 S/l이 50㎛ 이하인 경우, 종래 수학식 1은 산소 농도를 검지 및 측정하기 위해 기체 확산 장치(16)에 적용될 수 있지만, 한계 전류 값(IL)이 너무 작아 실용적이지 못하다.
출력 전류 값(Ilim)은 한계 전류(IL)와 등가다. 내부 공간(15)의 유효 단면적(Sin)은 내부 공간(15) 내의 산소 분자의 흐름이 전극(12a)을 향하여 기체 확산 구멍(14)으로부터 사다리꼴로 뻗어 있다는 가정을 기초로 설정되고, 기체 확산 구멍(14)의 단면적과 내부 공간(15)의 단면적의 반 정도를 지침으로서 사용함으로써 설정된다.
예를 들어 기체 확산 장치(16)의 기체 확산 구멍(14)이 150㎛의 S/l 값을 갖는 한계 전류식 산소 센서(10)에서, 감시 전압(Vs)-출력 전류(Is) 특성은 1000ppm의 산소 기체에서 평가된다. 이때, 도 8에 도시된 실선들(81, 82)로 나타내어지는 결과가 얻어질 수 있다. 실선(81)은 종래 수학식 1이 기체 확산 장치(16)에 적용되었을 때의 결과를 나타낸다.
상기된 수학식 2에 의해 정의된 산소 농도 구배가 이러한 방식으로 기체 확산 장치(16)에 적용되었을 경우, 실선(82)으로 나타내어지는 출력 전류 값이 실선(81)으로 나타내어지는 출력 전류 값보다 낮은 값을 나타낸다. 수학식 2에 의해 정의된 산소 농도 구배가 적용되면, 한계 전류를 가리키는 직선 영역(83)을 명확하게 얻을 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 수학식 2의 산소 농도 구배가 한계 전류식 산소 센서(10)의 기체 확산 장치(16)의 내부 공간(15)에 적용되면, 실선(91)으로 나타내어지는 직선 관계를 갖는 기체 농도와 출력 전류 간의 특성이 얻어질 수 있다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서(10)에서는, 예 를 들어 1% 이하의 저 산소 농도에서도 산소 농도를 정확하고 양호하게 검지 및 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 한계 전류식 산소 센서(10)는 기체 확산 장치(16)의 기체 확산 구멍(14)이 하나이기 때문에, 제조 단계에서 용이한 제조가 이루어질 수 있고, 공정 정밀도 특성에서 불균일성을 억제할 수 있으며, 제조 비용을 삭감하는 것이 가능해진다.
상기된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 한계 전류식 산소 센서(10)의 기체 확산 장치(16)는 전극(12a) 방향으로 캡(13)을 관통하여 형성된 기체 확산 구멍(14) 및 기체 확산 구멍(14)과 통하는 내부 공간(15)을 포함한다. 기체 확산 장치는 내부 공간(15) 내의 산소 농도 구배가 상기 수학식 2의 소정의 조건을 만족하도록 구성된다. 또한, 내부 공간(15)의 두께(lin)는 예를 들어 기체 확산 구멍(14)의 구멍 직경(Sl)보다 크게 형성되어 있다. 따라서, 기체 확산 구멍(14)을 쉽게 가공할 수 있고, 소정의 조건을 만족하는 산소 농도 구배에 기초하여 산소 농도를 정확하게 검지 및 측정할 수 있다. 이는 1% 이하의 저 산소 농도에서도 정확하고 양호하게 산소 농도를 검지 및 측정할 수 있고, 용이하게 제조할 수 있어서, 가공 정밀도 특성의 불균일성을 억제해 제조 비용을 삭감하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지 및 측정 방법에 따르면, 한계 전류 값의 검지 정밀도를 향상되는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 더 낮은 산소 농도에서도 정확하고 양호하게 산소 농도를 검지하고 측정할 수 있으며, 생산성이 좋고, 기울기 특성에서의 불균일성을 방지하고, 비용을 줄이는 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체;
    제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 다공질의 전극쌍;
    상기 제1 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치; 및
    상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고,
    상기 이온 전도체는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 다공질의 전극쌍은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전계를 인가하기 위해 구비되고,
    상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 상기 내부 공간이 상기 기체 확산 장치의 외측 공간과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함하고, 상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극과 이에 대향하는 내면 사이의 상기 내부 공간의 거리가 상기 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되도록 형성되어 있고,
    상기 기체 확산 장치는 다수의 상기 기체 확산 구멍 및 상기 다수의 기체 확산 구멍과 통하는 내부 공간을 포함하고, 상기 기체 확산 장치는 상기 내부 공간에서의 거리가 상기 다수의 기체 확산 구멍의 모든 지름의 합 이상의 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  3. 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체;
    제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 다공질의 전극쌍;
    상기 제1 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치; 및
    상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고,
    상기 이온 전도체는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 다공질의 전극쌍은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전계를 인가하기 위해 구비되고,
    상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 상기 내부 공간이 상기 기체 확산 장치의 외측 공간과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함하고, 상기 기체 확산 장치는 상기 내부 공간에서의 산소 농도 구배가, 패러데이 상수(F); 확산 계수(D); 산소 농도(CO2); 상기 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S); 기체 확산 구멍의 관통 방향에서의 구멍 길이(l); 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 상기 내부 공간의 거리(lin); 상기 내부 공간의 유효 단면적(Sin); 및 출력 전류 값(Ilim)의 관계에 근거하는 다음 수학식:
    1/Ilim = (1/4FDCO2){(l/S) + (lin/Sin)}
    을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극과 이에 대향하는 내면 사이의 내부 공간의 거리가 상기 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되 도록 형성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 기체 확산 장치는 상기 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S) 및 구멍 길이(l)가 50 내지 250㎛의 비율(S/l)이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  6. 제4항에 있어서, 상기 기체 확산 장치는 상기 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S) 및 구멍 길이(l)가 50 내지 250㎛의 비율(S/l)이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  7. 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체, 제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 다공질의 전극쌍, 상기 제1 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치, 및 상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고, 상기 이온 전도체는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 다공질의 전극쌍은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전계를 인가하기 위해 구비된 한계 전류식 산소 센서를 이용한 산소 농도 검지 및 측정 방법에 있어서,
    상기 기체 확산 장치에 상기 제1 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 상기 내부 공간이 상기 기체 확산 장치의 외측 공간과 통하도록 기체 확산 구멍을 형성하는 단계; 및
    상기 내부 공간에서의 산소 농도 구배가, 패러데이 상수(F); 확산 계수(D); 산소 농도(CO2); 상기 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S); 기체 확산 구멍의 관통 방향에서의 구멍 길이(l); 전극과 이에 대향하는 내면 사이에 상기 내부 공간의 거리(lin); 상기 내부 공간의 유효 단면적(Sin); 및 출력 전류 값(Ilim)의 관계에 근거하는 다음 수학식의 조건을 만족하는 계산을 함으로써 산소 농도를 검지하고 측정하는 단계:
    1/Ilim = (1/4FDCO2){(l/S) + (lin/Sin)}
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서를 이용한 산소 농도 검지 및 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기체 확산 장치에서 상기 내부 공간은 상기 제1 전극 및 이에 대향하는 내면 사이의 거리가 상기 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서를 이용한 산소 농도 검지 및 측정 방법.
  9. 삭제
  10. 고체 전해질로 이루어진 이온 전도체;
    제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 다공질의 전극쌍;
    상기 제1 전극의 일면에 확산율 결정화 기체를 공급하기 위해 구성된 기체 확산 장치; 및
    상기 이온 전도체를 가열하기 위해 배치된 히터를 구비하고,
    상기 이온 전도체는 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되고, 상기 다공질의 전극쌍은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 전계를 인가하기 위해 구비되고,
    상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극의 일면과 접촉한 내부 공간 및 상기 내부 공간이 상기 기체 확산 장치의 외측 공간과 통하도록 형성된 기체 확산 구멍을 포함하고, 상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극과 이에 대향하는 내면 사이의 상기 내부 공간의 거리가 상기 기체 확산 구멍의 구멍 지름 이상의 크기가 되도록 형성되어 있고,
    상기 기체 확산 장치는 다수의 상기 기체 확산 구멍 및 상기 다수의 기체 확산 구멍과 통하는 내부 공간을 포함하고, 상기 기체 확산 장치는 상기 내부 공간에서의 거리가 상기 다수의 기체 확산 구멍의 유효 단면적으로부터 계산된 값 이상의 크기가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  11. 제3항에 있어서, 상기 기체 확산 장치는 상기 제1 전극과 이에 대향하는 내면 사이의 내부 공간의 거리가 상기 기체 확산 구멍의 구멍 지름보다 크도록 형성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기체 확산 장치는 상기 기체 확산 구멍의 구멍 면적(S) 및 구멍 길이(l)가 50 내지 250㎛의 비율(S/l)이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서.
  13. 제7항에 있어서, 상기 기체 확산 장치의 상기 내부 공간은 상기 제1 전극과 이에 대향하는 내면 사이의 거리가 상기 기체 확산 구멍의 구멍 지름보다 크도록 형성되는 것을 특징으로 하는 한계 전류식 산소 센서를 이용한 산소 농도 검지 및 측정 방법.
KR1020070063501A 2006-06-27 2007-06-27 한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지및 측정 방법 KR101011296B1 (ko)

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