KR101646183B1 - 액체 내 용존 일산화탄소 측정용 센서소자 및 센싱방법 - Google Patents

액체 내 용존 일산화탄소 측정용 센서소자 및 센싱방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 내의 용존 일산화탄소 가스농도를 실시간으로 간단한 방법으로 측정할 수 있는 일산화탄소 센서소자 및 센싱방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 양면에 제1, 2 전극이 형성된 산소이온전도체를 포함하는 센서소자를 적어도 제1 전극이 액체 내에 잠기도록 삽입한 후 양 전극에 전압을 인가하여 액체 내에 잠긴 제1 전극으로 확산된 일산화탄소가 분해하면서 발생하는 산소이온이 산소이온전도체를 통해 흐르는 이온 전도 전류를 측정함으로써 액체 내 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 것을 특징으로 하며, 이러한 방법에 의해 용존 일산화탄소 가스를 실시간으로 간단하게 감지할 수 있는 효과가 있다.

Description

액체 내 용존 일산화탄소 측정용 센서소자 및 센싱방법 {THE SENSOR DEVICE FOR MEASUREMENT OF DISSOLVED CARBON MONOXIDE IN THE LIQUID AND THE SENSING METHOD}
본 발명은 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정할 수 있는 센서소자 및 센싱방법에 관한 것이다.
액체의 특성 또는 특성 변화를 액체 내에 용해되어 있는 용존 가스 농도를 측정함으로써 수행하는 경우가 있다. 예를 들어 자동차의 엔진오일, 변압기나 각종 기계장치에 사용되는 오일의 경우 열화가 진행됨에 따라 각종 가스의 농도가 증가하게 되는데, 가령 변압기 내부에서 과열이나 아크 방전 등 이상이 발생하는 경우 절연유 또는 절연물 일부가 열분해하여 일산화탄소가 발생하게 되므로 절연유 내에 포함된 일산화탄소 가스의 농도를 측정하게 되면 절연유의 열화 정도를 판단할 수 있다. 실제로 변압기의 경우 1000ppm 이상의 용존 일산화탄소가 발생되면 절연지의 화재 위험이 있다고 보고되고 있다.
액체 내에 용해되어 있는 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정하기 위해서는 광학적인 방식, 점도 측정 방식, 전기화학적 방법, 가스 크로마토그래프 방식, 기체분리법 등과 같은 방법이 사용될 수 있으나, 이러한 방식들은 측정 대상인 액체의 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 방법이 아니어서, 현장에서 실시간으로 열화 여부를 판단하는 것이 필요한 경우, 예를 들어 오일의 열화 여부 판단 등에 적용하기에 적합한 방법이라고 할 수 없다.
뿐만 아니라, 이러한 방식들은 측정장치 및 측정과정이 복잡하며, 그 외에도 장시간의 측정시간이 요구되고 고가의 장비가 필요한 측정방식이라는 점 등 많은 문제점이 있다.
따라서 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 실시간으로 간단하게 측정할 수 있는 센서소자 및 센싱방법이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고가의 복잡한 장비 없이도 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 실시간으로 간단하게 측정할 수 있도록 하는 센서소자 및 센싱방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자는, 액체 내에 삽입되어 상기 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정하기 위한 일산화탄소 센서소자로서, 센싱부; 상기 센싱부를 소정 온도로 가열하기 위한 히터부; 상기 센싱부와 상기 히터부 사이에 산소배출부를 형성하기 위한 스페이서;를 포함하며, 상기 센싱부는, 산소이온전도체, 상기 산소이온전도체의 일면에 형성되는 제1 전극, 상기 산소이온전도체의 타면에 형성되어 상기 액체와는 분리되면서 상기 산소배출부에 노출되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서 선택적으로 적어도 상기 제1 전극을 덮도록 형성되는 촉매층 및 투과막 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있으며, 이때 상기 촉매층은 탄소층일 수 있고, 상기 투과막은 상기 액체 내 용존 일산화탄소 가스가 투과할 수 있는 막일 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자는, 액체 내에 삽입되어 상기 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정하기 위한 일산화탄소 센서소자로서, 산소이온전도체; 상기 산소이온전도체의 일면에 형성되는 제1 전극; 상기 산소이온전도체의 타면에 형성되는 제2 전극;을 포함하며, 상기 센서소자를 상기 액체 내에 삽입 시 상기 제2 전극은 상기 액체와는 분리된 산소배출부 내에 위치하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 산소배출부는 상기 산소이온전도체에 기체 밀봉 가능하게 결합되는 핸들부의 내부일 수 있다.
본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 리드선을 통해 전기적으로 연결되어 상기 제2 전극에 양(+)의 전압이 인가되도록 상기 제1, 2 전극 사이에 소정의 전압을 인가하는 전원을 더 포함할 수 있으며, 상기 소정의 전압에 의해 상기 산소이온전도체를 통해 상기 용존 일산화탄소가 분해하면서 생긴 산소이온에 의한 이온 전도 전류가 흐르고, 상기 이온 전도 전류는 상기 용존 일산화탄소 농도에 따라 증가할 수 있다.
또한, 상기 소정의 전압에 의해 아래의 식 (1) 내지 (3)의 일련의 반응이 일어나는 것일 수 있다.
CO = C + 1/2 O2 ------------ (1)
1/2O2 + 2e = O2- ------------ (2)
O2- = 1/2O2 + 2e ------------ (3)
또한, 상기 소정의 전압은 일산화탄소는 분해되고 이산화탄소는 분해되지 않는 값으로 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 액체 내 용존 일산화탄소 가스 농도를 센싱하는 방법은, 상술한 본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자를 이용하여 액체 내 용존 일산화탄소 가스 농도를 센싱하는 방법으로서, 상기 일산화탄소 센서소자를 적어도 상기 제1 전극이 잠기도록 상기 액체 내에 삽입하는 단계; 상기 제2 전극에 양(+)의 전압이 인가되도록 상기 제1, 2 전극 사이에 소정의 전압을 인가하는 단계; 상기 산소이온전도체를 통해 흐르는 이온 전도 전류 값을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 이온 전도 전류 값으로부터 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 단계는, 미리 구축된 액체 내 용존 일산화탄소 농도에 따른 이온 전도 전류 값의 관계식 또는 데이터 테이블에 기초하여 산출하는 것일 수 있으며, 상기 액체는 오일일 수 있다.
본 발명에 의한 일산화탄소 센서소자 및 센싱방법에 의하면, 고가의 장비 없이도 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 실시간으로 간단하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 센서소자의 분해사시도로서, 도 2(a)는 하측에서 바라본 사시도, 도 2(b)는 상측에서 바라본 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 센서소자가 액체 내 용존 일산화탄소 가스농도를 감지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자를 이용한 액체 내 용존 일산화탄소 센싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이다
도 6는 본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자를 이용하여 액체 내 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정한 결과 그래프이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(100)의 단면도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(100)는, 센싱부(110), 센싱부(110)를 소정 온도로 가열하기 위한 히터부(130), 센싱부(110)와 히터부(130)를 소정 간격 이격시켜 그 사이에 산소배출부(150)를 형성하기 위한 스페이서(120)를 포함할 수 있다.
센싱부(110)는, 산소이온전도체(111), 산소이온전도체(111)의 일면에 형성되어 있는 제1 전극(112), 산소이온전도체(111)의 타면, 즉 산소배출부(150) 측에 형성되어 있는 제2 전극(113)을 포함하며, 선택적으로 적어도 제1 전극(112)을 덮도록 형성된 촉매층(114) 및 투과막(115) 중 하나 또는 둘 모두를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 전극(112)과 제2 전극(113)은 리드선(141)을 통해 전원(140)에 전기적으로 연결되어, 양 전극 사이에 전압을 인가함으로써 후술하는 원리에 따라 액체 내 용존 일산화탄소 가스농도가 측정될 수 있다.
산소이온전도체(111)로는 지르코니아(ZrO2)에 여러 물질을 첨가하여 만든 안정화 지르코니아, 예를 들어 YSZ(Yttria stabilized zirconia), CSZ(calcium stabilized zirconia), MSZ(Magnesium stabilized zirconia)와 같은 고체전해질 또는 Gd2O3 등을 첨가한 CeO2계 화합물 등을 사용할 수 있으며, 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)은 백금(Pt) 등의 귀금속으로 형성하는 것이 바람직하다.
적어도 제1 전극(112)을 덮도록 구비될 수 있는 촉매층(114)은 일산화탄소 가스가 탄소(C)와 산소(O)로 분해되는 반응을 촉진시키고 제1 전극(112) 측의 탄소 활동도(activity)를 고정시켜주는 역할을 하는 구성으로, 탄소층으로 형성될 수 있다.
제1 전극(112) 또는 촉매층(114) 상에 형성될 수 있는 투과막(115)은 후술하는 히터부(130)에 의해 소정의 센싱 온도로 가열된 센싱부(110)의 적어도 단부를 덮어, 센서소자(100)로부터 발생되는 열을 차단하고 제1 전극(112) 또는 촉매층(114)의 열화를 최소화하기 위한 구성이다. 이때 액체 내의 일산화탄소 가스는 제1 전극(112)까지 투과되어야 하므로, 투과막(115)은 일산화탄소 가스가 투과될 수 있는 물질로 형성되어야 한다. 투과막으로 사용할 수 있는 물질로는, 가스 투과성 폴리머 또는 다수의 기공들이 포함된 다공성 세라믹, 다공성 흑연 등이 있을 수 있다. 투과막(115)은 액체와 직접 접촉하는 부분이므로 측정하고자 하는 액체에 녹거나 반응하여서는 안되며, 액체의 종류 및 센싱 온도 등에 따라 적절한 물질을 선택하여 형성할 수 있다. 도 1에는 투과막(115)이 센싱부(110)의 단부에만 형성되는 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것일 뿐이며, 후술하는 스페이서(120) 및 히터부(130) 부분까지 덮도록 형성될 수 있음은 물론이다.
스페이서(120)는 제2 전극(113)을 액체와는 차단시키고 센싱부(110)와 히터부(130) 사이에 산소배출부(150)를 형성하기 위한 구성으로서 알루미나(Alumina)로 형성될 수 있다. 이때 산소배출부(150)는 액체와는 차단된 상태에서 외부 공기와는 연통되도록 형성되는 것이 바람직하다.
히터부(130)는 센싱부(110)를 센싱 온도까지 가열하기 위한 구성으로서, 알루미나 등 절연물질로 이루어지는 히터기판(131)에 히터선(132)이 형성된 형태일 수 있다. 여기서 히터선(132)은 백금(Pt)선일 수 있으며, 도시하지는 않았지만 히터선(132)에 전류를 흘려주기 위한 히터전원부가 더 포함될 수 있다. 또한, 히터선(132)이 외부에 노출되면 전기저항이 변하여 온도 재현성이 떨어지므로, 히터선(132)은 히터기판(131) 내에 내장하여 외부와 차단되도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 센싱부(110), 스페이서(120) 및 히터부(130)의 분해사시도로서, 도 2(a)는 하측에서 바라본 사시도, 도 2(b)는 상측에서 바라본 사시도이다. 도 2에는 도시하지 않았으나, 제1 전극(112) 위에는 촉매층(114) 및 투과막(115) 중 어느 하나 또는 둘 모두가 구비될 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 산소이온전도체(111)는 장방형의 얇은 판상으로 형성되어 그 상면의 일단부에는 제1 전극(112)이 형성되어 있으며, 하면에는 제1 전극(112)과 대향하는 위치에 제2 전극(113)이 형성되어 있다. 또한, 제1 전극(112)과 제2 전극(113)에서 각각 리드선(141)이 타측 단부로 연장되어 전원 (140)이 연결되는 한 쌍의 센서단자(144, 145)가 형성된다. 이때, 제2 전극(113) 및 제2 전극(113)으로부터 연장된 리드선(141)은 산소이온전도체(111)의 하면에 형성되어 있지만, 산소이온전도체(111)에 관통홀을 형성하고 전도성 물질을 채움으로써 도시한 바와 같이 제2 전극(113)으로부터 연장된 리드선(141)과 연결되는 센서단자(144)가 산소이온전도체(111)의 상면에 형성되도록 할 수 있으며, 이러한 구성을 적용하여 전원(140)과의 연결을 보다 용이하게 할 수 있다. 또한, 도면에는 산소이온전도체(111)를 하나의 판상부재로 도시하였으나, 복수의 얇은 판상부재가 겹쳐진 형태일 수도 있다.
스페이서(120)는 센싱부(110)와 히터부(130) 사이에 산소배출부(150)가 형성되도록 하는 구성으로, 'ㄷ'자 형상으로 이루어져 산소배출부(150)의 일측이 개방되도록 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 일측이 개방되도록 산소배출부(150)를 구성하고 도 1에 도시된 바와 같이 센서소자(100)를 액체 내에 삽입 시 그 개방된 부분이 외부 공기와 연통되도록 하면, 제2 전극(113)은 후술하는 작동원리에 따라 제1 전극(112)에서 분해된 일산화탄소로부터 발생된 산소를 산소배출부(150)를 통해 배출하는 역할을 하고, 또한 제2 전극(113)은 외부 공기에 노출되어 있기 때문에 산소분압이 0.21 기압으로 고정되어 일산화탄소를 분해하기 위해 걸어주는 전압을 결정시켜주는 역할도 한다.
히터부(130)는 히터 상부 기판(131-1), 히터 상부 기판(131-1)의 하면에 형성된 히터선(132), 상기 히터선(132)이 외부로 노출되지 않도록 히터 상부 기판(131-1)을 덮는 히터 하부 기판(131-2)으로 구성되며, 히터선(132)은 히터 상부 기판(131-1)의 하면이 아니라 히터 하부 기판(131-2)의 상면에 형성되어도 무방하다. 히터선(132)은 히터 상부 기판(131-1) 또는 히터 하부 기판(131-2) 상에 백금(Pt)을 소정 패턴으로 프린팅하여 형성할 수 있으며, 백금 패턴을 이용한 히터 구조는 가스센서 분야에서는 잘 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 한편, 히터선(132)에 전류를 공급하는 히터전원의 연결 용이성을 위하여, 히터 하부 기판(131-2)에 관통홀을 형성하고 전도성 물질을 채움으로써 히터선(132)과 연결되는 한 쌍의 히터단자(134, 135)가 히터 하부 기판(131-2)의 하면에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 예시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서소자(100)는 센싱부(110), 스페이서(120), 히터부(130)를 일체로 결합시 사각의 통 형상을 갖게 되는데, 이는 테이프 캐스팅 기술을 이용하여 제조할 수 있다. 또한, 도 1, 2에서는 센싱부(110), 스페이서(120), 히터부(130)를 별개의 구성으로 설명하였으나, 세라믹 압출 등의 제조기술을 사용하여 각 구성이 일체로 결합된 형상으로 제조할 수도 있으며, 이 경우에는 스페이서(120) 및 히터부(130)도 YSZ 등의 산소이온전도체 물질로 형성되게 되므로 히터선(132)을 히터부(130)에 내장할 때에는 산소이온전도체와 전기적으로 절연 상태가 되도록 표면 절연막 처리 후 내장시키는 것이 바람직하다. 또는 별도의 히터부를 구비하여 산소배출부(150)에 삽입 설치하거나 센서소자(100)의 외부 표면에 근접 설치하는 구조도 사용할 수 있다.
도 1 및 도 2에 예시한 센서소자(100)가 액체 내 용존 일산화탄소 가스농도를 감지하는 원리를 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 센싱부(110)의 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)이 형성된 부분만을 도시한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서소자(100)를 이용하여 액체 내 용존 일산화탄소 가스농도를 측정하기 위해서는, 제2 전극(113)에 양(+)의 전압이 인가되도록 전원(140)을 이용하여 제1 전극(112)과 제2 전극(113) 사이에 소정의 전압을 인가한다. 이때, 제1 전극(112) 측에서는 액체 내에서 제1 전극(112) 쪽으로 확산되어 도달한 액체 내 용존 일산화탄소(CO)가 탄소와 산소 가스로 분해되는 아래 식 (1)에 의한 반응이 일어난다.
CO = C + 1/2 O2 ------------ (1)
이때 제1 전극(112)을 덮도록 촉매층(114)이 형성되어 있을 경우에는 촉매층(114)의 촉매 역할에 의해 일산화탄소의 분해가 촉진되어 위 식 (1)의 반응이 잘 일어날 수 있으며, 촉매층(114)을 탄소층으로 형성함으로써 반응 초기부터 제1 전극(112) 측의 탄소 활동도(activity)를 일정하게 유지해 줄 수 있다.
용존 일산화탄소 가스의 확산은 투과막(115)이 존재할 경우에는 투과막(115)을 통해 이루어질 수 있으며, 투과막(115)이 없는 경우에는 액체와 제1 전극(112) 또는 액체와 촉매층(114) 사이에 형성되는 경계층(boundary layer)을 통해 이루어질 수 있다.
위 식 (1) 반응에 의해 발생한 산소가스(O2)는 리드선(141)을 통해 제1 전극(112)으로 공급되는 전자와 결합하여 산소이온이 되는데, 이러한 반응은 아래의 식 (2)와 같다.
1/2O2 + 2e = O2- ------------ (2)
식 (2)의 반응은 제1 전극(112)이 백금(Pt) 전극일 경우 백금의 촉매 기능에 의해 더욱 원활하게 일어날 수 있다.
식 (2)의 반응에 의해 생성된 산소이온(O2-)은 양(+)의 전압이 인가되어 있는 제2 전극(113) 쪽으로 산소이온전도체(111)를 통해 이동하게 되고, 제2 전극(113)에서는 아래의 식 (3)의 반응에 의해 산소가스가 발생하게 되며, 이렇게 발생된 산소가스는 산소배출부(150)을 통해 대기 중으로 배출된다.
O2- = 1/2O2 + 2e ------------ (3)
이처럼 본 발명에 따른 센서소자(100)를 액체 내에 삽입한 상태에서 제1 전극(112) 및 제2 전극(113) 사이에 전압을 인가하게 되면, 액체 내의 용존 일산화탄소 가스가 분해되면서 생성된 산소이온이 산소이온전도체(111)를 통해 이동하면서 이온 전도 전류(ion conduction current)가 흐르게 되는데, 이러한 일련의 반응 속도를 결정하는 단계가 제1 전극(112) 쪽으로의 일산화탄소 가스 확산일 경우에는 이온 전도 전류(I)가 아래 식 (4)와 같이 액체 내 일산화탄소 농도(CCO)에 비례하게 된다.
I = D(CCO/l) ------------ (4)
식 (4)에서 D는 일산화탄소의 확산계수이고 l은 일산화탄소가 확산되어 들어오는 거리이다. 이때 D와 l은 센서소자(100)의 구조, 가령 촉매층(114)이나 투과막(115)의 존재 여부, 촉매층(114)이나 투과막(115)의 물질, 결정구조 및 두께 등에 따라 달라질 수 있고, 온도 등의 측정 조건 등에 따라서도 달라질 수 있으나, 센서구조 및 측정 조건이 결정된 상태에서는 기본적으로 상수값이므로, 식 (4)의 비례 관계식에 의할 때 이온 전도 전류(I)를 측정하게 되면 액체 내 용존 일산화탄소 농도를 산출할 수 있음을 알 수 있다.
액체 내에 일산화탄소 가스 외에 이온 전도 전류에 기여하는 다른 가스, 예를 들어 산소가스가 포함되어 있는 경우에는 식 (4)와 같은 정확한 비례관계가 성립하지 않을 수 있으나, 통상 오일이 열화되는 경우 발생하는 일산화탄소 가스의 양에 비해 용존 산소가스의 양은 무시할 수 있으므로, 액체 내 일산화탄소 농도에 따른 이온 전도 전류 값을 실험을 통해 미리 구하여 관계식 또는 데이터베이스를 구축해 놓는 경우 위에 설명한 원리에 따라 액체 내 용존 일산화탄소 가스농도를 효과적으로 검출할 수 있다.
한편 전원(140)에 인가하는 전압의 크기는 센서 구조 및 측정 조건에 따라 적절히 결정할 수 있으며, 일련의 반응 속도를 결정하는 단계가 제1 전극(112) 쪽으로의 일산화탄소 가스 확산이 될 정도의 크기, 즉 제1 전극(112) 측에서의 일산화탄소 분해 반응인 식 (1)의 반응은 일산화탄소 가스 확산 속도에 비해 충분히 빠른 속도로 일어날 수 있는 크기로 결정하는 것이 바람직하다.
전원(140)에 인가하는 적절한 전압의 크기를 결정하는 방법으로는, 식 (1)의 반응에 대한 열역학적 계산이 사용될 수 있다. 즉, 식 (1)의 반응이 일어나도록 하기 위한 전압(E)은 촉매층(114)으로 탄소층을 사용하여 탄소의 활동도를 1로 고정시킬 경우 다음의 식 (5)에 의해 계산될 수 있다.
E = (ΔGo/2F) + 2.303(RT/2F) log(PO2 1/2/PCO) ------------ (5)
식 (5)에서 ΔGo는 식 (1) 반응의 표준 자유에너지 변화, R은 기체상수, T는 절대온도, F는 패러데이 상수이며, PO2, PCO는 각각 산소가스 및 일산화탄소 가스의 분압이다. 여기서 R과 F는 상수이고, T와 ΔGo는 측정 온도에 따라 결정되는 상수이므로, PO2, PCO 값으로 측정 환경에 부합하는 적절한 수치를 대입하게 되면 필요한 전압의 크기를 대략적으로 계산할 수 있다. 예를 들어 센싱 온도가 700oC일 경우 ΔGo는 197013 J/mol이고, PO2는 공기와 평형을 유지하고 있으므로 0.21기압이며, 따라서 1000ppm의 일산화탄소를 분해하기 위한 전압(E)은 약 1.3V가 되어, 약 1000ppm의 일산화탄소를 분해하기 위해서는 적어도 1.3V 이상의 전압이 가해져야 함을 알 수 있다.
한편 인가되는 전압이 지나치게 클 경우 액체 내의 용존 이산화탄소(CO2)가 분해되면서 생성되는 산소이온에 의한 이온 전도 전류가 발생하여 일산화탄소 분해에 의한 이온 전도 전류와 구분할 수 없게 되므로, 인가되는 전압은 이산화탄소 분해의 영향은 실질적으로 무시할 만한 크기로 결정하는 것이 바람직하다. 이산화탄소의 분해에 필요한 전압도 열역학적으로 계산할 수 있으며, 1000ppm의 이산화탄소를 분해하기 위해서는 약 2.1V가 필요하다. 따라서, 1.3V와 2.1V 사이의 전압을 인가해주게 되면 이산화탄소의 영향을 실질적으로 배제하고 일산화탄소의 농도만 선택적으로 검출할 수 있다.
이처럼 전원(140)에 인가하는 전압의 크기는 열역학적 계산에 근거하여 결정되는 크기일 수 있으나, 검출하고자 하는 일산화탄소 농도 범위에 걸쳐서 재현성 있는 결과를 얻을 수 있는 전압 크기이면 특별히 이에 한정하는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(100)의 개략적인 단면도이다. 이때 도 1 내지 도 3를 참조하여 설명한 것과 공통되는 내용에 대해서는 설명을 생략하나, 이러한 내용들이 도 4의 센서소자에도 동일하게 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(200)는, 스페이서 및 히터기판을 이용하여 산소배출부를 형성하는 것이 아니라, 센싱부에 결합되어 산소배출부를 형성하기 위한 핸들부(210)를 구비한다는 점에서 제1 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(100)와 차이가 있다.
도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(200)는, 센싱부(110) 및 핸들부(210)를 포함하여 구성된다. 센싱부(110)는, 원형 또는 다각형의 펠렛(pellet) 형태로 형성되는 산소이온전도체(111), 산소이온전도체(111)의 일면에 형성되어 있는 제1 전극(112), 산소이온전도체(111)의 타면, 즉 산소배출부(150) 측에 형성되어 있는 제2 전극(113)을 포함하며, 선택적으로 적어도 제1 전극(112)을 덮도록 형성된 촉매층(114) 및 투과막(115) 중 하나 또는 둘 모두를 포함하여 구성될 수 있다. 도면에는 도시하지 않았으나, 제1 실시예와 마찬가지로 제1 전극(112)과 제2 전극(113)은 리드선을 통해 전원에 전기적으로 연결되어 양 전극 사이에 전압을 인가하도록 구성되어 있다.
핸들부(210)는 산소이온전도체(111)에 기체 밀봉 가능하게 결합되어 내부에 산소배출부(150)를 형성하는 구성으로서, 외부공기와 연통된 중공의 튜브 형상일 수 있다. 도 4에는 히터부는 도시하지 않았으나, 히터부는 산소배출부(150) 등 센싱부(110)에 인접한 적당한 위치에 설치할 수 있다.
이러한 구성의 본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(200)는 제1 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(100)와 동일한 작동원리에 따라 액체 내의 용존 일산화탄소 가스농도를 검출할 수 있다. 즉, 센서소자(200)를 액체 내에 삽입한 후 제2 전극(113)이 양(+)의 전극이 되도록 제1, 2 전극(112, 113) 사이에 소정의 전압을 인가하게 되면, 제1 전극(112) 쪽으로 확산되어 들어온 용존 일산화탄소가 탄소와 산소로 분해되는 식 (1)의 반응이 일어나고, 산소가 전자와 결합하여 산소이온으로 분해되는 식 (2)의 반응이 일어나며, 산소이온이 산소이온전도체(111)를 통해 흘러 제2 전극(113) 쪽으로 이동한 후 전자를 잃으면서 산소기체가 발생되는 식 (3)의 반응이 일어나게 된다. 이때 산소이온전도체(111)를 통한 이온 전도 전류는 식 (4)에 의할 때 용존 일산화탄소 농도에 대략 비례하므로, 이온 전도 전류를 측정하게 되면 용존 일산화탄소 농도를 산출할 수 있게 된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(200)는 제1 실시예에 따른 일산화탄소 센서소자(100)에 비하여 센싱부(110)의 구조가 단순하므로, 가공이 보다 쉽고 제조비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자(100, 200)를 이용한 액체 내 용존 일산화탄소 센싱 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 액체 내 용존 일산화탄소 센싱 방법은, 일산화탄소 센서소자를 액체 내에 삽입하는 단계(S510), 제1, 2 전극 사이에 전압을 인가하는 단계(S520), 산소이온전도체를 통해 흐르는 이온 전도 전류 값을 검출하는 단계(S530) 및 검출된 이온 전도 전류 값으로부터 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 단계(S540)를 포함하여 이루어진다.
일산화탄소 센서소자를 액체 내에 삽입하는 단계(S510)는, 적어도 제1 전극(112)이 액체 내에 잠기도록 삽입하여야 하며, 센서소자로는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 센서소자(100, 200)를 모두 사용할 수 있다.
제1, 2 전극 사이에 전압을 인가하는 단계(S520)는 제2 전극(113)에 양(+)의 전압이 인가되도록 인가하여야 하며, 인가 전압의 크기는 제1 전극(112)으로의 용존 일산화탄소 확산이 속도 결정 단계(rate determining step)가 됨으로써 이온 전도 전류 값이 용존 일산화탄소 농도에 대략 비례하도록 결정되는 크기인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
S520 단계에 의해 상술한 식 (1) 내지 (3)의 반응이 일어나면서 산소이온전도체(111)를 통해 이온 전도 전류가 흐르게 되는데, S530 단계는 이러한 이온 전도 전류 값을 검출하는 단계이다. 이온 전도 전류 값을 검출하기 위해, 리드선(141) 상에 전류 검출 센서가 연결될 수 있다.
다음은 검출된 이온 전도 전류 값을 이용하여 액체 내 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 단계이다(S540). 이온 전도 전류 값과 용존 일산화탄소 농도 사이의 관계는 센서소자(100, 200)의 구체적인 구조 및 측정 조건 등에 따라 달라지므로, 액체 내 일산화탄소 농도를 변화시켜 가면서 각 농도에서의 이온 전도 전류 값을 미리 검출하여 용존 일산화탄소 농도에 따른 이온 전도 전류 값의 관계식 또는 데이터 테이블을 미리 구축해 놓고, 이러한 관계식 또는 데이터 테이블에 기초하여 검출된 이온 전도 전류 값에 상응하는 용존 일산화탄소 농도를 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자(100, 200)는 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정하는 광범위한 용도로 사용될 수 있으며, 특히 오일 내의 용존 일산화탄소 농도를 측정하여 오일의 열화 여부를 실시간으로 간단하게 측정하는 데에 유용하게 사용될 수 있다. 도 6은 본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자를 이용하여 오일 내 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정한 결과 그래프로서, 센서소자를 변압기용 오일에 넣고 오일 내로 50ppm의 일산화탄소와 500ppm의 일산화탄소를 포함한 질소 혼합가스를 교대로 흘려주면서 이온 전도 전류를 측정한 결과이다. 이때, 제1, 2 전극 사이에는 1.8V의 전압을 인가하였다. 도 6의 그래프에서 확인되는 바와 같이, 오일 내의 용존 일산화탄소 농도가 500ppm으로 증가하면 이온 전도 전류 값도 증가하고, 50ppm으로 감소하면 이온 전도 전류 값도 감소하였으며, 그 전류 값도 매우 재현성있게 나타났다. 이처럼 본 발명에 따른 일산화탄소 센서소자를 이용할 경우, 오일 내의 용존 일산화탄소 농도를 실시간으로 간단하게 검출할 수 있으며, 오일의 열화 여부를 용이하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 일산화탄소 센서소자
110: 센싱부
111: 산소이온전도체
112: 제1 전극
113: 제2 전극
114: 촉매층
115: 투과막
120: 스페이서
130: 히터부
131: 히터기판, 131-1: 상부히터기판, 131-2: 하부히터기판
132: 히터선
134,135: 히터단자
140: 전원
141: 리드선
144,145: 센서단자
150: 산소배출부
210: 핸들부

Claims (14)

  1. 액체 내에 삽입되어 상기 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정하기 위한 일산화탄소 센서소자로서,
    센싱부;
    상기 센싱부를 소정 온도로 가열하기 위한 히터부;
    상기 센싱부와 상기 히터부 사이에 산소배출부를 형성하기 위한 스페이서;
    제1 전극과 제2 전극에 리드선을 통해 전기적으로 연결되어 상기 제2 전극에 양(+)의 전압이 인가되도록 상기 제1, 2 전극 사이에 소정의 전압을 인가하는 전원; 및
    상기 리드선 상에 연결되어, 상기 소정의 전압에 의해 산소이온전도체를 통해 상기 용존 일산화탄소가 분해하면서 생긴 산소이온에 의한 이온 전도 전류를 측정하는 전류 검출 센서를 포함하며,
    상기 센싱부는, 산소이온전도체, 상기 산소이온전도체의 일면에 형성되는 제1 전극, 상기 산소이온전도체의 타면에 형성되어 상기 액체와는 분리되면서 상기 산소배출부에 노출되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 이온 전도 전류는 상기 용존 일산화탄소 농도에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 제1 전극을 덮도록 형성되는 촉매층 및 투과막 중 하나 또는 둘 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매층은 탄소층인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 투과막은 상기 액체 내 용존 일산화탄소 가스가 투과할 수 있는 막인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  5. 액체 내에 삽입되어 상기 액체 내의 용존 일산화탄소 가스 농도를 측정하기 위한 일산화탄소 센서소자로서,
    산소이온전도체;
    상기 산소이온전도체의 일면에 형성되는 제1 전극;
    상기 산소이온전도체의 타면에 형성되는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 리드선을 통해 전기적으로 연결되어 상기 제2 전극에 양(+)의 전압이 인가되도록 상기 제1, 2 전극 사이에 소정의 전압을 인가하는 전원; 및
    상기 리드선 상에 연결되어, 상기 소정의 전압에 의해 상기 산소이온전도체를 통해 상기 용존 일산화탄소가 분해하면서 생긴 산소이온에 의한 이온 전도 전류를 측정하는 전류 검출 센서를 포함하며,
    상기 센서소자를 상기 액체 내에 삽입 시 상기 제2 전극은 상기 액체와는 분리된 산소배출부 내에 위치하는 것을 특징으로 하고,
    상기 이온 전도 전류는 상기 용존 일산화탄소 농도에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산소배출부는 상기 산소이온전도체에 기체 밀봉 가능하게 결합되는 핸들부의 내부인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 소정의 전압에 의해 상기 산소이온전도체를 통해 상기 용존 일산화탄소가 분해하면서 생긴 산소이온에 의한 이온 전도 전류가 흐르고,
    상기 이온 전도 전류는 상기 용존 일산화탄소 농도에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  10. 제1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 소정의 전압에 의해 아래의 식 (1) 내지 (3)의 일련의 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
    CO = C + 1/2 O2 ------------ (1)
    1/2O2 + 2e = O2- ------------ (2)
    O2- = 1/2O2 + 2e ------------ (3)
  11. 제1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 소정의 전압은 일산화탄소는 분해되고 이산화탄소는 분해되지 않는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 센서소자.
  12. 제1항 또는 제5항의 일산화탄소 센서소자를 이용하여 액체 내 용존 일산화탄소 가스 농도를 센싱하는 방법으로서,
    상기 일산화탄소 센서소자를 적어도 상기 제1 전극이 잠기도록 상기 액체 내에 삽입하는 단계;
    상기 제2 전극에 양(+)의 전압이 인가되도록 상기 제1, 2 전극 사이에 소정의 전압을 인가하는 단계;
    상기 산소이온전도체를 통해 흐르는 이온 전도 전류 값을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 이온 전도 전류 값으로부터 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센싱방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 용존 일산화탄소 농도를 산출하는 단계는,
    미리 구축된 액체 내 용존 일산화탄소 농도에 따른 이온 전도 전류 값의 관계식 또는 데이터 테이블에 기초하여 산출하는 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센싱방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 액체는 오일인 것을 특징으로 하는 용존 일산화탄소 센싱방법.
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