KR101860817B1 - 다공기판에 의한 pm 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 상기 전극 간에는 일정거리 이격된 거리를 따라 센싱전극이 형성되고, 상기 전극, 상기 입자상물질, 상기 센싱전극의 순으로 비저항이 크며, 상기 기판을 다공으로 형성함으로서 입자상물질(PM)의 퇴적율이 빨라져 센서 반응시간이 향상된다.

Description

다공기판에 의한 PM 센서{PARTICULATER MATTER DETECTION SENSOR USING POROUS SUBSTRATE}
본 발명은 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 비저항값을 측정하여 입자상물질의 양 및 크기를 검출하며, 퇴적율을 향상시킨 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있는 현실이다.
일반적으로, 가솔린 또는 디젤을 연료로 사용하는 가솔린 차량 또는 디젤 차량에는 배출되는 배기가스 중에서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(Particulate Matter, PM)이 포함된다.
여기서, 차량에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(ParticulateMatter, PM) 등의 배기가스 중 입자상 물질은 부유 분진의 발생을 가중시킴으로써 대기 오염의 주요 원인으로 알려져 있다.
상술한 바와 같은 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염 물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.
즉, 배기가스에 포함되는 대기 오염 물질을 감소시키기 위하여 차량의 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키는 기술로서, 엔진 기술 및 전처리 기술 등이 개발되고 있으나, 배기가스의 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가 가스 저감 기술만으로는 규제를 만족시키는데 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 차량의 엔진에서 연소된 후 배출되는 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.
상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.
이러한 배기가스 저감장치는 주로 디젤 엔진에서 배출되는 입자상 물질을 여과필터로 포집한 후 이것을 태우고(이하, 재생이라 함) 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서, 성능 면에서는 아주 우수하나, 배기가스 내 정확한 입자상 물질의 양이나 크기 측정이 어려운 데, 그 원인 중 하나는 측정하려는 입자상 물질 측정 센서로 퇴적되는 입자상물질의 양이 매우 적다는 것이다.
한국공개특허 제2010-0035682호
디젤자동차의 입자상 물질을 제거하기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter)를 장착을 의무화 하고, DPF의 고장유무에 따른 입자상 물질배출량 모니터링을 위해 입자상 물질양을 측정할 수 있도록 DPF 후단에 OBD 입자상 물질센서 장착을 의무화하고 있다(EURO 6). 현재 디젤자동차에 장착중인 입자상 물질센서는 그림과 같이 인터디지탈(Interdigital) 전극에 입자상 물질의 퇴적에 의한 저항변화를 측정하는 방식을 이용하고 있다. 입자상 물질이 퇴적되지 않은 상태에서는 전류가 흐를 수 없지만 퇴적된 입자상 물질에 의해 전류가 흐를 수 있는 회로가 형성되게 되고 이러한 입자상 물질의 퇴적양은 배기가스 중의 입자상 물질 양에 의해 결정되므로 저항변화를 측정함으로써 배기가스 중의 입자상 물질 양을 측정할 수 있게 된다. 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 별도의 히터를 이용해 퇴적된 입자상 물질을 연소시켜 제거하는 재생 단계를 통해 지속적인 입자상 물질 모니터링을 할 수 있다.
현재 입자상 물질센서는 Al2O3 등의 세라믹 기판 위에 Pt와 같은 고온안정성을 갖는 금속을 이용해 인터디지탈(Interdigital) 전극을 형성하는 방법을 이용해 제작하고 있다. 전극의 너비 및 전극간의 간격은 ~수십 ㎛이다. 입자상 물질퇴적 형상과 같이 센서의 성능에 영향을 미치는 요소들은 전극의 패턴에 의해 결정된다. 그런데 이와 같은 방식의 입자상 물질센서는 PN(Particle Number)측정이 불가하다는 것과 배기가스 중의 금속 입자에 큰 영향을 받는 다는 문제점이 있다.
EURO 6를 기준으로 할 때, 현재 입자상 물질과 관련한 배기가스 규제는 디젤 자동차에 대해 입자상 물질의 총 양과 PN(Particle Number)을 규제하고 OBD규제는 입자상 물질의 총 양만을 규제하고 있다. 입자의 크기가 작아질수록 인체에 미치는 악영향이 커지고 GDI엔진의 경우 입자상 물질입자의 크기가 대단히 작다는 점을 고려할 때 향후 규제대상이 디젤 자동차 뿐 아니라 가솔린 자동차로 확대되고, OBD 규제범위도 입자상 물질 뿐 아니라 PN이 포함될 것으로 예상된다. 입자상 물질 입자크기는 입자상 물질과 PN을 측정함으로써 측정할 수 있다. 그런데 기존 방식의 입자상 물질센서의 저항변화는 퇴적된 입자상 물질의 총 양에만 의존하므로 PN을 측정할 수 없다.
한편, 배기가스 중에는 윤활유 등에서 유인한 미세한 금속 입자가 포함되어 있다. 그림과 같이 전기전도성이 큰 금속 입자가 전극에 달라붙게 되는 경우 주성분이 카본인 입자상 물질과의 비저항값 차이에 의해 입자상 물질 측정치에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서 PN 측정이 가능하고, 배기가스 중의 금속 입자에 영향을 받지 않는 입자상 물질센서의 개발이 필요하다.
또한, 입자상 물질 센서가 유효하게 작동하기 위해서는 배기가스 중 입자상 물질이 입자상 물질 센서의 검지표면에 퇴적되어야 하는데, 현재 퇴적되는 양은 고작 2%에 불과하여 입자상 물질 센서의 민감도 및 반응시간에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 다공성 기판 상에서 비저항값을 측정하여 입자상물질의 양 및 크기를 검출하는 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치는 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 일정 전압차를 유지하면서 평행한 제1전극과 제2전극; 상기 제1전극과 상기 제2전극의 사이에 제1전극과 상기 제2전극을 따라 빗 형상(comb-like)을 이루도록 서로 교번되어 배치되는 센싱전극; 상기 제1전극, 상기 제2전극 및 상기 센싱전극을 지지하는 기판은 다공성이고, 상기 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로서 입자상물질(PM)를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱전극이 위치한 상기 기판의 뒷면에는 상기 센싱전극의 영역을 따라 히터가 설치될 수 있으며, 기판이 없는 경우는 상기 센싱전극을 일방향으로 휘고, 상기 전극 간 일정거리를 이격되도록 유지함으로서 상기 전극이 서로 평행을 이룬다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 배기가스 중 입자상 물질 센서는 입자상 물질의 양 및 크기의 정확하고 빠른 측정이 가능하며, 배기가스 중 금속 입자에 의한 영향을 거의 받지 않을 뿐 아니라, 센서로의 센서의 반응시간이 빨라진다. 즉, 다공성 기판을 사용함에 따라 입자상 물질의 퇴적율이 향상되어 센서로서 민감도와 반응시간이 향상된다.
또한, 자동차 배기가스 중 엔진오일 등으로부터 유인한 금속입자가 센싱전극에 달라붙는 경우, 전체 저항은 비저항이 작은 금속입자가 아닌 비저항이 큰 센싱전극 및 퇴적된 PM에 의해 결정되므로(저항의 병렬연결) 달라붙은 금속입자에 의한 저항변화는 극히 미미하다.
도 1은 종래의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다.
도 4(a)와 도4(b)는 본 발명에 따른 다공성 기판에 의한 반응시간을 비교한 것이다.
도 5는 본 발명의 PM이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프이다.
도 6는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 7는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치에서 기판 뒤에 히터 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조의 일례들이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 출력되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 입자상 물질 센서에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 도 1은 종래의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 대비하여 설명하면, 종래의 입자상 물질 센서는 세라믹 기판 상에 패턴화된 전극이 일정거리 이격된 한 쌍의 맞물림 형상의 전극(Interdigital 전극; IDE)으로 형성된다. 따라서, 전극 사이에 입자상 물질이 퇴적되면서 저항의 변화를 측정하는 원리인데, 배기가스 중의 금속입자에 영향을 받는다는 단점이 있다. 즉, 배기가스 중에는 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 포함될 수 있는데, 도 1에서와 같이 금속입자가 전극을 통전시키면 전기전도도가 급상승하면서 저항값의 변화를 측정하는 입자상 물질 센서의 기능에 치명적 영향을 준다. 이에 비해, 도 2는 전극 사이에 비저항이 입자상 물질보다 큰(즉, 전기전도도가 낮은) 센싱전극을 추가적으로 설치함으로서, 배기가스 중 함유된 금속 입자에 의한 영향을 줄일 수 있다. 즉, 입자상 물질이 센싱전극에 퇴적됨에 따라, 센싱전극을 통해 흐르던 전류가 비저항이 작은(즉, 전기전도도가 센싱전극에 비해 상대적으로 큰) 입자상물질을 통해 흐르게 됨으로서 전체 저항이 감소하게 되는데, 이러한 저항 변화를 측정함으로서 퇴적된 입자상 물질의 양을 측정할 수 있다.
한편, 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 센싱전극에 퇴적되는 경우, 금속입자, 센싱전극, 입자상 물질은 서로 병렬연결된 저항으로 작용하기 때문에,전체 저항은 비저항이 작은 금속입자가 아니라 상대적으로 비저항이 큰 센싱전극 및 퇴적된 입자상 물질에 의해 결정되므로 퇴적된 금속입자에 의한 저항 변화는 극히 미미하다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다. 초기단계는 센싱전극과의 구별을 위해 외부전극(external electrode)이라고 칭할 수 있는 전극의 사이에 센싱전극이 위치하고 입자상 물질의 퇴적은 아직 없는 상태이다. 입자상물질의 퇴적이 시작되는 제1단계(stage 1)와 퇴적이 어느정도 진행된 제2단계(stage 2)를 거쳐 입자상물질이 충분히 퇴적된 제3단계(stage 3)에 이르게 된다.
입자상 물질의 퇴적이 시작된 후 전체 저항의 변화는 센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 양 뿐 아니라, 입자상 물질의 입자크기에도 관련이 있으며, 이를 ~V 0 / l n 로 나타낼 수 있다. Vo는 퇴적된 입자상 물질의 총양(이하, 부피를 의미)이고, l은 퇴적된 입자상 물질의 직경, n은 입자상 물질의 형상에 따른 상수이다. 입자상 물질이 충분히 퇴적된 제3단계의 전체 저항의 변화는 총 입자상 물질 퇴적량에만 관련된다. 따라서, 제3단계의 저항값으로부터 총 입자상 물질의 퇴적양(Vo)을 측정할 수 있고, 제1단계의 저항값에서 Vo를 상쇄시킴으로서 입자상 물질의 개수를 추산할 수 있다. 제3단계를 지나 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 재생단계를 통해 지속적인 모니터링을 할 수 있다.
이를 수식화하면 제1단계에서의 전체 저항(R)은 R ~ RSiC = ρSiC/ASiC (L0 V0/l2)이며, 여기서 ρSiC, ASiC, L0, V0, l 은 각각 센싱전극의 비저항, 센싱전극의 단면적, 센싱전극의 길이, 퇴적된 총 입자상 물질 부피, 퇴적된 입자상 물질의 직경이다.
제2단계에서 Vo는 V0 =v0 t 으로 퇴적된 입자상 물질의 총 양으로 시간에 따라 선형적으로 증가한다. v0는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양이다.
제3단계에서의 전체 저항(R)은 R ~ RC = ρC L0 /AC = ρC L0 2/V0이며, 전기전도도(σ) σ = V0/(ρC L0 2)이다. 이때, ρC는 입자상물질의 비저항이다.
도 4(a)와 도4(b)는 본 발명에 따른 다공성 기판에 의한 반응시간을 비교한 것이다. 다공성 기판을 사용하면 V0 =v0t = α VPM t 의 관계가 성립한다. α는 다공성 기판에 의한 입자상 물질 퇴적율이다. 다공도가 증가하면 퇴적개시시간(tb)이 시간이 짧아지고 센서반응시간(tR)도 짧아지며, 센서반응 시간과 상기 퇴적개시 시간의 차이도 짧아진다. VPM 은 배기가스 중의 입자상 물질의 양을 의미한다. 즉, 퇴적된 총 입자상 물질의 부피 V0와 VPM이 일정할 때, V0 =α VPM t 으로부터 퇴적율 a가 증가하면 t는 감소함에 따라, 퇴적개시시간(tb) 및 센서반응시간(tR)이 단축되는 반비례관계가 있다.
삭제
한편, 도 5는 본 발명의 입자상 물질이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프인데, 제1단계와 제3단계의 특징은 도 4에 나타나있다. 즉, 제1단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 비저항이 선형적으로 감소되는 특징이 있으며, 제3단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 전기전도도가 선형적으로 증가되는 특징이 있다. 즉, 제1단계의 기울기 m1은 음의 값을 제3단계의 기울기 m3은 양의 값을 갖는다.
한편, 앞서 V0 =v0t = α VPM t 으로부터 v0=a VPM 이 성립한다. 여기서 v0는 단위시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양이고, VPM 는 배기가스 중 입자상 물질의 양이다.
V0 =v0 t 및 제3단계에서의 σ = V0/(ρC L0 2)로부터, 제3단계에서 측정한 시간 당 전기전도도의 변화인 기울기(m3) m3= v0/(ρC L0 2))이며, 이로부터 a를 알 수 있다. a는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양 v0와 퇴적된 입자상 물질의 총 양 VPM 의 상관 관계식인 v0=a VPM 로부터 도출된 값이다. 이들 값으로부터 배기가스 중의 입자상 물질의 양인 VPM= (ρC L0 2/a) m3 을 산출할 수 있다.
제1단계에서의 RSiC = ρSiC/ASiC (L0 - V0/l2)와 V0 =v0 t 로부터 시간 당 비저항의 변화인 기울기(m1) m1= -ρSiC v0/(ASiC l2) 가 유도되며, 이로부터 입자상 물질의 크기(l) l2 = -(ρSiCρC L0 2/ASiC) m3 /m1 을 산출할 수 있다.
도 6는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 7는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치에서 기판 뒤에 히터 구조이다. 기판형 방식으로 전압 터미널에 연결되는 전극의 끝 부분이 센싱전극에 의해 연결되도록 기판 상에 패턴을 만든 것이며, 기판의 뒷면에는 센싱전극 영역에 해당하도록 히터가 설치되어 재생 역할을 한다.
도 8은 여러 가지 방식의 배기가스 샘플링 채널을 통해 센서가 적용되는 형태로서, 도 8(a)는 배기가스가 사각채널의 일측에 형성된 유입구를 통해 센서로 유입 후, 유동방향이 90도로 바뀌어 다공의 SiC로 된 배출구를 통해 배출되도록 하고, 센싱전극은 배출구에 형성되어 배기가스가 센싱전극이 형성된 채널벽, 즉 다공의 배출구를 통과한다. 도 8(b)는 배기가스 유입구와 다공의 SiC로된 배출구가 마주하며, 배출구의 중심부에 센싱전극이 형성되고, 이를 통과해 배기가스가 배출된다. 도 8(b-1)(b-2)은 센싱 감도나 반응시간에 따라 인터디지탈(Interdigital) 전극이 선택적으로 사용될 수 있다. 도 8(c)는 관 형태의 센서로 배기가스가 유입구를 통해 마주하는 배출구로 관의 중심축을 따라 형성된 격벽에 의해 관 내에서 배기가스가 2개로 분리되어 센서를 통과하게 된다. 도 8(c-1)(c-2)는 세라믹 기판 중 일부에 다공성 물질을 적용하고, 그 위에 센싱전극을 형성한 것과 센싱전극에 인터디지탈(Interdigital) 전극이 형성된 것을 각각 나타내며, 도 8(c-3)은 세라믹 기판 상에 패터닝을 하고 다공질 물질은 적용하지 않았다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (9)

  1. 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위한 PM 센서에 있어서,
    평행하게 배치되고 일정 전압차를 유지하는 제1전극과 제2전극;
    상기 제1전극과 제2전극 사이에 제1전극과 상기 제2전극을 따라 빗 형상(comb-like)을 이루도록 서로 교번되어 배치되며 비저항이 상기 입자상물질보다 큰 센싱전극;
    상기 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로서 입자상물질을 감지하며,
    상기 센싱전극에 퇴적되는 입자상물질의 시간 당 전기전도도의 변화인 기울기(m3)로부터 VPM= (ρC L0 2/a) m3 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 양(VPM )이 도출되며,
    상기 센싱전극에 퇴적되는 입자상물질의 시간 당 비저항의 변화인 기울기(m1)로부터 l2 = -(ρSiCρC L0 2/ASiC) m3 /m1 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 평균크기(l)가 도출되데,
    상기 입자상물질이 상기 센서로의 퇴적개시시간(tb) 및 반응시간(tR)이 짧아지며, 상기 반응 시간과 상기 퇴적개시시간의 차이도 짧아지도록 상기 제1전극, 상기 제2전극 및 상기 센싱전극을 지지하는 기판 및 상기 센싱전극에 다공이 형성된 것을 특징으로 하는 다공기판에 의한 배기가스 PM 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱전극이 위치한 상기 다공성 기판의 뒷면에는 상기 센싱전극의 영역을 따라 히터가 설치된 것을 특징으로 하는 다공기판에 의한 배기가스 PM 센서.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020160138993A 2016-10-25 2016-10-25 다공기판에 의한 pm 센서 KR101860817B1 (ko)

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