KR102169914B1 - 전기화학식 질소산화물 가스 센서 - Google Patents

전기화학식 질소산화물 가스 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학식 가스 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일 실시예는 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구가 형성되어 있는 하우징; 상기 하우징 내에 상기 제1 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제1 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제1 작용 전극(Sensing Electrode); 상기 하우징 내에 상기 제2 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제2 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제2 작용 전극(Sensing Electrode); 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극의 하방에 배치되는 기준 전극(Reference Electrode); 상기 기준 전극의 하방에 배치되는 반응 전극(Counter Electrode); 및 상기 제1 작용 전극에 상기 기준 전극 대비 제1 전압을 인가하는 제1 전압 인가 수단;을 포함하며, 상기 제1 작용 전극은 일산화질소(NO) 가스를 감지하는 전극이고, 상기 제2 작용 전극은 이산화질소(NO2) 가스를 감지하는 전극이다.

Description

전기화학식 질소산화물 가스 센서{ELECTROCHEMICAL NITROGEN OXIDES GAS SENSOR}
본 발명은 전기화학식 가스 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물 가스 센서에 관한 것이다.
산업이 발달하고 인간의 삶의 질 향상에 대해 관심이 높아지면서 대기오염에 대한 관심이 증대되고 있다. 특히, 최근 자동차의 급격한 증가로 인해 대기오염의 주범이 자동차 배기가스로 지목되고 있다. 자동차 배기가스의 주성분은 미연소 탄화수소(CmHn, 500~1500ppm), 질소산화물(NOx, 0.1~0.2%), 일산화탄소(CO, 0.5~2.0%) 등의 유독가스와 이산화탄소(CO2), 수증기 및 분진(입자상 물질)으로 되어 있는데, 그 중에서도 질소산화물(NOx) 가스는 그 자체로도 매우 유독하며 광화학반응으로 오존(O3)을 생성시켜 여름철 스모그 현상, 지구의 온난화 및 산성비의 원인을 제공하기도 한다.
이러한 이유로, 환경부에서도 자동차에서 나오는 질소산화물(NOx) 배기가스의 철저한 규제 없이는 맑은 공기를 유지할 수 없다고 판단, 배기가스 정기검사제를 도입하기로 하였으며, 배기가스 자가진단장치의 차량부착도 의무화하고자 하고 있다. 그러나 아직까지 질소산화물(NOx)의 가스 농도를 측정할 수 있는 가스센서가 실용화되지 않아 시행되지 못하고 있는 실정이다. 질소산화물(NOx) 가스 감지용 센서는 자동차 및 산업체에서 배출되는 가스는 물론 가정, 학교, 직장 등에서의 실내공기 제어용, 대기 중의 질소산화물(NOx) 계측·제어용으로 사용되어, 주거환경을 개선하고 자연환경을 보호하는데 크게 기여할 것으로 생각된다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 하나의 가스 센서로 일산화질소(NO) 가스와 이산화질소(NO2) 가스를 동시에 감지할 수 있는 전기화학식 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일 실시예는 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구가 형성되어 있는 하우징; 상기 하우징 내에 상기 제1 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제1 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제1 작용 전극(Sensing Electrode); 상기 하우징 내에 상기 제2 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제2 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제2 작용 전극(Sensing Electrode); 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극의 하방에 배치되는 기준 전극(Reference Electrode); 상기 기준 전극의 하방에 배치되는 반응 전극(Counter Electrode); 및 상기 제1 작용 전극에 상기 기준 전극 대비 제1 전압을 인가하는 제1 전압 인가 수단;을 포함하며, 상기 제1 작용 전극은 일산화질소(NO) 가스를 감지하는 전극이고, 상기 제2 작용 전극은 이산화질소(NO2) 가스를 감지하는 전극이다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 작용 전극에 상기 기준 전극 대비 제2 전압을 인가하는 제2 전압 인가 수단을 더 포함하고, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 더 클 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전압은 +100 ~ +300 mV이고, 상기 제2 전압 인가 수단은 상기 제2 작용 전극에 상기 기준 전극과 실질적으로 동일한 전위를 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 가스 유입구의 크기가 상기 제2 가스 유입구의 크기보다 작을 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 가스 유입구의 직경은 1.5 ~ 2.5 mm이고, 상기 제2 가스 유입구의 직경은 3.0 ~ 5.0 mm일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 하우징 내에 배치되는 작용 전극 지지 부재가 더 구비되며, 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 상기 작용 전극 지지 부재에 배치되고, 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 각각 반원판 형상으로 형성되어 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극이 서로 마주보게 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 작용 전극, 상기 제2 작용 전극, 상기 기준 전극 및 상기 대응 전극에서 발생하는 신호로부터 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 질소산화물(NOx)의 농도를 산출하여 외부로 송출하는 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 질소산화물 가스 센서는 이중 작용 전극 중 하나는 일산화질소(NO) 가스를 측정하고, 다른 하나는 이산화질소(NO2) 가스를 측정할 수 있어, 하나의 센서에서 질소산화물 개별 가스 및 통합 가스에 대한 정량적 정보를 얻을 수 있어, 센서의 크기를 최소화할 수 있을 뿐 아니라 질소산화물 가스 농도를 보다 정확히 측정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서에 대한 일 실시예의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1을 상부에서 바라본 도면으로, 상부 하우징에 형성되어 있는 가스 유입구들을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 단면도로, 커런트 컬렉트 단자를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1을 하부에서 바라본 도면으로, 하부 하우징에 형성되어 있는 센서 핀들을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일 실시예에 구비되는 전극들의 형상을 나타낸 도면으로, 도 5는 2개의 작용 전극을 나타낸 도면이고, 도 6은 기준 전극을 나타낸 도면이며, 도 7은 대응 전극을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서에 구비된 회로부의 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서에 대한 일 실시예의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1을 상부에서 바라본 도면으로, 상부 하우징에 형성되어 있는 가스 유입구들을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 단면도로, 커런트 컬렉트 단자를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 1을 하부에서 바라본 도면으로, 하부 하우징에 형성되어 있는 센서 핀들을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서(100)는 하우징(10A, 10B, 10C), 먼지 필터(Dust Filter)(11), 작용 전극 지지 부재(51), 작용 전극(Sensing Electrode)(31A, 31B), 기준 전극 지지 부재(52), 기준 전극(Reference Electrode)(32), 대응 전극 지지 부재(53), 대응 전극(Counter Electrode)(33), 전해액 담지체(40), 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D), 회로부(45) 및 센서 핀(41A, 41B, 41C, 41D, 41E)을 구비한다.
하우징(10A, 10B, 10C)은 상부 하우징(10A), 중앙 하우징(10B) 및 하부 하우징(10C)으로 구성된다. 하우징(10A, 10B, 10C) 내부에는 수용부가 형성되어, 내부에 작용 전극 지지 부재(51), 작용 전극(31A, 31B), 기준 전극 지지 부재(52), 기준 전극(32), 대응 전극 지지 부재(53), 대응 전극(33), 전해액 담지체(40) 등이 수용된다. 중앙 하우징(10B)은 상하부가 개방된 형태로 형성되며, 중앙 하우징(10B)의 개방된 상부는 상부 하우징(10A)과 결합하여 밀폐된다. 상부 하우징(10A)과 중앙 하우징(10B)은 초음파 융착기를 이용하여 압착 방식으로 결합이 가능하다. 중앙 하우징(10B)의 개방된 하부는 하부 하우징(10C)과 결합하여 밀폐되며, 중앙 하우징(10B)과 하부 하우징(10C)도 마찬가지로 초음파 융착기를 이용하여 압착 방식으로 결합이 가능하다. 즉, 하우징(10A, 10B, 10C)은 내부에 수용된 구성요소들이 외부로 누출되지 않도록 완전히 밀폐되도록 결합된다.
상부 하우징(10A)에는 가스가 유입되는 2개의 가스 유입구(12, 13) 형성되어 있다. 이 2개의 가스 유입구(12, 13)는 제1 가스 유입구(12)와 제2 가스 유입구(13)로 구분된다. 외부의 가스는 가스 유입구(12, 13)를 통해 하우징(10A, 10B, 10C) 내부로 유입된다. 제1 가스 유입구(12)를 통해 유입된 가스는 제1 가스 유입구(12) 하부에 위치하는 제1 작용 전극(31A)에 도달한다. 제2 가스 유입구(13)를 통해 유입된 가스는 제2 가스 유입구(13) 하부에 위치하는 제2 작용 전극(31B)에 도달한다. 가스 유입구(12, 13)는 직경이 1.0 ~ 5.0 mm 정도의 구멍이며, 드릴로 홀 가공하여 형성될 수 있다.
본 실시예에서 제1 작용 전극(31A)은 일산화질소(NO) 가스를 감지하는 전극으로, 제1 작용 전극(31A)의 일산화질소 가스의 감지능을 높이기 위해서는 제1 가스 유입구(12)의 직경은 1.5 ~ 2.5 mm 정도인 것이 바람직하다. 제1 가스 유입구(12)의 직경이 1.5 ~ 2.5 mm일 때, 일산화질소 가스의 감지능은 80 ~ 120 nA/ppm 정도이다. 그리고 본 실시예에서 제2 작용 전극(31B)은 이산화질소(NO2) 가스를 감지하는 전극으로, 제2 작용 전극(31B)의 이산화질소 가스의 감지능을 높이기 위해서는 제2 가스 유입구(13)의 직경은 3.0 ~ 5.0 mm 정도인 것이 바람직하다. 제2 가스 유입구(13)의 직경이 3.0 ~ 5.0 mm일 때, 일산화질소 가스의 감지능은 100 ~ 300 nA/ppm 정도이다.
먼지 필터(11)는 상부 하우징(10A)의 상단에 2개의 가스 유입구(12, 13)가 덮이도록 배치되어 외부로부터 먼지 및 수분이 하우징(10A, 10B, 10C) 내부로 유입되는 것을 방지한다. 이를 위해 먼지 필터(11)는 기공도가 약 30~50% 범위를 갖는 다공성 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 모재로 하고, 기계적 강도를 높이기 위해 표면에 PE(polyethylene) 등의 플라스틱 재질의 메쉬 형태의 구조물이 접착되어 있는 소재로 이루어진다.
작용 전극(31A, 31B)은 감지 가스의 산화 반응 또는 환원 반응이 일어나는 전극으로, 2개의 가스 유입구(12, 13)의 하방에 배치되며, 작용 전극 지지 부재(51)에 의해 지지된다. 본 실시예에서의 작용 전극(31A, 31B)은 2개로 분리되어 형성되며, 도 5에 도시된 바와 같이 2개의 작용 전극(31A, 31B) 각각은 반원판 형상으로 형성되어 서로 마주보게 작용 전극 지지 부재(51) 상에 배치된다. 2개의 작용 전극 중 제1 작용 전극(31A)은 제1 가스 유입구(12)의 하방에 배치되고, 제2 작용 전극(31B)은 제2 가스 유입구(13)의 하방에 배치된다. 작용 전극 지지 부재(51)는 기공 크기가 0.3 ~ 5 ㎛이고, 두께가 100 ~ 300 ㎛인 다공성 PTFE 재질로 이루어질 수 있으며, 작용 전극(31A, 31B)은 감지 가스의 산화 반응을 촉진할 수 있는 백금(Pt), 금(Au), 백금-루테늄(Pt-Ru), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 탄소(Carbon) 등의 촉매 물질로 이루어질 수 있다. 작용 전극 지지 부재(51)는 상부 하우징(10A)과 열융착 방식으로 결합된다.
본 실시예에서 제1 작용 전극(31A)은 일산화질소 가스를 감지하는 전극이고, 제2 작용 전극(31B)은 이산화질소 가스를 감지하는 전극이다. 이를 위해, 제1 작용 전극(31A)에는 제1 전압 인가 수단(미도시)을 이용하여 기준 전극(32) 대비 제1 전압을 인가하고, 제2 작용 전극(31B)에는 제2 전압 인가 수단(미도시)을 이용하여 기준 전극(32) 대비 제2 전압을 인가한다. 이때 제1 전압이 제2 전압보다 크며, 바람직하게는 제1 전압은 +100 ~ +300 mV이고, 제2 전압은 0 V이다. 즉, 제1 작용 전극(31A)에서 일산화질소 가스를 감지할 수 있도록 제1 작용 전극(31A)에는 기준 전극(32) 대비 +100 ~ +300 mV 정도의 전압을 인가하고, 제2 작용 전극(31B)에서는 이산화질소 가스를 감지할 수 있도록 제2 작용 전극(31A)은 기준 전극(32)과 실질적으로 동일한 전위가 인가되도록 한다.
이와 같이 제1 작용 전극(31A)에 전압이 인가되면, 제1 가스 유입구(12)를 통해 유입된 일산화질소 가스가 제1 작용 전극(31A)에서 하기 식 (1)과 같이 분해되어 수소이온(H+)을 형성하고, 이것이 전해질을 통해 이동하여 대응전극(33)에서 식 (2)와 같이 물(H2O)을 형성하게 되며, 이때 발생된 전자가 일산화질소 가스 농도에 비례하는 형태로 전류값을 나타낸다.
NO + 2H2O → HNO3 + 3H+ + 3e- (1)
3H+ + 2O2 + 3e- → 2H2O (2)
그리고 제2 가스 유입구(13)을 통해 유입된 이산화질소 가스는 제2 작용 전극(31B)에서 식 (3)과 같이 환원반응이 일어나고, 대응전극(33)에서 식 (4)와 같이 산화 반응을 일으켜 이산화질소 가스 농도에 비례하는 형태의 전류값을 얻게 된다.
NO2 + 2H+ + 2e- → NO + H2O (3)
H2O → 2H+ + O2 + 2e- (4)
즉, 일산화질소 가스에 대한 감지값은 positive한 출력을 나타내는 반면, 이산화질소 가스에 대한 감지값은 Negative한 출력 형태를 나타낸다.
기준 전극(32)은 작용 전극(31A, 31B)에 일정한 전위를 유지시켜주는 전극으로, 작용 전극(31A, 31B)의 하방에 배치되며, 기준 전극 지지 부재(52)에 의해 지지된다. 기준 전극(32)과 기준 전극 지지 부재(52)는 도 6에 도시된 바와 같이, 가운데 부분에 홀이 형성되어 있는 원판 형상으로 형성된다. 기준 전극(32)과 기준 전극 지지 부재(52)의 가운데 부분의 홀을 통해 전해액 담지체(40)에 담지된 전해액이 이동하며, 이때 홀은 5 ~ 7 mm 정도의 직경을 갖는다. 기준 전극 지지 부재(52)는 다공성 PTFE 재질로 이루어질 수 있다. 홀의 직경이 5 mm 보다 작게 되면, 센서의 장기적인 안정성이 크게 저하된다.
대응 전극(33)은 작용 전극(31A, 31B)에서의 감지 가스의 산화 반응 또는 환원 반응에 비례하여 환원 반응 또는 산화 반응을 일으키는 전극으로, 기준 전극(32)의 하방에 배치되며, 대응 전극 지지 부재(53)에 의해 지지된다. 대응 전극(33)과 대응 전극 지지 부재(53)는 도 7에 도시된 바와 같이, 가운데 부분에 홀이 형성되어 있는 원판 형상으로 형성된다. 대응 전극(33)과 대응 전극 지지 부재(53)의 가운데 부분의 홀을 통해 전해액 담지체(40)에 담지된 전해액이 이동하며, 이때 홀은 5 ~ 7 mm 정도의 직경을 갖는다. 대응 전극 지지 부재(53)는 다공성 PTFE 재질로 이루어질 수 있다. 홀의 직경이 5 mm 보다 작게 되면, 센서의 장기적인 안정성이 크게 저하된다.
전해액 담지체(40)는 하우징(10A, 10B, 10C)의 수용부에 수용되며, 대체로 대응 전극(33)의 하부에 배치된다. 전해액 담지체(40)는 전해액을 담지하는 것으로, boron silicate glass mat, polyester fiber mat와 같이 내화학성이 우수하고 전해액의 흡수율이 높은 소재로 이루어진다. 본 실시예와 같은 전기화학식 가스 센서(100)는 제1 작용 전극(31A)에서 산화 반응에 의해 발생되는 수소이온이 전해액을 통해 대응 전극(33)으로 이동하여 환원 반응을 일으킨다. 이와 같이 수소이온이 전해액을 통해 이동이 용이하도록 기준 전극(32)과 대응 전극(33)의 중앙 부분에 홀이 형성된다. 전해액이 담지된 전해액 담지체(40)는 각각의 전극(31A, 31B, 32, 33)에 원활하게 전해액이 공급되어 평형 상태가 유지되도록 하며, 각 전극(31A, 31B, 32, 33) 간 전기적 쇼트를 방지하는 역할을 한다.
커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)는 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(10A, 10B, 10C)의 수용부의 하부에 설치되며, 대체로 전해액 담지체(40)의 하부에 배치된다. 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)는 각각의 전극(31A, 31B, 32, 33)에서 발생하는 전기적 신호를 회로부(45)에 전달하는 단자이다. 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)는 전해액 담지체(40)에 담지된 전해액에 의한 부식을 방지하기 위해 내화학성 특성을 갖는 에폭시(21)를 도포하여 사용한다. 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)는 황동 소재의 금속을 가공한 후, 표면을 금으로 도금하여 제작한다. 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)는 와이어(미도시)를 통해 전극(31A, 31B, 32, 33)과 전기적으로 연결된다. 와이어는 0.01 ~ 0.03 mm 직경을 갖는 백금(Pt), 금(Au), 탄탈룸(Ta)과 같은 귀금속 소재로 이루어지며, 와이어와 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)는 점용접(spot welding) 방식으로 연결된다. 제1 커런트 컬렉터 단자(20A)는 기준 전극(32)과 전기적으로 연결되어 기준 전극(32)에서 발생하는 전기적 신호를 회로부(45)로 전달하고, 제2 커런트 컬렉터 단자(20B)는 제1 작용 전극(31A)과 전기적으로 연결되어 제1 작용 전극(31A)에서 발생하는 전기적 신호를 회로부(45)로 전달하며, 제3 커런트 컬렉터 단자(20C)는 대응 전극(33)과 전기적으로 연결되어 대응 전극(33)에서 발생하는 전기적 신호를 회로부(45)로 전달하고, 제4 커런트 컬렉터 단자(20D)는 제2 작용 전극(31B)과 전기적으로 연결되어 제2 작용 전극(31B)에서 발생하는 전기적 신호를 회로부(45)로 전달한다.
회로부(45)는 하우징(10A, 10B, 10C)의 수용부의 하부에 설치되며, 하부 하우징(10C)의 상면에 위치한다. 회로부(45)는 전극(31A, 31B, 32, 33)에서 발생하는 전기적 신호를 커런트 컬렉터 단자(20A, 20B, 20C, 20D)를 통해 전달받아 일산화질소, 이산화질소, 질소산화물의 농도를 산출하여 외부로 송출한다. 이러한 회로부(45)의 개략적인 구성을 도 8에 나타내었다.
도 8에 도시된 바와 같이 회로부(45)는 작용 전극(31A, 31B)에서 발생되는 전류 출력값을 증폭하여 전압 출력 형태로 변환시켜 주는 센서 신호 출력 증폭 회로부(201)와 센서(100)의 안정적인 동작을 위해 대응 전극(33)과 기준 전극(32) 간의 전위를 유지하기 위한 전위가변기(potentiostat) 회로부(202) 및 센서 신호의 처리 및 센서 측정값을 외부로 보내기 위한 제어·단자부(203)로 구성된다.
작용 전극(31A, 31B)에서 발생되는 전류 출력값 증폭을 위한 센서 신호 출력 증폭 회로부(201)는 일산화질소 가스 감지를 위한 작용 전극(31A) 및 이산화질소 가스 감지를 위한 작용 전극(31B)에서 발생되는 전류 출력값을 증폭하여 전압 형태로 변환할 수 있는 연산증폭기(OP-Amp, Operational amplifier) 소자를 활용하여 구성된다.
안정적인 전기화학식 질소산화물 가스 센서(100)의 동작을 위해서는 센서 출력값 증폭을 위한 회로 연산 증폭기의 기준 전압과 대응 전극(33), 기준 전극(32) 간의 전위를 유지하기 위한 전위가변기(potentiostat) 회로 간의 전압 차이를 적절하게 조절하여 사용해야 한다. 일산화질소 가스 감지를 위해서는 센서 신호 출력 증폭 회로부(201)의 Vref 3 전압을 전위가변기 회로부(202)의 기준전압 Vref 1 대비 +100 ~ +300 mV 범위 내에서 인가하여 기준 전극(32)과 제1 작용 전극(31A) 간에 +100 ~ +300 mV 정도의 전위차가 유지된 상태로 동작할 수 있도록 구성한다. 이산화질소 가스 감지를 위해서는 기준 전극(32)과 제2 작용 전극(31B) 간의 전위차는 동 전위를 유지할 수 있도록 센서 신호 출력 증폭 회로부(201)의 Vref 3과 전위가변기 회로부(202)의 기준전압 Vref 1을 동일한 전압이 인가되도록 구성한다.
전위가변기(Potentiostat) 회로부(202)는 전기화학식 질소산화물 가스 센서(100)가 높은 농도의 감지가스에 노출되었을 때 환원 반응에 의한 대응 전극(33)의 전위 변화를 일정하게 유지하도록 하여 센서(100)가 안정적으로 동작하도록 하는 역할을 하게 된다.
센서 신호의 처리 및 센서 측정값을 외부로 보내기 위한 제어·단자부(203)은 전류 출력값 증폭을 위한 센서 신호 출력 증폭 회로부(201)로부터 얻어지는 일산화질소, 이산화질소 가스 농도에 해당하는 전압 출력값을 마이컴(MCU, Micro Controller Unit)으로 받아들여 각각의 가스 농도로 환산할 수 있는 보정(calibration) 기능을 수행하여, 일산화질소, 이산화질소 및 질소산화물 가스 농도를 외부로 송출한다. 외부로 송출할 때의 통신 방식은 UART, I2C 통신 등 다양한 방식을 활용할 수 있으며 센서 핀(41A, 41B, 41C, 41D, 41E)을 통해 외부 회로와 연결될 수 있도록 구성한다.
센서 핀(41A, 41B, 41C, 41D, 41E)은 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(10A, 10B, 10C) 수용부의 하부에 설치되며, 일단은 회로부(45)와 연결되며, 타단은 하부 하우징(10C)을 관통하여 하부 하우징(10C)의 외부에 배치되어 외부 회로와 연결된다. 센서 핀(41A, 41B, 41C, 41D, 41E)은 회로부(45)의 제어·단자부(203)와 연결되며, 각각의 센서 핀(41A, 41B, 41C, 41D, 41E)은 제어·단자부(203)의 V-, V+, NO output, NO2 output, NOx output 단자와 각각 연결된다.
질소산화물의 농도 측정은 일산화질소와 이산화질소를 각각 분리 측정하여 일산화질소 농도와 이산화질소 농도를 합한 것으로, 정확한 질소산화물의 농도를 측정하기 위해서는 일산화질소 가스와 이산화질소 가스의 농도를 동시에 측정하는 것이 필요한다. 본 발명에 따른 센서는 하나의 센서로 일산화질소 가스와 이산화질소 가스를 모두 측정하는 것이 가능하므로, 편의성이 증대되고 효율이 증가하며 보다 정확하게 질소산화물의 농도를 측정할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (7)

  1. 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구가 형성되어 있는 하우징;
    상기 하우징 내에 상기 제1 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제1 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하며, 일산화질소(NO) 가스를 감지하는 제1 작용 전극(Sensing Electrode);
    상기 하우징 내에 상기 제2 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제2 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하며, 이산화질소(NO2) 가스를 감지하는 제2 작용 전극(Sensing Electrode);
    상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극의 하방에 배치되는 기준 전극(Reference Electrode);
    상기 기준 전극의 하방에 배치되는 반응 전극(Counter Electrode);
    상기 제1 작용 전극에 상기 기준 전극 대비 제1 전압을 인가하는 제1 전압 인가 수단; 및
    상기 제2 작용 전극에 상기 기준 전극 대비 제2 전압을 인가하는 제2 전압 인가 수단;을 포함하며,
    상기 제1 전압 인가 수단은 상기 제1 작용 전극에 상기 기준 전극 대비 +100 ~ +300 mV의 전압을 인가하고,
    상기 제2 전압 인가 수단은 상기 제2 작용 전극에 상기 기준 전극과 실질적으로 동일한 전위를 인가하며,
    상기 제1 가스 유입구의 직경은 1.5 ~ 2.5 mm이고,
    상기 제2 가스 유입구의 직경은 3.0 ~ 5.0 mm인 것을 특징으로 하는 전기화학식 질소산화물 가스 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내에 배치되는 작용 전극 지지 부재가 더 구비되며,
    상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 상기 작용 전극 지지 부재에 배치되고,
    상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 각각 반원판 형상으로 형성되어 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극이 서로 마주보게 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학식 질소산화물 가스 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 작용 전극, 상기 제2 작용 전극, 상기 기준 전극 및 상기 대응 전극에서 발생하는 신호로부터 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 질소산화물(NOx)의 농도를 산출하여 외부로 송출하는 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학식 질소산화물 가스 센서.

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