KR102250007B1 - 초소형 전기화학식 가스센서 - Google Patents

초소형 전기화학식 가스센서 Download PDF

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KR102250007B1
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Abstract

본 발명은 초소형 크기에 최적화된 전기화학식 가스센서에 관한 것으로, 내부에 빈 수용공간을 포함하고, 검지 대상 가스가 상기 수용공간에 유입될 수 있도록 구성된 케이스; 상기 수용공간에 위치하는 전해질; 상기 수용공간에 설치되고, 상기 전해질에 접촉하는 작용전극이 형성된 작용전극부; 상기 수용공간에 설치되고, 상기 전해질에 접촉하는 기준전극과 상대전극이 형성된 기준-상대전극부; 및 작용전극과 기준전극 및 상대전극 각각을 외부와 전기적으로 연결하는 3개의 금속전극을 포함하며, 상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부는 기판의 일면에 전극이 형성된 구조이고, 전극이 형성된 면이 아래쪽을 향하도록 상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부가 겹쳐져 위치하고, 상기 금속전극은, 케이스의 내부에 위치하며 작용전극과 기준전극 및 상대전극에 접촉하는 헤드와 상기 케이스의 바닥면을 관통하여 위치하며 단부가 외부로 노출된 연결부로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 금속전극이 케이스의 바닥을 관통하는 형태로 설치됨으로써, 초소형의 크기에 적합한 가스센서의 구조를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

초소형 전기화학식 가스센서{MICRO　ELECTROCHEMICAL GAS SENSOR}
본 발명은 전기화학식 가스센서에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 초소형 크기에 최적화된 전기화학식 가스센서 구조에 관한 것이다.
일반적으로 대기 중에 존재하는 가스를 검출하는 가스 센서는 주석산화물 등의 금속산화물 반도체 모재료에 촉매를 첨가한 반도체식 가스센서, 산화지르코니아를 주원료로 하는 고체전해질식 가스센서, 적외선의 흡수파장의 세기나 자외선의 발광특성 파장을 보는 광학식 가스센서, 가스의 전해질속에서 산화환원의 전극반응으로 발생하는 전류세기를 측정하는 전기화학식 가스센서 등으로 구분한다.
이 중에서 전기화학식 가스 센서는 가연성 가스와 독성가스 및 환경가스 등과 같은 대다수의 가스의 검출이 가능하며, 수 피피엠(ppm)의 저농도까지도 측정이 가능한 특징이 있기 때문에, 최근 사용량이 증가하고 있으며 그에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
전기화학식 가스 센서는 작용전극(working electrode)과 상대전극(count electrode) 및 기준전극(reference electrode)으로 구분되는 3개의 전극과 전해질을 포함하며, 작용전극과 기준전극 사이에 일정한 전위로 유지하면서 전해질에 대한 전해를 수행하고, 이때 작용전극과 상대전극 사이에 발생하는 전해전류 크기를 검출하여 가스유무와 그 농도를 검출한다. 이때, 검출하고자하는 가스종류에 따라 특정한 전위를 바꿈으로써 산화, 환원반응을 선택적으로 진행시켜 특정가스를 정량적으로 검지할 수 있다.
최근 가스 센서의 소형화 경향이 강조되면서 충분한 검지 특성을 가지는 소형의 전기화학식 가스 센서에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히, 스마트폰과 태블릿 등의 스마트 기기의 발전에 의해 센서에서 감지된 정보를 해석하고 표시하는 기능을 스마트 기기가 수행할 수 있게 되면서, 가스를 감지하는 센서 장치의 소형화에 대한 요구는 더욱 높아지고 있으나, 종래의 구조에서는 소형화에 한계가 있는 실정이다.
일본등록특허 제4204292호
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 초소형 크기에 최적화된 전기화학식 가스센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 초소형 전기화학식 가스센서는, 내부에 빈 수용공간을 포함하고, 검지 대상 가스가 상기 수용공간에 유입될 수 있도록 구성된 케이스; 상기 수용공간에 위치하는 전해질; 상기 수용공간에 설치되고, 상기 전해질에 접촉하는 작용전극이 형성된 작용전극부; 상기 수용공간에 설치되고, 상기 전해질에 접촉하는 기준전극과 상대전극이 형성된 기준-상대전극부; 및 작용전극과 기준전극 및 상대전극 각각을 외부와 전기적으로 연결하는 3개의 금속전극을 포함하며, 상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부는 기판의 일면에 전극이 형성된 구조이고, 전극이 형성된 면이 아래쪽을 향하도록 상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부가 겹쳐져 위치하고, 상기 금속전극은, 케이스의 내부에 위치하며 작용전극과 기준전극 및 상대전극에 접촉하는 헤드와 상기 케이스의 바닥면을 관통하여 위치하며 단부가 외부로 노출된 연결부로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 수용공간의 상부에, 아래쪽에 채워진 전해질의 누액을 방지하면서 위쪽에서 공급되는 외부의 공기는 전해질로 통과시키는 멤브레인을 더 포함할 수 있으며, 멤브레인은 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질인 것이 바람직하다.
상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부 중에서 상대적으로 아래쪽에 위치하는 구성의 기판이 SiO2 메쉬 재질인 것이 바람직하다.
상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부 중에서 상대적으로 위쪽에 위치하는 구성의 기판이 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질인 것이 바람직하다.
상기 헤드와 상기 케이스가 접촉하는 부분에 테프론처리가 된 것이 바람직하다.
상기 연결부가 상기 케이스를 관통하여 지나는 부분에 패킹이 설치된 것이 바람직하다.
상기 케이스의 하면에 연결부가 관통되는 관통공을 둘러싸는 고정부재가 설치된 것이 바람직하다.
상기 케이스가 측벽과 바닥을 포함하는 케이스 몸체와 수용공간을 덮는 뚜껑으로 구성될 수 있으며, 케이스가 PEEK(polyetheretherketon) 재질 또는 PC(Polycarbonate) 재질인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 금속전극이 케이스의 바닥을 관통하는 형태로 설치됨으로써, 초소형의 크기에 적합한 가스센서의 구조를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속전극에 와이어 연결을 수행할 필요가 없고, 측벽을 포함하는 케이스 몸체의 수용공간에 구성부품을 설치한 뒤에 상부에 뚜껑을 덮어서 케이스를 조립하기 때문에 조립이 간편하면서도 측벽의 접합부를 통한 전해질 누액의 문제가 없는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 사용된 케이스 본체의 내부를 확인하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 사용된 뚜껑의 구조를 확인하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 적용된 작용전극부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 적용된 기준-상대전극부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
본 실시예의 초소형 전기화학식 가스센서는 케이스(100)와 케이스(100) 내부에 설치된 작용전극부(200)와 기준-상대전극부(300) 및 금속전극(400)을 포함한다. 단면도를 도시함에 있어서, 설명을 위하여 전극부 등의 두께를 과장하여 표시하였으며, 도시된 그림이 본 발명의 규격을 특정하는 것은 아니다.
케이스(100)는 전기화학식 가스 센서를 구성하는 하우징이며, 내부에 빈 수용공간이 형성된다. 본 실시예에서는 조립의 편의를 위하여 바닥과 측벽을 포함하는 케이스 몸체(110)와 수용공간을 덮는 뚜껑(120)으로 구성한다. 케이스(100)의 뚜껑(120)에는 다수의 관통공(122)을 형성하여 외부의 공기가 유입될 수 있도록 하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 사용된 케이스 본체의 내부를 확인하기 위한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 사용된 뚜껑의 구조를 확인하기 위한 평면도이다.
종래에는 작용전극과 기준전극 및 상대전극에 접촉하는 금속전극을 조립하는 과정이 용이하도록, 케이스의 측벽을 나누어서 상부 케이스와 하부 케이스로 분리하여 구성하고, 금속전극이 상부 케이스와 하부 케이스 사이의 접합부를 통해서 외부와 연결되도록 구성하였다. 이러한 종래의 구성에서는 상부 케이스와 하부 케이스 사이의 접합부에 전해액이 접촉하기 때문에, 상부 케이스와 하부 케이스의 사이에 누액이 없도록 실링하는 것에 과도한 노력이 필요하였다. 반면에, 본 실시예에서는 케이스(100)에 금속전극(400)이 결합되는 형태가 상이하여, 측벽을 포함하는 케이스 몸체(110)와 뚜껑(120)으로 케이스(100)를 구성할 수 있으며, 케이스(100) 조립과정이 용이해지는 효과가 있다. 케이스(100)에 금속전극(400)이 결합되는 형태는 이후에 자세하게 설명한다.
케이스(100)는 PEEK(polyetheretherketon) 재질로 제작하였으며, PEEK는 산 및 가스와 반응하지 않고, 전기가 통하지 않으며, 강도가 뛰어날 뿐만 아니라 초소형으로 제작이 가능하다. 케이스(100)는 PC(Polycarbonate) 재질일 수도 있다.
케이스(100)의 내부에는 작용전극부(200)와 기준-상대전극부(300)가 설치되며, 작용전극부(200)와 기준-상대전극부(300)는 각각 기판의 표면에 전극이 형성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 적용된 작용전극부의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초소형 전기화학식 가스센서에 적용된 기준-상대전극부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
작용전극부(200)는 제1기판(210)의 표면에 작용전극(220)이 형성된다.
제1기판(210)은 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질로 구성하며, PTFE 재질은 통기성은 있으나 소수성 특성을 나타내기 때문에, 위쪽에 위치하는 작용전극부(200)의 기판으로서 적용하였다. 작용전극(220)은 Pt를 함유하는 탄소를 넓게 코팅하였으며, 한쪽 끝에는 접촉부(222)를 형성하여 금속전극(400)들 중에서 하나에만 접촉하도록 구성하였다.
기준-상대전극부(300)는 제2기판(310)의 표면에 기준전극(320)과 상대전극(330)이 형성된다.
제2기판(310)은 SiO2 메쉬 재질로 구성하며, 재질의 특성에 의해서 전해질이 기준전극(320)과 상대전극(330) 및 작용전극(220)에 접촉할 수 있으며, 측정 대상 가스가 전해질에 녹아서 반응할 수 있다. 기준전극(320)과 상대전극(330)은 서로 이격되도록 전도성 탄소재료를 제2기판(310)의 표면에 도포하여 형성하였으며, 손가락 깍지를 낀 것과 같이 돌출 부위가 엇갈려 위치하는 인터디지테이트(interdigitate) 형태로 배치하여 효율을 향상시켰다. 한쪽 끝에는 접촉부(322, 332)를 형성하여 금속전극(400)들 중에서 하나에만 접촉하도록 구성하였다.
작용전극부(200)와 기준-상대전극부(300)는, 모두 기판의 아래쪽을 향하도록 배치한 상태에서 작용전극부(200)가 위쪽에 위치하도록 겹쳐서 사용하였으며, 아래쪽에 위치하는 기준-상대전극부(300)의 제2기판(310)인 SiO2 메쉬를 사이에 두고, 작용전극(220)이 기준전극(320) 및 상대전극(330)에 대향된 구조가 된다.
전기화학 가스센서가 동작하기 위해서는 전해질이 필요하며, 본 실시예에서 전해질은 위쪽에 위치하는 작용전극(220)에 접촉하는 높이까지 전해질이 채워짐으로써, 작용전극(220)과 기준전극(320) 및 상대전극(330)의 사이에 위치하는 SiO2 메쉬가 전해질에 침지된 형태가 된다. 그리고 작용전극부(200)의 위쪽에는 전해질의 누액을 방지하면서 외부의 공기는 전해질로 통과시키는 멤브레인(500)을 위치시킨다. 멤브레인(500)으로는 PTFE 재질을 적용하며, 앞서 살펴본 것 같이 상대적으로 위쪽에 위치하는 작용전극부(200)의 제1기판(210)을 PTFE 재질로 적용함으로써, 제1기판(210)이 전해질의 1차적인 누액을 방지하고, 그 위쪽에 설치된 멤브레인(500)이 추가적인 누액을 방지하는 구조가 된다.
그리고 센싱 작용에 필요한 전해액의 양을 케이스 내부에 포함할 수 있도록 하부 케이스 몸체(110) 내부의 바닥면에는 하나 이상의 돌기(112)를 형성하였다. 이러한 돌기(112)에 의해서 아래쪽에 위치하는 기준-상대전극부(300)와 바닥면 사이에 전해질이 위치할 수 있는 공간이 형성된다.
금속전극(400)은 작용전극(220)과 기준전극(320) 및 상대전극(330)을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 구성이다. 이를 위하여, 케이스 몸체(110)의 내부에 위치하는 헤드(410)와 케이스 몸체(110)의 바닥면을 관통하여 외부로 노출되는 연결부(420)로 금속전극(400)을 구성하며, 본 실시예에서는 특히 연결부(420)가 케이스 몸체(110)의 바닥면을 관통하여 외부에 노출된 끝부분이 아래쪽을 향하는 점에 특징이 있다.
전기화학식 가스센서는 수평을 유지한 상태에서 외부의 타 회로 등에 설치되기 때문에, 전기 연결을 위한 단자가 바닥의 수평면 상에 형성된 경우가 대부분이며, 종래에는 별도의 연결재를 통해서 바닥에 형성된 단자와 금속전극을 연결하였다. 하지만 본 실시예의 금속전극(400)은 연결부(420)가 케이스 몸체(110)의 바닥면을 관통하여 위치함으로써, 케이스(100)의 외부에 노출된 끝부분이 아래쪽을 향하고 있기 때문에, 그 자체로 바닥에 형성된 단자에 끼워서 연결할 수 있는 장점이 있다.
또한 이러한 금속전극(400)의 설치 구조에 의해서, 앞서 살펴본 것과 같이, 케이스 몸체(110)가 측벽을 포함하여 구성될 수 있고, 이러한 케이스(100) 구조에 의해서 전해질이 누액 되는 문제가 감소할 뿐만 아니라, 케이스(100)의 최종 조립도 용이해지는 효과가 있다.
헤드(410)는 별도의 와이어 연결 없이 전극과 직접 접촉하며, 전극과의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 버튼형상으로 형성하여 연결부(420)의 단면보다 넓은 단면을 가진다. 이때, 헤드(410) 하면과 케이스(100)의 바닥면이 접촉하는 부분에 테프론 처리하여 전해질이 누액 되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로 연결부(420)가 지나는 관통공이 형성된 테프론 재질의 실링재(800)를 헤드(410)와 케이스(100)의 바닥면 사이에 위치시킨다.
그리고 연결부(420)가 케이스(100)를 관통하는 부분에 패킹(700)을 설치하여 전해질이 누액 되는 것을 추가로 방지할 수 있다.
또한 케이스(100)의 하면에 연결부(420)가 관통되는 관통공을 둘러싸는 고정부재(600)를 위치시키고, 그 내부에 패킹(700)을 설치한다. 고정부재(600)를 케이스(100)와 같은 PEEK(polyetheretherketon) 재질 또는 PC(Polycarbonate) 재질로 구성함으로써 조립을 용이하게 하는 동시에, 외부로 노출된 연결부(420)를 지지 및 고정하도록 구성한다.
금속전극(400)은 3개가 서로 이격되어 설치되어, 각 금속전극(400)은 작용전극(220)과 기준전극(320) 및 상대전극(330) 중에 하나의 전극에만 전기적으로 접촉된다. 도 2에서 가운데 위치하는 금속전극 헤드(410)가 작용전극(220)의 접촉부(222)에 접하고, 아래쪽에 위치하는 금속전극 헤드(410)는 기준전극(320)의 접촉부(322)에 접하며, 위쪽에 위치하는 금속전극 헤드(410)는 상대전극(330)의 접촉부(330)에 접한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 케이스 110: 케이스 몸체
112: 돌기 120: 뚜껑
122: 관통공 200: 작용전극부
210: 제1기판 220: 작용전극
300: 기준-상대전극부 310: 제2기판
320: 기준전극 330: 상대전극
400: 금속전극 410: 헤드
420: 연결부 500: 멤브레인
600: 고정부재 700: 패킹
800: 실링재

Claims (10)

  1. 내부에 빈 수용공간을 포함하고, 검지 대상 가스가 상기 수용공간에 유입될 수 있도록 구성된 케이스;
    상기 수용공간에 위치하는 전해질;
    상기 수용공간 상부에 설치되고, 아래쪽에 채워진 전해질의 누액을 방지하면서 위쪽에서 공급되는 외부의 공기는 전해질로 통과시키는 멤브레인;
    상기 수용공간에 설치되고, 상기 전해질에 접촉하는 작용전극이 형성된 작용전극부;
    상기 수용공간에 설치되고, 상기 전해질에 접촉하는 기준전극과 상대전극이 형성된 기준-상대전극부; 및
    작용전극과 기준전극 및 상대전극 각각을 외부와 전기적으로 연결하는 3개의 금속전극을 포함하며,
    상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부는 기판의 일면에 전극이 형성된 구조이고, 전극이 형성된 면이 아래쪽을 향하도록 상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부가 겹쳐져 위치하고,
    상기 전해질은 상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부 중 상부에 위치하는 전극부 접촉면까지 채워지며,
    상기 금속전극은, 케이스의 내부에 위치하며 작용전극과 기준전극 및 상대전극에 접촉하는 헤드와 상기 케이스의 바닥면을 관통하여 위치하며 단부가 외부로 노출된 연결부로 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인이 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질인 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부 중에서 상대적으로 아래쪽에 위치하는 구성의 기판이 SiO2 메쉬 재질인 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 작용전극부와 상기 기준-상대전극부 중에서 상대적으로 위쪽에 위치하는 구성의 기판이 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 재질인 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드와 상기 케이스가 접촉하는 부분에 테프론처리가 된 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결부가 상기 케이스를 관통하여 지나는 부분에 패킹이 설치된 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스의 하면에 연결부가 관통되는 관통공을 둘러싸는 고정부재가 설치된 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스가 측벽과 바닥을 포함하는 케이스 몸체와 수용공간을 덮는 뚜껑으로 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 케이스가 PEEK(polyetheretherketon) 재질 또는 PC(Polycarbonate) 재질인 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학식 가스센서.
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