KR20000063332A - 전기화학식 산소가스센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학식 산소가스센서에 관한 것으로, 개시된 바에 의하면 전해액이 충전된 하우징의 내부공간에 전해액 차단성을 가지는 산소 투과막에 일체로 성형되어진 음극전극과 양극전극이 배치되고, 하우징의 일측에 외부의 산소가 내부공간으로 확산이 가능하도록 산소 유입구가 형성되어, 음극전극이 전극기능 및 전해액의 유출을 방지하는 기능을 겸하며, 이로서 산소 투과막의 두께를 최소화할 수 있으므로 산소의 확산속도가 최대화되어 센서의 산소농도 측정능이 극대화되는 이점이 있다.

Description

전기화학식 산소가스센서{ELECTRIC CHEMICAL TYPE OXYGEN GAS SENSORS}

본 발명은 전기화학식 산소가스센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극전극을 산소 투과막에 일체로 접합시켜 전해액의 외부 유출을 방지하도록 함으로써 결과적으로는 산소농도 측정능이 극대화되도록 한 전기화학식 산소가스센서에 관한 것이다.

주지와 같이, 산업사회가 고도화됨에 따라 생산현장에서부터 일반가정에 이르기까지 다양한 가스센서의 사용이 늘고 있으며 그 종류도 날로 다양해지고 있다. 특히 생산현장에서는 여러 종류의 가스가 발생되고 있어 보다 효율적인 가스 활용문제와 이에 따른 안전관리가 심각한 문제로 대두되고 있다. 더욱이 폭발성 가스를 포함하여 직·간접적으로 피해를 줄 수 있는 가스들은 사전에 이를 검지하여 대처하는 것이 무엇보다도 중요하다.

한편, 상기와 같은 가스센서의 일종으로서 다방면의 산업현장에서 유익하게 사용되고 있는 전기화학식 산소가스센서는 주로 오염된 배출가스, 혼탁가스 또는 대기상의 산소농도를 측정하는 데에 사용된다.

구체적으로는 동굴이나 탄광 내에서 작업시 산소의 농도가 사람이 호흡을 할 수 없는 범위인 약 17% 이하가 되면 자동으로 경보를 울리는 시스템에 적용되는 경우가 그 한 예이다.

종래 기술에 따른 전기화학식 산소가스센서의 구성을 살펴보면, 내부공간에 전해액이 충전되며 일측에 산소 유입구가 형성된 하우징과, 이 하우징의 내부공간에 배치된 산소 투과막과 음극전극 및 양극전극으로 구성된다.

여기서, 산소 투과막은 산소 유입구를 통한 전해액의 외부 유출을 방지하는 기능을 수행하므로 센서 제작시 두께를 결정함에 있어서 전해액 유출 방지수단의 역할에 그 기준을 둔다.

그러나, 비록 산소 투과성을 갖는다고는 하나 산소의 확산측면에서 보면 확산속도를 저하시키는 크나큰 장애요소이며, 센서의 산소농도 측정능을 저하시키는 요인으로 작용한다.

따라서, 산소 투과막의 두께를 최소화하는 방안을 강구하여야겠으나 전술한 바와 같이 전해액 유출 방지수단 역할에 반하므로 한계점에 봉착되며, 이는 높은 측정능을 가지는 산소가스센서 개발을 저해하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 그 목적하는 바는 음극전극을 산소 투과막에 일체로 접합시켜 전해액의 외부 유출을 방지하도록 함으로써 결과적으로는 산소농도 측정능이 극대화되도록 한 전기화학식 산소가스센서를 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 전기화학식 산소가스센서는, 전해액이 충전된 하우징의 내부공간에 음극전극과 양극전극이 배치되고, 상기 하우징의 일측에 외부의 산소가 상기 내부공간으로 확산이 가능하도록 산소 유입구가 형성되며, 상기 산소 유입구를 통한 상기 전해액의 외부 유출을 방지하는 수단을 구비하는 산소가스센서에 있어서: 상기 음극전극은, 상기 전해액의 차단성을 가지는 산소 투과막에 일체로 성형되며, 상기 산소 유입구의 내부 위치에 배치되어 전극기능과 상기 전해액 유출 방지수단의 기능을 겸하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 종래 기술에서 산소 투과막에 의하여 단독 수행되던 전해액 유출 방지 기능을 음극전극이 보조하므로 산소 투과막의 두께를 최소화할 수 있으며, 이로서 산소의 확산속도가 최대화되어 센서의 산소농도 측정능이 극대화되는 것이다. 아울러 산소 확산속도의 향상에 따라 빠른 응답속도, 안정성, 고감도, 재현성, 경제성 등의 파급 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 산소가스센서의 평면도 및 분해 측면도이며,

도 2는 본 발명에 따른 산소가스센서의 산소분압에 따른 상대전류의 상관 관계를 나타낸 그래프이며,

도 3은 본 발명에 따른 산소가스센서의 시간에 따른 응답시간을 나타낸 그래프이며,

도 4는 본 발명에 따른 산소가스센서의 온도변화에 따른 반응특성을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 하우징 11 : 캡

11a : 산소 유입구 11b : 경사구간

11c : 수평구간 12 : 바디

20 : 전해액 30 : 음극전극

40 : 양극전극 51 : 음극리드선

52 : 양극리드선

본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 산소가스센서의 평면도 및 분해 측면도이다.

하우징(10)은 캡(11)과 바디(12)로 분리/결합이 가능하고, 결합시 캡(11)과 바디(12)의 접촉면은 수밀하게 밀폐되며, 그 내부공간에는 전해액(20)이 충전된다. 전해액(20)은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 알콜류 중 어느 하나의 부동액 성분을 첨가하여 센서를 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있도록 한다.

캡(11)에는 외부에서 내부공간으로 가스가 확산 유입되도록 중 그 중앙부에 산소 유입구(11a)가 형성되며, 이 산소 유입구(11a)가 위치한(음극전극 배치 위치에 대응하는) 내면은 중앙부에 근접하게 경사구간(11b)이 형성되고, 경사구간(11b)에 연이어 수평구간(11c)이 형성된다. 이 경사구간(11b)은 산소 유입구(11a)를 통하여 유입되는 가스(산소)가 중앙부에서 가장자리로 전역에 걸쳐 보다 쉽게 확산되도록 돕는다.

여기서, 산소 유입구(11a)의 직경에 따라 센서의 반응시간 및 정밀성이 조절되기 때문에 정밀한 측정을 위하여 산소 유입구(11a)는 그 직경을 0.01 ∼ 0.3 ㎜로 형성시킨다. 직경이 작을수록 반응속도가 빨라지고 정체되는 가스가 작아지므로 보다 정밀하게 산소농도를 측정할 수 있다.

음극전극(30)은 전해액(20)의 비투과성을 가지는 산소 투과막에 소결시켜 일체로 성형되며, 산소 유입구(11a)가 위치한 캡(11)의 내면에 근접하는 내부 위치에 배치된다. 산소 투과막의 재질은 폴리테트라플루오르에틸렌, 플루오르에틸렌프로필렌, 실리콘러버, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌 중 어느 하나를 택일하며, 음극전극(30)은 카본블랙, 그라파이트 중 어느 하나의 전도성 탄소와 금속류 분말로 이루어진 복합재질로 제작하는 것이 바람직하다.

그러면, 음극전극(30)은 기본적인 전극기능은 물론이고 산소 유입구(11a)를 통하여 전해액(20)이 외부로 유출되지 않도록 방지하는 기능을 겸하게 된다. 따라서 산소 투과막의 두께를 최소화할 수 있으며, 이로서 산소는 산소 투과막을 보다 원활히 확산 통과하여 확산속도가 최대화되는 것이다.

양극전극(40)은 가장 경제적이면서 확보하기도 용이한 납(Pb)을 재질로 하여 직경 0.5 ㎜로 제작되며, 하우징 바디(12)에 배치된다.

도면 중 미설명 부호 51은 음극리드선이며, 52는 양극리드선이다.

상기와 같이 구성된 산소가스센서에 의하면, 산소분자는 산소 유입구(11a)를 확산에 의하여 통과하여 외부로부터 하우징(10)의 내부공간으로 수송된다.

수송된 산소분자는 다시 음극전극(30)에 일체화된 산소 투과막을 확산 통과하여 모두 음극전극(30)에서 이온화되고, 산소이온은 음극전극(30)으로부터 전해액(20)을 통과하여 양극전극(40)으로 운반된다.

양극전극(40)에서 산소이온은 산소분자가 되고 양극리드선(52)을 통해 외부공간으로 방산된다. 이 과정에서 전해액(20)은 외부공간으로부터 내부공간으로 수송되는 모든 산소분자량 이상의 양을 배기할 수 있는 능력을 가진다.

다른 한편, 수송되는 산소분자량은 산소 유입구(11a)의 확산저항과 외부공간의 산소농도에 의해 결정된다. 이 결과 전해액(20)은 수송되는 산소분자 전부를 배기하므로 확산저항이 일정하다는 조건하에서는 그때의 산소이온전류는 산소농도에 대응한다.

이러한 본 발명에 따른 전기화학식 산소가스센서의 특장점들은 도 2 내지 도 4에 첨부한 특성 실험 결과 그래프를 통하여 보다 쉽게 알 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 전기화학식 산소가스센서의 산소분압에 따른 상대전류의 상관 관계를 나타낸 그래프로서, 산소의 분압을 여러 단계로 나누어 그 때의 전류값을 측정하여 비교하였다. 여기서 본 발명의 산소가스센서는 높은 선형성을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 각 산소의 분압에 따른 전류값의 측정치가 얼마나 신뢰성이 있는 가를 보여주는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 전기화학식 산소가스센서의 시간에 따른 응답시간을 나타낸 그래프로서, 공기조건(산소농도 21%)에서 두 단계로 나누어 각각 평형상태가 이루어지는 시점을 확인하여 측정하였다.

도 4는 본 발명에 따른 전기화학식 산소가스센서의 온도변화에 따른 반응특성을 나타낸 그래프로서, 산소가스센서의 반응을 영하 20℃에서 영상 50℃ 사이에서 측정한 결과이다. 온도가 낮을수록 상대전류값이 떨어지고 온도가 높을수록 상대전류값이 높아지는 경향을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 전기화학식 산소가스센서는 종래 기술에서 산소 투과막에 의하여 단독 수행되던 전해액 유출 방지 기능을 음극전극이 보조하므로 산소 투과막의 두께를 최소화할 수 있으며, 이로서 산소의 확산속도가 최대화되어 센서의 산소농도 측정능이 극대화된다. 아울러 산소 확산속도의 향상에 따라 빠른 응답속도, 안정성, 고감도, 재현성, 경제성 등의 파급 장점을 갖는다.

따라서, 공장 굴뚝에서 배출되는 가스내의 산소농도를 효율적으로 측정하거나 실내공간의 산소농도를 신속하게 측정할 수 있으며, 계측 및 제어 시스템과 연동시키면 높은 정밀도를 발휘하므로 공기 중의 산소농도에 따라 환풍기의 작동을 제어하는 시스템이나 생물공정의 발효기 또는 배양기 내부로 최적 농도의 산소량을 유지시키는 시스템 등에 매우 효율적으로 활용 가능하다.

Claims (7)

1. 전해액이 충전된 하우징의 내부공간에 음극전극과 양극전극이 배치되고, 상기 하우징의 일측에 외부의 산소가 상기 내부공간으로 확산이 가능하도록 산소 유입구가 형성되며, 상기 산소 유입구를 통한 상기 전해액의 외부 유출을 방지하는 수단을 구비하는 전기화학식 산소가스센서에 있어서:

   상기 음극전극은,

   상기 전해액의 차단성을 가지는 산소 투과막에 일체로 성형되며, 상기 산소 유입구의 내부 위치에 배치되어 전극기능과 상기 전해액 유출 방지수단의 기능을 겸하는 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 산소 유입구는 상기 하우징의 중앙부에 형성되며, 상기 음극전극 배치 위치에 대응하는 상기 하우징의 내면은 상기 중앙부에 근접하게 경사구간이 형성되어 상기 산소의 상기 중앙부에서 가장자리로의 확산을 돕는 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 산소 유입구는 그 직경이 0.01 내지 0.3 ㎜로 형성된 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전해액은 부동액 성분이 포함된 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 전해액은 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 알콜류 중 어느 하나가 택일되어 포함된 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 산소 투과막은 폴리테트라플루오르에틸렌, 플루오르에틸렌프로필렌, 실리콘러버, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌 중 어느 하나의 재질이 택일된 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 음극전극은 카본블랙, 그라파이트 중 어느 하나의 전도성 탄소와 금속류의 분말을 포함하는 복합재질인 것을 특징으로 한 전기화학식 산소가스센서.