KR20000072042A

KR20000072042A - 스페이서를 삽입한 용존산소센서

Info

Publication number: KR20000072042A
Application number: KR1020000040137A
Authority: KR
Inventors: 지봉일; 김영태
Original assignee: 조기환; 유일정공 주식회사
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2000-12-05
Also published as: AU2001272795A1; KR100382315B1; WO2002006805A1

Abstract

본 발명은 스페이서(spacer)를 부착한 용존산소를 측정하는 용존산소센서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 산소를 투과시키고 액상성분은 투과시키지 않는 선택적 투과성 멤브레인과, 상기 멤브레인을 투과한 산소의 양에 따라서 전류변화를 일으키는 전극과, 상기 멤브레인과 상기 전극 사이에 위치하여 산소를 수직적으로 전극으로 투과시키는 스페이서를 포함한 용존산소센서가 제공된다. 상기 스페이서는 측면이 정면에 비해서 매우 촘촘하여 측면확산(side diffusion)을 효과적으로 줄이고, 충격에 따른 스팬 시프트(span shift) 현상에 대해 성능을 향상시킨다. 또한, 스페이서의 조직 구조에서 미세 수직 구멍은 산소가 수직적으로 전극으로 들어오게 하는 특징으로 한다. 스페이서 재질은 압착 천연 펄프나 화학 섬유로 만들어지며, 스페이서 두께는 30∼90㎛이다.

Description

스페이서를 삽입한 용존산소센서{The DO Sensor inserted the spacer}

본 발명은 스페이서(spacer)를 부착한 용존산소를 측정하는 용존산소센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측면이 정면에 비해 매우 촘촘한 스페이서(spacer)를 부착함으로써 측면확산(side diffusion)을 줄이고, 산소를 수직적으로 전극으로 투과시키는 직진성 향상과 충격에 따른 스팬 시프트(span shift)에 대해 성능을 향상시키는 용존산소를 측정하는 용존산소센서에 관한 것이다.

종래에는 용존산소의 격막식 센서 구조는 1956년 클라크(Clark)가 도 2 처럼 제안하였고, 그 후 측면확산(side diffusion)을 개선한 것으로는 가드 전극(guard cathode)을 추가한 용존산소센서가 제안되었다. 그러나, 기존 센서의 구조는 멤브레인(Teflon)(1)과 전극(2) 사이의 간격을 크게(100㎛이상)하면, 측면확산의 영향이 크고, 또한, 멤브레인(1)과 전극(Pb)(2) 사이의 간격을 작게(10㎛이하)하면, 전극 표면에서 환원된 OH^-가 누적되어 신호가 감소하고 직선성이 나빠져 산소감지기능이 떨어지게 된다. 이와 같이, 멤브레인(1)과 전극(2)사이의 간격을 일정하게 유지하지 못하고, 또한, 작은 충격에도 신호값이 변하는 스팬 시프트(span shift) 현상이 빈번히 발생하여, 사용하기 전에 용존산소센서의 표준화를 수행해야 했다. 일반적으로, 임의의 산소 농도에서 1 포인트에서의 표준화는 센서가 직선성을 가진다는 것을 전제로 하는데, 센서가 산소 농도에 대해서 직선성을 가지지 않는다면, 이 센서는 여러점에서의 표준화가 필요하고 측정 오차도 낳게 된다. 그러므로, 센서가 산소 농도에 대해서 직선성을 가지는 것이 매우 중요한 것이다. 한편, 센서의 직선성을 개선하기 위하여 전극(2)의 크기를 줄이고 멤브레인(1)의 두께를 늘리는 방향으로 센서의 구조를 개선하였으나, 이 경우, 측정 대상의 산소 농도에 비례하는 신호는 작아지고 측면확산의 영향은 커지게 되어, 저농도 산소 측정시 측정 오류가 커지게 되었다. 전극의 크기가 큰 경우에는 저농도 산소에서 신호가 크고, 산소 농도 측정시 신호의 안정성과 대표성이 크나, 전극의 크기가 작은 경우에 비해 OH^-누적에 의한 산소의 분압이 큰 곳에서 산소의 농도에 대한 직선성이 떨어진다는 것이다.

일반적으로, 용존산소센서에서의 확산의 두 가지의 경로 중 하나는 수직적으로 들어오는 확산과 수직이 아닌 옆에서 들어오는 측면확산이다.

한편, 기존의 클라크(Clark) 센서가 용존산소센서로 쓰이는데 있어서 두가지의 충족조건이 있다. 첫째, 전극으로 들어오는 산소는 수직으로 들어오며, 측면에서 확산되는 것은 매우 적어서 무시할 정도의 적은 양이다. 둘째, 전해질 피막(film)과 멤브레인의 확산 계수는 농도, 온도, 시간에 관계없이 두 개의 상은 일정하다라는 것이다. 여기의 첫번째의 가정, 즉, 수직적으로 들어오는 산소에 비해, 측면확산에 의해 들어오는 산소가 매우 적어서 무시할 정도의 적은 양이나, 실제로는 적지만 무시할 정도가 아니라는 것이다. 실제로 스페이서(5)를 부착하지 않은 센서를 가지고 감응도 실험을 하게 되면 측면확산에 의한 신호값이 완전히 0으로 떨어지지 않게 됨을 볼 수 있다(도 5 참조).

또한, 상기 스페이서(5)에서의 가장 큰 세 가지의 역할은 수직적 확산을 높이면서 측면확산을 억제하고, OH^-의 축적을 막고, 전해질 피막(film)의 간격을 일정하게 하는데 있다. 보통의 센서에서 센서의 신호값을 크게 하기 위해서 멤브레인을 전극에 가능하면 밀착하려는 노력이 있었는데 여기서의 문제는, 멤브레인이 양전극(Pt,Au)(3)에 5㎛ 이하로 너무 밀착되면, 양전극에서 산소가 환원된 OH^-가 빠져나가지 못해서 전해질(electrolyte)(KCl)(4) 안에 남아있게 되어 전해질의 pH가 높아지고, 전해질의 pH가 높아짐에 따라 음극에서의 산소가 환원(reduction)되는 것이 줄어들게 되어, 용존산소센서의 화학적 이론정수비가 깨어지는 단점이 있다. 반응식은 다음과 같다.

O₂+ 2H₂O + 4e^--> 4OH^-(산성 전해질)

이렇게 되면, OH^-의 축적에 따라 반응하는 전자의 수가 떨어지게 되고, 결과적으로 신호값이 떨어지게 된다. 또한, OH^-의 축적을 막기 위해서 멤브레인과 전극사이의 간격을 넓혀주어야 한다. 그렇지 않으면, 센서의 신호값이 떨어진다. 멤브레인의 밀착이 느슨하게 되면, 작은 충격에도 스팬 시프트 현상이 나타난다. 이렇게 되면, 안정성이 떨어지게 되어, 센서로서의 역할을 할 수가 없게 된다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 측면이 정면에 비해 매우 촘촘한 스페이서를 부착함으로써 측면확산을 줄이고, 산소를 수직적으로 전극으로 투과시키는 직진성 향상과, 충격에 따른 스팬 시프트(span shift) 현상에 대해 성능을 향상시키는 용존산소센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1 은 기존의 용존산소센서에 스페이서(spacer)를 부착한 단면도.

도 2 는 기존의 용존산소센서에서의 일부 단면도.

도 3 은 스페이서의 조직 구조를 나타낸 사시도 및 단면확대도.

도 4 는 스페이서를 부착하지 않은 기존의 용존산소센서와 스페이서를 부착한 센서의 직선성 실험을 나타낸 그래프.

도 5 는 스페이서를 부착하지 않은 기존의 용존산소센서와 스페이서를 부착한 센서의 감응(response) 실험과 일부 확대 그래프.

도 6 은 스페이서를 부착하지 않은 기존의 용존산소센서와 스페이서를 부착한 센서의 스팬 시프트(span shift) 개선 양상을 나타낸 그래프.

도 7 은 전극의 크기와 멤브레인의 두께에 따른 용존산소센서의 신호값의 변화를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 멤브레인(membrane) 2 : 음전극(cathode)

3 : 양전극(anode) 4 : 전해질(electrolyte)

5 : 스페이서(spacer)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 용존산소를 측정하는 센서에 있어서, 용존산소의 매크로 전극에 사용되어 산소를 투과시키는 선택적 투과성막(1)과, 상기 막을 투과한 산소의 양에 따라서 전류변화를 일으키는 전극(2)과, 상기 선택적 투과성막(1)과 상기 전극(2) 사이에 위치하는 스페이서(5)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 용존산소센서장치가 제공된다.

이제, 도 1이하를 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 일실시예를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예는 도 1에 도시된 바와 같이, 용존산소의 매크로 전극에 사용되어 산소를 투과시키는 선택적 투과성막(1)과, 상기 막을 투과한 산소의 양에 따라서 전류변화를 일으키는 전극(2)과, 상기 선택적 투과성막(1)과 상기 전극(2) 사이에 위치하는 스페이서(5)를 포함하여 구성되는 용존산소센서장치에 관련된다.

상기한 스페이서(5)는 도 3 에 도시된 바와 같이, 스페이서의 윗면을 확대한 그물망구조(7)와, 스페이서의 측면확대한 구조(8) 및 미세수직구멍(6)을 나타낸다. 상기 스페이서(5)의 두께는 약 20∼90㎛이고, 인위적으로 전극과 멤브레인 사이를 일정한 간격으로 넓혀주는 역할을 하는 것이다. 또, 상기 스페이서(5)의 측면의 밀도가 정면에 비해서 무척이나 높아서, 정면에 비해서 측면의 산소 확산 영향은 거의 무시할 수 있다. 즉, 상기 스페이서(5)의 측면이 앞면에 비해서 무척이나 촘촘하기 때문에, 옆에서 들어오는 측면확산(side diffusion)을 효과적으로 차단을 하게 된다. 또한, 상기 스페이서(5)는 미세 수직 구멍(6)이 있어, 산소 분자의 흐름(flux)이 전극 표면의 수직(axial) 방향으로 들어오게 유도한다. 이때, 사용할 수 있는 스페이서(5)의 재질로는 압착 천연 펄프로 만들어진 필터나 화학섬유로 만들어진 엉성한 조직의 천이 적당하다.

다음으로, 상기 언급한 직선성, 측면확산, 스팬 시프트 현상 및 전극의 크기에 따른 영향에 대해 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하기로 한다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 스페이서(5)를 부착하지 않은 센서는 직선성이 산소의 농도가 증가할수록 떨어지지만[도4a], 스페이서(5)를 부착한 센서에서의 직선성은 상관관계(correlation)가 거의 1이 될 정도로 뛰어남을 보이고 있다[도4b].

도 5a 에 도시된 실험 결과에서 보는 바와 같이, 스페이서(5)를 부착한 센서를 산소가 전혀 없는 제로용액(Na₂SO₃)에 담갔을 때 센서가 제로 반응을 하는가에 대한 실험에서 스페이서(5)를 부착한 센서는 더많이 떨어지며 제로쪽으로 가는 것을 볼 수 있다. 또한, 스페이서(5)를 부착한 센서에서 측면확산은 스페이서(5)를 넣지 않은 것에 비해서 측면확산이 수직적 확산에 비해서 너무나도 작다는 것을 알 수 있고, 그래서, 확실한 것은 스페이서(5)를 부착한 것은 그러지 않은 것에 비해서 측면확산을 더 억제한다는 것이다. 도 5b는 도 5a를 일부확대한 그림이다.

도 6 은 스페이서(5)를 부착한 것과 안한 것에 일정한 충격을 주었을 때 일어나는 스팬 시프트 현상에 관한 것이다. 스페이서(5)를 부착하지 않은 것은 신호의 값이 급격히 증가했다가 원래의 상태로 돌아오지 않고, 또다른 충격을 주었을 때 다시 다른 값으로 시프트되는 스팬 시프트 현상을 볼 수 있다[도6a]. 센서가 충격을 받을 때마다 일일이 표준화를 해주어서 신호의 값을 일정하게 얻을 수는 있지만 이것은 결코 바람직한 방법은 아니다. 스페이서(5)를 부착한 것은 눈에 띄게 스팬 시프트에 강함을 보여주고 있다. 충격을 받았을 때 신호가 아주 잠깐 동안 올라가지만, 곧 제자리를 찾아가는 것을 보여주고 있다. 또한 스페이서(5)를 넣었을 때, 효과는 신호의 노이즈 레벨이 무척이나 적어졌다는 것이다[도6b]. 이것은 센서가 매우 안정적이어서 스페이서(5)를 넣지 않은 센서보다 외부의 영향을 덜 받는다는 것을 의미한다.

도 7 에 도시된 바와 같이, 전극의 크기가 큰(9mm) 경우 전극의 크기가 작은(1mm)경우에 비해, OH^-누적에 의한 산소의 분압이 큰 곳에서 산소의 농도에 대한 직선성이 떨어진다는 것이다. 그러나, 스페이서(5)를 삽입한 전극(2)의 크기를 9mm로 증가시킬 때에도, 고농도의 산소에서도 직선성이 잘 유지되며, 멤브레인(1)을 전극(2)에 강하게 밀착시켜도, 일정한 간격을 유지하여 충격을 주어도 스팬 시프트(span shift) 현상이 일어나지 않으며, 고농도 산소에서도 OH- 누적현상이 현저하게 감소하였다. 또한, 스페이서(5)의 미세수직구멍(6)이 산소 센서의 이론적 근간인 1차 확산 모델에 잘 일치하도록 산소의 확산을 수직으로 유도한다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해서 해석되어야 할 것이다.

이상, 본 발명에 따르면, 측면이 정면에 비해 매우 촘촘한 스페이서를 부착한 용존산소를 측정하는 용존산소센서를 제공함으로써 측면확산을 줄이고, 산소를 수직적으로 전극으로 투과시키는 직진성을 향상시킴으로써 정확한 실제 용존산소의 농도 측정을 할 수 있으며, 또한, 충격에 따른 스팬 시프트(span shift)에 대해 센서를 안정적이며 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

용존산소를 측정하는 센서에 있어서, 용존산소의 매크로 전극에 사용되어 산소를 투과시키는 선택적 투과성막(1)과, 상기 막을 투과한 산소의 양에 따라서 전류변화를 일으키는 전극(2)과, 상기 선택적 투과성막(1)과 상기 전극(2) 사이에 위치하는 스페이서(5)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 용존산소센서장치.
제 1 항에 있어서,

상기 스페이서(5)는 측면이 정면에 비해서 매우 촘촘하여 측면확산을 효과적으로 줄이면서, 산소가 수직적으로 전극으로 들어오도록 미세 수직 구멍(6)으로 된 조직구조를 갖는 것을 특징으로 하는 용존산소센서장치.
제 2 항에 있어서, 상기 스페이서(5)는 압착 천연 펄프 필터나 화학섬유로 짜여진 엉성한 천으로 이루어지며, 특히, 두께 20∼90㎛로 이루어짐을 특징으로 하는 용존산소센서장치.