KR200175157Y1 - 산소 센서 - Google Patents

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KR200175157Y1
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최정환
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마포산업전자주식회사
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Abstract

본 고안은 산소의 농도를 감지할 수 있는 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입된 산소의 환원 및 산화 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 산소의 농도를 측정하는 산소 센서에 관한 것이다.
본 고안은 센서 내부로 이물질이 침투하는 것을 차단하기 위한 필터와, 상기 필터와 가스가 유입되는 가스 확산공 사이에 삽입되어 전해질 용액은 차단하고 기체 성분만을 통과시키는 확산막 및 격리막과, 상기 가스 확산공의 하부에 설치되어 유입된 산소를 환원시키는 반응이 수행되는 캐소우드와, 센서의 내부에 설치되며 납을 충진시켜 제작되고 산화반응이 수행되는 애노우드와, 상기 캐소우드 및 애노우드 사이의 전기적 단락을 방지하기 위한 전극 차단판과, 상기 애노우드에서 발생하는 분말 형태의 전극물질이 캐소우드로 유출되는 것을 방지하기 위한 분리막과, 상기 캐소우드와 양극 터미널을 전기적으로 연결하고 상기 애노우드와 음극 터미널을 전기적으로 연결하여 신호를 인출하기 위한 전극 인출선을 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 고안은 캐소우드와 애노우드에서 일어나는 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 산소의 농도를 정확하고 안정적으로 측정할 수 있게 된다.

Description

산소 센서{oxygen sensor}
본 고안은 산소의 농도를 감지할 수 있는 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입된 산소의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 산소의 농도를 정확하고 안정적으로 측정하는 산소 센서에 관한 것이다.
일반적으로 특정 기체의 농도를 간편하게 측정하기 위해서 전기화학식 센서를 사용하는데, 전기화학식 센서는 측정 대상이 되는 기체의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양이 해당 기체의 농도에 비례하는 현상을 이용한 것으로, 산소 측정의 경우에는 갈바닉 전지(Galvanic Cell)의 원리를 이용하고 있다.
이 방식은 금속으로 제조된 애노우드를 전해액에서 반응시키는 화학전지 형태로 구성되는데, 애노우드 물질을 납(Pb)으로 제조한 경우, 이 센서의 애노우드와 캐소우드에서 일어나는 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.
캐소우드에서의 반응 : O2+ 2H2O + 4e-→ 4OH-
애노우드에서의 반응 : 2Pb + 4OH-→ 2PbO + 2H2O + 4e-
전체적인 반응 : 2Pb + O2→ 2PbO
이때 애노우드에서 발생한 전자는 외부 도선을 따라 흐를 수 있으므로 캐소우드와 애노우드 사이에 흐르는 전류를 측정하면 산소 농도를 측정할 수 있게 된다.
그러나 이 원리를 이용하여 산소 센서를 제조하려면 산화된 애노우드 물질이 캐소우드에 흡착되어 전극이 손상되거나 두 전극이 전기적으로 단락되기 쉽다는 문제점이 있고, 내부 구조의 불안정으로 인하여 대량 생산시 균일한 특성을 유지하기 어려울 뿐 아니라, 휴대형 계측기기에 적용할 경우 센서 내부의 전해질 용액과 애노우드 물질의 유동으로 출력 특성이 불안정하게 되는 등 실제적인 적용이 어렵다.
본 고안은 유입된 산소의 환원 반응과 납으로 제조된 애노우드에서의 산화 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 산소의 농도를 정확하게 측정하는 산소 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. 특히, 센서의 내부 구조를 특수하게 제조함으로써 산화된 애노우드 물질이 캐소우드에 흡착되거나 전기적으로 단락되는 현상을 방지하고, 대량 생산시 균일한 특성을 유지할 수 있도록 하며, 센서 내부에서 전해질과 애노우드 물질이 유동되지 않도록 함으로써 휴대형 계측기기에 사용하더라도 출력 신호의 안정성이 유지되는 산소 센서를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안은 센서 내부로 이물질이 침투하는 것을 차단하기 위한 필터와, 상기 필터와 기체가 유입되는 가스 확산공 사이에 삽입되어 전해질 용액은 차단하고 기체 성분만을 통과시키는 확산막 및 격리막과, 상기 가스 확산공의 하부에 설치되어 유입된 산소를 환원시키는 반응이 수행되는 캐소우드와, 센서의 내부에 설치되며 납을 충진시켜 제작되고 산화반응이 수행되는 애노우드와, 상기 캐소우드 및 애노우드 사이의 전기적 단락을 방지하기 위한 전극 차단판과, 상기 애노우드에서 발생하는 분말 형태의 전극물질이 캐소우드로 유출되는 것을 방지하기 위한 분리막과, 상기 캐소우드와 애노우드를 각각 양극 터미널 및 음극 터미널에 전기적으로 연결하여 신호를 인출하기 위한 전극 인출선을 포함하여 구성되며, 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 산소의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 산소 센서를 제공한다.
도1은 본 고안의 산소 센서의 내부구조를 도시한 단면도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 필터(Filter) 2 : 확산막
3 : 가스켓(Gasket) 4 : 센서 윗뚜껑
4a : 가스 확산공 5 : 캐소우드(Cathode)
6 : 애노우드 용기 7 : 애노우드(Anode)
8 : 격리막 9 : 전극 차단판
10 : 분리막 11 : 전극 인출선
12 : 센서 몸체 13 : 양극 터미널
14 : 음극 터미널
본 고안의 산소 센서를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도1은 본 고안의 산소 센서의 내부 구조를 보인 단면도로서, 본 고안의 산소 센서는 PVC 수지 재질의 원통형 센서 몸체(12) 상부에 센서 윗뚜껑(4)을 덮어 접착시키는 형상으로, 상기 센서 윗뚜껑(4)은 PVC 수지 재질의 원판 형태이며, 그 중앙에는 가스 확산공(4a)이 형성되어 측정 대상 기체가 이 가스 확산공(4a)을 통해 센서 내부로 유입되게 한다.
상기 센서 윗뚜껑(4)의 상부에는 먼지나 물과 같은 이물질이 침투하는 것을 차단하면서 기체는 원할하게 통과시키는 필터(1)가 설치되고, 이 필터(1)와 가스 확산공(4a)의 사이에는 전해질 용액은 차단하고 기체 성분만을 통과시키는 선택적 투과막인 확산막(2)이 설치된다.
상기 필터(1)는 얇은 폴리프로필렌(Polypropylene) 막을 원형으로 절단하여 제작하며, 상기 확산막(2)은 얇은 테프론(Teflon) 막을 원형으로 절단하여 제작하는 것이다.
상기 센서 윗뚜껑(4)의 상부 가장자리에는 링(ring) 형상의 홈이 형성되어 있고, 이 홈에는 산소 센서의 검지부에 밀착되어 기체가 누설되는 것을 방지하는 가스켓(3)이 고정되는데, 이 가스켓(3)은 확산판에 밀착되면 두께가 반정도로 줄여들 수 있는 고밀도 스펀지 재질로 제작되며 상기 홈에 접착제로 고정된다.
상기 가스 확산공(4a)의 하부에는 격리막(8)이 설치되어 있다. 이 격리막(8)은 전해질 용액을 차단하면서 기체만을 통과시키는 선택적 투과막으로 테프론 재질의 막을 원형으로 가공한 후 수분 배제능력이 있는 수지를 도포하여 센서 윗뚜껑(4)의 하부에 접착제로 고정시킨다.
상기 격리막(8)의 하부에는 원형 전극의 캐소우드(5)가 접착되는데, 이 캐소우드(5)는 고분자 수지에 백금 페이스트(Platinum paste)를 압착시켜 제작된 다공성 전극막으로 산소 분자를 수산기(OH-)로 환원시키는 반응을 수행한다.
상기 캐소우드(5)는 전극 인출선(11)에 의해 양극(+) 터미널(13)과 연결되어 있다. 상기 전극 인출선(11)은 얇은 띠 모양의 은(Ag)으로 제작되어 캐소우드(5)와 양극 터미널(13) 사이에서 신호가 인출되도록 전기적으로 연결해 준다.
센서의 내부에는 표면적을 증대시키기 위하여 가는 선 형태로 가공된 납을 압착시켜 제작한 전극인 애노우드(7)가 설치된다. 이 애노우드(7)에서는 유입된 산소에 의한 납의 산화반응이 일어나며 충진된 납의 표면이 모두 산화되면 센서의 수명이 완료된다.
상기 애노우드(7)는 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 상기 애노우드(7)의 형상을 유지시킬 수 있도록 제작된 애노우드 용기(6)에 담겨져 있으며, 상기 애노우드 용기(6)는 니켈(Ni) 재질로 도금된 금속 원통을 사용한다.
상기 애노우드(7)는 음극(-) 터미널(14)과 얇은 띠 모양의 은으로 제작된 전극 인출선(11)으로 연결되어 전기적인 신호를 인출할 수 있게 된다.
상기 캐소우드(5)와 애노우드(7) 사이에는 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 캐소우드(5)와 애노우드(7) 사이의 전기적 단락을 방지하기 위한 다공성 폴리에틸렌(Polyethylene) 재질의 전극 차단판(9)이 설치되어 있다.
상기 전극 차단판(9)의 하부에는 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 애노 우드(7)에서 발생할 수 있는 분말 형태의 전극물질이 캐소우드(5)에 닿지 않도록 막아주는 분리막(10)이 복수개 설치되어 있으며, 이 분리막(10)은 내산성 부직포로 제작하여 사용한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 고안의 산소 센서는 상기 캐소우드(5)에서 산소분자를 수산기로 환원시키고, 이 수산기가 상기 애노우드(7) 물질인 납을 산화시키는 반응을 수행하게 되고, 이 과정에서 발생하는 전자가 전극 인출선(11)에 의해 양극 터미널(13) 및 음극 터미널(14) 사이를 흐르게 됨으로써 산소 농도에 비례하는 전류를 안정적으로 얻을 수 있게 된다.
상기와 같은 본 고안의 산소 센서는 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양, 즉 전류를 감지함으로써 산소의 농도를 정확하고 안정적으로 측정할 수 있는 효과가 있다. 특히, 산화된 애노우드 물질이 캐소우드에 흡착되거나 전기적으로 단락되는 현상이 발생치 않게 되며, 대량 생산시 균일한 특성을 유지할 수 있을 뿐 아니라, 센서 내부의 전해질과 애노우드 물질의 유동을 방지함으로써 휴대형 계측기기에 사용하더라도 출력 신호의 안정성이 유지되는 산소 센서를 제공하게 된다.

Claims (1)

  1. 센서 몸체(12)의 상부에 센서 윗뚜껑(4)을 덮어 접착시키고, 이 센서 윗뚜껑(4)의 중앙에는 가스가 유입되는 가스 확산공(4a)이 형성되고, 상기 센서 윗뚜껑(4)의 상면에는 이물질이 침투하는 것을 차단하기 위한 필터(1)가 설치되고, 이 필터(1)와 가스 확산공(4a)의 사이에는 전해질 용액은 차단하고 기체 성분만을 통과시키는 선택적 투과막인 확산막(2)이 설치되고, 상기 가스 확산공(4a)의 하부에는 전해질 용액은 차단하고 기체 성분만을 통과시키는 격리막(8)이 설치되고, 상기 격리막(8)의 하부에는 유입된 산소를 환원시키는 반응이 수행되는 캐소우드(5)가 설치되고, 센서의 내부에는 납을 충진시켜 제작되고 산화반응이 수행되는 애노우드(7)가 설치되고, 상기 캐소우드(5)와 애노우드(7) 사이에는 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 캐소우드(5)와 애노우드(7) 사이의 전기적 단락을 방지하기 위한 전극 차단판(9)이 설치되고, 상기 전극 차단판(9)의 하부에는 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 애노우드(7)에서 발생할 수 있는 분말 형태의 전극물질이 캐소우드(5)에 닿지 않도록 막아주는 분리막(10)이 복수개 설치되며, 상기 캐소우드(5)와 양극 터미널(13)을 전기적으로 연결하고 상기 애노우드(7)와 음극 터미널(14)을 전기적으로 연결하여 신호를 인출하기 위한 전극 인출선(11)이 설치되어, 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 산소의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 산소 센서.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100497463B1 (ko) * 2003-04-01 2005-07-01 (주)바이오텔 산소 센서
KR100667263B1 (ko) * 2004-12-16 2007-01-11 (주)센코 전기화학식 산소가스 센서
KR100707987B1 (ko) * 2005-01-06 2007-04-16 (주)센코 전기화학식 가스센서의 전극 형성 방법
KR100823319B1 (ko) 2007-03-15 2008-04-18 (주)센코 하이브리드 산소 가스 센서

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