KR200175158Y1 - 독성가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 특정 가스의 농도를 감지할 수 있는 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정된 가스의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 해당 가스의 농도를 측정하는 독성가스 센서에 관한 것이다.
본 고안은 센서의 내부로 이물질이 침투하는 것을 방지하기 위한 필터와, 상기 필터를 통과한 가스를 산화시켜 전자를 발생시키는 감응전극과, 이 감응전극에서의 반응과 평형을 유지하도록 공기중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 대전극과, 상기 감응전극과 대전극의 반응을 위해 전위차를 유지시키는 기준전극과, 각 전극의 신호를 외부와 연결하기 위한 전극 인출선 및 각각의 전극 터미널과, 각각의 전극 사이에 설치되어 전기적인 절연을 유지하도록 하는 분리막과, 전해질 용액을 차단하면서 가스만을 통과시키는 확산막과, 전극 표면에서 이탈된 전극물질을 차단하고 각 전극간의 전기적 단락을 방지하기 위한 전극 차단판과, 적정 함습 상태를 유지하면서 내부 액체의 유동을 최소화시키도록 하는 격리 내함 및 전해질 완충재를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 고안은 감응전극에 확산되어 들어온 독성가스를 산화시키고 그 결과로 발생하는 전자의 양을 감지함으로써 해당 가스의 농도를 정확하고 안정적으로 측정할 수 있게 된다.
Description
본 고안은 특정 가스의 농도를 감지할 수 있는 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정된 가스의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 해
당 가스의 농도를 정확하게 측정하는 독성가스 센서에 관한 것이다.
일반적으로 특정 독성가스의 농도를 측정하기 위해서 전기화학식 센서를 사용하는데, 전기화학식 센서는 측정 대상이 되는 독성가스의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 해당 가스의 농도를 측정하는 것으로, 통상 정전위전해식 전지(Potentiostatic Cell)라 불리운다.
이 센서는 측정물질의 산화가 일어나는 감응전극, 이 감응전극에 외부로부터 전압을 걸어줄 때 기준이 되는 기준전극, 감응전극에서 흐르는 전류만큼의 대응 전류를 흘려줌으로써 평형을 유지시키는 대전극으로 구성된다.
예를 들어, 일산화탄소(CO)의 농도를 측정하기 위한 센서는 유입된 기체 중에 포함된 일산화탄소 성분이 센서의 내부 감응전극에 확산되어 도달하면 아래 화학식과 같이 전극의 표면에서 일산화탄소를 이산화탄소(CO2)로 산화시키고, 그 결과로 전자가 발생하며, 이때 대전극에서는 감응전극의 반응과 평형을 유지하기 위하여 공기 중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 반응을 수행한다.
감응전극에서의 반응 : CO + H2O → CO2+ 2H++ 2e-
대전극에서의 반응 : ½O2+ 2H++ 2e-→ H2O
전체적인 반응 : CO + ½O2→ CO2
결국 센서의 감응전극에서는 시료 가스의 일산화탄소 농도에 비례하는 전자를 방출하게 되므로, 감응전극에서 출력되는 전류를 측정하면 일산화탄소의 농도를
알 수 있다.
다른 유독성 가스를 측정하기 위한 센서도 그 내부에서 각기 고유한 화학반응이 수행되는데, 예를 들어, 황화수소(H2S)의 농도를 측정하기 위한 센서에서 일어나는 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.
감응전극에서의 반응 : H2S + 4H2O → H2SO4+ 8H++ 8e-
대전극에서의 반응 : 4O2+ 8H++ 8e-→ 4H2O
전체적인 반응 : H2S + 2O2→ H2SO4
이때 감응전극에서 발생한 전자는 외부 도선을 따라 흐르게 되고, 이 전류를 측정하면 해당 독성가스의 농도를 측정할 수 있게 된다.
그러나 이러한 원리를 이용하여 독성가스 센서를 제조하려면 산화된 전극 물질이 다른 전극에 흡착되어 전극이 손상되거나 전극 상호간이 전기적으로 단락되기 쉽다는 문제점이 있고, 내부 구조의 불안정으로 인하여 대량 생산시 균일한 특성을 유지하기 어려울 뿐 아니라, 휴대형 계측기기에 적용할 경우 센서 내부의 전해질 용액의 유동과 반응과정에서 생성된 다른 기체의 영향으로 센서의 출력 특성이 불안정하게 되는 등 실제적인 적용이 어렵다.
본 고안은 특정된 산화 반응과 공기 중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 반응을 통해 발생하는 전자의 양을 감지하여 해당 가스의 농도를 정확하게 측정하는
독성가스 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. 특히, 센서의 내부 구조를 특수하게 제조함으로써 반응된 전극물질이 다른 전극에 흡착되거나 전기적으로 단락되는 현상을 방지하고, 대량 생산시 균일한 특성을 유지할 수 있도록 하며, 센서 내부에서의 전해질 유동과 반응과정에서 생성된 기체의 영향을 방지함으로써 휴대형 계측기기에 사용하더라도 출력 신호의 안정성이 유지되는 독성가스 센서를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 센서의 내부로 이물질이 침투하는 것을 방지하기 위한 필터와, 상기 필터를 통과한 가스를 산화시켜 전자를 발생시키는 감응전극과, 이 감응전극에서의 반응과 평형을 유지하도록 공기중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 대전극과, 상기 감응전극과 대전극의 반응을 위해 전위차를 유지시키는 기준전극과, 각 전극의 신호를 외부와 연결하기 위한 전극 인출선 및 각각의 전극 터미널과, 각각의 전극 사이에 설치되어 전해질 용액은 통과시키면서 전기적인 절연을 유지하도록 하는 분리막과, 전해질 용액을 차단하면서 가스만을 통과시키는 확산막과, 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 전극 표면에서 이탈된 전극물질을 차단하고 각 전극간의 전기적 단락을 방지하기 위한 전극 차단판과, 전해질 용액의 농도와 적정 함습 상태를 유지하면서 내부 액체의 유동을 최소화시키도록 작용하는 격리 내함 및 전해질 완충재를 포함하여 구성되며, 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양을 감지하여 해당 가스의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 독성가스 센서가 제공된다.
도1은 본 고안의 독성가스 센서의 내부구조를 도시한 단면도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 필터(Filter) 2 : 오링(O-ring)
3 : 확산막 4 : 분리막
5 : 대전극 6 : 전해질 완충재
7 : 기준전극 터미널 8 : 감응전극
9 : 전극 차단판 10 : 기준전극
11 : 격리 내함 12 : 오링(O-ring)
13 : 센서 몸체 14 : 센서 윗뚜껑
15 : 대전극 터미널 16 : 감응전극 터미널
17 : 전극 인출선
이하 본 고안의 독성가스 센서를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도1은 본 고안의 독성가스 센서의 내부 구조를 보인 단면도로서, 본 고안의 독성가스 센서는 ABS 수지 재질의 원통형 센서 몸체(13) 상부에 센서 윗뚜껑(14)을 덮어 접착시키는 형상으로, 상기 센서 윗뚜껑(14)은 ABS 재질의 원판 형태이며, 그 중앙에는 가스 확산공(14a)이 형성되어 기체가 이 가스 확산공(14a)을 통해 센서 내부로 유입되게 한다.
상기 센서 윗뚜껑(14)의 상부에는 먼지나 물과 같은 이물질이 침투하는 것을 방지하면서 기체는 원할하게 통과시키는 필터(1)가 설치되어 있다. 이 필터(1)는 얇은 폴리프로필렌(Polypropylene) 막을 원형으로 절단하여 제작하는 것이다.
상기 센서 윗뚜껑(14)의 상부 가장자리에는 링(ring) 형상의 홈이 형성되어 있고, 이 홈에는 오링(2)이 부착되어 있는데, 이 오링(2)은 가스 측정기의 검지부에 밀착하여 센서 이외의 부위로 가스가 누설되는 것을 차단하는 것이다. 또한, 센서 윗뚜껑(14)와 센서 몸체(13)의 접합부분에도 결합면의 틈새를 통한 전해액의 누출을 방지하기 위하여 오링(2)을 삽입하며, 상기 오링(2)은 실리콘 고무 재질로 된다. 센서의 내부 상측에는 해당 독성가스를 산화시켜 전자를 발생하는 감응전극(8)이 설치되어 있다. 이 감응전극(8)은 원형으로 가공된 막 형태의 고분자 수지에 도전성 페이스트(paste)를 압착시켜 제작된 다공성 전극이다.
또한, 센서의 내부 하측에는 상기 감응전극(8)의 반응과 평형을 유지하기 위하여 공기중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 반응이 수행되는 대전극(5)이 설치되어 있으며, 이 대전극(5)도 고분자 중합체에 도전성 페이스트를 압착시켜 제작된 다공성 전극이다.
상기 감응전극(8)과 대전극(5) 사이에는 감응전극(8)과 대전극(5)의 반응을 위해 일정한 전위차를 유지시키기 위한 기준전극(10)이 설치되어 있으며, 이 기준전극(10)은 중심부가 원형으로 천공된 고분자 중합체에 도전성 페이스트를 압착시켜 제작된 다공성 전극이다.
상기 감응전극(8)과 기준전극(10) 사이, 대전극(5)과 기준전극(10) 사이에는 전해질 용액은 통과시키면서 전기적인 절연을 유지하는 역할을 하는 분리막(4)이 설치되어 있다. 이 분리막(4)은 내산성 부직포로 제작하며 전극 표면이 항상 일정하게 젖어 있도록 함으로써 센서를 움직일 때 발생할 수 있는 출력의 불안정성을 최소화 시키는 역할을 겸한다. 상기 센서 윗뚜껑(14)과 센서 몸체(13) 사이에 있는 오링(2)의 하부에는 전해질 용액은 차단하면서 가스만을 통과시키는 선택적 투과막인 확산막(3)이 설치되어 있다. 상기 확산막(3)은 테프론(Teflon) 재질의 막을 원형으로 가공하여 제작하는 것으로, 감응전극(8)과 대전극(5), 기준전극(10)의 상면에 설치되어 전기적인 절연을 유지하면서 전극에서의 화학반응을 진행시킨다. 센서의 내부 하단에는 센서 몸체의 기밀을 유지하고 전해질 용액의 안정적 공급을 위한 격리 내함(11)이 설치되어 있는데 이 격리 내함(11)은 센서 몸체(13)와 동일한 ABS 수지로 제작되며 센서 몸체(13)에 수지용 접착제를 사용하여 결합된다.
상기 격리 내함(11)의 내부에는 유리솜을 압축 성형하여 일정한 함습 상태를 유지하도록 제작한 전해질 완충재(6)가 설치되어 있는데, 이 전해질 완충재(6)는 전해질 용액을 센서 내부에 일정한 농도로 공급하면서 센서를 움직일 때에도 안정된 출력 특성을 유지하도록 작용한다.
센서의 하단 외면에는 각 전극에서의 신호를 외부에 출력하도록 각각의 전극과 전극 인출선으로 연결되는 전극 터미널이 설치되어 있다. 상기 전극 터미널은 기준전극 터미널(7), 대전극 터미널(15) 및 감응전극 터미널(16)의 3종으로 구분된다. 상기 전극 터미널은 직경 2mm 정도의 원형으로 가공된 금속 핀(pin)으로, 표면은 금으로 도금되며, 센서 몸체의 하단에 삽입하여 견고하게 결합된다.
각각의 전극 사이에는 전해질 용액은 자유롭게 통과시키면서 전극 표면에서 이탈된 전극물질을 차단하고 각 전극간의 전기적 단락을 방지하기 위한 다공성 폴리에틸렌(Polyethylene) 재질의 전극 차단판(9)이 설치되어 있다.
또한, 센서 몸체(13)와 격리 내함(11)이 결합되는 센서 하단의 내부 모서리에는 결합면 틈새를 통한 전해액의 누출을 방지하기 위하여 실리콘 고무 재질의 오링(12)이 삽입되어 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 고안의 독성가스 센서는 상기 감응전극(8)에서의 산화반응을 통해 발생하는 전자의 양을 상기 전극 인출선(17)에 의해 각각의 전극 터미널에 신호를 보내고, 이를 감지함으로써 해당 가스의 농도를 측정하게 된다.
상기와 같은 본 고안의 독성가스 센서는 특정된 가스의 산화 및 환원 반응시 발생하는 전자의 양을 감지함으로써 해당 가스의 농도를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 특히, 전극에서 이탈된 전극물질이 다른 전극에 흡착되거나 전기적으로 단락되는 현상을 방지하고, 대량 생산시 균일한 특성을 유지할 수 있도록 하며, 센서 내부에서의 전해질 유동과 반응과정에서 생성된 기체의 영향을 방지함으로써 휴대형 계측기기에 사용하더라도 출력 신호의 안정성이 유지되는 독성가스 센서를 제공하게 된다.
Claims (1)
- 해당 가스의 농도를 측정하기 위한 가스센서에 있어서, 센서 몸체(13) 상부에 센서 윗뚜껑(14)이 덮어지고, 이 센서 윗뚜껑(14)의 중앙에는 기체가 센서 내로 유입되도록 가스 확산공(14a)이 형성되고, 상기 센서 윗뚜껑(14)의 상면에는 이물질이 센서 내로 침투하는 것을 방지하면서 기체는 원할하게 통과시키도록 필터(1)가 설치되고, 센서의 내부 상측에는 해당 독성가스를 산화시켜 전자를 발생하는 감응전극(8)이 설치되고, 센서의 내부 하측에는 상기 감응전극(8)의 반응과 평형을 유지하기 위하여 공기중에 포함된 산소를 물로 환원시키는 반응이 수행되는 대전극(5)이 설치되고, 상기 감응전극(8)과 대전극(5) 사이에는 감응전극(8)과 대전극(5)의 반응을 위해 일정한 전위차를 유지시키기 위한 기준전극(10)이 설치되며, 상기 감응전극(8)과 기준전극(10) 사이, 대전극(5)과 기준전극(10) 사이에는 전해질 용액은 통과시키면서 전기적인 절연을 유지하는 역할을 하는 분리막(4)이 설치되고, 센서의 하단 외면에는 각각의 전극에서의 신호를 외부에 출력하도록 각각의 전극과 전극 인출선으로 연결되는 전극 터미널(7)(15)(16)이 설치되고, 센서의 내부 하단에는 센서 몸체의 기밀을 유지하고 전해질 용액의 안정적 공급을 위한 격리 내함(11)이 설치되고, 상기 격리 내함(11)의 내부에는 유리솜을 압축 성형하여 일정한 함습 상태를 유지하도록 제작한 전해질 완충재(6)가 설치되며, 상기 감응전극(8)과 대전극(5), 기준전극(10)의 상면에는 전해질 용액은 차단하면서 가스만을 통과시켜 전기적인 절연을 유지하면서 전극에서의 화학반응을 진행시키는 선택적 투과막인 확산막(3)이 설치되고, 각각의 전극 사이에는 전극간의 전기적 단락을 방지하기 위한 전극 차단판(9)이 설치되는 것을 특징으로 하는 독성가스 센서.
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|---|---|---|---|
| KR2019990016461U KR200175158Y1 (ko) | 1999-08-12 | 1999-08-12 | 독성가스 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR200175158Y1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100801667B1 (ko) | 2006-07-24 | 2008-02-11 | 김영선 | 가스농도 감지기 및 그 제조방법 |
| CN108254420A (zh) * | 2016-12-28 | 2018-07-06 | 深圳市普晟传感技术有限公司 | 一种用于快速检测低浓度氢气的氢气传感器 |
| KR20200114126A (ko) * | 2019-03-27 | 2020-10-07 | 주식회사 신우전자 | 초소형 전기화학식 가스센서 |
-
1999
- 1999-08-12 KR KR2019990016461U patent/KR200175158Y1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100801667B1 (ko) | 2006-07-24 | 2008-02-11 | 김영선 | 가스농도 감지기 및 그 제조방법 |
| CN108254420A (zh) * | 2016-12-28 | 2018-07-06 | 深圳市普晟传感技术有限公司 | 一种用于快速检测低浓度氢气的氢气传感器 |
| CN108254420B (zh) * | 2016-12-28 | 2024-03-12 | 深圳市普晟传感技术有限公司 | 一种用于快速检测低浓度氢气的氢气传感器 |
| KR20200114126A (ko) * | 2019-03-27 | 2020-10-07 | 주식회사 신우전자 | 초소형 전기화학식 가스센서 |
| KR102250007B1 (ko) | 2019-03-27 | 2021-05-12 | 주식회사 신우전자 | 초소형 전기화학식 가스센서 |
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