KR20040085697A - 산소 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 산소 센서는 가스가 유입되는 가스 확산공이 형성되고, 센서 구조체의 상단을 폐쇄시키는 고정 구조체와, 센서의 구조체 내부에 충진되어 있는 전해액과, 전해액의 내부에 설치되어 전해액의 온도 변화에 따라 저항값이 변화되는 써미스터와, 센서의 구조체 하부에 배치되며 전해액과 산화 반응을 일으키는 애노드와, 가스 확산공을 통해 유입된 산소와 환원 반응을 하는 캐소드와 일체형으로 제작되며, 고정 구조체의 하면에 형성되어 센서의 구조체 내부의 전해액의 외부 누출을 방지시키고 기체 성분만을 통과시키는 멤브레인과, 캐소드와 애노드에서 각각의 전기적인 신호를 인출하기 위해 설치된 외부 도선 및 외부 도선을 통해 인출된 전기적인 신호에 의해서 써미스터에 걸리는 전압값을 출력하는 온도 보상부를 포함한다. 이때, 산소 센서는 캐소드와 애노드의 산화 및 환원 반응 시 외부 도선들 간에 흐르는 전류에 따라 써미스터에 걸리는 전압값으로 산소 농도를 측정한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 멤브레인과 캐소드를 일체형으로 제작함으로써, 원통형 구조체에 충진된 전해액의 외부 누출을 막아 산소 센서의 수명을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 외부 온도 변화에 무관하게 정확한 산소 농도를 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 산소 센서에 관한 것으로, 특히 전해액의 누출량을 최소화시켜 산소 센서 수명을 향상시키는 산소 센서에 관한 것이다.
일반적으로 특정 기체의 농도를 간편하게 측정하기 위해서 전기 화학식 센서를 사용하는데, 전기 화학식 센서는 측정 대상이 되는 기체의 산화 및 환원 반응시에 발생하는 전자의 양이 해당 기체의 농도에 비례하는 현상을 이용한 것으로, 특히 산소 농도를 측정하는 경우에는 갈바닉 전지(Galvanic Cell)의 원리를 이용하고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 산소 농도를 측정하는 종래의 산소 센서에 대해 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 산소 센서의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 산소 센서는 원통형 구조체(10)의 중앙 하부에 위치한 애노드(11)와, 애노드(11)에서 연장되어 캐소드(13)를 지지하는 지지 구조물(12)과, 구조체(10)의 내부에 충진되는 전해액(14)과, 구조체(10)의 상단에 캐소드(13)가 덮히도록 배치된 멤브레인(15)과, 멤브레인(15)을 구조체(10)와 밀착 고정시키기 위한 수단(예를 들면, O-링)(16)과, 애노드(11) 및 캐소드(13)와 연결된 외부 도선(17, 18)을 포함한다.
애노드(11)에 사용되는 재료로는 납(Pb) 및 아연(Zn) 등을 들 수 있고, 캐소드(13)에 사용되는 재료로는 은(Ag), 금(Au) 및 백금(Pt) 등을 들 수 있으며, 전해액(14)으로는 K2CO3, Na2CO3, KCl, NaCl, NaOH 및 KOH 등을 사용할 수 있다. 이때 전해액(14)은 캐소드(13)와 애노드(11) 사이를 자유롭게 통과한다.
종래의 산소 센서에 사용되는 멤브레인(15)은 기능 특성상 산소가 투과 가능하여야 하는데, 이런 이유로 산소의 투과성뿐만 아니라 H2O 투과성을 함께 갖는다.
애노드(11)에서는 멤브레인(15)을 통해 유입된 산소에 의해 산화 반응이 일어나며, 이러한 산화 반응에 의해서 애노드(11)에 사용된 재료 모두가 산화되면 산소 센서의 수명이 완료된다. 애노드(11)는 외부 도선(17)과 연결되며 전해액(14)과 반응하여 발생된 전자를 외부 도선(17)을 통해 송출한다.
캐소드(13)는 외부 도선(18)과 연결되어 발생된 신호를 외부 도선(18)을 통해 송출한다.
상기와 같은 과정을 통해 애노드(11)에서 인출된 전자는 외부 도선(17, 18) 사이를 흐르게 되기 때문에, 산소 센서는 외부 도선(17, 18)을 이용하여 캐소드(13)와 애노드(11) 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써, 산소 농도를 측정한다.
갈바닉 전지의 원리를 이용한 산소 농도를 측정하는 산소 센서의 수명은 애노드량과 전해액의 누출량에 의해서 좌우되는데, 여기서 애노드량을 증가시키면 산소 센서의 수명은 길어지더라도 산소 센서의 크기가 커질 뿐만 아니라 산소 센서의 제조 원가가 높아지는 문제점이 있다. 이러한 이유로 산소 센서의 수명을 연장할 수 있는 방법은 전해액의 누출량을 최소화시키는 것이다.
그러나, 멤브레인(15)의 H2O 투과성 때문에 구조체(11) 내부에 충진된 전해액(14)이 외부로 누출되는 현상이 야기되며, 급기야 전해액(14)이 고갈되는 현상이 발생됨으로 산소센서의 수명이 짧아진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 산소 센서는 통상 증점제를 전해액에 포함시켜 전해액의 외부 누출을 방지하고 있으나, 증점제를 이용한 전해액 누출 방지방법은 전해액의 외부 누출을 완벽하게 방지할 수는 없다.
또한, 전해액은 외부 온도 변화에 민감하게 반응하기 때문에, 전해액의 온도가 외부 온도에 따라 변화하게 되며, 이에 따라 산소 센서의 출력값이 불균일하게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멤브레인과 캐소드를 일체형으로 제작하여 구조체 내부에 충진된 전해액이 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 외부 온도에 관계없이 일정 출력값을 얻을 수 있는 산소 센서를 제공하고자 한다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 산소 농도를 측정하는 산소 센서에 있어서, 가스가 유입되는 가스 확산공이 형성되고, 상기 센서 구조체의 상단을 폐쇄시키는 고정 구조체와, 상기 센서의 구조체 내부에 충진되어 있는 전해액과, 상기 전해액의 내부에 설치되어 상기 전해액의 온도 변화에 따라 저항값이 변화되는 써미스터와, 상기 센서의 구조체 하부에 배치되며 상기 전해액과 산화 반응을 일으키는 애노드와, 상기 가스 확산공을 통해 유입된 산소와 환원 반응을 하는 캐소드와 일체형으로 제작되며, 상기 고정 구조체의 하면에 형성되어 상기 센서의 구조체 내부의 전해액의 외부 누출을 방지시키고 상기 기체 성분만을 통과시키는 멤브레인과, 상기 캐소드와 애노드에서 각각의 전기적인 신호를 인출하기 위해 설치된 외부 도선; 및 상기 외부 도선을 통해 인출된 전기적인 신호에 의해서 상기 써미스터에 걸리는 전압값을 출력하는 온도 보상부를 포함하며; 상기 캐소드와 애노드의 산화 및 환원 반응 시 외부 도선들 간에 흐르는 전류에 따라 상기 써미스터에 걸리는 전압값으로 산소 농도를 측정한다.
도 1은 종래 기술에 의한 산소 센서의 내부 구조를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소 센서의 내부 구조를 도시한 도면이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 원통형 구조체 102 : 애노드
104 : 전해액 105 : 격리막
106 : 캐소드 108 : 멤브레인
109 : 확산막 110 : 수단
112 : 고정 구조체 112a : 가스 확산공
114, 116 : 외부 도선 118 : 결합 수단
120 : 써미스터 122 : 온도 보상부
본 발명의 실시 예는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 기술 분야의 숙련자라면 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산소 센서의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 산소 농도를 측정하는 산소센서는 가스가 유입되는 가스 확산공(112a)이 형성되고 원통형 구조체(100)의 상단을 폐쇄시키는 고정 구조체(112)와, 원통형 구조체(100) 내부에 충진되어 있는 전해액(104)과, 원통형 구조체(100) 하부에 배치되며 전해액(104)과 산화 반응을 일으키는 애노드(102)와, 가스 확산공(112a)을 통해 유입된 산소와 환원 반응을 하는 캐소드(106)와, 캐소드(106)와 일체형으로 제작되며 고정 구조체(112)에 하면에 형성되어 산소 센서의 구조체(100) 내부에 충진된 전해액(104)이 외부 누출되는 것을 방지하고 기체 성분만을 통과시키는 멤브레인(108)과, 멤브레인(108)과 고정 구조체(112) 사이에 설치되어 멤브레인(108)을 고정시키는 수단(110) 및 캐소드(106)와 애노드(102)에서 각각의 전기적인 신호를 인출하기 위해 설치된 외부 도선들(114, 116)을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 산소 센서에 있어서 고정 구조체(112)와 맴브레인(108) 사이에는 원통 구조체(100) 내부에 충진된 전해액(104)을 차단시키고 기체 성분(즉, 산소)만을 선택적으로 통과시키는 선택적 투과막인 확산막(109)이 설치되고, 캐소드(106)의 하면에는 원통 구조체(100) 내부에 충진된 전해액(104)의 유동에 따라 맴브레인(108)과 일체형인 캐소드(106)의 움직임을 방지함과 더불어 애노드(102)의 반응에 따라 생성되는 이물질이 캐소드(106)에 유입되는 것을 방지하기 위한 격리막(105)이 설치된다. 이러한 확산막(109)과 격리막(105)은 부직포로 이루어져 있다.
외부 온도 변화에 따라 전해액(104)의 온도가 변화되고, 이에 따라 외부 도선(114, 116)에서 출력되는 전류량(즉, 출력값)이 불균일하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 산소 센서는 전해액(104)의 내부에 설치되어 원통 구조체(100) 내부에 충진된 전해액(104)의 온도 변화에 따라 저항값이 변경되는 써미스터(120)와, 써미스터(120)에 걸리는 전압량을 측정하는 온도 보상부(122)를 더 포함한다. 이때 온도 보상부(122)는 외부 도선(114, 116)에서 출력되는 전류량에 의해 써미스터(120)에 걸리는 전압량을 측정하여 출력한다. 다시 말해서, 산소 센서는 전해액(104)의 온도 변화에 따라 다르게 출력되는 전류량에 관계없이 일정한 전압량을 측정하여 출력한다.
여기서, 멤브레인(108)을 고정시키는 수단(110)은, 그 예로써 오-링을 들 수 있다.
또한, 이러한 산소 센서는 원통형 구조체(100)와 결합되며, 고정구조체(112)를 고정시키거나 탈거시켜주는 결합 수단(118)을 더 포함하며, 결합 수단(118)은 볼트-너트 타입과 같은 나사산 타입이다.
여기서, 멤브레인(108)은 진공 증착 방법 또는 실크 스크린 기법으로 캐소드(106)와 일체형으로 제작되기 때문에, 외부 산소는 멤브레인(108)을 통과하지만 원통형 구조체(100) 내부의 전해액(104)은 멤브레인(108)과 일체형으로 제작된 캐소드(106)에 의해 대기와의 접촉이 차단되어 외부로 누출되지 않는다. 이렇게 멤브레인(108)과 캐소드(106)를 일체형으로 제작함으로써, 원통형 구조체(100) 내부에 충진된 전해액(104)의 누출을 막아 산소 센서의 수명을 향상시킨다.
상기와 같은 구조를 갖는 산소 센서의 동작 과정을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 멤브레인(108)과 일체형으로 이루어진 캐소드(106)는 금(Au), 백금(Pt) 또는 Ag로 이루어져 산소 분자를 수신기()로 환원시키는 반응을 수행함과 더불어 원통형 구조체(100) 내부에 충진된 전해액(104)의 외부 누출을 방지시킨다. 다시 말해서, 캐소드(106)는 전해액(104)과 대기와의 접촉을 차단시켜 전해액(104)의 외부 누출을 방지시킨다.
캐소드(106)는 외부 도선(116)에 의해 도시 생략된 양극(+) 터미널과 연결되어 있다. 외부 도선(116)은 얇은 띠 모양의 은(Ag)으로 제작되어 캐소드(106)와 양극 터미널 사이에서 신호가 인출되도록 전기적으로 연결해 준다.
애노드(102)에서는 가스 확산공(112a) 및 멤브레인(108)을 통해 유입되는 산소에 의해 산화반응이 일어나며, 애노드(102)의 표면이 모두 산화되면 산소 센서의 수명이 완료된다. 이러한 애노드(102)는 얇은 띠 모양의 은으로 제작된 외부도선(114)에 의해 도시 생략된 음극(-) 터미널과 연결되어 전기적인 신호를 인출할 수 있게 된다.
상기와 같이 캐소드(108) 및 애노드(102)에 산화 및 환원 반응이 일어날 때 산소 센서의 온도 보상부(122)는 외부 도선들(114, 116)간에 흐르는 전류량에 의해서 써미스터(120)에 걸리는 전압량을 감지하여 출력하고, 산소 센서는 온도 보상부(122)에서 출력되는 전압량을 이용하여 산소 농도를 측정한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 멤브레인과 캐소드를 일체형으로 제작함으로써, 원통형 구조체에 충진된 전해액의 외부 누출을 막아 산소 센서의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전해질의 온도 변화에 따라 저항값이 달라지는 써미스터와 써미스터에 걸리는 전압값을 출력하는 온도 보상부를 이용하여 산소 농도값을 감지함으로써, 외부 온도 변화에 무관하게 정확한 산소 농도를 측정할 수 있다.
Claims (7)
- 산소 농도를 측정하는 산소 센서에 있어서,가스가 유입되는 가스 확산공이 형성되고, 상기 센서 구조체의 상단을 폐쇄시키는 고정 구조체와,상기 센서의 구조체 내부에 충진되어 있는 전해액과,상기 전해액의 내부에 설치되어 상기 전해액의 온도 변화에 따라 저항값이 변화되는 써미스터와,상기 센서의 구조체 하부에 배치되며 상기 전해액과 산화 반응을 일으키는 애노드와,상기 가스 확산공을 통해 유입된 산소와 환원 반응을 하는 캐소드와 일체형으로 제작되며, 상기 고정 구조체의 하면에 형성되어 상기 센서의 구조체 내부의 전해액의 외부 누출을 방지시키고 상기 기체 성분만을 통과시키는 멤브레인과,상기 캐소드와 애노드에서 각각의 전기적인 신호를 인출하기 위해 설치된 외부 도선; 및상기 외부 도선을 통해 인출된 전기적인 신호에 의해서 상기 써미스터에 걸리는 전압값을 출력하는 온도 보상부를 포함하며;상기 캐소드와 애노드의 산화 및 환원 반응 시 외부 도선들 간에 흐르는 전류에 따라 상기 써미스터에 걸리는 전압값으로 산소 농도를 측정하는 산소 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인은,진공 증착 방법 또는 실크 스크린 기법으로 상기 캐소드와 일체형으로 제작되는 것을 특징으로 하는 산소 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산소 센서는,상기 센서의 구조체와 결합되며, 상기 고정 구조체를 고정시켜주는 결합 수단을 더 포함하는 산소 센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 결합 수단은,볼트-너트 타입과 같은 나사산 타입인 것을 특징으로 하는 산소 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산소 센서는,상기 멤브레인과 고정 구조체 사이에 설치되어 상기 멤브레인을 고정시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산소 센서는,상기 고정 구조체와 멤브레인 사이에 설치되어 상기 전해액의 외부 누출을 차단시키고, 기체 성분만을 선택적으로 통과시키는 선택적 투과막과,상기 캐소드 하면에 설치되어 상기 전해액의 유동에 따라 상기 캐소드의 움직을 방지함과 함께 상기 애노드의 반응에 따라 생성되는 이물질이 상기 캐소드에 유입되는 것을 방지하는 격리막을 더 포함하는 산소 센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 격리막과 선택적 투과막은,부직포로 이루진 산소 센서.
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