KR20060068214A

KR20060068214A - 전기화학식 산소가스 센서

Info

Publication number: KR20060068214A
Application number: KR1020040106848A
Authority: KR
Inventors: 하승철
Original assignee: (주)센코
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-06-21
Also published as: KR100667263B1

Abstract

본 발명은 전기화학식 산소 가스센서에 관한 것으로, 산소 가스가 유입 할 수 있는 홀이 위판 하우징에 위치하고, 아래에 산소가스가 확산하여 투과 할 수 있는 막이 배치되며, 다시 그 아래 전해액 차단성을 가지는 산소 투과막에 음극 전극 물질이 코팅되어 배치된다. 이때 음극 전극 물질은 산소 투과막에 도너츠 모양으로 코팅 되어 산소 유입구를 통과한 산소 가스중 아래 산소 투과막을 통해 옆으로 확산되어 온 산소가스만이 음극 전극 물질과 반응 할 수 있도록 하여 실제 유입구를 통해 들어온 산소 중 일부만이 산소 가스 센서의 반응에 참여하도록 하였다.

산소 센서 {oxygen sensor}, 전기화학식 센서 {electrochemical sensor},

Description

전기화학식 산소가스 센서 {Electrochemical oxygen gas sensor}

도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 산소센서의 분해 측면도 이다.

도 2는 본 발명의 산소 투과막, 음극물질 코팅된 멤브레인 그리고 전류 컬렉터의 평면도 이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10A : 하우징 윗부분, 10B : 하우징 아랫부분

11A : 다공성 VYON

12 : 가스 유입구

13 : 다공성 멤브레인

14 : 다공성 PTFE 디스크

15 : 음극 전극 물질

20 : 음극 전류 켈렉터, 21 : Ni foil 전류 컬렉터, 22 : 양극 전류 컬렉터

23 : Ni PCB 핀

30 : 분리체

40 : 양극

본 발명은 전기화학식 산소가스에 관한 것으로 유입구로 유입된 산소의 일부만을 일정하게 음극과 반응하게 하여 음극과 양극사이에 발생하는 전류를 작게 함으로써 반응에 의해 양극이 빠르게 소모되는 것을 억제하여 수명이 긴 전기화학식 산소가스 센서를 구현하기 위한 것이다.

산업사회가 고도화됨에 따라 생산현장이 다양화 되며 각각의 산업현장에서는 여러 종류의 가스를 사용할 뿐만 아니라 발생시키고 있어 이에 대한 가스사고 안전관리가 심각한 문제로 대두되고 있다. 특히 밀폐형 공간, 즉 정화조, 각종 탱크 내부, 라인내부, 지하실, 동굴, 광산 등에서 작업을 하는 근로자들은 산소 부족에 의한 안전 사고의 위험에 더욱 노출 되어 있는 현실이다. 본 발명은 이와 같은 산소 부족에 의한 안전 사고를 미연에 방지하고, 오염된 배출가스 또는 대기상의 산소 농도를 측정하는데 사용하기 위한 가스센서에 관한 것이다. 외부의 산소 농도를 측정할 수 있는 전기화학식 산소 가스센서는 이미 개발되어 있으며. 그 구성을 살펴보면 크게 내부공간에 전해액이 충전되어 있으며 일측에 산소 유입구가 형성된 하우징, 이 하우징의 내부공간에 배치된 산소 투과막, 그리고 음극과 양극으로 구성되어 있다. 비록 이러한 산소 센서들은 잘 동작하나 여전히 수명이 짧다는 문제점을 지니고 있다. 이것은 확산에 의해 유입된 많은 양의 산소 가스가 음극과 양극 사이에 큰 전류를 발생시키고 이때의 반응에 의해 양극이 빠르게 소모 되기 때문이다. 산소 가스 센서의 수명을 늘리기 위해서는 가스 유입 구를 보다 작게 하여 유입되는 산소 가스의 양을 적게 하여 주어야 하는데 이럴 경우 제조 비용이 증가하고 벌크 플로우 효과가 커져 외부의 산소 농도에는 변화가 없음에도 불구하고 외부 압력변화에 의한 갑작스런 가스유입으로 산소 농도를 다르게 인식하는 문제점이 있다. 따라서 기존의 가스 유입 구의 크기를 유지하여 외부 압력 변화에 대한 영향을 배제하면서 유입된 산소 가스중의 일부만을 반응에 사용하는 방법이 필요하다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로서, 기존의 가스 유입 구의 크기를 유지하여 갑작스런 외부 압력 변화에 대한 영향을 최소화 하면서 확산을 통해 외부에서 유입된 산소 가스중 일부만을 음극 전극과의 반응에 참여 하게 끔 하여 기존 의 전기화학식 산소 가스센서에 비해 상대적으로 같은 산소 농도에 대해 음극과 양극 사이에 작은 전류가 발생하게 하고 결론적으로 양극이 소모 되는 양을 작게 함으로써 전기화학식 산소 가스 센서의 수명을 길게 하기 위함이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 전기화학식 산소 가스 센서의 세부 구성을 도시한 분해 측면도를 제시 하였다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 가스센서 내의 각 부품 들은 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.

도 1은 전기화학식 산소 가스센서의 분해 측면도이다. 하우징은 윗부분 (10A) 과 아랫 부분 (10B) 으로 분리/결합이 가능하고, 결합시 윗부분 (10A) 과 아랫 부분 (10B) 은 완전히 밀폐 되며 그 내부 공간에는 전해액이 채워진다. 전해액은 4mol/l 의 포타시움 아세테이트 {potassium acetate} 를 사용하며 혹은 5mol/l 의 아세트산 {acetic acid} 과 0.1mol/l 의 리드 아세테이트 {lead acetate} 를 섞어서 사용 한다. 하우징 윗부분 (10A) 에는 외부에서 내부공간으로 산소가스가 유입되도록 그 중앙부에 산소 유입구 (12) 를 형성하되 산소 유입구 (12) 의 직경을 약 0.5 ~ 3 mm, 길이를 2 ~ 4 mm 로 한다. 두께가 0.18mm, 직경이 10 ~ 16 mm 인 다공성 멤브레인 (13) 은 porous PTFE 로 하우징 윗부분 (10A) 아래에 접착시켜 확산 장벽으로 사용한다. 이 다공성 멤브레인 (13) 은 가스상 의 확산 방지막으로 외부에서 내부로의 가스 이동이 Knudsen 원리에 따르도록 한다. 다공성 PTFE 디스크 (14) 에 도너츠 모양으로 음극 전극 물질 (15) 을 코팅하여 음극 으로 사용한다. 다공성 PTFE 디스크 (14) 는 두께가 약 0.18 mm 이고 직경이 18 mm 인 것을 사용하며 그 위에 음극 전극 물질 (15) 을 내경이 약 6 ~ 14 mm 인 도너츠 모양으로 코팅 을 해 준다. 음극 전극 물질로는 platinum black, platinum, carbon black, gold 등 촉매 특성이 있는 물질을 사용하며 혹은 이 물질들과 PTFE 분말을 섞어 사용함으로써 물리적인 결합력을 좋게 한다. 다공성 PTFE (14) 는 가스는 투과 하나 전해액은 투과 하지 못하는 성질을 지니고 있어 하우징 (10) 에 충전된 전해액이 새어 나가지 못하게 막아 주는 기능을 한다. 가스 유입구 (12) 를 통해 유입된 가스는 다공성 멤브레인 (13) 을 통해 확산되어 들어 오게 되는데 바로 유입되는 산소 가스는 음극 전극 물질 (15) 을 만나지 않게 되므로 반응에 참여 하지 못하게 되고 다공성 멤브레인 (13) 과 다공성 PTFE 디스크 (14) 를 통해 옆으로 확산 되어 들어 오는 산소 가스만이 음극 전극 물질 (15) 을 만나 아래 식 (1) 과 같은 반응에 참여 하게 된다.

O₂ + H₂O + 4e^- -> 4OH^- (1)

이 반응을 통해 음극 전극물질 표면에서 생성된 OH^- 이온은 분리체 (30) 에 적셔져 있는 전해액을 통해 양극 (40) 에 전해지게 된다. 양극 (40) 은 직경이 0.1 ~ 0.5 mm 인 납 와이어를 감아서 만든 것으로 양극 (40) 의 내부에는 공간이 많아 전해액이 충분히 적셔지게 된다. 전해액을 통해 전해져온 OH^- 이온은 양극 (40) 과 아래 식 (2) 와 같은 반응을 하게 된다.

2Pb + 4OH^- -> 2PBO + 2H₂O + 4e^- (2)

발생된 전류는 양극 전류 컬렉터 (22) 를 통해 Ni PCB 핀 (23A) 로 흘러 가게 되고 이를 반대편 Ni PCB 핀 (23B) 에 연결 시 Ni foil 전류 컬렉터 (21) 와 음극 전류 컬렉터 (20) 를 통해 음극에 전해지면서 전류가 발생하게 된다. 이때 흐르는 전류는 음극 전극 물질 (15) 의 표면에서 반응한 산소 농도에 비례함으로 두 Ni PCB 핀 (23) 사이의 전류를 측정 함으로써 대기중의 산소농도를 감지할 수 있게 된다. Ni foil 전류 컬렉터 (21) 는 양극 (40) 과 분리체 (30) 에 전기적 접촉이 되는 것을 방지 하기 위해서 절연체 (50) 를 이용하여 Ni foil 전류 컬레터 (21) 를 덮어 준다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전기화학식 산소 가스센서는 외부에서 내부로 유입된 산소 가스 중 다공성 멤브레인 (13) 과 다공성 PTFE 디스크 (14) 를 통해 확산 되어 온 산소 가스 만이 음극 전극물질 (14) 을 만나 반응을 일으키게 되므로 기존의 전기화학식 산소 가스에 비해 반응에 의한 양극의 소모가 적다. 따라서 양극 소모에 의해 결정 되는 산소 가스 센서의 수명이 보다 길어 질 수 있게 된다.

Claims

윗부분 (10A) 과 아래부분 (10B) 으로 구성되어 완전히 밀폐되며 그 내부 공간에는 전해액이 채워지는 하우징과;

하우징 윗부분에 위치하여 외부의 산소가스 유입할 수 있는 유입구 (12) 와;

상기 유입구 (12) 아래 위치하면서 외부에서 유입된 가스가 확산하여 투과할 수 있는 다공성 멤브레인 (13) 과;

상기 다공성 멤브레인 (13) 의 아래에 밀착되어 있으면서 유입된 산소를 분해하여 이온을 발생하게 하는 촉매성질을 지니고 있는 음극물질 (15) 이 상기 유입구 (12) 반대쪽에 코팅된 다공성 PTFE 디스크 (14) 와;

전해액으로 젖 셔져 있으면서 상기 음극 (15) 에서 발생한 이온이 양극 (40) 으로 이동할 수 있도록 하되 상기 음극 (15) 과 양극 (40) 이 직접 접촉하는 것을 억제하는 분리체 (30) 와;

상기 음극 (15) 에서 발생한 이온이 반응하여 전자를 발생할 수 있는 납으로 만들어진 양극 (40) 과;

상기 음극 (15) 과 양극 (40) 사이에서 발생하는 전류를 측정할 수 있도록 하는 음극 전류 컬렉터 (20) 와 양극 전류 컬렉터 (22) 그리고 Ni PCB 핀 (23) 으로 구성된 것에 있어서;

외부에서 유입구 (12) 를 통해 유입된 산소가스가 다공성 멤브레인 (13) 과 다공성 PTFE 디스크 (14) 를 통해 확산되어 음극물질에서 (15) 과 반응하여 이온을 발생 하며, 발생된 이온은 전해액이 젖셔져 있는 분리체 (30) 를 통해 양극 (40) 에서 반응 함으로써 외부의 산소농도에 비례하여 전류를 발생시키는 전기화학식 산소 가스센서.
청구항 제 1항에 있어서 상기 음극물질 (15) 을 다공성 PTFE 디스크 (14) 에 도너츠 형태로 코팅함으로써 유입된 산소가스중 다공성 멤브레인 (13) 과 다공성 PTFE 디스크 (14) 를 통해 횡 방향으로 확산되어 들어온 산소에만 반응하도록 한 전기화학식 산소 가스센서.