KR20060069677A - 전기화학식 일산화탄소 가스 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학식 일산화탄소 가스센서에 관한 것으로, 일산화탄소 가스가 유입할 수 있는 홀이 위판 하우징에 위치하고, 아래에는 유입된 가스가 확산하여 투과 할 수 있는 막이 배치되며, 다시 그 아래에는 프로톤 전도성 멤브레인이 배치된다. 프로톤 전도성 멤브레인의 윗면에는 반응전극 물질이 도너츠 모양으로 코팅되어 있으며 반대면에는 기준전극과 상대전극이 코팅되어 있다. 유입된 일산화 탄소는 반응전극에서 반응한 후 부산물인 이온이 프로톤 전도성 멤브레인을 통해 상대전극으로 이동하여 상대전극에서 반응 하여 두 전극간에 전류를 형성하여 준다. 아래 하우징에는 증류수를 넣어 프로톤 전도성 멤브레인의 상대습도가 항상 100% 를 유지하도록 함으로써 프로톤 전도성 멤브레인의 전도성이 변하지 않게 하였고, 아래 하우징에 증류수는 투과 할 수 없으나 공기가 유입할 수 있는 공기 유입 구를 형성 하여 줌으로써 상대 전극에서 반응 시 필요한 산소를 원할 히 공급 시켜 줄 수 있게 하였다.

일산화탄소 가스센서 {carbon monoxide gas sensor}, 전기화학식 센서 {electrochemical sensor}, 프로톤 전도성 멤브레인 {proton conducting membrane}, 고체 전해질 {solid phase electrolyte}

Description

전기화학식 일산화탄소 가스 센서 {electrochemical carbon monoxide gas sensor}

도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 일산화탄소 센서의 분해 측면도 이다.

도 2는 본 발명의 반응전극이 코팅된 프로톤 전도성 멤브레인의 윗면의 평면도 이다.

도 3는 본 발명의 기준전극과 상대전극이 코팅된 프로톤 전도성 멤브레인의 아랫면의 평면도 이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10A : 하우징 윗부분, 10B : 하우징 아랫부분

11 : 다공성 VYON

12 : 가스 유입구

13 : 다공성 멤브레인

14 : 프로톤 전도성 멤브레인

16 : 하이드로포빅 {hydrophobic} 특성을지니는 다공성 멤브레인

17 : 산소 유입구

20 : 반응전극 물질, 21 : 기준전극 물질, 22 : 상대전극 물질

31 : 반응전극 Ni PCB 핀, 32 : 기준전극Ni PCB 핀, 33 : 상대전극 Ni PCB 핀

40 : 증류수

본 발명은 전기화학식 일산화탄소 가스센서에 관한 것으로 저전력으로 구동이 가능하며 산이나 염기의 유독성 전해질을 사용하지 않는 고체 전해질로 구성된 소형 일산화 탄소 가스센서를 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. 그 중 하나가 인체에 해로우며 심할 경우 생명을 위협할 수 있는 일산화 탄소이다. 따라서 일산화탄소의 농도를 측정하고 제한 농도 이상으로의 증가 여부를 감지하는 일산화탄소 가스 센서들이 기존에 개발 되어 사용되고 있다. 이러한 기존의 가스 센서들은 크게 전기화학식 센서, 반도체 센서, colorimetric 센서, IR 센서 등으로 분류할 수 있으며 이중 전기화학식 센서가 가장 널리 사용되고 있다. 그 이유는 선택성과 감지특성이 우수하며 제조공정이 간편하며 비용 또한 저렴하기 때문이다. 반면에 반도체 센서는 센서가 동작하기 위해서는 가열을 해주어야 하므로 파워 소모가 많아 휴대용으로는 맞지 않고, 감지 성능면에서도 전기화학식 센서가 반도체 센서에 비해 10 ~ 100 배이상의 우수한 감지 특성을 보이는데 일반적으로 반도체 센서의 경우 50 ~ 200 ppm 그리고 전기화학식 센서의 경우 0.1 ~ 100 ppm 의 농도까지 감지 할 수 있는 것으로 알려져 있다. Colorimetric 센서의 경우 감지특성, 재현성 등이 다소 떨어지며 전기적인 시그널로 변화 시키기가 어렵다는 문제점이 있으며, IR 센서의 경우 가격이 매우 비싸고 장비의 부피가 큰 문제점이 있다. 과거 발표된 작업장에서의 최대 일산화탄소 허용농도 는 시간가중 평균농도 {Time Weighted Average Concentration} 를 50 ppm 그리고 단시간 노출 허용농도 (Short Term Exposure Limit) 를 400 ppm 으로 규정 하였으나 최근 대기상의 최대 일산화 탄소 농도를 9 ppm 으로 규정하였고, 가정에서는 4 ppm 이상이 될 경우 잠재적인 문제가 될 수 있다고 하여 저농도의 일산화탄소를 감지 할 수 있는 전기화학식 일산화탄소 가스센서가 중요시 되었다.

그러나 현재 제조 되고 있는 전기화학식 일산화 탄소 가스센서는 유독 물질인 황산 (H₂SO₄) 이나 염기 물질을 전해액으로 사용하여 내부 부품들의 부식의 우려가 있으며 새어 나올 경우 인체에 피해를 줄 수 있다는 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하고 나아가 고체 전해질을 이용한 전기화학적 일산화탄소 가스센서의 기능을 향상시키기 위하여 제안한 것으로서, 산, 염기용액의 액상 전해질 대신 고체 전해질인 프로톤 전도성 멤브레인을 이용하여 유독 물질인 전해질을 사용함으로써 발생 가능한 위험성을 배제 시키기 위함이다. 더 나아가 고체 전해질을 사용하는 전기화학식 일산화탄소의 성능을 향상시키기 위한 방법으로 반응전극과 기준전극 간의 저항과 반응전극과 상대전극 간의 저항을 비슷하게 유지함으로써 반응 속도를 향상 시키고 노이즈를 줄이고자 하며, 증류수를 이용하여 프로톤 전도성 멤브레인의 상대습도를 항상 100% 로 유지 해줌으로써 프로톤 전도성 멤브레인의 이온 전도성이 일정하게 유지 시켜 주게 하기 위함이다. 그리고 외부에서 증류수로 산소가스가 유입 될 수 있도록 하여 높은 농도의 일산화탄소 가스에 노출 시 상대전극에 산소 부족으로 인한 수소가스가 발생되는 것을 억제하여 넓은 영역의 일산화탄소 가스의 농도를 측정 할 수 있게 하기 위함이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 고체 전해질을 이용한 전기화학식 일산화탄소 가스 센서의 세부 구성을 도시한 분해측면도를 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 일산화탄소 가스 센서의 분해 단면도이다. 하우징은 윗부분 (10A) 과 아랫 부분 (10B) 으로 분리/결합이 가능하고, 결합시 윗부분 (10A) 과 아 랫부분은 완전히 밀폐되며 그 내부 공간에는 증류수 (40) 로 채워지게 된다. 증류수 (40) 에 부동액을 첨가 시켜 낮은 온도에서 증류수가 어는 것을 방지해 준다. 하우징 윗부분 (10A) 에는 외부에서 내부공간으로 일산화탄소 가스가 유입될 수 있게 가스 유입구 (12) 를 형성 하여 주며 하이드로포빅 {hydrophobic} 특성을 지니는 다공성 VYON (11) 을 이용하여 그 유입구가 물방울 등에 의해서 막히는 것을 방지 하여 준다. 다공성 VYON (11) 을 통해 유입된 일산화탄소 가스는 다공성 멤브레인을 통해 확산하게 된다. 확산 되어 들어온 가스는 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 윗면에 형성 되어 있는 반응 전극 (20) 을 만나 전극과 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 경계에서 아래 (1) 과 같은 반응을 하게 된다.

CO + H₂O -> CO₂ + 2H+ + 2e (1)

반응 전극은 platinum, platinum black, 또는 graphite 를 이용하여 형성 하며 프로톤 전도성 멤브레인과의 물리적인 결합력을 향상시켜 주기위해서 멤브레인 물질의 파우더를 섞어 사용할 수도 있다. 프로톤 전도성 멤브레인은 Dupont 사의 NAFION 이나 Dow 사의 XUS 를 사용하며 0.1 ~ 5 mm 두께의 멤브레인을 사용한다. CO 가스가 반응전극 (20) 에서 반응한 후 부산물인 H⁺ 이온은 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 을 통해 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 뒷면에 형성 되어 있는 상대전극 (22) 으로 이동한 후 아래 식 (2) 와 같은 반응을 하게 된다.

2H⁺ + 1/2 O₂ + 2e -> H₂O (2)

결국 반응전극 (20) 에서의 반응 식(1)과 상대전극 (22) 에서의 반응 식(2) 를 통하여 반응 전극과 상대전극 간에 전류가 흐르게 되며 이는 외부의 일산화탄소 농도에 비례하게 되므로 이를 통해 일산화탄소 가스 농도를 측정 할 수 있다. 상대전극 (22) 은 Ag, AgO, Ru, RuO₂, Pt 등을 이용하여 형성 하거나, 역시 프로톤 멤브레인 물질의 파우더와 이들을 섞어 형성 한다. 기준전극 (21) 은 셀내의 기준전압을 형성 하여 주기 위한 것으로 상대전극 (22) 과 동일한 물질로 형성 해주며 마스크를 이용한 디스펜싱이나 스크린 프린팅 방법을 이용하여 상대전극 (22) 형성 시 일괄 공정으로 함께 형성 하여 준다. 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 이온 전도성은 습도에 많은 영향을 받게 되므로 하우징 아래부분 (10B) 에 증류수 (40) 를 채워줌으로써 상대습도를 100% 가 되게 하여 주고 이를 통해 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 이온 전도성을 일정하게 유지 시켜준다. 도면 2 와 3 에 도시된 것과 같이 반응전극 (20), 기준전극 (21) 그리고 상대전극 (22) 을 형성시켜 줌으로써 반응전극 (20) 과 기준전극 (21) 간의 거리와 반응전극 (20) 과 상대전극 (22) 간의 거리를 비슷하게 하여 사이의 저항 값을 비슷하게 하여 줌으로써 빠른 시간 내에 반응이 이루어지게 한다. 높은 농도의 일산화탄소에 센서가 노출 되었을 때 상대전극 (22) 에서 산소의 부족으로 위의 식 (2) 의 반응이 일어 나지 못하고 아래의 식 (3) 의 반응이 발생할 수 있다.

2H⁺ + 2e -> H₂ (3)

이때 발생된 수소 가스는 멤브레인을 통해 반응전극에서의 반응을 방해할 수 있다. 따라서 이와 같은 반응을 억제 시켜 주기위해서 하우징 아랫부분 (10B) 에 산소 유입구 (17) 를 형성한 후 증류수는 통할 수 없으나 가스는 통할 수 있는 하이드로포빅 {hydrophobic} 다공성 멤브레인 (16) 으로 이를 막아 줌으로 증류수에 녹여져 있는 산소의 농도가 줄어들 때 외부에서 쉽게 공급될 수 있도록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 전기화학식 일산화탄소 가스센서는 기존의 산이나 염기용액을 전해질로 사용하지 않고 고체인 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 을 전해질로 사용하였으므로 산이나 염기용액을 사용 시 발생할 수 있는 위험 상황을 배제 시킬 수 있다. 더불어 반응전극 (20)과 기준전극 (21) 간의 저항과 반응전극 (20)과 상대전극 (22) 간의 저항을 비슷하게 도면 2와 3과 같이 배치하여 반응속도를 향상 시켜 줄 수 있으며 하우징 아랫부분 (10B) 에 외부로부터 산소가 공급될 수 있는 산소유입구 (17) 를 두어 상대전극에서의 수소가스 발생을 억제 시킴으로써 넓은 범위의 일산화탄소 농도를 감지 할 수 있다.

Claims (3)

1. 윗부분 (10A) 과 아래부분 (10B) 으로 구성되어 완전히 밀폐되며 그 내부 공간에는 증류수 (40) 가 채워지는 하우징과;

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

   상기 유입구 (12) 를 막고 있으면서 물방울이 입구를 막는 것을 배제 시키고 가스만을 통과 시키는 다공성 VYON (11) 과;

   상기 유입구 (12) 아래 위치하면서 유입구를 통해 들어온 가스가 확산하여 투과할 수 있는 다공성 멤브레인 (13) 과;

   상기 다공성 멤브레인 (13) 의 아래에 이온이 전도할 수 있는 특성을 지니는 프로톤 전도성 멤브레인 (14)과;

   상기 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 유입구 (12) 방향면으로 코팅된 반응전극 (20)과;

   상기 반응전극 (20) 이 코팅된 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 반대면에 코팅된 기준전극 (21) 및 상대전극 (22) 과;

   상기 반응전극 (20) 과 상대전극 (22) 사이에 흐르는 전류를 측정하고 상기 기준전극 (21) 에 전위를 가할 수 있게 연결 되어 있는 반응전극 Ni PCB 핀 (31), 기준전극 Ni PCB 핀 (32), 그리고 상대전극 Ni PCB 핀 (33) 으로 구성된 것에 있어서;

   외부에서 유입구 (12) 를 통해 유입된 일산화탄소 가스가 다공성 VYON (13) 과 다 공성 멤브레인 (13) 을 통해 확산되어 기준전극 (21)에 의해 일정한 전위가 유지되고 있는 반응전극 (20) 에서 반응하여 수소이온을 발생하며, 발생된 수소이온은 증류수 (40) 에 의해 상대습도가 100% 로 유지 되고 있는 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 을 통해 상대전극 (22) 에서 반응함으로써 외부의 일산화 탄소 농도에 비례하여 전류를 발생시키는 고체 전해질의 전기화학식 일산화탄소 가스센서.
2. 청구항 제 1항에 있어서 상기 기준전극 (21) 과 상대전극 (22) 을 반응전극 (20) 이 형성된 프로톤 전도성 멤브레인 (14) 의 반대면에 형성 함에있어서;

   반응전극 (20) 과 기준전극 (21) 간의 거리와 반응전극 (20) 과 상대전극 (22) 의 거리를 동일하게 형성하는 방법.
3. 청구항 제 1항에 있어서 하우징 아랫부분 (10B) 에 가스 유입구 (17) 을 형성 하여 준 후 이를 하이드로 포빅 특성을 지니는 다공성 멤브레인 (16) 으로 막아줌에 있어서;

   외부에 존재하는 산소 가스는 유입 될 수 있게 하며 반면에 하우징 (10) 에 충전되어있는 증류수 (40) 는 유출 되지 않게 하는 방법.

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