KR20070046327A - 이산화탄소 감지 센서 및 상기 감지 센서를 포함하는전기기판 일체형 이산화탄소 감지 센서 모듈 - Google Patents
이산화탄소 감지 센서 및 상기 감지 센서를 포함하는전기기판 일체형 이산화탄소 감지 센서 모듈 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 측정기의 전기회로와 연결이 편리한 이산화탄소 감지센서 모듈의 신규한 패키징 구조에 관한 것으로, 고체전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서와 센서 거치대 및 이를 포함하는 히터 그리고 이를 감싸는 외장용기를 이용한 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조 및 상기 패키징된 이산화탄소 감지 센서를 측정기 시스템에 장착하기 쉽도록 만든 전기기판 일체형의 이산화탄소 감지센서 모듈의 신규한 패키징 구조에 관한 것이다.
이산화탄소, 가스센서, 패키징, 측정기, 전기회로 기판
Description
도 1 : (a) 본 발명에 따른 고체전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서의 구조도, (b) 본 발명에 따른 고체전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서의 사진
도 2 : 본 발명에 따른 센서 거치대의 구조도
도 3 : 본 발명에 따른 히터의 구조도
도 4 : 본 발명에 따른 히터의 인가전압, 소비전력 및 온도 특성을 나타내는 그래프
도 5 : 본 발명에 따른 히터의 구동온도 도달시간을 나타낸 그래프
도 6 : (a) 본 발명에 따른 히터와 히터 받침대의 구조도, (b) 본 발명에 따른 히터와 히터 받침대의 사진
도 7 : (a) 본 발명에 따른 이산화탄소 감지 센서를 포함한 외장용기의 구조도, (b) 본 발명에 따른 이산화탄소 감지 센서를 포함한 외장용기의 사진
도 8 : 외장용기 내에 제올라이트 흡습제를 채운 이산화탄소 감지센서와 빈 외장용기의 초기동작 시간 비교한 그래프
도 9 : (a) 본 발명에 따른 이산화탄소 감지 센서를 포함한 외장용기의 하단에 장착된 이산화탄소 감지 센서 모듈의 구조도, (b) 본 발명에 따른 이산화탄소 감지 센서를 포함한 외장용기의 하단에 장착된 이산화탄소 감지 센서 모듈의 사진
도 10 : 본 발명에 따른 신규한 패키징에 의해 제조된 이산화탄소 감지센서의 장기 안정성을 측정한 그래프
본 발명은 이산화탄소 감지센서 및 상기 감지 센서가 포함된 모듈에 관한 것으로, 고체전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서와 센서 거치대 및 이를 포함하는 히터 그리고 이를 감싸는 외장용기를 이용한 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조 및 상기 패키징된 이산화탄소 감지 센서를 측정기 시스템에 장착하기 쉽도록 만든 전기기판 일체형의 이산화탄소 감지센서 모듈의 신규한 패키징 구조에 관한 것이다.
대기 중의 이산화탄소는 대기 중에서 화학적으로 매우 안정한 기체로 지구온난화를 발생시키는 주 원인으로 환경문제를 비롯하여 건물의 실내 공조 및 원예용 온실 내 이산화탄소 농도 조절의 필요성이 증가하고 있다.
현재 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법으로 광학적인 방법(NDIR 방식)을 가장 많이 사용하고 있는데, 이 방식은 이산화탄소가 특정 파장의 적외선만을 흡수하는 원리를 이용하여 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소 농도를 측정하는 방식이다. 이 장치는 선택성과 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정을 위해서 밀폐된 공간이 필요하며 구성요소들과 필터들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 문제점이 있었다. 또한 구동부 및 측정소자가 매우 고가이며 제어를 위한 처리부의 구성이 복잡하므로 전체적인 측정장비의 가격이 높을 수 밖에 없어 그 용도가 매우 다양함에도 불구하고 광범위하게 활용되고 있지 못하고 있다. 특히 열악한 환경에 노출될 경우 광학계가 오염되기 쉽기 때문에 사용범위가 실내로 제한되는 단점이 있다.
이산화탄소 농도를 측정하기 위한 또 다른 방식으로는 SnO2 혹은 TiO2 등의 반도체 화합물을 이용한 반도체형 가스 센서가 이용되고 있는데, 이는 가스 입자가 반도체 화합물의 표면에 흡착되었을 때 나타나는 저항변화를 통해 가스의 농도를 측정하는 원리이며, 작은형태의 센서 제작이 가능하다는 장점이 있으나, 흡착되는 서로 다른 종류의 가스입자를 구분하기가 어렵기 때문에 가스선택성이 현저히 떨어지는 단점이 있다.
이에 비해 고체전해질을 이용한 가스 센서는 단순한 구조를 갖으며 작은 소자 형태의 센서제작이 가능 할 뿐 만 아니라, 특정한 가스만 선택적으로 감지하는 감지전극을 이용함으로써 가스선택성을 높이고 가스농도의 정량적인 측정이 가능하 다는 장점이 있다. 또한 가격이 저렴할 뿐만 아니라 산화물을 사용하기 때문에 극한 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 이산화탄소 감지센서는 1970년대 Gauthier와 Chamberland의 탄산칼륨염을 이용한 이산화탄소 센서 연구 이래, 발전을 거듭하여 나시콘(NASICON),리시콘(LISICON), 베타 알루미나(NBA) 등의 고체 전해질과 결합된 기전력형 이산화탄소 센서가 수년간 활발히 연구, 개발되어왔다. 그러나 상기 방식은 화학센서 자체의 화학반응을 이용하기 때문에 센서의 수명이 유한하며, 일정한 시간 간격을 정하여 교체하거나 테스트를 통하여 보정을 하여 주는 방식을 택하기 때문에 광범위하게 상용화되지 못하고 있는 실정이다. 예를 들면 일본의 Figaro사는 2002년, 나시콘(NASICON)을 이용한 이산화탄소 센서를 개발하여 출시하였으나 센서의 신호가 시간에 따라 일정하게 변하기 때문에 매일 신호보정을 해주어야하는 기술적 문제점을 가지고 있어 널리 사용되기 어려운 실정이다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 이산화탄소 감지 센서의 장기 안정성 확보를 위한 센서구조 및 구동 히터의 설계 그리고 측정기 시스템에 이산화탄소 감지센서를 장착하기 쉽도록 만든 전기기판 일체형의 이산화탄소 감지센서 모듈의 신규한 패키징 구조를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명은 고체전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서와 센서 거치대 및 이 를 포함하는 원통형 코일 히터 그리고 외장용기를 이용한 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조 및 상기 패키징된 이산화탄소 감지 센서를 측정기 시스템의 전기회로 시스템과의 연결이 용이한 전기기판 일체형의 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명은 고체전해질을 이용한 이산화탄소 감지 센서와 센서 거치대 및 이를 포함하는 원통형 코일 히터 그리고 외장용기를 이용한 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조 및 상기 패키징된 이산화탄소 감지 센서를 측정기 시스템에 장착하기 쉽도록 만든 전기기판 일체형의 이산화탄소 감지센서 모듈의 신규한 패키징 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 감지 센서를 포함하는 측정 장치는 이산화탄소 감지 센서와 상기 이산화탄소 감지 센서와 온도측정용 열전대를 동시에 장착하기위한 센서 거치대 및 이를 포함하여 센서를 구동온도로 올려주는 히터 그리고 이들을 장착하여 외부와 분리시켜주는 외장용기를 이용한 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조로 구성되어 있으며, 외장용기 하부에 PCB 기판을 장착시킨 이산화탄소 감지 센서 모듈의 신규한 패키징 구조로 이루어져 있다.
이하 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
일반적으로 이산화탄소 감지 센서는 갈바닉 전지구조에서 전해질의 양면에 위치한 전극에서 측정된 기전력이 주변의 이산화탄소 가스의 농도에 따라 네른스트(Nernst) 식에 의해 변화되는 원리를 따르고 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 센서는 도 1에 나타난 바와 같이 고체전해질, 상기 고체전해질에 형성되는 기준전극 및 감지전극, 상기 감지전극을 감싸는 필터층, 상기 기준전극 및 감지전극과 각각 연결되어 연장되는 한 쌍의 기전력 리드선으로 이루어져 있다.
상기 고체전해질은 나시콘(NASICON, Na3Zr2Si2PO12)이나 베타알루미나(β-alumina, Na2O·χAl2O3) 등의 나트륨이온(Na+) 전도체 물질을 사용하고, 상기 기전력 리드선은 금선이나 백금선을 사용하며, 기준전극은 Na2Ti6O13과 TiO2의 혼합물이 사용되고, 감지전극으로는 탄산나트륨을 포함하는 탄산염(Na2CO3와 BaCO3의 혼합물)을 이용한다.
본 발명에 따른 상기 센서는 이산화탄소 측정기의 핵심요소로 대기 중의 수분 또는 타 환경오염가스에 의하여 신호값의 오차를 유발하고 나아가 열화에 의해 감지전극에서의 지속적인 나트륨의 휘발로 인하여 센서의 퇴화를 일으킬 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이 감지전극 보호구조의 필터층을 도입한다. 상기 필터층은 가스의 출입이 원활하도록 다공성의 나트륨을 포함하는 세라믹으로 제작되며, 감지전극을 감싸도록 장착된다. 또한 외부 환경에 의한 영향을 최소화하기 위하여 상기 필터층과 고체전해질 사이의 접촉부를 밀봉시키는 밀봉층을 더 가짐으로서 센서의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 상기 제작된 이산화탄소 감지 센서의 사진을 도 1의(b)에 나타냈다.
상기 제작된 이산화탄소 감지 센서는 취급이 편리하고 외부 환경으로부터 보호하여 센서의 수명을 연장시켜주기 위해 상기 이산화탄소 감지 센서를 장착 고정하는 센서 거치대 내에 위치하도록 설계, 제작 되었다.
본 발명에 따른 상기 센서 거치대를 도 2에 나타냈으며, 센서 거치대는 상기 이산화탄소 감지 센서를 구성하는 고체 전해질과 같은 재질의 화학적으로 안정한 세라믹 재료를 가공하여 제작되어 진다. 제작된 센서 거치대는 두 부분으로 분해가 가능하고 센서 거치대의 중앙에 센서가 위치하여 일 측으로 센서의 신호를 받아들이는 한 쌍의 기전력 리드선이 상기 센서 거치대 외부로 노출 연장되고, 상기 센서 거치대의 내부에 상기 이산화탄소 감지 센서에 인접하여 센서가 위치한 곳의 온도를 측정하는 열전대(Thermocouple wire) 및 열전대 리드선이 구비되어 있으며, 상기 한 쌍의 열전대 리드선이 상기 센서 거치대 외부로 노출 연장되어 있다. 상기와 같이 이산화탄소 감지 센서와 열전대를 거치대 내부에 장착시킨 후 거치대와 거치대 사이를 세라믹 접착제를 사용하여 접합시킨다.
본 발명에 따른 상기 이산화탄소 감지 센서를 구동시키기 위해 구동온도를 일정하게 유지시켜주는 외부 열원으로 상기의 센서 거치대를 수용하는 중공부를 가지며 그 외부에 발열체를 구비한 히터를 도 3에 나타난 바와 같이 제작하여 사용한다.
이산화탄소 감지 센서를 상기의 센서 거치대를 사용하지 않고 상기 히터의 내부에 삽입시킬 경우에는 센서와 열전대의 위치가 균일하지 못하고, 히터 내부에 고정되어 있지 않는 구조를 가지므로 센서 신호의 재현성이 떨어지며 내구성에 문제점이 생기게 되며, 고온구동으로 인한 열화로 일정한 온도를 제어할 수 없어 센서의 신호오류를 유발시키게 되고 감지전극재료의 휘발이 활발해져 센서의 수명이 줄어들게 되는 문제점을 나타낸다.
따라서 상기의 센서 거치대를 사용하는 것은 기존의 이산화탄소 센서에서 상용화의 걸림돌인 열화에 따른 즉, 고온 구동으로 인한 감지전극에서의 감지전극재료의 휘발을 막고 감지전극 자체가 외부분위기에 노출되는 것을 막아 센서의 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 히터는 길이 2.5 ㎝의 원통형 고순도 알루미나 튜브(99.9% 이상)에 균일한 내부 온도를 유지하기 위하여 전기적 저항이 큰 철-크롬-알루미늄-코발트 합금의 칸탈 열선을 권선수 20회로 일정한 간격의 나사선 형태로 감아 제작되며, 칸탈 열선이 인접하는 사이에 세라믹 접착제가 채워져 고정됨과 동시에 전기적 단락 을 막을 수 있다. 또한 열손실 및 장기간 구동 시 세라믹 접착제의 떨어짐을 방지하기 위해 상기 열선이 감겨진 튜브의 외측으로 두께 1㎜의 원통형 알루미나 튜브가 긴밀하게 감싸질 수 있다.
상기에서 제작된 히터는 도 4에 나타낸 바와 같이 이산화탄소 감지 센서의 구동온도인 500도에 도달하기 위해 인가전압 7.8V-2.9A가 필요하며 이때 소비전력으로 약 20W 가 소요되고, 도 5에 나타난 바와 같이 전압 인가 15분 후에 구동온도 500도에 빠른 속도로 도달된다. 이는 고온에서 구동하는 이산화탄소 감지 센서가 초기 동작할 때 초기 신호가 안정화되는데 걸리는 시간에 영향을 미치는 요인으로써 기존의 스크린 프린팅 방식을 이용한 백금히터보다 상기에서 제작된 히터가 훨씬 빠르게 안정화되어 센서의 초기 동작 시간을 30분 이내로 단축시킬 수 있다.
상기와 같이 제작된 이산화탄소 감지 센서 모듈은 상기 이산화탄소 감지 센서 및 센서거치대를 수용하고 있는 히터를 받침대와 상기 히터를 감싸며 상기 받침대와 결합되는 덮개로 이루어진 외장용기로 도 6과 도 7과 같이 패키징되어 외부환경과 차단됨으로서 이산화탄소 감지 센서를 안정화시키는 동시에 열손실을 줄여 소비전력을 낮추게 된다.
상기의 외장용기는 히터에서 발산되는 300 내지 500 ℃의 고온에서 잘 견디면서 외부의 온도변화에도 내부의 온도가 바뀌지 않고 가공이 용이한 알루미나 계 통의 뮬라이트(3Al2O3·2SiO2)로 이루어져 있다.
상기의 받침대를 도 6의 (a)와 (b)에 나타냈으며, 상기 외장용기의 받침대 하부에는 6개의 핀이 연장, 노출되어 있으며, 상기 핀은 히터에 전압을 인가해 주는 한 쌍의 히터 리드선, 이산화탄소 감지 센서의 신호를 처리해 주는 한 쌍의 기전력 리드선과 히터 내부의 온도를 측정하는 한 쌍의 열전대 리드선과 연결된다.
상기의 핀은 상기 외장용기 받침대 하부에 세라믹 접착제를 사용하여 고정된다.
받침대와 상기 히터를 감싸며 상기 받침대와 결합되는 덮개로 이루어진 외장용기 또한 열손실을 줄여 소비전력을 낮추기 위해 도 7의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 히터를 감싸며 상기 받침대와 결합되는 덮개로 패키징한 후 상기 외장용기의 덮개 내부에 이산화탄소 감지센서가 대기 중에 존재하는 수분에 의해 방해를 받는 것을 방지하기 위해 제올라이트 분말 또는 실리카겔 등의 흡습재를 채웠다. 이는 도 8에 나타난 바와 같이 상기 제올라이트 분말을 외장용기 내부에 채움으로서 초기의 기전력을 안정화시키는데 걸리는 시간을 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
또한 이산화탄소 측정기의 전기회로와 연결을 용이하게 하기 위해 이산화탄소 감지 센서를 포함하고 있는 외장용기의 받침부 하부에 상기 6개의 핀과 전기적인 연결을 위하여 전기회로기판인 PCB 기판이 도 9의 (a)와 (b)와 같이 주 측정회로에 탈부착이 용이한 패키징 구조로 결합시킨다.
상기 PCB 기판은 외장용기부의 교체를 위한 이산화탄소 측정기와의 탈부착을 편리하게 하고 외장용기부를 지지해 주는 역할을 하며, 센서의 사용시간, 감도 및 기전력상수 등의 특성데이터가 저장된 EEPROM 등의 메모리 소자 및 정확한 온도 제어를 위한 온도보상회로를 포함하여 안정적인 구동온도 구현과 개별 센서의 특성을 시스템이 자동으로 읽어 들이는 역할을 한다.
상기의 이산화탄소 감지 센서 모듈을 장착한 프로토타입(Prototype) 측정기의 이산화탄소 반응 감지 특성을 대기 중에서 구동전압 7V, 소비전력 16W로 장기 안정성을 측정한 결과를 도 10에 나타냈다. 도 10에 나타난 바와 같이 250일 동안 신호 변화가 거의 없는 것으로 보아 기존의 이산화탄소 센서에 비해 상당히 장기간동안 안정함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 고체 전해질형 이산화탄소 감지 센서 및 이를 포함하는 이산화탄소 감지 센서 모듈은 기존의 전기화학식 이산화탄소 계측기보다 월등한 장기 안정성을 보여주며, 센서의 수명을 연장시키고, 고온에서 장기구동으로 인한 히터의 열화를 억제하여 반영구적 사용이 가능하고, 대기 중의 수분에 의한 영향을 최소화할 수 있는 새로운 방식의 패키징 구조이다. 또한 본 발명의 이산화탄소 센서 모듈 구조는 이산화탄소 측정 전기회로 시스템과의 연결이 편리하여 쉽게 센서를 측정기에 장착할 수 있기 때문에 사용자가 센서의 교환이 필요할 경우, 전문가의 도움 없이 쉽게 센서를 측정시스템에 장착할 수 있다. 또한 센서모듈을 시스템에 장착 시, 센서모듈에 포함된 메모리소자를 통해서 개별센서의 특성을 시스템이 자동으로 읽어 들여 최적의 측정값을 계산하는 알고리즘을 운용할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 안정적인 구동온도 구현과 적절한 외부와의 차폐구조를 통하여 센서의 안정성을 향상시킬 수 있다.
Claims (15)
- 고체전해질, 상기 고체전해질에 형성되는 기준전극 및 감지전극, 상기 감지전극을 감싸는 필터층, 상기 기준전극 및 감지전극과 각각 연결되어 연장되는 한 쌍의 기전력 리드선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서.
- 제 1항에 있어서,상기 필터층과 고체전해질 사이의 접촉부를 밀봉하는 밀봉층을 더 가지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서.
- 제 1항 또는 제2항에 있어서,상기 필터층은 다공성의 세라믹재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서.
- 상기 제 1항 내지 제 3항 중에서 선택되는 어느 한 항의 이산화탄소 감지 센서; 및 상기 이산화탄소 감지 센서를 장착 고정하는 센서 거치대; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 4항에 있어서,상기 센서 거치대는 2개 이상으로 분리가 가능한 다공성 세라믹으로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 5항에 있어서,상기 센서 거치대의 내부 일 측에 상기 이산화탄소 감지센서에 인접하여 온도를 측정하는 열전대 및 한 쌍의 열전대 리드선이 구비되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 6항에 있어서,상기 한 쌍의 기전력 리드선 및 한 쌍의 열전대 리드선이 상기 센서 거치대 외부로 노출 연장되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 5항 내지 제 7항 중에서 선택되는 어느 한 항의 센서 거치대를 수용하는 중공부를 가지며 그 외부에 발열체를 구비한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 8항에 있어서,상기 히터는 소정 두께의 원통형 세라믹 튜브와 상기 튜브 외측에 일정간격으로 다수 감겨지는 열선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 9항에 있어서,상기 열선이 감겨진 튜브 외측으로 두께 1mm 정도의 원통형 알루미나 튜브가 긴밀히 감싸지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 10항에 있어서,상기 이산화탄소 감지센서 모듈은 상기 이산화탄소 감지센서 및 센서거치대를 수용하고 있는 히터를 지지하는 받침대와 상기 히터를 감싸며 상기 받침대와 결합되는 덮개로 이루어진 외장용기로 패키징된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 11항에 있어서,상기 외장용기의 내부에 제습용 분말이 채워지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 감지센서 모듈.
- 제 4항의 이산화탄소 감지 센서 모듈을 덮는 외장용기의 받침부 하부와 전기적인 연결을 위하여 주 측정회로 기판과 탈부착식의 패키징 구조로 결합하는 것을 특징으로 하는 전기회로 기판.
- 제 13항에 있어서,상기 전기회로 기판은 장착된 센서의 특성 데이터를 저장하는 메모리소자가 장착되는 것을 특징으로 하는 전기회로 기판.
- 제 14항에 있어서,상기 전기회로 기판은 온도보상회로 및 온도보상 온도소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기회로 기판.
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