KR20100101876A - 가스 센서 및 가스 농도 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 센서 및 가스 농도 측정 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 측정 대상 가스와 화학적으로 결합하여 이를 흡수하되 소정 온도 이상에서 상기 흡수된 측정 대상 가스를 방출시키는 가스 축적부 및 상기 가스 축적부로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 센서부를 포함하는 가스 센서를 제공한다.
본 발명에 따르면, 저 농도의 산화 질소 가스를 빠른 시간 안에 높은 정밀도로 측정할 수 있는 가스 센서 및 가스 농도 측정 방법을 얻을 수 있다.
가스 센서, 배가 가스, 산화 질소, NOx
Description
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로서, 특히, 저 농도의 산화 질소 가스를 빠른 시간 안에 높은 정밀도로 측정할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다.
자동차 배기 가스 등에 포함된 특정 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서의 경우, 측정 대상 가스의 농도에 따라 전기 저항, 전위, 전류 등과 같은 전기적 검출 신호를 생성시키며, 이렇게 생성된 전기적 신호를 측정하는 방식을 주로 사용한다.
그런, 자동차 배기 가스 측정의 경우, 그 측정 환경의 혹독함으로 인해 높은 내구성과 빠른 측정 시간이 요구된다. 또한, 자동차 배기 가스에서 주로 측정되는 산화 질소(NOx) 가스의 경우, 그 배출 양이 일정하지 않을 뿐만 아니라 미량인 관계로 정밀한 측정이 어렵다. 따라서, 당 기술 분야에서는 측정 대상 가스에 대한 감응성이 높아 정밀한 측정이 가능함과 더불어 내구성 및 신속성을 갖는 가스 센서가 요구된다.
본 발명의 일 목적은 저 농도의 산화 질소 가스를 빠른 시간 안에 높은 정밀도로 측정할 수 있는 가스 센서 및 가스 농도 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
측정 대상 가스와 화학적으로 결합하여 이를 흡수하되 소정 온도 이상에서 상기 흡수된 측정 대상 가스를 방출시키는 가스 축적부 및 상기 가스 축적부로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 센서부를 포함하는 가스 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스일 수 있다.
이 경우, 상기 가스 축적부는 200 ~ 400℃의 온도에서 산화 질소 가스를 흡수할 수 있다.
또한, 상기 가스 축적부는 450℃ 이상의 온도에서 상기 흡수된 산화 질소 가스를 방출시킬 수 있다.
또한, 상기 가스 축적부는 일산화질소를 이산화질소로 변환하는 제1 물질과 이산화질소와 화학적으로 결합한 후 소정 온도 이상에서 결합된 이산화질소를 방출 시키는 제2 물질을 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 물질은 Pt, Au 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로 선택된 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 물질은 BaO, KO2 및 페롭스카이트 구조의 산화물로 구성된 그룹으로 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가스 축적부는 상기 제1 및 제2 물질이 표면에 형성된 몸체부를 더 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 몸체부는 그 표면에 형성된 다수의 돌기부를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스이며, 상기 센서부는 산화 질소를 산소 가스와 질소 가스로 분해하고, 상기 분해된 산소 가스를 전해질에 해리시켜 얻어진 산소 이온의 농도를 측정하는 것일 수 있다.
이 경우, 상기 센서부에 주입될 가스에 포함된 산소 가스를 제거하는 산소 펌핑부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 산소 펌핑부는 상기 가스 축적부와 상기 센서부의 사이의 가스 경로에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 센서부는 금속촉매전극 및 산화물촉매전극 을 구비하며, 상기 금속촉매전극 및 산화물촉매전극에서 상기 측정 대상 가스와의 촉매 반응에 의해 발생된 전위차를 측정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 센서부는 반도체 산화물 전극을 구비하며, 상기 측정 대상 가스가 상기 반도체 산화물 전극에 흡착됨에 따른 전기 저항의 변화를 측정하는 것일 수 있다.
한편, 상술한 실시 예와 달리, 상기 가스 축적부는 측정 대상 가스와 화학적으로 결합하여 이를 흡수하되 환원 분위기에서 상기 흡수된 측정 대상 가스를 방출시킬 수도 있다.
이 경우, 상기 환원 분위기는 자동차의 연료 분사 또는 수소 가스에 의해 얻어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은,
측정 대상 가스를 가스 축적 물질에 흡수시키는 단계와, 상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계 및 상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계를 포함하는 가스 농도 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물 질로부터 방출시키는 단계는 방출된 후의 상기 측정 대상 가스의 농도가 상기 가스 축적 물질에 흡수되기 전의 상기 측정 대상 가스의 농도보다 크도록 실행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계는 상기 가스 축적 물질을 소정 온도 이상으로 가열하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계는 환원 분위기에 의해 실행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스이며, 상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계는 산화 질소를 산소 가스와 질소 가스로 분해하고, 상기 분해된 산소 가스를 전해질에 해리시켜 얻어진 산소 이온의 농도를 측정하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계는 금속촉매전극 및 산화물촉매전극에서 상기 측정 대상 가스와의 촉매 반응에 의해 발생된 전위차를 측정하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계는 상기 측정 대상 가스가 반도체 산화물 전극에 흡착됨에 따른 전기 저항의 변화를 측정하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저 농도의 산화 질소 가스를 빠른 시간 안에 높은 정밀도로 측정할 수 있는 가스 센서 및 가스 농도 측정 방법을 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 가스 센서는 가스 축적부(101) 및 센서부(102)를 갖추어 구성된다. 자동차 등에서 배출되는 배기 가스는 가스 축 적부(101)를 거쳐 센서부(102)에 주입될 수 있다.
상기 가스 축적부(101)는 주입된 측정 대상 가스를 축적하여 이를 방출시키는 기능을 하며, 일정 시간 동안 흡수(uptake)된 가스를 한번에 모아서 방출(release)시키므로, 방출된 측정 대상 가스는 주입될 때보다 높은 농도를 갖는다. 상기 측정 대상 가스는 자동차 배기 가스 등에 포함된 산화 질소 가스(NO, NO2)일 수 있으며, 그 농도가 상대적으로 낮아 측정 결과가 주위 환경, 예컨대, NH3 등의 다른 가스의 양에 많은 영향을 받는다. 본 실시 형태와 같이, 가스 축적부(101)를 사용하여 산화 질소 가스를 고 농도로 방출시킨다면 센서부(102)에서 보다 정밀한 측정을 수행할 수 있다. 이하에서는 상기 가스 축적부(101)의 가스 축적 원리 및 그 구조를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에서 채용될 수 있는 가스 축적부의 구성을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 3 및 도 4는 가스 축적부에서 가스가 각각 흡수 및 방출되는 원리를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 가스 축적부(101)는 산화 질소 가스(이하, NOx와 병행하여 표기함)의 주입 경로 상에 배치되어, 이를 흡수한 후 동일하거나 다른 종류의 산화 질소 가스, 예컨대, 일산화질소(NO) 가스로 방출할 수 있다. 다만, 온도와 분위기에 따라 이산화질소(NO2) 가스로 방출될 수도 있다.
이러한 가스 축적 기능을 수행하기 위하여, 상기 가스 축적부(101)는 일산화질소를 이산화질소(NO2)로 변환하는 제1 물질(121) 및 이산화질소와 화학적으로 결합하되 소정 온도 이상에서 결합된 이산화질소를 방출시키는 제2 물질(131)을 구비하며, 상기 제1 및 제2 물질(121, 131)은 몸체부(111)의 표면에 형성된다. 예컨대, 상기 몸체부(111)는 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹이나 지르코이나와 같은 고체 전해질로 이루어질 수 있으며, 가스와의 접촉 면적이 최대한으로 확보되도록 도 2에 도시된 것과 같이, 그 표면에 형성된 다수의 돌출부를 가질 수 있다.
상기 제1 물질(121)은 도 3에서 볼 수 있듯이, 일산화질소를 이산화질소로 변환하도록 Pt, Au 등과 같은 귀금속 물질이나 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 물질(121)에 의해 형성된 이산화질소는 상기 제2 물질(131)에 흡수되며, 상기 제1 물질(121)을 거치지 않고 본래부터 존재하던 이산화질소 역시 상기 제2 물질(131) 흡수될 수 있다. 상기 제2 물질(131)은 소정 온도보다 낮은 조건에서는 이산화질소를 흡수하며, 이보다 높은 온도 조건에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 흡수된 산화 질소 물질을 일산화질소 가스 형태로 방출시킬 수 있다. 따라서, 상기 가스 축적부(101)의 온도를 적절히 조절한다면 높은 농도의 산화 질소 가스를 얻을 수 있다.
이 경우, 산화 질소 가스가 방출될 수 있는 온도는 제1 및 제2 물질(202, 203)의 특성과 흡수하고자 하는 가스의 특성 등에 따라 결정되며, 자동차 배기구 주변의 통상적인 온도인 200 ~ 400℃ 정도의 범위가 상기 소정 온도보다 낮은 조건이라 할 수 있다. 이보다 높은 온도 조건은 산화 질소 가스의 방출이 필요할 경우, 상기 가스 축적부(101)를 가열함으로써 얻어질 수 있다.
이 경우, 온도에 따라 선택적으로 산화 질소 가스를 흡수 또는 방출할 수 있는 상기 제2 물질(131)로서 BaO를 들 수 있다. BaO는 NO2와 결합하여 BaNO3를 형성하며, 소정 온도 이상에서 NO 형태로 산화 질소 가스를 방출시킬 수 있는 물질이다. 이와 유사한 기능을 할 수 있는 물질로서 KO2, 페롭스카이트(Perovskite) 계열의 산화물, 예컨대, BaTiO3, SrTiO3, SrZrO2 등이 있다.
도 5는 본 발명에서 채용된 가스 축적부의 온도 범위에 따른 산화 질소 가스의 변환 효율을 나타내는 그래프이며, 실선은 초기 상태를, 점선은 시효된 상태의 가스 축적 물질을 사용한 경우를 각각 나타낸다. 또한, 산화 질소 가스의 변환 효율은 가스 축적부에 흡수된 산화 질소 가스의 비율로 정의될 수 있다. 도 5를 참조하면, 자동차 배기 가스의 일반적인 온도 범위인 약 200 ~ 400℃에서 산화 질소 가스의 흡수 반응이 우월하게 일어나는 것을 알 수 있다.
따라서, 가스 축적부에 따로 열을 가하지 않는다면 가스 축적부에는 많은 양 의 산화 질소 가스가 흡수되며, 가스 축적부로부터 미량만이 방출될 것이다. 가스 축적부에 충분한 산화 질소 가스가 흡수된 후, 이를 약 450℃로 가열하면 흡수되었던 산화 질소 가스가 방출되어 가스 축적부를 빠져나가며, 특히, 약 500℃ 이상의 온도 조건에서는 대부분의 산화 질소 가스가 방출될 수 있다. 가스 축적부의 온도를 조절하기 위하여 상기 가스 축적부는 별도의 가열 수단을 구비할 수 있으며, 가열 수단의 온도를 적절히 조절함으로써 특정 시간 대에서 주기적으로 가스 농도를 측정할 수 있다. 다만, 본 실시 형태와 같은 가스 농도 측정 방식의 경우, 산화 질소 가스의 실시간으로 변화하는 농도를 알아내기 위해서는 가스 측정부 및 센서부와 연결되어 농축된 산화 질소 가스로부터 실시간의 농도 변화를 해석할 수 있는 별도의 시스템이 요구된다.
이와 같이, 동시 다발적으로 방출된 산화 질소 가스는 가스 축적부에 주입되었던 가스와 비교하여 그 농도가 매우 높으며, 이에 따라, 센서부에서 측정 정밀도를 대폭 향상시킬 수 있다. 산화 질소 가스의 농도가 낮은 경우, 예컨대, 0 ~ 10ppm의 농도에서는 NH3와 같은 측정 외 가스에 의해 NOx의 측정 농도가 큰 영향을 받게 되어 정밀도가 저하되며, 본 실시 형태에서는 이러한 문제가 거의 발생하지 않게 된다. 또한, BaO와 같은 가스 축적 물질은 산화 질소 가스를 흡수 및 방출시키는 속도가 빨라 이를 이용한 가스 센서는 빠른 반응 속도를 나타낼 수 있다.
다만, 가스 축적부(101)에 흡수된 산화 질소 가스는 온도 조건을 조절하는 것 외에 적절한 환원 분위기를 형성하는 것에 의해서도 방출될 수 있다. 도 6은 가스 축적부에 흡수된 산화 질소 가스가 환원 분위기에 의해 방출되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 축적부를 가열하지 않더라도 수소 가스 분위기를 조성함으로써 흡수된 산화 질소는 방출될 수 있으며, 이러한 환원 분위기는 수소 가스 외에 자동차 연료를 주입하는 경우에도 얻어질 수 있다.
한편, 상기 센서부(102)는 산화 질소 가스로부터 발생된 산소 이온 농도를 측정하는 이른바, 제한전류식 센서(amperometric sensor)일 경우에는 산소 가스를 따로 제거할 필요가 있다. 이를 도 7 내지 9를 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 가스 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도이며, 도 8은 본 발명에서 채용될 수 있는 산소 펌핑부 및 센서부의 구조 및 기능을 설명하기 위한 개략도이다. 우선, 도 7을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 가스 센서는 가스 축적부(201), 산소 펌핑부(203) 및 센서부(203)를 구비하며, 배기 가스는 가스 축적부(201) 및 산소 펌핑부(203)를 거친 후 센서부(202)에 주입된다. 상기 산소 펌핑부(203)는 측정 대상 가스 중 산소를 제거하기 위한 것으로 본 실시 형태와 같이 산소 이온 농도를 기준으로 산화 질소 가스의 농도를 측정하는 방식의 경우에 필요하다.
다만, 가스 축적부(201)와 산소 펌핑부(203)의 배치 순서는 실시 형태에 따라 변경 될 수 있다. 즉, 필요에 따라, 산소 펌핑부(203)가 자동차 배기구 등에 가장 인접하여 배치됨으로써 배기 가스가 산소 펌핑부(203)를 우선적으로 거친 후 가스 축적부(201)에 주입될 수도 있다. 다만, 산소 펌핑부(203)의 온도는 일반적으로 자동차 배기 가스 온도 및 가스 축적부의 흡수 온도인 200 ~ 400℃보다 높아 가스 축적부의 온도 조절이 어려울 수 있으므로, 가스 축적부(201)와 센서부(202) 사이에 산소 펌핑부(203)를 배치하는 것이 가장 바람직하다. 상기 가스 축적부(201)는 도 2 내지 6에서 설명한 구성을 채용할 수 있으며, 이하에서는 산소 펌핑부(203)와 센서부(202)를 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 가스 축적부를 거친 가스는 산소 펌핑부(203)에 주입되며, 상술한 바와 같이, 고 농도의 산화 질소 가스를 포함하고 있다. 자동차의 배기 가스에는 NOx 외에도 CO, CO2, O2, N2, H2, HC 등의 다양한 가스가 함유되어 있으며, 상기 산소 펌핑부(203)는 이 중에서 산소 가스를 외부로 배출하도록 구성된다. 상기 센서부(202)는 산화 질소로부터 분해된 산소 가스의 양을 근거로 산화 질소 가스의 농도를 간접적으로 측정하므로, 측정의 정확도를 향상시키기 위해서는 본래부터 존재하던 산소 가스를 제거할 필요가 있다.
상기 산소 펌핑부(203)는 고체 전해질로 이루어진 본체(212), 제1 챔 버(213), 상기 제1 챔버(213)에 형성된 제1 전극(223) 및 상기 본체(233) 외부에 형성된 제2 전극(233)을 구비한다. 고체 전해질로는 대표적으로 지르코니아(ZrO2)가 있으며, 상기 제1 및 제2 전극(223, 233)에 적절한 방향의 전위차를 가하여 상기 고체 전해질에 해리된 산소 이온을 펌핑할 수 있다. 또한, 상기 산소 펌핑부(203)의 의해 산소의 농도가 낮아짐에 따라 NO 및 NO2 가스가 공존하던 상태에서 NO 가스로 단일화 될 수 있다. 이를 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 전극(223, 233)에는 전원 장치가 연결될 수 있다. 산소 가스에 대하여 촉매로서 작용하기 위하여 상기 제1 및 제2 전극(303, 304)은 Pt와 지르코니아가 혼합된 물질을 사용할 수 있으며, 표면적을 증가시키기 위해 다공성 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 센서부(202)는 고체 전해질로 이루어진 본체(212), 제2 챔버(222), 상기 제2 챔버(222)에 형성된 제3 전극(232) 및 상기 본체(212) 외부에 형성된 제4 전극(242)을 구비한다. 이 경우, 상기 센서부(202)와 산소 펌핑부(203)는 서로 본체(212)를 공유할 수 있다. 상기 제2 챔버(222)에 도달된 산화 질소 가스, 특히, 일산화질소 가스는 도 8에 도시된 바와 같이, 산소 가스와 질소 가스로 분해될 수 있으며, 이를 위해, 상기 제3 전극(232)은 Rh을 포함하는 물질로 형성함으로써 상기 일산화질소 가스의 분해에서 촉매로 기능할 수 있다. 구체적으로 상기 제3 및 제4 전극(232, 242)으로 Rh, Pt 및 지르코니아를 혼합된 물질을 사용할 수 있다.
산화 질소 가스로부터 분해된 산소 가스는 고체 전해질에 의해 산소 이온으로 해리되며, 상기 제3 및 제4 전극(232, 242)과 연결된 전원 장치에 의해 상기 제3 전극(232)으로부터 제4 전극(242)으로 이동된다. 이렇게 이동된 산소 이온의 흐름은 전류의 흐름에 해당하며, 그 크기를 측정함으로써 간접적으로 산화 질소 가스의 농도를 측정할 수 있다. 이 경우, 산소 이온의 흐름의 크기는 산화 질소 가스 농도에 연관되며, 본 실시 형태와 같이, 가스 축적부에 의해 산화 질소 가스의 농도를 증가시킴으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명에서 채용될 수 있는 가스 축적부, 산소 펌핑부 및 센서부의 배치 구조를 나타내는 개략도이다. 도 9에 도시된 실시 형태의 경우, 가스 센서(200)는 본체(212) 내부에 가스 축적부(201), 산소 펌핑부(203) 및 센서부(202)가 일체로 형성된 구조이다. 이 경우, 상기 가스 축적부(201)에 열을 가하기 위한 가열 수단(241)이 형성될 수 있으며, 상기 산소 펌핑부(203) 및 센서부(202)의 전극 구조는 따로 도시하지 아니하였다. 이 경우, 상기 가스 축적부(201)와 가열 수단(241)은 독립적인 모듈로 구성될 수 있으며, 나머지 구성 요소, 즉, 산소 펌핑부(203) 및 센서부(202)와 접합되어 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서 센서부는 상술한 내용과 같이 산소 이온을 측정하는 방식이 아닌 다른 방식을 채용할 수 있다. 도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시 형태에서 채용될 수 있는 센서부를 설명하기 위한 개략도이다.
도 10에 도시된 실시 형태의 경우, 센서부(302)는 본체(312) 및 그 위에 형성된 금속촉매전극(332) 및 산화물촉매전극(342)을 구비한다. 상기 센서부(302)는 소위 혼합 전위 방식으로 칭할 수 있으며, 상기 산화물촉매전극(342)이 측정용 전극이 되고 상기 금속촉매전극(332)이 기준 전극이 된다. 이 경우, 상기 본체(312)는 이전 실시 형태와 마찬가지로 지르코니아 등의 고체 전해질로 이루어질 수 있다. 산화 질소 가스의 경우, 상기 금속촉매전극(332) 및 산화물촉매전극(342)에서 각각 상이한 촉매 반응을 일으키며, 이에 의해 발생된 전위차를 측정함으로써 산화 질소 가스의 농도를 알 수 있다. 이 경우, 상기 금속촉매전극(332)은 Pt를 함유하는 물질로 형성할 수 있으며, 상기 산화물촉매전극(342)은 ZnFe2O4, NiCr2O4, CdCr2O4, CdMn2O4 등으로 형성할 수 있다. 이러한 기술적 특징에 따라, 본 실시 형태의 경우에는 산소 펌핑부를 구비하지 않을 수 있다.
다음으로, 도 11에 도시된 실시 형태의 경우, 센서부(402)는 반도체 산화물로 이루어진 전극(412)을 구비하는 것으로서 반도체식 센서에 해당한다. 반도체식 센서는 반도체 표면에 가스가 접촉하였을 때 발생하는 전기전도도의 변화를 이용하는 방식으로 이해할 수 있다. 상기 반도체 산화물 전극(412)에 공기 중의 산소가 흡착되면 자유전자는 입자표면의 산소 기체에 O-로 포획되며, 이에 의해 상기 반도체 산화물 전극(412)을 이루는 입자의 전위 장벽이 높아진다. CO와 같은 환원성 가스나 LNG같은 가연성 가스는 이렇게 흡착된 산소와 반응하여 이를 탈착시키며 이에 따라 포획되었던 전자들이 다시 금속 산화물 내로 돌아가 전기전도도는 커지게 된다. 이와 반대로 NO2와 같은 산화성 가스는 NO2 -로 흡착되어 전자를 포획하므로 전기전도도는 감소하게 되며, 이러한 원리를 이용하여 금속 산화물의 저항 변화를 통해 가스 농도를 측정하는 것이다. 이 경우, 상기 반도체 산화물 전극(412)으로는 SnO2, ZnO, WO3, InO3 등을 사용할 수 있다. 한편, 도 10의 실시 형태와 마찬가지로 본 실시 형태의 경우에도 산소 펌핑부를 구비하지 않을 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명에서 채용될 수 있는 가스 축적부의 구성을 개략적으로 나타낸 것이며, 도 3 및 도 4는 가스 축적부에서 가스가 각각 흡수 및 방출되는 원리를 나타낸다.
도 5는 본 발명에서 채용된 가스 축적부의 온도 범위에 따른 산화 질소 가스의 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 가스 축적부에 흡수된 산화 질소 가스가 환원 분위기에 의해 방출되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 가스 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도이며, 도 8은 본 발명에서 채용될 수 있는 산소 펌핑부 및 센서부의 구조 및 기능을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 본 발명에서 채용될 수 있는 가스 축적부, 산소 펌핑부 및 센서부의 배치 구조를 나타내는 개략도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시 형태에서 채용될 수 있는 센서부를 설명하기 위한 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101: 가스 축적부 102: 센서부
103: 산소 펌핑부 111: 몸체부
121, 131: 제1 및 제2 물질 212: 본체
213, 222: 제1 및 제2 챔버 223, 233: 제1 및 제2 전극
232, 242: 제3 및 제4 전극 241: 가열 수단
332: 금속촉매전극 342: 산화물촉매전극
412: 반도체 산화물 전극
Claims (23)
- 측정 대상 가스와 화학적으로 결합하여 이를 흡수하되 소정 온도 이상에서 상기 흡수된 측정 대상 가스를 방출시키는 가스 축적부; 및상기 가스 축적부로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 센서부;를 포함하는 가스 센서.
- 제1항에 있어서,상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제2항에 있어서,상기 가스 축적부는 200 ~ 400℃의 온도에서 산화 질소 가스를 흡수하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제2항에 있어서,상기 가스 축적부는 450℃ 이상의 온도에서 상기 흡수된 산화 질소 가스를 방출시키는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제2항에 있어서,상기 가스 축적부는 일산화질소를 이산화질소로 변환하는 제1 물질과 이산화질소와 화학적으로 결합한 후 소정 온도 이상에서 결합된 이산화질소를 방출시키는 제2 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제5항에 있어서,상기 제1 물질은 Pt, Au 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제5항에 있어서,상기 제2 물질은 BaO, KO2 및 페롭스카이트 구조의 산화물로 구성된 그룹으로 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제5항에 있어서,상기 가스 축적부는 상기 제1 및 제2 물질이 표면에 형성된 몸체부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제8항에 있어서,상기 몸체부는 그 표면에 형성된 다수의 돌기부를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제1항에 있어서,상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스이며,상기 센서부는 산화 질소를 산소 가스와 질소 가스로 분해하고, 상기 분해된 산소 가스를 전해질에 해리시켜 얻어진 산소 이온의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제10항에 있어서,상기 센서부에 주입될 가스에 포함된 산소 가스를 제거하는 산소 펌핑부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제11항에 있어서,상기 산소 펌핑부는 상기 가스 축적부와 상기 센서부의 사이의 가스 경로에 배치된 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제1항에 있어서,상기 센서부는 금속촉매전극 및 산화물촉매전극을 구비하며, 상기 금속촉매전극 및 산화물촉매전극에서 상기 측정 대상 가스와의 촉매 반응에 의해 발생된 전위차를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 제1항에 있어서,상기 센서부는 반도체 산화물 전극을 구비하며, 상기 측정 대상 가스가 상기 반도체 산화물 전극에 흡착됨에 따른 전기 저항의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 측정 대상 가스와 화학적으로 결합하여 이를 흡수하되 환원 분위기에서 상기 흡수된 측정 대상 가스를 방출시키는 가스 축적부; 및상기 가스 축적부로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 센서부;를 포함하는 가스 센서.
- 제15항에 있어서,상기 환원 분위기는 자동차의 연료 분사 또는 수소 가스에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
- 측정 대상 가스를 가스 축적 물질에 흡수시키는 단계;상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계; 및상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계;를 포함하는 가스 농도 측정 방법.
- 제17항에 있어서,상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계는 상기 가스 축적 물질을 소정 온도 이상으로 가열하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
- 제18항에 있어서,상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계는 방출된 후의 상기 측정 대상 가스의 농도가 상기 가스 축적 물질에 흡수되기 전의 상기 측정 대상 가스의 농도보다 크도록 실행되는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
- 제17항에 있어서,상기 측정 대상 가스 물질을 상기 가스 축적 물질로부터 방출시키는 단계는 환원 분위기에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
- 제17항에 있어서,상기 측정 대상 가스는 산화 질소 가스이며,상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계는 산화 질소를 산소 가스와 질소 가스로 분해하고, 상기 분해된 산소 가스를 전해질에 해리시켜 얻어진 산소 이온의 농도를 측정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
- 제17항에 있어서,상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계는 금속촉매전극 및 산화물촉매전극에서 상기 측정 대상 가스와의 촉매 반응에 의해 발생된 전위차를 측정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
- 제17항에 있어서,상기 가스 축적 물질로부터 방출된 상기 측정 대상 가스의 농도를 측정하는 단계는 상기 측정 대상 가스가 반도체 산화물 전극에 흡착됨에 따른 전기 저항의 변화를 측정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 농도 측정 방법.
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| CN114460140A (zh) * | 2020-11-09 | 2022-05-10 | 长城汽车股份有限公司 | 一种氮氧测量方法、氮氧传感器以及汽车 |
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