KR20120101383A - 배기 부재를 포함하는 센서 - Google Patents

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KR20120101383A
KR20120101383A KR1020127012146A KR20127012146A KR20120101383A KR 20120101383 A KR20120101383 A KR 20120101383A KR 1020127012146 A KR1020127012146 A KR 1020127012146A KR 20127012146 A KR20127012146 A KR 20127012146A KR 20120101383 A KR20120101383 A KR 20120101383A
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마이클 앨빈 브라운
타우너 베닛 쉐플러
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마인 세이프티 어플라이언시즈 컴파니
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Abstract

센서(10)는, 하우징(20), 하우징 내의 2개 이상의 전극(50, 60, 70), 전극들 간에 이온 전도성을 제공하는 전해질, 및 하우징 내에서 유로(24)를 통해 연장된 부분(84)을 가진 제1 섹션(82)을 구비한 배기 부재(80)를 포함한다. 배기 부재는 또한, 하우징 내부의 적어도 일부를 통해 연장되며 제1 섹션과 연결된 하나 이상의 연장 부재(83)를 포함한다. 배기 부재의 제1 섹션(82)은, 가스가 하우징 내부로부터 배기 부재를 통해 하우징 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진다. 센서의 내부로부터 가스를 배출하는 해당 방법을 또한 개시한다.

Description

배기 부재를 포함하는 센서{SENSOR COMPRISING VENT MEMBER}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 일련번호 제61/256,712호의 이익을 주장하며, 개시내용 전체가 이에 참고로서 포함된다.
본원에 사용된 용어는 본 명세서에 달리 명확하게 나타낸 것이 아니라면 어떤 특정의 좁은 해석으로 제한되지 않아야 한다. 본원에 인용된 모든 참조의 개시내용이 참고로서 포함된다.
전류측정식 전기화학 가스 센서는 배터리 및 연료 전지와 구조 및 작동이 유사한 전기화학 전지이다. 그에 따라, 이러한 3개의 장치는, (i) 양극 또는 양극 구획(anode compartment, 전기화학 산화가 일어남), (ii) 음극 또는 음극 구획(cathode compartment, 전기화학 환원이 일어남), (iii) 이온 전도성 전해질(두 전극 간에 이온 전기접촉을 유지함), (iv) 하우징(전극들과 전해질을 둘러쌈), (v) 접점 또는 폴(일반적으로 전극들 및 외부 회로 간의 금속 전기 접점임), 및 (vi) 이러한 장치들과 관련하여 사용되는 외부 전자 회로를 포함하는 여러 구조물을 공통으로 구비한다. 배터리 및 연료 전지는 주로 전원으로 기능하며, 이들이 전기접촉 상태로 배치될 수 있는 회로에 설계상의 제한을 거의 가하지 않는다. 전류측정식 가스 센서는 적절한 기능을 위해 특정의 구동 회로(예컨대, 포텐시오스탯(Potentiostat))의 사용을 자주 요구한다. 그러나, 연료 전지와 유사하게 기능하며 목표 또는 분석 가스(analyte gas)의 존재 시에 양극과 음극 사이로 흐르는 전류를 측정하는 방법만을 요구하는 전류측정식 가스 센서도 있다.
배터리는 자체내장형(self-contained) 전기화학 에너지 저장/변환 장치이다. 배터리는, 양극과 음극 모두가 상이한 전기화학 에너지를 가진 비교적 다량의 물질을 포함하거나 이와 긴밀한 전기접촉을 이루도록 마련된다. 배터리의 양극 폴 및 음극 폴이 전자 회로와 연결될 때, 상당한 유효 용량의 전류가 전자 회로를 통해 흐른다. 이러한 전류의 소스는 양극 물질 및 음극 물질의 전기화학 변환(산화 및 환원)이다. 유효 수명 또는 용량의 전기 에너지를 제공하기에 충분한 양극 물질 및 음극 물질로 제조된다는 점에서, 배터리는 전기화학적 관점으로 자체내장형이다. 그에 따라, 배터리는 통상 양호하게 밀봉된다. 많은 설계에서 배터리는 기밀하게 밀봉된다. 배터리의 일반적인 예로는, 르끌랑세 전지(Leclanche cell : “건전지” ) 및 플랑테 전지(Plante cell: 납축전지)가 포함된다.
다른 한편으론, 연료 전지는 양극 물질, 음극 물질, 또는 양극 물질과 음극 물질 모두의 외부 공급을 요구하는 전기화학 에너지 변환 장치이다. 일반적으로, 연료 전지의 전극들은 사실상 전기촉매형이다. 이와 관련하여, 연료 전지 전극들은 전지의 전기화학 반응을 지지하기 위해 전기화학 활성면을 제공하지만, 사실상 화학적으로 반응에 참여하진 않는다. 일반적으로 전기화학적 활성 전극 물질이 고갈될 때 유효 수명이 종료되는 배터리와 달리, 연료 전지는 전기화학적 활성 연료(양극 물질) 및 산화제(음극 물질)가 장치에 공급되는 한 계속 작동될 것이다. 일반적인 연료 전지의 예로는, 그로브 전지(Grove cell) 또는 수소-산소 연료 전지가 있다. 그로브 전지에서는 수소가 연료이고 산소가 산화제이다.
전류측정식 전기화학 가스 센서는 연료 전지의 특별한 경우이다. 상기 가스 센서는 통상 (발전용으로 사용되는 연료 전지에 비해) 크기가 작으며, 분석적 이점을 가진 목표 가스(즉, 분석 가스)를 연료로 사용하도록 설계된다. 목표 가스의 부재 시에는 전극에서 대량의 전기화학 변환(패러데이 반응)이 일어나지 않으므로, 본질적으로 영전류가 센서에 흐른다. 존재 시에는 분석 가스가 전기화학 산화 또는 환원을 거치게 되어, 패러데이 전류가 발생한다. 최종 전류 유동이 외부 구동 회로에 의해 감지되고, 센서의 분석 신호를 제공한다. 통상적으로, 관찰된 전류는 분석 가스의 농도에 정비례한다.
앞서 논의된 바와 같이, 배터리, 연료 전지, 전류측정식 전기화학 가스 센서는 많은 점에서 유사하다. 그러나, 전류측정식 가스 센서의 제조는 몇 가지 특이한 난제를 초래한다. 먼저, 배터리와 달리, 분석 가스가 전지에 유입될 수 있도록 가스 유입구가 있어야 한다. 또한, 전극 표면에서 외부 회로까지 전류를 운반하는 접점 또는 폴이 있어야 한다. 마지막으로, 센서는 고부식 수용성 산 또는 염기인 이온 전해질을 보존하도록 제조되어야 한다. 내부 액체 전해질의 누출을 방지하기 위해 전류측정식 전기화학 가스 센서를 밀봉하는 한편 분석 가스의 유입 및 최종 전류의 수집을 가능하게 하는 것은, 전기화학 가스 센서의 기계 설계에 있어 분명히 중요한 특징들이다.
산소 센서는 전류측정식 전기화학 가스 센서의 특별한 경우이다. 일반적으로, 전기화학 산소 센서는 통상 납 또는 아연의 희생 금속 양극 및 귀금속 작동 전극을 포함한다. 이러한 유형의 센서는 수년간 다양한 응용에서 산소 농도를 검출하고 측정하는 데에 사용되었다. 납계(lead-based) 센서는 제한된 수명, 유독성 금속의 사용과 같은 여러 단점이 있다.
그럼에도 불구하고, 산소 센서의 희생 금속 양극은 통상 납 양극이다. 센서로 유입된 산소는 작동 전극에서 환원되는 반면, 납 양극은 납 산화물로 산화된다. 센서는 그 내부에 전기화학적으로 접근 가능한 납이 존재하는 한 작동된다. 유효 수명을 늘리기 위해서는 납 함량을 증가하거나 산소 유입을 감소해야 한다. 센서 수명을 늘리는 이러한 방식들 각각은 관련 이점 및 단점을 가진다. 그러나, 어떤 경우이든 센서의 수명은 그 내부에 존재하는 납량에 의해 제한되며, 이는 제조 시에 결정된다.
최근에, 새로운 유형의 산소 센서(통상, "산소 펌프" 센서로 지칭됨)가 개시되었다. 산소 펌프 센서는 희생 비금속 양극을 포함하지 않는다. 대신, 산소 펌프 센서는 전기촉매 양극 또는 대향 전극을 포함한다. 센서로 유입된 산소는 작동 전극에서 산화물 이온으로 환원된다. 동시에 전해질은 대향 전극에서 산화되어, 산소가 일대일 분자 방식으로 발생한다. 이러한 유형의 산소 센서는 희생 양극을 포함하는 센서보다 훨씬 긴 유효 수명을 가질 수 있다. 그러나, 산소 펌프 센서의 적절한 작동을 보장하기 위해, 대향 전극에서 발생하는 산소를 제거할 필요가 있다. 산소를 효과적으로 제거하지 않으면, 내부에 발생한 산소가 센서를 가압하여 작동 전극으로의 경로를 발견할 수 있고, 그에 따라 센서의 분석 신호에 영향을 미친다. 추가로, 내부 압력의 증가로 인해 액체 전해질이 센서 하우징 내부에서 누출될 수 있다.
산소 펌프 원리로 작동하는 다양한 센서들이 개발되었다. 이러한 센서들은 발생 산소를 배출하는 배기 시스템을 형성하기 위해 다공성의 소수성 박막을 포함한다. 이러한 막-기반 배기 시스템은 센서 하우징 내부로부터 산소를 배출하는 확산 경로를 형성할 수 있지만, 센서 하우징이 다공성의 소수성 박막으로 덮인 유로 또는 구멍을 포함해야만 한다. 이러한 구멍 또는 유로는 전해질 누출 위험의 증가와 결부된다. 아울러, 센서의 배향이 막-기반 배기 시스템의 효과적인 기능 또는 작동에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 특정의 배향에서 막의 내면이 액체 전해질에 의해 완전히 습윤되거나 접촉될 수 있고, 이는 가스를 배출하는 막의 작동에 상당한 악영향을 미칠 수 있다. 2개 이상의 유로/막 배기공을 상이한 위치에 제공하는 것은 위치 또는 배향-의존적 효과를 감소시킬 수는 있지만, 센서로부터의 액체 전해질 누출의 가능성을 증가시킬 수 있다.
일 양상에서, 센서는, 하우징, 상기 하우징 내의 적어도 2개의 전극들, 상기 전극들 간에 이온 전도성을 제공하는 전해질, 및 배기 부재를 포함한다. 상기 배기 부재는 상기 하우징 내에서 유로를 통해 연장되는 부분을 가진 제1 섹션을 구비하고, 상기 부분은 상기 하우징 내부의 적어도 일부를 통해 연장되는 상기 제1 섹션과 연결된다. 상기 배기 부재의 상기 제1 섹션은 가스가 상기 하우징 내부로부터 상기 배기 부재를 통해 상기 하우징의 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진다. 상기 배기 부재는 예컨대 이를 통과하는 전해질 유동에 내성일 수 있다.
많은 실시형태에서, 상기 배기 부재는 상기 유로를 통해 연장된 부분과 연결되는 제2 섹션을 더 포함한다. 상기 제2 섹션은 예컨대 다공성으로 이루어질 수 있고, 예컨대 상기 하우징의 외면에 부착될 수 있다. 상기 제2 섹션은 예컨대 상기 유로를 덮도록 상기 유로의 주변부 위로 연장될 수 있다. 상기 제2 섹션은 예컨대 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 각을 이루며 연장될 수 있다. 많은 실시형태에서, 상기 제2 섹션은 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분에 대해 전반적으로 수직으로 연장된다.
상기 제1 섹션 및 상기 제2 섹션은 예컨대 이를 관통하는 가스 확산 경로를 제공하기 위해 고분자 물질의 개별 입자들로 일체형으로 형성될 수 있다.
연장 부재(및 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분 및 상기 제2 섹션)는 예컨대 고분자 물질의 개별 입자들로 성형될 수 있다. 상기 개별 입자들 중 적어도 일부는 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌으로 형성되거나 또는 이를 포함할 수 있다.
많은 실시형태에서, 상기 배기 부재 중 적어도 상기 연장 부재는 소수성, 소유성, 또는 다중-공포성(multiphobic)이다.
예컨대, 상기 하우징 내부의 연장 부재의 표면적이 전해질에 의해 완전히 접촉되지 않도록, 상기 연장 부재가 상기 하우징 내부를 통해 연장될 수 있다.
상기 작동 전극은 예컨대 산소를 산화물 이온으로 환원시키도록 구성될 수 있고, 상기 센서는 예컨대 산소를 감지하도록 구성될 수 있다.
다른 양상에서, 하우징, 상기 하우징 내의 적어도 2개의 전극들, 및 상기 전극들 간에 이온 전도성을 제공하는 전해질을 포함하는 센서의 내부로부터 가스를 배출하는 방법은, 상기 하우징 내의 상기 유로를 통해 연장되는 부분 및 상기 유로를 통해 연장된 부분과 연결되는 하나 이상의 연장 부재를 가진 제1 섹션을 구비한 배기 부재를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 연장 부재는 하 상기 우징 내부의 일부를 통해 적어도 부분적으로 연장되고, 상기 제1 섹션은 가스가 상기 하우징 내부로부터 상기 배기 부재를 통해 상기 하우징의 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진다.
또 다른 양상에서, 용기는, 하우징, 및 상기 하우징 내부의 적어도 일부를 통해 연장된 하나 이상의 연장 부재와 연결되며 상기 하우징 내에서 유로를 통해 연장되는 부분을 가진 제1 섹션을 구비한 배기 부재를 포함한다. 상기 제1 섹션은 가스가 상기 하우징의 내부로부터 상기 하우징의 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진다. 상기 배기 부재의 상기 제1 섹션은 예컨대 이를 통과하는 액체 유동에 내성일 수 있다.
상기 배기 부재는 예컨대 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 연결되는 제2 섹션을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 섹션은 예컨대 다공성으로 이루어질 수 있고, 예컨대 상기 하우징의 외면에 부착될 수 있다.
많은 실시형태에서, 예컨대, 상기 하우징 내부의 연장 부재의 표면적이 상기 하우징 내의 액체에 의해 완전히 접촉되지 않을 수 있도록, 상기 연장 부재가 상기 하우징의 내부를 통해 연장된다. 액체는 예컨대 전해질을 포함할 수 있다. 상기 제2 섹션은 예컨대 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 각을 이루며 연장될 수 있다.
여러 실시형태에서, 상기 제1 섹션 및 상기 제2 섹션은 고분자 물질의 개별 입자들로 일체형으로 형성된다.
본원에 설명된 배기 부재는, 센서 (또는 기타) 하우징 내부로부터 가스(예컨대, 산소)를 배출하는 견고하고 효율적인 시스템을 제공하기 위해, 센서 (또는 기타) 하우징 내의 다수의 유로의 형성과 연관된 전해질 누출의 가능성을 증가시키지 않으면서 위치 또는 배향-의존성을 감소시킨다.
본원에 설명된 장치, 시스템, 및/또는 방법은, 이들의 속성 및 부수적인 이점에 더하여, 첨부 도면과 함께 후술하는 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1a는 배기 부재를 포함하는 센서의 실시형태의 절개 측면도를 도시한다.
도 1b는 배기 부재가 센서 하우징으로부터 분리된 도 1a의 센서의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 연장된 배기 부재의 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 배기 부재의 정면도를 도시한다.
도 4는 도 1의 배기 부재의 사시도를 도시한다.
도 5는 도 1의 배기 부재의 다른 측면도를 도시한다.
도 6은 배기 부재의 실시형태의 일부의 현미경 사진을 도시한다.
도 7은 배기 부재의 다른 실시형태의 사시도를 도시한다.
도 8a는 배기 부재의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 8b는 배기 부재의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 8c는 배기 부재의 또 다른 실시형태를 도시한다.
도 9는 배기 부재를 포함하는 산소 펌프 센서의 일 실시형태의 대표적인 연구 결과를 도시한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수형의 표현 “a”, “an”,“the”는 문맥에서 명백하게 달리 규정하지 않는 한 복수형의 참조를 포함한다. 그러므로, 예컨대 “연장 부재(an extending member)”에 대한 참조는 이러한 연장 부재 및 당해 기술분야의 숙련자들에게 알려진 그 균등물 등을 복수개 포함하고, “연장 부재(the extending member)”에 대한 참조는 이러한 연장 부재 및 당해 기술분야의 숙련자들에게 알려진 그 균등물 등의 하나 이상에 대한 참조이다.
여러 실시형태에서, 배기 부재는, 하우징 내부로부터 하우징 외부로 하나 이상의 배기 경로를 제공하기 위해, 예컨대 센서의 하우징 내에서 연장되는 하나 이상의 3차원 부재 또는 구조물을 가진 제1 섹션을 적어도 구비한다.
연장 부재(들)의 크기 및 형상은 임의의 적절한 방식으로 결정될 수 있다. 여러 실시형태에서, 가스가 하우징을 빠져나가도록 배기 경로를 제공하는 연장 부재의 기능이 하우징의 위치 또는 배향에 의해 중대하게 영향 받지 않도록, 연장 부재가 하우징을 통해 연장된다. 이와 관련하여, 여러 실시형태에서, 센서 하우징의 위치 또는 배향에 상관 없이, 전해질이 하우징 내의 연장 부재의 일부의 전면에 걸쳐 연장 부재의 표면을 습윤시키거나 접촉하지 않도록, 연장 부재가 하우징을 통해 연장된다. 이와 관련하여, 연장 부재의 적어도 일부가 센서 하우징 내의 가스 부피(예컨대, 거품)와 접촉하는 경우, 연장 부재는 센서 하우징 내부로부터 가스를 배출하도록 보다 효과적으로 기능한다. 예를 들어, 연장 부재는 예컨대 전반적으로 선형 및/또는 전반적으로 곡선형으로 하우징을 통해 임의의 방향으로 연장될 수 있다.
배기 부재는 예컨대 하우징과 별도로 제조된 후 조립될 수 있다. 배기 부재는 또한 센서 하우징의 일부 또는 부분으로 기능할 수 있다.
연장 부재는 예컨대 다공성 고분자 또는 플라스틱 물질로 형성되거나 이를 포함할 수 있다. 수용성 전해질의 경우, 일반적으로, 연장 부재의 다공성 고분자 또는 기타 물질은 이를 통과하는 모든 수용성 전해질 유동을 제거하거나 최소화하도록 사실상 소수성일 수 있다. 비수(예컨대, 유기) 전해질의 경우, 일반적으로, 다공성 플라스틱 또는 기타 물질은 이를 통과하는 모든 비수 전해질 유동을 제거하거나 최소화하도록 사실상 소유성일 수 있다. 다공성 플라스틱 물질은 또한 소수성 및 소유성일 수 있다. 이러한 물질을 “다중-공포성” 이라 지칭한다. 연장 부재는 또한 이를 통과하는 액체 전해질 유동 또는 누출을 제거하거나 최소화하기 위해 화학적으로 또는 다른 방식으로 처리될 수 있다.
일반적으로, 본원에 사용된 바와 같은 “소수성”이라는 용어는, 전기화학 센서 내에서 경험하는 압력에서 물에 의한 습윤에 실질적으로 또는 완전히 내성인 (그에 따라, 연장 부재의 경우, 통과하는 수용성 전해질 유동을 제한하는) 물질을 지칭한다. 일반적으로, 본원에 사용된 바와 같은 “소유성”이라는 용어는, 전기화학 센서 내에서 경험하는 압력에서 비수 전해질 시스템과 같은 낮은 표면장력을 가진 액체에 의한 습윤에 실질적으로 또는 완전히 내성인 (그에 따라, 연장 부재의 경우, 통과하는 비수 전해질 유동을 제한하는) 물질을 지칭한다. 본원에 사용된 바와 같이, “낮은 표면장력을 가진 액체”라는 표현은 일반적으로 물보다 작은 표면장력을 가진 액체를 지칭한다. 예컨대, 미국특허 제5,944,969호에서 소수성, 소유성, 다중-공포성 물질이 설명되어 있다.
연장 부재의 물질(들), 예컨대 다공성 플라스틱 물질은 또한 바람직하게, 전기화학 센서가 통상적으로 사용되는 조건 하에서 실질적으로 화학적 불활성이자 열적 불활성이다.
여러 실시형태에서, 연장 부재는 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 형성되었다. 그러나, 예컨대 다공성, 소수성, 및/또는 소유성과 같은 원하는 특징을 제공하는 모든 고분자 또는 기타 물질을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 연장 부재(들)는 사실상 임의의 형상을 취할 수 있다. 연구된 형상에는, 원형 또는 직선형 횡단면을 가진 봉 형상이 포함되었다. 그러나, 일반적으로 임의의 횡단면 형상을 가진 연장 부재(들)를 사용할 수 있다. 여러 연구에서, 사전 성형된 봉 또는 시트 스톡으로부터 부재 또는 형상을 절삭하였다. 예컨대, 개별 고분자 입자들을 원하는 3차원 구조물로 성형함으로써 복잡한 3차원 형상을 제조할 수 있다. 여러 실시형태에서, 20㎛ 내지 200㎛ 범위의 입자 크기(직경)를 가진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 입자들로, 성형 또는 소결된 고분자 구조물을 형성하였다. 많은 실시형태에서, 입자들은 150㎛ 미만, 108㎛ 미만, 또는 90㎛ 미만의 입자 크기/직경을 갖도록 체질(screened or sifted)되었다. 최종 3차원 구조물은 0.5㎛ 이하의 유효 기공 크기를 가졌다.
소결된 고분자 구조물의 경우, 고분자 입자들이 예컨대 유리 전이 온도(Tg) 이상 그러나 융점(Tm) 이하로 가열될 수 있다. 유리 전이 온도 이상으로 가열되는 동안, 고분자 입자들이 서로 접착된다. 입자들 간의 틈새 간극 또는 부피에 의해, 제어된 기공도를 제공한다. 많은 실시형태에서, 접착 및/또는 성형을 용이하게 하기 위해, 가열된 고분자 입자들에 압력을 가할 수 있다. 원하는 3차원 요소를 제공하기 위해, 고분자 입자들을 사실상 임의의 형상의 몰드에서 소결할 수 있다.
대안으로, 개방 셀 폼이 형성될 수 있다. 개방 셀 폼에서는, 기공들이 상호 연결된 다공성 망을 형성하도록 연결된다. 예컨대, 물과 같은 발포제를 이용하여 중합 중에 폴리우레탄 및/또는 폴리우레아 폼을 형성할 수 있다.
많은 대표적인 연구에서, 예컨대 열 융착, 초음파 용접, 레이저 용접, 접착제, 및 사출 성형을 포함하는 다양한 방법에 의해, PTFE 입자들의 소결을 통해 형성된 다공성 연장 부재를 구비한 배기 부재를 센서 하우징에 통합하였다. 당해 기술분야의 숙련자들에게 명확한 바와 같이, 배기 부재를 센서 하우징에 부착하거나 통합하는 기타 방법도 적절할 수 있다. 전체 연구에서, 3차원 다공성 고분자 연장 부재를 구비한 배기 부재는 효율적이고 효과적인 가스 확산 경로를 제공하는 한편, 전해질 누출을 방지하도록 센서 하우징의 견고함을 유지하였다.
도 1a 및 도 1b는 하우징(20)을 포함하는 센서(10)의 실시형태를 도시한다. 센서 지지 부재(30)가 하우징(20) 내에 위치하되, 상기 지지 부재는 예컨대 2개 이상의 전극(예컨대, 작동 전극 및 대향 전극)을 위해 지지부를 제공할 수 있다. 지지 부재(30)는 예컨대 당해 기술분야에 알려진 기준 전극을 포함하는 하나 이상의 다른 전극을 위해 지지부를 제공할 수 있다. 일반적으로, 기준 전극은 작동 전극을 주지의 전압 또는 전위로 유지하는 데에 사용된다. 분석 가스가 유입 유로(22)를 통해 하우징(20)에 유입될 수 있다.
예컨대, 센서 지지부(30)에 의해 지지된, 센서 분야에 알려진 바와 같은 심지 재료(40; 도 1a에 개략 도시됨) 상에서 전해질이 적어도 부분적으로 흡수될 수 있다. 전해질은 전극들(50, 60, 70; 예컨대, 작동 또는 감지 전극, 기준 전극, 및 대향 전극) 사이에 이온 전도성을 제공한다. 심지 재료(40)는 또한 전극들(50, 60, 70) 간의 단락을 방지하기 위해 이들을 물리적으로 분리시키도록 작용한다. 예컨대, 흡습성 전해질의 경우 수분 흡수의 결과로 전해질의 부피가 증가할 때 전해질에 추가 부피를 제공하기 위해, 센서 하우징(20)은 예컨대 (도 1의 배향에서) 센서 지지부(30) 아래에 예비 부피를 포함한다.
도 1a 및 도 1b의 실시형태에서, 배기 부재(80)는 하우징(20)의 내부 부피의 적어도 일부를 통해 연장되는(즉, 연장되는 길이를 가진) 하나 이상의 연장 부재(83)를 가진 제1 섹션(82)을 구비한다. 전술한 바와 같이, 먼저, 연장 부재(83)는 표면적이 전해질에 의해 완전히 습윤되거나 접촉되지 않도록 하우징(20)을 통해 연장될 수 있다. 그러므로, 도 1a 및 도 1b의 실시형태(및 다른 실시형태)에서는, 가스 배출을 위해 하우징(20) 내에 형성된 단일 유로(즉, 유로(24))만으로 배향 또는 위치-의존적 가스 배출이 제공된다. 따라서, 연장 부재(83)의 적어도 일부는 가스 부피와 접촉하여 유지되고, 이는 가스(예컨대, 산소 펌프 센서의 경우, 산소)를 제거하는 효율적인 작동의 지속을 돕는다. 산소 펌프 센서의 여러 실시형태에서, 연장 부재(83)는 대향 전극과 유입 유로(22) 사이보다는 대향 전극과 연장 부재(83) 간에 더 쉬운 확산 경로가 제공되도록 위치한다.
배기 부재(80)는 또한 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다. 도시된 실시형태에서, 연장 부재(83)는 전반적으로 원통형이다. 도시된 실시형태에서, 배기 부재(80)의 제1 섹션(82)은 또한, 배기 부재(80)가 하우징(20)과 연결되어 작동할 때 유로(24)에 인접하고 유로(24)를 통해 연장되며 연장 부재(83)와 연결되는 부분(84)을 포함한다. 부분(84)은 예컨대 연장 부재(83)보다 큰 직경을 가질 수 있고, 유로(24)보다 약간 작은 직경을 가지도록 치수가 결정될 수 있다. 많은 실시형태에서, 제1 섹션(80; 부분(84) 및 연장 부재(83)를 포함함)은 일체형으로 형성되었다.
도시된 실시형태에서, 배기 부재(80)는 제1 섹션(80)의 부분(84)에 대해 전반적으로 수직으로 연장되는 제2 섹션 또는 부재(86)를 더 포함한다. 제2 섹션(86)은 예컨대 하우징(20) 외부에 대한 적절한 연결부의 형성을 용이하게 할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 섹션(80)의 부분(84)은 연장 부재(83)/부재들과 연결되도록 전술한 바와 같이 하우징(20) 내의 유로(24)를 통해 연장된다. 도시된 실시형태에서, 제2 섹션(86)은 부분(84)의 직경보다 큰 폭을 가지며, 시일을 형성하고(액체 전해질의 배출 가능성을 제한하고) 하우징(20)과 배기 부재(80)의 연결 또는 견고한 맞물림을 보장하는 표면적을 제공하기 위해 유로(24)를 덮는다(유로(24)의 직경 또는 주변부 위로 연장된다). 예컨대, 열 융착, 초음파 용접, 레이저 용접, 접착제, 사출 성형, 또는 다른 모든 적절한 부착 방법을 통해 제2 섹션(86)을 하우징(20)에 부착할 수 있다. 배기 부재(80)를 하우징(20)에 부착하기 위해 어떤 방법을 사용하든지 간에, 하우징(20) 내부로부터 외부로 기체를 배출하기 위해 배기 부재(80)에 의해 제공되는 확산 경로를 파괴하지 않도록 주의가 필요하다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 하우징(20)은, 예컨대, 제2 부재(84)를 수용하고 안착시키도록 치수가 결정되는 안착부(26)를 포함할 수 있다.
도시된 실시형태에서, 하우징(20)의 표면을 따라 연결부를 형성하는 표면적의 제공이 용이하도록 그리고 유로(24)의 덮임이 용이하도록, 제2 섹션(86)이 부분(84)과 각을 이루며 (도시된 실시형태에선 수직으로) 연장된다. 도시된 실시형태에서, 제2 섹션(86)은 전반적으로 장방형의 편평한 리본형 물질로 형성된다. 전술한 바와 같이, 전반적으로 편평한 제2 섹션(86)은 하우징(20)과의 연결을 용이하게 한다.
연장 부재(83) 및 부분(84)을 포함하는 제1 섹션(82) 및 제2 섹션(86) 각각은, 예컨대 이를 관통하는 가스(예컨대, 산소) 확산을 제공하는 한편 이를 통한 전해질의 통과를 방지하는 다공성 물질로 형성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 제1 섹션(82) 및 제2 섹션(86)은 이러한 다공성 물질로 일체형으로(integrally or monolithically) 형성되었다. 대안으로, 제1 섹션(82)이 예컨대 제2 섹션(86)과 별도로 형성되어 부착될 수 있다. 마찬가지로, 연장 부재(83)가 예컨대 부분(84)과 별도로 형성되어 부착될 수 있다. 그러나, 배기 부재(80)를 통한 확산 경로의 유지를 보장하기 위해 부착 중 주의가 필요하다. 여러 실시형태에서, 배기 부재(80)는 소수성의 다공성 구조물을 형성하도록 성형된 PTFE 입자들로 일체형으로 형성되었다. 최대 입자 크기가 대략 100㎛인 PTFE 성형 입자들로 형성된 배기 부재의 일부의 현미경 사진이 도 6에 도시되어 있다.
도 7은 하우징(20)과의 연결을 위해 사용되는 배기 부재(80')의 다른 실시형태를 도시한다. 도 7에 도시된 실시형태에서, 제1 섹션(82')은 테이퍼진 형상을 가진 연장 부재(83')를 구비한다. 다시 말하면, 연장 부재(83')의 직경이 제2 단부 또는 말단에서보다 제2 섹션(86')과 연결된 제1 단부에서 더 크다. 제2 섹션(86')에 인접한 연장 부재(83')의 부분은, 배기 부재(80')가 하우징(20)과 연결되어 작동할 때 하우징(20)의 유로(24)를 통과한다. 연장 부재(83') 및 제2 섹션(86')의 이음부에서의 연장 부재(83')의 직경은 예컨대 유로(24)의 직경보다 약간 작도록 치수가 결정될 수 있다. 제1 섹션(82') 및 제2 섹션(86')은 예컨대 일체형으로 형성될 수 있고, 이는 전술한 바와 같다.
도 8a 및 도 8b는 센서 하우징(20)과 같은 센서 하우징 내부를 통해 곡선형으로 연장되는 연장 부재(83a, 83b)를 가진 제1 섹션(82a, 82b)을 적어도 구비한 배기 부재(80a, 80b)의 대안적인 실시형태를 각각 도시한다. 배기 부재(80a, 80b)의 부분 또는 부재(84a, 84b)는 각각 센서 하우징 내부로부터 센서 하우징 외부로 기체를 배출하기 위해 센서 하우징 내의 유로를 통해 연장된다. 배기 부재(80a, 80b)는 제2 부재 또는 섹션(배기 부재(80)의 제2 섹션(86)과 유사 또는 동일함)을 더 포함할 수 있고, 이는 하우징과의 (액체) 시일의 형성을 용이하게 하고 하우징에 대한 적절한 연결부 또는 부착부의 형성을 용이하게 하기 위해 하우징 외부와 연동될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 센서 하우징(20)과 같은 센서 하우징 내부를 통해 곡선형으로 연장되는 연장 부재(83a, 83b)를 가진 제1 섹션(82a, 82b)을 적어도 구비한 배기 부재(80a, 80b)의 대안적인 실시형태를 각각 도시한다. 배기 부재(80a, 80b)의 부분 또는 부재(84a, 84b)는 각각 센서 하우징 내부로부터 센서 하우징 외부로 기체를 배출하기 위해 센서 하우징 내의 유로를 통해 연장된다. 배기 부재(80a, 80b)는 제2 부재 또는 섹션(배기 부재(80)의 제2 섹션(86)과 유사 또는 동일함)을 더 포함할 수 있고, 이는 하우징과의 (액체) 시일(Seal)의 형성을 용이하게 하고 하우징에 대한 적절한 연결부 또는 부착부의 형성을 용이하게 하기 위해 하우징 외부와 연동될 수 있다.
도 8a 및 도 8b의 실시형태에서, 연장 부재(83a, 83b)는 폐루프를 형성한다. 도 8c는 센서 하우징(20)과 같은 센서 하우징 내부를 통해 곡선형으로 연장되는 복수의 연장 부재(83c)를 가진 제1 섹션(82c)을 적어도 구비한 배기 부재(80c)의 대안적인 실시형태를 도시한다. 배기 부재(80c)의 부분 또는 부재(84c)는 센서 하우징 내부로부터 센서 하우징 외부로 기체를 배출하기 위해 센서 하우징 내의 유로를 통해 연장된다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 연장 부재들은 예컨대 센서 하우징(20) 내에서 대략 측방향으로 연장된다. 그러나, 이러한 연장 부재들은 이러한 하우징 내에서 종방향으로 연장될 수도 있다. 아울러, 이러한 배기 부재의 하나 이상의 연장 부재(또는 하나 이상의 부분)는 예컨대 하나 이상의 평면 또는 방향으로 연장되도록 분기된 구조를 가질 수 있다.
도 9는 전술한 바와 같은 배기 부재(80)를 포함하는 산소 펌프 센서의 일 실시형태의 대표적인 연구 결과를 도시한다. 상기 연구의 산소 펌프 센서의 실시형태에서, 작동 전극, 대향 전극, 기준 전극 각각은 다공성 PTFE막의 일 측에 적용되는 백금 흑(Pt black)을 포함하였다. 각각의 막은 지지 구조물 역할을 하였고, 작동 전극의 경우에는, 백금흑과 함께, 전류측정식 가스 센서 분야에 알려진 가스 확산 전극을 형성하였다. 작동 전극은 외부 포텐시오스탯 회로에 의해 기준 전극에 대해 -600mV의 전위로 유지되었다.
도 9는 센서들이 공기 유동 및 질소(N2) 유동(즉, 0부피%의 산소를 포함한 가스) 처리된 연구의 전형적인 결과를 도시한다. 실험에서는, 공기(20.8부피%의 O2를 포함함)를 대략 250mL/분의 유량으로 센서에 적용하였다. 도 9의 5분 지점에서 유동을 급격하게 N2(0.0부피%의 O2를 포함한 가스)로 변경하였다. 도 9의 10분 지점에서 유동 스트림을 공기(20.8부피%의 O2를 포함함)로 다시 급격하게 변경하였다. 표 1은 이러한 센서의 전형적인 성능 특징을 보여준다.
평균 표준편차
감도, ㎂/부피%/O2: 12.0 1.0
수정된 주변 출력, ㎂: 249 21
최대 주변 출력, ㎂: 255 21
N2 기준선, ㎂: 6 0
T90, 다운, 초: 7.5 1.2
T90, 업, 초: 7.4 1.2
RMS 소음, ㎂: 0.72 0.33
연구된 센서들의 다공성 배기 부재는 센서로부터 가스를 배출하도록 효율적으로 작동하였다. 효율적인 가스 배출이 없는 센서는 수행된 연구 기간에 걸쳐 고장이 났다.
다공성 배기 부재는 (예컨대, 센서, 배터리 등의 용기/하우징의 내부로부터 외부로) 가스를 배출해야 하는 일반적으로 모든 용기 또는 하우징과 관련하여 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 용기 또는 하우징의 내부는 액체(예컨대, 전해질)를 포함할 수 있고, 여기서 배기 부재는 용기 내부로부터 외부로의 액체 유동에 내성이거나 이를 방지하지만, 가스를 배출하는 확산 경로를 제공한다.
전술한 설명 및 첨부 도면은 현재 시점의 실시형태들을 보여준다. 물론, 전술한 설명이 아닌 후술하는 청구범위에 의해 나타낸 본 발명의 범위를 벗어남 없이, 다양한 수정, 추가, 대안 설계가 전술한 교시를 고려하여 당해 기술분야의 숙련자들에게 명확할 것이다. 청구범위에 상응하는 의미 및 영역에 속하는 모든 변화 및 변경이 청구범위의 범주에 포함되어야 한다.

Claims (21)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내의 적어도 2개의 전극들;
    상기 전극들 간에 이온 전도성을 제공하는 전해질; 및
    상기 하우징 내부의 적어도 일부를 통해 연장된 하나 이상의 연장 부재와 연결되며 상기 하우징 내에서 유로를 통해 연장되는 부분을 가진 제1 섹션을 구비한 배기 부재를 포함하며, 상기 제1 섹션은 가스가 상기 하우징의 내부로부터 상기 배기 부재를 통해 상기 하우징의 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진 것인 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 부재는 이를 통과하는 전해질 유동에 내성인 것인 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기 부재는, 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 연결되고 다공성으로 이루어지며 상기 하우징의 외면에 부착되는 제2 섹션을 더 포함하는 것인 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 섹션은 상기 유로를 덮도록 상기 유로의 주변부 위로 연장되는 것인 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 섹션은 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 각을 이루며 연장되는 것인 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 섹션은 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분에 대해 전반적으로 수직으로 연장되는 것인 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 섹션 및 상기 제2 섹션은 이를 관통하는 가스 확산 경로를 제공하기 위해 고분자 물질의 개별 입자들로 일체형으로 형성되는 것인 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연장 부재는 고분자 물질의 개별 입자들로 성형되는 것인 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배기 부재 중 적어도 상기 연장 부재는 소수성, 소유성, 또는 다중-공포성인 것인 센서.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 섹션 및 상기 제2 섹션은 고분자 물질의 개별 입자들로 일체형으로 형성되는 것인 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 개별 입자들 중 적어도 일부는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)을 포함하는 것인 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내부의 상기 하나 이상의 연장 부재의 표면적이 전해질에 의해 완전히 접촉되지 않도록, 상기 하나 이상의 연장 부재가 상기 하우징 내부를 통해 연장되는 것인 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 작동 전극은 산소를 산화물 이온으로 환원시키도록 구성되고, 상기 센서는 산소를 감지하도록 구성되는 것인 센서.
  14. 하우징, 상기 하우징 내의 적어도 2개의 전극들, 및 상기 전극들 간에 이온 전도성을 제공하는 전해질을 포함하는 센서의 내부로부터 가스를 배출하는 방법에서,
    상기 하우징 내에 유로를 통해 연장된 부분 및 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 연결되며 상기 하우징 내부의 일부를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 하나 이상의 연장 부재를 가진 제1 섹션을 구비한 배기 부재를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제1섹션은 가스가 상기 하우징의 내부로부터 상기 배기 부재를 통해 상기 하우징의 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진 것인 센서의 내부로부터 가스를 배출하는 방법.
  15. 하우징; 및
    상기 하우징 내부의 적어도 일부를 통해 연장된 하나 이상의 연장 부재와 연결되며 상기 하우징 내에서 유로를 통해 연장되는 부분을 가진 제1 섹션으로, 가스가 상기 하우징의 내부로부터 상기 하우징의 외부로 확산될 수 있도록 다공성으로 이루어진 상기 제1 섹션을 구비한 배기 부재를 포함하는 용기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 섹션은 이를 통과하는 액체 유동에 내성인 것인 용기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 배기 부재는, 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 연결되고 다공성으로 이루어지며 상기 하우징의 외면에 부착되는 제2 섹션을 더 포함하는 것인 용기.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 하우징 내부에 상기 하나 이상의 연장 부재의 표면적이 상기 하우징 내의 액체에 의해 완전히 접촉되지 않도록, 상기 하나 이상의 연장 부재가 상기 하우징의 내부를 통해 연장되는 것인 용기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 액체는 전해질을 포함하는 것인 용기.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제2 섹션은 상기 유로를 통해 연장된 상기 부분과 각을 이루며 연장되는 것인 용기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 섹션 및 상기 제2 섹션은 고분자 물질의 개별 입자들로 일체형으로 형성되는 것인 용기.
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