KR20150014063A - 수분센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 수분의 정보를 실시간 측정하는 수분센서에 관한 것으로, 기판 위에 소정의 면적으로 형성된 전극, 상기 전극 위에 오일 내에서 흡착된 수분의 양에 따라 전자전달반응이 발생하여 전기전도도의 변화를 측정하는 전자전달부, 및 상기 기판 및 전자전달부의 상부의 일부 내지는 전체에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부를 포함하는 것을 특징으로 한단.
본 발명의 수분센서는 오일 내의 미세수분을 우수한 감도로 측정이 가능하여 다양한 조건에서 오일 내의 수분의 양의 변화를 보다 정확히 판단을 할 수 있다.

Description

수분센서{A moisture sensor}

본 발명은 오일 내에 직접 접촉되어 오일 내에 포함되어 있는 수분의 양을 검출하는 수분센서에 관한 것이다.

일반적으로 전력용 변압기는 유입식 변압기로서 절연과 냉각을 위하여 절연유를 사용한다. 어떠한 원인에 의해서 절연유의 성능이 저하되면 절연과 냉각효과가 저하되어 변압기에 전기적 열적 고장을 초래한다. 특히 절연유 중의 수분은 절연유의 절연파괴전압을 저하시킬 뿐만 아니라 동 및 기타 금속의 부식에도 영향을 미친다. 따라서 절연유에 수분침입을 방지하기 위하여 저용량 변압기에는 흡습호흡기를 대용량변압기에는 질소봉입방식을 사용한다. 이 중 질소 봉입방식은 외함을 밀봉하고 유면 상에 질소가스를 봉입하기 때문에 외기와의 접촉이 완전히 차단되므로 흡습 및 산화에 의한 열화가 적다.

이와 같이 유입식 변압기는 흡습을 방지하기 위하여 여러 가지 방법을 사용하지만, 외부에서 들어오는 수분 외에 절연지나 혹은 절연유의 열 열화 등에 의하여 절연유 중 수분농도가 상승할 수 있으므로 절연유의 절연강도에 중대한 영향을 미치는 수분의 철저한 감시가 필요하다. 또한 수분농도 상승에 의한 변압기의 고장은 곧바로 광역정전을 수반하게 되어 산업 현장에 막대한 영향을 미치게 되므로 전력의 정상 공급여부는 곧 변압기의 정상운전 여부와 직결된다고 할 수 있으며, 이에 따라 변전용 변압기의 이상 징후를 실시간으로 진단, 분석하여 예방정비를 실시함으로써 고장 확대에 따른 불시정지를 예방하기 위한 센서 기술이 필요 시 되고 있다.

위와 같은 문제를 해결하기 위해 전력 시스템의 이상 유무 및 수명을 판단할 수 있는 실시간 점검을 위해 변압기 수분의 흡습 정도의 전기화학적 측정 능력이 있는 수분센서의 개발이 필요하다.

또 다른 적용분야로 엔진오일이나 미션 오일과 같은 종류의 윤활유는 사용환경이 가혹한 고온동작조건에서 사용되고 있으며, 특히 사용조건에 따라 오일은 수분에 의한 윤활기능의 저하로 직결되기도 한다. 엔진오일의 경우 이러한 원인은 연료에 첨가된 수분과 같은 미세가스가 오일 내부에 포함되어 다양한 형태의 불순물이 혼재하게 되어 엔진윤활 작용 시 미끄러짐 현상이 발생하게 되며, 미션 오일이나 브레이크 오일의 경우도 역시 정상적인 윤활작용을 하지 못하여 사고로 직결되는 경우가 종종 발생하기도 한다.

종래의 관련된 센서는 오일내의 수분의 양을 정확히 판단하기 어렵거나, 혹은 수분 이외의 불순물의 영향에 의해 오일 내에서 직접적인 측정방법으로 수분의 양의 정확한 파악이 불가능한 문제점이 제기되어 왔다.

즉, 기존 종래의 센서는 오일 내에 혼재되어 있는 미세수분의 양을 오일의 종류별로 선택적 검출이 불가하였으며, 오일의 사용환경 및 종류(절연유, 윤활유 등)에 따라 선택적으로 필요한 수분의 양을 검출하기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 오일 내의 미세수분에 대한 검출과 이에 따른 오일의 관리는 관련된 응용분야에서 정확한 수분의 양에 대한 판단으로 오일을 사용하는 기기 동작의 오동작을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 최근 유비쿼터스 시대를 맞아 최적화된 오일내의 수분감지를 위한 센서를 통하여 다양한 사용환경 내에서의 오일상태 정보를 확보하는 것이 요구되고 있으며, 또한 다양한 조건에서 사용 가능한 오일 내의 수분의 양의 변화를 보다 정확히 판단을 할 수 있는 센서의 필요성이 요구되고 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 목적은 오일 내에 포함된 미세수분을 선택적으로 정확하게 검출하는 수분센서를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수분센서는, 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 수분의 정보를 실시간 측정하는 수분센서에 있어서, 기판 위에 소정의 면적으로 형성된 전극; 상기 전극 위에 오일 내에서 흡착된 수분의 양에 따라 전자전달반응이 발생하여 전기전도도의 변화를 측정하는 전자전달부; 및 상기 기판 및 전자전달부의 상부의 일부 내지는 전체에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 오일은 윤활유 또는 절연유인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전극은 Au, Pt, Al, Ni, Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전자전달부는 탄소나노튜브, 활성탄소, 활성탄소섬유, 카본에어로젤, 탄소나노섬유와 같은 탄소계열 재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 수분감지부는 NaCl, K2SO4, Mg(N03)2·6H20, MgCl2, LiCl, Na-셀룰로오스 중 어느 하나를 진공증착, 스퍼터증착, 스핀코팅, 실크프린팅, 딥코팅 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

위에서와 같이, 본 발명의 수분센서는 절연유, 윤활유 등 다양한 종류에서 미세수분 검출이 가능하여 오일의 미세수분의 정보를 정확히 판단할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 수분센서는 오일의 변화정보와 오일을 사용하는 기계장치 및 기구장치의 이상 발생을 미연에 방지하여 장치 내구성을 증대시키고 관리 효율성을 제고시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1(a) 및 1(b)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수분센서의 평면도 및 단면도
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수분센서의 평면도 및 단면도
도 3은 본 발명에 따른 수분센서의 수분반응성을 나타내는 그래프
도 4는 본 발명에 따른 수분센서의 수분농도에 따른 반응성을 나타내는 결과그래프
도 5는 본 발명에 따른 수분센서의 농도별 반응과 수분감소에 따른 회복력을 나타내는 그래프

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1(a) 및 1(b)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수분센서의 평면도 및 단면도를 나타낸 것이다.

도 1(a)을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 오일 내에 직접 접촉되어 오일 내에 포함되어 있는 수분의 양을 검출하는 수분센서(20)는, 기판(200) 위에 소정의 면적으로 형성된 전극(210)과, 상기 전극(210) 위에 오일 내에서 흡착된 수분의 양에 따라 전자전달반응이 발생하여 전기전도도의 변화를 측정하기 위한 전자전달부(220)와, 상기 전자전달부(220)의 상부에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부(230)를 포함한다.

도 1(b)을 참조하면, 수분센서(20)의 측정 방식은 오일 내에 상기 수분센서(20)의 수분감지부(230)가 접촉되고 오일내의 수분이 상기 수분감지부(230)로 흡착 및 탈착되는 변화가 발생된다. 이때 흡수된 수분은 수분감지부(230)와 전자전달부(220)의 계면을 통해 전자전달반응이 생성되어 전기전도도의 변화를 발생시키며, 이때의 전기전도도의 변화를 상기 수분센서의 양단 전극(210)을 통해 측정하여 오일 내의 수분함유량을 판단할 수 있다.

상기 기판(100)은 고유저항 10⁴Ωm 이상의 절연재료인 유리, 알루미나, 실리콘기판 중 어느 하나를 사용하고, 상기 전극(210)은 내구성이 우수한 금속재료인 Au, Pt, Al, Ni, Cu 중 어느 하나를 사용한다.

그리고, 상기 수분감지부(230)는 수분이 쉽게 흡습되는 물질인 NaCl, K2SO4, Mg(N03)2·6H20, MgCl2, LiCl, Na-셀룰로오스 중 어느 하나를 사용하고, 바람직하게는 코팅막 제작이 용이한 Na-셀룰로오스를 사용한다.

상기 전자전달부(220)의 전기전도도 변화는 수분감지부(230)으로부터 전자전달반응에 의해 수분의 흡수가 증가할 시에는 전기적으로 (+)로 대전되어 전기전도도가 증가하며, 수분의 흡수가 감소할 시에는 전기적으로 (-)로 대전되어 전기전도도가 감소된다.

바람직하게는 상기 전자전달부(220)의 구성물질은 수분감지부(230)로부터 전자전달이 용이하도록 넓은 표면적을 가지고 있는 전도성 물질인 탄소나노튜브, 활성탄소, 활성탄소섬유, 카본에어로젤, 탄소나노섬유와 같은 탄소계열 재료 중 어느 하나를 사용하여 전자전달반응 특성에 따라 전기전도도의 변화를 검출한다.

또한 상기 수분감지부(230)는 진공증착, 스퍼터증착, 스핀코팅, 실크프린팅, 딥코팅 중 어느 하나의 방법을 사용하여 Na-셀룰로오스 코팅막을 형성한다.

상기 Na-셀룰로오스 코팅막을 형성 한 후 100℃ 내지 120℃에서 약 10분 내지 1시간 동안 건조하고, 바람직하게는 120℃에서 30분간 건조한다.

상기 Na-셀룰로오스 코팅막에 사용되는 재료의 비율은 Na-셀룰로오스/물=x의 질량비로 구성되며, x는 100 내지 1로 구성하고, 바람직하게는 x는 40으로 구성한다.

또한 상기 수분감지부(230)는 상기 전극(210)과 전자전달부(220)를 포함하는 기판(200)의 상부의 일부 내지는 전체에 형성될 수 있다.

도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수분센서의 평면도 및 단면도를 나타낸 것이다.

도 2(a) 및 2(b)를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수분센서(20)는, 기판(200) 위에 오일 내에서 흡착된 수분의 양에 따라 전자전달반응이 발생하여 전기전도도의 변화를 측정하기 위한 전자전달부(220)와, 상기 기판(200)과 전자전달부(220)의 상면에 형성된 전극(210)과, 상기 전자전달부(220)와 전극(210)의 상부에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부(230)를 포함한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 수분센서(20)는, 전자전달부(220)를 전극(210)이 감싼 구조로 형성되어 전자전달부(220)의 반응면적을 정확히 구현하기 용이하고, 형성된 전자전달부(220)의 노출 표면적에 따라 전기전도도의 오차가 적어지며, 특히 전자전달부(220)와 전극(210)의 접촉면적이 커져 보다 접촉저항이 작고 내구성이 우수하다.

오일 내의 수분반응성에 대한 테스트는 절연유와 윤활유 각각에 대해 테스트를 진행하였는데 두 가지 오일의 결과가 유사하게 나타났다. 따라서 테스트에 대한 내용은 절연유를 기준으로 다양한 실시예를 통하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 수분센서의 수분반응성을 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 수분센서(20)는 전자전달부(220)로 탄소나노튜브를 수분감지부(230)로 Na-셀룰로오스를 사용하였고, 테스트에 사용된 절연유에는 수분이 약 52ppm을 포함한 시료를 사용하여 상온에서 시간에 따른 수분반응성을 확인하였다. 도 4에서 절연유 오일 내에서 미세수분의 변화는 약 수분 내에 빠르게 전기전도도의 변화를 확인할 수 있었다.

도 4는 본 발명에 따른 수분센서의 수분농도에 따른 반응성을 나타내는 결과그래프이다.

도 4를 참조하면, 사용된 수분센서(20)의 재현성을 확인하기 위한 테스트로 본 발명에 의해 구성된 수분센서(20)와 수분감지부(230)가 없는 탄소나노튜브 전자전달부(220) 만을 포함한 센서로 절연유 내의 수분농도에 따른 테스트를 진행하였다.

도 4의 결과는 수분농도의 변화에 따라 상기 각각의 수분센서(20)는 모두 비슷한 경향으로 반응하였으며, 수분의 증가에 따라 전기전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 수분감지부(230)가 없는 탄소나노튜브 전자전달부(220) 만을 포함한 센서는 테스트 과정 중에 특별한 변화를 감지할 수 없었으며, 이로써 본 발명에 의해 구성된 수분센서(20)의 오일 내에 포함된 미세수분의 아주 높은 반응성을 확인할 수 있었다.

도 5는 본 발명에 따른 수분센서의 농도별 반응과 수분감소에 따른 회복력을 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 사용된 수분센서(20)는 상온에서 다양한 수분에서 이미 반응시킨 후 오일내에서 수분을 제거한 새 오일에 탐침하여 수분의 감소에 의한 회복력을 확인하였다. 절연유 내에 수분이 각각 79, 40, 11ppm으로 반응된 센서를 약 9ppm을 포함한 절연유 신유로 재반응 시킬 경우, 장시간이 경과된 후 전기전도도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이로써 상기 본 발명에 의해 구성된 수분센서(20)의 오일 내에서 미세수분을 흡착하거나 탈착하여 수분변화에 따른 전기전도도의 변화가 일정함을 확인할 수 있었다.

본 발명의 수분센서는 미세수분을 포함하는 오일의 종류에 따라 검출값이 다르게 나타나며, 상기 오일의 종류는 엔진오일, 미션오일, 브레이크오일, 기계유, 터빈유, 등과 같은 윤활유와 전력기기에서 사용되는 변압기, 대형 캐패시터 등에 포함되는 절연유 등에서 미세수분을 검출할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 다양한 실시예를 첨부된 그래프 및 도면을 참조하여 기술하였으나 본 발명의 기술적 범위가 상기 기술된 사항에 국한되지 않는 것은 너무도 자명하다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 따라 상술한 바와 같은 구체적인 실시예 및 첨부한 도면에 특별히 한정된다 할 수 없으며, 본 특허등록 청구범위의 기술적 사상에 유사한 범주 내에서의 다양한 변형 실시는 본 특허에 귀속될 수 있다 할 것이다.

20: 수분센서 200: 기판
210: 전극 220: 전자전달부
230: 수분감지부

Claims (5)

1. 오일 내에 직접 접촉하여 오일 내의 미세수분을 검출하여 오일의 수분의 정보를 실시간 측정하는 수분센서에 있어서,
   기판 위에 소정의 면적으로 형성된 전극;
   상기 전극 위에 오일 내에서 흡착된 수분의 양에 따라 전자전달반응이 발생하여 전기전도도의 변화를 측정하는 전자전달부; 및
   상기 기판 및 전자전달부의 상부의 일부 내지는 전체에 오일 내의 미세수분이 흡착 및 탈착되는 수분감지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수분센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 오일은 윤활유 또는 절연유인 것을 특징으로 하는 수분센서.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전극은 Au, Pt, Al, Ni, Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수분센서.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 전자전달부는 탄소나노튜브, 활성탄소, 활성탄소섬유, 카본에어로젤, 탄소나노섬유와 같은 탄소계열 재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수분센서.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 수분감지부는 NaCl, K2SO4, Mg(N03)2·6H20, MgCl2, LiCl, Na-셀룰로오스 중 어느 하나를 진공증착, 스퍼터증착, 스핀코팅, 실크프린팅, 딥코팅 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수분센서.
   

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