KR20190141995A - 배기가스 pm 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배기가스 PM 센서가 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 배기가스 PM 센서는 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 제1절연층 상기 제1절연층 아래 위치하는 PM검지전극 상기 PM검지전극과 병렬 배치되는 온도보상전극 상기 PM검지전극과 온도보상전극 아래 위치하는 제2절연층 상기 제2절연층 아래 위치하는 히터전극 및 상기 히터전극 아래 위치하는 제3절연층을 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 배기가스 PM 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도변화 및 PM퇴적에 따른 저항변화를 고려한 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서의 보정이 가능한 입자상 물질(PM) 센싱에 관한 것이다.
일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있는 현실이다.
일반적으로, 가솔린 또는 디젤을 연료로 사용하는 가솔린 차량 또는 디젤 차량에는 배출되는 배기가스 중에서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질이 포함된다.
여기서, 차량에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질 등의 배기가스 중 입자상 물질은 부유 분진의 발생을 가중시킴으로써 대기 오염의 주요 원인으로 알려져 있다.
상술한 바와 같은 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염 물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.
즉, 배기가스에 포함되는 대기 오염 물질을 감소시키기 위하여 차량의 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키는 기술로서, 엔진 기술 및 전처리 기술 등이 개발되고 있으나, 배기가스의 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가 가스 저감 기술만으로는 규제를 만족시키는데 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 차량의 엔진에서 연소된 후 배출되는 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.
상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.
이러한 배기가스 저감장치는 주로 디젤 엔진에서 배출되는 입자상 물질을 여과필터로 포집한 후 이것을 태우고(이하, 재생이라 함) 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서, 성능 면에서는 아주 우수하나, 정확한 입자상 물질의 양이나 크기 측정이 어려워 내구성과 경제성이 실용화의 장애요인으로 작용하고 있으며, 배기가스의 온도 변화 및 입자상 물질의 퇴적에 따른 PM센서 측정값이 부정확한데, 온도 보정이 없는 경우에는 더욱 그러하다.
본 발명의 일 실시 예는 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 디젤자동차의 입자상 물질을 제거하기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter)의 장착을 의무화하고, DPF의 고장유무에 따른 입자상 물질배출량 모니터링을 위해 입자상 물질양을 측정할 수 있도록 DPF 후단에 OBD 입자상 물질센서 장착을 의무화하고 있다(Euro6C). 현재 디젤자동차에 장착중인 입자상 물질센서는 그림과 같이 인터디지틀(Interdigital) 전극에 입자상 물질의 퇴적에 의한 저항변화를 측정하는 방식을 이용하고 있다. 입자상 물질이 퇴적되지 않은 상태에서는 전류가 흐를 수 없지만 퇴적된 입자상 물질에 의해 전류가 흐를 수 있는 회로가 형성되게 되고 이러한 입자상 물질의 퇴적량은 배기가스 중의 입자상 물질 양에 의해 결정되므로 저항변화를 측정함으로써 배기가스 중의 입자상 물질 양을 측정할 수 있게 된다. 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 별도의 히터를 이용해 퇴적된 입자상 물질을 연소시켜 제거하는 재생 단계를 통해 지속적인 입자상 물질 모니터링을 할 수 있다.
현재 입자상 물질센서는 Al2O3 등의 세라믹 기판 위에 Pt와 같은 고온안정성을 갖는 금속을 이용해 인터디지틀 전극를 형성하는 방법을 이용해 제작하고 있다. 전극의 너비 및 전극간의 간격은 ~수십 ㎛이다. 입자상 물질퇴적 형상과 같이 센서의 성능에 영향을 미치는 요소들은 전극의 패턴에 의해 결정된다. 그런데 이와 같은 방식의 입자상 물질센서는 PN(Particle Number)측정이 불가하다는 것과 배기가스 중의 금속 입자에 큰 영향을 받는 다는 문제점이 있다.
EURO6를 기준으로 할 때, 현재 입자상 물질과 관련한 배기가스 규제는 디젤 자동차에 대해 입자상 물질의 총 양과 PN(Particle Number)을 규제하고 OBD규제는 입자상 물질의 총 양만을 규제하고 있다. 입자의 크기가 작아질수록 인체에 미치는 악영향이 커지고 GDI엔진의 경우 입자상 물질입자의 크기가 대단히 작다는 점을 고려할 때 향후 규제대상이 디젤 자동차뿐만 아니라 가솔린 자동차로 확대되고, OBD 규제범위도 입자상 물질뿐만 아니라 PN이 포함될 것으로 예상된다. 입자상 물질 입자크기는 입자상 물질과 PN을 측정함으로써 측정할 수 있다. 그런데 기존 방식의 입자상 물질센서의 저항변화는 퇴적된 입자상 물질의 총 양에만 의존하므로 PN을 측정할 수 없다.
한편, 배기가스 중에는 윤활유 등에서 유인한 미세한 금속 입자가 포함되어 있다. 그림과 같이 전기전도성이 큰 금속 입자가 전극에 달라붙게 되는 경우 주성분이 카본인 입자상 물질과의 비저항값 차이에 의해 입자상 물질 측정치에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서 배기가스 중의 금속 입자에 영향을 받지 않고, 온도 차이에 대한 보정이 가능한 입자상 물질센서의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 비저항값을 측정하여 입자상물질의 양 및 크기를 검출하는 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서에서, 배기가스 온도의 영향 및 퇴적되는 입자상물질의 영향이 보정되며, 별도의 온도센서가 불요한 재생을 위한 히터전극이 갖춰진 배기가스 PM센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 제1절연층; 제1절연층 아래 위치하는 온도보상전극; 온도보상전극과 병렬 배치되는 PM검지전극; PM검지전극과 온도보상전극 아래 위치하는 제2절연층; 제2절연층 아래 위치하는 히터전극; 히터전극 아래 위치하는 제3절연층; PM검지전극과 온도보상전극의 센싱전극과 제2절연층 사이에 위치하는 반도성층을 반도성층을 포함할 수있다.
PM검지전극은 PM을 센싱하는 센싱전극(인터디지탈 전극)과 이를 외부로 통전시키는 외부전극으로 이루어지며, 제1절연층에 의해 상기 PM검지전극의 외부전극이 상기 배출가스에 노출되지 않으며, 상기 PM검지전극의 센싱전극만 상기 배출가스에 노출된다.
비저항의 크기는 반도성층> 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서일 수 있다.
센싱전극은 서로 일정거리 이격된 외부전극 사이에 형성될 수 있다.
PM검지전극은 R1저항값을 측정할 수 있다.
온도보상전극은 R2저항값을 측정할 수 있다.
반도성층에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된저항값 또는 전기전도도를 복수 단계로 구별할 수 있다.
제1단계에서는 시간에 따른 저항값의 기울기(m1)를 측정할 수 있다.
제2단계는 제1단계와 연속적으로 이루어질 수 있다.
제3단계에서는 시간에 따른 전기전도도의 기울기(m3)를 측정할 수 있다.
제3단계로부터 VPM = (pC L02/α) m3 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 질량이 도출될 수 있다.
제3단계로부터 l2 = -(pSiCpC L0 2/ASiC) m3 /m1에 의해 배기가스 중 입자상물질의 평균크기가 도출될 수 있다.
자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 제1절연층; 제1절연층 아래 위치하는 PM검지전극; PM검지전극 아래 위치하는 제2절연층; 제2절연층 아래 위치하는 온도보상전극; 온도보상전극 아래 위치하는 제3절연층; 제3절연층 아래 위치하는 히터전극; 히터전극 아래 위치하는 제4절연층; PM검지전극의 센싱전극과 제2절연층 사이 및 온도보상전극의 센싱전극과 제3절연층 사이에 각각 위치하는 반도성층을 포함할 수 있다.
PM검지전극으로부터 R1저항값을 측정할 수 있다.
온도보상전극으로부터 R2저항값을 측정할 수 있다.
히터전극으로부터 PM재생온도를 측정할 수 있다.
자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 제1절연층; 제1절연층 아래 위치하는 PM검지전극; PM검지전극 아래 위치하는 제2절연층; 제2절연층 아래 위치하는 히터전극; 히터전극 아래 위치하는 제3절연층; 제3절연층 아래 위치하는 온도보상전극; 온도보상전극 아래 위치하는 제4절연층; PM검지전극의 센싱전극과 제2절연층 사이 및 제3절연층과 온도보상전극의 센싱전극 사이에 각각 위치하는 반도성층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치는 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 비저항의 크기는 반도성층> 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서이며, 센싱전극은 서로 이격된외부전극 사이에 형성되고, 반도성층을 포함하며, PM검지전극과 온도보상전극은 제1절연층과 제2절연층 사이에, 히터전극은 제2절연층과 제3절연층 사이에 위치함으로써, PM검지전극으로부터 측정된 R1저항값과 온도보상전극으로부터 측정된 R2저항값에 의해 온도보정 및 히터전극에 의한 PM재생온도측정이 가능하다.
또한, 비저항의 크기가 반도성층> 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서이며, 센싱전극은 서로 이격된 외부전극 사이에 형성되고, 반도성층을 포함하며, PM검지전극은 제1절연층과 제2절연층 사이에, 온도보상전극은 제2절연층과 제3절연층 사이에, 히터전극은 제3절연층과 제4절연층 사이에 위치함으로써, PM검지전극으로부터 측정된 R1저항값과 온도보상전극으로부터 측정된 R2저항값에 의해 온도보정 및 히터전극에 의한 PM재생온도측정이 가능하다. 이 경우, 반도성층은 PM검지전극의 센싱전극과 제2절연층사이 및 온도보상전극의 센싱전극과 제3절연층사이에 각각 위치할 수 있다.
또한, 비저항의 크기가 반도성층> 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서이며, 센싱전극은 서로 이격된 외부전극 사이에 형성되고, 반도성층을 포함하며, PM검지전극은 제1절연층과 제2절연층 사이에, 히터전극은 제2절연층과 제3절연층 사이에, 온도보상전극은 제3절연층과 제4절연층 사이에 위치함으로써, PM검지전극으로부터 측정된 R1저항값과 온도보상전극으로부터 측정된 R2저항값에 의해 온도보정 및 히터전극에 의한 PM재생온도측정이 가능하다. 이 경우, 반도성층은 PM검지전극의 센싱전극과 제2절연층 사이 및 제3절연층과 상기 온도보상전극의 센싱전극 사이에 각각 위치할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 배기가스 PM 센서는 배기가스 중 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질 및 온도에 대한 보정을 통해 보다 정확한 PM 센싱 및 히터에 의한 재생 및 온도측정이 별도의 온도센서 없이 가능하다
도 1은 종래의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 PM이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질에 대한 보정을 할 수 있는 센싱전극과 외부전극의 형상이다.
도 7은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 추가 실시예이다.
도 9는 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 추가 실시예이다.
도 10은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 추가 실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 PM이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질에 대한 보정을 할 수 있는 센싱전극과 외부전극의 형상이다.
도 7은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 추가 실시예이다.
도 9는 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 추가 실시예이다.
도 10은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도센싱 및 히터재생 구조에 대한 추가 실시예이다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고이해되어야 한다.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 입자상 물질 센서에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 대비하여 설명하면, 종래의 입자상 물질 센서는 세라믹 기판 상에 패턴화된 전극이 일정거리 이격된 한 쌍의 맞물림 형상의 전극(Interdigital Electrode IDE)으로 형성된다. 본 명세서의 인터디지탈 전극은 센싱전극을 의미하며, 센싱전극와 외부전극을 통칭해 PM검지전극이라 한다. 따라서, 전극 사이에 입자상 물질이 퇴적되면서 저항의 변화를 측정하는 원리인데, 배기가스 중의 금속입자에 영향을 받는다는 단점이 있다. 즉, 배기가스 중에는 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 포함될 수 있는데, 금속입자가 전극을 통전시키면 전기전도도가 급상승하면서 저항값의 변화를 측정하는 입자상 물질 센서의 기능에 치명적 영향을 준다.
도 1은 외부전극 사이에 비저항이 외부전극은 물론이고, 입자상 물질의 비저항보다 큰(즉 전기전도도가 낮은) 센싱전극이 외부전극을 서로 연결하도록 설치함으로써 배기가스 중 함유된 금속 입자에 의한 영향을 줄일 수 있다.
즉, 입자상 물질이 센싱전극에 퇴적됨에 따라, 센싱전극을 통해 흐르던 전류가 비저항이 작은(즉, 전기전도도가 센싱전극에 비해 상대적으로 큰) 입자상물질을 통해 흐르게 됨으로서 전체 저항이 감소하게 되는데, 이러한 저항 변화를 측정함으로서 퇴적된 입자상 물질의 양을 측정할 수 있다.
한편, 연료의 연소에 의한 입자상물질이 아니라, 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 센싱전극에 퇴적되는 경우, 금속입자, 센싱전극, 입자상 물질은 서로 병렬연결된 저항으로 작용하기 때문에, 전체 저항은 비저항이 작은 금속입자가 아니라 상대적으로 비저항이 큰 센싱전극 및 퇴적된 입자상 물질에 의해 주로 좌우되므로 퇴적된 금속입자에 의한 저항 변화는 극히 미미해진다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다. 초기단계는 외부전극(external electrode)의 사이에 위치하는 센싱전극에 입자상 물질의 퇴적은 없는 상태이다. 입자상물질의 퇴적이 시작되면, 제1단계(stage 1)와 퇴적이 진행되면 제2단계(stage 2)를 거쳐 입자상물질이 퇴적된 제3단계(stage 3)에 이르게 된다.
입자상 물질의 퇴적이 시작된 후 전체 저항의 변화는 센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 양뿐만 아니라, 입자상 물질의 입자크기에도 관련이 있으며, 이를 ~V 0 /l n 로 나타낼 수 있다.
Vo는 제3단계에서 센싱전극에 퇴적된 입자상 물질의 총량(이하, 총량은 부피를 의미함)이고, l은 퇴적된 입자상 물질의 직경, n은 입자상 물질의 형상에 따른 상수이다. 입자상 물질이 충분히 퇴적된 제3단계의 전체 저항의 변화는 입자상 물질의 총 퇴적량에만 관련된다. 따라서, 제3단계의 저항값으로부터 입자상 물질의 총 퇴적량(Vo)을 측정할 수 있고, 제1단계의 저항값에서 Vo를 상쇄시킴으로서 입자상 물질의 개수를 추산할 수 있다. 제3단계를 지나 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 재생단계를 통해 지속적인 모니터링을 할 수 있다.
이를 수식화하면 다음과 같다.
외부전극 사이에 위치한 센싱전극에서의 저항(R)은 반도성기판인 SiC에 의한 저항(RSiC)와 입자상물질에 의한 저항(R C )로 1/R = 1/RSiC + 1/R C 로 나태낸다.
제1단계에서의 전체 저항(R)은 R = pSiC/ASiC(L0 -V0/l2) = pSiCL0/ASiC - pSiCV0/ASiCl2 이며, 여기서 pSiC, ASiC, L0, V0, l 은 각각 센싱전극의 비저항, 센싱전극의 단면적, 센싱전극의 길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피, 퇴적된 입자상 물질의 직경이다.
이때, 각각 pSiCL0/ASiC은 R0이고, -pSiCV0/ASiCl2 은 ΔRPM이며, R = R0 + ΔRPM이다.
제2단계에서 V0는 V0 =v0·t 이다. V0는 센싱전극에 퇴적된 입자상 물질의 총량이며, v0는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양이고, t는 시간이다.
제1단계와 제2단계는 연속되어야 하므로, 제2단계의 V0는 제1단계 저항식에 적용하면, 제1단계의 R = pSiC/ASiC (L0 -V0/l2) = pSiCL0/ASiC - pSiCV0/ASiCl2 = p SiCL0/ASiC -(pSiCv0/ASiC l2)·t로서 시간 t에 대해 선형적으로 증가하게 되며, 그 기울기 m1은-(pSiCv0/ASiC l2)인 1차식이다.
제3단계에서의 전체 저항(R)은 입자상물질에 의한 저항(R C )에 의해 좌우된다.
즉, R ~ RC = pC L0 /AC = pC L0 2/V0이다. pC, AC은 각각 퇴적된 입자상물질의 비저항 및 단면적이며, L0, V0은 센싱전극의 길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피이다.
이로부터 저항의 역수인 전기전도도σ = V0/pC L0 2이며, V0 =v0·t 를 적용하면, 전기전도도σ = (v0/pC L0 2)·t이다. 즉, 전기전도도는 시간에 대해 기울기 m3 = (v0/pSiC L0 2)인 1차식이다.
한편, 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양v0는 배기가스 중의 입자상물질의 양(VPM)과 비례관계에 있다. 이로부터 v0 = α·VPM로 표현될 수 있으며, VPM = (pC L0 2/α)·m3이다.
한편, 제1단계에서 m1 = -(pSiCv0/ASiC l2) 와 m3 = (v0/pC L0 2)로부터, l2 = -(pSiCv0/ASiC) m3/m1 으로부터 입자상물질의 크기도 알 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 PM이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프인데, 제1단계와 제3단계의 특징은 도 4에 나타나있다. 즉, 제1단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 비저항이 선형적으로 감소되는 특징이 있으며, 제3단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 전기전도도가 선형적으로 증가되는 특징이 있다. 즉, 제1단계의 기울기 m1은 음의 값을 제3단계의 기울기 m3은 양의 값을 갖는다.
제3단계에서 측정한 전기전도도의 기울기 m3= v0/(pCL0 2)로부터 α를 알 수 있다.
이들 값으로부터 배기가스 중의 입자상 물질의 양인 VPM= (pC L0 2/α) m3을 산출할 수 있고, 제1단계에서 측정된 m1=-pSiC v0/(ASiC l2)으로부터 입자상 물질의 크기(l) l2 = -(pSiCpC L0 2/ASiC) m3 / m1을 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질에 대한 보정을 할 수 있는 센싱전극과 외부전극의 형상이다.
앞서 도 2는 반도성 기판을 센싱전극으로 사용한 것에 비해, 도 6에서는 센싱전극으로 반도성 기판를 사용하는 외부전극과 별도로 상기 반도성 기판 상에 부도체 코팅을 한 온도보정용 외부전극을 별도로 마련한 개념이다. 도 6에서는 온도보정이 없는 반도성 기판에 의한 센싱전극-외부전극의 구조(PM검지전극), PM검지전극과 별도로(도 6에서는 PM검지전극의 내측하단에 위치) 반도성 기판에 부도체 코팅을 한 센싱전극-외부전극의 구조(이하, 온도보상전극)이다. 본 명세서에서의 온도보상과 온도보정은 실질적으로 동일한 의미이나, 전극구조의 이름으로는 사용 시에는 온도보상전극으로, 그 외에는 온도보정으로 사용한다.
반도성 기판을 사용하는 센싱전극은 앞서 도 2 내지 도 5에서 설명된 바와 같으며, 이는 온도보정이 없는 측정값(이하, R1)을 산출한다.
온도보정용 외부전극의 사이에 부도체 코팅을 한 센싱전극에서는 온도보정을 하기 위한 측정값(이하, R2)를 산출한다. 온도보정에 의한 저항값 차이 ΔR = R1 - R2 또는 γ = R1/R2 로 나타낼 수 있다.
R1 = Ro + ΔR T + ΔR PM 이고, R2 = Ro + ΔR T 이다. Ro은 온도 변화 및 입자상 물질이 퇴적되기 이전의 저항을 의미하며, ΔR T 는 온도 변화에 의한 저항변화를, ΔR PM 는 입자상물질 퇴적에 의한 저항변화로서, 반도성 기판의 저항값과 입자상물질 퇴적에 의한 저항값의 차이 및 퇴적된 입자상물질의 양에 비례한다. 한편, 입자상물질의 저항값은 센싱전극 기판의 저항값에 비해 무시 할 수 있으므로, 제1단계의 R = R0 + ΔRPM로부터 ΔRPM = -pSiCV0/ASiCl2 = β·2·PM이며, MPM은 입자상물질의 질량으로 V0·δPM이고, δPM은 입자상물질의 밀도이다. R2 = pSiCl/ASiC이며, β= 1/(δPM;3)이다.
이로부터 ΔR= R2 - R1 = ΔRPM 로 퇴적된 입자상물질에 의한 저항값차이이며, γ = R1/R2는 1+β·MPM로 퇴적된 입자상물질의 질량에 선형적으로 비례한다.
한편, SiC는 SC(Semiconducting Ceramic)를 통칭하며, SiC는 그 일 실시예이다.
도 7은 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서(100)에 있어서, 제1절연층(110), 상기 제1절연층(110) 아래 위치하는 온도보상전극(160), 상기 온도보상전극과 병렬 배치되는 PM검지전극(150), 상기 PM검지전극(150)과 온도보상전극(160) 아래 위치하는 제2절연층(120), 상기 제2절연층(120) 아래 위치하는 히터전극(170) 및 상기 히터전극(170) 아래 위치하는 제3절연층(130)을 포함하여 구성되어 있다.
온도보정이 없는 PM검지전극(150)과 온도보정이 있는 온도보상전극(160)의 상호 위치에 대한 실시예이다. 즉, PM검지전극(150)과 온도보상전극(160)이 상호 병렬 배치된다.
PM검지전극(150) 및 온도보상전극(160)의 아래에는 제2절연층(120)이 위치하되, 제2절연층(120)에 직접 접촉하지 않고 반도성층(180)을 통해 지지될 수 있다.
온도보상전극(160)은 제1절연층(110)에 의해 직접 배기가스에 노출되지 않고, PM검지전극(150)의 센싱전극은 배기가스에 직접 노출되어야 하므로 해당부분에는 제1절연층(110)이 없다. 즉, PM검지전극(150)의 센싱전극을 제외하고 PM검지전극(150)의 외부전극 및 온도보상전극(160)은 제1절연층(110)에 의해 덮혀져 지지된다. 즉, 온도보상전극(160)과 달리 PM검지전극(150)의 센싱전극의 위에는 절연층이 없고 직접 배기가스에 노출되도록 형성된다.
또한, 제2절연층(120)의 아래에는 PM재생을 위한 히터전극(170)이 위치하며, 히터전극(170)의 아래에는 제3절연층이 위치한다. 즉, PM검지전극(150)에 퇴적된 PM을 열에 의해 제거하기 위해 히터전극(170)이 PM검지전극(150)의 하단에 제2절연층(120)을 사이에 두고 위치한다. 즉, PM검지전극(150)에 PM퇴적이 진행되면 PM검지전극(150)은 자기재생을 해야하며, 이때 열원으로 히터를 PM검지전극(150)의 하단에 위치하게 된다. 히터와 PM검지전극(150)이 직접 접촉할 수는 없으므로 전기적으로 절연되되 열전달은 가능한 절연층이 필요한 이유이다.
한편, 히터제어를 위해서는 재생온도측정이 필요한데, 온도보상전극(160)이 그 역할을 한다. 즉, 온도보상전극(160)이 제2절연층(120)의 온도를 측정함으로서 히터의 온오프를 제어하게 된다. 제2절연층(120)은 반도성 물질(예, SiC)을 포함하기 때문에 이에 대한 온도와 저항변화 관계를 미리 관계식이나 테이블로 설정함으로서 PM이 산화되는 온도에 해당하는 저항을 유지할 수 있도록 히터전압을 제어함으로서, 별도의 온도센서 없이도 히터제어가 가능하다.
도 7의 PM 센서(100)에서 PM검지전극(150)과 온도보상전극(160)을 병렬로, 특히 좌우배치한 것이며, 도 8의 PM 센서(200)는 PM검지전극(150)과 온도보상전극(160)을 병렬로, 특히 상하배치한 것이다. 즉, 도 8은 도 6의 구조와 동일하며, 도 7에서와 마찬가지로 PM검지전극(150)과 온도보상전극(160)이 반도성층을 통해 제2절연층(120)에 의해 지지되며, 제2절연층(120)과 제3절연층(130)의 사이에 위치한 히터전극(170)은 PM검지전극(150)을 가열할 수 있는 지점에 위치한다. 도 7의 병렬배치구조가 센서전극을 길이방향으로의 확장에 유리하다면, 도 8의 배치구조는 센서전극을 폭방향으로의 확장이 유리하며, 한편으로는 2가지 타입의 센서를 복수로 설치할 수 있다.
PM검지전극(150) 및 온도보상전극(160)의 아래에는 제2절연층(120)이 위치하되, 제2절연층(120)에 직접 접촉하지 않고 반도성물질의 코팅층, 즉 반도성층(180)을 통해 지지될 수 있다.
온도보상전극(160)은 제1절연층(110)에 의해 직접 배기가스에 노출되지 않고, PM검지전극(150)의 센싱전극은 배기가스에 직접 노출되어야 하므로 해당부분에는 제1절연층(110)이 없다. 즉, PM검지전극(150)의 센싱전극을 제외하고 PM검지전극(150)의 외부전극 및 온도보상전극(160)은 제1절연층(110)에 의해 덮혀져 지지된다. 즉, 온도보상전극(160)과 달리 PM검지전극(150)의 센싱전극의 위에는 절연층이 없고 직접 배기가스에 노출되도록 형성된다.
한편, 동일 층 내에 가까이 PM검지전극(150)과 온도보상전극(160)이 위치한다는 것은 2개의 전기회로가 근접해 있다는 것을 의미하며, 전도성 물질인 입자상물질이 있는 배기가스 환경에서는 바람직하지 않을 수 있다. 이를 위해 1개 전기회로를 각각 절연층 내에 위치시키는 구조를 적용할 수 있다.
도 9는 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서(400)에 있어서, 제1절연층(110), 상기 제1절연층(110) 아래 위치하는 PM검지전극(150) 외부전극, 상기 PM검지전극(150) 아래 위치하는 제2절연층(120), 상기 제2절연층(120) 아래 위치하는 온도보상전극(160), 상기 온도보상전극(160) 아래 위치하는 제3절연층(130), 상기 제3절연층(130) 아래 위치하는 히터전극(170) 및 상기 히터전극(170) 아래 위치하는 제4절연층(140)을 포함하여 구성되어 있다. PM검지전극(150)의 센싱전극을 제외하고 PM검지전극(150)의 외부전극만 제1절연층(110)에 의해 덮혀져 지지된다. 즉, 온도보상전극(160)과 달리 PM검지전극(150)의 센싱전극의 위에는 절연층이 없고 직접 배기가스에 노출되도록 형성된다.
즉, 제1절연층(110)-PM검지전극(150)-제2절연층(120)-온도보상전극(160)-제3절연층(130)-히터전극(170)-제4절연층(140) 순서의 구조이다.
도 9에서 PM검지전극(150)의 센싱전극과 제2절연층(120) 사이 및 온도보상전극(160)과 제3절연층(130)의 사이는 반도성층(180)이 각각 위치할 수 있다. 온도보상전극(160)과 히터전극(170)이 가까워지면서 히터전극(170)에 의한 온도상승을 보다 정확히 측정하기 위한 목적이다. 즉, 퇴적PM의 산화를 위해 PM검지전극(150) 기준으로 700℃이상의 온도상승을 위해서는 히터는 더욱 높은 온도까지 가열해야 되므로, 지나친 온도상승의 위험을 차단하기 위함이다.
도 10은 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서(300)에 있어서, 제1절연층(110), 상기 제1절연층(110) 아래 위치하는 PM검지전극(150)의 외부전극, 상기 PM검지전극(150) 아래 위치하는 제2절연층(120), 상기 제2절연층(120) 아래 위치하는 히터전극(170), 상기 히터전극(170) 아래 위치하는 제3절연층(130), 상기 제3절연층(130) 아래 위치하는 온도보상전극(160) 및 상기 온도보상전극(160) 아래 위치하는 제4절연층(140)을 포함하여 구성되어 있다.
PM검지전극(150)의 아래에는 제2절연층(120)이 위치한다.
PM검지전극(150)의 센싱전극은 제2절연층(120)에 직접 접촉하지 않고 반도성층(180)을 통해 지지될 수 있다.
온도보상전극(160)은 직접 배기가스에 노출되지 않는 반면, PM검지전극(150)의 센싱전극은 배기가스에 직접 노출되어야 하므로 해당부분에는 제1절연층(110)이 없다. 즉, PM검지전극(150)의 센싱전극을 제외하고 PM검지전극(150)의 외부전극만 제1절연층(110)에 의해 덮혀져 지지된다. 즉, 온도보상전극(160)과 달리 PM검지전극(150)의 센싱전극의 위에는 절연층이 없고 직접 배기가스에 노출되도록 형성된다.
제1절연층(110)-PM검지전극(150)-제2절연층(120)-히터전극(170)-제3절연층(130)-온도보상전극(160)-제4절연층(140) 순서의 구조이다.
도 10에서 PM검지전극(150)의센싱전극과 제2절연층(120) 사이 및 제3절연층(130)과 온도보상전극(160) 사이는 반도성층(180)이 각각 위치할 수 있다. 동일 층 내에 PM검지전극(150)과 온도보상전극(160)이 병렬 배치되는 것에 비해 절연층이 추가되었고, 전기적인 안정성을 갖는다는 점에서 장점이 있으며, 제1절연층(110)과 제4절연층(140)이 배기가스 유동에 대해 대칭이 되는 지점에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 여러 가지 실시 가능한 예 중에서당 업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시 예에만의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시 예가 가능함을 밝혀둔다. 본 발명의범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 또한 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어가 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되어야 한다. 더불어, 상술하는 과정에서 기술된 구성의 순서는 반드시 시계열적인 순서대로 수행될 필요는 없으며, 각 구성 및 단계의수행 순서가 바뀌어도 본 발명의 요지를 충족한다면 이러한 과정은 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음은 물론이다.
100: 배기가스 PM센서 110: 제1절연층
120: 제2절연층 130: 제3절연층
140: 제4절연층 150: PM검지전극
160: 온도보상전극 170: 히터전극
180: 반도성층
200, 300: 배기가스 PM센서
120: 제2절연층 130: 제3절연층
140: 제4절연층 150: PM검지전극
160: 온도보상전극 170: 히터전극
180: 반도성층
200, 300: 배기가스 PM센서
Claims (6)
- 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서,
제1절연층;
상기 제1절연층 아래 위치하는 온도보상전극;
상기 온도보상전극과 병렬 배치되는 PM검지전극;
상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극 아래 위치하는 제2절연층;
상기 제2절연층 아래 위치하는 히터전극;
상기 히터전극 아래 위치하는 제3절연층; 및
상기 PM검지전극과 온도보상전극의 센싱전극과 제2절연층 사이에 위치하는 반도성층;
상기 제1절연층에 의해 상기 PM검지전극의 외부전극 및 상기 온도보상전극이 상기 배출가스에 노출되지 않으며, 상기 PM검지전극의 센싱전극은 상기 배출가스에 노출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극의 비저항의 크기는 반도성층 > 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서이며, 상기 PM검지전극은 R1저항값, 상기 온도보상전극은 R2저항값을 측정해 온도보상을 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서. - 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서,
제1절연층(110);
상기 제1절연층 아래 위치하는 PM검지전극(150);
상기 PM검지전극 아래 위치하는 제2절연층(120);
상기 제2절연층 아래 위치하는 온도보상전극(160);
상기 온도보상전극 아래 위치하는 제3절연층(130);
상기 제3절연층 아래 위치하는 히터전극(170);
상기 히터전극 아래 위치하는 제4절연층(140);
상기 PM검지전극의 센싱전극과 제2절연층 사이 및
상기 온도보상전극의 센싱전극과 제3절연층 사이에 각각 위치하는 반도성층;
상기 제1절연층에 의해 상기 PM검지전극의 외부전극이 상기 배출가스에 노출되지 않으며, 상기 PM검지전극의 센싱전극만 상기 배출가스에 노출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극의 비저항의 크기는 반도성층 > 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서이며, 상기 PM검지전극은 R1저항값, 상기 온도보상전극은 R2저항값을 측정해 온도보상을 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서. - 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서,
제1절연층(110);
상기 제1절연층 아래 위치하는 PM검지전극(150);
상기 PM검지전극 아래 위치하는 제2절연층(120);
상기 제2절연층 아래 위치하는 히터전극(170);
상기 히터전극 아래 위치하는 제3절연층(130);
상기 제3절연층 아래 위치하는 온도보상전극(160);
상기 온도보상전극 아래 위치하는 제4절연층(140);
상기 PM검지전극의 센싱전극과 제2절연층 사이 및
상기 제3절연층과 상기 온도보상전극의 센싱전극 사이에 각각 위치하는 반도성층;
상기 제1절연층에 의해 상기 PM검지전극의 외부전극이 상기 배출가스에 노출되지 않으며, 상기 PM검지전극의 센싱전극만 상기 배출가스에 노출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극의 비저항의 크기는 반도성층 > 입자상물질 > PM검지전극 및 온도보상전극의 순서이며, 상기 PM검지전극은 R1저항값, 상기 온도보상전극은 R2저항값을 측정해 온도보상을 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서.
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