KR20200081579A - 이중 작용 전극 구조의 전기화학식 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학식 가스 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 작용 전극을 구비한 전기화학식 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이중 전극 구조의 전기화학식 가스 센서의 일 실시예는 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구가 형성되어 있는 하우징과, 하우징 내에 제1 가스 유입구의 하방에 배치되고 제1 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제1 작용 전극(Sensing Electrode)과, 하우징 내에 제2 가스 유입구의 하방에 배치되고 제2 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제2 작용 전극(Sensing Electrode)과, 제2 가스 유입구와 제2 작용 전극 사이에 배치되며 센싱하고자 하는 감지 가스가 제2 작용 전극으로 유입되는 것이 필터링되는 감지 가스 제거용 필터와, 제1 작용 전극과 제2 작용 전극의 하방에 배치되는 기준 전극(Reference Electrode)과, 기준 전극의 하방에 배치되는 반응 전극(Counter Electrode)을 포함한다.
Description
본 발명은 전기화학식 가스 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 작용 전극을 구비한 전기화학식 가스 센서에 관한 것이다.
최근 환경과 안전, 건강을 중시하는 사람들의 인식 변화로 인해 산업현장의 환경오염, 실내 공기질 측정을 위해 다양한 가스센서가 활용되고 있다. 산업현장 작업자의 작업공간에 대한 안정성 여부를 확인하기 위한 용도로 사용되는 경우에는 ppm 수준의 가스 농도를 감지할 수 있는 가스 센서이면 충분하지만, 산업현장의 환경오염(악취물질) 및 실내 공기질 측정 및 모니터링을 위해서는 ppb 수준의 낮은 가스 농도를 감지할 수 있는 가스 센서가 필요하다. 다양한 가스 센서 중에서 특히 전기화학식(Electrochemical) 가스 센서는 대표적인 악취 및 실내 공기질 오염물질인 황화수소(H2S), 암모니아(NH3), 포름알데히드(HCHO) 등의 가스를 감지하는데 보다 효율적이며, ppb 수준의 낮은 가스 농도를 측정할 수 있는 장점을 가지고 있어 다양한 분야에 활용되고 있다.
하지만, 전기화학식 가스 센서를 지속적인 가스 농도 감지 모니터링에 사용하는 경우, 외부 환경(온도, 습도 등) 변화에 의해 감지 가스가 없는 상태의 센서 출력값(baseline output)이 센서 종류에 따라 수십 ppb ~ 수백 ppb 범위 내에서 변화하게 된다. 이에 따라 전기화학식 가스 센서는 ppb 수준의 가스 농도를 측정하는 경우에는 외부 환경 변화에 따라 비정상적인 가스 농도값을 표출하는 단점이 있어, 정확한 가스 농도 측정을 위해서는 별도의 baseline out 보정 알고리즘을 적용하여야 하는 실정이다.
외부 환경 변화에 의한 baseline output은 전극과 전해질 계면의 젖음 상태 및 가스 확산 유입구의 크기 등 다양한 요소에 의해 변화되며, 전기화학식 가스 센서가 요구하는 감지능(Sensitivity)을 확보한 상태에서 외부 환경 변화에 의한 baseline output의 변화를 최소화하는 것은 어려운 상황이다. 따라서, ppb 수준의 환경오염 물질 가스 농도 측정을 위해 외부 환경의 변화에 보다 안정적으로 가스 농도를 감지할 수 있는 전기화학식 가스센서가 개발되는 것이 필요하다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 작용 전극을 감지 가스의 산화 반응을 야기하는 작용 전극과 외부 환경 변화에 따른 baseline out을 나타내는 작용 전극으로 이중 구조로 구성하여 전기화학식 가스 센서 자체 내에서 외부 환경 변화 요인을 제거하여 ppb 수준의 가스 농도를 안정적으로 감지할 수 있는 이중 작용 전극 구조의 전기화학식 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 이중 전극 구조의 전기화학식 가스 센서의 일 실시예는 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구가 형성되어 있는 하우징; 상기 하우징 내에 상기 제1 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제1 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제1 작용 전극(Sensing Electrode); 상기 하우징 내에 상기 제2 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제2 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제2 작용 전극(Sensing Electrode); 상기 제2 가스 유입구와 상기 제2 작용 전극 사이에 배치되며, 센싱하고자 하는 감지 가스가 상기 제2 작용 전극으로 유입되는 것이 필터링되는 감지 가스 제거용 필터; 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극의 하방에 배치되는 기준 전극(Reference Electrode); 및 상기 기준 전극의 하방에 배치되는 반응 전극(Counter Electrode);을 포함한다.
본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 하우징 내에 배치되는 작용 전극 지지 부재가 더 구비되며, 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 상기 작용 전극 지지 부재에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 각각 반원판 형상으로 형성되며, 상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 서로 마주보게 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 감지 가스 제거용 필터는 활성탄, 실리카(SiO2), 산화망간(MnO), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 분말 및 나피온(Nafion) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일부 실시예들에 있어서, 상기 감지 가스는 황화수소(H2S)이며, 상기 감지 가스 제거용 필터는 활성탄일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서는 작용 전극을 이중 구조로 하고 그 중 하나의 작용 전극을 외부 환경 변화에 따른 baseline out을 나타내므로, 가스 센서 자체 내에서 외부 환경 변화 요인을 제거할 수 있어 ppb 수준의 가스 농도를 안정적으로 감지할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서에 의하면, 외부 환경(온도, 습도 등) 변화에 의해 발생되는 센서 출력값의 오차를 배제하여 보다 안정적인 동작을 확보할 수 있으며, ppb 수준의 낮은 가스 농도를 안정적으로 감지할 수 있어 악취, 호기 가스 측정 등의 응용분야에 안정적으로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서에 대한 일 실시예의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1을 상부에서 바라본 도면으로, 상부 하우징에 형성되어 있는 가스 유입구들을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1을 하부에서 바라본 도면으로, 하부 하우징에 형성되어 있는 센서 핀들을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일 실시예에 구비되는 전극들의 형상을 나타낸 도면으로, 도 4는 2개의 작용 전극을 나타낸 도면이고, 도 5는 기준 전극을 나타낸 도면이며, 도 6은 대응 전극을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 효과를 설명하기 위한 도면들로, 도 7은 시간에 따른 외부 온도와 습도의 변화를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 외부 환경의 변화에 따른 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서로 측정한 센서 아웃풋(sensor output)을 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8의 센서 아웃풋 중 제1 작용 전극의 아웃풋을 기초로 감지 가스 농도를 산출한 도면이고, 도 10은 도 8의 센서 아웃풋 모두를 기초로 감지 가스 농도를 산출한 도면이다.
도 2는 도 1을 상부에서 바라본 도면으로, 상부 하우징에 형성되어 있는 가스 유입구들을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1을 하부에서 바라본 도면으로, 하부 하우징에 형성되어 있는 센서 핀들을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 일 실시예에 구비되는 전극들의 형상을 나타낸 도면으로, 도 4는 2개의 작용 전극을 나타낸 도면이고, 도 5는 기준 전극을 나타낸 도면이며, 도 6은 대응 전극을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서의 효과를 설명하기 위한 도면들로, 도 7은 시간에 따른 외부 온도와 습도의 변화를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 외부 환경의 변화에 따른 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서로 측정한 센서 아웃풋(sensor output)을 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8의 센서 아웃풋 중 제1 작용 전극의 아웃풋을 기초로 감지 가스 농도를 산출한 도면이고, 도 10은 도 8의 센서 아웃풋 모두를 기초로 감지 가스 농도를 산출한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서에 대한 일 실시예의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1을 상부에서 바라본 도면으로, 상부 하우징에 형성되어 있는 가스 유입구들을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1을 하부에서 바라본 도면으로, 하부 하우징에 형성되어 있는 센서 핀들을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서(100)는 하우징(10A, 10B), 먼지 필터(Dust Filter)(11), 작용 전극 지지 부재(51), 작용 전극(Sensing Electrode)(31A, 31B), 기준 전극 지지 부재(52), 기준 전극(Reference Electrode)(32), 대응 전극 지지 부재(53), 대응 전극(Counter Electrode)(33), 전해액 담지체(40), 감지 가스 제거용 필터(14) 및 센서 핀(20A, 20B, 20C, 20D)을 구비한다.
하우징(10A, 10B)은 상부 하우징(10A)과 하부 하우징(10B)으로 구비되며, 하부 하우징(10B)은 내부에 수용부가 형성되어, 하부 하우징(10B) 내부에 작용 전극 지지 부재(51), 작용 전극(31A, 31B), 기준 전극 지지 부재(52), 기준 전극(32), 대응 전극 지지 부재(53), 대응 전극(33), 전해액 담지체(40) 등이 수용된다. 하부 하우징(10B)은 상부가 개방된 형태로 형성되며, 하부 하우징(10B)의 개방된 상부는 상부 하우징(10A)과 결합하여 밀폐된다. 상부 하우징(10A)과 하부 하우징(10B)은 초음파 융착기를 이용하여 압착 방식으로 결합이 가능하며, 하우징(10A, 10B) 내부에 수용된 구성요소들이 외부로 누출되지 않도록 완전히 밀폐되도록 결합된다.
상부 하우징(10A)에는 가스가 유입되는 2개의 가스 유입구(12, 13) 형성되어 있다. 이 2개의 가스 유입구(12, 13)는 제1 가스 유입구(12)와 제2 가스 유입구(13)로 구분된다. 외부의 가스는 가스 유입구(12, 13)를 통해 하우징(10A, 10B) 내부로 유입된다. 제1 가스 유입구(12)를 통해서는 외부의 모든 가스가 하우징(10A, 10B) 내부로 유입되며, 제1 가스 유입구(12)를 통해 유입된 가스는 제1 작용 전극(31A)에 도달한다. 제2 가스 유입구(13)를 통해 유입된 가스는 제2 가스 유입구(13)의 하방에 배치된 감지 가스 제거용 필터(14)에 의해 감지 가스가 필터링된 상태로 제2 작용 전극(31B)에 도달한다. 가스 유입구(12, 13)는 직경이 1.0 ~ 5.0 mm 정도의 구멍이며, 드릴로 홀 가공하여 형성될 수 있다. 가스 센서(100)를 통해 감지하고자 하는 감지 가스의 종류에 따라 효율적인 감지능을 확보하기 위해 가스 유입구(12, 13)의 크기는 상이할 수 있다. 예컨대, 감지 가스가 황화수소(H2S)인 경우, 가스 유입구(12, 13)의 직경이 3.0 ~ 4.0 mm 일 때, 600 ~ 800 nA/ppm의 감지능을 확보할 수 있다. 2개의 가스 유입구(12, 13)는 동일한 직경일 때, 효과적인 성능을 기대할 수 있다.
먼지 필터(11)는 상부 하우징(10A)의 상단에 2개의 가스 유입구(12, 13)가 덮이도록 배치되어 외부로부터 먼지 및 수분이 하우징(10A, 10B) 내부로 유입되는 것을 방지한다. 이를 위해 먼지 필터(11)는 기공도가 약 30~50% 범위를 갖는 다공성 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 모재로 하고, 기계적 강도를 높이기 위해 표면에 PE(polyethylene) 등의 플라스틱 재질의 메쉬 형태의 구조물이 접착되어 있는 소재로 이루어진다.
감지 가스 제거용 필터(14)는 제2 가스 유입구(13)와 제2 작용 전극(31B) 사이에 배치되어, 제2 가스 유입구(13)를 통해 유입되는 가스 중 감지 가스를 흡착 제거하여 제2 작용 전극(31B)에 감지 가스가 도달하지 못하도록 필터링한다. 감지 가스 제거용 필터(14)는 감지 가스를 흡착할 수 있는 능력이 큰 소재로 이루어지며, 활성탄, 실리카(SiO2), 산화망간(MnO), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 분말 및 나피온(Nafion) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 감지 가스는 본 실시예의 전기화확식 가스 센서(100)로 측정하고자 하는 가스로, 황화수소(H2S), 일산화탄소(CO), 수소(H2), 이산화황(SO2) 등일 수 있으며, 본 발명은 감지 가스의 종류에 제한되지 않는다. 감지 가스 제거용 필터(14)는 감지 가스에 따라 서로 다른 소재로 이루어질 수 있다. 예컨대, 필터링하고자 하는 감지 가스가 황화수소인 경우, 활성탄을 사용할 수 있다. 이 때 활성탄은 표면적인 900 ~ 1,500 ㎡/g 인 것으로 입상 또는 섬유상 형태의 것이 사용될 수 있다.
작용 전극(31A, 31B)은 감지 가스의 산화 반응이 일어나는 전극으로, 2개의 가스 유입구(12, 13)의 하방에 배치되며, 작용 전극 지지 부재(51)에 의해 지지된다. 본 실시예에서의 작용 전극(31A, 31B)은 2개로 분리되어 형성되며, 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 작용 전극(31A, 31B) 각각은 반원판 형상으로 형성되어 서로 마주보게 작용 전극 지지 부재(51) 상에 배치된다. 2개의 작용 전극 중 제1 작용 전극(31A)은 제1 가스 유입구(12)의 하방에 배치되며, 제1 가스 유입구(12)와 제1 작용 전극(31A)의 사이에는 별도의 필터가 없으므로, 제1 가스 유입구(12)를 통해 유입되는 모든 가스가 제1 작용 전극(31A)에 도달한다. 제2 작용 전극(31B)은 제2 가스 유입구(13)의 하방에 배치되며, 제2 가스 유입구(13)와 제2 작용 전극(31B) 사이에 배치된 감지 가스 제거용 필터(14)에 의해 감지 가스가 필터링된 가스가 제2 작용 전극(31B)에 도달한다.
제1 작용 전극(31A)은 감지 가스가 제거되지 않으므로, 제1 작용 전극(31A)에서 감지 가스의 산화 반응이 일어난다. 제2 작용 전극(31B)은 감지 가스가 필터링된 가스가 도달하므로, 제2 작용 전극(31B)에 의해 외부 환경 변화 영향을 측정할 수 있다. 작용 전극 지지 부재(51)는 기공 크기가 0.3 ~ 0.5 ㎛이고, 두께가 100 ~ 300 ㎛인 다공성 PTFE 재질로 이루어질 수 있으며, 작용 전극(31A, 31B)은 감지 가스의 산화 반응을 촉진할 수 있는 백금(Pt), 금(Au), 백금-루테늄(Pt-Ru), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 탄소(Carbon) 등의 촉매 물질로 이루어질 수 있다. 작용 전극 지지 부재(51)는 상부 하우징(10A)과 열융착 방식으로 결합된다.
기준 전극(32)은 작용 전극(31A, 31B)에 일정한 전위를 유지시켜주는 전극으로, 작용 전극(31A, 31B)의 하방에 배치되며, 기준 전극 지지 부재(52)에 의해 지지된다. 기준 전극(32)과 기준 전극 지지 부재(52)는 도 5에 도시된 바와 같이, 가운데 부분에 홀이 형성되어 있는 원판 형상으로 형성된다. 기준 전극(32)과 기준 전극 지지 부재(52)의 가운데 부분의 홀을 통해 전해액 담지체(40)에 담지된 전해액이 이동하며, 이때 홀은 5 ~ 7 mm 정도의 직경을 갖는다. 기준 전극 지지 부재(52)는 다공성 PTFE 재질로 이루어질 수 있다. 홀의 직경이 5 mm 보다 작게 되면, 센서의 장기적인 안정성이 크게 저하된다.
대응 전극(33)은 작용 전극(31A, 31B)에서의 감지 가스의 산화 반응에 비례하여 환원 반응을 일으키는 전극으로, 기준 전극(32)의 하방에 배치되며, 대응 전극 지지 부재(53)에 의해 지지된다. 대응 전극(33)과 대응 전극 지지 부재(53)는 도 6에 도시된 바와 같이, 가운데 부분에 홀이 형성되어 있는 원판 형상으로 형성된다. 대응 전극(33)과 대응 전극 지지 부재(53)의 가운데 부분의 홀을 통해 전해액 담지체(40)에 담지된 전해액이 이동하며, 이때 홀은 5 ~ 7 mm 정도의 직경을 갖는다. 대응 전극 지지 부재(53)는 다공성 PTFE 재질로 이루어질 수 있다. 홀의 직경이 5 mm 보다 작게 되면, 센서의 장기적인 안정성이 크게 저하된다.
전해액 담지체(40)는 하부 하우징(10B)의 수용부에 수용되며, 대체로 대응 전극(33)의 하부에 배치된다. 전해액 담지체(40)는 전해액을 담지하는 것으로, boron silicate glass mat, polyester fiber mat와 같이 내화학성이 우수하고 전해액의 흡수율이 높은 소재로 이루어진다. 본 실시예와 같은 전기화학식 가스 센서(100)는 작용 전극(31A, 31B)에서 산화 반응에 의해 발생되는 수소 이온이 전해액을 통해 대응 전극(33)으로 이동하여 환원 반응을 일으킨다. 이와 같이 수소 이온이 전해액을 통해 이동이 용이하도록 기준 전극(32)과 대응 전극(33)의 중앙 부분에 홀이 형성된다. 전해액이 담지된 전해액 담지체(40)는 각각의 전극(31A, 31B, 32, 33)에 원활하게 전해액이 공급되어 평형 상태가 유지되도록 하며, 각 전극(31A, 31B, 32, 33) 간 전기적 쇼트를 방지하는 역할을 한다.
센서 핀(20A, 20B, 20C, 20D)은 도 3에 도시된 바와 같이 하부 하우징(10B)의 하부에 설치되며, 각각의 전극(31A, 31B, 32, 33)에서 발생하는 전기적 신호를 전달하는 출력 단자이다. 센서 핀(20A, 20B, 20C, 20D)은 전해액 담지체(40)에 담지된 전해액에 의한 부식을 방지하기 위해 내화학성 특성을 갖는 에폭시(21)를 도포하여 사용한다. 센서 핀(20A, 20B, 20C, 20D)은 황동 소재의 금속을 가공한 후, 표면을 금으로 도금하여 제작한다. 센서 핀(20A, 20B, 20C, 20D)은 와이어(미도시)를 통해 전극(31A, 31B, 32, 33)과 전기적으로 연결된다. 와이어는 0.01 ~ 0.03 mm 직경을 갖는 백금(Pt), 금(Au), 탄탈룸(Ta)과 같은 귀금속 소재로 이루어지며, 와이어와 센서 핀(20A, 20B, 20C, 20D)은 점용접(spot welding) 방식으로 연결된다. 제1 센서 핀(20A)은 기준 전극(32)과 전기적으로 연결되어 기준 전극(32)에서 발생하는 전기적 신호를 외부 회로로 전달하고, 제2 센서 핀(20B)은 제1 작용 전극(31A)과 전기적으로 연결되어 제1 작용 전극(31A)에서 발생하는 전기적 신호를 외부 회로로 전달하며, 제3 센서 핀(20C)은 대응 전극(33)과 전기적으로 연결되어 대응 전극(33)에서 발생하는 전기적 신호를 외부 회로로 전달하고, 제4 센서 핀(20D)은 제2 작용 전극(31B)과 전기적으로 연결되어 제2 작용 전극(31B)에서 발생하는 전기적 신호를 외부 회로로 전달한다.
상기에서 설명한 전기화학식 가스 센서(100)는 제2 가스 유입구(13)와 제2 작용 전극(31B)의 사이에 배치된 감지 가스 제거용 필터(14)를 통해, 제2 작용 전극(31B)에 감지 가스가 필터링된 가스가 도달하므로, 제2 작용 전극(31B)에 의해 출력되는 신호는 감지 가스에 의한 출력이 배제된 신호로서, 외부 환경 변화에 따른 baseline out을 나타낼 수 있는 신호에 해당한다. 즉, 제2 작용 전극(31B)을 통해 외부 환경 변화를 측정할 수 있게 된다. 그리고 제1 작용 전극(31A)은 감지 가스에 의한 출력 신호이므로, 제1 작용 전극(31A)의 출력 신호에서 제2 작용 전극(31B)의 출력 신호를 배제하면, 외부 환경 변화에 의해 발생되는 오차를 배제할 수 있어 보다 안정적인 센서 동작을 확보할 수 있게 된다. 따라서, ppb 수준의 낮은 농도에서 안정적으로 가스 농도를 감지할 수 있으므로, 악취, 호기 가스 측정 등의 응용 분야에서 안정적으로 이용 가능하게 된다.
온도와 습도 같은 외부 환경 변화가 배제되지 않은 경우의 감지 가스 농도의 변화와 외부 환경 변화를 배제한 감지 가스 농도의 변화를 도 7 내지 도 10에 나타내었다. 이때 감지 가스는 황화수소이고, 감지 가스 제거용 필터(14)는 활성탄을 사용하였으며, 약 2일 정도 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서로 측정한 결과를 나타내었다.
도 7은 시간에 따른 외부 온도와 습도의 변화를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 외부 환경의 변화에 따른 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서로 측정한 센서 아웃풋(sensor output)을 나타낸 도면이며, 도 9는 도 8의 센서 아웃풋 중 제1 작용 전극(31A)의 아웃풋을 기초로 감지 가스 농도를 산출한 도면이고, 도 10은 도 8의 센서 아웃풋 모두를 기초로 감지 가스 농도를 산출한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 측정된 2일 동안 온도와 습도는 크게 변화한 것을 알 수 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이 2개의 작용 전극(31A, 31B)에서의 출력되는 아웃풋도 크게 변화되는 것을 알 수 있다. 도 8에 도시된 그래프 중 검은색으로 표시된 그래프가 제1 작용 전극(31A)의 출력값으로, 감지 가스인 황화수소의 산화반응에 의해 출력된 값에 해당한다. 그리고 도 8에 도시된 그래프 중 빨간색으로 표시된 그래프가 제2 작용 전극(31B)의 출력값으로, 외부 환경 변화에 의해 출력된 값에 해당한다.
제1 작용 전극(31A)의 출력값을 기초로 감지 가스의 농도를 산출한 도면이 도 9로, 도 9에 도시된 감지 가스의 농도는 외부 환경 변화를 배제하지 않은 경우의 감지 가스의 농도에 해당한다. 그리고 제1 작용 전극(31A)의 출력값을 외부 환경 변화에 해당하는 제2 작용 전극(31B)의 출력값을 배제하고 감지 가스의 농도로 산출한 도면이 도 10으로, 도 10에 도시된 감지 가스의 농도는 외부 환경 변화를 배제한 경우의 감지 가스의 농도에 해당한다. 도 9와 도 10을 비교하면, 외부 환경 변화를 배제하지 않으면 온도와 습도와 같은 외부 환경 변화에 따라 감지 가스의 농도가 크게 변화하지만(도 9 참조), 외부 환경 변화를 배제하면, 온도와 습도와 같은 외부 환경이 변화하더라도 감지 가스의 농도가 약 20 ppb 이내에서 안정적으로 측정됨을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전기화학식 가스 센서를 이용하여 감지 가스를 측정하게 되면, ppb 수준의 매우 낮은 감지 가스 농도를 외부 환경 변화에도 안정적으로 확보할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
Claims (5)
- 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구가 형성되어 있는 하우징;
상기 하우징 내에 상기 제1 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제1 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제1 작용 전극(Sensing Electrode);
상기 하우징 내에 상기 제2 가스 유입구의 하방에 배치되고, 상기 제2 가스 유입구를 통하여 유입된 가스와 반응하는 제2 작용 전극(Sensing Electrode);
상기 제2 가스 유입구와 상기 제2 작용 전극 사이에 배치되며, 센싱하고자 하는 감지 가스가 상기 제2 작용 전극으로 유입되는 것이 필터링되는 감지 가스 제거용 필터;
상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극의 하방에 배치되는 기준 전극(Reference Electrode); 및
상기 기준 전극의 하방에 배치되는 반응 전극(Counter Electrode);을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학식 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 하우징 내에 배치되는 작용 전극 지지 부재가 더 구비되며,
상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 상기 작용 전극 지지 부재에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학식 가스 센서. - 제2항에 있어서,
상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 각각 반원판 형상으로 형성되며,
상기 제1 작용 전극과 상기 제2 작용 전극은 서로 마주보게 배치되는 것을 특징으로 하는 전기화학식 가스 센서. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 가스 제거용 필터는 활성탄, 실리카(SiO2), 산화망간(MnO), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 분말 및 나피온(Nafion) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학식 가스 센서. - 제4항에 있어서,
상기 감지 가스는 황화수소(H2S)이며,
상기 감지 가스 제거용 필터는 활성탄인 것을 특징으로 하는 전기화학식 가스 센서.
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