KR100864381B1 - 질소산화물 센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도산출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질소산화물(NOX) 센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법에 관한 것으로서, 일산화질소 및 이산화질소의 감도를 향상하고 간단한 방법으로 일산화질소, 이산화질소, 및 전체 질소산화물 농도를 산출할 수 있는 질소산화물센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법에 관한 것이다.
본 발명의 질소산화물 센서는 산소이온 전도성 고체전해질; 상기 산소이온 전도성 고체전해질에 형성되는 산화물 감지전극; 귀금속전극; 및 상기 산소이온 전도성 고체전해질 또는 산화물 감지전극과 상기 귀금속전극에 각각 연결되어 연장되는 기전력 리드선으로 이루어지고, 상기 산소이온 전도성 고체전해질과 산화물 감지전극은 적어도 둘 이상의 계면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 a) 상술한 바와 같은 둘 이상의 질소산화물 센서를 이용하여 각 질소산화물 센서의 기전력을 측정하는 단계; b) 상기 측정된 기전력을 상기 질소산화물 센서 각각의 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 산출하는 단계; 및 c) 상기 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 더함으로써 전체 질소산화물의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 질소산화물 센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 대기 중의 일산화질소 농도가 높을 때 발생되는 감도저하를 방지하 여 측정의 정확성을 높일 수 있고, 둘 이상의 센서 또는 두 쌍 이상의 계면에서 측정되는 기전력을 질소산화물 농도 산출식에 대입하는 간단한 방법으로 일산화질소 및 이산화질소의 농도 및 전체 질소 산화물 농도를 산출할 수 있는 장점이 있다.
일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 질소산화물(NOX), 기전력
Description
도 1a은 종래의 혼합전위방식을 이용한 질소산화물 센서를 나타낸 개략도.
도 1b는 상기 도 1a에 도시한 질소산화물 센서의 일산화질소 또는 이산화질소가 대부분인 경우에서의 기전력 그래프.
도 1c는 상기 도 1a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 NiO가 형성된 경우의 기전력 그래프.
도 1d는 상기 도 1a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 CuO가 형성된 경우의 기전력 그래프.
도 2는 종래의 다른 질소산화물 센서를 나타낸 개략도.
도 3a는 본 발명에 따른 질소산화물 센서의 개략도.
도 3b는 상기 도 3a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 NiO, CuO가 각각 형성된 경우의 기전력 그래프.
도 3c는 상기 도 3a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 NiO, LaCoO3가 각각 형성된 경우의 기전력 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 질소산화물 센서의 다른 개략도.
도 5은 본 발명에 따른 질소산화물 센서의 또 다른 개략도.
도 6a은 본 발명에 따른 질소산화물 센서의 또 다른 개략도.
도 6b는 상기 도 6a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 NiO-YSZ, NiO, CuO, 2CuOㆍCr2O3가 각각 형성된 경우의 기전력 그래프.
도 7a는 본 발명에 따른 질소산화물 센서의 또 다른 개략도.
도 7b는 상기 도 7a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 NiO-YSZ가 형성된 경우의 기전력 그래프.
도 8는 본 발명의 전체 질소산화물 농도 산출 방법을 설명한 블록도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 질소산화물 센서
10 : 산소이온 전도성 고체전해질
20, 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 : 산화물 감지전극
30 : 귀금속전극
40 : 기전력 리드선
Sa~Sc : 본 발명의 전체 질소산화물 농도 산출 방법의 각 단계
본 발명은 질소산화물(NOX) 센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법에 관한 것으로서, 일산화질소 및 이산화질소의 감도를 향상하고 간단한 방법으로 일산화질소, 이산화질소, 및 전체 질소산화물 농도를 산출할 수 있는 질소산화물센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법에 관한 것이다.
질소산화물은 연소공기 및 연료에 함유된 질소가 온도 등의 영향을 받아 산소와 결합하여 생성된 것으로 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 및 삼산화이질소(N2O3)를 포함하여 총칭하여 NOX로 표시한다.
특히, 상기 이산화질소는 적갈색의 자극성 냄새가 있는 유독한 기체로, 상기 질소산화물은 일산화질소 및 이산화질소가 대부분을 차지하며 자동차와 같은 운송수단에 의해 많이 유발되어 대기오염원으로 작용하게되므로 질소산화물 농도 측정의 필요성이 증가되고 있다.
종래의 질소산화물의 농도를 측정할 수 있는 센서는 혼합전위방식을 이용하는 질소산화물 센서가 제안된 바 있으며, 상기 혼합전위방식을 이용한 질소산화물 센서를 도 1a에 도시하였다.
상기 도 1에 도시한 혼합전위방식을 이용하는 질소산화물 센서는 안정화 지르코니아를 이용하는 산소이온 전도체(110); 상기 산소이온 전도체의 일측면에 형성되는 산화물 감지전극(120); 귀금속전극(130); 및 귀금속 기준전극(140)으로 형성되며, 상기 귀금속전극 양단의 전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합전위방식을 이용하는 질소산화물 센서는 산화물 감지전극이 질소산화물과 산소에 반응성을 가지나 기준전극은 산소에만 반응성을 갖고 있어, 가스 중에 포함된 질소산화물의 농도에 따라 상기 기준전극과 산화물감지전극 간의 전압차이가 발생하게 되므로 이 기전력의 차이를 측정함으로서 질소산화물의 양을 측정하는 방식이다.
도 1b는 상기 도 1a에 도시한 질소산화물 센서의 일산화질소 또는 이산화질소가 대부분인 경우에서의 기전력 그래프로 상기 도 1b는 700℃, 산소 분압 5%의 조건에서 측정되었다.
상기 도 1b에 도시한 바와 같이, 80분을 기준으로 80분 이전에는 이산화질소가 대부분이며 80분 이후에는 일산화질소가 대부분인 경우로, 실제 측정되는 기전력은 이산화질소가 대부분인 경우에는 이산화질소의 농도와 유사한 그래프의 형태를 보이지만 일산화질소가 대부분인 경우에는 일산화질소에 따른 현저한 감도저하로 인해 일산화질소가 대기의 대부분을 차지하는 경우에 상기 질소산화물 센서는 제 역할을 제대로 수행할 수 없음을 알 수 있다.
더욱 상세하게, 상기 혼합전위방식을 이용하는 질소산화물 센서는 이산화질소가 존재하는 경우에는 아래의 식(1) 및 식(2)과 같은 반응이 일어나며, 일산화질소가 존재하는 경우에는 아래의 식(3) 및 식(4)와 같은 반응이 일어난다.
NO2의 경우 : NO2 + 2e - → NO + O2- ........ (1)
O2- → 1/2O2 + 2e - ........ (2)
NO의 경우 : NO + O2- → NO2 + 2e - ........ (3)
1/2O2 + 2e - → O2- ........ (4)
상기 식(1) 내지 식(4)를 통해 표현되는 바와 같이, 일산화질소가 존재할 때 귀금속전극과 감지전극 사이에 발생되는 기전력의 부호는 이산화 질소가 존재할 때의 귀금속전극과 감지전극 사이에 발생되는 기전력의 부호와 서로 상반된다. 이에 따라, 실제 대기상태와 같이 일산화질소 및 이산화질소가 혼재되어 있는 경우에 상기 혼합전위를 이용하는 질소산화물 센서는 기전력이 서로 반대로 변화하는 특성에 의해 질소산화물의 총량을 측정하기는 힘든 단점이 있다.
도 1c는 상기 도 1a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 NiO가 형성된 경우의 기전력 그래프이고, 도 1d는 상기 도 1a에 도시한 질소산화물 센서에 감지전극으로 CuO가 형성된 경우의 기전력 그래프로, 상기 도 1c 및 도 1d를 통해 이산화질소 농도가 일정히 유지되거나 증가하더라도 일산화질소의 농도 증가에 따른 기전력의 감소로 센서의 정확성이 저하됨을 확인가능하다. 이는 이산화질소와 일산화질소의 혼합가스의 경우 단순한 혼합전위를 이용하는 질소산화물 센서를 이용할 수 없음을 보여준다.
실제로, 상기 도 1c와 같이 감지전극으로 NiO가 이용되는 경우에 일산화질소의 농도를 10ppm에서 100ppm으로 변화시키면 기전력의 변화는 -6.5mV가 되지만 이 산화질소의 농도를 10ppm에서 100ppm으로 변화시키면 기전력의 변화는 83.7mV이고, 상기 도 1 d와 같이 감지전극으로 CuO가 이용되는 경우에 일산화질소의 농도를 10ppm에서 100ppm으로 변화시키면 기전력의 변화는 -3.4mV가 되지만 이산화질소의 농도를 10ppm에서 100ppm으로 변화시키면 기전력은 66.0mV이다.
상술한 바와 같이 종래의 혼합전위방식을 이용한 질소산화물 센서는 일산화질소가 높은 농도를 갖는다 할지라도 이를 감지하지 못하는 문제점이 있다
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 적층형 구조를 갖도록 형성되고 측정가스가 유입되는 유입구에 질소산화물을 하나의 형태로 변환하는 변환셀(140)을 형성하여 이산화질소 또는 일산화질소로 단일화함으로써 질소산화물의 총량을 측정하는 방법이 제안된 바 있으며 이를 도 2에 도시하였다.
상기 방법은 이산화질소를 모두 일산화질소로 단일화하거나, 일산화질소를 모두 이산화질소로 단일화하는 과정을 거치게 되지만 변환셀은 전체를 일산화질소 또는 이산화질소로 변환하는 것에는 한계가 있어 이 또한 전체 질소산화물의 총량을 측정하기 힘든 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 개별적으로 측정할 수 있고 일산화질소가 대부분인 분위기에서도 일산화질소의 반응성을 향상시켜 일산화질소 농 도측정의 정확성을 높일 수 있는 질소산화물 센서를 제공함에 있다.
또한, 본 발명에 따른 다른 목적은 질소산화물 농도 산출 방정식을 이용하여 개별적으로 측정된 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 대입함으로써 간단한 방법으로도 질소산화물의 전체 농도를 산출할 수 있는 질소산화물 센서를 이용한 질소산화물의 농도 산출 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질소산화물 센서는 산소이온 전도성 고체전해질; 상기 산소이온 전도성 고체전해질에 형성되는 산화물 감지전극; 상기 산소이온 전도성 고체전해질 또는 상기 산화물 감지전극에 형성되는 귀금속전극; 및 상기 귀금속전극에 연결되어 연장되는 기전력 리드선으로 이루어지고, 상기 산소이온 전도성 고체전해질과 산화물 감지전극은 적어도 둘 이상의 계면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 센서(100)는 상기 산화물 감지전극(20)계면 사이에 일정한 전류를 인가하고 측정되는 전압을 통해 질소산화물(NOX)의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 일면에 둘 이상 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 상면 및 하면에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)이 일정거리 이격되어 둘 이상 형성되고, 상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 산화물 감지전극(20)은 일정거리 이격되어 둘 이상 형성되고, 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)은 상기 산화물 감지전극(20)의 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)은 안정화 지르코니아, CeO2, 또는 ThO2에서 선택되는 1종으로 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 산화물 감지전극(20)은 NiO, CuO, NiO-YSZ, LaCoO3, 또는 2CuO·Cr2O3에서 선택되는 1종 이상의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 귀금속전극(30)은 백금 또는 금으로 형성되는 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 a) 상술한 바와 같은 둘 이상의 질소산화물 센서(100)를 이용하여 각 질소산화물 센서(100)의 기전력을 측정하는 단계; b) 상기 측정된 기전력을 상기 질소산화물 센서(100) 각각의 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 산출하는 단계; 및 c) 상기 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 더함으로써 전체 질소산화물의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 EMF = α1lnPNO2 - α2PNO + α3 인 것을 특징으로 하고, 상기 질소산화물 농도 산출 방정식의 계수는 산화물 감지전극(20)의 형성재료, 형성공정, 또는 질소산화물 센서(100)에 인가되는 전류에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 a) 상술한 바와 같은 질소산화물 센서(100)의 두 쌍 이상의 계면으로부터 각각의 기전력을 측정하는 단계; b) 상기 측정된 기전력을 상기 질소산화물 센서(100) 각각의 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 산출하는 단계; 및 c) 상기 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 더함으로써 전체 질소산화물의 농도를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 갖는 본 발명의 질소산화물 센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 질소산화물 센서(100)는 산소이온 전도성 고체전해질(10); 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)에 형성되는 산화물 감지전극(20); 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10) 또는 상기 산화물 감지전극(20)에 형성되는 귀금속전극(30); 및 상기 귀금속전극(30)에 연결되어 연장되는 기전력 리드선(40)으로 이루어지고, 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)과 산화물 감지전극(20)은 적어도 둘 이상의 계면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)은 안정화 지르코니아, CeO2, 또는 ThO2에서 선택되는 1종으로 형성되고, 상기 산화물 감지전극(20)은 NiO, CuO, 또는 NiO-YSZ에서 선택되는 1종 이상의 혼합물로 형성되거나 LaCoO3, 또는 2CuO·Cr2O3에서 선택되는 1종 이상의 산화물로 형성되며 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10) 및 산화물 감지전극(20)은 2개 이상 형성되는 경우 같은 물질로 형성될 수도 있고 각각 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 질소산화물 센서(100)는 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)과 산화물 감지전극(20)의 계면을 둘 이상 형성하기 위한 방법으로 다양한 형태로 형성될 수 있으며 이하에서는 구체적인 도면을 들어 설명하나 본 발명의 질소산화물 센서(100)가 이에 한정되지 않음은 당연하다.
도 3a는 본 발명에 따른 질소산화물 센서(100)의 개략도로 상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 상면 및 하면에 형성되고, 상기 두 개의 산화물 감지전극(20)이 각각 다른 물질로 형성된 예를 도시하였다.
상기한 바와 같은 질소산화물 센서(100)는 상기 산화물 감지전극(20)에 인위적으로 전류를 인가하는 경우 음의 전극에서는 이산화질소에 대한 반응성이, 양의 전극에서는 일산화질소의 반응성이 향상된다.
도 3b는 상기 도 3a에 도시한 질소산화물 센서(100)에 음전극으로 NiO가 양전극으로 CuO가 형성되고, 700℃, 산소 분압 10%에서 5μA의 전류를 인가하였을 때의 결과를 나타낸 그래프이며, 도 3c는 상기 도 3a에 도시한 질소산화물 센서(100)에 음전극으로 NiO가 양전극으로 LaCoO3가 형성되고 700℃, 산소 분압 10%에서 5μA 의 전류를 인가하였을 때는 결과를 나타낸 그래프이다.
상기 도 3b 및 도 3c에 도시한 것과 같이 종래의 하나의 계면만을 갖는 상기 도 1c 및 도 1d와 비교하여 보면 일산화질소의 감도가 매우 상승했음을 알 수 있다.
더욱 구체적으로 상기 도 1c 및 도 1d에 도시한 그래프를 기반으로 일산화질소 및 이산화질소의 농도에 따른 기전력은 아래 식 (1) 및 (2)와 같은 함수식으로 표현될 수 있다.
EMF = 0.03635lnPNO2 - 72.31PNO + 0.3829 (1)
EMF = 0.02866lnPNO2 - 37.40PNO + 0.2941 (2)
또한, 상기 도 3b 및 도 3d에 도시한 그래프를 기반으로 일산화질소 및 이산화질소의 농도에 따른 기전력은 아래 식 (3) 및 (4)와 같은 함수식으로 표현될 수 있다.
EMF = 0.07228lnPNO2 - 192.9PNO + 0.6471 (3)
EMF = 0.06427lnPNO2 - 91.29PNO + 0.4355 (4)
상기 식(1) 및 (2)를 상기 식 (3) 및 (4) 와 비교하여 보면 상기 도 3b 및 도 3c에 의한 일산화질소의 농도(PNO)에 대한 계수가 상기 도 1c 및 도 1d에 의한 일산화질소의 농도(PNO)에 대한 계수보다 현저히 증가됨을 알 수 있다.
실제로 상기 도 3a 에 도시된 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 상기 도 1a 에 도시한 종래의 질소산화물 센서(100)보다 이산화질소에 대한 감도는 약 2배 이상, 일산화질소에 대한 감도는 약 3배 이상 높아지며, 이에 따라 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 대기 중에 일산화질소 또는 이산화질소의 양이 대부분인 경우에도 질소산화물의 양을 더욱 정확히 측정가능한 장점이 있다.
도 4는 본 발명에 따른 질소산화물 센서(100)의 다른 개략도로 기본적으로는 상기 도 3a에 도시된 것과 같은 구조를 가지나 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 상면 및 하면에 형성되는 산화물 감지전극(20-1)이 같은 물질로 형성된 예를 나타내었다.
상기 도 4에 도시한 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 상측과 하측에 같은 산화물 감지전극(20)을 형성하고 일정한 전류를 인가하면 음의 전극에서는 이산화질소에 대한 반응성이 양의 전극에서는 일산화질소에 대한 반응성이 향상된다.
도 5은 본 발명에 따른 질소산화물 센서(100)의 또 다른 개략도로, 두 개의 산소이온 전도성 고체전해질(10)이 형성되고 상기 산소 이온 전도성 고체전해질의 사이에 산화물 감지전극(20)이 삽입되어 2개의 계면이 형성된 예를 나타내었다.
상기 도 5는 상측의 산소이온 전도성 고체전해질(10)과 산화물 감지전극(20)이 형성하는 계면과 하측의 산소이온 전도성 고체전해질(10)과 산화물 감지전극(20)이 형성하는 계면에 일정한 전류를 인가하면 양의 전극에서는 일산화질소에 대한 반응성이 음의 전극에서는 이산화질소에 대한 반응성이 향상된다.
본 발명은 상기 도 5에 도시된 것 외에도 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)이 일정거리 이격되어 둘 이상 형성되고, 상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 사이에 형성될 수 있다.
아울러, 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 상기 산화물 감지전극(20)이 일정거리 이격되어 둘 이상 형성되고, 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)은 상기 산화물 감지전극(20)의 사이에 형성될 수 있다.
도 6a은 본 발명에 따른 질소산화물 센서(100)의 또 다른 개략도로 서로 다른 종류의 산화물 감지전극(20-1, 20-2, 20-3, 20-4)이 일정거리 이격되어 4개 형성되고 상기 산화물 감지전극(20)의 사이에 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)이 형성된 예를 도시한 것이다.
도 6b는 상기 도 6a에 도시한 질소산화물 센서(100)에 감지전극으로 NiO-YSZ, NiO, CuO, 2CuOㆍCr2O3가 각각 형성된 경우의 기전력 그래프로 상기 도 6b에 도시한 산화물 감지전극(20-1, 20-2, 20-3, 20-4)이 상측부터 순서대로 NiO-YSZ, NiO, CuO, 2CuOㆍCr2O3로 형성되고 700℃, 산소 분압 10%에서 1μA의 일정한 전류를 인가하였을 때의 기전력을 나타낸 그래프이다.
상기 도 6b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 종래에 비해 일산화질소가 많은 대기분위기에서도 일산화질소의 감도를 증가시켜 센서의 성능을 향상시킨 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 상기 산화물 감지전극(20)이 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 일면에 둘 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 7a는 본 발명에 따른 질소산화물 센서(100)의 또 다른 개략도로 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 일면에 두 개의 산화물 감지전극(20)이 형성된 예를 나타내었다.
도 7b는 상기 도 7a에 도시한 질소산화물 센서(100)에 감지전극으로 NiO-YSZ가 형성된 경우의 기전력 그래프로 상기 두 개의 감지전극이 모두 NiO-YSZ로 형성되고 700℃, 산소 분압 10%에서 10μA의 일정한 전류를 인가하였을 때의 기전력을 나타낸 그래프이다.
즉, 본 발명의 질소산화물 센서(100)는 다양한 방식으로 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)과 산화물 감지전극(20)의 계면이 둘 이상 형성되어 일산화질소의 감도를 높일 수 있도록 하여 전체 질소산화물의 농도를 정확히 측정가능하도록 하는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 질소산화물 센서를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 2개의 센서를 이용하는 방법과 하나의 센서에 두 쌍 이상의 계면을 이용하는 방법이 있다.
도 8는 본 발명의 전체 질소산화물 농도 산출 방법을 설명한 블록도로 본 발명의 질소산화물 센서를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 a) 기전력 측정 단계(Sa); b) 일산화질소 및 이산화질소의 농도 산출 단계(Sb); c) 전체 질소산화무 농도 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기전력 측정 단계(Sa)는 상술한 바와 같은 본 발명의 질소산화물 센서(100)를 두 개 이용하여 각각 기전력을 측정하거나 하나의 질소산화물 내부의 두 쌍 이상의 계면으로부터 각각 기전력을 측정하는 단계이다.
즉, 본 발명의 질소산화물 센서를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 상기 기전력 측정 방법의 차이에 따라 두 가지로 구분할 수 있다.
상기 일산화질소 및 이산화질소의 농도 산출 단계(Sb)는 상기 기전력 측정 단계(Sa)에서 측정된 기전력을 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 산출하는 단계이다.
상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 상기 산화물 감지전극(20)이 어떤 물질로 형성되었으냐에 따라 달라질 수 있으며, 상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 EMF = α1lnPNO2 - α2PNO + α3 로 표현될 수 있다.
상기 질소산화물 농도 산출 방정식의 계수는 산화물 감지전극(20)의 형성재료, 형성공정, 또는 질소산화물 센서(100)에 인가되는 전류에 따라 변화되며, 상기 질소산화물 센서(100)의 산화물 감지전극(20)이 NiO와 CuO로 형성되고 질소산화물 센서(100)에 5μA의 전류가 인가되는 경우, 상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 α1 = 0.07228, α2 = - 192.9, α3 = 0.6471 이며, 상기 질소산화물 센서(100)의 산화물 감지전극(20)이 NiO와 LaCoO3로 형성되는 경우, 상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 α1 = 0.06427, α2 = - 91.29, α3 = 0.4355 으로, 상기 질소산화물 센서(100)의 산화물 감지전극(20)이 NiO와 CuO로 형성되는 경우, 상기 질소산화물 센 서(100)의 상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 상기 식 (3)과 같고, 상기 질소산화물 센서(100)의 산화물 감지전극(20)이 NiO와 LaCoO3로 형성되는 경우, 상기 질소산화물 센서(100)의 상기 질소산화물 농도 산출 방정식은 상기 식 (4)와 같다.
EMF = 0.07228lnPNO2 - 192.9PNO + 0.6471 (3)
EMF = 0.06427lnPNO2 - 91.29PNO + 0.4355 (4)
즉, 상기 일산화질소 및 이산화질소 농도 산출 단계(Sb)는 측정된 둘 이상의 기전력을 상기와 같은 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소 각각의 농도를 산출하는 단계이다.
상기 전체 질소산화물 농도 산출 단계(Sc)는 상기 일산화질소 및 이산화질소 농도 산출 단계(Sb)를 통해 계산된 일산화질소와 이산화질소의 농도를 더하여 전체 질소산화물 농도를 산출하는 단계이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 일산화질소의 감도를 높여 질소산화물 농도측정의 정확성을 더욱 높일 수 있고 간단한 방법으로 일산화질소, 이산화질소, 및 질소산화물 전체의 농도를 산출해 낼 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
이에 따라, 본 발명의 질소산화물 센서 및 이를 이용한 전체 질소산화물 농도 산출 방법은 대기 중의 일산화질소 농도가 높을 때 발생되는 감도저하를 방지하여 측정의 정확성을 높일 수 있고, 둘 이상의 센서 또는 두 쌍 이상의 계면에서 측정되는 기전력을 질소산화물 농도 산출식에 대입하는 간단한 방법으로 일산화질소 및 이산화질소의 농도 및 전체 질소 산화물 농도를 산출할 수 있는 장점이 있다.
Claims (13)
- 산소이온 전도성 고체전해질(10); 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)에 형성되는 산화물 감지전극(20); 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10) 또는 상기 산화물 감지전극(20)에 형성되는 귀금속전극(30); 및 상기 귀금속전극(30)에 연결되어 연장되는 기전력 리드선(40)으로 이루어지고,상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)과 산화물 감지전극(20)은 적어도 둘 이상의 계면을 형성하며, 상기 기전력 리드선(40)에 일정한 전류를 인가하고 측정되는 전압을 통해 질소산화물(NOx)의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 산화물 감지전극(20)은상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 일면에 둘 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 상면 및 하면에 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)이 일정거리 이격되어 둘 이상 형성되고, 상기 산화물 감지전극(20)은 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화물 감지전극(20)은 일정거리 이격되어 둘 이상 형성되고, 상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)은 상기 산화물 감지전극(20)의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 산소이온 전도성 고체전해질(10)은안정화 지르코니아, CeO2, 또는 ThO2에서 선택되는 1종으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 제 7 항에 있어서,상기 산화물 감지전극(20)은 NiO, CuO, NiO-YSZ, LaCoO3, 또는 2CuO·Cr2O3에서 선택되는 1종 이상의 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- 제 8 항에 있어서,귀금속전극(30)은 백금 또는 금으로 형성되는 특징으로 하는 질소산화물 센서.
- a) 상기 제 1 항 및 제3항 내지 제 9 항에서 선택되는 어느 한 항에 의한 둘 이상의 질소산화물 센서(100)를 이용하여 각 질소산화물 센서(100)의 기전력을 측정하는 단계;b) 상기 측정된 기전력을 상기 질소산화물 센서(100) 각각의 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 산출하는 단계; 및c) 상기 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 더함으로써 전체 질소산화물의 농도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전체 질소산화물 농도 산출 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 질소산화물 농도 산출 방정식은EMF = α1lnPNO2 - α2PNO + α3 인 것을 특징으로 하는 전체 질소산화물 농도 산출 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 질소산화물 농도 산출 방정식의 계수는산화물 감지전극(20)의 형성재료, 형성공정, 또는 질소산화물 센서(100)에 인가되는 전류에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 전체 질소산화물 농도 산출 방법.
- a) 상기 제 1 항 및 제3항 내지 제 9 항에서 선택되는 어느 한 항에 의한 질소산화물 센서(100)의 두 쌍 이상의 계면으로부터 각각의 기전력을 측정하는 단계;b) 상기 측정된 기전력을 상기 질소산화물 센서(100) 각각의 질소산화물 농도 산출 방정식에 대입하여 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 산출하는 단계; 및c) 상기 일산화질소 및 이산화질소의 농도를 더함으로써 전체 질소산화물의 농도를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전체 질소산화물 농도 산출 방법.
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