KR20140109123A - 질소산화물 가스센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일산화질소와 이산화질소 가스에 대한 가스센서의 출력 방향을 동일하게 하여 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정할 수 있고, 질소산화물 가스센서의 출력이 질소산화물 가스 총량과 비례하도록 함으로써 질소산화물 가스 총량의 측정 및 그 측정 결과의 이용이 용이하도록 하는 질소산화물 가스센서를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 각각 산소이온 전도체, 상기 산소이온 전도체의 제1 영역에 형성되는 산화물 감지전극, 상기 산화물 감지전극에 형성되는 제1 귀금속 전극 및 상기 산소이온 전도체의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극을 포함하는 제1 가스센서 모듈 및 제2 가스센서 모듈을 포함하고, 상기 제1 가스센서 모듈의 산화물 감지전극과 제2 가스센서 모듈의 제2 귀금속 전극이 전원의 양극에 병렬 연결되어 있고, 제1 가스센서 모듈의 제2 귀금속 전극과 제2 가스센서 모듈의 산화물 감지전극이 전원의 음극에 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 질소산화물 가스센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)의 혼합비에 관계없이 질소산화물 가스의 총량을 측정할 수 있는 질소산화물 가스센서에 관한 것이다.
일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 아산화질소(N2O)를 포함하는 질소산화물 가스를 총칭하여 NOx 가스로 표시하는데, 이 중 일산화질소 및 이산화질소가 질소산화물 가스의 대부분을 차지한다. 이들 질소산화물 가스는 자동차 배기가스로 배출되어 대기오염원으로 작용하기 때문에 그 농도를 측정하여 배출량을 적절히 제어하도록 할 필요가 있으며, 이를 위해 배기가스 중에 포함되어 있는 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정할 수 있는 가스센서의 필요성이 점점 증가하고 있다.
기존의 질소산화물 가스센서로는 평형전위를 이용하여 질소산화물 가스 농도를 측정하는 방식의 가스센서가 있다. 이는 고체전해질에 질소산화물 성분을 포함하는 고체 상태의 질산염을 감지전극(sensing electrode)으로 형성하고 고체전해질 내의 이온의 활동도를 일정하게 하는 귀금속을 기준전극(reference electrode)으로 형성하여 전기화학 셀(electrochemical cell)을 형성함으로써, 이 전기화학 셀에서 발생되는 기전력을 이용하여 질소산화물 가스의 농도를 측정하는 방식의 센서이다. 그러나, 이러한 방식의 가스센서는 감지전극의 녹는점이 낮아 가스의 온도가 고온인 상황에서는 적용하기 어려운 한계가 있다. 실제로, 평형전위를 이용한 가스센서에서 감지전극 물질로 사용되는 Ba(NO3)2의 녹는점은 592℃이다.
다른 방식의 질소산화물 가스센서로 전류식 질소산화물 가스센서가 제안된 바 있다. 이는 산소 펌핑 셀을 이용하여 이산화질소를 일산화질소로 변환하고, 변환된 일산화질소를 분해하여 얻어진 산소이온에 의한 전류를 측정셀에서 측정하는 방식으로 질소산화물 가스의 농도를 측정하는 것이다. 그런데, 이 방법은 산소 펌핑 셀을 이용해야 하므로 구조가 복잡하다는 문제가 있을 뿐만 아니라, 산소이온에 의한 전류 측정 자체가 온도에 의한 변화가 크고 수백 ppm 이하의 농도에서는 측정 전류가 매우 작아져 질소산화물의 총량을 측정하기 어려운 한계가 있다.
또 다른 방식의 질소산화물 가스센서로는 혼합전위 방식을 이용하는 가스센서가 있는데, 그 개략적인 구조를 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서(100)는, 안정화 지르코니아(Stabilized Zirconia) 등의 고체전해질로 형성되는 산소이온 전도체(110), 상기 산소이온 전도체(110) 일측에 형성되는 산화물 감지전극(120), 상기 산화물 감지전극(120) 위에 형성되는 제1 귀금속 전극(130), 상기 산소이온 전도체(110) 타측에 형성되는 제2 귀금속 전극(140)으로 형성되며, 제1, 2 귀금속 전극 사이의 기전력을 측정함으로써 질소산화물 가스의 농도를 측정한다. 이러한 혼합전위 방식 질소산화물 가스센서(100)는, 산화물 감지전극(120)은 질소산화물 가스와 산소에 대한 반응성을 가지지만 제2 귀금속 전극(140)은 산소에만 반응성을 갖고 있어, 가스 중에 포함된 질소산화물 농도에 따라 산화물 감지전극(120)과 제2 귀금속 전극(140) 간의 전위차가 발생하는 원리를 이용하는 것으로서, 이 전위차를 측정함으로써 질소산화물 가스의 농도를 측정할 수 있게 된다.
이를 좀더 상세하게 설명하면, 상기 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서(100)는, 이산화질소가 존재하는 경우에는 아래의 식(1) 및 식(2)와 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 (4)를 통해 표현되는 바와 같이, 산화물 감지전극(120)과 제2 귀금속 전극(140) 사이의 기전력은 일산화질소와 이산화질소에 대하여 그 부호가 서로 반대로 나타난다. 이에 따라 일산화질소에 의한 기전력과 이산화질소에 의한 기전력이 서로 상쇄되어, 일산화질소 및 이산화질소가 혼재되어 있는 경우에 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정할 수 없는 문제가 있다.
도 2는 상기 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서를 사용하여 실제 질소산화물 가스 농도를 측정한 결과를 도시한 그래프로, 도 2(a) 및 도 2(b)는 각각 NiO 및 CuO를 산화물 감지전극으로 사용한 경우의 그래프이다. 도 2에 의하면, 이산화질소의 농도가 증가하면 기전력도 증가하는 경향을 보이지만(A->B->C->D), 이산화질소 농도는 일정하게 유지되는 상태에서 일산화질소의 농도가 증가되어 질소산화물 총량은 증가된 경우에 기전력은 오히려 감소되는 것을 알 수 있다. 이는 일산화질소에 의한 기전력과 이산화질소에 의한 기전력의 부호가 서로 반대로 나타나기 때문이며, 이로부터 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서로는 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정하는 것이 불가능하다는 것을 알 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 질소산화물 가스를 일산화질소 또는 이산화질소의 하나의 가스 형태로 변환하는 변환 셀을 이용하는 방법이 제안되고 있지만, 이러한 방법은 가스센서의 구조를 복잡하게 할 뿐만 아니라 질소산화물 가스 전체를 일산화질소 또는 이산화질소로 변환하는 것에도 한계가 있어 이러한 방법으로도 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정하기는 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 변환셀 등을 사용하지 않으면서도 일산화질소와 이산화질소 가스에 대한 가스센서의 출력 방향을 동일하게 함으로써, 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정할 수 있는 질소산화물 가스센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 질소산화물 가스센서의 출력이 질소산화물 가스 총량과 비례하도록 함으로써, 질소산화물 가스 총량의 측정 및 그 측정 결과의 이용이 용이하도록 하는 질소산화물 가스센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서는, 제1 가스센서 모듈 및 제2 가스센서 모듈을 포함하고, 상기 제1 가스센서 모듈은 제1 산소이온 전도체, 상기 제1 산소이온 전도체의 제1 영역에 형성되는 제1 산화물 감지전극, 상기 제1 산화물 감지전극에 형성되는 제1 귀금속 전극, 상기 제1 산소이온 전도체의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극을 포함하여 형성되고, 상기 제2 가스센서 모듈은 제2 산소이온 전도체, 상기 제2 산소이온 전도체의 제1 영역에 형성되는 제2 산화물 감지전극, 상기 제2 산화물 감지전극에 형성되는 제1 귀금속 전극, 상기 제2 산소이온 전도체의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극을 포함하여 형성되며, 상기 제1 가스센서 모듈의 제1 귀금속 전극과 상기 제2 가스센서 모듈의 제2 귀금속 전극이 제1 노드를 통하여 전원의 양극에 병렬 연결되어 있고, 제1 가스센서 모듈의 제2 귀금속 전극과 제2 가스센서 모듈의 제1 귀금속 전극이 제2 노드를 통하여 전원의 음극에 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 노드 및 제2 노드와 상기 전원을 연결하는 리드선에는 전류 측정을 위한 전류측정부가 구비되어 있어, 상기 전원을 통해 일정 전압을 인가해준 상태에서 상기 전류측정부로 전류를 측정하여 질소산화물 가스 농도를 측정한다.
이때, 상기 제1 산화물 감지전극과 상기 제2 산화물 감지전극의 면적을 조절하여 상기 질소산화물 가스 농도와 상기 전류가 비례관계에 있도록 할 수 있다.
상기 제1 산소이온 전도체 및 상기 제2 산소이온 전도체는 산소이온 전도성 고체전해질로 형성되고, 제1 산화물 감지전극 및 제2 산화물 감지전극은 NiO, CuO, NiO-YSZ, LaCoO3 또는 2CuO-Cr2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 산화물을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 제1 산소이온 전도체 또는 상기 제2 산소이온 전도체의 일측면과 타측면에 각각 위치할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서는, 제1 산소이온 전도체의 제1 영역에 제1 산화물 감지전극이 형성되어 있는 제1 가스센서 모듈과, 제2 산소이온 전도체의 제1 영역에 제2 산화물 감지전극이 형성되어 있는 제2 가스센서 모듈을 포함하고, 상기 제1 산화물 감지전극은 전원의 양극에 연결되어 이산화질소 생성반응이 일어나는 전극이고, 상기 제2 산화물 감지전극은 전원의 음극에 연결되어 이산화질소 분해반응이 일어나는 전극이며, 상기 전원에서 일정한 전압을 가해준 상태에서 상기 질소산화물 가스센서에 흐르는 전류 값이 아래의 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
위 식에서, kNiO는 상기 제1 산화물 감지전극에서 일어나는 상기 이산화질소 생성반응에 대한 반응상수, kLCO는 상기 제2 산화물 감지전극에서 일어나는 상기 이산화질소 분해반응에 대한 반응상수, [NO]는 일산화질소의 농도, [NO2]는 이산화질소의 농도, F는 패러데이 상수(Faraday constant), ΔV는 상기 전원에 인가된 전압, R은 기체상수, T는 절대온도이다.
이때, 상기 kNiO와 상기 kLCO가 실질적으로 동일한 값이어서 상기 전류 값은 상기 일산화질소 농도 및 상기 이산화질소 농도의 합에 실질적으로 비례관계에 있을 수 있으며, 상기 kNiO와 상기 kLCO는 상기 제1 산화물 감지전극 및 상기 제2 산화물 감지전극의 면적으로 조절될 수 있다.
본 발명에 의한 질소산화물 가스센서에 의하면, 변환셀 등을 사용하지 않는 단순한 구조로도 일산화질소와 이산화질소 가스에 대한 가스센서의 출력 방향을 동일하게 함으로써 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 질소산화물 가스센서에 의하면, 가스센서의 출력이 질소산화물 가스 총량과 비례함으로써 질소산화물 가스 총량의 측정 및 그 측정 결과의 이용이 용이하다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 혼합전위 방식 질소산화물 가스센서의 개략도이다.
도 2는 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서를 사용한 실제 질소산화물 가스 농도 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서의 원리를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서를 이용하여 질소산화물 가스농도를 측정한 결과 그래프이다.
도 2는 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서를 사용한 실제 질소산화물 가스 농도 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서의 원리를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서를 이용하여 질소산화물 가스농도를 측정한 결과 그래프이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서의 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)는, 제1 가스센서 모듈(310) 및 제2 가스센서 모듈(320)으로 이루어져 있다.
제1 가스센서 모듈(310)은 제1 산소이온 전도체(330-1), 상기 제1 산소이온 전도체(330-1)의 제1 영역에 형성되는 제1 산화물 감지전극(340-1), 상기 제1 산화물 감지전극(340-1)에 형성되는 제1 귀금속 전극(350-1), 상기 제1 산소이온 전도체(330-1)의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극(360-1)을 포함하고, 제2 가스센서 모듈(320)은 제2 산소이온 전도체(330-2), 상기 제2 산소이온 전도체(330-2)의 제1 영역에 형성되는 제2 산화물 감지전극(340-2), 상기 제2 산화물 감지전극(340-2)에 형성되는 제1 귀금속 전극(350-2), 상기 제2 산소이온 전도체(330-2)의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극(360-2)을 포함하여 형성된다. 이때, 제1 영역과 제2 영역은 각각 산소이온 전도체(330-1, 330-2)의 일측면과 타측면인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 산소이온 전도체의 한 면에서 서로 분리된 영역일 수 있다.
본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)는, 제1 가스센서 모듈(310)의 제1 귀금속 전극(350-1)과 제2 가스센서 모듈(320)의 제2 귀금속 전극(360-2)이 제1 노드(370-1)를 통하여 전원(380)의 양극에 병렬 연결되어 있고, 제1 가스센서 모듈(310)의 제2 귀금속 전극(360-1)과 제2 가스센서 모듈(320)의 제1 귀금속 전극(350-2)이 제2 노드(370-2)를 통하여 전원(380)의 음극에 병렬 연결되어 있으며, 제1 노드(370-1) 및 제2 노드(370-2)와 전원을 연결하는 리드선(370)에는 전류 측정을 위한 전류측정부(390)가 구비되어 있다.
제1 및 제2 산소이온 전도체(330-1, 330-2)는 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia; YSZ)와 같은 안정화 지르코니아, CeO2 또는 ThO2 등의 산소이온 전도성 고체전해질로 형성할 수 있으며, 제1 및 제2 산화물 감지전극(340-1, 340-2)은 NiO, CuO, NiO-YSZ, LaCoO3 또는 2CuO-Cr2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 산화물로 형성할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 귀금속 전극(350-1, 350-2, 360-1, 360-2)은 백금(Pt) 또는 금(Au)으로 형성할 수 있다.
이러한 구조의 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)는 전원(380)에서 일정한 전압을 인가한 상태에서 전류측정부(390)를 이용하여 흐르는 전류를 측정함으로써, 질소산화물 가스의 총량을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)는 하나의 감지전극에서 이산화질소 분해반응(위 식(1))과 생성반응(위 식(3))이 모두 일어나는 것이 아니라, 양극인 제1 산화물 감지전극(340-1)에서는 이산화질소 생성반응이, 음극인 제2 산화물 감지전극(340-2)에서는 이산화질소 분해반응이 일어나므로, 일산화질소 및 이산화질소에 의한 센서의 출력 부호가 동일하게 되어 질소산화물 가스 총량을 검출하는 것이 가능하다.
또한, 제1 가스센서 모듈(310)과 제2 가스센서 모듈(320)이 감지전극의 극성을 반대로 하여 병렬 연결되어 있으므로, 제1 산화물 감지전극(340-1) 및 제2 산화물 감지전극(340-2)의 면적을 적절히 조절하면 측정 전류와 질소산화물 가스의 총량이 서로 비례관계에 있도록 할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)의 이러한 측정 원리를 도 4 및 수학식을 참조하여 상세히 설명한다. 이때, 도 3과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하여 설명한다.
도 4는 제1 및 제2 산소이온 전도체(330-1, 330-2)로 안정화 지르코니아(YSZ)를 사용하고, 제1 산화물 감지전극(340-1)은 NiO, 제2 산화물 감지전극(340-2)은 LaCoO3(LCO)를 사용하며, 제1 및 제2 귀금속 전극(350-1, 350-2, 360-1, 360-2)으로 백금(Pt)을 사용한 경우를 예로 들어, 제1 및 제2 산화물 감지전극(340-1, 340-2)에서 발생하는 반응 및 산소이온 전도체를 통한 산소이온의 흐름 등을 표시한 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 전원(380)의 양극에 연결된 제1 산화물 감지전극(340-1)에서는 일산화질소가 제1 산소이온 전도체(330-1)로부터 공급되는 산소이온과 반응하여 이산화질소를 생성하는 다음의 반응이 일어나게 된다.
[반응식 1]
NO + O2 - → NO2 + 2e-
이러한 반응에 의해 발생되는 전류값은 Butler-Volmer 식에 의해 다음의 [수학식 1]과 같이 표현된다. Butler-Volmer 식은 전기화학 분야에서 널리 알려진 기본적인 이론식으로서, 전극에서 발생되는 전류값과 전극의 포텐셜(Φ) 사이의 관계식이다.
여기서 kNiO는 NiO 전극, 즉 제1 산화물 감지전극(340-1)에서 일어나는 위 [반응식 1]의 반응에 대한 반응상수이고, [NO]는 일산화질소의 농도, β는 반응경로 비례상수로서 보통 0.5 정도의 값을 가지며, F는 패러데이 상수(Faraday constant), ΔΦ는 제1 산화물 감지전극(340-1)인 NiO 전극의 포텐셜과 제1 산소이온 전도체(330-1) 포텐셜의 차이이며(ΔΦ=ΦNiO-ΦYSZ), R은 기체상수, T는 절대온도이다. 이러한 Butler-Volmer 식은 전기화학 분야에서는 널리 알려진 기본식이므로, 더 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도 4에 표시된 바와 같이, 전원(380)의 음극에 연결된 제2 산화물 감지전극(340-2)에서는 이산화질소가 일산화질소와 산소이온으로 분해되면서 산소이온을 제2 산소이온 전도체(330-2)로 공급하는 다음의 반응이 일어나게 된다.
[반응식 2]
NO2 + 2e- → NO + O2 -
이러한 반응에 의해 발생되는 전류값은 Butler-Volmer 식에 의해 다음과 같이 표현된다. 이때, 각 상수 및 계수들의 의미는 [수학식 1]에서 설명한 것과 동일하며, ΔΦ는 LaCoO 전극, 제2 산화물 감지전극(340-2)의 포텐셜과 제2 산소이온 전도체(330-2) 포텐셜의 차이이다(ΔΦ=ΦLCO-ΦYSZ).
[수학식 1] 및 [수학식 2]로부터 도 4의 회로에 흐르는 총 전류를 계산하면 다음의 [수학식 3]과 같다.
이때, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)에서 제1 가스센서 모듈(310) 및 제2 가스센서 모듈(320) 모두 산소이온 전도체(330-1, 330-2)와 제2 귀금속 전극(360-1, 360-2) 사이의 계면 전압은 무시할 정도로 작기 때문에, 전원(380)에서 센서에 가해준 전압은 대부분 산소이온 전도체(330-1, 330-2)와 산화물 감지전극(340-1, 340-2) 사이의 계면에 인가된다. 따라서, 산소이온 전도체(330-1, 330-2)와 산화물 감지전극(340-1, 340-2)의 포텐셜 차이인 ΔΦ는 전원(380)에서 가해준 전압(ΔV)으로 근사시킬 수 있다. 또한, 일반적으로 β는 0.5로 근사시킬 수 있으므로, 위 [수학식 3]은 다음의 [수학식 4]로 정리될 수 있다.
위 [수학식 4]에 의하면, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)의 출력값인 전류값(i)에는 일산화질소의 농도와 이산화질소의 농도가 동일한 부호로 기여하고 있음을 알 수 있다. 즉, 종래의 혼합전위 방식의 질소산화물 가스센서와는 달리 일산화질소에 의한 전류값과 이산화질소에 의한 전류값이 서로 동일한 부호를 가지므로, 혼합 가스 분위기에서도 서로 상쇄되는 부분 없이 질소산화물 가스의 총량을 정확히 측정하는 것이 가능해진다.
또한, 위 [수학식 4]에서 kNiO와 kLCO가 동일할 경우(즉, kNiO=kLCO=k) 위 식은 다음의 [수학식 5]로 더욱 간단하게 정리된다.
여기서, F, k, R, T는 모두 상수이므로, 전원(380)에서 일정한 전압(ΔV)을 가해주는 경우 일산화질소와 이산화질소 가스 농도의 총합인 [NO]+[NO2]는 다음과 같이 측정 전류에 비례하는 관계가 됨을 알 수 있다.
한편, 반응상수인 k 값은 산화물 감지전극의 면적에 비례하기 때문에, 제1 산화물 감지전극(340-1) 및 제2 산화물 감지전극(340-2)의 면적을 적절히 조절하면 kNiO와 kLCO가 동일하게 만들어줄 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서(300)는 제1 산화물 감지전극(340-1) 및 제2 산화물 감지전극(340-2)의 면적을 적절히 조절하는 방법으로 센서의 출력 전류와 질소산화물 가스의 총량이 서로 비례관계에 있도록 하는 것이 가능하며, 이러한 특징으로 인해 센서의 출력값을 이용한 후속 제어(가령, 자동차의 공연비, 배기가스에 대한 촉매 제어 등)를 매우 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서를 이용하여 질소산화물 가스농도를 측정한 결과 그래프이다. 도 5는 제1 및 제2 산소이온 전도체(330-1, 330-2)로는 안정화 지르코니아(YSZ), 제1 산화물 감지전극(340-1)으로는 NiO, 제2 산화물 감지전극(340-2)으로는 LaCoO3, 제1 및 제2 귀금속 전극(350-1, 350-2, 360-1, 360-2)은 백금(Pt)을 사용한 도 4의 가스센서를 이용하여 측정한 결과이다. 측정 조건은 700℃, 산소분압 10% 분위기에서 일산화질소와 이산화질소의 혼합비를 다양하게 조절하면서 측정하였으며, 전원(380)을 이용하여 300mV의 전압을 인가하고 전류측정부(390)에서 흐르는 전류를 측정하였다.
도 5로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 질소산화물 가스센서는 일산화질소와 이산화질소의 혼합 비와 관계 없이 출력 전류값이 질소산화물 가스의 전체 농도에 비례하여 나타나는 것을 알 수 있다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
100, 300: 질소산화물 가스센서
120: 산화물 감지전극
130, 140: 귀금속 전극
310: 제1 가스센서 모듈
320: 제2 가스센서 모듈
330-1: 제1 산소이온 전도체
330-2: 제2 산소이온 전도체
340-1: 제1 산화물 감지전극
340-2: 제2 산화물 감지전극
350-1, 350-2: 제1 귀금속 전극
360-1, 360-2: 제2 귀금속 전극
370: 배선
370-1: 제1 노드
370-2: 제2 노드
380: 전원
390: 전류측정부
120: 산화물 감지전극
130, 140: 귀금속 전극
310: 제1 가스센서 모듈
320: 제2 가스센서 모듈
330-1: 제1 산소이온 전도체
330-2: 제2 산소이온 전도체
340-1: 제1 산화물 감지전극
340-2: 제2 산화물 감지전극
350-1, 350-2: 제1 귀금속 전극
360-1, 360-2: 제2 귀금속 전극
370: 배선
370-1: 제1 노드
370-2: 제2 노드
380: 전원
390: 전류측정부
Claims (9)
- 제1 가스센서 모듈 및 제2 가스센서 모듈을 포함하는 질소산화물 가스센서로서,
상기 제1 가스센서 모듈은,
제1 산소이온 전도체;
상기 제1 산소이온 전도체의 제1 영역에 형성되는 제1 산화물 감지전극;
상기 제1 산화물 감지전극에 형성되는 제1 귀금속 전극;
상기 제1 산소이온 전도체의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극;
을 포함하여 형성되고,
상기 제2 가스센서 모듈은,
제2 산소이온 전도체;
상기 제2 산소이온 전도체의 제1 영역에 형성되는 제2 산화물 감지전극;
상기 제2 산화물 감지전극에 형성되는 제1 귀금속 전극;
상기 제2 산소이온 전도체의 제2 영역에 형성되는 제2 귀금속 전극;
을 포함하여 형성되며,
상기 제1 가스센서 모듈의 제1 귀금속 전극과 상기 제2 가스센서 모듈의 제2 귀금속 전극이 제1 노드를 통하여 전원의 양극에 병렬 연결되어 있고, 제1 가스센서 모듈의 제2 귀금속 전극과 제2 가스센서 모듈의 제1 귀금속 전극이 제2 노드를 통하여 전원의 음극에 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 노드 및 제2 노드와 상기 전원을 연결하는 리드선에는 전류 측정을 위한 전류측정부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제2항에 있어서,
상기 전원을 통해 일정 전압을 인가해준 상태에서 상기 전류측정부로 전류를 측정하여 질소산화물 가스 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제3항에 있어서,
상기 제1 산화물 감지전극과 상기 제2 산화물 감지전극의 면적은 상기 질소산화물 가스 농도와 상기 전류가 비례관계에 있도록 결정되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 산소이온 전도체 및 상기 제2 산소이온 전도체는 산소이온 전도성 고체전해질로 형성되고,
제1 산화물 감지전극 및 제2 산화물 감지전극은 NiO, CuO, NiO-YSZ, LaCoO3 또는 2CuO-Cr2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 산화물을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 제1 산소이온 전도체 또는 상기 제2 산소이온 전도체의 일측면과 타측면에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제1 산소이온 전도체의 제1 영역에 제1 산화물 감지전극이 형성되어 있는 제1 가스센서 모듈과, 제2 산소이온 전도체의 제1 영역에 제2 산화물 감지전극이 형성되어 있는 제2 가스센서 모듈을 포함하는 질소산화물 가스센서로서,
상기 제1 산화물 감지전극은 전원의 양극에 연결되어 이산화질소 생성반응이 일어나는 전극이고, 상기 제2 산화물 감지전극은 전원의 음극에 연결되어 이산화질소 분해반응이 일어나는 전극이며,
상기 전원에서 일정한 전압을 가해준 상태에서 상기 질소산화물 가스센서에 흐르는 전류 값이 아래의 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서.
(kNiO는 상기 제1 산화물 감지전극에서 일어나는 상기 이산화질소 생성반응에 대한 반응상수, kLCO는 상기 제2 산화물 감지전극에서 일어나는 상기 이산화질소 분해반응에 대한 반응상수, [NO]는 일산화질소의 농도, [NO2]는 이산화질소의 농도, F는 패러데이 상수(Faraday constant), ΔV는 상기 전원에 인가된 전압, R은 기체상수, T는 절대온도) - 제7항에 있어서,
상기 kNiO와 상기 kLCO가 실질적으로 동일한 값이어서 상기 전류 값은 상기 일산화질소 농도 및 상기 이산화질소 농도의 합에 실질적으로 비례관계에 있는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서. - 제8항에 있어서,
상기 kNiO와 상기 kLCO는 상기 제1 산화물 감지전극 및 상기 제2 산화물 감지전극의 면적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 가스센서.
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