전해질관 내부를 관통하는 가스의 특정 성분 및 질량 감지가 가능한 가스센서


 개요
 주위에는 산소 등과 같이 사람에게 있어서 없어서는 안 될 가스도 있는 반면, 대단히 많은 종류의 위험한 가스가 존재 하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스 사고, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염공해 등이 잇따르고 있다.
인간의 감각기관으로는 색깔도 없고 냄새도 없는 다종·다양한 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없는 실정이다. 이러한 이유 때문에 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스의 누설감지, 농도의 측정 기록, 경보 등에 사용되고 있다.
가스 센서란 가스가 가진 물리적, 화학적 성질을 전기신호, 광신호 혹은 자기신호 등의 처리하기 쉬운 신호로 변환하 는 매체이다.
가스 센서는 지금까지 주로 방재용으로 사용되어 말하자면 수동적인 것이 중심이었다. 
그러나 최근 가스센서를 자동제어 시스템 중의 한 검지소자로서 능동적으로 이용하려는 움직임도 나타나고 있다. 또한 산업 발전으로 산업현장이나 가정환경에서 가연성 및 독성이 있는 위험가스와 접하는 기회가
증대되어 위험가스 의 발생을 초기단계에서 검지해 사고에 대한 대응을 신속 정확하게 취하는 것이 중요시되면서 산업용, 방범용, 방재용, 의료용, 공해방지용 등 매우 광범위하게 시장수요가 확대되어 가고 있다.
이에 본지에서는 NTB(국가기술사업화정보망)에서 지난 2014년 12월 9일자 우수 기술로 추천한 본 기술을 게재하고자 한다.


1. 기술개요


본 기술은 출원번호 10-2010-0031643, 등록번호 10-0981321로 하는「가스센서 및 이의 제조방법」기술이다.
<그림 1>을 참조하여 전기화학식 가스센서의 구성을 설명한다.
<그림 1>과 같이 종래 기술에 의한 전기화학식 가스센서는 가스 유입구를 통해 확산 유입된 가스가 선택적으로 관통하는 다공성 멤브레인과, 상기 다공성 멤브레인을 관통 한 가스와 반응하여 이온과 전자를 형성하는 반응전극 및 상대전극과, 상기 반응전극과 상대전극을 분리하는 분리막 과 상기 상대전극과 다공성 멤브레인 사이에 위치하여, 이 온을 이동시키는 액체전해질을 포함하여 구성된다.
그러나 상기와 같이 구성되는 가스센서에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉 다양한 재료로 구성된 다수의 부품으로 적층되어 제 조되므로 제조공정이 복잡하여 생산성이 저하되며, 이로 인해 제조 원가가 상승하여 가격 경쟁력이 저하되는 문제 점이 있다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위 한 것으로, 보다 구체적으로는 전해질관의 내/외면에 전극 층을 형성하고, 상기 전극층에 단자가 구비되도록 하여 전 해질관 내부를 관통하는 가스 중의 특정 성분 유/무 및 양 의 감지가 가능하도록 한 가스센서 및 이의 제조방법을 제 공하는 것에 있다.

2. 활용


상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스
센서는 전해질 재료로 이루어지고, 중앙이 천공된 관 모양 으로 형성되어 가스가 유입되는 통로를 형성하는 전해질관 과, 상기 전해질관의 내면 및 외면에 구비된 전극과, 상기 전극과 연결된 단자와, 상기 가스에 포함된 특정성분과 전해질관의 화학 반응 여부를 디스플레이하는 표시부를 포함 하여 구성됨을 특징으로 한다.

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상기 단자 일측에는 상기 표시부와 단자를 선택적으로 연결하는 스위치가 구비됨을 특징으로 한다. 상기 전극은, 상기 전해질관의 외면에 구비된 외면전극과, 상기 전해질 관의 내면에 구비된 내면전극을 포함하여 구성되며, 상기 외면전극과 내면전극은 전해질관에 의해 이격됨을 특징으로 한다.
상기 단자는, 상기 외면전극과 내면전극 중 어느 하나에 선택적으로 연결된 내측단자와 외측단자를 포함하여 구성 됨을 특징으로 한다.
상기 스위치는 상기 내측단자와 외측단자 중 어느 하나 에 구비되며, 다른 하나에는 표시부와 단자의 연결이 오프 (off)되었을 때 선택적으로 접촉하는 방전단자가 구비됨을 특징으로 한다.
상기 전해질관은 나피온(Nafion)이 적용됨을 특징으로 한다.
상기 전해질관은 절연성 재질로 형성된 다공성관에 전해질이 함침되어 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가스센서의 제조방법은, 전해질 재료로 이루어진 관모양의 전해질관과 도전성 단자 및 표시부를 준비하는 재료준비단계와 상기 전해질관의 내면 및 외면에 백금(Pt)를 포함하는 전극을 형성하는 전극형성단계와, 상기 전극과 단자를 연결하는 단자연결단계와, 상기 단자 의 일측에 표시부를 연결하는 표시부결합단계로 이루어지 는 것을 특징으로 한다.
상기 전극형성단계는 마스킹부재를 이용하여 상기 전해 질관의 양단부를 방수처리하는 마스킹과정과 상기 전해질 관의 내부 및 외면에 백금(Pt)를 포함하는 용액을 동시에 도포하는 코팅과정과, 상기 용액을 건조하여 백금(Pt)을 포함하는 전극을 형성하는 건조과정과 상기 마스킹부재를 제거하는 제거과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 전극형성단계는 전해질관의 내면 및 외면에 내면전 극 또는 외면전극이 형성되도록 하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 표시부결합단계 이전에는 상기 표시부와 단자를 선택적으로 연결하기 위한 스위치를 설치하는 스위치 설치단계가 선택적으로 실시됨을 특징으로 한다.

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이와 같이 구성되는 본 발명에 따르면 전해질관을 용액 에 담지한 후 건조하는 과정만으로 내면전극 및 외면전극의 형성이 동시에 이루어지게 되므로, 간단한 제조공정으로 제조 가능하며 제조 원가를 절감할 수 있고 생산성을 현 저히 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에서는 전해질관의 내면 및 외면에 내면전 극과 외면전극이 선택적으로 구비되도록 구성하였다. 따라서 외면전극과 외면전극의 두께를 감소시켜 가스센 서의 크기를 줄일 수 있게 되므로 경량화 및 소형화가 가능한 이점이 있다.
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