전기화학식 가스 센서(2023, 고3, 4월)*

'전기화학식 가스 센서'로 검색하면 나오는 이미지. NE-H2S 가스센서 (from 해송산업)

 

 

 

전기화학식 가스 센서는 화학 반응을 통해 발생하는 전류를 이용해 특정 가스를 검지*하기 위한 장치이다. 이 센서는 ⓐ 유입된 가스가 센서의 전극들과 작용하여 산화 환원 반응을 하는 과정에서 생성되는 전류의 양을 측정하여 가스 누출을 검지하고 농도를 측정한다.

 

전기화학식 가스 센서는 일반적으로 유입부, 감지부, 후방부로 구성된다. 먼저, 유입부는 가스가 센서로 들어오면 검지하고자 하는 가스 이외의 불순물을 걸러주는 기능을 담당하며 먼지 필터, 간섭 가스 필터, 분리막으로 구성되어 있다. 공기 중에 가스가 누출되어 센서의 유입부로 들어오면, 우선 먼지나 물 등 기체가 아닌 불순물들은 먼지 필터에 의해 걸러지고, 기체 상태인 가스만 간섭 가스 필터로 보내진다. 이후 간섭 가스 필터에서는 특정 가스를 검지하는 데 방해가 되는 가스들은 필터에 흡착시키고, 검지하려는 가스만 통과시켜 분리막으로 보내게 된다. 분리막은 유입부와 감지부를 분리하는 장치로, 간섭 가스 필터로부터 보내진 가스는 정확한 측정을 위해 분리막을 통해 감지부로 유입된다.

 

감지부는 가스가 유입되면 산화 환원 반응을 통해 전류를 생성하는 기능을 담당하며 작용 전극, 대응 전극, 기준 전극으로 구성되어 있다. 감지부는 평상시에도 기준 전극에서 생성되는 전류가 일정하게 흐르고 있고, 감지부의 전극들은 전해질이 녹아 있는 물속에 담겨 있다. 전해질은 물에 녹였을 때 전자의 이동을 가능하게 하여 전류를 생성하는 매개체의 역할을 한다. 분리막을 통과하여 감지부에 ⓑ 도달한 가스는 먼저 작용 전극에서 물과 반응하여 수소 이온과 전자를 생성하는 산화 반응을 한다. 이러한 산화 반응을 활발히 ⓒ 유도하기 위해 작용 전극은 여러 개의 구멍으로 이루어진 다공성 막의 형태를 띠고 있으며, 산화 반응의 속도를 증가시키기 위해 백금과 같은 촉매로 코팅되어 있다. 산화 반응을 거쳐 발생한 수소 이온과 전자는 전해질을 매개체로 하여 대응 전극으로 이동하고, 대응 전극에서는 수소 이온과 전자가 후방부의 산소 유입구에서 공급된 산소와 결합하여 물이 되는 환원 반응이 일어나게 된다. 이 과정에서 작용 전극과 대응 전극 사이의 전자의 이동량만큼 전류가 발생하고, 발생하는 전류의 양은 유입된 가스의 농도에 비례한다.

 

마지막으로 후방부는 감지부에서 발생한 전류를 통해 가스 누출 여부를 확인하고 누출된 가스의 농도를 측정하는 기능을 주로 담당하며 집전장치와 센서 핀, 산소 유입구로 구성되어 있다. 감지부에서 새롭게 ⓓ 생성된 전류는 집전장치를 통해 한곳으로 모아져 센서 핀으로 이동된다. 센서 핀에서는 새롭게 생성된 전류의 양과 평상시 흐르는 전류의 양을 비교하여 새롭게 생성된 전류의 양이 더 많다면 가스 누출을 검지하고 가스의 농도를 측정하게 된다.

 

한편 가스 센서를 통해 검지된 가스가 기준 농도 이상일 때 센서와 연결된 경보기에서는 이를 알리기 위한 경보를 내게 된다. 경보를 내는 방식으로는 ㉠ 즉시 경보형과 ㉡ 지연 경보형 등이 있다. 즉시 경보형은 가스 농도가 센서에 ⓔ 설정된 경보 설정치 이상이 되면 바로 경보를 내는 방식이다. 이 방식은 독성 가스와 같이 가스의 발생 자체가 위험한 경우에 주로 사용된다. 지연 경보형은 검지된 가스의 농도가 경보설정치를 넘었더라도 바로 경보를 내지 않고, 일정한 시간으로 설정된 지연 시간 동안 가스의 농도가 경보설정치 이상으로 유지될 경우에 경보하는 방식이다. 이는 가스레인지 점화 오작동처럼 순간적으로 높은 농도의 가스가 검지되었을 경우와 같이 일시적인 가스 누출 상황에서는 경보를 내지 않는 특징이 있다.

 

* 검지: 검사하여 알아냄.

 

 

@ 2023학년도 4월 고3 전국연합학력평가 14~17번

(출전) 가출현 외, 「센서공학」

 

 

15. <보기>는 전기화학식 가스 센서의 주요 장치를 도식화한 것이다. 윗글을 바탕으로 <보기>에 대해 보인 학생의 반응으로 적절하지 않은 것은? [3점]

① a에서는 기체는 모두 통과되고, b에서는 기체가 흡착되거나 통과되겠군.
② b에서 c로 보내진 가스의 양이 증가한다면 d에서 e로 이동하는 수소 이온과 전자의 양이 증가하겠군.

③ d가 다공성 막의 형태를 띠고 있는 이유는 c로부터 유입되는 가스의 양을 조절하기 위해서겠군.

④ g에서 가스 누출이 검지되었다면 d와 e 사이에서 생성된 전류의 양이 f에서 생성된 전류의 양보다 많겠군.

⑤ e에서 수소 이온과 전자가, 물이 되는 반응을 위해 필요한 산소는 h를 통해 공급되겠군.

^[각주:1]

 

 

 

 

1. 정답 ③번.

   3문단에서 작용 전극이 여러 개의 구멍으로 이루어진 다공성 막의 형태를 띠고 있는 이유는 작용 전극에서의 산화 반응을 활발히 유도하기 위해서라고 했을 뿐 유입되는 가스의 양을 조절하기 위해서라고는 하지 않았으므로 적절하지 않다. [본문으로]