KR100801667B1 - 가스농도 감지기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관형 몸체의 개구된 상면 및 하면에 기체투과막을 접합하여 전해질을 봉입한 반응셀을 포함하는 가스 감지기에 있어서, 상기 가스 감지기의 몸체는 중공부를 구비한 관형으로서 상기 반응셀의 테두리부가 상기 중공부로부터 상기 가스 감지기의 몸체내로 매입된 사출 성형물이고, 상기 반응셀은 일단부가 상기 전해질에 노출된 전극이며, 타단부는 상기 감지기 몸체 상부 표면 위로 돌출된 도선을 포함하며, 상기 도선은 상기 반응셀의 몸체와 기체투과막의 접합부위를 관통하며, 상기 도선의 타단부는 금속제 도선연결핀으로 단말 처리되며, 단자와 접속구가 형성된 금속판을 포함하는 단자부를 포함하고, 상기 단자부는 상기 도선연결핀이 상기 접속구에 삽입 체결됨으로써 상기 가스 감지기의 몸체에 조립되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가스농도 감지기는 제품 성능의 안정성이 향상되며, 제작 공정이 단순화되고 생산 자동화가 용이하여 생산성이 현저히 향상되는 효과가 있다.

가스농도 감지기, 가스농도, 센서제조, 화학센서, 가스센서, 반응셀

Description

가스농도 감지기 및 그 제조방법{A gas concentration detector and manufacturing method thereof}

도1은 종래의 가스농도 감지기를 나타내는 개략도이다.

도2는 종래의 가스농도 감지기의 반응셀부 확대도이다.

도3은 본 발명에 따른 감지기 제작방법 흐름도이다.

도4는 본 발명에 따른 감지기의 전체 개략도이다.

도5는 본 발명에 따라 제작된 반응셀의 개략도이다.

도6은 본 발명에 따른 반응셀 몸체의 수직단면도 및 평면도이다.

도7은 본 발명에 따른 반응셀 몸체에 도선과 기체투과막을 융착하는 과정을 나타내는 개략도이다.

도8은 본 발명에 따른 도선과 도선연결핀의 결합 상태를 나타내는 개략도이다.

도9는 본 발명에 따른 반응셀이 내삽사출에 의하여 결합된 감지기 몸체의 개략도이다.

도10은 본 발명에 따른 단자부의 개략도이다.

도11은 도4의 감지기의 완성 상태 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21: 감지기 몸체 30: 전해질

31: 반응셀 몸체 32, 33: 도선(전극)

34, 35: 촉매 36, 37: 기체투과막

38, 39: 도선연결핀 41: 단자지지 몸체

42, 43: 도선연결핀 삽입구 44, 45: 단자

본 발명은 가스농도 감지기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스농도 감지기의 반응셀을 별도 제작하여 인서트 몰딩으로 몸체에 결합하여 반응셀의 테두리부가 상기 중공부로부터 상기 가스 감지기의 몸체내로 매입되고, 도선의 일단부가 상기 반응셀 전해질에 노출된 전극이며, 타단부는 상기 감지기 몸체 상부 표면 위로 돌출되어 금속제 도선연결핀으로 단말 처리되며, 단자와 접속구가 구비된 단자부는 상기 도선연결핀이 상기 접속구에 삽입 체결됨으로써 상기 가스 감지기의 몸체에 조립되는 것을 특징으로 하는 가스 감지기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화학적 가스센서로 불리는 가스농도 감지기는 화학적 반응에 의하여 측정가스의 농도에 비례하여 전기량을 발생시키는 반응셀부와 이 반응셀부에 서 발생한 전기를 별도의 장치인 측정기로 전달하기 위하여 설치되는 도선 및 외부 측정기와 접속되는 단자로 구성되어 있다.

이러한 화학적 감지기를 제조하기 위한 종래의 방법은 도1에 나타낸 것과 같이 감지기의 몸체(101)를 일체형으로 사출 제조한 후, 필요한 각 구성부품을 그 안에 짜 맞추어 넣는 것이었다.

도1 및 도2에 나타낸 것과 같이 반응셀부(102)는 실린더형 벽체의 상하 개구부가 기체투과막(103, 104)으로 봉해진 형태이며, 이 봉해진 공간 내에는 측정가스와 반응을 유도하며 발생된 전자를 이동시키기 위하여 반응성이 강한 액체인 전해질(105)과 촉매(106, 107) 및 전극(110 및 111)으로 구성되어 있다. 전극(110 및 111)은 도선(108 및 109)으로 연장되어 단자(115)로 연결된다.

도선은 반응성이 강한 전해질에 부식이 되지 않는 백금 등 고가의 재료가 사용되며 전해질이 반응셀부에서 누출되지 않도록 하기 위하여 기체투과막(103, 104)과 벽체의 상하 개구부 사이, 그리고 도선이 통과되는 구멍(112,113)은 접착제를 사용하여 완전히 밀봉되도록 하고 있다.

한편, 감지기의 제조단가를 낮추기 위하여 감지기의 반응셀부 공간과 사용되는 재료의 양을 최소한으로 하여야 하는 바, 벽체의 높이가 수 밀리미터에 불과하며 도선은 재료가 고가인 관계로 통상 굵기가 십분의 일 밀리미터 미만의 극세사가 사용되고 있다.

감지기의 제조시 상기와 같은 극세사 도선을 반응셀부의 벽체에 뚫린 작은 구멍(112 , 113)을 통하여 외부로 유도한 후, 단자설치판(114) 위에 설치된 단 자(115)와 용접 또는 용착방법 등을 사용하여 접속한다.

종래의 감지기제조에 있어서는 상기한 바와 같이 극세사의 도선을 사용하므로 그 취급이 용이하지 않을 뿐 아니라, 일체형의 감지기몸체를 사용함으로 인하여 반응셀부로부터 단자에 이르기까지 극세사의 도선을 연결하기 위해서는 관통 배선 및 접속 등을 수작업에 의존함으로써 과정이 매우 복잡하고 시간이 오래 걸림은 물론 불량 발생 요인이 상존하므로 제품 안정성 및 생산성이 매우 낮은 문제가 있었다.

또한 협소한 일체형 몸체의 내부 공간에서 기체투과막을 접착시키기 위해서는 역시 고정밀도의 섬세한 작업이 요구되므로 생산성이 낮은 요인이 되어 왔다.

또한 도선통과 구멍의 밀폐와 기체투과막의 설치 및 부착이 접착제에 의하여 이루어짐에 따라 접착제가 완전히 경화될 때까지 검사작업 또는 라벨링 등의 후속 공정이 지연되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 감지기 및 그 제조 방법의 단점을 개선하기 위하여 종래에 일체형으로 제조되던 감지기를 기능 단위별로 분리 제작하여 조립되는 구조로 변경함으로써 제조상의 생산성을 향상시키고 기능적 안정성이 향상된 구조를 갖는 가스농도 감지기 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 관형 몸체의 개구된 상면 및 하면에 기체투과막을 접합하여 전해질을 봉입한 반응셀을 포함하는 가스 감지기에 있 어서, 상기 가스 감지기의 몸체는 중공부를 구비한 관형으로서 상기 반응셀의 테두리부가 상기 중공부로부터 상기 가스 감지기의 몸체내로 매입된 사출 성형물이고, 상기 반응셀은 일단부가 상기 전해질에 노출된 전극이며, 타단부는 상기 감지기 몸체 상부 표면 위로 돌출된 도선을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 도선은 상기 반응셀의 몸체와 기체투과막의 접합부위를 관통하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 도선은 탄소섬유로 된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 도선의 타단부는 금속제 도선연결핀으로 단말 처리된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 단자와 접속구가 형성된 금속판을 포함하는 단자부를 더 포함하고, 상기 단자부는 상기 도선연결핀이 상기 접속구에 삽입 체결됨으로써 상기 가스 감지기의 몸체에 조립되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 접속구는 상기 금속판을 부분적으로 절개하여 구부려 형성된 절개편을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 관형 몸체의 개구된 상면 및 하면에 기체투과막을 접합하여 전해질을 봉입한 반응셀을 포함하는 가스 감지기 제조 방법에 있어서, (a) 상기 반응셀의 몸체 내부의 전해질에 도선의 일단부인 전극을 노출하고 타단부는 외부로 유도되어 도선연결핀으로 단말 처리된 도선을 구비한 반응셀을 제작하는 단계; (b) 상기 반응셀은 상기 가스감지기의 관형 몸체 중공부에 위치하되 그 테두리부가 가스 감지기의 몸체 중공부로부터 몸체 내로 매입되도록 상기 반응셀을 금형 내에 내삽하고, 상기 도선 단말처리부가 상기 감지기 몸체 상부 표면으로 돌출될 수 있도록 상기 금형내에 형성된 구멍에 끼운 후, 수지를 주입하여 가스 감지기의 관형 몸체를 사출 성형하는 단계; (c) 단자와 접속구가 형성된 금속판을 포함하는 단자부를 제작하는 단계; 및 (d) 상기 도선연결핀을 상기 접속구에 삽입 체결하여 상기 단자부를 상기 가스 감지기의 몸체에 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 도선은 상기 반응셀의 몸체와 기체투과막의 접합부위를 관통하도록 하여 상기 반응셀의 몸체와 상기 기체투과막을 열 융착하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도3에 나타낸 바와 같이, 기능별 단위부품들을 별도로 제작한 후 이를 조립하여 완성하는 방법을 사용한다. 즉, 감지기 제작 과정에서 난이도가 높은 반응셀(센서 셀)을 별도로 제작한 후 몸체사출 시 이를 내삽 사출(Insert Moulding)하여 몸체와 결합시키고, 역시 별도로 제작하여 마련된 단자부와 삽입 체결식 조립을 통하여 완성시킨다.

도4는 본 발명에 따른 감지기를 개략적으로 나타낸 것이다.

반응셀은 실린더형의 몸체(31)와 그 중공부 공간에는 측정가스와의 반응성이 강한 전해질(30) 및 촉매(34, 35)로 충만되어 상하 개구부가 기체투과막(36, 37)으로 봉입되며, 도선(32, 33)과 일체로 연장되는 전극 말단부가 전해질 내에 노출되 도록 배치된다. 도선의 타단부에는 도선연결핀(38,39)을 형성하여 이를 도선연결핀삽입구(42, 43)에 삽입시킴으로써 단자(44,45)에 접속되는 동시에 조립이 완성되도록 한다.

반응셀의 제작

도5는 본 발명에 따라 제작된 반응셀을 개략적으로 나타낸 것이다.

도5의 반응셀을 제작하기 위하여 먼저 도6과 같이 개구가 구비된 상?하 수평 단면을 갖는 짧은 실린더 형상의 반응셀 몸체(31)를 제작한다. 반응셀 몸체의 재료는 사출과 융착이 가능한 합성수지가 바람직하다.

도7은 본 발명에 따른 반응셀 몸체에 도선과 기체투과막을 융착하는 과정을 나타내는 개략도이다.

반응셀 몸체(31)의 상측 개구부 상에 일단부인 전극 부위가 내부의 전해질에 노출되고 타단부는 외부로 유도될 수 있도록 도선(33)을 반응셀 몸체(31)에 걸쳐 놓고 기체투과막(37)을 상측 개구부 상에 덮어 정위치에 배치한다. 그리고 전기인두 등의 전열체(200)로 기체투과막(37) 위에서 누르면 기체투과막(37)을 통하여 반응셀 몸체(31)로 전달되는 열에 의하여 접합부위가 용융되면서 도선(33)과 기체투과막(37)이 반응셀 몸체(31)에 융착된다. 따라서 상기 도선(33)은 기체투과막(37)과 반응셀 몸체(31)의 접합 부위를 관통하게 된다.

이와 같이 작업된 반응셀 몸체를 뒤집어서 그 속에 전해질 및 촉매 등 필요 한 구성물을 투입한 후 마찬가지 방법으로 도선과 기체투과막을 반응셀 몸체에 융착시켜 도5와 같은 반응셀을 완성한다. 촉매는 목적에 따라 고체상 또는 액상 촉매를 사용할 수 있으며, 필요에 따라 비활성 재료(inert material)를 겹쳐 넣어 고체상 촉매 또는 전극의 상대 위치가 고정될 수 있도록 한다. 고체상 촉매를 사용할 경우 전극 말단부는 촉매에 접촉되도록 배치된다.

상기의 융착 과정에서 기체투과막과 도선이 반응셀 몸체와 완전히 밀착되어야 한다. 기체투과막은 다공질 재료의 특성상 용이하게 반응셀 몸체와 융착되어 견고히 유지될 수 있다.

그러나 도선 재료로서 백금 등의 귀금속을 사용할 경우, 반응셀 몸체의 재료인 합성수지 보다 도선의 열전도도가 월등히 높으므로 후속되는 내삽 사출 과정에서 용융된 합성수지가 금형내로 유입될 때 주어지는 열에 의하여 도선과 반응셀 몸체의 부착력이 감소되는 상태에서 용융된 합성수지의 유입 압력에 의하여 반응셀 몸체로부터 탈리될 우려가 있고, 또한 극세사 금속을 사용할 시에는 내삽 사출시 절단의 우려도 있다.

따라서 본 발명에서는 도선 재료로서 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 이 탄소섬유 도선은 수백 내지 수천가닥의 탄소섬유 필라멘트로 이루어진 선으로서, 재료의 특성상 열전도도는 상대적으로 낮으나 기계적 강도와 전기전도도는 우수하므로 상기와 같은 귀금속제 극세사 도선의 문제점을 해소할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 탄소섬유 도선(32)은 일정한 길이를 가지며 한쪽 끝이 금속제의 도선연결핀(38)으로 단말 처리된다. 도선의 단말 처리는 도8에 보인 바 와 같이 세관형의 도선연결핀 내부로 탄소섬유를 삽입한 후 압착 고정하는 방법으로 수행된다. 단말 처리는 반응셀 몸체에 융착시키는 과정 전에 수행하는 바람직하나, 융착 후에 단말 처리하는 것도 가능하다.

여기서는 기체투과막(37)이 반응셀 몸체(31)에 융착되는 것을 기준으로 설명하였으나 접착제 등에 의한 접합 방식을 채택하는 것도 가능하다.

또한 여기서 도선의 재료로 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직한 것으로 설명되었으나, 금속선을 사용하는 방법이 배제되는 것은 아니다.

반응셀과 감지기 몸체의 결합

완성된 반응셀은 도9와 같은 상태로 내삽 사출(인써트 몰딩)에 의하여 감지기 몸체(21)에 결합된다. 감지기 몸체(21)는 전체적으로 중공부를 지닌 실린더 형태를 띠되 그 내경은 내삽된 반응셀의 외경보다 작고, 그 외경은 반응셀의 외경보다 크게 하여 사출 성형된다.

내삽 사출시 반응셀에 연결되어 있는 각 도선의 한쪽 끝에 단말 처리되어 형성된 도선연결핀(38, 39)을 금형의 코어에 형성된 구멍에 끼운 채 사출 성형함으로써 각 도선연결핀(38, 39)이 몸체(21) 상부 표면에서 일정 길이 돌출되도록 하며 이는 단자부와 연결하는 후속과정에서 이 도선연결핀에 상응하여 설치된 단자부의 삽입구(42 및 43)에 삽입 체결하게 된다. 필요에 따라서는, 몸체(21) 상부 표면에 돌출 형성된 도선연결핀(38, 39)이 직접 단자로 사용되는 경우도 있다.

감지기 몸체(21)가 사출 성형된 상태에서는 도9에서 굵은 선으로 표시된 것과 같이 중공부 내에 위치한 반응셀의 테두리부(300)가 몸체(21)에 매입됨으로써 반응셀 몸체(31)와 그 위에 접합된 기체투과막(36,37) 사이의 밀봉 상태가 보강되므로, 만일 반응셀 제작시 기체투과막의 융착이나 접착이 다소 불완전하였더라도 전해질이 밖으로 누출되는 것이 방지되어 감지기 성능의 안정성을 더욱 향상시켜 주게 된다.

단자부의 제작 및 조립

단자부는 감지기를 외부장치에 접속시키기 위한 단자(44,45)와 감지기 몸체 상부에 돌출된 도선연결핀(38,39)과의 결합을 용이하게 하는 접속구(42,43)를 포함한다.

도10에 예시된 바와 같이, 접속구(42,43)는 도선연결핀의 간단한 삽입 동작에 의하여 체결됨으로써 단자부가 감지기 몸체에 조립될 수 있는 구조를 갖는다. 예를 들면 접속구는 금속판에 H자 형으로 부분 절개하여 비스듬히 구부려 형성한 두개의 절개편으로 이루어진다. 이들 두개의 절개편은 탄성을 가지므로, 양 절개편의 선단 간격보다 직경이 큰 도선연결핀이 절개편이 구부러진 방향으로는 용이하게 미끄러져 삽입되나, 반대방향으로는 접속구에서 쉽게 빠지지 않도록 비스듬히 형성된다. 또한 양 절개편은 삽입된 도선연결핀을 가압 지지하므로 반응셀에서 발생된 신호가 잘 전달되도록 전기적 접속이 유지된다.

여기서는 접속구가 크기가 같은 두개의 절개편이 구비된 것을 기준으로 설명하였으나, 크기가 다른 두개의 절개편, 하나만이 형성된 절개편 또는 기타 변형 방법으로도 소정의 목적을 달성할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

단자(44,45)는 접속구(42,43)와 일체인 금속판으로 제작되고 합성 수지재의 지지몸체(41)에 매입되어, 접속구와 도선연결핀이 체결되면 단자 연결을 위한 별도의 작업이 필요 없도록 하는 것이 바람직하다.

도4에 예시된 감지기 몸체(21)와 단자부는 도선연결핀(38,39) 및 접속구(42,43)의 상호 체결에 의하여 조립이 완성되며, 그 완성된 상태의 감지기는 도11의 평면도와 같이 예시된다.

본 실시예에서는 단자부 지지몸체(41)가 가로바의 형태로 되어 있으나, 둥근 원판 형태로 감지기 상부를 전체적으로 커버할 수 있게 하는 것도 가능하다. 단자부가 조립된 후에 단자가 노출되는 구멍을 구비한 캡을 덧씌워 제품 외관을 마감하는 단계를 부가할 수 있다.

본 발명의 실시예는 원형 단면의 실린더형 감지기를 기준으로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 사각관 등의 변형된 관형 감지기를 채택할 수 있음은 당업자에게 당연하다.

이상에서 기술한 바와 같은 본 발명은 화학 가스농도 감지기를 각 기능 단위 별로 제작하므로 종래와 같이 일체형으로 제작하는 방법에 비하여 제작 공정이 단 순화되고 생산 자동화가 용이한 효과가 있다. 또한 제조 공법의 표준화가 용이하여 제품 성능의 안정성이 향상되며, 품질관리가 효율화 된다.

또한 각 기능 단위들을 결합함에 있어서 내삽사출과 삽입 체결식 조립방법을 사용함으로써 생산성이 현저히 향상된다.

또한 내삽사출 방법을 적용함으로써 기체투과막의 밀봉 상태가 보강되어 감지기의 성능 안정성이 향상된다.

나아가서 종래의 귀금속제 도선 대신 탄소섬유제의 도선을 사용함으로써 원가절감은 물론 반응셀의 내삽 사출 성형이 용이하게 된다.

Claims (8)

1. 관형 몸체의 개구된 상면 및 하면에 기체투과막을 접합하여 전해질을 봉입한 반응셀을 포함하는 가스 감지기에 있어서,

   상기 가스 감지기의 몸체는 중공부를 구비한 관형으로서 상기 반응셀의 테두리부가 상기 중공부로부터 상기 가스 감지기의 몸체내로 매입된 사출 성형물이고,

   상기 반응셀은 일단부가 상기 전해질에 노출된 전극이며, 타단부는 상기 감지기 몸체 상부 표면 위로 돌출된 도선을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 감지기.
2. 제1항에 있어서, 상기 도선은 상기 반응셀의 몸체와 기체투과막의 접합부위를 관통하는 것을 특징으로 하는 가스 감지기.
3. 제2항에 있어서, 상기 도선은 탄소섬유로 된 것을 특징으로 하는 가스 감지기.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도선의 타단부는 금속제 도선연결핀으로 단말 처리된 것을 특징으로 하는 가스 감지기.
5. 제4항에 있어서, 단자와 접속구가 형성된 금속판을 포함하는 단자부를 더 포함하고, 상기 단자부는 상기 도선연결핀이 상기 접속구에 삽입 체결됨으로써 상기 가스 감지기의 몸체에 조립되는 것을 특징으로 하는 가스 감지기.
6. 제5항에 있어서, 상기 접속구는 상기 금속판을 부분적으로 절개하여 구부려 형성된 절개편을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 감지기.
7. 관형 몸체의 개구된 상면 및 하면에 기체투과막을 접합하여 전해질을 봉입한 반응셀을 포함하는 가스 감지기 제조 방법에 있어서,

   (a) 상기 반응셀의 몸체 내부의 전해질에 도선의 일단부인 전극을 노출하고 타단부는 외부로 유도되어 도선연결핀으로 단말 처리된 도선을 구비한 반응셀을 제작하는 단계;

   (b) 상기 반응셀이 상기 가스감지기의 관형 몸체 중공부에 위치하되 그 테두리부가 가스 감지기의 몸체 중공부로부터 몸체 내로 매입되도록 상기 반응셀을 금형 내에 내삽하고, 상기 도선 단말처리부가 상기 감지기 몸체 상부 표면으로 돌출될 수 있도록 상기 금형내에 형성된 구멍에 끼운 후, 수지를 주입하여 가스 감지기의 관형 몸체를 사출 성형하는 단계;

   (c) 단자와 접속구가 형성된 금속판을 포함하는 단자부를 제작하는 단계; 및

   (d) 상기 도선연결핀을 상기 접속구에 삽입 체결하여 상기 단자부를 상기 가스 감지기의 몸체에 조립하는 단계;를 포함하는 가스 감지기를 제조하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 도선은 상기 반응셀의 몸체와 기체투과막의 접합부위를 관통하도록 하여 상기 반응셀의 몸체와 상기 기체투과막을 열 융착하는 것을 특징으로 하는 가스 감지기 제조방법.

Images