산소 센서
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1. 개요
산소 센서는 다양한 분야에서 산소 농도를 측정하는 데 사용되는 장치이다. 주요 측정 원리로는 지르코니아식, 갈바니 전지식, 광학식(옵토드), 전기화학식이 있으며, 각 방식은 작동 방식과 특징에 차이가 있다. 자동차의 경우, 산소 센서는 엔진의 공연비를 조절하여 연비 향상과 배기가스 감소에 기여하며, 센서 고장은 엔진 성능 저하, 연비 감소, 배기가스 증가를 유발할 수 있다. 이 외에도 의료, 생명 과학, 식품 포장, 산업, 환경, 잠수 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 산소 센서 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 지르코니아 전기화학 광학 |
| 용도 | 자동차 의료 산업 환경 모니터링 항공 |
| 원리 | |
| 지르코니아 센서 | 넨스트 전위 |
| 전기화학 센서 | 전기화학 반응 |
| 광학 센서 | 형광 소광 |
| 특징 | |
| 장점 | 높은 감도 빠른 응답 속도 넓은 측정 범위 |
| 단점 | 온도 의존성 습도 의존성 교차 감도 |
| 응용 분야 | |
| 자동차 | 엔진 제어, 배기가스 제어 |
| 의료 | 호흡기 치료, 마취 모니터링 |
| 산업 | 연소 제어, 공정 모니터링 |
| 환경 모니터링 | 대기 질 측정, 수질 측정 |
| 항공 | 생명 유지 장치, 엔진 제어 |
| 기술적 설명 | |
| 작동 원리 | 산소 농도에 따라 전기 신호 또는 광학 신호 변화 |
| 측정 범위 | 다양한 범위 (ppm에서 100%까지) |
| 정확도 | ±0.1% ~ ±5% (센서 유형 및 조건에 따라 다름) |
| 응답 시간 | 수 밀리초에서 수 초 |
| 추가 정보 | |
| 교정 | 정기적인 교정 필요 |
| 유지 보수 | 센서 유형에 따라 다름 (세척, 전해액 보충 등) |
| 주의 사항 | 극한 조건, 오염 물질 노출 시 성능 저하 가능성 |
2. 측정 원리 및 종류
산소 센서는 다양한 측정 원리를 기반으로 작동하며, 각각 장단점과 특정한 용도를 가진다.
티타니아식 산소 센서는 이산화 티타늄으로 만들어진 세라믹 소자를 사용한다. 이 센서는 자체 전압을 생성하지 않지만, 산소 농도에 따라 전기 저항이 변화한다. 티타니아의 저항은 산소 분압과 온도의 함수이므로, 일부 센서는 가스 온도 센서를 함께 사용하여 온도에 따른 저항 변화를 보상한다. λ = 1에서 산소의 큰 변화가 있을 때 저항 변화는 온도에 따라 농후 상태와 희박 상태 사이에서 일반적으로 1000배이다. 티타니아는 TiO2−''x'' 구조를 가진 N형 반도체이며, 결정 격자 내의 ''x'' 결함이 전하를 전달한다. 연료가 풍부한 배기가스(산소 농도 낮음)에서는 저항이 낮고, 연료가 희박한 배기가스(산소 농도 높음)에서는 저항이 높다. 제어 장치는 센서에 작은 전류를 공급하고 센서에서 발생하는 전압 강하를 측정하며, 이는 0V에서 약 5V까지 다양하다. 티타니아 센서는 지르코니아 센서보다 비싸지만 응답 속도가 빠르다. 자동차 응용 분야에서 티타니아 센서는 지르코니아 센서와 달리 대기 중 공기를 참조 샘플로 필요로 하지 않아 센서 어셈블리가 물 오염에 더 강하게 설계될 수 있다.
자기식 산소 센서는 산소의 상자성을 이용하여 산소 농도를 측정한다. 산소는 자기장에 끌리는 성질을 가지고 있으며, 이 성질을 이용하여 산소 농도를 측정할 수 있다. 자기식 산소 센서는 다른 방식에 비해 구조가 복잡하고 가격이 비싸지만, 고온, 고압, 부식성 환경에서도 사용할 수 있다는 장점이 있다.
광학식 산소 센서(옵토드)는 광학적으로 산소 농도를 측정한다. 광케이블 끝에 화학 필름을 붙이고, 이 필름의 형광 특성이 산소 농도에 따라 달라지는 원리를 이용한다.[14] 산소가 없을 때 형광이 가장 강하며, 산소 농도가 높을수록 형광 수명은 짧아진다.[14] 이는 O2 분자가 필름과 충돌하여 소광을 일으키기 때문이다. 형광 신호와 산소 농도 비율은 선형적이지 않다. 옵토드는 낮은 산소 농도에서 가장 민감하며, 산소 농도가 증가하면 민감도가 감소한다. 이는 Stern–Volmer 관계를 따른다. 하지만 옵토드 센서는 물 속에서 0%에서 100% 산소 포화 용액 영역에서 작동할 수 있으며, 교정은 클라크형 센서와 같은 방식으로 수행된다. 산소 소모가 없으므로 센서는 교반에 민감하지 않지만, 샘플에 넣은 후 센서를 교반하면 신호가 더 빠르게 안정화된다. 평면 옵토드는 백금 호일에서 산소 농도의 공간적 분포를 감지하는 데 사용된다.
전기화학식 산소 센서의 일종인 클라크형 전극은 액체에 용해된 산소를 측정하는 데 가장 많이 사용된다. 음극과 양극이 전해질에 잠겨 있고, 산소가 확산을 통해 투과성 막을 통과하여 센서에 들어가 음극에서 환원되어 측정 가능한 전류를 생성하는 원리이다. 산소 농도와 전류 사이에는 선형 관계가 있으며, 2점 보정(0% 및 100% 공기 포화)을 통해 샘플 내 산소를 측정할 수 있다. 이 방식은 측정 중 산소가 소모된다는 단점이 있다. 즉, 정확한 측정을 위해 센서를 저어주어야 한다. 그러나 클라크형 센서는 매우 작게 만들 수 있어, 마이크로 센서의 경우 산소 소비량이 매우 작아 교반에 둔감하며 퇴적물이나 식물 조직 내부와 같은 정체된 매체에서 사용할 수 있다.
2. 1. 지르코니아식 산소 센서
지르코니아식 산소 센서는 농도 전지라고 불리는 고체 전해질 연료 전지를 기반으로 작동한다. 센서 내외부는 다공성 백금 전극으로 도금된 세라믹 실린더 형태이며, 금속 망으로 보호된다. 배기 가스와 외부 공기 사이의 산소 농도 차이를 측정하여 작동하며, 이 차이에 따라 전압을 생성하거나 저항을 변경한다.[4]
센서는 약 316°C로 가열될 때 효과적으로 작동한다. 최신 람다 프로브는 세라믹 내부에 히터 요소를 내장하여 온도를 빠르게 올린다. 히터가 없는 구형 프로브는 배기가스에 의해 가열되지만, 엔진 시동과 열 평형 도달 사이에 시간 지연이 발생한다. 이 과정은 주변 온도와 배기 시스템 형상에 따라 몇 분이 걸릴 수 있다. 이러한 느린 시동은 오염 문제를 야기한다.[5]
프로브에는 일반적으로 4개의 전선(람다 출력 2개, 히터 전원 2개)이 부착된다. 일부 자동차는 금속 케이스를 접지로 사용하여 3개의 전선을 사용하며, 초창기에는 1개 또는 2개의 전선이 사용되었다.
지르코니아 람다 센서는 두 전극에서 대기 중 산소량과 배기가스 내 산소량에 해당하는 출력 전압을 제공한다. DC영어 출력 0.2V는 연료와 산소의 "희박 혼합"을 나타내며, 실린더 내 산소가 일산화 탄소(CO)를 이산화 탄소(CO2)로 완전히 산화시키기에 충분함을 의미한다. 0.8V 출력은 "농후 혼합"으로, 연소되지 않은 연료가 많고 잔류 산소가 적음을 의미한다. 이상적인 설정값은 약 0.45V로, 공기와 연료 비율이 최적(화학 양론점보다 약 0.5% 희박)이며 배기가스 내 일산화 탄소가 최소가 되는 지점이다.
센서 전압은 산소 농도에 대해 비선형적이며, 화학 양론점(λ = 1) 근처에서 가장 민감하다. ECU는 센서 피드백을 통해 연료/공기 혼합비를 조정하는 제어 시스템이다. 센서의 시간 상수가 중요하며, 노후화되거나 오염된 센서는 응답 시간이 느려져 시스템 성능을 저하시킨다. 짧은 시간 상수는 "크로스 카운트"를 높여 시스템 반응성을 향상시킨다.[6] 센서는 내부 및 외부적으로 스테인리스 스틸 구조로 되어 있어 부식 저항력이 높고 고온/고압 환경에서도 효과적이다.
지르코니아 센서는 응답하는 연료/공기 비율 범위가 좁은 "협대역" 유형이다. 1992년 NTK에서 처음 소개된 "광대역" 센서는 평면형 지르코니아 소자와 전기화학 가스 펌프를 통합한다.[15] 피드백 루프를 포함하는 전자 회로는 전기화학 셀 출력을 일정하게 유지하기 위해 가스 펌프 전류를 제어하며, 펌프 전류는 배기가스 산소 함량을 직접 나타낸다. 이 센서는 희박-농후 사이클을 제거하여 제어 장치가 엔진 연료 공급 및 점화 시기를 더 빠르게 조정할 수 있게 한다. 자동차 산업에서 ''UEGO''(범용 배기 가스 산소) 센서라고도 불리며, 애프터마켓 다이노 튜닝 및 고성능 운전자 공기-연료 표시 장비에도 사용된다. 광대역 센서는 층상 연료 분사 시스템 및 디젤 엔진에도 사용되어 EURO 및 ULEV 배출 가스 제한을 충족한다.
광대역 센서는 이온 산소 펌프, 협대역 지르코니아 센서, 발열체의 세 가지 요소로 구성되며, 배선도는 일반적으로 6개(저항성 발열체 2개, 센서, 펌프, 보정 저항, 공통)의 전선으로 구성된다.
작동 원리는 전해질 용액을 사용한 일종의 농담 전지로, 이온 농도 차이에 따른 전극 간 전압 발생 현상을 응용한다.[15] 안정화 지르코니아로 제작된 원통 내외부에 다공성 백금 전극을 부착한 구조로, 500°C 이상의 고온에서 작동한다.[15]
500°C 이상에서 고체 전해질(이온 전도성 고체) 성질을 갖는 안정화 지르코니아는 선택적으로 산소 이온()만 통과시킨다. 원통형 고체 전해질 내외부 산소 농도 차이에 의해 환원 반응으로 농도가 높은 쪽 전극에서 산소 분자()가 전자를 받아 산소 이온()이 되고, 농도가 낮은 쪽 전극에서는 산화 반응으로 산소 이온()이 전자를 내어 산소 분자()가 된다.[15]
;고농도 측
: (환원 반응)
;저농도 측
: (산화 반응)
농담 전지의 기전력과 용액 중 이온 활량 관계를 나타내는 네른스트 방정식을 응용하여 기전력을 다음 식으로 나타낸다.[15]
;E: 기전력 [V]
;R: 기체 상수 = 8.3145 [J·mol·K]
;T: 절대 온도 [K]
;n: 반응에 포함된 전자 수 (위 반응에서는 n = 4)
;F: 패러데이 상수 = 9.649 × 104 [C·mol]
;PR: 기준 가스 중의 산소 농도 [%]
;PM: 피측정 가스 중의 산소 농도 [%]
일 때,
2. 2. 갈바니 전지식 산소 센서
대부분의 수중 다이빙 분야에서 사용되는 산소 센서 유형은 전기 화학적 산소 센서로 연료 전지의 일종이며, 때로는 '''산소 분석기''' 또는 '''ppO2 미터'''라고도 불린다. 이들은 나이트록스 및 트리믹스와 같은 호흡 가스 혼합물의 산소 농도를 측정하는 데 사용된다.[9] 또한 폐쇄 회로 리브리더의 산소 제어 메커니즘 내에서 산소의 분압을 안전한 한계 내로 유지하고,[10] 포화 다이빙 시스템 및 표면 공급 혼합 가스의 호흡 가스 내 산소 함량을 모니터링하는 데 사용된다. 이러한 유형의 센서는 소형 전기 화학적 연료 전지에 의해 생성된 전압을 측정하여 작동한다.
갈바니 전지식 산소 센서는 일종의 연료 전지로, 측정 가스의 산소 분압에 따라 변화하는 전류값을 측정하여 산소 농도를 측정한다.[16]
; 장점
: 가연성 가스의 영향을 받기 어렵다.
; 단점
: 센서의 경년 열화가 있으며, 연속 측정에 적합하지 않다. 주변 및 가스 온도의 영향을 받기 쉽다.
; 양극
: Pb + 2OH- -> Pb2+ + H2O + 2e-
; 음극
: O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-
고온에서의 작동에는 적합하지 않으므로 엔진 배기 가스 중의 산소 농도 감시에는 적합하지 않다.
2. 3. 광학식 산소 센서 (옵토드)
광학식 산소 센서(옵토드)는 광학적으로 산소 농도를 측정하는 센서이다. 광케이블 끝에 화학 필름을 붙이고, 이 필름의 형광 특성이 산소 농도에 따라 달라지는 원리를 이용한다.[14] 산소가 없을 때 형광이 가장 강하며, 산소 농도가 높을수록 형광 수명은 짧아진다.[14] 이는 O2 분자가 필름과 충돌하여 소광을 일으키기 때문이다. 특정 산소 농도에서 일정 수의 O2 분자가 필름과 충돌하면 형광 특성은 안정적으로 유지된다.형광 신호와 산소 농도 비율은 선형적이지 않다. 옵토드는 낮은 산소 농도에서 가장 민감하며, 산소 농도가 증가하면 민감도가 감소한다. 이는 Stern–Volmer 관계를 따른다. 하지만 옵토드 센서는 물 속에서 0%에서 100% 산소 포화 용액 영역에서 작동할 수 있으며, 교정은 Clark형 센서와 같은 방식으로 수행된다. 산소 소모가 없으므로 센서는 교반(stirring)에 민감하지 않지만, 샘플에 넣은 후 센서를 교반하면 신호가 더 빠르게 안정화된다. 이러한 유형의 전극 센서는 물 분해 반응에서 산소 생성에 대한 현장 및 실시간 모니터링에 사용될 수 있다.
평면 옵토드는 백금 호일에서 산소 농도의 공간적 분포를 감지하는 데 사용된다. 옵토드 프로브와 같은 원리를 기반으로 하며, 디지털 카메라를 사용하여 특정 영역의 형광 강도를 캡처한다.
2. 4. 전기화학식 산소 센서
클라크형 전극은 액체에 용해된 산소를 측정하는 데 가장 많이 사용되는 산소 센서이다. 기본 원리는 음극과 양극이 전해질에 잠겨 있는 것이다. 산소는 확산을 통해 투과성 막을 통과하여 센서에 들어가 음극에서 환원되어 측정 가능한 전류를 생성한다.산소 농도와 전류 사이에는 선형 관계가 있다. 2점 보정(0% 및 100% 공기 포화)을 통해 샘플 내의 산소를 측정할 수 있다.
이러한 접근 방식의 한 가지 단점은 측정 중에 센서 내의 확산과 동일한 속도로 산소가 소모된다는 것이다. 즉, 정확한 측정을 얻고 정체된 물을 피하려면 센서를 저어주어야 한다. 센서 크기가 커질수록 산소 소비량이 증가하고 교반 민감도도 증가한다. 대형 센서에서는 전해질 소비로 인해 시간이 지남에 따라 신호가 드리프트되는 경향도 있다. 그러나 클라크형 센서는 10μm의 팁 크기로 매우 작게 만들 수 있다. 이러한 마이크로 센서의 산소 소비량은 매우 작아서 교반에 실질적으로 둔감하며 퇴적물이나 식물 조직 내부와 같은 정체된 매체에서 사용할 수 있다.
3. 자동차 응용
자동차용 산소 센서(O2 센서)는 전자식 연료 분사와 자동차 배출 가스 제어를 가능하게 하는 핵심 부품이다. 배기 흐름 속에서 산소 농도를 측정하여 엔진의 공연비가 농후한지 희박한지를 판단하고, 이 정보를 엔진 제어 장치(ECU)에 전달한다. ECU는 이 정보를 바탕으로 연료 분사량을 조절하여 최적의 공연비를 유지한다.
볼보는 1970년대 후반에 삼원 촉매 변환기와 함께 산소 센서를 사용하는 기술을 처음으로 상용화했다.[2] 이 기술은 질소 산화물(NO''x''), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 등의 유해 배기가스 배출을 줄이는 데 크게 기여한다.
산소 센서는 배기가스와 대기 중 산소량의 차이를 측정한다. 농후 혼합물은 산소 요구량을 유발하여 전압 출력을 높이고, 희박 혼합물은 과도한 산소로 인해 전압을 낮춘다. 현대 엔진은 산소 센서와 촉매 변환기를 사용하여 자동차 배출 가스를 줄인다. ECU는 산소 센서의 정보를 바탕으로 연료 분사량을 조절하여 평균 공연비를 최적화하고, 출력, 연비, 배출 가스 사이의 균형을 맞춘다.
산소 센서의 신호는 배출 가스 제어에 매우 중요하며, 고장은 차량 손상으로 이어질 수 있다. 엔진 저부하 조건에서는 ECU와 산소 센서 간의 피드백 루프를 통해 공연비가 조절되지만, 고부하 조건에서는 ECU가 엔진 보호를 위해 혼합물을 농후하게 한다.
산소 센서는 엔진 제어 장치(ECU)에 피드백을 제공하며, 가솔린, 프로판, 천연 가스 엔진은 삼원 촉매를 장착하여 배출가스 규제를 준수한다. ECU는 산소 센서 신호를 통해 공연비를 14.7:1에 가깝게 유지하여 삼원 촉매가 효과적으로 작동하도록 한다.[3]
센서는 약 316°C (약 315.6°C)에서 효과적으로 작동하므로, 최신 람다 프로브는 세라믹 내부에 히터 요소를 내장하여 온도를 빠르게 높인다. 히터가 없는 구형 프로브는 배기가스에 의해 가열되지만, 엔진 시동 후 시간이 걸린다.
3. 1. 자동차 산소 센서 (람다 센서) 고장 진단
산소 센서는 시간이 지남에 따라 노후화되거나, 유연 휘발유 사용, 실리콘 또는 규산염 등으로 인해 오염될 수 있다. 이러한 오염은 센서의 반응 시간을 느리게 하고, 심한 경우 산소 감지 능력을 완전히 상실하게 만들어 고장을 일으킨다.[7]일반적인 고장 원인은 다음과 같다.
- 센서 노후화: 비가열 센서는 약 50,000~80,000km, 가열 센서는 약 160,000km 정도의 수명을 가진다.
- 유연 휘발유 사용: 유연 휘발유는 센서를 오염시켜 수명을 단축시킬 수 있다. 납 농도에 따라 수명이 약 24140.10km까지 단축될 수 있으며, 납으로 손상된 센서는 옅은 녹슨 색으로 변색된다.
- 연료 오염: 실리콘(일부 실링 및 그리스에 사용)이나 규산염(일부 부동액에 부식 억제제로 사용)으로 연료가 오염되면 센서에 침전물이 쌓여 고장을 유발한다. 이 경우, 센서 침전물은 반짝이는 흰색에서 거친 밝은 회색을 띤다.
- 오일 누출: 엔진 오일 누출은 프로브 팁을 유성 검은색 침전물로 덮어 반응 손실을 일으킨다.
- 과도하게 농후한 혼합물: 과도하게 농후한 혼합물은 프로브에 검은색 분말 침전물을 쌓이게 한다.
- 외부 전압: 지르코니아 센서에 외부 전압을 가하면 (예: 일부 옴 미터로 점검) 센서가 손상될 수 있다.
- 리드 오염: 일부 센서는 리드에 공기 흡입구가 있는데, 물이나 오일 누출로 인해 오염 물질이 센서로 흡입되면 고장을 일으킬 수 있다.[7]
산소 센서 고장 증상은 다음과 같다.[8]
- 계기판 센서 경고등 점등
- 자동차 배출 가스 증가
- 연료 소비량 증가
- 가속 시 주저함
- 시동 꺼짐
- 거친 공회전
이러한 증상이 나타나면 산소 센서 점검이 필요하며, 고장난 센서는 엔진 성능 저하, 연비 감소, 배기가스 증가 등의 문제를 야기할 수 있다. 심한 경우 촉매 변환기 손상으로 이어질 수 있다.
4. 기타 응용 분야
산소 센서는 자동차 외에도 다양한 분야에서 널리 사용된다.
- 의료: 혈액이나 조직 내 산소 분압을 측정하고, 인공호흡기 및 마취기 등 의료 장비에 사용된다.[12]
- 생명 과학: 세포 호흡, 광합성 연구, 바이오리액터 내 산소 농도 조절 등에 활용된다.
- 식품 포장: 포장 내부의 산소 농도를 측정하여 식품의 신선도를 유지하고 유통 기한을 늘리는 데 사용된다.[12]
- 산업: 보일러, 소각로, 용광로 등 연소 설비의 연소 효율을 관리하고 배기가스를 감시하는 데 사용된다.
- 환경: 대기, 수질, 토양 등 환경 중 산소 농도를 측정하고 모니터링하는 데 활용된다.
- 잠수: 나이트록스 및 트리믹스와 같은 호흡 기체 혼합물의 산소 농도를 측정하고, 리브리더의 산소 분압을 제어하는 데 사용된다.[9][10]
5. 한국의 관련 기업
참조
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웹사이트
What the heck is an Oxygen Sensor?
https://dtauto.ca/wh[...]
2024-11-28
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뉴스
40 Years of Bosch Lambda Sensor
https://www.bosch.co[...]
2017-09-17
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Three-way catalyst
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Zirconia sensors
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2007-10-12
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논문
Universal Air-Fuel Ratio Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor and Further Applications
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Any recent car utilising lean-burn or direct-injection engine technology uses a Wideband Sensor
https://web.archive.[...]
2014-04-21
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NGK: Some sensors "breathe" through their leads, so are susceptible to contamination of the leads.
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https://www.mt.com/g[...]
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東レエンジニアリング株式会社 ジルコニア式酸素濃度計測定原理
http://www.toray-eng[...]
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웹사이트
ガルバニ電池式酸素センサー
http://ch.ce.nihon-u[...]
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