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KR19990014660A - Dissolved oxygen measuring device using solid electrolyte - Google Patents

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KR19990014660A
KR19990014660A KR1019980052705A KR19980052705A KR19990014660A KR 19990014660 A KR19990014660 A KR 19990014660A KR 1019980052705 A KR1019980052705 A KR 1019980052705A KR 19980052705 A KR19980052705 A KR 19980052705A KR 19990014660 A KR19990014660 A KR 19990014660A
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KR
South Korea
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dissolved oxygen
electrolyte
electrode
solid electrolyte
liquid
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Application number
KR1019980052705A
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Korean (ko)
Inventor
심윤보
Original Assignee
심윤보
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Publication date
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은 전해질을 액체에서 젤 타입의 고체 전해질을 이용함으로서 액의 누수방지와 안정적이고 장시간 사용이 가능하며 소형화가 가능하도록 한 용존산소 측정장치에 관한 것으로, 액체 속에 함유되어 있는 용존산소를 측정하는 장치에 있어서, 액체 시료내에 존재하는 산소를 투과시키고 액상성분은 불투과 시키는 선택적 투과성막과, 상기 막을 투과한 산소의 양에 따른 전류변화를 일으키는 전극, 그리고 상기 선택적 투과성막과 상기 전극 사이에 위치하고 젤 타입으로 이루어진 고체전해질을 포함하여 구성되는 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치를 제공하는데 있다. 그리고, 상기 고체 전해질은, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 염화칼륨의 복합물로 구성되며, 그 조성은 약 5w/w%의 폴리에틸렌옥사이드와 0.1M 이상의 염화칼륨으로 구성되어 젤 형상으로 이루어지도록 한다. 한편 상기 선택적 투과성막은 테프론 막으로 이루어지고, 상기 전극에 있어서는, 음극은 금(Au),은(Ag) 백금(Pt)중 어느 하나로 이루어지고, 양극은 Ag/AgCl 또는 Ag/AgO로 이루어지도록 한다.The present invention relates to a dissolved oxygen measuring apparatus for preventing the leakage of a liquid by using a gel-type solid electrolyte in a liquid, and stable, long-term use and miniaturization, and to measure the dissolved oxygen contained in the liquid An apparatus, comprising: a selective permeable membrane which permeates oxygen present in a liquid sample and an impermeable liquid component, an electrode which causes a current change according to the amount of oxygen that has permeated the membrane, and is located between the selective permeable membrane and the electrode Disclosed is an apparatus for measuring dissolved oxygen using a solid electrolyte including a solid electrolyte made of a gel type. In addition, the solid electrolyte is composed of a composite of polyethylene oxide (PEO) and potassium chloride, the composition of which is composed of about 5w / w% polyethylene oxide and 0.1M or more potassium chloride to form a gel. Meanwhile, the selective permeable membrane is made of a Teflon membrane, and in the electrode, the cathode is made of any one of gold (Au) and silver (Ag) platinum (Pt), and the anode is made of Ag / AgCl or Ag / AgO. .

따라서, 본 발명에 의하면 전해질이 누수되는 것이 방지되고 장치의 소형화와 안정적인 사용이 가능한 잇점이 있다.Therefore, according to the present invention, the electrolyte is prevented from leaking and the device can be miniaturized and stable in use.

Description

고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치.Dissolved oxygen measuring device using a solid electrolyte.

본 발명은 용존산소(Dissolved oxygen;DO) 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 수용되는 전해질을 액체에서 젤 타입의 고체 전해질을 이용함으로서 액의 누수방지와 안정적이고 장시간 사용이 가능하며 소형화가 가능하도록 한 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring dissolved oxygen (DO), and more specifically, by using a gel-type solid electrolyte in a liquid contained in an electrolyte, liquid leakage prevention and stable, long-term use, and miniaturization are possible. The present invention relates to a dissolved oxygen measuring apparatus using a solid electrolyte.

일반적으로 강이나 하천, 호수 등을 이루는 물(水)뿐만 아니라 인체의 혈액 등 각종 형태로 존재하는 물(水)과 그 외에 존재하는 각종 액체(이하에서는 이러한 물(水)과 각종 액체를 통칭하여 물(水)이라 부르기로 한다.)에는 일정한 양의 산소가 용해되어 있으며, 이러한 액체에 용해되어 있는 산소량을 용존산소(Dissolved oxygen;DO)라 한다. 상기 용존산소는, 온도 및 기압과 같은 물리적 요소와, 물(水)속에 함유되어 있는 각종 오염물질에 의한 생물화학적 요소에 의해 좌우된다.In general, water in various forms such as blood of the human body as well as water constituting rivers, rivers, lakes, etc., and various other liquids (hereinafter, such water and various liquids) A certain amount of oxygen is dissolved in water, and the amount of oxygen dissolved in such a liquid is called dissolved oxygen (DO). The dissolved oxygen depends on physical factors such as temperature and pressure and biochemical factors caused by various pollutants contained in water.

즉, 동일한 조건하에서 온도는 낮고 기압이 높을수록 물(水)속에 함유되어 있는 용존산소는 많게 된다. 그리고, 오염도 즉, 각종 화학물질 및 미생물 등이 많이 함유된 물(水)일수록 용존산소의 양은 적어진다. 따라서, 물속에 함유된 용존산소의 양은 물(水)의 유용성 정도를 나타내는 기준지표가 될 수 있으므로 이러한 물속에 함유되어 있는 용존산소량을 정량적으로 손쉽게 측정할 수 있는 장치가 필요하게 되었다. 최근 들어서 이러한 용존산소 측정기의 필요성은, 생물공학(biotechnology)과정의 조절과정과, 환경 관련 용액의 적용에 특히 많은 관심이 집중되었다. 상기 용존산소 측정기는, 해수, 혈액, 상하수도물, 각종 화학공장에서 나오는 폐수, 흙과 같이 각종 수(水)권 중에 존재하는 산소를 측정하는 산업과, 생화학, 환경연구 및 임상의학 등의 여러 분야에 걸쳐 매우 중요하게 사용된다.That is, under the same conditions, the lower the temperature and the higher the atmospheric pressure, the more the dissolved oxygen contained in the water. In addition, the amount of dissolved oxygen decreases as the degree of pollution, that is, water containing many chemicals and microorganisms. Therefore, since the amount of dissolved oxygen contained in the water can be a reference indicator indicating the degree of usefulness of water (water), there is a need for a device that can easily quantitatively measure the amount of dissolved oxygen contained in such water. In recent years, the necessity of such a dissolved oxygen detector has been particularly focused on the control of the biotechnology process and the application of environmental solutions. The dissolved oxygen measuring device is an industry that measures oxygen present in various water zones, such as seawater, blood, water and sewage, wastewater from various chemical plants, and soil, and various fields such as biochemistry, environmental research, and clinical medicine. Very importantly used throughout.

상기와 같이 물(水)속에 함유된 용존산소를 측정하기 위한 방법으로는 1988년 엘.더블유 윙클러(L.W. Winkler)가 고안한 윙클러법과 전극법이 있다. 현재 윙클러(Winkler)법은 모든 용존산소 측정의 표준 방법으로 사용하고 있으며, 요오드법(iodometry)의 변형된 형태이다. 이러한 윙클러법에 의한 산소측정의 원리를 설명하면, 먼저, 측정하고자 하는 시료는 과량의 Mn(Ⅱ), KI, NaOH로 처리된다. 여기서 형성된 흰색의 Mn(OH)2(s)는 산소(O2)와 빠르게 반응하여 갈색의 Mn(OH)3(s)가 형성된다. 상기 반응식은 다음과 같다.As described above, a method for measuring dissolved oxygen contained in water includes the Winkler method and the electrode method devised by L. Double Oil Winkler in 1988. The Winkler method is currently used as the standard method for all dissolved oxygen measurements and is a modified form of iodometry. When explaining the principle of oxygen measurement by the Winkler method, first, the sample to be measured is treated with excess Mn (II), KI, NaOH. The white Mn (OH) 2 (s) formed here reacts rapidly with oxygen (O 2 ) to form brown Mn (OH) 3 (s). The reaction scheme is as follows.

4Mn(OH)2(s) + O2+ 2H2O ⇒ 4Mn(OH)3(s)4 Mn (OH) 2 (s) + O 2 + 2 H 2 O ⇒ 4 Mn (OH) 3 (s)

상기 반응물이 산성화될 때, 망간(Ⅲ)은 요오드화 이온(I-)에서 요오드로 산화된다. 상기 반응식은 다음과 같다.When the reactants are acidified, manganese (III) is oxidized from iodine ions (I ) to iodine. The reaction scheme is as follows.

4Mn(OH)3(s) + 2I-+ 6H+⇒ I2+ 3H2O + 2Mn2+ 4Mn (OH) 3 (s) + 2I - + 6H + ⇒ I 2 + 3H 2 O + 2Mn 2+

상기 반응에 의해 유리된 요오드를 보통 방법에 의해 적정함으로서 용존산소의 정량적 측정이 가능하게 된다. 그리고, 이러한 방법에 의해 측정된 용존산소는 정량 단위가 0.1ppm까지 가능하여 많은 산소 센서 검증에 사용되고 있으나, 연속적인 용존산소의 결정을 쉽게 할 수 없다는 결점을 가지고 있다.By titrating the iodine liberated by the above reaction by the usual method, it becomes possible to quantitatively measure the dissolved oxygen. In addition, the dissolved oxygen measured by this method is used for the verification of many oxygen sensors because the quantitative unit can be up to 0.1 ppm, but has a drawback that it is not easy to determine the continuous dissolved oxygen.

그러나, 상기와 달리 전극법(또는 갈바니법)은 윙클러법의 이러한 단점을 개선할 수 있어 최근에 널리 사용되고 있다. 이러한 전극법의 기본원리는 서로 다른 두가지 금속이 어떠한 용매에 들어가면 전류(또는 전압)가 발생하는 것을 이용한 기본적인 방법이나 안정성이 부족한 면이 있다. 따라서 이러한 전극법의 문제점을 보완하기 위해 연구한 결과 보다 향상된 클락 형태(clark-type) 갈바니 센서가 개발되었다.However, unlike the above, the electrode method (or galvanic method) has been widely used in recent years because it can improve these disadvantages of the Winkler method. The basic principle of the electrode method is a basic method using the generation of current (or voltage) when two different metals enter a solvent, or lack of stability. Therefore, as a result of research to compensate for the problem of the electrode method, an improved clark-type galvanic sensor was developed.

상기와 같이, 개량된 폴라로그래피법은 음극(Cathode)에 일정 전위(약 0.76V)를 가하여 전극의 산화환원 반응에 따라 용존산소의 분압에 비례하는 전류를 얻는 방법으로 안정된 용존산소를 측정할 수 있는 방법이 개발되었다. 이 외에 독일의 WTW사가 개발한 방법으로 삼-전극법은, 양극, 음극이외에 기준전극 하나를 더 추가한 방법으로 신뢰도를 보다 향상시켜 최근에 가장 널리 사용되고 있다.As described above, the improved polarography method can measure stable dissolved oxygen by applying a constant potential (about 0.76 V) to the cathode to obtain a current proportional to the partial pressure of dissolved oxygen according to the redox reaction of the electrode. The method was developed. In addition, the three-electrode method, which was developed by the German company WTW, is one of the most widely used methods of improving reliability by adding one reference electrode in addition to the anode and the cathode.

그리고, 상기에서 설명한 방법들은 기본적으로 액체 시료내에 존재하는 산소(O2)를 측정하기 위해 전극의 표면이 격막으로 감싸져 있다. 상기 격막은 상기 액체 시료내의 용존산소가 투과될 수 있으므로 상기 격막을 투과한 산소가 전극과 반응하여 용존산소의 양을 측정하게 된다. 즉, 용존산소량을 측정하고자 하는 환경시료에서 격막으로 확산되어지는 산소는 음극의 편극 전위(polarization voltage)에 의해서 환원됨으로서 상기 반응식에 따른 용존산소의 양을 정량적으로 검출하게 된다. 상기 반응식은 다음과 같다.In the above-described methods, the surface of the electrode is basically covered with a diaphragm to measure oxygen (O 2 ) present in the liquid sample. Since the dissolved oxygen in the liquid sample may pass through the diaphragm, oxygen that has passed through the diaphragm reacts with an electrode to measure the amount of dissolved oxygen. That is, the oxygen diffused into the diaphragm in the environmental sample to measure the dissolved oxygen amount is reduced by the polarization voltage of the cathode, thereby quantitatively detecting the amount of dissolved oxygen according to the above reaction formula. The reaction scheme is as follows.

음극반응 : O2+ 2H2O + 4e-⇒ 4OH-(환원)Cathodic reaction: O 2 + 2H 2 O + 4e - ⇒ 4OH - ( reduction)

양극반응 : 4Ag + 4Cl ⇒ 4AgCl + 4e-(산화)Anode reaction: 4Ag + 4Cl ⇒ 4AgCl + 4e - ( oxidation)

상기의 반응에서 음극에서 일어나는 환원반응은 환경시료의 산소분압에 직접 비레하는 전류를 발생시킨다. 그리고, 여기서 산소의 환원에 의해 발생되어지는 봉우리 전류(Ip)는 렌들스-세빅(Randles-Sevcik) 공식으로 설명되어지며, 그 공식은 다음과 같다.The reduction reaction occurring at the cathode in the above reaction generates a current which is directly proportional to the oxygen partial pressure of the environmental sample. Here, the peak current I p generated by the reduction of oxygen is explained by the Rendles-Sevcik formula, and the formula is as follows.

Ip= (2.69 × 105)n3/2.A.D1/2C0v1/2 I p = (2.69 × 10 5 ) n 3/2 .AD 1/2 C 0 v 1/2

Ip: 봉우리 전류(peak current)I p : peak current

n : 산화환원 반응에서 이동하는 전자의 수n: number of electrons moving in redox reaction

A : 전극 면적A: electrode area

D : 확산 계수D: diffusion coefficient

C0: 농도 또는 산소의 분압C 0 : concentration or partial pressure of oxygen

v : 주사속도v: scan speed

이상에서 설명한 기본원리에 의해 용존산소를 측정할 수 있는 용존산소 측정기는 음극, 양극, 전해질 및 막의 형태에 따라 다양한 형태가 제공되고 있다.The dissolved oxygen measuring device capable of measuring dissolved oxygen according to the basic principles described above is provided in various forms according to the shape of the negative electrode, the positive electrode, the electrolyte, and the membrane.

음극으로 사용 될 수 있는 물질은 Pd, Ir, Rh, Sb, 등의 순수금속 Pt-Au합금, Fe-Ni-Cr-Pb합금 및 비금속물질(보통 탄소)이다. 그러나 가장 널리 사용되는 물질은 순수한 금속으로 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)이 주로 사용된다. 그 이유는 음극의 특성인 산소환원에 대한 촉매 활성이 크고, 전기전도성, 불활성, 물에 대한 충분한 과전압과 전극제조의 용이성을 만족시키기 때문이다.Materials that can be used as cathodes are pure metal Pt-Au alloys, such as Pd, Ir, Rh, Sb, Fe-Ni-Cr-Pb alloys, and nonmetallic materials (usually carbon). However, the most widely used materials are pure metals such as gold (Au), silver (Ag), and platinum (Pt). This is because the catalytic activity for oxygen reduction, which is a characteristic of the cathode, is large, and satisfies electrical conductivity, inertness, sufficient overvoltage for water, and ease of electrode production.

양극물질은 Ag/AgCl, Ag/AgO가 음극의 전위를 오랜시간 안정화 시키는 전극으로 널리 사용되고 있고, Pb, Al, Cd, Zn을 양극으로 사용하였을 때는 음극과 양극사이의 전위차에 의해 자발적으로 산소의 환원이 일어나기 때문에 외부에서 전위를 가해줄 필요가 없다.The anode material is widely used as an electrode for Ag / AgCl and Ag / AgO to stabilize the potential of the cathode for a long time. When Pb, Al, Cd, and Zn are used as the anode, the anode voluntarily causes Since reduction occurs, there is no need to apply a potential from the outside.

그리고, 전해질은 음극과 양극에 이온의 전달을 원활하게 하여야 하며, 불필요한 반응과 외부 영향이 없어야 한다. 격막은 측정 매체의 조성에 의한 오염으로부터 전극의 시스템을 보호하고, 전해질 조성의 어떤 불필요한 변화를 최소화하고, 음극에 대한 산소 전달의 재생조건을 제공하는 기능을 가져야 된다. 이러한 제반 요건들을 만족하는 격막으로는 테프론막이 가장 널리 사용되고 있다.In addition, the electrolyte should facilitate the transfer of ions to the cathode and the anode, and there should be no unnecessary reactions and external influences. The diaphragm should have the function of protecting the system of electrodes from contamination by the composition of the measurement medium, minimizing any unnecessary changes in the electrolyte composition, and providing regeneration conditions of oxygen transfer to the cathode. Teflon membrane is most widely used as a diaphragm satisfying these requirements.

또한 전극의 형태는 음극의 모양에 따라 평판(planar)형태와 원통(cylindrical)형태로 나누어진다. 평판 형태는 원반(discs), S-모양(S-shaped), 고리(ring), 나선형(helical)이 있으며, 원통은 속빈원통(hollow cylinder), 나선형의 전선(wire spiral), 원통(conical) 또는 반구상(hemisperical)의 형태가 있다.In addition, the electrode is divided into a planar shape and a cylindrical shape according to the shape of the cathode. There are discs, S-shapeds, rings, and helicals. The cylinders are hollow cylinders, wire spirals, and cylindricals. Or hemisperical form.

상기에서 설명한 각 구성요소들을 구비한 용존산소 검출기는 1956년 클락(Clark)이 특허를 낸 클락(Clark) 산소 검출기에 그 기본원리를 두고 있으며, 이러한 클락 산소 검출기를 도시한 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다.The dissolved oxygen detector with each of the above-described components is based on the Clark oxygen detector, which was patented by Clark in 1956, and is described with reference to FIG. Let's look at it.

도시된 바와 같이, 검출기(1)의 전지(2)는 절연체 막대(3)의 저면 중앙 위치에 봉입한 음극 작업전극(2a)과 상기 절연체 막대(3)의 외주면을 감싸는 양극 전극(2b)으로 구성된다. 상기 음극 작업전극(2a)은 백금(Pt)으로 이루어지고, 양극전극(2b)은 은(Ag)으로 구성되어 있다. 그리고 상기 검출기(1)의 표면은 엷고 갈아 끼울수 있는 산소 투과막(5)이 설치되고, 상기 산소투과막(5)은 오링(O-ring)(미도시)에 의해 검출기(1)에 고정된다. 상기 투과막(5)은 그 분자구조에 의해 유리산소는 자유로이 투과될 수 있으나, 물분자는 투과될 수 없는 구조로 이루어져 있다. 그리고, 상기 검출기(1)의 내부에는 액체 전해질(6)이 채워지며, 액체 전해질(6)로는 염화칼륨(KCl) 용액을 사용한다. 그리고 절연체막대(3)의 저면에 위치한 상기 음극작업전극(2a)과 산소투과막(5) 사이에 존재하는 전해질(6) 용액의 두께(d)는 약 10㎛정도 유지되도록 되어 있다.As shown, the battery 2 of the detector 1 is composed of a cathode working electrode 2a enclosed at a bottom center position of the insulator rod 3 and a cathode electrode 2b surrounding the outer circumferential surface of the insulator rod 3. It is composed. The cathode working electrode 2a is made of platinum Pt, and the anode electrode 2b is made of silver (Ag). The surface of the detector 1 is provided with a thin and replaceable oxygen permeable membrane 5, and the oxygen permeable membrane 5 is fixed to the detector 1 by an O-ring (not shown). do. The permeable membrane 5 has a structure in which free oxygen can be freely permeated by its molecular structure, but water molecules cannot permeate. In addition, the liquid electrolyte 6 is filled in the detector 1, and a potassium chloride (KCl) solution is used as the liquid electrolyte 6. The thickness d of the solution of the electrolyte 6 existing between the cathode working electrode 2a and the oxygen permeable membrane 5 located on the bottom surface of the insulator rod 3 is maintained to be about 10 μm.

상기와 같은 구성을 가지는 클락 산소검출기(1)를 흐르는 용액이나 저어주는 용액속에 담그면, 상기 용액속에 함유되어 있는 산소는 상기 투과막(5)을 통과하여 염화칼륨 전해질(6) 속으로 전달된다. 상기 전해질(6)속으로 전달된 산소는 확산되어 음극작업전극(2a)과 반응하게 된다. 이때, 상기 전지(2)에서는 상술한 바와 같이 상기 전달되는 산소량에 비례하는 전류를 발생시키고, 상기 전류에 의해 용존산소량의 측정이 가능하게 된다.When the clock oxygen detector 1 having the above configuration is immersed in a flowing solution or a stirring solution, oxygen contained in the solution passes through the permeable membrane 5 and is transferred into the potassium chloride electrolyte 6. Oxygen delivered into the electrolyte 6 diffuses and reacts with the cathode working electrode 2a. At this time, the battery 2 generates a current proportional to the amount of oxygen delivered as described above, and the dissolved oxygen amount can be measured by the current.

그리고 상기 검출기(1)에서는 정상적인 유체 역학형 전극과는 반대로 두가지 확산과정이 포함되는데, 하나는 산소 투과막(5)을 통하는 것이고, 다른 하나는 투과막(5)과 전극(2) 표면 사이의 전해질(6) 용액을 통하는 것이다. 적당한 시간(약 10초내외)에 정류상태에 도달하기 위해서는 투과막(5)의 두께와 전해질(6) 필름의 두께는 약 20㎛ 안팍 이어야 한다. 이와 같은 조건하에서 정류상태의 전류에 도달하는 속도를 결정하는 것은 투과막(5)을 통과하는 산소의 운반 평형속도이다. 이러한 운반 평형속도를 결정하는 것은 투과막(5)의 바깥에 만들어지는 얇은 시료 용액층에서의 산소 용해도, 투과막(5)으로의 산소 확산속도, 전해질(6) 용액층의 확산속도가 가장 큰 변수이다. 대개 음극작업전극(2a)의 환원전위는 -0.8V 내외로 고정시키며, 기기내에 내장된 검량선에 의해 산소농도가 결정되어 사용자는 용존산소의 검출이 가능하게 된다.In addition to the normal hydrodynamic electrode, the detector 1 includes two diffusion processes, one through the oxygen permeable membrane 5, and the other between the permeable membrane 5 and the surface of the electrode 2. It is through the electrolyte (6) solution. In order to reach a rectified state at a suitable time (about 10 seconds or less), the thickness of the permeable membrane 5 and the thickness of the electrolyte 6 film should be about 20 μm. Under these conditions, the rate of reaching the rectified current is the transport equilibrium rate of oxygen passing through the permeable membrane 5. Determining this transport equilibrium rate is that the oxygen solubility in the thin sample solution layer made outside the permeable membrane 5, the oxygen diffusion rate into the permeable membrane 5, and the diffusion rate of the electrolyte 6 solution layer are the largest. Variable. Usually, the reduction potential of the cathode working electrode 2a is fixed at around -0.8V, and the oxygen concentration is determined by the calibration curve built into the device, so that the user can detect dissolved oxygen.

그러나, 용액중에 존재하는 용존산소를 검출하기 위한 이러한 종래의 검출기는 다음과 같은 문제점이 있다.However, such a conventional detector for detecting dissolved oxygen present in a solution has the following problems.

전해물질로 액체를 사용하는 종래 검출기는 그 크기를 소형화하는데 한계가 있어 많은 분야에 폭 넓게 사용하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 검출기의 크기가 소형화될수록 여러 가지 실험적 응용에 이용할 수 있는 유익한 점이 있어 완전한 산소센서의 소형화에 대한 활발한 연구가 진행되었다. 이러한 검출기의 소형화를 위해서 초미세전극의 사용 등을 통하여 가능하나, 기본적으로 사용되는 액체 전해질의 농도 및 그 양에 의하여 검출기의 크기를 소형화하는데 한계가 있다. 따라서 이러한 액체 전해질의 사용으로 인하여 그 크기를 더 이상 소형화되지 못하는 문제점을 있다.Conventional detectors that use liquid as an electrolyte have limitations in miniaturizing their size, and thus have problems of wide use in many fields. In other words, as the size of the detector becomes smaller, there is an advantage that it can be used for various experimental applications. For miniaturization of such a detector, it is possible through the use of an ultra-fine electrode, etc., but there is a limit in miniaturizing the size of the detector by the concentration and the amount of the liquid electrolyte basically used. Therefore, the use of such a liquid electrolyte has a problem that can not be miniaturized any more.

그리고, 종래 검출기는 환경시료와 전해질의 격리를 위해 격막을 사용하며, 이러한 격막을 봉인하기 위해 오링(O-ring)을 사용한다. 그러나, 상기 오링에 의해 완전한 봉인이 되지 않아 전해질의 누수가 발생되며, 이러한 누수로 인하여 검출기의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.In addition, the conventional detector uses a diaphragm to separate the environmental sample and the electrolyte, and uses an O-ring to seal the diaphragm. However, the O-ring is not completely sealed and leakage of the electrolyte is generated, which causes a problem of shortening the life of the detector.

또한, 상기 검출기를 장시간 사용함에 따라 액체 전해질의 농도가 변화하게 되고, 이러한 농도감소로 전지에서의 전류반응이 감소하게 된다. 즉, 액체전해질을 사용하는 검출기는 사용함에 따라 전해질의 농도가 묽어지고 이에 따라 측정수명이 단축되어 장시간 사용이 곤란해지는 문제점이 있다.In addition, as the detector is used for a long time, the concentration of the liquid electrolyte is changed, and the decrease in the concentration reduces the current response in the battery. That is, the detector using the liquid electrolyte has a problem that the concentration of the electrolyte decreases as it is used, thereby shortening the measurement life and making it difficult to use for a long time.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내부에 수용되는 전해질을 액체에서 젤 타입의 고체 전해질을 이용함으로서 액이 누수되는 일이 없고, 장시간 사용에도 농도 변화가 없어 안정적으로 장시간 사용이 가능하며, 그 크기를 축소하여 소형화가 가능하도록 한 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, by using a gel-type solid electrolyte in the liquid contained in the electrolyte in the liquid does not leak, there is no change in concentration even long-term use can be used for a long time stably It is an object of the present invention to provide an apparatus for measuring dissolved oxygen using a solid electrolyte, the size of which can be reduced in size.

도 1 - 종래 액체전해질을 이용한 용존산소 측정기의 일부 단면도.1-A partial cross-sectional view of a dissolved oxygen measuring device using a conventional liquid electrolyte.

도 2 - 본 발명에 의한 용존산소 측정기의 일부 사시도.2-A partial perspective view of a dissolved oxygen measuring instrument according to the present invention.

도 3 - 다양한 농도의 염화칼륨(KCl) 액체 전해질과 고체인 젤 전해질로 만든 측정기에 대한 용존산소의 전류반응을 나타낸 그래프.3 is a graph showing the current response of dissolved oxygen to a measuring instrument made of various concentrations of potassium chloride (KCl) liquid electrolyte and solid gel electrolyte.

도 4 - 염화칼륨(KCl)의 농도를 2.34M로 일정하게 유지하고 메트릭스의 함량을 조절하여 만든 젤 전해질에 대한 용존산소의 전류반응을 나타낸 그래프.4-Graph showing the current response of dissolved oxygen to the gel electrolyte made by maintaining the concentration of potassium chloride (KCl) to 2.34M constant and controlling the content of the matrix.

도 5 - 액체전해질과 폴리에틸렌옥사이드 젤 전해질에 대한 측정용액의 온도에 따른 용존산소량을 비교한 그래프.5 is a graph comparing the dissolved oxygen amount according to the temperature of the measurement solution for the liquid electrolyte and polyethylene oxide gel electrolyte.

도 6 - 액체전해질과 폴리에틸렌옥사이드의 젤전해질에 대한 네모파 전압전류법의 주파수 변화에 대한 용존산소의 전류변화를 보인 그래프.6 is a graph showing the change of dissolved oxygen current with respect to the frequency change of square wave voltammetry for liquid electrolyte and gel electrolyte of polyethylene oxide.

도 7 - YSI 용존산소 측정기와 폴리에틸렌옥사이드 메트릭스를 포함하는 젤전해질로 만든 용존산소 측정기로 용존산소 농도에 대한 감응을 비교한 그래프.7-A graph comparing the response to dissolved oxygen concentration with a dissolved oxygen measuring device made of a gel electrolyte containing a YSI dissolved oxygen measuring instrument and a polyethylene oxide matrix.

도 8 - 염화나트륨(NaCl)의 농도에 따른 폴리에틸렌옥사이드 젤전해질과 액체전해질로 만든 측정기애 의한 용존산소에 대한 전류반응을 나타낸 그래프.8 is a graph showing the current response to dissolved oxygen by a measuring device made of polyethylene oxide gel electrolyte and liquid electrolyte according to the concentration of sodium chloride (NaCl).

도 9 - 젤 전해질로 만든 용존산소 측정기에 의한 일정기간 동안의 용존산소량과 용존산소에 대한 전류반응을 나타낸 그래프.9-A graph showing the dissolved oxygen content and the current response to dissolved oxygen for a period of time by a dissolved oxygen measuring device made of a gel electrolyte.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

10 : 검출기 20 : 산소투과막10: detector 20: oxygen permeable membrane

30 : 전지 32 : 음극작업전극30 battery 32 cathode working electrode

34 : 양극 40 : 젤 전해질34: anode 40: gel electrolyte

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1특징은, 액체 속에 함유되어 있는 용존산소를 측정하는 장치에 있어서, 액체 시료내에 존재하는 산소를 투과시키고 액상성분은 불투과 시키는 선택적 투과성막과, 상기 막을 투과한 산소의 양에 따른 전류변화를 일으키는 전극, 그리고 상기 선택적 투과성막과 상기 전극 사이에 위치하는 고체전해질을 포함하여 구성되는 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치를 제공하는데 있다.A first aspect of the present invention for achieving the above object is a device for measuring the dissolved oxygen contained in a liquid, the selective permeable membrane to permeate the oxygen present in the liquid sample and the liquid component is impermeable, and Disclosed is an apparatus for measuring dissolved oxygen using a solid electrolyte including an electrode causing a current change according to an amount of oxygen that has passed through a membrane, and a solid electrolyte positioned between the selective permeable membrane and the electrode.

그리고, 상기 고체 전해질은, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 염화칼륨의 복합물로 구성되며, 그 조성은 약 2 내지 10w/w%의 폴리에틸렌옥사이드와 0.1M 이상의 염화칼륨으로 구성되어 젤 또는 드라이형상으로 이루어지도록 한다. 한편 상기 선택적 투과성막은 테프론 막으로 이루어지고, 상기 전극에 있어서는, 음극은 금(Au),은(Ag) 백금(Pt)중 어느 하나로 이루어지고, 양극은 Ag/AgCl 또는 Ag/AgO로 이루어지도록 하며, 또한 백금(Pt) 또는 금(Au)으로 이루어진 기준전극을 더 포함한 삼 전극으로 이루어지도록 할 수도 있다.And, the solid electrolyte is composed of a composite of polyethylene oxide (PEO) and potassium chloride, the composition is composed of about 2 to 10w / w% polyethylene oxide and 0.1M or more potassium chloride to form a gel or dry form. On the other hand, the selective permeable membrane is made of a Teflon membrane, in the electrode, the cathode is made of any one of gold (Au), silver (Ag) platinum (Pt), and the anode is made of Ag / AgCl or Ag / AgO In addition, it may be made of a three electrode further comprising a reference electrode made of platinum (Pt) or gold (Au).

따라서, 본 발명에 의하면 전해질이 누수되는 것이 방지되고 장치의 소형화와 안정적인 사용이 가능한 잇점이 있다.Therefore, according to the present invention, the electrolyte is prevented from leaking and the device can be miniaturized and stable in use.

다음, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정기의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.Next, a preferred embodiment of the dissolved oxygen measuring device using the solid electrolyte according to the present invention having the configuration as described above will be described in more detail.

본 실험을 위한 고체 전해질 메트릭스로 사용되는 여러 가지 물질을 준비하였다. 그리고 상기 물질을 이용하여 고체전해질을 제작함에 있어서는 젤 형태 또는 드라이 형태로 이용하여 실험하였으며, 그 결과는 크게 다르지 않으므로 이하에서는 젤 형태로 이루어진 고체전해질을 예로 하여 설명하기로 한다.Various materials were prepared for use as solid electrolyte matrix for this experiment. In the preparation of the solid electrolyte using the material, the experiment was conducted using a gel form or a dry form, and the results are not significantly different. Hereinafter, the solid electrolyte formed in the gel form will be described as an example.

메트릭스 물질로는 여러 가지를 가지고 실험하였으며, 상기 물질 중 폴리에틸렌이민(polyethyleneimnine;PEI:평균분자량 750,000), 키토산, 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide;PEO:평균분자량 2,000,000)는 알드리치 화학회사(Aldrich Chem. Co:USA)에서 구입하였다. 그리고 젤 전해질 매트릭스 물질로 사용되는 전분, 젤라틴 한천은 신요순수화학회사(SYNYO PURE CHEMICALS Co.)에서 구입하여 사용하였다. 한편, 지지 전해질로 사용되는 염화칼륨(KCl)은 정제법에 의해 정제하여 사용하였으며, 그리고 3차 증류수는 1차 증류수를 밀리포어 시스템(Millipore system) 18MΩ에 이르는 증류수를 얻어 사용하였다.As a matrix material, various experiments were conducted, and among the above materials, polyethyleneimnine (PEI: average molecular weight 750,000), chitosan, polyethylene oxide (PEO: average molecular weight 2,000,000) were described by Aldrich Chem. Co: USA. Purchased). Starch and gelatin agar used as gel electrolyte matrix materials were purchased from SYNYO PURE CHEMICALS Co. Meanwhile, potassium chloride (KCl) used as a supporting electrolyte was purified by a purification method, and tertiary distilled water was used to obtain distilled water up to 18 MΩ in Millipore system (Millipore system).

그리고, 본 실험에서 용존산소 측정기에 사용된 전극은 음극 및 양극으로 이루어진 이-전극과 상기 이-전극외에 기준전극을 포함하는 삼-전극의 양자로 실험하였으며, 음극 전극으로는 백금(Pt)과 금(Au)를 사용하였으나, 은(Ag)을 사용하는 것도 물론 가능하다. 양극 전극으로는 은/염화은(Ag/AgCl)을 사용하였으나, 은/산화은(Ag/AgO)을 사용하는 것도 물론 가능하다. 그리고, 기준전극으로는 백금(Pt) 또는 금(Au)을 사용하여 실험하였다.In this experiment, the electrode used in the dissolved oxygen measuring device was experimented with both a two-electrode consisting of a cathode and an anode and a three-electrode including a reference electrode in addition to the two-electrode, and platinum (Pt) and Although gold (Au) was used, it is of course also possible to use silver (Ag). Silver / silver chloride (Ag / AgCl) was used as the anode electrode, but silver / silver oxide (Ag / AgO) may of course be used. In addition, the experiment was performed using platinum (Pt) or gold (Au) as the reference electrode.

산소투과막(membrane)은 FET 테프론을 사용하였고, 상기 투과막을 고정하기 위해 오링(O-ring)을 사용하였다. 전기화학 셀은 폴리사이언 회사(Polyscience Co.)에서 구입한 제품을 사용하여 25±0.1℃에서 항온시켰다. 전압전류 실험은 아이비엠 컴퓨터 클론(IBM-PC clone)과 생화학적 시스템 주식회사(bioanalytical Systrm, Inc.) 모델 CV-50W를 가지고 실험하였다. 순한 전압전류(CV)의 보통 주사속도는 100mV/sec이다. 그리고, 순도 99.999% 질소기체와 순도 99.999% 산소기체로 측정 용액의 용존산소를 조절하였다.As the oxygen permeable membrane (membrane) was used FET Teflon, O-ring was used to fix the permeable membrane. Electrochemical cells were incubated at 25 ± 0.1 ° C. using products purchased from Polyscience Co., Ltd. (Polyscience Co.). Voltammetric experiments were conducted with IBM-PC clone and bioanalytical Systrm, Inc. model CV-50W. The normal scan rate of a gentle voltage current (CV) is 100mV / sec. In addition, the dissolved oxygen of the measurement solution was controlled with a purity of 99.999% nitrogen gas and a purity of 99.999% oxygen gas.

한편, 젤 타입의 고체 전해질을 제조에 있어, 젤 전해질 메트릭스와 염화칼륨의 지지전해질이 고루 혼합되도록 하기 위해서 다음과 같이 젤 전해질을 제조하였다. 전분(starch)과 한천(agar)은 지지전해질인 염화칼륨(KCl)용액에 넣고 가열하여 녹인 후 젤화시켜 제조한다. 그리고, 젤라틴(gelatin), 폴리에틸렌이민(PEI) 및 폴리에틸렌옥사이드(PEO)는 염화칼륨(KCl) 용액에 넣고 초음파 발생기에서 2시간 이상 방치시켜 놓고 균일하게 섞이게 하였다. 특히 PEO는 균일한 젤을 얻기 위해서는 하루 정도의 시간이 필요하므로 하루 정도 방치시켜 제조된 젤을 사용한다.Meanwhile, in preparing a gel-type solid electrolyte, a gel electrolyte was prepared as follows in order to uniformly mix the gel electrolyte matrix and the supporting electrolyte of potassium chloride. Starch and agar are prepared by heating in potassium chloride (KCl) solution, which is a supporting electrolyte, and melting them. In addition, gelatin, polyethyleneimine (PEI) and polyethylene oxide (PEO) were added to potassium chloride (KCl) solution, and left to stand in an ultrasonic generator for 2 hours or longer to be mixed uniformly. In particular, PEO needs a time of about a day to obtain a uniform gel, so use a gel prepared for one day.

상기와 같이 형성된 젤 타입의 고체전해질과 전극을 이용한 즉정기의 일실시예를 도시한 도 2를 참조하여 살펴보기로 한다.With reference to Figure 2 showing an embodiment of the instantaneous using the gel-type solid electrolyte and the electrode formed as described above.

도시된 바와 같이, 원통형을 이루는 검출기(10)의 표면에 테프론으로 이루어진 산소투과막(20)이 설치되고, 상기 투과막(20)은 오링(O-ring)(미도시)에 의해 검출기(10)의 원통외면에 고정되어 있다. 그리고, 금(Au) 또는 백금(Pt)으로 이루어진 음극 작업전극(32)이 링의 형태로 투과막(20) 내면에 설치되고, 상기 음극(32)과 소정간격 이격되어 은/염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 양극(32)이 설치되어 전지(30)를 이루고 있다. 한편, 상기 양극(32)과 음극(34) 사이에는 상술한 젤 형태의 고체 전해질(40)이 위치되며, 상기 고체 전해질(40)의 종류를 다양하게 바꾸어서 실험을 하였다. 한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전극은 상기 도 2에 도시된 이-전극외에 삼-전극으로 실험되었으나, 설명의 편의상 이-전극으로 설명하기로 한다. 한편, 이러한 본 발명에 의한 고체전해질의 용존산소 측정기와, 기존 액체 전해질을 내장한 YSI의 용존산소 측정기(DO meter)를 사용하여 비교 실험 하였으며, 이하에서는 이러한 실험내용을 설명하기로 한다.As shown, the oxygen permeable membrane 20 made of Teflon is installed on the surface of the cylindrical detector 10, the permeable membrane 20 is the detector 10 by the O-ring (not shown) It is fixed to the outer surface of the cylinder. In addition, a cathode working electrode 32 made of gold (Au) or platinum (Pt) is installed on the inner surface of the permeable membrane 20 in the form of a ring, and is spaced apart from the cathode 32 by a predetermined distance to silver / silver chloride (Ag / A positive electrode 32 made of AgCl) is provided to form a battery 30. On the other hand, between the positive electrode 32 and the negative electrode 34 is the solid electrolyte 40 of the gel form described above, the experiment was performed by changing the type of the solid electrolyte 40 in various ways. On the other hand, as described above, the electrode according to the present invention was tested as a three-electrode in addition to the two-electrode shown in FIG. 2, it will be described as a two-electrode for convenience of description. Meanwhile, a comparative experiment was performed using the dissolved oxygen measuring device of the solid electrolyte according to the present invention and the dissolved oxygen measuring device (DO meter) of YSI incorporating the existing liquid electrolyte, which will be described below.

액체 전해질과 젤 전해질의 전류 반응Current Reaction of Liquid Electrolyte and Gel Electrolyte

도 3은 다양한 농도의 염화칼륨(KCl) 액체전해질과 젤전해질로 만든 측정기에 대한 용존산소의 전류반응을 나타낸 도이다.3 is a diagram showing the current response of dissolved oxygen to a measuring instrument made of various concentrations of potassium chloride (KCl) liquid electrolyte and gel electrolyte.

도시된 바와 같이, 액체전해질은 각각 0.1M, 1.0M, 2.34M 그리고 포화 염화칼륨(KCl)의 농도에 대해 측정하였다. 그리고, 젤 전해질은 0.5w/w% 키토산, 10w/w% 전분, 10w/w% 젤라틴, 4w/w% 한천, 5w/w% 폴리에틸렌이민(PEI) 그리고 5w/w%폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 각각 포함하고 상술한 염화칼륨(KCl) 농도를 변화시켜서 제조하였다. 한편, 모든 용존산소 측정용액은 증류수로 통일하고 용존산소량을 일정하게 유지하여 측정하였다.As shown, liquid electrolytes were measured for concentrations of 0.1M, 1.0M, 2.34M and saturated potassium chloride (KCl), respectively. The gel electrolyte is 0.5w / w% chitosan, 10w / w% starch, 10w / w% gelatin, 4w / w% agar, 5w / w% polyethyleneimine (PEI) and 5w / w% polyethylene oxide (PEO). Each prepared and prepared by varying the above-described potassium chloride (KCl) concentration. On the other hand, all dissolved oxygen measurement solution was measured by unifying with distilled water and keeping the dissolved oxygen constant.

상기 그래프에서 나타나듯이 젤 전해질에 포함된 염화칼륨(KCl)의 농도가 증가할수록 용존산소에 대한 전류반응이 대체로 크게 나타남을 알 수 있다. 그러나, 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 포함하는 젤 전해질은 염화칼륨(KCl)의 농도에 상관없이 용존산소에 대하여 일정한 전류반응을 일으키고, 액체전해질 용액보다 전류반응이 크다는 것을 알 수 있다. 한편, 2.34M 염화칼륨을 포함하는 5w/w%폴리에틸렌이민(PEI)와 10w/w% 젤라틴을 함유하는 젤전해질은 2.34M 염화칼륨 액체전해질보다 전류반응이 증가하여 나타난다. 그 외 다른 젤지지 전해질은 액체 전해질과 비슷한 전류반응을 보이고 있다.As shown in the graph, it can be seen that as the concentration of potassium chloride (KCl) contained in the gel electrolyte increases, the current response to dissolved oxygen generally appears large. However, it can be seen that the gel electrolyte containing 5w / w% polyethylene oxide (PEO) causes a constant current reaction with respect to dissolved oxygen regardless of the concentration of potassium chloride (KCl), and the current reaction is larger than that of the liquid electrolyte solution. On the other hand, gel electrolyte containing 5w / w% polyethyleneimine (PEI) and 10w / w% gelatin containing 2.34M potassium chloride appears to have an increased current response than 2.34M potassium chloride liquid electrolyte. Other gel-supported electrolytes exhibit similar current responses as liquid electrolytes.

이상의 실험결과에 따르면, 결과적으로 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 젤 전해질은 0.1M이상의 염화칼륨만 포함된다면 용존산소에 대한 최대의 전류반응을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그러나, 다른 젤 전해질과 마찬가지로 5w/w%폴리에틸렌옥사이드(PEO)만 들어있는 젤 전해질은 용존산소에 대한 전류반응이 없으므로 염화칼륨이 소정량 이상 포함되어 형성된 폴리에틸렌옥사이드 젤 전해질이 최대로 유용하며, 그 외 젤라틴, 폴리에틸렌이민 역시 사용 가능함 알 수 있다.According to the above experimental results, as a result, 5w / w% polyethylene oxide (PEO) gel electrolyte can be seen that the maximum current response to the dissolved oxygen can be obtained if it contains only 0.1M potassium chloride. However, like other gel electrolytes, gel electrolytes containing only 5w / w% polyethylene oxide (PEO) do not have a current response to dissolved oxygen. Thus, polyethylene oxide gel electrolytes containing a predetermined amount of potassium chloride are more useful. Gelatin and polyethyleneimine can also be used.

젤 전해질에 대한 메트릭스의 효과Effect of Matrix on Gel Electrolyte

상기 도 3의 실험을 통하여 젤 전해질로 사용 가능한 메트릭스를 알 수 있었다. 따라서 젤 전해질로 사용 가능한 젤라틴, 폴리에틸렌이민(PEI) 및 폴리에틸렌옥사이드(PEO)에 대한 메트릭스 효과를 조사하였다. 도 4는 염화칼륨(KCl)의 농도를 2.34M로 일정하게 유지하고 메트릭스의 함량을 조절하여 만든 젤 전해질에 대한 용존산소의 전류반응을 나타낸 그래프이다. (1),(2) 및 (3)은 각각 전분, 폴리에틸렌이민(PEI) 및 폴리에틸렌옥사이드(PEO)매트릭스에 대한 전류반응을 나타낸 그래프이다.Through the experiment of FIG. 3, the matrix usable as the gel electrolyte was found. Therefore, the effects of the matrix on gelatin, polyethyleneimine (PEI) and polyethylene oxide (PEO) that can be used as gel electrolytes were investigated. Figure 4 is a graph showing the current response of dissolved oxygen to the gel electrolyte prepared by maintaining the concentration of potassium chloride (KCl) to 2.34M constant and controlling the content of the matrix. (1), (2) and (3) are graphs showing the current response to the starch, polyethyleneimine (PEI) and polyethylene oxide (PEO) matrices, respectively.

도시된 바와 같이, 전분의 젤 전해질은 메트릭스가 0.1w/w%을 포함할 때 용존산소에 대한 전류반응이 가장 크게 관찰되고, 그 이상의 메트릭스 함량에서는 용존산소에 대한 전류반응의 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 전분 젤 전해질에서는 메트릭스 함량이 0.1% 일 때만이 2.34M 염화칼륨 액체전해질보다 약간의 전류가 증가함을 알 수 있다. 그러나, 1% 이상이 되면 거의 액체전해질과 같은 전류 반응을 가진다.As shown, the starch gel electrolyte exhibits the largest current response to dissolved oxygen when the matrix contains 0.1 w / w%, and at higher metric contents there is no difference in the current response to dissolved oxygen. Can be. In other words, it can be seen that in the starch gel electrolyte, when the matrix content is 0.1%, a slight current increases more than the 2.34 M potassium chloride liquid electrolyte. However, if it is 1% or more, it has a current response almost like liquid electrolyte.

한편, 폴리에틸렌이민(PEI) 젤 전해질은 반대로 0.1% 함량에서 액체전해질과 같은 전류 반응을 가지고 그 이상이 되면 전류 반응이 증가하다가 20% 이상이 되면 전류 반응의 증가가 없이 액체전해질과 같아진다.On the other hand, the polyethyleneimine (PEI) gel electrolyte, on the contrary, has a current reaction such as liquid electrolyte at 0.1% content, and when it exceeds, the current reaction increases, and when 20% or more, it becomes like liquid electrolyte without increasing the current reaction.

반면에 폴리에틸렌옥사이드(PEO)의 젤 전해질은 메트릭스의 함량에 관계없이 용존산소에 대한 일정한 전류반응을 보이며, 상술한 도3의 결과와 일치하게 액체전해질보다 같은 용존산소에 대한 전류반응을 크게 증가시키는 경향을 가지고 있음을 확인 할 수 있다.On the other hand, the gel electrolyte of polyethylene oxide (PEO) shows a constant current response to the dissolved oxygen irrespective of the content of the matrix, and in accordance with the results of FIG. It can be seen that there is a tendency.

상기 도 3과 도 4의 실험결과로부터 폴리에틸렌옥사이드(PEO)의 젤 전해질이 가장 적합한 고체전해질임을 알 수 있다. 그러나, 고체는 액체와 달리 온도에 민감하여, 고체전해질은 용존산소의 확산에 영향이 있을 것으로 예상된다. 이하 젤 전해질의 온도에 따른 영향을 살펴보기로 한다.It can be seen from the experimental results of FIGS. 3 and 4 that the gel electrolyte of polyethylene oxide (PEO) is the most suitable solid electrolyte. However, solids, unlike liquids, are temperature sensitive, and solid electrolytes are expected to affect the diffusion of dissolved oxygen. Hereinafter, the influence of the temperature of the gel electrolyte will be described.

젤 전해질의 온도에 따른 온도의 영향Effect of temperature on the temperature of gel electrolyte

도 5는 YSI 용존산소 측정기(DO meter)에 (1)2.34M 염화칼륨 용액과 (2) 2.34M염화칼륨을 포함하는 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드의 젤 전해질에 대한 측정용액의 온도에 따른 용존산소량을 비교한 그래프이다.Figure 5 compares the dissolved oxygen content according to the temperature of the measurement solution for the gel electrolyte of (1) 2.34M potassium chloride solution and (2) 5w / w% polyethylene oxide containing 2.34M potassium chloride in the YSI DO meter (DO meter) One graph.

도시된 바와 같이, 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드의 젤 전해질은 측정 용액의 낮은 온도에서 용존 산소에 대한 감응은 액체전해질로 측정한 감응보다 약간 떨어지는 현상을 보이고 있다. 그러나, 실온 이상의 온도에서는 거의 비슷한 감응을 보이고 있다. 젤 전해질이 낮은 온도에서 용존산소에 대한 감응이 떨어지는 현상은 폴리에틸렌옥사이드 메트릭스 효과 때문이라고 추측되나, 이러한 감응 정도는 실 사용에 있어 큰 장애요소로 작용하지 않음을 알 수 있다. 그리고, 정확한 측정을 위해서는 상기 낮은 온도에 따른 수치보상을 통하여 액체전해질과 동일한 측정이 이루어질 수 있다.As shown, the gel electrolyte of 5w / w% polyethylene oxide shows a phenomenon that the response to dissolved oxygen at the low temperature of the measurement solution is slightly lower than the response measured by the liquid electrolyte. However, at a temperature above room temperature, a similar response is exhibited. It is speculated that the gel electrolyte has a low sensitivity to dissolved oxygen at low temperatures due to the polyethylene oxide matrix effect, but this sensitivity does not appear to be a major obstacle in the practical use. And, for accurate measurement, the same measurement as the liquid electrolyte can be made through the numerical compensation according to the low temperature.

용존산소 측정에 대한 네모파 전압전류법Square wave voltammetry for dissolved oxygen measurement

젤 전해질로 사용 가능한 폴리에틸렌옥사이드 메트릭스의 용존산소에 대한 전류 반응의 최대를 확인하기 위하여 전기화학의 테크닉의 하나인 네모파 전압전류법을 사용하였다. 도 6의 (1)은 2.34M 염화칼륨을 포함하는 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드의 젤전해질이고, (2)는 2.34M 염화칼륨 액체전해질 용액에 대한 네모파 전압전류법의 주파수 변화에 대한 용존산소의 전류변화를 보인 그래프이다.In order to confirm the maximum current response to dissolved oxygen of polyethylene oxide matrix which can be used as a gel electrolyte, square wave voltammetry, which is one of the techniques of electrochemistry, was used. Figure 6 (1) is a gel electrolyte of 5w / w% polyethylene oxide containing 2.34M potassium chloride, (2) is the dissolved oxygen current for the frequency change of the square wave voltammetry for a 2.34M potassium chloride liquid electrolyte solution This graph shows a change.

도시된 바와 같이, 낮은 주파수에서는 젤전해질로 만든 용존산소 측정기가 용존산소에 대응하는 전류반응이 액체전해질 용액보다는 크게 나타난다. 그러나, 주파수가 증가할수록 전류 반응의 차이는 거의 없어지고 100Hz 정도의 주파수에서는 거의 같은 전류 반응을 보이고 있다. 상기 사실로 미루어 알 수 있듯이, 네모파 전압전류법 테크닉으로 용존산소를 측정할 때에는 주파수를 낮추어 측정하면 젤전해질이 액체전해질 용액보다 훨씬 감응이 좋다는 것을 알 수 있다.As shown, at low frequencies, the dissolved oxygen meter made of gel electrolyte has a larger current response corresponding to dissolved oxygen than the liquid electrolyte solution. However, as the frequency increases, the difference in the current response is almost disappeared, and at the frequency of about 100 Hz, the current response is almost the same. As can be seen from the above fact, when measuring the dissolved oxygen by the square wave voltammetry technique, it can be seen that the gel electrolyte is much more sensitive than the liquid electrolyte solution when the frequency is measured at a lower frequency.

검량선Calibration curve

5w/w% 폴리에틸렌옥사이드 메트릭스를 포함하는 젤전해질로 만든 용존산소 측정기로 용존산소에 대한 검량선을 작성하였다. 도 7은 YSI 용존산소 측정기와 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드 메트릭스를 포함하는 젤전해질로 만든 용존산소 측정기로 용존산소 농도에 대한 감응을 비교한 그래프이다. 여기서 용존산소의 농도는 99.999% 질소기체와 99.999% 산소기체를 유속의 차이에 의해서 조절하였다.A calibration curve for dissolved oxygen was prepared with a dissolved oxygen meter made of gel electrolyte containing 5w / w% polyethylene oxide matrix. 7 is a graph comparing the response to dissolved oxygen concentration with a dissolved oxygen measuring device made of a gel electrolyte containing a YSI dissolved oxygen measuring instrument and 5w / w% polyethylene oxide matrix. Here, the concentration of dissolved oxygen was controlled by the difference in flow rates of 99.999% nitrogen gas and 99.999% oxygen gas.

도시된 바와 같이, 젤전해질로 만든 측정기가 YSI 용존산소 측정기에서 얻은 용존산소의 농도에 대한 감응과 거의 같게 나타남을 알 수 있다. 젤전해질로 만든 용존산소 측정기에 대한 반응은 용존산소 농도 2ppm - 8ppm 까지 직진성을 가지고 있었고, 이는 젤전해질로서 충분한 사용 가능성이 있음을 알 수 있다.As shown, it can be seen that the meter made of gel electrolyte shows almost the same response to the concentration of dissolved oxygen obtained in the YSI dissolved oxygen meter. The reaction to the dissolved oxygen measuring device made of gel electrolyte had a linearity of dissolved oxygen concentration of 2ppm-8ppm, which indicates that the gel electrolyte can be used as a gel electrolyte.

측정 용액의 메트릭스(염도)에 대한 영향Effect of the measurement solution on the matrix (salinity)

실제로 용존산소량을 측정하기 위해서는 많은 메트릭스가 있다. 그리고 일반적으로 염의 농도에 따라 용존산소량은 달라진다. 도 8은 염화나트륨(NaCl)의 농도에 따른 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드 젤전해질과 2.34M 염화칼륨 액체전해질로 만든 측정기를 가지고 용존산소에 대한 전류반응을 비교한 그래프이다. 여기서 (1)은 젤전해질을 사용한 그래프이고, (2)는 액체전해질을 사용한 그래프이다.In practice, there are many metrics for measuring dissolved oxygen. In general, the amount of dissolved oxygen varies depending on the concentration of the salt. 8 is a graph comparing current response to dissolved oxygen with a measuring device made of 5w / w% polyethylene oxide gel electrolyte and 2.34 M potassium chloride liquid electrolyte according to the concentration of sodium chloride (NaCl). (1) is a graph using a gel electrolyte, and (2) is a graph using a liquid electrolyte.

도시된 바와 같이, 염도에 따른 산소 용해도의 기울기가 젤전해질을 사용하였을 때 얻은 기울기와 비슷하였다. 이것은 염도에 대한 메트릭스 효과가 젤전해질을 사용하였을 때가 액체전해질을 사용하였을 때보다 적다는 것을 알 수 있다.As shown, the slope of oxygen solubility with salinity was similar to that obtained with gel electrolyte. It can be seen that the matrix effect on salinity is less when using gel electrolyte than when using liquid electrolyte.

젤전해질의 안정성Gel electrolyte stability

일반적으로 액체전해질을 사용하는 용존산소 측정기는 장시간 게속하여 사용하였을 때 문제점이 발생한다. 즉, 장시간 사용에 따라 액체전해질의 농도가 변화하게 되고, 이 액체 전해질의 농도변화는 전류반응의 변화를 일으킨다. 따라서 액체전해질에 대한 반응에서 농도가 낮으면 전류반응이 감소하는 현상을 일으킨다. 이러한 액체전해질의 농도변화는 용존산소 측정기의 수명을 단축시키게 된다.In general, a dissolved oxygen measuring device using a liquid electrolyte has a problem when used continuously for a long time. That is, the concentration of the liquid electrolyte changes with use for a long time, and the change of the concentration of the liquid electrolyte causes a change in the current response. Therefore, a low concentration in the reaction to the liquid electrolyte causes a phenomenon that the current response is reduced. The concentration change of the liquid electrolyte shortens the lifetime of the dissolved oxygen measuring instrument.

본 실험의 목적은 오랜시간 동안의 사용에 따른 측정기의 안정성에 관한 것으로 도 9는 수십일 동안 용액속에 젤전해질로 만든 용존산소 측정기를 담그어 두고 매일 용존산소량과 용존산소에 대한 전류반응을 측정한 결과이다. 도시된 바와 같이, 젤 전해질로 만든 측정기는 용존산소에 대한 전류반응과 용존산소량은 한달 동안 거의 일정하다는 것을 알 수 있다. 따라서 장시간 사용에도 아무런 문제없이 사용할 수 있으므로 액체전해질보다 안정성에서 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.The purpose of this experiment is to measure the stability of the measuring instrument according to the use for a long time. FIG. 9 shows the dissolved oxygen measuring device made of gel electrolyte in the solution for several days and measured the dissolved oxygen and the current response to dissolved oxygen daily. to be. As shown, the meter made of the gel electrolyte can be seen that the current response to the dissolved oxygen and the dissolved oxygen amount is almost constant for a month. Therefore, since it can be used without any problem for a long time, it can be seen that the stability is much better than the liquid electrolyte.

결론conclusion

이상의 실험결과에 따르면, 한천, 젤라틴, 키토산 폴리에틸렌이민 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어진 젤전해질과 액체전해질을 비교한 결과, 상기 젤전해질 중에서 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 고체 젤전해질이 액체전해질보다 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다. 즉, 상기 실험데이터에 나타나듯이, 용존산소에 대한 전류 반응의 크기, 측정시료에 대한 매트릭스 효과의 최소화, 장시간 사용에 따른 안정성 등에서 5w/w% 폴리에틸렌옥사이드 젤전해질이 액체전해질보다 더 좋은 성능을 나타냄을 알 수 있었다. 따라서 상기 폴리에틸렌옥사이드 젤전해질은 용존산소 측정기에 있어 충분한 사용가능성이 있음은 물론 성능면에서도 월등함을 알 수 있다.According to the above experimental results, a gel electrolyte composed of agar, gelatin, chitosan polyethyleneimine and polyethylene oxide was compared with a liquid electrolyte, and the gel electrolyte containing polyethylene oxide in the gel electrolyte had better performance than the liquid electrolyte. Able to know. That is, as shown in the experimental data, 5w / w% polyethylene oxide gel electrolyte shows better performance than liquid electrolyte in terms of magnitude of current response to dissolved oxygen, minimization of matrix effect on measurement sample, stability with prolonged use, etc. And it was found. Therefore, it can be seen that the polyethylene oxide gel electrolyte has excellent usability as well as excellent performance in dissolved oxygen measuring device.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 고체전해질을 이용한 용존산소 측정기에 따르면, 소형화가 가능한 잇점이 있다. 즉, 용존산소 측정기의 소형화는 필수적이며, 이를 위해서는 적은 양의 전해질을 사용함으로서 달성될 수 있으나, 액체전해질을 사용할 경우 그 부피로 인해 소형화에 한계가 있어 소형화가 곤란하였다. 따라서 상기 전해질을 고체로 사용함으로서 그 부피를 줄일 수 있으므로 용존산소의 소형화가 가능한 효과가 있는 것이다.As described above, according to the dissolved oxygen measuring device using the solid electrolyte according to the present invention, there is an advantage that can be miniaturized. That is, miniaturization of the dissolved oxygen measuring instrument is essential, and this can be achieved by using a small amount of electrolyte. However, when the liquid electrolyte is used, the miniaturization is difficult because of its volume. Therefore, since the volume can be reduced by using the electrolyte as a solid, the dissolved oxygen can be miniaturized.

그리고, 종래의 액체전해질을 사용한 용존산소 측정기에서는 상기 액체전해질의 누수에 의해 측정기의 수명이 단축되었으나, 본 발명에 의한 고체전해질에서는 이러한 누수현상이 일어나지 않으므로 오랜시간 동안 사용이 가능한 잇점이 있다.In the dissolved oxygen measuring device using the conventional liquid electrolyte, the life of the measuring device is shortened by the leakage of the liquid electrolyte. However, in the solid electrolyte according to the present invention, such a leak phenomenon does not occur, and thus it can be used for a long time.

또한, 액체전해질에서는 장시간 사용함에 따른 농도변화에 따라 측정기의 수명단축 뿐만 아니라 정확한 측정이 어려웠으나, 본 발명에 의한 고체전해질에서는 장시간 사용에 따른 농도변화가 없어 항상 오랜기간의 사용과 더불어 정확한 검출이 이루어질 수 있는 또 다른 잇점이 있다.In addition, in the liquid electrolyte, it is difficult to accurately measure not only the lifespan of the measuring device, but also accurate measurement according to the concentration change according to the use for a long time. There is another advantage that can be achieved.

Claims (5)

액체 속에 함유되어 있는 용존산소를 측정하는 장치에 있어서, 액체 시료내에 존재하는 산소를 투과시키고, 액상성분은 불투과 시키는 선택적 투과성막과; 상기 막을 투과한 산소의 양에 따른 전류변화를 일으키는 전극; 그리고 상기 선택적 투과성막과 상기 전극 사이에 위치하고, 고체전해질을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치.An apparatus for measuring dissolved oxygen contained in a liquid, comprising: a selective permeable membrane for permeating oxygen present in a liquid sample and impermeable to a liquid component; An electrode causing a current change according to the amount of oxygen that has passed through the membrane; And a dissolved oxygen measuring device positioned between the selective permeable membrane and the electrode and comprising a solid electrolyte. 제 1 항에 있어서, 상기 고체 전해질은, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 염화칼륨의 복합물로 구성됨을 특징으로 하는 고체전해질을 이용한 용존산소 측정기.According to claim 1, The solid electrolyte, dissolved oxygen measuring device using a solid electrolyte, characterized in that consisting of a composite of polyethylene oxide (PEO) and potassium chloride. 제 2 항에 있어서, 상기 고체 전해질은, 2 내지 10w/w%의 폴리에틸렌옥사이드와 0.1M 이상의 염화칼륨으로 구성되어 이루어짐을 특징으로 하는 고체전해질을 이용한 용존산소 측정기.The dissolved oxygen measuring device using a solid electrolyte according to claim 2, wherein the solid electrolyte is composed of 2 to 10 w / w% of polyethylene oxide and 0.1 M or more of potassium chloride. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 선택적 투과성막은 테프론 막으로 이루어지고, 상기 전극에 있어서는, 음극은 금(Au),은(Ag) 백금(Pt)중 어느 하나로 이루어지고, 양극은 은/염화은(Ag/AgCl) 또는 은/산화은(Ag/AgO)로 이루어짐을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 용존산소 측정장치.The selective permeable membrane of any one of claims 1 to 3, wherein the selective permeable membrane is made of Teflon membrane, the cathode is made of any one of gold (Au), silver (Ag) platinum (Pt), Dissolved oxygen measurement apparatus using a solid electrolyte, characterized in that the anode is made of silver / silver chloride (Ag / AgCl) or silver / silver oxide (Ag / AgO). 제 4 항에 있어서, 상기 전극은, 금(Au) 또는 백금(Pt)으로 구성되는 기준전극을 더 포함하는 삼-전극으로 이루어짐을 특징으로 하는 고체전해질을 이용한 용존산소 측정장치.The apparatus of claim 4, wherein the electrode comprises a tri-electrode further comprising a reference electrode composed of gold (Au) or platinum (Pt).
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