pH 센서란 수용액의 산성, 중성, 알칼리성을 나타내는 척도인 pH 값을 측정하는 센서입니다

pH 센서는 수용액의 산성, 중성, 알칼리성을 나타내는 척도인 pH 값을 측정하는 센서입니다. pH 값은 0부터 14까지의 범위를 가지며, 7은 중성, 7보다 작으면 산성, 7보다 크면 알칼리성을 나타냅니다. pH 센서는 화학, 환경, 식품, 의료 등 다양한 분야에서 액체의 산도 조절 및 모니터링에 필수적으로 사용됩니다.

pH 센서의 원리

대부분의 일반적인 pH 센서는 전기화학적 원리를 기반으로 작동합니다. 이는 특정 이온(주로 수소 이온, H⁺)에 선택적으로 반응하는 전극(감응 전극)과 기준이 되는 전극(기준 전극) 사이의 전위차를 측정하여 pH 값을 알아내는 방식입니다.

• 감응 전극 (Measuring Electrode): 측정하려는 용액에 담그면 용액 내의 수소 이온 농도에 따라 표면에서 전위가 발생하는 전극입니다. 유리 전극이 가장 널리 사용되며, 특정 pH 범위에서 수소 이온에 선택적으로 반응하는 특수 유리 막으로 만들어집니다.
• 기준 전극 (Reference Electrode): 측정 용액의 pH 변화에 관계없이 안정적인 기준 전위를 제공하는 전극입니다. 주로 염화은/염화은(Ag/AgCl) 전극이나 칼로멜 전극(Hg/Hg₂Cl₂)이 사용됩니다.

두 전극 사이의 전위차는 Nernst 방정식에 의해 pH 값과 직접적인 관계를 가집니다.

 

여기서,

• E: 측정된 전위차
• E0: 표준 전극 전위
• R: 기체 상수
• T: 절대 온도 (켈빈)
• n: 반응에 관여하는 전자의 수 (pH 센서의 경우 수소 이온과 관련되어 보통 1)
• F: 패러데이 상수
• Q: 반응 지수 (pH 센서의 경우 수소 이온 농도와 관련)

실질적으로 pH 값은 다음과 같은 형태로 표현될 수 있습니다.

pH = - log[H+]

 

따라서 측정된 전위차를 통해 수소 이온 농도를 계산하고, 이를 바탕으로 pH 값을 얻을 수 있습니다.

pH 센서의 종류

pH 센서는 형태, 측정 방식, 적용 분야 등에 따라 다양하게 분류될 수 있습니다.

• 유리 전극 pH 센서 (Glass Electrode pH Sensor): 가장 일반적이고 널리 사용되는 pH 센서입니다. 특정 pH 범위에서 높은 정확도와 안정성을 제공합니다. 액체 형태의 전해질을 사용하는 것과 젤 형태의 전해질을 사용하는 것이 있습니다.
• ISE (Ion-Selective Electrode) pH 센서: 특정 이온에 선택적으로 반응하는 막을 사용하여 pH를 측정하는 센서입니다. 유리 전극 외에도 다양한 재료와 형태로 제작될 수 있습니다.
• 고체 전해질 pH 센서 (Solid Electrolyte pH Sensor): 고체 전해질 물질을 사용하여 pH를 측정하는 센서입니다. 소형화 및 내구성이 우수하며, 고온 환경에서도 사용 가능합니다.
• 광학식 pH 센서 (Optical pH Sensor): pH 변화에 따라 광학적 특성(흡광도, 형광 등)이 변하는 지시약을 이용하여 pH를 측정하는 센서입니다. 전기적 노이즈에 강하고 비접촉식 측정이 가능합니다.
• 반도체 pH 센서 (Semiconductor pH Sensor): 반도체 소자의 표면 전하 변화를 이용하여 pH를 측정하는 센서입니다. 소형화 및 집적화가 용이하여 휴대용 기기나 센서 어레이에 적합합니다. ISFET (Ion-Sensitive Field-Effect Transistor) 등이 대표적입니다.

pH 센서의 용도

pH 센서는 다양한 분야에서 액체의 산도 관리에 중요한 역할을 합니다. 주요 용도는 다음과 같습니다.

• 환경 모니터링: 하천, 호수, 토양 등의 pH 측정 및 오염 감시
• 수처리: 정수 및 폐수 처리 공정의 pH 조절 및 관리
• 산업 공정: 화학, 제약, 섬유, 제지, 금속 산업 등 다양한 생산 공정의 pH 제어
• 식품 산업: 식품 제조 및 품질 관리 과정의 pH 측정 및 조절
• 농업: 토양 pH 측정 및 비료 관리
• 의료: 혈액, 소변 등 체액의 pH 측정 및 진단
• 연구 및 실험: 화학, 생물학 등 다양한 과학 분야의 실험 및 분석
• 수족관 및 양식장: 물의 pH 관리

pH 센서는 액체의 화학적 특성을 파악하고 제어하는 데 필수적인 도구이며, 다양한 분야에서 품질 관리, 환경 보호, 건강 관리 등에 기여하고 있습니다.