KR101163876B1 - 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법 - Google Patents
휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는, 측정 대상 가스가 내부에 유입되며, 내부를 암실로 형성하는 가스챔버; 상기 가스챔버 내부에 위치되고, 일면에 소정의 균일 간격을 갖는 다수의 기공이 형성된 알루미늄 양극산화막이 구비되며, 상기 알루미늄 양극산화막의 표면에 형성된 반사층 및 상기 반사층의 상면에 형성되어 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되는 변색층을 포함하는 감지부; 소정의 파장 범위의 광을 방출하는 광원; 상기 광원에서 방출된 광을 상기 알루미늄 양극산화막에 조사하고, 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광을 수신하는 광경로부; 상기 감지부가 측정 대상 가스에 노출되기 전후에 상기 광경로부로 수신된 광을 스펙트럼 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고, 그 농도를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부의 측정값을 표시하는 표시부;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되도록 반사층의 상면에 구비된 변색층을 포함한 감지부가 구비되어 반사층의 반사된 광의 스펙트럼 분석을 통한 광학적인 방법을 이용하므로, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고 그 농도를 측정할 수 있고, 전기적 간섭 현상에 따른 오차가 발생하지 않으며, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성으로 인해 그 수명도 매우 길다.
본 발명에 의하면, 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되도록 반사층의 상면에 구비된 변색층을 포함한 감지부가 구비되어 반사층의 반사된 광의 스펙트럼 분석을 통한 광학적인 방법을 이용하므로, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고 그 농도를 측정할 수 있고, 전기적 간섭 현상에 따른 오차가 발생하지 않으며, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성으로 인해 그 수명도 매우 길다.
Description
본 발명은 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광학적인 방식을 통해, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고 그 농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있는 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 관한 것이다.
최근 지속적인 산업발달, 인구증가, 교통량의 증가로 광화학 스모그, 온실효과, 산성비, 오존층 감소 등의 환경오염이 심각한 문제로 떠오르고 있다.
이러한 환경오염을 야기하는 오염물질 중에서, 특히 공기에 대한 오염물질인 휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)은 대기 중의 질소산화물과 공존하면 햇빛의 작용으로 광화학 반응을 일으켜 오존 및 퍼옥시아세틸 나이트레이트(PAN) 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발하는 물질로서, 이와 같은 휘발성 유기화합물에 인체가 노출되면 백혈병, 중추신경장애 및 생식기능의 장애 등의 치명적인 영향을 미치게 된다.
또한 이와 같은 휘발성 유기화합물은 대부분 비점이 낮기 때문에 대기 중에 노출되면 휘발되어 가스 상태로 존재하면서 악취를 발생할 뿐만 아니라, 밀폐된 공간에서는 화재 발생의 원인이 되기도 한다.
특히, 대표적인 휘발성 유기화합물 가스 중 하나인 아세트 알데하이드와 포름 알데하이드는 건축물의 시멘트, 각종 합판, 바닥재, 단열재, 장판 및 벽지로부터 실내에 퍼져 새집증후군을 유발하는 유해물질로 잘 알려져 있다.
이에 따라, 상술한 휘발성 유기화합물 가스를 처리하거나, 휘발성 유기화합물 가스로부터 인체를 보호하기 위해, 우선적으로 휘발성 유기화합물 가스를 검출하여 정량화할 수 있는 감지장치의 필요성이 높은 실정이다.
종래의 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는 금속산화물 반도체, 전도성 폴리머, 기타 유기 물질의 하이브리드화 재료 등으로 제작되어, 가스 분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용한다.
그러나 금속산화물 반도체나 전도성 폴리머를 이용하는 종래의 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는 200℃ 내지 600℃, 혹은 그 이상의 온도로 가열되어야 비로소 동작하는 문제점이 있고, 이에 따라 동작 소비전력이 높은 단점이 있다.
그리고 유기 물질의 하이브리드화 재료 등을 이용하는 종래의 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는 전기 전도도가 매우 낮고, 특히 대표적으로 사용되는 카본 블랙과 유기물의 복합체를 사용하는 경우에는 그 감도가 매우 낮은 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 종래의 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하므로, 전기적 간섭 현상에 따라 오차가 발생할 수 있고, 내구성도 낮아 수명이 짧을 뿐만 아니라, 가스 분자의 흡착 및 전기적 특성 변화 시간으로 인해 실시간 모니터링이 어려운 단점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 상온에서 동작할 수 있고, 종래의 전기 전도도 또는 전기 저항의 변화 측정 방식과 상이한 별도의 방식을 통해 전기적 간섭 현상에 따른 오차가 발생하지 않으며, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성을 가짐으로써 그 수명도 크게 연장할 수 있는 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는, 측정 대상 가스가 내부에 유입되며, 내부를 암실로 형성하는 가스챔버; 상기 가스챔버 내부에 위치되고, 일면에 소정의 균일 간격을 갖는 다수의 기공이 형성된 알루미늄 양극산화막이 구비되며, 상기 알루미늄 양극산화막의 표면에 형성된 반사층 및 상기 반사층의 상면에 형성되어 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되는 변색층을 포함하는 감지부; 소정의 파장 범위의 광을 방출하는 광원; 상기 광원에서 방출된 광을 상기 알루미늄 양극산화막에 조사하고, 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광을 수신하는 광경로부; 상기 감지부가 측정 대상 가스에 노출되기 전후에 상기 광경로부로 수신된 광을 스펙트럼 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고, 그 농도를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부의 측정값을 표시하는 표시부;를 포함한다.
상기 광경로부는, 상기 알루미늄 양극산화막에 광을 조사하는 하나 이상의 광조사 광섬유; 및 상기 알루미늄 양극산화막에서 반사된 빛을 수신하는 하나 이상의 광수신 광섬유;를 포함할 수 있다.
상기 광조사 광섬유는, 다수개로 구비되어, 그 끝단을 평면에서 바라볼 때 상기 광수신 광섬유를 감싸는 형태로 구비될 수 있다.
상기 반사층은, 니켈 및 금을 상기 알루미늄 양극산화막의 표면에 증착하여 형성될 수 있다.
상기 측정부는, 상기 광경로부로 수신된 광을 분해하는 분광기; 상기 분광기에 의해 분해된 스펙트럼 신호가 저장되는 저장모듈; 및 상기 감지부가 측정 대상 가스에 노출되기 전후의 스펙트럼 신호를 비교 분석하는 분석모듈;을 포함할 수 있다.
상기 변색층은, Reichardt's dye 등과 같은 용매변색성 색소(Solvatochromic dye)를 상기 반사층의 상면에 코팅하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법은, 상기 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 구비된 상기 감지부에 광을 조사하여, 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광의 스펙트럼 신호가 기준 신호로 저장되는 단계; 상기 가스챔버 내부에 측정 대상 가스를 유입하는 단계; 상기 감지부에 광을 조사하여 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광의 스펙트럼 신호가 비교 신호로 저장되는 단계; 및 상기 측정부가 상기 기준 신호 및 상기 비교 신호를 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계;를 포함한다.
상기 휘발성 유기화합물 가스 감지방법은, 상기 측정부가 휘발성 유기화합물 가스의 존재를 감지한 경우, 상기 기준 신호에 대한 상기 비교 신호의 변화 정도를 확인하여 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 측정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 의하면, 다수의 기공을 갖는 알루미늄 양극산화막 표면의 반사층 상면에 구비된 변색층이 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되는 정도에 따른 반사율 변화를 비교 확인하는 광학적 방식을 이용하여 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고 그 농도를 측정하므로, 전기적 간섭 현상에 따른 오차가 발생하지 않는다.
그리고 상기 변색층은 상온에서도 휘발성 유기화합물 가스와 접촉됨에 따라 신속하게 변색되므로, 고온으로 가열되어야 동작하는 종래기술에 비해 사용이 간편하고 동작 소비전력도 낮을 뿐만 아니라, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있다.
또한, 알루미늄 양극산화막이 구비되는 감지부에 대해 상온에서 광을 조사하고 그 반사된 광을 분석하는 광학적 방식이므로, 반복된 사용에 따른 감지부의 손상이 거의 없어 내구성이 높고, 수명이 매우 긴 장점이 있다.
뿐만 아니라, 상기 변색층이 변색되기 전의 스펙트럼 신호를 기준으로 변색층의 변색에 따른 스펙트럼 신호의 변화 정도를 확인함으로써, 휘발성 유기화합물 가스의 단순 감지를 넘어서 그 농도의 정량적인 측정도 신속하고 정확하게 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서, 감지부의 상면을 확대하여 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서, 감지부가 소정의 농도를 갖는 여러 종류의 휘발성 유기화합물 가스에 노출되기 전후의 반사광의 스펙트럼 분석 결과를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서, 감지부의 상면을 확대하여 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서, 감지부가 소정의 농도를 갖는 여러 종류의 휘발성 유기화합물 가스에 노출되기 전후의 반사광의 스펙트럼 분석 결과를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 도시한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 그 범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법은, 광학적 방식을 이용하여 측정 대상 가스 중에 휘발성 유기화합물 가스의 존재 여부를 확인하고, 휘발성 유기화합물 가스가 감지된 경우 그 농도를 정량적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치의 구성 및 작용효과를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는, 가스챔버(100), 감지부(200), 광원(300), 광경로부(400), 측정부(500) 및 표시부(600)를 포함하여 이루어진다.
상기 가스챔버(100)는 후술되는 감지부(200)를 통한 휘발성 유기화합물 가스 감지 및 그 농도 측정을 위해 측정 대상 가스가 안정된 상태로 수용될 수 있는 공간을 제공하며, 광경로부(400)를 통해 감지부(200)에 조사된 광의 반사광만이 광경로부(400)로 다시 수신될 수 있도록 외부광을 차단하여 감지부(200)가 위치되는 내부를 암실로 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 가스챔버(100)에는 측정 대상 가스가 각각 유입 및 유출되는 가스유입구(110) 및 가스유출구(120)가 구비된다. 상기 가스유입구(110)에는 가스챔버(100)의 내부로 유입되는 측정 대상 가스의 유량을 조절할 수 있는 유량조절기(111, MFC; Mass Flow Controller)가 연결된다. 그러나 이 유량조절기(111)는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서 필수적인 구성요소는 아님을 밝혀둔다.
그리고 상기 가스유출구(120)에는 진공압을 형성하는 펌프(121)가 구비되는데, 이 펌프(121)는 가스챔버(100) 내부의 압력을 낮춤으로써 측정 대상 가스가 가스유입구(110)로 유입될 수 있는 동력을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 측정 대상 가스를 가스챔버(100) 내부로 유입시키는 방식으로 가스유출구(120)에 펌프(121)를 설치하였으나, 측정 대상 가스를 가스챔버(100) 내부로 유입시키는 방식이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1에는 측정 대상 가스가 별도의 용기에 수용된 상태로 가스유입구(110)를 통해 가스챔버(100)로 유입되게 도시되었으나, 가스챔버(100)가 측정 대상 가스가 존재하는 소정의 밀실 등의 내부에 위치되어 밀실 내부의 측정 대상 가스가 가스챔버(100)로 유입되게 가스유입구(110)가 개방된 형태로 구비될 수 있음은 물론이다.
상기 감지부(200)는 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 그 반사율이 변화됨으로써, 측정부(500)가 그 반사된 광의 분석을 통해 휘발성 유기화합물 가스의 유무와 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 측정할 수 있도록 하는 구성요소이다.
이를 위해, 상기 감지부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 알루미늄 기판으로 이루어지며, 양극산화법을 통해 알루미늄 기판의 일면에 형성된 알루미늄 양극산화막(210), 이 알루미늄 양극산화막(210)의 표면에 형성된 반사층(220), 및 반사층(220)의 상면에 형성되며 휘발성 유기화합물 가스와 반응하여 가역적으로 변색되는 변색층(230)을 포함하여 이루어진다.
상기 알루미늄 양극산화막(210)은 소정의 균일 간격을 갖는 나노사이즈의 다수의 기공(211)을 갖는데, 이러한 나노사이즈의 다수의 기공(211)을 갖는 알루미늄 양극산화막(210)을 제조하는 방식은 다음과 같다.
먼저, 전해질 용액 속의 알루미늄에는 양극을 인가하고 탄소 전극 또는 백금 전극 등에 음극을 인가하면 양이온을 띠고 있는 알루미늄 이온이 전해질 용액 속으로 용출되고, 용액 내에 있는 산소 이온 및 수산화 이온이 알루미늄으로 이동하게 되어 알루미늄 이온과 결합하여 산화막인 산화알루미늄(Al2O3)층이 형성되며, 사용되는 전해질 용액이 산성을 띠고 있으면 산화막에서 부분적 용해가 일어나 부분적으로 식각되면서 산화막 표면이 거칠어진다.
이때 전계의 방향은 부분적으로 식각된 산화막 방향으로 집중되고 산화막은 전계 방향과 같은 방향으로 성장하게 되어 균일한 기공(211)을 갖는 알루미늄 양극산화막(210)이 형성된다. 이와 같은 다공 구조는 이러한 방법을 이어서 반복하는 2차 양극산화를 통해 더 높은 균일도로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 양극산화법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, '당업자'라 한다)에게 자명한 방법이므로 더 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서, 감지부(200)의 알루미늄 양극산화막(210)은 기공의 너비가 약 50㎚, 그 깊이가 약 3㎛가 되도록 형성되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반사층(220)은 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR; Localized Surface Plasmon Resonance) 현상을 이용하게 위해 후술되는 광경로부(400)의 광조사 광섬유(410)에서 조사된 광을 효과적으로 반사할 수 있도록 알루미늄 양극산화막(210)의 표면에 금과 니켈로 20㎚ 정도의 두께로 형성된다. 그러나 반사층(220)을 이루는 금속의 종류 및 그 형성 두께가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 변색층(230)은 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 가역적으로 변색되는 용매변색성 색소를 반사층(220)의 상면에 스핀 코팅하여 형성된다.
즉, 상기 반사층(220)에 입사 및 출사되는 광은 변색층(230)을 통과하게 되는데, 이 변색층(230)이 휘발성 유기화합물 가스와 반응함에 따라 변색되면서, 반사층(220)에서 반사되는 광을 변화시키게 된다.
상기 변색층(230)의 변색되는 정도는 휘발성 유기화합물 가스의 농도와 비례하므로, 반사층(220)에서 반사되는 광의 변화 정도를 확인하게 되면, 휘발성 유기화합물 가스의 농도도 확인할 수 있다.
상기 변색층(230)의 형성에 사용되는 용매변색성 색소는 대표적으로 Reichardt's dye가 있으나, 이에 한정되지 않고 휘발성 유기화합물 가스와 반응함에 따라 가역적으로 변색되는 물질들은 다양하게 적용될 수 있다.
상기 광원(300)은 200㎚ ~ 1100㎚ 범위의 파장을 갖는 광을 포함한 백색광을 방출하는 구성요소로서, 상기 감지부(200)의 반사층(220)에 조사되는 광을 제공한다. 여기서, 상기 광원(300)이 방출하는 광의 파장 범위는 변색층(230)의 형성에 사용된 용매변색성 색소의 종류 등에 따라 이와 상이할 수 있음은 물론이다.
상기 광경로부(400)는 광원(300)에서 방출된 광을 감지부(200)의 알루미늄 양극산화막(210)에 조사하고, 알루미늄 양극산화막(210) 표면의 반사층(220)으로부터 반사된 광을 수신하여 측정부(500)에 전달하는 역할을 한다.
이를 위해, 상기 광경로부(400)는 도 2에 도시된 바와 같이, 반사된 광을 수신하는 하나의 광수신 광섬유(420), 및 끝단을 평명에서 바라볼 때 광수신 광섬유(420)를 감싸도록 구비되어 광을 조사하는 다수개의 광조사 광섬유(410)를 포함하여 이루어진다.
즉, 광을 조사하는 구성과 반사된 광을 수신하는 구성이 일체의 번들 형태로 구성되는데, 이처럼 광을 조사하는 곳과 수신하는 곳이 인접되게 일체로 형성된 경우, 광조사 방향 등의 변수에 따라 수신되는 광이 변형되는 등의 오차 발생 요인을 차단할 수 있어 효과적이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 광수신 광섬유(420)는 한 개, 광조사 광섬유(410)는 여섯 개가 구비되었으나, 그 구비 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 측정부(500)는 감지부(200)가 가스챔버(100) 내부에서 측정 대상 가스에 노출되기 전후에 광경로부(400)의 광수신 광섬유(420)로부터 수신된 광을 서로 스펙트럼 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고, 감지된 경우에는 나아가 그 농도를 측정한다.
이하, 상기 측정부(500)의 구성과 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 방법 및 그 농도를 측정하는 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
전술된 역할을 수행하기 위해 상기 측정부(500)는 분광기(510), 저장모듈(미도시) 및 분석모듈(미도시)을 포함하여 이루어진다. 상기 분광기(510)는 광경로부(400)의 광수신 광섬유(420)로부터 수신된 광을 스펙트럼 신호로 분해한다.
상기 저장모듈은 이렇게 분해된 스펙트럼 신호를 저장하고, 상기 분석모듈은 감지부(200)가 측정 대상 가스에 노출되기 전후의 이 스펙트럼 신호를 비교 분석하여 스펙트럼 신호가 상이할 경우, 휘발성 유기화합물 가스가 감지된 것으로 판단하고, 그 상이한 정도의 차이에 비례하여 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 측정한다.
도 3은 감지부(200)가 소정의 농도를 갖는 여러 종류의 휘발성 유기화합물 가스에 노출되기 전후의 반사광의 스펙트럼 신호를 보여주는 그래프이다. 도 3에서 검은색 선으로 표시된 공기(Air)의 경우가 휘발성 유기화합물 가스에 노출되기 전의 스펙트럼 신호로서 기준 신호가 된다.
상기 감지부(200)가 다양한 휘발성 유기화합물 가스에 노출되면, 변색층(230)이 휘발성 유기화합물 가스와 반응함에 따라 변색되면서, 반사층(220)에서 반사되는 광을 변화시키게 되고, 이에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 그 스펙트럼 신호가 변경된다.
상기 측정부(500)는 감지부(200)가 측정 대상 가스에 노출된 후의 반사광의 스펙트럼 신호를 비교 신호로 하여 기준 신호에 대해 비교 신호가 변경되는 것을 확인함으로써, 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 것이다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 대한 개략도에서는 상기 저장모듈은 컴퓨터(520)에 구비된 저장부, 상기 분석모듈은 컴퓨터(520)에 구비된 중앙처리부에 대응되는 것으로 편의상 도시하였음을 밝혀둔다.
상기 표시부(600)는 측정부(500)의 휘발성 유기화합물 가스 감지에 대한 판단값 및 휘발성 유기화합물 가스의 농도 측정값을 사용자에게 표시하는 역할을 한다. 상기 표시부(600)는 LCD와 같은 일반적인 디스플레이 장치들이 다양하게 적용될 수 있는데, 도 1에 있어서는, 컴퓨터(520)에 구비된 디스플레이 장치가 표시부(600)로서 도시되어 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 상술한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치를 이용한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 가스챔버(100) 내부에 측정 대상 가스가 유입되지 않은 상태로, 감지부(200)의 알루미늄 양극산화막(210)의 표면에 광을 조사한다(s100). 이때, 조사되는 광은 광원(300)에서 생성되어 광경로부(400)의 광조사 광섬유(410)를 따라 알루미늄 양극산화막(210)의 표면에 조사된다.
다음, 알루미늄 양극산화막(210)의 반사층(220)에서 반사된 광이 광경로부(400)의 광수신 광섬유(420)를 따라 측정부(500)로 전달되어 그 반사된 광의 스펙트럼 신호가 기준 신호로서 저장모듈에 저장된다(s150).
그 다음, 가스유출구(120)에 연결된 펌프(121)를 가동하여 가스유입구(110)를 통해 측정 대상 가스가 가스챔버(100) 내부에 유입되게 한다(s200).
여기서, 이 측정 대상 가스에 휘발성 유기화합물 가스가 포함된 경우, 그 휘발성 유기화합물 가스와 감지부(200)의 변색층(230)이 반응하여 변색된다. 이때 변색층(230)이 변색되는 정도는 측정 대상 가스에 포함된 휘발성 유기화합물 가스의 농도에 비례하게 된다.
이후, 앞서 설명한 바와 같이, 감지부(200)의 알루미늄 양극산화막(210)의 표면에 광을 조사하고(s250), 알루미늄 양극산화막(210)의 반사층(220)에서 반사된 광은 광경로부(400)의 광수신 광섬유(420)를 따라 측정부(500)로 전달되어 그 반사된 광의 스펙트럼 신호가 비교 신호로서 저장모듈에 저장된다(s300).
그 후, 측정부(500)의 분석모듈이 기준 신호와 비교 신호를 비교 분석하여, 기준 신호와 비교 신호가 동일하면, 변색층(230)이 전혀 변색되지 않은 것이므로, 측정 대상 가스에서는 휘발성 유기화합물 가스가 감지되지 않았다는 불감지로 판단하며, 이와 반대로 기준 신호와 비교 신호가 상이하면, 변색층(230)의 변색으로 인해 비교 신호가 달라진 것이므로 휘발성 유기화합물 가스가 감지되었다는 감지로 판단한다(s350).
만약, 불감지로 판단된 경우라면 측정부(500)에 의해 불감지의 결과가 표시부(600)를 통해 사용자에게 전달된다(s400). 그러나 감지로 판단된 경우라면, 측정부(500)는 계속해서 기준 신호에 대한 비교 신호의 변화 정도를 확인한다(s450).
그리고 확인된 변화 정도에 따라 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 산출한다(s500). 이때, 산출하는 방식은 실험적인 방식으로 다수의 농도 상태에 따라 변화된 다수의 비교 신호 지표와 비교하여, 휘발성 유기화합물 가스의 농도가 기준 신호에 대한 비교 신호의 변화 정도와 선형 비례한다는 가정 하에 산출하는 형태로 구현될 수 있다.
그러나 그 산출 방식이 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 실험적인 방식의 데이터를 기초로 별도로 고안된 관계식을 통해 산출되는 방식을 취할 수도 있다.
이러한 과정을 통해 측정부(500)는 산출한 농도의 결과값을 휘발성 유기화합물 가스가 감지되었다는 내용의 정보와 함께 표시부(600)에 표시하여 사용자에게 전달하게 된다(s550).
이상의 설명에 있어서는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법은, 일회적으로 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고 그 농도를 측정하는 방법을 기준으로 설명하였으나, 도 4에 도시된 종료 전의 되돌아감 화살표를 따라 기준 신호와 새로운 비교 신호를 실시간으로 연속 비교 분석하여, 휘발성 유기화합물 가스를 감지하도록 구현될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 의하면, 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되도록 반사층(220)의 상면에 구비된 변색층(230)을 포함한 감지부(200)가 구비되어 반사층(220)의 반사된 광의 스펙트럼 분석을 통한 광학적인 방법을 이용하므로, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고 그 농도를 측정할 수 있고, 전기적 간섭 현상에 따른 오차가 발생하지 않으며, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성으로 인해 그 수명도 매우 긴 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부되어 있는 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
＊ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 가스챔버 110 : 가스유입구
111 : 유량조절기 120 : 가스유출구
121 : 펌프 200 : 감지부
210 : 알루미늄 양극산화막 211 : 기공
220 : 반사층 230 : 변색층
300 : 광원 400 : 광경로부
410 : 광조사 광섬유 420 : 광수신 광섬유
500 : 측정부 510 : 분광기
520 : 컴퓨터 600 : 표시부
100 : 가스챔버 110 : 가스유입구
111 : 유량조절기 120 : 가스유출구
121 : 펌프 200 : 감지부
210 : 알루미늄 양극산화막 211 : 기공
220 : 반사층 230 : 변색층
300 : 광원 400 : 광경로부
410 : 광조사 광섬유 420 : 광수신 광섬유
500 : 측정부 510 : 분광기
520 : 컴퓨터 600 : 표시부
Claims (8)
- 측정 대상 가스가 내부에 유입되며, 내부를 암실로 형성하는 가스챔버;
상기 가스챔버 내부에 위치되고, 일면에 소정의 균일 간격을 갖는 다수의 기공이 형성된 알루미늄 양극산화막이 구비되며, 상기 알루미늄 양극산화막의 표면에 형성된 반사층 및 상기 반사층의 상면에 형성되어 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 변색되는 변색층을 포함하는 감지부;
소정의 파장 범위의 광을 방출하는 광원;
상기 광원에서 방출된 광을 상기 알루미늄 양극산화막에 조사하고, 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광을 수신하는 광경로부;
상기 감지부가 측정 대상 가스에 노출되기 전후에 상기 광경로부로 수신된 광을 스펙트럼 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고, 그 농도를 측정하는 측정부; 및
상기 측정부의 측정값을 표시하는 표시부;를 포함하고,
상기 감지부에 광을 조사하여, 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광의 스펙트럼 신호가 기준 신호로 저장되는 단계;
상기 가스챔버 내부에 측정 대상 가스를 유입하는 단계;
상기 감지부에 광을 조사하여 상기 알루미늄 양극산화막으로부터 반사된 광의 스펙트럼 신호가 비교 신호로 저장되는 단계; 및
상기 측정부가 상기 기준 신호 및 상기 비교 신호를 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계; 를 포함하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법. - 제1항에 있어서,
상기 광경로부는,
상기 알루미늄 양극산화막에 광을 조사하는 하나 이상의 광조사 광섬유; 및
상기 알루미늄 양극산화막에서 반사된 빛을 수신하는 하나 이상의 광수신 광섬유;
를 포함하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법. - 제2항에 있어서,
상기 광조사 광섬유는,
다수개로 구비되어, 그 끝단을 평면에서 바라볼 때 상기 광수신 광섬유를 감싸는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법. - 제1항에 있어서,
상기 반사층은,
니켈 및 금을 상기 알루미늄 양극산화막의 표면에 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 광경로부로 수신된 광을 분해하는 분광기;
상기 분광기에 의해 분해된 스펙트럼 신호가 저장되는 저장모듈; 및
상기 감지부가 측정 대상 가스에 노출되기 전후의 스펙트럼 신호를 비교 분석하는 분석모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법. - 제1항에 있어서,
상기 변색층은,
용매변색성 색소(Solvatochromic dye)를 상기 반사층의 상면에 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 측정부가 휘발성 유기화합물 가스의 존재를 감지한 경우, 상기 기준 신호에 대한 상기 비교 신호의 변화 정도를 확인하여 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 측정하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법.
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