KR101203181B1 - Flexible gas sensor array, method of process - Google Patents
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본 발명은 플렉서블 가스 검출 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의복이나 신체에 착용 가능하고 플렉서블한 가스 센서 및 가스 센서 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 가스 센서 모듈은 플렉서블 기판, 상기 기판상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 형성된 IDT 전극, 상기 IDT 전극상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 형성되며, 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브에 코딩된 코딩부재로 구성된 감지부재로 구성된 적어도 하나의 가스 센서, 상기 각 가스 센서별로 감지되는 가스 농도의 임계치를 저장하는 저장부, 상기 가스 센서로부터 전달받은 가스 농도와 상기 저장부에 저장된 가스 농도의 임계치를 비교하는 제어부를 포함한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flexible gas detection sensor and a manufacturing method, and more particularly, to a flexible gas sensor and a gas sensor manufacturing method which can be worn on a garment or a body.
To this end, the gas sensor module of the present invention is a flexible substrate, an IDT electrode formed by an inkjet printing method or a roll to roll printing method on the substrate, an inkjet printing method or a roll to roll on the IDT electrode. Roll) is formed by a printing method, at least one gas sensor consisting of a sensing member consisting of a carbon nanotube and a coding member coded on the carbon nanotube, a storage unit for storing the threshold value of the gas concentration detected for each gas sensor, And a control unit for comparing the gas concentration received from the gas sensor with a threshold value of the gas concentration stored in the storage unit.
Description
본 발명은 플렉서블 가스 검출 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의복이나 신체에 착용 가능하고 플렉서블(Flexible)한 가스 센서 어레이 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flexible gas detection sensor and a manufacturing method, and more particularly, to a gas sensor array which can be worn on a garment or a body and is flexible.
우리의 생활환경에는 대단히 많은 종류의 위험한 가스가 존재하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등이 잇따르고 있다. 인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스의 누설감지, 농도의 측정 기록, 경보 등에 사용되고 있다.There are so many kinds of dangerous gases in our living environment. Recently, there are gas accidents at homes, businesses, and construction sites, explosion accidents and pollution pollution in petroleum combinates, coal mines and chemical plants. Human sensory organs can hardly quantify the concentration of dangerous gases or determine the type. In order to cope with this, gas sensors using physical and chemical properties of materials have been developed and used for gas leakage detection, concentration measurement records, and alarms.
일반적으로 가스 검출센서는 가스분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정한다. 종래 사용되어온 금속 산화물 반도체나 고체 전해질(전기 화학식)을 사용하는 가스 검출 센서의 경우 200도 내지 260도 혹은 그 이상의 온도로 가열하여 센서의 동작이 이루어지고, 유기물질을 사용하는 가스 검출센서는 전기 전도도가 매우 낮아 감도가 떨어진다는 문제점이 있다.In general, the gas detection sensor measures the amount of harmful gas by using the characteristic that the electrical conductivity or electrical resistance changes according to the adsorption of gas molecules. In the case of a gas detection sensor using a metal oxide semiconductor or a solid electrolyte (electrochemical formula), which has been conventionally used, the sensor is operated by heating to a temperature of 200 to 260 degrees or more, and the gas detection sensor using an organic material is electrically The conductivity is very low, there is a problem that the sensitivity is lowered.
부연하여 설명하면, 반도체식 가스 검출센서는 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것이 많으며 대부분 대기 중에서 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속산화물(세라믹스)이 주로 사용된다. 금속 산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 이중 금속원자가 과잉(산소 결핍)인 경우에는 n형 반도체, 금속원자가 결핍인 경우에는 p형 반도체가 된다.이러한 세라믹반도체 중 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 반도체가 센서에 이용되고 있다. 반도체 가스 검출센서는 1) 대부분 유독가스, 가연성가스에 어떤 응답을 나타내어 감지할 수 있는 가스의 종류가 많고, 2) 센서제작이 용이하고 검출회로의 구성이 간단하다는 특징이 있다. 그러나 감지하려는 가스만을 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스 검출센서는 적고 아직도 연구개발 중에 있다.In other words, the semiconductor gas detection sensor uses a change in electrical conductivity that occurs when a gas comes into contact with the ceramic semiconductor surface, and is mostly used by heating in the air, and thus a metal oxide (ceramic) which is stable at high temperature is mainly used. do. Metal oxides often exhibit semiconducting properties, and double metal atoms become n-type semiconductors when oxygen is deficient, and p-type semiconductors when metal atoms are deficient. These ceramic semiconductors have high electrical conductivity and high melting point. Semiconductors having thermally stable properties in the temperature range are used for sensors. Semiconductor gas detection sensor is characterized by 1) many kinds of gas which can be detected by showing some response to toxic gas and flammable gas, and 2) easy to manufacture sensor and simple configuration of detection circuit. However, there are few gas detection sensors that can detect only the gas to be detected and are still being researched and developed.
전기 화학식 가스 검출센서는 전기 화학의 산화 및 환원 반응을 이용한 것으로, 전도체 계면과 측정 기체반응이 전기전하를 교환하면서 전기적 신호를 검출하게 된다. 이러한 가스 검출센서에서 전기 화학적으로 환원성 기체인 산소, 산화질소와 염소기체들은 음극에서 검출되며, 산화성 기체들인 일산화질소, 황화수소 등은 양극에서 검출된다. 전기 화학식 가스 센서는 두 전극 사이의 이온 전해질 막에서 양이온과 음이온의 흐름에 의한 기전력 발생 또는 전류를 측정하게 된다.The electrochemical gas detection sensor utilizes oxidation and reduction reactions of electrochemistry, and the conductor interface and the measurement gas reaction exchange electrical charges to detect electrical signals. In such a gas detection sensor, oxygen, nitrogen oxides and chlorine gases, which are electrochemically reducing gases, are detected at the cathode, and oxidizing gases such as nitrogen monoxide and hydrogen sulfide are detected at the anode. The electrochemical gas sensor measures the electromotive force generation or current caused by the flow of cations and anions in the ion electrolyte membrane between the two electrodes.
전기 화학식 센서는 크게 두 전극 사이에 기전력을 측정하거나 전류를 직접 측정하는 방식으로 분류된다. 전기 화학식 가스센서는 액체나 고분자 계열의 이온 전해질 막들을 사용할 경우 상온에서 가스 검출이 가능하며 주로 의료부분에서 활용되고 있으며, 고체 전해질을 사용할 경우에는 고온에서 작동하므로 자동차용 배기가스 및 연소 가스 모니터링에 주로 이용된다.Electrochemical sensors are largely classified as measuring electromotive force or directly measuring current between two electrodes. The electrochemical gas sensor can detect gas at room temperature when using liquid or polymer type ion electrolyte membranes, and is mainly used in the medical part. Mainly used.
유해가스센서에서 요구되는 특성은 첫째로 공기 중의 전기 저항과 가스가 유입되었을 경우 전기 저항의 비율 즉 가스 감도가 커야하며, 둘째로 습도 의존성이 없어야 한다. 마지막으로 다른 공존 가스에 대한 선택성이 좋아야 한다. The characteristics required for the noxious gas sensor are firstly the electrical resistance in the air and the ratio of the electrical resistance when gas is introduced, that is, the gas sensitivity must be large, and secondly, there must be no humidity dependence. Finally, selectivity to other coexisting gases should be good.
종래의 가스측정센서는 상온에서 동작, 유해 가스의 저 농도 측정이 어렵고 늦은 회복과 재현이 되지 않는다는 문제점이 있었다. 고온 작동 유해가스측정센서는 내부저항의 급격한 변화로 인한 초기 오작동을 막기 위해 센서의 히터를 비 주기적으로 가열해야 한다는 문제점을 안고 있었다.Conventional gas sensor has a problem that it is difficult to measure the low concentration of the harmful gas, operating at room temperature, and the late recovery and reproduction. The high temperature operating harmful gas measurement sensor had a problem that the heater of the sensor had to be heated aperiodically to prevent an initial malfunction due to a sudden change in the internal resistance.
또한, 종래기술은 가스 검출 센서에 히터를 작동시켜 약 300℃정도로 가열된 상태를 유지하면서 가스를 감지하는 방식도 도입되었으나 소비전력이 크고 가열수단에 의한 감지재료의 특성변화로 1년 미만의 짧은주기로 정상동작 여부를 점검해야 한다.In addition, the prior art has also introduced a method of sensing the gas while maintaining a heated state to about 300 ℃ by operating the heater to the gas detection sensor, but the power consumption is large and short of less than a year due to the characteristic change of the sensing material by the heating means Periodic checks should be made for normal operation.
본 발명이 해결하려는 과제는 의복이나 신체에 착용 가능하고 플렉서블한 가스 검출 센서 및 가스 검출 센서 제조 방법을 제안함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to propose a gas detection sensor and a gas detection sensor manufacturing method which are wearable and flexible on a garment or a body.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 가스를 실시간으로 모니터링하고 측정하는 센서에 관한 것으로서 상온에서 측정하고 저 농도의 가스에 대해서도 높은 감지 특성을 갖는 가스 검출 센서를 제안함에 있다.Another problem to be solved by the present invention relates to a sensor for monitoring and measuring gas in real time, and to propose a gas detection sensor that measures at room temperature and has a high sensing characteristic even for a low concentration of gas.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상온에서 장시간 사용함으로 발생하는 감지 오류를 줄여 감기 성능을 장시간 유지하는 가스 검출 센서를 제안함에 있다.Another problem to be solved by the present invention is to propose a gas detection sensor to reduce the detection error caused by long time use at room temperature to maintain the winding performance for a long time.
이를 위해 본 발명의 가스 센서는 플렉서블 기판, 상기 기판상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 형성된 IDT 전극, 상기 IDT 전극상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 형성되며, 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브에 코딩된 코딩부재로 구성된 감지부재를 포함한다.To this end, the gas sensor of the present invention is a flexible substrate, an IDT electrode formed by an inkjet printing method or a roll to roll printing method on the substrate, an inkjet printing method or a roll to roll on the IDT electrode. It is formed by a printing method, and comprises a sensing member consisting of a carbon nanotube and a coding member coded on the carbon nanotube.
이를 위해 본 발명의 가스 센서 모듈은 플렉서블 기판, 상기 기판상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 형성된 IDT 전극, 상기 IDT 전극상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 형성되며, 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브에 코딩된 코딩부재로 구성된 감지부재로 구성된 적어도 하나의 가스 센서, 상기 각 가스 센서별로 감지되는 가스 농도의 임계치를 저장하는 저장부, 상기 가스 센서로부터 전달받은 가스 농도와 상기 저장부에 저장된 가스 농도의 임계치를 비교하는 제어부를 포함한다.To this end, the gas sensor module of the present invention is a flexible substrate, an IDT electrode formed by an inkjet printing method or a roll to roll printing method on the substrate, an inkjet printing method or a roll to roll on the IDT electrode. Roll) is formed by a printing method, at least one gas sensor consisting of a sensing member consisting of a carbon nanotube and a coding member coded on the carbon nanotube, a storage unit for storing the threshold value of the gas concentration detected for each gas sensor, And a control unit for comparing the gas concentration received from the gas sensor with a threshold value of the gas concentration stored in the storage unit.
이를 위해 본 발명의 가스 센서 제조 방법은 플렉서블 기판을 형성하는 단계, 상기 기판상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 IDT 전극을 형성하는 단계, 상기 IDT 전극상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 방식으로 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브에 코딩된 코딩부재로 구성된 감지부재를 형성하는 단계, 상기 감지부재의 상단에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.To this end, the gas sensor manufacturing method of the present invention comprises the steps of forming a flexible substrate, forming an IDT electrode by an inkjet printing method or a roll to roll printing method on the substrate, inkjet printing on the IDT electrode Forming a sensing member including a carbon nanotube and a coding member coded on the carbon nanotube by a roll-to-roll printing method or forming a protective film on an upper end of the sensing member.
본 발명에 따른 가스 검출 센서는 가스 선택성이 우수한 금속 및 표면적이 넓고, 전자 방출과 화학적 반응성이 우수한 탄소나노튜브를 감지물질로 이용하여 저 농도의 가스 농도에서도 높은 감지와 빠른 응답 속도 및 회복 속도를 갖는다. 본 발명에 따른 가스 검출 센서는 플렉서블 기판을 사용하므로 의복이나 신체에 착용 가능하며, 잉크젯 인쇄 또는 롤 투 롤(Roll to Roll) 인쇄 기술을 사용하므로 기존 포토리소 공정에 사용되는 마스크 비용을 줄일 수 있다.The gas detection sensor according to the present invention uses carbon nanotubes having a high gas selectivity and a large surface area, and has excellent electron emission and chemical reactivity as a sensing material for high detection, fast response speed, and recovery speed even at low gas concentrations. Have Since the gas detection sensor according to the present invention uses a flexible substrate, the gas detection sensor may be worn on a garment or a body, and the ink cost printing or roll-to-roll printing technology may be used to reduce the cost of masks used in a conventional photolithography process. .
본 발명의 가스 측정 센서는 상온에서 동작이 가능하므로 동일 기판상에 RFID를 포함한 통신 방식을 갖는 부품을 함께 형성하여 마이크로 가스 센서 어레이로부터 측정된 신호를 무선 네트워크로 전송할 수 있다. 본 발명의 가스 측정 센서는 대기 중 오염 가스 감지 또는 농산물 유통이나 음식물의 부패를 감시하는 용도로 사용될 수 있으며, 생화학전에서 생화학 가스를 감지하는 용도로 사용될 수 있다는 장점이 있다.Since the gas measuring sensor of the present invention can operate at room temperature, it is possible to form a component having a communication method including RFID on the same substrate and transmit the signal measured from the micro gas sensor array to the wireless network. Gas measurement sensor of the present invention can be used for the detection of polluting gas in the air or monitoring the distribution of agricultural products or food corruption, there is an advantage that can be used for the detection of biochemical gas in biochemical warfare.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 센서 어레이를 도시한 블록도이며,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 센서 모듈을 구성을 도시한 블록도이며,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 센서 어레이의 제조 공정을 도시한 흐름도이다.1 is a view showing a gas sensor using carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention,
2 is a block diagram illustrating a gas sensor array according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing the configuration of a gas sensor module according to an embodiment of the present invention,
4 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a gas sensor array according to an exemplary embodiment of the present invention.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.The foregoing and further aspects of the present invention will become more apparent through the preferred embodiments described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter will be described in detail to enable those skilled in the art to easily understand and reproduce through this embodiment of the present invention.
본 발명은 탄소나노튜브에 선택성이 우수한 금속을 코팅함으로써 우수한 흡착 선택성과 재현성뿐만 아니라 소비전력이 낮은 상온에서 동작 가능한 가스 검출 센서를 제안한다. 또한, 본 발명은 플렉서블한 고분자 또는 종이 재질 기판상에 가스 센서를 제작함으로써 의복이나 신체에 착용이 가능한다.The present invention proposes a gas detection sensor that can operate at room temperature with low power consumption as well as excellent adsorption selectivity and reproducibility by coating a metal with excellent selectivity to carbon nanotubes. In addition, the present invention can be worn on clothing or body by manufacturing a gas sensor on a flexible polymer or paper substrate.
탄소나노튜브는 부피에 비해 큰 표면적과 유해 가스에 대한 높은 민감도, 빠른 응답 속도, 그리고 실온에서 동작하기 때문에 가스센서의 감지 물질로서 매력적인 특징을 가지고 있다.Carbon nanotubes have attractive features as sensing materials for gas sensors because they have a large surface area relative to their volume, high sensitivity to harmful gases, fast response speeds, and operating at room temperature.
도 1은 탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서를 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 탄소 나노 튜브를 이용한 가스 검출 센서에 대해 상세하게 알아보기로 한다.1 illustrates a gas detection sensor using carbon nanotubes. Hereinafter, a gas detection sensor using carbon nanotubes will be described in detail with reference to FIG. 1.
탄소나노튜브는 전자방출과 화학적 반응성 등이 우수하고 부피에 비해 표면적이 매우 큰 물질이므로 높은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분의 검출과 수소 저장과 같은 분야에 매우 응용성이 높다.Carbon nanotubes are excellent in electron emission and chemical reactivity, and have a very large surface area compared to their volume. Therefore, carbon nanotubes have high surface reactivity, and are highly applicable to such fields as detecting trace chemicals and storing hydrogen.
탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서는 탄소나노튜브에 흡착되는 가스의 전자 성질에 따라 다르게 방출하는 전기적 신호와 저항을 측정함으로써 유해 가스를 감지하게 된다. 이러한 탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서는 상온에서 센서의 동작이 가능하고 유해 가스 반응 시 전기전도도가 커서 감도가 매우 우수하며 반응 및 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다.가스 검출 센서가 가스(CO, NOx, NH3, CH4, H2S, 벤젠, 톨루엔 등)에 노출되었을 때 가스 분자가 탄소나노튜브에 흡착하면 탄소나노튜브와 가스 분자 간에 전하 이동이 생기는데 이로 인해 생기는 탄소나노튜브의 전기적인 변화를 이용해 가스를 감지하는 원리를 이용한 것이다. 가스는 탄소나노튜브에 흡착했을 때 전자를 받아오는 산화성 가스와 전자를 주는 환원성 가스로 나눌 수 있다. 탄소나노튜브는 p-type 반도체의 특성을 나타내는데 산화성 가스가 탄소나노튜브에 흡착하면, 탄소나노튜브는 전자를 잃기 때문에 다수 캐리어인 홀이 증가하므로 전도도가 증가하는 특성을 보인다. 이와 반대로 환원성 가스가 탄소나노튜브에 흡착하면 탄소나노튜브는 전자를 얻기 때문에 홀이 감소하므로 전도도가 감소하게 된다.The gas detection sensor using carbon nanotubes detects harmful gases by measuring electrical signals and resistances that are differently emitted depending on the electronic properties of the gas adsorbed on the carbon nanotubes. The gas detection sensor using the carbon nanotubes has the advantage that the sensor can be operated at room temperature, the electrical conductivity is high when the harmful gas reaction, the sensitivity is very excellent, and the reaction and response speed is fast. When gas molecules are adsorbed on carbon nanotubes when exposed to NO x , NH 3 , CH 4 , H 2 S, benzene, toluene, etc., charge transfer occurs between the carbon nanotubes and the gas molecules. It uses the principle of detecting gas by using a change. Gas can be divided into oxidizing gas that receives electrons and reducing gas that gives electrons when adsorbed on carbon nanotubes. Carbon nanotubes show the characteristics of p-type semiconductors. When oxidizing gas is adsorbed on carbon nanotubes, carbon nanotubes lose electrons, so the conductivity of many carriers increases. On the contrary, when the reducing gas is adsorbed onto the carbon nanotubes, the carbon nanotubes acquire electrons, so the holes decrease, so that the conductivity decreases.
도 1에 의하면, 본 발명은 의복이나 신체에 착용 가능하고 플렉서블한 가스 센서를 제작하기 위해 플렉서블한 고분자 또는 종이 재질의 기판을 사용한다. 가스 센서는 기판 상에 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤투롤(Roll to Roll) 인쇄 방식을 이용하여 인터디지탈 트랜스듀서(IDT; Interdigital Transducer) 전극을 형성한다. 가스 센서는 IDT 전극상에 감지재료로서 탄소나노튜브, 감도와 선택성 향상을 위해 Pd(팔라듐), Pt(백금)와 같은 금속 나노 입자나 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 등과 같은 전도성 고분자를 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤투롤 인쇄 방식을 사용하여 형성한다.According to FIG. 1, the present invention uses a flexible polymer or paper substrate to fabricate a flexible gas sensor that is wearable on a garment or body. The gas sensor forms an interdigital transducer (IDT) electrode on the substrate by using an ink jet printing method or a roll to roll printing method. Gas sensors are carbon nanotubes as sensing materials on IDT electrodes, metal nanoparticles such as Pd (palladium) and Pt (platinum), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polythiophene for improved sensitivity and selectivity. ), A conductive polymer such as poly sulfur nitride or the like is formed using an inkjet printing method or a roll-to-roll printing method.
탄소나노튜브는 그라파이트 면(graphite sheet)이 나노미터 수준의 직경으로 둥글게 말린 형태이며, 그라파이트 면이 말리는 각도와 형태에 따라서 특성이 서로 다른 다양한 구조를 갖는다. 또한 그라파이트 면으로 이루어진 벽(Wall)의 개수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube:SWCNT) 또는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube:MWCNT)로 구분할 수 있다. Carbon nanotubes have a graphite sheet rounded to a nanometer diameter and have various structures with different characteristics depending on the angle and shape of the graphite sheet being curled. In addition, according to the number of walls of the graphite (Wall) can be divided into single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or multi-walled carbon nanotubes (MWCNT).
도 1에 의하면, 감지재료에 가스가 흡착되면, 감지재료의 특성에 전도도가 증가하거나, 전도도가 감소하는 등 전도도가 변화된다. 가스 센서는 변화된 전도도의 차이를 이용하여 흡착된 가스의 농도를 측정한다.According to FIG. 1, when gas is adsorbed on the sensing material, the conductivity is changed such as the conductivity is increased or the conductivity is decreased in the characteristic of the sensing material. The gas sensor measures the concentration of adsorbed gas using the difference in conductivity.
또한, 탄소나노튜브를 이용한 가스 센서는 상온에서 동작이 가능하며, 구동 시 낮은 소비 전력을 갖는다는 장점을 가지고 있다. In addition, the gas sensor using carbon nanotubes can be operated at room temperature, and has the advantage of having low power consumption when driven.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 복수의 가스 센서를 어레이 형태로 도시한 예를 나타내고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 어레이 형태로 도시된 가스 센서에 대해 알아보기로 한다.2 illustrates an example of a plurality of gas sensors according to an embodiment of the present disclosure in an array form. Hereinafter, a gas sensor shown in an array form according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2.
도 2에 의하면, 가스 센서 어레이는 다중벽 탄소나노튜브로 형성된 가스 센서, 단일벽 탄소나노튜브로 형성된 가스 센서, Pd가 코딩된 단일벽 탄소나노튜브, Pt가 코팅된 단일벽 탄소나노튜브를 어레이 형태로 구성하고 있다. 물론 가스 센서 어레이는 상술한 가스 센서 이외에 다른 가스 센서가 포함될 수 있다. 즉, 센싱하고자 하는 가스의 종류에 따라 다양한 형태의 가스 센서 어레이를 형성할 수 있다.According to FIG. 2, the gas sensor array includes a gas sensor formed of multi-walled carbon nanotubes, a gas sensor formed of single-walled carbon nanotubes, a single-walled carbon nanotube coated with Pd, and a single-walled carbon nanotube coated with Pt. It consists of the form. Of course, the gas sensor array may include other gas sensors in addition to the above-described gas sensor. That is, various types of gas sensor arrays may be formed according to the type of gas to be sensed.
가스 센서 어레이는 센싱하고자 하는 가스의 종류에 따라 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 상술한 다양한 금속 나노 입자를 코딩한 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브, 상술한 다양한 전도성 고분자를 코딩한 단일벽 또는 다중벽 탄소나노튜브로 형성된 가스 센서 중 적어도 하나의 가스 센서를 이용하여 형성할 수 있다.The gas sensor array may include single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, single-walled or multi-walled carbon nanotubes encoding various metal nanoparticles, and various conductive polymers described above, depending on the type of gas to be sensed. It may be formed using at least one gas sensor of the gas sensor formed of single-walled or multi-walled carbon nanotubes.
또한 가스 센서 어레이는 동일한 형태의 가스 센서를 적어도 두 개 이상 형성할 수 있다. 이와 같이 함으로써 동일한 형태의 가스 센서 중 하나의 가스 센서에서 고장이 발생한 경우에도 가스 센서 어레이는 정상적으로 동작할 수 있게 된다.In addition, the gas sensor array may form at least two gas sensors of the same type. In this way, even when a failure occurs in one gas sensor of the same type of gas sensor, the gas sensor array can operate normally.
본 발명은 복수의 가스 센서로 형성된 가스 센서 어레이는 센싱한 결과를 통신부를 이용하여 수신부로 전송할 수 있다.According to the present invention, a gas sensor array formed of a plurality of gas sensors may transmit a sensing result to a receiver using a communication unit.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 통신부를 포함하고 있는 가스 센서 모듈의 구조를 도시한 블록도이다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 센서 모듈의 구조에 대해 상세하게 알아보기로 한다.3 is a block diagram showing the structure of a gas sensor module including a communication unit according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure of the gas sensor module according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3.
도 3에 의하면, 가스 센서 모듈은 센서 어레이(300), 저장부(302), 통신부(304), 전원부(306), 제어부(308)를 포함한다. 물론 가스 센서 모듈은 상술한 구성 이외에 다른 구성이 더 포함될 수 있음은 자명하다. 즉, 가스 센서 모듈은 특정 가스가 설정된 농도보다 높은 경우 경고음을 출력하는 스피커, 현재 가스의 농도를 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.According to FIG. 3, the gas sensor module includes a
센서 어레이(300)는 도 2에 표시되어 있는 바와 같이 다양한 형태를 갖는 가스 센서들로 형성된다. The
저장부(302)는 센서 어레이(300)를 구성하고 있는 각 가스 센서별로 임계치를 저장하고 있다. 표 1은 저장부(302)에 저장되어 있는 각 가스 센서의 임계치의 일예를 나타내고 있다.The
물론 저장부(302)는 상술한 각 가스 센서별 임계치 이외에 가스 센서 모듈의 구동에 필요한 다양한 정보들을 저장할 수 있다.Of course, the
통신부(304)는 가스 센서 모듈을 구성하고 있는 센서 어레이에서 측정한 가스의 농도가 설정된 임계치를 초과하는 경우, 이에 대한 정보를 수신단으로 전송한다. 통신부(304)는 RFID 또는 적외선 통신, Wibro 등과 같은 근거리 무선 통신 또는 원거리 무선 통신을 이용하여 수신단으로 이에 대한 정보를 전송한다. 통신부(304)에서 전송하는 정보는 임계치를 초과한 가스 및 가스의 농도, 위험 수준 등과 같은 정보가 포함될 수 있다. 통신부(304)는 IDT 전극 어레이 제조 공정시 동일 제조 공정에서 형성할 수 있다.The
수신단은 가스 센서 모듈의 인접한 거리 또는 인접한 거리를 벗어난 위치에 형성될 수 있다. 수신단은 통신부(304)로부터 특정 가스에 대한 정보가 수신되면, 경고음을 출력하여 인근에 있는 사람들의 주의를 환기시키거나, 표시부에 현재 가스 농도에 대한 정보를 표시할 수 있다. 또한, 가스 센서 모듈은 필요한 경우 통신망을 이용하여 재난을 관리하는 공공기관으로 관련 정보를 전송할 수 있다.The receiving end may be formed at a position away from or adjacent to the gas sensor module. When the receiver receives information about a particular gas from the
전원부(306)는 가스 센서 모듈을 구동하기 위한 전원을 공급한다. 상술한 바와 같이 본 발명의 가스 센서 모듈은 상온에서 구동이 가능한 저 전력 형태의 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 전원부(306)는 크기를 감소시킬 수 있으며, 전원부를 구성하고 있는 전원공급장치의 교체없이 장시간 사용할 수 있다는 장점을 가지게 된다.The
제어부는(308) 가스 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어한다. 본 발명과 관련하여 제어부(08)는 센서 어레이를 구성하고 있는 각 가스 센서로부터 전달받은 가스 농도(전도도)와 저장부에 저장되어 있는 가스 농도(전도도)를 비교한다. 제어부(308)는 전달받은 가스 농도가 저장되어 있는 가스 농도보다 높은 경우, 통신부(304)를 이용하여 이에 대한 정보를 수신단으로 전송하도록 제어한다. 제어부(308)는 전원부(306)에 저장되어 있는 전력이 설정된 전력 미만인 경우 경고음을 출력하여 전원공급장치의 교체를 사용자에게 요청할 수 있다.The
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 플렉서블 기판 상에 가스 센서 어레이를 형성하는 제조 공정을 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 플렉서블 기판 상에 가스 센서 어레이를 형성하는 제조 공정에 대해 상세하게 알아보기로 한다.4 illustrates a manufacturing process of forming a gas sensor array on a flexible substrate according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a manufacturing process of forming a gas sensor array on a flexible substrate according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4.
S400단계에서 가스 센서 어레이 제조 공정은 플렉서블 고분자 또는 종이 재질 기판을 준비한다. 상술한 바와 같이 본 발명은 의복이나 신체에 착용 가능한 가스 센서를 위해 플렉서블한 기판을 사용한다.In step S400, the gas sensor array manufacturing process prepares a flexible polymer or paper substrate. As described above, the present invention uses a flexible substrate for a gas sensor that can be worn on a garment or body.
S402단계에서 가스 센서 어레이 제조 공정은 기판상에 IDT 전극 어레이를 형성한다. IDT 전극 어레이는 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤 인쇄 방식을 이용하여 형성한다. 이와 같이 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤 인쇄 방식을 사용함으로써 비용을 줄일 수 있게 된다.In operation S402, the gas sensor array manufacturing process forms an IDT electrode array on the substrate. The IDT electrode array is formed using an inkjet printing method or a roll-to-roll printing method. Thus, by using the inkjet printing method or the roll-to-roll printing method it is possible to reduce the cost.
S404단계에서 가스 센서 어레이 제조 공정은 IDT 전극 어레이를 형성한 기판상에 CNT를 포함하는 감지 재료를 형성한다. 감지 재료는 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤 투 롤 인쇄 방식을 이용하여 형성한다. 상술한 바와 같이 가스 센서는 IDT 전극상에 감지재료로서 탄소나노튜브, 감도와 선택성 향상을 위해 Pd(팔라듐), Pt(백금)와 같은 금속 나노 입자나 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 등과 같은 전도성 고분자를 잉크젯 인쇄 방식 또는 롤투롤 인쇄 방식을 사용하여 형성한다.In operation S404, the gas sensor array manufacturing process forms a sensing material including CNTs on the substrate on which the IDT electrode array is formed. The sensing material is formed using an inkjet printing method or a roll-to-roll printing method. As described above, the gas sensor is a carbon nanotube as a sensing material on the IDT electrode, and metal nanoparticles such as Pd (palladium) and Pt (platinum), polyaniline, polypyrrole, and poly for improved sensitivity and selectivity. Conductive polymers such as thiophene, poly sulfur nitride, and the like are formed using an inkjet printing method or a roll-to-roll printing method.
S406단계에서 가스 센서 어레이 제조 공정은 플렉서블한 기판상에 IDT 전극과 감지 재료를 형성함으로써 플렉서블한 가스 센서 어레이를 형성한다.The gas sensor array manufacturing process in step S406 forms the flexible gas sensor array by forming the IDT electrode and the sensing material on the flexible substrate.
S408단계에서 가스 센서 어레이 제조 공정은 외부의 수분 등 외부 환경으로부터 가스 센서 어레이를 보호하기 위해 감지재료와 이격되어 있는 상부의 패키지 커버에 다공성 실리콘 산화막(SiO2) 등을 이용하여 수분을 흡착하는 부분을 형성할 수 있다. 상술한 공정들을 통해 본 발명에서 제안하는 가스 센서 어레이(가스 센서)를 형성한다.In step S408, the gas sensor array manufacturing process uses a porous silicon oxide film (SiO2) to adsorb moisture on the upper package cover spaced from the sensing material to protect the gas sensor array from external environment such as external moisture. Can be formed. Through the above-described processes to form a gas sensor array (gas sensor) proposed in the present invention.
본 발명은 특정 공간을 구성하고 있는 가스에 대한 측정뿐만 아니라 구취를 측정할 수 있다. 즉, 가스 센서 어레이를 구성하고 있는 가스 센서로부터 측정된 가스 농도의 패턴을 분석하여 사용자의 질병을 측정을 확인할 수 있다. 일반적으로 특정 질병을 가지고 있는 사람의 구취의 성분은 정상적인 사람의 구취의 성분과 상이하다. 질병을 가지고 있는 사람은 가지고 있는 질병에 따라 독특한 성분을 갖는 구취를 가지고 있거나 특정 가스 농도가 지나치게 높거나 낮은 특성을 보이는 경우가 있다. 본 발명은 이러한 구취의 성분 패턴을 분석하여 그 사람이 가지고 있는 질병을 예측할 수 있다.The present invention can measure bad breath as well as the measurement of the gas constituting a specific space. That is, by analyzing the pattern of the gas concentration measured from the gas sensor constituting the gas sensor array, it is possible to confirm the user's disease measurement. In general, the composition of bad breath in a person with a particular disease is different from the composition of bad breath in a normal person. A person with a disease may have bad breath with unique components or may have excessively high or low specific gas concentrations. The present invention can predict the disease that the person has by analyzing the component pattern of such bad breath.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the present invention .
300: 센서 어레이 302: 저장부
304: 통신부 306: 전원부
308: 제어부300: sensor array 302: storage unit
304: communication unit 306: power unit
308: control unit
Claims (11)
상기 각 가스 센서별로 감지되는 가스 농도의 임계치를 저장하는 저장부;
상기 가스 센서로부터 전달받은 가스 농도와 상기 저장부에 저장된 가스 농도의 임계치를 비교하는 제어부;
IDT 전극 어레이 제조 공정시 동일 제조 공정에서 형성되며, 임계치를 초과한 가스와 가스 농도를 전송하는 통신부를 포함하며,
센싱하고자 하는 가스의 종류에 따라 금속 나노 입자를 코딩한 단일벽 탄소나노튜브, 금속 나노 입자를 코딩한 다중벽 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 코딩한 단일벽 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 코딩한 다중벽 탄소나노튜브 중 적어도 어느 하나의 탄소나노튜브로 상기 가스 센서를 형성하며, 형성된 탄소나노튜브별로 저장된 전도도와 감지부재로부터 전달받은 전도도를 비교하는 가스 센서 모듈.
Flexible substrate, IDT electrode formed on the substrate by an inkjet printing method or a roll to roll printing method, formed on the IDT electrode by an inkjet printing method or a roll to roll printing method, carbon At least one gas sensor comprising a sensing member consisting of a nanotube and a coding member encoded on the carbon nanotubes;
A storage unit storing a threshold value of the gas concentration detected for each gas sensor;
A control unit comparing a gas concentration received from the gas sensor with a threshold value of the gas concentration stored in the storage unit;
It is formed in the same manufacturing process during the IDT electrode array manufacturing process, and includes a communication unit for transmitting a gas and gas concentration exceeding a threshold,
Single-walled carbon nanotubes coding metal nanoparticles, multi-walled carbon nanotubes coding metal nanoparticles, single-walled carbon nanotubes coding conductive polymers, and multi-walls coding conductive polymers according to the type of gas to be sensed A gas sensor module for forming the gas sensor with at least one carbon nanotube of carbon nanotubes, and comparing the conductivity stored for each carbon nanotube formed with the conductivity received from the sensing member.
The gas sensor module of claim 6, further comprising a display unit which displays the type of gas currently detected and the concentration of the gas.
Pd(팔라듐), Pt(백금) 중 어느 하나를 포함하는 금속 나노 입자 또는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 중 어느 하나를 포함하는 전도성 고분자임을 특징으로 하는 가스 센서 모듈.
The method of claim 6, wherein the coding member,
Metal nanoparticles containing any one of Pd (palladium), Pt (platinum) or any one of polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly sulfur nitride Gas sensor module, characterized in that the conductive polymer.
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