KR101231995B1 - 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법 - Google Patents

반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 의하면, 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 일어나는 상기 감지막(510)내부의 대전현상에 의해 발생하는 상기 반도체 소자(550)의 내부에 흐르는 전류의 변화정도를 측정하여, 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 방법을 이용하므로, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물을 감지하고 그 농도를 측정할 수 있고, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성으로 인해 그 수명도 매우 긴 장점이 있다

Description

반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법 {Volatile organic compounds gas sensing apparatus using semiconductor device and volatile organic compounds gas sensing method using the same}
본 발명은 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적인 방식을 통해, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물을 감지하고 그 농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있는 반도체 소자를 이용한 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(VOC; 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 있었다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 상온에서 동작할 수 있고, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성을 가짐으로써 그 수명도 크게 연장할 수 있는 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는 휘발성 유기화합물 가스에 의해 전하 전달이 발생하는 감지막이 반도체 전극의 하나 이상에 구비되어 있는 반도체 소자를 포함하는 감지부; 및 상기 반도체 소자내 전류 변화를 통해 상기 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감지부의 반도체 소자는 상기 감지막이 게이트 전극에 구비되어 있는 Gated-LBJT(gated lateral bipolar junction transistor)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감지막은 용매변색성 색소(Solvatochromic dye)를 상기 반도체 소자의 상면에 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 Gated-LBJT 소자는 반도체 기판내에 제공된 컬렉터 영역 및 N형 웰영역; 상기 N형 웰영역 내에서 채널영역을 사이에 두고, 서로 이격되어 있는 에미터 영역 및 컬렉터 영역; 상기 컬렉터 영역 과 일정간격을 두고 이격되어 있는 베이스 영역; 상기 에미터 영역 과 상기 컬렉터 영역 사이의 상기 채널영역 위를 가로질러 형성되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 과 상기 채널영역 사이에 형성된 게이트 절연막; 상기 게이트 전극상에 형성된 금속층; 및 상기 금속층 상에 형성된 절연층을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감지부에 소정의 전류 와 전압을 공급하는 전원공급부; 상기 감지부가 내부에 위치되고, 측정대상 가스가 내부에 유입되며, 내부를 암실로 형성하는 가스챔버; 상기 측정대상 가스를 저장하는 가스저장부; 및 상기 가스챔버 와 상기 가스저장부에 연결되며, 상기 가스 챔버에 상기 측정대상 가스의 주입량을 조절하는 유량조절부; 및 상기 측정부의 측정값을 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
그리고, 휘발성 유기화합물 가스 감지방법은 상기 휘발성 유기화합물 가스 감지장치를 이용하여 공기중에서 측정한 측정전류값을 기준전류값으로 저장하는 단계;상기 휘발성 유기 화합물 가스감지장치로 측정대상가스에서의 전류값을 측정하는 단계; 및 상기 측정대상가스에서의 측정전류값과 상기 기준전류값을 비교하여 상기 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계는 측정부가 기준 전류값 및 상기 측정대상가스에서의 측정전류값을 비교하여, 그 변화를 확인함으로써, 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 측정부가 휘발성 유기화합물 가스의 존재가 감지된 경우, 상기 기준전류값에 대해 상기 측정대상가스에서의 측정전류값의 변화정도를 확인하여 휘발성 유기화합물 가스의 종류 와 농도를 측정하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부에서 측정된 상기 측정대상가스의 측정전류값 및 농도를 표시부에 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 본 발명의 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 의하면, 휘발성 유기화합물 가스의 극성에 따라 Solvatochromic dye(용매변색성 색소)의 분자내부에서는 charge transfer현상이 생긴다. 이로인해 상기 분자의 에너지 band gap이 변화하며, 상기 변화로 인한 반도체 소자의 측정전류의 변화를 감지하는 방식을 이용한다.
그리고 상기 반도체 소자는 상온에서도 휘발성 유기화합물 가스와 접촉됨에 따라 측정전류가 변화되므로, 고온으로 가열되어야 동작하는 종래기술에 비해 사용이 간편하고 동작 소비전력도 낮을 뿐만 아니라, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있다.
또한, 감지막이 구비되는 감지부에 대해 상온에서 측정 대상 가스와 접촉시키고 측정전류의 변화량을 분석하는 전기적 방식이므로, 반복된 사용에 따른 감지부의 손상이 거의 없어 내구성이 높고, 수명이 매우 긴 장점이 있다.
뿐만 아니라, 감지부가 측정 대상 가스와 접촉되기 전의 기준전류를 기준으로, 접촉된 후의 측정전류의 변화정도를 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 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 구비되는 감지부를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감지부의 반도체 소자 내부에 흐르는 전류의 흐름을 나타내는 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 측정대상가스에 따른 감지부의 기준전류값 과 비교전류값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는 측정 대상 가스 중에 휘발성 유기화합물 가스의 존재 여부를 반도체 소자를 사용한 전기적 방식을 이용하여 확인한다. 또한, 본 발명의 휘발성 유기화합물 감지장치는 휘발성 유기화합물 가스가 감지된 경우 그 농도를 감지하게 된다.
구체적으로 본 발명의 휘발성 유기 화합물 감지 장치는 휘발성 유기 화합물에 의해 전하 전달이 발생하는 전하 전달 층을 반도체 전극중 하나에 인접 시켜, 감지 대상인 휘발성 유기 화합물의 유무에 의해 반도체 전극의 전하 변화를 유발하고, 유발된 반도체 전극상 전화 변화량에 의해 반도체 내 흐르는 전류의 변화를 감지하여 휘발성 유기 화합물 및 그 농도를 감지하게 된다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치를 구체적으로 살펴본다.
먼저, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스감지장치(100)의 구성을 개념적으로 보여주는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 구비되는 감지부(500)를 도시한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 반도체 소자 내부의 전류흐름을 나타낸 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스감지장치(100)는 감지대상인 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 감지부(500), 상기 감지부(500)가 측정대상 가스에 노출되기 전후에 측정되는 전류값을 비교 분석하여 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 측정부(200); 상기 측정부(200)의 측정값을 표시하는 표시부(300)를 포함하도록 구성된다. 그리고, 상기 측정부(200)는 상기 감지부(500)의 작동시 필요한 전류 또는 전압을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 휘발성 유기화합물 가스감지장치(100)는 상기 감지부(500)가 내부에 위치되고, 측정대상 가스가 내부에 유입되며, 내부를 암실로 형성하는 가스챔버(400); 상기 측정대상 가스를 저장하는 저장부(700) 및 상기 가스챔버(400) 와 상기 저장부(700)에 연결되며, 상기 가스챔버(400)에 상기 측정대상 가스의 주입량을 조절하는 유량조절기(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 감지부(500)는 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 분자내부의 전하전달 현상이 발생하는 감지막(510)과 상기 감지막(510)의 하면에 위치하며, 상기 감지막(510)의 분자내부의 변화에 따라 전류값이 변하는 반도체 소자(550)로 구성된다.
이러한 감지부(500)는 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 상기 반도체 소자(520)의 전위차가 변화되며, 상기 전위차의 변화로 인해 상기 금속층(551)에 전하를 발생 시킨다. 따라서, 상기 측정부(200)가 그 전류값의 분석을 통해, 휘발성 유기화합물 가스의 유무와 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 측정할 수 있도록 하는 구성요소이다.
그리고, 상기 감지막(510)은 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 가역적으로 변색되는 용매변색성 색소(Solvatochromic dye)를 상기 반도체 소자의 상면에 스핀 코팅하여 형성된다. 또한, 상기 감지막(510)의 형성에 사용되는 용매변색성 색소는 대표적으로 Reichardt's dye(R-dye)가 있으나, 이에 한정되지 않고 휘발성 유기화합물 가스와 반응함에 따라 가역적으로 변색되는 물질들은 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 반도체 소자(550)는 반도체 상용공정의 표준 CMOS프로세스로 MOS-BJT 하이브리드 방식으로 구동하는 게이트화된 측면 바이폴라 트랜지스터(Gated lateral Bipolar transistor)이다. 그리고, 상기 반도체 소자(550)는 반도체 기판(590), N형 웰영역(591)내에 형성된 에미터 영역(570), 컬렉터 영역(580), 상기 컬일정간격을 두고 이격되어 있는 베이스 영역(560), 게이트 전극(552), 게이트 절연막(553), 금속층(551) 및 절연층(520)을 포함하여 구성된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(550)의 내부회로는 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터(M) 와 바이폴라 트랜지스터(QL , QV)들로 구성된 등가회로로 나타낼 수 있다. 그리고 측정대상전류(IE)는 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터(M)의 채널영역(592)을 흐르는 전류 와 바이폴라 트랜지스터(QL , QV)에 각각흐르는 에미터 전류의 합으로 구성된다. 따라서, 감지막(510)의 분자 내부의 대전 현상에 의한 게이트 전극(552)의 전하량이 커지면 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터(M)의 역할이 줄어들고, 바이폴라 트랜지스터들(QL ,QV)의 역할이 커지면서, 반도체 소자(550)내부에 전류가 많이 흐르게 된다. 하지만, 게이트 전극(552)의 전하량이 작아지면, 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터(M)의 역할이 커지면서, 동시에 바이폴라 트랜지스터(QL ,QV)의 역할이 줄어들어, 반도체 소자(550)내에 흐르는 전류량이 작아지게 된다.
즉, 휘발성 유기화합물 가스의 극성에 따라 전하전달층(510)을 이루는 용매변색성 색소(Solvatochromic dye)의 분자내부에서는 자유전자의 대전(charge transfer)현상이 생겨 상기 용매변색성 색소를 구성하는 분자의 에너지 band gap이 변화한다. 이로인해, 게이트 전극(552)의 전하량 변화가 유도되고, 게이트 전극(552)의 전하량 변화는 반도체 소자(550)의 채널영역(592)에 영항을 미쳐 채널영역(592)을 변화시킨다. 따라서, 상기 채널영역(592)을 흐르는 전류는 변화게 되고, 이로인해, 반도체 소자(550)의 내부를 구성하는 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터(M) 및 바이폴라 트랜지스터(QL ,QV)에 흐르는 전류들이 변화게 된다.
따라서, 측정부(200)는 측정대상가스에 감지부(500)가 노출된 경우, 반도체 소자(550)내부를 흐르는 측정대상전류(IE)의 측정대상가스에 노출되기 전후의 전류값을 측정하여, 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하게 된다.
상기 절연층(520)은 전하전달층(510) 과 금속층(551)사이에 위치한다. 그리고, 절연층(520)은 산화막층(SiO2) 과 질화막층(Si3N4)으로 구성되며, 산화막층(SiO2)상에 질화막층(Si3N4)이 적층된 구조로 형성된다. 또한, 상기 전원부(800)는 상기 감지부(500)에 연결되어, 상기 감지부(500)의 반도체 소자(550)가 작동하도록 일정한 전압 또는 전류를 공급한다.
상기 측정부(200)는 상기 감지부(500)가 측정가스에 노출되기 전/후의 상기 반도체 소자(550)의 측정대상전류(IE)를 각각 측정하고, 이를 비교분석하여, 휘발성 유기화합물 가스를 감지하고, 감지된 경우에는 나아가 그 농도를 측정한다. 따라서, 상기와 같은 기능을 수행하기 위해, 상기 측정부(200)는 전류측정계(미도시), 저장모듈(미도시) 및 분석모듈(미도시)을 포함하여 이루어진다.
상기 저장모듈(미도시)은 상기 전류측정계(미도시)로 부터 측정된 측정대상전류(IE)를 저장하고, 상기 분석모듈(미도시)은 감지부(500)가 측정대상 가스에 노출되기 전/후의 측정대상전류값을 비교 분석하여, 휘발성 유기화합물 가스의 존재여부를 판단하고, 그 상이한 정도의 차이에 비례하여 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 측정한다.
즉, 측정부(200)는 상기 감지부(500)가 공기에 노출된 경우의 상기 반도체 소자(550)의 측정대상전류(IE)를 측정하여, 기준전류값으로 저장하고, 상기 감지부(500)가 측정대상가스에 노출된 경우의 반도체 소자(510)의 측정대상전류(IE)의 전류값을 측정하여, 비교전류값으로 저장한다. 그리고, 상기 측정부(200)는 상기 기준 전류값 과 비교 전류값을 비교 분석하여 기준 전류값과 비교 전류값이 상이할 경우, 휘발성 유기화합물 가스가 감지된 것으로 판단하며, 상기 기준 전류값과 비교 전류값을 상기 표시부(300)에 그래프화하여 나타낸다.
즉,도 4에 도시된 바와 같이, 검은색으로 표시된 공기(Air)의 경우가 휘발성 유기 화합물 가스에 노출되기 전의 측정대상전류(IE)의 전류값으로서, 기준 전류값이 된다. 그리고 게이트 전압(VG)=-1(v), 베이스 전류(IB)= -10(uA)로 유지될 때, 상기 기준전류값은 약 150(uA)(a점)이고, 메탄올 가스와 아세톤 가스의 비교 전류값은 각각 약 155 (uA)(b점) 과 약 147 (uA)(c점)으로서, 상기 기준 전류값과 메탄올 또는 아세톤 가스에서의 비교 전류값은 서로 상이한 전류값을 나타낸다.
따라서, 상기 측정부(200)는 상기 감지부(500)가 측정대상 가스에 노출되기 전과 후의 측정대상전류값(IE)을 각각 측정하고, 상기 표시부(300)에 표시함으로써, 상기 기준 전류값에 대해 비교 전류값이 변경되는 것을 확인하여, 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 것이다.
상기 표시부(300)는 상기 측정부(200)의 휘발성 유기화합물 가스 감지에 대한 측정대상전류값(IE)을 사용자에게 표시하는 역할을 한다. 상기 표시부(300)는 LCD와 같은 일반적인 디스플에이 장치들이 다양하게 적용될수 있는데, 도 1에 있어서는 컴퓨터에 구비된 디스플레이 장치가 표시부(300)로 도시되어 있다.
상기 가스챔버(400)는 측정 대상 가스가 각각 유입 및 유출되는 가스유입구(410) 및 가스유출구(420)가 구비된다. 상기 가스유입구(410)에는 가스챔버(400)의 내부로 유입되는 측정 대상 가스의 유량을 조절할 수 있는 유량조절기(600, MFC; Mass Flow Controller)가 연결된다. 그러나 이 유량조절기(600)는 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치에 있어서 필수적인 구성요소는 아님을 밝혀둔다.
그리고 상기 가스유출구(420)에는 진공압을 형성하는 펌프(미도시)가 구비될 수도 있는데, 이 경우 펌프는 가스챔버(400) 내부의 압력을 낮춤으로써 측정 대상 가스가 가스유입구(410)로 유입될 수 있는 동력을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 측정 대상 가스가 상기 저장부(700)에 수용된 상태로 그 수용 압력에 의해 가스유입구(410)를 따라 가스챔버(400) 내부로 유입되는 방식을 취하였으나, 측정 대상 가스를 가스챔버(400) 내부로 유입시키는 방식이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 가스챔버(400)가 측정 대상 가스가 존재하는 소정의 밀실 등의 내부에 위치되어 전술된 펌프에 의해 밀실 내부의 측정 대상가스가 가스챔버(400)로 유입되게 가스유입구(410)가 개방된 형태로 구비될 수 있음은 물론이다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지장치는, 이러한 가스챔버(400)가 구비되지 않고 소정의 밀실 내부에 감지부(500)가 개방된 형태로 위치되게 구현될 수도 있다.
이하, 도 5를 참조하여, 상술한 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치를 이용한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 가스 감지방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 가스챔버(400) 내부에 측정가스대신 공기를 유입하여, 상기 감지부(500)를 공기에 노출시킨다. 그리고, 상기 공기는 상기 유량조절기(600)로 부터 가스 유입구(410)를 통해 가스챔버(400)로 공급된다.(S501)
다음, 상기 측정부(200)는 상기 감지부(500)의 상기 감지막(510)이 공기에 노출된 상태에서 상기 반도체 소자(550)의 전류(IE)를 측정한다. 그리고, 상기 측정된 전류값(IE)을 기준전류값으로 저장한다.(S502)
그다음, 상기 유량조절기(600)는 상기 가스유입구(410)를 통해 측정 대상 가스가 가스챔버(400) 내부에 유입되게 한다.(S503) 여기서, 이 측정대상 가스에 휘발성 유기화합물 가스가 포함된 경우, 그 휘발성 유기화합물 가스와 감지부(500)의 전하전달층(510)이 반응하게 된다. 이때 전하전달층(510)이 반응하는 정도는 측정대상 가스에 포함된 휘발성 유기화합물 가스의 농도에 비례하게 된다.
이후, 상기 측정부(200)는 상기 측정가스의 극성에 따라 상기 전하전달층(510)이 반응하고, 이로인해 변화되는 반도체 소자(510)의 전류값(IE)을 측정하고, 상기 전류값(IE)을 비교 전류값으로 저장한다.(S504)
그후, 상기 측정부(200)는 기준 전류값과 비교 전류값을 비교 분석하여, 기준 전류값과 비교 전류값이 동일하면, 상기 감지막(510)이 전혀 반응하지 않은 것이므로, 측정 대상 가스에는 휘발성 유기화합물 가스가 감지되지 않았다는 불감지로 판단하며, 이와 반대로 기준 전류값과 비교 전류값이 상이하면, 감지막(510)이 측정대상가스와의 반응으로 인해 비교 전류값이 달라진 것이므로 휘발성 유기화합물 가스가 감지 되었다는 감지로 판단한다.(S505)
만약,불감지로 판단된 경우라면 상기 측정부(200)에 의해 불감지의 결과가 표시부(300)를 통해 사용자에게 전달된다(s509). 그러나 감지로 판단된 경우라면, 측정부(200)는 계속해서 기준 전류값에 대한 비교 전류값의 변화 정도를 확인한다(s506).
그리고 확인된 변화 정도에 따라 휘발성 유기화합물 가스의 농도를 산출한다(s507). 이때, 산출하는 방식은 실험적인 방식으로 다수의 농도 상태에 따라 변화된 다수의 비교 전류값과 비교하여, 휘발성 유기화합물 가스의 농도가 기준 전류값에 대한 비교 전류값의 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 관계식이나 추이 분석 모델을 통해 산출되는 방식을 취할 수도 있다.
이러한 과정을 통해 측정부(200)는 산출한 농도의 결과값을 휘발성 유기화합물 가스가 감지되었다는 내용의 정보와 함께 표시부(600)에 표시하여 사용자에게 전달하게 된다(s508).
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법에 의하면, 휘발성 유기화합물 가스에 반응하여 일어나는 상기 감지막(510)내부의 대전현상에 의해 발생하는 상기 반도체 소자(510)의 전류(IE)의 변화정도를 측정하는 방법을 이용하므로, 상온 하에서 높은 감도로 휘발성 유기화합물을 감지하고 그 농도를 측정할 수 있고, 실시간으로 감지 및 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내구성으로 인해 그 수명도 매우 긴 장점이 있다.
100 : 가스 감지 장치 200: 측정부
300 : 표시부 400 : 가스챔버
500 : 감지부 510 : 감지막
520 : 절연층 550: 반도체 소자
551 : 금속층 552 : 게이트 전극 553 : 게이트 절연막 560 : 베이스 영역 570 : 에미터 영역 580 : 컬렉터 영역
571 : 버티컬 컬렉터 영역 590 : 반도체 기판
591 : N형 웰 592 : 채널영역 600 : 유량조절기 700 : 저장부

Claims (9)

  1. 휘발성 유기화합물 가스에 의해 전하 전달이 발생하는 감지막이 반도체 전극의 하나 이상에 구비되어 있는 반도체 소자를 포함하는 감지부; 및
    상기 반도체 소자내 전류 변화를 통해 상기 휘발성 유기화합물 가스를 감지하는 측정부를 포함하고,
    상기 감지부의 반도체 소자는 상기 감지막이 게이트 전극에 구비되어 있는 Gated-LBJT(gated lateral bipolar junction transistor)인 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 화합물 가스 감지장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 감지막은 용매변색성 색소(Solvatochromic dye)를 상기 반도체 소자의 상면에 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 Gated-LBJT 소자는
    반도체 기판내에 제공된 컬렉터 영역 및 N형 웰영역;
    상기 N형 웰영역 내에서 채널영역을 사이에 두고, 서로 이격되어 있는 에미터 영역 및 컬렉터 영역;
    상기 컬렉터 영역 과 일정간격을 두고 이격되어 있는 베이스 영역;
    상기 에미터 영역 과 상기 컬렉터 영역 사이의 상기 채널영역 위를 가로질러 형성되는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 과 상기 채널영역 사이에 형성된 게이트 절연막;
    상기 게이트 전극상에 형성된 금속층; 및
    상기 금속층 상에 형성된 절연층을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 감지부에 소정의 전류 와 전압을 공급하는 전원공급부;
    상기 감지부가 내부에 위치되고, 측정대상 가스가 내부에 유입되며, 내부를 암실로 형성하는 가스챔버;
    상기 측정대상 가스를 저장하는 가스저장부; 및
    상기 가스챔버 와 상기 가스저장부에 연결되며, 상기 가스 챔버에 상기 측정대상 가스의 주입량을 조절하는 유량조절부; 및
    상기 측정부의 측정값을 표시하는 표시부를 포함하는 휘발성 유기화합물 가스 감지장치.
  6. 제1항, 제3항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 기재된 상기 휘발성 유기화합물 가스 감지장치를 이용하여 공기중에서 측정한 측정전류값을 기준전류값으로 저장하는 단계;
    상기 휘발성 유기 화합물 가스감지장치로 측정대상가스에서의 전류값을 측정하는 단계; 및
    상기 측정대상가스에서의 측정전류값과 상기 기준전류값을 비교하여 상기 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계를 포함하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계는
    측정부가 기준 전류값 및 상기 측정대상가스에서의 측정전류값을 비교하여, 그 변화를 확인함으로써, 휘발성 유기화합물 가스의 유무를 감지하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    측정부가 휘발성 유기화합물 가스의 존재가 감지된 경우, 상기 기준전류값에 대해 상기 측정대상가스에서의 측정전류값의 변화정도를 확인하여 휘발성 유기화합물 가스의 종류 와 농도를 측정하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 측정부에서 측정된 상기 측정대상가스의 측정전류값 및 농도를 표시부에 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 가스 감지방법.



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