KR101261132B1 - 고감도 수소감지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체재료로 이루어지고 일정크기를 갖는 플레이트; 상기 플레이트의 표면상에 도포되는 수소 민감성 물질 코팅층; 상기 플레이트의 일단에 연결되고 전기신호가 인가되면 초음파를 발생시키며 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 압전소자; 상기 압전소자에 전기신호를 발생 및 상기 압전소자로부터 전기신호를 검출하는 전기신호장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고감도 수소감지센서를 제공한다.
본 발명에 따른 고감도 수소감지센서에 따르면, 주위에서 손쉽게 구하고 얻을 수 있는 고체 재료로 이루어진 플레이트에 수소 민감성 물질을 도포한 후, 에폭시를 이용하여 압전소자와 접착하여 고감도 수소감지센서를 제작함으로써 센서의 제작이 매우 용이하고, 수소 민감성 물질이 코팅되는 플레이트의 표면적이 넓어 많은 양의 수소 민감성 물질이 코팅됨에 따라 수소 검지 시 검지 신호의 피크 점 간의 농도별 진폭의 차이가 크게 나타나 농도별 수소 검지의 파악이 용이하며, 결과적으로 농도별 수소 검지 능력이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 고감도 수소감지센서에 따르면, 주위에서 손쉽게 구하고 얻을 수 있는 고체 재료로 이루어진 플레이트에 수소 민감성 물질을 도포한 후, 에폭시를 이용하여 압전소자와 접착하여 고감도 수소감지센서를 제작함으로써 센서의 제작이 매우 용이하고, 수소 민감성 물질이 코팅되는 플레이트의 표면적이 넓어 많은 양의 수소 민감성 물질이 코팅됨에 따라 수소 검지 시 검지 신호의 피크 점 간의 농도별 진폭의 차이가 크게 나타나 농도별 수소 검지의 파악이 용이하며, 결과적으로 농도별 수소 검지 능력이 우수한 효과가 있다.
Description
본 발명은 수소감지센서에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 고체 재료로 이루어진 플레이트에 수소 민감성 물질을 도포하여 제작한 고감도 수소감지센서에 관한 것이다.
환경문제와 더불어 고유가는 화석에너지가 안고 있는 가장 큰 문제점으로 인식되었고, 이는 전 세계적으로 대체에너지의 수요를 끌어올리는 계기가 되었다. 유력한 대체에너지원으로 꼽히는 수소에너지는 선진국을 중심으로 수소 활용기술의 연구 및 상용화가 점점 확대되고 있다. 미국은 미국에너지성(Department of Energy)을 주축으로 수소에너지 활용 기술을 개발하고 있으며, 일본과 독일 역시 화석에너지를 대체할 수소에너지 활용기술을 확보하는데 많은 인력과 자본을 투입하고 있다. 또한 아이슬란드는 2040년 수소사회를 이룩하는 목표로 수소에너지 개발 및 상용화에 박차를 가하고 있다. 우리나라 역시 수입의존적인 에너지 문제에서 벗어나고자 수소에너지 저장 및 활용 기술을 연구하고 있다. 대덕에 처음 수소충전소가 생긴 것을 시작으로 2007년에는 서울 도심에 수소충전소가 세워졌으며 2020년에는 전국에 1700여 개의 수소충전소가 세워질 예정이다.
본격적인 수소에너지 시대를 위해서는 수소의 누출을 검지하는 수소 센서가 필수적이다. 수소는 대기 중 농도가 4%를 넘으면 발화의 위험성이 있기 때문에 수소 저장기술, 이동기술 등 수소를 저장하고 제어하는 모든 분야에서 수소의 누출을 검지하는 수소 센서는 수소에너지의 보편적인 보급을 위해 반드시 개발해야 하는 핵심기술이다. 이러한 수소 센서는 용도에 따라 수소의 생산과정에서 사용되는 공정용 센서와 수소 누출을 검지하는 센서로 구별할 수 있고, 수소 누출 검지센서는 다시 미세한 가스 누출을 검지하는 누출센서와 일정공간에 수소 농도가 일정 수준일 때 작동하는 안전센서로 구분할 수 있다. 특히 안전센서는 수소 누출이 있을 가능성이 있는 곳에서 장기간이 지나도 수소에 대해서 작동해야 하므로 안전성과 높은 신뢰성이 요구된다. 또한 사용자층이 다양하고 보편적으로 사용될 수 있기 때문에 안전센서는 그 구조가 간단하고 비용이 저렴해야 한다.
이에 따라 수소가스의 누출을 검사하는 수소 센서는 백금, 팔라듐과 같은 금속에 수소가 흡착되어 금속의 전기전도도가 변화하는 것을 이용한 전기적 방법을 이용한 센서, 산화물 반도체형과 가스 MOSFET 등을 이용한 전기화학적인 방법을 이용한 센서, 빛을 이용하여 수소 누출을 감지하는 광학적인 방법을 이용한 센서 등이 있다.
일반적으로 전기적인 방법을 이용한 센서는 전기 방전에 의한 수소의 폭발과 높은 가격, 소형화가 어려운 단점이 있으며, 전기화학적인 방법을 이용한 센서는 센서의 오염과 절연체 내의 이온 드리프트현상으로 인하여 안정된 신호를 얻을 수 없으며 측정기의 규모가 크고 측정상의 불편함 및 비용이 많이 드는 단점이 있다. 이에 따라 현재 전기적인 방법 및 전기화학적인 방법의 단점을 보안하기 위한 방법으로 광학적 방법을 이용한 센서가 사용되고 있다.
광학적 방법을 이용한 센서는 광섬유를 이용한 다양한 형태로서 사용되고 있으며, 이러한 광섬유센서의 기본적인 측정방식은 빛을 광섬유에 입사하여 특정부분에 대하여 반사되는 빛의 파장의 변화를 감시한 후 그 차이를 분석함으로써 그 변화를 알아내는 방식을 사용하고 있다.
종래의 광섬유 센서는 빛을 사용해야 하는 특성상 수 nm의 파장변화를 감지해야 하는바, 그만큼 짧은 파장의 신호를 감지하고 분석할 수 있는 고가의 장비가 필요하다. 또한 빛을 광섬유에 정확하게 입사시키고 반사되는 빛을 정확하게 감지하기 위해서는 장비와 감지기 간의 정밀도가 중요한바 센서를 이루는 구성요소가 복잡해지고 많은 비용이 소요된다. 예를 들어 근래에 일반적으로 사용되고 있는 FBG 광섬유 센서의 경우 광섬유 자체에 센싱부를 제작하기 위하여 Bragg 격자를 광섬유에 구비하는 추가적인 공정이 필요하게 되며, EFPI 광섬유 센서의 경우 단락된 두 광섬유의 간극에 의하여 반사되는 파장의 차이를 이용하기 때문에 감지에 필요한 간극을 제작하고 그것을 유지하기 위한 장치를 추가하는 공정이 필요하게 된다.
즉, 종래의 광섬유센서는 빛을 사용하기 때문에 특정 파장의 빛을 정확하게 만들어 내야 한다는 기술적 어려움이 있을 뿐만 아니라 구비해야 하는 구성요소가 많아 구성이 복잡하며 장비가 고가라는 문제점이 있었다.
이를 극복하고자, 초음파를 이용하여 수소 기체를 감지할 수 있는 광섬유 수소감지센서가 개발되었다.
상기 광섬유 수소감지센서는 초음파를 전달받은 센서부에 수소 기체와 접촉하면 흡수 및 팽창 반응하는 수소 민감성 물질을 도포하여 초음파의 반사율 변화를 측정함으로써 수소 기체의 농도를 센싱한다.
그러나, 상기 광섬유 수소감지센서는 광섬유의 얇은 두께 때문에 눈에 잘보이지 않고, 또한 센서로 제작하기 위해 광섬유의 피복층을 벗겨내야 하는 번거로운 과정을 거쳐야 하기 때문에 제조과정이 복잡하며, 수소 민감성 물질이 도포되는 표면적이 작아 수소 검지 시 신호의 피크 점 간의 농도별 진폭의 차이가 작게 나타나 농도별 수소 검지를 파악하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서,
본 발명의 목적은 고체 재료의 플레이트에 수소 민감성 물질을 도포하여 수소감지센서를 제작함으로써 센서의 제작이 매우 용이하고, 수소 민감성 물질의 코팅 면적이 넓어 수소 검지 시 검지 신호의 피크 점 간의 농도별 진폭의 차이가 크게 나타나 농도별 수소 검지의 파악이 용이하며, 농도별 수소 검지 능력이 우수한 고감도 수소감지센서를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 고감도 수소감지센서는 고체 재료로 이루어지고 일정크기를 갖는 플레이트; 상기 플레이트의 표면상에 도포되는 수소 민감성 물질 코팅층; 상기 플레이트의 일단에 연결되고 전기신호가 인가되면 초음파를 발생시키며 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 압전소자; 상기 압전소자에 전기신호를 발생 및 상기 압전소자로부터 전기신호를 검출하는 전기신호장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 플레이트는 알루미늄, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 아크릴, 플라스틱 중 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 수소 민감성 물질은 수소 기체와 반응하는 팔라디움(Pd: Palladium)인 것을 특징으로 한다.
상기 수소감지센서는 수소 검지 신호의 피크 진폭 변화와 파동길이 변화에 따른 상 변화의 파라메터를 가지고 수소의 누출 여부 및 수소농도별 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고감도 수소감지센서에 따르면, 센서의 제작이 매우 용이하고, 수소 민감성 물질이 코팅되는 플레이트의 표면적이 넓어 많은 양의 수소 민감성 물질이 코팅됨에 따라 수소 검지 시 검지 신호의 피크점 간의 농도별 진폭의 차이가 크게 나타나 농도별 수소 검지의 파악이 용이하며, 결과적으로 농도별 수소 검지 능력이 우수한 효과가 있다.
또한, 두 가지 파라메터를 이용하여 수소의 누출 여부 및 수소농도별 변화를 검출함으로써 수소 검지 능력을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 전체 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 측단면도, 및
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서의 실험에 따른 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 측단면도, 및
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서의 실험에 따른 데이터를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고감도 수소감지센서를 도시한 측단면도이다.
본 발명에 따른 고감도 수소감지센서는 플레이트(110), 수소 민감성 물질 코팅층(120), 압전소자(130), 전기신호장치(140)를 포함하며, 초음파를 이용하여 수소 기체를 감지한다.
여기서, 상기 플레이트(110)는 일정 두께와 폭을 가지며, 주위에서 손쉽게 구할 수 있는 고체재료로 이루어진다. 여기서, 상기 고체재료는 알루미늄, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 아크릴, 플라스틱 중 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 수소 민감성 물질 코팅층(120)은 상기 플레이트(110)의 표면상에 수소와 접촉하면 수소를 흡수하여 팽창하는 물질이 도포되어 이루어진다. 여기서, 상기 수소 민감성 물질은 팔라디움이 사용되는 것이 바람직하다.
상기 수소 민감성 물질은 광섬유에 비해 넓은 표면적을 가지는 플레이트에 보다 많은 양이 도포되며, 수소와 접촉하면 팽창하는 수소 민감성 물질의 성질로 인해 수소 검지 신호의 피크 점간 농도별 진폭의 차이를 크게 나타낼 수 있다.
상기 압전소자(130)는 상기 수소 민감성 물질 코팅층(120)이 형성된 플레이트(110)의 일단부에 에폭시(131)를 이용하여 접착된다.
상기 압전소자(130)는 전기신호를 전달받으면 초음파를 발생시키고, 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 소자로서, 압전 세라믹 등 다양한 재료를 이용하여 제작할 수 있다.
상기 압전소자(130)에서 발생된 초음파는 상기 플레이트(110)를 따라 이동하게 되고, 상기 초음파가 플레이트(110)의 끝단에 도착하면 반사되어 다시 압전소자(130)에 도달하게 된다. 이때, 상기 압전소자(130)에 전달된 초음파는 다시 전기신호로 바뀌게 된다.
상기 전기신호장치(140)는 상기 압전소자(130)에 신호선(132)을 통하여 연결된다. 여기서, 상기 전기신호장치(140)는 압전소자(130)에 전기신호를 전달하기 위해 전기신호를 발생시키는 구성과, 상기 압전소자(130)로부터 전달된 전기신호를 검출하는 구성을 모두 포함한다.
상기의 구성으로 이루어진 고감도 수소감지센서는 플레이트(110)의 표면상에 도포된 수소 민감성 물질 코팅층(120)에 수소가 접촉되면 수소 민감성 물질이 수소를 흡수하여 팽창하고, 수소 민감성 물질의 팽창으로 플레이트(110)에 압력이 가해지게 된다.
이때, 상기 플레이트(110)를 따라 진행하던 초음파는 상기 수소 민감성 물질 코팅층(120)의 팽창에 의한 압력에 의해 그 진행이 방해되어 초음파의 신호가 변화하게 된다.
상기 변화된 초음파의 신호는 압전소자(130)를 거쳐 전기신호로 바뀌게 되고, 이 신호는 전기신호장치(140)에 의해 검출된다. 즉, 상기 검출된 전기신호를 분석하여 수소를 검지할 수 있다.
또한, 상기 수소의 검지 시 두 가지 파라메터를 이용하여 수소농도별 변화를 검출할 수 있다. 두 가지 파라메터는 신호의 피크 진폭의 변화와, 파동길이 변화에 따른 상 변화를 이용한다.
여기서, 상기 피크 진폭의 변화와, 파동길이 변화에 따른 상 변화는 수소 민감성 물질이 도포된 플레이트(110)의 밀도 변화에 따라 변화한다. 즉, 상기 수소민감성 물질에 접촉되는 수소 기체의 양에 따라 도포면의 팽창 정도가 달라지며, 팽창 정도에 따라 도포면의 밀도가 변화한다. 또한, 상기 밀도의 변화로 초음파의 반사율이 변화하고, 초음파 반사율에 따른 피크의 진폭 및 파동길이 변화에 따른 상이 변화한다. 또한, 상기 밀도 변화는 길이방향의 상 속도(ceq)변화를 초래한다. 그리고 그것은 다음과 같은 식(1)으로 나타낼 수 있다.
여기서, 
는 유효탄성계수이고, 
는 수소민감성 물질이 도포된 플레이트(110)의 유효밀도이다.
상기 상 속도가 변화됨에 따라 반사되는 웨이브의 파동 각이 변화한다. 즉, 파동길이 변화에 따른 상 변화(λ)는 다음과 같은 식(2)으로 나타낼 수 있다.
여기서, f0 는 압전소자의 공진 주파수이다.
이와 같이 상기 상 변화를 측정하면 수소의 누출 여부 및 수소의 농도를 측정할 수 있다.
또한 진폭의 변화는 다음과 같은 반사계수 R로부터 확인할 수 있다 반사계수의 정의는
이며 여기서 
는 유효음향 임피던스, 
은 알루미늄 플레이트의 음향 임피던스이다. 이러한 음향 임피던스는 재료의 밀도와 두께, 탄성계수의 함수로서 정의되며 팔라듐 층이 수소와 반응한 후 밀도, 두께 탄성계수가 변화할 경우, 반사 계수 R의 변화가 발생하고, 반사계수의 변화는 직접적으로 진폭의 변화를 유도하게 된다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 두 가지 파라메터를 이용하여 수소농도별 변화를 검출한 실험 데이터에 따른 그래프를 나타낸 것으로서, 수소 농도에 따른 교류 전압의 크기를 나타낸 것이다.
도 4(b)와 도 4(c)를 살펴보면, 빨간색 점선은 수소(Hydrogen) 0% 일때, 교류전압의 상태를 나타낸 것이고, 녹색 점선은 수소(Hydrogen) 4% 일때, 교류전압의 상태를 나타낸 것이며, 검은색 점선은 수소(Hydrogen) 10% 일때, 교류전압의 상태를 나타낸 것이다.
여기서, 수소(Hydrogen)의 농도가 높을수록 교류전압의 크기(Amplitude)가 작아짐을 알 수 있다. 또한, 피크 점 간의 농도별 진폭의 차이가 크게 나타남을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명은 주위에서 손쉽게 구하고 얻을 수 있는 고체 재료로 이루어진 플레이트에 수소 민감성 물질을 도포한 후, 에폭시를 이용하여 압전소자와 접착하여 수소감지센서를 제작함으로써 센서의 제작이 매우 용이하고, 수소 민감성 물질이 코팅되는 플레이트의 표면적이 넓어 많은 양의 수소 민감성 물질이 코팅됨에 따라 수소 검지 시 검지 신호의 피크 점 간의 농도별 진폭의 차이가 크게 나타나 농도별 수소 검지의 파악이 용이하며, 결과적으로 농도별 수소 검지 능력이 우수한 효과가 있다.
또한, 두 가지 파라메터를 이용하여 수소의 누출 여부 및 수소농도별 변화를 검출함으로써 수소 검지 능력을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
110: 플레이트 120: 수소 민감성 물질 코팅층
130: 압전소자 131: 에폭시
132: 신호선 140: 전기신호장치
130: 압전소자 131: 에폭시
132: 신호선 140: 전기신호장치
Claims (4)
- 알루미늄, 폴리카보네이트(Polycarbonate), 아크릴, 플라스틱 중 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어지며 일정크기를 갖는 플레이트;
상기 플레이트의 표면상에 도포되어 수소 기체와 반응하는 수소 민감성 물질 코팅층;
상기 플레이트의 일단부 에폭시로 접착되고 전기신호가 인가되면 초음파를 발생시키며 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 압전소자; 및
상기 압전소자에 전기신호를 발생 및 상기 압전소자로부터 전기신호를 검출하는 전기신호장치;를 포함하며,
수소 검지 신호의 피크 진폭 변화와 파동길이 변화에 따른 상 변화의 파라메터를 가지고 수소의 누출 여부 및 수소 농도별 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 고감도 수소감지센서. - 삭제
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