KR101729732B1 - 무동력 가스 센서 - Google Patents

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KR101729732B1
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

가스 센서는, 내부 공간이 형성된 챔버와, 상기 챔버 내로 가스가 연통될 수 있도록 개방되는 채널과, 전기 전도성을 가지며, 상기 내부 공간에 형성되어 상기 챔버 내로 유입된 상기 가스에 포함된 유해물질이 부착될 수 있는 흡착 부재와, 상기 흡착 부재를 하나의 저항으로 포함하는 전기 회로를 포함하고, 상기 흡착 부재에 상기 유해물질이 부착됨에 따른 상기 전기 회로의 저항 변화를 감지하여, 상기 유해물질을 감지한다.

Description

무동력 가스 센서{Non Powered Gas Sensor}
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 동력 없이도 가스를 흡입하여 가스에 포함된 유해물질의 존재 확인 및 식별을 가능하게 하는 가스 센서에 관한 것이다.
산업 환경에서 예기치 않게 유해물질이 대기 중에 유출되는 경우, 인명 사고 등 다양한 안전 사고를 유발할 수 있다.
유해물질은 종류에 따라 인체에 미치는 영향이 상이할 수 있고, 경우에 따라 매우 단시간 안에 인체에 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 공기 중에 함유된 유해물질의 종류 및 농도를 신속하게 검출하고 적절한 대응조치를 취할 필요가 있다.
가스 중의 유해물질을 감지하기 위한 다양한 센서 시스템이 연구되고 있다.
종래 기술에 따르면, 소정 시간 동안 펌프 등의 동력을 이용해 가스를 센서 내부로 전달한 뒤, 센서 표면과의 전기적/화학적 반응 변화를 측정하는 센서 시스템 방식과 대기 중에 센서를 놓고 자연적으로 가스의 확산성을 통해 센서의 감응부와의 반응을 측정하는 방식이 있다.
하지만, 이러한 종래기술에 따른 센서 시스템에 의하면, 가스를 센서 내부로 유도하기 위한 펌프 등의 사용으로 높은 전력을 사용하게 되며, 센서 자체를 대기 중에 놓고 가스를 검출하는 방식은 외부 가스가 센서의 감응부로 쉽게 유도되지 않기 때문에 유해물질을 분석하는데 까지 시간이 적지 않게 소요된다.
따라서, 유해 가스가 누출되면 즉각적인 조치를 하여야 하는 산업 현장에서 적절히 이용되기가 곤란하다.
아울러, 종래 기술에 따른 센서 시스템은 펌프 등의 부가적인 구성이 많이 필요하여, 구성이 복잡하고 크기가 커서, 산업 현장의 전체 구역에 걸쳐 범용적으로 이용되기에는 제한이 있다.
한국 특허공개 제10-1994-0015498호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 동력 수단 없이도 가스를 흡입하여 가스 내부의 유해물질에 대한 분석을 수행할 수 있어, 휴대성과 신속성이 우수한 무동력 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부 공간이 형성된 챔버와, 상기 챔버 내로 가스가 연통될 수 있도록 개방되는 채널과, 전기 전도성을 가지며, 상기 내부 공간에 형성되어 상기 챔버 내로 유입된 상기 가스에 포함된 유해물질이 부착될 수 있는 흡착 부재와, 상기 흡착 부재를 하나의 저항으로 포함하는 전기 회로를 포함하고, 상기 흡착 부재에 상기 유해물질이 부착됨에 따른 상기 전기 회로의 저항 변화를 감지하여, 상기 유해물질을 감지하는 가스 센서가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스는 확산 작용으로 상기 채널을 통해 상기 챔버 내로 유입된다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡착 부재와 상기 채널은 서로 마주하도록 형성되고, 상기 흡착 부재는 상기 채널의 길이 방향과 평행하게 연장된다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡착 부재는 서로 이격 배치되는 복수의 흡착 기둥이 밀집 배치되어 형성된다.
일 실시예에 따르면, 가스 센서는 복수의 흡착 부재 및 복수의 채널을 포함하고, 하나의 채널마다 하나 이상의 흡착 부재가 대응하여 형성된다.
일 실시예에 따르면, 하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥은 서로 다른 길이를 가지는 흡착 기둥을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥 중 길이가 가장 긴 흡착 기둥의 길이는 복수의 흡착 부재마다 상이하다.
일 실시예에 따르면, 하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥은 서로 다른 단면적으로 가지는 흡착 기둥을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 채널은 서로 다른 단면적으로 가지는 채널을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 가스 센서는, 상기 챔버에 형성되는 전도성 면과, 상기 챔버의 외부에 형성되고, 상기 전도성 면과 전기적으로 연결되는 전도체를 포함하고, 상기 흡착 부재는 상기 전도성 면 위에 형성되며, 상기 전기 회로는, 상기 전도성 면, 상기 흡착 부재 및 상기 전도체를 포함하여 구성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 면은 상기 챔버의 일면 위에 부착된 전도성 기판에 의해 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 면은 상기 챔버의 일면에 전도성 이온을 침투시켜 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡착 부재는 전도성 면에 이종 접합 가능한 전도성을 가지는 활성화된 나노 카본 소재로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡착 부재는 상기 전도성 면 위에서 성장하거나 성장된 상태에서 상기 전도성 면 위에 전사된다.
상기 흡착 부재는 상기 전도성 면 위에서 성장하거나 성장된 상태에서 상기 전도성 면 위에 전사되는 전도성 나노 소재로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡착 부재는 전도성 면에 이종 접합 가능한 활성화된 나노 카본 소재로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 가스 센서는, 실험적으로 획득된 유해물질 별 상기 전기 회로의 저항 변화 라이브러리와, 실제 감지된 저항 변화를 비교하여 상기 유해물질의 종류를 유추한다.
일 실시예에 따르면, 상기 저항 변화 라이브러리는 두 종류 이상의 유해물질이 포함된 가스가 상기 챔버로 유입되었을 때의 상기 전기 회로의 저항 변화에 대한 정보를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기 회로는 상기 복수의 흡착 부재별로 저항 변화가 측정되도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서를 개념적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스 센서를 측면에서 개략화하여 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 가스 센서의 배면을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서의 챔버 내부로 유해물질이 유입되는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 이종의 유해물질이 가스 센서로 유입되어 검출되는 과정을 도시한 것이다.
도 6은 도 1의 하나의 흡착 부재를 확대 도시한 것이다.
도 7은 한 종류의 유해물질이 특정 농도로 포함된 가스를 가스 센서를 통해 검출한 결과를 예시적으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(1)의 개념 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 센서(1)는 상판(100)과 하판(200)이 결합되어 형성되는 대략 사각 판 형태의 몸체(10)를 포함한다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 상판(100)과 하판(200)이 분리되어 도시되었다.
본 실시예에 따르면, 상판(100)은 유리 재질로 형성되고, 하판(200)은 실리콘 재질로 형성된다. 상판(100)과 하판(200)은 대기압 조건에서 전압에 의한 결합 방식인 양극 접합(anodic bonding)에 의해 서로 강하게 접합될 수 있다.
하판(200)에는 소정의 내부 공간이 형성된 챔버(210)가 형성된다. 챔버(210)는 그 양 단에 형성되는 가스 출구(211, 212)를 포함한다. 가스 출구(211)는 하판(200)의 측면 방향으로 개방되며, 다른 가스 출구(212)는 하판(200)의 상방으로 개방된다. 본 실시예에 따르면, 두 개의 가스 출구(211, 212)가 형성되어 있으나, 하나의 가스 출구(212)만이 형성될 수도 있을 것이다.
본 실시예에 따르면, 챔버(100)는 하판(200)의 일 측면에 깊이 반응성 이온 식각(DRIE; deep reactive-ion etching) 공정을 이용해 깊이 식각되어 형성된다. 따라서, 나노 사이즈의 구조를 정교하게 형성할 수 있어, 가스 센서(1)의 전체 크기를 소형화할 수 있다.
하판(200)에 오목홈 형태로 챔버(100)의 내부 공간을 식각 형성하고, 상판(100)을 접합하여, 상부가 폐쇄된 챔버(100)의 구조를 완성한다.
상판(100)에는 복수의 채널(110)이 상하를 관통하도록 형성된다. 복수의 채널(110)은 가스가 챔버(100)로 유입될 수 있는 유입로가 되며, 동시에 후술하는 바와 같이 확산에 따라 가스에 함유된 유해물질이 종류별로 분리되는 분리로가 된다.
복수의 채널(110)은 모두 단면적이 동일할 수도 있고, 서로 상이하게 형성될 수도 있다.
복수의 채널(110)은 가스 센서(1)를 위에서 바라보았을 때, 챔버(100)의 경계를 넘지 않는 면적만을 차지하도록 밀집하여 형성된다.
상판(100)에는 챔버(210)의 하나의 가스 출구(212)와 대응하는 위치에 통공(120)이 형성된다. 채널(110)을 통해 챔버(210)로 유입된 가스는 가스 출구(212)를 통해 외부로 유출되어, 외부-챔버(100)-외부로 이어지는 가스의 순환 흐름이 형성될 수 있다.
도 1에서는 가스 출구(212)가 상방으로 향하여 상판(100)의 형성된 통공(120)으로 연통되도록 하고 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
하판(200)에 가스 출구(212)로부터 하판(200)의 상면으로 통해 길게 연장되며 하판(200)의 측면으로 개방되는 오목홈(미도시)을 식각하여, 챔버(210)로부터 가스가 빠져나갈 수 있는 관로를 형성할 수도 있다. 상기 관로는 상판(100)을 하판(200) 위에 접합함으로써 상부가 폐쇄된다.
상기 관로는 챔버(100)와 함께 동시에 이온 식각(DRIE; deep reactive-ion etching) 공정을 이용해 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 챔버(210)의 내부 공간 안에는 전기 전도성을 가지며 챔버(210)로 유입된 가스에 포함된 유해물질이 부착될 수 있는 복수의 흡착 부재(220)가 형성된다.
도 2는 도 1의 가스 센서(1)를 측면에서 개략화하여 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 흡착부재(220)는 채널(110)과 하나씩 대응하여 서로 마주하도록 형성되고, 채널(110)의 길이 방향과 평행하게 연장된다.
본 실시예에 따르면, 채널(110)과 그에 대응하는 흡착 부재(220)의 단면적이 서로 유사하여, 하나의 채널(110)마다 하나의 흡착 부재(220)가 대응하여 형성되어 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 흡착 부재(220)의 단면적이 그에 대응하는 채널(110)의 단면적이 비해 작게 형성되어, 하나의 채널(110) 아래에 둘 이상의 흡착 부재(220)가 형성되도록 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(210)의 하면에는 전도성을 띠는 전도성 면(211)이 형성되고, 흡착 부재(220)는 전도성 면(211) 위에 형성되어 전도성 면(211)과 전기적으로 연결된다.
전도성 면(211)은 챔버(210)의 하면 위에 부착된 전도성 기판에 의해 형성될 수도 있으나, 본 실시예에 따르면 챔버(210)의 하면이 전도성을 가지도록 하여 하면 자체가 전도성 면(211)을 형성하도록 한다.
더 구체적으로, 하판(200)에 챔버(210)의 형상을 식각한 후에, 실리콘 재질의 하면에 이온 침투법을 이용해 예를 들어 붕소와 같은 전도성 이온을 침투시킨다. 이와 같은 방법에 따르면, 실리콘 재질의 하면이 전기 전도성을 가지는 전도성 면(211)을 형성되게 된다.
자세히 도시하지는 않았지만, 전도성 면(211)은 챔버(210)의 하면 전체가 전도성을 가지도록 형성될 수도 있으나, 가스 센서(1)의 선택성을 확보하기 위하여, 각각의 흡착 부재(220)의 아래에 위치하는 부분들에 선택적으로 전도성 이온을 주입하여, 흡착 부재(220)가 형성된 부분만이 전도성을 가지도록 할 수도 있다.
전도성 면(211)이 전도성 기판에 의해 형성되는 경우, 전도성 기판을 흡착 부재(220)의 배열 형태와 동일하게 패터닝하여 흡착 부재(220)가 형성된 부분만이 전도성을 가지도록 할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
본 실시예에 따르면, 흡착 부재(220)는 전도성을 가지고 이종 접합이 가능한 탄소 기반의 나노 소재로 형성된다. 예를 들어 3차원 그래핀 시트(sheet), 탄소 나노 튜브(carbon nano tube; CNT) 등과 같은 활성화된 나노 탄소 소재로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 흡착 부재(220)는 CNT로 형성된다.
흡착 부재(220)를 형성하는 CNT는 전도성 면(211) 위에서 길이를 가지도록 성장하거나, 이미 성장한 상태에서 전도성 면(211) 위에 전사되는 방법으로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(210)의 외부(즉, 하판(200)의 외부측 하면)에는 전도성 면(211)과 전기적으로 연결되는 전도체(230)가 형성된다.
전도성 면(211)이 챔버(210)의 내부에 형성된 전도성 기판인 경우 챔버(210)의 하면을 관통하고 전선 등을 이용해 전도성 면(211)과 전도체(230)를 전기적으로 연결할 수도 있으나, 본 실시예와 같이 챔버(210)의 하면 자체가 전도성 면(211)을 이루는 경우에는 챔버(210)의 하면에 백금과 같은 금속을 전도체(230)로서 접합하는 것만으로 전도성 면(211)과 전도체(230)의 전기적 연결이 이루어진다.
도 3은 가스 센서(1)의 배면을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하판(200)의 배면에는 전도성 면(211)과 전기적으로 연결되는 전도체(230)가 부착되고, 전도체(230)에는 주전선(234)이 전기적으로 연결되며, 주전선(234)의 양 단에는 저항 측정기(11)(도 1 참조) 등의 전기 장치가 연결될 수 있는 단자(233)가 형성되어 있다.
저항 측정기(11)는 도시하지 않은 센서(1)의 몸체에 형성된다. 상기 센서(1)의 몸체에는 센서(1)의 센싱 결과를 시각 또는 음성적으로 사용자에게 피드백할 수 있는 피드백 장치가 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 흡착 부재(220)의 배열 형태와 대응하지 않고, 전도성 면(211) 중 전도성을 가지는 부분이 하나의 판 형태를 가지는 경우, 전도체(230) 역시 하나의 판 형태로 형성될 수 있다.
반면, 전도성 면(211) 중 전도성을 가지는 부분이 흡착 부재(220)의 배열 형태를 따라 형성된 경우, 복수의 전도체(231)가 흡착 부재(220)의 위치에 대응하여 배치될 수도 있다.
복수의 전도체(231) 각각에는 전선(232)이 연결되고, 각각의 전선(232)은 주전선(234)과 전기적으로 연결되도록 패터닝된다.
이와 같은 구성에 따르면, 흡착 부재(220), 전도성 면(211) 및 전도체(230)가 전기적으로 연결되는 하나의 전기 회로를 구성하게 되고, 흡착 부재(220)는 상기 전기 회로의 저항의 하나로 포함된다.
가스가 챔버(210)로 유입된 후, 흡착 부재(220)에 유해물질이 부착되면, 상기 전기 회로의 저항의 변화가 발생하게 되면, 본 실시예에 따른 가스 센서(1)는 저항 측정기(11)를 이용해 상기 전기 회로의 저항 변화를 감지하여 부착된 유해물질을 감지하게 된다.
상세하게 전기 회로를 묘사하지 않았지만, 복수의 전도체(231)가 부착된 경우, 상기 복수의 흡착 부재 별로 저항 변화가 측정되도록 구성된다.
도 4는 본 실시예에 따른 가스 센서(1)의 챔버(210) 내부로 유해물질이 유입되는 모습을 도시한 것이다.
본 실시예에 따르면, 산업 현장에서 유해물질이 공기 중에 유출되면, 가스 센서(1)의 외부 공기(가스)에 유해물질이 포함되면서 가스 센서(1)의 챔버(210) 내외부에 농도차가 발생한다.
당연히 챔버(210)의 외부의 농도가 높으므로, 유해물질을 함유한 가스는 확산 작용에 의해 채널(110)로 유입되어 챔버(210) 내부로 유입된다.
본 실시예에 따르면, 가스 센서(1)의 외부의 공기의 흐름(바람 등)이 채널(110)의 안쪽에 주는 영향을 무시할 수 있을 정도로 각 채널(110)의 단면적이 작다. 따라서, 채널(110)로 유입된 유해물질을 함유한 가스는 실질적으로 그 고유의 확산계수에 따른 확산 효과에 의해 채널(110)을 통해 유동하게 된다.
각 채널(110)로 유입된 유해물질은 채널(110) 각각의 단면적의 차이에 상관없이 실질적으로 동시에 채널(110)을 빠져나와 챔버(210)로 유입된다.
각각의 흡착 부재(220)의 길이는 챔버(210)의 높이에 비해 작게 형성되므로, 흡착 부재(220) 위로는 길이(L2)의 빈 공간이 형성되어 있다.
하나의 채널(110-1)에서 빠져나와 챔버(210)로 유입된 유해물질(M)은 그에 대응하는 흡착 부재(220-1) 방향뿐만 아니라 인접한 흡착 부재(220-2)를 향해 확산해나갈 수는 있으나, 대부분 유해물질(M)의 농도가 상대적으로 높은 측방보다는 농도가 낮은 하방으로 확산해나갈 것이다.
즉, 하나의 채널(110-1)을 빠져나온 유해물질(M)은 그 하방에 형성된 대응 흡착 부재(220-1)를 향해 이동하여, 흡착 부재(220-1)에 접촉한다.
마찬가지로, 제2 채널(110-2)로부터 확산에 의해 빠져나온 유해물질(M)은 그에 대응하는 제2 흡착 부재(220-2)를 향해 이동하며, 제n의 채널(110-n)로부터 확산에 의해 빠져나온 유해물질(M)은 그에 대응하는 제n의 흡착 부재(220-n)를 향해 이동한다.
흡착 부재(220)에 유해물질(M)이 부착되면, 챔버(210)의 내부에 있는 가스의 농도는 챔버(210)의 외부의 것보다 작아지므로, 확산 작용에 의해 챔버(210) 내부로 유해물질을 함유한 가스가 지속적으로 유입된다. 반면, 챔버(210)로 유입되어 유해물질이 흡착 부재(220)에 포집된 가스는 가스 출구(212)를 통해 외부로 방출되면서, 가스의 순환이 이루어진다.
유기화합물인 유해물질(M)은 반데르발스 힘(van der Waals Force)에 의해 탄소 나노 튜브로 이루어진 흡착 부재(220)에 부착되어 포집된다. 유해물질(M)이 흡착 부재(220)에 부착되면, 흡착 부재(220)를 저항으로 포함하는 전기 회로의 저항에 변화가 발생한다.
상술한 바와 같이, 전기 회로를 상기 복수의 흡착 부재 별로 저항 변화가 측정되도록 구성하면, 각 흡착 부재(220)에 대한 유해물질(M)의 흡착 상태를 검출할 수 있게 된다. 아울러, 전기 회로의 전체 저항 변화율을 통해 흡착 부재(220)에 흡착된 유해물질(M) 양(즉, 농도)도 검출 가능하다.
가스 센서(1)의 유해물질(M)에 대한 샘플링 율(sampling rate)(S)은 하기 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015096405419-pat00001
여기서, D는 유해물질의 확산계수이고, A1은 복수의 채널(110)의 단면적의 총합이며, A2는 복수의 흡착부재(220)가 차지하는 면적이고, L1은 채널(110)의 길이이며, L2는 챔버(210)의 높이에서 복수의 흡착부재(220)의 평균 높이를 뺀 값이다.
흡착부재(220)의 평균 높이를 조정하여, 가스 센서(1)의 샘플링 율을 조정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 가스 센서(1)는 한 종류의 유해물질(M)이 가스에 포함된 경우에 국한되지 않고, 여러 종류의 유해물질이 가스에 포함된 경우에도 각 유해물질의 종류를 동시에 검출 및 분석할 수 있다.
도 5는 이종의 유해물질(M)이 가스 센서(1)로 유입되어 검출되는 과정을 도시한 것이다.
본 실시예에 따르면 하나의 흡착 부재(220)는 하나의 덩어리가 아닌 복수의 미세한 흡착 기둥(221, 222, 223)이 밀집 배치되어 형성된다.
기체 법칙에 따라 이종의 유해물질(M)은 그 분자량(고유의 확산계수)에 따라 동시에 채널(110)에 유입되더라도 상이한 속도로 확산된다.
따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 확산성이 우수한 유해물질(A)이 채널(110)에서 가장 빨리 빠져나온다.
채널(110)에서 가장 빨리 탈출한 유해물질(A)은 하나의 흡착 부재 중 가장 긴 흡착 기둥(221)의 상부에 집중적으로 흡착된다.
흡착 기둥(221)의 상부는 유해물질(A)에 의해 포화되었을 가능성이 높으므로, 채널(110)을 빠져나온 유해물질(B)은 흡착 기둥(221)보다 낮은 높이의 흡착 기둥(222)의 상부에 흡착된다. 이때, 유해물질(B)는 흡착 기둥(222)의 상부 높이와 대략 동일한 높이에서 흡착 기둥(221)에 흡착될 수도 있다.
유사하게, 채널(110)을 가장 늦게 빠져나온 유해물질(C)은 흡착 기둥(222)보다 더 낮은 높이의 흡착 기둥(223)에 흡착된다.
이와 같이, 하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥의 높이를 다변화함으로써 유해물질이 누락되지 않고 흡착되어 검출되도록 할 수 있다. 즉, 확산 속도가 가장 빠른 유해물질(A) 외에도 다른 유해물질(B, C)이 가스 중에 포함되어 있음에도 불구하고, 흡착 부재 상에서 유해물질(B, C)이 흡착될 공간이 부족하여 걸러지지 않고 가스 센서(1)를 빠져나가는 일을 피할 수 있다.
이밖에도, 하나의 흡착 부재(220)를 형성하는 복수의 흡착 기둥(221, 222, 223)이 서로 다른 단면적을 가지도록 하는 것으로도, 가스 센서(1)의 감도를 증가시킬 수 있다.
도 5에는 단 3개의 흡착 기둥이 하나의 흡착 부재를 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것임이 이해되어야 할 것이다.
도 6은 하나의 흡착 부재(220)를 확대 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 탄소 나노 튜브는 수 나노미터의 굵기를 가지도록 성장시킬 수 있으므로, 수밀리미터의 단면적으로 가지는 하나의 채널 아래 많게는 수만개의 흡착 기둥이 형성될 수 있다.
가스 센서(1)의 감도를 증가시키기 위하여, 하나의 흡착 부재(220)를 형성하는 복수의 흡착 기둥(221, 222, 223)은 서로 다른 길이를 가지거나 서로 다른 단면적을 가지는 흡착 기둥을 포함하여, 그 길이와 단면적이 매우 다양하게 조합되어 있다.
한편, 동일한 유해물질(M)이라고 할지라도, 흡착 기둥의 길이 등에 따라 흡착 기둥에 포집되는 시간 등이 조금씩 상이하다는 특성을 이용해 유해물질(M)의 종류를 구분해 낼 수 있다.
예를 들어, 흡착 부재(220)를 형성하는 흡착 기둥 중에서 길이가 가장 긴 흡착 기둥들의 길이가 각 흡착 부재별로 상이하게 형성될 수 있다.
이와 같은 구성에 따르면, 이종의 유해물질들의 식별이 가능해진다.
도 7은 하나의 유해물질이 특정 농도로 포함된 가스를 가스 센서(1)를 통해 검출한 결과를 예시적으로 도시한 그래프이다.
예를 들어, 유해물질(A)만이 특정 농도로 포함된 가스를 가스 센서(1)를 이용해 검출한다고 할 때, 각 흡착 부재(220)를 형성하는 가장 긴 흡착 기둥들이 길이가 서로 상이하므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 각 흡착 부재(220)에 대한 저항 변화율은 미세한 시간차 및 크기차를 가진다.
도 7은 유해물질(A)가 해당 농도로 가스 중에 포함되었을 경우를 지시하는 전기 회로의 저항 변화 결과이다.
마찬가지로, 유해물질(A)와 다른 유해물질들 단독으로 포함된 가스 또는 두 종류 이상의 유해물질이 포함된 가스에 대해서도 도 7과 같은 전기 회로의 저항 변화 결과를 얻을 수 있다. 각각의 저항 변화 결과들은 해당 유해물질의 농도, 종류 및 조합에 따라 제각각 상이하여 해당 성분을 지시하는 일종의 지문으로 이용될 수 있다.
실험적으로 얻어진 전기 회로의 저항 변화 결과들은 가스 센서(1)의 검출 결과를 분석하는 컴퓨터(미도시)의 메모리로 보내져 전기 회로의 저항 변화 라이브러리(library)를 구축하게 된다.
가스 센서(1)로부터 감지된 실제 감지된 전기 회로의 저항 변화 값을 패턴 인식 기술(chemometic 기법)을 이용해 이미 구축된 저항 변화 라이브러리와 비교하면, 가스 센서(1)에서 검출된 유해물질의 종류 및 농도 등을 정성적으로 유추해낼 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 가스 센서(1)에 의하면, 가스 확산을 이용해 별도의 구동원이 없이도 가스를 흡입하여 그 내부에 포함된 유해물질을 분석할 수 있어, 센서의 무동력화가 가능하다.
또한, 높이 및 단면적 등이 조절 가능한 탄소 나노 튜브를 성장시켜 다양한 유해물질이 갖는 고유한 확산 계수를 이용하여 선택적으로 흡착시킴으로써 센서 자체로서 유해물질에 대한 선택성을 확보할 수 있다.
또한, 원심 분리 등의 분리 과정 없이도 이종의 유해물질을 즉각 분석하고 식별할 수 있다.

Claims (17)

  1. 내부 공간이 형성된 챔버;
    상기 챔버 내로 가스가 연통될 수 있도록 개방되는 채널;
    전기 전도성을 가지며, 상기 내부 공간에서 상기 채널의 길이 방향과 평행하게 연장되도록 형성되어 상기 챔버 내로 유입된 상기 가스에 포함된 유해물질이 부착될 수 있는 복수의 흡착 부재;
    상기 복수의 흡착 부재를 저항으로 포함하는 전기 회로를 포함하고,
    상기 챔버의 내외부의 상기 유해물질의 농도차에 따른 가스의 확산 작용으로 상기 유해물질이 상기 채널을 통해 상기 챔버 내로 유입되고,
    각각의 흡착 부재는 최대 높이가 서로 상이하며,
    각각의 흡착 부재에 상기 유해물질이 시간차를 가지고 부착됨에 따른 상기 전기 회로의 저항 변화를 감지하여, 상기 유해물질의 존재를 감지하고 상기 유해물질의 종류를 도출할 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 부재는 서로 이격 배치되는 복수의 흡착 기둥이 밀집 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 채널을 포함하고,
    하나의 채널 아래에 하나 이상의 흡착 부재가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥은 서로 다른 길이를 가지는 흡착 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥 중 길이가 가장 긴 흡착 기둥의 길이는 복수의 흡착 부재 마다 상이한 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  8. 제4항에 있어서,
    하나의 흡착 부재를 형성하는 복수의 흡착 기둥은 서로 다른 단면적으로 가지는 흡착 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 채널은 서로 다른 단면적으로 가지는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 챔버에 형성되는 전도성 면;
    상기 챔버의 외부에 형성되고, 상기 전도성 면과 전기적으로 연결되는 전도체를 포함하고,
    상기 흡착 부재는 상기 전도성 면 위에 형성되며,
    상기 전기 회로는, 상기 전도성 면, 상기 흡착 부재 및 상기 전도체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 면은 상기 챔버의 일면 위에 부착된 전도성 기판에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 면은 상기 챔버의 일면에 전도성 이온을 침투시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 흡착 부재는 전도성 면에 이종 접합 가능한 전도성을 가지는 활성화된 나노 카본 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 흡착 부재는 상기 전도성 면 위에서 성장하거나 성장된 상태에서 상기 전도성 면 위에 전사되는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    실험적으로 획득된 유해물질의 종류 및 농도별 상기 전기 회로의 저항 변화 라이브러리와,
    실제 감지된 저항 변화를 비교하여 상기 유해물질의 종류 및 농도를 유추하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 저항 변화 라이브러리는 두 종류 이상의 유해물질이 포함된 가스가 상기 챔버로 유입되었을 때의 상기 전기 회로의 저항 변화에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전기 회로는 상기 복수의 흡착 부재별로 저항 변화가 측정되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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