KR101927444B1 - Self-powered apparatus for measuring gas using solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 포함하는 필름을 구비한 태양 전지의 출력을 기초로 공기 중에 포함된 특정 성분의 존재 여부 또는 농도를 별도의 외부 전원 없이 측정하는 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring self-generated gas using a solar cell, and more particularly to an apparatus for measuring the presence of a specific component contained in air based on the output of a solar cell having a film containing a substance, The present invention relates to a self-generated gas measuring apparatus using a solar cell, which measures the presence or the concentration of the self-generated gas without an external power source.
가스 누출은 뇌졸중, 심장실환, 천식과 같은 심각한 질병을 유발하고, 또는 대형 사고로 이어질 수 있기 때문에 가스 누출 여부 또는 가스 농도를 알고자 하는 수요가 증가하고 있다. 이를 위해 최근에는 질량분석 방법, 광학적 방법, 전기 저항적 방법, 전기 화학적 방법 등을 이용한 가스 센서들이 사용되고 있다. Demand for gas leaks or gas concentrations is increasing because gas leaks can lead to serious illnesses such as stroke, cardiac arrest, and asthma, or can lead to major accidents. To this end, gas sensors using mass spectrometry, optical methods, electrical resistivity methods, electrochemical methods, etc. have been used.
질량분석 방법 및 광학적 방법을 이용한 가스 센서는 정확한 값을 측정할 수 있지만 고가이며 부피가 매우 커서 가정용 또는 휴대용으로 사용하기에는 한계가 있다. Gas sensors using mass spectrometry and optical methods can measure accurate values, but are expensive and bulky, limiting their use for home or portable use.
또한 전기 저항식 방법 및 전기 화학식 방법을 이용한 가스 센서는 소형으로 제작이 가능하지만 필수적으로 전력을 필요로 하기 때문에 소비 전력을 줄이기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있는 실정이다.In addition, although the gas sensor using the electric resistance method and the electrochemical method can be manufactured in a small size, studies are actively conducted to reduce the power consumption because electric power is necessarily required.
본 발명의 실시예에서 해결하고자 하는 과제는 가스를 측정함에 있어서 구조가 간단하여 휴대성이 좋으면서 제조 비용이 적고, 소비 전력을 필요로 하지 않는 기술을 제공하는 것이다. A problem to be solved in the embodiment of the present invention is to provide a technique for measuring gas, which is simple in structure, has good portability, low manufacturing cost, and does not require power consumption.
다만, 본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 도출될 수 있다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치는 제1 태양 전지, 상기 제1 태양 전지의 광 투과층 상에 마련되고, 타겟 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 포함하는 필름 및 상기 필름을 통해 투과한 광이 상기 광 투과층 상에 도달한 경우의 상기 제1 태양 전지의 출력을 기초로 공기 중에 포함된 상기 타겟 성분의 존재 여부를 측정하는 측정 모듈을 포함한다. An apparatus for measuring self-generated gas using a solar cell according to an embodiment of the present invention includes a first solar cell, a film provided on the light-transmitting layer of the first solar cell, And a measurement module for measuring the presence or absence of the target component contained in the air based on the output of the first solar cell when the light transmitted through the film reaches the light-transmitting layer.
이때 상기 물질은 타겟 성분과 반응하여 색이 변하는 TMPD(N, N, N', N′'-tetramethyl-p-phenylenediamine), Rhodium complex 및 Bromophenol blue 중 적어도 하나일 수 있고, 이때 상기 타겟 성분은 NO2, CO, NH3, H2S 중 적어도 하나일 수 있다.Wherein the material may be at least one of TMPD (N, N, N ', N''- tetramethyl-p-phenylenediamine), Rhodium complex and Bromophenol blue, 2 , CO, NH3, and H2S.
또한 상기 필름은 IPA(isopropyl alcohol)에 상기 TMPD를 녹인 용액을 PDMS(polydimethylsiloxane)에 스프레이 코팅하여 제조될 수 있다. The film may also be prepared by spray coating a solution of TMPD in IPA (isopropyl alcohol) onto polydimethylsiloxane (PDMS).
더하여 상기 필름은 일면에 복수의 이격된 함몰부가 형성될 수 있다. In addition, the film may have a plurality of spaced depressions on one surface thereof.
아울러 상기 측정 모듈은 광 투과층 상에 상기 물질을 포함하지 않는 필름이 마련된 제2 태양 전지, 상기 제1 태양 전지의 제1 출력 및 상기 제2 태양 전지의 제2 출력을 입력 받아 상기 제1 출력 및 상기 제2 출력의 차이에 비례하는 출력 신호를 출력하는 차동 증폭기 및 상기 출력 신호를 기초로 상기 타겟 성분의 존재 여부 또는 농도를 나타내는 표시부를 포함할 수 있다. The measurement module may further include a second solar cell having a film that does not include the substance on the light transmitting layer, a first output of the first solar cell, and a second output of the second solar cell, And a differential amplifier for outputting an output signal proportional to a difference between the first and second outputs, and a display unit for indicating the presence or concentration of the target component based on the output signal.
이때 상기 측정 모듈은 제3 태양 전지를 더 포함하고, 상기 차동 증폭기는 상기 제3 태양 전지에 의해 구동되며, 상기 표시부는 LED일 수 있다. Here, the measurement module may further include a third solar cell, the differential amplifier may be driven by the third solar cell, and the display unit may be an LED.
본 발명의 실시예에 따르면, 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질이 코팅된 필름을 투과하는 광량에 따라 변화하는 태양 전지의 출력을 기초로 가스의 농도를 측정할 수 있으면서, 각 구성이 태양 전지가 스스로 생산한 전력에 의해 작동되기 때문에 별도의 외부 전력 없이 구동시킬 수 있다. According to the embodiment of the present invention, it is possible to measure the concentration of the gas based on the output of the solar cell which varies with the amount of light transmitted through a film coated with a substance whose color changes in response to a specific component, Can be driven without additional external power because it is operated by the power produced by itself.
또한 고분자 필름 및 얇은 판 형태의 태양 전지만으로 구성되기 때문에 휴대성이 좋으면서 제조 비용이 적다. 따라서 다른 기기에 붙이는 형태로서 다른 기기들과 쉽게 호환이 가능하다. In addition, because it is composed of polymer film and thin plate type solar cell, it has good portability and low manufacturing cost. Therefore, it can be easily attached to other devices and easily compatible with other devices.
더불어 LED, 백열등, 형광등, 태양광 등의 광원을 이용할 수 있는 가정이나 사무실에 설치하여 간편하게 가스 누출 여부를 확인할 수 있다. In addition, it can be easily installed in a home or office where light sources such as LED, incandescent lamp, fluorescent lamp, and solar light can be used to easily check the gas leakage.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 NO2와 반응하여 푸른색으로 변하는 TMPD가 코팅된 필름의 제조 방법을 도시하는 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 일면에 복수의 이격된 함몰부가 형성된 필름의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 가스가 없는 환경 및 가스가 노출된 환경 각각에서, 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 광의 파장에 따른 광의 투과량을 도시한 그래프이다.
도 5는 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 공기 중에 포함된 NO2의 농도에 따른 태양 전지의 출력 전류 변화량을 도시한 그래프이다.
도 6a는 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 공기 중에 포함된 NO2의 농도에 따른 태양 전지를 이용한 가스 측정 장치의 감도를 도시한 그래프이다.
도 6b는 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 공기 중에 포함된 NO2의 농도에 따른 태양 전지의 출력 전류 변화량의 기울기를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치의 구성 중 측정 모듈의 회로도를 포함하는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치를 실제 구현한 모습을 나타내는 도면이다. 1 is a configuration diagram of an apparatus for measuring self-generated gas using a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flow chart showing a method for producing a film coated with TMPD which turns blue by reacting with NO 2 .
Figures 3a and 3b are cross-sectional views of a film having a plurality of spaced depressions on one surface.
FIGS. 4A and 4B are graphs showing transmittance of light according to the wavelength of light for each of the films manufactured according to the plurality of examples in the gas-free environment and the gas-exposed environment, respectively.
FIG. 5 is a graph showing the amount of change in the output current of the solar cell according to the concentration of NO 2 contained in the air for each of the films manufactured according to the plurality of examples.
6A is a graph showing the sensitivity of a gas measuring apparatus using a solar cell according to the concentration of NO 2 contained in the air for each film manufactured according to a plurality of examples.
FIG. 6B is a graph showing the slope of the output current variation of the solar cell according to the concentration of NO 2 contained in the air for each of the films manufactured according to the plurality of examples.
FIG. 7 is a block diagram illustrating a circuit diagram of a measurement module in a configuration of an apparatus for measuring self-generated gas using a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view showing an actual implementation of an apparatus for measuring self-generated gas using a solar cell according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, To fully disclose the scope of the invention to a person skilled in the art, and the scope of the invention is only defined by the claims.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions will be omitted unless otherwise described in order to describe embodiments of the present invention. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.The functional blocks shown in the drawings and described below are merely examples of possible implementations. In other implementations, other functional blocks may be used without departing from the spirit and scope of the following detailed description. Also, while one or more functional blocks of the present invention are represented as discrete blocks, one or more of the functional blocks of the present invention may be a combination of various hardware and software configurations that perform the same function.
또한 어떤 구성 요소들을 포함한다는 표현은 개방형의 표현으로서 해당 구성 요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성 요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.Also, to the extent that the inclusion of certain elements is merely an indication of the presence of that element as an open-ended expression, it should not be understood as excluding any additional elements.
나아가 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. Further, when a component is referred to as being connected or connected to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it should be understood that there may be other components in between.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다. Also, the expressions such as 'first, second', etc. are used only to distinguish a plurality of configurations, and do not limit the order or other features between configurations.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치(10)의 구성도이다.1 is a configuration diagram of an apparatus for measuring self-generated
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치(10)는 태양 전지(110), 필름(120) 및 측정 모듈(200)을 포함한다. 1, an
태양 전지(110)는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 태양 전지(110)는 실리콘 반도체를 사용하는 방식과 화합물 반도체를 사용하는 방식이 있으나, 본 발명에서는 어느 한 방식에 한정되지 않고 외부 전력 없이 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 태양 전지(110)를 모두 사용할 수 있다. The
이때 태양 전지(110)는 빛 에너지를 받아들이기 위해 빛을 투과시키는 구성인 광 투과층을 구비한다. 이러한 광 투과층의 최외면은 일반적으로 커버 유리가 감싸고 있다. 본 발명의 명세서에서는 태양 전지(110)에서 빛을 투과시키는 역할을 하는 구성을 광 투과층으로 칭하며, 협소하게는 커버 유리를 의미할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. At this time, the
필름(120)은 태양 전지(110)의 광 투과층 상에 마련된다. 이때 필름(120)은 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 포함하고 있다. 따라서 공기 중에 특정 성분이 존재하는 경우 필름(120)에 포함된 물질은 공기 중의 특정 성분과 반응하여 필름(120)의 색이 변하게 된다. 따라서 필름(120)의 변색에 의해 필름(120)을 투과하는 광량이 달라지게 되므로, 태양 전지(110)의 광 투과층이 흡수하는 빛 에너지도 달라지게 된다. 이에 따라 태양 전지(110)가 생성하는 전기 에너지도 달라지게 된다. The
즉, 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 포함하는 필름(120)에 의해 태양 전지(110)가 출력하는 전기 에너지가 변한다는 원리에 기초하여, 공기 중 특정 성분의 존재 여부, 또는 특정 성분의 농도를 측정할 수 있게 된다. That is, based on the principle that the electric energy output by the
한편 특정 성분을 감지하기 위한 물질의 예시로서, 공기 중에 포함된 NO2(nitrogen dioxide)와 산화/환원 반응하여 푸른색으로 변하는 TMPD(N, N, N', N′'-tetramethyl-p-phenylenediamine)(111)를 사용할 수 있다. 본 발명의 명세서는 TMPD(111)라는 물질을 예시로서 후술하지만, 이러한 물질이 TMPD(111)에 한정되지 않으며 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 다양한 물질을 본 발명의 실시예로서 사용할 수 있다. As an example of a substance for detecting a specific component, TMPD (N, N, N ', N "-tetramethyl-p-phenylenediamine) which changes to blue by an oxidation / reduction reaction with NO 2 ) 111 may be used. The specification of the present invention will be described below with reference to a material named TMPD (111). However, the material is not limited to TMPD (111), and various materials that change color by reacting with a specific component may be used as an embodiment of the present invention.
이때 필름(120)은 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 전체적으로 함유하거나, 또는 필름(120)에 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 예를 들어,At this time, the
도 2는 NO2와 반응하여 푸른색으로 변하는 TMPD(111)가 코팅된 필름(120)의 제조 방법을 도시한 순서도이다. FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing a
도 2를 참조하면, 우선 SU-8을 실리콘 웨이퍼(Si) 위에 스핀 코팅한다(S210). 이후, SU-8에 패터닝을 통해 필름(120)의 모양이 될 틀을 형성한다(S220). 다음으로, 패터닝된 모양대로 몰딩하여 필름(120)을 형성한다(S230). 이후, IPA(isopropyl alcohol)에 TMPD(111)를 녹인 용액을 형성된 필름(120)에 스프레이 코팅한다(S240). 이때 필름(120)은 태양 전지(110)에 투과되는 빛을 방해하지 않기 위해 투명한 PDMS(polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. Referring to FIG. 2, SU-8 is first spin-coated on a silicon wafer (S210). Thereafter, a mold for forming the shape of the
한편, 도 2에 도시된 S210 내지 S230 단계는 일반적인 필름을 제조하기 위해 공지된 예시일 뿐으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 필름(120)을 제조하기 위한 방법이 이에 한정되는 것은 아니다. Meanwhile, steps S210 through S230 shown in FIG. 2 are only known examples for producing a general film, and the method for manufacturing the
이때 S220 단계에서 도 2에 도시된 모양과 같이 SU-8에 복수의 이격된 홈을 갖도록 패터닝을 하였다면, S230 단계에서 필름(120)은 일면에 복수의 이격된 함몰부가 형성된다. In this case, if the SU-8 is patterned so as to have a plurality of spaced grooves as shown in FIG. 2 in step S220, a plurality of spaced depressed portions are formed on one surface of the
도 3a 및 도 3b는 일면에 복수의 이격된 함몰부가 형성된 필름(120)의 단면도로서, 도 3a에 도시된 함몰부의 종횡비(지름 대 깊이의 비율)는 1:1이며, 도 3b에 도시된 함몰부의 종횡비는 1:3이다. 이에 따라, 공기 중의 특정 물질과 반응하는 필름(120)의 표면적을 증가시켜 센싱 감도를 증가시킬 수 있다. 이때 함몰부는 공기 중에 포함된 타겟 성분과의 반응 면적을 넓히기 위해 제작된 마이크로 포스트 구조 또는 나노 구조일 수 있다. 3A and 3B are cross-sectional views of a
도 4a 및 도 4b는 가스가 없는 환경 및 가스가 노출된 환경 각각에서, 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 광의 파장에 따른 광의 투과량을 측정한 그래프를 도시한 도면이다. FIGS. 4A and 4B are graphs showing the measurement of the transmittance of light according to the wavelength of light for each of the films manufactured according to the plurality of embodiments in the gas-free environment and the gas-exposed environment, respectively.
도 4a를 참조하면, 1 및 1-1은 PDMS로 제조된 필름으로 함몰부가 없으며, 2 및 2-1은 PDMS로 제조된 필름으로 종횡비 1:1의 함몰부를 갖으며, 3 및 3-1은 PDMS로 제조된 필름으로 종횡비 1:3의 함몰부를 갖는다. 도 4a에서 실험된 모든 필름은 TMPD(111)가 코팅되어 있지 않은 상태이다.Referring to FIG. 4A,
이때 1, 2, 3의 필름은 공기 중에 NO2가 포함되지 않은 환경에서 광의 투과량을 측정하였고, 1-1, 2-1, 3-1의 필름은 NO2 20ppm에 30분 동안 노출 시킨 뒤 광의 투과량을 측정하였다. At this time, the transmittance of light in 1, 2, and 3 films was measured in an environment free of NO 2 in the air, and the films of 1-1, 2-1, and 3-1 were exposed to NO 2 20 ppm for 30 minutes, And the amount of permeation was measured.
여기서, 도 4a에서 실험된 모든 필름은 TMPD(111)가 코팅되어 있지 않기 때문에 공기 중에 NO2가 존재하는지 여부와는 상관없이 광의 파장에 따른 광의 투과량이 동일함을 확인할 수 있다. Here, since all the films tested in FIG. 4A are not coated with TMPD (111), it can be confirmed that the light transmittance according to the wavelength of light is the same regardless of whether or not NO 2 exists in the air.
도 4b를 참조하면, 4 및 4-1은 PDMS로 제조된 필름으로 함몰부가 없으며, 5 및 5-1은 PDMS로 제조된 필름으로 종횡비 1:1의 함몰부를 갖으며, 6 및 6-1은 PDMS로 제조된 필름으로 종횡비 1:3의 함몰부를 갖는다. 도 4b에서 실험된 모든 필름은 TMPD(111)가 코팅되어 있는 상태이다.Referring to FIG. 4B, reference numeral 4 and 4-1 are films made from PDMS without depressions, 5 and 5-1 are PDMS films having depressions with aspect ratio of 1: 1, 6 and 6-1 A film made of PDMS has a depression of aspect ratio 1: 3. All the films tested in Figure 4B are in the state of TMPD (111) coated.
이때 4, 5, 6의 필름은 공기 중에 NO2가 포함되지 않은 환경에서 광의 투과량을 측정하였고, 4-1, 5-1, 6-1의 필름은 NO2 20ppm에 30분동안 노출 시킨 뒤 광의 투과량을 측정하였다. At this time, 4, 5, 6 after which the film was measured for light transmittance in an environment that does not contain the NO 2 in the air, 4-1, 5-1, for 30 min exposure to film for 6-1 NO 2 20ppm light And the amount of permeation was measured.
여기서, 도 4b에서 실험된 모든 필름은 TMPD(111)가 코팅되어 있기 때문에 공기 중에 NO2가 존재하는지 여부에 따라 광의 파장에 따른 광의 투과량이 다르고, 함몰부가 존재하는 필름의 경우 함몰부가 존재하지 않는 필름에 비하여 광의 투과량 차이가 크므로 공기 중의 NO2를 감지할 수 있는 감도가 더 큼을 확인할 수 있다. Since all the films tested in FIG. 4B are coated with TMPD (111), the light transmittance varies depending on the presence or absence of NO 2 in the air depending on the wavelength of light, and in the case of a film having depressions, It can be confirmed that the sensitivity to detect NO 2 in the air is higher because the difference in the amount of light transmission is larger than in the case of the film.
한편, 도 4a 및 도 4b에서는 NO2를 타겟 성분으로 하여 실험하였지만, 이에 한정되지 않으며, CO, NH3, H2S 등의 다양한 유해 가스를 타겟 성분으로 하여 타겟 성분의 존재 여부 및 농도를 측정할 수 있다.On the other hand, Fig. 4a and in Figure 4b but experiments by the NO 2 to the target component, it is not limited to, CO, NH 3, H 2 S measure the presence and concentration of the target component by a variety of noxious gases to the target component, such as can do.
도 5는 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 공기 중에 포함된 NO2의 농도에 따른 태양 전지(110)의 출력 전류 변화량을 도시한 그래프이고, 도 6a는 복수의 실시예에 따라 제조한 필름 별로 공기 중에 포함된 NO2의 농도에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치(10)의 감도를 도시한 그래프이며, 도 6b는 복수의 실시예에 따라 제조한 필름(120) 별로 공기 중에 포함된 NO2의 농도에 따른 태양 전지(110)의 출력 전류 변화량의 기울기를 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the amount of change in the output current of the
도 5를 참조하면, 공기 내에 포함된 NO2의 농도가 높은 환경일수록 태양 전지(110)가 출력하는 전류의 변화량 (
또한 도 6a은 도 5의 실험 결과를 기초로 공기 중 NO2의 농도에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치(10)의 감도를 나타낸 그래프로서, 이때 감도는 
더불어 도 6b는 도 5의 실험 결과를 기초로 공기 중 NO2의 농도에 따른 기울기를 나타낸 그래프이므로, 이때 기울기는 300초 동안의 전류 변화를 의미하여 필름(120)이 NO2와 반응한 직후 얼마나 빠르게 전류가 변하는지 반응 속도를 나타낸다. 따라서 도 6b에 따르면 종횡비가 클수록 NO2와 접촉하는 표면적이 증가하여 상대적으로 반응 속도가 큰 것을 확인할 수 있다. With Figure 6b because it is a graph showing a gradient corresponding to the concentration of NO 2 in the air on the basis of the results of Figure 5, where the slope is much immediately after the mean change in the current of for 300 seconds to film 120 is reacted with NO 2 It shows the reaction rate whether the current changes rapidly. Therefore, according to FIG. 6B, it can be seen that the larger the aspect ratio is, the larger the surface area in contact with NO 2 is, and the higher the reaction rate is.
이를 위해, 측정 모듈(200)은 태양 전지(110)의 출력을 기초로 공기 중 타겟 성분의 존재 여부 또는 농도를 측정한다. 이때 측정 모듈(200)은 위 기능을 수행하도록 프로그램된 명령어를 포함하는 메모리, 및 이들 명령어를 수행하는 마이크로프로세서를 포함하는 연산 장치에 의해 구현될 수 있고, 또는 이와 달리 간단한 회로로서 구성할 수도 있다. To this end, the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치(10)의 구성 중 측정 모듈의 회로도를 포함하는 구성도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치를 구현한 모습을 나타내는 도면이다. FIG. 7 is a block diagram showing a circuit diagram of a measurement module in the configuration of an
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 측정 모듈(200)은 제2 태양 전지(210), 차동 증폭기(220) 및 표시부(230)를 포함한다. (광 투과층 상에 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 포함하는 필름(120)이 구비된 태양 전지는, 이하 '제1 태양 전지(110)'로 지칭한다)7 and 8, in an embodiment of the present invention, the
제2 태양 전지(210)는 제1 태양 전지(110)의 출력과 대조군으로 사용하기 위한 태양 전지로서 광 투과층에 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질을 포함하지 않는 필름(120)을 구비한다. The second
차동 증폭기(220)는 제1 태양 전지(110)의 제1 출력 및 제2 태양 전지(210)의 제2 출력을 입력 받아, 제1 출력 및 제2 출력의 차이에 비례하는 출력 신호를 출력한다. 이러한 차동 증폭기(220)의 출력 신호는 도 7에 나타낸 바와 같이 표시부(230)의 전원으로서 공급될 수 있다.The
다만, 도 7 및 도 8에 도시된 차동 증폭기의 회로 구성은 하나의 예시로서 이에 한정되지 않으며, 제1 출력 및 제2 출력의 차이에 비례하는 출력 신호를 출력하는 다양한 회로 구성을 사용할 수 있다. However, the circuit configuration of the differential amplifier shown in Figs. 7 and 8 is not limited thereto, and various circuit configurations can be used to output an output signal proportional to the difference between the first output and the second output.
표시부(230)는 차동 증폭기(220)의 출력 신호를 기초로 공기 내 특정 성분의 농도를 나타낸다. 표시부(230)는 예를 들어, 도 5 및 도 6의 실험 결과를 기초로 차동 증폭기(220)의 출력 신호를 공기 내 특정 성분의 농도로 환산된 값을 표시할 수 있다. 이를 위해, 표시부(230)는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이러한 표시부(230)는 도 7에 나타낸 바와 같이 차동 증폭기(220)의 출력 신호를 전원으로서 공급받을 수 있다.The
한편, 본 발명의 일 실시예는 측정 모듈(200)의 전력 소비를 없애기 위하여 차동 증폭기(220)의 전원(Vdd)을 별도의 제3 태양 전지에 의해 구동시킬 수 있고, 표시부(230)를 차동 증폭기(220)의 출력을 전원으로 공급받아 작동하는 LED로 구성할 수 있다. 이때 공기 내 특정 성분이 존재하는 경우 제1 출력과 제2 출력은 차이가 생기게 되어 차동 증폭기(220)가 차이에 비례하는 값을 출력하므로 LED가 켜지고, 공기 내 특정 성분이 존재하지 않는 경우 제1 출력과 제2 출력은 동일하므로 LED는 켜지지 않는다. 이에 따라, LED의 작동 여부로 공기 내 특정 성분이 존재하는지 여부를 알 수 있다. In an embodiment of the present invention, the power source Vdd of the
상술한 실시예에 따르면, 특정 성분과 반응하여 색이 변하는 물질이 포함된 필름(120)을 투과하는 광량에 따라 변화하는 태양 전지의 출력을 이용하여 가스의 농도를 측정할 수 있으면서, 각 구성이 태양 전지가 스스로 생산한 전력에 의해 작동되기 때문에 별도의 외부 전력 없이 구동시킬 수 있다. According to the above-described embodiment, it is possible to measure the concentration of the gas using the output of the solar cell which changes according to the amount of light transmitted through the
또한 고분자 필름(120) 및 얇은 판 형태의 태양 전지만으로 구성되기 때문에 휴대성이 좋으면서 제조 비용이 적다. 따라서 다른 기기에 붙이는 형태로서 다른 기기들과 쉽게 호환이 가능하다. In addition, since the
더불어 LED, 백열등, 형광등, 태양광 등의 광원을 이용할 수 있는 가정이나 사무실에 설치하여 간편하게 가스 누출 여부를 확인할 수 있다. In addition, it can be easily installed in a home or office where light sources such as LED, incandescent lamp, fluorescent lamp, and solar light can be used to easily check the gas leakage.
상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.The above-described embodiments of the present invention can be implemented by various means. For example, embodiments of the present invention may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.In the case of hardware implementation, the method according to embodiments of the present invention may be implemented in one or more Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Digital Signal Processors (DSPs), Digital Signal Processing Devices (DSPDs), Programmable Logic Devices (PLDs) , FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 메모리 유닛은 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.In the case of an implementation by firmware or software, the method according to embodiments of the present invention may be implemented in the form of a module, a procedure or a function for performing the functions or operations described above. The software code can be stored in a memory unit and driven by the processor. The memory unit is located inside or outside the processor, and can exchange data with the processor by various known means.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Thus, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. It is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. .
10: 태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치
110: 제1 태양 전지
120: 필름
121: TMPD
200: 측정 모듈
210: 제2 태양 전지
220: 차동 증폭기
230: 표시부 10: Self-generated gas measuring device using solar cell
110: 1st solar cell
120: film
121: TMPD
200: Measurement module
210: second solar cell
220: Differential amplifier
230:
Claims (7)
상기 필름을 투과한 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿔 출력하는 제1 태양 전지;
상기 필름을 투과하지 않는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿔 출력하는 제2 태양 전지;
제3 태양 전지;
상기 제3 태양 전지에 의해 구동되고, 상기 제1 태양 전지의 제1 출력 및 상기 제2 태양 전지의 제2 출력을 입력 받아, 상기 제1 출력과 상기 제2 출력의 차이에 비례하는 출력 신호를 출력하는 차동 증폭기; 및
상기 차동 증폭기의 출력 신호를 전원으로 공급받아 작동하여, 상기 타겟 성분의 존재 여부 또는 농도를 나타내는 표시부를 포함하는
태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치.A film that contains a substance that changes color by reacting with a target component that can be contained in air, and changes the amount of light transmitted when the substance is discolored;
A first solar cell for converting light energy transmitted through the film into electrical energy;
A second solar cell for converting light energy not transmitted through the film into electrical energy;
A third solar cell;
A second solar cell that is driven by the third solar cell and receives a first output of the first solar cell and a second output of the second solar cell and outputs an output signal proportional to a difference between the first output and the second output A differential amplifier for outputting; And
And a display unit operable to receive an output signal of the differential amplifier as a power source to indicate presence or concentration of the target component
Self - generated gas measurement system using solar cell.
상기 물질은,
상기 타겟 성분과 반응하여 색이 변하는 TMPD(N, N, N', N′'-tetramethyl-p-phenylenediamine), Rhodium complex 및 Bromophenol blue 중 적어도 하나인
태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치.The method according to claim 1,
The material,
At least one of TMPD (N, N, N ', N''- tetramethyl-p-phenylenediamine), Rhodium complex and Bromophenol blue
Self - generated gas measurement system using solar cell.
상기 타겟 성분은,
NO2, CO, NH3, H2S 중 적어도 하나인
태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치.3. The method of claim 2,
The target component may comprise,
At least one of NO 2 , CO, NH 3 , and H 2 S
Self - generated gas measurement system using solar cell.
상기 필름은,
IPA(isopropyl alcohol)에 TMPD(N, N, N', N′'-tetramethyl-p-phenylenediamine)를 녹인 용액을 PDMS(polydimethylsiloxane)에 스프레이 코팅하여 상기 물질을 포함 하는
태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치.The method according to claim 1,
The film may be,
A solution prepared by dissolving TMPD (N, N, N ', N "-tetramethyl-p-phenylenediamine) in IPA (isopropyl alcohol) is spray coated on PDMS (polydimethylsiloxane)
Self - generated gas measurement system using solar cell.
상기 필름은,
일면에 복수의 이격된 함몰부가 형성된
태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치.The method according to claim 1,
The film may be,
A plurality of spaced depressions formed on one surface
Self - generated gas measurement system using solar cell.
상기 표시부는 LED인
태양 전지를 이용한 자가발전 가스 측정 장치.The method according to claim 1,
The display unit includes an LED
Self - generated gas measurement system using solar cell.
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| KR1020170068881A KR101927444B1 (en) | 2017-06-02 | 2017-06-02 | Self-powered apparatus for measuring gas using solar cell |
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2017
- 2017-06-02 KR KR1020170068881A patent/KR101927444B1/en active
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