KR102042602B1 - 호기 가스 분석 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는, 호기 가스 중에서 특정 가스를 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼; 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 특정 가스를 감지하는 가스 센서; 및 가스 센서에서 감지된 값으로부터 특정 가스의 농도를 측정하는 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 호기 가스 분석 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정확성 및 휴대성의 특성이 동시에 만족될 수 있는 호기 가스 분석 장치에 관한 것이다.
호기 가스(Exhaled gas)는 인체의 호흡 작용 중 날숨 시에 구강 또는 비강을 통해 배출되는 가스를 지칭한다. 이때, 호기 가스는 인체의 신진 대사 등에 관련된 각종 가스 성분들을 함유하고 있다. 호기 가스 분석 장치는 이러한 호기 가스를 분석하는 장치로서, 호기 가스 중에 특정 가스의 성분 및 그 농도를 측정하며, 측정된 값을 이용하여 인체의 질환 등에 대한 개략적인 추정을 수행할 수 있다.
하지만, 종래의 호기 가스 분석 장치는 서로 상반된 특성인 정확성과 휴대성을 동시에 만족하기 어려운 문제점이 있었다. 즉, 분석한 결과의 정확성을 높이려는 경우, 종래의 호기 가스 분석 장치는 고가의 구성이 더 많이 필요하여 그 무게 및 비용도 증가할 수 밖에 없어 휴대용 장치로의 구현이 어렵다. 또한, 휴대성을 높이려는 경우, 저가의 구성이 단순하게 구현되어야 하므로 그 분석 결과의 정확성이 상대적으로 떨어질 수 밖에 없었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여 정확성 및 휴대성의 특성을 모두 만족시키기 위해서는 호기 가스 전체에 대해 분석하기 보다는 분석 용도에 따라 특정 가스만을 선택하여 분석할 필요가 있다.
즉, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 호기 가스 중에서 특정 가스를 분리하여 분석함으로써 정확성 및 휴대성의 특성이 동시에 만족될 수 있는 호기 가스 분석 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 호기 가스 중에서 아세톤을 분리하여 분석함으로써 지방 연소 여부와 관련된 인체 상태를 분석하는 호기 가스 분석 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는, (1) 호기 가스 중에서 특정 가스를 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼, (2) 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 특정 가스를 감지하는 가스 센서, (3) 가스 센서에서 감지된 값으로부터 특정 가스의 농도를 측정하는 판단부를 포함한다.
상기 특정 가스는 아세톤일 수 있고, 상기 판단부는 측정된 아세톤의 농도를 이용하여 호기 가스를 배출한 사용자의 인체 상태를 판단할 수 있으며, 상기 인체 상태는 인체 내의 지방 연소 여부와 관련된 상태일 수 있다.
상기 판단부는 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 특정 가스가 가스 센서에 도달하는 시간에 감지된 가스 센서의 값을 이용하여 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다.
상기 판단부는 가스 센서에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 가스 센서에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교함으로써, 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 상기 판단부에서 측정된 결과를 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 상기 가스 크로마토그래피 컬럼으로 유입되는 호기 가스가 일정 온도로 유지되도록 호기 가스에 열을 제공하는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 센서는 기판과, 상기 기판 상에 형성되고 이격 배치된 소스-드레인 전극들과, 상기 전극들 사이에 형성되되 산화아연 양자점을 구비한 감지막을 각각 포함할 수 있다.
상기 감지막은 상기 산화아연 양자점에 인듐(In), 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 타이타늄(Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 불순물이 도핑된 것일 수 있다.
상기 산화아연 양자점에서 아연 및 상기 불순물의 몰비는 99.9:1 내지 90:1일 수 있다.
상기 산화아연 양자점의 평균 입자 크기는 1㎚ 내지 7㎚일 수 있다.
상기 감지막은 상기 산화아연 양자점에 인듐(In)이 도핑됨으로써 산소 공공(oxygen vacancy)의 농도가 증가하는 것일 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 호기 가스의 전체에 대해 분석하기 보다는 호기 가스 중에서 분석 용도에 따라 특정 가스를 분리하여 분석함으로써 정확성 및 휴대성의 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 호기 가스 중에서 특히 아세톤을 분리하여 분석함으로써 지방 연소 여부와 관련된 인체 상태를 간편하면서도 정확하게 분석할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치에서 아세톤이 분리되어 감지되는 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치의 가스 센서(50)의 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치의 가스 센서(50)의 평면도를 나타낸다.
도 5는 분리된 아세톤이 감지막(54)에서 감지되는 원리를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(50)의 제조방법을 나타낸다.
도 7은 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 알루미늄 도핑된 산화아연 양자점의 크기를 투과전자현미경으로 측정한 결과를 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가스 센서(50)에 특정 농도의 아세톤을 감지시킨 후, 감지 시간에 따른 반응성(Response)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치에서 아세톤이 분리되어 감지되는 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치의 가스 센서(50)의 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치의 가스 센서(50)의 평면도를 나타낸다.
도 5는 분리된 아세톤이 감지막(54)에서 감지되는 원리를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(50)의 제조방법을 나타낸다.
도 7은 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 알루미늄 도핑된 산화아연 양자점의 크기를 투과전자현미경으로 측정한 결과를 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가스 센서(50)에 특정 농도의 아세톤을 감지시킨 후, 감지 시간에 따른 반응성(Response)의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하다", "구비하다", "마련하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, "또는", "적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나"는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, "예를 들어"와 같은 표현에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 호기 가스를 그 종류에 따라 분리하되 분리된 가스 중에서 특정 가스를 감지하여 그 농도를 측정하는 동작을 수행한다. 이러한 가스 검출 동작을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 크로마토그래피 컬럼(40), 가스 센서(60) 및 제어부(80)를 포함한다. 또한, 이들 구성을 연결하거나 가스 검출 동작을 보조하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 솔레노이드 밸브(10, 30, 60), 샘플링 루프(20) 및 펌프(70)를 포함한다.
제1 솔레노이드 밸브(10)는 그 개폐 여부에 따라 제1 유입관(11) 및 제2 유입관(12)과 샘플링 루프(20)의 사이를 연결하는 구성이다. 이때, 제1 솔레노이드 밸브(10)는 제 1유입관(11)과 제2 유입관 (12)의 개폐를 선택적으로 조절한다. 즉, 제1 유입관(11)가 개방되는 경우에 호기 가스가 유입되며, 제2 유입관(12)가 개방되는 경우에 운반 에어(air)가 유입된다. 이와 같이 유입되는 호기 가스 또는 운반 에어(air)는 샘플링 루프(20)로 전달된다. 이하, 제 1 솔레노이드 밸브(10)에서 전달된 호기 가스를 "1차 가스"라 칭한다. 즉, 1차 가스 내에는 운반 에어가 섞여 있을 수 있다.
이때, 호기 가스는 날숨 시에 구강 또는 비강을 통해 배출되어 아무 가공 없이 유입된 가스일 수 있으며, 해당 가스가 별도의 필터(미도시)를 통해 필터링 처리된 가스일 수 있다. 또한, 운반 에어는 호기 가스 외의 공기로서, 외부 공기가 유입된 것이거나 해당 외부 공기가 별도의 필터(미도시)를 통해 필터링 처리된 공기일 수 있다. 이러한 운반 에어는 샘플링 루프(20), 가스 크로마토그래피 컬럼(40), 가스 센서(50) 등으로 호기 가스를 이송시키는 역할을 한다. 이때, 필터는 실리카겔, 활성탄, 염화칼슘 등과 같이 극성 분자와 비극성 분자를 흡착하는 재질로 충진된 필터일 수 있다.
샘플링 루프(20)는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)으로 주입되기 위한 1차 가스를 포집하는 루프 형상의 구성으로서, 새로운 1차 가스가 유입되면 내부에 이미 포집된 1차 가스를 순차적으로 제2 솔레노이드 밸브(30)로 전달한다. 이때, 샘플링 루프(20)는 그 내측이 1차 가스가 흡착되기 어려운 재질로 구성되며, 직경 대비 길이를 충분히 길게 형성된 구조를 가진다. 예를 들어, 샘플링 루프(20)의 내측은 테프론 등으로 구성될 수 있다.
제2 솔레노이드 밸브(30)는 그 개폐 여부에 따라 샘플링 루프(20)와 가스 크로마토그래피 컬럼(40) 및 바이패스관(13)의 사이를 연결한다. 즉, 제2 솔레노이드 밸브(30)가 열리는 경우, 샘플링 루프(20)로부터 유입되는 1차 가스가 가스 크로마토그래피 컬럼(40) 또는 바이패스관(13)으로 선택적으로 전달된다.
즉, 본 발명에서는 펌프(70)의 흡입 속도를 감안하여 계산된 일정 부피의 1차 가스가 샘플링 루프(20)에 포집되고, 포집된 일정 부피의 1차 가스가 가스 크로마토그래피 컬럼(40)로 전달되도록 구현된다. 이를 위해, 본 발명에서는 정해진 시간에 맞춰 솔레노이드 밸브(10, 30, 60)의 개폐가 구동되도록 작동한다. 이때, 일정 부피를 초과하는 1차 가스는 바아패스관(13)을 통해 배출되며, 이에 따라, 일정 부피의 1차 가스가 가스 크로마토그래피 컬럼(40)으로 전달될 수 있다.
바이패스관(13)은 선택된 1차 가스가 바이패스(by-pass)하는 통로로서, 제2 솔레노이드 밸브(30)과 제3 솔레노이드 밸브(60)의 사이를 연결한다. 이때, '선택된 1차 가스'라는 것은 상술한 일정 부피를 초과하는 1차 가스이거나, 샘플링 루프(20)의 내부에 일정 시간을 초과하여 대기 상태에 있는 1차 가스일 수 있다. 이러한 대기 상태의 1차 가스는 샘플링 루프(20)의 내부를 오염시킬 수 있으므로, 제2 솔레노이드 밸브(30), 제3 솔레노이드 밸브(60) 및 펌프(70)의 작동에 따라 바이패스관(13)을 거쳐 외부로 배출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치에서 아세톤이 분리되어 감지되는 모습을 나타낸다.
가스 크로마토그래피 컬럼(40)은 다양한 가스가 혼합 상태로 존재하는 1차 가스를 각각의 단일 화합물로 분리하는 구성으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 유입되는 1차 가스 중에서 아세톤 등과 같이 분석 목적 대상이 되는 가스(이하, "특정 가스"라 지칭함)를 분리해 낼 수 있다. 예를 들어, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)의 내부에는 특정 가스를 분리하기에 적합한 분리 단수의 충진재를 포함할 수 있다. 이때, 각 가스가 갖는 충진재와의 친화력은 각 가스 마다 서로 다르다. 이에 따라, 1차 가스 내에 혼합된 다수의 가스는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)을 통과하면서 그 이동 속도에 차이가 발생(이하, 이와 같이 그 이동 속도 차에 따라 분리된 가스들을 "2차 가스"라 지칭함)하게 되며, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)은 이러한 이동 속도 차이를 통해 특정 가스를 분리해 낼 수 있다.
가스 센서(50)는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)에서 분리된 2차 가스 중에서 특정 가스를 감지하기 위한 센서로서, 특정 가스에 농도에 따라 그 감지되는 값(예를 들어, 전류값)이 달라질 수 있다. 이러한 특정 가스 감지를 위해, 가스 센서(50)는 특정 가스에 대한 감도가 높은 재질로 이루어진 센서인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명은 가스 센서(50)를 통과하는 2차 가스 중 특정 가스가 갖는 고유의 이동 속도에 따라 계산된 해당 특정 가스의 가스 센서(50) 통과 시간 동안에 감지된 가스 센서(50)의 값을 이용함으로써 해당 특정 가스에 대한 농도를 보다 정확하게 감지(이하, "특정 가스 감지 동작"이라 지칭함)할 수 있다. 이러한 특정 가스 감지 동작은 후술할 제어부(80)의 판단부(81)에 의해 수행될 수 있다.
제3 솔레노이드 밸브(60)는 그 개폐 여부에 따라 가스 센서(50)와 펌프(70)의 사이를 연결한다. 즉, 제3 솔레노이드 밸브(30)가 열리는 경우, 가스 센서(50)를 통과한 2차 가스가 펌프(70)를 거쳐 외부로 배출된다.
펌프(70)는 운반 에어, 1차 가스 및 2차 가스가 각 구성으로 유입 및 배출될 수 있도록 그 동력을 제공한다. 펌프(70)의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 펌프(70)는 진공 펌프로 이루어질 수 있으며, 휴대성을 고려할 경우에 소형 터보 펌프, 소형 다이아프램 펌프 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 각 구성의 동작을 구동하고 수행된 동작의 결과를 외부에 알리기 위해, 제어부(80), 표시부(90) 및 전원부(100)를 포함한다.
제어부(80)는 상술한 각 구성을 제어하기 위한 구성으로서, 판단부(81), 센서 구동부(82) 및 하드웨어 제어부(83)를 포함할 수 있다.
판단부(81)는 가스 센서(50)에서 감지된 값으로부터 특정 가스의 농도를 측정하는 구성으로서, 상술한 특정 가스 감지 동작을 수행할 수 있다. 특히, 본 발명에서의 특정 가스는 아세톤일 수 있다. 이 경우, 판단부(81)는 측정된 아세톤의 농도를 이용하여 호기 가스를 배출한 사용자의 인체 상태를 판단할 수 있다. 이때, 아세톤은 간에서 지방 연소 시에 발생되는 부산물로서 혈액을 통해 폐로 이동하여 호기로 배출된다. 즉, 아세톤은 인체 내 지방 연소에 관련된 마커(marker)의 역할을 수행할 수 있으므로, 상술한 인체 상태는 인체 내의 지방 연소 여부와 관련된 상태일 수 있다.
특정 가스의 농도를 측정하기 위해, 판단부(81)는 구체적으로 가스 센서(50)에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 가스 센서(50)에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교할 수 있다. 즉, 가스 센서(50)에서 검출된 전류값은 해당 특정 가스에 대한 농도를 지시하는 값일 수 있다. 이 경우, 판단부(81)는 기 저장된 기준 전류값, 즉 전류값 대비 가스 농도에 대한 정보를 이용하여, 현재 측정된 전류값에 따른 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다. 또한, 판단부(81)는 현재 측정된 전류값에 따른 저항값을 도출한 후, 기 저장된 기준 저항값, 즉 검출된 전류값에 따라 변환된 저항값 대비 가스 농도에 대한 정보를 이용하여, 도출된 저항값에 따른 특정 가스의 농도를 측정할 수 있다.
센서 구동부(82)는 전원부(100)에서 공급된 전원으로부터 가스 센서(50)에 전원을 공급하면서 가스 센서(50)의 동작을 구동시키는 구성이다. 또한, 하드 웨어 제어부(83)는 공급된 전원으로부터 가스 센서(50) 외의 나머지 구성, 즉 솔레노이드 밸브(10, 30, 60) 및 펌프(70)에 전원을 공급하면서 이들 구성의 동작 순서를 제어하는 구성이다. 예를 들어, 하드웨어 제어부(83)는 솔레노이드 밸브(10, 30, 60)의 개폐 시간과 펌프(70)의 구동 시간을 각각 제어할 수 있다.
표시부(90)는 판단부(81)에서 측정된 결과를 표시하는 구성이다. 예를 들어, 표시부(90)는 판단부(81)에서 측정된 특정 가스 종류, 그 농도 등을 표시할 수 있으며, 상술한 인체 상태에 대해서도 표시할 수 있다. 표시부(90)는 비발광형 패널 또는 발광형 패널로 구성될 수 있다.
예를 들어, 발광형 패널은 발광 다이오드 디스플레이 패널(light emitting diode display panel), 유기전계발광 디스플레이 패널(organic electroluminescence display panel, 또는 OLED[organic light emitting diode] panel), 백라이트형 액정 디스플레이 패널(backlight liquid crystal display panel) 및 양자점 디스플레이 패널(quantum dot display panel) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 비발광형 패널은 액정 디스플레이 패널(liquid crystal display panel), 전기영동 디스플레이 패널(electrophoretic display panel), 콜레스테릭 액정 디스플레이 패널(cholesteric liquid crystal display panel), 마이크로전기기계 시스템 디스프레이 패널(micro-electromechanical system display panel), 일렉트로웨팅 디스플레이 패널(electrowetting display panel) 및 전자유체 디스플레이 패널 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치는 1차 가스를 일정 이상의 온도로 유지 및 관리하기 위한 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이는 가스 센서(50)에서의 특정 가스에 대한 반응성을 높이기 위한 수단에 해당한다. 즉, 특정 가스에 대한 감지 센서(50)의 감도는 상온 이상인 특정 온도에서 가장 높을 수 있으며, 히터는 1차 가스가 이러한 특정 온도를 유지할 수 있도록 열을 1차 가스에 제공할 수 있다. 이 경우, 하드웨어 제어부(83)는 전원부(100)에서 공급된 전원으로부터 히터에 전원을 공급하면서 히터의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 히터는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)을 가열하거나, 각 구성 사이를 연결하는 연결관을 가열하도록 구성될 수 있다.
이하, 특정 가스가 아세톤인 경우에 대한 가스 센서(50)의 구체적인 구성에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명자들은 산화아연 양자점을 포함하는 감지막을 포함하는 가스 센서(50)를 제조하고, 이러한 가스 센서(50)가 특정 가스(특히, 아세톤)에 대해 빠른 반응 속도 및 높은 감도를 가짐을 확인하였다. 이하에서 "양자점"이라 함은 자체적으로 빛을 내는 수 나노미터(㎚)의 반도체 결정을 의미하는 것으로, 구체적으로, 상기 양자점의 평균 입자 크기는 1㎚ 내지 7㎚일 수 있고, 바람직하게는, 3㎚ 내지 7㎚일 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 가스 분석 장치의 가스 센서(50)의 사시도 및 평면도를 각각 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 가스 센서(50)는 기판(51), 기판(51) 상에 형성되고 이격 배치된 소스-드레인 전극들(52, 53), 및 전극들(52, 53) 사이에 형성되고 산화아연 양자점을 구비한 감지막(54)을 포함한다. 또한, 가스 센서(50)는 기판(51) 및 전극들(52, 53) 사이에 실리콘 산화물을 포함하는 절연층(55)이 추가로 형성될 수 있다.
기판(51)은 소스-드레인 전극들(52, 53) 및 감지막(54)을 형성하기 위한 것으로, 알루미나, 실리콘 또는 유리 등의 재질로 형성될 수 있다. 기판(51) 상에는 실리콘 산화물(SiO2 등)을 포함하는 절연층(55)이 추가로 형성될 수 있다.
소스-드레인 전극들(52, 53)은 전극 물질의 증착 후, 포토리소그래피법(photolithography) 및 리프트오프법(lift-off)의 조합에 의해 패터닝되어 형성될 수 있다. 이때, 전극 물질은 금 또는 백금 재질일 수 있고, 전극들의 이격 간격은 약 5㎛ 내지 10㎛일 수 있고, 각 두께는 약 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
도 5는 분리된 아세톤이 감지막(54)에서 감지되는 원리를 나타낸다.
1차 가스는, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)을 지나면서 2차 가스로 분리되면서 감지막(54)이 2차 가스에 노출된다. 이때, 감지막(54)은 산화아연 양자점을 포함하는데, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 2차 가스 중에 산소 분자가 해리되면서 산화아연의 표면에 화학적으로 흡착하게 된다. 이때, 산소 분자는 산소 원자로 해리되면서 산화아연의 전도대(conduction band)에 있는 전자를 포획하게 되고, 이로 인해 산화아연의 전기적 저항값을 변화시키게 된다. 이러한 전기적 저항값의 변화에 따라 감지막을 흐르는 전류의 차이를 발생시키게 된다.
특히, 산화아연 양자점은 평균 입자 크기가 1㎚ 내지 7㎚, 바람직하게는, 3㎚ 내지 7㎚ 정도로 작아 부피 대비 표면적의 비가 크기 때문에, 아세톤에 대한 반응성을 크게 향상시킬 수 있다. 이때, 산화아연 양자점은 나노 파티클로서, 부피 대비 표면적의 비를 최대화할 수 있는 구 형태인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 산화아연 양자점은 표면에 위치한 원자수가 많기 때문에, 이들이 외부랑 반응하여 광학적, 화학적, 전기적 성질에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 산화아연 양자점의 크기가 엑시톤 보어 반지름 정도로 감소하게 되면, 양자 제한 효과를 가질 것인바, 에너지 준위를 불연속적으로 만들어 밴드갭이 커지게 되어 전기적 성질을 변화시킬 수 있어, 아세톤에 대한 반응성을 더욱 크게 향상시킬 수 있다.
더욱이, 산화아연 양자점에 인듐(In), 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 타이타늄(Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 불순물이 도핑될 수 있다. 산화아연 양자점에 인듐(In) 또는 알루미늄(Al)이 도핑되는 것이 바람직하고, 인듐(In)이 도핑되는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 불순물로 인듐(In)이 도핑되는 경우, 산소 공공(oxygen vacancy)의 농도를 증가시켜 아세톤의 흡착량을 증가시킴으로써, 아세톤에 대한 반응성을 더욱 더 크게 향상시킬 수 있다.
산화아연 양자점에서 아연 및 상기 불순물의 몰비는 99.9:1 내지 90:1인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 아연 및 불순물의 몰비가 99.1:1을 초과하는 경우, 불순물 도핑으로 인한 효과가 충분하지 않은 문제점이 있고, 아연 및 불순물의 몰비가 90:1 미만인 경우, 아연 자리에 불순물의 도핑이 잘 되지 않는 문제점이 있다.
이하, 가스 센서(50)의 구체적인 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(50)의 제조방법을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(50)의 제조방법은, (a) 기판(51)을 준비하는 단계, (b) 기판(51) 상에 이격 배치된 소스-드레인 전극들(52, 53)을 형성하는 한편, 산화아연 양자점을 제조하는 단계, (c) 소스-드레인 전극들(52, 53) 사이에 제조된 산화아연 양자점을 코팅하여 감지막(54)을 형성하는 단계를 각각 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(50)의 제조방법에서, 기판(51), 소스-드레인 전극(52, 53), 산화아연 양자점, 및 감지막(54)의 구체적인 내용에 대해서는 상술한 바와 같다.
특히, (b) 단계에서 산화아연 양자점의 제조는, (b-1) 아연 전구체를 포함하는 제1 용액을 제조하는 단계; (b-2) 테트라메틸암모늄하이드록사이드를 포함하는 제2 용액을 제조하는 단계; 및 (b-3) 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액을 혼합하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다. 이때, 아연 전구체로 징크 아세테이트, 징크 아세테이트 디하이드레이트, 징크 나이트레이트 테트라하이드레이트, 및 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있는데, 아연 전구체는 디메틸포름아미드(DMF)에 용해되어 제1 용액을 제조할 수 있다. 이때, 디메틸포름아미드(DMF)는 아연 전구체를 용해시키기 위한 용매로 통상적으로 사용하는 알코올류(메탄올, 에탄올 등)에 비해, 아연 전구체의 용해율이 높은 이점을 가진다. 따라서, (b-1) 단계 내지 (b-3) 단계는 모두 20℃℃ 내지 40℃℃의 비교적 낮은 온도 및 상압 조건에서 수행될 수 있다.
또한, 감지막(54)의 형성은 제조된 산화아연 양자점을 제1 온도에서 1차 열처리한 다음, 제1 온도 보다 높은 제2 온도에서 2차 열처리함으로써 수행될 수 있는데, 제1 온도는 50℃℃ 내지 150℃℃이고, 제2 온도는 300℃℃ 내지 700℃℃일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서(50)는 산화아연 양자점을 포함하는 감지막(54)을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 산화아연 양자점은 평균 입자 크기가 작아 부피 대비 표면적의 비가 크기 때문에, 아세톤에 대한 반응성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 산화아연 양자점은 표면에 위치한 원자수가 많기 때문에, 이들이 외부랑 반응하여 광학적, 화학적, 전기적 성질에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상기 산화아연 양자점의 크기가 엑시톤 보어 반지름 정도로 감소하게 되면, 양자 제한 효과를 가질 것인바, 에너지 준위를 불연속적으로 만들어 밴드갭이 커지게 되어 전기적 성질을 변화시킬 수 있어, 아세톤에 대한 반응성을 더욱 크게 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 산화아연 양자점에 불순물(특히, 인듐)을 도핑하는 경우, 산소 공공(oxygen vacancy)의 농도를 증가시킬 수 있어, 가스에 대한 반응성을 더욱 더 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 가스 센서(50) 제조방법의 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
Si 재질의 기판 및 SiO2 재질의 절연층 상에 약 8㎛ 이격 배치된 Pt 재질의 전극 물질을 증착한 후, 감광성 물질을 도포하여 포토리소그래피법(photolithography) 및 리프트오프법(lift-off)의 조합에 의해 소스-드레인 전극들로 패터닝하였다(가로×세로=약35㎛×약12㎛, 두께=약5㎛). 한편, 디메틸포름아미드(DMF) 내 아연 전구체로서 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·2H2O)를 용해시켜 제1 용액을 제조하였다. 그 다음, 메탄올 내 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH)를 용해시켜 제2 용액을 제조하였다. 제1 용액 및 제2 용액의 혼합 몰비는 1:3이다. 이후 30℃℃의 온도 및 상압 조건에서 약 1시간 동안 유지시킨 다음, 원심분리하여 산화아연 양자점을 제조하였다. 이를 90℃℃에서 1차 열처리한 다음, 350℃℃에서 2차 열처리를 통해 증착시켜 감지막을 형성함으로써, 가스 센서(50)를 최종 제조하였다.
[실시예 2]
도 7은 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 알루미늄 도핑된 산화아연 양자점의 크기를 투과전자현미경으로 측정한 결과를 보여주는 사진이다
디메틸포름아미드(DMF) 내 아연 전구체로서 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·2H2O) 및 알루미늄 소스로서 알루미늄아세테이트 (C2H5O4Al)를 용해시켜 제1 용액을 제조하였다. 이때, 아연 및 알루미늄의 몰비는 99:1이 되도록 조절하였다. 그 다음, 메탄올 내 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH)를 용해시켜 제2 용액을 제조하였다. 제1 용액 및 제2 용액의 혼합 몰비는 1:3이다. 제1 용액 및 제2 용액을 혼합한 후, 30℃의 온도 및 상압 조건에서 약 1시간 동안 유지시킨 다음, 원심분리하여 알루미늄 도핑된 산화아연 양자점을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다. 이때, 제조된 알루미늄 도핑된 산화아연 양자점의 크기는 투과전자현미경으로 측정하였고, 그 평균 입자 크기는 약 3.46㎚ 내지 약 5.3㎚였다(도 7 참고).
[실시예 3]
디메틸포름아미드(DMF) 내 아연 전구체로서 징크 아세테이트 디하이드레이트 (Zn(CH3COO)2·2H2O) 및 인듐 소스로서 인듐클로라이드(InCl3)를 용해시켜 제1 용액을 제조하였다. 이때, 아연 및 인듐의 몰비는 99:1이 되도록 조절하였다. 그 다음, 메탄올 내 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH)를 용해시켜 제2 용액을 제조하였다. 제1 용액 및 제2 용액의 혼합 몰비는 1:3이다. 이후 30℃℃의 온도 및 상압 조건에서 약 1시간 동안 유지시킨 다음, 원심분리하여 인듐 도핑된 산화아연 양자점을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
[비교예 1]
산화아연 양자점 대신 알루미늄 도핑된 산화아연 입자를 제조하고, 이를 60℃℃에서 열처리를 통해 증착시켜 감지막을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
구체적으로, 메탄올 내 아연 전구체로서 징크 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·2H2O) 및 알루미늄 아세테이트(C2H5O4Al)를 용해시켜 제 1 용액을 제조하였고, 메탄올 내 포타슘 하이드록사이드(KOH)를 용해시켜 제 2 용액을 제조한 다음, 제1 용액 및 제2 용액을 1:3의 몰비로 혼합시킴으로써, 평균 입자 크기가 약 25㎚인 알루미늄 도핑된 산화아연 입자를 제조하였다. 이때, 제조된 알루미늄 도핑된 산화아연 입자의 크기는 투과전자현미경으로 측정하였고, 그 평균 입자 크기는 약 25㎚였다(도 7 참고).
실시예 1 내지 실시예 3과, 비교예 1에 의해 각각 제조된 감지 센서(50)에 대해 하기 수학식 1을 이용하여 감도를 측정하였다..
[수학식 1]
(단, Rmax는 가스 감지 후 최대 저항값이고, R0는 가스 감지 전 저항값)
그 결과, 실시예 2와 같이 인듐이 도핑된 산화아연 양자점을 감지막으로 포함하는 경우, 실시예 1과 같이 도핑되지 않은 산화아연 양자점을 감지막으로 포함하는 경우나, 실시예 3과 같이 알루미늄이 도핑된 산화아연 양자점을 감지막으로 포함하는 경우에 비해, 아세톤에 대한 최대 감도(maximum sensitivity)가 크게 향상하는 것이 확인되었다.
한편, 비교예 1과 같이 산화아연 양자점 대신 평균 입자 크기가 약 25㎚인 산화아연 입자를 감지막으로 포함하는 경우, 아세톤에 대한 최대 감도(maximum sensitivity)가 크게 저하되는 것이 확인되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 가스 센서(50)에 특정 농도의 아세톤을 감지시킨 후, 감지 시간에 따른 반응성(Response)의 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 도 8(b)는 도 8(a)의 일부분(황색 영역)을 확대한 그래프이다. 또한, 도 8에서 Response는 log(센서 저항값)이고, ΔResponse = Δ(log(센서 저항값))*1000이다. 이때, '센서 저항값'은 감지 센서(50)의 검출 전류값을 통해 계산된 저항값을 의미한다.
도 8(a) 및 도 8(c)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예의 제조방법에 따라 제조된 가스 센서(50)는 아세톤의 농도에 따라 그 센서 저항값의 특성이 다르다. 또한, 도 8(c)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예의 제조방법에 따라 제조된 가스 센서(50)는 그 센서 저항값이 아세톤의 농도에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 판단부(81)는 이러한 센서 저항값의 특성을 이용하면 가스 센서(50)에 의해 감지된 아세톤의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 제1 솔레노이드 밸브 11: 제1 유입관
12: 제2 유입관 20: 샘플링 루프
30: 제2 솔레노이드 밸브 40: 가스 크로마토그래피 컬럼
50: 가스 센서 51: 기판
52: 소스 전극 53: 드레인 전극
54: 감지막 55: 절연층
60: 제3 솔레노이드 밸브 70: 펌프
80: 제어부 81: 판단부
82: 센서 구동부 83: 하드웨어 제어부
90: 표시부 100: 전원부
12: 제2 유입관 20: 샘플링 루프
30: 제2 솔레노이드 밸브 40: 가스 크로마토그래피 컬럼
50: 가스 센서 51: 기판
52: 소스 전극 53: 드레인 전극
54: 감지막 55: 절연층
60: 제3 솔레노이드 밸브 70: 펌프
80: 제어부 81: 판단부
82: 센서 구동부 83: 하드웨어 제어부
90: 표시부 100: 전원부
Claims (11)
- 호기 가스에 포함된 다수의 가스에 대해 이동 속도의 차이를 발생시켜 다수의 가스를 분리하되, 호기 가스 중에서 특정 가스인 아세톤을 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼;
기판과, 상기 기판 상에 형성되고 이격 배치된 소스-드레인 전극들과, 상기 전극들 사이에 형성되되 산화아연 양자점을 구비한 감지막을 각각 포함하여, 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 아세톤을 감지하는 가스 센서; 및
가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 다수의 가스 중 아세톤이 가스 센서에 도달하는 시간에 가스 센서에서 감지된 값으로부터 아세톤의 농도를 측정하되 가스 센서에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 가스 센서에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교함으로써 아세톤의 농도를 측정하며, 측정된 아세톤의 농도를 이용하여 호기 가스를 배출한 사용자의 인체 상태 중 인체 내 지방 연소 여부와 관련된 상태를 판단하는 판단부;를 포함하며,
상기 가스 센서는 상기 산화아연 양자점에 인듐(In)의 불순물이 도핑되되, 인듐(In)의 도핑에 의해 산소 공공(oxygen vacancy)의 농도가 증가하는 것을 특징으로 하는 호기 가스 분석 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 판단부에서 측정된 결과를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 호기 가스 분석 장치. - 제1항에 있어서,
상기 가스 크로마토그래피 컬럼으로 유입되는 호기 가스가 일정 온도로 유지되도록 호기 가스에 열을 제공하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 호기 가스 분석 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 산화아연 양자점에서 아연 및 상기 인듐의 몰비는 99.9:1 내지 90:1인 것을 특징으로 하는 호기 가스 분석 장치. - 제1항에 있어서,
상기 산화아연 양자점의 평균 입자 크기는 1㎚ 내지 7㎚인 것을 특징으로 하는 호기 가스 분석 장치. - 삭제
Priority Applications (1)
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| KR1020180038313A KR102042602B1 (ko) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 호기 가스 분석 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020180038313A KR102042602B1 (ko) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 호기 가스 분석 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190115357A KR20190115357A (ko) | 2019-10-11 |
| KR102042602B1 true KR102042602B1 (ko) | 2019-11-27 |
Family
ID=68210317
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020180038313A KR102042602B1 (ko) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 호기 가스 분석 장치 |
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102578618B1 (ko) * | 2021-03-26 | 2023-09-15 | 성균관대학교산학협력단 | 금속 플루오린화 수산화물을 포함하는 가스센서 및 이를 이용한 가스감지방법 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016003923A (ja) | 2014-06-16 | 2016-01-12 | 日本電信電話株式会社 | アセトン中の天然の安定炭素同位体比の分析方法、並びに脂質代謝のモニタリング方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3902489B2 (ja) * | 2002-03-04 | 2007-04-04 | エフアイエス株式会社 | ガスクロマトグラフ装置及び呼気成分分析装置 |
| KR20170135439A (ko) * | 2016-05-31 | 2017-12-08 | 연세대학교 산학협력단 | 산화아연 입자 기반 질소계 가스 감지 센서, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 질소계 가스 감지 시스템 |
-
2018
- 2018-04-02 KR KR1020180038313A patent/KR102042602B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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| JP2016003923A (ja) | 2014-06-16 | 2016-01-12 | 日本電信電話株式会社 | アセトン中の天然の安定炭素同位体比の分析方法、並びに脂質代謝のモニタリング方法 |
Non-Patent Citations (2)
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| J Qi et al, Journal of Nanomaterials.(2015.12.31.)(http://dx.doi.org/10.1155/2015/954747)* |
Also Published As
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