KR102106980B1 - 호기 수소 분석 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 호기 가스에서 수소를 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼과, 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 수소를 감지하는 수소 센서와, 수소 센서에서 감지된 값으로부터 수소의 농도를 측정하는 판단부를 포함하는 호기 수소 분석 장치를 제공한다.
이와 같은 본 발명의 호기 수소 분석 장치에 따르면 호기 가스 중에서 특히 수소를 분리하여 분석함으로써 비만 세균과 관련된 인체 상태를 간편하면서도 정확하게 분석할 수 있는 이점이 있다.
이와 같은 본 발명의 호기 수소 분석 장치에 따르면 호기 가스 중에서 특히 수소를 분리하여 분석함으로써 비만 세균과 관련된 인체 상태를 간편하면서도 정확하게 분석할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 호기 수소 분석 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정확성 및 휴대성의 특성이 동시에 만족될 수 있는 호기 수소 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 수소 분석 장치는 이러한 호기 가스 중 수소를 분석하는 장치로서, 수소의 농도를 측정하며, 측정된 값을 이용하여 인체의 상태 등에 대한 개략적인 추정을 수행할 수 있다.
하지만, 종래의 호기 수소 분석 장치는 서로 상반된 특성인 정확성과 휴대성을 동시에 만족하기 어려운 문제점이 있었다. 즉, 분석한 결과의 정확성을 높이려는 경우, 종래의 호기 수소 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 가스를 선택적으로 검지할 수 있는 호기 가스 분리 시스템과 분리된 가스를 검지할 수 있는 고 감도 센서가 필요하다.
즉, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 호기 가스 중에서 수소 가스를 분리하여 분석함으로써 정확성 및 휴대성의 특성이 동시에 만족될 수 있는 호기 수소 분석 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 호기 가스 중에서 수소를 분리하여 분석함으로써 비만 세균 및 장내 미생물과 관련된 인체 상태를 분석하는 호기 수소 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 위해, 본 발명은 호기 가스에서 수소를 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼과, 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 수소를 감지하는 수소 센서와, 수소 센서에서 감지된 값으로부터 수소의 농도를 측정하는 판단부를 포함하는 호기 수소 분석 장치를 제공한다.
여기서, 판단부는 측정된 수소의 농도를 이용하여 호기 가스를 배출한 사용자의 인체 상태를 판단하며, 인체 상태는 인체 내의 비만 세균과 관련된 상태일 수 있다.
또한, 판단부는 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리되어 나오는 수소의 머무른 시간(retention time)을 분석함으로써 수소의 선택적 검지가 가능하고, 센서의 반응성을 분석함으로써 수소의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 판단부는 수소 센서에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 수소 센서에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교함으로써, 수소의 농도를 측정할 수 있다.
또한, 판단부에서 측정된 결과를 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 가스 크로마토그래피 컬럼으로 유입되는 호기 가스가 일정 온도로 유지되도록 호기 가스에 열을 제공하는 히터를 더 포함할 수 있다.
또한, 가스를 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼의 온도 유지 및 조절을 위하여 히터를 더 포함할 수 있다.
또한, 수소 센서는 기판, 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극, 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 다수의 나노 로드 및 다수의 나노 로드 상부에 증착되는 금속층을 포함할 수 있다.
또한, 다수의 나노 로드는 기판 상에 글랜싱 앵글 증착법(Glancing Angle Deposition, GLAD)에 의해 성장될 수 있으며, 해당 방법에 국한하지는 않는다.
또한, 다수의 나노 로드는 SiO2, WO3, SnO2, TiO2, ZnO, CuO, NiO, CoO, In2O3, MgO, CaO, La2O3, Nd2O3, Y2O3, CeO2, PbO, ZrO2, Fe2O3, Bi2O3, V2O5, VO2, Nb2O5, Co3O4 및 Al2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 금속층은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치는 호기 가스의 전체에 대해 분석하기 보다는 호기 가스 중에서 특정 가스를 분리하여 분석함으로써 정확성 및 휴대성의 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치는 호기 가스 중에서 특히 수소를 분리하여 분석함으로써 비만 세균 및 장내 미생물과 관련된 인체 상태를 간편하면서도 정확하게 분석할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치에서 수소가 분리되어 감지되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치의 수소 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예예 따른 수소 센서의 팔라듐이 증착된 나노 로드를 주사 전자 현미경으로 촬상한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서에서 수소가 감지되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실험을 통해 수소 농도 별 수소 센서의 센서 신호 및 그 변화량을 확인하고 그 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 실험을 통해 종래의 가스 센서의 센서 신호를 확인하고 그 결과를 도시한 그래프(a)와 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서의 센서 신호를 확인하고 그 결과를 도시한 그래프(b)이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치에서 수소가 분리되어 감지되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치의 수소 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예예 따른 수소 센서의 팔라듐이 증착된 나노 로드를 주사 전자 현미경으로 촬상한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서에서 수소가 감지되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실험을 통해 수소 농도 별 수소 센서의 센서 신호 및 그 변화량을 확인하고 그 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 실험을 통해 종래의 가스 센서의 센서 신호를 확인하고 그 결과를 도시한 그래프(a)와 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서의 센서 신호를 확인하고 그 결과를 도시한 그래프(b)이다.
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, “또는 B”“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 따라는 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 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 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 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 크로마토그래피 컬럼(40), 수소 센서(50) 및 제어부(80)를 포함한다. 또한, 이들 구성을 연결하거나 가스 검출 동작을 보조하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 수소 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. 즉, 제1 솔레노이드 밸브(10)가 열리는 경우, 제1 유입관(11)으로 유입된 호기 가스와 제2 유입관(12)으로 유입된 운반 에어(air)가 샘플링 루프(20)로 전달된다. 이하, 제1 솔레노이드 밸브(10)에서 전달된 호기 가스 및 운반 에어를 “1차 가스”라 지칭한다.
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), 수소 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 바이패스관(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 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치에서 수소가 분리되어 감지되는 모습을 도시한 도면이다.
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 분석 목적 대상이 되는 수소를 분리해 낼 수 있다. 예를 들어, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)의 내부에는 수소를 분리하기에 적합한 분리 단수의 충진재를 포함할 수 있다. 이때, 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 수소를 분리해 낼 수 있다.
수소 센서(50)는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)에서 분리된 2차 가스 중에서 수소를 감지하는 센서로서, 수소의 농도에 따라 그 감지되는 값(예를 들어, 전류값)이 달라질 수 있다. 이러한 수소 감지를 위해, 수소 센서(50)는 수소에 대한 감도가 높은 재질로 이루어진 센서인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명은 수소 센서(50)를 통과하는 2차 가스 중 수소가 갖는 고유의 이동 속도에 따라 계산된 해당 수소의 수소 센서(50) 통과 시간 동안에 감지된 수소 센서(50)의 값을 이용함으로써 해당 수소에 대한 농도를 보다 정확하게 감지(이하, “수소 감지 동작”이라 지칭함)할 수 있다. 이러한 수소 감지 동작은 후술할 제어부(80)의 판단부(81)에 의해 수행될 수 있다.
제3 솔레노이드 밸브(60)는 그 개폐 여부에 따라 수소 센서(50)와 펌프(70)의 사이를 연결한다. 즉, 제3 솔레노이드 밸브(30)가 열리는 경우, 수소 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 실시예에 따른 호기 수소 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 수소 센서(50)에서 감지된 값으로부터 수소의 농도를 측정하는 구성으로서, 상술한 수소 감지 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 판단부(81)는 측정된 수소의 농도를 이용하여 호기 가스를 배출한 사용자의 인체 상태를 판단할 수 있다. 여기서, 인체 상태는 인체 내의 비만 세균 및 장내 미생물과 관련된 상태이다.
한편, 비만 세균인 Methanobrevibacter smithii (M. Smithii)는 인체의 장 내에서 다당류의 분해하여 에너지의 흡수를 향상시켜 비만을 유발하는 비만 세균으로 수소를 소비하여 메탄을 생성한다. 이와 같은 M. Smithii의 검지 및 관리를 위해서는 수소와 메탄의 동시 검지가 필요하다.
본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치는 수소 센서를 이용해 호기 중 수소를 감지하여 비만 세균 및 장내 미생물을 검지할 뿐만 아니라, 다양한 호기 바이오 마커의 관찰을 통한 질병의 진단 및 대기 모니터링 등으로도 활용이 가능하다.
수소의 농도를 측정하기 위해, 판단부(81)는 구체적으로 수소 센서(50)에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 수소 센서(50)에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교할 수 있다. 즉, 수소 센서(50)에서 검출된 전류값은 해당 수소에 대한 농도를 지시하는 값일 수 있다. 이 경우, 판단부(81)는 기 저장된 기준 전류값, 즉 전류값 대비 수소 농도에 대한 정보를 이용하여, 현재 측정된 전류값에 따른 수소의 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 수소 농도에 대한 정보를 이용하여, 도출된 저항값에 따른 수소의 농도를 측정할 수 있다.
센서 구동부(82)는 전원부(100)에서 공급된 전원으로부터 수소 센서(50)에 전원을 공급하면서 수소 센서(50)의 동작을 구동시키는 구성이다. 또한, 하드 웨어 제어부(83)는 공급된 전원으로부터 수소 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 수소 및 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 수소 분석 장치는 1차 가스를 일정 이상의 온도로 유지 및 관리하기 위한 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이는 수소 센서(50)에서의 수소에 대한 반응성을 높이기 위한 수단에 해당한다. 즉, 수소에 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.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치는 호기 가스의 전체에 대해 분석하기 보다는 호기 가스 중에서 특정 가스를 분리하여 분석함으로써 정확성 및 휴대성의 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치는 호기 가스 중에서 특히 수소를 분리하여 분석함으로써 비만 세균 및 장내 미생물과 관련된 인체 상태를 간편하면서도 정확하게 분석할 수 있는 이점이 있다.
이하, 수소 센서(50)의 구체적인 구성에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 호기 수소 분석 장치의 수소 센서의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예예 따른 수소 센서의 팔라듐이 증착된 나노 로드를 주사 전자 현미경으로 촬상한 사진으로, (a)는 나노 로드의 상부면, (b)는 나노 로드의 절단면, 그리고 (c)는 나노 로드의 각 구성 요소를 촬성한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 수소 센서(50)는 기판(51), 기판(51) 상에 형성되되 서로 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극(52, 53), 소스 및 드레인 전극(52, 53) 사이에 형성되는 다수의 나노 로드(54) 및 다수의 나노 로드(54) 상부에 증착되는 금속층(56)을 포함한다. 또한, 수소 센서(50)는 기판(51) 및 스스 및 드레인 전극(52, 53) 사이에 실리콘 산화물을 포함하는 절연층(55)이 추가로 형성될 수 있다.
기판(51)은 소스 및 드레인 전극(52, 53) 및 나노 로드(54)를 형성하기 위한 것으로, 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 및 드레인 전극(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.
다수의 나노 로드(54)는 기판(51) 상에 글랜싱 앵글 증착법(Glancing Angle Deposition, GLAD)에 의해 수직으로 성장될 수 있으나, 해당 방법에 국한되지는 않는다.
여기서, 글랜싱 앵글 증착법은 상향식 나노 구조체 형성 기술이다. 그리고, 글랜싱 앵글 증착법은 증착 과정에서 구조체의 기본적인 틀을 형성하면서 동시에 세부적인 나노 구조체의 모양을 정밀하게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다.
구체적으로, 글랜싱 앵글 증착법은 스퍼터(Sputter)를 이용하거나 전자빔 증착(EBM, Electron Beam Melting)과 같은 진공 증착 장치 또는 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)장비를 이용할 수 있다.
다수의 나노 로드(54)가 글랜싱 앵글 증착법에 의해 형성될 때, 기판(51)의 기울기(각도), 기판(51)의 회전 속도 및 나노 로드(54)를 형성하게 될 소스의 증기 유량(증착률) 등의 조절에 의해, 성장되는 다수의 나노 로드(54)의 모양 및 밀도 등이 조절될 수 있다. 예를 들어, 기판(51)의 기울기 조절에 의해 다수의 나노 로드(54)의 밀도가 조절될 수 있는데, 본 발명에서는 기판(51)의 기울기를 80도, 기판(51)의 회전 속도를 15rpm으로 하여 나노 로드를 형성할 수 있다.
나노 로드(54)는 기판(51) 상에 일반적으로 원기둥 형상으로 성장될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다수의 나노 로드(54)는 SiO2, WO3, SnO2, TiO2, ZnO, CuO, NiO, CoO, In2O3, MgO, CaO, La2O3, Nd2O3, Y2O3, CeO2, PbO, ZrO2, Fe2O3, Bi2O3, V2O5, VO2, Nb2O5, Co3O4 및 Al2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
다수의 나노 로드(54)의 상부 즉, 말단부에는 금속층(56)이 형성된다. 여기서 나노 로드(54)의 말단부란, 기판(51)과 닿아 있는 부분이 아닌, 기판(51)으로부터 멀어진 떨어진 부분을 의미한다.
금속층(56)은 일반적인 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition)법에 의해 증착되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속층은 증발(Evaporation)법 또는 스퍼터링(Sputtering)법과 같은 물리적 기상 증착법에 의해 형성될 수 있다.
금속층(56)은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는, 팔라듐(Pd)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속층(56)은 팔라듐(Pd)으로 형성될 수 있다.
금속층(56)은 수소 센서(50)에 있어서, 수소를 흡착하는 역할을 하는데, 수소를 흡수하여 금속 수소화물이 되면서 팽창하여 부피가 커지게 된다.
예를 들어, 팔라듐(Pd)으로 형성된 금속층(56)은 수소를 흡수하여 팔라듐 수소화물이 되면서 팽창하여 부피가 커지게 된다.
팔라듐이 말단에 증착된 나노 로드(Pd) 자체는 저항이 크지만, 팔라듐이 수소를 흡수하게 되면 팽창된 부피 때문에 인접한 나노 로드(54)는 가까워지게 되고, 나노 로드가 배열된 형태 전체의 저항은 감소하게 된다. 이를 통해 결국 소스 및 드레인 전극(52, 53) 사이의 저항은 감소하게 된다.
반면, 수소가 없어지게 되면 수소는 팔라듐이 증착된 나노 로드(54)로부터 다시 빠져 나오게 되면서, 원래 상태의 저항으로 돌아가게 된다. 이때, 팔라듐이 증착된 나노 로드(54)의 표면적은 매우 크기 때문에 수소의 출입이 매우 빠르게 일어날 수 있으며, 응답 속도도 매우 빠르다.
여기서, 나노 로드(54) 예컨대, 산화 주석(SnO2) 나노 로드의 길이는 250nm 정도이고, 금속층(56) 예컨대, 팔라듐(Pd)은 5nm의 두께로 나노 로드(54)의 상부에 전체적으로 고르게 분포될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서에서 수소가 감지되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위해 나노 로드(54)로는 산화 주석 로드(SnO2)를 일 예로 설명하고, 금속층(56)으로는 팔라듐(Pd)을 일 예로 설명하겠다.
1차 가스는, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)을 지나면서 2차 가스로 분리되면서 다수의 산화 주석 로드(SnO2)가 2차 가스에 노출된다. 여기서, 산화 주석 로드(SnO2)의 상부에는 팔라듐(Pd)이 증착되며, 2차 가스 중에 산소(O2)가 팔라듐(Pd)에 의해 이온화되면서 산소 이온(O-)이 산화 주석 로드(SnO2)의 표면에 화학적으로 흡착하게 된다. 그리고, 산소 이온(O-)은 산화 주석 로드(SnO2)의 전도대(conduction band)에 있는 전자(e-)를 포획하게 되고, 이로 인해 산화 주석 로드(SnO2)에 공핍층(Depletion layer)을 형성한다.
그리고, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 산화 주석 로드(SnO2)가 수소(H2)에 노출되면 산화 주석 로드(SnO2)의 상부에 증착된 팔라듐(Pd)에 의해 수소(H2)는 산화 주석 로드(SnO2)의 표면에 흡착된 산소 이온(O-)과 화학적으로 반응하여 산화 주석 로드(SnO2)의 공핍층이 감소 하게 된다. 이로 인해 산화 주석 로드(SnO2)의 전도대가 낮아져 전도성이 향상되며 산화 주석 로드(SnO2 )의 전기적 저항값을 변화시키게 된다. 이러한 전기적 저항값의 변화로 인해 다수의 나노 로드(54)를 따라 흐르는 전류의 차이를 발생시키게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서(50)는 수소 농도에 따라 달라지는 전도성의 차이 즉 저항값의 차이를 이용하여 수소를 검지하게 된다.
도 6은 실험을 통해 수소 농도 별 수소 센서의 센서 신호 및 그 변화량을 확인하고 그 결과를 도시한 그래프이다.
본 실험은 수소 센서(50)의 온도를 섭씨 152도 맞추어 진행하였으며, 도 6(a)에 도시한 바와 같이, 수소 센서(50)는 수소(H2)의 농도에 따라 센서 신호 즉 센서 저항값이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 수소(H2)의 농도가 높아질수록 센서 저항값이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 본 실험 결과, 수소 센서(50)는 1ppm 농도의 수소(H2)까지 검지가 가능하고, 비교적 빠른 시간인 10초(s) 이내에 수소(H2) 검지가 가능함을 확인할 수 있다.
도 6(b)에 도시한 바와 같이, 수소 센서(50)는 수소(H2)의 농도는 센서 신호 변화량 즉, 센서 저항값 변화량에 비례하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 수소(H2)의 농도에 대한 센서 신호가 높은 선형성(R2=0.986)을 보이고 있고, 수소 센서(50)의 온도가 섭씨 152도에서 가장 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 실험을 통해 종래의 가스 센서의 센서 신호를 확인하고 그 결과를 도시한 그래프(a)와 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서의 센서 신호를 확인하고 그 결과를 도시한 그래프(b)이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 종래의 가스 센서는 산화 아연 양자점(ZnO QD)을 이용한 것으로, 이 가스 센서로 호기 가스에 포함된 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2) 기반 아세톤(CH3COCH3)을 각각 검지한 결과로 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2)가 비슷한 위치에서 피크가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 종래의 가스 센서로는 수소(H2)의 선태적 검지가 불가능하다.
그러나, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서(50)는 팔라듐(Pd)이 증착된 산화 주석 로드(SnO2)를 이용한 것으로, 이 수소 센서(50)는 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2) 기반 아세톤(CH3COCH3)에 대하여 아무런 반응이 없고, 오직 수소(H2)에만 반응하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소 센서(50)는 수소(H2)에 대해 높은 선택성을 갖고 있는 것을 확인할 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: 수소 센서 51: 기판
52: 소스 전극 53: 드레인 전극
54: 나노 로드 56: 금속층
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: 수소 센서 51: 기판
52: 소스 전극 53: 드레인 전극
54: 나노 로드 56: 금속층
60: 제3 솔레노이드 밸브 70: 펌프
80: 제어부 81: 판단부
82: 센서 구동부 83: 하드웨어 제어부
90: 표시부 100: 전원부
Claims (9)
- 운반 에어에 의해 이송된 호기 가스를 포집하는 샘플링 루프;
상기 호기 가스 중 일정 부피를 초과하거나 상기 샘플링 루프 내부에 일정 시간을 초과하여 대기하는 호기 가스를 외부로 배출하는 바이패스관;
상기 샘플링 루프로부터 유입된 상기 일정 부피의 호기 가스에서 수소를 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼;
상기 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 수소를 감지하는 수소 센서; 및
상기 수소 센서에서 감지된 값으로부터 수소의 농도를 측정하는 판단부를 포함하고,
상기 운반 에어는 외부의 공기이고,
상기 수소 센서는
기판, 상기 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 수직으로 성장되는 다수의 나노 로드 및 상기 다수의 나노 로드 상부에 증착되는 금속층을 포함하는
호기 수소 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단부는
측정된 수소의 농도를 이용하여 호기 가스를 배출한 사용자의 인체 상태를 판단하며,
상기 인체 상태는
인체 내의 비만 세균과 관련된 상태인 호기 수소 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단부는
상기 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 수소가 상기 수소 센서에 도달하는 시간에 감지된 상기 수소 센서의 값을 이용하여 수소의 농도를 측정하는 호기 수소 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단부는
상기 수소 센서에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 수소 센서에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교함으로써, 수소의 농도를 측정하는 호기 수소 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단부에서 측정된 결과를 표시하는 표시부
를 더 포함하는 호기 수소 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가스 크로마토그래피 컬럼으로 유입되는 호기 가스가 일정 온도로 유지되도록 호기 가스에 열을 제공하는 히터
를 더 포함하는 호기 수소 분석 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 나노 로드는
SiO2, WO3, SnO2, TiO2, ZnO, CuO, NiO, CoO, In2O3, MgO, CaO, La2O3, Nd2O3, Y2O3, CeO2, PbO, ZrO2, Fe2O3, Bi2O3, V2O5, VO2, Nb2O5, Co3O4 및 Al2O3으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는
호기 수소 분석 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층은
팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는
호기 수소 분석 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180128052A KR102106980B1 (ko) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | 호기 수소 분석 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180128052A KR102106980B1 (ko) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | 호기 수소 분석 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102106980B1 true KR102106980B1 (ko) | 2020-05-06 |
Family
ID=70737552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180128052A KR102106980B1 (ko) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | 호기 수소 분석 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102106980B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102503494B1 (ko) * | 2022-05-10 | 2023-02-23 | 연세대학교 산학협력단 | 수소 감지 센서 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008295921A (ja) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Hideo Ueda | 肥満改善及び健康管理方法 |
| JP2013220046A (ja) * | 2012-04-13 | 2013-10-28 | Asahi Kasei Corp | 健康状態判定装置及び判定情報処理装置 |
| KR20140134174A (ko) * | 2013-05-13 | 2014-11-21 | 현대중공업 주식회사 | 산화아연 기반 수소 센서 및 그의 제조방법 |
| JP2017044576A (ja) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | ガスセンサ及びガスの検知方法 |
-
2018
- 2018-10-25 KR KR1020180128052A patent/KR102106980B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
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| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |