KR102267065B1 - An Internet of Things-based acid sensor system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템을 공개한다. 이 장치는 실시간 변화되는 정전 용량을 감지하여 산성 감지 신호를 생성하고, 충진되는 용액의 산도를 수치화한 감지 데이터를 사물 인터넷용 데이터로 변환하는 사물 인터넷 감지기; 사물 인터넷 소프트웨어를 탑재하고, 상기 사물 인터넷용 데이터를 인가받아 누출 경보 명령어를 전송하는 사용자 단말기; 및 상기 누출 경보 명령어에 응답하여 원격으로 작동되어, 산성 유해 물질이 누출된 사실을 알리는 유해 물질 누출 경보기;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 사물 인터넷과의 연계를 이용한 원격 감지를 통해 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 산성 유해 물질 누출 상황에 원활히 대처할 수 있게 되고, 기준 전극 없이도 신속하고 정확하게 산성 유해 물질의 누출을 감지할 수 있게 된다.The present invention discloses an acid sensor system based on the Internet of Things. The device includes: an Internet of Things (IoT) sensor that generates an acid detection signal by sensing the capacitance changing in real time, and converts the sensed data quantifying the acidity of the filled solution into data for the Internet of Things; a user terminal equipped with Internet of Things software, receiving the data for the Internet of Things and transmitting a leak warning command; and a hazardous substance leak alarm that is remotely operated in response to the leak warning command to notify the fact that an acidic hazardous substance has been leaked. According to the present invention, through remote sensing using connection with the Internet of Things, it is possible to smoothly and adaptively cope with the acidic hazardous substance leakage situation according to the real-time changing situation, and it is possible to quickly and accurately leak the acidic hazardous substance without a reference electrode can be detected.
Description
본 발명은 산성 센서 시스템에 관한 것으로서, 특히 용액 내 수소 이온의 농도에 따라 정전 용량이 변화하는 원리를 이용하여 산성 유해 물질의 누출을 감지할 뿐 아니라, 사물 인터넷과의 연계를 이용한 원격 제어를 통해 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 산성 유해 물질 누출 상황에 원활히 대처할 수 있는 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an acidic sensor system, and in particular, by using the principle that the capacitance changes according to the concentration of hydrogen ions in a solution, not only to detect the leakage of acidic hazardous substances, but also through remote control using connection with the Internet of Things It relates to an Internet-of-things-based acidic sensor system that can adaptively respond to leaks of acidic hazardous substances according to real-time changing situations.
현대 사회에서는, 급속한 산업화로 인하여 각종 유해 물질을 취급하는 다양한 산업 현장 또는 이들의 운송 과정에서의 유해물질 누출로 인한 인명과 재산상의 손실이 증가하고 있다. In modern society, loss of life and property due to leakage of hazardous substances in various industrial sites handling various hazardous substances or their transport processes due to rapid industrialization is increasing.
특히, 산업 현장의 제조 공정에서 많이 사용하고 있는 염산, 황산, 플루오르화수소산, 질산, 아세트산 등의 산과 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화바륨과 같은 염기와 산화망간, 산화나트륨과 같이 수분에 접촉 시 곧바로 강알칼리로 변하는 금속 산화물 등은 미량이라도 누출되었을 때 인체와 공정에 치명적인 손상을 준다.In particular, in contact with acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid, which are widely used in industrial manufacturing processes, and bases such as ammonia, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and barium hydroxide, and moisture such as manganese oxide and sodium oxide. Metal oxides, which are immediately converted to strong alkalis, cause fatal damage to the human body and process when even a trace amount is leaked.
이에 따라, 대부분 무색이라 누출 여부를 조기에 찾기 어려운 산성 유해 물질을 감지하기 위하여 최근에는 보다 안전한 형태의 산성 유해 물질 누출을 감지하기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔다.Accordingly, in order to detect acidic hazardous substances, which are mostly colorless and difficult to detect in an early stage, various methods for detecting acidic hazardous substances leak in a safer form have been tried.
그 중에서, 가장 일반적인 방법으로는 산성 유해 물질의 누출을 감지하는 페인트를 산성 유해 물질이 누출되는 파이프 라인 등에 도포하는 방식이 있다. Among them, the most common method is to apply paint that detects leakage of acid hazardous substances to a pipeline through which acid hazardous substances leak.
그러나, 이러한 방법은 야외에 노출된 파이프 라인에서 적용하기는 쉬우나, 실내 공정에 있는 파이프 라인이나 정밀 시설 등에 적용했을 때, 도포 화학물질 자체가 인체에 유해한 영향을 끼치거나, 산업용 정밀 기자재 등에 부분적으로 손상을 가져올 수 있는 문제점이 있었다.However, this method is easy to apply in pipelines exposed to the outdoors, but when applied to pipelines or precision facilities in indoor processes, the applied chemical itself has a harmful effect on the human body, or partially in industrial precision equipment, etc. There was a problem that could cause damage.
또한, 산성 유해 물질 누출을 감지하기 위한 다른 방법으로서 산성에 반응하는 물질을 이용하여 색을 변화시키는 방식, 기준 전극과 측정 전극을 마련하여 수소 이온(H+)의 농도에 따라 전위가 변하는 방식 등이 있다. In addition, as another method for detecting leakage of acid hazardous substances, a method of changing the color using a material that reacts to acid, a method of changing the potential according to the concentration of hydrogen ions (H + ) by providing a reference electrode and a measuring electrode, etc. There is this.
한편, 최근 유비쿼터스 시대로 변화됨에 따라 플렉시블(flexible) 디스플레이, 인공 전자 피부, 종이 IC 카드 등 경량화, 간편화, 휴대성 등의 강점을 가지고 인간 생활에 쉽게 적용이 가능한 전자 소자에 대한 개발의 중요성이 커지고 있다. Meanwhile, as the ubiquitous era has recently changed, the importance of developing electronic devices that can be easily applied to human life with strengths such as lightweight, simplification, and portability such as flexible displays, artificial electronic skins, and paper IC cards is increasing. have.
그 중 유연성이 있는 종이나 플라스틱은 가격이 싸며, 쉽게 구할 수 있고, 얇고 유연하며 기존의 금속이나 실리콘 기판에 비해 쉽게 사용하고 폐기할 수 있다는 장점이 있다. Among them, flexible paper or plastic has advantages in that it is inexpensive, readily available, thin and flexible, and can be used and disposed of easily compared to conventional metal or silicon substrates.
이로 인해 종이나 플라스틱 기반의 전자 장치에 대한 연구가 큰 관심을 받고 있으며, 유연성 기반의 트랜지스터, 배터리, 안테나, 센서, RFID, 터치패드가 연구되어 왔다. For this reason, research on paper- or plastic-based electronic devices is receiving great attention, and flexible-based transistors, batteries, antennas, sensors, RFID, and touchpads have been studied.
그런데, 현재까지 개발된 실리콘 기반의 산성 센서는 분해능이 뛰어나고 성능이 우수한 장점이 있는 반면, 실리콘 재료의 깨짐이나 유연하지 않은 특성 때문에 내구성이 약한 단점이 있었다. However, the silicon-based acid sensor developed so far has the advantage of excellent resolution and excellent performance, but has a disadvantage in that durability is weak due to the cracking or inflexible characteristics of the silicon material.
이러한 이유로 유연 소자로서 폴리머 기반의 산성 센서가 개발되어 대면적 구현이 가능하고 유연성을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 폴리머 기반 산성 센서의 경우 구조적으로 외부 환경에 취약하며 실리콘 센서에 비해 감도가 낮아서 민감한 감지 능력에는 한계가 있었다.For this reason, a polymer-based acid sensor has been developed as a flexible device, which has the advantage of being able to implement a large area and securing flexibility. However, in the case of a polymer-based acid sensor, it is structurally vulnerable to the external environment and has low sensitivity compared to silicon sensors. Sensing ability was limited.
유연성 산성 센서는 매우 다양한 분야에서 기존의 딱딱한 센서를 대체하는 용도뿐 아니라, 대면적의 감지 영역이 필요하거나 1회용으로 간단히 사용할 수 있는 분야 등의 새로운 분야에서의 사용도 증가하는 추세이다. Flexible acid sensors are not only used to replace conventional rigid sensors in a wide variety of fields, but are also increasingly used in new fields such as fields that require a large sensing area or can be used simply for one-time use.
또한, 화학 유해 물질의 누출을 감지하는데 있어서, 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 원활히 상황에 대처하기 위하여 현재 무선 단말기 등의 사용자 단말기를 활용하여 보편화되고 있는 사물 인터넷과 연계된 원격 감지 시스템이 접목될 수 있다.In addition, in detecting the leakage of chemical hazardous substances, a remote sensing system linked to the Internet of Things, which is becoming common by using user terminals such as wireless terminals, is grafted to adaptively and smoothly cope with situations that change in real time. can be
여기에서, 사물 인터넷(Internet of Things, IOT) 방식은 통신망을 이용하여 사람이나 지능화된 기기에게 사물 정보를 제공하거나, 사람이나 지능화된 기기가 사물의 상태를 제어하기 위한 통신을 의미한다. Here, the Internet of Things (IOT) method refers to communication for providing object information to a person or an intelligent device using a communication network, or for a person or an intelligent device to control the state of a thing.
과거 1990년대 전 후반의 사물 인터넷 통신은 단순한 P2P(Point-to-Point) 연결을 위한 일대일 혹은 일대 다수의 통신을 의미하였다면, 궁극적으로 사물 인터넷 통신에서 지향하고자 하는 것은 개인 혹은 상황에 맞춤적으로 인간의 제어 없이 또는 인간의 개입을 최소화한 상태에서 자동적으로 동작하면서 보다 향상된 사물 인터넷 통신 서비스의 품질과 안정성을 목표로 한다.In the past, Internet of Things communication in the early 1990s meant one-to-one or one-to-many communication for simple P2P (Point-to-Point) connection. Ultimately, what the Internet of Things communication aims to aim for is human beings tailored to individuals or situations. It aims to improve the quality and stability of the Internet of Things communication service while automatically operating without the control of the Internet or with minimal human intervention.
현재 대표적으로 화학 용액 내 산 정도 감지기, 유해 물질 누출 경보기, 원격 검침, 건물 또는 시설물 관리, 실내 조명 조절 서비스, 교통 정보 및 차량 관제, 긴급 출동, 화재 경보기, 방범 경보 장치, 텔레매틱스, 무선 결재 분야 서비스 등 매우 다양한 서비스가 사물 인터넷 서비스로서 제공되고 있다. Currently, the most representative acid level detector in chemical solution, hazardous substance leak alarm, remote meter reading, building or facility management, indoor lighting control service, traffic information and vehicle control, emergency dispatch, fire alarm, crime prevention alarm device, telematics, and wireless payment field services A wide variety of services are provided as Internet of Things (IoT) services.
사물 인터넷 통신은 사물 장치간의 통신으로 기존의 사람 중심의 H2H(Human-to-Human) 통신과는 여러 특징에서 차이를 보인다. The Internet of Things (IoT) communication is a communication between devices and is different from the existing human-centered H2H (Human-to-Human) communication in several characteristics.
이러한 특성의 차이에서부터 기술적으로 필요한 기술이 달라질 수 있고 사물 인터넷 통신을 이용하는 활용 분야에 따라서도 필요한 특성은 조금씩 달라질 수 있다.From the difference in these characteristics, the technically required technology may vary, and the required characteristics may vary slightly depending on the field of application using the Internet of Things (IoT) communication.
그런데, 종래에 사용되었던 산성 유해 물질 누출을 감지하는 페인트의 도포 방식, 산성에 반응하는 물질의 색을 변화시키는 방식, 전극을 통한 전위가 변하는 방식은 시각적으로 빠른 시간 내에 측정 결과의 전달이 가능한 장점이 있지만, 사물 인터넷(lnternet of Things, IoT)을 통한 원격 감지가 어려운 한계가 있다.However, the method of applying paint that detects leakage of acid hazardous substances, the method of changing the color of the acid-responsive material, and the method of changing the electric potential through the electrode, which have been used in the prior art, are advantageous in that the measurement result can be visually delivered in a short time. However, there is a limit in that remote sensing through the Internet of Things (IoT) is difficult.
따라서, 산성 유해 물질이 누출될 때, 빠른 시간 내에 화합물을 감지하여 즉시 대처할 수 있는 보다 효과적인 산성 유해 물질 검출센서에 대한 연구의 필요성이 있었다.Therefore, there is a need for research on a more effective acidic hazardous substance detection sensor that can detect a compound within a short time and respond immediately when an acidic hazardous substance is leaked.
이에, 본 발명자들은 기준 전극 없이도 신속하고 정확하게 용액 내의 산성 농도만을 선택적으로 감지가 가능할 뿐 아니라, 사물 인터넷과의 연계를 통한 원격 감지와 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 산성 유해 물질 누출 상황에 원활히 대처할 수 있는 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템을 착안하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors not only can selectively detect only the acid concentration in the solution quickly and accurately without a reference electrode, but also smoothly and adaptively respond to the acid hazardous substance leakage situation according to remote sensing through connection with the Internet of Things and real-time fluctuations. We have come to think of an Internet of Things-based acid sensor system that can cope with it.
본 발명의 목적은 기준 전극 없이도 용액 내 수소 이온의 농도에 따라 정전 용량이 변화하는 원리를 이용하여 산성 유해 물질의 누출을 감지할 뿐 아니라, 사물 인터넷과의 연계가 가능한 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide an Internet of Things-based acid sensor system capable of not only detecting leakage of acidic hazardous substances, but also connecting with the Internet of Things, using the principle that the capacitance changes according to the concentration of hydrogen ions in a solution without a reference electrode. will provide
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 실시간 변화되는 정전 용량을 감지하여 산성 감지 신호를 생성하고, 충진되는 용액의 산도를 수치화한 감지 데이터를 사물 인터넷용 데이터로 변환하는 사물 인터넷 감지기; 사물 인터넷 소프트웨어를 탑재하고, 상기 사물 인터넷용 데이터를 인가받아 누출 경보 명령어를 전송하는 사용자 단말기; 및 상기 누출 경보 명령어에 응답하여 원격으로 작동되어, 산성 유해 물질이 누출된 사실을 알리는 유해 물질 누출 경보기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The Internet of Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object generates an acid detection signal by sensing the capacitance changing in real time, and converts the detected data quantifying the acidity of the filled solution into data for the Internet of Things. Internet Detector; a user terminal equipped with Internet of Things software, receiving the data for the Internet of Things, and transmitting a leak warning command; and a hazardous substance leak alarm that is remotely operated in response to the leak warning command to notify the fact that an acidic hazardous substance has been leaked.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 사물 인터넷 감지기는 중간 홈의 양 벽 사이에 형성된 자유 공간에 충진되는 용액 내 수소 이온의 양에 따라 변화되는 정전 용량이 실시간 변동되는 상황을 감지하여 산성 성분 만을 감지한 상기 산성 감지 신호를 출력하는 산성 센서; 상기 산성 감지 신호를 인가받아 수치화하고, 상기 충진되는 용액이 산성 성분인지 여부를 판별하는 상기 감지 데이터를 생성하는 감지 데이터 생성부; 및 상기 감지 데이터를 인가받아 상기 사물 인터넷용 데이터로 변환하여 무선으로 상기 사용자 단말기로 전송하는 원격 감지 데이터 전송부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The IoT sensor of the Internet of Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object has a real-time change in capacitance that changes according to the amount of hydrogen ions in the solution filled in the free space formed between both walls of the intermediate groove. an acid sensor for detecting a situation and outputting the acid detection signal detecting only an acid component; a sensing data generating unit that receives the acidic sensing signal and quantifies it, and generates the sensing data for determining whether the filled solution is an acidic component; and a remote sensing data transmission unit that receives the sensing data, converts it into data for the Internet of Things, and wirelessly transmits it to the user terminal. It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 산성 센서는 유연성 기판 상부면 양측 가장 자리에 각각 제1 영역만큼 마진을 두고 한 쌍의 금속 배선을 테이핑하여 형성되는 한 쌍의 금속 전극; 상기 테이핑되지 않아 노출된 유연성 기판 상부면 및 상기 한 쌍의 금속 배선의 상부면에 적층되는 절연성 중합체 층; 및 상기 적층된 절연성 중합체 층의 중간 영역에 길이 방향으로 식각되어, 양 벽 사이에 상기 자유 공간을 형성하는 중간 홈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.The acid sensor of the Internet of Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object is a pair of metal formed by taping a pair of metal wires with a margin as much as a first area on both edges of the upper surface of the flexible substrate. electrode; an insulating polymer layer laminated on the upper surface of the flexible substrate exposed by not being taped and the upper surface of the pair of metal wires; and an intermediate groove etched in the longitudinal direction in an intermediate region of the laminated insulating polymer layer to form the free space between both walls; It is characterized in that it includes.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 유연성 기판은 상기 폴리에스테르 필름 및종이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.The flexible substrate of the IoT-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object is characterized in that it includes any one of the polyester film and paper.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 한 쌍의 금속 배선은 Cu, Ag, Au, Pt, Al, Zn, Fe, Ni, Sn 및 Pb를 포함하는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 한다.The pair of metal wires of the Internet of Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object is selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, Pt, Al, Zn, Fe, Ni, Sn and Pb. It is characterized in that it is a single metal.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 절연성 중합체 층은 실리콘 및플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.The insulating polymer layer of the Internet of Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object is characterized in that it includes any one of silicone and plastic.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 자유 공간은 충진되는 용액 내 수소 이온의 양에 따라 상기 한 쌍의 금속 전극 사이의 비유전율의 변화를 발생시키는 것을 특징으로 한다.The free space of the IoT-based acidic sensor system of the present invention for achieving the above object is characterized in that the relative dielectric constant between the pair of metal electrodes is changed according to the amount of hydrogen ions in the filled solution.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 산성 센서는 상기 정전 용량이 감소되면 상기 용액의 산 정도를 측정하는 것을 특징으로 한다.The acidic sensor of the Internet of Things-based acidic sensor system of the present invention for achieving the above object is characterized in that when the capacitance is reduced, the acid level of the solution is measured.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 산성 센서는 상기 정전 용량이 감소되면 상기 용액의 상기 산 정도 중 산성 만을 선택적으로 감지하는 것을 특징으로 한다.The acidic sensor of the Internet of Things-based acidic sensor system of the present invention for achieving the above object is characterized in that when the capacitance is reduced, only the acidity of the acid level of the solution is selectively detected.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 절연성 중합체 층은 폴리다이메틸실록산인 것을 특징으로 한다.The insulating polymer layer of the Internet of Things-based acidic sensor system of the present invention for achieving the above object is characterized in that it is polydimethylsiloxane.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상기 절연성 중합체 층은 상기 산성 센서의 동작 주파수가 3.45 GHz 에서 유전 상수가 2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 한다.The insulating polymer layer of the acid sensor system based on the Internet of Things of the present invention for achieving the above object is characterized in that the dielectric constant is 2.5 to 3.5 at the operating frequency of the acid sensor is 3.45 GHz.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 산성 센서에서 실시간 변화되는 정전 용량을 감지하여 산성 감지 신호를 생성하고, 충진되는 용액의 산도를 수치화한 감지 데이터를 사물 인터넷용 데이터로 변환하는 사물 인터넷 감지기; 사물 인터넷 소프트웨어를 탑재하고, 상기 사물 인터넷용 데이터를 인가받아 누출 경보 명령어를 전송하는 사용자 단말기; 및 상기 누출 경보 명령어에 응답하여 원격으로 작동되어, 산성 유해 물질이 누출된 사실을 알리는 유해 물질 누출 경보기; 를 포함하고, 상기 산성 센서는 중간 홈의 양 벽 사이에 형성된 자유 공간에 충진되는 상기 용액 내 수소 이온의 양에 따라 변화되는 정전 용량이 실시간 변동되는 상황을 감지하여 산성 성분 만을 감지한 상기 산성 감지 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.The Internet of Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object generates an acid detection signal by detecting the capacitance changing in real time in the acid sensor, and quantifies the acidity of the filled solution as data for the Internet of Things. Internet of Things sensors to convert; a user terminal equipped with Internet of Things software, receiving the data for the Internet of Things, and transmitting a leak warning command; and a hazardous substance leak alarm that is remotely operated in response to the leak warning command to notify the fact that an acidic hazardous substance has been leaked. Including, wherein the acid sensor detects only the acidic component by detecting a situation in which the capacitance that is changed according to the amount of hydrogen ions in the solution filled in the free space formed between both walls of the intermediate groove is changed in real time It is characterized in that it outputs a signal.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 산성 센서에서 실시간 변화되는 정전 용량을 감지하여 산성 감지 신호를 생성하고, 충진되는 용액의 산도를 수치화한 감지 데이터를 사물 인터넷용 데이터로 변환하는 사물 인터넷 감지기; 사물 인터넷 소프트웨어를 탑재하고, 상기 사물 인터넷용 데이터를 인가받아 누출 경보 명령어를 전송하는 사용자 단말기; 및 상기 누출 경보 명령어에 응답하여 원격으로 작동되어, 산성 유해 물질이 누출된 사실을 알리는 유해 물질 누출 경보기; 를 포함하고, 상기 산성 센서는 유연성 기판 상부면 양측 가장 자리에 각각 제1 영역만큼 마진을 두고 한 쌍의 금속 배선을 테이핑하여 형성되는 한 쌍의 금속 전극; 상기 테이핑되지 않아 노출된 유연성 기판 상부면 및 상기 한 쌍의 금속 배선의 상부면에 적층되는 절연성 중합체 층; 및 상기 적층된 절연성 중합체 층의 중간 영역에 길이 방향으로 식각되어, 양 벽 사이에 자유 공간을 형성하는 중간 홈; 을 포함하며, 상기 자유 공간에 충진되는 상기 용액 내 수소 이온의 양에 따라 변화되는 상기 한 쌍의 금속 전극 사이의 정전 용량을 감지하여, 상기 용액의 산 정도가 측정되는 것을 특징으로 한다.The Internet-of-Things-based acid sensor system of the present invention for achieving the above object generates an acid detection signal by sensing the capacitance changing in real time in the acid sensor, and quantifies the acidity of the filled solution as data for the Internet of Things. Internet of Things sensors to convert; a user terminal equipped with Internet of Things software, receiving the data for the Internet of Things and transmitting a leak warning command; and a hazardous substance leak alarm that is remotely operated in response to the leak warning command to notify the fact that an acidic hazardous substance has been leaked. The acid sensor includes: a pair of metal electrodes formed by taping a pair of metal wires at both edges of the upper surface of the flexible substrate with a margin equal to the first area, respectively; an insulating polymer layer laminated on the top surface of the flexible substrate exposed by not being taped and the top surface of the pair of metal wires; and an intermediate groove etched in the longitudinal direction in an intermediate region of the laminated insulating polymer layer to form a free space between both walls; Including, by sensing the capacitance between the pair of metal electrodes that change according to the amount of hydrogen ions in the solution filled in the free space, characterized in that the acid level of the solution is measured.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in "Details for carrying out the invention" and the accompanying "drawings".
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and/or features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the various embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.However, the present invention is not limited to the configuration of each embodiment disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and each embodiment disclosed in this specification makes the disclosure of the present invention complete, It is provided to fully inform those of ordinary skill in the art to which the invention pertains to the scope of the present invention, and it should be understood that the present invention is only defined by the scope of each claim.
본 발명에 의할 경우, 사물 인터넷과의 연계를 이용한 원격 감지를 통해 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 산성 유해 물질 누출 상황에 원활히 대처할 수 있게 되어 유해 물질 유출 상황 대처 능력 및 효율성이 현저하게 향상된다.According to the present invention, through remote sensing using connection with the Internet of Things, it is possible to adaptively respond to acidic hazardous substance leakage situations adaptively according to real-time changing situations, thereby remarkably improving the ability and efficiency to cope with hazardous substance leakage situations do.
또한, 기준 전극 없이도 신속하고 정확하게 산성 유해 물질의 누출을 감지할 수 있어, 산성 센서 제작에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있다.In addition, it is possible to quickly and accurately detect a leak of an acidic hazardous substance without a reference electrode, thereby reducing the cost and time required for manufacturing an acidic sensor.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 산성 센서 시스템 내 사물 인터넷 감지기(1000)의 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 사물 인터넷 기반 사물 인터넷 감지기(1000) 내 산성 센서(500)의 단면 사시도다.
도 4는 일반적인 커패시터의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도 및 등가 회로도이다.
도 5는 도 1에 도시된 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도 및 등가 회로도이다.
도 6은 도 1에 도시된 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 실험 결과, pH의 변화에 따른 정전 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시된 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 실험 결과, pH의 변화에 따른 민감도 및 선형도를 나타낸 그래프이다.1 is a block diagram of an Internet of Things-based acidity sensor system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of the
3 is a cross-sectional perspective view of the
4 is a schematic configuration diagram and an equivalent circuit diagram for explaining the operation principle of a general capacitor.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram and an equivalent circuit diagram for explaining an operating principle of the
6 is a graph showing a change in capacitance according to a change in pH as a result of an experiment of the
FIG. 7 is a graph showing sensitivity and linearity according to changes in pH as a result of an experiment of the
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Before describing the present invention in detail, the terms or words used in this specification should not be construed as being unconditionally limited to their ordinary or dictionary meanings, and in order for the inventor of the present invention to describe his invention in the best way It should be understood that the concepts of various terms can be appropriately defined and used, and further, these terms or words should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.That is, the terms used herein are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not used for the purpose of specifically limiting the content of the present invention, and these terms represent various possibilities of the present invention. It should be understood that the term has been defined with consideration in mind.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.Also, in the present specification, it should be noted that, unless the context clearly indicates otherwise, the expression in the singular may include a plurality of expressions, and may include the meaning of the singular even if similarly expressed in plural. do.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.In the case where it is stated throughout this specification that a component "includes" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component unless otherwise stated. It could mean that you can.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Furthermore, when it is described that a certain component is "exists in or is connected to" of another component, this component may be directly connected or installed in contact with another component, and a certain It may be installed spaced apart at a distance, and in the case of being installed spaced apart by a certain distance, a third component or means for fixing or connecting the component to another component may exist, and now It should be noted that the description of the components or means of 3 may be omitted.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, when it is described that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the third element or means does not exist.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Similarly, other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between", or "neighboring to" and "directly adjacent to", have the same meaning. should be interpreted as
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.In addition, in this specification, terms such as "one side", "the other side", "one side", "the other side", "first", "second", etc., if used, with respect to one component, this single component It is used to be clearly distinguished from other components, and it should be understood that the meaning of the component is not limitedly used by such terms.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.In addition, in the present specification, terms related to positions such as "upper", "lower", "left", and "right", if used, should be understood as indicating a relative position in the drawing with respect to the corresponding component, Unless an absolute position is specified with respect to their position, these position-related terms should not be construed as referring to an absolute position.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.Furthermore, in the specification of the present invention, terms such as “…unit”, “…group”, “module”, “device”, etc., if used, mean a unit capable of processing one or more functions or operations, which means hardware Alternatively, it should be understood that it may be implemented in software, or a combination of hardware and software.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.In addition, in this specification, in specifying the reference numerals for each component of each drawing, the same component has the same reference number even if the component is shown in different drawings, that is, the same reference is made throughout the specification. Symbols indicate identical components.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings attached to this specification, the size, position, coupling relationship, etc. of each component constituting the present invention are partially exaggerated, reduced, or omitted for convenience of explanation or in order to sufficiently clearly convey the spirit of the present invention. may be described, and therefore the proportion or scale may not be exact.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.In addition, in the following, in describing the present invention, a detailed description of a configuration determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, for example, a detailed description of a known technology including the prior art may be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 블록도로서, 사물 인터넷 감지기(1000), 사용자 단말기(2000) 및 유해 물질 누출 경보기(3000)를 구비한다.1 is a block diagram of an Internet of Things-based acidic sensor system according to an embodiment of the present invention, and includes an Internet of
도 2는 도 1에 도시된 산성 센서 시스템 내 사물 인터넷 감지기(1000)의 블록도로서, 산성 센서(500), 감지 데이터 생성부(700) 및 원격 감지 데이터 전송부(900)를 구비한다.FIG. 2 is a block diagram of the
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 개략적인 구성 및 기능을 설명하면 다음과 같다.A schematic configuration and function of an Internet of Things-based acidic sensor system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 .
사물 인터넷 감지기(1000)는 산성 센서(500) 내 한 쌍의 금속 전극 사이에 형성된 자유 공간에 충진되는 용액 내 수소 이온의 양에 따라 변화되는 정전 용량이 실시간 변동되는 상황을 감지하여 산성 감지 신호를 생성하고, 용액의 산도를 수치화하여 산성인지 여부를 판별하는 감지 데이터를 사물 인터넷용 데이터로 변환한다.The
즉, 산성 센서(500)는 절연성 중합체 층의 중간 홈의 양 벽 사이에 형성된 자유 공간에 충진되는 용액 내 수소 이온의 양에 따라 변화되는 한 쌍의 금속 전극 사이의 정전 용량이 실시간 변동되는 상황을 감지하여 산성 성분 만이 감지된 산성 감지 신호를 출력한다.That is, the
감지 데이터 생성부(700)는 산성 센서(500)로부터 산성 감지 신호를 인가받아 산도로 수치화하고, 상기 충진되는 용액이 산성 성분인지 여부를 판별하는 산성 감지 데이터를 생성한다.The detection
원격 감지 데이터 전송부(900)는 감지 데이터 생성부(700)로부터 산성 감지 데이터를 인가받아 사물 인터넷용 데이터로 변환하여 무선으로 사용자 단말기(2000)로 전송한다.The remote sensing
한편, 사용자 단말기(2000)는 탑재된 사물 인터넷 소프트웨어를 이용하여 사물 인터넷 감지기(1000) 내 원격 감지 데이터 전송부(900)로부터 사물 인터넷용 데이터를 인가받아 유해 물질 누출 경보기(3000)를 원격으로 작동시키는 누출 경보 명령어를 전송한다.Meanwhile, the
유해 물질 누출 경보기(3000)는 사용자 단말기(2000)로부터 누출 경보 명령어를 원격으로 인가받아 이에 응답하여 알람 등을 이용해 산성 유해 물질이 누출된 사실을 사용자에게 알린다.The hazardous
본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 상세한 동작 설명은 후술하도록 한다.A detailed operation description of the Internet of Things-based acidic sensor system according to an embodiment of the present invention will be described later.
도 3은 도 2에 도시된 사물 인터넷 기반 사물 인터넷 감지기(1000) 내 산성 센서(500)의 단면 사시도로서, 유연성 기판(100), 한 쌍의 금속 배선(200), 식각된 절연성 중합체 층(400) 및 중간 홈(450)을 포함한다.3 is a cross-sectional perspective view of an
도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 구성 및 기능을 설명하면 다음과 같다.The configuration and function of the
한 쌍의 금속 배선(200)은 유연성(flexible) 기판(100) 상부면 양측 가장 자리에 각각 소정 넓이의 제1 영역만큼 마진을 두고 테이핑 또는 점착(pasting)하여 형성된다.The pair of
이때, 유연성 기판(100)으로는 폴리에스테르 필름(PET:polyethyleneterephthalate)과 같은 플라스틱 필름 및종이 등의 절연성 유연 기판이 사용된다. In this case, as the
또한, 금속 배선(200)으로는 구리 테이프 및 은(Ag) 페이스트(paste) 중 어느 하나일 수 있다.In addition, the
또한, 금속 배선(200)은 Au, Pt, Al, Zn, Fe, Ni, Sn 및 Pb를 포함하는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다.In addition, the
절연성 중합체 층(300)은 한 쌍의 금속 배선(200)으로 테이핑 또는 점착되지 않아 노출된 유연성 기판(100) 상부면 및 한 쌍의 금속 배선(200)의 상부면에 을 적층된다.The insulating polymer layer 300 is laminated on the upper surface of the
여기에서, 절연성 중합체 층(300)은 실리콘, 플라스틱 등 재질의 유전 물질로서, 유전 물질로는 센서의 동작 주파수가 3.45 GHz 에서 유전상수가 2.5 내지 3.5(바람직하게는 3.0)인 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용한다.Here, the insulating polymer layer 300 is a dielectric material made of a material such as silicon or plastic, and the dielectric material is polydimethylsiloxane having a dielectric constant of 2.5 to 3.5 (preferably 3.0) at a sensor operating frequency of 3.45 GHz (preferably 3.0). Polydimethylsiloxane, PDMS) is used.
도 3에서 보는 바와 같이, 적층된 절연성 중합체 층(300)의 중간 영역에 U 자 형의 중간 홈(groove, 450)을 길이 방향으로 식각하여 홈이 파인 유전 물질의 양 벽 사이에 자유 공간을 형성한다.As shown in FIG. 3 , a U-shaped
즉, 유연성(flexible) 기판(200) 상부면 양측에 형성된 한 쌍의 금속 전극 사이의 공간에 용액이 충진되는 자유 공간이 형성되는데, 산성 유해 물질의 누출이 발생한 경우, 누출되어 자유 공간에 충진된 용액 내 수소 이온의 양에 따라 비유전율의 변화가 발생한다.That is, a free space filled with a solution is formed in the space between the pair of metal electrodes formed on both sides of the upper surface of the
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)는 비유전율의 변화 발생으로 인해 변화되는 정전 용량을 감지하여 자유 공간에 충진된 용액 내 산 정도의 변화 여부에 따라 산성 유해 물질의 누출 여부를 신속하고 정확하게 감지하게 된다.Accordingly, the
본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 상세한 동작 설명은 후술하도록 한다.A detailed operation description of the
도 4는 일반적인 커패시터의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도 및 등가 회로도로서, 한 쌍의 금속 전극(20), 유전체(40) 및 커패시터(CP)를 포함한다.4 is a schematic configuration diagram and an equivalent circuit diagram for explaining the operation principle of a general capacitor, and includes a pair of
도 4(a)는 한 쌍의 금속 전극(20) 사이에 유전체가 포함되지 않는 자유 공간이 존재하는 경우이고, 도 4(b)는 한 쌍의 금속 전극(20) 사이에 유전체가 포함되는 경우이며, 도 4(c)는 도 4(a) 및 도 4(b)의 등가 회로도이다.FIG. 4( a ) shows a case in which a free space not containing a dielectric exists between a pair of
도 5는 도 1에 도시된 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 동작 원리를 설명하기 위한 개략적인 구성도 및 등가 회로도로서, 한 쌍의 금속 배선(200), 식각된 절연성 중합체 층(400), 중간 홈(450) 및 가변 커패시터(CPvar)를 포함한다.5 is a schematic configuration diagram and an equivalent circuit diagram for explaining the operating principle of the
도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 동작 원리를 일반적인 커패시터의 동작 원리를 비교하여 설명하면 다음과 같다.The operation principle of the
정전용량(capacitance)은 한 쌍의 금속 전극(20) 사이에 자유공간 또는 유전 물질이 전하를 축적할 수 있는 능력을 의미하며, 단위로는 패럿(Farad, [F])을 사용한다.Capacitance refers to the ability of a free space or a dielectric material to accumulate electric charges between a pair of
즉, 도 4(a)에서 보는 바와 같이, 한 쌍의 금속 전극(20) 사이에 자유공간이 존재하는 경우 정전용량의 산출식은 다음의 수학식 1과 같다.That is, as shown in FIG. 4A , when a free space exists between a pair of
[수학식 1][Equation 1]
여기에서, C는 정전 용량, V는 한 쌍의 금속 전극(20) 사이의 단자 전압, Q는 전하량, d는 한 쌍의 금속 전극(20) 사이의 거리, 
수학식 1에서 정전용량이 변화하는 조건은, 한 쌍의 금속 전극(20) 사이의 거리 또는 판 면적이 변화하는 경우이다.The condition for changing the capacitance in
또한, 도 4(b)에서 보는 바와 같이, 한 쌍의 금속 전극(20) 사이에 유전체가 포함되는 경우 정전용량의 산출식은 다음의 수학식 2와 같다.In addition, as shown in FIG. 4B , when a dielectric is included between a pair of
[수학식 2][Equation 2]
여기에서, C는 정전 용량, V는 한 쌍의 금속 전극(20) 사이의 단자 전압, Q'는 전하량, d는 한 쌍의 금속 전극(20) 사이의 거리, 
수학식 2에서 정전용량이 변화하는 조건은, 비유전율(
반면, 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)는 한 쌍의 금속 배선(200)이 구성하는 양 극판 사이에 도 4(a)의 자유공간에 해당하는 중간 홈(450)과 도 3(b)의 유전체에 해당하는 식각된 절연성 중합체 층(400)이 동시에 존재한다.On the other hand, as shown in FIG. 5 , the
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)를 소정의 용액 내에 침수시키면, 용액 내에 존재하는 수소 이온 중에서 중간 홈(450)에 유입되는 수소 이온의 양에 따라 한 쌍의 금속 전극 사이의 비유전율의 변화가 발생한다.Accordingly, when the
이와 같은 경우, 수학식 2에서의 정전용량이 변화하는 조건을 만족하여, 본 발명의 산성 센서(500)가 변화하는 정전용량을 측정하여 용액의 산성 정도를 다음과 같이 구분하게 된다.In this case, the
즉, 산성 센서(500)가 감지한 용액의 산도는 용액 내 수소 이온의 농도에 따라 pH1 내지 pH14로 구분되는데, pH1 내지 pH7을 산성(acid), pH8을 중성, pH9 내지 pH14를 알칼리성(alkali)으로 구분한다.That is, the acidity of the solution detected by the
도 6은 도 1에 도시된 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 실험 결과, pH의 변화에 따른 정전 용량의 변화를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a change in capacitance according to a change in pH as a result of an experiment of the
도 7은 도 1에 도시된 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 실험 결과, pH의 변화에 따른 민감도 및 선형도를 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing sensitivity and linearity according to changes in pH, as a result of an experiment of the
도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)의 실험 결과를 설명하면 다음과 같다.Experimental results of the
본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템 내 산성 센서(500)는 용액 내의 수소 이온의 농도가 높아질수록 센서의 정전 용량이 정량적으로 감소하게 되어 용액 내의 산 정도를 감지하게 된다.In the
또한, 중성 및 알칼리성에 대해서는 농도에 따른 변화가 없기 때문에, 산성 만을 선택적으로 감지하게 된다.In addition, since there is no change according to the concentration for neutrality and alkalinity, only acidity is selectively sensed.
실제로, 본 발명의 일 실시예로서, pH1 내지 pH13 범위의 버퍼 용액을 이용하여 테스트한 결과, 도 6에서 보는 바와 같이, pH1 내지 pH7 범위에서 센서의 정전 용량이 선형적으로 감소하는 변화가 발생하고, pH8 이상에서는 센서의 정전 용량에 큰 변화가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.In fact, as an embodiment of the present invention, as a result of testing using a buffer solution in the range of pH1 to pH13, as shown in FIG. 6 , a change in the capacitance of the sensor linearly decreases in the range of pH1 to pH7 occurs and , it was confirmed that there was no significant change in the sensor capacitance at
즉, 도 6에서 수소 이온의 농도가 pH1에서 시작하여 pH13까지 증가하면, 센서의 정전 용량이 pH1 내지 pH7 범위에서는 이와 반비례하게 감소되어 7.1 [pF]에서 6.85 [pF]까지 변화되지만, pH8 이상에서는 6.85 [pF]에서 6.9 [pF] 사이 값을 유지한다.That is, when the concentration of hydrogen ions in FIG. 6 increases from pH1 to pH13, the capacitance of the sensor decreases in inverse proportion to this in the range of pH1 to pH7, and changes from 7.1 [pF] to 6.85 [pF], but at pH8 or higher Maintain values between 6.85 [pF] and 6.9 [pF].
또한, 도 7에서 보는 바와 같이, 수소 이온의 농도가 pH1에서 시작하여 pH7까지 증가하는 동안, 센서의 정전 용량이 7.1 [pF]에서 6.85 [pF]까지 감소되어, pH 당 정전 용량의 변화 민감도가 -0.043 pF/pH 로 측정되었고, 선형도가 99.5 %로 측정되어 산성 센서로서 우수한 동작 특성을 가짐을 알 수 있다. In addition, as shown in FIG. 7, while the concentration of hydrogen ions increased from pH1 to pH7, the capacitance of the sensor decreased from 7.1 [pF] to 6.85 [pF], so that the sensitivity to change in capacitance per pH was increased. It was measured at -0.043 pF/pH, and the linearity was measured to be 99.5%, indicating that it has excellent operating characteristics as an acid sensor.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.An operation of the Internet of Things-based acidic sensor system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7 .
본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 네트워크를 통해 본 발명의 사물 인터넷 장치들, 즉 사물 인터넷 감지기(1000) 및 사용자 단말기(2000)에 필요한 소프트웨어를 제공하거나 관리할 수 있다. The IoT-based acid sensor system of the present invention may provide or manage software required for the IoT devices of the present invention, that is, the
상기 소프트웨어는 펌웨어, 어플리케이션, 운영체제 등을 포함한다.The software includes firmware, applications, operating systems, and the like.
이를 위해, 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 네트워크와 연결된 게이트웨이들(미도시)과 통신할 수 있고, 게이트웨이를 통해 본 발명의 사물 인터넷 장치들로 소프트웨어를 제공하거나, 소프트웨어의 업데이트 등을 관리할 수 있다.To this end, the IoT-based acid sensor system may communicate with network-connected gateways (not shown), and may provide software to the IoT devices of the present invention through the gateway, or manage software updates, etc. .
일례로, 게이트웨이는 셋톱박스에 포함될 수 있으므로, 이미 보급되어 있는 셋톱박스를 기반으로 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템을 활용할 수 있다.For example, since the gateway may be included in the set-top box, it is possible to utilize the Internet of Things-based acid sensor system of the present invention based on the already popular set-top box.
일반적으로 사물 인터넷 장치들은 엔터테인먼트, 안전, 가전, 에너지, 건강, 등의 카테고리로 구분될 수 있는데, 본 발명의 사물 인터넷 장치들은 산성 유해 물질 누출에 대한 감지 및 안전에 포커싱되어 있다.In general, IoT devices may be classified into categories such as entertainment, safety, home appliances, energy, health, and the like, and the IoT devices of the present invention focus on detection and safety of leakage of acidic hazardous substances.
즉, 산업 현장의 제조 공정에서 많이 사용하고 있는 각종 산성 유해 물질의 누출을 감지하여 인명과 재산상 손실을 방지하기 위하여 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템이 소정의 화학 공장에 구축되어 있다고 가정한다.That is, it is assumed that the Internet-of-things-based acid sensor system of the present invention is built in a predetermined chemical plant in order to detect the leakage of various acidic hazardous substances widely used in the manufacturing process of the industrial site and prevent loss of life and property. .
산성 센서(500)를 포함하는 사물 인터넷 감지기(1000)가 화학 공장에 설치되어 있는데, 소정의 제품을 제조하는 공정에서 의도하지 않은 산성 유해 용액이 누출된 경우를 상정한다.It is assumed that the
산성 센서(500)는 한 쌍의 금속 전극 사이에 형성된 자유 공간에 충진되는 유해 용액에 존재하는 수소 이온의 시간의 증가에 따라 정전 용량의 감소를 감지하여 산성 감지 신호를 출력한다.The
감지 데이터 생성부(700)는 산성 센서(500)로부터 산성 감지 신호를 인가받아 산도로 수치화하여 pH1 내지 pH7인 산성 감지 데이터를 생성한다.The detection
원격 감지 데이터 전송부(900)는 감지 데이터 생성부(700)로부터 산성 감지 데이터를 인가받아 사물 인터넷용 데이터로 변환하여 무선으로 사용자 단말기(2000)로 전송한다.The remote sensing
사용자 단말기(2000)는 탑재된 사물 인터넷 프로그램을 이용하여 원격 감지 데이터 전송부(900)로부터 사물 인터넷용 데이터를 인가받아 누출 경보 명령어를 전송한다.The
유해 물질 누출 경보기(3000)는 사용자 단말기(2000)로부터 누출 경보 명령어를 원격으로 인가받아 이에 응답하여 알람을 작동시킴으로써 산성 유해 물질이 누출된 사실을 사용자에게 알린다.The hazardous
한편, 본 발명의 사물 인터넷 장치들은 사용자로부터의 제어에 따라 동작할 수 있는데, 이를 위해 기본 소프트웨어인 사물 인터넷 소프트웨어와 이와 연동하여 다양한 기능들을 제공하기 위한 적어도 하나 이상의 소프트웨어들이 설치될 수 있다. On the other hand, the IoT devices of the present invention may operate according to the control from the user. For this purpose, Internet of Things software, which is basic software, and at least one or more software for providing various functions in conjunction therewith may be installed.
또한, 설치된 소프트웨어들은 제조사 등에서 제공하는 업데이트 서비스를 통해 주기적으로 업데이트될 수 있다.In addition, the installed software may be periodically updated through an update service provided by a manufacturer or the like.
이를 위해, 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 사물 인터넷 장치들의 기본 소프트웨어를 업데이트 하거나, 새로운 소프트웨어를 제공하거나, 기설치된 소프트웨어의 업데이트를 제어할 수 있다.To this end, the IoT-based acid sensor system of the present invention may update basic software of IoT devices, provide new software, or control updating of pre-installed software.
외부의 서버(미도시)는 사물 인터넷 장치들의 제조사 또는 다른 소프트웨어 개발자들이 소프트웨어를 업로드할 수 있고, 유무선 통신 네트워크를 통해 사물 인터넷 단말기들과의 통신을 유지할 수 있다.An external server (not shown) may allow manufacturers of IoT devices or other software developers to upload software and maintain communication with IoT terminals through a wired/wireless communication network.
이를 통하여, 본 발명의 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템은 기준 전극 없이도 신속하고 정확하게 용액 내의 산성 농도만을 선택적으로 감지가 가능할 뿐 아니라, 사물 인터넷과의 연계를 통한 원격 감지와 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 산성 유해 물질 누출 상황에 원활히 대처할 수 있게 된다.Through this, the Internet-of-Things-based acid sensor system of the present invention can selectively detect only the acid concentration in a solution quickly and accurately without a reference electrode, as well as remote sensing through connection with the Internet of Things and adaptive according to real-time fluctuations. Thus, it is possible to smoothly cope with the situation of leakage of acid hazardous substances.
이와 같이, 본 발명은 기준 전극 없이도 용액 내 수소 이온의 농도에 따라 정전 용량이 변화하는 원리를 이용하여 산성 유해 물질의 누출을 감지할 뿐 아니라, 사물 인터넷과의 연계가 가능한 사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템을 제공한다.As described above, the present invention uses the principle of changing the capacitance according to the concentration of hydrogen ions in a solution without a reference electrode to detect the leakage of acidic hazardous substances, as well as an Internet of Things-based acidic sensor system that can be linked to the Internet of Things provides
이를 통하여, 본 발명은 사물 인터넷과의 연계를 이용한 원격 제어를 통해 실시간 변동되는 상황에 따라 적응적으로 산성 유해 물질 누출 상황에 원활히 대처할 수 있게 되어 유해물질 유출 상황 대처 능력 및 효율성이 현저하게 향상된다.Through this, the present invention is able to smoothly cope with the acidic hazardous substance leakage situation adaptively according to the real-time changing situation through remote control using the connection with the Internet of Things, thereby remarkably improving the ability and efficiency to cope with the hazardous substance leakage situation .
또한, 기준 전극 없이도 신속하고 정확하게 산성 유해 물질의 누출을 감지할 수 있어, 산성 센서 제작에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있다.In addition, it is possible to quickly and accurately detect a leak of an acidic hazardous substance without a reference electrode, thereby reducing the cost and time required for manufacturing an acidic sensor.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.In the above, although several preferred embodiments of the present invention have been described with some examples, the description of various various embodiments described in the "Specific Contents for Carrying Out the Invention" item is merely exemplary, and the present invention Those of ordinary skill in the art will understand well that the present invention can be practiced with various modifications or equivalents to the present invention from the above description.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.In addition, since the present invention can be implemented in various other forms, the present invention is not limited by the above description, and the above description is for the purpose of completing the disclosure of the present invention, and it is common in the technical field to which the present invention pertains. It should be understood that the present invention is only provided to fully inform those with knowledge of the scope of the present invention, and that the present invention is only defined by each of the claims.
100 : 유연성 기판
200 : 한 쌍의 금속 배선
300 : 절연성 중합체 층
400 : 식각된 절연성 중합체 층
450 : 중간 홈
500 : 산성 센서
700 : 감지 데이터 생성부
900 : 원격 감지 데이터 전송부
1000 : 사물 인터넷 감지기
2000 : 사용자 단말기
3000 : 유해 물질 누출 경보기100: flexible substrate
200: a pair of metal wires
300: insulating polymer layer
400: etched insulating polymer layer
450: middle groove
500: acid sensor
700: detection data generation unit
900: remote sensing data transmission unit
1000: Internet of Things Detector
2000: user terminal
3000: Hazardous Substance Leak Alarm
Claims (13)
상기 사물 인터넷 감지기는 산성 센서를 포함하며,
상기 산성 센서는, 절연성의 유연성 기판 상부면 양측 가장 자리에 각각 제1 영역만큼 마진을 두고 한 쌍의 금속 배선을 테이핑 또는 점착(pasting)하여 형성되는 한 쌍의 금속 전극; 상기 테이핑 또는 점착되지 않아 노출된 유연성 기판 상부면 및 상기 한 쌍의 금속 배선의 상부면에 적층되는 절연성 중합체 층; 및 상기 적층된 절연성 중합체 층의 중간 영역에 길이 방향으로 식각되어, 양 벽 사이에 상기 자유 공간을 형성하는 중간 홈;을 포함하고,
상기 산소 센서는 상기 한 쌍의 금속 배선이 구성하는 한 쌍의 금속 전극 사이에 상기 자유 공간에 해당하는 중간 홈과 유전체에 해당하는 식각된 절연성 중합체 층이 함께 존재하도록 함으로써, 상기 중간 홈의 양 벽 사이에 형성된 자유 공간에 충진되는 용액 내 수소 이온의 양에 따라 변화되는 정전 용량이 실시간 변동되는 상황을 감지하여 산성 성분 만을 감지한 상기 산성 감지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
an Internet of Things sensor that generates an acid detection signal by sensing the capacitance changing in real time, and converts the detected data obtained by quantifying the acidity of the filled solution into data for the Internet of Things; a user terminal equipped with Internet of Things software, receiving the data for the Internet of Things and transmitting a leak warning command; and a hazardous substance leak alarm that is remotely operated in response to the leak warning command to notify the fact that an acidic hazardous substance has been leaked;
The IoT sensor includes an acid sensor,
The acid sensor may include: a pair of metal electrodes formed by taping or pasting a pair of metal wires at both edges of the upper surface of the insulating flexible substrate with a margin as much as a first region, respectively; an insulating polymer layer laminated on the upper surface of the flexible substrate exposed without being taped or adhered and the upper surface of the pair of metal wires; and an intermediate groove etched in the longitudinal direction in the middle region of the laminated insulating polymer layer to form the free space between both walls;
In the oxygen sensor, the intermediate groove corresponding to the free space and the etched insulating polymer layer corresponding to the dielectric exist together between the pair of metal electrodes constituted by the pair of metal wires, so that both walls of the intermediate groove are present together. characterized in that the acid detection signal detected only by detecting the acid component is output by detecting a situation in which the capacitance, which is changed according to the amount of hydrogen ions in the solution filled in the free space formed therebetween, is changed in real time,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 사물 인터넷 감지기는
상기 산성 감지 신호를 인가받아 수치화하고, 상기 충진되는 용액이 산성 성분인지 여부를 판별하는 상기 감지 데이터를 생성하는 감지 데이터 생성부; 및
상기 감지 데이터를 인가받아 상기 사물 인터넷용 데이터로 변환하여 무선으로 상기 사용자 단말기로 전송하는 원격 감지 데이터 전송부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
The IoT sensor is
a sensing data generating unit that receives the acidic sensing signal and digitizes it, and generates the sensing data for determining whether the filled solution is an acidic component; and
A remote sensing data transmission unit that receives the sensing data, converts it into the data for the Internet of Things, and wirelessly transmits it to the user terminal; characterized in that it further comprises,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 유연성 기판은
폴리에스테르 필름 및 종이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
The flexible substrate
Characterized in comprising any one of a polyester film and paper,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 한 쌍의 금속 배선은
Cu, Ag, Au, Pt, Al, Zn, Fe, Ni, Sn 및 Pb를 포함하는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
The pair of metal wires is
Cu, Ag, Au, Pt, Al, Zn, Fe, Ni, characterized in that any one metal selected from the group comprising Sn and Pb,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 절연성 중합체 층은
실리콘 및 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
The insulating polymer layer is
Characterized in that it contains any one of silicone and plastic,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 자유 공간은
충진되는 용액 내 수소 이온의 양에 따라 상기 한 쌍의 금속 전극 사이의 비유전율의 변화를 발생시키는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
the free space
Characterized in generating a change in the relative dielectric constant between the pair of metal electrodes according to the amount of hydrogen ions in the filled solution,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 산성 센서는
상기 정전 용량이 감소되면 상기 용액의 산 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
The acid sensor
Characterized in measuring the acid level of the solution when the capacitance is reduced,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 산성 센서는
상기 정전 용량이 감소되면 상기 용액의 상기 산 정도 중 산성 만을 선택적으로 감지하는 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
9. The method of claim 8,
The acid sensor
Characterized in that when the capacitance is reduced, only the acidity of the acid level of the solution is selectively sensed,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 절연성 중합체 층은
폴리다이메틸실록산인 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.
The method of claim 1,
The insulating polymer layer is
Characterized in that it is polydimethylsiloxane,
Internet of Things based acid sensor system.
상기 절연성 중합체 층은
상기 산성 센서의 동작 주파수가 3.45 GHz 에서 유전 상수가 2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는,
사물 인터넷 기반 산성 센서 시스템.The method of claim 1,
The insulating polymer layer is
Characterized in that the dielectric constant is 2.5 to 3.5 at the operating frequency of the acid sensor is 3.45 GHz,
Internet of Things based acid sensor system.
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