KR102336622B1 - Voc 감지 pid가스센서 디바이스 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따르면, 가스를 센싱하는 디바이스에 있어서, 자외선을 출력하는 램프; 상기 램프를 삽입하기 위한 홀을 포함하는 제 1 PCB; 상기 제 1 PCB에 수직으로 배치되고 상기 램프에 전원을 공급하기 위해 이용되는 램프 전원 단자 및 램프 그라운드 단자를 포함하는 제 2 PCB; 상기 제 1 PCB에 평행하게 배치되고, 상기 제 2 PCB에 수직으로 배치되고, 외부로부터 전력을 수신하는 전원 수신 단자를 포함하는 제 3 PCB; 상기 램프 전원 단자에 부착되고 상기 램프를 고정하는 링 형상의 제 1 전극; 및 상기 램프 그라운드 단자에 부착되고, 상기 램프를 고정하고, 상기 제 1 전극에 평행하게 배치되는 상기 링 형상의 제 2 전극;을 포함하는, 디바이스가 제공된다.
Description
본 개시는 가스를 센싱하는 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 램프를 고정하는 링 형상의 전극들을 기반으로 이온화된 가스를 정밀하게 센싱할 수 있는 디바이스에 관한 것이다.
휘발성 유기화합물(volatile organic Compounds, VOC)은 산업 생산시설뿐만 아니라 생활 공간에까지 널리 사용되고 있어 주변 환경에 노출되어 있다. 이러한 유기화합물의 위험성은 유아 아토피 피부질환, 악취 발생 및 암발생 등의 요인 물질로 알려져 있기 때문에 정부에서는 '다중 이용시설 등의 실내 공기질 관리법', '신축 공동주책의 실내 공기질 권고 기준'등 다양한 법적 기준을 설정하고 있다.
유기화합물을 검출하기 위한 센서 기술로 전기화학, 금속산화물 등의 가스 반응방식 가스센서와 광을 이용한 광학방식의 가스센서들이 제공되고 있다.
가스 반응 가스센서의 경우 수명 짧은 단점을 갖고 있으며, 수분 및 온도 등의 환경 변화에 의한 센서 성능이 변화되는 문제점들을 갖고 있다. 이에, 종래의 문제점을 개선하면서 성능을 확보하기 위한 연구들이 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시 예는 가스를 센싱하는 디바이스를 제공하여 상기한 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있고, 더욱 상세하게는, 램프를 고정하는 링 형상의 전극들을 기반으로 이온화된 가스를 정밀하게 센싱할 수 있는 디바이스를 제공할 수 있다.
또한, 극자외선 에너지를 출력하는 램프의 출력 효율을 개선시키고, 다양한 종류의 휘발성 유기화합물 가스들을 정밀하게 검출할 수 있는 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 측면에 따른 가스를 센싱하는 디바이스는 자외선을 출력하는 램프; 상기 램프를 삽입하기 위한 홀을 포함하는 제 1 PCB; 상기 제 1 PCB에 수직으로 배치되고 상기 램프에 전원을 공급하기 위해 이용되는 램프 전원 단자 및 램프 그라운드 단자를 포함하는 제 2 PCB; 상기 제 1 PCB에 평행하게 배치되고, 상기 제 2 PCB에 수직으로 배치되고, 외부로부터 전력을 수신하는 전원 수신 단자를 포함하는 제 3 PCB; 상기 램프 전원 단자에 부착되고 상기 램프를 고정하는 링 형상의 제 1 전극; 및 상기 램프 그라운드 단자에 부착되고, 상기 램프를 고정하고, 상기 제 1 전극에 평행하게 배치되는 상기 링 형상의 제 2 전극;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 상기 램프에서 상기 자외선을 출력하는 방향에 위치하고, 이온화된 가스의 양에 따라 결정되는 크기의 전류를 통과시키는 복수의 감지 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 상기 복수의 감지 전극 사이에 위치하는 절연체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 감지 전극에 전류가 인가되는 제 1 시점은 상기 램프 전원 단자에 전류가 인가되는 제 2 시점보다 늦고, 상기 제 1 시점에 상기 복수의 감지 전극에 흐르는 전류의 크기는 충분한 시간이 경과한 이후에 상기 복수의 감지 전극에 흐르는 전류의 크기인 포화 전류 크기의 90% 이상일 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 상기 램프 전원 단자에 부착되고 상기 램프를 고정하고 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 평행하게 배치되는 상기 링 형상의 제 3 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극에 인가되는 전압 및 상기 제 3 전극에 인가되는 전압은 사용자의 입력에 기초하여 동일 또는 상이하게 결정할 수 있다.
또한, 상기 램프는 상기 자외선을 출력하는 윈도우; 및 상기 윈도우의 하단에 부착되는 튜브를 포함하고, 상기 튜브는 상기 윈도우에 부착되고 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 1 형상, 상기 제 1 형상의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상의 제 2 형상, 상기 제 2 형상의 하단에 위치하고 상기 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 3 형상 및 상기 제 3 형상의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상의 제 4 형상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이온화된 가스를 정밀하게 센싱할 수 있는 디바이스를 제공할 수 있다.
또한, 극자외선 에너지를 출력하는 램프의 출력 효율을 개선시키고, 다양한 종류의 휘발성 유기화합물 가스들을 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 수명을 향상시킬 수 있고, 수분 및 온도 등의 환경 변화에 의해 센서 성능이 변화되는 문제점을 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스의 구성의 일 예를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스가 가스를 센싱하는 동작을 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 단면도이다.
도 3는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 6 은 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스에 포함된 복수의 감지 전극(170)의 일 단면의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 복수의 감지 전극을 상부에서 바라본 외형을 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 복수의 감지 전극을 실제로 제품으로 구현한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스가 가스를 센싱하는 동작을 설명하기 위한 일 예시 도면이다.
도 10은 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스에 포함된 제 1 PCB 내지 제 3 PCB를 실제로 제품으로 구현한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 3는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 6 은 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스에 포함된 복수의 감지 전극(170)의 일 단면의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 복수의 감지 전극을 상부에서 바라본 외형을 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 복수의 감지 전극을 실제로 제품으로 구현한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스가 가스를 센싱하는 동작을 설명하기 위한 일 예시 도면이다.
도 10은 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스에 포함된 제 1 PCB 내지 제 3 PCB를 실제로 제품으로 구현한 실시 예를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 전체에서 “디바이스” 또는 “가스 센싱 디바이스”는 VOC 감지 PID가스센서 디바이스를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 광이온 센서(Photoionization detector, PID)가 가스 센싱 디바이스에 이용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스(100)의 구성의 일 예를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스(100)가 가스를 센싱하는 동작을 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스(100)의 구성 중 일부를 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 가스 센싱 디바이스(100)는 가스를 센싱할 수 있고, 일 실시 예에서, 기설정 농도 범위(예: 0 ~ 2000 ppm) 내에서 휘발성 유기화합물 계열의 가스 물질(예: 이소부틸렌((isobutylene))의 농도를 검출할 수 있는 광이온 센서(Photoionization detector)로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스(100)는 램프(110), 제 1 PCB(120), 제 2 PCB(130), 제 3 PCB(140), 제 1 전극(150), 제 2 전극(160), 복수의 감지 전극(170) 및 절연체(180)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 램프(110)는 자외선을 출력할 수 있고, 예를 들면, 금속 할로겐 가스를 이용하는 할로젠 램프로 구현되어 기설정된 극자외선 파장(예: 10nm ~ 124nm)의 전자기파를 나타내는 극자외선을 발생시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 램프(110)는 윈도우(111) 및 튜브(112)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 윈도우(111)는 자외선을 출력할 수 있고, 예를 들면, 하단에 부착된 튜브(112)로부터 방출되는 극자외선을 상부를 향해 통과시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 윈도우(111)는 기설정 파장 이하인 짧은 파장 영역을 투과시킬 수 있는 금속 할로젠을 포함할 수 있고, 예를 들면, 플루오르화마그네슘(MgF2)의 증착을 통해 형성된 광학박막으로 구현되어, 튜브(112)에서 생성된 극자외선을 램프(110)의 외부로 투과시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 윈도우(111)는 플루오르화마그네슘(MgF2), 플루오르화칼슘(CaF2) 또는 플루오르화바륨(BaF2)으로 구성된 결정, 가스 또는 얇은 금속막의 투과재를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 튜브(112)는 윈도우(111)의 하단에 부착될 수 있고, 예를 들면, 윈도우(111)의 하단에 부착되는 일면은 기설정 파장 이하인 짧은 파장 영역을 투과시킬 수 있도록 구성된 투과재를 포함하고, 해당 일면을 제외한 나머지 면들의 하우징은 기설정 파장 이하인 짧은 파장 영역을 투과시키지 않도록 구성된 비투과재를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 튜브(112)는 전압이 인가되면 내부에 포함된 방전 가스를 방전시켜 자외선을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 튜브(112)는 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)으로부터 전압이 인가되면, 진공으로 형성된 하우징 내부에 포함된 금속 할로겐 가스(예: 플루오르화칼슘(CaF2)), 수소 가스 또는 비활성 기체 등을 방전시켜 극자외선을 발생시킬 수 있으며, 윈도우(111)의 하단으로 극자외선이 이동하도록 가이드할 수 있다.
일 실시 예에 따른 램프(110)는 가스 센싱 디바이스(100)에 장착 가능하도록 구현될 수 있고, 예를 들면, 사용자에 의해 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)의 내부의 빈 공간에 삽입되어 가스 센싱 디바이스(100)에 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 PCB(120)는 램프(110)를 삽입하기 위한 홀(121)을 포함할 수 있다. 여기에서, 홀(121)은 제 1 PCB(120)의 일부에 형성된 빈 공간을 나타내고, 일 실시 예에서, 공기 중에 있는 가스가 이동하거나 가스가 이온화되기 위한 공간을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 PCB(120)는 상단에 복수의 감지 전극(170)이 부착되면, 복수의 감지 전극(170)을 통해 기설정 크기 이상의 전류가 흐르는지 여부를 감지할 수 있다. 예를 들면, 제 1 PCB(120)에서 홀(121)을 포함하는 일부의 상단에 복수의 감지 전극(170)이 배치될 수 있고, 제 1 PCB(120)는 복수의 감지 전극(170) 각각과 전기적으로 연결되어 전원(예: DC 바이어스 전압)을 인가할 수 있으며, 극자외선에 의해 이온화된 가스에 따라 복수의 감지 전극(170)을 통해 전류가 흐르는지 여부 및 흐르는 전류의 양 등을 센싱할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 PCB(120)는 복수의 감지 전극(170)에 전원(예: DC 바이어스 전압)을 제공하기 위한 전원 회로, 복수의 감지 전극(170)을 통해 흐르는 전류의 크기에 대응하는 신호를 기설정 주파수 영역으로 필터링하는 밴드 패스 필터(예: HPF, LPF 등), 필터링된 신호를 증폭하여 기설정된 임계값을 초과하는지 여부를 결정하는 증폭 회로 및 증폭된 신호에 따라 대상 가스(예: 휘발성 유기화합물)의 검출 여부를 결정하는 결정 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 2 PCB(130)는 제 1 PCB(120)에 수직으로 배치될 수 있고, 예를 들면, 제 1 PCB(120)의 하단과 제 3 PCB(140)의 상단 사이에 배치되고, 홀(121)에 수직한 방향으로 배치되어, 램프(110)가 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)의 내부에 위치되면 램프(110)와 평행하도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 2 PCB(130)는 램프(110)에 전원을 공급하기 위해 이용되는 램프 전원 단자(131) 및 램프 그라운드 단자(132)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 램프 전원 단자(131)는 제 1 전극(150)과 전기적으로 연결되어 제 1 전극(150)에 전원을 공급할 수 있고, 예를 들면, 제 1 전극(150)이 부착되면 제 1 전극(150)에 기설정된 크기의 전원 전압을 인가할 수 있다.
일 실시 예에 따른 램프 그라운드 단자(132)는 제 2 전극(160)과 전기적으로 연결되어 제 2 전극(160)에 전원을 공급할 수 있고, 예를 들면, 제 2 전극(160)이 부착되면 제 1 전극(150)에 기설정된 크기의 그라운드 전압을 인가할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 2 PCB(130)는 제 1 PCB(120)와 전기적으로 연결될 수 있고, 제 1 PCB(120)로부터 수신되는 신호를 기초로 가스 감지 결과를 출력할 수 있다. 일 실시 예에서, 제 2 PCB(130)는 밴드 패스 필터(예: HPF, LPF 등), 증폭 회로 및 결정 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 제 1 PCB(120)로부터 수신된 신호를 기초로 가스(예: 휘발성 유기화합물)의 검출이 결정되면 기설정 방식(예: LED 점등, 경고 사운드 출력 등)에 따라 가스 검출 결과를 출력하는 출력 회로(예: LED 모듈, 사운드 모듈 등)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 2 PCB(130)는 제 3 PCB(140)와 전기적으로 연결될 수 있고, 제 3 PCB(140)로부터 전원을 공급 받을 수 있으며, 공급되는 전원을 이용하여 램프 전원 단자(131) 및 램프 그라운드 단자(132)에 전원 및 그라운드를 제공하는 전원 제어 회로를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 3 PCB(140)는 제 1 PCB(120)에 평행하게 배치되고, 제 2 PCB(130)에 수직으로 배치될 수 있다. 일 실시 예에서, 제 3 PCB(140)는 2 PCB(130)의 일단에 배치되고, 홀(121)에 평행한 방향으로 배치되어, 램프(110)가 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)의 내부에 위치되면 램프(110)의 길이 방향과 수직하도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 3 PCB(140)는 외부로부터 전력을 수신하는 전원 수신 단자(141)를 포함할 수 있고, 예를 들면, 전원 전압(예: VCC 5V)을 수신하는 제 1 전원 수신 단자 및 그라운드(예: GND 0V)를 위한 제 2 전원 수신 단자를 포함하고, 출력 전압(예: VOUT)을 송신하기 위한 출력 송신 단자를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 제 3 PCB(140)는 수신되는 전력을 저장하는 배터리 모듈을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 전극(150)는 램프 전원 단자(131)에 부착될 수 있고, 예를 들면, 일단에 형성된 결합부재를 통해 램프 전원 단자(131)에 형성된 결합부재와 결합되어 고정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 전극(150)는 램프(110)를 고정하는 링 형상일 수 있고, 예를 들면, 링 형상의 내부 반지름이 램프(110)에 형성된 하우징의 외부 반지름보다 기설정 제 1 값 이하로 형성되어 램프(110)가 움직이지 않도록 램프(110)의 상부를 고정하면서 램프 전원 단자(131)로부터 공급되는 전원 전압을 램프(110)에 인가할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 2 전극(160)는 램프 그라운드 단자(132)에 부착될 수 있고, 예를 들면, 일단에 형성된 결합부재를 통해 램프 그라운드 단자(132)에 형성된 결합부재와 결합되어 고정될 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 2 전극(160)는 램프(110)를 고정하고, 제 1 전극(150)에 평행하게 배치되는 링 형상일 수 있다. 예를 들면, 제 2 전극(160)는 링 형상의 내부 반지름이 램프(110)에 형성된 하우징의 외부 반지름보다 기설정 제 2 값 이하로 형성되어 램프(110)가 움직이지 않도록 램프(110)의 하부를 고정하면서 램프 그라운드 단자(132)로부터 공급되는 그라운드 전압을 램프(110)에 인가할 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 값과 제 2 값은 동일하거나 상이할 수 있으며, 예를 들면, 제 2 값은 제 1 값보다 작을 수 있다. 이러한 실시 예에 관한 내용은 이하에서 도 4 내지 도 5를 참조하며 후술하도록 한다.
일 실시 예에 따른 복수의 감지 전극(170)은 램프(110)에서 자외선을 출력하는 방향에 위치하고, 이온화된 가스의 양에 따라 결정되는 크기의 전류를 통과시킬 수 있다. 예를 들면, 복수의 감지 전극(170)은 램프(110)로부터 생성된 극자외선이 통과하는 홀(121)의 상부에 배치되어 극자외선에 의해 이온화된 가스인 양전하와 전자로 인해 형성되는 전위에 따라 전류가 흐를 수 있다.
일 실시 예에 따른 복수의 감지 전극(170)은 램프(110)로부터 출력된 극자외선에 의해 이온화된 휘발성 유기화합물의 가스를 검출하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 복수의 감지 전극(170)은 각각 제 1 PCB(120)와 전기적으로 연결될 수 있는 연결 단자(식별번호 710 내지 730 참조)를 포함할 수 있고, 연결 단자를 통해 제 1 PCB(120)로부터 전원을 제공받고 이온화된 가스로 인해 통과되는 전류를 제 1 PCB(120)에 전달함으로써, 제 1 PCB(120) 또는 제 2 PCB에 의한 전류 크기의 감지 및 가스 검출 결과의 생성을 지원할 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 감지 전극(170)은 두 개의 감지 전극으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 복수의 감지 전극(170)은 절연체(180)의 상부에 형성된 제 1 감지 전극(171) 및 절연체(180)의 하부에 형성된 제 2 감지 전극(172)을 포함할 수 있고, 램프(110)로부터 출력된 극자외선에 의해 중성의 휘발성 유기화합물 가스가 이온화되어 양전하와 전자로 분리되면, 전원 전압이 인가되어 양극 전극(anode)으로 동작하는 제 1 감지 전극(171)으로 전자가 이동할 수 있고, 그라운드 전압이 인가되어 음극 전극(cathode)으로 동작하는 감지 전극(172)으로 양전하가 이동할 수 있으며, 이에 따라 제 1 감지 전극(171)과 제 2 감지 전극(172) 간의 전위가 기설정 값 이상으로 형성되면 이에 대응하는 전류를 통과시켜 제 1 PCB(120)에 제공할 수 있다.
다른 일 실시 예에서, 복수의 감지 전극(170)은 세 개 이상의 감지 전극으로 구성될 수 있다. 이에 관한 내용은 이하에서 도 6 내지 도 8을 참조하며 후술하도록 한다.
일 실시 예에 따른 절연체(180)는 복수의 감지 전극(170) 사이에 위치할 수 있고, 예를 들면, 상부의 제 1 감지 전극(171)과 하부의 제 2 감지 전극(172)의 사이에 배치되어 제 1 감지 전극(171)과 제 2 감지 전극(172) 간을 이격시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 절연체(180)는 실리콘 화합물(예: SiO2) 등으로 구현될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 가스 센싱 디바이스(100)에 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들면, 가스 센싱 디바이스(100)는 가스를 센싱하는 동작 전반에 요구되는 데이터를 저장하는 메모리 및 가스를 센싱하는 동작 전반을 제어하는 프로세서 등을 더 포함할 수 있고, 고전압 발생기, 고전압 RF 구동 회로, 감지전극 고전압 구동회로 및 미소 센서 신호처리 회로 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시 예에 따를 경우, 도 1에 도시된 구성요소들 중 일부는 생략될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 램프(110)는 링 형상의 제 1 전극(150)과 제 2 전극(160)에 장착되어 고정될 수 있고, 제 1 전극(150)과 제 2 전극(160) 각각에 의해 전원 전압과 그라운드 전압이 인가되면, 튜브(112)에 포함된 플루오르화칼슘(CaF2)과 같은 금속 할로겐 가스를 방전시켜 극자외선을 발생시킬 수 있다.
상술한 것처럼, 제 1 전극(150)과 제 2 전극(160)은 각각 램프(110)의 외부에서 표면과 접촉하거나 기설정 거리 이내에서 램프(110)의 둘레를 링 형상으로 감싸며 내부에 전원을 제공할 수 있으며, 예를 들면, 제 1 전극(150)은 램프(110)의 상부 표면에서 링 형상의 둘레에 전원 전압을 인가하고, 제 2 전극(160)은 램프(110)의 하부 표면에서 링 형상의 둘레에 그라운드 전압을 인가할 수 있다.
이에 따라, 튜브(112)의 내부에 형성되는 전기장은 튜브(112)의 내부를 단지 일직선으로 가로지르며 형성되는 것이 아닌, 튜브(112)의 내부 전체에 다양한 방향 및 다양한 크기로 형성될 수 있다. 이러한 본 발명의 구조는 튜브(112)의 내부의 방전 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 극자외선의 발생 효율을 현저히 개선시킬 수 있다.
상술한 것처럼, 일 실시 예에 따른 램프(110)는 극자외선을 제 1 PCB(120)의 홀(121)을 향해 출력할 수 있으며, 이렇게 출력된 극자외선은 홀(121) 또는 그 주변을 부유하는 휘발성 유기화합물의 가스 분자들과 충돌하여 가스 분자들을 이온화시킬 수 있다. 휘발성 유기화합물 가스들에 따라 이온화 가능한 이온화 에너지 레벨들이 상이하게 다르기 때문에 램프(110)가 출력하는 극자외선의 에너지 레벨에 따라 센싱할 수 있는 휘발성 유기화합물 가스들이 분리될 수 있다. 예를 들면, 램프(110)가 9.8 eV 에너지 레벨의 극자외선을 출력하는 경우, 이온화 에너지 레벨이 8.4 eV인 스타일렌, 9.24 eV인 벤젠 등을 센싱할 수 있다.
일 실시 예에 따른 복수의 감지 전극(170)은 제 1 PCB(120) 상에 배치될 수 있고, 극자외선에 의해 중성의 휘발성 유기화합물의 가스 분자들이 이온화되어 양전하와 전자가 복수개 생성되면 양전하 또는 전자를 축적하여 양극 전극 또는 음극 전극으로서 동작할 수 있으며, 양전하 또는 전자를 축적됨에 따라 기설정 값 이상의 전위가 형성되면 가스의 양에 따라 결정되는 크기의 전류를 통과시켜 연결 단자를 통해 제 1 PCB(120)에 전기적인 신호로 전달할 수 있다.
일 실시 예에 따른 제 1 PCB(120)는 복수의 감지 전극(170)으로부터 수신되는 전기적인 신호를 기초로 전류의 크기를 감지할 수 있고, 제 2 PCB(130)는 램프(110)가 출력한 극자외선의 에너지 레벨을 기초로 제 1 PCB(120)로부터 수신된 전류의 크기에 대응하는 신호를 분석하여 검출된 가스의 종류 및 검출된 가스의 양을 결정할 수 있다. 또한, 제 1 PCB(120)는 검출된 가스의 양이 해당 가스의 종류에 대응되어 기설정된 기준값보다 큰 경우에는, 내장된 LED 모듈을 점등시키고 내장된 사운드 모듈에 경고 사운드를 출력하여 가스 검출을 알릴 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 감지 전극(170)에 전류가 인가되는 제 1 시점은 램프 전원 단자(131)에 전류가 인가되는 제 2 시점보다 늦고, 제 1 시점에 복수의 감지 전극(170)에 흐르는 전류의 크기는 충분한 시간이 경과한 이후에 복수의 감지 전극(170)에 흐르는 전류의 크기인 포화 전류 크기의 90% 이상일 수 있다. 예를 들면, t90 시간은 감지되는 전류의 크기가 포화 전류 크기의 90%에 도달할 때까지 소요되는 시간을 나타낼 수 있으며, 제 1 시점을 t90시간 이후로 잡음으로써, 불필요한 전력 소모를 줄일 뿐 아니라, 잘못된 수치가 디스플레이되는 것을 사전 차단하여 수치에 대한 오해가 생기지 않도록 할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 각각 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스(100)의 다양한 실시 예를 설명하기 위해 가스 센싱 디바이스(100)의 구성 중 일부를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스(100)는 상술한 것처럼, 램프(110)를 고정하는 링 형상의 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)을 포함할 수 있고, 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)은 각각 램프(110)가 각각의 자신의 내부에 형성된 빈 공간에 배치되면, 튜브(112)를 고정시키고 튜브(112)에 전원을 제공할 수 있다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스(100)는 램프 전원 단자(131)에 부착되고 램프(110)를 고정하고 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)에 평행하게 배치되는 링 형상의 제 3 전극(190)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 램프 전원 단자(131)는 제 1 램프 전원 단자 및 제 2 램프 전원 단자를 포함할 수 있고, 가스 센싱 디바이스(100)는 제 2 PCB(130)의 일단에 형성된 제 1 램프 전원 단자를 통해 제 1 전극(150)에 전원 전압(예: 1.8 V)을 인가할 수 있고, 제 2 PCB(130)의 일단에 형성되고 제 1 램프 전원 단자의 하부에 배치된 램프 그라운드 단자(132)를 통해 제 2 전극(160)에 그라운드 전압(예: 0 V)을 인가할 수 있고, 제 2 PCB(130)의 일단에 형성되고 램프 그라운드 단자(132)의 하부에 배치된 제 2 램프 전원 단자를 통해 제 3 전극(190)에 전원 전압(예: 1.8 V)을 인가할 수 있다.
이에 따라, 튜브(112)는 상부, 중부 및 하부 각각의 표면을 링 형상으로 감싸는 제 1 전극(150), 제 2 전극(160) 및 제 3 전극(190)으로부터 각각 인가되는 전원에 따라, 제 2 전극(160)과 연결되는 중부를 중심으로 상부와 하부 각각에 걸쳐 튜브(112)의 내부 전역으로 전기장의 영향 범위를 확장시킬 수 있어 자외선 출력 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 전극(150)에 인가되는 전압 및 제 3 전극(190)에 인가되는 전압은 사용자의 입력에 기초하여 동일 또는 상이하게 결정될 수 있다. 일 실시 예에서, 제 3 전극(190)에 인가되는 전압(예: 1.8V)은 제 1 전극(150)에 인가되는 전압(예: 1.5V)보다 크게 결정될 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 전극(150)에 인가되는 전압은 윈도우(111)와 제 1 전극(150) 간의 제 1 거리에 비례하고 윈도우(111)와 제 3 전극(190) 간의 제 2 거리에 반비례하도록 결정될 수 있다. 예를 들면, 제 1 전극(150) 및 제 3 전극(190) 각각에 인가되는 전압은 하기의 수학식 1에 따라 결정될 수 있다. 이에 따라, 윈도우(111)에 상대적으로 가깝게 위치한 튜브(112)의 상부에서 보다 강하게 방전이 일어나도록, 상대적으로 멀게 위치한 튜브(112)의 하부에서 보다 강하게 방전이 일어나도록 제어할 수 있다.
[수학식 1]
V1 = VCC * (L1 / L2)
V2 = VCC
(여기에서, V1 및 V2 는 각각 제 1 전극(150) 및 제 3 전극(190)에 인가되는 전압의 크기를 나타내고, VCC 는 기설정된 DC 전원 전압의 크기를 나타내고, L1은 윈도우(111)와 제 1 전극(150) 간의 제 1 거리를 나타내고, L2는 윈도우(111)와 제 3 전극(190) 간의 제 2 거리를 나타냄)
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 튜브(112)는 제 1 형상(510), 제 2 형상(520), 제 3 형상(530) 및 제 4 형상(540)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 형상(510)은 윈도우(111)에 부착되고 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상일 수 있고, 예를 들면, 직선으로 기울어진 형태이거나 곡선으로 기울어지며 직경이 작아지는 형태로 구현될 수 있다.
일 실시 예에서, 제 2 형상(520)은 제 1 형상(510)의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상일 수 있고, 예를 들면, 직선으로 기울어지며 직경이 작아지는 형태의 제 1 형상(510)의 하단과 이어지며 직경일 동일한 형태로 구현될 수 있다.
일 실시 예에서, 제 3 형상(530)은 제 2 형상(520)의 하단에 위치하고 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상일 수 있고, 예를 들면, 직경이 동일한 형태의 제 2 형상(520)의 하단과 이어지며 직선으로 기울어진 형태이거나 곡선으로 기울어지며 직경이 작아지는 형태로 구현될 수 있다.
일 실시 예에서, 제 4 형상(540)은 제 3 형상(530)의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상일 수 있고, 예를 들면, 직선으로 기울어지며 직경이 작아지는 형태의 제 3 형상(530)의 하단과 이어지며 직경일 동일한 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라, 제 4 형상(540)은 제 3 형상(530)보다 작은 직경을 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 전극(150)의 내부 직경은 제 2 형상(520)의 외부 직경과 동일하거나 기설정 값 미만으로 클 수 있고, 제 2 전극(160)의 내부 직경은 제 4 형상(540)의 외부 직경과 동일하거나 기설정 값 미만으로 클 수 있다. 이에 따라, 제 1 전극(150)의 내부 직경은 제 2 전극(160)의 내부 직경보다 클 수 있다.
이에 따라, 상술한 실시 예에서, 램프(110)가 링 형상의 제 1 전극(150) 및 제 2 전극(160)의 내부에 장착될 때, 원기둥 형상으로 제 1 직경을 가지는 제 4 형상(540)이 제 2 전극(160)의 내부와 맞물리며 삽입될 수 있고, 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 3 형상(530)이 제 4 형상(540)과 제 2 전극(160)의 결합이 보다 잘 고정되도록 보조할 수 있다. 또한, 원기둥 형상으로 제 1 직경보다 큰 제 2 지경을 가지는 제 2 형상(520)이 제 1 전극(150)의 내부와 맞물리며 삽입될 수 있고, 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 1 형상(510)이 제 2 형상(520)과 제 1 전극(150)의 결합이 보다 잘 고정되도록 보조할 수 있다.
도 6 은 일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스(100)에 포함된 복수의 감지 전극(170)의 일 단면의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 복수의 감지 전극(170)을 상부에서 바라본 외형을 나타내는 단면도이고, 도 8은 도 6에 도시된 복수의 감지 전극(170)을 실제로 제품으로 구현한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 복수의 감지 전극(170)은 세 개 이상의 감지 전극 층으로 구성될 수 있고, 절연체(180)는 두 개 이상의 절연층으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 복수의 감지 전극(170)은 제 1 감지 전극(171), 제 2 감지 전극(172) 및 제 3 감지 전극(173)을 포함할 수 있고, 절연체(180)는 제 1 절연체(181) 및 제 2 절연체(182)를 포함할 수 있다. 또한, 제 1 감지 전극(171)의 하부에 제 1 절연체(181)가 형성되고, 제 1 절연체(181)의 하부에 제 2 감지 전극(172)이 형성되고, 제 2 감지 전극(172)의 하부에 제 2 절연체(182)가 형성되고, 제 2 절연체(182)의 하부에 제 3 감지 전극(173)가 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 감지 전극(171) 및 제 3 감지 전극(173)은 금(Au) 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 복합체의 인쇄회로 기판으로 구현될 수 있고, 제 2 감지 전극(172)은 구리를 포함하는 인쇄회로 기판으로 구현될 수 있다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 복수의 감지 전극(170) 및 절연체(180)는 복수의 홀(식별번호 610 참조)을 포함할 수 있고, 복수의 홀(식별번호 610 참조)을 통해 공기 중을 부유하는 가스 분자와 접촉 가능한 표면적을 증가시킴으로써 보다 적은 농도의 가스도 감지할 수 있도록 민감도를 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 복수의 감지 전극(170)은 각각 연결 단자를 통해 제 1 PCB(120)와 전기적으로 연결될 수 있고, 예를 들면, 제 1 감지 전극(171), 제 2 감지 전극(172) 및 제 3 감지 전극(173)은 각각 제 1 연결 단자(식별번호 710 참조), 제 2 연결 단자(식별번호 720 참조) 및 제 3 연결 단자(식별번호 730 참조) 중 하나 이상과 부착되어 제 1 PCB(120) 상부에 고정될 수 있고, 제 1 PCB(120)와 연결되어 제 1 PCB(120)로부터 DC 바이어스 전압을 제공 받거나 감지된 전류를 전달하는 등 전기적인 신호를 송수신할 수 있다.
도6 내지 도 8을 참조하면, 복수의 감지 전극(170)은 복수의 홀(식별번호 610 참조)을 포함하도록 구현되어 가스 센싱을 위한 표면적을 넓힐 수 있고, 도 8에 도시된 것처럼 약 5 ~ 10 mm 수준의 소형 전극으로 구현될 수 있다.
도 9는 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스(100)가 가스를 센싱하는 동작을 설명하기 위한 일 예시 도면이다.
도 9를 참조하면, 가스 센싱 디바이스(100)는 이소부틸렌을 검출하기 위한 극자외선을 출력할 수 있고, 복수의 감지 전극(170)을 통해 통과되는 전류의 크기를 감지할 수 있으며, 감지된 전류의 크기가 기설정 값 이상인지 여부에 따라 이소부틸렌의 검출 여부 및 검출된 농도(예: 0~2652 ppm)를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 가스 센싱 디바이스(100)는 기설정 값 이상의 전류가 감지된 경우, 가스가 검출되었음을 나타내는 신호를 생성할 수 있고, 예를 들면, 전류 센싱에 따라 출력되는 전압(또는 전류)이 로우 값(예: 0 V)에서 하이 값(예: 1 V)으로 변할 수 있으며, 도 9에 도시된 본 발명을 실제 제품으로 구현한 일 실시 예의 실험 결과에 따르면, 출력되는 전압(또는 전류)이 포화 전압의 90%에 도달할 때까지 소요되는 t90 시간은 약 2.6초 ~ 4.7초 사이에서 측정되었으며, 즉, 가스를 분출시켜 실제로 검출 결과가 출력되기까지 약 3~5초 수준의 빠른 반응 시간을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 도 1에 있는 가스 센싱 디바이스(100)에 포함된 제 1 PCB(120) 내지 제 3 PCB(140)를 실제로 제품으로 구현한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제 1 PCB(120)는 홀(121)을 포함하여 상부에 복수의 감지 전극(170)이 배치되면 복수의 감지 전극(170)이 램프(110)에서 출력되는 자외선에 노출되도록 하여 이온화된 가스에 즉시 반응하도록 할 수 있고, 복수의 단자(식별번호 122 참조)를 통해 복수의 감지 전극(170)에 있는 연결 단자(식별번호 710 내지 730 참조)와 연결될 수 있다.
또한, 제 1 PCB(120)는 제 2 PCB(130)의 일단에 결합될 수 있는 복수의 제 1 홈(식별번호 123 참조)을 포함할 수 있고, 제 2 PCB(130)는 복수의 제 1 홈(식별번호 123 참조)과 결합할 수 있는 복수의 제 2 홈(식별번호 133 참조) 및 제 3 PCB(140)의 일단에 결합될 수 있는 복수의 제 3 홈(식별번호 134 참조)을 포함할 수 있고, 제 3 PCB(140)는 복수의 제 3 홈(식별번호 134 참조)과 결합할 수 있는 복수의 제 4 홈(식별번호 142 참조)을 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 개시는 가스를 센싱하는 디바이스를 제공할 수 있으며, 가스 센싱 디바이스(100)는 가스를 센싱하는 디바이스를 포함할 수 있다.
100: 가스 센싱 디바이스
110: 램프 120: 제 1 PCB
130: 제 2 PCB 140: 제 3 PCB
150: 제 1 전극 160: 제 2 전극
170: 복수의 감지 전극 180: 절연체
110: 램프 120: 제 1 PCB
130: 제 2 PCB 140: 제 3 PCB
150: 제 1 전극 160: 제 2 전극
170: 복수의 감지 전극 180: 절연체
Claims (7)
- 가스를 센싱하는 디바이스에 있어서,
자외선을 출력하는 램프;
상기 램프를 삽입하기 위한 홀을 포함하는 제 1 PCB;
상기 제 1 PCB에 수직으로 배치되고 상기 램프에 전원을 공급하기 위해 이용되는 램프 전원 단자 및 램프 그라운드 단자를 포함하는 제 2 PCB;
상기 제 1 PCB에 평행하게 배치되고, 상기 제 2 PCB에 수직으로 배치되고, 외부로부터 전력을 수신하는 전원 수신 단자를 포함하는 제 3 PCB;
상기 램프 전원 단자에 부착되고 상기 램프가 상기 홀을 통해 삽입됨에 따라 상기 램프를 상기 램프 전원 단자에 고정하는 링 형상의 제 1 전극; 및
상기 램프 그라운드 단자에 부착되고, 상기 램프가 상기 제 1 전극을 통해 삽입됨에 따라 상기 램프를 상기 램프 그라운드 단자에 고정하고, 상기 제 1 전극에 평행하게 배치되는 상기 링 형상의 제 2 전극;을 포함하는, 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 램프에서 상기 자외선을 출력하는 방향에 위치하고, 이온화된 가스의 양에 따라 결정되는 크기의 전류를 통과시키는 복수의 감지 전극을 더 포함하고,
상기 램프는 상기 자외선을 출력하는 윈도우; 및 상기 윈도우의 하단에 부착되는 튜브를 포함하고,
상기 튜브는
상기 윈도우에 부착되고 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 1 형상 및
상기 제 1 형상의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상의 제 2 형상을 포함하는, 디바이스.
- 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 감지 전극 사이에 위치하는 절연체를 더 포함하는, 디바이스.
- 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 감지 전극에 전류가 인가되는 제 1 시점은 상기 램프 전원 단자에 전류가 인가되는 제 2 시점보다 늦고,
상기 제 1 시점에 상기 복수의 감지 전극에 흐르는 전류의 크기는 충분한 시간이 경과한 이후에 상기 복수의 감지 전극에 흐르는 전류의 크기인 포화 전류 크기의 90% 이상인, 디바이스.
- 제 2 항에 있어서,
상기 램프 전원 단자에 부착되고 상기 램프를 고정하고 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 평행하게 배치되는 상기 링 형상의 제 3 전극을 더 포함하는, 디바이스.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 전극에 인가되는 전압 및 상기 제 3 전극에 인가되는 전압은 사용자의 입력에 기초하여 동일 또는 상이하게 결정되는, 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 램프는 상기 자외선을 출력하는 윈도우; 및
상기 윈도우의 하단에 부착되는 튜브를 포함하고,
상기 튜브는
상기 윈도우에 부착되고 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 1 형상,
상기 제 1 형상의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상의 제 2 형상,
상기 제 2 형상의 하단에 위치하고 상기 하측으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔의 일부 형상인 제 3 형상 및
상기 제 3 형상의 하단에 위치하고 직경이 동일한 원기둥 형상의 제 4 형상을 포함하는, 디바이스.
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