KR20030040830A - 휴대용 폭약감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 폭발성 화합물의 존재를 확인가능하게 하는 휴대용 폭약감지장치에 관한 것이다.

전세계적으로 약 1억2천만개에 달하는 지뢰가 활성상태로 묻혀 있으며, 이들의, 제거에는 천문학적 비용과 시간이 소요된다. 따라서 다양한 폭약감지장치들이 동원되어 이들을 손쉽고 빠르게 감지하여 제거하고자 하지만 그 효율성에 문제가 많다.

본 발명은 폴리실롤-저몰 나노와이어를 코팅처리한 센서를 기본적인 감지수단으로 이용하여 공기중에 50ppb이상의 농도를 갖는 폭발성 화합물질이 존재하는 경우 현저한 형광의 변화를 발휘토록 하여 정확하고 손쉬운 폭발물감지가 가능하도록 하는 새로운 장치르 개발하였다. 특히 본 장치는 휴대용 밧데리정도의 전원으로도 초정밀로 폭약의 감지가 가능하여 대량생산성이 있으며, 동시에 이들 제품의 광범위한 보급으로 현재 심각한 문제로 되는 미확인 폭발물의 감지를 보다 용이하게 되었다.

Description

휴대용 폭약감지장치{Portable scanning device for detecting various explosives}

본 발명은 휴대용 폭약감지장치에 관한 것이다. 특히 휴대용 밧데리정도의 전원공급하에서도 장시간 작동하면서 동시에 정밀도가 높은 초정밀성을 갖는 폭약감지 장치에 관한 것이다.

현재 세계에는 1억2천만개의 폭발하지 않은 지뢰가 있다. 희생자는 매 20분마다 있으며 UN은 현재 최고의 기술로도 이러한 지뢰를 제거하기 위해 서는 3백 3십억 달러의 비용과 1100년이라는 시간이 걸릴 것으로 보고하고 있다.

현재 폭발물 감지방법은 표면음성파장치(surface acoustic wave device),기체크로마토그라피(gas chromatography) 중량스펙트로메터기(mass spectrometer), 중성자활성화분석기(neutron activation analysis), 전자수용체장치(electron capture device)들이 있다. 이들 장치들은 하나 같이 대규모의 작동전원이 필요하며, 또한 주변의 환경(예를 들면 다양한 유기용매의 존재)에 따라서 정확한 감지를 위해서는 반드시 필터처리가 필요하며, 그 과정또한 전문가적인 수준에 이르지 않은 사람은 다루기 힘든 고가의 장비이다. 현재 저소득국가 혹은 간단한 방법으로 특수 훈련된 개를 이용하는 방법이 있으나 역시 신뢰성에 문제가 있고 이같은 동물의 보급과 훈련에도 한계가 있다.가장 심각한 문제가 이들 모든 장비가 개인적으로 휴대하여 사용할 수 있는 수준의 것이 아니라는 점이며, 장비의 이동과 유지에 엄청난 비용이 요구된다는 점이다.

본 발명은 가능한한 개인이 간단히 휴대할 수있으면서도 폭약감지기능이 우수한 장치를 제공하고자 한다. 특히 이들 장치를 유지하는 전원의 공급도 지극히 간단한 휴대용 밧데리정도의 전원만으로도 적어도 수시간이상 작동가능하도록 하는 장치를 제공하고자한다.

본 발명은 또한 폭약설치장소의 환경에 따라서 알콜, 다른 유기성 방향족 화합물등과 혼재하여 폭발성 물질이 전달된다하여도 이들 성분을 별도로 필터링하는 과정이 필요없이 즉시 즉시 폭발성 물질을 측정하여 육안으로 확인가능하게 하는장치를 제공하고자한다.

도 1 은 본 발명의 전체적인 구성을 보여주는 구성도,

도 2 는 본 발명의 폭약감지를 위한 흐름도임.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:입구부 1a:1차필터부 5:2차필터 6:교환장치 11:폴리실롤-저몰 나노와이어층 10:베이스판 12:전극부 21:광발생표시기 22:소리신호표시기 23:진동소자

본 발명은 폭약의 존재가 예상되는 지역에 접근하여 주변의 공기를 흡입하는 공기인입부, 인입된 공기를 감지부로 유도하는 유도부, 유도된 공기와 접촉하여 폭발성 화합물과 반응하여 광변화를 발생하는 감지부, 감지부의 광변화량을 전자적으로 측정하여 다른 신호수단으로 변환처리하는 동시에 기기의 온/오프, 리셋, 처리결과값의 저장등이 가능하게 하는 콘트롤부, 상기한 콘트롤부의 처리결과값을 표시하여 주는 디스플레이부를 구성된다.

본발명에서 감지부에 사용되는 센서로는 폴리실롤-저몰 나노와이어로 제작되어 폭발성물질의 접촉시 형광의 발생량에 변화를 줄 수 있는 새로운 물질이다.

이하 본 발명의 첨부한 도면에 의하여 구체적으로 설명한다.

도 1 은 본 발명의 전체적인 구성을 보여주는 구성도이며, 도 2 는 장치의 전체적인 흐름에 대한 흐름도이다.

본 발명은 폭발물질의 존재여부가 예상되는 지역의 공기를 일정량만큼 흡입하는 공기인입부와,

상기한 공기인입부로 부터 인입되는 공기를 폭발물과 반응할 수 있는 감지부로 이송유도하면서 내부에 필터층을 설치하여 이물질의 침입을 억제하도록 하는 유도부와,

상기한 유도부로 공급되어오는 외부 공기와 접하여 전자결핍성의 폭발성 화합물과 반응하여 형광 발생량의 변화를 유도하는 폴리실롤-저몰 나노와이어 코팅처리된 감지부와,

상기한 감지부에 폭발성 화합물의 접촉으로 형광발생에 변화가 발생하는 경우 그 변화량에 따른 신호량에 비례하여 일정한 소리, 빛, 진동등의 사람이 식별가능한 식별신호로 변환처리토록 하는 동시에 감지부에 대한 자외선조사부와 수광부의 조절, 장치의 온/오프조절, 디스플레이 조절기능을 갖는 콘트롤부와,

상기한 콘트롤부로 부터 전달되어 오는 식별신호에 의하여 필요한 소리, 비치 혹은 진동의 신호를 발생하도록 하는 표시부,

그리고 상기한 장치에 대한 전원을 공급하도록 하는 전원부로구성된다.

본 발명에서 공기인입부는 필요에 따라서 입구부(1)의 전방에 별도의 1차필터부(1a)를 설치하여 곤충, 먼지등의 다른 이물질의 1차적인 침입을 방지토록 하며, 1차필터는 필요에 따라서 착탈이 자유롭도록 한다. 공기인입부에 설치되는 작동모터는 TNT증기의 경우 공기흐름을 유속 100 mL/min의 정도로 하는 경우에도 10분 이내 8.2 %의 형광 세기감소를 보였다. 따라서 지극히 소형의 작동모터의 채용정도로 충분하며, 바람직하게는 휴대용 전원공급장치인 밧데리가 최소한 수시간이상 연속작동하여도 무리가 없는 정도의 수준으로 조절하여 준다.

본 발명의 유도부는 상기한 공기인입부로 부터 공급되어 오는 공기를 감지부로 유도하는 통로로서 측정되는 환경이 대부분 외부노출지라는 점을 감안하여 미세한 먼지를 제거할 수 있는 탈부차가능한 2차필터(5)를 설치한다. 2차필터(5)는 외부에 연결된 교환장치(6)를 이용하여 필요신 언제든지 교환할 수 있도록 한다. 유도분의 말단은 감지부의 센서표면으로 유도하도록 하여 흡입된 공기가 이들 센서에가능한한 직접적으로 접촉하도록 한다.

본 발명의 감지부는 폴리실롤-저몰 나노와이어층(11)을 다공성실리콘, 커버글래스, 혹은 다른 유전체로구성된 베이스판(10)에 박막코팅처리한 것이며, 베이스판(10)의 저면부에는 별도로 전극부(12)를 설치하여 발생된 신호를 별도의 신호로 측정가능하도록 한다.

감지부에 설치되는 폴리실롤-저몰 나노와이어는 다음 화학식

으로 표시되는 것으로 TPSP(2,3,4,5,-tetraphenyl-1-silacyclopenta-2,4-diene)과 TPGP(2,3,4,5,-tetraphenyl-1-germacyclopenta-2,4-diene)은 네 개의 phenyl group을 가지고 있으며, 이들의 불포화 5각 ring은 광 흡수 그리고 광 방출 스펙트라를 가시광선 영역으로 변화시켜 준다.

따라서 silole과 germole은 유기 광 방출 소자(organic LED's)를 위한 훌륭한 물질이다. 이들은 아주 좋은 형광 양자 yield를 가지고 있으며, 가지 chain에서 아주 높은 비 편재 전자구조를 가진 고리구조를 가지고 있다.

높은 π-비 편재 전자구조를 가진 유기 고분자 화합물은 전자결핍구조를 가진 화합물들의 기체를 감지하는데 일반적으로 사용된다. 이 고분자에서 전자 비 편재성은 signal의 증폭수단을 주는데 이는 고분자 chain을 따라 어느 위치에서나 분석하고자 하는 분자와의 상호작용이 전자 비 편재된 chain을 통해 서로간의 신호를 주고받기 때문이다. 이와 비슷한 증폭수단은 양자 한정된 나노 크리스탈 반도체에서도 가능하다.

이상의 폴리실롤-저몰 나노와이어는 Mitex Teflon membranes (Millpore), 상용 필터 페이퍼 (Whatman), 보로실리케이트 커버 글래스 슬립(Fisher Scientitic), 포러스 실리콘 칩, 그리고 실리콘 웨이퍼 등을 이용할 수 있다. 칩들은, 실리콘-게르마늄 나노와이어의 톨루엔 용액을 0.2μm PTFE 필터(Aldrich)를 이용하여 필터한 후 칩을 용액에 담금으로써 만들어진다.

얇은 박막의 실리콘-게르마늄 나노와이어는 또한 스핀 코딩기계를 이용하여 유리나 실리콘 웨이퍼에 스핀 코팅하여 만들수도 있다. 이러한 샘플들은 감지 실험을 위해 감지장치의 flow cell에 놓이며 에어나 수용액을 flow cell에 흘림으로써 이루어진다.

본 발명에서 감지부에 폭발성화합물이 접촉하므로서 형광성의 폴리실롤-저몰 나노와이어의 전도 밴드로부터 전자부족 화합물 즉, picric acid , nitrobonzene(NB), 2,4-dinitrotoluene(DNT) 또는 2,4,6,-trinitrotoluene(TNT)등으로 전자가 이동함으로써 형광이 감소함을 측정함으로써 이루어진다. TNT에 대한 탐지한계는 대기에서와 수용액 상에서 4ppb(part per billion)과 50ppb이다. 이렇게 감지된 형광의 감소는 별도로 설치된 발광소자(15)에서 발산한 자외선에 의하여 일정한 형광의 발생이 있다가 상기한 폭발성 물질의 접촉으로 형광발생량이 감소하게된다. 따라서 수광부(16)으로 부터 수광되는양의 변화를 감지하여 이 감지신호를 콘트롤부에 전달토록 한다. 콘트롤부에서는 변화량에 맞추어 적절한 증폭,필터처리등의 신호처리후 필요한 광, 소리, 진동등의 신호로 변환하여 준다.

본 발명에서 예시하기로는 발광소자(15)와 수광부(16)을 별도로 설치하였으나, 이들 소자를 삭제하고 다공성실리콘으로 구성된 베이스판(10)자체에 이러한 폴리실롤-나노와이어의 광발생량변화를 직접적으로 측정하여 저항의 변화, 전압의 변화등으로 변환처리하여 신호선(17)을 통하여 직접 콘트롤부에 전달하여도 동일한 기능을 발휘한다.

본 발명에서 표시부는 다양한 기능의 처리가 가능하다. 가장 범용의 수단으로는 광변화량을 비례적으로 변하도록 하는 LED메트릭스, 섬광발생기의 광발생표시기(21)등이 채용가능하며, 소리신호로서 별도의 피에조소자 혹은 소형의 스피커를 설치하여 경고음을 발생토록 하는 소리신호표시기(22), 진동소자(23)를 이용하는 방법이 가능하다. 이들 신호표시장치를 동시에 작동할 수 있으며, 그에 대한 특별한 제한은 없다.

본 발명에서 상기한 표시부에 별도의 송출안테나(24)를 설치하여 발생된 신호를 별도의 원격지에 송출토록 하므로서 일정한 위치에 본 장치에 의한 폭발물 감지 여부를 원격감시도 가능하게 한다.

본 발명에서 전원부는 일반적으로 폭발물 설치장소가 야외이거나 실내라하여도 전원공급이 어려우므로 휴대용 건전지 정도의 수준의 소형밧데리를 채용하도록 한다.

이상의 구조적 특징에 따른 작동관계를 설명한다.

본 발명의 장치를 임의의 측정장소로 휴대이동한 다음 온/오프스위치(100)을 목표한 곳을 향하여 공기인입부(1)를 배향토록 한다음 전원을 온상태로 한다. 공기인입부의 흡입부로부터 일정한 양의 공기가 계속 유입되기 시작하다가 유입되는 공기중에 TNT,DNT등의 폭발성 화합물이 함유된 경우 이 폭발성화합물이 본 발명의 폴리실롤-저몰 나노와이어과 접촉하면서 이 폭발성 화합물로 전자가 이동하면서 형광성이 감소한다. 따라서 발광소자(15)로 부터 조사된 빛이 수광부(16)으로 입수되는 광의 양이 감소하게 되며, 결국 이 입수광량의 변화를 콘트롤부에 신호로서 전달하게 된다.

콘트롤부에서는 입수된 광량의 변화에 따라서 적절한 신호를 소리, 빛, 진동으로변화하도록 처리하여 전달하므로서 표시부에서 관찰이 가능한 것이다. 필요에 따라서는 이 장치를 출입구나 공항검색대등에 설치하여 폭발물의 인입시 반응토록 하여 무선 혹은 유선 신호로 전달토록 하므로서 폭약의 밀반입을 차단가능한 것이다.

비교시험예

1)기상상태에서의 시험

크기 10x5x5㎝로 제작한 본발명의 감지장치에 4 ppb의 TNT증기를 함유하고 있는 혼합물을 유속 100 mL/min으로 접촉한 결과 10분 이내 8.2 %의 형광 세기감소를 보였다.

2)액상상태에서의 시험

동일한 형태로 제작한 본발명의 감지장치를 10에서 부터 시작하여 50 ppb의 농도까지 순차적으로 접촉시킨 결과 50ppb에서 부터 형광발생이 감소하기 시작하였다. 형광 세기감소의 감지는 1분 이내에 이루어진다. 실리콘-게르마툼 나노와이어 박막은 극미량의 TNT에 노출되었을 때 육안으로 형광세기감소를 식별할 수 있다.

이상 본 발명은 폴리실롤-나노와이어라는 나노크기의 Si와 Ge로 구성된 망상반도체구조가 형광성 물질과 함께 결합하여 전자결핍성 물질의 접촉시 형광변화를 감지토록 하므로서 현재 측정하기로는 40ppb라는 희소량의 폭발물질의 존재라하여도 감지가능하게 되었다. 그리고 이 장치의 작동에는 발광, 수광소자와 간단한 표시부, 콘트롤장치의 작동정도의 전원만 요구되므로 휴대용 밧데리정도이 전원만 있다면 장소나 시간에 구애받지 않고 작동이 가능한 것이다.

Claims (6)

1. 폭발물질의 존재여부가 예상되는 지역의 공기를 일정량만큼 흡입하는 공기인입부와,

   상기한 공기인입부로 부터 인입되는 공기를 폭발물과 반응할 수 있는 감지부로 이송유도하면서 내부에 필터층을 설치하여 이물질의 침입을 억제하도록 하는 유도부와,

   상기한 유도부로 공급되어오는 외부 공기와 접하여 전자결핍성의 폭발성 화합물과 반응하여 형광 발생량의 변화를 유도하는 폴리실롤-저몰 나노와이어 코팅처리된 감지부와,

   상기한 감지부에 폭발성 화합물의 접촉으로 형광발생에 변화가 발생하는 경우 그 변화량에 따른 신호량에 비례하여 일정한 소리, 빛, 진동등의 사람이 식별가능한 식별신호로 변환처리토록 하는 동시에 감지부에 대한 자외선조사부와 수광부의 조절, 장치의 온/오프조절, 디스플레이 조절기능을 갖는 콘트롤부와,

   상기한 콘트롤부로 부터 전달되어 오는 식별신호에 의하여 필요한 소리, 비치 혹은 진동의 신호를 발생하도록 하는 표시부

   그리고 상기한 장치에 대한 전원을 공급하도록 하는 전원부로 구성되는 휴대용 폭약감지장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   공기인입부와 유도부에 1차필터부(1a)와 탈부차가능한 2차필터(5)를 설치하는 것을 특징으로 하는 휴대용 폭약감지장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   표시부가 나안으로 식별가능한 광발생표시기(21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 폭약 감지장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   표시부가 직접 청취가능한 소리신호표시기(22)로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 폭약감지장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   표시부가 인체접촉에 의하여 식별가능한 진동소자(23)로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 폭약감지장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   표시부에 송출안테나(24)를 설치하여 발생된 신호를 별도의 원격지에 송출가능토록 하는 것을 특징으로 하는 휴대용 폭약감지장치.