KR20030093682A

KR20030093682A - 자동차용 휘발유에 포함된 환경유해 가스 및 이물질탐지와 판별을 위한 소형 전자코시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20030093682A
Application number: KR1020020031490A
Authority: KR
Inventors: 윤삼용
Original assignee: (주)엠아이스트림
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-12-11

Abstract

본 발명은 자동차 휘발유에 포함된 환경 유해가스 및 이물질을 탐지하고 판별하기 위한 소형 전자코시스템 및 방법에 관한 것으로, 후막이나 박막센서로 구성되는 하이브리드형 센서어레이를 사용한 전자코 시스템을 구현함으로써, O3, CO, HC 및 NO2 등과 NH3, CH3SH, (CH3)3N 등과 같은 환경 유해가스 및 이물질을 검출한다.

본 발명의 특징은 우수한 특성의 센서를 설계 및 제작하고 집적화된 센서 시스템에 데이터 처리와 신경망 알고리듬을 접목하여 소형으로 구현한 것이다.

Description

자동차용 휘발유에 포함된 환경유해 가스 및 이물질 탐지와 판별을 위한 소형 전자코시스템 및 방법{Imitation gasoline recognize small Electronic Nose system and method }

본 발명은 자동차 휘발유에 포함된 환경 유해가스 및 이물질을 탐지하고 판별하기 위한 소형 전자코시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 가스센서가 갖는 선택성 문제를 극복하고 특성을 개선시킨 고감도의 전자코시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 서로 다른 원인을 갖는 가스의 배출량 측정은 현재까지 주로 분석적인 기술에 의존하고 있지만, 이 방법은 고가이고 운반 및 조작이 용이하지 못하기 때문에 범용적인 사용에는 한계를 지니고 있다. 따라서 저가이고 휴대 및 사용이 간편하며 고감도의 우수한 선택성을 지닌 센서에 대한 요구가 증가되고 있으며, 산화물 반도체를 이용한 가스 센서는 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 대안으로 부각되고 있다. 가스센서는 대기 환경 또는 작업 환경에 존재하는 각종 가스의 농도를 전기적 신호로 변환시 킬 수 있는 소자로서 가스 검출 방식에 따라 반도체식, 접촉연소식, 전기화학식 등 여러 가지 종류의 센서가 상용화되어 있으나, 이중 반도체식 센서는 다른 센서에 비해 고감도, 고 신뢰성, 빠른 응답특성 등 여러 가지 장점들을 두루 갖추고 있고, 장기 신뢰성과 양산성도 우수하여 가장 널리 이용되고 있다. 그러나, 반도체형 센서는 감지재료의 조성에 의해 어느 정도 까지는 특정 가스에 대한 감도를 높이고 다른 가스에 대한 감도를 줄일 수는 있으나, 감지코자 하는 대상 가스가 아닌 다른 가스에 대한 반응 때문에 항상 오동작의 위험을 갖고 있는 것이 가장 큰 문제이다. 예를 들면, 톨루젠 가스를 검지할 목적으로 센서를 제작하였을 때 이 센서는 톨루젠가스 뿐 아니라 알코올이나 담배연기 등과 같은 다른 가스 성분에 도 반응을 잘하기 때문에 톨루젠 가스를 선택적으로 검지할 수 없다.

상기와 같이 종래의 가스센서가 갖는 선택성 문제를 극복하고 특성을 개선시키는 것으로 알려진 인공 신경망 (Artificial neural Network)을 적용한 전자코 방식의 가스인식 시스템을 발명하여 CO, C3H(( )), (CH3)3N, CH3SH, NH3, NO2, O3등의 환경 유해가스 및 휘발유에 포함된 이물질을 검지를 행하게 하는데 그 목적이 있다

도 1은 본 발명외의 일반적인 형태에 따른 소형 전자코시스템의 블록구성도

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소형 센서어레이의 구조도

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소형 전자코시스템의 블록구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1:AirPump 2:광원

3:간섭필터 4:가스 주입

5:센서부 6:신호처리

7:중앙처리장치 8:EPROM

9:전원공급기 10:농도표시기

11:센싱필림스 12:본딩와이어

13:히터 14:일렉트로드

15:알루미나서브스트레이트

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 형태의 가스인식 시스템인바, 동작 로직은 다음과 같다.

기체분자들은 각기 진동에너지 양자에 해당하는 에너지만을 선택적으로 흡수하는 성질이 있는데 대체로 적외선 영역의 빛을 진동에너지로 흡수한다. 이와 같은 이유로 CO2, CO, CH4, C3H8 등은 각각 독특한 적외선에 대한 흡수스펙트럼을 갖는데 예를 들면 CO2는 4.25, CO는 4.7, CH4는 3.3의 파장을 흡수한다. 빛을 흡수하는 정도는 농도에 따라 달라진다.

흡수도는 적외선을 통과시키는 셀의 길이와 농도에 비례하므로 흡수계수가 충분히 큰 단색광을 측정가스에 통과시켜 투과된 빛의 세기를 측정함으로써 다른 가스의 간섭이 없이 측정대상 가스만의 농도를 알 수가 있다. 비분산방식에서 단색광을 얻기 위해 방출된 넓은 파장범위의 적외선을 광학필터나 가스흡광형필터로 단색화시키는 방법을 이용한다. HC 가스의 응용범위인 3∼4에서 탐지도가 높은 재료란 InAs나 PbS 또는 PbSe 등이 있으나 이 경우 역시 낮은 온도구비조건을 만족해야 한다. 현재 비분산적외선법으로 CO2, CO 또는 HC가스 등의 농도계측기용 적외선센서로서 탐지도는 낮으나 광범위한 적외선 파장영역을 감지하고 실온에서 사용가능한 단색광형성필터를 결합한 것을 이용하는 것이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.

그러나 도1과 같은 방식은 분석적인 기술에 의존하고 있으며, 고가이고 운반 및 조작이 용이하지 못하기 때문에 범용적인 사용에는 한계를 지니고 있다.

이에, 본 발명은 저가이고 휴대 및 사용이 간편하며 고감도의 우수한 선택성을 지닌 산화물 반도체를 이용한 가스 센서를 이용하여 도3과같이 전자코시스템을 구성하였다.

도1에 의한 가스 감지는 AirPump(1)와 광원(2)에 의해 가스주입(4)이 이루어 지면

간섭필터(3)가 입수되는 가스를 선택성있게 분류한다.

분류된 가스는 센서가 탐지를 하게되고 노이즈를 제거한(6)후 중앙처리장치(7)에게 해당 가스의 판독을 의뢰한다. 이때 중앙처리장치(7)는 EPROM(8)에 정보를 저장하고 농도표시기(10)에 해당 가스의 상태를 표시한다.

전원부(9)는 신호처리기(6)와 중앙처리장치(7)에 전원을 공급한다.

본 발명은 위와 같은 일반적 탐지시스템의 한계를 개선하여 가스센서가 갖는 선택성 문제를 극복하고 특성을 개선시키도록 도2와같이 가스탐지기를 병렬로 구현하고 도3과 같은 방식으로 시스템을 고안, 구성 하였다.

도2는 개별 가스센서를 병렬로 연결 구현한 것으로 이는 각각의 개별센서가 합쳐져서 이루어지는 것이다. 어레이를 구성하기전에 하기와 같은 개별 센서를 제조한다.

C₃H(( ))센서 - C₃H(( ))와 같은 하이드로카본 가스에 대해서는 감도를 향상시키고 CO나에탄올과 같은 다른 환원성 가스에 대한 선택성을 얻기 위하여 촉매 필터층을 구성-

CO 센서 - C₃H(( ))가스센서 재료로 개발된 TIAP 재료가 저온 동작시에 CO에도 적지 않은감도를 나타내는 것에 착안하여 CO 센서로의 응용을 위한 개발 수행-

(CH₃)₃N 센서 - (CH₃)₃N 센서의 개발은 CO 센서의 개발 공정도를 이용하여

진행하며,(CH₃)₃N 가스에 대한 감도 증진을 위하여 Au 페이스트를 전극 재료로

사용하고 감지물질은 상업용 SnO₂를 모물질로 적용하고 Pd 1wt%를 사용-

CH₃SH 센서 - CH₃SH 센서는 CO 센서의 개발 공정도를 이용하여 개발하며,

CH₃SH 가스에 대한 감도 증진을 위하여 감지물질은 상업용 SnO₂를 모물질로

하고 첨가물은 PdC1₂0.1wt%를 사용-

NH₃센서 - 비교적 저가이며 소형화가 가능하고 양산성이 우수한 스크린 인쇄(Screen printing)법을 이용하여 암모니아 가스센서로 설계하고 암모니아 가스에 의해 감지막의 저항이 증가하며 일반적인 환원성 가스에는 저항이 감소하는 n형산화물 반도체 감지막을 제조하여 그 감지 특성을 조사-

NO₂센서 - NO₂센서의 개발을 위해 기본 감지 물질로 상업용 분말인 SnO₂를 사용하고, 감지 물질에 대한 실험 변수로서 기본 감지 물질에 첨가물 즉, 다른 산화물 반도체를 미량(3wt%) 첨가, 혼합시킨 후, 이들 혼합 분말을 900℃ 로 하소시켜 감지 물질을 준비-

O₃센서 - 박막 센서에 비해 공정 편의성, 가격 및 응용 범위에 있어서 장점을

지니고 있는 후막 센서를 제조하여 1ppm이하의 오존에 대한 센서의 감지 특성 부여

위와같이 각각의 개별센서를 제조한 후 CO, C₃H(( )), (CH₃)₃N, CH₃SH,

NH₃, NO₂가스의 농도를 단계 적으로 표시하기 위해서 각 가스에 대응한 개별센서를 어레이로 구성하고 개별센서를 스크린 인쇄 공정을 이용하여 도2와 같이 구성한다.

도2는 센싱필림스(11) 기판위에 본딩와이어(12)와 일렉트로드(14)를 유기적으로 접합하였으며 알루미나서브스트레이트(15)와 히터(13) 시스템이 주로 구성요소로 되어있다.

도2와 같이 센서를 병렬로 구성하고 난 후 도3과 같은 전자코시스템을 구성할 수 있다.

도3의 센싱부에서 멀티플래서로 인식된 가스의 정보를 송신한다(L1)멀티프랙서와

주기판은 전원부의 전원공급을 받게된다(L2).

L1, L2, L3에 의해 넘겨진 가스 정보는 A/D converting, Signals synchronization

Noise filtering, Signal converting (L4)의 스텝을 거치고 신호제어기로 도달하게 되고 마이크로 콘트롤러(L5)의 제어에 의해 연산을 하게되며, 일시적 정보를 보조기억장치에 저장한다.(L6)

연산되어진 정보는 인공신경망 시스템이 각 개별센서의 선택적 모듈로서 해당 가스를 파악하고 분석을 해낸다(L7).

분석된 해당가스는 LCD표시장치에서 가스의 유형과 이물질인지의 여부를 표시하게 된다.

도3은 모물질(SnO2/Pt,Ca)을 공침법으로 합성하였으며 첨가물을 달리하여 7개

이상의 의 서로 다른 감지 물질의 특성을 평가할수 있도록 고안하였다.

200 ppm 정도의 저농도 폭발성 및 유기 가스에 대해서 고감도를 가지고 각각의

대상 가스에 대하여 고유한 감도 패턴 부여가 가능하도록 설계, 발명 하였다.

또한 센서 어레이, 신경망, 그리고 DSP 보오드를 이용하여 소형화 및 실시간

처리가 가능한 시스템으로 구성 하였다.

다수의 가스센서와 패턴인식 기법을 적용하여 자동차에 포함된 핵심 유해가스 (CO, C3H(( )), CH3SH, NH3NO2 및 O3) 에 대한 경보가 가능한 전자코 방식의 환경가스 검지용 시스템을 발명하였는바, 센서 어레이는 다른 조성의 산화물 반도체를 이용하였다. Back-propagation 알고리즘을 적용한 인공 신경망의 패턴 인식 기법을 활용하여 노출된 가스의 종류를 인식한 다음, 가스의 강도는 Bar type LED 를통하여 나타나도록 가스 경보 시스템을 설계하였다. 가스의 경보는 12 세그먼트 Bar type LED(4세 그먼트 yellow, 4세그먼트 blue, 4세그먼트 red)를 이용하여 표시되게 하였다. 이러한 가스 경보 시스템 의 평가 결과 가스 패턴에 대한 인식률 100%의 우수한 성능을 얻을 수 있다. 이의 응용으로서 모조 휘발유 탐지 및 대기 오염가스 검출 등 특정 목적으로의 응용이 기대된다.

Claims

자동차용 휘발유에서 배출하는 환경 유해가스 및 기타 이물질을 실시간으로, 연속적으로, 그리고 선택적으로 감지 및 정량화하기 위한 후막형 센서 어레이와 전자코 시스템에 있어서,

차량 휘발유 배출 가스를 포함한 6 ~ 7개의 유해가스 감지 개별센서를 제조 공정하는 단계,

개별센서를 어레이로 구성하는 방법,

상기 단계 후, 제작된 센서어레이와 신경망을 이용한 자동차용 유기 가스 인식기 및 LCD 전자 표시장치의 전자코시스템