KR20110100361A

KR20110100361A - Noxious gas sensor, method for detection

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Publication number: KR20110100361A
Application number: KR1020100019278A
Authority: KR
Inventors: 최향희; 김성동; 김인호; 박준식
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-14

Abstract

본 발명은 유해 가스 검지 센서 및 경보 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건물 내 혹은 주차장과 같은 제한적인 내에서 자동차 등에 의해 발생되는 유해가스를 검지하기 위한 센서와 경보 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 가스 검출 센서는 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브에 리간드되어 있는 금속물질을 포함하며, 흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 탐지부, 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도에 따른 저항값을 전류 또는 전압으로 변환하는 출력하는 출력부, 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도와 설정되어 있는 가스 농도를 비교하여 경고 신호 발생 여부를 결정하는 제어부, 상기 제어부에 제어 명령에 따라 상기 경고 신호를 출력하는 경보부를 포함한다.The present invention relates to a harmful gas detection sensor and an alarm device, and more particularly, to a sensor and an alarm device for detecting a harmful gas generated by an automobile or the like within a limited space such as a building or a parking lot.
To this end, the gas detection sensor of the present invention includes a carbon nanotube, a metal material liganded to the carbon nanotube, and a detector having a resistance variable according to a concentration of a gas to be adsorbed, to a gas concentration detected by the detector. An output unit for converting the resistance value according to the current or voltage, a control unit for comparing the gas concentration detected by the detection unit with the set gas concentration to determine whether a warning signal is generated, and the warning according to a control command to the control unit And an alarm unit for outputting a signal.

Description

Noxious gas sensor, method for detection

본 발명은 유해 가스 검출 센서 및 경보 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건물 내 혹은 주차장과 같은 제한적인 내에서 자동차 등에 의해 발생되는 유해가스를 검출하기 위한 센서와 경보 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a harmful gas detection sensor and an alarm device, and more particularly, to a sensor and an alarm device for detecting a harmful gas generated by an automobile or the like within a limited space such as a building or a parking lot.

우리의 생활환경에는 대단히 많은 종류의 위험한 가스가 존재하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등이 잇따르고 있다. 인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스의 누설감지, 농도의 측정 기록, 경보 등에 사용되고 있다.There are so many kinds of dangerous gases in our living environment. Recently, there are gas accidents at homes, businesses, and construction sites, explosion accidents and pollution pollution in petroleum combinates, coal mines and chemical plants. Human sensory organs can hardly quantify the concentration of dangerous gases or determine the type. In order to cope with this, gas sensors using physical and chemical properties of materials have been developed and used for gas leakage detection, concentration measurement records, and alarms.

일반적으로 가스 검출센서는 가스분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 유해가스의 양을 측정한다. 종래 사용되어온 금속 산화물 반도체나 고체 전해질(전기 화학식)을 사용하는 가스 검출 센서의 경우 200도 내지 260도 혹은 그 이상의 온도로 가열하여 센서의 동작이 이루어지고, 유기물질을 사용하는 가스 검출센서는 전기 전도도가 매우 낮아 감도가 떨어진다는 문제점이 있다.In general, the gas detection sensor measures the amount of harmful gas by using the characteristic that the electrical conductivity or electrical resistance changes according to the adsorption of gas molecules. In the case of a gas detection sensor using a metal oxide semiconductor or a solid electrolyte (electrochemical formula), which has been conventionally used, the sensor is operated by heating to a temperature of 200 to 260 degrees or more, and the gas detection sensor using an organic material is electrically The conductivity is very low, there is a problem that the sensitivity is lowered.

부연하여 설명하면, 반도체식 가스 검출센서는 세라믹 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것이 많으며 대부분 대기 중에서 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속산화물(세라믹스)이 주로 사용된다. 금속 산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 이중 금속원자가 과잉(산소 결핍)인 경우에는 n형 반도체, 금속원자가 결핍인 경우에는 p형 반도체가 된다.이러한 세라믹반도체 중 전기전도도가 크고 융점이 높아서 사용온도 영역에서 열적으로 안정한 성질을 가진 반도체가 센서에 이용되고 있다. 반도체 가스 검출센서는 1) 대부분 유독가스, 가연성가스에 어떤 응답을 나타내어 감지할 수 있는 가스의 종류가 많고, 2) 센서제작이 용이하고 검출회로의 구성이 간단하다는 특징이 있다. 그러나 감지하려는 가스만을 감지할 수 있는 선택성이 우수한 가스 검출센서는 적고 아직도 연구개발 중에 있다.In other words, the semiconductor gas detection sensor uses a change in electrical conductivity that occurs when a gas comes into contact with the ceramic semiconductor surface, and is mostly used by heating in the air, and thus a metal oxide (ceramic) which is stable at high temperature is mainly used. do. Metal oxides often exhibit semiconducting properties, and double metal atoms become n-type semiconductors when oxygen is deficient, and p-type semiconductors when metal atoms are deficient. These ceramic semiconductors have high electrical conductivity and high melting point. Semiconductors having thermally stable properties in the temperature range are used for sensors. Semiconductor gas detection sensor is characterized by 1) many kinds of gas which can be detected by showing some response to toxic gas and flammable gas, and 2) easy to manufacture sensor and simple configuration of detection circuit. However, there are few gas detection sensors that can detect only the gas to be detected and are still being researched and developed.

전기 화학식 가스 검출센서는 전기 화학의 산화 및 환원 반응을 이용한 것으로, 전도체 계면과 측정 기체반응이 전기전하를 교환하면서 전기적 신호를 검출하게 된다. 이러한 가스 검출센서에서 전기 화학적으로 환원성 기체인 산소, 산화질소와 염소기체들은 음극에서 검출되며, 산화성 기체들인 일산화질소, 황화수소 등은 양극에서 검출된다. 전기 화학식 가스 센서는 두 전극 사이의 이온 전해질 막에서 양이온과 음이온의 흐름에 의한 기전력 발생 또는 전류를 측정하게 된다.The electrochemical gas detection sensor utilizes oxidation and reduction reactions of electrochemistry, and the conductor interface and the measurement gas reaction exchange electrical charges to detect electrical signals. In such a gas detection sensor, oxygen, nitrogen oxides and chlorine gases, which are electrochemically reducing gases, are detected at the cathode, and oxidizing gases such as nitrogen monoxide and hydrogen sulfide are detected at the anode. The electrochemical gas sensor measures the electromotive force generation or current caused by the flow of cations and anions in the ion electrolyte membrane between the two electrodes.

전기 화학식 센서는 크게 두 전극 사이에 기전력을 측정하거나 전류를 직접 측정하는 방식으로 분류된다. 전기 화학식 가스센서는 액체나 고분자 계열의 이온 전해질 막들을 사용할 경우 상온에서 가스 검출이 가능하며 주로 의료부분에서 활용되고 있으며, 고체 전해질을 사용할 경우에는 고온에서 작동하므로 자동차용 배기가스 및 연소 가스 모니터링에 주로 이용된다.Electrochemical sensors are largely classified as measuring electromotive force or directly measuring current between two electrodes. The electrochemical gas sensor can detect gas at room temperature when using liquid or polymer type ion electrolyte membranes, and is mainly used in the medical part. Mainly used.

유해가스센서에서 요구되는 특성은 첫째로 공기 중의 전기 저항과 가스가 유입되었을 경우 전기 저항의 비율 즉 가스 감도가 커야하며, 둘째로 습도 의존성이 없어야 한다. 마지막으로 다른 공존 가스에 대한 선택성이 좋아야 한다. The characteristics required for the noxious gas sensor are firstly the electrical resistance in the air and the ratio of the electrical resistance when gas is introduced, that is, the gas sensitivity must be large, and secondly, there must be no humidity dependence. Finally, selectivity to other coexisting gases should be good.

종래의 유해가스측정센서는 상온에서 동작, 유해 가스의 저 농도 측정이 어렵고 늦은 회복과 재현이 되지 않는다는 문제점이 있었다. 고온 작동 유해가스측정센서는 내부저항의 급격한 변화로 인한 초기 오작동을 막기 위해 센서의 히터를 비 주기적으로 가열해야 한다는 문제점을 안고 있었다.Conventional noxious gas sensor has a problem that it is difficult to measure the low concentration of the harmful gas, operating at room temperature, the late recovery and reproduction. The high temperature operating harmful gas measurement sensor had a problem that the heater of the sensor had to be heated aperiodically to prevent an initial malfunction due to a sudden change in the internal resistance.

또한, 종래기술은 가스센서에 히터를 작동시켜 약 300℃정도로 가열된 상태를 유지하면서 가스를 감지하는 방식도 도입되었으나 소비전력이 크고 가열수단에 의한 감지재료의 특성변화로 1년 미만의 짧은주기로 정상동작 여부를 점검해야 한다.In addition, the conventional technology has introduced a method of sensing the gas while maintaining a heated state to about 300 ℃ by operating the heater in the gas sensor, but the power consumption is large, and in a short period of less than a year due to changes in the characteristics of the sensing material by the heating means Check for normal operation.

자동차에서 배출되는 유해가스에서 주로 발생되는 일산화탄소와 일산화질소의 감지를 위해서는 두 개의 가스센서를 사용하여 경보장치를 구현하여야 한다.In order to detect carbon monoxide and nitrogen monoxide, which are mainly generated from harmful gases emitted from automobiles, two gas sensors must be used to implement an alarm system.

본 발명이 해결하려는 과제는 유해 가스를 실시간으로 모니터링하고 측정하는 센서에 관한 것으로서 상온에서 측정하고 저 농도의 가스에 대해서도 높은 감지 특성을 갖는 가스 검출 센서를 제안함에 있다.The problem to be solved by the present invention relates to a sensor for monitoring and measuring harmful gases in real time, to propose a gas detection sensor that measures at room temperature and has a high detection characteristics even for low concentration of gas.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 상온에서 장시간 사용함으로 발생하는 감지 오류를 줄여 감기 성능을 장시간 유지하는 가스 검출 센서를 제안함에 있다.Another problem to be solved by the present invention is to propose a gas detection sensor to reduce the detection error caused by long time use at room temperature to maintain the winding performance for a long time.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 감지한 유해 가스의 농도가 높은 경우 신속하고 정확하게 사용자에게 통보하는 가스 검출 센서를 제안함에 있다. Another problem to be solved by the present invention is to propose a gas detection sensor that notifies the user quickly and accurately when the detected concentration of harmful gas is high.

이를 위해 본 발명의 가스 검출 센서는 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브에 리간드되어 있는 금속물질을 포함하며, 흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 탐지부, 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도에 따른 저항값을 전류 또는 전압으로 변환하는 출력하는 출력부, 상기 탐지부에서 탐지한 가스 농도와 설정되어 있는 가스 농도를 비교하여 경고 신호 발생 여부를 결정하는 제어부, 상기 제어부에 제어 명령에 따라 상기 경고 신호를 출력하는 경보부를 포함한다.To this end, the gas detection sensor of the present invention includes a carbon nanotube, a metal material liganded to the carbon nanotube, and a detector having a resistance variable according to a concentration of a gas to be adsorbed, to a gas concentration detected by the detector. An output unit for converting the resistance value according to the current or voltage, a control unit for comparing the gas concentration detected by the detection unit with the set gas concentration to determine whether a warning signal is generated, and the warning according to a control command to the control unit And an alarm unit for outputting a signal.

이를 위해 본 발명의 가스 검출 센서는 가스 검출 센서로 전원을 공급하는 전원부, 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브에 리간드되어 있는 금속물질을 포함하며, 흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 센서 저항, 상기 센서 저항과 직렬로 연결되며, 상기 전원부로부터 공급된 전원을 상기 센서 저항과 분할하여 제공받는 로드 저항을 포함한다.To this end, the gas detection sensor of the present invention includes a power supply unit for supplying power to the gas detection sensor, carbon nanotubes, and a metal material liganded to the carbon nanotubes, and the sensor resistance of which resistance varies according to the concentration of the gas to be adsorbed. And a load resistor connected in series with the sensor resistor, the load resistor being provided by dividing the power supplied from the power supply unit with the sensor resistor.

이를 위해 본 발명의 가스 검출 방법은 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브에 리간드되어 있는 금속물질을 포함하며, 흡착되는 가스의 농도에 따라 저항이 가변하는 탐지부로부터 가스를 탐지하는 단계, 탐지한 상기 가스에 따라 가변되는 저항에 대응되는 전압을 산출하고, 산출한 상기 전압과 설정된 전압을 비교하는 단계, 산출한 상기 전압이 설정된 상기 전압보다 경보신호를 출력하는 단계를 포함한다.To this end, the gas detection method of the present invention includes a carbon nanotube, a metal material liganded to the carbon nanotube, and detecting a gas from a detection unit whose resistance varies according to the concentration of the gas to be adsorbed. Calculating a voltage corresponding to a resistance variable according to gas, comparing the calculated voltage with a set voltage, and outputting an alarm signal than the set voltage with the calculated voltage.

본 발명에 따른 가스 검출 센서는 가스 선택성이 우수한 금속 및 표면적이 넓고, 전자 방출과 화학적 반응성이 우수한 탄소나노튜브를 감지물질로 이용하여 저 농도의 가스 농도에서도 높은 감지와 빠른 응답 속도 및 회복 속도를 갖는다. 또한 본 발명의 가스 검출 센서는 전기 저항값이 특정값 이상으로 증가하면 되면 경고신호를 발생하여 인근에 위치하고 있는 사용자나 가스 검출 센서를 관리하고 있는 사용자에게 통보함으로써 주의를 환기 시킬 수 있게 된다.The gas detection sensor according to the present invention uses carbon nanotubes having a high gas selectivity and a large surface area, and has excellent electron emission and chemical reactivity as a sensing material for high detection, fast response speed, and recovery speed even at low gas concentrations. Have In addition, the gas detection sensor of the present invention can be alerted by generating a warning signal when the electrical resistance value is increased to a specific value or more to notify the user located in the vicinity or the user managing the gas detection sensor.

또한 가스 검출 센서는 별도의 발열부를 부가하여 평상시에는 상온에서 가스를 감지하고, 주기적으로 높은 전압을 인가하여 탐지부에 부착되어 있는 습기와 가스를 제거함으로써 가스 검출 센서의 오동작을 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, the gas detection sensor adds a separate heating unit to detect gas at normal temperature at normal times, and periodically removes moisture and gas from the detection unit by applying a high voltage to prevent malfunction of the gas detection sensor. There is this.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 구성을 도시한 블록도이며,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 회로를 도시한 회로도이며,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 동작을 도시한 흐름도이며,
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 상온에서 일산화질소의 응답 및 회복특성을 도시한 그래프이며.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 상온에서 일산화탄소의 응답 및 회복특성을 도시한 그래프이다.1 is a view showing a gas detection sensor using carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention,
2 is a block diagram illustrating a configuration of a gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram illustrating a circuit of a gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
4 is a flowchart illustrating an operation of a gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the response and recovery characteristics of nitrogen monoxide at room temperature according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the response and recovery characteristics of carbon monoxide at room temperature according to an embodiment of the present invention.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.The foregoing and further aspects of the present invention will become more apparent through the preferred embodiments described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter will be described in detail to enable those skilled in the art to easily understand and reproduce through this embodiment of the present invention.

본 발명은 탄소나노튜브에 선택성이 우수한 금속을 리간드시킴으로써 우수한 흡착 선택성과 재현성뿐만 아니라 소비전력이 낮은 상온에서 동작 가능한 가스 검출 센서를 제안한다.The present invention proposes a gas detection sensor capable of operating at room temperature with low power consumption as well as excellent adsorption selectivity and reproducibility by ligands of metal having excellent selectivity to carbon nanotubes.

탄소나노튜브는 부피에 비해 큰 표면적과 유해 가스에 대한 높은 민감도, 빠른 응답 속도, 그리고 실온에서 동작하기 때문에 가스센서의 감지 물질로서 매력적인 특징을 가지고 있다.Carbon nanotubes have attractive features as sensing materials for gas sensors because they have a large surface area relative to their volume, high sensitivity to harmful gases, fast response speeds, and operating at room temperature.

도 1은 탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서를 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 탄소 나노 튜브를 이용한 가스 검출 센서에 대해 상세하게 알아보기로 한다.1 illustrates a gas detection sensor using carbon nanotubes. Hereinafter, a gas detection sensor using carbon nanotubes will be described in detail with reference to FIG. 1.

탄소나노튜브는 전자방출과 화학적 반응성 등이 우수하고 부피에 비해 표면적이 매우 큰 물질이므로 높은 표면 반응성과 함께 미량의 화학성분의 검출과 수소 저장과 같은 분야에 매우 응용성이 높다.Carbon nanotubes are excellent in electron emission and chemical reactivity, and have a very large surface area compared to their volume. Therefore, carbon nanotubes have high surface reactivity, and are highly applicable to such fields as detecting trace chemicals and storing hydrogen.

탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서는 탄소나노튜브에 흡착되는 가스의 전자 성질에 따라 다르게 방출하는 전기적 신호와 저항을 측정함으로써 유해 가스를 감지하게 된다. 이러한 탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서는 상온에서 센서의 동작이 가능하고 유해 가스 반응 시 전기전도도가 커서 감도가 매우 우수하며 반응 및 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다.The gas detection sensor using carbon nanotubes detects harmful gases by measuring electrical signals and resistances that are differently emitted depending on the electronic properties of the gas adsorbed on the carbon nanotubes. The gas detection sensor using the carbon nanotubes has the advantage that the sensor can be operated at room temperature and the sensitivity is very high due to the electrical conductivity during the harmful gas reaction, and the reaction and response speed are fast.

도 1에 의하면 가스 검출 센서는 게이트, 소스, 드레인 전극을 가지며 소스와 드레인 전극 사이에 탄소나노튜브가 전계효과 트랜지스터의 채널로 놓여져 있는 구조이다. 게이트 전극은 고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼 기판 자체를 후면 게이트로 사용한다.가스 검출 센서가 가스(COx, NOx, NH3, CH4 등)에 노출되었을 때 가스 분자가 탄소나노튜브에 흡착하면 탄소나노튜브와 가스 분자 간에 전하 이동이 생기는데 이로 인해 생기는 탄소나노튜브의 전기적인 변화를 이용해 가스를 감지하는 원리를 이용한 것이다. 가스는 탄소나노튜브에 흡착했을 때 전자를 받아오는 산화성 가스와 전자를 주는 환원성 가스로 나눌 수 있다. 탄소나노튜브는 p-type 반도체의 특성을 나타내는데 산화성 가스가 탄소나노튜브에 흡착하면, 탄소나노튜브는 전자를 잃기 때문에 다수 캐리어인 홀이 증가하므로 전도도가 증가하는 특성을 보인다. 이와 반대로 환원성 가스가 탄소나노튜브에 흡착하면 탄소나노튜브는 전자를 얻기 때문에 홀이 감소하므로 전도도가 감소하게 된다.According to FIG. 1, the gas detection sensor has a gate, a source, and a drain electrode, and a carbon nanotube is disposed between the source and drain electrodes as a channel of the field effect transistor. The gate electrode uses a heavily doped silicon wafer substrate itself as a rear gate. When a gas detection sensor is exposed to gas (COx, NOx, NH3, CH4, etc.), the gas molecules adsorb to the carbon nanotubes, Charge transfer occurs between the molecules of the gas, using the principle of sensing the gas by using the electrical changes of the carbon nanotubes. Gas can be divided into oxidizing gas that receives electrons and reducing gas that gives electrons when adsorbed on carbon nanotubes. Carbon nanotubes show the characteristics of p-type semiconductors. When oxidizing gas is adsorbed on carbon nanotubes, carbon nanotubes lose electrons, so the conductivity of many carriers increases. On the contrary, when the reducing gas is adsorbed onto the carbon nanotubes, the carbon nanotubes acquire electrons, so the holes decrease, so that the conductivity decreases.

가스를 감지한 후 가스 검출 센서가 다시 가스를 감지하게 하기 위해서 탄소나노튜브의 저항을 초기상태로 만들어줘야 한다. 이를 위해 본 발명은 탄소나노튜브에 열을 가해주거나 UV를 조사하여 준다.After sensing the gas, the resistance of the carbon nanotubes must be reset to the gas detection sensor to detect the gas again. To this end, the present invention heats carbon nanotubes or irradiates UV.

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 가스 검출 센서의 선택성을 높이기 위해 선택성이 우수한 금속을 탄소나노튜브와 리간드(Ligand)시키는 방안을 제안한다. 선택성이 우수한 금속은 팔라듐(palladium) 등이 포함된다. 즉, 가스 검출 센서는 검출하고자 하는 유해 가스의 종류에 따라 선택성이 우수한 금속을 탄소나노튜브에 리간드시킨다. 리간드는 배위결합을 하고 있는 화합물의 중심금속 이온의 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다.The present invention proposes a method for ligands of carbon nanotubes with excellent selectivity in order to increase the selectivity of a gas detection sensor using carbon nanotubes. Metals having excellent selectivity include palladium and the like. That is, the gas detection sensor ligands the metal having excellent selectivity to the carbon nanotubes according to the type of harmful gas to be detected. Ligand means the molecule | numerator and ion couple | bonded around the center metal ion of the compound which coordinates.

본 발명은 일산화탄소나 일산화질소를 검출하기 위해서는 팔라듐을 탄소나노튜브에 리간드시키며, 프로판가스를 검출하기 위해서는 은(Ag)을 탄소나노튜브에 리간드시킨다. 또한, 에틸렌을 검출하기 위해서는 이리듐(Ir)을 탄소나노튜브에 리간드시키며, 메탄을 검출하기 위해서는 몰리브덴(Mo)을 탄소나노튜브에 리간드시킨다. 벤젠을 검출하기 위해서는 니켈(Ni)을 탄소나노튜브에 리간드시키며, 암모니아를 검출하기 위해서는 백금(Pt)을 탄소나노튜브에 리간드시킨다.In the present invention, palladium is liganded to carbon nanotubes to detect carbon monoxide and nitrogen monoxide, and silver (Ag) is liganded to carbon nanotubes to detect propane gas. In addition, iridium (Ir) is liganded to carbon nanotubes to detect ethylene, and molybdenum (Mo) is liganded to carbon nanotubes to detect methane. Nickel (Ni) is liganded to carbon nanotubes to detect benzene, and platinum (Pt) is liganded to carbon nanotubes to detect ammonia.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 구성을 도시한 블록도이다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.2 is a block diagram showing the configuration of a gas detection sensor according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the configuration of the gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.

도 2에 의하면, 가스 검출 센서는 제어부(200), 탐지부(202), 출력부(204), 표시부(206), 회로 시험부(208), 경보부(210), 전원부(212)를 포함한다. 물론 가스 검출 센서는 상술한 구성 이외에 다른 구성이 포함될 수 있음은 자명하다. 즉, 가스 검출 센서는 저장부를 포함할 수 있으며, 저장부는 각 유해 가스별로 경고음 발생을 위한 농도를 저장한다.According to FIG. 2, the gas detection sensor includes a control unit 200, a detection unit 202, an output unit 204, a display unit 206, a circuit test unit 208, an alarm unit 210, and a power supply unit 212. . Obviously, the gas detection sensor may include other components in addition to the above-described components. That is, the gas detection sensor may include a storage unit, and the storage unit stores concentrations for generating a warning sound for each harmful gas.

탐지부(202)는 유해 가스를 검출한다. 상술한 바와 같이 탐지부(202)는 탄소나노튜브, 탄소나노튜브와 리간드되어 있는 금속성 물질을 포함한다. 탐지부(202)는 일산화탄소 및 일산화질소 등과 같은 유해 가스와 반응하면 전기전도도(전기 저항)가 변화되는 특성을 이용하여 유해 가스의 농도를 측정한다.The detector 202 detects harmful gas. As described above, the detector 202 includes carbon nanotubes and metallic materials that are liganded with the carbon nanotubes. The detection unit 202 measures the concentration of the noxious gas by using the characteristic that the electrical conductivity (electric resistance) changes when it reacts with noxious gases such as carbon monoxide and nitrogen monoxide.

출력부(204)는 탐지부(202)에서 탐지한 유해 가스 농도를 수치화하여 출력한다. 즉, 출력부(204)는 일산화탄소 또는 일산화질소를 포함하는 유해가스의 농도에 따른 반응특성을 데이터화하고, 데이터화 반응특성에 대응하는 출력전압(또는 출력전류)을 출력한다. 전원부(212)에서 공급되는 전원을 고려하여 출력부(204)에서 출력되는 출력전류는 4 내지 20㎃는 바람직하다.The output unit 204 quantizes and outputs the harmful gas concentration detected by the detector 202. That is, the output unit 204 data the reaction characteristics according to the concentration of the harmful gas containing carbon monoxide or nitrogen monoxide, and outputs an output voltage (or output current) corresponding to the data reaction characteristic. In consideration of the power supplied from the power supply unit 212, the output current output from the output unit 204 is preferably 4 to 20 mA.

표시부(206)는 탐지부(202)에서 탐지한 유해 가스의 농도를 유해 가스별로 수치화하여 표시한다. 회로 시험부(208)는 가스 검출 센서를 구성하고 있는 각 구성의 이상 유무를 시험한다. 경보부(210)는 탐지부(202)에서 탐지한 유해 가스의 농도가 설정된 농도를 초과하는 경우, 또는 유해 가스의 농도가 급격하게 변화하는 경우 경보음을 출력한다. 물론 표시부(206) 역시 유해 가스의 농도가 설정된 농도를 초과하거나 급격하는 변화하는 경우 이에 대한 정보를 표시할 수 있다. 전원부(212)는 가스 검출 센서를 구성하고 있는 각 구성으로 전원을 공급한다.The display unit 206 quantifies and displays the concentration of the noxious gas detected by the detector 202 for each noxious gas. The circuit test unit 208 tests whether there is an abnormality in each configuration constituting the gas detection sensor. The alarm unit 210 outputs an alarm sound when the concentration of the noxious gas detected by the detector 202 exceeds the set concentration or when the concentration of the noxious gas changes abruptly. Of course, the display unit 206 may also display information when the concentration of the noxious gas exceeds or exceeds the set concentration. The power supply unit 212 supplies power to each of the components constituting the gas detection sensor.

제어부(200)는 가스 검출 센서를 구성하고 있는 각 구성을 제어한다. 제어부(200)는 탐지부(202)로부터 전달받은 유해 가스의 농도와 설정되어 있는 농도를 비교하고, 전달받은 유해 가스의 농도가 설정되어 있는 유해 가스의 농도보다 큰 경우에는 경보부(210)로 하여금 경보음을 발생하도록 한다.The control unit 200 controls each component constituting the gas detection sensor. The control unit 200 compares the concentration of the noxious gas received from the detection unit 202 with the set concentration, and causes the alarm unit 210 when the concentration of the noxious gas received is greater than the set concentration of the noxious gas. Make an alarm sound.

제어부(200)는 탐지부(202)로부터 전달받은 유해 가스의 농도를 수치화하여 표시부(206)에 표시하도록 하며, 필요한 경우 경고문자를 표시하도록 할 수 있다.The controller 200 may quantify the concentration of the harmful gas received from the detector 202 and display the numerical value of the harmful gas on the display unit 206, and display a warning letter if necessary.

본 발명과 관련하여 가스 검출 센서는 가열부를 포함할 수 있으며, 평상시에는 상온에서 가스를 감지하며 주기적으로 약 300도에 해당하는 전압을 가열부로 공급하여 탐지부(202)에 부착되어 있는 습기 및 유해 가스의 탈착을 유도한다.In connection with the present invention, the gas detection sensor may include a heating unit, which normally detects gas at room temperature and periodically supplies a voltage corresponding to about 300 degrees to the heating unit, thereby adsorbing moisture and harmful substances attached to the detection unit 202. Induces desorption of gases.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 회로도를 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 회로도에 대해 알아보기로 한다.3 is a circuit diagram of a gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, a circuit diagram of a gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3에 의하면, Vc는 가스 검출 센서의 회로에 공급되는 전압을 의미하며, V_H는 가열부로 공급되는 전압을 의미하며, R_H는 가열부를 구성하고 있는 저항을 의미하며, R_s는 가스 검출 센서의 탐지부를 구성하고 있는 센서 저항을 의미한다. R_s는 탐지부에 흡착되는 유해 가스의 농도에 따라 저항값이 가변된다.According to Figure 3, Vc means the voltage supplied to the circuit of the gas detection sensor, V _H means the voltage supplied to the heating portion, R _H means the resistance constituting the heating portion, R _s is gas detection Means the sensor resistance constituting the detector of the sensor. R _s varies in resistance depending on the concentration of harmful gas adsorbed to the detector.

R_L은 부하 저항을 의미하며, Vout는 출력 전압을 의미한다. Q는 스위치를 의미하며, 일정 시간간격으로 R_H로 전원을 공급하여 가스 검출 센서의 탐지부에 부착되어 있는 수분이나 가스의 탈착을 유도한다. R_H에서 발열되는 온도와 시간은 반비례하도록 설정한다. 즉, 수분이나 가스의 탈착을 효율적으로 수행하기 위해 발열온도가 큰 경우에는 발열 시간을 감소시키며, 발열온도가 작은 경우에는 발열시간을 증가시킨다. 일반적으로 발열온도는 300도 내외가 되도록 설정하며, 발열주기는 가스 검출 센서의 위치에 따라 상이하도록 설정한다. 즉, 가스 검출 센서가 위치하고 있는 영역이 평상시 습기나 유해 가스의 농도가 높은 곳이라면 발열주기를 짧게 설정하며, 습기나 유해가스의 농도가 낮은 곳이라면 발열주기를 길게 설정한다.R _L means the load resistance and V out means the output voltage. Q means a switch and supplies power to R _H at regular intervals to induce desorption of water or gas attached to the detector of the gas detection sensor. The temperature and time of heat generation in R _H are set in inverse proportion. That is, in order to efficiently perform desorption of water or gas, the exothermic time is reduced when the exothermic temperature is large, and the exothermic time is increased when the exothermic temperature is small. In general, the heating temperature is set to about 300 degrees, and the heating cycle is set to be different depending on the position of the gas detection sensor. That is, if the area where the gas detection sensor is located is a place where the concentration of moisture or harmful gas is high, the heat generation period is set short.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 동작을 도시한 흐름도이다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 가스 검출 센서의 동작에 대해 상세하게 알아보기로 한다.4 is a flowchart illustrating an operation of a gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, the operation of the gas detection sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4.

S400단계에서 가스 검출 센서를 초기화를 수행한다. 가스 검출 센서는 각 유해 가스별로 경보신호를 출력하기 위한 출력값을 설정한다. Initialize the gas detection sensor in step S400. The gas detection sensor sets an output value for outputting an alarm signal for each harmful gas.

S402단계에서 가스 검출 센서는 센서 구동 회로에 전원을 인가한다. In operation S402, the gas detection sensor applies power to the sensor driving circuit.

S404단계에서 가스 검출 센서는 탐지부로부터 출력되는 출력값을 검출한다. 상술한 바와 같이 가스 검출 센서는 탐지된 가스 농도에 대응되는 전압을 출력한다.In operation S404, the gas detection sensor detects an output value output from the detector. As described above, the gas detection sensor outputs a voltage corresponding to the detected gas concentration.

S406단계에서 가스 검출 센서는 출력되는 전압과 설정된 전압을 비교한다. 출력되는 전압이 설정된 전압보다 크거나 같다면 가스 검출 센서는 S408단계로 이동하고, 출력되는 전압이 설정된 전압보다 작다면 S406단계로 되돌아간다.In operation S406, the gas detection sensor compares the output voltage with the set voltage. If the output voltage is greater than or equal to the set voltage, the gas detection sensor moves to step S408, and if the output voltage is less than the set voltage, the flow returns to step S406.

S408단계에서 가스 검출 센서는 경보 신호를 출력하여, 근처에 위치하고 있는 사람들에게 유해 가스의 농도에 대한 주의를 환기시킨다.In step S408 the gas detection sensor outputs an alarm signal, to call attention to the concentration of harmful gases to those located nearby.

S410단계에서 가스 검출 센서는 발열부를 구동하기 위한 전원을 공급한다. S412단계에서 가스 검출 센서는 설정된 발열주기가 도래하면, 발열부를 구성하고 있는 저항으로 전원을 공급한다. 발열부를 구성하고 있는 저항은 공급된 전원을 이용하여 발열한다. 발열부는 발열을 이용하여 탐지부에 흡착되어 있는 수분이나 유해 가스를 탈착한다.In operation S410, the gas detection sensor supplies power for driving the heating unit. In operation S412, the gas detection sensor supplies power to a resistor constituting the heating unit when the set heating cycle arrives. The resistor constituting the heat generating unit generates heat using the supplied power. The heat generating unit desorbs moisture or harmful gas adsorbed to the detecting unit by using heat.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 상온에서 일산화질소의 응답 및 회복특성을 도시한 그래프이다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 가스 검출 센서는 밀폐된 공간에 3ppm의 일산화질소를 공급(in gas)하면, 빠른 응답 특성을 보이며, 일산화질소를 제거(vent)하면 빠른 회복 특성을 보이고 있다.5 is a graph showing the response and recovery characteristics of nitrogen monoxide at room temperature according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the gas detection sensor of the present invention exhibits quick response when 3 ppm nitrogen monoxide is supplied to an enclosed space (in gas), and exhibits rapid recovery characteristics when the nitrogen monoxide is removed (vent). have.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 상온에서 일산화탄소의 응답 및 회복특성을 도시한 그래프이다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 가스 검출 센서는 밀폐된 공간에 80ppm의 일산화탄소를 공급(in gas)하면, 빠른 응답 특성을 보이며, 일산화탄소를 제거(vent)하면 빠른 회복 특성을 보이고 있다.Figure 6 is a graph showing the response and recovery characteristics of carbon monoxide at room temperature according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the gas detection sensor of the present invention shows fast response characteristics when 80 ppm of carbon monoxide is supplied to an enclosed space (in gas), and shows rapid recovery characteristics when the carbon monoxide is removed.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the present invention .

200: 제어부 202: 탐지부
204: 출력부 206: 표시부
208: 회로 시험부 210: 경보부
212: 전원부200: control unit 202: detection unit
204: output unit 206: display unit
208: circuit test section 210: alarm section
212: power supply

Claims

A detection unit including a carbon nanotube and a metal material liganded to the carbon nanotube, and having a resistance variable according to a concentration of a gas to be adsorbed;
An output unit for converting a resistance value according to the gas concentration detected by the detector into a current or a voltage;
A control unit for determining whether a warning signal is generated by comparing the gas concentration detected by the detection unit with a set gas concentration;
And a warning unit for outputting the warning signal according to a control command to the control unit.

The method of claim 1,
The metal material sensor is at least one of palladium, silver, iridium, molybdenum, Nigel, platinum.

The method of claim 2, wherein the detection unit,
A gas detection sensor for detecting a harmful gas containing at least one of carbon monoxide, nitrogen monoxide, propane gas, ethylene, methane, benzene, ammonia.

The method of claim 1,
And a heat generator configured to generate heat to desorb water or gas adsorbed to the detector at a predetermined time interval.

A power supply unit supplying power to the gas detection sensor;
A sensor resistor including carbon nanotubes and a metal material liganded to the carbon nanotubes, the resistance of which varies depending on the concentration of the gas to be adsorbed;
And a load resistor connected in series with the sensor resistor, the load resistor being provided by dividing the power supplied from the power supply unit with the sensor resistor.

The gas detection sensor according to claim 5, further comprising a heat generating unit resistor for providing heat to the carbon nanotubes and the metal material constituting the sensor resistance.

The gas measurement sensor according to claim 6, further comprising a switch for switching to supply power to the heating part resistor for a predetermined time period.

6. The method of claim 5,
The metal material sensor is at least one of palladium, silver, iridium, molybdenum, Nigel, platinum.

Detecting a gas from a detector including a carbon nanotube and a metal material liganded to the carbon nanotube, the resistance of which varies according to the concentration of the gas to be adsorbed;
Calculating a voltage corresponding to a resistance variable according to the detected gas, and comparing the calculated voltage with a set voltage;
And outputting an alarm signal than the calculated voltage at the calculated voltage.

10. The method of claim 9, wherein the metal material is at least one of palladium, silver, iridium, molybdenum, nigel, and platinum.

The method of claim 10, wherein the detection unit,
A gas detection method comprising detecting a harmful gas containing at least one of carbon monoxide and nitrogen monoxide.

12. The gas detection method according to claim 11, wherein harmful gas is detected in a building or in an enclosed underground parking lot.