KR20120085003A - 대기에서의 환원성 가스를 모니터링 할 수 있는 반도체 센서 기반 장치 - Google Patents
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Abstract
대기에서의 환원성 가스를 모니터링 할 수 있는 반도체 센서 기반 장치를 제공한다. 상기 대기 모니터링 장치는 전도성 측정유형의 반도체 가스센서, 상기 가스센서를 포함하며 가스를 유입하고 배출하는 챔버, 상기 가스센서의 가열을 위한 가열기, 상기 가스센서의 전도성 변화를 측정 제어하는 장치, 상기 측정된 가스센서의 전도성 변화를 모니터링하는 장치, 상기 측정 챔버로 측정하고자 하는 대기가스를 보내는 샘플링 펌프, 상기 측정 챔버와 상기 샘플링 펌프 사이에 위치한 오존 발생기 및 상기 샘플링 펌프와 상기 오존 발생기 및 상기 오존 발생기와 상기 측정 챔버를 연결하는 가스 이동 라인을 포함한다. 본 발명에 따르면, 전도성 측정유형의 반도체 기반 가스센서를 이용하는 가스 모니터링 장치에 오존 발생기를 추가한 시스템으로써, 기존 방식의 대기 모니터링 장치보다 더 낮은 온도에서 더 높은 민감도와 더 빠른 재시동 시간을 보인다.
Description
본 발명은 대기에서의 환원성 가스를 모니터링 할 수 있는 반도체 센서 기반 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화금속표면 흡착유형(혹은 전도성 측정유형)의 반도체 가스센서를 이용해 대기 중의 환원성 가스(H2, CO 등)를 모니터링 하도록 고안된 가스 분석 분야의 장치에 관한 것이다.
우리의 생활 주변에는 대단히 많은 종류의 가스가 존재한다. 그러나, 인간의 감각 기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스의 누설 감지, 농도의 측정 기록, 경보 등에 사용되고 있다.
그 중에서 반도체 가스센서는 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기 전도도의 변화를 이용하는 것이 많으며, 대부분 대기 중에 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속 산화물이 주로 사용된다.
전도성 측정유형의 반도체 가스센서를 이용한 환원성 가스 모니터링 장치의 작동원리는 기본적으로 그 가스센서가 특정 가스 분위기에 놓일 때와 그렇지 않은 때의 센서의 전기적 저항 차이를 이용하는 것이다. 현재 전도성 측정유형의 반도체 가스센서에는 산화금속(SnO2, In2O3, ZnO, WO3 등)이 주로 사용된다. 일반적으로, 산화금속을 이용한 전도성 측정유형의 반도체 가스센서에서의 전기 전도성(저항)의 변화 정도는 가스 종류 및 농도에 따라 산화금속 표면에서 화학적 반응(흡착, 환원 및 재산화 등)에 의해 결정된다. 이러한 화학적 반응을 야기하기 위해서 전도성 측정유형의 반도체 가스센서에서의 작동 부분은 일정 온도까지의 가열이 필요하다. 특히 환원성 가스를 모니터링 하도록 고안된 전도성 측정유형의 반도체 가스센서의 경우에는 300~500℃ 정도의 작동온도가 필요하다. 이러한 온도를 얻기 위해 고안된 전도성 측정유형의 반도체 가스센서는 상기 센서를 가열하는 가열기를 포함하게 된다. 이는 상대적으로 낮은 온도에서 작동하는 전도성 측정 유형의 반도체 가스센서는 낮은 민감도를 보이며, 특정 가스와 반응 후 긴 재시동 시간이 필요하게 되어, 실시간 대기 모니터링 장치로의 사용에 제한을 받기 때문이다. 현재까지 주어진 요구를 가장 잘 충족시키기는 전도성 측정유형의 반도체 가스센서를 이용한 대기 모니터링 장치는 전도성 측정이 가능한 반도체 가스센서, 그 센서를 포함하며 기체를 유입하고 배출하는 챔버(혹은 셀), 가열기, 가열기 작동을 위한 파워장치, 작동온도를 유지하는 장치, 센서의 전도성(또는 저항) 변화 측정 제어장치, 그리고 가스 공급 및 배출 시스템을 포함한다. 하지만, 이러한 모니터링 장치들 역시 상대적으로 낮은 작동 온도 범위(<300℃)에서 낮은 감도 및 오랜 재시동 시간의 단점을 보여, 실시간 대기 모니터링 작동함에 한계가 있다. 또한 현재 전도성 측정유형의 반도체 기반 가스센서의 성능 향상을 위해 산화금속 층에 특정 첨가물질을 도입하거나, 추가적인 광학 반응 장치를 도입하거나, 다양한 펄스 주입 장치를 도입하거나 또는 외부 전기장 주입 장치를 도입하는 등의 시도가 진행 중이다.
하지만 상기 언급한 시도들은 때때로 열적 안정성이 감소될 수 있고, 민감도 및 재시동 시간과 관련한 문제와 무관할 수 있고, 또는 디자인 변경으로 인한 비용 증가를 야기할 수 있다. 예를 들어 UV 활성 장치의 도입은 추가적으로 센서 하우징 디자인 변경과 센서 표면 가까이에 UV LEED 장비 설치를 필요로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상대적으로 낮은 작동 온도 범위에서 반도체 가스센서의 감도를 증가시키고 재시동 시간을 단축시켜 기존에 문제되어온 경제성 문제를 해결하는 새로운 대기 모니터링 장치를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 전도성 측정유형의 반도체 가스센서, 상기 센서를 포함하며 기체를 유입하고 배출하는 챔버(셀), 상기 센서의 가열을 위한 가열기, 상기 센서의 전도성(또는 저항) 변화를 측정하고 제어하는 장치, 상기 챔버(셀)로 측정하고자 하는 가스를 보내는 샘플링 펌프, 상기 측정된 전도성(또는 저항) 변화 모니터링 장치, 오존 발생기 및 가스 이동 라인(관)을 포함하는 대기 모니터링 장치를 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 오존 발생기를 환원성 가스의 모니터링 장치에 도입함으로써 더 낮은 작동 온도 범위에서 최대 민감도를 갖고, 상기 최대 민감도 값이 증가하고, 가스 센서의 재시동 시간이 감소하는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오존 발생기를 포함하는 대기 모니터링 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 작동 온도(℃)에 따른 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스센서의 작동 온도(℃)에 따른 민감도를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 연결되어 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 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 중의 환원성 가스를 모니터링하는 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 상기 측정 장치는 크게 전도성 측정유형의 반도체 가스센서(100), 상기 센서를 포함하며 기체를 유입하고 배출하는 챔버(셀)(200), 상기 센서를 가열하기 위한 가열기(300), 상기 센서의 전도성(또는 저항) 변화를 측정하고 제어하는 장치(400), 상기 챔버(셀)로 측정하고자 하는 가스를 보내는 샘플링 펌프(500), 상기 측정된 전도성(또는 저항) 모니터링 장치(600), 오존 발생기(700) 및 가스 이동 라인(관)(800)을 포함한다.
상기 대기 중의 환원성 가스는 H2, CO 등일 수 있다. 다만. 상기 환원성 가스는 상기 반도체 가스센서(100)의 반도체를 환원시켜 전도성 변화를 일으킬 수 있는 대기 중의 물질이라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 전도성 측정유형의 반도체 기반 가스센서(100)의 반도체 물질로는 SnO2, In2O3, ZnO, WO3, V2O4, Fe2O3, 귀금속 증감제, 유기 반도체, 금속 프탈로시아닌, 또는 안트라센 등이 포함될 수 있다. 바람직하게는 금속산화물 반도체를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 SnO 2 반도체를 포함할 수 있다. 상기 SnO 2 반도체는 스프레이 열분해법에 의해 300~600℃에서 200~600nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 가스 센서(100)의 가스 흡착량은 온도에 많은 영향을 받는 특성이 있다. 반도체 가스센서는 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하는 것이 많으며 대부분 대기 중에서 가열하여 사용되는 일이 많아 고온에서 안정한 금속산화물이 주로 사용된다. 금속 산화물은 반도체의 성질을 나타내는 것이 많고, 이중 금속원자가 과잉(산소 결핍)인 경우에는 n형 반도체, 금속원자가 결핍인 경우에는 p형 반도체가 된다.
상기 챔버(셀)(200)는 상기 가스센서(100)를 포함하며 가스를 유입하고 배출한다. 상기 챔버(200)는 예를 들어, 실리콘 수지 등의 재료로 만들어질 수 있다. 다만, 바람직하게는 상기 챔버(200)는 오존과 반응하지 않는 재질로 만들어질 수 있다.
챔버의 체적이 특정한 측정 목적에 의존하므로, 챔버(200)의 크기는 그에 상응하게 설계 및 구성될 수 있다. 예를 들어, 주기적으로 가스를 측정하는 경우 챔버(200)의 체적은 가스가 챔버로부터 상당히 떨어진 위치로부터 미리 정해진 측정 간격에 따라 가스센서까지 확산되도록 설계될 수 있다.
상기 가열기(300)는 저항가열기 등일 수 있다. 저항가열기는 값이 싸고 쉽게 구할 수 있는 장점이 있다. 또한, 상기 가열기(300)는 가열기 작동을 위한 파워장치 및 작동온도를 유지하는 장치를 포함할 수 있다.
상기 가열기(300)는 상기 가스센서(100)와 일체로 연결되거나 격리되어 연결될 수 있다. 바람직하게는, 상기 가열기(300)는 상기 가스센서(100)와 격리되어 연결되는 것을 특징으로 한다. 상기 챔버(200)의 크기는 가스센서와 반응해야 하는 가스의 양과 비례해야 하므로 클 필요가 없다. 만약 가열기(300)가 챔버 안으로 들어온다면, 챔버의 크기는 더 커져야 하고, 이에 따라 반응해야 하는 가스의 양이 증가해야 한다. 이는 장비 전체의 크기를 키우게 되는 요인이 될 수 있으므로 가열기를 가스센서와 격리시켜 챔버 밖에서 구성함이 효과적이다. 또한 상기 챔버(200) 안으로 가열기(300)가 들어갈 경우, 반도체 가스센서(100) 표면(산화박막)에서의 반응으로 얻어지는 신호가 챔버 안의 온도에 의해 영향을 받을 수 있다.
상기 전도성(또는 저항) 변화 측정 제어장치(400)는 상기 가스센서(100)와 모니터링 장치(600)에 사이에 연결되어 가스센서(100)의 전도성(저항) 변화를 측정 제어하고, 응답 신호 결과를 모니터링 장치(600)에 보내 가시화하고 기록한다.
상기 오존 발생기(700)는 측정 챔버(200)와 샘플링 펌프(500) 사이에 위치하며, 상기 샘플링 펌프(500)와 상기 오존 발생기(700), 및 상기 오존 발생기(700)와 상기 챔버(200)는 각각 가스 이동 라인(800)으로 연결될 수 있다. 상기 가스 이동 라인(800)은 오존과 반응하지 않는 재질로 만들어질 수 있다.
단, 오존 발생기의 위치는 이에 제한 되지 않고 샘플링 펌프(500)와 챔버(200)가 가스 이동 라인(800)으로 연결되고 오존 발생기가 가스 이동 라인(800)에 연결될 수 있다.
오존 발생기는 코로나방전(Corona discharge), UV방전(UV radiation), 전기분해(Electrolysis) 또는 방사화학법(Radiochamical Methods) 등의 방법을 이용한 장치일 수 있다. 바람직하게, 오존 발생기는 UV 램프를 사용할 수 있다. UV 램프를 사용하는 것은 측정에 필요한 오존의 양이 작아도 충분한 신호를 얻을 수 있어서 경제적이기 때문이다.
샘플링 펌프(500)는 일정한 양의 대기가스를 챔버로 유입시킨다.
환원성 가스를 포함하는 대기가 오존 발생기(700)를 지남에 따라 대기 가스는 오존가스를 포함하게 된다. 이렇게 형성된 혼합 가스는 가열기(300)에 의해 가열된 센서(100)의 산화금속 층과 반응하기 위해 가스 라인(800)을 통해 챔버(200)로 유입된다. 산화박막 표면에서 오존의 해리 혹은 분열(O3(g) → O2(g) + O(s))에 의해 발생된 산소분자가 환원성 가스와의 반응에 참여한다. 이때의 반응 신호는 산화박막 그 자체에 의한 반응 신호에 비해 훨씬 크며, 오존의 해리에 의해 발생된 산소분자는 반응 후에 산화제로 작용하게 되어 재시동 시간을 단축시킬 수 있다.
화학적 반응이 진행되는 동안, 상기 가스센서(100)의 산화금속 층의 전도성(또는 저항) 변화를 측정 제어장치(400)를 통해 얻고 이 응답 신호 결과를 상기 모니터링 장치(600)에 보내 가시화하고 기록한다.
작동 모드는 가스센서(100)의 감도 조건과 사용 목적에 기인하여 선택될 수 있다. 오존 발생기(700)를 계속 작동시키며 측정하고자 하는 대기 가스를 유입시키는 경우, 감도뿐만 아니라 응답 및 재시동 속도의 최적화를 얻을 수 있다. 장시간 계속적으로 측정이 필요한 경우에 상기 모드(1번 모드)를 사용하게 된다. 오존 발생기가 계속 작동하고 있으므로 대기의 유입만을 잠시 차단시키면 센서 표면의 산화박막을 원래의 상태로 되돌리는 시간 역시 단축시킬 수 있다.
오존 발생기(700)를 대기 가스를 유입시킬 때만 주기적으로 작동시키는 경우, 대기와 반응한 센서(100)가 초기상태로 돌아가는 재시동 시간을 줄일 수 있다. 주기적으로 특정 시간대에 대기를 모니터링 할 필요가 있을 경우에 상기 모드(2번 모드)를 사용한다. 대기 측정을 마치면 대기의 유입을 차단시키고 오존발생기만을 잠시 더 작동하게 되면 1번 모드와 같이 빠른 재시동 시간을 보일 수 있다. 다만, 매번 측정을 위하여 가열기의 예열시간 등을 고려해야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 모니터링 장치의 가스센서(100) 작동 온도(℃)에 따른 감도(Sensitivity)를 나타낸 그래프이다. 여기서, 가스센서(100)의 반도체 물질로는 스프레이 열분해법에 의해 450℃에서 증착된 360nm 두께의 SnO 2 를 사용하였다.
센서(100)의 감도는 공기 중에서 가스 주입 전의 저항에 대한 가스의 유입에 따라 변화된 저항의 비를 다음 [수학식 1]과 같이 나타내었다.
[수학식 1]
S = Ra/Rg
여기에서 S는 가스센서(100)의 감도, Ra는 가스 주입 전의 저항이며, Rg는 가스 주입 후 저항이다.
일반적으로 본 발명에서 사용한 물질과 같은 n형 반도체 센서(100)로 환원성 가스를 감지하게 되면 저항이 감소(전기전도도는 증가)하게 되므로 S값이 클수록 센서(100)의 감도가 우수한 것을 의미한다.
도 2를 참조하면, 곡선 1은 오존 없는 대기가스에 대한 가스센서(100)의 작동 온도(℃)에 따른 감도(Sair)를 나타낸 것이고, 곡선 2는 오존과 대기가스가 혼합된 혼합가스에 대한 가스센서(100)의 작동 온도(℃)에 따른 감도(Smix)를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, H2(1000ppm)에 대한 민감도는 오존(1ppm)과 대기가 섞인 가스를 사용할 때(Smix) 대기만 사용한 경우(Sair) 보다 최대 감도를 갖는 온도가 감소하였고, 최대 감도는 10배 이상 증가하였다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기 모니터링 장치의 가스센서(100) 작동온도에 따른 재시동 시간을 측정하여 정리한 것이다. 여기서, 재시동 시간이란 대기 중의 H2(1000ppm)를 측정하고 난 후, 가스센서(100)가 초기 저항 값을 갖도록 되돌리는데 걸리는 시간을 의미한다.
| 작동온도(℃) | 재시동 시간 (초) | |
| 대기 | 대기 + 오존 (1 ppm) | |
| 400 | 23 | 25 |
| 375 | 31 | 32 |
| 350 | 38 | 24 |
| 325 | 110 | 35 |
| 300 | 185 | 44 |
| 275 | 325 | 67 |
상기 표 1을 참조하면, 약 350℃ 이상의 온도에서는 대기만을 사용한 경우와 오존(1ppm)이 혼합된 대기를 사용한 경우가 재시동 시간에서 주목할 만한 차이를 나타내지 않았다. 그러나, 325℃, 300℃ 및 275℃에서는 오존이 혼합된 대기를 사용한 경우가 대기만을 사용한 경우보다 각각 약 3배, 약 4배 및 약 5배 단축된 재시동 시간을 나타냄을 확인할 수 있다.
따라서, 본원 발명을 종래 장치보다 더 낮은 온도의 범위에서 사용할 수 있게 되어 유지비용의 절감과 장치의 열화방지 효과를 기대할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: 가스센서 200: 챔버(셀)
300: 가열기 400: 전도성(저항) 변화를 측정 제어하는 장치
500: 샘플링 펌프 600: 모니터링 장치
700: 오존 발생기 800: 가스 이동 라인(관)
300: 가열기 400: 전도성(저항) 변화를 측정 제어하는 장치
500: 샘플링 펌프 600: 모니터링 장치
700: 오존 발생기 800: 가스 이동 라인(관)
Claims (6)
- 전도성 측정유형의 반도체 가스센서;
상기 가스센서를 포함하며 가스를 유입하고 배출하는 챔버;
상기 가스센서의 가열을 위한 가열기;
상기 가스센서의 전도성 변화를 측정 제어하는 장치;
상기 측정된 가스센서의 전도성 변화를 모니터링하는 장치;
상기 측정 챔버로 측정하고자 하는 대기가스를 보내는 샘플링 펌프;
상기 측정 챔버와 상기 샘플링 펌프 사이에 위치한 오존 발생기; 및
상기 샘플링 펌프와 상기 오존 발생기 및 상기 오존 발생기와 상기 측정 챔버를 연결하는 가스 이동 라인을 포함하는 대기 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 대기가스는 H2 또는 CO를 포함하는 대기 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 가스센서는 SnO2, In2O3, ZnO, WO3, V2O4, Fe2O3, 귀금속 증감제, 유기 반도체, 금속 프탈로시아닌, 또는 안트라센을 포함하는 대기 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 가스센서는 스프레이 열분해법에 의해 300~600℃에서 증착된 200~600nm 두께의 SnO 2 를 포함하는 대기 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 오존 발생기는 UV 램프를 사용하는 대기 모니터링 장치. - 제1항에 있어서,
상기 가열기는 상기 가스센서의 측정파트와 격리된 것을 특징으로 하는 대기 모니터링 장치.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110006375A KR20120085003A (ko) | 2011-01-21 | 2011-01-21 | 대기에서의 환원성 가스를 모니터링 할 수 있는 반도체 센서 기반 장치 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120085003A true KR20120085003A (ko) | 2012-07-31 |
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| KR1020110006375A KR20120085003A (ko) | 2011-01-21 | 2011-01-21 | 대기에서의 환원성 가스를 모니터링 할 수 있는 반도체 센서 기반 장치 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20120085003A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ304498B6 (cs) * | 2013-03-11 | 2014-05-28 | Vysoká škola chemicko-technologická v Praze | Měřicí obvod pro chemický vodivostní senzor plynu |
| KR101440547B1 (ko) * | 2013-05-20 | 2014-09-17 | 한국화학연구원 | 금속 이온 검출용 신규한 안트라센 유도체 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 선택적 금속 이온의 검출 방법 |
| CN111796000A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-10-20 | 王垚 | 基于气敏半导体的小型化臭氧监测器及监测方法 |
-
2011
- 2011-01-21 KR KR1020110006375A patent/KR20120085003A/ko not_active Application Discontinuation
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