KR20180032401A - 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 다른 기체를 구분하여 감지할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다. 본 발명은 표시부, 복수의 서로 다른 감지물질들을 포함하고, 소정 기체와 반응하여 복수의 서로 다른 신호를 발생시키는 센서 어레이, 제1기체 및 상기 제1기체와 다른 제2기체 각각이 상기 센서 어레이와 반응함에 따라 상기 센서 어레이에서 발생된 신호들을 저장하는 데이터 베이스 및 상기 데이터베이스에 저장된 신호 및 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여, 상기 미지의 기체가 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 지를 센싱하고, 상기 미지의 기체에서 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 센싱된 기체의 종류를 안내하도록 상기 표시부를 제어하는 제어부를 포함하는 가스 센서를 제공한다. 본 발명에 따르면, 단일 가스 센서를 이용하여 서로 다른 기체들을 구분하여 감지할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 서로 다른 기체를 구분하여 감지할 수 있는 가스 센서에 관한 것이다.
일반적으로 사람들은 실내 생활에서 생활하는 시간이 전체 시간의 약 85%를 차지한다. 즉, 사람들은 실외보다는 실내에서 대부분의 시간을 보낸다. 실내에는 실외보다 많은 오염물질이 존재한다. 구체적으로, 실내에는 가구, 건축자재 및 음식조리 등 각종 오염원으로부터 발생된 오염물질이 존재한다.
한편, 다양한 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds; VOC) 가운데 특히, 포름알데히드는 백혈병, 골수암, 비인두암 등 광범위 발암물질로 규정되어 있으며 국내 신축공동주택 권고 기준치도 0.16ppm으로 규제하고 있다. 최근 실내 공기질과 관련하여 휘발성 유기화합물 (예를 들어, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 헥산 등)과 더불어 포름알데히드를 실시간으로 모니터링하기 위한 수요가 증가하고 있으며 하나의 센서로 두 가지 성분을 동시에 측정할 수 있는 기술에 대한 니즈가 높아지고 있다.
하지만, 현재에는 포름알데히드 검출을 위해 GC-MS나 HPLC와 같은 고가의 정밀 측정장비에 의존하거나 최근 개발되고 있는 액체 전해질 기반 전기화학식 센서에 의존하고 있다. 상기의 전기화학식 센서는 소자의 가격이 높고 혼합가스에 대한 선택성이 낮고 출력신호가 낮아(250nA/ppm 이하) 구동 모듈 제작 시 온도보상 알고리즘 등이 필요한 단점이 있고 액체 전해질을 기반으로 하고 있으므로 장기 신뢰성에 대한 검증이 필요한 이슈가 존재한다. 아울러 실내 공기질을 구성하는 주요성분인 휘발성 유기화합물을 동시에 모니터링 하기 위해서는 VOC 센서를 추가적으로 설치해야 하는 번거로움이 있다. 또한, 두 종류의 기체 검출을 위해서는 센서의 사이즈가 커져야 하기 때문에 센서의 가격이 상승된다는 단점이 있다.
한편, 효소나 특정 분자를 이용한 포름알데히드와 반응을 통해 색상변화 모니터링을 통해 포름알데히드 농도를 시각적으로 판별할 수 있는 방법도 있지만 측정오차가 10~25%로 크고 측정하는 사람의 판별력에 따라 추가적인 오차가 발생할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 디지털 판독기가 필요하지만 시스템 가격이 고가이며 색상변화를 모니터링하기 위한 센서 역시 1회용 소모성이기 때문에 수시로 반복 측정하는 용도로는 적합하지 않다.
본 발명은 서로 다른 종류의 기체를 구분하여 감지할 수 있는 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 표시부, 복수의 서로 다른 감지물질들을 포함하고, 소정 기체와 반응하여 복수의 서로 다른 신호를 발생시키는 센서 어레이, 제1기체 및 상기 제1기체와 다른 제2기체 각각이 상기 센서 어레이와 반응함에 따라 상기 센서 어레이에서 발생된 신호들을 저장하는 데이터 베이스 및 상기 데이터베이스에 저장된 신호 및 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여, 상기 미지의 기체가 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 지를 센싱하고, 상기 미지의 기체에서 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 센싱된 기체의 종류를 안내하도록 상기 표시부를 제어하는 제어부를 포함하는 가스 센서를 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 센서 어레이는, 적어도 하나의 단위 센싱 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 하고, 상기 단위 센싱 유닛 각각은 복수의 감지물질들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 단위 센싱 유닛은, 기판, 상기 기판의 일면에 배치되는 히터 전극 및 상기 히터 전극과 오버랩 되도록, 상기 기판 상에 배치되는 제1 및 제2감지 전극을 포함하고, 상기 감지물질들 각각은 상기 제1 및 제2감지 전극 중 어느 하나를 덮도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2감지 전극은, 동일한 기체에 대하여 서로 다른 신호를 발생시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 히터 전극은 제1 및 제2히터 전극을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 및 제2 히터 전극 각각은 상기 제1 및 제2감지 전극 중 어느 하나와 오버랩 되도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2히터 전극 각각은 서로 다른 온도로 발열 될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 히터 전극은 상기 기판 하면에 배치되고, 상기 제1 및 제2감지 전극은 상기 기판 상면에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 기판의 하면의 일부분은 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 히터 전극은 상기 기판의 하면 중 오목하게 형성되는 일부분에 배치되는 것을 특징으로 하고, 상기 제1 및 제2감지 전극은 상기 기판 상면에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 주성분분석(Primary Components Analysis, PCA) 및 선형 판별 분석법(Linear Discriminant Analysis) 중 어느 하나를 이용하여, 상기 데이터베이스에 저장된 신호로부터 상기 제1 및 제2기체 각각에 대응하는 패턴을 산출하고, 산출된 패턴을 이용하여, 상기 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호로부터 상기 미지의 기체가 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 지를 센싱할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 미지의 기체로부터 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 상기 데이터베이스에 저장된 신호 및 상기 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여 상기 패턴을 새롭게 산출할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1기체는 포름알데히드를 제외한 휘발성 유기화합물이고, 상기 제2기체는 포름알데히드일 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일 가스 센서를 이용하여 서로 다른 기체들을 구분하여 감지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 센서 어레이에 포함된 단위 센싱 유닛을 나타내는 개념도이다.
도 3a 내지 3c는 서로 다른 종류의 감지물질들을 포함하는 센서 어레이를 나타내는 개념도이다.
도 4a 및 4b는 휘발성 유기화합물 및 포름알데히드에 대한 감지물질의 감도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 어레이가 VOC및 Formaldehyde와 반응함에 따라 발생된 신호들에 대한 PCA 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 센서 어레이에 포함된 단위 센싱 유닛을 나타내는 개념도이다.
도 3a 내지 3c는 서로 다른 종류의 감지물질들을 포함하는 센서 어레이를 나타내는 개념도이다.
도 4a 및 4b는 휘발성 유기화합물 및 포름알데히드에 대한 감지물질의 감도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 어레이가 VOC및 Formaldehyde와 반응함에 따라 발생된 신호들에 대한 PCA 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 가스 센서는 두 종류 이상의 기체를 구분하여 감지할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 센서를 나타내는 블록도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 센서는 센서 어레이(100), 데이터 베이스(200), 제어부(300), 표시부(400)를 포함한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 본 발명에 따른 가스 센서는 상술한 구성요소보다 적거나 많은 구성요소들을 포함할 수 있다.
센서 어레이(100)는 복수의 서로 다른 감지물질들을 포함하고, 소정 기체와 반응하여 복수의 서로 다른 신호를 발생시킨다. 센서 어레이(100)는 적어도 하나의 단위 센싱 유닛으로 이루어지고, 단위 센싱 유닛은 기판, 히터 전극, 절연막, 감지전극, 감지물질을 포함한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 센서 어레이에 포함된 단위 센싱 유닛을 나타내는 개념도이다.
기판(110)은 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 후술할 구성요소들을 지지할 수 있는 모든 소재가 기판으로 활용될 수 있다. 센서 어레이(100)의 모든 구성요소들은 기판(100)위에 배치된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 다른 센서 어레이의 일 단면을 나타낸다. 도 2b는 기판 위에 히터 전극 및 감지 전극이 배치된 모습을 나타내는 평면도이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 히터 전극(122)은 기판 상면에 배치될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 히터 전극(122)은 기판 하면에 배치될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
히터 전극(122)은 백금, 텅스텐 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 전압을 걸어줄 경우 열이 발생되는 모든 소재가 히터 전극으로 사용될 수 있다.
히터 전극(122)은 후술할 감지물질에 열 에너지를 공급하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 센서는 히터 전극(122)에 인가되는 전압을 조절하여, 감지물질에 공급되는 열 에너지의 양을 조절할 수 있고, 이를 통해, 감지물질의 온도를 조절할 수 있게 된다.
한편, 절연막(121)은 히터 전극(122)과 다른 전극들을 절연 시킨다. 절연막(121)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 히터 전극(122)과 다른 전극들을 절연시킬 수 있는 모든 소재들이 활용될 수 있다.
한편, 감지 전극(132)은 절연막(121) 위에 배치될 수 있다. 이때, 절연막(121)은 히터전극(122)과 감지 전극(132)을 절연 시킨다.
한편, 도시되지 않았지만, 히터 전극(122)은 기판(110) 하면에 배치될 수 있으며, 이러한 경우, 감지 전극(132)은 기판(110) 상면에 배치된다. 이때, 히터 전극(121))과 감지 전극(131)은 기판(110)을 사이에 두고 배치된다.
감지 전극(132)은 감지물질의 전기적 성질 변화로 인하여 발생되는 신호를 출력한다. 여기서, 출력되는 신호는 저항변화, 전류변화 등일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 어레이에서 출력되는 신호는 감지전극(132)에서 출력되는 신호를 의미한다.
한편, 감지물질(131)은 감지 전극(132)을 덮도록 배치된다. 감지물질(131)의 주성분은 산화 주석으로 이루어지며, 백금, 납, 니켈 등의 금속 및 그 산화물, 고분자, 유기화합물 등이 혼합될 수 있다.
산화 주석은 산소 원자가 부족해 생기는 Vo(Oxygen Vacancy) 결함을 가진다. 히터 전극(122)으로부터 감지물질(131)에 열 에너지가 가해지는 경우, 감지물질(131)의 자유 전자가 증가하며, 증가된 자유 전자에 의하여 대기중의 산소가 감지물질(131)에 흡착된다. 이에 따라, 감지물질(131)을 이루는 산화주석 입자에 전위장벽이 형성되어 입자간 전기전도도가 낮아진다.
이러한 상태에서, 감지물질(131)에 흡착된 산소가 특정 기체와 반응하는 경우, 감지물질(131)의 전기 전도도가 다시 증가한다. 감지 전극(132)은 감지물질(131)에 흡착되었던 산소가 탈착 됨에 따라 발생되는 신호를 출력한다.
상술한 바에 따르면, 센서의 감도는 산소의 흡착량 및 탈착량의 차이가 클수록 높아진다. 이를 위해, 산화 주석의 온도를 높여주어야 한다. 센서의 감도가 최대가 되는 온도는 센싱하고자 하는 기체의 종류에 따라 달라진다.
한편, 서로 다른 복수의 기체를 구분하여 감지할 수 있도록, 본 발명에 따른 센서 어레이는 서로 다른 종류의 감지물질들을 포함한다. 이를 위해, 센서 어레이는 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 3a 및 3b는 서로 다른 종류의 감지물질들을 포함하는 센서 어레이를 나타내는 개념도이다.
이하에서는, 서로 다른 종류의 감지물질들을 포함하는 센서 어레이의 구조에 대하여 설명한다. 설명의 편의를 위하여, 이하에서 설명하는 도면에서는 히터 전극 및 히터 전극을 덮는 절연막을 하나의 구성요소(이하, 히팅 모듈(120))로 도시하였고, 감지 전극 및 감지 전극을 덮는 감지물질을 하나의 구성요소(이하, 감지 모듈(130))로 도시한다.
또한, 이하에서 설명하는 도면에서는 히터 전극이 기판 하면에 배치된 경우를 예로 들어 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
첫 번째로, 도 3a와 같이, 하나의 단위 센싱 유닛에는 한 개의 감지 모듈(130)이 배치될 수 있다. 즉, 하나의 단위 센싱 유닛은 한 종류의 감지물질만을 포함할 수 있다. 이러한 방식에 따르면, 하나의 단위 센싱 유닛은 소정 기체와 반응하여 하나의 신호만을 발생시킨다.
상술한 방식으로 구현된 센싱 어레이(100)는 서로 다른 감지물질을 포함하는 복수의 단위 센싱 유닛을 포함할 수 있다.
두 번째로, 도 3b와 같이, 하나의 단위 센싱 유닛에는 복수의 서로 다른 감지 모듈(130a 및 130b)이 배치될 수 있다.
구체적으로, 제1 및 제2감지전극이 기판(110)위에 배치되고, 서로 다른 감지물질들 각각은 상기 제1 및 제2감지 전극 중 어느 하나를 덮도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 하나의 단위 센싱 유닛은 서로 다른 종류의 감지물질을 포함하게 된다.
한편, 도 3b에 따른 단위 센싱 유닛에는 복수의 히팅 모듈(120a 및 120b)이 배치될 수 있다. 각 감지물질 별로 별도의 히터 전극이 배치될 수 있다.
구체적으로, 제1 및 제2히터 전극이 기판(110)에 배치될 수 있고, 상기 제1 및 제2 히터 전극 각각은 상기 제1 및 제2감지 전극 중 어느 하나와 오버랩 되도록 배치될 수 있다. 제1 및 제2히터 전극은 서로 다른 감지물질들이 서로 다른 온도로 가열될 수 있도록 한다.
이를 통해, 본 발명은 서로 다른 감지물질들이 최적의 온도에서 기체와 반응할 수 있도록 하고, 이에 따라, 단위 센싱 유닛은 최대 감도를 가질 수 있게 된다.
세 번째로, 도 3c와 같이, 하나의 단위 센싱 유닛에는 복수의 서로 다른 감지 모듈(130a 및 130b)이 배치되고, 하나의 공통 히터 모듈(120)이 배치될 수 있다. 이러한 경우, 서로 다른 감지 모듈(130a 및 130b)가 동일한 온도로 가열되게 된다. 본 발명에 따른 센서는 히터 전극의 온도를 점진적으로 변화시켜 모든 감지물질이 최고의 감도로 기체를 센싱하도록 할 수 있다.
한편, 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 히터 전극(122)는 기판 하면에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 히터 전극(122)과 감지 전극(132)는 기판(110)을 사이에 두고 오버랩 된다. 이를 통해, 별도의 절연막을 이용하지 않고도 히터 전극(122)과 감지 전극(132)을 절연 시킬 수 있게 된다.
이때, 기판(110) 하면의 일부분은 오목하게 형성될 수 있으며, 히터 전극(122)은 기판의 하면 중 오목하게 형성되는 일부분에 배치될 수 있다. 이를 통해, 감지물질(131)과 히터 전극(122)간의 거리를 최소화하여, 히터 전극(122)에서 발생된 열 에너지가 감지물질(131)에 효율적으로 전달되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 센서 어레이는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상술한 방식으로 구현된 센서 어레이의 최적화 기법에는 Wilk's Λ가 활용될 수 있다. Wilk's Λ 값은 종속변수의 변수 값을 기준으로 분류된 각 독립변수의 평균값이 어느 정도 차이가 나는지에 대해 분석하는 통계 값이다. 판별 분석에서는 람다값이 크면 사례수의 성향이나 형태에 대한 추론을 정확하게 예측할 수 없으며, 람다값이 작으면 판단 예측력이 높다고 해석한다. 즉, 람다 값이 작은 센서의 판별력이 높다고 해석이 가능하다.
구체적으로, Wilk's Λ는 하기 수학식 1 내지 4와 같이 나타낼 수 있으며, 하기 수학식 1 내지 4에서 D는 집단 간 제곱합이고, W는 집단 내 제곱합이고, T는 총 제곱합을 의미한다.
Λ 값이 1이면 종속변수의 평균값이 동일하다. 또한, Λ 값이 1보다 작으면 종속변수의 평균값 차이가 크고, Λ 값이 1보다 크면 종속변수의 평균값 차이가 작다.
상술한 바와 같이, Wilk's Λ를 활용하면 센서의 감도를 계산할 수 있게 된다.
한편, 데이터 베이스는 제1기체 및 상기 제1기체와 다른 제2기체 각각이 상기 센서 어레이와 반응함에 따라 상기 센서 어레이에서 발생된 신호들을 저장한다.
구체적으로, 데이터 베이스는 센서 어레이에 포함된 복수의 감지물질 각각에 의하여 발생된 신호를 구분하여 저장한다. 예를 들어, 센서 어레이가 제1 및 제2감지 전극을 포함하고, 상기 제1 및 제2감지 전극 각각이 제1 및 제2감지물질에 의하여 덮여 있는 경우, 제1감지 전극은 소정 기체가 제1감지물질과 반응하면서 발생되는 신호를 출력하고, 제2감지 전극은 소정 기체가 제2감지물질과 반응하면서 발생되는 신호를 출력한다. 데이터 베이스는 상기 제1 및 제2감지 전극으로부터 출력된 신호를 구분하여 저장한다.
데이터 베이스에 저장된 신호들은 다양한 조건에서 발생된 신호들이 저장될 수 있다. 구체적으로, 데이터 베이스에는 특정 기체와 센서 어레이가 반응하면서 발생된 신호가 저장될 수 있으며, 서로 다른 온도, 습도 등에서 출력된 신호들이 저장될 수 있다.
예를 들어, 데이터 베이스에는 감지물질이 서로 다른 온도로 가열된 상태에서, 8ppm의 VOC와 반응하였을 때 발생되는 신호가 저장될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2감지물질 각각이 VOC와 반응하여 발생된 신호가 데이터 베이스에 저장될 수 있다. 이때, 센서 어레이는 공기 중에 위치하고, 공기 중에 포함된 기체 및 VOC 이외의 다른 기체는 존재하지 않아야 한다.
다른 예를 들어, 데이터 베이스에는 감지물질이 서로 다른 온도로 가열된 상태에서, 1ppm의 Formaldehyde와 반응하였을 때 발생되는 신호가 저장될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2감지물질 각각이 Formaldehyde와 반응하여 발생된 신호가 데이터 베이스에 저장될 수 있다. 이때, 센서 어레이는 공기 중에 위치하고, 공기 중에 포함된 기체 및 Formaldehyde 이외의 다른 기체는 존재하지 않아야 한다.
한편, 상술한 방식으로 저장된 신호를 이용하여 제1 및 제2감지물질 각각의 감도를 산출할 수 있다. 각 온도에서 특정 기체에 대한 감지물질의 감도는 하기 표 1과 같다.
| Gas | 감지물질 | 373도 | 344도 | 315도 | 284도 | 261도 |
| VOC (8ppm) |
제1감지물질 | 5.18 | 6.85 | 4.24 | 8.845 | 19.36 |
| 제2감지물질 | 2.25 | 1.29 | 1.05 | 1.35 | 1.36 | |
| Formaldehyde (1ppm) |
제1감지물질 | 1.54 | 1.90 | 2.12 | 2.44 | 2.64 |
| 제2감지물질 | 2.40 | 2.63 | 3.11 | 3.35 | 2.77 |
여기서, 센서의 감도는 하기 수학식 5와 같이 나타낸다.
상기 수학식 5에서, Ra는 공기 중에서 감지물질의 저항 값이고, Rg는 특정 기체와 반응하였을 때 감지물질의 저항 값을 의미한다.
상기 표 1에 따르면, 제1감지물질이 최적의 감도를 가지는 온도는 261도임을 확인할 수 있고, 제2감지물질이 최적의 감도를 가지는 온도는 284도임을 확인할 수 있다.
또한, 상기 표 1에 따르면, 제1감지물질은 Formaldehyde보다 VOC에 대하여 높은 감도를 가지고 있음을 확인할 수 있고, 제2감지물질은 VOC보다 Formaldehyde에 대하여 높은 감도를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
도 4a을 참조하면, 제1감지물질의 감도는 261도에서 VOC에 대하여 19.36, Formaldehyde에 대하여 2.64임을 확인할 수 있다.
또한, 도 4b를 참조하면, 제2감지물질의 감도는 284도에서 VOC에 대하여 1.35, Formaldehyde에 대하여 3.35임을 확인할 수 있다.
상술한 결과에 따르면, 특정 감지물질은 특정 기체에 대하여 높은 감도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 이를 활용하면 두 종류 이상의 기체를 구분 감지하는 센서를 구현할 수 있다.
제어부(300)는 데이터베이스에 저장된 신호 및 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여, 상기 미지의 기체가 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 지를 센싱 한다.
이 때, 제어부(300)는 주성분분석(Primary Components Analysis, PCA) 및 선형 판별 분석법(Linear Discriminant Analysis) 중 어느 하나를 이용하여, 상기 데이터베이스에 저장된 신호로부터 상기 제1 및 제2기체 각각에 대응하는 패턴을 산출한다.
예를 들어, 상기 제1기체가 VOC이고, 상기 제2기체가 Formaldehyde인 경우, 제어부(300)는 데이터 베이스에 저장된 신호를 이용하여 도 5에 도시된 패턴을 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 어레이가 VOC및 Formaldehyde와 반응함에 따라 발생된 신호들에 대한 PCA 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 그래프에 도시된 점들은 데이터 베이스에 저장된 신호를 의미하고, 그래프 중앙에 도시된 점선은 상기 저장된 신호에 근거하여 산출된 패턴을 의미한다. 상기 패턴은 그래프의 사분면을 두 개의 영역으로 분할하고, 분할된 두 개의 영역과 미지의 기체로부터 발생된 신호를 이용하여, 상기 미지의 기체에 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 포함되어 있는지를 센싱할 수 있다.
한편, 제어부(300)는 상기 미지의 기체로부터 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 상기 데이터베이스에 저장된 신호 및 상기 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여 상기 패턴을 새롭게 산출할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 센서는 기체에 대한 센싱을 거듭할수록 보다 높은 정확도를 가질 수 있게 된다.
한편, 제어부(300)는 상기 산출된 패턴을 통해, 기체의 종류 뿐 아니라 검출된 기체의 농도를 센싱할 수 있다.
한편, 제어부(300)는 상기 미지의 기체에서 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 센싱된 기체의 종류를 안내하도록 표시부(400)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(300)에 의하여 기체의 농도가 센싱되는 경우, 표시부(400)에는 기체의 종류와 함께 기체 농도가 표시될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (10)
- 표시부;
복수의 서로 다른 감지물질들을 포함하고, 소정 기체와 반응하여 복수의 서로 다른 신호를 발생시키는 센서 어레이;
제1기체 및 상기 제1기체와 다른 제2기체 각각이 상기 센서 어레이와 반응함에 따라 상기 센서 어레이에서 발생된 신호들을 저장하는 데이터 베이스; 및
상기 데이터베이스에 저장된 신호 및 미지의 기체와 상기 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여, 상기 미지의 기체가 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 지를 센싱하고,
상기 미지의 기체에서 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 센싱된 기체의 종류를 안내하도록 상기 표시부를 제어하는 제어부를 포함하는 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서 어레이는,
적어도 하나의 단위 센싱 유닛으로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
상기 단위 센싱 유닛 각각은 복수의 감지물질들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제2항에 있어서,
상기 단위 센싱 유닛은,
기판;
상기 기판의 일면에 배치되는 히터 전극; 및
상기 히터 전극과 오버랩 되도록, 상기 기판 상에 배치되는 제1 및 제2감지 전극을 포함하고,
상기 감지물질들 각각은 상기 제1 및 제2감지 전극 중 어느 하나를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2감지 전극은,
동일한 기체에 대하여 서로 다른 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제3항에 있어서,
상기 히터 전극은 제1 및 제2히터 전극을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제1 및 제2 히터 전극 각각은 상기 제1 및 제2감지 전극 중 어느 하나와 오버랩 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제5항에 있어서,
상기 제1 및 제2히터 전극 각각은 서로 다른 온도로 발열 되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제3항에 있어서,
상기 기판의 하면의 일부분은 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하고,
상기 히터 전극은 상기 기판의 하면 중 오목하게 형성되는 일부분에 배치되는 것을 특징으로 하고,
상기 제1 및 제2감지 전극은 상기 기판 상면에 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
주성분분석(Primary Components Analysis, PCA) 및 선형 판별 분석법(Linear Discriminant Analysis) 중 어느 하나를 이용하여, 상기 데이터베이스에 저장된 신호로부터 상기 제1 및 제2기체 각각에 대응하는 패턴을 산출하고,
산출된 패턴을 이용하여, 상기 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호로부터 상기 미지의 기체가 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 지를 센싱하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제8항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 미지의 기체로부터 상기 제1 및 제2기체 중 적어도 하나가 센싱되는 경우, 상기 데이터베이스에 저장된 신호 및 상기 미지의 기체와 센서 어레이가 반응함에 따라 발생된 신호를 이용하여 상기 패턴을 새롭게 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1기체는 포름알데히드를 제외한 휘발성 유기화합물이고, 상기 제2기체는 포름알데히드인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
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