KR20180083736A - 탄소나노튜브(cnt) 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법 - Google Patents

탄소나노튜브(cnt) 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법에 관한 것으로, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서가 주변 기체 중에 분포하는 특정 가스의 농도를 측정하고, 상기 센서와 연계된 GPS가 사용자의 위치를 파악하며, 해당 정보를 마이크로프로세서를 통해 무선통신으로 원거리의 제어부로 보내어 관리자가 가스측정센서 주변 기체의 상태 정보 및 해당 가스측정센서의 ID 및 위치를 파악할 수 있다.
상기 목적의 달성을 위하여, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서를 소형으로 제작하고, 가스측정센서가 포함되는 방진마스크나 화학보호복 등을 착용한 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 있도록 가스측정센서에 GPS 및 무선송수신모듈을 함께 구비하여 가스측정센서 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 있고, 다수의 사용자가 가스측정센서를 사용하는 경우에 각 가스측정센서의 측정된 정보를 한 명의 관리자가 총괄하는 모니터링 방법을 포함한다.

Description

탄소나노튜브(CNT) 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법 { Carbon Nanotube based gas measurement sensor and health monitoring method using the sensor }
본 발명은 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법에 관한 것으로, 보다 상세히 설명하면, 탄소나노튜브를 기반으로 제작되는 반도체형 가스측정센서가 주변 기체 중에 분포하는 특정 가스의 농도를 측정하고, 측정된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하고, 마이크로프로세서에 연계된 GPS가 사용자의 위치를 파악하며, 해당 정보를 마이크로프로세서를 통해 무선통신으로 원거리의 제어부로 보내어 관리자가 가스측정센서 주변 기체의 상태 정보 및 해당 가스측정센서의 ID 및 위치를 파악할 수 있는 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서와 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스센서는 기체 중에 포함된 특정의 성분가스를 검지하여 그 농도에 따라 전기신호를 생성하여, 유독가스가 발생할 수 있는 환경에서의 가스 검출이나 환자의 호흡가스의 성분과 농도를 측정하는 의료용기기 등에서 활용되고 있으며, 가스의 검출 방식에 따라 전기화학식, 접촉연소식, 반도체식, 광학식 등 다양한 종류의 가스센서가 제작되고 있다.
한편, 유독가스 또는 방진이 발생하는 환경에서 사용되는 방진마스크는 공기 중에 부유하는 분진이나 유해한 화학물질을 사용자가 흡입하지 않도록 하기 위하여 사용되는 마스크로서, 분진이 많은 작업장, 예를 들어, 건축공사 현장, 광산, 채석장 등 인체에 유해한 화학물질에 노출될 수 있는 환경, 예를 들어, 화재 현장, 유리섬유 가공현장, 도장 작업현장, 제약회사 공장, 군사작전 수행시 등의 경우에서 사용자의 안면에 착용하며, 공기가 투과될 수 있는 부직포나 다공성 플라스틱 등 다양한 재질로 구성되고, 용도에 따라 고무밴드형의 일회용 간이마스크나 다회용 방독면 등 다양한 형태로 제작된다. 그리고 상기 다양한 종류의 방진마스크는 공기 중의 유해물질을 여과하는 필터를 필수적으로 구비하는데, 이러한 필터는 방진마스크에 직접 결합되거나 분리형으로 방진마스크의 필터케이스 내부에 수용되거나 외부에 부착되어 사용되고, 반영구적으로 사용되는 것이 아니라 일정 시간 동안 일정 수준의 환경에서 사용됨에 따라서 여과효율이 점차 낮아지고 사용 수명이 감소하므로 주기적으로 교체하여야 하는 소모품이다.
종래 대부분의 마스크에서는 유해물질 여과 기능만이 제공되고, 사용자가 어느 정도로 유해한 환경에 있는지를 파악하는 기능은 제공되지 않았다. 그러나 최근 IOT 기술의 발달로, 마스크를 착용한 사용자에게 유입되는 공기에 대한 분석 정보를 무선으로 전달주는 가스센서가 부착된 발명인 한국등록특허 제 10-1305211호는 질식 방지용 스마트 마스크가 특허 등록된 바 있으며, 상기 선행 발명은 작업자의 호흡으로 유입되는 오염원을 검출한 후 이를 신호처리하여 근거리통신신호에 실어 외부로 방출하는 센서신호 무선방출부가 내부에 설치되는 마스크; 및 상기 마스크의 센서신호 무선방출부로부터 근거리통신신호에 실려 전송된 오염원 검출신호를 분리분석하고 그 결과에 따라 착용자에게 경고알림신호를 방출하거나 혹은 기 설정된 응급센터서버의 전화번호로 자동연결시키는 무선수신모듈이 그 내부에 설치되는 손목부착형 아대;를 포함하고, 상기 센서신호 무선방출부는 오염원을 검출하여 디지털데이터로 변환출력시키는 검출센서와, 상기 검출센서에 의해 검출된 오염원 검출데이터를 근거리통신신호에 실어 외부로 전송하는 근거리송신모듈을 포함하고, 상기 무선수신모듈은 상기 센서신호 무선방출부의 근거리통신모듈으로부터 근거리 무선전송된 디지털의 오염원 검출데이터를 수신처리하는 근거리수신모듈과, 상기 근거리수신모듈에 의해 근거리신호처리된 디지털의 오염원 검출데이터를 기준신호와 비교하여 그 검출신호가 기준신호 이하일 경우 알림신호를 외부로 방출하는 반면 그 검출신호가 기준신호 이상일 경우 기설정된 응급센터서버의 전화번호(CDMA방식)로 자동 연결되도록 제어하는 제어모듈과, 상기 제어모듈의 알람신호에 따라 현재 오염상태가 아직 위험에 도달되지 않았음을 알리는 진동음을 외부로 방출하는 진동모터와, 상기 제어모듈의 기능제어신호에 따라 기설정된 응급센터서버의 전화번호를 CDMA신호에 실어 이통망을 경유하여 자동 연결되도록 호출하는 CDMA모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 질식방지용 스마트 마스크로 제안된 바 있다.
그런데, 기존의 스마트 방식이 적용된 마스크는 다수의 마스크를 다수의 사용자들이 각각 착용하여 사용하는 경우에, 각 마스크에서 측정되는 사용자의 상태 정보를 취합하여 하나의 제어부에서 관리자가 효과적으로 관리할 수 없고, GPS 등 위치추적장치가 마스크에 장착되지 아니하여 사용자의 위치를 파악할 수 없는 한계점이 있으며, 마스크 사용자들 간에는 각 사용자의 상태 정보에 대한 송수신이 이루어질 수 없는 한계점이 있었다. 또한, 근거리통신을 위한 무선송수신 모듈과 마스크의 상시적인 무선송수신 연결 상태의 유지를 위하여 마스크에 전원을 공급하는 배터리의 전력이 빠르게 소모될 수 있는 단점이 있고, 방진이나 유해물질이 공기 중에 부유하는 환경에서 마스크를 사용함에 따라 정화통의 성능이 약화되고 마스크의 교체가 필요해지는 마스크의 특성에 따라, 마이크로프로세서 무선통신모듈과 A/D 컨버터나 등이 마스크와 일체형으로 제작되었을 경우에 마스크의 사용기간 대비 제작 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
그리고, 마스크에 장치되는 가스측정센서가 사용자의 호흡가스에 포함된 성분을 분석함에 있어서, 흡입막에만 센서가 부착되면 외부에서 유입되는 대기의 상태 정보만을 측정할 수 있어서, 배기막에 가스측정센서를 부착하여 사용자의 폐에서 배출되는 호흡가스에 대한 정보를 파악하여 사용자의 건강 상태를 모니터링하는 것이 어려웠고, GC(Gas Chromatography; 가스 크로마토그래피)방식으로 동작하는 가스측정센서를 사용함에 있어서는 CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소), CH2O(포름알데히드), C6H5CH3(톨루엔) 및 각종 VOC(Volatile Organic Compound; 분자량이 적은 유기화합물) 등을 구분하여 검출할 수 있는 장점이 있으나 GC센서 장치의 소형화가 어렵고, 저농도의 가스를 분석하기 어려운 단점이 있었다. 또한 GC 방식을 대신하여, 전도성 센서 방식을 마스크에 장치함에 있어서는, 가스에 감응하는 금속 산화물의 전도성 변화를 기반으로 가스 상태를 측정할 경우에 금속 산화물과 가스의 반응이 섭씨 약 200~400도로 고온의 범위 내에서 효율적으로 이루어지므로, 온도를 상승시키는 저항체를 함께 설치하여 전도성 센서 방식의 가스측정센서의 금속 산화물의 온도를 상기 범위로 유지시켜야 하는 한계점이 있었다.
참고로, 분진이나 유해가스가 존재하는 대기나 건물 내부의 환경 등에서 사용자의 신체와 호흡기를 보호하기 위하여 가스 정화 기능을 갖춘 마스크와 함께 일체형으로 제작되는 방진보호복 및 화학보호복이나, 병원에 입원하여 치료를 받는 환자들의 인공호흡기 등에서는, 위와 같이 사용자의 호흡가스가 가스측정센서에 의해 측정되고 그 정보가 무선송수신이 가능하도록 설치되어 사용자의 건강 상태를 모니터링하도록 하는 기존의 예가 없었다.
한국 등록특허 제 10-1305211호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 상기의 목적을 달성하기 위하여 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT) 기반의 가스측정센서와 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법을 제공하므로, 기존 가스측정센서가 소형화되기 어려운 문제점과, 감지 농도의 민감성이 낮은 한계점 및 일부 방식의 가스측정센서에서는 발열을 위한 저항체가 필요하게 되는 등에 따른 불편함을 해소하고, 가스측정센서가 포함되는 제품, 예를 들어, 방진마스크나 화학보호복 등을 착용한 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 있도록 가스측정센서에 GPS 및 무선송수신모듈이 함께 구비되는 경우가 없어서 사용자에게 위급상황이 발생하였을 경우에 가스측정센서 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 없었던 한계점과, 다수의 사용자가 가스측정센서를 사용하는 경우에 각 가스측정센서의 측정된 정보를 한 명의 관리자가 총괄하여 모니터링하는 방법이 기존에 부재하여 효과적으로 가스측정센서를 착용한 사용자에 대한 측정 정보의 관리와 위급상황에 대응하는 일이 어려웠던 한계점을 극복하고자 한다.
또한, 기존의 스마트 마스크 등에서 사용되는 가스측정센서의 무선통신방식은 수시로 가스측정 정보가 관리자의 제어부로 송수신됨으로써 전력의 낭비가 발생하여 가스측정센서부의 배터리가 빠르게 소모될 수 있는 단점이 있어 이를 보완하고자 하며, 근거리 무선통신망을 이용하여 각 가스측정센서를 착용하는 사용자 간의 정보가 교류되는 시스템이 구축되지 못하여 가스측정센서 사용자들간에 서로의 상태나 위급상황이 정확하고 원활하게 파악되지 못하였던 기존의 한계점을 해소하고, 가스측정센서가 실제의 상황에서 제품에 장착되고 사용되는 형태에 있어서, 스마트 마스크 등에서 AD컨버터(Analog to digital converter)와 마이크로프로세서가 가스측정센서에 일체형으로 설치되어 제작되는 경우에, 상기 제작품의 타부품이 소모되어 교체하는 경우에 비용적 손실이 발생할 수 있으므로, AD컨버터와 마이크로프로세서가 가스측정센서에서 탈부착이 가능하도록 제작하여 이와 같은 문제점을 해소하고, 스마트 마스크에서 내부로 유입되는 기체만이 측정되므로 사용자의 신체에서 외부로 배기되는 호흡가스를 파악하여 사용자의 건강 상태를 직접적으로 파악하지 못하였던 한계점을 극복하여 외부로 배기되는 사용자 호흡가스의 성분과 농도를 측정할 수 있도록 하고, 병원 등에서 환자의 호흡 여부에 대한 신호와 환자의 위치를 표시하고 배기호흡에 포함된 가스의 성분을 측정하여 원거리에 전송하는 장치가 기존에는 없었던 불편함을 해소하는 효과가 있는, 탄소나노튜브(CNT) 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법을, 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)를 기반으로 가스측정센서를 제작하여 크기를 소형화하고, 감지 농도의 민감성을 높이며, 가스측정센서가 포함되는 제품, 예를 들어, 방진마스크나 화학보호복 등을 착용한 사용자의 위치를 원격의 관리자가 파악할 수 있도록 가스측정센서에 GPS 및 무선송수신모듈을 함께 구비하여 가스측정센서 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 있고, 다수의 사용자가 가스측정센서를 사용하는 경우에 각 가스측정센서의 측정된 정보를 한 명의 관리자가 총괄하는 모니터링 방법을 도입하고, 기존의 스마트 마스크 등에서 상시적으로 가스측정 정보가 관리자에게 송수신됨으로써 전력의 낭비가 발생하여 가스측정센서부의 배터리가 빠르게 소모될 수 있는 교신방식을 개선하여, 평상시에는 가스측정센서가 프리앰블(preamble) 신호를 원격지의 제어부로 전송하다가 원격지 제어부가 가스측정센서의 프리앰블 신호의 발신을 정지하도록 명령하는 신호를 전송하면 가스측정센서의 작동이 활성화되어 측정된 데이터와 해당 가스측정센서의 ID 정보 등이 원격지 제어부로 전송되는 방식을 본 발명에 적용하고, 전기의 공급에 있어서 태양광 소형발전을 이용하는 소형 솔라셀을 장착하여 반영구적인 전력 공급도 가능할 수 있도록 하고, 근거리 무선통신망을 이용하여 각 가스측정센서를 연계하여서 해당 가스측정센서들을 착용하는 사용자들간에 서로의 상태나 위급상황이 정확하고 원활하게 파악되도록 하고, AD컨버터(Analog to digital converter)와 마이크로프로세서가 가스측정센서에 탈부착이 가능하도록 제작하고, 스마트 마스크 등에서 내부로 유입되는 기체만이 측정되던 방식을 개선하여 사용자의 신체에서 외부로 배기되는 호흡가스를 파악하여 사용자의 건강 상태를 직접적으로 측정하기 위하여 외부로 배기되는 사용자 호흡가스의 성분과 농도를 측정할 수 있도록 하며, 병원에서 환자의 호흡여부와 위치 정보와 배기호흡의 정보를 분석하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT) 기반의 가스측정센서와 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법은, 기존 가스측정센서보다 소형화되어 휴대가 간편해지고, 감지 농도의 민감성이 증가하고, 가스측정센서가 포함되는 제품, 예를 들어, 방진마스크나 화학보호복 등을 착용한 사용자의 위치를 원격의 관리자가 파악할 수 있게 되어서 사용자에게 위급상황이 발생하였을 경우에 가스측정센서 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 있고, 다수의 사용자가 가스측정센서를 사용하는 경우에 각 가스측정센서의 측정된 정보를 한 명의 관리자가 총괄하여 모니터링하므로 가스측정센서를 착용한 사용자에 대한 측정 정보를 효율적이고 효과적으로 관리하고 사용자의 위급상황에 관리자가 빠르게 대응할 수 있게 된다.
또한, 가스측정센서의 가스측정 정보가 관리자의 제어부로 송수신됨에 있어서, 평상시에는 가스측정센서가 프리앰블(preamble) 신호를 원격지의 제어부로 전송하다가 원격지 제어부가 가스측정센서의 프리앰블 신호의 발신을 정지하도록 명령하는 신호를 전송하면 가스측정센서의 작동이 활성화되는 방식을 채택하여 전력의 낭비를 줄이고, 예를 들어, 비상용 방진마스크와 같은 경우에는 그 용도의 특성상 오랜 기간 사용하지 않고 비치해둘 수 있는데, 이런 때에도 가스측정센서의 전원이 방전되지 않을 수 있어서, 가스측정센서의 배터리 사용 시간을 늘리고, 태양광 소형발전이 가능한 전지를 가스측정센터부에 부착하여 반영구적인 전원을 공급하여 편리하게 가스측정센서를 사용할 수 있게 된다.
그리고 근거리 무선통신망을 이용하여 각 가스측정센서를 착용하는 사용자 간의 정보가 교류되는 시스템이 구축되지 못하여 가스측정센서 사용자들간에 서로의 상태나 위급상황이 정확하고 원활하게 파악되지 못하였던 기존의 한계점을 해소하고, 가스측정센서가 실제의 상황에서 제품에 장착되고 사용되는 형태에 있어서, 스마트 마스크 등에서 AD컨버터(Analog to digital converter)와 마이크로프로세서가 가스측정센서가 가스측정센서에서 탈부착이 가능하도록 제작하여, 스마트 마스크에서 빠르게 소모되는 공기 여과 필터 등 타 소모품만을 교체하고 AD컨버터와 마이크로프로세서는 재사용하므로 제작 비용이 감소되는 효과가 있고, 스마트 마스크의 내부로 유입되는 기체만이 측정되므로 사용자의 신체에서 외부로 배기되는 호흡가스를 파악하여 사용자의 건강 상태를 직접적으로 파악하지 못하였던 한계점을 극복하여 외부로 배기되는 사용자 호흡가스의 성분과 농도를 측정할 수 있도록 하고, 병원 등에서 치료를 받는 환자들의 호흡여부와 위치 정보와 배기호흡의 정보를 분석하여 환자들의 상태를 원격지의 제어부에서 관리자가 모니터링할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법의 일 실시예에 따른 블럭도,
도 2는 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법의 일 실시예에 따른 CNT 센서의 개념도,
도 3은 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법의 일 실시예에 따른 노드 가스측정센서와 제어부 교신 시스템의 개념도,
도 4는 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법의 일 실시예에 따른 가스측정센서가 구비된 방진마스크의 사시도,
도 5는 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법의 일 실시예에 따른 가스측정센서가 구비된 방진마스크의 사용자 착용도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태로 제작되거나 부품과 기술의 치환이 가능할 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과가 특정 실시예에 전부 포함되어야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위가 특정 실시예에 의하여 제한되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 한편, 본 발명에서 기재되는 기술구성 및 그 기술구성에 의해 발휘되는 기능 중에서 널리 공지되어 적용되는 기술구성 및 기능은 그 자세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법의 작동 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자가 유해한 기체에 노출될 수 있는 환경에서 착용하는 방진마스크나 화학보호복 등 별도의 장치에 구비되는 가스측정센서(A)를 구성함에 있어서, 사용자의 배기호흡에 포함되는 유해화학물질을 검출하기 위하여 대표적인 유해화학물질들에 각각 반응하는 종류별 미디어가 CNT 센서마다 도포되어 CO, CO2, CH2O, C6H5CH3, NOx, SOx 등을 각각 감지할 수 있고, 센서에서 측정된 유해화학물질의 정성적/정량적 측정값이 AD컨버터를 통해 디지털 측정값으로 변환되고, 무선송수신모듈로서 마이크로프로세서가 상기 디지털 측정값을 원거리의 제어부와의 무선교신으로 전달하여 관리자에게 표시하며, 무선교신에 있어서 상시적인 교신이 아니라, 마이크로프로세서 및 CNT 센서가 평소에는 활성화 되지 않고 프리앰블 신호만을 6LowPAN 등의 방식으로 원거리의 제어부로 발신하다가 제어부가 프리앰블 정지 신호를 발신하면 마이크로프로세서의 프리앰블 신호 발신이 중지되고 마이크로프로세서가 활성화되어 가스측정센서의 측정값과 해당 가스측정센서의 ID 정보를 제어부로 발신하며, 마이크로프로세서와 연계되어 장치된 GPS가 사용자의 위치 정보를 측정하여 마이크로프로세서를 통해 제어부로 전송한다. 상기 수신된 측정값과 정상값을 제어부가 비교하여 관리자에게 표시하므로 가스측정센서(A) 사용자의 이상유무를 관리자가 파악하고, 다수의 가스측정센서(A)의 측정값들을 관리자가 하나의 제어부를 통해 일괄적으로 모니터링할 수 있고, 가스측정센서(A)는 블루투스 등 근거리 통신으로 주변의 타 가스측정센서(A) 사용자와 상호간에 측정값 정보를 주고받을 수 있도록 하며, 가스측정센서는 배터리로 전원을 공급받고, 상기 배터리는 태양광 발전이 가능한 소형 솔라셀로 구성되거나, 배터리를 대신하여 고용량의 커패시터를 사용할 수 있다.
또한, 이상의 방법은 방진마스크나 화학보호복 등에 사용될 수 있는 가스측정센서(A)의 헬스모니터링 방식이며, 병원에서 환자들을 위한 의료용으로 사용되는 노드(Node) 가스측정센서를 이상과 같은 원리로 구성하고, 환자의 호흡여부와 ID 및 위치정보와 배기호흡의 성분을 분석하여 환자의 건강 상태를 원거리의 제어부에서 관리자가 모니터링할 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서의 작동 원리는, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브를 이용한 가스측정센서가 개시되는데, 탄소나노튜브(1)는 전기적 특성이 우수하고 열전도성과 화학적 안정성이 높으며, 미세한 구조로서 표면적이 넓어서 소형의 크기로도 주변 기체에 포함된 가스(2)의 고감도 측정이 가능한 나노소재이다. 본 발명의 가스측정센서는 반도체식 가스 센서로서, 가스 감응도와 신뢰도가 높고 촉매를 사용하여 특정 가스에 대한 검출 가능성을 높이는 것이 가능하다. 본 탄소나노튜브(1) 센서의 구조와 가스 분석 방식은 쇼트키 트랜지스터(Schottky transistor)를 이용한 센서를 적용하여, 소스(Source)측과 드레인(Drain)측에서 작동하기 때문에 전극의 일함수가 타겟 분자의 결합으로 변화하게 되면 역시 민감한 전기 전도도의 변화로 나타나게 된다. 탄소나노튜브의 쇼트키(Schottky) 특성을 이용하는 경우, 인식물질을 전극에 고정화하고 타겟물질이 인식물질과 결합하면서 생기는 전극의 일함수의 변화가 탄소나노튜브의 전기 전도도에 반영되게 된다. 반면, 전계효과 특성을 이용하는 경우, 분자인식 물질은 채널에 해당하는 탄소나노튜브의 측면에 고정화되게 되며 타겟분자가 갖는 전하가 탄소나노튜브 채널에 도핑효과를 주게 되며. 대표적인 유해화학물질들에 각각 반응하는 종류별 미디어가 CNT 센서마다 도포되어 CO, CO2, CH2O, C6H5CH3, NOx, SOx 등의 기체 중 농도와 분량을 감지할 수 있게 된다.
또한, 높은 향상계수(enhancement factor) 때문에 CNT에서는 전계방출이 수 volt/㎛에서 가능하며, 최대 전계방출 전류는 약 2x10-6A이고, 각각의 화학물질의 구성 성분에 따라 흐르는 전류의 값이 차이가 있다. 예를 들어, 이산화질소 기체에 노출되었을 경우 전기 전도성이 1,000배나 증가하는 반면, 암모니아에 노출되었을 경우 전도성이 급격히 떨어진다. 이러한 이유로 단순히 전류값 만을 측정하는 것이 아닌 가스분자 증착에 따른 저항 값 변화까지도 응용하여, 각각의 화학물질별로 표준 데이터를 추출하여, 입력된 화학물질별 신호와 데이터를 비교하여, 정성/정량적으로 화학물질별 성분 및 기체의 양을 측정한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법에서 가스측정센서와 제어부의 무선교신 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 가스측정센서들의 가스 측정값에 관한 정보를 원거리의 제어부(10)에서 관리자가 모니터링 할 수 있는 시스템을 형성하는데, 노드 가스측정센서(11)에 장착된 마이크로프로세서는 하나의 작동 예로서, MAC주소, 6LowPAN, CNT 센서, GPS를 제어하며, 6LowPAN 통신을 이용하여 프리앰블 신호를 게이트웨이(12)를 통하여 원격지 제어부(10)로 전송하고, 원격지 제어부(10)가 노드 가스측정센(11)서의 프리앰블 발신을 정지하도록 명령하는 신호를 각 가스측정센서로 보내면 노드 가스측정센(11)서의 작동이 활성화되고, 노드 가스측정센서(11)에서 측정된 유해화학물질의 데이터와 노드 가스측정센서(11)의 ID와 위치정보가 원격지로 전송되고, 원격지의 제어부(10)가 노드 가스측정센서(11) ID별 유해화학물질 데이터와 위치정보를 모니터링하면서 정상값과 비교하고, 원거리의 제어부(10)가 가스측정센서를 착용한 사용자의 위치 및 이상 유무를 실시간으로 파악할 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서가 구비된 방진마스크는, 도 4에 도시된 바와 같이, 가스측정센서(A)를 방진마스크(B)에 구비한 것으로, 방진마스크(B)의 배기막에 가스측정센서가 설치되어 유해한 화학물질이 공기 중에 확산된 상태에서 상기 방진마스크(B)를 착용한 사용자가 호흡하는 경우에 방진마스크(B)의 공기 여과 필터를 거친 정화된 공기가 방진마스크(B) 내부로 인입되고, 이를 흡기한 사용자가 배기하는 호흡이 방진마스크(B)의 배기막을 통해 외부로 배출되기 직전 가스측정센(A)서로 성분이 분석되어, 해당 배기호흡의 가스 성분과 양을 파악하여 현재 사용자의 신체 건강상태를 파악하는 것이 가능하다. 이와 같은 사용자 건강에 대한 판단 방식은 가스측정센서(A)가 구비된 화학보호복을 착용하거나, 병원의 입원실 등에서 가스측정센서가 구비된 인공호흡마스크를 착용한 경우에도 동일하게 적용되어, RTLS(Real time location system) 기법 등으로 실시간으로 사용자의 건강 상태를 파악할 수 있다. 그리고, 가스측정센서(A)가 사용되는 환경에 따라서 CNT 센서에 도포되는 미디어의 종류를 변경하여, 각각의 환경에서 필수적으로 측정되어야 할 가스의 종류들에 반응할 수 있는 가스측정센서(A)를 제작하여 사용하게 된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법을 사용자에게 적용한 모습은, 도 5에 도시된 바와 같이, 사용자가 방진마스크(B)를 착용하고 유해화학물질이 분포되는 작업환경 등에서 활동할 수 있으며, 가스측정센서(A)와 연계되는 마이크로프로세서와 AD컨버터는 비교적 고비용의 제작비용이 필요한 부품으로서, 방진마스크(B)의 공기 여과 필터 등 소모되는 성질이 강한 부품의 교체 시에 방진마스크(B)와 함께 주요 부품이 폐기되지 않도록, 마이크로프로세서와 AD컨버터의 탈부착이 가능하도록 방진마스크(B)의 전면부 배기막 외면은 힌지 방식 또는 나사형 잠금 방식으로 개폐가 가능하게 제작될 수 있다. 그리고 전원의 안정적인 공급을 위하여, 교체형 배터리가 아닌 태양광 발전이 가능한 솔라셀이나 고용량 커패시터를 가스측정센서(A)의 전원 공급을 위한 장치로 사용하는 것도 가능하며 바람직하다.
본 발명의 주요한 특징은 GPS가 가스측정센서(A)와 연계되어 장착되는 것이고, 이를 통해 위급한 유사시, 예를 들어, 작업환경에서 화재가 발생하였을 경우에 가스측정센서가 구비된 방진마스크 또는 화학보호복을 착용한 사용자의 위치를 원거리의 관리자가 파악할 수 있고, 해당 사용자의 배기호흡에 관한 분석 정보가 원거리의 제어부와 사용자의 가스측정센서와 연계된 표시부에 표시되므로, 사용자의 건강 상태와 위급함의 정도를 사용자 본인과 원거리의 관리자가 판단할 수 있게 된다. 그리고 발명의 또 다른 특징으로서, 근거리 통신망을 이용하여 가스측정센서 사용자들 간의 정보 공유 링크가 형성되어, 각 사용자의 건강에 위급한 상황이 발생하였을 시에 서로의 상태를 파악할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서 및 상기 센서를 이용한 헬스모니터링 방법은, 일반적인 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서의 제조산업과 헬스모니터링 분야에서 동일한 제품을 반복적으로 제조하거나 활용하는 것이 가능하다고 할 것이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이라고 할 것이다.
A : 가스측정센서 B : 방진마스크
1 : 탄소나노튜브 2 : 가스
10 : 원격지 제어부 11 : 노드 가스측정센서
12 : 게이트웨이

Claims (12)

  1. 사용자의 헬스모니터링을 위한 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서에 있어서,
    탄소나노튜브 기반의 가스측정센서는,
    센서가 노출되는 기체 중에 분포하는 특정 가스의 농도를 측정하고자, 종류별 가스에 반응도가 높은 각각의 미디어가 도포된 각 탄소나노튜브부와;
    상기 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서에서 측정된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 AD컨버터부와;
    상기 가스측정센서 사용자의 지리적 위치를 파악할 수 있는 GPS부와
    상기 AD컨버터에서 변환된 디지털 데이터를 원거리의 제어부로 무선송신하는 마이크로프로세서부와;
    상기 각 부에 전원을 공급하는 배터리부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  2. 사용자의 헬스모니터링을 위한 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서를 이용한 헬스모니터링 방법에 있어서,
    탄소나노튜브 기반의 가스측정센서를 이용한 헬스모니터링 방법은,
    탄소나노튜브 기반의 가스측정센서가 사용자 주위의 기체 중에 분포하는 특정 가스의 농도를 측정하는 단계와;
    상기 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서에서 측정된 아날로그 데이터를 AD컨버터부가 디지털 데이터로 변환하는 단계와;
    상기 가스측정센서와 연계된 GPS장치가 사용자의 지리적 위치를 파악하는 단계와;
    상기 AD컨버터에서 변환된 디지털 데이터와 상기 GPS가 측정한 사용자의 지리적 위치 데이터를 마이크로프로세서부가 원거리의 제어부로 무선송신하는 단계와;
    상기 제어부가 수신한 가스측정 데이터 및 위치 데이터를 표시하여 제어부의 관리자가 가스측정센서 사용자의 건강 상태를 모니터링할 수 있는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서를 이용한 헬스모니터링 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    마이크로프로세서는 평상시 프리앰블 신호만을 제어부로 전송하여 전력의 소모를 최소화하고,
    제어부로부터 프리앰블 발신 정지 신호를 마이크로프로세서가 수신하면 탄소나노튜브 센서로부터 수신된 정보를 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  4. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    AD컨버터부와 마이크로프로세서부는 가스측정센서로부터 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  5. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    근거리통신부가 구비되어 각 가스측정센서간의 데이터 공유가 되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  6. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    가스측정센서는 방진마스크의 배기막 내측에 구비되어 사용자의 배기호흡의 성분을 분석하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  7. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    가스측정센서는 화학보호복의 배기막 내측에 구비되어 사용자의 배기호흡의 성분을 분석하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  8. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    가스측정센서는 병원의 환자용 노드 가스측정센서로 사용되어 사용자의 배기호흡의 성분을 분석하여 사용자의 건강 상태를 파악할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  9. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    배터리는 태양광 발전을 하는 솔라셀인 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  10. 제 1항 또는 3항에 있어서,
    다수의 가스측정센서의 정보를 하나의 제어부를 통해 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서.
  11. 제 2항에 있어서,
    마이크로프로세서는 평상시 프리앰블 신호만을 제어부로 전송하여 전력의 소모를 최소화하며, 제어부로부터 프리앰블 발신 정지 신호를 마이크로프로세서가 수신하면 탄소나노튜브 센서로부터 수신된 정보를 제어부로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서를 이용한 헬스모니터링 방법.
  12. 제 2항 또는 11항에 있어서,
    다수의 가스측정센서에서 측정된 정보가 하나의 제어부를 통해 모니터링되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노튜브 기반의 가스측정센서를 이용한 헬스모니터링 방법.
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