KR20180116762A - 유체 유출 감지 장치 - Google Patents

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KR20180116762A
KR20180116762A KR1020180044680A KR20180044680A KR20180116762A KR 20180116762 A KR20180116762 A KR 20180116762A KR 1020180044680 A KR1020180044680 A KR 1020180044680A KR 20180044680 A KR20180044680 A KR 20180044680A KR 20180116762 A KR20180116762 A KR 20180116762A
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Abstract

유체 유출 감지 장치는 대상 유체와 접촉하는 센서, 상기 대상 유체로 인한 상기 센서의 저항 변화를 모니터링하여 유체의 유출 여부를 판단하는 제어 모듈 및 다른 유체 유출 감지 장치 또는 사용자 단말과 통신하는 통신 모듈을 포함한다. 상기 센서는 기재, 상기 기재 상에 형성되는 제 1 전극부를 포함하고, 상기 제 1 전극부는 그래핀 양자점을 포함한다.

Description

유체 유출 감지 장치{APPARATUS FOR SENSING FLUID LEAK}
본 발명은 유체 유출 감지 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유체를 사용하는 산업설비 또는 산업공장에서는 유체를 담는 용기 주위나 유체를 수송하는 파이프의 주위에 누설센서를 설치하여 물이나 화학약품 등이 새어 나오는 것을 감지한다.
이러한 누설센서는 주로 공장의 바닥에 설치되어 제어 시스템과 유선으로 연결되며, 제어 시스템은 관제 센터로 센서정보를 전송하고, 관제센터에서 관리자가 누수 현황을 확인할 수 있다.
그러나, 종래의 누설센서는 누수가 발생하여도 적절한 경보를 하지 못하는 문제가 있었다. 즉, 누수가 발생하여도 누수 관리 담당자에게 직접적으로 연락을 취하기 위한 시스템이 없어 신속하게 조치를 취하지 못하는 문제가 있었다. 또한, 공장의 바닥에 누설센서를 설치하기 때문에 어느 선비로부터 누수가 발생하였는지를 예측하기가 어려운 문제가 있었다.
한편, 탄소에 기반을 둔 재료들, 예를 들어 탄소 나노튜브 (carbon nanotube), 다이아몬드 (diamond), 흑연 (graphite), 그래핀 (graphene), 그래핀 산화물 (graphene oxide) 등이 다양한 분야의 나노기술에서 연구되고 있다. 이러한 재료들은 바이오 센서 (biosensor), 나노 복합물 (nanocomposite) 또는 전극 소재 (electrode) 등에 이용될 수 있다.
탄소 기반 소재 중 하나인 그래핀은 2 차원 물질로서 밴드갭이 0 (zero-gap)인 반도체 물질이며, 최근 몇 년간 그래핀의 전기적 특성에 관하여 다양한 연구들이 발표되고 있다. 이러한 그래핀의 전기적인 특성에는 양극성 슈퍼 전류 (biopolarsupercurrent), 스핀 이동(spin transport), 양자 홀 효과(quantum hole effect)등이 포함된다. 현재 그래핀은 탄소를 기반으로 하는 나노 전자 소자의 집적화를 위한 기본 단위로 이용될 수 있는 물질로 각광을 받고 있으며, 전극 물질로서의 그래핀의 이용성이 대두되고 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2014-0144362호는 그래핀 산화물을 이용한 유연 투명 화학 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
그러나, 그래핀 또는 그래핀 산화물을 기반으로 하는 센서는, 감지 대상이 되는 물질(유체)의 접촉 면적이 작음으로 인하여, 센서의 민감도가 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 통신 모듈 및 제어 모듈을 포함함으로써 별도의 관제시스템이 필요없는 유체 유출 감지 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 그래핀 또는 그래핀 산화물을 포함하는 센서의 민감도가 저하되는 문제점을 해결하기 위하여, 그래핀 양자점을 포함하는 유체 감지 장치를 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는 유체 유출 감지 장치에 있어서 대상 유체와 접촉하는 센서, 상기 대상 유체로 인한 상기 센서의 저항 변화를 모니터링하여 유체의 유출 여부를 판단하는 제어 모듈 및 다른 유체 유출 감지 장치 또는 사용자 단말과 통신하는 통신 모듈을 포함한다. 상기 센서는 기재, 상기 기재 상에 형성되는 제 1 전극부를 포함하고, 상기 제 1 전극부는 그래핀 양자점을 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 통신 모듈 및 제어 모듈을 포함함으로써 별도의 관제시스템이 필요없는 유체 유출 감지 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 유체 감지 장치가 그래핀 양자점을 포함함으로써, 그래핀 또는 그래핀 산화물을 포함하는 센서의 민감도가 저하되는 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 유출 감지 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 배면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 모식도 및 A-A'을 기준으로 한 단면도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 감지 장치의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프의 용접 부위(이음새 부위)에 설치된 유체 유출 감지 장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 감지 장치의 제조 방법의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 감지 장치의 민감도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 유출 감지 장치의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 유체 유출 감지 장치(10)는 본체(100), 통신 모듈(110), 태양광 모듈(120), 제어 모듈, 충전지(140) 및 센서(150)를 포함한다.
본체(100)는 박스형태로 형성될 수 있으며, 본체(100)의 상부면에는 태양광 모듈(120)이 배치되고, 본체(100)의 하부면에는 센서(150)가 돌출되도록 배치될 수 있다.
또한, 본체(100)의 모서리 영역에 통신 모듈(110)이 배치되고, 본체(100)의 내부에는 제어 모듈 및 충전지(140)가 내장되도록 구성될 수 있다.
태양광 모듈(120)은 태양 에너지 또는 공장 등의 실내의 빛을 전기 에너지로 변환하여, 충전지(140)를 충전할 수 있다.
센서(150)는 대상 유체와 접촉하고, 후술하는 제 1 전극부, 제 2 전극부 또는 접속부의 저항 변화 또는 발광 특성 변화를 통하여 유체의 유출 여부를 감지한다.
제어 모듈은 센서(150)와 접촉된 대상 유체로 인한 센서(150)의 저항 변화 또는 발광 특성 변화를 모니터링하여 유체의 유출 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 제어 모듈은 센서(150)의 저항값 또는 발광 특성값이 기설정된 임계 범위를 벗어나는 경우, 유체가 유출되었음을 판단할 수 있다.
통신 모듈(110)은 다른 유체 유출 감지 장치 또는 사용자 단말(공장 또는 보안업체 관리자의 단말)과 통신한다.
예를 들어, 통신 모듈(110)은 제어 모듈의 알림 명령을 사용자 단말로 전송하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 통신 모듈(110)은 네트워크를 통해 알림 정보를 다른 유체 유출 감지 장치 또는 사용자 단말에 정보를 송신하는 안테나, 컨버터, 필터 등을 포함한 하나의 모듈로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 통신 모듈(110)은 대규모 저전력 장거리 무선 통신 기술인 LoRa(Long Range)통신을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
충전지(140)는 태양광 모듈(120)을 통해 수집된 전력을 축적한다. 또한, 충전지(140)는 통신 모듈(120) 및 제어 모듈(130)이 구동되도록 전력을 공급한다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 센서에 대하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 배면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 모식도 및 A-A'을 기준으로 한 단면도를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 센서(150)는 회로(152), 회로(152)를 커버하고 있는 필름(153), 회로(152)의 하측 일부를 노출시키는 개구부(151)를 포함한다.
회로(152)는 필름(153) 영역 내에서 지그재그 형으로 배치될 수 있다.
회로(152)의 길이 방향에 대하여 회로(152)를 커버하고 있는 필름(153)에 복수의 개구부(151)가 형성될 수 있다.
이때, 공장 시설에서 화학물질(액체 또는 기체)이 유출되면, 개구부(151)를 통해 화학물질이 회로(152)와 접촉하게 되고, 회로(152)의 저항 변화 또는 발광 특성 변화가 발생할 수 있다.
도 4는 도 3의 센서의 배면도에서 일부(200)을 확대한 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 센서(150)는 기재(240), 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)를 포함한다.
센서(150)는 제 1 전극부(210) 상에 커버부(250) 및 개구부(151)를 추가로 포함한다.
접속부(230)는 일반적으로 사용되는 전선으로 이루어질 수 있어, 제 1 전극부(210) 및 제 2 전극부(220)는 전선으로 연결되기만 하면, 자유로운 위치에서 센서의 기능을 수행할 수 있다.
기재(240)는, 기재로서 사용되는 것이며, 필름 형태의 고분자 재료일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
기재(240)는, 기재(240)와 커버부(250) 사이에 위치하는 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230)가 육안으로 확인될 수 있도록 투명한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
기재(240) 및 커버부(250)에 의하여, 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230)는 외부 물질로부터 보호될 수 있고, 이에 따라 센서의 내구성이 향상될 수 있다.
기재(240)는, 예컨대, 폴리 이미드 필름으로서 형태에 특별한 제한을 갖지 않으나, 일반적으로 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 갖는 층상 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
제 1 전극부(210)는, 반도체 소자의 전극 재료로서 금속 전극을 활용할 수 있으며, 금속 전극 및 그래핀 양자점을 포함할 수 있고, 또는 그래핀 양자점만을 포함할 수도 있다.
그래핀 양자점 (graphene quantum dots)은 그래핀을 작게 조각낸 것으로서 일반적으로 100 nm 이내의 크기이며, 그래핀의 크기와 가장자리 표면상태에 따라 전기적 특성이 변화하는 특징을 가진다.
제 1 전극부(210)가 금속 전극을 포함하는 경우, 금속 전극은 예를 들어, Au, Ag, Cu, Ni, Co, Pt, Pb, Sn, 또는 이들의 합금 전극일 수 있다.
제 1 전극부(210)가 금속 전극 및 그래핀 양자점을 포함하는 경우, 금속 전극은 예를 들어, Au, Ag, Cu, Ni, Co, Pt, Pb, Sn, 또는 이들의 합금 전극일 수 있으며, 그래핀 양자점은 금속 전극 상에 위치될 수 있다.
이러한 경우, 그래핀 양자점은 제 1 전극부(210)에서 대상 유체에 의하여 발생되는 전극부간의 저항 변화 또는 발광 특성 변화를 통하여 대상 유체를 감지하는 역할을 수행할 수 있다.
제 1 전극부(210)가 그래핀 양자점만을 포함하는 경우, 기재(240) 상에 위치한 그래핀 양자점 자체가 전극으로 활용될 수 있으며, 이에 따라 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)는 그래핀 양자점으로 이루어지며, 일체로 형성될 수 있다.
제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)가 그래핀 양자점으로 이루어지며, 일체로 형성됨으로써, 그래핀 양자점 자체가 전극 역할을 하게 되므로, 2종 이상의 물질로 이루어진 전극과 달리, 물질간의 계면에서의 저항을 최소화하여 유체 감지 장치(10)의 민감도가 향상될 수 있다.
또한, 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)는 잉크젯 프린팅 방식에 의하여 그래핀 양자점을 인쇄하는 방법으로 형성될 수 있으며, 이러한 경우 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)를 잉크젯 프린터로 연속하여 형성할 수 있으므로, 센서의 제조 시간 및 제조 단가를 감축함으로써 생산 비용을 절감하고 효율을 증대시킬 수 있다.
제 1 전극부(210)는, 기재(240) 상에 형성될 수 있으며, 형태에 특별한 제한을 갖지 않으나, 일반적으로 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 갖는 층상 구조일 수 있다. 제 1 전극부(210)는, 기재(240) 상에 코팅되는 방식으로 증착될 수 있으며, 증착 방법에 특별한 제한을 갖는 것은 아니다.
제 2 전극부(220)는, 반도체 소자의 전극 재료로서 금속 전극을 활용할 수 있으며, 금속 전극 및 그래핀 양자점을 포함할 수 있고, 그래핀 양자점만을 포함할 수도 있다.
제 2 전극부(220)가 금속 전극을 포함하는 경우, 금속 전극은 예를 들어, Au, Ag, Cu, Ni, Co, Pt, Pb, Sn, Pd 또는 이들의 합금 전극일 수 있다.
제 2 전극부(220)가 금속 전극 및 그래핀 양자점을 포함하는 경우, 금속 전극은 예를 들어, Au, Ag, Cu, Ni, Co, Pt, Pb, Sn, Pd 또는 이들의 합금 전극일 수 있으며, 그래핀 양자점은 금속 전극 상에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전극부(210)는 그래핀 양자점만을 포함하는 전극일 수 있으며, 제 2 전극부(220) 및 접속부(230)는 금속 원소를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
제 2 전극부(220)가 그래핀 양자점만을 포함하는 경우, 기재(240) 상에 위치한 그래핀 양자점 자체가 전극으로 활용될 수 있으며, 이에 따라 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)는 그래핀 양자점으로 이루어지며, 일체로 형성될 수 있다.
제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)가 그래핀 양자점으로 이루어지며, 일체로 형성됨으로써, 그래핀 양자점 자체가 전극 역할을 하게 되므로, 2종 이상의 물질로 이루어진 전극과 달리, 물질간의 계면에서의 저항을 최소화하여 유체 감지 장치(10)의 민감도가 향상될 수 있다.
제 2 전극부(220)는, 기재(240) 상에 형성될 수 있으며, 형태에 특별한 제한을 갖지 않으나, 일반적으로 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 갖는 층상 구조일 수 있다. 제 2 전극부(220)는, 기재(240) 상에 코팅되는 방식으로 증착될 수 있으며, 증착 방법에 특별한 제한을 갖는 것은 아니다.
제 1 전극부(210) 및/또는 제 2 전극부(220)는 각각 서로 독립적으로 일정한 패턴 형태를 가질 수 있다. 대상 유체를 감지하는 부분이 제 1 전극부(210)인 경우, 감지 대상 기체 또는 액체의 감지 효율을 향상시키기 위하여, 요철 또는 나선 형태의 패턴을 가질 수 있다. 상기 패턴 형태는 잉크젯 프린팅 방식에 의하여, 그래핀 양자점을 인쇄하는 방법에 의하여 형성될 수 있다.
접속부(230)는, 제 1 전극부(210) 및 제 2 전극부(220)를 전기적으로 및/또는 물리적으로 연결시키는 역할을 할 수 있으며, 이러한 역할을 수행하는 것이라면, 형태 및 재료에 특별한 제한이 없다. 접속부(230)는 일반적으로 사용하는 전선의 일종일 수 있다.
접속부(230)는, 제 1 전극부(210) 및 제 2 전극부(220)와 마찬가지로, 잉크젯 프린팅 방식에 의하여 기재(240) 상에 그래핀 양자점을 인쇄하여 형성될 수 있다. 이에 따라, 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)의 전체 저항을 최소화할 수 있다.
커버부(250)는 예컨대 폴리 이미드를 포함할 수 있다. 커버부(250)는 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)의 상태가 육안으로 확인될 수 있도록 투명한 재료를 포함할 수 있다.
유체 감지 장치(10)를 구성하는 기재(240) 및 커버부(250)는 각각 독립적으로 서로 상이한 재료일 수 있다.
기재(240) 및 커버부(250)는 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230)와 맞닿아 있는 영역에서는 서로 이격하여 배치될 수 있으며, 센서의 가장자리와 같은 그 외의 영역에서는 서로 접촉하여 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
커버부(250)는 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230) 상에 형성될 수 있으며, 기재(240) 및 커버부(250)에 의하여, 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230)는 외부 물질로부터 보호될 수 있고, 이에 따라 센서의 내구성이 향상될 수 있다.
이와 같이, 기재(240)와 커버부(250)가 플렉서블한 필름 형태로 제조되고, 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230) 역시 플렉서블한 재료로 형성됨으로써, 유체 감지 장치(10)는 다양한 형태와 구조를 가질 수 있으므로, 각종 형태의 설비 시설에 용이하게 설치될 수 있는 효과가 있다.
커버부(250)는, 제 1 전극부(210) 상에 위치하거나, 또는 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 및 접속부(230) 상에 위치하거나, 또는 유체 감지 장치(10)의 최상단부에 위치함으로써, 외부 물질로부터 센서를 보호하고, 개구부(151) 외의 영역에서 대상 유체가 감지되는 것을 방지할 수 있다.
커버부(250)는, 형태에 특별한 제한을 갖지 않으나, 일반적으로 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 갖는 층상 구조일 수 있다.
커버부(250)는 개구부(151)를 추가로 포함할 수 있다. 개구부(151)는 복수 개일 수 있으며, 제 1 전극부(210)의 적어도 일부가 노출되는 것이라면, 형태 및 크기에 특별한 제한이 없다. 상기 개구부(151)는 예를 들어, 원형, 타원형, 다각형, 또는 별 모양일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
개구부(151)가 존재함으로써, 감지 대상 기체 또는 감지 대상 액체가 커버부(250)를 통과하여, 제 1 전극부(210)에 접촉될 수 있으며, 이에 따라 유체 감지 장치(10)가 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230)의 저항 변화 또는 발광 특성 변화를 통하여 대상 기체 또는 대상 액체를 감지할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
개구부(151)가 복수 개 형성되는 경우, 복수 개의 개구부들(151)은, 서로 규칙적으로 또는 불규칙적으로 이격하여 배열될 수 있다. 이때, 복수 개의 개구부들(151) 사이의 간격에 특별한 제한이 없다.
이에 반해, 개구부(151)는, 하나의 구멍으로 형성될 수 있으며, 이러한 경우, 예를 들어, 제 1 전극부(210) 전체가 노출될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
개구부(151)는, 커버부(250)가 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230) 상에 증착되기 이전에 형성된 것일 수 있으며, 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230) 상에 증착된 이후에 형성될 수 있다.
개구부(151)가 제 1 전극부(210), 제 2 전극부(220), 또는 접속부(230) 상에 증착되기 이전에 형성되는 방법은 물리적, 또는 화학적 방법에 의할 수 있으며, 이 경우 센서의 다른 구성요소들에 영향을 주지 않고 제 1 전극부(210)의 전부 또는 일부를 노출시킬 수 있는 장점이 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이와 달리, 유체 감지 장치는 커버부 및 개구부를 형성하지 않고, 기재 상에 그래핀 양자점이 인쇄 공정에 의하여 형성됨으로써, 대상 유체를 감지하는 역할을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 감지 장치의 모식도를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 기재 상에 제 1 전극부 및 제 2 전극부가 형성될 수 있으며, 제 1 전극부 및 상기 제 2 전극부는 깍지 형(interdigitated)으로 서로 맞물린 요철 구조로 기재 상에 형성될 수 있다.
접속부는 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부를 전기적으로 연결시키며, 제 1 전극부 및/또는 제 2 전극부는 도포된 그래핀 양자점을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유체 감지 장치는 커버부 및 개구부를 포함하지 않으며, 이에 따라 상기 제 1 전극부 및 제 2 전극부의 일면이 전부 노출되어 대상 기체 또는 액체를 감지하는 역할을 수행할 수 있다.
제 1 전극부 상에 형성된 상기 그래핀 양자점이 공기 중에 노출됨으로써 대상 기체를 감지하는 역할을 수행할 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 유체 감지 장치는 도 3과 같이 형성됨으로써, 특정 영역의 한 지점에서 대상 기체를 감지하는 역할을 수행할 수 있는 장점을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프의 용접 부위(이음새 부위)에 설치된 유체 유출 감지 장치의 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 유체 유출 감지 장치(10)는 파이프(1)의 용접부위(이음새 부위) 또는 물질이 주입되기 위해 개폐되는 개폐부위에 배치될 수 있다.
본 발명의 유체 유출 감지 장치(10)의 센서의 전극부가 그래핀 양자점을 포함함으로써, 센서의 유연성(flexibility)이 극대화될 수 있고, 이에 따라 도 7과 같이 센서(150)가 파이프(1)의 용접부위를 감도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 센서(150)가 파이프(1)의 용접부위를 감도록 배치됨으로써 용접부위로부터의 유체 유출을 정확하게 감지할 수 있다.
또한, 통신 모듈 및 제어 모듈을 포함하는 본체(100)가 센서(150) 및 파이프(1)의 상부면에 배치되기 때문에, 액체 유출 감지 시 공장 또는 보안업체 관리자의 사용자 단말로 신속하게 알림을 전송할 수 있어 별도의 관제 시스템이 필요하지 않으며 비용을 절감하는 효과가 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예 및 실험예에 관하여 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예 및 실험예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 그래핀 양자점의 제조 방법
그래핀 양자점의 제조를 위해 약 3 nm 내지 4 nm의 직경을 갖는 흑연 나노입자(SkySpring Nanomaterials, USA)를 준비하였다. 상기 흑연 나노입자를 포타슘 소듐 타르트레이트 수화물(KNaC4H4O64H2O, Aldrich사)과 10:90 중량비로 유발을 이용해 1시간 동안 혼합하였다.
이후, 혼합물을 수열합성반응기에 넣고 250도의 온도에서 10시간동안 처리하여 흑연 나노입자의 층간에 상기 포타슘 소듐 타르트레이트 수화물이 삽입된 흑연층간삽입화합물 (graphite intercalation compound, GIC)를 제조하였다.
이로부터 제조된 상기 흑연층간삽입화합물을 물에 넣고 초음파 분산기를 이용하여 2시간 동안 반응시켜 흑연의 각층을 박리(exfoliation)시켜 약 3 내지 4 nm의 직경을 가지는 그래핀 양자점을 제조하였다.
제조된 그래핀 양자점은 원심분리기를 이용하여 13,000 rpm에서 30분간 처리하여 수득한 후, 다시 물, 이소프로필알콜 및 NMP의 혼합용매에 분산시켜 그래핀 양자점 용액을 제조하였다.
2. 유체(기체 또는 액체) 감지 센서의 제조예
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 감지 장치의 제조 방법의 순서도이다.
유체 감지 장치의 제작을 위해, PET 기판 필름에 전자빔 증착기를 이용하여 금속전극 패턴 (5nm Ti/70 nm Au 이중층)을 도 4와 같이 형성하였다.
이후 상기 금속전극 패턴에 상기 1에서 제조한 그래핀 양자점 용액을 도포한 후 약 100℃의 온도에서 약 1시간 동안 건조하여 그래핀 양자점 네트워크를 형성하였다.
본 발명의 유체 감지 장치의 제조를 위하여 사용되는 그래핀 양자점은, 상기 1에서 제조된 그래핀 양자점에 한정되지 않으며, 시중에서 판매되는 그래핀 양자점을 용매에 분산시킨 용액을 사용하여도 무방하다.
상기와 같이 제조된 그래핀 양자점 기반의 유체 감지 장치에 소스측정장치 (Sourece-Measure unit, Keithley)를 연결하여 센서의 금속 전극 패턴에 전압을 가하고 그래핀 양자점 네트워크를 통해 흐르는 전류를 측정함으로써 센서 구성을 완료하였다.
3. 실험결과 및 분석
본 발명의 도9에 나타낸 바와 같이, 제조된 유체 감지 장치에 배터리를 연결시켜 작동시켰다. 가스챔버 내부에 그래핀 양자점 센서를 위치시킨 후, 메탄올, 클로로포름, 벤젠등의 휘발성 유기화합물(volatile organic compound)을 휘발시킨 상태에서 센서의 응답특성을 확인하였다(도 9 참조).
일정 농도의 휘발성 유기화합물을 주입한 상태에서 본원의 유체 감지 장치의 저항 변화율을 측정함으로써 센서의 민감도(S)를 확인하였다. 센서의 민감도(S)는 아래 [식 1]로부터 계산되었다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 [식 1]에서, Ra: 가스주입전 센서의 저항, Rg: 가스주입후 센서의 저항
상기 센서는 휘발성 유기화합물인 벤젠, 테트라하드로퓨란, 클로로포름, 메탄올, 및 암모니아에 반응하여 센서의 저항이 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 휘발성 유기화합물의 종류에 따라 센서의 저항변화량이 서로 상이하고, 가스의 종류별로 서로 다른 센서 민감도(S)를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예의 센서의 경우, 암모니아 가스에 대하여 약 400%의 민감도를 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 통상의 감지 센서와 비교하여, 센서의 민감도가 약 3-10배 정도 향상됨을 알 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 파이프
10: 유체 감지 장치
100: 본체
110: 통신 모듈
120: 태양광 모듈
130: 제어 모듈
140: 충전지
150: 센서
151: 개구부
152: 회로
153: 필름
210: 제 1 전극부
220: 제 2 전극부
230: 접속부
240: 기재
250: 커버부

Claims (11)

  1. 유체 유출 감지 장치에 있어서,
    대상 유체와 접촉하는 센서;
    상기 대상 유체로 인한 상기 센서의 저항 변화를 모니터링하여 유체의 유출 여부를 판단하는 제어 모듈; 및
    다른 유체 유출 감지 장치 또는 사용자 단말과 통신하는 통신 모듈을 포함하고,
    상기 센서는,
    기재;
    상기 기재 상에 형성되는 제 1 전극부를 포함하고,
    상기 제 1 전극부는 그래핀 양자점을 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 양자점은 인쇄 공정에 의하여 상기 기재 상에 형성된 것인, 유체 유출 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인쇄 공정은 잉크젯 프린팅 방식을 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제 1 전극부와 전기적으로 연결되는 제 2 전극부; 및
    상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부를 전기적으로 연결시키는 접속부를 더 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제 1 전극부 상에 커버부를 더 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 커버부는 상기 제 1 전극부의 일부가 노출되도록 하는 개구부를 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개구부는 원형, 타원형, 또는 다각형의 형상인 것인, 유체 유출 감지 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극부는 요철 또는 나선 형상을 갖는 패턴 형태인 것인, 유체 유출 감지 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서, 상기 제어 모듈 및 상기 통신 모듈을 포함하는 본체를 더 포함하고,
    상기 센서는 상기 본체의 하부면에 배치되는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 모듈 및 상기 통신 모듈이 구동되도록 전력을 공급하는 충전지를 더 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 본체의 상부면에 배치되고, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 충전지를 충전하는 태양광 모듈을 더 포함하는 것인, 유체 유출 감지 장치.
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