KR20210066711A - 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템 - Google Patents
변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템이 개시된다. 본 발명의 모니터링 시스템은 반응챔버(110)와, 상기 반응챔버(110) 내에 탑재된 본 발명의 일 측에 따라 제조된 수소센서(120), 상기 수소 가스(H2)의 흐름량을 조절하는 MFC(Mass Flow Controller)(130), 및 상기 수소 센서에 전압 및 전류를 인가하는 전압 및 전류 인가 장치(140)를 포함하고, 상기 수소센서(120)가 장착되는 반응 챔버(110)는 수소 가스와 센서가 반응할 때 이를 외부와 밀폐시키며, 수소 가스는 MFC(130)을 통해 그 양이 정확하게 조절되어 원하는 비율의 수소 가스 농도를 만들어주도록 구성함으로써, 변압기 내부의 절연유에서 수소의 농도를 검출하고 이를 원격에서 모니터링할 수 있기 때문에 변압기 이상상태 여부를 상시 파악 및 진단할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Pd 금속이 수소를 흡수하면 저항이 증가하는 원리를 이용하여 측정한 수소 농도를 감지하여 원격에서 수소 센서 감지값을 모니터링할 수 있는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템에 관한 것이다.
변압기는 발전소에서 생산된 전기를 멀리 떨어져 있는 변전소까지 이송하거나 이송된 고전압의 전기를 공장 또는 가정에서 사용할 수 있도록 적절한 전압으로 변압(變壓)시키는 설비로서 전력설비 중 가장 중요한 설비중의 하나로 손꼽힌다.
따라서 변압기가 고장이나 사고로 운전 정지되어 전력공급이 중단되면 국민생활과 산업활동에 많은 지장을 초래할 뿐만 아니라 막대한 경제적 손실이 발생하므로 변압기를 보유하고 있는 사업자는 사고를 미연에 예방하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다.
운전 중인 변압기의 내부에서 돌발적인 사고로 이어질 수 있는 과열, 아크 또는 부분방전 등의 이상을 조기에 발견하는 방법은 여러 가지가 있으나, 그 중에서 절연유 중에 포함된 가스의 분석에 의한 방법이 가장 신뢰성이 높아 세계적으로 많이 사용되고 있다.
변압기 내부에서 일어나는 여러 가지 이상에는 열이 동반하여 발생하며, 이 열에 의해서 변압기 내부의 절연유, 절연지 및 프레스보드 등의 절연물이 분해되면서 가스가 생성되면 그 일부는 절연유 중에 용해된다.
가스가 절연유 중으로 용해되는 비율은 온도, 압력 등의 조건이 일정할 경우 항상 일정한 값을 갖기 때문에 절연유 중에 용해되어 있는 가스를 추출하여 가스의 종류와 함량을 분석함으로써 변압기 내부의 이상 여부와 이상의 종류를 조기에 진단하는 것이 가능하다.
변압기 내부에 특정 가스가 기준치를 초과하면 사전에 내부점검 등 적절한 조치를 취하여 돌발적인 사고를 예방할 수 있다.
절연유 중의 가스를 분석하기 위해서는 운전 중인 변압기에서 절연유 시료를 채취하여 실험실로 운반하여 가스를 추출한 다음 가스분석기(Gas Chromatography)로 분석하는 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 실험실적인 분석방법은 시료의 채취, 운반 및 분석에 많은 시간과 인력이 소요되는 문제점이 있다.
현재 변압기 절연유의 열화도를 분석하기 위하여 수소 가스만 아니라 메탄, 에탄올, 부탄(C4H8) 등의 탄화수소 계열의 성분도 모두 분석하고 있다. 절연유 중 가스의 조성이나 샘플링을 통하여 변화를 감지하거나 또는 변압기의 상태를 진단하거나 고장의 원인, 혹은 절연유 열화의 원인 등을 추정할 수 있는데 절연유 중의 수소 가스 함량이 절연유의 열화와 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다.
따라서 절연유의 열화도를 실시간으로 측정할 수 있어 절연유 교체, 정전 등으로 인한 막대한 경제적 손실을 줄일 수 있는 절연유에서 사용할 수 있는 고성능의 수소 센서가 개발의 필요할 뿐만 아니라, 샘플링 분석에 별도의 전문 인력이 필요할 뿐만 아니라, 실시간 검지가 불가능하다는 문제점이 있다.
또한, 기존 수소 센서들의 단점을 극복하려면 고체형(solid state) 방식이 유리하며 수소 흡수력이 강한 Pd 금속이 소재로 거론된다.
구체적으로는 Pd 금속이 수소를 흡수하면 저항이 증가하는 원리를 이용하여 수소 농도를 측정할 수 있을 것이라는 가정 아래 Pd 금속을 분말 혹은 막으로 만들어 수소센서를 개발하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 Pd에 흡수된 수소가 가열하거나 압력을 낮추는 등의 특수한 처리를 하지 않고서는 다시 방출되지 않기 때문에 연속적으로 수소 농도의 변화를 감지하는 데는 한계가 있다.
아울러 절연유 내 수소가스만 분리 후 GC분석을 하기 때문에 고도의 기술설비와 운영에 고비용이 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 변압기 내부에 존재하는 수소 가스를 감지하여 수소의 농도를 검출하고 이를 원격에서 모니터링할 수 있는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 나노선 기반 유중 장입형 수소센서 시스템 단말을 이용하여 실시간 수소가스 검지 모니터링을 할 수 있는 서버들로 구성된 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 실리콘 나노 와이어 어레이의 표면에 수소화촉매를 코팅한 수소센서를 이용하여 변압기 내부에 존재하는 수소 가스를 감지할 수 있는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 변압기의 이상 상태여부를 상시 파악 및 진단할 수 있는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
그리고 본 발명은 팔라듐 나노선 기반 수소 센서를 이용하고 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라, In-situ분석이 가능한 장입형으로 초저가에 초소형으로 구성할 수 있는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템은 반응챔버(110)와, 상기 반응챔버(110) 내에 탑재된 본 발명의 일 측에 따라 제조된 수소센서(120), 상기 수소 가스(H2)의 흐름량을 조절하는 MFC(Mass Flow Controller)(130), 및 상기 수소 센서에 전압 및 전류를 인가하는 전압 및 전류 인가 장치(140)를 포함하고, 상기 수소센서(120)가 장착되는 반응 챔버(110)는 수소 가스와 센서가 반응할 때 이를 외부와 밀폐시키며, 수소 가스는 MFC(130)을 통해 그 양이 정확하게 조절되어 원하는 비율의 수소 가스 농도를 만들어주도록 구성함으로써 달성될 수 있다.
또한, 팔라듐 금속층이 증착된 SiO2 나노와이어를 갖는 수소센서(120)를 전압 및 전류 인가 장치(140)와 연결된 반응 챔버(110) 내에 장착한 후, 반응 챔버(110) 내에 수소 가스와 공기 가스가 혼합된 가스를 흘려주며, 전압을 0.1V로 유지하면서 전류의 세기를 측정할 수 있도록 구성한다.
또한, 검출된 데이터 또는 수소센소(120)의 측정값을 모니터링 시스템(200)으로 전달하는 무선송신부(150)를 포함하되 상기 무선송신부(150)는 설치된 위치별 IP address로 관리되고, 데이터 송신의 경우 해당 IP주소와 함께 전압 및 전류 인가 장치(140)의 측정된 또는 수소센서(120)의 출력값을 모니터링 시스템(200)으로 전송하게 구성할 수 있다.
또한, 수소 센서는 지지체에 Pd 나노박막이 형성되고, 전기저항의 변동 폭이 ㅁ0.0002 % 이하로 구성하고, 상기 수소 센서를 유중에 담그어 상기 Pd 나노박막의 전기 저항값을 측정하고, 측정된 전기 저항값의 변화율로 유중 수소 농도의 증감을 감지하도록 구성할 수 있다.
그리고 상기 수소센서는 P형 실리콘 나노 와이어 어레이, 및 상기 나노 와이어 어레이 표면에 형성된 수소화 촉매를 포함하고, 상기 수소화 촉매는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고, 수소 노출 후, 상기 수소화 촉매는 금속 하이드라이드(MHx)로 환원되어, 상기 나노 와이어 어레이 내부 정공을 중성화시키는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템에 의하면, 변압기 내부의 절연유에서 수소의 농도를 검출하고 이를 원격에서 모니터링할 수 있기 때문에 변압기 이상상태 여부를 상시 파악 및 진단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템에 의하면, 수소화 촉매는 수소 노출 후, 금속 하이드라이드로 환원되어, 나노 와이어 어레이와 수소화 촉매의 계면에 e-를 집중시킬 것인바, 상기 나노 와이어 어레이 내부 정공을 중성화시켜 전류를 저하시킬 수 있으며, 나노 와이어 어레이와 수소화 촉매의 계면에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 형성함으로써, 전류를 저하시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템에 의하면, 수소 센서는 유중, 수중 및 공기중에서 수소 노출에 대한 반응시간이 빠르면서도 민감도가 월등히 우수하기 때문에 열화에 따른 수소 발생이 우려되는 변압기 등 다양한 전력 설비 시설에 적용할 수 있다.
그리고 본 발명의 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템에 의하면, 수소 센서의 감지범위를 100~10,000ppm이상, 감도는 1.0/ppm, 유중은 500ppm 그리고 응답시간은 10min, 온도범위는 -40~85℃, 통신방식은 Narrow Band LTE를 사용하여 통신거리가 15Km이상 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 수소 센서의 수소 농도 별 전기 저항을 측정하는 수소 감지 시스템,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서 및 N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 메커니즘을 비교한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서 및 N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 메커니즘을 비교한 도면,
도 4는 나노선 기반 유중 장입형 수소센서와 수소가스 검지 모니터링 시스템의 구성도,
그리고
도 5는 본 발명의 팔라듐 나노선 번들 수소 검지 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서 및 N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 메커니즘을 비교한 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서 및 N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 메커니즘을 비교한 도면,
도 4는 나노선 기반 유중 장입형 수소센서와 수소가스 검지 모니터링 시스템의 구성도,
그리고
도 5는 본 발명의 팔라듐 나노선 번들 수소 검지 센서의 사시도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 수소 센서의 수소 농도 별 전기 저항을 측정하는 수소 감지 시스템으로서, 수소 감지 시스템(100)은 반응챔버(110), 반응챔버(110) 내에 탑재된 본 발명의 일 측에 따라 제조된 수소센서(120), 수소가스(H2)의 흐름량을 조절하는 MFC(Mass Flow Controller)(130), 센서의 전압 및 전류 인가 장치(140) 및 가스 탱크(미도시)를 포함한다.
시스템(100)에서 수소센서(120)가 장착되는 반응챔버(110)는 수소 가스와 센서가 반응할 때 이를 외부와 밀폐시키며, 수소 가스는 MFC(130)을 통해 그 양이 정확하게 조절되어 원하는 비율의 수소 가스 농도를 만들어주는 역할을 한다.
농도가 조절된 수소 가스는 반응 챔버(110) 내에서 수소 센서와 반응하게 되며, 이때의 센서의 변화에 대한 전기적 신호는 전압 및 전류 인가 장치(140)를 통해 측정될 수 있다.
이러한 측정은 상온 및 상압에서 실시되며, 팔라듐 금속층이 증착된 SiO2 나노와이어를 갖는 수소센서(120)를 외부 전류 인가 장치와 연결된 반응 챔버(110) 내에 장착한 후, 반응 챔버(110) 내에 수소 가스와 공기 가스가 혼합된 가스를 흘려주며, 전압을 0.1V로 유지하면서 전류의 세기를 측정할 수 있도록 구성한다.
이렇게 검출된 데이터 또는 수소센소(120)의 측정값이 무선송신부(150)를 통하여 관제센터의 모니터링 시스템(200)으로 전달된다.
무선송신부(150)는 설치된 위치별 IP address로 관리되고, 데이터 송신의 경우 해당 IP주소와 함께 전압 및 전류 인가 장치(140)의 측정된 또는 수소센서(120)의 출력값을 모니터링 시스템(200)으로 전송한다.
무선송신부(150)는 관제센터의 모니터링 시스템(200)과 유무선 통신을 수행하여 측정된 수소 센서값을 IP어드레스와 함께 전송하도록 구성한다.
통신방식은 Narrow Band LTE로 구성하는 것이 가장 바람직하다.
모니터링 시스템(200)은 관제센터에 설치되어 도처에 설치되어 있는 변압기 내의 수소 센서값을 검출하여 모니터에 표시되게 하여 관리할 수 있도록 한다.
또한, 모니터링 시스템(200)은 IP어드레스별 설치위치를 저장해두고 있다가 전송되는 IP어드레스를 분석하여 표시부의 지도상에 해당 위치를 표시할 수 있도록 하고, 이상 감시 시 해당 위치가 팝업창으로 표시되게 하여 즉시 위치를 인지할 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 나노선 기반 유중 장입형 수소센서와 수소가스 검지 모니터링 시스템의 구성도로서, 도면을 참고하면, 기존 수소 검지 기술 한계를 극복한 팔라듐 나노선 번들 수소 검지 센서 초기 설계로서 Sensor(122)를 SUS304 Sensor Housing(121) 으로 보호하고, 전극부 또한 SUS316 Clip for Wiring과 커버 Alumina Clip Hosing 으로 구성된다.
NB-IoT 모듈과는 Wire Leads를 통하여 Insulating Busing Cover Stainless Steel Shell로 내구성과 간섭을 줄인 기구로 제작되어 팔라듐 나노선 기반(선택성), 실시간 모니터링, 초저가와 초소형을 가능하게 하고 장입형으로 (In-situ) 분석을 가능토록 한다.
도 5의 본 발명의 팔라듐 나노선 번들 수소 검지 센서의 사시도를 참고하면, 마이크로컨트롤로(141)가 내장된 NB-IoT 모듈(142)이 무선이동통신망 인터넷 연결을 기반으로 정보를 교환하여 모니터링 시스템에 센서(122)에서 측정된 값을 전달한다. 이는 수소 농도 이외에 온/습도 그리고 변압기 위험 정보 감지 값을 포함할 수 있다. 이 값은 IoT 기기와 센서에 내장된 보정 알고리즘(143)을 이용해서 값을 도출하는 방식이다. 무엇보다 보정 알고리즘은 수소 데이터의 무결성을 확보하기 위하여 사전 학습된 가변 저항 가중치의 값과 Lookup Table의 값에 최적화된 수소 농도를 ppm 값으로 환산한다. 그리고 수소 외의 오염 그리고 기후 환경변화에 의한 잡음과 비정상적인 값을 알고리즘 값 포함 여부에 판단하여 제외하도록 운영한다.
이 모든 데이터를 모니터링 서버(160) 에 저장하여 빅데이터 딥러닝 기술을 활용하여 사용자 모니터링 시스템(200)이 사전 위험 알림과 사고 예측을 가능한 위험 방지 대책 시간을 마련한다. 향후 모니터링 저장 서버(160)에서 변압기 유중 온/습도 값과 함께 변압기 종합 사전 예방 진단 시스템으로 구축하여 종합 변압기 안전 대책 진단 툴로 활용이 가능하다.
이하 본 발명에서 사용되는 수소센서에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서 및 N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 메커니즘을 비교한 도면이다.
도 2(a)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일구현예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서에 있어서, 상기 수소화 촉매는 수소에 노출 후, 금속 하이드라이드(MHx)로 환원되어, 상기 나노 와이어 어레이와 상기 수소화 촉매의 계면에 e-를 집중시킬 수 있다. 따라서 상기 수소화 촉매를 정공을 증가시킨 P형 실리콘 나노와이어 어레이 표면에 형성함으로써, 수소 노출 후, 상기 나노 와이어 어레이 내부 정공을 중성화시켜 전류를 저하시킬 수 있는 이점이 있다.
반면, 도 2(b)에 나타난 바와 같이, N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서에 있어서, 마찬가지로, 상기 수소화 촉매는 수소에 노출 후, 금속 하이드라이드(MHx)로 환원되어, 상기 나노 와이어 어레이와 상기 수소화 촉매의 계면에 e-를 집중시킬 수 있다. 따라서, 상기 수소화 촉매를 전자수를 증가시킨 N형 실리콘 나노와이어 어레이 표면에 형성함으로써, 수소 노출 후, 전류를 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
먼저, 본 명세서에서 “오믹 접촉(Ohmic contact)”이란 각 주요 캐리어(정공 또는 전자)가 원활하게 이동하며, 이 경우 전류가 증가하는 현상이 나타나는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 “쇼트키 접촉(Schottky contact)”이란 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 형성으로 인하여 각 주요 캐리어(정공 또는 전자)의 이동이 불가능해지며, 이 경우 저항이 증가하여 전류가 감소하는 현상이 나타나는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서 및 N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 메커니즘을 비교한 도면이다.
도 3(a)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일구현예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서에 있어서, 수소에 노출 전(좌측 그림), 상기 나노 와이어 어레이와 상기 수소화 촉매의 계면에 오믹 접촉(Ohmic contact)을 형성할 수 있다. 구체적으로, Pd의 일함수는 56eV이고, P형 실리콘은 49eV로서, Pd의 일함수가 P형 실리콘의 일함수 보다 크기 때문에 오믹 접촉(Ohmic contact)을 형성하게 되고, 정공이 원활하게 이동할 수 있다.
한편, 수소에 노출 후(우측 그림), 상기 나노 와이어 어레이와 상기 수소화 촉매의 계면에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 수소에 노출되면 Pd 일함수가 수소 노출 농도에 따라 감소하게 되므로, PdHx 일함수는 음수가 될 것이다. PdHx 일함수 및 P형 실리콘의 일함수 차이만큼 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하게 되고, 전류를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
즉, 본 발명의 일구현예에 따른 P형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 경우, 오믹 접촉(Ohmic contact)에서 쇼트키 접촉(Schottky contact)으로 변화할 때 PdHx 일함수 및 P형 실리콘의 일함수 차이가 클수록 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 커지게 되므로, 정공의 농도 감소가 계속 일어나게 될 것인바, 수소 노출농도의 증가에 따라 P형 실리콘 나노와이어 어레이 내부 정공 농도(=n) 차이가 생기게 될 것이다.
반면, 도 3(b)에 나타난 바와 같이, N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서에 있어서, 수소에 노출 전(좌측 그림), 상기 나노 와이어 어레이와 상기 수소화 촉매의 계면에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 형성할 수 있다. 구체적으로, Pd의 일함수는 56eV이고, N형 실리콘은 44eV로서, Pd의 일함수가 N형 실리콘의 일함수 보다 크기 때문에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 형성하게 되고, 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 형성으로 인하여 전자가 이동하지 못할 것이다. 한편, 수소에 노출 후(우측 그림), 상기 나노 와이어 어레이와 상기 수소화 촉매의 계면에 오믹 접촉(Ohmic contact)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 수소에 노출되면 Pd 일함수가 수소 노출 농도에 따라 감소하게 되므로, PdHx 일함수는 음수가 될 것이다. PdHx 일함수가 N형 실리콘의 일함수보다 작기 때문에 오믹 접촉(Ohmic contact)을 형성하게 되고, 전자가 원활하게 이동할 수 있다.
즉, N형 실리콘 나노와이어 어레이 기반 수소 센서의 경우, 쇼트키 접촉(Schottky contact)에서 밴드 구조가 밴딩된 부분이 원상복귀되어 오믹 접촉(Ohmic contact)으로 변화하는 것이므로, 밴딩된 부분만큼 전자 개수가 늘어날 것이다. 오믹 접촉(Ohmic contact)은 쇼트키 접촉(Schottky contact)과는 다르게 오믹 접촉(Ohmic contact)이 되면 그 정도 차이라는 것이 존재하지 않을 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 수소 센서는 P형 실리콘 나노 와이어 어레이를 포함한다.
상기 나노 와이어 어레이는 실리콘 웨이퍼를 에칭하여 형성되는 것으로, 표면적이 최적화된 것을 특징으로 한다. 상기 나노 와이어 어레이는 내부에 정공을 형성할 수 있는 불순물이면 어느 것이나 가능하고, 3족 원소가 도핑된 것이 바람직하고, 보론, 갈륨 및 인듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 3족 원소가 도핑된 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
다음으로, 본 발명에 따른 수소 센서는 상기 나노 와이어 어레이 표면에 형성된 수소화 촉매를 포함한다.
상기 수소화 촉매는 상기 나노 와이어 어레이 표면에 증착을 통해 형성되는 것으로, 상기 나노 와이어 어레이 표면에 전체적으로 형성되어 코어-쉘(core-shell) 구조를 형성할 수도 있고, 상기 나노 와이어 어레이 표면에 부분적으로 형성될 수도 있다. 이때, 상기 수소화 촉매는 피막 형태로 형성될 수도 있고, 입자 형태로 형성될 수도 있다.
상기 수소화 촉매는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함할 수 있고, 팔라듐(Pd)을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 수소화 촉매는 수소 노출 후, 금속 하이드라이드(MHx)로 환원될 수 있어, 상기 나노 와이어 어레이와 수소화 촉매의 계면에 e-를 집중시킬 것인바, 상기 나노 와이어 어레이 내부 정공을 중성화시켜 전류를 저하시킬 수 있다.
또는, 상기 나노 와이어 어레이와 수소화 촉매의 계면에 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 형성함으로써, 전류를 저하시킬 수도 있다.
구체적으로, 상기 금속 하이드라이드(MHx)는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속이 환원된 상태를 포함할 수 있고, 팔라듐(Pd)이 환원된 상태를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
이러한 수소센서는 AAO 탬플릿 이외에 식각법을 이용하여 실리콘 나노선을 제조하여 상부에 팔라듐 막을 코팅함으로써 고감도 수소 센서로 응용할 수 있다.
구체적으로 식각법을 이용하여 벌크 실리콘으로부터 나노선을 생성하고, 나노선 사이의 간격이 수나노미터까지 가능한 수직 배향된 나노선 클러스터를 얻도록 한다.
또한, 팔라듐 막이 수소 가스에 반응하여 팽창하면서 나노선 간의 간격을 줄이면서 양 끝의 전극 사이의 전류가 증가하므로 이를 신호화하여 가스를 센싱하도록 한다.
수소 가스에 노출 시 전류 증가 폭에 대한 반응 메커니즘도 통계화하여 모니터링 시스템에 저장하고 관리함으로써, 전류의 증가 발생 시 해당 데이터를 판독하여 원인분석이나 향후 처리에 이용할 수 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100 : 수소 감지 시스템
110 : 반응챔버
120 : 수소센서 130 : MFC(Mass Flow Controller)
140 : 센서의 전압 및 전류 인가 장치 200 : 모니터링 시스템
120 : 수소센서 130 : MFC(Mass Flow Controller)
140 : 센서의 전압 및 전류 인가 장치 200 : 모니터링 시스템
Claims (5)
- 반응챔버(110);
상기 반응챔버(110) 내에 일측에 탑재된 수소센서(120);
상기 수소 가스(H2)의 흐름량을 조절하는 MFC(Mass Flow Controller)(130);및
상기 수소 센서에 전압 및 전류를 인가하는 전압 및 전류 인가 장치(140);
를 포함하고, 상기 수소센서(120)가 장착되는 반응챔버(110)는 수소 가스와 센서가 반응할 때 이를 외부와 밀폐시키며, 수소 가스는 MFC(130)을 통해 그 양이 정확하게 조절되어 원하는 비율의 수소 가스 농도를 만들어주는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템.
- 제 1항에 있어서,
팔라듐 금속층이 증착된 SiO2 나노와이어를 갖는 수소센서(120)를 전압 및 전류 인가 장치(140)와 연결된 반응 챔버(110) 내에 장착한 후, 반응 챔버(110) 내에 수소 가스와 공기 가스가 혼합된 가스를 흘려주며, 전압을 0.1V로 유지하면서 전류의 세기를 측정할 수 있도록 구성하는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템.
- 제 2항에 있어서,
검출된 데이터 또는 수소센소(120)의 측정값을 모니터링 시스템(200)으로 전달하는 무선송신부(150);를 포함하되
상기 무선송신부(150)는 설치된 위치별 IP address로 관리되고, 데이터 송신의 경우 해당 IP주소와 함께 전압 및 전류 인가 장치(140)의 측정된 또는 수소센서(120)의 출력값을 모니터링 시스템(200)으로 전송하는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 수소 센서는
지지체에 Pd 나노박막이 형성되고, 전기저항의 변동 폭이 ㅁ00002 % 이하로 구성하고, 상기 수소 센서를 유중에 담그어 상기 Pd 나노박막의 전기 저항값을 측정하고, 측정된 전기 저항값의 변화율로 유중 수소 농도의 증감을 감지하는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 수소센서는
P형 실리콘 나노 와이어 어레이; 및
상기 나노 와이어 어레이 표면에 형성된 수소화 촉매를 포함하고,
상기 수소화 촉매는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고,
수소 노출 후, 상기 수소화 촉매는 금속 하이드라이드(MHx)로 환원되어, 상기 나노 와이어 어레이 내부 정공을 중성화시키는 것을 특징으로 하는 변압기 유중 수소 실시간 진단용 NB-IoT 모니터링 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR20190156039 | 2019-11-28 | ||
| KR1020190156039 | 2019-11-28 |
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Cited By (2)
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| CN114088780A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-02-25 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种运行状态下油浸电流互感器内部氢气分布的测量系统 |
| CN114517889A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-20 | 佛山绿色发展创新研究院 | 一种用于实现氢气质量在线检测的控制方法及加氢系统 |
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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