KR20230054126A - 광결정 기반 색변화 센서의 감지능 평가용 투명 챔버 및 이를 포함하는 검사 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명한 챔버에 광결정 기반의 가스 감지 센서를 위치시키고, 챔버 내에서 가스상의 감지 대상 물질을 유동시키면서 센서의 감지능을 검사할 수 있도록 구성된 광결정 기반 색변화 센서의 감지능 검사용 투명 챔버 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
Description
광결정 기반 색변화로 가스상의 물질을 감지하는 센서의 감지능을 검사하는 장치에 관한 것이다.
VOCs(volatile organic compunds)와 같이 가스상으로 배출되는 유해물질을 감지하기 위해 종래에 질량 분석이나 가스 크로마토그래피가 사용되었다. 이러한 종래의 감지 방법은 측정에 시간이 걸리고 고가의 대형 장비가 요구되어 실시간으로 간편하게 가스상 유해물질을 감지할 수 없는 문제점이 있었다.
이에 따라 VOCs를 신속하게 측정할 수 있는 센서로 금속유기골격체(metal-organic frameworks) 기반 센서, 석영 결정 마이크로밸런스 (quartz crystal microbalance) 기반 센서, 광결정(photonic crystal) 기반 센서 등이 개발되었다.
이중 광결정 기반의 색 변화 센서는 작은 크기로 휴대가 간편하며, 제작이 용이하고 무전원으로 VOCs 농도의 감지를 가시적으로 확인할 수 있는 센서이다. 광결정은 광자결정(photonic bandgap crystal)이라고도 하며, 주기적(periodic) 구조의 결정체이다. 결정의 주기적 배열에 입사하는 빛은 회절하는데 브래그 법칙으로 설명할 수 있다.
주기적 구조로 인해 광결정은 특정 파장의 빛만 반사하여 구조색(structral color)이 나타나며, 이에 따라 빛이 통과하지 못하는 특정 영역인 광 밴드갭(photonic bandgap)이 나타난다. 이러한 광결정 소재의 센서는 VOCs를 흡수하여 팽창하게 되면 광결정의 주기적 배열이 변하므로 반사하는 빛의 파장이 달라져 광 밴드갭이 이동하고 구조색이 달라진다. 이러한 원리로 광결정 기반 색변화 센서는 VOCs를 모니터링할 수 있으며, 센서의 VOCs 감지능은 밴드갭의 이동(bandgap shift)을 측정하여 평가할 수 있다.
VOCs 가스를 감지하는 광결정 기반 센서에 대한 연구가 진행되고 있으나 개발된 센서를 실제로 가스상 VOCs에 노출시켜 감지성능을 평가할 수 있는 프로토콜화된 방법은 없는 실정이다. 종래의 VOCs 감지 센서에 대한 성능 평가 연구들은 센서를 VOCs 용액이나 VOCs 용액에서 생성된 VOCs 증기에 노출시켜 센서의 파장 변화를 측정하였다. 이러한 종래의 평가 방법은 VOCs의 농도가 불균일하여 센서 표면의 색깔이 고르게 변하지 않으므로 감지능을 정량적으로 평가하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 가스상 VOCs에 광결정 기반 센서를 노출시켜 센서의 감지능을 검사할 수 있고, 검사를 진행하면서 실시간으로 센서의 색변화를 육안으로 확인 가능한 검사용 챔버 및 이를 포함한 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 광결정 기반 색변화 센서를 수납할 수 있는 공간을 형성하는 복수의 면을 포함하는, 투명한 챔버 본체; 가스 유입구를 개폐할 수 있는 유입측 밀폐용 마개; 가스 배출구를 개폐할 수 있는 배출측 밀폐용 마개; 및 가스농도 측정구를 개폐할 수 있는 농도측정측 밀폐용 마개를 포함하는 센서의 감지능 검사용 챔버를 제공할 수 있다. 여기서 상기 유입측 밀폐용 마개, 배출측 밀폐용 마개 및 농도측정측 밀폐용 마개는, 감지 대상 가스를 흡수하지 않는 소재로 이루어진다. 또한 상기 챔버 본체는, 제 1 면에 일체로 형성된 상기 가스 유입구, 상기 제 1 면과 대향하는 제 2 면에 일체로 형성된 상기 가스 배출구, 및 제 3 면에 일체로 형성된 상기 가스농도 측정구를 포함하여, 광결정 기반 색변화 센서의 감지능을 감지 대상 가스를 유동시키면서 검사할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 감지 대상 가스는, 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 가스이고, 상기 센서는 VOCs 가스에 노출되면 광결정 배열이 변하는 광결정 기반 색변화 센서일 수 있다.
일 실시예로서 상기 챔버 본체는, 상기 제 1 면과 대향하며, 상기 제 1 면과 제 2 면 사이에서 상기 제 2 면보다 상기 제 1 면에 더 가깝게 배치되는 투명한 제 1 다공판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 가스농도 측정구는, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 면 사이의 공간과 연통하도록 배치될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 제 1 다공판과 대향하며, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 면 사이에서 상기 제 1 다공판보다 상기 제 2 면에 더 가깝게 배치되는 투명한 제 2 다공판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 가스농도 측정구는, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 다공판 사이의 공간과 연통하도록 배치될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 다공판 사이의 공간에 수납 가능한 센서 안착 트레이를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 챔버 본체는, 제 4 면에 일체로 형성되는 센서 설치구를 더 포함할 수 있다. 상기 센서 설치구를 통해 상기 챔버에 센서 안착 트레이를 수납하거나 수납된 센서 안착 트레이를 챔버에서 꺼낼 수 있다.
일 실시예로서 상기 센서 안착 트레이는, 검정색의 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다.
일 실시예로서 상기 제 1 다공판에 형성된 구멍의 크기는, 직경 5㎜ 내지 10㎜ 사이일 수 있다.
일 실시예로서 상기 투명한 챔버 본체는 강화유리 소재로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명은, 상기 센서의 감지능 검사용 챔버; 광원 및 스펙트로미터와 전기적으로 연결되며, 상기 센서의 색변화 측정을 위해 상기 챔버에 설치되는 측정 프로브; 상기 유입측 밀폐용 마개에 관통 설치되는 공급관; 상기 배출측 밀폐용 마개에 관통 설치되는 배출관; 상기 배출관에 연결된 흡입 펌프; 및 상기 펌프의 작동을 제어하여 챔버 내부를 유동하는 감지 대상 가스의 유속을 조절하는 제어기를 포함하는 센서의 감지능 검사 장치를 제공할 수 있다. 그리고 상기 제어기는, 상기 가스농도 측정구를 통해 실시간으로 측정된 챔버 내부의 검사 대상 가스의 농도에 기초하여 상기 유속을 조절할 수 있다.
일 실시예로서 상기 농도측정측 밀폐용 마개에 관통 설치된 가스 채취용 튜브; 및 상기 가스 채취용 튜브에 연결되는 가스농도 측정기를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 가스농도 측정기를 통해 실시간으로 측정한 감지 대상 가스의 농도에 기초하여 상기 유속을 조절할 수 있다.
일 실시예로서 상기 측정 프로브는, 상기 펌프가 작동하지 않는 초기 시간 동안 챔버에 수납된 상기 센서의 초기 반사광 파장을 측정하고, 상기 제어기는, 초기 시간이 경과한 후 제1시간 동안 제1 가스 유속으로 상기 챔버로 감지 대상 가스가 공급되고 그 후 제2시간 동안 제2 가스 유속으로 상기 챔버로 감지 대상 가스가 공급되도록 상기 펌프를 제어하고, 상기 측정 프로브는, 상기 제2시간 동안 챔버에 수납된 상기 센서의 반사광 파장을 측정할 수 있다.
일 실시예로서 상기 제2 가스 유속은 상기 제1 가스 유속보다 느릴 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스상 VOCs에 노출시킨 상태로 센서의 감지능을 검사할 수 있으므로 감지능을 정량적으로 정확하게 검사할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 투명 챔버 내부로 가스상 VOCs를 유동시키고 센서를 노출시켜 감지능을 검사하므로 센서의 실시간 색변화를 육안으로 확인 가능하며, 따라서 스펙트로미터로 측정되는 센서의 색변화 뿐 아니라 실제로 사람들이 인지할 수 있을 정도로 센서의 색변화가 일어나는지 정확하게 검사할 수 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 투명 챔버 내부에 다공판을 구비하여 챔버 내부공간에서 VOCs 가스의 고르고 빠른 확산이 가능하므로, 일정한 농도의 VOCs 가스로 챔버 내부를 신속하게 포화시킬 수 있다. 따라서, 광결정 색변화 센서의 VOCs 가스 감지능 검사시, 센서의 색변화 정도와 함께 색변화 속도도 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 광결정 기반 색변화 센서의 가스 감지 원리를 설명하기 위한 도면으로, 도 1의 (a)는 VOCs 가스에 노출되기 전의 센서 내부의 광결정 배열을 도시한 것이고, 도 1의 (b)는 VOCs 가스에 노출된 후의 센서 내부의 광결정 배열을 도시한 것이고, 도 1의 (c)는 스펙트로미터로 VOCs 가스에 노출되기 전과 후의 센서의 반사광 파장을 측정한 그래프이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사용 챔버(200) 및 이를 포함하는 센서의 감지능 검사 장치의 개략적인 구성도이고,
도 3은 도 2의 A 부분의 확대 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 챔버(200)에서 센서 안착 트레이(230)를 분리하는 모습을 도시한 사시도이고,
도 5는 이해를 위해 투명한 챔버 본체를 세 부분으로 나누어 도시한 챔버 분해 사시도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 방법의 순서도이고,
도 7은 1000ppm의 Xylene 가스에 노출된 센서의 반사광 파장을 투명 챔버 내부의 Xylene 가스 농도와 함께 시간별로 측정하여 분석한 그래프이고,
도 8은 도 7의 그래프에서 파장만 시간별로 표시한 그래프이고,
도 9는 도 7의 그래프에서 Xylene 가스 농도만 시간별로 표시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사용 챔버(200) 및 이를 포함하는 센서의 감지능 검사 장치의 개략적인 구성도이고,
도 3은 도 2의 A 부분의 확대 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 챔버(200)에서 센서 안착 트레이(230)를 분리하는 모습을 도시한 사시도이고,
도 5는 이해를 위해 투명한 챔버 본체를 세 부분으로 나누어 도시한 챔버 분해 사시도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 방법의 순서도이고,
도 7은 1000ppm의 Xylene 가스에 노출된 센서의 반사광 파장을 투명 챔버 내부의 Xylene 가스 농도와 함께 시간별로 측정하여 분석한 그래프이고,
도 8은 도 7의 그래프에서 파장만 시간별로 표시한 그래프이고,
도 9는 도 7의 그래프에서 Xylene 가스 농도만 시간별로 표시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 여러 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 감지능 검사 장치 및 검사 방법은, 광결정 기반 색변화 센서(colloidal crystal-based colorimetric sensor)를 대상으로 한다. 이하에서는 VOCs 가스를 감지 대상 가스로 예시적으로 설명하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 가스상의 특정 물질에 노출되면 광결정 배열의 변화에 따라 색이 변하여 밴드갭 이동을 측정할 수 있는 어떠한 광결정 기반 색변화 센서에 대해서도 본 발명의 사상이 적용 가능하다.
도 1의 (a)는 VOCs 가스에 노출되기 전의 센서(1a) 내의 미립자의 주기적인 배열 구조를 나타낸 것이고, 도 1의 (b)는 VOCs 가스에 노출된 센서(1b) 내의 미립자의 주기적인 배열 구조를 나타낸 것이다. 광결정 기반 색변화 센서는, VOCs 가스에 노출되면 센서 내부의 미립자가 VOCs를 흡수하여 팽윤(swelling)하므로, 노출 전의 미립자층 간 거리(d1)보다 노출 후 미립자층 간 거리(d2)가 증가한다. 따라서 VOCs에 노출된 센서는 입사광의 회절각이 바뀌며 반사광의 파장이 이동한다. 도 1의 (c)는 반사광의 파장에 따른 강도(intensity)를 VOCs 노출 전(파란색 실선)과 노출 후(빨간색 실선)에 스펙트로미터로 측정한 그래프로, VOCs에 노출된 후 밴드갭 이동이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 전술한 원리로 작동하는 광결정 기반의 VOCs 감지 센서의 감지능을 가스상의 VOCs에 노출시킨 상태에서 검사하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 장치를 상세하게 설명한다.
일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 장치는, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사용 챔버(200), 상기 챔버에 연결된 공급관(110), 상기 챔버에 연결된 배출관(120), 챔버 상부에 설치된 측정 프로브(130), 배출관에 연결된 흡입 펌프(140), 흡입 펌프를 제어하는 제어기(150)를 포함한다. 측정 프로브(130)는 광원(30)과 연결되어 광을 챔버(200) 내로 조사하고, 스펙트로미터(50)와 연결되어 챔버(200)에 수납된 센서의 색변화를 측정할 수 있다. 스펙트로미터(50)는 측정 프로브(130)에서 측정된 데이터를 컴퓨터, 노트북과 같은 연산장치(70)로 전송한다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 사시도이고, 도 4는 도 3의 챔버(200)에서 센서 안착 트레이(230)를 꺼내는 모습을 도시한 사시도이고, 도 5는 챔버(200) 구성을 쉽게 이해할 수 있도록 투명한 챔버 본체(210)를 세 부분으로 잘라서 도시한 챔버 분해 사시도이다. 도 5는 이해를 돕기 위한 도면일 뿐 이하에서 설명하는 바와 같이 챔버 본체(210)는 일체로 형성된 단일 피스이다.
상기 챔버(200)는 VOCs 가스가 챔버 내부를 유동하는 상태에서 광결정 기반 색변화 센서의 감지능을 검사할 수 있도록 구성된다. 또한, 챔버(200)는 센서의 감지능을 검사할 때 센서의 실시간 색변화를 육안으로 관찰할 수 있도록 투명한 챔버 본체(210)를 포함한다.
그리고 챔버(200)는 상기 챔버 본체(210)에 형성된 구멍을 각각 개폐하는 복수의 밀폐용 마개(111, 121, 173, 178)와 밀폐링(135), 상기 챔버 본체(210)에 수납되는 센서 안착 트레이(230)를 포함한다.
챔버 본체(210)는 가스가 유동할 수 있는 내부공간을 형성하는 투명한 육면체이며, 면과 면이 만나는 모서리는 곡면일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 가스가 유동할 수 있는 내부공간을 형성하는 어떠한 형상이어도 좋다. 예를 들어, 내부공간이 형성된 구형, 타원형, 원통형, 육면을 초과하는 수의 면을 갖는 다면체일 수도 있다.
챔버 본체(210)는 VOCs 가스를 흡수하지 않는 물질로 제조된다. 예를 들어, 강화유리로 제조된다. 챔버 본체(210)의 제조에 알루미늄 합금 물질을 사용할 수도 있으나, 본 발명에서는 챔버 외부에서 육안으로 VOCs 가스에 노출된 센서의 색변화를 실시간으로 관찰 가능하도록 투명하면서도 VOCs 가스를 흡수하지 않고 내구성이 있는 물질인 강화유리를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 강화유리로 챔버 본체(210)를 제조함으로써, 이음매 없이 내부공간을 갖는 육면체를 일체로 형성할 수 있으므로 밀폐성도 향상된다. 검사용 센서가 수납되는 챔버 본체(210)가 투명한 강화유리로 형성되므로, 센서를 가스상의 VOCs에 노출시키면서 실시간으로 그 색변화의 정도와 색변화의 속도 등을 육안으로 용이하게 관찰할 수 있다.
챔버 본체(210)는 육안 관찰을 방해하지 않으면서, 동시에 빠른 유속으로 챔버 내로 유입되거나 유출되는 공기 유동에 따른 압력을 견딜 수 있도록 벽 두께가 결정된다. 예를 들어, 챔버 본체(210)의 벽 두께는 약 10㎜일 수 있다.
본 실시예에서 챔버 본체(210)는 육면체이므로, 설명의 편의상 4개의 측면 중 가스가 유입되는 방향의 측면을 제 1 면(212), 제 1 면과 대향하는 측면을 제 2 면(217), 나머지 2개의 측면 중 하나를 제 3 면(219), 제 3 면과 대향하는 측면을 제 4 면(214), 상면을 제 5 면(215a), 저면을 제 6 면(215b)으로 지칭한다. 그러나 이는 각 구성간의 상대적인 연결관계를 설명하기 위한 것일 뿐 각 구성의 절대적인 위치를 한정하는 것이 아님을 본 발명이 속하는 광결정 기반 색변화 센서 분야의 통상의 기술자는 쉽게 이해할 것이다.
챔버 본체(210)는, 제 1 면(212)에 일체로 형성된 가스 유입구(211), 제 2 면(217)에 일체로 형성된 가스 배출구(216), 제 3 면(219)에 일체로 형성된 가스농도 측정구(218), 제 4 면(214)에 일체로 형성된 센서 설치구(213)를 더 포함한다. 가스 유입구(211), 가스 배출구(216), 가스농도 측정구(218), 센서 설치수구(213)는 각각 챔버 본체(210)의 내부공간과 연통하며 외측으로 돌출된 원통 형상의 관으로, 강화유리로 형성된다. 가스 유입구(211), 가스 배출구(216), 가스농도 측정구(218), 센서 설치구(213)의 치수(직경, 길이 등)가 모두 동일해야 하는 것은 아니지만, 본 실시예에서는 동일한 치수를 갖는다.
가스 유입구(211)에는 공급관(110)이 설치된다. 이를 위해, 챔버(200)는 가스 유입구(211)를 밀폐하고 공급관(110)이 삽입되는 유입측 밀폐용 마개(111)를 포함한다. 가스 배출구(216)에는 배출관(120)이 설치된다. 이를 위해, 챔버(200)는 가스 배출구(216)를 밀폐하고 배출관(120)이 삽입되는 배출측 밀폐용 마개(121)를 포함한다.
공급관(110)은 VOCs 가스 공급원(10)에 선택적으로 유체 연통하여 VOCs를 챔버(200)로 공급할 수 있다. 배출관(120)은 흡입 펌프(140)에 연결되어 챔버(200)를 통과한 VOCs 가스를 배출한다. 제어기(150)는 펌프의 작동을 제어하여 챔버의 내부공간을 유동하는 VOCs 가스의 유속을 조절할 수 있다.
가스농도 측정구(218)에는 가스 채취용 튜브(171)가 설치되고 가스 채취용 튜브(171)가 가스농도 측정기(미도시)에 연결되거나, 가스농도 측정구(218)에 직접 휴대용 가스농도 측정기(미도시)가 설치될 수도 있다. 이를 위해, 챔버(200)는 가스농도 측정구(218)를 밀폐하고 가스 채취용 튜브(171) 또는 가스농도 측정기가 삽입되는 농도측정측 밀폐용 마개(178)를 포함한다.
센서 설치구(213)는, 센서 안착 트레이(230)를 챔버에 수납하였다가 꺼내기 용이한 직경 및 길이를 가질 수 있다. 도 4를 참조하면, 센서 설치구(213)를 밀폐하는 설치구 밀폐용 마개(173)를 분리하고 트레이(230)를 꺼낼 수 있으며, 트레이(230) 위의 센서를 교체한 후 다시 센서 설치구(213)를 통해 챔버 내부공간으로 트레이(230)를 수납할 수 있다. 변형 실시예로서, 센서 설치구(213)를 형성하지 않고, 가스농도 측정구(218)를 통해 센서 안착 트레이(230)를 챔버에 수납할 수도 있다. 즉, 센서 설치구(213)가 없는 실시예의 경우 가스농도 측정구(218)가 센서 설치구의 기능도 할 수 있다.
도 3 내지 도 5에서 밀폐용 마개(111, 121, 173, 178)에 도시된 복수의 원은 관통공이 아니며 시린지를 관통 삽입할 수 있는 위치를 가이드하는 홈을 도시한 것이다. 밀폐용 마개에 홈이 반드시 필요한 것은 아니고 생략 가능하다.
밀폐용 마개(111, 121, 173, 178)는 VOCs 가스를 흡수하지 않는 물질로 이루어지며, 예를 들어 부틸고무 마개(bromobutyl rubber elastomer stopper)일 수 있다. 부틸고무 마개는 시린지를 가이드 홈에 관통 삽입한 후에도 밀폐성이 보장되므로, 강화유리 소재의 챔버 본체(210)의 구멍들(가스 유입구, 가스 배출구, 가스농도 측정구, 센서 설치구 등)을 간이한 방식으로 효과적으로 밀폐할 수 있다. 부틸고무 마개는 공지의 구성으로 상세한 설명을 생략한다.
챔버 본체(210)는, 서로 마주보는 제 1 면(212)과 제 2 면(217) 사이에 배치된 제 1 다공판(252) 및 제 2 다공판(257)을 더 포함하여 가스 유입구(211)를 통해 내부공간으로 유입되는 VOCs 가스가 여러 방향에서 고르게 확산될 수 있다. 이를 위해, 제 1 다공판(252)는 제 1 면(212), 즉 가스 유입측에 더 가깝게 배치되며 제 1 면(212)과 대향하고, 제 2 다공판(257)은 제 2 면(217), 즉 가스 배출측에 더 가깝게 배치되며 제 2 면(217)과 대향한다. 이때 제 1 면(212)과 제 1 다공판(252)이 너무 가까우면 가스 유입구(211)로 유입된 VOCs 가스가 다공판(252)의 특정 위치의 구멍으로만 많이 통과할 수 있으므로, 제 1 면(212)과 제 1 다공판(252) 사이의 거리는 적어도 10㎜는 되는 것이 좋다.
제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257) 사이의 거리는, 그 사이에 센서 안착 트레이(230)가 놓일 수 있을 정도의 공간이 확보될 수 있는 거리로 결정된다. 또한, 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257) 사이에 전술한 가스 채취용 튜브(171)의 단부가 위치할 수 있다.
제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257)에는 각각 복수의 관통공(251, 256)이 형성되어 VOCs 가스가 챔버 내부에 고르고 빠르게 확산되도록 한다. 각 관통공(251, 256)의 크기가 너무 크면 가스 유입구/배출구에 가까운 구멍으로만 VOCs 가스가 몰려서 통과할 수 있고, 반대로 관통공의 크기가 너무 작으면 가스 유동시 압력이 과도하게 높아질 수 있다. VOCs 가스의 균일한 확산에 적합한 각 관통공(251, 256)의 직경은 5㎜ 내지 10㎜이다.
제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257)은 센서 감지능의 검사시 챔버 내부의 VOCs의 최고 유량(예를 들어, 10L/min)을 고려하여 두께가 결정된다. 예를 들어, 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257)은 챔버 본체(210)의 벽 두께와 동일하게 10㎜일 수 있다. 그리고 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257)은 챔버 본체(210)의 벽과 일체로 형성되며, 강화유리이다.
본 발명에서는, 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257)을 구비하여 챔버 내부로 VOCs 가스의 고르고 빠른 확산이 가능하므로, 챔버 내부에 일정한 농도의 VOCs 가스를 신속하게 포화시킬 수 있다. 따라서, 광결정 색변화 센서의 VOCs 가스 감지능 검사시, 센서의 색변화 정도와 함께 색변화 속도도 정확하게 측정할 수 있다.
챔버 본체(210)의 내부공간은, 빠른 시간 내에 VOCs로 포화될 수 있도록 센서 수납에 필요한 최소한의 체적을 갖는다. 예를 들어, 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257) 사이의 거리(x축 방향 거리)는 50㎜일 수 있다. 그리고 제 1 및 제 2 다공판(252, 257)의 가로길이(y축 방향 길이)는 90㎜, 세로길이(z축 방향 길이)는 75㎜일 수 있다. 그리고 전술한 바와 같이 각 다공판의 두께는 10㎜일 수 있다.
일 실시예로서, 공급관(110)에는 VOCs 가스 공급원(10)과의 선택적인 유체 연통을 위한 밸브(160)가 더 설치되고. VOCs 가스 공급원(10)은 밸브를 통해 공급관(110)에 연결될 수 있다. 이 경우 제어기(150)로 밸브(160)의 개폐동작을 제어하여 공급관(110)이 선택적으로 VOCs 가스를 공급받도록 할 수 있다.
또한, VOCs 가스가 없는 공기를 선택적으로 공급관(110)에 공급하기 위해서, 밸브(160)에는 공기압축기(20)가 더 연결될 수 있다. 이 경우 제어기(150)는 밸브(160)의 개폐동작을 제어하여 공급관(110)이 VOCs 가스 대신 깨끗한 공기를 공급받도록 할 수 있다.
챔버 본체(210)의 제 5 면(215a)에는 중앙에 측정 프로브(130)가 삽입될 수 있도록 프로브 관통공(215)이 형성된다. 측정 프로브(130)와 프로브 관통공(215) 사이를 밀폐하기 위해서, 그 사이에 밀폐링(135)이 더 구비된다. 밀폐링(135)은 VOCs 가스를 흡수하지 않는 소재이며, 예를 들어 부틸고무 마개와 동일한 소재일 수 있다. 측정 프로브(130)는 프로브 관통공(215)을 통해 챔버 내부로 삽입되며, 센서 안착 트레이(230) 위의 센서를 향해 광을 조사하고, 센서의 색변화를 측정한다.
센서 안착 트레이(230)는 전술한 바와 같이 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257) 사이의 공간에 수용되는 크기를 가지며 센서 교체를 용이하게 한다. 센서 안착 트레이(230)는, 제 1 다공판(252)과 제 2 다공판(257) 사이에 위치하며 챔버 본체(210)의 제 6 면(215b) 위에 놓인다. 챔버 상부에 고정된 측정 프로브(130)에 대해서 센서를 위치시키기 위해 트레이 위에 센서가 안착될 수 있다. 검사가 끝난 센서를 챔버(200)에서 쉽게 꺼낼 수 있도록 센서 안착 트레이(230)는 손잡이(233, 234)를 포함한다. 그리고 센서는 트레이(230) 상에 별도의 고정부재(231), 예를 들어 접착테이프와 같은 부재가 마련되고 그 위에 센서(S)가 고정될 수 있다. 센서의 반사광 파장 측정의 정확성을 높일 수 있도록 센서 안착 트레이(230)는 검정색의 알루미늄 소재로 구성된다.
제어기(150)는 흡입 펌프(140)의 작동을 제어하여 챔버의 내부를 유동하는 VOCs 가스의 유속을 조절할 수 있다. 이하에서는 제어기(150)의 구체적인 기능을, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 방법과 함께 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 방법의 순서도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 방법은, 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 장치를 사용하여 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 감지능 검사 방법은, VOCs 감지 센서의 초기 반사광 파장(Winitial)을 측정하는 단계(S110), 그 후 제1시간 동안 챔버 내로 VOCs 가스를 공급하는 단계(S120), 제1시간 경과 후 제2시간 동안 챔버에 VOCs 가스를 공급하면서 센서의 반사광 파장(Wexposed)을 측정하는 단계(S130), VOCs 가스의 공급을 중단하고 제3시간 동안 VOCs 가스가 없는 공기를 챔버에 공급하면서 센서의 반사광 파장(Wreturn)을 측정하는 단계(S140), 측정 데이터에 기초하여 VOCs 감지 센서의 밴드갭 이동을 분석하는 단계(S150)를 포함한다.
다만, 선택적으로 제3시간 동안 반사광 파장(Wreturn)을 측정하는 단계(S140)는 생략 가능하다.
먼저 VOCs 감지 센서의 감지능 검사를 위해서, 센서 안착 트레이(230) 위에 센서를 고정시킨 후, 챔버 본체(210)의 제 6 면(215b)에 트레이를 놓고 센서 설치구(213)를 설치구 밀폐용 마개(173)로 막는다.
초기 반사광 파장(Winitial)을 측정하는 단계(S110)는, 측정 프로브(130)로 VOCs 가스가 챔버(200)에 공급되기 전의 초기 시간 동안 센서의 초기 반사광 파장을 측정한다. 예를 들어, 초기 시간은 50초일 수 있다. 그리고 측정 프로브(130)는 1초에 한번씩 센서의 초기 반사광 파장(Winitial)을 측정하는 방식으로 복수 번 파장을 측정할 수 있다. 초기 시간에는 VOCs 가스가 공급되기 전이므로 펌프는 작동하지 않는다.
정확한 측정을 위해, 공급관(110)에는 VOCs 가스 공급원이 연결되지 않는다. 공급관(110)에 밸브(160)가 설치되는 실시예의 경우, 상기 제어기(150)에 의해 밸브의 동작을 제어하여 VOCs 가스 공급원과의 연결을 차단한다.
제1시간 동안 챔버 내로 VOCs 가스를 공급하는 단계(S120)는, 초기시간이 경과한 후 제어기(150)가 흡입 펌프(140)의 작동을 제어하여 제1 가스 유속으로 VOCs 가스를 챔버(200)로 공급한다. 제1시간은, 가스농도 측정구(218)를 통해 실시간 측정한 VOCs 가스의 농도가 기결정된 농도 이상이 되는데 걸리는 시간일 수 있다. 기결정된 농도는, 센서의 감지능의 민감도를 측정하기 위한 최소한의 농도에 기초하여 결정될 수 있다.
제1시간 경과 후 제2시간 동안 챔버에 VOCs 가스를 공급하면서 센서의 반사광 파장(Wexposed)을 측정하는 단계(S130)는, 제2시간 동안 챔버 내에서 VOCs 가스 농도가 균일하게 유지되도록 제어기(150)가 펌프(140)의 동작을 제어하여 제2 가스 유속으로 VOCs 가스를 유동시킨다. 그리고 측정 프로브(130)는 1초에 한번씩 센서의 반사광 파장(Wexposed)을 측정하는 방식으로 제2시간 동안 복수 번 파장을 측정할 수 있다.
여기서 제2 가스 유속은 상기 제1 가스 유속보다 느리다. 예를 들어, 제1 가스 유속은 10L/min이고 제2 가스 유속은 0.5L/min일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 가스 유속은 챔버의 내부공간을 빠른 시간 안에 특정 가스 농도로 포화시키는데 필요한 어떠한 속도여도 좋다. 그리고 제2 가스 유속은 챔버(200) 내에 포화된 VOCs 가스의 농도를 제2시간 동안 일정하게 유지할 수 있는 어떠한 속도여도 좋다. 그리고 제2시간은 제2 가스 유속으로 유동하는 VOCs 가스에 센서가 노출된 상태에서 상기 센서의 반사광 파장이 더이상 변하지 않을 때까지 걸리는 시간일 수 있다.
VOCs 가스의 공급을 중단하고 제3시간 동안 VOCs 가스가 없는 공기를 챔버에 공급하면서 센서의 반사광 파장(Wreturn)을 측정하는 단계(S140)는, 먼저 제2시간이 경과한 후 제어기(150)가 펌프(140)의 작동을 중지시켜 VOCs 가스의 공급이 중단되도록 한다. 그리고 VOCs 가스 공급원과 연결된 공급관(110)의 밸브를 닫고, 대신 공기압축기를 공급관(110)에 연결시켜 VOCs 공기가 없는 깨끗한 공기를 챔버 내부공간으로 공급하면서 센서의 반사광 파장(Wreturn)을 측정한다.
전술한 바와 같이 공급관(110)이 자동으로 VOCs 가스 공급원(10)과 공기압축기(20)에 선택적으로 유체 연통 및 유체 연통이 해제되도록 밸브(160)를 추가로 구성할 수 있다. 그리고 제어기(150)가 밸브를 제어하여 공급관(110)이 VOCs 가스 공급원 및 공기압축기 중 하나에만 선택적으로 유체 연통되게 구성될 수 있다.
측정 데이터에 기초하여 VOCs 감지 센서의 밴드갭 이동을 분석하는 단계(S150)는 이하의 실험예에서 상세하게 설명한다.
실험예
센서에 노출시킬 일정 농도의 VOCs 공급원(10) 제조를 위해서, 30L의 테들러백(tedlar bag)에 공기 압축기로 공기를 채운 후, 액상의 VOCs 용액(벤젠, 톨루엔, xylene, 아세톤)을 목표 농도(ppm)가 되도록 주입하였다. 테들러백을 항온교반기에 넣고 25℃에서 120(rpm)으로 12시간 이상 교반하여 액상의 VOCs를 충분히 기화시켰다. 그 후 테들러백을 밸브를 통해 공급관(110)에 연결하였다.
VOCs 감지 센서는 광결정 구조와 PDMS(polydimethylsiloxane) 물질을 사용하여 제조하였다.
센서의 파장 변화는 디지털 방식 스펙트로미터(HRP-S250, Ocean Optics Inc., USA)와 광원(HL-2000-FHS, Ocean Optics Inc., USA)을 사용하여 측정하였으며, 스펙트로미터와 광원에 전기적으로 연결된 측정 프로브(130)를 챔버 덮개(250)에 설치하였다. 노트북을 스펙트로미터와 유선 또는 무선 연결하여 센서의 반사광 파장을 1초 간격으로 복수 회 측정하였다.
먼저, VOCs에 노출되지 않는 초기 시간인 50초동안 파장(Winitial)을 측정하였다. 그 후, 10초 동안 10L/min의 제1 가스 유속으로 챔버의 내부공간(201)으로 VOCs를 주입하였다. 즉, 제어기(150)로 펌프(140)를 작동시켜 챔버 내로 10L/min의 유속으로 VOCs 가스가 공급되도록 한다. 10초는 공급관 내의 VOCs 가스 농도와 배출관 내의 VOCs 가스 농도가 모두 100ppm에 도달하는데 걸린 시간이다.
그 후 제어기(150)로 펌프(140)를 작동시켜 챔버 내로 0.5L/min의 제2 가스 유속으로 VOCs 가스를 공급하여 수 분간 챔버 내부의 VOCs 가스 농도를 유지하면서 VOCs 가스에 노출된 센서의 반사광 파장(Wexposed)을 측정하였다. 센서의 반응 속도에 따라 3분 내지 6분이 소요된다.
센서의 파장 변화가 더이상 없으면 펌프(140)의 작동을 정지시켜 VOCs 가스의 공급을 중단하고, 공급관(110)에 테들러백 대신 공기압축기를 연결하여 VOCs 가스가 없는 깨끗한 공기를 주입한다. 깨끗한 공기를 3분 이상 주입하면서 1초마다 센서의 반사광 파장(Wreturn)을 측정한다. 센서의 반사광 파장이 더이상 변하지 않으면 측정을 종료한다.
도 7은 1000ppm의 Xylene 가스에 노출된 센서(S)의 반사광 파장을 챔버(200) 내부의 가스 농도와 함께 시간별로 측정하여 분석한 그래프이다. 본 그래프에서는 챔버를 VOCs 가스로 포화시키기 위해 10L/min의 속도로 Xylene 가스를 공급하는 동안에도 센서의 반사광 파장을 계속 측정하여 모든 시간에 대해서 파장을 표시하였다. 그리고 도 8은 도 7에서 파장에 대해서만 시간별로 표시한 그래프이고, 도 9는 도 7에서 Xylene 가스의 농도에 대해서만 시간별로 표시한 그래프이다.
스펙트로미터로 측정한 파장별 강도(intensity) 데이터에서 시간별 최고 강도를 갖는 파장 값인 피크 파장을 MATLAB(MathWorks, USA)을 이용하여 계산하고, 도 8와 같이 센서의 감지능을 분석하였다. Xylene 가스를 주입하기 전의 30개 파장 측정값의 평균을 초기 반사광 파장(Winitial)으로 설정하고, 공기 주입 전의 100개의 파장 측정값의 평균을 반사광 파장(Wexposed)으로 설정하여, Xylene 가스에 노출된 센서의 밴드갭 이동(㎚)을 분석하였다.
측정 결과 투명 챔버에 1000ppm의 Xylene 가스를 유동시키면서 센서를 노출시켰을 때 4.1±0.287㎚의 밴드갭 이동이 발생함을 확인할 수 있다. 또한, 투명 유리 챔버에서는 챔버 내부의 Xylene 가스 농도를 가스 측정구(218)에 설치된 가스측정기 내지 가스 채취용 튜브(171)를 통해 실시간으로 파악할 수 있으므로 도 7과 같이 실시간 VOCs 가스 농도를 측정된 파장과 함께 분석한 그래프를 통해 센서의 감지능을 보다 정확하게 검사할 수 있다. 또한, 투명 챔버 내에 센서(S)를 수납하여 검사하므로 챔버 내의 VOCs 가스의 실시간 농도를 확인하면서 동시에 육안으로 실제로 센서(S)의 색변화 정도와 색변화 속도를 관찰할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.
Claims (15)
- 광결정 기반 색변화 센서를 수납할 수 있는 공간을 형성하는 복수의 면을 포함하는, 투명한 챔버 본체;를 포함하고,
상기 챔버 본체는, 제 1 면에 일체로 형성된 가스 유입구, 상기 제 1 면과 대향하는 제 2 면에 일체로 형성된 가스 배출구, 및 제 3 면에 일체로 형성된 가스농도 측정구를 포함하여, 광결정 기반 색변화 센서의 감지능을 감지 대상 가스를 유동시키면서 검사할 수 있고,
상기 가스 유입구를 개폐할 수 있는 유입측 밀폐용 마개;
상기 가스 배출구를 개폐할 수 있는 배출측 밀폐용 마개; 및
상기 가스농도 측정구를 개폐할 수 있는 농도측정측 밀폐용 마개;를 더 포함하고,
상기 유입측 밀폐용 마개, 배출측 밀폐용 마개 및 농도측정측 밀폐용 마개는, 감지 대상 가스를 흡수하지 않는 소재로 이루어지는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제1항에 있어서,
상기 감지 대상 가스는, 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 가스이고,
상기 센서는, VOCs 가스에 노출되면 광결정 배열이 변하는 광결정 기반 색변화 센서인,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제1항에 있어서,
상기 챔버 본체는,
상기 제 1 면과 대향하며, 상기 제 1 면과 제 2 면 사이에서 상기 제 2 면보다 상기 제 1 면에 더 가깝게 배치되는 투명한 제 1 다공판을 더 포함하는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제3항에 있어서,
상기 가스농도 측정구는, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 면 사이의 공간과 연통하도록 배치되는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제3항에 있어서,
상기 제 1 다공판과 대향하며, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 면 사이에서 상기 제 1 다공판보다 상기 제 2 면에 더 가깝게 배치되는 투명한 제 2 다공판을 더 포함하는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제5항에 있어서,
상기 가스농도 측정구는, 상기 제 1 다공판과 상기 제 2 다공판 사이의 공간과 연통하도록 배치되는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제5항에 있어서,
상기 제 1 다공판과 상기 제 2 다공판 사이의 공간에 수납 가능한 센서 안착 트레이를 더 포함하는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제7항에 있어서,
상기 챔버 본체는, 제 4 면에 일체로 형성되는 센서 설치구를 더 포함하여, 상기 챔버에 센서 안착 트레이를 수납하거나 수납된 센서 안착 트레이를 챔버에서 꺼낼 수 있는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제7항에 있어서,
상기 센서 안착 트레이는, 검정색의 알루미늄 소재로 이루어지는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제3항에 있어서,
상기 제 1 다공판에 형성된 구멍의 크기는, 직경 5㎜ 내지 10㎜ 사이인,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제1항에 있어서,
상기 투명한 챔버 본체는 강화유리 소재로 이루어지는,
센서의 감지능 검사용 챔버. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 센서의 감지능 검사용 챔버;
광원 및 스펙트로미터와 전기적으로 연결되며, 상기 센서의 색변화 측정을 위해 상기 챔버에 설치되는 측정 프로브;
상기 유입측 밀폐용 마개에 관통 설치되는 공급관;
상기 배출측 밀폐용 마개에 관통 설치되는 배출관;
상기 배출관에 연결된 흡입 펌프; 및
상기 펌프의 작동을 제어하여 챔버 내부를 유동하는 감지 대상 가스의 유속을 조절하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는, 상기 가스농도 측정구를 통해 실시간으로 측정된 챔버 내부의 감지 대상 가스의 농도에 기초하여 상기 유속을 조절하는,
센서의 감지능 검사 장치. - 제12항에 있어서,
상기 농도측정측 밀폐용 마개에 관통 설치된 가스 채취용 튜브; 및
상기 가스 채취용 튜브에 연결되는 가스농도 측정기를 더 포함하고,
상기 제어기는, 상기 가스농도 측정기를 통해 실시간으로 측정한 감지 대상 가스의 농도에 기초하여 상기 유속을 조절하는,
센서의 감지능 검사 장치. - 제12항에 있어서,
상기 측정 프로브는, 상기 펌프가 작동하지 않는 초기 시간 동안 챔버에 수납된 상기 센서의 초기 반사광 파장을 측정하고,
상기 제어기는, 초기 시간이 경과한 후 제1시간 동안 제1 가스 유속으로 상기 챔버로 감지 대상 가스가 공급되고 그 후 제2시간 동안 제2 가스 유속으로 상기 챔버로 감지 대상 가스가 공급되도록 상기 펌프를 제어하고,
상기 측정 프로브는, 상기 제2시간 동안 챔버에 수납된 상기 센서의 반사광 파장을 측정하는,
센서의 감지능 검사 장치. - 제14항에 있어서,
상기 제2 가스 유속은 상기 제1 가스 유속보다 느린,
센서의 감지능 검사 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210137743A KR20230054126A (ko) | 2021-10-15 | 2021-10-15 | 광결정 기반 색변화 센서의 감지능 평가용 투명 챔버 및 이를 포함하는 검사 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210137743A KR20230054126A (ko) | 2021-10-15 | 2021-10-15 | 광결정 기반 색변화 센서의 감지능 평가용 투명 챔버 및 이를 포함하는 검사 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230054126A true KR20230054126A (ko) | 2023-04-24 |
Family
ID=86142002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210137743A KR20230054126A (ko) | 2021-10-15 | 2021-10-15 | 광결정 기반 색변화 센서의 감지능 평가용 투명 챔버 및 이를 포함하는 검사 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230054126A (ko) |
-
2021
- 2021-10-15 KR KR1020210137743A patent/KR20230054126A/ko not_active Application Discontinuation
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