KR102795331B1 - 가스 농도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

가스 농도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

일 양상에 따른 가스 농도 측정 장치는 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서와, 타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항 변화를 모니터링하고, 상기 전기 저항 변화 형태를 분석하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

가스 농도 측정 장치 및 방법{Gas concentration measurement apparatus and method}
가스 농도 측정 기술과 관련된다.
특정 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 센서의 경우 가스 분자가 센서 표면에 흡착/탈착하면서 생기는 전기 저항의 변화로 가스 농도를 측정하는 방식을 주로 이용한다.
통상적인 측정 환경에서는 측정 대상 가스는 공기와 함께 혼합되어 가스 센서로 주입되며, 이 경우 측정 대상 가스 이외에 공기 중에 혼합되어 있는 다양한 가스들은 가스 센서의 정확도를 감소시키는 원인이 된다.
가스 농도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 가스 농도 측정 장치는, 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서와, 타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항 변화를 모니터링하고, 상기 전기 저항 변화 형태를 분석하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 소정의 함수를 이용하여 상기 전기 저항 변화를 상기 산화 반응에 의한 전기 저항 변화분과 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분의 합으로 근사화하고, 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
상기 소정의 함수는 시그모이드 함수일 수 있다.
상기 프로세서는 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
상기 감지막은 금속 산화물 반도체, 그래핀, 산화 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 또는 이들의 복합체 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 감지막은 나노 구조체를 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체는 나노섬유, 나노튜브, 나노입자, 나노구, 나노벨트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 감지막은 가스 반응 감도와 선택도를 위한 금속 촉매를 포함할 수 있다.
상기 가스 센서는, 상기 감지막의 전기 저항을 측정하는 전기 저항 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 센서는, 상기 감지막의 활성도를 조절하기 위한 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 농도 측정 장치는, 상기 감지막에 가해지는 압력 또는 상기 감지막 주의의 압력을 측정하는 압력 센서, 상기 감지막의 온도 또는 상기 감지막 주의의 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 감지막 주위의 습도를 측정하는 습도 센서 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 측정된 압력, 상기 측정된 온도 및 상기 측정된 습도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 판단된 타겟 가스의 농도를 보정할 수 있다.
다른 양상에 따른 가스 농도 측정 장치는, 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서와, 타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항의 변화를 모니터링하고, 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 프로세서를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
상기 소정 구간은 평탄 구간(plateau)일 수 있다.
상기 소정 구간은 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 소정의 시간이 경과된 시점까지의 구간일 수 있다.
상기 감지막은 금속 산화물 반도체, 그래핀, 산화 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 또는 이들의 복합체 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 감지막은 나노 구조체를 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체는 나노섬유, 나노튜브, 나노입자, 나노구, 나노벨트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 감지막은 가스 반응 감도와 선택도를 위한 금속 촉매를 포함할 수 있다.
상기 가스 센서는, 상기 감지막의 전기 저항을 측정하는 전기 저항 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 센서는, 상기 감지막의 활성도를 조절하기 위한 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 농도 측정 장치는, 상기 감지막에 가해지는 압력 또는 상기 감지막 주위의 압력을 측정하는 압력 센서, 상기 감지막의 온도 또는 상기 감지막 주의의 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 감지막 주위의 습도를 측정하는 습도 센서 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 측정된 압력, 상기 측정된 온도 및 상기 측정된 습도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 판단된 타겟 가스의 농도를 보정할 수 있다.
또 다른 양상에 따른 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서를 이용하여 가스 농도를 측정하는 방법은, 타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항의 변화를 모니터링하는 단계와, 상기 전기 저항의 변화 형태를 분석하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는, 소정의 함수를 이용하여 상기 전기 저항 변화를 상기 산화 반응에 의한 전기 저항 변화분과 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분의 합으로 근사화하는 단계와, 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소정의 함수는 시그모이드 함수일 수 있다.
상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는, 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는, 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
또 다른 양상에 따른 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서를 이용하여 가스 농도를 측정하는 방법은, 타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항의 변화를 모니터링하는 단계와, 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
상기 소정 구간은 평탄 구간(plateau)일 수 있다.
상기 소정 구간은 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 소정의 시간이 경과된 시점까지의 구간일 수 있다.
가스 센서의 감지막의 전기 저항 변화를 모니터링하고 전기 저항 변화 형태 또는 기울기를 분석하여 타겟 가스의 농도를 판단함으로써, 극 미량의 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있으며, 타겟 가스 농도 판단의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한
도 1은 가스 농도 측정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 감지막의 전기 저항 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 제1 농도 추정식을 생성하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4a 및 도 4b는 제2 농도 추정식을 생성하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5a 및 도 5b는 제2 농도 추정식을 생성하는 과정을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
도 6은 가스 센서의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 가스 농도 측정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 가스 농도 측정 장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 가스 농도 측정 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 가스 농도 측정 방법의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
한편, 각 단계들에 있어, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 수행될 수 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 각 구성부는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 가스 농도 측정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 감지막의 전기 저항 변화를 설명하기 위한 예시도이다. 도 2는 감지막이 n형 금속 산화물 반도체로 형성되는 경우의 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 가스 농도 측정 장치(100)는 가스 센서(110) 및 프로세서(120)를 포함할 수 있다.
가스 센서(110)는 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막(sensing layer)(111)을 포함할 수 있다.
감지막(111)은 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하는 가스 반응 물질로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 가스 반응 물질은 금속 산화물 반도체(Metal Oxide Semiconductor, MOS), 그래핀(graphene), 산화 그래핀(graphene Oxide), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 전도성 고분자 또는 이들의 복합체 등을 포함할 수 있다. 또한 가스 반응 물질은 나노 구조체를 포함하며 2D-sheet 구조로 배열될 수 있다. 여기서 나노 구조체는 나노섬유, 나노튜브, 나노입자, 나노구, 나노벨트 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 감지막(111)은 가스 반응 감도와 선택도를 위한 금속 촉매를 포함할 수 있다. 이때 금속 촉매는 나노 사이즈 템플레이트(nano-size template)를 이용하여 가스 반응 물질에 분산될 수 있다.
이하 설명의 편의를 위해 가스 반응 물질은 금속 산화물 반도체인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
프로세서(120)는 가스 농도 측정 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하고 가스 농도 측정 장치(100)의 동작과 관련된 각종 신호를 처리할 수 있다.
프로세서(120)는 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서(110)에 주입되면 감지막(111)의 전기 저항 변화를 모니터링하고 감지막(111)의 전기 저항 변화를 분석하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 감지막(111)의 전기 저항 변화의 전체적인 형태(shape)를 분석하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서(110)에 주입되면, 감지막(111)에는 공기 중의 산화 가스(210)에 의한 산화 반응과 타겟 가스(220)에 의한 환원 반응이 동시에 발생할 수 있으며, 감지막(111)의 전기 저항 변화는 산화 가스(210)와 타겟 가스(220)의 경쟁 반응으로 결정될 수 있다. 따라서, 감지막(111)의 전기 저항 변화(250)는 수학식 1과 같이 산화 반응에 의한 전기 저항 변화분(230)과 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분(240)의 합으로 표현될 수 있다.
여기서, 는 산화 가스에 의한 저항 변화분을 나타내고, 는 타겟 가스에 의한 저항 변화분을 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면 프로세서(120)는 소정의 함수를 이용하여 감지막(111)의 전기 저항 변화를 공기 중의 산화 가스(예컨대, 산소)에 의한 산화 반응으로 발생하는 전기 저항 변화분과 타겟 가스에 의한 환원 반응으로 발생하는 전기 저항 변화분의 합으로 근사화할 수 있다. 여기서 소정의 함수는 로지스틱 함수(logistic function), 쌍곡선 함수(hyperbolic function), 아크탄젠트 함수(arctangent function), 오차 함수(error function) 등을 포함하는 시그모이드 함수(sigmoid function)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 프로세서(120)는 수학식 2로 감지막(111)의 전기 저항 변화를 근사화할 수 있다.
여기서, 는 산화 가스에 의한 산화 반응으로 발생하는 전기 저항 변화분을 나타내고, 는 타겟 가스에 의한 환원 반응으로 발생하는 전기 저항 변화분을 나타낼 수 있다. b 및 c는 공기 중 산화 가스의 특성을 나타내며, d 및 e는 타겟 가스의 특성을 나타낼 수 있다. a, b 및 c는 후술하는 바와 같이 제1 농도 추정식 생성 과정에서 미리 결정될 수 있다.
프로세서(120)는 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 기반으로 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
예컨대, 프로세서(120)는 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항(term)의 계수와 제1 농도 추정식을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 이때, 제1 농도 추정식은 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수와 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의할 수 있으며, 회귀분석을 통해 실험적으로 미리 구축되어 프로세서(120)의 내부 또는 외부 데이터베이스에 저장될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 수학식 2의 계수 d와 제1 농도 추정식(이때의 제1 농도 추정식은 계수 d와 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의함)을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단하거나. 수학식 2의 계수 d 및 계수 e와, 제1 농도 추정식(이때의 제1 농도 추정식은 계수 d, 계수 e, 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의함)을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
한편, 가스 농도 측정 장치(100)가 하나의 타겟 가스의 농도를 판단하는 예를 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 가스 농도 측정 장치(100)는 2 이상의 타겟 가스의 농도를 판단하는 것도 가능하며, 이 경우, 수학식 2에는 추가 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항이 추가될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 프로세서(120)는 감지막(111)의 전기 저항 변화의 기울기를 분석하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 예컨대, 프로세서(120)는 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 제2 농도 추정식을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 이때, 소정 구간은 평탄 구간(plateau), 및 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서(110)에 주입된 시점부터 소정의 시간이 경과된 시점까지의 구간 중 하나일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 소정 구간은 임의의 제1 시점에서 임의의 제2 시점까지의 구간일 수 있다. 제2 농도 추정식은 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의할 수 있으며, 회귀분석을 통해 실험적으로 미리 구축되어 프로세서(120)의 내부 또는 외부 데이터베이스에 저장될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 제1 농도 추정식을 생성하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 3a 내지 도 3c는 감지막이 n형 금속 산화물 반도체로 형성되는 경우의 예를 나타낸다.
도 3a을 참조하면, 공기를 가스 센서에 주입하면, 감지막(111)은 공기 중의 산화 가스에 의한 산화 반응이 발생하여 감지막(111)의 전기 저항이 증가하게 된다(p형 금속 산화물 반도체는 산화 반응에 의해 전기 저항이 감소함).
감지막(111)의 전기 저항 변화를 소정의 함수를 이용하여 근사화할 수 있으며, 이는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
여기서, a, b 및 c는 공기 중의 산화 가스에 의한 전기 저항 변화를 수학식 3으로 근사화하는 과정에서 결정될 수 있으며, 결정된 a, b, c는 수학식 2의 a, b 및 c로 이용될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 타겟 가스의 농도를 달리하여 공기와 함께 가스 센서에 주입하면, 감지막(111)에는 공기 중의 산화 가스에 의한 산화 반응과 타겟 가스에 의한 환원 반응이 동시에 발생하며, 감지막(111)의 전기 저항 변화는 산화 반응에 의한 증가분과 환원 반응에 의한 감소분(p형 금속 산화물 반도체의 경우는 산화 반응에 의한 감소분과 환원 반응에 의한 증가분)의 합으로 나타날 수 있다.
감지막(111)의 전기 저항 변화는 소정의 함수를 이용하여 타겟 가스의 농도별로 근사화할 수 있으며, 이는 수학식 4로 표현될 수 있다.
여기서, i는 타겟 가스의 농도를 나타내는 인덱스일 수 있으며, di와 ei는 타겟 가스의 농도별로 공기 중의 산화 가스와 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화를 수학식 4로 근사화하는 과정에서 결정될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 계수 d와 타겟 가스의 농도는 높은 상관관계를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 계수 d와 타겟 가스의 농도를 회귀분석하여 제1 농도 추정식(310)을 생성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 제2 농도 추정식을 생성하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 4a 및 도 4b는 감지막이 n형 금속 산화물 반도체로 형성되는 경우의 예를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 타겟 가스(220)의 농도를 달리하여 공기와 함께 가스 센서에 주입하면, 감지막(111)에는 공기 중의 산화 가스(210)에 의한 산화 반응과 타겟 가스(220)에 의한 환원 반응이 동시에 발생하며, 감지막(111)의 전기 저항 변화는 산화 반응에 의한 증가분과 환원 반응에 의한 감소분(p형 금속 산화물 반도체의 경우는 산화 반응에 의한 감소분과 환원 반응에 의한 증가분)의 합으로 나타날 수 있다.
각 농도 별로 감지막(111)의 전기 저항 변화의 평탄 구간(plateau)(410)을 판단하여 평탄 구간(410)의 기울기를 각 농도 별로 판단할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 평탄 구간(410)의 기울기와 타겟 가스의 농도는 높은 상관관계를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 평탄 구간(410)의 기울기와 타겟 가스(220)의 농도를 회귀분석하여 제2 농도 추정식(420)을 생성할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 제2 농도 추정식을 생성하는 과정을 설명하기 위한 다른 예시도이다. 도 5a 및 도 5b는 감지막이 n형 금속 산화물 반도체로 형성되는 경우의 예를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 타겟 가스(220)의 농도를 달리하여 공기와 함께 가스 센서에 주입하면, 감지막(111)에는 공기 중의 산화 가스(210)에 의한 산화 반응과 타겟 가스(220)에 의한 환원 반응이 동시에 발생하며, 감지막(111)의 전기 저항 변화는 산화 반응에 의한 증가분과 환원 반응에 의한 감소분(p형 금속 산화물 반도체의 경우는 산화 반응에 의한 감소분과 환원 반응에 의한 증가분)의 합으로 나타날 수 있다.
타겟 가스(220)가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 5초가 경과된 시점까지의 구간(510)의 감지막(111)의 전기 저항 변화의 기울기를 각 농도 별로 판단할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 타겟 가스(220)가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 5초가 경과된 시점까지의 구간(510)의 기울기와 타겟 가스(220)의 농도는 높은 상관관계를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 타겟 가스(220)가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 5초가 경과된 시점까지의 구간(510)의 기울기와 타겟 가스(220)의 농도를 회귀분석하여 제2 농도 추정식(520)을 생성할 수 있다.
도 6은 가스 센서의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 6의 가스 센서(600)는 도 1의 가스 센서(110)의 다른 실시예일 수 있다.
도 6을 참조하면, 가스 센서(600)는 감지막(111), 전기 저항 측정부(610) 및 히터(620)를 포함할 수 있다. 여기서 감지막(111)은 도 1를 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 범위에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전기 저항 측정부(610)는 복수의 전극을 포함하며 감지막(111)의 전기 저항을 측정할 수 있다.
히터(620)는 하나 이상의 전극을 포함하며, 감지막의 활성도를 조절하기 위해 감지막(111)의 온도를 조절할 수 있다.
도 7은 가스 농도 측정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 가스 농도 측정 장치(700)는 가스 센서(110), 프로세서(120), 압력 센서(710), 온도 센서(720) 및 습도 센서(730)를 포함할 수 있다. 여기서 가스 센서(110) 및 프로세서(120)는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 범위에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
압력 센서(710)는 가스 센서(110)의 감지막에 가해지는 압력 또는 감지막 주위의 압력을 측정할 수 있다. 압력 센서(710)는 기압 센서, 가속도 센서, 스트레인 게이지, 압전 필름, 로드셀, 레이다 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
온도 센서(720)는 가스 센서(110)의 감지막의 온도 또는 감지막 주의의 온도를 측정하며, 습도 센서(730)는 가스 센서(110)의 감지막 주위의 습도를 측정할 수 있다.
프로세서(120)는 압력 센서(710)에서 측정된 압력값, 온도 센서(720)에서 측정된 온도값 및 습도 센서(730)에서 측정된 습도값 중 적어도 하나를 기반으로, 감지막(111)의 전기 저항 변화를 분석하여 판단된 타겟 가스의 농도를 보정할 수 있다. 이때, 프로세서(120)는 압력, 온도 및 습도 중 적어도 하나와 타겟 가스의 농도와의 관계를 정의한 농도 보정식을 이용할 수 있다. 농도 보정식은 실험적으로 구축되어 프로세서(120)의 내부 또는 외부 데이터베이스에 저장될 수 있다.
도 8은 가스 농도 측정 장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 가스 농도 측정 장치(800)는 가스 센서(110), 프로세서(120), 입력부(810), 저장부(820), 통신부(830) 및 출력부(840)를 포함할 수 있다. 여기서 가스 센서(110) 및 프로세서(120)는 도 1 내지 도 7을 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 범위에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력부(810)는 사용자로부터 다양한 조작신호를 입력 받을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력부(810)는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(touch pad), 조그 휠(Jog wheel), 조그 스위치(Jog switch), H/W 버튼 등을 포함할 수 있다. 특히, 터치 패드가 디스플레이와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치 스크린이라 부를 수 있다.
저장부(820)는 가스 농도 측정 장치(800)의 동작을 위한 프로그램 또는 명령들을 저장할 수 있고, 가스 농도 측정 장치(800)에 입력되는 데이터, 가스 농도 측정 장치(800)에서 측정된 데이터 및 처리된 데이터 등을 저장할 수 있다. 저장부(820)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 가스 농도 측정 장치(800)는 인터넷 상에서 저장부(820)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 등 외부 저장 매체를 운영할 수도 있다.
통신부(830)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(830)는 가스 농도 측정 장치(800)에 입력되는 데이터 및 저장된 데이터, 가스 농도 측정 장치(800)에서 측정된 데이터 및 처리된 데이터 등을 외부 장치로 전송하거나, 외부 장치로부터 생체 정보 추정에 도움이 되는 다양한 데이터를 수신할 수 있다.
이때, 외부 장치는 가스 농도 측정 장치(800)에 입력되는 데이터 및 저장된 데이터, 가스 농도 측정 장치(800)에서 측정된 데이터 및 처리된 데이터 등을 사용하는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(830)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(840)는 가스 농도 측정 장치(800)에 입력되는 데이터 및 저장된 데이터, 가스 농도 측정 장치(800)에서 측정된 데이터 및 처리된 데이터 등을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력부(840)는 가스 농도 측정 장치(800)에 입력되는 데이터 및 저장된 데이터, 가스 농도 측정 장치(800)에서 측정된 데이터 및 처리된 데이터 등을 청각적 방법, 시각적 방법 및 촉각적 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력할 수 있다. 이를 위해 출력부(840)는 디스플레이, 스피커, 진동기 등을 포함할 수 있다.
도 9는 가스 농도 측정 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 9의 가스 농도 측정 방법은 도 1 내지 도 8을 참조하여 전술한 가스 농도 측정 장치(100, 700, 800)에 의해 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 가스 농도 측정 장치는 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입되면 가스 센서의 감지막의 전기 저항 변화를 모니터링할 수 있다(910).
가스 농도 측정 장치는 감지막의 전기 저항 변화의 전체적인 형태(shape)를 분석하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다(920).
도 2에 도시된 바와 같이, 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입되면, 감지막에는 공기 중의 산화 가스에 의한 산화 반응과 타겟 가스에 의한 환원 반응이 동시에 발생할 수 있으며, 감지막의 전기 저항 변화는 산화 가스와 타겟 가스의 경쟁 반응으로 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면 가스 농도 측정 장치는 소정의 함수를 이용하여 감지막의 전기 저항 변화를 공기 중의 산화 가스에 의한 산화 반응으로 발생하는 전기 저항 변화분과 타겟 가스에 의한 환원 반응으로 발생하는 전기 저항 변화분의 합으로 근사화할 수 있다. 여기서 소정의 함수는 로지스틱 함수(logistic function), 쌍곡선 함수(hyperbolic function), 아크탄젠트 함수(arctangent function), 오차 함수(error function) 등을 포함하는 시그모이드 함수(sigmoid function)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 가스 농도 측정 장치는 전술한 수학식 2로 감지막의 전기 저항 변화를 근사화할 수 있다.
가스 농도 측정 장치는 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 기반으로 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 예컨대, 가스 농도 측정 장치는 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항(term)의 계수와 제1 농도 추정식을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 이때, 제1 농도 추정식은 타겟 가스에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수와 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의할 수 있다. 예를 들어, 가스 농도 측정 장치는 수학식 2의 계수 d와 제1 농도 추정식(이때의 제1 농도 추정식은 계수 d와 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의함)을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단하거나. 수학식 2의 계수 d 및 계수 e와, 제1 농도 추정식(이때의 제1 농도 추정식은 계수 d, 계수 e, 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의함)을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면 가스 농도 측정 장치는 감지막에 가해지는 압력, 감지막 주위의 압력, 감지막의 온도, 감지막 주위의 온도 및 감지막 주위의 습도 중 적어도 하나를 측정하고, 측정된 값을 기반으로 판단된 타겟 가스의 농도를 보정할 수 있다. 이때, 가스 농도 측정 장치는 압력, 온도 및 습도 중 적어도 하나와 타겟 가스의 농도와의 관계를 정의한 농도 보정식을 이용할 수 있다.
도 10은 가스 농도 측정 방법의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 10의 가스 농도 측정 방법은 도 1 내지 도 8을 참조하여 전술한 가스 농도 측정 장치(100, 700, 800)에 의해 수행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 가스 농도 측정 장치는 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입되면 가스 센서의 감지막의 전기 저항 변화를 모니터링할 수 있다(1010).
가스 농도 측정 장치는 감지막의 전기 저항 변화의 기울기를 분석하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 예컨대, 가스 농도 측정 장치는 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 제2 농도 추정식을 이용하여 타겟 가스의 농도를 판단할 수 있다. 이때, 소정 구간은 평탄 구간(plateau), 및 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 소정의 시간이 경과된 시점까지의 구간 중 하나일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 소정 구간은 임의의 제1 시점에서 임의의 제2 시점까지의 구간일 수 있다. 제2 농도 추정식은 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 정의할 수 있다.
이상의 기술적 내용은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
100, 700, 800: 가스 농도 측정 장치
110, 600: 가스 센서
120: 프로세서
111: 감지막
610: 전기 저항 측정부
620: 히터
710: 압력 센서
720: 온도 센서
730: 습도 센서
810: 입력부
820: 저장부
830: 통신부
840: 출력부

Claims (34)

  1. 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서; 및
    타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항 변화를 모니터링하고, 상기 전기 저항 변화 형태를 분석하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 프로세서; 를 포함하고,
    상기 프로세서는
    소정의 함수를 이용하여 상기 전기 저항 변화를 상기 산화 반응에 의한 전기 저항 변화분과 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분의 합으로 근사화하고, 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 함수는 시그모이드 함수인,
    가스 농도 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감지막은 금속 산화물 반도체, 그래핀, 산화 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 또는 이들의 복합체 중 하나로 형성되는,
    가스 농도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감지막은 나노 구조체를 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 나노섬유, 나노튜브, 나노입자, 나노구, 나노벨트 중 적어도 하나를 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 감지막은 가스 반응 감도와 선택도를 위한 금속 촉매를 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스 센서는,
    상기 감지막의 전기 저항을 측정하는 전기 저항 측정부; 를 더 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가스 센서는,
    상기 감지막의 활성도를 조절하기 위한 히터; 를 더 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 농도 측정 장치는,
    상기 감지막에 가해지는 압력 또는 상기 감지막 주위의 압력을 측정하는 압력 센서, 상기 감지막의 온도 또는 상기 감지막 주위의 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 감지막 주위의 습도를 측정하는 습도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 측정된 압력, 상기 측정된 온도 및 상기 측정된 습도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 판단된 타겟 가스의 농도를 보정하는,
    가스 농도 측정 장치.
  14. 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서; 및
    타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항의 변화를 모니터링하고, 소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 프로세서; 를 포함하고,
    상기 프로세서는
    소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 장치.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 소정 구간은 평탄 구간(plateau)인,
    가스 농도 측정 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 소정 구간은 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 소정의 시간이 경과된 시점까지의 구간인,
    가스 농도 측정 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 감지막은 금속 산화물 반도체, 그래핀, 산화 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 또는 이들의 복합체 중 하나로 형성되는,
    가스 농도 측정 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 감지막은 나노 구조체를 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 나노섬유, 나노튜브, 나노입자, 나노구, 나노벨트 중 적어도 하나를 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 감지막은 가스 반응 감도와 선택도를 위한 금속 촉매를 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 가스 센서는,
    상기 감지막의 전기 저항을 측정하는 전기 저항 측정부; 를 더 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 가스 센서는,
    상기 감지막의 활성도를 조절하기 위한 히터; 를 더 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 가스 농도 측정 장치는,
    상기 감지막에 가해지는 압력 또는 상기 감지막 주위의 압력을 측정하는 압력 센서, 상기 감지막의 온도 또는 상기 감지막 주위의 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 감지막 주위의 습도를 측정하는 습도 센서 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    가스 농도 측정 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 측정된 압력, 상기 측정된 온도 및 상기 측정된 습도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 판단된 타겟 가스의 농도를 보정하는,
    가스 농도 측정 장치.
  26. 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서를 이용하여 가스 농도를 측정하는 방법에 있어서,
    타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항의 변화를 모니터링하는 단계; 및
    상기 전기 저항의 변화 형태를 분석하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계; 를 포함하고,
    상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는,
    소정의 함수를 이용하여 상기 전기 저항 변화를 상기 산화 반응에 의한 전기 저항 변화분과 상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분의 합으로 근사화하는 단계; 및
    상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계; 를 포함하는,
    가스 농도 측정 방법.
  27. 삭제
  28. 제26항에 있어서,
    상기 소정의 함수는 시그모이드 함수인,
    가스 농도 측정 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는,
    상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는,
    상기 환원 반응에 의한 전기 저항 변화분을 나타내는 항의 계수와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 방법.
  31. 가스 분자와 산화 반응 또는 환원 반응을 하여 전기 저항이 변하는 감지막을 포함하는 가스 센서를 이용하여 가스 농도를 측정하는 방법에 있어서,
    타겟 가스가 공기와 함께 상기 가스 센서에 주입되면 상기 감지막의 전기 저항의 변화를 모니터링하는 단계; 및
    소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기를 기반으로 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계; 를 포함하고,
    상기 타겟 가스의 농도를 판단하는 단계는,
    소정 구간의 전기 저항 변화의 기울기와 상기 타겟 가스의 농도 사이의 관계를 나타내는 농도 추정식을 이용하여 상기 타겟 가스의 농도를 판단하는,
    가스 농도 측정 방법.
  32. 삭제
  33. 제31항에 있어서,
    상기 소정 구간은 평탄 구간(plateau)인,
    가스 농도 측정 방법.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 소정 구간은 타겟 가스가 공기와 함께 가스 센서에 주입된 시점부터 소정의 시간이 경과된 시점까지의 구간인,
    가스 농도 측정 방법.
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