KR20200121762A - 아세틸렌 감지 센서 및 이를 포함하는 아세틸렌 감지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스에서 아세틸렌을 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼과, 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 아세틸렌을 감지하는 아세틸렌 감지 센서와, 아세틸렌 감지 센서에서 감지된 값으로부터 아세틸렌의 농도를 측정하는 판단부를 포함하는 아세틸렌 감지 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판과, 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극과, 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 다수의 산화물 나노 와이어와, 다수의 산화물 나노 와이어 상부에 증착되는 촉매를 포함하는 아세틸렌 감지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판과, 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극과, 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 다수의 산화물 나노 와이어와, 다수의 산화물 나노 와이어 상부에 증착되는 촉매를 포함하는 아세틸렌 감지 센서를 제공한다.
Description
본 발명은 아세틸렌 감지 센서 및 이를 포함하는 아세틸렌 감지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가스 감지 센서는 산업공정 제어, 대기환경 감시, 광산 유해 가스 감지, 알코올 농도 검사 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 산업 화합물(industrial chemicals)을 신속하고 정확하게 감지하는 기술은 현재 몇 가지가 되지 않는다.
가스는 대부분 유기물을 취급하는 공장이나 자동차의 배기 가스로부터 발생하는 가스로 불완전 연소 과정을 통해 유출되기 쉬운 여러 가지 무색의 유독성 가스이다. 이러한 유독성 가스를 검출하기 위한 가스 감지 센서의 개발이 촉진 되었는데, 일반적인 가스 감지 센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 측정한다. 이와 같은 가스 감지 센서로 많이 사용되는 물질로는 금속산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 다양한 유기물질, 그리고 카본 블랙과 유기물 복합재 등이 있다. 그러나, 대부분 반응도가 낮고 타 가스에 대한 선택성이 부족하여 상용화에 어려움을 겪고 있다.
또한, 변압기 내에서 발생하는 10종 가스들 중에서 아세틸렌은 아크 방전을 예방할 수 있는 중요한 지표인 바, 아세틸렌이 발생한다는 자체만으로도 문제가 된다. 특히, 초기 변압기에서는 아세틸렌이 0.5ppm 이상만 발생하여도 아크 방전이 의심되기 때문에, 변압기 모니터링을 위해 꼭 센싱이 되어야 하는 가스이다. 특히, 요주의 레벨 이상에서 아세틸렌은 각 성분 가스량 중 고장 판정의 유효성이 높은 특징을 가진 가스로 지정되어 변압기 이상 진단의 주요 지표가 되고 있다. 따라서, 변압기 내에서 발생하는 10종 가스들 중에서도 아세틸렌을 높은 반응도로 감지하기 위한 센서가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 아세틸렌에 대해 높은 반응도를 가지는, 기판과 상기 기판 상에 형성되고, 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Si) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 산화물 나노와이어 어레이를 포함하는 감지막을 포함하는 아세틸렌 감지 센서 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 가스에서 아세틸렌을 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼과, 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 아세틸렌을 감지하는 아세틸렌 감지 센서와, 아세틸렌 감지 센서에서 감지된 값으로부터 아세틸렌의 농도를 측정하는 판단부를 포함하는 아세틸렌 감지 장치를 제공한다.
여기서, 판단부는 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 아세틸렌이 아세틸렌 감지 센서에 도달하는 시간에 감지된 아세틸렌 감지 센서의 값을 이용하여 아세틸렌의 농도를 측정한다.
또한, 판단부는 아세틸렌 감지 센서에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 아세틸렌 감지 센서에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교함으로써, 아세틸렌의 농도를 측정한다.
또한, 아세틸렌 감지 센서는 기판, 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 다수의 산화물 나노 와이어 및 상기 다수의 산화물 나노 와이어 상부에 증착되는 촉매를 포함한다.
또한, 다수의 산화물 나노 와이어는 SnO2, WO3, TiO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다.
또한, 촉매는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 팔라듐산화물(PdO), 니켈산화물(NiO), 사마륨산화물(Sm2O3), 환원그래핀산화물(rGO), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au) 및 구리산화물(CuO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함한다.
또한, 본 발명은 기판과, 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극과, 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 다수의 산화물 나노 와이어와, 다수의 산화물 나노 와이어 상부에 증착되는 촉매를 포함하는 아세틸렌 감지 센서를 제공한다.
여기서, 다수의 산화물 나노 와이어는 SnO2, WO3, TiO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다.
또한, 촉매는 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 팔라듐산화물(PdO), 니켈산화물(NiO), 사마륨산화물(Sm2O3), 환원그래핀산화물(rGO), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au) 및 구리산화물(CuO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함한다.
본 발명에 따른 아세틸렌 감지 센서는 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Si) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 산화물 나노 와이어를 포함하는 감지막을 적용한 것을 특징으로 하는바, 산화물 나노 와이어는 아세틸렌에 대해 높은 반응성을 가진다.
특히, 산화물 나노 와이어의 길이를 최적화시키거나, 아세틸렌 감지 센서의 작동 온도를 최적화시킴으로써, 아세틸렌에 대한 반응성을 더욱 향상시킬 수 있어, 건조 공기뿐만 아니라, 절연유 중에서도 별도의 히터를 장착하지 않고, 아세틸렌에 대해 높은 반응성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치에서 아세틸렌이 분리되어 감지되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치의 아세틸렌 감지 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 감지막을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매를 증착하지 않은 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 금(Au)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 백금(Pt)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 팔라듐(Pd)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치에서 아세틸렌이 분리되어 감지되는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치의 아세틸렌 감지 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 감지막을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매를 증착하지 않은 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 금(Au)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 백금(Pt)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 팔라듐(Pd)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어”와 같은 표현에 따라는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치는 가스를 그 종류에 따라 분리하되 분리된 가스 중에서 아세틸렌을 감지하여 그 농도를 측정하는 동작을 수행한다.
이러한 아세틸렌 검출 동작을 위해, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 크로마토그래피 컬럼(40), 아세틸렌 감지 센서(50) 및 제어부(80)를 포함한다. 또한, 이들 구성을 연결하거나 아세틸렌 검출 동작을 보조하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치는 솔레노이드 밸브(10, 30, 60), 샘플링 루프(20) 및 펌프(70)를 포함한다.
제1 솔레노이드 밸브(10)는 그 개폐 여부에 따라 제1 유입관(11) 및 제2 유입관(12)과 샘플링 루프(20)의 사이를 연결하는 구성이다. 즉, 제1 솔레노이드 밸브(10)가 열리는 경우, 제1 유입관(11)으로 유입된 가스와 제2 유입관(12)으로 유입된 운반 에어(air)가 샘플링 루프(20)로 전달된다. 이하, 제1 솔레노이드 밸브(10)에서 전달된 가스 및 운반 에어를 “1차 가스”라 지칭한다.
이때, 가스는 변압기 내에서 발생하여 아무 가공 없이 유입된 가스일 수 있으며, 해당 가스가 별도의 필터(미도시)를 통해 필터링 처리된 가스일 수 있다. 또한, 운반 에어는 가스 외의 공기로서, 외부 공기가 유입된 것이거나 해당 외부 공기가 별도의 필터(미도시)를 통해 필터링 처리된 공기일 수 있다. 이러한 운반 에어는 샘플링 루프(20), 가스 크로마토그래피 컬럼(40), 아세틸렌 감지 센서(50) 등으로 가스를 이송시키는 역할을 한다. 이때, 필터는 실리카겔, 활성탄, 염화칼슘 등과 같이 극성 분자와 비극성 분자를 흡착하는 재질로 충진된 필터일 수 있다.
샘플링 루프(20)는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)으로 주입되기 위한 1차 가스를 포집하는 루프 형상의 구성으로서, 새로운 1차 가스가 유입되면 내부에 이미 포집된 1차 가스를 순차적으로 제2 솔레노이드 밸브(30)로 전달한다. 이때, 샘플링 루프(20)는 그 내측이 1차 가스가 흡착되기 어려운 재질로 구성되며, 직경 대비 길이를 충분히 길게 형성된 구조를 가진다. 예를 들어, 샘플링 루프(20)의 내측은 테프론 등으로 구성될 수 있다.
제2 솔레노이드 밸브(30)는 그 개폐 여부에 따라 샘플링 루프(20)와 가스 크로마토그래피 컬럼(40) 및 바이패스관(13)의 사이를 연결한다. 즉, 제2 솔레노이드 밸브(30)가 열리는 경우, 샘플링 루프(20)로부터 유입되는 1차 가스가 가스 크로마토그래피 컬럼(40) 또는 바이패스관(13)으로 선택적으로 전달된다.
즉, 본 발명에서는 펌프(70)의 흡입 속도를 감안하여 계산된 일정 부피의 1차 가스가 샘플링 루프(20)에 포집되고, 포집된 일정 부피의 1차 가스가 가스 크로마토그래피 컬럼(40)로 전달되도록 구현된다. 이를 위해, 본 발명에서는 정해진 시간에 맞춰 솔레노이드 밸브(10, 30, 60)의 개폐가 구동되도록 작동한다. 이때, 일정 부피를 초과하는 1차 가스는 바이패스관(13)을 통해 배출되며, 이에 따라, 일정 부피의 1차 가스가 가스 크로마토그래피 컬럼(40)으로 전달될 수 있다.
바이패스관(13)은 선택된 1차 가스가 바이패스(by-pass)하는 통로로서, 제2 솔레노이드 밸브(30)과 제3 솔레노이드 밸브(60)의 사이를 연결한다. 이때, '선택된 1차 가스'라는 것은 상술한 일정 부피를 초과하는 1차 가스이거나, 샘플링 루프(20)의 내부에 일정 시간을 초과하여 대기 상태에 있는 1차 가스일 수 있다. 이러한 대기 상태의 1차 가스는 샘플링 루프(20)의 내부를 오염시킬 수 있으므로, 제2 솔레노이드 밸브(30), 제3 솔레노이드 밸브(60) 및 펌프(70)의 작동에 따라 바이패스관(13)을 거쳐 외부로 배출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치에서 아세틸렌이 분리되어 감지되는 모습을 도시한 도면이다.
가스 크로마토그래피 컬럼(40)은 다양한 가스가 혼합 상태로 존재하는 1차 가스를 각각의 단일 화합물로 분리하는 구성으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 유입되는 1차 가스 중에서 분석 목적 대상이 되는 아세틸렌을 분리해 낼 수 있다. 예를 들어, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)의 내부에는 아세틸렌을 분리하기에 적합한 단수의 충진재(예컨대, Porapak Q)를 포함할 수 있다. 이때, 충진재와의 친화력은 각 가스 마다 서로 다르다. 이에 따라, 1차 가스 내에 혼합된 다수의 가스는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)을 통과하면서 그 이동 속도에 차이가 발생(이하, 이와 같이 그 이동 속도 차에 따라 분리된 가스들을 “2차 가스”라 지칭함)하게 되며, 가스 크로마토그래피 컬럼(40)은 이러한 이동 속도 차이를 통해 아세틸렌을 분리해 낼 수 있다. 여기서, 크로마토그래피 컬럼(40)은 아세틸렌을 분리하는데 충분한 시간적 여유를 줄 수 있는 길이(예컨대, 90㎝)로 형성되는 것이 바람직하다.
아세틸렌 감지 센서(50)는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)에서 분리된 2차 가스 중에서 아세틸렌을 감지하는 센서로서, 아세틸렌의 농도에 따라 그 감지되는 값(예를 들어, 전류값)이 달라질 수 있다. 이러한 아세틸렌 감지를 위해, 아세틸렌 감지 센서(50)는 아세틸렌에 대한 감도가 높은 재질로 이루어진 센서인 것이 바람직하다. 특히, 본 발명은 아세틸렌 감지 센서(50)를 통과하는 2차 가스 중 아세틸렌이 갖는 고유의 이동 속도에 따라 계산된 해당 아세틸렌의 아세틸렌 감지 센서(50) 통과 시간 동안에 감지된 아세틸렌 감지 센서(50)의 값을 이용함으로써 해당 아세틸렌에 대한 농도를 보다 정확하게 감지(이하, “아세틸렌 감지 동작”이라 지칭함)할 수 있다. 이러한 아세틸렌 감지 동작은 후술할 제어부(80)의 판단부(81)에 의해 수행될 수 있다.
제3 솔레노이드 밸브(60)는 그 개폐 여부에 따라 아세틸렌 감지 센서(50)와 펌프(70)의 사이를 연결한다. 즉, 제3 솔레노이드 밸브(30)가 열리는 경우, 아세틸렌 감지 센서(50)를 통과한 2차 가스가 펌프(70)를 거쳐 외부로 배출된다.
펌프(70)는 운반 에어, 1차 가스 및 2차 가스가 각 구성으로 유입 및 배출될 수 있도록 그 동력을 제공한다. 펌프(70)의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 펌프(70)는 진공 펌프로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치는 각 구성의 동작을 구동하고 수행된 동작의 결과를 외부에 알리기 위해, 제어부(80), 표시부(90) 및 전원부(100)를 포함한다.
제어부(80)는 상술한 각 구성을 제어하기 위한 구성으로서, 판단부(81), 센서 구동부(82) 및 하드웨어 제어부(83)를 포함할 수 있다.
판단부(81)는 아세틸렌 감지 센서(50)에서 감지된 값으로부터 아세틸렌의 농도를 측정하는 구성으로서, 상술한 아세틸렌 감지 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 판단부(81)는 측정된 아세틸렌의 농도를 이용하여 가스를 배출한 변압기의 이상 여부를 판단할 수 있다.
아세틸렌의 농도를 측정하기 위해, 판단부(81)는 구체적으로 아세틸렌 감지 센서(50)에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 아세틸렌 감지 센서(50)에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교할 수 있다. 즉, 아세틸렌 감지 센서(50)에서 검출된 전류값은 해당 아세틸렌에 대한 농도를 지시하는 값일 수 있다. 이 경우, 판단부(81)는 기 저장된 기준 전류값, 즉 전류값 대비 아세틸렌 농도에 대한 정보를 이용하여, 현재 측정된 전류값에 따른 아세틸렌의 농도를 측정할 수 있다. 또한, 판단부(81)는 현재 측정된 전류값에 따른 저항값을 도출한 후, 기 저장된 기준 저항값, 즉 검출된 전류값에 따라 변환된 저항값 대비 아세틸렌 농도에 대한 정보를 이용하여, 도출된 저항값에 따른 아세틸렌의 농도를 측정할 수 있다.
센서 구동부(82)는 전원부(100)에서 공급된 전원으로부터 아세틸렌 감지 센서(50)에 전원을 공급하면서 아세틸렌 감지 센서(50)의 동작을 구동시키는 구성이다. 또한, 하드웨어 제어부(83)는 공급된 전원으로부터 아세틸렌 감지 센서(50) 외의 나머지 구성, 즉 솔레노이드 밸브(10, 30, 60) 및 펌프(70)에 전원을 공급하면서 이들 구성의 동작 순서를 제어하는 구성이다. 예를 들어, 하드웨어 제어부(83)는 솔레노이드 밸브(10, 30, 60)의 개폐 시간과 펌프(70)의 구동 시간을 각각 제어할 수 있다.
표시부(90)는 판단부(81)에서 측정된 결과를 표시하는 구성이다. 예를 들어, 표시부(90)는 판단부(81)에서 측정된 아세틸렌 및 그 농도 등을 표시할 수 있다. 표시부(90)는 비발광형 패널 또는 발광형 패널로 구성될 수 있다.
예를 들어, 발광형 패널은 발광 다이오드 디스플레이 패널(light emitting diode display panel), 유기전계발광 디스플레이 패널(organic electroluminescence display panel, 또는 OLED[organic light emitting diode] panel), 백라이트형 액정 디스플레이 패널(backlight liquid crystal display panel) 및 양자점 디스플레이 패널(quantum dot display panel) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 비발광형 패널은 액정 디스플레이 패널(liquid crystal display panel), 전기영동 디스플레이 패널(electrophoretic display panel), 콜레스테릭 액정 디스플레이 패널(cholesteric liquid crystal display panel), 마이크로전기기계 시스템 디스프레이 패널(micro-electromechanical system display panel), 일렉트로웨팅 디스플레이 패널(electrowetting display panel) 및 전자유체 디스플레이 패널 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치는 1차 가스를 일정 이상의 온도로 유지 및 관리하기 위한 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이는 아세틸렌 감지 센서(50)에서의 아세틸렌에 대한 반응성을 높이기 위한 수단에 해당한다. 즉, 아세틸렌 감지 센서(50)의 감도는 상온 이상인 특정 온도에서 가장 높을 수 있으며, 히터는 1차 가스가 이러한 특정 온도를 유지할 수 있도록 열을 1차 가스에 제공할 수 있다. 이 경우, 하드웨어 제어부(83)는 전원부(100)에서 공급된 전원으로부터 히터에 전원을 공급하면서 히터의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 히터는 가스 크로마토그래피 컬럼(40)을 가열하거나, 각 구성 사이를 연결하는 연결관을 가열하도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치는 가스 중에서 아세틸렌을 분리하여 분석함으로써 변압기의 이상 여부를 판단할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서(50)의 구체적인 구성에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 장치의 아세틸렌 감지 센서의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되는 감지막을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 아세틸렌 감지 센서(50)는 기판(51), 기판(51) 상에 형성되되 서로 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극(52, 53), 소스 및 드레인 전극(52, 53) 사이에 형성되는 감지막(54)을 포함한다. 여기서, 감지막(54)은 다수의 산화물 나노 와이어(54a) 및 다수의 나노 와이어(54a) 상부에 증착되는 촉매(54b)로 이루어진다. 또한, 아세틸렌 감지 센서(50)는 기판(51)과 스스 및 드레인 전극(52, 53) 사이에 실리콘 산화물을 포함하는 절연층(55)이 추가로 형성될 수 있다.
여기서, "나노 와이어"라 함은 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 의미하는 것으로, 10nm 미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백 nm 지름의 나노 와이어를 포함해서 일컬으며, 길이 방향으로는 특별히 크기의 제한이 없다.
기판(51)은 소스 및 드레인 전극(52, 53)과 감지막(54)을 형성하기 위한 것으로, 실리콘 또는 유리 등의 재질로 형성될 수 있다. 기판(51) 상에는 실리콘 산화물(SiO2 등)을 포함하는 절연층(55)이 추가로 형성될 수 있다.
소스 및 드레인 전극(52, 53)은 전극 물질의 증착 후, 포토리소그래피법(photolithography) 및 리프트오프법(lift-off)의 조합에 의해 패터닝되어 형성될 수 있다. 이때, 전극 물질은 금(Au) 또는 백금(Pt) 재질일 수 있고, 전극들의 이격 간격은 약 5㎛ 내지 10㎛일 수 있고, 각 두께는 약 1 ㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
감지막(54)은 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Si) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 다수의 산화물 나노 와이어(54a)를 포함하는 것으로, 산화물 나노 와이어(54a)는 소스 및 드레이 전극 (52, 43)사이에 형성되되, 다수의 산화물 나노 와이어(54a)가 기판(51) 상에 일정 간격을 두고 수직으로 배열될 수 있다.
또한, 산화물 나노 와이어(54a)는 SnO2, WO3, TiO2 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하고, SnO2를 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, SnO2, WO3, TiO2 및 ZnO는 n-type 반도체로 공핍층(depletion layer) 변화를 유도하여 아세틸렌을 높은 반응도로 감지할 수 있는 이점을 가진다.
이때, 산화물 나노 와이어(54a)의 길이는 100nm 내지 1㎛일 수 있고, 250nm 내지 700nm인 것이 바람직하고, 250nm 내지 400nm인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 산화물 나노 와이어(54a)의 길이가 너무 짧거나 길어지는 경우, 아세틸렌에 대한 최대 반응도(Maximum Response)가 오히려 저하되는 문제점이 있다.
또한, 산화물 나노 와이어(54a)의 직경은 20nm 내지 80nm일 수 있고, 산화물 나노와이어 간의 간격은 1nm 내지 100nm일 수 있다.
뿐만 아니라, 산화물 나노 와이어(54a)는 아세틸렌에 대한 반응성을 더욱 향상시키기 위해, n형 또는 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 구체적으로, 산화물 및 불순물의 몰비는 99.9:1 내지 90:1인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 산화물 및 불순물의 몰비가 99.1:1을 초과하는 경우, 불순물 도핑으로 인한 효과가 충분하지 않은 문제점이 있고, 산화물 및 불순물의 몰비가 90:1 미만인 경우, 산화물 자리에 불순물의 도핑이 잘 되지 않는 문제점이 있다.
한편, 산화물 나노 와이어(54a)는 스침각 증착(Glancing angle deposition; GLAD) 공정을 통해 증착된 것일 수 있다. GLAD 공정은 상향식 나노 와이어 형성을 위한 공정으로서, 증착 과정에서 나노 와이어의 기본적인 틀을 형성하면서, 동시에, 세부적인 나노 와이어의 형상을 제어할 수 있는 장점을 가진다. GLAD 공정에 따르면, 산화물 나노 와이어(54a)가 증착되기 위한 기판의 각도, 기판의 회전 속도 및 소스의 증기 유량 등을 조절함으로써, 산화물 나노 와이어(54a)의 길이, 직경 및 간격 등을 제어할 수 있다.
선택적으로, 산화물 나노 와이어(54a) 표면에 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 팔라듐산화물(PdO), 니켈산화물(NiO), 사마륨산화물(Sm2O3), 환원그래핀산화물(rGO), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au) 및 구리산화물(CuO)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 촉매(54b)가 형성될 수 있고, 팔라듐(Pd)을 포함하는 촉매(54b)가 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 촉매(54b)는 나노 와이어(54a) 표면에 증착을 통해 형성되는 것으로, 나노 와이어(54a) 표면에 전체적으로 형성되어 코어-쉘(core-shell) 구조를 형성할 수도 있고, 나노 와이어 어레이 표면에 부분적으로 형성될 수도 있다. 이때, 촉매(54b)는 피막 형태로 형성될 수도 있고, 입자 형태로 형성될 수도 있다.
이와 같은 촉매(54b)는 아세틸렌에 노출된 후, 공핍층(depletion layer) 변화를 유도하거나, 촉매(54b)에 의한 유출 효과(spillover effect)를 유도할 수 있다.
또한, 촉매(54b)는 1nm 내지 20nm 두께인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 촉매(54b)는 GLAD 공정을 통해 연속적으로 증착될 수도 있고, 스퍼터링 방법 등의 새로운 공정을 통해 증착될 수도 있는 것으로, 촉매(54b)의 두께가 1nm 미만인 경우, 아세틸렌에 대한 반응이 이루어 지지 않는다는 문제점이 있고, 촉매의 두께가 20nm를 초과하는 경우, 아세틸렌에 노출된 후 반응회복을 위해 공기 중 노출을 시킬 때 회복시간이 길어진다는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서(50)는 50℃ 내지 500℃의 온도에서 작동할 수 있고, 200℃ 내지 300℃의 최적화된 온도에서 작동함으로써, 아세틸렌에 대한 최대 반응도(Maximum Response)를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서(50)는 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Si) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 산화물 나노 와이어를 포함하는 감지막(54)을 적용한 것을 특징으로 하는바, 산화물 나노 와이어(54a)는 아세틸렌에 대해 높은 반응성을 가진다.
특히, 산화물 나노 와이어(54a)의 길이를 최적화시키거나, 아세틸렌 감지 센서(50)의 작동 온도를 최적화시킴으로써, 아세틸렌에 대한 반응성을 더욱 향상시킬 수 있어, 건조 공기뿐만 아니라, 절연유 중에서도 별도의 히터를 장착하지 않고, 아세틸렌에 대해 높은 반응성을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매를 증착하지 않은 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 아세틸렌 감지 센서(50)는 감지막(54)이 표면에 촉매(54b)가 증착되지 않은 산화물 나노 와이어(54a)로 구성된다. 이때, 아세틸렌 감지 센서(50)를 최대 반응도를 나타내는 350℃의 최적화된 온도에서 작동시켰다. 그 결과, 아세틸렌 감지 센서(50)가 감지 가능한 아세틸렌의 제한 농도는 1ppm으로 확인되었다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 금(Au)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 아세틸렌 감지 센서(50)는 감지막(54)이 표면에 촉매(54b)로서 금(Au)이 증착된 산화물 나노 와이어(54a)로 구성된다. 이때, 아세틸렌 감지 센서(50)를 최대 반응도를 나타내는 400℃의 최적화된 온도에서 작동시켰다. 그 결과, 아세틸렌 감지 센서(50)가 감지 가능한 아세틸렌의 제한 농도는 0.05ppm으로 확인되었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 백금(Pt)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 아세틸렌 감지 센서(50)는 감지막(54)이 표면에 촉매(54b)로서 백금(Pt)이 증착된 산화물 나노 와이어(54a)로 구성된다. 이때, 아세틸렌 감지 센서(50)를 최대 반응도를 나타내는 200℃의 최적화된 온도에서 작동시켰다. 그 결과, 아세틸렌 감지 센서(50)가 감지 가능한 아세틸렌의 제한 농도는 0.05ppm으로 확인되었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서의 감지막에 촉매로서 팔라듐(Pd)을 증착한 경우 실험을 통해 아세틸렌 농도에 대한 아세틸렌 감지 센서의 센서 신호 값을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 아세틸렌 감지 센서(50)는 감지막(54)이 표면에 촉매(54b)로서 팔라듐(Pd)이 증착된 산화물 나노 와이어(54a)로 구성된다. 이때, 아세틸렌 감지 센서(50)를 최대 반응도를 나타내는 200℃의 최적화된 온도에서 작동시켰다. 그 결과, 아세틸렌 감지 센서(50)가 감지 가능한 아세틸렌의 제한 농도는 0.01ppm으로 확인되었다.
이를 종합해 보면, 감지막(54)이 산화물 나노 와이어(54a)로만 구성된 경우 대비 산화물 나노 와이어(54a) 표면에 촉매(54b)가 증착된 경우 아세틸렌의 제한 농도는 확연히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 촉매(54b)가 증착된 산화물 나노 와이어(54a)가 소량의 아세틸렌에 대한 감지 정밀도가 더 높다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서(50)는 산화물 나노 와이어(54a)에 촉매(54b)를 증착하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 산화물 나노 와이어(54a) 표면에 촉매가 증착된 경우 아세틸렌의 제한 농도는 팔라듐(Pd)<백금(Pt)=금(Au) 순임을 확인할 수 있다. 즉, 소량의 아세틸렌에 대한 감지 정밀도는 팔라듐(Pd)>백금(Pt)=금(Au) 순임을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 아세틸렌 감지 센서(54)는 산화물 나노 와이어(54a)에 촉매(54b)로서 팔라듐(Pd)를 증착하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 제1 솔레노이드 밸브
11: 제1 유입관
12: 제2 유입관 20: 샘플링 루프
30: 제2 솔레노이드 밸브 40: 가스 크로마토그래피 컬럼
50: 아세틸렌 감지 센서 51: 기판
52: 소스 전극 53: 드레인 전극
54: 감지막 54a: 산화물 나노 와이어
54b: 촉매 60: 제3 솔레노이드 밸브
70: 펌프 80: 제어부
81: 판단부 82: 센서 구동부
83: 하드웨어 제어부 90: 표시부
100: 전원부
12: 제2 유입관 20: 샘플링 루프
30: 제2 솔레노이드 밸브 40: 가스 크로마토그래피 컬럼
50: 아세틸렌 감지 센서 51: 기판
52: 소스 전극 53: 드레인 전극
54: 감지막 54a: 산화물 나노 와이어
54b: 촉매 60: 제3 솔레노이드 밸브
70: 펌프 80: 제어부
81: 판단부 82: 센서 구동부
83: 하드웨어 제어부 90: 표시부
100: 전원부
Claims (6)
- 가스에서 아세틸렌을 분리하는 가스 크로마토그래피 컬럼;
상기 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 아세틸렌을 감지하는 아세틸렌 감지 센서; 및
상기 아세틸렌 감지 센서에서 감지된 값으로부터 아세틸렌의 농도를 측정하는 판단부를 포함하고,
상기 아세틸렌 감지 센서는
기판, 상기 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극, 상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되고 상기 기판 상에 일정 간격을 두고 수직으로 배열되는 다수의 산화물 나노 와이어 및 상기 다수의 산화물 나노 와이어 상부에 증착되는 촉매를 포함하고,
상기 촉매는
상기 아세틸렌 감지 센서의 상기 아세틸렌에 대한 감지 정밀도를 향상시키기 위해, 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고,
상기 다수의 산화물 나노 와이어는 n형 또는 p형 불순물로 도핑되는
아세틸렌 감지 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단부는
상기 가스 크로마토그래피 컬럼에서 분리된 아세틸렌이 상기 아세틸렌 감지 센서에 도달하는 시간에 감지된 상기 아세틸렌 감지 센서의 값을 이용하여 아세틸렌의 농도를 측정하는 아세틸렌 감지 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단부는
상기 아세틸렌 감지 센서에서 검출된 전류값을 기준 전류값과 비교하거나 아세틸렌 감지 센서에서 검출된 전류값을 통해 계산된 저항값을 기준 저항값과 비교함으로써, 아세틸렌의 농도를 측정하는 아세틸렌 감지 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 산화물 나노 와이어는
SnO2, WO3, TiO2및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는
아세틸렌 감지 장치.
- 기판;
상기 기판 상에 형성되고 이격 배치되는 소스 및 드레인 전극;
상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성되며, 상기 기판 상에 일정 간격을 두고 수직으로 배열되는 다수의 산화물 나노 와이어; 및
상기 다수의 산화물 나노 와이어 상부에 증착되는 촉매를 포함하고,
상기 촉매는
아세틸렌에 대한 감지 정밀도를 향상시키기 위해, 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하고,
상기 다수의 산화물 나노 와이어는 n형 또는 p형 불순물로 도핑되는
아세틸렌 감지 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 다수의 산화물 나노 와이어는
SnO2, WO3, TiO2및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는
아세틸렌 감지 센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200084571A KR20200121762A (ko) | 2020-07-09 | 2020-07-09 | 아세틸렌 감지 센서 및 이를 포함하는 아세틸렌 감지 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200084571A KR20200121762A (ko) | 2020-07-09 | 2020-07-09 | 아세틸렌 감지 센서 및 이를 포함하는 아세틸렌 감지 장치 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190044369 Division | 2019-04-16 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200121762A true KR20200121762A (ko) | 2020-10-26 |
Family
ID=73006378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200084571A KR20200121762A (ko) | 2020-07-09 | 2020-07-09 | 아세틸렌 감지 센서 및 이를 포함하는 아세틸렌 감지 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200121762A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117169292A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-05 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 气敏材料、气体传感器、其制备方法和应用 |
-
2020
- 2020-07-09 KR KR1020200084571A patent/KR20200121762A/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117169292A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-05 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 气敏材料、气体传感器、其制备方法和应用 |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X601 | Decision of rejection after re-examination |