KR102238946B1

KR102238946B1 - 가스 센서, 이를 포함하는 냉장고 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR102238946B1
Application number: KR1020140080162A
Authority: KR
Inventors: 정현주; 정용원
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2021-04-12
Also published as: EP2960649B1; US20150377791A1; KR20160001509A; EP2960649A1; US9983141B2

Abstract

대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 가스 센서, 이를 포함하는 냉장고 및 그 제어 방법에 대한 발명이다. 　
일 측면에 따른 가스 센서는, 대상 가스와 반응해 변색되는 하이드로겔 지지체를 포함하고, 하이드로겔 지지체는 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료를 포함한다.
　

Description

가스 센서, 이를 포함하는 냉장고 및 그 제어 방법{GAS SENSOR, REFRIGERATOR HAVING THE SAME AND CONTROL METHOD FOR THE REFRIGERATOR}

본 발명은 대상 가스의 농도를 검출하는 가스 센서, 가스 센서를 포함하는 전자 제품 및 전자 제품의 제어 방법에 대한 발명이다.

가스 센서는 특정 가스의 농도를 측정하는 장치로서, 측정 원리에 따라 반도체식 가스 센서, 전기 화학식 가스 센서, 접촉 연소식 가스 센서, 광학식 센서 등이 있다. 이 중에서 반도체식 가스 센서는 측정 대상 물질이 산화 또는 환원되면서 저항 성분이 바뀌는 영향을 측정하는 방식이고, 전기화학식 가스 센서는 전해질에 용존된 가스를 산화/환원시켜 발생하는 이온의 양을 측정하는 방식이다.

불활성 가스를 제외한 대부분의 가스가 산화/환원 경향을 가지고 있기 때문에 반도체식 가스 센서나 전기화학식 가스 센서는 측정하고자 하는 대상 가스 이외에 함께 존재하는 다른 가스 또한 측정되는 크로스토크(cross-talk) 현상이 발생한다. 따라서, 특정 가스를 선택적으로 측정할 수 있는 측정 선택도(selectivity)에 한계가 있다.

또한, 인체의 후각 기관은 냄새를 유발하는 가스를 ppb(parts per billion) 레벨까지 감지할 수 있는데 반해, 현재의 가스 센서는 측정의 민감도(selectivity) 또는 분해능(resolution)이 인체의 후각 기관보다 떨어져 ppm(parts per million) 레벨 이하의 가스를 측정하는데 어려움이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 하이드로겔 지지체에 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료를 포함하는 가스 센서, 이를 포함하는 냉장고 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.

보다 상세하게, 천연 하이드로겔 지지체에 안토시아닌 계열의 천연 염료를 포함하는 가스 센서, 이를 포함하는 냉장고 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다. 　

상술한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 가스 센서는 대상 가스와 반응해 변색되는 하이드로겔 지지체를 포함하고, 하이드로겔 지지체는 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료를 포함한다.

또한, 염료는, 천연 염료 또는 합성 염료를 포함할 수 있다.

또한, 천연 염료는, 안토시아닌 계열 염료를 포함할 수 있다.

또한, 천연 염료는, 적양배추, 블루베리, 사과, 서양배, 복숭아, 아스파라거스, 딸기, 석류 및 포도를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나에서 추출된 식물성 염료를 포함할 수 있다.

또한, 합성 염료는, 클로로페놀 레드(chlorophenol red), 메틸 레드(methyl red), 브로모티몰 블루(bromothymol blue), 브로모크레솔그린(bromocresol green), 나이트로페놀(nitrophenol), 브로모크레솔퍼플(bromocresol purple) 및 알리자린(alizarin)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 대상 가스는, 휘발성 유기산 또는 염기를 포함할 수 있다.

또한, 휘발성 유기산은 이산화탄소 또는 아세트산을 포함할 수 있으며, 염기는 암모니아를 포함할 수 있다.

또한, 하이드로겔 지지체는, 하이드로겔을 고형화 하여 마련될 수 있다.

또한, 하이드로겔 지지체는, 이가 양이온을 포함하는 가교제에 의해 형성된 교차 구조(crosslinked structure)를 가질 수 있다.

또한, 이가 양이온은 칼슘 이온을 포함할 수 있으며, 가교제는 염화 칼슘을 포함할 수 있다.

또한, 하이드로겔 지지체의 하이드로겔은 천연 하이드로겔을 포함할 수 있다.

또한, 하이드로겔 지지체의 하이드로겔은, 한천(agar), 아가로오스(agarose), 알긴산 나트륨(sodium alginate), 알긴산 칼륨(potassium alginate), 알긴산 루비듐(rubidium alginate), 알긴산 칼슘(calcium alginate), 알긴산 바륨(barrium alginate) 및 프로필렌글라이콜알지네이트(propylene glycol alginate)를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 하이드로겔 지지체는, 글리세린(glycerin), 글리세롤(glycerol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 소비톨(sorbitol), 말티톨(maltitol), 폴리덱스트로오스(polydextrose), 트리아세틸글리세롤(triacetylglycerol), 젖산 칼륨(potassium lactate), 아이소말트(isomalt), 자일리톨(xylitol), 젖산 나트륨(sodium lactate), 요소(urea), 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan) 및 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol), 염화 칼슘(calcium chloride), 염화 나트륨(Sodium chloride)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 가스 센서는 시트 타입으로 제조된 것을 포함할 수 있다.

또한, 가스센서는 대상 가스와 접촉하는 하이드로겔 지지체의 일면에 결합된 멤브레인을 더 포함할 수 있다.

또한, 가스 센서는, 식품의 신선도, 숙성도 또는 발효도의 측정 용도로 사용될 수 있다.

다음으로, 일 실시 예에 따른 전자 제품은, 대상 가스와 반응해 변색되는 하이드로겔 지지체를 포함하고, 하이드로겔 지지체는, 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료를 포함하는 가스 센서를 포함한다.

또한. 일부 면 또는 전면이 투명하게 형성된 투명부를 포함하는 저장 용기를 더 포함하고, 가스 센서는, 저장 용기의 투명부 안쪽에 마련될 수 있다.

또한, 가스 센서는, 대상 가스와 접촉하는 하이드로겔 지지체의 일면에 멤브레인이 결합될 수 있다.

또한, 제어부는 광센서로부터 출력되는 신호와 대상 식품의 상태 사이의 관계에 대한 정보를 미리 저장하고, 저장된 정보에 따라 대상 식품의 상태를 판단할 수 있다.

다음으로, 일 측면에 따른 전자 제품의 제어 방법은, 가스 센서의 색을 감지하고, 감지된 색에 기초하여 대상 가스의 농도를 판단하고, 대상 가스의 농도에 기초하여 대상 식품의 상태를 판단하는 것을 포함한다.

또한, 판단된 대상 식품의 상태를 표시하는 것을 더 포함할 수 있다.

또한, 전자 제품은 냉장고 이고, 판단된 대상 식품의 상태에 기초하여 냉장고의 온도를 제어하는 것을 더 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 구성되는 가스 센서에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

먼저, 별도의 센서 제작 과정 없이 하이드로겔의 경화 만으로 가스 센서를 제공할 수 있어 센서 제작 공정을 최소화할 수 있다.

또한, 하이드로겔을 고형화 시키는 방법에 따라 유동적으로 다양한 형상을 구현할 수 있으므로 제조 과정의 제약 또한 최소화할 수 있다.

또한, 천연 재료를 사용함으로써 인체 안정성을 극대화할 수 있다.

또한, 하이드로겔은 자체 함습성을 가지고 있어 센서 제조 시 습기 제어를 위한 별도의 구조를 생략할 수 있다.

도 1은 김치의 숙성도에 따라 발생하는 가스의 종류와 농도를 나타낸 도표이다.
도 2는 육류의 숙성도에 따라 발생하는 가스의 종류와 농도를 나타낸 도표이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 가스 센서를 도시한 도면이다.
도 4는 하이드로겔 성분의 일 예로 알지네이트(alginate)의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 알긴산 나트륨의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 알긴산 나트륨 용액을 염화 칼슘 수용액에 첨가하여 알긴산 염이 칼슘 이온에 의해 겔화된 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 염료의 색변화에 의해 대상 가스를 검출하는 가스 센서의 원리를 도시한 도면이다.
도 8은 수용액의 pH 변화에 따른 아세트산의 해리도 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 김치의 발효 중에 발생되는 가스의 종류별 특성 및 헨리 상수 값을 나타낸 도표이다.
도 10은 육류의 냉장 보관 시에 발생되는 가스의 종류별 특성 및 헨리 상수 값을 나타낸 도표이다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 다공성 멤브레인을 포함하는 가스 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 일 실시 예에 따른 전자 제품의 사시도이다.
도 14는 저장 용기의 뚜껑을 투명하게 하는 경우 저장 용기의 구조의 일예를 도시한 분해 사시도이다.
도 15는 다른 실시 예에 따른 전자 제품에 있어서, 자동으로 색변화를 감지하는 전자 제품의 제어 블록도 이다.
도 16 및 도 17은 다른 실시 예에 따른 전자 제품에 있어서 자동으로 색 변화를 감지하는 전자 제품의 사시도이다.
도 18는 온도 제어가 가능하도록 마련된 또 다른 실시 예에 따른 냉장고의 제어 블록도 이다.
도 19는 일 실시 예에 따른 전자 제품의 제어 방법에 관한 순서도이다.
도 20은 다른 실시 예에 따른 전자 제품의 제어 방법에 있어, 냉장고의 온도를 제어하는 방법에 관한 순서도 이다.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형　예들이 있을 수 있다.

"하이드로겔(hydrogel)"은 물을 분산매로 하는 겔로 자체적으로 함습성을 가지는 물질로서, 본 명세서에서 특정 가스가"하이드로겔에 용해되었다"고 함은 특정 가스가 하이드로겔의 분산매에 용해되었다는 뜻으로 해석될 수 있다.

"분산매"는 콜로이드 분산계를 구성하고 있는 매질로서 "하이드로겔"은 물을 "분산매"로 하므로, 본 명세서에서 특정 가스가 용해된 하이드로겔의 "분산매"는 "수용액"으로 달리 표현될 수 있다. 　　　

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 발명의 실시 예를 상세하게 설명하도록 한다.

일 실시 예에 따른 가스 센서는 특정 가스를 측정하는 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 식품 관리 분야, 의료 진단 분야, 환경 관리 분야, 안전 관리 분야 등에서 가스 센서가 사용될 수 있다. 발명의 구성 및 동작을 구체적으로 설명하기 위해, 이하 상술할 실시 예에서는 가스 센서가 식품의 상태를 모니터링하는 식품 관리 분야에 사용되는 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.

도 1은 김치의 숙성도에 따라 발생하는 가스의 종류와 농도를 나타낸 도표이고, 도 2는 육류의 숙성도에 따라 발생하는 가스의 종류와 농도를 나타낸 도표이다.

식품의 숙성 또는 부패 시에는 다양한 종류의 가스가 발생하며, 발생하는 가스의 종류와 양은 식품 자체의 숙성도 뿐만 아니라 첨가된 양념이나 부가 재료 등에 의해 많은 영향을 받게 된다.

발생되는 가스 중 식품의 숙성도와 밀접한 관계가 있는 가스 성분으로는 휘발성 유기산, 암모니아 등이 있으며, 이들 가스 성분은 신선한 상태에서는 검출되지 않고 숙성이 진행됨에 따라 숙성도에 비례하여 농도가 증가된다.

도 1을 참조하면, 발효 식품인 김치가 숙성되면 아세트산, 알데하이드, 황화합물, 알코올과 같은 가스가 발생한다. 이 때, 주도적으로 발생되는 가스는 알데하이드, 황화합물, 알코올과 같은 가스이지만, 이들 가스는 젓갈, 양념 등에서 발생하는 재료 의존성 가스로 김치의 발효 또는 숙성 정도와 적대적인 연관성을 가지지는 않는다.

발효에 직접적으로 관여하는 가스는 미생물에 의한 부산물로서 생기는 휘발성 유기산 가스이며, 도 1의 예시에서는 휘발성 유기산 가스로 아세트산이 표시되어 있다. 도 1의 예시에서는 휘발성 유기산 가스의 예로 아세트산을 표시하였으나 휘발성 유기산 가스가 이에 한정되는 것은 아니며 이산화탄소를 포함하는 수중에서 휘발하기 쉬운 유기산을 포함하는 개념으로 넓게 이해되어야 할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 아세트산은 발효 초기에는 거의 발생되지 않고 발효가 진행되면서 점진적인 증가를 보인다. 그러나 그 농도는 다른 가스들에 비해 크게 낮은 수 ppm 정도에 불과하다. 따라서, 김치와 같은 발효 식품의 경우, 최대 수백 ppm을 갖는 다른 가스들 속에서 1 ppm 또는 그 미만의 낮은 농도를 갖는 휘발성 유기산을 감지해야 그 숙성도의 판단이 가능하다.

인간의 후각 기관의 경우, 개인별로 차이가 있기는 하나 대부분 수백 대 일의 선택도(selectivity) 조건에서도 다른 가스들로부터 휘발성 유기산을 구분해낼 수 있다. 그러나 현재 상용화된 대부분의 가스 센서는 수백 ppm의 다른 가스 성분들 중에서 수 ppm 정도의 휘발성 유기산만을 선택적으로 측정하기 어렵다.

발효 식품이 아닌 일반 식품의 경우에도 발생되는 가스 성분으로부터 숙성도 또는 부패도를 파악할 수 있다. 육류의 경우, 저온 장기 보관 시 미생물에 의해 단백질이 분해되면서 아미노산이 증가된다. 육류의 숙성은 기본적으로 부패의 점진적인 과정으로 볼 수 있는 바, 도 2에 도시된 바와 같이 단백질 내에 번식하는 세균에 의한 아미노산 대사 과정에서 암모니아, 황화합물, 알데하이드, VOC(Volatile Organic Compound)와 같은 가스가 발생하게 된다.

다만, 황화합물, 알데하이드, VOC의 가스는 같은 종류의 가스 내에서 육류의 종류나 부위에 따라 변이가 일어나게 되는 바, 단일 가스로 육류 숙성도 또는 부패도의 지표가 될 수 있는 가스는 암모니아이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 육류 숙성도에 따른 암모니아의 발생량이 크지 않으므로 1ppm 미만의 분해능을 갖추어야 육류의 숙성도를 정확하게 판단할 수 있다.

전술한 바에 따르면, 식품의 발효도 또는 숙성도를 판단하기 위해서는 수백ppm의 다른 가스 성분 속에서 ppm 레벨의 특정 가스를 선택적으로 감지할 수 있도록 높은 선택도와 우수한 분해능(sub ppm의 분해능)을 가져야 한다.

일 실시 예에 따른 가스 센서는, 하이드로겔 지지체에 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료가 포함되도록 함으로써 높은 선택도와 우수한 분해능을 구현할 수 있는 바, 이하 가스 센서에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

도 3은 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 시트 형태로 제조될 수 있다. 도 3에서는 시트 형태로 제조된 가스 센서(100)의 일 예를 도시한 것이며 가스 센서(100)의 제조 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.

가스 센서(100)는 하이드로겔을 고형화시키는 방법에 따라 다양한 형상을 구현할 수 있으며, 이에 기존에 수행되었던 수막 형성 공정을 비롯한 여러 공정을 생략할 수 있다. 한편, 후술할 예와 같이 코팅액 형태로 특정 용기에 도포되는 형태로 제공될 수 도 있으며 이하, 설명의 편의상 시트 형태로 제조된 가스 센서(100)를 예로 들어 설명한다.

일 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 대상 가스와 반응해 변색되는 하이드로겔 지지체(H)를 포함하고, 하이드로겔 지지체(H)는 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료(C)를 포함한다. 염료(C)는 측정 대상 가스의 농도에 따라 변색된다.

하이드로겔은 고분자의 그물망에 수분이 함유된 구조체로 천연 성분으로 제조되거나 인공적으로 합성하여 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 천연 성분으로 제조된 하이드로겔을 사용하는 것이 바람직하며, 당업자가 쉽게 생각할 수 있는 범위 내의 성분을 부가할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 하이드로겔은 천연 성분으로 제조 가능하므로 생체 적합성(biocompatibility)이 높다. 하이드로겔은 무게 대비 200 내지 300배 중량의 물을 흡수하는 흡수성을 가지며, 동시에 자체적으로 습기를 머금고 있는 함습성을 가진다.

하이드로겔은 한천(agar), 아가로오스(agarose), 알지네이트(alginate) 및 프로필렌글라이콜알지네이트(propylene glycol alginate)를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나의 천연 성분으로 이루어질 수 있다. 이하, 설명의 편의상 하이드로겔이 알지네이트를 주된 성분으로 포함하는 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.

도 4는 하이드로겔 성분의 일 예로 알지네이트(alginate)의 구조를 도시한 도면이다. 알지네이트는 다시마와같은 갈조류에서 볼 수 있는 끈적끈적한 점성을 지닌 성분으로, 육각 구조를 가진다. 보다 상세하게, 육각 면이 휘어져 있는 의자형 구조를 가진다.

알지네이트는 (C6H8O6)를 기본 블록 단위로 가지며, 전체적인 구조는 포도당과 비슷하다. 알지네이트는 육각 구조의 일단에 카르복실기가 달려있어 산성을 나타내는 특성을 가진다. 알지네이트의 육각 구조는 M형과G형으로 나뉘는데, 이는 5번 탄소의 카르복실기(COOH)의 방향에 따라 다르다.

알지네이트는, 5번 탄소에 달린 카르복실기의 수소 원자가 어떤 1가 양이온으로 치환되는가이 따라 알긴산 나트륨(sodium alginate), 알긴산 칼륨(potassium alginate), 알긴산 루비듐(rubidium alginate) 등으로 나눌 수 있으며, 수소 이온이 떨어져 나간 부분을 정전기적으로 당겨 구형을 만드는 양이온이 무엇이냐에 따라 알긴산 칼슘(calcium alginate), 알긴산 바륨(barrium alginate) 등으로 나눌 수 있다.

하이드로겔은 이가 양이온을 포함하는 가교제에 의해 형성된 교차 구조(crosslinked structure)를 가질 수 있다. 이가 양이온으로는 칼슘 이온 등이 사용될 수 있으며, 가교제로는 염화 칼슘 등이 사용될 수 있다. 하이드로겔을 고형화 함에 있어 가교제의 농도 또는 하이드로겔이 겔화되는 반응의 반응 속도를 조절함으로써 가스 센서(100)의 물리적 특성을 조절할 수도 있다.

이하, 알긴산 나트륨에 경화제로 염화 칼슘 용액을 첨가해 하이드로겔 지지체(H)를 형성하는 과정을 설명한다.

도 5는 알긴산 나트륨의 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 알긴산 나트륨 용액을 염화 칼슘 수용액에 첨가하여 알긴산 염이 칼슘 이온에 의해 겔화된 구조를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 염화 나트륨 용액에 알지네이트를 첨가하면 알지네이트의 5번 탄소에 달린 카르복실기의 수소 원자가 나트륨 이온으로 치환되어 알긴산 나트륨이 형성된다. 나트륨은 1가 양이온으로 하나의 음이온과 결합이 가능한 바 교차 구조를 형성하지는 않는다.

그러나, 알긴산 나트륨 용액을 염화 칼슘 수용액에 첨가하면 염화 칼슘 수용액 내에 이온화되어 존재하는 칼슘 이온에 의해 알긴산 염이 가교 결합되어 도 6에 도시된 바와 같이 교차 구조를 형성한다.

하이드로겔 지지체(H)는 가스 센서(100)의 함습성을 향상하도록 글리세린(glycerin), 글리세롤(glycerol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 소비톨(sorbitol), 말티톨(maltitol), 폴리덱스트로오스(polydextrose), 트리아세틸글리세롤(triacetylglycerol), 젖산 칼륨(potassium lactate), 아이소말트(isomalt), 자일리톨(xylitol), 젖산 나트륨(sodium lactate), 요소(urea), 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan) 및 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol), 염화 칼슘(calcium chloride), 염화 나트륨(Sodium chloride)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 하이드로겔은 자체적으로 함습성을 가지는 바, 전술한 성분은 선택적으로 포함될 수 있다.

하이드로겔 지지체(H)는, 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료(C)를 포함한다.

염료(C)의 종류로는 천연 재료로부터 유래된 천연 염료 또는 합성 염료가 사용될 수 있으며, 인체에 무해한 하이드로겔의 장점을 살리기 위해 천연 염료를 사용하는 것이 바람직하다.

천연 염료는 안토시아닌 계열 염료, 안토시아니딘 계열 염료, 및 안토시아닌 또는 안토시아니딘 계열 염료의 유도체(이하, 안토시아닌 계열 염료로 총칭한다)를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

안토시아닌 계열 염료는, 적양배추, 블루베리, 사과, 서양배, 복숭아, 아스파라거스, 딸기, 석류 및 포도를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나에서 추출된 식물성 염료의 하나로 치환기에 따라 다양한 유도체로 유도될 수 있다.

합성 염료는 클로로페놀 레드(chlorophenol red), 메틸 레드(methyl red), 브로모티몰 블루(bromothymol blue), 브로모크레솔그린(bromocresol green), 나이트로페놀(nitrophenol), 브로모크레솔퍼플(bromocresol purple) 및 알리자린(alizarin)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이하, 염료(C)를 이용한 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)의 색변화 원리에 대해 설명한다.

전술한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 인간의 후각 시스템의 원리를 채용하므로, 하이드로겔 지지층은 공기 중의 냄새 분자를 포집하는 인체 상피 조직의 점액층의 기능을 수행할 수 있다. 즉, 하이드로겔은 수용성 가스를 선택적으로 포집할 수 있다.

앞서, 식품의 발효도 또는 숙성도를 판단하는데 있어 휘발성 유기산 가스와 암모니아 가스가 중요한 지표로 사용될 수 있다고 하였다. 따라서, 가스 센서(100)는 휘발성 유기산 가스 또는 암모니아 가스를 대상 가스로 할 수 있다. 즉, 휘발성 유기산이나 암모니아 가스의 농도에 따라 염료(C)의 색이 변색되도록 구성될 수 있다.

휘발성 유기산 가스와 암모니아 가스는 물에만 녹는 분극성 물질로서, 하이드로겔 지지체(H)에 함습된 수분에 용해될 수 있다. 하이드로겔은 자체적으로 함슴성을 가지므로 내부에 수분이 함유되어 있음은 전술한 바와 같다. 이에, 하이드로겔은 가스 센서(100)의 외부 환경에 존재하는 다양한 가스 성분 중 황화합물이나 VOC와 같은 지용성 분자를 제외한 휘발성 유기산 또는 암모니아와 같은 수용성 분자를 선택적으로 포집할 수 있다. 즉, 하이드로겔은 식품에서 발생하는 대부분의 황화합물과 VOC를 필터링하는 역할을 수행하여 가스 센서(100)의 대상 가스에 대한 선택도를 향상시킬 수 있다. 이하 관련 부분에서 후술한다.

휘발성 유기산과 암모니아는 수용액에 녹았을 때 해리되어 수소 이온의 농도 변화를 유발한다는 공통점이 있다. 대표적인 휘발성 유기산인 카르복실산(R-COOH)의 경우, 수용액에 녹았을 때 수소 이온이 발생하여 수용액의 pH를 감소시키고, 암모니아(NH3)의 경우, 수용액에 녹으면 수용액의 수소 이온을 감소시켜 pH를 증가시킨다.

일 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 하이드로겔에 포함된 염료(C)의 색 변화에 의해 pH 변화를 검출하는 바, 휘발성 유기산이나 암모니아가 하이드로겔에 함습된 수분에 용해되어 수용액의 pH 변화를 유발하면, pH 변화에 따라 변화되는 염료(C)의 색을 관찰하여 대상 가스의 존재 및 농도를 검출할 수 있다.

도 7은 염료(C)의 색변화에 의해 대상 가스의 존재 및 농도를 검출하는 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)의 원리를 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 휘발성 유기산 또는 암모니아가 하이드로겔에 용해되었을 때 수소 이온을 받아들이거나 내놓으면서 분산매의 pH 변화를 수반하며, 그 예를 도 7에 도시하였다. 이 때, 분산매에 함께 용해되어 있는 염료(C) 역시 여러 개의 pKa를 가진 다양성자 산으로써 염료(C) 자체의 수소 이온 결합 형태에 따라 다른 색깔을 가지게 된다.

수소 이온이 결합된 염료(C)의 형태가 HA로 표시되고 이 경우 염료(C)가 노란색을 나타내며, 수소 이온이 분리되어 있는 염료(C)의 형태가 A-로 표시되고 이 경우 염료(C)가 보라색을 나타낸다고 했을 때, HA와 A-의 비율에 따라 염료(C)의 색이 달라지게 된다. 이 때, HA와 A- 비율은 용액의 pH에 따라 결정될 수 있다. 즉, 용액의 pH가 낮아 용액 내에 수소 이온의 농도가 높을 경우 HA로 표시되는 염료(C)의 농도가 증가하며, 용액의 pH가 높아 용액 내의 수소 이온(H+)의 농도가 낮을 경우 A-로 표시되는 염료(C)의 농도가 증가하게 된다.

요약하면, 휘발성 유기산 또는 암모니아가 물에 용해되면서 용액의 pH가 달라지고 결과적으로 염료(C)의 HA와 A-의 비율이 달라지게 되어 그에 따른 색 변화가 발생되고, 이러한 색 변화는 대상 가스의 농도에 따라 달리 결정되는 바 색 변화를 검출함으로써 대상 가스의 존재 및 농도를 검출할 수 있다.

이하, 대표적인 휘발성 유기산인 아세트산을 대상 가스로 하고, 안토시아닌을 염료(C)의 일 예로 들어 가스 센서(100)의 동작 원리를 구체적으로 설명하도록 한다.

먼저, 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)의 가역성 확보 원리를 설명한다.

아세트산이 하이드로겔에 용해되면 아래의 [화학식 1]에 따라 아세테이트 이온(acetate ion)과 수소 이온으로 분리된다. 이를 해리(dissociation)라고 한다.

[화학식 1]

CH3COOH ↔ CH3COO- + H+

아세트산이 수용액에서 해리되는 정도는 아래 [수학식 1]에 따라 이온화 상수 또는 해리 상수로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

Ka = [CH3COO-][H+]/[CH3COOH] = 1.8 x 10^-5

즉, 아세트산의 이온화 상수(Ka)는1.8 x 10^-5 이며, 그 값이 너무 작으므로pKa 4.7로 나타낼 수도 있다.

아세트산이 해리가 된 후에는 원래 아세트산이 가지고 있는 특성을 잃게 되고, 해리가 지속적으로 진행되면서 pH가 감소된다.

도 8은, 수용액의 pH 변화에 따른 아세트산의 해리도 곡선을 나타낸 그래프이다. 도 8의 그래프의 y 축은 비이온화 비율(Fraction of Deionization)이므로 그 값이 클수록 낮은 해리도를 나타내고 그 값이 작을수록 높은 해리도를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 아세트산이 용해되는 수용액의 pH가 아세트산의 pKa와 동일한4.7인 경우, 아세트산의 해리도가 50% 이므로 아세트산의 절반은 해리되어 그 특성을 읽게 되고 절반은 해리가 되지 않아 그 특성을 유지한다.

수용액의 pH가 4.7보다 작아지면 아세트산의 해리도가 급속히 떨어지면서 대부분의 아세트산이 해리되지 않고 그대로 존재한다.

반대로, 수용액의 pH가 4.7보다 커지면 아세트산의 해리도가 커지면서 아세트산이 지속적으로 해리된다. 아세트산이 수용액 내에서 지속적으로 해리되면, 수용액 내의 수소 이온이 증가되어 pH가 낮아지게 된다. 수용액의 pH가 낮아지면 일정 농도 이상의 아세트산이 해리되지 않고 존재하게 되는데, 휘발성 유기산인 아세트산은 해리되지 않은 상태에서 수용액 내에 존재하게 되면 다시 증발(evaporation)하려는 성질을 갖는다.

따라서, 수용액이 일정 농도의 아세트산 가스가 존재하는 환경에 노출되는 경우, 수용액에 용해된 아세트산이 지속적으로 해리되면서 pH가 줄어들게 되고, 수용액 내의 해리되지 않은 상태의 아세트산이 증발되면서 외부로부터 유입되는 가스와 증발되는 가스가 동적 평형 상태에 이르게 된다. 즉, 수용액의 pH가 변하지 않는 평형 상태가 된다.

또한, 외부 환경에 아세트산 가스가 존재하지 않게 되면 수용액 내의 아세트산이 지속적으로 증발되어 pH가 다시 상승한다. 가스 센서(100)는 이러한 원리를 이용하여 가역성(reversibility)을 확보할 수 있다.

다음으로, 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)가 대상 가스를 선택적으로 포집하는 원리를 상세하게 설명한다.

도 9는 김치의 발효 중에 발생되는 가스의 종류별 특성 및 헨리 상수(Henry's Constant) 값을 나타낸 도표이고, 도 10은 육류의 냉장 보관 시에 발생되는 가스의 종류별 특성 및 헨리 상수 값을 나타낸 도표이다.

기체 상태의 분자는 그 종류 별로 물에 녹을 수 있는 정도가 다르다. 헨리 상수는 기체 상태의 분자가 액체 상태로 변환되어 물 속에 용존할 수 있는 정도를 나타낼 수 있는 지표가 될 수 있다. 헨리 상수가 높을 수록 물에 녹는 성질이 크다는 것을 나타내고, 헨리 상수가 작을수록 물에 녹지 않는 성질이 크다는 것을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 김치의 숙성 시에 발생하는 가스 중 극성을 가지는 가스는 알코올, 알데하이드 및 아세트산이고, 나머지 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 수소(H2), 질소(N2) 및 황화합물은 비극성을 갖는다. 비극성을 갖는 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 알코올, 수소(H2), 질소(N2) 및 황화합물은 수용액(110)에 잘 녹지 않는다.

헨리 상수가 가장 큰 가스는 휘발성 유기산인 아세트산이다. 그 헨리 상수는5000 내지 10000에 이르고, 나머지 다른 가스들과 비교했을 때 수백배에서 수백만배 더 크다. 이는 아세트산이 다른 가스들보다 수백배에서 수백만배 더 물에 잘 녹을 수 있다는 것을 의미한다.

아세트산의 헨리 상수는 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 수소(H2), 질소(N2) 및 황화합물은 물론이고 알코올이나 알데하이드와 비교했을 때에도 그 값이 훨씬 크기 때문에, 물을 분산매로 가지는 하이드로겔을 포함하는 가스 센서(100)가 다양한 김치 발효 가스 중에서 아세트산을 매우 높은 선택도로 포집할 수 있다는 것을 알 수 있다 .

그리고, 아세트산은 김치의 숙성 시에 발생하는 가스 중에서 pH에 미치는 영향도가 가장 크다. 따라서, 가스 센서(100)는 우수한 분해능으로 아세트산의 농도를 측정할 수 있으며, 알코올, 알데하이드 및 황화합물은 수용액에 극미량 녹을 수 있도러더라도 수용액의 pH에 영향을 미치는 정도가 매우 작으므로 이 점에 있어 가스 센서(100)의 선택도가 2차적으로 향상될 수 있다.

도 10을 참조하면, 냉장 보관되는 육류에서 발생되는 가스 중 헨리 상수가 가장 높은 가스는 암모니아이므로, 가스 센서(100)는 암모니아를 높은 선택도로 포집할 수 있다. 아울러, 암모니아는 pH 영향도도 가장 크므로 가스 센서(100)는 암모니아의 농도를 가장 우수한 분해능으로 측정할 수 있다.

다음으로, 아세트산의 농도에 따른 안토시아닌의 색변화 원리를 설명한다.

전술한 바와 같이, 이세트산이 하이드로겔에 용해되면 하이드로겔 분산매의 pH 변화가 초래된다. 이 때, 안토시아닌은 pH에 따라 색이 달라지는 지시약으로서 기능한다. 안토시아닌은 산성에서 붉은 계열의 색을 나타내고, 중성에서는 보라색 계열의 색을 나타내고, 염기성에서 푸른 계열의 색을 나타낼 수 있으며, 안토시아닌의 종류에 따라 그 다른 색을 나타낼 수 있다.

안토시아닌은 [화학식 2]와 같은 구조를 가질 수 있다.

[화학식 2]

[화학식 2]를 참조하면, R3, R5, R6, R7, R3', R4', R5'은 각각 벤젠 고리의 수소 원자가 히드록시기 또는 알킬기 등과 치환된 치환기이다. 즉, 안토시아닌은 벤젠고리에 히드록시기(OH기)가 달려있는 페놀류로 약산성을 띤다.

이에, 안토시아닌이 염기성 용액에 존재할 경우 페놀과 마찬가지로 해리되어 수소 이온이 떨어져 나가 산소 원자가 음이온을 띠게 된다. 이 음이온은 벤젠고리에 있는 파이결합과 같이 컨주게이션(conjugation)을 형성할 수 있다. 이러한 컨주게이션 구조의 변화에 따라 분자의 바닥상태와 들뜬상태의 에너지 차이가 달라지고 달라진 에너지 차에 따라 흡수하는 파장의 종류를 달리하므로 눈에 들어오는 보색의 종류도 달라져 색깔이 달리 보이게 된다.

동일한 원리가 적용되어 산성 또는 염기성 용액에서 바닥상태와 들뜬 상태간의 에너지 차이를 각각 다르게 형성할 수 있다. 즉, 포집된 대상 가스에 따라 변화하는 하이드로겔 분산매의 pH에 따라 안토시아닌의 평형이 이동하며, 지배하는 색이 달라지므로 다양한 색이 구현될 수 있다. 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)는 위와 같은 원리에 따라 그 색이 변하는 안토시아닌의 특성을 이용해 대상 가스를 검출할 수 있다.

이상으로, 일 실시 예에 따른 가스 센서(100)의 구조 및 동작 원리에 대해 설명하였다. 다음으로 다른 실시 예에 따른 가스 센서(100　-> 200??)에 대해 설명한다.

도 11은 다른 실시 예에 따른 다공성 멤브레인(M)을 포함하는 가스 센서(200)의 구조를 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 가스 센서(200) 역시, 대상 가스와 반응해 변색되는 하이드로겔 지지체(H)를 포함하고 하이드로겔 지지체(H)는 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료(C)를 포함하는 바, 이하 하이드로겔 지지체(H)와 염료(C)와 관련하여 전술한 실시예에 따른 가스 센서(100)와 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시 예에 따른 가스 센서(200)는 다공성 멤브레인(M)이 하이드로겔 지지체(H)를 감싸는 구조를 가질 수 있다. 다공성 멤브레인(M)은 기체 투과성을 가지는 물질로 이루어지는 바, 다공성 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene)막을 포함하는 대부분의 기체 투과성 수지가 사용될 수 있다.

하이드로겔은 자체적으로 함습성을 지니고 있는 물질인 바, 가스 센서(200)의 외관을 형성하며 내부에 염료(C)를 고정시키는 지지체로서 기능할 수 있지만, 습도가 너무 높아지면 과한 수분이 맺힐 우려가 있으므로 과한 수분이 맺히는 현상을 방지함에 있어 다공성 멤브레인(M)의 적용 실익이 있다.

이상으로, 다공성 멤브레인(M)을 포함하는 가스 센서(200)에 대해 설명하였다.

이하, 일 실시 예에 따른 전자 제품에 대해 설명하도록 한다. 일 실시 예에 따른 전자 제품은 가스 센싱 기술이 적용되는 전자 제품으로서, 전술한 실시 예에 따른 가스 센서(100, 200)를 사용하여 대상 가스의 농도를 측정하는 것과 동일한 원리가 적용될 수 있다.

도 12 및 도 13은 일 실시 예에 따른 전자 제품의 사시도이다.

다양한 종류의 전자 제품이 발명의 실시 예에 적용될 수 있으나, 당해 실시 예 에서는 대상 가스의 측정에 기초하여 식품의 숙성도 또는 부패도와 같은 상태를 판단하는 냉장고(300)를 예로 들어 설명하도록 한다.

당해 실시 예에 적용되는 냉장고(300)는 그 용도에 따라 김치를 보관하는 김치 냉장고일 수도 있고, 일반 냉장고일 수도 있다. 또한, 냉장고(300)의 구조 또는 형태에 따라 스탠드형과 뚜껑형으로 나뉠 수도 있으며, 스탠드형과 뚜껑형 모두 김치 냉장고일 수도 있고 일반 냉장고일 수도 있다. 일 실시 예에 따른 냉장고는 그 종류나 용도에 제한을 두지 않으므로 어느 냉장고(300)이든지 당해 실시 예에 따른 냉장고(300)가 될 수 있다.

이하, 도 12 및 도 13을 참조하여 당해 실시 예에 따른 냉장고(300)에 대해 구체적으로 설명한다.

도 12 및 13을 참조하면 냉장고(300)는 본체(307)에 식품을 저장할 수 있는 저장실(303)이 마련되고, 저장실(303)에는 냉장고(300)로부터 분리 가능한 저장 용기(305)가 배치될 수 있다.

저장 용기(305)의 내부에는 가스 센서(100, 200)가 장착되어 저장 용기(305) 내에 저장된 식품으로부터 발생되는 가스들 중 대상 가스의 농도에 따라 그 색이 변화될 수 있다. 보다 상세하게, 저장 용기(305)는 전면(全面) 또는 일부 면이 투명하게 마련되거나 뚜껑 부위가 투명하게 마련되어 그 내부에 가스 센서(100, 200)가 장착되도록 마련될 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이 냉장고(300)가 뚜껑형 구조를 가지는 경우에는 저장 용기(305)의 뚜껑을 투명하게 하여 저장 용기(305)를 꺼내거나 저장 용기(305)의 뚜껑을 열지 않더라도 그 내부에 장착된 가스 센서(100, 200)의 색이 보여지도록 함으로써 사용자가 식품의 상태를 바로 확인하도록 할 수 있으며, 도 13에 도시된 바와 같이 냉장고(300)가 스탠드형 구조를 가지는 경우에는 저장 용기(305)의 앞면을 투명하게 하여 저장 용기(305)를 꺼내거나 저장 용기(305)의 뚜껑을 열지 않더라도 사용자가 식품의 상태를 바로 확인하도록 할 수 있다.

도 14는 저장 용기의 뚜껑(305a)을 투명하게 하는 경우 저장 용기(305)의 구조의 일예를 도시한 분해 사시도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 가스 센서(100)는 시트 형태로 제조되어 저장 용기의 뚜껑(305a) 내벽에 장착될 수 있다. 다공성 멤브레인(M) 구조를 가지지 않는 가스 센서(100)의 경우는 가스 센서(100)에 과한 수분이 맺히는 것을 방지하기 위해 대상 가스와 만나는 가스 센서(100)의 일면에 다공성 멤브레인(M)이 장착될 수 있다.

다공성 멤브레인(M)은 전술한 다른 실시 예에 따른 가스 센서(200)와 같이 하이드로겔 지지체(H)를 감싸도록 마련될 수도 있다.

냉장고(300)가 반드시 저장 용기(305)를 구비해야 하는 것은 아니며, 가스 센서(100, 200)가 반드시 저장 용기(305) 내에 장착되어야 하는 것은 아니다. 가스 센서(100, 200)는 냉장고(300)의 내부에 장착되기만 하면 되나, 가스 센서(100, 200)가 밀폐된 저장 용기(305) 내부에 장착되면 상태를 파악하고자 하는 식품에서 발생되는 가스 외에 다른 가스들의 영향을 받지 않으므로 대상 가스의 농도를 더 정확하게 측정할 수 있다.

한편 냉장고(300)는 가스 센서(100, 200)의 색 변화를 사용자가 직접 확인하도록 하는 방식과 함께, 가스 센서(100, 200)의 색변화를 자동으로 감지하여 식품의 상태를 판단하도록 하는 방식이 적용될 수도 있다.

도 15는 다른 실시 예에 따른 전자 제품에 있어서, 자동으로 색변화를 감지하는 전자 제품의 제어 블록도 이고, 도 16 및 도 17은 다른 실시 예에 따른 전자 제품에 있어서 자동으로 색 변화를 감지하는 전자 제품의 사시도이다. 도 16 및 도 17의 예 역시 전자 제품이 냉장고(400)인 경우를 예로 들어 설명하고, 다공성 멤브레인(M)를 포함하는 가스 센서(200)가 냉장고(400)에 적용된 경우를 예로 들어 설명한다.

도 15를 참조하면, 다른 실시 예에 따른 냉장고(400)는 전술한 실시 예에 따른 가스 센서(200), 가스 센서(200)의 색을 감지하는 광센서(410), 광센서(410)가 감지한 가스 센서(200)의 색에 기초하여 대상 식품의 상태를 판단하는 제어부(420) 및 판단 대상 식품의 상태를 모니터링하는 디스플레이부(430)를 포함한다.

도 16 및 도 17을 참조하면, 광센서(410)는 냉장고(400)의 도어의 배면 중 도어가 닫혔을 때 가스 센서(200)를 향하는 부위에 장착될 수 있다. 광센서(410)와 가스 센서(200)는 상호 위치 관계를 고려하여 서로 대응되는 위치에 장착되면 되는 것이고, 광센서(410)의 장착 위치가 반드시 도 16 및 도 17에 도시된 예시에 한정되는 것은 아니다. 　

가스 센서(200)가 저장 용기에 저장된 식품에서 발생되는 대상 가스의 농도에 따라 색이 변화 되면, 저장 용기(305)의 투명한 뚜껑 또는 투명한 몸체를 통해 외부에서 보여지고, 도어가 닫히면 광센서(410)가 가스 센서(200)의 색을 감지하여 그 출력 신호가 제어부(420)에 전달될 수 있다.

제어부(420)는 광센서(410)의 출력 신호에 기초하여 저장 용기(305)에 저장된 식품의 상태를 판단할 수 있다. 전술한 바와 같이 식품의 숙성도 또는 부패도에 따라 발생되는 대상 가스의 양이 달라지므로, 제어부(420)는 대상 가스의 양에 따른 식품의 숙성도 또는 부패도를 데이터베이스화 시켜 저장하고 광센서(410)의 출력 신호에 대응되는 식품의 숙성도 또는 부패도를 결정할 수 있다.

식품의 종류와 크기에 따라 가스 센서(200)의 출력 값에 차이가 날 수 있으므로 냉장고(400)에 구비된 입력부(440)를 통해 입력된 식품의 종류나 크기 등에 관한 정보를 고려하여 식품의 상태가 결정될 수도 있다.

당해 실시 예에 따른 냉장고(400)에 의하면 사용자는 도어를 열어 가스 센서(200)의 색을 직접 확인함으로써 식품의 상태를 파악할 수도 있고, 냉장고(400)가 광센서(410)를 이용하여 자체적으로 판단한 식품의 상태를 디스플레이부(430)에 표시된 정보를 보고 확인할 수도 있다.

제어부(420)에서 판단된 식품의 상태는 냉장고(400)에 마련된 디스플레이부(430)에 표시될 수 있다. 예를 들어, 대상 식품이 김치인 경우에는 제어부(420)가 광센서(410)의 출력 신호에 따라 김치의 상태를 생김치, 약간 익음, 익음, 산패의 단계 중의 하나로 판단할 수 있고, 그 판단 결과를 디스플레이부(430)에 표시하여 사용자로 하여금 현재 김치의 상태를 확인할 수 있게 한다.

또는, 대상 식품이 육류인 경우에는 제어부(420)가 광센서(410)의 출력 신호에 따라 육류의 상태를 숙성 단계와 부패 단계 중 하나로 판단하거나, 더 나아가 육류가 가장 먹기 좋은 상태가 언제인지를 판단할 수 있으며, 그 결과가 디스플레이부(430)에 표시될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 가스 센서(200)는 가역성을 가질 수 있으므로 냉장고(400)에서 교체 시기가 될 때 까지 지속적으로 사용될 수 있다.

한편, 냉장고(400)는 대상 식품의 상태를 표시하는 것에 그치지 않고, 저장실(403)의 온도를 제어하여 식품의 상태가 능동적으로 관리되도록 마련될 수 있다.

도 18는 온도 제어가 가능하도록 마련된 또 다른 실시 예에 따른 냉장고(500)의 제어 블록도 이다. 도 18의 경우 역시 다공성 매트릭스(M)를 포함하는 가스 센서(200)가 냉장고(500)에 적용된 경우를 예로 들어 설명한다.

도 18을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 냉장고(500)는 도 15의 구성 요소인 가스 센서(200), 광센서(410), 제어부(420) 및 디스플레이부(430) 뿐만 아니라 저장실 내부에 냉기를 공급하는 냉각부(510)를 더 포함할 수 있다. 가스 센서(200), 광센서(410) 및 디스플레이부(430)의 경우 도 15의 구성과 실질적으로 동일하며 이와 관련해 전술한 설명과 중복되는 설명은 생략한다. 아울러, 제어부(420) 관련 도 15과 중복되는 설명 역시 생략한다.

제어부(420)는 광센서(410)의 출력 신호에 기초해 식품의 상태를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 저장실의 온도를 제어할 수 있는 바, 저장실의 온도 제어를 위해 냉각부(510)에 제어 신호를 전송한다.

제어부(420)는 미리 저장된 데이터베이스에 따라 식품의 현재 상태에 대응되는 적절한 저장실의 온도를 자체적으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 대상 식품이 육류인 경우 육류의 현재 상태가 부패 단계가 아닌 숙성 단계에 있는 경우 최적의 숙성 상태에 도달하거나 그 상태가 유지될 수 있도록 하는 저장실의 온도를 파악하고, 그에 대응되는 제어 신호를 냉각부(510)에 전송할 수 있다.

제어부(420)는 입력부를 통해 사용자로부터 원하는 식품 상태에 관한 명령을 입력받고, 그에 따라 저장실의 온도를 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어, 대상 식품이 김치인 경우 사용자에 의해 김치의 상태를 익음 상태로 유지하라는 명령이 입력되면, 제어부(420)는 김치의 상태를 익음 상태로 유지할 수 있는 저장실의 온도를 판단하고 그에 대응되는 제어 신호를 냉각부(510)에 전송할 수 있다.

다음으로, 일 실시 예에 따른 전자 제품의 제어 방법에 대해 설명한다.

도 19는 일 실시 예에 따른 전자 제품의 제어 방법에 관한 순서도이다. 당해 실시 예에 따른 제어 방법에는 도 15 내지 도 17의 실시 예에 따른 전자 제품이 적용 될 수 있으며, 이하 전자 제품은 냉장고(400)인 것으로 한다.

도 19를 참조하면, 광센서(410)를 이용하여 가스 센서(100, 200)의 색을 감지한다(530). 대상 가스의 농도에 따른 하이드로겔 분산액의 pH 변화가 염료(C)의 색 변화로 나타나는 바, 가스 센서(100, 200)에 대응되는 위치에 장착된 광센서(410)를 이용하여 가스 센서(100, 200)의 색을 감지할 수 있다.

가스 센서(100, 200)의 색에 기초하여 대상 가스의 농도를 판단한다(531). 가스 센서(100, 200)는 투명한 재질을 가지는 저장 용기(305) 내부에 부착되므로 염료(C)의 색변화가 외부로 보여지게 된다. 염료(C)의 색 변화는 대상 가스의 농도에 비례하므로 염료(C)의 색 변화를 통해 대상 가스의 농도를 판단할 수 있다.

대상 가스의 농도에 기초하여 식품의 상태를 판단하고(532), 판단된 식품의 상태를 표시한다(533). 이에 관한 설명은 전술한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

도 20은 다른 실시 예에 따른 전자 제품의 제어 방법에 있어, 냉장고(500)의 온도를 제어하는 방법에 관한 순서도 이다.

도 20을 참조하면, 광센서(410)를 이용하여 가스 센서(100, 200)의 색을 감지하고(540), 가스 센서(100, 200)의 색에 기초하여 대상 가스의 농도를 판단한다(541).

그리고, 대상 가스의 농도에 기초하여 냉장고(500)의 온도를 제어한다(542). 미리 저장된 데이터베이스에 따라 식품의 현재 상태에 대응되는 적절한 온도를 자체적으로 판단하거나 사용자로부터 원하는 식품 상태에 관한 명령을 입력받고 입력된 식품 상태에 도달하거나 유지하기 위한 온도를 판단할 수도 있다.

지금까지 상술한 가스 센서(100, 200), 이를 포함하는 전자 제품 및 그 제어 방법에 의하면, 대상 가스를 하이드로겔의 분산매에 용해시키고 이로 인한 분산매의 pH 변화를 측정함으로써 우수한 선택도와 분해능으로 대상 가스를 검출할 수 있다.

발명의 기술적 사상이 전술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 당해 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있는 범위 내의 변경을 포함하는 개념으로 넓게 이해되어야 할 것이다.

100, 200 : 가스 센서
300, 400, 500 : 냉장고
305 : 저장 용기
410 : 광센서
H : 하이드로겔 지지체
C : 염료
M : 다공성 멤브레인
　
　

Claims

도어;
저장실;
일부 면 또는 전면이 투명하게 형성된 투명부를 포함하고, 상기 저장실 내부에 배치되는 저장 용기;
대상 가스와 반응해 변색되는 하이드로겔 지지체를 포함하고, 상기 저장 용기의 상기 투명부의 안쪽에 마련되는 가스 센서;
상기 도어에 마련되고, 상기 도어가 닫힌 경우 상기 가스 센서의 색을 감지하는 광센서; 및
상기 광센서에서 감지한 색에 기초하여 대상 식품의 상태를 판단하고, 상기 판단된 대상 식품의 상태에 따라 상기 저장실의 온도를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 하이드로겔 지지체는,
상기 대상 가스와 반응 시 pH 변화에 감응하여 변색되도록 마련되는 염료를 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 염료는,
천연 염료 또는 합성 염료를 포함하는 냉장고.
제 2항에 있어서,
상기 천연 염료는,
안토시아닌 계열 염료를 포함하는 냉장고.
제 2항에 있어서,
상기 천연 염료는,
적양배추, 블루베리, 사과, 서양배, 복숭아, 아스파라거스, 딸기, 석류 및 포도를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나에서 추출된 식물성 염료를 포함하는 냉장고.
제 2항에 있어서,
상기 합성 염료는,
클로로페놀 레드(chlorophenol red), 메틸 레드(methyl red), 브로모티몰 블루(bromothymol blue), 브로모크레솔그린(bromocresol green), 나이트로페놀(nitrophenol), 브로모크레솔퍼플(bromocresol purple) 및 알리자린(alizarin)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 대상 가스는,
휘발성 유기산 또는 염기를 포함하는 냉장고.
제 6항에 있어서,
상기 휘발성 유기산은,
이산화탄소 또는 아세트산을 포함하고,
상기 염기는,
암모니아를 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔 지지체는,
하이드로겔을 고형화 하여 마련되는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔 지지체는,
이가 양이온을 포함하는 가교제에 의해 형성된 교차 구조(crosslinked structure)를 가지는 냉장고.
제 9항에 있어서,
상기 이가 양이온은,
칼슘 이온을 포함하고,
상기 가교제는,
염화 칼슘을 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔 지지체의 상기 하이드로겔은,
천연 하이드로겔을 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔 지지체의 상기 하이드로겔은,
한천(agar), 아가로오스(agarose), 알긴산 나트륨(sodium alginate), 알긴산 칼륨(potassium alginate), 알긴산 루비듐(rubidium alginate), 알긴산 칼슘(calcium alginate), 알긴산 바륨(barrium alginate) 및 프로필렌글라이콜알지네이트(propylene glycol alginate)를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔 지지체는,
글리세린(glycerin), 글리세롤(glycerol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 소비톨(sorbitol), 말티톨(maltitol), 폴리덱스트로오스(polydextrose), 트리아세틸글리세롤(triacetylglycerol), 젖산 칼륨(potassium lactate), 아이소말트(isomalt), 자일리톨(xylitol), 젖산 나트륨(sodium lactate), 요소(urea), 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan) 및 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol), 염화 칼슘(calcium chloride), 염화 나트륨(Sodium chloride)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 가스 센서는,
시트 타입으로 제조된 것을 포함하는 냉장고.
제 14항에 있어서,
상기 대상 가스와 접촉하는 상기 하이드로겔 지지체의 일면에 결합된 멤브레인;을 더 포함하는 냉장고.
제 1항에 있어서,
상기 가스 센서는,
식품의 신선도, 숙성도 또는 발효도의 측정 용도로 사용되는 냉장고.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 식품의 상태를 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하는 냉장고.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 광센서로부터 출력되는 신호와 상기 대상 식품의 상태 사이의 관계에 대한 정보를 미리 저장하고, 상기 저장된 정보에 따라 상기 대상 식품의 상태를 판단하는 냉장고.
삭제
삭제
삭제