KR102500257B1 - A multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixture of graphene oxide and metal oxide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치에 관한 것이다.
본 발명은 감지된 포름알데히드의 농도에 대응하는 제1 전기신호를 출력하는 포름알데히드 센서, 감지된 벤젠의 농도에 대응하는 제2 전기신호를 출력하는 벤젠 센서, 감지된 톨루엔의 농도에 대응하는 제3 전기신호를 출력하는 톨루엔 센서 및 감지된 크실렌의 농도에 대응하는 제4 전기신호를 출력하는 크실렌 센서를 포함하고, 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 각각은 그래핀산화물 및 이산화주석, 산화아연, 이산화티타늄이 1:1:1의 중량비율로 혼합된 금속산화물을 포함하고, 상기 포름알데히드 센서는 93중량% ~ 97중량%의 그래핀산화물 및 3중량% ~ 7중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 벤젠 센서는 53중량% ~ 67중량%의 그래핀산화물 및 33중량% ~ 47중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 톨루엔 센서는 2중량% ~ 8중량%의 그래핀산화물 및 92중량% ~ 98중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 크실렌 센서는 22중량% ~ 48중량%의 그래핀산화물 및 52중량% ~ 78중량%의 금속산화물을 포함한다.
본 발명에 따르면, 매우 많은 종류의 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있다.The present invention relates to a multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide.
The present invention provides a formaldehyde sensor outputting a first electrical signal corresponding to the detected concentration of formaldehyde, a benzene sensor outputting a second electrical signal corresponding to the detected concentration of benzene, and a sensor outputting a second electrical signal corresponding to the detected concentration of toluene. 3 a toluene sensor outputting an electrical signal and a xylene sensor outputting a fourth electrical signal corresponding to the detected concentration of xylene, wherein the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor each include graphene oxide and a metal oxide mixed with tin dioxide, zinc oxide, and titanium dioxide in a weight ratio of 1:1:1, and the formaldehyde sensor contains 93% to 97% by weight of graphene oxide and 3% to 7% by weight of graphene oxide. The benzene sensor contains 53% to 67% by weight of graphene oxide and 33% to 47% by weight of metal oxide, and the toluene sensor contains 2% to 8% by weight Of graphene oxide and 92% to 98% by weight of a metal oxide, and the xylene sensor includes 22% to 48% by weight of graphene oxide and 52% to 78% by weight of a metal oxide.
According to the present invention, among many types of volatile organic compounds, formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, can be selectively detected using a single sensor device.
Description
본 발명은 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 매우 많은 종류의 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있는 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide. More specifically, the present invention provides a mixed composition of graphene oxide and metal oxide that can selectively detect formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, among many types of volatile organic compounds using a single sensor device. It relates to a multiplexed array volatile organic compound detection device using
일반적인 생활 환경 속에서 발생량이 급속히 증가하고 있는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)은 다양한 측면에서 인체에 악영향을 끼치고 있으며, 일정 농도 이상의 휘발성 유기화합물이 인체에 노출시 구토, 경련, 의식불명, 천식 등 심하면 사망에 이르기까지 한다.Volatile Organic Compounds (VOCs), which are rapidly increasing in the general living environment, have adverse effects on the human body in various aspects. In severe cases, such as asthma, it can even lead to death.
이러한 VOC는 보통 상온 및 대기압에서 기체 상태로 존재하는 유기화합물로서 대한민국에서는 대기환경보전법에서 탄화수소류 중 석유화학제품, 유기용제, 그 밖의 물질로 환경부 장관이 고시한 물질로 정의하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 특정량 이상의 에너지에서 이온화되는 모든 유기화합물이 VOC에 포함될 수 있다.These VOCs are organic compounds that usually exist in a gaseous state at room temperature and atmospheric pressure. In the Republic of Korea, it is defined as a substance notified by the Minister of Environment as petrochemical products, organic solvents, and other substances among hydrocarbons in the Clean Air Conservation Act, but is not limited thereto. , for example, all organic compounds that ionize at energies above a certain amount can be included in VOCs.
이와 같은 인체에 유해한 다양한 종류의 VOC의 배출량이 증대됨에 따라 VOC를 검출해야 할 필요성 또한 증대되고 있다.As the emission of various types of VOCs harmful to the human body increases, the need to detect VOCs also increases.
특히, 매우 많은 종류의 VOC 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지하는 기술적 수단이 요구되고 있으나, 종래 기술은 이에 대한 해결책을 제시하지 못하고 있다.In particular, a technical means for selectively detecting formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, among many types of VOCs using one sensor device is required, but the prior art has not provided a solution for this. .
본 발명의 기술적 과제는 매우 많은 종류의 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있는 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치를 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention is to use a mixed composition of graphene oxide and metal oxide that can selectively detect formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, among many types of volatile organic compounds using one sensor device. It is to provide a multiplexed array volatile organic compound detection device.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치는 감지된 포름알데히드의 농도에 대응하는 제1 전기신호를 출력하는 포름알데히드 센서, 감지된 벤젠의 농도에 대응하는 제2 전기신호를 출력하는 벤젠 센서, 감지된 톨루엔의 농도에 대응하는 제3 전기신호를 출력하는 톨루엔 센서 및 감지된 크실렌의 농도에 대응하는 제4 전기신호를 출력하는 크실렌 센서를 포함하고, 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 각각은 그래핀산화물 및 이산화주석, 산화아연, 이산화티타늄이 1:1:1의 중량비율로 혼합된 금속산화물을 포함하고, 상기 포름알데히드 센서는 93중량% ~ 97중량%의 그래핀산화물 및 3중량% ~ 7중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 벤젠 센서는 53중량% ~ 67중량%의 그래핀산화물 및 33중량% ~ 47중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 톨루엔 센서는 2중량% ~ 8중량%의 그래핀산화물 및 92중량% ~ 98중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 크실렌 센서는 22중량% ~ 48중량%의 그래핀산화물 및 52중량% ~ 78중량%의 금속산화물을 포함한다.A multiplexed array volatile organic compound detection device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention to solve these technical problems is a formaldehyde sensor outputting a first electrical signal corresponding to the detected concentration of formaldehyde, detection A benzene sensor outputting a second electrical signal corresponding to the concentration of detected benzene, a toluene sensor outputting a third electrical signal corresponding to the detected concentration of toluene, and a fourth electrical signal corresponding to the detected concentration of xylene. Outputting a fourth electrical signal. A xylene sensor, wherein each of the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor is a metal oxide mixed with graphene oxide, tin dioxide, zinc oxide, and titanium dioxide in a weight ratio of 1:1:1 The formaldehyde sensor includes 93 wt% to 97 wt% of graphene oxide and 3 wt% to 7 wt% of metal oxide, and the benzene sensor includes 53 wt% to 67 wt% of graphene oxide. And 33% to 47% by weight of a metal oxide, wherein the toluene sensor contains 2% to 8% by weight of graphene oxide and 92% to 98% by weight of a metal oxide, and the xylene sensor contains 22% to 8% by weight of a metal oxide It includes 48% by weight of graphene oxide and 52% by weight to 78% by weight of metal oxide.
본 발명에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치에 있어서, 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서는 전기로에서 상온에서 250℃ 이하의 온도 범위에서 2시간 이상 1차 열처리되고, 1차 열처리가 종료된 시점으로부터 24시간 이상 경과 후 300℃ 이상의 온도 범위에서 1시간 이상 열처리되어 제조된 것을 특징으로 한다.In the multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention, the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor are tested at a temperature of 250 ° C. or less at room temperature in an electric furnace It is characterized in that it is produced by first heat treatment for 2 hours or more in the range, and heat treatment for 1 hour or more in a temperature range of 300 ° C. or more after 24 hours or more from the time when the first heat treatment is finished.
본 발명에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치는 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서가 출력하는 전기신호들 중에서 하나를 선택하는 멀티플렉서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.A multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention includes a multiplexer for selecting one of electrical signals output by the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor It is characterized in that it further comprises.
본 발명에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치는 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서, 상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 더 포함하고, 상기 휘트스톤 브리지 회로를 구성하는 4개의 저항 중에서 R4 저항은 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 및 상기 멀티플렉서로 대체되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.A multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention includes a Wheatstone bridge electrically connected to the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, the xylene sensor, and the multiplexer Bridge) circuit, wherein among the four resistors constituting the Wheatstone bridge circuit, R4 resistor is configured to be replaced with the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, the xylene sensor, and the multiplexer. do.
본 발명에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치에 있어서, 상기 휘트스톤 브리지 회로의 출력신호는 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 중에서 상기 멀티플렉서에 의해 선택된 센서가 출력하는 전기신호를 변환한 신호인 것을 특징으로 한다.In the multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention, the output signal of the Wheatstone bridge circuit is selected from among the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor. It is characterized in that the signal is a signal obtained by converting an electrical signal output from a sensor selected by the multiplexer.
본 발명에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치는 상기 휘트스톤 브리지 회로의 출력단에 연결되어 상기 휘트스톤 브리지 회로의 출력신호를 증폭하는 증폭부 및 상기 증폭부에 의해 증폭된 출력신호를 밴드패스(bandpass) 필터링하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.A multiplexed array volatile organic compound detection device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention includes an amplification unit connected to an output terminal of the wheatstone bridge circuit and amplifying an output signal of the wheatstone bridge circuit, and the amplification unit It characterized in that it further comprises a filter unit for bandpass filtering the output signal amplified by the.
본 발명에 따르면, 매우 많은 종류의 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있는 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치가 제공되는 효과가 있다.According to the present invention, multiplexing using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide that can selectively detect formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, among many types of volatile organic compounds using one sensor device. There is an effect of providing an array volatile organic compound detection device.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 포름알데히드 센서의 예시적인 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 휘트스톤 브리지 회로를 구성하는 4개의 저항 중에서 R4 저항이 포름알데히드 센서, 벤젠 센서, 톨루엔 센서, 크실렌 센서 및 멀티플렉서로 대체된 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 증폭부와 필터부의 예시적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram showing an exemplary configuration of a formaldehyde sensor according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram showing a configuration in which the R4 resistor among the four resistors constituting the Wheatstone bridge circuit is replaced with a formaldehyde sensor, a benzene sensor, a toluene sensor, a xylene sensor, and a multiplexer according to an embodiment of the present invention; ego,
4 is a diagram showing exemplary configurations of an amplification unit and a filter unit according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에 개시된 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are only exemplified for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may take various forms. It can be implemented as and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and have various forms, so the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosure forms, and includes all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another, e.g. without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, a first component may be termed a second component and similarly a second component may be termed a second component. A component may also be referred to as a first component.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It should be understood that when a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. will be. On the other hand, when a component is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted similarly.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in this specification, but one or more other features It should be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and are not interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined herein. .
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치(1)를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 포름알데히드 센서(10)의 예시적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 휘트스톤 브리지 회로(60)를 구성하는 4개의 저항 중에서 R4 저항이 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40) 및 멀티플렉서(50)로 대체된 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 증폭부(70)와 필터부(80)의 예시적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a multiplexed array volatile organic
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치(1)는 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40), 멀티플렉서(50), 휘트스톤 브리지 회로(60), 증폭부(70) 및 필터부(80)를 포함하여 구성된다.1 to 4, a multiplexed array volatile organic
포름알데히드 센서(10)는 실내외의 대기에 존재하는 포름알데히드의 농도를 감지하고, 감지된 포름알데히드의 농도에 대응하는 제1 전기신호를 출력하는 구성요소이다.The
벤젠 센서(20)는 실내외의 대기에 존재하는 벤젠의 농도를 감지하고, 감지된 벤젠의 농도에 대응하는 제2 전기신호를 출력하는 구성요소이다.The
톨루엔 센서(30)는 실내외의 대기에 존재하는 톨루엔의 농도를 감지하고, 감지된 톨루엔의 농도에 대응하는 제3 전기신호를 출력하는 구성요소이다.The
크실렌 센서(40)는 실내외의 대기에 존재하는 크실렌의 농도를 감지하고, 감지된 크실렌의 농도에 대응하는 제4 전기신호를 출력하는 구성요소이다.The
포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40) 각각은 그래핀산화물 및 금속산화물을 포함하고, 금속산화물은 이산화주석, 산화아연, 이산화티타늄이 1:1:1의 중량비율로 혼합되도록 구성된다.Each of the
또한, 포름알데히드 센서(10)는 93중량% ~ 97중량%의 그래핀산화물 및 3중량% ~ 7중량%의 금속산화물을 포함하고, 벤젠 센서(20)는 53중량% ~ 67중량%의 그래핀산화물 및 33중량% ~ 47중량%의 금속산화물을 포함하고, 톨루엔 센서(30)는 2중량% ~ 8중량%의 그래핀산화물 및 92중량% ~ 98중량%의 금속산화물을 포함하고, 크실렌 센서(40)는 22중량% ~ 48중량%의 그래핀산화물 및 52중량% ~ 78중량%의 금속산화물을 포함하도록 구성된다.In addition, the
예를 들어, 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40)는 전기로에서 상온에서 250℃ 이하의 온도 범위에서 2시간 이상 1차 열처리되고, 1차 열처리가 종료된 시점으로부터 24시간 이상 경과 후 300℃ 이상의 온도 범위에서 1시간 이상 열처리되어 제조되도록 구성될 수 있다.For example, the
멀티플렉서(50)는 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40)가 출력하는 전기신호들 중에서 하나를 선택하는 구성요소이다.The
이러한 멀티플렉서(50)를 이용하여 사용자는 필요에 따라 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있게 된다.Using the
이러한 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A more detailed description of this configuration is as follows.
본 발명의 일 실시 예는 센서의 구성을 그래핀산화물(Graphene Oxide)과 금속산화물을 이용하여 센서를 제작하여 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)를 감지할 수 있는 센서를 제작하는 기술로서, 4종의 센서인 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40)를 어레이로 구성하여 멀티플렉서(50)를 이용하여 1개의 센서를 필요시 마다 선택하여 사용할 수 있는 제어기와 제어코드를 포함하는 기술이다. An embodiment of the present invention is a technology for manufacturing a sensor capable of detecting volatile organic compounds (VOC) by manufacturing a sensor using graphene oxide and a metal oxide for the configuration of the sensor, Four types of sensors,
알려진 바와 같이, 그래핀은 강철보다 100배 강하고, 면적의 20%를 늘릴 수 있는 신축성이 있어 검출범위가 넓고, 열전도율이 구리보다 10배 높고, 빛의 투과율이 약 98%정도가 되어 응답속도가 빠르며 내구성이 강한 이점이 있다. As is known, graphene is 100 times stronger than steel, has elasticity that can increase 20% of its area, so it has a wide detection range, thermal conductivity is 10 times higher than copper, and its light transmittance is about 98%, so its response speed is high. It has the advantage of being fast and durable.
또한, 본 발명의 일 실시 예는 그래핀의 특성을 보상하기 위한 재료로서 금속산화물을 사용하였다. 즉, 산화아연, 이산화주석, 이산화티타늄을 1:1:1의 비율로 혼합한 금속산화물을 이용하여, 그래핀의 특성을 향상시켰다.In addition, an embodiment of the present invention uses a metal oxide as a material for compensating for the characteristics of graphene. That is, the characteristics of graphene were improved by using a metal oxide in which zinc oxide, tin dioxide, and titanium dioxide were mixed in a ratio of 1:1:1.
도 2는 포름알데히드 센서(10)의 예시적인 구성을 나타낸 도면이다. 다른 센서들, 즉, 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40)의 구조는 도 2에 예시된 포름알데히드 센서(10)와 동일하며, 실리콘(Si) 재질을 갖는 기판(12) 상에 이산화규소(SiO2, Silicon Dioxide) 재질을 갖는 절연막(14)을 형성하고, 그래핀산화물(GO)과 금속산화물(MO)의 화합물(16)을 절연막(14) 상에 증착시킨 구조를 가질 수 있다.2 is a diagram showing an exemplary configuration of the
그래핀산화물과 금속산화물의 조성비는 앞서 설명하였으며, 도면에 도시하지는 않았으나, 각 센서의 양단에 백금 페이스트 등을 접합한 후 경화시켜 전극을 형성할 수 있다.The composition ratio of graphene oxide and metal oxide has been described above, and although not shown in the drawings, platinum paste or the like may be bonded to both ends of each sensor and then cured to form an electrode.
유해화학물질 측정을 위한 센서의 물질 조성비는 앞서 설명하였으며, 물질 조성 후 전기로를 이용하여 상온에서부터 250℃ 이상의 온도에서 2시간 이상, 24시간 이후 300℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 2차 열처리를 실시할 수 있다. 2차 열처리 과정을 통하여, 다공성과 이물질을 보다 깨끗하게 제거하고, 균일한 밀도의 물질을 조성할 수 있으므로, 측정의 값에 대한 노이즈를 줄이고 선명한 신호를 얻을 수 있다. The material composition ratio of the sensor for measuring hazardous chemicals has been described above, and after the composition of the material, a second heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C or higher from room temperature for 2 hours or more, and at a temperature of 300 ° C or higher for 1 hour or more after 24 hours using an electric furnace. can Through the secondary heat treatment process, since porosity and foreign substances can be removed more cleanly and a material with a uniform density can be formed, noise for the measurement value can be reduced and a clear signal can be obtained.
예를 들어, 각 센서를 개별 제작한 이후 하나의 통합 기판에 실장하는 제작방식도 적용 가능하며, 이 경우의 열처리 온도는 다음과 같이 구성될 수 있다.For example, a manufacturing method in which each sensor is separately manufactured and then mounted on a single integrated board is also applicable, and the heat treatment temperature in this case may be configured as follows.
a. 포름알데히드 센서(10) : 1차 열처리 약 120℃, 2차 열처리 250℃a. Formaldehyde sensor 10: 1st heat treatment about 120 ℃, 2nd heat treatment 250 ℃
b. 벤젠 센서(20) : 1차 열처리 약 20℃, 2차 열처리 30℃b. Benzene sensor 20: 1st heat treatment about 20 ℃,
c. 톨루엔 센서(30) : 1차 열처리 약 150℃, 2차 열처리 250℃c. Toluene sensor 30: 1st heat treatment about 150 ℃, 2nd heat treatment 250 ℃
d. 크실렌 센서(40) : 1차 열처리 약 100℃, 2차 열처리 120℃d. Xylene sensor 40: 1st heat treatment about 100℃, 2nd heat treatment 120℃
한편, 도 3에 예시된 바와 같이, 휘트스톤 브리지 회로(60)는 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40), 멀티플렉서(50)에 전기적으로 연결되어 있으며, 휘트스톤 브리지 회로(60)를 구성하는 4개의 저항 중에서 R4 저항은 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40) 및 멀티플렉서(50)로 대체되도록 구성될 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 3, the
예를 들어, 휘트스톤 브리지 회로(60)의 출력신호는 포름알데히드 센서(10), 벤젠 센서(20), 톨루엔 센서(30), 크실렌 센서(40) 중에서 멀티플렉서(50)에 의해 선택된 센서가 출력하는 전기신호를 변환한 신호일 수 있다.For example, the output signal of the
구체적으로, 도 3의 예시에 따르면, 4개의 저항 R1, R2, R3, R4는 모두 동일한 저항값(이하, R)을 갖는다.Specifically, according to the example of FIG. 3, the four resistors R1, R2, R3, and R4 all have the same resistance value (hereinafter referred to as R).
VOUT=V2-V1, V2=V0*(R+△R)/(R+R+△R)로 계산된다.V OUT =V 2 -V 1 , V 2 =V 0 It is calculated as *(R+ΔR)/(R+R+ΔR).
V1=R*V0*(R+R), VOUT=V2-V1=V0*△R/(2*(2*R+△R))=V0*△R/(4*R+2*△R)로 계산되어 센서의 출력값을 구할 수 있다.V 1 =R*V 0 *(R+R), V OUT =V 2 -V 1 =V 0 *ΔR/(2*(2*R+ΔR))=V 0 *ΔR/(4* It is calculated as R+2*ΔR) to obtain the output value of the sensor.
증폭부(70)는 휘트스톤 브리지 회로(60)의 출력단에 연결되어 휘트스톤 브리지 회로(60)의 출력신호를 증폭하는 기능을 수행한다.The
필터부(80)는 증폭부(70)에 의해 증폭된 출력신호를 밴드패스(bandpass) 필터링하는 기능을 수행한다.The
도 4의 회로는 증폭부(70)와 필터부(80)의 하나의 예시적인 구성일 뿐이며, 증폭부(70)와 필터부(80)의 구체적인 회로 구성이 이에 한정되지는 않는다.The circuit of FIG. 4 is only one exemplary configuration of the
이러한 그래핀산화물과 금속산화물을 이용한 복합센서와 모듈 구성은 최근 이슈가 되고 있는 자동차 배기가스, 화학공장, 신축 건물 등 실내외에서 유해화학물질을 조기에 검출하여 인명 및 재산 피해 예방에 큰 도움이 될 수 있다.Composite sensors and modules using these graphene oxides and metal oxides will be of great help in preventing human and property damage by early detection of hazardous chemicals indoors and outdoors, such as automobile exhaust gas, chemical factories, and new buildings, which have recently become issues. can
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 매우 많은 종류의 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있다.As described in detail above, according to the present invention, formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, among many types of volatile organic compounds, can be selectively detected using a single sensor device.
1: 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치
10: 포름알데히드 센서
20: 벤젠 센서
30: 톨루엔 센서
40: 크실렌 센서
50: 멀티플렉서(multiplexer)
60: 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로
70: 증폭부
80: 필터부1: Multiplexed array volatile organic compound detection device using mixed composition of graphene oxide and metal oxide
10: formaldehyde sensor
20: benzene sensor
30: toluene sensor
40: xylene sensor
50: multiplexer
60: Wheatstone Bridge circuit
70: amplifier
80: filter unit
Claims (6)
감지된 벤젠의 농도에 대응하는 제2 전기신호를 출력하는 벤젠 센서;
감지된 톨루엔의 농도에 대응하는 제3 전기신호를 출력하는 톨루엔 센서;
감지된 크실렌의 농도에 대응하는 제4 전기신호를 출력하는 크실렌 센서;
상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서가 출력하는 전기신호들 중에서 하나를 선택하는 멀티플렉서; 및
상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서, 상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 포함하고,
상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 각각은 그래핀산화물 및 이산화주석, 산화아연, 이산화티타늄이 1:1:1의 중량비율로 혼합된 금속산화물을 포함하고, 상기 포름알데히드 센서는 93중량% ~ 97중량%의 그래핀산화물 및 3중량% ~ 7중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 벤젠 센서는 53중량% ~ 67중량%의 그래핀산화물 및 33중량% ~ 47중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 톨루엔 센서는 2중량% ~ 8중량%의 그래핀산화물 및 92중량% ~ 98중량%의 금속산화물을 포함하고, 상기 크실렌 센서는 22중량% ~ 48중량%의 그래핀산화물 및 52중량% ~ 78중량%의 금속산화물을 포함하고,
상기 휘트스톤 브리지 회로를 구성하는 4개의 저항 중에서 R4 저항은 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 및 상기 멀티플렉서로 대체되도록 구성되고, 상기 휘트스톤 브리지 회로의 출력신호는 상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서 중에서 상기 멀티플렉서에 의해 선택된 센서가 출력하는 전기신호를 변환한 신호이고,
상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서는 전기로에서 상온에서 250℃ 이하의 온도 범위에서 2시간 이상 1차 열처리되고, 1차 열처리가 종료된 시점으로부터 24시간 이상 경과 후 300℃ 이상의 온도 범위에서 1시간 이상 열처리되어 제조된 것을 특징으로 하는, 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치.
a formaldehyde sensor outputting a first electrical signal corresponding to the detected concentration of formaldehyde;
a benzene sensor outputting a second electrical signal corresponding to the detected concentration of benzene;
a toluene sensor outputting a third electrical signal corresponding to the detected concentration of toluene;
a xylene sensor outputting a fourth electrical signal corresponding to the detected concentration of xylene;
a multiplexer that selects one of electrical signals output from the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor; and
A Wheatstone Bridge circuit electrically connected to the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, the xylene sensor, and the multiplexer,
Each of the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor includes graphene oxide and a metal oxide mixed with tin dioxide, zinc oxide, and titanium dioxide in a weight ratio of 1:1:1, and the formaldehyde The aldehyde sensor contains 93 wt% to 97 wt% of graphene oxide and 3 wt% to 7 wt% of metal oxide, and the benzene sensor contains 53 wt% to 67 wt% of graphene oxide and 33 wt% to 47 wt%. The toluene sensor contains 2% to 8% by weight of graphene oxide and 92% to 98% by weight of metal oxide, and the xylene sensor contains 22% to 48% by weight Of graphene oxide and 52% to 78% by weight of a metal oxide,
Among the four resistors constituting the wheatstone bridge circuit, resistance R4 is configured to be replaced by the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, the xylene sensor, and the multiplexer, and the output signal of the wheatstone bridge circuit is A signal obtained by converting an electrical signal output by a sensor selected by the multiplexer from among the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor,
The formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor are subjected to primary heat treatment in an electric furnace in a temperature range of 250 ° C or less at room temperature for 2 hours or more, and 300 after 24 hours or more from the time when the first heat treatment is completed A multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide, characterized in that it is prepared by heat treatment at a temperature range of ° C or higher for 1 hour or more.
상기 휘트스톤 브리지 회로의 출력단에 연결되어 상기 휘트스톤 브리지 회로의 출력신호를 증폭하는 증폭부; 및
상기 증폭부에 의해 증폭된 출력신호를 밴드패스(bandpass) 필터링하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치.
According to claim 1,
an amplifier connected to an output terminal of the Wheatstone bridge circuit to amplify an output signal of the Wheatstone bridge circuit; and
The multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide, characterized in that it further comprises a filter unit for bandpass filtering the output signal amplified by the amplifier unit.
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2020
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| JP2010501830A (en) * | 2006-08-18 | 2010-01-21 | フレゼニウス メディカル ケア ホールディングス インコーポレイテッド | Wetness sensor |
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