KR20160082302A - 복합형 단일 화재감지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화재에 의해 발생하는 연기, 자외광과 온도의 동시감지가 가능한 복합형의 단일 화재감지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에 스크린 인쇄법에 의해 인쇄되는 인듐 주석 산화물 박막을 이용하여 실온에서 화재에 의해 발생하는 가연성 연기, 화염에 의한 자외광, 그리고 온도증가를 검출 가능한 감지 장치를 제공함으로써, 기존의 이중 복합형에서 보다 신뢰성이 확보된 복합형 화재감지 센서를 제안하고 방재 센서 기술을 선도할 수 있으며, 폭발형 화재 감지 센서로써 높은 신뢰성이 필요한 해양플랜트와 같은 다양한 영역의 산업에서 조기 검진이 가능한 센서로써 능력을 대폭 향상 시킬 수 있도록 한 것이다.
Description
본 발명은 복합형 단일 화재감지 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는 온도, 자외광선 및 인화성 가스를 하나의 센서로 동시에 감지하여 특히 폭발형 착화 화재를 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 복합형 단일 화재감지 센서에 관한 것이다.
화재감지센서를 포함하는 화재감지기는 화재시 발생하는 열, 연기, 불꽃 등을 검출하여 화재가 발생하였음을 외부에 알리는 장치이다. 화재감지기는 측정원리에 따라 열감지기, 연기감지기, 불꽃감지기 등으로 분류할 수 있다.
열감지기는 써미스터(Thermistor) 또는 열전대(Thermocouple)와 같은 열감지센서를 이용하여 열 또는 온도를 감지하여 화재 발생을 알리는 방식이다.
연기감지기는 연기 입자를 포함한 기체를 빛이 통과할 때 발생하는 빛의 흡수 또는 산란과 같은 광학적 현상과 연기 농도의 상관관계를 이용하여 화재시 발생하는 연기를 감지하는 방식이다.
불꽃감지기는 화재에 의해 발생한 불꽃으로부터 방출되는 빛에 포함된 적외선이나 자외선을 감지하는 방식이다.
화재는 막대한 재산과 인명손실을 동반하는 재난으로, 이를 초기에 경고하여 손실을 줄이려는 노력은 경제적, 사회적으로 매우 중요하다. 그 중에서도 화재에 의해 발생하는 다중신호(열, 연기, 불꽃)를 여러 개의 센서를 이용하여 감지하고 이를 종합하여 화재경보의 신뢰성을 높이려는 시도가 있었다.
이러한 시도가 이루어진 이유는 단일신호에 의한 화재감지에 한계가 존재하기 때문이다. 예컨대 열감지방식은 화재발생의 유형상 밀폐된 공간에서는 발화후 주변으로 확산되는 경우가 아니면 유효한 방식이 아니고, 연기감지기도 발화시 특정 기체의 농도 변화가 감지되는 경우만 유효하며, 불꽃감지기는 주변의 조명이나 환경에 따라 제한적으로 작동하는 경우가 발생하므로 여러 가지 신호를 종합하여 화재발생 경보를 하는 것이 정보의 신뢰성 확보 차원에서 중요하다.
선행기술문헌 : KR공개특허공보 제2007-0119593호(2007.12.20.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 복수개의 신호를 단일한 센서를 이용하여 동시에 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 화재감지센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에서는 대기 중에서 장시간 사용하여도 산화, 오염 등에 대한 내성이 크고, 경제적으로도 장점을 갖고 있는 금속산화물 재료를 이용한 센서를 제안한다.
금속산화물 재료를 이용하여 센서를 제작하는 방법도 종래의 고가의 진공 장비를 이용한 반도체 박막증착 공정의 이용을 지양하고, 저가의 유리기판 등에 직접 인쇄하는 인쇄공정을 이용하여 센서를 제작한다.
센서 재료로서는 인듐-주석-산화물을 이용하고, 기판으로는 유리기판을 이용하며, 저가의 센서를 대량 생산할 수 있는 기술적 기반을 확보하기 위하여, 유리기판 상에 인듐 주석 산화물을 직접 인쇄 후 후처리 공정을 통하여 센서를 제작하는 방법을 제안한다.
제작한 센서는 자외광에 대한 검출 성능과 인화성 가스 및 연기에 대한 검출 성능 온도 변화에 대한 검출 성능을 동시에 보유하여, 단 하나의 센서로 화재에 의해서 발생하는 모든 신호를 종래의 기술보다 조기에 검지하여 화재 발생 경보뿐만 아니라 폭발형 화재의 발생 위험에 대한 사전 경고까지 가능한 성능을 갖는 센서를 제안한다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서는 기판; 기판 상에 형성되는 인듐 주석 산화물(ITO) 박막; 및 인듐 주석 산화물 박막의 양측 단부에 구비되어 인듐 주석 산화물 박막에 전류를 인가하는 전극을 포함하며, 인듐 주석 산화물 박막의 고체 표면의 산소 기체 흡착정도에 따른 전기전도도 변화를 이용하여 연기, 자외광선, 온도를 포함한 다중신호를 하나의 센서로 동시에 감지한다.
또한, 인듐 주석 산화물 박막은 전극과의 연결부위보다 넓은 면적으로 형성되어 면저항을 이용하지 않고 선저항을 이용할 수 있다.
또한, 인듐 주석 산화물 박막은 인듐 주석 산화물 나노분말을 In2O3 : SnO2 = 90:10의 중량비로 페이스트 형태로 만들어 기판 상면에 스크린 인쇄법으로 인쇄하고 초음파 세척한 후 소성하여 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 화재에 의해서 발생하는 모든 동반현상, 즉 온도, 자외광, 연기뿐만 아니라, 화재 위험 증가와 관련된 신호를 조기 검지할 수 있는 단일 센서를 구현하며, 금속산화물 감지재와 인쇄공학 기술을 적용하여 소형, 저가 화재감지기의 구현이 가능할 뿐만 아니라, 안전 방재 분야의 설계기술 선도가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서를 포함하는 감지시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 개념도,
도 3은 스크린 인쇄된 인듐 주석 산화물 박막에 대한 FE-SEM 사진,
도 4는 복합형 단일 화재감지 센서에 의한 실온에서의 가연성 연기 센서 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 자외선 센서 특성을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 온도 센서의 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 동시 검출 센서 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 개념도,
도 3은 스크린 인쇄된 인듐 주석 산화물 박막에 대한 FE-SEM 사진,
도 4는 복합형 단일 화재감지 센서에 의한 실온에서의 가연성 연기 센서 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 자외선 센서 특성을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 온도 센서의 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 동시 검출 센서 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서를 포함하는 감지시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서를 포함하는 감지시스템은 감지센서(1), 증폭회로(2), 컨트롤부(3), LED 경보(4), 경보스피커(5), 유무선 송신모듈(6), 및 방재센터 신고부(7)를 포함하여 이루어진다.
감지센서(1)는 화재시 발생하는 연기, 화염, 열을 검출하여 화재가 발생하였음을 외부에 알린다. 이를 위해 감지센서(1)는 특정 환경에서 전기적 신호를 발생시킨다.
발생된 전기적 신호는 증폭회로(2)에서 증폭되고, 증폭된 신호의 크기가 기 설정된 값을 초과할 경우 컨트롤부(3)에서 화재가 발생한 것으로 인식하고 외부로 및, 소리 등의 형태로 화재발생경보를 발생시키게 된다. 화재발생경보가 발생되면 유무선 송신모듈(6)에 의해 방재센터 신고부(7)가 방화위치를 송신하므로 초동 진화가 가능하다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합형 단일 화재감지 센서(11)는 기판(12), 인듐 주석 산화물 박막(13)(이하, ITO 박막), 전극(14a, 14b)을 포함한다.
기판(12)은 ITO 박막(13)을 스크린 인쇄법에 의해 형성하기 위한 받침판 역할을 하는 것으로, 스크린 인쇄가 가능한 평판이라면 어떠한 재질이라도 가능하지만, ITO 박막(13)이 대략 200℃에서 소결이 이루어지므로 이러한 열에 충분히 견딜 수 있는 재질인 것이 바람직하다.
ITO 박막(13)은 기판(12) 상에 형성된다. ITO 박막(13)은 화재에 의해 발생되는 연기, 화염, 온도를 검출하는 역할을 하며, 인듐 주석 산화물 나노분말을 In2O3 : SnO2 = 90:10의 중량비로 페이스트 형태로 만들어 기판(12) 상면에 스크린 인쇄법으로 인쇄하고 초음파 세척한 후 소성하여 형성될 수 있다.
인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)은 In2O3 에 SnO2 를 고용시켜 제조한 재료로, In2O3 의 결정구조에서 In 자리에 Sn 이 치환 고용된 형태이다. 인듐 주석 산화물은 가시광선 영역에서는 투과 특성이 우수하고 큰 밴드갭을 가지며, 자외선 영역은 흡수가 가능한 광특성 뿐만 아니라, 상온에서 안정한 물질로서 투명하면서 전기전도성이 우수한 특성을 갖는다.
일반적으로 ITO 박막은 대부분 진공에서 ITO 타겟을 사용하는 스퍼터링, 이온 플레이팅(Ion Plating), 전자빔 증착, CVD(Chemical Vapor Depostion) 등에 의해 제조되고 있다. 이러한 공법은 모두 고가의 장비를 필요로 하고 대면적화가 용이하지 못한 한계가 있다.
본 발명에서는 스크린 인쇄법에 의해 ITO 박막을 형성함으로써 저비용으로 제조가 가능하고 대면적화가 용이하다.
전극(14a, 14b)은 ITO 박막(13)의 양측 단부에 구비되어 ITO 박막(13)에 전류를 인가한다.
이때, ITO 박막(13)은 전극(14a, 14b)과의 연결부위보다 넓은 면적으로 형성되어 면저항을 이용하는 대신 선저항을 이용하는 것이 바람직하다. 도 2를 참조하면, ITO 박막(13)이 사탕과 같은 패턴으로 형성되어 있는데, 이는 기존의 면저항을 이용하는 센서와 달리, 센서의 감지를 위해 넓은 면적을 활용하고 전극 연결부분은 선저항을 이용할 수 있도록 함으로써 센서를 포함한 검출회로의 구조를 간소화할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 제조방법에 관한 바람직한 실시예는 다음과 같다.
먼저, 입도 30~50nm의 인듐 주석 산화물 파우더와 유기바인더를 1:1 비율로 혼합하여 인듐 주석 산화물 페이스트를 제조한다. 이때, 유기바인더로는 에틸 셀룰로즈(Ethyl Cellulose)와 터피네올(terpineol)을 1:19의 중량비로 혼합한 유기용액이 사용될 수 있다.
이어서, 제조된 인듐 주석 산화물 페이스트를 세척된 석영기판 상에 구형파 패턴을 갖는 띠 형태로 스크린 인쇄한다. 이때, 석영기판은 메탄올, 아세톤, 이소프로필 알코올, 그리고 초순수물(Deionized Water) 순으로 대략 15분씩 초음파 세척한다.
이어서, 석영기판 상에 스크린 인쇄된 인듐 주석 산화물 박막에 포함된 유기바인더를 제거하기 위해 200℃에서 1시간 동안 소성한다. 이때, 소성온도를 200℃로 잡은 것은 종래의 연구에서 유기바인더가 180℃에서 제거되는 것으로 알려져 있으며, 소성시간을 1시간으로 한 것은 가장 낮은 저항값의 박막을 얻을 수 있기 때문이다.
이와 같이 제조된 복합형 단일 화재감지 센서의 동작특성에 대한 측정과 분석을 실시하였다.
동작특성을 측정하기 전에 스크린 인쇄된 인듐 주석 산화물 박막에 대해 FE-SEM을 이용화여 형상 특성 분석을 실시하였다.
도 3은 스크린 인쇄된 인듐 주석 산화물 박막에 대한 FE-SEM 사진이다.
도 3(a)는 박막의 표면 형상, 도 3(b)는 박막의 단면형상, 도 3(c)은 센서의 사진을 나타낸다.
도 3(a)를 참조하면, 스크린 인쇄된 인듐 주석 산화물 박막은 대략 평균 50nm의 직경을 갖는 입자로 균일하게 이루어져 있음을 확인할 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 두께 5㎛로 비교적 균일한 표면을 가지고 있음을 알 수 잇다.
도 3(c)를 참조하면, 30mm×30mm 사이즈의 석영기판 상에 20mm×20mm 크기의 센서 박막이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서는 고체 표면과 기체 반응에 따른 전기전도도 변화를 이용한다. 실온상태에서의 인듐 주석 산화물 박막 센서에 산소기체가 흡착되념 전위장벽이 형성되어 자유전자가 산소기체에 포획되어 전기전도도가 낮아진다.
하지만, 연기, 자외광선, 온도와 같은 외부자극은 산소기체를 산화시키거나 제거하게 되고, 산소기체에 포획되었던 자유전자는 전위장벽이 낮아져 전기전도도가 커지게 되는 것이다.
본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서는 나노 크기의 입자로 이루어진 균일한 표면에 의해 넓은 표면적을 가지므로 검출하고자 하는 가스 형태의 연기, 자외광, 온도를 검출하기에 용이하고, 전류가 통전될 전도의 얇은 두께를 가지므로 신속한 반응시간을 확보할 수 있다.
도 4는 복합형 단일 화재감지 센서에 의한 실온에서의 가연성 연기 센서 특성을 나타내는 그래프로, 메탄 가스를 주입하여 연기센서의 특성을 알아보았다.
메탄가스를 100초씩 100ppm 주입하는 과정을 200초마다 반복하면서 센서의 감도, 반응속도와 회복속도를 측정한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이 센서의 감도는 1에서 가스주입 후 0.9990의 감도변화를 관찰하였다. 또한, 시작 지점의 스테이지까지 회복이 되는 특성이 관찰되었다. 이는 본 발명에 의한 복합형 단일 화재감지 센서가 실온에서도 가스센서로서 동작 가능한 특성이 있음을 입증한다.
센서의 감도(Sensitivity) S = R(injection) / R0 로 나타낼 수 있다. 여기서, R(injection)은 외부자극에 의한 센서의 저항값이고, R0는 외부자극이 없는 상태에서의 센서의 저항값을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 자외선 센서 특성을 나타내는 그래프로서, 280 nm파장의 0.8 uA/cm2 의 광을 100초씩 주입하는 과정을 200초 마다 반복하면서 센서의 반응 속도와 회복속도를 측정하였다. 도 5에 도시 된 바와 같이 센서의 감도는 1에서 자외광 주입 후 0.993의 감도 변화를 관찰하였으며, 이는 센서의 반응과 회복이 가능하고 실온에서의 자외광 동작이 가능한 특성을 가지고 있음을 입증한다.
도 6은 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 온도 센서의 특성을 나타내는 그래프로서, 실온에서 350℃ 까지 온도를 변화시키는 과정에서 달라지는 센서 감도를 측정하였다. 도 6에 도시 되어 있는 바와 같이 50℃에서부터 센서의 감도가 변화하면서 80℃에서 급격하게 변하는 것을 보여주며, 350℃에서는 최대 0.88의 감도 변화를 관찰하였다. 이는 본 발명에 의한 복합형 단일 화재감지 센서가 온도에 따른 동작이 가능한 센서 특성을 가지고 있음을 입증한다.
본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 동시 검출에 대한 특성을 확인하였다.
도 7은 본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서의 동시 검출 센서 특성을 나타내는 그래프로써, 자외광과 가스를 동시에 주입하였을 경우 센서의 특성을 나타내었다.
메탄가스를 100초씩 100ppm 주입 후에, 자외광은 280 nm파장의 0.8 uA/cm2 의 광을 100초씩 주입하는 과정의 센서 특성을 측정하였다. 도 7(a)는 가스와 자외선의 외부 자극에 의해 감도가 변화는 두 번의 자극반응을 확인하였다. 도 7(b)에서는 도7(a)에 도시되어있는 신호를 미분증폭기를 이용하여 증폭된 신호를 보여주는 그래프로써, 도 7(a)에 도시되어있는 두 번의 자극신호와는 달리 4번의 자극신호를 확인하였다. 이와 같이 증가된 자극 신호는 다른 자극에 의한 다른 신호들이 동시에 검출되어 형성된 신호패턴으로 인하여, 변곡점들이 증가하여 미분 증폭기에서 자극신호가 증가한 것이다.
본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서는 화재방재가 필요한 산업에서 사용할 경우 저비용으로 대량 생산이 가능하며, 단일 센서로써 화재에서 발생할 수 있는 연기, 화염으로 인한 자외광 그리고 온도의 증가를 실온에서 동시에 감지할 수 있다.
본 발명에 따른 복합형 단일 화재감지 센서에 의하면, 연기와 온도로 한정되어왔던 복합형 센서를 화염 검출이 첨가된 다중 복합 화재 검출 센서로 높은 신뢰성을 확보할 수 있게 되며, 해양강국으로서 대표적인 해양플랜트에서 폭발형 화재 사고에 신뢰성이 확보된 복합형 화재감시 센서를 적용 할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 고가의 장비가 필요했던 방법보다 간단한 공정과 저비용으로 용이하게 제조할 수 있어 센싱 성능을 대폭 향상 시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 - 감지센서
2 - 증폭회로
3 - 컨트롤부 4 - LED 경보
5 - 경보 스피커 6 - 유무선 송신모듈
7 - 방재센터 신고부 11 - 복합형 단일 화재감지 센서
12 - 기판 13 - 인듐 주석 산화물 박막
14a, 14b - 전극
3 - 컨트롤부 4 - LED 경보
5 - 경보 스피커 6 - 유무선 송신모듈
7 - 방재센터 신고부 11 - 복합형 단일 화재감지 센서
12 - 기판 13 - 인듐 주석 산화물 박막
14a, 14b - 전극
Claims (3)
- 기판;
기판 상에 형성되는 인듐 주석 산화물(ITO) 박막; 및
인듐 주석 산화물 박막의 양측 단부에 구비되어 인듐 주석 산화물 박막에 전류를 인가하는 전극
을 포함하며, 인듐 주석 산화물 박막의 고체 표면의 산소 기체 흡착정도에 따른 전기전도도 변화를 이용하여 연기, 자외광선, 온도를 포함한 다중신호를 하나의 센서로 동시에 감지하는 복합형 단일 화재감지 센서. - 제1항에 있어서,
인듐 주석 산화물 박막은 전극과의 연결부위보다 넓은 면적으로 형성되어 면저항을 이용하지 않고 선저항을 이용하는 복합형 단일 화재감지 센서. - 제1항에 있어서,
인듐 주석 산화물 박막은 인듐 주석 산화물 나노분말을 In2O3 : SnO2 = 90:10의 중량비로 페이스트 형태로 만들어 기판 상면에 스크린 인쇄법으로 인쇄하고 초음파 세척한 후 소성하여 형성되는 복합형 단일 화재감지 센서.
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| KR20200140545A (ko) * | 2019-06-07 | 2020-12-16 | 한국해양대학교 산학협력단 | 아크광 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 일체형 화재감지센서 및 그의 제작 방법 |
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| KR20010056905A (ko) * | 1999-12-17 | 2001-07-04 | 이덕동 | 폭발성가스 검지용 후막형 반도체 가스 센서어레이 및 그제조방법 |
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