KR20220071698A - A multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixture of graphene oxide and metal oxide - Google Patents
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Abstract
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, using a single sensor device among very many types of volatile organic compounds. It relates to a multiplexed array volatile organic compound detection device.
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 amount of generation 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 normally exist in gaseous form at room temperature and atmospheric pressure. For example, all organic compounds that are ionized at energy above a certain amount may be included in the VOC.
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, technical means for selectively detecting formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, from among very many types of VOCs using a single sensor device are required, but the prior art does not provide a solution to 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, which can selectively detect formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, using a single sensor device among very many types of volatile organic compounds. 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 apparatus using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention for solving these technical problems is a formaldehyde sensor that outputs a first electrical signal corresponding to the detected concentration of formaldehyde, detection A benzene sensor that outputs a second electrical signal corresponding to the concentration of benzene, a toluene sensor that outputs a third electrical signal corresponding to the detected concentration of toluene, and a fourth electrical signal corresponding to the detected concentration of xylene a xylene sensor, wherein each of the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor is a metal oxide in which graphene oxide, tin dioxide, zinc oxide, and titanium dioxide are mixed in a weight ratio of 1:1:1 Including, wherein the formaldehyde sensor comprises 93 wt% to 97 wt% of graphene oxide and 3 wt% to 7 wt% of metal oxide, and the benzene sensor is 53 wt% to 67 wt% of graphene oxide and 33 wt% to 47 wt% of metal oxide, wherein the toluene sensor contains 2 wt% to 8 wt% of graphene oxide and 92 wt% to 98 wt% of metal oxide, and the xylene sensor is 22 % by weight to 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 detection apparatus 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 have a temperature of 250° C. or less at room temperature in an electric furnace It is characterized in that it is manufactured by performing primary heat treatment for at least 2 hours in the range, and heat treatment for at least 1 hour at a temperature range of 300° C. or more after 24 hours or more have elapsed from the time the primary 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.Multiplexed array volatile organic compound detection apparatus using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention is a multiplexer that selects one of the 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 is 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 resistance is configured to be replaced by 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 detection 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 converted electrical signal output by the 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 sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide according to the present invention includes an amplifier 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 (bandpass) filtering the amplified output signal.
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, among very 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. Multiplexing using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide There is an effect that an array volatile organic compound detection device is provided.
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 view showing an exemplary configuration of a formaldehyde sensor according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a configuration in which R4 resistance is replaced by a formaldehyde sensor, a benzene sensor, a toluene sensor, a xylene sensor, and a multiplexer among four resistors constituting the Wheatstone bridge circuit according to an embodiment of the present invention; ego,
4 is a view showing an exemplary configuration of an amplifier 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 with the above 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.Since the embodiments according to the concept of the present invention may have various changes and may have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and includes all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and 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 elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another, for example without departing from the scope of the inventive concept, a first component may be termed a second component and similarly 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.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 it should be understood that other components may exist in between. will be. On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "immediately between" or "neighboring 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.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described herein exists, 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 or 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 the dictionary generally used should be interpreted as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present specification, they are not to be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. .
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 혼합도도록 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 멀티플레서를 이용하여 사용자는 필요에 따라 휘발성유기화합물 중에서 인체에 특히 유해한 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 하나의 센서 장치를 이용하여 선택적으로 감지할 수 있게 된다.Using such a multiplexer, a user can selectively detect formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, among volatile organic compounds using a single sensor device, if necessary.
이러한 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.These configurations will be described in more detail 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 the sensor using graphene oxide and metal oxide in the configuration of the sensor, Four types of sensors, the
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 the area by 20%, so the detection range is wide, the thermal conductivity is 10 times higher than copper, and the light transmittance is about 98%, which improves the response speed. 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, by using a metal oxide mixed with zinc oxide, tin dioxide, and titanium dioxide in a ratio of 1:1:1, the properties of graphene were improved.
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 view showing an exemplary configuration of the formaldehyde sensor (10). The structures of the other sensors, that is, 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, an electrode may be formed by bonding platinum paste or the like to both ends of each sensor and then curing.
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 chemical substances has been described above, and after the material composition, the secondary heat treatment is performed using an electric furnace at a temperature of 250°C or higher from room temperature for 2 hours or more and 24 hours at a temperature of 300°C or more for 1 hour or more. can Through the secondary heat treatment process, porosity and foreign substances can be more clearly removed, and a material of uniform density can be formed, so that noise on 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 individually manufactured and then mounted on one 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, R).
VOUT=V2-V1, V2=V0*(R+△R)/(R+R+△R)로 계산된다.It is calculated as V OUT =V 2 -V 1 , V 2 =V 0 *(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* R+2*ΔR), and the output value of the sensor can be obtained.
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 amplifying
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.This composite sensor and module configuration using graphene oxide and metal oxide will be of great help in preventing damage to human life and property by early detection of harmful chemical substances indoors and outdoors, such as automobile exhaust gas, chemical plants, and new buildings, which are recently becoming an issue. 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, it is possible to selectively detect formaldehyde, benzene, toluene, and xylene, which are particularly harmful to the human body, from among very many types of volatile organic compounds 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 a 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: amplification unit
80: filter unit
Claims (6)
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 포함하는, 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치.
A multiplexed array volatile organic compound detection device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide, comprising:
a formaldehyde sensor outputting a first electrical signal corresponding to the sensed concentration of formaldehyde;
a benzene sensor outputting a second electrical signal corresponding to the sensed concentration of benzene;
a toluene sensor outputting a third electrical signal corresponding to the sensed concentration of toluene; and
a xylene sensor outputting a fourth electrical signal corresponding to the sensed concentration of xylene;
Each of the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor includes a metal oxide in which graphene oxide and tin dioxide, zinc oxide, and titanium dioxide are mixed in a weight ratio of 1:1:1,
The formaldehyde sensor comprises 93 wt% to 97 wt% of graphene oxide and 3 wt% to 7 wt% of metal oxide,
The benzene sensor contains 53 wt% to 67 wt% of graphene oxide and 33 wt% to 47 wt% of metal oxide,
The toluene sensor contains 2 wt% to 8 wt% of graphene oxide and 92 wt% to 98 wt% of metal oxide,
The xylene sensor is a multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide, including 22 wt% to 48 wt% of graphene oxide and 52 wt% to 78 wt% of metal oxide.
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.
According to claim 1,
The formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor are subjected to primary heat treatment for at least 2 hours at a temperature range of 250° C. or less at room temperature in an electric furnace, and after 24 hours or more from the time the primary heat treatment is finished, 300 A multiplexed array volatile organic compound sensing device using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide, characterized in that it is manufactured by heat treatment in a temperature range of ℃ or higher for 1 hour or more.
상기 포름알데히드 센서, 상기 벤젠 센서, 상기 톨루엔 센서, 상기 크실렌 센서가 출력하는 전기신호들 중에서 하나를 선택하는 멀티플렉서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치.
According to claim 1,
Multiplexed array volatility using a mixed composition of graphene oxide and metal oxide, characterized in that it further comprises a multiplexer for selecting one of the electrical signals output from the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor Organic compound detection device.
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 하는, 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치.
4. The method of claim 3,
Further comprising a Wheatstone Bridge circuit electrically connected to the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, the xylene sensor, and the multiplexer,
Among the four resistors constituting the Wheatstone bridge circuit, R4 resistor is configured to be replaced by the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, the xylene sensor and the multiplexer, graphene oxide and metal oxide A multiplexed array volatile organic compound detection device using a mixed composition of
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 하는, 그래핀산화물과 금속산화물의 혼합 조성을 이용한 다중화 어레이 휘발성유기화합물 감지 장치.
5. The method of claim 4,
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 among the formaldehyde sensor, the benzene sensor, the toluene sensor, and the xylene sensor, graphene oxide A multiplexed array volatile organic compound detection device using a mixed composition of a metal oxide and a metal oxide.
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.
5. The method of claim 4,
an amplifier connected to an output terminal of the Wheatstone bridge circuit to amplify an output signal of the Wheatstone bridge circuit; and
A 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 amplifying unit.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR20170032091A (en) | 2015-09-14 | 2017-03-22 | 연세대학교 산학협력단 | Sensor for Volatile Organic Compounds |
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2020
- 2020-11-24 KR KR1020200159128A patent/KR102500257B1/en active IP Right Grant
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