휘발성 유기화합물 센서{Sensor for Volatile Organic Compounds}

본 발명의 일 측면은 휘발성 유기화합물을 검출하는 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저가의 광원을 채용하되, 가속화된 광 방출 전자를 이용하는 이온화 방식의, 휘발성 유기화합물을 검출하는 센서에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

생활 환경 속에서 발생량이 급속히 증가하고 있는 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compounds)는 아토피와 같은 피부 질병 및 암을 유발하여 인체에 악영향을 끼치고 있다.

이러한 VOC는 보통 상온 및 대기압에서 기체 상태로 존재하는 유기화합물로서 우리나라에서는 대기환경보전법에서 탄화수소류 중 석유화학제품, 유기용제, 그 밖의 물질로 환경부 장관이 고시한 물질로 정의하고 있으나 이에 한정지 않으며, 특정량(예컨대 9 eV 등) 이상의 에너지에서 이온화되는 모든 유기 화합물이 전부 포함될 수 있다.

한편, VOC의 배출량이 증대함에 따라서 VOC를 검출해야 할 필요성 또한 증대되고 있다. VOC를 검출하는 종래의 VOC 센서의 경우 일반적으로 광이온화(PID) 방식과 반도체식 저항변화 방식으로 나눌 수 있는데,

광이온화 방식의 경우 고가의 광원을 사용하므로 제작 단가가 비싸다는 단점이 있다. 또한 반도체식 저항변화 방식은 감도가 광이온화 방식에 비해 현저히 떨어지는 문제가 있다. 따라서 감도를 일정 수준 이상 유지하면서도 가격이 저렴한 새로운 방식의 VOC 센서를 개발할 필요성이 있다.

이에 본 발명에 따른 일 측면은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 저가의 LED를 사용하여 감광물질 예컨대 칼륨 또는 나트륨으로부터 전자를 추출하여 가속화시킨 후 이를 VOC에 충돌시키는 방식으로 이온화 시키는 방식을 가지는 VOC 센서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 수 볼트에서 수십 볼트의 전압으로 광에너지에 의해 방출되는 전자를 가속화시켜 VOC를 이온화함으로써 전력소모 및 안정성 측면에서 유리한 VOC 센서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 감광물질로서 낮은 일함수를 가지고 화학적으로 안정한 물질을 사용함으로써 내구성 측면에서 유리한 VOC 센서를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

위에 제기된 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의한 VOC 검출 센서는 광원;을 포함할 수 있다.

또한, 제1 전극과, 상기 제1 전극과 상호 작용하여 전기장을 형성하고, 상기 광원으로부터 생성된 광의 제1 이동통로로서 제공되는 제2 전극;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 절연되도록 이격시키는 절연 구조물;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 상기 광과 반응하여 VOC를 이온화시키기 위한 전자를 방출하는 감광수단;을 포함할 수 있다.

그리고 상기 제2 전극과 상기 광원 사이를 절연하고, 상기 광의 제2 이동통로로서 제공되는 기판;을 포함할 수 있다.

여기서 상기 절연 구조물은 유리 재질일 수 있다.

여기서 상기 절연 구조물은 일측은 상기 제1전극과 접촉하고, 타측은 상기 제2전극과 접촉하도록 형성될 수 있다.

여기서 상기 절연 구조물에는 VOC 이동통로가 형성될 수 있다.

여기서 상기 제2전극 또는/및 상기 기판은 투명 재질로 형성될 수 있다.

여기서 상기 감광수단은 상기 제2 전극의 내측에 형성될 수 있다.

여기서 상기 감광수단은 VOC를 이온화시키지 않는 정도로 긴 파장을 가지는 광과 반응하여 전자를 방출하도록 설정될 수 있다.

여기서 상기 광원은 VOC를 이온화시키지 않는 정도로 긴 파장을 갖는 광을 생성하도록 설정될 수 있다.

실시예에 따라서 상기 광원은 230 nm 내지 260 nm의 파장 범위를 가질 수 있다. 또한 실시예에 따라서 상기 광원은 LED를 포함할 수 있다.

또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의한 VOC 센서 제조방법은 광의 이동통로로서 제공되는 절연 기판을 마련하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 절연 기판의 일면에 반도체 제작 공정을 통하여 내부에 감광수단이 형성된 VOC 챔버를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

그리고 상기 절연 기판의 타면에 반도체 제작 공정을 통하여 광원을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서 상기 광원은 LED를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광원은 VOC를 이온화시키지 않는 정도로 긴 파장을 갖는 광을 생성하도록 형성될 수 있다.

여기서 상기 감광수단은 상기 VOC 챔버 내부에 도포되어 형성될 수 있다.

또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 의한 VOC 검출 센서는 VOC를 수용하는 VOC 챔버;를 포함할 수 있다.

또한, 광을 제공하는 광원;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 VOC 챔버의 내부에 배치되고 상기 VOC를 이온화시키기 위해서 상기 광과 상호 작용하여 전자를 방출하는 전자 방출수단;을 포함할 수 있다.

그리고 상기 광원으로부터 상기 광을 상기 VOC 챔버로 이동시키되, 상기 광원과 상기 VOC 챔버를 절연하는 기판;을 포함할 수 있다.

여기서 상기 VOC 챔버는 전도성을 가지되, 서로 절연되도록 배치되며 대향 배치되는 제1 플레이트와 제2 플레이트를 포함할 수 있다.

여기서 상기 기판의 일면에는 상기 VOC 챔버가 적층되고, 타면에는 상기 광원이 적층될 수 있다.

아울러, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 의한 VOC 검출 센서는 투명 기판;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 투명 기판의 일면에 위치하는 LED 램프;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 투명 기판의 상기 일면의 반대면에 위치하는 투명 전극;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 투명 전극과 대향하도록 배치되는 금속 전극;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 투명 전극과 상기 금속 전극 사이에 개재되어 양 자를 절연하는 절연 구조물;을 포함할 수 있다.

그리고 상기 투명 전극의 상면에 형성되고, 상기 LED 램프로부터 생성되어 상기 투명 기판과 상기 투명 전극을 통과한 광을 수광하여 전자를 방출하는 전자 방출수단;을 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에서의 감지 방식은 상대적으로 큰 파장을 이용한 광원을 LED로 제작하고, 동시에 배치 프로세스가 가능한 공정을 사용하여 제작 단가를 낮출 수 있다.

또한 낮은 작동 전압을 이용하여 저전력 소모가 가능하며 화학적으로 안정적인 물질을 이용하여 내구성 측면에서 장점이 있다.

이외에도, 본 발명의 효과는 실시예에 따라서 우수한 범용성을 가지는 등 다양한 효과를 가지며, 그러한 효과에 대해서는 후술하는 실시예의 설명 부분에서 명확하게 확인될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 VOC 검출 센서를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOC 센서 제조방법을 나타낸다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 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, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 VOC 검출 센서를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 VOC 검출 센서(100)는 광원(110); 제1 전극(120)과, 상기 제1 전극(120)과 상호 작용하여 전기장을 형성하고, 상기 광원(110)으로부터 생성된 광의 제1 이동통로로서 제공되는 제2 전극(130); 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극이 절연되도록 이격시키는 절연 구조물(140); 상기 제1 전극(120)과 상기 제2 전극(130) 사이에 개재되고, 상기 광과 반응하여 VOC를 이온화시키기 위한 전자를 방출하는 감광수단(150); 및

상기 제2 전극(130)과 상기 광원(110) 사이를 절연하고, 상기 광의 제2 이동통로로서 제공되는 기판(160);을 포함하여 구성될 수 있다. 기판(160)의 재질은 사파이어일 수 있다.

광원(110)에서 광이 생성되어 기판(160)과 제2 전극(130)을 차례로 통과하여 감광수단(150)에 닿으면 감광수단(150)은 이동한 광을 수광하고 광전 효과에 의하여 전자를 방출할 수 있다. 방출된 전자는 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에 형성된 전기장으로 인하여 임계 속도 이상으로 가속될 수 있으며 운동 에너지를 가지게 된다.

그러면 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에 수용된 VOC는 가속된 에너지를 가지는 전자와 충돌하여 최외각의 전자를 방출한다. 즉, VOC는 이온화된다. 방출된 전자는 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 중 양극의 성질을 가지는 전극으로 이동하게 되고, 전자를 방출하여 양이온이 된 VOC는 음극의 성질을 가지는 전극으로 이동하게 된다. 이 때 전하의 이동이 발생하게 되어 전류가 변하게 되고 이를 측정하여 VOC를 측정할 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에는 암페어 미터를 설치함으로써 전류의 변화를 계측할 수 있다.

종래기술은 광원 및 감광수단(150) 대신에 고 에너지를 가지는 광을 조사하는 유기 램프를 광원으로 사용하며, 이러한 유리 램프 광원에 의하여 조사된 고 에너지의 광이 직접 VOC를 이온화시키는 역할을 한다.

그러나 본 발명의 일 실시예에서는 광은 단지 감광수단(150)이 광전 효과를 발휘할 수 있도록 돕는 역할만 하고, 감광수단(150)이 수광한 광에 의하여 광전 효과를 통하여 전자를 방출하여 가속 수단을 통하여 전자를 가속시켜 전자의 운동 에너지에 의하여 VOC를 이온화시키는 구조를 가진다.

메커니즘을 살펴보면 유기 램프는 에너지가 크기 때문에 이 에너지 그대로 VOC 센서에 적용할 경우에 VOC가 전자를 방출시킬 수 있는 반응이 일어나는데 본 실시예에서 채용하는 광원(110)은 직접적으로 그러한 반응이 일어나지 않는다. LED를 감광물질로 감광하게 하여 그 전자를 방출하게 하는 것이다. 즉, 유기 램프는 빛 에너지로 VOC를 이온화시키는 것인 반면에, 본 발명의 광원은 그보다 약한 빛 에너지를 사용하되, 전자를 방출시켜 전자의 운동 에너지로 VOC를 이온화시키는 것이다.

본 발명의 이러한 구조는 직접 VOC를 이온화시킬 정도의 고 에너지를 가지는 광원을 사용할 필요가 없으며, LED와 같은 저 에너지를 가지는 저렴한 광원을 사용할 수 있으므로 센서 제작 비용을 줄일 수 있다.

상기 제2전극 또는/및 상기 기판(160)은 광을 통과시키는 광 이동통로가 될 수 있다.

광 이동통로로서 기능하기 위하여 실시예에 따라서 상기 제2전극 또는/및 상기 기판(160)은 투명 재질로 형성될 수 있다. 기판(160)을 사이에 두고 광원(110)과 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 서로 맞은 편에 위치하며 기판(160)에 의하여 절연되는 구조를 가진다. 광원(110)에서 생성된 광은 기판(160)과 제2 전극(130)을 차례로 통과하여 감광수단(150)에 닿을 수 있으며, 감광수단(150)은 이렇게 광을 수광하여 전자를 방출하는 광전 효과를 발생시킨다.

제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 상호 작용하여 전기장을 형성한다. 이를 위하여 제1 전극(120)과 제2 전극(130)은 서로 절연되도록 위치한다. 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에는 절연 구조물(140)이 형성될 수 있다. 절연 구조물(140)은 제1 전극(120)과 제2 전극(130)이 서로 절연되도록 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 이격시킨다. 절연 구조물(140)의 재질은 실시예에 따라서 유리 재질을 포함할 수 있다.

절연 구조물(140)은 일측은 제1 전극(120)과 접촉하고, 타측은 제2 전극(130)과 접촉하도록 형성될 수 있다. 실시예에 따라서 절연 구조물(140)은 제1 전극(120)을 형성하는 플레이트와 제2 전극(130)을 형성하는 플레이트 사이에 개재되며, 이 플레이트들의 테두리에 형성됨으로써 제1 전극(120)과 제2 전극(130)의 내부에 공간을 형성하여 VOC가 수용될 수 있도록 형성될 수 있다.

절연 구조물(140)에는 VOC 이동통로가 형성될 수 있다. 즉, 절연 구조물(140)은 제1 전극(120)과 제2 전극(130)의 테두리부에 연속적으로 형성될 수 있지만, 그 외에 여러 가지 다양한 형태로 형성될 수 있다.

VOC 이동통로는 반드시 절연 구조물(140)에 형성될 필요는 없으며, 제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에 내 외부를 관통하는 홀 등의 형상으로 형성될 수도 있다. VOC 이동통로의 형상, 위치 등에 제한이 없다.

상기 감광수단(150)은 상기 제2 전극(130)의 내측에 형성될 수 있다. 감광수단(150)은 일종의 감광물질이 제2 전극(130)의 내측에 도포되는 등의 방식으로 형성될 수 있지만 이러한 방식에 한정되지 않는다. 감광수단(150)은 제2 전극(130)의 내면에 형성될 수도 있지만 제2 전극(130)과 이격되어 형성될 수도 있다. 감광수단(150)은 면, 돌기, 로드 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

감광수단(150)은 VOC를 이온화시키지 않는 정도로 긴 파장을 가지는 광과 반응하여 전자를 방출하도록 설정될 수 있다. 광원(110)에서 생성되는 광의 파장과 제1 전극(120)와 제2 전극(130)의 간격, 감광수단(150)의 재질 등은 상호적으로 관련될 수 있으며, 센서의 설계시 그 관계를 고려하여 설계할 수 있다.

광원(110)은 VOC를 이온화시키지 않는 정도로 긴 파장을 갖는 광을 생성하도록 설정된다. 광원(110)에서 생성되는 광은 실시예에 따라서 파장이 230 nm 내지 260 nm 정도의 파장 범위를 가지며 바람직하게는 245 nm 정도이므로 직접 VOC를 이온화시킬 정도의 에너지를 가지지는 않지만, 감광물질이 광전효과를 이르키게 할 정도는 된다.

즉, 종래기술에서 사용하는 유기 램프는 파장이 110 nm 정도로 상당히 짧으며 고 에너지를 가진다. 그러나 본 발명에 의한 광원은 종래기술에 의한 유기 램프의 파장보다 상당히 길고 저 에너지를 가진다. 이런 광원을 사용함으로써 제작비용을 절감할 수 있다. 실시예에 따라서 광원(110)은 LED를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 VOC 검출 센서(100)는 VOC를 수용하는 VOC 챔버; 광을 제공하는 광원(110); 상기 VOC 챔버의 내부에 배치되고 상기 VOC를 이온화시키기 위해서 상기 광과 상호 작용하여 전자를 방출하는 전자 방출수단; 및

상기 광원(110)으로부터 상기 광을 상기 VOC 챔버로 이동시키되, 상기 광원(110)과 상기 VOC 챔버를 절연하는 기판(160);을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 상기 VOC 챔버는 전도성을 가지되, 서로 절연되도록 배치되며 대향 배치되는 제1 플레이트와 제2 플레이트를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 제1 플레이트와 제2 플레이트는 전술한 실시예에서 제1 전극(120)과 제2 전극(130)과 각각 대응하는 구성일 수 있다. 따라서 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 기판(160)의 일면에는 상기 VOC 챔버가 적층되고, 타면에는 상기 광원(110)이 적층되는 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 VOC 검출 센서(100)는 투명 기판(160); 상기 투명 기판(160)의 일면에 위치하는 LED 램프; 상기 투명 기판(160)의 상기 일면의 반대면에 위치하는 투명 전극; 상기 투명 전극과 대향하도록 배치되는 금속 전극; 상기 투명 전극과 상기 금속 전극 사이에 개재되어 양 자를 절연하는 절연 구조물(140); 및

상기 투명 전극의 상면에 형성되고, 상기 LED 램프로부터 생성되어 상기 투명 기판(160)과 상기 투명 전극을 통과한 광을 수광하여 전자를 방출하는 전자 방출수단;을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 금속 전극, 투명 전극 및 절연 구조물(140)을 포함하는 구성은 전술한 실시예에서 각각 제1 전극(120), 제2 전극(130), 및 절연 구조물(140)과 대응하는 구성일 수 있다. 따라서 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 VOC 센서 제조방법을 나타낸다.

한편, 본 발명의 VOC 센서 제조방법의 일 실시예는 광의 이동통로로서 제공되는 절연 기판(160)을 마련하는 단계(S100); 상기 절연 기판(160)의 일면에 반도체 제작 공정을 통하여 내부에 감광수단(150)이 형성된 VOC 챔버를 형성하는 단계(S110); 및

상기 절연 기판(160)의 타면에 반도체 제작 공정을 통하여 광원(110)을 형성하는 단계(S120);를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 VOC 챔버를 형성하는 단계(S110)와 광원(110)을 형성하는 단계(S120)는 시간적으로 어느 단계가 먼저 이루어지더라도 무방하다.

여기서 상기 광원(110)은 LED를 포함할 수 있으며, 상기 광원(110)은 VOC를 이온화시키지 않는 정도로 긴 파장을 갖는 광을 생성하도록 형성될 수 있다.

여기서 감광수단(150)이 형성된 VOC 챔버는, 전술한 VOC 검출 센서(100)의 일 실시예에서 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 절연 구조물(140)을 포함하여 구성되는 부분과 대응하는 것이거나, 전술한 VOC 검출 센서(100)의 다른 실시예에서 투명 전극, 금속 전극 및 절연 구조물(140)을 포함하여 구성되는 부분과 대응하는 것일 수 있다.

광원(110) 즉, LED를 제작하는 방식은 기존에 반도체 공정에서 사용하는 리소그래피 증착 스퍼터링 방식을 사용할 수 있다. 예컨대 투명 적층이나 패턴 식각 공정을 통하여 LED의 구조를 만들 수 있다. 금속 전극은 본딩공정을 통하여 작업할 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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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 한다.

100: VOC 검출 센서
110: 광원
120: 제1 전극
130: 제2 전극
140: 절연 구조물
150: 감광수단
160: 기판