환경오염 측정분석 장비기술webbook.me.go.kr/dli-file/075/196709.pdf · 공기질,...

최종보고서 102-071-059

환경오염 측정분석 장비기술

Environmental pollution measurement

and analysis technology

센서 어레이를 이용한 복합 실내공기질 측정기 개발의

실증화 연구

A substantiate research on development

of an indoor instrument for measuring

complex air quality by using sensor

array

(주) 센 서 테 크

환 경 부

- 1 -

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “센서 어레이를 이용한 복합 실내공기질 측정기 개발의 실증화 연

구”과제의 최종보고서로 제출합니다.

2009년 07월 01일

주관연구기관명 : (주) 센서테크

연구책임자 : 고성석

연 구 원 : 이성만

〃 : 김선용

〃 : 박혜성

〃 : 백연수

〃 : 이경화

〃 : 유재덕

- 3 -

보고서 초록

사업명 차세대 핵심환경기술개발사업 기술분류 실증사업화

연구과제명 센서 어레이를 이용한 복합 실내공기질 측정기 개발의 실증화 연구

최종성과품 STI-1100 IVOC, STI-1200 iMULTI

수행기관

(주관기관)

기관

(기업)명(주) 센서테크 설립일 2000.06.05

주소 경기도 성남중원구 상대원동 517-13 중앙인더스피아 411

대표자

(기관장)김 미 숙 연락처 031-740-9508

홈페이지 www.isensor.co.kr 팩스 031-740-9510

연구과제

개요

주관연구책임자 고성석 소속부서 부설연구소전화

E-mail

010-3725-9889

[email protected]

실무담당자 이성만 책임연구원전화

E-mail018-305-4955

[email protected]

참여기업

총사업비

(천원)

정부출연금민간부담금

합계현금 현물

890,000 121,000 178,000 1,189,000

총연구기간 2007. 4. 1 ~ 2009. 3. 31(2년)

연구개발

결과최종목표

- 실내공기질 관리법에서 규정하는 환경오염물질 (포름알데히드

및 각종 VOC들)의 농도를 탐지할 수 있는 장비를 개발하여

건축업자 및 범 규제를 받는 사용자가 사용할 수 있는 장비

개발

- 10.6eV (117nm) 이상의 에너지를 방출하는 플라즈마 방전 램프

국산화 개발

- PID 이온센서를 이용하여 VOC를 측정할 수 있는 휴대용 장비 제

작

- PID 이온센서, 전기화학센서, NDIR센서, IMS(Ion Mobility

Spectrometry) 센서, 온․습도센서, SAW(Surfaca Acoustic

wave)센서 어레이를 이용한 탐지식별능이 향상된 복합측정용

장비 개발

- 이온센서의 대량 생산 공정 개발

- 4 -

연구개발

결과

개발내용 및

결과

- 10.6eV 이상의 에너지를 방출하는 UV 램프 제작

- 센서 어레이 기술 개발 : PID 센서만을 이용하여 VOC를 탐지할

때 가스에 결과값에 대한 신뢰성 및 정밀도가 떨어지는 단점이

있다. 이를 보완 하기 위해 PID센서외에 IMS, SAW, NDIR 및

전기화학센서를 어레이한후 출력되는 신호를 처리하여 가스 탐지

범위 증가 및 데이터에 대한 신뢰성을 증가시킬 수 있도록 센서

어레이 기술을 개발하였다.

- 디자인 및 하우징 제작 : 인체 공학적 외부 디자인 및 하우징 설

계 제작

- DB 구축 : 물질별 이온화에너지 및 측정된 이온신호에 대한 환산

인자 값에 대한 DB를 구축하였다.

- 표준기체 발생장치를 통한 검교정 방법 개발

- 운용 S/W 개발

- 시제품 제작 : 휴대용, 모니터링용 및 복합측정용 시제품 제작

구분 성능 및 제원

휴대용

- 센서 : UV lamp 를 이용한 Photio ionization detector 장착

- 탐지물질 : 10여종 이상의 실내공기질 측정 (암모니아, 염소, 벤젠,

자일렌, 톨루엔, 에틸벤젠, 스티렌, 1,4-디클로로벤젠, 페놀등)

- 크기 : 233×96×51 (가로×세로×높이)

- 중량 : 400g

- 탐지시간 : 5초(최초 사용시 워밍업)

- 탐지성능 : 10ppb 이하 탐지

- 운용온도 : -25～+45

- 사용전원 : 1차전지

모니터링

용

- 센서 : 포름알데히드 전기 화학 센서

- 탐지물질 : 포름알데히드

- 크기 : 275.6×268.5×125 (가로×세로×높이)

- 중량 : 400g

- 탐지시간 : 10초 이내


- 운용온도 : -25～+45


복합측정

용

V2

- 센서 : PID 이온센서 + 전기화학센서 + NDIR CO2센서 +

온․습도센서 + IMS 센서 + SAW 센서

- 탐지물질 : 10여종 이상의 실내공기질, 포름알데히드, 이산화탄소,

화학작용제 탐지 및 온습도

- 크기 : 391×286×142 (가로×세로×높이)

- 중량 : 7kg



- 운용온도 : -25～+45

- 사용전원 : 상용전원

- 전용시험 장비제작

- 5 -

연구개발

결과

개발기술의

특징․장점

10.6eV에너지의 광이온화원을 이용하여 대기중에 존재하는 인체

유해화합물을 측정하는 장비로서, 기존의 장비는 하나의 가스에

대해 하나의 센서를 이용하여 탐지가 이루어졌지만, 본기술을 이

용하여 개발된 장비는 하나의 센서로 이온화에너지 10.6eV 이하

의 모든 가스를 탐지할 수 있는 장점을 갖고 있다. 여기에 탐지

신뢰성 증대 및 다양한 가스를 동시에 탐지가 가능하도록 IMS,

SAW, NDIR 및 전기화학센서를 어레이 하여 하나의 장비로 실내

공기질, 인체유해화합물, 화학작용제 및 CO2를 동시측정이 가능

하게 하였으며 각각의 센서로부터 출력되는 신호패턴 분석을 통해

신뢰성을 크게 향상 시켰다.

기대효과

(기술적 및

경제적 효과)

본 기술을 이용한 공기오염물질 측정분석기술은 VOC, 화학작용제

및 일반 인체 유해화합물의 탐지가 가능하기 때문에 환경오염 감

시 장비, 의학 진단장비 및 식품 위생 검사 장비 등에 적용 가능

한 첨단 분석기술 이지만, 현재 국내 기술이 전무한 상태이며, 본

기술의 사업화를 통해 국내 분석기기 제작 기술의 향상이 기대된

다. 또한 수입대체 효과가 연간 50억원 정도로 추정되고 있어 최

소 수십명 이상의 산업 인력 고용이 예상되며 이들 제품의 보급에

따라서 시스템 구성 및 운영 인력의 창출이 연쇄적으로 기대된다.

적용분야

신축건물, 지하철, 학교, 생활주거공간, 작업공간 등 사람이 활동

하는 공간의 정밀한 실내 공기질 측정 및 화학가스 살포시 대테러

장비로서 활용가능

과학기술적

성과

특허국내 특허출원 1건

국외 -

논문

게재

SCI -

비SCI -

기 타 프로그램등록 1건

사업화

성과

매출액개발후 현재까지 0 억원

향후 3년간 매출 50 억원

시장

규모

현재의 시장규모국내 : 26,600억원

세계 : 300억원

향후(3년) 예상되는 시장규모국내 : 900억원

세계 : 78,000억원

시장

점유율

개발후 현재까지국내 : 0%

세계 : 0%

향후 3년국내 : 10%

세계 : 0.1%

세계시장

경쟁력

순위

현재 제품 세계시장 경쟁력 순위 20 위 (0.1%)

3년 후 제품 세계시장 경쟁력 순위 10 위 (0.3%)

- 7 -

목 차

제1장 서론······················································································································19

제1절 연구개발의 중요성 및 필요성 ·················································································19

1. 기술적 측면 ·····················································································································21

2, 경제•산업적 측면 ·········································································································21

3. 사회•문화적 측면 ········································································································22

4. 군사적 측면 ···················································································································22

제2절 연구개발의 국내외 현황 ···························································································23

1. 국내 기술개발현황 ········································································································23

2. 국외 기술개발현황 ········································································································24

제3절 연구개발대상 기술의 차별성 ···················································································25

제2장 연구개발의 목표 및 내용 ···········································································29

제1절 연구의 최종목표 ·········································································································29

제2절 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 ··································································30

1. 연구개발의 목표 및 연구범위 ····················································································30

제3절 연도별 추진체계 ·········································································································32

1. 연구개발의 추진전략 ·····································································································32

2. 연도별 추진체계 ·············································································································32

제3장 연구개발 결과 및 활용계획·······································································35

제1절 연구개발 결과 및 토의 ·····························································································35

1. 10.6eV 이상의 에너지를 방출하는 UV 램프 제작 ············································35

2. 센서 어레이 기술 개발 ································································································40

3. 디자인 및 하우징 제작 ································································································42

- 8 -

4. DB 구축 ···························································································································46

5. 표준기체 발생장치를 통한 검교정 방법 개발 ·······················································53

6. 운용 S/W 개발 ··············································································································62

7. 시제품 제작 ·····················································································································83

8. 전용시험 장비 제작 ····································································································121

9. 시험평가 ·························································································································123

제2절 연구개발 결과 요약 ·································································································139

제3절 연도별 연구개발목표의 달성도 ············································································147

제4절 연도별 연구성과(논문․특허 등) ···········································································148

1. 특허출원 1건 ··············································································································148

2. 프로그램 등록 1건 ···································································································149

제5절 관련분야의 기술발전 기여도 ················································································150

1. 기술적 측면 ················································································································150

2. 환경적 측면 ················································································································150

3. 경제․ 산업적 측면 ·····································································································150

제6절 연구개발 결과의 활용계획 ····················································································152

1. 연구성과 현황 ············································································································152

2. 활용방안 ·······················································································································153

제4장 참고문헌 ··········································································································157

- 9 -

Index

Chapter 1. Introduction ·························································································19

Section 1. importance and necessity of Research and Development ·········19

1. Technological aspect ································································································21

2, Economy•industrial aspect ···················································································21

3. Society•cultural aspect ·························································································22

4. Military aspect ··········································································································22

Section 2. Domestic and foreign present condition of Research and

Development ·································································································23

1. Domestic technical development present condition ······························23

2. Foreign technical development present condition ··································24

Section 3. Distinction of Research and Development technology ··········25

Chapter 2. Target and contents of Research and Development ···29

Section 1. Final target of research ···········································································29

Section 2. Target of Research and Development and estimation way year ···········30

1. Target of Research and Development and research sphere ···········30

Section 3. Propulsion system by year ···································································32

1. Propulsion strategy of Research and Development ······························32

2. Propulsion system by year ·················································································32

Chapter 3. Research and Development result and practical use plan ·35

Section 1. Research and Development result and discussion ···················35

1. UV lamp manufacture that emit energy more than 10.6eV ···········35

2. Sensor array technical development ·····························································40

- 10 -

3. Design and housing manufacture ··································································42

4. Database construction ·····························································································46

5. Proofreading method development through standard gas occurrence device ··53

6. Use Software development ················································································62

7. Prototyping ···················································································································83

8. Exclusive use examination equipment manufacture ··························121

9. Testing ··························································································································123

Section 2. Research and Development result summary ····························139

Section 3. By year achievement of a soft palate ankle ticket ··············147

Section 4. Result by year(Papers and patents) ················································148

1. Patent application 1 item ·················································································148

2. Program registration 1 item ··········································································149

Section 5. Technology development contribution of connection field ··········150

1. Technological aspect ··························································································150

2. Environmental aspect ························································································150

3. Economy․ industrial aspect ················································································150

Section 6. Research and development plan to take advantage of the results ······152

1. Result present condition ···················································································152

2. Practical use plan ································································································153

Chapter 4. Reference ··························································································157

- 11 -

<표 차례>

표 1-1 선진국(미국, 일본, WHO)의 실내오염도 권장치 ······················································19

표 1-2 다중이용시설등의 실내공기질 관리법 ·········································································20

표 1-3 세계 계측기 시장 규모 ···································································································21

표 2-1 연도별 연구 범위 ·············································································································30

표 2-2 연도별 개발목표 및 연구범위 ·······················································································31

표 2-3 추진체계 요약도 ···············································································································32

표 3-1 펌프에 따른 유량 간섭 실험 결과 ···············································································42

표 3-2 VOC종류별 이온 환산인자 표 ······················································································47

표 3-3 표준기체 발생장치 설명 및 용도 ···············································································55

표 3-4 프로그램 내용-송신부1 ····································································································66

표 3-5 프로그램 내용-송신부2 ····································································································67

표 3-6 프로그램 내용-송신부3 ····································································································68

표 3-7 PC 프로그램 내용 ············································································································69

표 3-8 폰트설정 ·····························································································································70

표 3-9 통신초기화 ·························································································································71

표 3-10 PC수신부 ··························································································································72

표 3-11 미니프린터 출력 ·············································································································73

표 3-12 타이머 출력 내용 ···········································································································74

표 3-13 레포트 데이터 저장 부분 ·····························································································75

표 3-14 신경 작용제의 샘플링 위치 ·························································································79

표 3-15 프로토콜 표 ·····················································································································82

표 3-16 시제품 성능 및 제원 ·····································································································85

표 3-17 AVR특징 ··························································································································86

표 3-18 PC하드웨어 사양표 ········································································································90

표 3-19 희석장치에 따른 실험 결과 표 ·················································································102

표 3-20 시료에 따른 주파수변화량 ·························································································111

표 3-21 상대습도 변화에 따른 주파수 변화 ·········································································111

표 3-22 정전압 안정화 회로 ·····································································································115

표 3-23 제원 및 특성 표 ···········································································································121

표 3-24 전기장 형성을 위한 고전압 측정값 ·········································································123

표 3-25 vd 값 측정 ····················································································································123

표 3-26 td 값 측정 ·····················································································································124

표 3-27 K 값 측정 ······················································································································124

표 3-28 K0값 측정 ······················································································································124

표 3-29 가스 탐지시험 ···············································································································125

표 3-30 가스 탐지시험 ···············································································································126

- 12 -

표 3-31 VOC 농도별 측정전압 측정 ······················································································127

표 3-32 모의 수포작용제 탐지 시험 결과 ·············································································131

표 3-33 검량선 분석 ···················································································································131

표 3-34 시험 결과 표 ·················································································································132

표 3-35 모의 신경작용제 탐지 시험 결과 ·············································································133

표 3-36 검량선 분석 ···················································································································133

표 3-37 검량선 분석 ···················································································································133

표 3-38 검량선 분석 ···················································································································134

표 3-39 탐지시험 ·························································································································134

표 3-40 농도별 피크세기값 정리 ·····························································································135

표 3-41 개발 시제품 성능 및 제원 ·························································································140

표 3-42 휴대용 시제품 제작내용 ·····························································································141

표 3-43 모니터링용 시제품 제작내용 ·····················································································141

표 3-44 복합측정용V1 시제품 제작내용 ················································································142

표 3-45 휴대용 장비 상용장비 와 비교 ·················································································143

표 3-46 복합측정용 V2 장비 상용장비 와 비교 ··································································144

표 3-47 연구개발 추진 세부 일정 ···························································································147

표 3-48 구성과 현황표 ···············································································································152

표 3-49 용화에 따른 매출액 실적/예상 ·················································································152

표 3-50 매 소요 예상 표 ···········································································································154

<그림 차례>

그림 1-1 실내공기질에 의한 아토피유발 ·················································································20

그림 1-2 유해작업장의 오염물 측정 ·························································································20

그림 1-3 화학작용제에 의한 인체 반응 기전 ·········································································22

그림 1-4 실용화 개발한 이온센서 ·····························································································23

그림 1-5 실용화 개발된 시작품 ·································································································23

그림 1-6 RAE사 상용화된 제품 사진 ·······················································································24

그림 1-7 InterScan사 상용화된 제품 사진 ··············································································24

그림 1-8 센서 어레이 시스템 블럭도 ·······················································································25

그림 1-9 다층 이온센서 ···············································································································25

그림 1-10 다층 형태의 이온센서 ·······························································································25

그림 3-1 파장대별 영역 ···············································································································35

그림 3-2 유기물 기체의 이온화 구조 ·······················································································36

그림 3-3 희귀가스 원자 (Kr, Ar)의 에너지 준위. ·································································36

그림 3-4 RAE사 램프 방출 스펙트럼. ······················································································37

그림 3-5 Cathodeon사 램프 방출 스펙트럼. ··········································································37

- 13 -

그림 3-6 희귀가스에 따른 방출파장 ·························································································37

그림 3-7 석영관을 이용한 몸체 제작 ·······················································································38

그림 3-8 CaF2 윈도우 ··················································································································38

그림 3-9 제작된 UV 램프 ···········································································································38

그림 3-10 UV 방출에너지 세기 측정 ·······················································································38

그림 3-11 UV 방출에너지 측정 결과 ·······················································································39

그림 3-12 UV 방출에너지 측정 결과 ·······················································································39

그림 3-13 램프 비교시험 램프A 자체제작, 램프B RAE사 ··················································39

그림 3-14 복합탐지기 최종 센서부 구조 ·················································································40

그림 3-15 PID 센서 ······················································································································41

그림 3-16 NDIR CO2센서 ···········································································································41

그림 3-17 전기화학식 포름센서 ·································································································41

그림 3-18 IMS 센서 ······················································································································41

그림 3-19 온습도 센서 ·················································································································41

그림 3-20 SAW센서 ······················································································································41

그림 3-21 시료 흡입 배출 구조도 ·····························································································41

그림 3-22 테스트 방법 ·················································································································42

그림 3-23 모니터링용 렌더링 ·····································································································43

그림 3-24 휴대용 렌더링 ·············································································································44

그림 3-25 휴대용렌더링 ···············································································································44

그림 3-26 멤브레인 디자인 ·········································································································44

그림 3-27 복합측정용 렌더링 (1차 시제용) ············································································45

그림 3-28 복합측정용 렌더링 (1차 시제용) ············································································45

그림 3-29 복합측정용 렌더링 (2차 시제용) ············································································45

그림 3-30 복합측정용 렌더링 (2차 시제용) ············································································45

그림 3-31 복합측정용 렌더링 (2차 시제용) ············································································46

그림 3-32 복합탐지기 전면 실크 인쇄 디자인 ·······································································46

그림 3-33 외국제품 표준기체발생장치 ·····················································································53

그림 3-34 개발된 표준기체발생장치 ·························································································53

그림 3-35 제작된 침투관 ·············································································································53

그림 3-36 침투관 구조도 ·············································································································54

그림 3-37 전면판 설계도 ·············································································································55

그림 3-38 표준기체 발생용기 ·····································································································56

그림 3-39 표준 가스발생을 위한 침투관용 항온 항습조 제작 ···········································56

그림 3-40 가스분석실 내부사진 ·································································································57

그림 3-41 표준기체발생장치 발생사진 ·····················································································57

그림 3-42 핏펫용 홀더 ·················································································································60

- 14 -

그림 3-43 임핀저 ···························································································································60

그림 3-44 표준기체발생장치 블럭도 ·························································································61

그림 3-45 사용자 인터페이스 ·····································································································62

그림 3-46 메인 순서도 ·················································································································63

그림 3-47 상세 순서도 ·················································································································63

그림 3-48 동작순서도 1 ···············································································································64

그림 3-49 동작순서도 2 ···············································································································64

그림 3-50 프로그램 모드 ·············································································································65

그림 3-51 화학작용제 탐지센서의 블럭도 ···············································································77

그림 3-52 전체 작용제 탐지 절차 ·····························································································81

그림 3-53 휴대용 시제품 제작사진 ···························································································83

그림 3-54 모니터링용 시제품 제작사진 ···················································································83

그림 3-55 복합측정용 시제품 제작사진 (1차용) ····································································83

그림 3-56 복합측정용 시제품 제작사진 (2차용) ····································································83

그림 3-57 AVR_CPU 및 커넥터 접속부분 ··············································································87

그림 3-58 LCD및 LCD 커넥터 부분 ························································································87

그림 3-59 스위치 및 ISP, 시리얼 커넥터 부분 ······································································88

그림 3-60 배터리 접속 및 전원부 ·····························································································88

그림 3-61 완성된 AVR회로 ········································································································89

그림 3-62 PC 하드웨어 구성 ······································································································89

그림 3-63 하드웨어 구성 ·············································································································91

그림 3-64 최종 배선 및 전체 블록도 ·······················································································92

그림 3-65 센서 회로도 ·················································································································93

그림 3-66 증폭부 회로도 ·············································································································93

그림 3-67 아날로그 모듈 측면 ···································································································94

그림 3-68 아날로그 모듈 납땜 면 ·····························································································94

그림 3-69 디지털 모듈 측면 ·······································································································95

그림 3-70 디지털 모듈 납땜면 ···································································································95

그림 3-71 고전압 모듈 측면 ·······································································································96

그림 3-72 고전압 모듈 납땜면 ···································································································96

그림 3-73 백판넬 측면 ·················································································································97

그림 3-74 휴대용 탐지기 기능 ···································································································98

그림 3-75 복합측정용 시제품 제작 (2차용) ············································································98

그림 3-76 소프트 웨어 GUI 디자인 및 설명 ··········································································99

그림 3-77 복합 측정용 설계(내부도1) ····················································································100

그림 3-78 후면부 구성(내부) ····································································································100

그림 3-79 후면부 구성(내부) ····································································································100

- 15 -

그림 3-80 후면부 구성(외부) ····································································································100

그림 3-81 전면부 구성(인넷과 스위치) ··················································································101

그림 3-82 시료 희석 및 농축장치 ···························································································102

그림 3-83 센서 설계 (a) ············································································································103

그림 3-84 센서 설계 (b) ············································································································103

그림 3-85 센서 설계 (c) ·············································································································103

그림 3-86 센서 설계 (d) ············································································································104

그림 3-87 센서 설계 (e) ············································································································104

그림 3-88 센서 설계(f) ···············································································································104

그림 3-89 센서 설계 (g) ············································································································104

그림 3-90 센서 설계 (h) annular 7mm, 5mm, 3mm ·························································104

그림 3-91 설계․제작된 다양한 모양의 VOC 측정 센서 모습 ········································105

그림 3-92 포일그라운드 형태의 이온센서 ·············································································106

그림 3-93 캡그라운드 형태의 이온센서 ·················································································106

그림 3-94 그라운드 형태에 따른 신호 크기 ·········································································106

그림 3-95 PID 센서 형태 ··········································································································106

그림 3-96 센서제작사진 ·············································································································107

그림 3-97 IMS 센서의 동작원리도 ··························································································107

그림 3-98 화학가스 비탐지시 ···································································································108

그림 3-99 화학가스 탐지시 ·······································································································108

그림 3-100 혼합 가스측정파형 ·································································································108

그림 3-101 SAW 센서제작사진 ································································································109

그림 3-102 8채널로 제작된 사진 ·····························································································109

그림 3-103 SAW 소자를 이용한 발진회로 ············································································110

그림 3-104 SAW소자를 이용한 발진회로(8ch) ·····································································110

그림 3-105 발진주파수 측정사진 ·····························································································111

그림 3-106 상대습도 변화에 따른 주파수 변화 측정 ·························································111

그림 3-107 NDIR CO2센서(코리아디지털) ············································································112

그림 3-108 NDIR의 CO2 분석그림 ·························································································112

그림 3-109 전기화학 센서 블럭도 ···························································································113

그림 3-110 전기화학센서 블럭도 ·····························································································114

그림 3-111 전자부 부품 배치도 ·······························································································115

그림 3-112 고전압 DC 발생 블럭도 ·······················································································116

그림 3-113 필터회로 블럭도 ·····································································································117

그림 3-114 프리앰프 블록도 ·····································································································117

그림 3-115 메인앰프 블럭도 ·····································································································118

그림 3-116 Analog/Digital convertor 블럭도 ······································································118

- 16 -

그림 3-117 시험장비 제작사진 ·································································································122

그림 3-118 표준가스이용 시험장면 ·························································································125

그림 3-119 시험장면 ···················································································································127

그림 3-120 시험장면 ···················································································································127

그림 3-121 암모니아 농도별 측정전압 ···················································································128

그림 3-122 염소 농도별 측정전압 ···························································································128

그림 3-123 벤젠 농도별 측정전압 ···························································································129

그림 3-124 톨루엔 농도별 측정전압 ·······················································································129

그림 3-125 자일렌 농도별 측정전압 ·······················································································130

그림 3-126 휴대용 최저탐지농도 시험 ···················································································130

그림 3-127 복합측정용 최저탐지농도 시험 ···········································································130

그림 3-128 검량선 작성 ·············································································································131

그림 3-129 반복시험에 의한 탐지 재현성 시험 ···································································132

그림 3-130 검량선 작성 ·············································································································133

그림 3-131 검량선 보정 ·············································································································134

그림 3-132 반복시험에 의한 탐지 재현성 시험 ···································································135

그림 3-133 저온동작시험 온도주기 ·························································································136

그림 3-134 챔버내부 장비위치사진 ·························································································136

그림 3-135 저온동작시험 사진 ·································································································136

그림 3-136 고온동작시험 온도주기 ·························································································137

그림 3-137 챔버내부 장비위치사진 ·························································································138

그림 3-138 고온동작시험 사진 ·································································································138

그림 3-139 휴대용 시제품 ·········································································································139

그림 3-140 모니터링용 시제품 ·································································································139

그림 3-141 복합측정용 시제품 V1 ··························································································139

그림 3-142 복합측정용 시제품 V2 ··························································································139

그림 3-143 복합측정용 표시부 설명 ·······················································································145

그림 3-144 시험장비 제작사진 ·································································································145

그림 3-145 개발된 표준기체발생장치 ·····················································································145

그림 3-146 가스분석실 내부사진 ·····························································································146

그림 3-147 표준기체발생장치 발생사진 ·················································································146

그림 3-148 센서제조시설 ···········································································································146

그림 3-149 가스분석장비 ···········································································································146

그림 3-150 특허출원서 ···············································································································148

그림 3-151 S/W프로그램 등록증 ····························································································149

- 19 -

제1장 서 론

제1절 연구개발의 중요성 및 필요성

급속한 산업화와 생활 수준의 향상에 따라 수반되는 환경오염 문제는 인간의 문화생활을 위

협하고 있으며, 대기 오염이나 수질 오염은 이미 지역에 따라 환경 기준치를 초과하여 심각한 문

제를 야기하고 있으며 그로 인한 피해도 늘어 가고 있는 현실이다. 심화되는 환경오염 문제는

국지적 차원에서 전 세계적 차원으로 확대되는 경향을 보이고 있다. 지구 온난화, 오존층의 파

괴, 산성비, 산업현장의 인체유해화합물의 누출, 생태계 파괴 및 해양오염 등의 문제가 대두되면

서 환경오염 물질의 극미량 검출에 대한 연구 필요성이 제기되었다. 특히 인체에 해를 미칠 수

있는 휘발성 유기화합물 (Volatile Organic Compounds)은 우리 주변 환경에서 다양한 형태로 존

재하고 있을 뿐만 아니라, 거주자 혹은 작업자들의 건강에 위해한 요소로 작용되고 있으며, 정

부는 이의 규제를 위해 “다중이용시설등의 실내공기질관리법”을 시행하기에 이르렀다. 본 법령

의 시행에 따라 실내 공기질 에서 나오는 유해화합물의 농도를 측정할 측정 장비의 필요성이 대

두되게 되었으며 현재 수백 종에 달하는 VOC와 포름알데히드에 대해 동시에 탐지가 가능한 장

비가 국내 개발되어 있지 않기 때문에, 전량 수입에 의존해야 하며 막대한 외화 지출요인이 되고

있다. 따라서 본 법령에서 규정한 오염물질을 측정할 수 있는 장비의 시급한 국산화 개발이 필

요시 되고 있다. 특히 정부는 “신축 공동주택의 실내 공기질 권고기준”설정을 주요 내용으로 하

는 “다중이용시설 등의 실내공기질관리법 시행규칙 일부개정령”을 확정 공포하였으며, 동 시행규

칙이 시행되고 있다. 개정된 시행규칙에 따르면 시공자가 주민 입주 전에 실내 공기질을 측정하

여 공고하여야 하는 100세대 이상 신축 공동주택에 대해서 포름알데히드 210ug/이하, 벤젠

30ug/이하, 톨루엔 1,000ug/이하, 에틸 벤젠 360ug/이하, 자일렌 700ug/이하, 스티렌

300ug/ 이하의 권고기준이 적용된다.

오염물질 일본 미국 WHO

포름알데히드 (ppm) 0.08이하 0.1이하 0.08이하

총휘발성유기화합물

(TVOC)ug/400이하 300이하 300이하

표 1-1 선진국(미국, 일본, WHO)의 실내오염도 권장치

- 20 -

그림 1-1 실내공기질에 의한 아토피유발 그림 1-2 유해작업장의 오염물 측정

오염물질 항목

다중이용시설

PM10

(/

)

CO2

(ppm)

HCHO

(/)

총부유

세균

(CFU/

)

CO

(ppm)

NO2

(ppm)

Rn

(pCi/ℓ

)

VOC

(/

)

석면

(개/cc)

오존

(ppm)

지하역사, 지하도상가․여객자동차터미

널의 대합실 및 철도역사의 대합실(연면적

2000 이상), 공항시설중 여객터미널(연면적

1500 이상), 항만시설중 대합실(연면적 5000

이상), 도서관․박물관 및 미술관(연면적

3000 이상), 장례식장 및 찜질방(연면적 1000

이상), 대규모점포

150

이하

1,000

이하

120

이하

10

이하

0.05

이하 4.0

이하

500

이하

0.01

이하

0.06

이하

의료기관(연면적 2000 이상 또는 병상수

100개 이상), 국공립 보육시설(연면적 1000

이상), 국공립 노인전문요양시설․유료노인

전문요양시설 및 노인전문병원(연면적 1000

이상), 산후조리원(연면적 500 이상)

100

이하

800

이하

400

이하

실내주차장(연면적 2000 이상)200

이하

25

이하

0.30

이하

1,000

이하

0.08

이하

표 1-2 다중이용시설등의 실내공기질 관리법

본 법령의 시행에 따라 실내 공기질에서 나오는 유해화합물의 농도를 측정할 측정 장비

를 필요로 하며, 현재 수백 종에 달하는 VOC와 포름알데히드에 대해 동시에 탐지가 가능한 장비

가 국내 개발되어 있지 않기 때문에, 전량 수입에 의존해야 하며 막대한 외화 지출 요인이 되고

있다. 따라서 시급한 국산화 개발을 필요로 하고 있다.

- 21 -

- 최근 활발히 연구되고 있는 센서어레이 기술과 신경회로망 및 패턴인식 기술을 결합하여

지능화 가스인식 시스템을 개발하고 이를 첨단기술로 개발한다.

- 본 연구에서 개발한 탐지센서는 극미량의 휘발성 유기화합물에 대해 즉각적인 감지응답을

하므로, 규제물질 측정에 적합하다.

- 본 사업의 성공적 수행으로 국내의 센서기술 및 정밀계측기술 수준은 크게 높일 수 있는

계기가 될 것이다.

•

- 본 사업에서 개발할 휘발성유기화합물 탐지센서는 폭넓은 범위의 휘발성유기화합물의 탐지

가 가능하기 때문에 환경오염감시장비, 환경규제측정장비등에 적용이 가능하며, 폭 넓은

범위에서 수입대체 효과 를 가져올 수 있다.

- 국내 계측기 시장은 전 세계 시장규모의 약 1.5% 수준이나 매년 약 16% 정도로 급성장하

는 추세에 있다. 따라서 현재 국가적인 관심사로 부각되고 있는 화학가스 센서의 시장점유

율은 매우 높아질 것으로 예상되며, 신기술에 의한 화학가스탐지 시스템의 개발 및 실용화

가 이루어질 경우 그 점유율의 급상승이 기대된다.

- 아래의 표는 세계 계측기 시장 규모를 나타낸 것이다.

구분 세계 한국 한국비중

1996년 25,730 390 1.5%

2000년 36,291 665 1.8%

평균성장율 8.3% 16.2%

환경계측기 동향고정밀, 고신뢰성

복합센서 개발 추진

중, 저급 LNG/LPG

검지기 생산

표 1-3 세계 계측기 시장 규모(단위: 백만불)

- 22 -

•

- 삶의 질을 추구하는 미래인간사회에 환경유해물질 탐지기술의 확보로 대기의 오염원 파악

으로 기본적인 안전욕구를 충족하게 함

- 화학테러에 대비할 수 있는 탐지기술의 개발로 인류불안해소에 기여함

- 화학무기 개발은 20 세기에 들어와 급속한 확산 경향을 나타내었고, 전쟁이 발생한 곳에서는 어디에

서나 화학무기가 사용되었거나 사용되고 있다는 주장이 계속 제기되고 있으며, 독성이 강하고 치명

적인 화학작용제와 함께 사용되는 경향이어서 유사시 적의 화학 무기 공격에 대한 신속한 대처를

위한 감지 기술이 필요하다

- 따라서 신뢰성이 뛰어나고 운용이 간편하며 개인병사도 운용이 가능한 초소형의 탐지센서 개발이 필

수적이다.

- 본 과제에서 개발된 기술을 적용하여 소형이며 실시간으로 화학작용제를 탐지할 수 있는 측정기의

개발이 가능하다.

그림 1-3 화학작용제에 의한 인체 반응 기전

- 23 -

제2절 연구개발의 국내외 현황

“다중이용시설등의실내공기질관리법”에 의한 환경오염물질 측정을 위한 소형 탐지장비는 대

부분 수입에 의존하고 있는 실정이며, 일부 국산화된 장비도 핵심센서를 수입하여 단순조립 판

매하는 실정이다. 당사에서는 본 기술과 관련하여 2004년 차세대 핵심환경기술개발사업을 통하

여 한국원자력연구소와 함께 실용화 과제로 수행하여 PID 센서 및 PID 센서를 이용한 VOC 검

출시스템을 개발하였으며 현재 당사에서 전용실시권을 갖고 있다.

ground

Sensor electrode

ground

Sensor electrode

그림 1-4 실용화 개발한 이온센서

그림 1-5 실용화 개발된 시작품

- 24 -

미국, 캐나다, 영국 등에서 PID (Photo Ionization Detector) 방식을 이용하여 소형이며 검출한

계가 높은 센서를 개발하여 환경오염물질 탐지를 위한 분석장비로 사용하여 왔다. 최근의 개발

경향은 환경, 위험물질규제, 산업안전과 관련한 환경오염물질 탐지센서 기술은 초소형화 하려는

추세에 있으며, 잘 먹고 잘사는 웰빙 의 기조로 인해 전 세계적으로 환경 분석장비 개발에 경쟁

적으로 투자를 하고 있다. 전 세계 시장을 60% 이상 장악하고 있는 대표적인 판매회사로는 미

국의 RAE systems사가 있으며, PID 방식을 이용한 VOC 측정 시스템으로 0.01 ~ 100ppm 범위

의 VOC를 측정할 수 있는 시스템을 판매하고 있으며, 미국의 Interscan 사는 전기화학 센서를

이용하여 0.01ppm 이상범위의 포름알데히드 측정할 수 있는 시스템을 판매하고 있다.

그림 1-6 RAE사 상용화된 제품 사진 그림 1-7 InterScan사 상용화된 제품 사진

- 25 -

제3절 연구개발대상 기술의 차별성

본 연구개발에서는 공기 중의 다양한 시료 가스의 이온 검출능력을 향상시킴과 동시에

탐지 감도를 증가시키며, 또한 외부 시료에 의한 탐지 신뢰성 증가 및 오탐지를 감소시킬 수 있

도록 IMS(Ion Mobility Spectrometry), PID(Photo Ionization Detector), NDIR 및 전기화학센서를

어레이 하여 가스 탐지시 각각의 센서에서 발생되는 신호를 분석하여 오탐지 감소 및 신뢰성이

증가된 가스 탐지를 할수 있으며, 또한 최저 탐지농도를 증가 시키기 위해 기존의 단일 센서를

다층의 센서로 어레이 하여 발생되는 신호를 합산함으로 써 보다 안정적인 탐지농도를 증가 시킬

수 있다. 이에 더하여 MEMS (Micro electro mechanical system) 기술을 통한 센서 제작 공정을

통하여 센서의 크기를 소형화 하고 양산성을 크게 증대시켰으며 시료 흡입시 시료 농축 및 시료

희석 시스템을 이용하여 센서의 탐지 범위를 크게 증대 시켜 주었다. 또한 본 센서어레이 및 다

층 이온센서에 의한 이온검출방법에 대해 특허를 출원하였다.

그림 1-8 센서 어레이 시스템 블럭도

그림 1-9 다층 이온센서 그림 1-10 다층 형태의 이온센서

- 29 -

제2장 연구개발의 목표 및 내용

제1절 연구의 최종목표

- 30 -

제2절 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법

단계 구분 연도 연구개발의 목표 연구개발의 내용 연구범위 비고

1

단계

1차연도 2007

1. UV 램프제작 10.6eV 에너지출력 파장측정방법개발 주관

2. 센서 어레이

기술개발

CO2센서,PID센서,

습도센서 어레이

탐지범위10ppb이하

각 센서 어레이 및

어레이 를 통한 식별

능력 향상

주관

3. 장비기본 성능보완데이터 로깅기능 데이터 로깅기능 주관

4. 생산 공정 개발이온센서,전자부생

산공정 개발

대량 생산을 위한

센서및 전자부 최적화주관

5 .디자인 및 하우징

제작

인체공학적 외부

디자인 및 금형제작

휴대용, 모니터링용,

복합측정용주관

2차연도 2008

1. DB구축 VOC 및 포름

알데히드의 센싱

특성 및 DB구축

화학작용제 DB구축

100여종의 VOC 및

화학작용제에 대한

DB 구축 (최저탐지

농도 10ppb확인)

주관

2. 검교정 방법 개발 표준기체발생장치이

용 검교정방법 개발

일정한 농도를 발생

할수 있는 표준기체

발생장치 개발

농도 검교정 방법개발

주관

3. 운용 S/W 개발 사용자 편의성을

고려한 인터페이스

터치패드 또는

키패드를 이용한

사용자 인터페이스

단순한 LCD 및 시각

청각 기능

주관

4. 시제품 제작 휴대용, 모니터링용,

복합측정용 시제품

제작

최종목표 및 성능평가

기준을 충족하는

각각의 시제품 제작

주관

5. 전용시험 지그제작모듈별 고장진단 센서모듈, 고전압모듈,

RF모듈, 인버터등

모듈별로 고장 진단

가능한 시험지그제작

주관

6. 시험평가 KS 및 MIL810C

규격시험

NET 환경마크 인증

가스탐지성능시험

(랩프론티어 시험)

저온,고온,농도시험등

장비에 대한 신뢰성

시험

가스탐지에 대한 시험

NET 및 ISO등 환경

규격 인증

주관

표 2-1 연도별 연구 범위

- 31 -

구분 연도 세부연구개발 목표 평가의 착안점 및 기준

1차

연도2007

UV lamp 에너지 측정파장 확인 : 파장 측정방법 확립 및

117nm 방출 파장 확인

센서 어레이 센서 어레이를 통한 신호 출력 확인

외부 하우징 디자인 인체공학적 디자인 여부

센서의 최저 탐지농도 확인 VOC에 대해 10ppb 농도 탐지 확인

탐지 VOC 확인 10여종 이상의 VOC 탐지 여부 확인

2차

연도2008

VOC DB 구축 10종 이상의 VOC 에 대한 DB구축

운용 S/W신호패턴의 반복성 : ±10% 오차이내

간섭물질에 의한 오경보율 : ±5%이내

시작품 제작

휴대용

- 20 × 8 × 6 (가로×세로×높이)

- 1kg 이하

복합측정용

- 50 × 25 × 20 (가로×세로×높이)

- 8kg 이하

최종

평가2008

VOC 탐지 시험 탐지범위 10ppb 이하 농도 범위 충족

환경시험

운용온도 : -20～+50

탐지시간 : 30초 이내

사용전원 : DC6V, 충전전지

표시방법 : 액정소자 표시기

표 2-2 연도별 개발목표 및 연구범위

- 32 -

제3절 연도별 추진체계

상용화 개발을 통해 기확보된 PID 이온센서 에 대한 문제 해결 능력 에 있어서 위탁연구기관

이었던 한국원자력연구소로부터 모든 기술을 이관 받음으로 자체 확보하고 있는 연구원으로서

개발이 가능하였으며, 금번 연구개발을 통해 보유하고 있는 PID센서에 관한 기술과 생산중인

IMS 센서 기술 및 SAW 센서 기술을 어레이하여 대량 생산 할 수 있는 기술및 제조원가를 낮출

수 있는 기술을 확보하였다.

1차년도

(2007년)

센서 어레이 복합 실내공기질측정기 개발

플라즈마방전램프 제작

이온센서 생산공정 개발(이온센서, 전기화학센서,

NDIR센서,온․습도센서어레이)

전자부 생산공정개발

인체공학적 하우징 디자인 및제작

2차년도

(2008년)

사용자 인테페이스 개발

센서 VOC DB구축

전용시험지그개발

센서 검교정방법 개발

시험 분석 및 규격인증

표 2-3 추진체계 요약도

- 35 -

제3장 연구개발 결과 및 활용계획

제1절. 연구개발 결과 및 토의

가. 플라즈마 방전램프의 일반적 특징

진공상태에 Ar, Kr, Xe 등의 희귀 가스(noble gas)가 수 torr 채워진 플라즈마 방전램프에

RF 전압을 인가함으로 방전이 일어나 일정한 에너지를 방출하는 이온화원으로 사용할 수 있

다. 대부분의 VOC들은 6～10eV 정도의 이온화에너지를 갖고 있으며 따라서, 대상 시료들의

에너지 보다는 높은 파장의 빛을 발생시키는 램프를 사용하여야 한다. 발생되는 자외선의 에너

지는 9.8eV, 10.6eV, 11.7eV등이 있으며, 이 램프를 구동하는 전원은 소형 100kHz급을 사용하

고, 인가 전압은 800 ～ 1000V를 사용한다. 램프에 전원을 연결하기 위하여 램프의 측면에 두

개의 동테이프를 전극으로 사용한다. 현재 수입에 의존하고 있는 10.6eV 이상의 UV 램프를 국

산화 개발하여 안정적인 센서의 동작을 위해 제작을 추진하였다.

그림 3-1 파장대별 영역

- 36 -

이온화 에너지

(6~7 eV)

분자의 바닥상태

자외선 램프

(10.6 eV)자외선 레이저

(2~3 eV : 400~500 nm)

여기준위들

그림 3-2 유기물 기체의 이온화 구조

1s5

1s4

1s3

1s2

Ground

10.0 eV (Kr)11.6 eV (Ar)

10.6 eV(11.7 eV)

79973 cm-1

(93144 cm-1)

80918 cm-1

(93751 cm-1)

85192 cm-1

(94554 cm-1)

85947 cm-1

(95400 cm-1)

2p1

2p10

2p1-10

91169 cm-1

(104102 cm-1)

98856 cm-1

(108723 cm-1)

Many near IR emissions!(1si-2pj transitions)

1s5

1s4

1s3

1s2

Ground

10.0 eV (Kr)11.6 eV (Ar)

10.6 eV(11.7 eV)

79973 cm-1

(93144 cm-1)

80918 cm-1

(93751 cm-1)

85192 cm-1

(94554 cm-1)

85947 cm-1

(95400 cm-1)

2p1

2p10

2p1-10

91169 cm-1

(104102 cm-1)

98856 cm-1

(108723 cm-1)

Many near IR emissions!(1si-2pj transitions)

그림 3-3 희귀가스 원자 (Kr, Ar)의 에너지 준위.

그림에서 He을 제외한 모든 희귀 가스의 경우에 대해 일반적으로 적용되는 원자 에너지 준

위를 나타내고 있으며, 그림에 표시된 숫자는 특히 Kr 및 Ar (괄호로 표시) 원자의 에너지 준위

이며, 두 개의 공명 에너지 준위(그림에서 1s4, 1s2)에서 바닥 에너지 준위로 방출되는 VUV 파

장을 가진 빛이 VOC 분자의 이온화에 사용된다. 그림에 나타낸 10 개의 2pi (i=1-10) 준위에서

4개의 1sj (j=2-5) 준위로 방출되는 가시 광 및 근적외선 파장 영역의 빛을 분광기를 사용해 측

정함으로써 가스 압력 및 전극 구조에 따라 달라지는 방전 램프의 방전 특성을 이해할 수 있

다. 서로 다른 회사에서 제작된 Kr 가스가 채워진 RF 방전램프의 방출 스펙트럼을 측정한 결

과가 그림에서 보여지며, 대부분의 파장이 중성 원자가 아닌 Kr 이온의 여러 전이에 해당되는

파장의 스펙트럼을 보여 주고 있다.

- 37 -

100 200 300 400 500 600 700

0

1000

2000

3000

4000

5000

Wavelength ( nm )

Em

issio

n S

igna

l ( a

.u.)

100 200 300 400 500 600 700

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Wavelength ( nm )

Em

issio

n S

igna

l ( a

.u.)

그림 3-4 RAE사 램프 방출 스펙트럼.

100 200 300 400 500 600 700

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Em

issio

n S

igna

l ( a

.u.)

Wavelength ( nm )100 200 300 400 500 600 700100 200 300 400 500 600 700

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Em

issio

n S

igna

l ( a

.u.)

Wavelength ( nm )

그림 3-5 Cathodeon사 램프 방출 스펙트럼.

그림 3-6 희귀가스에 따른 방출파장 (Kr 가스에서 가장 뚜렷한 116.9nm 파장이 보임)

나. 플라즈마 방전램프의 제작

10.6eV 이상의 에너지를 방출하는 UV 램프를 제작하기 위해, 진공에 Kr 기체를 주입한후

RF 방전을 일으켜 이때 방출되는 UV를 사용할 수 있는 UV 램프를 제작하였다. 램프 제작을

위해 먼저 117nm파장을 투과할 수 있는 UV 윈도우인 Calcium fluoride crystal optic disc,

13mm × 1mm 를 구매하여 사용하였다. 램프를 만들기 위해 먼저 유리관에 유리접착제를 이

용하여 UV 윈도우를 붙인후 유리관의 한쪽 끝을 진공으로 형성한후 일정량의 Kr 기체를 충진

후 밀봉하여 내부를 약간의 Kr 기체가 충진된 진공상태를 유지하는 램프로 제작하였다. 제작

한 램프의 양단에 RF 를 걸어 주었을 때, 램프로부터 방전이 일어나 는 것을 확인 할 수 있었

- 38 -

었다. 이후 램프로부터 방출 되는 에너지 값을 정량적으로 확인하기 위해 단국대학교 (천안)

화학과에 보유하고 있는 분광장치를 이용하여 UV의 세기를 측정할 수 있었다. 단국대학교에

서 보유하고 있는 분광장치는 형광측정용 이기 때문에 이 장치를 이용하여 광원의 특성을 분석

하기 위해서는 시스템 구성을 다시 해야 했다. VUV 분광계를 이용하여 광원분석을 하기 위한

vacuum adapter assembly를 제작하여 UV 램프를 삽입한 상태에서 광원의 세기를 측정할 수

있었다. 나타내었다. 하지만, 장치를 VUV 분광계에 부착하게 되면 광원의 광학적 정렬이 어려

워서, 분광선 측정에 상당히 많은 애로가 있었다.

그림 3-7 석영관을 이용한 몸체 제작 그림 3-8 CaF2 윈도우

그림 3-9 제작된 UV 램프

그림 3-10 UV 방출에너지 세기 측정

- 39 -

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

100

200

300

400

500

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Wavelength (nm)

6 V, PMT 700 V 6 V, PMT 800 V

그림 3-11 UV 방출에너지 측정 결과

100 110 120 130 140 150

100

110

120

130

140

150

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Wavelength (nm)

6 V, 800 V, 0.2 nm/step

그림 3-12 UV 방출에너지 측정 결과

다. 램프 비교시험

자체 제작한 10.6eV UV 램프의 성능을 시험하기 위해 RAE 사의 UV램프와의 비교 탐지시

험을 하였다. 사용된 가스는 RAE사에서 판매되고 있는 이소부틸렌 표준가스를 이용하였으며,

사용된 농도는 10ppm, 100ppm을 이용하였다. 최종적인 시험 결과 아래그림에서 보는 바와

같이 자체 제작된 UV 램프가 RAE사에 비해 약 10% 신호 발생 전압이 낮았지만 전체적으로

RAE사의 램프와 유사한 곡선을 갖으며 표준가스에 대해 반응 하는 것을 확인하였다.

그림 3-13 램프 비교시험 램프A 자체제작, 램프B RAE사

- 40 -

가. 내부구조 및 적용된 센서

PID(Photo Ionization Detector) 센서만을 이용하여 VOC를 탐지할 때 따르는 제약사항은

탐지된 가스에 대한 변별력이 떨어지며, 측정된 데이터에 대한 신뢰성이 저하 될 수 밖에 없다.

따라서 이를 해결하기 위해 포름알데히드를 측정할 수 있는 전기화학센서, 화학작용제를 탐지

할 수 있는 IMS(Ion Mobility Spectrometry) 센서, CO2 가스를 측정할 수 있는 NDIR(Non

dispersive infrared)센서, 그리고 선택적인 가스 탐지가 가능한 SAW(Surface Acoustic Wave)센

서를 어레이 하여 대기중에 존재하는 가스의 탐지범위를 증대시키며, 탐지된 가스를 식별할 수

있는 기능이 향상된 센서 어레이 기술을 개발했다.

센서 어레이의 측정과정에 있어 구조란 부분은 매우 중요하다. 각 센서간의 탐지구조와 또

는 온도와 습도의 영향을 받을 수도 있고 앞의 탐지과정이 뒤에 가서는 시료의 변별력을 흐트

러트리는 결과를 초래하게 될 수 있기 때문이다. 때문에 온도 관리를 위해 벽을 세우고 공기

순환을 시켜야 한다. 또한 센서의 배치는 센서간의 상성과 화학반응 또 흡입 과정에 있어서의

유량간섭 현상을 최소화 하여야 한다.

그림 3-14 복합탐지기 최종 센서부 구조

※ V2에 사용된 구조로써 센서를 밀폐된 공간에 몰아넣고 탐지를 하는 구조이다.

- 41 -

ground

Sensor electrode

ground

Sensor electrode

그림 3-15 PID 센서 그림 3-16 NDIR CO2센서 그림 3-17 전기화학식 포름센서

그림 3-18 IMS 센서 그림 3-19 온습도 센서

그림 3-20 SAW센서

그림 3-21 시료 흡입 배출 구조도

※ 유량간의 흐름과 배선구조를 설명하기 위한 그림이다.

※ 흡입을 양쪽으로 빨아들이는 방식을 채택하여 한쪽에서 너무 많은 양을 빨아들이는

문제점을 테스트 하기 위해 다음과 같은 실험을 하였다.

- 42 -

그림 3-22 테스트 방법

작동 상황 유량 펌프 유량 IMS 유량

검은색 펌프 5.1V 단독작동 1.910 L/min

검은색 펌프 5.1V KCAM동시작동 1.860 L/min 0.825 L/min

검은색 펌프 3.3V 단독작동 1.090 L/min

검은색 펌프 3.3V KCAM동시작동 1.070 L/min 0.850 L/min

OKEM 펌프 5.1V 단독작동 1.137 L/min

OKEM 펌프 5.1V KCAM동시작동 1.100 L/min 0.844 L/min

OKEM 펌프 3.3V 단독작동 0.500 L/min

OKEM 펌프 3.3V KCAM동시작동 0.700 L/min 0.860 L/min

표 3-1 펌프에 따른 유량 간섭 실험 결과

가. 인체공학적 외부 디자인 및 하우징 설계 제작

디자인을 통한 상품성제고로 사용자에게 더욱 친밀하며 편리성을 고려하여 다가설 수 있는

디자인을 제공함으로서 제품의 시장경쟁력을 높일 수 있도록 한다. 특히 유독가스 탐지기는

현대 생활에서 거의 필수장비로 대두되고 있다. 특히 가스에 관련된 업체나 유독가스 비의 정

비업체, 그리고 작업에 의해 유독가스가 배출되는 작업, 특히 지하 갱도 및 지하 터널에서 작업

하여야 하는 경우에는 수시로 유독가스를 탐지하여야 하며, 종류도 한 다양하여 모든 유독가스

- 43 -

를 탐지하여야 한다. 그러기 위해서는 각종 센서가 필요하다 그러나 한 가지 센서로 모든 것을

측정하는 것은 불가능하다. 따라서 센서의 어레이 기술과 더불어 센서교체가 용이한 장비가 필

요하다. 휴대하기 편리하고 외형디자인에 한 혐오감이 없어 사용자가 친근하게 접할 수 있어

야 하며, 사용자가 사용하는데 있어서 불편함이 없도록 하기위한 외형디자인 및 외형 제품 개

발이다. 디자인을 통하여 사용하는데 있어서 불편함이 없으며, 사용자가 편안함을 가지고 휴대

할 수 있는 디자인과 색상을 겸비한 가스탐지기의 외형을 디자인한다. 완성된 디자인을 가지고

실제 제품을 3차원 모델링을 하였다. 유독가스 감지기에 대한 형상, 크기, 센서 배치방법에 대

하여 연구 검토하여 유독가스 감지기의 센서 및 각종 부품을 유독가스 감지 시스템의 효율적

배치 방법을 연구하였으며, 타 기종의 시스템 비교 분석을 통하여 더욱 편리하고 세련된 디자

인으로 설계하였다. 타제품과 비교 분석하여 최적의 설계조건을 도출 하였다. 크기 면에서도

사용자가 편리하도록 하기 위하여 사이즈를 최적으로 작게 설계하였다 사이즈가 작게 됨에 따

라 양산시에 재료 및 금형비용도 감소시킬 수 있다. 용자가 제품을 잡았을 때 미끄러지지 않도

록 하기 위하여 콜라병 모양의 모델링을 실시하였다.

(1) 모니터링용 렌더링 (포름알데히드 전용 측정기)

그림 3-23 모니터링용 렌더링

(2) 휴대용 렌더링 (VOC 전용 측정기)

- 44 -

그림 3-24 휴대용 렌더링그림 3-25

휴대용렌더링 그림 3-26 멤브레인 디자인

- 45 -

(3) 복합측정용 렌더링 (1차 시제용)

그림 3-27 복합측정용 렌더링 (1차 시제용) 그림 3-28 복합측정용 렌더링 (1차 시제용)

(4) 복합측정용 렌더링 (2차 시제용)

그림 3-29 복합측정용 렌더링 (2차 시제용)그림 3-30 복합측정용 렌더링 (2차 시제용)

- 46 -

그림 3-31 복합측정용 렌더링 (2차 시제용)그림 3-32 복합탐지기 전면 실크 인쇄 디자인

4. DB 구축

PID 센서를 이용하여 대기중에 존재하는 가스상 시료를 탐지할　때, 가스상 시료의 이온화 에너지 값이

UV 램프에서 방출되는 에너지 값 이하인 경우 UV 램프에서 방출되는 에너지를 이용하여 이온으로 형성될

수 있다. 형성된 이온은 PID 의 고전압으로 둘러싸인 이온검출전극에서 검출하여 발생된 전류값을 통하여

물질의 농도를 확인하여 줄 수 있다. 하지만, PID 센서에서 검출되는 이온전류의 세기만을 알 수 있고, 이온

의 종류는 알 수 없으며, 전체적인 이온 전류값을 환산하여 농도를 표시를 해 준다. 같은 농도의 종류가 다

른 가스에서 이온화 한후 형성되는 이온 전류값은 각각 상이하며, 이를 위해 개별 가스에 대한 환산인자값으

로 이온 전류값을 보정하여 최종 농도를 확인해 주어야 한다. 이를 위해 본 연구를 진행하며, 개별 가스의

이온화에너지 값및 환산인자 값을 확인하여 DB를 구축하여 탐지장비내에 DB화 하여 주었다.

- 47 -

VOC 종류 이온화에너지 (eV) 환산인자값 (10.6eV에서)

아세트알데히드(Acetaldehyde) 10.21 6

아세톤(Aceton) 9.69 1.1

아세토나이트릴(Acetonitril) 12.22 -

아세틸클로라이드(Acetylchlorid) 11.02 -

아세틸렌(Acetylen) 11.41 -

아크롤레인(Acrolein) 10.10 3.9

아크릴니트릴(Acrylnitril) 10.91 -

알릴알콜(Allylalkohol) 9.67 2.4

알릴클로라이드(Allylchlorid) 10.20 4.3

아메이슨사우러(Ameisensaure) 11.05 -

벤즈알데히드(Benzaldehyd) 9.53 1.6

벤졸(Benzol) 9.25 0.53

벤조니트릴(Benzonitril) 9.71 1.6

벤질클로라이드(Benzylchlorid) 10.16 0.6

브롬(Brom) 10.55 1.3

브로모폼(Bromoform) 10.48 2.5

브롬프로펜(1-Brompropen) 9.30 3.9

부타디엔(1.3-Butadien(cis,trans)) 9.07 0.85

부탄(n-Butan) 10.63 -

부타놀(1-Butanol) 10.04 4.7

부텐(1-Buten) 9.58 0.9

부틸클로라이드(Butylchlorid) 10.67 -

표 3-2 VOC종류별 이온 환산인자 표

- 48 -


부틸머캅탄(Butylmercaptan) 9.14 0.6

카르보닐설피드(Carbonylsulfid) 11.17 -

염소벤젠(Chlorbenzol) 9.07 0.4

1-염소-2-브로메탄(1-Chlor-2-bromethan) 10.63 -

염소브로메탄(Chlorbrommethan) 10.77 -

2-염소-1,3-부타디엔(2-Chlor-l,3-butadien) 8.80 3

1-클로로부탄(1-Chlorbutan) 10.67 -

2-클로로부탄(2-Chlorbutan) 10.65 -

클로로에탄(Chlorethan) 10.97 -

2-클로로에탄올(2-Chlorethanol) 10.90 -

2-클로로스옥시에텐(2-Chlorethoxyethen) 10.61 -

클로로메탄(Chlormethan) 11.28 -

클로로메틸에틸에테르(Chlormethylethylether) 10.08 3

1-클로로-2-메틸프로판(l-Chlor-2-methylpropan) 10.66 -

클로로폼(Chloroform) 11.37 -

염화페놀(o-Chlorphenol) 9.28 0.5

1-클로로프로판(1-Chlorpropan) 10.82 -

2-클로로프로판(2-Chlorpropan) 10.78 -

클로로워서스토프(Chlorwasserstoff) 12.74 -

클로토날데히드(Crotonaldehyd) 9.73 1.1

쿠몰(Cumol) 8.75 0.54

싸이얀바써스토프(Cyanwasserstoff) 13.91 -

싸이클로헥산(Cyclohexan) 9.98 1.4

싸이클로헥사논(Cyclohexanon) 9.14 0.9

싸이클로헥센(Cyclohexen) 8.95 0.8

데칸(n-Decan) 10.19 1.4

디브롬콜메탄(Dibromchlormethan) 10.59 5.3

- 49 -


디브로디플로메탄(Dibrodiflourmethan) 11.07 -

디브롬메탄(Dibrommethan) 10.49 1.7

디클로디플로메탄(Dichlordiflourmethan

(Freon12))11.57 -

1.1-디클로에탄(1.1-Dichlorethan) 11.06 -

1.2-디클로에탄(1.2-Dichlorethan) 11.04 -

1.1-디클로에텐(1.1-Dichlorethen) 9.69 0.9

시스-디클로에텐(cis-Dichlorethen) 9.65 0.8

트렌스-디클로에텐(trans-Dichlorethen) 9.66 0.5

디클로메탄(Dichlormethan) 11.35 -

디클로프로판(1.2-Dichlorpropan) 10.87 -

1.3-디클로프로판(1.3-Dichlorpropan) 10.85 -

2.3-디클로프로펜(2.3-Dichlorpropen) 9.82 1.3

디틸라민(Diethylamin) 8.01 1.5

N.N-디틸프로마미드

(N,N-Diethylformamid)8.89 0.8

1,1-디플루어-1,2-디브롬-에탄

(1,1-Difluor-1,2-dibrom-ethan)10.83 -

디플루오디브로메탄

(Difluordibrommethan)11.18 -

디쏘프로피라민(Diisopropylamin) 7.73 0.74

디메탈라민(Dimethylamin) 8.24 1.5

디메탈다이설페이드(Dimethyldisulfid) 8.46 0.8

다이옥산(1.4-Dioxan) 9.13 1.3

디스틱스토프모노시드

(Distickstoffmonoxid)12.90 -

에피크로로하이드리드(Epichlorhydrind) 10.60 8.5

에탄(Ethan) 11.65 -

에타놀(Ethanol) 10.62 -

에텐(Ethen) 10.52 10

- 50 -


에티닐벤조(Ethinylbenzol) 8.82 0.52

에틸라민(Ethylamin) 8.86 0.8

에틸클로라이드(Ethylchlorid) 10.97 -

에텐클로로하드린(Ethylenchlorhydrin) 10.90 -

에틸머캡탠(Ethylmercaptan) 9.29 0.6

에틸머타노트(Ethylmethanoat) 10.61 -

플루오르(Fluor) 15.70 -

플루오르메타놀(Fluormethanal) 11.40 -

플루오르트리브로메탄(Fluortribrommethan) 10.67 -

플루오르트리클로로메탄(Fluortrichlormethan) 11.77 -

플루오르바서스토프(Fluorwasserstoff) 15.77 -

포름알데히드(Formaldehyd) 10.87 -

헥산(n-Hexan) 10.18 4.3

헥센(1-Hexen) 9.46 0.8

하이드라진(Hydrazin) 9.00 2.6

로드(lod) 9.28 0.1

로드메탄(lodmethan) 9.54 0.22

이소아밀아세트(Isoamylacetat) 9.90 2.1

이소부탄(Isobutan) 10.57 1

아이소뷰타놀(Isobutanol) 10.47 3.8

이소부틸아세트(isobutylacetat) 9.97 2.6

이소펜탄(Isopentan) 10.32 8.2

이소프렌(Isopren) 8.85 0.63

이소프로필아세트(Isopropylacetat) 9.99 2.6

퀄른다이옥시드(Kohlendioxid) 13.79 -

퀄른모노시드(Kohlenmonoxid) 14.01 -

이산화질소(Lachgas) 12.90 -

- 51 -


메시틸렌(Mesitylen) 8.40 0.35

메탄(Methan) 12.98 -

메탄올(Methanol) 10.85 -

메틸아세트(Methylacetat) 10.27 6.6

메틸아크릴레이트(Methylacrylat) 10.72 -

메틸라민(Methylamin) 8.97 1.2

메틸브로미드(Methylbromid) 10.53 1.7

메틸부탄(2-Methylbutan) 10.31

메틸크롤라이드(Methylchlorid) 11.28 -

메틸싸이클로헥산(Methylcyclohexan) 9.85 0.97

메틸렌클로라이드(Methylenchlorid) 11.35 -

메틸레니오디드(Methyleniodid) 9.34

메틸레타노트(Methylethanoat) 10.27

메틸에티케톤(Methylethylketon(MEK)) 9.53 0.9

메틸이소부틸케톤

(Methylisobutylketon(MIBK))9.30 0.8

메틸메타노트(Methylmethanoat) 10.82 -

메틸머캡탄(Methylmercaptan) 9.44 0.6

메틸-n-프로필케톤

(Methyl-n-propylketon)9.39 0.8

메틸스티롤(Methylstyrol) 8.35 0.5

냅탈린(Naphthalin) 8.10 0.42

니트로벤졸(Nitrobenzol) 9.92 1.9

니트로메탄(Nitromethan) 11.08 -

n-노네인(n-Nonan) 10.21 1.4

옥산(n-Octan) 10.24 1.8

펜타크로레탄(Pentachlorethan) 11.28 -

펜탄(n-Pentan) 10.35 8.4

퍼크로fp티렌(Perchlorethylen) 9.32 0.57

- 52 -


퍼플루오르-2-부텐(Perfluor-2-buten) 11.25 -

페놀(Phenol) 8.69 1

포스겐(Phosgen) 11.77 -

포스핀(Phosphin) 9.96 2

피콜린(Picoline) 9.04 0.9

피넨(Pinene) 8.07 0.31

프로판(Propan) 11.07 -

프로펜(Propen) 9.73 1.7

프로피온알데히드(Propionaldehyd) 9.98 1.9

n-프로피아세트(n-Propylacetat) 10.04 3.5

프로필라민(n-Propylamin) 8.78 1.3

프로피크롤라이드(Propylchlorid) 10.82 -

프로필렌옥시드(Propylenoxid) 10.22 6.5

피리미딘(Pyrimidin) 9.91 0.7

사우러스토프(Sauerstoff) 12.08 -

스틱스토프(Stickstoff) 15.58 -

1,1,2,2-테트라크로로에탄(1,1,2,2-Tetrachlorethan) 11.10 -

테트라크로로에탄(Tetrachlorethen) 9.32

테트라크로코렌스토프(Tetrachlorkohlenstoff/) 11.28 -

테트라히드로퍼랜(Tetrahydrofuran) 9.54 1.7

1,1,1-트리크로로에탄(1,1,1-Trichlorethan) 11.25 -

트리크로로에텐(Trichlorethen) 9.45 0.54

트리크로로메탄(Trichlormethan) 11.37 -

트리에틸라민(Triethylamin) 7.50 0.9

비닐아세트(Vinylacetat) 9.19 1.2

비닐브로미드(Vinylbromid) 9.80 0.4

비닐크로라이드(Vinylchlorid) 10.00 2.0

- 53 -

가. 표준기체 발생장치 개요

센서 VOC Data Base 구축 및 생산 후 검교정 방법 개발로서, 100여종 이상의 VOC의 반

응성에 대한 환산인자 DB구축 및 화학작용제 모의가스 (DPGME, MS)등에 대한 작용제 종류별

농도에 따른 검교정 방법을 확립하였다. 표준기체발생장치로부터 발생되는 가스의 농도를 확

인하기 위해 표준가스를 구매하여 GC를 통해 농도를 비교하고, 정상적으로 가스가 발생된다고

판단되었을때 표준기체발생장치를 사용한다. 표준기체발생장치는 수 ppb 수준의 가스상 표준

시료를 만들기 위해 침투관 및 침투장치를 사용하여, ±1%의 오차 범위내에서 원하는 농도의

가스상 표준시료를 만들 수 있도록 제작되었으며, 특별히 제작된 가스발생장비는 극미량의

VOC 표준기체를 발생, 개발된 장비의 DB구축을 목적으로 하며, 일정시간 교육을 이수한 사람

이 단순 조작을 통한 VOC 표준기체 발생을 목적으로 제작되었다. 유량이 지나는 모든 부분은

스테인레스 스틸, 테프론, 유리등으로 제작하여 가스상 작용제와 반응하지 않도록 하였다.

그림 3-33 외국제품 표준기체발생장치 그림 3-34 개발된 표준기체발생장치

그림 3-35 제작된 침투관

- 54 -

나. 침투관을 이용한 표준기체 발생기법

액화가스 및 용액을 충진하고 완전히 밀봉한 침투관은 일정온도에서 관벽을 통하여 나오는

가스량이 언제나 일정하다는 원리를 이용하여, 기존의 침투관의 온도를 일정하게 유지할수 있

는 챔버를 제작하고, 챔버내에서 침투관를 통해 발생되고 있는 가스상 시료의 농도를 외부 공

기를 이용하여 희석시켜 원하는 농도의 가스를 발생시킨다.1)

그림 3-36 침투관 구조도

이때 투과되어 나오는 가스의 농도는 다음과 같이 계산한다.

C=K×Dr× 10 3

F

C = 성분가스의 농도, ppm

Dr = 성분가스의 투과량, ug/min

F = 희석가스의 유량, mL/min

K=22.4Mw

×T'T

×P'P

Mw = 성분가스의 분자량

T = 273.15

T' = 273.15+챔버온도

P'/P = 1 (통상적인 대기압하에서)

즉, 표준가스의 발생 농도는 정해진 온도에서 침투관을 투과하여 나오는 가스의 양과 발생

되어진 가스의 농도를 희석하여줄 희석유량에 의해 조절되어진다.

1) permeation tube은 1966년 미국의 Taft엔지니어링 센터에 근무하는 O'keefe와 Ortman이 합성수지관에 액화가스를

충진하고 완전히 밀봉하면 일정온도에서 관벽을 통하여 침투되어 나오는 가스량은 일정하다는 데에서 착안하여 개

발되어진 이래, 분석장비의 calibration gas에 이용되어오고 있다.

- 55 -

침투관의 투과량을 변화시키기 위해서는 챔버의 온도를 변화시켜 야 하며, 챔버의 온도의

변화는 표준기체 발생장치로부터 발생되는 농도의 변화를 초래한다. 그래서, 챔버의 온도를

일정하게 유지하기 위해, 워터자켓 형태의 초자안에 침투관을 넣고 외부에 온도가 일정하게

유지되는 물을 순환시킴으로 초자안의 온도를 일정하게 유지시킬수 있는 방법을 사용했다.

다. 표준기체 발생장치 제작

(1) 표준기체발생장치 명칭 및 기능

그림 3-37 전면판 설계도

참조번호 명칭 설명 및 용도 (기능)

① 전원 장비에 전원을 인가한다. on/off

② 온도조절기 모의작용제 저장용기의 온도를 일정하게 유지한다.

③ 공기흡입구외부의 클린 에어를 흡입하여, 표준기체발생용기내 에 있는

Permeation tube에서 발생되는 가스의 농도를 희석한다.

④ 시료배출구 정량화된 모의작용제 가스를 외부로 배출한다.

⑤ 희석유량계 1 표준기체발생용기에 클린 에어를 공급한다.

⑥ 희석유량계 2표준기체발생용기에서 나오는 모의작용제 가스의 농도를 희

석하여 준다.

⑦ 시료량 조절밸브 공기흡입구로 유입되는 클린 에어의 유량을 제어한다.

표 3-3 표준기체 발생장치 설명 및 용도

- 56 -

(2) 표준 가스발생을 위한 침투관 용 항온 항습조 제작

그림 3-38 표준기체 발생용기

그림 3-39 표준 가스발생을 위한 침투관 용 항온 항습조 제작

- 57 -

라. 표준기체 발생 및 농도분석

(1) 가스상 모의 작용제 발생시 준비사항 및 가스발생

가스상 모의 작용제를 발생시키기 위해서는 온도조절기, 희석유량계1, 희석유량계2의 조

절만으로 수행된다. 이의 조작절차는 아래와 같으며 가스상 모의 작용제를 발생시킬때는 아

래의 사항을 준수해야 한다.

그림 3-40 가스분석실 내부사진 그림 3-41 표준기체발생장치 발생사진

(가) 가스발생실 내에 있는 후드의 전원을 켠다. 이때 가스발생실 내에있는 모든 창을 개

방함으로 실내에 신선한 공기가 충분히 공급될수 있도록 한다. (가스 발생은 언제나

후드가 있는 공간에서 수행돼야 하며, 표준기체발생장치는 후드안에 위치되어야 한

다.)

(나) 가스발생실 내의 온도와 습도를 측정한다. 만일 실내온도가 5이하라면, 온

풍기를 가동해야 하고, 이것이 여의치 않을 경우 운용을 위한 가동준비 시간

을 연장하여 장비내부가 적정온도에 도달하도록 한다. 실내온도가 25이상

이라면, 냉풍기를 가동시킨다. 실내온도와 상대습도의 측정은 표준기체발생장

치에 딸려 있는 온, 습도 측정기를 이용한다.

(다) 공기흡입구에 클린 에어를 연결한다.

(라) 시료량 조절밸브를 이용하여 공기흡입구로 유입되는 클린에어의 양을 제어한

다.

(마) 표준기체발생용기내에 침투관을 넣어준다.

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(바) 장비의 뒷면 하단부에 위치한 전원 공급선에 220V AC전원을 공급한다.

(사) 전원을 on 한다.

(아) 온도조절기를 이용하여 표준기체발생용기의 온도를 설정한다.

(자) 희석유량계1 및 희석유량계2의 유량을 조절한다.

(차) 온도조절기의 온도가 설정온도로 안정화 되도록 기다린다.

(카) 장비에서 발생되는 농도가 안정화 되도록 최소 1시간 이상 운용한다.

(타) 농도분석 절차에 의해 시료를 포집하여 GC에서 농도 분석한다.

(파) 장비에 인가하여 농도 시험을 수행한다.

마. 농도분석

표준기체발생장치에서 발생된 가스상 모의 작용제는 그림에서와 같이 에탄올에 포집하고

GC를 이용하여 농도 분석한다. 모의 작용제의 농도는 GC에서 얻은 테이타, 포집시간, 포집유

량, 내부표준물질의 양에 의해 계산된다.

(1) GC를 통한 농도분석.

다음의 조건은 분석을 위한 한 방법에 불과하며, 분석자가 다른 분석방법을 찿아 분석할

수 있다.

(가) GC를 아래의 조건으로 설정한다.

컬럼 : HP-5 캐필러리 컬럼. 길이 30m, 내경 0.32mm, 필름두께 0.25

유량 : 수소 30ml/min, 에어 300ml/min,

캐리어 가스 : 질소 (99.996%이상의 순도), 4ml/min

오븐온도 : 120

인젝션 온도 : 250

검출기 (FID)온도 : 280

(2) 표준용액 제조법

ESTD법이나 ISTD법중 한가지의 방법을 선택하여 분석한다.

ISTD법으로 농도분석을 하기 위해서는 내부표준용액을 제조하여야 하며, 내부표준용액의

제조법 및 분석법은 아래와 같다.

- 59 -

(가) 100ml 메스 플라스크의 무게를 측정한후, 사용하고자 하는 내부표준물질 적당량을

메스 플라스크에 넣고, 첨가된 내부표준물질의 무게를 측정한다.

(나) 100ml 메스 플라스크의 눈금선까지 에탄올을 첨가한후 잘 섞어준다.

(다) 위와 같은 방법으로 분석하고자 하는 물질을 제조한다. 이때 내부표준물질 및 분석하

고자 하는 물질의 무게는 비슷한 양이어야 한다.-

(라) 바이알 3개를 준비하여 각각의 바이알에 위의 방법으로 제조된 내부표준물질과 모의

신경작용제를 1:0.5, 1:1, 1:1.5의 비로 섞는다.

(마) 바이알 3개를 준비하여 각각의 바이알에 위의 방법으로 제조된 내부표준물질과 모의

수포작용제를 1:0.5, 1:1, 1:1.5의 비로 섞는다.

(바) 분석시료 분석을 위해 설정된 GC 조건하에서 바이알에 제조된 용액적당량을 GC에

주입한다.

(사) RRF값을 계산하여 준다.

분석시료의무게내부표준물질의무게분석시료의면적내부표준물질의면적

(3) 가스상 시료 포집

(가) 두 개의 임핀저 각각에 적당량의 포집 용액을 채운다.

(나) 그림 에서와 같이 두 개의 임핀저를 테프론 튜브를 이용하여 연결하고 임핀저의 한

쪽은 표준기체발생장치의 시료배출구에 또 다른 임핀저의 한쪽은 진공펌프에 연결하

여 적정한 유량으로 포집한다. 이때 임핀저의 온도는 5이하를 유지시킨다.

(다) 분석시료를 최소 60분 이상 포집한다.

(라) 분석시료를 포집한 임핀저에 적당한 양의 내부표준물질을 넣어준후 충분히 섞는다.

(마) 충분히 섞인 용액을 바이알에 담아 GC에서 농도분석 한다.

- 60 -

그림 3-42 핏펫용 홀더그림 3-43 임핀저

(4) GC를 이용한 농도분석

(가) 상기 기술한 내용으로 GC를 설정하고 안정화 시킨다.

(나) 안정화된 GC에 적당량의 시료를 주입하고 출력되는 그래프를 얻는다.

(다) 아래의 식에 대입하여 발생된 모의 작용제의 농도를 계산한다.

C=A S

A I

× W I×1

F× T S×RRF

C : 발생된 농도 (mg/)

A S : GC로부터 얻은 모의작용제의 면적

A I : GC로부터 얻은 내부표준물질의 면적

W I : 내부표준물질의 무게 (ug)

F : 포집유량 (ℓ/min)

T S : 포집시간 (min)

RRF : 내부표준물질 보정값

- 61 -

바. 표준기체 발생장치 블록도

그림 3-44 표준기체발생장치 블럭도

- 62 -

가. 전체 복합측정용 구성

그림 3-45 사용자 인터페이스

탐지기의 소프트웨어의 모티브는 디자인 부분의 내용과 같이 처음 프로그램을 접하는 사람도

쉽게 접할 수 있도록 하는 것이다. 보기 편하면서도 기능에 충실하도록 최대한 배려했으며 별도

의 조작 없이도 현제의 데이터가 바로 눈에 보이도록 했다. 펌 웨어 부분은 AVR을 이용하여 프

로그램 했으며 각 센서의 어레이를 위해 ADC기능을 활용 하였으며 AVR의 분해능이 낮고 순간

순간 전압 고저가 차이가 날 수 있어 연속적으로 들어오는 값을 에버리징 해주는 알고리즘 착안

에 중점을 두었다. AVR이 10bit ADC를 사용 가능하여 정확하고 안정적으로 센서의 값을 받아

- 63 -

들이지만 조금 더 안정적이고 정적인 값을 표출 하기 위해서 1초에 1000번의 값을 하나의 값으

로 에버리징 해준다.

그림 3-46 메인 순서도(Main flow)

그림 3-47 상세 순서도(Sub flow)

- 64 -

그림 3-48 동작순서도 1

그림 3-49 동작순서도 2

- 65 -

그림 3-50 프로그램 모드

- 66 -

프로그램 내용(송신부1)

cnt++;

if(cnt%1000==0)

co2+=(co22/10);

voc+=(voc2/10);

fom+=(fom2/10);

co22=0;

voc2=0;

fom2=0;

if(cnt%100==0)

co22+=(co23/10);

voc2+=(voc3/10);

fom2+=(fom3/10);

co23=0;

voc3=0;

fom3=0;

if(cnt%10==0)

co23 += read_adc(1); //수치합산

voc3 += read_adc(2);

fom3 += read_adc(3);

표 3-4 프로그램 내용-송신부1

본 코드는 adc의 입력값을 받아 1000번 들어오는 값을 1/1000로 에버리징하는 알고리즘이다.

- 67 -


if(cnt>9999) //9999

co2/=10;

voc/=10;

fom/=10;

co2*=4;

myftoa(co2,4,0,0,co2_str);

gui_disp_string(0, 0, co2_str);

myftoa(voc,5,2,0,voc_str);

gui_disp_string(0, 1, voc_str);

myftoa(fom,5,2,0,fom_str);

gui_disp_string(0, 2, fom_str);


10000이 되면 10으로 나누어 각각의 계산식에 대입하여 문자열의 형태로 변환 하고

그것을 출력 한다.

- 68 -


Temperature = (float)SHT1X_Measure(TEMP)*0.01 - 40;

rh = SHT1X_Measure(HUMI);

Humidity = (Temperature-25)*(T1+T2*rh)+C3*rh*rh + C2*rh + C1;

if(Humidity>100) Humidity = 100;

if(Humidity<0.1) Humidity = 0.1;

myftoa(Temperature,3,1,0,temp_str);

gui_disp_string_large(0, 4, temp_str, NORMAL);

myftoa(Humidity,3,1,0,humi_str);

gui_disp_string_large(0, 6, humi_str, NORMAL);

//문자열 합처서 전송

sprintf(allstr,"%s%s%s%s%s",temp_str, humi_str, co2_str, voc_str, fom_str);

SerialSendStr(allstr);


온습도를 측정해서 문자열의 형태로 변환하고 문자를 합쳐서 시리얼 전송을

실시한다.

- 69 -

PC 프로그램 내용(버튼 초기화)

CMenu *pSysMenu = GetSystemMenu(FALSE);

pSysMenu->DeleteMenu(SC_CLOSE, MF_BYCOMMAND);

CDialog::OnInitDialog();

SetIcon(m_hIcon, TRUE); // Set big icon

SetIcon(m_hIcon, FALSE); // Set small icon

SetWindowText("STI-1000 모니터링 프로그램");

//버튼설정

m_my_button1.SubclassWindow(GetDlgItem(IDC_IMSSB)->m_hWnd);

m_my_button1.UseBitmap(IDB_TEST1_IMAGE, IDB_TEST1_IMAGE, 10);

m_my_button1.UseGradient(1);

m_my_button2.SubclassWindow(GetDlgItem(IDC_PRTM)->m_hWnd);

m_my_button2.UseBitmap(IDB_PRIN, IDB_PRIN, 10, 1, RGB(255, 0, 0));


m_my_button3.SubclassWindow(GetDlgItem(IDC_POFF)->m_hWnd);

m_my_button3.UseBitmap(IDB_POW, IDB_POW, 10, 1, RGB(255, 0, 0));


m_my_button4.SubclassWindow(GetDlgItem(IDCANCEL)->m_hWnd);

m_my_button4.UseBitmap(IDB_WIN, IDB_WIN, 10);


m_my_button5.SubclassWindow(GetDlgItem(IDC_PRTH)->m_hWnd);

m_my_button5.UseBitmap(IDB_PRIN2, IDB_PRIN2, 10);


표 3-7 PC 프로그램 내용(버튼 초기화)

- 70 -

버튼에 사용될 그림 같은 부분을 설정한다.

PC 프로그램 내용(폰트 초기화)

m_PRONAME.SetFontBold(TRUE);

m_PRONAME.SetFontSize(50);

m_PRONAME.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_CO2.SetFontBold(TRUE);

m_CO2.SetFontSize(30);

m_CO2.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_VOC.SetFontBold(TRUE);

m_VOC.SetFontSize(30);

m_VOC.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_FORM.SetFontBold(TRUE);

m_FORM.SetFontSize(30);

m_FORM.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_HUMI.SetFontBold(TRUE);

m_HUMI.SetFontSize(30);

m_HUMI.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_TEMP.SetFontBold(TRUE);

m_TEMP.SetFontSize(30);

m_TEMP.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_DC.SetFontSize(40);

m_DC.SetFontBold(TRUE);

// m_DC.SetTextColor(RGB(255,0,255));

m_DC.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_PER.SetFontSize(40);

m_PER.SetFontBold(TRUE);

// m_PER.SetTextColor(RGB(255,0,255));

m_PER.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");

m_PPM1.SetFontSize(30);

m_PPM1.SetFontBold(TRUE);

// m_PPM1.SetTextColor(RGB(255,0,255));

m_PPM1.SetFontName("휴먼둥근헤드라인");









표 3-8 폰트설정

펌웨어에 사용될 프로그램 글자체를 생성한다.

- 71 -

PC 프로그램 내용(통신 초기화)

//윈도우 최대화

ShowWindow(SW_SHOWMAXIMIZED);

// 텍스트 출력

m_VOCLED.SetText("READY");

// 글자색 설정

// OffColor : 꺼진 LED색, OnColor : 켜진 LED색

m_VOCLED.SetColor( RGB(0,64,0), RGB(0,255,0) ); //base:100,100,100

// 배경색 설정

m_VOCLED.SetBackColor( RGB(0,0,0) ); //base:80,80,80

// 스타일 설정

//m_VOCLED.ModifyDigiStyle(0, CDigistring::DS_SMOOTH);

//통신 관련 핸들러

m_Comm.SetHwnd(this->m_hWnd);

LoadSettings();

UpdateData(FALSE);

//타이머 스타터

SetTimer(1, 1000, 0); //1은 아이디, 1000는 시간(ms)

//화면 캡춰 관련

mp_display_memory = new CDC();

mp_bitmap = new CBitmap();

GetClientRect(m_image_rect);

CClientDC dc(this);

mp_display_memory->CreateCompatibleDC(&dc);

mp_bitmap->CreateCompatibleBitmap(&dc, m_image_rect.Width(),

m_image_rect.Height());

//생성된 비트맵 객체는 검은색, 특정색상으로 초기화

mp_old_bitmap = mp_display_memory->SelectObject(mp_bitmap);

mp_display_memory->Rectangle(0, 0, m_image_rect.Width(),

m_image_rect.Height());

mp_display_memory->SelectObject(mp_old_bitmap);

//통신시작

m_nSettingBaud=0; //임시고정

m_nSettingPort=1;

((CButton*)GetDlgItem(IDC_CHECK_COMM))->SetCheck(1);

OnCheckComm();

OnPort2();

표 3-9 통신초기화

- 72 -

PC 프로그램 내용(수신부)

if(23<m_EditData.GetLength())

temp = "";

humi = "";

co2 = "";

voc = "";

form = "";

for(i=0;i<24;i++)

if(i<4) temp += m_EditData[i];

else if(i<8) humi += m_EditData[i];

else if(i<12) co2 += m_EditData[i];

else if(i<18) voc += m_EditData[i];

else form += m_EditData[i];

//온도

val=atof(temp);

val-=2;

temp.Format("%0.1f",val);

//voc

if(!cnt)

val=atof(voc);

val-=vocd;

if(val<0.01) val=0.01;

val=(val*val)/1000;

if(val<0.01) val=0.01;

voc.Format("%0.2f",val);

//포름

val=atof(form);

val*=100;

val =(int)val%100;

val/=100;

form.Format("%0.2f",val);

m_TEMPLED.SetText(temp);

m_HUMILED.SetText(humi);

m_CO2LED.SetText(co2);

m_VOCLED.SetText(voc);

m_FORMLED.SetText(form);

표 3-10 PC수신부

수신된 각 센서의 데이터 들을 분리해 내는 과정이다.

- 73 -

PC 프로그램 내용(미니프린터 출력부)

CTime time = CTime::GetCurrentTime();

strSend.Format("%d년 %d월 %d일 %d시 %d분 %d초

",time.GetYear(),time.GetMonth(),time.GetDay(),time.GetHour(),time.GetMinute(),time.Get

Second());

nMakeAsciiData(strSend); nMakeHexData("0a");

strSend.Format(" 온도 : %s 습도 : %s％",temp,humi);


strSend.Format(" CO2 : %s ppm",temp,humi,co2);


strSend.Format(" VOC : %s ppm",voc);


strSend.Format(" HCHO : %s ppm",form);


strSend.Format(" STI-1000 (주)센서테크");


nMakeHexData("0a");

nMakeHexData("0a");

nMakeHexData("0a");

표 3-11 미니프린터 출력

미니프린터를 출력하는 기능이다.

- 74 -

PC 프로그램 내용(타이머 부)

CString strSend;

CTime time = CTime::GetCurrentTime();

if((TSet1==1&&(time.GetSecond()%TSEDIT1)==0)||(TSet1==2&&(time.GetMinute()%TSE

DIT1)==0&&time.GetSecond()==0)||(TSet1==3&&(time.GetHour()%TSEDIT1)==0&&time.

GetMinute()==0&&time.GetSecond()==0))

strSend.Format("%d년 %d월 %d일 %d시 %d분 %d초

",time.GetYear(),time.GetMonth(),time.GetDay(),time.GetHour(),time.GetMinute(),time.Get

Second());

nMakeAsciiData(strSend);

nMakeHexData("0a");

strSend.Format(" 온도%s습도%s％CO2:%sppm",temp,humi,co2);


nMakeHexData("0a");

strSend.Format(" VOC:%sppm HCHO:%sppm",voc,form);


nMakeHexData("0a");

if((TSet2==1&&(time.GetSecond()%TSEDIT2)==0)||(TSet2==2&&(time.GetMinute()%TSE

DIT2)==0&&time.GetSecond()==0)||(TSet2==3&&(time.GetHour()%TSEDIT2)==0&&time.

GetMinute()==0&&time.GetSecond()==0))

fprintf(out_file,"%d년 %d월 %d일 %d시 %d분 %d초

\n",time.GetYear(),time.GetMonth(),time.GetDay(),time.GetHour(),time.GetMinute(),time.G

etSecond());

fprintf(out_file," 온도%s습도%s％CO2:%sppm VOC:%sppm

HCHO:%sppm\n",temp,humi,co2,voc,form);

CDialog::OnTimer(nIDEvent);

표 3-12 타이머 출력 내용

프로그램 상에서 로깅 기능이나 자동 프린트 기능을 사용할 수 있도록 타이머를 만들었다.

- 75 -

PC 프로그램 내용(데이터 저장)

UpdateData(TRUE);

BOOL bCheck =

((CButton*)GetDlgItem(IDC_CHECK_LOGING))->GetCheck();

if(bCheck)

//((CButton*)GetDlgItem(IDC_CHECK_LOGING))->SetCheck(!bCheck);

//UpdateData(FALSE);

out_file = fopen("Report.txt", "wt");

CLogingsetDlg logingset_dlg;

logingset_dlg.DoModal();

TSet2 = m_TSet;

TSEDIT2 = m_TSEDIT;

m_TSet = 0;

else

//파일 클로즈

fclose(out_file);

TSet2 = 0;

Textviewdlg Textview_dlg;

Textview_dlg.DoModal();

표 3-13 레포트 데이터 저장 부분

레포트를 작성하는 기능이다.

- 76 -

나. 화학작용제 탐지를 위한 구성

화학작용제 탐지를 위한 S/W는 시스템 전체를 구동시키며 탐지된 결과를 사용자에게 표시

해주는 기능을 수행하며, 하드웨어를 진단하고 고장을 감시하는 자체진단 부분, 이온게이트를

주기적으로 일정시간 동안 열어주고, 이온전극의 전압을 읽어내는 기능을 수행한다. 또한 모드

를 구분할 수 있도록 LCD에 표시 하며 센서의 주요 데이터를 시험장비에 전송하는 기능도 수

행한다.

(1) 기본 기능

(가) H/W 진단 : 진단 및 고장 감시기능

메모리 테스트

배터리 전압 체크

RIP 탐색

(나) H/W의 기본 동작 제어

이온 게이트를 주기적으로 열어줌

게이트 열림 시간 : 300 us

검출기의 전압을 주기적으로 읽어냄

데이터 획득 주기: 60 us

(다) 표시창(LCD) 표시

신경, 수포 모드 표시, 문자 표시

검출되는 작용제의 농도를 바 그래프로 표시

(라) 데이타 전송

데이터 분석, 통계처리 등을 위하여 PC와 통신

고장진단을 위하여 시험장비와 통신

(2) 현황

코드 형태 : 인텔 8051 어셈블러 코드

규모 : 4000 라인

메모리 크기 : 6k

프로그램 : 4K, 한글 폰트: 2K

- 77 -

(가) S/W 개발 환경

인텔사의 펜티엄 PC , 윈도우 xp환경에서 8051 마이크로콘트롤러 에뮬레이터 장비

및 크로스 컴파일러를 사용하여 목표하는 시스템을 개발하였다. 또한 개발중에 프로그램

메모리를 EEPROM에 버닝하지 않고 신속히 프로그램 업데이트 할 수 있도록 롬 에뮬레

이터와 롬 라이터를 사용하였다.

H/W : 인텔펜터엄4

OS : 윈도우 xp

컴파일러 : Macro assembler V4.4 Franklin Software Inc.

Linker : V1.4 Franklin Software Inc.

(나) 기능 블럭도

화학작용제 탐지센서의 기능적인 전체 시스템은 콘트롤, 샘플링된 데이터를 처리하

는 CPU부, 알고리즘과 프로그램을 저장하고 있는 롬부, 전원 On/Off 와 모드전환을 지

시하는 입력 스위치부, 아이콘 및 바 그래프를 표시하며 시스템의 현황을 표시하는 LCD

부 및 , 샘플링된 데이터를 저장하는 램으로 구성되어 있으며, 센서의 데이터를 시험장비

에 내보낼 수 있는 기능도 포함하고 있다.

CPU

(프로그램,

데이터 processing)

입력 스위치

(Power On/Off,

Mode전환처리)

LCD

(Icon, 문자,

Bar graph 표시)

ROM

(프로그램,

Alogorithm저장)

RAM

(샘플링 데이터 저장)

Computer,

Test Set

(Sampling Data

그림 3-51 화학작용제 탐지센서의 블럭도

- 78 -

(3) 상세 기능 및 알고리즘

(가) 시스템 초기화

- 프로세서 레지스터, 시리얼 포트, 램 검사

- 모드 검사후 모드에 따라 트리거 입력단 셑팅

수포모드 : low (0)

신경모드 : high (1)

- 배터리 전압 레벨 검사

- 게이트 열기

- RIP 검사 : 프로그램의 메인 루프에 들어가기 전에 RIP가 생성되는 것을 검사하고

이 RIP의 모드에 따라 메모리의 기준 위치에 저장되도록 샘플링 주기를 조절한다. 수포

모드의 RIP 위치는 주기 시작 위치로부터 6.0ms 되는 시점을 123회 샘플링 시점으로 정

하며, 신경 모드의 RIP 위치는 주기 시작 위치로부터 7.00ms되는 시점을 145회 샘플링

시점으로 정함

(나) 아래의 기능을 순차적으로 수행하는 루프를 이룸

- 게이트 열기 (open time 300us)

- 작용제 검사 (한 주기에 256회 샘플링)

- 16회 값을 평균

- 데이터의 DC 옵셑값을 계산(16회 값을 평균), 데이터에서 옵셑을 보정

- 작용제의 피크값을 검사, LCD에 바 그래프로 표시

수포 : 5 샘플링을 탐색

신경 : 5 샘플링을 탐색

- 수포 작용제의 샘플링 위치

MS : 172

L : 157

HD : 166

- 79 -

작용제 DPGME GA GB GD VX

1st Peak 182 187 175 198 172

2nd Peak 217 222 204 246 190

표 3-14 신경 작용제의 샘플링 위치

- LCD에 바그래프로 표시

- 배터리 체크

- 데이터 전송

- 30회 메인 루프를 회전 후에 RIP의 위치를 검사, 위치가 변동되었으면 이에 따라

샘플링 주기를 가변시켜 RIP 탐색 회째를 조정

- 메인 루프로 돌아감

(다) 수포, 신경 모드 RIP 검사

- 검출기 전압을 기록할 메모리 주소 (8000H)를 셑팅

- 데이터의 기준 전압 레벨을 셑팅 : 2V 이상이어야 RIP로 인정

- 데이타값을 기준치와 비교

- 데이타를 검사하여 피크값을 검사 : 16 샘플링을 탐색

- RIP 의 위치가 기준 위치에 일치하는지 검사, 맞지 않을 경우 샘플링 타이머 조정,

기준 위치로 맞춤

- RIP가 탐지 되지 않을 경우 2분간 루프

- 2분간 루프후에 '고장' 표시 하고 시스템 다운

- 기본 기능으로 돌아감

(라) 게이트 열기

- 이온 게이트를 열어 이온을 통과시킴

- 타이머 셑팅 : 300 us

- 모드검사

- 모드 검사후 모드에 따라 트리거 입력단을 셑팅

수포모드: high (1)

신경모드: low(0)

- 80 -

- 타이머 완료시까지 비운용

- 타이머 완료되면

수포모드: low(0)

신경모드:high(1)

- 기본 기능으로 되돌아 감

(마) 샘플링

- 샘플링 : 검출기 전압을 메모리에 저장 (1회 게이트 열림후 256회)

- 검출기 전압을 기록할 메모리 주소를 셑팅

- 타이머 셑팅 : 60 us

- 게이트 열기

- 타이머 run 시킴

- 타이머 완료시까지 비운영

- 타이머 완료되면 그때의 AD 컨버터 출력을 메모리에 저장

- 데이터 어드레스 증가시키며 256회 루프 계속

- 기본 기능으로 되돌아 감

(바) Data 전송

화학작용제 탐지센서 램에 수집된 다음의 데이터를 매 16회 주기 마다 순차적으로

시리얼 포트에 전송한다

- 탐지농도

- 메모리 및 전원의 이상 여부

- 현재의 모드

- 샘플링 주기

- RIP의 값과 위치

- 배터리 전압 레벨

- 작용제의 종류 및 작용제가 검출된 위치

(사) RS-232C시리얼 데이터 전송 방식

- 81 -

- 전송속도: 9600 bps

- 시리얼 비트 : 1

- 데이터 비트 수: 8

- 멈출 비트 : 1

Power On

시스템 초기화

Trigger: Low

Gate Open

Serial line 체크

수포모드 표시

샘플링

16회 평균

배터리 체크

수포작용제 검사

RIP유무?

모드체크

Trigger: High

Gate Open

신경모드 표시

신경작용제 검사

모드체크

No

Yes 수포 신경

256회반복 256회반복

전체 Procedure

LCD 표시 LCD 표시

그림 3-52 전체 작용제 탐지 절차

- 82 -

(4) 데이터 포멧

구 분 값 단 위 비 고

시작바이트 AA Byte

시작바이트 55 Byte

Status byte

BAR의 개수 X 4Bit 상위 4Bit(0～8)

Not used Bit 쓰이지 않음

메모리 비트 X Bit 1이면 고장

배터리 비트 X Bit 0이면 고장

모드 스위치 비트 X Bit 0이면 수포(H), 1이면 신경(G)

전원값 X Byte 실제 인가 전원값(V)=5(V)*(X/256)*저항분배계수

Sampling 주기 X Byte 실제주기 (us)=(256-X)*1.085

RIP 값 X Byte 실제 전압값 (V)=5(V)*(X/256)

RIP의 위치 X Byte 이 값에 sampling주기를 곱해야 시간값이 됨

모의 수포작용제의 피크값 X Byte 모의 작용제

모의 수포작용제의 위치 X Byte

수포작용제1의 피크값 X Byte 수포 작용제1 (값이 0이면 작용제 없음)

수포작용제1의 위치 X Byte

수포작용제2의 피크값 X Byte 수포작용제2

수포작용제2의 위치 X Byte

모의 신경작용제 모노머의 피크값 X Byte 모의 신경작용제

모의 신경작용제 모노머의 위치 X Byte

모의 신경작용제 다이머의 피크값 X Byte

모의 신경작용제 다이머의 위치 X Byte

신경작용제1 모노머의 피크값 X Byte 신경작용제1 (값이 0이면 작용제 없음)

신경작용제1 모노머의 위치 X Byte

신경작용제1 다이머의 피크값 X Byte

신경작용제1 다이머의 위치 X Byte

신경작용제2 모노머의 피크값 X Byte 신경작용제2












Sampling된 전압값(1회째) X Byte “

“ X Byte “

“ X Byte “

～ “

“ X Byte “

“ X Byte “

Sampling된 전압값(256회째) X Byte “

끝 바이트 CC Byte

끝 바이트 33 Byte

표 3-15 프로토콜 표

- 83 -

가. 최종 시제품 제작

(1) 시제품 제작 사진

그림 3-53 휴대용 시제품 제작사진 그림 3-54 모니터링용 시제품 제작사진

그림 3-55 복합측정용 시제품 제작사진 (1차용) 그림 3-56 복합측정용 시제품 제작사진 (2차용)

휴대용 탐지기는 휴대가 편리하도록 인체공학적인 구조와 무겁지 않도록 소형화 시킨 모

델로써 돌출된 흡입라인을 통해 시료가 탐지되며, 탐지된 시료는 PID 이온센서에서 이온으

로 형성된후 고전압 전극와 이온측정 센서 사이에 형성된 전기장에 의해 이온측정전극에서

탐지된다. 내부에 AVR을 탑재 하였으며 검교정 기능과 환산인자 기능을 삽입하여 어떠한

VOC기체에도 능동적으로 대처하여 탐지가 가능하도록 설계되어 있다. 모니터링 용 포름알

데히드 센서는 간단히 전기화학센서를 사용하여 휴대가 간편하도록 설계되었다. 여기에 사

- 84 -

용된 전기화학 센서는 전해질 내에서 양극과 음극의 화학반응(산화 환원 반응)에 의해 발생

하는 전류 값의 변화를 감지하는 것으로서 민감도(sensitivity), 가스 선택성(selectivity), 안정

성(stability), 재현성(repeatability) 등의 면에서 다른 감지 방법의 센서들 보다 우수한 특성을

나타낸다. 간단하게 돌리기만 해도 값을 보정 할 수 있기 때문에 매우 편리하며 증류수를

사용하여 전해질을 보충 하는 방식이다. 복합측정용 탐지기는 온도, 습도, 포름알데히드,

VOC, CO2 탐지기능과 함께 화면저장 인쇄기능, 미니프린터 출력기능을 지원한다. 휴대성

보다 기능에 중점을 두어 제작 하였기 때문에 무게가 무거운 단점을 지니고 있지만 복합적

인 탐지가 가능하여 한번에 여러 기준치에 해당하는 수치를 획득하는데 많은 이점을 지니고

있는 장비이다.

- 85 -

(2) 제작 성능 및 제원

구분 성능 및 제원 비고

휴대용




- 크기 : 233×96×51 (가로×세로×높이)

- 중량 : 400g



- 운용온도 : -25～+45


모니터링용



- 크기 : 275.6×268.5×125 (가로×세로×높이)

- 중량 : 400g



- 운용온도 : -25～+45


복합측정용

V2





- 크기 : 391×286×142 (가로×세로×높이)

- 중량 : 7kg



- 운용온도 : -25～+45


복합측정용

V1

- 센서PID 이온센서 + 전기화학센서 + NDIR CO2센서 +




- 크기 : 490×300×180 (가로×세로×높이)

- 중량 : 10kg



- 운용온도 : -25～+45


표 3-16 시제품 성능 및 제원

- 86 -

(3) H/W 구성

(가) 하드웨어(AVR)

AVR을 하드웨어의 주 구성으로 사용하였다. 10bit ADC를 사용 가능하여 정확하고

안정적으로 센서의 값을 받아들이는 것이 가능하고 ISP다운로드가 가능하여 개발에 융통

성을 더해준다. 또한 직렬 통신 포트를 사용하여 통신이 용이하다. 그밖에 AVR의 특징은

다음과 같다.

AVR의 특징

ISP(In System Programming) 기능이 있어서 AVR 칩을 타겟 보드에 부착한 채로

FLASH와 EEPROM에 여러 번의 프로그램을 쓰고 지울 수 있다.

RISC 구조를 가지고 있으며 대부분 단일 사이클 명령을 실행할 수 있다. 같은 클록으

로 동장하는 PCI보다는 약 4배 정도 빠르고 8051보다는 10배 정도 빠르다.

비휘발성 메모리를 가진다. AT90S8535의 경우 8 [KBytes]의 FLASH 메모리를 내장하

고 있어 프로그램을 기록한 후 전 원을 제거하더라도 저장된 데이터가 사라지지 않으

며, 재기록이 1,000번 이상이 된다. 또한 512[Bytes]의 데이터용 EEPROM을 가지기 때

문에 제품을 운용하던 중 필요한 데이터 값을 저장해 둘 수 있다. 그리고 512 [Bytes]

의 SRAM을 가진다.

C언어 처리가 가능하다. CPU 설계 단계에서 레지스터 /메모리 /명령어가 C언어에 적

합하도록 설계되었다. C언어를 사용하면 개발기간이 단축되고 유지 및 보수가 간단하

다.

다양한 주변장치와의 특성을 가진다. AT90S8535의 경우 별도의 프리스케일러가 있는

2개의 8비트 타이머/카운터와 1개의 16비 트 타이머/카운터를 내장하고 있다. 8, 9, 10

비트의 PWM 기능을 가지고, 비교 캡쳐 모드를 가진다. A/D 변환기, 아날로그 비교

기, Watchdog 타이머, 직렬통신포트 등을 가진다.

표 3-17 AVR특징

그 밖에 AVR로 구성된 VOC메인회로와 복합 탐지기 송신 회로의 회로도 이다. 전압

이 떨어지더라도 AD값이 유지 되도록 승압 레귤레이터를 탑재 하였다.

- 87 -

그림 3-57 AVR_CPU 및 커넥터 접속부분

그림 3-58 LCD및 LCD 커넥터 부분

- 88 -

그림 3-59 스위치 및 ISP, 시리얼 커넥터 부분

그림 3-60 배터리 접속 및 전원부

- 89 -

그림 3-61 완성된 AVR회로

(나) 하드웨어(PC)

이상적인 퍼포먼스 발휘를 위해 가장 투자가 많이 된 부분이다. 7인치~10인치의

LCD한 터치 패널 PC를 사용하였으며 500Mhz CPU와 256MB이상의 메모리를 사용하여

화려하고 편리한 유저 인터페이스 구축을 완성 할 수 있었다. 또한 많은 상용프린터를 지

원 할 뿐만 아니라 파일저장이 가능하고 미니 프린터로 출력이 가능하여 효과적인 데이

터 관리가 가능해 졌다.

그림 3-62 PC 하드웨어 구성

- 90 -

구 성 기 능

CPUEmbedded AMD Geode LX800 @0.9W processor at 500 frequency

Chipset Geode CS5536 as Southbridge

MemoryOne 64-bit 333/400 200-pin SODIMM socket that supportDDR memory up to 1GB

Display controller

24-bit TTL/single channel 18-bit DSTN/TFT flat panel interface

Support for all resolution up to 1024x768 pixels

Hardware Suspend/Standby control

Ethernet Controller

Realtek8100C

IEEE 802.3 10/100M Base-T standard auto-sensing interface

to 10 Mbps or 100 Mbps networks through an onboard RJ-45

connector

BIOS Award 512KB Flash memory

compact Flash Disk

Runs in true IDE mode that simulates the operation of aphysical

IDE hard drive. It can be used with a passive adapter in aType II

socket in DMA mode

SATA/IDE InterfaceSupport two Serial SATA hard drives and two enhanced IDEdevices

Serial port

Two RS-232 ports with 16C550 UART (or compatible) with

16-byte FIFO buffer. COM3 supports RS-422/485 through

Jumper setting

Parallel port One parallel port support SPP/EPP/ECP mode

Audio ConnectorOne 2x5 pin header supports AC'97 2.3 Line-in, Line-out, and

Mic-in signals

USB interfaceFour(4) USB Port, Two external and two internal via pinheader, USB 2.0 compliant

Power supply+5V : 1.2A typical, CPU w/ 1x1GB DDR 400Mhz memorymodule

Operationg

Temperature0 to 60

표 3-18 PC하드웨어 사양표

- 91 -

그림 3-63 하드웨어 구성

① DC 12V 입력단자

② VGA 출력

③ Serial port 1

④ Serial Port 2 (Optional Cable 사용할 시)

⑤ 10/100 LAN Port 1

⑥ MIC 입력

⑦ AUDIO OUT

⑧ AUDIO IN

⑨ 10/100 LAN port 2

⑩ USB 2.0 x 2

⑪ PS/2 Mouse

⑫ PS/2 Keyboard

- 92 -

그림 3-64 최종 배선 및 전체 블록도

- 93 -

(다) 전자부 회로 및 아트웤도

그림 3-65 센서 회로도

그림 3-66 증폭부 회로도

- 94 -

그림 3-67 아날로그 모듈 측면

그림 3-68 아날로그 모듈 납땜 면

- 95 -

그림 3-69 디지털 모듈 측면

그림 3-70 디지털 모듈 납땜면

- 96 -

그림 3-71 고전압 모듈 측면

그림 3-72 고전압 모듈 납땜면

- 97 -

그림 3-73 백판넬 측면

나. 제작 시제품 구성 및 설명

(1) 기능구성

(가) 본 프로그램은 최대한 사용하기 편하도록 구성했다 : 터치패드, 큼지막한 텍스트, 손

으로 누르기 알맞은 버튼

(나) 본 프로그램은 장비가 작동하는데 무리가 없도록 했다 : 윈도우 종료 버튼

(다) 본 프로그램은 사용자의 데이터를 영구 보존 가능하며 쉽게 출력하여 보관이 가능

하도록 했다 : 로깅 기능, 데이터 저장기능, 화면캡처 출력기능, 미니 프린터 출력기

능, 미니 프린터 로깅 출력 기능

(라) 본 장비는 PC와 동일한 사양을 갖추었기 때문에 로깅 작성된 데이터를 가지고 2차

작성이 쉽도록 구성 되어 있다.

(마) 검교정 기능 (Calibration) 과 환산인자 기능 (Conversion factor) 이 사용이 가능하다.

검교정은 영점을 맞추는 기능이고 환산인자는 가스를 선택 할 수 있는 기능이다. 검

교정 방법은 0PPM의 깨끗한 공기를 15초간 유입하면서 생기는 값으로 0점을 맞추고

- 98 -

10PPM에 해당하는 가스를 입력하여 값을 계산하여 출력하게 된다. 환산인자 기능

으로 탐지할 가스를 선택할 수 있다. 해당 값에 그에 해당하는 배수를 입력하는 기능

이다.

그림 3-74 휴대용 탐지기 기능

미니프린터 (데이터 출력)

그림 3-75 복합측정용 시제품 제작 (2차용) GUI

- 99 -

그림 3-76 소프트 웨어 GUI (Graphic User Interface) 디자인 및 설명

(2) 기능구성

센서 어레이에 있어서 기능 구성은 매우 중요한 요소라고 할 수 있다. 실내공기질관리법

에 의거 가장 중요하게 이슈로 떠오르는 센서들을 배치하고 유체의 흐름이 센서의 감도에

영향을 미치지 않도록 내부를 설계하였다.

- 100 -

그림 3-77 복합 측정용 설계(내부도1)

그림 3-78 후면부 구성(내부)

그림 3-79 후면부 구성(내부)

그림 3-80 후면부 구성(외부)

- 101 -

그림 3-81 전면부 구성(인넷과 스위치)

다. 시료 전처리

VOC 검출기의 검출한계를 보다 향상시키기 위해 시료농축 및 시료희석 장치를 적용하였

다. 농축장치는 각종 물질이 packing되어 있는 세라믹 소재의 가열기 부분과 기체의 흐름 방향

을 조절해 주는 솔레노이드 밸브, 그리고 다이아프램 펌프와 PLC 조절장치로 구성되어 있으며,

시료 희석장치는 그림에서와 같이 시료를 흡입할수 있는 시료흡입펌프(2), 대기시료흡입라인(1),

대기시료흡입라인으로부터 흡입되어진 시료의 양을 조절하는 시료흡입유량조절기(8)와 고농도의

시료 흡입시 시료의 일부를 정화하기 위한 정화장치(2)와 정화된 시료의 양을 조절하는 희석유

량조절기(3)와 희석유량조절기및 시료흡입유량조절기를 제어하기 위한 CPU(7)와 이에 전원을

공급하는 전원공급기(6)와 일정한 농도 범위로 희석된 시료를 분석하기 위한 일반적인 대기시료

분석장비(5)로 구성되어진다. 대기중의 시료가 대기시료분석장비에서 분석가능한 농도로 존재

할 때 CPU의 제어에 의해 희석유량조절기는 닫히게 되며 흡입된 시료의 양 전부가 시료흡입유

량조절기를 통해 분석장비로 이동하게 되고, 희석농도비는 1이 되어 분석장비에서 분석된 농도

값에 환산인자1을 곱하여 그 값을 얻게 되며, 고농도의 시료가 흡입되어 분석장비의 검출값이

최대치에 이르렀을때, CPU의 제어에 의해 희석유량조절기가 열리게 되며 시료흡입유량조절기

로부터 흡입되어지는 유량값과 섞여 농도가 희석되어지게 된다. 희석은 1:1, 1:10, 1:100의 비율

로 희석이 되며, 이렇게 희석되어진 시료를 분석하여 얻은값에 각각 환산인자 2, 10, 100을 곱

함으로써 최종 농도값을 확인할수 있게된다.

- 102 -

1

2

3

45

67

8

그림 3-82 시료 희석 및 농축장치

1 : 대기 시료 흡입라인

2 : 정화장치

3 : 희석유량조절기

4 : 시료흡입펌프

5 : 일반적인 대기시료분석장비

6 : 전원공급기

7 : CPU

8 : 시료흡입유량조절기

(1) VOC 측정범위 시험 (시료 : 포르말린)

희석장치 없을때 탐지범위는 0.01ppm ~ 10ppm의 제한된 센서 탐지 범위를 보여 주었지

만, 시료 전처리 장치를 통해 농도를 희석하여 탐지하였을때 0.01ppm ~ 1,000ppm (1:100 희

석시 가능) 으로 탐지범위가 10ppm ⇒ 1,000ppm로 센서의 탐지 범위가 100배 이상 증가하

는 것을 알 수 있었다.

농도

(ppm)

시료흡입유량

(ml/min)

희석유량

(ml/min)희석율 탐지시간

탐지전압

(mV)

보정값

(mV)

0.01 1,000 0 1 20 7 7

1.0 1,000 0 1 20 600 600

10.0 1,000 0 1 20 7,000 7,000

10.0 500 500 2 20 3,600 7,200

10.0 100 900 10 20 680 6,800

20.0 1,000 0 1 20 saturation ․

20.0 500 500 2 20 7,500 15,000

20.0 100 900 10 20 1,500 15,000

100.0 1,000 0 1 20 saturation ․

100.0 500 500 2 20 saturation ․

100.0 100 900 10 20 6,700 67,000

표 3-19 희석장치에 따른 실험 결과 표

- 103 -

라. 적용된 센서 설명

(1) PID 센서

PID 방식을 이용한 VOC 측정 장치의 성능은 사용하는 자외선 램프의 특성과 센서의 디

자인에 따라 크게 달라진다. 실용화 연구에서 여러 종류의 램프의 스펙트럼을 측정하면서

특성 파악에 주력하였으며, 이온검지 센서도 다양하게 설계하여 실험하였다. 아래 그림에 실

제 실험하였던 센서들의 설계 도면을 나타내었다. 그림의 (a)는 그리드 형태로 디자인하였는

데 자외선 램프에 의하여 발생된 이온들을 최대한도로 검출하기 위한 시도이었다. 그림(b)

～ (g)는 3 개의 전극을 기본으로 하여 전극간의 거리를 다르게 함으로서 이들에 의한 효과

를 파악하기 위하여 설계한 센서들이다. 측정결과 센서의 설계에 따라서 이온신호의 크기가

매우 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다.

(a) type 0, (b)type 1, (c) type 2, (d) type 3, (e) type 4, (f) type 5, (g) type 6.

(h) type 7, 8, 9

그림3-83 센서 설계 (a)

그림 3-84 센서 설계 (b) 그림 3-85 센서 설계 (c)

- 104 -

그림 3-86 센서 설계 (d) 그림 3-87 센서 설계 (e)

그림 3-88 센서 설계(f) 그림 3-89 센서 설계 (g)

그림 3-90 센서 설계 (h) annular 7mm, 5mm, 3mm

- 105 -

아래그림에 실제 제작한 센서의 모습을 나타내었다. 센서 제작에는 스테인레스 스틸, 구

리, 탄탈륨 등의 다양한 재료가 사용되었다.

그림 3-91 설계․제작된 다양한 모양의 VOC 측정 센서 모습

노이즈 신호는 PID 시스템을 이용한 기기들에서 검출 감도를 낮추는 중요한 요인이다. 이

노이즈 신호를 안정화 시키는 방법 중 하나로 센서 모듈에서 시그널 출력에 관여하는 그라

운드를 취하는 방법을 변화시켜 보았다. 다양한 방식들이 시도되었는데 두 가지 방법만을 나

타내었다. 캡그라운드 형태와 포일그라운드 형태를 취해보았다. 포일그라운드는 센서모듈을

구리차폐막으로 감싸는 방식이고 캡그라운드는 센서모듈의 상단 부위에 구리 소재로 된 둥

근 타입의 그라운드를 취해 주는 방식이다. 이온화원으로 사용된 무전극 램프는 직접적으로

크립톤 가스를 글로우 방전시키기 위해 낮은 주파수를 가지는 라디오파를 걸어주게 된다. 이

전기장에 의해 크립톤 기체는 들뜸으로서 빛을 방출하게 된다. 캡그라운드는 이온신호를 안

전화 시키는 역할을 수행하는 반면 포일그라운드는 라디오파 전기장을 안정화 시키는 역할

만을 수행한다. 따라서 캡그라운드 형태는 포일그라운드를 취해 주었을 때보다 보다 효과적

으로 노이즈 신호를 안정화 시킬 수 있었으며, 따라서 본 실증화 연구에서는 실용화연구에

- 106 -

서 개발된 캡그라운드 형태의 센서를 적용하였다.

ground

Sensor electrode

ground

Sensor electrode

그림 3-92 포일그라운드 형태의 이온센서

ground

Sensor electrode

ground

Sensor electrode

그림 3-93 캡그라운드 형태의 이온센서

2 3 4 5 60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Log(

Sign

al in

tens

ity, V

)

Log(Concentration, ppm)

Cap ground Foil ground

그림 3-94 그라운드 형태에 따른 신호 크기

시료도입시료도입

시료도입시료도입

(a)(b)

그림 3-95 PID 센서 형태

- 107 -

(2) IMS 센서

IMS는 대기압하에서 일정한 전기장 속에 놓여진 기체상 이온의 특성적인 거동을 관찰하

는 분석원리 및 측정장비에 관한 기술이다. IMS 작동원리는 유기화합물을 함유하는 기체 시

료가 이온들과 접촉하면 각 유기 분자들은 매우 안정한 이온 분자로 바뀌고 반응성이 없는

기체가 채워진 튜브 속에 주입되면 강한 전기장에 의하여 이동되어 분리된다는 사실에 근거

하였다. 이온-분자들이 검출기 콜렉터에 도달되면 그 구조적 특성에 따른 시간에 이온 피크

로 나타난다. 즉 대기압 하에서 기체상의 이온이 일정한 전기장 속에 놓이면 질소와 같은 중

성분자와 충돌할 때까지 가속되며 이때 이온 이동속도는 일정하다. 이온 이동속도 V와 전기

장 크기 E의 비를 이온이동도 K라하며, 분자들을 이온화시킨 후 이온이동도 차이에 따라 이

온들을 분리하는 방법이 IMS 이다.

그림 3-96 센서제작사진

그림 3-97 IMS 센서의 동작원리도

- 108 -

K=V/E

이온 이동도 값을 표준기체밀도, 절대온도, 압력 조건으로 보정한 것을 환산이동도라하며

식은 다음과 같다.

그림 3-98 화학가스 비탐지시 그림 3-99 화학가스 탐지시

그림 3-100 혼합 가스측정파형

- 109 -

(3) SAW 센서

SAW 센서는 흡입된 시료의 화학적 물리적 성질을 음파로 변환시키는 것의 일종이다.

SAW 센서는 공기중에 있는 화학가스를 흡착할 수 있는 폴리머가 도포된 압전크리스탈로 구

성되며, 통상적으로 2개에서 6개 사이의 압전 크리스탈로 구성되어 있다. 각각의 압전 크리

스탈에는 다른 종류의 화학가스를 탐지할 수 있는 폴리머가 도포되어 있다. 예를 들어 하나

의 폴리머에는 물과 흡착할수 있으며, 다른 폴리머에는 다른 종류의 화합물과 흡착할 수 있

는 폴리머가 도포되어 있다. 화합물과 선택적으로 흡착할 수 있는 폴리머로 도포되어 있는

압전 크리스탈은 화합물이 흡착되었을때 폴리머의 질량이 변한것을 탐지한다. 즉 폴리머의

질량 변화는 압전 크리스탈의 공명 주파수를 변화시키며, 공명 주파수의 변화를 통해 화합물

을 탐지하여 식별하게 된다. 이때 발생된 공명 주파수는 이전에 Data Base 되어져 저장된

공명 주파수와 비교되어 화합물의 종류 및 농도를 알게 된다. SAW 센서의 선택성과 감도는

폴리머가 공기중에 존재하는 화학가스와 얼마나 잘 흡착하는가 하는 성질에 의존한다. 탐지

할 수 있는 화학가스는 헥산과 같은 매우 가벼운 유기화합물부터 매우 낮은 휘발도를 갖는

무거운 반 휘발성 유기화합물 까지 매우 넓은 영역의 화학가스를 탐지할 수 있다. SAW 센

서가 화학가스를 탐지할 수 있는 능력은 화학작용제의 질량 및 증기압으로 결정된다. 특별

한 화학가스와 반응하여 흡착할 수 있는 폴리머가 사용된다.

(가) 센서 제작

그림 3-101 SAW

센서제작사진 그림 3-102 8채널로 제작된 사진

- 110 -

(나) 회로 설계

VCC

Q12N6304

L1

INDUCTOR

L2

INDUCTOR

C3

CAPACITOR VAR

SAW

D1

DIODE

R110K

C2

CAPACITOR VAR

R21K

C1

CAP NP

12

OUTPUT

그림 3-103 SAW 소자를 이용한 발진회로

D4D3D2

OUT 5

D1D5

D6

D7

D8

Y1 Y2 Y3 Y4

Y5

Y6

Y7

Y8

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11

C12

C13

C14

C15

C16

OUT 6

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

L1

L2

L3

C19

L4

L5

L6

L7

L8

L9

L10

OUT 7

L11

L12

L13

L14

L15

L16

C17

C18

C20

C21

C22

C23

C24

R1R

R2R

R3R

R4R

R5

RR6R

R7R

R8R

OUT 8

R8

R

J1

DIPSOC-8x2

12345678

161514131211109

J2

DIPSOC-8x2

12345678

161514131211109

J1

DIPSOC-8x2

12345678

161514131211109

OUT 1

OUT 2

OUT 3

OUT 4

VCC

R8

R

VCC

그림 3-104 SAW소자를 이용한 발진회로(8ch)

- 111 -

(다) 가스에 따른 주파수 변화 측정

· 실내습도 : 40%

· 기본발진주파수 : 249.89Mhz

· SAW필터 폴리머 : Flooropolyol

· 화학시료 흡착에 의한 Frequency 변화측정 결과

그림 3-105 발진주파수 측정사진

시료명 DMMP MS 암모니아 포르말린

변화량 21Khz 45Khz 1Mhz이상 1Mhz이상

표 3-20 시료에 따른 주파수변화량

40 50 60 70 80 90 100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Y = A + B1*X + B2*X^2

Parameter Value Error------------------------------------------------------------A 1179.61941 415.0432B1 -45.98249 13.21226B2 0.44423 0.09709------------------------------------------------------------

R-Square(COD) SD N P------------------------------------------------------------0.98399 63.80149 5 0.01601

Shitf

Freq

uenc

y (kh

z)

Relative Humidity (%)

그림 3-106 상대습도 변화에 따른 주파수 변화 측정

상대습도(%) 40 60 80 90 95

Δfrequency (khz) 39 61 278 683 814

표 3-21 상대습도 변화에 따른 주파수 변화

- 112 -

(4) NDIR (Non-dispersive infrared) 센서

CO2를 탐지하기 위해 NDIR 센서를 코리아 디지털로부터 구매하여 사용하였으며, NDIR

센서는 CO2등 가스상물질들이 적외선(Infrared light)에 대해 특정한 흡수스펙트럼을 갖는 것

을 이용해서 특정성분의 농도를 구하는 방법으로 대기중의 오염물질을 연속적으로 측정하는

비분산 정필터형적외선 가스분석계이며, 가스상물질의 흡수도는 Lambert-Beer 법칙에 의해

지배를 받는다.

I = Io * e-ACL

I : 투과광량

Io : 입사광량

A : 고유상수(CO의 흡수율)

C : 성분농도

L : 셀의 길이(투과길이)

장치의 원리는 광원(Infared source)에서 방출되는 넓은 파장의 IR 복사선이 광학섹타(Gas

filter wheel)에서 광학필터(Bandpass filter)를 거치며 특정IR파장을 불활성기체(질소, 아르곤)

가 충전된 기준셀과 시료가 흐르는 시료셀을 번갈아 통과시키게 되는데 기준셀은 IR 파장이

모두 통과하고 시료셀에서는 CO에 의해 흡수가 일어나게 된다. 이때의 흡수도를 검출기(IR

Detector)에서 검출하고 변환증폭하여 농도를 측정하게 되며, 장비의 구성은 다음과 같다.

기준셀

광원 → 광학섹타 → 광학필터 → → 적외선검출기 → 증폭기 → 지시계

시료셀

그림 3-107 NDIR

CO2센서(코리아디지털) 그림 3-108 NDIR의 CO2 분석그림

- 113 -

(5) 전기화학식 포름알데히드 센서

전기화학식 가스센서는 전해질 내에서 양극과 음극의 화학반응(산화 환원 반응)에 의해

발생하는 전류 값의 변화를 감지하는 것으로서 민감도(sensitivity), 가스 선택성(selectivity),

안정성(stability), 재현성(repeatability) 등의 면에서 다른 감지 방법의 센서들 보다 우수한 특

성을 나타냅니다. 전기화학식 가스센서는 작동 원리에 따라 갈바닉 전지 방식과 정전위 전해방

식으로 구분되며, 갈바닉 전지 방식으로는 산소 가스센서, 정전위 전해방식으로는 유독가스(CO,

NO, H2S 등) 센서에 응용되고 있다. 아래의 그림은 전기화학식 갈바닉 전지 방식의 산소가스

센서의 구조를 나타내는 것으로서, 센서의 작동은 외부에서 산소가 센서 내부로 유입될 때 다음

과 같은 화학반응에 의해 양극과 음극 사이에 산소 농도에 비례하는 전류가 발생하게 됩니다.

양극에서의 산화 : 2Pb + 2H2O → 2PbO + 4H+ + 4e-

음극에서의 환원 : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

그림 3-109 전기화학 센서 블럭도

- 114 -

유독가스를 감지하기 위한 전기화학식 가스센서는 정전위 전위방식에 의해 작동되며, 대표적

인 센서로는 일산화 탄소(CO) 가스센서가 있다. 일산화탄소 가스센서는 아래의 그림과 같이 세

개의 전극(working, reference, counter)으로 구성되어 있으며, 센서 내부로 반응가스가 유입되면

각 전극에서는 다음과 같은 화학반응이 일어난다.

Working electrode : CO + H2O → CO2 +2H++2e-

Counter electrode : 1/2 O2 + 2H++2e- → H2O

Overall reaction : CO + 1/2 O2 → CO2

이러한 화학 반응에 의하여 가스농도에 비례하는 전류가 발생하며, 이때 발생된 전류를 이용

하여 가스의 농도를 결정할 수 있다.

그림 3-110 전기화학센서 블럭도

- 115 -

마. 전자부 제작

R233K,5W

+5V

+5V

C45pF,3KV

C310n

C210n

R330K,5W

SW1

12

3

45

6

J1

123

U1 MHV12-1.5K1300N

+Vin1

-Vin2

Vcnt

3

Vref

4

ON

/OFF

5

Vout(c)6

Vout7

R1 10K

1 3

2

C110n / 400V

OPEN->ONGND->OFF

U2HBL-0244

Vin11

Vin22

NC3

ON/OFF4

VR5

G16

G27

HOT1_

COLD2_

U4

STI7-1

GND1

+Vin2

NC13

NC24

-Vout5

+Vout6

U3

AMP~

+V8

-V9

Vout6

Vin2

SIGNAL

J2

123

UV-LAMP

+5V

그림 3-111 전자부 부품 배치도

(1) 정전압 안정화회로

(가) 구성

외부전원(전지) ->정전압 IC (과전류방지및

역전압 방지기능)-> +3V and +5V DC

표 3-22 정전압 안정화 회로

(나) 기능

- 정전압 안정화회로는 외부 전원이며 전지로부터 일정한 직류전원을 출력하는데 목

적이 있다.

- 외부에서 공급되는 전원을 이용하여 +3V AND +5V의 일정한 직류전원을 출력한다.

- 입출력의 캐패시터를 이용하여 노이즈를 최소화 한다.

- 주요 바이어스 전원과 신호처리 및 디지털보드의 구동전원으로 사용된다.

- 116 -

(2) 고전압 DC 발생회로

(가) 구성

그림 3-112 고전압 DC 발생 블럭도

(3) 배전압 회로

- 3배전압 승압회로 설계

- 코크로프트 올튼 회로 적용

(가) 기준전압비교

- 펄스발생부를 이용한 피드백 보상회로 설계

- 소모전류 효율 극대화 설계

(나) 기능

- 센서를 동작시키는데 필요한 고전압을 발생하는 회로로서, 일반DC전원을 가지 고

DC +100 ~ +120V를 발생시킨다.

- 펄스 발생부는 주기적인 펄스를 발생시키며, 특히 이 소자는 피드백이 가능하여,

고전압이 설정된 기준 전압과 다를 때 그것을 감지하여 자체적으로 보상이 되는

중요한 기능이 있다.

- 펄스발생부의 누설전류 방지를 위하여 구동 ON/OFF는 디지털부 조립체의 중앙처

리장치에서 제어한며, 제어신호가 LOW신호 입력이면 펄스신호가 발생하지 않고,

HIGH신호 입력이면 펄스신호가 발생한다.

- 트랜스는 펄스발생부의 1차 전압을 가지고 높은 2차 전압을 승압한다.

- 117 -

(4) 필터회로

(가) 구성

그림 3-113 필터회로 블럭도

(나) 기능

고전압 발생회로에서 발생된 전압은 어느 정도의 리플을 가지고 있으므로 이것을 최

소화하기 위하여 R-C필터회로를 사용하여 리플을 최소화 한다. 고전압 발생회로에서 여

기되는 펄스신호가 센서 신호파형에 영향이 가지 않도록 쉴드캔으로 차폐시킨다.

(5) RF 발생 모듈

- AC 전압 1000Vp~p 공급

- 100KHz 주파수 이용

- 컨넥터부 : H/W 전자보드와 센서모듈을 매칭시키는 역할

(6) Signal Preamp

UV lamp

전류센싱 전치 증폭기

바이어스 회로

그림 3-114 프리앰프 블록도

- 신호 발생하여 미소 전류가 흐른다. 전류의 세기는 농도에 비례하며, 주파수는 작

용제를 구분하는 기준이 된다.

- 전치증폭기 소자는 S/R 이 우수해야 하며, 특히 입력 노이즈가 우수하여야 한다.

이온이동도관에서 검출되는 신호를 AD548에 궤환저항 200을 사용하여 필터

에서 나오는 미세 전류(수pA)를 증폭된 전압으로 바꾸기 위해 증폭기의 입력단자

- 118 -

에는 가드를 시켜 신호의 입력에 대한 외부 노이즈를 최대한 방지하며, 직류 바이

어스 전압을 변화시키지 않으면서 입출력 교류신호를 결합시켜주는 결합 캐패시터

가 연결시킨다.

- PCB 제작시에도 한 면을 그라운드 처리하여 외부 노이즈에 대한 영향을 최대한

경감하도록 한다.

- 또한 증폭기의 전원단자에 최대한 가까이 바이패스 콘덴서를 달아서 전원 노이즈

와 발진을 방지하도록 하였으며 전체를 차폐 시킨다.

(7) Main Amp

pre-amp main-ampA/D

CONVERTOR

Feed Back

그림 3-115 메인앰프 블럭도

전치증폭기에서 얻은 파형을 메인앰프에서 증폭한다. 이때 메인앰프의 특성은 S/N비가

매우 우수하여야 하며, 저전력용 설계를 우선으로한다. (다시 말해, 소비전류가 최소가 되는

최적 앰프 설계를 한다) 또한, 입력 노이즈가 매우 작아야 하며, Gain Bandwidth 가 높아

야 한다. 각종 노이즈의 영향을 최소화하기 위해 main amp 각 단 증폭마다 필터회로를 사

용하여, 원하는 신호를 얻을 수 있도록 설계한다.

(8) Analog/Digital Convertor

Main-Amp A/D CONVERTOR CPU

24BIT RESOLUTION

그림 3-116 Analog/Digital convertor 블럭도

- 119 -

A/D Convertor에서 아날로그 메인앰프 신호를 디지털 신호로 변환해 준다.

이때 Resolution이 우수한 24bit A/D 소자를 사용한다.

당연히 분해능이 우수하므로 감도부분에서 우수한 특성을 가져올 수 있다.

A/D Convertor된 신호를 main CPU로 data를 보내준다.

Resolution을 향상시키고 고압 노이즈의 영향을 배제하기 위하여 3.1kHz의 차단주파수를

갖는 2pole low pass filter를 앞단에 연결하여 노이즈 경감과 속도의 개선으로 resolution 향

상되며 이것은 메인증폭단에 궤환커패시터를 다는 것보다 효과적으로 속도면에서 10%이상의

개선효과가 있다. 2차 증폭기에서 전치증폭기의 신호를 42～88배 증폭한다. 이 신호는 음의

신호가 발생하므로 AD Converter에서 용이한 데이터 처리를 위해 이 신호를 아날로그 스위

치를 사용하여 3차 증폭기에서 반전 증폭기로 사용한다. 본 장비에서 나오는 신호는 저주파

이며 대부분의 궤환 증폭기에서 이득은 βAo이 1보다 크므로 A=Ao

1+βAo 에서 A=1β로 나

타낼 수 있지만 주파수에 따라 이득이 달라지므로 open loop gain Ao를 생략하지 않고

gain을 계산하면, 증폭기의 주파수 범위에서 open loop gain은 약 55dB라고 볼 수 있다.

이것은 55=20 logAo 에서 Ao를 계산하면 Ao = 562이다. 또한 궤환율 β=R1

R1+R2에서

가변저항 VR1에 따라,43KΩ

3.8MΩ+43KΩ=0.011,

43KΩ1.8MΩ+43KΩ

=0.023이다. 이것을 이용

해서 폐루프 이득 A를 계산하면, 궤환저항 3.8MΩ일 때,

A=Ao

1+βAo=

5621+0.011×562

=78.25 궤환저항 2MΩ일 때,

A=Ao

1+βAo=

5621+0.023×562

=40.37 이다.

따라서 2차 증폭기의 폐루프 이득은 약40 ～ 80배이다. 3차 증폭기는 모드에 따라 입력되

는 신호의 위상이 180。 다른 신호가 들어오므로 아날로그 스위치를 이용하여 반전 증폭기

와 비반전 증폭기로 사용한다. 이온탐지시 증폭기의 주파수 범위에서 open loop gain은 약

55dB라고 볼 수 있다. 이것은 55=20 logAo 에서 Ao를 계산하면 Ao = 562이다.

또한 궤환율 β=R1

R1+R2 에서,56KΩ

300KΩ+56KΩ=0.157이다.

이것을 이용해서 폐루프 이득 A를 계산하면, A=Ao

1+βAo=

5621+0.157×562

=6.3배이다.

폐루프 A를 계산하면, A=Ao

1+βAo=

5621+0.29×562

=3.43배이다.

- 120 -

따라서 3차 증폭기의 이온탐지시 폐루프 이득은 6.3배이다.

메인 앰프에서 DC level을 영준위로 셋팅하기 위해 MAX303ESE에서 S1, S4 스위치를 이

용한다.

(9) 증폭기전원

증폭기 전원을 구현하기 위하여 Transformer의 2차측의 권선비 4 : 8로 하고 2배 전압기

를 사용하고 증폭기의 전원을 위해 RC필터를 구성하여 최소의 ripple을 구현하며 +V와 -V

의 coil 방향을 서로 반대로 하여 각각 ripple을 상쇄한다.

2차측의 transformer 8핀에서 feedback되어 발진회로에 연결되어 온도변화에 유리한 보상

회로가 되며 가변저항 VR1로 duty cycle을 가변시킴으로써 전압의 가변이 가능하다.

(10) 이온신호 디스플레이부

측정된 이온신호를 LCD판에 표시하기 위해서 신호 디스플레이 장치를 설계하여야 하며,

이 장치는 소형 LCD장치와 구동장치로 나뉘다.

이 구동장치에는 CPU를 설치하여서 시스템의 작동 모드에 따라서 화면 표시가 가능하도

록 프로그램을 저장하여 사용하며, 측정된 이온신호의 표시가 가능하도록 프로그램을 저장

하여 사용한다.

측정된 이온신호의 표시 영역을 확대하기 위해서 소형 신호 증폭회로를 사용한다. 이온신

호의 디스플레이부를 제작할 경우에도 시스템 내에서 발생되는 RF 노이즈를 최대한도로 억

제할수 있도록 하여서 디스플레이 장치가 오작동하지 않도록 한다.

- 121 -

휴대용, 모니터링용, 복합용 센서 제작 후 생산 및 고장 검사시 모듈별로 고장부위를 진단할 수 있는 전용

시험 장비를 제작하였으며, 시험장비를 통해 자체진단, 유량검사, 공압검사, 통신선 검사, 고장검사 및 모듈

검사를 수행할 수 있다.

가. 제원및 특성

제원 및 특성 비고

크기 : 600×500×300mm 가로×세로×높이

무게 : 20kg 이내

기능 :

․입력전원 : 110～220V AC

․자체진단 : 시험세트 자체의 신뢰성 향상을

위해 자체 진단 실시

․유량검사 : 생산품의 대기 흡입유량 측정

․공압검사 : 생산품의 공정상 누출 여부 측정

․통신선 검사 : 생산품의 출력 신호 측정

․고장검사

- 통신선/게이트 신호/파형

․모듈검사

- 전자부/탐지부/공압

표 3-23 제원 및 특성 표

- 122 -

그림 3-117 시험장비 제작사진

나. 장비설명

(1) 공압계 : 측정기 내 유량라인 리크 검사

(2) 유량게 : 측정기 흡입 유량 검사

(3) 표시창 : 시험세트 자체 진단 항목표시 및 측정기 진단 항목 표시

- 각 전원부 전원 검사

- 표준가스 교정 날짜 체크

- 메모리 검사

- CPU 검사

- A/C CONVERTER 검사

(4) 외부 전원 선택 : 측정기에 외부 전원을 인가해 저전압표시 검사

(5) 표준가스 : 각 센서들에 대한 교정 가스 배출

(6) 전압계 : 측정기 센서에 인가되는 고전압 검사

(7) 저항계 : 각 센서들에 대한 절연저항 검사

- 123 -

가. 성능시험

(1) 전기장 형성을 위한 고전압 측정

단위 : V

셀

번호구분

링 단 번 호

H.V M.G F.G 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1신경 1202 1076 1028 778 704 629 555 481 407 333 259 185 111 36

수포 1204 1077 1029 779 705 630 556 482 408 334 260 185 111 37

2신경 1202 1078 1029 777 703 629 555 481 407 333 259 185 111 36

수포 1205 1078 1030 778 704 629 555 481 407 334 259 185 111 37

3신경 1201 1077 1028 777 703 629 555 481 407 333 259 185 111 36

수포 1203 1077 1028 778 704 630 556 482 408 334 260 186 111 37

표 3-24 전기장 형성을 위한 고전압 측정값

E : V/d = 1029/4 = 260V/ (링단에 형성되는 전기장의 세기)

(2) vd 측정 ( = K․E)

단위 : /sec

작용제

종 류

셀 번 호

1 2 3

Rip Mo Di Rip Mo Di Rip Mo Di

DPGME 462 369 311 467 373 313 462 369 309

MS 543 389 554 393 543 387

표 3-25 vd 값 측정

- 124 -

(3) td (이동 시간) 측정

단위 : ms

작용제

종 류

셀 번 호

1 2 3


DPGME 8.75 10.95 13.00 8.65 10.85 12.90 8.75 10.95 13.10

MS 7.45 10.40 7.30 10.30 7.45 10.45

표 3-26 td 값 측정

(4) 이온의 K (mobility) 측정 ( =d 2

t dV= 1 ～ 2 (/V․sec))

d : 셀길이

td : 이동 시간

V : The drop in voltage across d

단위 : /V․sec

작용제

종 류

셀 번 호

1 2 3


DPGME 1.78 1.42 1.20 1.80 1.43 1.21 1.78 1.42 1.19

MS 2.09 1.50 2.13 1.51 2.09 1.49

표 3-27 K 값 측정

(5) K0 (환산이온이동도) 값 계산

현재 나타낸 K값은 대기압 (760torr) 및 273°K (0)기준이므로 보정된 환산 이온 이동도

(K0)값 적용

k 0 =d 2

V t d

27 3T

P760

(/V․sec) (셀 내부 온도 : 45)

단위 : /V․sec

작용제

종 류

셀 번 호1 2 3


DPGME 1.53 1.22 1.03 1.54 1.23 1.03 1.53 1.22 1.02

MS 1.79 1.28 1.83 1.30 1.79 1.28

표 3-28 K0값 측정

- 125 -

나. 가스 탐지 시험

(1) 이소부틸렌 가스를 통한 탐지시험 및 반복 재현성 시험

사무실 실내공기 및 이소부틸렌 10ppm 및 100ppm 을 통한 시간대별 반복 측정을 한

결과 오차범위 내에서 일정한 전류값 형성되는 것을 확인하였으며, 장비의 재현성 및 신

뢰성을 확인 할 수 있었다.

그림 3-118 표준가스이용 시험장면

(가) 1차

측정상황 측정시각 측정값(adc) 온도() 습도(%) 비고실내공기 09:00 272 28.2 37 팬10 ppm 289실내공기 09:02 272 28.1 3610 ppm 286실내공기 09:04 272 28.1 2810 ppm 288실내공기 09:06 272 28.0 3510 ppm 290실내공기 09:08 272 28.0 3510 ppm 292실내공기 09:10 272 27.8 35100 ppm 489실내공기 9:12 273 27.7 35100 ppm 518실내공기 9:14 273 27.6 34100 ppm 514실내공기 9:16 274 27.5 34100 ppm 526실내공기 9:18 274 27.5 34100 ppm 498

표 3-29 가스 탐지시험

- 126 -

(나) 2차 시험

측정상황 측정시각 측정값(volt) 온도() 습도(%) 비고

실내공기 11:10 0.787 28.7 47 팬

실내공기 11:15 0.782 28.5 46

실내공기 11:20 0.785 28.4 44

실내공기 11:25 0.789 28.2 42

실내공기 11:30 0.791 28.1 42

실내공기 11:35 0.791 28.0 40

실내공기 11:40 0.794 27.8 40

10 ppm 11:50 0.823 27.5 39

실내공기 12:20 0.789 28.5 49

10 ppm 12:20 0.828 28.5 50

실내공기 13:20 0.804 26.9 35

10 ppm 13:20 0.869 26.8 34

실내공기 13:40 0.805 26.4 40

10 ppm 13:40 0.859 26.4 40

실내공기 13:50 0.809 26.5 37

10 ppm 13:50 0.870 26.5 37

실내공기 14:00 0.809 26.6 44 274

10 ppm 14:00 0.869 26.6 42 301

실내공기 14:10 0.815 26.7 38 277

10 ppm 14:10 0.880 26.7 38 301

실내공기 14:20 0.827 26.6 38 277

10 ppm 14:20 0.870 26.6 40 292

실내공기 14:30 0.825 26.7 40 256

10 ppm 14:30 0.887 26.7 39 275

실내공기 14:40 0.825 26.6 36 258

100 ppm 14:40 1.685 26.6 36 520

실내공기 14:50 0.826 26.4 35 285

100 ppm 14:50 1.440 26.4 35 292

실내공기 15:30 0.833 26.0 36 253

100 ppm 15:30 1.630 26.0 36 521

실내공기 15:40 0.836 25.8 35 277

100 ppm 15:40 1.557 25.8 35 509

실내공기 15:50 0.841 26.0 36 278

100 ppm 15:50 1.676 26.0 36 507

표 3-30 가스 탐지시험

- 127 -

(2) VOC에 대한 센서 탐지시험

( 단위 : mV )

농도

차수0.01 ppm 0.1 ppm 1 ppm 5 ppm 10 ppm

암모니아

1차 800 800 803 830 1111

2차 800 801 803 332 1110

3차 800 801 803 330 1109

염소

1차 800 804 830 1100 3809

2차 800 805 830 1101 3810

3차 800 803 831 1103 3812

벤젠

1차 801 807 859 1366 6460

2차 800 808 858 1370 6500

3차 800 807 857 1371 6467

톨루엔

1차 800 808 859 1388 6687

2차 801 808 859 1342 6680

3차 801 809 865 1340 6689

자일렌

1차 801 810 867 1469 7480

2차 801 812 866 1465 7476

3차 801 811 865 1467 7469

표 3-31 VOC 농도별 측정전압 측정

그림 3-119 시험장면

그림 3-120 시험장면

- 128 -

그림 3-121 암모니아 농도별 측정전압

그림 3-122 염소 농도별 측정전압

- 129 -

그림 3-123 벤젠 농도별 측정전압

그림 3-124 톨루엔 농도별 측정전압

- 130 -

그림 3-125 자일렌 농도별 측정전압

그림 3-126 휴대용 최저탐지농도 시험

그림 3-127 복합측정용 최저탐지농도 시험

- 131 -

(3) 모의화학작용제에 대한 센서 탐지시험

(가) 모의 수포작용제 (Methyl Salicylate 이용 시험)

농도 (mg/) 피크세기 평균값 (mV)

0.09 180

0.75 940

1.7 1700

4 2500

표 3-32 모의 수포작용제 탐지 시험 결과

0 1 2 3 4

0

500

1000

1500

2000

2500

Pea

k In

tens

ity

농도 (mg/ )그림 3-128 검량선 작성

Polynomial Regression for Data1:

Y = A + B1*X + B2*X^2

Parameter Value Error

A 84.02984 33.40589

B1 1222.54553 47.02205

B2 -154.75202 10.67906

R-Square(COD) SD N P

0.99964 32.82844 4 0.01902

표 3-33 검량선 분석

- 132 -

횟수 시험횟수 평균

농도 1 2 3 4 5

0.09 180 160 260 240 200 208

0.75 820 880 1080 1060 1140 996

1.7 1540 1700 1760 1880 1980 1772

4 2320 2620 2540 2620 2760 2572

표 3-34 시험 결과 표

농도별 피크세기

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4

MS의 농도(mg/)

피크

세기

(mV)

1

2

3

4

5

그림 3-129 반복시험에 의한 탐지 재현성 시험

- 133 -

(나) 모의 신경작용제 (Diporpylene glycol methyl ether 이용 시험)

농도 (mg/) 피크세기 평균값 (mV)

(Monomer+Dimer)

0.07 330

0.35 1530

1.56 2800

표 3-35 모의 신경작용제 탐지 시험 결과

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-1000000

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

Pea

k In

tens

ity (

Pea

k In

tens

ity^2

)

농도 (mg/ )그림 3-130 검량선 작성

Polynomial Regression for Data1:Y = A + B1*X + B2*X^2

Parameter Value ErrorA -505445.3603 0B1 8.94E+06 0B2 -2.30E+06 0


R-Square(COD) SD N P1 0 3 <0.0001


- 134 -

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-1000000

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

Pea

k In

tens

ity (

Pea

k In

tens

ity^2

)

농도 (mg/ )그림 3-131 검량선 보정

Linear Regression for Data1:Y = A + B * X

Parameter Value ErrorA 132527.7 493785.7B 5.00E+06 534434.3

R SD N P0.99433 598518.7 3 0.06784


농도 장 비 번 호

1 2 3 4 5

Mo Di Mo Di Mo Di Mo Di Mo Di

0.07 280 340 300 420 280

0.35 980 480 1120 520 920 480 920 640 1020 500

1.56 1060 1780 1220 1800 1000 1680 840 2000 1060 2220

표 3-39 탐지시험

- 135 -

농도 시험횟수 평균

1 2 3 4 5

0.07 280 340 300 420 280 324

0.35 1460 1640 1400 1560 1520 1516

1.56 2840 3020 2680 2840 3280 2932

표 3-40 농도별 피크세기값 정리(작용제 피크 : Monomer+Dimer)

농도별 피크세기

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 0.5 1 1.5

DPGME의 농도(mg/)

피크

세기

(mV)

1

2

3

4

5

그림 3-132 반복시험에 의한 탐지 재현성 시험

- 136 -

다. 환경 시험

(1) 저온동작시험

(가) 시험절차

① 시험전 표준환경에서 표준가스를 이용하여 정상적으로 탐지가 이루어지는지 시험한

다.

② 온도챔버에 시험장비를 놓는다.

③ MIL-STD-810F 502.4 절차Ⅰ에 따라 아래 그림와 같이 동작 한다. 이때, 온도 변화

에 의한 장비에 충격을 방지하기 위해 온도의 변화율이 3/분을 초과하지 않는 범

위로 설정한다.

④ 챔버내에 위치한 시험장비가 정상적으로 동작하는지 확인한다.

⑤ 온도챔버 내부 온도를 주위 온도로 상승시키고 시험장비가 안정화 되도록 1시간 이

상 저장한후, 표준가스를 이용하여 정상작동을 확인한다.

그림 3-133 저온동작시험 온도주기

그림 3-134 챔버내부 장비위치사진 그림 3-135 저온동작시험 사진

- 137 -

(나) 시험결과

시험절차에 의해 시험한 결과 시험규격을 만족함

(2) 고온동작시험

(가) 시험방법

① 시험전 표준환경에서 표준가스를 이용하여 정상적으로 탐지가 이루어지는지 시험한

다.

② 온도챔버에 시험장비를 놓는다.

③ MIL-STD-810F 501.4 절차Ⅰ에 따라 아래 그림와 같이 7주기 반복을 하며, 마지막

주기에서 동작을 확인한다. 이때, 온도 변화에 의한 장비에 충격을 방지하기 위해

온도의 변화율이 3/분을 초과하지 않는 범위로 설정한다.

④ 챔버내에 위치한 시험장비가 정상적으로 동작하는지 확인한다.

⑤ 온도챔버 내부 온도를 주위 온도로 상승시키고 시험장비가 안정화 되도록 1시간 이

상 저장한후, 표준가스를 이용하여 정상작동을 확인한다.

그림 3-136 고온동작시험 온도주기

- 138 -

그림 3-137 챔버내부 장비위치사진 그림 3-138 고온동작시험 사진

(나) 시험결과

시험절차에 의해 시험한 결과 시험규격을 만족함

- 139 -

제2절 연구개발 결과 요약

그림 3-139 휴대용 시제품 그림 3-140 모니터링용 시제품

그림 3-141 복합측정용 시제품 V1 그림 3-142 복합측정용 시제품 V2

본 연구개발을 통해 휴대용, 모니터링용, 복합측정용 V1, V2에 대한 시제품 개발을 완료 하였으며 성능시

험, 가스탐지시험 및 환경시험을 통하여 개발성능을 확인하였다.

- 140 -

구분 성능 및 제원 비고

휴대용




- 크기 : 233×96×51 (가로×세로×높이)

- 중량 : 388.477g



- 운용온도 : -25～+45


모니터링용



- 크기 : 275.6×268.5×125 (가로×세로×높이)

- 중량 : 388.477g



- 운용온도 : -25～+45


복합측정용

V2





- 크기 : 391×286×142 (가로×세로×높이)

- 중량 : 7kg



- 운용온도 : -25～+45


복합측정용

V1

- 센서PID 이온센서 + 전기화학센서 + NDIR CO2센서 +




- 크기 : 490×300×180 (가로×세로×높이)

- 중량 : 10kg



- 운용온도 : -25～+45


표 3-41 개발 시제품 성능 및 제원

- 141 -

구분 개발목표 개발내용 비고

탐지센서 PID 이온센서 좌동

탐지물질

암모니아, 염소, 벤젠, 자일

렌, 톨루엔, 에틸벤젠, 스티

렌, 1,4-디클로로벤젠, 페놀

등 10여종 이상의 실내공기

질

암모니아, 벤젠, 자일렌, 톨

루엔, 에틸벤젠, 스티렌,

1,4-디클로로벤젠, 페놀등

10여종 이상의 실내공기질

10.6eV UV 사용

11.7eV UV 사용시 염소탐

지 가능 (염소의 IP 11.7)

크 기 200 x 80 x 60mm 이내 233 x 96 x 51 mm

중 량 1kg 이하 400g

탐지성능 10ppb 이하 탐지 좌동

운용온도 -25 ~ +45 좌동

사용전원 1차전지 좌동

표 3-42 휴대용 시제품 제작내용


탐지센서PID + 전기화학 + NDIR

+ 온습도센서전기화학 센서

복합측정용과의 차별을 위

해 포름알데히드 전용 탐지

장비 제작

탐지물질

10여종 이상의 실내공기질,

포름알데히드, 이산화탄소

및 습도탐지

포름알데히드

크 기 250 x 250 x 100mm 이하 275 x 268 x 125 mm

중 량 2kg 이하 1kg 이하


운용온도 -25 ~ +45 좌동

사용전원 1차전지 좌동

표 3-43 모니터링용 시제품 제작내용

- 142 -


탐지센서

PID + 전기화학 + NDIR

+ 온습도 + IMS + SAW

센서 어레이

좌동

탐지물질

10여종 이상의 실내공기

질, 포름알데히드, 이산화

탄소, 습도 및 화학작용제

탐지

좌동

크 기 500 x 250 x 200mm 이내 391 x 286 x 142 mm

중 량 8kg 이하 6kg 이하


운용온도 -25 ~ +45 좌동

사용전원 상용전원 좌동

표 3-44 복합측정용V1 시제품 제작내용

- 143 -

구분 해외업체 개발품

제 작 사 RAE systems 센서테크

탐지방법 광이온화 검출법 광이온화 검출법

크 기 152 x 46 x 25 mm 233 x 96 x 51mm

탐지물질 IP 10.6eV 이하 물질 IP 10.6eV 이하 물질

탐지농도 0 ~ 100 ppm 0.01 ~ 100 ppm

운용온도 -20 ~ +45 -25 ~ +45

사용전원 AAA 크기 전지 2개 AA 크기 전지 4개

실사진

표 3-45 휴대용 장비 상용장비 와 비교

- 144 -

구분 해외업체 개발품

제 작 사 AIR sense 센서테크

탐지방법PID + IMS + EC + MOS

센서 어레이

PID + IMS + EC + SAW + NDIR

+ 온/습도 센서 어레이

크 기 395 x 112 x 210 mm 391 x 286 x 142mm

탐지물질IP 10.2eV 이하 VOC, 포름알데히드,

화학작용제

IP 10.6eV 이하 VOC, 포름알데히드,

화학작용제 및 CO2

탐지농도 최저탐지물질 0.02ppm 최저탐지물질 0.01ppm

운용온도 4.2kg 6kg 이하

사용전원 AAA 크기 전지 2개 AA 크기 전지 4개

실사진

표 3-46 복합측정용 V2 장비 상용장비 와 비교

- 145 -

그림 3-143 복합측정용 표시부 설명

그림 3-144 시험장비 제작사진 그림 3-145 개발된 표준기체발생장치

- 146 -

그림 3-146 가스분석실 내부사진 그림 3-147 표준기체발생장치 발생사진

그림 3-148 센서제조시설그림 3-149 가스분석장비

- 147 -

제3절 연도별 연구개발 목표의 달성도

연도 연구개발의 내용추 진 일 정

달성도비고1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2007플라즈마

방전램프 설계100%

2007방전램프 제작 및

시험방법 개발100%

2007이온센서

생산공정 개발100%

2007센서 어레이 기술

개발100%

2007전자부 생산공정

개발100%

2007사용자운용 S/W

개발100%

2007인체공학적 외부

디자인100%

2007하우징 설계 및

금형제작100%

2008 DB구축 100%

2008 검교정 방법개발 100%

2008 운용 S/W 개발 100%

2008 시제품 제작 100%

2008전용시험 지그

제작100%

2008공인기관

형식승인 및 시험80%

표 3-47 구개발 추진 세부 일정

- 148 -

제4절 연도별 연구성과 (논문·특허 등)

그림 3-150 특허출원서

- 149 -

그림 3-151 S/W프로그램 등록증

- 150 -

제5절 관련분야의 기술발전 기여도

PID 이온센서, 전기화학센서, 온․습도 센서, IMS센서, SAW센서의 어레이 및 시료농축장치 및 시료희

석장치를 통해 보다 넓은 범위의 화학작용제를 정확하게 탐지 식별할 수 있으며, 대부분의 VOC 및 화학작용

제를 오탐지의 가능성을 크게 배제하여 탐지할 수 있다.

유해환경가스검지를위한센서모듈을국산화함으로서시스템국산화의원천기술을확보할수있게되며,

센서의국산화개발을통해시스템구성의경쟁력확보가유력하여현재열악한작업환경에널리보급적용할수

있게됨으로수입대체는물론작업환경의개선에이용될수있다.

본 기술을 이용한 공기오염물질 측정분석기술은 VOC, 화학작용제, 일반 인체 유해화합물의 탐지가 가능

하기 때문에 환경오염 감시장비, 의학 진단장비, 식품 위생 검사 장비등에 적용가능한 첨단 분석기술이지만,

현재 국내기술이 전무한 상태이며, 본 기술의 사업화를 통해 국내 분석기기 제작 기술 및 분석기술의 향상이

기대된다.

삶의 질을 추구하는 미래인간사회에 환경유해물질 탐지기술의 확보로 대기의 오염원 파악으로 기본적인

안전욕구를 충족하게 함

인체유해화합물 및 화학작용제는 단시간에 불특정 다수인에게 치명상을 입히는 맹독성 가스로서 이를 탐

지하여 예방할 수 있는 기술의 개발은 안보와 생존의 차원에서 절실히 필요한 기술이다.

화학테러에 대비할 수 있는 탐지기술의 개발로 인류불안해소에 기여함

본 아이템인 휘발성유기화합물 탐지센서의 사업화시 폭넓은 범위의 휘발성유기화합물의 탐지가 가능하기

때문에 환경오염감시장비, 환경규제측정장비등에 적용이 가능하며, 폭 넓은 범위에서 수입대체 효과를 가져

올 수 있다.

본아이템의결과물은고부가가치상품으로서수입대체효과가연간50억원정도(시스템단가기준) 로추정되

며최소수명정도의산업인력의고용이예상되며이들제품의보급에따라서시스템구성및운영인력의창출이

연쇄적으로기대되고있다.

- 151 -

국내 계측기 시장은 전 세계 시장규모의 약 1.5% 수준이나 매년 약 16% 정도로 급성장하는 추세에 있다.

따라서 현재 국가적인 관심사로 부각되고 있는 화학가스 센서의 시장점유율은 매우 높아질 것으로 예상되며,

신기술에 의한 화학가스탐지 시스템의 개발 및 실용화가 이루어질 경우 그 점유율의 급상승이 기대된다.

- 152 -

제6절 연구개발 결과의 활용계획

항목산업체

기술이전

지적재산권출원 지적재산권등록 학술지 게재 학술지 발표

국내 국외 국내 국외 국내 국외 국내 국외

건수 0 1 0 1 0 0 0 0 0

표 3-48 구성과 현황표

가. 경제적 측면

- 다중이용시설등의 실내공기질 관리법에 의한 실내공기질 측정장비의 필요성이 크게 증대

외었으나 현재 대부분의 장비를 수입에 의존하고 있는 실정이다. 본 과제를 통해 개발

된 측정기를 통해 수입대체를 통한 외화절감의 기회를 마련 하였다.

- PID 센서와 전자적 분석회로 설계기술 및 제작기술 국산화 유도를 유도하고 나아가 분석

계측과 관련된 각종 장비의 설계 및 제작관련 국내 산업의 활성화

- 대부분 수입에 의존하고 있는 VOC 측정기 시장에서의 수입대체 효과 및 수출을 통한 외

화 절감 을 통한 국가 경제발전에 일조

구분/연도 2009 2010 2011 2012 2013 총계

수입대체 (백만원) 1,000 1,500 1,500 1,500 1,500 7,000

수출금액 (백만원) 0 500 500 500 1,000 2,500

매출액 및 매출예상액 (백만원) 1,000 2,000 2,000 2,000 2,500 9,500

국산화율(전체대비%) 0 0 0 0 0 0

원가절감효과(기존대비%) 0 0 0 0 0 0

에너지절감효과(기존대비%) 0 0 0 0 0 0

생산성향상(기존대비%) 0 0 0 0 0 0

고용창출효과 5 3 3 3 3 17

표 3-49 용화에 따른 매출액 실적/예상

나. 사회적 측면

- 다중이용시설등 실내공기질의 유해 정도를 직접 확인할수 있음으로 보다 쾌적한 환경에서

- 153 -

의 삶 영위 가능

- 유사시 화학테러에 대비하여 운용가능하며, 사회적 불안요소 해소에 기여

다. 기술적 측면

- 본 연구개발 결과를 이용한 공기오염물질 측정분석기술은 VOC, 화학작용제, 일반 인체유

해화합물의 탐지가 가능하기 때문에 환경오염 감시장비, 의학 진단장비, 식품 위생 검사

장비등에 적용가능한 첨단 분석기술이지만, 현재 국내기술이 전무한 상태이며, 본 개발

사업을 통해 국내 분석기기 제작 기술 및 분석기술의 향상이 기대된다.

- PID용 이온센서를 대기분석계측기기관련 저변 산업개발의 기초기술로 적극 활용하고 나

아가 대기환경분석장비 개발에 대한 자신감 및 동기부여

- 인체 유해 환경 작업장 및 연구시설용 유해가스 측정기 개발에 활용

가. 기술이전 및 연구결과 활용계획

(1) 당해연도 활용계획

정부는 100가구 이상 아파트는 실내유해물질의 농도를 측정, 입주민에게 60일 동안 공고

하도록 하는 “다중이용시설등의실내공기질관리법”을 개정하여 공표하였으며 이에따른 실내

공기질 오염도를 측정할 수 있는 측정기로서 판매가 가능하며, 관련법에 의한 등재장비로 등

재시 판매는 크게 증대하리라 예측된다.

(2) 활용방법

대기오염감시장비로서 대기중의 인체 유해화합물의 상시 모니터링 장비로 활용

(3) 차년도 이후 활용계획

119소방본부 및 민방위 본부에서 대 테러 장비로서, 인체 유해화합물의 탐지장비로 활용

- 154 -

나. 주요판매처

활용분야 활용주체 비고년 간

소요대수

“다중이용시설등의실내공기질관리법”

에 의한 건축후 실내오염물질 측정기

건설업자

가구업자등

관리법에 영향을 받는

사업자1,000대이상

광촉매 도포후의 VOC 측정기 광촉매업자 VOC 탐지기 200대이상

유해 환경 작업종사자의 유해물질 경

보기유해환경사업장

포켓용의 개인휴대형

ppb 레벨 이상탐지500대이상

화학작용제 탐지기군, 관공서

119소방본부화학가스 탐지기 100대이상

표 3-50 매 소요 예상 표

- 건축업자 : “시설등의실내공기질관리법”에 의한 건축후 실내오염물질 측정기 활용

- 광촉매 서비스 업체 : 광촉매 도포 전후의 영향입증평가시 실내오염물질 측정기로 활용

- 가구제조업자 : 가구제조후 규정치 이하의 환경오염물질 발생확인장비로 활용

- 유해 환경 사업장 : 유해 환경 작업종사자의 유해물질 경보용 측정기로 활용

(멘홀작업, 하수구 작업, 가구제조공장등)

- 157 -

제4장 참고문헌

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- NIOSH (1994) Pocket Guied to Chemical Hazards, NIOSH Publications, Cincinnati,

OH

주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 사업의 차세대 핵심환경기술개발사업의 연구보고서 입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한 차세대 핵심환경기술개발사업의 연구개발결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는 공개하여서는 아니됩니다.

환경오염 측정분석 장비기술webbook.me.go.kr/dli-file/075/196709.pdf · 공기질,...

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