이 논문은 산소 포화도 측정을 위하여 설계되는 아날로그 프런트 엔드의 설계 기술 및 디자인 방법에 관한 것이다. 센서로부터 출력되는 데이터를 이용하여 산소포화도를 계산하기 위해서는 센서의 포토다이오드에서 흘려주는 전류 데이터를 전압 데이터로 바꿔주는 것이 필요하다. 설계된 아날로그 프런트 엔드는 센서로부터 출력되는 전류 데이터를 여러 가지 전압 이득을 가지는 형태로 후방의 아날로그 디지털 변환기에 전압을 전달하는 역할을 한다. 설계된 회로는 $0.11{\mu}m$ CMOS공정을 이용하여 설계되었으며, $0.174mm^2$의 면적을 차지한다.
감도가 우수하고 동작온도가 낮으며 반응속도가 빠른 암모니아 가스 센서를 제작하기 위해 ZnO에 촉매불순물 $MoO_3$의 첨가비와 박막 성장분위기 가스를 변화시키면서 RF 마그네트론 스펏터링 방법으로 박막을 성장하였다. 전기적 안정성을 향상시키기 위해 성장된 박막들을 aging 하여 센서를 제작한 후 암모니아 가스의 검지 특성을 조사하였다. 촉매불순물을 첨가하거나 산소분위기에서 성장된 박막의 경우 감도가 향상되었으며, 이는 표면 캐리어 농도와 전자이동도의 증가를 나타냈다. ZnO에 $MoO_3$를 무게비로 0.875 wt.% 첨가한 박막으로 제작한 센서가 160 ppm의 암모니아 가스 농도와 $300^{\circ}C$의 동작온도에서 70정도의 최대감도를 보였다. 산소분위기에서 $330^{\circ}C$로 72시간 동안 aging한 박막으로 만든 센서는 감도가 57정도로 감소하였으나, 센서의 동작온도가 $250^{\circ}C$로 낮아졌고, 선형성이 좋았으며 더 안정된 특성을 나타냈다.
가스센서는 응용 분야와 기능 및 종류가 다양하고 최첨단 분야로서 학문적으로는 물리, 화학, 전기, 전자 및 기계 등의 배경을 필요로 하며 산업적으로는 공업 전 분야와 농림, 축산, 사무기기에서 뿐만 아니라 공해 방진용(자동차 연소제어 및 배출가스 제어, 대기오염 감시등), 민생용(조리, 환기, 공조 등), 교통 보안용(음주운전측정 및 음주운전 방지장치 등), 방재용(가스 누설 탐지기, 불완전 연소 방지, 산소 결핍, 화재 등), 의료용(호기, 마취가스의 분석 등) 매우 광범위하며 점점 더 확대되어 가고 있다. 본 연구에서는 검출 가스 종류에 따라 졸-겔법으로 감응막을 최적 설계하고, 최적으로 설계된 감응막을 디핑법으로 코팅처리한 후 최적으로 열처리하여 센서를 제작하였다. 또한, 자체 제작한 가스검출 시스템에 제작된 센서를 장착하여 센서의 가스 검출 특성을 측정하고, 측정 데이터를 이용하여 휴대용 가스 검출 시스템을 설계 제작하였다.
농작업 자세 중에서 중량물을 반복적으로 들고 내리는 자세는 요통과 같은 근골격계 질환의 유발행위로 분류된다. 이는 인간공학적 유해요인 평가도구에 의해 위험도 별로 정량화 할 수 있다. 이러한 평가방법은 농작업 자세를 개선하여 근골격계 질환을 예방할 수 있다는 측면에서 매우 중요하다. 그러나 기존의 작업자세 부하 평가방법들은 동적 자세를 평가하는데 있어 어려움이 있을 뿐 만 아니라 평가 과정에서 관찰자의 주관성이 개입 될 수 있다는 한계점을 갖고 있다. 이에 본 연구에서는 중량물을 들고 내리는 동적 자세에서 발생하는 부하를 Energy expenditure를 이용하여 평가할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다. Energy expenditure는 체중, 성별 등과 같은 작업자 관련 변수와 중량물의 무게, 들어 올리는 높이, 빈도수 등과 같은 작업환경 관련 변수를 이용하여 최대 산소소비량을 예측하는 방법이다. 본 연구에서 제안하는 작업자 및 작업환경 관련 변수를 자동 측정하는 시스템은 초음파 거리측정 센서와 깔창 형태의 센서를 이용하여 구성하였다. 이를 통해 남성(6명), 여성(6명)을 대상으로 20kg의 중량물을 들고 내리는 동작에서 발생하는 Energy expenditure 값을 산출하였고, 산소소비량 측정 장비를 통해 획득된 최대 산소소비량($VO_2$)과 비교하여 검증하였다. 여성을 대상으로 한 Energy expenditure 값과 최대 산소소비량 간 상관관계는 0.984로 나타났으며, 남성의 경우에는 0.998로 높은 상관관계를 보였다. 이와 같은 에너지 대사율 평가시스템은 연속적이고 반복적인 실제 농작업 자세 부하를 동적인 상태에서 평가할 수 있을 뿐 만 아니라 산소소비량 측정기와 같은 추가적인 장비가 필요하지 않아 현장 적용성이 뛰어 날 것으로 기대된다.
냉감을 느끼지 않을만한 온도에서 신체부위에 차가움을 느껴 일상생활이 곤란함을 호소하는 냉증환자가 늘어남에도 불구하고, 정확한 진단기구와 뚜렷한 치료기기가 없는 것이 사실이다. 그러므로 본 논문에서는 다양한 센서를 통하여 냉증을 측정 및 진단하고 환자의 냉증정도에 맞게 적응적으로 산소압과 치료시간을 조정할 수 있는 산소챔버를 냉증치료용 의료기기로 제안 설계한다. 특히 의사의 진찰과 문진을 통해 경험에 의존하던 기존의 주관적인 냉증 진단 방법에서 벗어나, 첨단 복합 생체센서의 측정데이터를 임상실험에 근거한 임계치를 바탕으로 비교함으로써 냉증을 정확히 진단하는 방법을 소개한다. 최종적으로 냉증의 진단 단계에 따라 적응적으로 산소량을 제어함으로써 냉증을 효과적으로 치료하는 산소챔버를 구현하여 한의학 의료기기의 과학화와 대중화에 기여하고자 한다.
기존의 진공증착 방법으로 $SiO_{2}$ 막이 성장된 Si웨이퍼 위에 ZnO막을 제조하였다. Anhydrous zinc acetate를 자체 제작한 황동보트안에 넣고 가열하여 승화시켰다. 기판온도는 $200^{\circ}C$에서 $600^{\circ}C$까지 변화시켰으며 공정중에 산소를 주입하여 챔버내 산소 분압을 증가시켰다. 증가된 산소분압에 의해 고저항의 ZnO막을 얻을 수 있었다. 제조된 막의 결정성 및 성분을 알기 위해 XRD, EDS 및 RBS 측정을 하였다. 고저항의 ZnO막은 70%이상의 상대습도에 매우 민감한 저항감소를 나타내었다.
To understand the signal fluctuation of a wide-range oxygen sensor installed at the exhaust confluence point, when a misfiring is triggered in a cylinder, the steady state and the transient response characteristics of the sensor to the flow of the misfired gas were investigated quantitatively. It was recognized that the steady state output voltage of the sensor increased higher when it contacted the misfired gas even though the fueling condition was the same as the normal combustion case and this characteristic enabled the application of the wide-range oxygen sensor for the misfire detection. The transient response was compared at different engine speeds and it was found that the response speed increased with the engine speed. The signal fluctuation was also estimated quantitatively, using these steady state and transient response of the sensor, and the estimated signal showed satisfactory correlation with the measurements.
'22년 중대재해처벌법과 항만안전특별법이 본격 시행되었다. 이에 대비하기 위하여 본 논문에서는 위험물 컨테이너에서 발생하는 안전사고를 사전에 방지하는 지능형 컨테이너 및 청소 로봇을 제안한다. 지능형 컨테이너 및 청소 로봇은 다음과 같은 기능을 수행한다. 첫째, 유해물질 감지 센서와 산소 센서 등을 통해 컨테이너 상태를 실시간으로 관리한다. 둘째, 유해물질 유출 및 산소 농도가 부족한 경우 위험 컨테이너로 변경 관리한다. 셋째, 컨테이너 내부 유해물질 청소를 위해 로봇을 호출하고 지능형 청소 로봇은 방제약품과 흡착포를 통해 컨테이너 내부를 청소한다. 넷째, 위험 컨테이너는 자동문 개폐관리 기능을 통해 유해물질 청소 완료 전까지 문을 폐쇄하여 안전사고를 방지한다. 본 논문은 제시한 기능을 통해 위험물 컨테이너에서 발생하는 작업자 질식사 등의 사고를 감소시키는 것을 목표로 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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