KR100937588B1 - 가스 검출 장치 및 이를 이용한 가스 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 검출 장치 및 이를 이용한 가스 검출 방법이 제공된다. 상기 가스 검출 장치는 검출 챔버, 광 공급부, 광 검출부, 가스 공급부 및 제어부를 포함한다. 상기 광 공급부 및 상기 광 검출부는 상기 검출 챔버 양단에 배치된다. 상기 가스 공급부는 상기 검출 챔버에 가스를 제공한다. 상기 제어부는 상기 광 공급부 및 상기 광 검출부를 제어한다. 상기 광 공급부는 레이저 광을 제공하는 레이저 및 상기 레이저 광을 상기 검출 챔버에 반사하여 스캐닝하는 광 스캐너를 포함한다. 상기 제어부는 상기 광 검출부에 전기적으로 연결되는 위상민감 검출기를 포함한다.
가스 검출, 위상민감 검출기, 스캐닝, 진동

Description

가스 검출 장치 및 이를 이용한 가스 검출 방법{GAS-SENSING APPARATUS AND METHOD OF SENSING GAS USING THE SAME}
본 발명은 가스 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 흡수 방식의 가스 검출 장치 및 이를 이용한 가스 검출 방법에 관한 것이다.
환경오염 측정, 공정 가스 모니터링, 독성 가스 검출 등의 대상이 되는 기체 분자들의 운동 모드에 해당하는 에너지 파장이 대부분 중-적외선 영역에 집중되어 있어, 현재 사용되고 있거나 개발 중인 분광학적 방법은 저항 가열식 광원이나 중-적외선 파장의 레이저 등을 이용한다. 특히, 레이저를 이용할 경우, 백만분의 일(ppm)보다 작은 극미량 기체 성분도 검출할 수 있고, 원격 가스 검출이 가능한 장점이 있어 활발히 연구되고 있다.
검출 챔버을 이용한 고감도 가스 검출에 있어, 중요한 것은 레이저 빛이 기체 분자들과 접촉하는 부피가 커서 충분한 광 흡수 신호를 줄 수 있어야 한다는 것이다. 이를 위해, 화이트 챔버(white chamber)와 같이 검출 챔버에 거울을 부착하여 다중 반사에 의해 광 경로를 길게 하는 방법이 보편적으로 사용되고 있다. 이 방식은 상기 다중 반사에 의해 광 세기가 감소하는 문제점을 갖는다. 한편, 광 세 기의 감소를 줄이기 위해 반사횟수를 줄일 경우 챔버의 길이 및 부피가 상당히 증가하게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 부피가 작으면서도 저출력 광원을 가지고도 고감도 가스 검출을 할 수 있는 가스 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들은 상기 가스 검출 장치를 이용하여 가스를 검출하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 가스 검출 장치는: 검출 챔버; 상기 검출 챔버에 가스를 제공하는 가스 공급부; 상기 검출 챔버의 일단에서 상기 검출 챔버 내부에 레이저 광을 제공하는 레이저와, 상기 레이저 광을 반사시켜 상기 검출 챔버 내부에서 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향에 교차되는 제 2 방향에 대해 일차원 또는 이차원으로 스캐닝하는 광 스캐너와, 상기 광 스캐너를 구동시키는 진동 주파수를 발생하는 스캐너 구동기를 구비한 광 공급부; 상기 광 공급부에 대향되는 상기 검출 챔버의 타단에서 상기 검출 챔버 내부의 가스를 통과한 상기 레이저 광을 검출하고 상기 제 1 방향 또는 상기 제 2 방향으로 배열된 다수개의 검출기로 이루어진 검출기 어레이와, 상기 검출기 어레이를 구동시키는 검출기 구동기를 구비한 광 검출부; 및 상기 스캐너 구동기에서 발생된 상기 진동 주파수를 기준 주파수로 사용하여 상기 검출기 어레이에서 검출되는 검출신호를 처리하는 위상민감 검출기를 구비한 제어부를 포함한다.
상기 광 스캐너는, 상기 레이저 광을 반사시키는 마이크로 미러와, 상기 마이크로 미러를 지지하면서 상기 진동 주파수에 따라 상기 마이크로 미러를 상기 제 1 방향 또는 상기 제 2 방향으로 진동시키는 진동 지지축을 포함할 수 있다.
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본 발명의 실시예들에 따른 가스 검출 방법은: 검출 챔버를 제공하는 단계; 상기 검출 챔버에 가스를 제공하는 단계; 상기 검출 챔버의 일단에 형성된 마이크로 미러를 진동 주파수에 따라 진동시키면서 상기 검출 챔버의 내부에 레이저 광을 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향에 교차되는 제 2 방향에 대해 일차원 또는 이차원으로 스캐닝하는 단계; 상기 검출 챔버 타단에 형성된 검출기 어레이에서 상기 가스를 통과한 상기 레이저 광을 상기 제 1 방향 또는 제 2 방향으로 검출하는 단계; 및 상기 검출 챔버 내에서 스캐닝되는 상기 레이저 광의 진동 주파수를 기준 주파수로 사용하여 상기 검출기 어레이에서 검출되는 검출 신호를 처리하여 상기 검출 챔버 내부에 제공되는 상기 가스의 공간적인 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
상기 마이크로 미러는 상기 마이크로 미러를 지지하는 진동 지지축에서 전달되는 상기 진동 주파수를 따라 진동될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 광이 마이크로 미러의 진동에 의해 스캐닝되어 검출 챔버에 제공될 수 있다. 이에 의해 검출 챔버 내 검출 대상 가스 분자들에 의한 상기 스캐닝된 광의 산란 단면적이 넓게 확보될 수 있다. 따라서 검출 챔버의 길이를 길게 하지 않아도 레이저 광이 효율적으로 사용될 수 있고, 검출 챔버 내 가스 검출이 용이하게 수행될 수 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 첨부된 도면과 관련된 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치가 설명된다. 상기 가스 검출 장치는 검출 챔버(100), 광 공급부(200), 광 검출부(300), 가스 제공부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다. 광 공급부(200)는 광 스캐너(210), 스캐너 구동기(220), 레이저(230) 및 레이저 구동기(240)를 포함할 수 있다. 광 검출부(300)는 검출기 어레이(310) 및 검출기 구동기(320)를 포함할 수 있다. 가스 제공부(400)는 가스 저장기(410) 및 가스 유량 조절기(420)를 포함할 수 있다. 제어부(500)는 위상민감 검출기(510) 및 컴퓨터(520)를 포함할 수 있다. 위상민감 검출기(phase sensitive detector)(510)는 예를 들어, 록-인 앰프(lock-in amplifier)일 수 있다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 광 스캐너(210) 및 검출기 어레이(310)가 설명된다. 광 스캐너(210)는 마이크로 미러(211) 및 진동 지지축(212)을 포함할 수 있다. 마이크로 미러(211)의 반사면에는 금속 코팅막이 형성될 수 있다. 상기 금속 코팅막은 예를 들어, 금을 포함할 수 있고, 중적외선 파장에서의 반사율을 높일 수 있다. 진동 지지축(212)은 마이크로 미러(211)를 지지하고, 비틀림 탄성을 가질 수 있다. 검출기 어레이(310)는 복수의 검출기(311)를 포함할 수 있다. 검출기(311)는 빛을 흡수하는 광다이오드일 수 있다. 복수의 검출기(311)는 제 1 방향(DA) 및/또는 제 2 방향(DB)으로 배열될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 검출 챔버(100) 양단에 광 스캐너(210) 및 검출기 어레이(310)가 배치된다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 광 스캐너 및 검출기 어레이를 개략적으로 보여준다. 스캐너 구동기(220)는 광 스캐너(210)에 전기적으로 연결되어, 광 스캐너(210)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 스캐너 구동기(220)는 일정한 진동 주파수를 형성할 수 있고, 광 스캐너(210)는 스캐너 구동기(220)에 의해 수 kHz ~ 수 MHz의 속도 및 수 ~ 수십 도의 진동각으로 진동할 수 있다. 진동 지지축(212)은 정전기력(electro-static force) 등을 사용하여 마이크로 미러(211)를 일 방향 진동(one-direction rotation) 또는 두 방향 진동(two-direction rotation)시킬 수 있다. 예를 들어, 진동 지지축(212)은 마이크로 미러(211)를 제 1 방향(DA) 및/또는 제 2 방향(DB)으로 진동시킬 수 있다. 레이저 구동기(240)는 펄스 또는 직류 구동 전원을 레이저(230)에 제공할 수 있고, 상기 전원을 제공받은 레이저(230)는 광 스캐너(210)의 마이크로 미러(211)에 레이저 광을 제공할 수 있다. 마이크로 미러(211)는 상기 레이저 광을 반사하여 검출 챔버를 통해 검출기 어레이로 스캐닝하되, 상기 반사광은 상기 진동에 의해 일차원(예를 들어, 제 1 방향(DA) 또는 제 2 방향(DB)) 또는 이차원으로 스캐닝될 수 있다.
한편, 가스 제공부(400)는 가스 저장기(410)에 저장된 가스를 검출 챔버(100)에 제공한다. 가스 유량 조절기(420)는 검출 챔버(100)에 제공되는 가스의 유량을 조절한다. 상기 스캐닝된 반사광은 검출 챔버(100)에 제공된 가스를 통과하여 검출기 어레이(310)에 흡수된다. 검출기 어레이(310)는 검출기 구동기(320)에 의해 구동된다. 예를 들어, 검출기 구동기(320)는 검출기 어레이(310)에 흡수된 광 신호를 전자 신호로 변환할 수 있고, 상기 전자 신호를 증폭할 수 있다. 또 검출기 구동기(320)는 상기 증폭된 전자 신호를 제어부(500)의 위상민감 검출기(510)에 제공할 수 있다.
위상민감 검출기(510)는 스캐너 구동기(220) 및 검출기 어레이(310)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 위상민감 검출기(510)는 스캐너 구동기(220)에서 형성된 진동 주파수를 기준 주파수로 할 수 있다. 위상민감 검출기(510)는 상기 기준 주파수의 제곱근에 비례하여 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, S/N)가 개선될 수 있다. 따라서, 쵸퍼(chopper) 또는 전자 광학 모듈레이터(electro-optic modulator)레이저 광을 변조하여 그 변조 주파수를 기준 주파수로 하는 경우보다 개선된 신호를 얻을 수 있다.
위상민감 검출기(510)에 의해 검출기 어레이(310)에 의해 흡수된, 상기 스캐닝된 반사광의 광 신호(또는 상기 광 신호가 변환된 전자 신호)로부터 검출 챔버 내의 공간적인 데이터가 획득될 수 있다. 컴퓨터(520)는 위상민감 검출기(510)에 전기적으로 연결되어 위상민감 검출기(510)를 제어할 수 있고, 위상민감 검출기(510)에 의해 획득된 데이터를 처리하거나 디스플레이를 통해 상기 데이터를 표시할 수 있다.
도 1 및 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 가스 검출 방법이 설명된다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 가스 제공부(400)는 검출 챔버(100)에 가스를 제공한다. 가스 유량 조절기(420)는 가스 저장기(410)로부터 검출 챔버(100)로 제공되는 상기 가스의 유량을 조절할 수 있다. 한편, 레이저 구동부(240)로부터 펄스 또는 직류 구동 전원을 제공받은 레이저(230)는 광 스캐너(210)의 마이크로 미러(211)에 레이저 광(231)을 제공한다. 마이크로 미러(211)는 상기 레이저 광(231)을 반사하여 검출 챔버(100)에 반사광(232)을 제공한다. 이때, 스캐너 구동기(220)는 진동 지지축(212)에 진동 주파수를 제공할 수 있고, 위상민감 검출기(510)는 상기 진동 주파수를 기준 주파수로 할 수 있다. 상기 진동 주파수에 의해 진동 지지 축(212)은 마이크로 미러(211)를 일 방향, 예를 들어, 제 1 방향(DA)으로 진동시킬 수 있다. 상기 마이크로 미러(211)의 진동에 의해 반사광(232)은 제 1 방향(DA)으로 스캐닝될 수 있다.
스캐닝된 반사광(232)은 검출 챔버를 통과하여 검출기 어레이(310)에 제 1 방향(DA)으로 배열된 검출기(311)로 흡수된다. 검출기(311)는 제 1 방향(DA)으로 스캐닝된 반사광(232)을 흡수할 수 있다. 검출기 어레이(310)는 검출기 구동기(320)에 의해 구동될 수 있고, 상기 흡수된 반사광의 광 신호는 위상민감 검출기(510)로 제공된다. 위상민감 검출기(510)는 컴퓨터(520)에 의해 제어되어, 상기 광 신호로부터 검출 챔버의 공간적인 데이터, 예를 들어 검출 챔버 내 가스의 공간적 분포에 관한 데이터를 획득할 수 있다. 상기 데이터는 컴퓨터(520)에 의해 처리될 수 있고, 컴퓨터(520)의 디스플레이를 통해 표시될 수 있다.
상기 진동 지지축(212)의 진동에 의해 마이크로 미러는 다양한 방향으로 진동될 수 있다. 도 1 및 도 4를 참조하면, 진동 지지축(212)은 마이크로 미러(211)를 제 2 방향(DB)으로 일 방향 진동시킬 수 있다. 상기 마이크로 미러(211)의 진동에 의해 반사광(232)은 제 2 방향(DB)으로 스캐닝될 수 있다. 또, 도 1 및 도 5를 참조하면, 진동 지지축(212)은 마이크로 미러(211)를 두 방향으로 진동시킬 수 있다. 예를 들어, 진동 지지축(212)은 마이크로 미러(211)를 제 1 방향(DA) 및 제 2 방향(DB)으로 두 방향 진동시킬 수 있다. 상기 마이크로 미러(211)의 진동에 의해 반사광(232)은 이차원으로 스캐닝될 수 있다. 그러나 진동 방향은 다양하게 선택될 수 있으므로 본 발명이 상기 진동 방향에 의해 한정되어서는 안된다. 또, 마이크로 미러(211)에 일 방향 진동에 의해 반사광(232)이 일차원의 일 방향으로 스캐닝되더라도 검출기(311)는 제 1 방향(DA) 및 제 2 방향(DB)으로 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 레이저 광(231)이 마이크로 미러(211)의 진동에 의해 스캐닝되어 검출 챔버(100)에 제공됨으로써, 검출 챔버(100) 내 검출 대상 가스 분자들에 의한 반사광(232)의 산란 단면적이 넓게 확보될 수 있다. 따라서 검출 챔버(100)의 길이를 길게하지 않아도 레이저 광이 효율적으로 사용될 수 있고, 검출 챔버(100) 내 가스 검출이 용이하게 수행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 검출 장치의 광 스캐너 및 검출기 어레이를 개략적으로 보여준다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 가스 검출 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명 ♧
100 : 검출 챔버 200 : 광 공급부
210 : 광 스캐너 220 : 스캐너 구동기
230 : 레이저 240 : 레이저 구동기
300 : 광 검출부 310 : 검출기 어레이
320 : 검출기 구동기 400 : 가스 제공부
410 : 가스 저장기 420 : 가스 유량 조절기
500 : 제어부 510 : 위상민감 검출기
520 : 컴퓨터

Claims (12)

  1. 검출 챔버;
    상기 검출 챔버에 가스를 제공하는 가스 공급부;
    상기 검출 챔버의 일단에서 상기 검출 챔버 내부에 레이저 광을 제공하는 레이저와, 상기 레이저 광을 반사시켜 상기 검출 챔버 내부에서 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향에 교차되는 제 2 방향에 대해 일차원 또는 이차원으로 스캐닝하는 광 스캐너와, 상기 광 스캐너를 구동시키는 진동 주파수를 발생하는 스캐너 구동기를 구비한 광 공급부;
    상기 광 공급부에 대향되는 상기 검출 챔버의 타단에서 상기 검출 챔버 내부의 가스를 통과한 상기 레이저 광을 검출하고 상기 제 1 방향 또는 상기 제 2 방향으로 배열된 다수개의 검출기로 이루어진 검출기 어레이와, 상기 검출기 어레이를 구동시키는 검출기 구동기를 구비한 광 검출부; 및
    상기 스캐너 구동기에서 발생된 상기 진동 주파수를 기준 주파수로 사용하여 상기 검출기 어레이에서 검출되는 검출신호를 처리하는 위상민감 검출기를 구비한 제어부를 포함하는 가스 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광 스캐너는, 상기 레이저 광을 반사시키는 마이크로 미러와, 상기 마이크로 미러를 지지하면서 상기 진동 주파수에 따라 상기 마이크로 미러를 상기 제 1 방향 또는 상기 제 2 방향으로 진동시키는 진동 지지축을 포함하는 가스 검출 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 검출 챔버를 제공하는 단계;
    상기 검출 챔버에 가스를 제공하는 단계;
    상기 검출 챔버의 일단에 형성된 마이크로 미러를 진동 주파수에 따라 진동시키면서 상기 검출 챔버의 내부에 레이저 광을 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향에 교차되는 제 2 방향에 대해 일차원 또는 이차원으로 스캐닝하는 단계;
    상기 검출 챔버 타단에 형성된 검출기 어레이에서 상기 가스를 통과한 상기 레이저 광을 상기 제 1 방향 또는 제 2 방향으로 검출하는 단계; 및
    상기 검출 챔버 내에서 스캐닝되는 상기 레이저 광의 상기 진동 주파수를 기준 주파수로 사용하여 상기 검출기 어레이에서 검출되는 검출 신호를 처리하여 상기 검출 챔버 내부에 제공되는 상기 가스의 공간적인 정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 마이크로 미러는 상기 마이크로 미러를 지지하는 진동 지지축에 전달되는 상기 진동 주파수를 따라 진동되는 것을 특징으로 하는 가스 검출 방법.
  12. 삭제
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