KR101169207B1 - 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 또는 광학적으로 큰 민감성을 가지는 나노 구조체를 광섬유에 코팅하여 광섬유 센서를 형성함에 있어서 D형 광섬유에 브래그 (Bragg) 격자나 장주기 격자 형태, 또는 광섬유 끝단에 나노 물질 막을 생성하는 형태를 도입하고 이를 광섬유 센서 어레이로 만들어 혼합된 다중의 검지물이 각각의 나노 물질에 흡착하여 일으키는 굴절률 변화에 의해 반사 또는 투과 되는 센서 어레이 전체 광신호를 개별 센서에서의 신호 간 시간 지연 효과로 중첩을 방지하여 전체 신호를 구성한 후 전류 신호로 변환 후 굴절률 변화를 계산하고 각 센서에 의해 변화된 굴절률을 나타내는 방정식을 N×N 차 행렬식으로 처리하여 단일 측정으로도 가스의 종류와 혼합 성분을 정량화할 수 있는 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 적용되는 광섬유 센서로는 D형의 광섬유 브래그격자나 장주기 격자, 또는 광섬유 끝단에 나노물질 막을 형성한 패브리페롯 (FABRY-PEROT) 센서를 사용할 수 있으며, 이 D형 광섬유 센서의 경우에는 단면상 평평한 면의 코어 부분에, 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO), 이산화티타늄(TiO2), 이산화주석 (SnO2) 과 같은 나노 물질을 주기적으로 코팅 배열 하여 서로 다른 나노물질이 코팅 된 개별 센서를 어레이로 제작하고 D형 단면이 외측으로 배향되어 검지 물질에 노출 되도록 구성되며 패브리페롯 센서의 경우 광섬유 끝단에 각각의 상기 나노물질들을 균일 코팅하여 어레이로 제작된 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다. 또한, 펄 스 레이저로부터 광신호가 광섬유를 따라 진행하다 검지 대상 물체가 코팅된 나노 물질에 흡착되어 일으키는 굴절률 변화에 의해 반사 또는 투과 되어 나오는 파형의 특성 즉 파장의 이동과 세기의 변화를 계산하고 굴절률을 나타내는 방정식을 풀어 혼합 물질을 정성적, 정량적으로 측정할 수 있는 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법을 제공한다.
광섬유 센서, 가스 센서, 탄소나노튜브 가스 센서, D 형 광섬유, 브레그 격자 광섬유 센서, 가스 검출 장치, 혼합 가스 검출 장치

Description

혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법 {Method and apparatus for detecting and evaluating gas component in mixed gases}
본 발명은 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 다종의 나노물질이 도입된 광섬유 센서 어레이를 이용하여 혼합 가스의 가스 종류 및 혼합 성분을 정량화 할 수 있도록 구현된 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 혼합 가스의 성분 검출 방법에 관한 것이다.
과학과 산업의 발전에 따라 환경오염을 유발하는 유해 가스의 배출이 늘어나면서, 인류의 생존과도 직결된 각종 환경오염 문제가 발생하고 있다. 이에 따라, 각국은 가정용 및 산업용을 망라 하여 각종 기기에 대한 배출 가스 규제를 실시 또는 예고하고 있어 현시대에서 배출 가스의 문제는 가장 중요한 현안으로 부각되고 있다.
따라서, 이러한 배출 가스 규제 문제에 있어서, 배출가스 중 유해 가스 성분을 검출할 수 있도록 다양한 종류의 가스들이 혼합된 혼합 가스를 정확하게 검출해 낼 수 있는 장치가 요구되고 있다. 종래에는 가스 검출 장치로서 전류변화 감지식 센서를 사용하여 가스 성분을 검출하였으나, 유지 보수 측면과 검지 현장에서 센서 동작의 에너지 공급에 있어서 심한 문제점이 존재 하였다.
이와 관련하여, 현재 많이 사용되고 있는 박막이나 나노구조를 이용한 반도체 가스 센서나 MEMS 이용한 가스 센서의 경우, 가스 분자의 흡착에 따라 전기 전도도 또는 전기 저항이 변화하는 특성을 이용하여 전류 변화를 감지하는 방식으로 검출이 이루어지므로 현장의 전기적 에너지원 확보와 유지 보수, 그리고 센서 자체의 노화 등의 기술적인 한계점이 존재하였으며, 제작 과정에서 복잡한 반도체 공정을 필요로 하는 문제점이 존재하였다.
또한, 이러한 형태의 기존 센서는 하나의 소자에 의하여 한 종류의 가스에 대한 검출이 가능한 구성으로 혼합기체에 적용 시 센싱 감도와 변별력의 급격한 저하로 하나의 가스 성분만 검출할 수 있는 문제점을 가지고 있다.
한편, 종래 혼합 가스를 검출하는 다중 센싱의 개념은 단순히 소프트웨어적 접근 방법에 관한 것으로, 해당 가스 성분에 대한 혼합 검지 신호를 장시간 반복적인 학습 과정을 통한 패턴 인식 방법을 필요로 하는 것으로, 신호 처리 양과 속도에 큰 한계를 가지며, 센서의 노화에 따라 처음 학습된 프로그램을 사용할 경우 정확도가 급격히 감소하여 실용성에 문제가 있고, 다양한 가스 종류에 따라 소프트웨어에 과중한 부하가 걸려 패턴 인식의 효과를 기대하기 어려운 본질적인 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법에 있어서, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 환경에 민감한 여러 종류의 나노 물질을 이용한 센서 어레이 제작으로 검출 효율을 높이게 되는데, 나노 물질의 종류에 따라 검지 대상의 변화에 따른 굴절률 변화가 다르게 일어나는 성질을 응용하여 혼합 가스의 다양한 가스 성분을 검출할 수 있어, 패턴 인식에 필요한 비능률적인 학습 없이, 단일 센싱으로 효과적으로 혼합 가스 성분을 검출할 수 있는 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 광섬유 센서 어레이로부터 취득된 정보를 토대로 연산을 수행하여 다수의 가스 성분에 대한 정보를 정확하고 신속하게 검출할 수 있는 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 검지 대상물의 흡착에 따라 서로 다른 굴절율의 변화를 갖는 각각의 나노물질을 기반으로 제작된 n개(n≥2)의 개별 광섬유 센서를 어레이 형태로 만든 광섬유 센서 어레이와; 상기 광섬유 센서 어레이로부터 얻어지는 광신호를 전기적 신호로 변환하는 변환부와; 상기 광섬유 센서 어레이의 초기 굴절률 및 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율에 관한 데이터를 저장하는 데이터 저장부와; 상기 변환부로부터 변환된 전기적 신호를 전송받아 변 화된 검지 굴절률을 연산하여, 상기 검지 굴절률, 상기 광섬유 센서 어레이의 초기 굴절률 및 상기 데이터 저장부로부터의 굴절률의 변화율이 이루는 관계식에 따라 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 연산부를 포함하여 이루어지는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 광섬유 센서 어레이는 D형 광섬유의 평평한 면에 나노 물질이 브래그 격자 또는 장주기 격자 형태로 코팅된 n개(n≥2)의 D형 광섬유 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 광섬유 센서 어레이는 광섬유의 끝단에 나노 물질의 박막이 형성된 n개(n≥2)의 광섬유 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 광섬유 센서 어레이의 나노 물질은 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO), 이산화 티타늄(TiO2), 이산화주석 (SnO2)으로 이루어진 일군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
그리고,상기 광섬유 센서 어레이는 상기 D형 광섬유 센서의 격자면이 검지물질에 노출되도록 배향되어 순차적으로 나열된 다수의 광섬유 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 광섬유 센서 어레이는 상기 D형 광섬유 센서의 격자면이 검지물질에 노출되도록 배향된 군집 형상의 다수의 광섬유 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 연산부는 상기 관계식의 해가 1개, 2개, … n-1개, n개 인 경우 에 대하여 순차적으로 연산을 수행하고, 음수의 해는 버리고 다음 연산 과정을 계속 수행하여 양수의 해가 존재하는 경우 연산을 종료하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
이 때, 상기 광섬유 센서 어레이의 n개(n≥2)의 광섬유 센서로부터 취득되는 각각의 광신호를 구별할 수 있도록 상기 변환부에 연결되는 상대적 시간 지연 수단을 더 포함하는 것을 특징으로는 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 시간 지연 수단은 각 광섬유 센서로부터 상기 변환부에 연결되는 서로 다른 길이의 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
더불어, 상기 연산부에서 연산된 혼합 가스의 성분 및 함량에 관한 데이터를 출력하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 제공한다.
한편, 본 발명은 다수의 광섬유 센서를 포함하는 광섬유 센서 어레이에서의 초기 굴절률 및 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율 데이터를 저장하는 단계와; 광원으로부터 전송된 광신호가 상기 광섬유 센서 어레이에 의해서 변화되어 측정되는 단계와; 측정된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계와; 상기 전기적 신호로부터 변화된 검지 굴절률을 연산하여, 상기 검지 굴절률, 상기 광섬유 센서 어레이의 초기 굴절률 및 상기 데이터 저장부로부터의 굴절률의 변화율이 이루는 관계식을 연산하여 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 단계로 이루어지는 혼합 가스의 성분 검출 방법을 제공한다.
이 경우, 상기 다수의 광섬유 센서로부터 변화된 검지 굴절률로 반사되는 각각의 광신호가 간섭되지 않도록 전기적 신호로 변환하기 전에 각 신호에 대하여 서로 다른 시간 지연을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 방법을 제공한다.
또한, 연산된 혼합 가스의 성분 및 함량에 대한 데이터를 외부로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 방법을 제공한다.
여기서, 상기 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 단계는 상기 관계식의 해가 1개, 2개, … n-1개, n개 인 경우에 대하여 순차적으로 연산을 수행하고, 해가 존재하는 경우 연산을 종료하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따라 하나의 센싱 모듈에서 혼합 가스의 성분을 단일 센싱에 의해 분석하고 가스의 구성 및 양을 밝혀내는 고효율 고감도 센싱을 실현할 수 있다. 모든 로컬 센서는 중앙 통제 형식으로 동작하며 로컬 파워를 필요로 하지 않기 때문에 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있으며 나노 물질을 사용하여 센서의 감도를 획기적으로 높일 수 있어 단순한 모듈의 교체로 유지 및 관리가 용이한 장점을 가진다.
광 신호를 이용한 기체 센서는 현재 사용되는 벌크 형태의 가스 센서가 수 백도의 고온에서 동작함으로서 열화에 의해 짧은 수명을 갖는 문제점과 검지 전류에 의한 가스 폭발의 위험성을 완전히 극복함으로서 주변 환경에 영향을 거의 받지 않는 안전하고 효과적인 센싱이 가능하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 검출단에 탄소나노튜브(CNT; Carbon NanoTube)나 산화 아연(ZnO)과 같은 나노 물질이 도포된 광섬유 센서 어레이로부터 취득된 신호를 전기 신호로 변환한 후 컴퓨터에서 인식할 수 있는 디지털 신호로 바꾸어 미리 저장된 데이터 및 검출된 데이터에 의한 관계식으로부터 연산부의 소정의 연산 과정에 따라 연립 방정식의 해를 구함으로서 검지물에 해당하는 가스의 성분 및 정량적 수치를 단일 측정에 의해 효과적으로 검출할 수 있는 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법을 제공한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치 및 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치의 개략적인 구성을 도시하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치는 펄스 레이저(12)와 다수의 광섬유 센서(11)가 포함된 광섬유 센서 어레이(10)와 변환부(20)를 포함하여 이루어지는 검출단과, 상기 검출단으로부터 검출되어 전송되는 전기적 신호로부터 혼합 가스의 조성에 관한 정보를 연산하는 연산부(40)를 포함하는 계측단으로 이루어진다.
본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치에서 사용될 수 있는 개별 광섬유 센서로서, D형의 광섬유 브래그 격자나 장주기 격자 센서 또는 광섬유 끝단에 나노물질이 배치된 패브리페롯 광섬유 센서가 사용될 수 있으며, 이러한 광섬유 센서의 구조는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 D형의 광섬유 브래그 격자 센서를 도시하고 있는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 D형의 광섬유 브래그 격자 센서는 광섬유 코어(2)와 클래딩(4)으로 구성되는 광섬유의 클래딩 일부가 제거되어 형성된 평평한 단면(3)에 광섬유 코어의 길이방향에 따라 격자 형태로 나노 물질(1)을 코팅하여 형성한 센서로서, 펄스 레이저로부터 전송되는 광신호(5)가 나노 물질(1)이 이루는 격자에 의하여 선별된 광신호에 해당하는 검출신호(6)를 측정하도록 구성된다. 또한, 투과형 센서인 장주기 격자 형태의 광섬유 센서를 구성하여 검출신호를 측정하도록 구성할 수 있다.
한편, 도 3에서와 같이, 본 발명에서 사용되는 광섬유 센서는 광섬유 끝단에 박막 형태로 나노 물질을 도포한 패브리페롯 광섬유 센서로 구성하여, 상기 나노 물질의 박막에 의하여 반사된 검출신호(6)를 측정하도록 구성할 수 있다.
이하, 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 구성하는 혼합 가스의 성분 검출 장치를 일 실시예로서 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치는 펄스 레이저(12)로부터 발생된 광신호가 순환기(circulator; 13)를 통하여 다수의 광섬유 센서(11)가 포함된 광섬유 센서 어레이(10)로 전송되도록 구성된다. 상기 순환기(13)는 펄스 레이저(12)로부터 인가되는 광신호는 광섬유 센서로만 전송되고, 상기 광섬유 센서로부터 반사되는 검출신호는 변환부(20) 측으로 전송되도록 제어하는 장치이다. 또한, 바람직하게는 상기 광섬유 센서 어레이와 순환기 간에는 다수의 광섬유 센서 각각으로부터 반사되는 검출신호 간 간섭이 발생하지 않아 정확한 검출신호를 전송할 수 있도록 하는 시간 지연 수단(14)가 연결되도록 구성한다. 상기 시간 지연 수단(14)은 각 광섬유 센서로부터의 검출 신호가 순환기를 거쳐 변환부에 전송되는 시간을 제어하여 상대적인 시간 지연을 유도하는 수단으로서, 바람직하게는 별도의 장비 없이 연결되는 광섬유의 길이를 조절함으로써 구현할 수 있다.
한편, 상기 광섬유 센서 어레이(10)에서 반사된 검출신호는 시간 지연 수단(14), 순환기(13)를 거쳐 변환부(20)로 전송되는데, 상기 변환부에서는 전송된 광신호를 연산에 적합한 전기적 신호로 변환할 수 있도록 구성된다. 상기 변환부는 광신호를 전기적 신호로 변환하는 포토다이오드(21)와 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환기(22)로 구성함이 바람직하다.
상기 변환기(20)로부터 변환된 전기적 디지털 신호는 연산부(40)로 전송되며, 상기 연산부에서는 전송된 디지털 신호와 데이터 저장부(30)에 미리 입력된 각각의 광섬유 센서의 초기 굴절률 및 다양한 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율에 관한 데이터에 대한 관계식으로부터 검지물인 혼합 가스의 성분 및 함량을 계산하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치에서는 계산된 혼합 가스의 성분 및 함량을 외부로 출력하는 출력부(50)를 포함하도록 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치의 검출단의 구성을 상세하게 도시하고 있는 것으로, 특히, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치 중 광섬유 센서 어레이(10)의 형태를 상세하게 도시하고 있다.
본 발명에 따른 광섬유 센서 어레이(10)는 도 4의 상측에 도시된 바와 같이, 다수의 광섬유 센서가 순차적으로 나열된 형태의 광섬유 센서 어레이로 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치에서는 다수의 광섬유 센서의 D형 광섬유 센서의 격자 면이 외측으로 배향되어 군집된 형상의 광섬유 센서 어레이로 구성할 수 있다. 이러한 형상의 광섬유 센서 어레이는 제한된 검지 동작을 통해 효과적으로 혼합 가스 성분을 검지할 수 있다. 또한, 상기 광섬유 센서 어레이로부터 보내져 시간 지연 수단(14)을 통과한 검출 신호를 조합하여 변환부로 전송하는 조합기(combiner; 15)가 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치에서 투과형 센서인 장주기 격자형 센서를 사용하는 경우, 검출단의 구체적인 구성을 도시한 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 투과되어 검출되는 광신호를 출력하기 위하여 검출 신호를 조합하여 변환기로 전송하는 조합기(17)를 포함하는 광섬유 라인을 배치한다.
한편, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치 중 광섬유 격자 센서를 포함한 혼합 가스의 성분 검출 장치의 경우, 연산부에서 혼합 가스의 성분 및 함량이 분석되는 과정을 설명하기 위하여 연립 방정식의 유도 과정 및 이러한 연립 방정식의 해를 연산하는 과정은 다음과 같다.
광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG)의 경우 센서의 반사 파장(λB)은 격자의 굴절율(n)과 격자 간격(Λ)에 의해서 결정된다.
Figure 112009043419082-pat00001
나노 물질의 격자 간격을 500 nm로 하면 광통신에 사용되는 1550nm 의 파장 대에 반사가 일어나는 광섬유 브래그 격자 센서를 제작할 수 있다. 반사되는 파형의 파장은 식 (1)에 의해 결정되는데 기체 분자가 나노 격자에 포획되면 격자의 굴절률이 변하게 되므로 반사파의 파장 변화에 의해 입사광의 스펙트럼의 중심을 벗어난 반사 펄스의 세기 변화를 검출하여 격자를 이루고 있는 물질의 검지물에 의한 굴절률 변화를 알아낼 수 있다.
각 광섬유 센서에서 나오는 광 신호는 시간 지연 수단을 지나 조합기에서 합 해지게 되지만 시간 지연 수단을 다르게 설정하여, 예를 들면,
1 cm 길이의 광섬유가 구성하는 시간 지연 수단 -> 100 ps의 시간 지연 효과
2 cm 길이의 광섬유가 구성하는 시간 지연 수단 -> 200 ps의 시간 지연 효과
와 같이 반사 신호를 각기 다른 시간 지연으로 나누어 합해지는 과정에서 각 광섬유 센서에서 나오는 검출 신호는 자연적으로 코드화 된다.
펄스의 스펙트럼은 반폭치(FWHM; Full-Width Half-Maximum)의 I(2σ)이상 값인 솔리톤 파형의 영역을 가우시안 함수 형태의 파형으로 근사시키면 반사광의 세기는
Figure 112009043419082-pat00002
와 같이 나타낼 수 있다.
( I0 는 λ0 일 때, 즉 검지 물질이 없을 때의 반사광의 세기
2σ 는 반폭치(FWHM) 값
λB 는 식(1)에 의해 결정되는 반사광의 파장 )
식 (1)을 식 (2)에 대입하고 n을 구하면
Figure 112009043419082-pat00003
검지물에 의한 굴절률은 항상 증가하므로 [2σ 2 ln(I 0 /I out )] 1/2 의 부호는 '+', 즉, 양수가 된다.
식 (3)과 관련하여, 검지물의 농도가 올라갈 때 굴절률이 선형적으로 변한다면,
Figure 112009043419082-pat00004
와 같이 쓸 수 있다.
( ni 는 특정 나노물질을 사용한 각 광섬유 센서의 굴절률
s는 특정 나노물질상의 흡착에 의한 각 물질의 농도 증가에 따른 굴절률의 변화율 (굴절률-농도 그래프의 기울기)
δ 는 굴절률 변화를 일으키는 가스 성분의 양 )
이 때, δ 는 검지 대상물의 종류에 따라 각각 x, y, z, ω, …등으로 서로 다르게 주어진다.
이러한 각각 가스 성분의 양(δ) 및 각 광섬유 센서에 코팅된 나노물질의 변화된 굴절률(ni) 간의 관계는 아래 그래프의 예와 같다. (n0i 는 각 광섬유 센서의 초기 굴절률이다.)
Figure 112009043419082-pat00005
A, B, C, D 는 서로 다른 종류의 가스 성분을 의미하는 것으로 해당 광섬유 센서의 초기 굴절률(n0i)에 대하여, 서로 다른 가스 성분의 양(δ)의 독립적인 변화 에 따라 서로 다른 굴절률의 변화율에 의하여 굴절율이 다르게 변화됨을 알 수 있다.
이와 같이 서로 다른 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율(s)은 을 각각 ai, bi, ci, di로 주어지며, 각각의 다른 나노물질 기반의 광섬유 센서에 대응하는 굴절률의 변화율은 ai, bi, ci, di (i=1, 2, 3, 4)로 측정될 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 방법에서, 4가지 물질을 검지할 수 있는 센서를 구성하려고 할 때, δ는 각 물질에 대해 x, y, z, ω에 해당되며, s는 ai, bi, ci, di (i=1, 2, 3, 4)에 대응되므로, 4개의 개별 센서에서 얻어진 굴절률은
Figure 112009043419082-pat00006
-------- 식(5)
(단, 이때 s는 각기 다른 값을 가지고 있다. 각 센서로 사용되는 나노 물질을 다른 종류를 사용하여 검지물에 의해 굴절률이 바뀌는 정도가 서로 다르게 함으로 광섬유 센서 어레이의 제작 과정에서 구현 가능하다.)
식 (5)의 각 x, y, z, ω의 계수의 값을 행렬 M이라 하면 위 식은
Figure 112009043419082-pat00007
이고, 각 기체의 성분 x, y, z, ω의 값은
Figure 112009043419082-pat00008
와 같이 구해진다.
식 (7)을 수행하는 방법은 다음과 같은 [과정1] 내지 [과정4]의 단계를 거치는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 수행될 수 있다. 하기의 과정은 해당 가스양을 의미하는 해에 대하여, 실제로 존재하지 않는 해인 음수의 해가 출력되어 지는 것을 방지하기 위한 연산 방법으로서 음수의 해가 구해지면 버리고 양수의 해가 나올 때까지 연산을 반복 수행함으로서, 아래와 같은 과정을 거쳐 연산을 수행하는 경우, 정확한 가스 조성에 대한 해를 구할 수 있다.
[과정 1]
Figure 112009043419082-pat00009
우선, 식 (5)가 최초에 단일한 하나의 해를 갖는 경우로 가정하여, 연립 방정식의 해를 구하는 과정을 거치는데, 이 경우, 방정식 P1, P2, P3, P4 가 지시하는 4 개의 식이 하나의 단일한 해 x를 갖는 경우, y = z = ω = 0 이며 혼합 가스는 한 종류의 가스로 구성되는 것을 의미한다.
만일 4개의 P1, P2, P3, P4 방정식에서 x의 값이 모두 동일하지 않으면, x = z = ω = 0 의 경우에 따른 연산을 수행하여 4개의 방정식에서 얻어진 y 값을 비교하여 동일한지 검토한다. 이어서 y가 서로 동일하지 않으면 다른 변수 (z 와 ω)에 대해서도 같은 과정을 거쳐 단일 가스만 존재하는지 확인한다.
[과정 2]
P1, P2, P3, P4 의 4개의 식을 이용하여 x, y의 값을 찾기 위해 두식을 선택하는 경우의 수는 6가지가 있으며, 이때 z = ω= 0 으로 주어진다. 6번의 연산을 수행하여 얻은 6쌍의 x, y의 값이 모두 일치하면, 두 종류의 가스가 입력되었다고 판단할 수 있다.
x, y, z, ω 중 0이 아닌 두 개의 양수 값이 존재할 경우의 수가 6가지 있으므로 x, y, z, ω 중 두 개의 값을 0으로 하여 순차적으로 연산을 할 경우 36회의 연산을 반복 수행한다.
위 연산을 수행하여 두 종류의 가스와 양을 각각 알 수 있다.
[과정 3]
P1, P2, P3, P4 에서 x, y, z의 값을 구하기 위해 세 개의 방정식을 선택하는 방법의 수는 4가지가 있으며, 각각 구한 4쌍의 x, y, z 값이 모두 일치하면, 세 종류의 가스가 혼합되어 있는 것으로 판단된다.
x, y, z, ω 중 하나의 값만 0 이고 나머지 세 개의 값이 존재할 경우의 수가 4가지 있으므로 해가 구해지지 않으면 순차적으로 연산을 반복할 경우 16회의 연산을 수행한다.
[과정 4]
[과정 4]에서는 위 과정 1, 2, 3 어느 것에도 해를 찾지 못했을 경우 최종 연산을 식 (7)을 수행하여 4개 혼합 가스의 경우로 판단하여 x, y, z, ω의 값을 찾아낸다.
[과정 1]에서 일차 방정식의 해를 구하는 연산 16회와 과정 2, 과정 3, 과정 4에서 행렬식을 이용하여 36+16+1 회의 반복 연산을 수행하여 센싱에 대한 분석을 마칠 수 있다.
한 번의 연산은 [과정 1]부터 [과정 4]까지를 모두 수행하게 되어 있으나 해가 구해지면 연산을 종료하고 얻어진 값을 출력한다. 센싱이 가능한 모든 조합의 가스에 대하여 용량 증가에 따른 굴절률 변화 특성이 각각 검지할 가스의 종류를 알아내기 위해 미리 입력되어 있어야 한다. 모든 가스의 조합에 의해 변하는 굴절률 변화 또한 선형적인 특성을 가지고 있으므로 선형 영역 내의 계산 가능한 값에서 센서의 측정 범위를 정할 수 있다.
개별 센서의 개수를 N개로 확장할 수 있으며 동일한 방법을 이용하여 다양한 종류의 혼합 가스의 검출이 가능하다. 컴퓨터 프로그램을 작성할 때 x, y, z, ω의 값은 항상 양수의 값만 해로 취할 수 있도록 초기 조건을 설정해 주어야 하며 기울기의 행렬인 δ의 계수의 값들인 행렬 M 은 역행렬이 존재하여야 한다. 센서를 제작할 때 인위적으로 설정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 방법을 순서대로 도시하고 있는 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 혼합 가스의 단일 측정에 의한 성분 검출 방법은 광섬유 센서 어레이에서의 초기 굴절률 및 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율 데이터를 저장하는 초기 단계(100), 광원인 펄스 레이저로부터 광신호를 조사하는 단계(110), 전송된 광신호가 다수의 개별 광섬유 센서에 의하여 변화 되어져 측정되는 단계(120), 얻어진 광신호를 시간 지연 수단에 의하여 전송하여 전체 신호를 구성하는 단계(130), 측정된 광신호를 전기적 신호로 변환하는 단계(140), 상기 전기적 신호로부터 변화된 검지 굴절률을 검출하는 단계(150), 상기 검지 굴절률, 상기 광섬유 센서 어레이의 초기 굴절률 및 상기 데이터 저장부로부터의 굴절률의 변화율이 이루는 관계식을 연산하여 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 단계(160), 검출된 가스 성분 및 함량에 대한 결과를 출력하는 단계로 구성된다.
특히, 상기 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 단계(160)는 상술한 바와 같이 연립 방정식의 해를 구하는 연산 과정을 통하여 계산되는 것으로서, 한 번의 측 정으로 정확하고 높은 정밀도로 혼합 가스의 성분 및 함량을 검출할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치의 개략적인 구성을 도시하고 있는 구성도.
도 2는 본 발명에서의 광섬유 센서에 대한 일 구현예의 구조를 도시하고 있는 사시도.
도 3은 본 발명에서의 광섬유 센서에 대한 또 다른 일 구현예의 구조를 도시하고 있는 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 센서 어레이에서 각 광섬유 센서의 구체적인 배열을 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 장치에서 투과형 센서용 검출단의 구성도.
도 6는 본 발명에 따른 혼합 가스의 성분 검출 방법을 순서대로 도시하고 있는 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 나노 물질 2: 광섬유 코어
3: D형 광섬유 단면 4: 광섬유 클래딩
5: 광신호 6: 검출 신호
10: 광섬유 센서 어레이 11: 광섬유 센서
12: 펄스 레이저 13: 순환기
14: 시간 지연 수단 15: 조합기
20: 변환기 21: 포토다이오드
22: A/D 변환기 30: 데이터 저장부
40: 연산부 50: 출력부

Claims (14)

  1. 검지 대상물의 흡착에 따라 서로 다른 굴절율의 변화를 갖는 서로 다른 나노물질을 기반으로 제작된 n개(n≥2)의 개별 광섬유 센서를 어레이 형태로 만든 광섬유 센서 어레이와;
    상기 광섬유 센서 어레이의 각 개별 광섬유 센서로부터 얻어지는 각각의 광신호를 전기적 신호로 변환하는 변환부와;
    상기 광섬유 센서 어레이의 각 개별 광섬유 센서로부터 반사되는 각각의 광신호를 구별할 수 있도록 상기 변환부에 연결되는 시간 지연 수단과;
    상기 광섬유 센서 어레이의 각 개별 광섬유 센서의 초기 굴절률 및 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율에 관한 데이터를 저장하는 데이터 저장부와;
    상기 변환부로부터 변환된 각 개별 광섬유 센서에 대한 전기적 신호를 전송받아 변화된 검지 굴절률을 연산하여, 상기 검지 굴절률, 각각의 개별 광섬유 센서의 초기 굴절률 및 상기 데이터 저장부로부터의 굴절률의 변화율이 이루는 n개의 관계식에 따라 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 연산부;
    를 포함하여 이루어지는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 광섬유 센서 어레이는 D형 광섬유의 평평한 면에 나노 물질이 브래그 격자 또는 장주기 격자 형태로 코팅된 n개(n≥2)의 D형 광섬유 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광섬유 센서 어레이는 광섬유의 끝단에 나노 물질의 박막이 형성된 n개(n≥2)의 광섬유 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 광섬유 센서 어레이의 나노 물질은 탄소나노튜브(CNT), 산화아연(ZnO), 이산화 티타늄(TiO2), 이산화주석 (SnO2)으로 이루어진 일군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 광섬유 센서 어레이는 상기 D형 광섬유 센서의 격자면이 검지물질에 노출되도록 배향되어 순차적으로 나열된 다수의 광섬유 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 광섬유 센서 어레이는 상기 D형 광섬유 센서의 격자면이 검지물질에 노출되도록 배향된 군집 형상의 다수의 광섬유 센서로 이루어지 는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 연산부는 상기 관계식의 해가 1개, 2개, … n-1개, n개 인 경우에 대하여 순차적으로 연산을 수행하고, 해가 존재하는 경우 연산을 종료하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 시간 지연 수단은 각 광섬유 센서로부터 상기 변환부에 연결되는 서로 다른 길이의 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 연산부에서 연산된 혼합 가스의 성분 및 함량에 관 한 데이터를 출력하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 장치.
  11. 검지 대상물의 흡착에 따라 서로 다른 굴절율의 변화를 갖는 서로 다른 나노물질을 기반으로 제작된 n개(n≥2)의 개별 광섬유 센서를 포함하는 광섬유 센서 어레이에서 각각의 개별 광섬유 센서에 대한 초기 굴절률 및 가스 성분에 대한 굴절률의 변화율 데이터를 저장하는 단계와;
    광원으로부터 전송된 광신호가 상기 광섬유 센서 어레이에 의해서 변화되어 측정되는 단계와;
    측정된 광신호를 전기적 신호로 변환하되, 상기 광섬유 센서 어레이로부터 얻어지는 각각의 광신호가 간섭되지 않도록 전기적 신호로 변환하기 전에 각 신호에 대하여 서로 다른 시간 지연을 제공하는 단계와;
    상기 전기적 신호로부터 각 개별 광섬유 센서에 대한 변화된 검지 굴절률을 연산하여, 상기 검지 굴절률, 각각의 개별 광섬유 센서의 초기 굴절률 및 상기 데이터 저장부로부터의 굴절률의 변화율이 이루는 n개의 관계식을 연산하여 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 단계;
    로 이루어지는 혼합 가스의 성분 검출 방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서, 연산된 혼합 가스의 성분 및 함량에 대한 데이터를 외부로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 방법.
  14. 청구항 11 또는 청구항 13에 있어서, 상기 혼합 가스의 성분 및 함량을 구하는 단계는 상기 관계식의 해가 1개, 2개, … n-1개, n개 인 경우에 대하여 순차적으로 연산을 수행하고, 해가 존재하는 경우 연산을 종료하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스의 성분 검출 방법.
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