KR101303599B1 - 적외선 광학계 보정용 진공 흑체 챔버 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이스에 수용되는 흑체; 흑체를 가열 또는 냉각하는 열전소자; 열전소자와 흑체를 둘러싸는 제1공간; 제1공간의 온도를 유지하도록 보온하는 히트 실드; 히트실드를 수용하는 제2공간; 제2공간의 온도를 유지하도록 보온 또는 보냉하는 콜드실드; 흑체에 적외선 파장만을 통과시키는 렌즈; 제1공간을 진공상태로 형성하는 진공포트;를 포함하여 이루어지는 진공 흑체 챔버에 있어서,
상기 히트 쉴드는 원통형 몸체는 투과홀측에 위치하는 단부에 캡을 씌워 형성하되, 상기 캡은 그 중앙부에 투과홀과 동일한 크기의 관통공을 형성하고, 상기 콜드 쉴드는 일정길이의 원통을 가지는 원통부를 형성하고, 흑체측은 쿨링플레이트로 밀폐하며, 투과홀측은 원통부를 일정길이로 연장하여 개구된 원통으로 형성하되, 상기 원통부의 원주에는 등간격으로 8개의 장홀(15a)을 형성하며, 상기 쿨링플레이트(16)의 일측 단부에는 일정크기와 깊이를 가지는 원형홈(12a)을 형성하도록 한다.
그리고 상기 렌즈는 흑체에서 발산되는 파장 중 3 ~ 12㎛의 적외선 파장대만을 필터링하여 적외선이 흡수되거나 손실되지 않으면서 외부로 방출되도록 렌즈 직경의 8 ~ 10%로 형성하도록 한다.
또한 상기 제1공간과 제2공간의 진공을 형성하는 진공포트는 짧은 시간 내에 진공도 10^-2 ~ 10^-10mbar에 상당하는 초고진공 상태가 이루어지도록, 흑체 케이스의 단부에 진공포트를 형성하고, 흑체 하우징의 원주에 진공 상태를 확인하는 진공 게이지 포트를 형성하여 신뢰성이 확보되면서 측정성능과 측정효율이 향상된 진공 흑체 챔버를 제공하는 것이다.

Description

적외선 광학계 보정용 진공 흑체 챔버 장치{Vacuum blackbody chamber for calibration of the IR optical system}

본 발명은 적외선 광학계 보정을 위한 진공 흑체 챔버 장치로서, 보다 상세하게는 진공 챔버 내부에 있는 흑체의 온도를 영하 및 상온에서 안정하게 제어할 수 있도록 챔버 내부에 균일한 온도분포를 형성시키는 구조를 구비하는 흑체 챔버 장치에 관한 것이다.

흑체는 모든 온도를 측정하는 기본적 장비로서, 우리가 사용하는 통상의 온도계와 열영상, 그리고 전기, 전자적 온도센서를 표준화하는 기본장비로 사용된다. 흑체는 현대 사회의 전자 및 기계, 화학 분야에 걸쳐 폭 넓게 사용되고 있는데 이는 우리가 에너지를 다루는 분야가 거의 모든 산업에 확산되어 있기 때문이다.

실예로 로봇의 경우 전, 후방 진행시 물체를 열영상으로 인지하기 때문에 열영상 정보를 행동의 절대적 기준으로 삼는다. 그런데 열영상 정보는 인간이 감지 못하는 적외선 대역에 있어 감지가 불가능하며 또한 적외선의 분포는 대기 중 가장 흡수율이 적어 원거리 시야 확보뿐만 아니라 근거리까지 감지할 수 있다.

이와 같은 적외선 감지기술은 우주의 자연 상에 존재하는 에너지를 감지하는 것이므로, 일반적인 카메라와 달리 조명이 필요 없고, 첨단의 전자회로설계와 광학적 기술이 융합된 적외선 센서에 의해 감지하고 있으며, 이러한 적외선 복사에너지를 감지하는 적외선 센서는 온도의 보정과 성능 평가를 위해서 흑체를 사용한 측정장비가 사용되고 있다.

흑체를 사용한 측정장비에 관한 종래기술로서 본 출원인이 공지한 바 있는 진공 흑체 챔버는 도 1에 도시한 바와 같은, 흑체(30)와 흑체를 가열하고 냉각하는 열전소자(40), 열전소자와 흑체를 둘러싸는 공간의 온도를 유지하고 보온하는 히트 쉴드(50), 히트 쉴드를 수용하는 공간의 온도를 유지하고 보온 및 보냉하는 콜드 쉴드(60), 흑체에 8 ~ 12㎛ 범위의 적외선 파장만을 통과시키는 렌즈(20) 및 진공포트 구성을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

그런데 적외선 광학계를 보정하기 위해서는 참고 장비인 흑체의 전 구간에서 온도가 균일하게 분포되어야 하고, 내부의 전체에 열 또한 균일하게 분포되고 균일하게 유지되어야 한다.

그러나 상기 종래의 진공 흑체 챔버는 도 2에 도시한 바와 같이, 열전소자와 흑체를 둘러싸는 공간의 온도를 유지하고 보온하는 콜드 쉴드(60)의 단부에 원판형의 차단부가 형성되어 있다.

이러한 구조로 인해 도 3에 도시한 바와 같이, 열전소자와 흑체를 둘러싸는 공간에서 상기 차단부위의 온도가 낮으며 온도 분포가 일정하지 않게 되어, 적외선 센서의 온도 보정과 성능평가를 위한 측정시 측정시마다 측정 값에 차이가 발생되어 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있으며, 또한 일정 수준 이상의 진공도 달성에 장시간이 소요됨에 따라 측정시간이 과다하게 소요되고, 또한 렌즈에서 흑체로 진행시키는 적외선 파장의 범위가 좁아서 측정 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 적외선 센서의 온도보정 및 성능평가의 신뢰성이 확보되며 측정대역이 확대되는 등의 측정성능과 효율이 향상된 장비개발이 시급한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 진공 흑체 챔버에 있어서, 흑체의 열전소자와 흑체 사이에 형성되는 공간의 온도를 공간 전체에 걸쳐 균일하고 안정적으로 유지하고 보온할 수 있으며, 진공기능의 향상 및 흑체에 전달되는 적외선 파장의 범위를 확대하여 측정 성능과 측정의 신뢰성이 향상된 진공 흑체 챔버를 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 케이스에 수용되는 흑체; 흑체를 가열 또는 냉각하는 열전소자; 열전소자와 흑체를 둘러싸는 제1공간; 제1공간의 온도를 유지하도록 보온하는 히트 실드; 히트실드를 수용하는 제2공간; 제2공간의 온도를 유지하도록 보온 또는 보냉하는 콜드실드; 흑체에 적외선 파장만을 통과시키는 렌즈; 제1공간을 진공상태로 형성하는 진공포트;를 포함하여 이루어지는 진공 흑체 챔버에 있어서,

상기 히트 쉴드는 원통형 몸체는 투과홀측에 위치하는 단부에 캡을 씌워 형성하되, 상기 캡은 그 중앙부에 투과홀과 동일한 크기의 관통공을 형성하고, 상기 콜드 쉴드는 일정길이의 원통을 가지는 원통부를 형성하고, 흑체측은 쿨링플레이트로 밀폐하며, 투과홀측은 원통부를 일정길이로 연장하여 개구된 원통으로 형성하되, 상기 원통부의 원주에는 등간격으로 8개의 장홀(15a)을 형성하며, 상기 쿨링플레이트(16)의 일측 단부에는 일정크기와 깊이를 가지는 원형홈(12a)을 형성하도록 한다.

그리고 상기 렌즈는 흑체에서 발산되는 파장 중 3 ~ 12㎛의 적외선 파장대만을 필터링하여 적외선이 흡수되거나 손실되지 않으면서 외부로 방출되도록 렌즈 직경의 8 ~ 10%로 형성하도록 한다.

또한 상기 제1공간과 제2공간의 진공을 형성하는 진공포트는 짧은 시간 내에 진공도 10^-2 ~ 10^-10mbar에 상당하는 초고진공 상태가 이루어지도록, 흑체 케이스의 단부에 진공포트를 형성하고, 흑체 하우징의 원주에 진공 상태를 확인하는 진공 게이지 포트를 형성하여 신뢰성이 확보되면서 측정성능과 측정효율이 향상된 진공 흑체 챔버를 제공하도록 한다.

본 발명에 따르면 진공 흑체 챔버의 열전소자와 흑체를 둘러싸는 제2공간을 형성하는 콜드 실드의 일측 단부를 원통형으로 형성함으로써, 제1, 2공간의 온도가 균일하게 분포되고 일정하게 유지됨으로써 열 손실을 방지하여 적외선 광학계 보정시 오차를 최소화해서 흑체장비의 신뢰성을 높이며, 진공 흑체 챔버의 케이스 외부로부터 영향을 받지 않고 보온 또는 보냉의 기능을 완벽하게 수행할 수 있게 되는 작용효과가 발생된다.

또한 진공 흑체 내부의 제1, 2 공간을 짧은 시간 내에 초고진공으로 형성하고 진공상태를 안정적으로 유지함으로써, 측정 준비시간과 측정시간은 단축하여 단시간 내에 많은 센서의 측정이 가능하고 쉽게 반복하여 신뢰성 있는 측정이 가능한 효과가 발생된다.

그리고 렌즈의 파장통과 대역을 확대함으로써 흑체로 진행시키는 적외선 파장의 범위를 넓혀 다양한 파장대의 적외선 측정기를 측정할 수 있는 측정효율이 향상되는 효과가 발생되며, 측정회수에 따른 오차범위를 ±1mK 이내로 줄이는 동시에 측정오차 또한 83% 정도를 줄이는 효과가 발생된다.

즉, 본 발명에 따라 적외선 센서의 온도보정 및 성능평가의 신뢰성이 확보되면서 측정성능과 측정효율이 향상된 진공 흑체 챔버를 구현하는 작용효과가 발생되는 것이다.

도 1은 종래기술의 진공 흑체 챔버 사시도.
도 2는 도 1의 콜드 쉴드와 히트 쉴드 장착관계를 나타낸 단면도.
도 3은 도 1의 진공 흑체 챔버의 공간 열분포 상태를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 진공 흑체 챔버를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 히트 쉴드를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 콜드 쉴드를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 진공 흑체 챔버의 공간 열분포 상태를 나타낸 도면.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 4에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 진공 흑체 챔버는 외형을 이루는 케이스(1)와 상기 케이스(1)를 받치는 받침대(2)를 포함하며, 상기 케이스의 중앙에는 흑체에 포함된 에너지 스펙트럼이 외부로 발산될 수 있는 투과홀(3)을 형성하고, 상기 투과홀(3)의 내측에는 렌즈(4)를 설치하도록 한다.

그리고 상기 케이스(1)에는 에너지 스펙트럼을 발산하는 두꺼운 원판 형태로 이루어지는 흑체(5)와, 상기 흑체(5)를 가열 또는 냉각하는 열전소자(6), 상기 흑체(5)와 상기 열전소자(6)를 수용하는 히트 쉴드(7) 및 상기 히트 쉴드(7)를 수용하는 콜드 쉴드(8)가 설치된다.

상기 렌즈(4)는 케이스(1) 내부에 설치된 흑체에서 발산되는 파장 중에 적외선 파장대인 3 ~ 12㎛ 정도의 파장대만을 필터링하여 외부로 방출되도록 코팅한 징크세레나이드(Zinc) 렌즈로 형성한다.

상기 렌즈(4)는 상기 투과홀(3) 직경의 1.1 ~ 1.2 배에 해당하는 크기의 직경으로 형성하되, 그 외주에 단을 형성하여 렌즈 고정커버(4a)에 의해 장착되도록 한다. 일 실시예로서 투과홀(3)의 직경이 60mm이면 70mm 정도로 형성하여, 상기 렌즈가 투과홀의 내측에 안정적으로 걸려서 결합되도록 한다. 또한 상기 렌즈(4)는 그 두께를 렌즈 직경의 8 ~ 10%로 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 렌즈(4)의 투과홀 직경이 75mm 이면 두께를 6 ~ 7.5mm로 형성하도록 한다.

이와 같이 렌즈(4)의 두께를 직경의 8 ~ 10%로 형성함으로써, 3 ~ 12㎛ 정도의 적외선 파장을 필터링하여 렌즈에서 적외선이 흡수되거나 손실되지 않고 외부방출이 가능하게 되는 것이다. 렌즈의 두께가 직경의 8% 미만이면, 렌즈 직경에 비해 두께가 지나치게 얇아 렌즈의 강도가 약해지므로 약한 충격에도 렌즈가 파손될 수 있고, 직경의 10%를 초과하면 적외선 투과율이 저하되어 필터링한 적외선 파장을 전량 외부방출이 이루어지지 않게 된다.

상기 흑체(5)에는 복수 개의 온도센서를 구비하여 상기 흑체(5)의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 한다.

상기 열전소자(6)는 펠티어 소자로서 N형 불순물 이온이 섞인 반도체 또는 P형 불순물 이온이 섞인 반도체로 이루어진 열전요소를 병렬 배치하고, 상기 열전요소의 상부측 및 하부측에는 구리판 등으로 된 전극이 각각 접합되며, 상기 전극을 감싸도록 세라믹 기판을 부착하여 형성한다.

상기 히트 쉴드(7)는 내부에 상기 흑체(5)와 상기 열전소자(6)를 수용할수 있는 제1공간(9)이 형성된다. 상기 제1공간(9) 중에서 상기 흑체(5)의 일측은 빈 공간으로 형성하도록 한다.

도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 히트 쉴드(7)는 원통형 몸체(10)와 캡(11)으로 이루어지며, 상기 캡(11)은 그 중앙부에 투과홀(3)과 동일한 크기의 관통공(12)을 형성한다. 그리고 상기 캡(11)의 일단을 원통형 몸체(10)의 단부에 삽입하고 캡이 끼워지는 원통형 몸체 부위에는 캡이 더 이상 진입되는 것을 차단하는 단턱부(13)를 형성한다.

또한 도 4와 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 콜드 쉴드(8)는 내부에 상기 제1공간(9)이 구비되는 히트 쉴드(7)을 수용하도록 형성하며, 히트 쉴드(7)의 제1공간(9)이 포함된 제2공간(14)의 온도를 유지하도록 보냉을 하는 역할을 수행한다.

상기 콜드 쉴드(8)는 일정길이의 원통을 가지는 원통부(15)를 형성하고, 상기 원통부(15)의 일측을 밀폐하는 쿨링플레이트(16)를 포함하며, 이 쿨링플레이트(16)는 원통부(15)의 일측 단부에 형성되는 다수개의 나사홀이 구비된 플랜지와 볼트 결합되도록 한다.

그리고 원통부(15)의 타측 단부는 원통부와 동일한 내경과 외경을 가지는 개구된 원통으로 형성하고, 상기 원통부(15)에는 콜드 쉴드 내부에 진공도 도달시간을 줄이기 위하여 원통부의 원주에 등간격으로 8개의 장홀(15a)을 형성하고, 또한 상기 쿨링플레이트(16)의 일측 단부에 진공 흑체 챔버의 경량화와 열전달시간을 단축하기 위한 원형홈(12a)을 형성하도록 한다.

상기 원형홈(12a)은 관통공(12)의 직경에 해당하는 크기와 일정깊이를 가지는 구조로 쿨링플레이트(16)의 일측 단부 두께를 제거하는 형태로 형성하도록 한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명은 상기 히트 쉴드의 단부에 열 전달효율을 높이기 위한 캡을 씌워서 형성하고, 상기 콜드 쉴드(8)를 이루는 원통부(15)의 타측 단부를 개구된 원통으로 형성함으로써, 진공 흑체 챔버 제1공간 내부의 온도가 내부 전체에 걸쳐 균일하게 분포되는 것이다.

즉, 제1공간(9)의 온도는 327 ~ 333℃, 쿨링플레이트(16)의 온도는 283 ~ 288℃ 범위 내에서 균일하게 분포된다.

또한 상기 진공포트는 제1공간 및 제2공간을 짧은 시간 내에 진공도 10^-2 ~ 10^-10 mbar에 상당하는 초고진공으로 형성하여 상기 제1, 2 공간에서 대류에 의해 전달되는 열전달 현상을 차단할 수 있도록, 흑체 케이스(1)의 단부에 포트 직경 10 ~ 12mm에 해당하는 진공포트(17)를 형성하고, 흑체 케이스(1)의 원주에 진공 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 진공 게이지를 장착하는 진공 게이지 포트(18)를 형성하도록 한다. 이로 인해 단시간, 예컨대 1분10초 이내에 10^-3mbar의 진공도를 형성할 수 있고, 또한 도 8에 도시한 바와 같이 안정된 진공상태가 유지되는 것이다.

본 발명의 진공 흑체 챔버는 상술한 구성을 구비함에 따라 아래 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 적외선 센서의 온도 보정과 성능평가를 위하여 수차례 온도를 측정한 결과, 기준값에 대한 오차범위가 종래기술의 ±6 ~ 12mK에 비해 ±1 ~ 2mK 이내로 측정되었다.

따라서 본 발명의 진공 흑체 챔버는 측정회수에 따른 오차범위를 ±1mK 이내로 줄이는 동시에 측정오차 또한 83% 정도를 줄임으로써, 장비의 신뢰성과 측정효율을 높이는 작용효과가 발생된다.

측정횟수	종래기술		본발명
	측정치	오차	측정치	오차
기준값	20.000	≥ 10 mK	20.000	≥ 10 mK
1차	19.988	± 8 mK	20.000	± 2 mK
2차	19.990	± 6 mK	20.000	± 2 mK
3차	19.990	± 12 mK	20.000	± 2 mK
4차	19.995	± 8 mK	19.999	± 1 mK
5차	19.992	± 10 mK	20.000	± 2 mK

1 : 케이스 2 : 받침대
3 : 투과홀 4 : 렌즈
5 : 흑체 6 : 열전소자
7 : 히트 쉴드 8 : 콜드 쉴드
9 : 제1공간 10 : 히트 쉴드 원통형 몸체
11 : 캡 12 : 관통공
13 : 단턱부 14 : 제2공간
15 : 콜드 쉴드 원통부 16 : 원판부
17 : 진공포트 18 : 진공 게이지 포트

Claims (4)

1. 에너지 스펙트럼이 발산되는 투과구가 형성된 케이스 내부에 수용되는 흑체와; 흑체를 가열 또는 냉각하는 열전소자와; 열전소자와 흑체를 둘러싸는 제1공간의 온도를 유지하도록 보온하는 히트 쉴드와; 제1공간과 히트 쉴드를 수용하는 제2공간의 온도를 유지하도록 보온 또는 보냉하는 콜드 쉴드와; 흑체에서 일정대역의 적외선 파장만을 통과시키는 렌즈; 및 제1공간과 제2공간의 진공을 형성하는 진공 흑체 챔버에 있어서,
   상기 히트 쉴드는 원통형 몸체와 캡으로 형성하되, 케이스의 중앙 투과홀 측에 위치하는 원통형 몸체의 단부에 상기 캡을 씌워 형성하며, 상기 캡의 중앙부에는 투과홀과 동일한 크기의 직경을 가지는 관통공을 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 흑체 챔버.
2. 제1항에 있어서,
   상기 콜드 쉴드는 일정길이의 원통을 가지는 원통부를 형성하고, 흑체측은 쿨링플레이트로 밀폐하며, 투과홀측은 원통부를 일정길이로 연장하여 개구된 원통으로 형성하고, 상기 원통부의 원주에는 등간격으로 8개의 장홀을 형성하며, 상기 쿨링플레이트의 일측 단부에는 일정크기와 깊이를 가지는 원형홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 흑체 챔버.
3. 제2항에 있어서,
   상기 렌즈는 흑체에서 발산되는 파장 중 3 ~ 12㎛의 적외선 파장대만을 필터링하여 적외선이 흡수되거나 손실되지 않으면서 외부로 방출되도록 렌즈 직경의 8 ~ 10%로 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 흑체 챔버.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1공간과 제2공간의 진공을 형성하는 진공포트는 짧은 시간 내에 진공도 10^-2 ~ 10^-10 mbar에 상당하는 초고진공 상태가 이루어지도록, 흑체 케이스의 단부에 진공포트를 형성하고, 흑체 하우징의 원주에 진공 상태를 확인하는 진공 게이지 포트를 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 흑체 챔버.

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