KR101349707B1 - 야외에서 사용 가능한 ｆｔｉｒ 분광기 보정용 흑체 - Google Patents

야외에서 사용 가능한 ｆｔｉｒ 분광기 보정용 흑체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FTIR 분광기를 사용할 때 분광기의 주기적 또는 비주기적 신호레벨을 보정하기 위한 흑체 중 야외에서 사용 가능한 FTIR 분광기 보정용 흑체에 관한 것으로서,
전자제어부가 위치되는 대경부(10a)와 연결용 플랜지(10c)가 구비된 소경부(10b)가 일체로 형성되는 하우징(10)과; 소경부의 내부에 위치되며 분광주파수의 보정을 위한 TTRS 적외선 소자(11)와; 소경부의 끝단에 설치되며 TTRS 적외선 소자에서 점광원 형태로 방사되는 흑체광선을 확대하여 방사하는 적외선 투과 렌즈(12)와; TTRS 적외선 소자가 설치되며 TTRS 적외선 소자에서 발생하는 열을 하우징으로 전달하는 고정판(14)과; 대경부(10a)의 끝단에 결합되어 하우징의 내부를 밀폐하는 하우징 덮개(15)와; 대경부의 내부에 위치되며 TTRS 적외선 소자를 제어하는 메인 CPU(17')가 구비된 흑체제어용 회로기판(17)과; TTRS 적외선 소자로 전원을 공급할 수 있도록 흑체 제어용 회로기판을 개재하여 고정판에 고정되는 전원제어용 회로기판(18)과; 하우징의 대경부 일측에 설치되어 상기 FTIR 분광기에 결합되며, FTIR 분광기에 구비된 메인 프레임 PC(21)의 제어신호와 전원을 전원제어용 회로기판으로 전달하는 통신선 및 전원선이 설치되는 수밀 커넥터(19);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

야외에서 사용 가능한 ＦＴＩＲ 분광기 보정용 흑체{Outdoor Feasible Blackbody for Correction of Passive FTIR Spectrometer}
본 발명은 야외에서 FTIR 분광기를 사용할 때 분광기의 주기적 또는 비주기적 신호레벨을 보정하기 위한 흑체에 관한 것으로서, 특히 휴대가 가능하고 전력 소모가 작아 야외에서 사용되는 FTIR 분광기에 적용하기에 유리한 야외에서 사용 가능한 FTIR 분광기 보정용 흑체에 관한 것이다.
일반적으로 흑체(黑體, Blackbody)는 입사하는 모든 복사선을 완전히 흡수하는 물체를 의미한다. 특히, 완전흑체는 흡수능(吸收能)이 1, 즉 100%인 물체로, 현실적으로 존재하지 않으나 백금흑(白金黑)을 비롯하여 이것에 가까운 물체는 많다. 또 흑체가 내는 복사를 흑체복사라 하며, 흑체복사의 성질(에너지의 크기, 파장)과 흑체의 온도 사이에 간단한 관계가 성립되므로 이론적으로 깊이 연구되고 있다. 따라서 흑체의 온도가 정해지면 흑체복사의 성질이 결정되며, 반대로 흑체복사의 성질로부터 흑체의 온도를 구할 수 있다.
예를 들면, 태양도 흑체에 가까운 것으로 생각되기 때문에 태양으로부터 오는 에너지를 측정함으로써 태양의 온도를 추정할 수 있다. 또한 일정한 온도로 유지된 벽에 작은 구멍을 뚫어 놓으면 외부에서 오는 열복사를 완전히 흡수하기 때문에 흑체라고 볼 수 있다. 따라서 절연체로 이와 같은 공동(空洞)을 만들어 복사고온계(輻射高溫計)의 눈금의 표준으로 쓰거나 복사의 법칙을 증명하기 위해 이용되기도 한다.
이상적인 흑체는 출입구가 작은 핀홀이고 내부는 열평형을 이루며 온도에 따른 플랑크 복사선을 방축하는 캐비티 구조로 이루어진다. 이러한 구조에서는 핀홀로 입사된 빔이 절대로 밖으로 나오지 못하므로, 완전한 흡수체가 되어 빔의 에너지가 내부 열평형에 기여하게 되고, 내부 온도에 상응하는 플랑크 복사선을 방출하게 되므로 방출율이 1인 이상적인 흑체가 구현된다. 그러나 이러한 구조는 매우 광량이 작아서 실용적 가치가 없다.
반면 상용화된 통상의 흑체는 금속성 히터판 등에 방출율이 우수한 특수 흑체 페인트 등으로 착색하여 사용하는데 야외에서 사용시 외부환경(방수, 스크래치, 운용온도 등)에 대해 직접 노출하게 되므로 내구성이 취약하고, 대구경인 경우 높은 소모전력이 필요한 것이 단점이다. 또한 일반적으로 높은 소모전력이 필요한 경우는 흑체가 설정온도까지 도달하기까지 많은 시간이 소요되므로 신속한 흑체 사용을 요하는 경우에는 적당하지 않다.
한편, 통상의 FTIR 분광기는 야외에서 사용할 경우 주변 환경에 따른 온도변화에 의해 적외선 센서를 구성하는 간섭계 소재가 팽창 또는 수축하여 신호 레벨의 변화를 가져오게 되므로, 주기적 또는 비주기적으로 신호레벨을 보정해야 한다. 이에 따라 FTIR 분광기에서는 상기한 신호레벨의 보정을 위하여 흑체를 사용하고 있다.
현재 상용화된 통상의 흑체로는 평판형 구조의 흑체와 캐비티형 구조의 흑체가 있다. 평판형 흑체는 금속성 열원의 표면에 복사 방출율이 0.95이상인 특수 페인트 착색하여 구현하게 되며, 람버시안(Lambertian) 광원 특성이 있어서 각도의 변화에 상관없이 일정한 세기의 복사선을 방출하는 특징이 있으나, 평판형 흑체는 표면이 외부에 노출되어 있으므로 야외 환경성에 취약한 단점이 있다. 또, 캐비티 반사형 흑체는 삼각뿔 구조의 내부 반사판 표면에 특수 페인트를 착색하여 평행광이 출력되도록 구성한 것으로, 복사 방출율은 매우 우수한 특징이 있으나, 캐비티 반사형 흑체는 50㎜ 이상의 큰 직경으로 구현하기가 어렵다는 단점이 있다.
이러한 흑체를 FTIR(Fourier Transform Infra-Red, 퓨리에 변환 적외선) 분광(Spectroscopy) 장비의 보정용으로 사용할 경우, 흑체는 많은 광속을 정확하게 흑체 복사선으로 변환하여야 하므로 평판형 구조보다는 콜리메이팅된 구조가 좋다.
그러나, 종래의 콜리메이팅 구조를 갖는 상용 캐비티 형태의 흑체는 구경이 제한적일 뿐만 아니라 소모전력이 크고 내부 반사체 구조로 인해서 무게가 많이 나가는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 야외에서 FTIR 분광기를 사용할 때 주기적 또는 비주기적 신호레벨의 보정을 위한 흑체로서 휴대가 가능하고 전력 소모가 작아 야외에서 사용되는 FTIR 분광기에 적용하기에 유리한 야외에서 사용 가능한 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또, 본 발명은 회로 소자가 설치된 하우징의 내부를 완전히 밀폐하여 외부 온도의 영향을 줄일 수 있고, 하우징의 내부에 건질소를 충진함으로써 외부 온도의 영향을 최소화할 수 있는 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 하우징과 하우징 덮개에 각각 방열판을 형성하여 회로기판에서 발생하는 열을 신속하게 방출함으로써 내부 온도의 상승을 방지할 수 있는 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또, 본 발명은 흑체제어용 회로기판과 전원제어용 회로기판을 일체형으로 구성하여 설치 작업을 단순화할 수 있는 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 흑체 복사선을 방사하는 적외선 투과 렌즈를 비구면 형상으로 형성함과 아울러 무반사 코팅을 함으로써 하나의 렌즈만으로도 색수차를 줄일 수 있는 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또, 본 발명은 특정 대역의 파장에 대하여 색수차를 줄일 수 있도록 적외선 투과 렌즈를 구성한 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 적외선 투과 렌즈가 외부 스크래치의 영향을 받지 않도록 함으로써 야외에서 사용하기에 적합한 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또, 본 발명은 TTRS 소자를 적외선 투과 렌즈의 초점 위치에 배치함으로써 흑체 복사선이 적외선 투과 렌즈를 통해 평행하게 전파되도록 한 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 하우징의 외부온도와 내부온도를 연동시켜 2점 온도 설정법으로 흑체온도를 설정함으로써 신뢰성이 향상되도록 한 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
또, 본 발명은 적외선 투과 렌즈 주위의 온도를 측정한 후 이를 보정요소로 활용함으로써 적외선 투과 렌즈에 의한 흑체 방출 효과가 저하하지 않도록 한 FTIR 분광기 보정용 흑체를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 야외에서 사용되는 FTIR 분광기에 설치되는 FTIR 분광기 보정용 흑체에 있어서, 전자제어부가 위치되는 대경부와 연결용 플랜지가 구비된 소경부가 일체로 형성되는 하우징과; 상기 대경부의 내부에 위치되며 분광주파수의 보정을 위한 TTRS 적외선 소자와; 상기 소경부의 끝단에 설치되며 상기 TTRS 적외선 소자에서 점광원 형태로 방사되는 흑체광선을 확대하여 방사하는 적외선 투과 렌즈와; 상기 TTRS 적외선 소자가 설치되며 상기 TTRS 적외선 소자에서 발생하는 열을 상기 하우징으로 전달하는 고정판과; 상기 대경부의 끝단에 결합되어 상기 하우징의 내부를 밀폐하는 하우징 덮개와; 상기 대경부의 내부에 위치되며 상기 TTRS 적외선 소자를 제어하는 메인 CPU가 구비된 흑체제어용 회로기판과; 상기 TTRS 적외선 소자로 전원을 공급할 수 있도록 상기 흑체 제어용 회로기판을 개재하여 상기 고정판에 고정되는 전원제어용 회로기판과; 상기 하우징의 대경부 일측에 설치되어 상기 FTIR 분광기에 결합되며, 상기 FTIR 분광기에 구비된 메인 프레임 PC의 제어신호와 전원을 상기 전원제어용 회로기판으로 전달하는 통신선 및 전원선이 설치되는 수밀 커넥터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 하우징의 내부가 완전히 밀폐되도록, 상기 적외선 투과 렌즈는 가장자리가 상기 하우징의 소경부에 에폭시 접착되고, 상기 하우징 덮개는 오링을 개재하여 상기 하우징에 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 하우징의 내부에는 건 질소가 충진되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 흑체제어용 회로기판과 전원제어용 회로기판은 일체형으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 하우징과 하우징 덮개는 그 외면에 각각 다수의 방열핀이 형성된 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 적외선 투과 렌즈는 단일 비구면 형상으로 형성되고, 적외선 투과도가 향상되도록 무반사 코팅된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 적외선 투과 렌즈는, 7 ~14㎛ 대역의 파장에 대하여 색수차가 작게 나타나는 Ge 또는 ZnSe 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 적외선 투과 렌즈는 외부 스크래치에 대한 내환경성이 향상되도록 외면에 다이아몬드 보호막이 코팅된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 TTRS 적외선 소자는 상기 적외선 투과 렌즈의 초점 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 하우징의 내부 중 상기 수밀 커넥터가 연결되는 부위의 주변에 외부온도를 감지하는 제1온도센서가 설치되고, 상기 제1온도센서에 의해 감지된 외부온도와 내부온도를 연동시켜 2점 온도 설정법으로 흑체온도를 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에 따르면, 상기 적외선 투과 렌즈에 의한 흑체 방출 효과가 저하하지 않도록 상기 하우징 내부의 렌즈 주위에 제2온도센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 분광기 보정용 흑체는 저전력 소모의 소형 TTRS소자에서 방출되는 복사선을 다이아몬드 코팅된 적외선 렌즈로 빔을 확대시키게 되므로, 스크래치 등 외부환경에 대해 내구성이 강하고, 기존의 CAVITY 반사형 흑체에 비해 광원 직경은 크나 저전력 소모이면서 외부 환경성이 우수한 흑체를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 야외에서 사용하는 FTIR 장비의 응답율 보정에 신속하게 대응할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 분광기 보정용 흑체에 따르면, FTIR 분광기에 대한 보정 후 가스탐지시 분광 스펙트럼영역보다는 베이스축이 대략 직선 형태로 나타나는 밝기-온도(Brightness-Temperature) 영역에서 가스를 탐지하게 되므로, 분광 데이터베이스와의 비교도 용이할 뿐만 아니라, 대략 직선상의 베이스 라인에 존재하는 탐지신호로 인해 탐지 식별이 빨라지는 효과가 있다.
다시 말해서, 2점 온도에서의 흑체를 이용한 장비 보정을 통하여 스펙트럼 축에서 가스탐지를 하기보다 대략 직선상의 베이스 라인 위에서 가스성분을 탐지하게 되므로 미리 축적된 분광 데이터베이스와의 비교도 쉽고, 탐지 식별이 빨라지게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 분광기 보정용 흑체에 따르면, 소형의 TTRS 열원 소자와 외부 스크래치에 강한 적외선 렌즈와의 조합을 통해 중형이상의 적외선 광원을 구현할 수 있고, 적은 소모전력에 의해 FTIR 장비에 손쉽게 부착하여 수시로 신속한 장비 보정이 가능할 뿐만 아니라, 야외에서 사용되는 FTIR 장비 응답율 보정이나 야외에서 사용되는 초분광 영상 카메라(Hyperspectral imaging)의 검출기 응답율 보정에도 응용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 FTIR 분광기 보정용 흑체의 단면도.
도 2는 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체의 외관도.
도 4는 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체에서 제어 흐름이 도시된 블록도.
도 5는 본 발명의 요부 구성인 적외선 투과 렌즈의 개념도.
도 6은 본 발명의 흑체가 내장된 FTIR 분광기 및 이를 이용하여 얻어진 주파수 성분 신호를 나타낸 그래프.
도 7은 FTIR 분광기에 나타난 반응 스펙트럼 및 이를 밝기-온도 축상으로 변환한 온도 스펙트럼을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 FTIR 분광기 보정용 흑체는, 야외에서 사용되는 FTIR 분광기에 설치되는 것으로서, 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 전자제어부가 위치되는 대경부(10a)와 연결용 플랜지(10c)가 구비된 소경부(10b)가 일체로 형성되는 하우징(10)과; 상기 대경부(10a)의 내부에 위치되며 분광주파수의 보정을 위한 TTRS(Thermoelectronic Temperature Reference Source) 적외선 소자(11)와; 상기 소경부(10b)의 끝단에 설치되며 상기 TTRS 적외선 소자(11)에서 점광원 형태로 방사되는 흑체광선을 확대하여 방사하는 적외선 투과 렌즈(12)와; 상기 TTRS 적외선 소자(11)가 설치되며 상기 TTRS 적외선 소자(11)에서 발생하는 열을 상기 하우징(10)으로 전달하는 고정판(14)과; 상기 대경부(10a)의 끝단에 결합되어 상기 하우징(10)의 내부를 밀폐하는 하우징 덮개(15)와; 상기 대경부(10a)의 내부에 위치되며 상기 TTRS 적외선 소자(11)를 제어하는 메인 CPU(17')가 구비된 흑체제어용 회로기판(17)과; 상기 TTRS 적외선 소자(11)로 전원을 공급할 수 있도록 상기 흑체 제어용 회로기판(17)을 개재하여 상기 고정판(14)에 고정되는 전원제어용 회로기판(18)과; 상기 하우징(10)의 대경부(10a) 일측에 설치되어 상기 FTIR 분광기에 결합되며, 상기 FTIR 분광기에 구비된 메인 프레임 PC(21)의 제어신호와 전원을 상기 전원제어용 회로기판(18)으로 전달하는 통신선 및 전원선이 설치되는 수밀 커넥터(19);를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 하우징(10)의 내부가 완전히 밀폐되도록, 상기 적외선 투과 렌즈(12)는 가장자리가 상기 하우징(10)의 소경부(10b)에 에폭시로 접착되고, 상기 하우징 덮개(15)는 오링(16)을 개재하여 상기 하우징(10)에 결합된다. 도면부호 13은 상기 적외선 투과 렌즈(12)를 상기 하우징(10)의 소경부(10b)에 접착할 때 생성되는 에폭시 접착층이다.
그리고, 상기 하우징(10)의 내부에는 건(乾)질소를 충진하여, 내부 구성품들이 외부로부터의 온도변화에 따른 영향을 최소화하도록 한다. 질소 주입은 밀폐된 질소 상자 안에서 상기 하우징(10)의 대경부(10a)에 상기 하우징 덮개(15)를 마지막으로 조립하는 방식을 이용한다.
또, 상기 흑체제어용 회로기판(17)과 전원제어용 회로기판(18)은 일체형으로 형성하여 전원제어부를 구성하도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 흑체제어용 회로기판(17)과 전원제어용 회로기판(18)은 일체형으로 형성하게 되면, 조립 작업이 용이하게 된다.
그리고, 상기 하우징(10)과 하우징 덮개(15)는 그 외면에 각각 다수의 방열핀이 형성되어야 한다. 이는 상기 하우징(10)의 내부 구성품들에서 발생된 열을 신속하게 배출하기 위한 것이다.
상기 적외선 투과 렌즈(12)는 단일 비구면 형상으로 형성되고, 적외선 투과도가 향상되도록 무반사 코팅되어야 한다. 상기 적외선 투과 렌즈(12)는 비구면 형상으로 형성되면, 단일 렌즈만으로도 색수차를 줄일 수 있게 된다. 또한, 상기 적외선 투과 렌즈(12)는, 7 ~14㎛ 대역의 파장에 대하여 색수차가 작게 나타나는 Ge 또는 ZnSe 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 적외선 투과 렌즈(12)는 외부 스크래치에 대한 내환경성이 향상되도록 외면에 다이아몬드 보호막이 코팅되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 적외선 투과 렌즈(12)에 다이아몬드 보호막이 코팅되면, 야외에서 FTIR 분광기를 사용할 때 외부 물체에 의해 상기 적외선 투과 렌즈(12)가 손상을 입지 않게 된다.
한편, 상기 TTRS 적외선 소자(11)는 열전온도기준소자로서 열전소자 위에 흑체 방출판을 장착하여 설정된 온도에서 적외선 파장을 방출하도록 CAN 타입으로 패키징된(CAN type packaged) 소자를 의미하며, 다이아몬드 보호막이 코팅된 상기 적외선 투과 렌즈(12)의 초점 위치에 배치된다.
한편, 상기 하우징(10)의 내부 중 상기 수밀 커넥터가 연결되는 부위의 주변에 외부온도를 감지하는 제1온도센서(TS1)가 설치되고, 상기 제1온도센서(TS1)에 의해 감지된 외부온도와 내부온도를 연동시켜 2점 온도 설정법으로 흑체온도를 설정하는 것이 바람직하다. 또, 상기 적외선 투과 렌즈(12)에 의한 흑체 방출 효과가 저하하지 않도록 상기 하우징(10) 내부의 렌즈 주위에 제2온도센서(TS2)가 설치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 FTIR 분광기 보정용 흑체는 야외에서 사용할 수 있는 FTIR 분광기에 설치되어 내부 흑체로 사용된다.
외부의 FTIR 분광기에 구비된 메인 프레임 PC(21)로부터 설정온도에 대한 정보가 수밀 커넥터(19)를 통해 흑체제어용 회로기판(17)의 메인 CPU(17')에 입력되면, 메인 CPU(17')의 주제어 프로세스가 TTRS 적외선 소자(11) 내부의 TEC를 제어하게 되어 원하는 온도로 안정화되고, 상기 TTRS 적외선 소자(11)는 안정화된 온도에 해당하는 복사선을 방출하게 된다. 상기 TTRS 적외선 소자(11)에서 방출된 복사선은 적외선 투과 렌즈(12)를 통해 외부로 전파된다.
이때, 상기 적외선 투과 렌즈(12)의 초점위치에 위치하는 상기 TTRS 적외선 소자(11)의 방출면에서는 점광원 형태의 적외선이 방출되어 확산되며, 상기 적외선 투과 렌즈(12)를 통과하면서 평행광 형태로 변환된 흑체 복사선이 전파된다.
이때, 상기 수밀 커넥터(19) 주위에 설치된 제1온도센서(TS1)은 외부 온도를 읽어들여 적당한 복사온도가 설정되도록 한다. 이에 따라 상기 하우징(10)의 내부 온도와 외부 온도를 이용한 2점 온도 설정 방법에 따라 흑체 온도를 설정할 수 있게 되며, 그로 인해 설정된 흑체 온도에 대한 신뢰성이 향상된다.
그리고, 상기 적외선 투과 렌즈(12) 주위에 설치된 제2온도센서(TS2)는 상기 적외선 투과 렌즈(12)의 렌즈 투과도에 의해 흑체 방출율이 저하되는 효과를 제거한다. 즉, 주변온도에 의해 상기 하우징(10) 내부가 가열 또는 냉각되어 발생하는 오차 및 상기 적외선 투과 렌즈(12)의 렌즈 소재 자체에서 발생되는 복사선 세기 효과를 제거하도록 보상된 흑체 온도를 설정할 수 있게 하는 것이다.
한편, FTIR 분광기의 주파수 응답율을 설정하기 위해서 흑체를 이용하는 방법은, 외부의 표준 흑체를 사용하거나 본 발명과 같이 FTIR 분광기에 부착하여 사용한다. 이상적인 흑체에서 방출되는 광신호 스펙트럼은 플랑크 곡선식에 의해 수학적으로 잘 정리되어 있으므로, 이러한 이상적인 흑체 광신호에 대한 FTIR 장비의 전기신호 응답특성을 초기에 측정하여 FTIR 분광기의 보정 계수를 결정할 수 있게 된다. 따라서, 상기한 FTIR 분광기의 보정계수를 FTIR 분광기 내의 전자 프로세스에 기억시키게 되면, 임의의 광신호에 대해 보정된 신호를 얻을 수 있게 된다.
이러한 FTIR 분광기의 보정은 2점 온도에서의 흑체 반응도를 측정하여 결정하는데, 일반적으로 흑체 광신호와 분광기 전기 응답신호 간에는 아래와 같은 1차식 관계가 있다.
Figure 112012005502470-pat00001
여기서,
Figure 112012005502470-pat00002
은 FTIR 분광기에서 측정된 스펙트럼,
Figure 112012005502470-pat00003
는 장비의 이득계수,
Figure 112012005502470-pat00004
은 현장의 실제 분광 복사량,
Figure 112012005502470-pat00005
는 FTIR 분광기의 옵셋계수이다.
2점 온도설정은 흑체 내부에 내장된 온도센서를 이용하여 주변의 현재온도를 읽은 후 현재 온도대비 10도 적은 온도(Tc=Tamb.-10℃)와 현재 온도대비 20도 높은 온도(Th=Tamb.+20℃)에 대해 흑체온도를 설정한 후 FTIR 분광기의 각각 응답특성으로부터 1차 관계식의 이득계수(
Figure 112012005502470-pat00006
)와 옵셋계수(
Figure 112012005502470-pat00007
)를 구하여 FTIR 분광기의 주제어 프로세스 안에 내장시킨다. 예를 들어 상기 이득계수(
Figure 112012005502470-pat00008
)는 다음의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure 112012005502470-pat00009
상기한 수학식 1 및 수학식 2와 같이, 현재온도와 연동된 온도 설정을 이용하여 보정하는 방법은, 설정온도가 항상 주변온도와 연동하여 있게 되므로, FTIR 분광기의 신호 동적 범위가 주변온도의 변화에 상관없이 일정하게 유지되는 장점이 있다.
한편, 렌즈를 포함하는 흑체에서는 렌즈의 투과도가 관심의 파장 대역에서 100%가 아니므로 실제로는 이론적인 방충율에 비해 효과적인 방출율이 떨어지게 된다. 이때 순수 방출율은
Figure 112012005502470-pat00010
(Tlens는 렌즈의 투과도)이다. 따라서, 렌즈의 투과도를 FTIR 분광기의 주제어 프로세스에 저장해두었다가, 2점 온도에서의 보정시 렌즈 투과도를 나누어주면 렌즈에 의한 투과도 효과를 제거할 수 있다. 또, 외부의 표준흑체에 대한 장비의 응답특성과 본 발명의 내장형 흑체에 대한 장비의 응답율 특성비를 측정하여 이를 FTIR 분광기의 주제어 프로세스에 기억해두었다가, 2점 온도에서의 보정시 응답율 특성비로 나누어 주면 내장형 흑체로 보정하여도 항상 표준 흑체로 보정하는 것과 동일한 결과를 얻을 수 있게 된다.
다시 말해서, 상기 적외선 투과 렌즈의 파장 투과도를 수식 또는 보정표로 만들어 2점 온도에서의 FTIR 분광기 보정시 렌즈 투과도로 나누어 줌으로써 상기 적외선 투과 렌즈에 의한 투과도 효과를 제거하거나, 외부의 표준흑체에 대한 FTIR 분광기의 응답특성과 본 발명의 내장형 흑체에 대한 FTIR 분광기의 응답율 특성비를 측정하여 수식 또는 보정표로 만든 후, 2점 온도에서의 FTIR 분광기 보정시 응답율 특성비로 나누어 주는 것이다.
도 7의 (a)는 FTIR 분광기를 이용하여 시험가스(SF6)를 탐지시 이상적인 흑체 광원에 대한 FTIR 분광기의 반응 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)로 나타난 FTIR 분광기의 반응 스펙트럼을 2점 온도 보정을 통해서 밝기-온도(Brightness-Temperature) 축에서 일정한 온도 스펙트럼으로 나타난 예를 표시한 것이다. 즉, FTIR 분광기에 나타난 스펙트럼에 대하여 보정을 하지 않으면 탐지된 가스 성분을 파장축(또는 파수)축상에서 식별해야 하는데, 베이스라인이 직선 형태로 나타나지 않아 빠른 식별이 곤란하다. 그러나 FTIR 분광기의 반응 스펙트럼을 보정하여 스펙트럼 신호를 밝기-온도(Brightness-Temperature) 축상으로 변환하여 보면, 대략 직선 형상으로 나타나는 베이스 라인에 탐지된 가스 성분만 표시되므로 신속한 식별이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
10...하우징
10a...대경부
10b...소경부
10c...연결용 플랜지
11...TTRS(Thermoelectronic Temperature Reference Source) 적외선 소자
12...적외선 투과 렌즈
13...에폭시 접착층
14...고정판
15...하우징 덮개
16...오링(O-Ring)
17...흑체제어용 회로기판
18...전원제어용 회로기판
19...수밀 커넥터
21...메인 프레임 PC

Claims (11)

  1. 야외에서 사용되는 FTIR 분광기에 설치되는 FTIR 분광기 보정용 흑체에 있어서,
    전자제어부가 위치되는 대경부(10a)와 연결용 플랜지(10c)가 구비된 소경부(10b)가 일체로 형성되는 하우징(10)과;
    상기 대경부(10a)의 내부에 위치되며 분광주파수의 보정을 위한 TTRS 적외선 소자(11)와;
    상기 소경부(10b)의 끝단에 설치되며 상기 TTRS 적외선 소자(11)에서 점광원 형태로 방사되는 흑체광선을 확대하여 방사하는 적외선 투과 렌즈(12)와;
    상기 TTRS 적외선 소자(11)가 설치되며 상기 TTRS 적외선 소자(11)에서 발생하는 열을 상기 하우징(10)으로 전달하는 고정판(14)과;
    상기 대경부(10a)의 끝단에 결합되어 상기 하우징(10)의 내부를 밀폐하는 하우징 덮개(15)와;
    상기 대경부(10a)의 내부에 위치되며 상기 TTRS 적외선 소자(11)를 제어하는 메인 CPU(17')가 구비된 흑체제어용 회로기판(17)과;
    상기 TTRS 적외선 소자(11)로 전원을 공급할 수 있도록 상기 흑체 제어용 회로기판(17)을 개재하여 상기 고정판(14)에 고정되는 전원제어용 회로기판(18)과;
    상기 하우징(10)의 대경부(10a) 일측에 설치되어 상기 FTIR 분광기에 결합되며, 상기 FTIR 분광기에 구비된 메인 프레임 PC(21)의 제어신호와 전원을 상기 전원제어용 회로기판(18)으로 전달하는 통신선 및 전원선이 설치되는 수밀 커넥터(19);를 포함하는 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(10)의 내부가 완전히 밀폐되도록, 상기 적외선 투과 렌즈(12)는 가장자리가 상기 하우징(10)의 소경부(10b)에 에폭시로 접착되고, 상기 하우징 덮개(15)는 오링(16)을 개재하여 상기 하우징(10)에 결합되는 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하우징(10)의 내부에는 건(乾)질소가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(10)과 하우징 덮개(15)는 그 외면에 각각 다수의 방열핀이 형성된 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흑체제어용 회로기판(17)과 전원제어용 회로기판(18)은 일체형으로 구성된 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 투과 렌즈(12)는 단일 비구면 형상으로 형성되고,
    적외선 투과도가 향상되도록 무반사 코팅된 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적외선 투과 렌즈(12)는, 7 ~14㎛ 대역의 파장에 대하여 색수차가 작게 나타나는 Ge 또는 ZnSe 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 적외선 투과 렌즈(12)는 외부 스크래치에 대한 내환경성이 향상되도록 외면에 다이아몬드 보호막이 코팅된 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 TTRS 적외선 소자(11)는 상기 적외선 투과 렌즈(12)의 초점 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하우징(10)의 내부 중 상기 수밀 커넥터가 연결되는 부위의 주변에 외부온도를 감지하는 제1온도센서(TS1)가 설치되고, 상기 제1온도센서(TS1)에 의해 감지된 외부온도와 내부온도를 연동시켜 2점 온도 설정법으로 흑체온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 투과 렌즈(12)에 의한 흑체 방출 효과가 저하하지 않도록 상기 하우징(10) 내부의 렌즈 주위에 제2온도센서(TS2)가 설치된 것을 특징으로 하는 FTIR 분광기 보정용 흑체.

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