KR101606785B1 - 기체 분석용 테라헤르츠 분광기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기준 기체와 샘플 기체를 동시에 측정할 수 있고, 도파관을 사용하여 분광기의 크기를 소형화할 수 있고 적은 양의 기체를 이용해서도 분석이 가능하며 차동 검출 방식을 이용하여 분석의 정확도를 높이면서도 제조 비용을 최소화할 수 있고 측정 시간을 최소화할 수 있는 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 테라헤르츠파를 생성하여 출력하는 테라헤르츠 생성부; 제1 도파관을 구비하며, 샘플 기체를 수용하는 제1 챔버; 제2 도파관을 구비하며, 기준 기체를 수용하는 제2 챔버; 적어도 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 배기부; 적어도 상기 제1 챔버에 상기 샘플 기체를 공급하는 기체 공급부; 상기 테라헤르츠파를 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버로 각각 진행시키는 빔 분리부; 상기 제1 테라헤르츠파가 상기 제1 챔버의 상기 제1 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 샘플파를 검출하는 제1 검출부와, 상기 제2 테라헤르츠파가 상기 제2 챔버의 상기 제2 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 기준파를 검출하는 제2 검출부와, 상기 샘플파와 상기 기준파를 비교하는 분석부를 포함하는 테라헤르츠 분석부; 상기 샘플파를 반사하여 상기 제1 검출부로 진행시키는 제3 빔 반사부; 및 상기 기준파를 반사하여 상기 제2 검출부로 진행시키는 제4 빔 반사부를 포함하는 것이고, 상기 제3 빔 반사부 및 상기 제4 빔 반사부 중 어느 하나는 양면에서 반사를 수행하여 상기 샘플파 및 상기 기준파를 각각 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부로 진행시키는 양면 반사부를 포함한다.
본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 테라헤르츠파를 생성하여 출력하는 테라헤르츠 생성부; 제1 도파관을 구비하며, 샘플 기체를 수용하는 제1 챔버; 제2 도파관을 구비하며, 기준 기체를 수용하는 제2 챔버; 적어도 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 배기부; 적어도 상기 제1 챔버에 상기 샘플 기체를 공급하는 기체 공급부; 상기 테라헤르츠파를 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버로 각각 진행시키는 빔 분리부; 상기 제1 테라헤르츠파가 상기 제1 챔버의 상기 제1 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 샘플파를 검출하는 제1 검출부와, 상기 제2 테라헤르츠파가 상기 제2 챔버의 상기 제2 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 기준파를 검출하는 제2 검출부와, 상기 샘플파와 상기 기준파를 비교하는 분석부를 포함하는 테라헤르츠 분석부; 상기 샘플파를 반사하여 상기 제1 검출부로 진행시키는 제3 빔 반사부; 및 상기 기준파를 반사하여 상기 제2 검출부로 진행시키는 제4 빔 반사부를 포함하는 것이고, 상기 제3 빔 반사부 및 상기 제4 빔 반사부 중 어느 하나는 양면에서 반사를 수행하여 상기 샘플파 및 상기 기준파를 각각 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부로 진행시키는 양면 반사부를 포함한다.
Description
본 발명은 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 기준 기체와 샘플 기체를 동시에 측정할 수 있고, 도파관을 사용하여 분광기의 크기를 소형화할 수 있고 적은 양의 기체를 이용해서도 분석이 가능하며 차동 검출 방식을 이용하여 분석의 정확도를 높이면서도 제조 비용을 최소화할 수 있고 측정 시간을 최소화할 수 있는 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 관한 것이다.
종래 가스 분석을 위해서는 가스 크로마토그래프 장치가 사용되고 있다. 예컨대 아빌리트 가부시기가이샤 등에 의해서 출원되고 등록된 "가스 크로마토그래프 장치, 및 이 장치를 이용한 호기성분 분석 장치"라는 명칭의 한국 등록특허 제10-0662715호(특허문헌 1 참조)는 가스 크로마토그래프 장치에 대해서 개시하고 있다.
가스 크로마토그래프 장치는, 피측정 가스를 캐리어 가스와 함께 충전재가 충전되어 있는 가스 분리 컬럼에 도입하고, 피측정 가스와 가스 분리 컬럼 중의 충전재의 상호 작용에 의해서 발생되는 체류 시간 차이에 의해서 피측정 가스 중에 포함되는 가스 성분을 분리하고, 분리된 가스 성분을 열 전도도 검출기(TCD)나 수소 불꽃 이온화 검출기(FID) 등의 검출기에 의해서 검출함으로써 가스 크로마토그램을 작성하는 장치이다.
그러나 종래의 가스 크로마토그래프 장치는 특히 가스 분리 컬럼을 일정 온도로 가열하기 위해서 항온조 등의 구성이 추가로 필요하며, 항온조는 특히 일정 크기 이상의 용적을 가지기 때문에, 장치 전체가 대형화하기 쉽다는 단점을 가진다.
한편 분광학(spectroscopy)은 빛의 스펙트럼을 해석하여 물질의 성질에 대해 연구하는 광학의 한 분야이다. 보다 구체적으로, 빛의 스펙트럼에 대해서 진동수 성분의 분포와 진동수 성분의 상대적인 세기를 기초로 물질의 속성을 연구하는 학문을 의미한다. 초기에는 주로 기체의 원자 또는 분자의 성질을 연구하는 데 분광학을 사용하였으나, 액체 또는 고체의 성질을 연구하는 데에도 분광학이 사용되고 있다. 특히 감마선, X-선, 자외선, 가시광선, 적외선, 테라헤르츠파 및 마이크로웨이브 등 전자기 스펙트럼의 다양한 영역에 대해서 분광학이 적용되고 있다.
특히 테라헤르츠파는 마이크로웨이브와 광파의 중간 영역에 위치하는 원적외선 영역의 전자기파로서, 0.1~10THz 정도의 주파수를 가지고 있으며 파장으로는 0.03~3mm, 에너지로는 0.4~40meV에 해당하는 영역이다.
테라헤르츠파 대역은 마이크로웨이브와 광파의 대역 중간에 위치하고 있어 빛의 직진성과 전자기파의 투과성을 모두 가지고 있으며, 마이크로파나 광파가 투과할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고 수분에 잘 흡수되는 특성을 가지고 있기 때문에 의학, 의공학, 생화학, 식품공학, 공해감시 및 보안 검색 등의 산업에 점차 확장되며 중요성이 날로 증대되고 있다.
그러나 이러한 테라헤르츠를 이용한 분광기에서도 기체의 특성을 분석하기 위해서는 분광기가 대형화되어야 한다는 단점이 있다. 즉 테라헤르츠파와 분석 대상인 기체, 즉 가스와의 접촉 횟수를 늘려야 보다 정확한 측정이 가능하므로 분광기에 포함되는 가스 챔버의 크기는 최소 2m 이상이 되어야 한다. 또한 분석에 필요한 가스의 양도 이에 따라서 많아져야 한다. 분광기가 대형화될 수밖에 없다는 단점이 있어서 현재로서는 주로 실험실 또는 연구소 레벨에서만 연구가 진행 중인 상황이다. 분광기가 대형화되는 경우 예컨대 현장에서 가스를 분석하는 용도로 사용될 수 없다는 단점이 있다.
또한 전술한 가스 크로마토그래프 장치 또는 전술한 테라헤르츠를 이용한 분광기의 경우 여러 기체를 동시에 측정할 수 없다는 문제점을 가지고 있으며, 또한 장치 구성이 복잡하고 그 가격이 매우 고가라는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 기준 기체와 샘플 기체를 동시에 측정할 수 있고, 도파관을 사용하여 분광기의 크기를 소형화할 수 있고 적은 양의 기체를 이용해서도 분석이 가능하며 차동 검출 방식을 이용하여 분석의 정확도를 높이면서도 제조 비용을 최소화할 수 있고 측정 시간을 최소화할 수 있는 기체 분석용 테라헤르츠 분광기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 테라헤르츠파를 생성하여 출력하는 테라헤르츠 생성부; 제1 도파관을 구비하며, 샘플 기체를 수용하는 제1 챔버; 제2 도파관을 구비하며, 기준 기체를 수용하는 제2 챔버; 적어도 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 배기부; 적어도 상기 제1 챔버에 상기 샘플 기체를 공급하는 기체 공급부; 상기 테라헤르츠파를 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버로 각각 진행시키는 빔 분리부; 상기 제1 테라헤르츠파가 상기 제1 챔버의 상기 제1 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 샘플파를 검출하는 제1 검출부와, 상기 제2 테라헤르츠파가 상기 제2 챔버의 상기 제2 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 기준파를 검출하는 제2 검출부와, 상기 샘플파와 상기 기준파를 비교하는 분석부를 포함하는 테라헤르츠 분석부; 상기 샘플파를 반사하여 상기 제1 검출부로 진행시키는 제3 빔 반사부; 및 상기 기준파를 반사하여 상기 제2 검출부로 진행시키는 제4 빔 반사부를 포함하는 것이고, 상기 제3 빔 반사부 및 상기 제4 빔 반사부 중 어느 하나는 양면에서 반사를 수행하여 상기 샘플파 및 상기 기준파를 각각 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부로 진행시키는 양면 반사부를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기를 제공한다.
본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 테라헤르츠 생성부에서 출력되는 상기 테라헤르츠파를 반사하여 상기 빔 분리부로 진행시키는 제1 빔 반사부;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 테라헤르츠파를 반사하여 상기 제1 챔버로 진행시키거나 상기 제2 테라헤르츠파를 반사하여 상기 제2 챔버로 진행시키는 제2 빔 반사부;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 챔버는 상기 제1 테라헤르츠파가 상기 제1 챔버로 입사하는 부분에 형성되는 제1 렌즈부 및 상기 샘플파가 상기 제1 챔버로부터 출사하는 부분에 형성되는 제2 렌즈부를 포함하는 것이고, 상기 제2 챔버는 상기 제2 테라헤르츠파가 상기 제2 챔버로 입사하는 부분에 형성되는 제3 렌즈부 및 상기 기준파가 상기 제2 챔버로부터 출사하는 부분에 형성되는 제4 렌즈부를 포함하는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 렌즈부 내지 제4 렌즈부는 실리콘 렌즈일 수 있다.
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또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 양면 반사부는 양면에 금이 코팅된 미러를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 배기부는 상기 제1 챔버의 내부가 진공이 되도록 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 배기부는 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 제1 배기부; 및 상기 제2 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 제2 배기부;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 배기부는 상기 제1 챔버의 내부가 진공이 되도록 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 것이고, 상기 제2 배기부는 상기 제2 챔버의 내부가 진공이 되도록 상기 제2 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 기체 공급부는 상기 제1 챔버에 상기 샘플 기체를 공급하는 제1 기체 공급부; 및 상기 제2 챔버에 상기 기준 기체를 공급하는 제2 기체 공급부;를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 도파관은 상기 제1 테라헤르츠파가 진행되는 경로 상에 배치되고, 상기 제2 도파관은 상기 제2 테라헤르츠파가 진행되는 경로 상에 배치될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 도파관은 상기 제1 챔버에 고정 지지되고, 상기 제2 도파관은 상기 제2 챔버에 고정 지지되는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관 중 적어도 하나는 가스 흡착 필터가 그 내부에 부착되는 것일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서, 상기 가스 흡착 필터는 다공성 흡착 필터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 기준 기체와 샘플 기체를 동시에 측정할 수 있고, 도파관을 사용하여 분광기의 크기를 소형화할 수 있고 적은 양의 기체를 이용해서도 분석이 가능하며 차동 검출 방식을 이용하여 분석의 정확도를 높이면서도 제조 비용을 최소화할 수 있고 측정 시간을 최소화할 수 있다. 따라서 가스를 분석하는 용도, 예컨대 산업 현장 등에서의 가스 분석, 의료 분야에서의 가스 분석에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 예시적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 테라헤르츠파가 분리되어 제1 챔버 및 제2 챔버로 진행하는 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 도파관 내를 진행하는 테라헤르츠파를 예시적으로 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 배기부 및 기체 공급부의 변형예를 나타내는 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 샘플파 및 기준파를 검출하기 위한 구성을 예시적으로 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 테라헤르츠파가 분리되어 제1 챔버 및 제2 챔버로 진행하는 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 도파관 내를 진행하는 테라헤르츠파를 예시적으로 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 배기부 및 기체 공급부의 변형예를 나타내는 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 샘플파 및 기준파를 검출하기 위한 구성을 예시적으로 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 예시적인 블록도이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 테라헤르츠 생성부(110)와, 빔 분리부(120)와, 제1 챔버(140)와, 제2 챔버(150)와, 배기부(160)와, 기체 공급부(170)와, 테라헤르츠 분석부(180)를 포함한다. 또한 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 제1 빔 반사부(190)를 더 포함할 수 있다.
테라헤르츠 생성부(110)는 테라헤르츠파를 생성하여 출력한다. 테라헤르츠 생성부(110)는 종래의 테라헤르츠 분광기의 구성을 참조할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.
빔 분리부(120)는 테라헤르츠 생성부(110)에서 출력되는 테라헤르츠파를 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 제1 챔버(140) 및 제2 챔버(150)로 각각 진행시킨다.
빔 분리부(120)는 예컨대 실리콘 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 구현될 수 있으며, 테라헤르츠 생성부(110)에서 출력되는 테라헤르츠파를 50:50으로 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 제1 챔버(140) 및 제2 챔버(150)로 각각 진행시킨다.
제1 챔버(140)는 제1 도파관(도 2의 145a, 145b)을 구비하며, 샘플 기체를 수용한다.
제1 도파관(도 2의 145a, 145b)은 제1 판(145a)과 제2 판(145b)로 구성된다.
제1 판(145a)과 제2 판(145b)은 서로 대향하도록 배치되며 소정 간격만큼 이격되어 배치된다. 제1 판(145a)과 제2 판(145b) 사이의 간격은 실질적으로 100 ㎛일 수 있다. 본 명세서에서 "실질적으로 100 ㎛"라는 것은 100 ㎛보다 작거나 또는 클 수도 있지만 본원 발명에 따라서 테라헤르츠파를 진행시키기 위한 목적을 달성할 수 있는 간격을 의미하며, 100 ㎛보다 10% 정도 작은 간격에서부터 10%정도 큰 간격까지일 수 있다. 제1 판(145a)과 제2 판(145b) 사이의 간격은 분석 대상인 샘플 기체의 종류나 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 구체적인 설계에 따라서 100 ㎛가 아니라 다른 값으로 변경될 수도 있다.
제1 판(145a)과 제2 판(145b)의 재질은 금속일 수 있다. 보다 구체적으로 제1 판(145a)과 제2 판(145b)의 재질은 전기 전도도가 높은 구리, 아연, 철, 알루미늄, 은, 금 및 주석을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 금속 또는 이 금속과 다른 물질의 합금일 수 있다. 예컨대 스테인레스도 제1 판(145a)과 제2 판(145b)의 재질로서 가능하다.
샘플 기체는 분석 대상인 기체로서, 예컨대 산업 현장에서 사용하는 가스, 환경 오염 등의 분석을 위한 공기, 의료용 호기(呼氣, exhalation)(날숨이라도 함) 등일 수 있다.
제2 챔버(150)는 제2 도파관(도 2의 155a, 155b)을 구비하며, 기준 기체를 수용한다.
제2 도파관(도 2의 155a, 155b)은 제1 판(155a)과 제2 판(155b)로 구성된다. 제2 도파관(도 2의 155a, 155b)의 구성은 전술한 제1 도파관(도 2의 145a, 145b)과 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.
기준 기체는 예컨대 공기일 수 있으며, 또한 다수의 기체의 동시 분석을 위해서 공기가 아닌 다른 기체를 기준 기체로 사용할 수 도 있다.
배기부(160)는 적어도 제1 챔버(140)의 내부의 분위기를 배기한다.
즉 제1 챔버(140) 내에 분석 대상인 샘플 기체만이 수용되도록, 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에서는 우선 배기부(160)를 통하여 제1 챔버(140) 내부의 분위기를 배기하고 이후 샘플 기체를 제1 챔버(140) 내에 수용할 수 있다.
예컨대 배기부(160)는 제1 챔버(140)의 내부가 진공이 되도록 제1 챔버(140)의 내부의 분위기를 배기할 수 있다.
배기부(160)는 예컨대 유압식 로터리 진공 펌프 등의 펌프 구성을 사용하여 구현될 수 있다.
기체 공급부(170)는 적어도 제1 챔버(140)에 샘플 기체를 공급한다.
즉 배기부(160)에 의해서 제1 챔버(140) 내부의 분위기를 배기한 이후에 샘플 기체를 제1 챔버(140)에 공급하여, 제1 챔버(140) 내에 샘플 기체가 채워지도록 구성된다.
테라헤르츠 분석부(180)는 제1 테라헤르츠파가 제1 챔버(140)의 제1 도파관(도 2의 145a, 145b)을 통과한 후 출력되는 것인 샘플파와, 제2 테라헤르츠파가 제2 챔버(150)의 제2 도파관(도 2의 155a, 155b)을 통과한 후 출력되는 것인 기준파를 각각 검출한 후 분석한다.
테라헤르츠 분석부(180)는 특히 샘플파와 기준파를 각각 검출하고 이를 분석하는 차동 검출 방식을 사용하는 것에 의해서 분해능을 높일 수 있어서 분석의 정확도를 높일 수 있다.
또한 도 1을 참조하면 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 제1 빔 반사부(190)를 더 포함할 수 있다.
제1 빔 반사부(190)는 테라헤르츠 생성부(110)에서 출력되는 테라헤르츠파를 반사하여 빔 분리부(120)로 진행시킨다. 특히 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 크기를 소형화하기 위해서 제1 빔 반사부(190)를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 구체적인 구성에 대해서 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 테라헤르츠파가 분리되어 제1 챔버 및 제2 챔버로 진행하는 상태를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 테라헤르츠 생성부(110)에서 출력되는 테라헤르츠파는 제1 빔 반사부(190)에 의해서 반사된다. 그 후 빔 분리부(120)는 테라헤르츠파를 50:50으로 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 제1 챔버(140) 및 제2 챔버(150)로 각각 진행시킨다. 한편 빔 분리부(120)에서 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리되는 경우 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파의 진행 방향은 도 2에 도시되듯이 수직이다.
따라서 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 제1 테라헤르츠파를 반사하여 제1 챔버(140)로 진행시키거나 제2 테라헤르츠파를 반사하여 제2 챔버(150)로 진행시키는 제2 빔 반사부(127)를 더 포함할 수 있다.
도 2에서 제2 빔 반사부(127)는 제2 테라헤르츠파를 반사하여 제2 챔버(150)로 진행시키는 구성으로 도시되나, 제1 챔버(140) 및 제2 챔버(150)의 배치 위치에 따라서 제1 테라헤르츠파를 반사하여 제1 챔버(140)로 진행시키도록 구성될 수도 있다.
제1 테라헤르츠파는 제1 챔버(140)로 진행된다.
도 2를 참조하면, 제1 챔버(140)는 제1 테라헤르츠파가 제1 챔버(140)로 입사하는 부분에 형성되는 제1 렌즈부(143) 및 샘플파가 제1 챔버(140)로부터 출사하는 부분에 형성되는 제2 렌즈부(147)를 포함할 수 있다.
제1 렌즈부(143) 및 제2 렌즈부(147)는 각각 실리콘 렌즈를 이용하여 구현될 수 있다. 제1 렌즈부(143) 및 제2 렌즈부(147)의 집속 거리, 즉 테라헤르츠파를 집속하는 거리에 따라서 제1 챔버(140)의 크기가 결정될 수 있으며, 실리콘 렌즈의 집속 거리는 매우 짧기 때문에, 제1 챔버(140)는 예컨대 수cm 내지 수십cm 정도의 길이를 가질 수 있다.
제1 도파관(145a, 145b)은 제1 테라헤르츠파가 진행되는 경로 상에 배치된다. 마찬가지로 제2 도파관(155a, 155b)은 제2 테라헤르츠파가 진행되는 경로 상에 배치된다.
또한 제1 도파관(145a, 145b)은 제1 챔버(140)에 고정 지지되고, 제2 도파관(155a, 155b)은 제2 챔버(150)에 고정 지지된다.
예컨대 제1 도파관(145a, 145b) 및 제2 도파관(155a, 155b)은 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파 각각이 진행되는 경로 상에 배치되도록 그 적어도 일부가 제1 챔버(140) 및 제2 챔버(150)에 각각 고정된다.
한편 제1 도파관(145a, 145b)을 통하여 제1 테라헤르츠파가 여러 번 반사되어 통과하므로 샘플 기체와 제1 테라헤르츠파 사이의 반응도를 높일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 도파관 내를 진행하는 테라헤르츠파를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
제1 도파관(145a, 145b) 내에서 제1 테라헤르츠파가 여러 번 반사되며, 따라서 제1 테라헤르츠파의 진행 경로가 그만큼 길어지게 되며, 진행 경로에 비례하여 샘플 기체와의 반응, 즉 접촉이 발생한다. 따라서 제1 챔버(140)가 예컨대 수cm 내지 수십cm 정도의 길이를 가지는 경우에도, 샘플 기체의 분석을 위한 충분한 반응도가 확보될 수 있다.
따라서 제1 챔버(140)의 부피를 최소화할 수 있다.
제1 챔버(140)의 부피가 최소화되면 샘플 기체의 공급량도 이에 비례하여 작아질 수 있다. 종래의 테라헤르츠 분광기에서 챔버의 길이가 최소 2m 이상인 경우 챔버에 공급해야 할 샘플 기체의 양도 이에 비례해서 커질 수밖에 없지만, 본 발명에 따르면 제1 챔버(140)의 부피를 최소화할 수 있으므로, 소량의 샘플 기체를 사용하더라도 분석이 가능하다는 장점을 가진다.
제2 테라헤르츠파는 제2 챔버(150)로 진행된다.
도 2를 참조하면, 제2 챔버(150)는 제2 테라헤르츠파가 제2 챔버(150)로 입사하는 부분에 형성되는 제3 렌즈부(153) 및 기준파가 제2 챔버(150)로부터 출사하는 부분에 형성되는 제4 렌즈부(157)를 포함할 수 있다.
제3 렌즈부(153) 및 제4 렌즈부(157)는 각각 실리콘 렌즈를 이용하여 구현될 수 있다. 제1 렌즈부(143) 및 제2 렌즈부(147)의 집속 거리, 즉 테라헤르츠파를 집속하는 거리에 따라서 제2 챔버(150)의 크기가 결정될 수 있으며, 실리콘 렌즈의 집속 거리는 매우 짧기 때문에, 제2 챔버(150)는 예컨대 수cm 내지 수십cm 정도의 길이를 가질 수 있다.
따라서 전술한 제1 챔버(140)에 대한 설명과 마찬가지로 제2 챔버(150)의 부피를 최소화할 수 있다. 또한 마찬가지로 소량의 기준 기체를 사용하더라도 분석이 가능하다는 장점을 가진다.
한편 샘플 기체 또는 기준 기체의 분석을 위한 충분한 반응도를 보다 높이기 위해서, 제1 도파관(145a, 145b) 및 제2 도파관(155a, 155b)은 그 내부에 가스 흡착 필터가 부착될 수 있다. 가스 흡착 필터는 예컨대 다공성 흡착 필터를 포함하며, 폴리에틸렌 등의 물질을 이용하여 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 배기부 및 기체 공급부의 변형예를 나타내는 블록도이다.
전술하듯이, 배기부(160)는 적어도 제1 챔버(140)의 내부의 분위기를 배기하고, 기체 공급부(170)는 적어도 제1 챔버(140)에 샘플 기체를 공급하는 구성을 가진다.
또한 바람직하게는 제2 챔버(150)는 진공 상태에서 기준 기체를 공급한 후 밀봉된 상태이다. 그러나 공기가 아닌 다른 기체를 기준 기체로 사용할 수도 있다.
따라서 도 4에 도시되듯이, 배기부(160)는 제1 챔버(140)의 내부의 분위기를 배기하는 제1 배기부(163) 및 제2 챔버(150)의 내부의 분위기를 배기하는 제2 배기부(167)를 포함할 수 있다.
제1 배기부(163)는 제1 챔버(140)의 내부가 진공이 되도록 제1 챔버(140)의 내부의 분위기를 배기하는 것이고, 제2 배기부(167)는 제2 챔버(150)의 내부가 진공이 되도록 제2 챔버(150)의 내부의 분위기를 배기할 수 있다.
제1 배기부(163) 및 제2 배기부(167)는 각각 별도로 구현될 수도 있지만, 예컨대 하나의 유압식 진공 로터리 펌프를 사용하여 제1 배기부(163) 및 제2 배기부(167)를 구현하도록 일체형으로 구성될 수도 있다.
마찬가지로 도 4에 도시되듯이, 기체 공급부(170)는 제1 챔버(140)에 샘플 기체를 공급하는 제1 기체 공급부(173) 및 제2 챔버(150)에 기준 기체를 공급하는 제2 기체 공급부(177)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에 있어서 샘플파 및 기준파를 검출하기 위한 구성을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 테라헤르츠 분석부(도 1의 180)는 샘플파를 검출하는 제1 검출부(183)와, 기준파를 검출하는 제2 검출부(185)와, 샘플파와 기준파를 비교하는 분석부(187)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기에서는, 샘플파와 기준파가 동시에 각각 제1 검출부(183)와 제2 검출부(185)에 의해서 검출되고, 또한 분석부(187)에 의해서 비교된다. 따라서 측정 및 분석 속도가 빨라지며, 차동 검출 방식을 이용하여 보다 정확한 검출이 가능하다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기는 제1 챔버(140)로부터 출력되는 샘플파를 반사하여 제1 검출부(183)로 진행시키는 제3 빔 반사부(200)와, 제2 챔버(150)로부터 출력되는 기준파를 반사하여 제2 검출부(185)로 진행시키는 제4 빔 반사부(210)를 더 포함할 수 있다. 제3 빔 반사부(200)와 제4 빔 반사부(210)는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 실제 설계시 부피 최소화 등의 이유로 추가될 수 있다.
한편 제3 빔 반사부(200) 및 제4 빔 반사부(210) 중 어느 하나는 양면에서 반사를 수행하여 샘플파 및 기준파를 각각 제1 검출부(183) 및 제2 검출부(185)로 진행시키는 양면 반사부를 포함할 수 있다. 양면 반사부는 양면에 금이 코팅된 미러를 이용하여 구현될 수 있다.
도 5를 참조하면, 양면 반사부는 예컨대 제1 챔버(140)로부터 출력되고 제3 빔 반사부(200)로부터 반사되는 샘플파를 반사하여 제1 검출부(183)로 진행시키고, 제2 챔버(150)로부터 출력되는 기준파를 반사하여 제2 검출부(185)로 진행시키는 구성을 가지나, 구체적인 구현예는 본 발명에 따른 기체 분석용 테라헤르츠 분광기의 실제 설계에 따라서 변경될 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 기준 기체와 샘플 기체를 동시에 측정할 수 있고, 도파관을 사용하여 분광기의 크기를 소형화할 수 있고 적은 양의 기체를 이용해서도 분석이 가능하며 차동 검출 방식을 이용하여 분석의 정확도를 높이면서도 제조 비용을 최소화할 수 있고 측정 시간을 최소화할 수 있다. 따라서 가스를 분석하는 용도, 예컨대 산업 현장 등에서의 가스 분석, 의료 분야에서의 가스 분석에 적용될 수 있다.
110: 테라헤르츠 생성부 120: 빔 분리부
127: 제2 빔 반사부 140: 제1 챔버
143: 제1 렌즈부 145a, 145b: 제1 도파관
147: 제2 렌즈부 150: 제2 챔버
153: 제3 렌즈부 155a, 155b: 제2 도파관
157: 제4 렌즈부 160: 배기부
163: 제1 배기부 167: 제1 기체 공급부
170: 기체 공급부 173: 제2 배기부
177: 제2 기체 공급부 180: 테라헤르츠 분석부
183: 제1 검출부 185: 제2 검출부
187: 분석부 190: 제1 빔 반사부
200: 제3 빔 반사부 210: 제4 빔 반사부
127: 제2 빔 반사부 140: 제1 챔버
143: 제1 렌즈부 145a, 145b: 제1 도파관
147: 제2 렌즈부 150: 제2 챔버
153: 제3 렌즈부 155a, 155b: 제2 도파관
157: 제4 렌즈부 160: 배기부
163: 제1 배기부 167: 제1 기체 공급부
170: 기체 공급부 173: 제2 배기부
177: 제2 기체 공급부 180: 테라헤르츠 분석부
183: 제1 검출부 185: 제2 검출부
187: 분석부 190: 제1 빔 반사부
200: 제3 빔 반사부 210: 제4 빔 반사부
Claims (17)
- 테라헤르츠파를 생성하여 출력하는 테라헤르츠 생성부;
제1 도파관을 구비하며, 샘플 기체를 수용하는 제1 챔버;
제2 도파관을 구비하며, 기준 기체를 수용하는 제2 챔버;
적어도 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 배기부;
적어도 상기 제1 챔버에 상기 샘플 기체를 공급하는 기체 공급부;
상기 테라헤르츠파를 제1 테라헤르츠파 및 제2 테라헤르츠파로 분리하여 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버로 각각 진행시키는 빔 분리부;
상기 제1 테라헤르츠파가 상기 제1 챔버의 상기 제1 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 샘플파를 검출하는 제1 검출부와, 상기 제2 테라헤르츠파가 상기 제2 챔버의 상기 제2 도파관을 통과한 후 출력되는 것인 기준파를 검출하는 제2 검출부와, 상기 샘플파와 상기 기준파를 비교하는 분석부를 포함하는 테라헤르츠 분석부;
상기 샘플파를 반사하여 상기 제1 검출부로 진행시키는 제3 빔 반사부; 및
상기 기준파를 반사하여 상기 제2 검출부로 진행시키는 제4 빔 반사부
를 포함하는 것이고,
상기 제3 빔 반사부 및 상기 제4 빔 반사부 중 어느 하나는 양면에서 반사를 수행하여 상기 샘플파 및 상기 기준파를 각각 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부로 진행시키는 양면 반사부를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 테라헤르츠 생성부에서 출력되는 상기 테라헤르츠파를 반사하여 상기 빔 분리부로 진행시키는 제1 빔 반사부;
를 더 포함하는 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 테라헤르츠파를 반사하여 상기 제1 챔버로 진행시키거나 상기 제2 테라헤르츠파를 반사하여 상기 제2 챔버로 진행시키는 제2 빔 반사부;를 더 포함하는 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 챔버는 상기 제1 테라헤르츠파가 상기 제1 챔버로 입사하는 부분에 형성되는 제1 렌즈부 및 상기 샘플파가 상기 제1 챔버로부터 출사하는 부분에 형성되는 제2 렌즈부를 포함하는 것이고,
상기 제2 챔버는 상기 제2 테라헤르츠파가 상기 제2 챔버로 입사하는 부분에 형성되는 제3 렌즈부 및 상기 기준파가 상기 제2 챔버로부터 출사하는 부분에 형성되는 제4 렌즈부를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제4항에 있어서,
상기 제1 렌즈부 내지 제4 렌즈부는 실리콘 렌즈인 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 양면 반사부는 양면에 금이 코팅된 미러를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 배기부는 상기 제1 챔버의 내부가 진공이 되도록 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 배기부는
상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 제1 배기부; 및
상기 제2 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 제2 배기부;
를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제11항에 있어서,
상기 제1 배기부는 상기 제1 챔버의 내부가 진공이 되도록 상기 제1 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 것이고, 상기 제2 배기부는 상기 제2 챔버의 내부가 진공이 되도록 상기 제2 챔버의 내부의 분위기를 배기하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제11항에 있어서,
상기 기체 공급부는
상기 제1 챔버에 상기 샘플 기체를 공급하는 제1 기체 공급부; 및
상기 제2 챔버에 상기 기준 기체를 공급하는 제2 기체 공급부;
를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도파관은 상기 제1 테라헤르츠파가 진행되는 경로 상에 배치되고,
상기 제2 도파관은 상기 제2 테라헤르츠파가 진행되는 경로 상에 배치되는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제14항에 있어서,
상기 제1 도파관은 상기 제1 챔버에 고정 지지되고, 상기 제2 도파관은 상기 제2 챔버에 고정 지지되는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관 중 적어도 하나는 가스 흡착 필터가 그 내부에 부착되는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기. - 제16항에 있어서,
상기 가스 흡착 필터는 다공성 흡착 필터를 포함하는 것인 기체 분석용 테라헤르츠 분광기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140100436A KR101606785B1 (ko) | 2014-08-05 | 2014-08-05 | 기체 분석용 테라헤르츠 분광기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140100436A KR101606785B1 (ko) | 2014-08-05 | 2014-08-05 | 기체 분석용 테라헤르츠 분광기 |
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