KR101750197B1 - 가스 검출 장치 - Google Patents

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신종철
한영근
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

가스 검출 장치가 제공한다. 상기 가스 검출 장치는 내부에 가스가 수용되는 공간이 형성된 가스 셀, 상기 가스 셀의 일측에 위치하며, 상기 가스 셀 내부로 광을 조사하는 광원, 상기 가스 셀 내에서 상기 광원으로부터 조사된 광의 경로 상에 위치하며, 그래핀과 가스 흡착 입자가 표면에 코팅되는 렌즈 및 상기 가스 셀의 타측에 위치하며, 상기 렌즈로부터 투과되는 상기 광의 분포를 검출하는 광 검출기를 포함하되, 상기 렌즈에서 투과되는 상기 광은 상기 가스 흡착 입자에 흡착되는 상기 가스의 양에 따라 굴절 정도가 상이하여, 특정 가스의 검출이 용이한 가스 검출 장치를 제공한다.

Description

가스 검출 장치{Gas Detecting Apparatus}
본 발명은 가스 검출 장치에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 광 굴절률의 변화로 가스의 농도를 검출하는 가스 검출 장치에 관한 것이다.
가스 검출 장치는 산업, 기상 등 광범위한 분야에서 유해 물질 및 오염 물질을 모니터링 하는 중요한 역할을 담당하고 있다.
종래의 가스 검출 장치는 저항 값의 변화를 출력하여 가스 감지 여부의 판별이 이루어지도록 하거나, 또는 저항을 통해 상기 저항 값을 전압 값으로 변환하여 출력하는 센싱 방법이 활용되었다.
그러나, 이는 온도와 습도 등의 외부 환경에 민감하게 반응하여 오작동이 발생하는 경우가 나타나고, 검출 가스의 종류의 변경이 용이하지 못한 단점을 가지고 있다.
또한, 레이저 광원을 이용한 종래 가스 검출 장치는 레이저 주파수가 불안정하다는 단점과, 한 종류의 가스에 반응하는 특정 파장의 광원을 이용해야 함으로 다양한 가스 검출이 용이하지 못한 한계점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 특정 가스의 선택적 검출이 용이한 가스 검출 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 특정 가스의 농도 측정이 가능한 가스 검출 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 가스 검출 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 검출 장치는 내부에 가스가 수용되는 공간이 형성된 가스 셀, 상기 가스 셀의 일측에 위치하며, 상기 가스 셀 내부로 광을 조사하는 광원, 상기 가스 셀 내에서 상기 광원으로부터 조사된 광의 경로 상에 위치하며, 그래핀과 가스 흡착 입자가 표면에 코팅되는 렌즈 및 상기 가스 셀의 타측에 위치하며, 상기 렌즈로부터 투과되는 상기 광의 분포를 검출하는 광 검출기를 포함하되, 상기 렌즈에서 투과되는 상기 광은 상기 가스 흡착 입자에 흡착되는 상기 가스의 양에 따라 굴절 정도가 상이한 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 검출 장치의 상기 그래핀은 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀 중 적어도 어느 하나를 포함될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 검출 장치의 상기 가스 흡착 입자는 ZnO, Co3O4, α-Fe2O3, Wo3, SnO2, Cu2, NiO, Co(OH)2, CuxO를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 검출 장치의 상기 렌즈는 복수개로 제공되되, 상기 렌즈들에는 각각 다른 종류의 상기 가스 흡착 입자가 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 검출 장치의 상기 광 검출기는 상기 렌즈와 동일 높이에 위치하는 제1 지점과, 상기 제1 지점보다 낮고 상기 가스 셀의 하측에 가깝게 위치하는 제2 지점의 사이 영역에서 상기 광의 분포를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 검출 장치의 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이 구간에서 상기 광 검출기를 직선 이동시키는 광 검출기 이동부를 더 포함하되, 상기 광 검출기는 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이 구간을 이동하며 상기 광 분포를 연속 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 가스 검출 장치는 특정 가스를 흡착하는 렌즈를 제공함으로써, 특정 가스의 검출 및 가스의 농도 측정이 가능한 가스 검출 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스 검출 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 렌즈 표면을 나타내는 도면이다.
도 3은 렌즈 표면에 코팅되는 가스 흡착 입자들의 종류와 그에 따라 검출가능한 가스의 종류를 나타내는 표이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 검출 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 검출 대상 가스의 농도가 낮을 때 렌즈를 투과하는 광의 굴절 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 검출 대상 가스의 농도가 높을 때 렌즈를 투과하는 광의 굴절 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 가스 검출 장치를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 검출 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 가스 검출 장치(10)는 가스 셀(100), 제1 윈도우(140), 제 2윈도우(150), 광원(200), 렌즈(300), 렌즈 이동부(330), 도어부(350) 및 광 검출기(400)를 포함한다.
상기 가스 셀(100)는 소스 가스(11)를 저장하는 공간(110)이 내부에 형성된다. 소스 가스(11)는 성분 분석의 대상이 되는 가스이다. 실시 예에 의하면, 상기 소스 가스(11)는 유독가스인 메탄가스, 암모니아, 일산화탄소 등 다양한 가스를 포함한다.
상기 가스 셀(100)에는 가스 유입구(120)와 가스 유출구(130)가 제공된다. 상기 소스 가스는 상기 가스 유입구(120)를 통해 상기 가스 셀(100) 내로 유입되고, 상기 유출구(130)를 통해 상기 가스 셀(100) 외부로 배출된다.
상기 가스 셀(100)의 상단에는 개구부(160)가 제공된다. 상기 개구부(160)는 렌즈(300)가 출입하는 통로로 제공된다.
상기 제1 윈도우(140)는 상기 가스 셀(100)의 일면에 제공된다. 상기 제1 윈도우(140)는 광의 투과가 가능한 투명 창으로, 상기 광원(200)에 대응하는 높이에 위치한다. 상기 광원(200)에서 생성된 광은 상기 제1 윈도우(140)를 투과하여 상기 가스 셀(100) 내로 제공된다.
상기 제2 윈도우(150)은 상기 제1 윈도우(140)와 마주하는 상기 가스 셀(100)의 타면에 제공된다. 상기 제2 윈도우(150)는 광의 투과가 가능한 투명 창으로 제공된다. 광은 상기 제2 윈도우(150)를 투과하여 상기 가스 셀(100) 외부로 제공된다. 상기 제2 윈도우(150)가 제공되는 영역은 상기 렌즈(300)를 투과하는 광의 최대 굴절 범위 영역을 포함한다. 이에 의해 상기 제2 윈도우(150)는 상하 방향 폭이 상기 제1 윈도우(140)보다 크게 제공된다. 상기 제2 윈도우(150)는 상단이 상기 렌즈(300)에 대응하는 높이에 위치하고, 하단이 상기 가스 셀(100)의 하단에 인접 위치한다.
상기 광원(200)은 상기 가스 셀(100)의 일 측에 위치한다. 상기 광원(200)은 상기 제 1윈도우(140)과 동일 높이에서 상기 가스 셀(100)의 내측으로 광을 조사한다. 상기 광은 레이저 광을 포함한다.
상기 렌즈(300)는 상기 가스 셀(100) 내부에서 상기 광원(200)에서 조사된 상기 광의 경로 상에 위치한다. 상기 렌즈(300)의 재질은 MgF2, CaF2, N-BK7를 포함하는 군에서 선택될 수 있다. 상기 렌즈(300)의 재질은 다양한 파장의 광이 투과 가능하다.
도 2는 도 1의 렌즈 표면을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 렌즈(300)의 표면은 그래핀(310)과 가스 흡착 입자(320)로 코팅된다.
상기 그래핀(310)은 상기 렌즈(300)의 표면에 얇은 막으로 코팅될 수 있다. 상기 그래핀(310)은 산화 그래핀(GO) 또는 환원된 산화 그래핀(RGO)일 수 있다.
상기 가스 흡착 입자(320)는 상기 그래핀(310)에 결합된다. 상기 가스 흡착 입자(320)는 특정 가스를 흡착한다. 상기 가스 흡착 입자(320)는 ZnO, Co3O4, α-Fe2O3, Wo3, SnO2, Cu2, NiO, Co(OH)2, CuxO를 포함하는 군에서 선택될 수 있으며, 상기 가스 흡착 입자(320)의 종류에 따라 흡착하는 가스의 종류가 상이하다.
도 3은 렌즈 표면에 코팅되는 가스 흡착 입자의 종류와 그에 따라 검출가능한 가스의 종류를 나타내는 표이다.
상기 렌즈(300)에 코팅되는 상기 가스 흡착 입자(320)의 종류에 따라 상기 가스 흡착 입자(320)에 흡착되는 가스의 종류가 상이하다. 예컨대, 상기 가스 흡착 입자(320)로 ZnO를 코팅할 경우 질소 가스(NO2)를 검출할 수 있다.
상기 렌즈(300)에는 단일 또는 여러 종류의 상기 가스 흡착 입자(320)가 코팅될 수 있다. 이에 따라 상기 렌즈(300)는 상이한 종류의 상기 가스 흡착 입자(320)로 코팅된 렌즈(300)가여러 개 구비될 수 있다. 사용자는 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라 상기 렌즈(300)를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 렌즈 이동부(330)는 상기 렌즈(300)를 상하로 이동시킨다. 상기 렌즈 이동부(330)는 상기 렌즈(300)가 이동 가능한 이동 레일(331)을 포함한다. 상기 렌즈(300)는 이동 레일(331)을 따라 위 아래로 이동하며 위치를 조정할 수 있으며, 개구부(160) 측으로 이동시켜 교체를 용이하게 한다.
상기 도어부(350)는 상기 개구부(160)를 개폐한다. 상기 도어부(350)는 상기 가스 셀(100)의 상면을 따라 슬라이드 이동가능하다.
상기 광 검출기(400)는 상기 제2 윈도우(150)를 투과하는 상기 광을 검출하여 상기 광의 분포를 측정한다. 예를 들어, 상기 광 검출기(400)는 선형 CCD 카메라일 수 있다. 상기 광 검출기(400)는 상기 제2 윈도우(150)의 상하방향 폭에 대응하는 영역에 걸쳐 상기 광의 분포를 측정한다.
상기 광 검출기(400)는 상기 광 검출기 이동부(450)에 의해 상하방향으로 스캔 이동하며 상기 광의 분포를 측정한다. 상기 광 검출기 이동부(450)는 상기 제2 윈도우(150)의 상단과 하단 사이에서 상기 광 검출기(400)를 이동시킨다. 이에 의해 상기 광 검출기(400)가 상기 광의 분포를 측정하는 영역은 상기 렌즈(300)와 동일 높이에 위치하는 제1 지점에서부터, 상기 렌즈(300)로부터 투과된 광이 굴절되는 최대 지점인 제2 지점 사이로 정의될 수 있다. 상기 제2 지점은 상기 가스 셀(100)의 하측에 인접하여 위치될 수 있다
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가스 검출 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 도어부(350)를 이동시켜, 상기 개구부(160)를 개방한다. 그리고, 검출대상 가스와 흡착가능한 가스 흡착 입자(320)가 코팅된 상기 렌즈(300)를 선택하여 상기 가스 셀(100) 내에 상기 렌즈(300)를 위치시킨다.
소스 가스(11)를 상기 가스 유입구(120)를 통해 상기 가스 셀(100) 내로 공급하여 상기 가스 셀(100) 내부를 상기 소스 가스(11)로 충진시킨다
상기 소스 가스(11)에 포함된 다양한 종류의 가스들 중 검출 대상 가스는 상기 가스 흡착 입자(320)와 결합하여 상기 렌즈(300) 표면에 부착된다. 상기 소스 가스에 포함된 상기 검출 대상 가스의 농도가 높을수록 상기 렌즈(300) 표면에 부착되는 상기 검출 대상 가스의 양이 증가한다.
상기 광원(200)에서 조사된 광(12)은 상기 제1 윈도우(140)와 상기 렌즈(300)를 투과하여 상기 제2 윈도우(150) 측으로 제공된다. 상기 렌즈(300)를 투과하는 과정에서 상기 광(12)은 굴절된다. 상기 렌즈(300) 표면에 부착되는 상기 검출 대상 가스의 양에 따라 상기 광(12)의 굴절률이 달라진다.
도 5와 같이 상기 렌즈(300)에 부착된 상기 검출 대상 가스의 양이 상대적으로 적을 경우 상기 광(12)의 굴절률이 작고, 도 6와 같이 상기 렌즈(300)에 부착된 상기 검출 대상 가스의 양이 상대적으로 많을 경우 상기 광(12)의 굴절률이 커진다.
굴절된 광은 상기 제2 윈도우(150)를 투과하여 상기 광 검출기(400) 측으로 제공된다.
상기 광 검출기(400)는 상하방향으로 스캔이동하며 광(12)을 검출한다. 상기 광 검출기(400)의 이동 지점에 따라 검출되는 상기 광의 세기 분포가 달라진다. 구체적으로 상기 광(12)이 상기 렌즈(300)에서 굴절되어 도달하는 지점에서는 다른 영역에 비해 상기 광(12)의 세기가 상대적으로 크게 나타난다. 이처럼 상기 광(12)의 분포를 통해 상기 광(12)의 굴절 정도를 알 수 있으며, 상기 광(12)의 굴절 정도에 따라 상기 렌즈(300)에 흡착된 검출 대상 가스의 양을 알 수 있다. 그리고 상기 렌즈(300)에 흡착된 검출 대상 가스의 양을 통해 소스 가스(11)에 포함된 상기 검출 대상 가스의 농도를 분석할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상기 가스 검출 장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 광 검출기(500)는 상기 제2 윈도우(150)에 대응하는 영역에서 동시에 광을 검출할 수 있다. 이 경우, 도 1의 광 검출기(400)와 달리 광 검출기(400)를 이동시키는 구성이 요구되지 않는다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100; 가스 셀
120; 가스 유입구
130; 가스 유출구
140; 제1 윈도우
150; 제2 윈도우
200; 광원
300; 렌즈
310; 그래핀
320; 가스 흡착 입자
330; 렌즈 이동부
350; 도어부
400; 광 검출기
450; 광 검출기 이동부

Claims (6)

  1. 내부에 가스가 수용되는 공간이 형성된 가스 셀;
    상기 가스 셀의 일측에 위치하며, 상기 가스 셀 내부로 광을 조사하는 광원;
    상기 가스 셀 내에서 상기 광원으로부터 조사된 광의 경로 상에 위치하며, 그래핀과 가스 흡착 입자가 표면에 코팅된 렌즈; 및
    상기 가스 셀의 타측에 위치하며, 상기 렌즈로부터 투과되는 상기 광의 분포를 검출하는 광 검출기를 포함하되,
    상기 가스 흡착 입자는 입자 형태로, 상기 가스 중에 포함된 검출 대상 가스가 흡착되며,
    상기 렌즈에서 투과되는 상기 광은 상기 가스 흡착 입자에 흡착된 상기 검출 대상 가스의 양에 따라 굴절 정도가 상이하며,
    상기 광 검출기는
    상기 렌즈와 동일 높이에 위치하는 제1 지점과, 상기 제1 지점보다 낮고 상기 가스 셀의 하측에 가깝게 위치하는 제2 지점의 사이 영역에서 상기 광의 분포를 측정하는 가스 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 그래핀은 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀 중 적어도 어느 하나를 포함하는 가스 검출 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 흡착 입자는 ZnO, Co3O4, α-Fe2O3, Wo3, SnO2, Cu2, NiO, Co(OH)2, CuxO를 포함하는 군에서 선택되는 가스 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 복수 개로 제공되되,
    상기 렌즈들에는 각각 다른 종류의 상기 가스 흡착 입자가 코팅되는 가스 검출 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이 구간에서 상기 광 검출기를 직선 이동시키는 광 검출기 이동부를 더 포함하되,
    상기 광 검출기는 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이 구간을 이동하며 상기 광의 분포를 연속 측정하는 가스 검출 장치.
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