KR101907393B1 - 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서 - Google Patents

소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서 Download PDF

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이승환
이근헌
여형기
김진호
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Abstract

본 발명은 화이트 셀(White Cell) 형태의 비분산적외선 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서에 관한 것이다. 이를 위해, 가스중 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하기 위한 이산화탄소 가스센서에 있어서, 가스센서는 화이트 셀 방식이고, 화이트 셀 내에는 제 1, 2 반사경(120, 130)이 제 3 반사경(140)과 대면하도록 배치되며, 제 3 반사경(140)의 일측에는 광원(110)이 구비되고, 타측에는 제 1 검출기(150)와 제 2 검출기(160)가 구비되며; 그리고 제 1 반사경(120)의 반사면 전체는 제 1 소수성 박막(122)이 증착되고, 제 2 반사경(130)의 반사면 전체는 제 2 소수성 박막(132)이 증착되고, 제 3 반사경(140)의 반사면 전체는 제 3 소수성 박막(142)이 증착된다.

Description

소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서{Non-dispersive infrared sensor deposited hydrophobic thin film}
본 발명은 화이트 셀(White Cell) 형태의 비분산적외선 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서에 관한 것이다.
본 발명은 화이트 셀 구조를 응용한 광학적 구조물을 갖는 비분산 적외선 가스센서의 반사경에 소수성 물질을 박막 증착하여 센서의 감도와 정확도를 향상시키고, 이를 이용한 가스농도 측정 및 외란 보정에 관한 것이다.
일반적으로 비분산형 적외선 가스센서(Non-Dispersive Infrared Absorption Gas Sensor, NDIR)는 광학적 구조물을 이용하여 광원에서 방출된 적외선이 적외선 검출부(또는 센서)까지 도달하는 과정에서 가스농도를 측정한다. 도 1은 종래의 비분산형 적외선 가스센서중 화이트 셀 방식의 농도 측정 원리를 설명하는 설명도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 화이트 셀(White-Cell) 구조는 White, John U.(Journal of the Optical Society of America, 1942)에 의해 제시되었다.
화이트 셀 구조는 동일한 곡률 반경을 갖는 오목 거울 3개 및 광원(10)과 검출기(50)로 구성된다. 광원(10)의 대향면에는 제 1, 2 반사경(20, 30)이 나란히 위치하고, 이와 대면되도록 제 3 반사경(40)이 위치한다. 이때, 가장 중요한 것은 센터에 있는 제 1, 2 반사경(20, 30)의 곡률 중심의 분리와 분리 길이, 입사되는 광축이 수평면과 이루는 각도인데, 이에 의하여 입사광의 반사수가 결정되며 그에 따라 광경로 길이를 조절할 수 있다.
광원(10)은 제 3 반사경(40)의 측면 임의점에서 일정한 각도를 갖는 상태에서 적외선(15)을 조사한다(①). 그 후, 적외선(15)은 제 1 반사경(20)에서 반사된 후(②), 제 3 반사경(40)과 제 1, 2 반사경(20, 30) 사이에서 반사를 반복(③~⑧)한 후 검출기(50)로 입사된다. 이때, 적외선(15)이 가스를 통과하면서 가스속에 포함된 이산화탄소의 농도에 따라 검출기(50)에서 출력 전압이 달라지게 된다.
이러한 화이트 셀 구조는 매우 약한 스펙트럼이나 낮은 농도에서만 얻을 수 있는 화합물에 속하는 스펙트럼을 관찰하는데 사용할 수 있으며, 거울 표면을 손상시키지 않으면서 직접 접촉하는 모든 가스 혹은 액체에 사용할 수 있다.
그러나, 이와 같은 비분산형 적외선 가스센서는 가스농도를 측정하는데 효율적이지만 써모파일의 경우 금속 양단에 온도차이가 발생하면 1) 온도 차이에 비례하는 기전력이 양 단에 발생하는 지벡 효과를 이용하여 광량을 측정하기 때문에 온도의 변화에 적극적으로 대응할 수 없다는 한계가 있다. 또한, 2) 적외선의 흡수율 등이 변하고, 가스센서용 적외선 필터의 표면 오염과 반사경의 오염 및 부식 등에 의하여 출력특성이 변하는 문제점이 있었다.
또한 외부상태가 고온 고습 및 유독가스(산 또는 염기식 Toxic 가스)의 상태에서 온도가 변화하는 경우, 수증기가 반사경에 응축되고 이로 인해 광원에서 방사되는 적외선의 산란에 의해 요구되는 출력이 저하되어 정확한 가스농도 측정이 불가하던가 혹은 추가적인 보정작업을 요구하게 되는 문제점을 갖고 있었다.
따라서 비분산 적외선 가스센서의 광학계는 내화학성 구조를 지니면서 동시에, 수분의 응축에 의한 영향을 배제할 수 있는 구조로 제작되어야 할 필요가 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 반사경 표면에 얇은 소수성 박막을 증착하여 반사경의 부식 및 수증기 맺힘 현상을 방지하고 센서의 감도와 정확도를 향상시켜 보다 정확한 가스농도 측정이 가능한 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 기준 적외선 센서의 온도 의존성을 낮추어 센서 감도를 향상시킬 수 있는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 비분산 적외선 가스센서의 외란을 보정하여 가스 농도를 측정할 수 있는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적들은, 가스중 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하기 위한 이산화탄소 가스센서에 있어서, 가스센서는 화이트 셀 방식이고, 화이트 셀 내에는 제 1, 2 반사경(120, 130)이 제 3 반사경(140)과 대면하도록 배치되며, 제 3 반사경(140)의 일측에는 광원(110)이 구비되고, 타측에는 제 1 검출기(150)와 제 2 검출기(160)가 구비되며; 그리고 제 1, 2, 3 반사경(120, 130, 140)의 반사면중 적어도 일부에는 소수성 박막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서에 의해 달성될 수 있다.
또한, 제 1 반사경(120)의 반사면 전체는 제 1 소수성 박막(122)이 증착되고, 제 2 반사경(130)의 반사면 전체는 제 2 소수성 박막(132)이 증착되고, 제 3 반사경(140)의 반사면 전체는 제 3 소수성 박막(142)이 증착될 수 있다.
또한, 소수성 박막은 패럴린, OTS, 불소 실란중 하나를 포함하고, 더욱 바람직하게는 패럴린-C를 포함할 수 있다.
패럴린-C의 증착두께는 0.2 ㎛ ~ 0.7 ㎛ 범위이고, 더욱 바람직하게는 0.5 ㎛ 이다.
또한, 제 2 검출기(160)는 기준 검출기이고, 제 1 검출기(150)의 전방에는 프레넬 렌즈(152)가 더 구비된다.
또한, 제 2 검출기(160)는 기준 검출기이고, 제 2 검출기(160)의 전방에는 보호창(115)과 중공 디스크(167)가 더 구비된다.
아울러, 광원(110)의 전방에는 보호창(115)이 더 구비될 수 있다.
뿐만 아니라, 제 1, 2, 3 반사경(120, 130, 140)의 인근에는 히터가 더 장착되어 있다.
또한, 제 1, 2 반사경(120, 130)의 인근에는 제 2 히터(240)가 더 장착되고, 제 3 반사경(140)의 인근에는 제 1 히터(230)가 더 장착된다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 화이트 셀 구조의 반사경 표면에 얇은 소수성 박막을 증착 또는 코팅함으로서 센서의 감도와 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 광원으로부터 반사경을 거쳐 각 가스센서에 도달하는 에너지 밀도를 조절함으로써 온도의 변화에 둔감한 기준 적외선 센서의 출력을 조절하고, 입사된 에너지에 의해 발생된 출력전압 및 변환 및 계산과 환산을 수행하고, 주변 온도에 따른 센서 출력보상이나 경년변화를 판단하고 보정할 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 비분산형 적외선 가스센서중 화이트 셀 방식의 농도 측정 원리를 설명하는 설명도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서의 분해 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 가스센서의 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스센서중 반사경들만을 선별적으로 도시한 사시도,
도 5는 도 4중 A-부분의 부분 확대 단면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서중 제 1 검출기(150)로 입사되는 적외선 경로를 나타내는 평면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서중 제 2 검출기(기준검출기, 160)로 입사되는 적외선 경로를 나타내는 평면도,
도 8은 중적외선 영역에서 패럴린-C의 적외선 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프,
도 9는 모의해석을 통하여 광원(110)으로부터 방사된 연속적인 파장이 제 1, 2 검출기(150, 160)에 도달하는 에너지 입사량을 나타낸 것으로, 도 9a는 제 1 검출기(150)에 도달하는 에너지의 입사량이며, 도 9b는 제 2 검출기(기준검출기, 160)에 도달하는 에너지의 입사량을 나타내는 모의해석 결과,
도 10은 본 발명의 구성인 제 2 검출기(기준 센서)에 대해 온도 증가에 따른 출력 전압의 증가 특성을 나타내는 그래프,
도 11a는 대상가스가 0ppm일 때 제 1 검출기(150)와 제 2 검출기(기준센서, 160)의 출력전압을 나타내는 그래프,
도 11b는 온도와 가스농도의 변화에 따른 제 1 검출기(150)의 출력 전압을 나타내는 그래프,
도 11c는 제 2 검출기(160)에 도달하는 입사 에너지양을 줄이기 위한 중공디스크(163)를 사용하지 않았을 때, 제 2 검출기(160)와 제 1 검출기(150)의 출력전압의 비(R=(Vco2)/(VRef))를 나타낸 그래프,
도 12는 제 1 검출기(150)와 제 2 검출기(160)의 출력 전압을 차동 증폭한 그래프로서, 도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 박막이 증착된 반사경을 사용한 가스센서이고, 도 12b는 일반 반사경을 사용한 가스센서임.
도 13a는 온도 변화에 따른 출력전압(Vband, Vgas)의 특성을 나타내는 그래프,
도 13b는 온도변화에 따라 k(광경로와 흡수계수의 곱)가 2, 3차 함수 형태로 나타남을 표시한 그래프,
도 14a는 소수성 박막(예 : 패럴린-C)이 증착된 가스센서(100)에서 제 2 검출기(기준 센서, 160)가 출력하는 전압(VRef)을 나타내는 그래프,
도 14b는 가스센서(100)중 제 1 검출기(150)의 출력 전압과의 비(R=(Vco2)/(VRef))를 나타내는 그래프,
도 15는 반사경 표면에 얇은 소수성 박막(예 : 패럴린-C)을 증착시킨 것과 일반 반사경(SiOx/Au/Cr on fused-silica)의 적외선 흡광도를 298K에서 CO2 농도의 함수로 나타낸 그래프,
도 16a는 도 10 내지 도 12에서 나타난 실험결과에서 추세선을 도출하여 얻어진 매개변수들을 통하여 온도를 보상하여 구해지는 추정농도는 [수학식 3]으로 표현되고, 이를 통하여 추정농도를 도출한 그래프,
도 16b는 일반 반사경을 가진 가스센서를 사용하여 이산화탄소의 추정농도를 도출한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
본 출원에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
가스센서의 구성
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 가스센서의 평면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(200)은 금속 또는 합성수지재로 제작되며, 내부에 형성된 챔버(250)의 기밀을 유지하는 구조이다.
광원(110)은 0 ~ 10 ㎛ 파장의 연속적인 적외선을 방사하는 적외선 광원이고, 제 3 반사경(140)의 일측면에 위치하고 제 1, 2 반사경(120, 130)을 향해 조사하도록 위치된다. 제 1 PCB(117)은 광원(110)을 고정하고 구동하는 회로기판이다. 오링(112)은 챔버(250)의 기밀을 유지하고 가스가 새어나오는 것을 방지한다. 보호창(115)은 가스 유입시 가스의 온도로 인한 광원(110)의 온도 변화를 방지하기 위하여 장착되며, 사파이어 윈도우가 일예이다.
제 1 반사경(120)은 제 2, 3 반사경(130, 140)과 곡률반경이 동일하고 제 3 반사경(140)의 약 절반 정도의 크기이다. 제 1, 2 반사경(120, 130)은 동일한 크기이고 광원(110)을 향해 나란히 배치된다. 반사경 고정구(125)는 제 1, 2 반사경(120, 130)을 위치 고정하며, 제 1 커버(127)는 반사경 고정부(125)의 위치를 고정한다.
제 3 반사경(140)은 제 1, 2 반사경(120, 130)의 대향면에 위치하며 제 1, 2 반사경(120, 130)에 비해 상대적으로 길이가 길다(약 2배). 제 3 반사경 고정부(145)는 제 3 반사경(140)을 위치 고정하며, 제 2 커버(147)는 제 3 반사경 고정부(145)의 위치를 고정한다.
이러한 제 1, 2, 3 반사경(120, 130, 140)은 SiOx/Au/Cr on fused-silica 기반의 일반 반사경이다.
제 1 검출기(150)는 이산화탄소의 농도를 측정하기 위한 적외선 센서로서 제 3 반사경(140)의 타측면에 구비된다. 제 1 검출기(150)는 써모파일 또는 초전형 센서로 구현할 수 있다. 오링(154)은 가스가 새어나가는 것을 방지하는 기밀을 유지한다. 프레넬(Fresnel) 렌즈(152)는 제 1 검출기(150)의 전방에 위치하며, 제 1 검출기(150)로 입사되는 입사 에너지의 집속을 위해 사용한다.
제 2 검출기(160)는 3.91 ㎛ 중심파장의 적외선을 검출하는 기준 센서로서 제 1 검출기(150)와 나란히 구비된다. 제 2 검출기(160)는 써모파일 또는 초전형 센서로 구현할 수 있다. 오링(164)은 가스가 새어나가는 것을 방지하는 기밀을 유지한다. 보호창(115)은 유독, 부식성 가스 유입시 가스로 인한 써모파일 또는 초전형 센서의 광학적 필터의 손상을 방지하기 위하여 장착되며, 사파이어 윈도우가 일예이다. 중공 디스크(167)는 중앙에 관통공이 형성된 디스크 형태이며 제 2 검출기(기준 센서, 160)에 도달하는 입사 에너지 양을 줄이기 위한 것이다. 제 2 PCB(155)은 제 1, 2 검출기(150, 160)를 고정하고 구동하는 회로기판이다.
가스유입구(215)는 하우징(200)의 일측에 관통 형성되어 가스의 유입을 허용하고, 가스유출구(210)는 하우징(200)의 타측에 관통 형성되어 가스의 유출을 허용한다.
제 1 히터(230)는 제 3 반사경(140)과 접하는 바닥면에 설치되며 가열을 통해 제 3 반사경(140)에 수분이 응착되는 것을 방지한다. 제 2 히터(240)는 제 1, 2 반사경(120, 130)과 접하는 바닥면에 설치되며 가열을 통해 제 1, 2 반사경(120, 1130)에 수분이 응착되는 것을 방지한다.
온도센서(220)는 하우징(200)을 관통하여 챔버(250)까지 연장되어 있으며, 가스의 온도 또는 챔버(250)의 온도를 측정한다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스센서중 반사경들만을 선별적으로 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4중 A-부분의 부분 확대 단면도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 반사경(120)의 표면에는 제 1 소수성 박막(122)이 형성되고, 제 2 반사경(130)의 표면에는 제 2 소수성 박막(132)이 형성되고, 제 3 반사경(140)의 표면에는 제 3 소수성 박막(142)이 형성된다.
이러한 박막들은 소수성을 갖고, 투명하며, 내화학성이 있고, 반도체 증착공정을 통해 성막된다. 이러한 소수성 박막(122, 132, 142)의 일예로는 패럴린(Parylene), OTS(Octadecyltrichlorosilane), 불소 실란 등이 가능하다.
이들 중 특히 패럴린-C는 0.2 ㎛ ~ 0.7 ㎛ 범위의 두께로 반도체 증착 공정을 통해 증착이 가능하다. 두께가 0.2 ㎛ 보다 작을 경우 균일한 증착이 어렵거나 소수성이 저하될 수 있고, 0.7 ㎛를 초과하는 경우 필요이상의 두꺼운 증착으로 재료와 시간 및 공정을 낭비하게 된다. 가장 바람직한 두께는 0.5 ㎛ 이다.
이러한 소수성 박막 또는 필름을 증착으로 형성함에 따라 반사경의 부식 또는 부산물의 화학적 반응으로 인한 표면 손상 및 수증기 맺힘 현상을 방지할 수 있다. 특히 패럴린-C는 1 ㎛ 두께 이하의 매우 얇은 층으로 균일하게 증착할 수 있으며, 가시 영역에서의 흡수가 거의 없으며, 투명하고 무색이다. 이러한 패럴린-C는 100℃에서 10년간 공기에 지속적으로 노출되어도 현 상태를 유지할 수 있으며, 150℃ 이내의 모든 유기 용제에 불용성임이 알려져 있다. 또한 패럴린-C는 고온 고습에 의하여 수분이 맺히지 않는 특징을 가지며, 중적외선 영역에서 80% 이상의 투과도를 지닌 물질이다. 참고로 도 8은 중적외선 영역에서 패럴린-C의 적외선 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서중 제 1 검출기(150)로 입사되는 적외선 경로를 나타내는 평면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가스센서중 제 2 검출기(기준검출기, 160)로 입사되는 적외선 경로를 나타내는 평면도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 광원(110)에서 조사된 적외선은 수회의 반사를 거쳐 제 1 검출기(150)로 조사되고, 광원(110)에서 조사된 적외선중 일부는 제 2 반사경(130)을 통해 한번만 반사된 후 제 2 검출기(기준검출기, 160)로 조사된다. 이 두 지점에 제 1, 2 검출기(150, 160)를 두어 광원(110)에서부터 제 1, 2 검출기(150, 160)에 입사되는 에너지 양과 가스농도에 따른 출력전압을 분석함으로써 가스(예 : 이산화탄소)의 농도를 검출하게 된다.
가스농도의 측정
비분산 적외선 가스센서(100)의 출력특성은 광원(110)에서 방출되는 에너지와 매질 내의 적외선 흡수 및 방사 그리고 제 1, 2 검출기(150, 160)에 입사되는 에너지 양에 따라 특성이 주어진다. 적외선 가스센서(100)에서 광범위하게 적용되는 비어-램버트(Beer-Lambert) 법칙은 [수학식 1]과 같다.
Figure 112017062488482-pat00001
여기서, I0는 초기 광 강도, α는 특정 가스의 광 흡수계수, x는 가스농도, l은 광경로를 나타낸다. 적외선 광원(110)에서 검출기(150, 160)까지 동일한 흡수계수, 동일한 농도일 때 광경로를 길게 하여 가스농도 변화에 대한 에너지 감소 폭을 크게 할 수 있다. 입사광의 에너지가 커야 외부노이즈에 둔감한 특성을 나타내므로 광학적 가스센서로서 응용하기에 용이하다. 또한, 소수성 박막이 형성된 반사경을 사용할 경우 반사시 흡수되는 양을 최소화 할 수 있는 상태를 확보할 수 있고, 대기 중의 오염 및 부식 등을 방지하여 내화학성을 확보할 수 있다. 또한 수증기의 응착에 의한 적외선의 산란, 이에 따른 에너지 상실에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화할 수 있다.
도 9는 모의해석을 통하여 광원(110)으로부터 방사된 연속적인 파장이 적외선 센서인 제 1, 2 검출기(150, 160)의 적외선 필터 투과영역에 도달하는 에너지 입사량을 나타낸 것이다. 도 9a는 제 1 검출기(150)에 도달하는 에너지의 입사량이며, 도 9b는 제 2 검출기(기준검출기, 160)에 도달하는 에너지의 입사량이다.
이러한 모의해석은 도 6 및 도 7과 같이 광원(110)에서 방사되는 빛이 제 1, 2 검출기(150, 160)의 활성화 영역에 집광되도록 하였다. 본 발명의 일실시예에서는 제 1, 2 검출기(150, 160)에서 나오는 출력전압을 차동 증폭하거나 출력전압의 비를 구하여 사용하기 때문에 변화폭을 키우기 위하여 제 2 검출기(160)는 CO2 가스 검출용 제 1 검출기(150) 보다 입사되는 에너지 양이 적은 부분에 위치 시켰다.
적외선 에너지 밀도에 의해 적외선 센서에서 출력되는 전압은 SeungHwan Yi(한국센서학회, 2016과 Sensors and Materials, 2017)이 제시한 아래의 [수학식 2]의 형태로 도출된다.
Figure 112017062488482-pat00002
여기서, Vout은 검출기의 출력전압, Vband는 대상가스(예 : 이산화탄소)의 흡수파장 이외의 적외선 에너지 밀도를 나타낸 전압, Vgas는 대상가스에 의해서 흡수되는 적외선 에너지 밀도를 나타내는 전압, k는 광 경로와 흡수계수의 곱을 나타낸다.
그러나 대기 중의 가스 성분들에 무관한 제 2 검출기(기준 센서)는 가스농도의 변화에 무관한 출력특성을 보이나, 온도가 증가하면 출력전압이 온도와 함께 증가하는 특성이 있음이 도 10과 같이 알려져 있다. 도 10은 본 발명의 구성인 제 2 검출기(기준 센서, 160)에 대해 온도 증가에 따른 출력 전압의 증가 특성을 나타내는 그래프이다.
이와 같이 제 1, 2 검출기(150, 160)의 출력전압은 온도와 가스농도의 함수로 나타나고 있으며, 실험결과를 나타내면 도 11과 같다. 보다 상세하게 도 11a는 대상가스가 0ppm일 때 제 1 검출기(150)와 제 2 검출기(기준센서, 160)의 출력전압을 나타내는 그래프이며, 도 11b는 온도와 가스농도의 변화에 따른 제 1 검출기(150)의 출력 전압의 예를 나타내는 그래프이며, 또한 도 11c는 제 2 검출기(160)에 도달하는 입사 에너지양을 줄이기 위한 중공디스크(163)를 사용하지 않았을 때, 제 2 검출기(160)와 제 1 검출기(150)의 출력전압의 비(R=(Vco2)/(VRef))를 나타낸 그래프이다.
도 12는 제 1 검출기(150)와 제 2 검출기(160)의 출력 전압을 차동 증폭한 그래프로서, 도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 박막이 증착된 반사경을 사용한 가스센서이고, 도 12b는 일반 반사경을 사용한 가스센서이다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 가스농도가 증가함에 따라 지수 함수적으로 출력전압이 감소하는 것을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 본 발명에 따라 소수성 박막을 반사경에 증착한 가스센서(100)가 일반 가스센서보다 확연하게 뚜렷한 온도 의존적인 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 소수성 박막(예 : 패럴린-C)이 증착된 가스센서(100)의 경우 온도가 증가함에 따라 출력 전압의 변화 폭은 더 커지는 형태를 나타내었다. 그러나 도 12b에 도시된 바와 같이, 일반 반사경을 사용한 가스센서의 경우 가스 농도가 증가함에 따라 전압 변화폭은 도 12a 보다 크지만 온도 변화에 따른 출력 특성이 뚜렷하게 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 이때 출력전압(Vband, Vgas)과 광경로와 흡수계수의 곱인 k는 2, 3차 함수 형태를 나타났으며, 이는 도 13a와 도 13b에 나타냈다. 도 13a는 온도 변화에 따른 출력전압(Vband, Vgas)의 특성을 나타내는 그래프이고, 도 13b는 온도변화에 따라 k(광경로와 흡수계수의 곱)가 2, 3차 함수 형태로 나타남을 표시한 그래프이다.
가스센서의 실험
도 14a는 소수성 박막(예 : 패럴린-C)이 증착된 가스센서(100)에서 제 2 검출기(기준 센서, 160)가 출력하는 전압(VRef)을 나타내는 그래프이고, 도 14b는 가스센서(100)중 제 1 검출기(150)의 출력 전압과의 비(R=(Vco2)/(VRef))를 나타내는 그래프이다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 도 10과 같이 온도에 따라 제 2 검출기(기준 센서, 160)의 출력전압은 달라지는데, 본 발명에서는 제 2 검출기(기준 센서, 160)의 앞단에 중공디스크(167)를 두었다. 이로 인해, 광원(110)에서부터 제 2 검출기(기준 센서, 160)에 도달하는 에너지 양을 줄여 온도가 변하더라도 제 2 검출기(기준 센서, 160)의 출력전압(VRef)의 변화폭은 약 5 mV 이내이다. 참고로 종래의 구조인 경우, 도 10에서와 같이 실험온도 구간에서 온도가 증가함에 따라 약 20 mV의 차이를 보이며 증가된다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따르면 온도 및 가스농도가 증가함에도 불구하고 제 2 검출기(기준 센서, 160)의 출력전압(VRef)의 변화폭이 평균적으로 1 mV 이내로 거의 일정한 것을 확인할 수 있다.
또한, 이를 이용하여 제 1 검출부(150)에서 출력되는 전압과의 비(R=(Vco2)/(VRef))를 구한 것이 도 14b에 도시되었다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 온도와 가스 농도 변화에 무관한 제 2 검출기(기준 센서, 160)의 출력전압(VRef)을 낮게 하여 비를 구하면 가스농도에 따른 변화폭이 증가하고, 이로 인해 A/D 변환기의 양자화 수준을 향상시킴으로 인해 가스 농도 산출시 정확성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 15는 상기와 같은 실험결과를 바탕으로 화이트 셀 구조의 반사경 표면에 얇은 소수성 박막(예 : 패럴린-C)을 증착시킨 것과 일반 반사경(SiOx/Au/Cr on fused-silica)의 적외선 흡광도를 298K에서 CO2 농도의 함수로 나타낸 것이고, [표 1]은 CO2 표준가스 농도에 따른 흡광도를 나타내었다.
ppm
 흡광도
패럴린-C Normal
0 0.0000 0.0000
109 0.1182 0.1075
222 0.1910 0.1803
519 0.3097 0.2955
1054 0.4238 0.4009
1510 0.4845 0.4521
3036 0.5837 0.5358
4900 0.6356 0.5734
도 15 및 [표 1]에 도시된 바와 같이, 농도가 증가함에 따라 소수성 박막을 증착한 가스센서의 경우 일반 반사경에 비해 CO2 농도의 변화에 따라 흡광도의 변화 폭과 감도가 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서가 수월한 보상과 보정이 가능함을 알 수 있다.
도 10 내지 도 12에서 나타난 실험결과에서 추세선을 도출하여 얻어진 매개변수들을 통하여 온도를 보상하여 구해지는 추정농도(x)는 [수학식 3]으로 표현되고, 이를 통하여 추정농도를 도출하면 도 16a와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017062488482-pat00003
여기서, Vout은 검출기의 출력전압, Vband는 대상가스(예 : 이산화탄소)의 흡수파장 이외의 적외선 에너지 밀도를 나타낸 전압, Vgas는 대상가스에 의해서 흡수되는 적외선 에너지 밀도를 나타내는 전압, T는 온도, k는 광 경로와 흡수계수의 곱을 나타낸다. 먼저 본 발명의 일실시예에 따라 소수성 박막(예 : 패럴린-C)이 증착된 가스센서(100)의 경우 초기 100 ppm 이하에서 10% 이상의 오차를 가지고 있지만 농도가 증가함에 따라 평균적으로 ± 5% 이내의 오차를 가졌다. 그러나 도 16b에 도시된 바와 같이 일반 반사경을 이용한 가스센서의 경우 100ppm 이하에서 20% 이상의 오차를 가지고 있었으며, 전체 농도 구간일 때 평균적으로 15% 이상의 오차를 가졌으며, 온도 보상이 제대로 되지 않는 현상을 나타내었다.
따라서 동일한 구조물을 이용하여 특정한 가스를 검출하는 가스센서를 제작하여 가스농도 추정을 위한 과정에서 반사경 표면에 얇은 소수성 박막(예 : 패럴린-C)을 증착하면 기능과 보정을 보다 정확하고 신뢰성 있게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 반사경의 부식 및 수증기 맺힘 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 광경로의 길이를 효과적으로 길게 하여 고감도의 센서 혹은 광 강도를 향상시켰다. 그리고, 반사경 주변에 히터를 두어 주변 온도보다 온도를 상승시켜 반사경에 수증기가 응축됨으로 인한 출력전압의 저하 혹은 별도의 보정을 방지하였다. 그리고 소수성 박막으로 인해 내부 반사경이 부식성 가스에 대한 부식을 방지할 수 있는 기능을 갖추었다. 실험 결과상, 기존 구조와는 현격한 차이(10% 이상)를 보이는 구조를 제작할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.
10 : 광원,
15 : 적외선,
20 : 제 1 반사경,
30 : 제 2 반사경,
40 : 제 3 반사경,
50 : 검출기,
100 : 가스센서,
110 : 광원
112 : 오링,
115 : 보호창,
117 : 제 1 PCB,
120 : 제 1 반사경,
122 : 제 1 소수성 박막,
125 : 반사경고정구,
127 : 제 1 커버,
130 : 제 2 반사경,
132 : 제 2 소수성 박막,
140 : 제 3 반사경,
142 : 제 3 소수성 박막,
145 : 제 3 반사경 고정부,
147 : 제 2 커버,
150 : 제 1 검출기,
152 : 렌즈,
154 : 오링,
155 : 제 2 PCB,
160 : 제 2 검출기,
164 : 오링,
167 : 중공 디스크,
200 : 하우징,
210 : 가스유출구,
215 : 가스유입구,
220 : 온도센서,
230 : 제 1 히터,
240 : 제 2 히터,
250 : 챔버.

Claims (11)

  1. 가스중 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하기 위한 이산화탄소 가스센서에 있어서,
    상기 가스센서는 화이트 셀 방식이고,
    상기 화이트 셀 내에는 동일한 크기의 제 1, 2 반사경(120, 130)이 상기 제 1, 2 반사경(120, 130)과 동일한 곡률반경을 가지고 크기가 2배인 제 3 반사경(140)과 대면하도록 배치되며,
    상기 제 3 반사경(140)의 일측에는 보호창과 광원(110)이 구비되고, 타측에는 상기 이산화탄소의 농도를 측정하는 제 1 검출기(150)와 3.91㎛ 파장의 적외선을 검출하는 기준검출기로서 제 2 검출기(160)가 구비되며;
    상기 제 1 검출기(150)의 전방에는 프레넬 렌즈(152)가 구비되고;
    상기 제 2 검출기(160)의 전방에는 보호창(115)과 입사에너지의 양을 줄이기 위한 중공 디스크(167)가 구비되며;
    상기 제 1, 2 반사경(120, 130)과 접하는 바닥면에는 제 2 히터(240)가 장착되고,
    상기 제 3 반사경(140)과 접하는 상기 바닥면에는 제 1 히터(230)가 장착되고, 그리고
    상기 제 1 반사경(120)의 반사면 전체는 제 1 소수성 박막(122)이 증착되고,
    상기 제 2 반사경(130)의 반사면 전체는 제 2 소수성 박막(132)이 증착되고,
    상기 제 3 반사경(140)의 반사면 전체는 제 3 소수성 박막(142)이 증착되며,
    상기 제 1, 2, 3 소수성 박막(122, 132, 142)은 패럴린-C를 포함하고,
    상기 패럴린-C의 증착두께는 0.2 ㎛ ~ 0.7 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 패럴린-C의 증착두께는 0.5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 소수성 박막을 증착한 비분산적외선 이산화탄소 가스센서.

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