KR102148460B1 - 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출센서 및 이를 적용한 가스 검출장치에 관한 것으로서, 가스 검출센서는 기판과, 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 연마 부분이 기판의 상면에 노출되게 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와, 측면 연마형 광섬유의 연마 부분을 포함한 기판 상면 상부에 이산화 타이타늄을 포함하여 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되게 설치되는 반응부를 구비한다. 이러한 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치에 의하면, 탄화수소계열 가스에 대해 높은 검출 감도를 제공할 수 있는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치에 관한 것으로서, 상세하게는 탄화수소계열 가스의 검출 감도를 높일 수 있도록 된 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치에 관한 것이다.
가스의 성분을 검출하는 방법으로는 적외선 방식, 전기화학식, 반도체 방식, 이온화 방식 등이 알려져 있다.
적외선방식 가스검출 장치는 가스에 의해 특정 파장의 적외선이 흡수되는 것을 이용하여 가스의 계측을 행할 수 있도록 되어 있다.
적외선방식 가스 검출 장치는 계측 가스의 분자 구조에 따라 결정되는 흡수 파장의 적외선의 흡광도를 계측함으로써, 측정 가스의 농도를 계측한다.
이러한 적외선 방식 가스 검출장치는 국내 공개특허 제10-2015-0010138호 등 다양하게 게시되어 있다.
그런데, 종래의 적외선 가스 검출장치는 광경로를 연장하여 가스 검출감도를 높이기 위해 직선상으로 연장된 캐비티 구조를 적용하고 있고 이 경우 캐비티 길이방향으로의 연장길이에 의해 장치 규모가 커지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광도파구조를 이용하되 구조가 간단하면서도 탄화수소계열 가스 검출에 대해 높은 감도를 제공할 수 있는 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서는 기판과; 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출되게 상기 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와; 상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면 상부에 이산화 타이타늄을 포함하여 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되게 설치되는 반응부;를 구비한다.
상기 반응부는 상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면에 크롬소재로 형성된 버퍼층과; 상기 버퍼층 위에 금소재로 형성된 공진층과; 상기 공진층 상부에 이산화 타이타늄소재로 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되는 노출반응층;을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 버퍼층의 두께는 2 내지 5nm이고, 상기 공진층의 두께는 10 내지 20nm이고, 상기 노출 반응층의 두께는 30 내지 50nm로 적용한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가스 검출장치는 기판과; 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출되게 상기 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와; 상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면 상부에 이산화 타이타늄을 포함하여 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되게 설치되는 반응부와; 상기 기판의 일측면 외측으로 연장된 상기 측면 연마형 광섬유의 입력부에 광을 입사시키는 광원과; 상기 광원으로부터 출사되어 상기 기판의 타측면 외측으로 연장된 상기 측면 연마형 광섬유의 출력부에서 출력되는 광의 파워를 분석하여 상기 반응부와 접촉하는 있는 탄화수소계열 가스를 검출하는 검출부;를 구비한다.
본 발명에 따른 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치에 의하면, 탄화수소계열 가스에 대해 높은 검출 감도를 제공할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출장치를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 가스 검출 센서에 대해 다른 각도에서 나타내 보인 단면도이고,
도 3은 매탄가스 농도에 따른 가스 검출 센서의 반응을 알아보기 위해 적용한 실험장치를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 3의 장치에 대해 질소와, 질소 및 메탄 혼합가스를 교대로 주입하면서 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
도 2는 도 1의 가스 검출 센서에 대해 다른 각도에서 나타내 보인 단면도이고,
도 3은 매탄가스 농도에 따른 가스 검출 센서의 반응을 알아보기 위해 적용한 실험장치를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 3의 장치에 대해 질소와, 질소 및 메탄 혼합가스를 교대로 주입하면서 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출장치를 나타내 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 가스 검출 센서에 대해 다른 각도에서 나타내 보인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 가스 검출장치(100)는 광원(110), 가스 검출센서(120) 및 검출부(150)를 구비한다.
광원(110)은 가스 검출 센서(120)의 측면 연마형 광섬유(123)의 입력부가 되는 일단의 코어층(123a)을 통해 광을 출사할 수 있도록 설치되어 있다.
바람직하게는 광원(110)은 레이저 다이오드가 적용된다.
가스 검출 센서(120)는 기판(121), 측면 연마형 광섬유(123) 및 반응부(130)를 구비한다.
기판(121)은 실리카소재로 형성된 것이 바람직하다.
측면 연마형 광섬유(123)는 연마에 의해 일부가 제거된 클래드층(123b)을 갖는 구조로 기판(121)에 굴곡지게 결합되어 있다. 연마에 의해 일부가 제거된 클래드층(123b)의 연마 부분(125)은 연마가 가장 많이 이루어진 중앙부분으로부터 양측으로 길이방향을 따라 점진적으로 연마처리된 부분이 줄어들게 되어 있다. 이러한 클래드층(123b)의 연마부분(125)은 기판(121)상에 중앙부분의 깊이가 낮고 양측 가장자리부분의 깊이가 깊도록 곡률을 갖게 형성시킨 홈(121a)의 바닥면에 광섬유를 안착시켜 에폭시와 같은 고정접착제(124)로 고정시킨 상태에서 수평 연마에 의해 형성하면 된다.
반응부(130)는 측면 연마형 광섬유(123)의 클래드층(123b)의 연마부분(125)의 노출된 부분을 포함한 기판(121) 상면 상부에 이산화 타이타늄(TiO2)을 포함하여 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출된다.
여기서, 탄화수소계열 가스는 CH4, C2H4 등과 같이 탄소와 수소로 이루어진 가스를 말한다.
반응부(130)는 버퍼층(131), 공진층(133) 및 노출 반응층(135)이 순차적으로 적정된 구조로 되어 있다.
버퍼층(131)은 측면 연마형 광섬유의 연마 부분(125)을 포함한 기판(121) 상면에 크롬(Cr)소재로 형성되어 있다.
버퍼층(131)은 후술되는 공진층(133)이 안정적으로 형성될 수 있게 격자 정합을 위해 적용되었고, 두께는 2 내지 5nm로 형성한다.
버퍼층(131)의 두께가 2nm 미만이면 공진층(133)의 안정적인 성장을 유도하기 어렵고, 5nm를 초과하면 후술되는 공진층(133)의 감도를 저하시킨다.
공진층(133)은 버퍼층(131) 위에 금(Au)소재로 형성되어 있다.
공진층(133)은 탄화수소계열의 가스가 노출 반응층(135)에서 반응할 때 표면 플라즈몬 공진(SPR;Surface Plasmon Resonance)을 야기시켜 광섬유(123)를 진행하는 광의 반응부(130)로의 급격한 흡수를 유도한다.
공진층(133)의 두께는 10 내지 20nm로 형성한다.
공진층(133)의 두께가 10nm 미만이면, 플라즈몬 공진 유도가 어려우며, 20nm를 초과하면 감도를 떨어뜨린다.
노출 반응층(135)은 센서막으로서 공진층(133) 상부에 이산화 타이타늄(TiO2)소재로 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출된다.
노출 반응층(135)의 두께는 30 내지 50nm로 형성한다.
노출 반응층(135)의 두께가 30nm 미만이면 탄화수소계열의 수소 입자와 이산화 타이타늄(TiO2)의 산소(O) 입자와의 결합 감도가 떨어지고, 두께가 50nm를 초과하면 반응 속도가 떨어진다.
검출부(150)는 광원(110)에서 출사된 후 가스 검출센서(120)의 광섬유(123)를 거쳐 출력되는 광량을 검출하여 반응부(130)의 노출 반응층(135)과 접촉하고 있는 탄화수소계열 가스의 농도를 산출한다.
검출부(150)는 측정대상 탄화수소계열 가스의 종류에 대응되게 수신되는 광의파워에 해당하는 농도값이 미리 실험에 의해 구해져 기록된 룩업테이블을 통해 농도를 산출하도록 구축될 수 있다.
또한, 검출부(150)는 광섬유(123)에서 출력되는 광에 대해 360도 회전에 의해 투광되는 광의 편광 성분을 제어할 수 있는 편광기(미도시)를 이용하여 최고치의 광파워와 TM성분에 해당하는 최소치의 광파워 값의 차를 구하고, 이로부터 대응되는 탄화수소계열 가스의 농도를 산출한다. 여기서 최고치의 광파워는 TE편광성분에 해당하고, 최소치의 광파워는 TM편광성분에 해당한다.
이러한 검출부(150)의 산출방식에서 TE편광성분은 반응부(130)에 의한 흡수손실이 거의 발생되지 않기 때문에 광원(110)에서 출사되는 광의 미세한 파워변동에 대한 레퍼런스값으로 이용할 수 있다.
이와는 다르게 검출부(150)는 TM편광성분에 대해 측정된 값으로 탄화수소계열 가스의 농도를 산출하도록 구축될 수 있음은 물론이다. 또한, 검출부(150)는 앞서 설명된 바와 같이 TE성분과 TM성분의 차값에 해당하는 측정대상 탄화수소계열 가스 종류의 농도 값이 실험에 의해 미리 구하여 룩업테이블에 기록되어 있고, 이 값을 참조하여 해당 가스의 농도를 산출한다.
이하에서는 이러한 가스 검출장치(100)의 측정 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 반응부(130)를 이루고 있는 노출 반응층(135)의 이산화 타이타늄(TiO2)은 탄화수소 가스의 수소(H) 성분과 자체의 산소(O) 성분이 상호 결합되는 반응을 하여 광학상수 즉, 굴절율이 가변된다. 특히 이러한 결합반응에 따라 공진층(133)에서 표면플라즈몬 공진이 발생하면서 가스 검출 센서(120)를 도파하는 광의 편광성분에 따라 도파되는 광의 전송율이 가변된다.
이러한 노출 반응층(135)의 탄화수소계열 가스의 흡수에 의한 굴절율 변화에 의한 전송손실량 즉, 광파워를 측정하면 탄화계열 가스의 농도를 측정할 수 있다.
한편, 가스 검출 센서(120)는 측면 연마형 단일모드 광섬유(123)의 연마된 표면에 반응부(130)에 의한 평면 도파로가 결합된 광섬유-평면도파로 결합기 구조로 되어 있다.
이러한 가스 검출 센서(120)의 구조는 표면 플라즈몬 모드(plasmon mode)들을 여기하는 광가이드 역할을 하고 공진층(133)은 표면 플라즈몬 공진을 유도하여 감도를 향상시킨다.
여기서 표면 플라즈몬 모드는 반응부(130)을 따라 진행하는 모드를 말한다.
한편, 가스 검출센서(120)의 구조에서 입사광은 직교상태로 나뉘어지는 두 개의 편광성분 즉, TE성분과 TM성분 중 편광 의존성에 의해 TE 편광성분은 반응부(130) 내부에서 급속히 그 세기가 감소하기 때문에 흡수 손실이 거의 없이 코어층(123a)에 갇혀 진행하고, TM편광성분은 상대적으로 더 깊게 반응부(130)을 통과하여 큰 흡수손실이 발생한다. 즉, TM편광성분은 TE편광성분보다 더 큰 감쇠가 이루어진다. 더욱이 반응부(130)는 두 개의 추가 모드 즉, TM편광에 대해 대칭과 비대칭의 표면 플라즈몬 모드를 지원하기 때문에, TM편광에 대해 가스검출 센서(120)의 출력부분에서 측정되는 전송손실은 반응부(130)에 대해 표면 플라즈몬 모드들이 얼마만큼 결합되어 전파됐는지 즉, 광파워가 반응부(130)에 의해 어느 정도 흡수가 됐는지에 따라 결정된다.
이러한 모드 결합구조를 고려 할 때 반응부(125)의 각 층은 앞서 설명된 두께로 적용한다.
- 실험 및 분석
실리카 소재인 수정블록을 기판(121)으로 이용하고, 광통신용 단일모드 광섬유를 측면 연마형 광섬유(123)로 이용하고, 단일모드 광섬유를 지지하기 위한 곡률을 갖는 홈(121a)을 형성한 수정 기판(121)에 피복이 제거된 단일모드 광섬유를 고정접착제(124)로서 에폭시를 적용하여 고정시켰다.
여기서 수정기판의 홈의 곡률반경은 50cm이고, 단일모드 광섬유(123)는 클래드층(123b)의 직경이 125㎛이고, 코어층(123a)의 직경이 8.2㎛인 것을 적용하였다.
앞서 설명된 구조로 제작된 가스 검출 센서(120)에 대해 탄화수소계열 가스의 일종인 메탄(CH4)에 대한 반응을 알아보기 위해 적용한 실험장치가 도 4에 도시되어 있다.
도 4에서 광원(110)은 1550nm파장의 레이저광원을 적용하였고, 광원(110)과 가스검출센서(120) 사이에는 TM편광기(115)를 적용하였다. 또한, 가스 검출 센서(120)에서 출력되는 광은 광파워미터(137)에 의해 측정하고, 측정값은 인터페이스틀 통해 컴퓨터(138)로 전송하도록 구축되었다. 또한, 메탄(CH4)가스는 1%, 4%, 10% 농도의 메탄가스통(162a)(162b)(162c)을 적용하고, 질소(N2) 가스는 100% 농도의 질소가스통(161)을 적용하였다.
참조부호 153은 각 가스통(162a)(162b)(162c)(161)으로 가스를 가스 검출센서(120)로 공급할 수 있도록 구성된 배관 상에 설치된 유랑계이다.
실험은 대기압, 23℃에서 알루미늄 하우징(122) 내에 있는 가스 검출센서(120)에 상호 다른 수소 가스 농도가 공급될 수 있게 수행하였다. 도 4에는 순질소와, 질소 96% 메탄 4%로 혼합한 혼합가스를 교대로 주입하여 측정한 결과를 나타낸다.
도 4를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 가스 검출 센서(120)가 메탄가스에 노출되었을때 높은 광파워 변동비를 제공함으로써 측정감도를 높일 수 있다.
이상에서 설명된 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 센서 및 이를 적용한 가스 검출장치에 의하면, 탄화수소계열 가스에 대해 높은 검출 감도를 제공할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원 120: 가스 검출센서
130: 반응부 131: 버퍼층
133: 공진층 135: 노출 반응층
150: 검출부
130: 반응부 131: 버퍼층
133: 공진층 135: 노출 반응층
150: 검출부
Claims (5)
- 삭제
- 기판과;
코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출되게 상기 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와;
상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면 상부에 이산화 타이타늄을 포함하여 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되게 설치되는 반응부;를 구비하고,
상기 반응부는
상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면에 크롬소재로 형성된 버퍼층과;
상기 버퍼층 위에 금소재로 형성된 공진층과;
상기 공진층 상부에 이산화 타이타늄소재로 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되는 노출반응층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출센서. - 제2항에 있어서, 상기 버퍼층의 두께는 2 내지 5nm이고, 상기 공진층의 두께는 10 내지 20nm이고, 상기 노출 반응층의 두께는 30 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출센서.
- 삭제
- 기판과;
코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출되게 상기 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와;
상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면 상부에 이산화 타이타늄을 포함하여 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되게 설치되는 반응부와;
상기 기판의 일측면 외측으로 연장된 상기 측면 연마형 광섬유의 입력부에 광을 입사시키는 광원과;
상기 광원으로부터 출사되어 상기 기판의 타측면 외측으로 연장된 상기 측면 연마형 광섬유의 출력부에서 출력되는 광의 파워를 분석하여 상기 반응부와 접촉하는 있는 탄화수소계열 가스를 검출하는 검출부;를 구비하고,
상기 반응부는
상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면에 크롬소재로 형성된 버퍼층과;
상기 버퍼층 위에 금소재로 형성된 공진층과;
상기 공진층 상부에 이산화 타이타늄소재로 형성되어 검출대상 탄화수소계열 가스에 노출되는 노출반응층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 탄화수소계열 가스 검출 장치.
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| JP2006162365A (ja) * | 2004-12-06 | 2006-06-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 水素ガス検知センサ |
| KR101257309B1 (ko) | 2011-11-11 | 2013-04-23 | 한국과학기술연구원 | 광섬유 표면 플라즈몬 공진 센서 및 이를 이용한 센싱 방법 |
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