KR102301672B1 - 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출 장치 - Google Patents

가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출 장치 Download PDF

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Abstract

실시예의 가스 센서 및 가스 검출 장치는 발광 소자; 발광 소자에서 공급된 광에 의하여 여기 되어 파장 변환된 광을 방출하는 가스 검출부; 및 가스 검출부에서 방출된 광을 전기적 신호로 변환하여 영상 정보를 생성하는 이미지 센서부; 를 포함하며, 가스 검출부는 형광 염료를 포함하는 가스 반응부; 및 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하는 광필터부; 를 포함하여, 크기를 소형화할 수 있으며, 표면 플라즈몬 공명현상을 이용함으로써 노이즈를 줄이고 센서의 감도를 개선할 수 있다.

Description

가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출 장치{GAS SENSOR AND GAS DETECTING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
실시예는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광필터를 포함하는 가스 센서 및 가스 검출장치에 관한 것이다.
가스 센서는 실내의 공기 품질을 확인하고 공조 시스템을 동작시키게 하거나, 식물 재배, 생물 배양 등의 환경 조건을 확인하는 등의 다양한 분야에서 이용되고 있다.
가스 농도를 검출하는 종래의 가스 센서에 있어서, 통상적인 가스 센싱 방법으로는 반도체식 또는 접촉 연소식, 전해질 방식 등이 사용되고 있다.
이중 반도체식 가스 센서는 결함영역이 존재하는 특정 반도체 결정 소자의 표면에 가스가 접촉하는 경우 반도체의 전기전도도가 변화되는 원리를 이용하는 것이다.
그러나 이산화탄소나 일산화 탄소 등의 가스는 대기 중에서 매우 안정된 화학적 상태를 가지고 있으므로 반도체식 가스 센서와 같은 통상적인 가스 검출 방식으로는 측정에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 방법이 광학식 가스 검출 방법이다.
도 1은 광학식 가스 검출 장치에 포함되는 가스 센서의 예를 나타낸 도면이다.
도 1의 가스 센서는 광원이 되는 발광 소자(110)와 발광 소자에서 공급되는 광을 여과시키거나 또는 방출되어 이미지 센서로 입사되는 광을 여과시키는 편광필름(141, 143)과 가스의 농도에 따라 반응 정도를 달리하는 가스 검출부(140)를 포함한다.
다만, 도 1에 도시된 가스 센서의 경우 이미지 센서부(150)로 입사되는 빛에 대한 광학 정보로부터 검출하고자 하는 가스의 농도를 유추하는 방법을 이용하므로, 검출하는 가스의 양이 소량이어서 방출되는 광의 변화량을 측정하기가 어렵거나 또는 가스 검출부에서 방출되는 광 이외에 다른 광이 이미지 센서부로 공급될 경우 가스 농도의 측정값에 오차가 발생하는 문제가 생길 수 있다.
또한, 다양한 용도의 휴대용 기기에 적용되기 위해서는 가스 센서의 크기를 소형화하여야 하는 과제를 가지고 있다.
실시예는 공급되는 광원의 파장 영역과 빛의 진행 방향을 조절하기 위하여 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하는 광필터를 이용한 가스 센서 및 가스 검출 장치를 구현하고자 한다.
실시예의 가스 센서는 발광 소자; 상기 발광 소자에서 공급된 광에 의하여 여기 되어 파장 변환된 광을 방출하는 가스 검출부; 및 상기 가스 검출부에서 방출된 광을 전기적 신호로 변환하여 영상 정보를 생성하는 이미지 센서부; 를 포함하며, 상기 가스 검출부는 형광 염료를 포함하는 가스 반응부; 및 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하는 광필터부; 를 포함할 수 있다.
상기 가스 검출부는 상기 발광 소자와 상기 이미지 센서부 사이에 배치될 수 있다.
상기 광필터부는 상기 가스 반응부보다 상기 발광 소자에 인접하여 배치되는 제1 광필터부; 또는 상기 가스 반응부보다 상기 이미지 센서부에 인접하여 배치되는 제2 광필터부; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광필터부는 금속층 및 상기 금속층 상에 배치되는 유전체층을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 복수의 홀 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 홀 패턴은 제1 방향으로 제1 간격으로 배치되고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 간격으로 배치되며, 상기 제1 간격과 상기 제2 간격은 서로 다를 수 있다.
상기 제1 광필터부의 상기 제1 간격은 아래와 같을 수 있다. (여기서, λ는 상기 발광 소자의 발광 피크의 중심 파장에 해당하고, d1은 상기 제1 광필터부의 상기 제1 간격에 해당한다)
λ≤d1≤λ+20
상기 제1 광필터부의 상기 제1 간격은 450nm 내지 470nm일 수 있다.
상기 제2 광필터부의 상기 제1 간격은 아래와 같을 수 있다. (여기서, λd는 상기 가스 반응부에서 방출되는 광의 중심 파장에 해당하고, d2는 상기 제2 광필터부의 상기 제1 간격에 해당한다)
λd≤d2≤λd+20
상기 제2 광필터부의 상기 제1 간격은 500nm 내지 550nm일 수 있다.
또한, 상기 광필터부는 금속층 및 금속층 상에 배치되는 유전체층을 포함하며, 상기 금속층은 복수의 스트라이프 패턴을 포함할 수 있다.
상기 제1 광필터부의 상기 복수의 스트라이프 패턴 사이의 이격된 거리는 450nm 내지 470nm일 수 있으며, 상기 제2 광필터부의 상기 복수의 스트라이프 패턴 사이의 이격된 거리는 500nm 내지 550nm일 수 있다.
상기 제1 광필터부의 상기 스트라이프 패턴과 상기 제2 광필터부의 상기 스트라이프 패턴은 서로 직교하는 방향으로 배치될 수 있다.
상기 광필터부는 상기 가스 반응부 상에 배치될 수 있으며, 상기 광필터부는 금속 나노 입자를 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는 청색광을 발광할 수 있으며, 상기 발광 소자의 발광 중심 파장은 450nm 내지 470nm일 수 있다.
상기 가스 반응부는 녹생광을 방출할 수 있으며, 상기 가스 반응부는 500nm 내지 550nm 파장의 광을 방출할 수 있다.
상기 발광 소자와 상기 이미지 센서부 사이에 편광 필름을 더 포함할 수 있다.
상기 형광 염료는 HPTS를 포함할 수 있으며, 상기 형광 염료는 이산화탄소 가스와 반응할 수 있다.
상기 가스 반응부와 상기 광필터부 사이에 접착제층을 더 포함할 수 있으며, 상기 접착제층은 실리콘 수지 또는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
다른 실시예인 가스 검출 장치는 상술한 실시예의 가스 센서; 기준 영상 정보에 대한 가스의 농도 값을 매칭하여 저장한 메모리부; 상기 이미지 센서부의 상기 영상 정보에 상응하는 상기 기준 영상 정보에 매칭 된 상기 가스의 농도 값을 상기 메모리부로부터 추출하는 연산부; 및 상기 연산부에서 추출된 상기 가스의 농도 값을 출력하는 출력부; 를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 가스 센서 및 이를 포함하는 가스 검출 장치는 표면 플라즈몬 폴라리톤이 형성된 광필터부를 포함하여 가스 센서의 검출 효율을 개선할 수 있으며, 가스 센서 및 가스 검출 장치의 크기를 소형화할 수 있다.
도 1은 종래의 가스 센서를 나타낸 도면이고,
도 2는 가스 센서의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3 내지 도 5는 광필터부의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 가스 검출부의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 7 내지 도 9는 가스 센서의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 가스 검출 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2", "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 가스 센서의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
실시예의 가스 센서(200A)는 발광 소자(110), 가스 검출부(140) 및 이미지 센서부(150)를 포함할 수 있으며, 가스 검출부(140)는 형광 염료를 포함하는 가스 반응부(130) 및 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton)을 형성하는 광필터부(120)를 포함할 수 있다.
또한, 실시예의 가스 센서(200A)는 가스가 유입되도록 외부와 연결되는 유입구(165)와 가스 센서를 구성하는 구성 요소를 배치시켜 외부로부터 보호하기 위한 하우징(160)을 더 포함할 수 있다.
실시예의 발광 소자(110)는 가스 센서(200A)에서 광원으로 사용될 수 있으며, 발광 다이오드(Light Emitting Diode) 등이 배치될 수 있다.
발광 소자(110)는 패키지 형태로 공급될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 복수의 발광 소자가 배치된 발광 소자 어레이 형태로 배치될 수도 있다.
발광 소자(110)는 기판, 기판 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층과, 외부 전극과 연결되어 발광 소자에 전기를 공급하는 적어도 하나의 전극을 포함할 수 있다.
발광 소자(110)는 청색광을 발광하는 것일 수 있으며, 발광 소자(110)에서 방출되는 광의 발광 중심 파장은 450nm 내지 470nm일 수 있다.
실시예의 가스 센서(200A)에서 광원으로 사용되는 발광 소자(110)의 경우 수평형 발광 소자, 수직형 발광 소자 또는 플립칩 타입의 발광 소자가 배치될 수 있으나, 발광 소자의 형태는 이에 한정하지 않는다.
또한, 발광 소자(110)는 발광 모듈 또는 하나의 발광 소자가 발광 칩의 형태로 배치되어 가스 센서(200A)의 광원으로 사용될 수 있다.
실시예의 가스 센서(200A)에서 가스 검출부(140)는 발광 소자(110)와 이미지 센서부(150) 사이에 배치될 수 있다.
가스 검출부(140)는 가스 반응부(130)와 광필터부(120)를 포함할 수 있다.
광필터부(120)는 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton)을 형성할 수 있다.
광필터부(120)는 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하여 특정 파장 영역의 광이 증폭되게 할 수 있다.
표면 플라즈몬 폴라리톤은 금속막과 유전체막 사이의 경계면에서 발생하는 전하 밀도의 집합적인 진동(Charge Density Oscillation) 현상을 나타내는 것으로서, 이러한 표면 자유 전자들의 집단적 공진(resonance) 현상은 사용된 금속막과 유전체막의 종류, 유전체막의 유전 상수 또는 금속막에 형성된 패턴 형상 등에 따라 공진되는 파장 영역이 달라질 수 있다.
광필터부(120)는 가스 반응부(130)와 접하여 배치될 수 있으며, 광필터부(120)는 가스 반응부(130)보다 발광 소자(110)에 인접하여 배치되거나 또는 가스 반응부(130)보다 이미지 센서부(150)에 인접하여 배치될 수 있다.
이때, 가스 반응부(130)보다 발광 소자(110)에 인접하여 배치되는 광필터부를 제1 광필터부, 가스 반응부(130)보다 이미지 센서부(150)에 인접하여 배치되는 광필터부를 제2 광필터부라고 할 수 있다.
제1 광필터부는 발광 소자(110)에서 공급된 광을 여과하여 특정 파장의 영역의 광만을 가스 반응부(130)로 공급하는 것일 수 있으며, 제2 광필터부는 가스 반응부(130)에서 방출된 광을 여과하여 특정 파장의 광만을 투과하여 이미지 센서부(150)로 공급하는 것일 수 있다.
실시예의 가스 센서에서 광필터부(120)는 금속층과 금속층 상에 배치되는 유전체층을 포함할 수 있다.
도 3은 광필터부(120)의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3의 도면을 참조하면, 광필터부(120)의 금속층(123)은 기판(121)상에 형성될 수 있으며, 기판(121) 상에 형성된 금속층(123)은 나노 패턴을 포함하는 것일 수 있다.
기판(121)은 금속층(123)을 형성하는 지지층일 수 있으며, 유리 또는 사파이어 등의 유전체층이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
표면 플라즈몬 폴라리톤은 유전체층인 기판(121)과 금속층(131)의 계면(Interface)에서 형성될 수 있으며, 또한 금속층(131) 상에 유전체층이 더 형성될 경우 금속층(131)과 추가로 형성된 유전체층 사이에서 형성될 수 있다.
금속층(123)은 증착 공정에 의하여 기판(121) 상에 형성될 수 있다.
금속층(123)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 아연(Zn), 철(Fe), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
증착된 금속층(123)의 두께(t1)는 200nm 내지 300nm일 수 있다.
광필터부(120)에서 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하기 위하여 금속층(123)에 나노 패턴이 형성될 수 있으며, 형성된 나노 패턴은 일정한 형상이 반복되어 배치되는 주기적인 패턴일 수 있다.
이러한 나노 패턴은 포토 리소그래피(photo lithography), 나노 임프린팅(Nano Imprinting), 이온 빔(ion beam lithography), 레이저 간섭법(laser interference lithography) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 나노 패턴을 형성할 수 있는 다양한 금속막 성형 공정이 사용될 수 있다.
도 4는 나노 패턴이 형성된 금속층을 갖는 광필터부의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 금속층(123a)은 복수의 홀(124) 패턴을 포함할 수 있다.
복수의 홀(124) 패턴은 금속층 상에 이루어질 수 있으며, 복수의 홀(124)은 일정한 주기를 가지고 배열될 수 있다.
복수의 홀(124)이 일정한 주기로 금속층에 형성되어 배열될 경우, 광필터부(120)에 입사되는 광은 금속층 표면의 자유 전자가 공명을 일으켜 특정 파장의 빛만을 투과할 수 있게 된다.
이러한 자유 전자의 공명현상은 금속층과 유전체층 사이에서 형성되는 표면 플라즈몬 공명 현상으로, 금속층에 형성된 홀 패턴에 의하여 공급되는 광원의 파장과 일치되는 특정 파장의 빛만이 증폭되어 광필터부(120)를 투과할 수 있게 된다.
광필터부(120)가 복수의 홀(124) 패턴을 갖는 경우, 금속층과 유전체층 사이에서 형성되는 표면 플라즈몬의 공명 파장은 다음의 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112014120409410-pat00001
여기서 λsp는 공명 파장이고, a는 복수의 홀 패턴의 주기이고, εm은 금속층의 유전상수이고, εd는 금속에 인접하여 배치되는 유전체층의 유전상수이다.
예를 들어, 광필터부(120)가 사파이어 기판 상에 알루미늄 금속층을 포함하여 형성되고, 알루미늄의 유전상수εm=5.3이고, 사파이어의 유전상수가 εd=1 일 때 460nm의 공명 파장(λsp)을 형성하기 위해서는 홀 패턴의 주기 a=470nm 이어야 한다.
즉, 사파이어와 알루미늄 금속층을 포함하는 광필터부가 460nm의 공명 파장을 얻기 위하여 복수의 홀은 470nm 간격으로 배치되어야 한다.
도 4의 홀 패턴에서 홀의 단면은 원형일 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 타원, 다각형, 슬릿 등 다양한 형태로 변경될 수 있다.
형성된 복수의 홀(124) 패턴의 단면이 원형일 경우 지름(R)은 50nm 내지 200nm일 수 있다.
도 4를 참조하면, 홀 패턴에서 복수의 홀(124)은 제1 방향으로 제1 간격으로 배열되며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 간격으로 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 4에서 제1 방향은 x축 방향일 수 있으며, 제2 방향은 이와 수직되는 y축 방향일 수 있다.
복수의 홀은 제1 방향인 x축 방향으로 dx 간격으로 주기적으로 배열될 수 있으며, 제2 방향인 y축 방향으로 dy 간격으로 배열될 수 있다. 이때, 제1 간격인 dx와 제2 간격인 dy는 서로 다를 수 있다.
표면 플라즈몬 폴라리톤이 형성되는 복수의 홀 패턴을 갖는 광필터부의 경우, 광필터부에 특정 파장의 빛이 공급되고, 공급되는 파장의 빛과 공명을 이룰 수 있는 간격으로 배열된 홀의 배치 방향의 빛만 광필터부를 통과할 수 있으며, 공급되는 빛과 공명을 이룰 수 없는 간격으로 배열된 홀의 배치 방향의 빛은 광필터부를 투과할 수 없게 된다.
예를 들어, 도 4에서 제1 방향인 x축 방향으로 dx의 간격으로 홀이 배열되고, 이와 수직되는 제2 방향인 y축 방향으로 dy 간격으로 홀이 배열되어 홀 패턴을 이루는 경우, dx가 발광 소자에서 공급되는 빛의 파장과 공진을 형성하는 간격이고, dy는 공명이 이루어지지 않는 간격인 경우, 발광 소자에서 광필터부로 공급된 빛은 x축 방향의 빛만 투과될 수 있다.
즉, 금속층(123)에 형성되는 홀 패턴의 주기를 조절하여 투과되는 빛의 파장과 공명 현상을 형성할 수 있도록 하여 특정 파장의 빛을 증폭시킬 수 있으며, 또한 홀 패턴에서 복수의 홀(124)이 배치되는 방향에 따라 주기를 다르게 배치하여 원하는 방향인 일측의 빛만을 투과하도록 조절하여 편광 필름을 대체하는 효과를 가질 수 있다.
따라서, 도 1에 도시된 종래의 가스 센서의 구성과 비교할 때, 실시예의 가스 센서(200A)에서 종래의 가스 센서의 구성 중 편광 필름을 대체하여 광필터부(120)를 포함할 수 있다.
광필터부(120)를 포함하는 가스 센서(200A) 실시예의 경우 편광 필름을 대체하여 일측으로 편광된 빛만 투과시킬 수 있으며, 또한 발광 소자(110)로부터 공급되는 광 중 특정 방향의 광을 증폭시킴으로써 노이즈가 제거된 광을 공급받을 수 있어 가스 센서(200A)의 감지 성능이 향상될 수 있다.
광필터부(120) 중 발광 소자에 인접한 제1 광필터부에서 발광 소자에서 공급되는 광과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 홀 패턴의 복수의 홀 사이의 제1 간격을 d1이라고 할 때, λ≤d1≤λ+20 (nm)일 수 있다. 이때 λ는 공급되는 광의 발광 중심 파장에 해당한다.
예를 들어, 제1 광필터부의 홀 패턴 사이의 제1 간격은 450nm 내지 470nm일 수 있다.
광필터부(120) 중 이미지 센서부에 인접한 제2 광필터부에서 가스 반응부에서 방출되는 광과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 홀 패턴의 복수의 홀 사이의 제1 간격을 d2라고 할 때, λd≤d2≤λd+20 (nm)일 수 있다. 이때, λd는 가스 반응부에서 방출되는 광의 중심 파장에 해당한다.
예를 들어, 제2 광필터부의 홀 패턴 사이의 제1 간격은 500nm 내지 550nmm일 수 있다.
도 5는 광필터부의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면 광필터부의 금속층(123b-1, 123b-2)은 복수의 스트라이프(125) 패턴을 포함할 수 있다.
광필터부에서 발광 소자에 인접하여 배치되는 제1 광필터부의 복수의 스트라이프(125) 패턴 사이의 이격된 거리를 x1이라고 할 때, λ≤x1≤λ+20 일 수 있다. 이때, λ는 공급되는 광의 발광 중심 파장에 해당한다.
예를 들어, 제1 광필터부의 복수의 스트라이프 패턴 사이의 이격된 거리는 450nm 내지 470nm일 수 있다.
광필터부(120) 중 이미지 센서부에 인접한 제2 광필터부에서 가스 반응부(130)에서 방출되는 광과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 홀 패턴의 복수의 스트라이프(125) 패턴 사이의 이격된 거리를 x2라고 할 때, λd≤x2≤λd+20 (nm)일 수 있다. 이때, λd는 가스 반응부에서 방출되는 광의 중심 파장에 해당한다.
예를 들어, 제2 광필터부의 복수의 스트라이프 패턴 사이의 이격된 거리는 500nm 내지 550nm 일 수 있다.
복수의 스트라이프 패턴을 갖는 광필터부에서 제1 광필터부의 스트라이프 패턴과 제2 광필터부의 스트라이프 패턴은 서로 직교하는 방향으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 스트라이프 패턴의 배치 방향에 따라 스트라이프 패턴과 평행한 방향의 광은 투과하고 다른 방향 성분의 빛은 반사할 수 있다. 따라서, 스트라이프 패턴을 갖는 제1 광필터부와 제2 광필터부는 도 1의 종래의 가스 센서의 구성에서 서로 직교하여 배치되는 제1 및 제2 편광필름에 각각 대응될 수 있다.
표면 플라즈몬 폴라리톤은 금속 나노 입자에 의하여 형성될 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 도 2에 도시된 실시예의 가스 센서(200A)에서 광필터부(120)는 가스 반응부(130) 상에 형성될 수 있으며, 이때 광필터부(120)는 금속 나노 입자를 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 금속 나노 입자인 은(Ag) 나노 입자의 경우 가스 반응부(130) 상에 배치될 수 있으며, 가스 반응부(130) 상에 배치된 금속 입자를 중심으로 표면 플라즈몬 공명 파장이 형성될 수 있다.
은(Ag) 나노 입자의 크기가 40nm 내외인 경우 공명된 광은 청색광을 방출할 수 있으며, 은(Ag) 나노 입자가 커질수록 공명되어 방출되는 빛의 파장은 길어질 수 있다. 예를 들어 은(Ag) 나노 입자의 크기가 50nm 내외인 경우 녹색광을 방출할 수 있다.
가스 반응부(130) 상에 금속 나노 입자가 배치될 경우 랜덤하게 배치될 수 있다.
가스 반응부(130)는 형광 염료를 포함할 수 있다.
가스 반응부(130)에 포함되는 형광 염료는 발광 소자에서 방출되는 빛에 의하여 여기 될 수 있으며, 입력되는 발광 소자(110)의 광에 대하여 파장 변환된 광을 방출할 수 있다.
가스 반응부(130)에 포함되는 형광 염료는 HPTS(Hydorxy-pyrenetrisulfonic acid)일 수 있다.
예를 들어, 가스 반응부(130)에 포함되는 HPTS는 지지 매트릭스에 분산되어 사용될 수 있다.
지지 매트릭스는 고분자 매트릭스일 수 있으며, 예를 들어 Methyltriethoxysilane 과 ethyltriethoxysilane 졸-겔 매트릭스, Poly(dimethyl)siloxane/aminopropyltriethoxysilane과 tetraethylorthosilicate 졸-겔 매트릭스 등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
가스 반응부(130)의 HPTS의 가스 반응도는 함께 사용되는 지지 매트릭스 물질에 따라 달라질 수 있다.
가스 반응부(130)는 청색광에 의하여 여기 되어 녹색광을 방출할 수 있다. 가스 반응부(130)는 500nm 내지 550nm의 파장의 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, HPTS는 청색광의 발광 소자(blue LED)에서 공급되는 빛에 의하여 여기 되어 녹색광을 방출할 수 있다.
HPTS는 이산화탄소(CO2) 가스와 반응할 수 있다.
감지되는 이산화탄소의 농도에 따라 HPTS를 포함하는 가스 반응부(130)에서 방출되는 녹색광의 세기가 변화될 수 있다.
예를 들어, 이산화탄소의 농도가 높아질수록 HPTS와의 반응 정도가 높아져 공급되는 광에 의하여 여기 되어 가스 반응부(130)에서 파장 변환 후 녹색광으로 방출되는 광의 세기는 작아질 수 있다.
가스 검출부(140)의 일 실시예를 나타낸 도 6을 참조하면, 가스 검출부(140)는 가스 반응부(130)와 광필터부(120) 사이에 접착제층(127)을 더 포함할 수 있다.
접착제층(127)은 광필터부(120)의 표면 플라즈몬 폴라리톤 형성을 방해하지 않는 물질로 이루어질 수 있으며, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 포함할 수 있다.
예를 들어, 접착제층을 이루는 접착제는 페닐 실세스퀴옥산(Phenyl Silsesquioxane) 수지 조성물을 포함하는 것일 수 있다. 접착제는 광학적으로 투명한 성질을 가질 수 있으며, 열 안정성이 우수한 물질이 사용될 수 있다.
도 2의 실시예의 가스 센서(200A)에서 이미지 센서부(150)는 가스 검출부(140)에서 방출되어 입력되는 광을 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 변환된 전기적 신호로부터 영상 정보를 생성할 수 있다. 이때, 영상 정보 처리를 위하여 도면에 도시되지는 않았으나 이미지 센서부(150)에 영상 정보 처리부가 포함될 수 있다.
이미지 센서부(150)는 발광 소자(110)에서 공급되어 가스 검출부(140)를 통과하여 방출되는 광학 정보를 수신하여 전기 신호로 광전 변환하는 촬상 소자(Image sensor)를 포함할 수 있다.
이미지 센서부(150)의 촬상 소자는 CCD(Charge-Coupled Device) 센서 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 센서일 수 있다.
즉, 이미지 센서부(150)를 포함하는 실시예의 가스 센서(200A)의 경우, 검출하고자 하는 가스의 농도에 따라 변화되는 가스 검출부(140)의 발광 세기(intensity)에 대한 광학 정보를 이미지 센서부(150)에서 공급받아 전기적 신호로 변환하고 이를 다시 영상 정보로 생성하여 가스의 농도 값을 측정할 수 있다.
예를 들어, 가스 검출부(140)의 HPTS가 이산화탄소와 반응하는 경우 이산화탄소 농도가 높아질수록 HPTS와의 반응 정도가 높아지며, 이에 따라 방출되는 녹색광의 강도가 감소되게 되며, 따라서 이미지 센서부(150)에서 검출되는 녹색광의 강도가 낮아진 영상 정보를 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 가스 센서의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
실시예의 가스 센서(200B, 200C)는 발광 소자(110), 가스 검출부(140), 이미지 센서부(150) 및 편광필름(141, 143)을 포함할 수 있다.
편광 필름(Polarizing Film, 141, 143)은 특정 방향의 편광만 투과시키고 다른 방향의 편광은 차단하는 것이다.
도 7의 실시예에 사용된 편광 필름(143)은 가스 검출부(140)에서 방출되어 입사되는 광 중 특정방향의 광 만을 투과하는 것일 수 있다.
도 8에서 편광 필름(141)은 가스 검출부(140)에 공급되는 발광 소자(110)의 빛 중 특정방향의 편광만 투과하여 공급하는 것일 수 있다.
도 7의 실시예에서 편광 필름(143)은 광필터부(120)에서 입사되는 발광 소자(110)의 빛을 여과하여 투과시키는 방향과 수직인 방향의 빛만 투과하도록 배치될 수 있다.
즉, 광필터부(120)에서 표면 플라즈몬 폴라리톤의 형성에 의하여 투과되는 빛이 제1 방향과 평행한 빛인 경우, 편광 필름(143)은 제1 방향과 수직인 제2 방향과 평행한 빛만 투과하는 것일 수 있다.
예를 들어, 편광 필름(143)을 포함하는 도 7에 도시된 가스 센서(200B)의 경우 발광 소자(110)의 청색광은 광필터부(120)를 통과하면서 제1 방향의 편광된 빛만 투과하여 공급되고, 가스 반응부(130)에서 반응 후 파장 변환되어 방출된 빛은 다시 편광 필름(143)을 통과하여 제2 방향으로 편광된 빛만 투과될 수 있다.
이때, 광필터부(120)와 편광 필름(143)의 편광 방향이 서로 수직으로 배치되게 함으로써 파장 변환되지 않은 발광 소자(110)의 청색광이 이미지 센서부(150)로 입사되는 것을 막을 수 있다.
이에 따라, 발광 소자(110)에서 방출되는 광에 의하여 야기되는 노이즈를 최소화하여 가스 센서(200B)에서의 가스 검출의 감도(sensitivity)를 높일 수 있다.
또한, 도 8의 가스 센서(200C) 실시예의 경우 발광 소자(110)로부터 입사되는 광은 편광 필름(141)을 지나 편광된 일측 방향의 빛이 가스 반응부(130)에 공급되게 되며, 이후 가스 반응부(130)에서 방출되는 광은 광필터부(120)에 의하여 일측으로 편광된 광이 투과되어 이미지 센서부(150)에 공급될 수 있다.
예를 들어, 발광 소자(110)에서 방출된 청색광이 편광 필름(141)을 투과하여 일 방향으로 편광된 청색광이 가스 반응부(130)에 도입될 수 있으며, 도입된 청색광은 형광 물질인 HPTS와 반응하여 녹색광을 방출할 수 있다. 이때, 파장 변환된 녹색광은 다시 편광성이 없는 광으로 변환된 것일 수 있다.
이후 가스 반응부(130)에서 방출되는 녹색광은 광필터부(120)에 의하여 다시 일 방향으로 편광된 녹색광으로 투과되어 이미지 센서부(150)에 전달될 수 있다.
도 8의 실시예의 경우도 편광 필름(141)과 광필터부(120)의 편광 방향이 서로 수직되도록 배치됨으로써, 가스 반응부(130)에서 파장 변환되어 이미지 센서부(150)로 공급되는 광에 대하여 노이즈를 제거할 수 있으며, 따라서 실시예의 가스 센서(200C)에서 반응 감도를 개선하는 효과를 가질 수 있다.
도 9는 가스 센서의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9의 가스 센서(200D) 실시예에서 가스 검출부(140)는 가스 반응부(130)를 사이에 두고 양 측에 광필터부(120a, 120b)를 포함할 수 있다.
제1 광필터부(120a)는 가스 반응부(130)보다 발광 소자(110)에 인접하여 배치될 수 있으며, 제2 광필터부(120b)는 가스 반응부(130)보다 이미지 센서부(150)에 인접하여 배치될 수 있다.
제1 광필터부(120a)는 발광 소자(110)에서 방출되어 가스 반응부(130)로 입사되는 광에 대하여 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하여 발광 소자(110)에서 방출되는 광의 발광 중심파장과 유사한 파장을 갖는 파장의 빛을 증폭되게 할 수 있으며, 또한 광필터부의 금속층에 형성된 나노 패턴의 형상 및 배치에 따라 일측으로 편향된 광만 투과되게 할 수 있다.
제1 광필터부(120a)를 투과하여 공급된 광에 의하여 가스 반응부(130)에 포함된 형광 염료가 여기 되어 발광할 수 있다.
가스 반응부(130)에 포함된 형광 염료는 입력받은 파장의 광을 파장 변환하여 방출할 수 있으며, 이어서 제2 광필터부(120b)에 의하여 파장 변환된 광의 발광 중심 파장과 유사한 파장으로 증폭될 수 있으며, 제2 광필터부(120b)의 금속층에 형성된 나노 패턴의 형상 및 배치에 따라 일측으로 편향된 광만 투과되게 할 수 있다.
도 9의 실시예에서 제1 광필터부(120a)에서 편광된 광과 제2 광필터부(120b)를 투과한 편광된 광의 편광방향은 서로 동일하거나 또는 서로 교차되어 직교하는 방향을 가질 수 있다.
제1 광필터부(120a)와 제2 광필터부(120b)가 가스 검출부(140)에 포함될 경우, 종래의 가스 센서에서의 편광 필름을 대체하고 가스 반응부(130)와 일체형의 가스 검출부(140)를 구성할 수 있으므로 가스 센서(200D)의 크기를 소형화하는 효과를 가질 수 있다.
도 9의 가스 센서(200D) 실시예의 경우 제1 광필터부(120a)에서는 발광 소자(110)에서 방출되는 중심 파장의 광을 증폭시켜 공급할 수 있고, 제2 광필터부(120b)에서는 가스 반응부(130)에서 파장 변환된 광을 증폭하여 이미지 센서부(150)로 출력시킬 수 있으므로 소량의 가스 농도에 대하여도 발광 세기의 변화 정도를 쉽게 검출할 수 있어 반응도가 개선된 가스 센서를 제공할 수 있다.
또한, 제1 광필터부(120a)와 제2 광필터부(120b)가 서로 교차되어 직교하는 편광 방향을 가지도록 배치될 경우 발광 소자(110)에서 공급되는 광이 이미지 센서부(150)에 전달되는 것을 차단할 수 있으므로 노이즈가 제거되어 가스 검출 감도가 우수한 가스 센서(200D)를 구현하는 효과를 가질 수 있다.
상술한 실시예들의 가스 센서(200A, 200B, 200C, 200D)는 표면 플라즈몬 공명을 형성할 수 있는 광필터부(120)를 포함함으로써, 공명되는 파장의 빛에 대하여 강도(Intensity)를 높일 수 있어 발광 정도에 따라 가스 농도를 검출할 수 있는 가스 센서(200A, 200B, 200C, 200D)의 감도(Sensitivity)를 높이는 효과를 가질 수 있다.
또한, 빛을 여과시켜 노이즈를 제거하기 위하여 편광 필름을 대신하여 금속층을 포함하는 광필터부(120)를 배치함으로써 가스 센서의 크기를 소형화하는 효과를 가질 수 있다.
이하 상술한 가스 센서(200)를 포함하는 가스 검출 장치의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명하지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다.
도 10은 가스 검출 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 가스 검출 장치(300)는 가스 센서(200), 기준 영상 정보에 대한 가스의 농도 값을 매칭하여 저장한 메모리부(210), 이미지 센서부에서 생성한 영상 정보에 상응하는 기준 영상 정보에 매칭된 가스 농도 값을 메모리부로부터 추출하는 연산부(230) 및 연산부에서 추출된 가스의 농도 값을 출력하는 출력부(250)를 포함할 수 있다.
메모리부(210)는 기준 영상 정보에 대한 가스의 농도 값을 매칭하여 저장할 수 있다.
예를 들어, 메모리부(210)는 검출하고자 하는 가스에 대하여 농도 변화에 따라 가스 반응부에서 방출되는 광의 발광 세기의 변화 정도를 영상 정보로 변환하여 기준 영상 정보의 데이터 값으로 저장할 수 있다.
메모리부(210)에 저장된 기준 영상 정보와 이에 매칭되는 가스의 농도 값은 look-up table 형태로 저장될 수 있다.
실시예의 가스 검출 장치(300)는 가스 센서(200)의 이미지 센서부에서 가스 검출에 따라 생성한 영상 정보에 상응하는 가스 농도 값을 추출하는 연산부(230)를 포함할 수 있다.
연산부(230)에서는 가스 센서(200)에서 가스 검출에 따라 이미지 센서부에서 획득한 영상 정보를 메모리부(210)에 저장된 기준 영상 정보 값과 비교할 수 있다.
또한, 가스 센서(200)에서 측정하여 획득한 영상 정보와 일치하는 기준 영상 정보에서의 매칭된 가스의 농도 값을 메모리부(210)에 저장된 데이터로부터 찾아 가스 센서로 검출한 가스의 농도 값을 추출할 수 있다.
연산부(230)에서 추출된 가스의 농도 값은 출력부(250)에서 출력될 수 있다.
이때, 출력부(250)는 검출된 가스 농도 값을 외부로 출력되게 하는 것으로서 사용자에게 시각적인 정보를 제공할 수 있는 디스플레이부 또는 음성으로 정보를 알려주는 음성 신호부일 수 있으나, 출력부의 형태는 이에 한정하지 않는다.
디스플레이부가 포함될 경우 영상 정보를 표시하기 위하여 액정 디스플레이 패널(LCD), 유기 발광 디스플레이 패널(OLED) 등이 사용될 수 있다.
가스 검출 장치(300)는 단독으로 또는 다른 장치의 모듈로서 배치되어 이용될 수 있다.
예를 들어, 가스 검출 장치(300)는 차량에 배치될 수 있으며, 차량의 내부 공기의 품질을 측정하거나 또는 차량 장치의 가스 유출 여부를 감지하기 위하여 사용될 수 있다.
또한, 가스 검출 장치(300)는 휴대용 장치로 이용될 수 있다.
휴대용 가스 검출 장치의 경우 실내 또는 실외에서 필요에 따라 검출하고자 하는 가스의 농도를 측정하기 위하여 사용될 수 있으며, 예를 들어 휴대용 단말기 등에 장착되어 사용될 수 있다.
이때, 가스 검출 장치(300)의 메모리부(210)는 휴대용 단말기의 저장 장치일 수 있으며, 출력부(250)는 휴대용 단말기의 화면으로 대체될 수 있다.
상술한 실시예의 가스 검출 장치(300)의 경우 표면 플라즈몬 폴라리톤이 형성된 광필터부를 포함하여 가스 센서(200)의 가스 검출 감도를 향상시킬 수 있으며, 또한 광필터부가 편광 필름을 대체하여 배치될 수 있으므로, 가스 센서(200) 및 가스 검출 장치(300)의 크기를 소형화할 수 있어 휴대용 기기 등에 적용되는 것을 용이하게 할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 발광 소자 120 : 광필터부
130 : 가스 반응부 150 : 이미지 센서부
200, 200A, 200B, 200C, 200D : 가스 센서

Claims (31)

  1. 발광 소자;
    상기 발광 소자의 광축과 동일선상에 배치되어 상기 발광 소자에서 공급된 광에 의하여 여기 되어 파장 변환된 광을 방출하는 가스 검출부; 및
    상기 발광 소자의 광축과 동일선상에 배치되어 상기 가스 검출부에서 방출된 광을 전기적 신호로 변환하여 영상 정보를 생성하는 이미지 센서부; 를 포함하며,
    상기 가스 검출부는 형광 염료를 포함하는 가스 반응부; 및 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하는 광필터부; 를 포함하는 가스 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가스 검출부는 상기 발광 소자와 상기 이미지 센서부 사이에 배치되는 가스 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 광필터부는 상기 가스 반응부보다 상기 발광 소자에 인접하여 배치되는 제1 광필터부; 또는
    상기 가스 반응부보다 상기 이미지 센서부에 인접하여 배치되는 제2 광필터부; 중 적어도 하나를 포함하는 가스 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 광필터부는 금속층 및 상기 금속층 상에 배치되는 유전체층을 포함하는 가스 센서.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 금속층은 복수의 홀 패턴을 포함하는 가스 센서.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 복수의 홀 패턴은 제1 방향으로 제1 간격으로 배치되고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 간격으로 배치되며, 상기 제1 간격과 상기 제2 간격은 서로 다른 가스 센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제1 광필터부의 상기 제1 간격은 아래와 같은 가스 센서.
    λ≤d1≤λ+20
    (여기서, λ는 상기 발광 소자의 발광 피크의 중심 파장에 해당하고, d1은 상기 제1 광필터부의 상기 제1 간격에 해당한다)
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제1 광필터부의 상기 제1 간격은 450nm 내지 470nm인 가스 센서.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제2 광필터부의 상기 제1 간격은 아래와 같은 가스 센서.
    λd≤d2≤λd+20
    (여기서, λd는 상기 가스 반응부에서 방출되는 광의 중심 파장에 해당하고, d2는 상기 제2 광필터부의 상기 제1 간격에 해당한다)
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제2 광필터부의 상기 제1 간격은 500nm 내지 550nm인 가스 센서.
  11. 제 3항에 있어서, 상기 광필터부는 금속층 및 상기 금속층 상에 배치되는 유전체층을 포함하며, 상기 금속층은 복수의 스트라이프 패턴을 포함하는 가스 센서.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제1 광필터부의 상기 복수의 스트라이프 패턴 사이의 이격된 거리는 450nm 내지 470nm인 가스 센서.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 제2 광필터부의 상기 복수의 스트라이프 패턴 사이의 이격된 거리는 500nm 내지 550nm인 가스 센서.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 제1 광필터부의 상기 스트라이프 패턴과 상기 제2 광필터부의 상기 스트라이프 패턴은 서로 직교하는 방향으로 배치되는 가스 센서.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 광필터부는 상기 가스 반응부 상에 배치될 수 있으며, 상기 광필터부는 금속 나노 입자를 포함하는 가스 센서.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 발광 소자는 청색광을 발광하는 가스 센서.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 가스 반응부는 녹색광을 방출하는 가스 센서.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 형광 염료는 HPTS를 포함하는 가스 센서.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 형광 염료는 이산화탄소 가스와 반응하는 가스 센서.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항의 가스 센서;
    기준 영상 정보에 대한 가스의 농도 값을 매칭하여 저장한 메모리부;
    상기 이미지 센서부의 상기 영상 정보에 상응하는 상기 기준 영상 정보에 매칭된 상기 가스의 농도 값을 상기 메모리부로부터 추출하는 연산부; 및
    상기 연산부에서 추출된 상기 가스의 농도 값을 출력하는 출력부; 를 포함하는 가스 검출 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자와 상기 이미지 센서부 사이에 편광 필름을 더 포함하는 가스 센서.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 편광 필름은 상기 가스 검출부와 상기 이미지 센서부의 사이에 배치되는 가스 센서.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 편광 필름은 상기 가스 검출부에서 상기 이미지 센서부로 입사되는 광 중 특정방향의 광만을 투과하는 가스 센서.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 편광 필름은 상기 광필터부에서 입사되는 발광소자의 광을 여과하여 투과시키는 방향과 수직인 방향의 특정방향의 광만을 투과하는 가스 센서.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 편광 필름은 상기 발광 소자와 상기 가스 검출부의 사이에 배치되는 가스 센서.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 편광 필름은 상기 가스 검출부에 공급되는 상기 발광소자의 광 중 특정방향의 편광만을 투과하여 공급하는 가스 센서.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 가스 검출부는 상기 가스 반응부를 사이에 두고 양측에 배치된 광필터부를 포함하여 이루어지는 가스 센서.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 나노 입자는 은(Ag)으로 이루어지는 가스 센서.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서부는 상기 가스 검출부를 통과하여 방출되는 광학정보를 전기 신호로 광전 변환하는 촬상소자를 포함하는 가스 센서.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 촬상소자는 CCD 센서 또는 CMOS 센서로 이루어지는 가스 센서.
  31. 제20항에 있어서,
    상기 메모리부는 휴대용 단말기의 저장 장치이고, 상기 출력부는 휴대용 단말기의 디스플레이부인 가스 검출 장치.
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