KR102582489B1 - 압력과 온도에 독립적인 광학식 수소 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예들은 빛이 진행하는 공동(cavity)을 형성하는 측벽을 갖는 모듈 케이스; 상기 공동의 일 단에 배치된, 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축 가능한 감지 물질을 포함한 수소 센싱부; 및 상기 공동의 타 단에 배치된 온도 반응층 - 상기 빛은 상기 온도 반응층을 통과해 상기 공동으로 진행 가능함 - 을 포함하고, 상기 공동을 진행하는 빛에 대하여 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성하고, 상기 간섭파는 상기 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 수소 센싱부가 변형되어 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈, 상기 센서 모듈을 포함한 광학식 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템에 관련된다.

Description

압력과 온도에 독립적인 광학식 수소 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템 {OPTICAL SENSOR FOR HYDROGEN WHICH IS INDEPENDENT OF PRESSURE AND TEMPERATURE AND HYDROGEN GAS DETECTION SYSTEM INCLUDING THE SAME}
실시예들은 수소 가스를 감지하는 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서 모듈과 수소가 반응하여 발생하는, 간섭파 스펙트럼의 패턴의 변화를 이용하여 수소를 감지하는 광학식 센서에 관한 것이다.
수소 가스(H2)는 석유, 화학 및 항공 우주 산업 등에서 널리 활용되는 물질이다. 수소 가스(H2)는 높은 확산 계수(공기 중0.16 ㎠/s), 낮은 발화 에너지(0.02 mJ), 높은 연소 열 (285.8 kJ / mol), 그리고 광범위한 폭발 농도 범위(4~75%)로 인해 높은 위험성을 가진다. 수소 가스(H2)는 무색, 무취, 무미의 특성을 가지므로, 사람의 감각으로는 감지할 수 없어, 고감도, 고정확도, 고선택도로 수소 가스(H2)를 신속하게 감지하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
기존에는 전기적 방식으로 작동하는 수소 센서를 활용하였다. 그러나, 전기적 수소 센서(230)는 전기스파크가 센서 내부 또는 주변에서 발생할 수 있어, 폭발의 위험을 갖는 한계가 있다.
이 외에도, 기존의 수소센서들은 온도와 압력에 의해 간섭을 받아 수소 감지의 정확도 및 신뢰도가 낮아 실용성에서의 한계가 있다.
특허공개공보 제10-2020-0070682호 (2020.06.18.)
본 발명의 일 측면에 따르면, 간섭파의 스펙트럼의 패턴의 변화를 이용하여 수소 가스를 감지하기 위해, 센서 모듈과 수소가 반응하면 광섬유 패브리-페롯 간섭계에 의해 형성된 간섭파의 파장이 변화하도록 구성된 광학식 센서를 제공할 수도 있다.
이 외에도, 상기 광학식 센서; 및 시스템 구성이 상대적으로 간소화된 수소 가스 검출 시스템을 제공할 수도 있다.
본 출원의 일 측면에 따른 광학식 센서를 위한 센서 모듈은: 빛이 진행하는 공동(cavity)을 형성하는 측벽을 갖는 모듈 케이스; 상기 공동의 일 단에 배치된, 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축 가능한 감지 물질을 포함한 수소 센싱부; 및 상기 공동의 타 단에 배치된 온도 반응층 - 상기 빛은 상기 온도 반응층을 통과해 상기 공동으로 진행 가능함 - 을 포함할 수도 있다. 상기 광학식 센서를 위한 센서 모듈은 상기 공동을 진행하는 빛에 대하여 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성한다. 상기 간섭파는 상기 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 수소 센싱부가 변형되어 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화한다.
일 실시예예서, 상기 수소 센싱부는 상기 공동과 적어도 일부가 접촉하는 하부면을 갖는 지지층; 및 상기 지지층 상에 형성된, 상기 감지 물질로 이루어진 수소 반응층을 포함할 수도 있다.
일 실시예예서, 상기 센서 모듈에 형성된 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계는 수소 센싱부에서 공동에 접촉하는 상기 수소 센싱부의 하부면과 상기 온도 반응층에서 공동에 접촉하는 상기 온도 반응층의 상부면을 반사막의 쌍으로서 갖는 제1 패브리-페롯 간섭계를 포함할 수도 있다.
일 실시예예서, 상기 광학식 센서를 위한 센서 모듈은 상기 센서 모듈에 형성된 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계는 상기 온도 반응층의 상부면 및 상기 온도 반응층의 하부면을 반사막의 쌍으로써 갖는 제2 패브리-페롯 간섭계를 더 포함할 수도 있다. 상기 간섭파는 상기 온도 반응층의 하부면에 형성된, 상기 제1 패브리-페롯 간섭계의 제1-1 반사막과 상기 수소 센싱부의 하부면에 형성된, 제1-2 반사막 사이에 반복적인 빛의 반사 및 투과, 그리고 상기 온도 반응층의 하부면에 형성된, 상기 제2 패브리-페롯 간섭계의 상기 제2-1 반사막과 상기 온도 반응층의 상부면에 형성된, 상기 제2-2 반사막 사이에 반복적인 빛의 반사 및 투과로 인해 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센서 모듈의 주변의 수소 조건만이 변화하는 경우, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성은 상기 수소 센싱부의 변형에 따른 상기 제1-2 반사막과 제1-1 반사막 사이의 거리 변화에 의해 변화할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 온도 반응층은 온도 변화에 의해 팽창 또는 수축하는 물질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센서 모듈의 주변의 수소 및 온도가 변화하는 경우, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성은 상기 수소 센싱부의 변형에 따른 상기 제1-2 반사막과 제1-1 반사막 사이의 거리 변화 및 상기 상기 온도 반응층의 변형에 따른 상기 제2-2 반사막과 제2-1 반사막 사이의 거리 변화에 의해 변화할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센서 모듈은, 상기 공동의 유체 또는 외부의 유체가 관통하도록 형성된, 하나 이상의 개구(apertures)를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 감지 물질은 팔라듐(Pd)을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 센싱부는 상기 감지 물질과 지지층 사이에 형성된 중간층을 더 포함할 수도 있다. 상기 중간층은 티타늄을 포함한 물질로 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 온도 반응층의 상부면은 상기 공동을 진행하는 빛에 수직으로 연마될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 온도 반응층은 상부층이 상기 측벽에 접촉하도록 상기 모듈 케이스의 하부에 배치될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 온도 반응층은 상기 모듈 케이스의 일 단에 삽입될 수도 있다.
본 출원의 다른 일 측면에 따른 광학식 센서는: 상술한 실시예들에 따른 센서 모듈의 하부면과 접촉하는 페룰을 포함할 수도 있다. 상기 페룰은 상기 광섬유의 일 단으로부터 연장된 광섬유의 부분을 감싸도록 형성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 페룰은 상기 센서 모듈과 탈착 가능한 구조로 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 광학식 센서는 상기 모듈 케이스와 상기 페룰의 접촉 부분을 고정시키는 홀더를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 홀더는 모듈 케이스와 분리된 것으로서, 상기 센서 모듈과 상기 페룰 사이의 결합을 고정할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 모듈 케이스와 상기 홀더는 일체형 구조로서, 상기 일체형 구조에서 홀더 부분은 모듈 케이스 부분으로부터 연장될 수도 있다.
본 출원의 또 다른 일 측면에 따른 수소 가스 검출 시스템은 상술한 실시예들에 따른 하나 이상의 광학식 센서; 상기 광학식 센서의 광섬유에 빛을 조사하는 광원; 및상기 수소 가스의 존재 여부를 검출하거나 또는 수소 가스의 농도를 측정하도록 파장 스펙트럼의 변화를 산출하기 위해 상기 간섭파의 빛을 검출하는 광 수집기를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 가스 검출 시스템은: 제 1 내지 제 3 포트를 가지고, 상기 제 1 포트로 입력되는 상기 광원에서 형성된 빛을, 상기 제 2 포트에 연결된 상기 센서 모듈로 출력하고, 상기 센서 모듈에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 상기 제 3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력하는 써큘레이터를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 단일 파장 레이저일 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광원의 빛은 상기 써큘레이터의 제1 포트로 곧바로 진행할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 써큘레이터의 제3 포트에서 출력된 빛은 상기 광 수집기로 곧바로 진행할 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 광학식 센서를 포함한 수소 가스 검출 시스템은 패브리-패롯 간섭계를 경험한 빛의 성분을 사용하여 수소를 검출 가능할 뿐만 아니라 기존의 전자소자 기반의 센서와 동일한 수준의 감도, 정확도, 선택도, 감지 속도를 가진다.
상기 수소 가스 검출 시스템은 전술한 바와 같이 전기소자 기반 센서와 동일한 성능을 가지면서, 동시에 전기 스파크가 발생할 염려가 없어 수소를 검출하는 과정에서 수소 가스의 폭발의 위험이 없다.
특히, 상기 광학식 센서는 온도 및/또는 압력에 따른 수소 검출 오차를 최소화하도록 구성된다. 구체적으로, 상기 광학식 센서는 측정되는 간섭광의 스펙트럼 변화에서 온도에 의한 변화 부분과 수소에 의한 변화 부분을 구분 가능하여 제공하도록 구성된다. 이로 인해, 상기 수소 가스 검출 시스템은 온도에 의한 변화 부분을 제거하여 수소에 의한 변화 부분만을 제공함으로써 수소 검출 오차를 감소할 수 있다.
또한, 상기 광학식 센서는 관통홀(들)에 의해 센서 내부와 외부 사이의 압력 차이를 상쇄시킬 수 있다. 이로 인해 상기 수소 가스 검출 시스템은 수소 검출 오차를 더욱 최소화할 수 있다.
또한, 상기 수소 가스 검출 시스템은 주변의 기체 또는 액체 등과 같은, 주변 환경의 영향이 없이 수소 가스를 감지할 수도 있다. 광학식 센서의 간섭광의 스펙트럼의 패턴의 변화에 기초하여 공기 속뿐만 아닌 변압기 속 전기 절연유 속의 수소 가스의 농도를 검출하는 수소 가스 검출 시스템을 제공할 수도 있다.
또한, 상기 광학식 센서가 시스템 내 센서 노드(node)로 사용될 경우, 노드 자체의 전력원이나 데이터 통신 자재가 요구되지 않아 시스템 구성이 간소하고 경제적이다.
또한, 상기 수소 가스 검출 시스템은 원격의 다수의 센서와 단일 분석 장비(OSA, Optical Spectrum Analyzer)에 의해 운영 가능하다.
또한, 기존 광학 시스템에서 거의 필수적으로 사용된 광대역광원(예컨대, EDFA) 및/또는 OSA를 사용하지 않고 단일파장의 레이저 다이오드와 단순 광검출기만을 사용한 더욱 간소화된 시스템 구성이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 하나 이상의 도면에서 도시된 유사한 요소를 식별하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 3a 및 도 3b는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 4는, 본 출원의 다른 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 광학식 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 수소 농도별 간섭 파장의 최대 이동을 도시한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 수소 농도별 파장 스펙트럼의 이동(Shift)의 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은, 시간에 따른 수소 농도와 파장 스펙트럼의 이동 간의 관계를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 9는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 센서 모듈의 관통홀에 의해 광학식 센서의 압력 민감도가 감소하는 효과를 설명하는 개념도이다.
도 10은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 광섬유 센서의 온도 보정 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 11a 및 도 11b는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 온도/수소에 대한 간섭계의 파장 피크 이동을 도시한 도면이다.
도 12는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 조건 변화에 따른 간섭계의 파장의 변화를 도시한 도면이다.
도 13은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 전기 절연유 속의 수소를 감지하는 광학식 센서의 촬영 이미지이다.
도 14는, 도 13에서 전기 절연유 속에서 측정한 수소에 의한 파장 스펙트럼의 피크의 이동을 도시한 그래프이다.
도 15는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 광학식 센서가 갖는 전기 절연유 속의 수소 감지 성능을 설명하는 도면이다.
도 16은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 상세 구조도이다.
도 17은, 도 16의 수소 가스 검출 시스템에서 수소 주입 여부에 따른 센서의 공진 투과 곡선 및 단일 파장의 채널의 변화를 도시한 도면이다.
도 18은, 도 16의 수소 가스 검출 시스템에서 실제 단일 파장 광원의 세기의 변화를 측정한 곡선이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1a 내지 도 1c는 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
광섬유 패브리-페롯 간섭계(Fiber Febry-Parot interferometer; FFPI)는 반사 가능한 두 개의 막으로부터 반사된 간섭파의 스펙트럼에 있어서 주기성을 갖게 되는데, 상기 두 막 사이의 거리 또는 간섭계를 구성하는 물질의 굴절률이 변하게 되면 상기 주기성도 변하게 된다. 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 이러한 주기성의 변화를 이용하여 스펙트럼을 분석하는 원리를 사용한다. 이에 대하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 1a는 두 개의 반사 가능한 막(132, 134)이 거리 L0를 갖고, 굴절률 n0를 갖는 물질에 의하여 상기 막 사이가 채워져 있는 경우를 도시하였다.
상기 두 개의 막(132, 134)은 지역(120)와 상기 두 개의 막(132, 134) 사이의 물질에 대한 경계면인 제 1 막(132), 막(132, 134) 사이의 내부 지역(110)과 외부 지역(130)의 경계면인 제 2 막(134)을 포함한다. 제1 막(132)과 제2 막(134)은 1보다 낮은 반사율(R)을 가진다.
상기 제 1 막(132)의 일면에 연결된 지역(region)(120)에서 임의의 파장(λ)을 갖는 빛(E0)이 진행하여 상기 제 1 막(132)으로 조사한다. 상기 제 1 막(132)을 통과한 빛은 제1 막(132)과 제2 막(134) 사이의 지역(130)으로 입사한다.
상기 지역(110)으로 입사된 빛은 다시 제 2 막(134)으로 진행한다. 상기와 같은 이동 경로로 이동하는 빛은, 지역(110, 120, 130)에 대한 굴절률 차이 및/또는 막(132, 134)의 반사율의 차이로 인해 상기 제 1 막(132) 및 상기 제 2 막(134)에서 일부 또는 전부가 반사된다. 제2 막(134)의 특성에 따라 진행한 빛 중 일부가 외부로 투과될 수도 있다. 반사된 빛은 제1 막(132)을 통과하여 다시 지역(120)으로 진행한다.
이에 따라, 상기 두 막(132, 134) 사이를 반복적으로 반사 및 투과하는 빛은 다시 상기 지역(120)로 되돌아오는 복수의 반사파(Er1, Er2, Er3…)를 형성한다. 상기 복수의 반사파(Er1, Er2, Er3)는 상기 지역(120) 내에서 서로 간섭을 일으키고, 간섭으로 인해 최종적으로 결정된 간섭파를 형성하게 된다.　
도 1b는 도 1a의 간섭파의 스펙트럼을 도시한 도면이다.
상기 간섭파는 일정한 파장을 갖게 되고, 파장에 따라 상기 간섭파의 스펙트럼은 주기성을 보이게 되며, 이 주기성은 상기 두 막(132, 134) 사이의 거리와 굴절률에 의한 함수로 나타내진다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 간섭파의 스펙트럼은 입사광에 포함된 성분에 관계 없이 동일한 피크의 위치를 가진다. 구체적으로, 입사광의 파장(성분)에 따라 피크의 위치는 달라지지 않지만, 반사막 경계에서의 투과율 및 반사율의 차이가 발생하여, 피크의 세기는 변할 수도 있다.
이렇게 형성된 최종 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화를 이용하여 물질을 감지하는 등의 목적으로 사용하는 것을 광섬유 패브리-페롯 간섭계라고 한다.
만일 한쪽 반사면이 외부의 특정 물질과 반응하여 해당 반사면이 변형됨으로써 간섭계를 이루는 거리(L)가 변화하면 스펙트럼의 주기적 패턴을 변화시킬 수 있다.
결과적으로, 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성 변화에 의하여, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 물질 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다.
도 1c는 두 막(132, 134) 사이의 거리가 ΔL만큼 증가하여 두 막(132, 134) 사이의 거리(L)가 L0로부터 L1으로 변화하는 경우를 도시하였다.
상기 두 막(132, 134) 사이의 거리가 변하는 경우, 상기 입사파가 반사하면서 형성하게 되는 최종 정상파의 수는 공진 길이가 늘어남에 따라 증가하게 되므로, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기도 짧아지게 된다. 따라서, 스펙트럼 상에서는 관찰되는 스펙트럼의 산과 골의 모양이 한쪽으로 이동하는 현상을 관찰할 수 있게 된다.
만약, 상기 두 막(132, 134) 중 어느 하나의 막의 적어도 일부가 변형되어 두 막(132, 134) 사이의 거리가 증가하는 경우 이때, 입사파의 파장(λ)에 대한 상기 간섭파의 주기 변화에 따른 파장 변화량(Δλ)은 아래의 수학식 1과 같다.
여기서, Δλ는 입사파의 파장에 대한 간섭파의 파장 변화량, λ는 입사파의 파장, n0는 두 막 사이의 물질에 대한 굴절률, ΔL은 두 막 사이의 거리 변화량, L0는 두 막 사이의 거리를 나타낸다.
이와 같이, 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 임의의 두 막(132, 134) 사이의 거리 변화에 따른 간섭파의 파장 변화량(Δλ) 및 이에 따른 스펙트럼 주기성의 변화를 기초로, 상기 두 막(132, 134) 사이를 채우는 물질(110)의 거리에 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다.
이하, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 이용한 가스 감지 장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 2를 참조하면, 수소 가스 검출 시스템(200)은 광원210, 써큘레이터(circulator)(220), 센서 모듈(300)을 포함한 광학식 센서(230) 및 광섬유(250)를 포함할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 광 수집기(240)를 포함할 수도 있다.
특정 실시예들에서, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 각 센서 모듈(300)을 포함한, 다수의 광학식 센서(230) 및 다수의 광섬유(250)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 n개의 광학식 센서(230) 및 n개의 광섬유(250)를 포함할 수도 있다.
상기 광원(210)은 백색광 또는 광대역 광(broadband light)을 발생시키는 것으로서, 레이저 다이오드 또는 광대역 광원을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 광원(210)은 단일 파장 레이저를 발생시키는, 발광 소자일 수도 있다.
상기 광원(210)에서 발생한 빛은 상기 써큘레이터(220)의 입력 포트로 조사될 수 있다.
상기 써큘레이터(220)는 제 1 내지 제 3 포트를 구비할 수 있다. 상기 써큘레이터(220)는 상기 제 1 포트로 입력된 빛을 상기 제 2 포트로 출력하고, 상기 제 2 포트로 입력된 빛을 상기 제 3 포트로 출력하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 써큘레이터(220)는 상기 제 1 포트로 입력되는 상기 광원(210)에서 형성된 빛을, 상기 제 2 포트에 연결된 상기 광학식 센서(230)로 출력하고, 상기 광학식 센서(230)에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 상기 제 3 포트에 연결된 상기 광 수집기(240)로 출력할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제2 포트로 입력된 빛은 시스템 내 광학식 센서(230)의 수에 대응하여 분기되어 진행한다.
즉, 상기 써큘레이터(220)는 상기 광원(210), 상기 광학식 센서(230) 및 상기 광 수집기(240) 사이에 위치하여, 상기 광원(210)에서 발생한 빛의 경로를 전환할 수 있다. 이때, 상기 써큘레이터(220)의 상기 제 1 포트는 상기 광원(210)과 연결되고, 상기 제 2 포트는 상기 광학식 센서(230)와 연결되며, 상기 제 3 포트는 상기 광 수집기(240)와 연결될 수 있다.
상기 써큘레이터(220)는 상기 빛의 경로를 조절하기 위해 빛을 반사시키는 거울 또는 편광 조절 소자 등을 구비할 수 있다.
상기 수소 가스 검출 시스템을 구성하는 각 구성 요소들은 상기 광섬유(250)를 통해 연결될 수 있다. 또는, 상기 각 구성 요소들은 상기 광섬유(250)를 대신하여 평판 광 도파로를 통해 연결될 수 있다.
상기 광섬유(250)는 전반사를 이용하여 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 상기 광섬유(250)는 상기 수소 감지 시스템(200)을 구성하는 각 구성 요소들을 연결하고, 상기 광원(210)에서 형성된 빛이 상기 각 구성 요소들 간을 이동할 수 있도록 이동 경로를 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 광섬유(250)는 상기 광원(210)에서 형성된 빛이 상기 써큘레이터(220)를 통하여 상기 센서 모듈(300)로 조사되고, 상기 센서 모듈(300)에서 형성된 간섭파가 상기 써큘레이터(220)를 통하여 상기 광 수집기(240)로 조사될 수 있도록 할 수 있다.
상기 광섬유(250)는 전반사를 이용하여 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 즉, 상기 광섬유(250)는 상기 광원(210)에서 발생한 빛을 상기 센서 모듈(300)로 조사되도록 이동 경로를 제공할 수 있다.
상기 광섬유(250)는 에너지의 손실 없이 빛을 상기 센서(230)로 조사한다. 상기 광섬유(250)는 빛의 전반사를 유도하는 코어(core) 및 클래딩(cladding)으로 구성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 광섬유(250)를 대신하여 평판 광 도파로를 이용하여 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 상기 광 도파로는 상기 광섬유(250)에 비하여 길이가 짧고 두께가 훨씬 가늘어 상기 센서 모듈(300) 및 상기 센서 모듈(300)를 포함하는 상기 수소 가스 검출 시스템(200)의 집약적(intensive) 구성이 가능하며, 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 직경을 변화시키는데 유용할 수 있다.
센서 모듈(300)을 포함한 광학식 센서(230)는 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성한다.
상기 광학식 센서(230)는 광섬유(250)를 통해 빛이 안정적으로 센서 모듈(300)에 공급되도록, 빛이 방출되는 광섬유(250)의 일 단이 센서 모듈(300)에 고정되도록 구성될 수도 있다. 상기 광학식 센서(230)에서 상기 광원(210)으로부터 조사된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 상기 간섭파를 형성할 수 있다.
상기 광학식 센서(230)는 적어도 하나의 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(230)는 제1 패브리-페롯 간섭계 및 제2 패브리-페롯 간섭계를 포함할 수도 있다.
광섬유(250)를 통해 진행한 빛은 제1 반사막에 입사되어 제2 반사막을 향해 진행한다. 제2 반사막을 향해 진행한 빛 중 적어도 일부는 반사되어 다시 제1 반사막을 통과한다. 이와 같이 진행하는 빛은 두 막 사이의 반복적인 반사 및 투과 현상에 의해 임의의 파장 및 스펙트럼 주기성을 갖는 간섭파를 형성하도록 할 수 있다.
상기 광학식 센서(230)는, 센서 모듈(300)에 포함되는, 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 감지 물질은 수소 가스와 흡착하여 팽창하거나 또는 상기 수소 가스와 결합하지 않는 경우 수축하는 물질일 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 감지 물질은, 팔라듐(Pd)을 포함할 수도 있다.
상기 감지 물질은 제2 반사막에 접촉하도록 형성된다. 이로 인해, 상기 감지 물질의 부피 변화는 제2 반사막의 변형을 야기한다. 상기 제2 반사막의 변형으로 인해, 제1 반사막과 제2 반사막 사이의, 빛이 진행하는 거리가 변화함으로써, 간섭파의 파장이 변화할 수도 있다.
이러한 센서 모듈(300)을 포함한 광학식 센서(230)에 대해서는 아래의 도 3 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
상기 광 수집기(240)는 간섭파를 이루는 빛을 수집한다. 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 광 수집기(240)에 의해 수집된 빛에 기초하여 간섭파의 파장 정보(예컨대, 파장 스펙트럼)를 포함한, 빛의 특성을 획득한다. 상기 빛의 특성은 파장, 주기성, 빛의 세기(intensity) 등을 포함할 수 있다.
상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 획득된 간섭파의 파장 변화(예컨대, 파장 스펙트럼 변화)를 기초로 광학식 센서(230) 주변의 수소 가스의 존재 여부를 검출하고 및/또는 수소 가스 농도를 측정할 수도 있다.
즉, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 광 수집기(240)를 통해 상기 센서 모듈(300)에서 형성된 상기 간섭파의 스펙트럼을 관찰하여, 스펙트럼 주기성이 변화하는지 여부를 기초로 상기 수소 가스의 존재 여부를 결정하거나 및/또는 수소 가수 농도를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광 수집기(240)는 광 수집기일 수도 있다. 이 경우, 상기 수소 가스검출 시스템(200)은 별도의 스펙트럼 분석 장비(예컨대, OSA 등)를 포함하지 않을 수도 있다. 이에 대해서는 아래의 도 17 내지 도 18을 참조해 보다 상세히 서술한다.
다른 일 실시예에서, 상기 광 수집기(240)는 OSA(Optical Spectrum Analyzer)일 수도 있다. OSA(240)는 상기 간섭파의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 상기 OSA(240)는 입사되는 상기 간섭파의 스펙트럼을 디스플레이 상에 표시할 수 있다.
도 2에 도시한 수소 가스 검출 시스템의 구성 요소가 모두 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 2에 도시한 구성 요소보다 많거나 적은 구성 요소에 의해 수소 가스 검출 시스템(200)이 구현될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조 단면도이다.
도 3을 참조하면, 광학식 센서(230)는 광섬유(250)와 결합되는 센서 모듈(300)을 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(230)는 페룰(350)을 더 포함할 수도 있다.
광섬유(250)는 광원(210)의 빛을 센서 모듈(300)로 전달한다. 광섬유(230)의 일 단은 센서 모듈(250)에 결합된다.
페룰(ferrule)(350)은 광섬유(250)를 지지하여 광섬유(250)의 일 단으로부터 빛이 방출되는 위치를 고정한다. 상기 페룰(350)은 광섬유(250)가 센서 모듈(300)에 대해 고정되도록 기능한다.
상기 페룰(350)은 광섬유(250)를 둘러쌓도록 형성될 수도 있다. 페룰(350)은 광섬유(250)의 일 단으로부터 연장된 부분을 둘러쌓도록 구성된다. 이를 위해, 페룰(350)은 관통홀을 가진다. 광섬유(250)의 일 단으로부터 연장된 부분은 페룰(350)의 관통홀에 삽입된다. 상기 광섬유(250)는 상기 페룰(350)에 삽입되어 하나의 조립체(이하, 광섬유 페룰 조립체)를 이룰 수 있다.
상기 페룰(350)의 평면은 센서 모듈(300)의 하단 평면과 다양한 형태로 대응되도록 구성된다. 예를 들어, 페룰(350)의 평면의 사이즈는 센서 모듈(300)의 하단의 평면(예컨대, 온도 반응층(310)의 평면)의 사이즈에 매칭할 수도 있다. 이 경우, 페룰(350)의 최외벽은 센서 모듈(300)의 하단의 최외벽에 매칭할 수도 있다. 또는, 페룰(350)의 평면은, 도 3a에 도시된 바와 같이 센서 모듈(300)의 하단의 평면 보다 작은 사이즈를 가질 수도 있다. 이 경우, 페룰(350)의 평면은 광섬유(250)를 지지 가능한 외경과 내경 사이의 두께를 가진다.
일부 실시예들에서, 페룰(350)의 단면은 1mm 내지 3mm, 특히 대략2mm의 직경을 가질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 페룰(350)은 센서 모듈(300)의 접촉면(예컨대, 온도 반응층(310)의 표면)에 평행한 경사 표면을 가진다. 센서 모듈(300)의 접촉면(예컨대, 온도 반응층(310))이 센서 모듈(300) 내의 공간을 진행하는 빛에 수직하도록 구성된 경우, 상기 페룰(350)은 센서 모듈(300) 내의 공간을 진행하는 빛에 수직하도록 표면이 연마되도록 구성될 수도 있다. 이러한 페룰(350)에 의해 광섬유(250)가 지지되어, 상기 센서 모듈(300)에 수직으로 빛이 조사되도록 할 수 있다.
페룰(350)은, 예를 들어, 세라믹으로 이루어질 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다.
센서 모듈(300)은 광섬유(250)의 빛을 수신하도록 광섬유(250)의 일단에 결합된다. 특정 실시예들에서, 센서 모듈(300)은 광섬유 페룰 조립체와 탈/부착 가능하도록 구성될 수도 있다.
상기 센서 모듈(300)은 상기 광원(210)으로부터 형성되어 광섬유(250)를 통해 수신한 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성할 수 있다.
센서 모듈(300)은 모듈 케이스(301), 온도 반응층(310) 및 수소 센싱부(330)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 수소 센싱부는 지지층(331) 및 수소 반응층(335)을 포함할 수도 있다.
센서 모듈(300)은 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계를 형성하는 공간 또는 구성요소를 가진다. 이 공간은 다른 구성요소에 의해 정의된다. 특정 실시예들에서, 센서 모듈(300)은 제1 패브리-페롯 간섭계 및 제2 패브리 페롯 간섭계를 포함한다. 제1 패브리-페롯 간섭계는 모듈 케이스(301), 온도 반응층(310) 및 수소 센싱부(330)에 의해 정의되고, 제2 패브리-페롯 간섭계는 온도 반응층(310)에 의해 정의된다.
모듈 케이스(301)는 관통홀을 가진다. 관통홀의 일 측면에는 온도 반응층(310)이 배치된다. 상기 온도 반응층(310)에 대향하는 관통홀의 타 측면에는 수소 센싱부(330)가 배치된다. 수소 센싱부(330)와 온도 반응층(310) 사이의 공간은 모듈 케이스(301)의 측벽으로 둘러 쌓인다. 예를 들어, 모듈 케이스(301)의 측벽은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 온도 반응층(310) 및 수소 센싱부(330)에 접촉할 수도 있다. 이와 같이 센서 모듈(300) 내부에는 온도 반응층(310), 수소 센싱부(330) 및 모듈 케이스(301)의 측벽에 의해 정의되는 공동(cavity)이 형성된다.
온도 반응층(310)은 광섬유(250)의 일 단으로부터 방출되는 빛을 수신한다. 온도 반응층(310)의 하부면은 광섬유 페룰 조립체와 접촉할 수도 있다.
온도 반응층(310)은 투명한 물질로 이루어져, 빛이 온도 반응층(310)을 통과 가능하다. 광섬유 페룰 조립체로부터 방출된 빛이 온도 반응층(310)의 내부를 통과하여 센서 모듈(300)의 공동으로 진행한다.
또한, 온도 반응층(310)은 온도 변화에 반응하여 부피가 변하도록 구성된다. 온도 반응층(310)은 온도에만 반응하여 부피가 변화하거나, 또는 다른 성분에 반응 가능하더라도 특히 온도에 대해서 다른 성분 대비 부피 변화가 민감한 물질을 포함한다.
예를 들어, 온도 반응층(310)은 온도 변화에 의해 팽창 또는 수축하는 물질로 이루어진 것으로서, 유리 또는 투명한 필름으로 구현될 수도 있다.
지지층(331)은 수소 반응층(335)을 지지하는 층이다. 상기 지지층(331)의 하부면은 센서 모듈(300) 내 공동과 적어도 일부가 접촉한다. 예를 들어 도 3a에 도시된 바와 같이 지지층(331)의 하부면의 일부는 모듈 케이스(301)의 측벽에 접촉하고, 나머지는 공동의 상단에 접촉할 수도 있다.
지지층(331)은 빛이 반사되는 물질로 이루어진다. 공동을 진행한 빛은 지지층(331)의 하부면에서 반사되어 다시 공동을 통해 온도 반응층(310)으로 되돌아간다.
지지층(331)은 수소 반응층(335)의 부피변화에 따른 변형에 대응하여 부피가 변화한다. 지지층(331)은 수소 반응층(335)과 접촉하여 수소 반응층(335)의 부피 변화에 따라 변형되도록 구성된다. 즉, 수소 반응층(335)의 부피 변화에 따른 변형으로 인해 지지층(331)의 하부면과 온도 반응층(310)의 상부면 사이에서 빛이 진행하는 거리가 변화 가능하도록 구성된다.
이를 위해, 지지층(331)은 변형 가능한 물질로 이루어진다. 지지층(331)은, 예를 들어, Si3N4, SiO2, Al2O3, 기타 SiNx(x 는 자연수) 물질 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.
또한, 지지층(331)은 수μm 이하, 예를 들어, 2 μm, 1 μm 이하의 두께로 형성될 수도 있다.
수소 반응층(335)은 지지층(331) 상에 형성된다. 수소 반응층(335)은 센서 모듈(300) 주변의 수소 가스와 반응하여 부피가 변화하도록 구성된다. 수소 반응층(335)은 수소 가스와 반응하여 쉽게 부피가 팽창하는 감지 물질로 이루어진다. 전술한 바와 같이 감지 물질은 팔라듐(Pd)을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 센싱부(330)는 상기 감지 물질(예컨대, 수소 반응층(335))과 지지층(331) 사이에 형성된, 중간층(333)을 포함할 수도 있다. 상기 티타늄을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 중간층(333)은 상기 감지 물질(예컨대, 수소 반응층(335))과 지지층(331) 사이의 접착력을 증가시킨다. 상기 중간층(333)에 의해 수소 반응층(335)의 변형이 매우 크게 발생하는 경우 또는 상대적으로 적은 변형이 반복되는 경우에도 상기 감지 물질(예컨대, 수소 반응층(335))이 센서 모듈(300)로부터 탈락하는 것을 억제한다.
또한, 상기 센서 모듈(300)은 하나 이상의 개구(apertures)를 가질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센서 모듈(300)은 수소 센싱부(330)에 형성된, 하나 이상의 개구를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 개구 각각은 수소 센싱부(330)의 상부면과 하부면 사이의 단면을 관통하도록 구성된다. 이러한 개구에 의해 센서 모듈(300) 내부의 공동과 센서 모듈(300) 외부 사이에는 유체의 교환이 이루어지고 내/외부 간이 압력 차이가 최소화된다. 개구에 의해 센서 모듈(300) 내/외부 각각의 압력이 평형해질 수도 있다.
다른 실시예들에서, 상기 센서 모듈(300)은 모듈 케이스(301)에 형성된, 하나 이상의 개구를 가질 수도 있다.
상기 개구의 효과에 대해서는 아래의 도 9를 참조해 보다 상세히 서술한다.
일 실시예에서, 상기 광학식 센서(230)는 홀더(340)를 더 포함할 수도 있다. 홀더(340)는 센서 모듈(300)과 광섬유(250) 간의 결합을 유지하게 한다. 홀더(340)는 내면은 센서 모듈(300)의 외면 및 광섬유 페룰 조립체의 외면에 동시에 접촉하도록 구성되어 센서 모듈(300)과 광섬유(250) 간의 결합을 고정한다. 홀더(340)에 의해, 수소 반응층(335)이 수소 가스와 반응하여 변형되지 않으면 공동을 진행하는 빛의 경로 거리가 변화하지 않는다.
센서 모듈(300)이 광섬유 페룰 조립체로부터 쉽게 탈착 가능하도록 구성된다. 센서 모듈(300)은 페룰 조립체에 부착 시 페룰 조립체와의 결합 구조를 유지하는 탈착 구조를 가진다.
이를 위해, 센서 모듈(300)은 캡 형태로 구현될 수도 있다. 또한, 센서 모듈(300)은 광섬유 페룰 조립체에 결합된 경우 탈착 구조의 결합이 유지되도록 구성된다.
일 실시예에서, 광학식 센서(230)는 홀더(340) 및 센서 모듈(300)이 분리 가능하도록 구성될 수도 있다.
상기 홀더(340)는 모듈 케이스(301)와 분리된 구성요소일 수도 있다. 홀더(340)의 내경은 센서 모듈(300)의 하단 부분(예컨대, 모듈 케이스(301) 및 온도 반응층의 부분)의 외경 및 광섬유 페룰 조립체의 외경에 매칭하도록 구성될 수도 있다. 이러한 외경으로 인해, 홀더(340)의 내부 측벽이 센서 모듈(300)과 페룰 조립체 사이의 계면을 감싸면서 상기 센서 모듈과 상기 페룰 사이의 결합을 고정한다.
도 3a에 도시된 바와 같이 모듈 케이스(301)의 외경, 온도 반응층(310)의 외경, 광섬유 페룰 조립체의 외경을 동일하게 제작하고, 홀더(340)가 정렬된 이들 구성요소를 고정하는 내경을 가진다.
도 4는, 본 출원의 다른 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 4를 참조하면, 상기 센서 모듈(300)에서 모듈 케이스(301)와 홀더(340)는 일체형 구조로 구성될 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 상기 일체형 구조에서 홀더 부분은 모듈 케이스 부분으로부터 연장된다.
일부 실시예에서, 상기 홀더 부분(340)의 내경은 온도 반응층(310)의 외경에 매칭하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 도 4에서 분리되어 있는 홀더(340)와 측벽이 서로 연결되어 구현된다. 홀더 부분(340)은 온도 반응층(310) 및 광섬유 페룰 조립체 간의 결합을 고정한다. 홀더 부분(340)과 측벽 부분이 연결되는 부분은 온도 반응층(310)의 상부에 위치한다.
다른 일부 실시예에서, 상기 홀더 부분(340)의 내경은 광섬유 페룰 조립체의 외경에 매칭하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 온도 반응층(310)은 측벽으로 둘러 싸인 관통홀에 삽입된 상태로 배치될 수도 있다. 홀더 부분(340)은 모듈 케이스 부분(301) 및 광섬유 페룰 조립체 간의 결합을 고정한다.
도 3 및 도 4의 구조를 갖는 센서 모듈(300)은 광섬유(250)를 통해 입사된, 상기 광원210에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성할 수 있다.
도 5는 도 3 및 도 4의 광학식 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5에서 센서 모듈(300)에 형성된 개구(들)은 설명의 명료성을 위해 생략되었다.
도 5를 참조하면, 전술한 제1 패브리-페롯 간섭계는 온도 반응층(310)의 하부면(3112)을 제1-1 반사막으로 갖고 수소 센싱부(330)의 하부면을 제1-2 반사막(3014)으로 가진다.
온도 반응층(310)의 하부면(3112)을 기준으로 굴절률이 서로 다른 광섬유(250) 지역과 센싱 모듈(300) 지역이 구분되어 온도 반응층(310)의 하부면(3112)은 간섭계의 제1-1 반사막으로 작용한다.
수소 센싱부(330)의 하부면(3014)을 기준으로 굴절률이 서로 다른 공동 지역과 수소 센싱부(330) 지역(예컨대, 지지층(331) 지역)이 구분되어 수소 센싱부(330)의 하부면(3014)은 제1-2 반사막으로 작용한다.
상기 수소 가스 검출 시스템(200)에서 광원(210)에 의해 형성된 빛이 센서 모듈(300)로 조사된다. 조사된 빛은 센서 모듈(300)의 온도 반응층(310)을 통해 공동 내부로 주입된다. 공동 내부로 주입되는 빛은 제1-1 반사막(3112)을 통해 온도 반응층(310)을 통과하고 내부 공동을 진행한 이후 제1-2 반사막(3014)에서 일부 또는 전부가 반사되어 온도 반응층(310)을 통해 다시 광섬유(250) 되돌아간다. 빛이 지속적으로 주입되면, 제1-1 반사막(3112)과 제1-2 반사막(3014) 사이의 반복적인 빛의 반사 및 투과로 인해 주기적인 보강 간섭이 일어나 상기 두 반사막(3112, 3014) 사이에 복수의 정상파를 형성하게 되고, 결과적으로 스펙트럼 상에서 일정한 주기성을 갖는 최종 간섭파를 형성하게 된다. 두 반사막(3112, 3014)으로 정의된 제1 패브리-페롯 간섭계를 통해 형성된 간섭파는 상기 두 막(3112, 3014) 사이의 거리에 따라 임의의 주기성을 가진 광 투과 특성을 가질 수 있다.
상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 상기 광 수집기(240)를 이용하여 광학식 센서(230)로부터 출력된 간섭파를 획득한다. 획득된 간섭파는 일정 주기로 특정 파장들에서 광 투과율이 변화되어 스펙트럼의 광 투과 특성이 변화된 간섭파일 수도 있다.
상기 광학식 센서(230)는 이러한 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 통해 수소를 감지하는데 사용될 수도 있다. 광 수집기(240)는 분석 결과에 따라 스펙트럼 주기가 변화한 경우, 상기 수소 가스의 존재 여부 및/또는 감지된 수소 가스의 농도를 출력할 수도 있다.
상기 광학식 센서(230)가 위치한 챔버 내부의 환경이 일정하게 유지되는 상황에서 수소 조건만 변화하는 경우를 가정해보자.
감지물질로 이루어진 수소 반응층(335)은 수소 가스에 의하여 팽창 또는 수축할 수 있다. 외부에 수소 가스가 존재하지 않는 경우, 수소 반응층(335)의 감지 물질은 부피가 변화하지 않는다. 따라서, 제1 패브리-페롯 간섭계의 제1-1 막(3112) 및 제1-2 막(3014)으로 이루어진 공동의 거리(D)가 변화하지 않는다.
한편, 수소 반응층(335)의 감지 물질이 외부의 수소 가스와 결합하여 팽창하면, 수소 반응층(335)과 지지층(331)으로 이루어진 적층 구조체가 변형된다. 이 변형으로 인해, 두 막 사이(3112, 3014)의 거리가 변화한다. 예를 들어, 감지 물질이 수소 가스를 흡수하면, 도 5에 도시된 바와 같이 두 막 사이(232, 234)의 거리가 D에서 D'(=D+ΔD)로 증가하게 되고, 결국 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화할 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 간섭파의 스펙트럼의 주기성 변화는 간섭파의 스펙트럼의 피크의 위치 이동으로 표현될 수도 있다.
상기 센서 모듈(300)은 수소에 노출될 경우, 제1 패브리-페롯 간섭계의 반사막의 쌍(3112, 3014) 간의 거리 변화에 기초하여 간섭파의 주기성을 변화시킬 수 있다. 상기 센서 모듈(300)을 갖는 광학식 센서(230)는 이러한 거리 변화(ΔD)에 따라 변화하는 간섭파를 사용하여 수소 가스를 감지한다.
예를 들어, 상기 파장이 상기 수소 가스가 존재하지 않을 때와 비교하여 변화한 경우, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 공기 중에 상기 수소 가스가 존재하는 것으로 결정할 수도 있다.
또한, 수소 가스 검출 시스템(200)은 파장 변화의 정도에 기초하여 수소 가스의 농도를 측정할 수도 있다. 도 5의 센서 모듈(300)에서 획득되는 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화하는 정도는 ΔD에 대응한다.
도 6은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 수소 농도별 간섭 파장의 최대 이동을 도시한 그래프이다. 도 7a 및 도 7b는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 수소 농도별 파장 스펙트럼의 이동(Shift)의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6에서 챔버는 각 농도별 수소가 공급된 이후 질소로 완전히 환기되었다.
광학식 센서(230)의 주변에 수소 가스를 주입하고 환기(refresh)하면, 주입 시간 동안의 간섭파와 환기 시간 동안의 간섭파의 파장 특성은 서로 다르게 된다. 주입 시간 동안의 간섭파의 파장의 피크와 환기 시간 동안의 간섭파의 파장의 피크는 서로 상이하다. 주입 시간 동안 제1 패브리-페롯 간섭계를 경험하는 빛의 진행 거리와 환기 시간 동안 제1 패브리-페롯 간섭계를 경험하는 빛의 진행 거리가 서로 상이하기 때문이다.
이와 같이 피크가 변하는 파장을 스펙트럼 처리하면, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 수소의 유무에 따라 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동이 발견된다.
또한, 수소 농도에 따라 간섭파의 파장성분 및 스펙트럼이 변화한다. 도 6에 도시된 바와 같이 수소 농도에 따라서 간섭파 피크의 이동, 특히 최고 피크의 이동의 정도가 증가한다. 간섭파 스펙트럼의 이동 정도는 간섭파 스펙트럼의 피크의 이동으로 표현 가능하다. 따라서, 수소 농도가 증가할수록 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동 정도 역시 증가한다.
이러한 현상의 원인은 수소 농도가 증가할수록 수소 센싱부(330)의 부피 변화가 증가하여 변형이 심해지고, 결국 제1 패브리-페롯 간섭계를 경험하는 빛의 진행 거리의 변화가 심해지기 때문이다.
또한 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 반응 속도에 기초하여 수소 농도를 측정할 수도 있다. 수소 가스 검출 시스템(200)의 수소 측정 성능은 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동에 국한되지 않는다.
대안적인 실시예들에서, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 파장 스펙트럼의 이동에 기초하여 수소 농도를 산출하거나, 또는 파장 스펙트럼의 이동 및 반응 속도에 기초하여 수소 농도를 산출할 수도 있다.
도 8은, 시간에 따른 수소 농도와 파장 스펙트럼의 이동 간의 관계를 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 8에서 챔버는 각 농도별 수소가 공급된 이후 질소로 완전히 환기되었다. 도 8의 수소 농도별 파장 스펙트럼의 이동의 관계는 파장 스펙트럼의 이동 및 반응 속도에 기초하여 수소 농도를 측정하는 것을 뒷받침한다.
일정한 주기 동안 주입되는 수소 농도를 변경하여 도 8의 파장 스펙트럼을 획득하면, 도 6을 참조해 전술한 바와 같이 센서 모듈(300)에서의 수소 농도별 파장 스펙트럼의 피크(peak)의 이동 정도는 수소 농도가 증가할수록 더 높다.
이 때, 도 8은 수소 농도별 파장 스펙트럼의 피크(peak)의 이동의 반응 속도 역시 수소 농도가 증가할수록 더 높은 경향을 또한 나타낸다.
예를 들어, 초기에 100ppm의 수소 가스를 공급 시 간섭계는 대략 0.4nm이 이동한다. 그러나 농도가 증가하면 피크의 변화량이 증가하는 것은 물론, 반응 속도도 상승한다.
도 5 내지 도 8이 보여주는 이러한 경향에 기초하여, 수소농도별 간섭파 스펙트럼의 이동 결과를 해당 수소 농도와 매핑하거나, 또는 수소 농도별 간섭파 스펙트럼의 이동, 반응속도 측정 결과 및 해당 수소 농도를 매핑할 수도 있다. 그러면, 간섭파 스펙트럼의 이동 결과를 획득하거나, 또는 간섭파 스펙트럼의 이동 결과 및 반응 속도를 획득하면, 획득 값에 기초하여 감지되는 수소 농도를 산출할 수도 있다. 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 추후의 수소 감지 동작을 위해 전술한 매핑 관계를 기록한 참조 테이블을 미리 저장할 수도 있다.
예를 들어, 도 8의 그래프로 표현되는 수소 농도별 피크의 파장의 관계가 저장될 수도 있다. 그러면, 피크의 이동이 1nm로 검출된 경우, 상기 시스템(200)은 현재의 수소 가스의 농도를 200(ppm)으로 측정할 수도 있다.
수소 가스의 감지 이후 감지된 수소 가스가 제거되어 측정 환경이 회복(refresh)되면, 이동한 간섭파 스펙트럼은 이동 이전의 자리로 복귀한다.
수소 가스 검출 시스템(200)은 간섭파 스펙트럼의 변화가 이전 자리로의 복귀를 나타낼 경우, 수소 가스의 농도가 낮아지는 것으로 결정할 수도 있다. 또한, 수소 가스 검출 시스템(200)은 간섭파 스펙트럼이 변화된 이후 이전 자리로 복귀한 경우, 수소 가스의 농도가 이전 상태로 복귀한 것으로 결정할 수도 있다.
수소 가스 검출 시스템(200)은, 수소 가스의 존재 여부, 수소 가스의 농도, 및/또는 수소 가스 농도의 변화 상태를 포함한, 수소 가스 분석 결과를 사용자에게 제공할 수도 있다. 예를 들어, 사용자는 유출된 수소 가스가 제거된 것을 알 수도 있다.
또한, 상기 광학식 센서(230)는 압력에 의한 오차가 최소화되는, 압력에 무관한 수소 검출 성능을 가진다.
도 9는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 센서 모듈의 관통홀에 의해 광학식 센서의 압력 민감도가 감소하는 효과를 설명하는 개념도이다.
만약 센서 모듈(300)의 개구(들)이 없이 센서 모듈(300) 내/외부가 차단된 경우를 가정해보자. 광학식 센서(230) 주변에 수소 가스가 발생하고 주입되면 주변 압력이 증가한다. 주변 압력 변화로 인해 센서 모듈(300) 외부의 박막층(즉, 수소 반응층(335) 및 지지층(331))의 추가 왜곡이 발생하여, 정확한 수소 농도의 측정이 불가능하다. 이와 같이 압력 민감도가 지나치게 높으면 수소 검출 성능의 오차가 발생한다.
반면, 도 9에 도시된 바와 같이, 센서 모듈(300)의 개구(들)로 인해 센서 모듈(300) 내/외부 간의 압력 상태가 평행하게 된다. 즉, 광학식 센서(230)의 개구 구조로 인해, 압력으로 인한 수소 검출 성능의 오차가 최소화된다.
또한, 한편, 상기 센서 모듈(300)을 포함한 광학식 센서(230)는 수소 조건이 변화하면서 온도 조건이 변화하는 환경에 적용되는 경우에도 수소 농도를 정확하게 측정할 수도 있다. 상기 광학식 센서(230)는 온도에 의한 오차가 최소화되는, 온도에 무관한 수소 검출 성능을 가진다.
도 10은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 광섬유 센서의 온도 보정 동작 원리를 설명하는 도면이고, 도 11a는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 온도에 대한 간섭계의 파장 피크 이동을 도시한 도면이고, 도 11b는, 본 출원의 일 실시예예 따른, 수소에 대한 간섭계의 파장 피크 이동을 도시한 도면이다. 도 12는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 조건 변화에 따른 간섭계의 파장의 변화를 도시한 도면이다.
여기서, 저온 및 고온은 광섬유 센서(230)가 배치된 챔버 내 온도로서, 저온 및 고온은 모두 초기 상태의 온도 보다 높은 온도들로서 “고”/”저”는 이 두 온도 간의 상대적 비교를 의미한다.
상기 제1 패브리-페롯 간섭계에서 상기 제1-1 반사막(3112)은 온도 반응층(310)의 하부면에 형성되고, 상기 제1-2 반사막(3014)은 센서 모듈(300)의 하부면에 형성된다.
상기 제2 패브리-페롯 간섭계에서 상기 제2-1 반사막(3112) 및 제2-2 반사막(3012)은 온도 반응층(310)의 하/상부면에 형성된다. 상기 온도 반응층(310)의 하부면(3112)은 제2-1 반사막으로 기능함과 동시에 제1-1 반사막으로 기능한다.
상기 광섬유 센서(230)의 주변의 수소 가스가 변화하고 및/또는 주변의 온도가 변화하는 경우 상기 센서 모듈(300)은 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동을 생성할 수도 있다. 센서 모듈(300)이 제1 패브리-페롯 간섭계의 제1-1 반사막(3112)과 제1-2 반사막(3014) 사이에 반복적인 빛의 반사 및 투과, 및/또는 제2 패브리-페롯 간섭계의 제2-1 반사막(3112)과 제2-2 반사막(3012) 사이의 반복적인 빛의 반사 및 투과에 의해 간섭파를 형성할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 온도 및/또는 수소 조건의 변화에 의해 제1 패브리-페롯 간섭계를 이루는 모듈 케이스(301), 지지층(331), 수소 반응층(335), 온도 반응층(310) 중 적어도 하나의 부피가 변화하여 제1 패브리-페롯 간섭계의 제1-1 반사막(3112)과 제1-2 반사막(3014) 사이의 거리가 변화할 수도 있다. 그러면, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 온도 조건이 변화하거나 또는 일정한 온도 조건에서 수소 조건만이 변화하는 경우 제1 간섭파의 파장 스펙트럼이 이동한다. 즉, 센서 모듈(300)은 온도 및 수소 중 적어도 하나의 조건이 변화 시 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동을 생성한다.
이와 같이 센서 모듈(300)에서 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동이 생성될 경우, 생성된 파장 스펙트럼의 이동은 수소 조건에 따른 이동 성분과 더불어 온도 조건에 따른 이동 성분을 모두 포함할 수도 있다.
수소 가스를 정확하게 측정하기 위해서는, 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동에서 온도 변화의 영향은 제거되어야 한다.
한편, 온도 반응층(310)의 물질 특성에 기초할 때, 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동은 온도 조건의 변화에 주로 의존한다. 이러한 제2 패브리-페롯 간섭계의 특성은 도 11 및 도 12에 의해 뒷받침된다.
도 11a에서 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 피크는 보다 급격하게 이동하는 반면, 도 11b에서 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 피크는 거의 이동하지 않는 것이 확인된다.
도 12에서 일정한 온도(예컨대, 고온)이 유지되는 동안 수소 가스만이 주입되는 경우에 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장이 (예컨대, 저온에서 고온과 같이) 온도가 변하는 경우 보다 상대적으로 적게 변화하는 것이 확인된다. 즉, 제2 패브리-페롯 간섭계는 수소 조건만이 변화하는 것에 대해 의존하여 이동하지는 않는다.
상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 온도 변화에 따른 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동의 특성에 기초하여, 특정 온도에서 수소 가스의 농도를 산출 시 획득된 센서 모듈(300)의 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동으로부터 온도에 따른 이동 성분을 제거하는, 온도 보정 처리 동작을 수행할 수 있다.
상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 주변의 온도만이 변화하는 경우에 센서 모듈(300)의 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동을 획득할 수도 있다. 예를 들어, 도 11a에 도시된 바와 같이, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 주변의 온도만이 변화하는 경우에 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 피크의 이동 및 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 피크의 이동을 측정할 수도 있다.
상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 온도별 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 값 및 제2 패브리 페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 값의 쌍을 생성하고, 각 온도별 이동 값의 쌍으로 이루어진 참조 테이블을 생성할 수 있다. 상기 참조 테이블은 수소 가스 검출 시스템(200)에 저장될 수도 있다.
상기 참조 테이블을 미리 저장한 수소 가스 검출 시스템(200)은 특정 온도 하에서 수소 가스 검출 동작을 위해 센서 모듈(300)의 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동을 검출할 수도 있다.
수소 가스 검출 시스템(200)은, 간섭파의 파장 스펙트럼의 이동이 검출될 당시의 특정 온도 하에서, 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 중 특정 온도에 따른 이동 성분 값을 산출할 수도 있다. 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 값을 측정하여 상기 참조 테이블에 적용한다. 그러면, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 측정된 제2 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 값과 쌍을 이루는, 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동 중 특정 온도에 따른 이동 성분 값을 산출한다. 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 이 산출된, 특정 온도에 따른 이동 성분 값을 온도 보정 참조 값으로 사용하여 측정된 제1 패브리-페롯 간섭계의 파장 스펙트럼의 이동(즉, 원시 이동 값)을 보정할 수도 있다.
즉, 수소 가스의 검출 당시 특정 온도에 대한 정확한 정보가 없어도 수소 가스를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 상기 광학식 센서(400)는 유체에 용해된 수소를 감지할 수도 있다.
도 13은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 전기 절연유 속의 수소를 감지하는 광학식 센서의 촬영 이미지이고, 도 14는, 도 13에서 전기 절연유 속에서 측정한 수소에 의한 파장 스펙트럼의 피크의 이동을 도시한 그래프이며, 도 15는, 본 출원의 일 실시예에 따른, 광학식 센서가 갖는 전기 절연유 속의 수소 감지 성능을 설명하는 도면이다.
도 14 및 도 15의 그래프는 디퓨저를 통해 질소에 4%로 희석시킨 수소 가스를 전기 절연유 속에 용해시킨 환경에서 도 3의 광학식 센서(230)를 사용하여 획득한 것이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 전기 절연유 속에서 수소를 공급할 경우, 오일 속에 용해된 수소의 농도가 증가하고 간섭파 스펙트럼이 이동한다. 이때 센서 모듈(300) 및 페룰(350)은 별도의 보호 코팅 없이 전기 절연유 속에 담궈서 사용될 수 있다.
용해된 수소의 농도는 수소 공급 시간에 따라 증가할 경우, 증가된 용해된 수소의 농도에 따라 간섭파 스펙트럼의 이동 정도가 증가한다. 오일 속에 수소 공급을 중단하여도 잔존하는 용해 수소의 농도 때문에, 간섭파 스펙트럼의 이동이 지속되지만, 용해 수소 농도의 감소로 변화 속도가 감소한다. 센서 모듈(300)을 새 전기 절연유에 넣어주면 간섭파 스펙트럼이 원래대로 돌아온다. 이와 같이 상기 광학식 센서(230)는 전기 절연유 속에 용해된 수소 농도의 감지가 연속적으로 가능하다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 광학식 센서(230)는 전기 절연유 속에서도 변압기의 동작에 문제가 생길 수 있는, 위험 수소 농도인 1800ppm 을 측정 가능하다. 즉, 상기 광학식 센서(230)는 오일 속에서도 평균 수소 농도부터 위험 수소 농도를 모두 감지 가능하다.
결국, 도 3 및 도 4의 광학식 센서(230)는 유체 또는 기체에 분포된 수소를 감지 가능하고 농도 역시 측정 가능하다.
이러한 광학식 센서를 사용하는 수소 가스 검출 시스템(200)은 센서 노드 자체를 위한 전력원이나 데이터 통신 자재가 요구되지 않아 시스템 구현이 전기적 센서를 사용하는 시스템에 비해 간편하고 경제적이다.
또한, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 광 수집기(240)로부터 원격 위치한 다수의 센서 노드를 통해 수소 가스를 검출하도록 운영할 수도 있어, 광범위하고 장거리의 수소 감지 범위를 가질 수도 있다.
또한, 상기 수소 가스 검출 시스템(200)은 기존 광학 시스템에서 거의 필수적으로 사용된 광대역원(예컨대, EDFA) 및/또는 OSA가 불필요하여 시스템 구성이 더욱 간소화된다.
도 16은, 본 출원의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 상세 구조도이다. 도 17은, 도 16의 수소 가스 검출 시스템에서 수소 주입 여부에 따른 센서의 공진 투과 곡선 및 단일 파장의 채널의 변화를 도시한 도면이고, 도 18은, 도 16의 수소 가스 검출 시스템에서 실제 단일 파장 광원의 세기의 변화를 측정한 곡선이다.
도 16을 참조하면, 수소 가스 검출 시스템(200)은 단일 파장 레이저(210)와 광 검출기(240)를 포함한다. 도 16의 수소 가스 검출 시스템(200)에서 챔버 내부로의 수소 가스 주입 동작은 질량 유량 제어기(MFC)에 의해 제어되고, 벤트(Vent)에 의해 챔버 내부의 압력이 균등화된다.
도 16의 수소 가스 검출 시스템(200)에서 단일 파장 레이저(210)의 빛은 EDFA 등의 별도의 증폭기를 거치지 않고 써큘레이터220의 제1 포트로 곧바로 진행한다. 또한, 광학식 센서(230)에서 형성된 간섭파의 빛은 써큘레이터220의 제3 포트로부터 출력되어 광 스펙트럼 분석기 등의 별도의 분석기를 거치지 않고 곧바로 광 수집기(240)로 진행한다.
EDFA 및/또는 광 스펙트럼 분석기 등의 별도 장비 없이 광 수집기(240)가 간섭파를 곧바로 획득하기 위해서는, 광학식 센서(230)에서 형성된 간섭파의 빛이 센서(230)의 공진 투과 곡선에 대응한 에너지 보다 높은 에너지를 가져야 한다. 단일 파장 레이저(210)의 빛이 광학식 센서(230)로 공급되어 형성된, 간섭파의 빛의 에너지는 단일 파장의 채널로 표현 가능하다.
단일 파장 레이저(210)가 빛을 공급하는 경우, 간섭파의 빛이 센서(230)의 공진 투과 곡선에 대응한 에너지 보다 높은 에너지를 갖는 지 여부는 단일 파장의 채널의 에너지가 센서(230)의 공진 투과 곡선 보다 높은 에너지를 갖는 것으로 표현 가능하다.
도 16의 수소 가스 검출 시스템(200)에서 질량 유량 제어기(MFC)에 의해 수소 가스가 챔버 내부로 주입되면, 광학식 센서(230)의 센서 모듈(300)은 주입된 수소 가스에 반응한다. 수소 공급 전에, 센서 모듈에 의한 간섭계의 위치와 단일 파장 광원의 위치가 일치하기 때문에, 단일 파장 광원이 간섭계에 의해 광 손실을 겪어 원래 출력 보다 낮은 출력으로 광 검출기(240)에 측정된다. 도 17의 설명과 같이, 수소 공급에 의해 간섭계가 이동을 하면, 단일 파장 광원(210)의 위치는 일정하므로 단일 파장 광원이 원래 출력으로 세기가 상승한다.
그 결과, 단일 파장 레이저와 광 수집기 만으로 간섭파의 스펙트럼이 변화하는 것을 측정해 수소 가스의 감지 및/또는 농도를 산출 가능하며, 결국 시스템 구조가 더욱 간소화된다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 수소 가스 검출 시스템 300: 센서 모듈
210: 광원 301: 모듈 케이스
220: 써큘레이터 310: 온도 반응층
230: 광학식 센서 330: 수소 센싱부
240: 광 수집기 350: 페룰
250: 광섬유

Claims (23)

  1. 광학식 센서를 위한 센서 모듈에 있어서,
    빛이 진행하는 공동(cavity)을 형성하는 측벽을 갖는 모듈 케이스;
    상기 공동의 일 단에 배치된, 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축 가능한 감지 물질을 포함한 수소 센싱부; 및
    상기 공동의 타 단에 배치된 온도 반응층 - 상기 빛은 상기 온도 반응층을 통과해 상기 공동으로 진행 가능함 - 을 포함하고,
    상기 공동을 진행하는 빛에 대하여 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성하고,
    상기 간섭파는 상기 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 수소 센싱부가 변형되어 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화하고,
    상기 수소 센싱부는, 상기 공동과 적어도 일부가 접촉하는 하부면을 갖는 지지층; 및 상기 지지층 상에 형성된, 상기 감지 물질로 이루어진 수소 반응층을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈에 형성된 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계는 수소 센싱부에서 공동에 접촉하는 상기 수소 센싱부의 하부면과 상기 온도 반응층에서 공동에 접촉하는 상기 온도 반응층의 상부면을 반사막의 쌍으로서 갖는 제1 패브리-페롯 간섭계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 센서 모듈에 형성된 적어도 하나의 패브리-페롯 간섭계는 상기 온도 반응층의 상부면 및 상기 온도 반응층의 하부면을 반사막의 쌍으로써 갖는 제2 패브리-페롯 간섭계를 더 포함하되,
    상기 간섭파는 상기 온도 반응층의 하부면에 형성된, 상기 제1 패브리-페롯 간섭계의 제1-1 반사막과 상기 수소 센싱부의 하부면에 형성된, 제1-2 반사막 사이에 반복적인 빛의 반사 및 투과, 그리고 상기 온도 반응층의 하부면에 형성된 상기 제2 패브리-페롯 간섭계의 제2-1 반사막과, 상기 온도 반응층의 상부면에 형성된 제2-2 반사막 사이에 반복적인 빛의 반사 및 투과로 인해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 센서 모듈의 주변의 수소 조건만이 변화하는 경우, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성은 상기 수소 센싱부의 변형에 따른 상기 제1-2 반사막과 제1-1 반사막 사이의 거리 변화에 의해 변화하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 온도 반응층은 온도 변화에 의해 팽창 또는 수축하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 센서 모듈의 주변의 수소 및 온도가 변화하는 경우, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성은 상기 수소 센싱부의 변형에 따른 상기 제1-2 반사막과 제1-1 반사막 사이의 거리 변화 및 상기 상기 온도 반응층의 변형에 따른 상기 제2-2 반사막과 제2-1 반사막 사이의 거리 변화에 의해 변화하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 모듈은, 상기 공동의 유체 또는 외부의 유체가 관통하도록 형성된, 하나 이상의 개구(apertures)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지 물질은 팔라듐(Pd)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 수소 센싱부는
    상기 감지 물질과 지지층 사이에 형성된 중간층을 더 포함하고,
    상기 중간층은 티타늄을 포함한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 반응층의 상부면은 상기 공동을 진행하는 빛에 수직으로 연마된 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 반응층은 상부층이 상기 측벽에 접촉하도록 상기 모듈 케이스의 하부에 배치된 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 반응층은 상기 모듈 케이스의 일 단에 삽입된 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  14. 청구항 1, 3 내지 청구항 13 중 어느 하나의 항에 따른 센서 모듈; 및 상기 센서 모듈의 하부면과 접촉하는 페룰을 포함하는 광학식 센서에 있어서,
    상기 페룰은 광섬유의 일 단으로부터 연장된 광섬유의 부분을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 페룰은 상기 센서 모듈과 탈착 가능한 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 모듈 케이스와 상기 페룰의 접촉을 고정하는 홀더를 더 포함하는 광학식 센서.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 홀더는 모듈 케이스와 분리된 것으로서, 상기 센서 모듈과 상기 페룰 사이의 결합을 고정하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 모듈 케이스와 상기 홀더는 일체형 구조로서, 상기 일체형 구조에서 홀더 부분은 모듈 케이스 부분으로부터 연장된 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  19. 청구항 14에 따른 하나 이상의 광학식 센서;
    상기 광학식 센서의 광섬유에 빛을 조사하는 광원; 및
    상기 수소 가스의 존재 여부를 검출하거나 또는 수소 가스의 농도를 측정하도록 파장 스펙트럼의 변화를 산출하기 위해 상기 간섭파의 빛을 검출하는 광 수집기를 포함하는 수소 가스 검출 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    제 1 내지 제 3 포트를 가지고, 상기 제 1 포트로 입력되는 상기 광원에서 형성된 빛을, 상기 제 2 포트에 연결된 상기 센서 모듈로 출력하고, 상기 센서 모듈에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 상기 제 3 포트에 연결된 광 스펙트럼 분석기로 출력하는 써큘레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 광원은 단일 파장 레이저인 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 광원의 빛은 상기 써큘레이터의 제1 포트로 곧바로 진행하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 써큘레이터의 제3 포트에서 출력된 빛은 상기 광 수집기로 곧바로 진행하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
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