KR102640751B1 - 다이크로익 필터를 이용한 유해물질 혼합가스의 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다이크로익 필터를 이용한 유해물질 혼합가스의 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 물질이 혼합되어 있는 대기 중에서 유해가스의 검출을 손쉽게 하기 위하여 다이크로익 필터 방식을 적용한 소형 검출 장치에 관한 것이다. 이 장치는 레이저 광원부(10), 센서기판(20), 분광부(30), 및 광검출부(40)를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 다이크로익 필터(dichroic filter)를 이용한 유해물질 혼합가스의 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 물질이 혼합되어 있는 대기 중에서 유해가스의 검출을 손쉽게 하기 위하여, 다이크로익 필터 방식을 적용한 소형 검출 장치에 관한 것이다.
우리 생활환경 속에는 많은 종류의 위험한 가스가 상존하고 있으며 최근일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고나 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염공해 등이 잇따르고 있다.
인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없기 때문에, 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스 센서가 개발되어 가스의 누설감지, 농도측정 및 기록, 경보 등에 사용되고 있다.
특히 밀폐된 실내공간에는 환기가 불충분하므로 각종 톨루엔이나 포름알데히드 등과 같은 유해물질 가스를 조기에 정확하게 검출하여 그 확산을 차단할 필요성이 증대되고 있으나, 다양한 가스 종류를 구체적으로 감지하거나 선별해낼 수 있는 환경 모니터링 시스템이 부족한 실정이다.
이에 라만(Raman) 분광법은 물질의 고유한 진동 스펙트럼을 측정하여 물질의 고유한 스펙트럼을 찾아냄으로써 각 물질의 정성 분석과 정량 분석을 모두 수행하는 방법으로 상기와 같은 가스 검출에 이용되고 있다.
다만 종래의 라만 분광법은 신호강도가 낮고 감도가 떨어지는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 최근에는 금속 나노입자의 표면에 결합 또는 흡착된 화학물질의 라만 스펙트럼을 증폭한 새로운 표면증강 라만분광(SERS) 탐지방법을 개발하였다(특허문헌 1 참조).
라만측정방식은 매우 높은 감도(검출한계: 수십 ppb), 분자구조인지, 휴대가능, 및 짧은 측정시간(수초 이내) 등의 장점을 가진다.
한편 최근에는 대기 오염물질이나 유해물질의 관측과 분석에 분광학(spectroscopy)이 응용되고 있다. 일반적으로 분광학은 전자기 방사선과 다종의 샘플(예, 가스, 고체 및 액체 중 하나 이상을 포함함) 간의 상호 작용에 관한 연구이다. 방사선이 특별한 샘플과 반응하는 방식은 샘플의 특성(예, 분자 조성)에 좌우된다.
일반적으로, 방사선이 샘플을 통과함에 따라, 특정 방사 파장이 샘플 내의 분자에 의해 흡수된다. 흡수되는 방사선의 특정 파장은 특정 샘플 내의 각각의 분자에 특유하다. 방사선의 어느 파장이 흡수되는지를 식별함으로써, 샘플 내에 존재하는 특정 분자를 식별하는 것이 가능하다. 예를 들어 적외선 흡광방식에서는 가스들이 서로 다른 고유의 흡수 스펙트럼을 가지고 있기 때문에, 측정된 가스의 흡수 스펙트럼에 맞는 밴드 패스 필터를 사용함으로써 특정 가스만을 선택적으로도 측정이 가능하다.
그러나 상기와 같은 나노입자 표면의 개질은 매우 어렵고 비용이 많이 들어서 다양한 물질이 혼합되어 있는 대기 중에서 유해물질 가스를 검출하려는 기술은 아직까지 시도된 바가 없다. 또한 라만 산란을 이용한 광학 센서의 경우 신호 전달을 위한 광학계가 복잡하게 구성되어 크기가 크고 비교적 고가인 단점이 있다.
이를 개선하기 위해 새로운 분광부가 적용된 측정 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다이크로익 필터를 포함한 분광시스템을 이용하여 실내 공기 중에 혼합된 다수의 유해가스 검출을 쉽게 할 수 있는 검출 장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 고감도의 검출이 가능하고 소형화가 쉬운 컴팩트한 구조의 광학계를 구성할 수 있는 검출 장치를 제공하기 위한 것이다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다이크로익 필터를 이용한 실내 공기질 개선용 유해물질 혼합가스의 검출 장치는, 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원부(10); 상기 발생된 레이저 광을 분석대상 혼합가스 입자에 조사하고 이로부터 라만방식으로 산란된 광 신호를 전달하는 센서기판(20); 상기 센서기판으로부터 산란된 광 신호를, 동일선상에 나란히 배열된 n개의 다이크로익 필터(dichroic filter, 50)를 통해 파장별로 분리하는 분광부(30); 및 상기 분광부로부터 분리 반사되는 광 신호를 감지하는 광검출부(40);를 포함하여 구성된다.
상기 센서기판으로부터 산란된 광 신호는 상기 분광부의 첫 번째 다이크로익 필터를 거치면서, 정해진 파장에 따라 투과한 광은 두 번째 다이크로익 필터로 보내지고, 정해진 파장에 따라 반사된 광은 첫 번째 광검출부로 보내지는 것을 특징으로 한다. 또한 연속적으로 두 번째, 세 번째, … n-1 번째 다이크로익 필터를 거치면서 정해진 파장에 따라 투과한 광은 세 번째, 네 번째, … n 번째 다이크로익 필터로 보내지고, 정해진 파장에 따라 반사된 광은 두 번째, 세 번째, … n 번?? 광검출부로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 다이크로익 필터의 Cut-on Wavelength가 425nm, 490nm, 505nm, 567nm, 605nm, 638nm, 650nm, 730nm … 1800nm 인 것 중에서 다수개 선택되어 배열됨을 특징으로 한다.
상기 센서기판은 1-프로판티올(1-Propanethiol)이 표면에 코팅된 금속 나노입자가 코팅된 표면증강 라만산란법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 유해물질 혼합가스의 검출 장치로 측정하는 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 다이크로익 필터를 포함한 분광시스템을 이용하므로, 단일 가스 측정뿐만 아니라 다수의 유해물질 혼합가스를 파장별로 분리 구분하여 쉽게 검출할 수 있으며, 단순한 반복 구성만으로도 실시간 분석이나 모니터링이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 기체의 종류와 상관없이 라만신호를 통해 개별 검출이 가능하므로 여러 종류의 센서를 제작할 필요가 없어 제품의 단가를 낮출수 있고 소형화가 쉽다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이크로익 필터를 이용한 유해물질 혼합가스의 검출 장치의 개요도이다.
도 2는 특정 파장에 따라 반사 또는 투과하는 다이크로익 필터를 선택할 수 있도록 알려주는 가이드 도면이다.
도 2는 특정 파장에 따라 반사 또는 투과하는 다이크로익 필터를 선택할 수 있도록 알려주는 가이드 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 다이크로익 필터를 이용한 유해물질 혼합가스의 검출 장치는 레이저 광원부(10), 센서기판(20), 분광부(30), 및 광검출부(40)를 포함하여 구성된다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이크로익 필터를 이용한 유해물질 혼합가스의 검출 장치의 개요도이다.
상기 레이저 광원부(10)은 상기 센서기판에 흡착된 분석대상물질인 혼합 가스 입자에 조사되는 레이저 광을 발진하기 위한 구성이다. 본 발명은 상기 광원부(10)는 레이저 다이오우드를 이용함으로써 간단하게 구성되는 것이 바람직하다.
상기 센서기판(20)에는 분석대상 혼합가스 입자에 레이저 광을 조사하고 가스 입자로부터 라만방식으로 산란된 광 신호를 얻어내는 구성으로, 기판의 금속나노입자 표면에 1-프로판티올(1-Propanethiol)을 코팅함으로써 공기 중에 혼합된 유해가스의 검출을 용이하게 하는 표면증강 라만산란법(SERS)을 이용한다. 이에 대한 구체적인 내용은 본 발명자의 국내등록특허 제10-1942911호를 참조할 수 있다.
상기의 라만측정방법은 특정파장의 레이저 광원을 시료에 조사할 때 발생하는 광에너지와 분자의 진동간의 상호작용에 의한 에너지가 변화된 산란광 신호를 얻어내는 방법이다. 물질에 따라 고유의 진동모드가 존재하기 때문에 잠재적으로 모든 유/무기분자에 대한 정보를 얻을 수 있다.
따라서 물질(또는 기체)의 종류와 상관없이 라만신호를 통해 개별 검출이 가능하므로 여러 종류의 센서를 제작할 필요가 없다. 뿐만 아니라 광원에 대한 제한이 없기 때문에 다양한 광원의 사용이 가능하여 상대적으로 값싼 파장 영역대의 레이저 광원을 이용하여 제품의 단가를 낮출 수 있다.
또한 레이저 빔이 조사되는 부분에 존재하는 물질의 라만정보를 얻어내는 방식이기 때문에 소형화가 쉽다. 특히 본 발명과 같은 표면증강라만법을 이용할 경우 기존의 라만신호보다 106 이상의 강한 신호를 얻어낼 수 있으며, 광원을 자유로이 변화시킬 경우 특정광원을 이용한 특정 기체에 대한 초고감도센서의 제작이 가능하다.
상기 분광부(30)는 분석대상물질에서 방사된 라만산란 광신호를 분리 분석하는 구성이다. 상기 분광부에는 파장에 따라 광을 투과 또는 반사시키는 다이크로익 필터(dichroic filter or mirror)를 다수 배치시키고, 센서기판으로부터 산란된 광 신호를 두 개의 소스로 분리할 수 있기 때문에 매질을 통과 또는 반사한다.
Dichroic Filter는 파장에 따라 빛을 투과 또는 반사시키는 데 사용되는 필터 유형이다. 특정 파장 범위의 빛은 투과되고 특정 파장 범위의 빛은 반사 또는 흡수된다. 높은 굴절률의 소재와 낮은 굴절률의 소재를 유리 기판에 여러 번 반복 증착함으로써 독특한 투과 및 반사 특성을 확보하게 되는 것이다.
일반적으로 다이크로익(Dichroic)의 의미는‘이색성’을 뜻하는데, 이는‘입사한 가시광선을 서로 다른 파장을 가진 빛으로 분리하거나 다른 편광을 가지고 입사한 빛을 편광에 따라 각각 다른 비율로 흡수하는 성질'을 말한다.
도 2는 특정 파장에 따라 반사 또는 투과하는 다이크로익 필터를 선택할 수 있도록 알려주는 가이드 도면이다. 예를 들어 425nm Cut-on Wavelength 필터의 경우, 425nm 파장을 기준으로 입사되는 빛이 반사 또는 투과된다.
상기 다이크로익 필터의 Cut-on Wavelength가 425nm, 490nm, 505nm, 567nm, 605nm, 638nm, 650nm, 730nm … 1800nm 인 것 중에서 다수개 선택되어 배열될 수 있다.
그래서 본 발명에서는 n개의 다이크로익 필터를 n개의 파장대별로 선택하여 분광부에 설치하였고, 상기 센서기판으로부터 산란된 광 신호를 상기 n개의 필터들을 순서대로 투과시키고, 또한 반사되는 광 신호는 광검출부로 전달하게 한다.
상기와 같은 원리를 이용하여 특정 샘플(유해가스)에 존재하는 특정 분자를 식별할 수 있는 특정 파장을 이용한 새로운 분광부를 고안한 것이다.
상기 광검출부(40)는 분광부의 다이크로익 필터로부터 분리 반사되는 광 신호를 감지하는 구성이다. 다이크로익 필터의 개수와 동일하게 검출기를 설치할 필요가 있다. 일반적으로 포토다이오드(PD)를 사용하는 것이 바람직하다. 다만 포토다이오드의 파장특성을 고려해서 선택할 필요가 있다. 경우에 따라서는 CCD 또는 PMT도 사용가능하다.
본 발명에서 상기의 산란된 광 신호가 분광부에서 광검출부로 전달되는 과정을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 센서기판으로부터 산란된 광 신호는 상기 분광부의 첫 번째 다이크로익 필터를 거치면서, 정해진 파장에 따라 투과한 광 신호는 두 번째 다이크로익 필터로 보내지고, 정해진 파장에 따라 반사된 광 신호는 첫 번째 광검출부로 보내진다.
이러한 과정을 연속적으로 두 번째, 세 번째, … n-1 번째 다이크로익 필터를 거치면서 정해진 파장에 따라 투과한 광은 세 번째, 네 번째, … n 번째 다이크로익 필터로 보내지고, 정해진 파장에 따라 반사된 광은 두 번째, 세 번째, … n 번째 광검출부로 보내지도록 한다.
먼저, 분석 또는 검출하고자 하는 대상물질(유해가스)에 대한 기초적인 조사를 수행할 필요가 있다(국내등록특허 제10-1942911호 참조). 그러면 특정 기체 성분에 대한 표면증강 라만산란광 신호가 정해지게 되므로, 특정 파장대를 가진 n개의 다이크로익 필터를 통과(또는 반사)시키면서 n개의 광검출기로 측정되는 값으로, 특정 기체를 비교 판단하면 된다. 이때의 측정값은 단순 수치일 수도 있지만, 스펙트럼 형태일 수도 있다.
예를 들면, 첫 번째 다이크로익 필터(425nm)에서 반사되어 첫 번째 검출기에서 측정값이 나오게 되면 이는 A 기체이고, 두 번째 다이크로익 필터(490nm)에서 반사되어 두 번째 검출기에서 측정값이 나오게 되면 이는 B 기체이고, 세 번째 다이크로익 필터(505nm)에서 반사되어 세 번째 검출기에서 측정값이 나오게 되면 이는 C 기체이고, … n 번째 다이크로익 필터(1800nm)에서 반사되어 n 번째 검출기에서 측정값이 나오게 되면 이는 Z 기체인 것이다. 상기 기체들의 구체적인 예로는 톨루엔, 벤젠, 디클로로벤젠, 염화비닐, 사염화탄소 등의 유해물질로부터 휘발되는 가스들이 해당될 수 있다.
즉 다수의 유해가스가 혼합되어 존재하더라도, 해당 가스에 대한 파장대를 투과 또는 반사하는 원리를 이용하여 광검출기에서 손쉽게 측정할 수 있다. 나아가 측정하는 광검출기에 따라 정성분석은 물론이고 정량분석까지 가능할 수도 있다.
따라서 특정 샘플에 존재하는 특정 분자를 식별할 수 있는 특정 파장을 이용한 상기와 같은 새로운 분광부를 도입한 상기 검출 장치를 이용한다면, 다수의 혼합가스가 존재하는 실내 공간이어도, 유해혼합기체의 성분분석이나 기체확산의 실시간 검출이 쉽게 가능하며, 오염기체의 모니터링에도 유용할 수 있다.
참고로 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 레이저 광원부
20: 센서기판
30: 분광부
40: 광검출부
50: 다이크로익 필터(dichroic filter)
20: 센서기판
30: 분광부
40: 광검출부
50: 다이크로익 필터(dichroic filter)
Claims (5)
- 레이저 광을 발생시키는 레이저 광원부(10);
상기 발생된 레이저 광을 분석대상 혼합가스 입자에 조사하고 이로부터 라만방식으로 산란된 광 신호를 전달하는 센서기판(20);
상기 센서기판은 1-프로판티올(1-Propanethiol)이 표면에 코팅된 금속 나노입자가 코팅된 표면증강 라만산란법을 이용하는 것을 특징으로 하고,
상기 센서기판으로부터 산란된 광 신호를, 동일선상에 나란히 배열된 n개의 다이크로익 필터(dichroic filter, 50)를 통해 파장별로 분리하는 분광부(30); 및
상기 분광부로부터 분리 반사되는 광 신호를 감지하는 광검출부(40);를 포함하고,
상기 센서기판으로부터 산란된 광 신호는 상기 분광부의 첫 번째 다이크로익 필터를 거치면서, 정해진 파장에 따라 투과한 광은 두 번째 다이크로익 필터로 보내지고, 정해진 파장에 따라 반사된 광은 첫 번째 광검출부로 보내지는 것을 특징으로 하고,
연속적으로 두 번째, 세 번째, … n-1 번째 다이크로익 필터를 거치면서 정해진 파장에 따라 투과한 광은 세 번째, 네 번째, … n 번째 다이크로익 필터로 보내지고, 정해진 파장에 따라 반사된 광은 두 번째, 세 번째, … n 번째 광검출부로 보내지는 것을 특징으로 하고,
상기 다이크로익 필터의 Cut-on Wavelength가 425nm, 490nm, 505nm, 567nm, 605nm, 638nm, 650nm, 730nm … 1800nm 인 것 중에서 다수개 선택되어 배열됨을 특징으로 하는, 실내 공기질 개선용 유해물질 혼합가스의 검출 장치. - 삭제
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| KR101942911B1 (ko) * | 2017-07-24 | 2019-01-28 | 주식회사 에스에스솔루션 | 표면증강 라만산란에 의한 기체 검출 광센서 |
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