KR20020094110A - 용액의 농도/종류를 판단할 수 있도록 설계된 굴절률측정용 광학 렌즈계 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 특허는 액상의 굴절률을 측정하여 액상에 함유된 물질의 농도 등을 예측하는 장치에 관한 것으로 제 1도(대표도)에서 보여준 것처럼 렌즈(2)를 설치하여 빛이 용액(24)과 접촉하는 부위(4)를 지나 렌즈를 통과하여 검출기로 감지되는 빛(6)의 양을 측정함으로써 그 용액의 굴절률 및 농도로 환산할 수 있도록 한 장치에 관한 것이다. 렌즈를 통과할 때 빛은 용액과 접하고 있는 렌즈(2)를 여러 번 반사하는 작용을 하게 된다.

이때 용액 및 렌즈의 굴절률에 따라 임계각이 정해지고 임계각 이상이 될 때는 검출기 쪽으로 감지되고 임계각 이하가 될 때는 용액 속으로 소실(5)되어 검출기에는 그에 상응하는 양의 빛이 적게 감지된다. 이로서 검출되는 빛의 세기를 측정하여 용액의 알려진 농도와 그에 따른 굴절률을 확인하여 얻어낸다.

Description

용액의 농도/종류를 판단할 수 있도록 설계된 굴절률 측정용 광학 렌즈계 및 장치{Optical Lens Device and Apparatus for Determining Concentration and Type of Solutions by Refractive Index Measurement}

본 발명은 액체의 굴절률을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 반구형 렌즈계를 이용하는 것으로 피 측정액체에 이 렌즈계를 담그거나 피 측정액체를 렌즈계 상에 위치 하도록 하여 빛이 렌즈계를 거쳐 피 측정액체와 렌즈 계면을 통과하는 양을 측정함으로써 굴절률 및 농도를 알아내는 굴절 농도계에 관한 것이다.

기존의 실험실용으로 아베 (Abbe) 굴절계나 Jelley 형 Micro 굴절계가 사용되고 있으나 현장용으로 손 쉽게 측정할 수 있는 형태의 것과는 거리가 있다. 즉,이는 굴절 프리즘과 반사프리즘 사이에 형성되어 있는 얇은 모세영역으로 액이 주입이 되어야 측정할 수 있는 불편함이 있다. 또한 여러 차례의 수작업이 수행되어야 굴절률을 얻을 수 있었다.

한편, 공정용 굴절계로 시판되고 있는 미국 특허 5,946,084(1999 년)는 반구형을 쓰는 것으로는 본 특허(제 2 도)와 유사하나 굴절률 측정범위, 수광 효율 등의 문제가 제기될 수 있다. 다시 말해, 반구형 및 반구의 일정부분으로는 얻어낼 수 있는 입사각 구현의 한계를 극복할 수 없으며, 입사각 구현의 한계를 넘는다 하여도 수광 측에서의 수광 효율 때문에 측정할 수 있는 굴절률 범위가 극히 제한적인 결함을 가지고 있다

본 발명은 상기의 굴절률 센서의 불편함을 해소하고 공업적으로 현장에서 실시간으로 굴절률 변화 결과를 얻어낼 수 있도록 발광/수광부를 tandem구조로, 팁 부위에 반구형 혹은 반구의 일정부분을 활용한 렌즈 어셈블리를 설치함으로써 공정 파이프 라인, 반응기 등에 삽입하여 손쉽게 사용할 수 있도록 하였다.

본 발명을 위해 필요한 기술적 과제는 이를 구현하기 위한 렌즈 어셈블리로 광 투과성 재질(유리, 석영, 사파이어, 플라스틱 등)과 수광 효율 등을 고려하여 렌즈, 디퓨저, 광학가이드를 활용하는 기술이며, 발광부는 백색 및 단색의 가시­적외선 발광다이오드(Light Emitting Diode), 수광 부는 광 다이오드 검출기 및 어레이 형 센서를 사용하는 방법이다.

제 1 도는 본 발명의 구성도 및 측정원리도

제 2 도는 렌즈에 입사/수광 광학가이드가 직접 부착된 형태의 광학 어셈블리(분산광 입사)

제 3 도는 렌즈와 광학가이드 사이에 또 다른 렌즈를 설치한 경우의 도식(발광측 : 평행광, 수광측 : 집광)

제 4 도는 렌즈와 광학가이드 사이에 디퓨저 물질(수광 각 이상으로 산란 되는 빛을 집광함)가 설치된 형태

제 5 도는 렌즈의 평면부와 접액 면의 일부에 전반사 물질을 코팅 처리한 렌즈 및 광학구조

제 6 도는 렌즈와 광학가이드 사이에 또 다른 하나의 광학가이드(예, 짧은 유리봉 혹은 경면 처리된 짧은 튜브)가 설치된 광학구조도

제 7 도는 메틸에칠케톤과 물 그리고 혼합물의 상대적으로 검출된 투과 광량

＊도면의 주요부분에 대한 부호 설명

1.발광 측 광학가이드(optical guide), 2. 광학렌즈

3. 입사광 4. 렌즈-피 측정 액 계면

5. 소실광 6. 수광 측 광 엘리먼트(산란광)

7. 수광 측 광학 가이드 8. 발광 측 평행광 렌즈

9. 수광 측 집광 렌즈 10, 11. 발/수광 디퓨져

12.13. 전반사 코팅 층, 14. 수광 측 광학 가이드

15. 광 검출기(어레이형 그리고 포토다이오드)

16. 증폭기 17. 아날로그­디지털 변환기

18. 제어 및 연산부 19. 저장부

20. 표시부 21. 광원 전원 통제 라인

22. 광원(LED) 23. 대기

24. 피 측정액 25, 대기-피 측정액의 계면

본 발명의 구성 및 작용효과를 예시도면에 의거하여 상세히 설명하였다. 발광부에서 떠난 빛이 렌즈계에 입사(3) 되고 입사 된 빛은 피 측정액체(24)와의 계면(4)에서 입사각, 렌즈의 굴절률, 용액의 굴절률 등의 변수에 따라 순차적으로 작용을 한다. 피 측정 액에 임계각(임계각=아크사인(액의 굴절률/렌즈의 굴절률)) 이하로 입사 된 빛은 피 측정 액으로 소실(5)되고 임계각 이상을 형성할 때 만이 수광 측으로 반사되어 검출된다. 즉, 액의 농도, 굴절률이 바뀌게 되면 임계각이 바뀌고 소실 광량이 비례적으로 바뀌어 나타난다. 이에 따라 광량은 포토다이오드(15)에서 감지되고 오피­램프(16)에서 증폭되어 아날로그­디지털 컨버터(17)에 의해 디지털화 된 후 제어 및 연산부(18)에서 기준 시료에 대한 광량 비을 기준으로 새로이 측정된 광량 비를 이미 각 물질에 대한 데이터 베이스화 된 굴절률 혹은 농도 검량 차트로부터 환산되어 저장부(19) 및 표시부(20)에서 각각 저장/표시가 계속된다. 우선 이러한 렌즈계에서의 발/수광 현상을 효과적으로 구현하는 방법으로서는첫째, 발/수광 부에서 렌즈계로 입사 될 때 사이에 어떠한 렌즈계도 설치되어 있지 않은 경우(제 2 도)로 저가 구성이 가능하나, 6 등의 산란 광으로 수광 효율이 떨어진다. 이도 수광 부에서 수광 면(센서면)을 크게 하면 어느 정도는 극복할 수 있다.둘째, 발/수광 부에서 렌즈계로 입사 될 때 사이에 또 다른 렌즈계가 설치되어 있는 경우(제 3 도)로서 발광부에서는 평행광을 유도하여 광학 가이드(1) 없이 입사각을 유효 적절하게 선정할 수 있으며, 수광 측에서는 집광하는 역할을 함으로써 수광 효율을 어느 정도 높일 수 있다.셋째, 제 4 도는 발/수광 부에서 렌즈계로 입사 될 때 사이에 디퓨져(diffuser)가 장착되어 발광부에서는 입사각의 폭을 넓게 확장하고 수광 부에서는 렌즈내의 반사/굴절각의 차이로 산란광에 의한 낮아진 수광 효율을 크게 향상시킬 수 있다.넷째, 제 5 도는 렌즈의 평면부 및 구면의 한쪽 면(1 차 반사 혹은 2 차 반사)의 일부를 전반사 면으로 하기 위하여 금속성으로 코팅한 렌즈 구조로 렌즈의 곡률 반경 및 입사각에 따라 각각 평면부로의 다반사 확률이 있고, 입사각 변화(1 차 입사각 보다 2 차 3 차의 입사각이 작아지는 경우)에 따른 예기치 않은 광 소실을 해결하기 위한 경우로써 피 측정 액의 굴절률에 대한 임계각이 작아져 구현하기 수월하며, 피 측정 액의 굴절률 측정 범위를 확장할 수 있다.다섯째, 제 6 도는 수광 효율을 증진시키기 위해서 또 다른 광학가이드(유리 봉, 플라스틱 봉, 경면 처리된 튜브 등)를 장착한 렌즈계로서 산란광을 조정하는 기능을 하여 수광 효율을 증진시킬 수 있다. 또한 상기 다섯 가지 방법이 조합되거나 발광 혹은 수광 측에 만 사용하여 효과적인 수광 혹은 발광구조가 될 수 있다.

상기에 설명한 바와 같이 광학 렌즈 어셈블리를 피 측정 액에 노출시키기만 하면 피 측정 액의 굴절률 차이에 의해서 렌즈의 표면에서 소실되는 빛의 양이 달라 지는 것을 검지하여 용액의 농도 및 굴절률을 용이하게 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로 공정용액의 관리제어, 유사휘발유 판별, 증류물의 순도 및 분리도, 유 가공품의 품질검사, 과일, 음료수 등의 당도, 단순 분자의 구조 결정, 탁도 모니터링, 분리분석장비(HPLC, GC, LC)의 RI 센서로의 응용, 전해액, 뇨, 혈청 등의 비중 측정 등의 분야에 손쉽게 적용할 수 있다.

(실시예 1) 다음 제 7 도는 상기 발명에서 제시한 렌즈계를 메틸에칠케톤(이하, MEK) 수용액과 100 % MEK 에 각각 침적 시킨 후 측정한 결과이다. 물의 굴절률은 1.3329 이고 MEK 는 1.377 정도의 것으로, 이들의 수용액은 10 %, 20 %, 포화용액(약 60 %)에 대한 것으로 굴절률이 큰 MEK 에서는 예상대로 검출 광량이 적게 그리고 그 양에 따라 순차적으로 수초 이내에 손 쉽게 측정할 수가 있었다.

Claims (9)

1. 구형의 일부분인 렌즈에 빛을 조사하여 구 렌즈면에서 피 측정 액의 굴절률과 빛의 입사각에 따른 내부 반사에 따른 광의 소실 정도로 용액의 굴절률, 농도 등을 알아내는 방법 및 장치에 관한 것으로 광원(LED), 광학가이드, 광학렌즈, 광센서 등의 전자 신호처리 제어부 및 연산부로 구성되어 있다.
2. 청구항 1 에 있어 광학가이드와 광학렌즈가 직접 배열되어 있는 구조
3. 청구항 1 에 있어 광학가이드와 렌즈 사이에 평행광과 집광 렌즈를 사용하여 발광/수광 측에서 광학가이드 기능을 하게 한 경우
4. 청구항 1 에 있어 수/발광의 효율을 제고하기 위해서 테프론, 실리콘 필름을 사용한 경우
5. 청구항 1 에 있어 렌즈의 평면과 구면의 일 부분에 전반사 층을 코팅하여 사용한 경우
6. 청구항 1 에서 발광/수광 효율을 높이기 위해서 광학가이드(유리, 사파이어 플라스틱, 경면 처리된 금속성 관 등)를 장착한 구조
7. 청구항 2, 3, 4, 5 혹은 6 에 각각 서로의 구조를 부가한 광학 구조
8. 청구항 1 에 있어 광원으로 가시선 및 적외선의 단색 및 백색 LED 를 사용한 경우
9. 청구항 1 에 있어 광학 센서로 포토다이오드와 어레이형 센서를 사용한 경우