KR20100019205A - 광효율이 증대된 광 공동 및 광학적 가스센서 - Google Patents

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이승환
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충주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 비분산 적외선 방식(Non-Dispersive Infra-Red)의 가스센서에서 광 효율이 증대된 광 공동 (optical cavity) 및 이러한 광 공동을 구비하는 광학적 가스센서에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 광 공동은 광원으로부터 조사된 광이 반사되는 반사 벽면의 정단면과 평단면 모두가 원호모양으로 오목하게 형성되고, 광을 조사하기 위한 광원이 장착되는 입구, 광원으로부터 조사된 광을 최종 검출하기 위한 광 검출기가 장착되는 출구 및 가스 출입구를 제외한 나머지 면이 광학적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
광 공동; NDIR; 광학적 가스센서

Description

광효율이 증대된 광 공동 및 광학적 가스센서{OPTICAL CAVITY HAVING THE INCREASED EFFICIENCY OF LIGHTS AND OPTICAL SENSOR FOR DETECTING GAS}
본 발명은 광 공동 및 광학적 가스센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 비분산 적외선 방식(Non-Dispersive Infra-Red)의 가스센서에서 광 효율이 증대된 광 공동 (optical cavity) 및 이러한 광 공동을 구비하는 광학적 가스센서에 관한 것이다.
CO2 농도를 측정하는 방법으로는 비분산 적외선(Non-Dispersive Infrared, NDIR) 센서를 사용하는 방식과 고체 전해질(Solid Electrolyte) 센서를 사용하는 방식이 있다. 이 중 고체 전해질 센서는 NDIR 센서에 비해 더 저렴한 장점이 있지만 장기적인 안정성과 높은 정확도, 그리고 저전력 소비 등의 면에서 NDIR 센서가 더 우수한 장점이 있다. 또한, NDIR 센서는 목표 가스가 특정 파장에서 적외선을 흡수하는 물리적 센싱 원리를 이용하기 때문에 선택도와 감도가 좋은 장점이 있다.
일반적으로, 광은 광 경로(optical path) 상에서 회절, 반사, 굴절 및 흡수되면서 광 강도가 감소하거나 증가한다. NDIR 센서의 경우 입사광이 광 경로를 통 과하면서 광 경로 상의 가스에 의해 일부가 흡수되어 초기 광 강도가 감소하게 된다. 이때, 광 경로 상의 가스 농도(J)가 균일하게 분포하고 있고 등방적 (isotropic)일 경우, 광 경로(L)를 적외선이 통과할 때 최종 광 강도(I)는 가스 흡수 계수(k), 광 경로(L) 및 초기 광 강도(IO)의 함수인 Beer-Lambert의 법칙에 의하여 산출될 수 있다. Beer-Lambert의 법칙은 수학식 1과 같이 표현되며, 초기 광 강도(IO) 및 측정 대상 가스의 흡수계수(k)가 일정한 경우 최종 광 강도(I)는 광 경로 상의 가스 농도 (J)와 광 경로(L)의 함수로 표현된다.
Figure 112008057123202-PAT00001
만일 수학식 1에서 측정하고자 하는 가스가 존재하지 않는 경우, 즉 J = 0인 경우 최종 광 강도와 초기 광 강도는 같게 될 것이다(I = I0). 따라서, 측정 대상 가스가 없는 상태와 가스 농도가 J인 경우에 광 강도차는 수학식 2와 같다.
Figure 112008057123202-PAT00002
그러나, 일반적인 적외선 센서는 광 강도에 비례한 미소 전압을 그 출력으로 나타내므로 가스 존재 유무에 따른 센서의 출력은 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112008057123202-PAT00003
수학식 3에서 α는 비례상수이다.
한편, 저농도에서 고농도까지의 광범위한 측정 범위를 갖는 광학적 가스 센서를 제작하기 위해서는, 1) 광 경로(L)가 큰 광 공동(또는 가스 챔버)을 형성하고, 2) 적외선을 검출할 수 있는 하한 광 강도(Ith)가 작은 적외선 센서를 사용하고, 3) 포화 광 강도(Isat)가 크지만 적외선 광원에서 방사되는 초기 광 강도(IO)보다 약간 작은 값을 갖는 적외선 센서를 사용하여야 한다. 그러나, 현재 시장에 상용되고 있는 각종 적외선 검출 센서의 경우 이런 요구조건을 모두 만족시키지 못하므로 광 경로가 큰 광 공동을 형성하는 방법이 요구되고 있다.
종래의 NDIR 가스센서 시스템에 적용되는 광 공동으로는, 1) 하나의 적외선(IR) 광원과 하나의 광검출기를 구비한 정사각형 또는 원통형 튜브 타입(미국등록특허 제5,444,249호), 2) IR 광원의 열화 보상을 위해 두 개의 IR 광원과 하나의 광검출기를 구비한 타입(미국등록특허 제6,067,840호), 3) 원통형 튜브 광공동을 이용하고 목표 가스 파장을 선택하기 위해 Fabry_Perot 필터를 적용한 타입(Makoto Noro 등에 의해 "CO2/H2O Gas Sensor Using Tunnable Fabry-Perot Filter with Wide Wavelength Range", IEEE International Conference on MEMS, pp.319-322, 2003), 그리고 4) 작은 용적 내에서 광경로를 증가시키기 위해 세 개의 타원 거울 을 구비한 타입(국제특허출원 PCT/SE97/01366(WO 98/09152))를 들 수 있다.
이 중 네 번째 타입의 경우 세 개의 타원형 반사면(concave mirror surface)을 배치한 형태로 구성되고, 각 요면에서 반사된 광의 초점을 반대편의 반사면 혹은 반사면의 근처에 지정하는 White's cell 개념을 응용한 광학적 가스센서 셀 구조에 관한 것으로서, 다른 방법들에 비해 간단하게 상대적으로 큰 광 경로를 제공하는 이점이 있다.
그러나 이 방법 역시 가스센서 셀이 주 반사경(하나의 몸체로 이루어진 반사경)면 상에 위치한 광원에서 광 공동으로 방사되는 입사광이 주 반사경의 모서리를 잇는 선분을 기준으로 한 입사각의 미소 변화에 따라 센서의 위치를 설정하기가 어려운 문제점이 있었다.
한편, 현재의 광학센서는 입사 광을 집광시켜 감도를 향상시키기 위해서 여러 가지 방법이 사용되고 있는데, 그 중 가장 일반적으로 사용되고 있는 것이 굴절형 렌즈이다. 그러나, 굴절형 렌즈의 경우 굴절률에 따라 초점거리가 달라지기 때문에 광학 가스센서의 검출기에 초점거리를 맞추기 위해서는 주문 제작을 해야 하므로 제조비용이 고가이며 소형화가 힘든 문제점이 있으며, 렌즈 통과시 렌즈 물질의 적외선 흡수로 인해 광 강도가 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 회절현상을 이용한 회절 광학렌즈의 경우 굴절형 렌즈에 비해 소형화가 가능하기 때문에 렌즈를 외부에 사용하지 않고 검출기에 직접 설치할 수 있다는 장점이 있으며, 렌즈를 검출기의 외부가 아닌 내부에 위치시키므로 외부렌즈에 의한 반사 또는 흡수의 영향이 없어져 검출기로 충분히 광이 입사되고 광 강도 또한 향상되게 된다.
그러나, 적외선 센서에 굴절형과 회절광학 렌즈를 사용하는 경우 일반 렌즈와는 달리 적외선 영역의 파장을 통과시켜야 하기 때문에 특수 광학 렌즈용 재질을 사용하여야 한다. 또한 공기와의 굴절률 차이가 커서 표면반사가 크기 때문에 광 투과율을 높이기 위해서는 무반사 코팅이 필요하며, 이런 요인으로 인해 가격이 상승하게 되는 문제점이 있었다.
한편, 가스 센서와 달리 인체 감시 시스템으로 사용하고 있는 초전형 센서의 경우 360도 범위에서 적외선 복사 광을 더 효과적으로 검출하기 위해 프레넬 렌즈와 프레넬 프리즘이 결합된 광학적 구조의 렌즈를 사용하고 있다.
그러나, 위에서 제시한 바와 같이 집광을 위해 렌즈를 사용하는 경우는 추가로 광학 소자를 추가시켜야 하므로 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제시된 것으로서, 본 발명의 목적은 광학적 가스센서의 효율을 증대하기 위해 정단면과 평단면이 원호모양으로 오목한 벽면 구조를 갖는 광 공동을 사용함으로써 집광 효과에 의해 단위 면적당의 광량을 증가시키고 이로 인한 신호대 잡음비 및 감도를 향상시킬 수 있는 광 효율이 증대된 광 공동 및 광학적 가스센서를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 효율이 증대된 광 공동은, 광원으로부터 조사된 광이 반사되는 반사 벽면의 정단면과 평단면 모두가 원호모양으로 오목하게 형성되고, 광을 조사하기 위한 광원이 장착되는 입구, 광원으로부터 조사된 광을 최종 검출하기 위한 광 검출기가 장착되는 출구 및 가스 출입구를 제외한 나머지 면이 광학적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 광학적 가스센서의 광 공동이, 광원으로부터 조사된 광의 경로를 증가시키기 위하여 상기 정단면과 평단면이 모두 원호모양으로 오목한 두 개의 반사 벽면이 서로 대향하게 구성되도록한다.
더욱 바람직하게는, 광원이 적외선을 조사하고, 광 검출기로 적외선 센서를 사용하도록 한다.
또한, 상기의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광학적 가스센서는,
광을 조사하기 위한 광원, 광원으로부터 조사된 광을 최종 검출하기 위한 광 검출기, 광원으로부터 조사된 광이 반사되는 반사 벽면의 정단면과 평단면 모두가 원호모양으로 오목하게 형성되고, 상기 광원이 장착되는 입구, 상기 광 검출기가 장착되는 출구 및 가스 출입구를 제외한 나머지 면이 광학적으로 폐쇄되도록 형성된 광 공동을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바대로, 본 발명에 따른 광 효율이 증대된 광 공동 및 광학적 가스센서는 이하와 같은 효과를 갖는다.
1. 종래의 평단면이 수직한 수직 반사 벽면을 사용한 광 공동 구조 대신에 평단면도 원호모양으로 오목한 반사 벽면을 이용하여 집광시키므로써 최종 센서단에 도달하는 광량을 증대시켜 신호대 잡음비(S/N) 및 감도를 증가시킬 수 있다. 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 경우 입사된 평행 광이 검출기에 모두 도달하지 않았지만, 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 경우 입사된 평행 광이 적외선 센서 검출기에 모두 도달하고 집광되기 때문에 높은 출력 전압을 얻을 수 있다. 따라서, 적외선 흡수 스펙트럼이 작은 메탄가스(CH4)나 미소량의 일산화탄소가스(CO) 변화에 대한 센서의 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
2. 집광 효과를 얻기 위한 추가적 광학 소자를 사용하지 않고도 집광이 가능한 구조를 사용할 수 있으므로, 광학적 가스센서 제조시 추가 비용이 필요 없으므로 저가의 광학적 가스센서를 제공할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장점, 특징 및 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 적외선 검출기로 광을 집광하기 위한 서브 반사경을 갖는 광 공동 구조를 도시한 도로서, 발광된 광으로부터 이탈하는 광을 추가적인 광학 소자를 사용하지 않고 적외선 검출기에 집광할 수 있도록 한 서브 반사경을 갖는 광 공동 구조를 도시한 도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 서브 반사경을 갖는 광 공동 구조는 주 반사경 외에 광 경로를 이탈하는 광을 검출기로 모아주기 위하여 부 반사경(서브 반사경)을 추가로 구비한다. 따라서, 발광된 광으로부터 이탈하는 광을 최소화하고 최대한 센서부에 집광시킴으로써 센서의 광 강도를 향상시킨 광학적 가스센서를 제공할 수 있다.
도 2a는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 사시도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 정단면도이며, 도 2c는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 평단면도이다. 또한, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서의 광 경로를 도시한 도이다. 그리고, 도 4a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 정단면도이고, 도 4b는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 평단면도이다.
도 2a 내지 도 3b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 공동 구조는, 도 4a 내지 도 4b에 도시한 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 평단면이 수직한 반사 벽면 대신 반사경의 평단면까지 원호모양인 오목한 반사 벽면을 갖도록 구성된다. 한편, 도 4a에서 Variable은 적외선 센서가 놓이는 위치를 나타내며, Origin은 입사된 광이 반사경을 두 번 반사하여 나오는 중심축과 x축이 만나는 점으로 Variable의 시작점이 된다.
종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조와 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 개념은 도 5를 통해 설명하도록 한다. 도 5a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 수평 광이 조사될 때의 입사광 형상을 도시한 도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 수평 광이 조사될 때의 입사광 형상을 도시한 도이다. 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 오목한 반사 벽면의 경우 수직 반사 벽면과 달리 반사된 광이 한 점으로 집광되기 때문에 단위 면적당 광 강도를 증가시킬 수 있고, 광학적 가스센서의 출력전압을 증가시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조와 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에 대하여 적외선 센서가 놓이는 위치에 따라 적외선 필터에 도달하는 광의 모양을 모의해석한 결과를 도시한 도로서, 도 6a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에 대한 모의해석 결과이고, 도 6b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에 대한 모의해석 결과이다.
먼저, 수직 반사 벽면을 갖는 종래의 광 공동 구조의 경우, 도 6a에 도시한 바와 같이, 적외선 센서의 필터에 도달하는 광의 분포가 타원 형상으로 센서의 표 면에 도달함을 알 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 경우, 도 6b에 도시한 바와 같이, 원형상으로 집광되었음을 알 수 있다. 도 6a 및 도 6b를 통해 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조와 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조 모두 적외선 센서가 놓이는 가장 이상적인 위치는 반사 벽면으로부터 18.5mm임을 알 수 있다.
도 7은 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조와 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 거리에 따른 광 강도 특성을 모의해석한 결과를 도시한 도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 광원의 초기 광량을 0.66watts로 설정했을 때 적외선 센서 필터에 도달하는 광량은 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조는 약 160mW이데 반해, 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서는 초기 광량의 90% 이상의 광량이 들어오는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7을 통해서도 적외선 센서가 놓이는 이상적 위치가 반사 벽면으로부터 18.5mm임을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 7의 모의해석 결과를 근거로 하여 수직 반사 벽면과 오목한 반사 벽면을 갖는 비분산 적외선(NDIR) 센서의 출력전압을 실험한 결과는 도 8에 도시되어 있다. 도 8a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조가 적용된 비분산 적외선 메탄가스 센서에서 메탄가스(CH4) 농도에 따른 출력전압을 실험한 결과를 도시한 도이고, 도 8b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조가 적용된 비분산 적외선 메탄가스 센서에서 메탄가스(CH4) 농도에 따른 출력전압을 실험한 결과를 도시한 도이다. 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 수직 반사 벽 면을 갖는 광 공동 구조가 적용된 비분산 적외선 메탄가스 센서에 비해, 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조가 적용된 비분산 적외선 메탄가스 센서의 초기 출력 전압이 약 1.3V 가량 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 메탄가스의 농도가 0ppm에서 10,000ppm까지 변화할 때의 전압 차이를 보면 수직 반사 벽면의 경우는 109mV인데 오목한 반사 벽면의 경우는 170mV로 약 61mV의 전압 차이를 나타내고 있다. 즉, 오목한 반사 벽면이 메탄가스의 농도에 따른 출력전압의 차이가 수직 반사 벽면에 비해 더 크므로 보다 정확한 검출이 가능함을 알 수 있다. 따라서, 도 8a 및 도 8b의 실험결과를 통해 오목한 반사 벽면이 수직 반사 벽면에 비해 초기 출력전압 상승과 감도 향상의 모의해석 결과와 일치하는 특성을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 광 공동 구조의 또 다른 실시예로서, 도 9a는 본 발명에 따른 광 공동 구조의 또 다른 실시예의 단면도이고, 도 9b는 본 발명에 따른 광 공동 구조의 또 다른 실시예의 우측면도이다. 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광 공동 구조의 또 다른 실시예는 두 개의 오목 반사경을 이용하여 두 개의 오목한 반사 벽면을 구성함으로써 광 경로를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 적외선 검출기로 광을 집광하기 위한 서브 반사경을 갖는 광 공동 구조를 도시한 도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 사시도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 정단면도이다.
도 2c는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조의 평단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서의 광 경로를 도시한 도이다.
도 4a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조를 도시한 정단면도이다.
도 4b는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조를 도시한 평단면도이다.
도 5a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 수평 광이 조사될 때의 입사광 형상을 도시한 도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 수평 광이 조사될 때의 입사광 형상을 도시한 도
도 6a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 적외선 센서가 놓 이는 위치에 따라 적외선 필터에 도달하는 광의 모양을 모의해석한 결과를 도시한 도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 적외선 센서가 놓이는 위치에 따라 적외선 필터에 도달하는 광의 모양을 모의해석한 결과를 도시한 도이다.
도 7은 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조와 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조에서 거리에 따른 광 강도 특성을 모의해석한 결과를 도시한 도이다.
도 8a는 종래의 수직 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조가 적용된 비분산 적외선 메탄가스 센서에서 메탄가스(CH4) 농도에 따른 출력전압을 실험한 결과를 도시한 도이다.
도 8b는 본 발명에 따른 오목한 반사 벽면을 갖는 광 공동 구조가 적용된 비분산 적외선 메탄가스 센서에서 메탄가스(CH4) 농도에 따른 출력전압을 실험한 결과를 도시한 도이다.
도 9는 본 발명에 따른 광 공동 구조의 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 9b는 본 발명에 따른 광 공동 구조의 또 다른 실시예의 우측면도이다.

Claims (4)

  1. 광학적 가스센서의 광 공동으로서,
    광원으로부터 조사된 광이 반사되는 반사 벽면의 정단면과 평단면 모두가 원호모양으로 오목하게 형성되고,
    광을 조사하기 위한 광원이 장착되는 입구, 광원으로부터 조사된 광을 최종 검출하기 위한 광 검출기가 장착되는 출구 및 가스 출입구를 제외한 나머지 면이 광학적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 광학적 가스센서의 광 공동.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학적 가스센서의 광 공동이,
    상기 광원으로부터 조사된 광의 경로를 증가시키기 위하여 상기 정단면과 평단면이 모두 원호모양으로 오목한 두 개의 반사 벽면이 서로 대향하게 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 가스센서의 광 공동.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 적외선을 조사하고, 상기 광 검출기가 적외선 센서인 것을 특징으로 하는 광학적 가스센서의 광 공동.
  4. 광을 조사하기 위한 광원;
    광원으로부터 조사된 광을 최종 검출하기 위한 광 검출기;
    광원으로부터 조사된 광이 반사되는 반사 벽면의 정단면과 평단면 모두가 원호모양으로 오목하게 형성되고, 상기 광원이 장착되는 입구, 상기 광 검출기가 장착되는 출구 및 가스 출입구를 제외한 나머지 면이 광학적으로 폐쇄되도록 형성된 광 공동을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 가스센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017010581A1 (ko) * 2015-07-13 2017-01-19 한국교통대학교 산학협력단 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 광학적 가스센서
CN109358019A (zh) * 2018-12-13 2019-02-19 上海翼捷工业安全设备股份有限公司 基于红外光谱分析的气体传感器

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