KR20110057651A - 적외선 가스 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명에서는 고 종횡비를 갖는 육면체 다각형 형태의 광 동공과, 상기 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 방사하기 위한 광원 램프와, 상기 광원 램프의 반대 측의 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 측정하기 위한 볼로미터 센서와, 상기 볼로미터 센서에 인접한 위치에 설치되는 상기 광 공동을 진행한 광을 집광, 초점을 맺기 위한 프레넬 렌즈와, 상기 광원 램프의 광을 평행광으로 전환시키기 위한 타원경을 포함하고, 상기 광 동공의 상단부, 좌우측면 및 하단부는 반사율이 높은 금속으로 코팅 또는 도금되었고, 상기 광 동공의 상부 또는 하부에는 가스의 출입이 가능한 통기구가 형성되어 있는 비분산 적외선 가스 센서가 제시된다.
비분산, 가스센서, NDIR, 적외선
Description
본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다. 더 상세하게는 광 경로 상에서 특정 가스에 흡수되는 광량을 최대화 할 수 있도록 구성된, 고종횡비 일직선 형태의 광 공동과, 가스에 흡수 된 후 볼로미터 센서 부분에 단위 면적당 도달되는 광량을 최대화할 수 있도록, 초점을 맺을 수 있는 프레넬 렌즈가 구비되며, 광 검출효율을 높일 수 있도록 비냉각형 볼로미터 센서를 구비한 비분산 적외선 가스센서에 관한 것이다.
적외선은 전자기적 방사 스펙트럼(Electromagnetic radiation spectrum)의 한 부분으로 0.75μm에서 1mm까지의 특정 파장 범위를 가진다. 가스 분자들은 상호 결합된 여러 개의 원자들로 구성되고, 이런 결합들은 항상 각각의 고유진동수(Natural frequency)를 가지는 진동(Vibration)과 회전(Rotation)을 수행하는데, 진동운동과 회전운동의 주파수들은 원자들의 크기와 결합 힘이 크게 작용하는 함수관계를 갖는다. 이때 고유진동수는 원자 상호간 결합과 분자구조에 의한 기계적 파에서 오지만 이론적으로는 전자기파와 비슷하다. 그리고 고유진동수는 가스들의 화학적 분자구조에 의해 서로 다른 값을 가지며, 주어진 분자와 결합구조에서는 항상 같다. 따라서 가스의 구성 물질과 분자구조에서 나타나는 고유진동수 특성들은 각각의 지문처럼 사용되어, 주어진 가스의 분자구조를 확인하는 단서를 제공한다.
적외선 광원램프에 의해 방사된 적외선이 가스 분자들과 상호 영향을 미칠 때, 에너지 영역대의 특정 부분은 가스 분자의 고유진동수와 같은 진동수를 가지며, 나머지 다른 에너지 영역의 적외선이 투과되는 동안 흡수된다. 가스 분자가 동일한 진동수를 갖는 특정 영역대의 적외선 에너지를 흡수할 때, 분자는 에너지를 얻고 더욱 크게 진동한다. 이러한 진동은 가스 분자의 온도가 상승하는 결과를 가져오며, 가스 분자에 의해 흡수된 적외선은 광원 원래의 세기를 잃게 된다. 이때 온도는 가스 농도에 비례해서 증가하게 되고 광의 세기는 가스농도에 반비례해서 감소하게 되는데, 감소된 방사 에너지는 전기적 신호로써 감지된다.
적외선을 이용한 가스 감지방법은 분산식(Dispersive)과 비분산식(Non Dispersive)으로 나눌 수 있다. 분산식 적외선 감지방법은 가스의 화합물들의 정성분석을 위해 사용하는 방법으로, 적외선 광원램프를 포함하여, 다양한 파장을 분석하기 위한 슬릿 선택기(Slit selector)와 광학 거울, 프리즘, 격자가 들어있는 가스 샘플 셀(Sample cell) 그리고 감지기(Detector), 전자증폭기 등으로 구성된다. 적외선을 화학화합물에 주사(Scanning)하면서 시간에 따라 파장을 변화시키면, 화합물의 흡수띠와 파장에 대한 곡선을 얻을 수 있다. 하지만 이 기술을 사용하는 장비들은 대부분 고정식으로 되어있고, 그 사이즈가 크기 때문에 가정용이나 산업용으로 사용하기 어렵다.
비분산적외선 감지 방법은 가스 샘플 내에 측정대상 가스의 유무에 따라 감 지기에 도달하는 적외선 손실 정도의 비율을 측정하므로 정량적인 분석이 가능하며, 적외선을 분산시키기 위해 프리즘이나 격자가 필요하지 않고, 구성장치가 간단하기 때문에 센서로써 소형화할 수 있다.
이와 같은 비분산적외선 가스센서(NDIR)는 측정대상 가스를 통과할 수 있도록 적외선을 방사하는 광원(Infrared source)과, 방사된 광원이 가스 혼합 분위기 내에서 외부로 분산되지 않고 측정 가스와 충분한 반응을 일으킬 수 있도록, 반사경으로 구성된 광 공동(Optical cavity)과, 측정 가스 분위기를 통과한 적외선 중 특정 파장영역 대의 감소량을 선택적으로 감지하기 위한 적외선 감지센서(IR Detecting Sensor)로 구성된다.
이때 우수한 감지특성을 갖는 비분산적외선 가스센서를 제작하기 위해서는, 광 공동에서 광 흡수량을 증가시키기 위해 광 경로(Optical path) 길이가 길어야 하고, 광이 적외선 감지센서에 집중(Focusing)되어야 하며, 측정 파장 영역에 대한 적외선 감지센서의 민감도가 우수해야 한다.
일반적으로 비분산적외선 가스센서는 가스분자의 적외선 흡수율을 높이기 위해, 광원에서 방출된 광이 광 검출기에 도달하기까지 거리인 광 경로 길이를 증가시킨다.
도 1은 종래의 NDIR 방식의 가스센서의 개략도이다. 등록특허 제10-0864504호(등록일: 2008년10월14일)의 “ＮＤＩＲ 가스 센서용 고감도 적외선 감지 소자 및 그 제조방법” 에 개시된 상기 도 1의 NDIR 방식의 가스 센서는 적외선 발광 램프를 이용한 적외선 발광부(1)와 광 도파로(3) 그리고 적외선을 흡수하는 적외선 감지 소자(5)로 구성된다. 그리고 상기 적외선 감지 소자 전단에는 소망하는 파장(4.6㎛)의 적외선을 필터링하는 적외선 필터(7)가 형성되어 있다. 이와 같은 종래의 기술에 따른 비분산적외선 가스센서는 광의 반사와 진행을 위한 광 도파로(3), 즉 광 공동의 길이를 늘려야 한다. 또한, 광 경로를 증가시킬 목적으로 제작되는 상기 광 공동은 그 크기가 커서 비분산적외선 가스센서의 크기가 커질 수밖에 없기 때문에 소형화를 이루는데 한계가 있다. 또한 광원으로부터의 광 신호 세기는 거리에 반비례하므로, 광 공동의 길이가 길어질 수 록 가스에 대한 적외선 흡수량은 늘어나고 수광 센서 측정 신호의 변화율은 커지지만, 입사되는 광량의 감소로 신호잡음이 커지는 단점을 가지게 된다.
또 다른 종래의 기술로써, 특정 곡률을 가진 반사경을 이용하여 광 공동을 다양한 기하학적 형태로 제작을 하게 되는데, 대부분 두 개 이상의 오목한 반사경으로 광 공동을 구성하고, 광원으로부터 평행광선을 방사하여, 두 반사경 사이를 다중 반사시키는 기술이다. 따라서 제한된 반사 공간 내부에 대하여 반사 횟수를 증가시켜, 가스에 대한 특정 적외선 파장 영역대의 흡수율을 높이게 된다.
도 2는 상기 광 동공을 기하학적 형태로 제작된 특허공개번호 제10-2009-0012952(공개일: 2004년2월9일)의 “평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서”의 개략적인 구성도이다. 상기 공개특허에서는 5개의 특정 곡률을 갖는 반사경을 일체로 하여 구 형태로 제작된 구성이다.
그러나 상기 광 공동의 반사경은 플라스틱 사출이나 금속의 가공, 도금을 통해 제작되어지는데, 정밀한 금형기술, 사출성형 기술, 도금 기술들이 요구되며, 실 제 가공 및 제작에 있어 설계되어진 오목 반사경의 곡률을 만족하지 못했을 경우 광 진행 경로의 예측 범위를 벗어나게 되고, 대량 생산 측면에 있어서도 높은 수율을 기대하기 어려운 단점이 있다. 또한 각각의 반사경은 수차를 가지기 때문에 반사 횟수가 증가 할 수 록, 광 진행 경로의 예측 범위를 벗어나며, 수광 센서 측정부에 집광 및 입사되는 광량의 감소로 측정 정밀도가 떨어지는 문제점이 발생한다.
따라서, 광손실이 적고 높은 감도를 가지는 동시에 소형화된 적외선 가스센서가 요망된다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다면체 일자형태의 반사경을 가지는 고종횡비 광 공동을 제공하여, 단순한 구조 내부에서 광을 다중 반사시키고, 다중 반사 후 프레넬 렌즈를 통해 광을 집광시킴으로써 적외선 감지센서로 입사되는 광량을 최대로 하여, 높은 신호감도와 함께 잡음이 작은 비분산적외선 가스센서를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 해결 수단으로서, 본 발명에서는 고 종횡비를 갖는 육면체 다각형 형태의 광 동공과, 상기 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 방사하기 위한 광원 램프와, 상기 광원 램프의 반대 측의 광 공동 내부에 설치되는 적외선 광을 측정하기 위한 볼로미터 센서와, 상기 볼로미터 센서에 인접한 위치에 설치되는 상기 광 공동을 진행한 광을 집광, 초점을 맺기 위한 프레넬 렌즈와, 상기 광원 램프의 광을 평행광으로 전환시키기 위한 타원경을 포함하고, 상기 광 동공의 상단부, 좌우측면 및 하단부는 반사율이 높은 금속으로 코팅 또는 도금되었고, 상기 광 동공의 상단부에는 가스의 출입이 가능한 통기구가 형성되어 있는 비분산 적외선 가스센서가 제시된다.
일반적으로 비분산 적외선 가스 센서는 적외선 광을 방사하기 위한 광원램프와, 광원으로부터 방사된 광이 가스에 흡수될 수 있는 광 공동, 광 공동 내부에서 가스에 흡수되지 않은 적외선을 감지하여 전기적 신호로 바꾸는 수광 센서로 이루 어지는데, 본 발명에서는 상술한 기술적 사상으로 광 공동의 크기를 소형화 하면서도 다중 반사 횟수를 늘림으로써 가스에 대한 적외선 흡수율을 높이고, 렌즈를 통해 집광함으로써 높은 신호와 저잡음 특성을 얻기 위한 발명이 제시된다.
본 발명에 의하면, 우선 광 공동이 일직선 형태를 가지므로 다수의 곡률 반사경을 사용한 광 공동에 비해 가공, 제작이 단순하다. 따라서 제작 시 발생하는 반사경에서의 곡률 오차가 작다. 또한 기존의 일직선 광 공동에 비해 동일한 길이 또는 그 이하의 길이로 제작하더라도, 광 공동의 두께를 광원 크기 수준으로 줄임으로써, 종횡비를 크게 늘이기 때문에, 광원으로부터 방사된 광이 공동 내부에서 반사하는 횟수를 크게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 프레넬 렌즈의 적용을 통해 반사된 광 다수를 센서 측정부로 집광하기 때문에 높은 신호세기를 얻을 수 있고, 잡음이 적다. 그리고 소형화 된 광 공동에 의해 휴대성이 우수하므로, 모바일 기기로의 응용이 가능한 효과가 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 관한 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 전체 구성도이다. 적외선 가스 센서의 소형화를 이루기 위해 적합한 다각형의 일직선 형태의 광 공동으로 구성된다. 상기 광 공동(100)의 상부 또는 하부에는 가스의 출입이 가능하게 형 성된 적어도 하나의 통기구(103) 또는 멤브레인과, 상기 광 공동(100)의 일단에는 적외선 비냉각형 볼로미터 센서(107)가 설치되는 구성이다.
도 4는 본 발명의 비분산 적외선 가스센서의 실시예의 구성을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서는 다각형태의 소정 길이의 일직선 광 공동(100)과, 상기 광 공동(100) 내의 일단측에 설치되는 타원경(elliptic mirror)(104)과, 타단측에 설치되는 적외선 비냉각형 볼로미터 센서(107)와, 상기 타원경(104)과 가까운 위치에 설치되는 광원램프(111)와, 상기 볼로미터 센서(107)의 가까운 위치에 설치되는 프레넬 렌즈(106)와, 상기 프레넬 렌즈(106)와 상기 볼로미터 센서(107)의 사이에 설치되는 2개의 포물경(parabolic mirror)(105)을 포함하고 있다.
상기 광 공동(100)은, 후면, 측면, 전면, 상부면 및 하부면으로 구성된 원통형을 포함하는 다면체로 이루어지고, 일직선 형태로 형성하되, 그 수직 절단면의 넓이는 광원 램프의 최소크기 수준에 맞춘, 길이가 길고 두께가 작은 고종횡비 직선 형태로 이루어진다.
상기 본 발명의 광 공동(100)은 육면체 다각형 형태로써 수직 절단된 면적에 비해 길이가 매우 긴, 고 종횡비를 갖는 일직선으로 길게 뻗어있기 때문에, 적외선 광이 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 반사 횟수를 크게 증가시킬 수 있다.
상기 광 공동(100)의 일단측에 설치되는 타원경(104)은 상기 광원램프(111)로부터 후방으로 방사되는 광을 평행광으로 전환시킬 수 있도록 일정한 곡률반경을 갖는 반구 또는 타원 형태로 구성되어, 광의 진행방향을 전방으로 바꾸어주기 위한 것이다.
상기 광원램프(111)는 상기 광 공동(100)의 길이 방향에서 수직 또는 수평으로 설치된다.
상기 광 공동(100)의 본체 내측의 좌우측면, 상부면(102) 및 하부면(101)은 반사율이 높은 금속을 코팅 또는 도금하여 광이 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 다중반사를 할 수 있도록 하는 반사경으로의 기능을 수행한다. 또한, 상기 광 공동(100)의 상부면(102) 또는 하부면(101)에 형성되는 통기구(103) 또는 멤브레인막은 광이 상기 광 공동(100) 내부를 진행 및 반사를 할 때 방해되지 않도록 그 간격이 조정되어 형성되어 있다. 상기 광 공동(100)의 내부는 상기 통기구(103) 또는 멤브레인으로 유입되는 가스에 의해 측정 가스 혼합 분위기로 형성된다.
상기 프레넬 렌즈(106)는 상기 광 공동(100) 내부를 진행한 광을 집광, 초점을 맺게 하여 상기 적외선 볼로미터 센서(107)로 수광시키기 위한 구성이다. 상기 2개의 포물경(105)은 상기 프레넬 렌즈(106)를 통과하여 분산되는 광을 반사시켜 상기 적외선 볼로미터 센서(107)로 수광시키기 위한 구성이다.
상기 적외선 볼로미터 센서(107)는 상기 광이 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 가스에 흡수되지 않은 적외선 광을 측정하기 위한 구성이다.
상기 진행되어 온 광이 상기 프레넬 렌즈(106)에 의행 상기 볼로미터 센서(107) 측정지점에 초점을 형성하기 때문에, 상기 광 공동(100) 끝단 부에 상기 볼로미터 센서(107)가 존재하지 않는 면적과 대비하여, 상기 볼로미터 센서(107) 부분의 단위 면적 당 측정되는 포토메트릭(Photometric) 및 레이디오메트 릭(Radiometric) 광량을 증가시키도록 구성되어 있다.
도 5는 상기 광 공동(100) 내부에 설치된 상기 광원 램프(111), 타원경(104) 및 가스의 유입을 위한 통기구(103)를 구체적으로 설명하기 위한 확대도 및 광의 진행 방향을 설명하기 위한 것이다.
상기 광원 램프(111)로부터 각각 전방 방향으로 118? 각으로 방사되는 적외선 광은 상기 광 공동(100) 내부의 좌우측면 반사경, 하부면(101) 반사경 및 상부면(102) 반사경에 다중 반사하면서 상기 볼로미터 센서(107)를 향해 진행한다.
또한 후방 방향으로 40? 각으로 방사되는 적외선 광은 상기 타원경(104)에 반사된 후 평행광(113)으로 바뀌고, 전방 방향으로 상기 볼로미터 센서(107)를 향해 진행한다.
도 6은 광 공동(100)의 내부를 진행한 광을 수광하기 위한 프레넬 렌즈(106), 적어도 하나의 포물경(105) 및 볼로미터 센서(107)의 확대도 및 광의 수광 상태를 설명하기 위한 것이다.
상기 광원 램프(111)로부터 전방 방향으로 진행한 적외선 광은 광 공동(100) 본체의 좌우측면, 상부면(102) 반사경 및 하부면(101) 반사경에서 다중 반사한 뒤, 상기 볼로미터 센서(107) 전면에 설치된 프레넬 렌즈(106)를 통과하게 되며, 상기 포물경(105)에서 한 번 더 반사하게 되고, 상기 볼로미터 센서(107) 측정부에 집광, 상을 맺게 된다. 또한 광원 램프(111)로부터 후방 방향으로 방사된 후, 상기 타원경(104)에 의해 평행광(113)으로 바뀐 적외선 광은 상기 프레넬 렌즈(106)를 통과하여 집광되고, 상기 볼로미터 센서(107)의 측정부 면의 초점에 상을 맺게 된다.
도 7은 상기 광 공동(100) 본체의 내부를 진행하는 적외선 광을 광학 시뮬레이션(모의시험)을 이용하여 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 한 설명도이다. 상기 광원 램프(111)로부터 118? 각을 가지고 전방 방향으로 방사된 광에서 각 빛살들(112)은 일정 각을 가지며 좌우측면, 상부면 및 하부면의 반사경에 의해 다중 반사를 하게 되고, 또한 광 공동(100) 내부를 진행하는 동안 일정 간격을 두고 여러 개의 초점을 형성한다.
도 8은 상기 광원램프(111)와, 일직선 광 공동(100)과 하나의 타원경(104), 적어도 하나의 포물경(105), 프레넬 렌즈(106)와 적외선 볼로미터 센서(107)가 설치된 비분산 적외선 가스 센서에서, 광학 시뮬레이션(모의시험)을 통해 광 공동 내부를 다중 반사 및 진행하는 적외선 광의 경로 증가를 나타낸 결과의 설명도이다.
따라서 본 발명은 구조가 간단한 고종횡비 일직선 형태의 광 공동 내부에서 적외선 광의 다중 반사 횟수를 증가시키며, 프레넬 렌즈, 포물경의 적용을 통해 측정 가스에 대한 높은 민감도와 저잡음 특성을 구현 할 수 있는 장점을 가진다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상에서 구현될 수 있는 다양한 실시예 중의 하나에 불과하다. 본 발명의 소형, 고민감도 및 저잡음을 실현하기 위한 기술적 사상에 포함되는 어떠한 변형예도 본 발명의 범주에 포함되는 것은 당연하다.
도 1은 종래의 비분산 적외선 가스 센서의 구성도이다.
도 2는 종래의 비분산 적외선 가스 센서의 다른 예의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예에 관한 외형도이다.
도 4는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 주요부 확대 및 작용 설명도이다.
도 6은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 다른 주요부 확대 및 작용 설명도이다.
도 7은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 광 진행 및 통기구와의 관계 설명도이다.
도 8은 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서의 실시예의 광학 시뮬레이션을 통해 광 공동 내부를 다중 반사 및 진행하는 적외선 광의 경로 증가를 나타낸 결과의 설명도이다.
Claims (9)
- 소정 길이의 원통형 또는 다각형으로 형성되고 적어도 하나의 가스 유입구가 형성된 광 공동과,상기 광 공동의 내부의 일단측에 설치되는 반사경과,상기 광 동공의 내부의 타단측에 설치되는 비냉각형 볼로미터 센서와,상기 반사경과 상기 비냉각형 볼로미터 센서의 사이에서 상기 반사경에 근접한 위치에 설치되는 광원램프와,상기 광원램프와 상기 비냉각형 볼로미터 센서의 사이에서 상기 비냉각형 볼로미터 센서에 근접한 위치에 설치되는 프레넬 렌즈와,상기 비냉각형 볼로미터 센서와 상기 프레넬 렌즈의 사이에 설치되는 적어도 하나의 포물경을 포함하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 광 공동은 수직 절단면의 넓이는 상기 광원램프의 최소크기 수준에 대응하고, 길이가 길고 두께가 작은 고종횡비 직선 형태인 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 광 공동에 형성되는 가스 유입구는 적어도 하나의 통기구 또는 멤브레 인 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 반사경은, 상기 광원램프에서 후방으로 방사되는 광을 평행광으로 전환하여, 그 진행 방향을 전방으로 변환시키도록 일정 곡률반경을 갖는 반구형 또는 타원형으로 구성된 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 광 공동의 내부 벽면은 반사율이 높은 금속으로 코팅 또는 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 5에 있어서,상기 광원램프에서 전방으로 방사되는 광은 상기 광 공동의 내부 벽면에 다중 반사되면서 진행하는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 광원 램프로부터 일정한 각을 가지고 전방 방향으로 방사된 광에서 각 빛살들은 일정 각을 가지며, 상기 광 공동의 내부 벽면에 의해 다중 반사를 하게 되고, 상기 광 공동 내부를 진행하는 동안 일정 간격을 두고 여러 개의 초점을 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 반사경에 의해서 반사되어 진행하는 평행광은 상기 프레넬 렌즈에 의해 집광되고, 상기 광원램프로부터 전방으로 방사되어 다중 반사되면서 진행한 광은 상기 프레넬 렌즈에 초점이 맺혀지도록 구성된 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 적어도 하나의 가스 유입구는 상기 광 공동 내에서 광이 상기 광 공동 내부를 진행 및 반사를 할 때 방해되지 않도록 그 간격이 조정되어 형성되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
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