KR20140084418A - 적외선 분광분석기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 적외선 분광분석기는 광원부, 감쇠 프리즘 및 검출부-감광 어레이 조립체를 포함한다.
상기 광원부는 2개 이상의 적외선 광원들로 이루어지며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 입사되는 감쇠 프리즘 일측 하단부에 위치한다.
상기 감쇠 프리즘은 마주보는 양변이 빗면을 이루는 사각 사다리 형태이며, 그 위에 시료가 올려진다.
상기 검출부-감광 어레이 조립체는 특정한 파장 대역에 대한 감응도가 높은 선형 가변성 필터(LVF)가 장착되어 광 스펙트럼을 생성하는 검출부와 상기 검출부의 스펙트럼 검출을 위한 감광 어레이로 구성되며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 반사되는 감쇠 프리즘 타일측 하단부에 위치 한다.
본 발명에 따른 적외선 분광분석기는 유효 신호(Effective signal)를 최대화하고, 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화 하고, 광원의 평행성(Collimation)이 보장되기 때문에 극미량의 저농도 시료도 정확하게 측정, 분석할 수 있다.

Description

적외선 분광분석기{Infrared ray spectroscopy analyzer}
본 발명은 감쇠 전반사(Attenuated total reflection : ATR) 분광법을 이용한 적외선 분광분석기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소형임에도 불구하고 전압 및 구동시간이 개별적으로 조절되는 다수개의 적외선 광원들로 이루어진 광원부를 구비하여 유효 신호(Effective signal)를 최대화하고 광원의 평행성(collimation)을 최대화 하여 극미량의 시료도 정확하게 측정, 분석이 가능한 적외선 분광분석기에 관한 것이다.
적외선 분광분석기는 적외선을 시료 분자에 조사하여 투과 또는 반사되어 나오는 광을 검출하여 시료의 구조를 분석하고 시료의 성질을 밝힐 수 있는 효율적인 기기이다.
감쇠 전반사 분광법을 이용한 적외선 분광분석기는 통상적으로 1개의 적외선 광원, 감쇠 프리즘 및 검출부-감광 어레이 조립체로 구성된다.
감쇠 전반사 분광법을 기용한 적외선 분광기의 원리를 살펴보면, 적외선 광원에서 입사된 입사광은 굴절률 n1인 감쇠 프리즘으로 들어오며, 샘플 표면 위를 조금 정도 투과한 후 반사된다. 여기서 샘플의 굴절률 n2는 감쇠 프리즘의 굴절률 n1보다 낮다. 입사광을 선택적으로 흡수하는 시료가 반사 표면과 접촉하는 부위에 위치하면, 입사 광선의 일부는(소멸파, evanescent wave라고 한다) 흡수되며 일부는 투과, 반사되게 된다. 이 감쇠(attenuation)된 광을 탐지하여 스펙트로미터에 의해 파장 흡수로 기록되어지며, 시료의 흡수 스펙트럼으로 주어지게 된다. 이 스펙트럼이 디지털 신호로 변화되어 측정됨으로써 시료의 구성 성분을 정량적으로 분석하게 된다.
적외선 분광분석기의 경우 유효신호(Effective signal)와 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio : 이하 "SNR"이라고 함)를 최대화하여야 극미량의 시료를 정확하게 측정, 분석할 수 있게 된다.
유효신호(Effective signal) 및 SNR을 최대화하기 위해서는 감쇠 프리즘에서 광선이 보다 많이 바운드(Bound)되는 것이 바람직하지만 이 경우 광원과 센서인 검출부까지의 거리가 멀어지고 그로 인해 광원의 세기는 거리의 제곱에 반비례되게 약해지는 문제가 발생 되었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 종래의 적외선 분광분석기에서는 대형의 광원 1개를 사용하여 손실시에도 충분한 세기를 유지하는 광선을 조사해왔고, 상기 대형의 광원에서 발생되는 열을 발산하기 위해서 별도의 냉각팬도 설치, 사용하기 때문에 크기가 대형화될 수 밖에 없었고, 그로 인해 소형화에는 사실상 한계가 있었다.
상기의 종래 적외선 분광분석기는 상기 적외선 광원에서 조사된 광선은 감광 어레이 전체 면적으로 반사되기 때문에, 다시말해 적외선 광원과 감광 어레이 중 일정 구획이 서로 대응하는 형태가 아니기 때문에, 광 손실이 많을 뿐만 아니라 유효 신호(Effective signal)와 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio : SNR)를 최대화 할 수 없고 광원의 평행성(Collimation)이 보장되지 않아 극미량의 시료를 정확하게 측정, 분석하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 과제는 소형임에도 불구하고 유효 신호(Effective signal)와 신호 대 잡음비(SNR)을 최대화하고, 광원의 평행성(Collimation)이 보장되어 극미량의 시료도 정확하게 측정, 분석이 가능한 적외선 분광분석기를 제공하는 것이다.
이와같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 2개 이상의 적외선 광원들로 이루어지며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 입사되는 감쇠 프리즘 일측 하단부에 위치하는 광원부: 마주보는 양변이 빗면을 이루는 사각 사다리 형태의 감쇠 프리즘: 및 특정한 파장 대역에 대한 감응도가 높은 선형 가변성 필터(LVF)가 장착되어 광 스펙트럼을 생성하는 검출부와 상기 검출부의 스펙트럼 검출을 위한 감광 어레이로 구성되며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 반사되는 감쇠 프리즘 타일측 하단부에 위치하는 검출부-감광 어레이 조립체:를 포함하는 적외선 분광분석기를 제공한다.
본 발명에 따른 적외선 분광분석기는 소형임에도 불구하고 유효 신호(Effective signal)를 최대화하고, 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화 하고, 광원의 평행성(Collimation)이 보장되기 때문에 극미량의 저농도 시료도 정확하게 측정, 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 분광분석기의 사시 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 적외선 분광분석기의 단면 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 적외선 분광분석기를 구성하는 광원부(A)의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 적외선 분광분석기를 구성하는 지퍼-타입(Zipper-type) 감광 어레이(C2)의 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 적외선 분광분석기를 구성하는 반사경(R)으로 평행광을 모아 반사시키는 상태를 나타내는 모식도.
이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 적외선 분광분석기는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 2개 이상의 적외선 광원(A1)들로 이루어진 광원부(A), 마주보는 양변이 빗면을 이루는 사각 사다리 형태의 감쇠 프리즘(B) 및 선형 가변성 필터(Liner Variable Filter : LVF)가 장착된 검출부(C1)와 감광 어레이(C2)로 구성된 검출부-감광 어레이 조립체(C)를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 분광분석기의 사시 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 적외선 분광분석기의 단면 개략도이다.
상기 광원부(A)는 도 3에 도시된 바와 같이 2개 이상, 바람직하기로는 2개 내지 16개,의 적외선 광원(A1)들이 직렬형태, 병렬형태 또는 직렬과 병렬의 혼합형태로 연결된 구조를 갖는다.
상기 적외선 광원(A1)들은 면광원, 선광원 또는 점광원으로서 전압 및 구동시간이 개별적으로 제어되어 진다.
즉, 필요에 따라 개별 적외선 광원(A1)을 점소등하여 필요한 만큼의 광원 세기를 확보하여 신호 대 잡음비(SNR)를 높힐 수 있다.
상기 적외선 광원(A1)들은 동시 구동하거나 개별 구동한다.
상기 적외선 광원(A1)들을 동시에 구동하는 경우에는 시간이 단축되고, 전체적인 신호(Signal)도 증가하지만 유효 신호(Effective Signal) 비율이 낮아지게 된다.
반대로, 상기 적외선 광원(A1)들을 개별적으로 구동하는 경우에는 시간이 길어지고 전체적인 신호도 감소하지만 소프트웨어 제어를 거치게 되면 유효 신호가 최대화 된다.
또한, 본 발명은 적외선 분광기를 소형화하기 위해서 종래 대형 적외선 분광기처럼 SNR을 최대화하기 위해 빛을 일정 주기로 절단해 주는 쵸퍼(Chopper)를 사용하는 대신에 상기 적외선 광원(A1)들을 펄스(Pulse) 구동, 다시 말해 상기 적외선 광원(A1)들을 1초 동안 여러번 on/off를 반복해 주는 것을 특징으로 한다.
상기 광원부(A)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와같이 2개 이상의 적외선 광원들로 이루어지며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 입사되는 감쇠 프리즘 일측 하단부에 위치한다.
아울러, 상기 검출부-감광 어레이 조립체(C)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와같이 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 반사되는 감쇠 프리즘 타일측 하단부에 위치한다.
그로인해, 상기 적외선 광원(A1)들 각각과 감광 어레이(C2)의 일정구획 각각들은 서로 대응하는 형태를 이루어서 유효 신호를 최대화시키고 광원의 평행성(Collimation)도 보장된다.
구체적으로, 소프트웨어를 사용하여 감광 어레이(C2)의 구획들이 각각에 감지된 신호(Signal)들 중 신호(Signal) 강도가 높은 부분만을 조합함으로서, 유효 신호의 저하 없이도 신호(Signal) 강도를 최대화하고 광원의 평행성(Collimation)도 보장할 수 있다.
또한, 상기 검출부-감광 어레이 조립체(C)는 특정한 파장 대역에 대한 감응도가 높은 선형 가변형 필터(Liner Variable Filter : LVF)가 장착되어 광 스펙트럼을 생성하는 검출부(C1)와 상기 검출부(C1)의 스펙트럼 검증을 위한 감광 어레이(C2)로 구성된다.
상기 감광 어레이(C2)는 감광 어레이 사이 간격을 최소화하기 위해서 도 4에 도시된 것과 같은 지퍼-타입 형태(Zipper-type format)인 것이 바람직하다.
감광 어레이(C2)의 감도(Resolution)을 향상시키기 위해서는 한정된 단위 면적을 갖는 감광 어레어(C2)내에 센서부를 보다 많이 조밀하게 배열하여야 한다.
본 발명에서는 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 감광 어레이(C2)에 센서부를 지퍼-타입 형태(Zipper type format)으로 구성하여 감광 어레이(C2)의 감도(Resolution)를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적외선 분광분석기는 도 5에 도시된 바와같이 적외선 광원(A1)에서 조사되는 평행광만을 모아 반사시켜주는 반사경(R)을 추가로 더 포함할 수도 있다.
본 발명에서는 광원의 특정한 파장 대역외의 파장에 의한 하모닉 노이즈(Harmonic noise)를 제거시켜 주는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter : BPF)를 광원부(A)와 감쇠 프리즘(B)사이 또는 감쇠 프리즘(B)과 검출부(C) 사이에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 밴드 패스 필터(BPF)는 광원부(A)와 감쇠 프리즘(B) 사이 및 감쇠 프리즘(B)과 검출부(C) 사이에 모두 설치될 수도 있다.
상기 검출부는 상기 광원에서 생성된 빛이 시료가 놓인 상기 감쇠 프리즘을 통과하기 전후의 빛의 세기를 측정하며 빛의 스펙트럼을 생성한다. 상기 검출부는 상기 광원에서 생성된 빛이 시료를 통과하기 전후의 빛의 세기를 측정함으로써 시료가 흡수한 빛의 양을 측정한다. 이때 상기 검출부에서 스펙트럼을 생성하는데 있어 특정 파장의 빛만을 받아들이기 위하여 상기 검출부의 전단에는 특정한 파장 대역에 대한 감응도가 높은 선형 가변성 필터(Linear variable filter, LVF)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 검출부는 초전 검출기로 구현될 수 있다.
상기 감광 어레이는 상기 검출부에서 생성된 스펙트럼에 파장별로 감광되는 구성이다.
본 발명에 따른 적외선 분광분석기를 사용하여 시료를 분석하는 과정을 구체적으로 살펴보면, 먼저 시료를 감쇠 프리즘(B) 위에 올려둔 다음 광원부(A)에서 적외선 광선을 감쇠 프리즘(B)으로 입사시켜준다.
감쇠 프리즘(B)으로 입사된 입사광은 감쇠 프리즘 내에서 시료의 굴절율, 감쇠 프리즘의 굴절율, 감쇠 프리즘 길이 등에 따라 일정 횟수로 바운딩(Bounding)된 후 검출부(C1) 및 감광 어레이(C2)로 반사된다.
이때, 입사광의 일부는 시료에 흡수되어 소멸하고 일부는 검출부(C1)로 반사된다.
검출부(C1)는 상기와 같이 감쇠된 광을 탐지하여 센서에 의해 파장 흡수로 기록하므로서 시료가 흡수한 빛의 양을 측정한다.
감광 어레이(C2)는 검출부에서 생성된 스펙트럼을 파장별로 감광하게 되고 별도의 컴퓨터에 설치된 분석 프로그램 소프트웨어는 시료의 흡수 스펙트럼을 측정한 후 기준물질의 스펙트럼과 대비하여 시료의 성분을 분석한다.
본 발명은 상기 한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
A : 광원부 A1 : 적외선 광원
A2 : 광원부 프레임 B : 감쇠 프리즘
C : 검출부-감광 어레이 조립체 C1 : 검출부
C2 : 감광 어레이 R : 반사경
LVF : 선형 가변형 필터

Claims (10)

  1. 2개 이상의 적외선 광원들로 이루어지며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 입사되는 감쇠 프리즘 일측 하단부에 위치하는 광원부:
    마주보는 양변이 빗면을 이루는 사각 사다리 형태의 감쇠 프리즘: 및
    특정한 파장 대역에 대한 감응도가 높은 선형 가변성 필터(LVF)가 장착되어 광 스펙트럼을 생성하는 검출부와 상기 검출부의 스펙트럼 검출을 위한 감광 어레이로 구성되며, 상기 적외선 광원들에서 조사된 광선이 감쇠 프리즘을 통과하는 방향과 수직을 이루는 방향을 따라 광선이 반사되는 감쇠 프리즘 타일측 하단부에 위치하는 검출부-감광 어레이 조립체:를 포함하고, 상기 적외선 광원들이 펄스(Pulse) 구동하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광원들 각각과 감광 어레이의 일정구획 각각들은 서로 대응하는 형태를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광원부와 감쇠 프리즘 사이에 광원의 특정한 파장 대역 외의 파장에 의한 하모닉 노이즈(Harmonic noise)를 제거해 주는 밴드 패스 필터(Band pass filter)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 감쇠 프리즘과 검출부 사이에 광원의 특정한 파장 대역 외의 파장에 의한 하모닉 노이즈(Harmonic noise)를 제거해 주는 밴드 패스 필터(Band pass filter)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적외선(IR) 광원이 2개 내지 16개인 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광원들은 면광원, 선광원 및 점광원 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광선들은 직렬 형태, 병렬 형태 및 직렬과 병렬이 혼합된 형태 중 하나의 형태로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적외선 광원들 각각의 전압 및 구동시간이 개별적으로 제어되며, 상기 적외선 광원들이 동시 구동 또는 개별 구동되는 것을 특징으로 하는 적외선 분광기.
  9. 제1항에 있어서, 적외선 광원에서 조사되는 평행광 만을 모아 반사시켜주는 반사경(Reflector)을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 감광 어레이는 지퍼-타입 형태(Zipper-type format)인 것을 특징으로 하는 적외선 분광분석기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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