KR20160069337A - 온도 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

온도 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 온도 측정 장치는 적외선을 수광하여 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 적외선이 통과하는 투광부를 포함하는 온도 센서 모듈, 상기 온도 센서 모듈의 외부면에 결합되는 단열층 및 상기 단열층을 사이에 두고 상기 온도 센서 모듈과 결합되고, 상기 투광부와 오버랩되는 개구부가 형성된 커버부를 포함한다.

Description

온도 측정 장치{Temperature measuring device}
본 발명은 온도 측정 장치에 관한 것으로, 측정 대상 물체의 복사열에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있는 구조의 온도 측정 장치에 관한 것이다.
적외선 온도 센서는 비접촉식으로 온도를 측정할 수 있고, 비교적 높은 측정 정확도를 가져 최근 널리 사용되고 있다. 또한, 적외선 온도 센서는 온도를 측정하기 위한 전용 장치뿐만 아니라 휴대용 전자 장치 등에 탑재되는 경우도 증가하고 있다.
적외선 센서는 측정 대상 물체에서 방사하는 에너지를 수광부에서 흡수하여 열에너지로 변환하고, 그 온도 상승을 전기 신호로 변환하여 검출한다. 이러한 검출은 슈테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law)에 기초하는데, 전기 신호의 크기는
Figure pat00001
에 비례하는 것으로 알려져 있다.
Figure pat00002
는 측정 대상 물체의 표면 온도이고,
Figure pat00003
는 적외선 센서의 주변 온도이다.
일본 특허공개공보 특개2002-228523호(공개일 2002년 08월 14일)에는 이러한 적외선 온도 센서(상기 공보에는 비접촉식 온도 검출기라고 칭해진다.)의 구성 및 온도 산출 방법이 개시되어 있다.
여기서 적외선 센서의 주변 온도는 적외선 센서의 수광부의 온도와 동일한 것으로 간주되어야 한다. 이를 위해서, 적외선 센서의 주변과 수광부가 열 평형 상태에 있어야 한다. 상기 열 평형이 붕괴되는 경우에 온도 센서의 측정 오차가 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 측정 대상 물체의 복사열에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있는 구조의 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 온도 측정 장치의 케이스의 온도 변화가 온도 센서 모듈에 전달되는 것을 최소화할 수 있는 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 온도 센서 모듈의 내충격성을 향상시킬 수 있는 온도 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 온도 측정 장치는, 적외선을 수광하여 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 적외선이 통과하는 투광부를 포함하는 온도 센서 모듈, 상기 온도 센서 모듈의 외부면에 결합되는 단열층 및 상기 단열층을 사이에 두고 상기 온도 센서 모듈과 결합되고, 상기 투광부와 오버랩되는 개구부가 형성된 커버부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상 물체의 온도를 측정하는 경우, 상기 커버부는 상기 측정 대상 물체와 마주보도록 배향될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적외선은 상기 개구부를 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열층은 상기 온도 센서 모듈의 외부면 및 상기 커버부보다 열 전도성(thermal conductivity)이 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열층은 열 전도성이 0.005[W/m·K] 내지 0.10[W/m·K]인 재질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열층은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystyrene), 펄라이트(perlite), 유리섬유(fibreglass) 및 코르크(cork) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열층은 상기 투광부 주변의 외부면에 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 커버부는 상기 온도 센서 모듈 및 다른 전기 부품을 포함하는 전자 장치의 케이스의 적어도 일부이고, 상기 온도 센서 모듈은 상기 전기 부품과 0.2mm 내지 10mm만큼 이격되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 커버부는 상기 온도 센서 모듈 및 디스플레이 장치를 포함하는 전자 장치의 케이스의 적어도 일부이고, 상기 디스플레이 장치는 상기 온도 센서 모듈을 기준으로 상기 커버부의 반대측에 위치하고, 상기 온도 센서 모듈과 상기 디스플레이 장치는 0.2mm 내지 10mm만큼 이격되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 온도 센서 모듈은, 상기 온도 센서, 상기 온도 센서가 실장된 기판 및 상기 온도 센서를 수용하고 제1 투광부가 형성된 패키지 하우징을 포함하는 온도 센서 패키지 및 상기 온도 센서 패키지의 적어도 일부를 수용하고, 상기 제1 투광부와 오버랩되는 제2 투광부가 형성된 데코 하우징을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투광부는 제1 투광부, 제2 투광부 및 적외선 통과필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열층은 상기 제2 투광부 주변의 상기 데코 하우징 외부면에 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 투광부는 상기 제2 투광부를 통해 상기 데코 하우징 외부로 돌출되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단열층은 상기 제1 투광부가 상기 데코 하우징 외부로 돌출된 높이보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 측정 대상 물체의 복사열에 의한 측정 오차를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 온도 측정 장치의 케이스의 온도 변화가 온도 센서 모듈에 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 온도 센서 모듈의 내충격성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 일부의 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 커버부의 온도 변화에 따른 온도 센서 모듈의 각 부분의 온도 변화를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 커버부의 온도 변화에 따른 온도 센서 모듈의 각 부분의 온도 변화를 설명하기 위한 표이다.
도 8은 커버부의 온도 변화에 따른 온도 센서 모듈의 각 부분의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 온도 측저 장치에 있어서, 데코 하우징 일면의 열 유속을 측정한 데이터이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부한 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 분해사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치의 일부의 사시도이다.
온도 측정 장치는 측정 대상 물체의 표면에서 방사되는 적외선을 수광하여 온도를 측정할 수 있다. 온도 측정 장치는 이러한 방식으로 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(130)를 포함하는 전자 장치일 수 있다. 구체적으로 온도 측정 장치는 측정 대상 물체의 온도를 측정하는 것을 목적으로 하는 장치, 예를 들어 온도계, 체온계일 수 있다. 또한, 온도 측정 장치는 온도를 측정하는 것 이외에도 다양한 복합적인 기능을 수행할 수 있는 장치, 예를 들어 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 네비게이션 장치 또는 착용가능한(wearable) 전자 장치 등이 될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 온도 측정 장치는 온도 센서 모듈(100), 단열층(200) 및 커버부(300)를 포함한다.
온도 센서 모듈(100)은 온도 센서 패키지(110) 및 데코 하우징(150)을 포함한다.
온도 센서 패키지(110)는 기판(120), 온도 센서(130) 및 패키지 하우징(140)을 포함할 수 있다.
기판(120)은 온도 센서(130)가 실장될 수 있는 기판(120)이다. 기판(120)은 경성의 인쇄회로기판(rigid PCB) 또는 연성의 인쇄회로기판(flexible PCB) 등이 사용될 수 있다. 기판(120)의 일단은 온도 센서(130)와 연결될 수 있고, 타단은 온도 센서 모듈(100)이 탑재되는 전자 장치의 다른 부품에 연결되어 신호를 전달할 수 있다. 여기서 다른 부품이란 프로세서 장치, 디스플레이 장치, 통신 장치 또는 저장 장치 등이 될 수 있다.
온도 센서(130)는 측정 대상 물체의 표면에서 방사되는 적외선을 수광하는 수광부(131)를 구비할 수 있다. 수광부(131)는 이상적인 흑체(black body)에 가깝게 형성되어 방사율이 1에 근접할 수 있다.
구체적으로, 온도 센서(130)는 측정 대상 물체에서 방사되는 에너지를 측정하여 온도를 감지한다. 어떠한 물체에서 방사되는 방사되는 복사 에너지는 슈테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law)에 의해 설명될 수 있다. 슈테판-볼츠만 법칙은 아래와 같이 표현된다.
Figure pat00004
여기서, E는 단위면적 당 방사하는 복사 에너지이고, ε는 표면의 방사율이고, σ는 슈테판-볼츠만 상수이고, T는 표면의 온도이다. 이에 따르면, 측정 대상 물체의 표면에서는 온도의 4제곱에 비례하는 에너지가 방사된다.
온도 센서(130)의 수광부(131)에 적외선이 조사되면 전기적 신호가 생성된다. 수광부(131)에서 수광하는 적외선의 세기는 측정 대상 물체의 표면으로부터 방사되는 적외선과 온도 센서(130)의 수광부(131)가 자체적으로 방사하는 적외선의 차에 해당한다. 따라서 온도 센서(130)의 수광부(131)에서 수광하는 순수 적외선의 세기는 아래과 같이 표현될 수 있다.
여기서,
Figure pat00006
는 온도 센서(130)의 수광부(131)에서 수광하는 적외선의 세기이고,
Figure pat00007
는 측정 대상 물체의 표면으로부터 방사된 적외선의 세기이고,
Figure pat00008
는 온도 센서(130)의 수광부(131)가 방사하는 적외선의 세기이다.
여기서, 측정 대상 물체의 표면의 방사율을
Figure pat00009
라 하고, 온도 센서(130)의 수광부(131)는 이상적인 흑체로 간주하여 방사율을 1로 하면
Figure pat00010
와
Figure pat00011
는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 측정 대상 물체의 표면 온도이고,
Figure pat00014
는 온도 센서(130)의 주변 온도이다. 이는 온도 센서(130)의 수광부(131)의 온도와 온도 센서(130)의 주변 온도가 동일한 것으로 간주한다. 상기 두 식을 연립하여 정리하면, 측정 대상 물체의 온도를 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00015
상기 식에서 알 수 있듯이 측정 대상 물체의 온도는 온도 센서(130)의 주변 온도에 의해 달라질 수 있다.
패키지 하우징(140)은 온도 센서(130)가 수용될 수 있는 공간을 형성한다. 구체적으로 패키지 하우징(140)은 기판(120)과 결합하여 내부 공간을 형성할 수 있다. 패키지 하우징(140)의 일면(145)에는 제1 투광부(141)가 형성될 수 있다. 제1 투광부(141)는 개구부와 상기 개구부에 결합된 적외선 통과필터(142)를 포함할 수 있다. 적외선 통과필터(142)는 온도 센서(130)의 수광부(131)에서 흡수하려는 파장 대역의 광만을 선택적으로 통과시키는 광학 필터(142)이다. 제1 투광부(141)는 온도 센서(130)의 수광부(131)와 대향하도록 형성될 수 있다. 따라서 측정 대상 물체에서 방사되는 적외선이 제1 투광부(141)를 통과하여 수광부(131)에 조사되도록 한다.
데코 하우징(150)은 온도 센서 패키지(110)의 적어도 일부를 수용하는 내부 공간(S)을 형성한다. 데코 하우징(150)의 일면(155)에는 제1 투광부(141)와 오버랩되는 제2 투광부(151)가 형성될 수있다. 여기서 데코 하우징(150)의 일면(155)은 패키지 하우징(140)의 일면(145)과 대향하는 면일 수 있다. 제2 투광부(151)는 개구부로 형성될 수 있고, 이 개구부는 제1 투광부(141)의 개구부보다 직경이 더 크게 형성될 수 있다.
투광부는 제1 투광부(141), 제2 투광부(151) 및 적외선 통과필터(142)를 포함한다. 구체적으로 제1 투광부(141), 제2 투광부(151), 적외선 통과필터(142) 및 수광부(131)는 하나의 축상에 위치하여 측정 대상 물체에서 방사되는 적외선이 제1, 제2 투광부(141, 151) 및 적외선 통과 필터(142)를 통과하여 수광부(131)에 조사될 수 있다.
데코 하우징(150)의 제2 투광부(151)를 통해서 온도 센서 패키지(110)의 일부가 데코 하우징(150)의 외부로 돌출될 수 있다. 돌출되는 부분은 온도 센서 패키지(110)의 제1 투광부(141) 부분이 될 수 있다. 따라서 온도 센서 패키지(110)의 주된 부분은 데코 하우징(150) 내부에 위치하나, 제1 투광부(141) 부분은 제2 투광부(151)를 통해 돌출되어 데코 하우징(150) 외부에 위치할 수있다.
온도 센서 패키지(110)의 기판(120)의 일부는 데코 하우징(150)의 외부로 연장되어 온도 센서 모듈(100)이 탑재되는 전자 장치의 다른 부품와 연결될 수 있다.
데코 하우징(150)은 온도 센서 패키지(110)의 기판(120) 및 패키지 하우징(140)보다 열 전도성(thermal conductivity)이 높은 재질로 형성될 수 있다. 이로 인해 데코 하우징(150)의 내부 공간(S)은 열의 균일성이 향상될 수 있다. 이에 따라서 데코 하우징(150)의 내부 공간(S)에 위치하는 온도 센서 패키지(110)는 주변의 온도가 상대적으로 균일하게 유지될 수 있다. 주변은 온도가 상대적으로 균일하게 유지될 수 있다는 것은 온도 센서 패키지(110)에 있어서, 기판(120)측에 해당하는 하부와 제1 투광부(141)가 형성된 패키지 하우징(140)의 일면측에 해당하는 상부 부근의 온도차가 작다는 것을 의미할 수 있다. 결과적으로, 이는 온도 센서(130)의 수광부(131)의 온도와 주변 온도가 열 평형을 이루는데 일조할 수 있다.
단열층(200)은 온도 센서 모듈(100)의 외부면에 결합된다. 구체적으로 단열층(200)은 온도 센서 모듈(100)에 있어서, 데코 하우징(150)의 외부면에 결합될 수 있다. 더욱 구체적으로, 단열층(200)은 데코 하우징(150)의 일면(155)의 외부면에 결합될 수 있다. 이 때, 단열층(200)은 데코 하우징(150)의 일면(155)에 형성된 제2 투광부(151) 주변의 외부면(302)에 결합될 수 있다.
또한, 단열층(200)은 단열층(200)은 데코 하우징(150)의 일면(155)과 맞닿는 측면(156)의 적어도 일부에도 결합될 수 있다. 구체적으로 단열층(200)은 데코 하우징(150)의 일면(155)에서 일면(155)과 맞닿는 측면(156)까지 연장되며 형성될 수 있다.
단열층(200)은 소정의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 데코 하우징(150)의 제2 투광부(151)를 통해 제1 투광부(141) 부분이 외부로 돌출되어 있는 경우에, 단열층(200)은 제1 투광부(141)가 돌출된 높이보다 더 두껍게 형성될 수 있다. 이를 통해, 제1 투광부(141)는 단열층(200)의 상면보다 낮은 위치에 위치할 수 있다. 그리고 제1 투광부(141)는 주변이 단열층(200)에 의해 둘러싸일 수 있다.
단열층(200)은 온도 센서 모듈(100)의 외부면(302) 및 커버부(300)보다 열 전도성이 작을 수 있다. 여기서 온도 센서 모듈(100)의 외부면(302)은 데코 하우징(150)의 일면(155)이 될 있다. 구체적으로 단열층(200)은 열 전도성이 0.005[W/m·K] 내지 0.10[W/m·K]인 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 단열층(200)은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystyrene), 펄라이트(perlite), 유리섬유(fibreglass) 및 코르크(cork) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
이를 통해, 단열층(200)은 커버부(300)와 온도 센서 모듈(100) 사이의 열 전달을 최소화할 수 있다. 구체적으로 단열층(200)은 커버부(300)의 내부면(301)과 온도 센서 모듈(100)의 데코 하우징(150) 사이의 열 전달을 최소화할 수 있다.
또한, 단열층(200)은 커버부(300)의 외부에서 가해지는 충격이 온도 센서 모듈(100)에 전해지지 않도록 커버부(300)와 온도 센서 모듈(100) 사이에서 상기 충격을 흡수할 수 있다. 이로 인해, 온도 센서 모듈(100)의 내충격성을 향상시킬 수 있다. 특히 단열층(200)이 제1 투광부(141)의 주변을 둘러싸며 형성되어 제1 투광부(141) 및 적외선 통과필터(142)를 보호할 수 있다.
커버부(300)는 단열층(200)을 사이에 두고 온도 센서 모듈(100)과 결합된다.
커버부(300)에는 투광부와 오버랩는 개구부가 형성된다. 커버부(300)의 개구부는 제1 투광부(141), 제2 투광부(151) 및 적외선 통과필터(142)와 동일한 축상에 위치하여 측정 대상 물체에서 방사되는 적외선이 통과하게 된다.
커버부(300)는 온도 센서 모듈(100)을 포함하는 전자 장치의 케이스의 적어도 일부일 수 있다. 상술한 것과 같이 커버부(300)는 온도계, 체온계, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 휴대용 미디어 플레이어, 네비게이션 장치 또는 착용가능한(wearable) 전자 장치 등이 될 수 있다. 이러한 전자 장치는 온도 센서 모듈(100) 이외에 다른 전기 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다른 전기 부품은 프로세서 장치, 디스플레이 장치, 통신 장치 및 저장 장치 등이 될 수 있다.
커버부(300)는 온도 센서 모듈(100) 및 상기의 다른 전기 부품들을 수용할 수 있는 수용 공간을 형성할 수 있다. 구체적으로, 커버부(300)는 디스플레이 장치(400)의 후면에 위치하여 디스플레이 장치(400)의 사이에 수용 공간이 형성될 수 있다. 따라서 온도 센서 모듈(100)에 있어서, 일면(155)은 커버부(300)와 맞닿고, 일면(155)의 반대면(157)은 디스플레이 장치(400)의 후면과 대향될 수 있다. 여기서, 온도 센서 모듈(100)은 일면(155)의 반대면(157)은 디스플레이 장치(400)와 소정의 거리(h)만큼 이격되도록 위치할 수 있다. 구체적으로 온도 센서 모듈(100)의 일면(155)의 반대면(157)과 디스플레이 장치(400)는 0.2mm 내지 10mm만큼 이격되어 위치할 수 있다. 또한, 상기 수용 공간에 수용된 온도 센서 모듈(100)은 다른 전기 부품들과도 이격되어 위치할 수 있다. 구체적으로 온도 센서 모듈(100)은 전기 부품과 0.2mm 내지 10mm만큼 이격되어 위치할 수 있다. 이를 통해 디스플레이 장치(400) 및 다른 전기 부품의 발열이 온도 센서 모듈(100)에 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
커버부(300)에 있어서, 수용 공간과 맞닿는 면이 커버부(300)의 내부면(301)이 될 수 있고, 내부면(301)의 반대측면이 외부면(302)이 될 수 있다. 커버부(300)와 온도 센서 모듈(100)이 결합되는 것은, 커버부(300)의 내부면(301)과 온도 센서 모듈(100)의 데코 하우징(150)의 일면(155)이 결합되는 것일 수 있다. 그리고 그 사이에는 단열층(200)이 위치할 수 있다.
커버부(300)는 온도 센서(130)의 수광부(131)와 실질적으로 평행하도록 형성되어, 온도 센서 모듈(100)이 측정 대상 물체의 온도를 측정하는 경우 측정 대상 물체와 마주보도록 배향된다. 따라서 측정 대상 물체의 표면에서 방사되는 적외선의 일부는 커버부(300)의 개구부 및 투광부를 통해 수광부(131)에 조사되고, 다른 일부는 커버부(300)에 조사된다. 커버부(300)는 수광부(131)와 같이 흑체로 형성되는 것이 아니므로 수광부(131)보다 조사되는 적외선의 흡수율은 낮지만, 소정의 비율로 조사되는 적외선을 흡수하게 된다. 이러한 복사에 의해 커버부(300)의 온도가 변화할 수 있다. 특히, 커버부(300)의 열용량이 작을수록, 커버부(300)의 적외선 흡수율이 높을수록, 커버부(300)의 초기 온도와 측정 대상 물체의 온도차이가 클수록 커버부(300)의 온도 변화는 클 수 있다.
커버부(300)가 전자 장치의 최외부를 형성하는 것이 아니고, 커버부(300)의 외측에 추가로 외부 케이스가 위치하는 경우에는 상기 외부 케이스가 적외선을 흡수하여 온도가 변화할 수 있다. 그리고 외부 케이스의 온도 변화가 커버부(300)에 전달될 수 있다.
상술한 것과 같이, 온도 센서(130)가 측정 대상 물체의 온도를 측정하기 위해서는, 온도 센서(130)의 주변 온도가 측정된다. 온도 센서(130)의 주변 온도는 온도 센서(130) 주변에 위치하는 온도 측정 수단에 의해서 측정될 수 있다. 온도 센서(130)의 수광부(131)의 온도와 온도 측정 수단이 측정한 주변 온도를 동일한 것으로 간주하는 것은 온도 센서(130)의 수광부(131)와 온도 측정 수단이 열 평형 상태에 있는 것을 전제로 한 것이다. 따라서 상기 열 평형 상태가 붕괴된 상태라면 온도 센서(130)의 수광부(131)의 온도와 온도 측정 수단이 측정한 주변 온도가 서로 다를 수 있고, 이로 인한 측정 오차가 발생할 수 있다.
상기 열 평형 상태의 붕괴는 온도 센서(130) 주변의 온도가 급격하게 변화하는 경우에 발생할 수 있다. 따라서 상술한 것과 같이, 커버부(300)의 온도가 변화하고, 그 변화가 온도 센서 모듈(100)에 전달될 경우 온도 센서(130) 주변의 온도가 급격하게 변화하면서 열 평형 상태가 붕괴할 수 있다.
또한, 온도 센서(130) 주변의 온도가 급격하게 변화하는 경우에는 온도 측정 수단이 측정한 주변 온도의 정확도가 떨어질 수 있고, 적외선 세기의 측정 시기와 주변 온도의 측정 시기 사이에 따른 오차가 발생할 수 있다. 따라서 온도 센서(130) 주변의 온도는 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
단열층(200)은 커버부(300)와 온도 센서 모듈(100) 사이에 위치하여, 커버부(300)와 온도 센서 모듈(100)간의 시간당 열 전달을 최소화한다. 이로 인해 온도 센서 모듈(100)이 측정 대상 물체의 온도를 측정하는 경우, 측정 대상 물체에서 방사되는 복사열에 의해 커버부(300)의 온도 변화가 온도 센서 모듈(100)에 전달되는 것을 억제할 수 있다. 구체적으로 단열층(200)은 커버부(300)의 열이 온도 센서 모듈(100)에 전달되는 열 유속량(단위 시간 당 단위 면적을 통과하는 열량)을 최소화한다. 이로 인해, 온도 센서 모듈(100)의 온도 변화를 최소화할 수 있다. 특히, 데코 하우징(150) 내부의 온도 변화를 최소화하여 온도 센서(130)의 수광부(131)와 온도 측정 수단의 열 평형이 상대적으로 우수하게 유지될 수 있다.
도 4 내지 도 9를 참조하여, 측정 대상 물체의 복사열에 의해 커버부(300)가 가열됨에 따른 온도 센서 모듈(100)의 온도 변화에 대해 설명하도록 한다.
도 4 내지 도 6은 커버부의 온도 변화에 따른 온도 센서 모듈의 각 부분의 온도 변화를 설명하기 위한 단면도이다. 도 7은 커버부의 온도 변화에 따른 온도 센서 모듈의 각 부분의 온도 변화를 설명하기 위한 표이다. 도 8은 커버부의 온도 변화에 따른 온도 센서 모듈의 각 부분의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 9는 온도 측저 장치에 있어서, 데코 하우징일면의 열 유속을 측정한 데이터이다.
도 4 내지 도 6에 있어서, 좌측의 온도 측정 장치는 단열층(200) 없이 온도 센서 모듈(100)의 일면(155)이 커버부(300)의 내부면(301)과 직접 맞닿으며 결합된 것을 도시한 것이다. 우측의 온도 측정 장치는 상술한 것과 같이 온도 센서 모듈(100)의 일면(400)과 커버부(300)의 내부면(301)이 단열층(200)을 사이에 두고 결합된 것을 도시한 것이다. 두 온도 측정 장치에 있어서, 단열층(200)의 유무를 제외한 나머지 구성은 모두 동일하다.
두 온도 측정 장치는 고온(80.0℃이상)의 측정 대상 물체를 측정 대상 물체에서 일정한 거리만큼 이격된 상태로 측정한다. 두 온도 측정 장치의 커버부(300)의 외부면(302)은 측정 대상 물체에서 방사되는 복사열에 의해 온도가 상승하게 된다. 커버부(300)의 온도는 25.0℃에서 80.0℃까지 60초에 걸쳐 상승하게 된다.
도 4는 측정 초기의 두 온도 측정 장치의 온도를 설명하기 위한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 측정 초기의 주변 온도는 25.0℃이고, 온도 측정 장치는 충분한 시간 동안 상온에서 방치되어 있다. 따라서 온도 측정 장치의 모든 부분 사이에서 열 평형이 이뤄져, 모든 부분의 온도는 25.0℃이다.
도 5는 측정을 시작한지 약 30초가 경과하여 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 52.5℃가 된 상태를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 동일한 조건에서 두 온도 측정 장치의 온도 센서 모듈(100)의 온도가 다름을 알 수 있다. 구체적으로, 단열층(200)이 없는 온도 측정 장치의 경우, 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 52.5℃일 때, 데코 하우징(150)의 온도는 약 47.3℃이다. 그리고 데코 하우징(150) 내부 공간(S)의 온도는 약 44.5℃이다. 반면에, 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 경우, 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 52.5℃일 때, 데코 하우징(150)의 온도는 약 27.1℃이다. 그리고 데코 하우징(150) 내부 공간(S)의 온도는 약 25.5℃이다. 30초가 경과하는 동안 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 온도 센서 모듈(100)이 온도 변화가 작음을 알 수 있다.
도 6은 측정을 시작한지 약 60초가 경과하여 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 80.0℃가 된 상태를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 동일한 조건에서 두 온도 측정 장치의 온도 센서 모듈(100)의 온도가 다름을 알 수 있다. 구체적으로, 단열층(200)이 없는 온도 측정 장치의 경우, 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 80.0℃일 때, 데코 하우징(150)의 온도는 약 55.7℃이다. 그리고 데코 하우징(150) 내부 공간(S)의 온도는 49.9℃이다. 반면에, 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 경우, 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 80.0℃일 때, 데코 하우징(150)의 온도는 약 30.1℃이다. 그리고 데코 하우징(150) 내부 공간(S)의 온도는 약 27.4℃이다. 60초가 경과하는 동안 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 온도 센서 모듈(100)이 온도 변화가 작음을 알 수 있다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 단열층(200)이 없는 온도 측정 장치의 경우, 60초 동안 커버부(300)의 외부면(302)의 온도가 55.0℃ 상승하는 동안, 데코 하우징(150)의 온도는 30.7℃ 상승하였고, 데코 하우징(150) 내부 공간(S)의 온도는 24.9℃ 상승하였다. 반면에 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 경우, 동일한 조건에서 데코 하우징(150)의 온도는 5.1℃ 상승하는데 그쳤고, 데코 하우징(150) 내부 공간(S)의 온도는 2.4℃ 상승하는데 그쳤다.
도 9는 온도 측정 장치에 있어서, 데코 하우징(150) 일면(155)의 열 유속을 측정한 데이터이다. 단열층(200)이 없는 온도 측정 장치의 경우 상기 데코 하우징(150)의 일면 중 열 유속이 가장 작은 부분은 2.155×10-4[W/mm2]이고, 가장 큰 부분은 1.186×10-2[W/mm2]인 것으로 측정되었다. 반면에 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 경우 동일한 조건에서 열 유속이 가장 작은 부분은 7.912×10-5[W/mm2]이고, 가장 큰 부분은 4.319×10-3[W/mm2]인 것으로 측정되었다. 이와 같이, 단열층(200)이 있는 온도 측정 장치의 경우 열 유속이 60% 이상 감소하는 것을 알 수 있다.
상술한 것과 같이 온도 센서 모듈(100)의 온도가 상대적으로 일정하게 유지되는 것에 의해 온도 센서(130)의 수광부(131)의 온도와 온도 측정 수단이 측정한 주변 온도가 달라지는 것을 최소화할 수 있다. 이를 통해 측정 온도의 정확도가 향상될 수 있다.
또한, 상술한 것과 같이 온도 센서 모듈(100)의 온도가 상대적으로 일정하게 유지되는 것에 의해 주변 온도가 상대적으로 일정하게 측정될 수 있다. 이를 통해 측정 온도의 안정도가 향상될 수 있다.
이상, 본 발명의 온도 측정 장치의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 온도 센서 모듈 110: 온도 센서 패키지
120: 기판 130: 온도 센서
140: 패키지 하우징 150: 데코 하우징
200: 단열층 300: 커버부

Claims (14)

  1. 적외선을 수광하여 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 적외선이 통과하는 투광부를 포함하는 온도 센서 모듈;
    상기 온도 센서 모듈의 외부면에 결합되는 단열층; 및
    상기 단열층을 사이에 두고 상기 온도 센서 모듈과 결합되고, 상기 투광부와 오버랩되는 개구부가 형성된 커버부를 포함하는 온도 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    측정 대상 물체의 온도를 측정하는 경우, 상기 커버부는 상기 측정 대상 물체와 마주보도록 배향되는 온도 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 적외선은 상기 개구부를 통과하는 온도 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 단열층은 상기 온도 센서 모듈의 외부면 및 상기 커버부보다 열 전도성(thermal conductivity)이 작은 온도 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 단열층은 열 전도성이 0.005[W/m?] 내지 0.10[W/m?]인 재질로 형성되는 온도 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 단열층은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystyrene), 펄라이트(perlite), 유리섬유(fibreglass) 및 코르크(cork) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 형성되는 온도 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 단열층은 상기 투광부 주변의 외부면에 결합되는 온도 측정 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 커버부는 상기 온도 센서 모듈 및 다른 전기 부품을 포함하는 전자 장치의 케이스의 적어도 일부이고,
    상기 온도 센서 모듈은 상기 전기 부품과 0.2mm 내지 10mm만큼 이격되어 위치하는 온도 측정 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 커버부는 상기 온도 센서 모듈 및 디스플레이 장치를 포함하는 전자 장치의 케이스의 적어도 일부이고,
    상기 디스플레이 장치는 상기 온도 센서 모듈을 기준으로 상기 커버부의 반대측에 위치하고,
    상기 온도 센서 모듈과 상기 디스플레이 장치는 0.2mm 내지 10mm만큼 이격되어 위치하는 온도 측정 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 온도 센서 모듈은,
    상기 온도 센서, 상기 온도 센서가 실장된 기판 및 상기 온도 센서를 수용하고 제1 투광부가 형성된 패키지 하우징을 포함하는 온도 센서 패키지; 및
    상기 온도 센서 패키지의 적어도 일부를 수용하고, 상기 제1 투광부와 오버랩되는 제2 투광부가 형성된 데코 하우징을 포함하는 온도 측정 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 투광부는 제1 투광부, 제2 투광부 및 적외선 통과필터를 포함하는 온도 측정 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 단열층은 상기 제2 투광부 주변의 상기 데코 하우징 외부면에 결합되는 온도 측정 장치.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 투광부는 상기 제2 투광부를 통해 상기 데코 하우징 외부로 돌출되어 형성되는 온도 측정 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 단열층은 상기 제1 투광부가 상기 데코 하우징 외부로 돌출된 높이보다 더 두껍게 형성되는 온도 측정 장치.
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