KR20170026742A - 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관 및 그 광도파관을 이용한 광학적 가스센서 - Google Patents

광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관 및 그 광도파관을 이용한 광학적 가스센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 광학적 가스센서의 제작에 필요한 광학적 구조 및 부속물의 제작에 관한 것으로 구체적으로 광원으로부터 방사되는 빛의 강도를 광학적 센서부에 별도의 집광 렌즈 사용 없이 광 강도를 증대시키고, 응답특성을 신속하게 하고 광학적 구조물 내부의 오염을 방지할 뿐만 아니라, 습도의 증가에 따른 광산란을 저감시킴으로써 센서의 출력을 향상시키며 이를 통하여 보정을 효과적으로 구현하기 위한 적외선 가스센서의 제작을 위한 것이다. 따라서 본 발명은 상대적으로 작은 광 강도를 갖는 특정 파장대의 광의 집광에 따른 효율증대, 적외선 광원의 산란을 방지함으로써 출력의 안정화, 그리고 응답시간의 감소, 오차 저감을 통해 특성이 향상된 적외선 가스센서의 제작에 효과적으로 적용 가능한 구조에 관한 것이다.

Description

광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관 및 그 광도파관을 이용한 광학적 가스센서{Optical Gas Sensor with the Improvement of Chemical Resistance and Anti-scattering of lights}
본 발명은 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 광학적 가스센서의 제작에 필요한 광학적 구조 및 부속물의 제작에 관한 것으로 구체적으로 광원으로부터 방사되는 빛의 강도를 광학적 센서부에 별도의 집광 렌즈 사용 없이 광 강도를 증대시키고, 응답특성을 신속하게 하고 광학적 구조물 내부의 오염을 방지할 뿐만 아니라, 습도의 증가에 따른 광산란을 저감시킴으로써 센서의 출력을 향상시키며 이를 통하여 보정을 효과적으로 구현하기 위한 적외선 가스센서의 제작을 위한 것이다. 따라서 본 발명은 상대적으로 작은 광 강도를 갖는 특정 파장대의 광의 집광에 따른 효율증대, 적외선 광원의 산란을 방지함으로써 출력의 안정화, 그리고 응답시간의 감소, 오차 저감을 통해 특성이 향상된 적외선 가스센서의 제작에 효과적으로 적용 가능한 구조라 할 수 있다.
본 발명의 출원 전에 제시된 특허의 특징과 장단점을 통하여 기술적으로 보완되어야 할 사항을 살핌으로써 기존 특허의 향상방안을 제시하고자 한다.
이하에서 설명되는 바와 같이, 종래 국내 등록특허 제10-0694635호(이하 종래기술 1)와 제10-0732708호와 제10-1088360호(이하 종래기술 2) 및 국내 공개특허 제10-2013-0082482호(이하 종래기술 3)는 기본적으로 타원형 구조물의 형상을 취하고 있다.
또한, 국내 등록특허 제10-0959611호(이하 종래기술 4)와 제10-1108495호(이하 종래기술 5)는 센서부의 앞단에 집광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
한편 국내 등록특허 제10-1108544호(이하 종래기술 6)와 제10-0944273호(이하 종래기술 7)는 센서 특성의 신뢰성 향상을 위한 기준 센서 혹은 기준 광원을 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서 이들 공개특허와 등록특허의 장점과 단점을 제시하고, 실증적으로 증명된 실험결과를 통하여 이의 보완 및 향상을 기할 수 있는 구조를 제안한다면, 보다 효과적인 광학적 센서의 제작이 용이하리라 사료되기에 제안된 특허들의 주요 사항을 제시하고 효용성을 판단하고자 한다.
첫 번째로 타원형 구조물에 대해서 그림과 함께 자세하게 설명하면, 먼저, 도 1은 종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비된 비분산 적외선 가스센서(1)의 평면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되 비분산 적외선 가스센서(1)는, 인쇄회로기반(2, PCB), 타원 돔형 반사경(3), 광원(4), 상판(5), 광센서(6), 광원고정홀(7), 청소용 구멍(8), 타원반사경(9), 광센서 결합부(10), 평판플랜지(11) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
이러한 종래기술 1은, 타원 돔형 반사경(3)의 제 1 초점에 설치된 광원(4)에서 방사되는 적외선이 상기 타원 돔형 반사경(3)에 반사된 후, 상기 타원 돔형 반사경(3)의 제 2 초점에 설치된 타원 반사경(9)에 집광 된 후 반사되어, 상기 타원 반사경(9)의 초점에 설치되어 있는 광센서(6)로 입사하기 때문에 반사경에서 반사되는 횟수를 최소화하여 광 손실을 방지함과 아울러 상기 광원(4)에서 방사되는 광이 손실 없이 광센서(6)로 입사하도록 하여 광센서(6)가 가스의 측정에 이용할 수 있는 광량을 최대화할 수 있는 장점을 제시하고 있으나, 타원 돔형 반사경(3)의 반만을 활용하고 하부 면에서 반사되는 빛은 센서부의 하판에 제시된 반사경을 통하여 센서부로 향하게 하는 구조를 채택하고 있다. 이러한 구조는 조사 광의 절반 이하의 광속만을 이용하고 있는 구조이고, 하부 평면에 조사 및 반사되는 빛의 경우, 이를 효과적으로 센서부에 조사시키는 것은 광학적 센서부에 부착된 필터를 통과 시 굴절에 의해 적절하게 필터 하단에 위치한 적외선 검출 소자에 조사되기 어려운 단점을 갖고 있다고 볼 수 있다. 또한 이 구조는 외부상태가 고온 고습의 상태에서 온도가 변화하는 경우, 수증기가 광학적 구조물 내부면에 응축되고 이로인해 광원에서 방사되는 적외선의 산란에 의해 요구되는 출력이 저하되어 정확한 가스농도 측정이 불가하던가 혹은 추가적인 보정작업을 요구하게 된다.
한편, 도 2는 종래기술 2에 따른 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 NDIR 가스 센서를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술 2에 따른 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 NDIR 가스 센서는 광도파관(20), 제1타원경(21), 제1타원(21a), 제1초점(21b), 제2타원경(22), 제2타원(22a), 제2초점(22b), 광원(23), 광검출기(24), 제1광검출윈도우(25), 제2광검출윈도우(26) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래기술 2는, 공통 광원에서 조사되는 빛은 공통초점을 공유하나 서로 상이한 타원형 반사경(21,22)을 통하여 우측의 광학적 센서부에 도달하는 구조를 갖고 있으며, 두 개 이상의 광학센서에 의해 측정이 가능한 구조를 취하고 있다. 이러한 구조는 소형의 구조물 제작이 용이하고, 부가적인 렌즈 없이 집광할 수 있는 구조라는 장점을 갖고 있으나, 두 개의 센서에 도달하는 광량은 구조상으로 최대 1/4 정도의 광만을 집속할 수 있고, 3 차원적인 광학적 구조물의 제작 및 기존 광학센서(적외선 써모파일, 볼로미터 혹은 PIR 센서)의 FOV(Field Of View)에 조사되는 구조물 제작에 어려움을 갖고 있다는 단점을 내포하고 있다.
또한, 도 3은 종래기술 3에 따른 광도파관의 개념도를 도시한 것이다. 도 3에 제시된 구조는 서로 평행하고 마주보는 두 개의 포물경(제1포물경(31), 제2포물경(32)에 의한 광학적 구조물을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 포물경(31, 32)만을 사용하여 제 2 초점 부근에서 집광하며, 포물경의 형상과 배치방법에 따라 두 개 이상의 광센서를 통한 측정이 가능하다는 장점을 보이고 있다. 그러나 포물경만을 사용한 종래기술 3의 구조는 J.S. Park and S.H. Yi가 Sensors and Materials (2011년 논문)에 제시한 바와 같이 집광패턴이 원형이 아닌 형상을 나타내기에 효율적인 광의 사용이라고 할 수 없는 단점을 지닌 구조라 할 수 있을 것이다.
또한 도 4는 종래기술 4에 따른 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치(40)는 케이스부(41), 발광부(42), 산란부(43), 수광부(44), 주입관(45), 고정부(46), 적외선 광원(47), 광원고정판(48), 광검출부기판(49), 적외선센서(50), 렌즈부(51), PCB(52), 핀공(53), 삽입공(54), 통공(55), 멤브레인(56) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 집광을 위한 렌즈부(51)를 포함함으로써 적외선 센서(50)에 광을 효율적으로 사용함으로써 센서의 출력을 향상하고자 하는 장점을 지니고 있다. 그러나 상대적으로 광 경로(Optical Path)가 짧고, 추가적인 렌즈의 장착으로 인해 제조 원가의 상승이라는 단점을 지니고 있다.
그리고, 도 5는 종래기술 5에 따른 비분산 적외선 가스 센서(60, 광학적 구조물)의 단면도를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술 5는 광원램프(61), 타원반사경(62), 통기구(63), 적외선센서(64) 등을 포함하여 구성됨을 알수 있다.
도 5에 도시된 종래기술 5는, 적외선 센서(64, 비냉각형 볼로미터 센서) 앞단에 렌즈(표면에 나노 및 마이크로미터 사이즈 이상 특정 형태의 어레이 패턴을 형성된 타원 반사경(62))를 채택하고 있으므로 인해 광 강도를 향상시킬 수 있는 장점을 지니고 있으나, 종래기술 4와 같이, 추가적인 부품의 사용으로 원가상승의 요인을 갖고 있을 뿐만 아니라 광 경로 증대를 위해 광학적 구조물(60)의 상하좌우 벽면에서의 반사를 인위적으로 형성하기 위해 반사경(62) 구조를 채택함으로써 광학적 센서부(64)에 도달하는 광량이 상대적으로 작아진다는 단점을 지니고 있게 되는 특성을 갖고 있다.
또한, 도 6은 종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치의 공기 흐름도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치(70)는 적외선 램프(71), 반사경(72), 광센서(73), 광도파관(74), 제2공기유입구(75), 공기유출구(76), 제1공기유입구(77) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
그리고, 도 7은 종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 단면도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 광공동(80), 우후방반사경(81), 좌후방반사경(82), 좌측반사경(83), 좌전방반사경(84), 우전방반사경(85), 광원고정부(86), 광센서고정부(87), 가스측정용 적외선광원부(91), 신호보상용 적외선광원부(92), 광센서부(93) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래기술 6에서는, 신뢰성 향상을 위해 기준 센서를 구비하고 있고, 종래기술 7에서는 기준 광원 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
구체적으로 도 6에 도시된 종래기술 6의 장점은 동일 광원을 사용하되 두 개의 적외선 센서를 사용함으로써 하나는 기준 센서로 광원의 경시변화에 따른 기준 센서의 출력상태를 초기와 비교, 평가함으로써 측정 센서의 시간적 변화에 따른 출력변화를 보상시킬 수 있는 장점을 지니고 광 경로가 긴 특징을 지니고 있으나, 적외선 센서의 초단에 입사되는 적외선을 집광시킬 수 있는 특별한 구조가 없음으로 인해 센서의 출력전압이 렌즈가 있는 구조에 비해 작은 특성을 지닐 수밖에 없는 구조적 단점을 지니고 있다.
또한, 도 7에 도시된 종래기술 7의 장점은 신호보상용 적외선광원부(기준광원, 92)과 가스측정용 적외선광원부(주 광원, 91), 즉 복수의 광원을 사용하여 주기적으로 광센서부(적외선 센서, 93)의 출력을 보정할 수 있고, 다수개의 반사경을 통하여 광 경로를 길게 함으로써 광센서부(93)의 감도를 향상시킬 수 있는 장점을 지니며 장기 신뢰성 향상에 도움을 줄 수 있는 구조를 지니고 있다. 그러나 광센서부(93)에 도달하는 광의 패턴은 평행하게 입사됨으로써 렌즈를 사용하는 구조들 혹은 타원 구조보다 광 강도의 향상을 통한 긴 파장대(> 6 ㎛)의 가스 측정에는 용이하지 않는 단점을 지니게 되는 특성을 보일 것이다.
한편 반도체 기술의 발전에 의해 근적외선(0.7 ~ 2 ㎛)을 방출하는 LED(Light Emitting Diode)와 PD(Photo Diode)가 개발되고, 최근에는 특정 파장(메탄, 이산화탄소, 일산화탄소 등) 및 연속적인 적외선 점 광원(Point Light Source, lms MIR LED, LED Microsensor NT, Russia)과 PD(lms43 PD)가 개발되어 각광을 받고 있으며, 이들을 응용한 이산화탄소 센서등의 개발이 이루어지고 있는 상태이다. 현용되고 있는 적외선 램프는 적외선 LED와 비교하여 상대적으로 전력소비가 크며, 램프의 구조적 특성으로 진동에 따른 필라멘트의 움직임으로 인해 센서의 출력이 진동등의 영향으로 인해 변화될 수 있다는 단점을 지니고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 MEMS(MicroElectro Mechanical Systems) 기술에 의해 적외선 흑체를 이용한 가스센서의 개발이 시도되고 있는 상태이다.
한편 적외선 가스센서의 제작 및 응용 등에 광범위하게 적용되는 Beer-Lambert 법칙을 표현하면 수학식 1과 같으며,
Figure pat00001
단 I0는 초기 광 강도, α는 특정 가스의 광 흡수계수, x는 가스농도, l은 광 경로이다.
적외선 가스센서의 출력을 향상시키기 위해서는 J.S. Park and S.H. Yi가 Sensors and Materials (2011년 논문)에 제시한 바와 같은 이하의 수학식 2와 같이 적외선 센서에 도달하는 입사광은 초기 광의 패턴에 비해 집광된 형상을 따르는 것이 효과적임을 알 수 있다.
Figure pat00002
단,
Figure pat00003
는 비례상수, ri는 초기 광 패턴의 반지름, rd는 센서 단에서 광 패턴의 반지름이다.
상기 제시된 식에서 제시하고 있는 것과 같이 광학적 가스센서의 제작에 있어 고려되어야 할 사항들을 살펴보면, 1) 적외선을 방출시킬 수 있는 광원은 필라멘트의 경년변화에 의해서 광 강도가 저감되기에 시간에 따라 이의 변화를 감지하여 이를 적절하게 보상하거나 경년변화가 거의없는 흑체(혹은 특정파장의 LED)를 사용하여야 하며, 2) 파장대가 긴 가스를 측정하고자 할 때 적외선 광원에서 방사되는 광의 강도가 작음으로 인해 이를 충분히 검출할 수 있는 고성능의 센서 혹은 광 강도를 향상시킬 수 있는 구조가 되어야 하며, 3) 적외선 가스센서의 감도는 광 경로가 길어야 동일 농도에서 높은 출력 전압차를 발생시킬 수 있음으로 가능한 경로가 길게끔 광학적 구조를 제작하여야 하는데, 이때 광학적 구조물에서의 반사는 최소화함으로써 구조물에서 반사시 흡수되는 양을 최소화할 수 있는 상태를 확보해야 하고, 4) 적외선 센서에 도달하는 입사광은 적외선 센서의 중앙에 가능한 작은 반경으로 포집되어 광학적 센서의 FOV내에 도달하여야 하는 특징을 구비하여야 할 것이며, 5) 또한 도 8에 제시된 바와 같이, 측정 대상가스가 존재하지 않는 상태에서, 동일온도에서 상대적인 습도가 증가함에 따라 적외선 센서에 도달하는 광량의 변화로 초기 출력전압 (옵셋전압)이 감소하기 때문에 이를 보완하여야만 오차가 감소된 적외선 가스센서의 제작이 용이함을 알 수 있다.
따라서 수증기가 광학적 구조물의 벽면에 응축되어 광학적 산란을 방지할 수 있는 구조를 채택하여야 정밀도와 오차가 감소된 센서를 제작할 수 있다.
국내 등록특허 제10-0694635호 국내 등록특허 제10-0732708호 국내 등록특허 제10-1088360호 국내 공개특허 제10-2013-0082482호 국내 등록특허 제10-0959611호 국내 등록특허 제10-1108495호 국내 등록특허 제10-1108544호 국내 등록특허 제10-0944273호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 광학적 가스센서의 제작을 위한 구조물이 갖추어야 할 특징으로 제시된 1) 적외선 광원의 경년변화에 대응할 수 있는 구조 혹은 부품의 선정, 2) 고성능 센서 혹은 광 강도를 향상시킬 수 있는 구조, 3) 광 경로가 긴 구조물이고 내부에서의 반사는 최소화하여야 하는 구조, 4) 적외선 센서에 도달하는 입사광은 적외선 센서의 중앙에 가능한 작은 반경으로 포집되고, 5) 수증기에 의한 영향을 배제할 수 있는 기능의 부가 및 응답속도를 향상시킬 수 있는 특징을 모두 구비한 광학적 가스센서의 구조물과 광원 및 광학적 센서의 배치 및 응답시간 감소를 위한 구성을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서, 상기 복수개의 반타원경은, 각각의 제1초점을 공통초점으로 공유하고 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루며, 상기 복수개의 반타원경 일부는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 일부는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관으로서 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1목적에서, 상기 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들이 이루는 일정한 각도는, 10도 이상 180도 미만의 범위 내에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서, 상기 복수개의 반타원경은, 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경을 포함하고, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경 중 어느 하나는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 하나는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제2목적에서, 상기 제1반타원경의 제2초점에 광원이 위치하고 상기 제2반타원경의 제2초점에 광센서부가 위치하거나, 또는 상기 제1반타원경의 제2초점에 광 센서부가 위치하고 상기 제2반타원경의 제2초점에 광원이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 제2목적에서, 상기 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되고, 상기 광센서부는 적외선 PD로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 제2목적에서, 상기 반타원경의 내면에는 증착막이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서, 상기 복수개의 반타원경은, 서로 이웃하는 2개의 반타원경 간에는 공통초점을 공유하고, 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루며, 상기 서로 이웃하는 2개의 반타원경 중 어느 하나는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 하나는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서, 상기 복수개의 반타원경은, 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경과, 상기 제2반타원경의 제2초점을 공유하는 제3반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제3반타원경을 포함하고, 상기 제1반타원경과 상기 제3반타원경은 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경은 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경과 상기 제3반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적에서, 상기 제1반타원경의 제2초점에 광원이 설치되고, 상기 제3타원경의 제1초점에 광센서부가 위치하거나, 또는 상기 제1반타원경의 제2초점에 광센서부가 설치되고, 상기 제3타원경의 제1초점에 광원이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적에서, 상기 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되고, 상기 광센서부는 적외선 PD로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적에서, 상기 반타원경의 내면에는 증착막이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5목적은, 광 도파관을 이용한 광학적 가스센서에 있어서, PCB 기판; 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경을 포함하고, 상기 제1반타원경은 상기 PCB기판을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경은 PCB기판을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 광도파관; 상기 제1반타원경의 제2초점 또는 상기 제2반타원경의 제2초점에 위치하여 광을 방출하는 광원; 및 상기 제2반타원경의 제2초점 또는 상기 제1반타원경의 제2초점에 위치하여 상기 광원의 광을 투과시키는 광센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제6목적은, 광 도파관을 이용한 광학적 가스센서에 있어서, PCB 기판; 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경과, 상기 제2반타원경의 제2초점을 공유하는 제3반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제3반타원경을 포함하고, 상기 제1반타원경과 상기 제3반타원경은 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경은 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경과 상기 제3반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 광도파관; 상기 제1반타원경의 제2초점 또는 상기 제3반타원경의 제1초점에 위치하여 광을 방출하는 광원; 및 상기 제3반타원경의 제1초점 또는 상기 제1반타원경의 제2초점에 위치하여 상기 광원의 광을 투과시키는 광센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제5, 제6목적에서, 상기 광원이 위치된 반타원경의 측면부분 중, 상기 광원에서 방출되는 광의 공간적인 밀도가 낮은 부분에 가스가 유입되는 기체공급주입구와, 상기 광센서부가 위치된 반타원경의 측면부분에 구비되는 가스배출구를 더 포함하고, 상기 광도파관과 상기 가스공급주입부 미 상기 가스배출구는 기밀이 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5, 제6목적에서, 상기 가스배출구 또는 상기 가스공급주입부에 구비되어 상기 광도파관으로 가스를 흡배기 시키기 위한 유동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5, 제6목적에서, 상기 광도파관의 내부를 가열시키기 위한 발열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5, 제6목적에서, 상기 광도파관의 내부온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 발열수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5, 제6목적에서, 상기 반타원경의 내면에는 증착막이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제5, 제6목적에서, 상기 증착막은, Au/Ti 박막을 전자빔 또는 스퍼터링 시스템에 의해 증착하여 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 종래기술 1,2,3에 제시된 특허와 비교하여 광 경로를 길게 할 수 있는 장점을 지니고 있으며, 종래기술 4 및 5와 비교하였을 때 별도의 집광 렌즈를 사용하지 않고, 조사 광을 효과적으로 집광하여 광학적 센서부에 조사시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 광학적 구조물 내부에 발열체를 내장하여 주변온도(ambient temperature)와 비교하여 약 20 ~ 30 ℃ 정도 상승시켜 주변공기내에 포함된 수증기가 구조물 내부면에 응축되는 현상을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 펌프 또는 마이크로 팬(fan)을 부가적으로 배치함으로써 측정 대상가스를 짧은 시간에 측정, 분석하게 함으로써 응답시간을 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조적, 기능적 장점을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 적외선 광학적 가스센서가 갖추어야할 특징인, 1) 적외선광원의 경년변화에 능동적으로 대응할 수 있는 구조(MEMS 적외선 광원 혹은 LED 사용함으로써), 2) 고감도(광 경로의 길이를 효과적으로 증대)의 센서 혹은 광 강도를 향상(점 광원과 반타원형 구조물을 응용함으로써 조사광의 집광)집광시킬 수 있는 구조, 3) 광 경로가 긴 구조물이고, 내부에서의 반사는 최소화하여야 하는 구조, 4) 적외선 센서에 도달하는 입사광은 적외선 센서의 중앙에 작은 반경으로 포집됨으로써 적외선 센서의 FOV(Field of View) 내로 조사되는 특징과 5) 수증기가 내부벽면에 응축됨으로 인한 출력전압의 저하 혹은 별도의 보정을 방지하고, 내부 반사경이 산성 혹은 알칼리성 가스에 대한 부식을 방지할 수 있는 기능을 모두 갖춘 센서의 제작이 가능한 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 적외선의 공간적인 밀도가 낮은 영역에 가스의 흡입구(대상가스의 측정을 위해 가스를 강제적으로 흡입하는 구조 혹은 소형 펌프를 사용하여 외부의 공기를 흡입하여 가스 측정에 사용하는 광학적 구조물에 있어서)와 유출구를 설치하면 광학적 효율의 감소 없이 광학적 센서를 제작할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되 비분산 적외선 가스센서의 평면도,
도 2는 종래기술 2에 따른 복수의 독립된 광 경로를 갖는 광 도파관 및 그를 이용한 NDIR 가스 센서,
도 3은 종래기술 3에 따른 광도파관의 개념도,
도 4는 종래기술 4에 따른 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치의 분해 사시도,
도 5는 종래기술 5에 따른 비분산 적외선 가스 센서(광학적 구조물)의 단면도,
도 6은 종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치의 공기 흐름도,
도 7은 종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 단면도,
도 8은 측정 대상가스가 존재하지 않는 상태에서, 동일온도에서 상대적인 습도가 증가함에 따른 적외선 센서에 도달하는 광량의 변화에 의한 초기 출력전압(옵셋전압) 변화 그래프,
도 9는 반타원경의 제1초점에 위치한 적외선 광원(점광원, 0.3 mm)에서 조사된 적외선의 광 경로와 광센서부에 도달하는 입사광의 형상을 나타낸 3차원 반타원경 구조,
도 10은 도 9에서 직경 1 mm의 광센서부에 도달하는 단위면적당 적외선 광량,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른, 제1초점을 공통초점으로 하는 동일한 3차원 반타원경을 PCB 기판을 중심으로 PCB 기판의 상부와 하부에 각각 하나씩 배치한 구조의 광 경로,
도 12는 도 11에서 광센서부에 도달하는 단위면적당 입사되는 적외선 광량,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라, 도 11에 제시된 구조와 같은 상태에서 두 반타원경의 장축간 각도가 30 도일 때를 가정한 경우의 모의해석 결과,
도 14는 도 13에서 광센서부에 도달하는 단위면적당 입사되는 적외선 광량,
도 15는 본 발명의 일실시예에 따라, 세 개의 반타원경을 PCB 기판의 기준면을 중심으로 상부 혹은 하부에 두 개와 한 개 배치하였을 때, 광센서부에 입사되는 광 경로,
도 16 및 도 17은 도 15에서 광센서부에 도달하는 단위면적당 입사되는 적외선 광량,
도 18a는 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서의 평면도,
도 18b는 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서의 저면도,
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서의 정면도,
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서의 부분 절단 사시도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
본 발명에서는 상기 제시된 사항들을 모두 충족시킬 수 있는 광학적 가스센서의 구조물과 광원, 광학적 센서 및 기능성 부품의 배치에 관한 것을 특징으로 하는데, 이에 대해서 도면을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 9는 3차원 반타원경 구조의 경우, 광원(적외선 광원(점광원, 0.3 mm))에서 조사된 적외선의 광 경로와 광센서부(적외선 센서)에 도달하는 입사광의 형상을 나타낸 것이다. 그리고, 도 10은 도 9에서, 직경 1 mm의 광센서부에 도달하는 단위면적당 적외선 광량을 나타낸 것이다.
구체적실시예에서, 적외선 광원이 450 mW의 에너지를 갖고, 광학적 구조물의 반사율이 95 %를 가정한 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 약 52.5 %(236 mW)의 조사광이 광센서부에 도달하는 것을 모의해석을 통해 확인할 수 있으며, 광센서부 이외의 영역과 광학적 구조물에서의 흡수에 의한 총 에너지 손실은 약 47 % 정도로 비교적 효과적인 광학적 특성을 나타냄을 알 수 있다. 이때 조사되는 적외선의 파장은 이산화탄소 가스의 흡수 파장인 4.26 ㎛를 가정한 경우이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 3차원 반타원경(101)의 제1초점(F1)에 위치한 광원에서 방사된 적외선은 3차원 반타원경(101)의 제2초점(F2)에 위치한 광센서부에 도달하고 도달된 광속의 단위면적당 최대 에너지는 반경 1mm 안에 집광되는 우수한 특성을 보임을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 광 도파관(100)은 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 복수개의 반타원경은, 각각의 제1초점(F1)을 공통초점으로 공유하고 각각의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도(θ)를 이루도록 구성될 수 있다.
또한, 복수개의 반타원경 일부는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 일부는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되게 된다.
그리고, 복수의 반타원경의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 가상의 기준선들이 이루는 일정한 각도(θ)는, 10도 이상 180도 미만의 범위 내에서 선택되게 된다.
보다 구체적으로, 2개의 반타원경을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 광도파관(100)은, 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경(101)과, 제1반타원경(101)의 제1초점(F1)을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경(102)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 제1반타원경(101)과 제2반타원경(102) 중 어느 하나는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 하나는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되게 된다. 또한, 제1반타원경(101)과 제2반타원경(102) 각각의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도(θ)를 이루게 된다.
또한, 2개의 반타원경으로 구성되는 경우, 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 광원이 위치하고 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)에 광센서부가 위치하거나, 또는 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 광 센서부가 위치하고 상기 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)에 광원이 위치하게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되며, 광센서부는 적외선 PD로 구성되게 된다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른, 제1초점(F1)을 공통초점으로 하는 동일한 3차원 반타원경을 PCB 기판(110)을 중심으로 PCB 기판의 상부와 하부에 각각 하나씩 배치한 구조의 광 경로를 도시한 것이다. 그리고, 도 12는 도 11에서 광센서부에 도달하는 단위면적당 입사되는 적외선 광량을 도시한 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광도파관(100)은 제1반타원경(101)은 기준면이 되는 PCB 기판(110)을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태이고, 제2반타원경(102)은 PCB기판(110)을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태를 가지게 되며, 제1초점(F1)을 공통초점으로 공유하게 된다.
또한, 제1반타원경(101)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제1가상선(C1)과 제2반타원경(102)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제2가상선(C2)은 서로 90도의 각도(θ)로 배치되며, 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 광원이 위치하고, 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)에 광센서부가 위치하게 된다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 비록 제1반타원경(101)과 제2반타원경(102)이 PCB기판(110)을 중심으로 동일한 공간상에 존재하지 않아도 하나의 반타원경을 갖는 도 9에 도시된 구조의 약 72.8 %의 적외선이 광센서부가 위치한 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)에 도달하고, 광 경로는 2 배정도로 향상되는 특징을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라, 도 11에 제시된 구조와 같은 상태에서 두 반타원경의 장축간 각도(θ)가 30 도일 때를 가정한 경우의 광 경로를 도시한 것이고, 도 14는 도 13에서 광센서부에 도달하는 단위면적당 입사되는 적외선 광량을 도시한 것이다.
즉, 도 13과 도 14는 도 11에 제시된 구조와 같은 상태에서 제1반타원경(101)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제1가상선(C1)과, 제2반타원경(102)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제2가상선(C2)의 각도(θ)가 30 도일 때의 모의해석 결과를 나타낸 것이다.
예를 들어 도 13에 도시된 바와 같이, PCB 기판(110)을 기준으로 상부측으로 볼록한 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 위치하는 광원에서 조사된 적외선은 제1반타원경(101)과, 제2반타원경(102)의 공통 초점인 제1초점(F1)을 통하여 PCB 기판(110)을 기준으로 하부측으로 볼록한 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)에 위치한 광센서부로 도달함하게 된다.
그리고, 도 14에 도시된 바와 같이, 조사된 적외선의 약 33.6 % (도 11과 도 12에 제시된 결과와 비교하여 약 64.1 %의 효율을 나타냄을 해석결과로부터 확인할 수 있음)가 PCB 기판(110)을 기준으로 하부측으로 볼록하게 형성된 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)에 위치한 광센서부로 입사됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광도파관(100)은 3개 이상의 복수개의 반타원경을 포함하고, 이러한 복수개의 반타원경에서 서로 이웃하는 2개의 반타원경 끼리 초점을 공유하며 일정각도(θ)를 갖고 구성되어 질 수 있다.
즉, 이러한 복수개의 반타원경은, 서로 이웃하는 2개의 반타원경 간에는 제1초점(F1)을 공통초점으로 공유하고, 각각의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도(θ)를 이루며, 서로 이웃하는 2개의 반타원경 중 어느 하나는 PCB기판(110)을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 하나는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성될 수 있다.
구체적으로 3개의 반타원경으로 구성되게 되는 경우, 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경(101)과, 상기 제1반타원경(101)의 제1초점(F1)을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경(102)과, 상기 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)을 공유하는 제3반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제3반타원경(103)을 포함할 수 있다.
이때, 제1반타원경(101)과 제3반타원경(103)은 PCB 기판(110)면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 제2반타원경(102)은 PCB 기판(110)면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제1반타원경(101)과 상기 제2반타원경(102)과 상기 제3반타원경(103) 각각의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도(θ)를 이루도록 구성된다.
또한, 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 광원이 설치되고, 제3타원경의 제1초점(F1)에 광센서부가 위치하거나, 또는, 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 광센서부가 설치되고, 상기 제3타원경의 제1초점(F1)에 광원이 위치할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되고, 광센서부는 적외선 PD로 구성됨이 바람직하다.
구체적인 실시예로서, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따라, 세 개의 반타원경을 PCB 기판(110)의 기준면을 중심으로 상부 혹은 하부에 두 개와 한 개 배치하였을 때, 광센서부에 입사되는 광 경로를 도시한 것이고, 도 16 및 도 17은 도 15에서 광센서부에 도달하는 단위면적당 입사되는 적외선 광량을 도시한 것이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 제1반타원경(101)은 PCB기판(110)면을 기준으로 상부측으로 볼록하게 형성되고, 제2반타원경(102)은 PCB기판(110)면을 기준으로 하부측으로 볼록하게 형성되며, 제1반타원경(101)과 제2반타원경(102)은 제1초점(F1)을 공통초점으로 공유하도록 구성되고, 제1반타원경(101)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제1가상선(C1)과, 제2반타원경(102)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제2가상선(C2)은 약 10 ~ 60° 정도의 제1각도(θ1)를 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 제3반타원경(103)은 PCB기판(110)면을 기준으로 상부측으로 볼록하게 형성되며, 제2반타원경(102)과 제3반타원경(103)은 제2초점(F2)을 공통초점으로 공유하도록 구성되고, 제2반타원경(102)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제2가상선(C2)과, 제3반타원경(103)의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 제3가상선(C3)은 약 10 ~ 60° 정도의 제2각도(θ2)를 가짐을 알 수 있다.
도 15, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 위치하는 적외선 광원에서 조사된 적외선은 제3반타원경(103)의 제1초점(F1)에 도달하는 것을 알 수 있으며, 광센서부인 직경 0.3 mm의 적외선 PD에 도달하는 에너지는 약 52 mW, 적외선 PD로 구성된 광센서부의 활성영역에 도달하는 적외선은 약 79 mW가 도달됨을 보았을 때 도 11 내지 도 14에 도시된 두 개의 반타원경만이 존재하는 경우에 비교하여 활성영역에 도달하는 적외선 에너지는 약 1/3로 줄어드나, 광 경로는 도 11 내지 도 14에 도시된 구조와 대비하여 1.5 배 증가되고, 도 9 및 도 10에 도시되 구조와 대비하여 3배가 증가되는 구조를 갖게 됨을 확인할 수 있다.
따라서 반타원경 하나만을 갖는 구조는 출력전압은 크게 할 수 있으나, 감도는 두 개 또는 세 개의 반타원경을 갖는 구조가 이에 비해 효과적으로 증대될 것이라는 것을 앞서 언급한 [수학식 1]을 통하여 확인할 수 있으며, [수학식 2]에서 출력전압이 입사광에너지 밀도에 비례하지만, 이는 증폭기를 통하여 조절할 수 있는 물리량이므로 이는 외부회로 구성을 통하여 효과적으로 증대할 수 있을 것으로 판단된다.
이하에서는 앞서 언급한 광도파관(100)을 이용한 본 발명의 일실시예에 따른 광학적 가스센서(200)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 도 18a는 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 18b는 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)의 저면도를 도시한 것이다. 또한, 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)의 정면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)의 부분 절단 사시도를 도시한 것이다. 즉, 도 18a, 도 18b, 도 19 및 도 20은 앞서 언급한 도 15 내지 도 17의 모의해석결과를 기반으로 한 본 발명의 구체적실시예에 따른 광학적 가스센서(200)의 구성을 나타낸 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)는 PCB기판(110), 앞서 언급한 구성을 갖는 광도파관(100), 광원, 광센서부, 가스공급주입구(113), 가스배출구(114), 유동수단, 온도센서, 발열수단(120) 등을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 광도파관(100)은 앞서 언급한 바와 같이, 제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경(101)과, 상기 제1반타원경(101)의 제1초점(F1)을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경(102)과, 상기 제2반타원경(102)의 제2초점(F2)을 공유하는 제3반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제3반타원경(103)을 포함하고, 상기 제1반타원경(101)과 상기 제3반타원경(103)은 PCB기판(110)면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경(102)은 PCB기판(110)면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경(101)과 상기 제2반타원경(102)과 상기 제3반타원경(103) 각각의 제1초점(F1)과 제2초점(F2)을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루도록 구성된다.
또한, 광원은 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 위치하여 광을 방출하게 되며, 광센서부는 제3반타원경(103)의 제1초점(F1)에 위치하여 광원의 광을 조사시키게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되고, 광센서부는 적외선 PD로 구성됨이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)는, 광원이 위치된 제1반타원경(101)의 측면부분 중, 광원에서 방출되는 광의 공간적인 밀도가 낮은 부분에 가스가 유입되는 기체공급주입구(113)와, 광센서부가 위치된 제3반타원경(103)의 측면부분에 구비되는 가스배출구(114)를 포함하여 구성된다. 그리고, 광도파관(100)과 가스공급주입구(113) 및 가스배출구(114)는 기밀이 유지되도록 구성된다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)는, 가스배출구(114) 또는 상기 가스공급주입구(113)에 구비되어 광도파관(100)으로 가스를 흡배기 시키기 위한 유동수단(130)을 포함하게 된다. 이러한 유동수단(130)은 펌프 또는 마이크로 팬(fan)으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서(200)는, 광도파관(100)의 내부로 유입된 가스를 가열시키기 위한 발열수단(120)을 포함할 수 있다.
그리고, 광도파관(100)의 내부온도를 실시간으로 측정하는 온도센서와, 온도센서에서 측정된 값을 기반으로 발열수단(120)을 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 반타원경의 내면에는 증착막(140)이 형성될 수 있으며, 이러한 증착막(140)은, Au/Ti 박막을 전자빔 또는 스퍼터링 시스템에 의해 증착하여 형성되게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 광학적 가스센서(200)는 도 18a에 도시된 바와 같이, PCB기판(110)의 상면(111)에서 상부측으로 볼록하게 형성된 두 개의 반타원경 즉 제1반타원경(101)과 제3반타원경(103)을 갖고, 도 18b에 도시된 바와 같이, PCB기판(110)의 하면(112)에서 하부측으로 볼록한 형상의 제2반타원경(102)이 구비됨을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 제1반타원경(101)의 제2초점(F2)에 적외선 광원이 배치되고, 제3반타원경(103)의 제1초점(F1)에 광센서부가 배치되게 된다. 제2반타원경(102)이 형성된 PCB 기판(110)의 하면에는 도 18b 및 도 19에 도시된 바와 같이, 가스의 공급을 위한 가스공급 주입구(113)(Inlet port)와 가스배출구(114)(Outlet port)가 적외선 광원과 광센서부의 앞단에 배치함으로써 공간적인 효율성과 광학적 효율성을 구비하게 됨을 알 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에서는 도 18b와 도 19에 도시된 바와 같이, 측정 대상가스를 흡입하여 측정하게끔 하기 위한 펌프 혹은 마이크로 휀 등으로 구성된 유동수단을 구비함으로써 센서의 응답속도를 획기적으로 개선할 수 있도록 하였다.
현재 광원은 ㎲ 혹은 수십 ㎳로 동작가능하며, 적외선 센서의 경우 약 300 ms 이내로 가스에 대한 반응이 완료되기 때문에 자연확산 방식이 아닌 강제 흡배기 형식을 취하는 경우, 수초 혹은 10~15 초이내에 대상가스 농도를 정확히 측정 가능하게 된다.
한편, 도 20에 도시된 바와 같이 PCB 기판(110) 상에 반타원형 내부의 공기를 가열할 수 있도록 발열수단(120)(Heaters)를 내장하고, 내부 온도를 측정할 수 있는 온도센서를 배치하여 주변온도(ambient temperature) 보다 약 20 ~ 30 ℃ 정도 가열시킴으로써 외부 온도에 따른 상대적인 습도가 높더라도 적외선이 반사 통과되는 영역의 온도를 상승시킴으로써 상대습도를 낮추어 광학적 기구물 표면(적외선을 반사하는 면)에서의 수증기의 응축을 방지할 수 있도록 하였다.
이때 제1,제2,제3반타원경(101, 102, 103)의 내부면은 전자빔 혹은 스퍼터링 시스템에 의해 Au/Ti 박막을 증착(Deposition)하게 된다. 전자빔 혹은 스퍼터링 시스템에 의한 Au/Ti 증착막(140)은 도금방법에 의해 형성된 Au/Ti 박막에서 흔히 접할 수 있는 결정립 경계(Grain Boundary)를 중심으로 한 박리현상을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서, 모의해석 결과인 도 15 내지 도 20에 제시된 광학적 모의해석 결과를 통해,
1) 앞서 언급한 종래기술 1,2,3에 제시된 특허와 비교하여 광 경로를 길게 할 수 있는 장점을 지니고 있으며,
2) 종래기술 4 및 종래기술 5와 비교하였을 때 별도의 집광 렌즈를 사용하지 않고, 조사 광을 효과적으로 집광하여 광학적 센서부에 조사시킬 수 있는 장점을 갖고 있으며,
3) 광학적 구조물 내부에 발열체를 내장하여 주변온도(ambient temperature)와 비교하여 약 20 ~ 30 ℃ 정도 상승시켜 주변공기내에 포함된 수증기가 구조물 내부면에 응축되는 현상을 방지할 수 있으며,
4) 펌프 혹은 마이크로 팬 등으로 구성된 유동수단을 부가적으로 배치함으로써 측정 대상가스를 짧은 시간에 측정, 분석하게 함으로써 응답시간을 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조적, 기능적 장점을 확보할 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따르면, 적외선 광학적 가스센서가 갖추어야 할 특징인,
1) 적외선광원의 경년변화에 능동적으로 대응할 수 있는 구조(MEMS 적외선 광원 혹은 LED 사용함으로써),
2) 고감도(광 경로의 길이를 효과적으로 증대)의 센서 혹은 광 강도를 향상(점 광원과 반타원형 구조물을 응용함으로써 조사광의 집광)집광시킬 수 있는 구조,
3) 광 경로가 긴 구조물이고, 내부에서의 반사는 최소화하여야 하는 구조,
4) 적외선 센서에 도달하는 입사광은 적외선 센서의 중앙에 작은 반경으로 포집됨으로써 적외선 센서의 FOV(Field of View) 내로 조사되는 특징과,
5) 수증기가 내부벽면에 응축됨으로 인한 출력전압의 저하 혹은 별도의 보정을 방지하고, 내부 반사경이 산성 혹은 알카리성 가스에 대한 부식을 방지할 수 있는 기능을 모두 갖춘 센서의 제작이 가능할 것이다.
또한 도 18 내지 도 20에 제시된 것과 같이, 적외선의 공간적인 밀도가 낮은 영역에 가스의 흡입구(대상가스의 측정을 위해 가스를 강제적으로 흡입하는 구조 혹은 소형 펌프를 사용하여 외부의 공기를 흡입하여 가스 측정에 사용하는 광학적 구조물에 있어서)와 유출구를 설치하면 광학적 효율의 감소 없이 광학적 센서를 제작할 수 있는 특징을 갖게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:종래기술 1에 따른 타원 돔형 반사경이 구비되 비분산 적외선 가스센서
2:인쇄회로기반
3:타원 돔형 반사경
4:광원
5:상판
6:광센서
7:광원고정홀
8:청소용 구멍
9:타원반사경
10:광센서 결합부
11:평판플랜지
20:종래기술 2에 따른 광도파판
21:제1타원경
21a:제1타원
21b:제1초점
22:제2타원경
22a:제2타원
22b:제2초점
23:광원
24:광검출기
25:제1광검출윈도우
26:제2광검출윈도우
31:제1포물경
32:제2포물경
40:종래기술 4에 따른 집약렌즈를 구비한 비분산 적외선 가스 분석 장치
41: 케이스부
42:발광부
43:산란부
44:수광부
45:주입관
46:고정부
47:적외선 광원
48:광원고정판
49:광검출부기판
50:적외선센서
51:렌즈부
52:PCB
53:핀공
54:삽입공
55:통공
56:멤브레인
60:종래기술 5에 따른 비분산 적외선 가스 센서
61:광원램프
62:타원반사경
63:통기구
64:적외선센서
70:종래기술 6에 따른 비분산 적외선 가스 측정 장치
71:적외선 램프
72:반사경
73:광센서
74:광도파관
75:제2공기유입구
76:공기유출구
77:제1공기유입구
80:종래기술 7에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 광동공
81:우후방반사경
82:좌후방반사경
83:좌측반사경
84:좌전방반사경
85:우전방반사경
86:광원고정부
87:광센서고정부
91:가스측정용 적외선광원부
92:신호보상용 적외선광원부
93:광센서부
100:본 발명에 따른 광도파관
101:제1반타원경
102:제2반타원경
103:제3반타원경
110:PCB기판
111:PCB기판 상면
112:PCB기판 하면
113:가스공급주입구
114:가스배출구
120:발열수단
130:유동수단
140:증착막
200:본 발명에 따른 광학적 가스센서
F1:제1초점
F2:제2초점
C1:제1가상선
C2:제2가상선
C3:제3가상선
θ:각도
θ1:제1각도
θ2:제2각도

Claims (19)

  1. 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서,
    상기 복수개의 반타원경은, 각각의 제1초점을 공통초점으로 공유하고 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루며,
    상기 복수개의 반타원경 일부는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 일부는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들이 이루는 일정한 각도는, 10도 이상 180도 미만의 범위 내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  3. 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서,
    상기 복수개의 반타원경은
    제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경을 포함하고,
    상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경 중 어느 하나는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 하나는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며,
    상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1반타원경의 제2초점에 광원이 위치하고 상기 제2반타원경의 제2초점에 광센서부가 위치하거나, 또는
    상기 제1반타원경의 제2초점에 광 센서부가 위치하고 상기 제2반타원경의 제2초점에 광원이 위치하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되고,
    상기 광센서부는 적외선 PD로 구성되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 반타원경의 내면에는 증착막이 형성된 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  7. 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서,
    상기 복수개의 반타원경은, 서로 이웃하는 2개의 반타원경 간에는 공통초점을 공유하고, 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루며,
    상기 서로 이웃하는 2개의 반타원경 중 어느 하나는 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 나머지 하나는 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  8. 3차원 반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 복수개의 반타원경을 포함하는 광 도파관에 있어서,
    상기 복수개의 반타원경은
    제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경과, 상기 제2반타원경의 제2초점을 공유하는 제3반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제3반타원경을 포함하고,
    상기 제1반타원경과 상기 제3반타원경은 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경은 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며,
    상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경과 상기 제3반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1반타원경의 제2초점에 광원이 설치되고, 상기 제3타원경의 제1초점에 광센서부가 위치하거나, 또는
    상기 제1반타원경의 제2초점에 광센서부가 설치되고, 상기 제3타원경의 제1초점에 광원이 위치하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광원은 적외선 LED 광원 또는 MEMS 적외선 광원으로 구성되고,
    상기 광센서부는 적외선 PD로 구성되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 반타원경의 내면에는 증착막이 형성된 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광 도파관.
  12. 광 도파관을 이용한 광학적 가스센서에 있어서,
    PCB 기판;
    제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경을 포함하고, 상기 제1반타원경은 상기 PCB기판을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경은 PCB기판을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 광도파관;
    상기 제1반타원경의 제2초점 또는 상기 제2반타원경의 제2초점에 위치하여 광을 방출하는 광원; 및
    상기 제2반타원경의 제2초점 또는 상기 제1반타원경의 제2초점에 위치하여 상기 광원의 광을 투과시키는 광센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  13. 광 도파관을 이용한 광학적 가스센서에 있어서,
    PCB 기판;
    제1반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제1반타원경과, 상기 제1반타원경의 제1초점을 공유하는 제2반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제2반타원경과, 상기 제2반타원경의 제2초점을 공유하는 제3반타원체의 전체 궤적 중 일부를 따라 형성되는 제3반타원경을 포함하고, 상기 제1반타원경과 상기 제3반타원경은 기준면을 기준으로 상부측으로 볼록한 형태로 형성되고, 상기 제2반타원경은 기준면을 기준으로 하부측으로 볼록한 형태로 형성되며, 상기 제1반타원경과 상기 제2반타원경과 상기 제3반타원경 각각의 제1초점과 제2초점을 연결하는 가상의 기준선들은 서로 일정한 각도를 이루는 광도파관;
    상기 제1반타원경의 제2초점 또는 상기 제3반타원경의 제1초점에 위치하여 광을 방출하는 광원; 및
    상기 제3반타원경의 제1초점 또는 상기 제1반타원경의 제2초점에 위치하여 상기 광원의 광을 투과시키는 광센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 광원이 위치된 반타원경의 측면부분 중, 상기 광원에서 방출되는 광의 공간적인 밀도가 낮은 부분에 가스가 유입되는 기체공급주입구와,
    상기 광센서부가 위치된 반타원경의 측면부분에 구비되는 가스배출구를 더 포함하고,
    상기 광도파관과 상기 가스공급주입부 미 상기 가스배출구는 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 가스배출구 또는 상기 가스공급주입부에 구비되어 상기 광도파관으로 가스를 흡배기 시키기 위한 유동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  16. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 광도파관의 내부를 가열시키기 위한 발열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 광도파관의 내부온도를 측정하는 온도센서; 및
    상기 온도센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 발열수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  18. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 반타원경의 내면에는 증착막이 형성된 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 증착막은,
    Au/Ti 박막을 전자빔 또는 스퍼터링 시스템에 의해 증착하여 형성된 것을 특징으로 하는 광산란 방지 및 내화학성 향상을 위한 광학적 가스센서.
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