KR20170071923A - 광학 가스센서 - Google Patents

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김광복
정대광
정용원
고준호
김창현
이용찬
이정은
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Abstract

광학가스센서가 개시된다. 본 발명의 광학가스센서는, 광을 방출하는 광원과; 측정 대상 가스를 수용하는 공동(空洞, cavity)을 가진 가스수집부; 상기 광원으로부터 방출된 광을 안내하여 상기 공동으로 출력하고, 상기 출력된 광이 가스수집부의 상기 공동을 통과한 후 입력되어 다시 상기 공동으로 출력하게 하는 광도파부와; 상기 광도파부에서 출력된 광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 가스를 수용한 공동 내에서 방출된 광이 반복하여 입력 및 출력함으로써 가스에 접촉하는 광경로를 증가시켜 소형화가 가능하면서도 낮은 농도의 가스를 정확하게 검출할 수 있다.

Description

광학 가스센서{An Optical Gas Sensor}
본 발명은 광학 가스센서에 관한 것이다.
병원에서 진행되는 검진법은 만성질환 환자의 혈액이나 조직 채취를 필요로 하여 환자의 불편을 가중시키는 단점이 있어서, 최근 인체 호흡가스 분석을 이용해 비침습적으로 질병, 예를 들면 만성폐쇄성 폐질환, 천식, 폐결핵, 폐암, 당뇨 등을 진단하는 방법에 대한 연구가 지속적으로 증가하는 추세이다.
질병을 진단하기 위해, 광학가스센서를 이용하여 인체의 건강 상태를 반영하는 다양한 호흡 가스, 예를 들면 일산화질소(NO), 일산화탄소(CO), 아세톤 등에 빛을 투과시켰을 때, 가스 별로 흡수하는 파장이 다른 성질을 이용하여 스펙트럼을 분석함으로써 만성질환을 진단할 수 있다.
직경이 2mm 내외이고 속이 비어있는 중공의 광도파로(Optical waveguide)를 접히거나 꼬인 형태로 제작하여 작은 공간에서 긴 광 경로를 확보할 수 있도록 하고, 내부에 측정하고자 하는 가스를 채운 후 광도파로를 통해 빛을 통과시켜 가스 성분을 검출하는 광학가스센서가 개시된 바 있다(US 2013/0081447호)
이러한 종래의 광학가스센서는 작고 복잡한 형태의 광도파로(Optical waveguide) 내부에 호흡 가스를 흡기/배기를 하기 위해서는 별도의 펌프 장치가 필요하므로 소형화의 한계가 있고 구조가 복잡하다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 소형화가 가능하고 구조가 간단한 광학가스센서를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 소형이면서도 광 경로를 증가시킬 수 있어 낮은 농도의 가스를 정확하게 검출할 수 있다.
상술한 본 발명의 해결과제를 달성하기 위한 실시예에 따른 광학가스센서는, 광을 방출하는 광원과; 측정 대상 가스를 수용하는 공동(空洞, cavity)을 가진 가스수집부; 상기 광원으로부터 방출된 광을 안내하여 상기 공동으로 출력하고, 상기 출력된 광이 가스수집부의 상기 공동을 통과한 후 입력되어 다시 상기 공동으로 출력하게 하는 광도파부와; 상기 광도파부에서 출력된 광을 검출하는 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광도파부는 상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 제1입구와 상기 제1입구를 통해 들어 온 광을 상기 공동으로 출력하는 제1출구를 가진 제1광도파로, 상기 제1출구를 통해 출력된 광이 상기 공동을 통과하여 입력되는 제2입구와 상기 제1입구를 통해 들어 온 광을 다시 상기 공동으로 출력하는 제2출구를 가진 제2광도파로, 및 상기 2출구를 통해 출력된 광이 상기 공동을 통과하여 입력되는 제3입구와 상기 제3입구를 통해 들어 온 광을 외부로 출력하는 제3출구를 가진 제3광도파로를 포함할 수 있다.
상기 광도파부는 2 이상의 제2광도파로를 포함할 수 있다.
상기 가스수집부는 상하부가 개방된 배럴 형상일 수 있다.
상기 가스수집부는 원통 및 사각통 중 하나일 수 있다.
상기 가스수집부는 2 이상의 기판으로 형성할 수 있다.
상기 가스수집부는 2 개의 기판으로 형성되며, 상기 제1광도파로, 제2광도파로, 및 제3광도파로는 2개의 기판 중 하나의 기판에 형성될 수 있다.
상기 가스수집부는 2 개의 기판으로 형성되며, 상기 제1광도파로, 제2광도파로, 및 제3광도파로는 상기 2개의 기판의 마주보는 표면에 각각 형성될 수 있다.
상기 가스수집부는 2 개의 기판으로 형성되며, 상기 제1광도파로 및 제2광도파로는 하나의 기판에 형성되고, 제3광도파로는 인접하는 다른 하나의 기판에 형성될 수 있다.
상기 3 개의 기판으로 형성되며, 상기 제1광도파로, 제2광도파로 및 제3광도파로는 인접하는 3개의 기판 중 중앙의 하나의 기판에 형성될 수 있다.
상기 가스수집부는 3 개 이상의 기판으로 형성되며, 상기 제1광도파로, 상기 제2광도파로 및 제3광도파로는 상기 3개 이상의 기판들에 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 제1광도파로, 제2광도파로, 및 제3광도파로의 단면은 사각형, 사다리꼴형, 육각형, 삼각형, 반원형, 원형, 마름모형, 및 팔각형 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1출구 내지 제3출구 중 적어도 하나는 깔때기 형상일 수 있다.
상기 제1입구 내지 제3입구 중 적어도 하나는 깔때기 형상일 수 있다.
상기 제1출구 내지 제3출구 중 적어도 하나는 시준렌즈를 배치할 수 있다.
상기 제1입구 내지 제3입구 중 적어도 하나에는 집광렌즈를 배치할 수 있다.
상기 공동 내에서 상기 제1출구의 단부와 상기 제2입구의 단부 및 상기 제2출구의 단부와 상기 제3 입구의 단부 사이의 거리는 가변적으로 조절될 수 있다.
상기 거리 조절에 따라 상기 광원의 광량은 조절될 수 있다.
상기 거리 조절은 공동 내의 가스 농도가 낮을 경우 확대할 수 있다.
상기 광량 조절은 공동 내의 가스 농도가 낮을 경우 확대할 수 있다.
상기 광도파부는 분리되어 제작되고, 상기 분리 제작된 광도파부는 상기 가스수집부에 결합될 수 있다.
본 발명에 의하면, 광학가스센서의 광 경로를 증가시키면서도 소형화가 가능하고, 낮은 농도의 가스도 정확하게 검출해 낼 수 있다.
도 1은 광학가스센서의 원리를 나타내는 도,
도 2는 광학가스센서에서 검출된 광의 분석에 따른 가스성분을 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학가스센서의 사시도,
도 4는 도 1의 광학가스센서의 단면도,
도 5는 도 1의 광학가스센서의 출구와 입구 형상을 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학가스센서의 단면도,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 광학가스센서의 단면도,
도 8은 도 1의 광학가스센서의 분해사시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유의 예를 나타낸 도,
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 광학가스센서의 분해사시도,
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 광학가스센서의 분해사시도,
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 광학가스센서의 분해사시도,
도 13은 본 발명의 제7실시예에 따른 광학가스센서의 사시도,
도 14는 본 발명의 제8실시예에 따른 광학가스센서의 사시도,
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 광학가스센서의 다양한 광도파로 단면형상을 나타내는 단면도,
도 16은 본 발명의 제9실시예에 따른 광학가스센서의 사시도 및
도 17은 본 발명의 제10실시예에 따른 광학가스센서의 분해사시도이다.
이하, 본 발명의 일 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시예의 다양한 변경 (modification), 균등물 (equivalent), 및/또는 대체물 (alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 명세서에서, “가진다,” “가질 수 있다,”“포함한다,” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “A 또는 B,”“A 또는/및 B 중 적어도 하나,”또는 “A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상”등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, “A 또는 B,” “ A 및 B 중 적어도 하나,”또는 “ A 또는 B 중 적어도 하나”는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 “제 1,”“제 2,”“첫째,”또는“둘째,”등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 이러한 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
어떤 구성요소 (예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어 ((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어 (connected to)" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소 (예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소 (예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소 (예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소와 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소 (예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 표현 “~하도록 구성된 (또는 설정된)(configured to)”은 상황에 따라, 예를 들면, “~에 적합한 (suitable for),” “~하는 능력을 가지는 (having the capacity to),” “~하도록 설계된 (designed to),” “~하도록 변경된 (adapted to),” “~하도록 만들어진 (made to),”또는 “~를 할 수 있는 (capable of)”과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 “~하도록 구성 (또는 설정)된”은 하드웨어적으로 “특별히 설계된 (specifically designed to)”것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, “~하도록 구성된 장치”라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 “~할 수 있는” 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 “A, B, 및 C를 수행하도록 구성 (또는 설정)된 프로세서”는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서 (예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서 (generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 단지 특정일 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 명세서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 광학가스센서(100)의 가스 검출원리를 나타내는 도이다. 광원(110)에서 방출된 광은 가스 챔버 내를 통과하여 광검출부(140)로 검출된다. 가스분자(1)는 가스 종류별로 고유의 파장만을 흡수하는 성질을 가진다. 따라서, 가스를 통과한 광을 검출하여 광분석기를 이용하여 파장을 분석함으로써 가스의 종류를 판별하는 것이 가능하다. 도 2는 가스를 통과한 광을 검출하여 분석한 그래프로서, 이산화탄소(CO2)의 4.26μm 파장의 광 흡수 및 일산화탄소(CO)의 4.6μm 파장의 광 흡수를 나타내고 있다.
흡광차분광법(Differential Optical Absorption Spectroscopy: DOAS)은 기본 원리인 비어-램버트(Beer-Lambert)법칙을 응용하며 다음의 관계식이 성립한다.
I = Io X 10 -εcℓ
I는 투사광의 광도, Io는 입사광의 광도, c는 농도, ℓ은 광경로 길이, ε는 흡광계수이다.
비어-램버트 법칙에 의하면, 광경로가 길수록 가스 검출의 정확도가 향상되고, 낮은 농도의 가스를 정확하게 검출하기 용이해진다. 따라서, 광경로를 길게 하면 가스 측정 장치의 크기가 커지므로, 휴대형 장비에 적용하기 위해서는 광경로를 길게 유지하면서 동시에 가스 측정 장치의 크기를 소형화할 수 있는 기술이 요구된다.
도 3 및 4는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 광학가스센서(100)의 구성을 나타내는 사시도 및 단면도이다. 광학가스센서(100)는 광을 방출하는 광원(110), 중앙에 상하 개방되어 측정대상 가스를 포집하는 공동(122)을 가진 가스수집부(120), 상기 가스수집부(120)의 벽(124)에 형성된 광도파부(130), 및 상기 광도파부(130)에서 최종적으로 출력하는 광을 검출하는 광검출부(140)를 포함한다.
광원(110)은 발광다이오드(LED), 크세논램프, 메탈할라이드 램프, 할로겐램프, 텡스텐 램프, 세라믹메탈 램프, 고압나트륨 램프, 형광 램프, 및 태양광 중 하나로 구현된다.
측정대상가스는 일산화탄소, 이산화탄소, 오존, 아황산가스, 질소산화물, 암모니아, 과산화수소, VOCs류(포름알데하이드, 아세톤, 아이소프렌, 벤젠, 톨루엔 등), VSC(Volatile Sulfide Compounds)류(황화수소, 메틸머캅탄) 중 하나를 포함한다.
가스수집부(120)은 폴리카보네이트, 테프론 또는 알루미늄 합금 등으로 제작될 수 있다. 가스수집부(120)은 중앙에 상부 및 하부가 개방된 공동(122)을 가진 배럴 타입, 예를 들면 제한되지 않는 사각통 또는 원통으로 만들어 질 수 있다. 또한, 가스수집부(120)은 상부 및 하부가 개방된 공동(122)을 중앙에 가진 기판으로 제작될 수 있다. 가스수집부(120)의 공동(122)의 개방된 상부 입구 및 하부 입구 중 하나는 측정대상가스의 흡기구이고 다른 하나는 배기구로서 역할을 한다.
광도파부(130)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 광이 지그재그 형태로 공동(122) 내를 반복하여 나왔다가 들어가도록 광도파로들(OWG1~8)이 배열된다. 광도파로는 광의 전반사 현상을 이용하여 광을 특정한 방향으로 손실을 최소화하여 전달하는 장치로 기본적으로 높은 굴절률을 가진 코어(중심부)가 낮은 굴절률을 가지는 클래드부(외피부)에 의하여 에워싸인 구성으로 되어 있다. 상기 광도파로는 비평면형(non-planer), 평면형(planer), 매몰 채널형(buried channel), 스트립 로드형(strip loaded), 릿지형(ridge), 리브형(rib), 및 확산형(diffused type) 중 하나의 형태로 구성되거나 복합된 형태로 구성될 수 있다.
광도파부(130)는 상기 광원(110)으로부터 방출된 광이 방출되어 들어가는 제1입구(123-1)와 상기 가스수집부(120)의 벽(124)을 관통한 후 공동(122)으로 출력하는 상기 공동(122)을 구성하는 내벽에 형성된 제1출구(123-2)를 가진 제1광도파로(OWG1), 상기 제1출구(123-2)를 통해 출력된 광이 상기 공동(122)을 통과하여 상기 내벽에 형성된 제2입구(126-1~126-6)를 통해 입력되고 상기 가스수집부(120)의 벽(124) 내에서 이동하다가 다시 내벽에 형성된 제2출구(127-1~127-6)를 통해 다시 공동으로 출력하는 복수의 제2광도파로(OWG2~7), 및 상기 2출구들 중 최종 제2출구(127-6)를 출력된 광이 상기 공동(122)을 통과하여 입력되는 상기 내벽에 형성된 제3입구(129-1)와 상기 가스수집부(120)의 벽(124)을 관통한 후 외부로 출력하는 제3출구(129-2)를 가진 제3광도파로(OWG8)를 포함한다.
광도파부(130)는 광을 가스수집부(120)의 외부 좌측에서 벽(124)의 최상부를 관통하여 공동(122)의 제1광경로l1의 시작점에 전달하는 제1광도파로(OWG1), 제1광경로l1의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 다시 제2광경로l2의 시작점에 전달하는 제2광도파로1(OWG2), 제2광경로l2의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제3광경로l3의 시작점에 전달하는 제2광도파로2(OWG3), 제3광경로l3의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제4광경로l4의 시작점에 전달하는 제2광도파로3(OWG4), 제4광경로l4의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제5광경로l5의 시작점에 전달하는 제2광도파로4(OWG5), 제5광경로l5의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제6광경로l6의 시작점에 전달하는 제2광도파로5(OWG6), 제6광경로l6의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제7광경로l7의 시작점에 전달하는 제2광도파로6(OWG7), 및 제7광경로l7의 끝에서 입력하여 벽(124)을 관통하여 외부로 방출하는 제3광도파로(OWG8)를 포함한다. 여기서, 공동(122) 내의 가스를 통과하는 광의 경로 총 길이(L)는 제1출구 123-2에서 제2입구 126-1까지의 제1경로l1, 제2출구 127-1에서 제2입구 126-2까지의 제2경로l2, 제2출구 127-2에서 제2입구 126-3까지의 제3경로l3, 제2출구 127-3에서 제2입구 126-4까지의 제4경로l4, 제2출구 127-4에서 제2입구 126-5까지의 제5경로l5, 제2출구 127-5에서 제2입구 126-6까지의 제6경로l6, 및 제2출구 127-6에서 제3입구 129-1까지의 제7경로l7을 합한 값이다. 이와 같이, 광원(110)에서 발생된 광이 가스가 채워진 공동(122) 내를 들어갔다가 나오는 과정을 반복함으로써 광의 경로를 증가시킬 수 있기 때문에, 광학가스센서(100)의 소형화를 달성하는 것이 가능하다. 특히, 공간이 좁고 가스 농도가 낮은 환경에서 광의 경로를 길게 하여 낮은 농도의 가스에 대해서도 정확한 측정이 가능하다. 도 4에서, 제2광도파로는 6개의 광도파로1~6(OWG2~7)로 설계되어 있으나, 이는 적용 분야에 따라 크기나 형상을 고려하여 가감하도록 설계할 수 있다.
광검출부(140)는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하며, 주로 실리콘과 갈륨비소 등으로 구현될 수 있다. 입사한 적외선을 전압의 형태로 변환시켜 광검출이 가능하도록 하는 파이로일렉트릭(pyroelectric) 효과를 이용한 검출기, 광흡수에 의한 반도체 내에서 반송자 생성을 이용한 반도체 광검출기 등이 있다.
본 발명에서는 별도로 도시나 설명은 생략하였지만, 검출된 광을 분석하는 분석장치(컴퓨터)를 더 포함할 수 있다. 분석장치는 전술한 램버트 법칙을 이용하여 광검출부(140)에서 측정한 광량에 기반하여 해당 기체의 농도를 계산한다. 즉, 상기 분석장치는 광검출부(140)에서 검출한 광의 파장과 양에 대응하는 가스의 농도값을 저장한 룩업테이블을 포함하고, 수광부에서 검출한 광량에 기반하여 가스의 농도값을 분석할 수 있다. 또한, 상기 분석장치는 광검출부(140)에서 검출한 광의 파장과 양을 이용하여 가스의 농도를 계산할 수 있는 수식을 포함하고, 상기 수식를 이용하여 상기 검출한 광의 파장과 양에 기반한 가스의 농도값을 분석할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학가스센서(100)의 광도파부(130)의 패턴을 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이, 광원(110)에서 방출된 광은 제1입구(123-1)로 들어가 제1출구 123-2를 통해 공동(122)으로 들어가고, 공동을 통과한 광은 제2입구 126-1로 들어가고, 제2출구 127-1에서 공동으로 나와 제2입구 126-2로 들어가고, 제2출구 127-2에서 공동(122)으로 나와 제2입구 126-3로 들어가고, 제2출구 127-3에서 공동(122)으로 나와 제2입구 126-4로 들어가고, 제2출구 127-4에서 공동(122)으로 나와 제2입구 126-5로 들어가고, 제2출구 127-5에서 공동(122)으로 나와 제2입구 126-6으로 들어가고, 제2출구 127-6에서 나와 공동을 통과하여 제3입구 129-1로 들어가 제3출구(129-2)를 통해 외부로 방출된다.
도 5는 본 발명의 본 발명의 제2실시예에 따른 광학가스센서(100)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 광도파부(130)는 광을 가스수집부(120)의 외부 좌측에서 벽(124)의 최상부를 관통하여 공동(122)의 제1광경로l1의 시작점에 전달하는 제1광도파로(OWG1), 제1광경로l1의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제6광경로l6의 시작점에 전달하는 제2광도파로1(OWG2), 제6광경로l6의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제3광경로l3의 시작점에 전달하는 제2광도파로2(OWG3), 제3광경로l3의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제4광경로l4의 시작점에 전달하는 제2광도파로(3OWG4), 제4광경로l4의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제5광경로l5의 시작점에 전달하는 제2광도파로4(OWG5), 제5광경로l5의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제2광경로l2의 시작점에 전달하는 제2광도파로5(OWG6), 제2광경로l2의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제7광경로l7의 시작점에 전달하는 제2광도파로6(OWG7), 및 제7광경로l7의 끝에서 입력하여 벽(124)을 관통하여 외부로 방출하는 제3광도파로(OWG8)를 포함한다.
제2실시예에 따른 광도파부(130)는 가스수집부(120) 벽(124) 내에 배치된 제2광도파로1, 2, 5, 6(OWG2~3, 6~7)의 곡률이 제2광도파로2, 3(OWG3-4)을 제외하고는 제1실시예보다 상대적으로 곡률이 크기 때문에 광 손실을 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 본 발명의 제3실시예에 따른 광학가스센서(100)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 광도파부(130)는 광을 가스수집부(120)의 외부 좌측에서 벽(124)의 최상부를 관통하여 공동(122)의 제1광경로l1의 시작점에 전달하는 제1광도파로(OWG1), 제1광경로l1의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제7광경로l7의 시작점에 전달하는 제2광도파로1(OWG2), 제7광경로l7의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제2광경로l2의 시작점에 전달하는 제2광도파로2(OWG3), 제2광경로l2의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제6광경로l6의 시작점에 전달하는 제2광도파로3(OWG4), 제6광경로l6의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제3광경로l3의 시작점에 전달하는 제2광도파로4(OWG5), 제3광경로l3의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제5광경로l5의 시작점에 전달하는 제2광도파로5(OWG6), 제5광경로l5의 끝에서 입력하여 벽(124) 내에서 이동하다가 제4광경로l4의 시작점에 전달하는 제2광도파로6(OWG7), 및 제4광경로l4의 끝에서 입력하여 벽(124)을 관통하여 외부로 방출하는 제3광도파로(OWG8)를 포함한다. 이때, 제3광도파로(OWG8)는 경로 중첩을 피하기 위해 제2광도파로1(OWG2), 제2광도파로3(OWG4), 및 제2광도파로5(OWG6)와 동일 평면이 아닌 상부 또는 하부(도면의 지면 기준)에 형성되어야 한다. 따라서, 제2광도파로6(OWG7)의 제2출구127-6는 제3광도파로(OWG8)의 제3입구129-1에 대해 상향 또는 하향(도면 기준)하도록 설계되는 것이 바람직하다.
제3실시예에 따른 광도파부(130)는 가스수집부(120) 벽(124) 내에 배치된 제2광도파로1~5(OWG2~6)의 곡률이 제2광도파로6(OWG7)를 제외하고는 제1실시예보다 상대적으로 곡률이 크기 때문에 광 손실을 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 광도파부(130,OWG)의 입구(126) 및 출구(127)의 형상을 나타낸 도면이다. 공동 내의 각 출구(127)에서 나온 광이 손실없이 입구(126)로 들어가기 위해서는 출구(127)는 점차 넓어지는 깔때기 형태로 만들어지고, 입구(126)는 점차 좁아지는 깔때기 형태로 만들어지는 것이 바람직하다. 물론, 출구(127)와 입구(126)의 형태는 서로 대칭 또는 비대칭일 수도 있고, 원형 외에 타원형, 다각형, 오목형 중 어느 것으로도 형성할 수도 있다.
렌즈는 광의 투과율이 높은 유리와 같은 물질의 면을 가공하여 광을 모으거나 발산시킬 수 있는 장치로, 공동 내에서 광의 손실을 줄이기 위해 출구(127)의 일단에는 시준렌즈(150)를 장착하여 출력되는 광이 확산되는 것을 막고 평행하게 입구로 들어갈 수 있도록 하고, 입구(126)의 일단에는 집광렌즈(160)를 장착하여 전달된 광을 각 광도파로로 수렴하도록 하는 것이 좋다. 여기서 시준렌즈(collimating lenses)는 광의 확산을 막고 평행하게 하는 렌즈이며, 집광렌즈(condensing lenses)는 광을 모아 수렴시키는 렌즈이다. 상기 출구(127) 및 입구(126)에는 렌즈 대신에 광학안테나를 적용하는 것도 가능하다. 상기 렌즈는 1개로 구성될 수도 있고 여러 개의 렌즈 즉 조합된 렌즈로 구성되어 특정한 효과를 낼 수도 있다.
도 8은 도 1의 광학가스센서의 분해사시도로서, 제1기판(120-1)과 제2기판(120-2)의 2개의 기판을 결합하여 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1기판(120-1)은 일 표면에 함몰된 홈 형태의 측정대상가스를 포집하는 제1공동(122-1) 및 광도파부(130)이 형성되어 있다. 제2기판(120-2)은 제1기판(120-1)의 제1공동(122-1)에 대응하는 제2공동(122-2)가 형성된다. 이때, 제1기판(120-1)에 형성된 함몰 홈 형태의 광도파부(130)는 그 자체로 사용될 수도 있고 광섬유(200)를 삽입할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 광도파부(130)에 사용되는 광섬유(200)의 예를 나타낸 도이다. 도시된 바와 같이 광도파부(130)에 광섬유를 사용할 경우 각 광섬유(170)의 양단부는 광을 효율적으로 방출하고 입력하기 위한 적절한 형태로 제작될 수 있다. 예를 들면 광섬유(170)는 광전달부(172), 상기 광전달부(172)의 광 출구에 해당하는 일단에는 도 7에 나타낸 바와 같은 시준렌즈(150)를 연결하는 제1연결부(174), 및 상기 광전달부(172)의 광 입구에 해당하는 타단에는 도 7에 나타낸 바와 같은 집광렌즈(160)를 연결하는 제2연결부(176)를 포함한다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 광학가스센서(100)의 분해사시도로서, 2개의 기판으로 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1기판(120-1)은 일 표면에 측정대상가스를 포집하는 제1공동(122-1) 및 광도파부(130-1)에 해당하는 함몰된 홈이 형성되어 있다. 제2기판(120-2)은 제1기판(120-1)의 제1공동(122-1) 및 제1광도파부(130-1)에 대응하는 대칭형태의 제2공동(122-2) 및 제2광도파부(130-2)가 형성되어 있다. 제4실시예에 따른 광학가스센서(100)는 제1기판(120-1)의 제1공동(122-1) 및 제1광도파부(130-1)와 제2기판(120-2)의 제2공동(122-2) 및 제2광도파부(130-2)이 서로 매칭되도록 결합하여 형성된다.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 광학가스센서(100)의 분해사시도로서, 2개의 기판으로 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1기판(120-1)은 일 표면에 함몰된 홈 형태의 측정대상가스를 포집하는 제1공동(122-1) 및 광도파부(130-1)가 형성되어 있다. 이때, 제1기판(120-1)에는 제3광도파로(OWG8)가 제2광도파로1(OWG2), 제2광도파로3(OWG4), 및 제2광도파로5(OWG6)와의 경로 중첩을 피하기 위해 형성되지 않는다. 대신에, 제3광도파로(OWG8)는 제2기판(120-2)의 마주보는 표면에 형성된다. 또한, 제2광도파로6(OWG7)의 제2출구127-6는 제3광도파로(OWG8)의 제3입구129-1를 향하도록 설계되어야 한다. 이러한 상향 또는 하향 배치는 도 9에 나타낸 광섬유를 적용하면 보다 용이하게 설계할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제6실시예에 따른 광학가스센서(100)의 분해사시도로서, 3개의 기판(120-1,120-2,120-3)으로 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1기판(120-1)은 일 표면에 측정대상가스를 포집하는 제1공동(122-1), 제1광도파로(OWG1) 및 제2광도파로1(OWG2)에 해당하는 함몰된 홈이 형성되어 있다. 제2기판(120-2)은 일 표면에 측정대상가스를 포집하는 제2공동(122-2), 제2광도파로2(OWG3) 및 제2광도파로3(OWG4)에 해당하는 함몰된 홈이 형성되어 있다. 이때, 제1기판(120-1)에 형성된 제2광도파로1(OWG2)의 제2출구(127-1)는 제2기판(120-2)의 제2광도파로2(OWG3)의 제2입구(126-2)를 향하도록 하여야 한다. 제3기판(120-3)은 일 표면에 측정대상가스를 포집하는 제3공동(122-3), 제2광도파로4(OWG5), 제2광도파로5(OWG6), 제2광도파로6(OWG7), 및 제3광도파로(OWG8)에 해당하는 함몰된 홈이 형성되어 있다. 이때, 제2기판(120-2)에 형성된 제2광도파로3(OWG4)의 제2출구(127-2)는 제3기판(120-3)의 제2광도파로4(OWG5)의 제2입구(126-3)를 향하도록 하여야 한다. 이러한 상향 또는 하향 배치는 도 9에 나타낸 광섬유를 적용하면 보다 용이하게 설계할 수 있다. 도 12에서, 제1 내지 3기판에 광도파부(OWG1~8)를 부분적으로 나누어 형성하는 패턴은 도면에 나타낸 패턴으로만 한정되지 않으며, 다양한 패턴으로의 변형이 가능하다.
도 8, 도 10, 도 11 및 도 12에 도시된 광학가스센서(100)는 2개 또는 3개의 기판으로 제작하였지만, 4개 이상의 기판으로 제작하는 것도 가능하다.
도 13은 본 발명의 제7실시예에 따른 광학가스센서의 사시도이다. 광학가스센서(100)는 사각통 형상으로 광도파부(130)는 사각통 가스수집부(120)의 벽(124) 내에 형성된다.
도 14는 본 발명의 제8실시예에 따른 광학가스센서의 사시도이다. 광학가스센서(100)는 원통 형상으로 광도파부(130)는 원통 가스수집부(120)의 벽(124) 내에 형성된다.
도 13 및 14에 나타낸 광학가스센서(100)는 각각 사각형 및 원통형으로 구현하였지만, 타원형통, 다각형통, 무정형통 등으로 구현될 수도 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 광학가스센서(100)의 다양한 광도파로(130) 단면형상을 나타내는 단면도이다. 광도파로(130) 단면은 사각형, 사다리꼴형, 육각형, 삼각형, 반원형, 원형, 마름모형, 및 팔각형 중 하나를 포함한다.
도 16은 본 발명의 제9실시예에 따른 광학가스센서(100)의 사시도로서, 광의 경로를 L1에서 L2로 조절 가능한 예를 나타내고 있다. 가스수집부(120)는 서로 슬라이드 이동 가능하게 결합된 제1가스수집부(120-1)과 제2가스수집부(120-2)로 구성된다. 물론, 광의 경로를 조절 가능하게 하는 예는 도 15에 나타낸 실시예 외에도 다양한 변형이 가능하다. 측정하고자 하는 가스농도가 낮은 경우 광의 경로(L2)를 확장할 수 있다. 또한, 광의 경로를 확장할 경우 광의 세기를 높일 수도 있다.
도 17은 도 16은 본 발명의 제10실시예에 따른 광학가스센서(200)의 사시도로서, 가스를 포집하는 공동(222)을 가진 가스수집부(220) 및 별도 제작된 제1 및 제2광도파부(230-1,230-2)를 포함한다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 가스수집부(220)는 중앙에 가스를 수용하는 한정되지 않는 사각통 형상으로 제작된다. 제1 및 제2광도파부(230-1,230-2)는 상기 가스수집부(220)의 공동에 소정 거리를 두고 결합한다. 이와 같이, 가스수집부(220)와 광도파부(230-1,230-2)는 일체가 아닌 별도로 제작되어 서로 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 광학가스센서는 대기오염 측정, 건강진단을 위한 호흡가스 측정, 또는 맨홀 등과 같은 특정 환경에서 가스 측정을 위해 사용될 수 있다. 광학가스센서를 통한 인체 호흡 가스측정으로 알아낼 수 있는 질환으로는 만성폐질환, 천식, 만성기침, 기관지 확장증, 폐결핵, 폐암, 갑상선암, 무호흡(질식), 신장질환, 당뇨, 흡연여부, 음주여부 등이 있다.
본 발명에 따른 광학가스센서는 랩탑형, 착용마스크, 휴대폰, 휴대폰 액세서리, 젖꼭지, 빨대, 헤드폰, 불루투수 이어폰, 목걸이, 스마트글라스, 스마트폰 펜에 장착 또는 일체로 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 한정된 예시적 실시예와 도면을 통해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 예시적 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 예시적 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 광학가스센서
110: 광원
120: 가스수용부
122: 공동
124: 벽
130: 광도파부
140: 광검출부
150: 시준렌즈
160: 집광렌즈

Claims (21)

  1. 광학가스센서에 있어서,
    광을 방출하는 광원과;
    측정 대상 가스를 수용하는 공동(空洞, cavity)을 가진 가스수집부;
    상기 광원으로부터 방출된 광을 안내하여 상기 공동으로 출력하고, 상기 출력된 광이 가스수집부의 상기 공동을 통과한 후 입력되어 다시 상기 공동으로 출력하게 하는 광도파부와;
    상기 광도파부에서 출력된 광을 검출하는 광검출부를 포함하는 광학가스센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광도파부는 상기 광원으로부터 방출된 광이 입력되는 제1입구와 상기 제1입구를 통해 들어 온 광을 상기 공동으로 출력하는 제1출구를 가진 제1광도파로, 상기 제1출구를 통해 출력된 광이 상기 공동을 통과하여 입력되는 제2입구와 상기 제1입구를 통해 들어 온 광을 다시 상기 공동으로 출력하는 제2출구를 가진 제2광도파로, 및 상기 2출구를 통해 출력된 광이 상기 공동을 통과하여 입력되는 제3입구와 상기 제3입구를 통해 들어 온 광을 외부로 출력하는 제3출구를 가진 제3광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광도파부는 2 이상의 제2광도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 상하부가 개방된 배럴 형상인 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 원통 및 사각통 중 하나인 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 2 이상의 기판으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 2 개의 기판으로 형성되며,
    상기 제1광도파로, 제2광도파로, 및 제3광도파로는 2개의 기판 중 하나의 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 2 개의 기판으로 형성되며,
    상기 제1광도파로, 제2광도파로, 및 제3광도파로는 상기 2개의 기판의 마주보는 표면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 2 개의 기판으로 형성되며,
    상기 제1광도파로 및 제2광도파로는 하나의 기판에 형성되고, 제3광도파로는 인접하는 다른 하나의 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 3 개의 기판으로 형성되며,
    상기 제1광도파로, 제2광도파로 및 제3광도파로는 인접하는 3개의 기판 중 중앙의 하나의 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가스수집부는 3 개 이상의 기판으로 형성되며,
    상기 제1광도파로, 상기 제2광도파로 및 제3광도파로는 상기 3개 이상의 기판들에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1광도파로, 제2광도파로, 및 제3광도파로의 단면은 사각형, 사다리꼴형, 육각형, 삼각형, 반원형, 원형, 마름모형, 및 팔각형 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 제1출구 내지 제3출구 중 적어도 하나는 깔때기 형상인 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1입구 내지 제3입구 중 적어도 하나는 깔때기 형상인 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1출구 내지 제3출구 중 적어도 하나는 시준렌즈를 배치하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 제1입구 내지 제3입구 중 적어도 하나는 집광렌즈를 배치하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 공동 내에서 상기 제1출구의 단부와 상기 제2입구의 단부 및 상기 제2출구의 단부와 상기 제3 입구의 단부 사이의 거리가 가변적으로 조절 가능한 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 거리 조절에 따라 상기 광원의 광량을 조절하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 거리 조절은 공동 내의 가스 농도가 낮을 경우 확대하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 광량 조절은 공동 내의 가스 농도가 낮을 경우 확대하는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 광도파부는 분리되어 제작되고, 상기 분리 제작된 광도파부는 상기 가스수집부에 결합되는 것을 특징으로 하는 광학가스센서.
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