KR20190059217A - 대상 물질 내부의 누출 여부를 감지하는 누출 감지 방법 - Google Patents

대상 물질 내부의 누출 여부를 감지하는 누출 감지 방법 Download PDF

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Abstract

대상 물질 내부의 누출 여부를 감지하는 누출 감지 방법이 개시된다. 누출 감지 방법은 이중 모드 레이저에서 출력되는 하나 이상의 주파수를 이용하여 초고주파 대역의 테라헤르츠파를 생성하고, 테라헤르츠파를 대상 물질로 방사한 후, 대상 물질로부터 방사된 반사 신호를 이용하여 대상 물질의 내부에서의 누출 여부를 판단한다.

Description

대상 물질 내부의 누출 여부를 감지하는 누출 감지 방법{Leak Detection Method For Detecting Leakage Of Interior Of Target Substance}
아래의 설명은 대상 물질 내 누출 여부를 감지하는 누출 감지 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 대상 물질의 내부에서 발생하는 누출 현상을 비접촉 방식 및 비파괴 방식으로 검출하는 방법에 관한 것이다.
테라헤르츠파(Terahertz Wave)는 1초에 1조번 진동하는 전자기파이다. 이러한, 테라헤르츠파는 스펙트럼에서 원적외선(광파, 빛)과 마이크로파(전파) 사이에 위치하여 직진하는 빛의 성질과 물질을 잘 투과하는 전파의 성질을 모두 가지고 있다. 따라서, 테라헤르츠파는 비극성 물질로 제작된 옷, 종이, 나무, 판지, 플라스틱, 세라믹 등의 물질들을 잘 투과하는 반면, 금속이나 비극성 물질의 대표인 물은 전자기파가 투과하기 힘든 대표적인 물질이다.
일반적으로, 대기중의 안개나 구름은 전파 손실을 유발하는 원인이 된다. 이와 같은 원리로 인체 세포의 주요 성분인 물로 인해 테라헤르츠파는 인체를 투과하는 특성이 매우 제한된다.
하지만, 테라헤르츠파는 비극성 물질에 대해 투과율이 높은 대비(contrast) 특성을 가지고 있어, 육안으로 식별이 불가한 물질 내 특성을 분석하는데 활용이 가능하다. 자세하게, 누출 검사 시스템은 누출 부위와 비 누출 부위 판별을 위해 단일 주파수가 갖는 기준점의 모호함으로 제거하기 위해 광대역의 테라헤르츠파 활용이 가능하다. 테라헤르츠파를 이용한 누출 검사 시스템은 크게 테라헤르츠 발생기, 신호 발생기, 검출기, 신호처리기로 구성되고, 파원의 특성에 따라서 펄스파(pulse)와 연속파(CW, continuous wave) 검출 시스템으로 나눌 수 있다.
펄스형 검출 시스템은 수 테라헤르츠에 해당하는 넓은 밴드폭을 가지기 때문에 주파수에 따른 측정 하고자 하는 시료에 대한 분석이 가능하다. 또한, 펄스형 검출 시스템은 광지연기를 활용함으로써, 임의 영역에서 반사되는 신호를 비교적 쉽게 시간 영역에서 측정 분석하여 원하는 물질내부에서 발생하는 이종의 누출 현상을 검사할 수 있다.
하지만, 펄스형 검출 시스템은 호모다인 측정의 경우, 측정하고자 하는 물질의 두께 및 재질에 따라서 매번 광지연기를 다르게 조절해야 한다. 그리고, 펄스형 검출 시스템은 습도가 높은 환경에서 측정할 경우, 공기 중의 수분과의 상호작용에 의한 흡수 및 분산으로 인하여 주파수 특성이 복잡해지며, 이로 인한 테라헤르츠파 펄스폭이 늘어나는 현상으로 시간 영역에서의 분석이 어려워진다.
특히나, 펄스형 검출 시스템은 실제 산업 현장에 적용될 경우, 고가의 펨토초 레이저의 큰 부피와 무게, 펨토초 광 펄스 특성이 주위 환경에 매우 민감한 점 및 광지연기 사용으로 인한 휴대형 시스템 개발에 매우 제한적인 점에서 산업 활용의 큰 걸림돌이 되고 있다.
반면, 연속파 검출 시스템은 펨토초 레이저와 달리 테라헤르츠-테라헤르츠파를 발생시키기 위한 두 레이저(주파수 f1, f2)의 비팅광원을 반도체 칩 크기의 작은 사이즈로 제작이 가능하다. 그리고, 연속파 검출 시스템은 발생된 테라헤르츠-테라헤르츠파를 광지연기 없이 직접 검출이 가능함으로써, 휴대형의 테라헤르츠 누출 검사 시스템 개발이 가능하여 산업 현장 적용에 최적 시스템으로 인식되고 있다.
하지만, 연속파 검출 시스템은 시간영역에서 각 매질로부터 반사된 신호의 분석이 용이한 펄스파와 달리 모든 매질로부터 투과 및 반사된 신호가 동시에 중첩되어 측정되어 분석이 어려운 단점이 있다. 다시 말해, 연속파 검출 시스템은 200 GHz의 테라헤르츠-테라헤르츠파 신호를 동일한 매질 내의 누수 여부를 확인하기 위해 수직 입사 시킬 경우, 각 매질의 경계로부터 반사된 신호의 합이 신호 간의 위상 차에 의해서 상호 보강 및 상쇄 간섭하여 물의 누수 여부와 관계없는 측정된 신호값이 변화하여 측정의 오류가 발생 할 수 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하면서, 보다 효율적으로 물질의 내부에서 발생되는 누출을 탐지할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 테라헤르츠 테라헤르츠파가 투과 가능한 외장용 물질로 둘러싸인 대상 물질의 내부의 누수, 가스 및 오일 등의 누출 여부를 비접촉 방식 및 비파괴 방식으로 검사할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 휴대가 가능하며, 저가 실현이 가능한 구조를 가지며, 비금속 및 비극성을 갖는 대상 물질의 내부에서 발생하는 물, 오일, 가수 등의 누출 여부를 실시간으로 검사할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
일실시예에 따른 누출 검사 장치는 하나 이상의 주파수를 이용하여 초고주파 대역의 테라헤르츠파를 생성하는 이중 모드 레이저; 테라헤르츠파가 투과 가능한 매질 및 오브젝트의 누출을 확인할 수 있는 금속으로 구성된 대상 물질이 위치하는 특정 공간으로 상기 생성된 테라헤르츠파를 방사하는 신호 발생기; 테라헤르츠파에 의해 대상 물질로부터 반사된 반사 신호를 수신하는 신호 검출기; 및 반사 신호로부터 대상 물질의 내부에서의 누출 여부를 판단하는 신호 처리기를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 이중 모드 레이저는 하나 이상의 주파수 간의 차에 해당하는 비팅 광원의 주파수를 가변하여 테라헤르츠파를 생성할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 발생기는 테라헤르츠파에 대한 상기 대상 물질의 흡수 및 반사 정도를 고려하여 수직 입사 방식 또는, 경사 입사 방식 중 하나의 방식으로 상기 생성된 테라헤르츠파를 방사할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 발생기는 수직 입사 방식을 이용하는 경우, 테라헤르츠파를 분할하기 위한 빔 스플리터를 통해 상기 테라헤르츠파를 방사할 수 있다.
일실시예에 따른 대상 물질은 밀리미터가 투과 가능한 적어도 하나의 매질을 포함하고, 신호 검출기는, 적어도 하나의 매질의 각 경계면에서 반사된 신호 및 상기 금속으로부터 반사된 신호를 포함하는 반사 신호를 수신할 수 있다.
일실시예에 따른 신호 검출기는 회절 격자에 의해 대상 물질로부터 반사된 반사 신호를 각각의 주파수 성분으로 분해하여 수신할 수 있다.
본 발명은 테라헤르츠파의 투과가 가능한 플라스틱, 스펀지, 부직포 등의 물질 내부의 누수 여부를 인체에 무해한 테라헤르츠-테라헤르츠파를 이용함으로써, 저가의 휴대가 가능한 비접촉, 비파괴 방식으로 대상 물질의 내부에서 발생하는 누출 여부를 감지할 수 있는 누출 감지 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 테라헤르츠-테라헤르츠파를 이용한 비접촉, 비파괴 방식으로 대상 물질의 내부에서 발생하는 누출 여부를 감지함으로써, 육안으로 감지가 불가능 했던, 이종 물질 간의 높은 대비 특성에 따른 다양한 시료 즉 고체, 액체, 기체에 적용이 가능한 누출 감지 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 한 개의 공진기에서 발진된 두 개의 안정적인 파장을 포토닉스 기반의 튜너블 테라헤르츠파를 생성함으로써, 외부 환경에 영향을 받지 않고 고속의 저가격 초소형 테라헤르츠 비파괴 측정 시스템 구현이 가능한 누출 감지 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 생산 현장에서의 수밀 검사기에 따른 액체, 기체 등의 측정이 가능하도록 활용 영역을 확대함으로써, 산업 현장에서 손쉽게 적용이 가능한 누출 감지 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 누출 감지 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 누출 감지 장치의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대상 물질을 구성하는 매질들에 의해 반사된 신호들의 간섭 현상을 고려하여 테라헤르츠파의 대역을 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수직 입사 방식 및 경사 입사 방식에 따라 대상 물질로 테라헤르츠파를 방사하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수직 입사 방식을 이용했을 때, 대상 물질의 매질에 따라 나타나는 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 경사 입사 방식을 이용했을 때, 대상 물질의 매질에 따라 나타나는 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 테라헤르츠파 발생시, 간섭 현상에 따른 테라헤르츠파의 코히런트 특성을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 누출 감지 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 누출 감지 장치(101)는 테라헤르츠파(102)를 이용하여 비접촉 방식 및 비파괴 방식을 통해 대상 물질(103)의 내부에서 발생된 누출 여부를 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 누출 감지 장치(101)는 테라헤르츠파가 투과 가능한 대상 물질의 내부를 검사할 수 있다. 누출 감지 장치(101)는 대상 물질의 누출 여부에 따른 측정 결과의 정확성을 보장하기 위하여 일부 범위 이상의 대역폭을 갖는 주파수 가변형의 테라헤르츠파를 이용할 수 있다. 테라헤르츠파(102)는 주파수 대역을 갖는 테라헤르츠-테라헤르츠파(Terahertz-millimeter wave)일 수 있다. 이러한, 테라헤르츠파(102)는 비극성 물질로 제작된 옷, 종이, 나무, 판지, 플라스틱, 세라믹 등의 매질(물질, 104)에서 투과율이 높은 전자기파이다. 또한, 테라헤르츠파(102)는 비극성 물질인 물(105) 또는, 금속(106)에서 투과율이 낮은 전자기파이다.
이때, 누출 감지 장치(101)는 대상 물질(103)의 내부에서 누출되는 측정 성분간의 신호대 잡음 비를 높이기 위해 테라헤르츠파의 대역을 설정할 수 있다. 자세하게, 누출 감지 장치(101)는 포토닉스 방식으로 발생된 테라헤르츠파를 이용할 수 있다. 포토닉스 방식으로 발생된 테라헤르츠파는 비팅 광원의 비팅 주파수를 가변함으로써 쉽게 테라헤르츠파의 주파수 가변 특성을 제공할 수 있다.
대상 물질(103)은 테라헤르츠파(102)가 투과가 가능한 매질(104) 및 물(105) 및 대상 물질(103)의 누출 여부를 확인할 수 있는 금속(106)으로 구성될 수 있다. 매질(104)은 금속(106)을 보호하기 위한 외장용 물질로써, 테라헤르츠파(102)를 전달할 수 있는 매개체 일 수 있다. 일례로, 매질(104)은 테라헤르츠파(102)가 투과가 가능한 옷, 종이, 나무, 판지, 플라스틱, 세라믹, 스펀지, 부직포 등으로 구성될 수 있다.
매질(104)은 복수층으로 이루어질 수 있으며, 복수층은 각각 서로 다른 물질 또는, 동일 물질로 구성될 수 있다. 테라헤르츠파(102)는 복수층으로 구성된 매질(104)의 경계면에서 반사될 수 있다. 누출 감지 장치(101)는 대상 물질(103)을 구성하는 매질(104)의 각 경계면에서 반사된 신호 및 물(105) 또는, 금속(106)로부터 반사된 신호를 수신할 수 있다.
그리고, 누출 감지 장치(101)는 대상 물질(103)의 내부에서 반사된 신호들을 이용하여 대상 물질 내 누출 부위와 비 누출 부위를 판단할 수 있다. 자세하게, 누출 감지 장치(101)는 매질(104)의 각 경계면으로부터 반사된 신호들과 대상 물질(103) 내 물(105) 또는 금속(106)에서 반사된 신호 간의 간섭에 따른 신호 간 크기를 이용하여 대상 물질 내 누출 부위와 비 누출 부위를 판단할 수 있다.
누출 감지 장치(101)는 테라헤르츠파(102)를 이용하여 대상 물질의 내부에서 발생할 가능성이 있는 임의의 가스, 기름 누출 등을 비접촉 및 비파괴 방식으로 측정함으로써, 육안으로 식별이 불가능한 대상 물질의 내부의 상태를 보다 안전하고 쉽게 판단할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 누출 감지 장치의 세부 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 누출 감지 장치(201)는 테라헤르츠파를 이용해 대상 물질(206)의 내부에서 발생되는 누출 여부를 판단하기 위해, 이중 구조 레이저(202), 신호 발생기(203), 신호 처리기(204) 및 신호 검출기(205)를 포함할 수 있다.
이중 구조 레이저(202)는 두 개의 레이저와 이 레이저 사이의 상호작용을 조절할 수 있는 위상 조절 영역을 집적하여 단일 공진기 구조를 갖는 레이저일 수 있다. 이중 구조 레이저(202)는 두 레이저 사이의 상호작용을 제어할 수 있다. 그리고, 이중 구조 레이저(202)는 집적된 마이크로 히터를 이용하여 각 발진 모드의 동작 파장을 조절하여 주파수(f1, f2)를 출력할 수 있다. 일례로, 이중 구조 레이저(202)는 300GHz~1.3THz 이상까지 넓은 범위를 갖는 주파수(f1, f2)를 출력할 수 있으며, 이때, 주파수는 비팅 주파수 일 수 있다.
여기서, 이중 구조 레이저(202)는 테라헤르츠파를 이용한, 수직 입사 방식에 따른 간섭 문제를 해결하기 위한 방안으로 주파수(f1, f2)를 가변하기에 용이할 수 있다.
이중 구조 레이저(202)는 단일 공진기 구조의 레이저에서 출력되는 하나 이상의 주파수를 이용하여 초고주파 대역의 테라헤르츠파(207)를 생성할 수 있다. 자세하게, 이중 구조 레이저(202)는 이중 모드 레이저에서 출력되는 하나 이상의 주파수(f1, f2)를 중첩시킴으로써, 비팅 광원을 형성할 수 있다. 즉, 이중 구조 레이저(202)는 이중 모드 레이저에서 출력되는 하나 이상의 주파수 간의 차에 해당하는 비팅 광원을 형성할 수 있다. 그리고, 이중 구조 레이저(202)는 비팅 광원의 주파수를 가변함으로써, 초고주파 대역의 테라헤르츠파(207)를 생성할 수 있다.
본 발명은 수십에서 수백 GHz의 주파수를 가변(예. 100~500 GHz)을 함으로써, 주파수에 따른 테라헤르츠파의 매질에 의한 특성을 측정할 수 있다.
신호 발생기(203)는 대상 물질(206)이 위치하는 특정 공간으로 생성된 테라헤르츠파(207)를 방사할 수 있다. 이때, 신호 발생기(203)는 테라헤르츠파에 대한 상기 대상 물질(206)의 흡수 및 반사 정도를 고려하여 수직 입사 방식 또는, 경사 입사 방식 중 하나의 방식으로 생성된 테라헤르츠파(207)를 방사할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 3 내지 도 6을 통해 설명하도록 한다.
신호 검출기(205)는 테라헤르츠파(207)에 의해 대상 물질로부터 반사된 반사 신호를 수신할 수 있다. 신호 검출기(205)는 적어도 하나의 매질의 각 경계면에서 반사된 신호 및 금속으로부터 반사된 신호를 포함하는 반사 신호(208)를 수신할 수 있다. 경계면에서 반사된 신호와 금속으로부터 반사된 신호는 매질에 의해 흡수되는 테라헤르츠파(207)의 크기에 따라 달라질 수 있다.
신호 처리기(204)는 반사 신호로부터 대상 물질(206)의 내부에서의 누출 여부를 판단할 수 있다.
이를 통해, 누출 감지 장치(201)는 테라헤르츠파(207)를 이용하여 대상 물질(206)의 내부에 수분이 존재하는지 여부를 검출함으로써, 대상 물질(206)을 포함하는 제품의 방수 능력 및 성능 저하 특성을 평가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대상 물질을 구성하는 매질들에 의해 반사된 신호들의 간섭 현상을 고려하여 테라헤르츠파의 대역을 조절하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 누출 감지 장치는 대상 물질 내 측정 환경에 따른 테라헤르츠파에 의해 대상 물질로부터 반사된 반사 신호를 수신할 수 있다. 여기서, 대상 물질 내 측정 환경은 매질의 두께, 신호 발생기 및 신호 검출기 간의 거리 등을 포함할 수 있다.
또한, 누출 감지 장치는 대상 물질의 내부에 물이 있는 경우와 대상 물질의 내부에 물이 없는 경우 각각에 대응하여 테라헤르츠파에 의해 대상 물질로부터 반사된 반사 신호를 수신할 수 있다. 여기서, 누출 감지 장치는 대상 물질 내 측정 환경에 따른 대상 물질을 구성하는 매질들에 의해 반사된 신호들의 간섭 현상이 적용된 반사 신호를 수신할 수 있다.
누출 감지 장치는 도 3의 (a)와 같이 신호들의 간섭 현상으로 인해 물이 있는 상태에서의 반사 신호가 물이 없는 상태(Ref)에서의 반사 신호 보다 크게 측정될 수 있다. 다시 말해, 대상 물질 내 물이 없는 상태와 물이 있는 상태 각각에 대응하여 반사 신호를 수신한다고 가정할 때, 일반적으로, 누출 감지 장치는 대상 물질 내 물이 없는 상태에서 측정된 반사 신호가, 물이 있는 상태에서 측정된 반사 신호보다 크게 측정될 수 있다. 이때, 누출 감지 장치는 동일한 측정 환경이더라도, 신호들의 간섭 현상으로 인해 물이 있는 상태에서의 반사 신호가 물이 없는 상태(Ref)에서의 반사 신호 보다 크게 측정될 수 있다.
이러한 측정 환경에 따른 간섭 현상을 고려하여, 누출 감지 장치는 도 3의 (b)와 같이 이중 모드 레이저를 통해 주파수를 가변함으로써, 대상 물질의 성질에 따라 테라헤르츠파의 대역을 선택적으로 활용할 수 있다. 다시 말해, 누출 감지 장치는 주파수를 가변함으로써, 신호들 간의 간섭 현상을 최소화하면서, 간선 현상의 발생 주기의 이상 여부를 측정할 수 있다. 누출 감지 장치는 측정된 결과로부터 매질별로 반사되는 신호의 평균 또는 주파수에 대한 기울기 등을 분석할 수 있다. 누출 감지 장치는 분석한 결과로부터 대상 물질의 내부에서 발생 가능한 누출 여부를 판별할 수 있다. 누출 감지 장치는 밴드의 기울기 밀리미터에서 테라헤르츠 대역까지 검출 대상의 물질에 따라 측정 밴드를 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수직 입사 방식 및 경사 입사 방식에 따라 대상 물질로 테라헤르츠파를 방사하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 누출 감지 장치(401)는 테라헤르츠파에 대한 대상 물질(406)의 흡수 및 반사 정도를 고려하여 테라헤르츠파를 방사하기 위한 수직 입사 방식 또는, 경사 입사 방식 중 하나의 방식을 선택할 수 있다. 여기서, 누출 감지 장치(401)는 대상 물질(406)을 구성하는 매질의 구조에서의 흡수 및 반사 정도를 고려할 수 있다.
(1) 수직 입사 방식
수직 입사 방식을 이용하여 테라헤르츠파를 방사하는 경우, 누출 감지 장치(401)는 주파수를 고속으로 가변 시킬 수 있는 이중 모드 레이저(402)의 주파수(f1, f2)의 차주파수(f1-f2)에 해당하는 테라헤르츠파를 생성할 수 있다. 누출 감지 장치(401)는 생성된 테라헤르츠파를 대상 물질이 위치한 영역으로 방사시킬 수 있다. 테라헤르츠파는 누출 감지 장치(401)의 신호 발생기(406)를 통해 대상 물질이 위치한 영역으로 방사될 수 있다. 이 때, 테라헤르츠파는 빔 스플리터를 통과한 후, 대상 물질로 입사될 수 있으며, 대상 물질의 내부에서 발생되는 누출 여부를 판단하기 위해 수직으로 입사될 수 있다.
입사된 테라헤르츠파는 대상 물질을 형성하는 적어도 하나의 매질의 각 경계면에서 반사될 수 있으며, 매질의 내부에서의 흡수 및 산란이 발생할 수 있다. 또한, 입사된 테라헤르츠파는 대상 물질 내 전파의 흡수율이 높은 물이 존재하는지 여부에 따라 대상 물질의 하부면에 위치한 금속 또는 물에서 반사된 신호의 크기가 달라질 수 있다.
신호 검출기(405)는 대상 물질을 형성하는 적어도 하나의 매질의 각 경계면에서 반사된 반사 신호를 검출할 수 있다. 여기서, 반사 신호는 빔 스플리터를 통과하여 신호 검출기(405)로 수신될 수 있다.
신호 검출기(405)를 통해 검출되는 반사 신호는 대상 물질을 형성하는 적어도 하나의 매질의 경계면으로부터 반사된 신호들과 누수를 확인할 수 있는 금속으로부터 반사된 신호간의 간섭들로 구성된 신호일 수 있다.
(2) 경사 입사 방식
경사 입사 방식을 이용하여 테라헤르츠파를 방사하는 경우, 누출 감지 장치(401)는 주파수를 고속으로 가변 시킬 수 있는 이중 모드 레이저(402)의 주파수(f1, f2)의 차주파수(f1-f2)에 해당하는 테라헤르츠파를 생성할 수 있다. 누출 감지 장치(401)는 생성된 테라헤르츠파를 대상 물질이 위치한 영역으로 방사시킬 수 있다. 이때, 누출 감지 장치(401)는 대상 물질을 형성하는 적어도 하나의 매질의 각 경계면으로부터 반사되는 신호들 간의 간섭을 제거하기 위하여 일정한 기울기의 입사각으로 테라헤르츠파를 방사시킬 수 있다.
입사된 테라헤르츠파는 대상 물질 내 전파의 흡수율이 높은 물이 존재하는지 여부에 따라 대상 물질의 하부면에 위치한 금속 또는 물에서 반사된 신호의 크기가 달라질 수 있다.
신호 검출기(405)는 대상 물질을 형성하는 적어도 하나의 매질의 각 경계면에서 반사된 반사 신호를 검출할 수 있다. 여기서, 신호 검출기(405)를 통해 검출되는 반사 신호는 누수를 확인할 수 있는 금속으로부터 반사된 신호일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수직 입사 방식을 이용했을 때, 대상 물질의 매질에 따라 나타나는 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참고하면, 대상 물질을 구성하는 매질들은 테라헤르츠파의 투과율이 높은 물질들로 구성될 수 있다. 이러한 매질들은 테라헤르츠파의 대역에서 굴절률이 낮고 흡수가 낮게 나타날 수 있다. 이러한 매질의 특성에 따른 대상 물질의 경계면에서 반사된 반사 신호는 작고, 금속으로부터 반사된 신호가 크게 나타날 수 있다. 일례로, 매질들은 플라스틱, 종이, 세라믹, 부직포 등으로 구성될 수 있다.
도 5의 (a)를 살펴보면, 누출 감지 장치는 수직 입사 방식을 이용하여 대상 물질의 내부에서 발생되는 누출 여부를 판별할 수 있다. 여기서, 대상 물질은 하나의 매질, 물, 금속으로 구성될 수 있다. 일례로, 수직 입사 방식을 기반으로 누출 감지 장치는 자동차 트렁크의 내장재로 사용되는 부직포(매질1) 아래의 누수 여부를 측정한 데이터로, 부직포 표면과 내부의 금속(파란색 선) 또는 물(빨간색 선)로로 구성된 대상 물질을 이용할 수 있다.
도 5의 (a)에서 나타낸 그래프는 매질 및 금속 각각에서 반사된 신호들 간의 간섭 현상에 의해 전 영역에서 측정값이 변화한다.
이때, 누출 감지 장치는 부직포(매질) 표면으로부터 반사된 신호의 비율이 금속에서 반사된 신호에 비해 작아서, 물의 존재 유무(물/금속 반사 신호)에 따른 측정된 신호의 비율이 약 10~20%로 누수 검출이 가능함을 알 수 있다.
따라서, 반사 및 흡수가 작은 매질의 경우, 누출 감지 장치는 수직 입사 방식을 이용하여 테라헤르츠파에 의한 대상 물질의 누출 여부를 검출할 수 있다.
또한, 누출 감지 장치는 특정 크기 이상으로 발생된 테라헤르츠파를 확대한 평행빔을 활용하여 신호 발생기와 대상 물질 간의 거리에 의해 발생되는 영향을 최소화시킴으로써, 사용자가 보다 편리하게 휴대해서 측정할 수 있는 비접촉 검출 시스템의 구현이 용이할 수 있다.
도 5의 (b)를 살펴보면, 누출 감지 장치는 수직 입사 방식을 이용하여 대상 물질의 내부에서 발생되는 누출 여부를 판별할 수 있다. 여기서, 대상 물질은 복수의 매질, 물, 금속으로 구성될 수 있다. 이때, 매질은 반사가 작고 투과가 가능하지만, 전자기파의 흡수가 상대적으로 높은 폼커퍼(매질2), 우레탄폼(매질3) 등을 포함할 수 있다. 일례로, 대상 물질은 실제 자동차의 앞 좌석 바닥에 위치하며 엔진룸에서 넘어오는 소음 진동의 흡수재로 사용되는 소재들이다.
상술한 대상 물질들은 대부분이 누수 확인용으로, 테라헤르츠파는 금속 또는 물에 도달하기 전에, 여러 매질을 통과하는 동안 흡수된 후 금속으로부터 반사됨으로써, 신호 검출기에 도달되는 신호가 20~30 dB 이하로 나타날 수 있다. 다만, 이런 경우, 매질1의 경계면에서 반사된 신호가 금속에 반사되어 측정되는 신호보다 더 크기 때문에, 이 두 신호간 간섭이 발생할 경우, 측정된 신호가 누수에 의한 것인지 표면에서 반사된 신호인지 구분하기 힘든 경우가 발생할 수 있다.
결국, 누출 감지 장치는 측정 환경에 따라서 누수가 존재할 경우, 더 크게 측정되기도 하였다. 또한, 누출 감지 장치는 누수 조사 시, 매질의 경계면에서 반사되는 반사 신호의 파워보다 신호 검출기에 측정된 반사 신호의 크기가 현저히 낮게 측정될 수 있다. 여기서, 신호 검출기에 측정된 반사 신호의 크기는 최종 모든 매질을 투과하고 다시 한번 반사된 신호의 크기일 수 있다. 이러한 경우, 누출 감지 장치는 신호 검출기에 측정된 반사 신호의 크기가 노이즈에 묻혀 정확히 측정하지 못하는 경우일 수 있다. 수직 입사 방식은 제한된 시료에 적용이 가능함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 경사 입사 방식을 이용했을 때, 대상 물질의 매질에 따라 나타나는 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참고하면, 대상 물질을 구성하는 매질들은 테라헤르츠파의 흡수률이 높은 물질로 구성될 수 있다. 누출 감지 장치는 매질의 경계면으로부터 반사된 신호들 간의 간섭을 제거하기 위해, 경사 입사 방식을 이용할 수 있다.
각 매질의 경계면에서 반사된 신호는 서로 다른 경로로 진행하게 되며, 누출 감지 장치는 누수 여부를 확인하고자 하는 물질의 경계면에서 반사된 신호만 측정이 가능하도록 신호 검출기를 위치시킴으로써, 대상 물질의 내부에서의 누수 여부를 판단할 수 있다.
그 결과, 수직 입사 방식과 달리 경사 입사 방식을 이용하는 경우, 누출 감지 장치는 누수 시, 약 10 dB의 신호로 감소된 반사 신호를 검출할 수 있다. 따라서, 경사 입사 방식을 이용하는 경우, 누출 감지 장치는 반사 또는 흡수가 큰 물질들 내부의 누수 여부 검출에 있어, 수직 입사 방식에 비해 보다 더 정확한 누출 여부의 측정이 가능할 수 있다.
여기서 경사 입사 방식은 반사 구조이기 때문에 측정 시 누출 감지 장치로부터 대상 물질까지의 거리가 중요할 수 있다. 이에, 본 발명은 대상 물질과 누출 감지 장치 간의 거리를 조절 가능한 생산 공정 검사의 로봇암에 부착함으로써, 거리에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있다. 일례로, 본 발명은 위치 제어가 가능한 로봇암 이나 거리 측정이 가능한 보조 기구, 그리고 발생 및 검출 소자의 입사 각 조절 등을 이용할 수 있다.
누출 감지 장치는 두 개의 테라헤르츠 렌즈를 이용하여 물리적으로 렌즈간 거리 조절에 인한 줌 기능 제공을 생각함으로써, 거리에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 이 경우, 누출 감지 장치는 구동 모터가 추가로 이용하여 보다 작고 가벼운 시스템을 구축할 가능성이 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 테라헤르츠파 발생시, 간섭 현상에 따른 테라헤르츠파의 코히런트 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참고하면, 누출 감지 장치는 광대역의 테라헤르츠파 발생시 간섭 현상의 원인인, 발생된 파의 코히런트 특성을 고출력 광대역의 LED(light -emitting diode)를 이용하여 생성 시키는 방법을 사용할 수 있다. 이 경우, 누출 감지 장치는 각각의 주파수에 대응되는 집적형 필터 및 어레이형 신호 검출기를 사용할 수 있다. 또한, 누출 감지 장치는 회절 격자를 이용하여 공간적으로 발생된 광대역의 테라헤르츠파를 각각의 주파수 성분으로 분해한 뒤 각 주파수 성분에 대응되는 신호 검출기를 활용할 수 있다.
도 7의 (a)에 도시된 그래프는 한 대의 DFB 레이저 및 튜너블 레이저로 구성된 비팅광원과 한 개의 안정된 DFB광원와 넓은 스펙트럼을 갖는 고출력 LED로 구성된 비팅광원을 활용한 결과이다
도 7의 (b)에 도시된 그래프는 매우 넓은 대역폭을 갖는 테라헤르츠파를 적절한 필터 및 신호 검출기 간의 조합으로 구성될 수 있다.
도 7의 (c)에 도시된 그래프는 회절격자에 의해 광대역의 테라헤르츠파를 각각의 주파수 성분별로 분해한 뒤 수신기로 측정할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
101: 누출 감지 장치
102: 테라헤르츠파
103: 대상물질
104: 매질
105: 물
106: 금속

Claims (1)

  1. 하나 이상의 주파수를 이용하여 초고주파 대역의 테라헤르츠파를 생성하는 이중 모드 레이저;
    테라헤르츠파가 투과 가능한 매질 및 오브젝트의 누출을 확인할 수 있는 금속으로 구성된 대상 물질이 위치하는 특정 공간으로 상기 생성된 테라헤르츠파를 방사하는 신호 발생기;
    상기 테라헤르츠파에 의해 대상 물질로부터 반사된 반사 신호를 수신하는 신호 검출기; 및
    상기 반사 신호로부터 대상 물질의 내부에서의 누출 여부를 판단하는 신호 처리기
    를 포함하는 누출 검사 장치.
KR1020180137932A 2017-11-22 2018-11-12 대상 물질 내부의 누출 여부를 감지하는 누출 감지 방법 KR102665455B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101847741B1 (ko) * 2016-11-09 2018-04-10 주식회사 현대케피코 엔진의 흡기장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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