KR20200055669A - 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열 및 광음향 분광 분석 장치 - Google Patents

다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열 및 광음향 분광 분석 장치 Download PDF

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Abstract

적층형 광학 필터 배열은, 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층 사이에 적층된 네마틱 액정층－제1 투명 전극층은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트를 포함함－과, 제1 편광자층 및 제2 편광자층－네마틱 액정층이 제1 편광자층과 제2 편광자층 사이에 적층됨－과, 광을 필터링하도록 구성되는 필터층－필터층은 복수의 필터 세그먼트를 포함하고, 필터 세그먼트 중 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트이고, 파장 민감 필터 세그먼트 중 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－과, 복수의 광 채널－복수의 광 채널의 각각의 광 채널은 네마틱 액정층의 일부, 제1 전극층의 일부, 제2 투명 전극층의 복수의 전극 세그먼트 중 하나, 제1 편광자층의 일부, 제2 편광자층의 일부 및 복수의 필터 세그먼트 중 하나를 포함함－을 포함한다.

Description

다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열 및 광음향 분광 분석 장치{STACKED OPTICAL FILTER ARRANGEMENT FOR A PHOTOACOUSTIC SPECTROMETRY DEVICE FOR MULTI-GAS SENSING AND PHOTOACOUSTIC SPECTROMETRY DEVICE}
실시예는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석법, 특히 광음향 분광 분석에 기초하여 다중 가스를 감지/검출/측정하기 위한 신규 광학 필터에 관한 것이다.
광음향 분광 분석법(PAS : Photoacoustic Spectroscopy)은 흡수된 전자기 에너지, 특히 음향 검출에 의해 물질에 대한 광의 영향을 측정하는 방법이다. 이것은 제자리(in-situ) 상태에서 대상 시료를 평가하는 능력으로 인해 다양한 가스의 농도를 정확하게 측정하기 위해 널리 사용되는 방법이다.
광음향 분광 분석법은 다음 사실로 인해 적외선에 대한 수용성을 나타내는 가스에 대해 가장 인기 있다.
1) 분자는 특정 파장에서만 에너지를 흡수하고 방출할 수 있다.
2) 관심이 있는 전형적인 적외선 파장은 검출될 가스 분자의 크기의 파장보다 상당히 높다. 예를 들어, 이산화탄소 검출에 필요한 적외선 파장은 이산화탄소 분자의 크기보다 400배 더 크며, 적외선과 가스 분자 사이의 상호 작용은 분자의 전하 분포를 갖는 전계를 통해 발생한다.
3) 여기된 분자 상태는, 여기된 전자 상태와 비교하여, 밀리초에서 10초까지의 매우 긴 수명을 갖는다. 이것은 용이하고 또렷한 검출에 도움이 된다.
4) 다른 분자와의 충돌 사이의 평균 시간은 대략 0.1㎲이며, 매우 많은 충돌과 효율적인 에너지 전달은 검출 기능을 더욱 향상시킨다.
5) 산란이 거의 발생하지 않아 검출 솔루션에 보다 강력하고 실용적이다. 이것은 측정 정확도도 향상시킨다.
특정 파장을 갖는 광을 생성하기 위해, 일반적으로 광대역 라디에이터 및 가변 파장 감지 광학 필터가 사용된다. 전기, 전자 기계 또는 두 기술의 조합에 의한 가변 광학 필터의 최신식 예는, 쿼츠 기반 가변 필터, 기계식 회전 휠 필터, MEMS 기반 솔루션, 패브리-페로 간섭계(FPI: Fabry-Perot Interferometer) 기반 필터 및 액정 조정 필터(LCTF:liquid crystal tunable filters)이다.
제1 양태에서, 본 개시의 실시예는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열에 관한 것이다. 적층형 광학 필터 배열은, 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층 사이에 적층된 네마틱 액정층－제1 투명 전극층은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트를 포함함－과, 제1 편광자층 및 제2 편광자층－네마틱 액정층은 제1 편광자층과 제2 편광자층 사이에 적층됨－과, 광을 필터링하도록 구성되는 필터층－필터층은 복수의 필터 세그먼트를 포함하고, 필터 세그먼트의 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트이고, 파장 민감성 필터 세그먼트의 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－과, 복수의 광 채널－복수의 광 채널의 각각의 광 채널은 네마틱 액정층의 일부, 제1 전극층의 일부, 제2 투명 전극층의 복수의 전극 세그먼트 중 하나, 제1 편광자층의 일부, 제2 편광자층의 일부, 및 복수의 필터 세그먼트 중 하나를 포함함－을 포함하되, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제1 전압을 인가함으로써, 복수의 광 채널의 다른 광 채널과 독립적으로 활성화될 수 있고, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제2 전압을 인가함으로써, 복수의 광 채널의 다른 광 채널과 독립적으로 비활성화될 수 있다.
적층형 광학 필터 배열은 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배열된 복수의 층을 포함하는 배열이다.
네마틱 액정층은 네마틱 상태의 액정 분자를 포함하는 층이다. 액정(LC : Liquid Crystal)은 종래 액체의 특성과 고체 결정의 특성 사이의 특성을 갖는 상태의 물질이다. 예를 들어, 액정은 액체처럼 흐를 수 있지만, 그의 분자는 결정과 같은 방식으로 배향될 수 있다. 상이한 유형의 액정 상태가 많이 있으며, 이것은 그들의 상이한 광학 특성(예를 들어, 복 굴절률)에 의해 구별될 수 있다. 본 명세서에 논의된 광학 필터는 네마틱 상태의 액정을 사용한다. 이 상태에서 액정 분자는 막대 모양이며 위치적인 순서가 없다. 그러나, 장축이 대략 평행한 장거리 방향 순서를 갖도록 자기 정렬된다. 이 상태에서 액정의 일축성 분자는 대부분 보편적(등방성) 액체와 유사한 유동성을 나타내지만, 그들은 외부 자계 또는 전계에 의해 쉽게 정렬될 수 있다. 정렬된 네마틱 액정은 일축성 결정의 광학 특성을 갖는다.
따라서, 인접 분자의 장축을 갖는 막대형 분자로 이루어지는 네마틱 액정은 서로에 대해 대략적으로 정렬된다. 이러한 이방성 구조를 설명하기 위해, 디렉터(director)라고 하는 무차원 단위 벡터가 도입되어 임의의 점에 대한 분자의 바람직한 배향 방향을 나타낸다. 따라서 이러한 디렉터는 모든 정렬된 분자에 의해 고려되는 광축의 전체 배향을 나타낸다.
외부 필드를 따라 정렬하는 디렉터의 능력은 분자의 전기적 특성에 의해 얻어진다. 분자의 한쪽 단부가 순 양전하를 갖고 다른 쪽 단부가 순 음전하를 가질 때 영구 전기 쌍극자가 발생된다. 외부 전계가 액정에 인가될 때, 쌍극자 분자는 전계의 방향을 따라 스스로 배향되는 경향이 있다.
분자가 영구 쌍극자를 형성하지 않더라도, 여전히 전계의 영향을 받을 수 있다. 몇몇 경우에, 유도된 전기 쌍극자를 발생하도록 전계가 분자 내의 전자와 양자를 약간 재배열한다. 영구 쌍극자만큼 강하지는 않지만 외부 전계에 의해 여전히 배향이 일어난다.
제1 투명 전극층 및 제2 투명 전극층은, 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트 중 하나의 사이에 배치된 네마틱 액정층의 각 부분이 전계에 개별적으로 노출될 수 있도록, 배열된다. 전극 세그먼트는 보통 공통 평면을 포함하도록 동일 평면에 배치된다.
편광자는 다른 편광의 광파를 차단하는 한편 특정 편광의 광파를 통과시키는 광학 필터이다. 그것은 정의되지 않은 광빔 또는 혼합 편광의 광빔을 잘 정의된 편광의 빔, 즉 편광된 광으로 변환할 수 있다. 이는 상기 편광자의 편광축과 정렬되지 않은 광파를 폐기/여과하여 수행된다. 제1 편광자층 및 제2 편광자층 각각은 선형 편광자를 포함할 수 있다.
필터층은 2개 이상의 파장 민감성 필터 세그먼트를 포함하고, 여기서 파장 민감성 필터 세그먼트 각각은, 정의된 파장에 대해 투명하고 다른 파장에 대해서는 불투명하다. 파장 민감성 필터 세그먼트 중 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명하다. 일반적으로 필터 세그먼트는 공통 평면을 포함하도록 동일 평면에 배치된다.
적층형 광학 필터 배열의 광 채널은 적층형 광학 필터 배열의 입력측으로부터 출력측으로의 경로이며, 이는 개별적으로 활성화 또는 비활성화될 수 있다. 광 채널들 중 하나가 활성화 상태에 있으면, 적절한 파장을 갖는 입사광은 각각의 광 채널을 통과하여 필터링된 광이 적층형 광학 필터 배열을 빠져나갈 것이다. 이와 반대로, 광 채널 중 하나가 비활성화된 상태인 경우, 입사된 광은 각각의 광 채널의 파장과 독립적으로 차단되어, 적층된 특정 필터 배열을 빠져나가는 광이 없다.
복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제1 전압을 인가함으로써, 복수의 광 채널의 다른 광 채널과 독립적으로 활성화될 수 있다.
복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제2 전압을 인가함으로써, 복수의 광 채널의 다른 광 채널과 독립적으로 비활성화될 수 있다.
결과적으로, 적층형 광학 필터 배열은, 원하는 파장에 대해 투명한 파장 민감성 필터 세그먼트를 포함하는 광 채널에 제1 전압을 인가하고, 다른 광 채널에 제2 전압을 인가함으로써, 조정될 수 있다.
본 명세서에 개시된 적층형 광학 필터 배열은 높은 선택성, 높은 효율성, 높은 투과율 및 넓은 조정 범위를 제공한다. 작동 기간에 걸쳐 선택성에 변화가 발생하지 않는다. 움직이는 기계 부품이 전혀 없어, 유지 관리가 쉽고 파괴에 강하다. 또한, 개시된 구조는 소형화를 허용한다.
적층형 광학 필터 배열은 특히 환경 감지 및 공기 품질 감시 시스템에 사용될 수 있는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치에 특히 적합하다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제1 투명 전극층은 전도성 코팅을 갖는 유리층을 포함한다. 이러한 특징은 배열의 선택성, 효율성, 투과율, 견고성 및 소형성을 증가시킨다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제2 투명 전극층은 전도성 코팅을 갖는 유리층을 포함하고, 여기서 전도성 코팅은 제2 투명 전극층의 복수의 전극 세그먼트를 형성하도록 구성된다. 이러한 특징은 장치의 선택성, 효율성, 투과율, 견고성 및 소형성을 더욱 증가시킨다.
본 개시의 실시예에 따르면, 필터층은 적층형 광학 필터 배열의 단부에 배치된다. 특히, 필터층은 필터 배열의 입력측에 배치된 단부에 배치될 수 있다. 이는 효율성, 선택성 및 투과율을 더 증가시킬 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널 내에서, 각각의 광 채널의 제1 편광자층의 일부의 편광축은 각각의 광 채널의 제2 편광자층의 일부의 편광축에 직각으로 배향된다.
예를 들어, 제1 전압은 12V일 수 있는데 반하여, 제2 전압은 0V의 범위에 있을 수 있다. 이 경우, 전기 에너지는 활성화된 광 채널에만 필요하여 효율이 더 증가될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널 내에서, 각각의 광 채널의 제1 편광자층의 일부의 편광축은 각각의 광 채널의 제2 편광자층의 일부의 편광축에 평행하게 배향된다.
예를 들어, 제1 전압은 0V일 수 있는 반면, 제2 전압은 12V의 범위에 있을 수 있다. 이 경우, 전기 에너지는 비활성화된 광 채널에만 필요하여 두 전압 모두 0이 아닌 구조에 비해 효율이 증가될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 적층형 광학 필터 배열은 광을 평행화하기 위한 시준 배열을 포함하고, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널은 시준 배열의 일부를 포함한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 시준 배열은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함한다.
이 특징은 배열의 선택성, 효율성, 투과율, 견고성 및 소형성을 더욱 증가시킨다.
본 개시의 실시예에 따르면, 필터 세그먼트 중 적어도 하나는 파장 비민감성 필터 세그먼트이며, 이는 적어도 3㎛∼5㎛의 파장에 대해 투명하다. 이 특징은 필터 배열이 사용되는 광음향 분광 분석 장치의 교정을 허용한다.
다른 양태에서, 본 개시의 실시예는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치에 관한 것이다. 광음향 분광 분석 장치는, 가간섭성(coherent) 광을 방출하도록 구성된 라디에이터와, 이전 청구범위 중 하나에 따른 적층형 광학 필터 배열－적층형 광학 필터 배열은 필터링된 광을 생성하기 위해 라디에이터로부터 광을 수광 및 필터링하도록 구성됨－과, 필터링된 광에 가스 혼합물을 노출시키도록 구성된 가스 검출 챔버와, 가스 혼합물을 필터링된 광에 노출시킴으로써 야기되는 사운드를 가스 검출 챔버에서 검출하도록 구성된 마이크로폰와, 광음향 분광 분석 장치를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함한다.
라디에이터는 적외선, 자외선 또는 가시 범위에서 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 그러나, 라디에이터는 중적외선(mid-infrared) 범위의 광을 방출하도록 구성되는 것이 바람직하다. 광이 일시적으로 그리고 공간적으로 일정한 위상과 일정한 주파수를 가지면, 균일하다.
필터링된 광은 가스 혼합물과 상호 작용하는 가스 검출 챔버 내로 안내되어, 가스 혼합물이 필터링된 광을 흡수할 수 있는 가스를 함유하는 경우, 광음향 분광 분석 원리에 따라 음압이 생성되며, 음압은 그러한 가스의 농도에 비례한다. 이론적으로, 사운드는 적외선 범위 또는 음향 사운드 범위 또는 초음파 범위에 있을 수 있으며, 여기서 사운드의 주파수는 각각의 광 채널이 활성화된 상태에서 비활성화된 상태로 반복적으로 스위칭되었다 되돌아가는 스위칭 주파수에 의존한다.
마이크로폰은 원하는 주파수 범위에서 사운드를 녹음하도록 구성된다.
특히, 제어 장치는, 광 채널을 활성화 및 비활성화하기 위해 라디에이터, 적층형 광학 필터 배열에 인가되는 제1 전압 및 제2 전압을 제어하고, 마이크로폰로부터의 신호를 분석하도록 구성될 수 있다.
적층형 광학 필터 배열은 본 명세서의 개시에 따라 구성되어, 설명된 바와 같은 장점을 갖는다.
설명된 광음향 분광 분석 장치는 적층형 광학 필터 배열 및 그 장점으로부터 이익을 얻는다.
본 개시의 실시예에 따르면, 라디에이터는 적층형 광학 필터 배열의 필터층의 제1 측면 상에 배치되고, 제1 편광자층 및 제2 편광자층은 적층형 광학 필터 배열의 필터층의 제2 측면 상에 배치된다.
이 특징은 배열의 선택성, 효율성, 투과율, 견고성 및 소형성을 더욱 증가시킨다.
본 개시의 실시예에 따르면, 라디에이터는 적어도 3㎛∼5㎛의 파장을 포함하는 연속 스펙트럼을 방출하도록 구성된다. 이 특징에 의해, 적층형 광학 필터 배열이 대응하는 파장으로 조정할 수 있으면, 대부분 환경을 오염시키는 CO2, CO, CH4 및 NO2와 같은 가장 일반적인 가스를 검출하는 것이 가능하다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제어 장치는 동일한 시간 간격으로 측정 절차를 제어하도록 구성되며, 파장 민감성 필터 세그먼트 중 하나를 포함하는 복수의 광 채널 중 하나의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제1 전압 또는 제2 전압을 교대로 인가함으로써, 스위칭 주파수에서 교번적으로 활성화 또는 비활성화되고, 파장 비민감성 필터 세그 먼트 또는, 하나의 광 채널의 파장 민감성 필터 세그먼트와 상이한 파장에 대해 투명한 파장 민감성 필터 세그먼트 중 하나를 포함하는 복수의 광 채널의 모든 다른 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제2 전압을 인가함으로써, 비활성화되며, 검출 챔버 내의 사운드는 마이크로폰을 사용하여 검출된다.
이 특징에 의해, 복수의 광 채널 중 특정 광 채널이 선택된 경우, 필터링된 광을 흡수할 수 있는 검출 챔버의 가스 혼합물 내의 가스가 검출될 수 있도록, 스위칭 주파수 및 특징적인 형상을 갖는 사운드가 발생되는 것이 보장된다. 교번적인 활성화 및 비활성화를 위해 복수의 광 채널 중 다른 채널을 선택함으로써, 가스 혼합물의 다른 가스가 검출될 수 있도록, 필터링된 광의 파장이 변경된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제어 장치는 동일한 다른 시간 간격으로 교정 절차를 제어하도록 구성되며, 파장 비민감성 필터 세그먼트를 포함하는 복수의 광 채널 중 하나의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제1 전압 또는 제2 전압을 교대로 인가함으로써, 스위칭 주파수에서 교대로 활성화 또는 비활성화되고, 파장 민감성 필터 세그먼트를 포함하는 복수의 광 채널의 모든 다른 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제2 전압을 인가함으로써 비활성화되며, 사운드의 강도를 측정하여 라디에이터의 감쇠를 추정하기 위해, 마이크로폰을 사용하여 가스 검출 챔버 내의 사운드가 검출된다.
이러한 교정 절차는 장치의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 특히, 라디에이터의 열화 또는 감쇠로 인한 측정 오류가 방지될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 스위칭 주파수는 100㎑∼300㎑의 범위에 있다. 이 특징에 의해, 검출 챔버 내의 사운드의 주파수가 다른 사운드 범위에 비해 다른 음원에 의해 덜 오염되는 범위 내에 있어, 신호 대 잡음비가 증가될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층 사이의 거리는 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층 사이의 최대 거리보다 작고, 최대 거리는 수학식 dmax=T×U에 따라 계산되고, dmax는 ㎛ 단위의 최대 거리이고, T는 ㎲ 단위의 스위칭 주파수의 진동 시간이며, U는 V 단위의 제1 전압과 제2 전압간 차이의 절대값이다.
이 특징에 의하면, 원하는 주파수의 사운드가 생성될 수 있다는 것을 알 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시의 실시예는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 제1 투명 전극층과 제2 투명 전극층 사이에 네마틱 액정층을 배열하는 단계－제2 투명 전극층은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트를 포함함－와, 네마틱 액정층을 제1 편광자층과 제2 편광자층 사이에 배열하는 단계와, 광을 필터링하도록 구성된 필터층을 추가하는 단계－필터층은 복수의 필터 세그먼트를 포함하고, 필터 세그먼트 중 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트이며, 파장 민감성 필터 세그먼트의 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－와, 복수의 광 채널을 형성하는 단계를 포함하되, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 네마틱 액정층의 일부, 제1 전극층의 일부, 제2 투명 전극층의 복수의 전극 세그먼트 중 하나, 제1 편광자층의 일부, 제2 편광자층의 일부 및 복수의 필터 세그먼트 중 하나를 포함하고, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제1 전압을 인가함으로써, 복수의 광 채널의 다른 광 채널과 독립적으로 활성화될 수 있으며, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널은, 각각의 광 채널의 제2 투명 전극층의 전극 세그먼트와 제1 투명 전극층 사이에 제2 전압을 인가함으로써, 복수의 광 채널의 다른 광 채널과 독립적으로 비활성화될 수 있다.
본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명한다.
도 1은 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열의 실시예 1의 개략적인 투시 분해도이다.
도 2는 왼쪽에 활성화된 상태에 있는 적층형 광학 필터 배열의 광 채널의 일부의 개략적인 투시 분해도를 나타내고, 오른쪽에 비활성화된 상태에 있는 적층형 광학 필터 배열의 광 채널의 일부의 개략적인 투시 분해도를 나타낸 도면이다.
도 3은 네마틱 액정층에서 편광의 회전을 도시한 도면이다.
도 4는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열의 실시예 2의 개략적인 투시 분해도이다.
도 5는 적층형 광학 필터 배열을 위한 필터층에 대한 제1 예시적인 평면을 도시한 도면이다.
도 6은 필터층에 대한 제1 평면도에 대응하는, 적층형 광학 필터 배열을 위한 제2 투명 전극층에 대한 예시적인 평면을 도시한 도면이다.
도 7은 적층형 광학 필터 배열을 위한 필터층에 대한 제2 예시적인 평면을 도시한 도면이다.
도 8은 예시적인 제1 투명 전극층의 개략적인 평면도이다.
도 9는 예시적인 제2 투명 전극층의 개략적인 평면도이다.
도 10은 예시적인 제1 투명 전극층과 예시적인 제2 투명 전극층 사이에 배치된 예시적인 네마틱 액정층의 개략적인 분해도이다.
도 11은 예시적인 네마틱 액정층, 예시적인 제1 투명 전극층 및 예시적인 제2 투명 전극층을 포함하는 예시적인 스택(stack)의 개략적인 평면도이다.
도 12는 필터층 및 제2 전극층에 대한 다른 예시적인 평면을 도시한 개략적인 평면도이다.
도 13은 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치의 실시예 1의 개략적인 측면도이다.
도 14는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치의 실시예 2의 개략적인 측면도이다.
도 15는 다른 엔티티에 의한 주파수 범위에 따른 사운드 점유를 도시한 도면이다.
도 16은 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열을 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
이하의 설명에서, 동일하거나 동등한 요소 또는 동일하거나 동등한 기능을 갖는 요소는 동일하거나 동등한 참조 번호로 표시된다.
이하의 설명에서, 본 발명의 실시예에 대한 보다 완전한 설명을 제공하기 위해 복수의 세부 사항을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이러한 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 본 발명의 실시예를 모호하게 하는 것을 피하기 위해 주지된 구조 및 장치는 상세도가 아니라 블록도 형태로 도시한다. 또한, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 후술되는 상이한 실시예의 특징은 서로 결합될 수 있다.
도 1은 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열(1)의 실시예 1의 개략적인 투시 분해도이다. 적층형 광학 필터 배열(1)은, 제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이에 적층된 네마틱 액정층(2)－제2 투명 전극층(4)은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트(5)를 포함함－과, 제1 편광자층(6) 및 제2 편광자층(7)－네마틱 액정층(2)은 제1 편광자층(6)과 제2 편광자층(7) 사이에 적층됨－과, 광(LI)을 필터링하도록 구성되는 필터층(8)－필터층(8)이 복수의 필터 세그먼트(9)를 포함하고, 필터 세그먼트(9) 중 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트(9)이며, 파장 민감성 필터 세그먼트(9) 중 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－과, 복수의 광 채널(10)－복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널은 네마틱 액정층(2)의 일부, 제1 전극층(3)의 일부, 제2 투명 전극층(4)의 복수의 전극 세그먼트(5) 중 하나, 제1 편광자층(6)의 일부, 제2 편광자층(7)의 일부 및 복수의 필터 세그먼트(9) 중 하나를 포함함－을 포함하되, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10)은 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV)을 인가함으로써 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 활성화될 수 있고, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10)은 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 비활성화될 수 있다.
분해도는 단지 예시를 위한 것임에 유의해야 한다. 일반적으로 적층형 광학 필터 배열의 인접층은 서로 접촉된다.
적층형 광학 필터 배열(1)의 실시예 1에서, 네마틱 액정층(2), 제1 투명 전극층(3) 및 제2 투명 전극층(4)은 제1 편광자층(6)과 제2 편광자층(7) 사이에 적층된다.
다음은 광음향 분광 분석법에서 다중 가스 감지용 적층형 광학 필터 배열(1)의 일반적인 장점이다.
1) 움직이는 부품이나 기계 부품이 없어 매우 견고하고 가벼움
2) 휴대용 및 소비자 애플리케이션을 위한 높은 확장성
3) 활성화된 광 채널이 스위칭 전압의 순간적인 적용만으로 활성화된 상태를 유지하는 저전력 솔루션
4) 고정 파장 광학 필터 섹션의 제자리(in-situ) 사용으로 인한 최상의 또는 최대의 선택성
5) 새로운 구조에 의해 얻어진 우수한 투과율(95% 초과)로 인한 매우 낮은 손실
6) 협대역 및 광대역 애플리케이션 둘 다에 적합하게 하는 높은 투과율
7) 그들의 제자리 형태로 여러 가스를 검출하기 위해 확장될 수 있음
8) 최첨단 이동 및 기계 솔루션에 비해 매우 효율적인 비용
9) 거의 없는 유지 보수 비용과, 긴 수명/내구성
10) 작동 중 또는 작동 후에 교정 또는 미세 조정이 필요 없음
11) 마이크로프로세서/컨트롤러/소프트웨어를 통해 쉽게 제어할 수 있음
12) 고정 파장 광학 필터로 인해 고온에 직접 노출에 대해 불투명함
13) 기본 PAS 장치 배열/조립에 의해 제공되는 균일한 열원으로 인해 매우 낮은 온도에 직접 노출되는 데 대해 불투명함
14) 작동 수명 동안 IR 이미터/히터의 꾸준한 감쇠로 인해 필요에 따라 장치 작동 중에 시스템을 쉽게 재교정
도 2는 왼쪽에 활성화된 상태에 있는 적층형 광학 필터 배열(1)의 광 채널(10)의 일부의 개략적인 투시 분해도를 도시하고, 오른쪽에 비활성화된 상태에 있는 적층형 광학 필터 배열(1)의 광 채널(10)의 일부의 개략적인 투시 분해도를 도시한 도면이다.
도 3은 네마틱 액정층(2)에서의 편광의 회전을 도시한 도면이다. 본 개시의 실시예에 따르면, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10) 내에서, 각각의 광 채널(10)의 제1 편광자층(6)의 일부의 편광축은 각각의 광 채널(10)의 제2 편광자층(7)의 일부의 편광축(12)에 직각으로 배향된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10) 내에서, 각각의 광 채널(10)의 제1 편광자층(6)의 일부의 편광축(11)은 각각의 광 채널(10)의 제2 편광자층(7)의 일부의 편광축(12)에 평행하게 배향된다. 도 1은 2개의 편광 필터 사이에 개재된 액정이 최신 방식에 이용되어 구조물을 거쳐 입사광을 차단하거나 통과시키는 방법을 보여준다.
2개의 편광 필터(6, 7)가 수직 편광축을 따라 배치되는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 위에서 입사하는 광(LI)(입사광)은, 하부 필터(7)를 통과하고 나서 제1 전압(FV)이 인가되도록, 도 3에 더 상세히 설명된 바와 같이 액정 분자(2)의 나선 배열을 따라 90도 방향으로 재지향될 수 있다. 한편, 제2 전압(SV)이 인가될 때, 액정 분자(2)는 나선 패턴으로부터 곧게 펴지고 광(LI)의 각도를 재지향시키는 것을 중단하여, 입사광(LI)이 하부 필터(7)를 통과하는 것을 방지한다.
도 4는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열(1)의 실시예 2의 개략적인 투시 분해도이다.
실시예 2는 적층형 광학 필터 장치(1)의 실시예 1에 기초하므로, 하기에서는 차이점만 논의한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제1 투명 전극층(3)은 전도성 코팅을 갖는 유리층을 포함한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제2 투명 전극층(4)은 전도성 코팅을 갖는 유리층을 포함하며, 전도성 코팅은 제2 투명 전극층(4)의 복수의 전극 세그먼트(5)를 형성하기 위해 구성된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 필터층(8)은 적층형 광학 필터 배열(1)의 단부에 배치된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 적층형 광학 필터 배열(1)은 광(LI)을 평행화하기 위한 시준 배열(13)을 포함하며, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널은 시준 배열(13)의 일부를 포함한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 시준 배열(13)은 프레넬(Fresnel) 렌즈를 포함한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 필터 세그먼트(9) 중 적어도 하나는 파장 비민감성 필터 세그먼트(9.5)이며, 이는 적어도 3㎛∼5㎛의 파장에 대해 투명하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 커널 상하의 모든 나머지 요소의 박층(2∼7)의 적층은 1.2㎜의 박형 필터 스택(1)을 형성하고, 이는 하부층(8) 상부에 적층된다. 하부층(8)을 통해 이미터 또는 히터에 노출될 때, 층(1∼8)의 스택은 섹션(5.1∼5.4) 중 하나를 통해 단일 가스에 관한 파장을 선택하고 방출하는데 효율적일 수 있다.
각 섹션(9.1∼9.4)은 검출될 목표 가스에 관한 하나의 파장을 선택하고 방출할 수 있다. 구체적으로, 섹션(9.1)은 CO2 가스에 대해 w1=4.2㎛를 선택할 수 있고, 섹션(9.2)은 CO 가스에 대해 w2=4.67㎛를 선택할 수 있으며, 섹션(9.3)은 CH4 가스에 대해 w3=3.3㎛를 선택할 수 있으며, 섹션(9.4)은 온실 가스 N2O에 대해 w4=4.5㎛를 선택할 수 있다.
환경 속에서 CO2의 존재를 측정/검출하기 위해, w1동안 투명하도록 섹션(9.1)의 광 채널(10)이 활성화될 수 있는 반면, 섹션(9.1∼9.4)의 광 채널을 비활성화함으로써 모든 다른 파장이 차단된다.
CO2의 측정 후, 예를 들어 CH4의 검출/측정이 필요한 경우, 섹션(9.3)의 광 채널은 활성화될 수 있는 반면 다른 섹션의 모든 채널은 비활성화될 수 있다. 이 과정은 검출중인 각 가스에 따라 계속될 수 있다.
도 5는 적층형 광학 필터 배열(1)을 위한 필터층(8)에 대한 제1 예시적인 평면을 도시한 도면이다. 적층형 광학 필터 배열(1)은 "액티브 매트릭스 광학 필터(AMOF : Active Matrix Opto-Filter)"라고 부를 수 있는 개념에 따라 구성된다. F의 면적을 갖는 광학 필터층(8)은 도 5에 도시된 바와 같이 필터 세그먼트(하위 섹션)(9)로 분할된다. 필터층(8)의 평면(P)은 복수의 필터 세그먼트(9)를 포함하고, 각 필터 세그먼트(9)는 대응하는 가스(Gi)에 대해 파장(wi)을 선택하고 방출하는 영역(Si)을 갖는다.
투과율 및 방출에 대한 다른 제한에 따라, 각 섹션의 영역(Si)은 ∑Si<=F인 조건과 상이하거나 동일할 수 있다.
고정된 파장 필터 섹션(9)의 이 새로운 평면(P)은 바닥층(Lbottom)이라 부를 수 있다.
도 6에는 적층형 광학 필터 배열(1)의 제2 투명 전극층(4)에 대한 예시적인 평면이 도시되며, 이는 필터층(8)에 대한 제1 평면에 대응한다.
네마틱 액정층(2), 제1 투명 전극층(3) 및 제2 투명 전극층(4)은 "액티브 매트릭스 광학 픽셀층(AMOP : Active Matrix Opto-Pixel Layer)"이라고 부를 수 있다. 윤곽(Si)==윤곽(Pi), 특히 다각형 윤곽(Si)==다각형 윤곽(Pi), 또는 평면(Lbottom)==평면(LAMOP)이 되도록, 복수의 전극 세그먼트(5)의 각각은, 제1 전극층(3)의 일부 및 네마틱 액정층(2)의 일부와 함께, 평면(Lbottom)을 갖는 액티브 매트릭스 광학 픽셀(Pi)을 형성한다.
액티브 매트릭스 광학 픽셀층(2, 3, 4)은 기반층(8) 위에 적층 및 고정되어, 도 6에 도시된 바와 같이 투명 전도성 코팅층을 통해 부착된 전도 경로/채널을 통해 외부 전압의 인가에 의해 각 픽셀 Pi를 개별적으로 제어할 수 있다. 여기서, 본 실시예에서, 외부 전압은 LAMOP로부터 개별 픽셀 Pi를 제어하며, 이는 그 픽셀의 스위칭 전압(UAMOP)으로 알려져 있으며, GAMOP는 0볼트 또는 접지 레벨이다.
PiUAMOP=UAMOP의 인가는 픽셀(Pi)을 활성화한다. 픽셀(Pi)의 활성화는 Pi가 민감한 관련 파장에 대해 픽셀(Pi)을 투명하게 만든다. 일단 활성화되면, Pi는 도 6에 도시된 바와 같이 픽셀(Pi)의 비활성화라고 알려진 PiUAMOP=GAMOP까지 활성화된 상태로 유지되며, 픽셀(P1, P3)은 활성화된다. 따라서, 파장(wi)을 갖는 가스(Gi)를 검출하기 위해, 픽셀(Pi)은 활성화되어 그의 대응하는 파장(wi)에 대해 투명해지고, 반면에 나머지 픽셀은 비활성화되어 그 대응하는 파장에 대해 불투명해진다.
도 7은 적층형 광학 필터 배열(1)을 위한 필터층(8)에 대한 제2 예시적인 평면을 도시한 도면이다.
본 개시는 상술한 바와 같이 필터 세그먼트(9)의 정사각형 형태로 제한되지 않는다. 반대로, 기반층(8)(LBOTTOM)의 섹션의 다른 형상 및 윤곽에 대해서 효율적으로 구현될 수 있다. 본 개시는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석에 관한 것으로서, 이하는 신규한 개시의 모든 이점을 얻는 바람직한 실시예이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 단일 고정 파장 필터면(F)은 섹션(9.1∼9.5)으로 분할되어 동일 평면에 5개의 고정 파장 필터 세그먼트(9)를 생성한다. 각 섹션(9.1∼9.4)은 검출될 가스에 대응하는 광대역 적외선 입사 방사선(LI)으로부터 파장을 선택하여 방출한다. 예를 들어, 9.1은 CO2의 검출/측정을 위해 w1=4.3㎛를 선택하여 방출할 수 있고, 마찬가지로 나머지 3개의 섹션은 CH4, N2O 및 CO와 같은 나머지 3개의 가스에 관해 구성된다.
제5 섹션(9.5)은, 임의의 특정 적외선을 선택하지 않지만 광음향 분광 분석에 사용되는 히터(101)의 상부에 노출/고정될 때 모든 입사 방사선(LI)을 방출하도록, 생성된다. 이는 그의 꾸준한 감쇠에 대비하여 히터 전력을 재보정하기 위해 작업 과정 중에 히터/이미터의 최대 전력을 검사하기 위한 것이다. 여기서, 섹션(9.5)의 면적(S5)은 나머지 섹션(9.1∼9.4)에 비해 더 작다는 점에 유의해야 한다. 이는 파장 민감성 필터가 있는 섹션이 보다 효율적인 면적을 갖는 것을 보장하기 위한 것이다.
바닥층(8)을 통해 라디에이터 또는 히터에 노출될 때, 층(1∼8)의 스택은, 섹션(9.1∼9.4)을 통한 단일 가스에 관한 특정 파장 또는 섹션(9.5)을 통한 히터/이미터의 모든 광대역 입사 방사선(LI)을 선택 및 방출하는데 효율적일 수 있다.
환경 속에서 특정 가스의 존재를 측정/검출하기 위해, 모든 다른 섹션을 비활성화함으로써 모든 다른 파장을 차단하는 동안, 스택(1)이 특정 파장에 대해 투명해지도록 섹션(9.1∼9.5) 중 하나가 활성화될 수 있다. 재보정 중에, 섹션(9.5)은 활성화되고, 섹션(9.1∼9.4)은 비활성화될 수 있다.
기반 가스 센서 시스템에서 적층형 광학 필터 배열(1)의 작동 중에, 라디에이터는 일정 기간동안 꾸준히 감쇠가 진행된다. 확실히 수명이 제한적이어서 방출 효율이 악화되기 쉽다. 이 손실은 그 제자리에서 필요한 가스를 정확하게 측정/검출하기 위해 해결되어야 한다.
이 과제를 해결하기 위해, 실시예는 파장에 민감하지 않은 필터 섹션(9.5)의 생성을 제안한다. 필터 섹션(9.5)은 어떠한 고정 파장 광학 필터도 채용하지 않는다. 따라서, 섹션(S5)에 대응하는 필터 섹션(9.5)의 광 채널(10)의 활성화는 각각의 광 채널(10)을 라디에이터로부터의 광대역 입사 방사선에 투명하게 만든다. 이것은 센서의 음향 검출기가 시스템 작동 중 임의의 시점에서 라디에이터의 가용 최대 방출 전력을 측정하는 데 도움이 된다. 따라서, 센서는 필터 섹션(9.5)의 광 채널의 활성화 및 다른 필터 섹션의 광 채널(10)의 비활성화에 의해 임의의 라디에이터의 열화를 조사, 검사 및 보상할 수 있다.
파장 비민감성 필터 섹션(9.5)의 광 채널(10)의 활성화에 의해, 라디에이터의 전체 전력이 검출 챔버로 전달된다. 이로 인해 챔버 내부의 공기가 갑자기 팽창하여 인입 포트를 통해 배출된다. 파장 비민감성 필터 섹션(9.5)의 광 채널(10)이 비활성화되면, 챔버 작동 및 온도는 평형 조건으로 복귀한다. 이는 검출을 위해 챔버를 외부 공기로 채우는 흡입을 의미한다.
따라서, 본 실시예에서, 보다 빠른 응답을 위해 빠른 흡입 및 방출 활동이 수행될 수 있다. 특히 체적이 보다 큰 검출 챔버/캐비티에 적합하다.
도 8은 예시적인 제1 투명 전극층(3)의 개략적인 평면도이다. 적층형 광학 필터 배열을 준비하는 다음 단계는 측면 중 하나에 전도성 코팅을 갖는 전면 및 후면 투명 유리 패널(3, 4)을 준비하는 것이다. 도 8에는 준비중인 후면 패널이 도시된다.
후면 유리 패널(3)의 면적은 1단계에서 생성된 평면의 정확한 윤곽과 일치해야 하며, 즉, LBOTTOM의 폭와 너비는 후면 유리 패널의 폭과 너비와 동일해야 한다. 또한, 전면 및 후면 유리 패널(3, 4) 모두 한쪽 측면에서 전기 전도성이 있어야 한다. 이는 TCO, ITO 또는 AZO 등과 같은 투명하고 전기 전도성이 있는 재료의 증착에 의해 달성할 수 있다.
또한, LBOTTOM에 노출될 후면 패널(3)은 그 안의 액정 분자(2)의 모든 섹션 및 현탁액에 대해 공통 접지로서 작용할 것이다. 이를 달성하기 위해, 작은 금속 패드(14)가 패널(3)의 전도성 측면에 부착되어, 거기에 납땜 등에 의해 외부 와이어가 연결/접속될 수 있다.
도 9는 예시적인 제2 투명 전극층(4)의 개략적인 평면도이다. 도 9에는 제조 후의 전면 유리 패널(4)이 도시된다. 전면 유리 패널(4)의 면적이 약간 더 크다는 것을 알 수 있다. 이 확장 부분은 영역에 표시되며, 각 섹션에 연결되어 해당 섹션(9)에 UAMOP 신호를 입력하는 데 사용되는 모든 전도성 패드를 고정하는 데 사용된다. 후면 패널(3)과 마찬가지로, 초기에 전면 패널(4)은 상술한 바와 같이 한쪽 측면 전체가 투명한 전기 전도성 재료로 코팅되어야 한다.
이 전도성 측면은 LBOTTOM으로부터의 5개 섹션(9.1~9.5)의 정확한 윤곽에 대응하는 5개 영역(5.1~5.5)이 전도성 패드(5.1~5.5)로 확장된 박형 전도성 배선과 함께 전도성 코팅을 가질 방식으로 에칭된다. 또한, 이들 박형 전도성 배선은 절연 재료, 예를 들어 포토레지스트 등으로 코팅된다.
그 후, 전도성 패드(15)는, 섹션(5) 중 하나에서 패드(15) 중 하나로 연장되는 대응하는 박형 전도성 배선(16)에 의해 대응하는 섹션(5.1∼5.5)에 그들이 전기적으로 연결되도록, 확장된 영역에 배치된다. 이것은 확장된 영역 내의 배선(16)으로부터 절연층(여기에서, 포토레지스트)을 제거하고, 전도성 접착제 등에 의해 패드(15)를 배치함으로써, 달성될 수 있다. 이것이 도 9에 도시되어 있으며, 전기 전도성을 띄며 투명한 섹션(5.1∼5.5)은 어두운 회색으로 도시되고, 에칭된 비전도성 영역은 흰색으로 도시되며, 섹션으로부터 연장되고 절연 코팅을 갖는 전도성 배선(16)은 회색으로 도시된다.
그 후, 전면 패널(4) 및 후면 패널(3)은 둘 다, 브러싱(brushing)/러빙(rubbing) 방향이 가장 가까운 편광판(6, 7)의 방향과 평행한 방식으로, 전도성 측면으로부터 가볍게 브러싱/러빙된다. 예를 들어, 전면 패널(4)은 전면 편광자(7)의 방향과 평행한 방향으로 브러싱된다. 브러싱은 실제로 2개의 유리 패널(3, 4) 사이에 액정 분자(2)가 부유할 때 정확하게 정렬되는 것을 돕는다.
도 10은 예시적인 제1 투명 전극층(3)과 예시적인 제2 투명 전극층(4) 사이에 배열된 예시적인 네마틱 액정층(2)의 개략적인 분해도이다.
적층형 광학 필터 배열(1)을 제조하는 다음 단계는 이전 단계 동안 생성된 전면 패널과 후면 패널 사이에 네마틱 액정 용액을 실질적으로 첨가하는 것이다. 네마틱 액정의 선택은 온도 범위, 스위칭 속도 등과 같은 대상 요소에 따라 다르다. 본 개시는 액정의 선택을 5CB, 50CB 및 PCH5로 권장하지만, 제한하는 것은 아니다. 도 10에는 어떻게 액정 용액이 전면 패널(3)과 후면 유리 패널(4) 사이에 부유되는지가 도시된다.
도 11은 예시적인 네마틱 액정층(2), 예시적인 제1 투명 전극층(3) 및 예시적인 제2 투명 전극층(4)을 포함하는 예시적인 스택의 개략적인 평면도이다. 도 11은 이전 단계의 결과로서 제조된 중간에서의 액정층(2)을 갖는 투명 전도성 전면 및 후면 유리 패널(3, 4)의 최종 도면이다. 층(2, 3, 4)의 스택은 또한 적층형 광학 필터 배열(1)의 커널(2, 3, 4) 또는 간단히 커널(2, 3, 4)이라 부를 수 있다. 여기서 커널의 각 섹션은 하나의 픽셀이 된다. 예를 들어 섹션(5.1)은 픽셀(P1) 등을 형성한다.
마지막으로, 그 후 커널(2, 3, 4)은 전방 및 후방 고대비 편광자(6, 7) 사이에 개재되며, 선택적으로 평면 시준 렌즈(13)와 함께, 모두 도 1 및 도 4에 도시된 배열에 따라 실제 필터 영역(W×H)과 같은 크기를 갖는다.
도 12는 필터층(8) 및 제2 전극층(4)에 대한 다른 예시적인 평면을 도시한 개략적인 평면도이다. 본 개시의 범위는 그 시점에서 단지 4개의 가스를 검출하는 것으로 제한되지 않는다. 동일한 개념이, 대응하는 전극 세그먼트(5)와 함께 필터 섹션(9)의 상이한 디자인, 형상 및 기하학적 구조에 의해 N개의 가스로 확장될 수 있다.
도 13은 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치(100)의 실시예 1의 개략적인 측면도이다. 광음향 분광 분석 장치(100)는, 가간섭성(coherent) 광(LI)을 방출하도록 구성된 라디에이터(101)와, 본 개시에 따른 적층형 광학 필터 배열(1)－적층형 광학 필터 배열(1)은 필터링된 광(FLI)을 생성하기 위해 라디에이터(101)로부터 광(LI)을 수광 및 필터링하도록 구성됨－과, 필터링된 광(FLI)에 가스(GS)의 혼합물을 노출시키도록 구성된 가스 검출 챔버(102)와, 가스(GS)의 혼합물을 필터링된 광(FLI)에 노출시킴으로써 발생되는 사운드를 검출 챔버(102)에서 검출하도록 구성된 마이크로폰(103)과, 광음향 분광 분석 장치(100)를 제어하도록 구성된 제어 장치(104)를 포함한다.
도 14는 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치(100)의 실시예 2의 개략적인 측면도이다.
본 개시의 실시예에 따르면, 라디에이터(101)는 적층형 광학 필터 배열(1)의 필터층(8)의 제1 측면에 배열되고, 제1 편광자층(6) 및 제2 편광자층(7)은 적층형 광학 필터 배열(1)의 필터층(8)의 제2 측면 상에 배열된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 라디에이터(103)는 적어도 3㎛∼5㎛의 파장을 포함하는 연속 스펙트럼을 방출하도록 구성된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제어 장치(104)는 동일한 시간 간격으로 측정 절차를 제어하도록 구성되며, 파장 민감성 필터 세그먼트(9) 중 하나를 포함하는 복수의 광 채널(10) 중 하나의 광 채널(10)은, 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV) 또는 제2 전압(SV)을 교대로 인가함으로써, 스위칭 주파수로 교번적으로 활성화 또는 비활성화되고, 하나의 광 채널의 파장 민감성 필터 세그먼트(9)와는 상이한 파장에 대해 투명한 파장 민감성 필터 세그먼트(9) 중 하나 또는 파장 비민감성 필터 세그먼트(9)를 포함하는, 복수의 광 채널(10)의 모든 다른 광 채널(10)은, 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써 비활성화되며, 검출 챔버 내의 사운드는 마이크로폰(103)을 사용하여 검출된다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제어 장치(104)는 동일한 다른 시간 간격으로 교정 절차를 제어하도록 구성되며, 파장 비민감성 필터 세그먼트(9)를 포함하는 복수의 광 채널(10) 중 하나의 광 채널(10)은, 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV) 또는 제2 전압(SV)을 교대로 인가함으로써, 스위칭 주파수로 교번적으로 활성화 또는 비활성화되고, 파장 민감성 필터 세그먼트(9)를 포함하는 복수의 광 채널(10)의 모든 다른 광 채널(10)은, 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써 비활성화되며, 가스 검출 챔버(102) 내의 사운드는, 사운드의 강도를 측정함으로써 라디에이터(101)의 감쇠를 추정하기 위해, 마이크로폰(103)을 사용하여 검출된다.
도 14에 도시된 바와 같이, 적층형 필터(1)는 IR 방출기/히터(101)로부터 방출된 랜덤 편광 IR 파장에 평행 편광을 가져 오기 위해 시준 렌즈(13)를 포함한다. 이는 최신 장치에 비해 투과율을 극적으로(95% 이상) 증가시킨다.
또한, 전기 전도성 투명 유리 패널(3, 4)과 함께 중간 범위 IR(3㎛∼5㎛)에 대해 95%를 초과하는 투과율을 갖는 고대비 IR 편광자(6, 7)는, 입사 최대 전력과 비교하여 이 투과율을 95% 미만으로 방해하지 않는다. 광 경로(10)를 통한 투과율이 유지되도록, 적층형 필터(1)의 모든 요소는 도 14에 도시된 바와 같이 순차적으로 밀리미터 미만의 두께를 엄격하게 측정하여, 사실상 층들 사이에 공기/매체가 없이 적층된다.
기본적으로, 전기 전도성 유리 패널(3, 4) 사이에 부유하는 네마틱 액정 분자(2)의 디렉터는 전방 IR 편광자의 방향과 평행하다. 이것은 스위칭 전압이 GAMOP로 설정될 때, 층(2, 3, 4)이 각각의 광 채널(10)의 활성화를 암시하는 그대로 입사 적외선을 전달할 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 액정 분자(2)가 그것을 통과하는 적외선의 편광을 디렉터의 방향으로 변화시키기 때문이다. 한편, 스위칭 전압이 UAMOP>>GAMOP로 설정될 때, 이는 네마틱 액정 분자(2)의 디렉터 방향을 전방 적외선 편광자와 직교하게 하여 각각의 광 채널(10)을 불투명하게 한다.
도 15는 다른 엔티티에 의한 주파수 범위에 따른 사운드 점유를 도시한다.
본 개시의 실시예에 따르면, 스위칭 주파수는 100㎑∼300㎑의 범위에 있다. 이러한 특징들에 의해, 이 주파수 범위가 다른 소스 및 주파수 범위에 의해 덜 오염되기 때문에 측정의 신호대 잡음비가 향상될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이의 거리(MD)는 제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이의 최대 거리보다 작고, 여기서 최대 거리는 수학식 dmax=T×U에 따라 산출되고, dmax는 ㎛ 단위의 최대 거리이고, T는 ㎲ 단위의 스위칭 주파수의 진동 시간이며, U는 V 단위의 제1 전압(FV)과 제2 전압(SV)간 차이의 절대값이다.
액정 분자(2)가 전면 또는 후면 편광자(6, 7)에 대해 평행에서 수직으로 재배향하는 데 걸리는 시간을 전이 시간(즉, 각 채널(10)의 활성화를 비활성화로)이라고한다. 네마틱 액정 셀의 전이 시간
Figure pat00001
는 수학식 1과 같이 10V/㎛를 초과하는 전계에 대해 추정할 수 있으며, 여기서 U는 셀을 가로지르는 스위칭 전압을 제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이의 거리(d)로 나눈 값이다
Figure pat00002
따라서, 10㎲(100㎑)∼3.3㎲(300㎑)의 범위 내에서 스위칭 시간(여기서는 각각의 광 채널(10)에 의해 비활성화된 상태에서 활성화된 상태로 또는 그 반대로 전환되는 데 걸리는 전환 시간 또는 시간)을 달성하기 위해, 0V의 제1 전압 및 12V의 제2 전압을 고려하면, 최대 셀갭 dmax는 수학식 dmax=T×U=3.3×12㎛≒40㎛에 따라 계산될 수 있다.
유사하게, 상이한 전압 범위 및 스위칭 주파수에 대해, 수학식 d max =T×U를 사용하여 최대 거리(d max )를 계산할 수 있다. 장치의 구성 중에, 후면 및 전면 전도성 유리 전극 사이의 실제 거리(MD)가 계산된 최대 거리(d max )를 초과하지 않는다는 것을 확인함으로써, 이러한 고속 스위칭 주파수가 보장될 수 있고 따라서 장치는 초음파 주파수 범위에서 가스를 검출하기 위해 추가로 사용될 수 있다.
라디에이터는 그의 정상 작동 주파수, 즉 인프라에서 가청 범위까지에서 여기될 수 있다. 라디에이터가 원하는 온도에 도달하면, 목표 가스를 검출하는데 필요한 주파수를 포함하는 가간섭성 방사선을 방출하기 위해, 외부 변조 주파수, 즉 연속적인 온(ON) 및 오프(OFF) 펄스의 직류(dc) 공급 전압이 각각의 광 채널(10)에 공급될 것이고, 이것은 초음파 범위에서 작동되는 데 필요하지만, 나머지 광 채널(10)은 비활성화/불투명이 유지된다.
이러한 특징들에 의해, 장치의 신호대 잡음비가 개선되어, 잡음이 존재시에 가스 검출이 보다 양호해질 수 있다. 또한, 라디에이터의 수명 시간이 향상될 수 있다. 가스 검출 해상도(더 높거나 더 낮은 ppm/ppb)가 향상될 수 있다. 또한, 검출 시간을 몇 배로 단축할 수 있다.
도 16은 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치(100)를 위한 적층형 광학 필터 장치(1)의 제조 방법을 도시한 도면이다. 이 방법은, 제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이에 네마틱 액정층(2)을 배열하는 단계－제2 투명 전극층(4)은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트(5)를 포함함－와, 네마틱 액정층(2)을 제1 편광자층(6)과 제2 편광자층(7) 사이에 배열하는 단계와, 광(LI)을 필터링하도록 구성된 필터층(8)을 추가하는 단계－필터층(8)은 복수의 필터 세그먼트(9)를 포함하고, 필터 세그먼트(9) 중 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트(9)이며, 파장 민감성 필터 세그먼트(9)의 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－와, 복수의 광 채널(10)을 형성하는 단계를 포함하되, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널은, 네마틱 액정층(2)의 일부, 제1 전극층(3)의 일부, 제2 투명 전극층(4)의 복수의 전극 세그먼트(5) 중 하나, 제1 편광자층(6)의 일부, 제2 편광자층(7)의 일부 및 복수의 필터 세그먼트(9) 중 하나를 포함하고, 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10)은, 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV)을 인가함으로써, 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 활성화될 수 있으며, 복수의 광 채널의 각각의 광 채널(10)은, 각각의 광 채널(10)의 제2 투명 전극층(4)의 전극 세그먼트(5)와 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써, 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 비활성화될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 제한적인 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 본 발명의 다른 실시예뿐만 아니라 예시적인 실시예의 다양한 수정 및 조합이 본 설명을 참조하면 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구 범위는 임의의 그러한 수정 또는 실시예를 포함하도록 의도된다.

Claims (17)

  1. 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열(1)로서,
    제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이에 적층된 네마틱 액정층(2)－상기 제2 투명 전극층(4)은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트(5)를 포함함－과,
    제1 편광자층(6) 및 제2 편광자층(7)－상기 네마틱 액정층(2)이 상기 제1 편광자층(6)과 상기 제2 편광자층(7) 사이에 적층됨－과,
    광(LI)을 필터링하도록 구성되는 필터층(8)－상기 필터층(8)은 복수의 필터 세그먼트(9)를 포함하고, 상기 필터 세그먼트(9) 중 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트(9)이며, 상기 파장 민감성 필터 세그먼트(9) 중 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－과,
    복수의 광 채널(10)－상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널은 상기 네마틱 액정층(2)의 일부와, 상기 제1 전극층(3)의 일부와, 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 복수의 전극 세그먼트(5) 중 하나와, 상기 제1 편광자층(6)의 일부와, 상기 제2 편광자층(7)의 일부와, 상기 복수의 필터 세그먼트(9) 중 하나를 포함함－을 포함하되,
    상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV)을 인가함으로써, 상기 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 활성화될 수 있고,
    상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써, 상기 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 비활성화될 수 있는
    적층형 광학 필터 배열.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층(3)은 전도성 코팅을 갖는 유리층을 포함하는
    적층형 광학 필터 배열.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 투명 전극층(4)은 전도성 코팅을 갖는 유리층을 포함하고, 상기 전도성 코팅은 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 복수의 전극 세그먼트(5)를 형성하기 위해 구성되는
    적층형 광학 필터 배열.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터층(8)은 상기 적층형 광학 필터 배열(1)의 단부에 배열되는
    적층형 광학 필터 배열.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10) 내에서, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제1 편광자층(6)의 일부의 편광축(11)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 편광자층(7)의 일부의 편광축(12)에 직각으로 배향되는
    적층형 광학 필터 배열.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10) 내에서, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제1 편광자층(6)의 일부의 편광축(11)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 편광자층(7)의 일부의 편광축(12)에 평행하게 배향되는
    적층형 광학 필터 배열.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층형 광학 필터 배열(1)은 상기 광(LI)을 평행화하기 위한 시준 배열(13)을 포함하고, 상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널은 상기 시준 배열(13)의 일부를 포함하는
    적층형 광학 필터 배열.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시준 배열(13)은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함하는
    적층형 광학 필터 배열.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 세그먼트(9) 중 적어도 하나는, 적어도 3㎛∼5㎛의 파장에 대해 투명한 파장 비민감성 필터 세그먼트(9.5)인
    적층형 광학 필터 배열.
  10. 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치(100)로서,
    가간섭성(coherent) 광(LI)을 방출하도록 구성된 라디에이터(101)와,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적층형 광학 필터 배열(1)－상기 적층형 광학 필터 배열(1)은 필터링된 광(FLI)을 생성하기 위해 상기 라디에이터(101)로부터 상기 광(LI)을 수광 및 필터링하도록 구성됨－과,
    상기 필터링된 광(FLI)에 가스의 혼합물(GS)을 노출시키도록 구성된 가스 검출 챔버(102)와,
    상기 가스의 혼합물(GS)을 상기 필터링된 광(FLI)에 노출시킴으로써 발생되는 사운드를 상기 검출 챔버(102)에서 검출하도록 구성된 마이크로폰(103)과,
    상기 광음향 분광 분석 장치(100)를 제어하도록 구성된 제어 장치(104)를 포함하는
    광음향 분광 분석 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 라디에이터(101)는 상기 적층형 광학 필터 배열(1)의 상기 필터층(8)의 제1 측면 상에 배열되고, 상기 제1 편광자층(6) 및 상기 제2 편광자층(7)은 상기 적층형 광학 필터 배열(1)의 상기 필터층(8)의 제2 측면 상에 배열되는
    광음향 분광 분석 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 라디에이터(101)는 적어도 3㎛∼5㎛의 파장을 포함하는 연속 스펙트럼을 방출하도록 구성되는
    광음향 분광 분석 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(104)는 동일한 시간 간격으로 측정 절차를 제어하도록 구성되며,
    상기 파장 민감성 필터 세그먼트(9) 중 하나를 포함하는 상기 복수의 광 채널(10) 중 하나의 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV) 또는 제2 전압(SV)을 교대로 인가함으로써, 스위칭 주파수에서 교대로 활성화 또는 비활성화되고,
    상기 하나의 광 채널의 상기 파장 민감성 필터 세그먼트(9)와는 상이한 파장에 대해 투명한 상기 파장 민감성 필터 세그먼트(9) 중 하나 또는 파장 비민감성 필터 세그먼트(9)를 포함하는 상기 복수의 광 채널(10)의 모든 다른 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써, 비활성화되며,
    상기 검출 챔버 내의 사운드는 상기 마이크로폰(103)을 사용하여 검출되는
    광음향 분광 분석 장치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(104)는 동일한 다른 시간 간격으로 교정 절차를 제어하도록 구성되며,
    상기 파장 비민감성 필터 세그먼트(9)를 포함하는 상기 복수의 광 채널(10) 중 하나의 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 상기 제1 전압(FV) 또는 상기 제2 전압(SV)을 교대로 인가함으로써, 상기 스위칭 주파수에서 교대로 활성화 또는 비활성화되고,
    상기 파장 민감성 필터 세그먼트(9)를 포함하는 상기 복수의 광 채널(10)의 모든 다른 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 상기 제2 전압(SV)을 인가함으로써 비활성화되며,
    상기 가스 검출 챔버(102) 내의 상기 사운드는, 상기 사운드의 강도를 측정함으로써 상기 라디에이터(101)의 감쇠를 추정하기 위해, 상기 마이크로폰(103)을 사용하여 검출되는
    광음향 분광 분석 장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 주파수는 100㎑∼300㎑의 범위에 있는
    광음향 분광 분석 장치.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 투명 전극층(3)과 상기 제2 투명 전극층(4) 사이의 거리(MD)는, 상기 제1 투명 전극층(3)과 상기 제2 투명 전극층(4) 사이의 최대 거리보다 작고, 상기 최대 거리는 수학식 dmax=T×U에 따라 산출되고, dmax는 ㎛ 단위의 상기 최대 거리이고, T는 ㎲ 단위의 상기 스위칭 주파수의 진동 시간이며, U는 V 단위의 상기 제1 전압(FV)과 상기 제2 전압(SV)간 차이의 절대값인
    광음향 분광 분석 장치.
  17. 다중 가스 감지용 광음향 분광 분석 장치를 위한 적층형 광학 필터 배열을 제조하는 방법으로서,
    제1 투명 전극층(3)과 제2 투명 전극층(4) 사이에 네마틱 액정층(2)을 배열하는 단계－상기 제2 투명 전극층(4)은 서로 전기적으로 격리된 복수의 전극 세그먼트(5)를 포함함－와,
    상기 네마틱 액정층(2)을 제1 편광자층(6)과 제2 편광자층(7) 사이에 배열하는 단계와,
    광(LI)을 필터링하도록 구성되는 필터층(8)을 추가하는 단계－상기 필터층(8)은 복수의 필터 세그먼트(9)를 포함하고, 상기 필터 세그먼트(9) 중 적어도 2개는 파장 민감성 필터 세그먼트(9)이며, 상기 파장 민감성 필터 세그먼트(9)의 적어도 2개는 상이한 파장에 대해 투명함－와,
    복수의 광 채널(10)을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널은, 상기 네마틱 액정층(2)의 일부와, 상기 제1 전극층(3)의 일부와, 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 복수의 전극 세그먼트(5) 중 하나와, 상기 제1 편광자층(6)의 일부와, 상기 제2 편광자층(7)의 일부와, 상기 복수의 필터 세그먼트(9) 중 하나를 포함하고,
    상기 복수의 광 채널(10)의 각각의 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 제1 전압(FV)을 인가함으로써, 상기 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 활성화될 수 있으며,
    상기 복수의 광 채널의 각각의 광 채널(10)은, 상기 각각의 광 채널(10)의 상기 제2 투명 전극층(4)의 상기 전극 세그먼트(5)와 상기 제1 투명 전극층(3) 사이에 제2 전압(SV)을 인가함으로써, 상기 복수의 광 채널(10)의 다른 광 채널(10)과 독립적으로 비활성화될 수 있는
    적층형 광학 필터 배열의 제조 방법.
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