KR20200121631A - Multi gas sensor using Ultra thin film lens and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적외선 흡수식 가스센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초박막 렌즈를 이용해 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 위치에 초점이 형성되도록 함으로써, 동시에 여러 종류의 가스를 판별할 수 있는 적외선 흡수식 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an infrared absorption type gas sensor, and more particularly, by classifying infrared rays emitted from an infrared light source according to wavelength using an ultra-thin film so that the focus is formed at different locations, it is possible to simultaneously discriminate various types of gases. It relates to an infrared absorption type gas sensor and a method of manufacturing the same.
적외선은 전자기적 방사 스펙트럼(Electromagnetic radiation spectrum)의 한 부분으로 0.70μm에서 1mm까지의 특정 파장 범위를 가진다. 가스 분자들은 상호 결합된 여러 개의 원자들로 구성되고, 이런 결합들은 항상 각각의 고유진동수(Natural frequency)를 가지는 진동(Vibration)과 회전(Rotation)을 수행하는데, 진동운동과 회전운동의 주파수들은 원자들의 크기와 결합 힘이 크게 작용하는 함수관계를 갖는다. 이때 고유진동수는 가스들의 화학적 분자구조에 의해 서로 다른 값을 가지며, 주어진 분자와 결합구조에서는 항상 같다. 따라서 가스의 구성 물질과 분자구조에서 나타나는 고유진동수 특성들은 각각의 지문처럼 사용되어, 주어진 가스의 분자구조를 확인하는 단서를 제공한다.Infrared light is part of the electromagnetic radiation spectrum and has a specific wavelength range from 0.70 μm to 1 mm. Gas molecules are composed of several atoms bonded to each other, and these bonds always perform vibration and rotation having their respective natural frequencies, and the frequencies of the vibration and rotational motions are atomic. It has a functional relationship in which the size and the coupling force of the fields act greatly. At this time, the natural frequency has different values depending on the chemical molecular structure of the gases, and is always the same for a given molecule and bond structure. Therefore, the natural frequency characteristics appearing in the constituent material and molecular structure of the gas are used like each fingerprint, providing a clue to confirm the molecular structure of a given gas.
적외선 광원에 의해 방사된 적외선이 가스 분자들과 상호 영향을 미칠 때, 에너지 영역대의 특정 부분은 가스 분자의 고유진동수와 같은 진동수를 가지며, 나머지 다른 에너지 영역의 적외선이 투과되는 동안 흡수된다. 가스 분자가 동일한 진동수를 갖는 특정 영역대의 적외선 에너지를 흡수할 때, 분자는 에너지를 얻고 더욱 크게 진동한다. 이러한 진동은 가스 분자의 온도가 상승하는 결과를 가져오며, 가스 분자에 의해 흡수된 적외선은 광원에서의 원래의 세기를 잃게 된다. 이때 온도는 가스 농도에 비례해서 증가하게 되고 광의 세기는 가스농도에 반비례해서 감소하게 되는데, 감소된 방사 에너지는 전기적 신호로써 감지된다.When infrared rays emitted by the infrared light source mutually influence gas molecules, a specific part of the energy region has a frequency equal to the natural frequency of the gas molecules, and the infrared rays of the other energy regions are absorbed while being transmitted. When a gas molecule absorbs infrared energy in a specific region with the same frequency, the molecule gains energy and vibrates more heavily. This vibration results in an increase in the temperature of the gas molecules, and the infrared rays absorbed by the gas molecules lose their original intensity from the light source. At this time, the temperature increases in proportion to the gas concentration, and the light intensity decreases in inverse proportion to the gas concentration, and the reduced radiated energy is detected as an electrical signal.
일반적으로 적외선 흡수식 가스 센서는, 가스 샘플에 적외선을 조사하여 가스 샘플 내에 측정대상 가스의 유무에 따라 검출부에 도달하는 적외선 손실 정도의 비율을 측정하는 방식으로 측정대상 가스를 감지한다.In general, an infrared absorption type gas sensor detects a gas to be measured by irradiating infrared rays to a gas sample and measuring a ratio of the degree of infrared loss reaching a detector according to the presence or absence of the gas to be measured in the gas sample.
그러나 이러한 종래의 적외선 흡수식 가스 센서는 적외선 광원 및 검출부가 각각 하나씩 있어 측정대상으로 하는 가스 이외의 다른 유해 가스를 검출하기 어려운 문제점이 있다.However, such a conventional infrared absorption type gas sensor has a problem in that it is difficult to detect other harmful gases other than the gas to be measured since there is one infrared light source and one detection unit.
본 발명은 패턴이 형성된 초박막 렌즈를 이용해 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 파장에 따라 분류하여 동시에 여러 종류의 가스를 판별할 수 있고, 민감도가 높은 적외선 흡수식 가스 센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide an infrared absorption type gas sensor with high sensitivity and a method of manufacturing the same, capable of simultaneously discriminating various types of gases by classifying infrared rays emitted from an infrared light source according to a wavelength using an ultra-thin lens having a pattern.
본 발명의 일 실시 형태는, 적외선 흡수식 가스 센서에 관한 것으로, 바람직하게는, 적외선 광원; 상기 적외선 광원에 부착되는 초박막 렌즈; 및 상기 적외선 광원으로부터 방사되어 상기 초박막 렌즈를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 검출부;를 포함하고, 상기 초박막 렌즈 상에는, 상기 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 위치에 초점이 형성되도록 패턴이 형성될 수 있다.An embodiment of the present invention relates to an infrared absorption type gas sensor, preferably, an infrared light source; An ultra-thin lens attached to the infrared light source; And a detector configured to sense a gas component by receiving infrared rays emitted from the infrared light source and passing through the ultra-thin lens, wherein the infrared rays emitted from the infrared light source are classified according to wavelengths to different positions The pattern may be formed so that the focus is formed.
상기 패턴은, 불투명한 둥근 띠와 투명한 둥근 띠가 교번적으로 배치되는 프레넬(Fresnel) 패턴인 것이 바람직하며, 상기 초박막 렌즈는 그래핀(Graphene) 기반의 플랫 렌즈(Flat lens)인 것이 더욱 바람직하다.The pattern is preferably a Fresnel pattern in which an opaque round band and a transparent round band are alternately arranged, and the ultra-thin lens is more preferably a graphene-based flat lens. Do.
또한, 상기 초박막 렌즈는, 상기 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 근적외선(NIR), 중적외선(MIR) 및 원적외선(FIR)으로 분류하여 서로 다른 위치에 초점을 형성할 수 있다.In addition, the ultra-thin lens may classify infrared rays emitted from the infrared light source into near-infrared (NIR), mid-infrared (MIR), and far-infrared (FIR) to form focuses at different positions.
상기 검출부는, 상기 초박막 렌즈에 의해 분류되는 적외선의 초점이 형성되는 위치에 구비되는 복수의 적외선 센서를 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that the detection unit includes a plurality of infrared sensors provided at positions where the focal point of infrared rays classified by the ultra-thin lens is formed.
한편 본 발명의 다른 형태로는, 적외선 흡수식 가스 센서의 제조방법을 들 수 있는데, 불투명한 둥근 띠와 투명한 둥근 띠가 교번적으로 배치되는 프레넬(Fresnel) 패턴이 형성된 초박막 렌즈를 형성하는 초박막 렌즈 형성단계; 상기 초박막 렌즈를 적외선 광원에 부착하는 렌즈 부착단계; 및 상기 적외선 광원에서 방사되어 상기 초박막 렌즈를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 검출부를 형성하는 검출부 형성단계;를 포함한다.Meanwhile, as another form of the present invention, there may be mentioned a method of manufacturing an infrared absorption gas sensor, an ultra-thin lens forming an ultra-thin lens having a Fresnel pattern in which an opaque round band and a transparent round band are alternately arranged. Formation step; A lens attaching step of attaching the ultra-thin lens to an infrared light source; And a detection unit forming step of forming a detection unit for sensing a gas component by receiving infrared rays emitted from the infrared light source and passing through the ultra-thin lens.
상기 초박막 렌즈는, 그래핀(Graphene) 기반의 플랫 렌즈(Flat lens)인 것이 바람하다.The ultra-thin lens is preferably a graphene-based flat lens.
또한, 상기 초박막 렌즈는, 상기 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 근적외선(NIR), 중적외선(MIR) 및 원적외선(FIR)으로 분류하여 서로 다른 위치에 초점을 형성되도록 복수의 프레넬(Fresnel) 패턴이 형성된 것이 바람직하다.In addition, the ultra-thin lens is divided into near-infrared (NIR), mid-infrared (MIR), and far-infrared (FIR) the infrared rays emitted from the infrared light source to form a plurality of Fresnel (Fresnel) patterns to form focus at different positions It is preferably formed.
본 발명은 프레넬 패턴이 형성된 초박막 렌즈를 이용하여 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 위치에 초점을 형성하게 함으로써, 동시에 여러 종류의 가스를 판별할 수 있다.In the present invention, by using an ultra-thin lens having a Fresnel pattern formed thereon, infrared rays emitted from an infrared light source are classified according to wavelengths to form focuses at different positions, thereby simultaneously discriminating various types of gases.
또한, 초점으로 모인 적외선을 감지함으로써 우수한 민감도를 갖기 때문에 여러 종류의 가스가 혼합된 상황에서도 정확한 측정이 가능하다.In addition, since it has excellent sensitivity by detecting infrared rays collected in the focus, accurate measurement is possible even in situations where various types of gases are mixed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 흡수식 가스 센서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프레넬 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초박막 렌즈상에 형성된 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 적외선 파장에 따른 초성 형성 원리를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초박막 렌즈를 형성단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing an infrared absorption type gas sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a Fresnel pattern according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a pattern formed on an ultra-thin lens according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing the principle of forming an initial star according to the infrared wavelength of the present invention.
5 is a view schematically showing a step of forming an ultra-thin lens according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments of the present invention and drawings. These examples are only illustratively presented to illustrate the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples. .
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.In addition, unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, and in case of conflict, the present specification including definitions The description of will take precedence.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.In order to clearly describe the invention proposed in the drawings, parts not related to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. And, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, "unit" described in the specification means one unit or block that performs a specific function.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.In each step, the identification code (first, second, etc.) is used for convenience of description, and the identification code does not describe the order of each step, and each step does not clearly describe a specific sequence in the context. It may be implemented differently from the order specified above. That is, each of the steps may be performed in the same order as the specified order, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 흡수식 가스 센서를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing an infrared absorption type gas sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 흡수식 가스 센서는, 적외선 광원(100); 상기 적외선 광원(100)에 부착되는 초박막 렌즈(200); 및 상기 적외선 광원(100)으로부터 방사되어 상기 초박막 렌즈(200)를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 검출부(300);를 포함한다. 본 발명의 적외선 흡수식 가스 센서는 상기 초박막 렌즈(200)를 통해 적외선 광원(100)에서 방사되는 적외선을 파장 범위에 따라 분류하여 서로 다른 위치에 초점을 형성하도록 함으로써, 동시에 여러 종류의 가스를 검출할 수 있다.Referring to Figure 1, the infrared absorption type gas sensor according to an embodiment of the present invention, an
상기 적외선 광원(100)은, 초박막 렌즈(200)를 통과하도록 적외선을 방사하기 위한 것으로, 특별히 제한되는 것은 아니나 넓은 파장 범위의 적외선을 방사할 수 있는 적외선 광원인 것이 바람직하다.The
상기 초박막 렌즈(200)는, 상기 적외선 광원(100)에서 방사되는 적외선을 파장 범위에 따라 분류하고, 각각의 파장 범위의 적외선의 초점을 서로 다른 위치에 형성시키기 위한 것으로, 초박막 렌즈(200) 상에는 패턴(210)이 형성될 수 있으며, 상기 패턴(210)은 프레넬(Fresnel) 패턴인 것이 바람직하다.The
프레넬(Fresnel) 패턴은, 도 2에 도시된 것과 같이, 불투명한 둥근 띠와 투명한 둥근 띠가 교번적으로 배치되는 패턴이다. 이러한 프레넬(Fresnel) 패턴이 형성된 초박막 렌즈(200)는, 기존의 렌즈나 곡면거울이 굴절이나 반사를 이용하는 것과 달리, 빛의 회절(diffraction)을 이용하여 특정 파장 범위의 적외선을 집중시킬 수 있다.As shown in FIG. 2, the Fresnel pattern is a pattern in which an opaque round band and a transparent round band are alternately arranged. The
도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 프레넬(Fresnel) 패턴의 중심으로부터 적외선이 집중되는 초점까지의 거리를 f, 프레넬(Fresnel) 패턴의 중심으로부터 둥근 띠 패턴까지의 거리를 r, 둥근 띠 패턴으로부터 적외선이 집중되는 초점까지의 거리를 l이라 하면, 하기와 같은 수학식 (1)이 성립된다.In more detail with reference to FIG. 2, f is the distance from the center of the Fresnel pattern to the focal point where the infrared rays are concentrated, r is the distance from the center of the Fresnel pattern to the round band pattern, and If the distance from the band pattern to the focal point where the infrared rays are concentrated is l, the following equation (1) is established.
본 발명의 프레넬(Fresnel) 패턴은, 집중시키고자 하는 적외선의 파장(λ)의 1/2 간격으로 둥근 띠 패턴을 설계하여, λ/2의 홀수배의 둥근 띠 패턴은 보강간섭을 최대화 시키기 위해 투명하게 하고, λ/2의 짝수배의 둥근 띠 패턴은 불투명하게 형성할 수 있다. In the Fresnel pattern of the present invention, a round band pattern is designed at 1/2 intervals of the wavelength (λ) of the infrared ray to be focused, and a round band pattern of odd multiples of λ/2 maximizes constructive interference. To make it transparent, a round band pattern of an even multiple of λ/2 can be formed to be opaque.
구체적으로, 하기의 수학식 (2)를 만족하는 l값을 갖는 r의 위치에 둥근 띠 패턴을 형성하되,Specifically, a round band pattern is formed at the position of r having an l value that satisfies the following equation (2),
m값이 홀수인 경우에는 투명한 둥근 띠 패턴을, m값이 짝수인 경우에는 불투명한 둥근 띠 패턴을 형성한다.When the m value is an odd number, a transparent round strip pattern is formed, and when the m value is an even number, an opaque round strip pattern is formed.
불투명한 둥근 띠 패턴은 포커싱 효율을 위해 금속으로 형성될 수 있으나, 우수한 포커싱 효율을 나타내면서도, 초박막 랜즈(200)의 두께를 얇게 하기 위해 그래핀(Gaphene)으로 형성되는 것이 바람직하다.The opaque round band pattern may be formed of metal for focusing efficiency, but it is preferable to be formed of graphene (Gaphene) in order to reduce the thickness of the
그래핀(Gaphene)은 탄소(carbon)으로 이루어진 벌집 형태의 2차원 물질로, 두께가 약 0.2nm 정도 밖에 되지 않아, 그래핀(Gaphene)으로 둥근 티 패턴을 형성하게 되는 경우에는, 초박막 렌즈(200)를 플랫 렌즈(Flat lens) 형태로 할 수 있어 적외선 흡수식 가스 센서의 부피를 최소화 할 수 있다. 그래핀을 이용하여 프레넬 패턴을 형성하는 자세한 내용은 후술한다.Graphene (Gaphene) is a honeycomb-shaped two-dimensional material made of carbon and has a thickness of only about 0.2 nm, and thus, when forming a round tee pattern with graphene, an ultra-thin lens 200 ) Can be in the form of a flat lens, so the volume of the infrared absorption gas sensor can be minimized. Details of forming a Fresnel pattern using graphene will be described later.
상기 패턴(210)은, 상기 적외선 광원(100)으로부터 방사된 적외선을 파장 범위에 따라 분류하여 서로 다른 위치에 초점이 형성되도록 하기 위하여, 도 1 및 3에 도시된 것과 같이, 서로 다른 간격의 링 패턴을 갖는 복수의 프레넬(Fresnel) 패턴으로 구성되는 것이 바람직하다. 프레넬 패턴의 일부만 사용하여도 프레넬 패턴의 중심원 지점으로 빛을 모을 수 있기 때문에, 서로 다른 간격의 링 패턴을 갖는 프레넬 패턴의 부분들이 모여 상기 패턴을 형성할 수 있다.The
일 예로, 상기 패턴(200)은 제1 프레넬 패턴(211), 제2 프레넬 패턴(212) 및 제3 프레넬 패턴(213)을 포함할 수 있는데, 제1 프레넬 패턴(211)은 0.70 ~ 3.0㎛의 파장 범위를 갖는 근적외선(near infrared ray, NIR)이 소정의 위치에 모여 초점이 형성되는 링 패턴을 갖도록 설계될 수 있으며, 제2 프레넬 패턴(212)은 3.0 ~ 50㎛의 파장 범위를 갖는 중적외선(middle infrared ray, MIR)이 소정의 위치에 모여 초점이 형성되는 링 패턴을 갖도록 설계될 수 있고, 제3 프레넬 패턴(213)은 50 ~ 1,000㎛의 파장 범위를 갖는 원적외선(far infrared ray, FIR)이 소정의 위치에 모여 초점이 형성되는 링 패턴을 갖도록 설계될 수 있다.As an example, the
검출부(300)는, 상기 적외선 광원(100)으로부터 방사되어 초박막 렌즈(200)를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 역할을 하는 것으로, 상기 적외선 광원(300)으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.The
이러한 검출부(300)는 초박막 렌즈(200)에 의해 분류되는 적외선의 초점이 형성되는 위치에 구비되는 복수의 적외선 센서를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 검출부(300)는, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 제1 프레넬 패턴(211)에 의해 분류되는 근적외선(NIR)의 초점이 형성되는 위치에 구비되는 제1 적외선 센서(310), 상기 제2 프레넬 패턴(212)에 의해 분류되는 중적외선(MIR)의 초점이 형성되는 위치에 구비되는 제2 적외선 센서(320) 및 상기 제3 프레넬 패턴(213)에 의해 분류되는 원적외선(FIR)의 초점이 형성되는 위치에 구비되는 제3 적외선 센서(330)를 포함할 수 있다.The
이러한 적외선 센서(310, 320, 330)는 입사되는 적외선의 세기를 측정하여 가스를 감지하는 것으로, 각각의 적외선 센서별로 고유한 파장 범위를 갖는 적외선이 입사되기 때문에, 입사되는 파장 범위의 적외선 마다 서로 다른 종류의 가스를 측정할 수 있다.These
또한, 상기 적외선 센서(310, 320, 330)는 초박막 렌즈(200)를 통해 적외선이 모여지는 초점 위치에 형성되기 때문에, 가스의 흡수로 인해 손실되는 적외선의 세기를 보다 정확하게 감지할 수 있어 적외선 흡수식 가스 센서의 민감도가 향상된다.In addition, since the
한편, 본 발명의 다른 실시 형태는 적외선 흡수식 가스 센서의 제조방법에 관한 것으로, 불투명한 둥근 띠와 투명한 둥근 띠가 교번적으로 배치되는 프레넬(Fresnel) 패턴이 형성된 초박막 렌즈(200)를 형성하는 초박막 렌즈 형성단계; 상기 초박막 렌즈(200)를 적외선 광원(100)에 부착하는 렌즈 부착단계; 및 상기 적외선 광원(100)에서 방사되어 상기 초박막 렌즈(200)를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 검출부(300)를 형성하는 검출부 형성단계;를 포함하여 적외선 흡수식 가스 센서를 제조할 수 있다.On the other hand, another embodiment of the present invention relates to a method of manufacturing an infrared absorption gas sensor, forming an
초박막 렌즈 형성단계를 통해 형성되는 초박막 렌즈(200)는, 그래핀(Graphene) 기반의 플랫 렌즈(Flat lens)인 것이 바람직하다. 그래핀(Graphene) 기반의 플랫 렌즈(Flat lens)를 형성하기 위해 상기 초박막 렌즈 형성단계는, 도 5에 도시된 것과 같이, 금속 포일에 그래핀을 증착하여 그래핀 층을 형성하는 단계; 그래핀 층 상에 PMMA(polymethyl methacrylate)를 코팅하여 PMMA층을 형성하는 단계; 금속 포일을 식각(etching)하는 단계; 그래핀 층과 PMMA층을 유리에 전사하고, PMMA층을 제거하는 단계; 및 유리에 전사된 그래핀 층의 일부를 FIB(Focoused Ion Beam)으로 제거하여 프레넬 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.The
상기 그래핀 층을 형성하는 단계는 화학기상증착법(Cemical Vapor Deposition, CVD)으로 수행될 수 있으며, 상기 금속 포일(foil)은 화학기상증착법(CVD)을 통해 그래핀을 증착시킬 수 있는 금속 포일(foil)이면 특별히 제한되지 않으나, 구리(Cu) 포일인 것이 바람직하다.The step of forming the graphene layer may be performed by a chemical vapor deposition (CVD) method, and the metal foil is a metal foil capable of depositing graphene through a chemical vapor deposition (CVD) method (Chemical Vapor Deposition (CVD)). foil), it is not particularly limited, but is preferably a copper (Cu) foil.
상기 PMMA층을 형성하는 단계는 PMMA(polymethyl methacrylate) 용액을 그래핀 층 상에 고르게 부은 후, 이를 경화시켜 코팅함으로써 수행될 수 있다.The step of forming the PMMA layer may be performed by evenly pouring a polymethyl methacrylate (PMMA) solution onto the graphene layer, and then curing and coating it.
상기 금속 포일을 식각(etching)하는 단계는, 유리(glass)에 그래핀 층을 전하시기 위해 금속 포일만을 식각(etching)하기 위한 것으로, 그래핀 층과 PMMA층이 형성된 금속 포일을 부식액(etchant)에 침지시켜 금속 포일을 식각할 수 있다. 금속 포일이 구리(Cu) 포일인 경우에는 부식액(etchant)으로 APS를 사용하는 것이 바람직하다.The etching of the metal foil is for etching only the metal foil to transfer the graphene layer to the glass, and the metal foil having the graphene layer and the PMMA layer formed thereon is used as an etchant. The metal foil can be etched by immersion in. When the metal foil is a copper (Cu) foil, it is preferable to use APS as an etchant.
그래핀 층과 PMMA층을 유리에 전사하고, PMMA층을 제거하는 단계는, 유리(glass)에 그래핀 층을 형성하기 위한 것으로, 적외선의 회절이 잘 일어나도록 하여 초박막 렌즈의 포커싱 효율을 높이기 위해서, 약 5회 반복되어 수행되는 것이 바람직한데, 그래핀 층과 PMMA층을 유리에 전사하고, PMMA층을 제거하는 단계 5회 반복하게 되면, 유리(glass)에 5층의 그래핀 층을 형성할 수 있다.The step of transferring the graphene layer and the PMMA layer to the glass and removing the PMMA layer is to form a graphene layer on the glass. In order to increase the focusing efficiency of the ultra-thin lens by allowing the diffraction of infrared rays to occur well , It is preferable to perform it repeatedly about 5 times.If the step of transferring the graphene layer and the PMMA layer to the glass and removing the PMMA layer is repeated 5 times, a 5 layer graphene layer is formed on the glass. I can.
그 후, 유리에 전사된 그래핀 층의 일부를 FIB(Focused Ion Beam)으로 제거하여 프레넬 패턴을 형성하는 단계가 수행된다. 구체적으로 프레넬 패턴을 형성하는 단계는, 그래핀 층이 전사된 유리를 티타늄(Ti)으로 코팅한 후, 프레넬 패턴이 형성되도록 FIM(Focused Ion Beam) 밀링(milling)으로 그래핀 층의 일부를 제거한 후, 코팅된 티타늄(Ti)을 식각(etching)하여 수행될 수 있다.Thereafter, a step of forming a Fresnel pattern by removing a portion of the graphene layer transferred to the glass with a Focused Ion Beam (FIB) is performed. Specifically, in the step of forming the Fresnel pattern, after coating the glass to which the graphene layer has been transferred with titanium (Ti), a portion of the graphene layer is performed by FIM (Focused Ion Beam) milling to form a Fresnel pattern. After removal of, the coated titanium (Ti) may be etched.
상기 프레넬 패턴에 대한 자세한 내용은 이미 상술되었으므로, 여기서는 생략한다.Details of the Fresnel pattern have already been described above, and thus will be omitted here.
상기 렌즈 부착단계에서 초박막 렌즈(200)는, 적외선 광원(100)에서 방사되는 적외선이 초박막 렌즈(200)를 통해 파장에 따라 분류된 후 가스 샘플을 통과하여 검출부(300)에 입사될 수 있도록, 가스 샘플이 접하는 적외선 광원(100)의 일측에 부착될 수 있다.In the lens attaching step, the
상기 검출부 형성단계의, 검출부(300)는 상기 적외선 광원(100)으로부터 방사되어 초박막 렌즈(200)를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 역할을 하는 것으로, 상기 적외선 광원(100)으로부터 소정의 거리만큼 이격 되어 형성될 수 있다.In the step of forming the detection unit, the
이러한 검출부(300)는, 입사되는 적외선의 세기를 측정하여 가스를 감지하는 복수의 적외선 센서가 포함되도록 형성될 수 있는데, 상기 적외선 센서는 초박막 렌즈(200)에 의해 분류되는 적외선의 초점이 형성되는 위치에 위치되도록 형성되는 것이 바람직하다.The
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.In the present specification, only a few examples of various embodiments performed by the present inventors are described, but the technical idea of the present invention is not limited or limited thereto, and it is obvious that it may be modified and variously implemented by those skilled in the art.
100: 적외선 광원
200: 초박막 렌즈
210: 패턴
211: 제1 프레넬 패턴
212: 제2 프레넬 패턴
213: 제3 프레넬 패턴
300: 검출부
310: 제1 적외선 센서
320: 제2 적외선 센서
330: 제3 적외선 센서100: infrared light source 200: ultra-thin lens
210: pattern 211: first Fresnel pattern
212: second fresnel pattern 213: third fresnel pattern
300: detection unit 310: first infrared sensor
320: second infrared sensor 330: third infrared sensor
Claims (8)
적외선 광원(100);
상기 적외선 광원(100)에 부착되는 초박막 렌즈(200); 및
상기 적외선 광원(100)으로부터 방사되어 상기 초박막 렌즈(200)를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 검출부(300);를 포함하고,
상기 초박막 렌즈(200) 상에는, 상기 적외선 광원(100)에서 방사되는 적외선을 파장에 따라 분류하여 서로 다른 위치에 초점이 형성되도록 패턴(210)이 형성된 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서.
In the infrared absorption gas sensor,
An infrared light source 100;
An ultra-thin lens 200 attached to the infrared light source 100; And
Including; a detector 300 for sensing a gas component by receiving infrared rays emitted from the infrared light source 100 and passing through the ultra-thin lens 200,
On the ultra-thin lens 200, the infrared absorption gas sensor, characterized in that the pattern 210 is formed so that the infrared rays emitted from the infrared light source 100 are classified according to wavelengths and focuses are formed at different positions.
상기 패턴(210)은, 불투명한 둥근 띠와 투명한 둥근 띠가 교번적으로 배치되는 프레넬(Fresnel) 패턴인 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서.
The method of claim 1,
The pattern 210 is a Fresnel pattern in which an opaque round band and a transparent round band are alternately arranged. Infrared absorption gas sensor.
상기 초박막 렌즈(200)는 그래핀(Graphene) 기반의 플랫 렌즈(Flat lens)인 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서.
The method of claim 2,
The ultra-thin lens 200 is a graphene-based flat lens, characterized in that the infrared absorption type gas sensor.
상기 초박막 렌즈(200)는, 상기 적외선 광원에서 방사되는 적외선을 근적외선(NIR), 중적외선(MIR) 및 원적외선(FIR)으로 분류하여 서로 다른 위치에 초점을 형성하는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서.
The method of claim 1,
The ultra-thin lens 200 is characterized in that the infrared ray radiated from the infrared light source is classified into near-infrared (NIR), mid-infrared (MIR), and far-infrared (FIR) to form focuses at different locations, infrared absorbing gas sensor.
상기 검출부(300)는, 상기 초박막 렌즈(200)에 의해 분류되는 적외선의 초점이 형성되는 위치에 구비되는 복수의 적외선 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서.
The method of claim 1,
The detection unit 300 includes a plurality of infrared sensors provided at positions where the focus of infrared rays classified by the ultra-thin lens 200 is formed.
상기 초박막 렌즈(200)를 적외선 광원(100)에 부착하는 렌즈 부착단계; 및
상기 적외선 광원(100)에서 방사되어 상기 초박막 렌즈(200)를 통과하는 적외선을 입사 받아 가스의 성분을 센싱하는 검출부(300)를 형성하는 검출부 형성단계;를 포함하는 적외선 흡수식 가스 센서의 제조방법.
An ultra-thin lens forming step of forming an ultra-thin lens 200 having a Fresnel pattern in which an opaque round band and a transparent round band are alternately arranged;
A lens attachment step of attaching the ultra-thin lens 200 to the infrared light source 100; And
A method of manufacturing an infrared absorption type gas sensor comprising: forming a detection unit 300 for sensing a gas component by receiving infrared rays emitted from the infrared light source 100 and passing through the ultra-thin lens 200.
상기 초박막 렌즈(200)는
그래핀(Graphene) 기반의 플랫 렌즈(Flat lens)인 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서의 제조방법.
The method of claim 6,
The ultra-thin lens 200 is
A method of manufacturing an infrared absorption gas sensor, characterized in that it is a graphene-based flat lens.
상기 초박막 렌즈(200) 상에는, 상기 적외선 광원(100)에서 방사되는 적외선을 근적외선(NIR), 중적외선(MIR) 및 원적외선(FIR)으로 분류하여 서로 다른 위치에 초점을 형성되도록 프레넬(Fresnel) 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수식 가스 센서의 제조방법.The method of claim 6,
On the ultra-thin lens 200, the infrared rays emitted from the infrared light source 100 are classified into near-infrared (NIR), mid-infrared (MIR), and far-infrared (FIR) to form a focus at different positions. A method of manufacturing an infrared absorption type gas sensor, characterized in that a pattern is formed.
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| KR102345850B1 (en) * | 2021-07-09 | 2021-12-31 | 주식회사 넥스트스퀘어 | Arc flash detection device using lens characteristics and multi-sensor |
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