KR20210032110A - 한 쌍의 열전대를 포함하는 실시간 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

한 쌍의 열전대를 포함하는 실시간 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 한 쌍의 열전대와 금속박판을 포함하는 실시간 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치는 제1 금속선, 제2 금속선을 포함하는 제1 열전대 및 제1 금속박판을 포함하는 제1 센서; 제3 금속선, 제4 금속선을 포함하는 제2 열전대 및 제2 금속박판을 포함하는 제2 센서; 및 상기 제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하여 상기 제1 센서와 제2 센서에 광을 조사하는 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

한 쌍의 열전대를 포함하는 실시간 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법 {Real-time optical power measurement device including a pair of thermocouples and method for operating thereof}
본 발명은 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 쌍의 열전대를 포함하는 실시간 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
LED(light emitting diode)는 친환경적 소자 특성과 함께 높은 에너지 효율 및 기존 광원 대비 높은 시인성으로 인해 빠르게 개발 및 적용되고 있다. 이러한 광원 소자의 개발에 있어 광원의 광출력 및 발열량과 이로 인한 광원 패키지의 온도 분포 변화는 대상 광원의 성능과 매우 밀접한 관련이 있으므로 광원의 광출력 및 표면 온도 측정은 중요한 개발 과정 중 하나이다.
광원 소자의 열-구조 설계 측면에서 광출력 데이터와 광원소자의 발열량에 의한 온도변화 데이터는 필수적이다. 종래기술에서는 두 데이터의 측정을 위해 적분구와 열전대 및 IR(infrared) 카메라를 각각 따로 사용하기 때문에 장비의 구성이 복잡해지고 활용도가 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 적분구 및 IR 카메라의 경우, 고가의 가격이 요구되어 경제성이 매우 떨어진다.
이러한 단점들을 보완하기 위해, 광출력 측정이 가능한 열전대를 사용하여 광원 소자의 광출력과 표면 온도를 동시에 측정할 수 있고 저가의 센서 구조로 구성된 광출력 측정 장치가 제안되었다.
그러나 단일 센서를 이용하는 경우, LED의 단락 전후 온도차를 측정값으로 활용하기 때문에 광원의 광출력과 표면 온도는 단락 전후의 해당 순간 값만 비연속적으로 측정할 수 있고, LED 작동 후 일정 시간이 지난 열적 평형상태에서만 활용이 가능하며 주위환경 요인에 따라 측정값이 영향을 받을 수 있다는 단점이 있다.
이에 따라 위와 같은 문제점을 보완할 수 있는 새로운 구조의 광출력 측정 장치가 요구되고 있다.
KR 2018-0084381 A
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, 한 쌍의 열전대를 포함하는 광출력 측정 장치 및 그것의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 광원의 광출력 및 표면 온도를 동시에 측정할 수 있는 광출력 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 실시간 광원의 광출력 및 표면 온도를 연속적으로 측정할 수 있는 광출력 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 상술된 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치는 제1 금속선, 제2 금속선을 포함하는 제1 열전대 및 제1 금속박판을 포함하는 제1 센서; 제3 금속선, 제4 금속선을 포함하는 제2 열전대 및 제2 금속박판을 포함하는 제2 센서; 및 상기 제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하여 상기 제1 센서와 제2 센서에 광을 조사하는 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제1 열전대는, 상기 제1 금속선과 제2 금속선의 일단이 용접되는 제1 용접 비드를 더 포함하고, 상기 제1 용접 비드는 상기 제1 금속박판의 일측면에 부착되며, 상기 제2 열전대는, 상기 제3 금속선과 제4 금속선의 일단이 용접되는 제2 용접 비드를 더 포함하고, 상기 제2 용접 비드는 상기 제2 금속박판의 일측면에 부착될 수 있다.
상기 제1 열전대와 제2 열전대는 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 동일한 금속으로 구성되고, 상기 제1 금속박판과 제2 금속박판의 열용량은 동일하며, 광흡수율은 상이할 수 있다.
상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 둘 중 하나와 나머지 하나의 광흡수율이 국부적으로 상이하도록 표면 처리될 수 있다.
상기 온도차와 상기 광원의 광출력은 상관 관계를 가질 수 있다.
상기 제어부는, 기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신하고, 상기 온도차와 상기 수신한 데이터들을 기반으로 상기 지배방정식을 계산하여 상기 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치의 동작 방법은 광원에서 제1 센서 및 제2 센서에 광을 조사하는 단계; 상기 제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하는 단계; 및 상기 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 센서는 제1 열전대 및 제1 금속박판을 포함하고, 상기 제2 센서는 제2 열전대 및 제2 금속박판을 포함하며, 상기 제1 열전대는 제1 금속선과 제2 금속선을 포함하고, 상기 제2 열전대는 제3 금속선과 제4 금속선을 포함할 수 있다.
상기 제1 열전대는, 상기 제1 금속선과 제2 금속선의 일단이 용접되는 제1 용접 비드를 더 포함하고, 상기 제1 용접 비드는 상기 제1 금속박판의 일측면에 부착되며, 상기 제2 열전대는, 상기 제3 금속선과 제4 금속선의 일단이 용접되는 제2 용접 비드를 더 포함하고, 상기 제2 용접 비드는 상기 제2 금속박판의 일측면에 부착될 수 있다.
상기 제1 열전대와 제2 열전대는 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 동일한 금속으로 구성되고, 상기 제1 금속박판과 제2 금속박판의 열용량은 동일하며, 광흡수율은 상이할 수 있다.
상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 둘 중 하나와 나머지 하나의 광흡수율이 국부적으로 상이하도록 표면 처리될 수 있다.
상기 온도차와 상기 광원의 광출력은 상관 관계를 가질 수 있다.
상기 조사하는 단계 이전에, 기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 산출하는 단계는, 상기 지배방정식을 계산하여 상기 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치는, 광원의 열적 상태에 상관 없이 그 광출력 및 표면 온도 측정이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치는, 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 측정값으로 활용하기 때문에 실시간 광원 광출력 및 표면 온도를 연속적으로 측정할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치는, 온도차를 활용한 측정 방식 및 집중 열용량법을 이용해 도출한 지배방정식의 활용을 통해 센서 외부의 환경요인에 의한 영향을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치에 포함된 센서의 구성과 그 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치에서 광출력에 따른 제1 센서와 제2 센서의 온도응답 및 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치에서 센서 교정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치의 동작 방법에 대한 흐름도를 나타내는 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 즉, 구성요소들을 상기 용어들에 의해 한정하고자 함이 아니다.
본 명세서에서 '포함하다' 라는 표현으로 언급되는 구성요소, 특징, 및 단계는 해당 구성요소, 특징 및 단계가 존재함을 의미하며, 하나 이상의 다른 구성요소, 특징, 단계 및 이와 동등한 것을 배제하고자 함이 아니다.
본 명세서에서 단수형으로 특정되어 언급되지 아니하는 한, 복수의 형태를 포함한다. 즉, 본 명세서에서 언급된 구성요소 등은 하나 이상의 다른 구성요소 등의 존재나 추가를 의미할 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의하여 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다.
즉, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 광출력 측정 장치(10)는 제1 센서(100), 제2 센서(200), 제어부(300) 및 광원(400)을 포함할 수 있다. 제1 센서(100)는 제1 열전대(110) 및 제1 금속박판(120)을 포함하고, 제2 센서(200)는 제2 열전대(210) 및 제2 금속박판(220)을 포함할 수 있다. 제1 열전대(110)는 제1 금속선(111), 제2 금속선(112) 및 제1 용접 비드(weld bead)(113)를 포함할 수 있다. 제2 열전대(210)는 제3 금속선(211), 제4 금속선(212) 및 제2 용접 비드(213)를 포함할 수 있다.
제1 센서(100) 및 제2 센서(200)는 광원(400)으로부터 조사되는 광을 수신하여 센서의 열전대를 통해 온도를 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 각 센서는 열전대 및 금속박판을 포함할 수 있다.
제1 열전대(110)는 서로 다른 종류의 금속으로 구성된 제1 금속선(111), 제2 금속선(112)과 두 금속선의 일단이 용접되는 제1 용접 비드(113)를 포함할 수 있다. 두 금속선 각각의 일단과 제1 용접 비드(113)를 접합시킨 후, 두 금속선의 접합 지점과 개방된 지점 간의 온도차에 따라 기전력(seebeck voltage)이 발생하는 현상을 이용하여 접합 지점의 온도를 측정할 수 있다.
제2 열전대(210)는 서로 다른 종류의 금속으로 구성된 제3 금속선(211), 제4 금속선(212)과 두 금속선의 일단이 용접되는 제2 용접 비드(213)를 포함할 수 있다.
제1 열전대(110)와 제2 열전대(210)는 서로 동일하다. 즉, 제1 열전대(110)의 제1 금속선(111)과 제2 열전대(210)의 제3 금속선(211)은 서로 동일하고, 제1 열전대(110)의 제2 금속선(112)과 제2 열전대(210)의 제4 금속선(212)은 서로 동일하며, 제1 열전대(110)의 제1 용접 비드(113)는 제2 열전대(210)의 제2 용접 비드(213)와 동일하다.
금속박판은 광원(400)으로부터 조사되는 광을 수신할 수 있다. 금속박판의 일측면에는 열전대가 용접 비드를 통해 연결되고, 타측면에는 광원(400)으로부터 광이 조사될 수 있다. 금속박판이 광원(400)으로부터 광에너지 및 열에너지를 수신하고, 금속박판의 일측면에 연결된 열전대는 금속박판이 에너지를 수신하여 발생하는 열로 인해 기전력이 발생할 수 있다.
제1 열전대(110)의 제 1 금속선(111)과 제2 금속선(112)은 서로 상이한 금속으로 구성될 수 있다. 예컨대, 제1 금속선(111)은 철(Fe)이고 제2 금속선(112)은 구리(Cu)-니켈(Ni) 합금일 수 있다. 그러나 제1 금속선(111) 및 제2 금속선(112)에서의 금속의 종류는 이에 제한되지는 않는다고 해석되어야 할 것이다.
제1 금속선(111) 및 제2 금속선(112)의 일단은 제1 용접 비드(113)에 용접될 수 있다. 제1 용접 비드(113)에 제1 금속선(111) 및 제2 금속선(112)의 일단이 용접됨으로써 접합 지점이 형성되고, 제1 용접 비드(113)가 제1 금속박판(120)의 일측면에 부착될 수 있다. 광원(400)으로부터 제1 금속박판(120)에 에너지가 전달되고 제1 열전대(110)에 사용되는 금속의 종류에 따라 정해진 제벡 계수(seebeck coefficient)와 제1 열전대(110)를 통해 측정된 기전력을 통해 제1 센서(100)는 온도를 측정할 수 있다.
제2 열전대(210) 또한 제1 열전대(110)와 서로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
제1 센서(100)에 포함된 제1 금속박판(120)과 제2 센서(200)에 포함된 제2 금속박판(220)은 동일한 금속으로 구성되고 열용량이 동일하나 광흡수율은 상이하도록 처리될 수 있다. 즉, 제1 센서(100) 및 제2 센서(200)에 포함된 열전대 및 금속박판은 서로 동일한 재질로 구성되어 있으나 하나의 금속박판에 표면 처리를 하여 각 금속박판 간의 광흡수율을 상이하게 할 수 있다. 표면 처리를 통해 동일한 광원(400)으로부터 에너지를 수신하는 센서 간의 온도응답차를 생성하여 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 측정할 수 있다.
예컨대, 제1 금속박판(120) 및 제2 금속박판(220) 중 어느 하나에만 레드 닷(red dot) 표면 처리를 하여 나머지 금속박판과 광흡수율이 국부적으로 상이하도록 처리할 수 있다.
제어부(300)는 각 센서로부터 측정된 데이터를 기반으로 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하고, 기설정된 지배방정식의 계산을 통해 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
제어부(300)는 각 센서로부터 측정된 데이터를 입력받고 기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신할 수 있다. 제어부(300)는 센서의 측정값을 토대로 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하고, 센서에서 측정된 온도들의 온도차와 수신한 데이터들을 기반으로 지배방정식을 계산하여 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)에 사용되는 지배방정식에 대한 내용은 후술하기로 한다.
광원(400)은 센서에 광을 조사하도록 구현될 수 있다. 광원(400)은 제1 센서(100) 및 제2 센서(200)의 열전대가 부착되어 있는 금속박판의 일측면에 대향하는 타측면으로 광을 조사할 수 있다. 예컨대, 광원(400)은 LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치에서 센서의 구성과 그 제조 과정을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)에 포함된 센서의 제조 과정을 확인할 수 있다.
제1 센서(100)와 제2 센서(200)는 금속박판의 광흡수율에서만 차이가 있는 바, 제1 센서(100)의 제조 과정을 설명한다. 먼저, 서로 다른 금속으로 구성된 제1 금속선(111) 및 제2 금속선(112)의 일단을 제1 용접 비드(113)에 용접할 수 있다. 제1 금속선(111)과 제2 금속선(112)의 일단이 제1 용접 비드(113)에 용접됨으로써 제1 열전대(110)가 제조될 수 있다. 제조된 제1 열전대(110)를 제1 금속박판(120)의 일측면에 제1 용접 비드(113)를 통해 부착할 수 있다. 예컨대, 제1 금속박판(120)의 일측면에 열 접착제(thermal adhesive)를 이용하여 제1 용접 비드(113)를 부착함으로써 제1 열전대(110)를 제1 금속박판(120)에 연결할 수 있다.
제1 열전대(110)가 제1 용접 비드(113)를 통해 제1 금속박판(120)에 부착됨으로써 제1 센서(100)가 제조될 수 있다. 제1 용접 비드(113)가 부착된 제1 금속박판(120)의 일측면에 대향하는 제1 금속박판(120)의 타측면은 광원(400)으로부터 나오는 광을 수신할 수 있도록 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)는 집중 열용량법(lump capacitance method)을 이용한 지배방정식을 도출하여 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 산출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)에 포함된 제1 센서(100) 및 제2 센서(200)는 두께가 얇은 금속박판을 사용하므로 집중 열용량법을 통해 센서의 모델을 단순화시켜 지배방정식을 도출할 수 있다.
집중 열용량법을 이용하여 단일 센서에 적용되는 지배방정식을 구하면 다음과 같은 식을 도출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 센서의 열용량,
Figure pat00003
는 제n 센서의 온도,
Figure pat00004
는 광원 표면-센서 간 열저항,
Figure pat00005
는 광원 표면 온도,
Figure pat00006
는 등가 방사율,
Figure pat00007
는 금속박판의 면적,
Figure pat00008
는 슈테판-볼츠만(stefan-boltzmann) 상수,
Figure pat00009
는 제n 센서의 광흡수율,
Figure pat00010
은 광원의 광출력, h는 열 전달 계수,
Figure pat00011
는 대기 온도를 나타낸다.
단일 센서에 적용되는 지배방정식을 통해 두 센서에 적용되는 지배방정식을 계산하면 다음과 같다.
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 센서의 열용량,
Figure pat00016
은 센서에서 측정된 온도들의 온도차,
Figure pat00017
는 광원 표면-센서 간 열저항,
Figure pat00018
는 금속박판의 면적,
Figure pat00019
는 제1, 제2 센서의 광흡수율,
Figure pat00020
은 광원의 광출력, h는 열 전달 계수,
Figure pat00021
는 등가 방사율,
Figure pat00022
는 슈테판-볼츠만(stefan-boltzmann) 상수,
Figure pat00023
는 제2 센서의 온도를 나타낸다.
상기 수학식 2의 지배방정식을 참조하면 제1 센서(100)와 제2 센서(200)에서 측정된 온도들의 온도차와 광원(400)의 광출력은 상관 관계를 갖는 것을 확인할 수 있다. 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차는 광원(400)의 열적 상태에 상관 없이 실시간으로 측정이 가능한 값이므로 이를 통해 연속적인 실시간 광출력 측정이 가능하다. 또한, 두 센서에 적용되는 지배방정식 도출 과정에서 외부환경 요인이 제거되므로 이에 의한 영향을 최소화할 수 있어 광원(400)의 광출력 측정 값의 정확도가 향상될 수 있다. 즉, 상기 수학식 2의 지배방정식을 도출하는 과정에서 측정 온도에 영향을 줄 수 있는 광원(400)의 표면 온도 값과 대기 온도 등 외부환경 요인이 소거되므로 보다 정확한 광출력 측정이 가능한 것이다.
제어부(300)는 외부로부터 상기 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 수신할 수 있다. 예컨대, 제어부(300)는 열용량, 열저항, 광흡수율 등의 변수 데이터들을 측정한 기기로부터 수신하거나, 측정된 데이터들을 입력받을 수 있다. 제어부(300)는 측정된 온도차와 수신한 데이터들을 기반으로 기설정된 지배방정식을 계산하여 광원(400)의 광출력 값을 산출할 수 있다. 즉, 상기 수학식 2의 지배방정식에서
Figure pat00024
(광원의 광출력) 값을 제외한 변수에 데이터 값들을 대입하여 지배방정식을 계산해 광원(400)의 광출력 값을 산출할 수 있다.
광원(400)의 광출력 측정 값을 이용하여 광원(400)의 표면 온도 값을 계산할 수 있다. 제어부(300)는 측정된 광원(400)의 광출력 값과 수신한 데이터들을 기반으로 기설정된 지배방정식을 계산하여 광원(400)의 표면 온도 값을 산출할 수 있다. 광출력 값을 측정한 후, 상기 수학식 1의 지배방정식에 측정된
Figure pat00025
(광원의 광출력) 값 등, 변수에 해당되는 데이터 값들을 대입하여 광원(400)의 표면 온도를 산출할 수 있다. 즉, 상기 수학식 1의 지배방정식에서
Figure pat00026
(광원의 표면 온도) 값을 제외한 변수에 데이터 값들을 대입하여 지배방정식을 계산해 광원(400)의 표면 온도를 산출할 수 있다.
종래에는 정상상태에 도달한 광원 소자의 전원을 단락한 뒤, 단락 전후의 전압차를 신호 처리하여 해당 순간에서의 표면 온도 및 광출력을 비연속적으로 측정하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)는 제1 센서(100) 및 제2 센서(200)에서 측정된 온도차를 이용하므로 연속적으로 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 측정할 수 있고, 광원(400)의 열적 상태에 상관 없이 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치에서 광출력에 따른 제1 센서와 제2 센서의 온도응답 및 두 센서 에서 측정된 온도들의 온도차를 나타내는 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)에서 광원(400)의 광출력에 따라 측정되는 각 센서의 응답 및 온도차는 광출력과 상관 관계를 가짐을 확인할 수 있다.
광출력의 단계적 변화에 따라 제1 센서(100)와 제2 센서(200)의 온도응답 및 두 센서에서 측정된 온도응답 차가 비례적으로 출력되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 광원(400)의 열적 상태에 상관 없이 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차가 연속적으로 실시간 측정됨을 확인할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치에서 센서 교정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3b를 참조하면, 광원(400)의 광출력과 제1 센서(100)와 제2 센서(200)에서 측정된 온도들의 온도차 사이의 관계를 예시적으로 보여준다.
두 센서에서 측정된 온도들의 온도차와 광원(400)의 광출력 사이의 관계를 선형 회귀 분석하였을 때, 두 센서 간의 온도차와 광출력 사이의 관계는 통계적으로 유의미한 선형적인 관계를 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 3a 내지 도 3b의 결과를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)가 연속적인 실시간 광출력 측정에 사용될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 선형 회귀 분석 결과에서 도출한 센서 교정 값이 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치(10)의 광출력 측정에 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치의 동작 방법에 대한 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광출력 측정 장치의 동작 방법은 광원에서 제1 센서 및 제2 센서에 광을 조사하는 단계(S402), 제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하는 단계(S403) 및 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계(S404)를 포함할 수 있다. 또한, 기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신하는 단계(S401)를 더 포함할 수 있다.
기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신하는 단계(S401)는 제어부(300)가 기설정된 지배방정식을 계산하여 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 도출할 수 있도록 제어부(300)가 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 수신하는 단계이다.
제어부(300)는 기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 수신할 수 있다. 예컨대, 센서의 열용량, 광원 표면-센서 간 열저항, 대기 온도, 광흡수율, 슈테판-볼츠만 상수, 등가 방사율 등의 데이터들을 외부에서 수신할 수 있다. 제어부(300)는 예컨대, 변수 데이터들을 측정한 기기로부터 상기 데이터들을 수신하거나, 측정된 데이터들을 입력받을 수 있다. 외부에서 수신한 상기 변수 데이터들을 기반으로 제어부(300)는 상기 수학식 1, 2의 지배방정식을 계산하여 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 산출할 수 있다.
광원에서 제1 센서 및 제2 센서에 광을 조사하는 단계(S402)는 광원(400)에서 제1 센서(100) 및 제2 센서(200)의 금속박판으로 광을 조사하는 단계이다.
광원(400)에서 열전대가 부착된 금속박판의 일측면에 대향하는 타측면으로 광을 조사할 수 있다. 금속박판은 광에너지 및 열에너지를 수신하고, 금속박판에 부착된 열전대의 제벡 효과(seebeck effect)로 인해 발생하는 열전대의 기전력을 통해 각 센서의 온도를 측정할 수 있다.
제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하는 단계(S403)는 제1 센서(100)와 제2 센서(200)가 광원(400)으로부터 광을 조사받은 후 측정된 온도를 기반으로 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하는 단계이다.
광원(400)으로부터 금속박판은 광에너지 및 열에너지를 수신하고, 열전대(110)에 사용되는 금속의 종류에 따라 정해진 제벡 계수(seebeck coefficient)와 열전대를 통해 측정된 기전력을 기반으로 제1 센서(100) 및 제2 센서(200)는 온도를 측정할 수 있다. 제1 센서(100)와 제2 센서(200)에 각각 포함된 제1 금속박판(120) 및 제2 금속박판(220)은 표면 처리를 통해 서로 상이한 광흡수율을 가질 수 있다. 이에 따라 동일한 광원(400)으로부터 광을 조사받는 제1 센서(100)와 제2 센서(200)는 서로 다른 온도응답을 출력할 수 있다. 제어부(300)는 각 센서에서 측정된 데이터를 입력받을 수 있고, 이를 기반으로 제1 센서(100)와 제2 센서(200)에서 측정된 온도들의 온도차를 계산할 수 있다.
광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계(S404)는 각 센서로부터 얻은 데이터를 입력받아 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하고 기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 수신한 제어부(300)가 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계이다.
제어부(300)는 각 센서로부터 입력받은 데이터를 토대로 계산한, 두 센서에서 측정된 온도들의 온도차와 수신한 상기 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 기반으로 상기 수학식 1, 2의 지배방정식을 계산하여 광원(400)의 광출력 및 표면 온도를 산출할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 광출력 측정 장치
100 : 제1 센서
110 : 제1 열전대
111 : 제1 금속선
112 : 제2 금속선
113 : 제1 용접 비드
120 : 제1 금속박판
200 : 제2 센서
210 : 제2 열전대
211 : 제3 금속선
212 : 제4 금속선
213 : 제2 용접 비드
220 : 제2 금속박판
300 : 제어부
400 : 광원

Claims (16)

  1. 제1 금속선, 제2 금속선을 포함하는 제1 열전대 및 제1 금속박판을 포함하는 제1 센서;
    제3 금속선, 제4 금속선을 포함하는 제2 열전대 및 제2 금속박판을 포함하는 제2 센서; 및
    상기 제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하여 상기 제1 센서와 제2 센서에 광을 조사하는 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 제어부를 포함하는,
    광출력 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전대는,
    상기 제1 금속선과 제2 금속선의 일단이 용접되는 제1 용접 비드를 더 포함하고,
    상기 제1 용접 비드는 상기 제1 금속박판의 일측면에 부착되며,
    상기 제2 열전대는,
    상기 제3 금속선과 제4 금속선의 일단이 용접되는 제2 용접 비드를 더 포함하고,
    상기 제2 용접 비드는 상기 제2 금속박판의 일측면에 부착되는,
    광출력 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 열전대와 제2 열전대는 서로 동일한,
    광출력 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 동일한 금속으로 구성되고,
    상기 제1 금속박판과 제2 금속박판의 열용량은 동일하며, 광흡수율은 상이한,
    광출력 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 둘 중 하나와 나머지 하나의 광흡수율이 국부적으로 상이하도록 표면 처리된,
    광출력 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도차와 상기 광원의 광출력은 상관 관계를 갖는,
    광출력 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신하고,
    상기 온도차와 상기 수신한 데이터들을 기반으로 상기 지배방정식을 계산하여 상기 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는,
    광출력 측정 장치.
  8. 광원에서 제1 센서 및 제2 센서에 광을 조사하는 단계;
    상기 제1 센서와 제2 센서에서 측정된 온도들의 온도차를 계산하는 단계; 및
    상기 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계를 포함하는,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 센서는 제1 열전대 및 제1 금속박판을 포함하고,
    상기 제2 센서는 제2 열전대 및 제2 금속박판을 포함하며,
    상기 제1 열전대는 제1 금속선과 제2 금속선을 포함하고,
    상기 제2 열전대는 제3 금속선과 제4 금속선을 포함하는,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 열전대는,
    상기 제1 금속선과 제2 금속선의 일단이 용접되는 제1 용접 비드를 더 포함하고,
    상기 제1 용접 비드는 상기 제1 금속박판의 일측면에 부착되며,
    상기 제2 열전대는,
    상기 제3 금속선과 제4 금속선의 일단이 용접되는 제2 용접 비드를 더 포함하고,
    상기 제2 용접 비드는 상기 제2 금속박판의 일측면에 부착되는,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 열전대와 제2 열전대는 서로 동일한,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 동일한 금속으로 구성되고,
    상기 제1 금속박판과 제2 금속박판의 열용량은 동일하며, 광흡수율은 상이한,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 금속박판 및 제2 금속박판은 둘 중 하나와 나머지 하나의 광흡수율이 국부적으로 상이하도록 표면 처리된,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 온도차와 상기 광원의 광출력은 상관 관계를 갖는,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 조사하는 단계 이전에,
    기설정된 지배방정식의 변수에 해당되는 데이터들을 외부에서 수신하는 단계를 더 포함하는,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 지배방정식을 계산하여 상기 광원의 광출력 및 표면 온도를 산출하는 단계를 포함하는,
    광출력 측정 장치의 동작 방법.
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