KR20220159051A - 광학식 수소 가스 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템 - Google Patents

광학식 수소 가스 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예들은 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한 센싱 유닛; 측벽으로 상기 센싱 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 바디 케이스; 상기 광섬유가 삽입된, 상기 바디 케이스의 일 단에 배치된 제1 페룰; 및 상기 제1 페룰에 대향하여 상기 바디 케이스의 타 단에 배치되어, 상기 제1 페룰과 사이에 공동(cavity)을 형성하는 제2 페룰 - 상기 센싱 유닛은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 센싱 유닛의 일 단이 상기 제1 페룰과 상기 제2 페룰 사이의 공동(cavity)에 배치됨 - 을 포함하는 광학식 센서 및 이를 포함한 수소 가스 감지 시스템에 관련된다.

Description

광학식 수소 가스 센서 및 이를 포함한 수소 가스 검출 시스템 {OPTICAL GAS SENSOR FOR HYDROGEN AND HYDROGEN GAS DETECTION SYSTEM INCLUDING THE SAME}
실시예들은 수소 가스를 감지하는 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소와 반응한 센싱 유닛의 부피 변화로 발생하는, 간섭파 스펙트럼의 패턴의 변화를 이용하여 수소를 감지하는 광학식 센서에 관한 것이다.
수소 가스(H2)는 석유, 화학 및 항공 우주 산업 등에서 널리 활용되는 물질이다. 수소 가스(H2)는 높은 확산 계수(공기 중0.16 ㎠/s), 낮은 발화 에너지(0.02 mJ), 높은 연소 열 (285.8 kJ / mol), 그리고 광범위한 폭발 농도 범위(4~75%)로 인해 높은 위험성을 가진다. 수소 가스(H2)는 무색, 무취, 무미의 특성을 가지므로, 사람의 감각으로는 감지할 수 없어, 고감도, 고정확도, 고선택도로 수소 가스(H2)를 신속하게 감지하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
기존에는 전기적 방식으로 작동하는 수소 센서를 활용하였다. 그러나, 전기적 수소 센서는 전기스파크가 센서 내부 또는 주변에서 발생할 수 있어, 폭발의 위험을 갖는 한계가 있다.
특허공개공보 제10-2020-0070682호 (2020.06.18.)
본 발명의 일 측면에 따르면, 간섭파의 스펙트럼의 패턴의 변화를 이용하여 수소 가스를 감지하기 위해, 센싱 유닛과 수소가 반응하면 광섬유 패브리-페롯 간섭계에 의해 형성된 간섭파의 파장이 변화하도록 구성된 광학식 센서를 제공할 수도 있다.
이 외에도, 상기 광학식 센서; 및 광학식 센서의 간섭광의 스펙트럼의 패턴의 변화에 기초하여 수소 가스의 농도를 검출하는 수소 가스 검출 시스템을 제공할 수도 있다.
본 출원의 일 측면에 따른 광섬유를 통해 광원으로부터 빛을 입력 받아 수소를 감지하는 광학식 센서는: 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한 센싱 유닛; 측벽으로 상기 센싱 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 바디 케이스; 상기 광섬유가 삽입된, 상기 바디 케이스의 일 단에 배치된 제1 페룰; 및 상기 제1 페룰에 대향하여 상기 바디 케이스의 타 단에 배치되어, 상기 제1 페룰과 사이에 공동(cavity)을 형성하는 제2 페룰 - 상기 센싱 유닛은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 센싱 유닛의 일 단이 상기 제1 페룰과 상기 제2 페룰 사이의 공동(cavity)에 배치됨 - 을 포함할 수도 있다. 상기 광학식 센서는 상기 광섬유에서 출력되어 상기 공동을 통해 진행한 빛에 대하여 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성한다.
일 실시예에서, 상기 센싱 유닛은: 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하고 상기 제1 페룰을 향해 연장된 지지체; 및 상기 지지체의 적어도 일부를 코팅하여 형성된 수소 반응층을 포함할 수도 있다. 상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 공동에 노출된 상기 지지체의 제1 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 측벽은 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함할 수도 있다. 상기 적어도 하나의 개구는 상기 공동에 대응하는 측벽의 부분에 형성된다.
일 실시예에서, 상기 간섭파는, 상기 센싱 유닛의 표면과 상기 광섬유에서 빛이 방출되는 지점 사이에 반복적인 빛의 반사로 인해 형성될 수도 있다. 상기 광학식 센서는 상기 센싱 유닛의 코팅된 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 표면과 지점 사이의 거리가 변화함으로써 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화한다.
일 실시예에서, 상기 광학식 센서는 센싱 유닛을 고정하기 위해, 상기 제2 페룰의 구멍의 일 단에 형성된 제1 고정체를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 페룰의 구멍 내부에서 상기 제2 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록 상기 제2 페룰의 구멍은 상기 센싱 유닛의 너비 보다 더 큰 직경을 가질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍 내부에 삽입된 상기 센싱 유닛의 제2 부분의 일부 또는 전부 삽입 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 지지체는 광섬유일 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 반응층은 팔라듐을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 페룰의 구멍에서 상기 제1 페룰에 대향하는 상기 구멍의 타 단에 배치되어 상기 센싱 유닛을 고정하는 제2 고정체를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센싱 유닛은: 상기 제1 페룰에 대향하여 상기 센싱 유닛의 표면 상에 형성된, 상기 수소 반응층 보다 더 높은 반사율을 갖는 반사층을 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 반사층은 Au을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센싱 유닛이 제1 페룰 및 제2 페룰에 걸쳐서 고정되도록, 상기 제2 페룰의 구멍을 관통한 센싱 유닛은 상기 제1 페룰의 구멍에 삽입될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 페룰의 구멍 내부에서 상기 제1 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록, 상기 제1 페룰의 구멍은 센싱 유닛의 너비 보다 큰 직경을 가질 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광학식 센서는 기체 또는 유체 중에 분포하는 수소를 감지할 수도 있다.
본 출원의 제2 측면에 따른 수소 가스 검출 시스템은: 상술한 실시예들에 따른 광학식 센서; 상기 광원을 포함한 광원부; 광 써큘레이터; 및 상기 광학식 센서에서 형성된 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화에 기초하여 수소 가스의 존재 여부를 검출하거나 또는 수소 가스의 농도를 측정하는 광 스펙트럼 분석기를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광원부는: 상기 광원의 빛을 수신하여 증폭하는 EDFA(Er-doped fiber amplifier)를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 단일 파장 광원일 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광 써큘레이터는 제 1, 제2, 및 제 3 포트를 가질 수도 있다 상기 광원부에서 출력된 빛을 상기 제2 포트에 연결된 상기 광학식 센서로 출력하고, 상기 광학식 센서에서 형성되어 상기 제2 포트로 입력되는 상기 간섭파를 상기 제3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력한다.
일 실시예에서, 상기 광원은 제1 시간 동안 빛을 방출하고, 제2 시간 동안 빛을 비-방출하며, 상기 제2 시간은 상기 제1 시간 동안 방출된 빛이 상기 센싱 유닛의 표면에서 반사되어 상기 광 스펙트럼 분석기로 진행하는 시간을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수소 가스를 감지하는 광학식 센서는 빛에 의한 간섭파를 이용하여 수소 감지를 감지한다. 상기 광학식 센서는 기존의 전자소자 기반의 센서와 동일한 수준의 감도, 정확도, 선택도, 감지 속도를 가지면서, 전기스파크가 발생할 염려가 없어 폭발의 위험이 없다.
또한, 상기 광학식 센서는 공기 중의 수소뿐만이 아니라, 유체 속에 용해된 수소를 감지할 수도 있다. 상기 광학식 센서는 외부 환경에 대한 내구성이 뛰어난 광섬유들 사이에(또는 광섬유 페룰 내부에) 형성된 패브리-페롯 공동(cavity)을 기반으로 동작하기 때문에, 주변의 기체 또는 액체 등과 같이 감지 대상이 혼합된 상태에서도 작동이 가능하고 또한, 다양하고 열악한 환경에서도 수소 가스를 감지할 수도 있다.
도 1은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 동작 원리의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 5a 내지 도5c는, 도 4의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반사층의 효과를 도시한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 페룰의 구멍의 직경과 센싱 유닛의 직경에 따른 감지 및 복원 양상을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 9a 및 도 9b는, 도 8의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 11은, 도 10의 광학식 센서를 유체 내에 위치 시켰을 때의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 도 12b는, 도 10의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
광섬유 패브리-페롯 간섭계(Fiber Febry-Parot interferometer; FFPI)는 반사 가능한 두 개의 막으로부터 반사된 간섭파의 스펙트럼에 있어서 주기성을 갖게 되는데, 상기 두 막 사이의 거리 또는 간섭계를 구성하는 물질의 굴절률이 변하게 되면 상기 주기성도 변하게 된다. 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 이러한 주기성의 변화를 이용하여 스펙트럼을 분석하는 원리를 사용한다. 이에 대하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 1a는 두 개의 반사 가능한 막(132, 134)이 거리 L0를 갖고, 굴절률 n0를 갖는 물질에 의하여 상기 막 사이가 채워져 있는 경우를 도시하였다.
상기 두 개의 막(132, 134)은 지역(120)와 상기 두 개의 막(132, 134) 사이의 물질에 대한 경계면인 제 1 막(132) 및 막(132, 134) 사이의 내부 지역(110)과 외부 지역(130)의 경계면인 제 2 막(134)을 포함한다. 제1 막(132)과 제2 막(134)은 1보다 낮은 반사율(R)을 가진다.
상기 제 1 막(132)의 일면에 연결된 지역(region)(120)에서 임의의 파장(λ)을 갖는 빛(E0)이 진행하여 상기 제 1 막(132)으로 조사한다. 상기 제 1 막(132)을 통과한 빛은 제1 막(132)과 제2 막(134) 사이의 지역(130)으로 입사한다.
상기 지역(110)으로 입사된 빛은 다시 제 2 막(134)으로 진행한다. 상기와 같은 이동 경로로 이동하는 빛은, 지역(110, 120, 130)에 대한 굴절률 차이 및/또는 막(132, 134)의 반사율의 차이로 인해 상기 제 1 막(132) 및 상기 제 2 막(134)에서 일부 또는 전부가 반사된다. 제2 막(134)의 특성에 따라 진행한 빛 중 일부가 외부로 투과될 수도 있다. 반사된 빛은 제1 막(132)을 통과하여 다시 지역(120)으로 진행한다.
이에 따라, 상기 두 막(132, 134) 사이를 반복적으로 반사 및 투과하는 빛은 다시 상기 지역(120)로 되돌아오는 복수의 반사파(Er1, Er2, Er3…)를 형성한다. 상기 복수의 반사파(Er1, Er2, Er3)는 상기 지역(120) 내에서 서로 간섭을 일으키고, 간섭으로 인해 최종적으로 결정된 간섭파를 형성하게 된다.　
도 1b는 도 1a의 간섭파의 스펙트럼을 도시한 도면이다.
상기 간섭파는 일정한 파장을 갖게 되고, 파장에 따라 상기 간섭파의 스펙트럼은 주기성을 보이게 되며, 이 주기성은 상기 두 막(132, 134) 사이의 거리와 굴절률에 의한 함수로 나타내진다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 간섭파의 스펙트럼은 입사광에 포함된 성분에 관계 없이 동일한 피크의 위치를 가진다. 구체적으로, 입사광의 파장(성분)에 따라 피크의 위치는 달라지지 않지만, 반사막 경계에서의 투과율 및 반사율의 차이가 발생하여, 피크의 세기는 변할 수도 있다.
이렇게 형성된 최종 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화를 이용하여 물질을 감지하는 등의 목적으로 사용하는 것을 광섬유 패브리-페롯 간섭계(FPPI)라고 한다.
만일 한쪽 반사면이 외부의 특정 물질과 반응하여 해당 반사면이 변형됨으로써 간섭계를 이루는 거리(L)가 변화하면 스펙트럼의 주기적 패턴을 변화시킬 수 있다.
결과적으로, 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성 변화에 의하여, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 물질 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다.
도 1c는 두 막(132, 134) 사이의 거리가 ΔL만큼 증가하여 두 막(132, 134) 사이의 거리(L)가 L0로부터 L1으로 변화하는 경우를 도시하였다.
상기 두 막(132, 134) 사이의 거리가 변하는 경우, 상기 입사파가 반사하면서 형성하게 되는 최종 정상파의 수는 공진 길이가 늘어남에 따라 증가하게 되므로, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기도 짧아지게 된다. 따라서, 스펙트럼 상에서는 관찰되는 스펙트럼의 산과 골의 모양이 한쪽으로 이동하는 현상을 관찰할 수 있게 된다.
만약, 상기 두 막(132, 134) 중 어느 하나의 막의 적어도 일부가 변형되어 두 막(132, 134) 사이의 거리가 증가하는 경우 이때, 입사파의 파장(λ)에 대한 상기 간섭파의 주기 변화에 따른 파장 변화량(Δλ)은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, Δλ는 입사파의 파장에 대한 간섭파의 파장 변화량, λ는 입사파의 파장, n0는 두 막 사이의 물질에 대한 굴절률, ΔL은 두 막 사이의 거리 변화량, L0는 두 막 사이의 거리를 나타낸다.
이와 같이, 광섬유 패브리-페롯 간섭계는 임의의 두 막(132, 134) 사이의 거리 변화에 따른 간섭파의 파장 변화량(Δλ) 및 이에 따른 스펙트럼 주기성의 변화를 기초로, 상기 두 막(132, 134) 사이를 채우는 물질(110)의 거리에 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다.
이하, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 이용하여 수소 가스를 감지하는 광학식 센서에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소 가스 검출 시스템의 개략적인 구조도이다.
도 2를 참조하면, 수소 가스 검출 시스템(1)은 광원부(100); 서큘레이터(circulator)(300); 및 광학식 센서(400); 및 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer; OSA)(500)를 포함한다. 수소 가스 검출 시스템(1)의 구성요소(100, 300, 400, 500)는 광섬유(200)를 통해 광학적으로 연결된다.
광원부(100)는 광학식 센서(400)에 빛을 공급하는 광원을 포함한다. 상기 광원부(100)에서 발생한 빛은 상기 서큘레이터(300)의 입력 포트로 조사될 수 있다. 또한, 상기 빛은 상기 서큘레이터(300)를 통하여 상기 광학식 센서(400)로 조사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 백색광 또는 광대역 광(broadband light)을 방출하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 광원은 레이저 다이오드 또는 광대역 광원일 수도 있다. 상기 일 실시예에서, 상기 광원을 포함한 광원부(100)는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Er-doped fiber amplifier; EDFA)를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 단일 파장 광 신호를 방출하도록 구성될 수도 있다. 광원부(100)가 EDFA 대신 단일 파장 광 신호를 활용하도록 구성될 경우, 상기 광학식 센서(400)가 수소를 감지하면 수소와 반응에 따른 간섭계의 시프트로 인한 광 신호의 세기 변화가 광학식 센서(400)의 ER(extinction ratio)에 비례한다.
광원부(100)에서 방출된 빛은 광섬유(200)를 따라 다른 구성요소들(300, 400, 500)로 진행한다.
상기 광섬유(200)는 전반사를 이용하여 상기 광원부(100)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 상기 광섬유(200)는 상기 시스템1을 구성하는 각 구성 요소들을 연결하고, 상기 광원에서 발생된 빛이 상기 각 구성요소들 사이를 이동할 수 있도록 광학적 이동 경로를 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 광섬유(200)는 상기 광원에서 형성된 빛이 상기 서큘레이터(300)를 통하여 상기 광학식 센서로 조사되고, 상기 광학식 센서(400)에서 형성된 간섭파가 상기 서큘레이터(300)를 통하여 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 조사될 수 있도록 할 수 있다.
상기 광섬유(200)는 최소한의 에너지 손실로 빛을 상기 센서(400)로 조사한다. 상기 광섬유(200)는 빛의 전반사를 유도하는 코어(core) 및 클래딩(cladding)으로 구성될 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 상기 시스템1 내 각 구성요소들(100, 300, 400, 500)은 상기 광섬유(200)를 대신하여 평판 광 도파로를 통해 연결될 수 있다. 그러면, 상기 광 도파로는 상기 광섬유(200)에 비하여 길이가 짧고 두께가 훨씬 가늘어 상기 광학식 센서(400) 및 상기 광학식 센서(400)를 포함하는 상기 수소 가스 검출 시스템(1)의 집약적(intensive) 구성이 가능하며, 상기 광원에서 형성된 빛의 직경을 변화시키는데 유용할 수 있다.
상기 서큘레이터(300)는 제 1 내지 제 3 포트를 구비할 수 있다. 상기 서큘레이터(300)는 상기 제 1 포트로 입력된 빛을 상기 제 2 포트로 출력하고, 상기 제 2 포트에서 입력된 빛을 상기 제 3 포트로 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 서큘레이터(300)는 상기 빛의 경로를 조절하기 위해 빛을 반사시키는 거울 또는 편광 조절 소자 등을 구비할 수 있다.
상기 서큘레이터(300)의 제1 포트는 광원부(100)에 연결된다. 상기 서큘레이터(300)의 제2 포트는 광학식 센서(400)에 연결된다. 상기 서큘레이터(300)의 제3 포트는 분석기(500)에 연결된다.
상기 서큘레이터(300)는 상기 광원부(100), 상기 광학식 센서(400) 및 상기 광 스펙트럼 분석기(500) 사이에 위치하여, 상기 광원부(100)에서 발생한 빛의 경로를 전환할 수 있다. 이때, 상기 서큘레이터(300)의 상기 제 1 포트는 상기 광원부(100)와 연결되고, 상기 제 2 포트는 상기 광학식 센서(400)와 연결되며, 상기 제 3 포트는 상기 광 스펙트럼 분석기(500)와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 서큘레이터(300)는 상기 제 1 포트로 입력되는 상기 광원부(100)에서 방출된 빛을, 상기 제 2 포트에 연결된 상기 광학식 센서(400)로 출력하고, 상기 광학식 센서(400)에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 상기 제 3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원부(100)는 제1 시간 동안 빛을 방출하기 위해 턴-온(turn on)하고, 제2 시간 동안 빛을 비-방출하기 위해 턴-오프할 수도 있다. 상기 제2 시간은 상기 제1 시간 동안 방출된 빛이 상기 광학식 센서(400)에 입력되어 생성된 간섭파가 상기 광학식 센서(400)로부터 출력되어 상기 서큘레이터(300)를 통해 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 진행하는 시간을 포함한다. 상기 수소 가스 검출 시스템1의 광 경로 상에서 제1 시간 동안 빛은 광원부(100)로부터 서큘레이터(300)를 통해 광학식 센서(400)로 진행한다. 그리고, 상기 수소 가스 검출 시스템1의 광 경로 상에서 제2 시간 동안 빛은 광학식 센서(400)로부터 서큘레이터(300)를 통해 광 스펙트럼 분석기(500)로 진행한다.
상기 광학식 센서(400)는 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성한다. 상기 광학식 센서(400)는 상기 광원부(100)로부터 조사된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 상기 간섭파를 형성할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 동작 원리의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 상기 광학식 센서(400)는 상기 간섭파를 형성하기 위해 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로서 작용하는 제1 반사막 및 제2 반사막을 형성하도록 구성된다. 시스템1의 광섬유(200)를 통해 진행한 빛은 제1 반사막에 입사되어 제2 반사막을 향해 진행한다. 제2 반사막을 향해 진행한 빛 중 적어도 일부는 반사되어 다시 제1 반사막을 통과한다. 이와 같이 진행하는 빛은 두 막 사이의 반복적인 반사 현상에 의해 임의의 파장 및 스펙트럼 주기성을 갖는 간섭파를 형성하도록 할 수 있다.
상기 제1 반사막은 광학식 센서(400)로 진행하는 빛을 방출하는 광섬유(200)의 출력단에서 형성된다.
상기 제2 반사막은 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질 부분에서 형성된다. 상기 제2 반사막은 상기 감지 물질 자체의 표면으로 구현되거나, 또는 상기 감지 물질과 접촉한 다른 구성요소의 표면으로 구현될 수도 있다.
상기 감지 물질은 수소 가스와 흡착하여 팽창하거나 또는 상기 수소 가스와 결합하지 않는 경우 수축하는 물질일 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 감지 물질은, 팔라듐(Pd)을 포함할 수도 있다.
상기 감지 물질의 부피 변화는 상기 제1 반사막과 제2 반사막 사이의 거리 변화를 야기한다. 제1 반사막과 제2 반사막 사이의, 빛이 진행하는 거리가 변화함으로써, 간섭파의 파장이 변화할 수도 있다.
이러한 광학식 센서(400)의 구조에 대해서는 아래의 도 4 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 간섭파의 파장 변화를 기초로 수소 가스의 존재 여부의 검출하고 및/또는 수소 가스 농도를 측정한다. 즉, 상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 광학식 센서(400)에서 형성된 상기 간섭파의 스펙트럼을 관찰하여, 스펙트럼 주기성이 변화하는지 여부를 기초로 상기 수소 가스의 존재 여부를 결정하거나 및/또는 수소 가수 농도를 산출할 수 있다.
이를 위해, 상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 간섭파의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 상기 광 스펙트럼 분석기(500)는 상기 광 스펙트럼 분석기(500)로 입사되는 상기 간섭파의 스펙트럼을 디스플레이 상에 표시할 수 있다. 상기 광 스펙트럼 분석기(500)에 의한 빛의 특성은 파장, 주기성, 빛의 강도 등을 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 수소 가스 검출 시스템의 구성 요소가 모두 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 2에 도시한 구성 요소보다 많거나 적은 구성 요소에 의해 수소 가스 검출 시스템(1)이 구현될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 4를 참조하면, 광학식 센서(400)는 센싱 유닛(410); 바디 케이스(420); 제1 페룰(430); 및 제2 페룰(440)을 포함한다.
상기 광학식 센서(400)는 광섬유(200)를 통해 광원부(100)의 빛을 수신한다. 수신된 빛은 센싱 유닛(410)을 향해 전파된다. 전파된 빛은, 상기 광섬유(200)의 출력단에 대향한 센싱 유닛(410)의 일 표면에서 반사되어 다시 광섬유(200)로 진행한다.
상기 센싱 유닛(410)은: 지지체(411); 및 수소 반응층(413)을 포함한다.
지지체(411)는 일 축을 따라 연장된 구조체이다. 상기 지지체(411)는 상기 지지체(411)의 일부분에 형성된 수소 반응층(413)을 지지한다.
일 실시예에서, 지지체(411)는 단일 모드 광섬유(SMF)일 수도 있다.
수소 반응층(413)은 수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질로 이루어진다. 상기 수소 반응층(413)은, 예를 들어 지지체(411)의 일부분을 팔라듐으로 코팅하여 형성될 수도 있다. 상기 지지체(411)의 일부분은 상기 지지체(411)의 양 단 중 상기 광섬유(200)에 대향하는 일 단의 부분을 포함한다. 코팅된 팔라듐 층(413)에서 상기 광섬유(200)에 대향하는 표면이 도 3의 제2 반사막으로 기능한다.
바디 케이스(420)는 측벽을 가지고 일 단과 타 단이 관통한, 측벽 내부에 공간을 갖는 형태의 하우징이다. 상기 바디 케이스(420)는 내부 공간에 배치될 센싱 유닛(410)에 대한 슬리브 배관으로 기능한다. 상기 바디 케이스(420)는 원통형, 타원형, 다각형의 다양한 평면 형상을 가진다. 예를 들어, 바디 케이스(420)는 도 4에 도시된 바와 같이 실린더 형태를 가질 수도 있다.
상기 바디 케이스(420) 는 상기 센싱 유닛(410)의 평면 너비 보다 더 큰 평면 너비를 가진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더 형태의 바디 케이스(420)는 센싱 유닛(410)의 내부 너비 보다 넓은 직경을 가진다.
상기 바디 케이스(420)는 센싱 유닛(410) 전체를 둘러싸거나, 또는 일부를 둘러쌓을 수도 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 바디 케이스(420)는 외부로 센싱 유닛(410)의 지지체(411)의 일부분이 노출되도록 상기 센싱 유닛(410)을 둘러쌓을 수도 있다.
제1 페룰(430), 제2 페룰(440)은 광 커넥터 등의 접속에서 광섬유의 정렬(alignment)을 위해 사용되는, 실린더 튜브 형태로 중심 부에 구멍(hole)을 갖은 부품이다. 제1 페룰(430), 제2 페룰(440)은 바디 케이스410의 일 단에 부분적으로 또는 전체적으로 삽입된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 페룰(430), 제2 페룰(440)은 일부분이 바디 케이스410의 측벽 내부로 삽입될 수도 있다.
상기 제1 페룰(430)과 제2 페룰(440)은 서로 대향하여 배치된다. 상기 광학식 센서(400)는 상기 바디 케이스410의 측벽, 제1 페룰(430)과 제2 페룰(440)로 형성된 공동(cavity)을 가진다.
제1 페룰(430)은 광원부(100)의 빛을 입력하는 광섬유(200)를 지지한다. 상기 광섬유(200)는 제1 페룰(430)의 구멍에 삽입된다. 광학식 센서(400)는 상기 제1 페룰(430)에 의해 광섬유(200)의 일 단에 결합된다.
상기 제1 페룰(430)의 구멍은 도 4에 도시된 바와 같이 광섬유(200)의 직경에 매칭되거나, 또는 아래의 도 10에 도시된 바와 같이 광섬유(200) 사이의 갭을 갖도록 보다 더 넓을 수도 있다.
일 실시예에서, 제1 페룰(430)과 광섬유(200)의 일 단은 광섬유(200)에서 출력되는 빛의 방향에 대해 수직으로 연마된 것일 수도 있다. 제1 페룰(430)의 일 단의 표면은 센싱 유닛(410)에 대향하도록 연마된다.
제2 페룰(430)은 센싱 유닛(410)을 지지한다. 상기 센싱 유닛(410)은 제2 페룰(440)의 구멍을 관통하여 삽입된다. 또한, 센싱 유닛(410)의 타 단은 제2 페룰(440)의 구멍 외부(즉, 광학식 센서(400) 외부)에 배치될 수도 있다.
특정 실시예들에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 페룰(440)의 구멍을 관통한 센싱 유닛(410)의 일 단은 내부 공동에 배치될 수도 있다.
또한, 상기 광학식 센서(400)는 센싱 유닛(410)을 고정하기 위해, 적어도 하나의 고정체를 포함할 수도 있다.
특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 고정체(451) 및 제2 고정체(453)를 더 포함할 수도 있다.
고정체(451 및/또는 453)는 제2 페룰(440)의 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410)을 고정하도록, 상기 제2 페룰(440)의 구멍의 일 단 및/또는 타 단에 형성된다.
상기 고정체(451, 453)는, 예를 들어 에폭시(epoxy) 등과 같은 수지로 이루어질 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다.
고정체(451)는 광학식 센서(400)의 외부와 접촉되는, 제2 페룰(440)의 구멍의 일 단에 배치된다.
고정체(453)는 광학식 센서(400)의 내부 공동과 접촉되는, 제2 페룰(440)의 구멍의 타 단에 배치된다. 고정체(453)는 제1 페룰(430)에 대향한다.
특정 실시예들에서, 상기 바디 케이스(420)의 측벽은 적어도 하나의 개구(aperture)(421)를 포함할 수도 있다. 상기 적어도 하나의 개구(421)는 상기 공동에 대응하는 측벽의 부분에 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 적어도 하나의 개구(421)는 내부 공동을 형성하는 측벽 부분에 형성된다.
상기 광학식 센서(400)의 주변에 수소 가스가 분포할 경우, 바디 케이스(420) 내부의 센싱 유닛(410)은 측벽 개구(421)를 통해 유입된 수소 가스에 노출된다. 그러면, 센싱 유닛(410)의 수소 반응층(413)의 부피가 변화한다.
특정 실시예들에서, 상기 수소 반응층(413)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍을 관통하여 상기 내부 공동에 노출된, 상기 지지체(411)의 일부 또는 전부에 형성될 수도 있다. 즉, 수소 반응층(413)은 지지체(411)에서 내부 공동에 노출 부분에 형성될 수도 있다.
다른 특정 실시예들에서, 상기 수소 반응층(413)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부에 삽입되어 관통하는 상기 지지체(411)의 일부 또는 전부에 추가로 형성될 수도 있다. 즉, 수소 반응층(413)은 지지체(411)에서 내부 공동의 노출 부분 및 구멍의 삽입 부분에 걸쳐 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 아래의 도 8을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
도 4의 구조를 갖는 광학식 센서(400)에 빛이 입사되면, 상기 센싱 유닛(10)의 표면과 상기 광섬유(200)에서 빛이 방출되는 지점 사이에 반복적인 빛의 반사로 인해 간섭파를 형성한다. 이 간섭파는 광섬유(200) 및 제1 페룰(430)에 형성된 제1 반사막과 센싱 유닛(410)의 표면(예컨대, 수소 반응층(413))에 형성된 제2 반사막 사이에서 빛이 반복적으로 반사되어 형성된다.
제1 반사막과 제2 반사막 사이의 반복적인 빛의 반사 및 투과로 인해 주기적인 보강 간섭이 일어나 상기 두 반사막 사이에 복수의 정상파를 형성하게 되고, 결과적으로 스펙트럼 상에서 일정한 주기성을 갖는 최종 간섭파를 형성하게 된다. 두 반사막으로 이루어진 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 통해 형성된 간섭파는 상기 두 반사막 사이의 거리에 따라 임의의 파장을 가질 수 있다.
상기 간섭파는 감지 물질의 부피 변화에 따라 스펙트럼 주기성이 변화한다. 구체적으로, 상기 간섭파는, 내부 공동으로 유입된 수소 가스와 반응하여 발생한, 상기 센싱 유닛의 코팅된 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 표면과 지점 사이의 거리(즉, 제1 반사막과 제2 반사막 사이의 거리)가 변화한다. 그러면, 부피 변화에 따른 거리 변화로 인해, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화한다.
상기 광학식 센서(400)는 이러한 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 통해 수소를 감지하는데 사용될 수도 있다.
외부에 수소 가스가 존재하지 않는 경우, 수소 반응층(413)의 감지 물질은 부피가 변화하지 않는다. 따라서, 제1 반사막과 제2 반사막 사이의 공동의 거리(D)가 변화하지 않는다.
한편, 수소 반응층(413)의 감지 물질이 외부의 수소 가스와 결합하여 팽창하면, 수소 반응층(413)의 부피가 변화한다. 예를 들어, 감지 물질이 수소 가스를 흡수하면, 반사막들 사이의 거리가 D에서 D'(=D+ΔD)로 감소하게 되고, 결국 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화할 수도 있다.
간섭파의 스펙트럼의 주기성 변화는 간섭파의 스펙트럼의 피크의 위치 이동으로 표현될 수도 있다.
도 5a 내지 도5c는, 도 4의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 내지 도 5c의 그래프는 광학식 센서(400)의 주변에 수소 가스를 주입하여 얻어진다.
도 5a는 도 4의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 세기(intensity)와 파장을 도시하고, 도 5b는 도 4의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진 피크지점의 시프트 간격을 노출 시간에 따라 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 광학식 센서(400)의 주변에 수소 가스를 주입하는 경우, 수소 가스가 상기 광학식 센서(400)의 내부 공동으로 개구(421)를 통해 유입되어 센싱 유닛(410)과 반응하여 패브리-패럿 간섭계의 거리가 변화함으로써, 도 5a의 화살표와 같이 파장의 시프트(shift)가 발생한다. 도 5b를 참조하면, 상기 광학식 센서(400)가 수소 가스에 노출된 시간이 증가할수록 간섭파의 시프트의 정도는 점점 증가한다.
한편, 수소 가스의 주입이 완료되어 측정 환경이 회복(refresh)되면, 시프트된 간섭파의 파장은 시프트 이전의 자리로 복귀한다.
도 5c는 수소 가스에 노출되는 시간 간격이 반복될 경우 도 4의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진피크가 시프트하는 것을 도시한다. 농도가 제어된 수소 가스의 노출이 완료된 다른 시간 간격 동안 다른 기체(예컨대, N2)가 주입될 수도 있다. 일 실험예에서, 상기 도 5c의 그래프는 질소에 의해 최대 4 % 농도(수소의 최소 폭발 가능 농도)로 희석된 수소 가스를 사용한 경우에 획득될 수도 있다.
도 4의 광학식 센서(400)는 수십분 동안 반복적으로 수소 가스에 노출되어도 간섭파의 스펙트럼의 시프트가 발생한다. 따라서, 상기 광학식 센서(400)는 반복적인 수소 감지가 가능하다.
이러한 광학식 센서(400)를 포함한 수소 가스 검출 시스템(1)은 상기 광 스펙트럼 분석기(500)를 이용하여 광학식 센서(400)로부터 출력된 간섭파를 획득한다. 획득된 간섭파는 파장이 변화되어 스펙트럼의 주기가 변화된 간섭파일 수도 있다. 광 스펙트럼 분석기(500)는 분석 결과에 따라 스펙트럼 주기가 변화한 경우, 상기 수소 가스의 존재 여부 및/또는 감지된 수소 가스의 농도를 출력할 수도 있다.
예를 들어, 상기 파장이 상기 수소 가스가 존재하지 않을 때와 비교하여 변화한 경우, 상기 수소 가스 검출 시스템(1)은 공기 중에 상기 수소 가스가 존재하는 것으로 결정할 수도 있다.
또한, 수소 가스 검출 시스템(1)은 파장 변화의 정도에 기초하여 수소 가스의 농도를 측정할 수도 있다. 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화하는 정도는 ΔD에 대응한다. 수소 가스의 농도별로 간섭파 스펙트럼의 피크의 파장이 상이하기 때문에, 수소 가스 감출 시스템1은 간섭파 스펙트럼의 피크의 파장의 검출 결과에 기초하여 수소 농도를 검출할 수도 있다. 예를 들어, 수소 가스 검출 시스템(1)은 간섭파 스펙트럼에서 피크의 파장을 검출하고, 검출된 피크의 파장에 대응하는 수소 가스의 농도를 광학식 센서(400)에 의해 감지된 수소 가스의 농도로 결정할 수도 있다.
이를 위해, 수소 가스 검출 시스템(1)은 (예컨대, 광 스펙트럼 분석기(500)에) 수소 농도별 피크의 파장의 관계를 미리 저장할 수도 있다. 예를 들어, 광 스펙트럼 분석기(500)에 수소 농도별 피크의 파장의 관계가 저장될 수도 있다. 예를 들어, 피크의 특정 파장의 값이 검출된 경우, 상기 시스템(1)은 상기 특정 파장의 값에 대응하는 농도의 값으로 현재의 수소 가스의 농도를 측정할 수도 있다.
수소 가스의 감지 이후 감지된 수소 가스가 제거되어 측정 환경이 회복(refresh)되면, 이동한 간섭파 스펙트럼은 이동 이전의 자리로 복귀한다.
수소 가스 검출 시스템(1)은 간섭파 스펙트럼의 변화가 이전 자리로의 복귀를 나타낼 경우, 수소 가스의 농도가 낮아지는 것으로 결정할 수도 있다. 또한, 수소 가스 검출 시스템(1)은 간섭파 스펙트럼이 변화된 이후 이전 자리로 복귀한 경우, 수소 가스의 농도가 이전 상태로 복귀한 것으로 결정할 수도 있다.
수소 가스 검출 시스템(1)은, 수소 가스의 존재 여부, 수소 가스의 농도, 및/또는 수소 가스 농도의 변화 상태를 포함한, 수소 가스 분석 결과를 사용자에게 제공할 수도 있다. 예를 들어, 사용자는 유출된 수소 가스가 제거된 것을 알 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 센싱 유닛(410)은: 반사층(415)을 더 포함할 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반사층(415)은 수소 반응층(413)에서 상기 광섬유(200)에 대향하는 표면 상에 코팅 등을 통해 형성된다.
상기 반사층(415)은 상기 감지 물질 보다 높은 반사율을 갖는 물질로 이루어진다. 상기 반사층(415)은, 예를 들어 금(Au)을 포함한 물질로 이루어질 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다. 이 경우, 반사층(415)의 표면이 도 3의 제2 반사막으로 기능한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반사층의 효과를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 광학식 센서(400)가 반사층(415)를 포함할 경우, 간섭파는 보다 높은 ER의 값을 가진다. 즉, 상기 반사층(415)으로 인해, 센서(400) 내 광 손실이 감소하고, 시스템1의 수소 감지 데이터의 신뢰성이 증가한다.
특정 실시예들에서, 상기 제2 페룰(440)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다. 상기 제2 페룰(440)의 구멍은 센싱 유닛(410)의 너비, 즉 최외곽의 수소 반응층(413)을 포함한 부분의 너비 보다 큰 직경을 가진다.
상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭은, 센싱 유닛(410)의 지지체(411)에 코팅된 팔라듐층(413)이 주변 수소와 반응하여 부피가 팽창함으로써 센싱 유닛(410)의 단면 직경이 커지더라도 제2 페룰 (440)의 구멍 내경과 접촉하지 않는 간격을 가진다.
특정 실시예들에서, 상기 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 지지체(411)의 직경 간의 차이는 1 um이상 9um 이하일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 지지체(411)의 직경 간의 차이는 3 um 이하일 수도 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 페룰의 구멍의 직경과 지지체의 직경에 따른 감지 및 복원 양상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 왼쪽의 그래프는 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛의 직경이 매칭하는 경우를 도시한다. 여기서, 직경의 매칭은, 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 직경이 거의 일치하는 것과 같이, 센싱 유닛(410)의 지지체(411)에 코팅된 팔라듐층(413)이 주변 수소와 반응하여 부피가 팽창함으로써 센싱 유닛(410)의 단면 직경이 커질 경우, 제2 페룰(440)의 내경이 지지체(411)에 코팅된 팔라듐층(413) 사이에 접촉을 야기하는 일치 정도를 의미한다. 예를 들어, 제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛(410)의 직경 간의 차이가 1 um 이하이면 직경이 매칭하는 것으로 취급될 수도 있다.
제2 페룰(440)의 구멍의 직경과 센싱 유닛의 직경이 매칭될 경우, 팔라듐이 코팅된 센싱 유닛(410)과 제2 페룰(440)의 구멍 사이의 마찰 때문에, 수소 가스의 노출 이후 센서 구조가 원래대로 복원되지 않는다.
반면, 도 7의 오른쪽 그래프에 도시된 바와 같이, 상기 광학식 센서(400)는 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 센싱 유닛(410) 사이의 갭으로 인해, 팔라듐의 팽창/수축에 따른 센서(400)의 성능에 열화가 발생하지 않고, 결국 센서(400)의 안정성을 확보할 수 있다.
다른 특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(400)는 제2 페룰(440)의 구멍 내부의 공간과 상기 광학식 센서(400)의 내부 공동이 단일 공간을 이루도록 구성될 수도 있다. 이를 위해, 상기 상기 광학식 센서(400)는 제2 고정체(453)를 포함하지 않을 수도 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 8의 광학식 센서(400)의 구조는 도 4의 광학식 센서(400)의 구조와 유사하므로, 차이점을 위주로 서술한다.
도 8을 참조하면, 전술한 바와 같이, 상기 광학식 센서(400)에서 수소 반응층(413)은 지지체(411)에서 내부 공동의 노출 부분 및 구멍의 삽입 부분의 일부 또는 전부에 걸쳐 형성될 수도 있다. 예를 들어, 수소 반응층(413)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 지지체(411)에서 제2 페룰(440)의 삽입 부분 전체, 그리고 내부 공동의 노출 부분 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 여기서, 삽입 부분은 구멍의 길이에 해당한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제2 페룰(440)은 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이 구멍을 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다. 이러한 구조 하에서 제2 페룰(440)의 구멍 내부의 공간과 내부 공동의 공간 사이가 차단되지 않으므로, 수소 반응층(413)이 수소에 노출 가능한 공간이 도 4 대비 확장된다. 이로 인해, 수소 가스에 노출되어 수소와 반응하는 수소 반응층(413)의 영역이 제2 페룰(440)의 구멍 내부의 부분만큼 확장된다. 그 결과, 수소와의 반응에 따른 수소 반응층(413)의 부피 변화량이 증가한다.
도 9a 및 도 9b는, 도 8의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 도 8의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 세기(intensity)와 파장을 도시하고, 도 9b 도 도 8의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진 피크지점의 시프트 간격을 노출 시간에 따라 도시한 것이다. 도 5 및 도 9를 참조하면, 수소 가스에 노출되는 공간이 확장되어 반응 면적이 증가하는 도 8의 광학식 센서(400)가 도 4의 광학식 센서(400) 보다 더 높은 수소 민감도를 가진다.
또 다른 특정 실시예들에서, 상기 광학식 센서(400)는, 상기 센싱 유닛(410)이 제1 페룰(430) 및 제2 페룰(440)에 걸쳐서 고정되도록 구성될 수도 있다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학식 센서의 개략적인 구조도이다.
도 10의 광학식 센서(400)의 구조는 도 4의 광학식 센서(400)의 구조와 유사하므로, 차이점을 위주로 서술한다.
도 10을 참조하면, 상기 센싱 유닛(410)이 제1 페룰(430) 및 제2 페룰(440)에 걸쳐서 고정되도록, 상기 광학식 센서(400)에서 상기 제2 페룰(440)의 구멍을 관통한 센싱 유닛(410)은 상기 제1 페룰(430)의 구멍에 삽입될 수도 있다. 그러면, 상기 센싱 유닛(410)의 일 단은 내부 공동 대신에, 제1 페룰(430)의 구멍 내부에 배치된다.
또한, 상기 제1 페룰(430)은 상기 제1 페룰(430)의 구멍 내부와 이 구멍에 삽입된 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다. 이를 위해, 상기 제1 페룰(430)의 구멍은 센싱 유닛(410)의 너비, 즉 최외곽의 수소 반응층(413)을 포함한 부분의 너비 보다 큰 직경을 가진다.
일 실시예에서, 상기 제1 페룰(430)과 제2 페룰(440)의 구멍은 서로 대응할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제2 페룰(440)의 구멍 내부와 이를 관통하는 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되는 경우, 상기 제1 페룰(430)은 상기 제1 페룰(430)의 구멍 내부와 이 구멍에 삽입된 센싱 유닛(410) 간의 갭이 형성되도록 구성될 수도 있다.
대안적인 실시예들에서, 도 10의 광학식 센서(400)는 고정체(451)를 포함하고, 고정체(453)를 포함하지 않도록 구성될 수도 있다. 즉, 도 8의 광학식 센서(400)의 센싱 유닛(410)의 일 단이 제1 페룰(430)의 구멍에 삽입된 것으로 도 10의 광학식 센서(400)가 구현될 수도 있다.
이와 같이, 상기 센싱 유닛(410)이 제1 페룰(430) 및 제2 페룰(440) 모두에 걸쳐 고정되면, 상기 광학식 센서(400)는 보다 높은 데이터 신뢰성을 가진다.
또한, 상기 광학식 센서(400)는 유체에 용해된 수소를 감지할 수도 있다.
도 11은, 도 10의 광학식 센서를 유체 내에 위치 시켰을 때의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 11의 그래프는 디퓨저를 통해 질소에 4%로 희석된 수소 가스를 오일 속에 용해시킨 환경에서 도 10의 광학식 센서(400)를 사용하여 획득된다.
도 11을 참조하면, 도 10의 광학식 센서(400)를 전력 변압기에 사용되는 전기 절연유(즉, 유체) 중에서 사용한 결과의 FSR는 동일한 도 10의 광학식 센서(400)를 공기 중에서 사용한 결과의 FSR와 동일하다. 즉, 도 10의 광학식 센서(400)에서는 공기 중에 사용되는 경우와 동일하게 유체 내에서 사용되는 경우에도 패브리-패럿의 공진 특성이 유지된다.
즉, 도 10의 광학식 센서(400)는 유체 또는 기체에 분포된 수소를 감지할 수 있다.
도 12a 도 12b는, 도 10의 광학식 센서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 12의 그래프는 전력 변압기에 사용되는 전기 절연유에 수소 가스를 주입하는 환경에서 획득된다. 도 12a는 도 10의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 세기(intensity)와 파장을 수소의 주입과 주입 종료에 따라 각각 도시하고, 도 12b는 도 10의 광학식 센서(400)에서 생성되는 간섭파의 스펙트럼에서의 공진 피크지점의 시프트 간격을 노출 시간에 따라 도시한 것이다.
도 12a를 참조하면, 수소를 전기 절연유에 주입 시에 공진 파장이 왼쪽 그래프 상의 화살표와 같이 시프트한다. 그리고 수소 주입 중단 시, 오른쪽 그래프 상의 화살표와 같이 공진 파장이 원래 위치로 복원된다.
도 12b를 참조하면, 상기 광학식 센서(400)는 유체 조건 하에서도 패브리-패럿의 공진 특성이 유지된다. 이 패브리-패럿의 공진 특성은 수십분, 특히 10분 이상 안정적으로 유지된다.
이와 같이, 상기 광학식 센서(400)는 공기 중의 수소뿐만이 아니라, 유체 속에 용해된 수소를 감지할 수도 있다. 상기 광학식 센서는 주변의 기체 또는 액체 등과 같은, 주변 환경의 영향이 없이 수소 가스를 감지할 수도 있다.
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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 수소 가스 검출 시스템
100: 광원
200: 광섬유
300: 서큘레이터
400: 광학식 센서
410: 센싱 유닛
411: 지지체
413: 수소 반응층
415: 반사층
420: 바디 케이스
421: 개구(aperture)
430, 440: 페룰
451, 453: 고정체
500: 광 스펙트럼 분석기

Claims (20)

  1. 광섬유를 통해 광원으로부터 빛을 입력 받아 수소를 감지하는 광학식 센서에 있어서,
    수소 가스와 반응하여 팽창 또는 수축하는 감지 물질을 포함한 센싱 유닛;
    측벽으로 상기 센싱 유닛의 적어도 일부를 둘러싸는 바디 케이스;
    상기 광섬유가 삽입된, 상기 바디 케이스의 일 단에 배치된 제1 페룰; 및
    상기 제1 페룰에 대향하여 상기 바디 케이스의 타 단에 배치되어, 상기 제1 페룰과 사이에 공동(cavity)을 형성하는 제2 페룰 - 상기 센싱 유닛은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 센싱 유닛의 일 단이 상기 제1 페룰과 상기 제2 페룰 사이의 공동(cavity)에 배치됨 - 을 포함하고,
    상기 광섬유에서 출력되어 상기 공동을 통해 진행한 빛에 대하여 패브리-페롯 간섭계에 따른 간섭파를 형성하는 광학식 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센싱 유닛은:
    상기 제2 페룰의 구멍을 관통하고 상기 제1 페룰을 향해 연장된 지지체; 및
    상기 지지체의 적어도 일부를 코팅하여 형성된 수소 반응층을 포함하고,
    상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍을 관통하여 상기 공동에 노출된 상기 지지체의 제1 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측벽은 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 개구는 상기 공동에 대응하는 측벽의 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 간섭파는, 상기 센싱 유닛의 표면과 상기 광섬유에서 빛이 방출되는 지점 사이에 반복적인 빛의 반사로 인해 형성되며,
    상기 센싱 유닛의 코팅된 감지 물질의 부피변화에 따라 상기 표면과 지점 사이의 거리가 변화함으로써 상기 간섭파의 스펙트럼 주기성이 변화하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 유닛을 고정하기 위해, 상기 제2 페룰의 구멍의 일 단에 형성된 제1 고정체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 페룰의 구멍 내부에서 상기 제2 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록 상기 제2 페룰의 구멍은 상기 센싱 유닛의 너비 보다 더 큰 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수소 반응층은 상기 제2 페룰의 구멍 내부에 삽입된 상기 센싱 유닛의 제2 부분의 일부 또는 전부 삽입 부분의 일부 또는 전부에 형성된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 지지체는 광섬유인 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 수소 반응층은 팔라듐을 포함한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 페룰의 구멍에서 상기 제1 페룰에 대향하는 상기 구멍의 타 단에 배치되어 상기 센싱 유닛을 고정하는 제2 고정체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  11. 제2항에 있어서, 상기 센싱 유닛은:
    상기 제1 페룰에 대향하여 상기 센싱 유닛의 표면 상에 형성된, 상기 수소 반응층 보다 더 높은 반사율을 갖는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반사층은 Au을 포함한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 센싱 유닛이 제1 페룰 및 제2 페룰에 걸쳐서 고정되도록, 상기 제2 페룰의 구멍을 관통한 센싱 유닛은 상기 제1 페룰의 구멍에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 페룰의 구멍 내부에서 상기 제1 페룰의 구멍과 상기 센싱 유닛 간의 갭(gap)이 형성되도록, 상기 제1 페룰의 구멍은 센싱 유닛의 너비 보다 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 광학식 센서는 기체 또는 유체 중에 분포하는 수소를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학식 센서.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 광학식 센서;
    상기 광원을 포함한 광원부;
    광 써큘레이터; 및
    상기 광학식 센서에서 형성된 간섭파의 스펙트럼 주기성의 변화에 기초하여 수소 가스의 존재 여부를 검출하거나 또는 수소 가스의 농도를 측정하는 광 스펙트럼 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광원부는: 상기 광원의 빛을 수신하여 증폭하는 EDFA(Er-doped fiber amplifier)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 광원은 단일 파장 광원인 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 광 써큘레이터는 제 1, 제2, 및 제 3 포트를 가지고,
    상기 광원부에서 출력된 빛을 상기 제2 포트에 연결된 상기 광학식 센서로 출력하고, 상기 광학식 센서에서 형성되어 상기 제2 포트로 입력되는 상기 간섭파를 상기 제3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 광원은 제1 시간 동안 빛을 방출하고, 제2 시간 동안 빛을 비-방출하며,
    상기 제2 시간은 상기 제1 시간 동안 방출된 빛이 상기 센싱 유닛의 표면에서 반사되어 상기 광 스펙트럼 분석기로 진행하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 가스 검출 시스템.
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