KR20240064472A - 비분산 적외선 가스 센서 - Google Patents

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윤지영
이준엽
정대웅
이수웅
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 광학적 가스 센서 방식으로 가스의 농도를 측정할 수 있는 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성되는 광도파관과, 상기 광도파관의 일단부 측에 설치되고, 상기 광도파관의 상기 내부 공간으로 적외선을 발산하는 발광부와, 상기 광도파관의 타단부 측에 설치되고, 상기 발광부에서 발산되어 상기 광도파관의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 상기 내부 공간을 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출부 및 상기 발광부에서 발산되어 상기 검출부를 향하는 방향으로 진행하는 상기 적외선의 광경로가 상기 광도파관의 상기 내부 공간에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어질 수 있도록, 상기 광도파관의 내벽면의 상측 및 하측에 각각 형성되고 수평 방향으로 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경을 포함하는 반사부들의 조합으로 형성되는 반사 모듈을 포함할 수 있다.

Description

비분산 적외선 가스 센서{Non-dispersive infra red(NDIR) gas sensor}
본 발명은 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광학적 가스 센서 방식으로 가스의 농도를 측정할 수 있는 비분산 적외선 가스 센서에 관한 것이다.
적외선(Infra red radiation)은 파장이 0.75㎛ 내지 1mm 범위에 속하는 전자기파로서, 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열을 발산하기 때문에 열선이라고 한다. 적외선이 이렇게 강한 열 효과를 가지는 것은 적외선의 주파수가 물질을 구성하고 있는 분자의 고유진동수와 거의 같은 정도의 범위에 있기 때문이다. 이는 물질에 적외선이 부딪치면 전자기적 공진 현상을 일으켜 광파의 에너지가 효과적으로 흡수되기 때문인 것으로 알려져 있다. 특히, 액체나 기체 상태의 물질은 각각의 물질마다 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수하는 성질이 있기 때문에 이 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응과정 또는 분자구조를 정밀하게 추정하는 수단으로 사용하는데, 이것을 적외선 분광분석이라 한다.
이러한 적외선의 특성을 이용한 비분산 적외선(NDIR) 가스 센서는, 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 농도에 대한 광 흡수율을 측정함으로써 가스 농도를 구하는 방식이며, 적외선을 방출하는 광원과 광학적 필터, 적외선 디텍터, 광도파관으로 구성되어 있다.
광도파관에 입사된 적외선이 검출 대상 가스의 가스 분자에 의해서 흡수된 후 투과된 적외선의 양은 비어-램버트의 법칙(Beer-Lambert law)을 따를 수 있으며, 이에 의해, 적외선이 광도파관 내에서 검출 대상 가스를 통과하여 이동하는 광경로가 길수록 목적하는 가스에 의한 흡수량이 커지고 그에 따라 광센서가 측정하는 측정치의 오차를 줄여 기기의 정밀도를 높일 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 비분산 적외선 가스 센서는, 일반적으로 설계공간이 제한되어 있어, 가스 센서의 크기가 제한적으로 정해진 경우가 빈번하여, 적외선이 광도파관 내에서 검출 대상 가스를 통과하여 이동하는 광경로를 길게 형성하는데도 제한이 발생하여, 가스 센서의 감도를 높이는데 한계가 있어 광센서가 측정하는 측정치의 오차가 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 설계공간의 제한이 없는 경우에도, 가스 센서의 정밀도를 증가시키기 위해서 적외선의 광경로를 길게 하는 경우, 가스 센서의 크기가 지나치게 커지고, 광도파관 내부 반사에 의한 광손실이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 광도파관 내부에 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경을 포함하는 반사부들의 조합으로 형성되는 반사 모듈을 설치하여, 적외선이 광도파관의 내부 공간에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어지도록 하는 구조 설계를 통해서 제한된 설계공간에서 광경로를 최대한 길게 형성할 수 있도록 유도하고, 광학 필터를 통해 검출부에 입사되는 적외선의 입사각을 제어하여 적외선의 필터 투과율을 증가시킴으로써, 가스 검출의 정밀도를 증가시킬 수 있는 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비분산 적외선 가스 센서가 제공된다. 상기 비분산 적외선 가스 센서는, 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성되는 광도파관; 상기 광도파관의 일단부 측에 설치되고, 상기 광도파관의 상기 내부 공간으로 적외선을 발산하는 발광부; 상기 광도파관의 타단부 측에 설치되고, 상기 발광부에서 발산되어 상기 광도파관의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 상기 내부 공간을 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출부; 및 상기 발광부에서 발산되어 상기 검출부를 향하는 방향으로 진행하는 상기 적외선의 광경로가 상기 광도파관의 상기 내부 공간에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어질 수 있도록, 상기 광도파관의 내벽면의 상측 및 하측에 각각 형성되고 수평 방향으로 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경을 포함하는 반사부들의 조합으로 형성되는 반사 모듈;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 반사부는, 상기 광도파관의 중심축을 기준으로 소정의 각도로 경사지게 형성되되, 그 반사면이 상기 적외선의 진행방향을 바라보도록 형성되는 제 1 반사경; 및 상기 광도파관의 상기 중심축을 기준으로 상기 소정의 각도로 경사지게 형성되되, 경사 방향이 상기 제 1 반사경과 반대로 형성되어 상기 제 1 반사경과 상기 수평 방향으로 서로 마주보게 형성될 수 있도록, 그 반사면이 상기 적외선의 진행방향을 마주보도록 형성되는 제 2 반사경;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 반사경 및 상기 제 2 반사경은, 상기 적외선을 수직하게 반사할 수 있도록, 상기 광도파관의 상기 중심축을 기준으로 45도의 상기 소정의 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 발광부는, 상기 수평 방향과 수직한 수직 방향으로 상기 적외선을 발산하고, 상기 검출부는, 상기 반사 모듈에 의해 상기 수직 방향으로 입사되는 상기 적외선을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 반사 모듈은, 한 쌍의 반사경 중 어느 하나의 반사경이 상기 발광부와 상기 수직 방향으로 마주보도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면의 상측 또는 하측에 설치되는 제 1 반사부; 및 한 쌍의 반사경 중 어느 하나의 반사경이 상기 제 1 반사부의 다른 하나의 반사경과 상기 수직 방향으로 마주보도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면의 하측 또는 상측에 설치되는 제 2 반사부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 반사 모듈은, 한 쌍의 반사경 중 어느 하나의 반사경이 제 n-1 반사부의 다른 하나의 반사경과 상기 수직 방향으로 마주보고, 다른 하나의 반사경이 상기 검출부와 상기 수직 방향으로 마주보도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면의 상측 또는 하측에 설치되는 제 n 반사부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 발광부 및 상기 검출부는, 상기 수직 방향으로 상기 적외선을 발산하고, 상기 수직 방향으로 입사되는 상기 적외선을 검출할 수 있도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면에 상기 광도파관의 중심축과 평행하게 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 발광부의 일측에 설치되어, 상기 발광부에서 발산된 적외선의 발산각 분포가 수직 방향과 평행한 평행광 분포를 이루도록, 상기 적외선을 굴절시키는 평행광 형성 모듈;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 평행광 형성 모듈은, 상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 발광부의 후방에 설치되어, 상기 발광부의 측방 및 후방을 향해서 발산되는 상기 적외선을 상기 수직 방향으로 굴절시킬 수 있도록, 상기 발광부를 둘러싸는 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(Parabolic mirror);을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 평행광 형성 모듈은, 상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 발광부의 전방에 설치되어, 상기 발광부의 측방을 향해서 발산되는 상기 적외선을 상기 수직 방향으로 굴절 시키는 렌즈부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 렌즈부는, 볼록 렌즈(Convex lens) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 적외선이 수직 방향으로 입사하는 상기 검출부의 전방에 설치되어, 상기 적외선의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터;를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광도파관 내부에 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경을 포함하는 반사부들의 조합으로 형성되는 반사 모듈을 설치하여, 적외선이 광도파관의 내부 공간에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어지도록 하는 구조 설계를 통해서 제한된 설계공간에서 광경로가 최대한 길게 형성되도록 유도할 수 있다.
또한, 반사 모듈에 의해 광도파관 내부에서 직선 형태로 수직하게 굴절을 반복하다가 광학 필터에 입사되는 적외선의 입사각을 광학 필터에 수직하게 입사되도록 유도함으로써, 적외선의 필터 투과율을 증가시켜 적외선의 광손실을 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 가스 센서의 전체적인 크기를 변경하지 않고, 광도파관 내부 구조의 변경으로 적외선의 광경로를 최대한 길게 형성하고, 광도파관 내에서 광학 필터를 통과하는 적외선의 필터 투과율을 증가시킴으로써, 가스 센서의 감도를 향상시킬 수 있으며, 광도파관의 구조가 주기적인(Periodic) 구조를 가짐으로써, 저비용으로 제작이 용이한 비분산 적외선 가스 센서를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 비분산 적외선 가스 센서의 반사 모듈에 포함된 제 1 반사경을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 제 1 반사경에 의해 직각으로 반사되는 적외선의 광경로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 비분산 적외선 가스 센서에 적용된 평행광 형성 모듈의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4의 평행광 형성 모듈로 적용된 포물면 거울의 궤적을 이차함수로 표현하여 집광점을 산출한 것을 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 비분산 적외선 가스 센서에 적용된 평행광 형성 모듈의 다른 실시예들을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 의한 광도파관 적용 시 적외선의 광경로 및 필터 입사각을 분석한 시뮬레이션 결과를 나타내는 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 비분산 적외선 가스 센서(100)의 반사 모듈(40)에 포함된 제 1 반사경(M1)을 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2의 제 1 반사경(M1)에 의해 직각으로 반사되는 적외선(IR)의 광경로를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 1의 비분산 적외선 가스 센서(100)에 적용된 평행광 형성 모듈(50)의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 5는 도 4의 평행광 형성 모듈(50)로 적용된 포물면 거울(51)의 궤적을 이차함수로 표현하여 집광점을 산출한 것을 나타내는 그래프이고, 도 6 및 도 7은 도 1의 비분산 적외선 가스 센서(100)에 적용된 평행광 형성 모듈(50)의 다른 실시예들을 개략적으로 나타내는 단면도들이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(100)는, 크게, 광도파관(10)과, 발광부(20)와, 검출부(30) 및 반사 모듈(40)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광도파관(10)은, 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간(A)이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 발광부(20)는, 광도파관(10)의 일단부 측에 설치되고, 광도파관(10)의 내부 공간(A)으로 적외선(IR)을 발산할 수 있으며, 검출부(30)는, 광도파관(10)의 타단부 측에, 즉, 발광부(20)와 대향되는 방향에 형성될 수 있도록 광도파관(10) 내부 공간(A)에서 발광부(20)와 반대편 단부 측에 설치되고, 발광부(20)에서 발산되어 광도파관(10)의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 내부 공간(A)을 통과한 적외선(IR)의 광량을 검출할 수 있다. 여기서, 검출부(30)는, 도시되진 않았지만, 그 표면에 적외선(IR)의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터가 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 광도파관(10)은, 원통 형상으로 형성되어, 내부 공간(A)에 서로 대향되게 양 단부에 설치되는 발광부(20)와 검출부(30) 및 후술될 반사 모듈(40)을 수용하고, 내부 공간(A)에 발광부(20)로부터 조사된 적외선(IR)의 광경로(Optical path)를 형성할 수 있다. 그러나, 광도파관(10)의 형상은 반드시 도 1에 국한되지 않고, 원통 형상 이외에도 사각통 형상이나 육각통 형상 등 다양한 다각의 단면 형상을 가지는 속이 빈 통 형상으로 형성될 수 있다.
하지만, 발광부(20)로부터 발산된 적외선(IR)의 반사 등 빛의 특성을 고려할 때 광도파관(10)은 본 발명과 같이, 원통 형상으로 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다.
또한, 도시되진 않았지만, 광도파관(10)은, 내부 공간(A)으로 상기 검출 대상 가스가 유입되고, 내부 공간(A)을 유동 후 다시 외부로 배출될 수 있도록, 발광부(20) 또는 검출부(30) 인근에 상기 검출 대상 가스가 유입되는 유입구 및 검출부(30) 또는 발광부(20) 인근에 상기 검출 대상 가스가 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 원통 형상으로 수평 방향(X축 방향)으로 길게 형성된 광도파관(10)의 내부 공간(A)을 따라, 상기 검출 대상 가스가 수평 방향(X축 방향)으로 충분히 유동한 후 다시 배출될 수 있도록, 상기 유입구와 상기 배출구는, 각각 발광부(20)와 검출부(30) 또는 검출부(30)와 발광부(20) 인근에 설치되고 서로 상반된 방향으로 개구되도록 대향되게 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 유입구를 통해 광도파관(10)의 내부 공간(A)으로 유입된 상기 검출 대상 가스가 내부 공간(A)을 따라 수평 방향(X축 방향)으로 유동한 후, 상기 배출구를 통해 외부로 다시 배출될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반사 모듈(40)은, 발광부(20)에서 발산되어 검출부(30)를 향하는 방향으로 진행하는 적외선(IR)의 광경로가 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 수평 방향(X축 방향)에서 수직 방향(Z축 방향) 또는 수직 방향(Z축 방향)에서 수평 방향(X축 방향)으로 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어질 수 있도록, 광도파관(10)의 내벽면의 상측 및 하측에 각각 형성되고 수평 방향(X축 방향)으로 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경(M1, M2)을 포함하는 반사부들(41, 42, ..., 4n)의 조합으로 형성될 수 있다.
예컨대, 반사 모듈(40)을 이루는 반사부들(41, 42, ..., 4n)은, 광도파관(10)의 중심축(X)을 기준으로 소정의 각도(θ)로 경사지게 형성되되, 수평 방향(X축 방향)을 기준으로 그 반사면이 적외선(IR)의 진행 방향을 바라보도록 형성되는 제 1 반사경(M1) 및 광도파관(10)의 중심축(X)을 기준으로 소정의 각도(θ)로 경사지게 형성되되, 경사 방향이 제 1 반사경(M1)과 반대로 형성되어 제 1 반사경(M1)과 수평 방향(X축 방향)으로 서로 마주보게 형성될 수 있도록, 수평 방향(X축 방향)을 기준으로 그 반사면이 적외선(IR)의 진행방향을 마주보도록 형성되는 제 2 반사경(M2)을 포함할 수 있다.
이때, 제 1 반사경(M1) 및 제 2 반사경(M2)은, 적외선(IR)을 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 수평 방향(X축 방향)에서 수직 방향(Z축 방향) 또는 수직 방향(Z축 방향)에서 수평 방향(X축 방향)으로 수직하게 반사할 수 있도록, 광도파관(10)의 중심축(X)을 기준으로 소정의 각도(θ)가 45도로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제 1 반사경(M1)을 예로 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 반사면(R) 양측의 끼인 각도가 45도의 소정의 각도(θ)로 형성될 수 있으며, 반사면(R)의 길이는 발광부(20)의 폭(W)을 기준으로 α × w(여기서, α>1)으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 α는, 광도파관(10)의 크기(길이 및 지름)을 고려하여 매우 다양하게 설정될 수 있다.
이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 광도파관(10) 내부 공간(A)에서 45도의 기울기를 갖는 반사면(R)이 형성된 제 1 반사경(M1)을 광도파관(10) 내부에 적용함으로써, 종래의 비분산 적외선 가스 센서의 광도파관에서 대각선 형태로 이루어진 광경로를 직선 형태로 이루어진 광경로로 설계하여, 동일한 크기의 광도파관(10)에서 적외선(IR)의 광경로를 길게 형성할 수 있다.
예컨대, 제 1 반사경(M1)에 의해 수직으로 꺾이는 직선 형태로 이루어진 적외선(IR)의 광경로의 길이(L)는, L=(L0×cosθ)+(L0×sinθ)=L0×(cosθ+sinθ)일 수 있다.(여기서, L0= 종래의 대각선 형태로 이루어진 적외선 광경로의 길이)
이를, 종래의 대각선 형태로 이루어진 적외선 광경로의 길이(L0)와 비교하면, L/L0=cosθ+sinθ=f(θ), (0<θ<90), 즉, 1<f(θ)< =1.4 로서, 종래의 대각선 형태로 이루어진 적외선 광경로의 길이(L0)에 비해 수직으로 꺾이는 직선 형태로 이루어진 적외선(IR)의 광경로의 길이(L)가 최대 1.4배 증가할 수 있는 것으로 나타났다.
따라서, 반사 모듈(40)이, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 반사경(M1, M2) 중 어느 하나의 반사경(M1)이 발광부(20)와 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보도록, 광도파관(10)의 내벽면(11)의 상측에 설치되는 제 1 반사부(41)와, 한 쌍의 반사경(M1, M2) 중 어느 하나의 반사경(M1)이 제 1 반사부(41)의 다른 반사경(M2)과 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보도록, 광도파관(10)의 내벽면(11)의 하측에 설치되는 제 2 반사부(42)와, 한 쌍의 반사경(M1, M2) 중 어느 하나의 반사경(M1)이 제 2 반사부(42)의 다른 반사경(M2)과 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보도록, 광도파관(10)의 내벽면(11)의 상측에 설치되는 제 3 반사부(43)와, 한 쌍의 반사경(M1, M2) 중 어느 하나의 반사경(M1)이 제 3 반사부(43)의 다른 반사경(M2)과 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보도록, 광도파관(10)의 내벽면(11)의 하측에 설치되는 제 n-1 반사부(4n-1) 및 한 쌍의 반사경(M1, M2) 중 어느 하나의 반사경(M1)이 제 n-1 반사부(4n-1)의 다른 하나의 반사경(M2)과 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보고, 다른 하나의 반사경(M2)이 검출부(30)와 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보도록, 광도파관(10)의 내벽면(11)의 상측에 설치되는 제 n 반사부(4n)의 조합으로 이루어짐으로써, 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서, 발광부(20)로부터 발산된 적외선(IR)을 수평 방향(X축 방향)에서 수직 방향(Z축 방향) 또는 수직 방향(Z축 방향)에서 수평 방향(X축 방향)으로 수직하게 반사하여, 적외선(IR)의 광경로가 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어질 수 있도록 유도할 수 있다.
이때, 발광부(20) 및 검출부(30)는, 수직 방향(Z축 방향)으로 적외선(IR)을 발산하고, 수직 방향(Z축 방향)으로 입사되는 적외선(IR)을 검출할 수 있도록, 광도파관(10)의 내벽면(11)의 하측에 광도파관(10)의 중심축(X)과 평행하게 설치됨으로써, 발광부(20)는, 제 1 반사부(41)의 어느 하나의 반사경(M1)을 향해서 수직 방향(Z축 방향)으로 적외선(IR)을 발산하고, 검출부(30)는, 제 n 반사부(4n)의 다른 하나의 반사경(M2)으로부터 수직 방향(Z축 방향)으로 입사되는 적외선(IR)을 검출할 수 있다.
본 실시예에서, 반사 모듈(40)은, 제 1 반사부(41)와, 제 2 반사부(42)와, 제 3 반사부(43)와 제 n-1 반사부(4n-1) 및 제 n 반사부(4n)와 같이, 5개의 반사부의 조합으로 이루어지는 것을 예로 들었지만, 반드시 도 1에 국한되지 않고, 광도파관(10)의 전체 길이 및 광도파관(10)의 제작성을 고려하여 가능한 작게 설계되어야 하는 반사부 사이의 이격 거리(K) 등에 따라, 매우 다양한 개수의 반사부의 조합으로 이루어질 수 있다.
또한, 발광부(20)와, 검출부(30)와, 제 2 반사부(42) 및 제 n-1 반사부(4n-1)가 광도파관(10)의 내벽면(11)의 하측에 설치되고, 제 1 반사부(41)와 제 3 반사부(43) 및 제 n 반사부(4n)가 광도파관(10)의 내벽면(11)의 상측에 설치되는 것을 예로 들었지만, 반드시 도 1에 국한되지 않고, 발광부(20)와, 검출부(30)와, 제 2 반사부(42) 및 제 n-1 반사부(4n-1)가 광도파관(10)의 내벽면(11)의 상측에 설치되고, 제 1 반사부(41)와 제 3 반사부(43) 및 제 n 반사부(4n)가 광도파관(10)의 내벽면(11)의 하측에 설치될 수도 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(100)는, 발광부(20)의 일측에 설치되어, 발광부(20)에서 발산된 적외선(IR)의 발산각 분포가 수직 방향(Z축 방향)과 평행한 평행광 분포를 이루도록, 적외선(IR)을 굴절시키는 평행광 형성 모듈(50)을 더 포함할 수 있다.
예컨대, 평행광 형성 모듈(50)은, 발광부(20)로부터 발산되어 수직 방향(Z축 방향)으로 진행되는 적외선(IR)의 진행 방향을 기준으로, 발광부(20)의 후방에 설치되어, 발광부(20)의 측방 및 후방을 향해서 발산되는 적외선(IR)을 수직 방향(Z축 방향)으로만 굴절시킬 수 있도록, 발광부(20)의 측면 및 후면 주위를 둘러싸는 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(Parabolic mirror)(51)을 포함할 수 있다.
이때, 발광부(20)는, 측방 및 후방을 향해서 발산되는 적외선(IR)이 수직 방향(Z축 방향)으로만 굴절될 수 있도록, 포물면 거울(51)의 초점을 고려하여, 포물면 거울(51)의 오목한 만곡부로부터 소정의 이격 거리(a)로 이격되게 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 발광부(20)가 포물면 거울(51)의 오목한 만곡부로부터 이격되는 이격 거리(a)는, 포물면 거울(51)의 형상에 따라 달라질 수 있는 적외선(IR)이 집광되는 초점에 발광부(20)가 위치하도록 계산되어 설정될 수 있다.
예컨대, 이격 거리(a)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(51)의 궤적을 이차함수로 표현한 [수식 1]에 의해 정량적으로 계산될 수 있다.
[수식 1]
y = 4ax2
a: 이격 거리
x: 포물면 거울 궤적의 깊이 방향 좌표
y: 포물면 거울 궤적의 높이 방향 좌표
따라서, 발광부(20)의 측방 및 후방을 향해서 발산되는 적외선(IR)이 포물면 거울(51)에 의해 굴절되어, 발광부(20)에서 발산된 적외선(IR)의 발산각 분포가 수직 방향(Z축 방향)과 평행한 평행광 분포를 이루도록 형성될 수 있다.
이러한, 평행광 형성 모듈(50)은, 반드시 상술한 포물면 거울(51)에 국한되지 않고, 발광부(20)와 수직 방향(Z축 방향)으로 마주보는 제 1 반사부(41)의 어느 하나의 반사경(M1)을 향해, 발광부(20)로부터 발산된 적외선(IR)이 수직 방향(Z축 방향)과 평행한 평행광 분포를 이루도록 유도할 수 있는 다양한 구성 요소가 적용될 수 있다.
예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 평행광 형성 모듈(50)은, 발광부(20)로부터 발산되어 수직 방향(Z축 방향)으로 진행되는 적외선(IR)의 진행 방향을 기준으로, 발광부(20)의 전방에 설치되어, 발광부(20)의 측방을 향해서 발산되는 적외선(IR)을 수직 방향(Z축 방향)으로 굴절시키는 렌즈부(52)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 이러한 렌즈부(52)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 볼록 렌즈(Convex lens)(52a) 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(52b) 인 것이 바람직할 수 있다.
이와 같이, 상술한 평행광 형성 모듈(50)에 의해 발광부(20)에서 발산된 적외선(IR)이 평행광 분포를 이루도록 유도함으로써, 적외선(IR)이 광도파관(10) 내부 공간(A)에서 반사 모듈(40)에 의해 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 형성되도록 더욱 효과적으로 유도할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른, 비분산 적외선 가스 센서(200)와 같이, 적외선(IR)의 진행 방향을 기준으로 적외선(IR)이 수직 방향(Z축 방향)으로 입사하는 검출부(30)의 전방에 설치되어, 적외선(IR)의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터(60)를 더 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 광학 필터(60)는, 측정을 원하는 상기 검출 대상 가스의 종류에 따라 적외선(IR)의 파장을 제한함으로써, 상기 검출 대상 가스 이외의 가스를 필터링하는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 상기 검출 대상 가스가 이산화탄소(CO2)일 경우, 4.26㎛에서 가장 많은 적외선(IR)을 흡수하기 때문에, 4.26㎛의 파장 만을 투과시키는 광학 필터(60)를 사용하여 이산화탄소(CO2)를 제외한 다른 가스들을 필터링할 수 있다.
이외에도, 광학 필터(60)는, 상기 검출 대상 가스가 메탄가스(CH4)일 경우, 3.31㎛에서 가장 많은 적외선(IR)을 흡수하기 때문에, 3.31㎛의 파장 만을 투과시키는 필터가 사용될 수 있다. 이와 같이, 광학 필터(60)는, 상기 검출 대상 가스의 종류에 따라 상기 검출 대상 가스가 가장 많은 적외선(IR)을 흡수하는 파장 이외에 다른 파장을 제한하는 역할을 할 수 있다.
이때, 광학 필터(60)는, 투과가 가능한 파장 영역의 적외선(IR)이 입사되는 경우에도, 적외선(IR)이 경사진 각도로 입사할 경우에는 해당 적외선(IR)의 필터 투과율이 현저하게 저하되어, 검출부(30)로 도달하는 적외선(IR)의 광량이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서(200)와 같이, 반사 모듈(40)에 의해, 적외선(IR)이 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 수평 방향(X축 방향)에서 수직 방향(Z축 방향) 또는 수직 방향(Z축 방향)에서 수평 방향(X축 방향)으로 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 진행되다가, 최종적으로 제 n 반사부(4n)에 의해 광학 필터(60)에 수직하게 입사될 경우, 상술한, 광학 필터(60)를 통과해 검출부(30)로 도달되는 적외선(IR)의 광량이 저하되는 문제를 해소할 수 있다.
따라서, 본 발명의 여러 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서(100, 200)에 따르면, 광도파관(10) 내부 공간(A)에 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경(M1, M2)을 포함하는 반사부(41, 42, 43, ..., 4n)들의 조합으로 형성되는 반사 모듈(40)을 설치하여, 적외선(IR)이 광도파관(10)의 내부 공간(A)에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어지도록 하는 구조 설계를 통해서 제한된 설계공간에서 광경로가 최대한 길게 형성되도록 유도할 수 있다.
또한, 반사 모듈(40)에 의해 광도파관(10) 내부 공간(A)에서 직선 형태로 수직하게 굴절을 반복하다가 광학 필터(60)에 입사되는 적외선(IR)의 입사각을 광학 필터(60)에 수직하게 입사되도록 유도함으로써, 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시켜 적외선의 광손실을 감소시킬 수 있다.
그러므로, 가스 센서의 전체적인 크기를 변경하지 않고, 광도파관(10) 내부 구조의 변경으로 적외선(IR)의 광경로를 최대한 길게 형성하고, 광도파관(10) 내에서 광학 필터(60)를 통과하는 적외선(IR)의 필터 투과율을 증가시킴으로써, 가스 센서의 감도를 향상시킬 수 있으며, 광도파관(10)의 구조가 주기적인(Periodic) 구조를 가짐으로써, 저비용으로 제작이 용이한 비분산 적외선 가스 센서(100, 200)를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 해석 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 해석 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 해석 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 의한 광도파관(10) 적용 시 광도파관(10) 내부에서의 적외선(IR)의 광경로 및 필터 입사각을 분석한 시뮬레이션 결과를 나타내는 이미지이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 비분산 적외선 가스 센서의 광도파관 적용 시(Normal design)의 광경로 및 필터 입사각과, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서(100, 200)에 의한 반사 모듈(40)을 적용한 광도파관(10) 적용 시(Proposed design)의 적외선(IR)의 광경로 및 필터 입사각을 시뮬레이션 하였다.
본 해석 실험 예에서, 해석 조건으로, 광원의 발산각 분포는 ±40도, 광도파관의 내경 및 길이는 각각 8mm 및 44mm, Ray 수는 9(발산각 10도 마다 ray 생성)로 설정을 하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상술한 해석 조건으로 시뮬레이션한 결과, 적외선(IR)의 광경로의 길이는 종래 디자인(Normal design)에서 56.3mm, 본 발명의 디자인(Proposed design)에서 82mm로 나타나, 본 발명의 디자인(Proposed design)에서 종래 디자인(Normal design) 대비 광경로의 길이가 1.4배 증가한 것으로 나타났으며, 필터 입사각의 경우, 종래 디자인(Normal design)에서 평균 25.1도, 본 발명의 디자인(Proposed design)에서 0도로 나타나, 본 발명의 디자인(Proposed design)에서 적외선(IR)이 광학 필터(60)에 수직하게 입사되는 것으로 나타났다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 광도파관
20: 발광부
30: 검출부
40: 반사 모듈
41: 제 1 반사부
42: 제 2 반사부
43: 제 3 반사부
4n-1: 제 n-1 반사부
4n: 제 n 반사부
50: 평행광 형성 모듈
51: 포물면 거울
52: 렌즈부
52a: 볼록 렌즈
52b: 프레넬 렌즈
60: 광학 필터
100, 200: 비분산 적외선 가스 센서
A: 내부 공간
IR: 적외선
M1: 제 1 반사경
M2: 제 2 반사경

Claims (12)

  1. 검출 대상 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록, 속이 빈 튜브 형상으로 형성되는 광도파관;
    상기 광도파관의 일단부 측에 설치되고, 상기 광도파관의 상기 내부 공간으로 적외선을 발산하는 발광부;
    상기 광도파관의 타단부 측에 설치되고, 상기 발광부에서 발산되어 상기 광도파관의 상기 검출 대상 가스가 유동하는 상기 내부 공간을 통과한 상기 적외선을 검출하는 검출부; 및
    상기 발광부에서 발산되어 상기 검출부를 향하는 방향으로 진행하는 상기 적외선의 광경로가 상기 광도파관의 상기 내부 공간에서 수직하게 복수회 굴절되는 직선 형태로 이루어질 수 있도록, 상기 광도파관의 내벽면의 상측 및 하측에 각각 형성되고 수평 방향으로 서로 마주보게 형성되는 한 쌍의 반사경을 포함하는 반사부들의 조합으로 형성되는 반사 모듈;
    을 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사부는,
    상기 광도파관의 중심축을 기준으로 소정의 각도로 경사지게 형성되되, 그 반사면이 상기 적외선의 진행방향을 바라보도록 형성되는 제 1 반사경; 및
    상기 광도파관의 상기 중심축을 기준으로 상기 소정의 각도로 경사지게 형성되되, 경사 방향이 상기 제 1 반사경과 반대로 형성되어 상기 제 1 반사경과 상기 수평 방향으로 서로 마주보게 형성될 수 있도록, 그 반사면이 상기 적외선의 진행방향을 마주보도록 형성되는 제 2 반사경;
    을 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반사경 및 상기 제 2 반사경은,
    상기 적외선을 수직하게 반사할 수 있도록, 상기 광도파관의 상기 중심축을 기준으로 45도의 상기 소정의 각도로 경사지게 형성되는, 비분산 적외선 가스 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 수평 방향과 수직한 수직 방향으로 상기 적외선을 발산하고,
    상기 검출부는,
    상기 반사 모듈에 의해 상기 수직 방향으로 입사되는 상기 적외선을 검출하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사 모듈은,
    한 쌍의 반사경 중 어느 하나의 반사경이 상기 발광부와 상기 수직 방향으로 마주보도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면의 상측 또는 하측에 설치되는 제 1 반사부; 및
    한 쌍의 반사경 중 어느 하나의 반사경이 상기 제 1 반사부의 다른 하나의 반사경과 상기 수직 방향으로 마주보도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면의 하측 또는 상측에 설치되는 제 2 반사부;
    를 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사 모듈은,
    한 쌍의 반사경 중 어느 하나의 반사경이 제 n-1 반사부의 다른 하나의 반사경과 상기 수직 방향으로 마주보고, 다른 하나의 반사경이 상기 검출부와 상기 수직 방향으로 마주보도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면의 상측 또는 하측에 설치되는 제 n 반사부;
    를 더 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 발광부 및 상기 검출부는,
    상기 수직 방향으로 상기 적외선을 발산하고, 상기 수직 방향으로 입사되는 상기 적외선을 검출할 수 있도록, 상기 광도파관의 상기 내벽면에 상기 광도파관의 중심축과 평행하게 설치되는, 비분산 적외선 가스 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부의 일측에 설치되어, 상기 발광부에서 발산된 적외선의 발산각 분포가 수직 방향과 평행한 평행광 분포를 이루도록, 상기 적외선을 굴절시키는 평행광 형성 모듈;
    을 더 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 평행광 형성 모듈은,
    상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 발광부의 후방에 설치되어, 상기 발광부의 측방 및 후방을 향해서 발산되는 상기 적외선을 상기 수직 방향으로 굴절시킬 수 있도록, 상기 발광부를 둘러싸는 포물선 형상으로 오목하게 형성되는 포물면 거울(Parabolic mirror);
    을 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 평행광 형성 모듈은,
    상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 발광부의 전방에 설치되어, 상기 발광부의 측방을 향해서 발산되는 상기 적외선을 상기 수직 방향으로 굴절 시키는 렌즈부;
    를 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 렌즈부는,
    볼록 렌즈(Convex lens) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)인, 비분산 적외선 가스 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 적외선의 진행 방향을 기준으로 상기 적외선이 수직 방향으로 입사하는 상기 검출부의 전방에 설치되어, 상기 적외선의 파장 중 상기 검출 대상 가스가 흡수하는 영역대의 파장만을 투과시키는 광학 필터;
    를 더 포함하는, 비분산 적외선 가스 센서.
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