KR100232166B1 - 이산화탄소 가스 검출기 - Google Patents

Abstract

이산화탄소 가스 검출기에 관한 것으로, 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 갖는 적외선을 방사하는 화합물 반도체 적외선 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치와, 광학 벤치에서 적외선의 흡수율 변화를 감지하는 써모파일부와, 화합물 반도체 적외선 다이오드 및 써모파일부를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호출력을 위한 회로부 및 출력부로 구성함으로써, 기존 검출기의 대형, 고가, 시스템의 복잡성 등을 개선하여 저가, 소형화가 가능하도록 한다.

Description

이산화탄소 가스 검출기

본 발명은 가스 검출기에 관한 것으로, 특히 이산화탄소 가스 검출기에 관한 것이다.

산업화에 따른 에너지 소비의 증가로 인해 대기중의 이산화탄소 가스의 배출량이 급격하게 증가하고 건물 혹은 생활공간의 실내공기의 이산화탄소 가스 함량 조절이 요구되는 현 상황에서 소형, 저가의 이산화탄소 검출기에 대한 요구가 증대되고 있다.

그러나, 이산화탄소는 여러 다른 종류의 가스와는 달리 비교적 안정한 결합 특성을 가지고 있어 기존의 가스 센서 방식으로는 이산화탄소를 검출하는데 한계가 있다.

따라서, 일반적으로 지금까지 이산화탄소 가스를 측정하기 위해 비분산 적외선법(NDIR법)을 이용하였다.

이산화탄소 가스 감지원리와 종래의 비분산 적외선법에 따른 이산화탄소 검출기를 간단히 설명하면 다음과 같다.

CO 가스나 CO₂가스처럼 2개 이상의 다른 원자로 구성된 가스 분자의 경우, 가스 분자의 화학 결합, 원자량, 분자 진동 등에 따라서 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성이 있다.

이러한 흡수 스펙트럼을 이용하여 흡수 파장에서는 분자의 종류를 판별하고 흡수 피크의 강약으로 농도를 측정한다.

각 가스에 있어서 흡수 파장 대역은 여러 개가 있으나 주로 CO₂는 4.24㎛, CO는 4.64㎛, HC는 3.4㎛을 이용한다.

일반적으로 기체 중을 적외선이 통과할 때, 투과율(100 - 흡수율)은 비어-람버트(Beer-Lambert)법칙을 따른다.

T = exp(-acl)

여기서, T는 투과율, a는 빛이 파장과 가스 분자에 기인한 상수, c는 가스농도, l은 빛의 패스(path)길이이다.

즉, 가스의 농도가 높을수록 빛의 투과율은 지수함수적으로 감소한다.

이러한 기본원리를 바탕으로 가스를 측정하기 위해서는 특정 파장 대역의 적외선을 방사할 수 있는 적외선 소스(source), 특정 파장의 빛만 통과시키는 필터(filter), 가스에 의해 변화된 적외선을 측정할 수 있는 적외선 감지기, 적외선 소스로부터 나온 적외선이 적당한 길이에서 가스에 의해 흡수되는 공간인 광학 벤치(optical bench)로 구성되는데, 그 구조를 제1도에 나타내었다.

제1도에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 검출기는 기구적으로 구성된 광학 벤치내에 여러 가지 부품들이 장착된 형태로 구성되어 있다.

우선 적외선 소스는 열방식으로 전류를 가하면 열이 발생되고 그에 상응하는 1㎛이하에서 10㎛이상의 넓은 파장 대역의 적외선이 방사된다.

이러한 소스는 전력 소모가 많고, 폭발성 분위기내에서 사용할 때 불활성 가스로 씰링을 해 주어야 하며, 진동과 충격에 약하고, 시간에 따른 경사 변화가 있기 때문에 시스템 설계시 이러한 사항들을 고려하여야 한다.

또한, 적외선 방사량의 일정한 조절을 위해 포토다이오드가 별도로 부착되어 있고, 방열 구조의 설계를 통해 소스로부터 발생된 열에 의해 오동작 하지 않도록 하고 있다.

그리고, 초핑 셔터(chopping shutter)는 양자형 적외선 감지기나 초전형 적외선 감지기를 적외선 감지기로 사용할 경우 특정 주파수로 빛을 단속해주어 감지기의 기능을 발휘하게 해 주는 보조장치로서 주로 기계적인 방법이 이용된다.

이와 같은 초핑 셔터를 구동하기 위한 모터와 구동회로가 추가됨으로써, 가격 상승과 유지 및 보수의 어려움이 있으며 소형화하기 힘들고 전체 시스템이 복잡해 진다.

광원에서 나온 적외선은 렌즈를 통해 광학 벤치내로 통과하면서 이산화탄소에 의해 흡수가 일어난다.

일반적으로 광학 벤치는 기계적인 방법에 의해 가공되어 길이가 수십cm로 대형이며 복잡한 편이다.

제1도에서는 측정가스외의 다른 주변 환경 변수(온도, 플로우(flow), 습도 등)에 대한 보상형 구조이다.

그리고, 가스에 흡수되고 나머지 투과된 적외선은 제1도의 우측단에 나타낸 바와 같이 검지기로 들어오도록 렌즈를 이용한다.

이때, 렌즈를 통한 적외선은 네로우 밴드(narrow band) 적외선 필터를 통과하면서 특정 대역의 파장만 검지기에 보내준다.

그 이유는 CO₂가스의 경우 4.24㎛(±0.05㎛)파장만 흡수하기 때문이다.

이 적외선 필터는 주로 검지기의 패키지에 함께 부착되어 있다.

적외선 감지기는 현재 적외선에 감도가 우수한 양자형이나 초전형의 적외선 검지기가 주로 이용되나 양자형의 경우는 초핑 셔터와 저온으로 냉각시켜주는 쿨러(cooler)가 필요하며, 초전형의 경우는 초핑 셔터가 필요하여 복잡성, 대형화, 고가격의 단점이 있다.

제1도에서는 양자형 적외선 검지기의 냉각을 위해 열전 소자로 구성된 냉각기가 장착되어 있으며 이를 구동하기 위한 별도의 회로와 시스템이 필요하다.

종래 기술에 따른 이산화탄소 가스 검출기에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

종래의 검출기는 시스템의 구조가 복잡하고 대형이며 가격이 비싸다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 구조가 간단하고 저가이며 소형화가 가능한 이산화탄소 가스 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 종래 기술에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 보여주는 도면.

제2도는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 보여주는 블록 구성도.

제3도는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 발광다이오드의 적외선 방사 특성을 보여주는 그래프.

제4도는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 광학 벤치를 보여주는 도면.

제5도는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 이산화탄소 농도에 따른 출력 특성을 보여주는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 발광다이오드 또는 레이저 다이오드 12 : 광학 벤치

13 : 써모파일부 14 : 회로부

15 : 출력부

본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 특징은 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 갖는 적외선을 방사하는 화합물 반도체 적외선 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치와, 광학 벤치에서 적외선의 흡수율 변화를 감지하는 써모파일부와, 화합물 반도체 적외선 다이오드 및 써모파일부를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호를 출력하는 회로부로 구성되는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 개념은 기존의 비분산 적외선방식 검출기의 여러 가지 단점으로 알려진 대형, 고가, 시스템의 복잡성 등을 개선하여 저가, 소형화가 가능하도록 이산화탄소 가스 검출기를 제작하는데 있다.

제2도는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기를 보여주는 블록 구성도로서, 제2도에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 흡수 대역이 파장을 갖는 적외선을 방사하는 화합물 반도체 적외선 발광다이오드나 또는 레이저 다이오드(11)와, 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치(12)와, 광학 벤치(12)에서 적외선의 흡수율의 변화를 감지하는 써모파일부(13)와, 화합물 반도체 적외선 발광다이오드 또는 레이저 다이오드(11) 및 써모파일부(13)를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호출력을 얻기 위한 회로부(14) 및 출력부(15)로 구성된다.

본 발명은 제2도에서 보는 바와 같이 기존의 검출기와 달리 초핑 셔터와 냉각기가 필요하지 않아 소형화, 저가화가 가능하다.

먼저, 적외선 소스는 열 방식이 아닌 화합물 반도체 적외선 발광다이오드를 이용하여 광대역이 아닌 이산화탄소 가스에 의해 흡수가 일어나는 4.25㎛ 부근의 좁은 대역의 적외선이 일정한 값으로 출력되게 하였다.

여기서, 발광다이오드 대신에 레이저 다이오드를 사용할 수도 있다.

본 발명에서 사용되는 발광다이오드는 GaSb-InAs 화합물 반도체를 이용한 것으로써 발광다이오드의 양단 전극에 전류를 흘려주어 적외선의 방사 강도를 조절한다.

제3도는 본 발명에서 사용된 발광다이오드가 이산화탄소가 소량 존재하는 공기중에서 적외선 방사 특성을 보여주는 그래프로서, 제3도에 도시된 바와 같이, 이산화탄소에 의해 4.25㎛ 부근의 비교적 좁은 대역에서 적외선이 흡수됨을 알 수 있다.

발광다이오드나 레이저 다이오드를 사용할 경우, 소형화, 빠른 응답성, 전기적 초핑, 저소비 전력, 고출력 등이 가능하다.

그리고, 광학 벤치의 구성을 기존의 검출기에서는 직선으로 광 패스(path)를 구성하였으나 본 발명에서는 여러 가지 반사경을 이용하여 작은 공간에서도 일정 길이 이상의 적외선 패스 길이가 나오도록 함으로써 소형화가 가능케 하였다.

MEMS 기술과 반도체 가공기술, 식각기술을 이용하여 제4도에 도시된 바와 같이 광학 벤치를 구성하여 좁은 공간내에서도 광 패스 길이를 길게 해 주어 이산화탄소 가스 검출이 용이하게 하였다.

즉, 광원(발광다이오드 또는 레이저 다이오드)에서 나온 적외선이 마이크로 반사경에 의해 서로 반사되게 한 후, 적외선 검지기로 입사되도록 한 것이다.

또한, 초핑 셔터와 냉각기가 필요한 기존의 양자형 적외선 검지기를 써모파일(thermopile) 적외선 검지기로 대체함으로써, 보조 기능 부품들이 필요 없는 간단한 이산화탄소 검출기가 가능케 하였다.

또한, 써모파일 적외선 검지기는 구동회로가 상대적으로 간단하다.

제5도는 본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기의 이산화탄소 농도에 따른 출력 특성을 보여주는 그래프로서, 제5도에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 가스에 대한 감지 특성도 우수함을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 이산화탄소 가스 검출기는 구조가 간단하여 가격이 낮고 소형화가 가능하다.

본 발명에 따른 이산화탄소 가스 검출기에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 적외선 소스는 기존과 같은 열 방식이 아닌 화합물 반도체 적외선 발광다이오드를 이용하여 광대역이 아닌 이산화탄소 가스에 의해 흡수가 일어나는 4.25㎛ 부근의 좁은 대역의 적외선이 일정한 값으로 출력되도록 하여 소형화, 빠른 응답성, 전기적 초핑, 저소비 전력, 고출력 등이 가능하게 하였고, 초핑 셔터와 냉각기가 필요한 기존의 양자형 적외선 감지기를 써모파일(thermopile) 적외선 감지기로 대체함으로써, 보조 기능 부품들이 필요 없는 간단한 이산화탄소 검출기가 가능케 하였다.

그리고, 광학벤치의 구성을 기존의 검출기는 직선으로 광 패스(path)를 구성하였으나 본 발명에서는 여러 가지 반사경을 이용하여 작은 공간에서도 일정 길이 이상의 적외선 패스 길이가 나오도록 함으로써 소형화가 가능케 하였다.

Claims (3)

1. 이산화탄소 흡수 대역의 파장을 갖는 적외선을 방사하는 적외선 다이오드; 상기 적외선이 이산화탄소에 의해 흡수가 일어나는 광학 벤치; 상기 광학 벤치에서 적외선의 흡수율 변화를 감지하는 써모파일부; 상기 화합물 반도체 적외선 다이오드 및 써모파일부를 제어하고 이산화탄소 가스농도에 따른 신호를 출력하는 회로부로 구성됨을 특징으로 하는 이산화탄소 가스 검출기.
2. 제1항에 있어서, 상기 적외선 다이오드는 화합물 반도체 발광다이오드이거나 또는 레이저 다이오드임을 특징으로 하는 이산화탄소 가스 검출기.
3. 제1항에 있어서, 상기 광학 벤치는 반사경들이 배열되어 상기 적외선 다이오드에서 방사되는 적외선을 반사경으로 반사시켜 적외선 검지기로 입사시킴을 특징으로 하는 이산화탄소 가스 검출기.

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