[논문]분광특성을 이용한 소형의 메탄 가스 감지 시스템

조경화; 류근준; 김응수

doi:10.5369/jsst.2011.20.1.53

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We developed a small methane detection system because methane gas is used in many areas and is dangerous. The developed system consisted of LD(Laser Diode) tuned a wavelength of $1.65\;{\mu}m$, two mirrors to collect a laser beam, photo detector. It could detect methane gas at a long rang...

We developed a small methane detection system because methane gas is used in many areas and is dangerous. The developed system consisted of LD(Laser Diode) tuned a wavelength of $1.65\;{\mu}m$, two mirrors to collect a laser beam, photo detector. It could detect methane gas at a long range and its sensitivity was 1.98 V/$CH_4%$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 메탄의 흡수 파장 영역 중 광원이 소형이고, 공기 내 흡수영역을 가지지 않는 1650 ㎚의 LD(Laser Diode)를 이용하여 원거리에서도 측정이 가능한 소형 메탄 감지 시스템을 개발하였다.
본 연구에서는 소형의 메탄 검출 시스템을 개발하고자 하므로 메탄 흡수대역인 1650 ㎚의 파장을 갖고, 크기도 작은 광원을 사용해야 하므로 InGaAs DFB(distributed feedback) Laser를 사용하여 메탄가스 검출 시스템을 제작하였다.

제안 방법

구동전류가 높을수록 광의 power가 높아 수광되는 신호값이 높은 것을 알 수 있다. 따라서 광의 power가 약 10㎽가 되도록 구동전류를 100 ㎃로 조절하여 측정하였다.
광원은 메탄 흡수파장인 1650 ㎚의 광을 발진시키는 InGaAs Laser Diode를 사용하였다. 메탄에 조사되는 광원의 power가 약하면 검출이 어려우므로 Laser의 구동 전류를 조절하여 power를 조절하였다.
본 연구에서는 LD(Laser Diode)를 이용하여 소형의 가스 감지 시스템을 설계 제작하였다.
3과 같으며, 크기는 외경이 16 cm, 길이가 26 cm이다[12]. 시스템 각각의 모듈은 지지대에 고정되어 있으며 LD(Laser Diode)는 중앙에 위치하여 Laser 광을 검출 대상가스가 있는 영역으로 조사한다. 시스템의 PD(Photo Diode)가 있는 부분에 1차 반사경이 있고, 2차 반사경은 LD(Laser Diode) 뒤쪽에 위치하고 있으며, PD(Photo Diode) 앞에 밴드 패스 협대엽 필터가 있어 노이즈로 작용할 수 있는 광은 차단하고 가스 감지에 이용되는 Laser 광만 통과 되도록 하였다.
시스템 각각의 모듈은 지지대에 고정되어 있으며 LD(Laser Diode)는 중앙에 위치하여 Laser 광을 검출 대상가스가 있는 영역으로 조사한다. 시스템의 PD(Photo Diode)가 있는 부분에 1차 반사경이 있고, 2차 반사경은 LD(Laser Diode) 뒤쪽에 위치하고 있으며, PD(Photo Diode) 앞에 밴드 패스 협대엽 필터가 있어 노이즈로 작용할 수 있는 광은 차단하고 가스 감지에 이용되는 Laser 광만 통과 되도록 하였다.
메탄 가스를 통과 후 검출한 신호는 미약하고 노이즈가 많아 Lock-in amplifier를 통해 증폭 및 필터링 되고, 최대의 감도를 얻기 위해 증폭된 신호와 기준 신호와 연산과정을 거친 후 DC 전압의 신호로 출력 신호를 얻어 원거리에서의 미량의 메탄을 감지하였다. 제작된 광학계를 이용하여 일정거리에 메탄가스의 표준샘플을 두고 실험을 하였다.

대상 데이터

가스 표준 샘플은 가스안전공사에서 제공받은 1.18 %, 2.25 %, 3.45 % 3종류를 사용하였다.
광원은 메탄 흡수파장인 1650 ㎚의 광을 발진시키는 InGaAs Laser Diode를 사용하였다. 메탄에 조사되는 광원의 power가 약하면 검출이 어려우므로 Laser의 구동 전류를 조절하여 power를 조절하였다.
이들 흡수 파장 대역 중에서 3310 ㎚와 7660 ㎚의 파장에서 강한 흡수특성을 가지지만, 이 파장의 Laser는 크기가 크고, 고가이며, 대기 중의 수증기의 흡수대역내에 있어 메탄 검출용으로 사용이 곤란하다. 따라서 흡수 강도는 약하지만 광원으로 소형의 LD(Laser Diode)가 존재하고, 대기 중의 수증기의 영향이 작은 1650 ㎚의 LD(Laser Diode)를 이용하였다.
본 연구에 사용한 LD(Laser Diode)는 중심파장이 1625~1670 ㎚영역에서 발진 가능한 DFB Laser Diode로써 레이저의 grating 주기를 조절하여 특정 파장의 광을 방출시킬 수 있다.
본 연구에서 제작한 Lock-in Amplifier는 추출하고자 하는 신호의 입력을 증폭 및 필터링 하는 AC(Alternating current) Signal channel과 Optical Chopper를 이용하여 생성한 기준 신호를 처리하는 Reference channel, 그리고 연산을 수행 하는 Phase Sensitive Detector로 구성되어 있다.
시스템의 구성도는 Fig. 3과 같으며, 크기는 외경이 16 cm, 길이가 26 cm이다[12]. 시스템 각각의 모듈은 지지대에 고정되어 있으며 LD(Laser Diode)는 중앙에 위치하여 Laser 광을 검출 대상가스가 있는 영역으로 조사한다.

이론/모형

가스를 검지하는 방법에는 여러 가지 방법이 있으나 본 연구에서는 적외선 분광법을 사용하였다. 적외선 흡수 분광법은 기체 상태의 여러 시료들을 정량적으로 분석하는데 매우 효과적이다.
소형의 메탄 감지 시스템의 수신부는 반사되어 돌아오는 신호가 미약하므로 Lock-in Amplifier(LIA)를 사용하였다. Lock-in amplifier는 잡음에 묻힌 원 신호를 추출하기 위하여 미약한 특정 주파수 성분을 검출하는 장치로 측정 신호에 대하여 안정적인 DC 출력 신호를 제공한다[11].

성능/효과

98 V/%로 가장 좋은 감도를 나타내었다. 7 m 거리에서는 약 13 cm로 빔경이 커서 반사되어 돌아오는 신호가 약해 감도가 떨어졌지만 선형성을 유지하고 있어 본 연구에서 제작한 가스 감지 회로를 이용하여 메탄 가스 농도를 검출할 수 있음을 확인하였으며, 실제 시스템에는 가시광선 영역의 기준 레이저를 추가시켜 기준 레이저의 수광 신호로 거리와 반사면의 거칠기에 따른 환경적 요인에 대한 영향을 보상시키는 방법을 사용하여 환경적 요인으로 인한 신호값의 감소는 가스 농도 검출에 영향을 미치지 않는다.
각 표준 샘플을 사용하여 수광 소자에 검출된 반사광의 신호를 측정한 결과 메탄가스 농도가 짙어짐에 따라 신호가 감소되는 것을 확인하였다.
거리가 1.5 m에서의 빔경은 약 2 cm로 가스를 검출했을 때 신호의 감도는 1.98 V/%로 가장 좋은 감도를 나타내었다. 7 m 거리에서는 약 13 cm로 빔경이 커서 반사되어 돌아오는 신호가 약해 감도가 떨어졌지만 선형성을 유지하고 있어 본 연구에서 제작한 가스 감지 회로를 이용하여 메탄 가스 농도를 검출할 수 있음을 확인하였으며, 실제 시스템에는 가시광선 영역의 기준 레이저를 추가시켜 기준 레이저의 수광 신호로 거리와 반사면의 거칠기에 따른 환경적 요인에 대한 영향을 보상시키는 방법을 사용하여 환경적 요인으로 인한 신호값의 감소는 가스 농도 검출에 영향을 미치지 않는다.
또한 Signal channel 신호에 대해 10배, 100배, 1000배로 증폭도를 조절할 수 있는 기능과 주파수 응답 시간을 고려할 수 있게 시정수를 0.01 s, 0.1 s로 조절할 수 있어 보다 감도 좋은 신호를 얻을 수 있도록 하였다.
5 m로 가까울 경우는 빔경이 작아 반사광의 강도가 강하여 신호가 컸지만, 거리가 멀어짐에 따라 빔경이 커져 반사광의 강도가 약하게 되어 신호가 작아짐을 확인하였다. 또한 농도가 짙어질수록 수광 되는 양이 감소됨을 확인하였다.
본 연구에서 제작한 시스템으로 측정한 결과 메탄 가스 농도에 대한 감도는 1.98 V/CH₄ %로 나타났으며, 가스 산업 현장에서 안전관리가 요구되는 다양한 가스의 감지에도 적용 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메탄의 분자 구조는 어떤 형태인가?	메탄의 분자 구조는 Fig. 1과 같이 1개의 탄소원자를 중심으로 4개의 수소가 결합되어 있는 정사면체 형태이다. 중심원자인 탄소와 결합한 두 수소원자 사이의 결합각들은 109.
	메탄 분자의 장점은?	대기 중에 누출된 메탄의 농도를 측정하기 위해서는 메탄 흡수 스펙트럼을 알아야 한다[10]. 메탄 분자는 적외선 영역에서 1650 ㎚, 2300 ㎚, 3310 ㎚, 7660 ㎚ 4종류의 흡수선을 가지며, 선폭이 매우 좁아 분광특성을 이용하면 다른 물질이 많이 있더라도 메탄만을 검출할 수 있는 장점이 있다. 이들 흡수 파장 대역 중에서 3310 ㎚와 7660 ㎚의 파장에서 강한 흡수특성을 가지지만, 이 파장의 Laser는 크기가 크고, 고가이며, 대기 중의 수증기의 흡수대역내에 있어 메탄 검출용으로 사용이 곤란하다.
	메탄 분자 중 흡수 강도는 약하지만 광원으로 소형의 LD(Laser Diode)가 존재하고, 대기 중의 수증기의 영향이 작은 1650 ㎚의 LD(Laser Diode)를 이용한 이유는?	메탄 분자는 적외선 영역에서 1650 ㎚, 2300 ㎚, 3310 ㎚, 7660 ㎚ 4종류의 흡수선을 가지며, 선폭이 매우 좁아 분광특성을 이용하면 다른 물질이 많이 있더라도 메탄만을 검출할 수 있는 장점이 있다. 이들 흡수 파장 대역 중에서 3310 ㎚와 7660 ㎚의 파장에서 강한 흡수특성을 가지지만, 이 파장의 Laser는 크기가 크고, 고가이며, 대기 중의 수증기의 흡수대역내에 있어 메탄 검출용으로 사용이 곤란하다. 따라서 흡수 강도는 약하지만 광원으로 소형의 LD(Laser Diode)가 존재하고, 대기 중의 수증기의 영향이 작은 1650 ㎚의 LD(Laser Diode)를 이용하였다.

참고문헌 (12)

Korea energy economics institute, “Yearbook of regional energy statistics 2009”, pp. 27-50, 2008.
Korea gas safety corporation, “2009 Gas accident yearbook”, 2010.
Chang Yong Jo, Ki Cheol Park, and Jeong Gyoo Kim, “Gas sensing characteristics of $Co_{3}O_{4}$ thick films with metal oxides”, J. of the Korean Sensors Society, vol. 18, no. 1, pp. 54-62, 2009.

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Kwang Hee Kim, Jeong Gyoo Kim, and Ki cheol Park, “The CO sensing properties of thick film gas sensor using $Co_3O_4$ powders prepared by hydrothermal reaction method”, J. of the Korean Sensors Society, vol. 19, no. 5, pp. 385-390, 2010.

원문보기 상세보기
Dae Ung Hong, Chi Hwan Han, Sang Do Han, Jihye Gwak, and Sang Yeol Lee, “Catalytic combustion type hydrogen gas sensor using $TiO_2$ and UV LED”, J. of the Korean Sensors Society, vol 16, no. 1, pp. 7-10, 2007.

원문보기 상세보기
Chan-Woo Kim, Jihye Gwak, Il-Su Chun, Sang-Do Han, and Sie-Young Choi, “Improved hydrogen sensing characteristics of flat type catalytic combustible hydrogen gas sensor of micro-structure”, J. of the Korean Sensors Society, vol. 18, no. 3, pp. 202-206, 2009.

원문보기 상세보기
Ministry of Science and Technology, "Detection of natural gas detection using laser", 2004.
Jong Hyuk Park, Yong il Jun, and Yu Kyung Lee, “IT convergence technology based gas sensor technology for environmental monitoring”, J. of the Korea Communications Society, vol. 25, no. 6, pp. 40-47, 2008.
Yutaka Matsumi, Fumikazu Taketani, Kenshi Takahashi, Tomoki Nakayama, Megumi Kawai, and Yuka Miyao, “Fluorescence detection of atmospheric nitrogen dioxide using a blue light-emitting diode as an excitation source”, Appl. Opt, vol. 49, no. 1, pp. 3762-3767, 2010.

상세보기
Angus Henderson, “Mid-IR tunable lasers probe hydrocarbon molecules”, Photonics spectra, vol. 43, lssue 9, pp. 72-75, 2009.
"About lock-in amplifier", Application Note, Stanford reserch systems, Sunnyvla, CA, 1999.
GeunJun Lyu, GyuTae Park, JangSik Park, JeongRock Kwon, DongHwa Lee, ChangMin Ok, HyeonGyu Kim, and EungSu Kim, “Design of methane gas detector by using laser optic systems”, Proceedings of '08 KIGAS Autumn conference, pp. 95-99, Chungju, Korea, 2008.

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