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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 laser diode를 이용하여 소형, 고성능의 미세입자감지장치를 설계하여 제작하였으며, 제작된 시스템의 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 그리고 본체 바닥에는 구멍이 있는데, 이것은 앞에서 설명하였 듯이 감지기 내로 유입된 미세입자가 pump에 의해 감지기 밖으로 배출되는 곳이다. aperture가 없는 경우의 광 특성을 알아보기 위해 입자가 흘러가는 위치에서의 레이저광 profile을 분석하였다. 그림 5는 미세 입자위치에서의 laser diode의 수평 방향 profile을 나타내고 있으며, 빔경은 0.
- 따라서 미세입자를 검출하기 위해서는 미세입자가 지나가는 영역에 레이저 광이 있어야 한다. aperture로부터 미세입자위치가 있는 곳에서 레이저 광의 수직방향과 수평방향의 laser 광 profile을 확인하였다. 시뮬레이션 결과는 그림 3과 4에 나타내었으며, 빔경은 약 4.
- aperture는 광 에너지를 효과적으로 모으며, 크기는 잡음으로 작용할 수 있는 반사광을 제거하기 위해 장치 내부크기와 같으며, 중앙에 4mm의 구멍이 있다. aperture의 직경과 위치는 laser, lens의 특성과 유입되는 미세입자의 위치를 고려하여 광학 simulation을 통하여 해석하였다. aperture 직경이 4mm이고, aperture로 부터의 거리가 8mm인곳에 상부구멍으로 유입된 미세입자가 지나가면서 하부구멍을 통하여 밖으로 배출된다.
- laser diode를 이용하여 미세입자 감지장치를 설계 및 제작하였다. 미세입자에 의한 산란광만 검출되도록 감지기를 설계하였으므로 잡음원으로 작용할 수 있는것은 모두 배제하였고, laser 광이 직접 수광소자에 입력되지 않도록 하기 위해 수광소자는 광축상에 있지않고 광축에서 비켜나 있도록 설계하여 미세입자에 의한 산란광이 없을때는 수광소자에 신호가 발생되지 않지만, 미세입자가 감지기내로 유입되면 photodiode 는 산란광 신호를 감지하게 된다.
- 왜냐하면 감지기 내로 펌프에 의해 흡입관을 통해 미세입자가 유입되고 배출구에도 배출관을 연결하여 모두 바로 배출되는 구조로 되어 있기 때문이다. 그리고 흡입구의 직경이 너무 크면 감지기내부에서의 연기 퍼짐이 크게 되어 산란효율이 작아 질 것으로 생각되어 흡입구의 직경은 5mm로 하여 감지기 내부에서 연기가 너무 많이 퍼지지 않게 하여 광과 산란되는 곳에서의 빔경의 크기로서는 적당하여 산란효율을 높일 수 있도록 하였다.
- 그리고 본체 옆면에 있는 직경 2mm의 구멍은 laser diode를 구동하기 위한 배선용 구멍과 photodiode에서 검출한 광신호를 전기신호로 변환하고 증폭회로에 공급하기 위한 배선용 구멍이다. 그림 2에 보이듯이 장치의 왼편에서 차례대로 laser, lens holder, aperture, photodiode가 각각의 위치에 놓여지고, 중심축은 모두 일치하도록 설계하였다. lens holder는 lens 를 고정하는 것으로 전체크기는 장치내부크기와 같고 중앙에 렌즈를 고정하는 구멍이 있으며, 구멍의 직경은 렌즈 직경과 같다.
- 제작된 감지기의 성능을 조사하기 위해 면을 태운 미세입자를 펌프를 이용하여 감지기내로 유입시켜 산란광을 측정하였다. 면을 태운 미세입자의 평균크기는약 2.9㎛이고, 감지장치내로 외부의 큰 입자가 흡입이 되지 않도록 하기위해 filter를 사용하여 크기가 작은입자만 감지기내로 유입 되도록 하여 측정을 하였다. 장치시스템내의 산란위치에서의 laser diode에서 나오는 laser 광의 profile은 그림 3에서 알 수 있듯이 수직방향의 빔경은 약 4.
- 이 값을 기준 값으로 하여 면을 태웠을 때 발생 되는 미세입자를 감지기 내로 유입시키고, 미세입자에 의한 산란광을 수광소자에서 검출하여 신호값을 측정하였다. 미세 입자에 의한 산란광이 약하므로 PD에서 검출되는 광신호를 증폭회로를 이용하여 증폭시켜 multimeter로 측정하였다. 측정 결과는 그림 9에 나타내었으며, 미세입자가 유입되지 않을때는 신호가 없다가 미세입자가 유입되면 신호가 크게 됨을 알 수 있다.
- 레이저 다이오우드를 사용하여 소형의 미세입자 감지시스템 제작을 위해 전체 감지기의 크기는 그림 1과 같이 100×50×50mm 이다. 미세입자 감지할 때 잡음원으로 작용할 수 있는 주변광을 차단하여 외부에서 다른 빛이 절대로 들어가지 못하도록 하여 시스템의 성능을 높일 수 있도록 설계하였다. 그림 1에서 오른편에 있는 상하 2개의 구멍은 직경이 5mm로 본체 상부의 구멍을 통하여 감지기내로 미세입자가 유입되 고, 유입된 미세입자는 본체 바닥에 있는 직경 5mm의 구멍을 통하여 밖으로 배출된다.
- 위의 결과를 바탕으로 photodiode위치는 산란위치에서 진행방향 기준으로 20°에 있도록 배치하였다.
- 감지기내에 미세입자가 유입되지 않을 때에는 레이저광에 의한 산란광이 없으므로 출력값이 나오지 않는다. 이 값을 기준 값으로 하여 면을 태웠을 때 발생 되는 미세입자를 감지기 내로 유입시키고, 미세입자에 의한 산란광을 수광소자에서 검출하여 신호값을 측정하였다. 미세 입자에 의한 산란광이 약하므로 PD에서 검출되는 광신호를 증폭회로를 이용하여 증폭시켜 multimeter로 측정하였다.
- 제작된 감지기의 성능을 조사하기 위해 면을 태운 미세입자를 펌프를 이용하여 감지기내로 유입시켜 산란광을 측정하였다. 면을 태운 미세입자의 평균크기는약 2.
대상 데이터
- 레이저 다이오우드를 사용하여 소형의 미세입자 감지시스템 제작을 위해 전체 감지기의 크기는 그림 1과 같이 100×50×50mm 이다.
- lens holder는 lens 를 고정하는 것으로 전체크기는 장치내부크기와 같고 중앙에 렌즈를 고정하는 구멍이 있으며, 구멍의 직경은 렌즈 직경과 같다. 렌즈는 가격이 저렴한 plastic lens로 직경 8mm, f=5mm이며, LD에서 거리는 5mm 에 위치하고 있다. aperture는 광 에너지를 효과적으로 모으며, 크기는 잡음으로 작용할 수 있는 반사광을 제거하기 위해 장치 내부크기와 같으며, 중앙에 4mm의 구멍이 있다.
- 그림 8에서 전선은 감지장치내의 LD에 전원을 공급하여 LD를 구동시킨다. 사용된 LD는 파장이 650nm이며, 미세입자 측정시 LD power가 일정하게 되도록 정전류원을 이용하여 입력전류값을 45mA로 고정하여 실험하였다. 산란광을 검출하는 소자로서는 감도가 좋은 PIN PD를 사용하였다.
이론/모형
- 이러한 기술개발 중에서도 광을 이용하면 비접촉식으로 측정이 가능하므로 측정대상물을 파괴하지 않아도 되고, 전기를 이용할 때 보다 성능이 우수하고 감도가 좋은 장점이 있다. 광을 이용하여 측정하는 방법에는 광흡수법, 광산란법, 광반사법 등이 있지만, 본 연구에서는 미세입자를 측정하기 위해 광산란법을 이용하였다. 광산란 현상에 의한 이론적 연구는 오랜전부터 많이 연구되고 있으며, 재료분석 및 평가, 의료연구, 대기현상, 행성관찰, 계측기 등의 산업분야 등에서 널리 적용되고 있다[9-12].
성능/효과
- 그림 10에서 알 수 있듯이 미세입자농도가 클수록 산란광의 power도 증가함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작한 미세입자검출장치가 안정하게 작동됨을 확인하였다.
- 그림 6은 미세입자위치에서의 laser diode의 수직 방향 profile을 나타내고 있으며, 빔경은 3mm이다. 이 결과로부터 apterture가 없는 것보다 있는 것이 감지기의 성능을 높이는데 좋음을 알 수 있다.
후속연구
- 미세입자에 의한 산란광만 검출되도록 감지기를 설계하였으므로 잡음원으로 작용할 수 있는것은 모두 배제하였고, laser 광이 직접 수광소자에 입력되지 않도록 하기 위해 수광소자는 광축상에 있지않고 광축에서 비켜나 있도록 설계하여 미세입자에 의한 산란광이 없을때는 수광소자에 신호가 발생되지 않지만, 미세입자가 감지기내로 유입되면 photodiode 는 산란광 신호를 감지하게 된다. 개발한 미세입자 감지시스템은 응답속도도 빠르며, 현재 많은 관심이 증가되고 있는 환경가스, 화재감지 등에도 사용되어 질 수 있을 것이다.
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