[논문]입사광량의 조절과 이에 따른 비분산 적외선 알코올 센서의 온도 특성과 보정

김진호; 조희찬; 이승환

doi:10.5369/jsst.2018.27.1.47

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In this paper, we describe the thermal characteristics of the output voltages of ethanol gas sensor according to the amount of radiation incident on the infrared sensors located at each focal point of two elliptical waveguides. In order to verify the output characteristics of the gas sensor accordin...

In this paper, we describe the thermal characteristics of the output voltages of ethanol gas sensor according to the amount of radiation incident on the infrared sensors located at each focal point of two elliptical waveguides. In order to verify the output characteristics of the gas sensor according to the amount of incident light on the infrared sensor, two combinations of sensor modules were fabricated. Hydrophobic thin film is deposited on one of the reflectors of sensor modules and one of the two infrared sensors was equipped with a hollow disk (10 Ø), and the temperature characteristics of the infrared sensor equipped with the hollow disk (10 Ø) and the infrared sensor without the disk were tested. The temperature was varied from 253 K to 333 K at 10 K intervals based on 298 K. The properties of ethanol gas sensor have been identified with respect to varying temperature for a range of ethanol concentration from 0 ppm to 500 ppm. In the case of an infrared sensor equipped with a hollow disk (10 Ø), the output voltage of the sensor decreased by 0.8 mV and 1 mV, respectively, as the temperature increased. Conversely, the output voltage of the diskless infrared sensor showed an average increase of 67 mV and 57 mV as the temperature increased. The ethanol concentrations estimated on the basis of results show an error of more than 10 % for less than 100 ppm concentration. However, if the ethanol concentration exceeds 100 ppm, the gas concentration can be estimated within the range of ${\pm}10%$.

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문제 정의

이러한 비분산 적외선 가스센서의 특성 향상을 위해서는 적외선 센서에 입사되는 광량이 증가되는 구조이거나 광 경로를 길게 하여 가스분자의 흡수율을 높여서 센서의 감도를 증가시키는 것이 중요하다. 또한 써모파일의 경우 주변 온도의 변화에 따라 출력전압의 변화가 발생되기 때문에, 본 논문에서는 입사 광량에 따른 센서의 출력특성과 온도 보상방법을제시하고자한다.
본 연구에서는 한 개의 공통 광원과 두 개의 타원형 도파관에 위치한 적외선 센서에 입사되는 광량에 따른 전압출력의 온도특성과 온도보상 및 교정방법에 대하여 기술하고자 하였다.

제안 방법

가스챔버내의알코올가스농도는다중가스분석기 (INNOVA1312)를 통하여 1 ppm 이하의 정밀도로 측정 하였다. 실험데이터는 RS-485통신을 이용하여 메인 컴퓨터에 저장하였다.
따라서, 본 연구에서는 두 가지 센서모듈 중 한 가지 센서 모듈에 소수성 박막(Parylene-C)을 증착하고, Upper 부분에 일반 디텍터를 두고, Lower부분에 있는 디텍터에 중공 디스크를 장착하여 입사 광량에 따른 온도 특성 실험을 진행하였다.
먼저 센서 모듈을 항온 항습조 내부의 가스 챔버에 삽입하여 다른 가스의 영향을 받지 않도록 하였으며, 온도를 상온 298 K를 중심으로 253~333 K까지 10 K 간격으로 조절하여 출력전압 특성을 확인하였다. 온도 설정 후 센서 모듈을 열적 평형 상태에 도달시키기 위하여 4시간 이상 대기하였다.
이후 고순도 질소로 챔버 안의 가스를 배출 시키고 1시간 이상 대기함으로써 때 초기 가스농도를 0 ppm 근처에 도달하도록 한 뒤 온도센서의 출력전압이 이전 실험값의 ± 5 mV 이내 일 때, 가스 유량 컨트롤러(MFC)를 통하여 챔버 내에 이산화탄소 가스를 0~500 ppm까지 50 ppm 단위로 나누어 공급하여, 가스농도에 따른 센서모듈의 출력 특성 실험을 진행하였다[10].

대상 데이터

연구에서 사용한 적외선 광원으로는 0~10 µm의 연속광을 방사하는 IMPORTEC사의 INTX MILR17 900을 사용하였으며, 에탄올 가스 측정용 적외선 센서로는 HEIMANN SENSOR 사의 HIS A21 E3.45 G5600 및 HIS A21 E3.33 G5600을 사용하였다. 두 개의 타원체 중 한쪽 부분에는 중공 디스크(1.
연구에서는 Table 1과 같이 두 가지 가스센서를 제작하였는데, 그 중 하나에는 광 도파관 내부 반사경에 소수성 박막 (Parylene-C)을 증착하였다. 소수성 박막을 증착하면, 반사경의 부식 또는 부산물의 화학적 반응으로 인한 표면 손상이나 수증기 맺힘 현상을 방지할 수 있으며, 또한 중 적외선 영역에서 80%이상의 투과도를 가지고 있기 때문에, 소수성 박막이 형성된 광 도파관을 사용할 경우 흡수되는 양을 최소화 할 수 있는 상태를 확보할 수 있게 된다[9].

이론/모형

한편, 광원에서 방출되는 적외선은 가스 분자에 의해 일부 흡수되어, 디텍터에 도달하는 에너지 양이 적어지게 된다. 즉, 적 외선이 가스 분자에 흡수되는 과정에서 투과되는 광량과 가스 농도, 광 경로와의 관계는 식(3)에 제시된 Beer-Lambert 법칙을 따른다[5].

성능/효과

Fig. 13 에서 확인할 수 있듯이 50 ppm에서 두 센서 모듈 모두 큰 오차범위를 가지고 있는 것을 확인할 수 있으며, 100 ppm 이상에서 평균적으로 10% 이하의 오차범위를 가지고 있으나, 소수성 박막인Parylene-C를 증착한 센서모듈의 경우, 298 K를 제외한 전 온도에서 출력전압의 표준편차는 평균적으로 3 mV 이내였으나, 298 K의 경우 전 농도범위에서 평균적으로 6.7 mV 의 표준 편차를 가지고 있어 20 % 이상의 큰 오차를 나타냄을 확인할 수 있었다. 이를 제외한 전 온도범위에서 두 센서 모두 100 ppm 이상의 가스 농도에서 실제농도와 비교하면 오차율이 평균적으로 10 % 이하의 정확성을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
광 도파관 내부의 소수성 박막의 유무에 따른 실험은 더 진행되어야 하나, 온도 보상 및 교정 후 실제 가스농도와 측정 농도의 평균오차는 약 ±10% 이내임을 확인할 수 있었으므로, 음주 측정용 센서 모듈로서의 응용 가능성을 제시하였다.
9와 같다. 두 센서 모두 온도가 증가함에 따라 출력 전압은 증가하는 형태를 나타내었으며, 가스 농도가 10 ppm씩 증가함에 따라 # 1 센서 모듈의 경우 0.8 mV, 소수성 박막이 증착된 # 2 센서 모듈의 경우 1.0 mV씩 출력전압이 감소하는 형태를 나타내었으므로, 소수성 박막을 증착한 # 2 센서모듈이 가스농도에 따른 출력전압의 변화량이 큰 것을 확인할 수 있었다.
모의해석을 통하여 각 초점에 위치한 디텍터에 입사되는 광량을 추정할 수 있었으며, 이에 따른 출력전압을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 디스크를 장착하지 않은 디텍터 (2.0 Ø)의 경우 온도가 증가함에 따라 출력전압은 증가하는 형태를 나타내었는데, 이는 온도의 증가에 따라 중심파장이 높은 파장대로 이동하게 되어, 이는 서모파일 검출기가 더욱 높은 열 에너지를 갖는 적외선을 흡수하게 되어 적외선 센서의 출력전압이 증가하는 양상을 확인할 수 있었다.
7 mV 의 표준 편차를 가지고 있어 20 % 이상의 큰 오차를 나타냄을 확인할 수 있었다. 이를 제외한 전 온도범위에서 두 센서 모두 100 ppm 이상의 가스 농도에서 실제농도와 비교하면 오차율이 평균적으로 10 % 이하의 정확성을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
한편 각 온도에서 중공 디스크를 장착하지 않은 디텍터 (2.0 Ø)에서의 초기 출력전압(0 ppm)을 제시하면 Fig. 7과 같으며, 온도 증가 시 출력 전압의 기울기는 각각 6.7 mV/K, 5.7 mV/ K를 나타내었으며, Fig. 6의 결과와 달리 온도가 증가함에 따라 출력전압은 증가하는 양상을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 화학식의 측정 방법은?	음주측정에 사용되는 가스센서의 경우 대표적으로 전기화학식, 비분산 적외선 방식이 있는데, 전기 화학식의 경우 전해질 내의 산화 환원 반응에 의한 기전력의 변화를 이용하여 농도를 측정하는 방식이기 때문에 가스와의 반응으로 인해 주기적으로 보상을 해야 하며, 측정 신뢰성이 낮은 단점이 있다
	비분산 적외선 방식의 장점은?	한편 비분산 적외선 방식의 경우 가스분자가 적외선을 흡수 하는 특성을 이용하여 측정대상 가스 농도에 따른 출력전압을 측정하는 방식이며, 장기 안정성과 높은 정확성, 높은 선택성과 감도가 우수한 특성을 가지고 있다
	Beer-Lambert 법칙에 따르면 정밀한 센서를 만들기 위한 조건은 무엇인가?	Beer-Lambert 법칙에서 살펴볼 수 있듯이 센서의 특성 향상을 위해서는 디텍터에 입사되는 광의 집속 효과가 증가되는 구조이거나, 특히 광 흡수율이 낮은 가스의 경우 광 경로를 길게하면 식 (3)에 의해 디텍터에 도달하는 입사 광량이 초기 입사 광량에 비해 감소하기 때문에 적은 가스 농도 변화에도 출력전압의 변화량이 증가하여 센서의 감도는 증가할 것이다. 즉, 디텍터에 입사되는 광량이 많을수록 초기 출력전압은 증가하고, 광 경로가 길수록 가스 농도의 변화량에 따른 출력전압의 변화량이 증가하기 때문에 정밀한 센서를 만들 수 있을 것이다.

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