[논문]TDLAS를 이용한 CO 농도 측정에 관한 연구

문성욱; 전형하; 우미혜; 남기중; 이성풍; 류광현; 권남익

TDLAS를 이용한 CO 농도 측정에 관한 연구
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문성욱 (고등기술 연구원) , 전형하 (고등기술 연구) , 우미혜 (고등기술 연구) , 남기중 (고등기술 연구) , 이성풍 (고등기술 연구) , 류광현 (한국외국어대학교 물리학) , 권남익 (한국외국어대학교 물리학과)

가스 상태의 반응 공정을 이용하는 반도체, 플라즈마, 연소 및 촉매를 이용한 유해가스처리와 대기환경 등에서는 반응을 주도하는 활성기(radical)의 역할 그리고 극미량(sub-ppm 수준)으로 존재하는 유해가스 성분등을 실시간으로 추적하는 것은 매우 중요하다. 현재 사용되고 있는 비 광학적 미량 가스 측정 장비들은 측정 대상 가스성분과 측정 장치의 프로브 사이의 물리적인 접촉이 요구되므로 감지시간이 늦고, 프로브 오염에 따른 hysteresis, 회복시간(recovery time)의 지연, 활성(부식성) 가스 샘플에 의한 감지기능 저하 등을 유발한다. (중략)

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문제 정의

본 연구에서는 측정 장치의 특성을 알기 위해 비교적 흡수가 세고 SNR이 높은 R(14) 흡수선을 이용 하어 13ppm ~ 130ppm까지의 농도 변화에 대하여 그림 2와 같이 관찰하였다. 가스셀의 압력은 5torr로 고점하였으며, buffer gas로 M를 사용하였다.

제안 방법

현재 사용되고 있는 비광학적 미량 가스 측정 장비들은 측정 대상 가스성분과 측정 장치'의 프로브 사이의 물리적인 접촉이 요구되므로 감지시간이 늦고, 프로브 오염에 따른 hysteresis, 회복시간(recovery time)의 지연, 활성(부식성) 가스 샘플에 의한 감지기능 저하 등을 유발한다. 본 연구에서는 최근에 기존의 기술이 갖고 있는 위와 같은 단점들을 극복할 수 있고 장치의 소형화 및 단순성 때문에 관심이 확대되고 있는 파장 가변형 다이오드 레이저 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)'”를 활용해서 1.55 ~ 1.61pm 영역의 CO 홉수 스펙트을 통해서 미세농도 측정 기술을 개발하고 있다. 측정 대상 분자 이외의 성분 스펙트럼이 혼합되는 것을 피하고 측정의 재현성을 높이기 위해서 다른 가스의 홉수 스펙트럼과 겹치지 않는 CO의 흡수라인 (R(14), R(15))과 자체 개발한 신호처리 프로그램을 이용하여 ppm 수준의 농도를 선별 측정하였다.
61pm 영역의 CO 홉수 스펙트을 통해서 미세농도 측정 기술을 개발하고 있다. 측정 대상 분자 이외의 성분 스펙트럼이 혼합되는 것을 피하고 측정의 재현성을 높이기 위해서 다른 가스의 홉수 스펙트럼과 겹치지 않는 CO의 흡수라인 (R(14), R(15))과 자체 개발한 신호처리 프로그램을 이용하여 ppm 수준의 농도를 선별 측정하였다. TDLAS의 기본 원리는 흡수 분광 기술에 사용되는 Beer-Lambert 법칙에 기초를 두며, I와 I0는 분자의 홉수 주파수의 함수이므로 (1)식과 같이 표현된다.

대상 데이터

실험 장치의 구성으로는 1520 ~ 1620 nm 영역을 가변할 수 있는 ECDL 구조를 갖는 파장 가변형 다이오드 레이저(lmW)를 광원으로 사용하였고, 광원의 파이버를 통해 나온 빔은 collimination lens를 사S하여 CO 가스가 채워져 있는 가스셀(White cell, 광경로 84m)에 입사시켰다. 가스 셀을 통과한 후나& 빔은 광검출기에 입사된다.

데이터처리

가스 셀을 통과한 후나& 빔은 광검출기에 입사된다. 광검출기는 InGaAs 포토다이오드(Thorlabs사 Model PDA 400)를 사용하였으며 변환된 전기 신호는 DAQ를 통해 자체 개발된 신호처리 프로그램을 이용하여 분석하였다.

이론/모형

측정 대상 분자 이외의 성분 스펙트럼이 혼합되는 것을 피하고 측정의 재현성을 높이기 위해서 다른 가스의 홉수 스펙트럼과 겹치지 않는 CO의 흡수라인 (R(14), R(15))과 자체 개발한 신호처리 프로그램을 이용하여 ppm 수준의 농도를 선별 측정하였다. TDLAS의 기본 원리는 흡수 분광 기술에 사용되는 Beer-Lambert 법칙에 기초를 두며, I와 I0는 분자의 홉수 주파수의 함수이므로 (1)식과 같이 표현된다.

성능/효과

(2)

(2)식으로부터 광의 흡수도는 단위 체적당 분자수 즉, 농도와 광의 흡수 경로에 비례한다는 것을 알 수 있고, 따라서 측정의 정밀성 및 재현성을 높이기 위해서는 광에너지가 매질에 의해서 흡수되는 경로를 극대화하는 것이 유리함을 알 수 있다.

후속연구

가스셀의 압력은 5torr로 고점하였으며, buffer gas로 M를 사용하였다. 측정 결과 ppm 수준에서 가스 측정/분석 장치의 안정성을 확인할 수 있었고, 향후 잡음 처리에 대한 보완 연구를 통해서 sub-ppm 단위의 실시간 측정 가능성을 확인할 수 있었다.

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