碩士學位論文

碩士學位論文

일산화탄소 농도 측정을 위한 적외선 광센서에 관한 연구

A Study on Infrared Optical Sensors for Measuring CO Gas Density

國民大學校 大學院 電子工學科

徐 東 玄

2002

일산화탄소 농도 측정을 위한 적외선 광센서에 관한 연구

A Study on Infrared Optical Sensors for Measuring CO Gas Density

指導敎授 朴 永 鎰

이 論文을 碩士學位 請求論文으로 提出함.

2002年 12月 日

國民大學校 大學院 電子工學科

徐 東 玄

2002

徐 東 玄 의

碩士學位 請求論文을 認准함.

2002年 12月

審査委員長 金基斗 印 審査 委員 金大井 印 審査 委員 朴永鎰 印

國民大學校 大學院

감사의 글

먼저 본 논문이 있기까지 헌신적인 지도와 많은 관심, 그리고 수 고를 아끼지 않으신 박영일 교수님께 진심으로 감사드립니다. 또한 본 논문의 심사를 맡아 주신 김기두 교수님과 김대정 교수님께 진심으로 감사드립니다.

2년 – 길지는 않지만 그렇다고 짧지도 않은 시간이 지나가고, 이제는 대학원 생활의 끝자락에 도착했습니다. 후회와 아쉬움이 많이 남는 2년 이었기에 벌써라는 단어가 제일 먼저 떠오릅니다. 이 시간 동안 본 논문이 완성되기까지 연구실에서 혹은, 회사에서 혹은, 생활속에서 저에게 관심과 격려를 아끼지 않으신 모든 분들에게 감사드리고 싶습니다.

마지막으로 제가 이렇게 졸업할 수 있도록 돌보아주시고 사랑으로 지켜봐주신 부모님과 가족들 모두에게 이 논문을 바칩니다.

목 차

국문 요약 ... 1

Ⅰ. 서론... 2

Ⅱ. 연구 배경 ... 4

2.1 CO 가스의 발생 ... 4

2.2 CO 가스가 인체에 미치는 영향 ... 4

Ⅲ. 측정 원리 ... 9

3.1 NDIR(NonDispersive InfraRed, 비분산형 적외선) 분석법... 9

3.1.1 CO 가스 흡수 스펙트럼... 11

3.1.2 Beer-Lamberts 법칙 ... 15

3.1.3 개발 현황 ... 16

3.2 제안한 CO 가스 농도 검출 원리 ... 19

Ⅳ. 적외선 광센서의 구조 ... 26

4.1 송신단... 27

4.1.1 적외선 광원의 원리 및 구조 ... 27

4.1.2 송신단 회로부 설계... 29

4.1.3 송신단 설계 ... 31

4.2 수신단... 32

4.2.1 적외선 검출기의 원리 및 구조... 32

4.2.2 수신단 회로부 설계... 35

4.2.2.1 신호검출 및 증폭부... 36

4.2.2.2 신호 변환부... 36

4.2.2.3 신호 처리부... 37

4.2.3 수신단 설계 ... 39

Ⅴ. 실험 결과 ... 40

5.1 실험 결과... 40

5.1.1 송신단 ... 41

5.1.2 수신단 ... 42

5.1.2.1 신호검출 및 증폭부 신호 ... 42

5.1.2.2 신호 변환부 신호 ... 43

5.1.2.3 모니터링 프로그램 실험 결과 ... 44

Ⅵ. 결론... 47

참고 문헌 ... 48

Abstract... 49

그림 차례

그림 3.1 전자기파 스펙트럼 ... 11

그림 3.2 여러 가지 분자운동의 진동방식 ... 12

그림 3.3 적외선 흡수 스펙트럼 ... 14

그림 3.4 CO 감지기 모델... 17

그림 3.5 송⋅수신단 스펙트럼 변화 ...19

그림 3.6 수신단 2-채널 적외선 검출기 각각의 광 필터 ... 20

그림 3.7 CO 가스 농도 계산을 위한 회로 블록도 ... 21

그림 3.8 제안한 방식에 의한 CO 가스 농도 계산 결과 ... 24

그림 3.9 CO 가스 농도 계산을 위한 신호처리 알고리즘 ... 25

그림 4.1 전체 시스템 블록도... 26

그림 4.2 시스템에서 사용한 적외선 광원 ... 28

그림 4.3 시스템에서 사용한 적외선 광원의 스펙트럼 ... 28

그림 4.4 송신단 블록도 ... 29

그림 4.5 송신단 적외선 광원 변조부 회로도 ... 30

그림 4.6 송신단 기판... 30

그림 4.7 전체 송신단 구성 ... 31

그림 4.8 초전효과... 33

그림 4.9 2-채널 적외선 검출기 구조... 34

그림 4.11 수신단 블록도 ... 35

그림 4.12 수신단 신호검출 및 증폭부 회로도 ... 36

그림 4.13 수신단 신호 변환부 회로도... 36

그림 4.14 수신단 신호 처리부 회로도... 37

그림 4.15 수신단 기판... 38

그림 4.16 전체 수신단 구성 ... 39

그림 5.1 전체 송⋅수신단 구성...40

그림 5.2 송신단 적외선 광원 변조신호(위) 및 동기신호(아래)... 41

그림 5.3 수신단 신호검출 및 증폭부 신호 ... 42

그림 5.4 수신단 신호 변환부 신호 ... 43

그림 5.5 가스 셀(105ppm) 삽입에 의한 실험 결과... 44

그림 5.6 장시간 측정에 의한 시스템 안정성 실험 결과 ... 46

표 차례

표 2.1 COHb 농도가 인체에 미치는 영향... 5

표 2.2 주요 국가별 CO 가스 환경 기준 ( 단위 : ppm ) ... 6

표 2.3 운행차 배출허용 기준... 7

표 3.1 가스 검출방법 및 대상 가스... 9

표 3.2 파장에 따른 적외선의 분류 ... 11

표 3.3 CO 감지기 규격 ... 18

표 4.1 적외선 검출기의 분류... 32

국문 요약

최근 우리나라는 선진국 진입을 위한 경제발전을 위해 노력하고 있 으나, 그로 인한 환경오염 문제는 점차 심각한 상황에 이르고 있으며, 국제환경 변화와 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development, 경제협력 개발기구) 가입으로 인한 국내 환경산업 개방 이라는 과제에 직면해 있다. 이러한 환경오염 문제는 여러 분야로 세 분화될 수 있으며, 이 중 경제발전에 따른 자동차 보유대수 등의 증가 로 인하여 다량으로 발생되는 일산화탄소에 의한 대기오염의 심각성이 커다란 사회 문제로 대두되고 있다.

그러므로 본 연구는 인체에 유해한 대기 오염물질인 일산화탄소의 양이 급격히 증가할 수 있는 터널 내에서, 송신단 적외선 광원 및 수신 단 2-채널 적외선 검출기를 이용하여 일산화탄소를 검출하고, 검출한 일산화탄소의 농도를 정량적으로 계산하는 방식을 제안하며, 이를 구현 한 결과에 관한 것이다.

2-채널 적외선 검출기를 사용하여 일산화탄소에 의한 흡수 스펙트 럼이 형성되는 4.66µm 흡수 파장대역과 다른 가스에 의해 흡수 스펙 트럼이 형성되지 않는 3.95µm 기준 파장대역을 동시에 측정, 비교함으 로서 일산화탄소 농도를 계산하였다. 이 과정에서 수신단의 감도를 향 상시키기 위하여 호모다인 수신방식을 사용하였으며, 차등 증폭기를 사 용하여 데이터의 수집 및 측정값의 계산과정을 용이하게 하였다. 구현 된 적외선 광센서를 사용하여 송⋅수신단 1.5m 거리에서 실험하였으며, 본 연구의 결과를 이용한다면, 인체에 유해한 다른 여러 가지 대기환경 오염물질에 대해서도 쉽게 적용할 수 있다.

Ⅰ. 서론

최근 우리나라는 선진국 진입을 위한 경제발전을 위해 다방면의 노 력을 기울이고 있으나, 그로 인하여 경제발전의 부산물이라 할 수 있는 환경오염 문제는 점차 심각한 상황에 이르고 있다. 이러한 환경오염은 비단 우리나라만의 문제가 아니며, 또한 환경문제 자체로만 국한시킬 수 없게 되었다.

현재 전 세계는 WTO(World Trade Organization, 세계 무역 기구 (1995)) 체제를 출범시킴과 동시에 무역과 환경을 연계시키는 Green Round(환경과 무역에 관한 다자간 협상)를 논의하고 있고, 세계 공통 의 산업표준을 제정⋅보급하는 ISO(International Organization For Sta- ndardization, 국제 표준화 기구(1947))에서는 ISO14000(환경경영 인 증제도, 1996)을 제정⋅보급함으로서, 환경산업이 경제에도 크게 파급되 는 현상이 발생하고 있으며, 또한 우리나라는 OECD(Organization for Economic Cooperation and Development, 경제협력 개발기구(1960)) 가입(1996)으로 인한 국내 환경산업 개방이라는 과제에 직면해 있다.

이러한 환경문제는 여러 분야로 세분화될 수 있으며, 이 중 대기오 염의 심각성이 커다란 사회문제로 대두되고 있다. 대기오염이란, 비오 염공기(Unpolluted air)에 오염물질(Pollutant)이 포함되어 있는 것을 말하며, 대기 오염물질(Air pollutant)을 배출하는 위치에 따라 크게 자 연적 발생원(Natural source)과 인위적 발생원(Man-made source)으로 구분할 수 있다

^[6-7]

. 실제로 대기 오염물질은 대부분 자연적 발생원에 서 더 많이 배출되고 있는데, 예를 들면, 일산화탄소는 자연적 발생원 에서 3배 이상 많이 발생되고 있는 것으로 추산되고 있다. 그러나 이

와 같은 자연적 발생원에 의한 오염물질은 대기 중에 배출된 후 비교 적 단기간 내에 산화 등의 반응으로 자연계에서 제거되는데, 예를 들면, 일산화탄소는 1～3개월 내에 자연적으로 사라진다. 또한 자연적 발생 원에서 배출되는 오염물질은 범 세계적으로 골고루 분산⋅배출되어 사람 들에게 많은 피해를 입히지는 않는다. 그러나 인구 밀집지역인 대도시 지역에 오염물질을 주로 배출하여 주민들에게 많은 피해를 입히고 있 는 인위적 배출원에 의한 대기오염은 갈수록 심각해지고 있으며, 환경 부 발표에 의하면 우리나라에서 1997년에 배출된 대기 오염물질은 전 국적으로는 아황산가스(SO

2

), 이산화질소(NO

2

), 일산화탄소(CO)가 모 두 전체 배출량의 약 30%정도로 비슷하게 발생되었으나, 서울에서는 일산화탄소가 55%로 압도적으로 많은 양이 배출되었으며, 주 발생원인 은 자동차 보유대수의 증가에 기인한 것으로 판단하고 있다.

현재 우리나라에서는 총먼지(Total suspended particulate, TSP), 미세먼지(PM

₁₀

, 10µm 이하 크기의 먼지(Particulate Matter)), 황산화 물(SO

_X

), 질소산화물(NO

_X

), 일산화탄소(이하 CO 가스) 및 오존(O

₃

) 등 을 중점 관리하고 있으며, 대기오염과 도시의 환경변화에 따른 대기 오 염도 관리를 위해 대기환경 보전법에 의거 대도시 및 공단지역 등의 지역별 오염도를 상시 감시하기 위한 대기오염 자동 측정망을 설치⋅운 영하고 있다. 이처럼 대기오염 감시의 중요성이 날로 증가하고 있으나 이를 뒷받침할 수 있는 대기오염 감시 차원에서의 측정 및 분석 기술 은 낙후되어 있는 실정이며, 현재 대기 오염물질을 측정하기 위한 연구 가 다방면으로 진행되고 있다.

Ⅱ. 연구 배경

2.1 CO 가스의 발생

CO 가스는 무색, 무미, 무취의 기체로 자연계에는 0.1~0.2 ppm(북 반구), 0.04~0.06 ppm(남반구)이 분포하고 있으나, 이러한 분포는 서론 에서 밝힌 것처럼 자연적(산불 등) 또는 인위적(자동차 등) 발생원에 의해 변화될 수 있다. 이처럼 CO 가스는 다양한 배출원을 가지고 있 지만 주로 인위적 발생원인 유기성 물질(유류, 가스 등)의 연소 시 산 소가 부족하거나, 혹은 연소온도가 낮아 발생하는 불완전 연소의 부산 물로 생성되며, 따라서 CO 가스는 자동차의 배기가스에 많이 포함되어 있다. 통계에 따르면 1990년대 들어서 산업 발전의 가속화에 따른 자 동차 보유대수의 급격한 증가로 인해 자동차에 의한 CO 가스의 배출 량이 전체 CO 가스 배출량의 80%(1994년 기준) 이상을 차지하고 있 다.

2.2 CO 가스가 인체에 미치는 영향

인체에 유해한 CO 가스는 호흡기를 통해 인체에 흡입되며, 흡입된 CO 가스는 체내에서 산소를 운반하는 혈액 중의 헤모글로빈(Hemogl- obin(Hb), 혈색소)에 대해 산소보다 200배 이상의 친화력을 갖고 있기 때문에, 헤모글로빈과 쉽게 결합하여 COHb를 형성하며, 혈액의 산소 운반능력을 저하시킨다. 인체에 흡입된 CO 가스는 오직 호흡기를 통

하여 외부로 배출되는데, 그 배출 속도는 아주 느리다. 이것은 CO 가 스가 헤모글로빈에 대하여 강한 친화력을 갖고 있기 때문이며, CO 가 스의 배출 반감기, 즉, 혈중 COHb의 농도가 초기농도의 50%에 도달하 는데 걸리는 시간은 1시간 30분~4시간 정도이다. 이처럼 CO 가스가 인체에 흡입되면 잘 빠져나가지 못하므로 장시간에 걸쳐 CO 가스에 노출되면 인체에 계속 축적되어 COHb의 농도는 계속 증가하게 된다.

표 2.1 COHb 농도가 인체에 미치는 영향

COHb (%)

증 상

농도 (ppm)

호흡시간

4

호흡기 계통 질환 등의 환자에게는 영향을 줄 수 있음.

9~30 10~30분

30 4~6시간

5 중추신경계 영향

120 1시간 10 과격한 근육 활동시 숨이 참. 40 8시간

20

보통 활동에도 숨이 차고 간헐적 두통

400~

500

1시간

30 두통, 신경과민, 피로감, 주의력 산만 1000 1시간 40 ~ 50 두통, 정신혼란 1000 1~2시간 60 ~ 70 의식 혼탁, 호흡 중추 마비 1000 4~5시간

80 사망 1500~

2000

4~5시간

표 2.1은 혈액 중의 COHb 농도와 이 농도가 인체에 미치는 영향 을 나타내고 있으며, 증상이 나타나는 호흡시간은 그 사람의 활동상태 즉, 휴식, 보행 및 노동상태에 따라 상이할 수 있다.

표 2.1에서 보는 바와 같이 통계적으로 건강한 사람이라도 30 ppm 의 CO 가스 농도에 4~6시간 동안 노출되면 중추신경계에 영향을 줄 수 있으며, 이것은 일상 생활에서 충분히 발생할 수 있는 수치이다.

이러한 통계자료를 근거로 각국에서는 표 2.2와 같이 CO 가스에 대한 환경 기준을 제정⋅시행하고 있다.

표 2.2 주요 국가별 CO 가스 환경 기준 ( 단위 : ppm )

한국 일본 미국 이탈리아 WHO

1시간 평균 25 - 35 35 26

8시간 평균 9 20 9 9 9

년 평균 - 10 - - -

실제 대도시 대기 중의 CO 가스 농도는 자동차 통행량, 도로 조건, 도로로부터 떨어진 거리, 기후조건 등에 의해 약간의 차이는 있지만, CO 가스의 주 발생원인 자동차의 정체가 심한 도로변에서는 CO 가스 농도가 높게 되고, 이 때 COHb 혈중 농도는 13~18%까지 상승한다고 알려져 있다. 또한 도심에서 자동차 운전 시 30 ppm의 CO 가스를 함 유한 공기를 2시간 흡입할 때 COHb 혈중농도는 5% 상승하며, 60 ppm에서는 10% 상승한다고 한다. 만약 이러한 상황이 터널 환경, 즉, 다소 밀폐된 장소에서 발생한다면 CO 가스가 인체에 미치는 영향은

더욱 심각할 것이다. 이로 인하여 각국에서는 운행차에 대한 배출허용 기준을 제정⋅시행하고 있으며, 표 2.3은 우리나라에서 시행되고 있는 운행차 배출허용 기준으로 점진적으로 기준이 강화되고 있다.

표 2.3 운행차 배출허용 기준

사용연료 차 종 적용 기간 CO 가스

1997.12.31 이전 4.5% 이하 1998.1.1~2000.12.31 2.5% 이하 경자동차

2001.1.1 이후 1.2% 이하 1987.12.31 이전 4.5% 이하 1988.1.1~2000.12.31 1.2% 이하 승용 자동차

2001.1.1 이후 1.2% 이하 휘발유,

가스, 알코올

차량

소형화물 중량 자동차

1985.1.1 이후 4.5% 이하

우리나라는 산악지형이 많고, 대부분 암반으로 형성되어 있기 때문 에 국가 기간산업의 하나인 도로망 형성과정에서 다수의 터널을 건설 해야 하는 환경이며, 이러한 터널은 갈수록 길어지는 경향을 띠고 있다.

따라서 환기가 원할하지 못한 이러한 긴 터널 환경에서는 CO 가스가 외부로 배출되지 못하여 터널 내에 계속 축적될 수 있으며, 이러한 터 널을 운행하는 운전자는 축적된 CO 가스에 노출되게 된다. 또한 CO 가스의 오염도가 상대적으로 높은 대도시 부근에서도 터널의 수는 갈 수록 증가하는 실정이므로, 쾌적한 도로 환경과 안전 사고 방지 차원에

서 CO 가스에 대한 정확한 측정이 절실이 요구된다.

이러한 목적으로 건설 교통부에서는 터널 환경에서 CO 가스의 농 도에 대한 환경 기준을 제정⋅시행하고 있으며, 그 내용은 다음과 같다.

- 터널 안의 일산화탄소 및 질소 산화물의 농도는 각각 100 ppm, 25 ppm이하가 되도록 하여야 하며, 환기시의 터널 안 풍속이 초속 10m를 초과하지 아니하도록 환기시설을 설치하여야 한다. -

< 도로의 구조⋅시설기준에 관한 규칙 제41조 제3항 >

그러므로 본 연구에서는 터널이라는 특정 환경에서 이처럼 국가 중 점관리 대상가스의 하나인 CO 가스의 농도를 정량적으로 검출하여 계 산하고, 이를 중앙 제어장치에 통보함으로서 대기 오염물질인 CO 가스 농도를 측정 및 감시할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

Ⅲ. 측정 원리

3.1 NDIR(NonDispersive InfraRed, 비분산형 적외선) 분석법

인체에 유해한 가스를 검출하는 방법에는 다양한 방법들이 있으며, 검출방법에 따라 검출되는 가스의 종류도 다양하다.

표 3.1 가스 검출방법 및 대상 가스

대분류 중분류 대상 가스

용액 도전방식 CO , CO

₂

, SO

_x

정전위 전해방식 NO

_x

, CO , SO

_x

, H

₂

S 전기⋅화학적 방법

전량법 SO

_x

, H

₂

S 적외선 흡수법 NO

_x

, CO , CO

₂

, H

₂

S

광 간섭법 NO

x

, H

2

S , O

2

화학 발광법 NO

_x

, CO , CO

₂

, SO

_x

광학적 방법

시험지 광 전도법 O

₂

, O

₃

열 전도법 CO , CO

₂

접촉 연소법 CO , CH 전기적 방법

반도체법 CO , H

₂

S , H

₂

표 3.1은 다양한 검출방법들과 각각의 방법에 해당하는 대상 가스 를 나타내고 있으며, 현재 많이 이용되는 방법으로는 적외선 흡수법,

대기 오염물질 측정망에서 일반적으로 사용되는 측정기들은 대부분 측정 대상지역의 공기샘플을 측정기 내부로 흡입하여 설치지점의 오염 농도를 측정하는 지점 모니터링(Point monitoring) 방식을 이용하고 있 다. 이 방식은 접촉 연소법 및 반도체법을 주로 사용하며, 저농도 가 스의 측정시 고감도의 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 그러나 공 간적으로 균일하지 않은 넓은 지역의 대기 오염도 현황을 파악하기 위 해서는 대상지역을 대표할 수 있는 몇 개의 구획으로 분할하고, 다수의 측정기로 여러 지점에서 감시해야만 한다. 그러므로 도시⋅공단지역과 같이 넓은 지역의 대기 오염물질 평균농도나 시간적⋅공간적 분포를 알 기 위해서는 광투과(Open-path monitoring) 방식을 이용한 원격 측정 장치가 더 적합할 것이다.

광투과 방식은 주로 적외선 흡수법(Infrared absorption)을 이용하

며

^[1-2]

, 하나의 측정기로 여러 가지 대기 오염물질을 동시에 실시간으

로 측정할 수 있고, 빛의 경로상에 존재하는 대기 오염물질의 평균농도 를 측정하여 넓은 지역의 대기 오염도를 파악하기에 보다 적합한 데이 터를 제공하며, 측정 시 접촉 연소법과 같이 다른 화학물질과의 접촉에 의한 측정이 아닌 직접측정 방식이므로 단색화((Monochrometer)기 등 의 전처리 장치가 필요하지 않게 된다. 또한, 지점 모니터링 방식처럼 측정기 내에서의 샘플링 내벽에 의한 손실이나 반도체법과 같이 화학 변화로 인한 오차가 없다는 점 등의 기존 지점 모니터링 방식에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 선진국에서는 최근에 와서 광투과 방식을 이용한 원격측정용 첨단 환경 계측기들을 개발하여 일부 보급하고 있 다. 그러므로 본 연구에서도 적외선 흡수법을 이용하는 방식 중의 하 나인 NDIR 분석법을 사용하여 CO 가스를 검출한다.

3.1.1 CO 가스 흡수 스펙트럼

적외선(Infrared, IR)은 전자기파 스펙트럼에서 가시광선의 붉은색 끝으로부터 마이크로파까지 이르는 영역을 말하며, 파동수(σ)로는 1,280,000~5,000m

^-1

, 파장(λ)으로는 0.78~200µm의 영역에 해당한다.

이것을 그림 3.1에 나타내었다.

100nm 1um 1mm 10mm 100mm 1m 10m 100m 1km

2.5um 15um

UV IR Microwave

Radiowave Visible

Near to Mid IR useful for Sensing Air Pollutants

그림 3.1 전자기파 스펙트럼

표 3.2 파장에 따른 적외선의 분류

영 역 파장(λ, µm) 파동수(σ, m

^-1

) 진동수(ν, Hz) 근 적외선 0.78~2.5 1,280,000~400,000 3.8×10

¹⁴

~1.2×10

¹⁴

중간 적외선 2.5~15 400,000~67,000 1.2×10

¹⁴

~2.0×10

¹³

원 적외선 15~200 67,000~5,000 2.0×10

¹³

~1.5×10

¹²

이러한 적외선은 표 3.2와 같이 파장에 따라 세 가지 영역으로 나 눌 수 있는데, 가시광선에 가까운 근적외선 영역(Near IR), 중간 적외 선 영역(Mid IR) 및 원적외선 영역(Far IR)이 그것이다.

한 분자를 구성하고 있는 원자들의 결합은 서로 움직일 수 없도록 고정된 것이 아니라, 스프링과 같이 탄력이 있는 줄에 매달려 있다고 할 수 있다. 이러한 분자가 일으킬 수 있는 진동운동의 진동방식 (Vibration mode)은 크게 두 가지로 나뉘는데, 첫째는, 스프링에 매달 린 두 원자가 스프링과 같은 축에서 서로 밀고 당기는, 즉 원자의 무게 중심만 이동하여 원자들 사이의 결합 길이가 길어졌다 짧아졌다하는 신축진동(Stretching vibration) 방식이고, 둘째는, 원래의 결합축에 대 하여 원자들의 위치가 변하는, 즉 원자들 사이에 이루고 있는 결합각이 변하는 변형(Deformation) 또는 굽힘진동(Bending vibration) 방식이다.

Symmetric Stretching

Asymmetric Stretching Out-of-Plane Bending In-Plane Bending

(+) (+)

(-)

(-) (+)

(a) (b)

그림 3.2 여러 가지 분자운동의 진동방식

그림 3.2는 이러한 여러 가지 분자운동의 진동방식을 나타내고 있 으며, 그림에서 (+)는 종이의 전면으로의 움직임, (-)는 종이의 뒷면으 로의 움직임을 나타낸다.

분자들이 이러한 진동방식에 해당하는 진동운동을 일으키기 위해서 는 결합의 종류 및 세기, 그리고 결합을 이루고 있는 원자의 종류에 따 라 고유한 진동 주파수(Vibration frequency)에 해당하는 빛 에너지를 흡수해야만 한다. 그러므로 분자에 중간 적외선에 해당하는 빛을 쬐어 주면 이것은 X선, 자외선 및 가시광선보다 에너지가 낮기 때문에, 빛이 흡수되면 원자내 전자 전이 현상을 일으키지 못하고 진동방식에 해당 하는 여러가지 진동운동을 일으킨다. 이러한 분자의 진동운동에 의해 중간 적외선 영역에서는 특성적 흡수 스펙트럼(Absorption spectrum) 이 나타나는데, 이것을 분자 진동 스펙트럼(Molecular vibration spec- trum) 또는 적외선 흡수 스펙트럼(Infrared absorption spectrum)이라 고 하며, 물질들이 이러한 적외선 영역 내에서 보여주는 흡수 파장대에 대한 큰 선택성을 이용하여 일부 화합물에 대한 정량적 계산을 하는 방식을 NDIR 분석법이라고 한다.

가장 간단한 비대칭 이원자 분자인 CO 가스의 진동방식은 기하학 적으로 원자 사이의 결합각이 없어 굽힘진동은 일어나지 않고 단지 신 축진동에 의한 것 한 개 뿐이며, 하나의 진동 자유도만을 가진다. 그 러므로 하나의 기본 진동수 ν

0

만을 갖는데, 진동 에너지의 양자 hν

0

를 흡수하여 진동 에너지 준위 간의 전이에 의한 적외선 흡수 스펙트럼을 나타낸다. CO 가스의 경우 두 진동 에너지 준위 간의 차이는 대략 4.2×10

^-20

J이며, 적외선을 흡수하여 한 단위 만큼의 양자수 변화가 있 다면, CO 가스의 진동양자는 hν=4.2×10

^-20

J이 되고, 흡수 파동수(σ)와

( ) ( )

20

1

34 8

4.2 10

211, 300 6.626 10 3 10

h J

m m

hc J s s

σ ν ^{− −}

−

= = × ≈

× g ×

1

1 1

211, 300 4.73 m

λ m µ

σ ⁻

= ≈ ≈

식(3.1)에서 h(=6.626ⅹ10

^-34

J∙s)는 플랑크 상수, c(=3ⅹ10

⁸

m/s)는 진공에서의 광속도이다.

(a) (b)

그림 3.3 적외선 흡수 스펙트럼

(a) CO 가스 흡수 스펙트럼, (b) 다른 가스 분자 흡수 스펙트럼

그림 3.3은 적외선 영역에서의 흡수 정도를 각 파장에 따라 측정하 여 흡수 스펙트럼을 만들 수 있는 단색화 장치(Monochrometer)를 갖 추고 있는 적외선 분광분석 계측기로 측정한 적외선 흡수 스펙트럼이

다

^[3-5]

. 그림 3.3(a)는 CO 가스에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내며, 실

제 계측기에 의한 측정에서 CO 가스는 파동수 σ≈214,600 m

^-1

, 또는 파장 λ≈4.66µm를 전⋅후(이하 흡수 파장대역)로 강한 흡수대가 형성되

(3.1)

(3.2)

어 있음을 알 수 있으며, 식(3.1)과 식(3.2)에서 구한 값들과의 오차는 상수 값에 의한 것이다. 또한, 그림 3.3(b)는 다른 가스 분자들에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내며, 각각의 가스 분자들은 서로 다른 특정 파장 대역에서 흡수 스펙트럼을 나타내고 있음을 알 수 있다.

3.1.2 Beer-Lamberts 법칙

NDIR 분석법에서 CO 가스에 대한 정량적 계산은 식(3.3)과 식 (3.4)에 따르는 Beer-Lamberts 법칙에 근거를 두고 있으며, 이것은 빛의 감쇄에 관한 기본 법칙으로, 측정 대상 물질에 의한 흡광량이 파 장에 따라 달라진다는 것을 나타낸다.

( )

( ) 0 ( ) ^{k C l} I λ I λ e ^{− λ ∆}

∆ = ⋅

( ) 0 ( ) ( ) I λ = I λ − ∆ I λ

식(3.3)에서 ∆I(λ)는 파장 λ의 단색 광이 빛을 흡수 및 산란하는 매 질 속을 미소거리 ∆l 만큼 통과할 때의 강도(Intensity) 변화량, I

₀

(λ)는 적외선 광원(Infrared source)의 초기 강도, C는 측정 대상 물질의 농 도, k(λ)는 파장 λ에서의 흡수 계수(Absorption coefficient)이며, 식 (3.4)에서 I(λ)는 적외선 검출기(Infrared detector)에 도달하는 적외선 광원의 강도를 나타낸다. 그러므로 I(λ)는 거리 ∆l과 농도 C에 따라 달라지게 되며, 적외선 광원과 적외선 검출기의 거리가 L이라고 하면,

(3.3)

(3.4)

다음의 식(3.5)에 의해 측정 대상 물질의 농도를 정량적으로 계산할 수 있다.

( ^{( )} )

0 0

( ) ( ) ( ) ( ) 1 ^{k CL} I λ = I λ − ∆ I λ = I λ ⋅ − e ^{− λ}

( )

0

1 ( ) ( )

k CL I

e I

λ λ

λ

− = −

0

1 ( )

( ) ln 1 ( ) C I

k L I

λ

λ λ

 

= − ⋅  − 

 

따라서 송신단 적외선 광원에서 측정하고자 하는 일정 거리의 자유 공간으로 흡수 파장대역에 해당하는 빛 에너지를 복사하면, 자유공간에 존재하는 CO 가스는 농도에 비례하여 흡수 파장대역의 적외선 에너지 만을 흡수하고, 수신단 적외선 검출기에는 CO 가스에 의해 흡수되고 남은 적외선 에너지가 입사하게 된다. 그러므로 초기 강도 I

0

(λ), 흡수 계수 k(λ)와 거리 L을 알고 있다면, 수신단 적외선 검출기에 수신된 I(λ)를 사용하여 식(3.5)에 의해 CO 가스 농도를 정량적으로 계산할 수 있다.

3.1.3 개발 현황

그림 3.4는 NDIR 분석법을 이용한 광투과 방식을 사용하는 대표적 인 CO 감지기 모델들이다.

(3.5)

10m

VCA

Power cable(220V /AC)

Power cable(220V /AC) 가스 셀

광 쵸퍼

(a)

Power cable(48V /DC)

반사경

(220V /AC)

T R

3m

SCU

반사경

Power

T R

(b)

그림 3.4 CO 감지기 모델

(a) VICOTEC400(독일, SICK 사), (b) PS-2000(미국, CODEL 사)

그림 3.4(a)의 CO 감지기는 송⋅수신단 분리형이며, 송신단에서는 광 쵸퍼(Optical Chopper)와 DC 모터를 이용하여 적외선 광원을 변조 하고, 수신단에서는 적외선 검출기 앞단에 고농도의 기준 CO 가스를 채운 가스 셀(Gas cell)을 DC 모터를 이용하여 주기적으로 삽입함으로 CO 가스의 농도를 계산한다. 그러므로 전체 시스템은 다소 복잡하게 동작하며, 광 쵸퍼와 가스 셀 동작에 필요한 기계부의 삽입이 필수적이 므로 시스템의 크기 또한 증가하는 단점이 있다. 그림 3.4(b)의 CO 감지기는 송⋅수신단 일체형이며, 송신단에서는 그림 3.4(a)와 동일하게

치한 반사경에 의해 다시 송신단과 동일한 위치에 있는 수신단으로 입 사되어 CO 가스의 농도를 계산한다. 따라서 이 감지기는 측정거리가 L일때, 광 신호가 통과해야만 하는 거리는 2L이 됨으로 측정 가능한 거리에 제한이 따른다는 단점이 있다. 표 3.3은 이러한 CO 감지기의 규격이다.

표 3.3 CO 감지기 규격

CO 감지기 CODEL사(PS-2000) SICK사(VICOTEC400)

구분 송⋅수신단 일체형 송⋅수신단 분리형

측정방식

빛의 투과 정도에 의해 측 정되는 이중 광투과 방식

빛의 투과 정도에 의해 측 정되는 이중 광투과 방식

측정구간 3m 10m (20m)

출력신호 RS-232 , RS-485 RS-422 , RS-485

출력 4~20mA, 8 Analogue 8 Relay

4~20mA, 2 Analogue 8 Relay

사용환경 -20℃~+50℃ -20℃~+40℃

측정범위 0~300ppm 0~300ppm

오차율 ±1ppm ±2ppm

전력 소비량 70W 195W

3.2 제안한 CO 가스 농도 검출 원리

CO 가스 흡수 스펙트럼과 Beer-Lamberts 법칙을 이용하여 CO 가스 농도를 계산하기 위해서는 식(3.5)에서 적외선 광원의 초기 강도 I

0

(λ)를 알고 있어야 한다. 본 연구에서는 3.95µm를 전⋅후(이하 기준 파장대역)로 CO 가스는 물론 다른 대기 오염물질에 의한 흡수 스펙트 럼이 존재하지 않는 기준 파장대역을 설정함으로 I

₀

(λ)를 결정하였다.

송신단 적외선 광원에서 복사되는 스펙트럼을 플랑크 곡선에 의해 그림 3.5(a)와 같이 근사화할 수 있다고 가정하면, 이러한 스펙트럼은 거리 L을 통과하면서 CO 가스 농도에 비례하여 흡수 파장대역의 스펙 트럼이 흡수되고, 그림 3.5(b) 처럼 나머지 스펙트럼에 해당하는 에너 지만 수신단 적외선 검출기에 도달하게 된다.

파장 (um) 투과율

3.9 4.3 5.1

0 0.5 1

송신단 스펙트럼

3.5 4.7

파장 (um) 투과율

3.9 4.3 5.1

0 0.5 1

수신단 스펙트럼

3.5 4.7

(a) (b)

그림 3.5 송⋅수신단 스펙트럼 변화 (a) 송신단 스펙트럼, (b) 수신단 스펙트럼

그러므로 수신단에서 두 개의 적외선 검출기1, 2(이하 2-채널 적외

특정한 적외선 광 필터(@3.95µm(적외선 검출기1), @4.66µm(적외선 검출기2))를 위치시킨다면, 두 개의 적외선 검출기 출력신호인 기준 파 장대역 신호 V

₁

과 흡수 파장대역 신호 V

₂

는 Beer-Lamberts 법칙에 의해 식(3.6) 및 식(3.7)과 같다.

파장 (um) 투과율

3.9 4.3 5.1

0 0.5

1

수신단 스펙트럼

3.5 4.7

적외선 검출기1 광필터

(@3.95) 적외선 검출기2

광필터 (@4.66)

그림 3.6 수신단 2-채널 적외선 검출기 각각의 광 필터

1 0

V ∝ mI

2 0 0

V ∝ − I I e ⁻ kCL

식(3.6)에서 m은 상수이며, 만약 m=1이라면, I

₀

(λ)를 구할 수 있고, 식(3.7)을 이용하여 CO 가스 농도를 식(3.5) 처럼 정량적으로 계산할 수 있다. 따라서 m=1을 만들기 위해 그림 3.7과 같은 회로 블록도를 사용하였다.

(3.6)

(3.7)

LPF G1

G2 V ₁

V ₂ G=1 G

V _r

V _m

V _diff =V _r -V _m

Precision Amplifier

Difference Amplifier

Main Amplifier

CO _ref

CO _diff

ADC1

ADC2 LPF

그림 3.7 CO 가스 농도 계산을 위한 회로 블록도

V

₁

과 V

₂

가 각각의 LPF(Lowpass Filter) 통과 후 발생시키는 신호 의 크기가 같아지도록 이득 G1과 G2를 조절하고, 이들을 각각 V

r

과 V

_m

이라 하면, V

_r

은 CO 가스에 의한 영향이 없는 기준 파장대역 신호이 므로 변화하지 않고, V

_m

은 측정 거리상에 존재하는 CO 가스의 농도에 비례하여 감소함으로, Beer-Lamberts 법칙에 의해 식(3.8)과 같은 관 계를 갖으며, 식(3.9)에 의해 CO 가스의 농도를 계산할 수 있다.

kCL

m r

V = V e ⁻

1 ln ^m

r

C V

kL V

 

= −  

 

또한, 그림 3.7에서 V

_r

은 직접 ADC(Analog-Digital Converter)1에 입력되지만, V

m

은 V

r

과 함께 이득 G=1인 차등 증폭기를 거친 후 이득 G의 주증폭기를 통해 ADC2에 입력되는 것을 볼 수 있는데, 그 이유

(3.8)

(3.9)

는 CO 가스 농도가 높아도 흡수 파장대역 신호의 크기가 기준 파장대 역 신호와 많은 차이를 보이지 않기 때문이며, 이들의 차이 전압 V

_diff

을 발생한 후 증폭하여 측정 신호로 사용하기 위한 것이다. 이러한 경 우 다음 과정에 의하여 ADC 변환 후, 마이크로프로세서에서 매우 용 이하게 CO 가스 농도를 계산할 수 있다는 장점이 있다.

그림 3.7에서 ADC1과 ADC2의 입력을 각각 CO

_ref

, CO

_diff

라 한다면, 각각은 식(3.10)과 식(3.11)로 표현할 수 있다.

ref r

CO = V

( )

diff r m diff

CO = ⋅ G V − V = ⋅ G V

식(3.9)를 이용하여 CO 가스 농도를 계산하기 위해 식(3.10)과 식 (3.11)을 다시 정리하면 식(3.12)와 같다.

1 ^diff 1

m

r ref

V CO

V = − CO ⋅ G

식(3.12)를 식(3.9)에 대입하면, 식(3.13)과 같고, 이 식은 G»1이 라 가정하면, 식(3.14)에 의해 식(3.15)와 같이 단순화할 수 있다.

1 1 1

1 ^diff

m

r ref

V CO

C ln ln

kL V kL CO G

 

 

= −     = −    − ⋅   

(3.10)

(3.12)

(3.13) (3.11)

( ¹ ) ( ¹ ) ^{1 1 ( ) ( ) 2 ...}

ln y ln y ⁻ ln  y y 

− − = − ≈  − − + − + 

[ ] ^{2 3}

... / 2 / 6

ln 1  y y 2  ln 1 y y y y y

≈  + + +  ≈ + ≈ − + ≈

1 diff 1 1 diff diff

ref ref ref

CO CO CO

C a

kL CO G kLG CO CO

≅ ⋅ ⋅ = ⋅ = ⋅

식(3.15)에서 a는 비례상수이다.

그러므로 기준 파장대역 신호 V

₁

과 흡수 파장대역 신호 V

₂

에 의해 만들어진 CO

_ref

과 CO

_diff

를 ADC를 통해 마이크로프로세서에서 읽어들 이면, 식(3.15)와 같이 간단한 수식에 의해 CO 가스 농도를 계산할 수 있다.

그림 3.8은 L=10, G=10인 경우(Group1)와 L=10, G=20인 경우 (Group2) 각각에 대하여 식(3.13)과 식(3.15)를 변형한 식(3.16)과 식 (3.17)을 이용하여 CO 가스 농도를 계산한 결과이다. 즉, CO

diff

의 변 화에 따른 흡수정도의 차이를 나타내고 있다.

1 1

ln 1 ^diff 1000

ref

kC CO

L CO G

 

= − ⋅   − ⋅   ×

 

1 ^diff 1000

ref

kC CO

L G CO

≅ ⋅ ×

⋅

그림에서 알 수 있듯이, 전체적인 흡수정도는 식(3.16)과 식(3.17) 의 계산 결과가 오차 범위 내에 있으며, 이득 G가 증가함에 따라 오차

(3.14)

(3.15)

(3.16)

(3.17)

값은 더욱 줄어들고 있음을 알 수 있다.

그림 3.8 제안한 방식에 의한 CO 가스 농도 계산 결과

결과적으로, 식(3.9)와 식(3.15)를 이용한 CO 가스 농도 계산 결과 는 일치한다는 것을 알 수 있으며, 그림 3.7에서 제안한 방식에 의해 CO 가스 농도를 정확하게 계산할 수 있음을 확인할 수 있다.

그림 3.9의 흐름도는 제안한 CO 가스 농도 계산 원리를 마이크로 프로세서에서 처리하기 위한 알고리즘을 나타내고 있다. 초기 프로그 램 시작과 함께 마이크로프로세서는 내부변수 INTR=0을 설정하고, 송⋅

수신단 시준기(Collimator)를 이용하여 인위적으로 송⋅수신단을 정렬시 켜 ADC의 동적 범위에 해당하는 CO

_ref

과 CO

_diff

를 읽어들일 때까지 무

마이크로프로세서는 주프로그램을 일시 정지하고, 부프로그램을 사용하 여 기준 가스 셀 삽입에 의한 비례상수 a(=1/kLG)를 구한 후, 내부변 수 INTR=1로 설정하고 부프로그램을 끝낸다.

START

송수신단 정렬 및 H/W 초기값 설정

INTR = 1

CO 계산

CO 출력

보정기간?

END NO

YES YES NO

-CO

_ref

~200 CO

_diff

~0 으로 이득 조절

부프로그램#1 (가스셀을 이용한 비례상수 계산)

-CO_PPM

=((CO

_diff

*a)/CO

_ref

) -Moving Avg.계산 -디지탈 8비트출력 (Centeral Office) -아날로그 출력 (4~20mA)

-유지, 보수 기간

부프로그램#1

비례 상수(a) 계산

INTR = 1

END -가스셀 삽입

-외부스위치 동작 으로 부프로그램 #1실행

a

=(CO

_ref

/CO

_diff

)*PPM INTR = 0

-내부 변수 INTR=0 으로 설정

그림 3.9 CO 가스 농도 계산을 위한 신호처리 알고리즘

가스 셀을 제거하고 다시 주프로그램으로 돌아오면 내부변수 INTR 의 변화에 의해 무한 반복문을 빠져나오게 되고, 실제 측정되는 CO

ref

, CO

_diff

와 부프로그램에서 구한 비례상수 a 및 식(3.15)에 의해 CO 가스 농도를 계산하며, 계산된 값을 8-비트 디지털 데이터로 중앙 제어장치

Ⅳ. 적외선 광센서의 구조

그림 4.1은 적외선 광센서의 전체적인 시스템 구성을 간략하게 나 타낸 블록도이다. 제안한 적외선 광센서 시스템은 송⋅수신단 분리형이 므로 장거리 측정이 가능하며, 광 쵸퍼와 가스 셀을 사용하지 않음으로 기계적인 부분들을 모두 제거하였다.

송신단 회로부

적외선 광원

적외선 검출기

수신단 회로부

시준기 시준기

변조된 광 신호

송신단 수신단

그림 4.1 전체 시스템 블록도

시스템 블록도에서 송신단 시준기는 본 논문에서 제안한 방식의 시 스템이 공간적으로 장거리(약 20m)에 분포되어 있는 CO 가스의 평균 농도를 측정할 수 있도록 하기 위해, 적외선 광원의 변조된 광 강도 (Optical Intensity)를 평행광으로 만들어 수신단에 최대한 많은 양의 광 강도가 도달할 수 있도록 하는 역할을 하며, 수신단 시준기는 장거 리를 통과한 후 대기오염 물질들에 의해 미약해진 광 강도를 적외선 검출기로 최대한 많은 양이 입사되도록 하는 역할을 한다. 또한 시스 템에서 적외선 광원과 적외선 검출기는 송⋅수신단의 시준기 내부에 위 치시키므로 시준기에 의해 외부 환경과 차단되며, 결과적으로 주변 환 경의 변화에 따른 영향을 최소화 시키는 역할을 한다.

4.1 송신단

4.1.1 적외선 광원의 원리 및 구조

송신단 적외선 광원으로는 흑체 복사원(Blackbody radiation source)을 사용하였다. 흑체는 외부에서 들어오는 복사 에너지는 모두 흡수하고, 자신이 방출할 때에는 물체 자신의 온도에 의해서 결정되는 스펙트럼에 해당하는 복사에너지만 방출하는 이상적인 물체이며, 흑체 를 만든 물질에는 관계없이 흑체의 온도만 결정되면 동일한 복사에너 지 곡선을 갖는다. 따라서, 절대온도 T에서 복사평형에 있는 흑체로부 터 방출되는 흑체 복사의 스펙트럼 에너지 밀도는 식(4.1)의 플랑크 식 으로 주어진다

^[15]

.

5

8 1

( )

1

ch k T

E hc

e ^λ λ π

= λ ×

−

식(4.1)에서 λ는 파장, k는 볼츠만 상수(=1.38ⅹ10

^-23

J/K), h는 플 랑크 상수(=6.626ⅹ10

^-34

J∙s), c는 진공에서의 광속도(=3ⅹ10

⁸

m/s), T 는 절대온도를 의미한다.

실제로 사용한 적외선 광원을 그림 4.2에 보였다. 이것은 이상적 인 흑체는 아니지만, 표면온도가 T

_max

=500℃에서 동작하므로 식(4.1) 의 플랑크 식을 적용하여 플랑크 곡선으로 나타낼 수 있으며, T

_max

와 식(4.1)을 이용하여 적외선 광원의 스펙트럼 에너지 밀도 곡선을 구하 면 그림 4.3과 같다.

(4.1)

그림 4.2 시스템에서 사용한 적외선 광원

2 3 4 5 6

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Re lativ e I n te n s it y [A .U.]

Wavelength [um]

그림 4.3 시스템에서 사용한 적외선 광원의 스펙트럼

4.1.2 송신단 회로부 설계

그림 4.4는 송신단의 전체적인 블록도이다. 파형 발생기(Pulse g- enerator)를 이용하여 적외선 광원을 ON-OFF 변조(10Hz)하였으며, 적외선 광원의 출력 광 세기를 증가시키기 위해서는 입력 세기를 증가 시켜야 함으로, 고전류 트랜지스터를 사용하였다. 또한 수신단 적외선 검출기의 감도가 낮기 때문에, 수신단 감도를 향상시키기 위해 호모다 인(Homodyne detection) 방식을 사용하였으며, 이를 위해 RS-422 전 송선로를 이용하여 동기신호를 전송하였다. 이 신호는 수신단에서 Lock-In 증폭기의 입력으로 사용된다.

Power Transistor

Pulse Generator

적외선 광원

RS-422 Line Driver 변조신호

동기신호 10Hz

10Hz 수신단

광 신호

송신단 변조부

그림 4.4 송신단 블록도

송신단 변조부에서 적외선 광원의 변조 주파수를 10Hz로 설정한 것은 적외선 검출기의 감도에 의한 것이다. 그림 4.5에 적외선 광원 변 조부에 대한 회로도를 보였으며 그림 4.6은 이러한 회로도에 대해 제 작된 기판을 나타낸다.

+ C?1uF

+5V

U?

적외선 광원

1

2 PIN1

PIN2

CONCRETE RESISTOR?

3

R?100

-5V

Q?

Power Transistor

R?

1k

R?100k

+5V

+5V

R? 1k

U?

Pulse Generator

1 2 3 4 5 6 7

8 9

10 11 12 13 14 15 AMSI 16 STO MO Vcc TC1 TC2 TR1

TR2 FSKI

BIAS SYNCO GND WAVEA1 WAVEA2 SYMA1 SYMA2

-5V

+ C?

1uF R?100k

R?1k -

+

U?

2 증폭기

3 6

1874

그림 4.5 송신단 적외선 광원 변조부 회로도

그림 4.6 송신단 기판

변조부

4.1.3 송신단 설계

그림 4.7은 적외선 광원, 송신단 시준기 및 기판을 이용하여 광 테 이블에서 구성한 전체적인 송신단 실험 셋업을 나타낸다.

그림 4.7 전체 송신단 구성

송신단 시준기

4.2 수신단

4.2.1 적외선 검출기의 원리 및 구조

대표적인 적외선 검출기로는 양자형과 열형이 있으며, 각각에 대한 특성을 표 4.1에 나타내었다

^[13]

.

표 4.1 적외선 검출기의 분류

종류 동작원리 재료 감도

응답 속도

사용파장 의존성

냉각

열기전력 효과

Thermopile

열형

초전효과

TGS, PZT, 티탄산납 (PbTiO

₂

)

낮다 늦다 없다 불필요

광 전도효과

황화납(PbS), 셀렌화남

(PbSe) 양자

형

광기전력 효과

비화인듐 (InAs), 안티

몬화인듐 (InSb)

높다 빠르다 있다 필요

양자형 적외선 검출기는 감도특성과 응답속도가 매우 빨라서 주로 군사용과 의학용으로 이용되고 있으나, 감도의 파장 의존성, 고가격 및 검출기 자체 냉각등의 단점을 가지고 있다. 반면에 열형 중 초전형 적 외선 검출기는 감도 및 응답속도가 양자형에 비해 다소 떨어지지만, 실 온에서 동작이 가능하고, 감도의 파장 의존성이 없으며, 가격이 저렴하 고, 조작이 간편하며, 온도를 갖는 모든 물체를 감지할 수 있고, 높은 신뢰성, 저가격화 및 저잡음 장점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서 는 초전효과(Pyroelectric effect)를 이용한 적외선 검출기를 사용하였 으며

^[8]

, 이러한 적외선 검출기의 동작원리를 그림 4.8에 도시하였다.

Ps1

Ps2

T 자발분극

온도 Ps 초전계수 = Ps

T

적외선

자발분극 Ps1

자발분극 Ps2

흑화막

(적외선 흡수)

(-)전하 발생

그림 4.8 초전효과

식(4.2)와 같은 초전계수를 갖는 초전형 물질이 흑화막을 통해 적 외선을 흡수하면, 온도 변화가 발생하며 이것에 비례하는 자발분극을 생성하여 물질 표면에 전하를 발생시킨다.

= P ^s T

∆

초전계수 ∆

^(4.2)

그림 4.9는 본 논문에서 제안한 2-채널 적외선 검출 방식에 적용 될 수 있는 적외선 검출기의 구조를 나타내고 있다.

적외선 검출기 1 적외선 검출기 2 광 필터

(@3.95um)

광 필터 (@4.66um)

적 외 선

V ₁ V ₂

그림 4.9 2-채널 적외선 검출기 구조

광 필터(@3.95μm)를 가진 기준 파장대역 적외선 검출기1의 출력 전압과 광 필터(@4.66 μm)를 가진 흡수 파장대역 적외선 검출기2의 출력 전압은 식(3.6), 식(3.7)과 같다. 그림 4.10은 시스템에서 사용한 2-채널 적외선 검출기이다.

4.2.2 수신단 회로부 설계

그림 4.11은 수신단의 전체적인 블록도이다. 전체적으로 세 부분 으로 되어 있으며, 신호검출 및 증폭부는 수신단 적외선 검출기에서 수 신된 신호가 미약함으로 뒷단에서 사용하기 적절한 크기로 증폭하기 위한 부분이며, 신호 변환부는 3.2절에서 제안한 CO 가스 검출 원리에 해당하는 부분으로서 수신된 신호의 평균값을 만들어주는 부분이며, 신 호 처리부는 신호 변환부에서 읽어들인 데이타로 CO 가스의 농도를 정량적으로 계산하는 부분이다.

적외선 검출기1

Lock-in 증폭기

적외선 검출기2

RS-422 Line Driver

Micro- Controller

Main Controller Precision

증폭기

V_r

V_m

V_diff = V_r - V_m 이득 = G1

이득 = G2

이득 = G

신호 검출 및 증폭부 신호 변환부 신호 처리부

Lock-in 증폭기 Precision

증폭기

LPF

LPF ADC1

ADC2

그림 4.11 수신단 블록도

그림 4.12, 그림 4.13 및 그림 4.14는 신호검출 및 증폭부, 신호 변환부, 신호 처리부에 대한 각각의 회로도이며, 그림 4.17은 이러한 각각의 회로도에 대해 제작된 기판을 나타낸다.

4.2.2.1 신호검출 및 증폭부

+15V

U?

Housing

1

2

3

4

5

6 12345

6 123456 123456

C? 1uF

-5V R? 1k C? 0.47uF

+5V

-5V +5V

R?

1k +5V

R?

3.3k

R?

680k -

+ U?

증폭기_CO1 3 2

6 75418

C? 0.47uF

R? 3.3k R? 3.3k

R?

3.3k

C?

0.47uF

+5V

- +

U?

증폭기_CO2 3

2 6

7148 U?

적외선 검출기 1 2 4

3

10

9 5

6

8 11 12

7 GND=CASE D4 GND=CASE

S4

N.C.

S2 D3

S3 D2

D1 S1

GND=CASE

+5V

ALIGN_REF?20k

C? 1uF

- +

U?

증폭기_CO3 3 2

6 7148 - +

U?

_REF3 증폭기 3 2

6 7148 +5V

REF Signal

-5V R? 3.3k

C? 0.47uF R?

3.3k

C?

0.47uF

R?

1k

C? 1uF R?

680k

CO Signal

C? 0.47uF

R? 1k -

+ U?

_REF2

3 증폭기

2 6

7148

R? 3.3k

R?

680k C? 1uF

R?

680k C?

0.47uF

-5V

-5V

R?

3.3k -5V

C?

0.47uF ALIGN_CO?20k

- +

U?

_REF1

3 증폭기

2 6 75418

그림 4.12 수신단 신호검출 및 증폭부 회로도

4.2.2.2 신호 변환부

R?

100

+5V

- +

U?

3 2 6

7148

R? 1k

+ C?

10uF

+C?

10uF +

C?

10uF

-5V REF Signal

+15V

+C?

10uF

U?

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10

11 12

13 14

15 16

IO0 IO10

IO1 IO11

IO2 IO12

IO3 IO13

IO4 IO14

IO5 IO15

IO6 IO16

IO7 IO17

+15V

-15V

C?

470uF

U?

1 2 3 4 5 6 7

8 TP

Vin N.C.

GND TRIM Vout N.C.

TP

-5V

R? 1k

+5V

R?

470k

R?

3.3k

R? 1k ALIGN_CO? 10k

+5V U?

1 2 3

4 5

6 7 8 TP Vin TEMP

GND TRIM

Vout N.C.

TP

C?

470uF

R?

470k

R?

3.3k

R?

1k

R? 10k

-

+

U?

51

6 2 3

74

+15V

R? 15k

R?

100

+5V

R?

20k

-5V

R?

10k

D?

R? 100

+5V

-5V

-

+

U?

3 2

6

7148 R? 4.7k

R? 4.7k

U?

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11

12 13 14 15 16 17 18 19 20 Rin A CH A+

DIFF ADJ DIFF ADJ CM ADJ CM ADJ CH STATUS B/A -Vcc SEL B

SEL A +Vcc

COMP Vout Rb Rf Ra Rin B CH B+

CH B- CH A- R? 100

D?

Vout = 0V -15V

U?

1 2 3 4 5 6 7

12 10 8

11 9

24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14

13

25 26 27 DB2 28 DB1 DB0 CONVST CS RD DGND

Vin8 A1 EOC

A0 A2

DB7 AGND +Vcc Vref in/out Vmid Vin1 Vin2 Vin3 Vin4 Vin5 Vin6 Vin7

DB6 DB5 DB4 DB3

-

+

U?

2 3

7

56 418

+5V

U?

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11

12 13 14 15 16 17 18 19 Rin A 20 CH A+

DIFF ADJ DIFF ADJ CM ADJ CM ADJ CH STATUS B/A -Vcc SEL B

SEL A +Vcc

COMP Vout Rb Rf Ra Rin B CH B+

CH B- CH A-

R?

100

-15V

- +

U?

2 3

7 56

418

+15V

CO Signal

4.2.2.3 신호 처리부

D6

RESET

D6 I/O9

A6

+15V

A1

A2

D0

+15V

A10

A9

A11

A3

D7

DIODE

D7

+5V

ADC_D6

R65 250

A8

ADC_D3

I/O8

Q2 MTP12P10 +5V

R64 1k

A1

D4

+5V U39 AD587 1 2 3

4 5

6 7 TP1 8 +Vcc TP2

GND TRIM

Vout TP3 N. Reduction

U35A 7404

1 2

A15

A1

D1 D0

R58 10k

U45 82C55A1

1

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

181920 21222324 25262728

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

40

41

42

43

44N.C.

PA3

PA2

PA1

PA0RD

CS GND A1 A0 PC7 N.C.

PC6 PC5 PC4 PC0 PC1

PC2PC3 PB0PB1PB2N.C. PB3PB4PB5PB6 PB7 Vcc D7 D6 D5 D4 N.C.

D3 D2 D1 D0 RESET

WR

PA7

PA6

PA5

PA4

A1 WR

A5

+5V

C26 1uF

A14

D3

+5V D8 DIODE

D6 D3

D1 A9

A9

RAM_CS A5

RS-422 Line

D5 A11

R59 100 U36

AT29C512 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

16 17

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 N.C 32 N.C.

A15 A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O0 I/O1 I/O2

GND I/O3

I/O4 I/O5 I/O6 I/O7 CE A10 OE A11 A9 A8 A13 A14 N.C.

WE Vcc

A11

I/O10

RD

SW1 SW PUSHBUTTON

D0

+5V

I/O10

A10

D2

+5V U37

K6T0808C1D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

15 16 A14 A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O1 I/O2 I/O3 GND

I/O6 I/O7 I/O8 CS A10 OE A11 A9 A8 A13 WE +Vcc

I/O4 I/O5

A0

+15V U38

ATF16V8C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

20 CLK/I0

I1 I2 PD/I3 I4 I5 I6 I7 I8 GND OE/I9 I/O0 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 I/O5 I/O6 I/O7 +Vcc

A12 D5

A10

ADC_D0 A0

U47 SN65ALS180 1 2 3 4 5 6

7 8

9 10 11 12 13 N.C. 14 R RE DE D GND GND N.C.

Y Z B A +Vcc +Vcc

ADC_CS

A14

WR

U43 2*8 HEADER

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10

11 12

13 14

15 16

IO0 IO10 IO1 IO11 IO2 IO12 IO3 IO13 IO4 IO14 IO5 IO15 IO6 IO16 IO7 IO17

A12

Q3 MTP12P10

A1

RD A14

RD D0

U46 XTR110 1 2 3 4 5 6 7

8 9

10 11 12 13 14 15 Source Resistor 16 GND Vref IN Vin1 (10V) Vin2 (5V) Zero ADJ Zero ADJ SPAN ADJ16mA SPAN

4mA SPAN Vref ADJ Vref Sense Source Sense Gate Driver Vref Force +Vcc

+15V +5V

D9 NOx LED

D2

A0

A1 ROM_CS

SW2 SW PUSHBUTTON

Y1 CRYSTAL4/SM

2 1

4 3

D4

+5V

RS-422 Line RS-422 Line

D5

D4 D1 D3 A10

ADC_D5

RXD

RON D3

RD A3

RON D2

A8

ADC_CS

A13

RON D0

TXD

A0

U44 XTR110 1 2 3 4 5 6 7

8 9

10 11 12 13 14 15 16 Source Resistor GND Vref IN Vin1 (10V) Vin2 (5V) Zero ADJ Zero ADJ SPAN ADJ16mA SPAN

4mA SPAN Vref ADJ Vref Sense Source Sense Gate Driver Vref Force +Vcc

A15

A4

A3

Q4 MTP12P10 C25

4.7uF

A9

A0 D7

ADC_D1

A14

D7 ROM_CS

ADC_D4

+5V

ADC_D2

R57 100

CO_4~20mA OUT A6

I/O9 U33

MC74VHCT573A 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11

12 13 14 15 16 17 18 19 OE 20 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

GND LE

Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 Vcc

D6 CO LED

R63 1k

WR

A13 A7

VI_4~20mA OUT ADC_D7

DGND

82C55A_CS

R60 250

R61 250

D7

82C55A_CS A6

D4 WR

RON D6

C24 4.7uF

D2

A7

RAM_CS

RON D4

RD

A0

RON D5

R62 100

WR

RON D1

D5 DAC_WR

U34 AT89C52_PLCC

2

3

4

5

6

7 8 9 10 11

13 12

14 15 16 17

18192021 22232425 262728

29 30 31 32 33 34 36 35 37 38 39

40

41

42

43

44

1P1.0 (T2)

P1.1 (T2EX)

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5 P1.6 P1.7 RST P3.0 (RXD)

P3.1 (TXD) N.C.

P3.2 (INT0) P3.3 (INT1) P3.4 (T0) P3.5 (T1)

P3.6 (WR)P3.7 (RD)XTAL 2 XTAL 1GNDN.C. P2.0 (A8)P2.1 (A9)P2.2 (A10)P2.3 (A11)P2.4 (A12) P2.5 (A13) P2.6 (A14) P2.7 (A15) PSEN ALE/PROG N.C.

P0.7 (AD7) EA/Vpp P0.6 (AD6) P0.5 (AD5) P0.4 (AD4)P0.3 (AD3)

P0.2 (AD2)

P0.1 (AD1)

P0.0 (AD0)

Vcc

N.C

D2 D1

DAC_WR

+5V

A15

D5 VI LED

R56 R

I/O8

A8

TXD A12

RS-422 Line

A2

A8 A13

A5

NOx_4~20mA OUT WR

A11

RON D7

+5V

U40 XTR110 1 2 3 4 5 6 7

8 9

10 11 12 13 14 15 16 Source Resistor GND Vref IN Vin1 (10V) Vin2 (5V) Zero ADJ Zero ADJ SPAN ADJ16mA SPAN

4mA SPAN Vref ADJ Vref Sense Source Sense Gate Driver Vref Force +Vcc

A13

A4

A7

D3

+5V

U42 2*8 HEADER

1234 56789101112 13141516 IO0IO10 IO1IO11IO2IO12IO3IO13IO4IO14 IO5IO15IO6IO16IO7IO17

A12

U41 AD7226 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11

12 13 14 15 16 17 18 19 VoutB 20 VoutA -Vcc Vref AGND DGND DB7(MSB) DB6 DB5

DB4 DB3

DB2 DB1 DB0(LSB) WR A1 A0 +Vcc VoutD VoutC

D6

RXD

A2

+15V

A2

A4

R55 10k

그림 4.14 수신단 신호 처리부 회로도

(a)

(b)

그림 4.15 수신단 기판

(a) 신호검출 및 증폭부와 신호 변환부, (b)신호 처리부

신호 변환부

신호검출 및 증폭부

4.2.3 수신단 설계

그림 4.16은 2-채널 적외선 검출기, 수신단 시준기 및 기판을 이 용하여 광 테이블에 구성한 전체적인 수신단 실험 셋업을 나타낸다.

그림 4.16 전체 수신단 구성

수신단 시준기

Ⅴ. 실험 결과

5.1 실험 결과

그림 5.1은 연구실 내에서의 실험을 위해 설치한 송⋅수신단을 나타 내고 있으며, 거리는 1.5m이다. 송신단에서는 적외선 광원을 10Hz로 변조하여 복사하였으며, 수신단에서는 2-채널 적외선 검출기를 이용하 여 기준 파장대역과 측정 파장대역을 동시에 측정함으로 CO 가스의 농도를 계산하였다.

그림 5.1 전체 송⋅수신단 구성

1.5m

5.1.1 송신단

그림 5.2는 송신단 적외선 광원 변조신호 및 동기신호를 나타낸다.

그림 5.2 송신단 적외선 광원 변조신호(위) 및 동기신호(아래)

적외선 광원을 10Hz 구형파(그림 5.2 위) 변조신호를 사용하여 변 조하며, 변조신호와 90° 위상 차이를 갖는 10Hz 구형파(그림 5.2 아 래) 동기신호를 RS-422 전송선로를 사용하여 전송하였다. 전송로를 통해 전송된 동기신호가 수신단에서 Lock-in 증폭기의 입력으로 사용 되어 적외선 검출기의 감도를 향상시키도록 하기 위해, 수신단에서는 수신된 동기신호를 위상을 고려하여 재생한다. 또한 RS-422 전송로 를 사용한 이유는 넓은 지역에서 다수의 계측기들이 하나의 전송로로 중앙 제어장치와 통신을 하기 위한 것이다.

5.1.2 수신단

5.1.2.1 신호검출 및 증폭부 신호

그림 5.3은 신호검출 및 증폭부의 측정신호이다.

(a) (b)

그림 5.3 수신단 신호검출 및 증폭부 신호 (a) 기준 파장대역 신호 (b) 측정 파장대역 신호

그림 5.3에서 알수 있듯이 기준 파장대역 신호(그림 5.3(a) 위)는 흡수 파장대역 신호(그림 5.3(b) 위)보다 약간 더 큰 것을 알 수 있으 며, 이것은 Beer-Lamberts 법칙에 따라 흡수 파장대역의 에너지가 측 정하고자 하는 공간 내의 CO 가스 농도에 의해 흡수되었기 때문이다.

또한 각각의 측정신호와 위상이 일치하는 동기신호(그림 5.3(a),(b) 아 래)가 재생되었음을 확인할 수 있으며, 이러한 각각의 두 신호는 신호 변환부 Lock-in 증폭기 입력으로 사용된다.