2006年 8月 博 士 學 位 論 文
화재 감지용 자외선 적외선 불꽃감지기의 특성 개선에 관한 연구
朝鮮大學校 大學院
制御計測工學科
林 秉 賢
A St udyont heI mpr ove me ntoft heCha r a c t e r i s t i c ofUl t r a vi ol e tI nf r a r e dFl a meDe t e c t or
f orFi r eDe t e c t i on
2006 年 8 月 25 日
朝鮮大學校 大學院
制御計測工學科
林 秉 賢
화재 감지용 자외선 적외선 불꽃감지기의 특성 개선에 관한 연구
위한 칼만 필터링 방법
指導敎授 高 樂 溶
이 論文을 工學 博士學位申請 論文으로 提出함.
2006年 4 月 19 日
朝鮮大學校 大學院
制御計測工學科
林 秉 賢
화재 감지용 자외선 적외선 불꽃감지기의
특성 개선에 관한 연구
林秉賢의 博士學位論文을 認准함
委 員 長 朝鮮大學校 敎授 金 永 烔 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 崔 漢 秀 印 委 員 順天大學校 敎授 文 庸 善 印 委 員 全南大學校 敎授 梁 炯 正 印 委 員 朝鮮大學校 敎授 高 樂 溶 印
2006 年 6 月 21 日
朝鮮大學校 大學院
목 차 Li stoft i t l es
LIST OF TABLES ···ⅳ LIST OF FIGURES ···ⅴ ABSTRACT ···ⅸ
제 1장 서 론 ···1
제 1절 연구의 배경 및 목적 ···2
제 2절 연구 현황 ···5
1.불꽃감지기의 종류 및 특성 ···5
2.국외 및 국내의 상용화된 불꽃감지기 ···7
3.불꽃감지기의 성능 비교 ···9 제 3절 연구의 내용 및 범위 ···10 1.광 계측 센서의 데이터 처리 ···10 2.불꽃감지기의 하드웨어 시스템 구성 ···11 3.특성 개선을 위한 신호 처리 방법 제안 ···12 4.기술 기준 및 시험 기준에 따른 성능 시험 ···12 제 4절 논문의 구성 ···14
제 2장 기초 이론 및 문제 구성 ···15 제 1절 불의 현상학적 특성 및 분광 스펙트럼 분포 ···16 1.불의 제반 현상과 화재 감지 ···16 2.불꽃을 이용한 화재 감지의 기본 원리 ···18
제 2절 광 계측 센서의 검출 원리 및 종류 ···22 1.광 계측 센서와 관련된 기본 물리학적 법칙 ···22 2.불꽃감지기에 사용된 자외선․적외선 검출 센서 ···32 제 3절 자외선 적외선 불꽃감지기의 특성 ···38 1.불꽃감지기의 화재 신호 전송 특성의 고찰 ···38 2.불꽃감지기 설치 지역 특성의 고찰 ···39 3.불꽃감지기 현장 설치 방법의 고찰 ···43 4.논문에서 제안된 불꽃감지기의 특성 ···46
제 3장 불꽃감지기 시스템 구성 및 신호 처리 ···47 제 1절 자외선 센서의 구동 회로 및 신호 처리 방법 ···48 1. PWM을 이용한 자외선 센서 구동 회로 ···48 2. UV Tron의 출력 특성 분석 ···53 3. 자외선 센서의 신호 처리 방법 ···56 제 2절 적외선 센서의 구동 회로 및 신호 처리 방법 ···60 1. 적외선 센서의 구동 회로와 문제점 ···60 2. 적외선 센서의 신호 처리 방법 ···66 제 3절 신호 처리 및 출력을 위한 제어기 구성 ···72 1. 센서 신호 처리 제어부 ···72 2. 화재 신호 전송을 위한 출력부 ···74
제 4장 실험 및 고찰 ···76 제 1절 실험 환경 및 시험 방법 ···76 1.실험 환경 ···76
제 2절 화재 감지 및 FalseAlarm 실험과 고찰 ···80 1.화재감지 성능 실험 ···80 가.실거리 화재 감지 기능 시험 ···81 나.실거리 시야각 기능 시험 ···90 2.FalseAlarm 실험 ···95 가.국내 소방법상 부동작 시험 ···95 나.옥내에 설치된 일반 조명에 대한 오보 시험 ···96 다.전열 기구에 대한 오보 시험 ···104 라.산업용 기계·기구에 대한 오보 시험 ···107 마.태양광에 대한 오보 시험 ···111 3.실험 결과 및 고찰 ···113
제 5장 결 론 ···115
참고문헌 ···118 부 록 ···121 A. 불꽃감지기 설치 예시 ···121
표 목 차 Li stoft abl es
Table 1.1 Classificationofflamedetector ···6 Table 1.2 ComparisonofUV/IR flamedetector ···9
Table 2.1 Typeofphotodiode ···26 Table 2.2 Typeofpyroelectricinfraredsensors ···31 Table 2.3 CharacteristicsofUV Tron ···34 Table 2.4 CharacteristicsofPIR ···36 Table 2.5 Typeofoutputsignal ···39 Table 2.6 Classificationofhazardarea ···39 Table 2.7 Maximum surfacetemperatureatGroupII ···40 Table 2.8 MESG andMIC ratioofgroupII ···40 Table 2.9 Examplesofexplosionproof ···42 Table 2.10 Classificationoffire-fightingfacilities ···43 Table 2.11 Adaptabilityofdetectorinheight ···44
Table 4.1 Firepansize ···78 Table 4.2 Listofdistancetest ···81 Table 4.3 Listofangletest ···90 Table 4.4 Listoftest ···113 Table 4.5 Listoffalsealarm test ···114
도 목 차 Li stoff i gur es
Fig.1.1 ProductsofGeneralMonitors ···7
Fig.1.2 ProductsofSpectrex ···7
Fig.1.3 ProductsofFiresentry ···7
Fig.1.4 ProductsofdomesticA ···8
Fig.1.5 ProductsofdomesticB ···8
Fig.1.6 ProductsofdomesticC ···8 Fig.1.7 Dissertationoutline ···14
Fig.2.1 Firediagram incombustion ···16 Fig.2.2 Spectrumsdistributionoffire ···18 Fig.2.3 Spectrumsdistributionofarcwelding ···19 Fig.2.4 Spectrumsdistributionofotherheatsource ···19 Fig.2.5 Spectrumsdistributionofsunlight ···20 Fig.2.6 Comparisonofspectrumsdistribution ···20 Fig.2.7 Flickerfrequency ···21 Fig.2.8 Wavelengthofrays ···23 Fig.2.9 Energybandofphotoconductiveeffect ···24 Fig.2.10 Energybandwhenphotoincidence ···25 Fig.2.11 EnergybandofPhotoelectronemission ···28 Fig.2.12 Spectrum ofUV Tron ···30 Fig.2.13 Pyroelectriceffect ···30 Fig.2.14 StructureofPIR ···30 Fig.2.15 StructureofUV Tron ···32
Fig.2.16 PrincipleofUV Tron ···33 Fig.2.17 Voltage/CurrentofUV Tron ···33 Fig.2.18 StructureofIR sensor ···35 Fig.2.19 Spectrum offlameandothersource ···36 Fig.2.20 Examplesofroofandwellsetup ···45 Fig.2.21 Setupexamples ···45
Fig.3.1 Diagram ofUV drivingpart ···48 Fig.3.2 CircuitofUV drivingpart ···49 Fig.3.3 Basicstep-downswitching regulator ···50 Fig.3.4 Pulseofpulsewidthmodulationpart ···51 Fig.3.5 PulseofpulsewidthmodulationpartwithTrans ···52 Fig.3.6 UV anodevoltage ···52 Fig.3.7 PulseoutputofUV cathode40msec ···53 Fig.3.8 PulseoutputofUV cathode1000ms ···54 Fig.3.9 PulseoutputofUV cathode1000mswithzener ···54 Fig.3.10 Outputcharacteristicinvoltagevariable ···55 Fig.3.11 Outputcharacteristicindistancevariable ···55 Fig.3.12 SignalprocessingofUV part ···56 Fig.3.13 UV signalprocessing ···57 Fig.3.14 Timer/Countermoduleblockdiagram ···57 Fig.3.15 OutputcharacteristicofUV Tron(1) ···58 Fig.3.16 OutputcharacteristicofUV Tron(2) ···58 Fig.3.17 Blockdiagram ofPIR drivingpart ···60 Fig.3.18 Prenon-inverting amplifier ···60 Fig.3.19 Postinvertingamplifier ···61 Fig.3.20 GeneralcircuitofIR drivingpart ···62
Fig.3.22 PulseofIR outputwithfiresource ···63 Fig.3.23 PulseofIR outputTP1andTP2atshortdistance ···63 Fig.3.24 PulseofIR outputTP3andTP4atlongdistance ···64 Fig.3.25 ErrorofvoltagecomparatorA ···64 Fig.3.26 ErrorofvoltagecomparatorB ···65 Fig.3.27 Diagram ofIR signalprocessing part ···66 Fig.3.28 IR signalprocessing ···67 Fig.3.29 Timer/Countermoduleblockdiagram ···67 Fig.3.30 A/D convertertimingdiagram ···69 Fig.3.31 IR inputsignaltoA/D port ···70 Fig.3.32 Testofdiscretefouriertransform ···71 Fig.3.33 Blockdiagram ofsystem ···72 Fig.3.34 PCB partfortest ···73 Fig.3.35 PCB assembly ···73 Fig.3.36 RelayandLED output ···74 Fig.3.37 Currentoutputpart ···75 Fig.3.38 Communicationoutputpart ···75
Fig.4.1 Testroom ···77 Fig.4.2 Panfire ···78 Fig.4.3 Flameofpanfire ···78 Fig.4.4 Preview ofdistancetest ···79 Fig.4.5 Preview ofangletest ···79 Fig.4.6 Testprogram view ···80 Fig.4.7 Resultoffiredistancetestat12m ···82 Fig.4.8 Resultoffiredistancetestat24m ···83 Fig.4.9 Resultoffiredistancetestat36m ···84 Fig.4.10 Resultoffiredistancetestat14m ···85
Fig.4.11 Resultoffiredistancetestat28m ···86 Fig.4.12 Resultoffiredistancetestat35m ···87 Fig.4.13 Resultoffiredistancetestat42m ···88 Fig.4.14 Resultoffiredistancetestat49m ···89 Fig.4.15 Resultoffireangletestat18m ···91 Fig.4.16 Resultoffireangletestat24m ···92 Fig.4.17 Resultoffireangletestat21m ···93 Fig.4.18 Resultoffireangletestat42m ···94 Fig.4.19 DetectortestofKOFEIS certification ···95 Fig.4.20 Resultoffalsealarm testinglow lamp ···96 Fig.4.21 Resultoffalsealarm testinfluorescentlamp ···97 Fig.4.22 Resultoffalsealarm testinmercurylamp ···98 Fig.4.23 Resultoffalsealarm testinhalogenlamp ···99 Fig.4.24 Resultoffalsealarm testinmetalhalidelamp ···100 Fig.4.25 Resultoffalsealarm testinelectricflash ···101 Fig.4.26 Resultoffalsealarm testinreddomelight ···102 Fig.4.27 Resultoffalsealarm testinflashlight ···103 Fig.4.28 Resultoffalsealarm testinheater990W ···104 Fig.4.29 Resultoffalsealarm testinheater1500W ···105 Fig.4.30 Resultoffalsealarm testinheater1000W withfan ···106 Fig.4.31 Resultoffalsealarm testinarcwelding 110A ···107 Fig.4.32 Resultoffalsealarm testinarcwelding 240A ···108 Fig.4.33 Resultoffalsealarm testinFM radio ···109 Fig.4.34 Resultoffalsealarm testingrindingmetal ···110 Fig.4.35 Resultoffalsealarm testinsunlight ···111 Fig.4.36 Resultoffalsealarm testinsunlightwithreflector ···112 Fig.4.37 Resultofangletestat24m ···114
ABSTRACT
A St udy on t heI mpr ovementoft heChar act er i st i c ofUl t r avi ol etI nf r ar ed Fl ameDet ect or
f orFi r eDet ect i on
Lim Byung-hyun
Advi s o r:Pr of .KoNak-yong,Ph.D.
De p t .o fCo n t r o la n dI ns t r u me n t a t i o nEn g. , Gr adua t eSc hoo lofChos unUni ve r s i t y
This thesis focuses on the problem of fire detection which sense radiant energy in ultravioletand infrared range.The flame which are caused from detects radiant energy from the flame of fire fuels containing carbonaceous material,liquid and gasfire,automobilefiresin tunnel,a high ceiling building like a hanger,atrium.The flame detector can be classified are ultraviolet detector,infrareddetectorandUV/IR detector.
In this research,we propose a method to reduce false detection.The fire detectorconsists ofdriving circuitand signalprocessing unitwhich includes microprocessorand filtering procedure.Ultravioletsensoriscalled a UV Tron which uses gas multiplication effect on current discharge and photoelectric effectofmetal.To havehigh sensibility and to gain properoutputvoltage,it has high sensibility.The infrared sensor makes use ofblack body radiation
theorybasedonpyroelectricinfraredsensor(PIR)
Asforthedriving circuit,UV Tron using dischargeeffectrequireshigh dc voltage to discharge startvoltage.Driving circuituses DC-DC convertor to obtain high voltage,because inputvoltage ofonly DC 24V±20% is used.To obtain high voltage ofDC 330V pulse width modulation(PWM) method and smalltransformerareused.Driving circuitofPIR sensormakeuseofcascade operationalamplifiertoamplifytinyvoltageinsuperconductorpolarizingaction.
OutputsignalofUV and IR sensorincludeanalog signalas wellasdigital signal.UV sensoroutputisdigitalpulsecaused from alternating discharge.IR sensor output through amplifier is analog signalcontinuous in time.Signal processing ofUV Tron has three stages.First,outputsignalaccumulates in timer/counterportofamicroprocessor.Next,theaccumulatedvalueiscompared with the reference value. If sensor signal is over the reference value, a processorregardsitas fire.In the signalprocessing ofPIR sensorfrequency analysisisused.First,PIR sensorsignalisconvertedtodigitalsignalusing a analog-digitalconverter.Next,The converted data is analyzed in frequency domain using discrete fouriertransform(DFT)and othermethods.Last,ifthe frequency is in the range of 2～20Hz which corresponds to flame flicker frequency,theprocessorrecognizesitasfire.
The proposed driving circuit and signal processing methode is tested extensively.Firsttestis fire detection testatdistance and angle certificated KOFEIS andFILK approval.Theresultpropersthepreventionandextinctionof firetechniquedegree,certificated operation ofdetector.Nexttestisfalsealarm testatsource oflights,heater,arc welding,sun lay etc.The experimental resultsshow theproposed method isstablefiredetection and falsealarm test forcertification.
제 1장 서 론
화재(火災)란 인간의 의도에 반하여 발생 혹은 확대되거나 방화(放火)에 의하여 발생하여 소화(消火)의 필요가 있는 연소(燃燒)현상으로 신체 및 재산상의 피해를 갖는 불(fire)에 의해 발생되는 재해를 말한다[1].화재에는 단순한 연소 이외에 인위 적 요인이나 사회적인 요인이 가해지기 때문에 이를 일반 화재와 산업 화재로 나 눌 수가 있다.일반 화재의 출화 원인은 대부분의 경우,화기와 고온물이고 주수에 의하여 소화할 수가 있다.산업 화재는 화기와 고온물이 발화원이 되는 경우도 있 지만,이 외에 충격,마찰,단열압축,자연발화,전기불꽃(정전기의 방전화재 포함), 및 열선,광선 등이 발화원이 될 수 있다.재해를 최소화하기 위해 화재 발생 초기 에 신속하게 탐지하여 인간이 인지 가능하도록 신호를 발생하는 장치가 설치되고 있다[2～4].탄소를 함유한 가연성 물질이 산소와의 산화 반응에 따라 연소를 진행할 때 발생하는 연소 생성물은 열(heat),연기(smoke),불꽃(flame),연소가스,연소음 등이 있으며,이러한 연소 생성물의 발생을 적합한 감지 기구를 사용하여 감지하여 수신기로 신호를 발생하는 것을 화재감지기(firedetector)라 한다.[5]
본 논문에서는 연소 성상에서 급속하게 화염으로 전이 되는 가연성 액체․기체 의 화재,도로나 터널에서의 차량 화재,창고․격납고와 같은 높은 천정 건물의 화 재,문화재 등의 화재 발생 시,기존에 40여 년간 사용되어온 열(heat),연기감지기 (smokedetector)보다 조기 화재 감지 시스템 구축이 용이한 불꽃에서 방사되는 복 사 에너지(radiation energy)중에서 적외선(infrared)과 자외선(ultraviolet)영역을 검출하는 자외선 적외선 불꽃감지기(UV IR flamedetector)의 특성을 소개하고,비 화재보 요인에 대한 오동작(false alarm)을 최소화 할 수 있는 센서 신호 처리 (signalprocessing)방법을 제안하고자 한다.
제 1절 연구의 배경 및 목적
때와 장소를 불문하고 지구상 어디에서도 가연성 물질이 존재하는 곳에서는 화 재 발생 위험이 존재한다.이 가능성은 고대로부터 현대에 이르기 까지 변함없이 지속되고 앞으로 아무리 기술이 발전하여도 완전히 없어진다고는 생각할 수 없다.
또한,화재 원인이나 양상은 인간의 생활양식과 과학 기술의 발달에 따라 현저하게 변화되어 왔다.특히 경제의 발전과 기술 혁신은 전문,공업 설비,재료 등의 대형 화,다양화,고도화를 통하여 그 변화가 크고 화재도 그 대상과 내용이 현저히 변 모하게 되었다.특히 산업 화재의 경우 산업 규모의 증대와 위험 물질의 사용 증가 및 공업 지역 확대 등에 의하여 화재 발생 및 확대 위험이 증가되고,일반 건물 화 재에 한정되었던 화재의 대상은 공장,철도,선박,항공기 등으로 다양화 되고 화재 원인도 복잡하게 되었다.
어떠한 화재라도 그것이 발생하기 위해서는 반드시 원인이 있다.그러나 그 원인 에는 화재라고 하는 물리적 이상 원인에 관계하는 가연성 물질의 발화라는 직접적 인 원인과 직접적인 원인을 일으키는 배경으로 정상이 아닌 누출,파손,부식 반응 이나,기기의 잘못된 조작,장치의 결함이나 고장,설계나 시행의 불량 등의 간접적 인 원인이 존재한다.수많은 원인에 의해 발생하는 화재를 방지하기 위한 대책에는 위험 평가,예방 진단과 발생 방지를 위한 예방(prevention),확대 방지를 위한 억 제(suppression),작용과 효과의 방지하는 방호(protection),안전 관리로 나누어진 다.석유․화학 플랜트와 같은 산업 시설은 위험물,준 위험물,특수 가연물 등의 가연물이 많으며,일단 화재가 발생하면 발생 열량도 크고 화재의 규모가 크게 되 므로 그 손해가 막대하리라는 것은 쉽게 예상된다.따라서 화재를 발생 초기에 발 견하여 신속하고 정확한 작업으로 이를 억제,제어하여 재해에 이르지 않도록 하는 것이 반드시 필요하다.이를 위하여 플랜트,공장들의 시설 자체에 대하여 고려해
야만 하는 것은 물론이지만,동시에 화재 등의 이상이 발생했을 경우를 고려하여 그것에 대응할 수 있는 소방 설비의 충실과 완비를 도모해야만 한다[3,4].
소방 설비는 크게 경보(警報)설비와 소화(消化)설비로 분류된다.경보 설비의 핵심인 자동 화재 탐지 설비는 초기에 화재 발생을 감지하여 관계자에게 통보하고, 소화 설비,피난 설비 등 제반 설비를 효과적으로 사용되게 하기위해서는 사람에 의해 화재를 발견 통보하는 것보다 자동적으로 감지 통보하는 것이 효과적이다.따 라서 건축물 내부 또는 외부에서 발생한 화재를 초기에 열 또는 연소 생성물을 자 동적으로 발견하여 건물 관계자에게 발화 장소를 표시하여 줌과 동시에 경보를 발 하는 설비로서 화재를 감지하는 감지기,발화 장소를 명시하는 수신기와 발신기, 음향장치,배선,전원 등으로 구성되어 하나의 설비 역할을 하는 경보설비이다.소 화 설비는 화재를 완전히 제어하여 소화에 이르도록 목적하는 것과 가스 화재와 같이 소화하면 오히려 위험성이 증가하는 경우에는 화재를 소규모의 것으로 억제 하여 안전을 도모하는 것이나,단순히 연소의 방지를 목적으로 하는 경우 등에 설 치되는 모든 설비를 가리킨다[5].
일반적인 화재 감지기는 온도,연기 또는 복사에너지 등을 검출하는 센서 기능과 화재라고 판단되는 정도의 변화량인지 아닌지를 판정하는 비교․판단 회로에 의해 화재신호를 발생하는 신호 발생 회로를 감지기내에 내장하고 있다.주거 공간,업 무 공간 또는 옥외의 플랜트에서 발생하는 연소 현상과 유사한 현상 중에 화재 여 부를 판단하기란 상당한 화재 공학적 이론과 경험이 반영되어야 하며,재래식 화재 감지 장치는 화재시의 물리적,화학적 변화량을 검출하여 그 변화량이 감지기 설계 과정에서 반영된 화재 공학적인 변화 정도 및 경험치 이상이 되면 화재 신호를 발 신하는 기능을 이용한 것이 대부분이다.그러나 화재 공학적인 이론이나 경험치 라 고 하는 것은 화재가 아닌 경우에도 발생 할 수 있기에 비화재보(falsealarm)가 빈번하게 발생되어 화재 경보 설비의 신뢰성을 저하시키는 것은 주지의 사실로 감 지 장치의 신뢰성․안정성,조기 화재 감지에 대한 필요성이 대두되어 예상 화재 성상에 의한 적정 감지기의 설치와 환경 보상 기능을 갖는 인공 지능형 감지기의 개발,화재시 특수한 연소 생성물을 인간의 오감을 모방한 보다 진보한 감지 방법
을 이용한 감지 방식의 연구가 전 세계적으로 활발히 연구 되고 있다.
화재시의 물리적 화학적 변화란 연기,온도,연소가스(CO,CO2),빛 에너지,소리, 냄새 등으로 이러한 물리,화학적인 현상이 감시 상태인 경우 보다 화재시 뚜렷하 게 증가된다는 것이 화재 검출의 기본 원리가 되고 있다.그러나 물리․화학적인 양의 상대적 비율은 가연물의 종류,연소 조건에 따라 다르고 또 연소의 진행 속도 에 따라 그 변화율도 달라진다.이 물리․화학적 변화 중 어느 하나를 감지하여 화 재 신호를 감지하는 것이 기존 화재 감지기의 주 기능으로 여러 가지 물리․화학 적 변화를 감시하고 주변 상황에 따라 경보 레벨을 설정할 수 있는 기능을 가진 감지 장치는 제한된 기구 속에 내장하는 것도 어렵지만 경제적 실효성이 문제가 되어 기존 감지기는 제한적 성능을 가진 장치로서 산업의 발전에 따른 기술적 가 치 부여에 뒤떨어지고 있다[6].
행정자치부 고시 2004-20호의 자동화재 탐지설비의 화재 안전 기준[5](NFSC 203) 에서 정하는 설치 높이와 설치 장소별 감지기 적응성을 규정함에 소방시설용 특수 감지기로 20m 이상의 장소에는 불꽃감지기,아날로그 방식의 감지기,다(多)신호 방식의 감지기,광전식 분리형 감지기를 정하였다.이러한 특수 감지기 중에서 설 치 높이에 대하여는 상호 유사한 특징을 가지나 유류 화재의 경우 급속하게 화염 이 전파되어 연기가 발생하지 않는 경우도 있으며,보다 빠른 감지 성능을 보이는 불꽃감지기의 설치가 지속적으로 증가되고 있는 실정이다.이러한 이유에 부합하여 최근 다년간의 연구 결과로 국내 업체에서도 불꽃 감지기를 생산 판매하고 있으며, 고가의 수입품도 수입되고 있다.
본 논문에서는 자외선․적외선 영역의 복사에너지를 검출하여 화재를 감지하는 불꽃 감지기의 특성을 소개하고,감지 센서의 출력 특성에 부합하는 비화재보(false alarm)를 최소화 할 수 있는 신호 처리 방법을 제안하며,제안된 방법을 실제 감지 장치에 적용하여 실험을 통하여 검증하며 보다 빠르고 정확한 감지 방법을 제안하 는데 목적을 둔다.
제 2절 연구 현황
본 논문에서 제안하고 하는 불꽃 감지기의 특성에 따른 신호 처리 방법은 감지 센서의 특성,감지 센서 별 적용에 따른 감지기의 종류,감지 방법 들이 중요 변수 로 작용하므로 이에 대한 연구 현황을 조사하며,불꽃 감지기의 종류에 따른 성능 을 비교해 보고자 한다.
1.불꽃감지기의 종류 및 특성
불꽃감지기라 함은 불꽃(적외선 및 자외선을 포함)에서 방사되는 불꽃의 변화가 일정량 이상이 되었을 때 화재 신호를 발신하는 것으로 정의되며 감지 센서 별 적 용에 따른 감지기의 형식으로 자외선식(UV)불꽃감지기,적외선식(IR)불꽃감지기, 자외선/적외선(UV/IR)겸용 및 복합형 불꽃감지기로 분류된다.자외선식과 적외선 식은 각각 불꽃에서 방사되는 자외선 또는 적외선의 변화가 일정량이 되었을 때 작동하는 것으로 일국소의 자외선 또는 적외선에 의하여 수광 소자(sensor)의 수광 량 변화에 의해 작동하는 것을 말한다.겸용식의 경우 두 종류의 수광 소자의 수광 량의 변화에 대해 1개의 화재 신호를 발신하고,복합형의 경우 1개의 화재 신호 또 는 각각 2개의 화재 신호를 따로 발신하는 것으로 구분된다.감지기의 형식은 방수 형의 유무에 따라 방수(water proof)형과 비방수형,내식성 유무에 따라 내산형 (acidproof)과 내알카리형(alkaliproof)및 보통형으로 구분되며,방폭 구조에 따라 방폭형(explosion proof),비방폭형으로 또한,설치 장소에 따라 옥내형,옥외형,도 로형으로 구분된다[7].
가.자외선식 불꽃감지기
자외선 불꽃감지기의 특징으로는 탄화수소,금속(Mg등),유황(sulphur),수소,암 모니아 등을 포함한 대부분의 화재에서 매우 빠르고 민감하게 작동한다.비화재보 요인으로 아크 용접(arcwelding),전기 아크,조명 등에 의해 발생할 수 있으며, 옥내 또는 철저하게 제어되는 외부 환경에서 적용된다.센서들은 10msec 이내에 작동할 수 있으며,비화재보 요인을 제거하기 위한 방법이 요구된다.
나.적외선식 불꽃감지기
탄화수소를 포함한 화재에 대해서는 대부분 사용할 수 있으며,금속,암모니아, 수소,황 같은 화재에 대해서는 적합하지 않다.일정한 적외선 발생원이 될 수 있 는 요소에서 비화재보가 발생할 수 있으나 아크 용접과 같은 환경 하에서는 작동 하지 않는다.최근 각각의 적외선 감시 파장영역을 달리하는 3중 적외선 감지기가 개발되어 판매되고 있으며,적외선의 특징으로 파장이 길어 비교적 원거리에서도 감지가 가능한 장점을 가진다.
다.자외선· 적외선 겸용식,복합식 불꽃감지기
자외선과 적외선 센서를 하나의 감지기에 포함하는 구조로 적외선의 비화재보 요인과 자외선의 비화재보 요인이 각각 다른 센서에 영향을 주지 않으므로 가장 건실한 감지기로 신뢰성이 높아 실외에 설치되거나 소화시스템 등과 연동되어 설 치되고 있다.
종 류 설치 공간 적용 화재 비화재보 가능성 비 고
자외선 실내 모든 화재 고 초고속 감지
적외선 IR1 실내 탄화수소계열 고 단파장 영역 사용
IR3 실내,외 탄화수소계열 저 3파장 영역 사용 Table1.1 Classificationofflamedetector
2.국외 및 국내의 상용화된 불꽃 감지기 가.Gener alMoni t or s社
(a)UV type (b)IR3type (c)UV/IR type Fig.1.1ProductsofGeneralMonitors[8]
나.Spect r ex社
(a)UV type (b)IR type (c)UV/IR type Fig.1.2ProductsofSpectrex[9]
다.Fi r esent r y社
(a)UV type (b)IR type (c)UV/IR type Fig.1.3ProductsofFiresentry[10]
라.레존텍社
(a)IR3type (b)UV/IR type (c)UV/IR type Fig.1.4ProductsofdomesticA
마.창성에이스산업( 좌) ,디트로텍社( 우)
(a)UV/IR type (b)UV/IR type Fig.1.5ProductsofdomesticB
바.한맥테크놀로지社
(a)UV/IR type (b)UV/IR type Fig.1.6ProductsofdomesticC
3.불꽃 감지기의 성능 비교
국외의 3社 모델과 국내 1社 모델을 동일한 자외선․적외선 감지기를 대상으로 비교하여 아래 Table1.2에 나타내었다.
회사
구분
SPECTREX SharpEye20/20L
FireSentry SS4-A
GeneralMonitors FL3100/3101
HammacTech HMT-3001UIE
Wave Lengths
UV :185～250nm IR :4.35㎛
UV :185～260nm IR :0.7～3.5㎛
UV :185～250nm IR :4.35㎛
UV :185～260nm IR :4.3㎛
Fieldof View
Horizontal:90°
Vertical:90°
Horizontal:120°
Vertical:120°
Horizontal:120°
Vertical:115°
Horizontal:100°
Vertical:100°
Sensitivity 50ft(15.2M)1sq.ft 60ft(18.2M)1sq.ft 50ft(15.2M)1sq.ft 60ft(18.2M)1sq.ft
Respond
Time < 3Sec < 2.5Sec < 3Sec 1～12Sec(조정가)
Minimum
Sensor < 200mSec - < 500mSec < 200mSec
Classifi- cation
ClassI,Div.1 GroupsB,C & D
ClassII,Div.1 GroupsE,F & G EExdIIB,T5
IP66/IP67
ClassI,Div.1,2 GroupsB,C & D ClassII,Div.1,2 GroupsE,F & G
ClassIII, NEMA 3,4
ClassI,Div.1 GroupsB,C andD
ClassII, GroupsE,F & G ClassIII,Type4X,
EE xdIIB,T6, IP66/IP67
ExD IIB,T6,IP66
Approvals FM,CENELEC FM,CSA,CSFM
& CENELEC
CSA,CENELEC
ULC,CE -
Table1.2 ComparisonofUV/IR flamedetector
제 3절 연구의 내용 및 범위
옥내 및 옥외 환경에서 발생되는 화재에 대하여 보다 빠른 감지 성능과 비화재 보에 대한 적응성을 가지는 불꽃 감지를 위한 새로운 방법을 제안한다.제안하고자 하는 방법은 불꽃에서 방사되는 자외선․적외선 영역의 특정 파장 대역을 검출 할 수 있는 각각의 센서 구동 회로를 구성하고,화재 감지 기능 시험 및 비화재보 시 험에 대한 적응성을 가지는 센서 신호 처리의 방법을 제안한다.이를 위한 센서의 견실한 정보는 필수적이므로 가장 적합한 센서의 선정이 필요하며,센서의 성능을 최적화 할 수 있는 회로의 설계 및 센서 신호 처리 문제를 다루고자 한다.마지막 으로 특성 시험 기준에 적합성 여부를 판단하고자 한다.
1.광 계측 센서의 데이터 처리
화재 상황에서 발생하는 불꽃에서 방사되는 복사 에너지는 자외선 영역,가시광 선 영역,적외선 영역에 걸쳐서 나타난다.탄소를 함유한 가연물이 연소 할 때 발 생하는 분광 스펙트럼의 분포는 자외선의 경우 약 0.185～0.2457㎛의 파장 사이의 범위에서 최대 방사 강도를 나타며,적외선의 경우는 약 4.1～4.7㎛의 파장 사이의 범위에서 최대 방사 강도를 나타낸다.이러한 특징을 이용하여 감지 소자를 선정하 는 것이 기본적으로 선행되어야 한다.자외선 검출 소자의 종류는 최근 들어 반도 체형의 소자들이 발표 되고는 있으나 대표적으로 방전에 의한 전류의 가스 증배효 과(gas multiplication effect)와 금속의 광전 효과(photo-electric effect)를 이용한 UV Tron이 사용된다.또한 적외선 검출 소자로는 일반적으로 열의 온도를 측정하
발생되는 온도 변화를 검출하는 센서로 초전 효과(pyroelectriceffect)를 이용한 초 전형 적외선 센서에 특정 파장 영역을 통과시키는 광학 필터를 채용하여 사용된다.
화재와 비화재보를 빠르고 정확하게 비교,판단하여 화재 신호를 발신하기 위해 서는 자외선․적외선 센서의 특성을 정확히 파악하여 불꽃의 변화나 불꽃과의 거 리 변화,감지 각도에 대한 데이터를 획득하는 것이 선행되어야 한다.
2.불꽃감지기의 하드웨어 시스템 구성
자외선을 효과적으로 검출하기 위한 UV Tron은 방전 효과를 이용하므로 방전 개시 전압(dischargestartvoltage)은 고전압의 직류 전원을 필요로 한다.감지기의 입력 전압은 DC 24V±20%로 공급되므로 고전압을 생성하기 위해서는 대표적인 방 법으로 DC-DC 컨버터가 사용이 된다.본 논문에서는 최대 DC330V 까지 출력이 가능하도록 펄스 폭 변조(pulsewidthmodulation)의 방법과 소형 변압기를 이용하 여 고전압이 생성되도록 회로를 구성한다.
적외선 센서는 적외선 파장이 센서에 의해 조사되면 초전도체(superconductor)의 분극 작용에 의한 미소 전압의 변화를 다단 증폭기(cascadeop-amp)를 적용하여 불꽃의 온도 변화에 대응하는 신호로 증폭하고,불꽃이 연소 상태에서 산소를 흡수 하여 호흡 작용에 의한 일정 주기를 가지는 불꽃의 흔들림에 따른 주파수 성분인 불꽃의 기본 주파수인 2～20Hz만 선택 측정하기 위한 저역 통과 필터(low pass filter)를 적용한 회로를 구성한다.또한 센서 이전에 광학 필터로 적외선 투과율이 좋은 사파이어(sapphire)를 채용한다.사용된 센서나 감지 방법에 의하여 다양한 회 로 설계가 가능하다.
본 논문에서는 위의 두 종류의 자외선 영역의 감지 센서 UV Tron과 적외선 영 역의 감지 센서인 초전형 적외선 센서를 효율적으로 배치 설계하여 비화재보에 대 해 안정적인 응답 특성을 구현하기 위한 하드웨어 부분을 구성한다.
3.특성 개선을 위한 신호 처리 방법 제안
자외선 적외선의 두 종류의 센서에서 출력되는 신호는 각각 디지털적인 요소와 아날로그적인 요소를 포함한다.자외선 센서의 경우 방전이 반복되므로 디지털적인 펄스열의 형태로 신호가 출력되며,적외선 센서의 경우 증폭기를 거쳐서 나오는 신 호는 시간에 대해 연속인 아날로그적인 형태로 나타난다.
자외선 센서의 신호는 프로세서에 부착된 타이머/카운터(timer/counter)를 이용하 여 방전시 발생하는 펄스열을 계측하여 사용할 수 있다.일반적으로 적외선 센서의 증폭부의 후단에 비교기(comparator)를 부착하여 출력 전압이 일정 전압보다 크거 나 일정 전압보다 작은 경우에 펄스열이 생성되도록 회로를 구성하는 방법이 사용 되고 있다.이러한 경우 비교기의 오차나 전압의 잡음(noise)에 대해 잘못된 신호로 입력되는 경우가 있다.이러한 오차 요인을 제거하기 위하여 주파수 성분 분석의 방법으로 일정한 시간 간격으로 아날로그 신호를 샘플링 하여 디지털 신호로 변환 하는 A/D 컨버터를 이용한다.
본 논문에서는 A/D 변환된 데이터를 주파수 측정 알고리즘에 적용하여 주파수 를 계산하는 방법과 변환된 이산 데이터를 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform:DFT)을 이용하여 주파수 영역으로 변환한 후 주파수를 측정하는 방법 을 제안 한다.내부적으로 프로그램을 통하여 실제 출화 화재와 비화재보를 비교할 수 있도록 방법을 제안한다.
4.기술 기준 및 시험 기준에 따른 성능 시험
본 논문에서 제안된 하드웨어 시스템과 비교 알고리즘을 실제 불꽃감지기의 제 품에 적용하여 국내 소방 기술 기준(감지기 형식승인 및 검정 기술기준 :KOFEIS 0301)에 정한 시험과 화재 보험 협회((FireInsurersLaboratoriesofKorea)에서 시
행하는 인증 시험(FILK standard FS 075) 및 UL(underwriters laboratories), FMRC(FM global),EN(NormeEuropéenStandard)등 외국의 시험 기준을 토대로 각각의 시험 내용에 대하여 중복된 시험을 제외한 화재 감지 기능 시험 및 비화재 보 시험을 실시하여 적응성 여부를 판단하고자 한다.실제로 기술 기준에서 정한 위치에 화재 모형을 이용하여 화재를 발생 시키고 감시 거리 및 시야 각도에 대한 시험을 실시한다.또한 산업 현장에서 대표적으로 비화재보 요인이 되고 있는 태양 광,인공 광원인 조명 설비,산업용 기계 설비,전열 설비 등에 대해 각각 시험을 실시하며 실험에 대한 고찰과 결론을 도출하고자 한다.
제 4절 논문의 구성
Fig.1.7Dissertationoutline
제 2장에서는 광 에너지 검출에 필요한 센서의 원리와 종류에 대해 서술하고, 현재 국내 소방법에 따른 감지기의 형식 승인 및 기술 기준과 한국 화재 보험 협 회에서 인증하는 FILK의 시험 기준,UL 등의 외국 불꽃감지기의 시험 기준을 서 술하고,불꽃감지기의 현장 설치에 따른 설치 방법 및 효율적인 감지 범위에 대한 예시를 제시한다.
제 3장에서는 본 논문에서 제시한 특성을 만족할 만한 자외선 센서,적외선 센 서의 구동 회로에 대하여 서술한다.또한,화재 감지 및 비화재보를 방지하기위한 신호 처리 방법에 대한 소프트웨어의 구성과 적용 범위에 대하여 서술한다.
제 4장에서는 본 논문에서 구성한 화재 감지용 불꽃감지기의 성능 시험 및 비 화재보 요인에 대한 응답에 대한 실험 내용 및 실험에 대한 고찰을 서술한다.
마지막으로,제 5장에서는 본 논문의 결론 및 현장의 설치 예시 및 향후 연구 분야 및 보완 사항에 대해 설명하고자 한다.
제 2장 기초 이론 및 문제 구성
특수 목적에서 사용되는 특정 센서 정보에 기반을 둔 시스템은 견실한 센서의 정보가 중요하며,센서의 출력 특성 및 구동 회로에 따른 특성 변화에 대하여 각각 의 센서 특성이 잘 반영 되어야만 한다.
제 2장에서는 화재 상황에서 발생되는 불의 현상학적 특성과 그 불에서 발생되 는 특정 영역의 파장에 대한 스펙트럼 분포에 대하여 서술하고,화재의 상황을 효 과적으로 검출하기 위해서는 사용되는 연소 생성물에 따른 감지 방법에 대하여 나 타낸다.또한,특정 파장 영역을 검출하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사 용하도록 설계된 광 계측에 사용되는 여러 종류의 센서의 특성 및 원리에 대하여 서술한다.그리고 보다 빠르고 정확한 화재 감지를 위하여 기존에 발생되던 문제점 에 대하여 고찰함으로서 보다 효율적인 방법을 제안하기 위한 토대를 마련한다.
제 1절에서는 화재 상황에서 나타나는 불꽃의 현상학적 특성과 불꽃 감지기의 기본 원리가 되고 있는 불꽃의 스펙트럼 분포,또한 불꽃의 특성에 대하여 서술한 다.제 2절에서는 광 계측 센서의 기본 원리가 되는 물리학적 기초 이론 및 센서 의 종류와 특성을 서술한다.제 3절에서는 기존의 화재 감지 방법의 대표적인 사 례를 들어 이들이 가지는 장단점을 분석하고,이로부터 제안하고자 하는 방법이 가 져야할 특성을 규정한다.
제 1절 불의 현상학적 특성 및 스펙트럼 분포
1.불의 제반 현상과 화재 감지
불은 몇 가지 화학적 반응이 동시 다발 하는 복잡한 진행 과정을 나타내고 있다.
Fig.2.l은 화재 상황에서 발생되는 제반 현상을 나타내고 있다.이 현상은 예상되 는 조건 즉,예측 불가하고 항상 주변 환경의 변화에 의존적으로 변화된다는 것이 다.[11]이러한 불규칙적이고 상호 의존적인 현상에 의한 불의 제반 특성을 이용하여 가능한 화재 초기 단계에 수반되는 전형적인 현상들을 화재 감지원의 기본 감지 방식으로 구성하고 있다.
Fig.2.1Firediagram incombustion
화재 초기 단계에서 발생되는 일반적인 현상은 눈에 보이지 않는 연소 생성물(연 소gas또는 열분해 생성물)과 가시 가능한 연기로,이것은 에어로졸(aerosol)상태 로 고체 물질의 경우 주변 상황에 의존적으로 전형적인 입자 크기와는 다른 상태
를 구성한다.가연성 액체가 열분해 할 때,가연성 가스 상태의 물질은 연기 발생 (smoldering)단계를 거치지 않고 점화원에 의해 급속하게 거의 폭발적인 연소 단 계로 전개가 된다.이러한 가스 상태 물질의 화재 진전 양상에 있어 화재 초기 가 장 신뢰성이 있고 조기 화재 감지로 감지원의 표준 대상은 불꽃에 수반되는 제반 현상으로 빛 에너지,열 축적 효과,폭발에서 폭발 압력 등 불꽃과 직접 관계되어 발생되는 현상들이 우선적인 감지원이 될 수 있을 것이다.
화재를 감지하는 간단하면서도 수동적인 방법으로 방화관리자에 의한 순찰로 화 재를 육안으로 감지하여 처리하는 가장 빠르고 정확한 감지 방법이다.열이나 연기 및 불꽃을 사람의 시각으로 감지하기 때문에 수동 감지라 할 수 있다.
화재 상황에서 발생하는 연소 생성물 중 연기를 감지하는 광학식 연기 감지기는 연기 입자가 감지기 내부로 유입될 때 빛의 분산이나 산란에 대해 전기적인 변화 를 검출 한다.이온화식 연기감지기의 경우 내부에 방사선원을 삽입하여 연기에 대 하여 이온 전류의 변화를 검출한다.가격이 저가이면서 연기를 발생하는 화재에 대 해 적응성을 가지며 주로 실내에서 사용될 수 있다.먼지나 안개 입자에 대해 비화 재보를 발생하는 경우도 있으며,액체나 기체의 화재 상황에서 연기를 발생하지 않 는 경우 감지 할 수 없는 단점이 있다.연소 생성물 중 화재에 의해 발생하는 열을 감지하는 열 감지기는 조정된 온도의 범위에서 변화가 발생할 때 화재를 인식한다.
모든 경우에 있어서 비화재보가 발생하지 않으나 매우 느린 감지 성능과 화재 부 근에 설치 시에 유효하다는 단점이 있다.
불꽃에서 방사되는 복사 에너지의 파장 대역을 검출하는 불꽃 감지기는 감지기 의 시야가 확보되는 경우 일정한 시야각과 거리를 모두 포함하는 넓은 영역의 감 지가 가능하며 이러한 영역에서 발생하는 화재를 매우 빠르게 감지하고 옥외의 환 경에서도 설치가 가능하다는 장점이 있다.또한 시야의 확보가 중요하며 유사한 방 사 특성을 보이는 요인에 대하여 비화재보를 발생 할 수 있다는 단점이 내재되어 있다.불꽃감지기의 응답 특성은 경계 구역의 기하학적 배치와 가연성 물질의 형 상,크기에 의존적이며,옥외의 화재 위험에 대해 불꽃감지기는 효과적인 화재 감 지 수단이 되고 있다.
2.불꽃을 이용한 화재 감지의 기본원리
가.불꽃의 분광 스펙트럼 분포와 분광 강도
불꽃은 단순히 뜨겁다고 하는 열적 특성뿐만 아니라 노랗고 빨간 불의 반짝거림 현상으로 불꽃의 색은 매우 다양하게 변하여 가스 불꽃은 투명한 것과 짙은 푸른 색을 나타내고 알콜 불꽃은 감지하기가 거의 불가능할 정도로 불꽃의 색은 물질의 형태와 공급되는 산소의 양에 의해 크게 좌우 된다.
불꽃의 복사에너지 특성은 적외선 영역에서 매우 강한 강도로 전체 스펙트럼 영 역에 걸쳐서 자외선,가시광선,적외선 영역에 걸쳐서 나타난다.탄소를 함유한 가 연물이 연소할 때 발생하는 불꽃의 분광 스펙트럼 분포를 Fig.2.2에 나타내었다.
특이한 사항으로 2.7㎛의 영역 완만한 분포와 4.3㎛ 부근에서 협대역의 최대 방사 강도를 나타낸다.이러한 분포를 기준으로 적외선 영역의 검출 영역으로 선정하여 화재 감지로 이용되고 있다[12].
Fig.2.2Spectrum distributionoffire
산업용 기계 중 비화재보 요인으로 아크 용접이나 방전등 등은 자외선 영역에서 매우 강한 방사 강도를 나타낸다.약하게 적외선 영역에도 방사가 나타나며 매우 불안정한 방사 특징을 보인다.아크 용접에서 나타나는 분광 스펙트럼 분포를 Fig.
Fig.2.3Spectrum distributionofarcwelding
전기 히터나 방열기와 같은 열 원(heatsource)의 경우 자외선은 나타나지 않으 며 약한 가시광선과 중간 정도의 적외선 복사를 보이며 매우 안정적인 방사 특성 을 보인다.열 방사원에서 나타나는 분광 스펙트럼 분포를 Fig.2.4에 나타내었다.
Fig.2.4Spectrum distributionofotherheatsource
태양의 경우 매우 강도가 강하며 독특한 방사 특성을 보인다.전체 영역에 걸쳐 서 복사가 나타나지만 2.8㎛의 영역과 4.35㎛영역에서는 방사되지 않는 특성을 보 인다.태양 빛에서 나타나는 분광 스펙트럼 분포를 Fig.2.5에 나타내었다.
Fig.2.5Spectrum distributionofsunlight
화재 상황에서 발생되는 불꽃과 다른 유사 광원에서 나타나는 스펙트럼 분포는 약 4.3㎛의 적외선 영역과 2.75㎛의 적외선 영역,0.2㎛의 자외선 영역에서 상이한 분광을 보인다.이것을 불꽃 감지의 기본 대역으로 설정하여 화재 감지에 이용되고 있다.불꽃 및 다른 요인들에서 나타나는 분광 스펙트럼 분포를 Fig.2.6에 나타내 었다.
Fig.2.6Comparisonofspectrum distribution
나.불꽃의 명멸( f l i cker i ng)현상과 불꽃의 구조
불꽃의 명멸 현상의 주파수 성분은 태양광과 구별되는 하나의 특징이지만 모터 나 기계의 회전에서 발생하는 불꽃,수면에서의 태양광의 반짝임에도 나타난다.이 에 관한 연구는 자유 연소에서 발생되는 불꽃은 불규칙적이고 2～20[Hz]영역의 플리커 주파수를 가지고 있다고 발표되었다.[13]다른 연구 결과는 플리커는 10～ 40CPS의 주기로 발생이 되고 최대 강도를 나타내는 주파수 대역은 25CPS로 발표 되었다.이 현상은 태양광,형광등,기타 이와 유사한 적외선 방사 요인으로 부터 불꽃을 구별하는 방법으로서 적외선 화재 감지기에 적용되는 불꽃의 중요한 특성 중 하나이다.Fig.2.7은 탄화수소의 가스 또는 증기가 연소시 주파수와 Flicker의 강도 관계 특성을 보여주고 있다[14].
Fig.2.7 Flickerfrequency
화원의 크기와 플리커 주파수와의 관계는 연소 면적의 크기와 반비례적인 관계 를 가지고 있음이 발표되었다[15.16].불꽃의 플리커링 현상은 주위 공기와 Fire Plume사이 경계층에서의 연소 과정과 일시적인 연소 중지현상 사이 상승 구조에 의한 결과임이 밝혀졌다.가연성 가스와 공기와의 혼합구조(mixing structure)에 의 해 지배적인 특성을 가지며 불꽃 베이스 부근에서의 불꽃의 주기적인 생성과 소멸 현상이 플리커 주파수로 표현되며 식 (2.1)과 같다.
F = A D-n (A:상수 0.85～1.83,n:상수 0.5～0.63D:Pool의 직경) (2.1)
제 2절 광 계측 센서의 검출 원리 및 종류
1.광 계측 센서와 관련된 기본 물리학적 법칙
광으로서 인간의 눈에 느껴지는 가시광선(파장 400～760nm)을 중심으로 한 자외 선(100～400nm)및 근 적외선(760～2000nm)은 생활,산업,과학 등의 분야에서 깊이 인간 생활과 밀착하고 있다.
Fig.2.8Wavelengthofrays
광센서의 종류는 검출하려는 광의 파장 범위를 기준으로 자외선,적외선,가시광 선 센서로 분류가 된다.이러한 빛을 검출하여 전기 신호로 변환시키는 센서는 그 필요성 때문에 재료,형태,동작 원리가 서로 다른 것이 목적에 대응하여 개발,사 용되어 왔다.또 특성적으로도 파장 영역,응답 속도,출력 신호 레벨,공간 분해능 등 용도에 따라 요구를 만족시키기 위하여 수많은 연구,개량이 행해지고 있다.또 한,센서는 광전 변환 원리에 의하여 광전자 방출효과,광도전효과,광기전력효과 등의 소자로 분류된다[17～19].
가.광도전 효과와 광도전형 센서
광도전 효과(photoconductiveeffect)는 반도체 에너지대의 금지대폭보다 큰 에너 지의 빛이 입사되어 전자-정공 쌍(electron-holepair)을 생성하고 생성된 전자 및 정공의 증가에 의하여 반도체의 도전율이 변화되는 현상이다. Fig.2.9에 나타낸 것처럼,캐리어의 여기가 밴드 사이에서 일어나는 진성(眞性)광도전 효과(intrinsic photo-conductivity)와 금제대 안에 존재하는 불순물 준위와 밴드 사이의 특정 레 벨에서 일어나는 외인성 광도전 효과(extrinsic)로 나뉜다.
Fig.2.9 Energybandofphotoconductiveeffect
진성 광도전 효과는 빛을 조사하지 않을 때 반도체의 도전율 σ0는
σ0=e(n0μn+p0μp) (2.2)
로 주어진다.여기서 n0,p0는 열적 평형 상태에서의 전자와 정공의 농도,μn,μp는 전자와 정공의 이동도,e는 단위 전하를 나타낸다.이 반도체에 빛을 조사하면 반 도체 내부에 전자-정공 쌍이 발생한다.단위 체적에 매초 f개씩의 전자-정공쌍이 발생 되고 τn,τp는 각각 전자와 정공의 수명이라 하면,전자와 정공의 농도가 각각
Δn=fτn,Δp=fτp 만큼 변화 하게 되고 전체 도전율의 변화 Δσ는
Δσ = e(Δnμn+Δpμp)=ef(τnμn+τpμp) (2.3)
가 유도된다.
(1)CdS형 광도전 셀
대표적인 광도전형 센서는 광도전 셀(cell)로 CdS,CdSe광도전 셀은 CdS,CdSe 분말을 세라믹 기판에 CdCl2,CuCl2와 함께 도포하고 열처리하여 소결시킨다.
CuCl2첨가는 Cd가 Cu로 치환하여 불순물 준위가 형성되어 광도전성을 증대 시킨 다.CdS 광도전 셀은 빛이 광도전체에 입사되면 내부 저항 값이 감소되는 특성을 가진다.일반적으로 CdS는 520nm,CdSe는 720nm에서 최대 감도를 갖는다.또한 CdS와 CdSe를 혼합하면 520～720nm의 파장을 변경하여 검출할 수 있다.
(2)PbS형 광도전셀
PbS 형 광도전셀은 광도전체로 PbS,PbSe를 사용하며 PbS는 2.2㎛,PbSe는 3.8
㎛의 빛에서 최대 감도를 가지며 1～3㎛일 때,광 검출기로 적합하다.PbS 센서는 같은 파장 영역의 다른 검출 소자에 비해 검출 비율이 높고,저렴하므로 폭넓게 이 용되고 있다.최고 감도 파장은 2㎛～2.6㎛이고,냉각함으로써 특성이 향상되고,음 의 온도계수(4×10-4eV/℃)를 가진 파장 특성에 의하여 장파장 측에 감도를 갖도록 한다.PbSe센서는 여러 가지 공해 물질의 흡수 파장을 커버한다.주위 온도에 의 해 저항,감도,응답 특성이 크게 변하기 때문에 온도 보상을 하며,회로 상에서 보 상할 수 없으므로 항온 유지가 필요하고,상온보다 낮은 온도로 일정하게 유지되어 서 사용하는 전자 냉각형 센서로 사용된다.이것은 근적외선 영역에서 실온 동작이 가능하며 방사 온도계,적외선 분광 광도계에 응용된다.
나.광기전력 효과와 광기전력형 센서
광기전력 효과(photovoltaic effect)는 p형 반도체와 n형 반도체의 p-n접합에서 공핍층에 빛을 조사하면 광전 효과 현상으로 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되고,전자는 n영역으로 정공은 p영역으로 이동하므로 전자와 정공의 확산에 의해 기전력이 발생하는 현상이다.p-n 접합을 외부 회로에 연결하면 광 조사량에 비례하는 단락 전류가 흐르고 외부 회로를 열면 여기(excite)된 전자는 n영역에,정 공은 p영역에 축적되어 n영역은(-),p영역은(+)로 대전 된다.반도체 안에서의 빛의 흡수는 아래의 식에서 정의되는 흡수 계수 α(λ)의 크기에서 정의된다.
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)x] (2.4)
여기서 I0(λ)는 파장 λ의 입사광 강도,I(λ)는 두께 x를 투과했을 때의 광 강도 (photointensity)이다.
p형 반도체와 n형 반도체의 광흡수 과정에는 여러 가지가 있지만 광 에너지 hν (ν는 진동수,h는 플랭크 정수)가 금제대폭 Eg보다 큰 경우,가전자 간의 결합이 절단되어 전도대에 수많은 전자,가전자대에 전자와 같은 수의 정공이 생성된다.
광 에너지의 입사에 따른 전자-정공의 변화에 대한 에너지 대역을 아래 Fig.2.10 에 나타내었다.
Fig.2.10Energybandwhenphotoincidence
p-n 접합 에너지대에서 영역 A나 D에서 광 조사에 의해서 생성되는 전자와 정 공은 접합의 경계 부근까지 확산되어 가지만,경계 부근의 내부 전계를 위해서 전 자는 n측에 정공은 p측으로 분리 된다.경계 부근의 영역 B나 C에서 생성되는 전 자-정공은 내부 전계에 의해서 곧바로 분리된다.이 결과로 p측의 전극에는 정공 이,n측의 전극에는 전자가 모여서 p-n 양 끝에 기전력이 생겨 외부 회로로 전류 를 끄집어낼 수 있다.포토다이오드,애벌런치 포토다이오드(avalanchephotodiode),포 토트랜지스터,광전효과 트랜지스터,광 사이리스터(thyristor)등이 대표적이다.
(1)포토다이오드(PhotoDiode,PD)
광기전력 효과를 이용하는 대표적인 소자로 빛은 p+층에 입사되고 n+층은 n형과 금속과의 ohmic접촉을 위한 것으로,포토다이오드를 희망하는 파장대의 빛에 응 답을 위해 에너지 갭을 고려하여 GaAsP 등이 사용된다.분광 특성은 최대 피크는 장파장 또는 단파장 쪽으로 갈수록 감소하며,장파장에서 빛은 반도체 내에서 흡수 하지 못하고 투과하여 전자-정공 쌍을 생성하지 못하며,단파장에서는 재결합한다.
구 분 특 성 용 도
schottkyphotodiode -고자외선 감도 -저압전류
분광 반도체,비색계 광전 스위치 PN photodiode -입사광량과 출력전류 선형성 양호
-400～1000nm에서 감도 카메라 노출계
PIN photodiode
-고속응답
-입사광량과 출력전류 선형성 양호 -400～1000nm에서 감도
리모콘 팩시밀리 광통신(단거리)
avalanchephotodiode
-고속응답
-고주파에서 S/N 양호 -증폭기 있음-고감도 -400～1000nm에서 감도
광통신(단․중거리)
schottkyjunctiontype -단파장에서 고감도 He-Ne레이저 광센서(분석장치) Table2.1Typeofphotodiode
일반적으로 포토다이오드는 자외선-근적외선 영역에서 사용된다.수광 영역은 접 합의 종류에 따라서 다르나,일반적으로 100～1100nm의 파장 영역에서 사용할 수 있고 700～900nm에서 최대 감도가 된다.입사광에 대한 광전류 출력의 직선성이 양호하며,입사광량에 대한 출력 전류의 직선성이 우수하다.신뢰성이 높고 수명이 길며 온도에 대한 특성 변화와 출력 분산이 적은 특징을 가지고 있다.
(2)포토트랜지스터(PhotoTransistor)
빛의 조사에 의해 베이스(Base)에 전자-정공쌍이 발생하면 전자는 확산에 의해 컬렉터(Collector)로 빠져나가 재결합한다.정공은 베이스에 축적되어 베이스가(+) 전하로 되고,E-B 사이는 순방향 바이어스로 E에 많은 전자가 베이스에 주입된다.
전자는 매우 얇은 베이스 영역을 통과해서 컬렉터로 들어가 컬렉터 전류가 흐른다.
현재 가장 많이 사용되는 수광 소자로서 일반적으로 500～600nm의 파장 영역에 서 사용할 수 있고,특히 800nm 부근에서 최대 감도를 갖고 있다.포토다이오드에 비해 출력되는 광전류가 크고 신호는 동일 칩 내에서 증폭되고 있으므로,전기적 노이즈도 적고 큰 S/N 비를 얻을 수 있다.또한 전류 증폭률이 크고 소형화가 가 능하다.포토다이오드에 비해 입사광에 대한 광전류의 직진성이 나쁘며,고감도인 것일수록 응답 속도가 늦고 포화 전압이 높은 결점이 있다.
(3)접합형 센서
InAs,InSb 센서는 1～5㎛ 영역에서 냉각함으로써 가장 높은 감도가 얻어지는 단결정 반도체 센서이다.InAs센서는 광기전력 형으로 실온에서 0.36eV,액체질소 에서는 0.41eV의 좁은 금지대를 갖고,1㎛에서 3㎛의 파장 영역에서 최고 검출 율 을 표시하며,노이즈(noise)는 화이트 노이즈가 주성분이다.InSb 센서는 3㎛～5㎛ 으로 고정도,고속 응답(high speedresponse)을 한다.상온에서 0.18eV,액체 질소 에서 0.23eV의 금제대를 갖고 있는데,실온에서는 열전자의 여기 때문에 센서로서 의 S/N은 잡히지 않는다.대표적인 응용으로는 적외선 분광 광도계,적외선 카메 라,가스분석기,방사 온도계 등 많은 분야에서 특수한 목적으로 사용된다.
다.광전자 방출 효과와 광전관형 센서
금속이나 반도체의 고체 표면에 충분한 에너지의 빛을 비추면 전자가 고체 표면 에서 외부로 방출 되는 현상으로 빛의 진동수가 한계 진동수보다 커지면 전자가 방출된다.방출된 전자를 광전자(photoelectron)라고 부르며,이 현상을 광전자 방출 효과(photoelectronemissioneffect)라고 한다.
광자의 조사로 금속에서 전자가 방출되는 경우에 관해서 보면 Fig.2.11(a)에서 전도대의 밑에서부터 진공 준위까지 전자를 내려고 하면 E라는 에너지가 필요하 다.그러나 0K에서는 금속 안에 자유전자는 페르미 준위까지 꽉 막혀 있기 때문에 금속 표면에서 전자를 끌어내려면 최소 Φ=E-Ef의 에너지가 필요하다.이 Φ를 그 금속의 광전자 일함수라 한다.이때 방출된 광전자의 속도를 v로 하면 식(2.5)과 같은 관계가 성립된다.
Fig.2.11EnergybandofPhotoelectronemission
Emax=1
2mv2=hν-Φ (2.5)
이것을 아인슈타인의 식이라 한다.방출 조건은 hν≥Φ 이기 때문에 이때의 최저 진동수 즉 한계 진동수 ν0및 한계 파장(thresholdwavelength)λ0는 아래의 식에서
ν0=Φ
h λ0=hc
Φ (2.6)
또한,Fig.2.11(b)는 반도체의 에너지 준위를 나타낸 것으로,Φ는 페르미 준위에 서 광전자 1개를 빼내는데 필요한 최소 에너지이고 Φf는 내부 일함수,Φe는 외부 일함수라고 한다.실제로는 반도체의 경우에는 광자를 흡수해도 여기자(勵起子:
exciton)를 만들어 광전자를 방출하지 못하는 것도 있다.
(1)광전관
광전관은 광전 음극이라고 불리는 광전자 방출면과 방출된 광전자를 수집하는 양극으로 이루어진 2극관이다.관내의 분위기가 고진공인 진공 형과 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 봉입한 가스 봉입형 등이 있다.일반적으로 가스봉입형 광전관 은 관내에 수십 Torr의 Ar등 가스가 봉입되어 방출된 광전자에 의해 가스가 이온 화하는 높은 인가전압 아래에서 이온화된 가스 분자는 전계에 의해 가속되어 음극 에 충돌하고 다시 2차 전자를 방출 시킨다.이 현상을 반복함으로써 광전류의 증배 가 이루어진다.
(2)광전자 증배관
미약한 빛을 측정할 경우 외부 회로에서 이것을 증폭하여 검출하는 방법은 잡음, 응답 속도에 대해 문제가 된다.미약한 빛을 고 이득,저 잡음,고속 응답,넓은 범 위로 검출하기 위해 광전관 내에 2차 전자 증배기를 내장시킨 것이 광전자 증배관 이다.
(3)UV tron
대표적인 광전자 방출 효과를 이용하는 UV tron은 자외선의 입사에 의하여 관내 에 방전이 일어나도록 만들어진 가스 봉입 전자관이다.용기는 자외선의 투과가 양 호한 석영 유리나 자외선 투과 유리로 만들어지고,광전 면은 Ni,Mo등 단금속이
사용된다.방전을 발생시키기 위한 광자 수는 비교적 적으므로 고감도,고속 현상 의 검출이 가능하다.아래 Fig.2.12는 UV 트론과 각종 스펙트럼의 비교를 나타낸 다.
Fig.2.12Spectrum ofUV Tron
라.초전 효과와 초전형 센서
초전 효과(pyroelectriceffect)는 어떤 종류의 강유전체의 결정에 열을 가하면 자 발 분극의 극성 변화에 의해 결정의 양단에 기전력이 발생하는 것을 말하고,이러 한 특성을 나타내는 물질을 초전도체(superconductor)라 한다.
대표적인 초전도체의 종류로는 삼황화글리신(TGS((CH2NH2COOH)․H2SO4)),세 라믹의 티탄산납(PbTiO3) 지르콘티탄산납(PZT(PbZr1-xTixO3)), 탄탈산리튬 (LiTaO3),플라스틱의 폴리플루오르화비닐(PVF2)등이 있다.
초전 재료의 온도 변화에 따른 분극의 변화를 Fig.2.13에 나타내었다.온도 변화 에 의해 결정에 생기는 전하(electriccharge)는 미소하지만 측정의 결과에 의하면 초전 효과를 이용한 센서는 온도 변화가 있을 경우에만 응답하게 되고,이것이 가 장 큰 특징으로 나타난다.온도 변화에 대한 자발 분극의 크기의 변화를 초전 계수 (pyroelectric coefficient)라고 하며,보통 사용되고 있는 재료에서는 12×10-8C/cm 2℃으로 나타난다.일반적으로 탄탈산리튬의 결정과 티탄산납의 결정,지르콘산티 탄산납의 세라믹이 양호한 열적 안정성이나 내구성을 나타내는 것으로 사용되고 있다.또한 플라스틱 초전 필름을 사용한 적외선 센서는 플라스틱 초전 필름 양면 에 금속 막을 증착해서 전극을 만들어 사용되고,가격이 싸서 인체로부터 방사되는 적외선 검출용 등에 사용된다.이들 소재는 특정 적외선 영역에 대한 흡수가 없으 므로 소재 자체에서 용도를 지정할 수는 없으며,특정 파장의 자외선에 대한 감도 는 센서 자체의 투과 창 재료에 의해 특정 파장을 투과시켜 특정 목적의 적외선을 소자 전면에서 열로 변환시켜서 얻어진다.
센서의 기본적인 구조는 Fig.2.14와 같이 특정 파장의 적외선을 투과시키는 창 재료와,적외선을 흡수하는 초전 재료,초전 재료를 올려놓는 베이스,초전 효과에 의해 발생한 전류를 전압으로 변환하는 저항,임피던스 변환을 하는 FET,센서 내 부 전자 부품을 보호하는 패키지로 구성되어있다.
구 성 종 류
소 자 재 료
단결정(LiTaO₃,LiNbO₃등) 세라믹(PZT,PT,PLZT 등) 유기필름(PVF₂등)
창 재 Si(1～2㎛),Ge(1.2～25㎛),폴리에틸렌
다층막 간섭 필름(4.3㎛밴드패스,7㎛롱패스 등)부착 소 자 구 조 Singleelement,Dualelement
패키지 구조 금속 패키지,플라스틱 패키지 Table2.2Typeofpyroelectricinfraredsensors
2.불꽃 감지기에 사용된 자외선․적외선 검출 센서
가.UV t r on 자외선 센서
UV Tron은 자외선을 투과하는 석영 재질의 유리관 속에 광전 물질을 부착한 광전 면과 작은 양극을 특정 간격으로 설치,유리관 속을 진공 또는 불활성가스를 넣은 전자관이다.
탄화수소의 성분을 함유한 가연물이 점화원에 의해 화재로 진전 될 때 화재 불 꽃의 스펙트럼 분포는 자외선 영역에서 0.185～0.2457㎛ 부근에서 최대 방사를 보 이는 현상학적 특징을 이용하여 이러한 특정 대역을 검출 가능한 센서의 선정이 선행 되어야 한다.
포토다이오드나 포토트랜지스터의 경우 반도체를 이용하여 소비 전력이 적고,구 동회로가 간단한 장점이 있으나,화재의 특성에 맞도록 특성화된 광전자방출 효과 를 이용한 UV Tron이 대표적으로 사용되고 있다.사용된 UV Tron의 외형과 구조 를 아래 Fig.2.15에 또한,UV Tron의 작동 원리와 전압 전류 특성을 아래 Fig.
2.16와 2.17에 나타내었다[20].
Fig.2.15StructureofUV Tron
Fig.2.16PrincipleofUV Tron Fig.2.17Voltage/CurrentofUV Tron
UV Tron은 260nm(185～260nm)또는 이보다 작은 파장대의 단지 자외선에 대 해서만 민감한 반응을 하는 센서이다.높은 민감도,고출력,고속 응답 등의 특징으 로,전기적인 방전 현상의 인식과 그리고 불꽃 검출을 위한 최적화된 센서이다.
또한,UV Tron은 민감도가 자외선의 매우 좁은 대역에 대해 제한적이고,모든 가 시광선에서 반응이 없는 것을 보여준다.
자외선이 UV글라스를 통과하여 지날 때,광전자는 광전자 방출효과에 의해 음극 의 표면으로부터 방출된다.적용된 전압에 의해 생성된 전기장에 의해 양극으로 떨 어져 나간다.전압이 낮아질 때,이 작동은 광전관과 같고,전류는 극도로 낮아진 다.만약 전압이 전계를 강하게 하기 위해 증가되어지면,광전자는 가속되고,이온 화된 분자와,가스 분자들과 충돌한다.광전자는 마침내 양극에 도달할 때까지 가 스 분자들의 충돌이 계속된다.이렇게 발생된 양이온들은 음극을 향해서 가속되어 지고,충돌의 결과로서 2차 전자들이 발생된다.이러한 현상이 반복됨에 따라서,큰 전류가 양극과 음극사이에 급속도로 발생되고,전기는 방전된다.이러한 현상을 가 스 증배라 하고,이 방전이 시작되는 전압을 UV Tron의 방전 개시 전압이라 부른 다.이러한 방전이 시작되면,관은 전자들과 이온들로 가득차고,전압은 음극을 통 하여 떨어지고,양극은 방전 시작 전보다 더욱 작아진다.UV Tron은 글로우 방전 에서 작동하지만,이 지역에서 방전 유지 전압 Vs는 방전 개시 전압 VL보다 떨어 진다.이 방전은 장치에 적용된 전압이 전해지기 전까지 계속되어진다.
광전면에 부착하는 광전 물질은 세슘(CS)-은(Ag),세슘-안티몬(Sb),세슘-텔루 르(Te),Multi알칼리 등이 사용되며 전극 판에 증착되어 있는 구조이다.회로는 양 극인 Anode와 음극인 Cathode회로에 연결된 저항 R에 과전류에 의한 전압 강하의 변화가 입사광의 변화를 나타내므로 이 전압의 변화를 이용한 것이다.상용화된 UV Tron의 특성을 Table2.4에 나타내었다.
GENERAL
Parameters Rating Units SpectralResponse 185～260 nm Window Material UV glass -
Weight Approx.1.5 g
Characteristics(at25℃)
Parameters Rating Units
SupplyVoltageMax. 400 Vdc
PeakCurrentMax. 30 mA
DischargeStartingVolt. 280 VdcMax.
RecommendedOperatingVolt. 325±25 Vdc RecommendedAverage
DischargeVolt. 100 ㎂
Background 10 cpm Max
Sensitivity 5000 cpm Typ.
Table2.3 CharacteristicsofUV Tron
나.초전형 적외선 센서( PI R sensor )
적외선(infra-red)이란 파장이 가시광선보다 길고,마이크로파 보다 짧은 전자파 로 적외선의 파장 범위는 0.76㎛에서 1mm 정도이며,특히 중요한 영역은 1.5㎛에 서 14㎛까지 이다.자연계에 존재하는 모든 물체는 그 온도에 따라서 적외선을 방 출하며 온도가 높은 것은 파장이 짧은 적외선을 온도가 낮은 것은 파장이 긴 적외 선을 방출 한다.이것은 어떤 온도에서 최대의 온도 복사를 하는 완전 복사체를 표 시하는 Flank법칙으로 알 수 있으며,반대로 적외선을 계측하면 대상의 온도를 구 할 수 있다.에너지를 흡수하면 물질의 온도가 변화하는 현상을 포착하는 열형(熱 型)과 광량자로서 광전 효과를 이용하여 직접 검지하는 양자형(量子型)으로 나눠진 다.열형의 종류로는 크게 서로 다른 종류의 금속 접합의 접합부에 온도 차이가 생 기면 열에너지가 전자의 운동을 활발하게 하고 동시에 미세한 전압의 확산으로 기 전력이 발생하는 제어벡 효과(see-backeffect)를 이용한 것으로 비스무트(Bi)와 안 티몬(Sb)처럼 서로 다른 2가지의 금속선 또는 박막을 직렬로 접속하여 온도 변화 를 검출하는 열전쌍형(thermopile)과 초전 효과(pyroelectriceffect)를 이용하는 초 전형 센서로 나누어진다.
초전 재료에 적외선이 입사하면 자발 분극의 미세한 극성 변화 효과에 의해 기 전력이 발생하는 초전 효과를 이용한 초전형 적외선 센서의 외형을 아래 Fig.2.18 에 나타내었다.
Fig.2.18StructureofIR sensor
GENERAL
Parameters Rating Units Windowsmaterials 4.3Bandpass ㎛ Detectertype Singleelement -
Weight Approx.2 g
Characteristics(at25℃)
Parameters Rating Units Operatingvoltage 3～15 Vdc
Operatingcurrent 1 mA
OperatingTemp. -20～+60 ℃
D* 1.2×108 cm Hz1/2/W
NEP (NoiseEquivalentPower) 1.5×10-9 W/Hz1/2
Noise 15 μV/Hz1/2 Max
Sensitivity 2000 V/W
Table2.4 CharacteristicsofPIR[21]
연소 과정에서 나타나는 불꽃은 넓은 스펙트럼 대역의 에너지를 방사시키고 가 시광선 외에 육안으로 볼 수 없는 파장대의 적외선과 자외선을 방사한다.
Fig.2.19Spectrum offlameandothersource
