Technology insights

표준 다중 가스 감지

NDIR(비분산 적외선) 가스 센서는 다중 가스 감지를 위해 점점 더 많이 적용되고 있으며, 단일 시스템에서 여러 가스를 동시에 측정할 수 있도록 합니다. 이 기능은 산업 및 의료 분야에서 특히 중요합니다. 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다.

• 다중 IR 광원: NDIR 시스템은 CO₂, CO, CH₄ 등 감지하려는 서로 다른 가스 각각에 맞게 조정된 특정 파장의 적외선(IR) 광원을 여러 개 사용합니다.
• 다채널 IR 검출기: 최신 시스템은 일반적으로 최대 8개 채널의 다채널 검출기를 사용하며 (Insights 24/04 참조), 각 채널에는 특정 대상 가스에 맞춘 서로 다른 대역 통과 필터가 적용되어 여러 파장의 신호를 동시에 포착할 수 있습니다.

이러한 NDIR 다중 가스 센서들은 모든 채널에 대해 흡수 경로 길이가 고정되어 동일하다는 점 때문에(그림1) 성능상 몇가지 한계에 직면합니다. 이는 특히 다중 가스 센서의 동적 범위, 측정 범위 및 검출 한계에 영향을 미칩니다.

조절 가능한 흡수 경로 길이

그러나 각 가스는 고유한 흡수 계수를 가지고 있으며, 가스 혼합물 내에서 농도가 제각각이며, 용도에 따라 준수해야 할 배출 및 노출 한계치도 다릅니다. 따라서 각 스펙트럼 채널별로 흡수 경로 길이를 조정할 수 있다면 NDIR 다중 가스 센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

새로운 NDIR 다중 가스 센서 접근 방식은 단일 광학 경로(그림2) 내에서 서로 다르게 조정 가능한 흡수 경로 길이를 구현합니다. 이 방식은 단일 요소 검출기를 사용하며, 각 검출기는 광학 경로의 반사 지점에 배치됩니다. 각 반사 지점에서 스펙트럼 필터는 좁은 파장 대역(특정 가스에 해당)은 후방에 배치된 검출기로 통과시키고, 나머지 광대역 복사 에너지는 다음 반사 지점을 향해 광학 경로로 되돌려 보냅니다(그림3). 이 시스템은 모듈식으로 설계되어 경로 길이와 대상 가스의 조정이 간단하며 비용 효율성도 뛰어납니다. 또한, 측정 범위, 검출 한계, 비용 등 필요한 조건에 따라 초전형(pyroelectric), 열전쌍형(Thermopile), 심지어 광음향형(photoacoustic) 검출기 등 다양한 IR 검출기 유형을 동시에 사용할 수 있도록 합니다.

전통에서 혁신으로

전통적으로 백열등과 같은 고온 적외선(IR) 방출기는 코일형 텅스텐 와이어와 유리로 만든 하우징으로 만든 깨지기 쉬운 방사 요소를 사용하여 광 방출을 단파장 적외선(SWIR) 또는 근적외선(NIR) 범위로 제한합니다. 그러나 견고한 금속 시트 필라멘트와 사파이어 창을 사용하는 차세대 고온 열 IR 방출기(그림 1)는 이 범위를 파장 6마이크론까지 확장하여 SWIR 및 중파장 적외선(MWIR) 스펙트럼을 모두 포함합니다.

차세대 고온 IR 방출기

독특하고 특허받은 금속 시트 필라멘트 기술(Insights 24/02 참조)은 견고성과 효율성이 높은 평평하고 독립형의 IR 방출기 필라멘트를 제공합니다. 표준 MEMS 제조 공정을 사용하여 대형 발광 표면을 다양한 크기와 기하 구조로 쉽게 커스터마이징할 수 있습니다. 고온 작동을 위한 핵심 기능은 SOLIDSEAL® 기술이 제공하는 밀폐형 하우징입니다. 사용 가능한 표준 유리 패키지 외에도 IR 방출기에 납땜 사파이어 창을 장착하여 스펙트럼 방출을 상당히 더 높은 파장으로 확장할 수 있습니다(그림 2). 사파이어의 경도와 환경 요인에 대한 내성은 특히 주변 압력과 온도가 낮은 혹독한 조건에서도 방출기를 더욱 견고하게 만듭니다.

프로젝트에 탁월한 성능을 제공하세요

발광 표면의 광학 이미징이 필요한 적외선 분광법과 같은 기존 분석 응용 분야에서 금속 시트 필라멘트는 안정적이고 재현 가능한 필라멘트 위치를 제공하고, 시간이 많이 걸리는 램프 위치 지정의 필요성을 없애고, 신뢰할 수 있고 매우 정확한 측정을 보장하기 위해 높은 광출력 전력의 핫스팟을 제공합니다.

이 새로운 IR 방출기의 탁월한 성능은 향상된 이미징 및 적외선 추적, 액체의 비접촉 증발(그림 3) 또는 적절한 광학 초점이 있는 비접촉 포켓 라이터(그림 1)와 같은 비분석적 응용 분야에서 새로운 가능성을 제공합니다.

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가스 농도를 측정하는 일반적인 방법

비분산 적외선(NDIR) 가스 분석(그림 1)은 다양한 산업, 환경 및 의료 응용 분야에서 가스 농도를 감지하고 정량화하는 데 널리 사용되는 기술입니다. 그러나 NDIR 가스 센서는 특히 낮은 가스 농도를 측정할 때 감도와 정확성에 한계가 있었습니다. 이러한 현상은 주로 적외선(IR) 소스 및 검출기 구성 요소의 성능 제약으로 인해 발생하며, 와이어 필라멘트 및 Si-MEMS 이미터와 같은 기존 적외선 소스는 광출력 전력과 신호 안정성이 제한되어 있어 신호 대비 잡음비가 낮고 측정 감도가 떨어짐으로 인해 발생합니다.

고성능 IR 이미터

INFRASOLID는 매우 정확한 NDIR 가스 분석을 위해 특별히 설계된 표준 산업용 TO-8 하우징에 고성능 열적외선 방출기 제품군인 HISpower 시리즈를 개발했습니다. 탁월한 성능을 입증하기 위해 INFRASOLID의 HIS2000R-CWC300 IR 이미터와 세계 최초의 8채널 초전기 검출기인 InfraTec LRM-278을 활용하는 NDIR 시연 장치가 구축되었습니다(그림 2). IR 소스의 매우 높은 방사 전력은 높은 검출기 신호를 생성하므로 추가 신호 증폭이 필요하지 않습니다(그림 3). 이로써 추가 신호 처리를 위해 아날로그 검출기 신호를 디지털 신호로 직접 변환할 수 있으며 전자 장치 및 신호 처리가 최소한으로 줄어들어 추가 소음 원인이 제거되고 제조 비용이 절감됩니다. 또한 2~20µm의 넓은 파장 범위는 광범위한 산업, 환경, 의료 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

NDIR 가스 분석의 한계를 뛰어넘다

고성능 IR 구성 요소는 NDIR 가스 분석에서 중요한 역할을 합니다. IR 소스와 IR 검출기의 최적화된 조합을 통해 NDIR 가스 분석의 영역을 넓힐 수 있으며 이러한 방식을 통해 배출 모니터링 및 누출 감지와 같이 가장 낮은 가스 농도를 측정해야 하는 응용 분야에서도 새로운 법적 규정을 충족할 수 있습니다.

탄화규소(SiC) 글로바

탄화규소(SiC) 글로바는 IR 분광법용 측정 장치에서 가장 일반적으로 사용되는 적외선(IR) 광원입니다. 높은 방출률을 특징으로 하며 일반적으로 1200K에서 1600K 범위의 고온에서 작동하여 중간 및 먼 IR 범위에서 높은 광출력 신호를 생성합니다. 그러나 이러한 세라믹 기반 IR 소스는 이상적인 흑체 방출기가 아니며 특히 파장이 10µm 이상인 먼 IR 및 테라헤르츠(THz) 범위에서 그렇습니다(그림 1).

흑체 복사

적외선 방출기의 높은 광 출력은 높은 방사율, 넓은 방출 영역, 그리고 고온의 조합을 통해 달성되며, 이는 슈테판-볼츠만 법칙에 의해 설명됩니다. 그러나 플랑크의 복사 법칙과 빈의 변위 법칙에 따르면 작동 온도가 증가하면 흑체 복사의 피크 강도가 짧은 파장으로 이동하고 긴파장에서 광출력 증가에 미치는 영향이 적다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 따라서 원적외선 및 테라헤르츠(THz) 범위에서 최적의 성능을 달성하려면 방사율을 최대화하고 상당한 방사 영역을 보장하는 것이 가장 중요합니다.

블랙 코팅의 Al2O3 세라믹

원적외선 및 THz 범위에서 세라믹의 방사율을 높이기 위해 새로운 검은색 코팅이 개발되었습니다. Al2O3와 같은 세라믹의 양면에 적용할 수 있으며(그림 2) 흑체와 비슷한 방사율을 특징으로 합니다(그림 1 참조). 이 검은색 코팅으로 1200K 이상의 작동 온도가 가능하며 표준 SiC 글로바(그림 3)에 비해 더 높은 신호가 발생합니다.또한 더 높은 방사율로 인해 작동 온도가 감소하고 여러 가지 이점이 있습니다.

FT-IR 분광법의 이점

FT-IR 분광기와 같은 측정 기기에서 IR 방출기의 낮은 작동 온도는 많은 이점을 제공합니다: 낮은 온도 드리프트, 더 높은안정성 및 수명, 더 빠른 측정, 화재 위험 감소, 생물학적 응용 분야에 관련된 샘플 가열 없음 등.

텅스텐 전구 - 광대역 표준

텅스텐(할로겐) 램프는 일반적으로 근적외선 파장 범위에서 흡수 분광법의 광원으로 사용됩니다. 그 이유는 광범위한 복사스펙트럼(그림 1) 때문입니다. 또한 CO2 및 탄화수소 측정과 같은 대량의 가스 감지 응용 분야에도 사용됩니다. 그러나 약하고 얇은 와이어 필라멘트는 이상적인 광원의 모든 요구 사항을 충족하지 못합니다. 신뢰할 수 있고 매우 정확한 측정을 보장하기 위해 안정적이고 재현 가능한필라멘트 위치가 중요합니다. 이러한 안정성을 달성하려면 전구의 복잡하고 고정밀 제조가 필요합니다. 충격과 진동으로 인해 램프 강도가 깜빡거리고 측정 정확도가 제한될 수도 있습니다. 실제 응용 분야에서는 백열전구를 올바르게 배치하는 데 시간이 많이 걸리는 노력이 종종 필요합니다.

필라멘트 개선

필라멘트의 광도 특성은 주로 그 기하학적 구조에 의해 결정됩니다. 선호되는 광원은 정사각형 발광 표면이 있는 평평한 필라멘트입니다. 방출된 빛의 대부분은 필라멘트의 평평한 표면에서 수직으로 방사되어 최대 효율을 위해 수집 광학 장치와 정렬됩니다. INFRASOLID의 고유한 방출기 기술은 단일체 고융점 금속으로 만들어진 독립형 금속 시트 필라멘트를 제공하며 근적외선 및 중적외선 범위에서 광범위한 스펙트럼의 빛을 방출합니다(그림 2). 진동 및 충격 시 모든 공간 방향으로 움직일 수 있는 텅스텐 와이어 필라멘트와 달리 금속 시트 필라멘트는 고정된 종이 시트와 유사하게 한 축을 따라 매우 제한적으로만 움직입니다. 이를 통해 더 높은 기계적 및 광학적 안정성이 제공되어 혹독한 환경에서 더 정확한 측정이 가능하고 핸드헬드 장치로 측정할 수 있습니다. 또한 시간이 많이 소요되는 램프 위치 조정이 필요 없습니다.

고객 사양 맞춤형

금속 시트 필라멘트는 다양한 크기와 기하 구조로 제조할 수 있어 고객별 애플리케이션에 쉽게 적용할 수 있습니다. 금속 시트 필라멘트의 면적이 클수록 광학 출력이 높아집니다.(그림 1 참조). 근적외선 및 중적외선 스펙트럼 범위에서 광대역 방출 LED의 가용성이 매우 제한되어 전구와 같은 열 방출기가 흡수 분광 애플리케이션의 표준 광원으로 계속 사용될 것입니다.

SMD 패키지의 적외선 이미터

SMD는 Surface Mount Device의 약자로 인쇄회로기판(PCB) 표  면에 직접 실장되는 전자 부품을 말합니다. 이러한 SMD 패키지는 적외선(IR) 광학 부품의 표준인 기존의 스루  홀 패키지보다 더 작고 효율적으로 설계되었으며 사이즈, 비용, 성  능 및 조립시 자동화의 용이성 등의 장점을 갖추어 현대 전자 제품  제조에 필수적인 사양이 되었습니다.

INFRASOLID의 고유한 특허인 적외선 이미터 기술을 사용하면 다  양한 SMD 패키지에서 고효율 및 소형 열 IR 이미터를 제작할 수 있  습니다. 그림 1과 같이, 높은 기술 수준의 소형화로 인해 개별적으  로 제어 가능한 요소를 갖춘 IR 이미터 매트릭스의 컴팩트한 배열이  가능해졌습니다. SMD 패키지 IR 이미터는 광대역 방사선 스펙트  럼을 특징으로 하며 다양한 필터 창을 장착하여 다양한 파장을 방출  할 수 있습니다. 즉, 다양한 색상을 표시할 수 있습니다.

자동화 및 대용량 애플리케이션

SMD 기술은 PCB 조립의 효율성과 자동화에 기여하여 생산률을  높이고 오류와 낭비를 줄여주어 비용을 절감할 수 있습니다. SMD  컴포넌트는 크기가 작고 PCB와 접촉하는 표면적이 넓기 때문에 물  리적 충격과 진동에 더 강한 경향이 있습니다. 이러한 작은 사이즈  덕분에 PCB의 컴포넌트 밀도를 높일 수 있어 전자 장치를 더 작고  컴팩트하게 만들 수 있습니다. 따라서 SMD 적외선 이미터는 가스  감지, 재료 분석 및 원격 감지를 위한 휴대용 제품 및 무선 장치와  같은 완전히 새로운 애플리케이션의 길을 열어줄 것입니다.

원격 감지 애플리케이션

SMD IR 이미터 배열(예: 3x3 요소)를 사용하면 그림 2와 같이 원  격 감지 응용 분야의 통신 및 식별과 광학 시스템의 정밀한 정렬을  위해 다양한 IR 문자를 생성할 수 있습니다. 또한 까다로운 시각적  조건, 열악한 환경 및 장거리에서도 감지가 가능합니다.

먼저 적외선 다이스로 시작하여 응용 분야에 SMD IR 이미터를 적  용해 보십시오!