KR102106091B1 - 광 회로형 유류 검사 센서 장치 및 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
광 회로형 유류 검사 센서 장치가 개시된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류 검사 센서 장치는, 단파장을 발생시키는 광원부; 상기 광원부에서 발생된 광신호를 입력받아 기준 광신호와 센싱신호를 출력하는 센서부; 상기 기준 광신호를 입력받아 기준 광출력 신호를 출력하는 제1 광검출부; 상기 센싱 신호를 입력받아 센싱 광출력 신호를 출력하는 제2 광검출부; 상기 기준 광출력 신호와 센싱 광출력 신호를 입력받아 연료의 특성을 판단하는 연산제어부; 상기 연산제어부의 결과를 받아 출력하는 출력부; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류 검사 센서 장치는, 단파장을 발생시키는 광원부; 상기 광원부에서 발생된 광신호를 입력받아 기준 광신호와 센싱신호를 출력하는 센서부; 상기 기준 광신호를 입력받아 기준 광출력 신호를 출력하는 제1 광검출부; 상기 센싱 신호를 입력받아 센싱 광출력 신호를 출력하는 제2 광검출부; 상기 기준 광출력 신호와 센싱 광출력 신호를 입력받아 연료의 특성을 판단하는 연산제어부; 상기 연산제어부의 결과를 받아 출력하는 출력부; 를 포함한다.
Description
본 발명은 광 회로형 유류 검사 센서에 관한 것으로서, 자동차의 연료유로 사용되는 유사 휘발유를 광신호의 광학적 특성을 이용하여 판별하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치 및 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 유사 연료유(유사휘발유)가 시중에 정상 연료유로 둔갑하여 판매되고 있어서 심각한 사회적 문제로 부각되고 있다. 2013년 한국석유관리연구원에 의하면 유사 연료유의 연간 탈세액이 1조 이상으로 추정된다고 밝혔다. 유사 휘발유는 차량용 연료유(정상 연료유)와의 가격 차이만큼의 부당이득을 노려 자동차용 휘발유로 판매할 목적으로 휘발유와 유사하게 제조되는 제품을 말한다. 현행의 석유사업법에서는 자동차관리법 제2조 제1호의 규정에 의한 자동차와 동법시행령 제2조 각호의 규정에 의한 기계 및 차량 (휘발유를 연료로 사용하는 것)의 연료로서 자동차용 휘발유에 다른 석유제품 (석유제품의 종류간 또는 등급이 다른 석유제품 간의 혼합 포함) 또는 석유화학제품을 혼합하거나 석유화학제품에 다른 석유화학제품을 혼합하는 등의 방법으로 제조된 제품을 유사휘발유로 정의하고 있다. (石油事業法 제26조 및 同法시행령 제30조)
최근 유통되고 있는 유사 휘발유는 용제 (공업용 휘발유)에 톨루엔을 포함하는 방향족 화합물, 메탄올과 같은 알코올계 석유화학 제품을 적당 비율로 혼합하여 제조되고 있으며, 정상 휘발유와 일정 비율로 혼합되어 유통되고도 있다.
유사 연료유의 검사 방법으로는, GC/MS (Gas Chromatography-Mass Spectroscopy)나 FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy)과 같은 장비를 이용하여 구성 성분 분석 기반으로 검사하는 방법이 사용된다.
그러나 이러한 성분 방법은 장비 사용 비용, 시간, 접근성 등의 유효성 측면에서 실시간으로 검색을 하는 데 한계성을 내포하고 있는 상황이다.
또한, 종래 적외선 분광 분석과 같은 원리를 이용하여 화학물질의 특정 물질의 파장 도출을 측정하는 방법이 개발되고 있으며, 휘발유 성분에 반응하여 색이 변하는 하나 이상의 발색 염료를 이용하여 판별하는 방법에 대한 연구도 꾸준히 진행하고 있다.
이에 대한 종래 기술로는 대한민국 등록특허공보 10-1170932호(폴리아크릴산 매트릭스를 포함하는 폴리다이아세틸렌 함유 폴리머 센서 섬유를 이용한 유사휘발유 검지 방법 및 이를 이용한 유사휘발유 검지 장치)에서는 유사휘발유의 제조에 첨가되는 특정 성분인 톨루엔에 선택적으로 반응하는 폴리머 섬유를 활용하여 육안으로 쉽게 판별하는 기술이 소개되고 있다.
또한, 대한민국 실용신안등록공보 20-0445853호(연료유 검사 장치)에서는 유사 연료유에 첨가되는 톨루엔, 신너, 바이오 디젤 등의 성분이 가지는 광학적 특성(특정 파장의 고유 흡수율)을 이용하여 적외선 광원, 셀홀더, 검지부, 연산부, 표시부로 구성된 휴대형 연료유 검사 장치로 유사연료유를 판별하는 기술이 개시된다.
이와 같이 최근 유사 연료유를 판별하는 기술은 측정 대상 연료유를 채취하여 유사 연료유에 포함되는 톨루엔 등의 방향족 화합물을 검출하는 방법으로 진행되고 있다.
휘발유는 6-10 정도의 탄소를 가진 탄화수소의 혼합물이다. 원유 구성 물질들의 분자 구조를 보면 곧은 사슬 모양의 탄화수소가 많아서 노킹이나 쉽게 점화되는 문제를 발생시킨다. 이에 따라 정유회사에서는 고리 모양의 벤젠이나 톨루엔을 넣어서 옥탄가를 어느 정도 올라가게 하여 자동차 엔진에 쓸 수 있도록 생산하고 있다.
그러므로 정유회사에 따라 함량 구성비는 차이가 있으나 정품 휘발유에도 톨루엔 등의 방향족 화합물이 존재하게 된다. 따라서 톨루엔 성분의 유무에 따른 정성적 판별만으로는 유사 여부를 정확하게 판별하는 데 한계성을 내포하고 있다.
또한, 수시로 등장하는 유사 연료유 샘플을 수거하여 연구실에서 검사하는 방식은 실시간 분석이 곤란하며, 가격이 비싸고 부피가 커서 장비를 현장에 설치하여 실시간으로 판별하는데 어려움이 있다.
이에 따라 유사 휘발유의 특성을 실시간 정량적으로 대비할 수 있으며, 휴대가 간편하고 저렴한 유류 검사장치가 요구된다.
본 발명은 광 회로를 이용한 광 회로형 유류 검사 센서 장치 및 검사 방법에 관한 것으로서, 이에 대한 광분기 구성에 대한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 KR 2005-0015933호에 개시된다.
본 발명의 목적은 유사 연료유의 제조에 첨가되는 톨루엔의 광학적 특성을 활용하여, 시험 연료유를 정량적으로 측정함으로써 실시간으로 유사 연료유를 판별하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치 및 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유류성분이 포함된 유사 연료유의 판별센서를 평면 광 회로형의 고집적 구조로 제작할 수 있는 광 회로형 유류검사 센서 장치 및 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 단파장을 발생시키는 광원부; 상기 광원부에서 발생된 광신호를 입력받아 기준 광신호와 시험 유류에 대한 센싱신호를 출력하는 센서부; 상기 기준 광신호를 입력받아 기준 광출력 신호를 출력하는 제1 광검출부; 상기 센싱 신호를 입력받아 센싱 광출력 신호를 출력하는 제2 광검출부; 상기 기준 광출력 신호와 센싱 광출력 신호를 입력받아 연료의 특성을 판단하는 연산제어부; 및 상기 연산제어부의 결과를 받아 출력하는 출력부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치가 제공된다.
또한, 상기 센서부는, 상기 광원부로부터 발생된 광신호를 입력받는 광입력부; 상기 광입력부로부터 입사한 광신호를 균등하게 제1, 2 광신호로 분기시키는 광분기부; 상기 제1 광신호를 입력받아 상기 기준 광신호를 출력하는 기준채널부; 및 상기 제2 광신호를 입력받아 상기 시험 유류를 통과시켜서 센싱 광신호를 출력하는 센싱채널부; 를 포함하며, 평면형 광 회로형 센서소자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준채널부는, 상기 제1 광신호가 통과되는 제1 코어층; 상기 제1 코어층 상부에 형성되는 제1 상부 클래드층; 및 상기 제1 코어층의 하부에 형성되는 제1 하부 클래드층; 을 포함하며, 상기 제1 코어층은 상기 제1 상부 클래드층 및 제1 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱채널부는, 상기 제2 광신호가 통과되는 제2 코어층; 상기 제2 코어층 상부에 형성되는 제2 상부 클래드층; 상기 제2 코어층의 하부에 형성되는 제2 하부 클래드층; 상기 제2 상부 클래드층 및 제2 코어층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 하부 클래드층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 을 포함하며, 상기 제2 코어층은 상기 제2 상부 클래드층 및 제2 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에서는 상기 센싱채널부는, 상기 제2 광신호가 통과하는 제2 코어층; 상기 제2 코어층 상부에 형성되는 제2 상부 클래드층; 상기 제2 코어층의 하부에 형성되는 제2 하부 클래드층; 상기 제2 상부 클래드층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 코어층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하며, 상기 제2 코어층은 상기 제2 상부 클래드층 및 제2 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 광검출부 및 제2 광검출부는 광출력의 세기 또는 광 투과율을 검출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부는 2.17um의 파장의 광신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 코어층 또는 제2 코어층의 굴절률은 1.42 ~ 1.48인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연산제어부는 기준 광출력 신호와 센싱 광출력 신호를 비교하여 유사 유류 여부를 판별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 형성 단계; 상기 기판 상부에 광입력부 및 광신호 분기부 형성단계; 및 상기 광신호 분기부에서 각각 분기되어 기준채널부 및 센싱채널부를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 센싱채널부는, 상기 기판 위에 형성되는 제2 하부 클래드층; 상기 제2 하부 클래드층 위에 형성되는 제2 코어층; 상기 제2 코아층 위에 형성되는 제2 상부 클래드층; 및 상기 제2 상부 클래드층 및 제2 코어층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 하부 클래드층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판 형성 단계; 상기 기판 상부에 광입력부 및 광신호 분기부 형성단계; 및 상기 광신호 분기부에서 각각 분기되어 기준채널부 및 센싱채널부를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 센싱채널부는, 상기 기판 위에 형성되는 제2 하부 클래드층; 상기 제2 하부 클래드층 위에 형성되는 제2 코어층; 상기 제2 코아층 위에 형성되는 제2 상부 클래드층; 및 상기 제2 상부 클래드층의 중간 구간에 형성되며, 내부가 상기 제2 코어층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 소자 제조방법이 제공된다.
또한, 상기 기준채널부는, 상기 기판 위에 형성되는 제1 하부 클래드층; 상기 제1 하부 클래드층 위에 형성되는 제1 코어층; 및 상기 제1 코아층 위에 형성되는 제1 상부 클래드층; 을 포함하며, 상기 제1, 2 코어층은 상기 제1, 2 상부 클래드층 및 제1, 2 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 재질로 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광회로형 유류성분 센서 구조 및 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 제조 방법에 의하면, 광학식 연료유 판별 장치를 고집적 소형 칩으로 내장하여 제작할 수 있고, 기본적인 리소그래피 공정 기술로 센서 제작이 가능하여 저비용으로 초소형 센서 제작이 가능하다.
또한, 고집적화에 따른 휴대성 및 연료유 판별이 요구되는 좁은 공간에 설치가 가능하고, 정량적 측정이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기준채널부을 통과한 제1 광신호를 연산제어부에서 제2 광신호의 광출력의 세기를 비교하는 기준신호 데이터로 제공되기 때문에, 광원의 노후화 및 광출력 변화에 따른 광신호 연산제어의 오차를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류 검사 센서 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서부의 기준채널부와 센싱채널부의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광회로형 유류검사 센서장치에서 광신호의 궤적에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 시뮬레이션 결과에 대한 광출력의 세기를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 기준채널부와 센싱채널부에 광신호가 통과하는 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서부의 기준채널부와 센싱채널부의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광회로형 유류검사 센서장치에서 광신호의 궤적에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 시뮬레이션 결과에 대한 광출력의 세기를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 기준채널부와 센싱채널부에 광신호가 통과하는 과정을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류 검사 센서 장치의 블록도이다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 광 회로형 유류검사 센서 장치(1)는 광원부(2) 센서부(3), 검출부(4), 연산제어부(5) 및 출력부(7)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 센서부(3)는 광원부(2)에서 발생된 광신호를 입력받아 기준 광신호를 출력하는 기준채널부(31)와 센싱신호를 출력하는 센싱채널부(32)를 포함한다.
상기 센서부(3)는 광 회로형 유류검사 센서 소자의 단일칩으로 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 상세한 설명에서 상기 센서부(3)는 광 회로형 유류검사 센서 소자를 의미한다.
광원부(2)에서 발생된 광신호는 센서부(3)에서 두 개의 광신호로 분기되어 하나의 신호는 센서부(3)의 기준채널부(31) 구간을 거쳐서 제1 광 검출기(41)로 진행한다.
또 다른 광신호는 센서부(3)의 센싱채널부(32) 구간을 통과 후 제2 광 검출기(42)로 진행한다. 사용되는 광신호는 특정 성분에 선택적으로 높은 흡수 특성을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광원부(2)의 광원은 유사 연료유 제조에 첨가되는 톨루엔의 흡수파장과 동일한 파장을 사용한다. 톨루엔은 2.17um의 파장에서 흡수율이 증가하는 광학적 특성이 있다. 따라서 센서구간을 통과하는 광신호는 유류성분에 포함된 특정 성분의 함유 농도에 의하여 특성이 변하게 된다. 두 개의 광 검출기 신호는 연산제어부(5)로 진행되며, 연산제어부(5)는 두 개의 광 검출기 신호를 입력받아 시료 연료유에 대한 광 투과율 또는 광출력의 세기를 대비하여 연료의 특성을 판단한다.
상기 연산제어부(5)는 기존 저장되어 있는 정상 연료유의 투과율 및 출력 세기 data와 비교하여 연료의 특성 결과를 출력부(7)를 통하여 표시부(미 도시됨)에서 표시되도록 제어한다.
상기 연료의 특성 결과는 기준 출력신호와의 차이의 정도를 저장된 데이터와 대비하여 판단할 수 있다.
또한, 출력부(7)는 검사 결과에 대한 출력 신호를 외부 단말기로 송신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 장치의 광 회로형 유류검사 센서 소자의 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 센서부(3)는 평면 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 단일 칩으로 제조될 수 있다.
광 회로형 유류 검사 센서 소자는 전단에 형성되는 광입력부(10), 광입력부의 후단에 형성되는 광신호 분기부(20), 상기 광신호 분기부(20)의 후단에서 분기되어 형성되는 기준채널부(31) 및 센싱채널부(32)를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 평면형 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 베이스는 특정 기판에 제작될 수 있으며, 기판은 glass, quartz, silicon 및 수지 등을 포함하는 기판 재료 중 어느 하나에 의해서 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류 검사 센서 소자는 기판에 광입력부와 광신호 분기부를 형성한 후, 기준채널부(31)와 센싱채널부(32)를 형성하는 과정으로 제조될 수 있다.
도 2를 참조하면, 광원부(2)에서 입사된 광신호는 센서부 소자의 광입력부(10)로 입사된다.
광입력부(10)로 입사된 광신호는 균일한 편파 특성을 가지는 광분배 소자의 광신호 분기부(20)에서 균등하게 제1, 2 광신호로 분기된다.
상기 제1, 2의 광신호는 각각 기준채널부(31) 및 센싱채널부(32)로 진행된다.
분리된 광신호 중에 제1 광신호는 기준채널부(31)로 진행되며 제1 광 검출기(41)에서 광의 출력 세기가 측정된다.
도 1, 2를 참조하면, 제1 광 검출기(41)에서 측정된 제1 광신호의 출력은 연산제어부(5)에 입력되며, 제1 광신호의 출력의 세기는 연산제어부(5)에서 센싱데이터를 비교하는 기준 신호로서 제공된다.
또한, 제2 광신호는 센싱채널부(32)로 진행하게 된다. 센싱채널부(32)로 분기된 제2 광신호는 제2 광신호 입력단(40)을 거쳐서 불연속적인 채널 구간 즉, 광신호가 유류성분에 노출되는 시료부(50)을 통과하게 된다. 시료부(50)을 통과한 제2 광신호는 제2 광신호 출력단(60)을 거쳐서 제2 광검출기(42)에서 광출력의 세기 또는 광 투과율이 측정된다.
제1, 2 광검출기는 광출력의 세기를 측정하기 위하여 포토다이오드 수광소자를 이용한 반도체 광출력 측정장치가 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서 상기 제1, 2 광검출기는 광 투과율(light transmittance)을 측정하며, 연산제어부(5)에서 제1, 2 출력신호를 비교하여 유사 연료유 여부를 판단할 수 있다.
이 경우 제1, 2 광검출기는 광 투과율 측정을 위하여 단색광에 대한 투과율을 측정하는 분광광도계가 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광원은 유사 연료유 제조에 첨가되는 톨루엔의 흡수 파장과 동일한 파장을 사용한다. 톨루엔은 2.17um의 파장에서 흡수율이 증가하는 광학적 특성이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 센싱채널부(32)에서 시료부(50)을 통과한 제 2광신호 출력단(60)은 시료부(50)의 분산각도와 산란 특성을 고려하여 센싱채널부(32)의 입력단(40)보다 일정 치수 크게 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기준채널부(31)을 통과한 제1 광신호를 연산제어부(5)에서 제2 광신호의 광출력의 세기를 비교하는 기준신호 데이터로 제공되기 때문에, 광원의 노후화 및 광출력 변화에 따른 광신호 연산제어의 오류를 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 광원의 출력이 일정한 범위에서는 상기 기준채널부는 생략될 수 있다. 즉, 기준채널부 대신 연산제어부(5)는 센싱데이터를 비교하는 기준 신호를 데이터베이스로부터 기준 광신호 출력을 제공받아 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 사용되는 광신호는 톨루엔, 벤젠, 크실렌 및 특정 성분에 선택적으로 높은 흡수특성을 가진다. 따라서 센서구간을 통과하는 광신호는 유류성분에 포함된 특정 성분의 함유 농도에 의하여 특성이 변하게 된다.
연산제어부(5)에서는 측정 연료유(시료)에 대한 광 투과율 또는 광출력의 세기를 기준신호 출력과 대비하여 유사 연료유 여부를 판별한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서부의 기준채널부와 센싱채널부의 구조를 도시한 것이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서부(3)의 기준채널부(31)의 구조를 도시한 것이다.
도 3(a), (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류 검사 센서 소자는 평면형으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 평면형 광 회로형 유류 검사 센서 소자의 베이스는 특정 기판에 제작될 수 있으며, 기판은 glass, quartz, silicon 및 수지 등을 포함하는 기판 재료 중 어느 하나에 의해서 제작될 수 있다.
도 3(a)를 참조하면 기준채널부(31)는 기판층(70), 기판층(70) 상부에 형성되는 하부 클래드(under clad)층(80), 하부클래드층(80) 상부에 형성되는 코어(core)층(90) 및 코어층(90) 상부에 형성되는 상부 클래드(upper clad)층(100)을 포함한다.
도 3(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서부의 센싱채널부의 구조를 도시한 것이다.
도 3(b)를 참조하면 센싱채널부(32)는 기판층(71), 기판층(71) 상부에 형성되는 하부 클래드층(81), 하부 클래드층(81) 상부에 형성되는 코어층(91) 및 코어층(91) 상부에 형성되는 상부 클래드층(101)을 포함하며, 상기 상부 클래드층(101) 및 코어층(91)의 중간의 일부 구간은 내부가 하부 클래드층 상부면 까지 요홈부 형상으로 절삭된 공간부로 이루어진 시료부(50)가 형성된다.
상기 공간부로 이루어진 시료부(50)에는 시험될 유류의 시료가 수용된다.
코어층(90, 91)은 광신호 분기부(20)에서 분기된 제1 또는 2 광신호가 진행하여 제1, 또는 2 광검출기로 안내하는 도파로 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 코어층(90, 91)은 유사 연료유 제조에 첨가되는 성분과 정상 연료유의 성분 사이의 굴절률 범위 특성을 가진다.
정상 휘발유는 대체로 탄소의 수가 5개에서 10개 정도인 다양한 탄화수소들이 혼합된 것으로, 알칸 또는 알켄의 구조를 가지며, 이러한 물질들은 일반적으로 1.33 ~ 1.41의 굴절률 특성을 가진다. 그러나 유사 연료유에 첨가되는 톨루엔을 포함하는 벤젠, 크실렌은 1.49 ~ 1.51의 굴절률 특성을 가지고 있다. 구체적인 일 예로 휘발유를 구성하는 헵탄과 헥산은 1.3876과 1.3749의 굴절률을 가지며, 톨루엔은 1.4969의 굴절률 특성을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 코아층(90, 91)은 유사 연료유 제조에 첨가되는 성분과 정상연료유의 성분 사이의 굴절률 범위인 1. 42 ~ 1.48 사이의 범위 특성을 가지도록 제조된다.
상/하부 클래드층(80, 81, 100, 101)은 코어층(90, 91)의 상, 하부에 위치하여 제1, 2 광신호가 일정한 코어층 내부 방향으로 진행되도록 유도하는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1, 2 광신호가 코어층(90, 91) 외부의 클래드 층으로 누설되지 않기 위하여 코어층(90, 91)은 상/하부 클래드층(100, 101, 81, 80) 보다 높은 굴절률 특성을 가진다.
도 3(a)를 참조하면, 광신호 분기부(20)에서 분기된 제1 광신호는 기준채널부(31)의 코어층(90)을 거쳐서 바로 제1 광검출기(41)로 진행하게 된다.
도 2 및 3(b)를 참조하면, 광신호 분기부(20)에서 분기된 제2 광신호는 센싱채널부(32)의 입력단 코어층(91)을 거쳐서 유류성분에 노출되는 시료부(50)를 통과한 다음 출력단 코어층(91')을 통하여 제2 광검출기(42)로 진행하게 된다.
즉 제2 광신호는 불연속적인 코어층(91, 91') 구조를 거치게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서장치에서 광신호의 궤적에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시뮬레이션은 톨루엔 성분의 고유 흡수 파장인 2.17um으로 광원을 설정하고, 하나의 광신호를 50:50으로 분배하는 1 x 2 평면 광분배회로 소자 기반으로 수행되었다.
시뮬레이션은 불연속적인 코어층(90, 91')에 의하여 산란되는 광신호의 손실을 최소화하기 위한 구조에서, 시료는 정상 연료유로 수행되었다.
도 4를 참조하면, 입사된 광신호(300)에서 분기된 제1 광신호(301)는 기준채널부의 코어층(90)을 거쳐서 바로 제1 광검출기(41)로 진행된다.
그리고 입사된 광신호(300)에서 분기된 제2 광신호(302)는 센싱채널부(32)의 시료부(50)를 거치면서 불연속적인 코어층에 의하여 산란된 광신호가 코어층 (91')에 수신되고, 코어층(91')을 거쳐서 제 2 광검출기(42)로 진행된다. 시뮬레이션은 센싱 채널부 (32)의 불연속적인 코어층 즉, 시료부(50)에 의하여 산란된 광신호가 최대로 수신되어, 제 2 광검출기 (42)에서 수신되는 광신호가 제 1 광검출기 (41)에서 수신되는 광신호와 비교하여 손실을 최소화한 결과를 나타낸다.
도 5는 도 4의 시뮬레이션 결과에 대한 광출력의 세기를 그래프로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 제1 광검출기(41)에서 검출된 제1 광신호의 출력의 세기는 Power 1(401) 이며, 제2 광검출기(42)에서 검출된 제2 광신호의 출력의 세기는 Power 2(402)로 나타낸다.
도 5에서 제1, 2광 검출기(41, 42)에서 수신된 광 출력의 세기는 입력광 신호 100을 기준으로 49.4 %: 49.2%로 측정된다. 시뮬레이션 결과에서 시료부(50)에 정상연료유가 접촉되었을 때, 제 2 광검출기(42)는 제 1 광검출기 (41)와 비교하여 0.2%의 손실을 가지고 수신됨을 알 수 있다. 그러나 시료부(50)에 톨루엔 성분이 포함된 유사 연료유가 접촉되면, 톨루엔 성분 농도에 의존적으로 제 2 광검출기 (42)에 도달하는 광신호는 감소하게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면 기준채널부(231)는 도 2의 기준채널부와 동일한 구조를 갖는다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 광원의 출력이 일정한 범위에서는 상기 기준채널부는 생략될 수 있다. 즉, 기준채널부 대신 연산제어부(5)는 센싱데이터를 비교하는 기준 신호를 데이터베이스로부터 기준 광신호 출력을 제공받아 판단할 수 있다.
도 6의 실시 예는 앞서 설명한 도 2의 광 회로형 유류검사 센서 소자와 대비할 때, 센싱채널부와 시료부(250)의 구조만 상이하고 나머지는 동일한 구조를 가진다.
도 6을 참조하면 센싱채널부의 코어층(391)은 입력단에서 출력단까지 연속적인 구조를 가지며, 시료부(250)는 상부 클래드층(301)의 중간의 일부 구간은 내부가 코어층(391)의 상부면까지 요홈부 형상으로 절삭된 공간부로 이루어진다.
상기 시료부(250)에 시료용 유류가 수용되면 상부 클래드층(301, 301')의 일부 구간은 유류성분에 노출된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광 회로형 유류검사 센서 장치 소자는 코어층(391)과 상/하부 클래드층의 굴절률 차이에 의하여 광신호가 코어층(391)으로만 진행하는 특성을 가진다.
그러나 상부 클래드층(301, 301')에서 중간에 형성된 공간부인 시료부(250)에 유류로 채워지게 되면 상기 코어층(391)의 굴절률과 유류 성분의 굴절률 차이에 따라 제 2 광신호의 일부가 시료부(250)에서 흡수 분산된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 기준채널부와 센싱채널부에 광신호가 통과하는 과정을 도시한 것이다.
도 7(a)의 기준채널부는 도 3(a)의 실시 예와 동일한 구조로서, 도 6 및 7(a)를 참조하면, 광신호 분기부(220)에서 분기된 제1 광신호(201)는 기준채널부의 코어층을 거쳐서 바로 제1 광검출기(41)로 진행한다.
도 7(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 정상유류가 수용된 센싱채널부에 제2 광신호가 통과하는 과정을 도시한 것이다.
도 7(b)를 참조하면 센싱채널부의 시료부(250)에는 정상 휘발유가 수용된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 코아층의 굴절률은 1.42 ~ 1.48 사이의 범위 특성을 가지도록 제작된다.
정상 휘발유는 대체로 탄소의 수가 5개에서 10개 정도인 다양한 탄화수소들이 혼합된 것으로, 알칸 또는 알켄의 구조를 가지고 있으며, 이러한 물질들은 일반적으로 1.33 ~ 1.41의 굴절률 특성을 가진다.
도 7(b)를 참조하면, 시료부에 1.33 ~ 1.41의 굴절률 특성을 가진 정상 휘발유를 수용하고, 센싱채널부(232)의 코아층에 제2 광신호를 통과시키게 되면, 코아층(391)의 상부면이 코아층(391)보다 굴절률이 낮게 형성되어 제2 광신호는 모두 코아층(391)을 따라 제2 광검출기(42)로 진행하게 된다.
도 7(c)는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 유사 휘발유가 수용된 센싱채널부에 제 2 광신호가 통과하는 과정을 도시한 것이다.
유사 연료유에 첨가되는 톨루엔을 포함하는 벤젠, 크실렌은 1.49 ~ 1.51의 굴절률 특성을 가지고 있다.
도 7(c)를 참조하면, 코어부(391)를 지나는 제2 광신호가 시료부(250) 구간에서 그 상면에 톨루엔 등의 유사 연료유 성분에 노출되면, 광회로의 도파 특성에 근거하여 톨루엔 등의 농도에 따라 일부 광신호(203)는 시료부(250)로 분산되며 나머지 광신호(205)가 제2 광검출기(42)에 도달하게 된다.
제2 광검출기(42)에 도달하는 광신호는 제1 광검출기(41)의 광신호와 연산제어부(5)에서 그 출력의 세기를 비교하여 그 차이에 따라 유사 연료유를 판별하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광회로형 유류성분 센서 구조 및 제조방법에 의하면, 소형화가 가능하기 때문에 광학식 연료유 판별 장치를 고집적 소형 칩으로 내장하여 제작할 수 있고, 기본적인 리소그래피 공정 기술로 센서 제작이 가능하여 저비용으로 초소형 센서 제작이 가능하다.
또한, 고 집적화에 따른 휴대성 및 연료유 판별이 요구되는 좁은 공간에 설치가 가능하고, 정량적 측정이 가능한 효과가 있다.
이상 설명한 본 발명의 일 실시 예에서의 평면 광 회로형 유류검사 센서 장치로 설명되었으나, 곡면 도파로를 이용할 경우에는 필요에 따라 여러 형태의 구조도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 유류검사 센서 장치
2: 광원부
3: 센서부
4: 검출부
5: 연산제어부
7: 출력부
10: 광입력부
20: 광신호 분기부
31: 기준채널부
32: 센싱채널부
41, 42: 광 검출부
50: 시료부
70, 71: 기판
90, 91, 91' 391; 코어층
80, 81, 100, 101, 101' 301, 301', 381: 클래드층
2: 광원부
3: 센서부
4: 검출부
5: 연산제어부
7: 출력부
10: 광입력부
20: 광신호 분기부
31: 기준채널부
32: 센싱채널부
41, 42: 광 검출부
50: 시료부
70, 71: 기판
90, 91, 91' 391; 코어층
80, 81, 100, 101, 101' 301, 301', 381: 클래드층
Claims (15)
- 단파장을 발생시키는 광원부;
상기 광원부에서 발생된 광신호를 입력받아 기준 광신호와 시험 유류에 대한 센싱신호를 출력하는 센서부;
상기 기준 광신호를 입력받아 기준 광출력 신호를 출력하는 제1 광검출부;
상기 센싱 신호를 입력받아 센싱 광출력 신호를 출력하는 제2 광검출부;
상기 기준 광출력 신호와 센싱 광출력 신호를 입력받아 연료의 특성을 판단하는 연산제어부; 및
상기 연산제어부의 결과를 받아 출력하는 출력부; 를 포함하되,
상기 센서부는,
상기 광원부로부터 발생된 광신호를 입력받는 광입력부;
상기 광입력부로부터 입사한 광신호를 균등하게 제1, 2 광신호로 분기시키는 광분기부; 및
상기 제1 광신호를 입력받아 상기 기준 광신호를 출력하는 기준채널부를 포함하고,
상기 기준채널부는,
상기 제1 광신호가 통과되는 제1 코어층;
상기 제1 코어층 상부에 형성되는 제1 상부 클래드층; 및
상기 제1 코어층의 하부에 형성되는 제1 하부 클래드층; 을 포함하며,
상기 제1 코어층은 상기 제1 상부 클래드층 및 제1 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지고, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 제2 광신호를 입력받아 상기 시험 유류를 통과시켜서 센싱 광신호를 출력하는 센싱채널부를 포함하는 평면형 광 회로형 센서소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 삭제
- 제2 항에 있어서,
상기 센싱채널부는,
상기 제2 광신호가 통과되는 제2 코어층;
상기 제2 코어층 상부에 형성되는 제2 상부 클래드층;
상기 제2 코어층의 하부에 형성되는 제2 하부 클래드층; 및
상기 제2 상부 클래드층 및 제2 코어층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 하부 클래드층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하며,
상기 제2 코어층은 상기 제2 상부 클래드층 및 제2 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제2 항에 있어서,
상기 센싱채널부는,
상기 제2 광신호가 통과하는 제2 코어층;
상기 제2 코어층 상부에 형성되는 제2 상부 클래드층;
상기 제2 코어층의 하부에 형성되는 제2 하부 클래드층; 및
상기 제2 상부 클래드층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 코어층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하며,
상기 제2 코어층은 상기 제2 상부 클래드층 및 제2 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 광검출부 및 제2 광검출부는, 광출력의 세기 또는 광 투과율을 검출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 광원부는 2.17um의 파장의 광신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 코어층의 굴절률은 1.42 ~ 1.48인 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제4 항에 있어서,
상기 제1 코어층 또는 제2 코어층의 굴절률은 1.42 ~ 1.48인 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제5 항에 있어서,
상기 제1 코어층 또는 제2 코어층의 굴절률은 1.42 ~ 1.48인 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 연산제어부는 기준 광출력 신호와 센싱 광출력 신호를 비교하여 유사 유류 여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 장치.
- 기판 형성 단계;
상기 기판 상부에 광입력부 및 광신호 분기부 형성단계; 및
상기 광신호 분기부에서 각각 분기되어 기준채널부 및 센싱채널부를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 센싱채널부는,
상기 기판 위에 형성되는 제2 하부 클래드층;
상기 제2 하부 클래드층 위에 형성되는 제2 코어층;
상기 제2 코어층 위에 형성되는 제2 상부 클래드층; 및
상기 제2 상부 클래드층 및 제2 코어층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 하부 클래드층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 소자 제조방법.
- 기판 형성 단계;
상기 기판 상부에 광입력부 및 광신호 분기부 형성단계; 및
상기 광신호 분기부에서 각각 분기되어 기준채널부 및 센싱채널부를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 센싱채널부는,
상기 기판 위에 형성되는 제2 하부 클래드층;
상기 제2 하부 클래드층 위에 형성되는 제2 코어층;
상기 제2 코어층 위에 형성되는 제2 상부 클래드층; 및
상기 제2 상부 클래드층의 중간 구간에 형성되며 내부가 상기 제2 코어층 상부면 까지 요홈부 형상의 공간부로 이루어진 시료부; 를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 소자 제조방법.
- 제12항 또는 제13항에 있어서
상기 기준채널부는,
상기 기판 위에 형성되는 제1 하부 클래드층;
상기 제1 하부 클래드층 위에 형성되는 제1 코어층; 및
상기 제1 코어층 위에 형성되는 제1 상부 클래드층; 을 포함하며,
상기 제1, 2 코어층은 상기 제1, 2 상부 클래드층 및 제1, 2 하부 클래드층 보다 높은 굴절률을 가지며, 유사 연료유의 제조에 첨가되는 첨가유의 굴절률과 정상 연료유 성분 사이의 굴절률을 가지는 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 소자 제조방법.
- 제14항에 있어서,
상기 제1, 2 코어층은 굴절률이 1.42 ~ 1.48인 것을 특징으로 하는 광 회로형 유류 검사 센서 소자 제조방법.
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