INTEGRATED GAS SENSOR STRUCTURE AND INFRARED LIGHT EMITTING MODULE

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 기판(10); 기판(10)의 일측에 배치된 필라멘트(20); 기판(10)의 타측에 배치된 광 검출기(220); 기판(10)의 일측과 타측 사이에 배치되며 선택적인 파장대를 가지는 광을 투과시키는 광 필터부(60); 및 기판(10) 상에 배치되어 광 필터부(60), 필라멘트(20), 광 검출기(220)를 내부에 하우징하며, 내측면에 광을 반사하는 반사층(55)이 형성된, 하우징부(50);를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 가스 분자가 특정 파장대의 광을 흡수하는 특성 흡수선을 갖는 특성을 이용하여 가스 분자의 농도에 따라 광 흡수율 또는 투과율을 측정하여 농도로 환산하는 방식인 광학식 가스 센서 구조체로서, NDIR(비분산 적외선) 방식을 사용하는 일체형 가스 센서 구조체이다.

기판(10)은 하나의 단일한 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 금속 PCB 기판일 수 있다. 필라멘트(20) 및 광 검출기(220)는 하나의 단일한 기판 상에 배치될 수 있다. 하나의 단일한 기판(10)은, 편의상, 광 필터부(60)를 기준으로 필라멘트(20)가 배치되는 일측과 광 검출기(220)가 배치되는 타측으로 구분할 수 있다.

필라멘트(20)는 광학식 가스 센서의 광원(light source)으로서 적외광을 발광할 수 있는 구조체이다. 가령, 필라멘트(20)는 다이아프램 및 상기 다이아프램 상에 형성된 금속 저항 패턴으로 구성될 수 있다. 한편, 필라멘트(20)는 MEMS 구조체일 수 있으며, 예를 들어, 기판(10)에 수직하게 신장하는 브릿지 구조체(25) 상에 가로질러 배치될 수 있다. 필라멘트(20)의 하부에는 미러 구조체(27)가 제공될 수도 있다.

본 발명의 비교예로서, 일반적으로 가스 감지에 사용되는 필라멘트는 쿼츠 튜브(quartz tube) 내부에 배치되어 진공 실링(sealing)되어 제공될 수 있으나, 이 경우 쿼츠 튜브 전 부분이 일정한 온도에 도달하여야 적외광이 방출되어서 발열이 심하여 시스템이 열평형 상태에 도달할때 까지 대기하여야 하므로 신속한 측정이 어려우며, 소비전력이 크고 적외선 발광 효율이 낮은 문제점이 발생할 수 있다. 나아가, 상기 비교예에 따른 필라멘트 구조체에서는 쿼츠 물질이 4 ㎛ 이상의 파장대에서 투과가 안되므로 4 ㎛ 이상의 파장대의 가스 분석이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

이에대한 대안으로 적외선 LED 등이 사용될 수 있으나, 고가이며 넓은 영역의 적외선 발광이 어렵다는 문제가 있다.

이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)에서는, 하우징부(50)의 내부 공간(80, 280)이 진공 처리되거나 크세논(Xe)으로 채워지며, 필라멘트(20)는 별도의 실링 구조체 없이 하우징부(50)의 내부에 바로 노출되는 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 쿼츠 튜브 내에 필라멘트가 제공되는 구조에 비하여 부분적인 발열을 발생시킬 수 있으므로, 전체적인 발열 정도가 상대적으로 낮으며 적은 전력으로 신속한 측정이 가능한 효과를 가진다. 나아가, NDIR 용으로 주로 사용되는 4 ㎛ 이상의 파장대의 가스 분석이 가능하다는 장점도 수반한다.

광 검출기(220)는 필라멘트(20)에서 발광된 적외광을 검출하는 소자이다. 예를 들어, 광 검출기(220)는 열 감지형 광 검출기일 수 있으며, 구체적으로, 광 에너지에 의해 발생하는 온도 차이를 측정하는 열전 소자인 써모파일센서(thermopile sensor)를 포함할 수 있다. 써모파일의 구동원리인 열전 효과(thermo electric effect)는 이종 금속에 있어서 열과 전기 간의 상호 관계에 관한 것으로 지벡 효과(Seebeck effect)를 이용하여 광량을 측정하는 방식이다. 써모파일에서는 금속 양단에 온도 차이가 발생하면 온도 차이에 비례하는 기전력이 양단에 발생하는 지벡 효과를 이용한 광 검출기 소자이다. 온도 차이에 의해 발생하는 기전력에 대해 온도의 기울기와 같은 방향으로 기전력이 발생하는 경우를 포지티브형, 온도 기울기와 반대 방향으로 기전력이 발생하는 경우를 네거티브형이라 한다면, 써모파일은 포지티브형과 네거티브형을 번갈아 접합하여 광 출력을 극대화할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서 광 검출기(220)는, 특정 파장대(wavelength bandwidth)의 광을 검지하는 광전(photoelectric) 소자와 달리, 파장대에 관계없이 전체 광량을 측정하는 열 감지형 소자인 열전(thermoelectric) 소자를 채용한다. 따라서, NDIR과 같이 특정 파장대의 광에너지를 검출하기 위해서는, 광 경로 상에서 광 검출기(220) 앞에 광 필터부(60)가 배치되어야 한다. 예를 들어, 광 필터부(60)는 파장이 1 ㎛ 내지 14 ㎛인 중.장파장 적외선(Mid wave, Long Wave Infra-Red)을 선택적으로 투과시키는 밴드 패스 필터(band pass filter)일 수 있다.

한편, 광 검출기(220)는 MEMS 구조체일 수 있으며, 예를 들어, 기판(10)에 수직하게 신장하는 브릿지 구조체(225) 상에 가로질러 배치될 수 있다. 광 검출기(220)가 배치되는 기판(10)의 타측에는 ROIC(230)가 배치될 수 있다.

필라멘트(20)에서 상방으로 발광된 적외광이 반사되어 측방으로 진행하고 다시 반사되어 하방으로 진행하여 광 검출기(220)로 입사될 수 있도록 하우징부(50)는 적어도 일부가 경사지거나 곡률을 가지는 측벽(50a)을 가진다. 하우징부(50)의 측벽(50a)은 반사층(55)이 형성될 수 있다. 나아가, 필라멘트(20) 및/또는 광 검출기(220)의 적어도 일부는 하우징부(50)의 경사지거나 곡률을 가지는 측벽(50a)의 아래에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 하우징부(50)의 내부로 가스 입자가 인입되도록 하우징부(50)의 개구부를 덮도록 구성된 더스트 필터(290, dust filter)부를 더 포함할 수 있다. 더스트 필터(290)는 광 필터부(60)를 기준으로 광 검출기(220)가 있는 기판(10)의 타측 상부에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 필라멘트(20)로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 광 필터부(60)를 기준으로 필라멘트(20)가 있는 기판(10)의 일측에 배치되는 포토다이오드(30)를 더 포함할 수 있다. 포토다이오드(30)는 광전(photoelectric) 소자로서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합에서 양단 간 에너지 준위의 차이가 발생하고 에너지 준위 차이에 해당하는 광을 흡수하여 전하가 발생하도록 하여 광량을 전하량 또는 전하에 의한 전압 차이로 측정한다. 포토다이오드(30)는 전체 광량을 측정하는 것이 아니라 특정 파장대의 광을 검지하므로 필라멘트(20)에서 발광되는 적외광의 상시적인 모니터링이 가능하며, 필라멘트(20)로부터 일정한 세기의 광이 공급되는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 가스 센서 구조체(1000)는 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 필라멘트(20)로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 광 필터부(60)를 기준으로 필라멘트(20)가 있는 기판(10)의 일측에 배치된 써미스터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 써미스터를 제공함으로써 필라멘트(20) 주변의 온도를 측정하여 과다 발열을 제한할 수 있으므로 신속한 안정화가 가능하다는 유리한 효과를 기대할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈의 외관을 나타낸 사진이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈(100)은 하나의 단일한 기판(10); 기판(10) 상에 배치되되 적외광을 발광할 수 있는 필라멘트(20); 필라멘트(20)로부터 일정한 세기의 광이 발광되는지 여부를 모니터링하기 위하여 기판(10) 상에 배치된 포토다이오드(30); 온도가 소정의 기준을 초과하는 경우 필라멘트(20)로 인가되는 전류를 차단하기 위한 동작을 수행하기 위한 전제장치로서, 기판(10) 상에 배치된 써미스터(40); 기판(10) 상에 배치되어 필라멘트(20), 포토다이오드(30), 써미스터(40)를 내부에 하우징하는 하우징부(50); 및 상기 하우징부(50)의 개구부를 덮도록 배치되되 선택적인 파장대를 가지는 적외광을 투과시키는 광 필터부(60); 를 포함한다. 하우징부(50)의 내부는 진공 처리되거나 크세논(Xe)으로 채워지며, 필라멘트(20)는 별도의 실링 구조체 없이 하우징부(50)의 내부에 바로 노출된다.

광 필터부(60)는 파장이 1 ㎛ 내지 14 ㎛인 중.장파장 적외선(Mid wave, Long Wave Infra-Red)을 선택적으로 투과시키는 밴드 패스 필터를 포함할 수 있다. 필라멘트(20) 및 광 검출기(220)는 기판(10) 상에 형성된 MEMS 구조체일 수도 있다. 필라멘트(20)는 다이아프램 및 상기 다이아프램 상에 형성된 금속 저항 패턴으로 구성될 수 있으며, 광 검출기(220)는 써모파일센서(thermopile sensor)를 포함할 수 있다.

나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외광 발광 모듈(100)은 배선 구조체(70)를 더 포함할 수 있으며, 배선 구조체(70)는 기판(10), 필라멘트(20), 포토다이오드(30) 및/또는 써미스터(40)와 전기적으로 연결되어 전기적 신호의 입출력이 가능해진다.

도 1에 개시된 일체형 가스 센서 구조체(1000)의 변형례는 도 2 및 도 3에 개시된 적외광 발광 모듈(100)을 구비할 수 있다. 이 경우, 필라멘트(20), 포토다이오드(30), 써미스터(40), 광 필터부(60)는 적외광 발광 모듈(100)로 일체화되어 제공되되, 도 1의 기판(10)은 하나의 단일 기판이 아니라 광 검출기(220)가 실장되는 기판으로 한정될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.