Speculation of Optical Cavity for Improving Optical Gas Sensor's Characteristics

광학적 가스센서 특성 향상을 위한 광 공동 구조의 고찰

This paper describes about the simulation and the experimental results of optical cavity with curved mirror surface and vertical mirror surface to improve the light intensity and efficiency of the optical sensors. When we use the vertical mirror surface, the distribution of light reached to the filter surface of detector shows an elliptical shape. Whereas, the curved mirror surface focuses the light into circular shape. Therefore, due to focusing effects in case of using curved mirror surface, the light intensity per unit area has been improved. Consequently, the output voltage of gas sensor has been expected to increase. Based upon the simulation, the experiment of gas sensor has been conducted with $CO_2$ gas from 0ppm to 2,500 ppm at 250 ppm step and $25^{\circ}C$, 45%R.H. ambient. The output voltage of gas sensor that has a curved mirror surface increases approximately 200 mV than that of vertical mirror surface.

본 논문은 적외선 센서의 광 강도 및 효율을 증가시키기 위해 새로운 오목한 반사 벽면(curved mirror surface)과 기존의 수직 반사 벽면(vertical mirror surface)구조와의 모의해석 및 실험 결과에 대해 기술하였다. 모의해석 결과 수직 반사 벽면을 사용했을 때 적외선 센서 필터 표면에 도달하는 광의 분포는 타원 형상으로 적외선 센서 표면에 도달함을 볼 수 있고, 오목한 반사 벽면을 사용하는 경우에는 광이 원형상으로 집광되는 것을 볼 수 있었다. 따라서 초기 평행광의 면적보다 작은 면적으로 집광됨으로 인해 단위면적당 광 강도는 향상되고, 이에 따라 광학적 센서의 출력전압은 향상될 것이라 예측되었다. 이 모의해석을 근간으로 하여 $25^{\circ}C$, 45%R.H.에서 이산화탄소를 0 ppm에서 2500 ppm까지 250 ppm 간격으로 주입시켰을 때, 오목한 반사 벽면의 광 공동이 수직 반사 벽면의 광 공동보다 출력전압이 약 200 mV 증가하였다.