광방식 산소센서(Optical Oxygen Sensor)에 대하여

안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.

이번 글에서는 광방식 산소센서(Optical Oxygen Sensor)에 대해 알아보겠습니다.
산소의 농도를 측정하는 방법은 여러가지가 있습니다. (ZrO2, Galvanic, Optical 등)

이번 포스팅에서는 광방식 산소센서(Optical Oxygen Sensor)에 대해 알아보려 합니다.

 

광방식 산소센서는 ZrO2방식 대비 저렴하고 가벼운 사용방식을 가지고 있으나, 고온 등 다소 열악한 환경에서는 사용이 어려우며 정밀도가 ZrO2에 비해 다소 떨어집니다.

그럼, 광방식 산소센서에 대해 천천히 알아 보겠습니다.

 

 

센서 이해를 위한 기초물리학

 

형광(Fluorescence)

분자가 가시광선 또는 자외선 영역의 빛을 흡수하게 되면, 바닥 상태에 있던 분자 내의 전자들이 높은 에너지 상태로 들뜨게 됩니다.

흡수한 빛 에너지가 광분해 또는 구조 변화(광이성질화)를 일으킬 만큼 충분하지 않다면, 분자는 흡수된 에너지를 보통 열 에너지로 방출하게 됩니다.

 

하지만, 특수한 몇몇 분자들은 빛을 내면서 바닥상태로 돌아가게 되는데, 이 현상을 형광(Fluorescence)이라고 합니다.

 

형광은 흡수된 빛 에너지보다 약간 적은 에너지의 빛으로 나오게 됩니다.
즉, 형광의 파장은 흡수된 빛의 파장보다 약간 길게 됩니다.

 

 

 

 

포토다이오드 (Photodiode)

포토 다이오드는 광 에너지를 전류로 변환하는데 사용되는 PN접합 방식(일반적으로)의 반도체 소자 입니다.

 

P형 반도체와 N형 반도체가 결합할 때, 결합면 부분에 공핍 영역이 생기게 됩니다.
(공핍 영역이란, P형 반도체의 정공과 N형 반도체의 전자가 결합하여 부동 전하만 남은 영역입니다.)

에너지를 가진 광자가 공핍 영역에 충돌하게 되면, 광자의 에너지가 결정 구조로 전달됩니다.
이 때, 전달된 에너지가 반도체 구성 물질의 밴드 갭 에너지보다 크다면, 전자는 물질의 원자가 밴드에서 방출됩니다.
(밴드 갭 에너지란, 원자 핵(+)에 귀속된 전자(-)가 자유전자로 방출되기 위한 에너지 대역을 말합니다.)

이렇게 방출된 전자는 정공이 많은 P형 반도체 쪽으로 이동하며, 전자의 방출로 인해 생긴 정공은 N형 반도체 쪽으로 이동합니다.
이러한 방식으로 전류가 흐르게 되는 것이 포토다이오드의 동작 원리이며, 강한 빛을 많이 쪼일수록 발생 전류는 높아집니다.

 

 

 

 

센서의 구조 및 동작 개요

 

센서의 구조

 

 

 

센서 동작 개요

일반적으로 Quenching(소광)을 이용한 광 산소센서는 산소의 농도를 측정하기 위하여 스턴-볼머 방정식을 사용합니다.
스턴-볼머 방정식은 산소의 농도에 따른 형광의 세기 및 형광 수명을 정리한 방정식이며, 하기와 같습니다.

 

위의 식을 보면, 산소의 농도가 증가할 수록 임의의 산소 농도에서의 형광 세기 𝐼 및 형광 수명 𝜏 는 계속 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 위 식을 그래프로 표현하면 아래와 같습니다.

 

Fluorescence Quenching(형광 소광) 산소 센서들은 일반적으로 루테늄 복합체(Ruthenium Complex)를 형광 물질을 사용합니다. 루테늄 복합체는 산소 원자를 매우 강하게 끌어당기는 성질이 있으며, 형광 중 산소원자와 충돌하게 되면 루테늄 복합체의 에너지가 감소하여 결국 형광 수명이 감소하게 됩니다.

 

최초 형광의 강도 소광(Intensity Quenching)을 기반으로 한 산소 센서들은 지속적인 사용으로 인해 형광 염료 자체의 광 분해가 일어남으로써, 산업에 적용하기에 큰 단점이 있었습니다.

 

하지만, 이러한 효과를 강도 영역이 아닌 시간 영역에서 센서를 작동시킴으로써 최소화 할 수 있습니다.

 

 

 

전원을 인가하여 루테늄 복합체에 청색 LED를 조사하면, 루테늄 복합체는 해당 에너지를 흡수하게 됩니다.
들뜬 상태로 변한 루테늄 복합체의 원자는 적색 광자를 방출하며 빠른 속도로 바닥 상태로 돌아가게 되며,
바닥 상태로 돌아가는 시간은 산소의 농도와 반비례 합니다.

 

포토 다이오드는 이러한 적색 광의 지속시간에 대한 정보를 미세한 전류 싞호로 전달하게 되며,
Amplifier를 통한 미세 전류 증폭으로 마이크로 프로세서에서 형광 수명(Fluorescence Lifetime)을 계산하여 산소의 농도를 측정합니다.