특정 응용 분야를 위한 10.5μm 필터 선택 가이드

I. SF6 가스 누출 감지 시스템

애플리케이션 컨텍스트

전력 산업에서 SF6 가스는 고전압 장비의 절연 매질로 널리 사용됩니다. 그러나 누출은 장비 고장 및 환경적 위험으로 이어질 수 있습니다. 비분산 적외선(NDIR) 기술 기반 감지 시스템은 10.56μm에서 SF6 가스의 특징적인 흡수 피크를 정밀하게 포착해야 합니다.

필터 구성 요구 사항

1. 중심 파장(CWL):10.56μm ± 0.05μm

• 신호 특이성을 보장하기 위해 중적외선 대역(10.56μm)에서 SF6 분자의 흡수 피크와 엄격하게 일치해야 합니다. 파장 편차가 ±0.1μm를 초과하면 다른 가스(예: 10.6μm에서의 CO₂ 흡수)를 잘못 검출할 수 있습니다.

1. 대역폭(FWHM):150~200nm

• 협대역 설계는 인접 파장 대역(예: 9~11μm 파장의 수증기 흡수)의 간섭을 제거하는 동시에 신호대잡음비(SNR)를 향상시키기 위한 충분한 광속을 유지합니다. 대역폭이 지나치게 좁으면 신호 강도가 약해지고, 대역폭이 지나치게 넓으면 감지 정확도가 떨어집니다.

1. 최대 투과율(Tavg):≥80%

• 높은 투과율은 감지기가 충분한 적외선 에너지를 수신하도록 보장하며, 특히 장거리 감지(예: 5m 거리 누출) 시 고출력 광원에 대한 의존도를 줄여줍니다. 투과율이 70% 미만이면 광량을 높이거나 적분 시간을 늘려야 할 수 있으며, 이는 반응 지연으로 이어질 수 있습니다.

1. 차단 범위:2–18μm(외부 통과대역)

• 전대역 차단 설계는 가시광선(0.4~0.76μm) 및 기타 적외선 대역(예: 3~5μm 열 복사)의 간섭을 억제하여 배경 잡음이 약한 SF6 흡수 신호를 가리는 것을 방지합니다. 예를 들어, 강한 3~5μm 복사를 방출하는 고온 산업 장비는 필터의 차단 코팅으로 완전히 차단해야 합니다.

1. 기판 재료:단결정 실리콘(Si)

• 실리콘은 8~14μm에서 높은 투과율(>90%)과 우수한 기계적 강도를 제공하여 진동 및 온도 변화가 심한 산업 환경에 적합합니다. 게르마늄(Ge) 기판에 비해 실리콘은 비용 효율적이며 추가적인 반사 방지 코팅이 필요하지 않습니다(코팅되지 않은 게르마늄은 10.5μm에서 약 36%의 반사율을 나타내므로, 개선을 위해 ZnS/MgF₂ 복합 코팅이 필요합니다).

주요 장점

• 정밀 식별:협대역 필터는 스펙트럼 매칭을 통해 특정 SF6 가스를 감지하여 기존 전기화학 센서의 문제점인 습도 및 가스 간 간섭 문제를 해결합니다. 혼합 가스 환경(예: CO₂와 H₂O 함유)에서 이 필터는 오경보율을 0.1% 미만으로 낮춥니다.
• 환경적 내구성:단단한 코팅(예: 다이아몬드 유사 탄소)이 된 실리콘 기판은 -40°C ~ 85°C의 온도 변화와 높은 습도(RH>95%)를 견뎌내므로 혹독한 야외 변전소 환경에 적합합니다.

II. 고온 물체 표면 온도 모니터링 시스템

애플리케이션 컨텍스트

산업용 가열 장비(예: 용광로, 열처리 오븐)는 공정 매개변수를 최적화하기 위해 실시간 표면 온도 모니터링이 필요합니다. 고온 물체(200°C 이상)는 8~14μm 대역에서 대부분의 복사선을 방출하며, 일반적으로 10.5μm 부근에서 최대 복사선을 방출합니다.

필터 구성 요구 사항

1. 스펙트럼 범위:8–14μm 장거리 통과(LP)

• 흑체 복사의 주요 에너지 범위(8~14μm는 고온 물체에서 발생하는 총 복사량의 60% 이상을 차지함)를 포괄하는 동시에 중파 적외선(3~5μm) 간섭은 배제합니다. 예를 들어, 3~5μm의 강한 복사를 방출하는 용광로 화염은 장파장 통과 설계를 통해 걸러집니다.

1. 절단 경사도:전이 영역 <5% (7.5–8μm)

• 날카로운 컷오프 에지는 중파장 적외선 신호의 혼입을 방지하여 온도 측정 정확도를 향상시킵니다. 넓은 전이 영역(10% 이상)은 3~5μm 복사선의 혼합으로 인해 온도 측정값이 과대평가될 수 있습니다.

1. 최대 투과율:≥85% (8–14μm)

• 높은 투과율은 검출기가 충분한 복사 에너지를 포착하도록 보장하며, 특히 저온에서 그렇습니다(예: 10.5μm 복사 강도는 200°C에서 피크의 30%에 불과합니다). 투과율이 80% 미만이면 저온 범위에서 감지가 누락될 수 있습니다.

1. 기판 재료:게르마늄(Ge) 또는 황화아연(ZnS)

• 게르마늄:8~14μm에서 90% 이상의 투과율을 제공하지만, 표면 반사율(코팅되지 않은 Ge의 경우 36%)을 줄이기 위해 반사 방지 코팅(예: ZnS/MgF₂)이 필요합니다. 고정밀 측정에 적합하지만 비용이 높습니다.
• 황화아연:최대 400°C까지 뛰어난 내열성을 제공하며, 코팅이 필요 없어 약 85%의 투과율을 제공합니다. 고온 환경(예: 용광로 표면)에 이상적이지만, 10.5μm에서 굴절률(2.2)이 낮아 약간의 색수차가 발생할 수 있습니다.

주요 장점

• 폭넓은 동적 반응:장파장 통과 필터는 200~1000°C의 온도 범위를 포괄합니다. 빈의 변위 법칙(λmax=2898/T)에 따르면, 10.5μm는 ~276°C의 피크 온도에 해당하여 전체 측정 범위에 걸쳐 높은 감도를 보장합니다. 예를 들어, 10.5μm 복사 강도는 온도가 300°C에서 800°C로 상승함에 따라 약 12배 증가하므로 필터의 선형 응답이 필요합니다.
• 간섭 저항:이러한 필터는 중파장 적외선을 차단함으로써 주변 빛(예: 작업장 조명)과 고온 금속의 자체 발광을 효과적으로 차단하여 강한 빛 아래에서 기존 가시광선 온도계가 실패하는 문제를 해결합니다.

III. 주요 구성 비교 및 선택 논리

핵심 목표

• SF6 가스 감지:특정 가스 흡수 피크의 정확한 포착
• 온도 모니터링:흑체 복사 에너지의 광대역 적용

스펙트럼 디자인

• SF6 검출:협대역(10.56μm ±0.05μm, 150–200nm 대역폭)
• 온도 모니터링:장파장 통과(8–14μm, 전이 영역 <5%)

재료 선택

• SF6 검출:실리콘 기판(비용 효율적 + 높은 기계적 강도)
• 온도 모니터링:게르마늄 또는 황화아연(높은 투과율 + 고온 저항성)

성과 우선 순위

• SF6 검출:특이성 > 광속 > 환경 내성
• 온도 모니터링:광속 > 열 안정성 > 간섭 저항

일반적인 과제

• SF6 검출:인접 가스 흡수 간섭 제외
• 온도 모니터링:중파장 적외선 및 가시광선 배경 소음 억제

선택 결정

1. 을 위한분자 특이적 검출(예: 가스 구성 분석) 목표 가스 흡수 피크(예: SF6의 경우 10.56μm)와 정확히 일치하는 중앙 파장을 갖는 협대역 필터를 우선시합니다.
2. 을 위한광범위한 온도 모니터링, 장파장 통과 필터를 선택하세요. 환경 온도(300°C 이상은 ZnS, 300°C 미만은 Ge)와 비용 요구 사항을 기반으로 재료를 선택하세요.
3. ~ 안에혼합 시나리오(예: 고온 환경에서의 가스 누출 감지) 듀얼 밴드 필터 설계를 사용합니다. 가스 감지용 10.56μm 협대역 필터와 온도 보상용 8~14μm 장대역 필터가 있습니다. 알고리즘 융합을 통해 가스 흡수에 대한 온도 영향을 제거합니다.