고감도 가스 검출은 첨단 과학 및 기술 분야에서 필수적이다. 본 연구는 최초로 사불가(ppq) 수준의 초고감도 광유도 열전 분광법(LITES) 센서를 개발했다.
가스 흡수율과 QTF(석영 진동자)의 검출 능력을 향상시키기 위해 인공어군 알고리즘으로 설계된 이중 나선형 다중 통과 셀(MPC)과 저공진 주파수(f0)를 갖는 고분자 변형 둥근 머리 QTF를 채택했다. MPC는 25.8m의 긴 광 경로 길이와 165.8ml의 작은 부피를 가지며, QTF는 구조 최적화와 PDMS 변형을 통해 열 확산을 줄이고 진동 진폭을 높였다.
중적외선 영역(4.59 μm)의 일산화탄소(CO) 흡수선을 표적으로 삼아, 새로운 QTF 기반 CO-LITES 센서의 신호 대 잡음비(SNR)는 상용 QTF 대비 10.59배 향상되었다. 최소 검출 한계(MDL)는 23 ppt였으며, 통합 시간을 500초로 늘렸을 때 920.7 ppq까지 개선되었다.
이 LITES 센서는 기존 CO 가스 검출 분광 기술과 비교하여 뛰어난 검출 감도를 제공하며, 다양한 과학 및 기술 분야에 활용될 수 있는 잠재력을 보여준다.
레이저 분광 센싱 성능 향상을 위해 변형 영역 확대, 프롱 간격 증대, 공진 주파수 감소를 특징으로 하는 새로운 4갈래 석영 진동자(QTF)가 개발되었습니다. QTF 구조 설계를 최적화하기 위한 이론적 시뮬레이션 모델이 구축되었습니다.
시뮬레이션 결과, 석영 강화 광음향 분광법(QEPAS)에서 4갈래 QTF의 최대 응력은 표준 2갈래 QTF 대비 11.1배, 표면 전하 밀도는 15.9배 증가했습니다. 또한, 광유도 열탄성 분광법(LITES) 시뮬레이션에서는 4갈래 QTF의 표면 온도차가 표준 QTF보다 11.4배 더 큰 것으로 나타났습니다.
실험적으로 C₂H₂-QEPAS 시스템에 이 4갈래 QTF를 적용한 결과, 표준 QTF 기반 시스템 대비 신호 대 잡음비(SNR)가 4.67배 향상되었으며, 최적화된 음향 미세 공진기(AmR)와 결합 시 SNR은 최대 147.72배까지 증가했습니다. 시스템 평균 시간이 370초일 때 21 ppb의 낮은 최소 검출 한계(MDL)를 달성했습니다. C₂H₂-LITES 시스템에서도 SNR이 4.52배 향상되었고, 평균 시간 100초에서 96 ppb의 MDL을 얻었습니다.
이론 및 실험 결과는 레이저 분광 센싱 분야에서 4갈래 QTF의 우수성을 효과적으로 입증하며, 고감도 가스 검출 기술 발전에 기여할 것으로 기대됩니다.
