WMS기법을 통한 연소 배기가스의 실시간 정밀 계측에 관한 연구

소성현 경상대학교 대학원 2016 국내석사

This paper presents an optical TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) method for the quantification of oxygen and exhaust gas concentrations in combustion systems. Such an in-direct diagnosis approach is expected to overcome many deficiencies in conventional direct measurements (e.g. simultaneity, fast response, compact size, etc.). In this study, we compares DAS (Direct Absorption Spectroscopy) with WMS (Wavelength Modulation Spectroscopy) techniques in TDLAS method by employing the diode lasers at 760 nm (visible range), 1599.1 nm, and 1789.4 nm (near-IR range) of DFB butterfly type. DAS technique, which is popular for the diagnosis of large combustion systems in which the measuring distance is large (e.g. furnace in power plant), is validated by considering a lab-scale high temperature electrical furnace with different oxygen concentrations (5.06 % and 21 %). The measuring distance of the furnace is about 1.8 m. The absorption signals on oxygen are measured at high (~1000 K) and low (~296 K) temperatures, and the concentrations extracted from the signals are well matched with the real values at both temperatures. Also, the WMS method is applied to quantify the concentrations of the diverse species in exhaust gas (e.g. O2, CO, NO) from small combustion systems (e.g. diesel engine). The gas concentrations are varied to show the generality of WMS method. The measurements confirm that the near-IR diode laser can successfully capture the signals from CO and NO even with narrow measuring distance. For example, the 10 cm distance is proven sufficient in obtaining the reliable signals. Overall, the results in this paper show that the advantages of WMS method over conventional DAS technique in diagnosing the small combustion systems in which the measuring distance is short.

지엽적인 지역과 전역적인 지역에서의 공간적 예측의 비교 연구

소성현 동의대학교 대학원 2012 국내석사

공간통계학은 일반통계학과 다소 동떨어져 발전해 온 응용통계학의 한 분야이다. 공간통계학은 지리학, 토양학, 병리학, 농학, 생태학, 천문학, 대기과학, 환경과학 등을 비롯한 수많은 분야에서 다양하게 적용되고 있다. 공간통계학에서 다루어지는 데이터는 공간상에서 얻어진 데이터로서 데이터 형태는 위치와 해당 위치에서 얻어진 측정치로 구성된다. 이러한 공간데이터는 어떻게 적용되느냐에 따라 지리통계학적 데이터(geostatistical data), 격자 데이터(lattice data) 그리고 공간 점 패턴 데이터(spatial point pattern data)로 나누어진다. 공간데이터들은 서로 가까운 위치에 있는 측정치들은 서로 상관이 높고, 멀리 위치해 있을수록 상관은 낮아진다는 특징을 갖는다. 본 연구에서는 전기한 세 가지 데이터 중에서 지리통계학적 데이터에 대해서 다룬다. 지리통계학적 데이터에 대한 분석 목적 중에 하나는 기존의 알려진 위치들에서 측정된 데이터를 가지고 미지의 위치에서의 어떤 측정값을 예측하는 것이다. 본 연구의 목적은 미지의 위치에서의 어떤 측정값을 예측하는데 있어서 지엽적인 데이터(local area data)를 가지고 예측하는 경우와 전역적인 데이터(global area data)를 가지고 예측하는 경우 예측력 측면에서 어떤 경우가 좋은 예측력을 보이는가를 알아보는 것이다. 본 연구의 목적을 달성하기 위하여 먼저 시뮬레이션을 통하여 예측력 측면에서 두 경우에 대해서 어떤 경우가 우월한 지에 대해서 알아보고, 시뮬레이션에서 얻어진 결과의 타당성을 보이기 위해서 실제 데이터를 이용하여 실제 적용사례를 수행하였다. 본 연구에서 수행된 시뮬레이션은 다음과 같은 두 가지 방법으로 수행하였다. 첫째, 몇몇의 지엽적인 데이터 셋들을 먼저 시뮬레이션하고 전역적인 데이터 셋은 지엽적인 데이터 셋들을 결합하여 하나의 전역적인 데이터 셋을 구성하여 두 경우에 대해서 예측력을 비교하였다. 둘째, 먼저 시뮬레이션을 통하여 전역적인 데이터 셋을 얻고 지엽적인 데이터 셋은 전역적인 데이터 셋을 9개의 작은 데이터 셋으로 분할하여 얻어 두 경우에 대해서 예측력을 비교하였다. 여기서 본 연구의 목적을 달성하는데 의미를 갖도록 하기 위해서 위치 데이터는 의 격자형태가 되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 시뮬레이션은 구형모형(spherical model), 가우시안모형(gaussian model), 지수모형(exponential model)의 세 가지 모형을 사용하였고, 시뮬레이션 횟수는 100, 300, 500번으로 하여 수행하였다. 각 경우의 시뮬레이션에서 지엽적인 경우가 전역적인 경우보다 예측력이 우수함을 볼 수 있었다. 그리고 실제 적용사례에서는 부산시 내 8개의 구에 대한 아파트 실거래 가격 데이터를 이용하여 8개의 각 구를 지엽적인 지역으로 간주하고, 8개 구 전체를 전역적인 지역으로 간주하여 두 경우에 대한 예측력을 비교하는 내용으로 사례분석을 수행하였다. 실제 적용사례의 경우 역시 지엽적인 지역을 이용하여 어떤 지정된 지역의 아파트 실거래 가격을 예측한 경우가 전역적인 지역을 이용하여 예측한 경우보다 예측력이 더 좋은 결과를 보였다.

운동선수의 혈중 지용성 비타민 및 수용성 비타민 수준 분석

소성현 용인대학교 교육대학원 2020 국내석사

본 연구는 운동선수의 성별, 종목유형, 운동형태 및 BMI에 따른 혈중 지용성 및 수용성 비타민 수준을 규명하기 위한 목적으로 진행되었다. 대상자 선정은 IRB(Institutional Review Board: 생명윤리위원회)의 절차에 따라 법적으로 허가된 장소에서 연구목적과 과정, 연구 참여 이득 등의 설명이 있는 포스터를 2주간 공지하여 참가자를 모집을 하였다. 또한, 유목적 표집법(purposeful sampling)을 통해 424명의 대상자를 선발한 다음 연구를 진행하였다. 혈중 지용성 및 수용성 비타민 수준은 평균(Mean)과 표준편차(Standard Deviation)로 표기하였으며 분석에 앞서 정규성 검증(Kolmogorov-Smirnov)을 실시하였다. 성별, 종목유형, 운동형태 및 BMI 수준에 따른 혈중 지용성 및 수용성 비타민 차이는 정규성의 유무에 따라 독립표본 t-검증(Independent t-test)과 일원변량분석(one-way ANOVA), Mann-Whitney U test, 및 Kruskal-Wallis test를 통해 분석하였다. 그리고 혈중 지용성 및 수용성 비타민과 BMI와의 관계는 Pearson의 적률상관관계분석을 이용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫째, 성별에 따른 운동선수의 혈중 지용성 및 수용성 비타민 농도의 차이는 남자 선수가 Vitamin A, Vitamin D, Vitamin B5에서 유의하게 높았으며, 여자 선수는 Vitamin E, Vitamin B3, Vitamin B9에서 유의하게 높은 것을 확인하였다. 둘째, 종목유형에 따른 운동선수의 혈중 지용성 및 수용성 비타민 농도의 차이는 실외종목 선수가 Vitamin D에서 유의하게 높았으며, 실내종목 선수는 Vitamin E, Vitamin B1에서 높은 것을 확인하였다. 셋째, 운동형태에 따른 운동선수의 혈중 지용성 및 수용성 비타민 농도의 차이는 모든 비타민에서 종목 간 유의한 차이를 확인할 수 있었다. 넷째, BMI와 혈중 수용성 및 지용성 비타민과의 관계에서는 통계적으로 유의한 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 이상의 연구 결론을 종합하면 운동선수의 혈중 지용성 및 수용성 비타민의 농도 차이는 성별, 종목유형, 운동형태에 따라 유의한 차이가 나타나는 것을 확인하였다. 하지만, BMI와 혈중 비타민 농도의 상관성은 나타나지 않았다. This study was conducted in order to identify the level of fat-soluble and water-soluble vitamins in the blood according to the gender, type of sports, type of exercises, and BMI of the athletes. The participants were selected by announcing with a poster for two weeks explaining the purpose, process, and benefits of participation in the research at a legally authorized place in accordance with IRB's (Institutional Review Board) procedures. In addition, the research was conducted after 424 subjects were selected by purposeful sampling. The fat- and water-soluble vitamin levels in the blood were indicated in mean and standard deviation, and the normality verification (Kolmogorov-Smirnov) was performed prior to the analysis. The differences of the level of the fat- and water-soluble vitamins in the blood according to gender, type of sports, type of exercises, and BMI level were analyzed by Independent t-test, one-way ANOVA, Mann-Whitney U test, and Kruskal-Wallis test, depending on the presence of normality. Then, the relationship between the fat and water-soluble vitamins and BMI was used by Pearson's appropriate correlation analysis to draw the following conclusions. First, the difference in the fat- and water-soluble vitamin concentrations of athletes by gender were significantly higher for male athletes in Vitamin A, Vitamin D and Vitamin B5, and for female athletes in Vitamin E, Vitamin B3, Vitamin B9. Second, the difference in the fat and water-soluble vitamin concentration of athletes according to the type of sports was significantly higher for outdoor events in Vitamin D, and higher for indoor events in Vitamin E and Vitamin B1. Third, there was significant differences among the type of exercises in all vitamins in the difference in the fat-soluble and water-soluble vitamin concentrations of athletes according to the type of exercises. Fourth, the relationship between the BMI and fat- and water-soluble vitamins has been shown to have no statistically significant correlation. In conclusion, there was a significant difference in the concentration of fat-soluble and water-soluble vitamins in the blood of athletes according to the gender, type of sports and type of exercises. However, there was no correlation between the BMI and the blood vitamin levels.

Conebeam CT를 활용한 하악 제3대구치와 하치조신경관의 위치파악시 파노라마 사진의 신뢰성 연구

소성현 전남대학교 치의학전문대학원 2012 국내석사

실제 환자들의 파노라마 방사선 사진과 Conebeam CT 영상을 근거로 하악 제3대구치 치근과 하치조신경관의 접촉여부를 파악할 수 있는 근거로써의 파노라마 방사선 사진의 신뢰성을 알아보고자 하였다. 2008년 11월부터 2010년 2월까지 광주광역시 용봉동 전남대학교 치과병원 구강악안면방사선과에 하악 제3대구치 발거를 위해 내원한 환자들 중 파노라마 방사선 사진 상에서 하악 제3대구치 치근과 하치조신경관의 중첩이 관찰되지 않은 케이스는 제외하고 중첩이 관찰된 케이스 총 224례를 연구대상으로 하여 파노라마 방사선 사진과 Conebeam CT 영상을 비교분석하여 파노라마 방사선 사진의 신뢰성을 알아보았다. 연구결과 파노라마 사진상 수직적 중첩의 심도는 실제 해부학적 구조상 그 둘의 접촉 위험도에 아무런 유의한 영향을 미치지 않았다. 반면 하치조신경관 상부 피질골이 파노라마 방사선 사진상에서 신경관과 중첩된 하악 제3대구치 치근첨부에 겹쳐 “superior white line”으로 나타나는지 여부에 따라 하악 제3대구치와 하치조신경관이 실제로 접촉하고 있는지 여부를 파악해 본 결과 통계적 유의성을 충족하였고, 특히 superior white line 이 보이지 않는 경우와 남성보다는 여성일 경우에 위험도가 높았다. 반면 치아의 맹출 및 매복 방향과 대상 환자의 연령 등은 통계적으로 유의한 연관성을 보이지 않았다. 그러므로 파노라마 방사선 사진은 superior white line을 기준으로 할 경우 하악 제3대구치 치근과 하치조신경관의 접촉여부에 대해 신뢰할 만한 예측을 제공한다. 그러나 이와 같은 연구결과에도 불구하고 파노라마 방사선 사진이 하악 제3대구치와 하치조신경관의 해부학적 관계에 대한 완벽한 진단도구가 될 수는 없으며, Conbeam CT 촬영을 위한 대상환자 선별을 위한 근거로 사용함이 적절해 보이며, 제3대구치 발거 등과 같은 외과적 시술시에는 신경손상을 방지하기 위한 술자의 각별한 주의가 요구된다.

텅스텐 CMP 공정에서 고선택비를 위한 PEG의 산화규소 막질 흡착 거동 연구

소성현 한양대학교 대학원 2018 국내석사

텅스텐 CMP 공정에서 텅스텐과 산화규소 막질의 연마 선택비는 옥사이드 막질에서의 연마 중지 단계를 위해서 매우 중요하다. 이 연구에서는 PEG의 산화 규소 막질로의 선택적 흡착을 이용해서 해당 막질의 연마량을 감소시키고 이를 이용해서 텅스텐 대비 산화규소 막질 연마량 선택비를 증가시켰다. PEG와 산화규소의 수소결합은 용액의 페하값이 감소할수록 증가한다. 페하 3에서 산화규소의 표면 전하가 0에 가까워 지기 때문에 PEG와 산화규소간의 반발력이 매우 작아지게 된다. 따라서 해당 영역에서 PEG가 산화규소에 최대로 흡착된다. 반면에 텅스텐의 경우 산성영역의 페하에서도 음의 전하를 띄기 때문에 PEG가 접근하지 못해서 훨씬 적은 양만이 흡착되었다. CMP 평가 결과 산화규소 막질의 연마량은 PEG의 흡착으로 인해서 감소하였고, 동시에 텅스텐은 PEG의 적은 흡착으로 인해서 연마량이 거의 감소되지 않았다. 이러한 PEG의 선택적 흡착이 텅스텐 대비 산화규소 막질의 연마 선택비를 증가시켰다. 결과적으로 연마 선택비는 PEG의 농도를 0에서 9 wt% 까지 증가시켰을 때, 4.5에서 85.5까지 증가하였다. In tungsten chemical mechanical polishing (CMP), the removal selectivity between tungsten and SiO2 film is crucial for the removal stopping step on SiO2. We studied the selective adsorption of polyethylene glycol (PEG) on SiO2 for high removal selectivity of tungsten to SiO2 in tungsten CMP. The hydrogen bonding between PEG and SiO2 increased as the solution pH decreased. At pH 3, the maximum adsorption of PEG on SiO2 occurred due to the low surface charge of SiO2 (near its isoelectric point). On the other hand, less amount of PEG was adsorbed on tungsten due to the high negative surface charge of tungsten. From the CMP test, the removal rate of SiO2 film was reduced by the adsorption of PEG. At the same time, the removal rate of tungsten was reduced but much less than SiO2 due to the little adsorption of PEG. The selective adsorption led to the selective reduction of removal rate of SiO2 during CMP process. As a result, the removal selectivity increased from 4.5 to 85.5 as the PEG concentration increased from 0 to 9 wt% at pH 3.

가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램이 발달장애 학생의 생체신호 안정에 미치는 영향

소성현 전남대학교 2023 국내석사

이 연구는 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램이 발달장애 학생의 호흡수와 심박수 생체신호 안정에 미치는 영향을 파악하는 데 주요한 목적이 있으며 이러한 연구의 목적을 달성하기 위한 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램이 발달장애 학생의 호흡수 생체신호 안정에 어떠한 영향을 미치는가? 둘째, 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램이 발달장애 학생의 심박수 생체신호 안정에 어떠한 영향을 미치는가? 이 연구의 대상으로 K광역시에 소재한 고등학교 특수학급에 재학 중인 발달장애 학생 12명을 선정하였으며, 연구 대상 학생을 실험집단(n=6)과 통제집단(n=6)으로 나누어 진행하였다. 실험집단을 대상으로 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램을 12회기 적용하였고, 사전-사후 심박수와 호흡수 생체신호를 측정하였다. 통제집단의 경우 중재의 적용 없이 학생들이 평상시 수업에 참여한 후 심박수와 호흡수 생체신호를 측정하였다. 실험집단과 통제집단 모두 중재 혹은 평상시 수업 참여 전과 후의 호흡수와 심박수 평균을 산출하였고, 평균의 차이를 비교·분석하였다. 본 연구에서 측정된 모든 자료는 Window 용 SPSS/PC 27.0 통계프로그램을 이용하여 분석하였다. 비모수 검증인 카이스퀘어 검정과 Mann-Whitney U 검정을 통해 두 집단의 지능과 사회성 지수의 동질성을 확인할 수 있었다. 실험집단과 통제집단의 호흡수와 심박수 생체신호를 측정하기 위하여 사전-사후 평가를 수행하였고, 그 자료를 비모수 검정인 Mann-Whitney U 검정을 사용하여 비교·분석하였다. 발달장애 학생 대상 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램에 참여한 발달장애 학생의 호흡수 생체신호에 대한 비모수 검정 결과 실험집단과 통제집단의 중재 4회기 차, 중재 8회기 차, 중재 12회기 차 호흡수 생체신호 평균의 차이에서 유의미한 차이가 있었다. 이는 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램이 발달장애 학생들의 호흡수 생체신호 안정에 긍정적인 영향을 미쳤다는 것을 의미한다. 둘째, 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램에 참여한 발달장애 학생의 심박수 생체신호에 대한 비모수 검정 결과 실험집단과 통제집단의 중재 전, 중재 4회기 차, 중재 8회기 차, 중재 12회기 차 심박수 생체신호 평균의 차이에서 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 이상의 결과를 정리하면, 발달장애 학생을 대상으로 한 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램은 발달장애 학생의 호흡수 생체신호를 안정시킬 뿐만 아니라 학생들의 심박수 생체신호 안정에 긍정적인 영향을 주었다. 그러나 이 연구는 고등학교 특수학급 소속 발달장애 학생만을 대상으로 하였기 때문에 보다 많은 학생을 대상으로 하는 후속 연구가 필요하다. 또한, 다양한 장애 영역과 장애 정도를 지닌 학생을 대상으로 가상현실 기반 심리안정 중재 프로그램의 효과 연구 역시 필요하다. This study aimed to identify the effects of a virtual reality-based psychological stability intervention program on the respiration rate and heart rate bio-signal stability of students with developmental disabilities. The research questions to achieve this purpose were set as follows. First, what effect does a virtual reality-based psychological stability intervention program have on the respiration rate bio-signal stability of students with developmental disabilities? Second, what effect does a virtual reality-based psychological stability intervention program have on the heart rate bio-signal stability of students with developmental disabilities? The study selected twelve students with developmental disabilities attending a high school special class located in K Metropolitan City as the subjects and divided them into an experimental group (n=6) and a control group (n=6). A virtual reality-based psychological stability intervention program was applied twelve times on the experimental group, and heart rate and respiration rate bio-signals were measured both before and after. The control group’s heart rate and respiration rate bio-signals were measured after the students participated in their usual class without the intervention applied. For both the experimental and control groups, the study calculated the average heart rate and respiration rate before and after they participated in the intervention or normal class while comparing and analyzing the differences between the averages. All data measured in this study were analyzed using the SPSS/PC 27.0 Windows statistical program. The two groups’ homogeneity of the intelligence and sociability indices was confirmed through the chi-square test and the Mann-Whitney U test, which are non-parametric tests. Both pre- and post-test evaluations were carried out to measure the respiration rate and heart rate bio-signals of the experimental and control groups, and the data were compared and analyzed using the Mann-Whitney U test. The following results were derived from the study on a virtual reality-based psychological stability intervention program for students with developmental disabilities. First, according to the result of a non-parametric test on the respiration rate bio-signals of students with developmental disabilities participating in a virtual reality-based psychological stability intervention program, there was a significant difference in the mean respiration rate bio-signals between the control and the experimental groups at the 4th, 8th, and 12th interventions. This indicates that the program positively affected the stabilization of the respiration rate and bio-signals of students with developmental disabilities. Second, according to the results of the non-parametric test on the heart rate bio-signals of students with developmental disabilities participating in the program, there was a significant difference in the average heart rate bio-signals between the control and the experimental groups at the 4th, 8th, and 12th interventions. Overall, the virtual reality-based psychological stability intervention programs for students with developmental disabilities not only stabilized their respiration rate bio-signals but also had a positive effect on stabilizing their heart rate bio-signals. However, since this research only targeted students with developmental disabilities in high school special classes, follow-up studies for more students are needed. Therefore, It is also necessary to research virtual reality-based psychological stability intervention programs for students with various types and degrees of disability.

(A) study on in-situ measurement of combustion system with improved analysis method of near-infrared diode laser absorption spectroscopy

소성현 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

Recently, the world's energy is typically produced through hydrocarbon fuels, renewable energy, and nuclear fission. Among them, hydrocarbon fuels are expected to be continuously used at a high rate. However, pollutants generated during the combustion of hydrocarbon fuels have caused serious problems related to air pollution, and hence, the regulations on emissions have been strengthened. Nitrogen oxides (NOX) and sulfur oxides (SOX) formed during the combustion process are considered as precursors of ultrafine particles (UFPs). Therefore, the development of a clean combustion technology that suppresses the generation of air pollutants, such as precursors of UFPs in the combustion process, and that of high-efficiency combustion technology for improving the combustion efficiency, are being actively promoted. For this reason, it is important to monitor the combustion products in the combustion environment to improve the combustion efficiency and reduce harmful combustion emissions. In general, a thermocouple (T/C) and electrochemical (E/C) sensor are used for measuring the temperature and gas species. However, it is difficult to predict the overall reaction inside the combustion environment using the results provided due to physical probing and sampling method at fixed points. In addition, these methods have short durability due to the harsh environment and high temperatures, and cause flow disturbances in the combustion field. To overcome these limitations, the optical technologies with a non-invasive measurement method have been considered to measure temperature and gas species in the combustion environment. Among the typical optical measurement methods, tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), which exhibits high selectivity, durability, and fast response characteristics through a narrow linewidth, is mainly used in combustion environments. The purpose of this thesis is to measure the combustion products produced after combustion using a near-infrared laser based on a newly improved DAS analysis method. The combustion system was designed for the combustion part where the flame exists and for the exhaust part where the exhaust gas generated after the combustion reaction is present. This paper proposes the possibility of measuring temperature and concentration in harsh combustion environments based on a newly improved DAS analysis method. For this reason, this thesis can be broadly divided into three chapters. First part of this thesis describes the simultaneous measurement of oxygen (O2) and carbon monoxide (CO) concentrations in the exhaust gas produced by the partially premixed CH4/air flame. The O2 and CO are produced in combustion reactions and are important gas species, which are closely related to combustion efficiency and production of air pollutants. O2 generates thermal nitrogen oxide (NOX) by reacting with nitrogen in the air at high temperatures, and the presence of excess O2 also affects the energy efficiency as a result of increasing exhaust heat energy. CO is generally well-known for being a toxic gas and is a crucial gas species produced by incomplete combustion. However, it is difficult to measure O2 and CO level variations in a huge combustion system, such as used in steel annealing and power plant boilers, because of their harsh environment. Therefore, as a multi-species measurement technique, which is non-intrusive and has a high sensitivity and high response, tunable diode laser absorption spectroscopy was chosen as the optical method used to measure O2 and CO concentrations in exhaust gases. In this study, experiments were carried out to measure the O2 and CO concentrations in an electrical furnace and a combustion system using direct absorption spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy. The measured results were compared to those of a gas analyzer of the electrochemical sensor type. The O2 and CO concentrations were measured in the exhaust gas produced from methane/air flame through adjustment of the equivalence ratio to form both fuel-lean and fuel-rich conditions. To measure the O2 and CO concentrations precisely and without interference from other combustion products, visible and near-infrared wavelength regions at 760.8 and 2325.2 nm were selected, respectively. Second part of this thesis describes the simultaneous measurement of temperature and H2O concentration in the premixed CH4/air flame using a newly proposed two partially overlapped H2O absorption signals. It is important to monitor the temperature and H2O concentration in a large combustion environment in order to improve combustion (and thermal) efficiency and reduce harmful combustion emissions. However, it is difficult to simultaneously measure both internal temperature and gas concentration in a large combustion system because of the harsh environment with rapid flow. In regard, tunable diode laser absorption spectroscopy, which has the advantages of non-intrusive, high-speed response, and in situ measurement, is highly attractive for measuring the concentration of a specific gas species in the combustion environment. In this study, two partially overlapped H2O absorption signals were used in the TDLAS to measure the temperature and H2O concentration in a premixed CH4/air flame due to the wide selection of wavelengths with high temperature sensitivity and advantages where high frequency modulation can be applied. The wavelength regions of the two partially overlapped H2O absorptions were 1.3492 and 1.34927 μm. The measured signals separated the multi-peak Voigt fitting. As a result, the temperature measured by TDLAS based on multi-peak Voigt fitting in the premixed CH4/air flame was the highest at 1385.80 K for an equivalence ratio of 1.00. It also showed a similarity to those tendencies to the temperature measured by the corrected R-type T/C. In addition, the H2O concentrations measured by TDLAS based on the total integrated absorbance area for various equivalent ratios were consistent with those calculated by the chemical equilibrium simulation. Additionally, the H2O concentration measured at an equivalence ratio of 1.15 was the highest at 18.92%. Third part of this thesis describes the measurement of the OH radical concentration by extracting the interference of H2O through the improved DAS method using the near-infrared laser. The OH radical, which is related to the flame structure and indicator of combustion completeness, is one of the most important intermediate reaction species in the combustion reaction as a major carrier of chain branching and propagation reactions. However, it is difficult to measure the OH radical concentrations in the flame because it is highly reactive and consequently short-lived. Nevertheless, measurement of OH radicals is essential due to the close relationship between combustion efficiency and air pollutants in a combustion process. In this study, OH radical concentration was measured by applying the TDLAS method, which is an in-situ-based optical method, to overcome the difficulty of measuring OH radicals. Typically, most of the light absorption signals of OH radical in the near-infrared region are partially overlapped or overlapped by the light absorption signals of H2O. Thus, the OH radical concentration should be calculated after extracting the contribution of H2O absorption from overlapped OH and H2O light absorption signals. An optical absorption region (P7.5ff transition at 1502.7 nm) of OH radical was selected in the near-infrared to quantitatively measure OH radical in premixed CH4/air flame. And, an improved DAS (Direct Absorption Spectroscopy) method based on WDM (Wavelength Division Multiplexing) was proposed to extract the H2O absorption signal interfered with the OH light absorption signal. The OH radical concentration measured by the improved DAS was measured as the highest at 0.2592% at the equivalent ratio of 1.00. The measured H2O concentration (18.80%) at equivalence ratio of 1.15 in the fuel-rich condition was derived to be higher than the equivalence ratio of 1.00. and the chemiluminescence measurement system was used to visualize the ultraviolet (UV) emissions (OH* radical) from the premixed CH4/air flame. An images of OH* radical using ICCD camera were compared to the measured OH radical concentration based on the improved DAS method 최근 세계 에너지는 일반적으로 탄화수소계열 연료, 재생에너지 및 핵분열을 통해 방법으로 생산되고 있으며 그 중에서 탄화수소 연료는 지속적으로 높은 비율로 사용될 것으로 전망되고 있다. 그러나 탄화수소 연료 연소 시 발생되는 오염 물질은 대기오염과 같은 심각한 문제를 야기하여 배출 규제를 강화하고 있다. 연소 과정에서 생성되는 질소산화물 (NOX)과 황산화물 (SOX)은 초미세먼지 (UFP)의 전구물질로 알려져 있다. 이에 연소 과정에서 초미세먼지의 전구물질 등 대기오염물질의 발생을 억제하는 청정 연소 기술과 연소 효율 향상을 위한 고효율 연소 기술의 개발이 적극적으로 진행되고 있다. 이러한 이유로 연소 효율을 향상시키고 유해 연소 배출물을 줄이기 위해 연소 환경에서 연소 생성물을 모니터링하는 것은 중요하다. 일반적으로 열전대 (Thermocouple, T/C) 및 전기화학 (Electrochemical, E/C) 센서는 온도 및 가스종 측정에 사용되지만 고정된 지점에서의 침습식 및 샘플링 방법으로 측정된 결과를 사용하기 때문에 연소 환경 내부의 전체적인 반응을 예측하기는 어렵다. 또한 이러한 방법은 열악한 환경과 고온으로 인해 내구성이 짧고 연소장에서 유동 간섭을 유발한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연소 환경에서 온도 및 가스종 측정은 비침습식 측정 기반의 광학식 방식이 고려되고 있다. 일반적인 광학식 측정 방법 중 좁은 선폭을 통해 높은 선택성, 내구성 및 빠른 응답 특성을 보여주는 TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy)는 주로 연소 환경에서 적용되고 있다. 본 학위 논문의 목적은 새롭게 향상된 DAS 분석법을 기반으로 근적외선 레이저를 이용하여 연소 후 생성되는 화염 내 라디칼 및 연소 생성물을 측정하는 것이다. 연소 시스템은 화염이 존재하는 연소부와 연소 반응 후 생성되는 배기가스의 후단부로 나누어 설계하고 새롭게 향상된 DAS 분석 방법을 기반으로 연소 환경에서 온도와 농도를 측정할 수 있는 가능성을 제시한다. 따라서, 이 논문은 크게 세 장으로 나눌 수 있다. 첫 번째 파트는 부분적 예혼합 CH4/공기 화염에 의해 생성된 배기가스의 산소 (O2)와 일산화탄소 (CO) 농도를 동시에 측정하는 방법을 설명한다. O2 와 CO 는 연소 반응에서 생성되며 연소 효율 및 대기 오염 물질 생성과 관련하여 중요한 가스종으로 알려져 있다. O2 는 고온에서 공기 중의 질소와 반응하여 Thermal NOX를 생성하며, 과도한 O2 생성은 에너지 효율에 영향을 미친다. CO 는 일반적으로 독성 가스로 잘 알려져 있으며 불완전 연소에 의해 생성되는 가스이다. 석탄 화력 발전소 및 열처리로와 같은 열악한 대형 연소시스템 내 O2 및 CO 농도 측정은 어렵기 때문에 비침습적 및 실시간 측정이 가능한 광학식 방식의 파장 가변형 다이오드 레이저 흡수 분광법이 적용되고 있다. 이 파트에서는, 전기로와 연소시스템에서 O2 및 CO 농도를 측정하기 위해 직접 흡수 분광법과 파장 변조 분광법을 사용하여 실험이 수행되었다. 측정 결과는 전기 화학 센서 기반의 가스 분석기와 비교되었다. 부분 예혼합 CH4/공기 화염에서 생성된 배기가스에서 O2 및 CO 농도는 당량비를 조절하여 연료 희박 조건과 연료 농후 조건에서 측정되었다. 다른 연소 생성물의 간섭없이 O2 와 CO 농도를 측정하기 위해 각각 760.8 및 2325.2 nm 의 파장 영역이 선택되었다. 두 번째 파트에서는 새로 제안된 일부 겹쳐진 두 개의 H2O 흡수 신호를 사용하여 예혼합 CH4/공기 화염에서 온도와 H2O 농도 동시 측정에 대한 방법을 설명한다. 대형 연소 환경에서 연소 및 열 효율을 증가와 대기오염물질 저감을 위해 온도와 H2O 농도 측정은 중요하다. 그러나 빠른 유동과 열악한 환경으로 인해 대형 연소 시스템에서 내부 온도 및 가스 농도 측정은 어렵다. 이와 관련하여 비간섭성, 실시간 및 in-situ 측정의 장점을 가진 파장 가변형 다이오드 레이저 흡수 분광법이 연소 환경에서 특정 가스종 농도 측정에 활용되고 있다. 이 파트에서는 예혼합 CH4/공기 화염의 온도 및 H2O 농도를 측정하기 위해 고주파 변조 적용과 높은 온도 측정 감도의 장점을 가진 일부 겹쳐진 두 개의 H2O 흡수 신호가 사용되었다. 일부 겹쳐진 두 H2O 흡수의 파장 영역은 1.3492 및 1.34927 μm 로 선택되었다. 측정된 신호는 Multipeak Voigt fitting 을 통하여 분리되었다. 그 결과, Multi-peak Voigt fitting 으로 측정된 예혼합 CH4/공기 화염의 온도는 당량비 1.00 에서 1385.80K 로 가장 높게 도출되었다. 또한 교정된 R-type T/C 로 측정된 온도와 유사한 경향을 보였다. 다양한 당량비 조건에서 TDLAS 에서 측정된 H2O 농도는 화학적 평형 시뮬레이션(Chemkin)에 의해 계산된 농도와 유사한 경향성을 보였고 당량비 1.15 에서 측정된 H2O 농도는 18.92 %로 가장 높게 도출되었다. 세 번째 파트에서는 향상된 DAS 기법 기반 근적외선 레이저를 이용하여 OH 라디칼 흡수 신호에서 H2O 흡수 신호의 간섭을 추출함으로써 OH 라디칼 농도를 측정하는 방법을 설명한다. 화염 구조 및 완전 연소의 지표로써 OH 라디칼은 연쇄 분지 및 전파 반응의 주요 운반체로서 연소 반응에서 가장 중요한 라디칼 중 하나이다. 그러나 화염의 OH 라디칼 농도는 생성 및 소멸의 시간이 짧기 때문에 측정하기가 어렵다. 그럼에도 불구하고 OH 라디칼의 측정은 연소 과정에서 연소 효율과 대기오염물질 생성에 밀접한 관계로 인해 필수적이다. 본 연구에서는 OH 라디칼 측정의 어려움을 극복하기 위해 in-situ 기반 광학 방식인 TDLAS 방법을 적용하여 OH 라디칼 농도를 측정하였다. 일반적으로 근적외선 영역에서 OH 라디칼 광 흡수 신호의 대부분은 H2O 의 광 흡수 신호와 부분적으로 겹치거나 중첩된다. 따라서 OH 라디칼 농도는 중첩된 OH 및 H2O 광 흡수 신호에서 H2O 흡수 신호 면적을 추출한 후 도출된다. 근적외선에서 선택된 OH 라디칼의 광 흡수 영역 (1502.7 nm, P7.5ff transition)을 이용하여 예혼합 CH4/공기 화염 내 OH 라디칼 농도가 정량적으로 측정되었다. 이는 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 기반의 향상된 DAS (Direct Absorption Spectroscopy) 방법을 제안함으로써 OH 라디칼 광 흡수 신호에 간섭되는 H2O 흡수 신호가 추출된다. 향상된 DAS 기법에 의해 측정된 OH 라디칼 농도는 당량비 1.00 에서 0.2592 %로 가장 높게 측정되었다. 또한 연료농후 조건인 당량비 1.15 에서 측정된 H2O 농도(18.80 %)는 당량비 1.00 보다 높은 것으로 도출되었다. 자발광 측정 기반의 ICCD 카메라를 이용하여 예혼합 CH4/공기 화염의 OH* 라디칼 강도가 측정되었다. 이후 ICCD 카메라를 사용한 OH* 라디칼 강도와 향상된 DAS 기법을 기반으로 측정된 OH 라디칼 농도가 비교되었다. 마지막으로 OH 라디칼 측정을 위해 새롭게 제안된 DAS 기법에 tomography 기법을 적용한 후 화염 내 화염온도, H2O 농도, 그리고 OH 라디칼의 2D 농도 분포가 도출되었다.