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문제 정의
- 본 연구는 인체 내부 온도 측정을 목적으로 하는 기초연구로서 인체 내부 온도에 가까운 저온의 물체를 열원으로 하여 열원에서 방출되는 적외선을 silver halide 광섬유를 통해 전송시켜 열원의 온도 변화에 따른 적외선 센서의 출력신호를 측정하였고, 열원의 온도와 적외선 센서 출력신호 사이의 관계식을 도출하였다.
제안 방법
- 열원으로부터 방출된 적외선은 silver halide 광섬유를 통해서 적외선 센서로 전송되고, 전송된 적외선의 특정 파장에 대해서 적외선 센서의 출력이 결정된다. 이 때 silver halide 광섬유의 적외선 전송량을 증가시키고, 실온에서 적외선 검출기의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)를 높이기 위하여 적외선 광학 장비를 사용하였다.
- 열원이 고온인 경우, 광섬유내부의 상태이상으로 적외선의 전송률이 떨어지거나, 광섬유의 녹는점 보다 고온이 될 경우에 는 광섬유가 녹게 된다. 실험에서 는 silver halide 광섬유의 녹는점과 동작온도 범위를 고려하여 열원과 silver halide 광섬유 간의 거리를 1cm로 결정하였다.
- 본 연구에서 모든 실험은 25℃ 실온에서 수행하였고 실온에서 동작 가능한 적외선 센서를 사용하였으며, 반복 실험과 무작위 실험을 통해서 열원의 온도 변화에 따른 적외선 센서의 출력신호를 측정하였고, 열원의 온도와 적외선 출력신호 사이의 관계식을 도출하였다.
- 초전형 적외선 센서는 감지부(sensing element)에 입사된 적외선의 변화가 없을 시에는 추가적인 출력 을 얻을 수 없게 된다. 실험에서는 적외선 검출 시스템에 초퍼(300CD, Scitec Ltd.)를 사용하여 주기적인 적외선의 입사가 가능하게 하였으며, 초퍼의 주파수는 초전형 적외선 센서의 감도를 높이기 위하여 1Hz로 하였다. 또한 초전형 적외선 센서의 잡음(noise)이 섞여 있는 출력신호를 받아 원하는 신호만 따로 검출하기 위하여 lock-in amplifier(420 dual phase, Scitec Ltd.
- 보여주고 있다. 열원, 적외선 광학장비 및 silver halide 광섬유 그리고 초전형 적외선 센서를 일직선상에 위치시키고, 열원과 초전형 적외선 센서 및 silver halide 광섬유 양 끝단은 주위 광원의 영향을 최소화하기 위해서 암실처리를 하였다. 적외선 검출 시스템의 출력신호 측정을 위한 열원의 온도 범위는 25~60℃ 이다.
- 초전형 적외선 센서를 이용한 적외선 검출 실험에서 적외선 광학 장비를 사용하기 전에 silver halide 광섬유만을 사용하여 열원의 온도변화에 따른 적외선 검출 시스템의 출력신호를 측정하였다. 그림 7은 적외선 광학장비를 사용하지 않은 경우, 열원의 온도변화에 따른 적외선 검출시스템의 출력신호를 보여준다.
- 위의 결과를 확인하기 위하여 초전형 적외선 센서와 동작원리가 같은 열형 센서인 써모파일 센서(thermopile sensor)를 사용하여 동일한 조건에서 실험을 수행하였다.
- 보여주고 있다. 적외선 검출시스템을 사용한 실험과 동일하게 열원, 적외선 광학장비 및 silver halide 광섬유 그리고 써 모파일 센서를 일직선상에 위치시키고 열원 및 silver halide 광섬유 양 끝단은 주위 광원의 영향을 최소화하기 위해서 암실처리를 하였다. silver halide 광섬유를 통해 전송된 적외선은 써모파일 센서 앞에 위치한 적외선 필터에 의해 감지가능한 적외선 파장영역만 투과되어 센서에 입사되고, 써모파일 센서에서 적외선 신호를 전기 신호로 변환하면, 증폭회로는 미세한 센서의 출력전압을 증폭시키게 된다.
- 써모파일 센서를 사용한 실험에서는 열원의 온도 변화에 따른 써모파일 센서의 출력 전압을 측정하였고 2종류의 필터에 대해서 적외선 광학 장비를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대한 열원의 온도와 써모파일 센서의 출력 전압간의 관계를 각각 도출하였다. 그림 11은 기본 필터를 사용한 경우, 열원의 온도변화에 따른 적외선 광학장비의 사용 유무에 의한 써모파일 센서의 출력전압의 변화를 보여준다.
- 본 연구에서는 열원으로부터 방출되는 적외선을 적외선 광학장비 및 silver halide 광섬유를 통해 전송시켜 적외선 센서로 측정하였으며, 실험에서 측정한 열원의 온도범위는 25~60℃ 이었다. 빈의 변위법칙(Wien's displacement law)을 이용한 온도별 최대복사 파장으로 변환하면 9.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 광섬유는 silver halide 광섬유(PIR 900/1000, JT Ingram Co.)로서 자켓(jacket)을 포함한 광섬유의 외경이 1.3mm, 코어(core)의 직경은 0.9mm 이며 클래딩(cladding)의 두께는 0.05mm이다. 코어의 굴절율은 2.
- 본 연구에 사용된 열원은 열 방출형 적외선 광원(IR-12K, Scitec Ltd.)으로서 방출면적(active area)은 3.5 mm × 3.5mm이며, 1~22μm 영역의 적외선 파장에서 80%의 방사율(emissivity)을 보이고 있다. 열원의 온도는 인가전압에 의해서 변화되고, 각각의 열원 온도에 의해서 방출되는 적외선의 파장이 결정된다.
이론/모형
- )를 사용하여 주기적인 적외선의 입사가 가능하게 하였으며, 초퍼의 주파수는 초전형 적외선 센서의 감도를 높이기 위하여 1Hz로 하였다. 또한 초전형 적외선 센서의 잡음(noise)이 섞여 있는 출력신호를 받아 원하는 신호만 따로 검출하기 위하여 lock-in amplifier(420 dual phase, Scitec Ltd.)를 사용하였다. 그림 5는 초퍼의 주파수에 따른 초전형 적외선 센서의 검출능(detectivity)을 보여준다.
성능/효과
- 본 연구에서 써모파일 센서에 사용된 적외선 필터는 2종류로서, 5.5~16μm의 파장범위를 가지는 기본(standard) 필터는 7.5~13.5μm 파장의 영역에서 70% 이상의 투과율을 보이고, 2~22μm의 파장 범위를 가지는 G12 필터는 5.5~13.5μm 파장의 영역에서 52% 이상의 투과율을 보인다. 그림 9는 써모파일 센서에 사용된 필터의 파장에 따른 투과율을 보여주고 있다.
- 써모파일 센서를 사용한 실험 결과, 25-60℃ 의 좁은 온도 범위에서 적외선 광학 장비 사용의 유무에 관계없이 열원의 온도와 써모파일 센서의 출력전압이 선형적인 관계를 가졌다. 하지만 광학 장비를 사용한 경우, 열원의 온도 변화에 따른 써모파일 출력전압의 변화량이 커졌으며, G12 필터보다 기본 필터를 사용하였을때 온도 변화에 더욱 민감하게 반응함을 알 수 있다.
- 35 μm를 포함한다. 또한 온열치료 시에 사용되는 세포 치사온도 42.5℃의 적외선 복사에너지의 최대파장인 9.18μm 역시 silver halide 광섬유를 이용하여 전송시킬 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.
- 실험결과, 적외선 광학 장비를 사용하였을 경우, 열원의 온도와 적외선 검출시스템의 출력신호가 선형적인 관계를 가졌다. 위의 결과를 확인하기 위하여 초전형 적외선 센서와 동작원리가 같은 열형 센서인 써모파일 센서(thermopile sensor)를 사용하여 동일한 조건에서 실험을 수행하였다.
후속연구
- 본 연구 결과를 기초로 인체 내부 온도 측정을 위한 silver halide 광섬유를 이용한 비접촉식 온도 센서의 개발이 가능할 것으로 기대 되고, silver halide 광섬유를 내시경에 포함시켜 광섬유를 인체 내부에 삽입함으로써 치료 부위의 온도 분포 측정이 가능할 것으로 기대된다. 앞으로 더 수행해야 할 연구 방향은 적외선투과 광섬유 다발을 제작하여 온도 분포를 측정 하는 것이다.
- 것으로 기대된다. 앞으로 더 수행해야 할 연구 방향은 적외선투과 광섬유 다발을 제작하여 온도 분포를 측정 하는 것이다.
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