[논문]광섬유 브래그 격자를 이용한 촉감감지용 단축 힘 센서 어레이 개발

허진석; 이정주

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.9.1160

문제 정의

하지만 이러한 형태의 감지 부에 광섬유 브래그 격자 센서를 삽입하는 경우 광섬유 브래그 격자 센서에서 발생할 수 있는 미소 굽힘 (micro-bending)에 의해 발생하는 광섬유 내에서의 광의 누출 현상으로 인한 출력 감소와 브래그 격자의 비 균일한 변형에 의해서 발생하는 처 핑(chirping) 현상이 발생하여 센서의 소형화 및 성능향상에 많은 문제점을 유발할 수가 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 두 가지 현상을 최소화 할 수 있는 감지 부를 설계하여 센서의 성능저 하를 방지하면서 센서의 소형화를 구현하고자 한다.
하지만 이러한 센서들은 유연성이 부족하여 곡면에 장착이 어렵고, 센서의 개수의 증가에 따른 많은 배선의 문제 등이 지적되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 유연성 이 보장된 광섬유 브래그 격자 를 이용하여 간단한 구조를 가지면서 배선이나 유 연성의 문제를 해결할 수 있는 2차원 분포형 힘 센서를 개발하고자 한다.

제안 방법

센서를 제작하기 위해서는 제작된 감지 부의 구멍에 광섬유 브래그 격자를 정확하게 정렬해야 한다. 감지 부의 구멍과 광섬유의 직경이 거의 동일 하여 제작과정 중 광섬유 브래그 격자의 파손을 방지하기 위해서 Fig. 8과 같이 광학 현미경과 스테이지를 이용한 정확한 정렬 장치를 이용하여 센서를 제작하였다. 즉, 광섬유 브래그 격자 센서를 정렬 장치를 이용하여 감지 부의 정확한 위치에 정렬한 후 광섬유와 감지 부를 에폭시를 이용하여 고정하였다.
15(a)에서와같이 하중이 가해진 센서에서만 브래그 파장의 변화가 발생하였으며 나머지 센서의 브래그 파장은 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한 4개의 감지 부에 동일하게 분포할 수 있도록 1N의 하중을 가하였다. 외부 하중이 가해진 각각의 감 지부에서는 전체 외부 하중의 1/4의 값인 약 0.
제작된 센서는 두 가지 형태의 하중을 주어 성능을 검증하였다. 먼저 분포형 센서들 중 첫 번째 감지 부에 1N의 하중을 가했을 때 각각의 센서에서 나오는 출력신호를 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 광섬유 브래그 격자를 이용한 촉각 센서용 유연 단위 힘 센서를 설계 제작하고 이를 이용하여 분포형(3×3) 유연 단축 힘 센서를 제 작 검증하였다. 제작된 센서는 유연한 광섬유 브래그 격자 센서에 광섬유 길이 방향으로 변위를 확대해 줄 수 있는 감지 부만을 장착한 센서로 기존의 여러 종류의 센서에 비해 원리가 간단하며, 센서의 성능이 우수하고, 여러 개의 센서를 부착하여도 하나의 광섬유로 신호를 감지할 수 있는 장점을 가지고 있다.
설계된 단위 센서를 이용하여 3×3 분포형 센서를 제작하기 위해서는 단위 센서들의 위치를 결정해야 한다. 본 연구에서는 한 광섬유 내에 위치하고 있는 아홉 개의 센서를 센서 중심 간의 간격을 5mm로 하여 Fig. 13과 같이 배열하였다.
따라서 이러한 두 가지 현상을 최소화 할 수 있는 센서의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 힘센 서의 감지 부를 Fig. 4와 같이 외부의 수직 하중에 의해서 광섬유 길이 방향으로 변위를 야기할 수 있는 구조로 설계하였다. 이러한 광섬유 길이 방향의 변위는 돌출부 아래에 위치하고 있는 광섬유 브래그 격자의 변형을 야기하게 되고 이는 곧 브래그파 장을 변화시킨다.
제작된 각각의 광섬유 브래그 격자를 이용한 각각의 힘 센서의 브래그 파장의 변화는 힘에 대한 1차 함수 관계로 표시되며 이를 Table 1에 나타내었다. 제작된 센서는 두 가지 형태의 하중을 주어 성능을 검증하였다. 먼저 분포형 센서들 중 첫 번째 감지 부에 1N의 하중을 가했을 때 각각의 센서에서 나오는 출력신호를 확인하였다.
센서의 감지 부를 설계하기 앞서 먼저 단위 센서의 용량을 설정해야 한다. 제작된 센서는 촉감 감지를 목적으로 하는 센서로 인간의 하중에 대해 인간의 피부가 민감하게 느끼는 하중 구간 10 N을 센서의 용량으로 설정하였다. 본 연구에서 사용되는 브래그 격자의 길이는 2 mm 이며 센서의 크기가 작을수록 공간분해능(spatial resolution)도 높아질 수 있다.
8과 같이 광학 현미경과 스테이지를 이용한 정확한 정렬 장치를 이용하여 센서를 제작하였다. 즉, 광섬유 브래그 격자 센서를 정렬 장치를 이용하여 감지 부의 정확한 위치에 정렬한 후 광섬유와 감지 부를 에폭시를 이용하여 고정하였다.

대상 데이터

최근 브래그 격자의 길이를 수십 /an까지 줄이는 연구들이⑹ 보고되고 있어 향후 센서의 크기를 상당히 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 설계된 감지 부의 치수는 Fig. 5와 같으며 변형을 쉽게 일으켰다가 다시 쉽게 복원할 수 있도록 탄성이 우수한 스프링 재료인 베르륨동(BeCu)를 이용하여 제작하였다. Fig.

이론/모형

센서 감지 부에서 광섬유가 고정되어 있는 부분의 광섬유 방향의 변형을 알게 된다면 광섬유 브래그 격자 센서의 반사파의 변화추이를 식 (4) 를이용해서 예측할 수가 있다. 따라서, Fig. 6과 같이 유한요소법(finite element method, FEM)을 이용하여 감지 부의 변형을 계산하였으며 이에 따른 브래그 파장의 변화를 Fig. 7에 나타냈다.

성능/효과

12에서는 또한 유한요소해석을 통해서 예측된 외부 수직 하중에 따른 브래그 파장의 변화와 실험적으로 측정된 브래그 파장의 변화를 비교하여 나타냈다. 그래프에서 알 수 있듯이 실제 실험적으로 측정된 센서의 줄력신호의 민감도(senstivity)가 유한요소 해 석을 통해서 예측된 출력신호의 민감도보다 떨어 지는 것을 확인할 수 있다. 이는 유한요소해석 모델에서는 광섬유의 연결을 고려하지 않고 감지부 만을 해석하여 생긴 오차라고 할 수 있다.
제작된 센서는 촉감 감지를 목적으로 하는 센서로 인간의 하중에 대해 인간의 피부가 민감하게 느끼는 하중 구간 10 N을 센서의 용량으로 설정하였다. 본 연구에서 사용되는 브래그 격자의 길이는 2 mm 이며 센서의 크기가 작을수록 공간분해능(spatial resolution)도 높아질 수 있다. 최근 브래그 격자의 길이를 수십 /an까지 줄이는 연구들이⑹ 보고되고 있어 향후 센서의 크기를 상당히 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
제작된 센서는 브래그 파장을 측정할 수 있는 장비의 성능에 따라 분해능이 달라질 수 있다. 본 연구에서 사용된 광 파장측정 장치는 약 0.02nm의 변화를 측정할 수 있으며 이는 곧 제작된 센서는 0.04N의 분해능을 가진다는 것을 나타내는 것이다.
본 연구에서는 광섬유 브래그 격자를 이용한 촉각 센서용 유연 단위 힘 센서를 설계 제작하고 이를 이용하여 분포형(3×3) 유연 단축 힘 센서를 제 작 검증하였다. 제작된 센서는 유연한 광섬유 브래그 격자 센서에 광섬유 길이 방향으로 변위를 확대해 줄 수 있는 감지 부만을 장착한 센서로 기존의 여러 종류의 센서에 비해 원리가 간단하며, 센서의 성능이 우수하고, 여러 개의 센서를 부착하여도 하나의 광섬유로 신호를 감지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 향후 좁은 공간에 여러 개의 센서를 장착해야 하는 촉각 센서에 있어서 그 활용도가 증가할 것으로 기대된다.
이는 유한요소해석 모델에서는 광섬유의 연결을 고려하지 않고 감지부 만을 해석하여 생긴 오차라고 할 수 있다. 즉, 실제 제작된 센서에서는 광섬유가 감지 부를 구속하고 있어 유한요소 해석으로 계산된 예측 출력신호보다 감도가 떨어진 것이라고 할 수 있다. 제작된 센서는 브래그 파장을 측정할 수 있는 장비의 성능에 따라 분해능이 달라질 수 있다.

후속연구

제작된 센서는 유연한 광섬유 브래그 격자 센서에 광섬유 길이 방향으로 변위를 확대해 줄 수 있는 감지 부만을 장착한 센서로 기존의 여러 종류의 센서에 비해 원리가 간단하며, 센서의 성능이 우수하고, 여러 개의 센서를 부착하여도 하나의 광섬유로 신호를 감지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 향후 좁은 공간에 여러 개의 센서를 장착해야 하는 촉각 센서에 있어서 그 활용도가 증가할 것으로 기대된다. 하지만 아 직은 광섬유를 이용한 분포형 촉감 감지 센서는 시작단계라고 할 수 있어 공간분해능의 향상 및 광 측정 장비의 가격 경쟁력 확보 등 많은 부분에 있어서 개선점이 남아있다.
본 연구에서 사용되는 브래그 격자의 길이는 2 mm 이며 센서의 크기가 작을수록 공간분해능(spatial resolution)도 높아질 수 있다. 최근 브래그 격자의 길이를 수십 /an까지 줄이는 연구들이⑹ 보고되고 있어 향후 센서의 크기를 상당히 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 설계된 감지 부의 치수는 Fig.

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