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문제 정의
- 본 연구는 지하수의 온도변화를 모니터링 할 수 있는 광섬유 온도센서 개발을 위한 기초연구로서, 열변성 물질인 로핀을 광섬유 센서팁 물질로 사용하여 5~30℃의 물의 온도변화에 따른 광증배관의 출력전압변화를 측정하였다. 로핀 필름을 이용하여 온도변화에 따른 로핀의 물질특성을 분석하였고, 광섬유와 반사체 사이의 거리에 따른 반사광 강도를 측정하여 최적의 거리를 결정하였다.
- 본 연구는 지하수의 온도변화를 실시간으로 측정하기 위한 기초연구로서, 열변성 물질을 이용하여 광섬유온도센서를 제작하였고, 필름 형태의 감지부와 반사체를 이용하여 온도변화에 따른 투과광 및 반사광의 강도(intensity) 변화를 분석하였다. 또한, 프레넬 반사(fresnel's reflection)에 의한 반사광을 측정하였으며, 광원의 파장에 따른 물의 온도와 광 검출기의 출력신호 사이의 관계식을 도출하였다.
제안 방법
- 다음으로 반사체를 사용하지 않고, 프레넬 반사를 이용한 반사형 광섬유 온도센서를 제작하였고, 광섬유 Y-커플러를 이용한 반사형 광섬유 온도센서의 실험구성을 Fig. 13에서 볼 수 있다. 광원에서 방출된 530 nm의 빛은 광섬유 Y-커플러를 따라 전송되고, 센서팁과 광섬유 사이의 굴절률 차이에 의해서 발생되는 프레넬 반사에 의한 빛이 다시 광섬유 Y-커플러를 통해 광증배관으로 전송된다.
- 430 nm의 LED를 사용하였을 경우, 광섬유와 반사체 사이의 거리가 3 mm일 때 검출되는 광증배관의 출력전압이 최대였고, 530 nm와 650 nm의 LED를 사용하였을 경우에는 4~5 mm 범위 내에서 최대 출력전압이 측정되었다. 따라서 이후의 모든 실험에서는 광섬유와 반사체 사이의 거리를 각 광원에 최적화된 거리로 유지한 후 추가적인 실험을 진행하였다.
- 로핀 필름을 이용하여 온도변화에 따른 로핀의 물질특성을 분석하였고, 광섬유와 반사체 사이의 거리에 따른 반사광 강도를 측정하여 최적의 거리를 결정하였다. 또한, 최적의 센서팁 구성 비율 및 광원을 결정하였고, 광섬유 Y-커플러를 이용하여 프레넬 반사에 의한 반사광의 출력신호를 측정하였다.
- 또한, 프레넬 반사(fresnel's reflection)에 의한 반사광을 측정하였으며, 광원의 파장에 따른 물의 온도와 광 검출기의 출력신호 사이의 관계식을 도출하였다.
- 3은 로핀의 특성을 평가하기 위해 로핀 필름을 이용하여 구성한 투과형 광섬유 온도센서의 실험구성을 보여준다. 로핀 필름은 투명한 보호 필름층 사이에 로핀 가루를 채워 제작하였고, 온도 감지부가 되는 로핀층의 두께는 1 mm이며 광섬유와의 결합이 용이하도록 자체 제작한 PMMA 홀더로 고정시켜 사용하였다. 투과형 광섬유 온도센서의 경우, 광원에서 방출된 빛은 발광 광섬유를 통해 물속에 위치한 로핀 필름으로 전송되고, 로핀 필름을 투과한 빛은 수광 광섬유에 의해 광증배관으로 전송된다.
- 본 연구는 지하수의 온도변화를 모니터링 할 수 있는 광섬유 온도센서 개발을 위한 기초연구로서, 열변성 물질인 로핀을 광섬유 센서팁 물질로 사용하여 5~30℃의 물의 온도변화에 따른 광증배관의 출력전압변화를 측정하였다. 로핀 필름을 이용하여 온도변화에 따른 로핀의 물질특성을 분석하였고, 광섬유와 반사체 사이의 거리에 따른 반사광 강도를 측정하여 최적의 거리를 결정하였다. 또한, 최적의 센서팁 구성 비율 및 광원을 결정하였고, 광섬유 Y-커플러를 이용하여 프레넬 반사에 의한 반사광의 출력신호를 측정하였다.
- 6은 로핀을 이용한 광섬유 온도센서의 센 서팁 구조를 보여준다. 센서팁은 로핀 가루와 에폭시(G14250, Thorlabs, Inc.)를 1:100, 5:100, 10:100, 15:100 총 4가지의 질량비율로 섞은 후, 반구(hemisphere) 형태로 제작하여 수광 광섬유의 끝단에 부착하였다. Fig.
- )를 거친 뒤 랩뷰(LabVIEW) 프로그램을 통해 디스플레이 및 저장된다. 실험 시, 물의 온도를 5~30℃ 범위 내에서 변화 및 유지시키기 위해서 온도 조절이 가능한 냉온 플레이트(cooling and heating plate, CP-7200GT, Intec Co.)를 사용하였고, 용기내부 물의 수직 및 수평의 온도구배에 대한 영향을 최소화하기 위해 자동 교반기(stirrer)를 이용하였으며 열전대(thermocouple, 54 thermometer, Fluke Co.)로 물의 온도를 실시간 계측하였다.
- 투과형 광섬유 온도센서의 경우, 광원에서 방출된 빛은 발광 광섬유를 통해 물속에 위치한 로핀 필름으로 전송되고, 로핀 필름을 투과한 빛은 수광 광섬유에 의해 광증배관으로 전송된다. 투과형 광섬유 온도센서에서는 로핀의 흡광도에 따른 투과광을 측정하였고, 투과형 광섬유 온도센서에 적합한 광원의 파장을 결정하였다.
대상 데이터
- 광섬유 온도센서를 제작하기 위해 사용한 열변성 물질은 로핀(lophine, thermo fisher scientific, Inc.)으로 알려진 2,4,5-triphenylimidazole이다. Fig.
- 본 연구에 사용된 플라스틱 광섬유(GH4001, mitsubishi rayon Co., Ltd.)는 계단형의 굴절률(step-index)을 갖는 멀티모드(multi-mode) 광섬유로써 코어(core)의 직경은 0.98 mm, 클래딩(cladding)을 포함한 외경은 1.0 mm이다.
- 실험에 사용된 광원은 광섬유용 LED(IF-series, industrial fiber optics, Inc.)로서 LED의 각 파장은 650 nm(적색), 530 nm(녹색) 그리고 430 nm(청색)이다. 광섬유용 LED들의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)은 40~60 nm이고, 광섬유 끝단과의 결합이 용이하여 광 손실이 적다는 장점을 가지고 있다.
성능/효과
- 0~45°까지 15° 간격으로 측정하였고, 그 결과 광섬유 굽힘 각도가 증가할수록 출력신호의 변화량 또한 증가하는 것을 알 수 있다.
- 4는 광원의 파장에 따른 물의 온도와 광증배관의 출력신호 사이의 관계를 보여준다. 냉온 플레이트를 이용하여 물의 온도를 5~30 ℃ 범위 내에서 5 ℃ 간격으로 증가시키며 측정한 결과, 물의 온도가 높아질 때 로핀의 흡광도가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 물의 온도가 높아질수록 필름을 통과하는 광량이 증가함을 알 수 있고, 특히 광원으로 530 nm의 LED를 사용한 경우에 출력신호의 총 변화량이 가장 크게 측정되었으므로 온도에 따른 민감도가 가장 높다고 할 수 있다.
- 두 번째로 접촉식 온도센서의 경우, 일반 광섬유 또는 통신용 광섬유를 사용하므로 적외선 투과 광섬유와 비교하여 값이 싸고, 광 감쇄율이 낮으며 내구성이 뛰어나 원거리 온도계측이 가능하다는 장점을 가진다. 일반적으로 광섬유를 이용한 접촉식 온도센서의 센서팁(sensor-tip)에는 열에 의해 광학적 특성이 변하는 감지 물질(sensing material)이 필요하고, 대표적인 감지 물질로는 열변성 물질(thermochromic material)이 있다.
- 냉온 플레이트를 이용하여 물의 온도를 5~30 ℃ 범위 내에서 5 ℃ 간격으로 증가시키며 측정한 결과, 물의 온도가 높아질 때 로핀의 흡광도가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 물의 온도가 높아질수록 필름을 통과하는 광량이 증가함을 알 수 있고, 특히 광원으로 530 nm의 LED를 사용한 경우에 출력신호의 총 변화량이 가장 크게 측정되었으므로 온도에 따른 민감도가 가장 높다고 할 수 있다.
- 5 ℃ 씩 증가시키며 측정한 결과, 로핀의 흡광도가 감소함에 따라 온도와 광증배관의 출력전압이 선형적인 관계를 가지면서 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 30 ℃까지 상승된 물의 온도를 2.5 ℃씩 낮추면서 측정한 결과, 로핀의 흡광도가 증가함에 따라 출력전압이 작아지는 것을 볼 수 있었고, 온도를 높이면서 측정한 결과와 비교해보면 로핀을 사용한 반사형 광섬유온도센서가 물의 온도에 따라 가역적 성질을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 8은 로핀과 에폭시를 혼합한 질량비율에 따른 물의 온도와 광증배관의 출력신호 사이의 관계를 보여준다. 물의 온도가 높아질수록 로핀의 흡광도가 작아지므로 검출되는 출력신호가 증가하는 것을 볼 수 있고 특히, 로핀과 광학용 에폭시의 혼합 질량비율이 10:100 비율의 센서팁을 사용할 경우, 온도변화에 따른 출력신호의 변화율이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 이후의 모든 실험에서는 로핀/에폭시 혼합 질량 비율이 10:100인 센서팁을 사용하였다.
- 5는 530 nm의 LED를 사용하였을 경우, 물의 온도와 광증배관의 출력전압 사이의 관계를 보여주고 있다. 물의 온도를 5~30 ℃ 범위 내에서 2.5 ℃ 간격으로 증가시키며 투과광량을 측정한 결과, 온도와 광증배관의 출력전압이 선형적인 관계를 가지는 것을 확인할 수 있다. 식 (1)은 물의 온도와 광증배관의 출력전압사이의 값을 이용하여 유도한 2차 함수 관계식이고, 정확도는 99.
- 14는 앞선 실험에서 선택한 로핀과 에폭시와의 혼합 질량비율이 10:100인 센서팁과 530 nm의 LED를 사용하였을 경우, 물의 온도와 광증배관의 출력전압 사이의 관계를 보여준다. 물의 온도를 5~30 ℃ 범위 내에서 2.5 ℃ 씩 증가시키며 측정한 결과, 로핀의 흡광도가 감소함에 따라 온도와 광증배관의 출력전압이 선형적인 관계를 가지면서 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 30 ℃까지 상승된 물의 온도를 2.
- 12는 광섬유와 반사체 사이의 거리를 4 mm로 고정하고, 530 nm의 LED를 사용하였을 때, 물의 온도와 광증배관의 출력전압 사이의 관계를 보여준다. 물의 온도를 5~30 ℃ 범위 내에서 2.5 ℃씩 증가시키면서 출력전압을 측정하였고 다시 감소시키면서 측정한 결과, 온도와 광증배관의 출력전압이 선형적인 관계를 가지는 것을 알 수 있고, 센서 물질로 사용한 로핀이 가역적 특성을 지니고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 실험결과, 각 광원의 파장에 따른 물의 온도와 출력신호가 선형적인 관계를 가졌고, 특히 로핀과 에폭시의 질량비율이 10:100인 센서팁과 530 nm의 LED 광원이 온도측정에 가장 적합하다는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 기초로 로핀을 이용한 광섬유 온도센서의 개발이 가능할 것으로 기대되며, 앞으로의 연구 방향은 장거리 실험시 광감쇄 정도에 관한 실험을 수행하고, 흐르는 물을 이용하여 실제의 지하수 상황과 유사한 환경을 구축한 뒤 원거리 실험을 하는 것이다.
후속연구
- 실험결과, 각 광원의 파장에 따른 물의 온도와 출력신호가 선형적인 관계를 가졌고, 특히 로핀과 에폭시의 질량비율이 10:100인 센서팁과 530 nm의 LED 광원이 온도측정에 가장 적합하다는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 기초로 로핀을 이용한 광섬유 온도센서의 개발이 가능할 것으로 기대되며, 앞으로의 연구 방향은 장거리 실험시 광감쇄 정도에 관한 실험을 수행하고, 흐르는 물을 이용하여 실제의 지하수 상황과 유사한 환경을 구축한 뒤 원거리 실험을 하는 것이다.
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