[논문]팔라듐이 코팅된 단일모드 광섬유 센서를 이용한 수소 경보 시스템 구현

문남일; 양병철; 김광택; 김태언

doi:10.5369/jsst.2009.18.4.269

팔라듐이 코팅된 단일모드 광섬유 센서를 이용한 수소 경보 시스템 구현
Implantation of portable hydrogen alarm system based on palladium coated single mode optical fiber sensor 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.18 no.4, 2009년, pp.269 - 273

문남일 (호남대학교 광전자공학과) , 양병철 (호남대학교 광전자공학과) , 김광택 (호남대학교 광전자공학과) , 김태언 (한국광기술원 광소자팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a study on a portable hydrogen alarm system based on the palladium coated single mode fiber sensor has been reported. The fabricated hydrogen sensor exhibited 0.14 dB, 0.41 dB and 0.54 dB optical intensity variation when it was exposed by the nitrogen and hydrogen mixed gas containing 0.5 %, 1 % and 4 % of the hydrogen concentration, respectively. The fabricated sensor exhibited 20 second of response time and 120 second of recovery time for 4 % hydrogen containing gas. The fiber optics layout and software algorithm for detection of hydrogen leakage have been presented. The implanted portable hydrogen alarm system successfully generated an alarm signal when a 4 % hydrogen containing gas was leaked out.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 반사형 광섬유 수소센서를 이용하여 휴대용 수소 경보 시스템을 구현하였다. 연구 결과로 제시한 광섬유 수소센서는 사용회수가 증가함에 따라 성능이 저하하는 현상을 보였지만, 초기 수소 누출을 감지하는 경보 시스템으로 사용할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 휴대가 가능한 수소 누출 경보 시스템을 구현하기 위하여, 필요한 광학계를 설계 제작하고, 검출된 신호를 처리하여 경보 신호를 발생하기 위한 전자회로 및 프로그램을 개발하였다. 센서 감도와 광원의 안정이 경보 시스템의 성능에 가장 중요한 영향을 미친다.

제안 방법

수소 누출 경보 시스템의 성능에 영향을 미치는 요인으로는 (1) 수소센서의 반응 감도 (2) 광원의 안정성 및 (3) 광검출 신호의 후처리 기법이 중요하다. 광원의 안정성확보를 위한 기법과 광학계를 간단하게 구성하는 방법을 제시하였으며, 광검출기의 출력신호를 가공 및 재생하여 경보신호를 발생시키는 알고리즘을 개발하였다.
보고된 연구 결과[7]를 토대로 반응시간과 반응 감도를 고려하여 Pd 박막의 두께(tpd)를 30 mm로 설계·제작하였으며, Cr 막의 두께는 5 mm로 하였다.
2에 제시 되어 있다. 제작된 센서의 특성을 파악하기 위하여 질소 속에 수소가 몰(mal) 농도로 0.5 %, 1 %, 및 4 %가 혼합된 가스를 준비하였다.
6에 제시하였다. 최초 전원이 ON 된 후 5 msec의 샘플링 주기로 20번의 데이터를 평균한 값을 기준으로 하고, 이후 5 msec 샘플링 주기로 40번 데이터를 획득한 후 평균값을 구한다. 기준 값과 평균값의 차이가 10 % 이상 나면 수소가 누출되었음을 부저음으로 출력해 준다.

대상 데이터

1에 나타나 있다. 본 논문에 도입된 센서는 금속 플랜지 양쪽에 두 개의 페룰(ferrule)이 고정된 형태의 센서 구조를 가진다.
본 논문에서 사용한 광원은 열안정회로가 부착된 DFB(분포 반사형) 레이저 다이오드이다.

성능/효과

수소에 노출 후 다시 순수 질소에 노출되면 센서의 출력은 다시 초기 상태로 돌아옴을 알 수 있다. 그러나 실험 횟수가 증가할수록, 즉, 센서가 수소에 노출 되는 횟수가 증가할수록, 반응 속도가 느려지고 반응 감도는 낮아지는 퇴화 현상이 관찰되었다. 본 논문에 제시한 수소센서는 온도 및 습도 등 여러 요인에 의해 특성이 변할 수 있어 수소가스 농도를 정확히 측정하기 위한 계측용으로는 사용하기 힘들지만[5], 수소가스의 누출 여부를 감지하기 위한 목적으로는 충분할 것으로 판단된다.
그러나 실험 횟수가 증가할수록, 즉, 센서가 수소에 노출 되는 횟수가 증가할수록, 반응 속도가 느려지고 반응 감도는 낮아지는 퇴화 현상이 관찰되었다. 본 논문에 제시한 수소센서는 온도 및 습도 등 여러 요인에 의해 특성이 변할 수 있어 수소가스 농도를 정확히 측정하기 위한 계측용으로는 사용하기 힘들지만[5], 수소가스의 누출 여부를 감지하기 위한 목적으로는 충분할 것으로 판단된다. 비록 팔라듐은 고가 이지만, 제안된 수소센서는 대량생산이 용이하고, 쉽게 교체할 수 있기 때문에, 1회용으로 사용하더라도 충분한 경제성과 운용성을 확보할 수 있다.
센서 감도와 광원의 안정이 경보 시스템의 성능에 가장 중요한 영향을 미친다. 본 논문에서 구현한 수소 경보 시스템은 수소농도가 4 % 이상이 되었을 때, 안정적으로 경보 신호를 발생함을 확인하였다.
본 논문에 제시한 수소센서는 온도 및 습도 등 여러 요인에 의해 특성이 변할 수 있어 수소가스 농도를 정확히 측정하기 위한 계측용으로는 사용하기 힘들지만[5], 수소가스의 누출 여부를 감지하기 위한 목적으로는 충분할 것으로 판단된다. 비록 팔라듐은 고가 이지만, 제안된 수소센서는 대량생산이 용이하고, 쉽게 교체할 수 있기 때문에, 1회용으로 사용하더라도 충분한 경제성과 운용성을 확보할 수 있다.
7과 같이 광섬유 광학계와 전자회로를 구성하여 수소 경보 시스템을 구현하였다. 센서를 수소 농도 4%의 혼합가스에 노출시켰을 때, 수초 이내 성공적으로 경보 시스템이 동작하는 것을 확인 하였다. 센서 자체의 반응이 완료되기 전에 구현된 시스템은 경보를 발생 시킬 수 있음을 의미한다.
3(c)으로부터 센서의 반응 시간과 회복 시간을 알 수 있다. 수소 4%가 포함된 혼합가스에서 센서의 반응이 완료되는 시간은 약 20초, 그 후 다시 순수한 질소가스 환경으로 되돌아갔을 때, 회복 시간은 120초로 측정되었다. 수소에 노출 후 다시 순수 질소에 노출되면 센서의 출력은 다시 초기 상태로 돌아옴을 알 수 있다.
수소 농도가 0.5 %, 1 %, 4 %일 때, 반사 광의 감쇄는 각각 0.14 dB, 0.41 dB, 0.54 dB이었다. Fig.
연구 결과로 제시한 광섬유 수소센서는 사용회수가 증가함에 따라 성능이 저하하는 현상을 보였지만, 초기 수소 누출을 감지하는 경보 시스템으로 사용할 수 있음을 확인하였다. 실험 결과 수소 농도가 4 % 이상 되었을 때, 수 초 이내에 경보가 발생하였다.
본 논문에서는 반사형 광섬유 수소센서를 이용하여 휴대용 수소 경보 시스템을 구현하였다. 연구 결과로 제시한 광섬유 수소센서는 사용회수가 증가함에 따라 성능이 저하하는 현상을 보였지만, 초기 수소 누출을 감지하는 경보 시스템으로 사용할 수 있음을 확인하였다. 실험 결과 수소 농도가 4 % 이상 되었을 때, 수 초 이내에 경보가 발생하였다.

후속연구

센서 자체의 반응이 완료되기 전에 구현된 시스템은 경보를 발생 시킬 수 있음을 의미한다. 제안된 수소 경보 시스템의 성능 개선을 위해서는 센서의 감도, 광원의 안정성 및 신호의 후처리 부분의 개선이 필요할 것으로 사려된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 누출 경보 시스템의 성능에 영향을 미치는 요인로는 무엇이 중요한가?	수소 누출 경보 시스템의 성능에 영향을 미치는 요인으로는 (1) 수소센서의 반응 감도 (2) 광원의 안정성 및 (3) 광검출 신호의 후처리 기법이 중요하다. 광원의 안정성확보를 위한 기법과 광학계를 간단하게 구성하는 방법을 제시하였으며, 광검출기의 출력신호를 가공 및 재생하여 경보신호를 발생시키는 알고리즘을 개발하였다.
	광섬유 끝단에 팔라듐을 코팅한 반사 형 센서의 장점은?	광섬유 형 수소 센서로는 광섬유 반사 형 구조[2], 코어를 노출시킨 광섬유 구조[3], 광섬유 격자 구조[4], 테이퍼 광섬유 구조[5], 및 측면 연마 광섬유 구조[6,7]가 적용되었다. 광섬유 끝단에 팔라듐을 코팅한 반사 형 센서는 구조가 간단하고 편광의 영향을 받지 않는다는 점에서 시스템 적용에 용이한 장점을 가지고 있다. 최근에 반사 형 광섬유 수소센서를 이용한 수소 누출 검출 시스템이 보고되기는 하였으나[8], 다양한 형태와 크기의 수소 에너지 시스템에 적용하기가 용이하지 않아 실용성이 떨어진다.
	본 논문에서는반사형 광섬유 수소센서를 이용하여 휴대용 수소 경보 시스템을 구현하였다, 이에 대한 연구 결과는?	본 논문에서는 반사형 광섬유 수소센서를 이용하여 휴대용 수소 경보 시스템을 구현하였다. 연구 결과로 제시한 광섬유 수소센서는 사용회수가 증가함에 따라 성능이 저하하는 현상을 보였지만, 초기 수소 누출을 감지하는 경보 시스템으로 사용할 수 있음을 확인하였다. 실험 결과 수소 농도가 4 % 이상 되었을 때, 수 초 이내에 경보가 발생하였다.

참고문헌 (10)

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M. A. Bulter, 'Micromirror optical-fiber hydrogen sensor', Sen. & Act B., vol. 22, pp. 155-163, 1994

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M. Tabib-Azar, B. Sutapun, R. Petrisk and Kazemi, A. 'Highly sensitive hydrogen sensors using palladium coated fiber optics with exposed cores and evanescent field interactions', Sen. & Act B., vol. 58, pp. 158-163, 1999
B. Sutapun, M. Tabib-Azar, and A. Kazemi, 'Pdcoated elastootic fiber Bragg grating sensors for multiplexed hydrogen sensors', Sen. & Act B., vol. 60, pp. 27-34, 1999

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송현석, 신은수, 김덕기, 박선옥, 김광택, 윤양일, 백세종, 임기건, 'Pd 박막이 코팅된 측면 연마 광섬유를 이용한 수소센서', Photonics Conference 2006, F3D2, pp. 326-327, 2006
K. T. Kim, H. Y. Song, J. P. Mah, K. B. Hong, K. Im, S. J. Baik, and Y. I. Yoon, 'Hydrogen sensor based on palladium coated side-polished single mode fiber', IEEE Sensor Journal, vol. 7. no. 12, pp. 1767-1771, 2007

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김광택, 박선옥, 황보승, 마재평, 백세종, 임기건, 김태언, 김회종, 'Pd이 코팅된 단일모드 광섬유 센서를 이용한 수소 검출 시스템', 한국광학회지, 제18권, 제6호, pp. 389-394, 2008
P. Tobiska, O. Hugon, A. Trouillet and H. Gagnaire, 'An integrated optic hydrogen sensor based on SPR on palladium', Sen.& Act B. vol. 74, pp. 168-172, 2001

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백세종, 권일범, 정철, '광섬유 ROTDR센서를 이용한 침입 탐지기법의 개발', 센서학회지, 제11권, 제4호, pp. 209-219, 2002

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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