In this study, we have fabricated a fiber-optic pH sensor which is composed of a light source, plastic optical fibers and a spectrometer. As an indicator, a phenol red is used, and a pH liquid solution is prepared by mixing of phenol red and various kinds of pH buffer solutions in these experiments....
In this study, we have fabricated a fiber-optic pH sensor which is composed of a light source, plastic optical fibers and a spectrometer. As an indicator, a phenol red is used, and a pH liquid solution is prepared by mixing of phenol red and various kinds of pH buffer solutions in these experiments. The emitting light from a light source is guided by plastic optical fibers to the pH liquid solution, and the optical characteristic of a light is changed in the pH liquid solution according to its color change. Therefore, we have measured the intensities and wavelength shifts of the modulated lights, which are changed due to the color variations of phenol red at different pH values, by using of a spectrometer for spectral analysis. Also, the relationships between the pH values of liquid solutions and the optical properties of modulated light according to the change of color of phenol red are obtained.
In this study, we have fabricated a fiber-optic pH sensor which is composed of a light source, plastic optical fibers and a spectrometer. As an indicator, a phenol red is used, and a pH liquid solution is prepared by mixing of phenol red and various kinds of pH buffer solutions in these experiments. The emitting light from a light source is guided by plastic optical fibers to the pH liquid solution, and the optical characteristic of a light is changed in the pH liquid solution according to its color change. Therefore, we have measured the intensities and wavelength shifts of the modulated lights, which are changed due to the color variations of phenol red at different pH values, by using of a spectrometer for spectral analysis. Also, the relationships between the pH values of liquid solutions and the optical properties of modulated light according to the change of color of phenol red are obtained.
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제안 방법
2와 같다. 광원으로부터 방출된 빛은 1 m 길이의 플라스틱 광섬유를 통해 암실(dark room) 내에 위치한 큐벳 홀더(cuvette holder, CUV-VAR, ocean optics, Inc)로 전송되고, 전송된 빛은 콜리메이터(collimator, 74-UV, ocean optics, Inc)를 통해 페놀레드가 혼합된 pH 용액이 담긴 큐벳(cuvette)을 투과한다. 투과된 빛은 다시 콜리메이터에 의해 반대편 광섬유의 끝단에 집광되고, 50 cm 길이의 플라스틱 광섬유를 통해 스펙트로미터로 전송된다.
본 연구에서 모든 실험은 (25℃±1℃) 상온에서 수행하였고, 반복 실험을 통해 pH 변화에 의한 페놀레드의 변색정도에 따른 스펙트로미터의 출력신호를 측정하였다. 또한, 분광학적 분석을 통하여 광 강도 및 파장과 pH 값 사이의 관계식을 도출하였다.
반사형 pH 센서를 이용한 실험에서는 먼저, 반사경과 광섬유 끝단 사이의 거리 변화에 의한 반사광의 광 강도 및 파장 변화를 측정하였다. Fig.
본 실험을 수행하기 이전에 기초실험으로 660 nm, 530 nm 그리고 470 nm의 중심파장을 가지는 광섬유용 LED(light-emitting diode)들을 pH 측정에 사용한 결과, 530 nm LED를 사용한 실험에서 pH 변화에 따른 순차적이고 확연한 광 강도의 변화와 파장이동 현상을 확인하였다. 그러므로 본 연구에서는 광원으로 530 nm의 중심파장과 50 nm의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 가지는 광섬유용 녹색 LED(IF-E93, industrial fiber optics, Inc.
본 연구에서 모든 실험은 (25℃±1℃) 상온에서 수행하였고, 반복 실험을 통해 pH 변화에 의한 페놀레드의 변색정도에 따른 스펙트로미터의 출력신호를 측정하였다.
본 연구에서는 광섬유 pH 센서들의 기본이 되는 구조인 투과형(transmission type)과 반사형(reflection type) 시스템을 구성한 뒤, pH 변화에 따른 지시약의 변색정도를 광 검출장비를 통하여 측정하였으며, 흡광도에 따른 광 강도(optical intensity)의 변화 및 파장이동(wavelength shift)과 pH 사이의 관계를 정립하였다.
본 연구에서는 광섬유 pH 센서의 기본 구조가 되는 투과형 및 반사형 센서를 제작하여 pH 변화에 의한 페놀레드의 변색과 흡광도에 따른 투과 및 반사광을 측정하였다. 투과형 pH 센서의 경우, pH 6~pH 8.
4에서 변색하며 산성에서는 황색, 염기성에서는 적색이다. 실험에 사용한 pH 혼합용액(pH liquid solution)은 pH 6.00, pH 6.50, pH 7.00, pH 7.50, pH 8.00 그리고 pH 8.50의 표준완충용액(pH buffer solution, samchun pure chemical co., Ltd.)과 페놀레드 용액을 3:1로 혼합하여 제작하였으며, 유리전극 pH 미터(model 215, denver instruments, co.)를 사용하여 혼합용액의 pH를 확인하였다. 실험에 사용된 pH 미터의 측정범위는 pH −2.
본 연구에서는 광섬유 pH 센서의 기본 구조가 되는 투과형 및 반사형 센서를 제작하여 pH 변화에 의한 페놀레드의 변색과 흡광도에 따른 투과 및 반사광을 측정하였다. 투과형 pH 센서의 경우, pH 6~pH 8.5 범위에서 광 강도 변화 그리고 pH 7~pH 8.5에서 파장이동을 계측하였고, 반사형 pH 센서를 이용하여 반사경과 광섬유 사이의 거리에 따른 반사광의 스펙트럼을 측정하였으며, pH 6~pH 8 범위에서 광 강도 변화 그리고 pH 6.5~pH 7.5에서 파장이동을 측정하여 관계식을 정립하였다.
대상 데이터
본 실험을 수행하기 이전에 기초실험으로 660 nm, 530 nm 그리고 470 nm의 중심파장을 가지는 광섬유용 LED(light-emitting diode)들을 pH 측정에 사용한 결과, 530 nm LED를 사용한 실험에서 pH 변화에 따른 순차적이고 확연한 광 강도의 변화와 파장이동 현상을 확인하였다. 그러므로 본 연구에서는 광원으로 530 nm의 중심파장과 50 nm의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 가지는 광섬유용 녹색 LED(IF-E93, industrial fiber optics, Inc.)를 사용하였다. 본 광원은 별도의 구동회로가 필요 없고, 광섬유와 광원과의 연결이 용이하다.
본 연구에 사용된 광섬유(GH4001, mitsubishi rayon co., Ltd.)는 계단형 굴절률(step-index)을 갖는 플라스틱 멀티모드(multi-mode) 광섬유로서 Fig. 1은 플라스틱 광섬유의 구조를 보여주고 있다. 자켓(jacket)을 포함한 광섬유의 외경이 2.
)를 사용하였다. 실험에 사용한 스펙트로미터의 검출부는 3648개의 실리콘 전자결합 소자(charge-coupled device, CCD) 배열로 이루어져있고 광 분해능(optical resolution)은 0.5 nm이며, 측정 파장범위는 200 nm~1100 nm이다.
성능/효과
5는 pH 변화에 따른 투과광의 부분 스펙트럼 및 파장이동을 보여준다. pH의 변화에 따른 투과광의 파장이동이 선형성을 가짐을 확인할 수 있으며, 정확도는 98.87 %이다. 투과광의 파장이동을 pH 7~pH 8.
3의 전체 스펙트럼 중 605 nm~630 nm의 파장 부분을 확대한 것으로, pH가 증가할수록 광 강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 605 nm~625 nm 사이의 파장을 5 nm 간격으로 pH 변화에 따른 투과광의 강도 변화를 분석한 결과, 620 nm를 기준으로 할 경우, pH 6~pH 8.5 범위에서 투과광의 광 강도와 pH 값 사이에 선형적인 특성을 가짐을 알 수 있고, 정확도는 99.73 %이다.
본 연구에서 제작한 플라스틱 광섬유를 이용한 pH 센서는 pH 측정을 위해 일반적으로 사용되는 유리전극에 비해 크기가 작고, 유연하며 내구성이 강한 장점을 가진다. 그리고 전자기파에 대한 무간섭, 신호의 장거리 전달능력 등의 특징을 가지므로 광섬유 pH 센서의 분광학적 특성을 분석한 본 연구결과를 기초로 pH 측정을 하기 힘든 좁은 공간, 강한 전자기장, 방사성 환경 그리고 의료계에서 사용가능한 pH 센서의 개발이 기대된다.
02)(25℃) 표준완충용액을 사용하였을 때, 반사경과 광섬유 끝단 사이의 거리 변화에 따른 반사광의 스펙트럼을 보여준다. 스펙트로미터로 측정된 반사광의 최대값이 거리가 멀어질수록 감소하는 것을 볼 수 있고, 0 mm~3 mm 사이에서 반사광의 광 강도 변화가 큰 것을 확인할 수 있다. 하지만 거리가 0 mm인 경우는 반사경과 광섬유가 접촉한 상태이므로 pH를 측정할 수 없고, 3 mm 이상일 때에는 반사경과 광섬유의 끝단 사이에 위치하는 pH 혼합용액의 양이 많아짐에 따라 지시약의 색이 짙어지므로 광 경로에 영향을 미쳐 검출기의 출력신호 민감도가 낮아질 수 있다.
8은 반사경과 광섬유 끝단 사이의 거리가 1 mm 일 때, pH 변화에 따른 반사광의 전체 스펙트럼을 보여준다. 투과형 pH 센서의 결과와 유사하게 혼합용액의 pH가 증가할수록 반사광의 광 강도가 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 이는 혼합용액 내의 pH가 산성에서 중성 그리고 염기성으로 변할 때, 페놀레드의 색이 황색에서 적색 그리고 짙은 적색으로 바뀌어 빛의 투과를 방해한 결과로 판단된다. 또한, 투과형 pH 센서의 경우 pH 6~pH 7 범위 내에서 광 강도의 변화가 큰 반면, 반사형 pH 센서에서는 더 넓은 범위인 pH 6~pH 8에서 각 스펙트럼 간의 확연한 차이를 볼 수 있다.
후속연구
본 연구에서 제작한 플라스틱 광섬유를 이용한 pH 센서는 pH 측정을 위해 일반적으로 사용되는 유리전극에 비해 크기가 작고, 유연하며 내구성이 강한 장점을 가진다. 그리고 전자기파에 대한 무간섭, 신호의 장거리 전달능력 등의 특징을 가지므로 광섬유 pH 센서의 분광학적 특성을 분석한 본 연구결과를 기초로 pH 측정을 하기 힘든 좁은 공간, 강한 전자기장, 방사성 환경 그리고 의료계에서 사용가능한 pH 센서의 개발이 기대된다. 또한, 금속 코팅 광섬유를 이용한 pH 센서가 개발될 경우, 100℃ 이상의 고온 및 고압 환경에서 pH 측정이 가능할 것으로 사료된다.
그리고 전자기파에 대한 무간섭, 신호의 장거리 전달능력 등의 특징을 가지므로 광섬유 pH 센서의 분광학적 특성을 분석한 본 연구결과를 기초로 pH 측정을 하기 힘든 좁은 공간, 강한 전자기장, 방사성 환경 그리고 의료계에서 사용가능한 pH 센서의 개발이 기대된다. 또한, 금속 코팅 광섬유를 이용한 pH 센서가 개발될 경우, 100℃ 이상의 고온 및 고압 환경에서 pH 측정이 가능할 것으로 사료된다.
앞으로 더 수행해야 할 연구방향은 pH 지시약을 고정화(immobilization)시킨 졸-겔 막(sol-gel film)을 이용한 pH 센서팁(sensor-tip)과 금속 코팅 광섬유로 이루어진 반사형 센서를 제작하여 온도에 따른 pH 변화를 측정하는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
pH 측정방법에는 무엇이 있는가?
pH의 측정은 의학, 화학 그리고 환경산업 분야 등에서 중요하기 때문에 다양한 계측기들이 개발 및 연구 되고 있다[1-4]. pH 측정방법에는 pH 지시약(indicator)을 이용한 방법, 유리전극(glass electrode)을 이용한 방법 그리고 수소 및 안티몬(antimony) 전극법 등이 있으며, 현재 일반적으로 가장 많이 쓰이는 계측기는 유리전극을 이용한 pH 미터이다[5]. 유리전극법으로 pH를 측정하기 위해서는 유리전극과 비교전극(reference electrode)이 필요하고, 두 전극 사이에서 발생하는 전위차(potential)를 계측하여 증폭 및 변환함으로써 pH를 측정할 수 있다.
본 연구에서 제작한 플라스틱 광섬유를 이용한 pH 센서의 장점은?
본 연구에서 제작한 플라스틱 광섬유를 이용한 pH 센서는 pH 측정을 위해 일반적으로 사용되는 유리전극에 비해 크기가 작고, 유연하며 내구성이 강한 장점을 가진다. 그리고 전자기파에 대한 무간섭, 신호의 장거리 전달능력 등의 특징을 가지므로 광섬유 pH 센서의 분광학적 특성을 분석한 본 연구결과를 기초로 pH 측정을 하기 힘든 좁은 공간, 강한 전자기장, 방사성 환경 그리고 의료계에서 사용가능한 pH 센서의 개발이 기대된다. 또한, 금속 코팅 광섬유를 이용한 pH 센서가 개발될 경우, 100℃ 이상의 고온 및 고압 환경에서 pH 측정이 가능할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 광섬유 pH 센서의 기본 구조가 되는 투과형 및 반사형 센서를 제작하여 pH 변화에 의한 페놀레드의 변색과 흡광도에 따른 투과 및 반사광을 측정하였다, 이에 대한 측정결과는?
본 연구에서는 광섬유 pH 센서의 기본 구조가 되는 투과형 및 반사형 센서를 제작하여 pH 변화에 의한 페놀레드의 변색과 흡광도에 따른 투과 및 반사광을 측정하였다. 투과형 pH 센서의 경우, pH 6~pH 8.5 범위에서 광 강도 변화 그리고 pH 7~pH 8.5에서 파장이동을 계측하였고, 반사형 pH 센서를 이용하여 반사경과 광섬유 사이의 거리에 따른 반사광의 스펙트럼을 측정하였으며, pH 6~pH 8 범위에서 광 강도 변화 그리고 pH 6.5~pH 7.5에서 파장이동을 측정하여 관계식을 정립하였다.
참고문헌 (15)
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