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문제 정의
- 본 연구에서는 꼬인 광섬유형 방향성 결합기로 주변 물방울의 부피를 측정한 기존의 연구[7]에 기초하여 결합기의 주변 물질 변화에 따른 광 분기 특성 효과를 증대시키기 위하여 수분의 흡수체로 널리 이용되는 젤라틴을 결합기에 코팅하여 습도 센서를 제작하였다. 본 연구에서 제안하는 광섬유형 센서는 기존에 널리 연구되었던 한가닥의 마이크로광섬유의 광 파워 전달률에 기반을 두었던 센서[8]와 비교해서 광 분기 비율까지 알 수 있다는 점에서 입력 광원의 변동에 강한 면역이 있다는 장점이 있으며, 기존 전자 소자에 기초한 습도 센서보다는 제작 방법이 간단하다는 장점 또한 소개되고 있다.
제안 방법
- 고정한 두 광섬유를 200μL의 HF(49%) 방울에 담가 광섬유형 방향성 결합기를 제작했다.
- 광섬유형 방향성 결합기를 제작하기 위해 본 논문에서는 직경 125 μm의 1.55 μm 파장을 단일 모드로 가이딩(guiding) 해주는 Corning사의 SMF-28 광섬유를 이용하였으며, 플루오린화수소산(Hydrofluoric acid: HF)을 통해 SMF-28 광섬유를 식각하였다.
- 55 μm의 빛 1 mW를 인가하였고 반대편 Fiber A와 B에서 각각 광검출기(PD1,2)를 통해 출력 광 파워를 확인하였다. 그림 6에서와 같이 습도를 측정하는 기준이 되는 Reference sensor의 습도 값을 일정 시간인 10초 단위로 측정하여 습도를 얻었고, 이에 따른 광 분기 비율을 확인하기 위해 동 시간 간격인 10초 단위로 PD1과 PD2에서 광 파워를 기록하였다.
- 두 개의 꼬인 광섬유가 방향성 결합기 형태로 동작하는 것을 확인하기 위해 1 mW의 1.55 μm 파장 빛을 FiberA에 인가하여 실시간으로 Output A와 B를 관측하였다.
- 또한, 방향성결합기의 한쪽 단자인 Fiber A에 1.55 μm의 빛 1 mW를 인가하였고 반대편 Fiber A와 B에서 각각 광검출기(PD1,2)를 통해 출력 광 파워를 확인하였다.
- 먼저 부피가 약 50 L 정도 되는 체임버(chamber)를 준비한 뒤 입구(inlet)를 통해 가습기의 수분을 공급하고, 출구(outlet)를 통해 체임버 내부의 총 습도를 제어한다. 방향성 결합기의 성능을 확인하기 위하여 실험 기준을 삼기 위한 용도로 시중에 판매하는 전자식 습도계(30.5013, La Crosse Tech.)를 이용하여 습도 측정을 시행하였다. 또한, 방향성결합기의 한쪽 단자인 Fiber A에 1.
- 센서의 또 다른 특징인 반복 특성 및 응답 시간을 확인하기 위해서 본 논문에서는 충분한 부피(약 500 μL)의 탈이온수 방울(매우 높은 상대습도)을 센서의 꼬인 부분 중심에 떨구어 계단함수(step function) 입력을 주었다.
대상 데이터
- 본 논문에서 제시하는 꼬인 광섬유형 방향성 결합기에 수분 흡수체로서 젤라틴 막을 코팅한 방향성 결합기 기반 습도 센서의 모식도 및 습도 측정 원리는 그림 1에서 보는 바와 같다. 그림 1(a)와 같은 젤라틴 흡수체(굴절률:약 1.
이론/모형
- (b)와 같이 직경이 약 10 μm인 광섬유형 방향성 결합기에 80 nm 두께로 코팅된 젤라틴막을 이용하여 유한요소법(finite element method, FEM)을 통해 광 분기 비율을 계산하였다.
- 제작한 방향성 결합기에 젤라틴 코팅하기 위하여 L. Tong 연구팀의 제작 과정[8]을 따랐으며, 다음과 같이 젤라틴 수용액을 준비했다. 코팅 재료에 필요한 젤라틴 용액 제작을 위해 탈이온수(deionized water)에 질량 기준으로 농도 5 %가 되게끔 젤라틴 분말(CAS Number: 9000-70-8)을 담아서 준비한다.
성능/효과
- 본 실험에서는 습도를 수 % 이내로 제어할 수 없었고 습도 표시 주기가 10초라는 실험장비의 제약으로 인해 정확한 측정을 할 수 없었다. 이 외에도 기계적 진동과 같은 외부 요인 및 실험 환경 등 다양한 요인으로 인하여 그림 7(a)에서 습도에 따른 커플링 비율의 진동이 확인되나, 전체적인 습도-광 출력 사이의 경향을 보기 위하여 참고문헌[8]에서 제시한 습도 측정 방법을 따라 본 논문에서도 4차원 다항식 근사(polynomial fit)법을 적용하여 보았을 때, 상대습도가 증가함에 따라 분기 비율이 0.55에서 약 0까지 일관성 있게 감소하는 쪽으로 변화하는 것을 관측할 수 있다. 이는 본 논문에서 제시하는 젤라틴 막을 코팅한 광섬유형 방향성 결합기를 이용하여 40 %에서 85%의 상대습도를 측정할 수 있었으며, 이는 그림 7(b)의 젤라틴 막의 굴절률에 따른 광 분비 비율 변화를 FEM 계산을 통해 얻은 결과와 경향성이 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
- 이러한 증감 경향성 및 측정값은 제작․접합한 두 광섬유의 직경 및 결합 구간의 길이 및 광섬유형 방향성 결합기의 광 파워 100 % 전달에 필요한 결합 길이(coupling length) 등의 변화에 따라 바뀌게 된다[9]. 본 논문에서 제시한 결합기의 경우엔 습도가 약 40 %일 때 PD1과 PD2에서 측정된 파워의 비가 약 55:45인 값이 습도가 약 85%까지 증가하면 96.3:3.7로 변화하였다. 이는 습도가 높아지면서 굴절률이 1.
- 본 논문에서는 기존에 소개되었던 HF 방울과 마란고니 효과를 이용하여 제작한 광섬유형 방향성 결합기에 젤라틴 막을 코팅하여 상대습도 약 40 %에서 85 %까지 넓은 구간의 습도 변화를 관측하였고, FEM 계산 결과를 통해 확인하였을 때 두 결과의 경향성이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 저자들은 연구 환경의 제약 때문에 실험과 계산을 통해 단순한 경향성만 확인하는 데 그쳤지만, 추후 정확한 광 분기 비율 값의 계산 검증을 위해선 실제 제작한 결과물의 변숫값(방향성 결합기 및 젤라틴 정보 등)을 추출할 수 있어야 할 것으로 보인다.
- 이때, 두 광섬유를 과도하게 꼬아주면 전반사의 조건을 만족하지 못해 구부림 손실이 발생하게 되며, 3회 미만으로 꼬아줄 경우 접합의 안정도가 낮아진다. 본 논문의 저자들은 그림 3과 같이 약 5회까지(3 cm 구간 내에서) 광 전달률이 약 0 dB 수준으로 구부림 손실이 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 그 횟수가 초과할 경우 광섬유의 구부림 손실이 발생하기 시작하면서 최종적으로는 광섬유가 끊어지는 것을 관찰하였다.
- 본 실험에서는 습도를 수 % 이내로 제어할 수 없었고 습도 표시 주기가 10초라는 실험장비의 제약으로 인해 정확한 측정을 할 수 없었다. 이 외에도 기계적 진동과 같은 외부 요인 및 실험 환경 등 다양한 요인으로 인하여 그림 7(a)에서 습도에 따른 커플링 비율의 진동이 확인되나, 전체적인 습도-광 출력 사이의 경향을 보기 위하여 참고문헌[8]에서 제시한 습도 측정 방법을 따라 본 논문에서도 4차원 다항식 근사(polynomial fit)법을 적용하여 보았을 때, 상대습도가 증가함에 따라 분기 비율이 0.
- 에 기초하여 결합기의 주변 물질 변화에 따른 광 분기 특성 효과를 증대시키기 위하여 수분의 흡수체로 널리 이용되는 젤라틴을 결합기에 코팅하여 습도 센서를 제작하였다. 본 연구에서 제안하는 광섬유형 센서는 기존에 널리 연구되었던 한가닥의 마이크로광섬유의 광 파워 전달률에 기반을 두었던 센서[8]와 비교해서 광 분기 비율까지 알 수 있다는 점에서 입력 광원의 변동에 강한 면역이 있다는 장점이 있으며, 기존 전자 소자에 기초한 습도 센서보다는 제작 방법이 간단하다는 장점 또한 소개되고 있다.
- 그림의 푸른색 영역이 물방울을 떨군 시점이다. 수차례 반복되는 외부의 입력에서도 안정적으로 센서의 출력이 유지되는 것을 확인할 수 있으며 1,015초 부근을 확대하여 센서의 응답속도를 확인하였다. 본 실험에서는 응답시간의 정의를 일반적으로 많이 사용하는 10 %내지 90 %에 도달하는 시간으로 정의하였고, 이 값은8(b)에서 확인할 수 있듯이 약 1초로 확인이 된다.
- 제작한 광섬유형 센서의 Output A와 B의 광 분기 비율은약 45:55이고, 습도가 40 %에서 85 %까지 상승할 때 FiberB로 광 결합이 일어나는 비율이 감소하여 PD2에서 검출되는 광 파워가 감소한다. 전체 변화 비율을 쉽게 확인하기 위해 그림 7(a)와 같은 습도에 따른 전체 광 파워 중 Fiber B에서 검출되는 광 파워 비인 PD2/(PD1+PD2)를 계산하면, 습도 상승에 따라 점차 감소하는 것을 알 수 있다.
- 제작한 습도센서의 검출한계(Limit Of Detection: LOD)를 동시에 확인하기 위해 체임버 내부의 습도를 매우 조금씩 바꾸며 센서 출력 비를 관측하였으나, 실험실 단위환경에서 1 % 단위로 변경하기가 쉽지 않아 정확한 LOD값을 얻을 수는 없었다. 하지만 전체적인 실험 데이터 및 빛을 이용한 센서의 정교한 특징을 통해 예측해 보았을때, 본 논문에서 제시하는 센서의 경우에도 1 % 미만의 변화를 감지할 수 있을 것으로 예측한다.
- 제작한 습도센서의 검출한계(Limit Of Detection: LOD)를 동시에 확인하기 위해 체임버 내부의 습도를 매우 조금씩 바꾸며 센서 출력 비를 관측하였으나, 실험실 단위환경에서 1 % 단위로 변경하기가 쉽지 않아 정확한 LOD값을 얻을 수는 없었다. 하지만 전체적인 실험 데이터 및 빛을 이용한 센서의 정교한 특징을 통해 예측해 보았을때, 본 논문에서 제시하는 센서의 경우에도 1 % 미만의 변화를 감지할 수 있을 것으로 예측한다.
후속연구
- 광섬유형 방향성 결합기에 젤라틴을 코팅하는 제작 방법은 기존 전자 소자에 기반을 둔 습도 센서보다 제작이 간단하고 비용이 저렴하며, 광 손실이나 간섭계를 기반으로 한 기존의 광섬유 센서와는 달리 광 파워 분기 비율로 습도를 측정할 수 있어 입력 광원의 불안정성으로 인한 변동에도 습도 센서의 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 코팅 물질을 젤라틴 막 이외의 것으로 바꿈에 따라 손쉽게 습도 이외의 유독한 가스와 같은 다른 물질에 대한 센서로 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
- 본 논문에서는 기존에 소개되었던 HF 방울과 마란고니 효과를 이용하여 제작한 광섬유형 방향성 결합기에 젤라틴 막을 코팅하여 상대습도 약 40 %에서 85 %까지 넓은 구간의 습도 변화를 관측하였고, FEM 계산 결과를 통해 확인하였을 때 두 결과의 경향성이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 저자들은 연구 환경의 제약 때문에 실험과 계산을 통해 단순한 경향성만 확인하는 데 그쳤지만, 추후 정확한 광 분기 비율 값의 계산 검증을 위해선 실제 제작한 결과물의 변숫값(방향성 결합기 및 젤라틴 정보 등)을 추출할 수 있어야 할 것으로 보인다.
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