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문제 정의
- 본 논문에서는 비대칭 구조의 1×2 빔 분배기 평면 광회로층 기반의 산소 검출용 광학 센서 프로브 모듈을 제안하고, 이를 UV 임프린트 공정을 통해 제작하였다.
제안 방법
- 광원 및 형광 신호의 전송 효율은 Fig. 2(a)에서 나타낸 광 회로층의 분기 간격 및 포트 1의 곡률과 관련된 각도에 따라 전송 효율이 달라지므로, 두 가지 변수를 최적화하여 평면 광 회로층을 최적 설계하였다.
- 광원이 들어가는 방향과 형광 센서막이 반응하여 센싱된 형광 신호가 나오는 방향에서의 광전송 효율 관련하여 빔 전송 프로그램을 이용하여 평면 광 회로층의 최적 구조를 설계하였다.
- 그리고 졸-겔 용액에 4 µm의 직경의 실리카 입자에 흡착되어진 Ru(Dpp)3 2+를 각각 3 mg/ml,5 mg/ml, 10 mg/ml, 20 mg/ml 농도별로 졸-겔 용액에 잘 혼합한 후 기판에 스프레이 코팅하였다.
- 대기 중의 산소 농도 검출 분해능을 향상시키기 위한 최적의 농도를 도출하기 위해 농도별 형광 세기를 분석하였다. 이를 위해, MTMS : EtOH : H2O : HCl(35%)를 각각 3.
- 또한, 형광 염료 농도별 가스 농도에 따른 형광차이를 분석하여 형광 세기의 차이가 가장 많이 발생하는 최적의 형광 염료 농도를 도출하였다. 도출된 최적 형광 염료 농도로 평면 광 회로층의 끝단에 형광 센서막을 코팅하여 산소 센서 검출용 광학 프로브 모듈을 구현하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 광원의 파워를 극대화하면서 전송함과 동시에 형광막에서 방출된 형광 신호를 고효율로 전송할 수 있는 동일광 경로를 가지는 비대칭 구조의 1×2 빔 분배기 평면 광회로층을 설계하고, 이를 임프린트 공정7,8)을 통해 제작하였다.
- 따라서, 산소 농도 측정용 광원으로는 루테늄(II) 복합체의 형광을 검출하기 위해 본 논문에서는 470 nm의 LED를 사용하였으며, 광 검출기는 OP-AMP가 내장된 실리콘포토다이오드를 사용하였고, 광 검출기 전면에 600 nm의 대역통과필터를 패키징 되도록 설계하였다.
- 제작된 고분자 1×2 빔 분배기 평면 광회로층은 광원부의 전송 효율이 76%, 형광 신호 전송효율이 70%로 각각 측정되었다. 또한, 가스 농도별 형광세기 차이가 가장 많이 발생하는 형광 염료 농도 조건을 도출하여 제작된 광 회로층의 끝단에 스프레이 코팅하여 산소 센서 검출용 광학프로브 모듈을 구현하였다.
- 을 통해 제작하였다. 또한, 형광 염료 농도별 가스 농도에 따른 형광차이를 분석하여 형광 세기의 차이가 가장 많이 발생하는 최적의 형광 염료 농도를 도출하였다. 도출된 최적 형광 염료 농도로 평면 광 회로층의 끝단에 형광 센서막을 코팅하여 산소 센서 검출용 광학 프로브 모듈을 구현하였다.
- 6은 표준가스 0%와 20%의 표준가스에서 농도별 형광 세기를 나타낸 것으로, 일정 농도 이상에서는 형광 세기의 차이는 감소함을 알 수가 있었다. 본 논문에서는 0%와 20%의 표준 산소 가스에서의 형광 세기가 가장 크게 나는 5 mg/ml의 농도 조건으로 형광 센서막을 제작하였다.
- 분기 간격 및 각도 변화에 따른 광전송 효율 변화를 통해서 이종도파로의 구조는 임프린트 공정 등을 고려하여 분기간격의 길이가 80 µm, 각도는 2.1도로 최종 설계하였다.
- 산소 검출용 프로브를 가스 흐름셀에 고정하고 0.3065, 0.5061, 0.54, 0.70, 1.0155, 5.0574, 20.0890%의 산소 표준가스를 순차 주입하여 형광세기를 측정하였다. 특성평가 결과, 0.
- 산소 센서 프로브용 평면 광 회로층은 Fig. 2(a) 와 같이 채널 1과 채널 2의 선폭이 다른 형태로 분기되는 1×2 비대칭 구조의 빔 분배기로 설계하였다.
- 우선, 실리콘 원형 금형이 포토리소그래피 공정과 에칭공정을 통해 1×2 비대칭 광 분배기 광 회로층 패턴이 제작되었다.
- 이를 위하여, 본 논문에서는 비대칭 구조의 1×2 빔 분배기 구조로 평면 광회로층을 구성하였다.
- 우선, 실리콘 원형 금형이 포토리소그래피 공정과 에칭공정을 통해 1×2 비대칭 광 분배기 광 회로층 패턴이 제작되었다. 이후, 제작된 광 회로층의 실리콘 원형 금형을 이용하여 초음파 진동에너지가 접목된 복제주조방식에 의한 PDMS 스탬프를 Fig. 5(a)와 같이 제작하였다. 사용된 PDMS용액은 Dow Corning사의 SylgardTM 184를 사용하였으며, 전구체와 경화제가 무게비가 10:1의 일정 비율로 혼합시켜 충분한 안정화 시간을 거쳐 PDMS 용액을 안정화시켰고, 안정화된 PDMS 용액을 실리콘 원형 금형에 충분한 두께가 유지되도록 부은 다음, 70oC의 오븐에서 열경화시켜 UV 임프린트용 PDMS 스탬프를 제작하였다.
- 이후, 하부 클래드층이 코팅된 PMMA 시트와 음각의 광회로층 패턴을 가지는 PDMS 스탬프 사이에 코어레진을 채워놓고, 0.8 bar의 균일한 압력을 가한 후, 질소분위기에서 사용된 코어 레진의 임계 노광량인 2500 mJ/cm2만큼 UV를 15분간 조사하여 Fig. 5(b)와 같이 코어층을 정밀하게 제작하였다.
- 제안된 광 회로층 기반의 산소 검출용 센서 프로브 모듈은 기존의 형광 신호를 검출하기 위해 자유 공간상에서 광학 렌즈 및 부품들을 광정렬 후, 조립하여 이루어졌던 산소 센서 프로브 모듈을 평면 광회로층 하나를 가지고 집적화 시킬 수 있는 구조이다. 또한, 회로층 끝단에 형광 센서막이 집적적으로 부착되어 형광 신호를 효율적으로 검출할 수 있는 구조이며, 외부 충격 및 진동 등의 요인에 의한 광학 정렬의 어긋남에 의한 기존 센서 프로브 모듈의 신뢰성 문제를 해결 할 수 있을 것이다.
- 제작된 광 회로층 기반의 산소 센서 프로브가 포함된 센서 모듈의 성능을 알아보기 위해 농도별 산소 표준 가스 및 질소 표준 가스를 순차적으로 주입하여 성능평가를 수행하였다. 표준가스들은 일정한 가스 유량 제어가 가능한 MFC를 통하여 가스 흐름셀에 주입하였다.
- 제작된 산소센서 프로브용 광 회로층의 특성 측정 및 광섬유와의 연결을 위하여 소자 끝단의 단면을 커팅하고 단면 연마 공정을 수행하였다. 제작된 광 회로층의 전송손실을 측정하였으며, 광원부의 전송손실은 1.
- 제조된 형광 센서막을 산소 센서 프로브용 광 회로층의 끝단인 500 µm 채널에 스프레이 코팅하였으며, 광원과 연결되는 200 µm 채널에 470 nm LED 광원과 연결된 200 µm의 광섬유를 에폭시를 이용하여 결합하였다.
대상 데이터
- 5(a)와 같이 제작하였다. 사용된 PDMS용액은 Dow Corning사의 SylgardTM 184를 사용하였으며, 전구체와 경화제가 무게비가 10:1의 일정 비율로 혼합시켜 충분한 안정화 시간을 거쳐 PDMS 용액을 안정화시켰고, 안정화된 PDMS 용액을 실리콘 원형 금형에 충분한 두께가 유지되도록 부은 다음, 70oC의 오븐에서 열경화시켜 UV 임프린트용 PDMS 스탬프를 제작하였다.
- 이를 위하여, 본 논문에서는 비대칭 구조의 1×2 빔 분배기 구조로 평면 광회로층을 구성하였다. 산소 농도 측정용 센싱 형광막은 형광 염료 중 강한 형광을 발생시키며 양자수율 및 형광지속시간이 긴 루테늄(II) 복합체(Rudpp)를 기반으로 한 형광염료 분자를 사용하였다. Rudpp는 470 nm의 빛에 의해 여기되어지고 600 nm의 형광을 방출하는데, 방출되는 형광의 세기는 Rudpp 주위의 산소분자 농도와 반비례하여 나타난다.
- 제작된 산소센서 프로브용 광 회로층의 특성 측정 및 광섬유와의 연결을 위하여 소자 끝단의 단면을 커팅하고 단면 연마 공정을 수행하였다. 제작된 광 회로층의 전송손실을 측정하였으며, 광원부의 전송손실은 1.11dB, 형광신호의 전송 손실은 1.58dB로 측정되었다.
- 제작된 코어층 패턴의 선폭은 광원 전송을 위한 광도파로 선폭이 202 µm, 형광신호 전송을 위한 광도파로 선폭이 504 µm으로 설계대비 99% 이상의 정확도를 가지고 제작하였다.
- 평면 광 회로층의 끝단에 산소 검출용 형광 센서막을 코팅하기 위한 산소 검출용 루테늄(II) 복합체(Rudpp) 기반의 형광 센서막을 제조하였다.
성능/효과
- 1도로 최종 설계하였다. Fig. 4은 최적 구조에서의 광이 도파로 상에서 전송되는 이미지를 나타내었으며, 광원부에서 약 82%, 형광신호 전송에서약 76%의 효율을 가짐을 확인 할 수 있었다.
- 제작된 1×2 빔 분배기 평면 광회로층 기반의 산소 검출용 광학 센서 프로브 모듈은 0%에서 20%의 산소 농도영역에서 0.3%의 분해능 까지 산소 농도를 검출 할 수 있었다.
- 제작된 고분자 1×2 빔 분배기 평면 광회로층은 광원부의 전송 효율이 76%, 형광 신호 전송효율이 70%로 각각 측정되었다.
후속연구
- 제안된 광 회로층 기반의 산소 검출용 센서 프로브 모듈은 기존의 형광 신호를 검출하기 위해 자유 공간상에서 광학 렌즈 및 부품들을 광정렬 후, 조립하여 이루어졌던 산소 센서 프로브 모듈을 평면 광회로층 하나를 가지고 집적화 시킬 수 있는 구조이다. 또한, 회로층 끝단에 형광 센서막이 집적적으로 부착되어 형광 신호를 효율적으로 검출할 수 있는 구조이며, 외부 충격 및 진동 등의 요인에 의한 광학 정렬의 어긋남에 의한 기존 센서 프로브 모듈의 신뢰성 문제를 해결 할 수 있을 것이다.
- 이러한 산소 센서 모듈은 추후, 화학분야, 바이오 분야, 그리고 대기 및 수질 환경을 모니터링 하는 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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