초록 ▼

광섬유는 전송매체로서 우수한 성능을 가지고 있을 뿐만 아니라 기존의 전자센서보다 가볍고, 부패하지 않고, 전자파에 영향을 받지 않고, 위험지역의 remote sensing도 가능하다는 센서로서의 장점들을 가지고 있어 다양한 광섬유 센서들이 플라스틱 광섬유와 유리 광섬유를 사용하여 개발되어 졌다. 현재까지 다양한 광섬유 센서가 개발되어 졌지만 플라스틱 광섬유가 유리 광섬유 보다 센서로 사용 시 장점이 많음에도 불구하고 광섬유 센서는 주로 유리광섬유로 개발되어져 왔다. 그래서 본 연구에서는 플라스틱 광섬유의 장점을 살린 홀 기반 플라스

광섬유는 전송매체로서 우수한 성능을 가지고 있을 뿐만 아니라 기존의 전자센서보다 가볍고, 부패하지 않고, 전자파에 영향을 받지 않고, 위험지역의 remote sensing도 가능하다는 센서로서의 장점들을 가지고 있어 다양한 광섬유 센서들이 플라스틱 광섬유와 유리 광섬유를 사용하여 개발되어 졌다. 현재까지 다양한 광섬유 센서가 개발되어 졌지만 플라스틱 광섬유가 유리 광섬유 보다 센서로 사용 시 장점이 많음에도 불구하고 광섬유 센서는 주로 유리광섬유로 개발되어져 왔다. 그래서 본 연구에서는 플라스틱 광섬유의 장점을 살린 홀 기반 플라스틱 광섬유 센서들에 대해 연구를 수행 하여 왔다. 홀 기반 플라스틱 광섬유 센서는 최초로 우리 연구팀이 제안한 센서로 본 연구를 통하여 여러 종류의 홀 기반 플라스틱 광섬유 센서들을 개발 하였다.
본 연구에서 개발한 홀 기반 광섬유 센서는 외부의 섭동에 따라 수신 광량이 변화하는 강도형 광섬유 센서이다. 제일 먼저 플라스틱 광섬유의 옆면 중앙에 홀이 하나 있는 센서의 수학적 모델을 만들고 이 모델로부터 홀의 크기와 홀 내부에 채워진 물질의 굴절률에 따른 수신 광량변화(전송도) 식을 Ray Optics을 이용하여 유도하였다. 유도된 광량변화식이 수신 광량은 홀의 크기와 굴절률에 따라 변화 하는 것을 보여 주고 있다. 두 번째 플라스틱 광섬유 옆면에 홀을 만들 수 있는 장치와 기술을 개발하였다. 유리광섬유 옆면에 홀은 만들기 위해서는 고가의 장치가 필요하지만 플라스틱 광섬유 옆면 홀 제작 장치는 저가의 drilling machine와 drill bit를 사용하여 만들어졌다. 홀 제작에 사용된 플라스틱 광섬유는 주로 코어의 굴절률이 1.49, 클레딩의 굴절률이 1.41, 코어의 지름이 1.48mm인 플라스틱 광섬유를 사용하였다.
옆면에 홀이 있는 플라스틱 광섬유가 센서로서 사용 가능함을 입증하기 위하여 제일먼저 홀 내부에 채워진 물질의 굴절률을 측정해 보았다. 이 때 사용한 물질들은 물, 도디케인, 그리세롤이였다. 세 물질을 홀 내부에 삽입시 모두 다른 전송도를 나타났으며 광섬유 코어와 유사한 굴절률을 가진 물질(그리세롤)의 경우 전송도가 거의 1에 가까웠다. 그리고 센싱감도를 증가시키키 위하여 홀이 여러 개 있는 플라스틱 광섬유를 이용하여 동일한 물질을 모든 홀 내부에 넣고 전송도를 측정해 보았다. 여러 개의 홀이 있는 플라스틱 광섬유 굴절률 센서가 홀이 한개 있는 플라스틱 광섬유 센서보다 측정감도가 더 좋음을 실험적으로 증명하였다. 굴절률 센서를 연구한 뒤에 물과 공기의 굴절률이 다름을 이용하여 플라스틱 광섬유 수위 센서를 개발 하였다. 수위센서는 지름이 0.9mm이고 5cm 간격의 8개의 홀로 구성되어졌으며 55cm 비이커를 사용하여 수위를 측정하여 보았다. 플라스틱 광섬유 수위센서는 수위에 따라 다른 전송도를 나타냈으며 측정감도는 홀 간격과 일치함을 보였다.
플라스틱 광섬유 굴절률 센서에 대한 연구를 끝내고 홀 기반 플라스틱 광섬유 온도 센서를 개발 하였다. 이 센서는 온도에 따라 흡수도가 달라지는 thermochromic material을 홀에 삽입하고 밀봉한 구조를 가지고 있다. 겔 타입 cobalt chloride/polyvinyl butyral을 thermochromic material을 사용하여 홀 기반 플라스틱 광섬유 온도센서를 제작하여 25°C부터 75°C의 온도를 측정하였다. 측정감도는 홀의 크기에 따라 달랐으며 홀의 크기가 1,1mm 일 때 측정감도는 4.12 uW/ °C 였다. 현재 본 연구에서 개발된 온도센서는 상품화를 하기 위해 노력하고 있다. 온도센서를 개발한 다음 일반 플라스틱 광섬유보다 홀을 가진 플라스틱 광섬유의 벤딩 로스가 더 크다는 사실로부터 마이크로 벤딩효과를 활용한 abdomen attached 플라스틱 광섬유 호흡센서에 대한 연구를 수행하였다. 호흡 센서는 elastic fabric과 inelastic fabric으로 만들어진 밴드에 플라스틱 광섬유를 embedded하여 제작되었고 사람의 호흡을 측정 하였다. 이 호흡센서는 현재 의료계에서 사용되어지고 있는 호흡센서와 유사한 performance를 보였으며 SNR은 약 7dB 였다. 마지막으로 홀기반 플라스틱 광섬유가 연기(화재)검출, chemical 물질 검출, 가스 검출에 활용 가능성에 대한 연구를 수행 하여 사용 가능성을 입증하였다. 멀지 않는 미래에 홀 기반 플라스틱 광섬유를 이용한 독성물질 검출에 대한 연구를 수행할 것이며 더 나아가 스마트폰을 활용한 검출 기술도 연구할 예정이다.
(출처: 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 10