마이크로광섬유 기반 변형 및 상대습도 센서 연구

Abstract

기존에 발표되어진 광섬유 기반 센서의 실용화를 위한 성능 향상 및 취약점 보완 연구를 진행하였다. 특히 마이크로 광섬유 기반의 광소자 및 센서의 이론 분석 및 실험을 통한 규명을 진행하였다. 교량이나 건물, 건축뿐만 아니라 사람의 움직임 및 헬스케어에도 사용이 되고 있는 변형 센서는 광섬유를 이용한 많은 연구가 이뤄져 왔다. 특히 Mach-Zehnder 간섭계(MZI) 기반 변형 센서도 많은 보고가 되어 왔는데 변형뿐만 아니라 온도 변화에도 민감하게 반응하는 문제점이 지적 되어 왔다. 때문에 온도에 둔감한 변형 측정용 마이크로 광섬유 MZI기반 센서 제작을 위해 마이크로 광섬유의 직경에 따른 열-광학 및 열-팽창 효과를 이론적 그리고 실험적 분석을 진행하였다. 마이크로 광섬유 기반 MZI에서 마이크로 광섬유의 직경을 최적화함으로써 외부 코팅에 의해 발생하는 양의 값인 열-광학 계수를 효과적으로 제어할 수 있으며, 음의 값을 가지는 열-팽창 효과를 보상하여 마이크로 광섬유 기반 MZI의 온도 감도를 억제한다. 또한 온도 변화에 따른 마이크로 광섬유 기반 MZI의 광 투과 스펙트럼은 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 공간 주파수 스펙트럼으로 확인 가능하며, 주파수 영역에서의 온도 민감도를 확인하였다. 마이크로 광섬유의 직경이 약 7 μm 일 때 마이크로 광섬유 기반 MZI의 공간 주파수의 온도 민감도는 로 대폭 완화됨을 확인 하였다. 같은 조건에서 절대 변형 측정을 진행 하였으며 이때의 변형 감도는 공간 주파수 영역에서 로 측정되었다. 각종 산업 현장에서 많이 사용되는 습도 센서는 산업이 발달함에 따라 더욱 중요한 요소로 자리잡게 되었다. 때문에 많은 종류의 습도 센서가 발표 되었다. 그 중 장주기격자를 기반으로 하는 광섬유 센서는 작은 크기와 전자기 내성 등의 장점으로 인해 많이 사용되었는데, 다만 측정 가능 범위가 좁고 민감도가 다른 센서에 비해 상대적으로 떨어진다는 취약점이 존재하였다. 때문에 이러한 취약점을 보완 하고자 저 굴절률 폴리머(CYTOP)와 Polyvinyl alcohol(PVA)로 코팅 된 마이크로 광섬유 기반 장주기 격자(MTLPFGs) 상대습도(RH) 센서를 연구하였다. 기존에 PVA만 사용한 RH센서는 PVA의 RH변화에 따른 굴절률 변동 범위( RH 범위에서 PVA의 굴절률의 변화는 )로 인하여 측정 범위 한계라는 문제점을 가지고 있었다. 이러한 문제점을 보완하고자 저 굴절률 폴리머인 CYTOP을 PVA와 혼합하여 상대 습도 변화에 따른 굴절률 변동 범위를 효율적으로 조절하였다( RH 범위에서 굴절률의 변화는 ). 또한 RH 측정의 민감도는 마이크로 광섬유의 직경을 줄임으로써 MTLPFGs의 소산장의 강화를 야기하였으며, 이로 인해 측정된 RH 측정 감도는 마이크로 광섬유의 직경이 125, 100, 75, 50 μm로 감소함에 따라 의 RH 범위에서 0.39, 0.47, 0.59, 0.76 로 측정 되었다. PVA 코팅이 있는 마이크로 광섬유 기반 매듭 공진기(MKR)를 기반으로 하는 고도의 민감한 RH센서는 기존의 광섬유 기반 센서의 취약점인 저 민감도를 보강하기 위하여 연구하였다. 초소형 광섬유 RH센서 소자를 실현하기 위해 PVA 코팅을 기반으로 MKR을 설계하였다. 직경이 2 μm인 마이크로 광섬유를 사용하여 매듭형태를 만든 후 매듭의 루프 직경이 70 μm인 MKR을 제작한 후 PVA로 코팅을 진행하였다. PVA 코팅을 가지는 MKR은 마이크로 광섬유로부터의 강력한 소산장 때문에 RH의 농도 변화에 효과적으로 반응한다. RH의 농도를 정확히 측정하기 위하여 MKR 기반의 RH 센서의 광 투과 스펙트럼은 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 공간 주파수 스펙트럼으로 변환하였다. 습도가 변함에 따라 MKR 기반 RH 센서 소자의 공간 주파수는 효과적으로 변하는 것을 확인 하였으며 소자 내에서 발생하는 모드 차수(m)에 따라 4개의 공진 주파수를 획득 하였다. 측정된 MKR 기반 RH 센서의 4개의 공진 주파수의 RH 민감도는 각각 –0.22, -0.44, -0.65, -0.87 로 측정되었다.