KR100899382B1 - 광섬유 및 이를 이용한 선박용 유분농도계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 및 이를 이용한 유분 농도계에 관한 것으로, 광섬유는 SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)으로 이루어진 Core에 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane으로 코팅된 것을 특징으로 하고, 유분농도계는 상기 광섬유를 이용한 센서를 장착한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광섬유는 인장강도가 높고 전송손실률이 낮으며, 연화온도가 낮아 제조가 용이하므로 저비용으로 고품질의 광섬유를 제공할 수 있다. 또한, 상기 광섬유를 이용한 유분농도계를 사용함으로써 선박의 폐수에 포함된 유류의 농도를 신속, 정확하게 측정하여 해양의 오염을 사전에 방지할 수있다.
광섬유, 광섬유 센서, 유분농도계.

Description

광섬유 및 이를 이용한 선박용 유분농도계 {Optical fiber, and oil-densitometer comprising the same}
본 발명은 광섬유 및 이를 이용한 유분농도계에 관한 것으로, 구체적으로 광섬유는 SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)으로 이루어진 Core에 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane으로 코팅된 것을 특징으로 하고, 유분농도계는 상기 광섬유를 이용한 센서를 장착한 것을 특징으로 하는 선박용 유분농도계에 관한 것이다.
해양오염방지법에서는 선박으로부터의 오염물 배출량을 제한하고, 해양오염방지설비를 의무적으로 갖추도록 규정하고 있다. 선박으로부터 배출될 수 있는 오염물 중에는 유분이 포함되어 있으며, 이로 인한 해양의 오염을 방지하기 위해서는 배출수 중 유류의 농도를 신속, 정확하게 측정할 수 있는 장치를 필요로 한다.
한편, 광섬유는 외부환경에 의한 간섭이 적고 정보 손실률이 낮은 장점으로 인하여, 일반 통신망과 유선방송, 각종 자동기기의 정보전송용, 또는 검출용 등으 로 다양한 분야에 광범위하게 이용되고 있으며, 최근에는 특히 광섬유 센서의 활용분야가 매우 다양해지고 있다. 광섬유를 이용한 센서는 온도나 압력에 의한 신축성, 빛의 위상차, 또는 도플러 효과를 이용하여 검지기능을 나타내는데, 구체적으로는 온도, 압력센서, 자이로스코프, 속도계, 풍향계, 가스누출 센서 등 다양한 목적으로 사용되고 있다.
광섬유를 이용한 유류 측정장치와 관련된 기술로, 대한민국 공개실용신안 제1995-11611호 광섬유를 사용한 오염 감지센서와 대한민국 공개특허 제2001-45678호 오일 오염도 측정장치 등이 공개된 바 있다. 그러나, 상기 광섬유를 사용한 오염 감지센서는 반사경을 이용하여 반사되는 빛을 검출하는 방식이므로 농도가 높은 오염물의 검출에는 부적합하고, 상기 오일 오염도 측정장치는 유분의 농도가 아닌 윤활유의 오염을 측정하는 장치이므로, 본 발명의 유분농도계와는 차이가 있다.
본 발명에서는 광섬유 센서를 이용한 유분농도계를 제공함으로써, 선박의 폐수에 포함된 유류의 농도를 신속, 정확하게 측정하여 해양의 오염을 사전에 방지하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 유분농도계의 센서에 적합한 광섬유를 제공하고자 한다.
본 발명에서는 광섬유센서를 이용하여 유분농도를 측정한다.
광섬유센서에 적용가능한 광섬유의 종류에 특별한 제약은 없으나, 본 발명에서는 SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)의 다성분계 유리로 이루어진 광섬유를 사용한다. 본 발명에 있어서 상기 광섬유의 조성비가 절대적인 것은 아니나, 굴절률, 열팽창계수, 강도 등의 물성을 고려하였을 때 상기 수치를 크게 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
또한 광섬유의 코팅재의 경우 core에 비하여 굴절율이 낮은 소재라면 특별한 제약없이 사용할 수 있으며, 그 예는 하기 표 1과 같다. 코팅재의 코팅방법에 있어서, 소재가 액상인 경우는 경화시간과 온도를 기재하였고, 소재가 고형인 경우는 용융법, 또는 용매를 이용한 액상화 방법을 이용한다. 본 발명에서는 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane를 코팅재로 사용한다.
[표 1] 광섬유의 코팅재
Polymer 코팅방법
Polyterfluoroethylene 100℃, 30분
1,2-Epoxyhexane O-xylene 3-Aminopropyltriethoysilane 100℃, 30분
Silicon resin O-xylene 3-Aminopropyltriethoysilane 250℃, 30분
Poly(vinylbutyral-co-vinylalcohol-co-vinylacetate-O-xylene 3-Aminopropyltriethoysilane 150℃, 30분
Poly(Bisphenol-A-Carbonate) 용매(클로로포름), 용융법
Poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid) 용매(CHCl3), 용융법
Polyacrylamide-co-acrylic acid 용매
Polyvinylbutyral-co-vinylachol-co-vinylacetate 용매
Silicone resin 용융법
본 발명의 유분농도계는 측정용기, 센서부, 인터페이스보드로 이루어진다.
측정용기는 측정하고자 하는 표본수가 통과하는 곳으로, 사파이어, 수정과 같은 재료를 사용하여 먼지나 녹, 모래 입자에 의하여 손상되지 않도록 하고, 편의를 위하여 관의 형태로 제조한다. 측정용기 내부에는 표본수에 통과하는 유분농도를 측정할 수 있도록 센서부와 연결된 광섬유가 장착되어 있다.
센서부는 발광부와 수광부, 구체적으로는 할로겐램프 주발광부와 두 개의 적외선 LED 보조발광부, 포토다이오드 수광부로 이루어지고, 각각의 발광부와 수광부는 광섬유를 통하여 빛을 전달한다. 주발광부에서 방출한 빛은 주발광부용 광섬유를 통해 전달되어 표본수를 통과하면서 유분농도에 따라 빛의 굴절이 변화한다. 표본수를 통과한 빛은 두 개의 보조발광부와 연결된 보조발광부용 광섬유를 통과하면서 오류신호를 보상한 다음, 수광용 광섬유를 통하여 수광부의 포토다이오드에 전 달되며, 수광부로 전달된 빛은 전기적 신호로 변환된다.
인터페이스보드는 CPU를 탑재하여, 센서부에서 전달되는 신호로부터 유분의 농도를 산출해낸다.
상기 표본수에 포함된 유분은 빛을 산란시키는 성질이 있으므로, 유분의 농도가 높아짐에 따라 빛의 전달량이 감소하게 된다. 이때, 유분의 입자 크기에 따라 산란, 굴절률에 차이를 나타낼 수 있으므로, 초음파를 이용하여 입자를 균일화한 표본수를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유는 인장강도가 높고 전송손실률이 낮으며, 연화온도가 낮아 제조가 용이하므로 저비용으로 고품질의 광섬유를 제공할 수 있다. 또한, 상기 광섬유를 이용한 유분농도계를 사용함으로써 선박의 폐수에 포함된 유류의 농도를 신속, 정확하게 측정하여 해양의 오염을 사전에 방지할 수 있다.
[실시예]
Double crucible을 이용한 Down drawing법을 이용하여 core는 SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)의 다성분계 유리, 코팅재는 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane인 광섬유를 제조하였다. 이때, drawing속도를 2~18m/h로 조절하여 직경(clad 포함)을 55~210㎛로 조절하였으며, 로의 온도는 M/F:1300℃, Sub1:755℃, Sub2:400~460℃로 하였다.
[시험 1] 광섬유 소재의 물성 측정
본 발명에 따른 광섬유의 core 소재인 SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)와 코팅재 소재인 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane의 전이온도, 연화온도, 열팽창계수를 측정하였으며, 결과는 하기 표 2와 같다.
[표 2] 광섬유 소재의 물성
Core Clad
전이온도 447℃ 481℃
연화온도 498℃ 550℃
열팽창계수 8.82×10-6 7.09×10-6
상기 표 2와 같이, 본 발명의 광섬유는 열팽창계수와 연화온도가 낮은 것으로 나타났다.
[시험 2] 광섬유의 인장강도 측정
SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)로 이루어진 core에 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane로 코팅한 본 발명의 광섬유 를 대상으로 인장강도(Tnnsile strength)를 측정하였다.
동일한 소재로 직경을 달리한 광섬유를 12cm 길이로 준비하여 각각 미세 인장측정기에 장착한 후 dynamic fatigue test를 통하여 측정하였다. 이때, 직경은 clad를 포함한 직경을 의미하며, clad의 코팅두께는 약 10㎛가 되도록 하였다. clad측정결과는 도 2에 기재하였다.
도 2에 나타난 바와 같이, 광섬유의 직경이 증가함에 따라 인장강도가 증가하였고, 직경 55㎛인 경우에도 사용가능한 수준의 강도를 지닌 것으로 나타났다.
[시험 3] 광섬유의 전송손실률 측정
본 발명에 따른 광섬유 중 직경 55㎛, 75㎛, 100㎛, 120㎛인 광섬유를 대상으로 직경에 따른 전송손실률을 측정하였다.
60cm 길이의 광섬유에 Wavelength 400~1800nm의 White Light Source(Ando AQ-4303B)를 사용하여 빛을 조사하고 Optical Spectrum Analyser(Anritsu MS9701C)를 이용하여 660nm에서의 전송손실률(Optical loss)을 측정하였다.
[표 3] 전송손실률
Attenuation(dBm) Wavelength(nm) Center Wavelength(㎛)
55㎛ -33.40 660 1.149
75㎛ -31.70 660 1.152
100㎛ -30.29 660 1.152
120㎛ -21.57 660 1.152
상기 표 3과 같이, 광섬유의 직경이 증가함에 따라 전송손실률은 감소하였고, 직경 55㎛인 광섬유의 전송손실률도 충분히 사용가능한 수준으로 낮게 나타났다.
이처럼 본 발명에 따른 광섬유는 인장강도가 높고 전송손실률이 낮으며 연화온도가 낮은 특성이 있으므로, 저비용으로 고품질의 광섬유를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유의 SEM(×350)사진이고,
도 2는 광섬유의 직경에 따른 인장강도를 나타낸 그래프이다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 측정용기, 센서부, 인터페이스보드로 이루어진 유분농도계에 있어서,
    측정용기는 표본수가 통과할 수 있는 유리관으로서, 센서부와 연결된 광섬유가 장착되어 있고,
    센서부는 할로겐램프 주발광부와 두 개의 적외선 LED 보조발광부, 포토다이오드 수광부로 이루어지며, 발광부와 수광부에는 빛을 전송할 수 있는 광섬유가 연결되어 있고,
    인터페이스보드는 CPU를 탑재하여, 센서부에서 전달되는 신호로부터 유분의 농도를 산출하며,
    상기 광섬유는 SiO2(45Wt%), PbO(45wt%), Na2O(5wt%), K2O(5wt%)로 이루어진 Core에 Silicon resin - O - xylene - 3 - Aminopropyl triethoysilane가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 선박의 배출수용 유분농도계.
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