KR100930127B1 - 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 따른 스트레인 값을 측정하는 스트레인 센서에 관한 것으로, 플라스틱으로 된 유연성(flexible) 기판; 상기 유연성 기판 상부에 형성된 폴리머 광도파로; 및 상기 광도파로 상에 형성된 하나 이상의 폴리머 브래그 격자;를 포함하는 특징이 있다.

본 발명의 스트레인 센서는 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수하고, 10,000με이상의 인장을 측정할 수 있는 장점이 있으며, 각각 다른 격자 상수 및 상대적 각도를 갖는 다수의 브래그 격자를 단일한 스트레인 센서에 집적하여 3축 스트레인 정보를 얻을 수 있는 장점이 있으며, 플라스틱 기판의 열팽창 계수와 광도파로의 열광학 계수의 상쇄효과에 의해 낮은 온도의존성을 갖는 장점이 있다.

Bragg reflection optical waveguides (브래그 반사 광도파로), Flexible substrate optical device (유연성 기판 광도파로 소자), Polymeric optical waveguides (폴리머 광도파로), Optical strain sensor (스트레인 측정 광센서)

Description

유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서{Optical waveguide strain sensors with a Bragg reflector on a flexible substrate}

본 발명은 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 따른 스트레인 값을 측정하는 스트레인 센서에 관한 것으로 상세하게는 플라스틱 기판 상부에 집적된 브래그 격자가 형성된 폴리머 광도파로 스트레인 센서에 관한 것이다.

본 발명은, 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수한 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서에 관한 것이다.

지금까지 알려진 광센서는 주로 광섬유를 이용하는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 폴리머 광도파로를 이용하고 있으며 실리콘이나 유리와 같은 딱딱한 기판이 아니라 유연성이 있는 플라스틱 재료를 기판으로 사용하고 있다.

유연성 기판을 이용한 기술로는 최근 들어 높은 관심을 끌고 있는 플렉서블 디스플레이 기술을 들 수 있다. [C. D. Sheraw, L. Zhou, J. R. Huang, D. J. Gundlach, and T. N. Jackson, Appl. Phys. Lett., 80, 1088 (2002); V. Vorflusev and S. Kumar, Science, 283, 1903 (2002)]

이 기술은 대면적의 디스플레이를 접어서 보관하고, 또한 필요할 때 펼쳐서 디스플레이로 이용할 수 있는 기술로서, 새로운 개념의 다양한 상품에 응용 될 수 있는 신개념이라 할 수 있다.

유연성 기판을 이용한 광소자 기술은 전기 광학 폴리머 광변조기를 제작하는 과정에서 적용된 방법을 들 수 있다. SU-8 포토레지스트가 금 표면과 접착력이 매우 약한 점을 이용하여 제작된 소자를 원하는 단계에서 쉽게 기판으로부터 분리해내는 방법을 이용하고 있다.

이는 제작 공정이 까다로운 소자를 실리콘 기판 상에 완전히 제작 완료한 뒤 마지막 단계에서 분리해냄으로써 소자의 공정 조건에 영향을 미치지 않고서 유연성 기판 상에 광소자를 제작할 수 있게 되었다. [W. H. Steier, H.-C. Song, M.-C. Oh, and S.-W. Ahn, "Low-voltage flexible optic polymer modulators," US patent, US2005/0249445 A1; H.-C. Song, M.-C. Oh, S.-W. Ahn, and W.-H. Steier, "Flexible low-voltage electro-optic polymer modulators," Applied Physics Letters, Vol. 82, pp. 4432-4434, June 2003]

그러나 상기의 특허 기술은 전기광학 변조기를 유연성 기판 상에 제작하기 위한 방법을 제안하고 있으며 후술할 본 실시예와 같이, 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서와는 실질적으로 연관성이 없다.

브래그 격자형 광소자를 이용한 스트레인 센서는 대부분 실리카 재질의 광섬 유를 이용하여 제작되어 왔다.

이는 광섬유 제작 공정의 편리성으로 인해 광섬유의 가격이 매우 저렴하고 브래그 격자를 형성하는 공정도 UV 펄스 레이저를 이용하여 간섭패턴을 조사하는 방식으로 비교적 간단하기 때문이다.

광대역 광원에서 나오는 빛을 브래그 격자 센서에 조사하고 이로부터 반사되어 나오는 빛의 파장을 검출하여 광섬유 센서에 인가되는 스트레인을 측정하는 방식에 관한 특허가 다수 등록되어 있다. [H. Tsuda, "Optical fiber strain sensor device and strain detection system," US patent 7,002,672 B2, Feb. 2006; B. Moslehi, R. J. Black, H. J. Shaw, and K. Toyama, "Multiplexable fiber-optic strain sensor system with temperature compensation capability," US patent 6,895,132 B2, May 2005; L. K. Wang, Y.-J. Chiang, and C.-C. Yang, "Dual fiber Bragg grating strain sensor system," US patent 6,829,397, Dec. 2004]

그러나, 기존의 실리카 광섬유는 재료의 인장성이 한계가 있기 때문에 스트레인이 크게 발생하게 되면 광섬유 센서의 인장이 실제 물체의 인장을 따라가지 못하고 접착 부위가 미끄러지는 문제가 발생한다.

한편, 플라스틱 광센서의 경우 인장 범위가 매우 넓기 때문에 위와 같은 문제를 해결할 수 있다.

브래그 격자 센서는 주기가 다른 격자를 서로 연결하여 하나의 광원을 이용하여 여러 지점의 스트레인을 동시에 측정하는 형태로 제작 가능하다. 각각의 브래그 격자 센서들은 특정한 파장의 빛만을 반사시키게 되므로 출력부에서 특정 파장 의 변화를 측정하면 특정 지점에서 발생하는 스트레인을 독립적으로 유출해 낼 수 있다. [I. Bennion, J. Williams, C. Groves-Kirkby, and L. Zhang, "Strain sensing," US patent 6,816,638 B1]

폴리머 광도파로 소자는 온도에 따라 센서의 특성이 변하게 되는 온도 의존성을 가지는 문제가 있다. 이러한 온도 의존성을 극복하기 위하여 별도의 온도 측정 센서를 이용하여 온도 변화에 따른 특성 변화를 보완 해주는 형태가 널리 사용되고 있다.

그러나 이 경우에도 센서 소자의 온도 민감도가 너무 크게 되면 어려 모로 어려움이 따른다. 이러한 온도 의존성을 줄이기 위한 목적으로 폴리머 재료의 열팽창 특성과 광학적 굴절률 변화 특성을 서로 상쇄시키는 연구가 발표된 바 있다. [N. Keil et al., "Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer," Electronics Letters, Vol. 37, pp. 579-580, April 2001]

상기 결과는 폴리머 재료로 만들어진 arrayed waveguide device의 온도 의존성이 줄어드는 것을 보이고 있으나 브래그 격자 소자에 관한 결과는 알려진 바가 없다.

상술한 바와 같이, 기존에 널리 사용되거나 연구되고 있는 스트레인 센서의 경우, 그 재료의 특성상 자유롭게 구부러지기 힘들 정도로 인장성이 약하기 때문에 사용에 한계가 있으며, 또한 종래의 스트레인 센서의 경우, 10,000 με 이상의 큰 인장 수치도 측정은 실질적으로 불가능할 뿐만 아니라 다축 방향의 스트레인 값을 측정하기가 다소 번거롭거나 힘든 문제점이 있다.

더욱이 종래의 스트레인 센서의 경우에는, 소자의 온도 의존성이 다소 높아서 역시 사용에 한계가 따르는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수한 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 플라스틱 기판 상에 소자를 제공하여 온도에 따른 부피 팽창을 자유롭게 만들어 주어 열광학 효과를 상쇄하도록 함으로써 폴리머 브래그 격자 소자의 온도 의존성을 줄일 수 있는 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기존의 실리카 광섬유 브래그 격자가 측정하기 어려운 10,000με이상의 큰 인장 수치도 측정이 가능한 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다축 방향의 스트레인 값을 보다 정확하고 손쉽게 측정할 수 있는 유연성 기판 브래그 격자 광도파로 스트레인 센서 및 그 측정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값을 측정하는 스트레인 센서로, 플라스틱으로 된 유연성(flexible) 기판; 상기 유연성 기판 상부에 형성된 폴리머 광도파로; 및 상기 광도파로 상에 형성된 하나 이상의 폴리머 브래그 격자;를 포함하는 특징을 갖는다.

본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 서로 다른 각도 및 서로 다른 격자 주기를 갖는 둘 이상의 상기 브래그 격자가 단일한 광도파로로 연결되어 있는 것이 바람직하며, 서로 다른 격자 주기를 가지며 상대 각이 90도 및 45도인 3개의 브래그 격자로 구성된 것이 더욱 바람직하다. 또한 상기 유연성 기판의 두께는 80 내지 200㎛인 것이 바람직하다.

상기 폴리머 광도파로의 폴리머는 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient)를 가지며, 상기 유연성 기판은 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 가져 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 낮은 온도 의존성을 갖는 특징이 있다.

본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값을 측정하는 스트레인 측정 방법에 있어서, 본 발명의 광도파로를 이용한 스트레인 측정 방법은 (a) 광대역 광을 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에 입사시키는 단계; (b) 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에서 출력된 출력광을 검출하여 상기 출력광의 파장 별 투과강도를 얻는 단계; 및 (c) 상기 파장별 투과강도를 기반으로 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 브래그 격자에 의해 반사된 광의 중심파장이 이동된 값을 측정하여 상기 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값 및 방향정보를 얻는 단계;를 포함하여 수행되는 특징이 있다.

상기 스트레인 측정 방법에 의해 상기 물체의 10,000με이상의 인장이 측정 될 수 있는 특징이 있으며, 상기 스트레인 측정 방법은 상기 (b) 단계의 단일한 파장별 투과강도에 의해 상기 (c) 단계에서 3축 방향의 스트레인 정보를 얻을 수 있는 특징이 있다.

본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 제조하기 위한 제조 방법은 (i) Si 기판 상부에 Au를 함유하는 막을 형성시키는 단계; (ii) 상기 Au를 함유하는 막의 상부 및 Si 기판 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계; (iii) 상기 SU-8 폴리머층 상부에 플라스틱 기판층을 형성시키는 단계; (iv) 상기 플라스틱 기판층 상부에 폴리머 광도파로 및 브래그 격자를 형성시키는 단계; 및 (v) 상기(ii) 단계의 상기 Au를 함유하는 막 상부로 형성된 SU-8 폴리머층까지 절단하여 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 얻는 단계;를 포함하여 제조되는 특징이 있다.

상기 (iii) 단계 이후, 상기 플라스틱 기판층 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 (iii) 단계의 플라스틱 기판층의 두께는 80 내지 200 ㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상대적으로 유연한 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 직접 집적시켜 제작함으로써 자유롭게 구부러지고 인장성이 우수한 효과가 있다.

또한 기존의 실리카 광섬유 브래그 격자가 측정하기 어려운 10,000 με이상의 큰 인장 수치도 측정이 가능한 효과가 있을 뿐만 아니라 다축 방향의 스트레인 값을 보다 정확하고 손쉽게 측정할 수 있는 효과가 있다.

그리고 플라스틱 기판 상에 폴리머 광도파로 및 폴리머 브래그 격자를 제공하여 플라스틱 기판의 열팽창 계수와 광도파로의 열광학 계수의 상쇄효과에 의해 낮은 온도의존성을 갖는 장점이 있다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서, 상기 스트레인 센서의 제조방법 및 상기 스트레인 센서를 이용한 스트레인 측정 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 기판 상에 제작된 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)에 대한 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)와 광신호의 입출력을 위한 광섬유(210)를 부착한 소자를 스트레인을 측정하고자 하는 물체의 표면(220)에 부착한 모습을 나타낸 도면이다.

도 1에서 알 수 있듯이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 플라스틱 기판인 유연성 기판(110) 상부로 크래드(120)와 코어(130)로 구성된 광도파로가 형성되어 있으며, 상기 광도파로 상에 브래그 격자(140)가 형성되어 있는 구조를 갖는다. 이때, 상기 주기적인 격자 구조를 갖는 브래그 격자(140)는 브래그 반사조건을 만족시키는 특정 파장을 반사시키게 되는데, 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 도 2와 같이 소정의 물체에 부착될 경우, 물체의 변형에 의해 상기 브래그 격자의 격자 상수가 변화하게 되어 반사되는 특정 파장이 변화하게 된다. 따라서 브래그 격자에 의해 반사되는 파장의 변화를 측정함으로써, 물체의 변형을 측정할 수 있게 되는 것이다. 따라서 브래그 격자(4)가 형성된 부분이 실질적인 스트레인을 측정하는 센싱 표면(150, sensing surface)이 되는 것이다.

또한, 외부에서 상기 센싱 표면(150)에 다른 물질을 접촉시키게 되면 브래그 격자(140)가 형성된 광도파로의 유효 굴절률 변화를 일으키게 되어 브래그 반사 파장의 변화를 유발하게 된다. 이러한 특성으로 말미암아 특정 물질의 존재 여부나 함량을 측정하기 위한 센서로서도 이용될 수 있다.

센서의 인장성 및 유연성을 높이며, 물리적인 내구성 및 취급의 용이함을 위해 상기 유연성 기판(110)의 두께는 80 내지 200 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기와 같이 유연성 플라스틱으로 구성된 얇은 기판, 폴리며 광도파 및 폴리머 브래그 격자로 구성된 본 발명의 특징에 의해 외부에서 힘을 가하면 쉽게 구부러지거나 늘어나는 특성을 가지기에 파손 발생 및 물체에 부착한 부착면의 adhesion을 방지 할 수 있는 높은 인장성을 가지게 되며, 상기 유연성 기판(110)의 인장성은 그대로 광도파로 및 브래그 격자(140)의 인장성으로 전달되어 브래그 격자(140)의 주기를 큰 값으로 변화시킬 수 있게 된다. 이에 의해 종래의 기술로는 측정하기 어려운 10,000με이상의 큰 인장 수치도 측정 가능한 센서를 구현할 수 있게 되는 것이다.

한편, 스트레인 측정용 광센서는 구조물의 안전 진단, LNG 선박의 탱크 균열 상태 모니터링, 자동차 비행기 동체에 작용하는 스트레인 측정 등을 위하여 사용되고 있지만, 통상적으로 사용되는 광섬유는 실리카 재질로 이루어져 있으므로 인장이나 수축되는 정도가 매우 작았다. 하지만 본 발명의 경우, 유연성 기판(110)이 적용되고 있기 때문에 어떠한 환경 하에서도 쉽게 적용될 수 있는 이점이 있는 것이다. 즉 인장성이 상대적으로 우수하기 때문에 다양한 사용 환경, 즉 다양한 물체의 표면에 적용이 가능하다는 이점이 있다.

도 2에서 알 수 있듯이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100) 는, 스트레인을 측정하고자 하는 특정한 물체의 표면(220)에 부착하여 사용될 수 있다. 이때, 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)에서 측정되는 스트레인 정보는 물체의 스트레인중 도 1에서 설명한 센싱 표면(150)이 위치한 곳의 스트레인 값이며, 브래그 격자가 형성된 방향(도 2의 화살표방향)의 스트레인 값이 된다.

이처럼 스트레인 센서(100)가 물체의 표면(220)에 부착된 후에는 광대역 광원의 입출력을 위한 광섬유(210)가 스트레인 센서(100)에 연결되어 물체 표면의 변형이 일어나게 되는 것을 측정할 수 있다.

또한 스트레인 센서(100)가 유연성 기판(110) 다시 말해, 플라스틱 기판 위에 제작됨으로써 기존의 실리카 광섬유 재질보다 손쉽게 금속이나 플라스틱 표면에 부착이 가능하다는 이점이 있다. 또한 부착된 물체의 인장이나 수축이 10,000 με 이상 되더라도 표면과 미끄러짐 없이 변화하는 정도를 정확히 측정할 수 있는 장점을 가진다.

도 3은 물체의 표면에 부착된 스트레인 센서(100)의 출력 스펙트럼으로서 물체의 수축이나 팽창에 따라 출력된 광의 파장에 따른 강도(출력광의 스펙트럼)가 변화하는 모습을 도시한 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 수축과 팽창이 가능한 재료의 표면에 부착된 본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)는, 외부에서 넓은 파장 대역을 가지는 광원(broadband light source)을 코어(130)에 입력 시켰을 때, 브래그 반사 파장 주변의 광신호가 감쇠되고 나머지 파장은 모두 투과 되어 도 3과 같은 출력광의 스펙트럼 특성을 보이게 된다.

도 3에 대해 부연하면, 물체의 변형을 측정하기 전 투과 스펙트럼(reference 투과 스펙트럼)이 도 3의 "reference"와 같은 특성을 보일 때 외부에서 힘이 작용하여 브래그 격자(100) 간격을 수축시키게 되면(물체의 변형에 의해 물체 표면에 부착된 스트레인 센서에 수축 응력이 작용하게 되면) 반사되는 광의 중심 파장이 짧아지게 되어 "shrink"과 같은 투과 스펙트럼을 보이게 된다.

반면 외부에서 인장력이 작용하게 되면(물체의 변형에 의해 물체 표면에 부착된 스트레인 센서에 인장 응력이 작용하게 되면) 반사되는 광의 중심 파장이 길어지게 되며 투과 스펙트럼은 "elongation"과 같이 나타난다. 이러한 투과 스펙트럼의 변화를 외부에서 광필터나 AWG 등을 이용하여 전기적 신호로 바꾸어서 검출하면 측정하고자 하는 수축이나 인장 정도를 측정할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(100)의 장점으로서는, 다양한 형태의 센싱 표면(150)을 하나의 플라스틱 기판 위에 집적화하여 소형의 저가격 센서를 구현 가능한 점을 들 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서에서 격자의 주기가 다른 다수의 센싱 표면을 다양한 상대각을 갖도록 집적하고 하나의 광도파로로 연결하여 단일한 플라스틱 유연성 기판 상에 제작하면 여러 지점에서 발생하는 스트레인을 하나의 광원으로써 동시에 측정 가능하다. 특히 스트레인 값을 측정하는데 있어서 서로 다른 각도에서 인가되는 스트레인을 한꺼번에 측정 하는 것은 매우 유용한 정보를 제공한다.

도 4는 도시된 바와 같이 주기가 서로 다른(Λ1, Λ2, Λ3, Λ4) 다수의 브 래그 격자로 구성된 다수의 센싱 표면(151, 152, 153, 154)을 하나의 유연성 기판 상에 서로 다른 각도로 정렬하여 구현한 본 발명의 다른 실시예이다. 본 발명의 도 4와 같은 구성에 의해 3축 스트레인이 측정 및 물체의 다양한 위치에서 스트레인 측정이 가능해지는 장점을 갖게 된다.

도 4와 같이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(400)는 4개의 센싱 표면(151, 152, 153, 154)을 가지며, 단일한 센싱 표면(151)을 기준으로 각각 0 도, 45 도, 90 도 각도를 갖도록 배치되어 있으며, 각각 서로 다른 주기를 갖도록 함으로써 한꺼번에 여러 각도로 인가되는 스트레인 값을 동시에 측정 가능한 구조이다.

도 1을 기반으로 상술한 바와 같이 센싱 표면은 광도파로 상에 브래그 격자가 형성된 부분을 의미하며, 센싱 표면 자체의 각도는 브래그 격자가 형성된 방향이 0도가 된다. 또한 도 4에서 알 수 있듯이 브래그 격자를 구성하는 격자는 상기 광도파로 상에 광의 진행 방향에 수직으로 형성되는 것이 통상적이므로, 브래그 격자가 형성된 방향과 광도파로 코어의 형성방향은 동일하게 된다.

상기 4개의 센싱 표면(151, 152, 153, 154)은 단일한 광도파로로 연결되어 단일한 유연성 기판상에 집적되어 있으므로, 광대역 광을 상기 스트레인 센서(400)의 코어에 입력시키면 3축 스트레인 정보를 단일한 측정을 통해 얻을 수 있으며, 물체 표면의 다양한 위치에서 스트레인 정보를 얻을 수 있으며, 측정을 반복하게 되면 실시간으로 변화하는 스트레인 정보를 in-situ로 얻을 수 있게 된다.

도 4를 기반으로 상술한 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서(400) 의 핵심특징은 다수의 센싱 표면을 단일한 센서로 집적한 것이며, 센싱 표면이 형성되는 위치를 조절하여 측정하고자 하는 물체 표면의 다양한 위치에서 발생하는 스트레인 값을 동시에 측정한다는 것이며, 센싱 표면의 각도를 조절하여 측정된 스트레인 값의 방향정보(벡터)를 얻을 수 있다는 것이며, 센싱 표면을 구성하는 브래그 격자가 서로 다른 격자상수를 갖게 하여 단일한 측정에 의해 신뢰성 높은 개별 센싱 표면의 측정 결과를 동시에 얻을 수 있다는 것이다.

또한 도 4의 일 실시예와 같이 주기가 서로 다른 브래그 격자를 갖는 센싱 표면들을 서로 간에 0 도, 45 도, 90 도 각도를 가지도록 배치를 하면 스트레인 센싱에서 매우 유용한 3축 방향의 스트레인 정보가 동시에 얻어지며, 다수의 센싱 표면이 단일한 센서에 집적되어 있으므로 센싱 표면끼리의 상대적인 각도를 정확하게 처음부터 설정할 수 있는 장점도 지니게 된다.

광센서를 이용하여 스트레인이나 압력과 같은 특정한 물리량을 센싱하고자 할 때 센서의 특성이 주변 온도에 따라 변화하는 것은 센서의 사용을 매우 복잡하게 만든다. 통상적으로 온도에 의한 광센서의 특성 변화를 억제하기 위해 외부 장비를 사용하여 광센서의 동작 온도를 정확하게 고정시켜 준다거나 외부에서 온도를 다른 센서로 측정하여 온도에 따른 특성을 보정해 주는 방법을 이용한다.

그러나 센서의 온도 의존성이 너무 크게 되면 상기와 같은 온도 보정에도 어려움이 있다.

본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 이러한 온도 의존성을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 폴리머 광도파로 재료는 온도 상승에 따라 광학적 굴 절률이 감소하는 특성을 가지고 있다. 이는 온도에 따라 굴절률이 증가하는 실리카 재료와는 반대되는 특성이다. 이와 함께 플라스틱 기판은 온도 증가에 따라 부피 또는 길이가 팽창하는 특성을 가진다. 이로 인해 플라스틱 기판위에 제작된 광소자는 온도가 증가 할 때 나타나는 굴절률의 감소를 길이의 증가로 상쇄시키는 특성을 가진다. 즉, 온도가 증가 하더라고 광학적 굴절률과 실제 길이의 곱으로 표현되는 광학적 길이(optical pathlength)의 변화는 거의 미미하게 되는 것이다.

이러한 특성은 플라스틱 기판을 이용한 arrayed waveguide grating (AWG) 소자에서 구현하여 보고된 바가 있다. [N. Keil et al., "Athermal all-polymer arrayed-waveguide grating multiplexer," Electronics Letters, Vol. 37, pp. 579-580, April 2001].

그러나 브래그 격자가 형성된 소자에서 이와 같은 특성을 이용하여 센서의 온도 의존성을 줄이는 목적으로 적용하는 것은 본 발명에서 최초로 제안된 것이라 할 수 있다. 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 플라스틱 유연성기판 상에 폴리머 광도파로 및 폴리머 브래그 격자를 포함하여 구성되어, 폴리머 광도파로의 폴리머의 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient) 및 유연성기판의 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 이용하여 센서가 낮은 온도 의존성을 갖도록 한 것이다. 도 5는 브래그 격자 광도파로 소자의 온도 의존성을 보이고 있는데, 기판으로 사용된 재료의 종류에 따라 온도 의존성이 크게 다르게 나타남을 확인 할 수 있다. 실리콘 기판상에 제작된 브래그 격자 소자는 폴리머 자체의 열광학 효과에 의해 소자의 온도 의존성이 -0.241 nm/℃ 정도로 크게 나타나는 반면, 본 발명의 폴리머 기판(NOA/SU-8)을 이용하면 온도 의존성을 -0.011 nm/℃ 까지 줄일 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 따라서 상기 폴리머 광도파로의 폴리머는 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient)를 가지며, 상기 유연성 기판은 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 가지는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 기존 실리콘 기판상에 제작된 소자에 비하여 10분지 1 이하의 온도 의존성을 갖게 된다.

도 6는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 이용한 스트레인 측정 방법을 도시한 일 순서도이다.

본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 브래그 격자에 의한 반사광의 이동에 의해 스트레인을 측정하는 것이므로, 광대역 광원을 사용하여 스트레인을 측정하는 것이 바람직하다. 도 6의 순서도에 도시한 바와 같이 본 발명의 스트레인 측정 방법은 (a) 광대역 광을 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에 입사시키는 단계(s10); (b) 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 코어에서 출력된 출력광을 검출(s20)하여 상기 출력광의 파장별 투과강도를 얻는 단계(s30); 및 (c) 상기 파장별 투과강도를 기반으로 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 브래그 격자에 의해 반사된 광의 중심파장이 이동된 값을 측정하여 상기 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값 및 방향정보를 얻는 단계(s50);를 포함하여 수행되는 특징이 있다.

또한 상기 단계(s10 내지 s40)를 반복 수행(s50)하여 실시간으로 변화하는 스트레인 값을 in-situ로 측정할 수 있으며, 도 1과 같이 단일한 센싱 표면을 사용 한 경우라 할지라도 이미 알고 있는 브래그 격자의 형성 방향에 의해 스트레인의 방향정보를 얻을 수 있으며, 도 4와 같이 다수의 센싱 표면을 사용한 경우, 단일한 단계(s10 내지 s40)의 수행에 의해 3축 방향의 스트레인 값을 알 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 제조과정을 설명하기 위한 일 공정도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 제조하기 위한 제조 방법은 (i) Si 기판 상부에 Au를 함유하는 막을 형성시키는 단계; (ii) 상기 Au를 함유하는 막의 상부 및 Si 기판 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계; (iii) 상기 SU-8 폴리머층 상부에 플라스틱 기판층을 형성시키는 단계; (iv) 상기 플라스틱 기판층 상부에 폴리머 광도파로 및 브래그 격자를 형성시키는 단계; 및 (v) 상기(ii) 단계의 상기 Au를 함유하는 막 상부로 형성된 SU-8 폴리머층까지 절단(dicing)하여 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 얻는 단계;를 포함하여 제조(post lift-off 공정)되는 특징이 있다. 상기의 제조방법에서 본 발명의 제조방법상의 특징은 SU-8 폴리머와 Au간의 비접착성을 이용하여 플라스틱 기판 상부에 광도파로 및 브래그 격자를 집적, 스트레인 센서를 제조하는 것이다.

상세하게는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 얇은 플라스틱 기판 상에 곧바로 소자를 집적하여 제작될 수 있으나, 브래그 격자 광도파로와 같은 미세한 구조의 제작을 위해서는 본 실시예에서 제안하는 post lift-off 공정이 효과적이다. 도 5에 도시된 바와 같이, Post lift-off 공정은 SU-8 폴리머의 특성 인 Au 표면과의 비접착성을 이용하여 소자를 제작하는 방법이다. 소자를 제작하는 공정 중에는 SU-8 폴리머가 Si 기판 표면에 결합되어 있다가 소자 제작이 끝난 후에는 Si 기판과 SU-8 폴리머가 접착된 부분을 잘라내어 Au 표면 위에 남아있던 폴리머 박막을 lift-off 시켜서 유연성 기판 광소자를 완성하게 된다.

하기의 설명에서 금속막의 증착, 에칭, 폴리머 및 감광물질의 도포, 경화 및 제거, 코어를 위한 패터닝, 브래그 격자 패터닝, 다이싱등의 공정에 대한 상세한 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있으므로 자세한 설명은 생략하나 통상의 반도체 제조방법과 실질적으로 유사한 기술을 사용하여 수행 될 수 있다.

본 실시예에 따른 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 제조방법은 크게, 유연성기판의 제작 단계(도 7(a) 및 7(b)), 브래그 격자가 형성된 광도파로 제작 단계(도 7(c) 내지 도 7(e)) 및 완성된 스트레인 센서를 Si 기판에서 분리하는 다이싱(dicing) 단계(도 7(f))를 거쳐 제작될 수 있다.

우선 Au/Cr(520)이 증착된 Si 기판(510) 상에 최종적으로 완성될 소자의 크기를 고려하여 AZ 5214 photoresist(PR)을 이용한 photo-lithography 방식으로 패턴을 형성하고 기판 외곽 부분의 Au/Cr을 제거하여 노출된 Si 표면에 SU-8 폴리머가 접착될 수 있도록 한다.

패터닝된 Si 기판 위에 SU-8 2015를 cyclopentanone과 2 : 1 비율로 섞은 용액을 6 ㎛ 두께로 코팅한 후 경화하여 SU-8층을 형성시키고(530), 유연성 기판(540)으로 사용 될 NOA 61을 100 ㎛ 두께로 코팅 후 경화시킨다. 마지막으로 SU-8 을 6 ㎛ 두께로 한 번 더 코팅(550)하여 폴리머 유연성 기판(540)의 표면 경도를 증가시킨다.

다음으로 단계(도 7(a) 및 7(b))를 통해 제조된 폴리머 다층 박막구조 상부로 브래그 격자(570)와 립 형태의 광도파로를 제작한다. 먼저 ZPU13-430을 10 ㎛ 의 두께로 코팅하여 하부 클래딩(560)을 제작한 후, 제작된 하부 클래딩 위에 Bragg grating(570)을 제작한다.

Bragg grating의 제작은 레이저 빔 간섭계를 이용하는 공정과 나노임프린팅 공정을 이용할 수 있다. 이 두 가지의 공정은 반도체 공정분야에서 널리 사용되는 것으로서, 이하에서는 간략하게 설명하기로 한다.

레이저 빔 간섭계를 이용하는 방식에서는 Ar laser (Coherent Innova70, 488nm) 광원을 이용하여 holographic interference 방법으로 TSMR PR을 감광시켜 격자 구조를 만든 후, O₂ 플라즈마를 이용해서 하부 클래딩에 격자패턴을 새겨 넣게 된다.

반면 나노임프린팅 방식에서는 Si 기판 상에 제작된 격자 패턴을 poly(dimethylsiloxane) (PDMS) mold로 복사한 뒤, 이를 경화되지 않은 하부 클래딩 폴리머 위에 덮고 UV를 조사하여 격자구조를 제작한다.

Bragg 격자 제작 후 LPS-154를 3 ㎛ 두께로 코팅하여 코어층(580)을 제조하고, 그 위에 AZ5214 PR 로써 광도파로 패턴을 제작한 후 O₂ 플라즈마를 이용하여 0.8 ㎛ ~ 0.9 ㎛ 깊이로 식각한다. 이렇게 완성된 코아층(580) 위에 ZPU13-430을 10 ㎛ 두께로 코팅하여 상부 클래딩(590)을 만들면 광도파로 구조가 완성된다.

완성된 광 소자(스트레인 센서, 100 또는 400)는 도 7(f)와 같이 lift-off 공정을 통해 Si기판과 분리하고 광 입출력을 위한 단면을 형성한다. 이때 SU-8 폴리머와 Si 기판이 접착되어 있는 부분을 절단하면 NOA61(540)/SU-8 층(530)이 Au 표면(520)과 분리되어 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 완성된다.

참고로, Post lift-off 공정 이후에 stress release에 의해 유연성 기판이 약하게 휘어지는 현상이 발생할 수 있지만, 광도파로에서의 손실을 초래하지는 않는다. 다만 브래그 격자에 의해 반사되는 파장의 위치가 설계 위치에서 약간 이동하는 현상이 발생하였다. Post lift-off 공정 후의 유연성 기판 소자 자체만으로는 안정성이 떨어지며, 안정성을 유지해 줄 수 있는 패키징이 필요하다. 이를 위해, 광도파로 끝부분에 유리 조각을 붙이고 도파로 단면을 폴리싱한 후 광섬유를 연결하는 패키징을 통해 소자의 안정성을 높일 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 스트레인 센서, 스트레인 측정 방법 또는 스트레인 센서 제조방법은 구체적인 구성 소자, 공정등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 일 구조를 도시한 사시도이며,

도 2는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 실 부착예를 도시한 도면이며,

도 3은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 출력광의 파장에 따른 투과강도를 도시한 예이며,

도 4는 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 다른 구조를 도시한 예이며,

도 5는 기판 종류에 따른 살펴본 브래그 격자 광도파로 소자의 온도 의존성을 측정한 결과이며,

도 6은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 이용한 스트레인 측정 방법을 도시한 일 순서도이며,

도 7은 본 발명의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서의 제조 방법을 도시한 일 공정도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100, 400 : 유연성기판 광도파로 스트레인 센서

110 : 기판 120 : 클래드

130 : 코어 140 : 브래그 격자

150, 151, 152, 153, 154 : 센싱 표면

210 : 광섬유

Claims (5)

1. 소정의 물체에 부착하여 물체의 변형에 의하여 발생하는 스트레인 값을 측정하는 스트레인 센서에 있어서,

   플라스틱으로 된 유연성(flexible) 기판;

   상기 유연성 기판 상부에 형성된 폴리머 광도파로; 및

   상기 광도파로 상에 형성된 하나 이상의 폴리머 브래그 격자;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성기판 광도파로 스트레인 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 서로 다른 각도 및 서로 다른 격자 주기를 갖는 둘 이상의 상기 브래그 격자가 단일한 광도파로로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유연성기판 광도파로 스트레인 센서.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서는 서로 다른 격자 주기를 가지며 상대 각이 90도 및 45도인 3개의 브래그 격자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유연성기판 광도파로 스트레인 센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리머 광도파로의 폴리머는 음의 열광학계수(thermo-optic coefficient)를 가지며, 상기 유연성 기판은 양의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 가져 상기 유연성기판 광도파로 스트레인 센서가 기존 실리콘 기판상에 제작된 소자에 비하여 낮은 온도 의존성을 갖는 것을 특징으로 하는 유연성기판 광도파로 스트레인 센서.
5. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항의 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 제조하기 위한 제조 방법에 있어서,

   (i) Si 기판 상부에 Au를 함유하는 막을 형성시키는 단계;

   (ii) 상기 Au를 함유하는 막의 상부 및 Si 기판 상부에 SU-8 폴리머층을 형성시키는 단계;

   (iii) 상기 SU-8 폴리머층 상부에 플라스틱 기판층을 형성시키는 단계;

   (iv) 상기 플라스틱 기판층 상부에 폴리머 광도파로 및 브래그 격자를 형성시키는 단계; 및

   (v) 상기(ii) 단계의 상기 Au를 함유하는 막 상부로 형성된 SU-8 폴리머층까지 절단하여 유연성기판 광도파로 스트레인 센서를 얻는 단계;

   를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광도파로 스트레인 센서의 제조방법.

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