KR101130686B1 - 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치에 관한 것으로 통상적인 광도파로 제작 과정 중 오버클래드 형성 전에 노출된 코어를 수소에 반응하는 금속 박막으로 코팅하여 코어를 둘러싼 금속 박막의 복소 유전율 변화에 따른 유효 굴절률 변화로부터 야기되는 광전송 특성 변화에 따라 수소의 누출을 감지하고 수소의 농도를 측정할 수 있다. 본 발명에 의하면, 평판형 도파로, 파장특성이 인가된 평판형 도파로, 및 평판형 도파로에 구현된 간섭계 등 다양한 분야에 적용하여 실시할 수 있다.
평판형 광도파로, 금속박막, 수소센서
Description
본 발명은 평판형 광도파로의 오버 클래드를 형성하기 전에 노출된 코어를 금속 물질 박막을 코팅하여 수소와 금속의 반응에 의해 야기되는 금속의 굴절률 변화에 따라 유도된 광전송 특성 변화를 통해 수소기체의 누출 및 농도를 측정하는 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치에 관한 것이다.
최근 환경오염과 화석에너지의 고갈에 따라 수소를 대체에너지로 이용할 수 있는 연구가 자동차, 로켓 등 다양한 분야에서 다양하게 이루어지고 있다.
대체 에너지로 이용하기 위해 연구 중인 수소는 누출시 대기 중에 존재하는 산소와 착화에 의해 폭발할 수 있는 위험성을 안고 있어 안정성을 충분히 확보할 수 있는 기술의 확보가 무엇보다 필요하다.
이에 따라 수소가스의 누출을 검사하는 소수 센서는 백금, 팔라듐과 같은 금속에 수소가 흡착되어 금속의 전기전도도가 변화는 것을 이용한 전기적 방법, 산화물 반도체형과 가스 MOSFET 등을 이용한 전기화학적인 방법, 빛을 이용하여 수소 누출을 감지하는 광학적인 방법 등이 있다.
일반적으로 전기적인 방법은 전기 방전에 의한 수소의 폭발과 높은 가격, 소형화가 어려운 단점이 있으며, 전기화학적 방법은 센서의 오염과 절연체 내의 이온 드리프트현상으로 인하여 안정된 신호를 얻을 수 없으며 측정기의 규모가 크고 측정상의 불편함 및 비용이 많이 드는 단점이 있다.
이에 따라 현재 전기적인 방법 및 전기화학적 방법의 단점을 보안하기 위한 방법으로 광학적 방법이 사용되고 있다.
광학적 방법은 광섬유를 이용한 다양한 형태의 수소센서들이 사용되고 있으며, 수소센서들은 광섬유의 끝 단면에 팔라듐을 코팅한 미러 형태, 광섬유를 가늘게 늘인 후 그 표면에 팔라듐을 코팅한 형태, 특정 파장에서 반사 신호를 갖는 단주기 격자를 광섬유에 새기고 에칭한 후 팔라듐을 코팅한 형태, 장주기 격자가 새겨진 광섬유 클래딩 표면에 팔라듐을 코팅한 형태, 측면 연마된 광섬유에 팔라듐을 코팅한 형태 등으로 형성된다.
하지만 광학적 방법들은 제작 과정이 복잡하고 어려우며, 특히 광섬유를 가늘게 가공하거나 에칭 및 연마한 경우 센서부가 외부 충격에 매우 취약하며 분해능 및 반응성이 낮은 문제가 발생한다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 평판형 광도파로의 오버클래드를 형성하기 전에 노출된 코어에 수소에 반응하는 금속(ex>팔라듐)을 박막의 형태로 코팅하여 제작하여, 수소와 팔라듐의 반응에 의해 야기되는 금속의 굴절률 변화에 따라 광전송 특성 변화를 유도하여 수소 기체의 누출 및 농도를 측정하는 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 수소센서, 수소센서의 제작방법 및 그를 이용한 수소 농도 측정 장치는 평판형 광도파로를 기반으로 하여 광도파로의 상부 클래드를 증착하지 않고 외부로 노출되는 코어의 상부에 팔라듐으로 이루어진 금속 박막을 코팅함으로써 간단한 공정으로 수소센서를 형성할 수 있다. 또한, 이러한 수소센서는 평판형 광도파로를 따라 진행하는 빛이 팔라듐의 굴절률의 변화로 인해 변화하는 전송특성을 측정하여 수소누출 및 농도를 측정할 수 있으며, 이에 따라 직선 도파로, 광 간섭계 등 다양한 구조에 적용함으로써 분해능과 반응성을 개선할 수 있다.
본 발명은 평판형 광도파로를 이용하여 누출되는 수소의 농도를 측정하는 수 소 센서에 있어서, 서브 마운트 기판 상부에 하부 클래드와 노출된 코어를 포함하는 광섬유를 적층한 평판형 광도파로를 포함하고, 상기 노출된 코어를 감싸며 상기 하부 클래드의 상부에 적층되고, 수소와 반응하는 금속으로 이루어진 금속박막을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 서브 마운트 기판은 실리카 계열 물질, 및 폴리머 계열 물질로 형성할 수 있으며, 상기 금속박막은 팔라듐 또는 팔라듐을 포함하는 합금으로 형성할 수 있다. 그리고, 금속박막을 형성하는 팔라듐은 수소와 반응하여 수소화팔라듐으로 전환되는데 이때 코어를 둘러싼 금속박막의 복소 유전율이 변화하면서 코어의 유효 굴절률이 바뀌게 되어 광전송 특성이 변화를 가져오게 된다. 결과적으로 수소화팔라듐의 굴절률 변화로부터 야기되는 광전송 특성의 변화는 수소의 농도, 코팅되는 금속박막의 두께, 및 도파로의 길이 등에 따라 상이하게 나타나기 때문에 이를 이용하여 수소를 감지하여 농도를 측정할 수 있다.
본 발명에서 상기 평판형 광도파로의 코어의 일부분에 주기적인 격자구조를 형성하여 굴절률 변화를 야기하여 투과되는 광(스펙트럼)이 특정 파장에서 공진 피크를 갖도록 할 수 있다. 바람직하게는 브래그(Bragg) 격자와 같은 반사형 격자는 그 주기가 1㎛에서 공진파장이 1500nm ~ 1600nm에서 형성되며, 장주기 격자와 같은 투과형 격자의 경우 주기가 100㎛ ~ 1000㎛일 때 1200nm ~ 1650nm에서 형성되는 공진피크의 파장변화를 통해 수소의 누출 여부 및 농도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 평판형 광도파로에서 노출된 코어를 금속박막으로 코팅하여 형성된 수소센서를 포함하고, 수소센서의 코어의 일측면에 광원을 포함하고, 타측면에 검출기를 포함하여 광원에서 출사되는 광이 코어를 통과하면서 감소되는 세기를 통해 수소 농도를 계산할 수 있으며, 광의 세기와 수소 농도의 관계는 하기의 식과 같이 나타낼 수 있다.
I ∝ IOexp[2(rPd - rPdH)L]
(IO : 수소가 없을 때 출력광의 세기, L : 금속이 코팅된 길이, r : 손실계수)
본 발명은 상기의 수소 센서를 제작하는 방법에 관한 것으로, 서브 마운트 기판의 상부에 광섬유를 이루는 하부 클래드를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 하부 클래드의 소정 부분에 코어를 형성하는 단계를 포함하며, 외부로 노출된 상기 코어 및 하부 클래드의 상부에 금속박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 금속박막은 코어를 감싸며 하부 클래드의 일정부분 또는 전체에 코팅되어 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 기존의 수소 센서들의 공정에 비하여 평판형 광도파로를 이용하여 금속박막을 코팅하는 공정에 의해 제작 공정이 간단하며, 에칭 및 연마 등 변형을 가하는 공정이 생략되어 분해능 및 반응성이 향상된 수소 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소센서 제작방법을 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 평판형 광도파로(110)를 형성하는 과정으로 서브 마운트 기판(112)의 상부에 하부 클래드(114)를 적층한다.
도면에서는 서브 마운트 기판(112) 전면에 걸쳐 하부 클래드(114)가 형성되었으나, 이에 한정되는 것이 아니라, 하부 클래드(114)는 코어에서의 신호 전달을 위해 서브 마운트 기판(112)의 상부면에 소정부분에만 형성할 수도 있다.
서브 마운트 기판(112)은 실리카 계열 물질 또는 폴리머 계열 물질로 형성할 수 있으며, 하부 클래드(114)는 일반적인 광섬유의 클래드를 이루는 유전 물질 예 를 들어 실리카, 실리콘, 및 폴리머 물질 등으로 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 하부 클래드(114)의 소정 부분에 코어(116)를 형성하여 노출형 코어를 갖는 평판형 광도파로(110)를 형성한다. 본 발명에서는 노출형 코어를 갖는 평판형 광도파로(110)를 제작하는 단계를 포함하였지만, 완성되어 있는 평판형 광도파로에서 상부 클래드 층을 제거하여 노출형 코어를 갖는 평판형 광도파로(110)를 형성할 수도 있다.
도 1c를 참조하면, 코어(116)를 감싸면서 하부 클래드(114)의 상부에 금속박막(120)을 형성할 수 있으며 도면에서는 금속박막(120)을 하부 클래드(114) 전반에 걸쳐 코팅하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 코어(116)를 감싸면서 하부 클래드(114)의 소정 부분에 코팅하여 형성할 수 있다.
그리고, 금속박막(120)은 수소와 반응하는 금속으로 팔라듐(Pd), 팔라듐의 금속합금, 백금, 산화텅스텐(WO3), 및 질화산화인듐(InxOyNz) 중 선택되는 하나의 물질로 형성할 수 있으며, 바람직하게 팔라듐(Pd)으로 형성할 수 있다.
이때, 팔라듐은 대표적인 가스채색 물질 중 하나로서 수소와 반응하게 되면 수소화팔라듐으로 변환하면서 팔라듐의 체적이 증가하고 자유전자 밀도가 감소하게 되는데, 자유전자 밀도의 감소로 인해 팔라듐 유전률의 실수값과 허수값이 감소하게 된다.
따라서, 팔라듐의 굴절률이 변화하게 되며 이와 같은 원리로 인해 팔라듐 박막이 코팅된 코어의 유효 굴절률이 달라지게 되어 광전송 특성이 변화하게 되고, 검출되는 출력광의 세기 및 파장 변화로부터 수소의 누출 여부 및 농도를 측정할 수 있다.
좀더 자세하게, 광전송 특성은 상기와 같이 팔라듐 즉, 금속 박막의 두께(t), 수소의 농도, 및 코팅된 도파로의 길이(즉, 금속박막이 코팅된 코어의 길이) 등에 의해 변경될 수 있으며, 그 차이에 따라 수소의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명에 한정하는 것은 아니지만, 금속 박막의 두께(t)는 1nm ~ 100nm로 형성할 수 있다.
상기의 도 1a 내지 도 1c의 공정에 의해 제작된 수소센서는, 유전물질로 이루어진 하부 클래드와 상부 클래드가 존재하고 코어와 클래드 사이의 굴절률 차에 의해 광신호가 코어를 따라 전파하는 일반적인 평판형 광도파로에서 상부 클래드를 유전물질 대신 금속박막으로 형성함으로써 간단한 공정을 통해 수소센서를 형성할 수 있다.
이때, 사용되는 금속은 팔라듐과 같은 가스채색 물질로서 수소와 반응하여 복소 유전율이 변화하게 되며, 이에 따라 코어를 통해 진행하는 광신호의 세기가 수소 농도에 따라 달리진다.
상기 수학식 1에서 IO는 수소가 없을 때 출력광의 세기, L은 금속이 코팅된 길이를 나타내며 특히, r은 손실계수로서 수소 농도 증가에 대해 비선형적으로 감 소한다.
좀더 자세하게, 상기 수학식1을 참조하면, 수소가 없을 때는 오로지 팔라듐의 손실계수(rPd)에 의한 광세기의 변화만 존재하므로 이는 상수로 볼 수 있으며, 수소가 존재하면 수소화팔라듐(rPdH)의 값이 바뀌게 되어 출력과의 세기가 변화하게 된다.
상기 수학식 2는 수소 농도에 따른 팔라듐의 복소 유전율 변화를 나타낸 것으로, 이에 따라 코어의 유효 굴절률이 변화하여 광세기의 변화를 유도한다.
도 2a 및 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소센서를 포함하는 수소 농도 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1c에서와 같이 노출된 코어를 포함하는 평판형 광도파로를 금속박막으로 코팅한 수소센서를 사용하여 수소 농도 측정 장치를 구현한 것으로 금속박막으로 노출된 코어만을 코팅하여 센서부(118)를 형성하였다.
도 2a를 참조하면, 광원(200), 센서부(118)를 포함하는 평판형 광도파로(100), 및 검출기(300)를 포함한다.
광원(200)은 평판형 광도파로(100)의 센서부(118)로 빛을 입사하며, 검출기(300)는 센서부(118)를 통과한 빛을 수신하여 광의 세기를 통해 수소 농도를 검 출한다.
좀 더 자세하게, 센서부(118)를 통과한 빛은 금속박막(팔라듐 박막)이 코팅된 코어의 길이를 따라 전송되면서 수소의 농도에 따라 전송손실이 야기되는데, 이를 검출기에서 검출한다. 그리고, 검출기에서는 손실이 일어난 광의 세기를 분석하여 상기의 수학식 1,2에 의하여 수소농도를 검출할 수 있다.
센서부(118)는 코어에 금속 박막이 코팅되어 형성된 것으로 도2a에서는 직선 형태로 일정한 길이를 갖으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 2b에서와 같이 곡선 형태로 사용자에 의해 원하는 길이, 및 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 광원(200)과 광도파로(100), 광도파로(100)와 검출기(300)의 연결은 각각 광섬유 또는 마이크로 렌즈를 사용하여 연결할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 평판형 광도파로(100)의 센서부(118)를 곡선 형태로 길게 나타냄으로써 작은 면적에 집적하여 수소센서를 형성한 것으로, 소형화, 고성능화의 효과를 가져올 수 있다.
도 2c를 참조하면, 도 2a 및 도 2b를 상기의 수학식1에서 설명한 광전송 손실률을 측정하여 수소의 누출 여부 및 농도를 측정한 것으로, 시간의 흐름에 따른 빛의 세기(Intensity)를 나타낸다.
즉, 수소가 있을 때와 수소가 없을 때 빛의 세기는 △I 만큼의 차이를 나타내며, △I이 발생하면 수소의 누출 여부를 알 수 있으며, 그 양에 따라 수소의 농도를 측정할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 격자를 포함하는 수소센서를 포함하는 수소 농도 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 도 2a의 센서부(118)의 소정부분에 격자(1182)를 구비하여 격자 센서부(1180)를 형성한 것으로, 격자 센서부(1180)는 센서부의 코어의 소정부분에 격자(1182)를 형성하고 그 위에 금속박막을 코팅하여 형성한다.
격자(1182)는 일정한 주기(∧)를 갖으며, 굴절률을 변화하여 인가되는 투과 스펙트럼이 특정 파장에서 공진 피크를 갖도록 한다.
그리고 본 발명에 한정하는 것은 아니지만 격자(1182)는 브래그(Bragg) 격자와 같은 반사형과 장주기 격자와 같은 투과형을 포함한다.
반사형 격자의 경우 1㎛ 내외의 주기(∧)를 갖으며, 1500nm ~ 1600nm의 공진파장에서 형성되며, 투과형 격자의 경우 100㎛ ~ 1000㎛의 주기(∧)를 갖으며, 1200nm ~ 1600nm의 공진파장에서 형성되어 수소의 누출여부 및 농도를 측정할 수 있다.
상기 격자(1182)에 의해 나타나는 공진 피크는 코어를 둘러싼 물질의 굴절률의 변화에 민감하게 반응하기 때문에 공진 피크의 파장 변화(△λ)를 측정하면 수소의 누출 여부 및 농도를 측정할 수 있다(도 3b참조).
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마젠더 간섭계 형태의 수소센서를 포함하는 수소 농도 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 4a는 노출된 코어를 포함하는 평판형 광도파로를 이용하여 제작된 마흐젠 더 간섭계의 개략도로서, 마흐젠더 간섭계의 투과스펙트럼은 하기의 수학식3과 같이 나타낼 수 있다.
상기의 수학식3에서 I1과 I2는 분기된 두 코어를 통해 진행하는 광의 세기, n1과 n2는 분기된 두 코어의 굴절률, L은 간섭계 전체의 길이를 나타낸다.
간섭계는 분기된 두 광도파로의 굴절률의 차의 변화에 의해 간섭무늬의 위상이 다르게 나타나며, 분기된 두 광도파로를 따라 전송되는 광세기의 비율에 따라 간섭무늬의 크기가 다르게 나타난다.
따라서, 팔라듐과 같은 금속이 한쪽 광도파로에만 코팅될 경우 수소의 유무 및 농도에 따라 간섭무늬의 위상(△λ) 및 크기(△I)가 달라지게 되므로, 양쪽 광도파로의 간섭무늬의 변화를 측정하여 수소의 누출여부 및 농도 변화를 측정할 수 있다(도 4b참조).
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소센서 제작방법을 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소센서를 포함하는 수소 농도 측정 장치를 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 격자를 포함하는 수소센서를 포함하는 수소 농도 측정 장치를 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마젠더 간섭계 형태의 수소센서를 포함하는 수소 농도 측정 장치를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 평판형 광도파로 110 : 노출형 코어를 포함하는평판형 광도파로
112 : 서브 마운트 기판 114 : 하부 클래드
116 : 코어 118 : 센서부
1180 : 격자 센서부 1182 : 격자
120 : 금속박막 200 : 광원
300 : 검출기 400 : 기준 광도파로
402 : 금속박막이 코팅된 광도파로
Claims (8)
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- 평판형 광도파로를 이용하여 누출되는 수소의 농도를 측정하는 수소 센서에 있어서,서브 마운트 기판 상부에 하부 클래드와 노출된 코어를 포함하는 평판형 광도파로; 및상기 노출된 코어를 감싸며 상기 하부 클래드의 상부에 적층되고, 수소와 반응하는 금속으로 이루어진 금속박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소센서에 있어서,상기 코어는 반사형 격자구조 또는 투과형 격자구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소센서.
- 제 4항에 있어서, 상기 반사형 격자의 주기는 1㎛로 1500nm ~ 1600nm의 공진파장에서 형성되며, 상기 투과형 격자의 주기는 100㎛ ~ 1000㎛로 1200nm ~ 1650nm의 공진파장에서 형성되는 것을 특징으로 하는 수소센서.
- 제 4항의 수소센서;상기 수소센서의 코어의 일측면에 광을 입사하는 광원; 및상기 코어의 타측면을 통해 출사하는 광의 세기를 분석하여 수소농도를 검출하는 검출기;를 포함하는 수소 농도 측정 장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 검출기는 하기의 식에 의해 광의 세기를 통해 수소농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 수소 농도 측정 장치.I ∝ IOexp[2(rPd - rPdH)L](단, I는 수소가 존재할 때의 출력광의 세기, IO는 수소가 없을 때 출력광의 세기, L은 금속이 코팅된 길이, rPd는 팔라듐의 손실계수, rPdH는 수소화팔라듐의 손실계수)
- 제 4항 또는 제 5항의 수소 센서를 제작하는 방법에 있어서, 이 방법은서브 마운트 기판의 상부에 광섬유를 이루는 하부 클래드를 형성하는 단계;상기 하부 클래드의 소정 부분에 반사형 격자구조 또는 투과형 격자구조를 포함하는 코어를 형성하는 단계;외부로 노출된 상기 코어 및 하부 클래드의 상부에 금속박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소센서 제작 방법.
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