KR101134265B1 - 광섬유 탐침 제조 방법 및 장치 - Google Patents

광섬유 탐침 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

실린지 펌프(Syringe pump)를 이용하여 식각액인 불산의 수위를 조절함으로써 광섬유 탐침을 일정한 모양으로 첨예하게 식각할 수 있는 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침(Optical Fiber Probe) 제조 방법 및 장치가 제공된다. 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법은, a) 클래드(Clad) 및 코어(Core)로 이루어진 광섬유를 진한황산에 반응시켜 광섬유의 클래드를 녹이는 단계; b) 클래드가 제거된 광섬유를 끓는 증류수에 넣어 세척하고, 흐르는 증류수로 헹구는 단계; c) 클래드가 제거된 광섬유를 식각액 용기 내에 정렬하는 단계; d) 식각액 용기의 용량 및 클래드가 제거된 광섬유의 높이에 따라 광섬유의 코어를 식각하기 위한 식각액의 주입량 및 주입 속도를 결정하는 단계; e) 실린지(Syringe Pump) 펌프를 이용하여 식각액 용기 내에 식각액을 주입하고, 클래드가 제거된 광섬유를 정해진 식각시간 동안 화학반응시켜 광섬유의 코어 선단부를 식각하는 단계; 및 f) 코어의 선단부가 식각된 광섬유를 끓는 증류수에 넣어 세척하고, 흐르는 증류수로 헹구는 단계를 포함한다.

Description

광섬유 탐침 제조 방법 및 장치 {Method and apparatus for manufacturing optical fiber probe}
본 발명은 광섬유 탐침에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 바이오 물질의 센싱 등에 사용되는 광섬유 탐침(Optic Fiber Probe)을 화학적 식각을 이용하여 제조하기 위한 광섬유 탐침 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
근래에 주사형 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscope: STM), 원자력 현미경(Atomic Force Microscope: AFM) 또는 주사형 탐침 현미경 (Scanning Probe Microscope: SPM) 기술에 의해, 나노미터 단위의 계측 및 가공이 수행되고 있다. 이러한 SPM 중에서, 회절 한계 이하의 미소 영역에서의 광학적 특성을 검출하는 것이 가능한 근접장(Near-field) 현미경은 생명공학 등 다양한 분야에서의 측정 및 평가 장치로서 사용된다. 또한, 이러한 근접장 현미경 기술을 응용한 광기록 장치나 미세 가공 장치의 연구 개발도 진행되고 있다.
이러한 근접장 현미경에서, 회절 한계 이하 치수의 미세 구조체를 탐침(Probe)으로서 이용하고, 그 탐침 선단부를 조명하여 그 부근에 근접장 광을 발생시킨다. 이러한 상태로 탐침을 시료면상에 주사하면, 근접장 광은 탐침 부근의 국부적으로 생기는 근접장 광과 시료면 사이의 전자기적 상호작용에 의하여 산란되거나, 또는 시료를 투과하게 된다. 이와 같이 산란된 근접장 광 또는 시료를 투과한 근접장 광을 검출함으로써, 광강도, 스펙트럼 및 편광과 같은 시료면의 광학적 정보를 얻을 수 있다.
이러한 근접장 광학 현미경에 사용되는 근접장 광학 탐침으로 가장 널리 알려진 광섬유 근접장 광학 탐침이 있다. 근접장 광학 탐침은 코어(Core) 및 코어 주위에 클래드(Clad) 막을 갖는 광섬유(Optical Fiber)를 포함하며, 코어는 광섬유의 일단으로부터 돌출하는 뾰족한 단을 가지고 광섬유의 돌출부를 형성하는데, 예를 들면, 돌출부는 Au, Ag 및 다른 금속에 의해 덮이게 된다. 이러한 광학 탐침을 사용하여 빛의 파장보다 높은 분해능을 갖는 광화상을 얻을 수 있다.
다시 말하면, 상기 근접장 현미경에 의하여 시료의 소영역에 있어서 물성을 측정하는 경우, 빛의 파장보다 작은 시료의 미소 영역에 국한되는 소실광(evanescent light)을 검출하여 시료의 형상을 측정한다. 그리고 전반사 조건하에서 시료에 빛이 조사되어 발생하는 소실광은 상기 광학 탐침에 의해 산란되며, 산란광(scattered light)으로 변환한다. 산란광은 돌출부를 통해 광섬유의 코어로 안내되고, 광섬유의 타단(emission end; 방출단)으로 연결되는 검출기에 의하여 검출된다. 즉, 근접장 현미경은 광학 탐침을 사용하여 빛을 산란시키고 산란광을 검출할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조 시료의 광학적 물성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 광섬유 근접장 광학 탐침(10)은 광섬유(11)에 열을 가하여 가늘게 늘리거나 화학 약품으로 식각하여 한쪽 단부를 수십 내지 수백 나노미터의 크기를 갖도록 만든다. 그리고 광섬유(11)의 외부 면에 빛이 새어나가는 것을 방지하기 위해 금속막(12)을 증착하고, 끝부분에 수십 내지 수백 나노미터(㎚)의 직경을 갖는 개구(13)를 형성한다. 여기서, 도면부호 14는 근접장을 나타낸다.
이러한 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조의 시료(22)의 광학적 특성을 측정하기 위하여 탐침과는 독립적으로 준비된 슬라이드(21)에 시료(22)를 올려놓는다. 이후, 광섬유 근접장 광학 탐침(10)을 시료(22)로부터 수내지 수십 나노미터(㎚) 범위까지 근접시킨 뒤 시료(22) 표면에 대해 광을 주사하면서 각 주사 포인트에서의 광신호를 측정하고, 이들 광신호를 종합하여 전체 영상을 얻는다.
한편, 도 2는 종래의 기술에 따른 광섬유 탐침의 형상을 예시하는 도면으로서, 도 2의 a)는 광섬유 탐침의 구조를 나타내며, 도 2의 b)는 광섬유 탐침의 각 부분을 분리하여 예시하는 도면이다.
도 2의 a)에 도시된 바와 같이, 광섬유 탐침은 클래드(31), 코어(32) 및 금속막(33)으로 형성될 수 있는데, 근접장 광의 특정 이론에 기초하면, 근접장 광을 높은 감도로 측정하기 위해서는 실제 광섬유 탐침의 형상에 있어서, 도 2의 b)에 도시된 바와 같이, 4가지 항목에 대해 고려해야 한다. 여기서, D1 부분은 전송 효율과 관련된 부분이고, D2 부분은 광섬유와의 결합 효율과 관련된 부분이며, D3 부분은 조명 관련 부분이며, D4는 광섬유 탐침의 분해능과 관련된 부분이다. 이때, 고분해능을 실현하기 위해서는 광섬유 탐침의 선단(D4)을 관찰하고자 하는 각 미세 시료의 직경과 같은 정도까지 작고 첨예해야만 한다.
한편, 도 3은 종래의 기술에 따른 가열 인장 방식 및 화학적 식각 방식에 의해 제조된 광섬유 탐침을 예시하는 도면으로서, 도 3의 a)는 인장 광섬유 팁(Tip)을 나타내며, 도 3의 b)는 식각 광섬유 팁을 각각 나타낸다.
광섬유 탐침의 직경이 작을수록 높은 분해능을 얻을 수 있으므로, 광섬유 탐침의 제자공정의 확립은 매우 중요하다. 회절한계 이하의 해상도를 얻고 물리적 성질을 동시에 측정할 수 있는 도구로 많이 사용되고 있는 근접장 주사 광학 현미경의 참침을 제작하는 방법으로는 여러 가지가 있는데, 그 중에서 대표적인 방법이 도 3의 a)에 도시된 바와 같이, CO2 레이저(또는 W 히터)를 이용하여 가열한 후, 인장하는 방법(Heating and Pulling)이 있다. 이 방법은 간편하지만 출력이 작고 재현성 있게 탐침을 제작하는 관점에 있어서 한계가 있다. 이에 따라, 도 3의 b)에 도시된 바와 같이, 최근에는 재현성과 가공성이 뛰어난 여러 가지 화학적 식각 방법이 개발되고 있다.
도 4는 종래의 기술에 따른 가열 인장 방식의 광섬유 탐침 제조 장치를 예시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래의 기술에 따른 가열 인장 방식의 광섬유 탐침 제조 장치는, 펄스 발생기(41), CO2 레이저(또는 W 히터)(42), 초점 렌즈(Focusing Lens: 43) 및 풀러(Puller: 44) 등을 포함하여 구성된다.
이 방법은 광섬유에 열을 가해 녹인 후, 일정 시간이 경과하면 광섬유를 인장하여 탐침을 형성하는 방법이다. 구체적으로, 글래스는 고온에서 녹기 때문에 순간적으로 높은 에너지가 전달되어야 하며, 이를 위한 열원으로서 CO2 레이저(42)를 사용할 수 있고, 초점 렌즈(43)를 통해 CO2 레이저 빔을 집광한 후 광섬유에 조사하게 된다. 이후, 풀러(44)를 통해 광섬유를 잡아당김으로써 광섬유 탐침을 형성하게 된다.
구체적으로, 일반적으로 광통신에서 사용되고 있는 SM 섬유는 석영글래스로 만들고, 코어(Core)아 클래드(Clad)에 직영은 각각 4㎛ 및 125㎛ 정도이다. 이러한 코어의 굴절률은 클래드보다 약간 높게 하기 위해 GeO2를 코어에 첨가하며, 최근 광섬유의 광손실은 0.2dB/㎞(파장 1.55㎛) 이하로 감소되어 있다. 현재까지 표준 참침으로서 사용되고 있는 석영유리로 된 광섬유를 선택적 식각(Selective Etching)하여 제조하고 있지만, 최근 튜브형 식각(Tube Etching) 방법도 개발되고 있다. 이를 통해 만들어진 참침 선단부의 곡률반경은 2㎚ 정도까지 실현되고 있으며, 첨예각의 재현성이 높고 최소치는 14˚정도이다. 이러한 광섬유 탐침은 그 사용 의도에 따라 여러 가지 구조로 제작될 수 있으며, 광섬유 형상 제어성 때문에 일반적으로 화학적 식각 방법이 주로 이용된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 기술에 따른 화학적 식각 방식에 따른 광섬유 탐침의 제조 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 5a는 2단계의 선택적 화학 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법을 나타내며, 도 5b는 튜브형 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법을 나타낸다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 2단계의 선택적 화학 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법은, 플라스틱 재킷을 벗겨 깨끗한 단면을 만든 후, NH4F:HF:H2O의 비율이 1.7:1:1과 10:1:1인 혼합 식각액에서 연속으로 각각 90분, 120분간 식각시키는 2단계 과정을 거쳐 Core-Tapered 광섬유 탐침을 만드는 방법을 나타낸다. 예를 들면, 식각액의 경계에서 가늘게 된 광섬유를 다시 묽게 처리된 식각액으로 식각시키면 전체 직경이 줄어들어 밑 부분이 없어지고 탐침의 형태가 만들어진다. 첫 번째 단계에서 경계면에서의 식각이 깨끗하게 되어야 두 번째 단계에서 첨예한 탐침이 만들어진다. 이때, 클래딩과 코어의 식각 속도에 차이가 생겨 탐침을 형성하게 된다. 이후 모든 탐침은 제작 이후에 더 이상의 화학반응이 일어나지 않도록 충분하게 세척해야 한다. 이때, 완충용액인 NH4F의 비율과 식각 시간을 잘 조절하여, 광섬유 탐침의 높이와 모양을 형성할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 튜브형 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법은, 플라스틱 재킷을 벗기지 않고 한 번에 광섬유 탐침을 제작하는 방법이다. 구체적으로, 재킷(53)을 벗기지 않은 광섬유(51, 52)를 높이를 맞춰 연고칼에 붙인 후, HF 수용액을 비커에 담고, 그 위에 불산 증기로부터 광섬유를 보호하도록 오일을 추가한다. 이에 따라 필요한 탐침의 길이에 맞게 적당한 길이까지 광섬유를 HF 수용액에 담가서 광섬유 탐침을 형성하게 된다.
그러나 전술한 종래의 기술에 따른 CO2 레이저를 이용한 가열 인장 방법을 사용하여 광섬유 탐침을 제작하는 방법의 경우 화학적 식각에 의한 탐침과 비교하여 팁 선단부가 첨예각이 크고, 이에 따라 곡률반경이 크게 나타나 효율이 낮고 재현성이 나쁘다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 기술에 따른 화학적 식각 방법들의 경우, 클래드 및 코어를 한 번에 식각하기 때문에 광섬유 탐침이 짧아지거나 첨예하게 제조할 수 없다. 예를 들면, 종래의 기술에 따른 2단계의 선택적 화학 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법은 복잡한 과정을 거쳐서 광섬유 탐침을 제조해야 한다는 문제점이 있고, 또한, 튜브형 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법은 2단계의 선택적 화학 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법에 비해 복잡한 제조 과정을 거치지 않지만, 도 5b에서 도면부호 A로 도시된 바와 같이, 식각액인 불산(HF)이 일정 시간동안 클래드와 코어를 식각하기 때문에 최초 코어의 길이가 D 길이만큼 짧아지고, 이에 따라 팁 선단부를 원하는 길이만큼 첨예하게 형성하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 하나의 목적은 식각액을 이용하여 광섬유의 코어부를 원하는 탐침형상으로 제조할 수 있는 방법 및 이를 위한 광섬유 탐침 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은 클래드(Clad) 및 코어(Core)로 이루어진 광섬유에서 상기 클래드를 제거하는 단계; 상기 클래드가 제거된 광섬유를 식각액 용기 내에 정렬하는 단계 ; 코어의 식각 길이(h) 또는 식각 각도에 따라 식각액의 토출량을 결정하는 단계 ; 실린지(Syringe Pump) 펌프를 이용하여 상기 식각액 용기 내에 식각액을 소정 식각시간 동안 상기 토출량으로 식각 길이(h)까지 주입하고, 상기 코어를 선단부에서 식각 길이(h)까지 선형(linear)으로 식각하는 단계를 포함하는 광섬유 탐침 제조 방법에 관계한다.
다른 양상에서 본 발명은 클래드 및 코어로 이루어진 광섬유 ; 식각액이 담기는 식각액 용기; 및 상기 식각액 용기 내에 식각액을 소정 식각시간 동안 일정 토출량으로 주입하고, 상기 코어를 선단에서 식각 길이까지 선형(linear)으로 식각하는 실린지 펌프를 포함하는 광섬유 탐침 제조 장치로서, 상기 장치는 하기 수학식 1, 2에 의해 결정된 토출량과 실린지 직경이 상기 실린지 펌프에 입력되면 일정 속도로 식각액을 주입하여 상기 코어의 선단에서 상기 식각길이까지 선형으로 식각하여 테이퍼 형상의 광섬유 탐침을 형성하는 광섬유 탐침 제조 장치이다.
본 발명에 따르면, 원하는 형상으로 정밀하게 화학적 식각 방식으로 광섬유 탐침을 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 나노구조의 시료의 광학적 물성 측정 또는 바이오물질의 센싱에 사용되는 정밀한 광섬유 탐침을 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 광섬유 근접장 광학 탐침을 이용하여 나노구조 시료의 광학적 물성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 광섬유 탐침의 형상을 예시하는 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 가열 인장 방식 및 화학적 식각 방식에 의해 제조된 광섬유 탐침을 예시하는 도면이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 가열 인장 방식의 광섬유 탐침 제조 장치를 예시하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 종래의 기술에 따른 화학적 식각 방식에 따른 광섬유 탐침의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 장치의 개략적 구성도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침의 식각 원리를 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침에 있어서 광섬유 코어와 반응시간과의 관계를 예시하는 도면이다.
도 9a 내지 9d는 본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침의 반응시간 경과에 따른 각각의 형상을 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 실시예로서, 실린지 펌프를 이용하여 식각액인 불산의 수위를 조절함으로써 광섬유 탐침을 일정한 모양으로 첨예하게 식각할 수 있는 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법 및 장치가 제공된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 탐침 제조 장치의 개략적 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 장치는, 화학적 식각을 이용하여 광섬유 탐침을 제조하는 장치로서, 광섬유(100), 실린지 펌프(200), 식각액(300), 주입 호스(400) 및 식각액 용기(500)를 포함할 수 있다.
이때, 광섬유(100)는 클래드(110) 및 실리카 코어(120)로 이루어지며, 상기 광섬유(100)는 클래드(110)가 미리 제거된 상태로 상기 식각액 용기(500) 상에 수직 방향으로 정렬된다.
상기 실린지 펌프(200)는 일정량의 식각액을 정해진 식각시간 동안 지속적으로 상기 식각액 용기에 주입하기 위한 것으로, 실린지 펌프 하우징(210), 조작 버튼(220), 표시화면(230), 압력 구동부(240) 및 실린지(주사기)(250)를 포함할 수 있다.
상기 실린지 펌프(200)는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, Kd Scientific사의 실린지 펌프를 사용할 수 있다.
상기 식각액(300)은 불산과 물을 포함하는 용액일 수 있으며, 불산의 함량에 대해 반드시 제한이 있는 것은 아니다. 본 발명의 일구현예에서는 식각액이 48wt% 불산(HF)인 것을 사용하였다.
식각액 용기(500)는 상기 광섬유의 코어 선단부를 테이퍼 형태로 식각하기 위한 식각액을 담기 위한 팔콘 튜브(Falcon Tube)일 수 있다.
광섬유에서 클래드를 제거하는 단계
상기 단계는 클래드(Clad) 및 코어(Core)로 이루어진 광섬유에서 클래드를 제거하는 단계이다. 상기 클래드를 제거하는 방법에 있어서 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 그 일예로서, 클래드(Clad) 및 코어(Core)로 이루어진 광섬유를 준비하고, 진한 황산에 반응시켜 상기 광섬유의 클래드를 녹여서 제거하는 방법을 사용할 수 있다. 즉, 90℃의 온도에서 1 시간 동안 진한 황산에 상기 광섬유의 클래드를 반응시킴으로써 클래드를 제거할 수 있다.
상기 단계 후에 광섬유에 후속적인 화학반응이 일어나지 않도록 세척하고 헹군다. 즉, 상기 클래드가 제거된 광섬유를 끓는 증류수에 넣어 세척하고 흐르는 증류수로 상기 클래드가 제거된 광섬유를 헹굴 수 있다.
광섬유 정렬단계
상기 단계는 상기 클래드가 제거된 광섬유를 식각액 용기 내에 정렬하는 단계이다. 상기 단계는 광섬유 코어를 식각하기 위해서 식각액 용기 상에 수직 방향으로 정렬하고, 이때, 상기 클래드가 제거된 광섬유를 잡고 식각액 용기 상에 정렬하기 위한 클램프 등의 고정부가 추가로 필요할 수 있다.
토출량 결정단계
상기 단계는 코어의 식각 길이(h) 또는 식각 각도에 따라 식각액의 토출량을 결정하는 단계이다. 상기에서 정해진 토출량을 소정시간 동안 식각액 용기내에 주입하여 원하는 형상으로 광섬유를 식각할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 원하는 형상의 광섬유 수직절단면도를 나타낸다.
먼저, 직경 = d0, 광섬유의 반경 = r로 주어지는 광섬유에 있어서, 시간 t에 따른 광섬유 두께의 함수 D(t)와 광섬유 반경의 두께 함수 R(t)를 실험에 의해 구할 수 있다. 클래드가 제거된 광섬유 코어부를 충분한 양의 특정 식각액 속에 담근 후 식각에 의해 코어부가 완전히 제거되는 시간을 측정하여 이를 A로 하여 수학식 1 또는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
D(t)= d0 - 1/A × d0t (0≤ t≤ A)
[수학식 2]
R(t)= r - 1/A × rt (0≤ t≤ A)
본 발명의 일구현예에서와 같이, 48% 불산 식각액을 사용한 경우에 상기 A 값은 3.5~4.5 시간 바람직하게는 4시간이다. 이때, A시간을 초과하여 식각할 경우, 광섬유가 소실되어 원하는 형상을 얻을 수 없으므로 불규칙적으로 식각 제어되기 때문에, 광섬유 식각의 제어를 위해선 A시간 이내로 제한할 필요가 있다.
도 7a를 참조하면, 광섬유의 직경이나 반경을 측정하고, 원하는 코어의 식각길이(h) 또는 식각 각도(α) 중 하나를 선정하면 하기 수학식 3에 의해 나머지 값을 결정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112010026428210-pat00001
여기서,
Figure 112010026428210-pat00002
는 광섬유의 식각 각도,
Figure 112010026428210-pat00003
는 A시간에 도달하는 테이퍼의 길이,
Figure 112010026428210-pat00004
은 광섬유의 반경을 나타낸다.
식각액 용기에 넣어줄 식각액의 토출량(유량/시간)은 수학식 4와 같이 주어질 수 있다.
[수학식 4]
q = V/t
여기서, V = πa2h(a는 식각용기의 반경), t는 식각액이 코어의 선단에서 h까지 도달하는 데 걸리는 시간으로서 시간 A와 동일한 값이다.
도 7b는 상기 식각 각도가 하나(
Figure 112010026428210-pat00005
, β...) 이상인 경우에 원하는 식각 각도와 이에 대응하는 식각 길이를 선정하여 하기 수학식 5에 의해 식각액의 토출량을 결정할 수 있다.
[수학식 5]
q1 = V1/t1
여기서, V1 = πa2h1(a는 식각용기의 반경), t1는 식각액이 코어의 선단에서 h1까지 도달하는 데 걸리는 시간
q2 = V2/t2 여기서, V2 = πa2h2(a는 식각용기의 반경), t2는 식각액이 h1에서 h2까지 도달하는 데 걸리는 시간
qn = Vn/tn 여기서, Vn = πa2hn(a는 식각용기의 반경), tn는 식각액이 hn -1에서 hn까지 도달하는 데 걸리는 시간
t = t1 + t2 +....tn
V = V1 + V2 +...Vn
h = h1 + V2 +...hn
여기서 t는 식각액이 코어의 선단에서 h까지 도달하는 데 걸리는 시간으로서 시간 A와 동일한 값이고, n은 2~5이다.
상기 코어 선단은 도 7a, 7b에서 코어의 하부 뾰족한 끝 부분을 의미한다.
좀 더 구체적으로 도 8b를 살펴본다. 여기서 불산 48% 식각액을 사용하여 A와 t값은 4시간, h = h1 + h2 , t = t1 + t2 = 4, R(t1) + R(t2) = r 이다.
이때, ⓐ 식각부위는 시간 t1 이 지난 후에 반지름의 두께가 R(t1)만큼 식각되는 것을 보여주고, 시간 t2까지 총 4시간이 지난 후에는 R(t2)만큼 더 식각되어져 ⓐ 부분의 실선 모양의 광섬유로 식각된다. 여기서, 식각각도
Figure 112010026428210-pat00006
, 테이퍼의 길이
Figure 112010026428210-pat00007
, 식각 시간
Figure 112010026428210-pat00008
중에서 2개의 미지수 값을 결정하면, 다음의 수학식 6와 같이 나머지 미지수 값을 결정할 수 있다. 식각각도
Figure 112010026428210-pat00009
, 길이 h1, 측정하여 구할 수 있고, 식각 시간 t1는 R(t1)= r - 1/4 × rt1 의 식을 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112010026428210-pat00010
다음으로, 결정된
Figure 112010026428210-pat00011
값은 상기 수학식 5를 이용하여 불산의 주입량을 계산할 수 있다
마찬가지로, ⓑ 식각부위는 시간 t2 가 지난 후에 반지름의 두께가 R(t2)만 큼 식각되어 ⓑ 부분의 실선모양의 광섬유로 식각된다.
또한, 식각각도나 테이퍼의 길이가 정해지면 다음의 수학식 7로부터 나머지 미지수 값을 결정할 수 있다. 식각 시간 t2는 R(t2)= r - 1/4 × rt2 의 식을 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112010026428210-pat00012
이와 같이 결정된
Figure 112010026428210-pat00013
값은 상기 수학식 5를 이용하여 식각액의 토출양을 계산할 수 있다.
다음으로, 도 7c와 같은 광섬유 탐침을 제조하기 위한 방법을 설명한다.
도 7c를 참조하면, h = h1 + h2 + h3 , t = t1 + t2 + t3= 4, R(t1) + R(t2) = r, R(t2) = R(t3)이다.
이때, t2는 ≒ 0으로 설정하는데, 식각액 용액이 h1에 도달하자마자 곧바로(t2는 ≒ 0인 시간) h2에 도달하도록 식각액을 최대로 주입하는 것을 의미한다.
q1 = V1/t1
여기서, V1 = πa2h1(a는 식각용기의 반경), t1는 식각액이 코어의 선단에서 h1까지 도달하는 데 걸리는 시간.
q2는 시간에 따라 주입되는 양이 아니고 v2(πa2h2)에 해당하는 양을 한번에 주입하거나 다수개의 실린지 펌프를 이용하여 최대량을 최소시간에 주입하는 것으로 한다.
q3 = V3/t3 여기서, V3 = πa2h3(a는 식각용기의 반경), t3 = 4-(t1+t2) ≒ 4-t1는 식각액이 h1에서 h2까지 도달하는 데 걸리는 시간
여기서, t1 ≒ 4-t3
t3는 R(t3)= r - 1/4 × rt3 의 식을 이용하여 계산할 수 있다.
식각단계
상기 식각단계는 실린지(Syringe Pump) 펌프를 이용하여 상기 식각액 용기 내에 식각액을 소정 식각시간 동안 상기 토출량으로 식각 길이(h)까지 주입하고, 상기 코어를 선단부에서 식각 길이(h)까지 선형(linear)으로 식각하는 단계이다.
상기 식각단계는 일정 토출량으로 식각액을 주입하여 식각액의 수위가 소정 식각시간 동안 높아지면서 상기 코어의 선단부에서 상기 식각길이(h)까지 순차적으로 식각하여 테이퍼 형상의 광섬유 탐침을 형성하는 단계이다.
여기서 식각길이(h)는 앞에서 상술한 식각길이 h1, h2, h3 등을 포함한다.
상기 식각 단계는 상기 토출량과 실린지의 직경을 상기 실린지 펌프에 입력하여 실린지 펌프로 일정 속도로 식각액을 주입하는 단계를 포함한다.
상기 단계는 실린지(Syringe Pump) 펌프를 이용하여 상기 식각액 용기 내에 식각액을 주입하고, 상기 클래드가 제거된 광섬유를 정해진 식각시간, 예를 들면, 불산 48% 식각액인 경우 4시간 동안 화학반응시켜 상기 광섬유의 코어를 선형으로 식각한다.
상기 단계 이후에 상기 광섬유를 끓는 증류수에 넣어 30분간 세척하고, 흐르는 증류수로 헹굴 수 있다.
한편, 도 8은 불산 48%의 식각액을 사용한 경우 광섬유 코어와 반응시간과의 관계를 예시하는 도면이다. 도 8을 참조하면, 거의 4시간 동안은 선형으로 반비례하는 것을 알 수 있다.
도 9a 내지 9d는 48% 불산 식각액을 사용하여 반응시간 경과에 따른 광섬유 코어의 형상을 예시하는 도면으로서, 도 9a는 식각하기 전의 광섬유 코어를 나타내고, 도 9b는 2시간 동안 광섬유 코어를 식각한 것을 나타내며, 도 9c는 4시간 동안 광섬유 코어를 식각한 것을 나타내며, 도 9d는 6시간동안 광섬유 코어를 식각한 것을 나타낸다. 도 9a 내지 도 9d에서 각각의 좌측 사진은 우측 사진을 보다 상세하게 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법에 따르면, 광섬유는 일정 높이에 고정되어 있는 상태에서 수위가 높아져 가장 아랫부분은 식각되는 시간이 길어지고, 상대적으로 그보다 높은 부분은 위로 갈수록 식각되는 시간이 짧아지므로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 바늘처럼 가늘고 끝이 뾰족한 침상(針狀) 광섬유를 제작할 수 있었다. 예를 들면, 단위시간동안 5 ㎜의 광섬유 끝이 불산에 잠기게 될 때, 도 9d에 도시된 바와 같이, 실린지 펌프로 주입하는 시간을 4시간 이상으로 할 때는 광섬유의 끝 직경에 변화가 없이 탐침의 길이가 도면부호 B로 도시된 바와 같이 소정 길이(L)만큼 짧아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 식각 시간이 필요 이상으로 길어지면 잠긴 길이가 5mm 미만으로 짧아지는 것을 알 수 있다. 따라서 바이오물질 센싱용으로 사용하기 위한 시간은 불산 48% 식각액인 경우에는 4시간이 적당한 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 방법은 식각액이 미리 준비된 용기 상에 광섬유를 넣는 것이 아니라, 광섬유를 미리 정렬한 후 실린지 펌프를 이용하여 식각액을 주입하는 방식으로 광섬유 탐침을 형성하기 때문에, 식각액과 광섬유 코어부와의 접촉시간을 선형으로 증가시켜 광섬유 탐침을 일정한 모양으로 첨예하게 식각할 수 있게 된다.
다른 양상에서 본 발명은 광섬유 탐침 제조 장치에 관계한다. 상기 광섬유 탐침 제조 장치는 클래드 및 코어로 이루어진 광섬유 ; 식각액이 담기는 식각액 용기; 및 상기 식각액 용기 내에 식각액을 소정 식각시간 동안 일정 토출량으로 주입하고, 상기 코어를 선단에서 식각 길이까지 선형(linear)으로 식각하는 실린지 펌프를 포함하는 광섬유 탐침 제조 장치로서, 상기 장치는 하기 수학식 1, 2에 의해 결정된 토출량과 실린지 직경이 상기 실린지 펌프에 입력되면 일정 속도로 식각액을 주입하여 상기 코어의 선단에서 상기 식각길이까지 선형으로 식각하여 테이퍼 형상의 광섬유 탐침을 형성한다.
[수학식 1]
q = V/t
여기서, V = πa2h(a는 식각용기의 반경), t는 식각액이 코어의 선단에서 h까지 도달하는 데 걸리는 시간
[수학식 2]
q1 = V1/t1 여기서, V1 = πa2h1(a는 식각용기의 반경), t1는 식각액이 코어의 선단에서 h1까지 도달하는 데 걸리는 시간
q2 = V2/t2 여기서, V2 = πa2h2(a는 식각용기의 반경), t2는 식각액이 h1에서 h2까지 도달하는 데 걸리는 시간
qn = Vn/tn 여기서, Vn = πa2hn(a는 식각용기의 반경), tn는 식각액이 hn -1에서 hn까지 도달하는 데 걸리는 시간
t= t1 +t2 +....tn
V=V2+V2+...Vn
여기서 n은 2~5이다.
여기서, t1는 R(t1)= r - 1/4 × rt1에서 t2는 R(t2)= r - 1/4 × rt2 의 식에서 계산할 수 있다.
광섬유 탐침 제조 장치는 광섬유(100), 실린지 펌프(200), 식각액(300), 주입 호스(400) 및 식각액 용기(500)를 포함한다. 상기 장치에 대해서는 이미 앞에서 상술하였으므로 이에 대한 설명은 생략하나다.
본 발명의 실시예에 따른 화학적 식각을 이용한 광섬유 탐침 제조 장치에 따르면, 광섬유 탐침의 테이퍼 크기나 그 형상을 임의로 제어 제조할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 광섬유
110: 클래드
120: 코어
200: 실린지 펌프
210: 실린지 펌프 하우징
220: 조작 버튼
230: 표시화면
240: 압력 구동부
250: 실린지(주사기)
300: 식각액(불산)
400: 주입 호스
500: 식각액 용기(Falcon Tube)

Claims (7)

  1. 클래드(Clad) 및 코어(Core)로 이루어진 광섬유에서 상기 클래드를 제거하는 단계;
    상기 클래드가 제거된 광섬유를 식각액 용기 내에 정렬하는 단계 ;
    코어의 식각 길이(h) 또는 식각 각도에 따라 식각액의 토출량을 결정하는 단계;
    실린지(Syringe Pump) 펌프를 이용하여 상기 식각액 용기 내에 식각액을 소정 식각시간 동안 상기 토출량으로 식각 길이(h)까지 주입하고, 상기 코어를 선단부에서 식각 길이(h)까지 선형(linear)으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식각단계는 일정 토출량으로 식각액을 주입하여 식각액의 수위가 소정 식각시간 동안 높아지면서 상기 코어의 선단부에서 상기 식각길이(h)까지 순차적으로 식각하여 테이퍼 형상의 광섬유 탐침을 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 식각액이 48% 불산(HF)인 경우 상기 소정 시간은 3.5~4.5시간인 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 클래드가 제거된 광섬유 코어를 충분한 양의 식각액 속에 담근 후 시간에 따른 식각에 의해 코어 끝 부분의 직경 변화가 없게 되는 시간(A)을 측정하여 하기 수학식 1 또는 수학식 2를 결정하는 단계를 상기 토출량 결정 단계 전에 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 방법.
    [수학식 1]
    D(t)= d0 - 1/A × d0t (0 ≤ t ≤ A)
    [수학식 2]
    R(t)= r - 1/A × rt (0 ≤ t ≤ A)
  5. 제 1항에 있어서, 상기 토출량(q)은 식각 각도가 하나인 경우는 하기 수학식 4에 의해, 두 개 내지 n개인 경우에는 하기 수학식 5에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 방법
    [수학식 4]
    q = V/t
    여기서, V = πa2h(a는 식각용기의 반경), t는 식각액이 코어의 선단에서 h까지 도달하는 데 걸리는 시간
    [수학식 5]
    q1 = V1/t1 여기서, V1 = πa2h1(a는 식각용기의 반경), t1는 식각액이 코어의 선단에서 h1까지 도달하는 데 걸리는 시간
    q2 = V2/t2 여기서, V2 = πa2h2(a는 식각용기의 반경), t2는 식각액이 h1에서 h2까지 도달하는 데 걸리는 시간
    qn = Vn/tn 여기서, Vn = πa2hn(a는 식각용기의 반경), tn는 식각액이 hn-1에서 hn까지 도달하는 데 걸리는 시간
    t= t1+t2+....tn
    V=V2+V2+...Vn
    여기서 n은 2~5이다.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 식각 단계는 상기 토출량과 실린지의 직경을 상기 실린지 펌프에 입력하여 실린지 펌프로 일정 속도로 식각액을 주입하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 방법.
  7. 클래드 및 코어로 이루어진 광섬유,
    식각액이 담기는 식각액 용기; 및
    상기 식각액 용기 내에 식각액을 소정 식각시간 동안 일정 토출량으로 주입하고, 상기 코어를 선단에서 식각 길이까지 선형(linear)으로 식각하는 실린지 펌프를 포함하는 광섬유 탐침 제조 장치로서, 상기 장치는 하기 수학식 4, 5에 의해 결정된 토출량과 실린지 직경이 상기 실린지 펌프에 입력되면 일정 속도로 식각액을 주입하여 상기 코어의 선단에서 상기 식각길이까지 선형으로 식각하여 테이퍼 형상의 광섬유 탐침을 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침 제조 장치.
    [수학식 4]
    q = V/t
    여기서, V = πa2h(a는 식각용기의 반경), t는 식각액이 코어의 선단에서 h까지 도달하는 데 걸리는 시간
    [수학식 5]
    q1 = V1/t1 여기서, V1 = πa2h1(a는 식각용기의 반경), t1는 식각액이 코어의 선단에서 h1까지 도달하는 데 걸리는 시간
    q2 = V2/t2 여기서, V2 = πa2h2(a는 식각용기의 반경), t2는 식각액이 h1에서 h2까지 도달하는 데 걸리는 시간
    qn = Vn/tn 여기서, Vn = πa2hn(a는 식각용기의 반경), tn는 식각액이 hn-1에서 hn까지 도달하는 데 걸리는 시간
    t= t1+t2+....tn
    V=V2+V2+...Vn
    여기서 n은 2~5이다.





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