KR101350264B1 - 광섬유 산소 감지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는, 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 헤더부, 및 상기 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 기초로 산소의 존재 여부를 판단하는 광 스펙트럼 분석기를 포함하되, 상기 헤더부는, 상기 산소와의 결합에 의하여 유효 굴절률이 변화하는 감지 물질을 포함하고, 상기 간섭파는, 상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 상기 스펙트럼 주기가 변화하는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치에 관한 것이다.
또한, 본 명세서는, 산소를 검출하는 산소 감지 장치에 있어서, 빛의 전반사를 이용하여 광원에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 또는 광 도파로, 상기 광섬유 또는 광 도파로의 끝단에 도포 되어 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 하는 고분자 물질, 및 상기 고분자 물질의 표면에 코팅되고, 상기 광섬유를 통해 입사된 상기 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 감지 물질을 포함하되, 상기 감지 물질은, 상기 산소와 결합하여 유효 굴절률이 변화하고, 상기 간섭파는, 상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 스펙트럼 주기가 변화하는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치의 헤더부에 관한 것이다.
또한, 본 명세서는, 산소를 검출하는 산소 감지 장치에 있어서, 빛의 전반사를 이용하여 광원에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 또는 광 도파로, 상기 광섬유 또는 광 도파로의 끝단에 도포 되어 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 하는 고분자 물질, 및 상기 고분자 물질의 표면에 코팅되고, 상기 광섬유를 통해 입사된 상기 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 감지 물질을 포함하되, 상기 감지 물질은, 상기 산소와 결합하여 유효 굴절률이 변화하고, 상기 간섭파는, 상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 스펙트럼 주기가 변화하는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치의 헤더부에 관한 것이다.
Description
본 명세서는 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 이용하는 광섬유 산소 감지 장치에 관한 것이다.
환경에 대한 관심이 지속적으로 높아지면서, 최근 배기 가스에 함유된 산소의 농도를 검출하기 위한 센서의 개발이 중요하게 여겨지고 있다.
종래의 산소 센서는 대표적으로 갈바닉(Galvanic), 클라크 타입(Clark type) 방식의 전기화학 방법과, 지르코니아(ZrO2), 이산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2) 등의 산화물에 대한 저항 변화를 측정하는 저항 측정 방법을 사용한다.
전기화학 방법의 경우, 폴리머(polymer)로 만든 투과막을 통해 센서 내로 산소 분자만을 투과시켜, 내부 전해질에서의 전기화학 반응에 따른 전류를 측정하는 방법이다.
이 방법은 측정하고자 하는 기체 또는 액체가 투과막을 통과하기 위해 일정한 압력 차를 가지고 있어야 하며, 보통의 경우 느린 반응 속도를 가져 측정이 오래 걸린다. 또한, 전류의 생성 시 산소 분자가 소모되는 메커니즘을 가짐으로써, 산소의 농도가 측정 중 유동적으로 변화하게 되는 문제가 있다.
한편, 저항 측정 방법의 경우, 일반적으로 산화물을 사용하기 때문에 섭씨 150도 이상의 높은 동작 온도를 갖는다. 이로 인해, 각 센서 소자에 필요한 파워의 국부적인 공급을 요구하게 된다. 또한, 제품화된 산소 센서의 경우, 저농도 산소에 대해서는 수 내지 수십 분의 느린 반응 속도를 갖는다.
본 명세서는, 종래 산소 센서의 단점을 극복하기 위하여 빠른 반응 속도로 상온에서 구동되고, 감지 대상인 산소 기체의 흡수가 없으며, 별도의 파워 공급이 필요없는 산소 감지 장치를 제공한다.
또한, 본 명세서는, 산소와 가역적 배위 결합을 하는 글로빈류를 감지 물질로 사용하고, 산소와 감지 물질의 흡착 및 탈착으로 인한 빛의 파장 변화를 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 이용하여 측정하는 산소 감지 장치를 제공한다.
본 명세서에 개시된 산소 감지 장치는, 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 헤더부, 및 상기 간섭파의 파장 변화 여부를 기초로 산소의 존재 여부를 판단하는 광 스펙트럼 분석기를 포함하되, 상기 헤더부는, 상기 산소와의 결합에 의하여 유효 굴절률이 변화하는 감지 물질을 포함하고, 상기 간섭파는, 상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 상기 파장이 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 감지 물질은, 헤모글로빈, 미오글로빈, 금속 포르피린을 포함하는 글로빈류 중 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 포트로 입력되는 상기 광원에서 형성된 빛을, 제 2 포트에 연결된 상기 헤더부로 출력하고, 상기 헤더부에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 제 3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력하는 서큘레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 헤더부는, 빛의 반사를 이용하여 상기 광원에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공하고, 페룰에 의해 지지가 되는 광섬유, 및 상기 광섬유의 끝단에 도포 되어 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 하는 고분자 물질을 더 포함하고, 상기 감지 물질은, 상기 고분자 물질의 표면에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 물질은, 폴리-다이메틸실록세인(poly-dimethylsiloxane, PDMS)을 포함하는 상온 또는 동작 온도에서 고체인 고분자 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 물질은, 평면 또는 반구를 포함하는 곡면 형태로 도포 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 산소 감지 장치의 헤더부는, 산소를 검출하는 산소 감지 장치에 있어서, 빛의 전반사를 이용하여 광원에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공하고, 페룰에 의해 지지가 되는 광섬유, 상기 광섬유의 끝단에 도포 되어 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 하는 고분자 물질, 및 상기 고분자 물질의 표면에 코팅되고, 상기 광섬유를 통해 입사된 상기 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 감지 물질을 포함하되, 상기 감지 물질은, 상기 산소와 결합하여 유효 굴절률이 변화하고, 상기 간섭파는, 상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 파장이 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 감지 물질은, 헤모글로빈, 미오글로빈, 금속 포르피린을 포함하는 글로빈류 중 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 물질은, 폴리-다이메틸실록세인(poly-dimethylsiloxane, PDMS)을 포함하는 상온 또는 동작 온도에서 고체인 고분자 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 물질은, 평면 또는 반구를 포함하는 곡면 형태로 도포 되는 것을 특징으로 한다.
빠른 반응 속도로 인해, 저농도 산소 감지 시에 빠른 감지 속도로 상온에서 구동되고, 산소 기체의 흡수 및 별도의 파워 공급 없이 정확하게 산소를 감지할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 산소 감지 장치에 따르면, 패브리-페롯 간섭계를 이용함으로써 전류 변화 측정 등을 요구하지 않아 센서의 원격 조정이 가능하며, 저농도 산소에서도 민감하게 반응하여 산소를 감지할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 산소 감지 장치에 따르면, 광 섬유의 끝단면을 이용하기 때문에 측정하고자 하는 공간 및 타 시스템에 적용하기 쉬운 장점을 갖는다.
또한, 본 명세서에 개시된 산소 감지 장치에 따르면, 광섬유 커블러(coupler) 또는 멀티플렉서(multiplexer) 등을 이용한 센서의 우수한 확장성으로 인해, 많은 센서 헤더 부분을 동시에 제어할 수 있다.
도 1은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 이용한 산소 감지 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 헤더부의 상세한 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 헤더부의 광학 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 반사된 간섭파의 파장 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 산소 농도 변화에 따른 스펙트럼 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 산소 농도 변화에 따른 간섭파의 파장 변화량을 하나의 그래프로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 이용한 산소 감지 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 헤더부의 상세한 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 헤더부의 광학 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 반사된 간섭파의 파장 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 산소 농도 변화에 따른 스펙트럼 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 산소 농도 변화에 따른 간섭파의 파장 변화량을 하나의 그래프로 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
광섬유 패브리-페롯 간섭계(Fiber Febry-Parot interferometer; FFPI)는 반사 가능한 두 개의 막으로부터 반사된 간섭파의 파장 변화를 이용하여 스펙트럼을 분석하는 원리를 사용한다. 이에 대하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 1의 (a)는 광섬유 패브리-페롯 간섭계에서 두 개의 반사 가능한 막(111, 112)이 거리 L0를 갖고, 상기 막 사이를 채우고 굴절률 n0를 갖는 제 1 물질(110) 및 상기 막의 외부를 채우고 굴절률 n1을 갖는 제 2 물질(130)로 구성된 경우를 도시하였다.
상기 두 개의 막(111, 112)은 광섬유(120)와 상기 제 1 물질(110)에 대한 경계면인 제 1 막(111) 및 상기 제 1 물질(110)과 상기 제 2 물질(130)의 경계면인 제 2 막(112)으로 구성된다.
상기 제 1 막(111)의 일면에 연결된 상기 광섬유(120)는 임의의 파장(λ)을 갖는 빛을 상기 제 1 막(111)으로 조사한다. 상기 제 1 막(111)을 통과한 빛은 상기 광섬유(120)와 접촉하여 연결된 상기 제 1 물질(110)로 입사한다. 이때, 상기 광섬유(120)와 상기 제 1 물질(110)이 평행하여 연결된 경우, 상기 빛은 수직으로 입사할 수 있다.
상기 제 1 물질(110)로 입사된 빛은 다시 상기 제 2 막(112)으로 조사되고, 이어서 상기 제 2 물질(130)로 조사된다.
상기와 같은 경로로 이동하는 빛은, 상기 광섬유(120), 상기 제 1 물질(110) 및 상기 제 2 물질(130)에 대한 굴절률 차이에 의하여, 상기 제 1 막(111) 및 상기 제 2 막(112)에서 일부가 반사되고 일부는 투과된다.
이에 따라, 상기 두 막(111, 112) 사이를 반복적으로 반사 및 투과하는 빛은 다시 상기 광섬유(120)로 되돌아오는 복수의 반사파(R1, R2)를 형성한다. 즉, 상기 빛은 상기 제 1 막(111)에서 반사되어 상기 광섬유(120)로 되돌아온 제 1 반사파(R1) 및 상기 제 2 막(112)에서 반사되어 상기 광섬유(120)로 되돌아온 제 2 반사파(R2)를 형성할 수 있다.
이때, 상기 제 1 반사파(R1) 및 상기 제 2 반사파(R2)의 파장은 각각 아래의 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 구해질 수 있다.
여기서, r1은 제 1 반사파의 파장, n은 광섬유의 굴절률, n0는 제 1 물질의 굴절률이다.
여기서, r2는 제 2 반사파의 파장, n0는 제 1 물질의 굴절률, n1은 제 2 물질의 굴절률이다.
상기 복수의 반사파(R1, R2)는 상기 광섬유(120) 내에서 서로 간섭을 일으키고, 간섭으로 인해 최종적으로 결정된 파장(wavelength)을 갖는 최종 간섭파를 형성한다.
이때, 상기 최종 간섭파의 파장은 아래의 수학식 3에 의하여 구해질 수 있다.
여기서, 상기 R1 , R2 및 φ는 각각 아래의 수학식 4, 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
여기서, R(λ)는 입사파의 파장에 따른 최종 간섭파의 파장, r1은 제 1 반사파의 파장, r2는 제 2 반사파의 파장, n0는 제 1 물질의 굴절률, L0는 두 막 사이의 거리, λ는 입사파의 파장이다.
이렇게 형성된 최종 간섭파의 파장의 변화에 의한 스펙트럼의 주기성 변화를 이용하여 물질을 감지하는 등의 목적으로 사용하는 것을 광섬유 패브리-페롯 간섭계라고 한다.
광섬유 패브리-페롯 간섭계에 있어서, 간섭계를 이루는 상기 제 1 또는 제 2 물질(110, 130)의 굴절률(또는, 유효 굴절률)이 변화하게 되면, 상기 두 막(111, 112)에서 형성되는 제 1 또는 제 2 반사파의 파장이 변하게 되고, 이들의 간섭으로 형성된 상기 간섭파의 파장 또한 변하게 되어, 상기 간섭파의 스펙트럼의 주기성이 변화하게 된다.
광섬유 패브리-페롯 간섭계는 상기 간섭파의 상기 스펙트럼 주기에 의하여, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 상기 제 1 또는 제 2 물질의 굴절률에 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다.
도 1의 (b)는 광섬유 패브리-페롯 간섭계에 있어서, 간섭계를 이루는 물질의 굴절률이 변하는 경우를 도시하였다. 즉, 도 1의 (b)는 상기 제 2 물질(130)의 굴절률 n1이 Δn만큼 증가하여 n1'이 되는 경우를 도시하였다.
상기 제 2 물질(130)의 굴절률이 외부의 어떠한 영향에 의하여 변하는 경우, 상기 제 2 막(112)에 의하여 형성되는 상기 제 2 반사파(R2)의 파장이 변화하게 되므로, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기 역시 변화하게 된다.
광섬유 패브리-페롯 간섭계는 상기 간섭파의 스펙트럼 주기 변화에 의하여, 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 이루는 상기 제 1 또는 제 2 물질에 대한 굴절률에 변화를 일으키는 외부의 영향을 감지할 수 있다.
이하, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리를 이용한 산소 감지 장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 광섬유 패브리-페롯 간섭계를 이용한 산소 감지 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 상기 산소 감지 장치(200)는 광원(210), 서큘레이터(circulator)(220), 헤더부(230), 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzerl; OSA)(240) 및 광섬유(250)를 포함할 수 있다.
상기 광원(210)은 백색광 또는 광대역 광(broadband light)을 발생시킬 수 있다. 상기 광원(210)에서 발생한 빛은 상기 서큘레이터(220)의 입력 포트로 조사될 수 있다. 또한, 상기 빛은 상기 서큘레이터(220)를 통하여 상기 헤더부(230)로 조사될 수 있다.
상기 광원(210)은 레이저 다이오드 또는 광대역 광원(Broad-Band Light Source)일 수 있다. 또는, 상기 광원(210)은 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Er-doped fiber amplifier; EDFA)일 수 있다.
상기 서큘레이터(220)는 제 1 내지 제 3 포트를 구비할 수 있다. 상기 서큘레이터(220)는 상기 제 1 포트로 입력된 빛을 상기 제 2 포트로 출력하고, 상기 제 2 포트로 입력된 빛을 상기 제 3 포트로 출력하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 서큘레이터(220)는 상기 제 1 포트로 입력되는 상기 광원(210)에서 형성된 빛을, 상기 제 2 포트에 연결된 상기 헤더부(230)로 출력하고, 상기 헤더부(230)에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 간섭파를, 상기 제 3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기(240)로 출력할 수 있다.
즉, 상기 서큘레이터(220)는 상기 광원(210), 상기 헤더부(230) 및 상기 광 스펙트럼 분석기(240) 사이에 위치하여, 상기 광원(210)에서 발생한 빛의 경로를 전환할 수 있다. 이때, 상기 서큘레이터(220)의 상기 제 1 포트는 상기 광원(210)과 연결되고, 상기 제 2 포트는 상기 헤더부(230)와 연결되며, 상기 제 3 포트는 상기 광 스펙트럼 분석기(240)와 연결될 수 있다.
상기 서큘레이터(220)는 상기 빛의 경로를 조절하기 위해 빛을 반사시키는 거울 또는 편광 조절 소자 등을 구비할 수 있다.
상기 헤더부(230)는 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성한다. 상기 헤더부(230)는 상기 광원(210)으로부터 조사된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 헤더부(230)는 산소를 감지하고 상기 간섭파를 형성하기 위한 감지 물질을 포함할 수 있다. 상기 감지 물질은 산소와 결합하여 유효 굴절률이 변화할 수 있다. 또한, 상기 간섭파는 상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 의하여 스펙트럼 주기가 변화할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 감지 물질은 헤모글로빈(hemoglobin), 미오글로빈(myoglobin), 금속 포르피린(metal-porphyrin) 등을 포함하는 글로빈류 중 하나일 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 헤더부(230)는 상기 간섭파를 형성하기 위하여 두 개의 막으로써 작용하는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 감지 물질은 상기 광원(210)으로부터 조사된 빛이, 상기 고분자 물질의 양 끝단을 두 개의 막으로 하여 반복적인 반사 및 투과 현상에 의해 임의의 스펙트럼 주기를 갖는 간섭파를 형성하도록 할 수 있다.
상기 헤더부(230)의 보다 구체적인 구성은 하기에서 도 3을 예로 들어 상세히 설명하기로 한다.
상기 광 스펙트럼 분석기(240)는 상기 간섭파의 파장 변화, 즉 스펙트럼 상의 주기 변화를 기초로 산소의 존재 여부를 판단한다. 즉, 상기 광 스펙트럼 분석기(240)는 상기 헤더부(230)에서 형성된 상기 간섭파의 파장의 변화로 인한 스펙트럼의 주기 변화 여부를 기초로 상기 산소의 존재 여부를 판단할 수 있다.
이를 위해, 상기 광 스펙트럼 분석기(240)는 상기 간섭파의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 상기 광 스펙트럼 분석기(240)는 상기 광 스펙트럼 분석기(240)로 입사되는 상기 간섭파를 수광기(예를 들어, 포토 다이오드 어레이 등)로 수광하고, 이를 전류로 전환하여 스펙트럼을 디스플레이 상에 표시할 수 있다. 상기 광 스펙트럼 분석기(240)에 의한 빛의 스펙트럼 상에는 상기 간섭파의 주기, 특정 위치에서의 파장, 파장 변화율 등을 포함할 수 있다.
상기 산소 감지 장치(200)를 구성하는 각 구성 요소들은 상기 광섬유(250)를 통해 연결될 수 있다. 또는, 상기 각 구성 요소들은 상기 광섬유(250)를 대신하여 평판 광 도파로를 통해 연결될 수 있다.
상기 광섬유(250)는 빛의 반사를 이용하여 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 상기 광섬유(250)는 상기 산소 감지 장치(200)를 구성하는 각 구성 요소들을 연결하고, 상기 광원(210)에서 형성된 빛이 상기 각 구성 요소들 간을 이동할 수 있도록 이동 경로를 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 광섬유(250)는 상기 광원(210)에서 형성된 빛이 상기 서큘레이터(220)를 통하여 상기 헤더부(230)로 조사되고, 상기 헤더부(230)에서 형성된 간섭파가 상기 서큘레이터(220)를 통하여 상기 광 스펙트럼 분석기(240)로 조사될 수 있도록 할 수 있다.
상기 광섬유(250)는 에너지 손실 없이 빛을 이동시키기 위하여, 빛의 전반사를 유도하는 코어(core) 및 클래딩(cladding)으로 구성될 수 있다.
상기 광섬유(250)는 페룰(ferrule)에 의해 지지 될 수 있다. 상기 광섬유(250)는 상기 페룰에 삽입되어 하나의 조립체를 이룰 수 있다. 상기 페룰은 상기 광섬유를 지지하기 위하여, 상기 광섬유의 측면을 둘러쌀 수 있다. 상기 광섬유(250)는 상기 페룰에 의해 지지가 되어, 각 구성 요소의 정확한 위치로 빛의 조사를 유지할 수 있다.
도 2에 도시한 산소 감지 장치(200)의 구성 요소가 모두 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 2에 도시한 구성 요소보다 많거나 적은 구성 요소에 의해 산소 감지 장치(200)가 구현될 수 있다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 헤더부의 상세한 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 헤더부(230)는 광섬유(250), 고분자 물질(231) 및 감지 물질(232)을 포함할 수 있다.
상기 광섬유(250)는 전반사를 이용하여 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 즉, 상기 광섬유(250)는 상기 광원(210)에서 발생한 빛을 상기 헤더부(230)로 조사되도록 이동 경로를 제공할 수 있다.
상기 헤더부(230)는 상기 광섬유(250)를 대신하여 평판 광 도파로를 이용하여 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공할 수 있다. 상기 광 도파로는 상기 광섬유(250)에 비하여 길이가 짧고 두께가 훨씬 가늘어 상기 헤더부(230) 및 상기 헤더부(230)를 포함하는 상기 가스 감지 장치(200)의 집약적(intensive) 구성이 가능하며, 상기 광원(210)에서 형성된 빛의 직경을 변화시키는데 유용할 수 있다.
상기 광섬유(250)는 에너지 손실 없이 빛을 상기 센서(130)로 조사하기 위하여, 빛의 전반사를 유도하는 코어(core) 및 클래딩(cladding)으로 구성될 수 있다.
상기 광섬유(250)는 페룰(ferrule)(251)에 의해 지지 될 수 있다. 상기 광섬유(250)는 상기 페룰에 삽입되어 하나의 조립체를 이룰 수 있다. 상기 광섬유(250)는 상기 페룰(251)에 의해 지지가 되어, 상기 헤더부(230)에 수직으로 빛이 조사되도록 할 수 있다.
상기 고분자 물질(231)은 상기 광원(210)에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자 물질(231)은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 할 수 있다. 즉, 상기 광섬유(250)와 연결되는 상기 고분자 물질(231)의 전단 및 상기 감지 물질(232)과 연결되는 상기 고분자 물질(231)의 후단은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 작용하여 굴절률의 변화에 따른 반복적인 반사 및 투과 작용을 일으킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 고분자 물질(231)은 상기 광섬유(250)(또는, 상기 페룰(251)을 포함)의 끝단에 도포 될 수 있다. 또한, 상기 고분자 물질(231)은 평면 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 반구 등의 곡면 형태로 도포 될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 고분자 물질(231)은 상온 또는 상기 산소 감지 장치(200)가 동작하는 온도에서 고체인 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 물질(231)은 폴리-다이메틸실록세인(poly-dimethylsiloxane; PDMS)일 수 있다.
상기 PDMS는 균질(homogeneous)하고, 등방성(isotropic)이며, 광학적으로 300nm의 두께까지는 투명한 성질을 가지므로, 상기 헤더부(230)가 패브리-페롯 간섭계로써 작용할 수 있는 두 막 사이의 물질로 적합할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 감지 물질(232)은 산소와의 결합에 의하여 유효 굴절률이 변화할 수 있다. 즉, 상기 감지 물질(232)은 산소와 화학 결합을 할 수 있고, 이에 따라 유효 굴절률이 변화할 수 있다.
상기 간섭파는 상기 감지 물질(232)의 굴절률 변화에 따라 스펙트럼 주기가 변화할 수 있다.
즉, 상기 감지 물질(232)의 nm 단위 두께를 고려하면, 간섭계의 물질로써 작용하는 상기 감지 물질(232)의 굴절률 변화는 상기 감지 물질(232) 및 외부 공기로 구성되는 간섭계의 막에 대한 유효 굴절률의 변화를 가져오고, 결과적으로 상기 간섭파의 스펙트럼 변화를 가져올 수 있다.
상기 산소 감지 장치(100)는 이러한 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 기초로 산소 존재 여부를 판단할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 감지 물질(232)은 헤모글로빈(hemoglobin), 미오글로빈(myoglobin), 금속 포르피린(metal-porphyrin) 등을 포함하는 글로빈류 중 하나일 수 있다.
헤모글로빈은 알파, 베타 체인을 각각 두 개씩 갖고, 그 안에 페로프로토포르피린(Fe-protoporphyrin) 구조를 갖는 색소 부분인 헴(heme)이 있다. 헴의 중앙에 존재하는 철(Fe)은 네 개의 피롤 고리(pyrrole ring)에 존재하는 질소(N)와 결합한다. 또한, 철은 외부의 산소 분자와 결합하면서 상기 피롤 고리의 각도를 회전시킨다. 헤모글로빈은 이러한 구조 변형으로 산소와의 결합력이 증가하는, 이른바 배위 결합(coordination bond)을 한다.
이러한 헤모글로빈의 결합은 산소와 흡착 및 탈착을 자유롭게 하며, 주변 산소의 농도에 따라 굴절률을 변화시키는 광학적인 특성을 갖는 원인이 된다. 따라서, 상기 헤모글로빈은 상기 감지 물질(232)로 사용됨으로써, 산소를 보다 효율적으로 감지할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 감지 물질(232)은 상기 고분자 물질(231)의 표면에 코팅될 수 있다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 상기 산소 감지 장치(200)는 빛을 형성한다(S410).
상기 산소 감지 장치(200)는 상기 광원(210)을 이용하여 빛을 형성할 수 있다.
그 다음, 상기 산소 감지 장치(200)는 간섭파를 형성한다(S420).
상기 산소 감지 장치(200)는 상기 헤더부(230)를 통해 상기 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성할 수 있다.
상기 산소 감지 장치(200)는 상기 헤더부(230)에 포함된 상기 고분자 물질(231) 및 상기 감지 물질(232)을 통하여 상기 간섭파를 형성할 수 있다.
상기 고분자 물질(231)은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 할 수 있다. 즉, 상기 광섬유(250)와 연결되는 상기 고분자 물질(231)의 전단 및 상기 감지 물질(232)과 연결되는 상기 고분자 물질(231)의 후단은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 작용하여 굴절률의 변화에 따른 반복적인 반사 및 투과 작용을 일으킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 고분자 물질(231)은 상기 광섬유(250)(또는, 상기 페룰(251)을 포함)의 끝단에 도포 될 수 있다. 또한, 상기 고분자 물질(231)은 평면 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 반구 등의 곡면 형태로 도포 될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 고분자 물질(231)은 상온 또는 상기 산소 감지 장치(200)가 동작하는 온도에서 고체인 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 물질(231)은 폴리-다이메틸실록세인(poly-dimethylsiloxane; PDMS)일 수 있다.
상기 감지 물질(232)은 상기 광원(210)에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성할 수 있다. 즉, 상기 고분자 물질(231)과 연결되는 상기 감지 물질(232)의 전단은 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 막으로써 작용하여 간섭파를 형성할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 감지 물질(232)은 헤모글로빈(hemoglobin), 미오글로빈(myoglobin), 금속 포르피린(metal-porphyrin) 등을 포함하는 글로빈류 중 하나일 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따르면, 상기 감지 물질(232)은 산소와의 결합에 의하여 유효 굴절률이 변화할 수 있다(S430).
즉, 상기 감지 물질(232)은 산소와 화학 결합을 할 수 있고, 이에 따라 유효 굴절률이 변화할 수 있다.
상기 간섭파는 상기 감지 물질(232)의 유효 굴절률 변화에 따라 스펙트럼 주기가 변화할 수 있다.
마지막으로, 상기 산소 감지 장치(200)는 상기 간섭파의 스펙트럼 주기 변화를 기초로 산소의 존재 여부를 판단한다(S440).
상기 산소 감지 장치(200)는 상기 광 스펙트럼 분석기(240)를 이용하여 상기 간섭파의 스펙트럼 주기를 분석하고 산소의 존재 여부를 판단할 수 있다.
상기 산소 감지 장치(200)는 상기 감지 물질(232)이 상기 산소와 결합하여 유효 굴절률이 변화함으로써, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기가 변화하였는지 분석할 수 있다. 즉, 상기 산소 감지 장치(200)는 상기 감지 물질(232)의 유효 굴절률 변화로 파장이 변화하여, 상기 간섭파의 스펙트럼 주기에 변화가 발생하였는지 판단할 수 있다.
상기 간섭파의 스펙트럼 주기가 상기 산소가 존재하지 않을 때와 비교하여 변화한 경우, 상기 산소 감지 장치(200)는 공기 중에 산소가 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치(200)를 이용하여 산소를 감지한 결과를 분석하여 설명한다.
이하의 결과는 산소를 감지하기 위해 고분자 물질로 PDMS를 사용하고, 감지 물질로 헤모글로빈을 사용하여 감지한 결과를 분석하여 얻은 것이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 헤더부의 광학 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 산소를 감지하기 위한 헤모글로빈이 코팅된 상기 헤더부(230)의 광학 현미경 이미지가 도시되어 있다.
고분자 물질로 PDMS가 상기 광섬유의 단면에 반구 형상으로 도포 되었다. 본 명세서에 개시된 실시 예에서, 반구 형상을 가진 PDMS의 두께(반구 형태의 중심 부분 두께)는 640㎛이다.
또한, 상기 헤모글로빈은 상기 감지 물질(232)로 사용되기 위해, 증류수에 0.1wt%로 희석되고, 상기 PDMS의 표면에 코팅된 후에, 질소 내에서 상온 건조되었다.
도 6은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 반사된 간섭파의 스펙트럼 주기성 변화를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 개시된 실시 예에서, 저농도 산소에 대한 반응성 및 스펙트럼 주기 변화 결과를 확인하기 위해, 질소로 희석된 100ppm 농도의 표준 산소 가스 및 순수 질소 가스를 사용하였다.
이때, 산소 가스 및 질소 가스를 배출관에 유량 제어 장치(Mass Flow Controller; MFC)가 장착된 가스통에 각각 담고, MFC의 제어에 의해 두 가스가 혼합되어 산소 농도를 조절할 수 있게 하였다. 두 가스는 충분히 혼합될 수 있도록 1미터 길이의 관을 지나 상기 산소 감지 장치(200)의 상기 헤더부(230)에 이르게 하였다.
MFC에 의해 제어된 저농도 산소는 50ppm, 30ppm, 20ppm, 10ppm이고, 전체적인 가스의 흐름은 200sccm이 되도록 하였다.
도 6을 참조하면, 산소와 순수 질소를 번갈아 유입하면서 시간에 따른 스펙트럼 피크 값의 변화를 각 산소 농도에 따라 그래프로 나타내었다.
그래프를 참조하면, 산소 농도에 무관하게 산소가 유입되어 농도가 높아짐에 따라, 간섭파의 파장이 장파장으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 반대로, 질소의 유입으로 산소 농도가 낮아짐에 따라, 간섭파의 파장은 단파장으로 이동한다.
이는 감지 물질로 사용된 헤모글로빈이 유입된 산소와 결합하거나 또는 산소의 유출에 의해 결합이 끊어지면서 유효 굴절률이 변함으로써, 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 따라 간섭파의 파장이 변화하기 때문이다.
따라서, 상기 산소 감지 장치는, 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 기초로 산소가 존재하는 것을 감지할 수 있다.
또한, 도 6의 그래프가 산소의 유입/유출에 따른 파장의 변화가 급격하게 나타나는 것을 통해, 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치가 산소에 대한 매우 빠른 반응 속도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 산소 농도 변화에 따른 스펙트럼 변화를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 산소 농도가 50ppm으로 증가하는 동안, 간섭파의 강도(intensity) 곡선 변화를 확인할 수 있다. 이에 따르면, 산소 농도가 증가하는 동안, 간섭파의 파장은 약 1545.61nm에서 1545.68nm로 0.7nm의 파장이 이동한 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치에 있어서 산소 농도 변화에 따른 간섭파의 스펙트럼 주기성 변화량을 하나의 그래프로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 산소 농도가 높아질수록 간섭파의 파장 이동량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 산소 농도가 높을수록 상기 감지 물질이 더 많은 산소와 결합하여 굴절률이 크게 변하고, 이에 따라 간섭파의 파장 또한 많이 이동한다는 것을 나타낸다.
산소 농도가 10ppm인 경우, 간섭파의 파장은 약 0.005nm 이동하였으며, 산소 농도 10ppm을 상기 광 스펙트럼 분석기를 통해 파장 이동의 구분이 확연하게 나타날 수 있는 최소 측정 한계로 판단할 수 있다.
10ppm 보다 저농도의 산소를 이용하여 장치 성능을 분석할 경우, 이보다 낮은 최소 측정 한계를 확인할 수도 있을 것이다. 이는 기존의 산소 감지 장치와 비교하여 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 산소 감지 장치가 산소에 대한 매우 높은 민감도를 갖는다는 것을 보여준다.
또한, 이러한 산소 감지는, 산소와 가역 결합을 하는 헤모글로빈을 감지 물질로 사용하여 산소의 소모 없이 산소의 존재 여부를 측정할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석 되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 산소 감지 장치 110: 광원
120: 서큘레이터 130: 헤더부
140: 광 스펙트럼 분석기
120: 서큘레이터 130: 헤더부
140: 광 스펙트럼 분석기
Claims (10)
- 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 헤더부; 및
상기 간섭파의 스펙트럼 주기 변화 여부를 기초로 산소의 존재 여부를 판단하는 광 스펙트럼 분석기를 포함하되,
상기 헤더부는,
빛의 전반사를 이용하여 상기 광원에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 또는 광 도파로;
상기 광섬유 또는 광 도파로의 끝단에 도포 되어 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 하는 고분자 물질; 및
상기 고분자 물질의 표면에 코팅되고 상기 산소와의 결합에 의하여 유효 굴절률이 변화하는 감지 물질을 포함하고,
상기 간섭파는,
상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 상기 스펙트럼 주기가 변화하는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 감지 물질은,
헤모글로빈, 미오글로빈, 금속 포르피린을 포함하는 글로빈류 중 하나인 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치. - 제1항에 있어서,
제 1 포트로 입력되는 상기 광원에서 형성된 빛을, 제 2 포트에 연결된 상기 헤더부로 출력하고, 상기 헤더부에서 형성되어 상기 제 2 포트로 입력되는 상기 간섭파를, 제 3 포트에 연결된 상기 광 스펙트럼 분석기로 출력하는 서큘레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치. - 제1항에 있어서,
산소와 가역 결합을 하는 헤모글로빈을 감지 물질로 사용하여 산소의 소모 없이 산소의 존재 여부를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 고분자 물질은,
폴리-다이메틸실록세인(poly-dimethylsiloxane; PDMS)을 포함하는 상온 또는 동작 온도에서 고체인 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치. - 제1항에 있어서, 상기 고분자 물질은,
평면 또는 반구를 포함하는 곡면 형태로 도포 되는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치. - 산소를 검출하는 산소 감지 장치의 헤더부에 있어서,
빛의 전반사를 이용하여 광원에서 형성된 빛의 이동 경로를 제공하는 광섬유 또는 광 도파로;
상기 광섬유 또는 광 도파로의 끝단에 도포 되어 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 두 막으로써 기능 하는 고분자 물질; 및
상기 고분자 물질의 표면에 코팅되고, 상기 광섬유 또는 광 도파로를 통해 입사된 상기 광원에서 형성된 빛에 대하여 광섬유 패브리-페롯 간섭계의 원리에 의한 간섭파를 형성하는 감지 물질을 포함하되,
상기 감지 물질은,
상기 산소와 결합하여 유효 굴절률이 변화하고,
상기 간섭파는,
상기 감지 물질의 유효 굴절률 변화에 따라 스펙트럼 주기가 변화하는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치의 헤더부. - 제7항에 있어서, 상기 감지 물질은,
헤모글로빈, 미오글로빈, 금속 포르피린을 포함하는 글로빈류 중 하나인 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치의 헤더부. - 제7항에 있어서, 상기 고분자 물질은,
폴리-다이메틸실록세인(poly-dimethylsiloxane; PDMS)을 포함하는 상온 또는 동작 온도에서 고체인 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치의 헤더부. - 제7항에 있어서, 상기 고분자 물질은,
평면 또는 반구를 포함하는 곡면 형태로 도포 되는 것을 특징으로 하는 산소 감지 장치의 헤더부.
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