KR101374719B1 - 광 전력 전송을 위한 광 트랜시버 모듈과 그 제조 방법 및 이를 이용한 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 광 전력과 센서 신호 동시 전송을 가능하게 하는 비대칭 구조의 광 트랜시버 모듈을 이용하여 센서 시스템을 구성하며, 비대칭 구조의 광 트랜시버 모듈은 저가 대량 생산에 적합하며 고 정밀도가 가능한 초정밀 기계가공 및 임프린트 기법에 의해 제조한다. 또한, 저손실 고효율의 광 전력 전송을 위하여 자동 광 연결 및 정렬 기술을 사용하며, 집적형 광 전력 분배 소자를 이용하여 다중 센서 시스템을 제공한다.

Description

광 전력 전송을 위한 광 트랜시버 모듈과 그 제조 방법 및 이를 이용한 센서 시스템{Transceiver module for optical power transmission, fabrication method thereof and sensor system using the same}
본 발명은 광 전력 전송을 위한 광 트랜시버 모듈과 그 제조 방법 및 이를 이용한 센서 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 광 전력 전송 및 센서 신호의 동시 전송을 위한 광 트랜시버 모듈과 그 제조 방법 및 이를 이용하여 별도의 전원 없이 광전송로를 통해 센서 구동을 위한 광 전력을 효율적으로 공급함과 동시에 센싱된 신호를 광전송로를 통하여 고속 전송할 수 있는 센서 시스템에 관한 것이다.
통상의 센서 시스템에서는 각 센서를 구동하기 위하여 전기 에너지 기반의 전력 공급이 이루어진다. 이를 위해서는 전원이 고압측 센서부에 공급되어야 하고, 문제 발생 시에는 활선 상태에서 작업이 필요하며, 전선을 타고 누설 전류가 흘러 예기치 않은 사고가 발생할 수 있어, 발전소 및 변전소 등과 같은 곳에서는 전기 에너지 기반 센서 설치에는 제약이 있다.
또한, 항공기, 선박 등의 연료 탱크 등과 같이 전기적 스파크 등에 의한 폭발 등과 같은 치명적 사고 원인이 일어날 수 있는 곳에서도 전기 에너지 전력 공급에 의한 센서 및 제어 소자의 설치에 제약이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 전자기 유도 커플링 원리를 이용한 무선 전력 전송 기술을 통해 센서 소자에 에너지 공급을 하기 위한 연구와 FBG(Fiber Bragg Grating)와 같은 광센서 기반의 센서들에 관한 연구가 최근 진행되고 있다. 하지만, 이러한 무선 전력 전송의 경우, 거리상의 제약, 낮은 효율, 집적화의 제약 등의 문제점을 지니고 있다. 또한, FBG와 같은 광센서의 경우는 응답속도가 매우 빠르며, EMI/EMC 등의 전기적 noise가 없으나, 가격이 고가이며 외부적 환경 등의 영향이 커 신뢰성에 있어 문제점을 지니고 있다.
이를 해결하기 위해 광섬유를 통한 광 전력 전송기술 기반의 센서 시스템의 적용이 이루어지고 있다. 광섬유를 통한 광 전력 전송기반에 의한 센서 시스템의 적용에 있어서 문제점은 광 전력을 전송하기 위한 광섬유와 센서신호를 전송하기 위한 광섬유가 각각 요구되어 배선작업량이 많을 뿐 아니라 장소 또한 많이 차지하게 되므로 센서 시스템의 유지, 관리 보수가 힘들게 되고, 센서 시스템을 집적화하기 어려운 문제점을 지닌다. 또한 다중 센서 시스템의 적용을 위해서는 각각의 센서 시스템에 광 전력을 전송하기 위한 송신단 플랫폼이 센서의 개수만큼 필요하나 비용, 효율 및 부피 면에서 제약이 따르므로 이의 해소방안이 요구된다.
광 전력 전송 기반의 센서 시스템의 효율적인 성능 유지를 위해서는 광원에서의 광 전력을 극대화하여야 하며, 센서 시스템에서의 광 전력의 손실은 최소화하여야 한다. 이를 위해서는 대구경의 광섬유를 이용하여 광원에서의 집광 효율을 높여 광 전력을 극대화하여야 하지만, 광 전력 전송 및 센서 신호 동시 전송을 위한 양방향 광 트랜시버 모듈과 광 전력 분배 모듈은 대부분 공정이 복잡하고 고가인 반도체 공정 기반으로 이루어지고 있다. 반도체 공정 기반의 광 모듈의 제작은 공정의 한계로 인해 광 전력 전송을 위한 대구경의 채널 제작이 힘들어 이와 관련하여 광 전력 전송을 위한 광 모듈의 새로운 제조 공정이 요구된다. 또한, 광 전력 전송에 의한 센서 시스템에 있어 광전송 손실 및 삽입 손실에 의한 광 전력의 효율 저하가 문제시되므로 고효율, 저손실 광 연결 및 정렬 방법이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 효율적인 광 전력 및 센서 신호 동시 전송을 위한 집적형 양방향 광 트랜시버 모듈과 그 제조방법 및 이를 이용한 센서 시스템을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
본 발명의 다른 과제는 광 전력 전송 기반 센서 시스템에서 사용될 수 있는 광 전력 분배 모듈의 구조와 이를 이용한 광 전력 전송 기반 센서 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 저손실, 고효율의 광전력 전송을 위해 광원과 광모듈, 광모듈와 광섬유간의 광 연결 및 정렬 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 광 전력과 센서 신호 동시 전송을 가능하게 하는 비대칭 구조의 광 트랜시버 모듈을 이용하여 센서 시스템을 구성하며, 비대칭 구조의 광 트랜시버 모듈은 저가 대량 생산에 적합하며 고 정밀도가 가능한 초정밀 기계가공 및 임프린트 기법에 의해 제조한다. 또한, 저손실 고효율의 광 전력 전송을 위하여 자동 광 연결 및 정렬 기술을 사용하며, 집적형 광 전력 분배 소자를 이용하여 다중 센서 시스템을 제공한다.
본 발명의 일면에 따른 양방향 광 트랜시버 모듈은, 광 전력 전송에 의한 센서 시스템의 송신단 플랫폼에서 사용되는 양방향 광 트랜시버 모듈로서, 광원과 연결되어 상기 광원으로부터의 광 전력이 전달되는 제1 분기채널; 포토다이오드와 연결되어 상기 포토다이오드로 광 신호를 전달하는 제2 분기채널; 및 상기 제1 및 제2 분기채널과 연결되어 있는 단일채널로 구성된다.
여기에서, 상기 제1 및 제2 분기채널은 광섬유 직경과 대응되는 1mm 직경인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 면에 따른 양방향 광 트랜시버 모듈은, 광 전력 전송에 의한 센서 시스템의 수신단 플랫폼에서 사용되는 양방향 광 트랜시버 모듈로서, 광전 컨버터와 연결되어 광 전력을 상기 광전 컨버터로 전달하는 제1 분기채널; 레이저다이오드와 연결되어 상기 레이저다이오드로부터의 광 신호를 전달하는 제2 분기채널; 및 상기 제1 및 제2 분기채널과 연결되어 있는 단일채널로 구성된다.
여기에서, 상기 제1 분기채널은 광섬유 직경과 대응되는 1mm 직경이며, 상기 제2 분기채널은 80um 직경일 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 광 전력 전송에 의한 센서 시스템은 상기한 송신단 양방향 광 트랜시버 모듈을 포함하는 송신단 플랫폼과 수신단 양방향 광 트랜시버 모듈을 포함하는 수신단 플랫폼; 및 상기 송신단 및 수신단 플랫폼을 연결하는 광섬유를 포함하여 구성된다.
본 발명의 광 전력 전송에 의한 센서 시스템은 상기 송신단 플랫폼에 연결되어 있으며 Y 분기 형태의 대칭적 구조를 갖는 광 전력 분배 소자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 따르면, 초정밀 기계 가공에 의한 코어 패턴 형성을 통해 원형 금속 마스터를 제작하는 단계; 상기 원형 금속 마스터의 복제 주조에 의하여 PDMS (Polydimethylsiloxane) 고분자 스탬프를 제작하는 단계; UV 임프린트 기법을 이용하여 하부 클래드 패턴을 형성하는 단계; 상기 하부 클래드 패턴의 하부 클래드 채널 상에 광섬유를 삽입함으로써 광 섬유를 정렬하는 단계; 상기 하부 클래드 패턴에 코어 물질을 떨어뜨려 코어를 충진하는 단계; 및 상부 클래드층을 적층하고 UV 경화를 실시하는 단계를 포함하는 양방향 광 트랜시버 모듈의 제조방법이 제공된다.
상기 원형 금속 마스터를 제작하는 단계에서는, 송신단 광 트랜시버 모듈인 경우 곡률 가공이 가능한 엔드밀 초정밀 기계 가공을 통해 상기 원형 금속 마스터를 제작하고, 수신단 광 트랜시버 모듈인 경우 다이아몬드 컷팅 공구를 이용한 초정밀 기계 가공을 통해 상기 원형 금속 마스터를 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 한 가닥의 광섬유를 통하여 광 전력 전송뿐만 아니라 센서 신호를 동시에 전송할 수 있는 플랫폼 구조로 되어 있어 광섬유 배선을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 센서 시스템을 집적화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 광 전력 분배 모듈을 이용하면 각각의 센서에 제공되는 광 전력 송신을 위한 플랫폼 수를 줄일 수 있어 센서 시스템의 크기와 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 광 전력 전송을 위한 모듈은 초정밀 기계가공에 의해 마스터를 제작하고, 저가, 대량 생산에 적합한 임프린트 기법에 의하여 모듈을 제작함으로써 제조될 수 있으므로, 종래의 고온 및 복잡한 제작공정인 포토리소그래피 및 이온 에칭에 의한 제조 방법을 대체할 수 있어 광 전력 기반의 센서 시스템의 가격을 획기적으로 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에서는 광섬유가 모듈들의 채널에 삽입되는 방식을 통해 자동 광 정렬 방식을 유도하여 저손실의 광 전력 전송이 가능하므로 고효율의 광 전력 기반 센서 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 전력 및 센서 신호 동시 전송이 가능한 광 전력 전송 기반 센서 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a와 도 2b는 단일 광섬유를 통한 광 전력 및 센서 신호 동시 전송에 의한 센서 시스템의 광 에너지를 제공하기 위한 송신단 플랫폼과 수신단 플랫폼에서의 양방향 광 트랜시버 모듈의 구조를 각각 나타낸다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 송신단 플랫폼에서의 광 트랜시버 모듈의 광속 전파법에 의한 시뮬레이션 결과와 수신단 플랫폼에서의 양방향 광 트랜시버 모듈 시뮬레이션 결과를 각각 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 광 트랜시버 모듈의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5a와 도 5b는 초정밀 기계가공을 통해 제작된 송신단 플랫폼과 수신단 플랫폼의 광 트랜시버 모듈용 금속 마스터의 이미지를 나타낸다.
도 6a는 수신단의 3차원 비대칭 구조에 의한 양방향 광 트랜시버 모듈 제작을 위한 고분자 PDMS 스탬프의 단면 이미지와 SEM 이미지를 나타낸다.
도 6b는 수신단의 3차원 비대칭 구조에 의한 양방향 광 트랜시버 모듈 제작을 위한 UV 임프린트된 하부 클래드 패턴의 단면 이미지를 나타낸다.
도 6c는 제작 완료된 수신단의 광 트랜시버 모듈을 나타낸다.
도 6d는 송신단의 광 트랜시버 모듈의 이미지이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 전력 전송 기반 다중 센서 시스템의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 따른 광 연결 방법을 순차적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 광 전력 전송을 위한 송수신기와 그 제조 방법 및 이를 이용한 센서 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
광 전력 전송 방식은 레이저 다이오드와 같은 인위적인 광원에서의 빛 에너지를 광섬유를 이용하여 마이크로 프로세서를 구동하기 위한 에너지 공급원으로 사용하는 차세대 저전력 동력 시스템이다. 이러한 광전력 전송 방식은 최근에 저전력으로 사용할 수 있는 마이크로 IC 센서 및 전자기기들의 개발들을 통해 각광 받고 있는 기술이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 전력 및 센서 신호 동시 전송이 가능한 광 전력 전송 기반 센서 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광 전력 전송 기반 센서 시스템은, 크게 광 전력을 공급하는 송신단 플랫폼(100)과 센서를 포함하는 수신단 플랫폼(200) 및 송신단 플랫폼(100)과 수신단 플랫폼(200)을 연결하는 광 섬유(300)를 포함하여 이루어진다.
송신단 플랫폼(100)은 광 에너지를 발생시키는 광원(130), 광원의 발열 제어를 위한 히트싱크(140), 센서로부터 전달되는 광 신호를 검출하는 포토다이오드(120), 광원(130)과 포토다이오드(120)를 구동하기 위한 구동보드(150), 및 광 전력을 전송하고 광 신호를 수신하는 양방향 광 트랜시버 모듈(110)을 포함한다.
이 때, 광원(130)으로는 레이저 다이오드(LD)나 발광 다이오드(LED) 등이 사용될 수 있다.
수신단 플랫폼(200)은 센서(260), 수신된 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 컨버터(220), 변환된 전력을 저장하는 커패시터(240), 저장된 전력을 이용하여 센서(260)를 가동하는 마이크로프로세서(250), 센서(260)에 의해 검출된 정보를 전송하는 레이저 다이오드(230), 및 광 전력을 수신하고 센서에 의해 검출된 정보를 송신하는 양방향 광 트랜시버 모듈(210)을 포함한다.
광전 컨버터(220)는 광섬유(300)를 통해 수신된 광 에너지를 전기 에너지로 변환시 전송 효율성을 높이기 위하여 사용된 레이저 파장들에 가장 효율적으로 반응하도록 구성되며, 커패시터(240)로는 수퍼커패시터를 사용할 수 있다.
도 1에 나타난 바와 같은 센서 시스템에서, 송신단 플랫폼(100)의 광원(130)이 구동되어 광이 방출되면, 송신단 플랫폼(100)의 양방향 광 트랜시버 모듈(110)을 통해 대구경 광섬유(300)로 광 전력이 전달되어 수신단 플랫폼(200)의 양방향 광 트랜시버 모듈(210)을 통해 수신단 플랫폼(200)의 광전 컨버터(220)에 의해 전기 에너지로 변환되어 커패시터(240)에 충전된다.
다음, 커패시터(240)에 충전된 전력을 이용하여 마이크로프로세서(250)가 센서(260)를 가동시키면, 센서(260)에 의해 검출된 신호가 처리되어 레이저 다이오드(230)에 의해 광 신호로 방출되고 수신단 플랫폼(200)의 양방향 광 트랜시버 모듈(210)을 통해 광섬유(300)로 전달된다.
광섬유(300)를 통해 전달된 광 신호는 송신단 플랫폼(100)의 양방향 광 트랜시버 모듈(110)을 통해 수신되어 포토다이오드(120)에 의해 검출된다.
도 2a와 도 2b는 단일 광섬유를 통한 광 전력 및 센서 신호 동시 전송에 의한 센서 시스템의 광 에너지를 제공하기 위한 송신단 플랫폼과 수신단 플랫폼에서의 양방향 광 트랜시버 모듈의 구조를 각각 나타낸다.
도 2a에 나타난 바와 같이, 송신단 플랫폼(100)의 양방향 광 트랜시버 모듈(110)은 직경이 1mm인 비대칭 형태를 가지는 두 개의 대구경 채널(Ch.1, Ch.2)로 분기된 구조로 이루어져, 광 모듈 내의 누설 광 전력을 최소화하고 감지된 센서 신호의 감도를 높이도록 형성된다.
광원(130)에서의 광 에너지는 Ch.2를 통하여 광 전력 전송로인 광섬유(300)로 전달되며 센서 신호는 Ch.1을 통하여 포토다이오드(Pin-PD)(120)의 수신부로 전달되는 구조로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 송신단 플랫폼에서의 광 트랜시버 모듈의 광속 전파법에 의한 시뮬레이션 결과가 도 3a에 나타나 있다.
수신단 플랫폼(200)에서의 양방향 광 트랜시버 모듈(210)은, 도 2b에 나타난 바와 같이, 광 전력을 극대화하기 위해 광섬유 직경인 980um보다 20um 큰 1mm의 Ch.1 채널과 센싱된 정보를 전송하기 위한 80um의 Ch.2 로 분기되는 3차원 비대칭 형태의 구조로 이루어져 역방향 진행시(광전력 전송방향)시 손실을 최소화할 수 있는 구조로 이루어진다.
수신단 플랫폼에서의 양방향 광 트랜시버 모듈 시뮬레이션 결과를 도 3b에 나타내었다.
도 3b에 나타난 바와 같이, 광 전력 전송라인에서 650nm파장, 1mm의 코어, 코어와 클래드의 굴절율이 각각 1.49, 1.42인 시스템인 경우(Mode수: 1380)에 광 전력이 약 95% 이상이 전송되는 것을 알 수 있으며, Ch.2의 경우의 직경은 80um 이상에서 광 전력이 증가함에 따라 Ch.2의 직경을 80um으로 설정하였다. 또한, 센서신호 전송라인의 경우에는 99%이상의 센서 신호가 감쇠 없이 전송됨을 알 수 있다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 임프린트 기술을 이용한 양방향 광 트랜시버 모듈의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 광 트랜시버 모듈의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 먼저 송신단 및 수신단의 광 트랜시버 모듈의 구조를 각각 설계하고(S410), 이러한 구조에 따라 초정밀 기계 가공에 의한 코어 패턴 형성을 통해 원형 금속 마스터를 제작한다(S420).
이때, 원형 금속 마스터의 제작은 송신단 광 트랜시버 모듈의 경우 핸드밀 기계가공에 의해 제작하며, 수신단 광 트랜시버 모듈의 경우에는 다이아몬드 컷팅공구를 이용한 기계 가공에 의해 제작한다.
다음은, 제작된 금속 마스터의 복제 주조에 의해 PDMS (Polydimethylsiloxane) 고분자 스탬프를 제작하고(S430), UV 임프린트 기법을 이용하여 하부 클래드 패턴을 형성한다(S440).
하부 클래드 채널 상에 광섬유를 삽입함으로써 광 섬유를 정렬하고(S450), 코어 충진을 통해 코어층을 형성하며(S460), 코어 물질의 UV 경화를 통한 상부 클래드 적층 및 잔류층 제어 단계(S470)를 거쳐 광 트랜시버 모듈을 제조한다.
도 5a와 도 5b는 초정밀 기계가공을 통해 제작된 송신단 플랫폼과 수신단 플랫폼의 광 트랜시버 모듈용 금속 마스터의 이미지를 나타낸 것이다.
도 5a에 나타난 바와 같이, 송신단 플랫폼의 광 트랜시버 모듈의 금속 원형 마스터는 곡률 가공이 가능한 엔드밀 초정밀 기계가공을 통해서 제작되며, 도 5b에나타난 바와 같이, 수신단 플랫폼의 광 트랜시버 모듈의 금속 원형 마스터는 다이아몬드 컷팅 공구를 이용한 초정밀 기계가공을 통해 제작된다.
광 전력 에너지의 극대화 및 센서 신호의 효율적인 전송을 위해서는 광 채널에서의 표면조도에 의한 산란 손실이 제어되어야 한다. 임프린트를 통한 광전력 및 센서 신호 전송을 위한 고분자 기반의 광 트랜시버 모듈의 제작에 있어 표면조도에 의한 산란손실은 금속 마스터의 표면조도에 의존하게 된다.
다이아몬드 컷팅 공구를 이용한 초정밀 기계가공에 의한 수신단의 양방향 트랜시버 모듈의 경우는 표면조도가 10nm 이하로 제어가 가능하다.
그러나, 엔드밀 기계가공에 의한 송신단 플랫폼용 양방향 트랜시버 모듈의 코어 채널 패턴 가공시에는 엔드밀 가공에 의해 바닥면에 엔드밀의 가공 흔적에 의한 표면조도가 2um 수준으로 매우 거칠게 되어 효율적인 광 전송 및 센서 신호의 전송이 힘들게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 엔드밀 가공에 의한 송신단 플랫폼용 양방향 트랜시버 모듈의 금속 마스터의 제작에 있어 코어부의 치수(1mm)를 지닌 금속 박판에 300um 직경의 엔드밀 가공을 수행하여 코어패턴의 구멍을 뚫는 방법을 통해 금속 마스터를 제작한다. 이러한 방식을 통해 제작된 금속 마스터 바닥면을 표면조도가 10nm 이하인 시트지로 덮어 임프린트용 고분자 PDMS 스탬프의 표면조도를 제어한다.
수신단 플랫폼에서의 광 트랜시버 모듈의 경우는 1mm의 다이아몬드 컷팅 공구를 이용하여 대구경의 채널과 100um의 다이아몬드 컷팅 공구를 이용하여 100um의채널이 초정밀 가공된다.
도 5a와 도 5b에 나타난 바와 같이 초정밀 기계가공을 통해 제작된 송신단과 수신단 플랫폼의 광 트랜시버 모듈의 금속 마스터를 이용하여 복제 주조에 의한 고분자 PDMS 스탬프가 제작된다.
도 6a는 수신단의 3차원 비대칭 구조에 의한 양방향 광 트랜시버 모듈 제작을 위한 고분자 PDMS 스탬프의 단면 이미지와 SEM 이미지를 나타낸다.
이제, 제작된 고분자 PDMS 스탬프를 이용하여 UV 임프린트를 통한 하부 클래드층을 제작한 후 코어물질을 미세 기포가 발생하지 않도록 기울기를 주고 떨어뜨린 후 코어를 충진한다. 이후 상부클래드로 사용할 200um 두께의 PMMA 시트를 이용하여 코어층을 덮고, 코어부의 잔류층 제어를 위해 50도의 온도에서 20bar의 압력으로 가압하여 잔류층이 존재하지 않게 한 후, UV 경화를 통해 광전력 전송용 광모듈이 제작된다.
도 6b는 수신단의 3차원 비대칭 구조에 의한 양방향 광 트랜시버 모듈 제작을 위한 UV 임프린트된 하부 클래드 패턴의 단면 이미지를 나타내고, 도 6c는 제작 완료된 수신단의 광 트랜시버 모듈을 나타낸다.
도 6d는 송신단의 광 트랜시버 모듈의 이미지이다.
이제 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 전력 분배 모듈에 의한 광 전력 전송 기반 다중 센서 시스템에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 전력 전송 기반 다중 센서 시스템의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다. 도 7에 나타난 본 발명의 다른 실시예에서는 광 전력 분배 모듈을 이용하여 다중 센서 시스템을 구성하며, 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 광 전력 및 센서 신호 동시 전송이 가능한 광 전력 전송 기반 센서 시스템과 유사한 구성요소를 포함한다.
도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 전력 전송 기반 다중 센서 시스템은, 송신단 플랫폼(700) 측에 광전력 분배 모듈(900)을 포함한다.
송신단 플랫폼(700) 측의 광전력 분배 모듈(900)은 Y 분기 형태의 대칭적 구조로 형성된다.
광원으로부터 나오는 광 에너지는 1채널을 통하여 입력되고 입력된 광 전력은 2,3 채널로 광 전력이 50:50으로 분배되고 2채널과 3채널에서의 광 전력은 각각 4,5채널과 6,7 채널로 광 전력이 다시 분배된다. 같은 방식으로 4,5,6,7 채널의 광 전력은 8,9,10,11,12,13,14,15 채널로 분배된다.
이러한 방식을 통해서 하나의 채널을 통해서 입력된 광 전력 에너지는 N개의 채널로 분배되어 다중 센서 시스템의 구동 전력으로 사용된다.
광전력 분배 모듈(900)의 경우는 분배 채널의 수에 따라 고출력 파워가 요구되므로 고효율 광 에너지를 집광하기 위해 1채널의 경우 테이퍼 채널 형태로 구성된다. 각각의 output 채널에서의 광 전력은 광섬유(300_1, 300_2, .., 300_n)를 통해 각각의 센서 시스템(800_1, 800_2, .., 800_n)으로 전송되어 센서 및 제어 전원으로 사용된다.
이제, 본 발명의 실시예에 따른 효율적 광전력 전송을 위한 광 연결 방법을 설명한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 따른 광 연결 방법을 순차적으로 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 광 연결 방법은 광섬유와 양방향 광 트랜시버 모듈 사이, 양방향 광 트랜시버 모듈과 광 전력 분배 모듈 사이에 사용될 수 있다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 하부 클래드층(810)의 패턴을 형성하고, 도 8b에나타난 바와 같이, 코어 물질을 떨어뜨려 코어(820)를 충진한다. 이때, 상술한 바와 같이, 미세 기포가 발생하지 않도록 기울기를 주고 코어물질을 떨어뜨리는 것이 바람직하다.
다음, 도 8c에 도시한 바와 같이, 광 트랜시버 모듈의 1mm의 채널에 광섬유(830)를 삽입한다.
마지막으로, 도 8d에 나타난 바와 같이, 상부 클래드로 사용할 200um 두께의 PMMA 시트(840)를 이용하여 코어층(820)을 덮고 UV 경화를 실시하면, 광섬유(830)의 자동 정렬이 이루어져 광 전력의 결합 효율을 높일 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (8)

  1. 광 전력 전송에 의한 센서 시스템의 송신단 플랫폼에서 사용되는 양방향 광 트랜시버 모듈로서,
    광원과 연결되어 상기 광원으로부터의 광 전력이 전달되는 제1 분기채널;
    포토다이오드와 연결되어 상기 포토다이오드로 광 신호를 전달하는 제2 분기채널; 및
    상기 제1 및 제2 분기채널과 연결되어 있는 단일채널로 구성되고,
    상기 제1 및 제2 분기채널은 광섬유 직경과 대응되는 직경이며 비대칭 형태인 양방향 광 트랜시버 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분기채널은 광섬유 직경과 대응되는 1mm 직경인 양방향 광 트랜시버 모듈.
  3. 광 전력 전송에 의한 센서 시스템의 수신단 플랫폼에서 사용되는 양방향 광 트랜시버 모듈로서,
    광전 컨버터와 연결되어 광 전력을 상기 광전 컨버터로 전달하는 제1 분기채널;
    레이저다이오드와 연결되어 상기 레이저다이오드로부터의 광 신호를 전달하는 제2 분기채널; 및
    상기 제1 및 제2 분기채널과 연결되어 있는 단일채널로 구성되고,
    상기 제1 분기채널은 광섬유 직경과 대응되는 직경이고 상기 제2 분기채널은 80um 이상 200um 이하의 직경이며 상기 제1 분기채널과 상기 제2 분기채널은 비대칭 형태인 양방향 광 트랜시버 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분기채널은 광섬유 직경과 대응되는 1mm 직경이며,
    상기 제2 분기채널은 80um 직경인 양방향 광 트랜시버 모듈.
  5. 제1항 또는 제2항의 양방향 광 트랜시버 모듈을 포함하는 송신단 플랫폼과 제3항 또는 제4항의 양방향 광 트랜시버 모듈을 포함하는 수신단 플랫폼; 및
    상기 송신단 및 수신단 플랫폼을 연결하는 광섬유를 포함하는 광 전력 전송에 의한 센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신단 플랫폼에 연결되어 있으며 Y 분기 형태의 대칭적 구조를 갖는 광 전력 분배 소자를 더 포함하는 광 전력 전송에 의한 센서 시스템.
  7. 광 전력 전송에 의한 센서 시스템의 송신단 및 수신단 플랫폼에서 사용되는 양방향 광 트랜시버 모듈의 제조방법으로서,
    초정밀 기계 가공에 의한 코어 패턴 형성을 통해 원형 금속 마스터를 제작하는 단계;
    상기 원형 금속 마스터의 복제 주조에 의하여 PDMS (Polydimethylsiloxane) 고분자 스탬프를 제작하는 단계;
    UV 임프린트 기법을 이용하여 하부 클래드 패턴을 형성하는 단계;
    상기 하부 클래드 패턴의 하부 클래드 채널 상에 광섬유를 삽입함으로써 광 섬유를 정렬하는 단계;
    상기 하부 클래드 패턴에 코어 물질을 떨어뜨려 코어를 충진하는 단계; 및
    상부 클래드층을 적층하고 UV 경화를 실시하는 단계를 포함하되,
    상기 원형 금속 마스터를 제작하는 단계에서,
    송신단 광 트랜시버 모듈인 경우 곡률 가공이 가능한 엔드밀 초정밀 기계 가공을 통해 상기 원형 금속 마스터를 제작하고,
    수신단 광 트랜시버 모듈인 경우 다이아몬드 컷팅 공구를 이용한 초정밀 기계 가공을 통해 상기 원형 금속 마스터를 제작하는 양방향 광 트랜시버 모듈의 제조방법.
  8. 삭제
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