KR101763291B1 - 광학 센서 프로브 - Google Patents

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KR101763291B1
KR101763291B1 KR1020160015016A KR20160015016A KR101763291B1 KR 101763291 B1 KR101763291 B1 KR 101763291B1 KR 1020160015016 A KR1020160015016 A KR 1020160015016A KR 20160015016 A KR20160015016 A KR 20160015016A KR 101763291 B1 KR101763291 B1 KR 101763291B1
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김봉균
김대유
안진철
정필상
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

고정밀 가스 탐지 및 휘발성 기체의 정밀 탐지에 적용가능한 광학 센서를 제공하기 위한 본 발명에 따르면, 광학 센서 프로브에 있어서, 마이크로 구조 광학 센서를 형성하는 센서 헤드의 구성으로서, 센서 헤드는, 단일 모드 광섬유; 광경로 차이를 유발하는 광섬유 센서 헤드 외부의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 유입되어 채워질 수 있도록 내부가 비어있는 내부 공동을 포함하여 중공형으로 형성되고, 내부 공동에는 설정의 기체, 휘발성 물질, 또는 액체에 반응하여 내부 공동에서의 광경로 차이와 광학적 흡수를 유발하는 폴리머가 채워지는 복합 구조의 제1 광섬유 웨이브 가이드; 및 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드를 통과하는 입사광의 일부를 경계면 반사시키는 반사판의 역할을 수행하는 경계면 반사 단부 표면을 포함하는 제2 광섬유 웨이브 가이드를 포함하여 이루어지고, 그리고 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드 및 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드 중 하나 이상의 웨이브 가이드에는 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 외부에서 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드의 상기 내부 공동에 채워진 상기 충진물 내부로 유입될 수 있도록 하는 통로를 제공하는 채널이 형성되는 특징을 가지는 광학 센서 프로브를 제공하게 된다.

Description

광학 센서 프로브 {Optical Sensor Probe}
본 발명은 가스 탐지, 휘발성 화합물 탐지, 호흡가스 분석, 화학반응 모니터링, 및 외부 굴절률 측정 등에 사용되기 위한 고민감도의 광학 센서 프로브, 특히 이를 위한 마이크로 구조 광학 센서 헤드에 관한 것이다.
가스 탐지, 휘발성 화합물 탐지, 호흡가스 분석, 화학반응 모니터링, 및 외부 굴절률 측정 등을 위하여 사용되는 광학 센싱 장치로서 한국 특허 공보 제10-1374913호(2014.03.17. 공고)에 개시된 바와 같은 구조의 광섬유 브래그 격자를 이용한 탐지 기술이 널리 이용되고 있는데, 이러한 광섬유 브래그 격자를 이용한 탐지 기술의 경우에는 광민감성을 가진 광섬유에 브래그 격자를 형성해야하는 과정이 필수적이며, 이를 위하여 고가의 장비와 레이저 광원을 필요로 하게 된다.
또한, 브래그 격자가 형성되어 있는 도핑(dopping)된 물질의 열에 의한 확산(diffusion)이 발생하는 현상은 브래그 격자 센서의 온도 안정성을 크게 감소시키며, 나아가 고온 환경에서의 사용이 제한되는 단점을 가진다.
그리고, 기본적으로 브래그(Bragg) 파장의 파장영역에서의 변위를 측정하는 방식은 광검출기의 파장 분해능에 크게 의존하는 구조적인 한계를 가지기 때문에, 가스 및 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)에 의한 미소 변화를 측정하기에는 제한적이라는 한계점을 가진다.
한국 특허 공보 제10-1374913호(2014.03.17. 공고)
본 발명은 앞서 설명한 광섬유에 브래그 격자를 형성하는 구조가 가진 기술적인 문제점과 제한성을 극복하며, 미소유체 장비(microfluidic device)의 모니터링이나 생체 내부의 화학반응의 분석, 및 가스 탐지 등을 보다 용이하게 수행할 수 있도록 출력단에서의 센서 헤드의 지름을 최소화시켜서 생체내부의 호흡 분석 등과 같은 경우에 작은 직경의 게이지 니들(gauge needle) 및 도관을 통한 센싱부의 접근과 측정이 가능하도록 하는 소형화된 센서 헤드의 저비용 구현이 가능하도록 위하여, 마이크로 구조 광섬유 및 웨이브 가이드를 이용한 초소형의 광학 센서 프로브를 제안하고, 나아가 제안된 간섭계형 센서로부터 발생하는 광신호의 위상 정보를 추출하는 탐지 기법을 제안하는 것을 그 기술적인 과제로 하고 있다.
본 발명은 고정밀 가스 탐지 및 휘발성 기체의 정밀 탐지에 적용가능한 광학 센서 프로브를 제공하기 위하여, 광학 센서 프로브에 있어서 마이크로 구조 광학 센서 헤드를 형성하는 구성으로서, 마이크로 구조 광학 센서 헤드는,
단일 모드 광섬유;
광경로 차이를 유발하는 광섬유 센서 헤드 외부의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 유입되어 채워질 수 있도록 내부가 비어있는 내부 공동을 포함하여 중공형으로 형성되고, 내부 공동에는 설정의 기체, 휘발성 물질, 또는 액체에 반응하여 내부 공동에서의 광경로 차이와 광학적 흡수 작용을 유발하는 충진물이 채워지는 복합 구조의 제1 광섬유 웨이브 가이드; 및
상기 제1 광섬유 웨이브 가이드를 통과하는 입사광의 일부를 경계면 반사시키는 반사판의 역할을 수행하는 경계면 반사 단부 표면을 포함하는 제2 광섬유 웨이브 가이드를 포함하여 이루어지고, 그리고
상기 제1 광섬유 웨이브 가이드 및 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드 중 하나 이상의 웨이브 가이드에는 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 외부에서 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드의 상기 내부 공동에 채워진 상기 충진물 내부로 유입될 수 있도록 하는 통로를 제공하는 채널이 형성되는 특징을 가지는 광학 센서 프로브를 그 해결 수단으로서 제공하게 된다.
여기에서, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드의 내부 공동에 충진되는 상기 충진물로서, 민감성(반응성) 폴리머 또는 에어로겔(aerogel) 방식으로 충진되는 다공성 충진물이 사용되는 것이 바람직한데, 여기에서 상기 민감성 폴리머의 경우에도 다공성 구조로 형성하여 내부로 가스의 유입이 보다 원활하게 이루어지도록 하도록 할 수 있으며, 나아가 다양한 극성을 가진 것이 선택적으로 사용될 수 있다.
상술한 3개의 구성 요소, 즉 상기 단일 모드 광섬유, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드, 및 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드가 아크(arc) 방전에 의해서 상호 순차적으로 융착 접속되는 것이 바람직하고, 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드의 상기 경계면 반사 단부 표면에는 반사광의 형성을 위하여 매끈하게 가공된 표면 또는 곡면으로 가공된 표면이 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드에는 내부 공동으로의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스의 유입 통로를 위하여 제공되는 측면 개방부에 의해 형성되는 측면 채널을 포함하여 형성되는 것이 바람직하고, 그리고 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드에는 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 외부에서 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드의 상기 내부 공동으로 센서 헤드의 길이 방향으로 이동할 수 있도록 관통 제공되는 미세구조 또는 채널이 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 단일 모드 광섬유는 바람직하기로 단일 모드(Single Mode) 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber; PCF)로 이루어질 수 있을 것이다.
아울러, 이러한 광학 센서 프로브의 마이크로 구조 광학 센서 헤드는 그 외측부를 감싸도록 제공되는 외부 금속이나 폴리머, 또는 실리카 재질의 슬리브 튜브(sleeve tube)에 의하여 패키징될 수도 있을 것이다.
본 발명에 따르면 높은 민감도의 측정을 수행할 수 있으며 초소형화, 경량화에 유리한 구조를 통해 의한 높은 민감도의 광학 센서시스템의 소형화 구현 및 저비용 구성이 가능하는 효과가 제공된다.
또한, 출력단에서의 센서헤드의 지름을 최소화시켜 작은 직경의 게이지 니들(gauge needle) 및 도관을 통한 접근과 측정이 가능하도록 함으로써 미소유체 장비(microfluidic device)의 모니터링, 생체내부의 호흡 분석, 생체내부의 화학반응의 분석, 및 가스 탐지 등이 보다 용이하게 수행될 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
특히, 본 발명은 광경로 변화에 따른 위상 변화를 탐지할 수 있을 뿐만 아니라 나아가 제1 광섬유 웨이브 가이드의 내부 공동 내에 민감성 폴리머와 같은 광경로차 및 광학적 흡수 작용을 유발하는 충진물을 채워 넣음으로써 설정 화학종과의 반응 및 광학적 흡수 작용을 통하여 내부 공동(미소 공동) 내의 광경로의 변화 정도 자체를 변동시키며, 이로써 광경로의 변화가 충분히 클 경우에 스펙트로 미터의 파장 영역 및 광주파수 영역에서의 광세기 정보의 피크를 추적하는 광학 탐지를 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공하기도 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 마이크로 구조 광학 센서를 이용한 광신호 탐지 과정을 도시한 모식도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 광학 센서 프로브를 제공하기 위한 마이크로 구조 광학 센서 헤드의 바람직한 실시예들을 예시한 분해 사시도.
도 3a 내지 도 3c는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 각각의 실시예들에서 센서 헤드의 길이 방향 단면(종단면) 구조를 도시한 결합 상태 단면도
도 4a는 도 2c 및 도 3c에 도시된 실시예의 작동 상태를 도시한 작동 상태 단면도이고, 도 4b는 제2 광섬유 웨이브 가이드의 경계면 반사 단부 표면에 곡면으로 가공된 표면이 제공된 변형 실시예의 작동 상태를 도시한 작동 상태 단면도.
도 5는 도 3a의 실시예에 슬리브 튜브가 추가로 제공된 실시예의 도면.
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로 구조 광학 센서를 제공하기 위한 센서 헤드를 구성하는 중공형의 제1 광섬유 웨이브 가이드의 다양한 횡단면 구조를 예시한 도면.
도 7a 및 도 7b는 제2 광섬유 웨이브 가이드의 다양한 횡단면 형태 구조를 예시한 도면이고, 도 7c 및 도 7d는 종단면 형태 구조를 예시한 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들을 설명하기로 한다.
본 발명이 적용되는 광학 센서 프로브(보다 구체적으로, 마이크로 구조 광학 센서 헤드를 포함한 센서 프로브)를 이용한 광신호 탐지 과정을 모식적으로 도시한 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(10)은 짧은 가간섭 거리를 갖는 광원으로서, 바람직하게는 초광대역연속광 광원, SLED(superluminescent diode)가 사용되는 것이 바람직하며, 광원(10)에서 방출되는 입사광(I0)은 방향성 커플러(40)를 통하여 마이크로 구조 광학 센서 헤드로서 제공되는 센서 헤드(50)로 도파되며, 센서 헤드(50)에서 광경로 차이를 가지도록 생성되는 2개의 반사광(I1 및 I2)의 간섭된 신호가 예컨대 circulator와 같은 방향성 커플러(40)를 통하여 스펙트로 미터(20)에 전송되어 기록/저장되며, 이와 같이 스펙트로 미터(20)에 저장된 간섭 신호는 신호처리 장치, 바람직하기로는 위상 복조 장치(30)에 의해 분석되어서 간섭 신호의 위상 정보가 얻어지게 된다.
본 발명에 따른 광학 센서 프로브를 제공하기 위한 마이크로 구조 광학 센서헤드(50)의 바람직한 실시예들을 분해 상태로 도시하고 있는 도 2a 내지 도 2c에 따르면, 센서 헤드(50)는, 단일 모드 광섬유(51); 광경로 차이를 유발하는 광섬유 센서 헤드 외부의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 유입되어 채워질 수 있도록 내부가 비어있는 내부 공동(52c)을 포함하여 중공형으로 형성되고, 내부 공동(52c)에는 설정의 기체, 휘발성 물질, 또는 액체에 반응하여 내부 공동(52c)에서의 광경로 차이와 광학적 흡수를 유발하는 충진물(55)이 채워지는 복합 구조의 제1 광섬유 웨이브 가이드(52); 및 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)를 통과하는 입사광의 일부를 경계면 반사시키는 반사판의 역할을 수행하는 경계면 반사 단부 표면(53a, 53b)을 포함하는 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)를 포함하여 이루어지고, 그리고
상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52) 및 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53) 중 하나 이상의 웨이브 가이드에는 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 외부에서 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 상기 내부 공동(52c)에 채워진 상기 충진물(55) 내부로 유입될 수 있도록 하는 통로를 제공하는 채널(52b 또는 53c)이 형성되는 특징을 가지게 된다.
그리고, 상기 단일 모드 광섬유(51), 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52), 및 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)는 그 결합 상태를 단면도로서 나타낸 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 순차적으로 접속되어 이루어지는데, 또한 이들은 아크 방전에 의해 상호 융착 접속되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부 공동(52c)에 충진되는 상기 충진물(55)로서 민감성(반응성) 폴리머 또는 에어로겔(aerogel) 방식으로 충진되는 다공성 충진물이 사용되는 것이 바람직한데, 여기에서 상기 민감성 폴리머의 경우에도 필요에 따라서 다공성 구조로 형성하여 내부로 가스의 유입이 보다 원활하게 이루어지도록 할 수 있으며, 나아가 다양한 극성을 가진 것이 선택적으로 사용될 수 있다.
여기에서, 충진물(55)로 제공되는 민감성(반응성)　폴리머(vapour sensitive polymer)는 가시광 및 적외선 파장영역에서 높은 광투과도를 가지며　실리카와 유사한 굴절률(refractive index)을 가지는 폴리머 일수 있으며, 이러한 민감성 폴리머로서 검출 대상에 따라 다양한 극성과 화학적 특성을 가진 것이 사용될 수 있다. 예컨데 티올렌(thiolene)　계열 폴리머는 극성을 가지며 메탄올(methanol), 아세톤(acetone), 헥사놀(hexanol)의 유기화합물의 증기나 액상의 검출 대상 탐지에 이용될 수 있다. 또한 높은 극성(high polarity)과 높은 친수성(high hydrophilicity)을　가지는 폴리에틸렌글리콜　400(polyethylene glycol 400)　등의 폴리에테르 화합물(polyether compound)이　물과　에탄올(ethanol),벤젠(benzene),　염화메틸렌(dichloromethane)　등의 유기화합물의　증기나 액상의 검출 대상　탐지에 유용하게 이용될 수 있다. 또한 민감성(반응성) 폴리머로서 수소 기체 탐지를 위하여 팔라듐(palladium)을 포함한 폴리머로서　내부로 가스의 유입이 원활하게 이루어지도록　다공성 구조를 형성하고 있는　폴리머가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)에서 상기 미세구조 또는 채널(53c)이 형성된 부분을 제외한 상기 경계면 반사 단부 표면(53a, 53b)에는 반사광의 형성을 위하여 매끈하게 가공된 표면 또는 곡면으로 가공된 표면이 제공되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)로서 포토닉 밴드갭 광섬유가 사용될 수 있으며, 또한 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)에는 내부 공동(52c; 광경로 차이와 광학적 흡수 작용을 유발하는 충진물(55)이 채워진)으로의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스의 유입 통로를 위하여 제공되는 측면 개방부(52a)에 의해 형성되는 측면 채널(52b)을 포함하여 형성되는 것이 바람직하고, 그리고 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)에는 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 외부에서 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 상기 내부 공동(52c)으로 센서 헤드의 길이 방향으로 이동할 수 있도록 관통 제공되는 미세구조 또는 채널(53c)이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 센서 헤드(50)의 길이 방향 결합 상태 단면(종단면) 구조를 도시한 첨부 도면 도 3a 내지 도 3c와 그 각각의 작동 상태를 도시한 도 4a 내지 도 4c를 앞서 설명한 도 1와 더불어서 참조하여 살펴보면, 도 1의 광원(10)측에 배치되는 단일 모드 광섬유(51)는 짧은 가간섭 거리를 갖는 광원(10)으로부터 발생하여 circulator와 같은 방향성 커플러(40)를 통하여 입사되는 입사광(I0)을 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부를 향하여 단일 모드로 도파하는 역할을 수행하고, 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)와의 접속부에서 매끈하게 절단된 단일 모드 광섬유(51)의 단부 표면에서 광원(10)의 입사광(I0) 일부가 반사되어 제1 반사광(I1)이 생성되며, 이러한 제1 반사광(I1)은 방향성 커플러(40)를 거치면서 스펙트로 미터(20)를 향하여 되돌아 진행하며, 또한 입사광(I0)의 일부는 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부에 형성된 내부 공동(52c)을 지나서 후속하여 접속된 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)에서 반사판 역할을 수행하는 경계면 반사 단부 표면(53a, 53b)으로 제공되는 매끈하게 가공된 평면형 단부 표면(도 4a의 도면 부호 '53a' 참조) 또는 광의 반사를 용이하게 하기 위하여 일부 혹은 전부가 곡면으로 가공된 곡면형 단부 표면(다른 실시예로 도시된 도 4b의 도면 부호 '53b' 참조)에서 반사되어 제2 반사광(I2)을 생성하고, 이와 같이 생성된 제2 반사광(I2)은 다시금 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부 공동(52c)을 다시 거쳐고 그리고는 단일 모드 광섬유(51) 및 방향성 커플러(40)를 거쳐서 스펙트로 미터(20)를 향하여 되돌아 진행하게 된다.
여기에서, 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 반사광(I1) 및 상기 제2 반사광(I2)의 간섭광은 방향성 커플러(40)를 통하여 스펙트로 미터(20)에 전송되어 기록/저장되며, 이와 같이 스펙트로 미터(20)에 저장된 간섭 신호는 신호처리 장치, 바람직하기로는 위상 복조 장치(30)에 의해 분석되어서 간섭 신호의 위상 정보가 얻어지게 된다.
그리고, 상기 센서 헤드(50)는 도 5에 도시된 바와 같이 그 외측부를 감싸도록 제공되는 외부 금속이나 폴리머, 또는 실리카 재질의 슬리브 튜브(sleeve tube)(50a)에 의하여 패키징될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 센서 헤드(50)의 형성하는 각각의 구성의 보다 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.
상기 단일 모드 광섬유(51)는 단일 모드(Single Mode) 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber; PCF)로 이루어지는 것이 바람직하고, 그리고 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)는 내부 공동(52c)을 포함하며 실리카 마이크로 튜브로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 단면 형상에 따라서 원형 단면의 뿐만 아니라 첨부 도면 도 6a (측면 개방부에 의한 채널을 가진 경우) 및 도 6b (측면 개방부에 의한 채널이 없는 밀폐형의 경우)에 다양하게 예시된 바와 같이 적용 기술 분야에 따라서 중공형(hollow)의 원형이나 기타 다각형 등의 여러가지 기본 단면 형상을 가질 수 있다.
여기에서, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부 공동(52c)은 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)에 관통 제공되는 미세구조(Microstructure) 또는 채널(53c)을 따라서 센서 헤드(50)의 길이 방향으로 접근이 가능한 미소공동(micro cavity)을 형성하며, 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)의 길이방향으로 형성된 미세구조 또는 채널(53c)을 통하여 외부의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 유입되어 채워져서 미소공동 내부의 폴리머와 같은 충진물(55) 내로 유입되어서 흡수 반응하게 되면서 광경로 변화(즉, 제2 반사광의 광경로 변화)를 유도하게 되며, 이로써 스펙트로 미터(20)에서 기록/저장되는 간섭신호의 위상변화를 수반하게 한다.
이러한 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)는 도 5에 도시된 단면 형상을 가진 모재를 고온에서 길이 방향으로 길게 인출하여, 바람직하게는 125 ㎛ 이하의 외경을 갖도록 제작함으로써 상기 단일모드 광섬유(51)와의 융착 접속을 용이하게 할 수 있다.
한편, 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)는 도 7a 및 도 7b의 횡단면도에 도시된 바와 같이, 실리카계 글라스 재질 및 폴리머로 형성되는 원기둥 또는 육각기둥 구조체로 형성될 수 있는데, 도 7a에 하단부 및 도 7b에 예시된 바와 같이 그 구조체의 내부에 원, 사각형, 타원, 다각형 등 임의의 단면 형태를 갖는 단일 채널 또는 다채널, 주기적인 다채널 배열, 이들의 복합적인 조합에 따라 천공된 마이크로미터 단위 수준의 미세구조 또는 채널(53c)이 길이 방향으로 완전히 천공되어 마이크로 구조의 미세 공동을 가지도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 관련된 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)의 횡단면 구조 형태들은 첨부 도면 도 7a 및 도 7b에 예시된 바와 같이 더욱 다양하게 선택되어 구성될 수 있다. 이와 같은 미세구조 또는 채널(53c)은 천공되어 형성되는 단일 또는 복수 채널들이며 가스 등의 매질이 그 내부의 미세 공동으로 주입될 수 있도록 한다.
마이크로 구조의 미세 공동을 형성하는 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)의 경우에, 그 길이방향으로 절단했을 때 나타나는 종단면의 형태는 첨부 도면 도 7c 및 도 7d에 예시된 다양한 실시예들 중에서 선택될 수 있는데, 채널(53c)을 형성하는 경우에는 도 7d의 예시 구조들 중에서 외부 샘플이 유입되기 충분하고 또한 광반사율을 적절히 조절할 수 있는 채널 크기, 채널 개수, 채널 형태를 고려하여 그 적절한 형태가 선택되어 질 수 있으며, 또한 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)와 접속되는 경계면 반사 단부 표면(53a, 53b)에는 반사광의 형성을 위하여 매끈하게 가공된 평면형 단부 표면(53a)(도 4a 참조) 또는 광의 반사를 용이하게 하기 위하여 일부 혹은 전부가 곡면으로 가공된 곡면형 단부 표면(53b)(도 4b 참조)이 제공될 수 있다.
이하에서는, 이상에서 설명된 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예들을 통하여 구성되는 센서 헤드(50)를 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 광학 센서 프로브로서 사용함으로써 간섭 신호의 위상 정보가 얻어지는 과정을 살펴보기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 짧은 가간섭 거리를 갖는 광원(10)에서 방출되는 입사광은 방향성 커플러(40)를 통하여 광학 센서 프로브를 제공하기 위한 마이크로 구조 광학 센서헤드(50)로 도파되며, 센서 헤드(50)에서 생성되며 광경로 차이를 가진 2개의 반사광(I1 및 I2)의 간섭된 신호가 방향성 커플러(40)를 통하여 스펙트로 미터(20)에 전송되어 기록/저장되며, 이와 같이 스펙트로 미터(20)에 저장된 간섭 신호는 신호처리 장치, 바람직하기로는 위상 복조 장치(30)에 의해 분석되어서 간섭 신호의 위상 정보가 얻어지게 되는데, 스펙트로 미터(20)에서 측정되고 저장되는 센서의 정규화된 광학적 전달 함수는 다음의 식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016012848879-pat00001
여기에서, Ir은 미세 공동에서의 광학적 전달 함수이고, R은 광접합부의 반사율이며, 그리고
Figure 112016012848879-pat00002
는 간섭 신호의 위상이다.
그리고, 스펙트로 미터(20)에서 측정되고 저장되어 나타나는 간섭 신호의 위상(
Figure 112016012848879-pat00003
)은 다음의 식과 같이 나타내어진다.
Figure 112016012848879-pat00004
이러한 간섭 신호의 위상 정보는 스펙트로 미터(20)에 저장된 간섭 패턴을 신호처리 장치, 바람직하기로는 위상 복조 장치(30)에서 푸리에(Fourier) 해석 기법을 적용하여 복조되어 얻어진다.
여기에서, L은 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 길이이며 공동을 형성하는 상기 단일 모드 광섬유(51)와 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52) 사이의 경계면과 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)와 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53) 사이의 경계면 사이의 거리이다.
그리고 상기 광접합부, 즉 상기 단일 모드 광섬유(51)와 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52) 사이의 경계면과, 그리고 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)와 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53) 사이의 경계면에서 나타나는 air(공기)-silica(실리카) interface(계면)의 R 값이 충분히 작은 경우에는, 이러한 경계면에서의 고차 반사광은 무시될 수 있으며 따라서 상술한 광학적 전달 함수는 다음의 근사식과 같이 근사화될 수 있다.
Figure 112016012848879-pat00005
이와 같은 신호처리 기법을 이용하여 측정 파장 영역에서의 외부 기화성 유기 화합물에 의한 시변 위상변화가 탐지될 수 있으며, 이러한 시변 위상변화를 측정하여 외부 기화성 유기 화합물로 인한 광학적 전달 함수를 산출할 수 있도록 함으로써, 미소유체 장비(microfluidic device)의 모니터링, 생체내부의 호흡 분석, 생체내부의 화학반응의 분석, 및 가스 탐지 등이 보다 용이하게 수행되도록 하면서 고민감도의 측정이 가능하도록 한다.
여기에서, 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부 공동(52c) 내에 민감성 폴리머와 같은 충진물(55)을 채워 넣음으로써 특정 화학종과의 반응을 통하여 내부 공동(미소 공동) 내의 광경로의 변화 정도 자체를 변동시키며, 이로써 광경로의 변화가 충분히 클 경우에 스펙트로 미터(20)의 파장 영역 및 광주파수 영역에서의 광세기 정보의 피크를 추적할 수 있게 된다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 할 것이다.
그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 광원
I0, I1, I2: 입사광, 제1 반사광, 제2 반사광
20: 스펙트로 미터
30: 위상 복조 장치
40: 방향성 커플러
50: 센서 헤드
50a: 슬리브 튜브
51: 단일 모드 광섬유
52: 제1 광섬유 웨이브 가이드
52c: 내부 공동
53: 제2 광섬유 웨이브 가이드
53a, 53b: 경계면 반사 단부 표면
53c: 미세구조 또는 채널
55: 충진물

Claims (8)

  1. 광학 센서 프로브에 있어서 마이크로 구조 광학 센서 헤드를 형성하는 구성으로서, 마이크로 구조 광학 센서 헤드(50)는,
    단일 모드 광섬유(51);
    광경로 차이를 유발하는 광섬유 센서 헤드 외부의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 유입되어 채워질 수 있도록 내부가 비어있는 내부 공동(52c)을 포함하여 중공형으로 형성되고, 내부 공동(52c)에는 설정의 기체, 휘발성 물질, 또는 액체에 반응하여 내부 공동에서의 광경로 차이와 광학적 흡수 작용을 유발하는 충진물(55)이 채워지는 복합 구조의 제1 광섬유 웨이브 가이드(52); 및
    상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)를 통과하는 입사광의 일부를 경계면 반사시키는 반사판의 역할을 수행하는 경계면 반사 단부 표면(53a, 53b)을 포함하는 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)를 포함하여 이루어지고, 그리고
    상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)에는 내부 공동(62c)에 채워진 상기 충진물(55) 내부로의 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스의 유입 통로를 위하여 제공되는 측면 개방부(52a)에 의해 측면 채널(52b)이 형성되고,
    상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)에는 휘발성 분자나 기화된 유기화합물, 또는 가스가 광섬유 센서 헤드 외부에서 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 상기 내부 공동(52c)으로 센서 헤드의 길이 방향으로 이동할 수 있도록 관통 제공되는 미세구조 또는 채널(53c)이 형성되고, 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)에서 상기 미세구조 또는 채널(53c)이 형성된 부분을 제외한 상기 경계면 반사 단부 표면(53a, 53b)에는 반사광의 형성을 위하여 매끈하게 가공된 평면형 단부 표면(53a) 또는 광의 반사를 용이하게 하기 위하여 일부 혹은 전부가 곡면으로 가공된 곡면형 단부 표면(53b)이 제공되며, 그리고
    상기 단일 모드 광섬유(51), 충진물(55)을 포함한 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52), 및 상기 제2 광섬유 웨이브 가이드(53)가 순차적으로 상호 융착 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 센서 프로브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 광섬유 웨이브 가이드(52)의 내부 공동(52c) 내에 충진되는 상기 충진물(55)로서 민감성 폴리머 또는 에어로겔(aerogel) 방식으로 충진되는 다공성 충진물이 사용되는 것을 특징으로 하는 광학 센서 프로브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 충진물(55)로 사용되는 민감성 폴리머가 다공성 구조로 형성되어서 내부로 가스의 유입이 원활하게 이루어지도록 하며, 그리고 극성을 가지도록 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 센서 프로브.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 단일 모드 광섬유(51)는 단일 모드 광자결정 광섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 센서 프로브.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 센서 헤드(50)는 그 외측부를 감싸도록 제공되는 외부 금속이나 폴리머, 또는 실리카 재질의 슬리브 튜브(50a)에 의하여 패키징되는 것을 특징으로 하는 광학 센서 프로브.
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