KR102005058B1 - 습도 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 습도 센서에 관한 것으로서, 광원; 파장분석부; 및 측정부를 포함하고, 상기 측정부는, 상기 광원 및 상기 파장분석부와 연결된 일단과 테이퍼드된 다른 일단을 포함하는 광섬유; 및 상기 광섬유의 테이퍼드된 다른 일단과 동축정렬되어 연결되고, 수분을 흡수하여 굴절률의 변화를 일으키는 물질을 포함하는 나노선을 포함한다. 본 발명에 따른 습도 센서는 광 손실을 최소화시킬 수 있고 제조 방법이 간단하고, 정량 측정이 가능하며, 장소에 상대적으로 구애받지 않고 매우 작은 장소에 대해서도 정밀한 측정이 가능하다.

Description

습도 센서{HUMIDITY SENSOR}
본 발명은 습도 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광섬유에서 동축성장된 나노선을 측정부로 포함하는 습도 센서에 관한 것이다.
광섬유란, 중심부(코어)에는 굴절률이 높은 재질을 사용하고 바깥부분(클래드)에는 굴절률이 낮은 재질을 사용하여 중심부를 통과하는 빛이 전반사가 일어나도록 한 광학적 섬유이다. 따라서 전송되는 광 손실이 매우 적어 송수신하는 데이터의 손실도 낮고 외부의 영향을 거의 받지 않으므로 광통신 및 광센서 등의 분야에서 널리 이용되고 있다.
한편, 광섬유는 제조 공정 및 기능 달성을 위하여 직경이 100 내지 1,000 μm의 크기를 갖는 것이 일반적이다. 직경이 작은 것 중에 표준품으로 많이 사용되는 것은, 코어 직경이 10 μm이고 클래드 직경이 125 μm이다. 광섬유 특히 코어의 직경을 이보다 더 작게 하는 것은 제작공정의 어려움으로 쉽지 않은 상황이다. 한편, 나노 규모의 연구 필요성으로, 광섬유를 나노 규모의 연구, 실험, 장치 등에 이용하기 위해서 최근 다양한 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 광섬유의 말단에 나노 직경을 갖는 나노선을 연결하는 방법이 연구되고 있다. 광섬유의 말단에 나노선을 연결할 때 광섬유와 나노선을 각각 제조한 후 근접하게 위치시키는 방법으로 연결하는 경우에는 연결점에서 큰 광손실이 일어날 수 있다(Xin Guo 등, Nano Lett., 2009, 9 (12), pp 4515-4519 "Direct Coupling of Plasmonic and Photonic Nanowires for Hybrid Nanophotonic Components and Circuits"). 도 1은 이와 같은 광섬유와 나노선을 별도로 제조한 후 연결하였을 때 연결부에서 광 산란이 일어나 광손실이 큰 것을 나타내는 도면이다. 구체적으로, ZnO 막대의 한쪽 끝에 광을 주입하여 Ag 막대로의 광 전달을 관찰할 때 두 막대의 연결부에서 광이 산란되는 것을 나타낸다.
한국등록특허 제10-1583739호는 황화납 양자점과 폴리(3-헥실티오펜)을 포함하는 나노선 광검출기에 관한 것이다. 또한, 한국등록특허 제10-1583736호는 나노선을 원하는 위치에 직접 성장시켜 광손실을 차단하는 3차원 고분자 나노선 광배선에 관한 것이다.
습도는 건조한 공기 단위 중의 수증기, 즉 기체 상태의 물의 양을 의미한다. 습도를 모니터링하고 조절하는 것은 증발, 응축, 수화와 같은 다양한 자연현상을 이해하는데 뿐 아니라, 화학 반응, 전기 전도 및 생물학적 프로세스와 같은 많은 기술적 프로세스를 제어하는데 중요하다. 최근 몇 년 동안, 초소형(~fL) 액체 방울을 정확하게 조절하기 위해, 펨토리터(fL) 화학, 나노 유체나노 및 나노미터 크기의 대기 에어로졸의 형성 크기에서의 국소적인 습도를 프로빙하는 것이 더 많이 요구되고 있다. 또한, 국소적인 습도는 자기 조립된 나노 구조체의 성장 및 나노미터 크기의 대기 에어로졸의 형성에 핵심적인 영향을 미치는 요소이다.
그러나, 나노 수준의 영역에서 또는 액체/기체 계면에서 국소적인 습도를 프로빙하는 것은 여전히 과제로 남아있다. 홀로그램 간섭계 및 푸리에 변환 적외선 분광법과 같은 최신 방법이 습도를 측정하기 위해 개발되었으나, 단지 마이크로 크기의 해상도를 가졌기 때문에 나노 수준의 영역에서의 습도를 측정할 수 없고, 이 방법들은 주로 가시광선의 강한 산란 때문에 인터페이스에서 습도를 측정하는데 제한이 있다. 단일 광자 및 전자적 나노선들에 기초한 습도 나노센서들은 높은 공간 해상도 센싱에 큰 잠재력이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 여전히 평면 내 구성에 제한되어 있어 3차원 공간에서 국소적인 습도를 프로빙하는 나노선을 정확하게 조작하기 어렵다.
Zubair Hassan Zargar 등("A Flexible Low Cost RH Humidity Sensor on Plastic Foil", 12th IEEE India International Conference)은 박막형 습도 센서에 관하여 개시하고 있다(도 1 참조). 또한, Ninik Irawati 등("Relative Humidity Sensing Using A PMMA Doped Agarose Gel Microfiber", Journal of Lightwave Technology, Volume: PP, Issue: 99)은 PMMA가 도핑된 아가로오스 겔 섬유를 포함하는 습도 센서에 관하여 개시하고 있다(도 2 참조). 상기 문헌들에서 개시된 습도 센서는 복잡한 구조를 갖으며, 한쪽 면이 막혀있거나 좁은 공간 등에서는 측정이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 종래의 습도 센서의 단점을 개선하여 광섬유의 말단에 나노선을 동축성장시켜 제조한 측정부를 포함하는 습도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 습도 센서에 관한 것으로서, 광원; 파장분석부; 및 측정부를 포함하고, 상기 측정부는 상기 광원 및 상기 파장분석부와 연결된 일단과 테이퍼드된 다른 일단을 포함하는 광섬유; 및 상기 광섬유의 테이퍼드된 다른 일단과 동축정렬되어 연결되고, 수분을 흡수하여 굴절률의 변화를 일으키는 물질을 포함하는 나노선을 포함한다.
바람직하게는, 상기 파장분석부는 측정 전후의 파장의 변화를 분석하여 습도를 측정한다.
바람직하게는, 상기 물질은 폴리메타크릴산메틸이다.
바람직하게는, 상기 광섬유 말단의 직경은 0.2 μm 이하이다.
바람직하게는, 상기 나노선은 a) 상기 나노선 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 광섬유의 일단에 동축정렬하는 단계; c) 상기 나노선 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; d) 상기 마이크로피펫을 인출하여 신장시키며 나노선 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계; 및 e) 상기 마이크로피펫의 끝 부분에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계로 제조된다.
본 발명에 따른 습도 센서는 광섬유의 말단에 나노선을 직접 성장시킴으로써 광섬유와 나노선의 연결부(junction)에서의 광손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 나노선을 포함하는 습도 센서는 광섬유와 연결된 나노선만 통과할 공간이 있으면 측정이 가능하므로, 한 쪽 면만 개방되거나, 관 형태의 좁은 통로 등과 같이 일반적으로 측정이 어려운 장소에서도 측정이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따라 광섬유와 나노선을 연결한 경우의 광손실을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 습도 센서의 예시적인 형태 및 측정 결과를 각각 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 마이크로피펫을 광섬유의 말단에 동축정렬하는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 레이저로 제어하는 나노선의 말단부 형상의 예를 나타내는 모식도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따라 나노선 말단부의 형상을 제어한 나노선을 나타내는 사진이고, 도 6의 (c)는 도 6의 (a) 및 (b)의 나노선의 광 수신을 비교하는 그래프이다.
도 7은 나노선의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 8의 (a)는 350 nm의 나노선 직경을 갖는 도파관 프로브의 FE-SEM 이미지(크기막대 5 μm)을 나타내며, 삽입된 그림은 테이퍼드 광섬유와 동축정렬된 나노선의 연결부의 Fe-SEM 이미지(크기막대, 1 μm)를 나타낸다. 도 8의 (b)는 광섬유와 연결된 나노선의 투과를 나타내고, 도 8의 (c)는 광섬유와 연결된 나노선의 광루미니센스(PL) 현미경 사진을 나타낸다.
도 9는 입력 레이저 전력의 함수로서 커플링 효율을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 습도 센서의 파장 이동(shift)를 측정하는 원리를 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명에 따른 습도 센서의 일 예를 나타내는 모식도이다.
도 12 및 13은 본 발명에 따른 습도 센서를 이용하여 습도를 측정한 것을 나타내는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
본 발명에서 사용되는 용어 "메니스커스(meniscus)"란, 계면장력에 의해 관 속의 액면이 이루는 곡면을 의미한다. 액체의 성질에 따라 액면이 오목하거나 볼록해진다.
본 발명은 습도 센서에 관한 것으로서, 광원; 파장분석부; 및 측정부를 포함하고, 상기 측정부는, 상기 광원 및 상기 파장분석부와 연결된 일단과 테이퍼드된 다른 일단을 포함하는 광섬유; 및 상기 광섬유의 테이퍼드된 다른 일단과 동축정렬되어 연결되고, 수분을 흡수하여 굴절률의 변화를 일으키는 물질을 포함하는 나노선을 포함한다.
측정부는 광섬유와 나노선을 포함한다.
광섬유의 일단은 광원 및 파장분석부와 각각 연결되며, 반대편 일단은 테이퍼드되고(tapered) 나노선과 연결된다. 일반적으로 사용되는 코어/클래드를 갖는 광섬유의 직경은 100 μm 이상이므로, 나노선과 효율적으로 접하게 하기 위하여 광섬유의 한 쪽 끝을 테이퍼링시켜서 직경을 0.2 μm 이하, 바람직하게는 0.1 μm 이하로 뾰족하게 하는 것이 바람직하다.
나노선은 광섬유의 테이퍼드된 일단과 동축정렬되어 연결된다. 본 발명에서 사용된 용어 "동축정렬"은 광섬유의 중심축에 대하여 정렬된 것, 다시 말해 광섬유의 말단과 직각으로 정렬된 것을 의미한다. 광섬유의 말단에 동축정렬되지 않은 경우에는 광손실이 크게 나타난다. 도 4는 마이크로 피펫을 광섬유의 테이퍼드된 말단에 동축정렬하는 것을 나타낸다. 상기 테이퍼드된 광섬유 축과 마이크로피펫을 동축에 정렬하기 위해서는, 두 개의 광학렌즈를 이용하여 각각 x 축과 y 축을 정렬하는 것이 바람직하다. 하나의 광학렌즈만을 이용할 때에는 다른 방향에서 발생하는 오차로 인하여, 동축에 맞추어 정렬하기 어렵고 마이크로 피펫을 이용하여 성장시키는 나노선도 동축에 정렬되어 성장하지 못하게 되어 결국 테이퍼드된 광섬유와 나노선과의 광전달 손실이 커지게 된다. 동축정렬을 위해서는 x 축과 y 축의 광학렌즈를 서로 수직하도록 위치시키는 것이 바람직하다. 동축정렬된 마이크로피펫을 이용하여 테이퍼드된 광섬유의 끝에 맞추어 나노선을 동축으로 성장시켜야 광손실을 최소화할 수 있다.
나노선은 수분을 흡수하여 굴절률의 변화를 일으키는 물질을 포함하도록 제조될 수 있다. 수분을 흡수하여 굴절률의 변화를 일으키는 물질은 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리카보네이트 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리메타크릴산메틸(PMMA)일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 나노선은 폴리메타크릴산메틸만으로 이루어지거나 폴리메타크릴산메틸과 다른 성분이 혼합된 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 폴리메타크릴산메틸과 다른 성분이 혼합된 형태는 폴리(메틸 메타크릴레이트-메타크릴산 공중합체(Poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid); PMMA-co-MAA)일 수 있다. 또한, 필요에 따라 수분과 반응하는 착색제, 나노선의 경도를 향상시키는 경화제 등의 별도의 첨가제를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노선은 a) 나노선 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 광섬유의 말단에 동축정렬하는 단계; c) 상기 나노선 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; d) 상기 마이크로피펫을 인출하여 신장시키며 나노선 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계; 및 e) 상기 마이크로피펫의 끝 부분에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, 나노선 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계(단계 a)이다.
나노선 물질 용액은 메니스커스를 형성할 수 있는 모든 물질을 포함하며, 대부분의 유기물을 포함한다. 구체적으로는, 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리카보네이트를 사용할 수 있고, CYTOP(amorphous fluoropolymer) 등의 과불화화합물(PFCs; Perfluorinated compounds)도 사용할 수 있다. 또한, 유기 전도성 고분자(π-콘쥬게이티드 폴리머)도 사용할 수 있으며, 이는 화학적 도핑을 통해 전기적, 광학적 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 특성이 있다. 나노선 물질 용액의 용매는 증발이 잘 되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 자일렌, 클로로벤젠, 톨루엔 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
마이크로피펫은 피펫 풀러를 이용하여 원하는 직경으로 제조할 수 있다. 마이크로피펫의 직경은 광섬유의 말단부의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 광섬유를 감싸는 형태로 나노선이 제조됨으로써 광손실을 최소화할 수 있다.
다음으로, 상기 마이크로피펫을 광섬유의 말단에 동축정렬하는 단계(단계 b)이다. 테이퍼드된 광섬유 축과 마이크로피펫을 동축에 정렬하기 위해서는, 두 개의 광학렌즈를 이용하여 각각 x 축과 y 축을 정렬하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 나노선 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계(단계 c)이다. 나노선 물질 용액의 메니스커스를 형성하도록 마이크로피펫을 z축 정렬할 수 있다.
다음으로, 상기 마이크로피펫을 인출하여 신장시키며 나노선 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계(단계 d)이다. 구체적으로 마이크로피펫을 나노선 물질 용액의 메니스커스를 유도할 정도의 간격을 유지하면서 인출하는 경우 내부의 액체가 빠르게 증발하면서 용해되어 있는 물질이 응고되어 기둥 형태를 이루게 된다. 마이크로피펫은 광섬유의 x축 및 y축과 직각을 이루는 방향(z축)으로 인출하는 것이 바람직하다. 인출 속도는 나노선 물질 용액의 종류 및 농도에 따라 조절될 수 있다.
마지막으로, 상기 마이크로피펫의 끝 부분에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계(단계 e)이다.
나노선의 말단부의 형상에 따라 광의 반사 및 투과를 결정할 수 있다. 따라서, 광 수신 및 광 검출 등의 재현성 및 신뢰도를 높이기 위해서 이를 제어하는 것이 바람직하다. 특히, 나노선의 말단부의 형상 제어는 외부에서 나노선 말단부를 통해 광을 수신할 때 수신되는 광의 강도와 지향성을 결정하기 때문에 매우 중요하다. 도 5은 본 발명에 따라 레이저로 제어하는 나노선의 말단부 형상의 예를 나타낸다. 말단부의 형상이 완만한 형태로 제작된 것이 광신호가 더 크게 나타난다. 도 5의 (a)와 (b)는 말단부에서 양쪽으로 경사가 있는 형태이고, 도 5의 (c) 와 (d)는 한쪽으로 경사가 있는 형태이다. 도 5의 (a)보다는 (b)가, 그리고 (c) 보다는 (d)가 더 완만한 말단부의 형태를 가지고 있고 더 강한 광신호가 나타난다.
또한, 도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따라 나노선 말단부의 형상을 제어한 나노선을 나타내고, 도 6의 (c)는 도 6의 (a) 및 (b)의 광 수신을 비교하는 그래프이다. 도 6의 (b) 나노선은 (a) 나노선에 비하여 절단면에 뾰족하게 제조한 것이 특징이다. 이에 대하여 나노선과 연결되어 있지 않은 광섬유의 다른쪽 끝에서 동일한 광을 도파한 경우의 반사되어 되돌아오는 광의 세기를 측정하여 도 6의 (c)에 나타내었다. 끝을 뾰족하게 만든 (b) 나노선은 (a) 나노선에 비하여 4분의 1 수준의 낮은 광만 반사되어 되돌아오는 것을 알 수 있으며 (b) 사진과 같이 나노선의 끝 부분에서 투과되어 나가는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 나노선의 말단부의 형상을 제어하여 광의 반사 및 투과를 결정할 수 있다.
도 7은 나노선의 제조 공정을 개괄적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 8의 (a)는 350 nm의 나노선 직경을 갖는 도파관 프로브의 FE-SEM 이미지(크기막대 5 μm)을 나타내며, 삽입된 그림은 테이퍼드 광섬유와 동축정렬된 나노선의 연결부의 Fe-SEM 이미지(크기막대, 1 μm)를 나타낸다. 도 8의 (b)는 광섬유와 연결된 나노선의 투과를 나타내고, 도 8의 (c)는 광섬유와 연결된 나노선의 광루미니센스(PL) 현미경을 나타낸다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 나노선과 테이퍼드 광섬유 사이의 슈퍼 스무스 정션으로 인해, 연결부(정션)에서 빛 산란이 거의 일어나지 않고(노란색 점선 원), 연결부에서 높은 커플링 효율성을 나타낸다(크기 막대 20 μm). 이것은 일반적으로 테이퍼드 광 섬유의 말단부에 나노선이 부착되는 경우에 일정량의 산란 현상이 발생하는 것과 비교된다.
도 9는 입력 레이저 전력의 함수로서 커플링 효율을 나타내며, 커플링 효율(붉음 점)은 본 발명에 따른 나노선 끝(녹색 점)에서의 광학 전력과 나노선을 포함하지 않는 광섬유(끝부분이 테이퍼드된 광섬유)의 끝(파란 점)에서의 광학 전력 사이의 비율로서 정의된다. 본 발명에 따라 제조된 광섬유와 연결된 나노선의 광 커플링은 본 발명에서 테스트된 입력 레이저의 전체 전력에 대해 84% 이상의 커플링 효율을 갖도록(도 9, 붉은 점) 유의적으로 개선되었다. 여기에서, 커플링 효율은 본 발명에 따른 나노선 끝에서 광 전력(도 9, 녹색 점)과 나노선을 포함하지 않는 광섬유의 끝에서의 광 전력(도 9, 파란 점) 사이의 비율로 정해진다. 높은 커플링 효율은 나노선 끝에서 입력 레이저 광출력을 약 1 nW 내지 3 nW, 바람직하게는 최대 약 1nW까지 유의적으로 감소시킬 수 있고, 이것은 나노선의 광루미니센스(PL)를 검출하는데 충분하다. 이와 같이 해당 방법으로 제조된 나노선은 커플링 효율이 우수하여 본 발명에 적합하나, 이는 일예이며, 광섬유와 동축정렬시킬 수 있는 다른 방법으로 제조된 나노선도 모두 포함된다.
또한, 본 발명에 따른 습도 센서는 광원을 포함한다. 광원은 광섬유 방향으로 광을 송신할 수 있는 모든 수단을 의미하며, 예를 들어 레이저 장치, LED 등을 모두 포함한다.
파장분석부는 습도 측정 전후의 파장의 변화를 분석하여 습도를 측정하는 장치부를 의미한다. 도 10은 본 발명에 따른 습도 센서의 파장 이동(shift)를 측정하는 원리를 나타내는 모식도이다. 광원에서 송신된 광은 광섬유를 거쳐 나노선까지 전달된 후에 다시 광섬유를 거쳐 파장분석부로 전달된다. 즉, 파장분석부는 습도 측정 전의 광섬유에서 반사되어 돌아가는 광과 나노선에서 반사되는 광의 간섭으로 인한 파장과, 습도 측정 후의 광섬유에서 반사되어 돌아가는 광과 나노선에서 반사되는 광의 간섭으로 인한 파장의 차이를 비교하여 습도를 측정할 수 있다. 또한, 위상변이(phase shift, δ)는 δ=4πnL/λ로 나타낼 수 있고, 여기에서 n은 굴절률을 나타내고, L은 나노선의 길이, λ는 광의 파장을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 습도 센서(10)의 일 예를 나타내는 모식도이다. 구체적으로, 광원인 LED(11)로부터 방사된 광은 렌즈(12)를 통과하여 1:2 광섬유 결합기(optical fiber coupler)(13)에서 광섬유(14)로 전달된다. 광섬유의 광은 나노선(15)에서 파장의 변화가 일어난 후 다시 광섬유(14) 및 1:2 광섬유 결합기(13), 거울(19), 조준 렌즈(collimating lens)(20)을 거쳐 분광기(spectrometer)(21)에서 분석된다. 나노선을 활용한 습도 측정 시 샘플과 나노선(15)의 위치를 조정하고 관찰하기 위해 백라이트(18), 영상화하기 위한 렌즈(16)와 CCD 카메라(17)가 필요하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예 : 습도 센서의 제조
폴리메타크릴산메틸을 용매 톨루엔에 혼합하였다. 피펫-풀러(P-97, Sutter Instrument)를 이용하여 유리 마이크로 피펫(반경 r0 ~ 1.0 ㎛)을 제조하였다. 각 마이크로 피펫에 혼합 용액을 채웠다. 마이크로피펫을 테이퍼드된 광섬유(테이퍼드된 말단부의 직경이 ~ 0.05 ㎛)에 두 개의 광학 렌즈를 이용하여 동축정렬하였다. 마이크로 피펫의 개구부와 광섬유를 일정 간격 이격하여 메니스커스를 형성하였다. 마이크로 피펫을 인출하여 신장시키며 용매를 증발시켜 나노선(직경 ~ 0.7 ㎛)을 제조하였다. 마이크로 피펫의 끝 부분에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부를 평평하게 절단하여 측정부를 준비하였다. 광원 및 파장분석부는 도 11에 기재된 실험 장치와 같이 준비하였다.
실험예 1 : 적색 LED를 광원으로 사용한 습도 센서
도 12는 적색 LED 광원을 이용한 경우에 본 발명에 따른 습도 센서(실시예)를 이용하여 습도를 측정한 것을 나타내는 도면이다. 도 12의 (a)의 삽입도는 나노선의 표면에서 물 분자가 나노선으로 확산되는 것을 나타내는 모식도이다. 도 12의 (b)는 파장에 따른 광의 강도를 나타내는 그래프이고, (c)는 1차 피크(primary peak)에서 광의 파장이 이동한 것(shift)을 나타내는 그래프이다. 도 12의 (c)를 통하여 81.0%의 상대 습도에서 0.7 nm의 파장이 이동한 것을 알 수 있다. 도 12의 (d)는 상대 습도에 따른 파장 변화(Δλ)를 나타내는 그래프이다.
실험예 2 : 백색 LED를 광원으로 사용한 습도 센서
도 13은 백색 LED 광원을 이용한 경우에 본 발명에 따른 습도 센서(실시예)를 이용하여 습도를 측정한 것을 나타내는 도면이다. 도 13의 (a)는 파장에 따른 광의 강도를 나타내는 그래프이고, (b)는 가장 높은 강도를 갖는 피크에서 광의 파장이 이동한 것(shift)을 나타내는 그래프이다. 도 12의 (b)를 통하여 80.2%의 상대 습도에서 1.2 nm의 파장이 이동한 것을 알 수 있다. 도 12의 (c)는 상대 습도에 따른 파장 변화(Δλ)를 나타내는 그래프이다.

Claims (5)

  1. 광원; 파장분석부; 및 측정부를 포함하는 습도 센서로서,
    상기 측정부는,
    상기 광원 및 상기 파장분석부와 연결된 일단과 테이퍼드된 다른 일단을 포함하는 광섬유; 및
    상기 광섬유의 테이퍼드된 다른 일단과 동축정렬되어 연결되고, 수분을 흡수하여 굴절률의 변화를 일으키는 물질을 포함하는 나노선을 포함하고,
    상기 나노선은 a) 나노선 물질 용액을 마이크로피펫에 채우는 단계; b) 상기 마이크로피펫을 광섬유의 일단에 동축정렬하는 단계; c) 상기 나노선 물질 용액의 메니스커스를 형성하는 단계; 및 d) 상기 마이크로피펫을 인출하여 신장시키며 나노선 물질 용액의 용매를 증발시켜 나노선을 제조하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된 것인, 습도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파장분석부는 측정 전후의 파장의 변화를 분석하여 습도를 측정하는, 습도 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물질은 폴리메타크릴산메틸인 것인, 습도 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 말단의 직경은 0.2 μm 이하인, 습도 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노선은 e) 상기 마이크로피펫의 끝 부분에 레이저를 조사하여 나노선의 말단부의 형상을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법으로 제조되는 것인, 습도 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112362619B (zh) * 2020-11-12 2024-04-26 重庆理工大学 痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法
US11911983B2 (en) * 2021-02-01 2024-02-27 POSTECH Research and Business Development Foundation Method of forming micro- or nanowires at predetermined positions of an object using a micro- or nanopipette
KR102497998B1 (ko) * 2021-02-23 2023-02-09 포항공과대학교 산학협력단 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법 및 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치
CN114441461B (zh) * 2021-12-16 2024-04-02 之江实验室 一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015127648A (ja) * 2013-12-27 2015-07-09 アズビル株式会社 乾き度測定装置及び乾き度測定方法
JP2015232522A (ja) * 2014-06-10 2015-12-24 学校法人 創価大学 光ファイバセンサ装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015127648A (ja) * 2013-12-27 2015-07-09 アズビル株式会社 乾き度測定装置及び乾き度測定方法
JP2015232522A (ja) * 2014-06-10 2015-12-24 学校法人 創価大学 光ファイバセンサ装置

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