KR102155775B1 - Rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 길이 방향의 중앙부에 외부와 연통되는 홀이 가공 형성되며 상기 홀 부위가 측정 대상 수용액에 침지된 상태에서 일단부에 설정 파장대의 광이 입사되는 플라스틱 광섬유, 및 광 경로 상에 위치하도록 상기 플라스틱 광섬유의 홀 내측에 삽입 장착되는 로다민 유도체를 포함하며, 상기 플라스틱 광섬유의 일단부에 입사 후 상기 로다민 유도체를 경유하여 타단부로 출력되는 광으로부터 관측된 광투과율을 기초로 상기 수용액 내 수은 센싱이 이루어지는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서를 제공한다.
본 발명에 의하면, 높은 광 감응적 특성을 가진 로다민 유도체가 삽입된 플라스틱 광섬유 센서를 구현하고 일단부에 광을 조사할 경우 타단부에서 관측되는 광투과율을 기반으로 수용액 환경에서 수은을 보다 효과적으로 검출함은 물론 수은 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 이점을 제공한다.The present invention relates to a rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor. According to the present invention, a hole communicating with the outside is formed in the center portion in the longitudinal direction, and the hole portion is immersed in the aqueous solution to be measured, and the plastic optical fiber into which light of the set wavelength band is incident on one end, and located on the optical path The aqueous solution includes a rhodamine derivative inserted into the hole of the plastic optical fiber so as to be inserted and mounted, and the aqueous solution based on the light transmittance observed from the light output to the other end through the rhodamine derivative after being incident on one end of the plastic optical fiber. It provides a rhodamine-based plastic fiber optic mercury sensor with mercury-resistant sensing.
According to the present invention, when a plastic optical fiber sensor containing a rhodamine derivative having high light-sensitive properties is implemented and light is irradiated at one end, mercury is more effectively detected in an aqueous solution environment based on the light transmittance observed at the other end. It provides the advantage of being able to measure mercury concentration quickly and accurately.
Description
본 발명은 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수용액 환경의 수은 농도를 측정하기 위해 로다민 유도체를 사용한 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor, and more particularly, to a rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor using a rhodamine derivative to measure the mercury concentration in an aqueous solution environment.
수은은 인체에 유해한 중금속으로, 체내에 유입될 경우 인간의 뇌, 중추 신경, 신장, 간 등에 매우 치명적이며 운동 장애와 언어 장애 및 마비 증세를 일으킨킨다. 수은의 위해를 사전에 예방하기 위하여 수중에 용해된 수은의 감지가 매우 중요시 되고 있다.Mercury is a heavy metal that is harmful to the human body, and when introduced into the body, it is very fatal to the human brain, central nerves, kidneys, liver, etc. It causes movement disorders, speech disorders, and paralysis. In order to prevent mercury harm in advance, the detection of dissolved mercury in water is becoming very important.
종래의 로다민 유도체를 이용한 수은 검출 기법은 로다민이 수은 이온과 결합 시에 스파이로락탐(spirolactam) 고리의 개환에 의해 무색에서 분홍색으로 변화하는 색변화 응답 특성을 이용한 방식이다.The conventional mercury detection technique using a rhodamine derivative uses a color change response characteristic that changes from colorless to pink due to the opening of a spirolactam ring when rhodamine binds to mercury ions.
그런데 이와 같은 색변화에 의존한 측정 방식의 경우 수은 농도의 정확한 검출에 한계가 있고 응답 속도 및 감도를 더욱 개선할 필요성이 있다. 따라서 로다민 유도체가 가진 높은 광 감응적 특성을 이용한 새로운 검출 기법이 요구된다.However, in the case of such a color change-dependent measurement method, there is a limit to the accurate detection of the mercury concentration, and there is a need to further improve response speed and sensitivity. Therefore, a new detection technique using the high photosensitive properties of rhodamine derivatives is required.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제1079315호(2011.11.04 공고)에 개시되어 있다.The technology behind the present invention is disclosed in Korean Patent Registration No. 1079315 (announced on 2011.11.04).
본 발명은 로다민 유도체가 삽입된 플라스틱 광섬유 센서를 구현하여 수용액 환경에서 수은을 보다 효과적으로 검출할 수 있는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor that can more effectively detect mercury in an aqueous solution environment by implementing a plastic optical fiber sensor with a rhodamine derivative inserted therein.
본 발명은, 길이 방향의 중앙부에 외부와 연통되는 홀이 가공 형성되며, 상기 홀 부위가 측정 대상 수용액에 침지된 상태에서 일단부에 설정 파장대의 광이 입사되는 플라스틱 광섬유, 및 광 경로 상에 위치하도록 상기 플라스틱 광섬유의 홀 내측에 삽입 장착되는 로다민 유도체를 포함하며, 상기 플라스틱 광섬유의 일단부에 입사 후 상기 로다민 유도체를 경유하여 타단부로 출력되는 광으로부터 관측된 광투과율을 기초로 상기 수용액 내 수은 센싱이 이루어지는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서를 제공한다.In the present invention, a hole communicating with the outside is formed in the center portion in the longitudinal direction, and the hole portion is immersed in an aqueous solution to be measured, and a plastic optical fiber in which light of a set wavelength band is incident at one end, and located on the optical path The aqueous solution includes a rhodamine derivative inserted into the hole of the plastic optical fiber so as to be inserted and mounted, and the aqueous solution based on the light transmittance observed from the light output to the other end through the rhodamine derivative after being incident on one end of the plastic optical fiber. It provides a rhodamine-based plastic fiber optic mercury sensor with mercury-resistant sensing.
또한, 상기 수용액 내 수은 농도가 높을수록 상기 로다민 유도체가 더 많은 광을 흡수하고 상기 광투과율은 더욱 낮은 값으로 관측될 수 있다.In addition, as the concentration of mercury in the aqueous solution increases, the rhodamine derivative absorbs more light, and the light transmittance may be observed to be a lower value.
또한, 상기 설정 파장대는 520 내지 540 nm 범위를 가질 수 있다.In addition, the set wavelength band may have a range of 520 to 540 nm.
또한, 상기 플라스틱 광섬유 수은 센서는, 상기 설정 파장대의 광을 상기 플라스틱 광섬유의 일단부로 입사시키는 발광부, 상기 플라스틱 광섬유의 타단부로 출력되는 광을 수광하는 수광부, 및 상기 수광된 광으로부터 광투과율을 측정하고 상기 광투과율을 기초로 수은의 검출 여부 및 대응된 농도 값을 제공하는 측정부를 더 포함할 수 있다.In addition, the plastic optical fiber mercury sensor, a light emitting unit for incidence of the light of the set wavelength band to one end of the plastic optical fiber, a light receiving unit for receiving light output to the other end of the plastic optical fiber, and the light transmittance from the received light It may further include a measuring unit that measures and provides whether or not mercury is detected and a corresponding concentration value based on the light transmittance.
또한, 상기 발광부, 수광부 및 측정부는, 사용자 단말에 구비된 LED 광원, 카메라 및 신호 처리부에 해당할 수 있고, 상기 사용자 단말은, 상기 수은의 검출 여부 및 농도 값을 화면 상에 출력 제공할 수 있다.In addition, the light emitting unit, the light receiving unit, and the measurement unit may correspond to an LED light source, a camera, and a signal processing unit provided in a user terminal, and the user terminal may output whether the mercury is detected and a concentration value on the screen. have.
또한, 상기 플라스틱 광섬유 수은 센서는, 테프론 또는 실리콘을 포함한 투명 재질로 형성되고, 상기 로다민 유도체를 지지한 상태에서 상기 홀 내측에 고정시키는 지지체를 더 포함할 수 있다.In addition, the plastic optical fiber mercury sensor may further include a support formed of a transparent material including Teflon or silicon, and fixed to the inside of the hole while supporting the rhodamine derivative.
또한, 상기 홀은 상기 플라스틱 광섬유의 길이 방향과 평행하게 장형으로 형성되며, 상기 로다민 유도체는, 상기 홀의 양 가장자리 중 광이 나가는 방향에 위치한 일 가장자리 영역에 치우치도록 삽입되어, 상기 침지 시 상기 홀의 나머지 빈 공간 상에 상기 수용액이 채워질 수 있다.In addition, the hole is formed in an elongated shape parallel to the longitudinal direction of the plastic optical fiber, and the rhodamine derivative is inserted so as to be biased in an edge region located in the direction of light out of both edges of the hole, The aqueous solution may be filled on the remaining empty space of the hole.
또한, 상기 홀은 상기 플라스틱 광섬유의 길이 방향을 따라 설정 간격으로 복수 개로 형성될 수 있다. In addition, a plurality of holes may be formed at predetermined intervals along the length direction of the plastic optical fiber.
본 발명에 의하면, 높은 광 감응적 특성을 가진 로다민 유도체가 삽입된 플라스틱 광섬유 센서를 구현하고 일단부에 광을 조사할 경우 타단부에서 관측되는 광투과율을 기반으로 수용액 환경에서 수은을 보다 효과적으로 검출함은 물론 수은 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 이점을 제공한다.According to the present invention, when a plastic optical fiber sensor containing a rhodamine derivative having high light-sensitive properties is implemented and light is irradiated at one end, mercury is more effectively detected in an aqueous solution environment based on the light transmittance observed at the other end. It provides the advantage of being able to measure mercury concentration quickly and accurately.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 광섬유 수은 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 로다민 유도체에 조사되는 광의 파장 별 흡수도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1을 이용하여 수용액 내의 수은 농도 별 광투과율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 플라스틱 광섬유에 형성된 홀을 상세히 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 플라스틱 광섬유의 홀에 로다민 유도체가 삽입된 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 플라스틱 광섬유에 홀을 가공하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 사용자 단말을 이용한 도 1의 응용 예를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the configuration of a plastic optical fiber mercury sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the result of measuring the absorption of light irradiated to the rhodamine derivative for each wavelength.
3 is a view showing the result of measuring the light transmittance according to the concentration of mercury in an aqueous solution using FIG. 1.
4 is a diagram showing in detail a hole formed in the plastic optical fiber of FIG. 1.
5 is a view showing a state in which a rhodamine derivative is inserted into a hole of the plastic optical fiber of FIG. 4.
6 is a view showing a state of processing a hole in the plastic optical fiber of FIG.
7 is a diagram illustrating a modified example of FIG. 5.
8 is a diagram showing an application example of FIG. 1 using a user terminal.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Then, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 광섬유 수은 센서의 구성을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing the configuration of a plastic optical fiber mercury sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 광섬유 수은 센서(100)는 플라스틱 광섬유(110)(POF; Plastic Optical Fiber), 로다민 유도체(120)(Rhodamine derivatives), 발광부(130), 수광부(140), 측정부(150)를 포함한다. As shown in Figure 1, the plastic optical
플라스틱 광섬유(110)는 길이 방향의 중앙부에 외부와 연통되는 홀(111)이 가공 형성된다. 이러한 홀(111)은 플라스틱 광섬유(110)의 길이 방향에 대해 수직 방향으로 관통되어 형성되며 드릴링 머신에 의해 가공 형성될 수 있다. 물론 이에 따라 홀(111)은 플라스틱 광섬유(110)의 코어(core)를 수직으로 관통할 수 있다.The plastic
로다민 유도체(120)는 플라스틱 광섬유의 홀(111) 내측에 삽입 장착되며 이에 따라 플라스틱 광섬유(110)의 광 경로 상에 위치하게 된다. The
로다민 유도체의 제조 방법은 기존에 다양하게 공지되어 있으며, 합성된 로다민 유도체는 정형화된 졸겔(Sol-Gel) 법을 통해 코팅될 수 있다. 물론, 로다민 유도체(120)는 기 공지된 제품을 사용할 수 있으며 보다 다양한 방식으로 대상물에 삽입 또는 장착될 수 있다. Methods for preparing rhodamine derivatives have been known in various ways, and the synthesized rhodamine derivatives may be coated through a standardized sol-gel method. Of course, the
로다민 유도체의 합성 예는 다음과 같다. 70℃의 에탄올 20ml에 로다민 0.958g(2 mmol)을 녹인 뒤 Ethylene diamine 0.67ml(10 mmol)을 추가하여 혼합물의 형광이 사라질 때까지 20시간 이상 환류시킨다. 그리고 상온에서 방랭 후 침전혼합물을 여과시켜 남은 생성물을 차가운 에탄올로 세척하여 불순물을 제거한다. 마지막으로 침전물을 모아 Acetonitrile 용매에 넣어 재결정을 형성하도록 하여 수은 감지 물질인 합성 유도체 N-(Rhodamine)-lactam ethylene diamine을 만든다.Synthesis examples of rhodamine derivatives are as follows. After dissolving 0.958 g (2 mmol) of rhodamine in 20 ml of ethanol at 70° C., 0.67 ml (10 mmol) of ethylene diamine was added and refluxed for 20 hours or more until the fluorescence of the mixture disappears. After standing to cool at room temperature, the precipitated mixture is filtered, and the remaining product is washed with cold ethanol to remove impurities. Finally, the precipitates are collected and added to the Acetonitrile solvent to form recrystallization to form the synthetic derivative N-(Rhodamine)-lactam ethylene diamine, which is a mercury sensing substance.
합성 유도체는 용액과 혼합된다. 졸겔법에서 용액 조성비는 Derivative(합성유도체) : TMOS(Tetramethyl Orthosilicate) : MTMS(Trimethoxy Methylsilane) : Ethanol : H2O = 0.048 g : 24 ml : 6 ml : 30 ml : 7.5 ml로 이를 2시간 교반 후 코팅한다. 여기서 TMOS는 전구체 물질이고 용매인 증류수는 코팅 중 증발이 천천히 일어나도록 가수분해제로 사용된다. MTMS는 로다민 유도체와 대상물 간 화학결합의 접착성을 높이고 에탄올은 용액을 균일하게 혼합한다.The synthetic derivative is mixed with the solution. In the sol-gel method, the solution composition ratio is Derivative (synthetic derivative): TMOS (Tetramethyl Orthosilicate): MTMS (Trimethoxy Methylsilane): Ethanol: H2O = 0.048 g: 24 ml: 6 ml: 30 ml: 7.5 ml, which is stirred for 2 hours and coated. . Here, TMOS is a precursor material and distilled water as a solvent is used as a hydrolyzing agent so that evaporation occurs slowly during coating. MTMS improves the adhesion of chemical bonds between the rhodamine derivative and the object, and ethanol uniformly mixes the solution.
본 발명의 실시예에서, 수용액 환경에서 수은 측정을 위하여 도 1과 같이 홀(111) 부위를 포함한 광섬유의 길이방향 일부분이 측정대상 수용액 상에 침지ㄷ된다. 이에 따라 홀(111) 내측에 삽입된 로다민 유도체(120)가 수용액 상에 노출되어 반응하게 된다.In an embodiment of the present invention, a part of the length direction of the optical fiber including the
기존의 대부분의 경우 로다민 유도체가 수은 농도와 반응하였을 때 발현되는 색변화를 이용하여 수은을 검출하지만, 본 발명의 실시예는 플라스틱 광섬유에 입사된 광이 로다민 유도체를 통과한 후에 관측되는 광투과도를 기초로 수은을 검출하고 측정한다. In most of the existing cases, mercury is detected by using the color change that is expressed when the rhodamine derivative reacts with the mercury concentration, but in the embodiment of the present invention, the light incident on the plastic optical fiber passes through the rhodamine derivative. Mercury is detected and measured based on its permeability.
구체적으로, 본 발명의 실시예에서 플라스틱 광섬유(110)의 일단부에는 설정 파장대의 광이 입사된다. 플라스틱 광섬유(110)의 일단부를 통해 입사된 광은 로다민 유도체(120)를 경유하여 타단부로 전달된다.Specifically, in the embodiment of the present invention, light in the set wavelength range is incident on one end of the plastic
여기서, 설정 파장대는 로다민 유도체(120)에서 광 흡수도 특성이 우수한 것으로 나타난 520 내지 540 nm 범위의 파장을 사용할 수 있다. 도 1의 경우 그 중에서 흡수도가 피크치에 가까운 532 nm의 파장을 사용한 것을 예시한다. 그 근거는 이하 도 2를 통해 후술하기로 한다.Here, as the set wavelength band, a wavelength in the range of 520 to 540 nm, which is shown to have excellent light absorption characteristics in the
도 2는 로다민 유도체에 조사되는 광의 파장 별 흡수도를 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 흡수도 측정을 위해 아래 표 1과 같이 순도가 다른 3 종류(A,B,C)의 로다민 유도체(Rhodamine 6G)를 사용하였다. A, B 타입은 국산이고 C 타입은 외산이다.2 is a diagram showing the result of measuring the absorption of light irradiated to the rhodamine derivative for each wavelength. To measure the absorption, as shown in Table 1 below, three types of rhodamine derivatives (Rhodamine 6G) having different purity (A, B, C) were used. A and B types are domestic and C types are foreign.
도 2에 도시된 A, B, C 그래프 각각은 표 1의 3가지 로다민 유도체에 대한 흡수도(Absorption) 측정 결과를 나타낸다. 흡수도는 스펙트로미터(spectrometer)를 사용하여 측정하였다. 각각의 그래프에서 가로축은 수용액 내 수은 농도, 세로축은 흡수도를 나타낸다.Each of the graphs A, B, and C shown in FIG. 2 shows the results of measuring the absorption of the three rhodamine derivatives in Table 1. Absorbance was measured using a spectrometer. In each graph, the horizontal axis represents the concentration of mercury in the aqueous solution, and the vertical axis represents the absorption.
도 2의 결과로부터 3 종류의 Rhodamine 6G 모두 약 530 nm 지점에서 최고의 흡수도를 나타내며, 수은의 농도가 증가할수록 흡수도가 높아지는 것을 알 수 있다. 외국산 A 타입의 경우 가장 좋은 감도를 보이지만 가격이 고가이므로 본 실시예는 두 번째로 감도가 좋은 국산 B 타입을 사용하여 플라스틱 광섬유 센서를 제작하였다.From the results of FIG. 2, it can be seen that all three types of Rhodamine 6G show the highest absorbance at about 530 nm, and the absorbance increases as the concentration of mercury increases. The foreign-made type A shows the best sensitivity, but the price is high, so in this embodiment, a plastic optical fiber sensor was manufactured using the second domestic-made type B, which has the highest sensitivity.
이러한 본 발명의 실시예는 플라스틱 광섬유(110)의 일단부에 입사 후 로다민 유도체(120)를 경유하여 타단부로 출력되는 광으로부터 관측된 광투과율(Trasmittance)에 기초하여 수은 센싱이 이루어진다.In this embodiment of the present invention, mercury sensing is performed based on the light transmittance observed from the light output to the other end through the
도 1의 수용액 내에 수은 농도가 높을수록 로다민 유도체(120)가 더 많은 광을 흡수하게 되어 광투과율은 더욱 낮은 값으로 관측된다. 즉, 수용액 내의 수은 농도가 높을수록, 로다민 유도체(120)의 광 투과성이 떨어진다.As the mercury concentration in the aqueous solution of FIG. 1 increases, the
도 3은 도 1을 이용하여 수용액 내의 수은 농도 별 광투과율을 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 도 3에서 가로축은 수은의 농도, 세로축은 광투과율을 나타낸다. 3 is a view showing the result of measuring the light transmittance according to the concentration of mercury in an aqueous solution using FIG. 1. In FIG. 3, the horizontal axis represents the concentration of mercury, and the vertical axis represents the light transmittance.
이러한 도 3의 결과로부터 수은의 농도가 높을수록 광투과율의 측정 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 수은의 농도가 높으면 로다민 유도체가 더 많은 양의 빛을 흡수하기 때문으로 판단된다. 수은 농도별 관측된 광투과율을 데이터베이스에 사전 구축해 두면, 추후 광투과율 측정만으로 측정 대상 수용액 상의 수은 농도 값을 빠르고 정확하게 제공할 수 있다.From the results of FIG. 3, it can be seen that the higher the concentration of mercury, the lower the measured value of the light transmittance. This is believed to be because the rhodamine derivative absorbs a greater amount of light when the concentration of mercury is high. If the observed light transmittance by mercury concentration is pre-established in the database, the mercury concentration value in the aqueous solution to be measured can be quickly and accurately provided by measuring the light transmittance later.
도 1에서 발광부(130)는 플라스틱 광섬유(110)의 일단부와 마주보도록 배치되며, 광을 발생시켜 플라스틱 광섬유의 일단부로 입사시킨다. 본 실시예의 경우 도 1과 같이 532 nm 파장의 광을 사용하였다. 발광부(130)는 LED, 레이저 다이오드(LD; Laser Diode) 등으로 구현될 수 있다. In FIG. 1, the light-emitting
수광부(140)는 플라스틱 광섬유(110)의 타단부와 마주보도록 배치되며, 플라스틱 광섬유(110)의 타단부로 출력되는 광을 수광한다. 수광부(140)는 카메라, 포토 다이오드(PD; Photo Diode) 등으로 구현될 수 있다.The light-receiving
측정부(150)는 수광된 광으로부터 광투과율을 측정하고 광투과율을 기초로 수은 검출 여부 및 대응된 농도 값을 제공한다. 측정부(150)는 PC, 사용자 단말 등에 해당할 수 있다. 물론, 측정부(150)는 수광부(140)와 일체형로 구성될 수도 있다. 측정부(150)는 기 구축된 데이터를 참조하여 수은의 검출 여부를 제공하고 수은이 검출된 경우에는 농도 값을 함께 제공할 수 있다.The
도 4는 도 1의 플라스틱 광섬유에 형성된 홀을 상세히 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 플라스틱 광섬유의 홀에 로다민 유도체가 삽입된 모습을 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a view showing in detail a hole formed in the plastic optical fiber of FIG. 1, and FIG. 5 is a view showing a state in which a rhodamine derivative is inserted into the hole of the plastic optical fiber of FIG. 4.
도 4 및 도 5에서 상단 그림과 하단 그림은 각각 정면도와 평면도를 나타낸다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 플라스틱 광섬유(110)의 길이 방향과 평행하게 장형의 홀(111)이 형성된 것을 알 수 있다. 물론, 홀(111)은 길이 방향을 따라 설정 간격으로 복수 개로 형성되어 홀(111) 마다 로다민 유도체(120)가 삽입될 수 있다.In FIGS. 4 and 5, the upper and lower drawings respectively represent a front view and a plan view. 4 and 5, it can be seen that a
도 6은 도 1의 플라스틱 광섬유에 홀을 가공하는 모습을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예의 경우, 바이어스(Bias) 위에 플라스틱 광섬유(110)를 고정시키고 지름이 0.6 mm인 엔드밀 타입의 드릴링 비트가 부착된 드릴링 머신을 사용하여 직경 중심을 향해 가로 3mm, 세로 0.65mm 크기의 홀(111)을 가공하였다. 홀(111)이 가공되면서 광섬유 내 빛의 통로인 코어의 일부가 뚫리게 된다. 홀(111)은 좌우로 긴 직사각형 형상을 가지며 드릴링 비트의 직경에 대응하여 모서리에 라운드가 가공된다. 또한 사용된 플라스틱 광섬유(110)는 코어(Core)의 굴절률이 1.49, 클래딩(Cladding)의 굴절률이 1.41, 외경이 1.5 mm(코어 지름: 1.48 mm, 클래딩 지름: 0.02mm)인 Toray 사의 제품을 사용하였다.6 is a view showing a state of processing a hole in the plastic optical fiber of FIG. In the case of the embodiment of the present invention, using a drilling machine with a plastic
도 5에 도시된 것과 같이, 로다민 유도체(120)는 홀(111)의 양 가장자리 중 광이 빠져나가는 방향에 위치한 일 가장자리 영역에 치우치도록 삽입 설치된다. 이에 따라 수용액 내에 침지 시에 홀(111)의 나머지 빈 공간(S) 상에는 수용액이 채워지고 로다민 유도체(120)가 수용액에 반응한다.As shown in FIG. 5, the
도 7은 도 5의 변형 예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 7의 경우 로다민 유도체(120)를 지지한 상태에서 홀(111) 내에 삽입 장착되어 로다민 유도체(120)의 위치를 홀(111)의 내부에 안정적으로 고정시키는 지지체(160)가 추가된 모습을 나타낸다.7 is a diagram illustrating a modified example of FIG. 5. In the case of FIG. 7, a
이때, 지지체(160)는 광 특성에 영향을 주지 않도록 테프론 또는 실리콘 등을 포함한 투명 재질로 형성될 수 있다. 또한, 로다민 유도체(120)는 지지체(160)의 일면 또는 소정 홈 내에 졸겔 법 등에 의해 딥코팅될 수도 있다. In this case, the
도 8은 사용자 단말을 이용한 도 1의 응용 예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 8은 도 1에 도시된 플라스틱 광섬유(110)의 양측 단부를 스마트폰 후면에 위치한 광원 및 카메라에 각각 맞대어 배치한 것이며, 이 경우 도 1의 발광부(130), 수광부(140) 및 측정부(150)를 스마트폰의 전면에 구비된 LED 광원, 카메라, 그리고 내장된 신호 처리부로 각각 대체될 수 있다. 신호 처리부는 별도의 응용 프로그램, 앱 등으로 구현될 수도 있다. 8 is a diagram showing an application example of FIG. 1 using a user terminal. FIG. 8 is an arrangement of both ends of the plastic
또한, 스마트폰은 LED 광원의 출력 광 및 카메라의 수신 광을 이용하여 측정한 광투과도를 기초로 수용액 내 수은의 검출 여부 및 수은 농도 값을 화면 상에 출력하여 제공할 수 있다.In addition, the smartphone may output and provide whether or not mercury in the aqueous solution is detected and a mercury concentration value on the screen based on the light transmittance measured using the output light of the LED light source and the received light of the camera.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 높은 광 감응적 특성을 가진 로다민 유도체가 삽입된 플라스틱 광섬유 센서를 구현하고 일단부에 광을 조사할 경우 타단부에서 관측되는 광투과율을 기반으로 수용액 환경에서 수은을 보다 효과적으로 검출함은 물론 수은 농도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 이점을 제공한다.According to the present invention as described above, when a plastic optical fiber sensor in which a rhodamine derivative having high light-sensitive properties is inserted is implemented, and when light is irradiated at one end, mercury is removed in an aqueous solution environment based on the light transmittance observed at the other end. In addition to more effective detection, it provides the advantage of being able to quickly and accurately measure the mercury concentration.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are only exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 플라스틱 광섬유 수은 센서 110: 플라스틱 광섬유
111: 홀 120: 로다민 유도체
130: 발광부 140: 수광부
150: 측정부 160: 지지체100: plastic optical fiber mercury sensor 110: plastic optical fiber
111: hole 120: rhodamine derivative
130: light emitting unit 140: light receiving unit
150: measuring unit 160: support
Claims (8)
광 경로 상에 위치하도록 상기 플라스틱 광섬유의 홀 내측에 삽입 장착되는 로다민 유도체; 및
테프론 또는 실리콘을 포함한 투명 재질로 형성되고, 상기 로다민 유도체를 지지한 상태에서 상기 홀의 내측에 상기 로다민 유도체를 고정시키는 지지체를 포함하며,
상기 플라스틱 광섬유의 일단부에 입사 후 상기 로다민 유도체를 경유하여 타단부로 출력되는 광으로부터 관측된 광투과율을 기초로 상기 수용액 내 수은 센싱이 이루어지며,
상기 홀은 상기 플라스틱 광섬유의 길이 방향과 평행하게 장형으로 형성되고,
상기 지지체는,
상기 홀의 양 가장자리 중 광이 나가는 방향에 위치한 일 가장자리 영역에 치우치도록 삽입되어, 상기 침지 시 상기 홀의 나머지 빈 공간 상에 상기 수용액이 채워지는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서.A plastic optical fiber in which a hole communicating with the outside is formed at a central portion in the longitudinal direction, and light of a set wavelength band is incident on one end while the hole portion is immersed in an aqueous solution to be measured;
A rhodamine derivative inserted into the hole of the plastic optical fiber so as to be positioned on the optical path; And
It is formed of a transparent material including Teflon or silicon, and includes a support for fixing the rhodamine derivative inside the hole while supporting the rhodamine derivative,
Mercury in the aqueous solution is sensed based on the light transmittance observed from light output to the other end through the rhodamine derivative after incident on one end of the plastic optical fiber,
The hole is formed in a long shape parallel to the longitudinal direction of the plastic optical fiber,
The support,
A rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor that is inserted so as to be biased in an edge region located in a direction from which light exits among both edges of the hole, and the aqueous solution is filled in the remaining empty space of the hole during the immersion.
상기 수용액 내 수은 농도가 높을수록 상기 로다민 유도체가 더 많은 광을 흡수하고 상기 광투과율은 더욱 낮은 값으로 관측되는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서.The method according to claim 1,
Rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor in which the higher the mercury concentration in the aqueous solution, the more light the rhodamine derivative absorbs and the light transmittance is observed to be a lower value.
상기 설정 파장대는 520 내지 540 nm 범위를 가지는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서.The method according to claim 1,
The set wavelength band is a rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor having a range of 520 to 540 nm.
상기 설정 파장대의 광을 상기 플라스틱 광섬유의 일단부로 입사시키는 발광부; 및
상기 플라스틱 광섬유의 타단부로 출력되는 광을 수광하는 수광부; 및
상기 수광된 광으로부터 광투과율을 측정하고 상기 광투과율을 기초로 수은의 검출 여부 및 대응된 농도 값을 제공하는 측정부를 더 포함하는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서.The method according to claim 1,
A light-emitting unit for incident light of the set wavelength band to one end of the plastic optical fiber; And
A light receiving unit configured to receive light output to the other end of the plastic optical fiber; And
Rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor further comprising a measuring unit that measures light transmittance from the received light and provides a corresponding concentration value and whether mercury is detected based on the light transmittance.
상기 발광부, 수광부 및 측정부는,
사용자 단말에 구비된 LED 광원, 카메라 및 신호 처리부에 해당하며,
상기 사용자 단말은,
상기 수은의 검출 여부 및 농도 값을 화면 상에 출력 제공하는 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서.The method of claim 4,
The light emitting part, the light receiving part, and the measuring part,
It corresponds to the LED light source, camera and signal processing unit provided in the user terminal,
The user terminal,
A rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor that outputs whether the mercury is detected and the concentration value on the screen.
상기 홀은 상기 플라스틱 광섬유의 길이 방향을 따라 설정 간격으로 복수 개로 형성된 로다민 기반의 플라스틱 광섬유 수은 센서.The method according to claim 1,
A rhodamine-based plastic optical fiber mercury sensor formed in a plurality of holes at predetermined intervals along the length direction of the plastic optical fiber.
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‘수용액 환경에서 수은 측정을 위한 로다민 기반의 광섬유 센서 개발’, 이애리 등, Journal of Sensor Science and Technology, 23(3), 173~177, (2014.05.31.) |
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