KR102497998B1 - Humidity detecting method using nanowire and humidity detecting apparatus using nanowire - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법을 개시한다. 상기 방법은, 수분을 흡수하여 부피가 변하는 물질을 포함하는 나노선이 일측 말단에 형성된 광섬유를 준비하는 것; 상기 나노선을 습도측정대상공간에 배치한 후, 상기 광섬유의 타측에 소정의 입사광을 주입하는 것; 상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정하는 것 - 상기 반사광은, 상기 입사광이 상기 광섬유의 말단에서 및 상기 나노선의 말단에서 반사되어 생성됨 -; 상기 간섭패턴을, 소정의 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것을 포함한다.The present invention discloses a method for measuring relative humidity using a nanowire. The method may include preparing an optical fiber having one end of a nanowire including a material whose volume changes by absorbing moisture; injecting a predetermined incident light into the other side of the optical fiber after disposing the nanowire in the humidity measurement target space; measuring an interference pattern by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber - the reflected light is generated when the incident light is reflected from an end of the optical fiber and an end of the nanowire; and determining the humidity of the humidity measurement target space by comparing the interference pattern with a predetermined reference interference pattern.

Description

나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법 및 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치{HUMIDITY DETECTING METHOD USING NANOWIRE AND HUMIDITY DETECTING APPARATUS USING NANOWIRE}Method for measuring relative humidity using nanowires and apparatus for measuring relative humidity using nanowires

본 발명은, 상대 습도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광섬유의 말단에 형성된 나노선을 이용하여 상대 습도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for measuring relative humidity, and more particularly, to a method and apparatus for measuring relative humidity using a nanowire formed at an end of an optical fiber.

마이크로 스케일 영역에서의 습도 측정은 마이크로 유체, 마이크로 로봇, 및 나노 공정 등의 마이크로/나노 스케일 과학 및 기술분야에서 대단히 중요하지만, 대부분의 습도 센서는 마이크로 스케일 영역에 접근하기가 어렵기 때문에 연구가 부진하다. Humidity measurement in the microscale area is very important in micro/nanoscale science and technology fields such as microfluidics, microrobots, and nanoprocesses, but most humidity sensors are difficult to access in the microscale area, so research is sluggish. do.

습도 감지는, 인체 건강, 스마트 전자 장치, 및 산업 공정 등의 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 중증 급성 호흡기 코로나 바이러스 2(SARS-CoV-2)와 같은 바이러스 감염을 일으키는 바이러스 전파는, 공기의 상대 습도에 크게 의존한다[1-3]. 또한, 인체 습도 감지는 인간-기계의 상호 작용[4], 정보 보안 보호[5] 및 임상 진단[6]을 가능하게 하는 핵심 요소이다. 게다가, 환경 습도는, 반도체, 제약, 섬유, 및 식품 산업에서의 기술 공정들의 품질을 좌우한다[7-10].Humidity sensing plays an important role in various fields such as human health, smart electronic devices, and industrial processes. For example, transmission of viruses that cause viral infections, such as severe acute respiratory coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is highly dependent on the relative humidity of the air [1-3]. In addition, human body humidity sensing is a key factor enabling human-machine interaction [4], information security protection [5] and clinical diagnosis [6]. Moreover, environmental humidity dictates the quality of technological processes in the semiconductor, pharmaceutical, textile, and food industries [7-10].

최근에는, 물의 단위 체적당 표면적 비율이 커서 물이 빠르게 증발하는, 마이크로 스케일에서 습도의 중요성이 더욱 커졌다[11]. 특히, 마이크로 스케일 공간에서의 물 메니스커스의 증발에 대한 연구는, 마이크로 유체-기반 펌핑(microfluidic-based pumping)[12,13], 전자 장치들의 냉각[14,15], 증발 리소그래피[16,17] 등의 다양한 물리적 응용분야에서 지속적으로 주목을 받고 있다. 마이크로 모세관의 메니스커스에서의 증발은 메니스커스 주변의 내부 습도에 크게 의존한다. 이는 주변 습도가 마이크로 스케일에서 물의 증발을 제어하는 핵심 요소이기 때문이다. 따라서, 마이크로 구조물의 내부 습도를 측정하는 것은 다양한 기술 응용 분야에서 필수적인 과제이다.Recently, the importance of humidity has become more important at the microscale, where water evaporates rapidly due to its large surface area per unit volume [11]. In particular, studies on the evaporation of water meniscus in micro-scale space include microfluidic-based pumping [12, 13], cooling of electronic devices [14, 15], evaporation lithography [16, 17] has been continuously receiving attention in various physical application fields. Evaporation at the meniscus of the microcapillary strongly depends on the internal humidity around the meniscus. This is because ambient humidity is a key factor in controlling water evaporation at the microscale. Therefore, measuring the internal humidity of microstructures is an essential task in various technical applications.

최근 몇 년 동안, 그래핀 산화물[18], 광 결정(photonic crystals)[19,20], 폴리머[6, 21-23], 및 형광 분자[24] 등의 전자 또는 광양자 물질을 기반으로 하는 습도 센서에 있어서, 마이크로 스케일에서의 습도 분포를 측정하기 위해, 감도, 응답 속도 및 장치 구성 호환성을 개선하려는 시도가 여러 차례 있었다. In recent years, humidity based electronic or photonic materials such as graphene oxide [18], photonic crystals [19,20], polymers [6, 21–23], and fluorescent molecules [24] [0003] In the sensor, several attempts have been made to improve sensitivity, response speed and device configuration compatibility in order to measure humidity distribution on a micro scale.

하지만, 지속적인 연구에도 불구하고, 습도 센서의 감지 능력은 여전히 표면 또는 열린 공간으로 한정되며, 공간적-시간적 분해능 또한 여전히 낮은 상태이다. 이러한 이유로, 모세관 메니스커스의 내부 습도 분포를 조사하는 것은 오랜 과제로 남아 있으며, 여전히 이론적인 접근 방식에만 의존하고 있다[25-27].However, despite continuous research, the sensing ability of humidity sensors is still limited to surfaces or open spaces, and the spatial-temporal resolution is still low. For this reason, investigating the internal humidity distribution of the capillary meniscus remains a long-standing task and still relies only on theoretical approaches [25–27].

한편, 광섬유의 말단에 나노선을 형성하고, 형성된 나노선을 나노프로브로서 사용하여 습도를 측정하고자 하는 시도가 있었다. 이러한 시도의 예시로서, 등록특허 제10-2005058호(2019.07.23.) (명칭: 습도 센서) (이하, 종래기술이라 함)를 들 수 있다. Meanwhile, an attempt has been made to measure humidity by forming a nanowire at the end of an optical fiber and using the formed nanowire as a nanoprobe. As an example of this attempt, Patent Registration No. 10-2005058 (2019.07.23.) (Name: Humidity Sensor) (hereinafter referred to as prior art) may be cited.

상기 종래기술에서는, 광섬유의 말단에 나노선을 직접 성장시킴으로써 광섬유와 나노선의 연결부(junction)에서의 광손실을 최소화한 나노 구조물을 개시한다. 또한, 종래기술은, 이 나노 구조물을 이용한 습도 센서의 기본 구조를 제공한다. 이러한 습도 센서는, 광섬유와 나노선만 통과할 공간이 있으면 습도 측정이 가능하므로, 한쪽 면만 개방되거나, 관 형태의 좁은 통로 등과 같이 일반적으로 측정이 어려운 장소에서도 습도 측정이 가능하다고 언급되어 있다. In the prior art, a nanostructure minimizing light loss at a junction between an optical fiber and a nanowire by directly growing a nanowire at an end of an optical fiber is disclosed. In addition, the prior art provides a basic structure of a humidity sensor using this nanostructure. Since the humidity sensor can measure humidity as long as there is a space through which only optical fibers and nanowires pass, it is mentioned that humidity can be measured even in a place where it is generally difficult to measure, such as a narrow passage in the form of a tube or open only one side.

하지만, 상기 종래기술에서는, 습도를 측정하기 위한 방법으로서, 습도 측정 전의 광의 간섭으로 인한 파장과 습도 측정 후의 광의 간섭으로 인한 파장의 차이를 비교하여 습도를 측정할 수 있다고만 개시하고 있을 뿐, 정확한 습도 측정 방법을 제공하지 못하고 있다. 또한, 습도 측정 전에 파장을 측정하기 위한 기준 습도를 설정할 수 있게 하는 방법 등도 제공하지 못하고 있다. 더욱, 나노선을 이용하여 습도를 측정할 수 있는 근거 및 원리 등에 대해서도 별다른 입증이 없다. However, in the prior art, as a method for measuring humidity, it is only disclosed that the humidity can be measured by comparing the difference between the wavelength due to the interference of light before measuring the humidity and the wavelength due to the interference of light after measuring the humidity, Humidity measurement method is not provided. In addition, a method for setting a reference humidity for measuring a wavelength before measuring humidity is not provided. Furthermore, there is no evidence for the grounds and principles for measuring humidity using nanowires.

본 발명은, 미세 공간으로 접근하여 습도를 정확하게 측정할 수 있는 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법 및 장치를 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for measuring relative humidity using a nanowire capable of accurately measuring humidity by accessing a microspace.

본 발명이 개시하는 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법은, 수분의 흡수량에 따라 부피가 변하는 물질을 포함하는 나노선이 일측의 말단에 형성된 광섬유를 준비하는 것; 상기 나노선을 습도측정대상공간에 배치한 후, 상기 광섬유의 타측에 입사광을 주입하는 것; 상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정하는 것 - 상기 반사광들은 상기 입사광이 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에서 반사된 반사광 및 상기 나노선의 말단에서 반사된 반사광을 포함하고, 상기 간섭패턴은 상기 나노선의 부피 변화에 의하여 변화됨 -; 및 상기 간섭패턴을, 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것을 포함한다. A method for measuring relative humidity using a nanowire disclosed in the present invention includes preparing an optical fiber having a nanowire including a material whose volume changes according to an amount of moisture absorbed at one end thereof; injecting incident light into the other side of the optical fiber after disposing the nanowire in the humidity measurement target space; Measuring an interference pattern by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber - the reflected lights include reflected light reflected from an end of the one side of the optical fiber and reflected light reflected from an end of the nanowire, and the interference pattern is changed by the volume change of the nanowire; and determining the humidity of the humidity measurement target space by comparing the interference pattern with a reference interference pattern.

여기서, 상기 기준 간섭패턴은, 상기 나노선을 특정의 기준 습도로 설정된 기준습도공간에 배치하고, 상기 광섬유의 타측에 상기 입사광을 주입하고, 상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정함으로써 얻어지는 것을 특징으로 한다.Here, for the reference interference pattern, the nanowires are placed in a reference humidity space set to a specific reference humidity, the incident light is injected into the other side of the optical fiber, and the interference pattern by the reflected light emitted from the other side of the optical fiber is measured. It is characterized by being obtained by doing.

특히, 상기 간섭패턴을 상기 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것은: 상기 기준 간섭패턴에서 특정 피크의 파장(λm1)을 결정하는 것, 상기 간섭패턴에서 상기 특정 피크에 대응하는 피크의 파장(λm)을 결정하는 것, 상기 피크들 간의 파장의 변화량(Δλm)을 결정하고, 상기 변화량에 근거하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것을 포함할 수 있다.In particular, determining the humidity of the humidity measurement target space by comparing the interference pattern with the reference interference pattern: determining the wavelength (λ m1 ) of a specific peak in the reference interference pattern, and determining the specific peak in the interference pattern. Determining the wavelength (λ m ) of the peak corresponding to , determining the change amount (Δλ m ) of the wavelength between the peaks, and determining the humidity of the humidity measurement target space based on the change amount. .

또는, 상기 간섭패턴을 상기 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것은: 제1 기준습도로 유지되는 상기 기준습도공간에서 측정된 간섭패턴에서 특정 피크의 파장(λm1)을 결정하는 것, 제2 기준습도로 유지되는 상기 기준습도공간에서 측정된 간섭패턴에서 상기 특정 피크에 대응하는 피크의 파장(λm2)을 결정하는 것, 제n 기준습도까지 상기 특정 피크에 대응하는 피크의 파장(λmn) 측정 절차를 수행하는 것(상기 n은 2이상의 자연수), 상기 측정된 파장들을 피팅(fitting)하는 습도계산근사식을 결정하는 것, 상기 간섭패턴을 상기 습도계산근사식에 적용하여 습도를 계산하는 것을 포함할 수 있다.Alternatively, determining the humidity of the humidity measurement target space by comparing the interference pattern with the reference interference pattern is: the wavelength of a specific peak in the interference pattern measured in the reference humidity space maintained at the first reference humidity (λ m1 ) Determining a wavelength (λ m2 ) of a peak corresponding to the specific peak in the interference pattern measured in the reference humidity space maintained at the second reference humidity, and corresponding to the specific peak up to the nth reference humidity. performing a procedure for measuring the wavelength (λ mn ) of the peak (where n is a natural number of 2 or more), determining a humidity calculation approximation equation fitting the measured wavelengths, and applying the interference pattern to the humidity calculation approximation equation. It may include calculating humidity by applying

특히, 상기 습도계산근사식은

Figure 112021021921507-pat00001
로서 정의되고, 여기서, λm은 계측 간섭패턴의 상기 특정 피크의 파장이고, a, b, c는 상기 피팅에 의해 결정되는 상수이고, RH는 상기 습도측정대상공간의 상대 습도인 것을 특징으로 한다. In particular, the humidity calculation approximation is
Figure 112021021921507-pat00001
where λm is the wavelength of the specific peak of the measurement interference pattern, a, b, and c are constants determined by the fitting, and RH is the relative humidity of the humidity measurement target space. .

또한, 상기 간섭패턴들에서 각자의 상기 특정 피크의 파장을 결정하는 것은, 간섭패턴의 상기 특정 피크 주변의 측정값들에 가우시안 피팅(Gaussian fitting) 근사식을 적용하여 상기 특정 피크의 중심 파장을 결정하는 것을 더 포함할 수 있다.In addition, determining the wavelength of each of the specific peaks in the interference patterns determines the center wavelength of the specific peak by applying a Gaussian fitting approximation to the measured values around the specific peak of the interference pattern may further include

더욱, 상기 말단에 나노선이 형성된 광섬유를 준비하는 것은: 상기 나노선을 형성하는 물질의 용액이 채워진, 말단의 내경이 상기 나노선의 직경과 동일한 나노피펫을 준비하고, 상기 광섬유를 말단이 상방을 향하도록 고정하고, 그리고 상기 나노피펫의 상기 말단을 통해 상기 용액을 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에 접촉시킨 후, 상기 나노피펫을 소정의 임계속도 이하로 상승시킴으로써, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에 상기 나노선을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. Further, preparing the optical fiber having the nanowire formed at the end thereof: preparing a nanopipette filled with a solution of a material forming the nanowire and having the same inner diameter as the diameter of the nanowire, and inserting the optical fiber with the end upward. and, after bringing the solution into contact with the end of the one side of the optical fiber through the end of the nanopipette, by raising the nanopipette below a predetermined critical speed, the end of the one side of the optical fiber Forming the nanowire may be further included.

여기서, 상기 임계 속도(νc)는,

Figure 112022069928169-pat00024
(단,
Figure 112022069928169-pat00025
)의 수식으로써 결정될 수 있는데, dpt는 상기 나노피펫 말단의 내경, x는 습윤고체 영역의 축방향 길이, E는 상기 용액내 용매의 증발 속도, φwet는 상기 습윤고체 영역내 용질(즉, 상기 나노선을 형성하는 물질)의 부피 분율, φ0는 상기 나노피펫내의 상기 용액에서 상기 용질의 부피 분율이고, 상기 습윤고체 영역은, 상기 용액이 상기 나노피펫 말단으로부터 인출된 후 적어도 일부가 응고되어 상기 나노선의 형상을 유지하고는 있지만 표면에서 상기 용매가 여전히 증발하고 있는 중인 구간을 나타낸다.Here, the critical speed (ν c ) is,
Figure 112022069928169-pat00024
(step,
Figure 112022069928169-pat00025
), where d pt is the inner diameter of the tip of the nanopipette, x is the axial length of the wet solid region, E is the evaporation rate of the solvent in the solution, and φ wet is the solute in the wet solid region (i.e., A volume fraction of the material forming the nanowire), φ 0 , is a volume fraction of the solute in the solution in the nanopipette, and at least a part of the wet solid region solidifies after the solution is withdrawn from the end of the nanopipette. This indicates a section where the solvent is still evaporating on the surface while maintaining the shape of the nanowire.

한편, 본 발명이 개시하는 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치는, 수분의 흡수량에 따라 부피가 변하는 물질을 포함하는 나노선이 일측의 말단에 형성된 광섬유; 상기 광섬유의 타측에 입사광을 주입하는 광주입기; 상기 광섬유의 타측으로부터 나오는 반사광들에 의한 간섭을 측정하는 간섭계; 및 상기 나노선을 습도측정대상공간에 배치한 후 상기 광섬유의 타측에 상기 입사광을 주입하고, 상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정하고 - 상기 반사광들은 상기 입사광이 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에서 반사된 반사광 및 상기 나노선의 말단에서 반사된 반사광을 포함하고, 상기 간섭패턴은 상기 나노선의 부피 변화에 의하여 변화됨 -, 상기 간섭패턴을 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 제어기를 포함한다. Meanwhile, an apparatus for measuring relative humidity using a nanowire disclosed in the present invention includes an optical fiber having a nanowire including a material whose volume changes according to an amount of moisture absorbed at one end thereof; a photoreceptor for injecting incident light into the other side of the optical fiber; an interferometer for measuring interference caused by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber; and after disposing the nanowires in the humidity measurement target space, injecting the incident light into the other side of the optical fiber, and measuring an interference pattern by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber - It includes the reflected light reflected from one end and the reflected light reflected from the end of the nanowire, and the interference pattern is changed by a change in the volume of the nanowire. It includes a controller that determines humidity.

여기서, 상기 기준 간섭패턴은, 상기 나노선을 특정의 기준 습도로 설정된 기준습도공간에 배치한 후 상기 광섬유에 상기 입사광을 주입하고, 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정함으로써 얻어진다.Here, the reference interference pattern is obtained by arranging the nanowires in a reference humidity space set to a specific reference humidity, injecting the incident light into the optical fiber, and measuring the interference pattern by the reflected lights.

특히, 상기 나노선의 말단은, 상기 나노선의 길이방향에 수직한 평탄한 단면을 갖는 것을 특징으로 한다. In particular, an end of the nanowire has a flat cross section perpendicular to the longitudinal direction of the nanowire.

더욱, 상기 광섬유는, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단을 향하여 직경이 줄어드는 테이퍼 형상으로 구현되고, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단의 직경은 상기 나노선의 직경보다 더 작은 것을 특징으로 한다.Further, the optical fiber is implemented in a tapered shape in which the diameter decreases toward the end of the one side of the optical fiber, and the diameter of the end of the one side of the optical fiber is smaller than the diameter of the nanowire.

특히, 상기 나노선의 말단은, 상기 나노선의 길이방향에 수직한 평탄한 단면을 갖는 것을 특징으로 한다. In particular, an end of the nanowire has a flat cross section perpendicular to the longitudinal direction of the nanowire.

이와 같은 상기 상대 습도 측정 장치는, 상기 기준습도공간을 특정 습도로 제어하기 위한 습기공급장치를 더 포함할 수 있는데, 상기 습기공급장치는: 상기 기준습도공간의 내부로 임의의 순수 가스를 주입하는 제1 가스 라인; 증류수를 저장하며 증류수의 상부 공간이 상기 기준습도공간에 연결된 저수조; 상기 저수조에 저장된 증류수 내로 상기 순수 가스를 주입하는 제2 가스 라인; 및 상기 제1 가스 라인과 상기 제2 가스 라인의 가스 주입량을 제어하여 상기 기준습도공간 내부의 습도를 제어하는 유량제어기로 구성될 수 있다. The relative humidity measuring device may further include a moisture supply device for controlling the reference humidity space to a specific humidity, wherein the moisture supply device: injects an arbitrary pure gas into the reference humidity space. a first gas line; a reservoir for storing distilled water and having an upper space of the distilled water connected to the reference humidity space; a second gas line for injecting the pure gas into the distilled water stored in the reservoir; and a flow controller configured to control humidity in the reference humidity space by controlling gas injection amounts of the first gas line and the second gas line.

본 발명은, 미세한 공간으로 접근하여 소정 지점의 습도를 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 3차원 공간의 습도 분포를 매핑할 수 있는, 스캔가능한 습도 나노프로브를 제공한다. 또한, 습도 나노프로브를 이용한 상대 습도 측정 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a scannable humidity nanoprobe capable of accurately measuring humidity at a predetermined point by accessing a microscopic space and mapping a humidity distribution in a three-dimensional space. In addition, a method and apparatus for measuring relative humidity using a humidity nanoprobe are provided.

본 발명의 습도 나노프로브는, 높은 공간 분해능과 빠른 응답을 기반으로 우수한 습도 분포 매핑(humidity distribution mapping)을 제공한다. The humidity nanoprobe of the present invention provides excellent humidity distribution mapping based on high spatial resolution and fast response.

이러한 습도 나노프로브의 성능은, 가장 간단한 마이크로 유체 모델인 마이크로 모세관(micro-capillaries)에 형성된 물 메니스커스(water meniscus)에서의 미시적 습도 분포와 증발 속도 분포를 실험적 측정함으로써 입증된다.The performance of the humidity nanoprobe is verified by experimentally measuring the microscopic humidity distribution and evaporation rate distribution in a water meniscus formed in micro-capillaries, which are the simplest microfluidic models.

이로써, 본 발명은, 습도 측정가능한 공간에 대한 기하학적 제약을 극복함으로써, 미시적 증발 역학(microscopic evaporation dynamics)과 관련된 문제들을 탐구할 수 있게 한다. Thus, the present invention makes it possible to explore problems related to microscopic evaporation dynamics by overcoming the geometrical constraints on the humidity measurable space.

도 1은, 본 발명에 따른 습도 나노프로브의 구성, 제작 방법, 간섭패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 미세 피펫을 사용하여 나노선을 형성할 때의 각 부분, 특히, 습윤고체 영역을 보여주는 도면이다.
도 3은, 본 발명에 따른 습도 나노프로브를 이용한 나노선 프로브 간섭계(NPI)를 기반으로 하는 습도 측정 장치의 개략적인 구조를 도시한다.
도 4는, 다양 습도에서 측정된 간섭패턴의 측정 결과 및 특정 피크의 파장에 대한 피팅을 보여주는 도면이다.
도 5는 간섭패턴에서 피크를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 습기공급장치를 설명하는 도면이다.
도 7은, 다양한 기준습도에서 측정된 기준 간섭패턴의 측정 결과 및 분석 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은, 본 발명에 따른 습도 나노프로브를 사용하여 마이크로웰 주변의 습도 분포를 측정한 결과 및 분석을 보여주는 도면이다.
1 is a diagram for explaining the configuration, manufacturing method, and interference pattern of a humidity nanoprobe according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing each part, in particular, a wet solid region when a nanowire is formed using a fine pipette.
3 shows a schematic structure of a humidity measuring device based on a nanowire probe interferometer (NPI) using a humidity nanoprobe according to the present invention.
4 is a diagram showing measurement results of interference patterns measured at various humidities and fitting to wavelengths of specific peaks.
5 is a diagram for explaining a method of determining a peak in an interference pattern.
Fig. 6 is a diagram explaining a moisture supply device.
7 is a diagram showing measurement results and analysis results of reference interference patterns measured at various reference humidities.
8 is a diagram showing results and analysis of measurement of humidity distribution around microwells using the humidity nanoprobe according to the present invention.

본 발명은, 마이크로 스케일의 미시적 공간을 스캔할 수 있는 나노선 기반 습도 나노프로브(humidity nanoprobe)를 제공한다. 습도 측정은, 습도에 대한 고분자 나노선의 간섭계 반응을 실시간 모니터링하는 것에 기반한다. The present invention provides a nanowire-based humidity nanoprobe capable of scanning a microscopic space on a micro scale. Humidity measurement is based on real-time monitoring of the interferometric response of polymer nanowires to humidity.

또한, 물이 채워진 모세관 내부를 습도 나노프로브를 사용해 미세 간격으로 3차원 공간 스캔함으로써, 물 메니스커스 근처의 내부 습도 분포를 매핑한다. 습도 분포 매핑은, 물 메니스커스 근처의 증발 속도를 높은 해상도로 분석할 수 있게 한다.In addition, the internal humidity distribution near the water meniscus is mapped by scanning the inside of the water-filled capillary at minute intervals using a humidity nanoprobe. Moisture distribution mapping allows high-resolution analysis of the evaporation rate near the water meniscus.

본 발명에서 제공하는 습도 나노프로브는, 마이크로 모세관의 내부 습도 매핑을 위한 3차원 스캔 가능성, 고분해능 및 높은 접근성을 제공함으로써, 마이크로 스케일의 기하학적 구조물 및 장치들에서의 미시적 증발 역학(microscopic evaporation dynamics)과 관련된 다양한 과제들을 탐구하는 데에 기여할 수 있다.The humidity nanoprobe provided by the present invention provides 3D scan possibility, high resolution and high accessibility for mapping the internal humidity of microcapillaries, thereby enabling microscopic evaporation dynamics and microscopic evaporation dynamics in microscale geometric structures and devices. It can contribute to exploring various related issues.

한편, 본 발명에서는, 광섬유의 말단에 나노미터 크기의 구조물을 형성하는 것으로 기재하고, 또한, '나노선' 또는 '나노프로브'로서 지칭하고 설명하고 있다. 하지만, 이러한 구조물은, 반드시 나노미터 크기로 한정되는 것은 아니며, 마이크로미터 크기로 형성될 수도 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 '나노선' 또는 '나노프로브'는, '마이크로선' 또는 '마이크로프로브'로도 교환적으로 지칭될 수 있을 것이다.On the other hand, in the present invention, it is described that a nanometer-sized structure is formed at the end of an optical fiber, and also referred to as a 'nanowire' or 'nanoprobe' and described. However, these structures are not necessarily limited to the nanometer size, and may be formed in the micrometer size. Accordingly, the 'nanowire' or 'nanoprobe' of the present invention may also be interchangeably referred to as a 'microwire' or 'microprobe'.

즉, 본 발명에 따른 나노선은, 직경이 수 나노미터에서 수백 나노미터 사이일 수 있을 뿐만 아니라, 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 사이일 수도 있다. 경우에 따라서는 수 밀리미터의 크기로도 구현될 수 있을 것이다. That is, the diameter of the nanowire according to the present invention may not only be between several nanometers and hundreds of nanometers, but may also be between several micrometers and hundreds of micrometers. In some cases, it may be implemented in a size of several millimeters.

도 1은, 본 발명에서 사용하는 습도 나노프로브의 구성, 제작 방법, 간섭패턴에 대해서 설명한다. 본 발명의 습도 나노프로브(또는, '나노선'으로 지칭될 수 있음)는, 말단을 향하여 직경이 줄어드는 테이퍼진 형태 또는 말단이 평단한 형태의 광섬유의 말단에 나노스케일의 직경을 갖는 나노선을 연장시킨 형태로 구성된다. 1 describes the configuration, manufacturing method, and interference pattern of the humidity nanoprobe used in the present invention. The humidity nanoprobe (or, it may be referred to as 'nanowire') of the present invention is a nanowire having a nanoscale diameter at the end of an optical fiber having a tapered shape or a flat end that decreases in diameter toward the end. It is in an extended form.

본 발명의 습도 나노프로브의 핵심 원리는, 말단에 나노선이 형성된 광섬유에 소정 파장의 광을 주입하면, 광이 나노선의 말단에서 및 광섬유의 말단에서 각각 반사하여 2개의 반사광을 형성하게 되는데, 이 2개의 반사광이 서로 간섭하여 형성하는 간섭패턴을 이용하는 것이다(도 1(a) 참조). 여기서, 광 간섭의 위상차(δ)는,

Figure 112021021921507-pat00004
로 근사될 수 있는데, 주변 습도에 의한 주어진 파장(λ)에 대한 나노선 형성 물질의 굴절률(n)의 변화 및 나노선의 길이(L)의 변화에 의존하여 변한다. The key principle of the humidity nanoprobe of the present invention is that when light of a predetermined wavelength is injected into an optical fiber having a nanowire formed at its end, the light is reflected at the end of the nanowire and at the end of the optical fiber, respectively, to form two reflected lights. It uses an interference pattern formed by two reflected lights interfering with each other (see FIG. 1(a)). Here, the phase difference (δ) of optical interference is
Figure 112021021921507-pat00004
It can be approximated as , which changes depending on the change in the refractive index (n) of the nanowire-forming material for a given wavelength (λ) due to ambient humidity and the change in the length (L) of the nanowire.

본 발명에 따른 나노선은, 수분을 흡수하여 부피가 변하는 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 물질로는, 폴리(메틸 메타 크릴 레이트)(PMMA) 또는 폴리스티렌(PS)을 들 수 있다. 특히, 폴리(메틸 메타 크릴 레이트)(PMMA)(평균 Mw 996,000, Sigma-Aldrich)는, 수분 흡수 능력(∼2wt%)과 나노선 도파관 내에 빛을 가두는 높은 굴절률(1.49)로 인해, 습도 나노프로브를 구성하는 나노선의 재료로서 바람직하다. The nanowire according to the present invention may be formed using a material whose volume changes by absorbing moisture. Such materials include poly(methyl methacrylate) (PMMA) or polystyrene (PS). In particular, poly(methyl methacrylate) (PMMA) (average Mw 996,000, Sigma-Aldrich), due to its ability to absorb water (~2wt%) and high refractive index (1.49) to confine light within the nanowire waveguide, has been shown to be highly effective in humidity nanoparticles. It is preferable as a material for the nanowire constituting the probe.

추가로, 나노선 형성 물질로서, Poly(lactic acid) (PLA), Poly(caprolactone) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate, Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP), Polyvinylidene Fluoride (PVDF)로 이루어진 군에서 선택된 소수성 고분자, 또는 Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA), Alginate, Dextran으로 이루어진 군에서 선택된 친수성 고분자 등이 사용될 수 있다. 또한, 유기 전도성 고분자(π콘쥬게이티드폴리머)도 나노선 형성 물질로서 사용될 수 있는데, 이들은 화학적 도핑을 통해 전기적, 광학적 특성을 자유롭게 조절할 수 있는 특징이 있다. 생체 고분자 또한 나노선 형성 물질로서 사용될 수 있다. DNA, RNA로 이루어진 군에서 선택된 핵산, Bovine Serum Albumin (BSA), Gelatin, Collagen으로 이루어진 군에서 선택된 단백질, Dextran, Glycogen으로 이루어진 군에서 선택된 다당류가 이에 해당한다. 한편, 나노선 형성 물질을 포함하는 용액을 만들기 위한 용매로는, 상기 나노선을 형성하는 물질을 녹일 수 있는 모든 종류의 액체가 사용될 수 있는데, 여기에는 DI water, DMSO, DMF, Toluene, Xylene, THF, Ethanol, Chloroform 등이 포함될 수 있다. Additionally, as nanowire forming materials, Poly(lactic acid) (PLA), Poly(caprolactone) (PCA), PEDOT:PSS, Polystyrene-co-maleic acid, Poly(methyl methacrylate), Polycarbonate, Polyurethane, Polyvinylpyrrolidone (PVP ), a hydrophobic polymer selected from the group consisting of Polyvinylidene Fluoride (PVDF), or Poly(acrylic acid) (PAA), Polyacrylamide (PAM), Polystyrene, sulfonate (PSS), Poly(vinyl alcohol) (PVA), Alginate, and Dextran. A hydrophilic polymer selected from the group consisting of may be used. In addition, organic conductive polymers (π conjugated polymers) may also be used as nanowire-forming materials, and they are characterized in that electrical and optical properties can be freely controlled through chemical doping. Biopolymers may also be used as materials for forming nanowires. A nucleic acid selected from the group consisting of DNA and RNA, a protein selected from the group consisting of Bovine Serum Albumin (BSA), Gelatin, and Collagen, and a polysaccharide selected from the group consisting of Dextran and Glycogen correspond to this category. Meanwhile, all kinds of liquids capable of dissolving the nanowire-forming material may be used as a solvent for preparing a solution containing a nanowire-forming material, including DI water, DMSO, DMF, Toluene, Xylene, THF, Ethanol, Chloroform, etc. may be included.

한편, 반사광에 의한 간섭패턴을 이용하는 본 발명에 따른 습도 나노프로브에서, 습도 측정의 정확도를 향상시키기 위해서는, 광 간섭의 세기(또는, 진폭)를 향상시킬 필요가 있다. Meanwhile, in the humidity nanoprobe according to the present invention using an interference pattern by reflected light, in order to improve the accuracy of humidity measurement, it is necessary to improve the intensity (or amplitude) of optical interference.

간섭의 세기는,

Figure 112021021921507-pat00005
와 같이 표현될 수 있다[21],The strength of the interference is
Figure 112021021921507-pat00005
It can be expressed as [21],

여기서, I1과 I2는 각각 나노선 말단과 광섬유 말단에서 반사되는 반사광의 세기이다. Here, I 1 and I 2 are the intensities of reflected light reflected from the end of the nanowire and the end of the optical fiber, respectively.

간섭패턴으로부터 명확한 피크를 얻기 위해서는 강한 반사광이 필요하며, 강한 반사광들을 얻기 위해서는, 나노선과 광섬유의 접합부에서의 광결합 효율을 향상시킬 필요가 있다. 광결합 효율을 향상시키기 위해서는, 나노선과 광섬유가 동축으로 정렬되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 광섬유에 대해 나노선을 잘 정렬시킬 수 있도록, 도 1(b)에 도시된 광학 현미경 사진에 나타난 바와 같은 나노 피펫을 이용한 3D 프린팅 방식을 통해, 테이퍼진 광섬유의 말단에 나노선을 직접 성장시켰다. In order to obtain a clear peak from the interference pattern, strong reflected light is required, and in order to obtain strong reflected light, it is necessary to improve light coupling efficiency at the junction of the nanowire and the optical fiber. In order to improve light coupling efficiency, it is preferable that the nanowire and the optical fiber are coaxially aligned. In the present invention, in order to align the nanowires with respect to the optical fiber, nanowires are formed at the end of the tapered optical fiber through a 3D printing method using a nanopipette as shown in the optical micrograph shown in FIG. 1(b). grown directly.

본 발명에서 개시하는 상기 3D 프린팅 방식의 나노선 제조 방법을 통해 나노선을 형성하는 경우에는, 광섬유와 나노선이 정확하게 동축정렬되지 않더라도, 양호한 광경합 효율을 보여준다. In the case of forming the nanowire through the 3D printing method of manufacturing the nanowire disclosed in the present invention, even if the optical fiber and the nanowire are not precisely coaxially aligned, good photocombining efficiency is exhibited.

또한, 강한 반사광들을 얻기 위해서, 나노선의 말단을 평평하게 형성할 수 있다(도 1(c) 참조). 이로써, 도 1(d)에 도시된 바와 같이 높은 세기로 명확한 피크를 갖는 간섭패턴을 얻을 수 있다[32]. In addition, in order to obtain strong reflected light, the end of the nanowire may be formed flat (see FIG. 1(c)). As a result, as shown in FIG. 1(d), an interference pattern having a clear peak with high intensity can be obtained [32].

여기서, 본 발명에서 제공하는 3D 프린팅 방식의 나노선 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다. Here, the method of manufacturing the nanowire using the 3D printing method provided by the present invention will be described in detail.

광섬유의 말단에 나노미터 스케일의 직경을 갖는 나노선을 형성하기 위해서는, 먼저, 형성하고자 하는 나노선의 직경과 실질적으로 동일한 내경을 갖는 말단을 구비한 나노 피펫을 준비한다. In order to form a nanowire having a nanometer-scale diameter at the end of an optical fiber, first, a nanopipette having an end having an inner diameter substantially equal to the diameter of the nanowire to be formed is prepared.

나노 피펫에는 나노선 형성 물질의 용액이 충전된다. The nanopipette is filled with a solution of a nanowire forming material.

광섬유는, 말단이 상방을 향하도록, 바람직하게, 수직 방향으로 배치된다. 나노 피펫은, 광섬유의 위쪽에, 말단이 하방을 향하도록, 역시 바람직하게, 수직 방향으로 배치된다. 광섬유는 그 위치에 고정될 수 있으며, 나노 피펫이 수직으로 하강-상승하도록 구성될 수 있다. The optical fiber is preferably arranged in a vertical direction, with the end facing upward. The nanopipette is placed above the optical fiber with its end pointing downward, also preferably in a vertical direction. The optical fiber can be fixed in its position, and the nanopipette can be configured to vertically lower-raise.

여기서, 광섬유와 나노 피펫을 모두 수직으로 배치하고, 동일한 수직축상에 말단들이 위치하도록 수평위치를 조정함으로써, 광섬유와 나노 피펫이 동축 정렬될 수 있다. 본 발명에서, 광섬유와 나노 피펫을 모두 수직으로 배치하는 것 및 이들을 동축 정렬하는 것은 필수 단계가 아니지만, 광 결합 효율을 향상시키고 반사광의 세기를 크게 하기 위해서는 이러한 동축 정렬 단계를 수행하는 것이 바람직하다. Here, the optical fiber and the nanopipette can be coaxially aligned by arranging both the optical fiber and the nanopipette vertically and adjusting the horizontal position so that the ends are positioned on the same vertical axis. In the present invention, vertically arranging both the optical fiber and the nanopipette and aligning them coaxially are not essential steps, but it is preferable to perform the coaxial alignment step in order to improve the light coupling efficiency and increase the intensity of the reflected light.

이어서, 나노 피펫을 하강시켜 광섬유의 말단과 나노 피펫의 말단이 서로 접촉하게 함으로써, 나노 피펫의 말단을 통해 나노선 형성 물질의 용액이 광섬유의 말단에 접촉하게 된다. 이때, 광섬유의 테이퍼진 말단이 나노 피펫의 말단으로 적어도 일부 삽입되는 정도까지 이동이 제어될 수도 있다. Subsequently, the nanopipette is lowered so that the end of the optical fiber and the end of the nanopipette come into contact with each other, so that the solution of the nanowire forming material comes into contact with the end of the optical fiber through the end of the nanopipette. At this time, the movement may be controlled to the extent that the tapered end of the optical fiber is at least partially inserted into the end of the nanopipette.

이어서, 상기 나노피펫을 소정의 임계 속도(νc) 이하의 이격 속도로 상승시킴으로써, 나노피펫의 말단의 내경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는 나노선이 광섬유의 말단으로부터 연장되어 형성된다. Next, by raising the nanopipette at a separation speed equal to or less than a predetermined critical speed (ν c ), a nanowire having a diameter substantially equal to the inner diameter of the distal end of the nanopipette extends from the distal end of the optical fiber and is formed.

여기서, 상기 임계 속도(νc)는, 형성되는 나노선의 직경이 나노 피펫의 말단의 내경과 동일한 직경을 가지면서 형성되게 하는 이격 속도의 최대 한계값으로서, 이격 속도가 상기 임계 속도보다 낮을 때 나노 피펫의 말단의 내경과 동일한 직경의 나노선이 연속으로 일정하게 형성될 수 있다. 한편, 이격 속도가 상기 임계 속도보다 높으면 나노 피펫의 말단의 내경과는 다른 직경, 특히 상기 내경보다 작은 직경의 나노선이 형성되게 될 것이며, 그 직경 또한 일정하지 않고 울퉁불퉁하게 나타날 수 있다.Here, the critical velocity (ν c ) is the maximum limit value of the separation velocity that allows the nanowire to be formed to have the same diameter as the inner diameter of the distal end of the nanopipette, and when the separation velocity is lower than the critical velocity, the nanowire Nanowires having the same diameter as the inner diameter of the distal end of the pipette may be continuously and uniformly formed. On the other hand, when the separation speed is higher than the critical speed, nanowires having a diameter different from the inner diameter of the distal end of the nanopipette, in particular, smaller than the inner diameter, may be formed, and the diameter may also be irregular and uneven.

상기 임계 속도(νc)는,

Figure 112021021921507-pat00006
와 같은 방식으로 결정될 수 있다. 여기서, νwet은 습윤고체 영역의 성장 속도이고, x는 습윤고체 영역의 축방향 길이에 해당하고, E는 습윤고체 영역의 표면에서의 증발 플럭스(evaporation flux)이고, dpt는 피펫 말단의 내경이고, φwet는 습윤고체 영역내 용질의 부피 분율(volume fraction)이고, φ0는 미세 피펫의 용액내 용질의 부피 분율(volume fraction)에 해당한다. The critical speed (ν c ) is,
Figure 112021021921507-pat00006
can be determined in the same way. where ν wet is the growth rate of the wet-solid region, x corresponds to the axial length of the wet-solid region, E is the evaporation flux at the surface of the wet-solid region, and d pt is the inner diameter of the pipette tip , φ wet is the volume fraction of the solute in the wet solid region, and φ 0 corresponds to the volume fraction of the solute in the solution of the micropipette.

특히, E는

Figure 112021021921507-pat00007
로써 정의될 수 있는데, 여기서, D는 용매의 확산 계수이고, c는 습윤고체 영역의 표면에 인접한 기체 영역에서의 용매의 증기 농도이다. In particular, E
Figure 112021021921507-pat00007
where D is the diffusion coefficient of the solvent and c is the vapor concentration of the solvent in the gas region adjacent to the surface of the wet solid region.

한편, 습윤고체 영역이라는 것은, 도 2에 도시된 바와 같이, 미세 피펫을 광섬유의 말단으로부터 상승시킬 때, 용액이 미세 피펫의 말단으로부터 인출된 후 적어도 일부 특히 대부분 응고되어 미세선의 형상을 유지하고는 있지만, 모세관 흐름(capillary flow)에 의해 피펫으로부터 유입된 용매가 그 표면에서 여전히 증발하는 중인 상태의 영역을 지칭한다. On the other hand, the wet solid region means that, as shown in FIG. 2, when the micropipette is raised from the end of the optical fiber, the solution is withdrawn from the end of the micropipette and then at least partially solidified to maintain the shape of the fine wire. However, it refers to the region where the solvent drawn from the pipette by capillary flow is still evaporating on its surface.

도 3은, 본 발명에 따른 습도 나노프로브를 이용한 나노선 프로브 간섭계(NPI)를 기반으로 하는 습도 측정 장치의 개략적인 구조를 도시한다. 3 shows a schematic structure of a humidity measuring device based on a nanowire probe interferometer (NPI) using a humidity nanoprobe according to the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 습도 측정 장치는, 나노선이 형성된 광섬유, 광주입기, 간섭계, 제어기를 포함할 수 있다. Referring to the drawings, the humidity measuring device according to the present invention may include an optical fiber in which nanowires are formed, a light input device, an interferometer, and a controller.

광섬유는, 수분을 흡수하여 부피가 변하는 물질을 포함하는 나노선이 일측 말단에 형성된 구조이다. 이러한 나노선은 전술한 제조 방법에 의해 제작될 수 있다. An optical fiber has a structure in which a nanowire containing a material whose volume changes by absorbing moisture is formed at one end. Such a nanowire may be manufactured by the above-described manufacturing method.

광주입기는, 상기 광섬유의 타측(즉, 나노선이 형성되지 않은 부분)을 통해 소정의 입사광을 주입한다. 여기서, 광섬유로 주입되는 입사광은, 임의의 파장을 가질 수 있으나, 본 발명에서는 실험을 위한 예시로서, LED에서 방출되는 또는 광필터에 의해 대역통과한 적색광(파장: 625nm)을 사용하였다. The photoinjector injects predetermined incident light through the other side of the optical fiber (ie, the portion where the nanowire is not formed). Here, the incident light injected into the optical fiber may have any wavelength, but in the present invention, red light (wavelength: 625 nm) emitted from an LED or band-passed by an optical filter was used as an example for an experiment.

광주입기에서 방출된 입사광은, 대물렌즈를 통해서 집중되어 커플러를 통해 광섬유의 타측으로 주입될 수 있다. Incident light emitted from the light input device may be concentrated through an objective lens and injected into the other side of the optical fiber through a coupler.

간섭계는, 광섬유의 타측으로부터 나오는 반사광들을 수집하고, 간섭패턴을 측정한다. 간섭계는, 상기 커플러에 결합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 간섭계는, 복수의 렌즈, 반사경, 프리즘, 검출기 등을 포함할 수 있다. An interferometer collects reflected light emitted from the other side of the optical fiber and measures an interference pattern. An interferometer may be coupled to the coupler. As shown, the interferometer may include a plurality of lenses, reflectors, prisms, detectors, and the like.

제어기는, 습도측정대상공간에 광섬유의 말단(즉, 말단의 나노선)이 집어넣어진 상태에서, 광주입기를 제어하여 광섬유의 타측으로 입사광을 주입한다. 또한, 간섭계를 제어하여 광섬유의 타측으로부터 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴의 측정 결과를 수신한다. 그리고 수신된 결과를 분석하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정한다. The controller injects incident light to the other side of the optical fiber by controlling the light input in a state where the end of the optical fiber (ie, the nanowire at the end) is inserted into the space to be measured for humidity. In addition, the interferometer is controlled to receive the measurement result of the interference pattern by the reflected light emitted from the other side of the optical fiber. Then, the humidity of the humidity measurement target space is determined by analyzing the received result.

본 발명에 있어서 습도를 결정하는 방법은, 다음과 같다.The method for determining humidity in the present invention is as follows.

먼저, 상기 나노선을 미리알고있는 기준 습도로 유지되는 기준습도공간에 집어넣고, 이때의 측정되는 간섭패턴을 분석하여 '기준 간섭패턴'으로서 유지한다. First, the nanowire is put into a reference humidity space maintained at a known reference humidity, and the interference pattern measured at this time is analyzed and maintained as a 'reference interference pattern'.

이어서, 습도를 측정하고자 하는 대상공간(즉, 습도측정대상공간)에서 간섭패턴을 측정한다(이하, '계측 간섭패턴'이라 함).Subsequently, an interference pattern is measured in a target space in which humidity is to be measured (ie, a humidity measurement target space) (hereinafter referred to as 'measurement interference pattern').

그리고, 기준 간섭패턴과 계측 간섭패턴을 비교함으로써, 상기 대상공간의 습도를 결정한다. Then, the humidity of the target space is determined by comparing the reference interference pattern with the measurement interference pattern.

특히, 기준 간섭패턴과 습도측정대상공간에서 계측된 계측 간섭패턴을 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것은, 기준 간섭패턴에서 임의의 피크의 파장(예를 들면, 최대값을 나타내는 피크의 파장(λm1))을 결정하고, 상기 계측 간섭패턴에서 기준 간섭패턴의 임의의 피크의 파장에 대응하는 피크의 파장(예를 들면, 계측 간섭 패턴의 최대값을 나타내는 피크의 파장(λm))을 결정하고, 상기 결정된 피크의 파장들 간의 변화량(또는, 파장 이동)(Δλm)을 결정하고, 결정된 변화량(Δλm)에 근거하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것을 포함할 수 있다. In particular, determining the humidity of the humidity measurement target space by comparing the reference interference pattern with the measurement interference pattern measured in the humidity measurement target space is the wavelength of an arbitrary peak in the reference interference pattern (for example, the peak representing the maximum value). The wavelength (λ m1 ) of is determined, and the wavelength of the peak corresponding to the wavelength of an arbitrary peak of the reference interference pattern in the measurement interference pattern (for example, the wavelength of the peak representing the maximum value of the measurement interference pattern (λ m ) )), determining the amount of change (or wavelength shift) between the wavelengths of the determined peak (Δλ m ), and determining the humidity of the humidity measurement target space based on the determined amount of change (Δλ m ). can

즉, 본 발명에 따른 습도 나노프로브의 간섭패턴에서 나타나는 특정 피크의 파장 이동은 나노선이 배치된 공간의 상대 습도에 비례하므로, 기준 간섭패턴에서의 상기 특정 피크의 파장을 알 수 있다면 ,상기 변화량의 관계로부터 상대 습도를 결정할 수 있게 된다. That is, since the wavelength shift of a specific peak appearing in the interference pattern of the humidity nanoprobe according to the present invention is proportional to the relative humidity of the space where the nanowire is placed, if the wavelength of the specific peak in the reference interference pattern can be known, the amount of change Relative humidity can be determined from the relationship of

여기서, 상기 특정 피크는, 간섭패턴에서 상기와 같이 세기가 가장 큰 피크일 수 있으며, 또는, 특정 파장으로부터 m번째로 나타나는 피크, 피크의 형태가 수학적 함수로써 가장 잘 피팅(fitting)되는 것, 특정의 파장에 가장 가까이 있는 피크, 습도 측정 장치에서 가장 신속하고 정확하게 분석할 수 있는 피크 등에서 임의의 것으로 결정될 수 있다. Here, the specific peak may be the peak having the greatest intensity as described above in the interference pattern, or the peak appearing mth from a specific wavelength, the shape of the peak best fitting as a mathematical function, the specific peak It can be determined arbitrarily from a peak closest to the wavelength of , a peak that can be analyzed most rapidly and accurately in a humidity measuring device, and the like.

한편, 도 4는, 다양한 기준습도에서 측정된 기준 간섭패턴의 측정 결과 및 특정 피크의 파장에 대한 피팅을 보여주는 도면이다. Meanwhile, FIG. 4 is a diagram showing measurement results of reference interference patterns measured at various reference humidities and fitting to wavelengths of specific peaks.

기준 간섭패턴은, 특정의 1가지의 기준습도에 대해 측정될 수도 있고, 바람직하게는, 서로 다른 복수의 기준습도에 대해서 측정될 수 있다. 예를 들면, 기준 간섭패턴은, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 등과 같이 복수 종류의 기준습도에 대해 각각 측정될 수 있다(도 4(a) 참조). 기준 간섭패턴은 가능한 많은 종류의 기준습도 각각에 대해서 측정되고 유지되는 것이 바람직하다. 하지만, 몇 가지 종류의 기준습도에 대해서 각각의 기준 간섭패턴을 측정하고, 측정한 결과를 이용하여 최적의 습도계산 근사식을 결정하고, 결정된 습도계산근사식을 이용하여 습도를 계산하는 방식도 고려될 수 있다. The reference interference pattern may be measured for one specific reference humidity, or preferably, may be measured for a plurality of different reference humidity. For example, the reference interference pattern may be measured for a plurality of types of reference humidity, such as 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, etc. (see FIG. 4(a)). ). It is preferable that the reference interference pattern be measured and maintained for each of as many types of reference humidity as possible. However, a method of measuring each reference interference pattern for several types of reference humidity, determining the optimal humidity calculation approximation formula using the measurement results, and calculating humidity using the determined humidity calculation approximation formula should also be considered. can

습도계산근사식을 결정하는 방식은 다음과 같이 진행될 수 있다. The method for determining the humidity calculation approximation may proceed as follows.

먼저, 제1 기준습도로 유지되는 공간에서 간섭패턴을 측정하고, 측정된 간섭패턴에서 특정 피크의 파장(λm1)을 결정한다. 이어서, 제2 기준습도로 유지되는 공간에서 간섭패턴을 측정하고, 측정된 간섭패턴에서 특정 피크(상기 특정 피크에 대응하는 피크여야 함)의 파장(λm2)을 결정한다. 이렇게 파장을 결정하는 절차를 n가지의 기준습도에 대해 반복함으로써, n가지의 습도에 대한 파장 측정값을 획득한다(상기 n은 2이상의 자연수). 측정된 결과는, 예를 들면, 도 4(b)의 빨간 점들과 같다.First, an interference pattern is measured in a space maintained at a first reference humidity, and a wavelength (λ m1 ) of a specific peak is determined in the measured interference pattern. Subsequently, an interference pattern is measured in a space maintained at the second reference humidity, and a wavelength (λ m2 ) of a specific peak (must be a peak corresponding to the specific peak) is determined in the measured interference pattern. By repeating the procedure for determining the wavelength in this way for n types of reference humidity, wavelength measurement values for n types of humidity are obtained (where n is a natural number of 2 or more). The measured result is the same as the red dots in FIG. 4(b), for example.

이어서, 획득된 파장 측정값들을 수학적 함수로서 표현할 수 있는 근사식을 결정한다. 근사식은 예를 들면, 도 4(b)의 파란 점선일 수 있다. Subsequently, an approximate expression capable of expressing the acquired wavelength measurement values as a mathematical function is determined. An approximate formula may be, for example, a blue dotted line in FIG. 4(b).

근사식은,

Figure 112021021921507-pat00008
로서 정의될 수 있다. 여기서, 최적의 피팅을 통해 상수인 a, b 및 c를 결정할 수 있다. The approximation is,
Figure 112021021921507-pat00008
can be defined as Here, the constants a, b, and c can be determined through optimal fitting.

이렇게 결정된 근사식은, 습도 나노프로브를 이용하여 측정된 간섭패턴에 나타난 특정 피크의 파장을 이용하여 대상공간의 상대습도를 결정할 수 있게 하는 습도계산근사식으로서 사용된다. The approximation equation thus determined is used as an approximation equation for calculating humidity by using the wavelength of a specific peak appearing in the interference pattern measured using the humidity nanoprobe to determine the relative humidity of the target space.

즉, 예를 들면, 특정 피크의 파장이 624.5nm로 측정되었다면, 미리결정된 습도계산근사식에 적용함으로써, 상대 습도가 60 내지 70% 사이의 어느 값으로 계산될 수 있을 것이다. That is, for example, if the wavelength of a specific peak is measured at 624.5 nm, the relative humidity can be calculated as any value between 60 and 70% by applying a predetermined humidity calculation approximation equation.

한편, 기준 또는 계측 간섭패턴이 측정되면, 특정의 피크의 중심(또는, 최대값)의 파장값을 결정하는 방법에 대해서, 도 5를 참조하여 설명한다. 상기 방법은, 피크의 주변에 나타난 측정값들을 가우시안 피팅하여 최적의 근사식을 결정하는 것을 포함한다. Meanwhile, a method for determining the wavelength value of the center (or maximum value) of a specific peak when a reference or measurement interference pattern is measured will be described with reference to FIG. 5 . The method includes determining an optimal approximation equation by Gaussian fitting measurement values appearing in the periphery of the peak.

가우시안 피팅의 근사식은,

Figure 112021021921507-pat00009
로 정의될 수 있다. 가우시안 피팅은 공지된 방법을 활용할 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다. The approximation of Gaussian fitting is,
Figure 112021021921507-pat00009
can be defined as Gaussian fitting can utilize a well-known method, so a detailed description will be omitted.

이러한 근사식을 이용하여 특정 피크의 중심값(또는, 최대값)을 결정하고, 결정된 값을 이용하여 파장이동을 결정할 수 있다. A central value (or maximum value) of a specific peak may be determined using this approximation formula, and a wavelength shift may be determined using the determined value.

한편, 본 발명은, 기준습도공간을 형성하기 위하여, 제어된 양의 습기를 공급하고 또한 설정된 습도를 유지할 수 있게 하는 습기공급장치를 제공한다. 도 6을 참조하면, 본 발명에서의 습기공급장치는, 기준습도공간과, 기준습도공간의 내부로 임의의 순수 가스를 주입하는 제1 가스 라인과, 증류수를 저장하며 증류수의 상부 공간이 상기 제1 가스 라인에 또는 상기 기준습도공간과 연결된 저수조와, 저수조에 저장된 증류수 내로 상기 순수 가스를 주입하는 제2 가스 라인과, 제1 가스 라인과 제2 가스 라인을 각각 제어하여 상기 기준습도공간으로 유입되는 순수 가스 및/또는 습기의 양을 제어하는 유량제어기를 포함할 수 있다. On the other hand, the present invention provides a moisture supply device capable of supplying a controlled amount of moisture and maintaining a set humidity in order to form a reference humidity space. Referring to FIG. 6, the moisture supply device in the present invention includes a reference humidity space, a first gas line for injecting any pure gas into the reference humidity space, and a space above the distilled water for storing distilled water. A water tank connected to one gas line or the reference humidity space, a second gas line for injecting the pure gas into the distilled water stored in the water tank, and introducing the pure gas into the reference humidity space by controlling the first gas line and the second gas line, respectively. It may include a flow controller for controlling the amount of pure gas and / or moisture to be.

이러한 구조에서 제2 가스 라인으로 순수 가스를 주입하면, 순수 가스가 저수조의 증류수를 증발시키고, 습기를 포함하는 가스가 기준습도공간으로 유입되게 된다. In this structure, when pure gas is injected into the second gas line, the pure gas evaporates the distilled water in the water storage tank, and the gas containing moisture is introduced into the reference humidity space.

제1 가스 라인의 순수 가스의 양과 저수조로부터의 습기를 포함하는 가스의 양을 제어함으로써, 기준습도공간 내부의 습도를 조절할 수 있다. 습기를 포함하는 가스의 유량은, 저수조로 유입되는 순수 가스의 유량을 제어함으로써, 제어될 수 있다. Humidity inside the reference humidity space may be controlled by controlling the amount of pure gas in the first gas line and the amount of moisture-containing gas from the water storage tank. The flow rate of the gas containing moisture can be controlled by controlling the flow rate of the pure gas flowing into the reservoir.

여기서, 상기 순수 가스는, 질소일 수 있다. Here, the pure gas may be nitrogen.

기준습도공간에는, 공간 내부의 습도를 측정하기 위한 특정의 기준 습도계가 배치될 수 있다. 기준 습도계의 측정값에 근거하여 유량제어기의 동작이 제어될 수 있다. 기준습도공간의 일측에는, 본 발명의 습도 나노프로브가 삽입될 수 있는 삽입부가 형성될 수 있다. In the reference humidity space, a specific reference hygrometer for measuring humidity inside the space may be disposed. An operation of the flow controller may be controlled based on the measurement value of the reference hygrometer. At one side of the reference humidity space, an insertion portion into which the humidity nanoprobe of the present invention can be inserted may be formed.

이러한 습기공급장치를 이용하여 기준습도공간의 습도를 임의의 기준값으로 유지시키고, 본 발명의 습도 나노프로브를 이용하여 기준 간섭패턴을 측정할 수 있다. It is possible to maintain the humidity of the reference humidity space at an arbitrary reference value using such a humidity supply device, and measure the reference interference pattern using the humidity nanoprobe of the present invention.

도 7은, 다양한 상대습도에서 측정된 간섭패턴의 특정 피크의 파장 이동을 보여준다. 7 shows the wavelength shift of a specific peak of the interference pattern measured at various relative humidities.

공기중에서 PMMA 나노프로브의 물 분자 흡수는, 굴절률(n)과 길이(L) 모두를 변경시켜서, 간섭패턴의 특정 피크의 이동을 초래한다(도 4(a) 참조). 도면에서는, 검은색(상대 습도 30%)에서 노란색(상대 습도 90%)으로 갈수록, 간섭패턴의 특정 피크의 파장이 점점 길어지는 방향으로 이동하고 있음을 보여준다. Absorption of water molecules by the PMMA nanoprobe in air changes both the refractive index (n) and the length (L), resulting in a shift of a specific peak of the interference pattern (see Fig. 4(a)). In the figure, it is shown that the wavelength of a specific peak of the interference pattern gradually moves in a direction from black (relative humidity 30%) to yellow (relative humidity 90%).

습도에 따른 n과 L의 변화는 나노선 내부에 있는 물의 평형량(equilibrium amount; w)에 따라 달라진다. 따라서, 다음과 같이, 다분자 이론(multi-molecular theory)에서 추정된 w-RH 관계에 따라, 국부적인 상대 습도(RH)를 조사하는 것이 가능하다[29].Changes in n and L according to humidity depend on the equilibrium amount (w) of water inside the nanowire. Therefore, it is possible to investigate the local relative humidity (RH) according to the w-RH relationship estimated in the multi-molecular theory, as follows [29].

Figure 112021021921507-pat00010
... (1)
Figure 112021021921507-pat00010
... (One)

여기서, w는 PMMA 당 H2O의 wt%이고, w1은 PMMA에 대해 6.25라고 알려진 고분자 물질에 의존하는 비례 상수이다[29]. where w is the wt% of H 2 O per PMMA, and w 1 is a polymeric material dependent proportionality constant known to be 6.25 for PMMA [29].

물리적 흡수 과정에서, w는, 상대습도에 따라 가역적으로 변화하며, 실시간 측정이 가능하다. n과 L의 변화로 인한 특정 간섭 피크의 파장 이동은, w의 함수로써 다음과 같이 정리될 수 있다[29-31].In the physical absorption process, w changes reversibly according to the relative humidity, and real-time measurement is possible. The wavelength shift of a specific interference peak due to the change of n and L, as a function of w, can be summarized as follows [29-31].

Figure 112021021921507-pat00011
... (2)
Figure 112021021921507-pat00011
... (2)

여기서, λm은 특정 간섭 피크의 파장이다. 방정식 (1)과 (2)로부터 Δλ-RH 관련성을 추론할 수 있다. Here, λ m is the wavelength of a specific interference peak. The Δλ-RH relationship can be inferred from equations (1) and (2).

먼저, 도 6에 도시된 바와 같은 습기공급장치를 포함하는 기준습도공간에서, Δλ-RH 관련성을 실험적으로 조사했다. 도 7에는, 다양한 상대습도에서 측정된 파장 이동(Δλp)들이 빨간색 점으로 표시되어 있다. First, in the reference humidity space including the humidity supply device as shown in FIG. 6, the Δλ-RH relationship was experimentally investigated. In FIG. 7 , the measured wavelength shifts (Δλ p ) at various relative humidities are indicated by red dots.

Δλp-RH 관련성은, 방정식 (1) 및 (2)에서, 굴절률 변화(Δn=(δn/δw)Δw) 및 팽윤에 의한 길이 변화(ΔL=(δL/δw)Δw)의 기여도를 계산함으로써 이론적으로 확인할 수 있다. 습도에 따른 이론적 굴절률 변화(Δn)는, 도면에서 파란색 점선(아래쪽에 약한 경사를 가진 점선)으로 나타난다. 습도에 따른 이론적 팽윤에 의한 길이 변화(ΔL)는, 도면에서 초록색 점선(위에서 2번째 점선)으로 나타난다. 굴절률 변화(Δn)와 길이 변화(ΔL)를 합한 것은, 습도 나노프로브의 속성이 변함에 따라 실제로 발생하게 된 간섭패턴의 파장 이동이라고 추정될 수 있으며, 빨간색 점선(가장 위쪽의 점선)과 같이 나타난다. The Δλp-RH relationship can be calculated theoretically by calculating the contributions of the refractive index change (Δn=(δn/δw)Δw) and the length change due to swelling (ΔL=(δL/δw)Δw) in equations (1) and (2). can be checked with The theoretical refractive index change (Δn) with humidity is shown as a blue dotted line (a dotted line with a weak slope at the bottom) in the figure. The change in length (ΔL) due to theoretical swelling with humidity is indicated by a green dotted line (second dotted line from the top) in the drawing. The sum of the refractive index change (Δn) and the length change (ΔL) can be estimated as the wavelength shift of the interference pattern that actually occurred as the properties of the humidity nanoprobe changed, and it appears as a red dotted line (uppermost dotted line). .

도면을 참조하면, 실제의 측정값(빨간색 점)과 이론적 계산 결과(빨간색 점선)가 실질적으로 일치하는 것을 확인할 수 있는데, 이것은, 본 발명에 따른 습도 나노프로브에 의해 측정되는 측정값이 실제 상대습도를 정확하게 반영할 수 있음을 입증한다. Referring to the drawing, it can be seen that the actual measured value (red dot) and the theoretical calculation result (red dotted line) substantially coincide, which means that the measured value measured by the humidity nanoprobe according to the present invention is the actual relative humidity prove that it can accurately reflect

특히, Δλp-RH 관련성에서, 길이 변화(ΔL)의 기여도가 굴절률 변화(Δn)의 기여도보다 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있다. In particular, in relation to Δλ p -RH, it can be confirmed that the contribution of length change (ΔL) is much greater than the contribution of refractive index change (Δn).

도 8은, 본 발명에 따른 습도 나노프로브를 사용하여 마이크로 모세관 내부의 습도 분포를 측정한 결과 및 분석을 보여주는 도면이다. 8 is a view showing the results and analysis of measuring the humidity distribution inside the microcapillary using the humidity nanoprobe according to the present invention.

Δλp-RH 관련성은, 마이크로 모세관 내부의 습도를 정량적으로 프로빙함으로써 입증될 수 있다. 여기서, 습도 나노프로브의 감도는, 30~90% RH에서 0.029nm/% RH로 확인되었다. λp-RH 관련성은 10~90%의 광범위한 습도에 걸쳐 전체적으로 특성화되었다.The Δλ p -RH relationship can be verified by quantitatively probing the humidity inside the microcapillary. Here, the sensitivity of the humidity nanoprobe was confirmed to be 0.029 nm/% RH at 30 to 90% RH. The λp- RH association was globally characterized over a wide range of humidity from 10 to 90%.

본 발명에서는 마이크로 모세관 내부의 물 메니스커스에서 증발하는 물에 의한 공간적 습도 분포를 측정하여, 높은 신뢰성으로 습도 나노프로브의 개선된 분해능을 입증하였다. 습도 매핑은, 수직으로(z) 및 수평으로(x) 습도 나노프로브를 스캐닝함으로써 측정되고 분석된다. In the present invention, the improved resolution of the humidity nanoprobe was demonstrated with high reliability by measuring the spatial humidity distribution by water evaporating from the water meniscus inside the microcapillary tube. Humidity mapping is measured and analyzed by scanning the humidity nanoprobe vertically (z) and horizontally (x).

도 8(a)에 도시된 바와 같이, 물로 채워진 750㎛ 직경의 마이크로 모세관에서, 물 메니스커스의 최대 위치를 연결한 선을 X-Y표면(즉, z=0)으로 설정하고, 모세관의 단면의 중심을 원점으로 설정한다. As shown in FIG. 8(a), in a microcapillary with a diameter of 750 μm filled with water, the line connecting the maximum position of the water meniscus was set as the X-Y surface (i.e., z = 0), and the cross-section of the capillary Set the center as the origin.

23℃ 및 34% RH인 실험실 조건에서, 모세관에 물을 채우고, 모세관의 한쪽 끝을 막아 물이 한 방향으로만 증발하도록 하였다. At laboratory conditions of 23° C. and 34% RH, the capillary was filled with water and one end of the capillary was plugged to allow the water to evaporate in only one direction.

도 8(b)는, 거리(z)를 25 내지 600㎛까지 25㎛ 간격으로 변화시키면서, 또한, 수평 위치(x)를 -300 내지 300㎛ 까지 25㎛ 간격으로 변화시키면서 측정한 상대 습도의 측정값을 점으로 표시한 것이다. 또한, 같은 스캔 조건에서 계산된 상대 습도의 시뮬레이션 결과를 3차원 표면 플롯으로 표시하고 있다. 8(b) shows the measurement of relative humidity measured while changing the distance (z) from 25 to 600 μm at 25 μm intervals and also changing the horizontal position (x) from -300 to 300 μm at 25 μm intervals. values are indicated by dots. In addition, simulation results of relative humidity calculated under the same scanning conditions are displayed as a 3D surface plot.

메니스커스의 주변에서 측정된 습도 분포는, 거리(z)에 따라 최대 92% RH까지 나타났으며, 거리가 증가할 수록 감소하는 경향을 나타낸다. The humidity distribution measured around the meniscus showed a maximum of 92% RH depending on the distance (z), and showed a decreasing tendency as the distance increased.

표면 플롯으로 표시되는 시뮬레이션은, 라플라시안 방정식(COMSOL Multi-physics 5.4)의 수치 계산에 의해 수행된다. 물 메니스커스의 증발을 추가로 조사한 결과가 도 8(c)에 도시된다. z=25㎛에서 측정되는 습도 분포는, 중앙에서 가장 높고 가장자리에서 오히려 낮게 나타났다. 하지만, z가 증가함에 따라 습도 분포가 역전되기 시작한다. 즉, z=185㎛에서 측정되는 습도 분포는, 수평 방향을 따라 거의 일정하게 유지된다. 그러나 메니스커스에서 멀리 떨어진 위치에서는(z=585㎛), 중앙에서(x=0) 가장 낮고 가장자리로 갈수록 증가하는 습도 분포를 나타낸다. Simulations, represented by surface plots, are performed by numerical calculation of the Laplacian equation (COMSOL Multi-physics 5.4). The result of further investigation of the evaporation of the water meniscus is shown in Fig. 8(c). The humidity distribution measured at z = 25 μm was highest at the center and rather low at the edges. However, as z increases, the humidity distribution starts to reverse. That is, the humidity distribution measured at z = 185 μm is maintained almost constant along the horizontal direction. However, at a location far from the meniscus (z = 585 μm), the humidity distribution is lowest at the center (x = 0) and increases toward the edge.

이와 같이, 본 발명에 따른 습도 나노프로브를 이용하여, 물 메니스커스의 증발에 기반한 미시적 공간의 내부 습도 분포를 성공적으로 측정할 수 있었다.In this way, using the humidity nanoprobe according to the present invention, it was possible to successfully measure the internal humidity distribution of the microscopic space based on the evaporation of the water meniscus.

한편, 메니스커스 근처의 습도의 마이크로 스케일 분포는, 주변 습도에 영향을 받는다. 도 8(d)에서는, 주변 습도가 27%인 경우(빨간색 점)와 주변 습도가 43%인 경우(파란색 점)에 있어서, 25μm 내지 1.35mm까지의 수직 습도 프로파일을 보여준다. 측정된 값(점들)은, 라플라시안 방정식을 기반으로 계산된 값들(실선)과 잘 일치한다. z=25μm이 경우에 측정되는 습도는 주변 습도와 무관하게 90%에 도달했다. 그러나 측정되는 습도의 거리에 따른 감소 기울기는 주변 조건의 영향을 많이 받으며, 거리가 충분히 멀어졌을 때 주변 습도로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, the microscale distribution of humidity near the meniscus is affected by the ambient humidity. 8(d) shows vertical humidity profiles from 25 μm to 1.35 mm when the ambient humidity is 27% (red dot) and when the ambient humidity is 43% (blue dot). The measured values (dots) agree well with the calculated values (solid lines) based on the Laplacian equation. z = 25 μm In this case, the measured humidity reached 90% regardless of the ambient humidity. However, it can be seen that the decrease slope according to the distance of the measured humidity is greatly influenced by the surrounding conditions, and converges to the ambient humidity when the distance is sufficiently far.

한편, 주변 습도가 낮으면, 메니스커스 근처의 습도가 더욱 급격하게 붕괴되는 것을 알 수 있다(거리에 따른 감소 기울기가 더 급격함). On the other hand, when the ambient humidity is low, it can be seen that the humidity near the meniscus decays more rapidly (the decreasing slope with distance is steeper).

얻어진 습도 분포를 바탕으로, 메니스커스에서의 증발율(Qe)을 다음과 같이 추정할 수 있다[33].Based on the obtained humidity distribution, the evaporation rate (Q e ) at the meniscus can be estimated as follows [33].

Figure 112021021921507-pat00012
... (3)
Figure 112021021921507-pat00012
... (3)

여기서, p는 계(system)의 압력, Mw는 분자량, D는 공기중 물의 확산 계수, ρ는 물의 밀도, R은 기체 상수, A는 미세 모세관의 단면적, xa는 수증기의 몰분율이다. where p is the pressure of the system, M w is the molecular weight, D is the diffusion coefficient of water in air, ρ is the density of water, R is the gas constant, A is the cross-sectional area of the microcapillary, and x a is the mole fraction of water vapor.

본 발명에서는, 주변 습도에 따른 메니스커스의 증발 속도를 실험적으로 추정하고, 이를 실험적으로 증명하였다. 27%의 주변 습도에서 Qe는 0.22nL/s인 반면, 43%의 주변 습도에서 Qe는 0.17nL/s로 계산되었다. In the present invention, the evaporation rate of the meniscus according to the ambient humidity was experimentally estimated and verified experimentally. At an ambient humidity of 27%, Q e was 0.22 nL/s, whereas at an ambient humidity of 43%, Q e was calculated to be 0.17 nL/s.

본 발명의 습도 나노프로브에 의해, 변화하는 주변 습도가 개방형 유체계(open fluidic systems)에서 마이크로 스케일 증발을 제어하는 효과적인 전략이 될 수 있다는 것을 정량적이고 실험적으로 입증되었다. With the present humidity nanoprobe, it has been demonstrated quantitatively and experimentally that varying ambient humidity can be an effective strategy to control microscale evaporation in open fluidic systems.

결론적으로, 본 발명을 이용하여 간섭계 습도 나노프로브의 3D 스캐닝을 통해, 미세한 공간 내부의 내부 습도 매핑을 제시할 수 있었다. 본 발명에서 개시하는 습도 나노프로브는, 마이크로-채널 내부의 미세한 습도 분포 및 증발 역학을 액세스하고 탐색할 수 있는 비-침습적이고 정확도가 높은 측정 방식을 제공한다. 본 출원인은 본 발명이 증발-관련 물리학 및 공학에서 흥미로운 응용 분야를 개척할 것으로 기대한다.In conclusion, using the present invention, it was possible to suggest internal humidity mapping in a microscopic space through 3D scanning of an interferometric humidity nanoprobe. The humidity nanoprobe disclosed in the present invention provides a non-invasive and highly accurate measurement method capable of accessing and exploring the minute humidity distribution and evaporation dynamics inside a micro-channel. Applicants anticipate that this invention will open up interesting applications in evaporation-related physics and engineering.

[참고문헌][references]

[1] J. Shaman, M. Kohn, Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 3243-3248.[1] J. Shaman, M. Kohn, Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 3243-3248.

[2] A. C. Lowen, S. Mubareka, J. Steel, P. Palese, PLoS Pathog. 2007, 3, 1470-1476.[2] A. C. Lowen, S. Mubareka, J. Steel, P. Palese, PLoS Pathog. 2007, 3, 1470-1476.

[3] Y. Ma, Y. Zhao, J. Liu, X. He, B. Wang, S. Fu, J. Yan, J. Niu, J. Zhou, B. Luo, Sci. Total Environ. 2020, 724, 138226.[3] Y. Ma, Y. Zhao, J. Liu, X. He, B. Wang, S. Fu, J. Yan, J. Niu, J. Zhou, B. Luo, Sci. Total Environ. 2020, 724, 138226.

[4] J. Yang, R. Shi, Z. Lou, R. Chai, K. Jiang, G. Shen, Small 2019, 15, 1902801.[4] J. Yang, R. Shi, Z. Lou, R. Chai, K. Jiang, G. Shen, Small 2019, 15, 1902801.

[5] L. Ju, W. Gao, J. Zhang, T. Qin, Z. Du, L. Sheng, S. X. A. Zhang, J. Mater. Chem. C 2020, 8, 2806-2811.[5] L. Ju, W. Gao, J. Zhang, T. Qin, Z. Du, L. Sheng, S. X. A. Zhang, J. Mater. Chem. C 2020, 8, 2806-2811.

[6] J. Dai, H. Zhao, X. Lin, S. Liu, Y. Liu, X. Liu, T. Fei, T. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6483-6490.[6] J. Dai, H. Zhao, X. Lin, S. Liu, Y. Liu, X. Liu, T. Fei, T. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6483-6490.

[7] D. Li, E. J. Borkent, R. Nortrup, H. Moon, H. Katz, Z. Bao, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 024105.[7] D. Li, E. J. Borkent, R. Nortrup, H. Moon, H. Katz, Z. Bao, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 024105.

[8] N. Zheng, X. Bu, P. Feng, Nature 2003, 426, 428-432.[8] N. Zheng, X. Bu, P. Feng, Nature 2003, 426, 428-432.

[9] Z. Chen, C. Lu, Sens. Lett. 2005, 3, 274-295.[9] Z. Chen, C. Lu, Sens. Lett. 2005, 3, 274-295.

[10] L. Ruiz-Garcia, L. Lunadei, P. Barreiro, J. I. Robla, Sensors 2009, 9, 4728-4750.[10] L. Ruiz-Garcia, L. Lunadei, P. Barreiro, J. I. Robla, Sensors 2009, 9, 4728-4750.

[11] N. Scott Lynn, C. S. Henry, D. S. Dandy, Lab Chip 2009, 9, 1780.[11] N. Scott Lynn, C. S. Henry, D. S. Dandy, Lab Chip 2009, 9, 1780.

[12] N. Scott Lynn, D. S. Dandy, Lab Chip 2009, 9, 3422-3429.[12] N. Scott Lynn, D. S. Dandy, Lab Chip 2009, 9, 3422-3429.

[13] R. Crawford, T. E. Murphy, A. K. Da Silva, H. Berberoglu, Exp. Therm. Fluid Sci. 2013, 51, 183-188.[13] R. Crawford, T. E. Murphy, A. K. Da Silva, H. Berberoglu, Exp. Therm. Fluid Sci. 2013, 51, 183-188.

[14] R. Xiao, S. C. Maroo, E. N. Wang, Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 123103.[14] R. Xiao, S. C. Maroo, E. N. Wang, Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 123103.

[15] D. Li, G. S. Wu, W. Wang, Y. D. Wang, D. Liu, D. C. Zhang, Y. F. Chen, G. P. Peterson, R. Yang, Nano Lett. 2012, 12, 3385-3390.[15] D. Li, G. S. Wu, W. Wang, Y. D. Wang, D. Liu, D. C. Zhang, Y. F. Chen, G. P. Peterson, R. Yang, Nano Lett. 2012, 12, 3385-3390.

[16] S. Lone, J. M. Zhang, I. U. Vakarelski, E. Q. Li, S. T. Thoroddsen, Langmuir 2017, 33, 2861-2871.[16] S. Lone, J. M. Zhang, I. U. Vakarelski, E. Q. Li, S. T. Thoroddsen, Langmuir 2017, 33, 2861-2871.

[17] P. Kolliopoulos, K. S. Jochem, R. K. Lade, L. F. Francis, S. Kumar, Langmuir 2019, 35, 8131-8143.[17] P. Kolliopoulos, K. S. Jochem, R. K. Lade, L. F. Francis, S. Kumar, Langmuir 2019, 35, 8131-8143.

[18] S. Borini, R. White, D. Wei, M. Astley, S. Haque, E. Spigone, N. Harris, J. Kivioja, T. Ryhanen, ACS Nano 2013, 7, 11166.[18] S. Borini, R. White, D. Wei, M. Astley, S. Haque, E. Spigone, N. Harris, J. Kivioja, T. Ryhanen, ACS Nano 2013, 7, 11166.

[19] J. H. Kim, J. H. Moon, S. Y. Lee, J. Park, Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 103701.[19] J. H. Kim, J. H. Moon, S. Y. Lee, J. Park, Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 103701.

[20] Y. Y. Diao, X. Y. Liu, G. W. Toh, L. Shi, J. Zi, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 5373-5380.[20] Y. Y. Diao, X. Y. Liu, G. W. Toh, L. Shi, J. Zi, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 5373-5380.

[21] C. Bian, M. Hu, R. Wang, T. Gang, R. Tong, L. Zhang, T. Guo, X. Liu, X. Qiao, Appl. Opt. 2018, 57, 356-361.[21] C. Bian, M. Hu, R. Wang, T. Gang, R. Tong, L. Zhang, T. Guo, X. Liu, X. Qiao, Appl. Opt. 2018, 57, 356-361.

[22] C. Meng, Y. Xiao, P. Wang, L. Zhang, Y. Liu, L. Tong, Adv. Mater. 2011, 23, 3770-3774.[22] C. Meng, Y. Xiao, P. Wang, L. Zhang, Y. Liu, L. Tong, Adv. Mater. 2011, 23, 3770-3774.

[23] P. Wang, L. Zhang, Y. Xia, L. Tong, X. Xu, Y. Ying, Nano Lett. 2012, 12, 3145-3150.[23] P. Wang, L. Zhang, Y. Xia, L. Tong, X. Xu, Y. Ying, Nano Lett. 2012, 12, 3145-3150.

[24] Y. Cheng, J. Wang, Z. Qiu, X. Zheng, N. L. C. Leung, J. W. Y. Lam, B. Z. Tang, Adv. Mater. 2017, 29, 1703900.[24] Y. Cheng, J. Wang, Z. Qiu, X. Zheng, N. L. C. Leung, J. W. Y. Lam, B. Z. Tang, Adv. Mater. 2017, 29, 1703900.

[25] Y. Akkus, A. Koklu, A. Beskok, Langmuir 2019, 35, 4491-4497.[25] Y. Akkus, A. Koklu, A. Beskok, Langmuir 2019, 35, 4491-4497.

[26] H. K. Dhavaleswarapu, P. Chamarthy, S. V. Garimella, J. Y. Murthy, Phys. Fluids 2007, 19, 082103.[26] H. K. Dhavaleswarapu, P. Chamarthy, S. V. Garimella, J. Y. Murthy, Phys. Fluids 2007, 19, 082103.

[27] K. Bellur, E. F. Medici, C. K. Choi, J. C. Hermanson, J. S. Allen, Phys. Rev. Fluids 2020, 5, 024001.[27] K. Bellur, E. F. Medici, C. K. Choi, J. C. Hermanson, J. S. Allen, Phys. Rev. Fluids 2020, 5, 024001.

[28] J. Lee, H.-R. Lee, J. Pyo, Y. Jung, J.-Y. Seo, H. G. Ryu, K.-T. Kim, J. H. Je, Adv. Mater. 2016, 28, 4071-4076.[28] J. Lee, H.-R. Lee, J. Pyo, Y. Jung, J.-Y. Seo, H.G. Ryu, K.-T. Kim, J. H. Je, Adv. Mater. 2016, 28, 4071-4076.

[29] A. M. Thomas, J. Appl. Chem. 1951, 1, 141-158.[29] A. M. Thomas, J. Appl. Chem. 1951, 1, 141-158.

[30] T. Watanabe, N. Ooba, Y. Hida, M. Hikita, Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 1533-1535[30] T. Watanabe, N. Ooba, Y. Hida, M. Hikita, Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 1533-1535

[31] W. Zhang, D. J. Webb, Opt. Lett. 2014, 39, 3026-3029[31] W. Zhang, D. J. Webb, Opt. Lett. 2014, 39, 3026-3029

[32] N. Kim, J. Lee, M. J. Yong, U. Yang, J. T. Kim, J. Kim, B. M. Weon, C. C. Kim, J. H. Je, Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 1900937.[32] N. Kim, J. Lee, M. J. Yong, U. Yang, J. T. Kim, J. Kim, B. M. Weon, C. C. Kim, J. H. Je, Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 1900937.

[33] N. S. Lynn, C. S. Henry, D. S. Dandy, Lab Chip 2009, 9, 1780-1788.[33] N. S. Lynn, C. S. Henry, D. S. Dandy, Lab Chip 2009, 9, 1780-1788.

Claims (14)

수분의 흡수량에 따라 부피가 변하는 물질을 포함하는 나노선이 일측의 말단에 형성된 광섬유를 준비하는 것;
상기 나노선을 습도측정대상공간에 배치한 후, 상기 광섬유의 타측에 입사광을 주입하는 것;
상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정하는 것 - 상기 반사광들은 상기 입사광이 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에서 반사된 반사광 및 상기 나노선의 말단에서 반사된 반사광을 포함하고, 상기 간섭패턴은 상기 나노선의 부피 변화에 의하여 변화됨 -; 및
상기 간섭패턴을 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것을 포함하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
preparing an optical fiber in which a nanowire containing a material whose volume changes according to the amount of moisture absorbed is formed at one end;
injecting incident light into the other side of the optical fiber after disposing the nanowire in the humidity measurement target space;
Measuring an interference pattern by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber - the reflected lights include reflected light reflected from the end of the one side of the optical fiber and reflected light reflected from the end of the nanowire, and the interference pattern is changed by the volume change of the nanowire; and
A method of measuring relative humidity using nanowires, comprising comparing the interference pattern with a reference interference pattern to determine the humidity of the humidity measurement target space.
제1항에 있어서,
상기 기준 간섭패턴은,
상기 나노선을 특정의 기준 습도로 설정된 기준습도공간에 배치하고, 상기 광섬유의 타측에 상기 입사광을 주입하고,
상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 1,
The reference interference pattern,
Disposing the nanowire in a reference humidity space set to a specific reference humidity, and injecting the incident light into the other side of the optical fiber;
Relative humidity measuring method using a nanowire, characterized in that obtained by measuring the interference pattern by the reflected light emitted from the other side of the optical fiber.
제2항에 있어서,
상기 간섭패턴을 상기 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것은:
상기 기준 간섭패턴에서 특정 피크의 파장(λm1)을 결정하는 것,
상기 간섭패턴에서 상기 특정 피크에 대응하는 피크의 파장(λm)을 결정하는 것, 그리고
상기 피크들 간의 파장의 변화량(Δλm)을 결정하고, 상기 변화량에 근거하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것을 포함하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 2,
Comparing the interference pattern with the reference interference pattern to determine the humidity of the humidity measurement target space:
Determining the wavelength (λ m1 ) of a specific peak in the reference interference pattern,
Determining the wavelength (λ m ) of a peak corresponding to the specific peak in the interference pattern, and
A method for measuring relative humidity using nanowires, comprising determining a change amount (Δλ m ) of the wavelength between the peaks and determining the humidity of the humidity measurement target space based on the change amount.
제2항에 있어서,
상기 간섭패턴을 상기 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 것은:
제1 기준습도로 유지되는 상기 기준습도공간에서 측정된 간섭패턴에서 특정 피크의 파장(λm1)을 결정하는 것,
제2 기준습도로 유지되는 상기 기준습도공간에서 측정된 간섭패턴에서 상기 특정 피크에 대응하는 피크의 파장(λm2)을 결정하는 것,
제n 기준습도까지 상기 특정 피크에 대응하는 피크의 파장(λmn) 측정 절차를 수행하는 것(상기 n은 2이상의 자연수),
상기 측정된 파장들을 피팅(fitting)하는 습도계산근사식을 결정하는 것, 그리고
상기 간섭패턴을 상기 습도계산근사식에 적용하여 습도를 계산하는 것을 포함하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 2,
Comparing the interference pattern with the reference interference pattern to determine the humidity of the humidity measurement target space:
Determining the wavelength (λ m1 ) of a specific peak in the interference pattern measured in the reference humidity space maintained at the first reference humidity,
Determining the wavelength (λ m2 ) of the peak corresponding to the specific peak in the interference pattern measured in the reference humidity space maintained at the second reference humidity,
Performing a procedure for measuring the wavelength (λ mn ) of the peak corresponding to the specific peak up to the nth reference humidity (wherein n is a natural number of 2 or more);
determining a humidity calculation approximation that fits the measured wavelengths; and
A method for measuring relative humidity using nanowires, comprising calculating humidity by applying the interference pattern to the humidity calculation approximation formula.
제4항에 있어서,
상기 습도계산근사식은
Figure 112022069928169-pat00026
로서 정의되고,
여기서, λm은 간섭패턴의 상기 특정 피크의 파장이고, a, b, c는 상기 피팅에 의해 결정되는 상수이고, RH는 상기 습도측정대상공간의 상대 습도인 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 4,
The humidity calculation approximation is
Figure 112022069928169-pat00026
is defined as,
Here, λ m is the wavelength of the specific peak of the interference pattern, a, b, and c are constants determined by the fitting, and RH is the relative humidity of the humidity measurement target space. How to measure relative humidity.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 간섭패턴 및 상기 기준 간섭패턴에서 각자의 상기 특정 피크의 파장을 결정하는 것은,
상기 간섭패턴 또는 상기 기준 간섭패턴의 상기 특정 피크 주변의 측정값들에 가우시안 피팅(Gaussian fitting) 근사식을 적용하여 상기 특정 피크의 중심 파장을 결정하는 것을 더 포함하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 3 or 4,
Determining the wavelength of each of the specific peaks in the interference pattern and the reference interference pattern,
Relative humidity measurement using nanowires, further comprising determining a central wavelength of the specific peak by applying a Gaussian fitting approximation to measured values around the specific peak of the interference pattern or the reference interference pattern. method.
제1항에 있어서,
상기 말단에 나노선이 형성된 광섬유를 준비하는 것은:
상기 나노선을 형성하는 물질의 용액이 채워진, 말단의 내경이 상기 나노선의 직경과 동일한 나노피펫을 준비하고,
상기 광섬유를 말단이 상방을 향하도록 고정하고, 그리고
상기 나노피펫의 상기 말단을 통해 상기 용액을 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에 접촉시킨 후, 상기 나노피펫을 소정의 임계속도 이하로 상승시킴으로써, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에 상기 나노선을 형성하는 것을 더 포함하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 1,
Preparing an optical fiber having a nanowire formed at the end thereof is:
Preparing a nanopipette filled with a solution of a material forming the nanowire and having the same inner diameter as the diameter of the nanowire;
Fixing the optical fiber with the end facing upward, and
Forming the nanowire at the one end of the optical fiber by bringing the solution into contact with the one end of the optical fiber through the end of the nanopipette and then raising the nanopipette below a predetermined critical speed. A method for measuring relative humidity using nanowires, further comprising:
제7항에 있어서,
상기 임계 속도(νc)는,
Figure 112022069928169-pat00027
(단,
Figure 112022069928169-pat00028
)의 수식으로써 결정되고,
여기서, dpt는 상기 나노피펫의 말단의 내경, x는 습윤고체 영역의 축방향 길이, E는 상기 용액내 용매의 증발 속도, φwet는 상기 습윤고체 영역내 용질의 부피 분율, φ0는 상기 나노피펫내의 상기 용액에서 상기 용질의 부피 분율인 - 상기 습윤고체 영역은, 상기 용액이 상기 나노피펫의 말단으로부터 인출된 후 적어도 일부가 응고되어 상기 나노선의 형상을 유지하고는 있지만 표면에서 상기 용매가 여전히 증발하고 있는 중인 구간을 나타냄 -, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 방법.
According to claim 7,
The critical speed (ν c ) is,
Figure 112022069928169-pat00027
(step,
Figure 112022069928169-pat00028
) is determined by the formula,
Here, d pt is the inner diameter of the distal end of the nanopipette, x is the axial length of the wet solid region, E is the evaporation rate of the solvent in the solution, φ wet is the volume fraction of the solute in the wet solid region, and φ 0 is the The volume fraction of the solute in the solution in the nanopipette - the wet solid region, after the solution is withdrawn from the end of the nanopipette, at least partially solidifies to maintain the shape of the nanowire, but the solvent on the surface Represents a section that is still evaporating -, Relative humidity measurement method using nanowires.
수분의 흡수량에 따라 부피가 변하는 물질을 포함하는 나노선이 일측의 말단에 형성된 광섬유;
상기 광섬유의 타측에 입사광을 주입하는 광주입기;
상기 광섬유의 타측으로부터 나오는 반사광들에 의한 간섭을 측정하는 간섭계; 및
상기 나노선을 습도측정대상공간에 배치한 후 상기 광섬유의 타측에 상기 입사광을 주입하고, 상기 광섬유의 타측에서 나오는 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정하고 - 상기 반사광들은 상기 입사광이 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에서 반사된 반사광 및 상기 나노선의 말단에서 반사된 반사광을 포함하고, 상기 간섭패턴은 상기 나노선의 부피 변화에 의하여 변화됨 -, 상기 간섭패턴을 기준 간섭패턴과 비교하여 상기 습도측정대상공간의 습도를 결정하는 제어기; 를 포함하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치.
an optical fiber having a nanowire including a material whose volume changes according to an amount of moisture absorbed at one end of an optical fiber;
a photoreceptor for injecting incident light into the other side of the optical fiber;
an interferometer for measuring interference caused by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber; and
After the nanowire is placed in the humidity measurement target space, the incident light is injected into the other side of the optical fiber, and an interference pattern by reflected lights emitted from the other side of the optical fiber is measured - includes the reflected light reflected from the end of the nanowire and the reflected light reflected from the end of the nanowire, and the interference pattern is changed by a change in the volume of the nanowire -, the interference pattern is compared with a reference interference pattern to measure the humidity of the target space A controller that determines; Relative humidity measuring device using a nanowire comprising a.
제9항에 있어서,
상기 기준 간섭패턴은,
상기 나노선을 특정의 기준 습도로 설정된 기준습도공간에 배치한 후 상기 광섬유에 상기 입사광을 주입하고, 반사광들에 의한 간섭패턴을 측정함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치.
According to claim 9,
The reference interference pattern,
Relative humidity measuring device using nanowires, characterized in that obtained by arranging the nanowires in a reference humidity space set to a specific reference humidity, injecting the incident light into the optical fiber, and measuring an interference pattern by reflected lights.
제9항에 있어서,
상기 나노선은, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단에 상기 광섬유의 길이방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치.
According to claim 9,
The nanowire is characterized in that the nanowire is formed along the longitudinal direction of the optical fiber at the end of the one side of the optical fiber, relative humidity measuring device using a nanowire.
제9항에 있어서,
상기 광섬유는, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단을 향하여 직경이 줄어드는 테이퍼 형상으로 구현되고, 상기 광섬유의 상기 일측의 말단의 직경은 상기 나노선의 직경보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치.
According to claim 9,
The optical fiber is implemented in a tapered shape in which the diameter decreases toward the end of the one side of the optical fiber, and the diameter of the end of the one side of the optical fiber is smaller than the diameter of the nanowire. measuring device.
제9항에 있어서,
상기 나노선의 말단은, 상기 나노선의 길이방향에 수직한 평탄한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치.
According to claim 9,
An end of the nanowire has a flat cross section perpendicular to the longitudinal direction of the nanowire.
제10항에 있어서,
상기 상대 습도 측정 장치는, 상기 기준습도공간을 특정 습도로 제어하기 위한 습기공급장치를 더 포함하고,
상기 습기공급장치는:
상기 기준습도공간의 내부로 임의의 순수 가스를 주입하는 제1 가스 라인;
증류수를 저장하며 증류수의 상부 공간이 상기 기준습도공간에 연결된 저수조;
상기 저수조에 저장된 증류수 내로 상기 순수 가스를 주입하는 제2 가스 라인; 및
상기 제1 가스 라인과 상기 제2 가스 라인의 가스 주입량을 제어하여 상기 기준습도공간 내부의 습도를 제어하는 유량제어기; 로 구성되는 것을 특징으로 하는, 나노선을 이용한 상대 습도 측정 장치.
According to claim 10,
The relative humidity measuring device further includes a moisture supply device for controlling the reference humidity space to a specific humidity,
The moisture supply device:
a first gas line injecting an arbitrary pure gas into the reference humidity space;
a reservoir for storing distilled water and having an upper space of the distilled water connected to the reference humidity space;
a second gas line for injecting the pure gas into the distilled water stored in the reservoir; and
a flow controller controlling the humidity inside the reference humidity space by controlling the amount of gas injected into the first gas line and the second gas line; Relative humidity measuring device using a nanowire, characterized in that consisting of.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102039395B1 (en) * 2017-12-04 2019-11-01 중앙대학교 산학협력단 Fiber-optic humidity sensor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004221020A (en) * 2003-01-17 2004-08-05 Toyota Motor Corp Standard water vapor generating device, humidifier for fuel cell, and gas/water control system for fuel cell

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