KR102568237B1 - 광학소재의 형광특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 - Google Patents

광학소재의 형광특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 의존성을 갖는 광학소재의 형광특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 기술에 대한 것으로, 본 발명에 따른 형광신호 강도비를 이용한 온도측정 기술은 광원출력 및 광도파로 손실 변동에 의한 광신호 노이즈에 대한 자기보상 기능을 가지며, 형광신호의 세기가 강한 두 개의 형광신호를 이용하므로, 형광신호가 낮아 노이즈가 많이 발생하는 기존의 단점을 해결할 수 있다.

Description

광학소재의 형광특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서{TEMPERATURE MEASUREMENT METHOD BASED ON THE FLUORESCENCE CHARACTERISTIC OF OPTICAL MATERIAL AND TEMPERATURE SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 온도 의존성을 갖는 광학소재의 형광특성을 이용한 온도측정 방법 및 이를 이용한 온도센서 기술에 대한 것이다.
여러 가지 측정용 센서 중에서 온도센서는 전력시스템, 건축, 화학산업, 항공우주, 국방, 의료 분야에서 주요 시설 및 장치의 상태분석 및 안전모니터링에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
전력의존도가 높은 현대 산업사회의 특성상 중요 전력시스템에서 발생하는 사고는 수만 가구 이상의 대규모의 정전사태 및 중요 산업시설의 중단 등과 같은 막대한 경제적 피해를 발생시키고 사회적으로 큰 혼란을 초래할 수 있다.
변압기, 개폐기, 분전반 등과 같이 중요 전력장치의 운용 개수가 지속적으로 증가하고 있고 그에 따른 노후화 장치수 또한 증가하고 있다. 이와 더불어 전기사용량의 급증에 따른 과부화 발생 및 정확한 측정시스템의 부재 등에 의하여 과열 및 화재사고가 빈번하게 발생하고 있다.
전력설비의 고장원인은 다양하지만 최종적으로는 과열에 의한 화재 또는 폭발로 귀결되는 경우가 대부분이다. 따라서 실시간 온도모니터링을 통하여 과열상태를 감시하므로써 사고를 사전에 예방할 수 있는 기술의 확보가 매우 중요하다.
고전압 변압기에 적용되는 기존의 온도측정 기술의 경우 금속이나 반도체 소재의 온도의존 특성을 이용하는 전기식 방식, 금속 소재의 열팽창특성을 이용하는 바이메탈 방식 및 금속튜브의 열팽창특성을 이용하는 부르돈(bourdon) 방식을 이용하고 있다. 따라서 기존기술의 경우 금속 소재나 하우징을 사용하기 때문에 절연문제로 인하여 고전압이 인가되는 발열부(hot spot)의 온도를 직접 측정할 수 없다는 문제를 가지고 있다.
고전압 변압기의 경우 권선부에 온도센서를 장착하여 온도를 직접 측정하지 못하고 절연유나 부싱에서 측정된 온도에서 시뮬레이션을 통하여 간접적으로 권선부의 온도를 산출하는 방식을 사용하고 있으며 그에 따라 측정의 정확도나 속도가 떨어지는 문제를 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 전기식 또는 기계식(바이메탈, 부르돈) 온도센서의 문제점을 해결하기 위하여 광학식 온도 측정기술을 적용할 수 있다. 광학식 온도센서 기술의 경우 센서용 핵심소재가 유리 광섬유 등의 내절연 특성을 가진 광학소재로 구성되기 때문에 전기식, 기계식 온도센서와 달리 고온 발열부에 온도센서 프로브를 설치하여 직접적인 온도측정이 가능하다.
또한, 광학식 온도센서 기술의 경우 온도 측정 수단으로 빛을 이용하므로 전자기파 간섭 문제가 발생하지 않을 뿐 아니라 광섬유 가이드 기술을 적용하여 원격측정이 용이하다는 장점도 가지고 있다.
전기식 또는 기계식 온도센서가 가지는 문제점을 갖지 않는 광학식 온도측정 방법에 있어서 온도 의존성을 갖는 광학소재의 형광특성을 이용하는 방법을 이용할 수 있다. 형광특성을 이용하는 방법의 경우 형광수명(fluorescence lifetime)의 온도의존성을 이용하는 방법과 형광세기(fluorescence intensity)의 온도의존성을 이용하는 방법으로 나뉠수 있다.
형광감쇄수명의 온도의존성을 이용하는 방법의 경우, 감쇠 형광감쇄곡선으로부터 시정수(decay time)를 정확하게 측정하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 고비용이 들어가는 고속 광검출기 및 신호처리 모듈이 소요되며, 시정수 측정을 위하여 형광감쇄곡선을 피팅하는 방식을 사용하는데 피팅의 정확성과 신속성을 확보하는 것이 매우 어렵다.
다른 방법으로 볼쯔만 분포(Boltzmann distribution)를 따르는 열적으로 결합된 두 개의 에너지 준위에서 발생하는 형광신호의 세기비를 이용하는 방법이 있다. 열적으로 결합된 에너지 준위에서 발생하는 형광신호의 상대적인 세기는 볼쯔만 분포를 따르기 때문에 온도의존성을 갖게 된다. 이를 이용하여 형광신호의 세기비를 측정하므로써 온도를 역으로 도출할 수 있으며, 형광감쇄수명의 온도의존성을 이용하는 방식에서 발생하는 시스템의 복잡성 및 에러발생을 줄일 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0082182호
본 발명은 종래 기술이 가지는 여러 가지 문제를 해결하기 위한 것으로, 온도 의존 특성을 가지는 광학소재의 형광특성을 이용하여 온도를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법은 희토류 이온의 에너지 준위 차이에 따라 발생되는 형광신호의 강도비를 이용한다.
상기 형광신호의 강도비는, 하나의 높은 에너지 준위와 두 개의 낮은 에너지 준위에서 발생되는 한쌍의 형광신호의 강도비일 수 있다.
상기 희토류 이온은 Nd3+일 수 있으며, 상기 높은 에너지 준위는 4F3/2이며, 상기 낮은 에너지 준위는 4I9/2, 4I11/2 및 4I13/2으로 이루어진 군에서 선택되는 2개의 에너지 준위일 수 있다.
상기 형광신호의 강도비는, Nd3+이온의 4F5/2 → 4I11/2 에너지 천이에 의한 제1 형광신호와 다른 에너지천이에서 발생되는 제2 형광신호 사이의 강도비일 수 있다.
상기 제2 형광신호는 Nd3+이온의 4F3/2 → 4I9/2 또는 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에 의하여 발생하는 형광신호일 수 있다.
상기 형광신호의 강도 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 시스템은 희토류 이온의 에너지 준위 차이에 따라 발생되는 형광신호의 강도비를 이용하는 것이다.
상기 온도센서 시스템은 일단에 희토류 이온을 함유하는 광학소재가 구비된 온도센서 프로브; 및 상기 온도센서 프로브의 타단에 결합되는 광섬유 가이드를 포함한다.
상기 온도센서 시스템은 상기 광섬유 가이드를 통하여 상기 희토류 이온을 여기시키는 광원을 형성하는 펌프광원; 상기 광학소재에서 발생하는 형광신호를 상기 광섬유 가이드를 통하여 측정하는 광검출기; 및 상기 광검출기를 통하여 수신된 형광신호를 분석하는 신호분석 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 온도측정 기술은 내절연 특성을 가진 광학소재를 이용하여 온도를 측정하기 때문에 전기식, 기계식 온도센서와 달리 고온 발열부에 온도센서 프로브를 설치하여 직접적인 온도측정이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 온도측정 기술의 경우 온도 측정 수단으로 빛을 이용하므로 전자기파 간섭 문제가 발생하지 않는다. 그리고 광섬유 가이드 기술을 적용하여 원격측정이 용이하다는 장점도 가지고 있다.
또한, 본 발명에 따른 형광신호 세기비를 이용한 온도측정 기술은 광원출력 및 광도파로 손실 변동에 의한 광신호 노이즈에 대한 자기보상 기능을 가지며, 형광신호의 세기가 강한 두 개의 형광신호를 이용하므로, 형광신호가 낮아 노이즈가 많이 발생하는 기존의 단점을 해결할 수 있다. 따라서 이로부터 산출된 온도신호의 정확도 또한 떨어지지 않게 된다.
또한, 본 발명에 따른 온도측정 기술은 셀시예로서 Nd3+을 이용하므로 형광효율이 우수하여 온도 측정이 용이하고 온도측정 민감도가 우수하다는 장점을 가지고 있다.
또한, 본 발명에 따른 온도측정 기술은 온도센서의 소형화 및 저가화가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 광학식 온도센서는 전력시스템, 건축, 화학산업, 항공우주, 국방, 의료 분야에서 주요 시설 및 장치의 상태분석 및 안전모니터링에 적용할 수 있다. 특히 발열부(hot spot)의 온도의 직접적인 온도측정이 필요한 변압기, 개폐기 등과 같은 고전압 전력시스템에 적용할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 Nd3+ 이온의 에너지 준위간 천이 및 이를 이용한 형광강도비 분석을 통한 온도산출 방법을 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 Nd3+ 이온의 4F3/2 에너지 준위에서 다른 에너지 준위간 천이 및 이를 이용한 형광강도비 분석을 통한 온도산출 방법을 도시한 것이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 Nd3+ 이온의 4F5/2 → 4I11/2 에너지 천이를 이용한 형광강도비 분석을 통한 온도산출 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Nd3+ 이온이 함유된 산화물계 광학유리의 온도에 따른 형광스펙트럼 특성(펌프광의 파장: 795 nm)을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Nd3+ 이온이 함유된 광학소재의 온도에 따른 형광강도비 변화 특성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광강도비를 이용한 온도측정방법이 적용된 온도센서 프로브 끝단 부위에서 형광신호가 발생하여 전달되는 과정(도 5의 (a)) 및 온도센서 프로브 전체 구조(도 5의 (b))를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광강도비를 이용한 온도측정방법이 적용된 온도센서 시스템 구조를 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법 및 온도센서 시스템을 설명한다.
본 발명은 종래 기술이 가지는 여러 가지 문제를 해결하는 기술적 방법을 제공하기 위한 것으로, 온도 의존특성을 갖는 광학소재의 형광특성을 이용하여 온도를 측정하는 방법을 제공한다.
형광세기의 온도의존성을 이용하는 방법은 열적으로 결합되어 있는 두 개의 높은 에너지 준위에 있는 전자들이 낮은 에너지 준이로 각각 떨어지면서 방출하는 형광신호의 강도비(세기비)를 이용하는 방법을 사용한다. 열적으로 결합된 에너지 준위에서 발생하는 형광신호의 상대적인 강도는 볼쯔만(Boltzmann) 분포를 따르기 때문에 온도의존성을 갖게 된다. 따라서 이를 이용하여 형광신호의 강도비를 측정함으로써 온도를 역으로 산출할 수 있다.
두 개의 형광신호 사이의 형광신호 강도비(R)는 하기 식 (1)과 같이 주어진다.
식 (1)
식 (1)에서, Ii는 형광신호 세기, Ni는 전자 밀도, gi는 중첩도, ωi는 각주파수, Ai는 자발방출률, ΔE는 열적 결합상태에 있는 에너지준위 사이의 에너지갭(낮은 에너지 준위 i=1, 높은 에너지 준위 i=2), k는 볼쯔만 상수, T는 온도를 나타낸다.
형광세기의 온도의존성을 이용하는 방법의 경우 형광수명의 온도의존성을 이용한 방법에 비하여 신호분석이 보다 용이하다는 장점을 가지고 있다. 온도를 산출하기 위하여 두 개의 형광신호의 비를 이용하기 때문에 광신호 노이즈에 대한 자기보상 기능을 갖게 되어 형광신호를 얻기 위하여 사용되는 여기광(excitation light)의 출력의 불안정성 및 광도파로의 손실에 의하여 발생하는 에러 발생을 저감할 수 있다.
형광세기의 의존성을 통하여 온도 측정을 위하여 Er3+, Nd3+, Pr3+, Eu3+ 등과 같은 희토류이온에서 존재하는 열적으로 결합된 에너지 준위를 이용할 수가 있다. 그중에서도 다른 희토류이온에 비하여 Nd3+을 이용한 경우 형광효율이 높아 측정이 용이하고 온도민감도가 우수하다는 장점을 가지게 된다.
도 1을 참조하여, Nd3+에서 발생하는 두 개의 형광신호 강도비를 이용한 온도산출 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 1을 참조하면, 희토류 이온의 하나인 Nd3+ 이온은 4F9/2, 4F7/2, 4F5/2, 4F3/2, 4I15/2, 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2 와 같은 에너지 준위로 이루어져 있다.
도 1에서, 800 nm 근처에 위치하는 파장대역(785~805 nm)에서 펌프광(레이저다이오드)를 사용하여 펌핑할 경우 에너지 준위 4I9/2에 있는 전자들이 4F5/2 또는 4F7/2로 여기(excitation)된다. 이어서 4F7/2 및 4F5/2 로 여기된 전자들은 소재의 열적상태에 따라 포논(phonon)에너지를 교환하며 아래 준위인 4F5/2 및 4F3/2 로 떨어질 수 있다. 여기된 전자는 하위 에너지 준위인 4I9/2 로 떨어지면서 두 가지의 형광신호를 만들게 된다. 에너지 차이가 큰 4F5/2 → 4I9/2 천이의 경우 820 nm(A 대역) 근처의 형광신호를, 에너지 차이가 이보다 작은 4F3/2 → 4I9/2 천이의 경우 이보다 긴 파장인 900 nm(B 대역) 근처에서 형광신호를 발생하게 된다.
도 1에서, 에너지 준위 4F5/2와 4F3/2는 볼쯔만 분포를 따라 열적으로 결합되어 있기 때문에 온도의존성을 갖는다. 따라서 A 대역(820 nm)과 B 대역(900 nm)의 형광신호의 세기비를 측정하여 온도를 산출할 수 있다.
그러나, 이러한 방법의 경우 높은 에너지 준위인 4F5/2 에 있는 전자밀도가 낮은 에너지 준위인 4F3/2 에 있는 전자밀도보다 상대적으로 낮으며 그로 인해 A 대역에서 발생하는 형광신호가 매우 약하여 노이즈가 많이 발생하는 단점을 가지고 있다. 따라서 이로부터 산출된 온도신호의 정확도 또한 떨어지게 된다.
또한 이러한 방법의 경우 A 대역(820 nm)에서 발생하는 형광신호의 파장위치가 펌프광의 펌프광의 파장(785~805 nm)과 매우 가깝기 때문에 펌프광의 광출력 스펙트럼에 묻히거나 펌프광의 출력변화 등에 의한 노이즈 특성에 형광신호가 크게 영향을 받는 문제를 가지고 있다. 따라서 이러한 단점을 해결하기 위해서는 선폭이 좋은 고가의 레이저를 펌프광으로 사용하거나 부가적인 광부품을 사용하여 펌프광의 광특성을 개선해야하는 문제가 발생한다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 형광신호의 강도가 높은 에너지 준위를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법은 희토류 이온의 에너지 준위 차이에 따라 발생되는 형광신호의 강도비를 이용하는 것이다.
상기 형광신호의 강도비는, 하나의 높은 에너지 준위와 두 개의 낮은 에너지 준위에서 발생되는 한쌍의 형광신호의 강도비일 수 있다.
상기 희토류 이온은 Nd3+일 수 있으며, 상기 높은 에너지 준위는 4F3/2이며, 상기 낮은 에너지 준위는 4I9/2, 4I11/2 및 4I13/2으로 이루어진 군에서 선택되는 2개의 에너지 준위일 수 있으며 보다 구체적으로 상기 2개의 낮은 에너지 준위의 조합은 4I9/2 및 4I11/2; 4I11/2 및 4I13/2; 또는 4I9/2 및 4I13/2;일 수 있다.
Nd3+에서 발생하는 두 개의 형광신호 강도비(R)를 이용한 온도산출 방법에 대하여 도 2a 및 도 2b를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2a 및 하기 식 (2)를 참조하면, 제 1 실시예로서 Nd3+ 가 함유된 형광소재가 갖는 4F3/2 → 4I9/2 및 4F3/2 → 4I11/2 에너지 천이에서 발생하는 세기가 높은 두 형광신호를 사용하는 형광신호(Ra)를 이용하여 온도를 산출할 수 있다. 4F3/2 → 4I9/2 에너지 천이의 경우 900 nm 대역의 형광신호(I1)를, 4F3/2 → 4I11/2 에너지 천이의 경우 1070 nm 대역의 형광신호(I3)를 발생시킨다. 각각의 에너지 천이는 열적으로 결합된 에너지 준위에 의하여 영향을 받게 되며, 그로 인하여 동일한 에너지 준위 4F3/2에서 낮은 에너지 준위로 에너지 천이가 발생할 때 상대적인 에너지 천이 확률이 온도 의존 특성을 갖게 된다. 따라서, 결과적으로 이러한 특성을 이용하여 온도를 산출할 수 있다.
식 (2)
기존 방법에서는 높은 에너지 준위가 다르고 낮은 에너지 준위가 같은 두 개의 에너지 준위 사이의 천이를 이용한 방식을 사용한다. 반면에 본 발명에서는 높은 에너지 준위가 같고 낮은 에너지 준위가 다른 두 개의 에너지 준위 사이의 천이를 이용한 방식으로서 서로 구별되는 에너지 천이 구조를 갖고 있다.
이러한 방식(제1 실시예)의 경우 장점은 900 nm 대역 및 1070 nm 대역에서 발생하는 형광신호 모두 820 nm 대역에서 발생하는 형광신호에 비하여 8 dB 이상 높은 신호세기를 확보할 수 있으므로 측정의 정확도를 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 상대적으로 낮은 펌프용 레이저 다이오드 소자를 사용하여 시스템 비용을 낮출 수 있다. 또한 분기 소자를 사용하여 하나의 레이저 다이오드를 여러 개의 센서 프로브에 광원으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방식(제1 실시예)의 경우 온도 산출에 사용하는 형광신호의 파장대역이 펌프광의 파장과 90 nm 이상 멀리 떨어져 있으므로 펌프광의 출력스펙트럼에 의하여 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있다.
도 2a를 참조하면, 제2 실시예로서 Nd3+가 함유된 형광소재가 갖는 4F3/2 → 4I11/2 및 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에서 발생하는 형광신호를 이용할 수 있다. 4F3/2 → 4I11/2 에너지 천이의 경우 1070 nm 대역의 형광신호(I3)를 발생시키며, 4F3/2 → 4I13/2에너지 천이의 경우 1360 nm 대역의 형광신호(I5)를 발생시킨다. 이러한 에너지 준위 사이의 상대적인 에너지 천이 확률은 온도 의존 특성을 갖게 된다. 따라서, 결과적으로 이러한 특성을 이용하여 온도를 산출할 수 있다. 1360 nm 대역의 경우 대역폭이 3배 이상 넓어서 820 nm 보다 높은 형광세기를 검출할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 형광신호 강도비(Rb)를 이용하여 온도를 산출할 수 있다(도 2a 참조).
또한, Nd3+가 함유된 형광소재가 갖는 4F3/2 → 4I9/2 및 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에서 발생하는 형광신호(I3, I5) 사이의 형광신호 강도비(Rc)를 이용할 수 있다(도 2a 참조).
본 발명의 일 실시예에 따른 형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법은 제1 형광신호로서 Nd3+이온의 4F5/2 → 4I11/2 에너지 천이에 의한 형광신호와, 제2 형광신호로서 다른 에너지 천이에서 발생되는 형광신호 사이의 강도비를 이용하는 것일 수 있다.
상기 제2 형광신호는 Nd3+이온의 4F3/2 → 4I9/2 또는 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에 의하여 발생하는 형광신호일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제 3실시예로서 Nd3+가 함유된 형광소재가 갖는 4F5/2 → 4I11/2 에너지 천이에서 발생하는 형광신호(I4)를 이용할 수 있다. 960nm 근처에 위치하는 형광신호 I4의 경우 펌프광의 파장과 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 펌프광에 발생하는 노이즈 등에 의하여 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 따라서, 상기 형광신호 I4와 4F3/2 → 4I9/2 에너지 천이에서 발생하는 형광신호(I1) 또는 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에서 발생하는 형광신호(I5) 사이의 형광신호 강도비(Rd, Re)를 이용하여 온도를 정확하게 산출할 수 있다(도 2b 참조). 에너지 준위 4F5/2 와 4F3/2 는 열적으로 결합되어 있기 때문에 온도의존성을 갖는다. 이와 동시에 본 실시예에 따른 에너지천이에 의하여 발생하는 형광신호(I4, I1, I5)는 모두 펌프광의 파장과 멀리 떨어져 있으므로 서로 간섭을 받지 않아 안정적으로 온도를 산출할 수 있다는 장점을 가진다.
도 3은 제4 실시예로서 Nd3+ 이온이 0.5 mol% 함유된 산화물계 광학유리의 형광스펙트럼을 보여주고 있다. 전자 여기를 통하여 형광신호의 발생을 위하여 사용된 펌프광의 파장은 795 nm 이다. 도 3에서와 같이, 4F3/2 → 4I9/2, 4F3/2 → 4I11/2, 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에 의하여, 각각 900 nm, 1070 nm, 1360 nm 파장 대역에서 강한 형광밴드가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 제4 실시예에 따라 Nd3+ 이온이 함유된 산화물계 광학유리의 두 개의 파장 900 nm(4F3/2 → 4I9/2)에서 발생한 형광신호(I1) 및 1070 nm(4F3/2 → 4I11/2)에서 발생한 형광신호(I3)의 형광 강도비(R=I3/I1)의 온도의존성을 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 온도가 증가함에 따라 형광 강도비의 크기가 연속적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 발명에 따라 온도센서 프로브에 결합된 광학소재에서 발생한 두파장에서의 형광신호으로부터 형광신호 강도비를 측정하므로써 센서 프로브에 인가된 온도를 산출할 수 있다.
상기 형광신호의 강도(세기) 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법이 적용된 온도센서 시스템(10)은 희토류 이온의 에너지 준위 차이에 따라 발생되는 형광신호의 강도비를 이용하는 것이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 온도센서 시스템(10)은 일단에 희토류 이온을 함유하는 광학소재(113)가 구비된 온도센서 프로브(Temp. sensor probe)(100); 및 온도센서 프로브(100)의 타단에 결합되는 광섬유 가이드(light guide)(200)를 포함하며, 온도센서 시스템(10)은 광섬유 가이드(200)를 통하여 상기 희토류 이온을 여기시키는 광원을 형성하는 펌프광원(pump light source)(300); 광학소재(113)에서 발생하는 형광신호(Fluorescence signal)를 광섬유 가이드(200)를 통하여 측정하는 광검출기(photo detector)(400); 및 광검출기(400)를 통하여 수신된 형광신호를 분석하는 신호분석 모듈(Analyzer)(500)을 더 포함할 수 있다.
상기 희토류 이온은 Nd3+일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 형광강도비를 이용한 온도측정 방법이 적용된 온도센서 시스템 상의 온도센서 프로브 전체 구조(도 5의 (a)) 및 온도센서 프로브 일단 부위에서 형광신호가 발생하여 전달되는 과정(도 5의 (b))를 도시한 것이다.
도 5에서 볼 수 있듯이 온도센서 프로브(100)는 굴절률이 높은 코어(core)(111) 및 클래드(clad)(112) 구조를 갖는 광섬유(110) 일단에 Nd3+ 이온이 함유된 광학소재(113)가 구비되는 센서 프로브 끝단 구조를 가지고 있다. 펌프광원(300)에서 출력된 펌프 광(pump light)이 광섬유(110) 코어(111)를 통하여 광학소재(113)에 입사하여, 광학소재(113)에 함유된 희토류 이온(Nd3+ 이온)을 여기시킨다. 여기에 의하여 발생한 형광신호(Fluorescence signal)의 일부가 광섬유(110)에 커플링되어 펌프광의 반대 방행으로 진행하게 되어 최종적으로 온도산출을 위한 광검출기(400)까지 전달된다. 온도센서 프로브(100)는 광섬유(110)를 외부 압력이나 오염으로부터 보호하기 위하여 보호자켓(Protection jaket)(120)을 이용하여 보호할 수 있다. 광섬유(110)와 보호자켓(120) 사이는 접착물질(Adhesion material)(130)을 이용하여 고정할 수 있다. 또한, 도 5의 (a)에서와 같이, 광학소재(113)가 구비된 광섬유(110) 일단을 보호를 위하여 보호코팅층(Protection coating)(140)을 통하여 보호할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 형광강도비를 이용한 온도측정 방법이 적용된 온도센서 시스템(10)의 구조를 도시한 것이다. 펌프광원(300)에서 출사된 펌프광이 제1 광분기소자(600)를 통하여 광가이드용 광섬유 가이드(200)를 지나 온도센서 프로브(100)로 전달되고 최종적으로 희토류 이온이 함유된 광학소재(113)에 입사된다. 펌프광원(300)은 희토류 이온의 여기에 필요하도록 소정의 광특성을 갖는 레이저다이오드, LED소자 등을 사용할 수 있으며 펌프드라이브(310)를 사용하여 구동한다. 희토류이온에서 발생한 형광신호는 온도센서 프로브용 광섬유가이드(200) 및 제1 광분기소자(600)를 통하여 제2 광분기소자(700)에 전달된다. 제1 광분기소자(600)는 희토류이온에서 발생한 형광신호를 제2 광분기소자(700)측으로 효율적으로 전송하기 위하여 WDM 광커플러와 같이 파장분할 기능을 갖는 광분기소자를 사용할 수 있다.
제2 광분기소자(700)는 광학소재(113)에서 발생한 형광신호를 두 개의 광검출기(400)로 나누어 전달하는 기능을 갖는 광분기소자로 구성되며 소정의 광커플링비를 갖는 광섬유 커플러를 사용할 수 있다. 제2 광분기소자(700)와 광검출기(400) 사이에는 광필터(optical filter)(800)를 구비하여 특정파장 대역의 형광신호만을 통과시킨다. 따라서 두쌍의 광필터 및 광검출기를 사용하여 두 개의 형광신호를 동시에 검출함으로써 신호처리기(900) 및 신호분석 모듈(500)을 통하여 분석하여 광학소재에 인가된 온도를 산출한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 희토류 이온의 에너지 준위 차이에 따라 발생되는 형광신호의 강도비를 이용하는 것이며,
    상기 형광신호의 강도비는 높은 에너지 준위와 낮은 에너지 준위에서 발생되는 한쌍의 형광신호의 강도비이며,
    상기 형광신호의 강도비는 다른 에너지천이에서 각각 발생되는 제1 형광신호와 제2 형광신호 사이의 강도비인 것이며,
    상기 제1 형광신호의 파장 대역과 상기 제2 형광신호의 파장 대역은 펌프광 광출력 스펙트럼에 영향을 받지 않도록 상기 펌프광의 파장으로부터 90 nm 이상 이격된 것이며,
    상기 형광신호의 강도비는 상기 제1 형광신호에서의 낮은 에너지 준위와 상기 제2 형광신호에서의 낮은 에너지 준위가 서로 상이한 것인,
    형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 이온은 Nd3+인 것인,
    형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 높은 에너지 준위는 4F3/2이며,
    상기 낮은 에너지 준위는 4I9/2, 4I11/2 및 4I13/2으로 이루어진 군에서 선택되는 2개의 에너지 준위인 것인,
    형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 형광신호의 강도비는
    Nd3+이온의 4F5/2 → 4I11/2 에너지 천이에 의한 제1 형광신호와 다른 에너지천이에서 발생되는 제2 형광신호 사이의 강도비인 것이며,
    상기 제2 형광신호는 Nd3+이온의 4F3/2 → 4I9/2 또는 4F3/2 → 4I13/2 에너지 천이에 의하여 발생하는 형광신호인 것인,
    형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펌프광의 파장은 795 nm이며,
    상기 제1 형광신호의 파장대역은 960 nm이며,
    상기 제2 형광신호의 파장대역은 900 nm 또는 1360 nm인 것인,
    형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 형광신호의 강도 그래프는 다항함수, 지수함수 및 로그함수 중 어느 하나 이상의 함수로 피팅(fitting)되는 것인,
    형광신호의 강도비를 이용한 온도측정 방법.
  8. 희토류 이온의 에너지 준위 차이에 따라 발생되는 형광신호의 강도비를 이용하는 것이며,
    상기 형광신호의 강도비는 높은 에너지 준위와 낮은 에너지 준위에서 발생되는 한쌍의 형광신호의 강도비이며,
    상기 형광신호의 강도비는, 다른 에너지천이에서 발생되는 제1 형광신호와 제2 형광신호 사이의 강도비인 것이며,
    상기 제1 형광신호의 파장 대역과 상기 제2 형광신호의 파장 대역은 펌프광 광출력 스펙트럼에 영향을 받지 않도록 상기 펌프광의 파장으로부터 90 nm 이상 이격된 것이며,
    상기 형광신호의 강도비는 상기 제1 형광신호에서의 낮은 에너지 준위와 상기 제2 형광신호에서의 낮은 에너지 준위가 서로 상이한 것인,
    온도센서 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    일단에 희토류 이온을 함유하는 광학소재가 구비된 온도센서 프로브; 및
    상기 온도센서 프로브의 타단에 결합되는 광섬유 가이드를 포함하는 온도센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광섬유 가이드를 통하여 상기 희토류 이온을 여기시키는 광원을 형성하는 펌프광원;
    상기 광학소재에서 발생하는 형광신호를 상기 광섬유 가이드를 통하여 측정하는 광검출기; 및
    상기 광검출기를 통하여 수신된 형광신호를 분석하는 신호분석 모듈을 더 포함하는,
    온도센서 시스템.
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