KR20130019889A - 할로우 코어를 갖는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치 및 기체 검출 방법 - Google Patents

할로우 코어를 갖는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치 및 기체 검출 방법 Download PDF

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Abstract

할로우 코어(hollow core)를 갖는 광섬유를 이용한 기체 검출 장치 및 방법이 개시된다. 기체 검출 장치는, 기체가 주입될 수 있는 코어를 포함하는 광섬유; 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 광원; 및 광섬유의 다른쪽 끝으로부터 반사된 빛을 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 검출하며, 반사된 빛을 이용하여 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 검출부를 포함할 수 있다. 기체 검출 방법은, 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 단계; 입사된 빛을 광섬유의 다른쪽 끝에서 반사시키는 단계; 반사된 빛을 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 검출하는 단계; 및 반사된 빛을 이용하여 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

할로우 코어를 갖는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치 및 기체 검출 방법{REFLECTIVE PROBE TYPE APPARATUS FOR DETECTING GAS AND METHOD FOR DETECTING GAS USING OPTICAL FIBER WITH HOLLOW CORE}
실시예들은 광섬유를 이용한 기체 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 할로우 코어(hollow core)를 갖는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치 및 기체 검출 방법에 대한 것이다.
광섬유를 응용한 센서 기술은 기존에 사용하고 있는 센서에 비하여 여러 가지 장점이 있기 때문에 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 광섬유는 가볍고 크기가 작으며 응답속도가 빠를 뿐만 아니라, 외부의 전기적 노이즈에 대하여 독립적이며 쉽게 부식이 되지 않는다. 이와 같은 특징은 구조물의 내부에 삽입된 형태의 센서나 화학적, 생물학적 센서에 응용하기에 적합하여 큰 규모의 구조물에 삽입되어 응력이나 진동 또는 손상 등을 감지하거나, 화학물질에 대한 조성을 판별하는 등 여러 분야에 걸쳐 다양한 응용이 가능하다.
광섬유 센서 중에서도 광 밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiber)를 이용한 기체 센서가 알려져 있다. 특히, 광 밴드갭 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber; PCF)는 큰 공기 구멍을 가진 코어와 주기적으로 배열된 작은 공기 구멍 구조가 광 밴드갭을 형성하여 빛을 코어에 가두게 된다. 이와 같이 할로우 코어(hollow core)로 빛을 도파시키기 때문에 도파시키는 매질에 의한 광 손실이 거의 없다. 또한, 광섬유 자체가 순수한 실리카(silica)만으로 이루어질 수 있어, 여러 물질이 혼합된 형태의 광섬유와 비교하여 주변 환경에 대해 안정적인 동작 특성이 보장된다.
예를 들어, 광 밴드갭 광섬유를 이용하는 기체 센서는, "Gas sensing using air-guiding photonic bandgap fibers"의 제목을 가지며 2004년 8월 23일자 OPTICS EXPRESS 4080, No. 17, Vol. 12에 개시된 T. Ritati 외 6인 공저의 논문, 및 "Photonic band-gap fiber gas cell fabricated using femtosecond micromachining"의 제목을 가지며 2007년 5월 28일자 OPTICS EXPRESS 6690, No. 11, Vol. 15에 개시된 Christopher J. Hensley 외 3인 공저의 논문 등에 개시되어 있다. 이들 논문에는 기체가 삽입된 광 밴드갭 PCF에 빛을 통과시킴으로써 투과 방식으로 기체를 검출하는 기술이 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 할로우 코어(hollow core)를 갖는 광섬유를 이용하여 기체 검출 장치를 구성하되, 종래의 장치에 비해 작은 부피를 가져 프로브(probe) 형태로 제작될 수 있으며 더 큰 흡수 신호의 검출이 가능한 기체 검출 장치를 제공할 수 있다. 또한, 상기 기체 검출 장치를 이용한 기체 검출 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치는, 기체가 주입될 수 있는 코어를 포함하는 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 상기 제1 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 광원; 및 상기 제1 광섬유의 다른쪽 끝으로부터 반사된 빛을 상기 제1 광섬유의 상기 한쪽 끝을 통하여 검출하며, 반사된 빛을 이용하여 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치는, 상기 제1 광섬유의 상기 다른쪽 끝에 위치하는 제2 광섬유를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 광섬유의 상기 한쪽 끝을 통하여 입사된 빛은 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유 사이의 계면에서 반사될 수 있다. 상기 제2 광섬유는 중공 광섬유(hollow optical fiber)일 수도 있다.
상기 제1 광섬유는, 외부로부터 상기 제1 광섬유의 코어 내로 기체를 주입하기 위한 주입구; 및 상기 제1 광섬유의 상기 다른쪽 끝에 코팅된 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제1 광섬유는 광 밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiber)일 수도 있다.
일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 방법은, 제1 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 상기 제1 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 단계; 입사된 빛을 상기 제1 광섬유의 다른쪽 끝에서 반사시키는 단계; 반사된 빛을 상기 제1 광섬유의 상기 한쪽 끝을 통하여 검출하는 단계; 및 반사된 빛을 이용하여 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치 및 방법에 의하면, 광신호가 광섬유 내를 두 번 도파되는 반사 방식이므로 기존의 투과형 기체 센서와 비교하여 더 큰 흡수 신호의 검출이 가능하다. 또한, 상기 기체 검출 장치는 기존의 투과형 기체 센서보다 작은 부피로 제작될 수 있으며, 예컨대, 수 ㎛ 정도의 크기를 갖는 매우 작은 프로브(probe) 형태로 제작될 수 있다. 나아가, 광섬유의 할로우 코어(hollow core)의 크기를 조절하여 광섬유 내의 기체의 주입 시간을 감소시키거나 반사 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치의 구성도이다.
도 2 는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치의 구성도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 길이방향 단면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 길이방향 단면도이다.
도 4는 도 3b에 도시된 제1 광섬유의 횡단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 길이방향 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유의 단면을 나타내는 사진이다.
도 7a 및 7b는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제2 광섬유의 단면을 나타내는 사진들이다.
도 8a 내지 8c는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유와 단일모드 광섬유의 결합을 위한 소자들을 나타내는 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 시간에 따른 반사율을 파장별로 나타내는 그래프들이다.
도 10a 내지 10c는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 시간에 따른 흡수율을 나타내는 그래프들이다.
도 11은 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 파장에 따른 전송율을 나타내는 그래프이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치의 구성도이다. 본 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치는 반사형 프로브(probe) 타입의 기체 검출 장치일 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 기체 검출 장치는 제1 광섬유(10), 제2 광섬유(20), 광원(30) 및 검출부(40)를 포함할 수 있다. 상기 기체 검출 장치는 광원(30), 제1 광섬유(10) 및 검출부(40) 사이를 광학적으로 연결하는 광 순환기(50)를 포함할 수도 있다. 또한, 광원(30)과 광 순환기(50) 사이, 광 순환기(50)와 제1 광섬유(10) 사이 및/또는 광 순환기(50)와 검출부(40) 사이는 단일 모드 광섬유(single mode fiber)(60)에 의하여 광학적으로 연결될 수도 있다.
제1 광섬유(10)는 검출하고자 하는 기체가 주입되는 광섬유이다. 기체가 주입될 수 있도록, 제1 광섬유(10)는 할로우 코어(hollow core)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 광섬유(10)는 광 밴드갭 광섬유(photonic bandgap fiber)일 수 있다. 예를 들어, 제1 광섬유(10)는 상대적으로 큰 공기 구멍을 가진 코어와 코어를 둘러싸도록 클래딩에 형성된 작은 공기 구멍들의 구조가 광 밴드갭을 형성하여 빛을 코어로 가두는 광자결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber; PCF)일 수도 있다.
광원(30)은 제1 광섬유(10)의 한쪽 끝을 통하여 제1 광섬유(10)의 코어 내로 빛을 입사시킬 수 있다. 예컨대, 광원(30)으로부터 조사된 빛은 광 순환기(50)의 제1 포트로 입사된 후 광 순환기(50)의 제2 포트로 출사되어 제1 광섬유(10)에 입사될 수 있다. 광원(30)은 검출하고자 하는 기체의 흡수 파장에 대응되는 파장 대역의 빛을 조사할 수 있다. 예를 들어, 광원(30)은 광대역 광원일 수도 있다. 또한, 광원(30)은 근적외선 영역의 빛을 조사할 수 있는 CO2 레이저 장치를 포함할 수도 있다.
광원(30)에 의해 제1 광섬유(10)의 한쪽 끝을 통하여 제1 광섬유(10)의 코어에 빛이 입사되면, 입사된 빛은 제1 광섬유(10)의 코어 내를 진행한 후 적어도 일부의 빛은 제1 광섬유(10)의 다른쪽 끝에서 반사될 수 있다. 빛을 반사하기 위하여, 제1 광섬유(10)의 다른쪽 끝에는 제2 광섬유(20)가 위치할 수 있다. 제1 광섬유(10)와 제2 광섬유(20)의 도파 모드의 차이로 인하여, 제1 광섬유(10) 내를 진행하여 전파된 빛 중 적어도 일부가 제1 광섬유(10)와 제2 광섬유(20) 사이의 계면에서 반사되어 되돌아갈 수 있다.
일 실시예에서, 제2 광섬유(20)는 공기 구멍으로 된 코어를 포함하며 코어를 둘러싸는 클래딩 영역에는 공기 구멍이 형성되어 있지 않을 수 있다. 본 명세서에서는, 이와 같은 형태의 광섬유를 중공 광섬유(hollow fiber)로 지칭하기로 한다. 한편, 제2 광섬유(20)에서 제1 광섬유(10)와 인접한 표면에는 반사되는 빛의 양을 증가시키기 위해 금속 물질이 코팅되어 있을 수도 있다. 이에 대해서는, 도 3a를 참조하여 상세히 후술한다.
도 1에 도시된 실시예에서는 제2 광섬유(20)를 이용하여 제1 광섬유(10)의 코어 내를 진행한 빛을 반사시키는 구성이 개시되나, 다른 실시예에서는 제2 광섬유(20)를 이용하지 않고 제1 광섬유(10)의 끝 부분에 금속 물질을 코팅함으로써 제1 광섬유(10)의 코어 내를 진행한 빛을 반사시킬 수도 있다. 이에 대해서는, 도 5를 참조하여 상세히 후술한다.
일 실시예에서, 제1 광섬유(10) 및 제2 광섬유(20)는 기체 셀(70) 내에 위치할 수 있다. 기체 셀(70)에는 기체 셀(70) 내로의 기체 주입 및/또는 기체 셀(70) 내의 압력을 조절하기 위한 조절기(80)가 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 광섬유(10) 내에는 검출하고자 하는 기체를 주입하는 한편, 조절기(80)를 이용하여 기체 셀(70) 내의 압력은 진공 또는 진공에 가까운 압력으로 조절할 수 있다.
제2 광섬유(20)로부터 반사된 빛은, 입사되었던 방향과 반대 방향으로 제1 광섬유(10)의 코어 내를 진행한 후, 입사되었던 제1 광섬유(10)의 한쪽 끝 부분으로부터 출사될 수 있다. 제1 광섬유(10)로부터 출사된 빛은 광 순환기(20)의 제2 포트로 입사된 후 광 순환기(30)의 제3 포트를 통해 출사되어 검출부(40)로 전달될 수 있다.
검출부(40)는 제2 광섬유(20)로부터 반사되어 제1 광섬유(10)로부터 출사된 빛을 수신하고, 수신된 빛을 이용하여 제1 광섬유(10)의 코어 내의 기체를 검출할 수 있다.
제1 광섬유(10) 내에 입사된 후 제2 광섬유(20)에서 반사되어 제1 광섬유(10)로부터 출사되는 빛은, 제1 광섬유(10)의 코어 내를 두 번 진행하게 된다. 빛이 제1 광섬유(10)의 코어 내에서 전파되는 동안, 코어 내에 주입되어 있는 기체에 의하여 일부 파장 영역에서 빛의 흡수가 일어나며, 검출부(40)는 수신된 빛의 스펙트럼에서 기체에 의한 흡수 파장 및/또는 시간에 따른 흡수율 등을 측정할 수 있다. 예컨대, 검출부(40)는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)를 포함할 수도 있다. 흡수 스펙트럼의 분석 결과로부터, 검출부(40)는 제1 광섬유(10)의 코어 내의 기체의 종류 및/또는 농도 등을 검출할 수 있다.
도 2 는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치의 구성도이다. 도 2에 도시된 실시예에 따른 기체 검출 장치의 설명에 있어서, 도 1을 참조하여 전술한 실시예에 따른 기체 검출 장치의 구성과 동일하거나 이로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 기체 검출 장치는 도 1을 참조하여 전술한 실시예에 따른 기체 검출 장치의 구성에 더하여 진공 펌프(90)를 더 포함할 수 있다. 진공 펌프(90)는 제1 광섬유(10)에 연결되어 제1 광섬유(10) 내의 기체를 외부로 뽑아내는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 진공 펌프(90)는 제1 광섬유(10)와 단일모드 광섬유(60)를 결합하기 위한 광섬유 어댑터(800)의 주입구(801)에 연결되어, 제1 광섬유(10)의 코어를 통해 기체 셀(70)내의 기체를 외부로 뽑아낼 수 있다. 일 실시예에서, 제1 광섬유(10)의 한쪽 끝 부분은 기체 셀(70)의 외부로 노출되어 광섬유 어댑터(800)가 기체 셀(70) 바깥에 위치할 수 있다.
진공 펌프(90)를 이용하여 제1 광섬유(10)의 코어 내의 기체의 일부를 외부로 배출함으로써, 기체 검출 장치의 응답 속도를 빠르게 할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에 따른 기체 검출 장치는 도 1에 도시된 것과 같이 진공 펌프를 포함하지 않을 수 있으며, 또는 진공 펌프 외에 광섬유 내의 기체량을 조절할 수 있는 다른 상이한 수단을 포함할 수도 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 길이방향 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 제1 광섬유(10)는 공기 구멍으로 되어 있는 코어(100) 및 이를 둘러싸는 클래딩(105)을 포함할 수 있다. 코어(100)는 상대적으로 큰 크기의 공기 구멍으로 되어 있으며, 클래딩(105)에는 상대적으로 작은 크기의 공기 구멍들이 코어(100)를 둘러싸도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 광섬유(10)는 광 밴드갭 광섬유일 수 있다. 한편, 제2 광섬유(20)는 공기 구멍으로 되어 있는 코어(200)를 포함하며 클래딩에는 공기 구멍이 형성되어 있지 않을 수 있다. 예를 들어, 제2 광섬유(20)는 중공 광섬유일 수 있다.
제2 광섬유(20)의 일부 표면에는 금속 물질(205)이 코팅되어 있을 수 있다. 예를 들어, 금속 물질(205)은 제2 광섬유(20)가 제1 광섬유(10)와 결합되는 부분의 표면에 코팅되어, 제1 광섬유(10)와 제2 광섬유(20) 사이에 위치할 수 있다. 금속 물질(205)은 제2 광섬유(20)에 의해 반사되는 빛을 증가시키기 위한 것으로서, 예컨대, 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 물질(205)은 제2 광섬유(20)의 코어(200)와 정렬되는 홀을 포함하여, 일부의 빛은 금속 물질(205) 및 제2 광섬유(20)의 코어(200)를 통과하여 전파되도록 할 수 있다.
제1 광섬유(10)의 코어(100) 내를 진행한 빛 중 적어도 일부는 제2 광섬유(20)에서 반사될 수 있다. 제1 광섬유(10)의 코어(100)의 직경(D1)은 기체의 주입 시간 및 검출 시간 등 관련 변수를 고려하여 적절하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 광섬유(10)의 코어(100)의 직경(D1)은 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제1 광섬유(10)의 코어(100) 내를 통과하여 진행한 빛이 제2 광섬유(20)에서 반사되려면, 제2 광섬유(20)는 제1 광섬유(10)와 상이한 도파 모드를 가져야 한다. 이를 위하여, 제2 광섬유(20)의 코어(200)의 직경(D2)은 제1 광섬유(10)의 코어(100)의 직경(D1)에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 광섬유(10)의 코어(100)의 직경(D1)과 상이하도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 광섬유(20)의 코어(200)의 직경(D2)은 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3b는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 길이방향 단면도이며, 도 4는 도 3b에 도시된 제1 광섬유의 횡단면도이다. 본 명세서에 기재되는 실시예의 설명에 있어서, 전술한 실시예로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대해서는 설명을 생략하고, 전술한 실시예와의 차이점에 대하여 설명하기로 한다.
도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 기체 검출 장치에서 제1 광섬유(11)는 코어(110) 및 클래딩(115)을 포함하되, 도 3a에 도시된 제1 광섬유(10)와 비교하면 코어(110)의 크기가 상대적으로 크도록 구성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 제1 광섬유(11)에서 코어(110)는 복수 개의 튜브(116)에 의하여 에워싸인 영역일 수 있다. 각각의 튜브(116)는 공기 구멍(117)을 포함할 수 있으며, 복수 개의 튜브(116)는 외피(118)로 둘러싸여 있을 수 있다. 코어(110)를 둘러싸는 복수 개의 튜브(116) 및 외피(118) 부분이 제1 광섬유(11)의 클래딩(115)에 해당된다.
도 3b 및 도 4에 도시된 기체 검출 장치의 제1 광섬유는, 구조가 복잡하고 제작하기 어려운 기존의 광자결정 광섬유와 비교하여 구조가 상대적으로 간단하며 제작이 용이한 이점이 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 기체 검출 장치는 전술한 실시예들과 달리 제2 광섬유를 포함하지 않으며, 그 대신 제1 광섬유(12)가 주입구(126) 및 금속 물질(127)을 포함할 수 있다. 주입구(126)는 외부로부터 제1 광섬유(12)의 코어(120) 내로 기체를 주입하기 위한 부분이다. 예컨대, 주입구(126)는 제1 광섬유(12)의 길이 방향에 수직한 방향으로 클래딩(125)을 관통하여 형성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 주입구(126)는 다른 상이한 방향으로 형성될 수도 있으며, 제1 광섬유(12)의 코어(120)의 단면을 주입구로 이용하여 기체를 주입하는 것도 가능하다.
제1 광섬유(12)의 한쪽 끝 부분에는 금속 물질(127)이 코팅되어 있을 수 있다. 제1 광섬유(12)의 다른쪽 끝 부분을 통해 코어(120) 내로 빛이 입사되면, 입사된 빛은 코어(120)를 통과하여 진행한 후 적어도 일부의 빛이 금속 물질(127)에서 반사될 수 있다. 반사된 빛은 다시 코어(120) 내를 입사될 때와 반대 방향으로 진행한 후, 입사되었던 부분을 통하여 제1 광섬유(12)로부터 출사될 수 있다. 따라서, 빛의 반사를 위한 제2 광섬유를 별도로 구비하지 않고, 금속 물질(127)이 코팅된 제1 광섬유(12)만을 이용하여 기체 검출이 가능하다.
도 6은 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유의 단면을 나타내는 사진이다. 도 6에 도시되는 바와 같이, 제1 광섬유는 중앙에 위치하는 상대적으로 큰 공기 구멍인 코어와, 이를 둘러싸고 상대적으로 작은 공기 구멍이 배열되어 있는 클래딩을 포함하여 구성되는 광 밴드갭 PCF일 수 있다.
도 7a는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제2 광섬유의 단면을 나타내는 사진이며, 도 7b는 도 7a의 제2 광섬유에서 코어 부분을 확대하여 나타내는 사진이다. 도 7a 및 7b에 도시되는 바와 같이, 제2 광섬유는 중앙에 위치하는 공기 구멍인 코어와 이를 둘러싸는 클래딩을 포함하되, 클래딩에는 공기 구멍이 형성되어 있지 않은 중공 광섬유일 수 있다.
그러나 도 6 및 도7에 도시된 광섬유의 사진들은 단지 예시적인 것으로서, 실시예들에 따른 기체 검출 장치에서 제1 광섬유 및 제2 광섬유는 도면에 도시된 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 8a 내지 8c는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 제1 광섬유와 단일모드 광섬유의 결합을 위한 소자들을 나타내는 단면도이다. 예컨대, 도 8a 내지 8c에 도시된 소자들은 도 1을 참조하여 전술한 실시예에서 제1 광섬유(10)와 광 순환기(50)의 제2포트에 연결된 단일모드 광섬유 (60)의 결합을 위한 소자들에 해당할 수 있다.
도 8a를 참조하면, 제1 광섬유 및 단일모드 광섬유는 기체를 주입하기 위한 주입구(801)를 포함하는 광섬유 어댑터(800)를 이용하여 결합될 수 있다. 예컨대, 광섬유 어댑터(800)는 짝짓기 슬리브(mating sleeve)일 수 있다. 도 2를 참조하여 전술한 실시예에서와 같이, 응답 속도를 빠르게 하기 위하여 광섬유 어댑터(800)의 주입구(801)에는 진공 펌프가 연결될 수도 있다.
도 8b를 참조하면, 단일모드 광섬유의 끝은 APC(Angled Physical Contact) 형태의 커넥터(803)일 수 있다. APC는 단면이 약 8도 가량 각도가 있어 후방 반사가 매우 적은 광섬유 단면 형태를 지칭한다. 한편, 제1광섬유(10)의 끝은 수직으로 절단된 PC(Physical Contact) 형태일 수 있다. 제1 광섬유(10)를 배어 파이버 터미네이터(bare fiber terminator)(802)로 홀드하여, 광섬유 어댑터를 사용하여 단일모드 광섬유의 APC 커넥터(803)와 결합할 수 있다.
도 8c는 광섬유 어댑터(800) 내에서 제1 광섬유(10)와 단일모드 광섬유의 APC 커넥터(803)와 연결 형태를 나타내는 개념도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 시간에 따른 반사율을 파장별로 나타내는 그래프들이다. 도 9의 상단으로부터 하단 방향으로 나열된 4개의 그래프들은 각각 빛이 조사된 후 약 1분, 약 10분, 약 30분 및 약 5시간이 경과한 후 빛의 반사율을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 몇몇 특정 파장에서 다른 파장에 비해 반사율이 높은 것을 알 수 있으며, 이는 해당 특정 파장에서 광섬유 내의 기체 입자에 의한 광 흡수가 일어났음을 의미한다. 또한, 시간에 따라 흡수율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 10a는 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 시간에 따른 흡수율을 나타내는 그래프이다. 도 10a에 도시된 5개의 그래프(1001, 1002, 1003, 1004, 1005)는 각각 빛이 조사된 후 약 1분, 약 5분, 약 30분, 약 1시간 및 약 5시간이 경과한 후 빛의 흡수율을 나타낸다. 몇몇 특정 파장에서의 흡수율이 다른 파장에서의 흡수율보다 상대적으로 높게 나타나므로, 상기 특정 파장에 기초하여 광섬유 내의 기체의 종류를 검출할 수 있다.
도 10b는 도 10a의 그래프에 도시된 결과 중 약 1520.0 nm의 파장에서의 흡수율을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 시간에 따른 흡수율을 기존에 알고 있는 기준 농도에서의 흡수율과 비교 분석함으로써, 광섬유 내의 기체의 농도를 검출할 수 있다.
도 10c 는 도 2를 참조하여 전술한 실시예와 같이 진공 펌프(90)를 광섬유 어댑터(800)의 주입구(801)에 연결하여 빠른 응답 속도로 시간에 따른 흡수율을 얻어낸 그래프이다. 도10b와 비교 분석함으로써, 응답 속도가 약 수십배 증가하였음을 알 수 있다. 응답 속도는 진공 펌프(90)의 압력에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 진공 펌프의 압력이 커질수록 응답 속도는 더욱 빨라질 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 기체 검출 장치에서 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 결과는 기체 검출 장치에서 입사된 빛 중 반사되지 않고 광섬유를 투과한 빛을 검출한 결과를 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 기체 입자에 의한 광 흡수가 이루어지는 몇몇 특정 파장에서 빛의 투과율이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (22)

  1. 기체가 주입될 수 있는 코어를 포함하는 제1 광섬유;
    상기 제1 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 상기 제1 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 광원; 및
    상기 제1 광섬유의 다른쪽 끝으로부터 반사된 빛을 상기 제1 광섬유의 상기 한쪽 끝을 통하여 검출하며, 반사된 빛을 이용하여 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 상기 다른쪽 끝에 위치하는 제2 광섬유를 더 포함하되,
    상기 제1 광섬유의 상기 한쪽 끝을 통하여 입사된 빛은 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유 사이의 계면에서 반사되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 광섬유의 표면에 코팅된 금속 물질을 더 포함하되, 상기 금속 물질은 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 광섬유는 중공(hollow core) 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 광섬유의 코어의 단면 직경은 1 ㎛ 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 코어의 단면 직경은 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는,
    외부로부터 상기 제1 광섬유의 코어 내로 기체를 주입하기 위한 주입구; 및
    상기 제1 광섬유의 상기 다른쪽 끝에 코팅된 금속 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 광 밴드갭 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 조사된 빛을 상기 제1 광섬유에 전달하며, 상기 제1 광섬유로부터 출사된 빛을 상기 검출부에 전달하는 광 순환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유와 연결되어 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체의 일부를 외부로 배출하는 진공 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 검출부는, 반사된 빛의 스펙트럼에서 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체에 의해 흡수되는 파장 및 시간에 따른 흡수율 중 하나 이상을 이용하여 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체의 종류 및 농도 중 하나 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 반사형 프로브 타입의 기체 검출 장치.
  13. 제1 광섬유의 한쪽 끝을 통하여 상기 제1 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 단계;
    입사된 빛을 상기 제1 광섬유의 다른쪽 끝에서 반사시키는 단계;
    반사된 빛을 상기 제1 광섬유의 상기 한쪽 끝을 통하여 검출하는 단계; 및
    반사된 빛을 이용하여 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 입사된 빛을 상기 제1 광섬유의 다른쪽 끝에서 반사시키는 단계는, 입사된 빛을 상기 제1 광섬유의 상기 다른쪽 끝에 위치하는 제2 광섬유와 상기 제1 광섬유 사이의 계면에서 반사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제2 광섬유와 상기 제1 광섬유 사이의 계면에서 반사시키는 단계는, 상기 제2 광섬유의 표면에 코팅된 금속 물질을 이용하여 반사되는 빛의 양을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제2 광섬유는 중공(hollow core) 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 코어 내로 빛을 입사시키는 단계 전에, 상기 제1 광섬유에 형성된 주입구를 통하여 상기 제1 광섬유의 코어 내로 기체를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 검출 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 입사된 빛을 상기 제1 광섬유의 다른쪽 끝에서 반사시키는 단계는, 입사된 빛을 상기 제1 광섬유의 상기 다른쪽 끝에 코팅된 금속 물질에 의해 반사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 검출 방법.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 광 밴드갭 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 광섬유에 연결된 진공 펌프를 이용하여 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체의 일부를 외부로 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  21. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 단계는, 반사된 빛의 스펙트럼에서 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체에 의해 흡수되는 파장 및 시간에 따른 흡수율 중 하나 이상을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체를 검출하는 단계는, 상기 제1 광섬유의 코어 내의 기체의 종류 및 농도 중 하나 이상을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 기체 검출 방법.
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