KR20210002049A

KR20210002049A - 광섬유 격자 센서의 제조 방법

Info

Publication number: KR20210002049A
Application number: KR1020200079424A
Authority: KR
Inventors: 옥재윤
Original assignee: 옥재윤
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-01-06
Also published as: KR102245214B1

Abstract

본 발명은 광섬유 격자 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 일정한 간격의 다중형 FBG 센서를 제작하며, FBG 센서의 단부 피복의 일부를 제거하여 FBG 센서의 전기 회로 부분 및/또는 커넥팅 접합 부분에 요구되는 부분에 대한 작업이 용이하도록 하는데 있다.
일례로, 코팅 생성부를 이용하여, 다중형 FBG 센서에 경화성 코팅 물질로 피복을 형성하는 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계; 및 코팅 제거부를 통해 상기 피복 중 미리 결정된 위치에 상기 피복의 일부를 제거하여 상기 피복이 일부분 제거된 다중형 FBG 센서를 형성하는 다중형 FBG 센서 피복 부분 제거 단계를 포함하는 광섬유 격자 센서의 제조 방법을 개시한다.

Description

광섬유 격자 센서의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING FIBER BRAGG GRATING SENSOR}

본 발명의 실시예는 광섬유 격자 센서의 제조 방법에 관한 것이다.

광섬유 격자 센서(이하 FBG 센서라 함)는 부식이 되지 않아 내구성이 좋고, FBG 센서의 광원 특성 상 특정 전자기파의 영향을 받지 않아 정밀한 모션 데이터 측정에 대한 오류가 없다. 또한, 다중형 FBG 센서의 각 채널로 동시에 다수의 관절 모션 데이터의 측정이 가능한 새로운 방식의 형상 인식형 모션 측정 센서로 제작되어 다양한 산업에 활용이 가능하다.

FBG 센서를 구성하는 광섬유는 입사된 광이 전반사가 이루어지도록 굴절률이 다른 코어(Fiber Core), 클래딩(Cladding) 및 이러한 코어 및 클래딩을 보호하기 위한 재킷으로 구성되는 것이 통상적이다.

FBG 센서는 측정범위에 따라 일점, 분포 및 다중형 방식으로 분류될 수 있다. 여기서, 분포형 광섬유센서로서는 ODTR(Optical Time Domain Reflectometry)이 대표적이다.

이는 단일 광섬유를 이용하여 구조물의 전체적인 거동을 측정하는 데 유용하다는 장점이 있다. 다중형 광섬유센서는 하나의 광섬유센서에 2개 이상의 일점형 광섬유센서가 설치되어 있는 형태로서 FBG센서(Fiber Bragg Grating Sensor, 광섬유격자센서)가 이에 해당된다.

FBG 센서는 단일로 제작되는 경우 2차원의 각도 측정만 가능하나 3개 이상의 다중형으로 제작되는 경우 X, Y, Z축에 대한 3차원 형상 인식이 가능한 센서로서 제작이 가능하다.

이때, 3개 이상의 FBG 센서를 하나의 튜브에 삽입한 후 코팅 제작 시 각각의 FBG 센서 간의 미세한 간격이 안정적인 데이터 측정에 있어 매우 중요한 요소가 된다. 따라서, 이러한 FBG 센서의 균일한 간극 유지 및 코팅 제조 방식이 센서의 정밀도를 위해서는 상당히 중요하다고 할 수 있다.

이와 같이 분포형 FBG 센서 즉 단일 광섬유 센서가 아닌 다중형 형상 인식 센서로 제작 시 FBG 간의 간격이 일정하게 유지된 상태로 피복 재킷이 코팅되어야 하지만, 공정 상 FBG 간격에 대한 오차가 발생될 수 밖에 없어 제작된 센서에 대한 성능 저하가 우려되는 상황이다.

본 발명의 실시예는, 일정한 간격의 다중형 FBG 센서를 제작하며, FBG 센서의 단부 피복의 일부를 제거하여 FBG 센서의 전기 회로 부분 및/또는 커넥팅 접합 부분에 요구되는 부분에 대한 작업이 용이한 광섬유 격자 센서의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 제조 방법은, 코팅 생성부를 이용하여, 다중형 FBG 센서에 경화성 코팅 물질로 피복을 형성하는 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계; 및 코팅 제거부를 통해 상기 피복 중 미리 결정된 위치에 상기 피복의 일부를 제거하여 상기 피복이 일부분 제거된 다중형 FBG 센서를 형성하는 다중형 FBG 센서 피복 부분 제거 단계를 포함한다.

또한, 상기 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계 이전에, 인장력 공급부에 간극이 균일하게 형성된 다수의 홀에 각 FBG 센서를 통과시켜 다중형 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 고정시킨 상태로, 상기 다중형 FBG 센서의 양단에 인장력을 가해 상기 다중형 FBG 센서를 직선 상태로 유지시키는 다중형 FBG 센서 직선화 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 다중형 FBG 센서 직선화 단계와 상기 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계 사이에, 상기 인장력 공급부에 설치된 센서 간극 조정부를 이용하여 상기 다중형 FBG 센서 직선화 단계를 통해 직선 상태로 유지된 상기 다중형 FBG 센서 간의 간격을 일정하게 조정하는 다중형 FBG 센서 간격 조정 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 경화형 코팅 물질은, PVC를 포함하는 일반 경화형 코팅 물질 또는 UV 에폭시를 포함하는 순간 경화형 코팅 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 일정한 간격의 다중형 FBG 센서를 제작하며, FBG 센서의 단부 피복의 일부를 제거하여 FBG 센서의 전기 회로 부분 및/또는 커넥팅 접합 부분에 요구되는 부분에 대한 작업이 용이한 광섬유 격자 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 제조 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중형 FBG 센서의 직선화 및 간격 조정 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중형 FBG 센서의 피복 형성 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중형 FBG 센서의 피복 부분 제거 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 피복이 일부 제거된 다중형 FBG 센서를 나타낸 도면이다.
도 8은 FBG 센서의 Bragg grating을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 글러브에 적용되는 다중형 FBG 센서를 나타낸 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 제조 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중형 FBG 센서의 직선화 및 간격 조정 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중형 FBG 센서의 피복 형성 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중형 FBG 센서의 피복 부분 제거 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 피복이 일부 제거된 다중형 FBG 센서를 나타낸 도면이고, 도 8은 FBG 센서의 Bragg grating을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 글러브에 적용되는 다중형 FBG 센서를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 제조 방법(S100)은 다중형 FBG 센서 직선화 단계(S110), 다중형 FBG 센서 간격 조정 단계(S120), 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계(S130), 및 다중형 FBG 센서 피복 부분 제거 단계(S140)를 포함한다.

상기 다중형 FBG 센서 직선화 단계(S110)는, 인장력 공급부(110)를 이용하여 다중형 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서의 각 단부를 고정시킨 상태로, 다중형 FBG 센서(10)의 양단에 인장력을 가하여 다중형 FBG 센서(1)를 직선 상태로 유지시킬 수 있다. 이때, 인장력 공급부(110)의 양단에 간극이 균일하게 형성된 다수의 홀에 각 FBG 센서를 통과시켜 다중형 FBG 센서(1)를 고정시킨 상태로, 해당 다중형 FBG 센서(1)의 양단에 인장력을 가할 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 인장력 공급부(110)가 다중형 FBG 센서(10)의 양단부 홀에 각각 삽입(또는 통과)시켜 고정하고, 그 고정한 상태로 a 방향과 b 방향으로 각각 일정한 힘으로 잡아 당겨 인장력을 가하면 인장력 공급부(110)에 의해 고정된 다중형 FBG 센서(1)가 곧은 직선 형태로 유지될 수 있다.

상기 다중형 FBG 센서 간격 조정 단계(S120)는, 인장력 공급부(110)에 설치된 센서 간극 조정부(120)를 이용하여 다중형 FBG 센서 직선화 단계(S110)를 통해 직선 상태로 유지된 다중형 FBG 센서(1) 간의 간격을 일정하게 조정할 수 있다. 여기서, 센서 각극 조정부(120)는 각 FBG 센서가 통과 및 고정된 홀과 그 홀의 간격을 조정하는 수단을 의미하는 것으로, 필요에 따라 그 간극을 미세하게 조절할 수 있는 수단이다.

상기 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계(S130)는, 코팅 생성부(130)를 이용하여, 다중형 FBG 센서(1)에 코팅 물질로 피복을 형성할 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 코팅 생성부(130)가 직선화 및 등간격으로 배열된 다중형 FBG 센서(1)에 코팅 물질을 충진하여 해당 FBG 센서(1)를 커버하는 코팅층을 형성함으로써, 해당 FBG 센서(1)의 피복을 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 코팅 물질은 PVC를 포함하는 일반 경화형 코팅 물질 또는 UV 에폭시를 포함하는 순간 경화형 코팅 물질이 적용될 수 있으나, 본 실시예에서는 상기한 코팅 물질만 한정하는 것이 아니라 FBG 센서의 피복을 구성하는 일반적인 경화 물질로 충진 후 경화됨으로써 FBG 피복으로 형성될 수 있다.

상기 다중형 FBG 센서 피복 일부 제거 단계(S150)는, 코팅 제거부(140)를 이용하여, 피복(10) 중 미리 결정된 위치의 일부를 제외한 나머지 부분에 마스크(M)를 배치시켜 해당 부분이 UV 에칭 방식 또는 화학적 에칭 방식에 의해 경화 물질이 제거됨으로써, 피복(10)이 일부분 제거된 다중형 FBG 센서(1)를 형성할 수 있다. 즉, 최종적으로 다중형 FBG 센서(1)에서 제거되는 부분은 FBG 센서(1)를 통해 전달되는 전기적 신호를 출력하는 FBG 센서(1)의 커넥팅 부분을 형성하거나, FBG 센서(1)의 전기 회로가 형성되는 부분으로 피복(10)의 일부가 제거되어 FBG 센서(1)가 일부가 피복(10)으로부터 일부 노출될 수 있다.

이와 같은 FBG 센서(1)의 피복 제거 부분은, 상술한 바와 같이 FBG 센서(1)가 웨어러블 기기에 적용되었을 경우 도 8에 도시된 바와 같이 웨어러블 기기(글러브)에 다중형 FBG 센서(1)를 적용함으로써, FBG 센서(1)를 통해 전달되는 전기적 신호를 출력하는 커넥팅 부분 및/또는 FBG 센서(1)의 전기 회로가 용이하게 형성될 수 있다.

FBG 센서(1)의 Bragg grating은 Laser Interference(two laser, phase mask), Femtosecond Laser(phase mask), Femtosecond Laser(point to point) 등 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 특히 Femtosecond Laser(point to point) 방법을 사용할 수 있는데, 이 방법은 Femtosecond 레이저와 moving workstation을 이용하여 grating을 새길 수 있다. 광섬유의 종류에 상관없이 이용 가능하며, 코팅이 있는 상태로 grating을 새길 수 있어 상기 공정의 이전에 기본적인 FBG 센서의 제작이 가능하다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 광섬유 격자 센서의 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

S100: 광섬유 격자 센서의 제조 방법
S110: 다중형 FBG 센서 직선화 단계
S120: 다중형 FBG 센서 간격 조정 단계
S130: 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계
S140: 다중형 FBG 센서 피복 부분 제거 단계
100: 광섬유 격자 센서의 제조 방법
110: 인장력 공급부
120: 센서 간극 조정부
130: 코팅 생성부
140: 코팅 제거부
1: 다중형 FBG 센서
10: 피복
M: 마스크

Claims

코팅 생성부를 이용하여, 다중형 FBG 센서에 경화성 코팅 물질로 피복을 형성하는 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계;및
코팅 제거부를 통해 상기 피복 중 미리 결정된 위치에 상기 피복의 일부를 제거하여 상기 피복이 일부분 제거된 다중형 FBG 센서를 형성하는 다중형 FBG 센서 피복 부분 제거 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계 이전에,
인장력 공급부에 간극이 균일하게 형성된 다수의 홀에 각 FBG 센서를 통과시켜 다중형 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 고정시킨 상태로, 상기 다중형 FBG 센서의 양단에 인장력을 가해 상기 다중형 FBG 센서를 직선 상태로 유지시키는 다중형 FBG 센서 직선화 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서의 제조 방법.
제2 항에 있어서,
상기 다중형 FBG 센서 직선화 단계와 상기 다중형 FBG 센서 피복 형성 단계 사이에,
상기 인장력 공급부에 설치된 센서 간극 조정부를 이용하여 상기 다중형 FBG 센서 직선화 단계를 통해 직선 상태로 유지된 상기 다중형 FBG 센서 간의 간격을 일정하게 조정하는 다중형 FBG 센서 간격 조정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 경화형 코팅 물질은,
PVC를 포함하는 일반 경화형 코팅 물질 또는 UV 에폭시를 포함하는 순간 경화형 코팅 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서의 제조 방법.