KR100842119B1 - fiber-optic hydrogen sensor and hydrogen concentration measuring apparatus employing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 수소 센서 및 이를 적용한 수소 농도 측정장치에 관한 것으로서, 기판과, 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 연마 부분이 기판의 상면에 노출되게 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와, 측면 연마형 광섬유의 연마 부분을 포함한 기판 상면에 팔라듐을 포함하여 형성되어 검사대상 기체에 노출되게 설치되는 반응층과, 기판의 일측면 외측으로 연장된 측면 연마형 광섬유의 입력부에 광을 입사시키는 광원과, 광원으로부터 출사되어 기판의 타측면 외측으로 연장된 측면 연마형 광섬유의 출력부에서 출력되는 광의 파워를 분석하여 반응층과 접촉하고 있는 기체의 수소 농도를 검출하는 검출부를 구비한다. 이러한 광섬유 수소센서 및 이를 적용한 수소 농도 측정장치에 의하면, 수소 농도의 검출 정밀도 및 감도를 높일 수 있으면서도 구조를 단순화할 수 있는 장점을 제공한다.The present invention relates to an optical fiber hydrogen sensor and an apparatus for measuring hydrogen concentration using the same, wherein the substrate and the cladding layer surrounding the core layer have some polished portions along the longitudinal direction, and the polished portions are exposed to the upper surface of the substrate. A side polished optical fiber that is bent and inserted and coupled, a reaction layer formed of palladium on an upper surface of the substrate including the polished portion of the side polished optical fiber and installed to be exposed to the inspection target gas, and extended to one side of the substrate; Hydrogen of the gas contacting the reaction layer by analyzing the light source for injecting light into the input portion of the side polished optical fiber and the light output from the output portion of the side polished optical fiber emitted from the light source and extending out of the other side of the substrate. A detection unit for detecting the concentration is provided. The optical fiber hydrogen sensor and the hydrogen concentration measuring apparatus using the same provide an advantage of simplifying the structure while increasing the detection accuracy and sensitivity of the hydrogen concentration.
Description
도 1은 본 발명에 따른 수소 농도 측정장치를 나타내 보인 도면이고,1 is a view showing a hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention,
도 2는 도 1의 광섬유 수소 센서를 확대 도시한 도면이고,FIG. 2 is an enlarged view of the optical fiber hydrogen sensor of FIG. 1;
도 3은 도 1의 광섬유 수소 센서를 통과하는 광의 TE모드와 TM모드의 전파과정을 나타내 보인 도면이고,3 is a view showing a propagation process of the TE mode and TM mode of the light passing through the optical fiber hydrogen sensor of FIG.
도 4는 도 2의 반응층의 두께(t)를 30nm는 일정하게 하고, 클래드층의 연마부분의 두께(d0)를 가변했을 때 수소 상수(h)와 관련된 전송율을 나타내 보인 그래프이고,4 is a graph showing a transfer rate related to a hydrogen constant (h) when the thickness t of the reaction layer of FIG. 2 is set to 30 nm and the thickness d0 of the polished portion of the clad layer is varied.
도 5는 도 2의 클래드층의 연마부분의 두께(d0)를 3.0㎛로 일정하게 하고, 반응층의 두께(t)를 가변했을 때 수소 상수(h)와 관련된 전송율을 나타내 보인 그래프이고,FIG. 5 is a graph showing a transfer rate related to a hydrogen constant (h) when the thickness d0 of the polished portion of the clad layer of FIG. 2 is kept constant at 3.0 μm, and the thickness t of the reaction layer is varied.
도 6은 수소농도에 따른 광섬유 수소센서의 반응을 알아보기 위해 적용한 실험장치를 나타내 보인 도면이고,6 is a view showing an experimental apparatus applied to determine the reaction of the optical fiber hydrogen sensor according to the hydrogen concentration,
도 7은 도 2의 반응층의 두께(t)를 12nm로 적용하였을 때 응답속도를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,FIG. 7 is a graph showing a result of measuring a response speed when the thickness t of the reaction layer of FIG. 2 is applied at 12 nm. FIG.
도 8은 도 2의 반응층의 두께(t)를 35nm로 적용하였을 때 응답속도를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,8 is a graph showing a result of measuring a response speed when the thickness t of the reaction layer of FIG. 2 is applied at 35 nm.
도 7은 도 2의 반응층의 두께(t)를 110nm로 적용하였을 때 응답속도를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing a result of measuring a response speed when the thickness t of the reaction layer of FIG. 2 is applied at 110 nm.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
110: 광원 120: 광섬유 수소 센서110: light source 120: optical fiber hydrogen sensor
121: 기판 123: 측면연마형 광섬유121: substrate 123: side polishing optical fiber
125: 반응층 130: 검출부125: reaction layer 130: detector
본 발명은 광섬유 수소 센서 및 이를 적용한 수소농도 측정 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 수소와 반응하는 금속소재의 굴절율 변화에 대응되어 도파되는 광의 전송율을 검출하여 수소농도를 산출할 수 있는 광섬유 수소 센서 및 이를 적용한 수소농도 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber hydrogen sensor and an apparatus for measuring hydrogen concentration using the same, in detail, an optical fiber hydrogen sensor capable of calculating a hydrogen concentration by detecting a transmission rate of light guided in response to a change in refractive index of a metal material reacting with hydrogen; It relates to a hydrogen concentration measuring device applying this.
최근 환경오염과 화석에너지의 고갈에 따라 수소를 대체에너지로 이용할 수 있는 연구가 자동차, 로켓 등 다양한 분야에서 다양하게 이루어지고 있다. 대체 에너지로 이용하기 위해 연구 중인 수소는 누출시 대기 중에 존재하는 산소와 착화에 의해 폭발할 수 있는 위험성을 안고 있어 안전성을 충분히 확보할 수 있는 기술의 확보가 무엇보다 필요하다.Recently, due to environmental pollution and depletion of fossil energy, researches that can use hydrogen as an alternative energy have been conducted in various fields such as automobiles and rockets. Hydrogen, which is being researched to use as alternative energy, has the danger of explosion by oxygen and ignition in the air when it leaks, so it is necessary to secure technology that can secure enough safety.
수소가스의 누출을 검출하기 위한 수소 센서는 전기 화학적 방법이 알려져 있다.Hydrogen sensors for detecting leakage of hydrogen gas are known electrochemical methods.
그런데, 화학적 방법에 의해 수소의 농도를 검출하는 방식은 구조가 너무 복잡한 단점이 있고, 전기적으로 수소의 농도를 검출하는 방식은 누설 전류에 의해 폭발을 야기할 수 있는 안전성의 문제점이 있다.However, the method of detecting the concentration of hydrogen by a chemical method has a disadvantage that the structure is too complicated, and the method of detecting the concentration of hydrogen electrically has a problem of safety that may cause an explosion due to leakage current.
한편, 광섬유의 코어층에 수소와 반응할 수 있는 물질로 피막한 클래드층 부분을 갖는 광학적 수소센서가 알려져 있으나, 수소 농도 변화에 대한 광전송 손실율이 작아 감도가 떨어지고, 입력광의 파워 편동시 이를 보상하기 위한 구조가 복잡한 단점이 있다.On the other hand, an optical hydrogen sensor having a clad layer portion coated with a material capable of reacting with hydrogen in the core layer of the optical fiber is known, but the optical transmission loss rate is low due to the change in hydrogen concentration, the sensitivity is reduced, and compensates for power fluctuations of the input light. There is a disadvantage in that the structure is complicated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광도파구조를 이용하되 구조가 간단하면서도 높은 감도를 제공할 수 있는 광섬유 수소센서 및 이를 적용한 수소농도 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber hydrogen sensor and a hydrogen concentration measuring device using the same, which can provide a high sensitivity while using an optical waveguide structure. .
본 발명의 또 다른 목적은 광원으로부터 출사되는 광의 파워 변동에 대해서도 추가 요소 없이 측정 정밀도를 높일 수 있는 광섬유 수소센서 및 이를 적용한 수소농도 측정장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an optical fiber hydrogen sensor and a hydrogen concentration measuring device using the same, which can increase the measurement accuracy without additional elements even with a power fluctuation of light emitted from the light source.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 수소 센서는 기판과; 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출되게 상기 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와; 상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상 기 기판 상면에 팔라듐을 포함하여 형성되어 검사대상 기체에 노출되게 설치되는 반응층;을 구비한다.In order to achieve the above object, an optical fiber hydrogen sensor includes a substrate; A side polished optical fiber having a cladding layer surrounding the core layer having a polished portion partially polished along a length direction, the curved portion being bent and inserted into the substrate such that the polished portion is exposed to an upper surface of the substrate; And a reaction layer formed on the upper surface of the substrate including the polished portion of the side polished optical fiber to be exposed to the inspection target gas.
바람직하게는 상기 반응층의 두께는 30 내지 40nm이다.Preferably the thickness of the reaction layer is 30 to 40nm.
또한, 상기 반응층은 상기 팔라듐에 니켈과 은 중 어느 하나가 상기 팔라듐에 대해 20중량% 이하로 첨가될 수 있다.In addition, the reaction layer may be added to the palladium of any one of nickel and
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수소농도 측정 장치는 기판과; 코어층을 감싸는 클래드층이 길이방향을 따라 일부 연마된 연마 부분을 갖으며 상기 연마 부분이 상기 기판의 상면에 노출되게 상기 기판에 굴곡지게 삽입되어 결합된 측면 연마형 광섬유와; 상기 측면 연마형 광섬유의 상기 연마 부분을 포함한 상기 기판 상면에 팔라듐을 포함하여 형성되어 검사대상 기체에 노출되게 설치되는 반응층과; 상기 기판의 일측면 외측으로 연장된 상기 측면 연마형 광섬유의 입력부에 광을 입사시키는 광원과; 상기 광원으로부터 출사되어 상기 기판의 타측면 외측으로 연장된 상기 측면 연마형 광섬유의 출력부에서 출력되는 광의 파워를 분석하여 상기 반응층과 접촉하는 있는 기체의 수소 농도를 검출하는 검출부;를 구비한다.In addition, the hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention in order to achieve the above object; A side polished optical fiber having a cladding layer surrounding the core layer having a polished portion partially polished along a length direction, the curved portion being bent and inserted into the substrate such that the polished portion is exposed to an upper surface of the substrate; A reaction layer including palladium formed on an upper surface of the substrate including the polished portion of the side polished optical fiber and exposed to an inspection target gas; A light source for injecting light into an input portion of the side polished optical fiber extending outside one side of the substrate; And a detector configured to analyze the power of light emitted from the output part of the side polished optical fiber emitted from the light source and extended to the outside of the other side of the substrate to detect the hydrogen concentration of the gas in contact with the reaction layer.
상기 검출부는 상기 측면 연마형 광섬유에서 출력되는 광의 TE성분으로부터 TM성분을 차감한 광의 파워값으로부터 수소농도를 산출하는 것이 바람직하다.The detection unit preferably calculates the hydrogen concentration from the power value of light obtained by subtracting the TM component from the TE component of the light output from the side polished optical fiber.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 수소 센서 및 이를 적용한 수소농도 측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the optical fiber hydrogen sensor according to a preferred embodiment of the present invention and the hydrogen concentration measuring apparatus applied thereto.
도 1은 본 발명에 따른 수소 농도 측정장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 광섬유 수소 센서를 확대 도시한 도면이다.1 is a view showing a hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention, Figure 2 is an enlarged view showing the optical fiber hydrogen sensor of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수소 농도 검출장치는 광원(110), 광섬유 수소 센서(120) 및 검출부(130)를 구비한다.1 and 2, the hydrogen concentration detecting apparatus includes a
광원(110)은 광섬유 수소 센서(120)의 측면 연마형 광섬유(123)의 입력부가 되는 일단의 코어층(123a)을 통해 광을 출사할 수 있도록 설치되어 있다. 바람직하게는 광원(110)은 레이저 다이오드가 적용된다.The
광섬유 수소 센서(120)는 기판(121), 측면 연마형 광섬유(123) 및 반응층(125)을 구비한다.The optical
기판(121)은 실리카소재로 형성된 것이 바람직하다.The
측면 연마형 광섬유(123)는 연마에 의해 일부가 제거된 클래드층(123b)을 갖는 구조로 기판(121)에 굴곡지게 결합되어 있다. 연마에 의해 일부가 제거된 클래드층(123b)의 연마 부분은 연마가 가장 많이 이루어진 중앙부분으로부터 양측으로 길이방향을 따라 점진적으로 연마처리된 부분이 줄어들게 되어 있다. 이러한 클래드층(123b)의 연마부분은 기판(121)상에 중앙부분의 깊이가 낮고 양측 가장자리부분의 깊이가 깊도록 곡률을 갖게 형성시킨 홈의 바닥면에 광섬유를 안착시켜 고정시킨 상태에서 수평 연마에 의해 형성하면 된다. The side polished
반응층(125)은 측면 연마형 광섬유(123)의 클래드층(123b)의 연마부분의 노출된 부분을 포함한 기판(121) 상면에 형성되어 있다.The
반응층(125)은 팔라듐(Pd)으로 형성하거나, 내구성을 높이기 위해 팔라듐에 니켈(Ni) 또는 은(Ag)이 첨가된 합금으로 형성될 수 있다.The
반응층(125)을 팔라듐-니켈 또는 팔라듐-은으로 형성하는 경우 팔라듐에 대해 니켈 또는 은이 20중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.When the
반응층(125)의 표면(125a)은 측정대상 기체에 노출되게 설치된다.The
검출부(130)는 광원(110)에서 출사된 후 광섬유 수소센서(120)의 광섬유(123)를 거쳐 출력되는 광량을 검출하여 반응층(125)과 접촉하고 있는 기체 내의 수소농도를 산출한다.The
바람직하게는 검출부(130)는 광섬유(123)에서 출력되는 광에 대해 360도 회전에 의해 투광되는 광의 편광 성분을 제어할 수 있는 편광기(미도시)를 이용하여 최고치의 광파워와 TM성분에 해당하는 최소치의 광파워 값의 차를 구하고, 이로부터 대응되는 수소농도를 산출한다. 여기서 최고치의 광파워는 TE편광성분에 해당하고, 최소치의 광파워는 TM편광성분에 해당한다.Preferably, the
이러한 검출부(130)의 산출방식에서 TE편광성분은 반응층(125)에 의한 흡수손실이 거의 발생되지 않기 때문에 광원(110)에서 출사되는 광의 미세한 파워변동에 대한 레퍼런스값으로 이용할 수 있다.In the calculation method of the
이와는 다르게 검출부(130)는 TM편광성분에 대해 측정된 값으로 수소농도를 산출하도록 구축될 수 있음은 물론이다. 검출부(130)에는 수소농도에 대응되는 광량값이 실험에 의해 미리 구해져 기록되어 있다. 따라서, 검출부(130)는 측면 연마형 광섬유의 출력광의 파워를 기록된 값과 비교하여 수소농도를 산출한다. 더욱 바람직하게는 검출부(130)에는 TE성분과 TM성분의 차값에 해당하는 수소농도 값이 실험에 의해 미리구한 값이 기록되어 있고, 이 값을 참조하여 수소농도를 산출한다.Unlike this, the
이하에서는 이러한 수소 농도 측정 장치(100)의 수소농도 측정 방법을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the hydrogen concentration measuring method of the hydrogen
먼저, 반응층(125)을 이루고 있는 팔라듐은 수소가스와 반응하여 광학상수 즉, 굴절율이 가변된다. 반응층(125)을 이루고 있는 팔라듐은 흡수된 수소분자를 두 개의 수소원자로 해리시킨다. 이러한 과정에 의해 팔라듐으로 흡수되어 수소 원자로 해리되는 과정을 통해 반응층(125)의 부피도 증가되고, 반응층(125)의 팔라듐 내의 자유전자의 농도가 감소한다. 팔라듐 내의 자유전자 농도의 감소는 팔라듐의 복소 유전율의 실수부 및 허수부 모두에서 크기가 감소한다. 따라서 이러한 반응층(125)의 수소가스와의 반응에 의해 광섬유 수소센서(120)를 도파하는 광의 편광성분에 따라 도파되는 광의 전송율이 가변된다.First, the palladium constituting the
이러한 반응층(125)의 수소가스의 흡수에 의한 굴절율 변화에 의한 전송손실량 즉, 광파워를 측정하면 수소가스의 농도를 측정할 수 있다.The concentration of hydrogen gas can be measured by measuring the amount of transmission loss due to the change in refractive index of the
한편, 광섬유 수소 센서(120)는 측면 연마형 단일모드 광섬유(123)의 연마된 표면에 반응층(125)에 의한 평면 도파로가 결합된 광섬유- 평면도파로 결합기 구조로 되어 있다.On the other hand, the optical
이러한 광섬유 수소 센서(120)의 구조는 표면 플라즈몬 모드(plasmon mode)들을 여기하는 광가이드 역할을 한다.The structure of the optical
여기서 표면 플라즈몬 모드는 반응층(125)을 따라 진행하는 모드를 말한다.Here, the surface plasmon mode refers to a mode that proceeds along the
반응층(125)과 코어층(125a)과의 거리 즉, 연마된 클래드층(123b)의 두께(d0)는 광파이버모드의 소산장(evanescent field)이 반응층(125)을 통해 충분히 침투할 수 있을 정도로 적용하면 된다.The distance d0 between the
이러한 광섬유 수소센서(120)에서 단일 모드 측면 연마형 광섬유(123)를 등가적인 평면 도파로 구조로 대체하면 광섬유 수소센서(120)는 이차원 다중 광가이드 구조로 모델링 할 수 있다.If the single mode side polished
도 3은 이러한 광섬유 수소센서(120)의 구조에 의한 TE편광성분과 TM편광성분 각각이 측면연마형 광섬유(123)를 통해 전파되는 모드를 보여준다. 도 3에서 z는 광섬유의 길이방향을 나타낸다.3 shows a mode in which each of the TE polarization component and the TM polarization component due to the structure of the optical
앞서 설명된 바와 같이 금속인 팔라듐으로 이루어진 반응층(125)은 복소 굴절율을 갖고 있고, 도파광의 파워를 흡수한다.As described above, the
또한, 광섬유 수소센서(120)의 구조에서 입사광은 직교상태로 나뉘어지는 두 개의 편광성분 즉, TE성분과 TM성분 중 편광 의존성에 의해 TE 편광성분은 반응층(125) 내부에서 급속히 그 세기가 감소하기 때문에 흡수 손실이 거의 없이 코어층(123a)에 갇혀 진행하고, TM편광성분은 상대적으로 더 깊게 반응층(125)을 통과하여 큰 흡수손실이 발생한다. 즉, TM편광성분은 TE편광성분보다 더 큰 감쇠가 이루어진다. 더욱이 반응층(125)은 두 개의 추가 모드 즉, TM편광에 대해 대칭과 비대칭의 표면 플라즈몬 모드를 지원하기 때문에, TM편광에 대해 광섬유 수소 센서(120)의 출력부분에서 측정되는 전송손실은 반응층(125)에 대해 표면 플라즈몬 모드들이 얼마만큼 결합되어 전파됐는지 즉, 광파워가 반응층(125)에 의해 어느 정도 흡수가 됐는지에 따라 결정된다.In addition, in the structure of the optical
이러한 모드 결합구조를 고려 할 때 반응층(125)의 두께는 매우 중요하다.Considering this mode coupling structure, the thickness of the
한편, 코어층(123a), 클래드층(123b)의 굴절율 및 코어층(123a)의 반지름과 기판(121)에 삽입된 부분의 곡률 반지름이 각각 1.4485, 1.440, 4㎛, 500mm인 경우를 적용해 본다.On the other hand, the case where the refractive index of the
일반적으로 팔라듐의 복소 유전율과 수소농도의 관계는 아래의 수학식1로 표현할 수 있다.In general, the relationship between the complex dielectric constant of palladium and hydrogen concentration can be expressed by
여기서, c는 수소 농도이고, h(c)는 수소 농도의 증가에 대해 비선형적으로 감소하는 수소 상수이다. 일 예로서, 질소 내에 4몰(mol)%의 수소가 있으면, h(0.04)는 0.8이다. 또한, εpd(0)이 수소가 없을 때의 팔라듐의 유전율이다. Where c is the hydrogen concentration and h (c) is the hydrogen constant that decreases nonlinearly with increasing hydrogen concentration. As an example, if there is 4 mol% hydrogen in nitrogen, h (0.04) is 0.8. Ε pd (0) is the dielectric constant of palladium in the absence of hydrogen.
편의상, 벌크 상태의 팔라듐의 상대적인 유전 상수를 부여하면, 1550nm의 파장에서 εpd(0)= -53.5+ j54.0 이다. 또한, 수소농도와 관련한 광섬유 수소센서(120)의 입력부로부터 출력부로의 광의 전송은 직교모드 이론은 적용하여 산출한다. 이러한 산출에서 광파이버는 직선 플래너 웨이브가이드로 모델화한다.For convenience, given the relative dielectric constant of bulk palladium, ε pd (0) =-53.5 + j54.0 at a wavelength of 1550 nm. In addition, the transmission of light from the input unit to the output unit of the optical
이러한 모델링 방법에 의해 반응층(125)의 두께는 일정하게 유지하고, 클래드층(123b)의 두께(d0)를 가변시키면서 수소가스의 농도에 따른 수소 상수를 가변시켰을 때의 전송손실이 도 4에 도시되어 있다.By this modeling method, the transfer loss when the thickness of the
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 전송손실은 수소가스의 반응층(125)의 팔라듐으로의 흡수에 의해 감소한다. 또한, 클래드층(123b)의 두께(d0)는 감도와 전 송율에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 즉, d0의 감소와 더불어 전체손실은 증가함을 나타낸다.As can be seen from FIG. 4, the transmission loss is reduced by absorption of hydrogen gas into the palladium of the
도 5는 클래드층의 연마부분의 두께는 일정하게 하고, 반응층의 두께를 가변했을 때의 감도와 전송율에 미치는 영향을 보여준다.5 shows the effect on the sensitivity and transmission rate when the thickness of the polished portion of the cladding layer is constant and the thickness of the reaction layer is varied.
이러한 도 4 및 도 5의 결과로부터 반응층(125)이 특정 두께 이하이면, 표면 플라즈몬 모드를 지원할 수 없게 되기 때문에 수소 상수에 대한 전송손실과 감도가 상대적으로 줄어들다. 따라서, 반응층(125)의 두께는 충분한 감도와 표면 플라즈몬 모드를 지원할 수 있게 일정 두께 이상으로 형성되어야 하고, 실험에 의하면 30 내지 40nm가 바람직하다.4 and 5, when the
- 실험 및 분석 Experiment and analysis
실리카 소재인 수정블록을 기판(121)으로 이용하고, 광통신용 단일모드 광섬유를 측면 연마형 광섬유(123)로 이용하였다. A quartz block made of silica was used as the
먼저, 단일모드 광섬유를 지지하기 위한 곡률을 갖는 홈을 형성한 수정 기판(121)에 피복이 제거된 단일모드 광섬유를 에폭시로 고정시켰다. 여기서 수정기판의 홈의 곡률은 500mm이고, 단일모드 광섬유(123)는 클래드층(123b)의 직경이 125㎛이고, 코어층(123a)의 직경이 8.2㎛이고, 1234나노미터(nm) 파장의 컷-오프를 갖는 것을 적용하였다.First, the single-mode optical fiber with the coating removed was fixed with epoxy on the
이후 광섬유 클래드층(123b)과 기판(121)을 함께 정밀하게 연마하였다. 남아있는 클래딩의 두께(d0)는 리퀴드 드랍방법에 의해 측정하였으며, 측정된 두께는(d0) 2 내지 3㎛였다.Then, the optical
이후 연마부분을 세정한 후, 팔라듐으로 열증착에 의해 반응층(125)을 증착하였고, 증착된 반응층(125)의 두께(t)는 SEM으로 측정하였다.After cleaning the abrasive portion, the
이러한 방법에 의해 제작된 광섬유 수소센서(120)에 대해 수소 농도에 대한 반응을 알아보기 위해 적용한 실험장치가 도 6에 도시되어 있다.An experimental apparatus applied to the optical
도 6에서 광원(110)은 1550nm파장의 레이저광원을 적용하였고, 광원(110)과 광섬유 수소센서(120) 사이에는 TM편광기(115)를 적용하였다. 또한, 광섬유 수소 센서(120)에서 출력되는 광은 광파워미터(133)에 의해 측정하고, 측정값은 GPIB인터페이스틀 통해 컴퓨터(135)로 전송하도록 구축되었다. 또한, 수소가스는 1%, 4% 농도의 수소가스통(151a)(151b)을 적용하고, 질소는 100% 농도의 질소가스통(152)을 적용하였다.In FIG. 6, a laser light source having a wavelength of 1550 nm was applied, and a
참조부호 153은 각 가스통(151a)(151b)(152)으로 가스를 광섬유 수소센서(120)로 공급할 수 있도록 구성된 배관 상에 설치된 유랑계이다.
실험은 대기압, 23℃에서 알루미늄 하우징(122) 내에 있는 광섬유 수소센서(120)에 상호 다른 수소 가스 농도가 공급되게 수행하였다. 즉, 수소가스통(151a)(151b)과 질소가스통(152)을 제어하여 질소가스 내에 1몰%, 4몰%의 수소농도의 기체가 선택적으로 알루미늄 하우징(122) 내에 설치된 광섬유 수소센서(120)의 반응층(125) 내로 공급되도록 수행하였다.The experiment was performed such that different hydrogen gas concentrations were supplied to the optical
도 7 내지 도 9는 반응층의 두께를 상호 달리한 광섬유 수소 센서들이 수소가스에 노출되었을 때의 광학적 응답을 측정한 결과이다. 도 7은 반응층의 두께가 12nm, 도 8은 반응층의 두께를 35nm, 도 9은 반응층의 두께를 110nm로 하였을 때의 응답결과이다.7 to 9 are results of measuring optical responses when optical fiber hydrogen sensors having different thicknesses of reaction layers are exposed to hydrogen gas. 7 shows the response when the thickness of the reaction layer is 12 nm, the thickness of the reaction layer is 35 nm, and the thickness of the reaction layer is 110 nm.
이러한 실험에서 반응층(125)의 두께를 제외한 다른 파라미터들은 변동시키지 않았다.In this experiment, the parameters other than the thickness of the
광섬유 수소 센서(120)가 수소가스에 노출되었을때 TM편광에 대한 광파워는 증가함이 검출되었고, TE편광에대해서는 미세한 광파워의 변동이 있었다. 12nm의 상대적으로 얇은 두께의 반응층(125)을 형성한 조건에서는 도 7에 도시된 바와 같이 낮은 감도를 나타냈다. 4몰% 수소가스에 대해서 110nm의 두께의 반응층(125)은 도 9에 도시된 바와 같이 광파워의 변동이 1.4dB(~20%)를 초과하는 가장 높은 감도를 나타냈다. 그러나, 도 9의 경우 응답시간이 상대적으로 길었다. 반응층(125) 두께는 응답시간과 감도를 모두 고려할 때 35nm로 하였을 때가 적절하였다.When the optical
이러한 본 측정장치(100)는 동일 실험조건에서 종래의 마이크로-미러 타입 수소센서에 비해 광파워 변동이 2 내지 3배 큼을 확인하였다. 즉, 감도가 종래의 수소센서보다 훨씬 향상됨을 확인하였다. 또한, 본 광섬유 수소센서(120)의 측정 가능한 최소 수소검출 농도는 약 0.2 내지 0.3%였다. This measuring
이러한 본 광섬유 수소센서(120)는 TE편광성분의 응답을 비교기준으로 사용할 수 있기 때문에 종래의 다른 수소센서와는 달리 광원(110)에서 출력되는 광파워의 불안정성을 보상하기 위한 추가 비교 포트가 필요치 않는 장점을 제공한다. 광원(110)의 광파워 변동에 무관한 측정결과를 얻도록 편광기를 적용하여 TM편광과 TE편광의 파워를 각각 검출하고, TE편광성분값을 레퍼런스로 이용하여 TM편광성분의 손실량을 산출하면 수소농도를 정밀하게 측정할 수 있다.Since the optical
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 수소 농도 검출장치에 의하면, 수소 농도의 검출 정밀도 및 감도를 높일 수 있으면서도 구조를 단순화할 수 있는 장점을 제공한다.As described above, the hydrogen concentration detecting apparatus according to the present invention provides an advantage of simplifying the structure while increasing the detection accuracy and sensitivity of the hydrogen concentration.
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