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2015년 8월 석사학위 논문

높은 선팽창계수를 가진 재료가 적용된 광섬유격자 온도센서의 민감도

향상에 관한 연구

조선대학교 대학원

광기술공학과

높은 선팽창계수를 가진 재료가 적용된 광섬유격자 온도센서의 민감도

향상에 관한 연구

Study on sensitivitiy enhancement of a fiber grating based temperature sensor in combination with materials with high

thermal expansion coefficient

2015년 8월 25일

조선대학교 대학원

광기술공학과

임 창 현

높은 선팽창계수를 가진 재료가 적용된 광섬유격자 온도센서의 민감도

향상에 관한 연구

지도교수 안 태 정

이 논문을 공학석사학위 신청 논문으로 제출함

2015년 4월

조선대학교 대학원

광기술공학과

임 창 현

임창현의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 교수 박 종 락 (인) 위 원 조선대학교 교수 안 태 정 (인) 위 원 광주과학기술원 박사 김 복 현 (인)

2015년 5월

조선대학교 대학원

ABSTRACT

제1장 서 론

제1절 온도센서 1. 온도센서의 종류

2. 광섬유 격자 온도센서의 필요성 3. 광섬유 응용기술

4. 광섬유 격자센서의 필요성

제2절 대표적인 광섬유 격자

1. Fiber Bragg Grating (단주기 격자 광섬유) 2. Long Period Grating (장주기 격자 광섬유)

제3절 외부 열팽창 보조장치를 통한 온도민감도 향상기술

제2장 실험 방법

제1절 금속과, 폴리머 선팽창 계수 비교 및 가공 1. 금속과, 폴리머 구조물의 융점 및 선팽창 계수 비교 2. 금속, 폴리머구조물 가공

제2절 Dilatometer를 이용한 금속과 폴리머의 선팽창계수 측정

1. 금속과, 폴리머구조물의 선팽창계수 분석

제3절 광섬유 온도센서 연동 프로그램 알고리즘 및 실험구성 1. 프로그램 알고리즘

2. 광섬유 온도센서 실험구성

제4절 금속구조물에 장착한 FBG 온도센서 중심파장 이동량 제5절 폴리머구조물에 장착한 FBG 온도센서 중심파장 이동량

제3장 실험 결과

제4장 결론

[참고문헌]

[감사의글]

그 림 목 차

그림 1.1 광섬유 센서의 세계시장 동향

그림 1.2 단주기 광섬유 격자 개략도

그림 1.3 장주기 광섬유 격자 개략도

그림 1.4 제작된 금속 보조장치 사진

그림 1.5 제작된 폴리머 보조장치 사진

그림 2.1 금속구조물 가공 도면

그림 2.2 폴리머구조물 가공 도면

그림 2.3 ㈜한국미스미 금속구조물의 선팽창계수로 분석한 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))

그림 2.4 ㈜한국미스미 폴리머구조물의 선팽창계수로 분석한 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))

그림 2.5 Dilatometer 로 측정한 (100~200℃) 금속구조물의 dλ/dT (nm/℃)

그림 2.6 Dilatometer 로 측정한 (100~300℃) 금속구조물의 dλ/dT (nm/℃)

그림 2.7 Dilatometer 로 측정한 (45~80℃) 폴리머구조물의 dλ/dT (nm/℃)

그림 2.8 측정한 Dilatometer

그림 2.9 Dilatometer로 측정한 금속구조물의 선팽창계수

그림 2.10 Dilatometer 로 측정한 폴리머구조물의 선팽창계수

그림 2.11 프로그램으로 측정한 온도에 따른 변화 그래프

그림 2.12 프로그램 프론트패널

그림 2.13 프로그램과 수동으로 측정한 peak wavelength 비교

그림 2.14 금속구조물 실험 구성

그림 2.15 폴리머구조물 실험 구성

그림 2.16 금속의 시간당 온도상승 그래프

그림 2.17 금속구조물을 이용한 온도에 따른 FBG 온도센서의 중심파장 변화량

그림 2.18 폴리머구조물의 시간당 온도상승 그래프

그림 2.19 폴리머구조물을 이용한 온도에 따른 FBG 격자센서의 중심파장 변화량

그림 3.1 금속과, 폴리머 구조물을 적용한 FBG 온도센서의 온도민감도 비교

그림 3.2 금속구조물을 이용한 FBG 온도센서 재현성 확인

그림 3.3 폴리머구조물을 이용한 FBG 온도센서 재현성 확인

표 목 차

표 1.1 전기적인 원리의 온도센서 종류 및 장단점

표 1.2 는 대표적인 온도센서 활용

표 2.1 금속구조물의 선팽창계수 및 금속구조물 10cm일 때 금속의 팽창 길이

표 2.2 폴리머구조물의 선팽창계수 및 폴리머구조물 10cm일 때 금속의 팽창 길이

표 2.3 폴리머구조물의 융점

표 2.4 측정한 Dilatometer 정보

표 2.5 Dilatometer 로 측정한 금속구조물의 선팽창계수

표 2.6 Dilatometer 로 측정한 폴리머구조물의 선팽창계수

표 2.7 금속의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수

표 2.8 실리카와 금속의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수 비교

표 2.9 폴리머의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수

표 2.10 실리카와 폴리머의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수 비교

ABSTRACT

Study on sensitivitiy enhancement of a fiber grating based temperature sensor in combination with materials with high

thermal expansion coefficient

Chang-Hyun Lim Advisor: Prof. Tae-Jung Ahn, Ph.D.

Department of Photonic Engineering, Graduate School of Chosun University

This study reports sensitivity enhancement method of a temperature sensor based on fiber Bragg grating (FBG) in combination with an auxiliary materials with a higher thermal expansion property. We prepared FBG sensor modules attached on both sides of material blocks such as metals or polymers with different thermal expansion coefficients. Subsequently, we tested temperature properties of the material blocks for high-sensitive temperature sensor.

In this paper, four different metallic materials such as stainless steel, steel, aluminum alloy, and copper were used. We also tested temperature properties of four polymers (ABS, PC, PE, and PTFE). In case of metals, the aluminum alloy has the temperature sensitivity (dλ/dT) of 0.03862nm/℃ which is the highest value of the testing metallic materials. It is 3-fold sensitivity improvement comparing to a normal FBG temperature sensor. In addition, the temperature sensitivity of the PE polymer structure is 0.09035 nm/℃. It is

Finally, We increased the length (10cm) of PE structure and Polymide coating on the used FBG to increase its tensile strength . In this case, the temperature sensitivity was about 0.14456nm/℃. It is improved 5 times greater than 0.027nm/℃ of PE structure (1cm) and 14 times greater than the normal FBG sensor.

We have confirmed that the auxiliary material structures enhanced the sensitivity of the FBG temperature sensor.

제1장 서 론

온도는 물리, 화학, 전자 및 기계 생체 시스템 등 우리 주위에 많은 영향을 주기 때문 에 온도측정기술은 수많은 산업 공정에서 중요한 역할을 수행한다.^[1] 특히 부정확한 온도측정은 장비 수명을 단축시키는 치명적인 결과를 가져 올수 있기 때문에 산업, 항 공, 의료, 및 국방기술 등의 광범위한 응용 분야에서 정밀한 온도측정 연구가 활발히 진행되고 있다.^[2] 하지만 현재 가장 많이 사용하는 전기적인 원리를 이용한 온도측정 기 RTD, 열전대, 써미스트 및 IC 센서는 측정 가능한 온도범위가 좁고 각 소자마다 특 성의 변화폭이 크며, 전력 설비와 전력 공급 계통 주변의 강한 전자기장에 영향을 받 는 등 문제점을 가지고 있다. 또한 여러 곳의 정보를 알기 위해서는 병렬로 연결되어 구조가 복잡해지기 때문에 부피와 무게가 증가되어 좁은 장소에서의 온도 측정이 힘들 다는 등의 많은 문제점이 있다.^[3~5]

이러한 문제점을 해결하는 방법으로 광섬유에 격자를 새기는 방식의 FBG(Fiber Bragg Grating)가 제안되었다. FBG를 이용한 온도센서는 자체 절연성과 신호 전송로 역할을 겸할 수 있으며, 주위의 전자기적 간섭에 영향을 받지 않기 때문에 전파 손실이 낮고 내구성이 좋으며, 빠른 응답특성을 나타내는 장점이 있다.^[6~7] 하지만 FBG 온도센서의 재질인 실리카는 선팽창계수가 매우 낮기 때문에 FBG 온도센서의 온도민감도는 0.01nm/℃로 매우 낮으며, 최근 온도민감도 향상을 위한 연구 결과 0.027nm/℃로 온도 민감도를 향상시켰다.^[8]

본 논문에서는 온도에 의한 선팽창계수가 FBG 재질인 실리카 보다 높은 재료(금속 과 폴리머)를 광섬유 격자(FBG)에 장착하여 이 재료의 인장력에 의해 광섬유 격자가 늘어나는 방식의 새로운 형태의 온도센서를 제작하여 재료 물성이 광섬유 격자 온도센 서의 온도 민감도에 미치는 효과를 연구해 보려한다. 폴리머에 광섬유 격자를 장착하 고 온도를 올렸을 경우 광섬유 격자의 선팽창계수 5.5×10^-7/℃에 비해 폴리머의 선팽

변화를 측정함으로써 선팽창계수가 높은 폴리머 물성이 광섬유 격자 온도센서의 온도 민감도에 미치는 정도를 확인하는 방법이다. 또한 폴리머(ABS, Polycarbonate, 폴리에 틸렌, 불소수지)에 장착한 광섬유 격자기술의 정확한 측정을 위해 20~80℃ 범위에서 5℃간격으로 온도를 나누고 각 단계의 온도를 장시간 유지하여 정확한 중심파장 변화 와 온도민감도(dλ/dT (nm/℃)) 를 측정했다. 또한 온도의 수동측정으로 인한 오차 및 불필요한 시간을 줄이기 위해 시간간격으로 중심파장의 정보를 저장 할 수 있도록 프 로그램을 설계하였다.

실험결과 제안된 FBG 온도센서는 금속 및 폴리머의 선팽창계수가 높을수록 온도민 감도(dλ/dT (nm/℃)) 및 중심파장 이동량이 증가했으며 이는 온도와 인장력에 반응하 는 FBG의 특성을 이용하여 선팽창계수가 실리카 보다 높은 금속 및 폴리머를 장착 한 후 온도를 측정 및 비교함으로써 폴리머의 물성이 FBG 온도센서의 온도민감도 향상 및 응용 가능성 확인 할 수 있었다.

제1절 온도센서 1. 온도센서의 종류

온도센서의 종류로는 현재 사용되는 온도센서는 주로 전기적인 원리를 이용한 온도측 정기술이 사용되고 있으며, 이는 매우 신빙성이 있어서 널리 실생활에 이용된다. 일반 적으로 사용되는 전기적인 원리의 온도센서로는 RTD(Resistance Temperature Detect), 열전대(서모커플), 서미스터, IC 센서 등이 있다. 이 온도센서 중에서 RTD(측온저항 체) Pt100 과 Pt1000 측정기술이 가장 일반적으로 많이 사용되고 RTD에서 사용하는 센 서는 다양한 형태와 크기로 사용되며 캡슐에 넣어서 유체의 흐름에 직접 노출하여 사 용한다. 열전대는 S, R, B, T, J, K, E형 이 가장 일반적으로 사용되고 서미스터는 저 항이 변하는 양상에 따라 3가지 (NTC, PTC, CTR)로 나뉘어져 각각 온도감지기, 자기

과 Pt1000 온도센서는 백금저항을 이용하여 온도를 측정하는 방식이며 저항센서 반응 속도는 느리지만 정확도가 높은 장점이 있다. 마지막으로 IC 온도센서는 아날로그, 디 지털 방식으로 나눠진다.^[6] [표 2.1]과 [표 2.2]는 일반적인 전기적인 원리의 온도센 서 종류에서 각각의 장점 및 단점과 대표적인 온도센서의 활용 예를 보여준다.^[9]

2. 광섬유 격자 온도센서의 필요성

대형 전력 설비는 환경 재난이나 시설의 노후화 또는 인위적인 영향에 의해 파괴되거 나 누전으로 인한 화재를 발생시켜 경제적 손실과 사회적 혼란을 초래한다. 전력 설비 나 전력 공급 장치는 대부분 사고가 발생하기 전에 과부하에 의한 비이상적인 온도상 승이나 화재, 폭발과 같은 열적 현상으로 이상 징후를 표출한다.

따라서 이러한 문제로 인한 대형사고 발생 전에 이상 현상을 정확히 감지하고, 이 를 조기 경보하여 피해 확산을 최소화하기 위해서는 주변 온도 상시 감시 체재가 필수 적으로 요구된다.^[5] 그러나 기존에 사용되고 있는 온도센서인 서미스터, 서모커플, 측 온 저항체 및 IC 온도센서 등은 측정 가능한 온도범위가 좁고 각 소자마다 특성의 변 화폭이 크며, 전력 설비와 전력 공급 계통 주변의 강한 전자기장에 영향을 받고, 또한 여러 곳의 정보를 알기 위해 분배형 센서 네트워크를 구성할 경우, 병렬로 연결되어 구조가 복잡해지기 때문에 대형, 중량화 되어 좁은 장소에서의 온도 측정이 힘들다는 등의 많은 문제점이 있다.^[7] 이에 비해 광섬유 격자 온도센서는 광섬유 자체가 절연성 을 가지고 신호 전송로 역할을 겸할 수 있으며, 또한 주위의 전자기적 간섭에 영향을 받지 않기 때문에 전파 손실이 낮고 내구성이 좋으며 높은 감지뿐만 아니라 높은 정밀 도와 빠른 응답을 나타내는 장점이 있다.^[4] 이러한 이유로 광섬유 온도센서는 산업체 의 시스템 제어, 환경제어, 생체공학용 의료기기, 항공, 국방, 전력설비의 비정상적인 온도감시, 구조물의 균열 감시 등에 사용하기 적합하고 내부 구조물의 온도변화에 따 른 구조물의 손상을 평가하는데 사용되고 있다.^[7]

또한 전세계 광섬유 센서 매출이 2010년, 2011년, 2012년 각각 8억5,900만 달러,

으로 증가하는 것을 [그림 1.1]를 통해 확인할 수 있다. 또한 2017년에는 광섬유센서 시장이 39억 달러 이상 성장할 것으로 예측하고 있다.^[10]

3. 광섬유 응용기술

광섬유의 응용기술로는 광섬유 레이저, 광섬유 증폭기, 비선형 소자(supercontinuum 발생, 라만 변환, 파라메트릭 증폭, 또는 펄스 압축), 광통신 소자 (분산 조절 광섬유, 필터링, 또는 스위칭 소자), 광섬유 센서 (화학, 생화학 센서, 온도/스트레인 센서 등), 양자광학(generation of correlated photon pair, electromagnetically induced transparency, guidance of cold atoms) 등이 있다. 이러한 광섬유 응용 기술은 개발된 지 10년이 채 안되는 짧은 역사를 가짐에도 불구하고 앞으로도 더욱 다양한 응용 분야들이 나타날 것으로 기대되며 광학 발전에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.^[11~13]

4. 광섬유 격자센서의 필요성

가. 광섬유 격자센서 활용

광섬유 격자센서는 빛의 세기변화, 광섬유의 굴절률 및 길이 변화, 모드 변화, 그리 고 편광상태의 변화를 이용하며 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절격자형, 모드형, 편 광형, 분포측정형 등으로 구분되며, 이를 이용하여 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레 인, 회전율, 음향, 가스농도 등의 측정이 가능하다.^[14]

나. 광섬유 격자센서 장점

광섬유 격자센서를 이용한 온도측정은 전자기파 간섭에 영향이 적고, 가볍고 부식되 지 않는 장점 등으로 인해 전력설비 보호를 위한 온도센서로 사용하기에 적합하고, 하 나의 광섬유 라인에 많은 수의 광섬유 격자를 직렬로 연결함으로써 동시에 여러 부위 의 온도측정이 가능하기 때문에 온도변화에 반응하는 부위가 각각의 광섬유 격자에 한 정되므로 온도발생지점과 동시에 온도측정이 가능한 다중점 온도센서에 가장 접합하 다.^[15]

1.58

1.89

2.29

2.8

3.38

3.98

2012 2013 2014 2015 2016 2017

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

4.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

그림 1.1 광섬유 센서의 세계시장 동향^[4]

표 1.1 전기적인 원리의 온도센서 종류 및 장단점

출력형태 사진 장점 단점

RTD

Ÿ 안전 하고 정확함

Ÿ 열전대보다 선형 적

Ÿ 가격이 고가임

Ÿ 응답이 늦음

Ÿ 전류소스가 필요

Ÿ 저항변화 와 절대저 항이 낮음

Ÿ 자체 발열

열전대

Ÿ 별도전원이 없음

Ÿ 구조가 간단함

Ÿ 가격이 저렴

Ÿ 넓은 온도범위

Ÿ 응답이 빠름

Ÿ 종류가 다양함

Ÿ 비선형 적이고 미약 한 출력

Ÿ 불안정함

Ÿ 증폭기가 필요

Ÿ 기준점 접합 필요

서미스터

Ÿ 강한 출력

Ÿ 응답이 빠름

Ÿ 낮은 온도에서 큰 저항 변화

Ÿ 가격이 저렴함

Ÿ 비선형 적이고 한정 된 온도범위

Ÿ 깨지기 쉬움

Ÿ 전류소스 필요

Ÿ 자체발열

IC 센서

Ÿ 선형적이고 고출 력

Ÿ 가격이 저렴함

Ÿ 전원공급이 필요

Ÿ 자체 발열

Ÿ 제한된 형상

Ÿ 낮은 안정성

표 1.2 는 대표적인 온도센서 활용

활용분야 세부사항

가전 제품

조리기기:전자렌지,오븐렌지,가스취반기,전자조리기, 커피메이커,핫플레이트,토스터,전기밥솥

공조/냉난방기:히터,솔라시스템,냉/난방기,에어컨,온 풍/환풍기,급탕기

건강/미용기: 전자체온계, 온수세정변기, 아누스크리너, 미용정발기,헤어드라이너,전자모기향,전기모포

기타:냉장고,급탕기,다리미,시계,의류/이불/식기건조 기,TV,AV기기,세탁기

사무기기

복사기,FAX,프린터,카메라,화재경보기,출입감지컴퓨 터,CTV 모니터,자동소등,커텐 엘리베이터,에스컬레이 터 등

산업용

농업:담배건조기,재차,온실재배,양돈,보일러

공업:제빙기,현상액,탱크유면계,기름온도,콘크리트레 벨,로봇,공작기계,자동검사,모터

어업:해수온도,양어장 수온

상업:냉동쇼케이스,자동판매기,융성설비 의료기기,계측

기

의료:진단,피부표면온도,보육기,링겔액 계측:해류,기상관측,표면온도,인공위성

자동차

흡기제어,냉각수온,엔진온도,액면감지,서스펜션,안전 운전장치,4WD제어,고장진단,트랜스미션,연료분사,과 급랍제어 소도조절,노킹제어

기타 통신기기:CR발진기,AGE,시간지연,전화 가스분석계,진공계,풍속계

제2절 대표적인 광섬유 격자

1. Fiber Bragg Grating (단주기 광섬유 격자)

현재 광섬유 격자에 관한 많은 연구가 진행되어 광섬유 격자에 관한 현상을 알리고 광섬유 격자를 다양하게 제작 및 응용하는 기술은 세계적으로 보편화되었다고 할 수 있다. 그중에서 단주기 격자 광섬유(FBG)는 외부의 굴절률, 온도, 인장력, 하중, 구부 림, 진동 및 압력 등 다양한 물리량에 높은 민감성을 가지고 있기 때문에 센서 응용 분야에 많은 관심을 받고 있다.^[16]

이러한 단주기 광섬유 격자 제조방법 중 위상 마스크(Phase mask)를 격자를 입힐 광섬유 위에 놓은 후 자외선 레이저, KrF 엑시머 레이저(248nm), XeCl 엑시머 레이저 로 여기된 dye 레이저의 2차 harmonic 레이저(244nm), Argon 레이저의 2차 harmonic 레이저(244nm), 그리고 Nd-TAG 레이저의 4차 harmonic 레이저(265nm)를 조사해서 주기 가 짧은 간섭무늬를 유도하는 방법으로 단주기 광섬유 격자를 제조가능하다. 이렇게 레이저를 이용하여 주기가 짧은 간섭무늬를 유도하기 위해 사용하는 소자가 위상 마스 크(Phase mask)이다.

위상마스크 기반 단주기 광섬유 격자 제조 기술은 안정된 성능과 생산성이 높아서 국내외적으로 보편적으로 이용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 가격이 비싸고 격자 주기가 고정된다는 문제점이 있다. ^[19~22]

이러한 방식으로 제작된 단주기 격자는 코어에 입사된 기본모드가 격자에 의해 브 래그 파장에 해당하는 파장만을 반대방향의 코어 모드 반사되어 돌아온다. 이 원리를 [그림 1.2]에 나타내었다. 반사된 빛의 파장은 식(1.1)과 같이 주어지며, 이 조건을 만족하는 경우 광섬유 격자는 반사형 광학필터의 역할을 한다.

_ _{ } (1.1)

여기서 λ_ 는 반사가 일어나는 파장, _ 는 광섬유 격자의 유효굴절율,  는 광 섬유 격자의 주기를 나타낸다. 주로 격자의 굴절률 변조 주기를 조정함으로써 원하는 파장에서 반사를 일으키는 광섬유 격자를 얻게 되며 좁은 선폭 특성을 가지게 된다.

식 (1.2) 에서 ∆ 는 파장 이동이고,  는 초기 파장이며 첫 번째 표현에서 _ 는 광섬유 격자의 스트레인 계수이고, ε는 광섬유 격자에 적용된 스트레인을 나타낸다.

두 번째 표현에서 _ 는 유리의 열 팽창 계수이고(격자의 팽창), _ 굴절율 변화를 나타낸다. 유리의 팽창 계수 _ 는 실질적으로 무시해도 될 정도이므로 온도에 인해 반사된 파장의 변화는 굴절률  의 변화로 기술할 수 있다.^[25] [그림 1.2]는 단주기 광섬유 격자의 개략도이다.

_

∆_

  _  _ _∆ (1.2)

[그림 1.2] 단주기 광섬유 격자 개략도^[23]

2. Long period grating (장주기 격자 광섬유)

장주기 격자 광섬유는 광섬유내의 코어 모드와 클래딩 모드의 상호 작용에 의한 커플 링을 기반으로 한 투과 필터로 널리 활용되는 광자 소자이다. 또한 장주기 격자 광섬 유는 집적 광학 필터로써, 단주기 격자 광섬유에 비해 큰 주기를 갖는 격자에 의해 코 어 모드에서 같은 방향인 클래딩 모드로 결합되는 특성을 바탕으로 한다. 이러한 장주 기 격자 제작에서 많이 사용하는 방법은 진폭마스크를 사용하여 자외선 레이저 빔의 크기를 주기적으로 변조하여 광섬유 코어 부분에 주기적인 굴절률 변화를 유도하는 것 이다.

식 (1.3) 는 진폭마스크를 사용하여 자외선 레이저 빔의 크기를 주기적으로 변조 하여 광섬유 코어 부분에 주기적인 굴절률 변화를 유도한 것이다. 여기서 _는 코어 의 유효 굴절률이고, _는 m차 클래드의 유효굴절률이고,  는 격자주기를 나타내며 격자주기에 따라 중심파장을 이동시킬 수 있다.

_  _{ } _^  (1.3) 장주기 격자를 제조하는 다른 방법으로는 외부 클래딩 변형(surface deformation or etching), _ 레이저나 아크방전 같은 열에 의한 스트레스 방출(thermal stress release) 및 acousto optic 효과나 V-groove를 이용한 주기적 미세 구부림 현상에 의 한 방법 등이 있으며 장주기 격자는 외부에서 가해진 구부림 및 온도 변화 등에 매우 민감하기 때문에 온도, 스트레인, 굴절률센서로 사용된다. 또한 단주기 격자 광섬유에 비해 주기가 길기 때문에 제조방법이 간단하고, 대량 생산이 용이하며, 광 손실이 적 고 단주기 격자 광섬유와 같은 역방향 반사율이 작다는 장점을 가지고 있다.^[25] [그림 1.3]는 장주기격자의 개략도이다. 다양한 유용한 특성을 가진 장주기격자이지만 본 연 구에서는 장주기 격자의 경우 외부에서 가해지는 환경적 영향에 매우 민감하기 때문에 데이터를 분석하기 어렵고 측정한 데이터가 온도의 변화에 따른 분석인지 확인이 어렵 기 때문에 본 논문에서는 단주기 격자를 이용해 FBG 온도센서의 온도민감도를 높이는

[그림 1.3] 장주기 광섬유 격자 개략도^[24]

제3절 외부 열팽창 보조장치를 통한 온도민감도 향상기술

외부 열팽창 보조장치를 통한 온도민감도 향상기술은 온도민감도가 0.01(dλ/dT (nm /℃))인 순수 FBG 온도센서를 금속, 폴리머구조물의 물성을 이용하여 20~80℃ 영역의 정확한 온도 측정을 목적으로 하는 측정기술이다.

금속물성을 이용한 온도민감도 향상 기술은 금속구조물의 열팽창을 이용하여 FBG 온도센서에 직접 힘을 가할 수 있도록 가공하였다. [그림 1.4(a)]에서 보는 것처럼 열팽창계수가 다른 10cm 길이의 4개의 금속을 열팽창 보조장치에 단단히 고정될 수 있 도록 가공한다. [그림 1.4(b)]는 FBG 온도센서를 열팽창 보조장치에 장착하기 전 사진 이다. 양옆에 SS400 제질의 금속 홀더를 놔두고 그 위에 홀더를 고정시킬 수 있는 같 은 재질의 장치를 덮은 후 나사로 고정한다. [그림 1.4(c)]에서 보는 것처럼 외부 열 팽창 보조장치에 고정된 FBG 온도센서는 온도가 가해지면 일정량의 스트레인을 받게 되고, 이는 식 (1.1)과 식 (1.4)를 통해 금속구조물의 열팽창계수가 FBG 파장의 이동 량에 미치는 효과를 식 (1.5)에 나타내었다.

 

    ^

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   



 ^{   }

  

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  열 팽창계수   _

 

_{ }

 열 광학계수

폴리머 물성을 이용한 온도민감도 향상 기술은 금속과 동일하게 폴리머의 열팽창 을 이용하여 FBG 온도 센서에 직접 힘을 가할 수 있도록 가공하였지만, 금속구조물과 동일한 길이로 가공을 했을 경우 폴리머의 높은 열팽창계수의 영향으로 FBG 온도센서 가 손상되기 때문에 [그림 1.5]에서 보는 것처럼 폴리머의 길이를 10mm로 줄이고 폴리 머를 고정시켜주는 SS400의 길이를 늘려서 열팽창 보조장치에 단단히 고정될 수 있도

정도를 제외 하면 ^-폴리머구조물의 열팽창계수가 FBG 파장의 이동량에 미치는 효과 를 확인할수 있다.

∆

 

  



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 

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∆

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  

 

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 



  





  



 

∆

∆_-Bragg 파장의 이동량, _-광섬유의 광탄성 상수 (0.22), ∆-FBG 센서에 가해진 온도변화량 (20~80℃),

_-광섬유 소재의 열팽창계수(×^{ }℃), _-온도에 따른 광섬유의 굴절률 변화(×^{ }℃),

^-금속(철강 ×^{ } 스테인리스강×^{ } 알루미늄합금×^{ } 구리×^{ } ℃)의 열팽창계수

^-폴리머( ×^{ }×^{ } ×^{ }×^{ }℃) 의 열팽창계수,

_-폴리머 구조물의 길이, _- 순수 폴리머의 길이

(a) 금속 구조물

(b) 광섬유

격자 고정 전

(c) 광섬유

격자 고정 후

[그림 1.4] 제작된 금속 보조장치 사진

(a) 금속 구조물

(b) 광섬유

격자 고정 전

(c) 광섬유

격자 고정후

그림 1.5 제작된 폴리머 보조장치 사진

제2장 실험 방법

제1절 금속과, 폴리머 선팽창 계수 비교 및 가공 1. 금속과, 폴리머 구조물의 융점 및 선팽창 계수 비교

FBG 온도센서에 적용하기 전에 폴리머와 금속의 선팽창 계수를 비교해 보았다. 금속 과, 폴리머를 구입한 ㈜한국미스미 자료를 토대로 [표2.1~표2.3]를 만들어서 비교해 보면 [표 2.1]와 [표 2.2]은 측정한 금속의 융점 및 선팽창계수이고 [표 2.3]은 측정 한 폴리머의 선팽창계수이며, 금속의 융점은 매우 높기 때문에 따로 표를 만들지 않았 다. [표2.1], [표 2.2], [표 2.3]을 보면 측정한 폴리머의 선팽창계수가 금속과 비교 했을 때 대략 10배 정도로 폴리머의 선팽창계수가 높으며, FBG와 비교했을 때 선팽창 계수가 대략 100배 높은 것을 확인할 수 있다.

[표2.1]과 [표 2.2]에서 보는 것처럼 금속, 폴리머의 선팽창계수를 이용하여 금 속, 폴리머의 선팽창계수가 FBG 온도센서에 가해지는 인장력 정도를 유추해 볼 수 있 으며, 이는 FBG 온도센서의 온도민감도 향상정도를 나타낸다.

2. 금속, 폴리머구조물 가공

FBG 온도센서의 금속과 폴리머 홀더 가공은 [그림 2.1]과 [그림 2.2]와 같이 금속구조물 과 광섬유 격자 및 폴리머와 광섬유 격자를 고정하기 위해 그림과 같이 가공을 하였다.

먼저 금속구조물이 온도를 받음에 따라 광섬유격자에 인장력을 줄 수 있도록 길이 140mm 인 금속 가공물을 제작하였다. 그리고 가공물 안쪽은 100mm의 선팽창계수가 서로 다른 금 속구조물을 장착하여 온도를 올렸을 경우 금속구조물의 선팽창계수에 따라 광섬유 격자에 인장력을 줄 수 있도록 하였다. 그런 다음 광섬유 격자를 단단히 고정할 수 있도록 가공 물이 홀더를 19mm와 20mm로 제작하여 FBG를 고정하였다[그림 2.1].

폴리머의 경우 기본구조는 금속 가공과 동일하지만 폴리머의 선팽창계수가 너무 높아 광섬유 격자가 손상되기 때문에 폴리머의 길이를 100mm가 아닌 10mm로 결정하고 가공하

림 2.2]. 금속구조물과 동일하게 온도를 올렸을 경우 폴리머의 물성이 FBG 온도센서에 미 치는 영향을 파악 할 수 있도록 가공하였다.

[그림 2.1] 금속구조물 가공 도면

[표 2.1] 금속구조물의 선팽창계수 및 금속구조물 10cm일 때 금속의 팽창 길이

종 류 선팽창계수

(10^-6/℃)

구조물의 길이[10mm]

금속의 팽창 길이 (um @25℃)

구조물의 길이 [10mm]

금속의 팽창 길이 (um @50℃)

철강 11.7 29.25 58.50

구리 16.8 42.00 84.00

스테인리스강 17.3 43.25 86.50

알루미늄합금 23.8 59.50 119.00

[표 2.2] 폴리머구조물의 선팽창계수 및 폴리머구조물 10cm일 때 금속의 팽창 길이

종 류 선팽창계수

(10^-6/℃)

구조물의 길이 [10mm]

폴리머의 팽창 길이 (um @25℃)

구조물의 길이 [10mm]

폴리머의 팽창 길이 (um @50℃) Polycarbonate 65 163.75 327.50

ABS 95 238.75 477.50

불소수지(PTFE) 100 250.00 500.00 폴리에틸렌(PE) 170 425.00 850.00

[표 2.3] 폴리머구조물의 융점 융점 (℃) Polycarbonate 230

ABS 80~100

불소수지(PTFE) 327 폴리에틸렌(PE) 136

제2절 Dilatometer를 이용한 금속과 폴리머의 선팽창계수 측정 1. 금속과 폴리머구조물의 선팽창계수 분석

구조물을 구매한 ㈜한국미스미에서 제공한 금속의 선팽창계수를 사용하여 [그림 2.3]

과 같은 그래프를 그렸을 때 금속과 온도민감도(dλ/dT, (nm/℃))의 값을 결정함에 있 어 오차가 발생함을 확인하였다. 본 연구에서는 정확한 측정을 위해 금속과 선팽창계 수를 Dilatometer(DIL402PC, Netzsch inc.. Germany)로 직접 측정하였다.

금속의 Dilatometer 측정 시 선팽창계수의 정확한 분석을 위해 금속이 손상되지 않 는 온도 300℃ 까지 금속의 선팽창계수를 두 번씩 측정하였고 100~200℃ 와 100~300℃

영역을 나눠서 비교 분석하였고 측정결과가 가장 선형적인 선팽창계수를 선택하였다.

측정한 결과 [그림 2.9]과 같은 금속의 선팽창계수가 측정되었으며 ㈜한국미스에서 제 공한 선팽창계수와 비교했을 때 SS400(강철)은 1.17×10^-5 /^oC에서 1.29911×10^-5 /^oC, SUS304(스테인리스)는 1.73×10^-5 /^oC 에서 1.7915×10^-5 /^oC, CU(구리)는 1.68×10^-5 /^oC에서 1.87458×10^-5 /^oC, Al(알루미늄)은 2.38×10^-5 /^oC에서 2.44309×10^-5 /^oC로 차이가 있음을 확인하였고 이것을 [표 2.5]에 Dilatometer로 측정한 금속의 선팽창계 수를 나타내었다.

Dilatometer로 측정한 선팽창계수의 값을 적용 한 후 온도민감도(dλ/dT, (nm/℃))의 측정값이 더욱 정확해 진 것을 [그림 2.6]을 통해 확인 할 수 있다. [그림 2.3]에서 의 Standard Error는 9.81×10^-5 이고, [그림 2.5]와,[그림 2.6] 의 Standard Error는 각각 3.53×10^-5 와 4.2×10^-5로서 Standard Error가 감소한 것을 확인하였다.

금속 구조물과 동일하게 구매한 ㈜한국미스미에서 제공한 폴리머의 선팽창계수를 사 용하여 [그림 2.4]과 같은 그래프를 그렸을 때 금속과 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))의 측정에 약간의 오차가 발생함을 확인하였다.

오차를 줄이고 정확한 측정을 위해 금속과 선팽창계수를 Dilatometer로 측정하여 정확 한 폴리머의 선팽창계수를 적용하였다. 측정결과 [그림 2.10] 같은 폴리머의 선팽창계

PTFE는 10.0×10^-5 /^oC에서 12.6097×10^-5 /^oC, PE는 17.0×10^-5 /^oC에서 17.2212×10^-5 /^oC로 측정되었고[표 2.6]에 Dilatometer로 측정한 폴리머의 선팽창계수를 나타내었 다.. Dilatometer로 측정한 선팽창계수의 값을 적용 한 후 온도민감도(dλ/dT (nm /℃))의 측정값이 더욱 정확해 진 것을 [그림 2.7] 을 통해 확인 할 수 있다. [그림 2.4]에서 의 Standard Error는 6.45×10^-5 이고 [그림 2.7]의 Standard Error는 1.85×10^-5이며 Standard Error가 감소한 것을 확인 할 수 있다. [그림 2.8]과 [표 2.4]는 금속과 폴리머 구조물을 측정한 Dilatometer 사진과 설명이다.

[그림 2.3] ㈜한국미스미 금속구조물의 선팽창계수로 분석한 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))

[그림 2.4] ㈜한국미스미 폴리머구조물의 선팽창계수로 분석한 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))

[그림 2.5] Dilatometer 로 측정한 (100~200℃) 금속구조물의 dλ/dT (nm/℃)

[그림 2.6] Dilatometer 로 측정한 (100~300℃) 금속구조물의 dλ/dT (nm/℃)

[그림 2.7] Dilatometer 로 측정한 (45~80℃) 폴리머구조물의 dλ/dT (nm/℃)

[표 2.4] 측정한 Dilatometer 정보

Dilatometer 모 델 DIL402PC

제조 회사 Netzsch,Germany

특 징

재료의 열적 길이,열팽창 정도,열팽창율,유리 전이점,연화점, 결정상태,바인더의 함량 및 성분 측정,바인더의 전이,소결 동 역학 등을 측정하는 장비

성능 및 규격 Temperature Range Ambientto1.200℃ orMore

Sensitivity Within8nm

SampleLength Max.50mm ormore,Standarddimension :W×H×L=(6-7)×(6-7)×(15-25)mm³

HeatingElement ResistanceCoiling,HorizontalFuranceType, ThermocoupleTypeS

Control& DAQ E,K,S,B W-ReProgrammingandControlSensorType

[그림 2.8] 측정한 Dilatometer

100 120 140 160 180 200 0.0005

0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 0.0045

Al Cu SUS304 SS400

dL/Lo

Temperature(? )

2.44(10^-5)/?

1.87(10^-5)/?

1.79(10^-5)/?

1.30(10^-5)/?

(a) Dilatometer 100~200℃ 범위

100 150 200 250 300

0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007

1.32(10^-5)/?

1.81(101.85(10^-5-5)/?)/?

Al Cu SUS304 SS400

dL/Lo

Temperature(? )

2.52(10^-5)/?

(b) Dilatometer 100~300℃ 범위

[표 2.5] Dilatometer로 측정한 금속구조물의 선팽창계수

100-200^oC 범위 측정 (10^-5/^oC)

100-300^oC 범위 측정 (10^-5/^oC)

SUS304

1.792 1.811

1.798 1.818

Cu 1.875 1.856

SS400(강철)

1.299 1.316

1.286 1.320

Al(알루미늄)합금

2.442 2.523

2.603 2.618

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0.001

0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008

6.93(10^-5)/?

9.35(10^-5)/?

12.61(10^-5)/?

PC ABS PTFE PE

dL/Lo

Temperature (? )

17.22(10^-5)/?

[그림 2.10] Dilatometer 로 측정한 폴리머구조물의 선팽창계수

[표 2.6] Dilatometer로 측정한 폴리머구조물의 선팽창계수

45-80^oC 범위 측정 (10^-5/^oC)

PC 6.93398

ABS 9.35328

PTFE 12.6076

PE 17.2212

제3절 광섬유 온도센서 연동 프로그램 알고리즘 및 실험구성 1. 프로그램 알고리즘

금속, 폴리머구조물과 오븐의 온도 차이와 수동으로 측정할 때 소모되는 시간 때문에 FBG 온도센서와 프로그램을 연동하여 온도를 실시간 모니터링하기 위해 LabVIEW 프로 그램을 사용하여 자동으로 온도, Spectrum, Peak wavelength, 시간에 따른 파장, 시간 에 따른 온도를 측정 할 수 있도록 프로그램을 설계 하였다.

[그림 2.11] 을 보면 프로그램에서 시간이 지남에 따라 높아지는 온도의 측정을 통해 peak wavelength를 측정할 때 온도가 평행을 이루는지 확인 할 수 있고, 측정한 peak wavelength를 통해 온도민감도(dλ/dT, (nm/℃))의 정도와 파장의 변화를 직접 확인 할 수 있다. [그림 2.12]에서 보는 것처럼 측정 시간을 직접 입력 또는 일정간격 으로 하여 그 시간의 Spectrum, peak wavelength, 시간에 따른 파장, 시간에 따른 온 도 값을 읽을 수 있고, 저장할 수 있도록 설정 한 후 프로그램과 수동으로 측정한 Peak wavelength를 비교하였다. [그림 2.13]을 보면 온도민감도(dλ/dT(nm/℃))가 프 로그램에서는 0.03865nm/℃로 측정이 되고 수동으로는 0.03851nm/℃ 로 측정되어 프로 그램과 수동으로 측정한 Peak wavelength가 동일한 값을 가지며 특히 반복 측정 측면 에서는 프로그램 측정 방식이 수동측정 보다 큰 장점을 가진다.

2. 광섬유 온도센서 실험구성

실험장비로는 광스펙트럼 측정기(OSA,Optical Spectrum Analyzer, AQ6315AYokogawa Inc.), 광대역 광원(BLS, Broad Light Source, Agilent), Oven, Computer, 온도 비교 를 위한 전자 온도센서(USB-TC01, NI), 광섬유 격자(FBG, 에스제이 포토닉스) 이다.

전체적인 실험 구성인 [그림 2.14]과 [그림 2.15]을 보면 가공한 금속과 폴리머에 광섬유 격자를 고정하고, USB-TC01 온도센서를 가공한 금속 및 폴리머 구조물 안쪽에 넣어서 구조물의 온도를 측정하며, OSA와 Computer를 DAQ로 연결하여 설정한 시간과

0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 15

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Temperature (?)

Time (m)

? ? ? ? ? ? ?

(a) 시간에 따른 온도상승 그래프

(b) FBG 온도센서의 온도에 따른 파장 변화

[그림 2.12] 프로그램 프론트패널

(a)　수동측정 (dλ/dT(nm/℃):0.03851nm/℃

（ｂ）프로그램 측정 (dλ/dT(nm/℃):0.03865nm/℃

[그림 2.14] 금속구조물 실험 구성

[그림 2.15] 폴리머구조물 실험 구성

제4절 금속구조물에 장착한 FBG 온도센서 중심파장 이동량

앞 2절에서 폴리머와 금속의 선팽창계수를 비교해 보았고 폴리머가 금속보다 선팽창 계수가 10배 정도 크다는 것을 확인하였다. 이번 실험에서 금속구조물(강철, 스테인리 스, 구리, 알루미늄합금)에 FBG 온도센서를 장착하고 오븐의 온도를 올렸을 때 온도민 감도(dλ/dT (nm/℃))의 변화를 확인하였다. 먼저 정확한 온도실험을 위해 강철, 스테 인리스, 구리 및 알루미늄합금의 온도가 오븐의 온도와 동일해지는 시간을 확인하고 프로그램 시간을 조절했다. [그림 2.16]을 보면 강철, 스테인리스, 구리 및 알루미늄 합금 안에 설치한 온도센서의 온도의 상승 그래프를 볼 수 있으며, 온도가 다음단계로 상승하기 20분 전에 OSA로 금속구조물에 장착된 FBG 온도센서 데이터를 받아오는 구조 로 되어있다.

금속구조물에 장착한 FBG 온도센서의 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))를 실리카와 비 교해서 분석해 보았을 때 [표 2.7] 처럼 dλ/dT (nm/℃)는 스테인리스 0.03028nm/℃, 강철 0.02529nm/℃, 알루미늄합금 0.03862nm/℃, 구리 0.03062(nm/℃)이며 실리카와 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))를 비교했을 때 각각 스테인리스 3.028배, 강철 2.529배, 구리3.062배, 알루미늄합금 3.862배 높은 것으로 확인됐다. 선팽창계수를 비교 했을 때 스테인리스 32.6배, 철강 23.6배, 구리 34.1배, 알루미늄합금 44.4배 높게 계산 되 었으며 전체적으로 FBG 온도센서 보다 온도민감도가 높았으며 선팽창계수가 가장 높은 알루미늄합금이 금속 중에서 가장 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))가 높은 것으로 확인되 었다 [표 2.8].

또한 각 금속의 중심파장의 변화량을 비교 해 보면 강철 1.332nm, 스테인리스 1.5999nm, 알루미늄 1.992nm 구리 1.59381nm로 팽창 길이가 긴 알루미늄이 가장 중심 파장의 변화량 이 큰 것 이 확인되었으며[그림 2.17], 각 중심파장 변화량을 그래프로 나타냈을 때 선팽창 계수와 같이 알루미늄합금의 온도민감도(dλ/dT, (nm/℃))가 0.03862nm/℃ 로 금속 중에 가장 큰 것을 확인 할 수 있다.

[표 2.7] 금속의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수 dλ/dT

(nm/℃)

선팽창계수 (10^-6/℃)

실리카 0.010 0.55

스테인리스 0.030 12.9

강철 0.025 17.9

알루미늄합금 0.039 24.4

구리 0.031 18.7

[표 2.8] 실리카와 금속의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수 비교

스테인리스 철강 알루미늄합금 구리

실리카와 dλ/dT

(nm/℃)비교 3.028 2.529 3.862 3.062

실리카와

선팽창계수 비교 32.6 23.6 44.4 34.1

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20

30 40 50 60 70 80 90

SUS304 ? ? ? ? ? ? ? ?

SS400

Temperature (?)

TIME (min)

[그림 2.16] 금속의 시간당 온도상승 그래프

20 30 40 50 60 70 80 0.0

0.5 1.0 1.5

2.0 ? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? Silca

Wavelength shift (nm)

Temperature (? )

[그림 2.17] 금속구조물을 이용한 온도에 따른 FBG 온도센서의 중심파장 변화량

제5절 폴리머구조물에 장착한 FBG 온도센서 중심파장 이동량

앞 4절에서 금속구조물에 장착한 FBG 온도센서 중심파장 이동량에서 금속구조물에 FBG 온도센서를 장착 했을 때의 온도민감도(dλ/dT (nm/℃)) 변화를 실험을 통해 확인 하였다. 여기서는 금속과 동일하게 폴리머에 FBG 온도센서를 고정하고 폴리머구조물 (ABS, TPFE, PE ,PC)이 FBG 온도센서의 파장변화를 확인해 본다..

[그림 2.18]을 보면 ABS, TPFE, PE 및 PC 안에 설치한 온도센서의 온도 그래프를 볼 수 있으며, 금속 측정과 동일하게 온도가 다음단계로 상승하기 20분 전에 OSA의 데 이터를 받아오는 구조로 되어있다. 또한 각 폴리머를 적용했을 때 FBG 온도센서의 온 도민감도(dλ/dT (nm/℃))를 분석하였다. [그림 2.19]와 [표 2.9]에서처럼 폴리머에 FBG 온도센서를 장착했을 때의 중심파장 변화량은 Polycarbonat(PC) 2.57599nm, 폴리 에틸렌(PE) 4.75764nm, ABS 2.97311nm, 불소수지(PTFE) 3.49538nm이고, 온도민감도(d λ/dT(nm/℃))는 ABS 0.05649nm/℃, Polycarbonate 0.04883nm/℃, 폴리에틸렌(PE) 0.09035nm/℃, 불소수지(PTFE) 0.05689nm/℃으로 측정되었다. 실리카와 온도민감도(d λ/dT (nm/℃))를 비교했을 때 ABS 5.649배, Polycarbonate 4.883배, 폴리에틸렌(PE) 9.035배, 불소수지(PTFE) 5.689배 높았으며, 선팽창계수를 비교 했을 때 ABS 173.6배, Polycarbonate 119.1배, 폴리에틸렌(PE) 309.1배, 불소수지(PTFE) 181.8배 높음을 확 인하였다. 특히 선팽창계수가 가장 높은 폴리에틸렌(PE)이 실험에서도 온도민감도(dλ /dT (nm/℃))가 가장 높은 것을 확인하였고, 이는 선팽창계수가 가장 높은 폴리에틸렌 을(PE) 사용할 경우 온도민감도 향상을 기대 할 수 있다[표 2.10].

또한 선팽창계수가 가장 높은 폴리에틸렌(PE)에 폴리머를 가공할 때 문재가 되었 던 FBG 센서의 손상을 방지하기 위해 FBG 온도센서의 강도를 1.5배가량 높여주는 Polyimide coating을[그림 2.20] FBG 온도센서에 하고 금속과 동일한 길이조건(100mm) 으로 실험을 실행했을 때, 0.14456 dλ/dT(nm/℃)로 온도 민감도가 향상하는 것을 확

[표 2.9] 폴리머의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수

dλ/dT (nm/℃)

선팽창계수 (10^-5/℃)

실리카 0.010 0.55

ABS 0.056 9.5

Polycarbonate 0.049 6.5 폴리에틸렌(PE) 0.090

폴리에틸렌(PE)-Coating 0.14456 17

불소수지(PTFE) 0.068 10

[표 2.10] 실리카와 폴리머의 dλ/dT (nm/℃) 및 선팽창계수 비교 ABS Polycarbonate PE PTFE 실리카와 dλ/dT

(nm/℃)비교 5.649 4.883 9.035 6.835 실리카와 선팽창계수

비교 173.6 119.1 309.1 181.8

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 20

30 40 50 60 70 80 90

PC PTFE PE ABS

Temperature ?

Time( min)

[그림 2.18] 폴리머구조물의 시간당 온도상승 그래프

20 30 40 50 60 70 80 -1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Polycarbonate - 10mm PE - 10mm

ABS - 10mm PTFE - 10mm

PE (Polymide coting) - 100mm

Wavelength shift (nm)

Temperature (? )

[그림 2.19] 폴리머구조물을 이용한 온도에 따른 FBG 격자센서의 중심파장 변화량

[그림 2.20] Polyimide coating 구조^[25]

제3장 실험 결과

금속, 폴리머구조물을 적용한 FBG 온도센서의 온도민감도(dλ/dT (nm/℃) 비교를 위 해 4절과 5절에서 측정한 금속과 폴리머구조물의 결과를 종합하여, [그림3.1]에 나타 내었다. [그림 3.1]에서 보면 실리카의 온도민감도가 가장 낮으며 그 다음은 금속구조 물종류인 강철(SS400), 스테인리스(SUS304), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 마지막으로 폴리 머구조물 종류인 PC(Polycarbonate), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene resin), PTFE(Polyetetrafluoroethylene), PE(Polyethylene) 순서로 온도민감도가 높다는 것을 확인하였다.

결과적으로 각 금속 및 폴리머구조물의 선팽창계수가 높을수록 FBG 재질인 실리 카의 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))보다 적게는 2배 크게는 9배 정도로 향상되었으며 폴 리머 종류인 PE(Polyethylene)의 경우 실리카보다 9배 높은 온도민감도(dλ/dT (nm /℃))가 측정되는 것을 확인 할 수 있었다.

또한 FBG 온도센서에 Polymide coting을 하여 FBG 격자의 손상을 방지하고 선팽 창계수가 가장 높은 폴리에틸렌(PE)의 실험을 금속과 동일한 조건인 구조물의 길이 100mm로 수정하여 인장강도를 높인 후 온도민감도(dλ/dT (nm/℃)) 측정을 실행했을 때 0.14702 dλ/dT(nm/℃)로 순수한 FBG 온도 센서 보다 14배 이상 온도민감도가 향상 하는 것을 확인하였다.

마지막으로 FBG 온도센서의 온도상승과 온도하강 그래프를 [그림 3.2],[그림 3.3]

같이 나타내면 온도센서의 재현성을 확인할 수 있으며, 상승그래프와 하강그래프가 일 치함을 알 수 있다.

실험 결과 선팽창계수가 높은 폴리머의 길이를 조절하고 FBG 온도센서의 강도를 높이 는 코팅(Polymide coting)을 하여 FBG의 손상을 방지하면 FBG 온도센서의 온도민감도 향상이 가능함을 보였다.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.00

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15

Polymide coti ng-UPA(P E)

UPA(PE)

PTFE(? ? ? )

NABS PCT A(PC) Al(? ? ? ? )

Cu(? ? )

S US400(? ? ? ? ? ) SS400(? ? )

? ? ? ? ? ? ? ?

d?/dT (nm/oC)

? ? ? ? ? (10^-6)/oC

? ? ?

[그림 3.1] 금속과, 폴리머 구조물을 적용한 FBG 온도센서의 온도민감도 비교

20 30 40 50 60 70 1549.2

1549.4 1549.6 1549.8 1550.0 1550.2 1550.4

1550.6 ? ? ? ? ? ? ? ?

Wavelength (nm)

Temperature (? )

[그림 3.2] 금속구조물을 이용한 FBG 온도센서 재현성 확인

20 30 40 50 60 70 80 90 1556.0

1556.5 1557.0 1557.5 1558.0

1558.5 ? ? ? ? ? ? ? ?

Wavelength (nm)

Temperature (? )

[그림 3.3] 폴리머구조물을 이용한 FBG 온도센서 재현성 확인

제4장 결 론

본 논문에서는 외부 구조물의 재료 물성이 광섬유 격자센서의 온도 민감도에 미치는 효과를 알아보기 위해 선팽창계수가 다른 폴리머와 금속종류 그리고 실리카를 이용하 여 온도민감도(dλ/dT (nm/℃))를 비교 하여 폴리머가 온도 민감도에 미치는 효과와 온도 민감도 향상을 모색하였다.

첫 번째 실험으로 금속의 팽창계수가 FBG의 온도민감도 향상에 미치는 효과를 확인 하기 위해 금속구조물을 길이 100mm인 금속 기판을 제작 하였고, FBG 고정을 위해 금 속 기판 끝단에 길이 20mm, 19mm인 FBG 홀더를 제작 한 후 FBG를 홀더를 이용해 고정 하였다. 또한 정확한 측정을 위해 프로그램을 설계하여 수동측정으로 인한 오류를 보 완하였고 정확한 시간을 설정하여 측정의 정확도를 높였다. 또한 금속 및 폴리머의 정 확 한 선팽창계수의 비교를 위해 Dilatometer를 사용 하여 각 금속, 폴리머 구조물의 선팽창계수를 측정하였다.

측정 결과 금속구조물 중에서는 Al(알루미늄합금)이 1.992nm로 금속구조물 중 스 팩트럼의 변화가 가장 컸으며 온도민감도에서도 Al(알루미늄합금)을 적용 했을 때 0.03862nm/℃ 로 0.01nm/℃ 인 FBG 보다 3배 이상 높은 온도민감도를 가지는 것을 확 인하였다.

폴리머를 이용한 실험에서는 폴리머의 높은 선팽창계수로 인한 FBG 격자센서의 손 상을 방지하기 위해 금속구조물의 길이 100mm와 달리 폴리머구조물의 길이를 10mm로 줄여 금속구조물과 비슷한 측정방법으로 실험을 하였고 폴리머 구조물 중에 선팽창계 수가 가장 높은 UPA(PE)에 FBG 격자센서를 적용 하였을 때 4.76nm 로 폴리머 구조물 중에 스팩트럼의 변화가 가장 많았으며 온도민감도는 0.09035nm/℃로 FBG 격자센서 보 다 9배 이상 높은 온도민감도를 가지는 것을 확인하였다.

또한 FBG 격자센서의 손상을 방지하기 위해 FBG 격자센서에 Polymide coting을 하 고 선팽창계수가 가장 높은 폴리에틸렌(PE)를 금속구조물과 동일한 길이 조건100mm로 실행했을 때 0.14456 dλ/dT(nm/℃)로 온도 민감도가 FBG 격자온도센서보다 14배 이상

본 논문에서는 폴리머 물성이 금속을 사용하는 것보다 광섬유 격자센서의 온도 민 감도에 더 큰 영향을 준다는 것을 확인하였고, FBG 격자센서의 강도를 높이는 Polymide coting을 통해 FBG 온도센서의 온도 민감도를 14배 향상시켰다. 이를 통해 FBG 격자센서의 재료인 실리카 보다 높은 선팽창계수를 가진 폴리머를 FBG 격자센서에 적용하여 온도민감도 향상 및 응용 가능성을 확인하였다.

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[감사의글]

이제 학생의 신분을 벗어나 사회라는 새로운 무대에 나가려고 합니다. 지금까지 저 에게 많은 도움을 주신 분들게 졸업논문을 통해서 감사인사를 전하려고 합니다.

먼저 저를 지도해주신 안태정 교수님 광주과학기술원 김복현 박사님께 감사인사를 전 합니다. 미숙한 저에게 연구자로서 방향을 제시해 주시고, 올바른 길로 갈 수 있도록 세심한 신경을 써 주신 덕분에 많은 공부와 도움이 되었습니다. 좋은 강의로 많은 가 르침을 주신 권민기 교수님, 박종락 교수님, 김현수 교수님, 주기남 교수님께 감사의 마음을 표현합니다.

2년동안 연구를 진행할 때 많은 도움을 준 찬영이, 건국이형, 승종이형 에게 진심으 로 고맙고 감사의 인사를 전하고 싶습니다.

마지막으로 공부한다고 아버지 역할도 잘못하는 저에게 항상 웃으면서 아빠라고 불 러주는 저의 딸 예원이 와 아낌없는 지원을 해주신 부모님에게도 진심으로 감사하다는 말을 전하고 싶습니다.

이곳에 직접 감사의 말씀을 드리지 못한 분들에게도 깊은 감사의 말씀을 드립니다.