Characteristic analysis of a thermochromic material based fiber-optic temperature sensor for measuring temperature of subsurface water

열변성 물질을 이용한 지하수 온도 측정용 광섬유 온도센서의 특성분석

서정기·유욱재·조동현·장경원·허지연·이봉수^†·고용권

*

Characteristic analysis of a thermochromic material based fiber-optic temperature sensor for measuring temperature of subsurface water

Jeong Ki Seo, Wook Jae Yoo, Dong Hyun Cho, Kyoung Won Jang, Ji Yeon Heo, Bong soo Lee^†, and Yong-Kwon Koh

*

Abstract

In this study, we describe the feasibility of developing a fiber-optic temperature sensor using a thermochromic material such as 2,4,5-triphenylimidazole or also called Lophine. A sensor-tip is fabricated by mixing of a Lophine powder, which has a non-toxic and hydrophobic characteristics, and an epoxy resin. The temperature change in the sensor-tip gives rise to a change in the optical absorbance of the Lophine, and the transmittance of a light through the Lophine is also changed.

We have measured the intensities of modulated lights due to the change of optical absorbance of the Lophine by using of a photo-multiplier tube(PMT). The relationships between the temperatures and the output voltages of PMT are determined to measure the temperature of water. The measurable temperature range of the fiber-optic sensor is from 5 to 30

C.

Key Words : fiber-optic sensor, Lophine, temperature measurements, thermochromic material, 2,4,5-triphenylimidazole

1. 서 론

광섬유 (optical fiber) 를 이용한 온도센서는 흡광도

(absorbance), 반사율 (reflectance), 투과율 (transmissivity),

형광 (fluorescence) 등의 분광학적 특성변화를 이용하

여 온도변화에 따른 광 신호를 검출한다

. 광섬유 온 도센서는 크게 광섬유와 광 계측장비로 나뉘고 , 광섬유 부분이 감지부 (sensing part) ^{와 광 신호 전송부} (light

guide) 의 역할을 동시에 수행하므로 기존의 전자식 센

서에 비하여 빠른 응답성을 가진다 . 대부분의 광섬유는 크기가 작고 유연하며 , ^{재질의 특성상 부식이 되지 않}

고 무독성 (non-toxic) 이다

. 또한 전자기장의 영향을 받지 않고 , 신호의 장거리 전달능력을 가진다 . 그러므

로 광섬유를 이용한 온도센서는 일반 전자식 센서가 계측하지 못하는 환경 (harsh environment) 에서의 원거 리 온도측정에 적합하며 , 이러한 광섬유 온도센서는 비 접촉식과 접촉식 온도센서로 나눌 수 있다

.

첫 번째로 비접촉식 온도센서에는 물체로부터 방출 되는 긴 파장의 적외선을 전송시킬 수 있는 실버 핼라 이드 (silver halide) 또는 캘커제나이드 (chalcogenide)

적외선 투과 광섬유가 필요하며 , ^{이를 이용하여 넓은}

온도범위에서 온도를 비접촉으로 측정할 수 있다

.

여러 종류의 적외선 투과 광섬유 중에서 실버 핼라이 드 광섬유는 유연하고 불용해성이며 , ^{무독성이므로 산}

업계와 의료계에서 복사선 측정기 (radiometry) 와 열 영 상 (thermal imaging) 분야에 적용되어 연구 개발되고

있다

. ^{하지만 적외선 투과 광섬유는 일반적으로}

사용되는 플라스틱 또는 유리 광섬유보다 비싸고 , 광 감쇄율 (attenuation) 이 높은 단점을 가지므로 원거리 온 도계측에는 부적합하다 . ^또한 , ^{저온의 물체를 측정할}

경우 , 물체의 표면에서 방출되는 적외선의 복사에너지 가 낮아 측정이 불가능하거나 오차가 커지므로 , ^현재

상용화된 대부분의 적외선 투과 광섬유를 이용한 비접

건국대학교의료생명대학의학공학부

,

(School of Biomedical Engineering, College of Biomedical & Health Science, Research Institute of Biomedical Engineering, Konkuk University)

*

,

(HLW Disposal Research Center, Korea Atomic Energy Research Institute)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : July 9, 2009, Revised : September 29, 2009

Accepted : November 19, 2009)

물질 (sensing material) 이 필요하고 , 대표적인 감지 물 질로는 열변성 물질 (thermochromic material) ^{이 있다} .

열변성 물질은 주위 환경의 온도변화에 따라 흡광도 ,

색의 변화 등의 광학적 성질이 변하는 물질로서 열변 성 물질을 녹인 뒤 , ^{딥 코팅} (dip-coating) ^{을 하거나 에}

폭시 (epoxy) 와의 혼합을 통해 광섬유를 이용한 온도센

서의 감지부로 사용할 수 있다

.

본 연구는 지하수의 온도변화를 실시간으로 측정하 기 위한 기초연구로서 , 열변성 물질을 이용하여 광섬유 온도센서를 제작하였고 , 필름 형태의 감지부와 반사체 를 이용하여 온도변화에 따른 투과광 및 반사광의 강 도 (intensity) 변화를 분석하였다 . 또한 , 프레넬 반사

(fresnel's reflection) ^{에 의한 반사광을 측정하였으며} , ^광

원의 파장에 따른 물의 온도와 광 검출기의 출력신호 사이의 관계식을 도출하였다 .

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 플라스틱 광섬유 (GH4001, mitsubishi rayon Co., Ltd.) 는 계단형의 굴절률 (step-index) 을 갖는 멀티모드 (multi-mode) 광섬유로써 코어 (core) 의 직경은

0.98 mm, ^클래딩 (cladding) ^{을 포함한 외경은} 1.0 mm ^이

다 . 코어 부분은 폴리메틸 메타크릴레이트 (polymethyl- methacrylate, PMMA) 재질로 굴절률은 1.49 이고 , 클래 딩 부분은 불소 중합체 (fluorinated polymer) ^{로써 굴절}

률은 1.402 이며 , 광섬유의 개구수 (numerical aperture, NA) 는 0.504 이다 .

광섬유 온도센서를 제작하기 위해 사용한 열변성 물 질은 로핀 (lophine, thermo fisher scientific, Inc.) 으로 알려진 2,4,5-triphenylimidazole ^이다 . Fig. 1 ^{은 온도변}

화에 따른 로핀의 화학구조 변화를 나타내며 , 로핀의 분자식은 C

H

N

이다 . 로핀은 외부의 온도가 높아짐 에 따라 수소 원자를 잃으며 공명구조를 가지게 되어 로핀의 흡광도가 감소하는 광학적 특성을 가지고 있으 므로 이를 통해 온도를 측정할 수 있고 , 외부의 온도가 처음으로 되돌아가면 로핀의 화학구조 역시 되돌아가 게 된다 . 이와 같이 로핀은 가역적 성질 (reversibility) 을

가진 물질이고 물의 영향을 받지 않는 소수성

(hydrophobic) 물질이며 무독성 (non-toxic) 이므로 온도 측정을 위한 광섬유 온도센서의 센서팁 물질로 사용하

기에 유용한 특성을 가지고 있다

.

실험에 사용된 광원은 광섬유용 LED(IF-series,

industrial fiber optics, Inc.) 로서 LED 의 각 파장은

650 nm( 적색 ), 530 nm( 녹색 ) 그리고 430 nm( 청색 ) 이다 .

광섬유용 LED ^{들의 반치폭} (full width at half maximum, FWHM) 은 40~60 nm 이고 , 광섬유 끝단과의 결합이 용 이하여 광 손실이 적다는 장점을 가지고 있다 .

Fig. 2 ^{는 광 검출기로 사용된 광증배관} (photo-

multiplier tube, PMT) 시스템과 광섬유 온도센서를 이 용한 실험구성을 보여주며 , 광증배관 시스템은 광증배 관 모듈 (H5784, Hamamatsu Co.) ^{과 증폭회로로 구성된}

다 . 광원으로부터 방출된 빛은 50 cm 길이의 발광 광 섬유 (transmitting optical fiber) 를 따라 전달되고 , 센서 팁을 거쳐 수광 광섬유 (creceiving optical fiber) ^{에 의해}

광증배관으로 도파된다 . 이 때 , 물의 온도변화에 따라 로핀의 흡광도가 달라지므로 광증배관의 출력신호가 변하게 되고 , 신호수집장치 (DAQ board, SCB-68, national instruments Co.) 를 거친 뒤 랩뷰 (LabVIEW)

프로그램을 통해 디스플레이 및 저장된다 . ^{실험 시} , ^물

의 온도를 5~30

C 범위 내에서 변화 및 유지시키기

Fig. 1. Thermal transition of lophine.

Fig. 2. Experimental setup using a fiber-optic temperature

sensor.

위해서 온도 조절이 가능한 냉온 플레이트 (cooling and heating plate, CP-7200GT, Intec Co.) 를 사용하였고 , 용 기내부 물의 수직 및 수평의 온도구배에 대한 영향을 최소화하기 위해 자동 교반기 (stirrer) ^{를 이용하였으며}

열전대 (thermocouple, 54 thermometer, Fluke Co.) 로 물의 온도를 실시간 계측하였다 .

3. 실험결과 및 토의

3.1. 로핀 필름을 이용한 투과형 광섬유 온도센서

Fig. 3 은 로핀의 특성을 평가하기 위해 로핀 필름을

이용하여 구성한 투과형 광섬유 온도센서의 실험구성 을 보여준다 . ^{로핀 필름은 투명한 보호 필름층 사이에}

로핀 가루를 채워 제작하였고 , 온도 감지부가 되는 로

핀층의 두께는 1 mm ^{이며 광섬유와의 결합이 용이하도}

록 자체 제작한 PMMA 홀더로 고정시켜 사용하였다 .

투과형 광섬유 온도센서의 경우 , 광원에서 방출된 빛은 발광 광섬유를 통해 물속에 위치한 로핀 필름으로 전 송되고 , 로핀 필름을 투과한 빛은 수광 광섬유에 의해 광증배관으로 전송된다 . 투과형 광섬유 온도센서에서 는 로핀의 흡광도에 따른 투과광을 측정하였고 , ^투과형

광섬유 온도센서에 적합한 광원의 파장을 결정하였다 .

Fig. 4 는 광원의 파장에 따른 물의 온도와 광증배관

의 출력신호 사이의 관계를 보여준다 . ^{냉온 플레이트를}

이용하여 물의 온도를 5~30

C 범위 내에서 5

C 간격 으로 증가시키며 측정한 결과 , 물의 온도가 높아질 때 로핀의 흡광도가 작아지는 것을 확인할 수 있다 . 따라 서 물의 온도가 높아질수록 필름을 통과하는 광량이 증가함을 알 수 있고 , ^{특히 광원으로} 530 nm ^의 LED ^를

사용한 경우에 출력신호의 총 변화량이 가장 크게 측 정되었으므로 온도에 따른 민감도가 가장 높다고 할 수 있다 .

Fig. 5 는 530 nm 의 LED 를 사용하였을 경우 , 물의

온도와 광증배관의 출력전압 사이의 관계를 보여주고 있다 . 물의 온도를 5~30

C 범위 내에서 2.5

C 간격으 로 증가시키며 투과광량을 측정한 결과 , ^{온도와 광증배}

관의 출력전압이 선형적인 관계를 가지는 것을 확인할 수 있다 . 식 (1) 은 물의 온도와 광증배관의 출력전압 사이의 값을 이용하여 유도한 2 ^{차 함수 관계식이고} , ^정

확도는 99.8 % 이며 이는 유도한 관계식과 측정값 사이

의 오차가 0.2 % 임을 의미한다 .

(1)

3.2. 반사체를 이용한 반사형 광섬유 온도센서

Fig. 6 은 로핀을 이용한 광섬유 온도센서의 센서팁

구조를 보여준다 . 센서팁은 로핀 가루와 에폭시

(G14250, Thorlabs, Inc.) ^를 1:100, 5:100, 10:100, 15:100

y = 0.00002 x

+ 0.0027 x + 2.6535

Fig. 3. Transmission type fiber-optic temperature sensor using a film of Lophine.

Fig. 4. Relationships between the temperatures of water and the output signals of PMT according to the wavelengths of various kinds of light sources when transmission type fiber-optic temperature sensor is used.

Fig. 5. Relationship between the temperatures of water and

the output voltages of PMT when transmission

type fiber-optic temperature sensor is used.

총 4 가지의 질량비율로 섞은 후 , 반구 (hemisphere) 형 태로 제작하여 수광 광섬유의 끝단에 부착하였다 . Fig.

7 은 반사체 (broadband dielectric mirror, BB1-E02, Thorlabs, Inc.) 를 이용한 반사형 광섬유 온도센서의 실 험구성을 보여준다 . ^{광원에서 방출된 빛은 발광 광섬유}

를 통해 반사체로 전송되고 , 반사체에 의해 반사된 빛 은 로핀과 에폭시를 혼합하여 제작한 센서팁을 거쳐 수광 광섬유를 통해 광증배관으로 전송된다 .

Fig. 8 은 로핀과 에폭시를 혼합한 질량비율에 따른

물의 온도와 광증배관의 출력신호 사이의 관계를 보여 준다 . ^{물의 온도가 높아질수록 로핀의 흡광도가 작아지}

므로 검출되는 출력신호가 증가하는 것을 볼 수 있고 특히 , 로핀과 광학용 에폭시의 혼합 질량비율이

10:100 ^{비율의 센서팁을 사용할 경우} , ^{온도변화에 따른}

출력신호의 변화율이 가장 큰 것을 확인할 수 있다 . 이 에 따라 , 이후의 모든 실험에서는 로핀 / 에폭시 혼합 질

량비율이 10:100 인 센서팁을 사용하였다 .

Fig. 9 는 광섬유 굽힘 (macro bending) 각도에 따른

출력신호 변화를 보여준다 . 0~45

까지 15

간격으로

측정하였고 , 그 결과 광섬유 굽힘 각도가 증가할수록

출력신호의 변화량 또한 증가하는 것을 알 수 있다 . ^이

와 같은 굽힘손실 (bending loss) 의 최대 차이는 0.2 %

임을 확인할 수 있다 .

Fig. 10 은 광섬유용 LED 를 사용하였을 때 , 광섬유와 반사체 사이의 거리에 따른 반사광의 강도 측정 결과 를 보여주고 있다 . 430 nm ^의 LED ^{를 사용하였을 경우} ,

광섬유와 반사체 사이의 거리가 3 mm 일 때 검출되는

광증배관의 출력전압이 최대였고 , 530 nm 와 650 nm 의

LED ^{를 사용하였을 경우에는} 4~5 mm ^{범위 내에서 최}

대 출력전압이 측정되었다 . 따라서 이후의 모든 실험에 서는 광섬유와 반사체 사이의 거리를 각 광원에 최적 화된 거리로 유지한 후 추가적인 실험을 진행하였다 .

Fig. 11 은 각 광원의 파장에 따른 물의 온도와 광증

배관의 출력신호 사이의 관계를 나타낸 결과로서 투과 형 광섬유 온도센서를 이용한 실험에서와 유사하게

530 nm 의 LED 를 사용하였을 때 , 온도변화에 따른 출 력신호의 변화율이 최대가 되는 것을 알 수 있다 . 그림 에서 530 nm 의 LED 와 650 nm 의 LED 를 사용하였을 Fig. 6. Structure of fiber-optic sensor-tip using a mixture

of Lophine and epoxy.

Fig. 7. Reflection type fiber-optic temperature sensor.

Fig. 8. Relationships between the temperatures of water and the output signals of PMT according to different mixing ratio of Lophine and epoxy.

Fig. 9. Variations of output signal according to the macro

bending of optical fiber.

때의 결과그래프가 비슷하지만 재현성 및 안정성을 고 려하여 530 nm 의 LED 를 최적의 광원으로 선택하였다 .

Fig. 12 ^{는 광섬유와 반사체 사이의 거리를} 4 mm ^로

고정하고 , 530 nm 의 LED 를 사용하였을 때 , 물의 온도 와 광증배관의 출력전압 사이의 관계를 보여준다 . 물의 온도를 5~30

C ^{범위 내에서} 2.5

C ^{씩 증가시키면서 출}

력전압을 측정하였고 다시 감소시키면서 측정한 결과 ,

온도와 광증배관의 출력전압이 선형적인 관계를 가지 는 것을 알 수 있고 , ^{센서 물질로 사용한 로핀이 가역}

적 특성을 지니고 있는 것을 확인할 수 있다 .

3.3. 광섬유 Y-커플러를 이용한 반사형 광섬유 온도 센서

다음으로 반사체를 사용하지 않고 , 프레넬 반사를 이용한 반사형 광섬유 온도센서를 제작하였고 , 광섬유

Y- 커플러를 이용한 반사형 광섬유 온도센서의 실험구 성을 Fig. 13 에서 볼 수 있다 . 광원에서 방출된 530 nm

의 빛은 광섬유 Y- 커플러를 따라 전송되고 , 센서팁과 광섬유 사이의 굴절률 차이에 의해서 발생되는 프레넬 반사에 의한 빛이 다시 광섬유 Y- 커플러를 통해 광증 배관으로 전송된다 . 이와 같이 반사체를 사용하지 않은 프로브 형태의 반사형 광섬유 온도센서의 경우 , ^제작이

간편하고 물속 깊은 곳이나 가는 관 속에 집어넣어 원 거리 온도측정을 할 수 있다는 장점을 가진다 .

Fig. 14 ^{는 앞선 실험에서 선택한 로핀과 에폭시와의}

혼합 질량비율이 10:100 인 센서팁과 530 nm 의 LED 를 사용하였을 경우 , 물의 온도와 광증배관의 출력전압 사 이의 관계를 보여준다 . ^{물의 온도를} 5~30

C ^{범위 내에}

서 2.5

C 씩 증가시키며 측정한 결과 , 로핀의 흡광도 가 감소함에 따라 온도와 광증배관의 출력전압이 선형 적인 관계를 가지면서 커지는 것을 확인할 수 있었다 .

또한 30

C 까지 상승된 물의 온도를 2.5

C 씩 낮추면서 측정한 결과 , 로핀의 흡광도가 증가함에 따라 출력전압 이 작아지는 것을 볼 수 있었고 , 온도를 높이면서 측정 Fig. 10 . Measurements of the reflective optical intensities

according to the distance between the optical fiber and a mirror.

Fig. 11. Relationships between the temperatures of water and the output signals of PMT according to the wavelengths of various kinds of light sources when reflection type fiber-optic temperature sensor is used.

Fig. 12. Relationships between the temperatures of water and the output voltages of PMT according the temperatures of water variation from 5 to 30

C when reflection type fiber-optic temperature sensor is used.

Fig. 13. Reflection type fiber-optic temperature sensor

using a Y-coupler.

한 결과와 비교해보면 로핀을 사용한 반사형 광섬유 온도센서가 물의 온도에 따라 가역적 성질을 가지는 것을 확인할 수 있었다 .

6. 결 론

본 연구는 지하수의 온도변화를 모니터링 할 수 있 는 광섬유 온도센서 개발을 위한 기초연구로서 , 열변성 물질인 로핀을 광섬유 센서팁 물질로 사용하여

5~30

C 의 물의 온도변화에 따른 광증배관의 출력전압 변화를 측정하였다 . 로핀 필름을 이용하여 온도변화에 따른 로핀의 물질특성을 분석하였고 , 광섬유와 반사체 사이의 거리에 따른 반사광 강도를 측정하여 최적의 거리를 결정하였다 . ^또한 , ^{최적의 센서팁 구성 비율 및}

광원을 결정하였고 , 광섬유 Y- 커플러를 이용하여 프레 넬 반사에 의한 반사광의 출력신호를 측정하였다 .

실험결과 , ^{각 광원의 파장에 따른 물의 온도와 출력}

신호가 선형적인 관계를 가졌고 , 특히 로핀과 에폭시의 질량비율이 10:100 인 센서팁과 530 nm 의 LED 광원이 온도측정에 가장 적합하다는 것을 확인하였다 . ^{본 연구}

결과를 기초로 로핀을 이용한 광섬유 온도센서의 개발 이 가능할 것으로 기대되며 , 앞으로의 연구 방향은 장 거리 실험시 광감쇄 정도에 관한 실험을 수행하고 , ^흐

르는 물을 이용하여 실제의 지하수 상황과 유사한 환 경을 구축한 뒤 원거리 실험을 하는 것이다 .

감사의 글

“ 이 논문은 교육과학기술부의 재원으로 시행하는 한국

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Fig. 14. The temperatures of water and the output voltages

of PMT according the temperatures of water

variation from 5 to 30

C when reflection type

fiber-optic temperature sensor using a Y-coupler

is used.

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조 동 현

• 센서학회지 제17권, 제2호, pp. 19 참조

허 지 연

• 2009년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2009년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 석사과정

• 주관심분야: 의광학, 의료영상, 의료방사 선공학

고 용 권

• 현재 한국원자력연구원

• 고준위폐기물처분연구센터 책임연구원

선공학

장 경 원

• 센서학회지 제17권, 제6호, pp. 397 참조

이 봉 수

• 센서학회지 제16권, 제5호, pp. 331 참조