광반응 재료가 코팅된 단주기격자 기반 자외선센서의 민감도 향상 연구

Abstract

자외선 센서는 환경 분야에서의 오존층 감시와 군사 분야의 미사일 탐지, 핵발전소, 위폐감지, 자동차 분야 등에서 많이 사용되고 있다[1]. 특히 최근 들어 자외선 발광다이오드가 활발히 연구 되면서 자외선에 대한 응용이 많이 늘어나고 있다[2]. 하지만 이런 고출력 자외선 발생기의 발전에 비해 자외선을 감지하는 장치의 발전은 부족하다. 또한 현재 사용되고 있는 전기적 신호의 자외선 감지기는 고온과 고 출력 전압으로 인한 전기적인 간섭에서는 자외선 감지가 어렵다. 최근 들어 분진폭발에 의한 화재로 인명, 재산피해가 많아지고 있다. 온도감지 화재센서보다 빠른 민감도를 보이는 자외선 광센서는 소방분야에서 불꽃 감지기(Flame detector)로 더욱 효과적이다. 더불어 최근에 초고압 송전을 위한 코로나 발전기의 방전에서 방출되는 자외선을 측정하여 발전기의 성능을 간접적으로 측정하는 기술이 연구되고 있다[3]. 이러한 고출력 발전기로부터 발생되는 자외선을 측정하기 위해서는 기존의 자외선 광검출기를 주로 이용하지만, 이 방법은 전기적인 간섭에 의해 신호잡음이 증가되어 센서 자체를 발전기 가까이 가져가지 못한다. 이러한 이유로 전기적 간섭을 없는 광섬유소자를 이용한 광센서를 통한 자외선 감지가 필수적으로 대두되었다. 이처럼 자외선 감지기에 대한 응용과 시장이 계속적으로 증가하는데 비하여 작은 자외선에도 민감하게 반응하는 감지기의 개발이 미흡한 실정이다. 현재 사용되고 있는 자외선 감지기는 대부분 반도체 기반의 광센서이다. 본 연구실에서 최근에 자외선에 의해 화학적 반응을 일으켜 부피와 길이의 변화를 일으키는 아조벤젠 폴리머를 광섬유 단주기격자(Fiber Bragg grating)에 코팅하여 새로운 형태의 자외선센서를 제안하였다[4-5]. 그 원리는 아조벤젠 코팅된 FBG에 자외선이 노출될 경우 아조벤젠의 이성화로 인하여 재료의 부피 및 길이가 변화하고, 이로 인해 FBG에 장력(strain force)으로 인한 격자주기가 변화된다. 이로 인해 FBG의 중심파장이 장파장으로 이동하게 되고, 이 파장의 이동량을 측정함으로써 노출된 자외선을 측정하게 되는 원리이다. 이 자외선 센서는 창의적인 기술이지만 실제 현장에서 사용하기에는 한계점이 있었다. 자외선의 세기에 대한 반응도가 낮아서 미세한 자외선을 측정하기 어렵다. 본 연구에서는 아조벤젠 코팅된 FBG 자외선센서의 광민감도를 높이는 기술을 제안하였으며, 연구 결과 뛰어난 성과를 도출하게 되었다. 광민감도를 높이기 위해 FBG에서 클래드(Cladd)를 일부 불산(hydrofluoric acid)으로 식각하여 직경이 작은 FBG를 제작하였다. 일반적으로 FBG의 직경이 작을수록 광섬유격자의 환경에 대한 민감도가 증가하게 되는 것으로 알려져 있다. 실험을 위해 직경이 서로 다른 5개( 60 ㎛, 70 ㎛, 83 ㎛, 101 ㎛, 125 ㎛)의 FBG를 제작하여 아조벤젠을 FBG 주위에 코팅한 후 자외선에 대한 민감도를 측정하였다. 제안된 FBG 자외선센서는 직경이 작아질수록 자외선에 대한 민감도가 높아짐을 확인하였다. FBG를 식각했음에는 자외선에 세기에 대한 중심파장변화가 선형으로 나타났으나, 그 기울기는 80 ㎛ 직경부터 급격하게 증가되는 것을 확인하였다. 이것은 적어도 80 ㎛ 이상 식각을 해야 광민감도 개선이 됨을 의미한다. 또한 원기둥렌즈 (Cylindrical lens)를 통해 자외선이 아조벤젠이 코팅된 식각 FBG에 집속을 시키고 이에 따른 반응도의 차이를 실험하였고 렌즈와 센서모듈간의 거리차이에 따른 반응도 실험을 하였다. 더불어 모듈화를 위한 실험을 통해 온도보상에 관한 실험을 하여 자외선에 대한 민감도 향상과 세기에 따른 반응도를 확인함으로써 자외선 센서의 가능성에 대해서 논의하였다.