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[광섬유 계측기술의 최전선 ①] 광섬유 센서의 특징과 적용분야
2016년 2월 1일 (월) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2016년 2월호 - 전체 보기 )

[광섬유 계측기술의 최전선 ①]
광섬유 센서의 특징과 적용분야


2009년에 노벨상을 수상한 K.C.Kao는 유리의 불순물을 제거함으로써 저손실 광전송로의 실현 가능성을 시사했다. 지금으로부터 50년 전쯤의 일이다. 그 후 석영계 유리섬유를 대상으로 한 연구개발이 공격적으로 추진되어 그 우위가 확정되었다. 일본에서는 30년 전 무렵 공중 통신망에 실용 광섬유가 도입되었는데 이 시기에 전송손실이 낮고 기계적·화학적으로도 안정적인 광파이버를 계측에 이용하는 연구가 시작되었다. 본 특집에서는 광섬유를 응용한 계측기술(이하, 광섬유 센서[Optical Fiber Sensing])의 원리와 현황에 대해 보고한다.

 
광섬유 센서의 원리와 방식
광섬유 센서가 가지는 많은 특징과 그를 활용한 광섬유 센서의 주요 이용형태를 [표 1]에 나타냈다.


광섬유 내의 산란광을 이용하는 것
광섬유에 빛을 전파시키면 산란광이 발생한다. 산란광에는 광섬유의 위치 및 광섬유가 환경으로부터 받은 영향 등의 정보가 포함되어 있기 때문에 이를 해석함으로써 여러 가지 물리 정보를 얻을 수 있다. 광섬유의 산란 중 레일리 산란은 입사광과 같은 파장의 산란을 말하며, 탄성 산란이라고도 불린다. 이를 측정하면 광섬유에 생긴 굴절 등에 의한 전송손실변화를 관측할 수 있다. 
이 밖에 입사광과 다른 파장인 비탄성 산란이라고 하는 산란광도 발생한다. 유리 분자가 가지는 광학적 포논과 결합한 산란을 라만 산란이라고 부르는데 그 관측을 통해 유리의 열적 진동, 즉 온도에 관한 정보를 얻을 수 있다. 또 음향적 포논과 결합한 산란을 브릴루앙 산란이라고 부르는데, 여기서는 섬유 유리에 생긴 변형 및 온도 정보를 얻을 수 있다.
이러한 산란광 계측을 통해 광섬유의 길이 방향 분포계측이 가능하다. [그림 1]에 그 개념도를 나타냈다.


광섬유를 전파하는 광파의 성상변화를 관측하는 것

대표적인 예로 광섬유 자이로가 있다. [그림 2]에 보이는 바와 같이 코일상의 광섬유에 1개의 광원으로부터 분기된 2개의 광파를 좌우 양 방향으로 각각 입사시키면 코일의 회전에 비례하여 광파 간에 위상차가 생긴다. 사냑효과(Sagnac effect)라고 불리는 이 현상을 이용하여 광섬유 자이로를 구성할 수 있다.
이 밖에 광섬유 내 빛의 전파방향으로 자기장(磁界)을 걸면 패러데이 효과에 의해 전파광의 편파(偏波, polarized wave)가 회전한다.

광섬유를 광간섭계의 광로로 이용하는 것
광도파로(光導波路, optical waveguide)로서의 광섬유는 유연하게 굴절이 가능하기 때문에 이를 광간섭계의 광로(光路)로 이용하면 측정대상물에 자유로이 접근하여 계측할 수 있다. [그림 3]의 OCT(광 간섭성 단층촬영기술, optical coherence tomography)에서는 생체조직의 상태를 깊이방향으로 관측하는 작업이 실시되고 있다.


광섬유 센서에서의 특수 광섬유 및섬유형 광부품의 활용

(1) 앞서 설명한 광섬유 자이로와 같이 빛의 간섭을 이용한 계측에서는 광섬유 내의 편파(偏波)를 유지한 측정이 실시되는 경우가 많다. 자주 이용되는 편파 유지 파이버로 PANDA 파이버가 있다.([그림 4] 참조)
(2) 패러데이 효과를 이용하는 자계 센서에서는 베르데 상수가 큰 납유리 파이버가 사용된다.
(3) 광섬유 격자(Fiber Grating)는 광섬유에 강한 자외선을 가하고 광굴절 효과(photorefractive effect)에 의해 길이 방향으로 주기적인 굴절률 변화를 줌으로써 형성된다. [그림 5]에 보이는 바와 같이 광섬유 격자에 교란을 주면 반사특성 및 투과특성 등이 변화하므로 센서로서 이용 가능하다.
(4) 광섬유는 유전체 도파로(誘電體導波路, dielectric waveguide)이기 때문에 코어뿐만 아니라, 클래드 안에서 빛 에너지가 새어 나오고 있다. 클래드 두께가 얇은 광섬유를 제작하여 가스 및 액체와 접촉시키면 빛의 전파상태가 변화한다. 이를 통해 물리적, 화학적 계측이 가능하다.
(5) 기타 센서에서는 광섬유 끝에 온도, 압력, 화학물질 등에 민감한 미세구조를 형성함으로써 포인트 계측형(point measuring)의 광섬유 센서로 동작시키고 있다.


광섬유 센서의 적용 예
[표 2]에 각종 광섬유 센서의 구체적인 적용 예를 나타냈다. 연구개발 단계의 것도 다수 포함되어 있으며, △토목건축 △항공우주 △바이오(생명공학) △기계 △화학 △에너지 △플랜트 △의료 △환경 △보안 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.

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태그 : 광섬유 계측 기술 최전선 센서 광섬유 센서 특징 적용 분야
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