가스센서란? VOCs Gas sensor using Side polished Optical Fiber

가스센서란?

가스센서는 화학센서의 일종으로서 인간이 갖고 있는 오감 중 후각의 불완전성을 보완하고 그 기능을 확장시키는 고성능 인조감각기관의 하나입니다. 공기는 인간이 살아가기 위한 필수적인 요소이며 우리의 삶에 없어서는 안 되는 기본적인 요소입니다. 따라서 개발된 많은 센서들 중 가스센서는 매우 중요한 센서 중 하나라고 생각하며 가스센서의 종류에는 반도체, 전도성 폴리머, 하이브리드화 재료 등을 사용한 센서들이 있습니다. 이 중에서 광섬유를 이용한 가스센서에 대해 소개합니다.

휘발성유기화합물 가스? (Volatile Organic Compounds(VOCs))

급속한 산업 발달로 인해 대기오염문제가 증가하고 있으며 특히 자동차 및 산업현장에서 배출되는 배출가스나 가정에서 사용되는 희석제, 세척제 및 페인트 등과 같은 유기용매에서 발생되는 휘발성 유기화합물은 대기오염의 주요 원인입니다. 최근 들어 환경성 질환인 알레르기, 새집증후군 등이 우리 주변에서 많이 증가하고 있는데 이는 휘발성 유기 화합물이 인체에 축적됨으로써 발생하는 것으로, 휘발성유기화합물은 발암물질 및 환경성 질환의 원인으로 알려져 정부에 의한 규제와 민원의 대상이 되고 있습니다. 이러한 휘발성 유기화합물의 종류는 40여 가지가 있습니다. (butanol, Toluene, Benzene, Methanol, Dimethylamine, Chloroform, Ethanol, Acetic acie, DMF,,.)

Solvatochromism (R-Dye)

가스센서의 센싱 원리인 솔바토크로미즘인 용매변색성 다이라고 일컬어지는 물질인 R-Dye를 사용하여 VOC 가스를 센싱 해보았습니다. Reichardt's Dye는 그림과 같이 벤젠고리의 형태를 가지며 이는 극성을 가지는 용매 용제와 반응할 때 색 변화를 가지게 됩니다. 이는 negative type이며 negative type는 파장영역에서 극성을 가지는 물질과 반응하면 blue shift(장파장)를 합니다. 용매변색 특성은 하나의 물질을 다른 용매에 용해한 후 이에 대해 변색 및 흡수, 방출 파장이 변화하는 현상이며, 이러한 현상은 일반적으로 UV/Visible 분석기를 이용해서 확인할 수 있으며 흡수 파장이 왼쪽으로 이동하는 경우 용매의 극성이 음성으로 정의되고 흡수파장이 오른쪽으로 이동하는 경우 용매의 극성은 양성으로 정의됩니다. 

 

Reichardt's betaine

Side-polished optical fiber

Side-polished optical fiber는 측면 연마된 광섬유입니다. 측면 연마된 광섬유와 용매변색성 폴리머 도파로 결합기는 소산장 결합에 의해 위상조건을 만족할 때 특정파장에서 광결합이 일어나게 되고 가스 반응에 따라 용매변색성 폴리머 평면도파로의 굴절률 변화로 인해 광결합 파장 혹은 특정 파장에서의 강도변화를 검출하는 것을 원리로 합니다. 광섬유 평면도파로 결합기 구조를 가지게 되고 측면이 코어 가까이 연마된 단일모드 광섬유 위에 다중모드를 가지는 폴리며 평면도파로 층이 형성되면 두 광경로 사이에 소산장 결합이 형성되고 광에너지 교환이 발생하게 됩니다. 

가장 최적의 결합은 광섬유 모드와 평면 도파로의 도파모드 사이에 위상정합 조건을 만족할 때 발생되며, 위상정합조건을 만족하는 파장에서 광섬유 모드는 평면도파로 모드에 에너지를 전달하게 되며 광섬유 출력단에서 특정한 파장의 소멸로 나타나게 됩니다. 즉 광섬유는 소산파의 흡수나 형광원리에 기반하는데 광섬유의 코어를 따라서 가이딩 되는 빛이 코어와 클래딩 접면에서 전반사되는 곳에 양자효과에 의하여 굴절률이 낮은 클래딩에 소산파를 남기게 됩니다. 광섬유 평면도파로 결합기가 광결합을 일으키기 위해서는 광섬유의 유효굴절률과 평면도파로의 유효굴절률이 일치해야 합니다. 이러한 특성을 가지는 광섬유 평면도파로 결합기와 용매변색성 다이가 분산된 폴리머를 이용하여 센서에 적용하였으며 가스반응에 의해 공진 파장의 이동을 검출하는 것을 원리로 센싱 합니다.

 

Structure of the fiber to planar waveguide coupler

Side polished optical fiber device process

광섬유의 측면을 연마하는 방법은 쿼츠나 실리콘 등의 연마지지대를 이용하거나 광섬유 자체를 식각용액을 사용해서 화학적 반응을 통해 식각 하는 방법들이 논문에 소개되고 있습니다. 실리콘 웨이퍼를 이용한 연마지지대는 정확한 곡률을 유지할 수 있지만 공정시간이 길어지고 , 연마하는 과정에서 생기는 실리콘 웨이퍼의 입자가 광섬유 표면에 좋지 않은 영향을 주는 단점이 있으며 화학적 반응을 통해 식각 하는 방법은 연마깊이를 제어하기 힘들기 때문에 이러한 단점을 보완하기 위해 쿼츠 블록을 이용한 연마지지대를 사용하여 제작해 보았습니다. 일정한 크기의 쿼츠블록에 일정한 곡률을 갖도록 V홈을 형성하고 광섬유를 에폭시 수지로 접착한 후 연마가루를 이용하여 광섬유의 측면을 연마하였습니다. 곡률반경은 25cm로 유지하고 연마패드를 동시에 사용하여 제작하였습니다. 연마가루만 사용하면 연마된 면은 비교적 고른 편이지만 시간이 오래 걸리며 연마패드만 사용할 경우 표면이 거칠어 평면 도파로막을 형성시키기에 용이하지 않아서 동시에 이러한 점을 절충하여 사용하였습니다.

실제 소자 사진

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휘발성 유기화합물 가스 반응특성을 평가하기 전에 감지막으로 사용된 용액의 용매변색 특성을 확인하고자 R-dye와 PVP가 용해된 DMAC용액을 휘발성 유기화합물 용액과 혼합한 후 색상반응을 평가해 보았습니다. R-dye는 다양한 휘발성 유기화합물의 종류에 따라 각각의 광학적 반응을 가지는 것을 볼 수 있습니다.

가스 측정 시스템

White light source를 이용하여 400~1200nm 영역의 광을 조사하고 air 상태에서의 reference 공진파장을 측정한 뒤 VOCs 가스를 주입하여 도파로의 굴절률 변화로 인한 공진파장의 이동을 측정분석하여 VOCs 가스의 반응 특성을 확인하였습니다. MFC와 MFM으로 구성된 가스 유량제어 시스템을 구성하여 측정하였습니다. N2가스 분위기에서 소자의 공진파장을 먼저 측정하고 가스 유량제어 시스템을 이용하여 일정량의 가스를 반응시킨 후 가스 반응에 의한 공진파장의 변화는 소자 출력단에 Optical spectrum analyzer(OSA)를 연결하여 측정합니다. 

가스 측정 시스템 모식도

가스 감도 특성

가스와 반응했을 때 모두 공명파장이 이동하는 특성을 보였으며, 가스별 공명 파장이동을 측정하였습니다. 가스의 농도를 1 ppb부터 10 ppb 농도로 1 ppb씩 변화시키면서 공명파장의 이동을 확인하였으며 적색편이하는 특성을 확인하였습니다.

가스 반응 특성

참고문헌

• A vertically coupled polymer optical waveguide switch, optics communication, vol 244, pp 153, 2005
• Side-polished fibers, Applied optics, vol 31, pp 3438, 1992
• 광기능성 폴리머 도파로형 자외선 센서의 제작 및 특성, 센서학회지, 15권, 4호, pp 231, 2006
• Solvatochromic dyes as Solvent Polarity Indicators, Chemical reviews, 94, pp 2319, 1994
• 휘발성유기화합물질(VOC)관리 정책, 대한상공회의소, 산업환경문제연구회, 1999