광섬유 센서 기술


김병윤


광섬유 센서의 원리 및 구성

광섬유는 굵기가 약 100 Ռm 정도의 석영유리로 만들어져 있는데, 광섬유 속으로 들어간 빛은 밖으로 빠져 나오지 않고 빛의 전반사 원리에 의거해서 광섬유를 따라 진행한다. 1970년대 초반부터 본격적으로 개발되어 지금은 널리 알려진 광섬유는, 전송 손실이 매우 적고 (100 km 전송시 1 % 투과), 주파수 대역폭이 넓어 전자 신호 대신 빛을 이용한 광통신에 이용되어 통신기술에 혁신을 가져왔으며 사회 전반에 걸쳐 폭넓은 변화를 일으키고 있다. 길을 지나다 유심히 보면 광케이블 설치 표시가 되어있는 것을 자주 볼 수 있는데, 이제 그만큼 우리 생활에 밀접하게 다가와 있는 것을 실감할 수 있다. 이 글의 주제가 되는 광섬유 센서는 광통신만큼 잘 알려져 있지 않지만 광섬유의 중요한 활용 분야이다.

센서 응용의 경우 광섬유는 측정할 물리량이 있는 곳에 손쉽게 빛을 전달하는 역할뿐 아니라, 광섬유를 구성하고 있는 유리를 매개로 빛과 측정하고자 하는 외부신호 사이에 상호작용을 일으키게 하는 역할을 한다. 광섬유가 단순히 빛의 전달 경로 역할만 하는 경우도 많이 있는데 이들도 광섬유 센서로 분류하는 것이 상례이다. 대부분의 광섬유 센서에서는 광섬유에 가해지는 외부 물리량의 변화(신호)에 의해 광섬유 속을 진행하는 빛에 유도되는 여러 가지 특성 변화를 측정하게 되는데, 외부에서 가해지는 신호에는 온도, 압력, 전기장, 자기장, 회전, 화학물질의 농도, 기계적인 움직임 등 거의 모든 종류의 물리량들이 포함된다. 이러한 신호들에 의해 변화되는 빛의 성질에는 세기, 위상, 편광, 파장 등이 있으며, 이들의 미세 변화를 측정할 수 있는 여러 가지 방법들이 동원된다. 좀 더 구체적으로 빛의 성질을 변화시키는 물리적 현상의 예로는 굴절률 변화(온도, 압력, 인장력, 화학물질의 농도 등), 편광 상태의 변화(전기장, 자기장, 압력 등), 파장에 따른 광손실의 변화(화학물질의 농도, 구부림 등) 등으로부터 상대론적 위상변화 (Sagnac 효과로 회전각속도에 의해 유도됨), 비선형 현상(라만 산란, 브릴루앙 산란, Kerr 효과 등)들까지 다양하다. 이와 같은 여러 가지 빛의 특성 변화를 읽어, 우리가 원하는 외부 물리량의 변화를 측정하는 것이 광섬유 센서의 기본 원리이다.

광섬유 센서의 기본 구조는 광원, 광섬유, 감지부, 광검출기 및 신호처리로 되어있다(그림 1 참조). 광원으로는 작고 빛의 세기가 큰 반도체 레이저가 주로 쓰이고 있으며, 파장은 가시광부터 적외선까지 용도에 따라 선택하여 쓴다. 근래에는 희토류가 첨가된 광섬유 레이저 사용도 늘어나고 있으며, 파장 선폭이 매우 넓거나 매우 좁은 광원이 요구되는 경우도 많아 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 광섬유의 경우, 광통신용과 달리 그 용도에 따라 특수한 복굴절 특성, 또는 특이한 구조 등을 갖는 광섬유 등이 요구됨에 따라 편광 유지 광섬유, 복굴절 제거된 광섬유, 타원 또는 사각형 형태의 광섬유 등 특수 광섬유들과, 이들을 사용한 여러 광섬유 소자들이 개발되어 있다. 감지부는 외부 물리량과 광섬유 또는 빛이 상호작용을 일으키는 부분으로, 물리량의 종류에 따라 그 구조도 또한 다양하며 흔히 여러 가지 형태의 광섬유 간섭계가 사용되고 있다. 광검출기는 광원과 마찬가지로 화합물 반도체가 사용되고 있으며, 신호처리는 변화되는 빛의 특성에 따라 빛의 세기 측정, 간섭계에서의 위상변화측정, 빛의 파장변화측정 등을 위한 광학적/전기적 선호처리기가 개발되어 사용되고 있다. 이외에도 센서의 감도를 향상시키기 위해 측정하고자 하는 물리량을 빛의 특성 변화로 쉽게 유도해 낼 수 있는 트랜스듀서(Transducer)가 많이 사용되고 있다.


광섬유 센서의 특징

광섬유 센서가 다른 센서들에 비해 갖는 장점들은 전자소자 대신에 빛을 이용해 측정한다는 사실과, 이 측정신호의 전달 역시 빛으로 하고 있는데서 기인한다. 우선 전기가 통하는 전도체가 포함되어 있지 않으므로 주변의 여러 장치에서 발생할 수 있는 전자파 장애에 의한 잡음이 없고, 전기적인 접지, 누전, 감전 등의 염려가 없다. 크기가 작고 가벼우며, 거의 모든 종류의 물리량 측정에 이용할 수 있다. 특히 파장이 매우 짧은 빛을 기준으로 측정하게 되어 매우 높은 감도를 보장하고 있다. 뿐만 아니라 통신의 경우와 마찬가지로 광손실이 적고 정보전송 대역폭이 넓어 많은 수의 센서를 광섬유 한가닥에 연결하여 동시에 측정할 수 있는 배열형 센서가 가능하며, 수십 km 떨어진 거리에서도 원격측정을 할 수 있고, 위치에 따른 물리량의 분포를 측정하는 분포계측이 가능하다. 이러한 특징들과 함께 언급해야 될 점은, 광섬유 센서를 이용하면 기존의 기술로는 센서의 동작이 불가능한 환경에서도 사용할 수 있다는 점이다. 예를 들면 전자파 장애가 많은 환경(발전소, 변전소, 전기용접 등이 이루어지는 공장 등), 전자레인지 내부, 환자 혈액의 실시간 모니터링, 고온 다습 고압력의 환경, 폭발위험이 있는 환경 등이 있는 곳에 광섬유 센서는 특별한 어려움 없이 사용될 수 있다. 이러한 장점들을 바탕으로 광섬유 센서는 지난 20여 년 간 꾸준히 발전해 왔으며, 지금은 주로 군사용, 산업용, 그리고 의료용을 중심으로 그 사용이 비약적으로 늘어나고 있고, 앞으로 방대한 시장을 형성할 뿐 아니라 다른 산업에의 파급 효과도 매우 클 것으로 기대되고 있다. 다음으로는 대표적인 광섬유 센서들 중 몇 가지에 대해 좀더 자세히 살펴보기로 하자.

광섬유 회전 센서(광섬유 자이로스코프)

광섬유 센서의 중요한 분야 중 하나가 바로 광섬유 자이로스코프이다. 자이로스코프는 물체의 회전을 측정하는 장치로서, 비행기의 관성 항법장치 등에 사용되는 중요한 센서이다. 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프, 고리형 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 등이 있다.

광섬유 자이로스코프는 기본적으로 광원과 광섬유를 원형으로 감아놓은 광섬유 코일(회전 감지부)로 구성되어 있다(그림 2 참조). 광원에서 나온 빛은 방향성 결합기를 지난 후 두 개의 빛으로 나뉘어서 광섬유 코일을 지나게 된다. 서로 반대 방향으로 광섬유 코일을 지난 두 빛은 다시 방향성 결합기에서 만나서 간섭한다. 자이로스코프가 정지 상태에 있는 경우, 두 빛은 광섬유 코일을 지나는 동안 똑같은 위상 변화를 경험하므로, 방향성 결합기에서 보강 간섭하고, 광검출기의 출력은 최대가 된다. 반면, 자이로스코프가 회전하고 있는 경우, Sagnac 효과에 의하여 두 빛 사이에는 회전량에 비례하는 위상차가 발생하고, 광검출기의 출력이 변화된다. 그러므로 광검출기의 출력 세기 변화를 측정함으로써 회전량을 검출할 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 다른 형태의 자이로스코프에 비하여 가격, 안정도, 내구성, 빠른 기동 시간 등에서 큰 이점을 가지고 있다. 최근의 광섬유 자이로스코프는 100년에 한바퀴 회전하는 정도의 아주 느린 회전량도 측정할 수 있을 만큼 정밀한 측정이 가능하다.

자이로스코프의 응용분야로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로 콤파스 등으로 매우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구되는 정밀도와 안정도가 다르다. 자동차용 항법장치에 사용되는 광섬유 자이로스코프는 그다지 큰 정밀도나 안정도가 요구되지 않기 때문에 최근 들어 응용이 활발한 편이며, 상품이 이미 실용화되었다(그림 3 참조). 또한 방위각을 측정할 수 있는 자이로 콤파스도 이미 상품으로 나오고 있으며, 잠수함이나 장거리 비행체 등에 사용할 높은 정밀도와 안정도를 갖는 광섬유 자이로스코프도 속속 개발되고 있다. 이렇게 정밀도가 높은 광섬유 자이로스코프로 만들기 위하여 광섬유 자이로스코프에 들어가는 여러 가지 광학 부품도 많이 연구되고 있으며, 위상차를 정밀하게 측정할 수 있는 신호처리 기법들도 연구되고 있다. 최근에는 광섬유 레이저를 이용한 광섬유 레이저 자이로스코프가 새로이 연구되고 있다.


분포계측/배열형 센서

앞에서 언급한 바와 같이, 광섬유 센서의 큰 장점 중 한가지는 긴 길이의 광섬유를 감지부를 이용하여 동시에 여러 위치에서 물리량을 측정하는 분포계측이 가능하다는 것이다. 간단한 예를 들면, 수십 km의 광섬유를 도로에 매설한 후 짧은 광펄스를 입사시키고, 압력에 따른 역산란광의 특성 변화를 광검출기로 측정하면, 교통량 등을 감지할 수 있다. 이와 같이 하나의 광원과 광검출기만으로 광섬유가 놓인 위치에 따른 물리량의 변화를 측정하는 것을 분포계측(distributed sensing)이라 한다. 여러 위치별 물리량 변화를 구분하여 측정하기 위해서는 멀티플랙싱(multiplexing) 기법을 도입해야 하는데, 위에서는 광펄스를 사용하는 시간분할방식(time-domain multiplexing)을 예로 들었다. 이외에도 파장분할방식(wavelength-division multiplexing), 주파수분할방식(frequency division multiplexing) 등이 있다. 또한, 측정하는 물리량에는 음파, 온도, 인장 등이 있는데, 이에 대하여 다음과 같이 자세히 알아보도록 하자.

1. 광섬유 음향 센서 및 배열형 센서

광섬유로 음파를 탐지하기 위해서는 주로 마이켈슨이나 마하젠더 광섬유 간섭계를 감지부로 사용한다. 그림 5(a)는 마하젠더 간섭계를 나타낸다. 이 간섭계는 두 개의 결합기로 구성된 것으로, 첫 번째 결합기에 의해 나누어진 빛은 각기 다른 광섬유를 지난 뒤 다시 두 번째 결합기에서 만나 간섭하게 된다. 그림 5(a)와 같이 이 간섭계의 한쪽 광섬유에 음파가 도달하면, 그 압력에 의하여 광섬유의 굴절률과 길이가 변하게 된다. 이로 인하여 두 광섬유 사이의 광경로차가 변하게 되어 간섭계의 출력이 변하게 된다. 따라서 간섭계의 출력 변화를 통하여 음파의 세기와 파형을 측정할 수 있다.

배열형 음향 센서(그림 5(b) 참조)는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 간섭계를 부착하여 구성된다. 위치별 음파 신호를 구분하는 방법으로는 주로 시간분할방식이 사용된다. 이 센서의 응용 분야로는 바다속에 위치한 잠수함의 위치 감지, 해저 지형 분석, 석유원 탐사 등이 있다.

2. 광섬유 브래그 격자 배열형 센서

광섬유 브래그 격자 배열형 센서는, 한가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 길이에 따라 새긴 후, 주변 온도나 인장 강도에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 저마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 쪼여주면, 저마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.

광섬유 브래그 격자 배열형 센서에는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장분할방식이라 하는데, 이 방법에서는 광원의 한정된 선폭에 의하여 동시에 측정할 수 있는 격자의 개수에 제약을 받는다. 측정할 수 있는 격자의 개수를 증가시키기 위한 방법으로 파장분할방식과 시간분할방식을 병행하기도 한다.

브래그격자 센서 어레이의 가장 큰 응용으로는 구조물의 상태를 진단하는 smart structure가 있다. 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 안 등에 광섬유 격자 어레이를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하여 구조물의 안전상태를 진단할 수 있다. 항공기나 헬리콥터 등의 날개 상태 진단 등에도 응용되고 있다.

3. 브릴루앙 온도/인장 분포계측센서

브릴루앙 센서는 광섬유에 세기가 큰 빛이 진행할 때, 실리카 유리안에 존재하는 음향 진동파(acoustic phonon)에 의하여 이 세기가 큰 빛(펌프광)이 브릴루앙 산란에 의하여 반사되는 현상을 이용한 센서로서, 이때 반사된 빛의 중심 파장이 주변 온도나 인장에 따라 달라지는 성질을 이용한 것이다. 이때 브릴루앙 산란광의 주파수는 펌프광에 비하여 음향 진동파의 주파수만큼 낮은 것으로, 주변 온도 변화나 인장 강도 변화 등에 따라서 브릴루앙 산란광의 중심 주파수가 변화된다. 따라서 산란광의 중심 주파수 변화를 측정함으로써 온도나 인장 강도를 측정하는 원리이다. 참고로 온도 변화에 의한 산란광 중심 주파수의 변화는 약 1 MHz/oC, 인장에 의한 변화는 약 0.5 MHz/microstrain으로 상당히 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

브릴루앙 분포 계측 센서에서 광섬유 각 위치별 온도나 인장 강도 변화를 구분하여 측정하기 위한 방법으로는 시간분할방식이 일반적으로 사용된다. 높은 세기의 광펄스를 입사시킨 후, 반사되는 빛의 스펙트럼을 시간에 대한 함수로 측정함으로써 광섬유 위치에 따른 온도나 인장 강도의 변화를 측정할 수 있다.

이 센서는 각종 토목 구조물의 안전 진단에 활용된다. 특히 광통신용 광선로의 구부림, 인장 강도, 온도 등을 측정하는데 응용되는데, 이 경우 총 길이 10 km의 광섬유를 이용하여 10 m 이내의 공간분해능으로 1도 이하의 온도 분포계측이 가능하다.

맺 음 말

광섬유 센서는 여러 가지 장점으로 많은 응용 분야에서 그 활용도가 급속히 늘어나고 있으며, 다가오는 정보화 시대에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 우리 나라에서도 이 분야에 대한 연구 노력이 증가하고 있어 다행으로 여긴다. 이 광섬유 센서 분야는 광통신 분야와 함께 시너지 효과를 크게 얻을 수 있으므로 많은 관심이 요구된다.

Key Words


센서기술의 동향과 FET형 마이크로 센서

(손병기)

센서기술

엑추에이터

스마트 센서

FET형 마이크로 센서

센서기술의 진화 과정

지능형 영상센서

광섬유 센서 기술(김병윤)

광섬유(Optical fiber)

광섬유센서

복굴절

광섬유 간섭계

배열형 센서

광섬유 회전센서(광섬유 자이로스코프)

자이로스코프

배열형 음향센서

광섬유 브래그 격자 배열형 센서

파장 분할 방식

브릴루앙센서

브릴루앙 분포계측 센서

실리콘 가속도 센서(이종현,심준환)

가속도 센서

실리콘 가속도 센서

변환 소자

모노리틱(Monolithic) 가속도 센서

EPROM

압저항형 실리콘 가속도 센서

용량형 가속도 센서

CMOS

가스센서와 센서어레이(이덕동)

가스센서

센서어레이

적외선 흡수법

반도체법

반도체 가스센서

접촉 연소법

전자코 시스템

센서응용기술(홍승홍)

센서

센서소자

센서응용시스템

능동센서

수동센서

엑츄에이터

원격계측

계측시스템

무구속 계측시스템

안전과 재해방지 시스템

김병윤 교수는 미국 Stanford대학에서 이학박사학위를 취득하였고, KIST 연구원, Stanford 대학 조교수를 거쳐 현재 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수로 재직 중이다. (yoonkim@sorak.kaist.ac.kr)