npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 544-551

Published online July 31, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.544

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Humidity Sensor Based on MoS2-Coated Optical Fiber

Jong-Ju Moon*, Hyeon-Seung Kim, Gwangsik Hong, Young-Min Ko, Min-Ki Kwon, Tae-Jung Ahn

Department of Photonic Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea

Correspondence to:*E-mail: mjj2801@chosun.kr
E-mail: mkkwon@chosun.ac.kr
E-mail: taejung.ahn@chosun.ac.kr

Received: April 21, 2022; Revised: May 27, 2022; Accepted: May 31, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

In this study, a humidity sensor was developed by combining an etched multimode optical fiber with MoS2 nanoparticles. We measured the change in optical properties due to the interaction of MoS2 and H2O molecules. MoS2 was synthesized with Na2MoO4·2H2O and CH3CSNH2 at 200 °C for 24 h. To obtain high sensitivity to humidity, we selected DMF solution as a solvent. Etched optical fiber was downsized to 50 µm, thereby improving the responsivity to humidity. The optical loss of the fiber-optic humidity sensor to human breathing was to 0.5 dB. The response rate was approximately 0.85 s, and the recovery rate was approximately 5.82 s. We confirmed the performance of the sensor for humidity changes from 40 to 80% in a thermo-hygrostat. In addition, we determined that the simultaneous measurement of temperature and humidity is feasible by combining the optical humidity sensor with a fiber Bragg grating.

Keywords: MoS2, Optical fiber sensor, Humidity sensor

본 연구는 MoS2 나노 입자와 식각된 다중모드 광섬유를 결합한 광기반 습도센서에 관한 것이다. MoS2와 H2O 간 상호작용으로 인한 광학적 특성 변화를 측정했다. MoS2는 Na2MoO4·2H2O과 CH3CSNH2을 200 °C 에서 24시간 합성하여 얻었다. 코팅 용액은 MoS2와 디메틸포름아미드(DMF)를 혼합한 직후 사용하였을 때 가장 높은 민감도를 보였다. 다중모드 광섬유의 직경을 약 50 µm까지 식각하여 반응성을 항상시켰다. 이 광기반 습도센서의 호흡에 대한 반응도는 최대 0.5 dB이다. 호흡에 대한 반응 속도는 약 0.85 초였고, 회복 속도는 약 5.82 초였다. 개발된 센서의 습도 변화에 대한 성능 확인을 위해 습도 챔버를 이용한 실험을 진행했다. 센서의 신호 변화는 습도 챔버 내 40 - 80%의 습도 변화를 주어 모니터링했다. 또한 광섬유격자 온도센서와 결합하여 온습도 동시 측정이 가능함을 보였다.

Keywords: 이황화몰리브덴, 광섬유센서, 습도센서

습도(Humidity)는 공기 중에 포함되어있는 수증기의 양 또는 비율을 의미하며, 이것은 크게 상대습도(Relative Humidity)와 절대습도(Absolute Humidity)로 나뉜다. 절대습도는 물의 밀도를 의미하며 증기, 즉 가스의 단위 부피당 수증기 질량을 의미하는 반면에 상대습도는 특정 온도에서 공기의 실제 수증기 압력과 포화 수증기 압력의 비율로 표현된다. 습도는 산업 주요 시설부터 주거 환경까지 많은 부분에 영향을 주고 있다[1]. 수년간 산업 생산환경에 직간접적으로 영향을 주는 습도 측정을 위해 다양한 연구가 시도되어 왔다. 인간의 머리카락과 같은 재료의 확장, 축소를 측정하는 단순한 방식부터, 소형 전자 칩을 이용하거나 최근에는 광섬유 기술을 사용하는 것과 같은 매우 발전된 기술에 이르기까지 그 방법은 다양하다[2].

습도 측정은 다양한 금속재의 부식에 취약한 발전 시설과 같이 경우에 따라서 높은 습도가 치명적으로 작용할 수 있기 때문에, 주기적인 습도 측정은 매우 중요하다. 스마트팜은 최근 농업 관련 분야에서 농산물 생산 효율 향상을 위해 사용되는 시스템을 의미하며, 넓은 영역에서 각 지점에 해당하는 온도, 습도를 측정하고, 온습도 변화에 따라 환경을 제어하는 시스템을 포함한다. 그 외에 습도의 측정은 식품 공정과 저장, 농업, 제약, 생물 의학, SHM, 대기 상태 모니터링[3-8] 등 다양한 산업에서 중요한 요소이다. 광범위한 지역에 습도 분포를 측정해야 하는 스마트팜 시설[9]이나, 정확한 습도 측정 및 제어가 필요한 반도체 공정 시설 등 다양한 산업 환경에서 습도센서의 중요도가 높다고 할 수 있다[10].

습도의 측정 방법은 크게 직접 측정 방식과 간접 측정 방식으로 구분된다. 기존에 널리 쓰인 방법은 정전용량 측정 방식과 저항 센서 방식으로 직접 측정 방식에 속한다. 건습구 습도계는 물이 증발할 때 소모되는 증발열 에너지를 이용한 방식으로 건조한 환경의 온도계와 습한 환경의 온도계를 비교하는 방식으로 습도를 측정한다. 이러한 방식은 습도 변화에 따른 반응 속도가 느려, 실시간으로 습도 모니터링이 필요한 환경이나 정확한 습도 측정이 필요한 환경에서는 부적합하다. 따라서 주로 사용되는 습도센서는 저항성 및 정전용량형 측정 방식을 사용하는 전자식 방식을 사용한다. 이 방식은 간접 측정 방식으로 수분에 의한 흡착으로 소자 표면의 전도도 또는 유전 상수의 변화를 측정하는 원리를 이용한다[11]. 그리하여 비교적 낮은 정확도, 전자파에 대한 영향 등으로 발전시설과 같은 강한 전자기장에 노출되어있는 환경에서는 부적합하여 이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 특히 전자기파에 대한 내성은 의학 분야에서 그 중요성이 두드러진다. 호흡 센서를 통해 호흡 여부를 모니터링 해야하는 중증 환자의 경우 자기공명영상(MRI)시스템 또는 종양학적 치료 중에는 전자식 호흡 센서를 사용할 수 없다. 방사선 또는 높은 전자기장의 영향으로 인해 전자식 호흡 센서의 고장을 유발할 수 있으며, 환자에게 위험을 초래할 수 있다. 이럴 때 광학적 측정 방식이 주로 사용된다. 광섬유 기반 호흡 센서는 환자의 코, 입 등에 가까이 배치함으로써 호흡을 모니터링할 수 있으므로 전자식 호흡 센서의 적절한 대안이 될 수 있다[12]. 앞서 언급된 단점들을 보완하기 위해 차세대 센서 소자로 광섬유 센서가 주목을 받고 있으며, 최근에는 산업 주요 기반시설 구조물에 장기적인 모니터링을 위한 다양한 물리량을 측정하기 위한 광섬유 센서 연구가 진행되고 있다. 주로 광섬유 격자를 활용한 압력 및 온도 센서 분야가 있으며, 최근에는 다양한 물리량을 측정하기 위한 광섬유 센서 연구가 진행되고 있다[13]. 기존에 광섬유센서를 이용해서 습도를 측정하기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 광섬유에 Polymide재료를 코팅해서 습도 흡착에 의한 굴절률 변화를 이용하거나 몰리브덴 디 셀레 나이드(MoSe2)의 수분 흡착에 의한 굴절률 변화, PVA 재료를 광섬유격자와 결합한 광섬유 센서 등이 보고됐다[14-16]. 기존 연구들은 광민감도 낮거나 반응속도가 느린 단점을 가진다. 최근에 에칭 광섬유 구조를 사용한 센서가 개발되었으나 단일모드 기반으로 식각후 10 µm 이하의 직경을 가져서 구조 안정성에 다소 문제가 있다[17]. 본 연구에서는 다중모드광섬유를 이용해 50 µm 직경을 가지도록 에칭 광섬유를 제작하여 수분에 반응하는 나노 소재를 적용한 연구이다. 나노 소재 코팅 면적이 넓어 기존 센서보다 습도 민감도 높고 반응성이 빠른 센서를 개발했다.

이황화몰리브덴(MoS2)은 흑연과 같은 2차원 층상 결정구조를 가진 물질로, 몰리브데늄(Mo)이 두 개의 황 사이에서 Fig. 1과 같은 판상형 격자구조를 가진다[18]. 최근 연구를 통해 MoS2는 밴드갭 천이로 인해 1.3 - 1.9 eV의 밴드갭을 가진 반도체 특성을 보이며 다양한 전기 기반 센서 분야에 활용되고 있다[19]. 또한 MoS2는 반 데르 발스 힘에 의해서 공기중의 물 분자와 같은 극성 분자를 끌어들여 분자 표면에 흡착되는 성질을 가진다[20]. MoS2 표면에 흡착된 H2O 분자는 MoS2의 광학적 성질을 변화시켜 굴절률이 변하게 되는데 이러한 성질을 이용해 습도센서를 개발 및 연구가 진행되고 있다[17,21]. 본 논문에서는 습도에 민감도가 높은 광학적 특성을 가진 MoS2 재료를 개발하고 광섬유 센서 구조에 적용하는 연구를 수행하여 광섬유 기반 습도센서를 개발하였다.

Figure 1. (Color online) Layered molecular structure of MoS2.

본 연구에서 사용된 광섬유는 다중모드 광섬유를 사용하였다. 해당 광섬유의 코어 직경은 약 50 µm이고 클래드 직경은 약 125 µm이다. 광섬유의 민감도 향상을 위해서 식각 과정을 추가하였다. 기존의 연구 자료에 따르면 식각된 클래드 영역의 두께가 얇을수록 굴절률 변화 같은 외부 자극에 높은 민감도를 보였다[21]. 실험에서 다중모드 광섬유의 클래드 영역을 최소한으로 남기기 위해 다양한 조건에서 식각을 진행하였다. 실험은 약 26 °C에서 진행하였으며, 광섬유는 불화수소산(HF)과 DI water를 1:1 비율로 혼합한 용액을 사용하여 식각하였다. 식각 시간에 따른 클래드의 두께 변화는 기존에 연구된 내용을 바탕으로 진행하였다[22]. 해당 연구에서는 진행된 실험에 따르면 농도 100%의 HF 용액과 약 22 °C의 식각 환경에서는 0.867 µm/min 식각 효율을 가졌으며 본 연구에서는 50% 농도의 용액을 사용해, 이를 반영하여 Fig. 2의 (a)와 같이 식각 용액을 광섬유에 떨어뜨려 3시간 30분간 노출했다. 식각 과정 실험실의 기온은 약 26 °C로 유지되었으며, 식각된 광섬유의 두께는 약 50 µm 로 Fig. 2의 (b)와 같이 식각되었으며, 식각된 광섬유의 길이는 약 1 cm였다. 본 연구에서 사용된 MoS2는 Na2MoO4·2H2O 0.363 g, CH3CSNH2 0.33 g을 200 °C에서 24시간 동안 합성을 진행했다. 그 후 DI Water 50 ml와 혼합하여 원심 분리를 통해 MoS2를 합성하였다.

Figure 2. (Color online) (a) MMF being etched into HF solution, (b) SEM image of the etched optical fiber.

식각된 광섬유의 코어위에 MoS2를 증착하기 위해 제작한 MoS2 용액을 디메틸포름아미드(DMF) 용액과 1:10 비율로 혼합하였다. Figure 3(a)와 같이 식각된 광섬유를 패트리 접시에 실리콘으로 고정하고, 혼합된 MoS2와 DMF 용액에 30분간 노출시켰다. DMF용액 안에 MoS2 입자들이 반데르 발스 힘(van der Waals force)[20]에 의해 에칭된 광섬유 표면에 결합되어 건조 과정을 통해 코팅이 된다. 시간이 지남에 따라 DMF 성분은 빠르게 기화되어 사라진다. 최종적으로 MoS2 입자가 식각 광섬유 표면에 달라붙으면서 센서가 제작된다. Figure 3(b)는 제작된 센서의 SEM 이미지이다. Figure 2(b)와 비교하면 식각 광섬유 표면에 MoS2의 작은 입자들이 달라붙어 있는 것을 확인할 수 있다.

Figure 3. (Color online) (a) Etched optical fiber in DMF solution containing MoS2, (b) SEM image of etched optical fiber coated with MoS2 particles.

식각된 광섬유 위에 MoS2의 증착이 잘 되었음을 확인하기 위해 라만 분광법을 이용하여 MoS2의 특성 피크를 분석하였다 [Fig. 4]. 380 nm 의 E2g1 피크와 405 nm의 A1g 로 볼때 3층 정도 두께를 갖는 MoS2 입자가 광섬유 표면에 코팅되었음을 확인할 수 있다. 습도센서의 전체적인 구성도는 Fig. 5과 같다. 습도를 감지하는 방법은 식각 광섬유 습도센서의 센서 부가 공기 중의 H2O 분자와 반 데르 발스 힘으로 인해 인력이 작용하여 MoS2 입자 표면에 흡착되고 동시에 발생하는 MoS2의 광학적 특성 변화로 인한 센서의 출력 광 세기 변화를 모니터링하여 측정하는 방식이다.

Figure 4. Raman spectrum of MoS2 on the etched MMF.

Figure 5. (Color online) Diagram of the etched optical fiber based humidity sensor coated with MoS2.

MoS2가 코팅된 식각 광섬유의 출력 광 세기는 약 -15.137 dB의 손실률을 가진다. 호흡 활동에서 발생하는 공기는 60 - 100%에 가까운 습도를 가진다. 광섬유 센서의 호흡에 대한 노출은 습도 변화에 대한 반응을 간접적으로 확인할 수 있는 실험 방식이다. 호흡 실험을 진행하는 방식은 2초간 숨을 들이마신 후, 날숨을 쉬어 2초간 광섬유 센서에 노출시켰다. 센서와의 거리는 약 15 cm를 유지하였으며, 실험 환경에서 온도는 약 19 °C, 습도는 31%의 환경을 유지하며 진행하였다.

Figure 6은 식각된 광섬유의 호흡에 대한 출력 광 세기를 측정한 그래프이다. 기본 출력 광 세기를 기준으로 호흡 시 약 0.05 dB의 광 출력 세기가 증가하였다. 실험 당시 실제 광섬유의 온도는 기온과 비교하면 좀 더 낮은 상태로서 호흡으로 인한 열 발생이 광섬유 코어의 굴절률을 높이고 이것은 광섬유 모드 직경을 줄여 광결합 효율을 높여 광세기가 다소 높아진 것으로 보인다. 광섬유의 자체 손실률이 감소하면서 제작된 센서의 출력 광 세기가 증가하는 결과로 이어졌다. 다음으로 MoS2를 코팅한 후 광섬유 센서의 호흡에 대한 반응을 실험하여 측정하였다. 실험방법은 기존에 식각 광섬유를 통한 호흡 반응 실험과 동일하게 진행되었으며, 실험 당시 기온과 습도는 동일하였다. 실험 결과는 Fig. 7의 그래프와 같이 나타났다. 호흡 시 광섬유 센서의 출력 광 세기는 최대 -0.5 dB 정도의 손실을 보였으며 코팅 전 호흡 시 출력 광 세기가 상승하던 반응과는 상반된 결과가 보였다. 이것은 호흡에 포함된 수분이 MoS2에 흡착되어 밴드갭 변화에 의해 흡수율이 높아져서 입력된 빛의 세기를 급격히 줄이게 된 것이다. 호흡에 대해 광 세기 변화의 반응 속도는 약 0.85 초였으며, 반응 후 다시 본래 광 세기로 회복하는데 걸리는 시간은 최종 회복 신호 대비 90% 회복된 지점을 고려할 때 약 5.82 초였다. 호흡 실험에서 호흡하는 시간, 세기, 센서와의 간격에 따라서 매우 다른 반응도를 보였다. 해당 실험을 통해 호흡에 의한 MoS2의 광학적 특성이 변화하여 광섬유 센서의 출력 광 세기가 영향을 받은 것을 확인했다. 하지만 인간의 호흡에는 높은 습도뿐만 아니라, 다양한 성분의 기체, 바람에 의한 압력 등 다양한 물리량 변화가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 온습도 제어 챔버를 통해 제한된 환경에서 온도와 습도의 변화만을 통해 MoS2 습도센서의 습도 변화에 대한 반응 측정 실험을 진행하였다.

Figure 6. Response to breathing of uncoated etched optical fibers.

Figure 7. Response to breathing of the etched optical fiber coated with MoS2.

제작된 MoS2 기반 식각 광섬유 센서의 습도 변화에 대한 반응을 확인하기 위해 온습도 제어 챔버(SE-600-6-6, Thermotron)를 이용한 실험을 진행했다. 온습도 제어 챔버 실험을 통해 외부 환경 변인을 최대한 통제한 후 습도, 온도 변화를 주어 그에 따른 광학적 특성 변화를 확인했다. 실험에 사용된 광원은 기존 실험에 사용된 광대역광원을 사용하였으며, 입력 광 세기는 10 mW로 설정하였다. Figure 8는 온습도 제어 챔버를 이용한 개략적인 실험 구성도를 보여준다. 습도 변화에 따른 반응 실험의 경우 온도를 40 °C으로 고정하여 습도를 40%에서 80%까지 제어하였으며 5% 단위로 5분간 상태를 유지하여 안정화한 후 측정을 진행하였다. 실험에 사용된 챔버는 습도 제어 능력의 한계로 인해 습도 제어 시 ± 2.5%의 오차가 발생했다. 온도 변화에 따른 반응 실험의 경우 온도를 25 °C에서 80 °C까지 변화를 주어 실험을 진행하였다. 제작된 센서는 챔버 내부 중앙에 위치하여 진행하였다.

Figure 8. (Color online) Experimental setup of temperature and humidity response test for the fiber-optic sensor.

실험 결과는 센서의 출력 광 세기 변화 흐름이 챔버의 내부 습도 변화에 따라서 변화하는 것을 확인하였다. Figure 10은 실험 결과를 나타낸 그래프이다. Figure 9(a)는 제작된 센서의 출력 광 세기 분포를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. Figure 9(b)는 습도 챔버 자체에서 측정된 습도 챔버 내부의 습도 변화를 나타낸다. Figure 9(c)는 습도 챔버 자체에서 측정된 습도 챔버 내부의 온도 변화를 나타낸다. 해당 실험에서 습도가 80%일 때 광 세기를 기준으로 습도가 40%로 낮아졌을 때 광 세기가 최대 0.126 dB까지 상승하는 것을 확인하였다. 습도 챔버의 습도 제어 능력이 한계로 인해 일부 습도 변화 구간에서 급격한 습도 변화를 일으키는 현상이 발생했다. 제작된 습도센서의 경우 그러한 습도 챔버의 습도 변화에도 출력 광 세기가 같은 습도 변화 경향을 보임으로써 높은 반응 속도를 보였다. Figure 10Fig. 9의 실험 결과를 가지고 습도 챔버 내부 습도 변화에 따른 MoS2 식각 광섬유 습도센서의 출력 광 세기 분포 그래프를 나타낸다. 습도가 상승할 때 광섬유 센서의 출력 광 세기 변화와 습도가 하강할 때 출력 광 세기 변화를 비교하였다. 결과에 따르면 출력 광 세기의 변화량이 낮은 습도의 습도 변화 구간에 비해서 높은 습도의 습도 변화 구간에서 더 높은 변화율을 보였다. 해당 결과에서도 높은 습도에 대해서 출력 광 세기 변화율이 더 높은 것으로 보인다. 습도가 상승할 때와 하강할 때는 동일한 광 세기를 가져, 제작된 MoS2 식각 광섬유 습도센서는 습도 변화에 대해 가역적인 반응을 보이는 것으로 확인되었다.

Figure 9. (Color online) Humidty response of the etched fiber-optic humidity sensor, (a) MoS2 RH sensor, (b) conventional RH sensor, and (c) temperature fixed at 40 °C.

Figure 10. (Color online) Optical intensity change according to the humidity for the etching optical fiber humidity sensor.

제작된 센서의 습도를 측정하는 방식은 절대습도 측정 방식이다. 하지만 대부분의 습도센서는 상대습도를 측정하고 표기하는 방식을 따른다. 기존에 주로 사용된 정전용량 및 전기 저항 측정 방식의 습도센서 또한 절대습도 측정 방식이다. 하지만 자체적으로 내장된 온도 센서를 이용하여 온도를 측정하고, 측정된 온도 데이터를 가지고 상대습도를 계산하는 방식으로 상대습도를 측정한다. 따라서 본 연구에서는 광섬유 기반 시스템에서 온도 센서로 주로 사용되는 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating: FBG)를 사용하여 온도와 습도를 동시에 측정 가능한 시스템을 제안한다. 사용된 FBG는 중심 파장 1550 nm이다. 제안하는 시스템은 Fig. 11와 같이 구성하였다. 사용된 광원으로 1550 nm 중심파장을 가지고 100 nm 대역폭을 가진 광대역광원을 사용하였다. 광섬유격자에서 반사된 1550 nm 파장의 빛은 광서큘레이터를 통해 Optical Spectrum Analyer(OSA, MS9780A, Anritsu)로 파장과 손실율을 분석한다. 실험 구조에 따르면 MoS2 습도센서를 통과한 광 신호는 습도 센서로 인하여 출력 광 세기에 변화가 발생한다. 그 후 측정 환경의 온도에 따라, FBG에 의해서 특정 파장에서 반사가 일어난다. 반사된 광 신호는 MoS2 습도 센서를 다시 한번 경험하게 되는데, 이 과정에서 습도센서의 반응도가 증폭되는 결과를 가져온다. 온, 습도 측정 시스템을 실험하기 위해 먼저 FBG의 온도 변화에 따른 중심 파장을 측정하기 위해 온습도 챔버를 이용하여 25 °C에서 60 °C까지 온도를 조절하여 스펙트럼을 측정하였다. 측정된 결과를 통해 추후 습도 제어 실험에서 측정된 스펙트럼의 중심 파장에 따라서 측정 환경에서의 온도를 계산할 수 있다.

Figure 11. (Color online) Experimental setup of temperature and humidity sensor in combination with FBG.

Figure 12에서 선형 피팅 후 기울기를 계산하여 실험 결과 사용된 FBG는 25 °C에서 60 °C까지 0.01299 nm/°C로 변화하는 것을 알 수 있다. 다음으로 Fig. 11와 같은 구성으로 온도, 습도 변화에 대한 반응 실험을 진행했다. 측정 방식은 OSA를 통해 스펙트럼을 측정했다. 온도 변화는 설정하지 않았으며, 이를 통해서 습도 변화에 따라서 일정하게 챔버의 온도가 변화하게 된다. 습도는 30% RH에서 90% RH까지 변화하여 측정하였다. 습도 변화 측정 결과 30% RH에서 90% RH까지 비선형적으로 출력 광 세기가 감소하였다 [Fig. 13]. 측정된 결과는 낮은 습도 구간에서 더 높은 변화율을 보였다. 측정된 광 세기는 FBG를 통해 반사된 광신호 스펙트럼의 광 세기가 가장 높은 지점을 기준으로 하였다. 기존의 MoS2 코팅된 식각 광섬유의 출력 광 신호 세기를 측정한 결과와 반응성이 다른 이유는 광섬유를 통해 전달되는 신호의 파장에 따라 습도 변화에 대한 손실률 변화량이 다르기 때문이다.

Figure 12. (Color online) (a) Center wavelength shift of the FBG according to the temperature, (b) center wavelength vs. temperature.

Figure 13. (Color online) (a) Spectrum change with humidity variation of the fiber optic humidity sensor in combination with the FBG, (b) FBG peak intensity vs. relative humidity.

습도 챔버의 온도 변화를 통한 내부 습도 변화를 측정하였다. 온도는 25 °C에서 60 °C까지 5 °C씩 온도를 상승하여 각 온도 구간에서 5분씩 안정화 후 측정되었다. 온도 변화 측정 결과로는 25 °C부터 60 °C까지 중심 파장이 선형적으로 변화하였으며, 그에 따른 습도 변화량도 확인할 수 있다 [Fig. 14].

Figure 14. (Color online) Center wavelength shift and optical intensity variation according to temperature change of optical fiber humidity sensor in the chamber.

본 연구에서는 기존에 선행된 다양한 습도센서에서 재현성, 민감도, 반응 속도를 개선하기 위한 연구를 진행하였으며, 습도에 반응하는 재료로서, 주변 H2O 분자의 농도에 따라서 굴절률이 변화하는 MoS2가 사용되었다. 광섬유를 HF 용액에 식각하여 제작한 식각 광섬유를 이용한 습도센서를 구현하였다. 호흡 반응 실험 결과 식각 광섬유는 약 0.85 초의 반응 시간을 보였으며 0.5 dB의 민감도를 보였다. 온습도 제어 챔버를 통한 실험의 경우 온도를 40 °C로 고정하고 습도를 30%에서 90%까지 변화하며 측정하였다. 온습도 제어 챔버 실험의 경우 식각 광섬유는 습도 변화에 따라 비선형적으로 출력 광 세기가 변화하였으며 높은 습도 환경에서 높은 광 손실률을 보였다. 또한 개발된 습도센서와 기존 FBG 온도 센서를 결합하여 온습도를 동시에 측정이 가능한 것을 실험적으로 확인하였다[23].

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (No. 2020R1F1A105837 및 2016R1D1A1B01013847).

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