광섬유 브래그 격자(FBG)는 기존의 전기 및 기계적 센서에 대한 대안으로 가혹한 환경에서 높은 정확성, 작은 크기, 전자기 간섭(EMI) 내성, 방폭 성능 등의 장점을 가지고 있다. FBG의 방사선 영향에 대한 연구결과에 따르면 방사선에 대한 내성을 가지고 있으며, 원자로나 우주 환경에서 온도 센서로 적합한 특성을 가지고 있다고 보고되고 있다[1-4].

FBG는 식 (1)의 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특성을 갖는다.

식 (1)에서의 λ_B는 Bragg 파장, n_eff는 유효 굴절률, Λ은 격자 사이의 간격을 나타낸다. 식 (1)에 온도 변수(T)를 적용하면 식 (2)의 방정식을 얻을 수 있다.

λB(T0): 기준온도(T0)에서의 Bragg 파장 α0 : 온도 감도(temperature sensitivity)

일반적으로 T=T₀일 때 파장 1,550 nm에서 FBG의 온도 감도계수(α₀ = dλ/λT)는 10 pm/℃ 정도이다[5]. FBG 온도 센서를 방사선 환경에 적용하기위해서는 방사선에 의해서 변화되는 λ_B(T₀)의 범위와 온도 감도계수에 대한 방사선 의존성을 고려해야한다. FBG의 방사선 민감도는 광섬유의 화학적 조성과 격자 제조기술에 따라서 큰 영향을 받는다. 따라서 FBG 센서가 방사선 환경에 노출되면 브래그 파장(λ_B) 의 이동현상과 온도 감도 계수(α₀)의 변화가 일어나며 센서 계측의 신뢰성이 떨이지게 된다[6-9].

FBG 센서에 사용되는 광섬유는 게르마늄(Ge)이 첨가된 일반적인 통신용 광섬유와 게르마늄과 붕소(B)가 함께 첨가된 광민감 광섬유 등이 많이 사용되고 있으며, 광섬유의 조성에 따라서 FBG의 방사선 민감도도 다양한 특성을 보인다.

국외 연구문헌[2]에 따르면 광섬유 코어에 GeO₂ 함럄이 증가할수록 방사선에 대한 민감도가 상승하는 것으로 보고되고 있다.

광섬유 격자 제조 시 레이저 세기, 수소로딩, 격자를 새긴 후의 어닐링 조건도 방사선 민감도에 영향을 미친다[8]. 또한 동일한 광섬유로 제조하더라도 공정 조건에 따라서 방사선에 의한 브래그 파장의 변화가 최대 10배 이상 큰 차이를 보인다.

FBG는 일반적인 수소로딩을 포함한 UV KrF 레이저를 이용한 FBG 제작방법(Type I), 수소로딩이 필요 없는 광민감 광섬유를 이용한 제조방법(Type IIa), 펨토초(femtosecond) 레이저를 이용한 격자 제조방법(Type II)[10] 등으로 제작 할 수 있으며, 최근에는 광섬유를 인출하면서 격자를 새기는 Draw Tower Gratings(DTGs) 제조방법도 연구되고 있다[2, 9].

본 논문에서는 광민감 광섬유와 일반 단일모드 광섬유로 제작된 광섬유 브래그 격자 센서의 방사선 조사에 의한 브래그 파장 이동(Bragg wavelength shift, BWS)과 온도 감도 계수 변화를 측정하여 방사선 민감도에 대한 영향을 분석하였다.

FBG 센서를 제작하기위해서 통신용으로 사용되는 단일모드 광섬유(SMF-28e, Corning)와 FBG 센서 제작에 많이 광민감 광섬유(PS1250/1500, Fibercore)를 선정하였으며, 주요 특성은 표 1과 같다.

선정된 광섬유의 코어와 클래딩의 주요 조성은 EPMA 장비를 이용한 정량 분석을 통하여 분석하였다. 일반 단일모드 광섬유(SMF)의 코어에 첨가된 도펀트는 게르마늄의 함량이 가장 높은 것으로 나타났고, 극소량의 인(P)이 함유되어 있었다. 또한 클래딩 영역은 첨가된 도펀트가 없는 것으로 분석되었다.

광민감 광섬유(PSF)의 코어에 첨가된 도펀트는 광민감도 향상과 관련하여 게르마늄이 일반 단일모드 광섬유 보다 약 3배 정도 많았으며, 게르마늄 함량을 높이기 위해 소량의 붕소가 함께 함유되어 있었다. 광 손실 특성은 일반 단일모드 광섬유가 광민감 광섬유 보다 훨씬 낮은 손실을 보였다.

FBG 센서 제작 시 제조공정 중 수소로딩을 제외한 나머지 공정 조건(레이저 세기, 레이저 조사횟수, 브래그 파장)은 거의 동일하게 설정하였다. 광섬유 종류에 따라서 FBG 센서는 각각 3개의 샘플을 제작하였으며 제작된 FBG의 주요 특성은 표 2와 같다. 온도 감도 계수는 온도 챔버를 이용하여 30℃ ~ 50℃ 범위에서 10℃간격으로 온도를 상승시켜서 파장의 평균변화량을 측정한 것이며, 식 2에 따라 제작된 FBG 센서의 온도상승에 따른 파장변화량은 선형적인 값을 나타내었다.

일반 단일모드 광섬유는 광민감도를 향상시키기 위해서 압력 100 atm, 온도 30℃ 조건에서 10일 동안 수소로딩 공정을 거쳤고, 광민감 광섬유는 수소로딩 공정을 수행하지 않았다. 수소로딩 공정 후 UV KrF excimer 레이저를 이용하여 격자를 새겼으며, 레이저의 조사주기는 10 Hz, 레이저 파장 248 nm, 조사시간은 50초로 설정하였다. 일반 단일모드 광섬유(SMF)는 격자 공정 후에는 100℃에서 24시간동안 수소 제거 공정(outiffusion)을 수행한 후 아크릴레이트(acry- late)로 재 코팅 하였다.

FBG 센서의 감마선 조사에 따른 측정시스템은 그림 1에 나타낸 것과 같이 각 테스트 샘플에 대한 반사파장 측정을 위한 단주기격자와 방사선 실험 환경을 고려해서 누적선량에 따라 테스트시료의 광파워 손실과 파장 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 구성하였다. 측정 장비는 FBG 센서의 파장 특성을 정확히 측정할수 있는 Optical Sensing Interrogator(OSI, sm-125) 장비를 사용하였다. SM-125의 파장 정밀도는 1 pm 이내이며, 측정 허용범위는 최대 50 dB이다. 계측장비는 이더넷으로 연결하여 측정된 데이터를 매 5초 간격으로 저장하였다. 각 FBG 센서는 조사대에 고정하여 동일한 선량(위치)에 설치하였고, 콘크리트 벽으로 차폐된 곳에서 접속 손실을 최소화 하기위해서 광섬유와 FBG 센서를 융착 접속(splicing)하였다.

또한 방사선 선원은 첨단방사선연구소의 Co⁶⁰ 감마선원을 이용하였다. 방사선 조사조건은 총 누적선량 17.8 kGy, 선량률은 300 Gy/min으로 하였으며, 실내 온도는 방사선 조사에 의해서 27.8 ℃에서 31.5 ℃까지 상승하였다. 방사선 조사 중에 온도 상승에 대한 브래그 파장의 변화값은 FBG 주변에 설치된 온도 센서(써머커플: K type)를 통하여 온도 변화량을 온도를 5초 간격으로 측정한 후 각 FBG 센서의 온도감도 계수를 이용하여 보정하였다.

방사선 조사 종료 후에는 방사선에 의한 온도 감도계수 변화를 측정하기위해서 72시간 상온에서 어닐링 과정을 거쳤다. 어닐링 과정 후 온도 챔버에 넣어서 온도를 일정한 간격으로 변화시켜서 그에 따른 BWS 변화를 측정한 후 온도 감도 계수를 계산하였다.

그림 2는 게르마늄이 첨가된 일반 광섬유와 게르마늄과 붕소가 함께 첨가된 광민감 광섬유로 제작된 FBG센서의 BWS 특성을 나타낸다.

17.8 kGy 방사선에 조사된 후 BWS 변화는 광섬유의 종류에 따라서 크게 차이를 보였다. 일반 광섬유로 제작된 FBG는 최소 약 30 pm에서 36 pm까지 변화를 보였고, 광민감 광섬유로 제작된 FBG는 최소 약 18pm에서 20pm 정도의 변화를 보였고, 광민감 광섬유로 제작한 FBG가 약 2배정도 낮은 BWS 특성을 보였다. 이것은 광민감 광섬유는 별도의 수소로딩 공정을 수행하지 않아서 수산화기 결합(OH-bonds)이 적게 생성되었고, 그로인해 방사선에 의한 수산화기의 분해 현상(radiolysis)도 적게 나타나서 격자의 방사선 민감도를 상대적으로 낮게 해준 것으로 판단된다.

또한, [2]의 연구결과에서 광섬유 코어의 GeO₂ 함량이 증가할수록 방사선 민감도(BWS 변화)가 상승하는 것으로 보고되었지만, 일반 광섬유보다 GeO₂ 함량이 약 3배정도 많이 함유된 광민감 광섬유가 오히려 낮은 방사선 민감도를 나타낸 것은 수소로딩 공정에 의한 광섬유 내부의 수산화기 결합이 광섬유 코어의 GeO₂ 함량 보다 센서의 BWS 특성에 훨씬 큰 영향을 준 것으로 보인다.

표 3은 방사선 조사 전과 조사 종료 후 72시간 상온에서 어닐링 과정을 수행한 후 방사선에 의한 온도 감도 계수(α₀)를 측정한 것이다. 방사선에 의한 FBG 센서의 온도 감도 계수 변화율은 일반 광섬유로 제작한 FBG가 평균 약 14 %, 광민감 광섬유로 제작한 FBG는 약 15 % 정도 상승하여 광섬유 종류에 따른 큰 차이는 보이지 않았다.

FBG의 온도 감도 계수의 상승 요인은 크게 2가지 원인에 기인한 것으로 판단된다. 우선, 광섬유 내부의 수산화기 결합 및 광섬유 코어의 GeO₂에 방사선을 조사하면 방사선 분해 현상이 일어나며, 이를 통해서 방사선 민감도가 상승 할 수 있다. 또한 FBG 공정 시 격자의 아크릴레이트로 재 코팅된 부분이 방사선에 노출되면서 취화 및 부풀림 현상발생 할 수 있으며 FBG 내부에 물리적인 응력이 전달되어 기존 온도변화에 의한 브래그 파장 변화량을 증가 시킬 수 있다 [11].

본 연구에서는 일반 단일모드 광섬유와 광민감 광섬유를 이용하여 FBG 센서를 제작하였으며, 방사선에 의한 브래그 파장과 온도 감도계수 변화에 대한 실험을 수행하였다. 수소로딩 공정을 수행하지 않은 광민감 광섬유로 제작한 FBG 센서가 일반 광섬유로 제작된 FBG센서에 비해서 최대 약 2배정도 낮은 BWS 특성을 보였으며, 수소로딩 공정과 FBG의 방사선 민감도는 밀접한 관련성이 있었다. 특히, FBG 센서의 방사선 민감도를 향상시키는 원인은 광섬유 내부 조성(GeO₂ 함량) 보다는 수소로딩 공정이 훨씬 큰 영향을 줄 수 있는 것으로 확인되었다. FBG의 온도 감도 계수는 방사선 조사 후 어닐링 과정을 거치더라도 방사선 조사 전과 비교하여 평균 14% 이상 증가하는 것으로 나타났으며, 광섬유 종류에 따라서는 큰 차이를 보이지 않았다. 온도 감도 계수 상승 요인은 광섬유 내부의 수산화기 결합 및 GeO₂의 방사선 분해 현상과 광섬유 브래그 격자의 재 코팅된 부분이 방사선에 의한 취화 및 부풀림 현상이 일어나서 영향을 준 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 원자력, 항공, 우주, 의료 등 다양한 방사선 환경에서 FBG 센서를 적용할 경우 광민감 광섬유를 이용하거나 일반 단일모드 광섬유의 수소로딩 기간을 최적화하여 방사선 민감도가 낮은 FBG를 사용하는 것이 센서의 정밀도를 향상시킬 수 방법이라고 판단되며, 추가적으로 FBG 공정 시에 광섬유 재 코팅 재료의 방사선 영향에 대한 연구도 필요할 것으로 분석된다.