기존의 전자계형 전류센서 단점 극복할 신기술 기대
 

광주과기원(GIST, 원장▪선우중호) 한원택 교수 연구팀이 기존의 전류센서 단점을 극복하여 부가가치가 높고 범용성을 갖는 전류 센싱용 특수 광섬유 개발에 성공하여 최근 세계적 광기술분야 전문 잡지인 ‘레이저 포커스 월드(Laser Focus World)’에 Newsbreaks로 기사화 되는 등 국제학계의 관심을 받고 있다.

GIST 정보통신공학과 한원택 교수팀(Pramod R. Watekar 연구교수, 주성민 박사과정 학생)은 솔루션 도핑공정을 통하여 화합물 반도체인 카드뮬 셀레나이드(CdSe)가 나노크기의 양자점(Quantum dot)으로 함유된 광섬유 모재(Preform)를 제작, MCVD(광섬유 제조를 위한 모재를 만드는 장비, Modified Chemical Vapor Deposition) 공정과 DT(MCVD 공정을 통해 제작된 모재를 광섬유로 인출하는 장비, Drawing Tower) 공정을 통해  CdSe 양자점이 함유된 특수 광섬유의 개발에 성공하였으며, 이를 이용한 광섬유형 전류센서 프로브를 세계최초로 개발하였다.

전 세계적으로 센서시장이 급속도로 발전함에 따라 기존 센서의 문제점을 극복할 새로운 센서기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

특히 하이브리드형 및 수소 연료형 친환경 자동차가 부각됨에 따라 발전기 및 컨버터 등의 전류 변환 장치의 안정성을 높이기 위한 전류 센서의 필요성이 부각되고 있으며, 신재생 에너지인 태양광, 풍력, 지열 등을 활용한 대규모 친환경 발전소와 변전소, 그리고 원자력 발전소 등과 같은 대규모 설비의 고압, 고전류를 측정, 감시하는 전류센서에 대한 수요가 급격하게 증가하고 있다.

이번에 개발된 CdSe 양자점이 함유된 특수 광섬유를 이용한 광섬유 전류 센서 기술은 전자계 전류센서와 같은 기존의 전류 센서들이 갖고 있던 문제점인 측정범위의 한계, 외부 환경 의존도, 헌팅현상, 대형화 장비의 측정 한계, 설치 및 시운전의 어려움 등을 해결함과 동시에 뛰어난 전류 센싱 능력을 보이는 차세대 전류 센서로 각광받고 있는 기술이다.  

한 교수팀은 이번 연구에서 광섬유의 Faraday 효과를 극대화시키기 위하여 나노크기의 CdSe 양자점을 광섬유 코어 속에 함유시켜 Verdet constant가 높은 특수 광섬유를 개발하였고, 전자기장에 의한 편광 회전 변화를 높여 전류센서의 민감도를 높였다.

이러한 고민감도 광섬유 전류 센서를 이용한 광섬유형 전류센서의 개발은 홈네트워킹 및 유무선  모니터링 시스템과 연계가 가능하여 다가올 유비쿼터스 시대의 거대한 센서시장에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대되고 있다.
 
한 교수팀의 연구결과는 최근 ‘레이저 포커스 월드(Laser Focus world)’  온라인판에 기사화됐다.

*기사 정보: (Quantum dots double performance of current-sensing fiber)
http://www.laserfocusworld.com:80/display_article/358125/12/none/none/NBrea/Quantum-dots-double-performance-of-current-sensing-fiber

*논문 정보:
Pramod R. Watekar, Hoyoung Yang, Seongmin Ju, Won-Taek Han, "CdSe Quantum Dots Doped Optical Fiber as a Remote Current Sensor," OFC/NFOEC-2009, March 22-26, San Diego, USA, OThU3, pp. 1-3, 2009.

이 연구는 광주과학기술원의 Top Brand Project인 Photonics 2020, GIST BK-21(IT), 그리고 부산대학교 국가핵심연구 센터(NCRC)의 연구비 지원으로 수행되었다.

※ 연구 내용 및 사진 설명

 광섬유형 전류 센서는 기존의 전자계 전류 센서의 문제점인 측정범위, 전류용량의 한계, 외부 환경 의존도, 헌팅현상, 대형화의 문제점 등을 극복할 새로운 센서기술로 각광받고 있다.

본 연구에서 개발한 CdSe 양자점이 함유된 특수 광섬유(CdSe Qds-doped fiber)는 광섬유를 통과하는 선형 편광된 빛이 자계와 평행한 방향으로 진행할 때 선형 편광의 각도가 자계의 크기에 비례하여 변화하게 되는 Faraday 효과를 이용한 것으로 광섬유를 측정 대상에 감아서 전류를 검출하는 방식을 쓴다.

기존 센서가 갖는 측정 대상의 규모 및 장거리 전송의 한계를 극복할 수 있으며, 기존의 광 네트워크 인프라를 활용할 수 있어 제어 및 감시 시스템의 고도화에 기여할 수 있다.

또한 CdSe 양자점이 함유된 특수 광섬유를 이용한 광섬유형 전류 센서는 우수한 정밀도 및 신뢰성 구현이 가능하며, 설치 및 시운전이 수 시간 내에 완료되는 설치 및 운용의 간편함과 시스템을 단순화 할 수 있는 장점이 있으며, 복잡한 자기장 분포 및 인접한 환경에 흐르는 강한 전류의 영향을 받지 않아 측정 대상의 고전압, 고전류 측정에서도 안정적인 특성을 보인다.

이와 함께 전류 리플(Ripple) 및 과전류 상태 시에도 빠른 응답 특성을 갖고 있으며, 사용상의 전력 소비량이 적고, 작은 크기로 설치 및 사용상의 한계가 적어 그 활용 폭이 넓다.

또한, 디지털 신호를 처리함으로써 전류 센싱 후 전력조정기에 보내는 신호의 디지털화로 기존의 아날로그 신호를 통해 전력조정기에 전달되는 신호 개선으로 기존 전자계 전류센서의 문제점 중 하나였던 전력조정기의 헌팅(Hunting)현상을 제거할 수 있다.

이러한 광섬유형 전류 센서 장점으로 현재 센서 프로브의 소형화가 요구되는 하이브리드 및 수소 연료 전지 자동차, 그리고 대형화가 요구되는 태양광 발전소, 변전소 및 원자력 발전소 등에서 활용가능하기 때문에 사업의 다변화가 가능하며, 원천 기술 확보를 통한 신기술 사업의 선도적인 위치를 선점할 수 있을 것으로 예상한다.

(사진 및 용어설명 첨부)

Won-Taek Han, a professor of the department of Information and communication at GIST, and Pramod R. Watekar as a research professor , and his Ph. D student Seongmin Ju, Hoyoung Yang, presented a paper of " CdSe Quantum Dots Doped Optical Fiber as a Remote Current Sensor" in the OFC/NFOEC 2009, held in San Diego 2009.

Recently, Laser Focus World announced the Professor Han"s research work in the newbreaks of the April issue entitled "Quantum dots double performance of current-sensing fiber" .

The following is the summary of the paper:

Because rare-earth-doped glasses exhibit a large Faraday (or magneto-optical) effect, polarization and birefringence effects within these glasses can be directly correlated to magnetic-field strength, and correspondingly, used to sense electric current.

Although single-mode fibers offer a more compact, less expensive alternative to bulk-glass current sensors that require precise alignment and a large number of optical components, the Faraday effect is much reduced, making these devices less sensitive.

But by incorporating  nanometer sized cadmium selenide (CdSe) quantum dots in the core of a standard single-mode fiber, researchers at the Gwangju Institute of Science and Technology (Gwangju, South Korea) were able to fabricate optical fibers with improved current-sensing capability.

A core of an alumino-germano-silica glass fiber preform was doubly doped with a toluene solution containing CdSe quantum dots.

The fiber preform was drawn into a CdSe quantum dots doped fiber with a diameter of 125 µm at 2000°C; the average CdSe quantum dot size was 5 nm at an estimated concentration of (2.2 × 1024)/m3.

After a 10 mW 632 nm He-Ne laser source was launched into the 100 m of the twisted fiber, coiled on a 15 cm drum under magnetic field, the Faraday rotation angle as a function of current was found to show that sensitivity of the CdSe quantum dots doped fiber increased twice compared to the conventional single mode fiber for current sensor application.

<2009.6.9 뉴시스,연합뉴스

 2009.6.10 한국경제,전자신문,메디컬투데이,광주매일,

           무등일보,광주일보,광남일보 게재>