자성유체에 나노홀이 침투된 광결정섬유 기반의 빠르고 민감한 자기장 센서

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9672(2022) 이 기사 인용

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폴리에틸렌 글리콜 기반 자성유체가 침투된 나노 크기의 공기 구멍이 있는 광결정 섬유를 활용하여 빠른 응답 시간(0.1초)의 자기장 센서가 시연되었습니다. 유체 내 자성 나노입자 농도가 자기광학 센서 성능에 미치는 영향과 다양한 자기장 부하에 따른 의존성을 자세히 조사했습니다. 특히, 센서 반응은 좋은 적합도(R\(\ge\)0.996)를 갖는 Langevin 함수를 사용하여 분석적으로 모델링되었습니다. 20가우스만큼 낮은 임계값 감지 지점이 기록되었으며 광 전송 측정을 통해 0-350가우스의 감지 범위가 입증되었습니다. 실험 결과는 침투된 섬유 센서의 주요 유도 모드에 대한 유한 요소법 시뮬레이션을 통해 공급되는 도파관 광 전송 모델을 사용하여 이론에 의해 검증되었습니다. 간단한 심문 방식, 높은 감도 및 빠른 응답 시간으로 인해 제안된 하이브리드 광섬유 자기 유체 프로브는 새로운 생화학 감지 응용 분야를 위한 유망한 플랫폼이 되었습니다.

사물 인터넷, 웨어러블 센서 및 맞춤형 의료의 출현으로 사용자와 인공지능 존재에게 생체 감지 및 환경 모니터링을 제공하기 위한 작고 안정적인 센서에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 다양한 종류의 광섬유 기반 센서 중 자성유체가 침투된 특수 광섬유가 최근 고감도, 소형 자기장 센서 개발에 대한 관심을 끌고 있다. 자기장 센서는 전류 측정, 야금, 전력 산업, 생물 의학 탐지, 석유 및 가스 탐사, 항공 산업1,2,3에서 광범위하게 사용되었습니다. 가장 일반적인 방법은 자기 트랜지스터, 자기 저항, 플럭스게이트 또는 홀 효과를 사용하여 자기장4,5,6을 감지하고 측정합니다. 이러한 센서는 전력 소비, 제한된 다중화, 비용, 소형화 및 원격 모니터링 기능과 관련된 몇 가지 단점을 나타냅니다. 또한 주변 전기장 소스는 전자기 간섭을 통해 전자 회로에 소음을 발생시키기 쉽습니다7.

기존 센서와 비교하여 광섬유 기반 자기장 센서는 소형 크기, 전자기 간섭에 대한 내성, 원격 모니터링 및 광 네트워크 방식을 통한 다중화 기능, 높은 신뢰성 및 감도와 같은 유망한 주요 이점을 제공합니다. 지난 40년 동안 보고된 초기 광섬유 자기장 센서는 마하-젠더 간섭계와 함께 자기 변형 재료를 사용했지만 다른 방식은 빛의 편광 상태에 대한 변화를 활용했습니다8,9,10,11.

한편, 나노기술의 성장과 나노입자로 기능화된 액체의 출현으로 소위 자성유체(MF)의 새로운 응용이 감지 분야에서 연구되고 있습니다. MF는 일반적으로 액체 담체 내의 현탁액에 계면활성제로 코팅된 단일 도메인 자성 나노입자(MNP)로 구성된 액체이며, 자기 민감성, 다분산성 및 쌍극자 상호 작용을 포함한 공학적 물리화학적 특성을 갖습니다. 사용자 정의 가능한 자기 광학 특성으로 인해 MF는 광 격자12, 광 스위치13, 변조기14, 커플러15 및 자기장 센서16포함한 다양한 광자 장치에 적용되었습니다.

MF 내부의 MNP의 미세 구조 분포에 기인하는 자기장 의존 굴절률(RI)17,18을 나타내는 능력은 많은 감지 응용 분야에서 사용되는 핵심 매개변수입니다. 따라서 MF와 결합된 다양한 광섬유 구성이 자기장 센서로서 잘 연구되었습니다. 이들은 세 가지 다른 구성으로 사용할 수 있습니다. 처음에는 광섬유 단면의 끝면에 있는 MF 박막 형태, 에칭/테이퍼형 섬유의 클래딩(중간 부분), 마지막으로 내부 충전재로 사용할 수 있습니다. 섬유. 첫 번째 구성의 경우 광섬유 섹션 내에 MF를 통합하는 여러 Fabry-Pérot 기반 센서가 보고되었습니다. 이 기술은 열팽창에 대한 민감성과 정확한 캐비티 치수를 계산하고 제작하는 복잡한 프로세스로 인해 어려움을 겪습니다. 이러한 문제는 에칭된 테이퍼형 섬유에서 해결되었지만 이러한 얇은 섬유는 낮은 기계적 강도로 인해 매우 취약합니다. 마지막으로, 섬유 내부에 MF를 주입함으로써 원래의 미세 구조적 특징이 보존될 뿐만 아니라 전체 섬유가 감도를 향상시키는 확장된 상호 작용 영역을 제공합니다. 본 연구에서는 MF가 침투된 나노미터 크기의 공기 구멍이 있는 특수 광결정 섬유(PCF)를 제시합니다. 다양한 농도의 MF에 대해 민감도, 임계값 및 포화점, 응답/복구 시간을 포함한 센서 성능을 자세히 연구했습니다. 이 작업은 다음과 같이 구성됩니다. "제조 프로세스 및 작동 원리" 섹션에서는 PCF 침투 프로세스 및 감지 원리를 설명합니다. "결과 및 토론" 섹션에서는 센서 반응에서 MF 농도의 영향에 대한 실험적 조사가 고려됩니다. 또한 출력 전력에 대한 수치 시뮬레이션을 수행한 후 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교했습니다. 작은 크기와 빠른 응답/복구 시간 등의 특징을 갖춘 제안된 기능성 센서는 미래의 생화학 및 산업 감지에 응용될 수 있습니다.