This paper presents a new type of optical silicon accelerometer using deep reactive ion etching (DRIE) and micro-stereolithography technology. Optical silicon accelerometer is based on a mass suspended by four vertical beams. A vertical shutter at the end of the mass can only moves along the sensing axis in the optical path between two single-mode optical fibers. The shutter modulates intensity of light from a laser diode reaching a photo detector. With the DRIE technique for (100) silicon, it is possible to etch a vertical shutter and beam. This ensures low sensitivity to accelerations that are not along the sensing axis. The microstructure for sensor packaging and optical fiber fixing was fabricated using micro stereolithography technology. Designed sensors are two types and each resonant frequency is about 15 kHz and 5 kHz.

주5일제 정착, 소득의 향상, 연안지역 접근성 개선으로 해양관광 활동에 대한 관심과 해양레저 활동에 대한 수요가 증가하고 있으나, 해양활동을 위한 인프라구축 및 레저선박과 인명의 안전을 위한 시스템개발은 미비한 실정이다. 일반선박과 달리 레저선박은 구조안전성 평가 시스템을 위한 규정 및 적용 기준이 명확히 정립되어 있지 않으며, 시스템 개발이 전무하여 레저보트의 운항안전성 확보를 위한 레저보트 구조 안전모니터링시스템의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 도파로 어레이 격자(AWG, Arrayed waveguide grating)와 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)를 이용하여 레저보트의 실시간 선체구조모니터링이 가능한 시스템을 개발하여 해상에서의 인명과 레저선박의 안전성을 확보하고자 한다.

인체의 동작 센싱 방법에 대한 연구가 다양하게 진행되어 왔으나, 기존의 동작 센싱 방식에는 많은 한계점들이 있다. 기존의 동작 센싱 방식의 한계점을 보완하기 위한 일환의 노력으로, 이 논문에서는 비구속적인 동작 센싱이 가능한 광섬유 기반 의류 소매형 동작센서를 탐색적으로 연구하는데 목표를 두었다. 이 논문에서는 광섬유 기반의 의류 소매형 동작 센서를 고안하고, 이를 통하여 일상생활 중에 다양한 동작을 센싱하는 것이 가능한가에 대하여 탐색적 연구를 수행하였다. 또한 본 연구의 범위는 광섬유 기반 동작센서의 가능성 여부와 주요 요건을 탐색하는 것이며, 소매 패턴과 봉제 방식의 특성, 착용자의 체형 특성이 미친 영향은 연구 범위에서 제외되었다. 이러한 방식으로 의복에 적용 가능하도록 고안된 광섬유 기반 의류 소매형 동작센서는, 기존의 동작 센싱 시스템에 비하여 더욱 미세한 인체 동작 측정이 가능하며 시간 공간의 제약 없이 저 비용으로 인체 동작 측정이 가능하다는 장점을 갖는다.

소득의 향상 및 연안지역 접근성 개선으로 해양관광 활동에 대한 관심증가 및 해양레저에 대한 수요가 증가하고 있으나, 해상에서의 레저선박과 인명의 안전을 위한 시스템 개발은 미비한 실정이다. 레저선박의 경우 구조안전성에 관한 규정 및 적용 기준이 명확히 정립되어있 지 않으며, 안전성 평가를 위한 시스템 개발이 전무하여 레저보트의 운항안전성 확보를 위한 레저보트 구조안전모니터링시스템의 개발이 필요 하다, 본 연구에서는 도파로 어레이 격자(AWG)와 광섬유 브래그 격자센서(FBG)를 이용하여 레저보트의 실시간 구조안전모니터링 가능한 시스 템을 개발하여 해상에서의 인명과 레저보트의 안전성을 확보하고자 한다.

한국원자력연구원 내에 위치하는 방사성폐기물지하처분연구시설의 터널 내 벽면의 지반변위 및 온도 변화를 실시간으로 감시할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 광섬유케이블(Optical Fiber Cable)의 Brillouin 산란현상을 이용하는 분포개념의 온도 및 변형율 측정기법(Distributed Temperatureand Strain Sensor: DTSS)을 적용하는 기술이다. 2년여 동안 감시한 결과 터널 벽면 쇼크리트 표면에서 균열 등과 관련한 뚜렷한 벽면 변위 징후는 발견되지 않았다. 다만, 시간이 경과함에 따라 터널 내에서 지 하수 누출 지점을 중심으로 벽면에서 변형의 누적 크기가 증대되어가는 경향을 보이나 그 크기는 미약하 고 완만하게 진행함을 확인하였다. 계속적인 지하수에 의한 포화-습윤-건조 등의 현상이 반복되는 구간이 나 포화상태에 있는 구간은 점진적으로 영향이 커질 것으로 예상된다. 광섬유센서케이블을 이용한 분포 개념의 측정 및 분석기술은 구조물의 특성에 따라 선택적ㆍ탄력적 적용이 가능하다. 변형률의 계측 범위 는 20 ∼28,000 크기까지 변위 계측이 가능하다. 변형률의 해상도는 0.01mm로서 최소 매 1m 간격, 온도는 0.01℃ 해상도를 가지고 최소 0.5m 간격으로 감시가 가능하다. 기존의 특정지점 계측방법(Point Sensing)과는 확연하게 차별된다. 현재까지 운영한 결과 본 감시시스템은 방사성폐기물 처분시설 등 공 동과 사면의 장기감시시스템으로 적용 가능성을 확인하였다.

가진력의 영향을 평가하기 위해 이용되는 압전소자와 물체의 변형량을 분석하기 위해 사용되는 광섬유 센서와 변형 게이지는 각종 시험과 실험에 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 케이블 시스템에서 발생한 손상을 검토하기 위해 압전소자와 광섬유센서를 이용하였다. 케이블 시스템은 압축이나 휨이 발생하지 않고 막구조에서 단지 인장력을 분담한다. 그러나 기존의 안전진단법을 이용하여 케이블 시스템의 손상을 판단하는 것은 전체구조의 특이한 구조거동 등으로 검토하기 어렵다. 인장부재에서 케이블의 풀림과 할렬이 발생하면 진동을 유발하기 때문에 압전소자를 케이블의 손상을 검토하기 위해 이용하였으며, 이를 광섬유 센서를 이용한 실험의 결과와 비교하였다. 본 연구는 인장응력 하에 케이블 시스템의 손상을 검토하는 방법을 제안하기 위한 실험적 연구이다.

광섬유의 클래딩 부분을 별도의 고정구에 직접 부착하는 방식으로 고정하여, 변형발생 시 광케이블을 구성하는 재료들 사이에서 발생하는 미끄러짐(Slip)현상을 방지하고, 외력에 의해 발생하는 변형을 정확하게 측정이 가능하도록 함과 기존 광섬유격자센서가 자체적으로 압축변형의 측정이 곤란한 점을 개선하기 위해 미리 긴장(Pre-Strain)상태를 유지하기 위하여 두 개의 접점사이를 볼트와 너트로 조절하여 프리스트레인 가변이 가능하도록 하여 인장/압축변형 측정을 가능하게 한 광섬유격자센서 패키지를 사용하는 지하구조물 변위 모니터링시스템이 본 연구에 의해 개발되었다. 이러한 광섬유격자센서 패키지는 콘크리트 라이닝구조물에 콘크리트의 불균일성을 극복하고 대표성을 가지기 위해 1미터 게이지 길이를 갖도록 하여 모니터링시스템에 적용되었으며, 대구 지하철 지하구조물에 현재 운영 중인 이 시스템은 한국전력 공동구 설치공사가 진행되면서 구조물에 미치는 영향을 판단하기 위한 모니터링시스템으로 적용되었다.

본 연구는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 텐서그리티 구조물의 실시간 모니터링 결과를 보고한다. 기존의 간접적인 계측방식에서 탈피하여 케이블에 직접적으로 센서를 부착하여 케이블의 변형율을 측정하였다. 우선, 텐서그리티 구조모형을 시험체를 제작하고, 시험체에 광섬유 브래그 격자 센서를 부착하여 외력을 가하였다. 그 결과 하중의 증가에 따라 광섬유 브래그 격자센서는 케이블의 변형을 정밀히 측정할 수 있었으며, 계측의 안정성 측면에서 탁월함을 알 수 있었다. 또한 텐서그리티 구조물과 같이 케이블로 구성된 구조물의 변형측정 및 상시모니터링에는 광섬유 브래그 격자 센서가 유용함을 확인하였다.

이 연구에서는 교량 상부구조물의 보수 보강에 많이 사용되는 7연 강연선의 공용중 긴장력 관리를 위한 새로운 방법은 제안하였다. 제안된 스마트 강연선은 기존 강연선의 중앙 킹와이어를 강제튜브로 대체하고, 강제튜브의 내부에 FBG 광섬유센서를 설치하여 강연선의 변형률을 측정할 수 있도록 하였다. 내장된 센서를 통하여 이 스마트 강연선의 변형률을 쉽게 측정할 수 있으므로, 공용중 강연선의 긴장력을 모니터링할 수 있다. 본 연구에서 제안된 장력 모니터링 방법의 효용성을 증명하기 위하여 FBG센서 2개가 내장된 길이 7.0m인 스마트 강연선을 제작하고, 이를 길이 6.4m, 높이 0.6m인 RC T형 모형거더에 외장형 텐던으로 적용하였다. 그리고 이 시험거더에 대한 재하-제하시험을 실시하고 로드셀에서 계측된 긴장력과 스마트 강연선을 이용하여 예측한 긴장력을 비교하였다. 비교 결과, 제안된 스마트 강연선은 긴장력이 작용된 강연선의 장력을 정확하게 모니터링 하는데 유용함을 확인할 수 있었다.

본 논문은 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 대공간 구조물의 실시간 모니터링을 설명하였고, 외부 외력 작용시에 대공간 구조물의 요소인 막이나 케이블의 변형을 계측하는데 광섬유 브래그 격자 센서가 매우 적합하다는 점을 검증하고 있다. 이와 함께 대공간 구조물에 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 변형을 모니터링하는 실험을 실시하였다. 장스팬의 대공간 구조물을 모니터링하기 위하여 많은 요소를 계측할 수 있는 장비가 필요하다. 실험의 결과로 광섬유 브래그 격자 센서는 외력 작용시에 정확한 계측을 보여주었다. 그러므로 대공간 구조물의 변형율을 계산할 수 있고 실시간 모니터링이 가능하다.

최근 건설기술이 발달함에 따라 점차적으로 더욱 높은 정확성과 신뢰성을 바탕으로 구조물의 상태를 파악 또는 예측 할 수 있는 기술적인 체제가 요구되고 있는 시점에서, 광섬유센서는 내구성과 높은 분해능, 전자기파 노이즈 저항성, 절대값의 측정, 다중화 등의 가지고 있는 여러 장점 때문에 미국 등 선진국의 경우 교량, 터널 그리고 건물 등에 변위와 변형률 측정에 많은 설치가 진행되어 왔고, 광섬유 센서를 이용한 시스템이 구조물의 안정성과 잔존수명을 판단하는 기준으로 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 본 논문에서는 이러한 광섬유센서 중에서 일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 광섬유격자 센서의 응용의 폭을 확대하기 위하여 여러 가지 응용분야에 적용하고자 하였으며, 특히 전단응력이 많이 걸려 foil형 스트레인 게이지를 사용하기 어려운 보 기둥 접합부에 적용하여 광섬유격자 센서가 일반적으로 사용되는 전자식 변위 센서들과 정밀도가 대단히 차이가 나고 있음을 보여주고 있고, 복합재료와 콘크리트 접합 구조물에 적용하여 흔히 발생하는 결함인 delamination을 측정하는데 광섬유격자 센서가 유효적절함을 보여주고 있으며, 원자력발전소 격납구조물과 같은 대형구조물에 적용하여 변위를 측정함에 있어서 광섬유격자 센서가 시공도 용이하고 데이터도 양호함을 보여 주고 있어, 기존의 어떤 구조물도 광섬유센서를 적용하여 쉽게 광섬유 스마트구조물화 할 수 있음을 보여준다.