전계력 구동 금나노필름을 갖춘 마이크로 섬유 간섭계를 기반으로 한 고감도 공간 전기장 감지

Jun 02, 2023

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15802(2015) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

기존의 전기장 센싱은 전기광학 소재나 액정을 활용해 구현할 수 있으며, 고장이 쉽고 조립이 자유롭고 저주파 측정이 어렵다는 한계가 있다. 여기서는 금나노필름이 집적된 마이크로파이버 간섭계를 이용하여 공간적 동적 전기장을 안전하게 측정하는 새로운 방법을 제안한다. 안테나를 통해 수신된 전하 에너지는 두 개의 마이크로 전극으로 고유 전기장을 형성하며, 그 중 하나는 펨토초 레이저로 미세 가공되고 마이크로 섬유와 통합된 120nm 금박 진동 빔입니다. 공간 전계로 인한 고유 전계력의 변화는 필름 빔의 진동을 유발합니다. 마이크로 파이버 간섭계의 출력 신호를 복조하여 전기장을 측정할 수 있습니다. 우리는 수십Hz에서 수십KHz까지의 감지 가능한 주파수 범위를 보여 주며 최소 전기장 강도는 1KHz에서 ~200V/m입니다. 광섬유 간섭과 금 나노 구조를 결합한 당사의 전기장 측정 기술은 보안, 고감도, 소형 크기 및 다중 다중 지점 및 원격 감지의 장점을 보여줍니다.

전기장 감지는 전자기 간섭 방지1, 전압 균형2,3,4, 근거리 전자기 방사선 차폐5 및 전하 감지6, 정전기 강수7 및 밀리미터파-광파 신호 변환기8와 같은 기타 특수 응용 분야에 중요합니다. 조종 전자9(감지 가능한 범위는 수 mV/m ~ 수십 V/m), 구형 전기장 프로브10(<12 kV/m), 쌍안정 마이크로전자 회로11 및 THEMIS 3축 전기장과 같은 기존 전기장 센서에도 불구하고 Instrument12(mV/m ~ 수 V/m)는 일부 응용 분야에서 정확하게 작동할 수 있지만 예측할 수 없는 높은 전기장 강도로 인해 후속 회로와 함께 쉽게 손상될 수 있으며 능동 장치가 필요하므로 원격 감지에 부적합합니다. 또한 금속 회로와 신호 전송 케이블은 전자기 간섭에 취약합니다.

최근 몇 년 동안 광학 전기장 감지6,13,14,15,16,17,18,19,20,21가 점점 더 주목을 받고 있습니다. 원격 및 안전 측정, 수동 부품, 통합 구조, WDM 기술을 기반으로 한 네트워킹 용이성, 환경 및 전기장 소스에 대한 간섭이 매우 약한 등 우수한 품질을 보유했습니다. 시간 영역의 광전계 측정은 각각 두 종류의 재료를 기반으로 합니다. 첫 번째는 주로 MHz~GHz RF 주파수 전기장 감지에 사용되는 전기 광학(EO) 재료14,15,16,17,18,19입니다. 해당 감지 가능한 범위는 참조의 경우 2.5V/m(또는 감지 가능한 최소 전자기 에너지 플럭스 밀도의 수 mW/m2) 이상입니다. 참조용 14 및 19V/m ~ 23kV/m 15, 그러나 수십 kHz 이하의 저주파 응용에서는 EO22,23,24,25 재료의 압전 효과 또는 기타 효과로 인한 불규칙한 주파수 응답으로 인해 거의 보고되지 않았습니다. 두 번째 물질은 저주파에서 전기장 측정에 적용 가능한 액정16,18,20,21이며 보고된 전기장 강도의 감지 가능한 범위는 참조용으로 수십 KV/m 이상입니다. 참조의 경우 20 및 1 ~ 4.1 kV/mm 21.

대부분의 저주파 전계 센싱이 전력계통에 채용된다는 점을 고려할 때, 저주파 전계를 고감도로 안전하게 측정하는 것이 매우 중요합니다. 우리는 처음으로 감지 가능한 주파수가 수십Hz에서 수십KHz인 광섬유와 안테나를 통합하여 센서를 만드는 새로운 방법을 제안합니다. 감지 가능한 최소 전계 강도는 1KHz에서 ~200V/m이고, 반파장 전계 강도에 따라 최대값은 약 5kV/m입니다. 안테나의 구조와 매개변수를 수정하면 감도를 더욱 향상시킬 수 있습니다(검출 가능한 최소 전기장 강도의 한계는 안테나 길이가 ~27mm일 때 ~0.015V/m까지 낮을 수 있음). 센서의 핵심 부품은 금나노필름이 집적된 마이크로파이버 간섭계이다. 감지는 안테나와 공간 전기장 사이의 결합에 의해 형성된 강한 전기장을 갖는 센서의 미세 영역을 통해 달성됩니다. 금 나노필름은 마이크로 영역의 전극 역할을 할 수 있지만, 강한 전기장에 의한 초미약한 정전기력에 의해 변형됩니다. 금 나노필름에 의해 형성된 진동빔은 FP(Fabry-Perot) 간섭계의 반사체가 될 수 있습니다. 따라서, 정전기력 하에서 간섭계의 공동 길이 변화를 복조함으로써 공간 전계의 변화를 검출할 수 있다.