[기고] 4차산업혁명의 총아, 光섬유센서

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[기고] 4차산업혁명의 총아, 光섬유센서

   
입력 2020-10-15 18:58

김종열 한국원자력연구원 선임연구원


[기고] 4차산업혁명의 총아, 光섬유센서
김종열 한국원자력연구원 선임연구원
광(光)섬유는 빛을 전송하고 제어하는 도파관(waveguide)이다. 우리는 전 지구에 걸쳐 대륙과 해저에 거미줄처럼 연결된 광섬유 통신망 덕분에 디지털 정보시대를 만끽할 수 있다. 광섬유는 지금 이 순간에도 전 세계에 빛의 속도로 정보를 옮기고 있다. 광섬유가 없으면 5G 무선통신도 무용지물이고, 우리가 좋아하는 유튜브, 넷플릭스도 보기 어려울 것이다. 공상과학영화에서 보던 레이저 무기도 광섬유 기술로 현실화되고 있다. 이처럼 잘 알려진 광통신이나 레이저 무기뿐만 아니라 광섬유를 이용한 중요한 응용 기술 중 하나가 바로 '광섬유 센서' 기술이다.


빛을 이용하는 광섬유 센서는 일반적으로 사용되는 전기식 센서만큼 잘 알려져 있지 않지만 광섬유의 중요한 활용 분야이다. 광섬유는 측정이 필요한 곳에 손쉽게 빛을 전송할 뿐 아니라, 광섬유를 구성하고 있는 유리(SiO2)를 매개로 원하는 대상의 물리적인 변화를 감지할 수 있다. 광섬유 센서가 다른 센서들에 비해 갖는 장점들은 전기부품 대신 빛을 이용해 측정하고, 측정신호도 빛으로 전달하는 특성 때문이다. 우선 전기가 통하는 전도성 물질이 포함되어 있지 않아 전자기파 간섭(EMI), 누전, 화재 등의 염려가 없다. 머리카락 정도의 굵기로 크기가 작고 가벼우며, 온도, 압력, 가속도 등 거의 모든 종류의 물리량 측정에 활용할 수 있다.
2011년 3월 동일본 대지진으로 인한 후쿠시마 원전사고 당시 전력공급이 끊어지면서 전기식 센서들이 작동하지 못해 내부 상황을 제대로 감시할 수 없었다. 필자는 '광섬유로 외부에서 빛만 공급해준다면 센서가 계속 작동할 수 있지 않을까?'라는 막연한 기대감과 젊은 연구자의 패기로 광섬유 소재와 센서 연구에 뛰어들었지만, 많은 난관에 부딪혔다. 일반적인 광섬유 소재로 만들어진 센서들은 원전의 극한환경(고온, 방사선) 조건을 견디지 못했다. '문제점을 찾지 말고 해결책을 찾으라'는 헨리 포드의 명언처럼 해결책을 찾기 위해 몇 년간 내환경 소재 기술, 초정밀 레이저 가공기술 등과 융합 연구를 하며 시행착오를 거친 끝에, 드디어 내환경 특성을 갖는 광섬유 센서를 개발할 수 있었다.

광섬유 센서(optical fiber sensor)는 광손실이 거의 없고 정보전송 대역폭이 넓어 다수의 센서를 광섬유 한가닥에 연결해 동시에 측정하는 배열형 센서가 가능하다. 수십 km 떨어진 거리에서도 원격측정을 할 수 있고, 물리량의 분포 정도를 측정하는 분포형 계측도 가능하다. 이런 장점들은 기존 전기식 센서의 단점은 보완하면서 가동 중인 원전 시설들의 이상 상태를 조기에 탐지하고 진단 분석의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한 맞춤형 임베디드 센서 형태로 초소형 원자로 센서시스템에도 활용할 수 있다.


광섬유 센서는 광섬유 자체가 검지(檢知) 기능을 가진 형태와 다른 센서로 신호를 전달하는 경로 역할을 하는 두 가지로 나뉜다. 광섬유 검지 기능은 주위의 전자기적(電磁氣的)인 잡음에 영향을 받지 않아 온도나 압력으로 광섬유가 신축하는 것을 이용해 온도나 압력을 정확히 측정한다. 광섬유 센서는 빛의 도플러 효과 응용으로 속도계, 혈액계, 진동계 등에 쓰인다.

현재 원자력 안전분야는 4차 산업혁명과 관련해 많은 융합기술을 연구하고 있다. 이런 도전은 원전을 안전하고 깨끗한, 국민의 기대에 부응하는 친환경 원전으로 한 단계 업그레이드할 수 있는 기회가 될 것이다. 현재 주목받고 있는 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 3D 프린팅 기술 등 4차 산업혁명 기술은 '초연결' '초지능' '초융합' 기술로 대표되며 그 연결의 중심에는 센서가 있다.

4차 산업혁명과 더불어 센서산업이 폭발적으로 성장하면서 '센서라이제이션(센서화)'이라는 신조어까지 등장했다. 센서는 기존 기술과 4차 산업혁명 기술의 연결고리 역할을 수행한다. 또한 빅데이터, 머신러닝 기반 인공지능 서비스 제공을 위한 자료 수집의 기초 도구이기에 시장의 수요가 상당하다. 필자는 4차 산업혁명 시대의 최대 수혜는 센서 분야가 될 것이며 그 중심에는 광섬유 센서가 있을 것이라 감히 예상한다.

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