● 서론
센서는 사람의 몸에 부착함으로써 맥의 상태를 신호로 전달해 주어 맥진하는 역할을 한다. 맥진은 한의학에서 환자의 질병을 진단하는 가장 대표적인 방법으로 맥의 횟수, 리듬, 대소, 지속 등의 상태에 따라 환자의 질병을 판단하고 치료의 방침을 결정하는데 사용되며, 치료를 한 후에는 치료 전과 후 맥의 상태를 비교하여 치료의 적합성 여부를 판정하는데 사용된다. 서양의학에서도 심전도에 나타나는 맥파를 판독하여 심장의 기능을 진단한다. 이처럼 맥진은 한의학과 서양의학에서 환자를 진단하는데 중요한 비중을 차지하고 있다. 그러나 한의학에 시술되는 맥진은 대부분 한의사의 주관적인 경험에 의존하고 있다. 요즘에는 보다 효율적인 진단을 위해 다양한 센서들이 개발되었는데, 그 중 광섬유 센서가 각광을 받고 있다. 기존의 전자센서(물리적, 전기적, 화학적)와 비교하면 소형화, 경량화, 빠른 응답특성, 원거리 제어 및 다중화 능력 그리고 부식과 같은 외부 환경에 따라 구조를 쉽게 변화시킬 수 있으며 전자파의 간섭에 영향을 받지 않는 등의 장점을 가지고 있다. 특히 안정성이 요구되는 곳이나 폭발 혹은 화재의 위험과 같이 전자센서를 이용하기 어려운 환경에서도 비교적 안전하고 정확한 측정을 할 수 있기 때문에 기존의 전자센서에 비해 광섬유 센서의 필요성이 크게 증가하고 개발에 많은 관심을 보이고 있다.

● 중공광섬유(Hollow Optical Fiber)
광축을 따라 중앙에 공기구멍이 있는 중공광섬유가 개발되었다. 중공광섬유는 클래딩, 코어, 및 공기구멍으로 구성되어 있으며 공기구멍은 클래딩 역할을 하기 때문에 빛은 코어 영역으로만 전파된다.

그림 1은 중공광섬유의 종단면에서의 굴절률 분포를 대략적으로 나타내었다. na는 정공, nco는 코어 그리고 ncl은 클래딩을 나타낸다. a와 b는 각각 정공과 바깥 코어 반경을 나타낸다. 그러므로 원형 코어의 폭은 "d=b-a"이다.

● In-Line Michelson 간섭계
광섬유 간섭계는 빛의 경로차를 이용하는 것으로 경로가 다른 빛이 서로 만나서 간섭현상을 일으키는 것을 이용한 시스템이다. 중공광섬유(Hollow Optical Fiber, HOF)를 이용한 In-Line Michelson 간섭계의 구조(그림 2)는 빛을 전달하는 역할을 하는 단일모드광섬유(Single Mode Fiber, SMF)에 붙어있고 다른 끝 단면이 수직으로 절단된 센서 역할을 수행하는 중공광섬유로 구성되어 있다.간섭계의 첫 번째 거울은 SMF와 중공광섬유가 붙어있는 광섬유-공기 경계면에서 생성되고, 두 번째 거울을 중공광섬유의 수직 절단된 단면에 만들어진다. SMF에서 진행되던 빛(Ii)은 중앙에 있는 첫 번째 거울에서 일부 반사되고(Ir1), 다른 면으로 진행되던 빛은 두 번째 거울 쪽으로 모두 투과된다. 투과된 빛은 두 번째 거울에서 일부 반사되어 돌아온다(Ir2). SMF와 HOF가 접속된 지점에서 첫 번째 거울에서 반사된 빛과 두 번째 거울에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으킨다. 간섭 신호와 위상 변화에 대한 수식은 식(1)과 같다.여기서 Ii는 입력광량, Ir은 출력광량, n은 광섬유의 반사율, L은 센서의 길이, 는 빛의 파장, R1은 SMF와 HOF의 접속 면에서 SMF와 공기의 반사율(), R2는 HOF와 공기의 반사율()이다. 이 수식들로부터 출력파형은 간섭계의 광 길이(길이와 굴절률)의 함수임을 알 수 있다.

● 센서 제작
센서는 일반 통신용 단일모드광섬유(Single Mode Fiber, SMF)와 중앙에 공기구멍을 가진 중공광섬유(Hollow Optical Fiber, HOF)로 이루어진 In-Line Michelson 간섭계가 철심과 함께 수축관으로 둘러싸인 구조를 가지고 있다. 센서제작을 위해 우선 SMF와 HOF를 사용하여 In-Line Michelson 간섭계를 제작한다. In-Line Michelson 간섭계의 제작은 용융접합, 수직절단 순으로 이루어진다. 용융접합 광정에서는 제일 먼저 HOF와 SMF의 피복을 제거하고 에탄올 등을 이용하여 광섬유 표면의 불순물을 제거한 후 광섬유 절단기(fiber cutter)를 사용하여 광섬유를 수직으로 절단한다. 깨끗하게 수직절단 된 SMF와 HOF를 용융접합기(fusion splicer, type-36, Sumitomo electric IND., Japan)를 사용하여 접합시킨다. 접합된 광섬유에 접합부위에서 일정한 거리에 광섬유 절단기를 사용하여 수직으로 깨끗하게 절단하면 In-Line Michelson 간섭계가 완성된다. 완성된 간섭계에 광섬유에 전기적인 신호를 광신호로 바꾸어 광섬유에 빛을 쏘는 레이저다이오드(Laser Diode, LD)와 광신호를 전기적신호로 변화시키는 광검출기(Photo Detecter, PD)를 이용하여 간섭계의 작동여부를 확인할 수 있는 구동할 수 있는 회로를 구성한다.

완성된 In-Line Michelson 간섭계를 그림 3과 같이 철심과 함께 적당한 길이로 자른 수축관에 넣어 열풍기를 이용해 수축관을 수축시킴으로써 센서가 만들어진다.● 실험 및 결과
광섬유 센서 특성을 알아보기 위하여 25세 학생의 평상시와 가벼운 운동 후의 맥파를 측정하였다. 실험을 위해 그림 4와 같이 셋팅을 하였고, 광섬유 맥파 센서를 학생의 손목에 elsatic 밴드를 사용하여 고정시킨 후 측정하였다.그림 5(a)는 평상시 맥파이고 그림 5(b)는 운동 후 맥파이다. 평상시 맥파신호의 평균 크기는 약 250 mV 이고 맥파는 1초당 약 1.163번 뛰었다. 운동 후 맥파 신호는 평균크기 약 340 mV 이고 1초당 약 1.54번 뛰었다. 이는 운동 후 맥박 속도와 혈압이 증가한다는 것과 일치함을 알 수 있다. 그러나 주변 환경 노이즈 및 간섭계 동작점 drift로 인한 크기의 신호의 크기 변화가 야기되었으며, polarization fading 현상도 발생하였다. 보다 성능이 우수한 센서를 개발하기 위하여 위에서 언급한 문제들을 제거시키는 기술들을 개발하여야 한다. 본 연구에서 개발된 맥파 센서의 SNR은 20 dB 이상이였다.본 연구에서 광섬유 맥파 센서는 중공 광섬유를 사용한 in-line Michelson 간섭계 센서를 사용하여 개발하였다. 맥파 센서는 간섭계와 보강 steel이 내재된 열 수축 튜브로 구성되어졌으며 25세 학생의 손목에 밴드를 사용하여 센서를 고정하였을 때 성공적으로 맥파 신호에 반응 하는 간섭계 출력 신호를 얻을 수 있었다. 간섭계 출력 신호의 SNR은 20 dB 이상이였으며 보다 성능이 우수한 센서를 개발하기 위하여 실험 중 발생했던 동작점 이동현상, 주변 환경 노이즈, polarization fading 현상 등을 제거할 수 있는 방법들을 가까운 미래에 개발할 것이다.