너무弯曲会不会在玻璃表面留下肉眼看不见的细小裂纹？
광섬유가 과도하게 구부러지면 이산화규소( \text{SiO}_2 ) 석영 유리 표면에 육안으로 감지할 수 없는 미세 균열(미세 균열, Microcracks)이 발생하며, 원래 존재하던 아미크론 수준의 표면 결함이 확장됩니다.
1. 물리적 메커니즘 및 재료 역학 분석
1. 그리피스 균열 및 응력 집중(Griffith Flaws & Stress Concentration)
이산화규소 석영 유리는 전형적인 취성 재료입니다. 미세한 수준에서, 막 제조된 광섬유 표면에도 그리피스 균열(Griffith Flaws)이라고 불리는 미세한 아미크론 수준의 기하학적 결함이 존재합니다.
광섬유가 직선 상태를 유지할 때는 미세 균열이 비교적 안정적인 상태에 있습니다. 광섬유가 구부러지면, 구부러진 바깥쪽의 석영 유리는 극심한 인장 응력(인장 응력)을 받게 됩니다.
2. 굽힘 인장 응력 계산
광섬유가 구부러질 때 바깥쪽 표면에 작용하는 최대 인장 응력 \sigma 는 탄성 역학 공식을 통해 유도할 수 있습니다.
\sigma = E \cdot \frac{d}{2R}
여기서:
- E 는 이산화규소 유리 재료의 영률(약 72\text{ GPa} )입니다.
- d 는 광섬유 유리 클래딩의 외부 직경(표준 단일 모드 광섬유의 경우 d = 125\ \mu\text{m} )입니다.
- R 는 굽힘 반경입니다.
공식에서 볼 수 있듯이, 굽힘 반경 R 이 작을수록 유리 바깥쪽 표면의 인장 응력 \sigma 는 반비례하여 급격히 증가합니다.
3. 정적 피로 및 균열 확장(Static Fatigue & Crack Growth)
굽힘으로 인한 인장 응력이 미세 균열 끝에 작용하면 매우 높은 응력 집중이 발생합니다. 환경 공기 중의 수증기(물 분자 \text{H}_2\text{O})의 화학 작용으로 인해, 끝부분의 이산화규소 화학 결합( \text{Si-O-Si} )은 응력 부식 균열(Stress Corrosion)을 겪게 됩니다.
이 과정은 미세 균열이 깊이 방향으로 계속 확장되도록 합니다(정적 피로 확장). 미세 균열 확장이 임계 크기에 도달하면, 광섬유는 거시적인 소성 변형 징후 없이 갑자기 파손됩니다.
2. 엔지니어링 보호 및 구조적 캡슐화 솔루션
나선 광섬유가 실제 사용 또는 굽힘 설치 중에 굽힘 응력으로 인해 미세 균열 또는 기계적 파손이 발생하는 것을 방지하기 위해, 엔지니어링 설계에서는 일반적으로 금속 심리스 튜브 캡슐화 또는 마이크로 갑옷 구조를 사용하여 광섬유의 최소 굽힘 반경을 제한하고 외부 기계적 응력을 차폐합니다.
OFSCN®은 광섬유 격자 센서 및 광케이블의 굽힘 방지 및 물리적 보호 요구 사항을 충족하기 위해 여러 내응력 및 갑옷 보호 제품을 개발했습니다.
1. 합금 튜브 캡슐화 광섬유 격자 변형률 센서
기계적 인장 및 굽힘 응력을 견뎌야 하는 감지 시나리오의 경우, 금속 튜브 내부 캡슐화 기술을 통해 국부적인 굽힘 응력을 효과적으로 격리할 수 있습니다.
OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
2. 마이크로 강철 튜브 갑옷 광섬유 패치 코드
내부 0.6\text{mm} 스테인리스 스틸 심리스 강철 튜브 굽힘 방지 슬리브를 사용하여 광섬유의 굽힘 반경을 제한하고, 나선 광섬유가 직접적인 측면 압력 및 과부하 굽힘을 받지 않도록 합니다.
OFSCN® 2.0mm Micro Steel Armored Fiber Optic Patch Cord
