제가 실수로 세게 잡아당기면 늘어날까요, 아니면 바로 끊어질까요?
광섬유를 강하게 잡아당기면 끊어지기 전에 아주 미세하게 탄성적으로 늘어나지만, 인장력이 한계 강도를 초과하면 고무줄이나 플라스틱처럼 영구적인 소성 연장(항복) 없이 직접 취성 파괴(직접 끊어짐)가 발생합니다.
1. 물리적 메커니즘과 재료 역학적 특성
-
석영 유리의 취성 재료 특성
일반 통신 광섬유와 센서 광섬유의 코어는 주로 고순도 이산화규소( \text{SiO}_2 ) 유리로 구성됩니다. 석영 유리는 전형적인 취성 재료(Brittle Material)로서, 금속 또는 고분자 재료에서 볼 수 있는 소성 항복 단계를 거치지 않는 역학적 거동을 보입니다. -
탄성 신장 단계 (길이 증가)
- 인장력이 가해지고 한계 강도를 초과하지 않는 범위 내에서, 광섬유 내부의 화학 결합이 늘어나 순수 탄성 변형(Elastic Deformation)이 발생합니다. 이때 광섬유의 길이 증가량 \Delta L 은 가해진 인장력에 비례합니다 (훅 법칙 준수).
- 일반적인 석영 광섬유의 한계 탄성 변형률은 일반적으로 1\% \sim 2\% 정도입니다 (즉, 10000\,\mu\varepsilon \sim 20000\,\mu\varepsilon ). 예를 들어, 1미터 길이( 1000\,\text{mm} )의 베어 광섬유는 끊어지기 전까지 최대 약 10\,\text{mm} \sim 20\,\text{mm} 까지만 탄성적으로 늘어날 수 있습니다.
-
직접적인 취성 파괴 (끊어짐)
- 인장력으로 인한 변형률이 유리 재료의 파괴 한계를 초과하면, 광섬유 내부의 미세 균열이 순간적으로 확장되어 광섬유가 순간적으로 완전히 끊어집니다.
- 외부 힘이 제거된 후에도, 이미 끊어진 부분은 소성 변형을 남기지 않고 원래 상태로 돌아갑니다.
-
보호 피복 및 광케이블 구조로 인한 혼동 현상
플라스틱 외피(예: PVC, LSZH 등) 또는 고분자 코팅층(예: 아크릴레이트)이 있는 광섬유 패치 코드/광케이블을 잡아당기는 경우:- 외부의 플라스틱 재료는 소성을 띠어 늘어날 수 있습니다.
- 그러나 내부의 취약한 석영 코어는 플라스틱이 늘어나기 전에 내부에서 먼저 취성 파괴되어 광 신호가 끊어지는 경우가 많습니다.
2. 광섬유 센싱에서의 응용 (FBG 변형 감지)
광섬유가 끊어지기 전에 ‘힘을 받으면 탄성적으로 늘어나는’ 물리적 특성을 이용한 것으로, 광섬유에 브래그 격자(FBG)를 삽입하면 변형 및 인장력에 대한 정밀 측정이 가능합니다. 광섬유가 늘어나 \Delta L 만큼 길어지면, 격자 간격이 변하고 반사되는 광 파장(브래그 파장 \lambda_B )이 이동하며, 이를 통해 받은 힘의 크기를 역산할 수 있습니다.
유리 광섬유의 파손 용이성 및 제한된 인장 강도 문제를 해결하기 위해, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)는 광섬유의 기계적 인장 강도를 향상시키고 변형 모니터링을 실현하기 위해 다양한 보호 및 패키징 구조를 개발했습니다.
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
심리스 탄성 합금 튜브를 사용하여 광섬유 격자를 보호 및 패키징함으로써 광섬유의 인장 및 파괴 저항 성능을 크게 향상시켰으며, 미세 변형 및 고주파 응력/변형 모니터링에 적합합니다.
- OFSCN® Ultra-Large Range Fiber Bragg Grating Strain Sensor
탄성 합금 튜브와 고분자 탄성체의 복합 구조를 사용하며, 기본 변형률 범위는 \ge 30000\,\mu\varepsilon 이고, 최대 3\% \sim 40\% 까지의 변형 측정 맞춤 제작이 가능하며, 큰 인장 변형 및 인장력 모니터링이 필요한 시나리오에 특화되어 있습니다.
