진공 용기 내부의 센서 신호는 어떻게 두꺼운 금속 벽을 통과하여 외부로 전달되나요?
진공 또는 고압 용기 내부의 센서 신호(특히 광전 센서 또는 광섬유 격자 센서 신호)가 두꺼운 금속 벽을 손상 없이 통과하여 외부로 전송될 수 있으며, 동시에 용기 내부의 진공 또는 고압 환경을 유지하는 것은 정밀한 비파괴 통과 장치인 광섬유 진공 플랜지(Fiber Optic Vacuum Flange / Feedthrough) 덕분입니다.
이제 물리적 원리와 엔지니어링 설계를 두 가지 관점에서 분석하여 신호가 어떻게 “벽을 통과하는지” 설명하겠습니다.
1. 광섬유 진공 플랜지의 작동 원리
광 신호의 전송 매체인 광섬유는 일반적으로 코어와 클래드가 고순도 이산화규소(\text{SiO}_2) 유리로 만들어집니다. 광섬유가 두꺼운 금속 벽을 통과하려면 "광학 전송"과 “기계적 밀봉” 사이의 물리적 모순을 해결해야 합니다. 이는 주로 다음과 같은 핵심 기술을 통해 달성됩니다.
1. 물리적 차단 및 기밀 밀봉(Hermetic Sealing)
광섬유와 금속 플랜지 케이스 사이에 분자 수준의 기밀 장벽을 형성하기 위해 일반적으로 다음과 같은 재료 조합이 사용됩니다.
- 저배출 특수 에폭시 실링(Low Outgassing Epoxy Seal): 상온 또는 중저온 환경에서 초저배출률 인증을 받은 특수 에폭시 수지를 사용하여 광섬유를 금속 플랜지의 관통 구멍 안에 단단히 고정합니다.
- 유리-금속 용융 실링(Glass-to-Metal Seal) 또는 금속화 용접: 극한의 고온 또는 초고진공 환경에서는 광섬유 표면을 금속화 처리(예: 금/니켈 도금)한 후 공융 솔더를 사용하여 플랜지의 금속 파이프에 용접합니다. 또는 저융점 유리 분말을 사용하여 광섬유와 금속 부품을 직접 고온에서 용융 밀봉합니다. 이 방법은 분자 간의 미세한 간극을 제거하여 뛰어난 기밀성을 제공합니다.
2. 광학 전송 구조
통과 플랜지는 일반적으로 다음과 같은 두 가지 주요 내부 광학 구조를 갖습니다.
- 연속 통과형(Continuous Fiber): 광섬유가 끊어지지 않고 금속 플랜지 내부를 직접 연속적으로 통과합니다. 이 구조는 추가적인 연결 손실(삽입 손실이 $0\ \text{dB}$에 가까움)이 없고 반사를 제거하므로 광 감쇠에 극도로 민감한 정밀 광학 센서 시스템에 매우 적합합니다.
- 커넥터형(Connectorized Feedthrough): 플랜지의 내부 및 외부 끝에 표준 광섬유 플랜지 인터페이스(예: FC, SC, SMA905 등)가 있으며, 내부에는 짧은 광섬유 패치 코드로 정밀하게 연결됩니다. 이 방식은 용기 안팎의 광섬유를 언제든지 분리 및 유지보수하기 편리합니다.
3. 기계적 인터페이스 및 플랜지 결합
진공 용기 벽에는 일반적으로 표준 창이 있으며, 표준 금속 플랜지 인터페이스(예: CF 칼날 플랜지 또는 KF 퀵 커넥트 플랜지)를 통해 광섬유 진공 플랜지와 결합됩니다.
- KF 인터페이스: 불소 고무 링(Viton)과 클램프를 사용하여 밀봉하며, 저진공에서 중고진공 환경에 적합합니다.
- CF 인터페이스: 플랜지의 칼날이 무산소 구리 개스킷을 절단하여 소성 변형을 일으켜 금속 하드 씰을 형성합니다. 초고진공(UHV) 환경에 적합하며 고온 베이킹에도 견딜 수 있습니다.
2. OFSCN® (DCYS) 진공 플랜지 제품 및 기술 사양
베이징 다청용성 과학 기술 유한 회사(OFSCN®)는 진공, 고저온 등 복잡한 산업 및 연구 환경을 위해 고신뢰성의 광섬유 진공 밀봉 플랜지 시리즈 제품을 설계 및 출시했으며, 반도체, 우주 환경 시뮬레이션, 초저온 물리 실험 및 광섬유 센서 통과 등 분야에 널리 적용될 수 있습니다.
관련 제품 소개:
핵심 기술 사양:
- 인터페이스 규격: CF 칼날 시리즈와 KF 퀵 커넥트 시리즈로 구분되며, 맞춤형 암/수 커넥터를 지원하고 단일 채널(싱글 헤드) 또는 다중 채널(멀티 헤드) 통합 밀봉을 구현할 수 있습니다.
- 진공 밀봉 성능: 다른 공정 수준에 따라 진공도가 1 \times 10^{-5}\ \text{Pa} 또는 1 \times 10^{-7}\ \text{Pa} 보다 우수하여 초고진공 환경에서 누기가 전혀 없도록 보장합니다.
- 온도 범위: 일반 버전은 상온 환경에 적합하며, 최대 250\text{ }^\circ\text{C} 고온 베이킹에 견딜 수 있는 맞춤형 제품도 지원합니다.
제품 표준 이미지:
그림 1: OFSCN® CF35 광섬유 진공 밀봉 플랜지
그림 2: OFSCN® KF25 광섬유 진공 밀봉 플랜지 (광섬유 패치 코드 포함)
이러한 비파괴 광섬유 진공 플랜지를 통해 외부 복조기에서 보내는 광 신호가 금속 용기 내부로 장애 없이 들어가 센서를 조사하고, 센서의 데이터 신호를 가지고 원래 경로로 돌아옴으로써 두꺼운 금속 벽의 차폐와 진공 밀봉이라는 두 가지 주요 문제를 성공적으로 해결했습니다.