왔다 갔다 하는 극심한 더위와 추위로 인해 파이버와 그 패키징이 파손될 수 있나요?
극냉극열 온도 교대(즉, 열 순환, Thermal Cycling) 환경에서 광섬유와 패키징이 균열되거나 손상되는지 여부는 재료 호환성, 온도 구역 내성 등급 및 패키징 구조 설계에 따라 달라집니다.
1. 광섬유 및 패키징 균열을 유발하는 핵심 물리 메커니즘
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열팽창 계수(CTE) 불일치 및 전단 응력
- 석영 이산화규소( \text{SiO}_2 ) 광섬유의 열팽창 계수는 매우 낮으며, 약 \alpha_{\text{glass}} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} 입니다.
- 일반적인 패키징 구조 재료(예: 스테인리스강 \alpha_{\text{steel}} \approx 16 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} , 폴리머 접착제 \alpha_{\text{polymer}} \approx 30 \sim 100 \times 10^{-6}\ \text{K}^{-1} )는 석영 광섬유와 열팽창 계수에서 수십 배의 차이가 납니다.
- 급격한 온도 상승 및 하강 과정에서 금속 또는 폴리머 구조는 격렬하게 팽창 및 수축합니다. 만약 패키징 내부가 강성 접착 고정으로 되어 있다면, 계면은 교번 열 전단 응력(Thermal Shear Stress)을 받게 되어 코팅 박리, 접착제 균열 또는 광섬유 절단이 매우 쉽게 발생합니다.
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재료의 저온 취성 및 고온 열분해
- 코팅층 손상：표준 통신 광섬유에 사용되는 UV 경화 아크릴레이트(Acrylate) 코팅층은 -40°C 이하에서 유리 전이되어 딱딱하고 부서지기 쉬우며, +85°C 이상에서는 연화 및 분해되기 쉬워 반복적인 순환은 보호층의 균열 및 벗겨짐을 유발합니다.
- 특수 코팅：폴리이미드(Polyimide) 코팅층은 -270°C ~ +300°C까지 견딜 수 있으며, 금 도금/금속 도금 코팅은 -270°C ~ +700°C 이상의 극한 온도 구역을 견딜 수 있습니다.
2. 열 순환 균열 방지를 위한 패키징 엔지니어링 설계
격렬한 열 순환 테스트(예: 액체 질소 저온 -196°C에서 수백°C 고온까지)에서 구조적 무결성과 광학 성능의 안정성을 유지하기 위해, 광학 센서 패키징은 일반적으로 다음과 같은 엔지니어링 전략을 채택합니다.
- 무응력(Strain-free) 느슨한 커플 구조：온도 센서 설계에서 광섬유 코어/그레이팅 영역은 마이크로 금속 보호 튜브 내부에 배치되어 자유롭게 부유된 상태를 유지합니다. 튜브 벽과 광섬유 사이에 열팽창 여유 공간이 있어, 금속 튜브의 열팽창 및 수축이 광섬유에 직접적인 축 방향 응력을 가하지 않도록 합니다.
- 내고온 특수 광섬유 기판：넓은 온도 범위를 견딜 수 있는 폴리이미드 광섬유 또는 금 도금 광섬유를 선택하여, 재료 자체에서 코팅층이 극한 저온에서 부서지거나 극한 고온에서 탄화되는 것을 방지합니다.
- 이음매 없는 금속 모세관 패키징： 용접 응력 및 재료 접합부를 제거하여 열 피로로 인한 기계적 미세 균열 확산을 방지합니다.
3. Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)의 관련 광범위 온도 내성 패키징 제품
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)는 극한 온도 순환 및 고저온 교번 환경을 위해, 이음매 없는 강관 패키징을 적용한 내온 센서 시리즈를 개발했습니다.
1. 점형 광섬유 브래그 격자 온도 센서 시리즈
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- 사용 온도 범위: -200°C ~ +300°C, 단층 이음매 없는 강관 패키징과 폴리이미드 광섬유를 사용하여 우수한 내열 충격 및 내열 피로 성능을 갖추고 있습니다.
- OFSCN® 800°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- 사용 온도 범위: -270°C ~ +800°C, 내고온 이음매 없는 합금/강관 패키징 기술을 적용하여, 극저온에서 초고온까지의 극한 열 순환 작업 조건에 적합합니다.
2. 분산형 금속 패키징 광섬유 온도 센서 시리즈
- OFSCN® 700°C Distributed Fiber Temperature Sensor
- 사용 온도 범위: -270°C ~ +700°C, 내부에 금 도금 광섬유(Gold-coated Fiber)와 316L 이음매 없는 강관 마이크로 패키징을 사용하여, 교번 온도 구역에서의 유기 코팅층 실패 위험을 완전히 제거했습니다.
