액체 질소(“-196”℃) 환경에서 패치 코드는 부서지기 쉬운 상태가 되거나 그냥 부서집니까?
액체 질소(-196^{\circ}\text{C}) 환경에서 일반 광섬유 패치 코드(예: 일반적인 PVC 외피, 케블라 강화 코어, 표준 아크릴레이트 코팅의 단일 모드 패치 코드)는 먼저 극심한 "저온 유리화 전이 및 취성"이 발생한 다음, 내부 열 응력 또는 아주 미세한 외부 힘의 교란으로 인해 “직접적으로 부서집니다”.
구체적인 물리적 메커니즘과 재료 거동은 다음과 같습니다:
1. 재료의 “유리화 전이” 및 취성 (Glass Transition)
일반 광섬유 패치 코드의 보호 외피는 일반적으로 PVC 또는 LSZH와 같은 폴리머로 만들어지며, 광섬유의 코팅층은 표준 아크릴레이트입니다. 이러한 고분자 재료는 일반적으로 0^{\circ}\text{C} 에서 -50^{\circ}\text{C} 사이의 특정 유리화 전이 온도(T_g)를 갖습니다.
온도가 액체 질소의 -196^{\circ}\text{C} 로 급격히 떨어지면, 이 재료들은 빠르게 T_g 점을 넘어 극도로 취약한 "유리질 상태"로 들어갑니다. 이때 본래 탄성과 인성을 지녔던 플라스틱 외피와 코팅층은 얇은 얼음처럼 취약해져 어떤 굽힘 또는 충격 저항 능력도 잃게 됩니다.
2. 거대한 열 응력 불일치 (Thermal Stress Mismatch)로 인한 직접적인 파손
석영 유리 광섬유 자체의 팽창 계수는 매우 낮습니다(\text{CTE} \approx 0.5 \times 10^{-6}\ /\text{K}). 반면 PVC, 아크릴레이트 등 폴리머의 수축 계수는 석영보다 2~3배 더 큽니다.
상온에서 -196^{\circ}\text{C} 로 급격히 냉각되는 과정에서 외피와 코팅층의 급격한 수축은 매우 큰 내부 전단 응력과 굽힘 응력을 발생시킵니다. 이 응력은 취약해진 폴리머 외피를 스스로 균열하게 할 뿐만 아니라, 거시적 굽힘 및 미세 굽힘 응력을 내부 석영 광섬유에 직접 전달하여 심각한 미세 굽힘 손실을 야기하며, 아주 작은 교란(가벼운 접촉이나 진동조차도) 하에서도 내부 광섬유와 외부 외피가 동시에 전체적으로 분쇄되는 단열을 일으킵니다.
액체 질소/초저온 환경에서 광섬유 패치 코드를 안전하게 사용하는 방법?
액체 질소(-196^{\circ}\text{C}) 또는 더 낮은 온도인 액체 헬륨(-270^{\circ}\text{C}) 환경에서 광섬유를 사용하려면, 전통적인 플라스틱 외피와 아크릴레이트 코팅을 버리고 초저온 물리적 내성을 가진 특수 재료와 구조로 포장해야 합니다:
- 코팅층을 폴리이미드(Polyimide) 또는 금속 코팅으로 변경 : 폴리이미드 재료는 -200^{\circ}\text{C} 에서 -270^{\circ}\text{C} 까지의 극저온에서도 물리적 불일치 없이 장기간 견딜 수 있습니다. 금속(예: 금도금) 코팅은 초저온에서도 우수한 기계적 보호 성능을 유지합니다.
- 외피를 금속 심리스 강관으로 변경 : 플라스틱 외피 대신 스테인리스 스틸 심리스 강관을 사용하면 외부 측압을 효과적으로 차폐할 수 있을 뿐만 아니라, 스테인리스 스틸은 -196^{\circ}\text{C} 에서도 우수한 구조적 강도를 유지하며 고분자 재료의 저온 유리화 전이 및 취성 문제가 발생하지 않습니다.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)는 이러한 극저온, 액체 질소 및 초저온 환경을 위해 전용 극저온 특수 광섬유 패치 코드 제품을 설계하여 심냉 환경에서의 광 신호 전송 및 기계적 구조 무결성을 보장합니다:
1. OFSCN® 200℃ Fiber Optic Patch Cord
이 제품은 FC/APC와 같은 광섬유 커넥터, 0.9\text{mm} 스테인리스 스틸 심리스 강관, 200^{\circ}\text{C} 폴리이미드 광섬유로 구성되며, 사용 온도 범위는 -200^{\circ}\text{C} 에서 200^{\circ}\text{C} 까지로, 액체 질소(-196^{\circ}\text{C}) 온도 구간을 완벽하게 커버합니다.
2. OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord
이 제품은 사용 온도 범위가 -270^{\circ}\text{C} 에서 300^{\circ}\text{C} 까지 넓으며, 내부는 300^{\circ}\text{C} 폴리이미드 광섬유를 사용하여 액체 헬륨 및 액체 질소의 초저온 테스트를 견딜 수 있으며, 초전도 및 우주 항공 환경에 자주 사용됩니다.
3. OFSCN® 700℃ Fiber Optic Patch Cord
이 제품은 금도금 광섬유와 0.9\text{mm} 스테인리스 스틸 심리스 강관 조합을 사용하여, 온도 범위는 -270^{\circ}\text{C} 에서 700^{\circ}\text{C} 까지이며, 극한의 심냉 환경에서 매우 높은 기계적 안정성과 인장 강도를 제공합니다.
