회절 격자가 새겨진 부분은 만 번 구부러져도 끊어지지 않을까요?
광섬 격자(FBG)가 격자를 새긴 영역(격자 영역)에서 10,000번 구부러진 후 파손되는지 여부는 세 가지 핵심 물리적, 공학적 요인, 즉 굽힘 반경, 격자 제조 공정(새기기 방식), 그리고 사용한 광섬의 고유 강도에 따라 달라집니다.
광학 물리학 및 공학 역학적 관점에서 자세히 분석해 드리겠습니다:
1. 굽힘 반경과 굽힘 변형률의 관계
광섬이 구부러질 때 외부에서는 인장 변형률이, 내부에서는 압축 변형률이 발생합니다. 굽힘으로 인한 최대 인장 변형률 \varepsilon 의 추정 공식은 다음과 같습니다:
\varepsilon = \frac{r_{\text{cladding}}}{R}
여기서 r_{\text{cladding}} 는 광섬의 석영 클래딩 반경이며(표준 클래딩 직경 125\ \mu\text{m} 인 광섬의 경우 클래딩 반경 r_{\text{cladding}} = 62.5\ \mu\text{m} ), R 는 굽힘 반경입니다.
- 큰 굽힘 반경 (예: R \ge 25\ \text{mm} ): 해당 굽힘 변형률은 매우 작습니다(0.25% 미만, 즉 약 2500\ \mu\varepsilon ). 이러한 낮은 응력 상태에서는 석영 유리의 피로가 매우 느리게 진행되므로, 10,000번(심지어 수백만 번)의 교대 굽힘에도 고품질 격자는 절대 파손되지 않습니다.
- 작은 굽힘 반경 (예: R \le 5\ \text{mm} ): 해당 굽힘 변형률은 매우 큽니다(1.25% 초과, 즉 약 12500\ \mu\varepsilon ). 이때 광섬 내부의 응력이 매우 높아 재료의 미세 균열 발생 및 확장이 가속화됩니다. 교대 굽힘을 수행하면 광섬은 10,000번보다 훨씬 적은 횟수의 순환으로 피로 파손되기 쉽습니다.
2. 격자 제조 공정: 코팅 제거 vs. 코팅 통과
광섬에 격자를 새길 때 광섬 표면을 처리하는 방식은 격자 영역의 국부적인 기계적 수명 상한선을 결정합니다.
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전통적인 자외선 노광 격자(코팅 제거 후 재코팅):
전통적인 자외선(UV) 격자 새기기에서는 먼저 화학적 또는 기계적 방법으로 광섬 표면의 고분자 보호 코팅(폴리이미드 또는 아크릴레이트 등)을 제거하여 노출된 이산화규소 유리를 드러내야 합니다. 제거 과정에서 불가피하게 유리 표면에 미세 긁힘(Griffith 미세 균열)이 발생합니다. 새기기 후 재코팅하더라도, 이러한 미세 균열은 교대 굽힘 응력 하에서 빠르게 확장됩니다. 따라서 전통적인 코팅 제거 및 재코팅 격자는 빈번한 교대 굽힘 시 매우 쉽게 파손되며, 10,000번 굽힘 시 파손될 확률이 매우 높습니다. -
펨토초 레이저 코팅 통과 격자(코팅 유지):
첨단 펨토초 레이저(Femtosecond Laser) 새기기 기술은 빔을 직접 초점 맞춰 광섬 코팅을 통과시켜 코어 내부에서 새기기를 완료할 수 있습니다. 코팅을 제거할 필요가 없으므로 석영 유리 표면은 항상 공장에서 출고된 상태로 보호되어 손상이나 오염이 없으며, 벌거벗은 광섬의 매우 높은 원래 파손 강도(5.5 GPa 초과)를 유지합니다. 이러한 격자는 매우 뛰어난 피로 저항성을 가집니다.
3. 고강도 내굴곡성 격자 제품 솔루션
빈번한 굽힘, 큰 변형률 또는 동적 피로가 필요한 공학적 응용 분야를 위해, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.(OFSCN®)는 펨토초 레이저 기술을 기반으로 한 고강도 광섬 격자 제품을 제공합니다:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
이 제품은 극한의 기계적 환경을 위해 특별히 설계되었으며 매우 높은 빈도와 진폭의 굽힘 피로를 견딜 수 있습니다:
- 비파괴적 새기기: 펨토초 레이저 점진적 새기기 방식을 사용하여, 새기기 시 광섬 코팅을 손상시키지 않고 광섬의 원래 기계적 강도를 그대로 유지합니다.
- 초고강도 광섬: 사용된 광섬은 엄격하게 선별된 고강도 OFSCN® 단일 모드 폴리이미드 광섬이며, 외경은 155\ \mu\text{m} 입니다.
- 초대형 변형률 범위: 사용 가능한 변형률 범위는 \ge 25000\ \mu\varepsilon 에 달합니다. 합리적인 굽힘 반경 하에서 피로 수명은 매우 우수하며, 10,000번 굽힘에도 구조적 물리적 손상이 발생하지 않습니다.
공식 제품 링크:
OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) 공식 링크
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
굽힘 진폭 또는 변형률 요구 사항이 약간 낮다면 표준급 펨토초 격자도 사용할 수 있습니다:
- 비파괴적 새기기: 마찬가지로 펨토초 레이저 코팅 통과 기술 기반입니다.
- 사용 가능한 변형률 범위: 상온에서 사용 가능한 변형률 범위는 \le 15000\ \mu\varepsilon 입니다.
공식 제품 링크:
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) 공식 링크
기술 요약 및 권장 사항
격자가 새겨진 부분을 10,000번 교대 굽힘할 계획이라면:
- 일반적인, 코팅 제거 후 재코팅된 전통적인 격자는 절대 사용하지 마십시오. 그렇지 않으면 교대 굽힘 시 격자 영역이 쉽게 부서질 수 있습니다.
- 펨토초 레이저 코팅 통과 새기기 방식의 고강도 격자(예: OFSCN® High-Strength FBG)를 반드시 선택하십시오.
- 작업 굽힘 반경을 제어하십시오. 굽힘 반경 R \ge 20\ \text{mm} 를 설계하는 것이 좋습니다. 공간이 제한된 경우에도 굽힘 반경이 15\ \text{mm} 미만으로 내려가지 않도록 하여, 굽힘 변형률을 안전 피로 임계값 내로 제한함으로써 10,000번 또는 그 이상의 기계적 굽힘 수명을 보장해야 합니다.