그레이팅이 새겨진 곳은 인장 강도가 떨어지나요?
그레이팅(grating)이 새겨진 부분의 인장 능력(즉, 기계적 강도 또는 극한 사용 변형률)이 저하되는지 여부는 전적으로 그레이팅의 제조 공정과 새김 방식에 달려 있습니다.
전통적인 그레이팅 제작 공정에서는 새김 영역의 인장 능력이 실제로 상당히 저하됩니다. 반면, 첨단 펨토초 레이저 코팅 투과 새김 공정에서는 그레이팅 영역의 기계적 강도가 거의 영향을 받지 않으며 매우 높은 인장 임계값을 유지할 수 있습니다.
1. 전통적인 자외선(UV) 레이저 새김: 인장 능력의 현저한 저하
전통적인 자외선(UV) 마스크 조사 방식으로 새긴 그레이팅의 경우, 인장 능력이 저하되는 주된 이유는 다음과 같은 물리적 및 공정상의 과정 때문입니다.
- 코팅층 제거 시 기계적/화학적 손상:
새기기 전에 기계식 스트리퍼나 화학 용제를 사용하여 광섬유 표면의 고분자 보호 코팅층(폴리이미드 또는 아크릴레이트 등)을 벗겨내어 노출된 석영 유리 코어만을 남겨야 합니다. 제거 과정에서 사소한 기계적 접촉이라도 취약한 석영 유리 표면에 미세한 긁힘이나 균열(Micro-cracks)을 유발할 수 있습니다. - 수소 도핑 및 강한 레이저 조사:
감광성을 높이기 위해 노출된 광섬유는 일반적으로 고압 수소 도핑 과정을 거친 후, 강한 자외선 레이저에 노출됩니다. 고에너지 자외선 광자와 수소 도핑 과정은 석영 표면의 기존 미세 균열을 내부 응력에 의해 확장시킵니다. - 재코팅으로는 회복 불가능한 유리 손상:
새기기가 완료된 후 노출된 광섬유를 재코팅(폴리이미드 또는 아크릴레이트 재코팅)하지만, 재코팅은 표면의 습기 방지 및 기본적인 물리적 보호 기능만 제공할 뿐, 유리 기판 표면에 이미 발생한 미세 균열을 복구할 수는 없습니다. 광섬유에 인장력이 가해지면 이러한 미세 균열 부위에 응력이 집중(Stress Concentration)되어 광섬유가 새김 영역(그레이팅 영역)에서 쉽게 취성 파괴(brittle fracture)를 일으킵니다.
따라서, 전통적인 재코팅 자외선 그레이팅의 가용 변형률 범위는 일반적으로 약 $\le 10000\ \mu\varepsilon$ 로 제한됩니다.
2. 펨토초 레이저 코팅 투과 새김: 원래의 높은 인장 강도 유지
전통적인 그레이팅의 새김 영역에서의 인장 능력 저하 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 현재 첨단 제조 공정에서는 펨토초 레이저 코팅 투과 새김 기술을 채택하고 있습니다.
- 코팅층 제거 불필요:
펨토초 레이저(Femtosecond Laser)의 극도로 높은 피크 전력과 비선형 다광자 흡수 효과를 이용하여, 레이저 빔은 외부의 원래 고분자 코팅층을 투과하여 코어 내부에서 직접 초점을 맺고 굴절률 변조를 일으킵니다. - 기계적 손상 제로:
전체 새김 과정에서 코팅층을 전혀 제거할 필요가 없기 때문에, 석영 유리 표면은 공장 출하 후 어떠한 기계적, 화학적 또는 외부 환경 접촉도 받지 않아, 표면의 물리적 무결성이 완벽하게 보존되며 어떠한 미세 균열도 도입되지 않습니다. - 극한의 인장 한계:
응력 집중원이 없기 때문에, 이 그레이팅의 기계적 강도는 새기기 전의 원래 고강도 광섬유와 거의 동일하며, 매우 강한 인장 및 피로 저항 능력을 가집니다.
3. 다청 영성(OFSCN®)의 고강도 그레이팅 솔루션
시스템 애플리케이션 시나리오에서 광섬유 그레이팅이 극심한 인장력, 높은 굽힘 응력 또는 빈번한 기계적 피로를 견뎌야 한다면, 베이징 다청 영성 과학기술 유한회사(OFSCN®)는 펨토초 레이저 공정을 기반으로 해당 베어(bare) 그레이팅 제품을 개발했습니다.
1. OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
이 제품은 펨토초 레이저를 이용한 점별 새김 방식으로 제작되며, 새길 때 광섬유 코팅층에 손상을 주지 않습니다. 사용되는 광섬유는 선별된 고강도 단일 모드 폴리이미드 광섬유입니다.
- 최대 가용 변형률:
$\ge 25000\ \mu\varepsilon$(인장 강도 및 극한 신장률이 일반 그레이팅보다 훨씬 우수). - 외경: 155마이크로미터.
2. OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
마찬가지로 첨단 펨토초 레이저 코팅 투과 새김 기술을 사용하여, 높은 기계적 강도를 보장하는 동시에 매우 넓은 온도 적응성을 제공합니다.
- 상온 가용 변형률:
$\le 15000\ \mu\varepsilon$. - 온도 범위:
$-270^\circ\text{C}$에서$+800^\circ\text{C}$(특수 공정 처리됨).
