요약:
과학자들은 2,000년 넘게 지구가 둥글다는 사실을 연구해 왔지만 '평평한 지구 이론' 지지자들은 여전히 이를 굳게 믿고 있습니다. 어떤 사람들은 증거를 찾기 위해 '세상 끝까지 가겠다'고도 하지만 아직 소위 종말을 찾지 못했습니다. 지구의 모양은 제쳐두고, 스웨덴 왕립기술연구소와 영국 사우샘프턴 대학의 연구원들은 최근 광섬유 감지 분야에서 평면 구조가 원형 구조보다 훨씬 더 우수할 수 있음을 입증하는 기술을 개발했습니다.
연구팀은 납작한 리본 모양의 실리카 광섬유를 개발했습니다. 이러한 종류의 광섬유는 기존의 원통형 광섬유보다 물리적 효과에 훨씬 더 강하게 반응하도록 구조적으로 설계할 수 있어 더 나은 성능을 갖춘 센서가 될 수 있습니다. 연구진은 이를 "High Aspect Ratio Flat Fiber"(HARFF)라고 명명했습니다. 비교 테스트에서 이 광섬유의 압력 감도는 기존 광섬유의 최대 1,000배였습니다. 내부 금속으로 채워진 또 다른 버전은 더 강력한 온도 감지 기능을 보여주었습니다. 연구팀은 단일 실험용 프리폼을 사용해 길이 120m가 넘는 특수 광섬유를 그려 제작 가능성을 입증했다.
광섬유의 가장 잘 알려진 용도는 데이터를 전송하고 빛의 펄스를 통해 전 세계에 정보를 전달하는 유리 필라멘트입니다. 그러나 광섬유는 매우 유능한 센서이기도 합니다. 신축성, 압력 또는 온도와 같은 외부 효과는 유리의 물리적, 광학적 특성을 약간 변화시킬 수 있습니다. 이러한 외부 효과는 광섬유를 통과하는 빛의 변화를 추적하여 측정할 수 있습니다.
거칠지만 직관적인 비유는 급수 호스입니다. 사람들이 호스의 특정 부분을 꽉 쥐면 물의 흐름이 달라집니다. 엔지니어는 물 흐름의 변화를 측정하여 얼마나 많은 압력이 가해지고 있는지 알아낼 수 있습니다. 광섬유 감지는 비슷한 원리를 사용하지만 훨씬 더 민감합니다. 연구자들은 광섬유에 빛을 보내고, 빛 신호가 어떻게 변하는지 측정하고, 이러한 변화를 이용하여 광섬유가 어떤 경험을 했는지 추론합니다.
일반적인 접근 방식 중 하나는 광섬유 브래그 격자를 사용하는 것입니다. 이 격자는 빛의 특정 파장을 반사하는 광섬유 내부에 쓰여진 작은 주기적인 구조입니다. 광섬유가 늘어나거나 압축되면 반사된 빛의 파장이 변경되어 엔지니어에게 변형률을 측정할 수 있는 "광학 눈금자"가 제공됩니다.
기존의 실리카 광섬유는 일반적으로 원통형이며 광섬유 축을 따라 작용하는 힘을 측정하는 데 이상적인 기하학적 구조입니다. 그러나 고체 유리 실린더는 주변 모든 방향에서 발생하는 횡력과 정수압에 약하게 반응하므로 감지 기술의 가장 바람직한 특성 중 하나인 감도에 상당한 제한이 발생합니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구진은 유리의 모양을 변경했습니다. 둥근 모양의 섬유를 먼저 만든 뒤 편평하게 만드는 대신 프리폼 단계에서 HARFF를 편평한 구조로 설계해 종횡비가 20:1에 가까운 견고한 구조를 만들어냈다. 이 리본과 같은 평면 형상은 광섬유가 외부 힘에 반응하는 방식에 혁명을 일으켰습니다. 간단히 말해서, 둥근 막대를 구부리는 데 필요한 힘은 얇은 자를 구부리는 것과 같지 않습니다. 평평한 구조는 광섬유가 자처럼 구부러지는 힘에 더 쉽게 반응하도록 만듭니다.
HARFF를 사용하면 엔지니어는 섬유의 폭, 두께, 벽 두께 및 내부 채널을 개별적으로 조정하여 유리가 구부러지는 부분과 응력이 집중되는 부분을 구체적으로 설계할 수 있습니다.
압력 센서에서 연구팀은 광섬유 내부에 세로로 확장된 두 개의 공기 채널을 설계했습니다. 의도적으로 설계된 이 비대칭 구조는 외부 압력이 가해지면 변형되어 광 도파관 주변의 여러 방향에서 다양한 정도의 변형을 유발합니다. 그 결과, "복굴절"이라고 불리는 섬유의 특성도 변화합니다. 복굴절은 서로 수직인 두 편광 방향으로 이동하는 빛이 동일한 유리 조각에서 약간 다른 굴절률을 경험한다는 것을 의미합니다.
그런 다음 연구원들은 두 개의 동일한 광섬유 브래그 격자를 광 도파관에 썼고 그 사이에 작은 광 공동을 형성했습니다. 빛이 이 광학 공동 내에서 전파되면 특징적인 간섭 패턴이 생성됩니다. 압력이 유리를 변형시키면 복굴절이 변하고 간섭 패턴이 눈에 띄게 이동합니다.
간단히 말하면 압력은 리본 섬유를 변형시켜 유리의 광학 특성을 변화시키며, 변경된 빛 신호는 연구원에게 얼마나 많은 압력이 가해졌는지 알려줍니다.
연구원들은 이 개념 증명 센서를 테스트를 위해 압력 용기에 넣었으며 테스트 압력은 최대 0.40 MPa에 도달했습니다. 측정 결과는 피크 대 최저 응답이 7.24dB/MPa에 도달함을 보여줍니다. 다른 분석 방법을 사용하여 계산하면 압력 감도는 최대 31.6rad/MPa에 도달합니다. 동시에 온도 교차 감도는 압력 감도의 1% 미만이므로 연구자가 온도 변화와 압력 변화를 구별하는 데 도움이 됩니다.
연구팀은 타원형 코어와 원형 단면을 사용하는 유사한 광섬유에 비해 HARFF의 감도가 최대 3배, 즉 약 1,000배 향상되었다고 밝혔습니다. 그들은 또한 HARFF의 성능이 정수압 감지에 최적화된 다른 실리카 섬유 설계에 비해 최대 2배까지 향상된다고 주장합니다.
압력 감지 외에도 연구원들은 동일한 기본 유리 플랫폼을 온도 센서로 설계할 수도 있음을 보여주었습니다. 온도 센서에서 그들은 HARFF의 내부 채널을 주석 기반 합금으로 채웠습니다. 이산화규소의 열팽창계수는 약 0.5×10⁻⁶/K인 반면, 이 합금의 열팽창계수는 약 23×10⁻⁶/K입니다. 두 가지가 가열되면 금속은 주변 유리가 허용하는 것 이상으로 팽창하려고 시도합니다. 이러한 팽창 차이는 실리카에 응력을 발생시켜 복굴절을 변경하고 다시 측정할 수 있는 광학 신호를 형성합니다.
연구원들은 더 강력한 센서를 만들었을 뿐만 아니라 섬유의 기하학적 구조와 내부 구조를 새로운 엔지니어링 설계 변수로 변환했다고 믿습니다.
왕립공과대학(Royal Institute of Technology) 연구원 파벨 마니에프스키(Pavel Maniewski)는 이것이 단지 겉모습만 다른 광섬유가 아니라 광섬유에 대한 새로운 디자인 공간을 열어준다고 말했다. 기하학적 구조를 변경함으로써 유리 자체가 주변의 물리적 환경에 더욱 크게 반응하도록 만들 수 있습니다.
섬유 폭, 두께, 공기 채널, 광 도파관 위치 또는 이러한 채널을 채우는 재료를 변경함으로써 동일한 기본 제조 플랫폼이 향후 다양한 유형의 감지 요구에 맞게 최적화될 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 이러한 광섬유를 복합 날개에 내장하면 수많은 기존 전자 센서 네트워크를 배치하지 않고도 하중과 변형을 모니터링할 수 있습니다.
유사한 광섬유는 드론, 교량, 산업 구조물, 배터리 등의 분야에서도 사용될 수 있습니다. 이러한 시나리오에서는 내부 온도나 압력의 변화가 장비 고장의 조기 경고 신호가 될 수 있습니다. 또한, 광섬유는 무게가 가볍고, 크기가 작으며, 전자기 간섭의 영향을 받지 않는다는 장점도 있습니다.
물론, 인상적인 실험실용 광섬유에서 항공기가 '유리 신경 시스템'과 같은 것을 가질 수 있도록 하는 실용적인 응용 프로그램까지 갈 길이 꽤 깁니다. 현재 HARFF는 아직 개념 증명 단계에 있습니다. 연구원들은 약 0.16dB/미터의 광 전파 손실을 측정했는데, 이는 플랫 섬유 자체의 고유한 한계보다는 주로 실험적 코어 형상과 사용된 실리카 재료 때문이라고 생각됩니다.
또한 HARFF를 기존 광섬유와 접합할 때 발생하는 손실은 일반적으로 3데시벨 미만이므로 이 기술을 최적화할 여지가 아직 많다는 의미입니다.
연구팀의 다음 단계에서는 광섬유 형상 제어 능력을 더욱 향상시키고 광 손실을 줄이며 HARFF를 개념 증명 센서에서 실제 시스템으로 승격시킬 계획입니다. 왕립공과대학(Royal Institute of Technology)은 스마트 드론, 첨단 복합재료, 보다 안전한 에너지 기술 등이 모두 이 기술의 미래 응용 방향이 될 수 있다고 지적했다.
이 연구는 통신 데이터 전송이 아닌 광섬유 감지에 중점을 두고 있다는 점에 유의해야 합니다. 통신 분야에서는 전통적인 원형 광섬유가 여전히 주류 표준입니다.
이 연구는 Nature Communications 저널에 게재되었습니다.
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