상하이 대학의 과학 연구팀은 최근 전체가 실리카 광섬유로 만들어진 초박형 마이크를 개발했습니다. 지름은 머리카락만큼 가늘지만 인간이 들을 수 있는 한계를 훨씬 뛰어넘는 광범위한 초음파 신호를 감지할 수 있으며, 최대 섭씨 1,000도의 환경에서도 계속 작동할 수 있다. 전체 장치는 기존 전자 부품 대신 유리 광학 구조를 사용하기 때문에 극한의 고온 및 강한 전자기 간섭 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다. 이는 극한의 작업 조건에서 기존 센서의 한계를 극복하려는 중요한 시도로 평가됩니다.

연구팀은 이 전섬유 마이크의 장기적인 목표 적용은 고전압 변압기 내부에 직접 배치되어 초기 장비 고장의 약한 음향 신호를 '듣고' 문제가 대규모 정전이나 폭발로 발전하기 전에 조기 경고를 발령하는 것이라고 밝혔습니다. 논문의 저자 중 한 명인 상하이 대학의 Zhang Xiaobei는 전통적인 전자 센서가 고온 환경에서 고장나기 쉽고 강한 전자기장에서 간섭에 매우 취약하다는 점을 지적했습니다. 그러나 새로운 광섬유 마이크는 위험한 환경에서도 살아남을 수 있으며 장비 고장 초기 단계에서 미묘한 신호를 포착할 만큼 민감합니다.

이번 연구 결과는 옵티카 출판그룹(Optica Publishing Group) 학술지 '옵틱스 익스프레스(Optics Express)'에 게재됐다. 이 마이크는 인간의 귀가 들을 수 있는 범위를 훨씬 뛰어넘는 40kHz ~ 1.6MHz의 주파수 범위에 응답할 수 있습니다. 전체 감지 구조는 직경이 125미크론에 불과한 단일 모드 광섬유 내부에 "캡슐화"되어 기존 마이크처럼 부피가 큰 외부 하우징에 의존할 필요가 없습니다. 연구원들은 전체 광섬유 설계를 통해 제한된 공간과 열악한 환경의 산업 장비 내부에 직접 배치하여 실시간 모니터링을 달성할 수 있다고 말했습니다.

구체적인 응용 아이디어 측면에서 팀은 고전압 변압기의 부분 방전 신호 모니터링에 대한 연구에 중점을 두었습니다. 부분 방전은 대규모 고장이 발생하기 전에 "전조" 역할을 할 수 있는 일종의 작은 전기 결함입니다. 그러나 변압기 내부의 높은 온도와 강한 전자기 노이즈로 인해 기존 센서는 장비가 작동하는 동안 이러한 신호를 정확하게 포착하기 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 광섬유의 광탄성 효과(기계적 진동이 광섬유의 빛 굴절률에 작은 변화를 유발하는 현상)를 사용하여 전적으로 빛을 기반으로 하는 음향 감지 솔루션을 구축했습니다.

이 광섬유 마이크는 진동에 민감한 마이크로 다이어프램과 단일 모드 광섬유 내부에 매달린 유리 마이크로빔을 포함한 정교한 감지 구조를 통합합니다. 두 가지가 함께 매우 작은 진동을 측정하기 위한 고정밀 Fabry-Perot 간섭계 구조를 형성합니다. 이렇게 좁은 광섬유 내부에 매달린 구조를 만들기 위해 연구팀은 피코초 레이저 유도 화학적 에칭 공정을 사용했습니다. 이 첨단 제조 기술은 고체 재료 내부의 마이크로 및 나노 규모 구조를 정밀하게 처리할 수 있습니다.

극한 환경에서의 성능을 검증하기 위해 연구원들은 마이크를 섭씨 1,000도의 용광로에서 100분 동안 테스트했습니다. 그 결과 구조와 신호 전송이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 또한 실험을 통해 이 센서는 40kHz~1.6MHz의 초광대역 주파수 대역 내에서 안정적인 음향 응답을 가지며 공기 및 수중과 같은 다양한 매체에서 정상적으로 작동할 수 있어 다양한 응용 시나리오에서의 적응성을 보여줍니다.

Zhang Xiaobei는 전체 간섭 구조가 "머리카락처럼 얇은" 광섬유에 통합되어 있어 이 자체 캡슐화 모놀리식 설계를 추가 보호 쉘 없이도 고온, 공간이 제한된 환경에 직접 배포할 수 있다고 지적했습니다. 연구팀은 이 마이크가 고전압 전력 설비 상태의 온라인 모니터링, 산업 비파괴 검사, 의료 영상, 항공우주 엔진 모니터링, 자연재해 조기 경보 등의 분야에 활용돼 중요 인프라에 대한 보다 빠르고 정확한 음향 진단 방법을 제공할 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 앞으로 음향 기능 모듈을 장치에 추가로 통합하여 감도 한계를 지속적으로 개선할 계획입니다. 또한 멀티 레이저 복합 적층 및 절삭 제조 플랫폼을 사용하여 이산화규소 3D 프린팅과 초고속 레이저 미세 가공을 결합하여 더욱 강력하게 통합된 전체 실리콘 패키징 구조를 만들어 마이크의 기계적 강도와 감지 성능을 더욱 향상시킬 계획입니다. 연구원들은 이것이 실제 산업 환경, 특히 작동 중인 전력 변압기 내부에서 장기간 설치 및 적용할 수 있는 길을 열어 이러한 유형의 광섬유 마이크가 극한 환경에서 진정으로 신뢰할 수 있는 "청진기"가 될 것이라고 말합니다.