데이터 전송: 유리 섬유 대신 액체 글리세린

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-08-02 16:36:06
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* 오늘날의 광섬유 기술의 물리적 기반은 1842년 물분사 내부에 전달되는 빛 관찰
* 섬유 코어가 외피 보다 높은 굴절율 지녀야 함
* 섬유의 핵심은 유리 또는 고체 폴리머 대신 액체로 구성
* 액체 코어 섬유는 강한 굽힘을 견딜 수 있으며 결과 없이 최대 10%까지 늘어나
* 굴절률 영향 없는 소량의 형광 염료사용으로 센서역할도 수행 가능

데이터 전송: 유리 섬유 대신 글리세린
액체 코어 섬유는 데이터의 우수한 전도체이지만 유리보다 더 유연하고 연성이 있다.


고체 대신 액체:
연구원들은 유리 섬유와 같은 광신호를 전송하는 데이터 전도체를 개발했다.
섬유의 핵심은 유리 또는 고체 폴리머 대신 액체로 구성돼 있다. 액체 코어 섬유의 장점은 일반적인 고체 광 도체보다 더 유연하고 신축성이 있다. 따라서 광 데이터 전송에서 다양한 방식으로 사용될 수 있으며 센서 역할도 할 수 있다. 

▲ 킬로미터 길이의 이 광섬유의 핵심은 완전히 액체 글리세린으로 구성되어 있어 유연하고 탄력적이다. © Empa

장거리에서 빠른 데이터 전송과 관련하여 광섬유가 선택되는 방법이다.
고 굴절률 유리 코어는 광학 신호를 빠르고 정확하게 전달한다. 그러나 유리는 부서지기 쉽다. 광섬유 케이블은 과도한 굽힘 또는 인장 응력에 매우 민감하여 파손된다. 따라서 플렉시 유리 코어가 있는 섬유는 더 짧은 거리에 자주 사용된다. 이것은 유리보다 유연하지만 여전히 장력에 민감하다.

다음은 두 변형 모두에 적용된다.
"섬유 코어에 미세 균열이 형성되자마자 빛이 산란돼 손실된다. 데이터 전송은 처음에는 나쁘게 돼 나중에는 이 약화 지점에서 광섬유 코어가 완전히 찢어질 수도 있다”고 스위스 연방 재료 시험연구소 Empa의 루돌프 후페누스(Rudolf Hufenus)가 설명했다.

코어로서 고 굴절 액체

이를 해결하기 위해 후페누스(Hufenus)와 그의 동료들은 이제 새로운 유형의 광섬유 케이블을 개발했다. 액체 글리세린으로 만든 코어는 유리 또는 플렉시 유리의 역할을 한다.

이 아이디어는 약 150년 된 제네바 물리학자 장-다니엘 꼴라동(Jean-Daniel Colladon)의 관찰을 기반으로 한다. 1842년에 물 분사기의 내부를 따라 처음으로 빛이 전달되는 것이었다.
오늘날의 광섬유 기술의 물리적 기반 중 하나가 되었다.

좋은 광전도를 위해서는 섬유의 코어가 외피 재료보다 훨씬 더 높은 굴절률을 가져야 한다. 그래야만 빛이 인터페이스에서 깨끗하게 반사되고 코어 내에 갇힌 상태로 유지된다.
"고체 코어를 가진 두 성분 섬유는 50년 이상 사용되어 왔다"고 Hufenus는 설명했다. “그러나 투명한 액체 코어를 제작하는 것은 훨씬 더 복잡하다. 그렇게 하려면 모든 것이 정확히 맞아야 한다."

10%까지 늘어남

특수 기계에서 섬유를 제조할 수 있으려면 재료도 온도에 안정적이어야 한다.
Empa 연구원은 "섬유의 두 가지 구성 요소는 고압 및 섭씨 200~300도에서 함께 회전 분사구를 통과해야 한다"고 말했다. 따라서 연구팀은 새로운 액체 코어 섬유의 경우 상대적으로 높은 굴절률의 액체 글리세린과 고체 불소 중합체로 만들어진 쉘(shell)을 선택했다.

초기 테스트에서는 이 조합이 광학 데이터를 안전하고 안정적으로 전달하는 것으로 나타났다. 동시에 액체 코어 섬유는 강한 굽힘을 견딜 수 있으며 결과 없이 최대 10%까지 늘어날 수 있다.

“우리는 광학 전도성 고분자 섬유와 관련하여 이미 가능한 모든 것을 시도했다. 그러나 최고의 고체 섬유 코어를 사용하더라도 액체로 채워진 섬유와 같은 탄성을 얻을 수는 없다”고 Hufenus는 보고했다.
 
센서로도 응용

연구원들에 따르면, 새로운 두 성분 섬유의 광학적 및 기계적 특성의 특별한 조합은 새로운 응용 가능성을 열어준다. "우리는 우리의 액체 충전 섬유가 신호 전송 및 센서 기술뿐만 아니라 마이크로 모터 및 마이크로 유압 장치의 전력 전송에도 사용될 수 있을 것으로 기대한다"고 Hufenus는 말했다. 섬유는 극도로 탄력적일 뿐만 아니라 가해지는 인장 하중과 늘어나는 정도도 측정할 수 있다.

이를 위해 글리세린에는 소량의 형광 염료가 풍부하다.
이것은 광 투과율에 거의 영향을 미치지 않지만 센서 역할을 할 수 있다. 케이블이 늘어나면 색상 분자의 밀도가 변경된다. 그 결과, 전송된 광신호의 빛 색상이 약간 변하고 이 변화는 확장의 정도를 나타낸다.
출처: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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