리본처럼 납작한 유리 광섬유, 압력 감도 1,000배 향상…KTH-사우샘프턴대 공동 개발

1. 프리폼 제작: 실리카 판을 쌓아 납작한 프리폼(preform, 모재)을 만듭니다.
2. 레이저 유리 용접: 레이저로 프리폼 측면을 용접해 내부에 공기 채널과 같은 미세 구조를 만듭니다.
3. 인선: 이 프리폼을 일반 광섬유 인선탑(draw tower) 에서 가열해 얇은 섬유 형태로 뽑아냅니다. 이때 내부 미세 구조가 무너지지 않도록 압력을 정밀 제어합니다.
4. 펨토초 레이저 가공: 마지막으로 펨토초 레이저(λ=515 nm, 200 fs 펄스)를 이용해 평판형 섬유 내부에 직접 FBG(광섬유 브래그 격자)와 사각형 도파로를 새깁니다.

이 프리폼 기반 방식은 원형 섬유를 나중에 납작하게 만드는 방식보다 내부 형상을 훨씬 정밀하게 유지하며, 재현성 높은 제조를 가능하게 합니다.

온도 감지까지: 주석 합금 활용

HARFF 플랫폼은 원래 FBG(Fiber Bragg Grating) 기반으로 변형률, 온도, 압력을 동시에 측정할 수 있습니다. 연구팀은 여기에 한 가지 독창적인 방법을 더했습니다. 내부 미세 구조의 일부를 주석(Sn) 기반 합금으로 채운 것입니다. 이렇게 다중 재료 구조를 만들자 섬유의 온도 감도가 크게 향상되었습니다.

압력과 온도를 동시에 고감도로 측정할 수 있게 되면서, HARFF는 하나의 얇은 유리 리본으로 여러 물리량을 측정하는 진정한 '멀티파라미터 센서'가 되었습니다.

어디에 쓰일까?

광섬유는 전자기 간섭이 없고, 가벼우며, 극한 환경에서도 잘 작동합니다. 연구팀은 HARFF 플랫폼이 다음 6개 분야에서 혁신을 가져올 수 있다고 봅니다.

• 항공우주(Aerospace): 비행기, 드론의 복합재료 내부에 내장해 내부 변형률과 압력을 실시간 감지합니다.
• 에너지 시스템(Energy systems): 발전소, 송배전망의 구조 건전성 및 환경 상태를 모니터링합니다.
• 인프라(Infrastructure): 교량, 건물 등 토목 구조물의 변형률과 압력을 지속적으로 감시합니다.
• 의료 기기(Biomedical devices): 작고 정밀하며 전자기 간섭에 강한 의료용 센서로 활용합니다.
• 배터리 모니터링(Battery monitoring): 배터리 셀 내부의 압력과 온도 변화를 감지해 이상 징후를 조기에 포착합니다.
• 지능형 드론(Intelligent drones): 초경량 멀티플렉싱 센서로 기체 구조 건전성과 비행 역학을 모니터링합니다.

결론

HARFF는 '광섬유란 동그란 것'이라는 수십 년간의 고정관념을 완전히 깬 결과물입니다. 연구팀은 원형 단면을 버리고 평판형 설계를 채택함으로써 압력 감도를 1,000배 높이고, 온도 등 추가 변수 측정 능력까지 확보했습니다. 무엇보다 기존 광섬유 인선탑과 잘 알려진 실리카 재료를 그대로 사용하기 때문에, 교량에서 배터리까지 다양한 현장에 바로 적용할 수 있는 실용성을 갖췄습니다.