KR102204376B1 - 광섬유 고정방법 및 그를 이용한 측정장치 - Google Patents

Abstract

광섬유 고정방법 및 그를 이용한 측정장치에 관한 것으로, (a) 광섬유를 대상체에 고정하고자 하는 고정 부위를 가열하는 단계 및 (b) 가열된 고정 부위가 용융되면서 요철 구조가 형성되는 단계를 포함하여 대상체에 형성된 삽입공간에 상기 요철 구조가 형성된 고정 부위를 배치한 상태에서 접착제나 충전재를 주입하여 상기 광섬유를 대상체에 고정하는 구성을 마련하여, 광섬유를 고정하고자 하는 부위에 요철을 형성하여 기계적 결합 구조를 이용해서 광섬유와 대상체를 견고하게 고정하고, 클래딩과 피복 재킷 사이의 슬립을 방지할 수 있다.

Description

광섬유 고정방법 및 그를 이용한 측정장치{OPTICAL FIBER FIXING METHOD AND MEASURING DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 광섬유 고정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 변화량을 측정하는 측정장치에 적용되는 광섬유를 대상체에 고정하는 광섬유 고정방법 및 그를 이용한 측정장치에 관한 것이다.

광섬유(optical fiber)는 광학섬유라고도 하고, 여러 가닥 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라 하며, 그 사용이 늘어나고 있다.

일반적으로, 광섬유는 합성수지를 이용해서 제조되기도 하나, 주로 투명도가 좋은 유리를 이용해서 제조된다.

도 1은 종래기술에 따른 광섬유의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유(1)는 중앙의 코어(core)(2) 및 코어(2)의 주변을 감싸는 클래딩(cladding)(3)을 포함하는 이중 원기둥 형상으로 형성되고, 클래딩(3)의 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해, 피복 재킷(4)이 코팅된다.

피복 재킷(4)을 제외한 광섬유(1)의 전체 지름은 백 내지 수백 ㎛(125㎛로 규격화됨)이고, 코어(2) 부분의 굴절률이 클래딩(3)의 굴절률보다 높기 때문에, 빛은 코어(2) 부분에 집속되어 외부로 빠져나가지 않고 코어(2)를 따라 진행한다.

코어(2)의 지름이 수 ㎛인 것을 단일모드 광섬유라 하고, 코어(2)의 지름이 수십 ㎛인 것을 다중(多重) 모드 광섬유라 하며, 코어(2)의 굴절률 분포에 따라 계단형·언덕형 광섬유 등으로 구분된다.

이러한 광섬유는 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼신(混信)이 없고 도청이 힘들며, 소형·경량으로 굴곡에도 강하고, 하나의 광섬유에 많은 통신회선을 수용할 수 있고 외부환경의 변화에도 강하다.

한편, 광섬유를 대상체에 고정하는 기술이 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등에 개시되어 있다.

광섬유는 자체적인 파손의 위험 때문에, 아크릴레이트 등을 이용해서 245 내지 250 ㎛ 정도의 피복 재킷으로 코팅됨에 따라, 고정하기 쉽지 않고, 고정이 되더라도 시간이 경과하면서 클래딩과 피복 재킷 사이에서 슬립이 발생한다.

즉, 광섬유 센서를 대상체의 정확한 물리적 변형을 측정하는 센서 등의 측정장치에 적용하는 경우, 대상체와 광섬유 센서의 클래딩을 부착해서 고정해야 하며, 이를 위해 부착지점의 광섬유 센서의 코팅층을 탈피시켜야 한다.

그러나 탈피된 부분의 광섬유 센서는 일반적으로 다른 부분의 광섬유 센서보다 강도가 떨어지며, 변형이 발생될 경우 탈피된 부분은 쉽게 끊어지거나 광섬유 센서를 센서 패키지에 부착할 때 어려움이 있었다.

이와 같이, 피복 재킷은 광섬유를 보호하는 장점이 있으나, 광섬유의 피복 재킷을 부분 탈피하지 않은 상태에서 피복 재킷 표면과 실험체에 직접 부착하면, 재킷과 클래딩 사이에서 슬립이 발생한다.

이로 인해, 광섬유 센서를 이용해서 인장력에 의한 인장거동과 장기 변형에 대한 거동을 정확하게 측정하는 것이 불가능하다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2012-0010296호(2012년 2월 3일 공개) 대한민국 특허 등록번호 제10-1512402호(2015년 4월 15일 공고)

그러나 특허문헌 1은 광섬유의 피복 재킷을 부분 탈피하여 대상체에 부착함에 따라, 부분 탈피 과정에서 광섬유의 클래딩이 손상되는 문제점이 있었다.

그리고 특허문헌 2는 광섬유를 고정하기 위해 UV 레이저를 이용해서 UV 광을 조사하여 에폭시 수지를 경화시킴에 따라, 설비 구조 및 작업 공정이 복잡하고, 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 따른 광섬유 고정 방법 및 구조는 광섬유를 대상체에 고정한 상태에서 클래딩과 피복 재킷 사이에서 발생하는 슬립을 완전하게 방지하는 한계가 있었다.

따라서 다양한 변형량을 측정하는 측정장치에 광섬유 센서를 적용하는 경우, 광섬유 센서를 용이하게 고정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대상체에 광섬유 센서를 용이하게 고정할 수 있는 광섬유 고정방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광섬유를 대상체에 고정하고자 하는 부위에 기계적 결합 구조를 형성하여 대상체에 고정해서 다양한 변형량을 측정하는 광섬유 고정방법을 이용한 측정장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 고정방법은 (a) 광섬유를 대상체에 고정하고자 하는 고정 부위를 가열하는 단계 및 (b) 가열된 고정 부위가 용융되면서 요철 구조가 형성되는 단계를 포함하여 대상체에 형성된 삽입공간에 상기 요철 구조가 형성된 고정 부위를 배치한 상태에서 접착제나 충전재를 주입하여 상기 광섬유를 대상체에 고정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 고정방법을 이용한 측정장치는 광섬유 고정방법을 이용해서 광섬유를 대상체에 고정하고, 고정된 광섬유의 일단에 빛을 입사시켜 반사되는 빛을 분석하여 대상체의 변형량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 고정방법 및 그를 이용한 측정장치에 의하면, 광섬유를 고정하고자 하는 부위에 요철을 형성하여 기계적 결합 구조를 이용해서 광섬유와 대상체를 견고하게 고정하고, 클래딩과 피복 재킷 사이의 슬립을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

즉, 본 발명에 의하면, 광섬유의 클래딩 일부와 피복 재킷을 가열하거나 녹여서 요철을 형성하고, 요철이 형성된 부위에 접착제나 충전재를 주입하여 광섬유와 대상체를 고정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 대상체에 고정된 광섬유에서 시간이 경과함에 따라 클래딩과 피복 재킷 사이에서 발생하는 슬립을 예방할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 종래기술에 따른 광섬유의 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 고정방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 3 내지 도 4는 도 2에 도시된 광섬유 고정방법을 예시한 예시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유 고정방법을 이용해서 고정 부위의 부분 확대도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 고정방법 및 그를 이용한 고정방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하에서는 하나의 광섬유 센서에 2개 이상의 일점형 광섬유 센서가 설치되는 광섬유 격자센서(Fiber Bragg Grating Sensor, 이하 'FBG 센서'라 함)를 고정하는 방법 및 그를 이용한 측정장치를 설명한다.

상기 FBG 센서는 게르마늄(Ge)이 첨가된 광섬유 코어에 자외선 영역의 레이저를 주기적으로 주사함으로써 굴절률 변화를 유도하여 격자(Grating)를 생성하며, 생성된 격자의 간격에 의해 결정되는 특정 파장의 빛을 반사시키는 광소자이다.

이러한 FBG 센서의 일단에 광대역의 스펙트럼을 입사시킬 경우, 조건에 만족하는 파장 성분이 광섬유 격자에서 반사되며, 나머지 파장 성분은 그대로 통과하여 광 스펙트럼 분석기에 나타난다.

본 발명은 광섬유 센서를 대상체에 고정해서 다양한 변형량을 측정하기 위해, 대상체에 고정하고자 하는 부위에 레이저빔을 조사해서 고정홈과 고정턱을 형성한다.

즉, 광섬유의 표면에 사포를 이용한 샌딩과 같은 기계적인 가공을 수행하는 경우, 피복과 함께 클래딩이 손상될 수 있다.

따라서 본 발명은 기계 가공 방식 대신에, 광섬유를 고정하고자 하는 부위를 가열하거나 부분적으로 녹여서 대상체와의 접착 면적 및 접착면의 마찰력을 증대함으로써, 기계적 결합 구조를 이용해서 광섬유를 고정한다.

이로 인해, 본 발명은 대상체에 광섬유를 고정한 상태에서 피복 재킷과 클래딩 사이의 슬립을 방지함으로써, 측정장치의 측정값에 대한 정밀도 및 신뢰도를 높일 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 고정방법을 단계별로 설명하는 공정도이고, 도 3 내지 도 4는 도 2에 도시된 광섬유 고정방법을 예시한 예시도이다.

도 3에는 대상체에 고정하고자 하는 광섬유의 고정 부위를 확대한 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 광섬유의 양단이 각각 대상체에 고정된 상태가 도시되어 있다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 고정방법은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, (a) 광섬유(10)를 대상체(20)에 고정하고자 하는 고정 부위를 가열하는 단계(S10)및 (b) 가열된 고정 부위가 용융되면서 요철(30) 구조가 형성되는 단계(S12)를 포함하고, 이와 같이 요철 구조가 형성된 광섬유를 (c) 대상체(20)에 형성된 삽입공간(21)에 요철(30) 구조가 형성된 고정 부위를 배치하고, 접착제나 충전재를 주입하여 대상체(20)에 고정된다(S14).

이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 고정방법을 이용한 측정장치는 고정 부위에 형성된 요철을 이용해서 광섬유(10)를 대상체(20)에 견고하게 고정한 상태에서 광섬유의 일단에 빛을 입사시켜 반사되는 빛을 분석하여 구조물의 변형율이나 온도, 습도 등 다양한 변형량을 측정할 수 있다

상세하게 설명하면, S10단계에서 광섬유(10)의 고정부위는 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 발생기(도면 미도시)에서 조사되는 레이저빔에 의해 용융된다.

이때, 상기 고정 부위는 코어(11)를 감싼 클래딩(12)의 일부분과 피복 재킷(13)이 함께 용융된다.

S12단계에서 고정 부위에는 레이저빔에 의해 용융되면서 광섬유(10)의 표면보다 오목하게 형성되는 고정홈(31)과 고정홈(31)의 가장자리에 광섬유(10)의 표면보다 볼록하게 형성되는 고정턱(32)을 포함하는 요철(30) 구조가 형성된다.

고정홈(31)은 대략 반구 형상으로 형성되거나, 레이저빔의 조사 방향 및 각도에 따라 형상 및 깊이가 다양하게 변경될 수 있다.

고정턱(32)은 고정홈(31)의 가장자리를 따라 상부에서 보았을 때 대략 링 형상으로 형성될 수 있다.

물론, 고정턱(32)은 레이저빔의 조사 방향, 각도 및 강도에 따라 용융되는 깊이가 달라짐에 따라, 고정턱(32)의 높이와 형상도 다양하게 변경될 수 있다.

이와 같이, 고정 부위에 형성된 고정홈(31)과 고정턱(32)은 경화되면서 에폭시와 같은 접착제나 충전재(22)와 접착되는 접착 면적 및 접착면의 마찰력과 고정력을 증대한다.

이에 따라, 본 발명은 고정부위에 형성된 요철에 의한 기계적 결합 구조를 이용해서 광섬유와 대상체 사이의 고정력을 증대하고, 클래딩과 피복 재킷 사이의 슬립을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 광섬유(10)가 고정되는 대상체(20)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 광섬유(10)가 삽입되는 삽입공간(21)이 형성된다.

상기 삽입공간(21)은 단면이 대략 사각 형상으로 형성될 수 있다.

물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 삽입공간(21)을 단면이 삼각 형상이나 'V' 형상, 'U' 형상 등 다양한 형상으로 형성하도록 변경될 수 있다.

그래서 S14단계에서 작업자는 요철(30) 구조가 형성된 광섬유(10)의 고정 부위를 대상체(20)의 삽입공간(21)에 배치되고, 접착제 또는 충전재(22)를 삽입공간(21)에 주입해서 광섬유(10)를 대상체(20)에 고정한다.

이때, 광섬유(10)는 요철(30) 구조가 형성된 접착면이 상방을 향하도록 배치되거나, 고정력을 증대하기 위해 일측을 향하도록 배치될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 고정부위에 형성된 요철에 의한 기계적 결합 구조를 이용해서 광섬유와 대상체를 견고하게 고정하고, 클래딩과 피복 재킷 사이의 슬립을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 고정부위에 레이저빔을 조사해서 고정부위를 용용시켜 요철 구조를 형성하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 레이저빔 이외에 고정 부위를 국부적으로 가열할 수 있는 열원을 이용해서 용용시키도록 변경될 수 있다.

그리고 본 발명은 고정 부위를 가열하는 방식 이외에, 화학 반응을 이용해서 요철을 형성하도록 변경될 수도 있다.

예를 들어, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유 고정방법은 불소(Fulorine) 가스나 불산(불화 수소산, HF) 용액과 같이 광섬유의 클래딩 일부와 피복 재킷을 녹일 수 있는 물질을 이용해서 광섬유의 고정 부위를 국부적으로 녹여서 요철 구조를 형성할 수 있다.

다음, 본 발명은 광섬유를 대상체에 고정하는 부위의 피복 재킷을 부분 탈피한 상태에서 고정 부위의 클래딩 일부를 용융시키도록 변경될 수도 있다.

예를 들어, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유 고정방법을 이용해서 고정 부위의 부분 확대도이다.

본 발명의 또 다른 실시 에에 따른 광섬유 고정방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 광섬유(10)의 고정 부위에 형성된 피복 재킷(13)을 부분 탈피한 상태에서 광섬유(10)의 클래딩(12) 일부를 국부적으로 가열하거나 녹여서 요철(30) 구조를 형성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 패키징된 광섬유 센서의 클래딩에 요철을 형성하고, 요철을 이용한 기계적 결합 구조를 활영하여 광섬유와 대상체를 견고하게 결합하고, 클래딩과 피복 재킷 사이의 슬립을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명은 광섬유의 일면뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 광섬유의 양측면에 서로 대칭되게 요철 구조를 형성하거나, 광섬유의 외주면을 따라 일정 각도 간격으로 복수의 요철 구조를 형성하거나, 또는 광섬유의 표면에 길이 방향을 따라 일정 간격으로 복수의 요철 구조를 형성할 수도 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 광섬유를 고정하고자 하는 부위에 요철을 형성하여 기계적 결합 구조를 이용해서 광섬유와 대상체를 견고하게 고정하고, 클래딩과 피복 재킷 사이의 슬립을 방지하는 광섬유 고정방법 및 그를 이용한 측정장치 기술에 적용된다.

10: 광섬유 센서
11: 코어
12: 클래딩
13: 피복 재킷
20: 대상체
21: 삽입공간
22: 접착제 또는 충전재
30: 요철
31: 고정홈
32: 고정턱

Claims (7)

1. (a) 광섬유를 대상체에 고정하고자 하는 고정 부위를 가열하는 단계 및
   (b) 가열된 고정 부위가 용융되면서 요철 구조가 형성되는 단계를 포함하여
   대상체에 형성된 삽입공간에 상기 요철 구조가 형성된 고정 부위를 배치한 상태에서 접착제나 충전재를 주입하여 상기 광섬유를 대상체에 고정하며,
   상기 요철 구조는 레이저빔이나 열원에 의해 가열되어 용융되면서 광섬유의 표면보다 오목하게 형성되는 고정홈과 상기 고정홈의 가장자리에 광섬유의 표면보다 볼록하게 형성되는 고정턱을 포함하고,
   광섬유는 고정부에 형성된 상기 요철 구조에 의한 기계적 결합 구조를 이용해서 대상체에 고정되며,
   상기 요철 구조에 형성되는 고정홈과 고정턱은 대상체와의 접촉 면적 및 접촉력을 증대하도록, 레이저빔이나 열원이 가해지는 방향, 각도 및 강도에 따라 형상과 크기 또는 높이가 조절되는 것을 특징으로 하는 광섬유 고정방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 (a)단계에서 고정 부위는 클래딩의 일부와 피복 재킷이 함께 용융되는 것을 특징으로 하는 광섬유 고정방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 (a)단계에서 고정 부위는 피복 재킷이 부분 탈피된 상태에서 클래딩의 일부가 용융되는 것을 특징으로 하는 광섬유 고정방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 (a)단계는 가열 방식 대신에 불소 가스나 불산 용액에 의해 고정 부위를 국부적으로 녹이는 것을 특징으로 하는 광섬유 고정방법.
7. 제1항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 광섬유 고정방법을 이용해서 광섬유를 대상체에 고정하고, 고정된 광섬유의 일단에 빛을 입사시켜 반사되는 빛을 분석하여 대상체의 변형량을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 고정방법을 이용한 측정장치.
   

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