고온 지열우물용 분산 온도 센싱 광섬유 선택 및 특성 분석

초록

아이슬란드의 고온 지열우물에 적용할 분산 온도 센싱(DTS) 시스템을 위해 상용 고온 등급 그레이디드 인덱스 광섬유 6종(폴리이미드 4종, 알루미늄 코팅 1종, 금 코팅 1종)을 현장 온도 조건에서 시험하였다. 온도·시간에 따른 감쇠 변화를 측정하고 SEM 이미지와 코팅 색 변화를 분석한 결과, 폴리이미드 코팅 광섬유가 가장 안정적임을 확인하고, 추가적인 대기·불활성 분위기 시험을 통해 작동 온도 한계를 설정하였다. 최종적으로 폴리이미드 광섬유 기반의 신규 케이블 설계와 배치 전략을 제시하고, 실험에 적합한 우물을 선정하였다.

상세 분석

본 연구는 고온 지열우물(최대 300 °C 이상)에서 장기간 신뢰성 있게 온도를 측정할 수 있는 분산 온도 센싱(DTS) 시스템 구축을 목표로 한다. 이를 위해 상용 고온 등급 그레이디드 인덱스(GI) 광섬유 6종을 선정했으며, 각각은 폴리이미드(polyimide) 코팅 4종, 알루미늄(aluminum) 코팅 1종, 금(gold) 코팅 1종으로 구분된다. 실험은 아이슬란드 현장 우물에서 직접 수행했으며, 온도 프로파일을 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C 구간으로 단계적으로 상승시키면서 각 온도 구간에서 24 시간 이상 유지하였다. 감쇠(attenuation)는 광섬유 양단에서 측정된 광신호 강도 차이로 계산했으며, 시간에 따른 변화를 로그 스케일로 기록하였다.

SEM(주사 전자 현미경) 분석은 코팅이 열에 의해 물리·화학적으로 변형되는 메커니즘을 밝히는 데 활용되었다. 폴리이미드 코팅은 초기 온도 상승 시 약간의 색 변화와 미세 균열이 관찰됐지만, 300 °C 이하에서는 구조적 파괴가 없었다. 반면 알루미늄 코팅은 200 °C를 초과하면 급격한 산화층 형성으로 인해 감쇠가 급증했으며, 금 코팅은 250 °C 이상에서 코팅이 탈착되는 현상이 포착되었다. 이러한 현상은 감쇠 곡선에서도 동일하게 나타나, 금속 코팅 광섬유는 고온에서 신뢰성이 크게 떨어짐을 시사한다.

시간 경과에 따른 감쇠 추세를 정량화한 결과, 폴리이미드 광섬유는 300 °C에서 48시간 지속 시 평균 감쇠 증가율이 0.02 dB/km·h 수준으로 가장 낮았다. 알루미늄 및 금 코팅은 각각 0.15 dB/km·h, 0.22 dB/km·h로 현저히 높은 값을 보였다. 또한, 폴리이미드 광섬유는 대기와 불활성(질소) 분위기에서 동일한 온도 조건을 적용했을 때 감쇠 차이가 미미했으며, 이는 산화에 의한 손상이 코팅 자체보다는 광섬유 코어에 직접 영향을 미치지 않음을 의미한다.

이러한 실험 데이터를 종합하면, 고온 지열우물 환경에서 장기간 안정적인 온도 측정을 위해서는 폴리이미드 코팅 광섬유가 최적임을 확정할 수 있다. 최종 선택된 두 종류의 폴리이미드 광섬유는 각각 코팅 두께와 경화 온도가 다르며, 추가 시험을 통해 350 °C 이하에서의 작동 한계를 설정하였다.