고압·고온 삼축시험용 광섬유 압·온도 센서

초록

본 연구는 고압·고온 삼축시험 셀에 직접 삽입할 수 있는 초소형 광섬유 외부 Fabry‑Perot 간섭계(EFPI)와 섬유 브래그 격자(FBG) 복합 센서를 개발하고, 이를 플레흐팅거 사암 시료의 공극 내에서 70 MPa까지의 수압 및 온도를 실시간으로 측정한 최초의 사례를 제시한다. 센서는 압력에 민감한 EFPI 구간과 온도 보정용 FBG를 결합해 온·압 동시 측정이 가능하며, 실험 결과는 기존 전통적 압력계와 비교해 높은 정확도와 신뢰성을 확인하였다.

상세 분석

이 논문은 암석 물리학 실험에서 핵심적인 공극압 및 온도 데이터를 직접 시료 내부에서 획득하기 위한 혁신적인 광섬유 센서 시스템을 제시한다. 센서는 전적으로 실리카로 제작된 초소형 Extrinsic Fabry‑Perot Interferometer(EFPI) 구조를 채택하여, 압력 변화에 따라 간섭계 길이가 미세하게 변하도록 설계되었다. EFPI 구간은 50 µm 이하의 공극을 갖는 미세 챔버로, 압력에 대한 민감도가 0.1 MPa당 0.5 nm 정도로 측정된다. 동시에 센서 내부에 삽입된 Fibre Bragg Grating(FBG) 요소는 온도 변화에 따른 파장 이동을 감지해 EFPI의 온도 의존성을 보정한다. FBG는 1550 nm 중심 파장을 갖고, 온도 감도는 10 pm/°C 수준으로 고정밀 보정이 가능하다.

센서의 캘리브레이션은 실험실 내 정밀 압력계와 온도 챔버를 이용해 수행되었으며, 압력-간섭 길이 관계와 온도-파장 이동 관계를 각각 2차 다항식으로 피팅하였다. 캘리브레이션 결과는 R² > 0.998을 기록, 즉 센서 출력이 실제 물리량과 거의 일대일 대응함을 의미한다. 또한, 센서의 내구성 시험에서는 100 회 이상의 가압·감압 사이클을 거쳐도 신호 감쇠나 구조적 손상이 관찰되지 않아, 장기 실험에 적합함을 입증하였다.

삼축시험 셀에 센서를 삽입하는 과정에서는 시료 표면에 미세 구멍을 뚫고, 광섬유를 직접 공극 내부에 배치하였다. 이때 광섬유의 직경이 125 µm 이하이므로 시료의 기계적 성질에 미치는 영향이 무시할 수준이며, 시료의 전단강도나 탄성계수 측정에 별도 보정이 필요하지 않다. 실험에서는 Flechtinger 사암을 사용해 0 ~ 70 MPa 범위의 수압을 가하면서 온도는 20 ~ 80 °C까지 변동시켰다. 측정된 압력 데이터는 전통적인 유압식 압력 트랜스듀서와 비교했을 때 평균 오차가 0.3 MPa 이하였으며, 온도 보정 후의 압력 정확도는 0.1 MPa 수준으로 향상되었다.

이러한 결과는 기존에 시료 외부에서만 측정되던 공극압을 시료 내부에서 직접 획득함으로써, 압력 구배, 미세 균열 발생 시 압력 변동, 그리고 온도-압력 상호작용을 보다 정밀하게 해석할 수 있는 기반을 제공한다. 또한, 광섬유 기반 센서는 전자기 간섭에 강하고, 다중 센서 배열을 통한 3차원 분포 측정이 가능하다는 장점이 있다. 다만, 현재는 단일 포인트 측정에 국한되어 있어, 대규모 시료에 대한 압력·온도 매핑을 위해서는 센서 배열 및 데이터 융합 기술이 추가로 개발되어야 한다.