자동차 산업의 급속한 발전으로 자동차 전자 시스템의 복잡성이 지속적으로 증가하고 있으며 통신 시스템에 대한 요구 사항이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 고급 신호 전송 캐리어인 광섬유 하니스는 자동차 산업에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 고속, 고신뢰성, 저손실, 전자기 간섭에 대한 저항성 등의 장점을 지닌 광섬유는 자동차의 데이터 전송 방식을 점차 변화시키고 있으며 자동차 통신 분야에서 엄청난 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 이 기사에서는 광섬유 하네스의 기본 특성과 자동차 응용 분야에 대해 논의하고 장점과 개발 전망을 분석합니다.
자동차 기술의 지능성과 연결성이 향상됨에 따라 통신 및 데이터 전송에 대한 수요가 증가함에 따라 차량 내 전자 통신 시스템의 보안과 안정성이 주요 연구 초점이 되었습니다. 광섬유 통신 기술은 첨단 통신 기술로서 차량 내 전자 통신 시스템 개발에 새로운 아이디어를 제공합니다. 본 논문에서는 광섬유 통신 기술의 특성을 분석하고, 미래 자동차에의 응용을 다각도로 검토하고, 장점을 탐색하며, 발전 동향을 전망한다.

1. 광섬유 하네스의 기술 개요

광섬유 케이블은 광파를 캐리어로, 광섬유를 전송 매체로 사용하여 고속, 고신뢰성, 저손실, 전자기 간섭에 대한 저항성과 같은 장점을 제공합니다. 전송 속도는 기존 구리선이나 동축 케이블보다 훨씬 높기 때문에 차량 내 시스템의 대용량 실시간 통신 요구 사항을 충족합니다. 광섬유 통신 링크는 주로 고속 신호 전송을 달성하기 위해 광 커넥터와 광섬유 캐리어로 구성됩니다.
①광섬유 커넥터
광섬유 커넥터는 광섬유 사이의 이동 가능한 연결을 가능하게 하는 수동형 광학 장치입니다. 이는 주로 섬유 강화, 섬유 정렬, 유연한 결합, 커넥터 잠금, 케이블 고정, 페룰 회전 방지 및 케이블 버퍼링으로 구성됩니다(그림 1 참조). 광섬유 커넥터는 일반적으로 섬유 정렬을 위해 세라믹 페룰과 세라믹 슬리브를 사용하며, 스프링은 페룰 끝의 유연한 결합을 보장합니다. 결합 전에 스프링은 미리 압축된 상태이므로 잠금력으로 인해 페룰이 움직이는 것을 방지합니다. 결합 중에 페럴 후퇴는 2차 압축을 생성하여 스프링 힘을 페럴에 피드백하여 결합 과정 전반에 걸쳐 두 결합 페럴이 접촉 상태를 유지하고 함께 눌려지도록 합니다.

②광섬유 도체
광섬유는 원통형이며 주로 코어, 클래딩, 코팅으로 구성됩니다(그림 2 참조). 광섬유의 전송 원리는 내부 전반사 현상을 이용합니다. 즉, 빛이 광학적으로 밀도가 높은 매질(굴절률이 상대적으로 높음)에서 밀도가 상대적으로 낮은 매질(굴절률이 상대적으로 낮음)로 입사할 때 입사각이 내부 전반사에 대한 임계각보다 크면 빛은 더 이상 굴절되지 않고 원래 매질로 다시 완전히 반사되어 광 신호가 누출 없이 광섬유에서 전파될 수 있습니다.

광섬유는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.
(1) 높은 전송 속도, 장거리 및 높은 콘텐츠: 광섬유는 전송 속도가 매우 빠르고 장거리에 데이터를 전송할 수 있으며 동시에 많은 양의 데이터를 전송할 수 있습니다.
(2) 전자파 간섭의 영향을 받지 않음: 광섬유는 광신호를 전송하며 전자파의 영향을 받지 않으므로 신호 품질이 더 안정적입니다.
(3) 넓은 대역폭: 광섬유는 매우 넓은 대역폭을 가지며 고속 데이터 전송을 지원할 수 있습니다.
(4) 낮은 손실: 광섬유의 전송 손실은 매우 낮으며 이론적으로 신호 품질의 손실 없이 수백 킬로미터 또는 더 먼 거리를 전송할 수 있습니다.
(5) 높은 보안성: 광섬유 전송은 전자기 방사선을 생성하지 않으며 외부 전자기파에 의해 도청될 수 없으므로 데이터 보안 요구 사항이 높은 일부 시나리오에 더 적합합니다.
(6) 작은 크기와 가벼운 무게: 기존 구리 케이블에 비해 광섬유는 더 작고 가벼워 배포 및 유지 관리가 더 쉽습니다. 이러한 이점은 대규모 통신 네트워크에서 더욱 분명해집니다.

2. 지능형 자동차 애플리케이션에서 광섬유 하니스의 장점

구리선의 전송 속도가 10GB/s 이상에 도달하면 속도 요구 사항을 충족하기 위해 더 두꺼운 구리선이 필요합니다. 그러나 자동차 레이아웃 환경에서는 구리선이 두꺼워지면 차량의 중량 증가와 차량 원가의 증가로 이어져 차량의 고속, 저중량 레이아웃 환경의 요구사항을 충족할 수 없게 된다. 광섬유 케이블 기술은 통신 품질과 신뢰성을 크게 향상시키고 무게를 추가하지 않고도 전자기 간섭을 줄여 차량의 안전성과 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
(1) 광섬유 케이블의 전송 속도는 기존 구리선이나 동축 케이블보다 훨씬 높습니다. 초당 수백만 메가바이트의 데이터를 전송할 수 있어 대용량 데이터와 높은 실시간 성능에 대한 현대 자동차의 통신 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 기존 구리선 네트워크의 최고 속도는 10GB/s에 불과하므로 고속 전송 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.
(2) 광섬유의 전송 손실은 매우 낮습니다. 킬로미터당 손실은 일반적으로 0.0035dB/m 미만이므로 장거리 전송 중에 신호가 높은 품질을 유지할 수 있습니다. 대조적으로, 전통적인 구리선 네트워크의 전송 손실은 0.5dB/m로 장거리 전송 중에 큽니다.
(3) 광섬유 통신 기술은 광파를 사용하여 광섬유로 신호를 전송하므로 기존 구리선 전송에 비해 전자기 간섭에 대한 내성이 뛰어납니다.
(4) 자동차용 광섬유의 일종인 플라스틱 광섬유(POF)는 기존 금속선에 비해 차량 중량을 대폭 줄이고 차량 경제성을 향상시킬 수 있다.

3. 자동차의 광섬유 하니스 적용 시나리오

광섬유 하네스는 현재 의학, 통신, 인터넷 및 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 자동차 분야에 적용하려면 기본적인 이론적 기초, 기술 사양 및 표준 부족, 불분명한 테스트 표준, 자동차 응용 분야에서의 실제 경험 부족 등 여러 가지 과제에 직면해 있습니다.

①배치 지역에 광섬유 케이블 묶음 적용
자동차에 사용되는 광섬유 하네스의 사용은 다른 분야의 사용과 다르며, 사용 영역의 환경적 특성을 충분히 고려해야 합니다. 예를 들어, 진동 요구 사항은 엔진 및 섀시와 같은 영역과 관련됩니다. 엔진실, 차대 등의 영역에서는 방수 성능을 고려해야 합니다. 고온 영역에서는 광섬유 도체 및 커넥터의 고온 성능 요구 사항을 고려해야 합니다. 자동차의 다양한 사용 환경에 따라 전체 차량의 배치 영역은 대략 습한 영역, 잠재적으로 습한 영역 및 건조 영역으로 나눌 수 있습니다.
(1) 젖은 영역은 섀시 및 엔진실과 같은 승객석 외부 영역의 하니스 커넥터와 같이 일반적인 사용 시나리오에서 와이어 및 커넥터가 액체와 접촉할 가능성이 있는 영역을 의미합니다. 비가 오거나 눈이 내리는 날씨에는 운전 중이든 주차 중이든 이 부분은 다양한 액체와 어느 정도 접촉하게 됩니다.
(2) 잠재적으로 젖을 수 있는 영역은 비에 문이 열리거나, 물컵이 엎질러지거나, 얼어붙은 품목이 녹거나, 응축수가 떨어지는 등 특정 일일 사용 시나리오에서 하네스 커넥터가 액체와 접촉할 수 있는 영역을 의미합니다. 예를 들어 객실 바닥, 도어 팔걸이, 좌석 표면 등이 있습니다.
(3) 완전히 건조한 영역은 대시보드 내부 및 헤드라이너 내부와 같이 일반적인 차량 사용 시나리오에서 와이어링 하니스 커넥터가 액체와 접촉할 가능성이 없는 영역을 의미합니다. 와이어링 하니스 커넥터의 방수 밀봉 요구 사항은 습한 영역, 잠재적으로 습한 영역, 건조한 영역으로 순차적으로 감소한다는 점에 유의해야 합니다.

②광섬유 하네스 애플리케이션 솔루션
전기적 성능 요구 사항을 충족하는 것 외에도 자동차에 광섬유 케이블을 적용하려면 기계적 성능 요구 사항을 충족해야 하는 경우가 많습니다. 광섬유 케이블의 온도 등급, 진동 요구 사항 및 방수 요구 사항을 고려해야 합니다. 해결책은 다음과 같습니다:
(1) 광섬유 케이블: 첫째, 고온에 강한 소재를 선택하고 차량 전체 레이아웃을 최적화하여 방열 설계를 수행합니다. 예를 들어, 실리콘 와이어 및 XLPE 와이어와 같은 고온 저항 와이어 재료가 선택됩니다. 이러한 재료는 고온 환경에서 절연을 유지할 수 있습니다. 둘째, 이중층 코팅, 자외선 경화 기술 등 특수 공정을 사용한다. 마지막으로 차량의 레이아웃이 최적화됩니다. 예를 들어 와이어링 하니스 레이아웃은 엔진 배기 파이프 경로와 고온 소용돌이 영역을 피합니다. 열 관리를 통해 더욱 최적화된 레이아웃을 얻을 수 있습니다.
동시에 차량 배선 레이아웃에도 내열성 단열 포장재를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 내열성 알루미늄 호일 유리 섬유 튜브를 사용하여 광섬유 케이블의 외부를 감싸면 차량의 고온 환경에서 광섬유 케이블의 사용을 효과적으로 보장하고 노화 저항성을 향상시킬 수 있습니다.
동시에 광섬유 케이블을 습한 환경에서 사용할 수 있도록 광케이블을 다층 보호 구조로 설계하여 효과적으로 방수할 수도 있습니다. 특히, 광케이블의 가장 바깥쪽 층은 일반적으로 플라스틱 외장입니다. 이 덮개는 기계적 보호 기능을 제공할 뿐만 아니라 특정 방수 기능도 갖추고 있습니다. 플라스틱 외피 내부에는 금속 재킷이 있어 광케이블의 내압성과 방수 기능을 더욱 강화합니다. 금속 재킷 내부에는 수분 침투를 막는 중요한 장벽인 수팽윤성 장벽층이 있습니다. 습기가 침입하면 차단층이 빠르게 팽창하여 침입 경로를 밀봉하고 추가 확산을 방지합니다. 케이블 코어에는 방수 조치도 포함되어 있습니다. 광섬유는 그리스로 단단히 싸여 있으며 코어 내의 다른 구성 요소에 접착되어 있습니다. 이 그리스는 윤활 효과를 제공할 뿐만 아니라 더 중요하게는 코어 내부의 미량 수분을 흡수하고 고정하여 섬유 손상을 방지합니다.
이러한 다층 보호 구조를 통해 광케이블은 다양한 열악한 환경에서도 광섬유의 건조함과 안정성을 유지하여 통신 신호의 원활한 전송을 보장합니다. 예를 들어, Yangtze Optical Fiber and Cable이 출시한 자동차 광 하네스 솔루션의 석영 다중 모드 광섬유는 굽힘(반경 10mm), 인장 강도(150N), 온도 특성(-40℃~125℃), 노화(125℃, 3000h) 및 진동(V3) 측면에서 자동차 등급 표준을 충족합니다.
(2) 광섬유 커넥터: 광섬유 커넥터의 내열성을 향상시키는 주요 방법에는 방열 구조 설계 및 고온 내성 재료 선택이 포함됩니다. 합리적인 방열 설계와 고온 내성 재료의 사용을 통해 고온 환경에서 광섬유 커넥터의 성능과 수명을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 첫째, 광섬유 커넥터의 내열성을 향상시키기 위해서는 방열 구조를 설계하는 것이 중요합니다. 광섬유 커넥터는 작동 중에 열을 발생시킵니다. 합리적인 방열 설계는 커넥터의 온도를 낮추고 안정적인 작동을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

구체적인 방법은 다음과 같습니다.
① 열을 전달하고 방열을 돕기 위해 금속 부품을 확보하십시오.
② 방열 핀 설계: 방열 핀을 커넥터 쉘에 통합하여 더 나은 공기 접촉과 팬 또는 자연풍을 통한 열 방출을 허용합니다.
③ 금속 쉘 사용 : 방열 성능이 더 좋은 금속 소재를 사용하여 방열 효율을 높입니다. 둘째, 고온 내성 재료를 선택하는 것도 광섬유 커넥터의 내열성을 향상시키는 데 중요합니다.
일반 재료는 고온 환경에서 노화되거나 변형되기 쉬운 반면, 고온 내성 재료는 고온의 영향을 더 잘 견딜 수 있습니다.
① 고품질 엔지니어링 플라스틱: 중저온에 강한 고품질 엔지니어링 플라스틱을 사용하여 커넥터 쉘과 내부 구조를 구성하여 전반적인 내열성을 향상시킵니다.
② 특수 합금 소재: 특수 합금 소재를 사용하여 커넥터의 주요 구성 요소를 구성하여 고온 저항 및 변형 저항을 향상시킵니다. 예를 들어, Lytas Optics는 기존 광학 커넥터에 비해 더 높은 결합 반복성, 더 긴 결합 수명, 더 낮은 결합 손실, 더 낮은 먼지 민감도를 특징으로 하는 비접촉식 광학 커넥터를 제공합니다.
③ 열수축튜브를 사용하면 방수가 가능합니다. 접속부위에 열수축튜브를 붙이고 열수축튜브 히터를 사용하여 튜브를 수축시킵니다. 열수축튜브의 기능은 광섬유를 보호하고 습기와 오염물질이 유입되는 것을 방지하는 것입니다. 열수축 튜브가 커넥터와 광섬유에 틈 없이 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오. 커넥터의 방수 성능을 강화하려면 열수축 튜브 외부에 실런트를 적당량 도포하십시오. 실런트가 균일하게 도포되어 가능한 틈과 기공을 모두 메웠는지 확인하고, 실런트가 건조되고 굳을 때까지 기다린 후 실링 처리를 수행합니다. (3) 광섬유를 통해 고속 연결이 이루어지며 전기 연결 포트는 센서에 전원을 공급합니다. 요약하면, 광섬유 통신 기술은 차량 통신 시스템에서 광범위한 응용 가능성과 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 앞으로도 광섬유 통신 기술은 고유한 장점을 계속 활용하고 차량 전자 통신 시스템 개발을 강력하게 지원할 것입니다. 동시에 기술의 지속적인 발전과 혁신, 지속적인 규모의 개선으로 차량 애플리케이션의 광섬유 통신 비용이 더욱 절감되고 솔루션이 더욱 성숙해지며 지능형 차량 개발에서 고속 통신 요구 사항을 해결하기 위해 선호되는 솔루션이 될 것입니다.

4.결론

지능형 차량의 개발은 고속, 저손실, 강력한 간섭 저항을 요구하는 통신 시스템에 대한 요구를 제기합니다. 자동차 구리선과 비교하여 광섬유 통신선은 몇 가지 장점을 제공합니다. 본 논문에서는 광섬유 번들과 해당 솔루션의 적용 시나리오를 간략하게 분석합니다. 지능형 차량의 발전으로 자동차 광섬유는 자동차에 널리 사용될 것입니다.
(출처: [1] 자동차 지식. 2024, 24(11), 저자: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC 그룹 자동차 공학 연구소
[2] 와이어링 하니스 중국. 2026, 5)