KR0181501B1 - 광섬유 접속기용 열가소성 접착제 접합물 - Google Patents

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찰톤 헨리 디이츠
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 컴퍼니
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Abstract

광섬유 접속기는 가열되어 1000내지 10,000 cp의 점도를 가지며, 적어도 10N의 유리에 대한 접착지(Adhesion to Glass Value) 및 20℃에서 적어도 60의 쇼어(Shore) D 경도를 갖는 열가소성 접착제에 광섬유의 말단을 접합시킴으로써 쉽고 빠르게 조립할 수 있다. 광섬유 접속기는 대량-생산 기술에 적합하며 가열하여 열가소성 접착제를 액화시킴으로써 제사용할 수 있다.

Description

광섬유 접속기용 열가소성 접착제 접합물
제1도는 본 발명의 바람직한 광섬유 접속기의 종단면도 이고,
제2도는 본 발명의 다른 광섬유 접속기의 종단면도이다.
본 발명은 광섬유의 노출 말단이 접착제로 접합된 광섬유 케이블용 접속기에 관한 것으로, 상기 접속기에 의해, 접합된 광섬유가 예를들면, 다른 광섬유 또는 광전장치에 광학적으로 접속된다.
대부분의 광섬유 접속기에서, 광섬유의 말단을 접합시키기 위해 에폭시 수지 접착제를 사용한다. 상기에 대한 상세한 설명이 3M 화이버 옵틱 프라덕트(Fiber Optic products)사의 문헌[Field Termination Instruction Manual for DorranTM…Field Mountable Connectors,(1989.12)]에 나타나 있다. 상기와 같이 하기 위해서는, 에폭시 수지 접착제를 혼합하여 상기 접착제를 주입기내에 적재시켜 접속기내로 주입시킨다. 광섬유 케이블의 외부 재킷을 에폭시 조성물의 얇은 층으로 피복시킨 후에, 에폭시-함유 접속기를 섬유위로 트레딩(threading)시키고, 접속기를 외부 재킷 상에서 크림핑시키고 적재 어댑터 및 변형 완화 부우트(strain relief boot)를 장착한다. 생성된 조립체를 오븐의 포오트내에 삽입시켜 에폭시 수지 접착제를 경화시킨 후 섬유를 선을 그어 꺾어서 섬유 말단과 경화된 에폭시 수지가 접속기의 말단 면과 같은 평면이 될때까지 연마시킨다.
기재 광섬유가 에폭시 수지 조성물과 같은 경화성 접착제로 접합된 다른 유형의 광섬유 접속기에 관련된 많은 특허가 있다. 예를들면, 에폭시 접착제 또는 광-경화 접착제를 사용하는 미합중국 특허 제 4,476,194 호 (라스무쎈(rasmussen))를 참조하시오. 또한 경화시 에폭시 조성물의 가열의 조절을 개선시키는 것으로 알려진 장치에 관한 미합중국 특허 제 4,713,523 호 (맥도날드(MacDonald))를 참조하시오.
미합중국 특허 제 4,588,256 호 (온스타트(Onstott)등)는 경화성 접각제 대신에 고용융 접착제를 사용하는 것이 바람직한 광섬유 접속기에 관한 것이다. 제1도를 참조로 하여, 고용융 접착제는 고용융 접착제를 액화시키고 광섬유를 주입시키는 가열성 지그에 위치한 광섬유 접합 수단(16)의 관형 부재(24)내에 적재된 주입물이다.
상기 고용융 접착제는 확인되지 않았으며, 온스타트 접속기는 시판되지 않고 있다.
미합중국 특허 제 4,812,006호 (오스본(Osborn)등)에는 접속기내에 광섬유 케이블을 유지시키는 에폭시 접착제의 사용이 번거롭고 접착제를 경화시키기 위해 시간이 필요함을 기술하고 있다. 오스본은 또한 제안된 바 있는 다른 방법으로 소성체를 덮고 있는 금속 관 및 케이블을 둘러싸는 연질 소성체를 사용하는 것이 있다고 한다. 오스본은 광섬유의 말단을 내공에 꼭끼워 맞춘 기계적 접속기를 사용함으로써 어떠한 접착제의 사용도 피하고 있다. 그러나, 광섬유를 접합시키는데 단지 기계적 수단만을 사용하는 어떠한 접속기도 섬유의 말단이 정확하게 위치하는 것을 필요로하는 용도에는 적합하지 않다.
광섬유 접속기란 용어는 또한 광섬유의 버트(butt) 연결부 또는 첨접부(splice)를 형성하기 위한 장치를 기술하는데 사용된다. [예를들면, 미합중국 특허 제 4,729,619 호 (블롬그렌(Blomgren));제 4,812,008 호 (도꾸마루(Tokumaru)등); 및 제 4,784,457 호 (핀젤(Finzel)참조]. 블롬그렌의 특허는 상기 장치에서, 지수 부합 물질이, 불규칙 말단을 갖거나 또는 함께 정확히 버팅되지 않은 광섬유를 접합시킬 수가 있음을 지적하고 있다. 그러나, 본 출원에서 사용한 바와 같은, 광섬유 접속기는 상기 장치를 포함하지 않고 다른 장치에 기계적으로 고착되어 두 장치 사이에서 광학적 접속효과를 나타낼 수 있는 장치만을 포함한다.
본 발명은 광섬유 접속기의 조립을 보다 쉽고 보다 빠르게 보다 적은 실패율로 수행해야 하며, 에폭시 수지 조성물만큼 정확하고 확실하게 섬유의 말단을 위치 시킬 수 있는 열가소성 접착제에 광섬유의 말단을 접합시킴으로써 상기와 같이 할 수 있다. 간단히, 본 발명의 열가소성 접착제는 열가소성 수지를 포함하며 하기를 특징으로 한다.
a) 접속기에 해롭지 않은 적당한 작업 온도(약 260℃이하)에서 1000내지 10,000 cp의 점도, b) 적어도 10N의 유리에 대한 접착지(Adhesion-to-Glass Value)(하기에 정의하는 바와 같음), 및 c) 20℃에서 적어도 60의 쇼어(Shore) D 경도.
상기 성질의 열가소성 접착제는 많은 중요한 특징을 갖는다:
1) 상기 접착제는, 접속기가 조립될 때까지, 심지어 시간이 지연된 후에까지도 활성이 남아있어, 제조시에 광섬유 접속기의 몸체중에 위치됨으로써 대량 생산 기술에 적합하도록 하고; 반면에 비경화 에폭시 수지 조성물은 전형적으로 광섬유를 수용함과 동시에 접속기내로 적재되며 제한된 보존 수명을 가지고;
2) 상기 접착제는 손상되지 않고 광섬유의 말단과 함께 연마되기에 충분한 경도를 가지고;
3) 열가소성 접착제는 신속히 냉각되기 때문에, 에폭시 수지가 연마될 수 있기 전에 경화 시간이 지연되는 것과 대조적으로, 즉각적으로 연마 공정을 수행할 수 있으며;
4) 광섬유가 부러지거나 또는 달리 손상되는 경우에, 상기 접속기는 열가소성 접착제를 가열하여 액화시킴으로써 재사용할 수 있는 반면, 경화된 에폭시를 사용하는 접속기는 재사용 할 수 없고;
5) 에폭시 수지 조성물과는 대조적으로, 어떠한 혼합공정도 필요하지 않다.
본 발명의 열가소성 접착제는 광섬유 접속기내로 주입시키거나 또는 슬러그(slug)로서 삽입시킬 수 있다.
점도를 1000내지 10,000 cp 범위 이내로 감소시키기 위해 가열시에, 광섬유의 드러난 말단을 용융 접착제를 통해 접속기내로 삽입시킬 수 있다.
본 발명에 사용하기 위한 열가소성 수지의 바람직한 부류는 폴리아미드이다. 이들을 배합시켜 우수한 경도, 적당한 작업 온도에서의 낮은 점도, 유리에 대한 뛰어난 접착성, 및 많은 다른 열가소성 수지를 사용하여 달성된 것 보다 낮은 열 팽창 계수(TECs)를 갖는 열가소성 접착제를 제공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 열가소성 접착제는 불가피하게 유리 및 광삭 접속기의 다른 성분의 TEC 보다 높은 TEC를 갖는다. 광섬유에 대한 가열-유도된 응력의 전달을 감소시키기 위해서, 유리 미세구 70 부 이하 대 열가소성 접착제 30 부의 부피비로 유리 미세구로 열가소성 접착제를 충진시킴으로써 상기 접착제의 TEC를 상당히 감소시킬 수 있다. 상기 부피비는 80 내지 260℃ 와 같은 바람직하게 낮은 온도, 더욱 바람직하게는 210℃를 넘지 않는 온도에서 그 점도가 10,000 cp 이상이 되지 않도록 단지 50:50인 것이 바람직하다. 사용 온도를 210℃ 이하로 유지하는 것은 에너지를 절약하고 접속기에 대한 손상 위험 또는 접속기를 조립하는 사람에 대한 부상 위험을 최소화한다.
열가소성 접착제가 미세구를 포함하는 경우에, 이들 미세구는, 광섬유를 광학 접속기내로 삽입시킬 때 이 광섬유가 어떤 미세구도 정합 내공 밖으로 밀어내지 않도록 최소한 5㎛의 직경을 갖는 것이 바람직한데, 이것은 정합 내공의 직경이 전형적으로 광섬유의 직경 보다 2㎛이상 밖에 되지 않기 때문이다. 한편으로, 열가소성 접착제가 광섬유의 말단이 삽입될 때까지 가열되지 않은 구멍뚫린 슬러그의 형태로 존재하지 않는 한, 미세구는 50㎛이하의 직경을 갖는 것이 바람직한데, 이것은 실질적으로 더 큰 직경을 갖는 미세구가 정합 내공을 차단하므로 따라서 광섬유가 삽입되는 것을 방해하기 때문이다.
제1도의 광섬유 접속기(10)를 조립하기 전에, 광섬유 케이블(14)의 한쪽 말단에서 재킷(12)을 제거하여 케블라(Keblar) 폴리아라미드 섬유(15)를 노출시키고 완충제(16)를 벗겨내어 광섬유(18)를 드러나게 한다.
열가소성 접착제(20)를 접속기의 중공 내부내로 주입시키고 또한 세라믹 페룰(22)중의 내공(21)에 충진시킨다. 이어서 광섬유가 페룰로부터 돌출되어 나올 때 까지 상기 광섬유를 용융 접착제를 통해 밀어넣는다. 상기와 같이 할 때, 광섬유는 그와 함께 일부의 열가소성 접착제를 이동시키고, 고형화된 접착제의 비이드(24)는 섬유의 돌출 부위에 대해 측방향으로 지지체를 제공한다. 상기 지지체로 인해, 광섬유는 상기 비이드의 끝에서 갈라진 후 페룰면(26)과 평면이 될 때까지 연마될 수 있다.
열가소성 접착제(20)는 비이드에 짙은 색을 제공하는 염료를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 색이 짙은 상태로 남아 있는 한, 섬유 말단을 비교적 조립성의 연마제로 연마시킬 수 있으나, 보다 엷은 색으로 광섬유의 말단이 페룰과 거의 같은 평면을 이룸을 나타내는 경우에는 세립 연마제로 바꾸어야 한다. 연마 공정은 색이 사라지는 대로 곧 중단해야 한다. 페룰의 보다 큰 경도로 인해 다른 난점이 생긴다. 더욱, 페룰은 적당히 굴곡을 이룬 모양이어서 계속적인 연마 공정에 의해 상기 굴곡이 변화될 수 있다.
제1도의 완성된 접속기에서, 열가소성 접착제는 케블라섬유 (15)에 결합하여 광섬유 케이블(14)이 우발적으로 잡아당겨지는 것을 방지하고 또한 내공(21)의 전체 길이를 따라 드러난 광섬유(18)에 결합하여 섬유가 온도변화로 부터 유발되는 응력으로 인해 압축되는 것을 방지한다.
제2도의 광섬유 접속기(30)에서는, 접속기 몸체(32)가 드러난 광섬유(34)를 꼭끼워 맞추는 섬유-정합 구멍(33)과 함께 형성된다. 접속기를 조립하기 전에, 광섬유 케이블(38)의 재킷(36) 및 완충제(37)를 제1도의 케이블(14)과 동일한 방법으로 부분적으로 벗겨낸다.
접속기 몸체(32)의 중공(40)중에 열가소성 접착제의 슬러그(39)를 위치시킨 후에, 드러난 광섬유(34)를 쪼개어 갈라진 말단이 접속기 몸체 면(44)과 평면이 될때까지 슬러그중의 세로 개구부(42)를 통해 공급한다. 열을 가하여 열가소성 접착제의 슬러그를 액화시켜 드러난 광섬유 및 중공(40)의 원주형 벽에 결합되도록 한다.
상기와 같이 함으로써 섬유가 압축되는 것을 방지할 수 있으나, 기계적 클램프 고리(46)가 케블라섬유(48)를 고정시켜 광섬유 케이블(38)이 우발적으로 잡아당겨지는 것을 방지한다. 이어서 변형-완화 부우트(도시하지 않음)를 고리(46)위에 장착한다.
본 발명의 열가소성 접착제를 사용할 수 있는 또다른 광섬유 접속기는 상기에 인용한 온스타트 특허의 접속기이다.
[유리에 대한 접착치]
0.6m 길이의 125-㎛다형태 광섬유 케이블(시코(Siecor) 1K 31-31111-00) 조각의 한쪽 말단으로 부터, 10cm의 재킷과 5cm의 완충제를 제거하여 5cm의 드러난 섬유를 남긴 후 아세톤으로 깨끗하게 한다. 스틸 고정구의 원주형 내공(깊이 6.4mm 및 직경 3.2mm)을 시험할 용융 열가소성 접착제로 채우고 열가소성 접착제의 점도가 1000 내지 10,000 cp 일때 드러난 섬유를 그 전체길이로 삽입시킨다. 수지를 실온으로 냉각시킨 후에, 고정구를 인스트론 인장 시험기(Instron Tensile Tester)의 하부 조오내에 클램핑시키고 광섬유의 피복된 말단을 로드주위에 감아 상부 조오옆의 로드의 한쪽 측면상에 클램핑 시킴으로써 상부 조오에서의 어긋남을 방지한다. 열가소성 접착제의 유리에 대한 접착치는 6.4mm/분의 조오 분리 속도에서 잡아당겨지는 것에 대한 저항이다.
최소한 10N의 유리에 대한 접착치가 접속기내에서 광섬유를 접합시키기 위한 열가소성 접착제를 사용하기에 적합한 것으로 고려된다. 온도-유도된 광 투과 손실을 최소화 하기 위해서, 유리에 대한 접착치는 바람직하게 적어도 15N, 더욱 바람직하게는 약 20N 또는 그 이상이다.
비교하기 위해, 열가소성 접착제를 에폭시 수지로 대체한 후 제조자에 의해 추천된 바와 같이 경화시킬 수 있다.
[폴리아미드 A 및 B]
본 발명의 열가소성 접착제중에 배합시킨 열가소성 수지는 3가지의 폴리아미드 수지를 포함하는데, 이중 한가지(헨켈(Henkel)사의 벌스아미드(Versamid) V-900)는 상업적으로 시판되나 다른 두가지는 당량 %로 나타낸 하기 조성의 랜덤 축합 중합체이다:
또한 하기의 상업적으로 시판하는 물질을 실시예에서 사용한다:
피코핀(Piccofyn) T-125, 125℃의 고리-및-볼 연화점을 갖는 고-연화점의 테르펜 탄화수소 점착 수지 (헤르큘레스(Hercules)사)
다이머렉스(Dymerex), 송진으로부터 유도된 이량체 산으로 주로 이루어진 고연화점 점착 수지(헤르큘레스사)
헤르코플렉스(Hercoflex) 500, 송진으로부터 유도된 수지성 가소제(헤르큘레스사)
산티사이저(Santicizer) 711, 디알킬 프탈레이트 가소제(몬산토(Monsanto)사)
하기 실시예에서, 모든 부는 중량에 의한다.
[실시예 1 내지 5]
표 Ⅰ에 나타난 일련의 열가소성 접착제의 배합물을 시험하고 그 결과를 또한 표Ⅰ에 기록하였다.
대조용으로, 2개의 상업적으로 구입할 수 있는 열가소성 접착제를 유리에 대한 우수한 접착성을 갖는 성질의 고온 열가소성 접착제를 요청받은 공급자에 의해 공급받는다. 상기 두 접착제는 헨켈사로 부터의 마크로멜트(Macromelt) 6212 열가소성 접착제 및 3M 사로 부터의 제트멜트(JetMelt) 3779 열가소성 접착제이며 상기 둘 모두 폴리아미드 열가소성 수지를 기본으로 한다. 상기 두 열가소성 접착제는 각각 3.6 및 1.8N의 유리에 대한 접착치를 나타낸다.
[실시예 6]
도면의 제1도에 예시된 바와 같은 광섬유 접속기를 다음과 같이 조립한다.
a) 접속기를 204℃로 가열하는 동안, 0.1% 의 오일 블루A 염료를 함유하는 실시예 5의 열가소성 접착제를 80 psi(0.55MPa)에서 접속기내로 주입하며, 약간의 접착제가 페룰의 내공을 통해 빠져나올 때까지 압력을 약 6초 동안 유지시킨다(오일 블루-A 염료는 이. 아이. 듀퐁(E. I. Dupont)사로 부터의 1,4-디(이소프로필아미노)안트라퀴논이다).
b) 길이 4m의 광섬유 케이블(시코사로 부터의 125㎛의 다형태)로부터 약 3cm의 재킷을 제거하고, 케블라섬유를 약 3mm로 잘라낸다.
c) 완충제 4mm를 제외한 모두를 제거하고 노출된 광섬유를 알콜로 깨끗하게 한다.
d) 접속기를 204℃로 재가열한 후에, 케블라 섬유가 다시 접히지 않음을 확인하면서 케이블이 접속기내의 바닥에 닿고 섬유가 접속기 표면을 비어져 돌출될 때까지 드러난 섬유를 용융 접착제를 통해 삽입시킨다.
e) 접속기의 후미를 통해 사출된 접착제를 잘라내고, 접속기를 냉각시킨다.
f) 상기 인용된 Field Termination Instruction Manual...의 D 내지 F 섹션에 개략된 단계를 따른다. 즉, 섬유에 선을 그어 쪼개고, 비이드의 파란색이 엷어질때까지 5㎛의 아세테이트로 연마하고 이어서 섬유의 말단이 페룰의 표면과 평면이 될때까지 1㎛의 아세테이트로 연마한다. 섬유 끝의 현미경적 검사는 섬유 끝에 접착제와 긁힘이 없음을 보여준다.
동일한 광섬유 접속기를 케이블의 상대말단에서 동일한 방법으로 조립하여 이를 동일한 점퍼 B와 점퍼 A를 제공하도록 함께 하기의 온도 순환 시험을 수행한다:
a) 점퍼 A의 제1말단을 850mm의 광원에 접속시킨다.
b) 점퍼 A의 제2말단을 점퍼 B의 제1말단에 접속시킨다.
c) 점퍼 B의 제2말단을 광학 검출기에 접속시킨다.
d) 점퍼 조립품을 투과하는 광도를 측정하면서, 조립품의 A내지 B부분을 모든 온도 전이를 1℃/min으로 하여 20℃에서 4시간의 초기 안정화 기간후에 이어서, 안정화 기간 시작부터 총 50시간동안 60°, 20°, -40°,20°, 60°등으로 온도 순환시키고 1시간동안 모두를 일시 정지시킨다.
단계 d) 동안 온도-유도된 광 투과 손실은 다형태 섬유와 같이 사용하기에 만족할 정도로 낮은 것으로 간주되는 0.12dB이다.
[실시예 7]
광섬유 접속기를 어떤 염료도 없이 실시예 2의 열가소성 접착제를 사용함을 제외하고 실시예 6에서와 같이 제조한다. 염료의 부재로 섬유의 말단 및 접착제의 비이드가 마모되어 없어짐에 따라 조잡한 연마제에 의해 생성된 무딘 부분의 정도를 관찰하기 위한 배율하에서 접속기의 말단을 주기적으로 검사할 필요가 있다. 상기 무딘 부분이 거의 페룰 표면을 덮을때, 정제된 1㎛ 아세테이트 연마제로 연마를 완료한다.
2개의 점퍼가 상기 실시예의 4개의 접속기를 완전히 가졌을때, 온도-유도된 손실은 실시예 6의 온도순환시험에서 0.16dB이다.
[실시예 8]
2원추형 광 섬유 접속기를 뉴저지주 아틀란틱 하이랜즈(Atlantic Highlands)의 도란 포토닉스(Dorran Photonics)사의 Field Termination Instruction Manual for Biconic Plugs에 예시된 바와 같이 조립한다:
a) 접속기를 204℃로 가열하는 동안, 50:50부피비로 11.7㎛의 중심 직경의 유리 미세구를 함유하는 실시예 2의 열가소성 접착제를 80psi(0.55 MPa)에서 접속기내로 주입하며, 압력을 약간의 접착제가 페룰의 내공을 통해 빠져나올 때까지 약 6초 동안 유지시킨다. 이어서 접속기를 실온으로 냉각시킨다.
b) 광섬유 케이블(125㎛단일형태 시코 1S31-31111-00)로 부터 약 5cm의 재킷을 제거하고 케블라섬유를 약 3mm로 잘라낸다.
c) 8mm의 완충제를 제외한 모두를 제거하고 노출된 광섬유를 알콜로 깨끗하게 한다.
d) 접속기를 204℃로 재가열한 후에, 케블라 섬유가 다시 접히지 않음을 확인하면서, 케이블의 접속기내의 바닥에 닿고 섬유가 접속기 표면을 비어져 돌출될때 까지 드러난 섬유를 용융 접착제를 통해 삽입시킨다.
e) 접속기의 후미를 통해 사출된 접착제를 잘라내고, 접속기를 냉각시킨다.
f) 상기 인용된 Field Termination Instruction Manual for Biconic plugs의 C내지 E 섹션에 개략된 단계를 따른다. 즉, 섬유에 선을 그어 쪼개고, 차례로 8㎛,1㎛ 및 0.3㎛의 아세테이트로 연마하고, 길이 및 광학적 마무리에 대해 검사하고 조립한다.
실시예 6에서와 동일한 방법으로 2개의 125㎛ 시험 점퍼를 조립할때 상기 공정을 4회 계속한다. 온도 순환 시험에서, 온도-유도된 광 투과 손실은 0.6dB이다. 상기를 또 다른 동일한 시험에서 유리 미세구 없이 실시예 2의 접착제를 사용하여 조립한 시험 점퍼에 대한 2dB 이상의 온도-유도된 광 투과 손실과 비교한다.

Claims (10)

  1. 열가소성 수지를 포함하며, a) 접속기에 해롭지 않은 적당한 작업 온도에서 1000 내지 10,000 cp의 점도, b) 적어도 10N의 유리에 대한 접착치(Adhesion-to-Glass Value), 및 c) 20℃에서 적어도 60의 쇼어(Shore) D 경도를 특징으로 하는, 광섬유를 접합시킬 수 있는 열가소성 접착제를 함유하는 광섬유 접속기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리아미드인 광섬유 접속기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리아미드가 이량체산, 아젤라산과 디아민의 반응 생성물을 포함하는 광섬유 접속기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 접착제가 점착구 수지와 가소제의 블렌드를 포함하는 광섬유 접속기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 접착제가 주입된 광섬유 접속기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 접착제의 슬러그가 삽입된 광섬유 접속기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열가소성 접착제의 슬러그가 접착제를 가열시키지 않고 광섬유를 공급시킬 수 있는 중앙 통과-구멍과 함께 형성되는 광섬유 접속기.
  8. 제1항에 있어서, 접착제를 그의 연화점 이상으로 가열시킴으로써 광섬유가 접합된 광섬유 접속기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 접착제가 5내지 50㎛의 직경을 갖는 유리 미세구로 충진된 광섬유 접속기.
  10. 제9항에 있어서, 유리 미세구 대 열가소성 접착제의 부피 비가 단지 70:30인 광섬유 접속기.
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