KR100327867B1 - 플라스틱광섬유의프리폼제조방법 - Google Patents

플라스틱광섬유의프리폼제조방법

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KR100327867B1
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권문구
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Abstract

본 발명은 대용량의 광신호를 전송할 수 있는 플라스틱 광섬유를 제조할 수 있는 프리폼의 제조에 있어서 기포가 없는 균일한 프리폼을 제조하는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조 방법에 관한 것으로서, 폴리메틸 메타아크릴레이트 튜브내에 메틸 메타아크릴레이트, 개시제 및 연쇄 이동제를 주입하고 수평으로 고속 회전시키면서 고분자화 반응을 발생시켜 클래드층을 만드는 단계, 클래드층이 형성된 폴리메틸 메타아크릴레이트 튜브내에 메틸 메타아크릴레이트 튜브내에 메틸 메타아크릴레이트, 굴절률 조절제, 개시제 및 연쇄 이동제를 섞은 혼합 용액을 넣고 수평 반응을 시켜 기포가 없는 균일한 프리폼을 만드는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법{The preparing method of preform for plastic optical fiber}
본 발명은 대용량의 광신호를 전송할 수 있는 플라스틱 광섬유를 제조할 수 있는 프리폼의 제조에 있어서 기포가 없는 균일한 프리폼을 제조하는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조 방법에 관한 것이다.
코아와 클래드로 구성되어 있는 플라스틱 광섬유는 기존의 석영계 광섬유에 비해 대구경화가 가능하여 접속이 용이하기 때문에 광신호를 주고 받는 장치 사이에의 접속으로 인한 전송 손실을 가져올 수 있는 단거리 전송 매체로서 적당하다.
지금까지의 플라스틱 광섬유는 도 1에 도시된 바와 같이 폴리메틸 메타-아크릴레이트, 폴리 카보네이트 또는 공중합체와 같은 수지로 구성되어 있는 코아(1)와 불소를 함유하고 있는 수지로 구성되어 있는 클래드(2)로 이루어져 있으며, 스텝 인덱스(step index) 형태의 광섬유는 도 2에 도시된 바와 같은 굴절률 분포를 가진다.
또한, 상기에 언급한 스텝 인덱스 형태의 광섬유보다 단위 시간당 더 많은 양의 정보를 전송시킬 수 있는 그레이디드 인덱스(graded index)형태의 광섬유는 도 3에 도시된 바와 같은 굴절률 분포를 가진다. 그러나 아직까지 그레이디드 인덱스 형태의 광섬유는 제조 측면에서 해결하지 못하는 문제점을 여전히 안고 있으며,원하는 특성을 가지는 광섬유를 얻지는 못하였다.
일반적으로 플라스틱 광섬유에 있어서 굴절률 분포는 반응성의 차이를 이용하는 방법이나 겔 효과(gel effect)와 같은 특별한 방법에 의하여 이루어져 왔다.
그러나 여기에는 프리폼의 사이즈, 재료의 종료와 같은 측면에서 한계를 지니고 있다. 특히, 프리폼을 원하는 굴절률 분포로 적절하게 조절하는 측면과 반응중에 코아로서 사용되는 폴리메틸 메타아크릴레이트와 단량체인 메틸 메타아크릴레이트의 부피 차이에서 발생하는 기포 때문에 대량 생산과 재현성 있는 플라스틱 광섬유 프리폼을 얻을 수 없다는 한계를 가지고 있다.
종래의 방법에 따라 광섬유 프리폼을 제조하는 경우에 있어서, 폴리메틸 메타아크릴레이트 튜브를 먼저 제조한 뒤, 이 튜브안에 메틸 메타아크릴레이트, 굴절률 조절제, 개시제 그리고 연쇄 이동제의 혼합 용액을 넣고 수평 반응을 시키는 방법은 크게 두가지의 문제점을 갖고 있다.
첫째, 온도와 고분자와 반응에 따른 부피 변화 때문에 발생되는 불균일한 기포를 완전히 제거할 수 없다.
둘째, 그레이디드 인덱스 형태의 광섬유 프리폼 제조에 있어서 굴절률 분포를 재현성 있게 그리고 원하는 분포도를 적절하게 조절할 수 없다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광전송 특성이 우수한 고분자로 합성될 수 있는 반응성 단량체와 미반응성 굴절률 분포 조절제의 혼합물을 만들고 상기 혼합물의 양을 단계별로 조절하여 기포가 없으며 원하는 굴절률 분포를 갖는 프리폼을 재현성있게 제조할 수 있는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1은 플라스틱 광섬유의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 스텝 인덱스 형태의 광섬유의 굴절률 분포를 도시하는 도면.
도 3은 그레이디드 인덱스 형태의 광섬유의 굴절률 분포를 도시하는 도면.
<도면 부호에 대한 설명>
1 : 코아 2 : 클래드
본 발명을 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조 방법은 유리관안에 메틸 메타아크릴레이트, 개시제 그리고 연쇄 이동제만을 넣고 수평으로 고속 회전시키면서 고분자화 반응을 시켜서 클래드층 튜브를 만들고, 메타아크릴레이트, 굴절률 조절제, 개시제 그리고 연쇄 이동제를 섞은 혼합 용액을 넣고 수평 반응을 시켜 기포가 없는 균일한 프리폼을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법은 단계별로 굴절률 조절제의 양을 증가시켜 프리폼의 내부로 갈수록 굴절률이 커지게한다.
본 발명에서 사용되는 반응성 단량체는 고분자화 되었을 때 고분자 A (굴절률 Na)는 알려진 투명한 물질을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 이에 해당하는 고분자는 메틸 메타아크릴레이트의 중합체인 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA), 폴리 카보네이트, 메틸 메타아크릴레이트와 다른 단량체의 투명한 공중합체가 여기에 해당될 수 있다. 여기에서 적당한 다른 단량체는 작용기를 갖고 있는 메타아크릴레이트, 불소를 포함하는 또는 불소화 알킬 메타아크릴레이트가 포함될 수 있다.
상기에서 언급한 고분자 중에서 폴리메틸 메타아크릴레이트(Na=1.492), 폴리 카보네이트(Na=1.590)가 아주 적절하게 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 고분자 A 의 굴절률 Na 와 다른 굴절률Nb(>Na)을 갖는 물질을 굴절률 조절제 B 로 사용할 수 있다. 굴절률 조절제의 분자량은 특별히 제한되지는 않으며, 원하는 굴절률 분포를 줄 수 있어야 하며 상기 고분자 A와 함께 안정한 상태에서 존재할 수 있어야 한다.
상기 고분자 A 가 폴리메틸 메타아크릴레이트로 되어 있을 경우 폴리머 A 와 함께 사용될 수 있는 굴절률 조절제로는 브로모벤젠(n=1.559), 벤질 부틸 프탈레이트(n=1.540), 디페닐 설파이드(n=1.6327), 벤질 벤조에이트(n=1.6327) 등이 포함될 수 있다.
본 발명에서 프리폼 제조는 메틸 메타아크릴레이트가 고분자화되면서 변하는 부피변화에 따라 생성되는 기포를 제거하기 위해 여러 단계의 고분자화 반응을 굴절률 조절제와 함께 사용하여 실시할 수 있다. 이때 메틸 메타아크릴레이트와 굴절률 조절제의 혼합 비율을 조절하면서 반응시킴으로써 원하는 굴절률 분포를 얻을 수 있다.
먼저 유리 반응 용기에 클래드층을 형성시키기 위하여 메틸 메타아크릴레이트, 개시제 그리고 연쇄 이동제만을 넣고 수평으로 고속 회전시키면서 고분자화 반응을 시켜서 클래드층을 만든다.
만들어진 클래드층 내부에 단계별로 고분자화 반응 온도에서의 메타아크릴레이트, 굴절률 조절제, 개시제 그리고 연쇄 이동제를 섞은 혼합 용액의 최대 부피가 수평 반응 용기의 비어있는 공간의 부피를 넘지않게, 바람직하게는 직경이 0.5mm 내지 1mm 가 되도록 혼합 용액을 넣고 1단계 고분자화 반응을 시켜서 원하는 굴절률 분포를 가지는 예비 프리폼을 얻을 수 있다.
같은 방법으로 여러 차례 실시하여 원하는 굴절률 분포를 갖는 기포가 없는 광섬유 프리폼을 제조할 수 있다.
얻어진 프리폼의 굴절률은 Photon Kinetics & York Tech. Co. 회사의 Fiber perform analysis systems 2600 으로 측정하여 굴절률의 연속적인 분포가 나타남을 확인할 수 있었다.
[실시예1]
직경 22mm, 길이 300mm 의 유리관에 23.4g 의 메틸 메타아크릴레이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드를 개시제로, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄을 연쇄 이동제로 넣고 수평축으로 3000 rpm 의 고속으로 회전시키면서 80 ℃ 의 온도에서 12시간 반응시킨다.
이렇게 광섬유 프리폼의 클래드층을 1mm 두께로 얻은 뒤, 굴절률 조절제로 벤질 벤조에이트(n=1.568)를 사용하여 1 단계로 MMA 에 대해 9% 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 81g 을 넣고, 80 ℃ 2000 rpm 에서 12 시간 반응시켜서 가운데가 비어있는 5.9mm 두께의 1차 예비 프리폼을 얻는다.
2차 공정은 17% 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 21g 으로 고분자화 반응시키고, 3차 공정은 19% 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 5.6g 으로 고분자화 반응을 시킨 후 4차 공정은 20% 무게비의 노르말 부틸머캅탄의 혼합 용액으로 남아있는 공간을 채운 뒤 저속으로 (50rpm) 80 ℃ 에서 12 시간 동안 수직 반응을 실시하였다.
이렇게 제조된 프리폼은 105 ℃ 의 진공오븐에서 중합에 참여하지 않은 단량체를 제거하기 위하여 12 시간 동안 열처리를 실시한다. 얻어진 프리폼은 기포가 없는 그리고 굴절률 분포지수가 2.03, 코아의 중심축과 클래드의 굴절률 차이가 0.0156 인 광섬유 프리폼을 얻을 수 있었다.
[실시예2]
직경 22mm, 길이 300mm 의 유리관에 23.4g 의 메틸 메타아크릴레이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드를 개시제로, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄을 연쇄 이동제로 넣고 수평축으로 3000 rpm 의 고속으로 회전시키면서 80 ℃ 의 온도에서 12시간 반응시킨다.
이렇게 광섬유 프리폼의 클래드층을 1mm 두께로 얻은 뒤, 굴절률 조절제로 벤질 벤조에이트(n=1.568)를 사용하여 1 단계로 MMA 에 대해 11% 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 82g 을 넣고, 80 ℃ 2000 rpm 에서 12 시간 반응시켜서 가운데가 비어있는 5.8mm 두께의 1차 예비 프리폼을 얻는다.
2차 공정은 21 % 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 23g 으로 고분자화 반응시키고, 3차 공정은 24% 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 5.8g 으로 고분자화 반응을 시킨 후 4차 공정은 25% 무게비의 벤질 벤조에이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액으로 남아있는 공간을 채운 뒤 저속으로 (50rpm) 80 ℃ 에서 12 시간 동안 수직 반응을 실시하였다.
이렇게 제조된 프리폼은 105 ℃ 의 진공오븐에서 중합에 참여하지 않은 단량체를 제거하기 위하여 12 시간 동안 열처리를 실시한다. 얻어진 프리폼은 기포가 없는 그리고 굴절률 분포지수가 2.09, 코아의 중심축과 클래드의 굴절률 차이가 0.0195 인 광섬유 프리폼을 얻을 수 있었다.
[실시예3]
직경 22mm, 길이 300mm 의 유리관에 23.4g 의 메틸 메타아크릴레이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드를 개시제로, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄을 연쇄 이동제로 넣고 수평축으로 3000 rpm 의 고속으로 회전시키면서 80 ℃ 의 온도에서 12시간 반응시킨다.
이렇게 광섬유 프리폼의 클래드층을 1mm 두께로 얻은 뒤, 굴절률 조절제로브로모 벤젠(n=1.559)를 사용하여 1 단계로 MMA 에 대해 9% 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 84g 을 넣고, 80 ℃ 2000 rpm 에서 12 시간 반응시켜서 가운데가 비어있는 5.6mm 두께의 1차 프리폼을 얻는다.
2차 공정은 17 % 무게비의 브로모 벤젠와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 24g 으로 고분자화 반응시키고, 3차 공정은 19% 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 6.0g 으로 고분자화 반응을 시킨 후 4차 공정은 20% 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액으로 남아있는 공간을 채운 뒤 저속으로 (50rpm) 80 ℃ 에서 12 시간 동안 수직 반응을 실시하였다.
이렇게 제조된 프리폼은 105 ℃ 의 진공오븐에서 중합에 참여하지 않은 단량체를 제거하기 위하여 12 시간 동안 열처리를 실시한다. 얻어진 프리폼은 기포가 없는 그리고 굴절률 분포지수가 1.97, 코아의 중심축과 클래드의 굴절률 차이가 0.0138 인 광섬유 프리폼을 얻을 수 있었다.
[실시예4]
직경 22mm, 길이 300mm 의 유리관에 23.4g 의 메틸 메타아크릴레이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드를 개시제로, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄을 연쇄 이동제로 넣고 수평축으로 3000 rpm 의 고속으로 회전시키면서 80 ℃ 의 온도에서 12시간 반응시킨다.
이렇게 광섬유 프리폼의 클래드층을 1mm 두께로 얻은 뒤, 굴절률 조절제로 브로모 벤젠(n=1.559)을 사용하여 1 단계로 MMA 에 대해 11% 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 82g 을 넣고, 80 ℃ 2000 rpm 에서 12 시간 반응시켜서 가운데가 비어있는 5.5mm 두께의 1차 예비 프리폼을 얻는다.
2차 공정은 21 % 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 25g 으로 고분자화 반응시키고, 3차 공정은 24% 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 6.3g 으로 고분자화 반응을 시킨 후 4차 공정은 25% 무게비의 브로모 벤젠과 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액으로 남아있는 공간을 채운 뒤 저속으로 (50rpm) 80 ℃ 에서 12 시간 동안 수직 반응을 실시하였다.
이렇게 제조된 프리폼은 105 ℃ 의 진공오븐에서 중합에 참여하지 않은 단량체를 제거하기 위하여 12 시간 동안 열처리를 실시한다. 얻어진 프리폼은 기포가 없는 그리고 굴절률 분포지수가 2.10, 코아의 중심축과 클래드의 굴절률 차이가 0.0173 인 광섬유 프리폼을 얻을 수 있었다.
[실시예5]
직경 22mm, 길이 300mm 의 유리관에 23.4g 의 메틸 메타아크릴레이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드를 개시제로, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄을 연쇄 이동제로 넣고 수평축으로 3000 rpm 의 고속으로 회전시키면서 80 ℃ 의 온도에서 12시간 반응시킨다.
이렇게 광섬유 프리폼의 클래드층을 1mm 두께로 얻은 뒤, 굴절률 조절제로 디페닐 설파이드(n=1.6327)를 사용하여 1 단계로 MMA 에 대해 9% 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 81g 을 넣고, 80 ℃ 2000 rpm 에서 12 시간 반응시켜서 가운데가 비어있는 5.9mm 두께의 1차 프리폼을 얻는다.
2차 공정은 17 % 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 22g 으로 고분자화 반응시키고, 3차 공정은 19% 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 5.6g 으로 고분자화 반응을 시킨 후 4차 공정은 20% 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액으로 남아있는 공간을 채운 뒤 저속으로 (50rpm) 80 ℃ 에서 12 시간 동안 수직 반응을 실시하였다.
이렇게 제조된 프리폼은 105 ℃ 의 진공오븐에서 중합에 참여하지 않은 단량체를 제거하기 위하여 12 시간 동안 열처리를 실시한다. 얻어진 프리폼은 기포가 없는 그리고 굴절률 분포지수가 2.01, 코아의 중심축과 클래드의 굴절률 차이가 0.0285 인 광섬유 프리폼을 얻을 수 있었다.
[실시예6]
직경 22mm, 길이 300mm 의 유리관에 23.4g 의 메틸 메타아크릴레이트와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드를 개시제로, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄을 연쇄 이동제로 넣고 수평축으로 3000 rpm 의 고속으로 회전시키면서 80 ℃ 의 온도에서 12시간 반응시킨다.
이렇게 광섬유 프리폼의 클래드층을 1mm 두께로 얻은 뒤, 굴절률 조절제로 디페닐 설파이드(n=1.6327)를 사용하여 1 단계로 MMA 에 대해 11% 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 82g 을 넣고, 80 ℃ 2000 rpm 에서 12 시간 반응시켜서 가운데가 비어있는 5.8mm 두께의 1차 프리폼을 얻는다.
2차 공정은 21 % 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 23g 으로 고분자화 반응시키고, 3차 공정은 24% 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액 5.8g 으로 고분자화 반응을 시킨 후 4차 공정은 25% 무게비의 디페닐 설파이드와 0.3% 무게비의 벤조일 퍼옥사이드, 0.15% 무게비의 노르말 부틸머캅탄 혼합 용액으로 남아있는 공간을 채운 뒤 저속으로 (50rpm) 80 ℃ 에서 12 시간 동안 수직 반응을 실시하였다.
이렇게 제조된 프리폼은 105 ℃ 의 진공오븐에서 중합에 참여하지 않은 단량체를 제거하기 위하여 12 시간 동안 열처리를 실시한다. 얻어진 프리폼은 기포가 없는 그리고 굴절률 분포지수가 2.05, 코아의 중심축과 클래드의 굴절률 차이가 0.0357 인 광섬유 프리폼을 얻을 수 있었다.
본 발명의 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법은 광전송 특성이 우수한 고분자로 합성될 수 있는 반응성 단량체와 미반응성 굴절률 조절제의 혼합물을 만들고 상기 혼합물의 양을 단계별로 조절하여 기포가 없는 균일한 프리폼을 제조하며, 또한 단계별로 굴절률 조절제의 양을 증가하여 프리폼의 내부로 가면서 굴절률이 커지게 하여 그레이디드 인덱스 형태의 광섬유를 제조할 수 있다.

Claims (5)

  1. 폴리메틸 메타아크릴레이트 튜브내에 메틸 메타아크릴레이트, 개시제 및 연쇄 이동제를 주입하고 수평으로 고속 회전시키면서 고분자화 반응을 발생시켜 클래드층을 만드는 단계, 클래드층이 형성된 폴리메틸 메타아크릴레이트 튜브내에 메틸 메타아크릴레이트 튜브내에 메틸 메타아크릴레이트, 굴절률 조절제, 개시제 및 연쇄 이동제를 섞은 혼합 용액을 넣고 수평 반응을 시켜 기포가 없는 균일한 프리폼을 만드는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 단계별로 투입되는 혼합물의 양을 반응 온도에 따른 반응물의 최대 부피가 반응기 내부에 직경 0.5 내지 1.0 mm 의 원기둥의 부피 만큼의 기포층이 존재할 수 있게 하는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 프리폼의 중심에 직경 0.5 내지 1.0 mm 의 원기둥의 기포가 존재하는 예비 프리폼을 제조하는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 예비 프리폼을 수직으로 하고 과량의 혼합물에 계속 공급되게 하여 예비 프리폼의 원기둥 기포 부분을 균일한 고분자 혼합물로 채워주는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 단계별로 투입되는 조절제의 양을 증가하여 프리폼의 내부로 가면서 굴절률이 커지게 하는 플라스틱 광섬유의 프리폼 제조방법.
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