KR100338985B1 - 측면발광광파이버 - Google Patents

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겐지 쓰바키
겐지 소노다
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미키오 세이
노부아키 야부노우치
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 측면 발광 광파이버는 입광단으로부터 입사하는 빛을 전송하는 코어와, 그 코어의 외주에 설치된 실리카 에어로겔로된 클래드와, 그 클래드의 외주를 덮는 투명한 피복층과, 상기 코어와 상기 클래드의 접촉계면의 적어도 일부에 설치되어 상기 코어안으로 전송되는 빛을 광파이버 측면에서 바깥쪽으로 투과시키는 투과부를 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

측면 발광 광파이버{SIDE-FACE ILLUMINATING OPTICAL FIBER}
본 발명은 코어와 클래드로 형성되는 광파이버를 응용한 측면 발광 광파이버에 관한 것인데, 자세히는 태양광의 전송, 자동차부품 등의 조명, 세면 화장대·주방·욕실 등 물배관의 조명, 낭하·계단에서의 난간 조명 등, 배리어 프리 공간용의 조명, 또 미술관이나 박물관용의 열선이나 자외선 컷 조명에 있어서의 라이트 가이드 등에 적용할 수 있는 측면 발광 광파이버에 관한 것이다.
종래, 광파이버의 코어로서는 석영계 유리나 다성분계 유리 등의 유리류, 메틸메타크릴레이트 등의 아크릴계나 스티롤계의 플라스틱류, 또는 테트라클로로에틸렌 등의 투명한 액체류가 사용되고 있다. 또 클래드로서는 코어보다도 굴절률이 낮은 소다라임계나 붕규산 유리계 등의 유리류, 염화비닐, 알릴디글리콜카보네이트나 불소를 첨가하여 굴절률을 저하시킨 아크릴계의 플라스틱류 등이 사용되고 있다.
그리고, 이러한 광파이버에 있어서, 측면에서 발광시켜 조명 등에 이용하는 시도가 일부에서 이루어지고 있다. 예를 들면, 코어와 클래드의 접촉계면에 凹凸을 형성함으로써 코어안으로 전송되는 빛을 이 凹凸로 산란시켜, 산란시킨 이 빛을 광파이버의 측면에서 발광시키도록 할 수 있다.
그러나, 종래의 광파이버에서는 집광량에 한도가 있고, 따라서 측면에서의 발광량이 불충분하여, 조명의 주류를 차지하기에 이르는 데는 아직 먼 것이 현실정이다.
즉, 광파이버에 있어서, 클래드의 굴절률은 코어의 굴절률보다도 낮아지도록 구성되어 있으나, 그들 굴절률의 차의 대소에 의하여 광파이버의 수광각 및 코어와 클래드와의 경계면에 있어서의 빛의 전반사각이 달라진다. 일반적으로 코어와 클래드의 굴절률의 차를 나타내는 지표로서 다음식으로 표시되는 비굴절률차가 사용되고 있다.
비굴절률차 ＝ (n1－n2)/n1
(식중, n1은 코어의 굴절률, n2는 클래드의 굴절률을 표시한다.)
또, 광파이버의 개구수 및 수광각(θ)(도 1 참조)은 다음식으로 표시된다.
개구수＝n·sinθ＝(n1 2－n2 2)1/2
(식중, n은 광파이버의 외계의 굴절률이고, 통상은 공기에서 n＝1.0이다.)
이들 식에서 볼 수 있는 바와 같이, 광파이버의 수광각(θ)은 코어와 클래드의 굴절률의 차가 클수록 커지고, 즉 비굴절률차가 클수록 커진다. 즉, 많은 빛을 집광하여 전송하려면, 비굴절률차를 크게 하여 광파이버의 수광각(θ)을 크게 할 필요가 있다. 이것은 코어의 굴절률은 높게 하고, 클래드의 굴절률을 낮게 함으로써 달성할 수 있는 것이다.
여기서, 광파이버에 있어서, 순수한 석영유리는 광손실이 적고, 내열성·내약품성이 뛰어나기 때문에 코어로서 많이 사용되고 있다. 그러나, 석영유리의 굴절률은 1.46으로 낮아, 이 보다도 굴절률이 낮은 클래드의 선정이 문제로 된다. 그래서, 클래드에 유리를 사용하는 경우에는 순수한 석영유리 보다도 굴절률을 저하시키기 위하여 B2O3나 불소 등의 굴절률 저하 성분을 첨가하는 방법 등이 취해지고 있다. 또, 석영유리에 굴절률 상승용 도팬트를 첨가함으로써 광손실을 낮게 유지한 상태로 굴절률을 상승시키는 방법도 있다. 이러한 도팬트로서는 TiO2, Ta2O5, SnO2, Nb2O5, ZrO2, Yb2O3, La2O3, Al2O3등을 들 수 있다. 이 경우에는 클래드로서 순수한 석영유리, 또는 보다 저굴절률의 도프트 석영유리를 사용할 수 있다. 또, 클래드로서 플라스틱을 사용하는 경우에는 폴리실록산이나 실리콘 고무 등의 규소수지나 불화 에틸렌 프로필렌, 불화 비닐리덴 등의 불소함유 수지 등이 사용되나, 이들의 굴절률은 낮은 것으로 1.29∼1.33정도이다.
전술한 바와 같이, 코어와 클래드의 비굴절률차에 의하여 광파이버의 수광각(θ)은 변화한다. 예를 들면, 라이트 가이드에 있어서 코어에 프린트계의 F2유리(굴절률 1.62), 클래드에 소다라임계 유리(굴절률 1.52)를 사용한 경우, 개구수는 0.56, 수광각(θ)은 34°가 된다. 또, 플라스틱 광파이버에 있어서도, 코어에 메타크릴수지(굴절률 1.49), 클래드에 불소수지(굴절률 1.39)를 사용한 경우에는, 개구수는 0.54, 수광각(θ)은 32°가 된다. 이와 같이, 종래의 코어 및 클래드를 사용하여 광파이버를 제조한 경우에는 수광각(θ)은 30∼50°정도이고, 많은 빛을 집광하여 전송할 수 있는 광파이버를 제조하는 것은 곤란하다.
이와 같이, 종래의 광파이버에서는 집광량이 적고, 따라서 광파이버의 측면에서 발광시키는 발광량도 불충분하게 되는 것이 었다.
본 발명의 목적은 집광량이 많은, 측면에서의 큰 발광량을 얻을 수 있는 측면 발광 광파이버를 제공하는 것이다.
도 1은 광파이버의 수광각(θ)을 도시한 단면도.
도 2a는 본 발명의 제1실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 2b는 본 발명의 제1실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 측면 단면도.
도 3a는 본 발명의 제2실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 3b는 본 발명의 제2실시형태의 1예를 도시한 것으로, 테이프의 정면 단면도.
도 4a는 본 발명의 제3실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 4b는 본 발명의 제3실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 측면 단면도.
도 5a는 본 발명의 제3실시형태의 다른 예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 5b는 본 발명의 제3실시형태의 다른 예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 측면 단면도.
도 6a는 본 발명의 실시형태의 또 다른 예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 6b는 본 발명의 실시형태의 또 다른 예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 측면 단면도.
도 7은 본 발명의 제4실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 8a는 본 발명의 제5실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 8b는 본 발명의 제5실시형태의 1예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 측면 단면도.
도 9a는 본 발명의 제5실시형태의 다른 예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 정면 단면도.
도 9b는 본 발명의 제5실시형태의 다른 예를 도시한 것으로, 측면 발광 광파이버의 측면 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 코어(core) 1b : 접촉계면
2 : 클래드(clad) 3 : 피복층
3a : 열수축 튜브 3b :테이프
4 : 광반사층 5a, 5b : 압축부재
본 발명의 측면 발광 광파이버는 입광단으로부터 입사하는 빛을 전송하는 코어와, 그 코어의 외주에 설치된 실리카 에어로겔로 이루어지는 클래드와, 그 클래드의 외주를 덮는 투명한 피복층과, 코어와 클래드와의 접촉면계의 적어도 일부에 설치되어 상기 코어안으로 전송되는 빛을 광파이버 측면으로부터 바깥쪽으로 투과시키는 투과부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 투과부는 상기 코어안으로 전송되는 빛을 산란시키는 계면 凹凸부에 의하여 구성하는 것이 좋다. 이 경우, 계면 凹凸부는 분립체의 클래드를 코어에 밀어 붙임으로써 클래드와 코어와의 사이의 계면에 생기게 할 수 있다. 따라서 클래드를 분립체로 하여, 피복층을 클래드를 코어에 압압하는 가압층으로 하여도 좋다.
이 경우에 있어서, 상기 피복층은 열수축에 의하여 상기 코어의 외주에 상기 클래드를 일체화하는 열수축 튜브인 것이 좋다. 또, 상기 피복층으로서 상기 클래드가 한면에 고착되어 있고, 그 클래드가 고착된 면이 상기 코어의 외주면에 접하도록 코어에 감겨지는 테이프를 사용하여도 좋다.
또, 소정방향으로 높은 발광량을 발광하기 위해서는 상기 코어와 상기 클래드와의 사이, 상기 클래드와 상기 피복층의 사이, 상기 피복층의 외주의 어느 한 위치에 상기 코어의 외주면의 둘레방향의 일부를 덮듯이 부착되어, 상기 투과부가 발하는 빛을 반사시키는 광반사 부재를 설치하도록 하는 것이 좋다.
한편, 클래드인 실리카 에어로겔은 규산 에스테르 함유용액의 겔상 화합물을 소수화처리 및 초임계 건조하여 얻어진 것으로 함으로써, 실리카 에어로겔의 흡습·흡수에 의한 굴절률이나 광투과성 등의 성능의 열화를 방지할 수 있다.
또, 상기 투과부는 광파이버의 축방향으로 복수설치되어 있어도 좋고, 광파이버의 축방향으로 연속적으로 설치되어 있는 것이라도 좋다. 이 경우에 있어서, 상기 투과부는 광파이버의 입광단으로부터 먼 위치에 배치되는 것 일수록 상기 투과율이 높게 되어 있는 것이 좋다. 투과율이란, 코어안으로 전송되는 광량에 대한 투과부를 투과하여 외부로 사출되는 광량의 비율이다. 또한, 광파이버 전체로서는 각 위치의 투과부의 발광량은 대략 균일하게 되도록 투과율이 변화하는 것이 더 좋다.
본 발명의 이들 및 다른 목적과 특징은 바람직한 실시예 및 유사한 부품에 대하여 유사한 부재번호를 붙인 첨부 도면을 참고하여 다음의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
이하, 도 2a, 2b에 의거하여 본 발명의 제1실시형태를 설명한다.
본 발명의 측면 발광 광파이버는 코어와 코어의 외주면을 덮는, 코어보다 빛의 굴절률이 낮은 클래드로 형성되는 것이다. 코어로서는 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등의 아크릴계 또는 스티롤계 등의 플라스틱류, 또는 테트라클로로에틸렌 등의 투명한 액체류를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 클래드는 실리카의 다공질 골격으로 된 실리카 에어로겔에 의하여 형성된다. 실리카 에어로겔은 원료배합에 의하여 굴절률을 변화시킬 수 있으나, 1.0008∼1.18의 낮은 굴절률을 가진다. 이와 같이, 굴절률이 매우 작으므로, 실리카 에어로겔은 여러 가지 코어에 대하여 비굴절률을 비약적으로 크게 할 수 있다. 실리카 에어로겔의 클래드의 굴절률이 1.1인 경우, 수광각(θ)은 최대 90°로 할 수 있다. 따라서, 넓은 수광각으로 집광하는 것이 가능하게 되어, 입사단으로부터의 집광률이 높고 집광량이 많은 광파이버를 형성할 수 있다. 또 출사단에 있어서의 출사각도 크게 할 수 있다.
여기서, 실리카 에어로겔은 알콕시실란이나 규산나트륨 등 규산에스테르 함유용액의 겔상 화합물을 소수화처리 및 초임계 건조하여 얻을 수 있다. 즉, 미국특허 제4402827호, 동 제4432956호, 동 제4610863호 등에 개시되어 있는 바와 같이, 알콕시실란(실리콘 알콕시드, 알킬실리케이트라고도 호칭된다)의 가수분해, 중합반응에 의하여 얻어진 실리카 골격으로 된 습윤상태의 겔상 화합물을 알콜 또는 2산화탄소 등의 용매(분산매)의 존재하에서, 이 용매의 초임계점 이상의 초임계 상태에서 건조시킴으로써, 실리카 에어로겔을 제조할 수 있다. 또, 실리카 에어로겔은 미국특허 제5137297호, 동 제5124364호에 개시되어 있는 바와 같이, 규산나트륨을 원료로 하여 똑같이 제조할 수도 있다. 그리고, 일본국 특개 평5-279011호 공보, 일본국 특개평7-138375호 공보에 개시되어 있는 바와 같이 상기의 겔상 화합물을 소수화 처리함으로써 실리카 에어로겔에 소수성을 부여할 수 있다. 소수화처리는 겔상 화합물을 초임계 건조하기 전에, 또는 겔상 화합물을 초임계 건조할 때에 행할 수 있다. 이와 같이, 소수성을 부여한 소수성 실리카 에어로겔은 습기나 물 등이 침입하기 어려워, 굴절률이나 광투과성의 성능이 열화되기 어렵게 된다.
도 2a, 2b는 본 발명의 제1실시형태의 측면 발광 광파이버의 1예를 도시한 것인데, 코어(1)의 외주에 실리카 에어로겔로 된 클래드(2)를 설치함과 동시에, 클래드(2)의 외주를 투명한 피복층(3)으로 덮음으로써, 코어(1)의 외주에 클래드(2)를 지지한다. 그리고, 본 실시형태에서는 이 피복층(3)으로서 투명한 열수축 튜브(3a)를 사용하고 있다. 열수축 튜브(3a)로서는 가열함으로써 치수가 수축하는 것이면 특히 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면, 불소수지계, 실리콘 수지계, 에틸렌 프로필렌 고무계 등의 폴리올레핀계 등의 재료의 튜브를 사용할 수 있다.
피복층(3)으로서 열수축 튜브(3a)를 사용한 측면 발광 광파이버의 제조에 있어서는, 먼저 코어(1)의 외주부에 열수축 튜브(3a)를 배치하고, 코어(1)와 열수축 튜브(3a)의 사이의 틈새에 분말상 또는 입상의 실리카 에어로겔을 삽입하여 충전한다. 그리고, 열수축 튜브(3a)를 가열하여 열수축 튜브(3a)를 수축시킴으로써, 실리카 에어로겔로 된 클래드(2)를 코어(1)의 외주에 고정시켜 지지한다. 여기서, 열수축 튜브(3a)를 열수축시킴으로써, 코어(1)의 표면에는 클래드(2)를 구성하는 실리카 에어로겔의 분립체가 밀어붙여져서, 코어(1)의 표면이 실리카 에어로겔의 분립체에 의하여 변형되어 미세한 凹凸이 되어, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1a)에 투과부에 상당하는 계면 凹凸부가 생긴다.
그리고, 이와 같이 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1a)에 계면 凹凸부가 형성된 측면 발광 광파이버에 있어서, 코어(1)안으로 전송되는 빛이 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1a)에 입사되면, 이 접촉계면(1a)의 계면 凹凸부에 의하여 도 2a에 도시한 바와 같이 빛이 산란한다. 산란한 빛의 일부는 클래드(2) 및 피복층(3)을 투과하여 광파이버의 외주로부터 사출되어, 광파이버의 측면이 발광한다. 클래드(2)로서 실리카 에어로겔을 사용하여 형성한 광파이버는 수광각(θ)이 크고 집광량이 크기 때문에, 측면으로부터의 발광량도 큰 측면 발광 광파이버를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 제2실시형태에 대하여 설명한다. 도 3a, 3b는 본 발명의 측면 발광 광파이버의 한가지 예를 도시한 것인데, 피복층(3)으로서 한면에 접착제를 도포한 테이프(3b)를 사용하고 있다. 테이프(3b)는 투명하기만 하면 폭이나 두께 등의 형상은 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 폴리에틸렌, 가교 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리올레핀 엘라스토머 등의 테이프를 사용할 수 있다. 또 소수성의 실리카 에어로겔은 알콜이나 아세톤 등 유기용제에 접하면 수축하여 백탁(白濁)할 염려가 있으므로, 이러한 내용제성을 고려하면, 테이프(3b)의 접착제는 무용제성의 감압 접착제(점착제라고도 한다)나 핫멜트 접착제인 것이 좋다.
피복층(3)으로서 테이프(3b)를 사용한 측면 발광 광파이버의 제조에 있어서는, 먼저 도 3b에 도시한 바와 같이, 테이프(3b)의 접착제를 도포한 면에 분립상의 실리카 에어로겔(2a)을 살포하여 점착시킨다. 그리고 코어(1)의 외주에 실리카 에어로겔(2a)이 접하도록 테이프(3b)를 감음으로써, 도 3a와 같이 실리카 에어로겔(2a)의 클래드(2)를 코어(1)의 외주에 고정시켜 지지할 수 있다. 여기서, 코어(1)의 외주에 테이프(3b)를 감음으로써 코어(1)의 표면에는 클래드(2)를 구성하는 실리카 에어로겔(2a)의 분립체가 밀어붙여져서, 코어(1)의 표면이 실리카 에어로겔(2a)의 분립체에 의하여 변형되어 미세한 凹凸이 되어, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1b)에 투과부에 상당하는 계면 凹凸부가 생긴다.
그리고, 이와 같이 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1b)에 계면 凹凸부가 형성된 측면 발광 광파이버에 있어서, 코어(1)안으로 전송되는 빛이 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1b)에 입사되면, 계면 凹凸부에 의하여 도 3a에 도시한 바와 같이 빛이 산란한다. 산란한 빛의 일부는 클래드(2) 및 피복층(3)을 투과하여 광파이버의 외주로부터 사출되어, 광파이버의 측면이 발광한다. 클래드(2)로서 실리카 에어로겔을 사용하여 형성한 광파이버는 수광각(θ)이 크고 집광량이 크기 때문에, 측면으로부터의 발광량도 큰 측면 발광 광파이버를 얻을 수 있는 것이다.
그리고, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1b)의 계면 凹凸부를 상기와 같이 코어(1)의 표면에 실리카 에어로겔의 분립체를 밀어붙임으로써 형성하기 위해서는 코어(1)로서 클래드(2)를 구성하는 실리카 에어로겔 보다도 경도가 낮은 것을 사용하는 것이 좋다. 또, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1b)의 계면 凹凸부를 광파이버의 전 길이에 설치하도록 하면, 광파이버의 전 길이에 걸쳐 측면에서 발광시킬 수 있으나, 테이프(3b)를 감는 힘을 조정하여 광파이버의 일부에만 이 계면 凹凸부를 설치하도록 하면, 이 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면의 凹凸을 설치한 부분에서만 광파이버의 측면에서 발광시킬 수 있다.
다음에, 제3실시형태를 도 4a 내지 도 6b를 사용하여 설명한다. 상기의 도 2a나 도 3a에 도시한 실시형태의 측면 발광 광파이버는 광파이버의 측면의 전 둘레에서 발광되도록 되어 있으나, 본 실시형태에 있어서는 광반사층(4)을 코어(1)의전 둘레의 일부를 덮듯이 설치함으로써, 광반사층(4)으로 덮여 있지 않은 부분의 측면에서만 발광시켜 조사(照射)의 지향특성을 부여하고 있다.
도 4a, 4b에 도시한 측면 발광 광파이버는 코어(1)와 클래드(2)의 사이에 광반사성을 가진 필름을 삽입함으로써, 코어(1)와 클래드(2)의 사이에 광반사층(4a)을 설치하도록 한 것이다. 도 5a, 5b에 도시한 측면 발광 광파이버는 클래드(2)와 피복층(3)의 사이에 광반사성을 가진 필름을 삽입함으로써, 클래드(2)와 피복층(3)의 사이에 광반사층(4b)을 설치하도록 한 것이다. 도 6a, 6b에 도시한 측면 발광 광파이버는 피복층(3)의 외주에 광반사성을 가진 필름을 붙임으로써, 피복층(3)의 외주에 광반사층(4c)을 설치하도록 한 것이다. 광반사성을 가진 필름은 형상·재질 등은 특히 제한되는 것은 아니나, 고반사율의 표면을 가지고 한 방향으로 빛을 유도하는 것임이 바람직하다.
상기와 같이 광반사층(4a∼4c)을 설치하여 형성되는 측면 발광 광파이버에 있어서, 코어(1)안으로 전송되는 빛이 광반사층(4a∼4c)을 설치하지 않은 개소에서 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1c)에 입사되면, 코어(1)와 클래드(2)의 계면의 凹凸에 의하여 빛이 산란되어, 산란된 빛의 일부가 클래드(2) 및 피복층(3)을 통하여 광파이버의 광반사층(4a∼4c)을 설치하지 않는 개소의 외주로부터 사출(射出)됨으로써 광파이버의 측면이 발광한다. 그리고, 도 4a의 것에서는 코어(1)안으로 전송되는 빛이 광반사층(4a)에 입사되면, 도 4a에 도시한 바와 같이 광반사층(4a)에서 빛이 반사되어, 이 광반사층(4a)에서 반사된 빛은 광반사층(4a)을 설치하지 않은 개소의 외주로부터 사출된다. 또, 도 5a의 것에서는 코어(1)안으로 전송되는 빛이 광반사층(4b)을 설치한 개소에서 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1c)에 입사되면, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1c)의 계면 凹凸부에 의하여 빛이 산란되나, 이 산란된 빛의 일부가 클래드(2)를 통과 함과 동시에 광반사층(4b)으로 반사되어, 이 광반사층(4b)에서 반사된 빛은 광반사층(4b)을 설치하지 않은 개소의 외주로부터 사출된다.
또한, 도 6a의 것에서는 코어(1)안으로 전송되는 빛이 광반사층(4c)을 설치한 개소에서 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1c)에 입사되면, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1c)의 계면 凹凸부에 의하여 빛이 산란한다. 이 산란한 빛의 일부가 클래드(2) 및 피복층(3)을 투과함과 동시에 광반사층(4c)에서 반사되어, 이 광반사층(4c)에서 반사된 빛은 광반사층(4)을 설치하지 않은 개소의 외주로부터 사출된다.
이와 같이, 광반사층(4a∼4c)을 설치한 개소에서는 측면 발광 광파이버의 측면에 발광되지 않고, 광반사층(4a∼4c)을 설치하지 않은 개소의 측면에서만 발광되므로, 소정 방향으로 높은 조도로 발광시키는 것이 가능하게 된다.
다음에, 도 7을 사용하여 본 발명의 측면 발광 광파이버의 제4실시형태를 설명한다. 도 7에 있어서, 측면 발광 광파이버는 코어(1)의 외주에 입광단부로부터 멀어짐에 따라 두께가 증대하는 실리카 에어로겔로 된 클래드(2)를 사용하고 있고, 또 피복층(3)으로서 열수축 튜브(3c)를 사용하고 있다. 본 구성에 의하여, 입사단부로부터의 거리의 증가에 따라 코어(1)와 클래드(2)와의 접촉계면(1d)에 생기는 투과부에 상당하는 계면 凹凸부의 凹凸이 커지거나 많아진다.
상세히 말하면, 본 실시형태의 측면 발광 광파이버의 제조에 있어서는, 먼저 코어(1)의 외주부에 열수축 튜브(3c)를 배치하고, 열수축 튜브(3c)와 코어(1)와의 사이에 분립상의 실리카 에어로겔을 충전한다. 여기서, 열수축 튜브(3c)는 입광단부로부터 멀어짐에 따라 내경이 커지는 테이퍼상으로 되어 있다. 따라서, 열수축 튜브(3c)와 코어(1)와의 사이에 충전되는 분립상의 실리카 에어로겔은 입광단부로부터 멀어짐에 따라 두께가 증대하는 형상이 된다. 그리고, 실리카 에어로겔의 충전후에 열수축 튜브(3c)를 가열하여 수축시킴으로써, 클래드(2)가 코어(1)의 외주에 고정시켜 지지된다. 여기서, 열수축 튜브(3c)가 수축함으로써, 실리카 에어로겔로 된 클래드(2)의 두께가 두꺼운 부분일수록 클래드(2)가 보다 큰 압력으로 코어(1)에 밀어붙여진다. 따라서 클래드(2)의 두께의 증가에 따라 코어(1)와 클래드(2)와의 접촉계면(1d)에 생긴 계면 凹凸부의 凹凸이 커지거나 많아진다.
그리고, 입광단부로부터 멀어짐에 따라 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1d)에 생긴 계면 凹凸부의 凹凸의 크기 또는 수가 증대하도록 형성된 측면 발광 광파이버에 있어서는, 코어(1)안으로 전송되는 빛이 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1d)에 입사하면, 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면(1d)의 계면 凹凸부에 의하여 빛이 산란하여, 산란한 빛이 클래드(2) 및 피복층(3)을 투과하여 광파이버 외주로부터 사출되어 광파이버의 측면이 발광한다. 이때, 입광단부로부터 멀어짐에 따라 코어(1)안으로 진행하는 광량은 감소하나, 입광단부로부터 멀어짐에 따라 凹凸의 크기 또는 수가 커짐으로써 투과율이 높아 진다.
투과율이란, 코어안으로 전송되는 광량에 대한 투과부를 투과하여 외부로 사출되는 광량의 비율이다. 또한, 그 투과율을 광파이버 전체로서는 각 위치의 투과부의 발광량은 대략 균일하게 되도록 변화시켜도 좋다.
다음에 도 8a 내지 9b를 사용하여 본 발명의 제5실시형태의 측면 발광 광파이버를 설명한다.
도 8a 내지 도 9b에 있어서, 측면 발광 광파이버에는 소정의 축방향 길이를 가진 투명성부재로 된 압착부재(5a, 5b)가 클래드(2)의 외주의 일부를 덮듯이 하여 설치되어 있다. 이 구성에 의하여, 압축부재(5a, 5b)로 덮여 있는 부분의 클래드(2)가 코어(1)에 의하여 강하게 밀어 붙여져서, 코어(1)와 클래드(2)와의 접촉계면(1e)에 다른 부분보다도 큰 또는 많은 凹凸을 가진 계면 凹凸부가 형성되는 것이다.
상세히 말하면, 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이 광파이버의 축방향으로 뻗어 클래드(2)의 둘레방향의 일부를 덮는 압착부재(5a)를 제1의 피복층(3d)과 제2의 피복층(3e)과의 사이에 개재시키고 있다. 이 경우, 가열에 의하여 제1의 피복층(3d)과 제2의 피복층(3e)이 열수축하면, 압축부재(5a)가 개재하는 부분은 압착부재(5a)의 두꺼운 부분만 클래드(2)가 코어(1)에 의하여 강하게 밀어붙여져서, 코어(1)와 클래드(2)와의 접촉계면(1e)에 다른 부분 보다도 큰 또는 많은 凹凸을 가진 계면 凹凸부가 형성된다.
또, 도 9a 및 도 9b에 도시한 측면 발광 광파이버에 있어서는 광파이버의 축방향으로 소정 길이를 가지며, 클래드(2)의 전 둘레를 덮는 압착부재(5b)를 제1의 피복층(3d)과 제2의 피복층(3e)과의 사이에 개재시키고 있다. 이 경우, 가열에 의하여 제1의 피복층(3d)과 제2의 피복층(3e)이 열수축하면, 압축부재(5b)가 개재하는 부분은 압착부재(5b)의 두꺼운 부분만 전 둘레에 걸쳐 클래드(2)가 코어(1)에 의하여 강하게 밀어붙여져서, 코어(1)와 클래드(2)와의 접촉계면(1e)에 다른 부분 보다도 큰 또는 많은 凹凸을 가진 계면 凹凸부가 형성된다.
그리고, 압착부재(5a, 5b)는 유리나 시이트상의 폴리에틸렌 등과 같이 투명성 재료이면 되고, 재질·표면상태는 특히 제한되는 것은 아니다. 또한, 압착부재(5a)는 내면쪽이 빛을 반사하는 부재라도 좋다. 이 경우, 압착부재(5a)에 의하여 생기는 계면 凹凸부에 있어서, 코어(1)로부터 클래드(2)에 투과하는 빛은 압축부재(5a)의 내면에 의하여 반사되어, 압착부재가 설치되어 있지 않는 다른 외주부분으로부터 외부로 출사한다. 또, 압착부재(5a, 5b)의 형상은 다른 부분 보다 밝게 발광시키고 싶은 부분의 형상에 의하여 정해지는 것이고, 본 실시형태의 형상에 한정되는 것은 아니다.
다음에, 본 발명을 실시예(example)에 의하여 구체적으로 설명한다.
(실시예1)
테트라메톡시실란의 올리고머(COLCOAT사제 「메틸 실리케이트 51」: 평균분자량 약 470), 물, 에탄올, 25% 암모니아수를 1:120:20:2.16의 몰비로 혼합하여 졸용액을 조제하여, 이것을 실온방치하여 겔화시킴으로써 습윤 겔상 화합물을 얻었다. 다음에, 이 겔상 화합물을 입경 150∼500㎛이 되도록 분쇄한 후, 헥사메틸디실라잔의 0.6mol/리터 농도의 에탄올 용액 중에서 60℃에서 3시간 정도 가열교반함으로써 소수화 처리를 하였다. 이어서 이 소수화 처리한 겔상 화합물을 20℃, 70기압의 2산화탄소중에 넣고, 겔상 화합물내의 에탄올을 2산화탄소로 치환하는 조작을 2시간 정도 한 후, 계내를 2산화탄소의 초임계 조건인 80℃, 160기압으로 하여 초임계 건조를 약 1시간 함으로써 입상의 소수성 실리카 에어로겔을 얻었다.
한편, 코어로서 단면 원형의 직경 13mm, 길이 2m의 엘라스토머계 아크릴재(굴절률 1.49)를 사용하여 직경 15mm, 길이 2m, 두께 0.5mm의 원통형상의 불소계 열수축 튜브에 코어를 삽입하고, 코어와 열수축 튜브 사이에 실리카 에어로겔 입자를 충전한 후, 히이팅 건으로 80℃로 가열하여 열수축 튜브를 수축시킴으로써 도 2a와 같은 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예2)
열수축 튜브로서 직경 15mm, 길이 2m, 두께 0.5mm의 원통형상의 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체(EVA수지)를 사용하도록 한 외에는 실시예1과 똑같이 하여 도 2a와 같은 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예3)
폭 30mm, 두께 100㎛의 우레탄 수지로 된 테이프의 한면에 우레탄계 핫멜트수지(일본 마타이 주식회사제 「ElfanUH-203」, 두께 50㎛)가 라미네이트된 2층 구조의 접착필름을 사용하고, 이 접착필름의 핫멜트 수지를 라미네이트한 면에 실시예1에서 얻은 실리카 에어로겔 입자를 100㎛의 두께로 살포하여, 이것을 120℃, 10kg/cm2의 조건으로 열프레스함으로써, 테이프의 한면에 실리카 에어로겔을 고착시켰다. 그리고, 실시예1과 같은 코어의 외주에 실리카 에어로겔이 접하도록 테이프를 나선형상으로 감음으로써, 도 3과 같은 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예4)
실시예3에서 얻은 측면 발광 광파이버의 외주에 폭 20mm, 길이 2m로 절단한 광반사 시이트(도오레 주식회사제「Lumirer E60L」)를 측면 발광 광파이버의 길이방향과 평행하게 투명비닐 점착 테이프로 붙임으로써, 조사지향(照射指向) 특성을 가진 도 6a와 같은 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예5)
규산 나트륨 수용액(일본 화합공업(주)제 「규산소오다 J3호」)을 물과 중량비로 1:3으로 혼합한 후, 이온교환수지(올가노(주)제 「IR-120B」)를 통하여 실리카졸을 조제하여, 이것을 실온방치하여 겔화시킴으로써 습윤 겔상 화합물을 얻었다. 다음에 이 겔상 화합물을 입경 150㎛미만이 되도록 분쇄한 후, 이것을 디멜틸디메톡시실란의 1.2mol/리터의 농도의 이소프로판올 용액중에서 40℃로 6시간 가열교반함으로써, 소수화 처리를 하였다. 이어서 이 소수화 처리한 겔상 화합물을 20℃, 70기압의 2산화탄소중에 넣고, 겔상 화합물내의 에탄올을 2산화탄소로 치환하는 조작을 2시간 한 후, 계내를 2산화탄소의 초임계 조건인 40℃, 80기압으로 가열·가압하여, 초임계 건조를 2시간 함으로써, 입상의 소수성 실리카 에어로겔을 얻었다. 이 실리카 에어로겔 입자를 사용하고, 그후는 실시예1과 똑같이 하여 도 2a와 같은 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예6)
열수축 튜브로서 직경 15mm, 길이 4m, 두께 0.5mm의 원통형상의 불소계 열수축 튜브를 사용하고, 미리 열수축 튜브 2개에 직경이 15mm부터 13.5mm로 변화하는 테이퍼가 형성된 길이 4m의 금속봉을 삽입하여 히이팅 건으로 80℃로 가열하여 열수축 튜브를 테이퍼가 붙은 형상으로 변형시켜 둔다. 이 테이퍼가 붙은 열수축 튜브에 직경 13mm, 길이 4m의 에라스토미계 아크릴재를 삽입하여, 코어와 열수축 튜브와의 사이에 실시예1에서 얻은 실리카 에어로겔 입자를 충전한다. 그리고 다시 히이팅건으로 80℃로 가열하여 열수축 튜브를 수축시킴으로써 도 7과 같은 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예7)
직경 15mm, 길이 2m, 두께 0.5mm의 연질 폴리에틸렌 튜브(3b)에 실시예1과 똑같은 코어를 삽입하여, 코어(1)와 연질 폴리에틸렌 튜브(3b)의 틈새에 실시예1에서 얻은 실리카 에어로겔을 충전한다. 그리고 연질 폴리에틸렌 튜브(3b)의 외주에 폭 5.0mm, 두께 2.0mm로 절단한 폴리에틸렌 시이트를 측면 발광 광파이버의 길이방향과 평행하게 점착테이프로 첩부하고, 다시 직경 18mm, 길이 2m, 두께 0.5mm의 원통형상의 불소계 열수축튜브에 삽입한다. 그리고 히이팅 건으로 80℃로 가열하여 열수축 튜브를 수축시킴으로써, 폴리에틸렌 시이트가 존재하는 부분에서 코어(1)에 클래드(2)가 밀어붙여져서 코어(1)와 클래드(2)의 접촉계면에 凹凸이 생기게 하여, 그 결과로서 폴리에틸렌 시이트가 존재하는 부분에서 발광량이 증대하는 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(실시예8)
직경 15mm, 길이 2m, 두께 0.5mm의 연질 폴리에틸렌 튜브(3b)에 실시예1과똑같은 코어를 삽입하여, 코어(1)와 연질 폴리에틸렌 튜브(3b)의 틈새에 실시예1에서 얻은 실리카 에어로겔을 충전한다. 연질 폴리에틸렌 튜브(3b)의 외주에 길이 200mm로 절단한 두께 2.0mm의 연질 폴리에틸렌 튜브를 파이버의 입사단부로부터 20cm의 위치를 기점으로 하여 30cm마다 6개 장착한다. 또한, 직경 20mm, 길이 2m, 두께 0.5mm의 원통형상의 불소계 열수축 튜브에 삽입한 후, 히이팅 건으로 80℃로 가열하여 열수축 튜브를 수축시킴으로써, 연질 폴리에틸렌 튜브가 존재하는 부분이 더욱 강하게 발광하는 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
(비교예1)
코어로서 실시예1과 같은 직경 13mm, 길이 2m의 엘라스토머계 아크릴재(굴절률 1.49)를 사용하여, 그 주위에 투명 불소수지(굴절률 1.4두께 0.5mm)를 클래드로서 형성한 광파이버를 제작하였다.
(비교예2)
열수축 튜브 및 코어의 길이를 4m로 한 외에는 실시예1과 똑같이 하여 측면 발광 광파이버를 제작하였다.
상기의 실시예1∼5, 7, 8 및 비교예1에서 얻은 측면 발광 광파이버를 바닥면으로부터 20cm의 높이에 수평으로 배치하고, 메탈 할라이드 조명장치(주식회사 스미타 유리제「LS-M160」)를 광원으로 하여 그 일단으로부터 빛을 입사시켜, 이 광원의 위치로부터 30cm마다 바닥면에 설치한 조도계에 의하여 조도를 측정하였다. 또, 상기의 실시예6 및 비교예2에서 얻은 측면 발광 광파이버를 바닥면으로부터 20cm의 높이에 수평으로 배치하고, 메탈 할라이드 조명장치(주식회사 스미타 유리제 「LS-M160」)를 광원으로 하여 그 일단으로부터 빛을 입사시켜, 이 광원의 위치로부터 50cm마다 바닥면에 설치한 조도계에 의하여 조도를 측정하였다. 그리고, 실시예4의 것은 광반사 시이트를 붙인 부분이 윗쪽을 향하도록 배치하였다. 또, 실시예 7 및 실시예8의 것은 압착부재를 부착한 부분이 조도계에 대향하도록 배치하였다. 측정결과를 표 1 및 표 2에 표시하였다.
표 1
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예7 실시예8 비교예1
30cm 440 400 390 580 380 570 530 300
60cm 430 420 380 540 390 600 520 80
90cm 430 400 360 560 400 590 520 60
120cm 400 400 340 550 390 590 550 50
150cm 420 410 420 570 380 560 510 40
180cm 400 390 380 570 420 570 500 30
표 2
실시예6 비교예2
50cm 370 430
100cm 380 410
150cm 380 420
200cm 390 370
250cm 360 350
300cm 400 310
350cm 380 290
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 실시예 1∼5의 것은 측면 발광의 조도가 높고, 또 빛의 입사단으로부터 멀어져도 측면 발광의 조도가 저하하지 않는 것이 확인된다. 실시예7 및 실시예8에 있어서는 다시 측면 발광의 조도가 높은 것을 확인할 수 있다. 또, 실시예6에 있어서는 빛의 입사단으로부터 더 멀어져도 측면 발광의 조도가 저하하지 않는 것이 확인된다.
상기와 같이 본 발명에서는 클래드를 구성하는 실리카 에어로겔은 굴절률이1.008∼1.18로 낮고, 코어와 클래드의 비굴절률이 크고 수광각이 큰 광파이버를 형성함으로써 넓은 수광각으로 집광하여 집광량이 큰 광파이버를 형성할 수 있다. 그리고, 코어안으로 전송되는 빛을 코어와 클래드의 접촉계면의 투과부에 의하여 코어안으로 전송되는 빛을 광파이버 측면으로부터 바깥쪽으로 사출시킴에 있어서, 큰 발광량으로 측면에서 빛을 조사시킬 수 있다. 그리고, 투과부를 빛을 산란시키는 계면 凹凸부로 함으로써 쉽게 투과부를 구성할 수 있다.
또, 피복층으로서 열수축 튜브를 사용하여 열수축 튜브의 열수축에 의하여 코어의 외주에 클래드를 일체화시키도록 하면, 열수축 튜브를 열수축시킴으로써, 실리카 에어로겔로 된 클래드를 코어의 외주에 단단히 지지할 수 있다. 또 코어의 표면에 클래드를 구성하는 실리카 에어로겔의 분립체를 압압시켜, 코어와 클래드의접촉계면에 측면 발광을 위한 凹凸을 쉽게 형성할 수 있다. 피복층으로서 실리카 에어로겔이 한면에 고착된 테이프를 사용하여 실리카 에어로겔의 고착면에서 코어의 외주에 테이프를 감음으로써, 코어의 외주에 클래드를 일체화시키는 경우에는 코어에 테이프를 감는 간단한 공정으로 실리카 에어로겔로 된 클래드를 코어의 외주에 단단히 지지할 수 있다. 또한, 코어의 표면에 클래드를 구성하는 실리카 에어로겔의 분립체를 압압시켜, 코어와 클래드의 접촉계면에 측면 발광을 위한 凹凸을 쉽게 형성할 수 있다.
또, 코어와 클래드의 사이 클래드와 피복층의 사이, 피복층의 외주의 어느 한 위치에 코어의 외주의 일부를 덮듯이 광반사성을 가진 광반사층을 설치함으로써, 광반사층을 설치한 개소의 측면으로부터의 발광되지 않고 광반사층을 설치하지않는 개소의 측면으로부터만 발광되는 것이고, 소정방향으로 높은 조도로 측면 발광시킬 수 있는 것이다.
또, 실리카 에어로겔로서 규산에스테르 함유용액의 겔상 화합물을 소수화처리 및 초임계 건조하여 얻어진 것을 사용하도록 하였으므로, 실리카 에어로겔이 흡습이나 흡수하여 굴절률이나 광투과성 등의 성능이 열화하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 투과부는 광파이버의 입광단부로부터 먼 위치에 배치되는 것 일수록 투과율을 높게 하면 입광단부에 가까운 위치에 있는 투과부의 발광량에 비하여 입광단부로부터 떨어진 위치에 있는 투과부의 발광량이 작아지지 않는 것으로 할 수 있다. 또 광파이버 전체로서 각 위치의 투과부의 발광량을 대략 균일하게 되도록 투과율을 정함으로써, 각 투과부 위치에서 대략 균일한 조도로 발광시킬 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 충분히 설명되었으나, 다양한 변경과 수정이 당업자에게 명확하다는 점에 유의하여야 한다. 이러한 변경과 수정은 첨부된 청구범위를 벗어나지 않는 한 첨부된 청구범위에서 정의된 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

  1. 입광단으로부터 입사하는 빛을 전송하는 코어와, 그 코어의 외주에 설치된 실리카 에어로겔로 된 클래드와, 그 클래드의 외주를 덮는 투명한 피복층과, 상기 코어와 상기 클래드의 접촉계면의 적어도 일부에 설치되어 상기 코어안으로 전송되는 빛을 광파이버 측면으로부터 바깥쪽으로 투과시키는 투과부를 가지며, 상기 투과부는 상기 코어안으로 전송되는 빛을 산란시키는 계면 凹凸부이고, 상기 클래드를 상기 코어에 압압(押壓) 함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 발광 광파이버.
  2. 제1항에 있어서, 상기 클래드는 분립체이고, 상기 피복층은 클래드를 코어에 압압하는 가압층인 것을 특징으로 하는 측면 발광 광파이버.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코어와 상기 클래드의 사이, 상기 클래드와 상기 피복층의 사이, 상기 피복층의 외주의 어느 한 위치에 상기 코어의 외주면의 둘레방향의 일부를 덮듯이 부착되고, 상기 투과부의 투과하는 빛을 반사하는 광반사부재를 구비한 것을 특징으로 하는 측면 발광 광파이버.
  4. 제1항에 있어서, 상기 클래드인 실리카 에어로겔이 규산 에스테르 함유용액의 겔상 화합물을 소수화 처리 및 초임계 건조하여 얻어진 것임을 특징으로 하는측면 발광 광파이버.
  5. 제1항에 있어서, 상기 투과부는 광파이버의 축방향으로 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 측면 발광 광파이버.
  6. 제1항에 있어서, 상기 투과부는 광파이버의 축방향으로 연속적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 측면 발광 광파이버.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 투과부의 투과율이 투과부 배설위치에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 측면 발광 광파이버.
KR1019980028361A 1997-07-14 1998-07-14 측면발광광파이버 KR100338985B1 (ko)

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