KR100387096B1 - 굴절률 구배를 가진 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법 및 장치 및 이로부터 얻어진 광섬유 모재 및 광섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점진적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖는 광통신용 플라스틱 광섬유(GI-POF: graded-index plastic optical fiber) 모재를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로, GI형 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법에 있어서, 회전하는 광섬유 모재 제작용 튜브에 단량체 원료물질을 주입하면서 중합을 수행하여 튜브 벽면으로부터 중심 방향으로 일정한 굴절률을 갖는 클래딩(cladding)부를 형성한 후, 단량체 원료물질의 조성을 굴절률이 높은 원료가 많이 함유되도록 점진적으로 변화시켜 주입하면서 중합을 수행하여 상기 클래딩부와의 계면에서부터 중심(center)부까지 점진적으로 증가된 굴절률을 갖는 코어(core)부를 연속적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 방법에 따르면, 굴절률 분포가 정밀하게 조절된 GI형 플라스틱 광섬유 모재를 크기에 제한없이 간편하게 제조할 수 있다.

Description

굴절률 구배를 가진 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법 및 장치 및 이로부터 얻어진 광섬유 모재 및 광섬유{PROCESS FOR THE PREPARATION AND APPARATUS OF PLASTIC OPTICAL FIBER PREFORM HAVING REFRACTIVE INDEX GRADE AND OPTICAL FIBER PREFORM AND OPTICAL FIBER OBTAINED THEREFROM}

본 발명은 점진적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖는 광통신용 플라스틱 광섬유(GI-POF: graded-index plastic optical fiber) 모재(preform)를 제조하는 방법및 장치에 관한 것이다.

코어(core)부와 클래딩(cladding)부가 모두 플라스틱으로 이루어진 플라스틱 광섬유는 유리 광섬유에 비해 장치간 신호 전달을 목적으로 하는 단거리 통신용 소재로 적당하다. 이 플라스틱 광섬유는 유리 광섬유에 비해 낮은 가격으로 생산가능하여 근거리 통신망(LAN), FTTH(Fiber-to-the-home) 및 FITH(Fiber-in-the-home)와 같은 차세대 통신망에 중요하게 사용된다.

통상적으로 사용되는 플라스틱 광섬유는 PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate) 또는 기타 공중합체를 원료로 하는 코어부와 주로 이들의 불소 혹은 중수소 치환된 물질을 원료로 하는, 코어부에 비해 낮은 굴절률을 갖는 클래딩부로 구성되며, 코어부의 굴절률 특성에 따라, 코어부가 일정한 굴절률을 갖는 SI(step-index)형 광섬유와 변화하는 굴절률을 갖는 GI(graded-index)형 광섬유로 구분된다. SI형 광섬유에 비해, GI형 광섬유는 입사된 광신호의 왜곡을 현저하게 줄이고 시간당 많은 양의 정보를 전송할 수 있어 선호된다.

기존에는, 단량체 사이의 반응성 차이를 이용하거나 젤 효과(gel effect)를 이용하는 등 특정 화학 반응을 이용하여 GI형 플라스틱 광섬유를 주로 제조하였으나, 이 방법에 의하면, 반응을 자유롭게 조절할 수 없고 제조가능한 모재의 크기가 제한되며 굴절률의 임의적인 조절이 어려워 이상적인 굴절률 분포를 가지는 GI형 플라스틱 광섬유를 얻을 수 없었다.

일본 특개평07-027928호 및 08-304634호는 고분자막을 여러 층 반복하여 만들어 GI형 플라스틱 광섬유를 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 이 방법은 공정이복잡하고 정밀한 굴절률의 조절이 어렵다는 단점을 갖는다.

미국 특허 제5,639,512호 및 제5,614,253호는 고분자 함유 용액을 회전하는 튜브 속에 분사하여 고분자 용액의 막을 형성시킨 후, 용매를 제거하여 GI형 광섬유 모재를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 고분자 함유 용액에 혼합되는 굴절률 조절을 위한 첨가제의 양을 조절함으로써 굴절률 분포를 용이하게 조절할 수 있으나, 용액 분사 및 제거에 관련된 부가적인 장치와 공정을 필요로 한다는 단점을 갖는다.

따라서, 본 발명의 목적은 굴절률 분포가 정밀하게 조절된 GI형 플라스틱 광섬유 모재를 간편하게 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1a 및 1b는 본 발명에 따라 제조된 광섬유 모재의 형태 및 굴절률 분포를 나타낸 도이고,

도 2a 내지 2c는 제조시 시간에 따라 변화되는 광섬유 모재의 단면 및 굴절률 분포를 나타낸 도이며,

도 3a 및 3b는 광섬유 모재를 제조하기 위한 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타낸 도이고,

도 4는 제조된 광섬유 모재를 광섬유로 가공하는 장치를 개략적으로 나타낸 도이다.

상기 목적에 따라 본 발명에서는, 회전하는 광섬유 모재 제작용 튜브에 단량체 원료물질을 주입하면서 중합을 수행하여 튜브 벽면으로부터 중심 방향으로 일정한 굴절률을 갖는 클래딩(cladding)부를 형성한 후, 단량체 원료물질의 조성을 굴절률이 높은 원료가 많이 함유되도록 점진적으로 변화시켜 주입하면서 중합을 수행하여 상기 클래딩부와의 계면에서부터 중심(center)부까지 점진적으로 증가된 굴절률을 갖는 코어(core)부를 연속적으로 형성하는 것을 포함하는, GI(graded-index)형 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서는 또한, 플라스틱 광섬유 제작용 튜브; 상기 튜브를 회전시키기 위한 수단; 단량체 원료물질을 상기 튜브에 주입하기 위한 공급 수단; 상기 단량체 원료물질의 조성을 조절하기 위한 수단; 및 상기 튜브에 연결되어 단량체 중합조건을 제어하는 수단을 포함하는, 상기 광섬유 모재의 제조에 사용되는 장치를 제공한다.

본 발명의 방법에 따라 광섬유 제작용 튜브를 회전시키면서 여기에 단량체 원료물질을 연속적으로 주입하면, 원심력에 의하여 단량체 원료물질이 튜브의 벽면으로 밀리게 되어, 튜브 중심은 비고 벽면에는 단량체 원료물질이 고르게 도포된 단량체층이 형성된다. 이 단량체층은 막의 형성과 동시에 중합됨으로써 고분자가 되는데, 60 내지 90℃의 열에 의해 중합시키거나 또는 자외선을 조사하여 중합시킬 수 있다. 이때, 시간에 따라 주입하는 단량체의 조성비를 조절함으로써 형성되는 플라스틱 광섬유 모재의 굴절률 분포를 조절한다.

구체적으로는, 클래딩부 형성시에는 코어부보다 굴절률이 낮은 고분자가 형성되도록 단일 조성의 단량체를 주입하고, 코어부 형성시에는 시간에 따라 점차적으로 굴절률이 높은 고분자가 형성되도록 단량체의 조성비를 변화시켜 가면서 주입한다. 또한, 필요에 따라, 코어부 형성시에도 단일 조성의 단량체를 주입하면서 시간에 따라 점차적으로 굴절률이 증가하도록 굴절률 조절제로서의 단분자형 물질을 그 양을 변화시켜 가면서 첨가할 수 있다. 이때, 시간당 생성되는 중합체의 두께 비율이 일정하도록 단량체 주입속도를 후반으로 갈수록 낮추는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 단량체는 통상적인 플라스틱 광섬유 제조시에 사용되는 물질을 모두 사용할 수 있으며, 투명도가 높고 가공성이 좋으며 열 안정성이 좋은 물질인 것이 바람직하다. 단량체의 대표적인 예로는, 아크릴계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 비닐계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 폴리카보네이트계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 및 개환중합계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체를 들 수 있다. 또한, 단량체 원료물질은 올리고머 형태이거나 예비중합되어 점도가 높아진 것일 수 있다. 클래딩부 형성 단량체는 코어부보다 굴절률이 낮은 고분자를 형성하는 것으로 적절히 선택할 수 있다.

또한, 상기 단량체 원료물질에 첨가되는 굴절률 조절제로는 벤질 n-부틸 프탈레이트, 벤질 벤조에이트, 디페닐, 디페닐 설페이트, 트리페닐 포스페이트 및 디페닐 프탈레이트를 들 수 있다. 이외에도, 통상적인 반응개시제 및 연쇄이동제 등을 상기 단량체 원료물질에 첨가할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 굴절률이 일정한 클래딩부 및 이와의 계면에서부터 중심부까지 점진적으로 증가되는 굴절률을 갖는 코어부를 포함하는, 코어부의 중앙이 비어있는 형태의 GI형 플라스틱 광섬유 모재가 얻어진다.

본 발명에 따르면, 중합 후 진공하에서 180 내지 230℃의 온도로 가열하거나 또는 굴절률 조절제를 함유하는 단량체 원료물질을 채운 뒤 중합시켜 코어부의 중앙이 채워진 형태의 광섬유 모재를 수득할 수 있다. 달리, 중공 형태의 광섬유 모재의 중앙의 빈 공간은 섬유로 가공하는 후속 과정에서 감압처리에 의해 메워질 수있다.

코어부의 굴절률의 차이는 필요에 따라 적절히 조절될 수 있으며 특정하게 제한되지는 않으나, 바람직하게는 약 0.01 내지 0.03의 차이가 되도록 한다.

본 발명에 따라 제조된 광섬유 모재의 한 예를 도 1 및 2에 나타내었다. 도 1a는 본 발명의 광섬유 모재의 측면을 도시한 것으로서 광섬유 제작용 튜브의 안쪽 벽면으로부터 고분자가 성장되어 있는 것을 나타낸다. 도 1a의 가운데 빈 공간을 메우면, 도 1b와 같은 광섬유 모재가 생성되며, 각각의 굴절률 분포를 그 오른쪽에 나타내었다. 제조시 시간에 따라 변화하는 본 발명의 광섬유 모재의 단면 및 굴절률 분포를 도 2a 내지 도 2c에 나타내었다. 도 1 및 2로부터, 광섬유 모재의 둘레부분에는 굴절률이 일정한 클래딩부가 형성되고, 가운데에는 코어부가 형성되는데, 코어부의 내부로 갈수록 굴절률이 높아지는 분포가 형성됨을 알 수 있다.

본 발명에서는, 플라스틱 광섬유 제작용 튜브; 상기 튜브를 회전시키기 위한 수단; 단량체 원료물질을 상기 튜브에 주입하기 위한 공급 수단; 상기 단량체 원료물질의 조성을 조절하기 위한 수단; 및 상기 튜브에 연결되어 단량체 중합조건을 제어하는 수단을 포함하는, 플라스틱 광섬유 모재를 제조하는 장치를 제공한다.

도 3a 및 3b는 GI형 광섬유의 모재를 제조하기 위한 본 발명에 따른 장치의 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 장치는 모터(5)를 포함하여 플라스틱 광섬유 제작에 사용되는 튜브(4)를 고속으로 회전시키는 수단, 굴절률 분포의 조절을 위해 굴절률이 서로 다른 단량체 A 및 B를 주입하는 수단((2) 및 (3))을 포함한다. 이때, 주입되는 단량체의 유량은 컴퓨터(1)와 같은 단량체 원료물질 조성의 제어수단에 의해 조절되며, 단량체의 중합을 위하여 튜브(4)는 중합온도를 유지할 수 있는 항온장치(6)(도 3a) 내에 또는 자외선 조사장치(8)(도 3b) 하에 위치된다. 또한, 상기 중합은 중합시의 부반응을 방지하기 위하여 질소와 같은 불활성 기체(7)의 존재 하에 수행할 수도 있다.

본 발명에 사용되는 플라스틱 광섬유 제작용 튜브(4)는 광섬유 제조시에 통상적으로 사용되는 것으로, 그 재질이나 크기에 특별한 제한은 없으며, 단량체에 녹지 않고 고분자 중합 온도 정도에서 열 안정성이 있으면 충분하다. 바람직하게는, 재질이 유리 또는 금속 등이고, 직경이 1 내지 50㎝, 길이가 15㎝ 내지 수 미터 정도인 것이 사용된다. 본 발명에 있어서, 단량체 원료물질을 상기 튜브(4)에 주입시 주입량을 미세하게 조절할 수 있는 주사기 펌프 또는 액체 펌프를 이용할 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 GI형 플라스틱 광섬유 모재는 도 4에 나타낸 바와 같은 장치를 이용하여 섬유로 가공될 수 있다. 이 장치는 모재(11)를 용융시켜서 섬유(12)로 가공하는 가열기(10) 및 모재를 일정한 속도로 주입하는 장치(9)를 포함한다. 이 장치를 통해, 모재를 고온용융시킨 후 단일 축으로 인장하여 광섬유로 가공한다. 이때 만들어지는 광섬유의 직경은 광섬유 모재의 주입속도와 섬유의 인장속도의 비에 의해 결정되며, 1㎜ 이하가 바람직하다.

본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

80℃의 대류 오븐 중에서 내경이 29.6㎜, 길이 200㎜인 유리 튜브를 4,500 rpm의 속도로 회전시키면서, 단량체 원료물질을 액체 펌프를 이용하여 주입하였다. 상기 단량체 원료물질은 반응개시제로서 0.1 중량%의 벤조일 퍼옥사이드 및 연쇄이동제로서 0.1 중량%의 n-부틸 머캡탄을 함유하며, 단량체의 구성은 메틸메타크릴레이트 100 중량%에서 메틸메타크릴레이트 85 중량%/벤질메타크릴레이트 15 중량%까지 점진적으로 변화시켰다. 이때, 3시간 동안 메틸메타크릴레이트만을 주입하여 클래딩부를 형성시키고, 연속적으로 4시간 동안 상기 구배로 단량체 조성을 변화시켜 주입하여 코어부를 형성시켰다. 단량체 원료물질의 주입속도는 5.63㎖/분에서 0.0954㎖/분으로 변화시켰다. 이때, 상기 단량체 함량과 주입 속도의 조절은 컴퓨터에 의해 자동적으로 제어되도록 하였다.

코어부의 중앙에 지름 3㎜ 정도의 빈 공간이 생성될 때까지 중합을 계속하여 중앙에 빈 공간을 갖는 중공 광섬유 모재를 제조하였다. 제조된 광섬유 모재에서, 튜브 벽면은 굴절률이 1.49, 중심은 1.50이며, 도 2에 나타낸 바와 같이 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가하였다.

이렇게 제조된 플라스틱 광섬유 모재를 120℃에서 24시간 동안 건조시킨 후, 플라스틱 광섬유로 열가공하였다. 연신시 플라스틱 광섬유 모재는 5mm/분의 속도로 250℃의 가열로 내로 주입하였으며, 연신속도는 외경측정기를 통해 측정된 플라스틱 광섬유의 두께에 따라 PID 방식으로 조절하였다. 또한, 연신시 모재의 중앙을 감압하여 중앙의 빈 공간을 제거하였다. 목적하는 광섬유의 직경은 1,000 ㎛이었으며, 제조된 광섬유의 직경은 1000±20 ㎛이었다.

실시예 2

내경이 26.9㎜, 길이 190㎜인 유리 튜브를 3,000 rpm의 속도로 회전시키고, 단량체의 구성을 메틸메타크릴레이트 100 중량%에서 메틸메타크릴레이트 70 중량%/벤질메타크릴레이트 30 중량%까지 변화시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중공 광섬유 모재를 제조하였다. 제조된 광섬유 모재에서, 튜브 벽면은 굴절률이 1.49, 중심은 1.51이며, 도 2에 나타낸 바와 같이 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가하였다.

이렇게 제조된 플라스틱 광섬유 모재를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 열가공하여 직경 1000±20 ㎛의 광섬유를 제조하였다.

실시예 3

내경이 30㎜, 길이 300㎜인 유리 튜브를 사용하고, 단량체의 구성을 메틸메타크릴레이트 100 중량%에서 메틸메타크릴레이트 85 중량%/벤질메타크릴레이트 15 중량%까지 변화시키고, 단량체 원료물질의 주입속도를 8.445㎖/분에서 0.1431㎖/분으로 변화시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중공 광섬유 모재를 제조하였다. 제조된 광섬유 모재에서, 튜브 벽면은 굴절률이 1.49, 중심은 1.50이며, 도 2에 나타낸 바와 같이 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가하였다.

이렇게 제조된 플라스틱 광섬유 모재를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 열가공하여 직경 1000±20 ㎛의 광섬유를 제조하였다.

실시예 4

80℃의 대류 오븐 중에서 내경이 14.5㎜, 길이 150㎜인 유리 튜브를 3,000 rpm의 속도로 회전시키면서, 단량체 원료물질을 주사기 펌프를 이용하여 주입하였다. 상기 단량체 원료물질은 반응개시제로서 0.2 중량%의 벤조일 퍼옥사이드 및 연쇄이동제로서 0.2 중량%의 n-부틸 머캡탄을 함유하며, 단량체의 구성은 메틸메타크릴레이트 100 중량%에서 스티렌 100 중량%까지 점진적으로 변화시켰다. 이때, 3시간 동안 메틸메타크릴레이트만을 주입하여 클래딩부를 형성시키고, 연속적으로 4시간 동안 상기 구배로 단량체 조성을 변화시켜 주입하여 코어부를 형성시켰다. 단량체 원료물질의 주입속도는 0.65㎖/분에서 0.013㎖/분으로 변화시켰다. 이때, 상기 단량체 함량과 주입 속도의 조절은 컴퓨터에 의해 자동적으로 제어되도록 하였다.

코어부의 중앙에 지름 3㎜ 정도의 빈 공간이 생성될 때까지 중합을 계속한 후, 진공하에 200℃에서 열가공하여 코어부의 빈 공간을 채워서 광섬유 모재를 제조하였다. 제조된 광섬유 모재에서, 튜브 벽면은 굴절률이 1.49, 중심은 1.59이며, 도 2에 나타낸 바와 같이 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가하였다.

이렇게 제조된 플라스틱 광섬유 모재를 120℃에서 24시간 동안 건조시킨 후, 플라스틱 광섬유로 열가공하였다. 연신시 플라스틱 광섬유 모재는 5mm/분의 속도로 250℃의 가열로 내로 주입하였으며, 연신속도는 외경측정기를 통해 측정된 플라스틱 광섬유의 두께에 따라 PID 방식으로 조절하였다. 목적하는 광섬유의 직경은 1,000 ㎛이었으며, 제조된 광섬유의 직경은 1000±20 ㎛이었다.

실시예 5

내경이 19㎜, 길이 190㎜인 유리 튜브를 사용하고, 단량체의 구성을 메틸메타크릴레이트 100 중량%에서 메틸메타크릴레이트 80 중량%/스티렌 20 중량%까지 변화시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 광섬유 모재를 제조하였다. 제조된 광섬유 모재에서, 튜브 벽면은 굴절률이 1.49, 중심은 1.51이며, 도 2에 나타낸 바와 같이 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가하였다.

이렇게 제조된 플라스틱 광섬유 모재를 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 열가공하여 직경 1000±20 ㎛의 광섬유를 제조하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면 원하는 굴절률 분포를 가지는 플라스틱 광섬유 모재를 크기에 제한없이 간편하게 제조할 수 있다.

Claims (10)

1. 회전하는 광섬유 모재 제작용 튜브에 단량체 원료물질을 주입하면서 중합을 수행하여 튜브 벽면으로부터 중심 방향으로 일정한 굴절률을 갖는 클래딩(cladding)부를 형성한 후, 단량체 원료물질의 조성을 굴절률이 높은 원료가 많이 함유되도록 점진적으로 변화시켜 주입하면서 중합을 수행하여 상기 클래딩부와의 계면에서부터 중심(center)부까지 점진적으로 증가된 굴절률을 갖는 코어(core)부를 연속적으로 형성하는 것을 포함하는, GI(graded-index)형 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   단량체가 아크릴계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 비닐계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 폴리카보네이트계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 개환중합계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   단량체 원료물질이 벤질 n-부틸 프탈레이트, 벤질 벤조에이트, 디페닐, 디페닐 설페이트, 트리페닐 포스페이트, 디페닐 프탈레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 굴절률 조절제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   단량체 원료물질이 예비중합된 것임을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   60 내지 90℃에서 가열하거나 자외선을 조사하여 중합을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   코어부 형성 후, 진공하에서 가열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 플라스틱 광섬유 제작용 튜브; 상기 튜브를 회전시키기 위한 수단; 단량체 원료물질을 상기 튜브에 주입하기 위한 공급 수단; 상기 단량체 원료물질의 조성을 조절하기 위한 수단; 및 상기 튜브에 연결된 단량체 중합조건 제어 수단을 포함하는, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 광섬유 모재 제조방법에 사용되는 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   단량체 중합조건 제어 수단이 항온장치 또는 자외선 조사장치인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 플라스틱 광섬유 모재.
10. 제 9 항의 모재를 고온용융시킨 후 연신하여 제조된 플라스틱 광섬유.