KR100433703B1 - 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치 - Google Patents

Abstract

발명은 고분자 광자결정 광섬유를 인발하기 위한 모재의 제조장치를 개시한 것으로, 실린더 형상의 반응용기 내에 그 길이방향으로 모세관 직경을 갖는 다수의 케인이 채워져 광자격자 구조를 형성하며, 상기 반응용기의 상, 하부에 상기 케인을 광자격자 구조로 지지하기 위해 광자격자 지지판이 구비되며, 상기 반응용기 상부에 중력에 의한 단량체를 보관하는 단량체 저장소와, 상기 단량체 저장소로부터 상기 반응용기 내부로 투입되는 단량체의 투입량을 조절하는 조절수단이 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단량체 저장소에 저장된 일정량의 단량체가 일정 시간의 간격 또는 연속적으로 반응용기에 투입되며, 반응용기 내부에 유입된 단량체는 중합 또는 공중합하여 고분자화 한 후 반응용기 및 케인을 분리하여 광자결정 광섬유 모재를 제조한다. 따라서, 고분자 재질의 광자결정 광섬유 모재 내에 트랩될 수 있는 미세 공기방울과 잔류 단분자를 줄일 수 있게 된다.

Description

고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING OF POLYMER PHOTONIC CRYSTAL FIBERS}

본 발명은 광자결정 광섬유 모재 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실린더 형상의 용기 내에 광자결정 구조의 틀을 형성하고 용기 내에 적하중합법을 이용하여 단분자를 채워 넣어 고분자화 한 후 광자결정 구조의 틀을 분리시켜 고분자 재질의 광자결정 광섬유 모재를 제조할 수 있는 제조장치에 관한 것이다.

광자결정 광섬유는 광섬유의 특별한 한 형태이다. 광섬유는 원격통신, 레이저 기계가공(Machining) 및 용접, 레이저 광및 동력 전달, 섬유 레이저, 센서 및 의학적 진단법 및 외과적 수술을 포함한 다양한 분야에 사용된다. 이러한 광섬유는 전형적으로 유리와 같은 고체 상 투명 소재로 제조되며 각각의 섬유는 그 길이 방향을 따라 동일한 단면 구조를 갖는다. 통상적으로 중앙부의 투명 소재는 나머지 부분 보다 더 높은 굴절율을 가지며 광이 그 내부에서 내부 전반사에 의해 안내되는 광 코어를 형성한다.

단일 모드(Single-mode) 광섬유는 그 우수한 도파(Wave-guiding) 특성으로 인하여 많은 용도에 있어서 바람직하다. 그러나, 소위 단일 모드 광섬유라 할지라도 일반적으로 광전달상의 편광을 적절히 제어할 수 있는 것은 아니다. 단일 모드 섬유는 관심 주파수에서 단 하나의 횡 공간 모드만을 지지하기 때문에 이와 같이 지칭되나, 그 공간 모드는 2개의 편광 상태로 존재한다; 이것은 직교 방향으로 편광되는 2개의 축퇴 모드(Degeneracy Mode)이다. 실제 섬유에 있어서, 결함(imperfections)은 상기한 모드의 축퇴를 방해할 것이며 모드의 복굴절이 발생할 것이다.

최근 수년간에 있어 새로운 형태의 광자결정 광섬유(Photonic-crystal fiber : PCF)가 실증되고 있으며, 전형적으로 이 섬유는 단일의 고체 상이고 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 이 소재는 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유 축에 평행하게 연장되어 뻗어있는 주기적 배열의 공기 홀이 삽입되어 있다.

규칙적인 배열 내부에 있어서의 공기 홀 하나의 누락과 같은 형태상의 결함은 표준 섬유에 있어서의 전적인 내부 반사 도파와 유사한 방식으로 광이 도파되는 굴절율이 증대된 내부 영역을 형성한다. 광 도파를 위한 다른 메카니즘은 전적인 내부 반사보다는 유효굴절율(effective index) 효과나 광자-대역-갭(Photonic - band - gap) 효과에 기초하고 있다. 광자-대역-갭 도파는 공기 홀 배열을 적절히 디자인하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 특정한 전달 상수를 갖는 광은 코어에 한정될 수 있으며 그 내부에서 전달될 것이다.

광자결정 광섬유는 케인(canes) 또는 모세관을 필요한 형상으로 적층시킨 다음, 제 위치에 유지시키고, 이들을 함께 융합시키면서 하방으로 인발하는 것에 의해서 광섬유로 제조할 수가 있다. PCF는 매우 광범위한 파장에 걸쳐 광을 단일 모드로 도파하며, 여전히 단일 모드인 비교적 큰 모드 영역을 갖는 광을 도파하는 능력과 같은 뛰어난 특성을 가지므로 사용이 간편하고 동시에 데이터 전송량도 크게 할 수 있다.

이와 같은 종래의 광자결정 광섬유 모재는 도 1 에 도시된 바와 같이, 모세관(1)을 쌓아 다발형태로 제조하는 방법이 유일하게 사용되고 있으며, 이 방법은 수 mm 직경의 모세관(1)을 단면이 육각형이 되도록 쌓고 4-5층의 육각형이 되면 이 모세관 다발을 지지할 수 있게 유리 튜브(2)에 넣어 모재를 완성한다. 이렇게 완성된 모재는 여러차례의 인장과정을 통하여 직경을 축소한(모재 전체 직경이 수 mm) 후 광섬유로 인발과정을 거치게 된다.

그러나 이와 같은 종래의 광자결정 광섬유 모재는 모세관 벽 사이가 채워지지 않는 부분이 생기게 되고 이것이 광섬유 인발시 광자결정 내 구조가 변화되는 원인이 되고 있어 광섬유 인발에 어려움을 주고 있으며, 구조 변화를 줄이기 위하여 광섬유 인발 조건을 보통의 광섬유에서보다 낮은 온도에서 큰 인발장력으로 광섬유를 인발하기 때문에 스트레스(stress)에 기인된 광손실이 크게 된다. 또한. 이러한 공극은 광섬유 내에서 물리적인 결함으로 남을 수 있으며, 모세관 다발을 만들면서 쉽게 불순물이 혼입되는 단점이 있다.

한편, 광섬유를 실리카보다 다루기 쉽고 전송 대역폭이 더욱 넓은 고분자 재질로 된 광자결정 광섬유 제조기술이 개시되어 있다. 이와 같은 고분자 광자결정 광섬유는 위에서 언급한 기술과 동일한 모세관 다발 형태를 갖는 모재로 이루어지며, 모세관은 PMMA(Polymethyl methacrylate) 튜브로 되어 있다. 이 PMMA 튜브는 압출에 의해 제조되기 때문에 광섬유로 인발하는 경우에는 PMMA 튜브 제조공정에서 튜브 내에 트랩(trap)된 미세 공기방울과 채 반응하지 않은 단분자(모노머)에 의하여 광자결정 광섬유 내에 공기방울을 형성하게 된다. 모재에서는 매우 미세한 공기방울이라 할 지라도 광섬유로의 인출시 긴 공기기둥의 형태로 광섬유 내에 형성되며, 미 반응된 단분자들이 작은 공기방울 형태가 되어 광자결정 광섬유 내에 트랩(trap)되는 문제로 인해 실용화에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 기술적인 단점을 해소하기 위한 것으로, 실린더 형상의 용기 내에 광자결정 구조의 틀을 형성하고 용기 내에 적하중합법을 이용하여 단분자를 채워 넣어 고분자화 한 후 광자결정 구조의 틀을 분리시켜 고분자 재질의 광자결정 광섬유 모재 내에 트랩될 수 있는 미세 공기방울과 잔류 단분자를 줄일 수 있는 고분자 재질의 광자결정 광섬유 모재 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자 광자결정 광섬유를 인발하기 위한 모재의 제조장치에 있어서, 실린더 형상의 반응용기 내에 그 길이방향으로 모세관 직경을 갖는 다수의 케인이 채워져 광자격자 구조를 형성하며, 상기 반응용기의 상, 하부에 상기 케인을 광자격자 구조로 지지하기 위해 광자격자 지지판이 구비되며, 상기 반응용기 상부에 중력에 의한 단량체를 보관하는 단량체 저장소와, 상기 단량체 저장소로부터 상기 반응용기 내부로 투입되는 단량체의 투입량을 조절하는 조절수단이 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단량체 저장소에 저장된 일정량의 단량체가 일정 시간의 간격 또는 미량을 연속적으로 반응용기에 투입되며, 반응용기 내부에 유입된 단량체는 중합 또는 공중합하여 고분자화 한 후 반응용기 및 케인을 분리하여 광자결정광섬유 모재를 제조한다. 따라서, 고분자 재질의 광자결정 광섬유 모재 내에 트랩될 수 있는 미세 공기방울과 잔류 단분자를 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 전형적인 광자결정 광섬유 모재를 도시한 개략 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 전형적인 고분자 광자결정 광섬유 모재를 도시한 개략 사시도,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고분자 광자결정 광섬유의 인출을 위한 모재 제조장치를 도시한 개략도,

도4a 및 4b는 도 3의 A-A'단면도,

도 5는 본 발명에 따른 정량펌프가 설치된 제 2 실시예를 도시한 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 분사장치가 설치된 제 3 실시예를 도시한 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

3 ; 고분자 원통체

4 ; 공기기둥 5; 코어

11 ; 케인 12 ; 반응용기

13 ; 광자격자 지지판 14 ; 단량체 저장소

15 ; 지지봉 16 ; 유속조절장치

17 ; 정량펌프 18 ; 분사장치

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 2은 본 발명에 따른 전형적인 고분자 광자결정 광섬유 모재를 도시한 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고분자 광자결정 광섬유는 고분자 재질의 투명한 원통체(3) 내부에 그 길이 방향을 따라 뻗어있는 공기기둥(4)들의 격자로 구성된다.

상기한 공기기둥(4)들은 규칙적인 주기성을 가지며 광섬유의 중심 인근의 하나의 모세관 홀의 생략은 주기성을 깨트린다. 생략된 모세관 홀 부위를 에워싸는 광섬유 영역(5)은 투명한 고분자의 굴절율을 가진다. 광섬유의 나머지 부분의 굴절율은 고분자 및 공기기둥(4)내의 공기 양자의 굴절율에 의해 결정된다. 공기의 굴절율은 예컨대, 고분자의 굴절율 보다 낮으며, 결과적으로, 공기기둥(4)을 갖는 소재의 '유효 굴절율'은 생략된 모세관 홀을 에워싸고 있는 영역(5)의 굴절율 보다 낮다. 따라서, 상기한 광섬유는 통상적인 실리카 광섬유에 있어서 내부 전반사에 의해 도파되는 것과 유사한 방식으로 대략 영역(5)에 광을 유폐시키게 된다. 따라서, 상기한 영역(5)은 광자결정 광섬유의 '코어'라 지칭된다.

도 3는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고분자 광자결정 광섬유의 인출을 위한 모재 제조장치를 도시한 개략도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조장치는 공기기둥 직경을 갖는 다수의 케인(11)이 채워져 광자격자 구조를 형성하고 있는 실린더 형상의 반응용기(12), 광자격자 지지판(13), 단량체 저장소(14) 및 반응용기(12) 내부로 투입되는 단량체의 투입량을 조절하는 조절수단으로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 반응용기(12)는 유리튜브를 사용하고 있으나 이에 한정되지 않고 열전도가 좋고, 단분자, 고분자와 반응하지 않는 재료이면 제한 받지 않고 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 단량체 저장소(14)에는 원하는 비율에 의한 단분자와 개시제, 분자량 조절제 등이 혼합된다. 단분자는 단일재료로서 유기 혹은 무기재를 혼합한 단분자 혼합물일 수 있다. 개시제와 분자량 조절제 등의 비율은 고분자의 물성과 제조 공정 조건에 따라 달라지며, 공, 중합 조건은 재료의 공, 중합 조건에 따른다.

본 발명에 따른 공기기둥 직경의 케인(11)은 테프론 튜브와 테프론 봉을 사용하고 있으며, 광자격자 지지판(13)도 테프론 판을 사용하고 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고 광섬유를 구성하고 있는 단분자나 고분자와 반응하지 않고 공, 중합 후에도 고분자 재료와 쉽게 분리되는 재료이면 제한을 받지 않고 대체 사용할 수 있다. 도 4a 및 4b는 도 2의 A-A'단면도로서, 도 4a는 튜브 타입의 케인이며, 도 4b는 봉 타입의 케인을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 튜브 타입의 케인(11a)은 튜브의 형태를 유지하기 위해 튜브 내부에 별도의 내부 지지봉(15)을 구비하고 있다. 반면에 봉 타입의 케인(11b)은 굽힘이 없이 강하고 단분자 및 고분자와 접착성이 적은 단일의 재료로 이루어진다.

본 발명에 따른 조절수단으로는 유속조절장치(16), 정량펌프(17) 혹은 분사장치(18) 등을 적용할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 유속조절장치(16)를 통해 단량체 혼합물을 조절하는 제 1 실시예를 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명에 따른 제 2 실시예를 도시한 것으로, 단량체 저장소(14)로부터 단량체 혼합물을 정량펌프(17)를 통해 조절하는 것을 특징으로 한다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 제 3 실시예를 도시한 것으로, 단량체 저장소(14)로부터 단량체 혼합물을 분사장치(18)를 통해 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 유속조절장치(16)는 밸브를 조절하여 반응용기(12)로 투입되는 단분자의 양을 조절할 수 있는 것으로 단순한 구조인 점에서 설치비용상의 잇점이 있으며, 정량펌프(18)는 밸브를 사용하는 유속조절장치(17)에 비해 정확하게 단분자를 공급하고 조절할 수 있다는 잇점이 있으며, 분사장치(19)는 단분자에 다른 첨가제 예를 들면, 레이저 색소(Laser dye)나 비선형광학재료 등을 혼합할 경우 첨가제가 고르게 분포할 수 있도록 분사해 줄 수 있다는 잇점이 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고분자 광자격자 광섬유 모재 제조장치는 단량체 저장소(14)에 저장된 단분자 혼합물을 공기기둥 직경을 갖는 다수의 케인(11)이 채워져 광자격자 구조를 형성하고 있는 실린더 형상의 반응용기(12) 내에 적하중합법으로 조절수단에 의해 일정시간의 간격으로 공급해 준다. 반응용기(12) 내부에 유입된 단분자 혼합물은 중합 또는 공중합하여 고분자화 된 후 광자격자 지지판(13)을 분리하여 반응용기(12) 및 케인(11)을 고분자 원통체로부터 분리시켜 광섬유 모재만을 추출한다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 고분자 재질의 광자결정 광섬유 모재 내에 트랩될 수 있는 미세 공기방울과 잔류 단분자를 줄일 수 있으므로 고분자 광자결정 광섬유 모재를 실용화할 수 있을 뿐만 아니라, 재료의 특성을 쉽게 변화시킬 수 있는 고분자의 재료의 특성에 의해 기존의 실리카 광자결정 광섬유보다 다양한 형태의 광소자 제조에 유리한 잇점이 있다.

또한, 종래의 다중모드 광섬유에 비하여 모드 분산에 의한 대역폭의 문제를 현저히 개선할 수 있고 큰 코어 직경은 고에너지를 가진 광자 전달이 가능하게 되어 의학이나 산업분야에서 레이저 에너지 전달용으로 응용될 수 있다.

Claims (9)

1. 고분자 광자결정 광섬유를 인발하기 위한 모재의 제조장치에 있어서,

   실린더 형상의 반응용기 내에 그 길이방향으로 모세관 직경을 갖는 다수의 케인이 채워져 광자격자 구조를 형성하며,

   상기 반응용기의 상, 하부에 상기 케인을 광자격자 구조로 지지하기 위해 광자격자 지지판이 구비되며,

   상기 반응용기 상부에 중력에 의한 단량체를 보관하는 단량체 저장소와 상기 단량체 저장소로부터 상기 반응용기 내부로 투입되는 단량체의 투입량을 조절하는 조절수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 조절수단이 유속 조절장치인 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 조절수단이 정량 펌프인 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 조절수단이 분사장치인 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 반응용기는 유리튜브인 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 모세관 직경의 케인은 테프론 재질인 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 광자격자 지지판은 테프론 재질인 것을 특징으로 하는 고분자 광자결정 광섬유 모재 제조장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 상기 모세관 직경의 케인은 튜브 형태이며, 상기 튜브의 형태를 유지하기 위해 튜브 내부에 별도의 내부 지지봉을 구비하는 것을 특징으로 하는 고분자 광자 결정 광섬유 모재 제조장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 상기 모세관 직경의 케인은 봉 형태인 것을 특징으로 하는 고분자 광자 결정 광섬유 모재 제조장치.