KR100442765B1 - 내열성과 전송률이 향상된 언덕형 다중모드 플라스틱광섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성과 전송률이 향상된 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도판트로 다이페닐 설파이드를 사용하고 플라스틱 광섬유의 분자량을 증가시켜 고온 조건에서도 장시간동안 견딜 수 있는 내열성과 광섬유 내부의 굴절률 분포를 동시에 향상시킴으로써 고전송률의 플라스틱 광섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

내열성과 전송률이 향상된 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유 및 이의 제조방법{Manufacturing Method of Graded Index Plastic Optical Fiber with High Thermal Stability}

본 발명은 내열성과 전송률이 향상된 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도판트로 다이페닐 설파이드를 사용하고 플라스틱 광섬유의 분자량을 증가시켜 고온 조건에서도 장시간동안 견딜 수 있는 내열성과 광섬유 내부의 굴절률 분포를 동시에 향상시킴으로써 고전송률의 플라스틱 광섬유을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유를 제조시에는 도판트를 사용한다. 이 때 도판트는 광섬유 제조에 사용되는 모노머 및 폴리머에 비하여 굴절률이 크고, 분자 부피가 크며, 투명한 것을 사용한다. 이렇게 제조한 광섬유는 굴절률이 중심축으로부터 외부 방향으로 포물선 분포를 가지면서 낮아지는 구조를 가지게 되어, 광섬유 축을 중심으로 진행하는 빛의 각 모드들의 전송 시간이 진행 거리와 관계없이 일치하기 때문에, 출력단에서 각 모드들의 신호가 분산이 없이 검출되는 장점을 가지게 된다. 이 때 광섬유 내부의 굴절률 분포가 포물선의 형태를 따르고 광섬유의 중심과 바깥쪽 간의 굴절률 차이가 커질수록 전송 효율이 좋아지기 때문에 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유는 전송 대역폭이 넓고 전송량이 큰 중ㆍ단거리 고속 전송에 적합하다.

일반적인 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유에 사용되는 도판트가 광섬유 내부에서 가소제의 역할을 하여 도판트의 함량이 증가함에 따라 유리전이온도가 낮아져 내열성이 떨어지게 된다. 이 경우 장시간동안 고온에서 사용시 굴절률 분포가 좋지 않아 전송률이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 점을 개선하기 위하여 되도록 적은 함량의 도판트를 사용함으로써 내열성을 얻는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 광섬유 내에 일정 수준의 굴절률 분포를 가져야 하므로, 도판트의 함량을 줄이는 데에는 한계가 있어 내열성의 향상도 제한된 수준 내에서만 이룰 수 있다는 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유를 제조함에 있어서 광섬유 내부의 굴절률 분포와 내열성을 동시에 향상시킬 수 있는 제조방법을 개발하기 위하여 연구한 결과, 도판트로 다이페닐 설파이드를 사용하고 광섬유의 분자량을 증가시켜 내열성과 전송률을 동시에 향상시킨 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유를 제조함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 자동차와 비행기 등의 고온에서도 장시간동안 견딜 수 있는 고전송률의 플라스틱 광섬유를 제공함에 있다.

도 1은 분자량이 높은 경우 도판트로 사용한 다이페닐 설파이드 함량에 따른 유리전이온도를 나타낸 그래프이다.

도 2는 도판트로 다이페닐 설파이드 20 중량%를 사용하였을 때 플라스틱 광섬유 내의 굴절률 분포를 나타낸 그래프이다.

도 3은 분자량이 낮은 경우 도판트로 사용한 다이페닐 설파이드와 트리페닐 포스페이트 함량에 따른 유리전이온도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 분자량이 높은 경우 도판트로 사용한 트리페닐 포스페이트와 다이페닐 프탈레이트 함량에 따른 유리전이온도를 나타낸 그래프이다.

도 5는 도판트로 트리페닐 포스페이트 20 중량%를 사용하였을 때 플라스틱 광섬유 내의 굴절률 분포를 나타낸 그래프이다.

도 6은 도판트로 다이페닐 설파이드 11 중량%를 사용하였을 때 플라스틱 광섬유 내의 굴절률 분포를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 아크릴계 플라스틱 광섬유의 제조에 있어서, 아크릴레이트 모노머 80 ∼ 90 중량%에 도판트로 다이페닐 설파이드 10 ∼ 20 중량%를 사용하고, 중합개시제 0.05 ∼ 0.2 중량%, 연쇄전달제(chain transfer agent) 0.05 ∼ 0.2 중량% 및반응온도 70 ∼ 80 ℃로 하여 분자량을 증가시킴으로써 내열성과 전송률을 동시에 향상시킨 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유 및 이의 제조방법을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

플라스틱 광섬유를 제조함에 있어서, 모노머로 아크릴레이트, 예를 들면, 메틸메타크릴레이트 (H₂C=C(CH₃)CO₂CH₃), 트리플로로에틸메타크릴레이트 (H₂C=C(CH₃)CO₂CH₂CF₃), 테트라플로로프로필알파플로로아크릴레이트 (H₂C=CFCO₂CF₂CF₂CH₃) 등을 사용할 수 있다.

또한, 도판트로는 다이페닐 설파이드((C₆H₅)₂S)가 바람직하며, 전체 조성물 중에 10 ∼ 20 중량% 사용하는 것이 좋다. 광섬유 내의 도판트 함량이 증가하면 광섬유의 유리전이온도가 낮아져서 내열성이 떨어지게 되며 일반적으로 다이페닐 프탈레이트(C₆H₄-1,2-(CO₂C₆H₅)₂), 트리페닐 포스페이트((C₆H₅O)₃PO) 등을 20 중량% 정도로 사용하게 된다. 그러나, 다이페닐 설파이드는 모노머 및 폴리머와의 굴절률 차이가 다른 도판트에 비하여 매우 높아서, 11 중량% 정도의 적은 양을 사용해도 다른 도판트 20 중량%를 사용하는 것과 같은 굴절률 분포를 가지며 내열성이 우수하다고 알려져 있다. 따라서, 다이페닐 설파이드는 함량 증가에 따른 유리전이온도 감소를 줄일 수 있으며, 다른 도판트처럼 20 중량% 정도의 다이페닐 설파이드를 도판트로 사용함으로써 플라스틱 광섬유가 훨씬 향상된 굴절률 분포를 가지게 되어 탁월한 전송 효과를 가지도록 할 수 있는 장점이 있다.

이렇게 다이페닐 설파이드의 함량을 증가하여 높은 굴절율을 얻을 수 있지만 내열성이 떨어지는 문제를 광섬유의 분자량을 증가시켜 해결한다. 일반적으로 85 ℃ 정도에서 광섬유의 내열성을 평가하는데, 이러한 내열성을 가지기 위해서는 유리전이온도가 85 ℃ 이상이 되어야 하며, 이를 위하여 광섬유의 분자량은 70,000 ∼ 300,000 이 바람직하다.

분자량은 반응온도 및 중합개시제와 연쇄전달제의 사용량으로 조절한다. 반응 온도는 70 ∼ 80 ℃가 바람직하며, 만일 온도가 70 ℃ 미만이면 반응 속도가 너무 느려서 경제성이 없으며, 온도가 80 ℃ 초과하면 높은 온도로 인하여 광섬유 내에 기포가 발생하게 된다. 중합개시제로는 BPO(Benzoil Peroxide, C₆H₅COOOOCC₆H₅), AIBN(N,N-azobis-isobutyronitril, (CH₃)₂C(CN)N=NC(CH₃)₂CN) 등이 있는데, 그 중 AIBN이 바람직하며, 전체 조성물 중에 0.05 ∼ 0.2 중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 연쇄전달제로는 알칸티올, 예를 들면 도데칸티올(CH₃(CH₂)₁₁SH), 부탄티올(CH₃(CH₂)₃SH) 등이 있는데, 그 중 부탄티올이 바람직하고 전체 조성물 중에 0.05 ∼ 0.2 중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 만일 중합개시제 또는 연쇄전달제의 함유량이 0.05 중량% 미만이면 분자량이 300,000 이상이 되어 가공하기 힘들며, 그 함유량이 0.2 중량%를 초과하면 분자량이 70,000 미만이 되어서 필요로 하는 내열성을 획득할 수 없으므로 바람직하지 못하다.

상기와 같은 조성 성분을 이용하여 제조한 광섬유는 내열성과 전송률이 우수하여 자동차와 비행기 등과 같은 고온에서 데이터 전송 용도로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 및 비교예 1 ∼ 2

모노머로는 메틸메타크릴레이트를 사용하여 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 AIBN, 부탄티올 및 도판트 함량을 변화시키면서 통상적인 방법으로 폴리메틸메타크릴레이트를 중합하였다.

이 때 고분자 중합 반응이 종결된 후 시료를 100 ℃ 진공 건조기에 넣어 48시간 이상 건조하여 잔류 모노머 및 수분 등을 제거하였다.

도판트를 함유한 폴리메틸메타크릴레이트의 내열성은 DSC를 사용하여 유리전이온도를 측정하여 다음 표 1에 나타내었다[도 1, 3 및 4].

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 비교예 1를 비교하면 다이페닐 설파이드를 도판트로 사용하였을 때 플라스틱 광섬유의 분자량이 70,000 미만으로 낮은 경우에는 도판트의 함량이 증가함에 따라서 유리전이온도가 낮아지는 것에 비하여, 분자량이 높은 경우에서는 도판트 함량이 증가하여도 유리전이온도가 120 ℃ 이상으로 내열성이 우수하였다. 이처럼 분자량이 낮은 경우에는 비교예 1과 같이 도판트로 트리페닐 포스페이트를 사용한 경우에도 유리전이온도가 도판트 함량 증가에 따라 크게 떨어지는 것을 알 수 있다. 그러나, 플라스틱 광섬유의 분자량이 높아져도 비교예 2에서 나타나 있듯이 도판트로 트리페닐 포스페이트 또는 다이페닐 프탈레이트를 사용할 경우에는 유리 전이 온도가 향상되지 않아 내열성의 개선 효과가 나타나지 않았다.

실시예 2

도판트로 다이페닐 설파이드 20 중량%를 사용하여 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유를 제조하여 광섬유 내의 굴절률 분포를 측정하여 도 2에 나타내었다.

광섬유의 굴절률 분포는 광섬유 각 부분의 도판트 함량을 GC(가스 크로마토그래피) 및 EPMA(전자 탐침 미소 분석기)를 사용하여 측정한 후 애디티브 룰에 의하여 계산하였다. 이 때 GC에서는 광섬유에 함유된 도판트의 함량을 직접 측정하였으며, EPMA에서는 도판트 내의 황성분을 감지함으로써 도판트의 함량을 계산하였다.

비교예 3

도판트로 트리페닐 포스페이트 20 중량%를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 광섬유를 제조하여 굴절률 분포를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.

실시예 3

도판트로 다이페닐 설파이드 11 중량%를 사용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 광섬유를 제조하여 굴절률 분포를 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.

상기 실시예 2와 비교예 3을 비교하면 다이페닐 설파이드를 20 중량% 사용하는 경우에는 다른 도판트를 20 중량% 사용한 경우에 비하여 굴절률 분포가 휠씬 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 3과 비교예 3을 비교하면 다이페닐 설파이드를 11 중량% 사용한 경우에는 다른 도판트를 20 중량% 사용한 경우와 유사한 굴절률 분포를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 플라스틱 광섬유 제조에 있어서, 도판트로 다이페닐 설파이드를 사용하고, 반응온도, 중합개시제 및 연쇄전달제를 조절하여 광섬유의 분자량을 증가시킴으로써 기존의 플라스틱 광섬유에 비하여 고온 조건에서도 장시간동안 견딜 수 있는 내열성과 광섬유 내부의 굴절률 분포를 동시에 향상시켜 전송률도 우수한 플라스틱 광섬유를 제공한다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유의 제조방법에 있어서, 아크릴레이트 모노머 80 ∼ 90 중량%, 다이페닐 설파이드 10 ∼ 20 중량%, AIBN(N,N-azobis-isobutyronitril) 0.05 ∼ 0.2 중량% 및 도데칸티올 또는 부탄티올 0.05 ∼ 0.2 중량%을 70 ∼ 80 ℃에서 중합반응시켜 분자량이 70,000 ∼ 300,000 인 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유를 제조하는 것을 특징으로 하는 굴절률 분포와 내열성을 동시에 향상시킨 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유의 제조방법.
5. 청구항 4의 제조방법으로 제조된 것임을 특징으로 하는 굴절률 분포와 내열성을 동시에 향상시킨 언덕형 다중모드 플라스틱 광섬유.
6. 삭제