KR100586362B1

KR100586362B1 - 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의제조장치 및 방법

Info

Publication number: KR100586362B1
Application number: KR1020040097646A
Authority: KR
Inventors: 조한솔; 손영목
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-08
Also published as: CN1778547A; JP2006154737A; KR20060058562A; US20060107892A1

Abstract

본 발명은 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1) 중공 방지형 회전 반응 장치; 2) 구동부; 3) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 구동부에 고정하기 위한 고정수단; 4) 자외광 차단막; 및 5) 가압부를 포함하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치에 있어서, 자외광 램프를 구비한 자외광 집속 광학계가 중공 방지형 회전 반응 장치의 반경방향으로 이동 가능한 이송장치 위에 설치된 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 방법에 관한 것으로 본 발명의 장치 및 방법에 의하면 광 특성이 길이 방향으로 균일한 플라스틱 광섬유용 모재를 제조할 수 있다.

플라스틱 광섬유용 모재, 중공 방지형 회전 반응 장치, 순차적 자외광 중합, 자외광 집속 광학계, 전송속도, 균일도

Description

순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 방법{Apparatus and Method for Preparing Plastic Optical Fiber using successive UV polymerization}

도 1은 종래의 중공 방지형 회전 반응 장치의 개략 사시도,

삭제

도 2는 본 발명의 자외광 집속 광학계가 설치된 회전 반응 장치의 개략 사시도,

도 3a, 3b 및 3c는 본 발명의 플라스틱 광섬유용 모재 제조 원리에 따라 중공 방지형 회전 반응 장치 내에서 반경방향으로 굴절률 구배가 순차적으로 형성되는 단계별 상태를 표현한 개략도,

도 4는 본 발명의 실시예 1과 2에서 제조된 GI-POF의 광 손실을 모재 길이 부분에 따라 측정한 데이터, 및

도 5는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 그레디드 인덱스형 플라스틱 광섬유용 모재의 펄스 광대역화(pulse broadening) 데이터에 의해 측정된 전송속도 측정 데이터이다.

본 발명은 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1) 중공 방지형 회전 반응 장치; 2) 구동부; 3) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 구동부에 고정하기 위한 고정수단; 4) 자외광 차단막; 및 5) 가압부를 포함하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치에 있어서, 자외광 램프를 구비한 자외광 집속 광학계가 회전 반응 장치의 반경방향으로 이동 가능한 이송장치 위에 설치된 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

통신용 광섬유는 광 신호의 전달 양식에 따라 단일모드(single-mode) 섬유 및 다중모드(multi-mode) 섬유로 구분된다. 현재 사용되는 장거리 고속 통신용 광섬유의 대부분은 석영유리를 기본 물질로 한 스텝인덱스 단일모드(step-index single-mode) 광섬유이며, 상기 유리 광섬유는 그 직경이 5～10㎛에 불과한 미세 굵기를 갖는다. 따라서 이러한 유리 광섬유는 정렬(alignment) 및 연결(connection)이 매우 곤란하여 이로 인한 비용 손실이 크다. 반면, 단일모드 광섬유보다 직경이 큰 다중모드 유리 광섬유의 경우, 근거리 통신망(LAN: local area network)과 같은 단거리 통신용으로 사용될 수 있으나, 연결 등에 소요되는 비용이 높고 깨지기 쉬운 단점 등으로 인하여 널리 사용되기에는 어려움이 많았다. 따라서 트위스티드 페어(twisted pair) 또는 동축 케이블(coaxial cable)과 같은 금속선(cable)이 LAN과 같이 200m내의 근거리 통신에 주로 사용되었다. 그러나 금속선은 정보 전달속도(또는 전송대역폭(bandwidth))가 최대 약 150Mbps 정도에 그치므로 2000년대의 비동기식 전송모드(ATM: Asynchronous Transfer Mode) 기준인 625Mbps에 도달할 수 없기 때문에 미래의 전달속도 기준을 만족시킬 수 없었다. 상기 이유로 일본과 미국 등에서 지난 10여년에 걸쳐 LAN과 같은 단거리 통신에 사용할 수 있는 고분자 소재의 광섬유 개발에 많은 노력 및 투자가 있어 왔다. 고분자 광섬유는 고분자 물질의 유연성 때문에 그 직경이 유리 광섬유보다 100배 이상 큰 0.5～1.0㎜ 정도에 이를 수 있기 때문에 정렬 또는 연결이 용이하고, 압출성형으로 제조되는 고분자 소재 중계기(connectors)를 사용할 수 있어서 커다란 비용절감을 예상할 수 있다.

한편, 고분자 광섬유는 반경방향의 굴절률 변화가 계단형인 스텝 인덱스(step-index, SI)형 구조, 또는 굴절률이 반경방향으로 점차적으로 변하는 그레디드 인덱스(graded-index, GI)형 구조를 가질 수 있으나, 스텝 인덱스형 고분자 광섬유는 형태 분산(modal dispersion)이 크기 때문에 신호의 전달속도 또는 전송대역폭이 금속선(cable)보다 빠를 수 없는 반면, 그레디드 인덱스형 고분자 광섬유는 형태 분산(modal dispersion)이 작기 때문에 높은 대역폭을 가질 수 있다. 따라서 그레디드 인덱스형 고분자 광섬유는 굵은 직경에서 비롯되는 비용절감의 효과와 작 은 형태 분산으로 인한 높은 정보 전달 속도로 인해 단거리 고속 통신용 매체로서 적합하다고 알려져 있다.

종래 그레디드 인덱스형 고분자 광섬유의 제조공정으로는 일본 게이오 대학교의 고이께 교수 등에 의해 반응성 차이를 이용한 광-공중합법(photo copolymerization) (Y. Ohtsuka et al., Applied Optics vol.23, 1779(1984)) 과 몰부피에 의한 확산차이를 이용한 계면 겔 중합(interfacial gel polymerization) 방법 등이 발표되었고(Koike, Y. et al., Applied Optics, vol. 27, 486(1988)) 그 후에 미국특허 제5,253,323호(Nippon Petrochemicals Co.); 미국특허 제5,382,448호(Nippon Petrochemicals Co.); 미국특허 제5,593,621호(Yasuhiro Koike and Ryo Nihei); WO 92/03750; WO 92/03751(Yasuhiro Koike/Nippon Petrochemical Co.); 일본특허 평3-78706(Mitsubishi Rayon); 및 일본특허 평4-86603 (Toray Ind.)에서 이와 관련된 내용을 개시하고 있다. 상기 특허와 관련된 대부분의 공정은 크게 다음과 같은 두 종류의 공정으로 대별될 수 있다.

첫째, 고분자 중합반응 중에 반응성이나 확산 차이에 의해 반경방향으로 굴절률이 변하는 예비 성형품 즉, 모재(preform)를 만든 후 상기 모재를 가열 연신하여 GI 고분자 광섬유를 제조하는 일괄공정(batch process)이 있다.

둘째, 압출공정으로 고분자 섬유를 제조한 후에 그 섬유에 첨가되어 있던 저분자량의 물질을 반경방향으로 추출하거나, 역으로 저분자량의 물질을 반경방향으로 투입시켜 GI 고분자 광섬유를 제조하는 공정을 들 수 있다.

첫째 공정은 고이케 교수에 의하여 개발된 방법으로 2.5 Gbps의 전달속도를 갖는 GI 고분자 광섬유를 제조하는데 성공하였으며, 둘째 공정도 비교적 높은 전송대역폭을 갖는 고분자 광섬유 제조에 성공한 것으로 알려져 있다.

그러나 상기의 방법들은 굴절률 값과 반응성 비에 제한이 있거나 굴절률 값과 몰부피에 제한이 있으며 직경이 큰 모재를 제조하는 경우 발열반응에 의해 모재의 균일성과 광학특성이 저하되는 단점이 있다.

한편, 최근 네덜란드의 Van Duijnhoven과 Bastiaansen에 의하여 개발되어 WO 97/29903에 개시되고 미국특허 제6,166,107호 에 등록된 방법은 회전을 이용하되 20,000 rpm정도의 아주 강력한 회전을 이용한 것이다. 이 방법은 상기 특허에서 언급한 여타의 종래기술들 (Review of Polymer Optical Fibres", Emslie, C., Journal of Materials Science, 23 (1988), pages 2281-2293, WO 92/10357, DE-C1-42 14 259, WO 87/01071)과 차별화하여 아주 강력한 원심력장 하에서 서로 다른 밀도 및 굴절률을 갖는 모노머와 고분자의 혼합물을 중합하면, 밀도 구배에 따라서 농도 구배가 생기게 되고 이에 따라서 굴절률 구배가 생기게 되는 초고속 윈심 분리의 원리를 이용하였다. 그러나 상기의 방법은 밀도가 큰 고분자가 밀도가 작은 모노머보다 굴절률이 작아야 하므로 사용 모노머의 선택에 제약이 있게 된다. 그런데, 상기 발명들은 고분자 중합에서 항상 발생하는 부피수축의 문제에 대하여는 전혀 언급하지 않았다. 즉, 모노머가 중합되어 고분자가 될 때 부피 수축(volume shrinkage)이 일어나게 되어 원심력에 의하여 만들어지는 플라스틱 광섬유용 모재는 가운데 부분에 빈 관 모양의 중공이 형성되게 된다. 이러한 중공을 채워주기 위해서는 추가의 모노머 투입과정이 필요하기 때문에 실질적으로는 여타의 다른 회전 을 이용한 모재 제조 방법들에 비해 제조 시간에 있어서 진보가 있다고 말하기 어렵다. 또한, 부피 수축이 발생한 모재의 중공을 채우면서 모재를 만들고 이를 이용하여 섬유를 제조하는 경우, 굴절률 분포에 있어서 불연속면이 나타나게 되고, 이는 급격한 전송량 및 광량의 감소를 초래하므로 실제 이용하기에는 제약이 있다. 또한, 추가 투입과정 중에 미세한 먼지나 공기 또는 수분과의 접촉에서 생기는 외부적 요인에 의한 광 특성의 저하를 야기할 수도 있으며, 이를 방지하기 위해서는 추가의 장비와 비용이 발생하게 된다. 또한, 상기와 같은 종래기술의 문제점은 두 모너머의 몰부피, 반응비, 굴절률 차이 등의 특수한 조건 하에서만 그레디드 인덱스형 플라스틱 광섬유용 모재의 제조가 가능하다는 단점이 있다.

이에 반해 대한민국 등록특허 0430389호, 일본특허 공개번호 2003-114342호, 중국특허 공개번호 1397418호, EP 1277555호, 및 미국특허 공개번호 제 2003-30159호에 각각 공개된 것으로서, 도 1에 나타난 종래의 중공 방지형 회전 반응 장치에서는 반응기에 채워지는 모노머의 조성비를 조절하거나 중합물의 중합도에 따라 회전 반응기의 회전속도를 조절하는 등의 방법에 의해 반경방향 및 길이방향으로의 굴절률 구배를 조절한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법을 개시하고 있다.

상기와 같은 종래 기술을 보다 개량하기 위한 본 발명의 목적은 종래의 중공 방지형 회전 반응 장치에 이송가능한 자외광 집속 광학계를 장착하여 주반응부의 외각 부분부터 중심 방향으로 좁은 영역에만 순차적으로 자외광을 조사함으로써 순차적인 자외광 중합이 가능하도록 함으로써 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치 및 방법을 제공하는 것이다.

즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면은 1) 반응물 유입구를 구비한 도입부, 도입부와 통하는 유로를 차단벽 중앙에 구비한 반응부, 및 도입부와 반응부를 연결하기 위한 1이상의 유로를 구비한 중공 방지형 회전 반응 장치; 2) 구동부; 3) 고정수단; 4) 자외광 차단막; 및 5) 가압부를 포함하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치에 있어서,

상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 상부에 위치한 자외광 램프를 구비한 자외광 집속 광학계와 상기 자외광 집속 광학계를 중공 방지형 회전 반응 장치의 반경방향으로 이송하는 이송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 한 측면은 상기 제조장치를 이용하여 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 한 측면은 상기 제조방법으로 제조된 플라스틱 광섬유용 모재에 관한 것이다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치는 종래의 광섬유용 모재 의 제조원리를 바탕으로 순차적인 자외광 중합 반응을 수행할 수 있는 자외광 집속 광학계를 추가하는 것을 그 기본 구성으로 하고 있다.

삭제

본 발명에서는 상기와 같은 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하는데 이용하기 위한 수단으로서 (1) 반응기 전체로 반응물을 유입시키기 위한 반응물 유입구를 구비한 도입부; (2) 상기 도입부와 차단벽을 사이에 두고 위치하며, 도입부와 통하는 유로를 차단벽 중앙에 구비한 반응부; 및 (3) 반응부의 유로와 도입부의 반응물 유입구 사이에 설치되며, 도입부와 반응부를 연결하기 위한 1이상의 유로를 구비한 회전 반응 장치에 있어서, 상기 회전반응 장치 상부에 자외광 램프, 상기 램프 상부에는 위치한 파라볼릭한 반사판, 및 상기 자외광 램프 하부에 있는 자외광을 주반응부에 집속해주는 평볼록 렌즈(plano-convex lenz)로 이루어진 (4) 자외광 집속 광학계와 상기 자외광 집속 광학계를 중공 방지형 회전 반응 장치의 반경방향으로 이송하는 (5) 이송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 방지형 회전 반응 장치를 제안함으로써 각 성분의 자외선에 의한 중합을 보다 용이하게 하고 있다.

즉, 본 발명의 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치는 상기 중공 방지형 회전 반응 장치; 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 회전시키는 모터 및 분당 회전수 (rpm) 조절기를 포함하는 구동부; 상기 회전 반응 장치를 구동부에 고정시키기 위한 고정수단; 도입부에 자외광이 조사되는 것을 방지하기 위한 자외광 차단막 및 상기 중공 방지형 회전 반응 장치에 가압하기 위한 밸브, 게이지 및 튜빙을 포함하는 가압부을 포함하는 것을 그 구성으로 하고 있다.

도 1은 본 발명에서 이용하고 있는 중공 방지형 회전 반응 장치의 일실시예를 나타내는 것으로, 전체 반응기는 원형반응기의 형태이며, 도입부(10) 및 반응부(20)로 구분되어 있다. 상기 도입부(10)는 반응물을 전체 반응기로 유입시키기 위한 반응물 유입구(11)를 구비하고 있고, 상기 반응부(20)는 반응물을 도입부로부터 반응부(20)로 유입시키기 위한 유로(21)를 구비하고 있다. 상기 도입부(10)의 반응물 유입구(11)와 반응부(20)의 유로(21)사이에는 도입부와 반응부를 구분하는 차단벽(32)과 중공 차단구조(30)가 설치되어, 전체 반응기의 회전시에 반응물 유입구(11) 공간에서 발생되는 중공이 반응부(20)까지 연속되지 못하도록 한다. 상기 중공 차단구조(30)에는 중공 차단구조 상부의 반응물이 중공 차단구조(30)을 거쳐 반응부(20)로 흘러 들어갈 수 있도록 유로(31)가 설치된다.

도 2는 본 발명에 따른 자외광 집속 광학계를 포함하는 중공 방지형 회전 반응 장치의 개략 사시도이다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기한 바와 같이 중공 방지형 회전 반응 장치(44)의 상부에 자외광 집속 광학계(41)가 설치되어 있으며, 상기 자외광 집속 광학계는 이송장치(43)에 장착되어 회전 반응 장치(44)의 상부에서 반경방향으로 자유로운 움직임이 가능하도록 되어 있다. 선택적으로 온도를 조절하기 위하여, 열선에 의해 가열된 공기를 주입하는 공기 주입구(42a), 단열 장치, 공기 배출구(42b) 및 반응기 내의 온도를 조절하는 온도 조절기(42)가 포함된 온도 조절부가 설치될 수 있다.

도 3a 내지 3c는 본 발명의 중공 방지형 회전 반응 장치를 이용하여 플라스틱 광섬유용 모재가 제조될 때 본 발명의 장치가 작동하는 구체적인 원리를 나타내는 도면들이다. 자외광 집속 광학계는 도 3a에 나타난 바와 같이, 필수적으로 자외광 램프(51)를 포함하고 있으며, 선택적으로 자외광 램프의 상부에 파라볼릭한 반사판(52)을 구비하거나 또는 선택적으로 자외광 램프의 하부에 자외광을 반응부로 집속해 주는 평볼록 렌즈(53)를 구비할 수 있다. 또한 자외광 집속 광학계 자체가 중공 방지형 회전 반응 장치의 반경방향으로 이동 가능한 이송 장치(54) 위에 설치되어 있으므로 이송 장치의 움직임에 따라 자외광을 반응부에 조사시킬 수 있도록 설치되어 있다.

본 발명의 플라스틱 광섬유용 모재의 제조시, 중공 방지형 회전 반응 장치의 회전이 시작되면 도입부의 반응물이 채워지지 않은 공간으로부터 중공이 발생된다. 그러나 발생된 중공은 중공 차단 구조에 의해 차단되어 주반응부까지 연속되지 못한다. 반응기의 회전이 계속되면서 반응부의 중합이 진행되어 감에 따라 부피 수 축이 발생하나, 이러한 부피　수축분 만큼 도입부에서 주반응부로 반응물이 자동으로 흘러 들어감으로써 도입부의 중공이 커지고, 반응부에는 중공이 형성되지 않는다.

한편, 상기 도입부(10)의 조성(61)을 반응부(20)의 조성(62)과 달리하여 도입부의 굴절률이 반응부보다 높도록 하면 이송 장치에 실려 있는 자외광 집속 광학계에 의해 자외광이 조사(65)되는 부분(63)에서만 중합되면서 도입부의 조성 차이에 의해 굴절률이 높아지는 방향으로 점차 변화하게 된다. 이때 도입부는 자외광 차단 구조(64)에 의해 자외광이 조사되지 않고 오직 반응부에서만 중합반응이 일어난다. 도 3b 및 3c에 나타난 바와 같이, 중합이 진행됨에 따라 자외광 집속 광학계를 반응부의 중심방향으로 순차적으로 이동시키면서 중합하게 되면, 결과적으로 중심방향을 향해 굴절률이 점차 변하는 형태가 된다. 자외광 집속 광학계로부터 조사된 자외광에 의해 반응이 일어나는 부분은 모재의 길이 방향으로 일정하게 한정되어 있으므로, 본 발명의 방법에 따라 제조된 모재는 길이 방향의 균일성이 우수하다.

본 발명에서는 원리적으로 반응부에서 부피 수축으로 인한 중공은 형성되지 않지만 라디알 반응의 특성상 발열로 인한 모노머의 기화현상이 일부 있게 되고 반응부에서 이러한 현상이 일어나면 모노머의 기화된 기포가 회전에 의해 중공이 되는 경우가 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 도입부에 가압을 하고 회전을 변속으로 하게 되면 기포가 도입부 쪽으로 빠져 나와 중공 형성이 없는 모재를 제조하는데 유리하게 된다. 따라서 도입부의 빈 공간을 고압의 비활성 기체 등으로 가압 하여 도입부의 반응물이 반응부로 흘러들어가도록 하고, 바람직하게는 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 중력방향에 대해 원하는 각도, 바람직하게는 0 ~ 90°로 누이거나 세워서 고정시킬 수 있는 각도 조절부를 추가로 포함하여 다양한 회전 운동을 유발할 수도 있다

또한 도 2에 나타난 바와 같이 공기 주입구와 공기 배출구가 설치된 가열부를 추가적으로 설치하면 발열반응을 최소한으로 억제하며 반응속도의 조절이 보다 용이하기 때문에 지름이 큰 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하는 보다 향상된 방법을 제공할 수 있다.

이하에서 상기 제조장치를 이용하여 플라스틱 광섬유용 모재를 효율적으로 제조하는 방법에 관하여 상세히 설명하고자 한다.

즉, 본 발명의 제조 장치를 이용하여 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하는 방법은 (1) 1이상의 모노머, 광중합 개시제, 및 분자량 조절제를 포함하는 제 1성분으로 상기 제 1항에 따른 중공 방지형 회전 반응 장치의 반응부를 채우는 단계; (2) 상기 제 1성분과는 조성이 다른 제 2성분을 상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 도입부의 일부에 투입하고, 도입부의 남은 공간을 비활성 기체로 가압하여 충진하는 단계; 및 (3) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 회전시키면서 상기 제 1항에 따른 중공 방지형 회전 반응 장치의 자외광 집속 반응계를 반응 장치의 중심쪽으로 이동시키면서 자외선 중합 반응을 일으키는 단계를 포함한다.

필요에 따라서는 상기 (1)단계에서 제 1성분으로 반응부를 채우기 이전에, 반응부에 굴절률이 일정한 클래드를 먼저 형성시킬 수도 있다.

또한, 상기 (2)단계의 도입부에 상기 (1)단계에서 반응부를 채웠던 제 1성분보다 굴절률이 높은 혼합물을 투입함으로써 중심방향으로 굴절률이 커지는 구배를 갖는 고분자 물체를 제조할 수도 있다. 특히 이 방법은 그레디드 인덱스 굴절률 분포를 갖는 고분자 광섬유용 모재를 제조하는데 유용하게 적용될 수 있다.

상기 (3)단계에 있어서, 회전 반응 장치는 정속으로도 회전될 수 있지만 변속 회전도 가능하다. 즉, 필요에 따라서는 고속회전과 저속회전 또는 정지상태를 반복하는 형태, 삼각함수 형태, 또는 주기, 위상 및 진폭이 변하는 특정한 함수 형태의 회전속도함수를 따라 속도를 조절함으로써 다양한 굴절률 구배를 갖는 고분자 물체를 제조할 수도 있다. 또한 상기 (3)단계에서 자외광 집속 광학계의 집속 면적 및 그 이송 속도를 조정함으로써 고분자 물체의 굴절률 구배를 다양화할 수 있다.

한편, 공정에 따라서는 상기 (1) 및 (2) 단계에서 반응부 및 도입부에 채워지는 제 1성분 및 제 2성분 중 1이상을 프리폴리머 상태로 미리 중합하여 일부 또는 전부를 사용할 수도 있으며, 제 1성분 및 제 2성분의 반응에 직접적으로 참여하지는 않으나 형성될 공중합체와 혼화성이 좋고 굴절률이 다른 물질을 일부 첨가하는 등 원하는 고분자 물체를 얻기 위한 범위에서 상기 방법의 변형이 가능하다. 상기 프리폴리머로는 메틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 디페닐메 틸메타크릴레이트, 퍼퓨릴메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 펜타클로로페닐메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 스티렌, TFEMA(2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트), PFPMA(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트), HFIPMA(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필메타크릴레이트), HFBMA (2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트) 등을 예로 들 수 있고, 상기 반응에 참여하지 않으나 굴절률이 다른 물질이 트리페닐 포스페이트(Triphenyl Phosphate), 디페닐 설파이드(Diphenyl sulfide), 디페닐 설폭사이드(Diphenyl sulfoixde), 벤질 벤조에이트(Benzyl benzoate), 디페닐렌(Diphenylene) 등을 예로 들 수 있다.

상기 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하기 위해서는 굴절률이 상이한 2이상의 모노머가 제 1성분 및 제 2성분으로 각각 사용될 수 있다. 구체적으로 굴절률이 상이한 2종의 모노머는 메틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 디페닐메틸메타크릴레이트, 퍼퓨릴메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 펜타클로로페닐메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 스티렌, TFEMA(2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트), PFPMA(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트), HFIPMA(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소메타크릴레이트) 및 HFBMA(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트)로 이루어진 군에서 각각 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 본 발명의 방법에서 필요에 따라 클래드를 먼저 형성시키는 경우에, 모노머를 중합시키기 위해 투입되는 열중합 개시제로는 구체적으로 2,2'-아조-비스(이소부티로니트릴)(2,2'-azo-bis(isobutyronitrile)), 1'-아조-비스(사이크로헥산카르보니트릴)(1,1'-azo-bis (cyclohexanecarbonitrile)), 디-tert-부틸페록사이드(di-tert-butyl peroxide), 라우로일페록사이드(lauroylperoxide), 벤조일 페록사이드(benzoylperoxide), tert-부틸 페록사이드(tert-butylperoxide), 아조-tert-부탄(azo-tert-butane), 아조-비스-이소프로필(azo-bis-isopropyl), 아조-노르말-부탄(azo-n-butane), 및 디-tert-부틸 페록사이드(di-tert- peroxide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한 상기 본 발명의 방법에서 모노머를 중합시키기 위해 투입되는 광중합 개시제로는 구체적으로 4-(p-톨릴티오)벤조페논(4-(p-tolylthio)benzophenone), 4,4'-비스(디메틸아미노)벤조페논 (4,4'-bis(dimethylamino)benzophenone), 및 2-메틸-4'-(메틸티오)-2-몰포리노-프로피오페논(2-methyl-4'-(methylthio)-2-morpholino-propiophenone)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을, 모노머 혼합물에 첨가되는 분자량 조절제(chain transfer agent)로는 노르말-부틸-멀캡탄(n-butyl mercaptan), 라우릴 머캡탄(lauryl mercaptan), 및 도데실 머캡탄(dodesyl mercaptan)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 각각 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 플라스틱 광섬유용 모재의 제조 방법은 필요에 따라 열 연신(thermal drawing)의 과정을 추가하여 원하는 직경의 굴절률 분포형 플라스틱 광섬유로 변환 시킬 수 있고, 직경이 비교적 굵은 막대(strand) 형태로 만들어 굴절률 분포형 렌즈 및 화상 전달용 이미지 가이드로도 적용할 수 있다.

하기에서 본 발명을 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

메틸메타크릴레이트(MMA) 100 mol% 에 열중합 개시제로 2,2'-아조-비스(이소부티로니트릴)과 분자량 조절제로 노르말-부틸-멀캡탄을 포함하는 반응액을 중공 방지형 회전 반응 장치의 반응부 (20)에 투입하여 2000rpm으로 회전하면서 75℃에서 24시간 동안 중합을 실시하여 폴리메타크릴레이트(PMMA) 클래드를 형성하였다. 그 뒤, 반응부에 메틸메타크릴레이트/벤질메타크릴레이트(MMA/BzMA=95/5 mol/mol%), 자외광 개시제 (Irgacure 184) 및 노르말-부틸-멀캡탄으로 구성된 반응액을 주반응부에 넣고, 메틸메타크릴레이트/벤질메타크릴레이트(MMA/BzMA=80/20 mol/mol%)의 혼합액을 도입부(10)에 넣은 다음 질소 기체 하에서 3bar로 가압하고, 75℃로 온도를 유지하면서 회전 반응 장치를 2000rpm 회전시킴과 동시에 0.5mm/30min의 속도로 자외광 집속 광학계를 클래드 부분에서 중심(core) 쪽으로 옮겨가면서 중합 반응을 시켜서 경사형 굴절률을 가지는 모재를 제조하였다. 후방 절단법(Cut back)으로 측정된 광 손실은 도 4에 나타난 바와 같이 약 180dB/km이며 길이 방향으로 균일한 광 손실 값을 나타냄을 알 수 있었다.

실시예 2

메틸메타크릴레이트/트리플루오르메타크릴레이트(MMA/TFPMA=80/20mol/mol%), 2,2'-아조-비스(이소부티로니트릴) 및 노르말-부틸-멀캡탄을 포함하는 반응액을 주반응부(20)에 투입하여 2000rpm으로 회전하면서 75℃에서 24시간 동안 중합을 실시하여 폴리메틸메타크릴레이트/트리플루오로프로필메타크릴레이트 클래드를 형성하였다. 그 뒤 반응부에 메틸메타크릴레이트/트리플루오로프로필메타크릴레이트(MMA/TFPMA=80/20 mol/mol%), 자외광 개시제(Irgacure 184) 및 노르말-부틸-멀캡탄을 포함한 반응액을 주반응부에 넣고 메틸메타크릴레이트/트리플루오로프로필메타크릴레이트(MMA/TFPMA = 95/5 mol/mol%)의 혼합액을 도입부(10)에 넣은 다음, 질소 기체 하에서 3bar로 가압하고 75℃로 온도를 유지하면서 2000rpm 회전시킴과 동시에 0.5mm/30min의 속도로 자외광 집속 광학계를 클래드 부분에서 중심(core) 쪽으로 옮겨가면서 중합 반응을 시켜서 경사형 굴절률을 가지는 모재를 제조하였다. 후방 절단법으로 측정된 광 손실은 도 3에 보인 바와 같이 평균 약 170dB/km이며 길이방향으로 균일한 광 손실 값을 보임을 알 수 있다. 또한 이 GI-POF의 전송속도는 도 5에서 펄스 광대역화(pulse broadening) 실험으로 보인 바와 같이 3.1Gbps@50m 로 측정되었다.

본 발명의 제조장치를 이용하여 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하면, 회전 하에서 부피수축을 동반하는 화학반응이나 물리적 현상이 이루어지는 경우 반응기 중심에 생길 수 있는 중공을 채워주기 위한 반응장치의 정지 및 반응물 투입과 같은 일련의 추가투입 과정을 없애거나 횟수를 최소로 할 수 있으므로 보다 용이하게 플라스틱 광섬유용 모재를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Claims

1) 반응기 전체로 반응물을 유입시키기 위한 반응물 유입구를 구비한 도입부, 도입부와 통하는 유로를 차단벽 중앙에 구비한 반응부, 및 도입부와 반응부를 연결하기 위한 1이상의 유로를 구비한 중공 방지형 회전 반응 장치; 2) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 회전시키는 구동부; 3) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 구동부에 고정시키기 위한 고정수단; 4) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 도입부에 자외광이 조사되는 것을 방지하기 위한 자외광 차단막; 및 5) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치에 가압하기 위한 가압부를 포함하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치에 있어서,

상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 상부에 위치한 자외광 램프를 구비한 자외광 집속 광학계와 상기 자외광 집속 광학계를 중공 방지형 회전 반응 장치의 반경방향으로 이송하는 이송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치.

제 1항에 있어서, 상기 자외광 집속 광학계는 추가로 상기 램프 상부에 파라볼릭한 반사판 또는 상기 램프의 하부에 자외광을 주반응부에 집속해주는 평볼록 렌즈(plano-convex lenz)를 포함하는 것을 특징으로 하는 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치.

제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치는 상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 온도를 조절하기 위해 열선에 의하여 가열된 공기를 주입하는 공기 주입구, 단열 장치, 공기 배출구, 및 반응기 내의 온도를 조절하는 온도 조절기를 포함하는 온도 조절부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치.

제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치는 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 중력방향에 대해 0~90°의 각도로 누이거나 세워서 고정시킬 수 있는 각도 조절부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 순차적 자외광 중합을 이용한 플라스틱 광섬유용 모재의 제조장치.

중공 방지형 회전 반응 장치, 구동부, 고정수단, 자외광 차단막, 및 가압부로 구성되고 상기 중공 방지형 회전 반응 장치가 자외광 집속 광학계 및 이를 이송하는 이송 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조 장치를 이용하여 플라스틱 광섬유용 모재를 제조하는 방법에 있어서,

(1) 1이상의 모노머, 광중합 개시제, 및 분자량 조절제를 포함하는 제 1성분으로 상기 제 1항에 따른 중공 방지형 회전 반응 장치의 반응부에 채우는 단계;

(2) 상기 제 1성분과는 조성이 다른 제 2성분을 상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 도입부의 일부에 투입하고, 도입부의 남은 공간을 비활성 기체로 가압하여 충진하는 단계; 및

(3) 상기 중공 방지형 회전 반응 장치를 회전시킴과 동시에 상기 제 1항에 따른 중공 방지형 회전 반응 장치의 자외광 집속 광학계를 반응 장치의 중심쪽으로 이동시키면서 자외선 중합 반응을 일으키는 단계를 포함하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 (1)단계의 제 1성분으로 반응부를 채우기 이전에, 반응부에 굴절률이 일정한 클래드를 먼저 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 (2)단계의 도입부에 상기 (1)단계에서 반응부를 채운 제 1성분보다 굴절률이 높은 제 2성분을 투입함으로써 중심방향으로 굴절률이 커지는 구배를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 (3)단계의 중공 방지형 회전 반응 장치를 정속 회전 또는 변속 회전시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 8항에 있어서, 상기 중공 방지형 회전 반응 장치의 변속회전이 고속회전과 저속회전 또는 정지상태를 반복하는 형태, 삼각함수 형태, 또는 주기, 위상 및 진폭이 변하는 특정한 함수 형태의 회전속도함수를 따르도록 하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 (3)단계의 자외광 집속 광학계의 집속면적 및 그 이송 속도를 변화시키면서 중합 반응을 진행시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 (1) 및 (2) 단계에서 반응부와 도입부에 채워지는 제 1성분 또는 제 2성분의 전부 또는 일부를 프리폴리머 상태로 투입하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 반응부 또는 도입부에 채워지는 성분에, 반응에 참여하지는 않으나 공중합체와 혼화성이 좋고 굴절률이 다른 물질을 일부 첨가하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 모노머가 메틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 디페닐메틸메타크릴레이트, 퍼퓨릴메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 펜타클로로페닐메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 스티렌, TFEMA(2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트), PFPMA(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트), HFIPMA(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필메타크릴레이트) 및 HFBMA(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트)로 이루어진 군으로부터 각각 선택되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항에 있어서, 상기 광중합 개시제는 4-(para-톨릴티오)벤조페논, 4,4'-비스(디메틸아미노)벤조페논, 및 2-메틸-4'-(메틸티오)-2-몰포리노-프로피오페논로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상이며, 상기 분자량 조절제는 노르말-부틸-멀캡탄, 라우릴 머캡탄(lauryl mercaptan), 및 도데실 머캡탄으로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 11항에 있어서, 상기 프리폴리머가 메틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 디페닐메틸메타크릴레이트, 퍼퓨릴메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 펜타클로로페닐메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 스티렌, TFEMA(2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트), PFPMA(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트), HFIPMA(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소메타크릴레이트) 및 HFBMA(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트)로 이루어진 군으로부터 선택되어 중합된 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 12항에 있어서, 상기 반응에 참여하지 않으나 굴절률이 다른 물질이 트리 페닐 포스페이트(Triphenyl Phosphate), 디페닐 설파이드(Diphenyl sulfide), 디페닐 설폭사이드(Diphenyl sulfoixde), 벤질 벤조에이트(Benzyl benzoate), 및 디페닐렌(Diphenylene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유용 모재의 제조방법.

제 5항 내지 16항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 그레이디드 인덱스형 플라스틱 광섬유용 모재.