KR100622665B1 - The optical fiber with wide viewing angle for illuminated applications and its preparing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 넓은 광 시야각을 가지는 조명용 광섬유와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유의 광 방출단 표면에 산란체가 함유된 액상의 고분자 수지를 도포한 후 고화시킴으로써, 광 섬유의 광 방출단에서의 효과적인 난반사를 유발시켜 현저히 넓은 광 시야각을 가지고, 열적, 광학적, 내화학적으로 안정한 특성을 나타내며, 사용되는 산란체 농도의 조절에 의하여 광확산, 집속 및 난반사의 정도를 조절할 수 있는 넓은 광 시야각을 가지는 조명용 광섬유와 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lighting optical fiber having a wide optical viewing angle and a method of manufacturing the same, and more particularly, by applying a solid polymer resin containing a scattering material on the surface of the optical emission end of the optical fiber and solidified, Efficient diffuse reflection in Essence, which has a significantly wider optical field of view, exhibits stable thermal, optical, and chemically stable properties, and a wide optical field of view that can control the degree of light diffusion, focusing, and diffuse reflection by adjusting the scatterer concentration used. It relates to an optical fiber for lighting and a method of manufacturing the same.
조명용 광섬유, 산란체, 고분자 수지Lighting fiber, scatterer, polymer resin
Description
도 1은 종단 발광형 조명용 광섬유 응용의 모식도(a)와 측면 발광형 조명용 광섬유 응용의 모식도(b)를 각각 나타낸 것이다. 1 shows a schematic diagram (a) of an optical fiber application for longitudinally emitting light and a schematic diagram (b) of an optical fiber application for side emitting light.
도 2는 광섬유의 시야각의 차이를 나타낸 모식도로서, 산란체를 함유하는 경화 수지를 도포하지 않은 광섬유의 시야각(a)과 산란체를 함유하는 고분자 수지를 도포한 광섬유의 시야각(b)을 나타내며, (c)와 (d)는 상기 산란체를 함유하는 고분자 수지를 도포한 광섬유의 종단면과 횡단면의 모식도를 나타낸 것이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing the difference in the viewing angles of optical fibers, showing the viewing angle (a) of the optical fiber not coated with the cured resin containing the scattering body and the viewing angle (b) of the optical fiber coated with the polymer resin containing the scattering body, (c) and (d) show the schematic diagram of the longitudinal section and the cross section of the optical fiber which apply | coated the said polymeric resin containing the said scattering body.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 직경 1 mm와 0.75 mm의 플라스틱 광섬유의 평면 주사현미경 사진(a),(c)과 측면 주사현미경 사진(b),(d) 및 자외선 경화 수지 내에 분산된 산란체의 주사현미경 사진(e)을 각각 나타낸 것이다.Figure 3 is a planar scanning micrograph (a), (c) and side scanning microscope (b), (d) and a UV-curable resin of 1 mm and 0.75 mm diameter plastic optical fiber prepared according to an embodiment of the present invention Scanning microscope photographs (e) of scattered scatterers are shown, respectively.
도 4는 직경 1 mm의 플라스틱 광섬유에, 산란체의 농도를 달리하여 제조한 자외선 경화수지를 도포한 후 경화시켜 제조한 조명용 광섬유의 광 방출단 측면에서의 광확산에 대한 근접장의 사진으로써, 좌로부터 실제 광섬유에서 나오는 빛의 확산 정도의 실사진, 이차원 광확산 이미지와 3차원 광확산 이미지를 각각 나타내 는데, (a)는 플라스틱 광섬유 자체, (b)는 산란체 미첨가, (c)는 산란체 농도 12.5 중량%, (d)는 산란체 농도 25.0 중량% 및 (e)는 산란체 농도 50.0 중량% 의 경화수지로 도핑한 후 경화시켜 제조한 광섬유를 나타낸 것이다.FIG. 4 is a close-up photograph of light diffusion from the side of the light emitting end of a lighting optical fiber manufactured by applying an ultraviolet curable resin prepared by varying the concentration of scattering material to a plastic optical fiber having a diameter of 1 mm and curing it. From the actual optical fiber from the optical fiber, the two-dimensional light diffusion image and the three-dimensional light diffusion image, respectively (a) the plastic optical fiber itself, (b) no scattering material, (c) the scattering body Concentration 12.5% by weight, (d) is 25.0% by weight scatterer and (e) shows the optical fiber prepared by curing after doping with a curing resin of 50.0% by weight of the scatterer concentration.
도 5는 직경 0.75 mm의 플라스틱 광섬유에, 산란체의 농도를 달리하여 제조한 자외선 경화수지를 도포한 후 경화시켜 제조한 조명용 광섬유의 광 방출단 측면에서의 광확산에 대한 근접장의 사진으로써, 좌로부터 실제 광섬유에서 나오는 빛의 확산 정도의 실사진, 이차원 광확산 이미지와 3차원 광확산 이미지를 각각 나타내는데, (a)는 플라스틱 광섬유 자체, (b)는 산란체 미첨가, (c)는 산란체 농도 12.5 중량%, (d)는 산란체 농도 25.0 중량% 및 (e)는 산란체 농도 50.0 중량% 의 경화수지로 도핑한 후 경화시켜 제조한 광섬유를 나타낸 것이다.FIG. 5 is a close-up photograph of light diffusion from the side of the light emitting end of a lighting optical fiber prepared by applying an ultraviolet curable resin prepared by varying the concentration of scattering material to a plastic optical fiber having a diameter of 0.75 mm, followed by curing. From the actual optical fiber from the actual optical fiber, the two-dimensional light diffusion image and the three-dimensional light diffusion image, respectively (a) the plastic optical fiber itself, (b) no scattering material, (c) the scattering concentration 12.5% by weight, (d) shows the optical fiber prepared by curing after doping with a curing resin of 25.0% by weight of the scatterer concentration and 50.0% by weight of the scatterer concentration.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: 광원(Light source) 2: 컬러 필터(Color filter)1: Light source 2: Color filter
3: 광섬유 4: 지지체3: optical fiber 4: support
5: 종단발광형 광섬유의 광 방출단 6: 측면발광형 광섬유5: light emitting end of end emitting optical fiber 6: side emitting optical fiber
7: 비처리된 일반 광섬유 8: 산란체가 도입된 광섬유의 단면7: Untreated ordinary optical fiber 8: Cross section of the optical fiber with scattering body introduced
9: 선광원 10: 고분자 수지 9: line light source 10: polymer resin
11: 산란체 12: 광섬유 코어부11: scatterer 12: optical fiber core part
본 발명은 넓은 광 시야각을 가지는 조명용 광섬유와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유의 광 방출단 표면에 산란체가 함유된 액상의 고분자 수지를 도포한 후 고화시킴으로써, 광 섬유의 광 방출단에서의 효과적인 난반사를 유발시켜 현저히 넓은 광 시야각을 가지고, 열적, 광학적, 내화학적으로 안정한 특성을 나타내며, 사용되는 산란체 농도의 조절에 의하여 광확산, 집속 및 난반사의 정도를 조절할 수 있는 넓은 광 시야각을 가지는 조명용 광섬유와 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lighting optical fiber having a wide optical viewing angle and a method of manufacturing the same, and more particularly, by applying a solid polymer resin containing a scattering material on the surface of the optical emission end of the optical fiber and solidified, Efficient diffuse reflection in Essence, which has a significantly wider optical field of view, exhibits stable thermal, optical, and chemically stable properties, and a wide optical field of view that can control the degree of light diffusion, focusing, and diffuse reflection by adjusting the scatterer concentration used. It relates to an optical fiber for lighting and a method of manufacturing the same.
빛의 전반사를 이용한 광섬유는 급속히 증가하는 정보량에 있어 초고속 통신망을 비롯한 광통신 시스템에 있어 가장 핵심적인 소자이다. 이러한 광섬유를 이용한 또 다른 응용분야로써 조명용 광섬유를 들 수가 있는데 이는 조명 또는 디스플레이의 분야가 가지는 넓은 파급효과로 인해 오늘날 각 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히 화상 처리 기술 등에서 없어서는 안 되는 항목으로 제시되고 있다. Optical fiber using total reflection of light is the most important element in optical communication system including high speed communication network in the rapidly increasing information volume. Another application field using the optical fiber is an optical fiber for lighting, which is widely used in various fields today due to the wide ripple effect of the lighting or display field. In particular, it is proposed as an indispensable item in image processing technology.
이러한 광섬유를 이용한 조명은 우선 매질 자체가 빛만을 전달하므로 광섬유 자체에 열 발생이 없는 냉광원으로 피사체의 열에 의한 변형, 변색이 발생하지 않고, 주위 환경의 온도 습도 등에 영향을 미치지 않는다는 장점을 가진다. 또한 광원장치 내부에 필터를 장착하여 가시광 영역(400∼800 nm), 또는 특정 파장대의 빛만을 사용하는 것이 가능하며 일반 백열등, 형광등 및 네온등과 같은 일반조 명의 빛과는 달리 자연 환경과 잘 어우러져 산뜻하고 상쾌한 기분을 자아내는 빛을 연출할 수 있다. Since the light using the optical fiber first transmits only the light itself, it is a cold light source without heat generation in the optical fiber itself, which does not cause deformation or discoloration due to the heat of the subject and does not affect the temperature and humidity of the surrounding environment. In addition, by installing a filter inside the light source device, it is possible to use only visible light (400 to 800 nm) or light in a specific wavelength range. Unlike general incandescent lamps, fluorescent lamps and neon lights, it blends well with the natural environment. It can produce light that brings out fresh and refreshing feeling.
그리고, 빛만을 전달하므로 누전 및 방전과 같은 전기적 위험성과 무관하여, 옥외 및 수중 조명에 특히 유리하며, 유리관을 이용한 일반조명과는 달리 파손의 위험이 없고, 유연성이 뛰어나 자유로운 형상의 표현이 가능하며 협소, 굴곡 및 위험한 장소에도 조명이 가능하다. In addition, since it transmits only light, it is particularly advantageous for outdoor and underwater lighting regardless of electrical risks such as short circuit and discharge, and unlike general lighting using glass tube, there is no risk of damage, and flexibility is possible to express free shape. Illumination is possible in narrow, bent and dangerous places.
그밖에 조명 응용에 있어서 광섬유가 가지는 장점으로는 유지보수가 용이하며 비용이 절감된다는 것으로, 예를 들어 램프 교환 작업시 시간적 공간적 제약 (도로상, 오염지역과 같은 위험장소, 높은 곳이나 수중, 밀폐된 곳)과 위험성이 발생할 수 있는 일반 조명과는 달리 별도의 편리한 장소에 설치된 광원장치 내부의 램프만을 간단히 교환하는 것으로 완료할 수 있다. 또한 전력비용이 절감되며 내구성이 우수하며, 색상 변화 및 연출 방법이 다양하며, 균일한 고휘도 조명이 가능할 뿐 아니라 점조명, 면조명, 평행광 조명 및 라인 조명 등 조명방법이 다양하다는 특징을 들 수 있다. Other advantages of fiber optics in lighting applications include ease of maintenance and cost savings, for example, time and space constraints when replacing lamps (hazardous locations such as on roads, contaminated areas, high or underwater, enclosed). Unlike ordinary lighting, which can cause a danger, it can be completed by simply replacing the lamp inside the light source device installed in a separate convenient place. In addition, power cost is reduced, durability is excellent, color change and production methods are varied, uniform high brightness lighting is possible, and lighting methods such as point light, surface light, parallel light and line light are various. have.
이러한 광섬유를 이용한 조명 시스템은 다음과 같은 용도, 즉 건축조명, 경관 조명, 수중 조명, 산업용 조명 (Light Guide, Backlighting, Automobile, Optical Sensors) 및 의료용 조명(Image Transmission) 등에서 폭넓게 사용되고 있다.Lighting systems using optical fibers are widely used in the following applications, such as building lighting, landscape lighting, underwater lighting, industrial lighting (Light Guide, Backlighting, Automobile, Optical Sensors), and medical lighting (Image Transmission).
이와 같은 조명용 광섬유는 크게 종단발광형(도 1a)과 측면발광형(도 2b)으로 구분할 수 있다.Such an optical fiber for lighting can be classified into a longitudinal light emitting type (Fig. 1a) and a side light emitting type (Fig. 2b).
먼저, 종단발광형 광섬유는 광섬유의 시단에 빛이 입사하여 종단으로 방출되는 것을 이용한 것으로써 달리 점조명 이라고도 한다. 종단발광형 광섬유는 그 고유의 특성에 의하여 여러 개의 포인트(Point)를 주어 연출하고자 하는 형상을 이루어주고, 그 직경에 따라 각각의 포인트 사이의 거리를 조절해주어야 연출하고자 의도한 효과를 얻을 수 있으며, 또한 출광 부분의 처리 방법에 따라 얻어지는 효과가 다르다. First, the end-emitting type optical fiber uses light that enters the beginning of the optical fiber and is emitted to the terminal, which is also called point illumination. The end-emitting optical fiber has a number of points to achieve the shape to be produced by its inherent characteristics, and the distance between each point is adjusted according to its diameter to obtain the intended effect. Moreover, the effect obtained by the processing method of the light emission part differs.
다음으로 측면발광형 광섬유는 광섬유의 클래드 부에 손상을 주어 빛이 광섬유의 측면으로 새어나오는 효과를 이용한 것으로써, 건물외곽의 형태를 표현하고자 할 경우, 벽면 등에 형상을 표현하고자 할 경우 등에 적용할 수 있으며, 네온 사인(Neon Sign)을 직접적으로 대체할 수 있어서 네온 사인의 시공이 불가능한 물 속, 습기가 많은 곳 등에 적용되어 아무런 위험요소 없이 시공될 수 있다. Next, the side emitting type optical fiber uses the effect that light is leaked to the side of the optical fiber by damaging the clad part of the optical fiber, and it can be applied to express the shape of the exterior of a building, or to express the shape on a wall or the like. Neon sign can be directly replaced, so it can be installed without any risk factors, such as applied in water, wet places where the construction of the neon sign is impossible.
일반적으로 상기 조명용 광섬유, 특히 종단발광형 광섬유에서 가장 큰 문제점으로 제기되어 온 것은 방출되는 광의 광 시야각이 상당히 좁아 관찰자의 위치에 따른 가시성의 의존도가 크다는 점이다.In general, the biggest problem has been raised in the optical fiber for illumination, in particular the longitudinal light emitting optical fiber is that the optical field of view of the emitted light is very narrow, the dependence of visibility on the position of the observer is large.
시야각은 광섬유의 개구수(NA, Numerical Aperture)에 의해 결정된다. 즉, 광섬유에서 전반사를 일으키기 위해 구성되는 코어와 클래드 부의 굴절률 차에 의해 다음의 반응식 1로써 광섬유 광 방출부에서 광이 확산될 수 있는 각도가 산출되게 된다(도 2a 참조).The viewing angle is determined by the numerical aperture (NA, Numerical Aperture) of the optical fiber. That is, the angle at which light can be diffused in the optical fiber light emitting portion is calculated by the following
상기 반응식 1에서, n1은 코어부의 굴절률을 나타내고, n2는 클래드 부의 굴절률을 나타내며, 상기 n1와 n2는 각각 광섬유의 수광부와 광 방출부에서 선광원이 광섬유 내로 들어가거나 나올 수 있는 최대 각이다.In
상기 반응식 1에서와 같이 코어와 굴절률이 큰 광섬유일수록 광 방출부에서 선광원이 확산되는 각도가 크므로 조명용으로 사용되었을 때 보다 넓은 시야각을 확보할 수 있다. 그러나, 실제적으로 일반 광섬유의 경우 그 기존 제조 공정자체가 통신용 광섬유로서, 즉 개구수가 매우 작은 구조를 갖도록 설계 및 고정되어 있으며, 특히 유리 광섬유의 경우 코어부가 높은 굴절률을 갖도록 제조하는 것은 상당히 어려운 고가의 공정이다. As shown in
마찬가지로 플라스틱 광섬유의 경우에도 고분자 물질을 사용하여 코어와 클래드 부의 굴절률 차이를 극단적으로 크게 주는 것이 고분자 물질의 특성상 어렵다. 실제 적용시 클래드 부의 굴절률 감소를 위하여 굴절률이 매우 낮도록 합성된 불소계 고분자를 사용하기도 하는데, 이러한 방법으로 클래드 부를 제조할 경우 사용되는 고분자 물질의 단가가 매우 비싸기 때문에 일반적으로 저가의 조명용 광섬유에 적용은 그리 적절하지 못하다. Similarly, in the case of plastic optical fibers, it is difficult to give an extremely large difference in refractive index between the core and the clad part by using a polymer material. In practical applications, fluorinated polymers synthesized to have a very low refractive index may be used to reduce the refractive index of the clad part. In this way, when the clad part is manufactured, the cost of the polymer material used is very high. Not so appropriate.
또한, 서로 다른 작용기를 가지는 단량체의 공중합 시 상분리에 의해 발생되는 미세한 불균일성이 가시광 영역에서 강한 산란을 일으킴을 이용하여 액정 디스 플레이에서의 백 라이트(back-light)의 확산 필름으로 사용한 기술이 제안되기도 하였으나[akamitsu Okumura, Takeshi Ishikawa, Akihiro Tagaya and Yasuhiro Koike Appl. Opt. 5 269-275 (2003)], 상기의 경우를 광섬유에 적용하면, 작용기가 다른 단량체들을 광섬유의 단면이나 측면에 도포시, 특히 플라스틱 광섬유일 경우 상기 단량체가 플라스틱 광섬유를 녹이는 문제가 발생한다. 이때 상기 플라스틱 광섬유의 코어와 클래드 부의 구조의 변형을 초래할 수 있기 때문에, 처음부터 이러한 작용기가 다른 단량체를 사용하여 불균일성이 높은 코어를 가지는 광섬유를 별도로 제작하지 않는 한 실제 공정에 적용하기에 상당한 문제가 있다.In addition, a technique of using as a back-light diffusion film in a liquid crystal display has been proposed by using a fine nonuniformity caused by phase separation during copolymerization of monomers having different functional groups causing strong scattering in the visible region. However, [akamitsu Okumura, Takeshi Ishikawa, Akihiro Tagaya and Yasuhiro Koike Appl. Opt. 5 269-275 (2003)], when the above case is applied to an optical fiber, when monomers having different functional groups are applied to a cross section or side surface of the optical fiber, in particular, when the plastic optical fiber, the monomer melts the plastic optical fiber. In this case, since the structure of the core of the plastic optical fiber and the clad portion may be deformed, there is a significant problem to be applied to the actual process unless an optical fiber having a core having a high non-uniformity is produced by using other monomers from the beginning. have.
따라서, 이러한 해결 방안으로써 주로 제시되어온 것은 광섬유의 광방출 단면에 소정의 식각공정을 통해 다각경면을 가지거나 미세한 돌출 형상을 갖는 특정 형상을 도입하여 광섬유로부터 방출되는 광의 난반사, 집속 또는 확산을 유도함으로써 종래의 평편한 단부면의 광섬유를 사용하는 조명장치와는 달리 관측자에 대하여 넓은 시야각을 갖도록 하였다[대한민국 등록실용신안공보 제20-0342704호]. Therefore, this solution has been mainly proposed by inducing diffuse reflection, focusing or diffusion of light emitted from an optical fiber by introducing a specific shape having a polygonal mirror surface or a fine protrusion shape through a predetermined etching process on the light emitting cross section of the optical fiber. Unlike a conventional lighting device using an optical fiber with a flat end face, the viewer has a wide viewing angle with respect to the observer (Korean Registered Utility Model Publication No. 20-0342704).
그러나, 상기한 광섬유를 건축조명, 경관 조명, 수중 조명 및 산업용 조명 등의 용도로 사용할 경우, 유리 광섬유 및 플라스틱 광섬유 등의 광섬유의 재료에 관계없이 장기간 우천이나 장마에 의한 누수 또는 먼지의 흡착 등에 의하여 상기 광섬유의 미세 가공된 단면이 기대했던 역할을 충분히 수행할 수 없다. However, when the above optical fiber is used for architectural lighting, landscape lighting, underwater lighting, industrial lighting, etc., regardless of the material of the optical fiber such as glass optical fiber and plastic optical fiber, by long-term rain or rainy season, water leakage or dust adsorption The microfabricated cross section of the optical fiber cannot fulfill the expected role sufficiently.
뿐만 아니라, 특히 플라스틱 광섬유의 경우 계절의 변화에 따른 온도의 반복적인 변화로 인해 상기 광섬유의 단면에 형성된 미세 가공 형상이 장기간 유지되지 않기 때문에 이를 보호하는 여타의 필름 막이나 다른 고가의 패키징이 필요하고, 이들을 유지 및 보수하기 위한 작업이 별도로 요구되며, 더 나아가서는 주기적인 교체가 불가피하다. In addition, especially in the case of plastic optical fibers, due to the repetitive change in temperature due to the change of season, the microfabricated shape formed on the cross-section of the optical fiber is not maintained for a long time, so other film film or other expensive packaging to protect it is necessary. However, work is required to maintain and repair them, and further periodic replacement is inevitable.
그러나, 광섬유를 이용한 조명 시스템은 현재 대부분의 공급업체들이 공정 면에서 노동집약적이며 영세한 규모로 제조하고 있으며, 또한 상기와 같은 단면 미세 가공의 경우 그 공정이 매우 고가이며 복잡할 뿐 아니라 광의 확산이나 집속 또는 난반사의 정도를 조절하기 위해서는 미세 가공공정이, 특히 식각을 통한 공정일 경우 최적화 조건을 확립하기 위해 많은 연구개발이 뒤따라야 하므로, 실제적인 조명 시장에서 경쟁력을 확보할 수 없게 된다는 제약이 뒤따른다.However, lighting systems using fiber optics are currently manufactured in a labor-intensive and subtle scale by most suppliers, and in the case of the above-mentioned microfabrication, the process is very expensive and complicated, In order to control the degree of focusing or diffuse reflection, a lot of research and development must be followed to establish optimization conditions, especially in the case of an etching process, and thus, it is impossible to secure competitiveness in the actual lighting market. .
이에 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 광섬유가 가지는 좁은 광 시야각 등의 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 광섬유의 표면에 산란체가 분산된 액상의 고분자 수지를 도포한 후 고화시킬 경우 광 방출단에 효과적인 난반사가 유발되어 시야각이 현저히 넓어지고, 외부 먼지 흡착이나 누수에 의한 광특성의 저하가 배제되며, 열적, 광학적 및 화학적 안정성이 우수한 조명용 광섬유를 제조할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the inventors of the present invention have been researched to solve the problems of the narrow optical viewing angle of the optical fiber as described above, and when applied to solidify the liquid polymer resin in which the scattering material is dispersed on the surface of the optical fiber, it is effective for the light emitting end. The present invention has been found to be capable of producing an optical fiber with excellent thermal, optical, and chemical stability, by which diffuse reflection causes a wider viewing angle, eliminates deterioration of optical characteristics due to external dust adsorption or leakage, and has excellent thermal, optical, and chemical stability.
따라서, 본 발명은 보다 간단하고 경제적인 방법으로 이루어져서 실제 조명 시장에서 충분히 적용될 수 있으면서도 제조된 광섬유의 특성이 개선되어 넓은 광 시야각을 가지는 조명용 광섬유와 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a lighting optical fiber having a wide optical viewing angle and a method of manufacturing the same, by improving the characteristics of the manufactured optical fiber while being sufficiently applied in a simpler and more economical method, and in the actual lighting market.
본 발명은 광원과 접속되어 광을 수광하는 일단과, 이와 구별되는 광 방출단으로 구성된 광섬유에 있어서, 상기 광 방출단의 표면에 산란체가 분산된 고분자 수지가 도포된 조명용 광섬유를 특징으로 한다.The present invention is characterized in that an optical fiber composed of one end which is connected to a light source and receives light and a light emitting end which is distinct from the light emitting end, is coated with a polymer resin in which a scattering material is dispersed on the surface of the light emitting end.
또한 본 발명은 액상의 고분자 수지에 산란체를 분산시키는 과정과, 상기 산란체가 분산된 고분자 수지 용액을 광섬유의 광 방출단 표면에 도포한 후 고화시키는 과정을 포함하는 조명용 광섬유의 제조방법을 포함한다.In another aspect, the present invention includes a method for manufacturing an optical fiber for illumination comprising the step of dispersing the scatterer in a liquid polymer resin, and the step of applying the polymer resin solution in which the scatterer is dispersed on the surface of the light emitting end of the optical fiber and then solidifying. .
이와 같은 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in detail as follows.
본 발명은 광섬유의 광 방출단 표면에 산란체가 함유된 액상의 고분자 수지를 도포한 후 고화시킴으로써, 광 섬유의 광 방출단에서의 효과적인 난반사를 유발시켜 현저히 넓은 광 시야각을 가지고, 열적, 광학적, 내화학적으로 안정한 특성을 나타내며, 사용되는 산란체와 고분자 수지의 굴절률의 차이를 산란체의 농도 조절 등과 같은 간단한 방법으로 조절하여 광확산, 집속 및 난반사의 정도를 조절할 수 있는 넓은 광 시야각을 가지는 조명용 광섬유와 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is applied to the liquid polymer resin containing the scattering material on the surface of the light emitting end of the optical fiber and then solidified, thereby causing effective diffuse reflection at the light emitting end of the optical fiber has a significantly wide optical viewing angle, thermal, optical, internal It is chemically stable and has a wide optical viewing angle that can control the degree of light diffusion, focusing and diffuse reflection by controlling the difference between the refractive index of the scattering body and the polymer resin used by simple methods such as the concentration of the scattering body. It relates to a method for producing the same.
이하, 본 발명의 조명용 광섬유를 실험의 편의상 종단 발광형 광섬유에 대한 사례를 중심으로 그에 따른 광특성을 설명하고 있으나, 측면 발광형 광섬유에도 똑같이 적용될 수 있다.Hereinafter, the optical properties for the illumination optical fiber of the present invention will be described based on the case of the longitudinally emitting light-emitting optical fiber for the convenience of experiments, but the same can be applied to the side-emitting optical fiber.
본 발명은 광섬유의 광 방출단에서 강한 광산란을 일으키기 위해 산란체를 액상의 고분자 수지에 균일하게 분산시킨 후 고화시킨다.The present invention uniformly disperses the scattering body in the liquid polymer resin in order to cause strong light scattering at the light emitting end of the optical fiber and to solidify.
즉, 본 발명은 사용하는 산란체와 고분자 수지의 굴절률의 차이를 이용하여 발현되는 광확산 및 난반사 등의 광특성을 광섬유에 적용하고자 한 것으로서, 상기 산란체와 고분자 수지의 굴절률은 조명용 광섬유의 용도에 따라서 산란체와 액상의 고분자 수지를 선택 사용함으로써 조절 가능하며, 또한 액상의 고분자 수지 내에 분산될 산란체의 농도를 조절하는 방법을 적용하는 간단한 방법으로도 조절 가능하다. 상기 산란체를 액상의 고분자 수지에 분산시킨 후 광섬유의 광 방출단에 도포하여 고화시킴으로써, 광의 확산, 집속 및 난반사를 유도하는 것으로 광특성의 조절이 기존의 자연발생적인 상분리에 의한 조절이나 광섬유 광 방출단에 복잡한 식각 공정을 통한 조절에 비해 단순히 산란체의 굴절률이나 농도를 적절히 조절함으로써 얻을 수 있는 보다 간단한 공정을 제공함에 그 기술구성상의 특징이 있다.That is, the present invention intends to apply optical characteristics such as light diffusion and diffuse reflection to the optical fiber by using the difference between the refractive index of the scatterer and the polymer resin to be used, and the refractive index of the scatterer and the polymer resin is used for the optical fiber for illumination. According to the present invention, the scattering body and the liquid polymer resin may be selected and used, and the method of controlling the concentration of the scattering agent to be dispersed in the liquid polymer resin may be controlled by a simple method. The scattering material is dispersed in a liquid polymer resin, and then applied to the light emitting end of the optical fiber and solidified, thereby inducing light diffusion, focusing, and diffuse reflection. Compared with the control through the complicated etching process, the emission stage provides a simpler process that can be obtained by simply adjusting the refractive index or concentration of the scatterer.
상기 산란체는 나노 미터 크기에서부터 서브 마이크론 크기, 수십 마이크론(10 nm ~ 10 ㎛) 크기에 이르기까지 광산란을 유도하고자 하는 특정 파장에 준하는 다양한 크기를 가지는 산란체를 사용할 수 있으며, 액상의 고분자 수지에 용해되지 않는 특성을 가진 것을 사용한다. 이러한 산란체의 크기의 분포에 있어 단분산을 가지는 산란체 입자를 사용하는 경우 특정 광원영역에서 강한 광산란을 유도할 수 있다. 또는 다분산, 즉 다양한 크기 분포를 가지는 입자들을 사용하여 광원의 종류에 크게 관계없이 광산란을 일으키도록 한다[첨부도면 도 2의 (b),(c) 및 (d) 참조].The scatterers may use scatterers having various sizes corresponding to a specific wavelength to induce light scattering, ranging from nanometer size to submicron size and tens of microns (10 nm to 10 μm). Use something that does not dissolve. When using scatterer particles having monodispersity in the size distribution of such scatterers, strong light scattering may be induced in a specific light source region. Alternatively, polydispersion, that is, particles having various size distributions, are used to cause light scattering regardless of the type of light source (see (b), (c) and (d) in FIG. 2).
상기와 같은 광산란을 얻기 위해 사용하는 산란체로는 광 방출단에서 나오는 광원에 대한 흡수가 크지 않은 물질을 사용하도록 하는데, 즉, 가시광 영역에서 투명하고, 분산매인 고분자 수지의 굴절률과 차이가 큰 입자를 사용하여 강한 광산란 을 일으킬 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 산란체와 고분자 수지의 굴절률의 차이가 0.001 ~ 0.3 범위인 것을 사용하는데, 굴절률의 차이가 작을경우 효과적인 광산란 효과에 따른 넓은 광시야를 얻을 수 없고, 상대적으로 굴절률의 차가 클수록 광산란 효과에 따른 넓은 광시야를 얻을 수는 있으나, 광섬유에서 특정 방향으로 발산되어 나가는 광량이 과도한 산란으로 줄어들기 때문에 먼거리에서의 가시성이 떨어진다는 문제점이 있다.As a scattering body used to obtain light scattering as described above, a material having a small absorption for a light source emitted from a light emitting stage is used, that is, a particle having a large difference from the refractive index of a polymer resin that is transparent in the visible region and is a dispersion medium. It is preferable to use one that can cause strong light scattering. In this case, the difference between the refractive index of the scatterer and the polymer resin is in the range of 0.001 to 0.3. When the difference in the refractive index is small, a wide light field cannot be obtained according to the effective light scattering effect. Although a wide optical field can be obtained, there is a problem that visibility at a distance is inferior because the amount of light emitted in a specific direction is reduced by excessive scattering.
이러한 산란체는 구체적으로 예를 들면, 아크릴레이트, 스틸렌, 우레탄 및 이미드 등 중에서 선택된 수지 입자; 실리콘산화물(SiO2), 티타늄산화물(TiO2), 아연산화물(ZnO) 및 주석산화물(SnO2) 등 중에서 선택된 금속산화물 입자; 금(Au), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 등 중에서 선택된 금속 입자 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.Such scatterers are specifically, for example, resin particles selected from acrylate, styrene, urethane, imide and the like; Metal oxide particles selected from silicon oxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and the like; One or a mixture of two or more selected from metal particles selected from gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni) and the like can be used.
상기 산란체 물질에 있어 수지 입자를 사용할 경우, 사용되는 액상 고분자 수지와의 굴절률 차이를 배가시키기 위해 치환 또는 비치환된 굴절률 1.350 ~ 1.632 범위의 유기 단분자를 도핑하여 사용할 수 있다. When the resin particles are used in the scattering material, organic single molecules having a substituted or unsubstituted refractive index of 1.350 to 1.632 may be used to double the difference in refractive index with the liquid polymer resin used.
상기 유기 단분자로는 낮은 굴절률을 갖는 불소 계열, 중수소 계열 등의 유기 단분자, 그리고 높은 굴절률을 갖도록 벌키(bulky)한 페닐기나 벤질기를 포함한 설파이드 계열, 포스페이트계열, 벤조이트 계열 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 굴절율이 상기 범위에 속하기만 하면 어떤 것이든 사용할 수 있다. As the organic monomolecules, organic monomolecules such as fluorine series and deuterium series having a low refractive index, and sulfide series including a bulky phenyl group or benzyl group having a high refractive index, phosphate series, and benzoate series may be used. However, the present invention is not limited thereto, and any one may be used as long as the refractive index falls within the above range.
일반적으로 굴절률이 낮은 유기 단분자는 끓는점이 낮기 때문에 이후에 액상의 고분자 수지 내에서 기포를 발생시키는 등 열안정성이 떨어지므로 산란체로서 수지 입자를 사용할 경우 도포용으로 쓰이는 고분자 수지의 굴절률보다 산란체의 굴절률이 높도록 높은 굴절률을 가지는 유기 단분자를 산란체로 사용될 수지 입자에 도핑하는 것이 바람직하다. 그 밖에 산란체로써 산화물 계열을 사용할 경우 사용되는 액상 고분자 수지의 굴절률을 고려하여 산란체용 산화물의 종류와 양을 고려할 수 있다. 그러나 금속입자와 마찬가지로 산화물 입자도 자체가 가지는 밴드갭 특성으로 인해 광섬유에서 도파되는 광의 파장이 밴드갭의 에너지와 비슷할 경우 광의 효과적인 흡수로 인해 광안정성을 보장할 수 없으므로 사용되는 광원의 파장, 굴절률, 조성 등을 고려해야한다.In general, organic monomolecules with low refractive index have a low boiling point, and thus have low thermal stability, such as generating bubbles in the polymer resin in the liquid phase, so that when the resin particles are used as a scattering body, the scattering body is larger than the refractive index of the polymer resin used for coating. It is preferable to dope an organic single molecule having a high refractive index so as to have a high refractive index of the resin particles to be used as a scattering body. In addition, in the case of using an oxide-based scatterer, the type and amount of the oxide for the scatterer may be considered in consideration of the refractive index of the liquid polymer resin used. However, like metal particles, oxide particles, because of their bandgap characteristics, can not guarantee light stability due to the effective absorption of light when the wavelength of the light guided by the optical fiber is close to the energy of the bandgap. Therefore, the wavelength, refractive index, The composition should be taken into account.
상기와 같은 산란체는 액상의 고분자 수지에 분산시켜 본 발명의 조명용 광섬유의 광 방출단에 적용된다. 즉, 분산된 산란체 입자를 광섬유 광 방출단에 부착 및 고정시키기 위해 자외선 조사 또는 열 등에 의해 고화되는 액상의 고분자 수지를 사용하여 분산매와 부착제의 역할을 하도록 사용한다. Such a scatterer is dispersed in a liquid polymer resin and applied to the light emitting end of the optical fiber for illumination of the present invention. That is, in order to attach and fix the scattered scattering particles to the optical fiber light emitting end, it is used to act as a dispersion medium and an adhesive using a liquid polymer resin solidified by ultraviolet irradiation or heat.
본 발명의 액상의 고분자 수지는 유리 광섬유, 플라스틱 광섬유, 또는 고분자로 구성된 클래드 부를 가지는 광섬유 등의 광섬유의 모재로 사용된 재료의 종류에 따라 선택적으로 사용가능하다. 즉, 본 발명에서 사용하고자 하는 액상의 고분자 수지는 상기 산란체의 분산매 및 지지체로서 작용하여 광섬유에 도포되며 고화되는 것이기만 하면 당업계에서 사용되는 어떠한 고분자 수지라도 사용가능하다. 특히 플라스틱 광섬유나 고분자 클래드 광섬유의 경우 이러한 광섬유 자체 를 효과적으로 녹이지 않는 고분자 수지라야 한다. 또한, 상기 고분자 수지를 고화시키는 방법은 자외선 조사, 열조사 및 전기력의 사용 등의 다양한 방법이 적용될 수 있다.The liquid polymer resin of the present invention can be selectively used depending on the kind of material used as the base material of the optical fiber, such as a glass optical fiber, a plastic optical fiber, or an optical fiber having a clad portion composed of a polymer. That is, the liquid polymer resin to be used in the present invention may be any polymer number used in the art as long as it is applied to the optical fiber and solidified by acting as the dispersion medium and the support of the scatterer. Especially in the case of plastic optical fiber or polymer clad optical fiber, it should be a polymer resin which does not dissolve such optical fiber itself. In addition, the method of solidifying the polymer resin may be applied to various methods such as ultraviolet irradiation, heat irradiation and the use of electric force.
예를들어, 열경화성 수지를 사용할 경우 분산매인 고분자 수지를 경화시키는데 열이 필요하게 되고, 이는 특히 조명용 광원으로 많이 사용되는 플라스틱 광섬유에 있어서 플라스틱 광섬유 인출 시 또는 사출 시에 발생하는 스트레스로 인해 플라스틱 광섬유 내의 잔류응력이 열에 의해 해소하게 됨으로써 광섬유의 형태가 수축 및 변형되게 되어 원래 기대하였던 광섬유의 광특성을 가질 수 없게 된다. 상기의 경우 자외선 경화 수지를 사용하면 좋은데, 자외선 조사에 의해 분산매를 경화시킴으로써 열에 의한 광섬유의 변형 문제를 배제시킬 수도 있다. For example, when thermosetting resin is used, heat is required to cure the polymer resin as a dispersion medium, which is particularly important in the plastic optical fiber due to the stress generated during the extraction or injection of the optical fiber, especially in the plastic optical fiber which is widely used as a light source for lighting. As the residual stress is solved by heat, the shape of the optical fiber is contracted and deformed, so that the optical properties of the optical fiber originally expected cannot be obtained. In the above case, an ultraviolet curable resin may be used, but the problem of deformation of the optical fiber due to heat can be eliminated by curing the dispersion medium by ultraviolet irradiation.
본 발명에서 사용하는 액상의 고분자 수지는 점도 범위가 300 ~ 2,000 cps (25 ℃) 인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 점도가 300 cps 미만이면 고분자 수지 내에 균일한 분산은 용이하나 광섬유 단면이나 측면에 원하는 형태의 도포가 불가능하다. 실제 공정에서 광섬유에 도포함에 있어 일정량 이상의 산란체를 적절히 도입하기 어렵다는 점과 과도한 부피 수축 등 여러 가지 어려움이 있다. 점도가 적당히 높을 경우 균일한 분산에 상당한 노력이 요구되나 실제 광섬유에 산란체를 도입하여 도포하는 것이 용이하다. 즉 점도의 정도는 광섬유에로의 산란체의 도입에 있어 상당히 중요한 조절 변수로써 작용한다. 점도가 2,000 cps를 초과하면 균일한 분산이 거의 불가능하며 광섬유에 도포하는 공정에도 어려움이 따른다.The liquid polymer resin used in the present invention preferably has a viscosity range of 300 to 2,000 cps (25 ° C.), and if the viscosity is less than 300 cps, uniform dispersion in the polymer resin is easy but desired for the optical fiber cross section or side surface. Application of the form is impossible. In the actual process, it is difficult to properly introduce more than a certain amount of scatterers in the optical fiber, and there are various difficulties such as excessive volume shrinkage. If the viscosity is moderately high, considerable effort is required for uniform dispersion, but it is easy to introduce and apply a scatterer to the actual optical fiber. In other words, the degree of viscosity acts as a very important control parameter in the introduction of scatterers into the optical fiber. If the viscosity exceeds 2,000 cps, it is almost impossible to uniformly disperse and also difficult to apply to the optical fiber.
또한 점도를 가지는 액상의 고분자 수지는 특히 종단 발광형 광섬유에 도입할 경우 광섬유 단면 위에 한 방울 정도 떨어뜨렸을 경우, 그 자체가 가지는 표면장력으로 인해 반구형의 형태로 광섬유 단면을 도포하게 되며, 이 상태에서 자외선 조사로 경화시키면 그 상태의 형상을 유지하면서 고화되므로 볼록 렌즈 형태의 광섬유 단면 처리가 이루어지게 된다. 상기와 같이 액상의 고분자 수지의 점도와 표면장력을 적절히 조절함으로써 상기 볼록 렌즈 형태로 경화된 구의 반경을 조절하여 광섬유 렌즈의 초점거리를 조절할 수 있다.In addition, when the liquid polymer resin having a viscosity is dropped to about one drop on the optical fiber cross section, especially when it is introduced into a longitudinal light emitting optical fiber, the optical fiber cross section is applied in a hemispherical shape due to the surface tension itself. Curing by ultraviolet irradiation solidifies while maintaining the shape of the state, the cross-sectional processing of the optical fiber in the form of a convex lens is made. By appropriately adjusting the viscosity and surface tension of the liquid polymer resin as described above it is possible to control the focal length of the optical fiber lens by adjusting the radius of the cured sphere in the form of the convex lens.
상기 종단 발광형 광섬유의 경우 볼록 렌즈의 원리를 도입하여 볼록 렌즈 구 반경에 따른 초점거리의 조절로 시야각을 조절할 수 있으나, 이에 산란체 입자가 균일하게 분산되어 볼록 렌즈 형태로 고분자 수지 내에 삽입된 경우, 사용된 산란체 입자들의 농도, 고분자 수지와 산란체 입자의 굴절률 차, 그리고 볼록렌즈의 구 반경 등에 따라 광의 확산, 집속, 난반사의 특성을 간단하게 조절할 수 있다. In the case of the longitudinal emission optical fiber, the viewing angle may be adjusted by controlling the focal length according to the radius of the convex lens by introducing the principle of the convex lens, but the scattering particles are uniformly dispersed and inserted into the polymer resin in the form of the convex lens. Depending on the concentration of the scattering particles used, the difference in refractive index between the polymer resin and the scattering particles, and the spherical radius of the convex lens, it is possible to easily adjust the characteristics of light diffusion, focusing, and diffuse reflection.
이러한 광섬유는 계단형(step index, SI), 언덕형 굴절률 분포(grade-index. GI) 등의 형태, 사용되는 광섬유의 직경(100 ㎛ ~ 5 ㎝)의 변화 및 광섬유 다발(bundle) 등으로 그 적용하고자 하는 용도에 따라 다양하게 제조될 수 있다.Such optical fibers may be classified into a step index (SI), a hill-shaped refractive index distribution (grade-index.GI), a change in the diameter of the optical fibers used (100 μm to 5 cm), and a bundle of optical fibers. It can be produced in various ways depending on the intended use.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.
제조예 1 ~ 10 : 산란체가 분산된 경화 수지의 제조Preparation Examples 1 to 10: preparation of a cured resin in which scatterers were dispersed
나트륨 D선 파장(589 ㎚)에서의 굴절율이 1.524 인 액상의 자외선 경화 수지(Noland Optical Adhesive 65, Norland Products, INC., cranbery, NJ 08512, 1,200 cps) 5 g과, 다음 표 1에 나타낸 산란체를 기계적 교반기를 사용하여 20 ~ 30 rpm으로 24 시간 정도 교반시켜서 균일하게 분산시킨 후 40 ℃ 정도로 조절된 초음파 교반기에 넣고 6 ~ 10 시간 동안 분산시켜서 산란체가 분산된 경화 수지를 제조하였다.5 g of a liquid ultraviolet curable resin (Noland Optical Adhesive 65, Norland Products, INC., Cranbery, NJ 08512, 1,200 cps) having a refractive index of 1.524 at the sodium D-ray wavelength (589 nm), and the scatterers shown in Table 1 below. After stirring for 20 hours at 20 ~ 30 rpm using a mechanical stirrer to uniformly disperse, put into an ultrasonic stirrer adjusted to about 40 ℃ to disperse for 6 to 10 hours to prepare a cured resin dispersed in a scattering body.
실시예 : 산란체가 분산된 경화 수지가 도핑된 광섬유의 제조Example: Preparation of Optical Fiber Doped with Curing Resin Dispersed
실험적인 편의성을 위해 대구경의 단면적의 지름이 0.75 ㎜와 1 ㎜ 인 플라스틱 조명용 광섬유[메틸메타아크릴레이드(굴절률 n=1.490)와 벤질메타아크릴레이트(n=1.568)을 원심력 증착중합법으로 제작한 플라스틱 광섬유, 언덕형 굴절률 분포, 개구수, numerical aperture = 0.245]를 사용하였다. Plastic made by centrifugal force deposition polymerization of plastic optical fiber [methyl methacrylate (index of refraction n = 1.490) and benzyl methacrylate (n = 1.568) of 0.75 mm and 1 mm in diameter of large diameter for experimental convenience) Optical fiber, hill-shaped refractive index distribution, numerical aperture, numerical aperture = 0.245].
상기 광섬유를 실제적으로 종단 발광형 광섬유에 사용되는 길이인 1 m 간격으로 깨끗이 절단하고 절단된 양쪽 단면을 2 ㎛ 정도의 거칠기를 갖는 연마 종이로 연마하였다. 단면 연마작업을 통하여 준비된 플라스틱 조명용 광섬유의 단면에 상기 제조예에서 제조된 산란체가 분산된 자외선 경화 수지 용액을 주사기를 사용하여 도포시키고, 상기 도포면이 위를 향하도록 광섬유를 수직으로 세워서 중심파장이 254 ~ 365 nm인 수은-제논(Hg-Xe) 자외선 램프 광원을 사용하여 15 분 조사하여 상기 자외선 경화 수지를 경화시켜서 본 발명의 조명용 광섬유를 제조하였으며,이를 주사현미경 사진으로 그 결과를 첨부도면 도 3에 나타내었다. The optical fiber was actually cut cleanly at intervals of 1 m, which is the length used for the end-emitting optical fiber, and both cut sections were polished with an abrasive paper having a roughness of about 2 μm. A UV-curable resin solution in which the scattering material prepared in Preparation Example was dispersed was applied to the end face of the plastic illumination optical fiber prepared by the end face polishing operation using a syringe, and the center wavelength was 254 by setting the optical fiber vertically so that the coated surface faced upward. Irradiation of 15 minutes using a mercury-xenon (Hg-Xe) ultraviolet lamp light source of ~ 365 nm to cure the UV-curable resin to prepare the optical fiber for illumination of the present invention, which is attached to the results by scanning microscope picture Shown in
상기 도 3은, 제조예 경화수지가 도포된 직경 1 mm의 조명용 광섬유의 단면(a)과 측면(b)과, 제조예 경화수지가 도포된 직경 0.75 mm의 조명용 광섬유의 단면(c)과 측면(d)를 나타낸 것으로서, 광섬유 단면에 볼록렌즈 형태의 경화된 수지가 잘 도포되었음을 알 수 있다. 또한, 분산된 산란체, 마이크론 크기의 입자들이 고분자 내외 표면에 존재함을 확인하였다(e).3 is a cross-sectional view (a) and a side surface (b) of a 1 mm diameter optical fiber coated with a cured resin, and a cross section (c) and a side surface of a 0.75 mm diameter optical fiber with a cured resin, As shown in (d), it can be seen that the cured resin in the form of a convex lens was well coated on the optical fiber cross section. In addition, it was confirmed that the dispersed scatterer, micron-sized particles are present on the inside and outside surfaces of the polymer (e).
실험예 : 종단 발광형 광섬유의 근접장 이미지 확인Experimental Example: Confirming Near-field Image of Terminating Light Emitting Fiber
상기와 같이 제조된 조명용 광섬유에 635 nm 반도체 레이저를 수광시켜 광 방출단의 측면을 근접장 이미지 (near-field image)로 확인하고자 5X의 배율을 갖는 대물렌즈를 광섬유 광 방출단의 측면에 초점을 맞추고 이를 카메라(CCD)로 상을 찍은 후 그 결과를 첨부도면 도 4와 도 5에 각각 나타내었으며, 이때, 각각의 이미지의 스케일은 동일함을 밝혀둔다.Focusing the objective lens having a magnification of 5X on the side of the optical fiber light emitting end to receive a 635 nm semiconductor laser on the illumination optical fiber manufactured as described above to check the side of the light emitting end as a near-field image. After taking the image with the camera (CCD), the results are shown in FIGS. 4 and 5, respectively, wherein the scale of each image is the same.
상기 도 4의 (a)는 아무런 처리를 하지 않은 광섬유를 나타내며, 빛이 확산되는 각도가 현저히 작음을 알 수 있다. 산란체를 도입하지 않고 자외선 경화 수지로써 광섬유 광 방출단에 볼록렌즈를 제조한 (b)의 경우 초점거리에서 빛이 모였다가 다시 확산하는 형태로 나타나서 광섬유에서 조금 떨어진 부분, 즉 초점거리 이상에서는 시야각이 넓어지는 것을 확인할 수 있었다. 즉 도포에 이용되는 고분자 수지의 점도를 조절할 경우 표면 장력의 차이에 따라 볼록렌즈의 굴곡 반경을 조절할 수 있으며 이에 따라 초점거리 즉 광 확산각을 조절할 수 있다. 4 (a) shows an optical fiber without any treatment, and it can be seen that the angle at which light is diffused is significantly small. In the case of (b) in which convex lenses were manufactured at the optical fiber light emitting end using an ultraviolet curing resin without introducing scatterers, light gathered at the focal length and diffused again, so that the viewing angle was slightly separated from the optical fiber, that is, at the focal length or more. It was confirmed that this widened. That is, when adjusting the viscosity of the polymer resin used for coating, the bending radius of the convex lens can be adjusted according to the difference in the surface tension, and thus the focal length, that is, the light diffusion angle, can be adjusted.
상기 제조예 1 ~ 3을 사용하여 제조한 광섬유인 (c), (d) 및 (e)의 경우 광섬유 광 방출단에서 강한 산란에 의해 광확산이 일어나 광섬유 광 방출단의 전 방향에서 매우 넒은 시야각의 개선 효과를 확인할 수 있다. 이때 산란체가 도입된 (c), (d) 및 (e)의 경우 (b)의 경우에서처럼 빛의 집속 현상이 관찰되지 않는 이유는 산란체에 의한 강한 산란에 의해 광섬유 광 방출단의 볼록렌즈 역할이 제약받기 때문으로 사료된다.In the case of (c), (d) and (e), which are optical fibers manufactured using the above Preparation Examples 1 to 3, light diffusion occurs due to strong scattering at the optical fiber light emitting end, so that the viewing angle is very thin in all directions of the optical fiber light emitting end. The improvement effect can be confirmed. At this time, as in the case of (c), (d), and (e) in which the scatterers are introduced, the reason why the light focusing phenomenon is not observed is due to the strong scattering by the scatterers, which serves as the convex lens of the optical fiber light emitting stage. This is due to the restriction.
동일한 방법으로 직경 0.75 mm의 플라스틱 광섬유에, 산란체의 농도를 달리하여 제조한 자외선 경화 수지(제조예 1 ~ 3)를 도포한 후 경화시켜 제조한 조명용 광섬유의 광 방출단 측면에서의 광확산에 대한 근접장 사진으로써, 좌로부터 실제 광섬유에서 나오는 빛의 확산 정도의 실사진, 이차원 광확산 이미지와 3차원 광확산 이미지를 각각 나타내었으며, 상기 도 4의 결과와 동일한 광특성을 보임으로써 조명용 광섬유에서 광 시야각이 현저하게 증가됨을 확인할 수 있었다. In the same manner, the optical fiber of 0.75 mm in diameter was coated with UV curable resins (manufacture examples 1 to 3) prepared by varying the concentration of scattering material, and then cured to obtain light diffusion from the light emitting end of the optical fiber for illumination. As a near field photograph, a real photograph, a two-dimensional light diffusion image, and a three-dimensional light diffusion image of the degree of diffusion of light from an optical fiber from the left side were respectively shown, and the optical viewing angle in the optical fiber for illumination was shown by showing the same optical characteristics as the result of FIG. It was confirmed that this is increased significantly.
표 1에서 언급한 여러 입자의 종류에 대해서도 위와 동일한 방법으로 고분자경화 수지 5g에 각각의 스틸렌(평균 직경 3 micron, Aldrich), 우레탄(평균 직경 2 micron, 현탁중합 및 경화)및 이미드 수지(평균 직경 3 micron, 현탁중합)로 제조된 마이크로 입자 (입자 크기 분포, 0 ~ 10 micron) 등 중에서 선택된 수지 입자; 실리콘산화물(SiO2 powder, 5 ~ 25 1 micron, Aldrich), 티타늄산화물(TiO2 powder, 99.99% Merck index 13,9398, < 5 micron, Aldrich), 아연산화물(ZnO powder, 99.99% Merck index 13,8856, 10 micron, Aldrich) 및 주석산화물(SnO2 powder, 99.99% Merck index 13,10200, < 1 micron, Aldrich) 금속 입자 니켈(Ni powder, 99.99% Merck index 13,6523 Aldrich) 등등을 2.5g 분산 시켜 제조하였다. 각각의 특성들이 굴절률과 입자들 크기의 두 가지 조절 변수로 인해 실험의 편의성을 위해 같은 양을 고분자 수지에 분산시켰다. 각각 모두 아크릴레이트 고분자 수지에서 얻어진 결과와 유사하게 광시야각이 넓어짐을 확인하였다.In the same manner as described above for the various types of particles mentioned in Table 1, each of styrene (
상술한 바와 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 조명용 광섬유의 경우 실제 광특성에 영향을 미치는 산란체가 고분자 수지 내에 분산되어 있기 때문에 기존의 미세 가공 형상의 방법으로 제조된 광섬유에 비해 실제 실외 및 실내 조명 설치에 있어 외부 먼지 흡착이나 누수에 의한 광특성의 저하를 배제할 수 있으며, 고분자 수지를 선택사용함으로써 열적, 광학적, 화학적 안정성이 개선되어 조명용 광섬유의 설치에 있어 유지, 보수 및 여타 보호 필름의 부착에 드는 비용이 절감 될 뿐 아니라, 산란체 농도의 조절로서 광섬유의 광 특성을 조절할 수 있으며, 제조공정 이 간단하여 실제 산업현장에서 적용시 상당히 효율적일 것으로 사료된다. As described above, in the case of the optical fiber for illumination manufactured by the manufacturing method of the present invention, since scatterers affecting the actual optical properties are dispersed in the polymer resin, actual outdoor and indoor compared to the optical fiber manufactured by the conventional microfabricated shape method. Deterioration of optical characteristics due to external dust adsorption or leakage in lighting installation can be eliminated, and thermal, optical and chemical stability can be improved by using polymer resin. Therefore, maintenance, repair and other protective film in the installation of optical fiber for lighting can be eliminated. In addition to the cost savings, the optical properties of the optical fiber can be controlled by controlling the scatterer concentration.
본 발명의 광섬유는 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 조명 및 영상 디스플레이 장치에 적용되어 효과적인 광의 확산 및 난반사를 요구하는 광학용 부품으로써 넓은 응용가치를 지니며, 상기와 같은 효율성은 나날이 응용가치가 높아지는 조명용 광섬유 시장에서의 제조 단가 및 가격 경쟁력에서 상당한 우의를 선점할 수 있는 기술로써 그 역할이 기대된다.
The optical fiber of the present invention can be applied to various fields, and has a wide application value as an optical component requiring effective light diffusion and diffuse reflection by being applied to lighting and video display devices, and the above-mentioned efficiency is for lighting that has an increased application value day by day. It is expected to play a role as a technology that can take a significant advantage in manufacturing cost and price competitiveness in the optical fiber market.
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