KR100643710B1 - 자외선 경화 수지로 코팅된 광섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선 경화 수지로 코팅된 광섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이고, 상기 광섬유는 코어; 클래딩; 및 우레탄 아크릴레이트 올리고머, 아크릴레이트 관능기를 갖는 관능성 모노머, 광중합 개시제, 및 실란계 모노머를 주원료로 하는 제 1 수지 조성물을 자외선 경화시켜 얻은 제 1 보호코팅층; 및 제 2 수지 조성물을 자외선 경화시켜 얻은 제 2 보호코팅층을 포함하며, 상기 광섬유는 코어와 클래딩으로 된 유리섬유를 제공하는 단계; 상기 유리섬유 위에 제 1 수지 조성물을 코팅하고 자외선 조사에 의해 중합하여 제 1 보호코팅층을 형성하는 단계; 제 1 보호코팅층 위에 제 2 수지 조성물을 코팅하고 자외선 조사에 의해 중합하여 제 2 보호코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 제조된다.
광섬유, 코팅용 , 수지 조성물
Description
도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 나타낸 분해 사시도이다.
* 도면 부호의 간단한 설명 *
1 : 코어 2 : 클래딩
3 : 제 1 보호코팅층 4 : 제 2 보호코팅층
본 발명은 자외선 경화 수지로 코팅된 광섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광섬유의 구성요소인 코어와 클래딩으로 된 유리섬유 위에 자외선 경화형 수지 조성물을 2중으로 코팅시킨 광섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유라 함은 빛의 전송을 목적으로 하는 섬유 모양의 도파관(導波管)을 말하는 것이다. 광섬유를 여러 가닥 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라고 하며, 그 사용이 늘어나고 있는 추세이다. 광섬유는 합성수지를 재료로 하는 것도 있으나, 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어진다.
광섬유의 구조는 보통 중앙의 코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중원기둥 모양을 하고 있다. 그 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 피복을 1∼2차례 입힌다. 보호피복을 제외한 전체 크기는 지름 백∼수백μm(1μm은 1/1000mm)로 되고, 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있어서, 빛이 코어 부분에 집속되어 잘 빠져나가지 않고 진행할 수 있게 되어 있다.
코어의 지름이 수μm인 것을 단일모드 광섬유, 수십μm인 것을 다중(多重) 모드 광섬유라 하고, 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형·언덕형 광섬유 등으로 나눈다. 광섬유는 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼신(混信)이 없고 도청이 힘들며, 소형·경량으로서 굴곡에도 강하며, 하나의 광섬유에 많은 통신회선을 수용할 수 있고 외부환경의 변화에도 강하다. 더구나 재료인 유리의 원료는 대단히 풍부하므로 효용도가 높다.
광섬유의 개시는 19세기에 J. 틴틀이 자유낙하하는 물줄기 속에서 빛이 빠져나가지 않고 진행할 수 있다는 것을 보였는데, 이것이 광섬유에 대한 원리를 공식적으로 발표한 것이다. 그 후 20세기 초반에 이르러 유리로 된 광섬유가 나타났지만, 그 당시의 광섬유는 손실이 무려 1,000dB/km에 달하였으므로, 장거리용으로 사용하기는 불가능했다. 다만 짧은 길이의 광섬유 다발로 만들어, 그것의 한쪽 끝에 맺힌 영상(映像)을 다른 쪽 끝으로 전달시키는 용도에만 쓰이고 있었다. 1966년 영국 스탠더드통신연구소의 K.C.카오와 호크햄(Hockham)이 유리의 손실을 20dB/km까지 줄일 수 있다는 주장과 함께 이러한 유리로 만든 광섬유는 빛을 이용한 원거리 통신에서 사용이 가능하다는 주장을 제기하였다.
이 때부터 미국·영국·일본 등 각국의 연구그룹들이 저손실(低損失) 광유리섬유의 개발을 서두른 결과, 1970년에 미국 코닝 유리회사의 R.D.마우러가 20dB/km의 손실을 갖는 광섬유를 발표하고, 뒤이어 5dB/km의 저손실을 이룩하였다. 그 뒤를 이어 미국 벨연구소의 MCVD(modified chemical vapor deposition)법을 이용한 고순도 석영 광섬유가 개발되고, 영국 체신청의 광섬유와 일본 판유리회사와 NEC 공동의 셀폭(Selfoc) 광섬유 등이 나타나서 실용화되기 시작하였다. 1970년대 말에는 광섬유의 손실이 최저 0.2dB/km까지 줄게 되었는데, 이것은 깊이 100km의 바다 속에 있는 물체를 수면에서 구별할 수 있는 투명도이다.
한국의 광섬유 개발은 1978년 한국과학기술연구연(KIST)에서 최상삼·김기순 박사 등을 중심으로 연구가 시작된 이후, 저손실 광섬유의 개발 연구가 진행되어, 1981년 MCVD법을 사용하여 최소 1dB/km의 손실을 가진 광섬유를 국내 독자적으로 개발하여, 실용 광섬유통신 시스템을 운용할 수 있게 되었다.
광섬유를 만드는 방법은 주로 먼저 모재(母材:preform)라고 하는 지름 1cm 내외의 봉을 광섬유의 구조와 동일하게 만든 다음, 이것을 고열로 녹여 늘여서 광섬유를 완성하는 방법을 쓴다. 구체적으로 살펴보면 모재의 제작과정과 연선 과정의 두과정으로 진행한다.
첫번째, 모재의 제작과정은 적절한 부착대(흑연·사기의 봉이나 고순도 석영관)를 축방향으로 회전시키면서 그 내부(MCVD법)나 외부(OVD법:outside vapor phase deposition)에 불꽃 가수분해 반응에 의해 게르마늄·붕소·인 등이 합성된 산화규소층을 수십 회에 걸쳐 부착시킨 다음, 1700℃ 이상의 높은 온도의 불꽃으로 서서히 가열하여 수축시켜 모재를 만드는 것이다. 이때 게르마늄 등 원소의 포함량을 조절하면 모재의 굴절률 분포를 임의로 조절할 수 있게 된다. 광섬유의 손실 등 광학적 특성이 거의 이 과정에서 결정되므로 매우 주의깊게 진행된다. 이 밖에 석영막대 끝에 직접 모재를 성장시키는 VAD(vapor phase axial deposition)법도 있다.
두번째, 연선(延線)과정은 모재를 2,000℃ 이상의 고온으로 국부적으로 가열하여 가늘게 뽑아 광섬유를 만드는 것이다. 열원(熱源)으로서는 주로 전기저항로·고주파유도로·이산화탄소레이저 등이 사용된다. 이 과정은 불순물에 의해 광섬유 표면이 오염되어 강도가 저하되지 않도록 정결한 분위기가 필요하며, 기계적 강도의 보존과 취급의 편의를 위하여 뽑는 즉시 1차피복을 한다. 그 재료로 화학적으로 안정되고 수분의 침투를 막을 수 있는 실리콘수지·에폭시아크릴레이트· 래커·우레탄·EVA 등이 사용된다. 광섬유의 바깥지름은 이 과정에서 약 1μm의 오차 이내로 균일하게 조정된다.
광섬유의 용도는 통신용·영상전달용(映像傳達用)·검출기용 등으로 크게 구별된다.
(1) 통신용으로는 가정용·산업용 등 일반 통신망과 케이블·텔레비전 등의 통신매체에 쓰이며, 산업용·군사용 자동기기의 데이터 전송용, 컴퓨터의 각 유닛(unit) 사이의 통신용으로 쓰인다. 이 때에는 광섬유의 1차피복 위에 외부피복을 씌워 코드나 케이블을 만들어 사용한다.
(2) 영상전달용으로는 주로 짧은 길이(수 m)의 광섬유 다발로 만들어 의료용 내시경(內視鏡), 영상증폭기의 부품 등 좁고 굴곡된 부분의 내부를 볼 수 있도록 하는 데 쓰인다.
(3) 검출기용으로는 주로 단일모드 광섬유가 쓰이는데, 이는 이 광섬유가 외부의 변화 즉 압력·온도·속도·자속(磁束)등에 예민한 점을 이용하여 자이로스코프·고전압전류측정기·수중음파탐지기 등에 사용된다.
이와 같이 광범위한 용도와 이점을 갖고 있는 광섬유는 구리 와이어를 대체할 수 있는 것으로써 통신분야에서 점차적으로 그의 이용성이 증가되고 있는 실정이다.
이에 따라, 광섬유를 효율적으로 사용하기 위하여 광섬유를 구성하는 요소들의 특성을 개선시키려는 노력이 이 분야에서 활발히 진행되고 있으며, 광섬유를 구성하고 있는 최외층 보호코팅층에 대해서도 광섬유의 중심을 구성하는 유리섬유를 보호하면서 그와의 접착력을 개선시키고 외부의 충격에도 잘 견딜 수 있도록 하기 위하여 많은 연구가 있어왔으며 현재도 계속 진행중이다.
일반적으로 코팅층으로는 자외선 경화형 우레탄 아크릴레이트 수지가 사용되고 있다. 이와 같은 종래 자외선 경화형 우레탄 아크릴레이트 수지는 반응성 올리고머(프리폴리머), 희석제인 반응성 모노머 및 광중합 개시제에 의해 만들어지고 있지만 광섬유의 코팅층에 요구되는 특성을 모두 만족시키지는 못하고 있으며, 외부충격 또는 여러가지 요인들에 의한 적응성이 부족한 실정이다.
이에 본 발명자들은 광섬유의 코팅층에 요구되는 물성, 인열강도, 탄성률, 신률, 유리섬유에 대한 접착력, 내가수분해성 및 경화의 신속성을 개선시키기 위한 연구를 하면서, 코팅층 내측과 외측이 서로 다른 특성을 요구하고 있기 때문에, 이 요구를 만족시키기 위해 코팅층을 조성 및 조성비가 다른 두개의 수지 조성물로 형성하는 경우 광섬유의 코팅층의 요구 특성을 최적으로 맞출 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 자외선 경화형 수지 조성물이 코팅된 광섬유를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 자외선 경화형 수지 조성물이 코팅된 광섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 코어; 클래딩; 및 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 1 수지 조성물을 자외선 경화시켜 얻은 제 1 보호코팅층; 및 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 2 수지 조성물을 자외선 경화시켜 얻은 제 2 보호코팅층을 포함하는 광섬유를 제공한다.
또한, 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 코어와 클래딩으로 이루어진 유리섬유를 제공하는 단계; 상기 유리섬유 위에 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 1 수지 조성물를 코팅하고 40 내지 50℃의 온도 및 0.35 내지 0.60MPa 압력의 조건에서 자외선 조사에 의해 중합하여 제 1 보호코팅층을 형성하는 단계; 및 제 1 보호코팅층 위에 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 군에서 선태된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 2 수지 조성물를 코팅하고 40 내지 50℃의 온도 및 0.35 내지 0.60MPa의 압력 조건에서 자외선 조사에 의해 중합하여 제 2 보호코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 자외선 경화 수지로 코팅된 광섬유의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유를 나타낸 분해사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유는 네개의 구성요소, 즉 코어(1), 클래딩(2), 제 1 보호코팅층(3) 및 제 2 보호코팅층(4)으로 이루어진다.
상기 코어(1)과 클래딩(2)을 하나로 유리섬유라 하며, 이들은 이 분야에 알려진 방법에 의해 제조되거나, 시판되어지는 것을 이용할 수 있다.
광섬유의 코팅층(3, 4)에 요구되는 기본적인 물성은 인열강도 등 우수한 기계적 물성, 내가수분해성 및 장기신뢰성을 향상시키고 광의 전송손실을 최소화하는 것이다. 그러나, 이런 기본 물성은 광섬유가 외부의 압력이나 기타 여러가지 요인에 의하여 휘어짐이나 부서짐 등이 발생할 경우 빛의 난반사를 일으키는 요인이 되어 전송손실을 일으키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 이런 외부적인 요인에 대한 적응성을 개선시키기 위해 코팅층의 내측과 외측을 다르게 구성시키는 것이 바람직하다. 즉, 내측에 적용되는 제 1 보호코팅층(3)의 수지 조성물은 유리섬유를 보호하고 또한 유리섬유와의 접착성이 좋아야 하기 때문에 낮은 탄성률과 낮은 유리전이온도를 갖는 것이 바람직하며, 외측에 적용되는 제 2 보호코팅층(4)의 수지 조성물은 외부와의 직접적인 접촉이 일어나는 부위이기 때문에 외부의 충격에 잘 적응할 수 있는 높은 탄성률과 기계적 성질, 특히 인열강도가 우수한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유 보호코팅층(3, 4)용 수지 조성물은 기본적으로 우레탄 아크릴레이트 올리고머, 아크릴레이트 관능성기를 갖는 관능성 모노머, 광중합 개시제 및 실란계 모노머를 포함하며, 광섬유의 코팅층의 물성은 코팅층을 구성하는 수지 조성물의 조성 및 조성비에 크게 의존하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 광섬유의 제 1 및 제 2 보호코팅층에 적용하기 위한 제 1 수지 조성물과 제 2 수지 조성물이 하기 설명하는 바와 같이 구별되어 구성된다.
본 발명에 따른 수지 조성물의 첫번째 구성요소인 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 1500 내지 3000의 분자량을 가지며, 하기 화학식으로 나타낼 수 있다.
R과 R'에 의해 우레탄 아크릴레이트 올리고머의 연질 또는 경질이 결정될 수 있다. 또한, R은 디이소시아네이트의 종류에 따라 결정되고, R'는 폴리올의 종류에 따라 결정되며, R"는 수산기를 갖는 아크릴레이트의 종류에 따라 결정될 수 있으며, n은 우레탄 아크릴레이트 올리고머의 분자량의 범위에 따라 결정된다.
본 발명의 우레탄 아크릴레이트 올리고머(또는 프리폴리머)를 제조하기 위해 사용되는 이소시아네이트는 방향족 디이소시아네이트(예를 들면, 톨루엔 디이소시아네이트, 4,4-디페닐메탄 디이소시아네이트, 및 등등) 및 지방족 디이소시아네이트(예를 들면, 이소포론 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 및 등등)가 있다. 특히, 본 발명에 사용되는 우레탄 아크릴레이트 올리고머의 제조를 위해 사용되는 디이소시아네이트의 경우, 제 1 수지 조성물에는 이소포론 디이소시아네이트가 사용되는 것이 바람직하고, 제 2 수지 조성물에는 톨루엔 디이소시아네트가 사용되는 것이 바람직하다. 제 1 수지는 연질형태이어야 하기 때문에 방향족이 아니면서 분자거동이 좋은 이소포론 디이소시아네이트를 사용하는 것이 바람직하며, 이에 따라 유리 전이 온도가 낮다. 제 2 수지는 경질형태이어야 하기 때문에 지방족보다 분자거동, 예를 들면 자유회전이 어려우며, 유리 전이 온도가 높은 톨루엔 디이소시아네이트를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 폴리올로는 폴리에테르형과 폴리에스테르형이 있다. 폴리에테르형의 폴리올을 사용하여 제조된 폴리머는 가수분해에 대한 높은 안정성, 높은 탄성 및 낮은 히스테리시스 손실을 나타내며 우수한 내충격성을 가진다. 또한 폴리에스테르형의 폴리올을 사용하여 제조된 폴리머는 절단 저항성, 마모 저항성 및 오일에 대한 저항성이 우수하다는 특성이 있다. 그리고 저분자량의 폴리올은 폴리우레탄의 쇄연장제로 사용된다. 따라서, 폴리올의 조성 및 분자량에 따라 폴리우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 코팅 재료가 다양한 물성을 지니므로 요구되는 기능에 따라 적당한 폴리올을 선택할 수 있다. 본 발명에 따른 수지 조성물에는 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜이 사용될 수 있다. 특히, 제 1 수지 조성물에는 수평균 분자량이 600 내지 1,500인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜이 사용되는 것이 바람직하고, 제 2 수지 조성물에는 수평균 분자량이 600 내지 1,500인 폴리프로필렌 글리콜이 사용되는 것이 바람직하다. 연질과 경질을 결정 짓는 것은 디이소시아네이트 뿐만 아니라 폴리올도 관여하다. 따라서, 연질 형태의 제 1 수지에 사용되는 폴리올은 에테르를 중심으로 하여 자유 회전이 가능한 폴리테트라 메틸렌에테르 글리콜이 바람직하고, 경질 형태의 제 2 수지에 사용되는 폴리올로는 폴리테트라 메틸렌에테르 글리콜의 유리 전이 온도보다 높은 폴리프로필렌 글리콜을 사용하는 것이 바람직하다.
수산기를 갖는 아크릴레이트로는 이 분야에서 사용되고 있는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 2-히드록시 프로필 아크릴레이트가 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광섬유의 제 1 보호코팅층(3)용 제 1 수지 조성물에 서 사용되는 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 전자 받게로서는 이소포론 디이소시아네이트를 사용하고, 전자 주게로서는 2-히드록시프로필 아크릴레이트(HPA), 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMG)을 사용하며, 제 2 보호코팅층(4)용 제 2 수지 조성물에서 사용되는 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머에는 전자 받게로서 톨루엔 디이소시아네이트를 사용하고, 전자 주게로서는 2-히드록시프로필 아크릴레이트(HPA), 폴리프로필렌 글리콜(PPG)을 사용한다.
이때 제 1 수지 조성물용 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 이소포론 디이소시아네이트 10 내지 20중량%와 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 40 내지 55중량% 및 2-히드록시프로필 아크릴레이트 2 내지 4중량%를 사용하여 제조될 수 있으며, 제 2 수지 조성물용 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 톨루엔 디이소시아네이트 20 내지 35중량%, 폴리프로필렌 글리콜 15 내지 25중량% 및 2-히드록시 프로필 아크릴레이트 20 내지 30중량%를 사용하여 제조될 수 있다.
제 1 또는 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머의 합성은 디이소시아네이트에 히드록시 아크릴레이트를 반응시킨 후 폴리올을 반응시켜 합성하거나 디이소시아네이트에 폴리올을 반응시킨 후 히드록시 아크릴레이트를 반응시켜 합성할 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유의 제 1 보호코팅층(3)용 제 1 수지 조성물에서 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 수지 조성물 전체 중량에 기초하여 40 내지 60중량%가 사용되는 것이 바람직하며, 40중량% 미만으로 사용되는 경우 코팅도막의 두께에 문제가 생길 수 있고, 아크릴레이트의 잔존 모노머가 남아 점성이 존재할 수 있으며, 60중량%를 초과하여 사용하는 경우 코팅도막이 두꺼워지고 작업성이 나빠 질 수 있다. 제 2 보호코팅층(4)용 제 2 수지 조성물에서 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머도 마찬가지로 제 2 수지 조성물 전체 중량에 기초하여 40 내지 60중량%가 사용되는 것이 바람직하며, 40중량% 미만으로 사용되는 경우 코팅도막의 두께에 문제가 생길 수 있고, 아크릴레이트의 잔존 모노머가 남아 점성이 존재할 수 있으며, 60중량%를 초과하여 사용하는 경우 코팅도막이 두꺼워지고 작업성이 나빠질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유 보호코팅층(3, 4)용 수지 조성물에서 아크릴레이트 관능기를 갖는 관능성 모노머로는 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 1종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 광섬유의 제 1 보호코팅층(3)용 제 1 수지 조성물에서는 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하고, 제 2 보호코팅층(4)용 제 2 수지 조성물에는 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유 보호코팅층(3,4)용 수지 조성물에서 아크릴레이트 관능성기를 갖는 관능성 모노머는 수지 조성물 전체 중량에 기초하여 30 내지 50중량%가 사용되는 것이 바람직하다. 30중량% 미만으로 사용되는 경우 코팅도막의 두께에 문제가 생길 수 있고, 아크릴레이트의 잔존 모노머가 남아 점성이 존재할 수 있으며, 50중량%를 초과하여 사용하는 경우 코팅도막이 두꺼워지고 작업성이 나빠 질 수 있다..
또한, 본 발명에 따른 제 1 수지 조성물중의 이소비닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트는 중량에 기초하여 13:10 내지 25:10의 비율로 사용되는 것이 바람직하며, 상기 비율을 벗어나는 경우 도막의 강도와 같은 물성이 나빠질 수 있다.. 또한 제 2 수지 조성물중의 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 1,6-헥산디올디아크릴레이트는 중량에 기초하여 4:8:10 내지 4:15:10의 비율로 사용되는 것이 바람직하며, 상기 비율을 벗어나는 경우 유리 전이 온도에 많은 변화가 일어날 수 있으며 이것은 결국은 광손실이나 물성의 변화에 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 광섬유 제 1 또는 제 2 보호코팅층(3,4)용 제 1 또는 제 2 수지 조성물에 사용되는 광중합 개시제로는 페닐-2-(히드록시-2-프로필)케톤이 사용될 수 있다. 수지 조성물중의 광중합 개시제는 자외선 램프에서 발생되는 자외선을 흡수하여 광분해 반응으로 활성의 자유라디칼을 발생시키고, 이 라디칼이 폴리우레탄 아크릴레이트 올리고머와 아크릴레이트 관능성기를 포함하는 관능성 모노머의 이중결합을 가교 중합시켜 경화를 일으킨다. 이와 같은 광중합 개시제는 각각의 수지 조성물 전체 중량에 기초하여 1 내지 5중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 광중합 개시제를 1중량% 미만으로 사용하는 경우 경화속도가 느려질 수 있으며 이것은 수지의 초기 경화에 문제를 일으켜 수지의 직경을 불규칙하게 할 수 있으며, 5중량%를 초과하여 사용하는 경우 수지가 강직하여 쉽게 부서질 수 있는 단점을 갖는다.
본 발명의 광섬유의 제 1 또는 제 2 보호코팅층(3,4)용 제 1 또는 제 2 수지 조성물에 사용되는 실란계 모노머는 코팅층의 접착력을 개선시키기 위해 사용될 수 있으며, 구체적으로 비닐트리메톡시 실란 모노머가 사용되는 것이 바람직하다. 여기서, 실란계 모노머는 각각의 수지 조성물 전체 중량에 기초하여 5중량%를 초과하지 않는 범위에서 사용되는 것이 바람직하다. 5중량%를 초과하면 클래딩층과의 접착력이나 수지와 수지의 접착력이 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유의 제 1 또는 제 2 보호코팅층(3,4)용 제 1 또는 제 2 수지 조성물은 각각 상기와 같은 성분 이외에 이 분야에 통상적으로 사용되는 기타 첨가제, 예를 들면 희석제, 산화방지제, 촉매, 윤활제, 가교제, 안정화제 및 등등과 같은 것이 선택적으로 사용될 수 있다.
이와 같은 수지 조성물을 이용하여 광섬유를 제조하는 방법은 코어(1)와 클래딩(2)으로 이루어진 유리섬유를 제공하는 단계; 상기 유리섬유 위에 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 1 수지 조성물를 코팅하고 40 내지 50℃의 온도 및 0.35 내지 0.60MPa의 압력 조건에서 자외선 조사에 의해 중합하여 제 1 보호코팅층(3)을 형성하는 단계; 및 제 1 보호코팅층 위에 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 2 수지 조성물를 코팅하고 40 내지 50℃의 온도 및 0.35 내지 0.60MPa의 압력 조건에서 자외선 조사에 의해 중합하여 제 2 보호코팅층(3)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기에서, 코어(1)와 클래딩(2)으로 이루어진 유리섬유를 제공하는 단계는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 사용하여 제공될 수 있다.
유리섬유 위에 제 1 수지 조성물을 코팅하는 단계 또는 제 1 보호코팅층 위에 제 2 수지 조성물을 코팅하는 단계 이 분야에서 일반적으로 사용되는 방법을 사용하여 코팅될 수 있다.
또한, 제 1 수지 조성물 및 제 2 수지 조성물의 구체적인 각각의 성분은 상기에서 설명된 것과 동일하다.
제 1 및 제 2 코팅보호층(3, 4)의 두께는 이 분야에서 널리 이용되는 두께일 수 있지만, 제 1 보호코팅층의 두께는 190 내지 200㎛인 것이 바람직하고, 제 2 보호코팅층의 두께는 240 내지 250㎛인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1 내지 3
제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머의 합성
질소 기류하에서 전자 받게인 이소포론 디이소시아네이트 20.6g를 전자 주게인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 75g과 2-히드록시 프로필 아크릴레이트 4.4g과 70 내지 75℃에서 교반시키면서 약 30분에 걸쳐 적하하여 반응시켜 우레탄 아크릴 레이트 올리고머를 합성하였다. 합성에 따른 반응열에 의한 아크릴레이트기의 열중합을 방지하기 위하여 반응온도를 50℃ 이하가 되도록 조절하였다.
제 1 수지 조성물의 제조
이어서, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 상기에서 얻어진 우레탄 아크릴레이트 올리고머를 70℃에서 약 3시간 동안 이소보닐아크릴레이트와 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 관능성 모노머, 광중합 개시제, 실란계 모노머와 배합하여 제 1 수지 조성물을 합성하였다.
실시예 4 내지 6
제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머의 합성
질소 기류하에서 전자 받게인 톨루엔 디이소시아네이트 31.1g를 전자 주게인 폴리프로필렌 글리콜 30g과 2-히드록시 프로필 아크릴레이트 38.4g와 80 내지 85℃에서 교반시키면서 약 30분에 걸쳐 적하하여 반응시켜 우레탄 아크릴레이트 올리고머를 합성하였다. 합성에 따른 반응열에 의한 아크릴레이트기의 열중합을 방지하기 위하여 반응온도를 50℃ 이하가 되도록 조절하였다.
제 2 수지 조성물의 제조
이어서, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 상기에서 얻어진 우레탄 아크릴레이트 올리고머를 70℃에서 약 3시간 동안 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트, 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 관능성 모노머, 광중합 개시제, 실란계 모노머와 배합하여 제 2 수지 조성물을 합성하였다.
| 구분 | 실시예 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 우레탄 아크릴레이트 올리고머 | 58 | 58 | 58 | 56 | 56 | 56 |
| 라우릴아크릴레이트 | 4.5 | 6.5 | 8 | |||
| 이소보닐아크릴레이트 | 27.3 | 26.3 | 23.3 | 27 | 27 | 29 |
| 1,6-헥산디올아크릴레이트 | 10.7 | 10.7 | 10.7 | |||
| 2-페녹시에틸아크릴레이트 | 8.5 | 6.5 | 3 | |||
| 실란계 모노머1 | 1 | 2 | 3 | 2 | 2 | 2 |
| 광중합 개시제2 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 |
1: 비닐트리메톡시실란, 2: 페닐-2-(히드록시-2-프로필)케톤
시험예 1
상기 실시예 1에서 제조된 중간 생성물인 우레탄 아크릴레이트 올리고머에 대해서 적외선 분광법 분석에 의한 우레탄 생성을 확인하였고, 최종 생성물인 수지 조성물에 대해서는 자외선 경화 정도를 조사하고, 겔 분율을 조사하였다.
즉, 실시예 1에서 합성된 중간 생성물인 우레탄 아크릴레이트 올리고머를 적외선 분광법으로 분석한 결과, 2270㎝-1의 N=C=O 특성 흡수대가 나타나지 않았지만, 1720 ㎝-1의 신축 진동 흡수대가 나타났다. 이로부터 이소시아네이트기와 히드록시기와의 반응을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1에서 제조된 수지 조성물을 적외선 분광법으로 분석한 결과, 자외선 조사 전의 스펙트럼에서는1635cm-1부근에서 C=C의 특성 흡수대가 나타나고 있으나 자외선 조사후에는 이 흡수대가 사라졌다. 일반적으로 아크릴레이트의 경화 반응은 주로 1634cm-1, 1410cm-1 및 810cm-1에서 나타나는 아크릴레이트기의 흡수대의 조사로부터 확인될 수 있다는 사실로부터 실시예 1에서 제조된 수지 조성물은 자외선조사에 의해 아크릴레이트의 광중합이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
일반적으로 겔화 정도는 겔 분율(gel fraction)에 의해서 평가될 수 있다. 실시예 1에 따른 수지 조성물은 광조사 시간후 1초 정도에서 약 95% 이상의 겔 함량을 나타내었으며 9초 정도에서 97%의 겔 함량를 나타내었으며 그 이후에는 98%로서 거의 일정한 겔 함량값을 나타내었다.
시험예 2
상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 제 1 수지 조성물은 직경 200±7㎛로, 실시예 4 내지 6에서 제조한 제 2 수지 조성물은 245±10㎛ 두께로 경화시켜 시편을 제작하였다. 이어서, 다음과 같은 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
유리전이온도(℃) :DMA를 사용하여 승온 속도를 분당 3℃로 액체질소를 이용하여 tanδ의 최대 피이크로 결정하였다.
인열강도(kgf/㎟): Instron-5566P를 이용하여 필름의 두께를 300 내지 450㎛의 두께로 필름을 제조하였으며 분당 2.5cm로 측정하였다.
신률(%): Instron-5566P를 이용하여 필름의 두께를 300 내지 450㎛의 두께로 필름을 제조하였으며 분당 2.5cm로 측정하였다.
인장 모듈러스(kgf/㎟): Instron-5566P를 이용하여 필름의 두께를 300 내지 450㎛의 두께로 필름을 제조하였으며 분당 2.5cm로 측정하였다.
굴절률:Abbe 굴절계를 사용하여 결정하였다.
박리력(strip force)(g) : 박리력은 Instron KES-FB3를 이용하여 필름의 두께를 300 - 450㎛의 두께로 필림을 제조하였으며 0.5gf/cm2로 측정하였다.
H2 발생률(m㎖/g) : 가스크로마토그래피 H 5890 시리즈 II를 이용하여 열적 전도도 검출기를 이용하여 운반 질소가스의 흐름속도를 22ml/min로 하여 측정하였다.
탄성률(%) : 필름의 두께를 300 - 450㎛의 두께로 필름을 제조하였으며 분당 2.5cm로 측정하였다
| 구분 | 실시예 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 시편직경 | 194.2 | 194.9 | 194.9 | 244.5 | 246.9 | 246.6 |
| 유리전이온도 | -2.6 | -3.1 | -2.9 | 79.8 | 80.6 | 78.9 |
| 인열강도 | 0.63 | 0.68 | 0.71 | 20.8 | 21.4 | 20.4 |
| 신률 | 56.5 | 58.4 | 57.3 | 20.8 | 20.6 | 21 |
| 인열 모듈러스 | 76 | 75 | 76 | 79.5 | 79.9 | 79.9 |
| 굴절률 | 1.47 | 1.46 | 1.47 | 1.49 | 1.51 | 1.49 |
| 박리력 | 359 | 362 | 358 | - | - | - |
| H2 발생 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 탄성률 | 4.00 | 3.97 | 4.09 | 752.1 | 749.8 | 753.2 |
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 수지 조성물(실시예 1 내지 3)과 제 2 수지 조성물(실시예 4 내지 6)은 유리 전이 온도, 인열 강도 및 신률에서 많은 차이를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 제 1 수지 조성물은 유리 전이 온도 및 인열 강도가 낮은 반면, 신률이 높았고, 제 2 수지 조성물은 신률이 낮고 유리 전이 온도 및 인열강도가 월등히 높음을 알 수 있다. 또한, 제 1 수지 조성물 및 제 2 수지 조성물의 굴절률은 모두 1.4 이상이었는데, 광섬유는 코아의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높아야하고, 코팅층의 굴절률은 클래딩의 굴절률 보다 높은 것이 바람직하다. 만일 굴절률에 문제가 생기면 코어를 통과하던 일부의 빛이 굴절되어 클래드층을 빠져나가 손실되어 버리는 클래드 모드 현상 등이 발생하는 경우가 있으며, 이는 광신호에 노이즈를 일으키게 하는 원인이 될 수 있다. 따라서, 이런 현상을 방지하기 위해 코팅층의 굴절률은 클래딩의 굴절률보다 높아야 한다. 코어와 다른 굴절률을 갖는 고순도 유리를 사용한 클래딩의 굴절률이 대략 1.45 내지 1.46임을 감안하면 만족스러운 광학구조임을 알 수 있다. 또한, 광섬유가 가져야 하는 중요한 특징중 하나는 수소 발생률이 매우 작아야 한다는 것이다. 이는 코팅 수지 중에서 수소가 발생하면 광섬유 표면에서 수소분자간의 결합이나 규소와 히드록실기의 결합을 야기하고 이것이 광손실을 가져오는 원인이 될 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 수지 조성물(실시예 1 내지 3)의 수소 발생률이 매우 적음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 광섬유의 보호코팅층의 내측과 외측을 다른 수지 조성물로 구성시켜, 광섬유의 코팅층에 요구되는 기본적인 물성을 가지면서, 내측과 외측의 다른 요구조건을 만족할 수 있어 우수한 광섬유를 제공한다.
Claims (8)
- 코어;상기 코어를 둘러싸는 클래딩; 및상기 클래딩을 둘러싸는 이소포론 디이소시아네이트, 2-히드록시프로필 아크릴레이트(HPA) 및 수평균 분자량이 600 내지 1,500인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMG)로 합성된 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%; 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%; 광중합 개시제 1 내지 5중량%; 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 1 수지 조성물을 자외선 경화시켜 얻은 제 1 보호코팅층; 및제 1 보호층을 둘러싸는 톨루엔 디이소시아네이트, 2-히드록시프로필 아크릴레이트 및 수평균 분자량이 600 내지 1,500인 폴리프로필렌 글리콜(PPG)로 합성된 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%; 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%; 광중합 개시제 1 내지 5중량%; 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 2 수지 조성물을 자외선 경화시켜 얻은 제 2 보호코팅층;을 포함하는 광섬유.
- 제 1항에 있어서, 제 1 수지 조성물에서 사용되는 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 1500 내지 3000의 분자량을 갖고, 하기 화학식으로 나타내어지는 광섬유:
상기 식에서, R은 이소포론 디이소시아네이트 유래의 잔기이고, R'은 PTMG 유래의 잔기이고, R"는 HPA 유래의 잔기이며, n은 상기 분자량 범위에 따라 결정되는 상수이다. - 제 1항에 있어서, 제 2 수지 조성물에서 사용되는 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머는 1500 내지 3000의 분자량을 갖고, 하기 화학식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 광섬유:
상기 식에서, R은 톨루엔 디이소시아네이트 유래의 잔기이고, R'은 PPG 유래의 잔기이고, R"는 HPA 유래의 잔기이며, n은 상기 분자량 범위에 따라 결정되는 상수이다. - 제 1항에 있어서, 광중합 개시제는 페닐-2-(히드록시-2-프로필)케톤인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 1항에 있어서, 실란계 모노머는 비닐트리메톡시실란인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 1항에 있어서, 제 1 수지 조성물의 관능성 모노머는 13:10 내지 25:10의 중량 비율로 혼합된 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 제 1항에 있어서, 제 2 수지 조성물의 관능성 모노머는 4:28:10 내지 2:15:10의 중량 비율로 혼합된 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 광섬유.
- 코어와 클래딩으로 이루어진 유리섬유를 제공하는 단계;상기 유리섬유 위에 이소포론 디이소시아네이트, 2-히드록시프로필 아크릴레이트(HPA) 및 수평균 분자량이 600 내지 1,500인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(PTMG)로 합성된 제 1 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 이소보닐아크릴레이트와 1,6-헥산디올디아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 1 수지 조성물을 코팅하고 40 내지 50℃의 온도 및 0.35 내지 0.60MPa의 압력 조건하에서 자외선 조사하여 중합하여 제 1 보호코팅층을 형성하는 단계; 및제 1 보호 코팅층 위에 톨루엔 디이소시아네이트, 2-히드록시프로필 아크릴레이트 및 수평균 분자량이 600 내지 1,500인 폴리프로필렌 글리콜(PPG)로 합성된 제 2 우레탄 아크릴레이트 올리고머 40 내지 60중량%, 라우릴아크릴레이트, 이소보닐아크릴레이트 및 2-페녹시에틸아크릴레이트로 된 군에서 선택된 1종 이상의 관능성 모노머 30 내지 50중량%, 광중합 개시제 1 내지 5중량% 및 잔량으로써 실란계 모노머를 포함하는 제 2 수지 조성물을 코팅하고 40 내지 50℃의 온도 및 0.35 내지 0.60MPa의 압력 조건하에서 자외선 조사하여 중합하여 제 2 보호코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 광섬유의 제조방법.
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| KR1020040022792A KR100643710B1 (ko) | 2004-04-02 | 2004-04-02 | 자외선 경화 수지로 코팅된 광섬유 및 그의 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101224780B1 (ko) | 2009-12-30 | 2013-01-21 | 삼화페인트 공업주식회사 | 은경막 형성용 자외선 경화형 하도 도료 조성물 |
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| US5146531A (en) | 1989-05-11 | 1992-09-08 | Borden, Inc. | Ultraviolet radiation-curable coatings for optical fibers and optical fibers coated therewith |
| KR19990061688A (ko) * | 1997-12-31 | 1999-07-26 | 차동천 | 광섬유 외부 코팅용 자외선 경화형 수지 조성물 |
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| US6326416B1 (en) | 1999-04-29 | 2001-12-04 | Corning Incorporated | Coating composition for optical fibers |
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- 2004-04-02 KR KR1020040022792A patent/KR100643710B1/ko active IP Right Grant
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| KR101224780B1 (ko) | 2009-12-30 | 2013-01-21 | 삼화페인트 공업주식회사 | 은경막 형성용 자외선 경화형 하도 도료 조성물 |
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