KR101041756B1 - 플라스틱 광학 파이버 및 그 제조 방법 - Google Patents

플라스틱 광학 파이버 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

코어 영역을 포함하고 파이버의 길이 방향축을 따라 중심선을 갖는 신규한 광학 플라스틱 파이버가 개시된다. 코어 영역의 굴절률은 중심선에 수직한 임의의 평면에서 주변부로부터 중심선으로 진행하는 방향을 따라 증가하며, 코어 영역의 복굴절률은 중심선에 평행하고 중심선을 포함하는 임의의 평면에서 중심선으로부터 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 변한다.
플라스틱 광학 파이버, 그레이디드 인덱스

Description

플라스틱 광학 파이버 및 그 제조 방법{PLASTIC OPTICAL FIBERS AND PROCESSES FOR PRODUCING THEM}
기술분야
본 발명은 10 ㎓ㆍm 보다 높은 대역폭을 갖는 고주파 신호를 전파할 수 있는 광학 플라스틱 파이버에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 종래 GI (graded-index) 타입 멀티모드 플라스틱 광학 파이버에 비해 강도와 제조 비용이 개선된 GI 타입 멀티모드 플라스틱 광학 파이버에 관한 것이다.
관련 기술
유리 광학 파이버의 분야에서, 멀티모드는 큰 직경의 형태로 연결이 가능한 파이버의 모드로서 사용되고, 특히 플라스틱 광학 파이버에서, 멀티모드는 기본 모드로서 빈번하게 사용된다. 이후 경우에 따라 "POF"로 지칭되는 플라스틱 광학 파이버는 엘리먼트 파이버의 전체 영역이 플라스틱 재료로 구성되고, 그 결과 조금 더 큰 전송 손실을 갖기 때문에 석영계 광학 파이버보다 조금 불량하지만, 우수한 유연성, 경량성, 가공성, 구경이 큰 파이버 제조시 양호한 적용성 및 저비용 등을 갖는다는 점에서는 석영계 광학 파이버보다 우수하다. 플라스틱 광학 파이버는 따라서 그러한 큰 전송손실이 무시될 수 있는 비교적 단거리에서 이루어지는 광통신용 전송 매체로서 연구된다.
플라스틱 광학 파이버는 통상적으로 유기 화합물로 구성된 중심 코어 (본 명세서에서는 "코어 영역" 이라고 지칭함) 를 가지며, 폴리머 매트릭스, 및 코어 영역의 굴절률과 상이한 (일반적으로 더 낮은) 굴절률을 갖는 유기 화합물로 구성된 외부 쉘 (본 명세서에서는 "클래드 영역" 이라고 지칭함) 을 포함한다. 균일한 조성물로 형성된 코어 영역을 갖는 POF는 스텝-인덱스 (step-index) 타입 POF로 불리우며, 일부는 상업적으로 이용가능하고 거의 전부가 10 ㎓ㆍm 보다 작은 대역폭 범위를 지원할 수 있다. 한편, 이하 경우에 따라 "GI-POF"로 지칭되고, 중심으로부터 중심의 외부로 진행하는 방향을 따라 굴절률이 변하는 코어 영역을 포함하고, JPA 제 1986-130904 호 (여기 사용된 "JPA" 라는 용어는 "미심사 일본 공개 특허 출원" 을 의미함), 일본 특허 제 3332922 등에 개시된 그레이디드 인덱스 POF는 최근 고 전송용량을 보장할 수 있는 광학 파이버로서 상당한 주목을 끌고 있다. 그러한 GI-POF를 제조하는 하나의 프로세스로서, 계면 겔 중합을 이용하여 파이버 베이스 부재 (본 명세서에서 "예비형성체"이라고 지칭함) 를 형성하는 단계와 이후 예비형성체를 드로잉하는 단계를 포함하는 프로세스가 제안되었다. 이 프로세스에 따라서, 높은 굴절률을 갖는 제어제를 매트릭스용 재료에 첨가하고, 매트릭스 내의 제어제의 레이트를 점진적으로 방사상으로 변경함으로써 굴절률의 소망하는 분포를 획득할 수 있다.
그러나, GI 타입 광학 플라스틱 파이버를 제조하는 상술한 프로세스에 따르면, 예비형성체를 제조하기 위해 정확한 반응 제어가 요구되며, 제조 동안에 반응 조건을 제어하는 것이 어렵다. 특히, 계면 겔 중합을 이용하는 JPA 제 1986-130904 호에 개시된 프로세스에 따르면, 예비형성체를 점진적인 방사상으로 성장시키는데 오랜 시간이 걸리며, 획득된 예비형성체의 길이 또는 직경과 같은 사이즈가 제한될 수도 있다. 따라서, 예비형성체를 제조하는 단계 또는 예비형성체를 드로잉하는 단계에 대한 제조 비용을 감소시키는 것이 어렵다. 그리고, 상술한 프로세스에 따라, 굴절률 분포를 갖는 예비형성체는 높은 굴절률을 갖는 저분자량 화합물과 매트릭스용 재료의 조합으로 형성되고, 상기 분포는 품질 보증의 관점으로부터, 다양한 온도 범위에서 오랜 시간 동안 변하지 않도록 요구된다. 그러나, 본 발명자들은 고굴절율을 갖는 저분자량 화합물과 매트릭스용 재료의 조합에 대해 다양한 연구를 수행하여, 그 결과로, 품질 보증의 요구조건을 만족할 수 있는 조합의 수가 제한된다는 것을 알아냈다. 비록 굴절률의 분포를 갖는 예비형성체가 상기한 프로세스와 동일한 방법으로 서로 상이한 굴절률을 갖는 복수의 중합가능한 모노머의 공중합에 의해 제조될 수 있지만, 공중합에 의해 제조되는 일부 예비형성체는 계면 불일치 등에 기인하여 큰 광손실을 나타내며, 재료의 선택의 폭이 좁다는 것을 알아냈다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 주파수 대역폭뿐만 아니라 장기간 안정성 및 온도-습도 안정성 또한 우수한 신규한 광학 파이버를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 종래의 GI 타입 광학 파이버에 비해 짧은 시간에 저비용으로 생산할 수 있는 GI 타입 광학 파이버를 제공하는 것이다.
그러한 GI 타입 광학 파이버를 제공하기 위해, 본 발명자들이 다양한 연구를 수행한 결과, 단순하고 신속하게 수행될 수 있는 예비형성체 제조 단계를 가능하게 하고, 저굴절률을 갖는 매트릭스 재료에서 높은 굴절률을 갖는 저분자량 화합물의 농도 분포에 기초한 굴절률 프로파일에 비해 거의 무질서 (disorder) 하게되지 않는 굴절률 프로파일을 생성하기 위해, 복수의 재료 사이의 양립성의 손실에 기인하여 쉽게 무질서하게될 수도 있는 굴절률 프로파일을 생성하기 위한 프로세스를 실질적으로 변경하는 것이 필요하다는 것을 알아냈다. 발명자들은 또한 코어 영역에서의 조성 분포에 기초한 공지된 굴절률 프로파일과 상이한 코어 영역에서의 분자 배열 분포에 기초한 굴절률 프로파일을 갖는 광학 파이버가 상술한 문제를 해결할 수 있음을 발견했다. 이러한 발견에 기초하여 본 발명이 완성되었다.
일 양태에서, 본 발명은 코어 영역을 포함하고 파이버의 길이 방향축을 따라 중심선을 가지며,
상기 중심선에 수직한 임의의 평면에서, 상기 코어 영역의 굴절률이 주변부로부터 중심선으로 진행하는 방향을 따라 증가하고,
그리고 상기 중심선에 평행하고 상기 중심선을 포함하는 임의의 평면에서, 복굴절률이 상기 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 변하는, 광학 플라스틱 파이버를 제공한다.
본 발명의 실시형태로서, 코어 영역은 포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성되고; 전파 방향에 평행하고 중심선을 포함하는 임의의 평면에서, 복굴절률 (Δn) 의 절대값은 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 증가하며, Δn=nx-ny>0 이고, nx는 길이 방향축에 평행한 굴절률이고 ny는 길이 방향축에 수직한 굴절률인 광학 플라스틱 파이버가 제공된다; 광학 플라스틱 파이버에서 코어 영역은 네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성되고; 전파 방향에 평행하고 중심선을 포함하는 임의의 평면에서, 복굴절률 (Δn) 의 절대값은 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 감소하며, Δn=nx-ny<0 이고, nx는 길이 방향축에 평행한 굴절률이고 ny는 길이 방향축에 수직한 굴절률인, 광학 플라스틱 파이버가 제공된다; 광학 플라스틱 파이버에서 코어 영역은 균일한 조성물로 형성된다; 광학 플라스틱 파이버에서 코어 영역의 분자는 길이 방향축을 따라 배향되고 배향도는 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 변한다.
다른 양태에서, 본 발명은 온도가 서로 상이하게 설정된 2개 이상의 영역을 통해 예비형성체가 통과하는 동안 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성된 하나 이상의 영역을 포함하는 상기 예비형성체를 파이버로 드로잉하는 단계를 포함하고, 예비형성체를 파이버로 드로잉하기 이전에, 드로잉 단계를 위해 예비형성체의 중심부와 주변부 사이에 5℃ 이상의 온도 차이를 발생시키는, 광학 플라스틱 파이버를 제조하는 프로세스를 제공한다.
본 발명의 실시형태로서, 예비형성체가 포지티브 복굴절률을 갖는 재료로 형성된 코어 영역을 포함하고, 드로잉은 다단계 가열존을 포함하는 드로잉 장치에 의해 수행되며, 처음에 예비형성체를 드로잉 온도로 가열하는 존을 통과하고, 이어서 예비형성체가 드로잉되기 시작하고 원뿔로 형상을 변경하는 존을 통과하고, 이어서, 예비형성체가 파이버로 드로잉되기 이전에 냉풍이 가해짐으로써 급속히 냉각되는 존을 통과하고, 그에 의해 중심부와 주변부 사이에 20℃ 이상의 온도차이를 발생시키는 프로세스; 및 상기 예비형성체가 네거티브 복굴절율을 갖는 재료로 형성된 코어 영역을 포함하고, 상기 드로잉은 다단계 가열존을 포함하는 드로잉 장치에 의해 수행되며, 처음에 상기 예비형성체는 온도가 30℃ 이하로 설정된 존을 통과하고, 그 후 상기 예비형성체가 드로잉 온도까지 급속히 가열되는 존을 통과하고, 그때문에 주변부와 중심부 사이에 20℃ 이상의 온도차이를 발생시키는 프로세스가 제공된다.
본 발명의 멀티모드 광학 파이버는 광전파 방향에 평행하고 파이버의 길이 방향축을 따른 중심선을 포함하는 임의의 평면에서 리타데이션 분포를 발생시킴으로써 제조될 수 있고, 그 때문에 광학 파이버 대역폭의 개선에 요구되는 굴절률 분포가 광 전파 방향에 수직한 임의의 평면에 있게 한다. 본 발명에 따르면, 멀티모드 광학 파이버는 균일한 조성물을 이용하여 제조될 수 있고, 굴절률 프로파일은 조성의 분포에 기초한 종래의 굴절률 프로파일에 비해 온도 및 습도 변화에 기인하여 거의 무질서하게 되지 않을 수도 있다. 또한, 본 발명의 광학 파이버를 제조하기 위해, 조성의 분포에 기초한 굴절률 프로파일을 생성하기 위해 수행되는 계면 겔 중합과 같은 임의의 복잡한 단계를 수행할 필요가 없으며, 단지 중심과 주변부 사이의 온도 차이가 발생하여 분자 배향의 불균일성을 발생시키기 위한 조건 하에서 예비형성체를 드로잉하는 것과 같은 단순한 단계를 수행하는 것만이 요구된다. 따라서 본 발명은 광학 파이버 제조를 위한 시간과 비용을 현저하게 감소시키는데 기여할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 광학 파이버의 설명을 위해 사용되는 모델의 개략도이다.
도 2는 일본 특허 제 3332922 호에 개시된 광학 파이버의 예를 위한 굴절률 타원체를 기술한 선도이다.
도 3은 본 발명의 광학 파이버의 예를 위한 굴절률 타원체를 기술한 선도이며, 포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성된 코어 영역을 포함한다.
도 4는 본 발명의 광학 파이버의 예를 위한 굴절률 타원체를 기술한 선도이며, 네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성된 코어 영역을 포함한다.
도 5는 드로잉 단계 동안 형성한 드로잉된 원뿔의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 광학 파이버의 제조에 이용가능한 내부 사이징 시스템 (inner sizing system) 에 기초한 용융 압출 몰딩 기계의 예시적인 구성을 나타내는 개략 부분도이다.
도 7은 본 발명의 광학 파이버의 제조에 이용가능한 외부 다이 (die) 진공 흡입 시스템에 기초한 용융 압출 몰딩 기계의 제조 라인의 예시적인 구성의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 광학 파이버의 제조에 이용가능한 몰딩 다이의 투시도이다.
도 9는 본 발명의 광학 파이버를 제조하기 위해 사용되는 예시적인 드로잉 장치의 개략 단면도이다.
도 10은 실시예에서 제조된 샘플의 드로잉 온도와 대역폭 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예에서 복굴절률 평가를 위한 샘플이 제조되는 방법을 설명하기 위해 사용되는 개략도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 실시형태를 아래에 상세하게 설명한다. 우선, 본 발명의 광학 파이버의 길이 방향축에 수직한 임의의 평면에서의 굴절률 분포와 본 발명의 광학 파이버의 길이 방향축에 평행한 임의의 평면에서의 굴절률 분포 사이의 관계를 설명한다.
일반적으로, 고유 복굴절을 갖는 재료에 대한 3차원 굴절률 성분 (nx, ny, nz) 의 함수는 재료의 분자가 배향되지 않을 때 완전한 구 형상을 유지한다. 그러한 상황에서는, 식 nx=ny=nz 이 만족되고, 이 굴절률은 n0 로 지칭된다. 한편, 벌크 재료의 분자가 임의의 방향으로 배향될 때, 3차원 굴절률 성분 (nx, ny, nz) 모두가 동일하지 않은데, 다시 말해서, 재료 내에서 복굴절이 유발된다.
포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료의 분자가 x축만을 따라 배향될 때, 진동 방향이 배향 방향에 평행한 광선에 대한 굴절률, 즉 nx는 n0 보다 커지며, 진동 방향이 배향 방향에 수직한 광선에 대한 굴절률, 즉 nz와 동일한 ny는 n0 보다 작아진다. 한편, 네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료의 분자가 x축 만을 따라 배향될 때, 진동 방향이 배향 방향에 평행한 광선에 대한 굴절률, 즉 nx는 n0 보다 작아지고, 진동 방향이 배향 방향에 수직한 광선에 대한 굴절률, 즉 nz와 동일한 ny는 n0 보다 커진다.
도 1에 도시한 바와 같이, 길이 방향축이 x축에 평행한 직교 좌표 공간 (x,y,z) 에 위치된 긴 광학 파이버의 코어 영역의 모델을 고려한다. 도 1에서, 평면 Py-z 은 광학 파이버의 길이 방향축에 수직하고, 평면 Px-y 은 길이 방향축을 따라 중심선 Lc 을 포함하고 길이 방향축에 평행하다. 도 2 내지 도 4는 각각 Py-z 섹션과 Px-y 섹션에서 다양한 광학 파이버에 대한 굴절률 타원체 선도를 도시한다. 중심선 Lc 를 포함하고 길이 방향축에 평행한 다른 평면인 Px-z 섹션에서의 굴절률 타원체 선도는 Px-y 섹션에서의 굴절률 타원체 선도와 각각 동일하기 때문에 도시하지 않는다.
도 2는 일본 특허 제 3332922 호에 기술된 바와 같은 종래의 GI-POF의 코어 영역에 대한 굴절률 타원체 선도를 nz 및 ny 성분에서 정의되는 Py-z 섹션 (도 2(a)), 및 nx와 ny 성분에서 정의되는 Px-y 섹션 (도 2(b)) 에 나타낸다. 도 2에 도시한 바와 같은 종래 GI-POF는 매트릭스 재료에서 고굴절률을 갖는 저분자량 화합물의 그레이디드 농도 프로파일에 기초한 그레이디드 굴절률 프로파일을 갖는다. 따라서, 도 2(a) 에 도시한 바와 같이, Py-z 섹션의 굴절률 타원체 선도는 원으로 기술될 수 있으며, 원의 치수는 중심부로부터 주변부로 진행하는 방향을 따라 감소한다. 도 2(b) 에 도시한 바와 같이, Px-y 섹션의 굴절률 타원체 선도의 형상은 중심과 주변부에서 유사하며, 원의 치수는 Py-z 섹션과 마찬가지로 중심부로부터 주변부로 진행하는 방향을 따라 감소한다.
도 3은 본 발명의 GI-POF의 코어 영역에 대한 굴절률 타원체 선도를 nz 및 ny 성분에서 정의되는 Py-z 섹션 (도 3(a)), 및 nx와 ny 성분에서 정의되는 Px-y 섹션 (도 3(b)) 에 나타낸다. 도 3에 도시한 코어 영역은 포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성되고, 재료의 분자는 중심부로부터 멀어지고 (y축을 따라) 주변부에 가까워질수록 길이 방향축 (x축) 을 따라 더 집중적으로 배향된다. Px-y 평면의 분자의 배향도는 중심선 Lc로부터 주변부로 진행하는 방향을 따라 증가하고, nx 성분의 치수는 배향도의 변화와 함께 증가한다. 그리고, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, Px-y 섹션의 굴절률 타원체 선도의 형상은 중심부로부터 멀어지고 주변부로 가까워질수록 x축을 따르는 길이 방향축을 갖는 럭비공 모양의 형상에 근접한다. 그 결과, Px-y 평면의 그러한 배향도의 변화는 굴절률이 중심부로부터 주변부로 진행하는 방향으로 감소하는 Py-z 평면에서 상대적인 굴절률 프로파일을 유발할 수 있다. 광전파 방향에 대해, 도 3에 도시한 코어 영역에서 발견되는 굴절률 프로파일은 종래 GI-POF의 코어 영역에서 발견되는 굴절률 프로파일과 동일하며, 이는 굴절률 등방성 재료에서 그레이디드 굴절률 프로파일을 생성함으로써 만들어진다.
도 4는 nz 및 ny 성분에서 정의되는 Py-z 섹션 (도 4(a)) 과 nx 및 ny 성분에서 정의되는 Px-y 섹션 (도 4(b)) 에서 본 발명의 GI-POF의 다른 코어 영역에 대한 굴절률 타원체 선도를 나타낸다. 도 4에 도시한 코어 영역은 네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성되고, 재료의 분자는 주변부로부터 멀어지고 (y축을 따라) 중심부로 가까워질수록 길이 방향축 (x축) 을 따라 더 집중적으로 배향된다. Px-y 평면에서 분자의 배향도는 주변부로부터 중심선 Lc로 진행하는 방향을 따라 증가하고, nx 성분의 치수는 배향도의 변화와 함께 감소한다. 그리고, 도 4(b)에 도시한 바와 같이, Px-y 섹션의 굴절률 타원체 선도의 형상은 주변부로부터 멀어지고 중심부로 가까워질수록 y축을 따라 길이 방향축을 갖는 디스크 모양의 형상에 근접한다. 그 결과, Px-y 평면에서 배향도의 변화는 굴절률이 중심부로부터 주변부로 진행하는 방향을 따라 감소하는 Py-z 평면에서 상대적인 굴절률 프로파일을 초래한다. 광전파 방향에 대해서, 도 4에 도시한 코어 영역에서 발견되는 굴절률 프로파일은 종래 GI-POF의 코어 영역에서 발견되는 굴절률 프로파일과 동일하며, 이는 굴절률 등방성 재료에서 그레이디드 굴절률 프로파일을 생성함으로써 만들어질 수 있다는 것을 이해한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 그레이디드 굴절률을 갖는 코어 영역을 생성하기 위해 의도적으로 재료의 조성을 불균일하게 할 필요는 없으며, 조성이 균일한 재료는 코어 영역을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 명세서에서, "조성이 균일한 재료"라는 용어는 단일 성분으로 구성된 임의의 재료에 대해 사용되며, 복수의 성분을 포함하고 영역에 따른 조성 바이어스가 없는 성분비가 균일한 임의의 재료에 대해서도 사용된다. 따라서 본 발명에 따르면, 코어 영역은 고유 복굴절을 갖는 단일 성분 재료, 또는 고유 복굴절을 갖는 도펀트 (첨가제 성분) 를 임의의 복굴절을 갖지 않는 매트릭스 재료 또는 임의의 복굴절을 갖지 않는 매트릭 스 재료의 공중합에 의해 제조된 재료에 균일하게 분산시킴으로써 얻은 재료와 같은 복수 성분 재료, 및 고유 복굴절을 갖는 도펀트 (첨가제 성분) 로 형성될 수도 있다. 도펀트는 중합불가능한 또는 중합가능한 저분자량 화합물로부터 선택될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 복굴절률이 길이 방향축에 수직한 평면에서 변하는 복굴절률 프로파일은 분자를 길이 방향축을 따라 배향시키고 중심과 주변부 사이에서 배향도의 차이를 생성함으로써 형성될 수 있다. 중심과 주변부 사이에서 배향도의 차이를 생성하는 하나의 간단한 방법은 드로잉이 수행될 때 중심과 주변부 사이에서 온도차이를 생성하는 것이다. 예를 들어, 원통형 예비형성체가 파이버로 드로잉될 때, 용융 상태의 예비형성체는 하류로 인상 (pulling) 되어 직경이 드로잉 방향을 따라서 감소할 수도 있으며, 도 5에 도시한 바와 같이 실질적으로 형상이 원뿔로 변할 수도 있다 (이하, 실질적으로 형상이 원뿔로 변경된 예비형성체를 경우에 따라 "드로잉된 원뿔"로 지칭함). 본 발명에 따르면, 예비형성체 직경이 감소하기 시작하는 시작점 (A1) 으로부터 예비형성체 직경이 파이버 직경에 도달하는 종점 (A2) 까지의 영역으로부터 선택된 하나 이상의 점의 중심과 주변부 사이에서 5℃ 이상의 온도차이가 있는 것이 바람직하며; 20℃ 이상의 온도차이가 있는 것이 더 바람직하다. 따라서, 도 9에 도시한 바와 같이, 온도가 각각 제어될 수 있는 복수의 구획을 갖는 드로잉 장치 (이하 "다단계 가열존을 갖는 드로잉 장치"라고 지칭함) 에 의해 드로잉되는 것이 바람직하며, 그 이유는 중심과 주변부 사이의 온도차이가 쉽게 생성될 수 있기 때문이다.
포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성된 코어 영역을 포함하는 예비형성체를 드로잉하는 단계에서, 코어 내의 분자가 중심부로부터 멀어지고 주변부로 가까워질수록 길이 방향축을 따라 더 집중적으로 배향되는 조건을 생성하는 것이 필요하다. 예비형성체에서 그러한 조건을 생성하기 위해, 주변부의 온도가 중심부보다 낮고 예비형성체의 드로잉이 수행되는 동안 주변부의 분자가 배향되기에 충분히 높은 온도로 설정될 수도 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 다단계 가열존을 갖는 드로잉 장치에 의해 드로잉되는 단계에서, 예비형성체는 제 1 구획, 제 2 구획 및 제 3 구획을 통과하는 동안 점진적으로 예비가열될 수도 있으며, 제 4 구획을 통과하는 동안 드로잉이 시작되고, 제 5 구획을 통과하는 동안 냉풍이 가해지고, 드로잉된 원뿔이 점진적으로 얇게 드로잉되어 주변부만이 급속히 냉각될 수 있다.
네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성된 코어 영역을 포함하는 예비형성체를 드로잉하는 단계에서, 코어 영역의 분자가 주변부로부터 멀어지고 중심부로 가까워질수록 길이 방향축을 따라 더 집중적으로 배향되는 조건을 생성하는 것이 필요하다. 예비형성체에서 그러한 조건을 생성하기 위해, 중심부의 온도가 주변부보다 낮고 예비형성체의 드로잉이 수행되는 동안 중심부의 분자가 배향하기에 충분히 높은 온도로 설정될 수도 있다. 즉, 예비형성체는 가열존에서 강력한 전열 가열에 의해 외측으로부터 가열되어야할 수도 있으며, 따라서 주변부의 온도만이 급속히 상승할 수 있다. 더 구체적으로, 도 9에 도시한 바와 같이, 다단계 가열존을 갖는 드로잉 장치에 의해 드로잉되는 단계에서, 예비형성체는 제 1 구획 및 제 2 구획을 통과하면서 예비가열되지 않고 냉각될 수도 있으며, 제 3 구획을 통과하면서 급속히 가열되고, 따라서 주변부에서의 온도는 중심부에서의 온도보다 높게 설정될 수 있다.
드로잉 시 온도 차이의 바람직한 범위는 사용되는 재료의 종류에 따라 변할 수도 있으며, 통상적으로 배향도의 차이를 발생시키기 위해, 온도 차이는 5℃ 내지 150℃의 범위에 있는 것이 바람직하며, 10℃ 내지 100℃의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하고, 20℃ 내지 75℃의 범위에 있는 것이 훨씬 더 바람직하다. 온도 차이가 5℃보다 작을 때, 굴절률 프로파일은 GI-POF에 대해 불충분할 수도 있다. 온도 차이가 150℃보다 클 때, 몇몇 예비형성체는 주변부에서만 용융되고 중심부에서는 경도 (hardness) 를 유지할 수도 있으며, 따라서 중심부는 드로잉될 수 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 길이 방향축에 수직한 임의의 평면에서의 굴절률 프로파일은, 코어 영역에서 분자배향의 불균일성을 생성함으로써, 조성이 불균일한 고유 복굴절 재료로 형성된 코어 영역에서 상대적으로 유발되며, 그러한 분자 배향의 불균일성은 코어 영역에서의 온도가 중심부로부터 주변부로 진행하는 방향을 따라 변하는 동안 예비형성체를 드로잉함으로써 유발될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 광학 파이버는 고대역폭 광을 전파할 수 있으며, 저비용으로 제조될 수 있고, 온도-습도 강도가 향상된다.
본 발명의 일 실시형태는 상술한 특성을 갖는 코어 영역 및 코어 영역을 클래딩하는 클래드 영역을 포함하는 광학 파이버에 관한 것이다. 코어 영역 및 클래드 영역은 각각 하나 이상의 중합가능한 모노머를 포함하는 중합가능한 조성물의 중합에 의해 획득된 폴리머로 형성될 수도 있다. 코어 영역 및 클래드 영역 을 제조하는데 사용될 수 있는 다양한 재료의 예를 아래에 설명한다.
[중합가능한 모노머]
코어 영역용으로 사용되는 중합가능한 모노머는 높은 투명도와 높은 열가소성을 갖는 폴리머로 형성될 수 있는 중합가능한 모노머로부터 선택되는 것이 바람직하다. 그러한 중합가능한 모노머의 예는 (a) 플루오르를 함유하지 않는 (메트)아크릴레이트 및 (b) 플루오르를 함유하는 (메트)아크릴레이트와 같은 (메트)아크릴레이트, (c) 스티렌, (d) 비닐 에스테르 및 (e) 카르보닉 에스테르를 포함한다. 코어 영역은 이들로부터 선택된 하나의 모노머의 호모폴리머, 이들로부터 선택된 두 개 이상의 모노머의 코폴리머 또는 호모폴리머 및/또는 코폴리머의 혼합물로 형성될 수도 있다. 특히, 본 발명에 따르면, 모노머는 복굴절 폴리머로 쉽게 형성될 수 있는 중합가능한 모노머로부터 선택되는 것이 바람직하다. 그러한 폴리머를 형성할 수 있는 포지티브 복굴절 폴리머 또는 모노머는 폴리카보네이트 및 벤질 메타크릴레이트를 포함하며, 네거티브 복굴절 폴리머를 형성할 수 있는 모노머의 예는 메틸 메타크릴레이트, 스티렌, α-스티렌, 클로로스티렌 및 브로모스티렌을 포함하고, 모노머는 이들 예로부터 선택되는 것이 바람직하다. 중합가능한 모노머의 고유 복굴절은 모노머로 형성된 폴리머를 일축 연신에 의해 획득한 샘플의 복굴절을 측정함으로써 결정할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 복굴절을 형성할 수 있는 임의의 재료는 코어 영역용 재료로 사용될 수 있고 이와같이 모노머는 상기 예시한 모노머에 한정되지 않는다. 모노머의 종류는 모노머로 형성된 호모폴리머가 클래드 영역의 굴절률 이상의 굴절률을 갖도록 결정될 수도 있으며, 또는 2개 이상의 모노머의 조성비는 모노머의 조합으로 형성된 코폴리머가 클래드 영역의 굴절률 이상의 굴절률을 갖도록 결정될 수도 있다.
광학 부재가 근적외선 광을 전파하는데 사용되는 경우, 광은 전파 동안 광학 파이버 내의 C-H 결합에 의해 흡수되기 때문에 손실될 수도 있다. 장파장에 대한 흡수를 변경하여 그러한 광 손실을 감소시키기 위해, 코어가 중수소화된 폴리머 또는 플루오르화된 폴리머로부터 선택된 하나 이상의 폴리머로 형성되는 것이 바람직하며, 수소 원자는 일본 특허 제 3332922 호 등에 개시된 중수소화된 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA-d8), 폴리(트리플루오로에틸 메타크릴레이트) (P3FMA) 또는 폴리(헥사플루오로이소프로필 2-플루오로아크릴레이트) (HFIP 2-FA) 와 같은 중수소 또는 플루오르 원자로 치환된다. 중합 후 투명도가 저하되는 것을 방지하기 위해, 스캐터링의 잠재적인 원인으로 생각되는 임의의 오염물질 또는 임의의 외부 물질을 중합 전에 모노머로부터 충분히 제거하는 것이 바람직하다.
모노머는 측쇄 (side chain) 내에 지환족 하이드로카본 또는 분쇄 하이드로카본 그룹을 갖는 (메트)아크릴레이트로부터 선택될 수도 있다. 모노머로부터 유도된 세그먼트를 다량 함유하는 폴리머는 취성 (brittleness) 을 가지며 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 와 같은 그룹을 갖지 않는 (메트)아크릴레이트에 비해 조금 더 낮은 연신성을 갖는다. 따라서, 측쇄 내에 지환족 하이드로카본 또는 분쇄 하이드로카본 그룹을 갖는 모노머 사용 시, 취성을 상쇄하기 위해서, 높은 소성을 갖는 다른 모노머를 획득된 특성이 소망하는 것보다 저하되지 않은 상태에서 모노머와 공중합할 수도 있으며, 또는 클래드 영역, 또는 클래드 영역의 외측에 선택적으로 위치되는 코팅층이 플루오로카본 고무로 형성될 수도 있다.
클래드 영역은 코어 영역의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 폴리머로 형성될 수도 있으며, 비정질이며, 코어 영역에 양호하게 접착되어 코어 영역을 통한 광전파가 코어 영역과 클래드 영역 사이의 계면에서 코어 영역으로 다시 전반사될 수 있다. 계면 불일치가 발생하기 쉬울 때, 또는 굴절률 프로파일이 도 3 또는 도 4에 도시한 이상적인 프로파일로부터 일탈하기 쉬울 때, 하나 이상의 층이 코어 영역과 클래드 영역 사이에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 코어 매트릭스의 조성과 동일한 조성을 갖는 폴리머로 형성된 외부 코어층은 코어 영역과 클래드 영역 사이, 즉, 다시 말해서 클래드 튜브의 내부 표면상에 위치될 수도 있으며, 따라서 코어 영역과 클래드 영역 사이의 계면의 조건이 향상될 수 있다. 외부 코어층을 이후에 상세하게 설명할 것이다. 외부층을 위치시키는 대신, 클래드 영역 자체가 코어 매트릭스의 조성과 동일한 조성을 갖는 폴리머로 형성될 수도 있다. 중합을 회전시킴으로써 외부 코어층이 형성될 때, 층 내의 폴리머 사슬은 공동 (hollow) 튜브의 내부 표면에 평행한 곡선 표면을 따라서 배향되는 평면 배향을 형성하기 쉬우며 그에 의해 굴절률 타원체를 만든다. 이것은 광 전파의 무질서를 보상하는데 기여한다.
클래드 영역을 형성하는데 사용되는 재료는 코어 영역용 재료인 상기 예시한 재료로부터 선택될 수 있으며, 그들 중, 강도와 온도 및 습도 안정성이 뛰어난 재료로부터 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 관점으로부터, 클래드 영역은 플루오르 함유 모노머의 호모폴리머 또는 하나 이상의 플루오르 함유 모노머의 코폴리머로 형성되는 것이 바람직하다. 플루오르 함유 모노머의 바람직한 예는 비닐리덴 플루오라이드를 포함한다. 플루오르화된 호모폴리머 또는 10 중량% 이상의 비닐리덴 플루오라이드로부터 유도된 단위를 함유하는 코폴리머를 사용하는 것이 바람직하다.
이하에 상세하게 설명할 용융 압출 몰딩에 의해 클래드 영역이 제조될 때, 폴리머는 적절한 용융 점도를 가져야 한다. 폴리머의 중량 평균 분자량은 폴리머의 용융 점도와 상관 있는 특성으로 사용될 수 있다. 그러한 관점으로부터, 폴리머는 10,000 내지 1,000,000의 범위 내에 있는, 더 바람직하게는 50,000 내지 500,000의 범위에 있는 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머로부터 선택되는 것이 바람직하다.
많은 양의 물이 코어 영역에 흡수되는 것을 가능한 한 방지하기 위해, 클래드 영역용 폴리머는 수분 흡수율이 낮은 폴리머로부터 선택될 수도 있다. 클래드 영역은 경우에 따라 명세서에서 "수분 흡수 레이트"로 언급되며, 1.8% 보다 낮고, 바람직하게는 1.5% 보다 낮으며, 더욱 바람직하게는 1.0% 보다 낮은 포화된 수분 흡수 레이트를 갖는 폴리머를 사용하여 형성할 수도 있다. 명세서에서의 수분 흡수 레이트는 ASTMD570에 따라 일주일 동안 23℃의 물에 흡수된 후의 샘플의 수분 흡수 레이트를 측정함으로써 얻을 수 있다.
[중합 개시제]
중합 개시제는 중합 모노머의 종류 또는 중합 프로세스의 종류와 같은 다양 한 요인에 따라 공지된 중합 개시제로부터 선택될 수 있다. 중합 개시제의 예는 벤조일 퍼옥사이드 (BPO), 터트-부틸퍼옥시-2-에틸헥사네이트 (PBO), 디-터트-부틸퍼옥사이드 (PBD), 터트-부틸퍼옥시이소프로필카보네이트 (PBI) 또는 n-부틸-4,4-비스(터트-부틸퍼옥시)발레레이트 (PHV)와 같은 퍼옥사이드; 2,2'-아조비스이소부틸로니트릴, 2,2'-아조비스(2-메틸부틸로니트릴), 1,1'-아조비스(시클로헥산-1-카보니트릴), 2,2'-아조비스(2-메틸프로판), 2,2'-아조비스(2-메틸부탄), 2,2'-아조비스(2-메틸펜탄), 2,2'-아조비스(2,3-디메틸부탄), 2,2'-아조비스(2-메틸헥산), 2,2'-아조비스(2,4-디메틸펜탄), 2,2'-아조비스(2,3,3-트리메틸부탄), 2,2'-아조비스(2,4,4-트리메틸펜탄), 3,3'-아조비스(3-메틸펜탄), 3,3'-아조비스(3-메틸헥산), 3,3'-아조비스(3,4-디메틸펜탄), 3,3'-아조비스(3-에틸펜탄), 디메틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트), 디에틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트) 또는 디-터트-부틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트)와 같은 아조 화합물을 포함한다.
본 발명에 사용되는 중합 개시제는 상기 예시한 것들에 한정되지 않는다. 2개 이상의 중합 개시제가 조합되어 사용될 수도 있다.
[사슬 이동제]
코어 영역 또는 클래드 영역의 제조시, 중합가능한 모노머의 중합은 사슬 이동제 (chain transfer agent) 의 존재시 수행되는 것이 바람직하다. 사슬 이동제는 획득되는 폴리머의 분자량을 조절하기 위해 주로 사용된다. 모노머의 중합시 사슬 이동제를 사용함으로써, 중합 레이트 및 중합도를 제어할 수 있으며, 따라서 바람직한 분자량을 갖는 폴리머를 획득할 수 있다. 드로잉에 적합하도록 폴리머를 제조하는 것이 가능하며, 폴리머는 광학 파이버의 제조를 위해 드로잉되고, 생산성이 향상된다.
사슬 이동제는 이용될 모노머를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 다양한 모노머용 사슬 이동제의 사슬 이동 상수는 J. BRANDRUP 및 E.H. IMMERGUT 가 편집하고, JOHN WILEY&SON에 의해 출판된 "폴리머 핸드북 제 3 판" 과 같은 출판물을 참조하여 알 수 있다. 사슬 이동 상수는 Takayuki Ohtsu 및 Masaetsu Kinoshita 가 저술하고 Kagaku-Dojin Publishing Company, INC 사가 출판한 "Kohbunshi gousei no jikkenhou (폴리머 합성을 위한 실험 방법) (1972) 에 개시된 방법에 따른 실험에 의해 획득될 수 있다.
사슬 이동제의 예는 n-부틸메르캡탄, n-펜틸메르캡탄, n-옥틸메르캡탄, n-라우릴메르캡탄 또는 터트-도데실메르캡탄과 같은 알킬 메르캡탄류; 및 티오페놀, m-브로모티오페놀, p-브로모티오페놀, m-톨루엔티올 또는 p-톨루엔티올과 같은 티오페놀류를 포함한다. 이들 중, n-옥틸메르캡탄, n-라우릴메르캡탄 또는 터트-도데실머캡톤과 같은 알킬 메르캡탄이 바람직하다. C-H 결합의 수소 원자의 적어도 일부가 중수소 원자로 치환되는 사슬 이동제를 사용하는 것 또한 가능하다. 2개 이상의 사슬 이동제가 조합되어 사용될 수도 있다.
[다른 첨가제]
코어 영역 또는 클래드 영역은 전파력이 저하되지 않는 범위 내에서 일정량의 다른 첨가제를 함유할 수도 있다. 예를 들어, 클래드 영역의 굴절률과 매우 상이한 굴절률을 갖기 위해서, 코어 영역은 굴절률 제어제를 함유할 수도 있다. 코어 영역 또는 클래드 영역은 개선된 내후성 또는 내구성을 갖기 위해 안정제를 함유할 수도 있다. 광 투과 특성을 개선하려는 목적으로 광신호를 증폭하기 위한 방출 유도 재료를 첨가할 수도 있다. 감소된 광신호라도 그러한 화합물의 첨가에 의해 증폭되어 투과의 길이를 연장할 수 있으므로, 통상적으로 일부 광 투과 링크에서 파이버 증폭기를 제조하는 데 화합물을 이용할 수 있다. 그러한 첨가제가 첨가된 후, 중합가능한 모노머는 중합되어 그들을 함유하는 코어 영역 또는 클래드 영역을 형성할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 프로세스의 실시형태를 기술한다; 그러나, 본 발명의 프로세스는 아래에 기술한 실시형태에 한정되지 않는다. 코어 영역과 클래드 영역을 포함하는 광학 플라스틱 파이버를 제조하는 프로세스의 실시형태를 아래에 설명한다.
본 발명의 광학 파이버는 광학 파이버의 예비형성체를 드로잉하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 예비형성체는 폴리머를 압출하고, 공동 튜브에서 중합가능한 조성물을 중합하여 클래드 영역 등을 형성함으로써 제조될 수 있다. 후자를 포함하는 프로세스를 아래에 주로 설명한다. 본 발명의 일 프로세스는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 플루오르 함유 폴리머를 압출함으로서 클래드 영역에 대응하는 공동 튜브를 제조하는 제 1 단계, 코어 영역에 대응하는 영역을 형성하기 위해 튜브의 공동부에서 중합가능한 조성물을 중합함으로써 코어 영역과 클래드 영역에 각각 대응하는 영역들을 포함하는 예비형성체를 제조하는 제 2 단계, 및 획득한 예비형성체를 바람직한 형상으로 프로세스하는 제 3 단계를 포함한다. 공동 튜브의 내부 표면 상에 외부 코어층을 형성하는 단계는 제 1 단계와 제 2 단계 사이에서 수행될 수도 있다.
클래드 영역, 외부층 또는 코어 영역에 대응하는 영역에 함유된 폴리머는 중량 평균 분자량이 10,000 내지 1,000,000, 더 바람직하게는 30,000 내지 500,000인 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 중량 평균 분자량 대 개수 평균 분자량의 비율로 정의된 MWD의 값은 연신력에 영향을 줄 수도 있다. 높은 값의 MWD를 갖는 폴리머에서 지나치게 높은 분자량 성분은 그 성분의 양이 매우 작더라도 폴리머의 연신력을 저하하는데 기여할 수도 있으며, 그러한 폴리머의 일부는 드로잉 될 수 없다. 따라서, MWD의 값은 4 이하인 것이 바람직하며 3 이하인 것이 더욱 바람직하다. 바람직한 MWD 값을 갖는 폴리머는 중합 개시제 또는 사슬 이동제를 갖는 중합가능한 모노머의 중합도 또는 중합 레이트를 제어함으로서 얻을 수 있다.
제 1 단계에서, 클래드 영역에 대응하는 단일층 튜브가 제조된다. 단일층의 공동 튜브는 모노머 조성물이 중합되어 공동 튜브, 용융 압출 몰딩 등을 형성하도록, 일본 특허 제 3332922 호에 개시된 회전 중합에 의해 제조될 수도 있다. 회전 중합에 의해 공동 튜브를 제조할 때, 클래드 영역 또는 외부층용 중합가능한 조성물을 플루오르 폴리머로 형성된 파이프 또는 원통형 중합 용기에 쏟아붇고, 용기 또는 파이프를 회전시키면서 (바람직하게 원통형 용기의 축을 수평으로 유지하면서) "회전 중합"이라고 지칭되는 중합을 수행함으로써, 폴리머로 제조된 하나의 층을 갖는 공동 튜브 또는 2개의 동심의 층을 갖는 공동 튜브를 형성한다. 용 기 또는 파이프 내로 쏟아 붓기 전에, 조성물은 조성물로부터 분말 더스트를 제거하기 위해 필터링될 수도 있다. 그리고 성능이 저하되거나 사전 프로세스 또는 사후 프로세스가 복잡해지지 않는다면, 일본 공개 특허 공보 평 10-293215 호 (1998-293215) 에 기재된 바와 같이, 취급용이성을 개선하기 위해, 조성물은 적절한 점도를 갖도록 제조될 수도 있으며, 또는, 중합 시간을 단축하기 위해 조성물의 사전 중합이 수행될 수도 있다. 중합에 대한 적절한 온도 및 주기는 사용될 중합 개시제 또는 모노머의 종류에 따라 변한다. 일반적으로, 중합은 60 내지 150℃에서 5 내지 24시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 여기서 사용되는 조성물은 일본 공개 특허 공보 평 8-110419 호 (1996-110419) 에 기술된 바와 같이 점도를 높이기 위해 중합 이전에 사전 중합될 수도 있으며, 따라서 중합을 수행하는데 요구되는 시간이 단축될 수 있다. 획득된 공동 구조는 회전에 의해 용기가 찌그러질 때 변형되기 쉬울 수 있기 때문에, 충분한 강도를 갖는 금속용기 또는 유리 용기를 사용하는 것이 바람직하다.
폴리머로 형성된 공동 튜브는 펠릿 (pellet) 형태의 폴리머 또는 분말의 폴리머 (바람직하게는 플루오르 함유 수지) 를 원통형 용기에 위치시키고, 용기의 양단을 밀봉하고, 반응기를 계속 회전시키면서 (바람직하게는 원통의 축을 수평하게 유지하면서) 폴리머의 융점보다 높은 온도까지 용기를 가열시켜 폴리머가 녹게 함으로써 제조될 수 있다. 이 프로세스는 질소 또는 아르곤 가스와 같은 비활성 가스 분위기 하에서 또는 조성물이 완전히 건조된 후 수행되는 것이 바람직하고, 열을 피하기 위해서, 산화성 또는 열산화성 조성물이 용융에 의해 유발된다.
클래드 영역이 폴리머의 용융 압출에 의해 형성되는 경우, 폴리머를 제조하고, 그 후에 압출 몰딩과 같은 몰딩 기술에 의해 바람직한 형상 (본 실시형태에서는 원통형) 을 갖는 구조의 성분을 얻는 것이 가능하다. 여기서 이용가능한 용융 압출 기계는, 내부 사이징 다이 (inner-sizing-die) 시스템 및 외부 다이 진공 흡입 시스템의 2가지 종류로 분류된다.
내부 사이징 다이 시스템의 개요는 내부 사이징 다이 시스템에 기초하여 용융 압출 몰딩 기계의 예시적인 구성의 개략적인 단면도인 도 6을 참조하여 설명한다.
클래드 영역을 형성하는 소스 폴리머 (40) 는 다이 블록 (14) 을 향해 메인 유닛 (11) 을 통과하는 벤트 (미도시) 를 갖는 단일 나사 압출기에 의해 압출된다. 다이 블록 (14) 은 소스 폴리머 (40) 를 플로우 경로 (40a, 40b) 로 유도하기 위해 그 내부에 삽입된 가이드 (30) 를 갖는다. 소스 폴리머 (40) 는 가이드 (30) 를 통과하고, 다이 블록 (14) 과 내부 로드 (31) 사이에 형성된 플로우 경로 (40a 40b) 를 통해 흐르고, 다이의 배출구 (14a) 로부터 압출됨으로써 원통형 공동 클래드 (19) 를 형성한다. 클래드 (19) 의 압출 속도는 구체적으로 한정되지 않으며, 여기서는 형상 안정성과 생산성을 고려하여 1 ㎝/분 내지 100 ㎝/분의 범위 내로 설정되는 것이 바람직하다.
다이 블록 (14) 에는 소스 폴리머 (40) 를 가열하는 가열장치가 구비되는 것이 바람직하다. 하나의 가능한 구성에서, 하나 또는 2개의 가열 디바이스 (스팀, 가열 매체 오일, 전기 히터 등을 사용하는 장치 등) 는 소스 폴리머 (40) 의 진행 방향을 따라 다이 블록 (14) 을 둘러싸도록 위치된다. 한편, 다이의 출구 (14a) 에 온도 센서 (41) 를 부착하는 것이 바람직하며, 상기 온도 센서 (41) 를 다이의 출구 (14a) 에서 클래드 (19) 의 온도를 제어하는데 사용하는 것이 바람직하다. 온도는 클래드 (19) 의 균일한 형상을 유지하기 위해 소스 폴리머 (40) 의 유리 전이점보다 높지 않게 조정되는 것이 바람직하다. 클래드 (19) 의 온도는 갑작스러운 온도 변화에 기인한 형상의 변화를 억제하기 위해 40℃ 이상으로 조정되는 것이 바람직하다. 클래드 (19) 를 위한 온도 제어는 냉각 유닛 (물, 동결방지 유체 또는 오일을 사용한 디바이스, 또는 전자 냉각에 기초한 디바이스) 을 다이 블록 (14) 에 부착함으로써, 또는 다이 (14) 의 자연 공냉에 의해서 얻을 수 있다. 가열 디바이스가 다이 블록에 제공되는 경우를 위해, 냉각 유닛은 가열 디바이스의 하류측에 위치되는 것이 바람직하다.
다음 단락에서는 도 7 및 도 8을 참고하여 외부 다이 진공 흡입 시스템에 기초한 형성 프로세스의 개요를 설명하며, 도 7은 외부 다이 진공 흡입 시스템에 기초한 용융 압출 몰딩 기계의 제조 라인의 예시적인 구성을 나타내고, 도 8은 그에 따라 이용가능한 몰딩 다이 (53) 의 투시도이다.
도 7에 도시한 제조 라인 (50) 은 용융 압출 기계 (51), 푸싱 다이 (52), 몰딩 다이 (53), 냉각 유닛 (54) 및 드로잉 장치 (55) 를 포함한다. 펠릿 차아지 호퍼 (56) (pellet charge hopper) 이하, 호퍼라고 지칭함) 를 통해 충진된 소스 폴리머는 용융 압출 기계 (51) 내에서 용융되고, 푸싱 다이 (52) 에 의해 압출되고, 몰딩다이 (53) 에 공급된다. 압출 속도 (S) 는 바람직하게는 0.1
Figure 112008088522120-pct00001
S(m/분)
Figure 112008088522120-pct00002
10, 더욱 바람직하게는 0.3
Figure 112008088522120-pct00003
S(m/분)
Figure 112008088522120-pct00004
5.0, 및 더욱 바람직하게는 0.4
Figure 112008088522120-pct00005
S(m/분)
Figure 112008088522120-pct00006
1.0의 관계를 만족하지만, 이들 범위에 한정되지는 않는다.
도 8에 도시한 바와 같이, 몰딩 다이 (53) 에는 몰딩 튜브 (70) 가 구비되며, 몰딩 튜브를 통해 용융된 수지 (60) 가 통과하고 몰딩되어 원통형 클래드 (61) 를 형성하도록 한다. 몰딩 튜브 (70) 는 그 상부에 형성된 많은 흡입홀 (70a) 을 가지며, 몰딩 튜브 (70) 를 둘러싸도록 제공된 감압 (reduced pressure) 챔버 (71) 가 진공 펌프 (57) (도 7 참조) 를 이용하여 비워져서 균일한 두께를 갖는 클래드 (61) 를 형성할 때 클래드 (61) 의 외부벽 표면이 몰딩 튜브 (70) 의 몰딩 표면 (내부벽) (70b) 상에 프레스되도록 한다. 감압 챔버 (71) 내부의 압력은 바람직하게 20 ㎪ 내지 50 ㎪ 의 범위 내에서 조정되지만, 이에 한정되지는 않는다. 몰딩 다이 (53) 의 입구에서 클래드 (61) 의 외경을 한정하기 위해 쓰로트 (throat) 외경 한정 부재 (58) 를 부착하는 것이 바람직하다.
몰딩 다이 (53) 에 의해 형상이 만들어진 후 클래드 (61) 는 냉각 유닛 (54) 으로 보내진다. 냉각 유닛 (54) 은 많은 노즐 (80) 을 구비하며, 노즐로부터 클래드 (61) 를 향해 냉각수 (81) 가 배출되어 클래드 (61) 를 냉각시키고 고상화한다. 냉각수 (81) 를 수령팬 (receiving pan : 82) 에 모아서 배출구 (82a) 를 통해 배출할 수 있다. 클래드 (61) 는 냉각 유닛 (54) 으로부터 드로잉 디바이스 (55) 에 의해 드로잉된다. 드로잉 디바이스 (55) 는 드라이브 롤러 (85) 와 가압 롤러 (86) 를 구비한다. 드라이브 롤러 (85) 는 클래드 (61) 의 드로잉 속도를 제어하는 것을 가능하게 하기 위해 모터 (87) 에 연결된다. 드 라이브 롤러 (85) 의 맞은 편에 위치되고 그 사이에 클래드 (61) 가 위치된 가압 롤러 (86) 는, 클래드 (61) 의 미소한 전위라도 미세하게 보정하는 것을 가능하게 한다. 드라이브 롤러 (85) 의 드로잉 속도 및 용융 압출 몰딩 기계 (51) 의 압출 속도를 제어함으로써, 또는 클래드 (61) 의 변위를 미세하게 조정함으로써, 클래드 (61) 는 우수한 균일도, 특히 두께의 우수한 균일도를 갖는 형상으로 제조될 수 있다.
클래드 영역은 개선된 기계적 강도 및 플레임 지연 (flame retardancy) 과 같은 다양한 기능을 갖도록 복수의 층으로 구성될 수도 있다. 소정 범위 내에서 내부 벽의 산술 평균 조도를 갖도록 공동 튜브를 제조하는 것 또한 바람직하며, 플루오르 함유 수지 등으로 그 외부 표면을 커버하는 것도 바람직하다.
그 결과로 얻은 클래드 영역의 외경 (D1), 또는 즉 예비형성체의 외경은 코어 영역과 주변 영역 사이의 온도 차이가 집중적으로 발생할 수 있도록, 상세하게는, 20
Figure 112008088522120-pct00007
D1(㎜)
Figure 112008088522120-pct00008
500의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 25
Figure 112008088522120-pct00009
D1(㎜)
Figure 112008088522120-pct00010
100의 관계를 만족하도록 특정 정도의 길이를 갖는 것이 더욱 바람직하다. 클래드 영역이 스스로 형상을 유지하는 한, 클래드 영역의 두께 (t) 는 가능한 한 얇을 수도 있으며, 통상적으로, 그 두께는 바람직하게 2
Figure 112008088522120-pct00011
t(㎜)
Figure 112008088522120-pct00012
20의 관계를 만족한다. 예비형성체의 길이는 중합 또는 드로잉을 안정적으로 시작하기 위한 충분한 길이의 마진을 보장하는 것을 고려하여, 200 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 500 ㎜ 내지 3000 ㎜인 것이 더 바람직하다. 그러나, 본 발명은 상술한 범위에 한정되지 않는다.
단일 층 또는 2층의 공동 원통형 튜브는 바람직하게 바닥부를 가지며, 코어 영역용 재료를 제 2 단계에서 실린더 내에 쏟아부을 수 있다. 바닥부용의 바람직한 재료는 실린더의 폴리머와의 양호한 친화력 및 접착성을 갖는 재료이다. 바닥부는 실린더의 폴리머와 동일한 폴리머로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 회전 중합을 수행하기 이전 또는 이후에 소량의 모노머를 용기 내로 쏟아부음으로써 바닥부를 제조할 수 있으며; 용기를 그대로 유지한 채로 모노머의 중합을 수행할 수도 있다.
제 2 단계에서, 모노머 조성물을 클래드 영역에 대응하는 획득된 튜브의 공동부에 쏟아붓고 중합할 수도 있다. 조성물은 중합 개시제 또는 사슬 이동제와 같은 첨가제를 함유할 수도 있다. 조성물에 함유된 성분의 양의 바람직한 범위는 사용될 종 (species) 을 고려하여 적절하게 결정될 수도 있으며, 중합 개시제의 추가적인 양은 중합가능한 모노머 조성물의 중량에 대해 바람직하게 0.005 내지 0.5 중량%의 범위 내에 있으며, 더 바람직하게는 0.010 내지 0.50 중량%의 범위 내에 있다; 사슬 이동제의 추가적인 양은 중합가능한 모노머 조성물의 중량에 대해 바람직하게 0.10 내지 0.40 중량%의 범위 내에 있으며, 더 바람직하게 0.15 내지 0.30 중량%의 범위 내에 있다.
제 2 단계에서, 중합은 일본 공개 특허 공보 평 9-269424 호 (1997-269424) 에 기재된 증가된 압력 하에서 수행될 수도 있고, 일본 특허 제 3332922 호에 기재된 감소된 압력 하에서 수행될 수도 있고, 또는 압력이 상황에 따라 변하면서 수행 될 수도 있다. 압력의 그러한 제어는 모노머의 비점에 가까운 온도에서 모노머의 중합 효율성을 향상시키는데 기여한다. 중합이 압력 하에서 수행될 때 (이하, "가압 중합"으로 지칭함), 단일 층 또는 2개의 층의 실린더를 지그의 빈 공간에 위치시키고, 실린더를 지그에 의해 지지하면서 중합을 수행하는 것이 바람직하다. 탈수 모노머 또는 탈기 모노머의 사용은 기포가 형성되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이, 중합 동안에 변형을 방지하려는 관점으로부터, 단일 층 또는 2개의 층의 실린더를 지그의 빈 공간에 위치시키면서 중합을 수행할 수도 있다. 지그는 구조가 삽입될 수 있는 빈 공간을 갖도록 형상이 만들어지는 것이 바람직하며, 빈 공간은 바람직하게 구조의 프로파일과 유사한 프로파일을 갖는다. 본 실시형태에서, 클래드 영역에 대응하는 구조는 원통 형태로 형성되므로, 지그 또한 원통 형태를 갖는 것이 바람직하다. 지그는 가압 중합 동안에 단일층 또는 2개의 층의 실린더의 변형을 억제할 수 있으며, 가압 중합의 진행과 함께 코어 영역에 대응하는 면적의 축소를 완화하도록 실린더를 지지할 수 있다. 지그는 단일 층 또는 2개의 층의 실린더의 외경보다 큰 직경을 갖는 빈 공간을 갖고, 비접착 방식으로 클래드 영역에 대응하는 실린더를 지지하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서, 지그는 원통 형태를 가지므로, 지그의 내경은 클래드 영역에 대응하는 실린더의 외경보다 0.1 내지 40% 큰 것이 바람직하며, 10 내지 20% 큰 것이 더욱 바람직하다.
기포의 형성은 획득된 예비형성체를 코어 영역에 대한 중합이 종료 후 압력 제어 하에서 일정한 속도로 냉각함으로써 방지될 수 있다. 코어 영역의 압력응답의 관점으로부터, 질소가스와 같은 가압 비활성 가스로 충진된 반응 용기에서 수행되는 중합과 같은 가압 중합은 코어 영역을 제조하는데 바람직하다. 그러나, 예비형성체로부터 가스를 완전히 제거하는 것은 기본적으로 불가능하며, 냉각 동안의 폴리머의 급속한 수축은 폴리머에 포함된 가스의 집합에 기인한 기포의 코어를 형성할 수도 있다. 이를 피하기 위해, 냉각은 바람직하게 0.001 내지 3℃/분, 더 바람직하게는 0.01 내지 1℃/분의 제어된 냉각 속도로 수행된다. 냉각은 폴리머의 Tg에 접근하는 동안, 특히 코어 영역을 형성하는 폴리머의 Tg에 접근하는 동안 폴리머의 수축 프로세스에 따라 계단식으로 수행될 수도 있다. 그러한 경우, 중합 직후의 냉각 속도는 높고 점진적으로 감소하는 것이 바람직하다.
상술한 프로세스에 의해 획득된 예비형성체는 높은 생산성으로 고성능을 갖는 광학 파이버를 제조하기 위해서, 코어 영역과 클래드 영역 사이에서, 바람직하게 균일한 굴절률의 분포, 충분한 광학 투명도를 가지며 가능한 한 기포 또는 매크로 클리어런스 (macro-clearance) 를 갖지 않으며 광을 코어로 반사할 수 있는 매우 매끈한 계면을 갖는다.
폴리메틸 메타크릴레이트와 같은 폴리머의 펠릿을 용융 압출함으로써, 또는 비배향 (non-orientation) 처리를 충분히 하기 위해 용융 폴리머를 로드형 형상 몰딩에 쏟아붓고 몰딩에 위치된 폴리머를 폴리머의 융점보다 높은 온도에서 가열함으로써 제조된 것과 같은, 다른 프로세스에 의해 제조된 예비형성체가 본 발명에 사 용될 수도 있다. 예비형성체가 균일한 굴절률의 분포, 충분한 광학 투명도를 가지며 가능한 한 기포 또는 매크로 클리어런스를 갖지 않는 한 임의의 프로세스에 의해 제조된 예비형성체가 사용될 수 있다.
다음으로, 제 3 단계에서, 플라스틱 광학 파이버가 예비형성체를 용융 드로잉함으로써 제조된다.
도 9는 제 3 단계에 적용가능한 드로잉 장치의 개략 부분도이다. 도 9에 도시한 드로잉 장치는 암 (101), 암 (101) 의 일단 상의 유니버설 조인트 (universal joint) (107), 및 예비형성체 홀더 (108) 를 포함한다. 홀더는 예비형성체 (109) 를 매다는 방식으로 지지한다. 나사 드라이버 (103) 가 모터 (104) 에 의해 구동될 때, 나사 (102) 는 일정한 속도로 회전하고, 암 (101) 이 내려가고, 예비형성체 (109) 가 히터 (110) 에 삽입된다. 그 다음, 예비형성체 (109) 는 각 구획에서 가열되고 용융된다. 예비형성체 (109) 의 용융된 말단은 히터 (110) 의 하류에 위치하고, 냉각 팬 (111a) 에 의해 냉각된 공기를 보내는 냉각실 (111b) 을 통과하는 동안 냉각되고, 인상롤 (115) 의 니핑부 (nipping portion) 에 의해 니핑되고, 인상롤 (115) 에 의해 하향으로 드로잉된다. 인상롤 (115) 중 하나는 인상 모터 (116) 에 의해 구동되고, 인상 모터에 의해 하향 인상력이 조정가능하다. 예비형성체 (109) 는 암 (101) 에 의해 일정한 레이트로 하향으로 공급되고 인상롤 (115) 에 의해 일정한 속도로 드로잉되며, 따라서 연속적으로 드로잉되어 광학 파이버 (109') 를 형성한다.
드로잉축은 정렬 디바이스 (105) 의 보조와 함께 조정가능하다. 예비형 성체 (109) 의 하향 인상 속도는 예비형성체 (109) 의 인장력을 검출하는 장력 게이지 (114a), 예비형성체 (109) 의 직경을 검출하는 레이저 측정 게이지 (114b), 및/또는 거리 카운터 (114c) 또는 드로잉 길이 측정으로부터 획득된 검출된 값에 기초하여 컴퓨터 (117) 에 의해 모터 (116) 를 제어함으로써 최적화될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 히터 (110) 가 다단식 (multistage) 일 때, 중심과 주변부 사이의 상술한 본 발명의 효과를 얻기 위해 필요한 온도 차이는 각 구획내의 온도를 정확히 제어함으로써 생성할 수 있다. 각 구획 내부의 온도를 정확하게 제어하기 위해, 한 구획의 분위기가 인접 구획으로 새어진행하는 것을 방지하도록, 도 9에 도시한 바와 같이, 오리피스 (119) 가 서로 인접한 구획들 사이에 위치되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 예비형성체가 포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성될 때, 예비형성체는 중심부로부터 주변부로 진행하는 방향으로 온도가 점진적으로 감소하도록 가열될 수도 있다. 그러한 경우, 예비형성체는, 온도가 예비형성체를 급속히 가열하기에 충분히 높은 제 1 구획과 같은 상류존으로 공급될 수도 있으며, 이어서 원통형 예비형성체가 드로잉될 수 있을 만큼 충분히 온도가 높은 제 2 구획 또는 다른 구획으로 공급될 수도 있으며, 직경을 따라 서서히 감소하고 원뿔 형태로 변형된다. 이어서 예비형성체는 찬 공기가 보내지고 (임의의 가열존에 대한 온도차는 30℃ 이상의 것이 바람직함) 바람직한 직경의 파이버로 드로잉되는 동안 급속히 냉각되는 하류존으로 공급될 수도 있다. 찬 공기가 제공되면, 주변부는 급속히 냉각될 수도 있지만, 반면 중심부는 불충분하게 냉각될 수도 있어서, 코어 영역에서 온도의 분포가 생성된다.
한편, 예비형성체가 네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성될 때, 예비형성체가 가열되어 주변부로부터 코어 영역으로 진행하는 방향을 따라 온도가 점진적으로 감소할 수도 있다. 그러한 경우, 예비형성체는 제 1 구획, 또는 제 1 구획 및 온도가 낮으며, 예를 들어 30℃ 이상이며, 상류존에서 예비형성체를 사전가열하기에 충분하지 않은, 제 2 구획과 같은 상류존으로 공급될 수도 있다. 이어서, 예비형성체는 코어 영역의 중심부가 주변부와 마찬가지로 가열되기 전에, 코어 영역의 주변부를 단시간 동안에 급속히 가열하고 예비형성체가 바람직한 직경의 파이버로 드로잉되게 할 수 있을 만큼 온도가 충분히 높은 다음의 존으로 공급될 수도 있다. 상류 존의 냉각 공기의 온도가 30℃ 이상일 때, 예비형성체가 예비가열될 수도 있으며 온도의 충분한 차이가 생성될 수 없다.
임의의 경우, 바람직한 직경의 파이버로 드로잉된 후, 롤을 통과하는 동안 변형을 피하기 위해 냉각이 수행될 수도 있다.
드로잉 온도는 예비형성체의 재료에 따라 설정될 수도 있으며, 일반적으로, 드로잉 온도는 바람직하게 180 내지 250℃ 이다. 온도와 같은 드로잉 조건은 예비형성체의 직경, 파이버의 바람직한 직경 또는 예비형성체의 재료에 따라 설정될 수 있다. 본 발명의 광학 파이버는 중심선에 수직한 방향을 따라 변하는 복굴절률을 가지며, 그러한 광학 파이버를 제조하기 위해 드로잉 동안 주변부의 온도가 중심부의 온도보다 충분히 높아야할 때 예비형성체를 가열하기 위해 전기로를 사용하는 것이 바람직하다. 전기로는 예비형성체의 표면을 효과적으로 가열할 수 있으며, 주변부와 중심부 사이의 충분한 온도차를 생성한다. 한편, 드로잉 동안에 중심부의 온도가 주변부의 온도보다 충분히 높은 것이 요구될 때, 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 레이저는 예비형성체의 중심부를 충분하고 급속하게 가열할 수 있다. 급속하게 가열된 후, 예비형성체는 급냉되며, 특히 차가운 공기가 주입되어 냉각되고, 따라서 주변부와 중심부 사이의 충분한 온도차이가 생성될 수 있다.
파이버의 선형성과 원형성을 유지하기 위해, 중심 위치를 일정하게 유지하는 정렬 메커니즘을 갖는 드로우-스피닝 장치를 사용하여 예비형성체를 파이버로 드로잉하는 것이 바람직하다.
드로잉 장력은 일본 공개 특허 공보 평 7-234322 호 (1995-234322) 에 기재된 바와 같이 용융 플라스틱을 배향하기 위해 10 g이상으로 설정될 수 있으며, 일본 공개 특허 공보 평 7-234324 호 (1995-234324) 에 기재된 바와 같이 스피닝 후 변형이 잔류하지 않도록 바람직하게 100 g이하로 설정될 수 있다. 일본 공개 특허 공보 평 8-106015 (1996-106015) 에 기재된 바와 같이 드로잉 이전에 예비 가열 단계를 포함하는 방법을 사용할 수도 있다.
비가공 (raw) 파이버의 파괴 연신 및 경도가 각각 일본 공개 특허 공보 평 7-244220 호 (1995-244220) 에 기재된 범위 내에 있을 때, 파이버의 굽힘성 및 에지방향 (edgewise) 압력 특성이 향상될 수 있다. 파이버의 투과 품질은 일본 공개 특허 공보 평 8-54521 호 (1996-54521) 에 기재된 바와 같이, 파이버가 반사층으로서 기능할 수 있는 저 반사율을 갖는 외부층을 가질 때 향상될 수 있다. 반사층은 PMMA 로드와 같은 예비형성체가 바람직한 직경의 파이버로 드로잉된 후, 표면에 클래드 영역의 재료용으로도 사용될 수 있는 저 반사 조성물을 코팅함으로써 제조될 수도 있다. 코팅 타입 클래드 영역의 예는 Addison Clear Wave Company 사가 제조한 "AC R220B" 자외선 경화 타입을 포함한다.
제 3 단계에서 프로세스된 후의 플라스틱 광학 파이버는 어떠한 변경도 없이 다양한 애플리케이션에 직접 이용될 수 있다. 또한, 파이버는 외부 표면에 커버링층 또는 섬유층을 갖는 형태, 및/또는 보호 또는 강화의 목적으로 복수의 묶음의 파이버를 갖는 형태로 다양한 애플리케이션에 이용될 수도 있다. 엘리먼트 와이어에 코팅이 제공되는 경우에 대해, 커버링 프로세스는 엘리먼트 파이버를 통과하기 위한 쓰루홀을 갖는 한 쌍의 마주보는 다이를 통해 엘리먼트 와이어를 러닝 (running) 하고, 마주보는 다이 사이에 코팅을 위한 용융 폴리머를 충진하고, 엘리먼트 파이버를 다이 사이로 이동시키는 것이다. 커버링층은 내부 엘리먼트 파이버가 굽힘에 의해 응력을 받지 않도록 엘리먼트 파이버와 섞이지 않는 것이 바람직하다. 커버링 프로세스에서, 엘리먼트 파이버는 용융 폴리머와의 접촉을 통해 통상적으로 열손상될 수도 있다. 따라서, 엘리먼트 파이버의 이동 속도를 열손상을 최소화하도록 설정하고, 저온 범위에서 용융될 수 있는 커버링 층을 형성하기 위한 폴리머를 선택하는 것이 바람직하다. 커버링 층의 두께는 커버링 층을 형성하는 폴리머의 용융 온도, 엘리먼트 파이버의 드로잉 속도 및 커버링 층의 냉각 온도를 고려하여 조정될 수 있다.
파이버 상에 커버링 층을 형성하는 다른 공지된 방법은 광학 부재에 코팅된 모노머가 중합되는 방법, 시트를 감는 방법, 및 광학 부재를 압출 몰딩에 의해 획득된 공동 파이프 내로 통과시키는 방법을 포함한다.
엘리먼트 파이버의 커버리지는 플라스틱 광학 파이버 캐이블의 제조를 가능하게 한다. 커버리지의 스타일은 플라스틱 광학 파이버가 커버재로 커버되어 양쪽의 경계가 전체 원주에 가깝게 접촉되는 컨택 커버리지; 커버재와 플라스틱 광학 파이버의 경계에서 갭을 갖는 루즈 (loose) 커버리지를 포함한다. 루즈 커버리지는 커버층의 일부가 커넥터와 함께 결합 영역에서 통상적으로 박리될 때 커버층의 말단으로부터 물이 갭으로 들어가는 경향이 있으며, 세로 방향을 따라 확산하기 때문에 컨택 커버리지가 일반적으로 바람직하다. 그러나, 커버리지 및 엘리먼트 파이버가 가까이 접촉하지 않는 루즈 커버리지는, 커버층이 케이블에 인가되는 응력 또는 열과 같은 대부분의 손상을 제거할 수 있어서, 엘리먼트 파이버에 가해지는 손상을 감소시킬 수 있기 때문에 몇몇 용도로 사용되는 것이 바람직하다. 말단 평면으로부터의 물의 확산은 유체 겔-형태, 반 고상 또는 분말 재료로 갭을 충진함으로써 피할 수 있다. 반고상 또는 분말 재료가 물 확산을 제공하는 기능과 열 저항성, 기계적 특성 등을 개선시키는 기능과 같은 물확산 제공 기능 이 외의 기능 둘다 갖는 경우 고성능의 커버리지가 획득될 것이다.
루즈 커버리지는 크로스헤드 다이의 헤드 니플의 위치를 조정하고, 갭 층을 형성하도록 감압 디바이스를 제어함으로써 획득할 수 있다. 갭층의 두께는 니플의 두께를 제어하거나, 또는 갭층을 가압/감압함으로써 조정될 수 있다.
기존의 커버층 (1차 커버층) 을 둘러싸도록 다른 커버층 (2차 커버층) 을 더 제공할 수 있다. 2차 커버층에는 난연제, 자외선 흡수제, 산화방지제, 라디칼 포획제, 윤활제 등을 첨가할 수 있고, 만족스러운 레벨의 수분 투과 방지가 보장된다면 1차 커버층에도 포함될 수도 있다.
난연제로서, 브롬 또는 다른 할로겐, 또는 인을 함유한 공지된 수지 또는 첨가제가 있지만, 유독 가스의 방출시 환원과 같은 안전성의 관점으로부터 금속 수산화물을 함유하는 물질이 주류가 되고 있다. 금속 수산화물은 구조에 결정수를 가지며, 이로 인해 제조 프로세스시 부착된 물을 완전히 제거할 수 없으며, 따라서 난연 커버리지는 본 발명의 수분 투과 방지층 (1차 커버층) 을 둘러싸는 외부 커버층 (2차 커버층)으로 제공되는 것이 바람직하다.
또한 복수의 기능을 갖는 커버층을 적층할 수 있다. 예를 들어, 난연 뿐만 아니라, 엘리먼트 파이버에 의한 수분 흡수를 차단하는 배리어 층, 또는 흡습 테이프 또는 흡습 겔로 대표되는 물을 제거하기 위한 수분 흡수제를 커버층 사이 또는 커버층 내부에 제공할 수 있다. 굽힘 하에서 응력을 감소시키는 플렉시블 재료층, 거품층과 같은 버퍼층, 및 강성을 증가시키는 강화제를 제공할 수 있으며, 이들 모두를 목적에 따라 선택할 수도 있다. 수지 이외에, 고탄성 파이버 (소위 인장 강도 파이버) 및/또는 고강성 금속 와이어와 같은 와이어 재료는 열가소성 수지에 구조재로서 첨가되는 것이 바람직하며, 열가소성 수지는 획득된 케이블의 기계적 강도를 강화한다.
인장 강도 파이버의 예는 아라미드 파이버, 폴리에스테르 파이버 및 폴리아미드 파이버를 포함한다. 금속 와이어의 예는 스테인레스 와이어, 아연 합금 와이어 및 구리 와이어를 포함한다. 인장 강도 파이버와 금속 와이어는 양자 모두 상기한 것에 한정되지 않는다. 금속 튜브와 같은 임의의 다른 보호 외장, 공중 케이블링을 위한 보조 와이어, 및 와이어링 동안 가공성을 개선하는 메커니즘이 통합될 수 있다.
케이블의 유형은 동심으로 묶인 엘리먼트 파이버를 갖는 집합적 케이블; 소위 그 내부에 선형적으로 정렬된 엘리먼트 파이버를 갖는 테이프 컨덕터; 및 프레스 와인딩 또는 래핑 외장에 의해 그것들을 더 묶는 집합적 케이블을 포함하며, 이들 모두는 애플리케이션에 따라 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 파이버를 포함하는 케이블은 이전의 케이블보다 축 오정렬에 대해 더 높은 내구성을 가질 수도 있다. 따라서, 케이블은 버트 (butt) 연결에 사용될 수 있지만, 그러한 경우에, 광학 커넥터는 커넥션 부분을 특정하게 고정시키기 위해 말단에 사용되는 것이 바람직하다. PN, SMA, SMI, F05, MU, FC 또는 SC 타입 커넥터와 같은 다양한 타입의 상업적으로 이용가능한 커넥터를 사용할 수 있다.
본 발명의 광학 부재는 광신호를 전송하는 시스템에서 사용하기 위한 광학 파이버 케이블로서 사용될 수 있으며, 상기 시스템은 다양한 광방출 엘리먼트, 광 스위치, 광학 절연기, 광학 통합 원형, 광수신 엘리먼트, 다른 광학 파이버, 광학 버스, 광학 스타 커플러, 광신호 프로세싱 디바이스, 커넥션을 위한 광학 커넥터 등을 포함한다. N.T.S. Co.,Ltd. 사가 출판한 "Purasuchikku Oputicaru Faiba no Kiso to Jissai (Basics and Practice of Plastic Optical Fiber)"; 및 "NIKKEI ELECTRONICS" vol.2001,12,3 의 110 내지 127 페이지 등을 참조하여 임의의 공지된 기술이 적용가능하다. 본 발명의 광학 부재는 상술한 문헌에 기술된 임의의 기술과 결합될 수도 있으며, 상기 조합은 전자기파가 없는 고속 데이터 통신 또는 제어와 같은 단거리용 광전송 시스템을 형성할 수도 있다. 보다 구체적으로, 그러한 조합은 내부 와이어링을 컴퓨터 또는 다양한 디지털 장비에 형성할 수도 있고; 내부 와이어링을 차량 또는 선박에 형성할 수도 있으며; 광학 단말기와 디지털 장치 사이 또는 디지털 장치들 사이에 광학 링크를 형성할 수도 있으며; 내부 또는 영역간 광학 랜을 단독 주택, 다세대 주택, 공장, 사무실, 병원, 학교에 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 광학 부재는 "확산된 광 전송을 이용하는 고 균일도 스타 커플러", IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E84-C, No.3, MARCH 2001, p.339-344; 또는 "HIKARI SHITOBASU GIJYUTSU NIYORU INTACONEKUSYON (광학 시트 버스에 의한 인터커넥션)" Journal of Japan Institute of Electronics Packaging Vol.3, No.6, 2000, p. 476-480; JPA 제1998-123350, 2002-90571 또는 2001-290055에 통상적으로 기재된 광학 버스; JPA 제 2001-74971, 2000-329962, 2001-74966, 2001-74968, 2001-318263 또는 2001-311840; JPA 제2000-241655에 통상적으로 기재된 광학 스타 커플러; JPA 제2002-62457, 2002-101044 또는 2001-305395 호에 통상적으로 기재된 광신호 전송 디바이스 및 광학 데이터 버스 시스템; JPA 제2002-23011 호에 통상적으로 기재된 광신호 프로세서; JPA 제 2001-86537 호에 통상적으로 기재된 광신호 크로스 커넥션 시스템; JPA 제 2002-26815 호에 대표적으로 기재된 광학 전송 시스템; 또는 JPA 제 2001-339554 또는 2001-339555 호에 대표적으로 기재된 다기능 시 스템; 임의의 광 가이드, 임의의 광학 턴아웃 및 크로싱, 임의의 광학 커플러, 임의의 광학 컴파일링 필터 또는 임의의 광학 가지 필터;의 임의의 기술과 결합될 수도 있으며, 그러한 조합은 다중 송신 및 수신을 이용하는 개선된 광학 전송 시스템을 형성할 수도 있다.
상술한 애플리케이션 외에, 본 발명의 광학 부재는 라이팅 시스템, 에너지 트랜스미터, 조명 또는 센서와 같은 다양한 기술 분야에서 사용될 수도 있다.
실시예
본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다. 임의의 재료, 시약, 사용 비율, 조작 등은 본 발명의 정신을 일탈하지 않고 적절히 변경될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 아래에 나타낸 구체적인 실시예에 한정되지 않는다.
[제 1 실시예 내지 제 9 실시예]
도 6에 도시한 동일한 구조를 갖는 내부 사이징 다이 타입 용융 압출 기계로 용융 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 를 압출함으로써 1 ㎜의 두께, 20 ㎜의 직경, 및 1m의 길이를 갖는 공동 튜브 (파이프) 를 제조하였다. 파이프의 일측단을 PVDF로 형성된 캡으로 커버하고, 네거티브 복굴절 PMMA로 형성된 코어 영역을 형성할 수 있는 아래에 나타낸 MMA 조성물을 파이프의 공동부로 쏟아부었다.
(MMA 조성물)
메틸 메타크릴레이트 500 g
메틸 아조비스이소부티레이트 0.25 g
n-라우릴메르캡탄 1.75 g
쏟아 부은 후, 파이프를 오일 배스에 위치시킨 채로, 상세하게는, 60℃에서 24시간 동안, 90℃에서 24시간 동안 및 120℃에서 24시간 동안, 조성물의 중합을 계단식으로 수행하고, 그 결과 예비형성체를 얻었다.
(드로잉)
획득한 예비형성체를 도 9에 도시한 동일한 구조를 갖는 링형상의 전기로를 포함하는 드로잉 장치로 드로잉하였다. 고로 (furnace) 의 가열존은 5단계이며, 즉 다시 말해 도 9에 도시한 바와 같이, 5 개의 구획으로 구성되며, 통상적으로 "오리피스"라고 지칭되는 플레이트 (119) 는 구획 내의 분위기가 인접 구획에서 거의 누출되지 않도록 구획들 사이에 돌출되어 위치된다. 20℃의 공기는 제 1 구획 및 제 2 구획 모두로 보내지며, 제 3 구획의 온도는 9개의 레벨, 상세하게는, 205℃, 210℃, 215℃, 220℃, 225℃, 230℃, 235℃, 240℃ 또는 245℃로 설정되며; 제 4 및 제 5 구획의 온도는 예비형성체가 드로잉되는 동안 각각 항상 170 및 140℃로 설정하였다. 그리하여 1 ㎜의 외경과 50 m의 길이를 갖는 실시예 1 내지 9의 파이버를 획득하였다.
상기 드로잉 프로세스 동안에 예비형성체의 내부에서 생성된 온도 차이는 모델 테스트를 사용함으로써 구체적으로 검사한다. 모델 테스트를 위해, 내부에 2개의 써모커플이 내장된 예비형성체를 제조하였다. 그들 중 하나를 길이 방향축에 수직한 한 평면의 중심부에 위치시키고 나머지 하나는 평면의 주변부에 위치시켰다. 실시예 8과 동일한 방법으로, 특히 제 3 구획의 온도가 240℃로 설정된 조건 하에서, 예비형성체를 드로잉하였으며, 파이버의 파열이 발생할 때까지 써모커플 온도를 측정하였는데 그 이유는 써모커플이 도 5에 A1으로 도시한 레벨인 드로잉된 원뿔 부분 또는 인접 영역에 도달했기 때문이다. 상기 측정은 주변부의 온도가 213℃이고, 중심부의 온도는 190℃이며 온도차이는 23℃임을 나타냈다.
(획득한 파이버의 평가; 광학 파이버 대역폭)
광원으로서 650 ㎚-LED로부터 방출된 100 피코 초의 절반의 폭을 갖는 펄스된 광을 개구수 0.5의 대물렌즈로 집광하여 획득된 광학 파이버의 각 입구의 말단으로 유도하였다. 입구 말단으로부터 50 m 떨어진 출구 말단으로부터 진행하는 광을 샘플링 오실로스코프로 검출하였다. 파형의 절반의 폭을 응답 주파수로 변환함으로써 각 대역폭을 계산하였다. 획득한 결과를 표 1에 나타낸다. 각 광학 파이버 대역폭을 도 10의 드로잉 온도에 대해 플로팅하였다. 도 10으로부터, 광학 파이버의 대역폭은 드로잉 온도에 따라 변하며 최대 주파수는 드로잉 온도가 약 225℃로 설정될 때 획득된다는 것을 알 수 있다.
(획득한 파이버의 평가; 복굴절 분포)
길이 방향축에 평행한 중상선으로부터 주변부로 수직으로 진행하는 방향을 따른 복굴절 분포를 하기 방법에 의해 평가하였다. 사실, 리타데이션의 분포, 즉 다시 말해 Δn×d를 평가하였고, 여기서 Δn (=nx-ny) 은 복굴절률이며 d는 샘플의 두께이다. 처음에는, 획득된 광학 파이버의 10 m 샘플이 각각 제조되었다. 각 샘플은 1 ㎜의 두께를 갖는 유리판 상에 위치되었고, 에폭시 수지로 커버되어 도 11에 도시한 바와 같이 플레이트에 부착되었다. 다음으로, 에폭시 수지 측으로부터, 즉 다시 말해 도 11의 상측으로부터 파선 L1 으로 도시한 중심선의 레벨로 연마를 수행하였다. 그리고 1 ㎜의 두께를 갖는 다른 유리판을 샘플의 연마된 면에 위치시키고 에폭시 수지로 고정하였다. 맞은편 유리 플레이트 측으로부터, 즉 다시 말해 도 11의 하측으로부터 연마를 수행하였다. 연마가 진행됨에 따라, 하측 유리 플레이트를 절단하고, 도 11에 파선 L2 로 도시한 레벨만큼 샘플을 연마하여, 샘플의 두께가 0.1 ㎜가 되었다. 상술한 단계에 의해, 유리 플레이트 상에 위치되며 0.1 ㎜ 두께를 갖는 파이버의 샘플을 각각 획득하였다. 이들 샘플을 두께 베렉 보상기 (thick-berek-compensator), U-CTB를 갖는 편광 현미경 (올림푸스 사 제조의 "BX51") 하에서 검사하였고, 그들의 리타데이션 분포는 관찰된 컬러로 평가하였다. 관찰로부터, 중심선 부분으로부터 코어 영역과 클래드 영역사이의 계면으로 수직하게 진행하는 방향을 따라 임의의 샘플의 리타데이션이 변한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 리타데이션의 절대값을 표 1 에 도시한다.
(획득한 파이버의 평가; 온도 및 습도 안정성)
획득한 광학 파이버의 각각에 대한 650 ㎚에서 광손실량을 제조 직후 컷백 (cut-back) 방법에 의해 측정하였다. 다음으로, 그들 각각을 70℃-90% RH의 분위기에서 1000시간 동안 유지한 후 광손실량을 다시 측정하였다. 상기 2개의 광손실량 사이의 차이를 광손실 변화로 간주하였다. 획득한 파이버의 광손실 변화를 표 1에 나타냈다.
표 1에 도시한 바와 같이, 복굴절률이 더 많이 변할수록, 더 넓은 대역폭을 획득하며, 즉 다시 말해서, 리타데이션 차이의 절대값이 클수록, 길이 방향축에 수직한 임의의 평면에서 복굴절률의 더욱 현자한 분포가 생성되며, 더 높은 광전송 특성을 갖는 GI 타입 광학 파이버를 획득하였다.
[비교예 1]
예비형성체를 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(드로잉)
획득한 예비형성체를 도 9에 도시한 동일한 구조를 갖는 링형상의 전기로를 구비하는 드로잉 기계로 드로잉하였다. 예비형성체가 드로잉되는 동안 제 1 구획 및 제 2 구획의 온도는 각각 140 및 180℃로 설정하였고, 제 3 구획의 온도는 240℃로 설정하였고, 제 4 구획 및 제 5 구획의 온도를 170 및 140℃로 각각 설정하였다. 그렇게 하여 비교예 1의 외경 1 ㎜ 및 길이 50 m를 갖는 파이버를 획득하였다.
광학 파이버 대역폭, 복굴절률 분포 및 획득된 파이버의 온도 및 습도 안정성을 실시예 1 내지 실시예 9와 동일한 방법으로 평가하였다. 획득한 결과를 표 1에 나타낸다. 그러나 비교예 1의 샘플은 리타데이션을 가지며, 리타데이션의 양이 균일하고 리타데이션의 분포가 발견되지 않았다.
[비교예 2]
일본 특허 제 3332922 호에 기재된 실시예 4와 동일한 방법으로 GI-타입 플라스틱 광학 파이버를 제조하였다. GI 타입 광학 파이버를 제조하는 프로세스로 알려진 프로세스에서, 도펀트가 사용되었고 굴절률 분포는 도펀트 농도의 분포에 기초하여 생성되었다. 획득한 광학 파이버의 특성을 상기한 바와 동일한 방식으로 평가하였다.
표 1
Figure 112008088522120-pct00025
산업상 이용가능성
본 발명에 따르면, 굴절률 프로파일은 길이 방향축에 평행한 임의의 섹션에서 복굴절 분포를 생성함으로써 광전파 방향에 수직한 임의의 섹션에서 생성될 수 있으며, 따라서 GI 타입 POF를 도펀트를 사용하지 않고 또는 균일한 조성물을 이용하여 제조할 수 있다. 본 발명의 프로세스에 의해 제조되는 광학 파이버는 대역폭, 장기간 안정성 및 온도-습도 안정성이 우수하다.

Claims (7)

  1. 코어 영역을 포함하고 광학 플라스틱 파이버의 길이 방향축을 따라 중심선을 갖는 광학 플라스틱 파이버로서,
    상기 중심선에 수직한 임의의 평면에서, 상기 코어 영역의 굴절률이 주변부로부터 상기 중심선으로 진행하는 방향을 따라 증가하고,
    상기 중심선에 평행하고 상기 중심선을 포함하는 임의의 평면에서, 복굴절률이 상기 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 변하는, 광학 플라스틱 파이버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 영역은 포지티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성되고; 전파 방향에 평행하고 상기 중심선을 포함하는 임의의 평면에서, 복굴절률 (Δn) 의 절대값은 상기 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 증가하고, Δn=nx-ny>0이며, 상기 nx는 상기 길이 방향축에 평행한 굴절률이고 상기 ny는 상기 길이 방향축에 수직한 굴절률인, 광학 플라스틱 파이버.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 영역은 네거티브 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성되고; 전파 방향에 평행하고 상기 중심선을 포함하는 임의의 평면에서, 복굴절률 (Δn) 의 절대값은 상기 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 감소하고, Δn=nx-ny<0 이며, 상기 nx는 상기 길이 방향축에 평행한 굴절률이고 상기 ny는 상기 길이 방향축에 수직한 굴절률인, 광학 플라스틱 파이버.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 영역은 균일한 조성으로 형성되는, 광학 플라스틱 파이버.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 영역의 분자는 길이 방향축을 따라 배향되고 배향도는 상기 중심선으로부터 상기 중심선에 수직한 주변부로 진행하는 방향을 따라 변하는, 광학 플라스틱 파이버.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 광학 플라스틱 파이버를 제조하는 방법으로서,
    온도가 서로 상이하게 설정된 2개 이상의 영역을 통해 예비형성체 (preform) 가 통과하는 동안 고유 복굴절을 갖는 재료로 형성된 하나 이상의 영역을 포함하는 상기 예비형성체를 파이버로 드로잉(draw)하는 단계를 포함하고,
    상기 예비형성체를 파이버로 드로잉하기 이전에, 상기 예비형성체의 중심부와 주변부 사이에 5℃ 이상의 온도 차이가 발생되는, 광학 플라스틱 파이버 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광손실이 250 ㏈/㎞ 이하인, 광학 플라스틱 파이버.
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