KR101313397B1 - 고체 코어 광섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광도파로기술 분야에서 광신호 전달을 위하여 사용되는 것과 같은 고체 코어 광섬유(1)에 관한 것으로, 조명 목적의 광전달 시에도 사용된다. 고체 코어 광섬유(1)는 피복(3)을 갖춘 유리섬유(2)로 구성된다. 피복(3)은 다음과 같이 구성된다. 피복은 폴리에테르에테르케톤(Poly Ether Ether Ketone)과 최소 10 및 최대 40 중량% 상당의 무기질 채움제의 혼합물로 구성되는데, 입자 크기는 0.08㎛ 내지 12㎛이다. 피복(3)의 바깥지름은 0.2mm 내지 1.2mm이다. 피복(3)의 바깥지름 D와 유리섬유(3)의 지름 d의 비율 D/d은 2 내지 6이다. 피복(3)은 유리섬유(2)에 가압되는데, 이때 유리섬유(2)와 피복(3) 사이에 상대운동이 거의 일어나지 않을 정도로 가압된다.

Description

고체 코어 광섬유{SOLID CORE OPTIC FIBER}
본 발명은 광도파로기술 분야에서 광신호 전달을 위하여 사용되는 것과 같은 고체 코어 광섬유에 관한 것으로, 의학분야에서 최소절개수술(minimal invasive) 등과 같은 경우 요구되는 조명 및 치료 목적의 광전달 시에도 사용된다.
광도파로는 유리 또는 합성소재로 구성된 광신호 전달매체를 갖는데, 이 전달매체를 섬유라고 부른다. 섬유를 보호하기 위해 커버가 부기되어 있고, 이 커버의 재질과 구조는 섬유 보호를 위한 요건에 따라 정해진다. 고체 코어 광섬유의 경우, 예컨대 EP 1 456 704 B1에 명시된 바와 같이 커버가 섬유의 코팅층 바로 위에 구비된다. 이는 압출성형법(extrusion process)을 통해 달성된다. EP 1 456 704 B1에 명시된 고체 코어 광섬유의 구조의 경우, 커버가 섬유에 대하여 마찰을 일으키지 않으며(sliding) 직접적으로 접해있다. 이때 커버는 테프론 재질의 중간층이나 운모(talc)로 구성되어 있어 표면의 미끄러운 특성이 실현된다.
그러나 섬유에 대하여 미끄러지듯 접해 있는 배치가 요구되지 않는 적용사례가 있을 수 있다. 그래서 DE 10 2004 045 775 B4에서는 특히 차량의 엔진실과 같이 온도변화가 심한 장소에 사용될 광섬유의 경우 커버가 섬유에 대하여 변위(shift)할 수 있다고 명시한다. 다시 말해, 섬유와 커버 사이에 상대운동(relative movement)이 일어난다. 원인은 섬유를 구성하는 재료와 커버를 구성하는 재료가 갖는 열팽창계수가 다르기 때문이다. 이러한 현상은 "피스토닝(pistoning)"이라고 불리는데, 이때 코팅에 대한 섬유의 변위로 인하여 연결부위에서 섬유 끝부분이 서로 멀어져서, 신호전달 품질을 저하될 수 있다. 이 피스토닝을 방지하기 위한 일련의 조치들이 DE 19914743 A1, JP 04127107 A, DE 60104497 T2, WO 00/60382, KR 1020010113717 A, EP 1174746 A1, DE 10044585 A1에 공개되어 있다.
피스토닝은 섬유가 휘어져 있을 경우에도 발생할 수 있는데, 커버가 곡선 바깥쪽에서는 팽창하고 안쪽에서는 압축되어 섬유의 표면과 커버의 내면 사이에 전단력(shear force)이 발생하고 그로 인해 섬유에 대한 커버의 변위가 일어날 있다. 스틱슬립(stick-slip) 효과 때문에 기계적 텐션(mechanical tension)이 누적되고 섬유의 광학적 특성이 저해될 수 있다.
본 발명의 과제는 피스토닝 현상이 드물게 또는 아예 발생하지 않는 고체 코어 광섬유 즉, 온도변화와 강한 형태변화에 대하여 내구성이 강하여 광전달 품질이 저하되지 않는 고체 코어 광섬유를 달성하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는 이러한 고체 코어 광섬유 생산을 위한 방법의 달성이다.
상기 명시된 과제는 청구항 1에 명시된 고체 코어 광섬유와 청구항 10에 명시된 방법을 통하여 달성된다.
청구항 1에 명시된 고체 코어 광섬유는 피복(jacket)으로 커버된 유리섬유로, 피복은 다음과 같은 특성을 갖는다. 피복은 폴리에테르에테르케톤(Polyether ether ketone)과 최소 10 및 최대 40 중량% 상당의 무기질 채움제의 혼합물로 구성되는데, 입자 크기는 0.08㎛ 내지 12㎛이다. 피복의 바깥지름은 0.2mm 내지 1.2mm이다. 피복의 바깥지름 D와 유리섬유의 지름 d의 비율 D/d은 2 내지 6이다. 유리섬유와 피복 사이에 거의 상대운동이 일어나지 않도록 피복이 유리섬유에 가압된다.
본 발명에 입각한 고체 코어 광섬유는 우수한 기계적 성질(mechanical properties)을 가지면서 동시에 광섬유에 요구되는 특성을 그대로 유지한다. 본 발명에 입각하는 고체 코어 광섬유에서 입증 가능한 피스토닝 현상은 발견되지 않았다. 섬유 길이를 따라 온도가 상이하여도 피스토닝 현상은 발생하지 않았다. 또한 고체 코어 광섬유가 다양한 방향으로 휘어져도 피스토닝 현상은 발생하지 않았다.
본 발명에 입각한 고체 코어 광섬유의 또 다른 긍정적 특성은 가소성(plasticity)이 우수하며, 동시에 형태의 변형이 가역적이라는 점이다. 고체 코어 섬유는 예를 들어 90도로 휘어진다. 더 나아가 매듭을 짓고, 최소지름을 유지시킬 수도 있다. 추후 매듭을 다시 풀고 광섬유를 직선으로 펴더라도 광섬유의 기능이 전혀 저해되지 않는다. 기존 기술에 입각한 광섬유의 경우 이와 같은 우수한 가소성을 갖지 못한다. 우수한 가소성은 예를 들어 다수의 구획으로 나뉘어 있는 차량의 엔진실에 광섬유를 설치할 경우 또는 다수의 광섬유를 모아 와이어링하니스(wiring harness)를 만들 경우 유리하다. 광섬유를 땋거나 꼬아 줌으로써, 와이어링하니스는 자체적으로 안정성을 갖추게 되며, 이때 광섬유를 고정밴드로 묶어 줄 필요가 없다. 이러한 특성을 갖는 고체 코어 광섬유는 의학 분야에도 적용되는데, 예를 들어 매우 작은 영역을 밝히거나 치료해야 할 때 적용된다. 본 광섬유는 우수한 가소성 덕분에 끝부분을 미리 휘어 놓아 치료해야 할 부위에 보다 쉽게 접근할 수 있다.
청구항 2에서는 피복이 유리섬유에 가하는 압력이 최소 120N/mm2임을 명시한다. 이러한 크기의 압력이 가해지면, 유리섬유와 피복 사이에 상대운동이 거의 일어나지 않는다. 따라서 온도변화가 심하거나 형태변형이 심하여도, 피스토닝 현상은 발생하지 않는다.
청구항 3에 입각하면 유리섬유의 유리코어는 ORMOCER®-코팅층을 갖는다. 이때 ORMOCER® 소재의 코팅층은 유리섬유에 압출성형을 통한 피복 생성이 가능한 정도의 우수한 화학적 내구성을 갖는다. 코팅층 소재로 흔히 사용되는 아크릴산염이나 폴리이미드의 경우 그러한 화학적 내구성이 없다.
청구항 4에는 무기질 채움제가 규산염이라고 명시되어 있고, 청구항 3에는 무기질 채움제가 층상 규산염(layered silicate)라고 명시되어 있으며, 청구항 6에는 무기질 채움제가 활석, 백악, 탄산칼슘, 바륨설페이드, 질화붕소, 이산화규소 또는 벤토나이트라고 명시되어 있다. 상기 명시된 채움제들은 본 발명에 입각한 고체 코어 광섬유가 갖는 앞서 기술한 특성을 실현시켜 줄 수 있다. 다시 말해 상기 채움제들을 이용할 시 입증가능한 피스토닝효과가 발생하지 않으며, 높은 가소성이 달성된다.
청구항 7에는 무기질 채움제의 혼합비율이 최소 25 중량% 및 최대 40 중량%라고 명시되어 있다. 이로써 형태적 특성(plastic properties)의 개선이 달성된다.
청구항 8에 입각하면 무기질 채움제의 혼합비율이 최소 27 중량% 내지 최대 33 중량%다. 이로써 형태적 특성(plastic properties)의 추가적 개선이 달성된다.
청구항 9에는 입자 크기가 최소 0.1㎛ 및 최대 10 ㎛라고 명시되어 있다. 이러한 크기의 입자는 피복과 유리섬유 사이의 우수한 결합을 가능케 해준다.
청구항 10에 입각하면, 고체 코어 광섬유는 다음과 같은 방법에 따라 생산된다. 유리섬유를 제공한 다음 유리섬유에 피복을 압출성형한다. 이때, 피복은 다음과 같이 구성된다. 폴리에테르에테르케톤과 최소 10 및 최대 40 중량% 상당의 무기질 채움제의 혼합물로 구성되며, 입자 크기는 0.08㎛ 내지 12㎛이다. 피복의 바깥지름은 0.2mm 내지 1.2mm이다. 피복의 바깥지름 D와 유리섬유의 지름 d의 비율 D/d은 2 내지 6이다. 피복의 형성이 완성된 후에는, 유리섬유와 피복 사이에 상대운동이 일어나지 않을 정도로 피복이 유리섬유에 가압된다.
본 발명에 입각한 방법에 따라 생산된 고체 코어 광섬유는 우수한 기계적 성질(mechanical properties)을 가지며, 더 나아가 앞서 상세히 기술한 바와 같이 광섬유에 요구되는 특성을 그대로 유지하며, 입증 가능한 피스토닝 현상을 발생시키지 않고 높은 가소성을 갖는다.
청구항 11에 따라 압출성형의 파라미터는, 압출성형이 완성된 후 피복이 유리섬유에 가하는 압력이 최소 120N/mm2가 되도록 선택해야 한다. 이러한 크기의 압력이 가해지면, 유리섬유와 피복 사이에 상대운동이 거의 일어나지 않는다. 따라서 온도변화가 심하거나 형태변형이 심하여도, 피스토닝 현상은 발생하지 않는다.
청구항 12에 따라 유리섬유를 제공하는 단계는 유리코어를 제공하는 단계 및 유리코어를 ORMOCER®-코팅층으로 코팅하는 단계로 구성된다. 코팅층 즉, ORMOCER® 소재의 코팅층은 유리섬유에 압출성형을 통한 피복 생성이 가능한 정도의 우수한 화학적 내구성을 갖는다. 코팅층 소재로 흔히 사용되는 아크릴산염이나 폴리이미드의 경우 그러한 화학적 내구성이 없다.
청구항 13에는 무기질 채움제가 규산염이라고 명시되어 있고, 청구항 14에는 무기질 채움제가 층상 규산염이라고 명시되어 있으며, 청구항 15에는 무기질 채움제가 활석, 백악, 탄산칼슘, 바륨설페이드, 질화붕소, 이산화규소 또는 벤토나이트라고 명시되어 있다. 상기 명시된 채움제들은 본 발명에 입각한 고체 코어 광섬유가 갖는 앞서 기술한 특성을 실현시켜 줄 수 있다. 다시 말해 상기 채움제들을 이용할 시 입증가능한 피스토닝 현상이 발생하지 않으며, 높은 가소성이 달성된다.
본 발명은 이하에서 하나의 실시예와 도해를 통하여 상세히 기술된다.
본 발명에 의하면, 피스토닝 현상이 드물게 또는 아예 발생하지 않는 고체 코어 광섬유 즉, 온도변화와 강한 형태변화에 대하여 내구성이 강하여 광전달 품질이 저하되지 않는 고체 코어 광섬유를 달성할 수 있고, 이러한 고체 코어 광섬유 생산을 위한 방법을 달성할 수 있다.
도 1a는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유의 종단면을 확대하여 도시한다.
도 1b는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유의 횡단면을 확대하여 도시한다.
도 2는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유의 첫 번째 적용 사례를 도시한다.
도 3는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유의 두 번째 적용 사례를 도시한다.
도 4a, b는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유의 가소성을 기술하는 예를 도시한다.
도 5는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유의 생산 방법의 기본 단계를 보여주는 흐름도를 도시한다.
도 1a는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유(1)의 종단면을 확대하여 도시한다. 번호(2)는 유리섬유, 번호(3)는 피복을 가리킨다. 도 1b는 상기 광섬유의 횡단면을 도시한다.
피복(3)은 다음과 같이 구성된다. 피복은 폴리에테르에테르케톤(Polyether ether ketone)과 최소 10 및 최대 40 중량% 상당의 무기질 채움제의 혼합물로 구성되는데, 입자 크기는 0.08㎛ 내지 12㎛이다. 폴리에테르에테르케톤은 이하에서 PEEK로 표기되며, 폴리에테르에테르케톤과 무기질 채움제의 혼합물은 PEEKF로 표기된다.
무기질 채움제는 예를 들어 활석(마그네슘규산염, Mg3Si4O10(OH)2), 백악, 칼슘탄소(CaCO3), 바륨설페이드(BaSO4), 질화붕소(BN), 이산화규소(SiO2), 벤토나이트(주요구성물질(60-80%) 몬모릴로나이트(알루미늄층규산염, AI2[(OH)2 / Si4O10] n H2O)), 석영(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 탄화규소(SiC), 유리중공구(中空球)(hollow glass balls), 습식규산염 (precipitated silica), 황화아연(ZnS) 또는 산화티탄(TiO2)가 있다.
유리섬유(2)는 유리코어(4)와 코팅(5)으로 구성된다. 코팅(5)의 재료로는 예를 들어 ORMOCER® 즉, 무기질-유기질 하이브리드 폴리머가 사용될 수 있다.
피복(3)의 바깥지름 D은 예를 들어 0.2mm 내지 1.2mm이다. 피복(3)의 바깥지름 D과 유리섬유(2)의 지름 d의 비율 D/d은 예를 들어 2 내지 6이 될 수 있다. 실시예의 경우 유리섬유의 지름 d이 0.185mm, 피복의 바깥지름 D가 0.6mm이다.
유리섬유(2)에 피복(3)이 가하는 압력의 크기가 유리섬유(2)와 피복(3) 사이에 상대운동이 일어나지 않을 정도가 되면, 피스토닝 현상이 발생하지 않는다. 이때 유리섬유(2)에 피복(3)이 가하는 압력의 크기는 120N/mm2 내지 216N/mm2일 수 있다.
무기질 채움제가 내부에 분산되어 있는 피복(3)은, 고체 코어 광섬유(1) 생산 시 유리섬유(2)에 압출성형된다. PEEKF의 녹는점이 370℃ 이상이기 때문에 압출성형은 고온에서 실시된다. 서서히 냉각되는 과정에서 PEEKF의 경화가 시작되는 온도부터는 1도 냉각될 때마다 유리섬유(2)와 피복(3) 재료의 팽창 차이로 인하여 압력이 증가한다. 예컨대 유리는 팽창계수가 0.5ppm/K이고, PEEKF는 25ppm/K일 경우, 팽창계수의 차는 24.5ppm/K가 된다. PEEKF의 경화가 시작되는 시점은 예컨대 170℃ 정도다. 이 경우 냉각 시 온도가 약 170 ℃와 20℃ 사이에서 다음과 같은 값이 도출된다: 150 K x 24.5ppm/K.
그리고 유리섬유(2)와 피복(3) 재료 간 상이한 팽창으로 수축현상이 일어나, 피복(3)과 유리섬유(2) 사이의 연결부위에서도 수축이 일어난다. 이때, 피복(3)은 유리섬유(2)에 압착(cling)하게 된다. 이는 압출성형의 특수한 파라미터와 피복재료인 PEEKF의 특수한 구성을 통해서 달성된다.
도 2는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유(1)의 첫 번째 적용 사례를 도시한다. 이 적용사례에서는 고체 코어 광섬유(1)가 각진 파임이 있는 밑바탕(6) 위에 배치되었다. 코어 광섬유(1)는 가소성 덕분에 밑바탕의 형태에 맞춰 사전에 변형되어, 코어 광섬유(1)의 배치가 쉽게 이뤄질 수 있다. 도 2에 명시된 것과 같이 예컨대 온도변화가 30℃일 때에는 고체 코어 광섬유(1) 상에 시각적 특성의 변화와 형태적 특성(plastic properties) 특성의 변화가 전혀 일어나지 않았다.
도 3는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유(1)의 두 번째 적용 사례를 도시한다. 이 적용사례는 고체 코어 광섬유(1)가 의학적 용도의 조명으로 사용되는 사례다. 고체 코어 광섬유(1)의 끝부분(1a)을 사전에 휘어놓아, 좁은 혈관에 보다 쉽게 유입될 수 있다.
도 4a, b는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유(1)의 가소성을 보여주는 예들이다. 이 두 가지 예에서 고체 코어 광섬유(1)는 바깥지름 D가 0.7mm, 유리섬유(2)의 지름이 0.185mm이다. 이러한 규격을 갖는 고체 코어 광섬유(1)는 도 4a에 도시되어 있는 것처럼 원형으로 변형했을 때 그 형태가 그래도 유지되는데, 이때 달성 가능한 원의 최소지름은 20mm이고, 원을 다시 도 4b에 도시되어 있듯이 다시 펼 수 있다. 게다가 고체 코어 광섬유(1)는 최소지름이 2mm일 때, 90도 꺾으면 형태가 그대로 유지되고, 다시 직선으로 펴면 펴진다.
전문가들의 시각에서는 이러한 특수한 형태적 성질이 적용될 수 있는 사례가 많다.
도 5는 실시예에 입각한 고체 코어 광섬유(1)의 생산 방법의 기본 단계를 보여주는 흐름도를 도시한다. 첫 단계(S1)에서 유리코어(4)가 제공된다. 그 다음 단계(S2)에서는 유리코어(4)에 코팅층(5)을 코팅한다. 단계(S1 및 S2)는 함께 유리섬유(2)의 제공 단계를 구성한다. 그 다음 단계인 단계(S3)에서는 유리섬유(2) 위에 피복(3)이 압출성형된다.
실시예에 입각한 고체 코어 광섬유(1)의 생산 방법에서 압출성형 파라미터는, 압출성형 완료 후 피복(3)이 유리섬유(2)에 가하는 압력 때문에 유리섬유(2)와 피복(3) 사이에 상대운동이 거의 일어나지 않게 되고 그 결과 피스토닝 현상이 발생하지 않도록 선정한다. 이때 유리섬유(2)에 피복(3)이 가하는 압력이 예컨대 120N/mm2 내지 216N/mm2가 될 수 있다.

Claims (15)

  1. 피복(3)을 구비한 유리섬유(2)를 갖는 고체 코어 광섬유(1)로서,
    - 상기 피복(3)은 폴리에테르에테르케톤(Poly Ether Ether Ketone)과 최소 10 및 최대 40 중량% 상당의 무기질 채움제의 혼합물로 구성되고, 입자 크기는 0.08㎛ 내지 12㎛이며,
    - 상기 피복(3)의 바깥지름은 0.2mm 내지 1.2mm이며,
    - 상기 피복(3)의 바깥지름 D과 상기 유리섬유(2)의 지름 d의 비율 D/d은 2 내지 6이며,
    - 상기 피복(3)이 상기 유리섬유(2)에 가하는 압력은 상기 유리섬유(2)와 상기 피복(3) 사이에 상대운동이 일어나지 않을 정도이며,
    상기 피복(3)이 상기 유리섬유(2)에 가하는 압력이 최소 120N/mm2인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유리섬유(2)가 ORMOCER®-코팅층(5)을 구비한 유리코어(4)를 갖는 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 무기질 채움제가 규산염인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 무기질 채움제가 층상 규산염(layered silicate)인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 무기질 채움제가 활석, 백악, 탄산칼슘, 바륨설페이드, 질화붕소, 이산화규소 또는 벤토나이트인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 무기질 채움제의 혼합비율이 최소 25 중량% 및 최대 40 중량%인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 무기질 채움제의 혼합비율이 최소 27 중량% 및 최대 33 중량%인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 입자 크기가 최소 0.1㎛ 및 최대 10㎛인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1).
  10. 고체 코어 광섬유(1) 생산 방법으로서,
    - 유리섬유(2)를 제공하는 단계(S1, S2), 및
    - 피복(3)을 상기 유리섬유(2)에 압출성형하는 단계(S3)를 포함하고,
    - 여기서 상기 피복(3)은 폴리에테르에테르케톤과 최소 10 및 최대 40 중량% 상당의 무기질 채움제의 혼합물로 구성되고, 입자 크기는 0.08㎛ 내지 12㎛이고,
    - 상기 피복(3)의 바깥지름은 0.2mm 내지 1.2mm이고,
    - 상기 피복(3)의 바깥지름 D와 상기 유리섬유(2)의 지름 d의 비율 D/d은 2 내지 6이며,
    - 압출성형 완료 후 상기 피복(3)이 상기 유리섬유(2)에 가하는 압력은 상기 유리섬유(2)와 상기 피복(3) 사이에 상대운동이 일어나지 않을 정도이며,
    압출성형의 파라미터는, 압출성형 완료 후 상기 피복(3)이 상기 유리섬유(2)에 가하는 압력이 최소 120N/mm2가 되도록 선택해야 하는 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1) 생산 방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 유리섬유(2)를 제공하는 단계는, 유리코어(4)를 제공하는 단계(S1)와 상기 유리코어(4)를 ORMOCER®-코팅층(5)으로 코팅하는 단계(S2)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1) 생산 방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 무기질 채움제가 규산염인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1) 생산 방법.
  14. 청구항 10에 있어서, 상기 무기질 채움제가 층상 규산염인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1) 생산 방법.
  15. 청구항 10에 있어서, 상기 무기질 채움제가 활석, 백악, 탄산칼슘, 바륨설페이드, 질화붕소, 이산화규소 또는 벤토나이트인 것을 특징으로 하는, 고체 코어 광섬유(1) 생산 방법.
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