KR102119525B1 - 다층박막으로 이루어진 광섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층박막으로 이루어진 광섬유에 관한 것으로 폴리머로 이루어진 코어층 및 코어층을 둘러싸고 있으며, 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머 중에서 굴절율이 서로 다른 2종 이상의 폴리머가 교대로 적층된 표면층을 포함함으로써, 다층으로 이루어진 폴리머의 간섭효과로 인하여 원하는 색만 섬유를 따라 유도(guiding)되며, 추가적으로 광섬유를 표면 처리함으로써 육안으로 확연히 보일 수 있도록 발광이 된다.

Description

다층박막으로 이루어진 광섬유{Optical fiber consisting of multilayer thin film}
본 발명은 간섭효과로 인하여 원하는 색상의 빛만 섬유를 따라 유도(guiding)되며, 광섬유를 표면 처리함으로써 상기 빛이 더욱 발광되는 다층박막으로 이루어진 광섬유에 관한 것이다.
광섬유는 일반적으로 중합체가 매트릭스를 형성하는 주성분으로서 유기 화합물로 이루어진 코어부(core part), 및 상기 코어부와 굴절률이 다른 유기 화합물로 이루어진 클래딩부(cladding part)로 구성된다. 코어부의 중심으로부터 외측으로 굴절률이 점차 감소하는 굴절률 분포(GI)형 광섬유는 전송 대역이 넓고 전송 용량이 크다. GI형 광섬유의 다양한 제조 방법이, 일본공개특허공보 제2002-220261호 및 미국등록특허 제5,541,247호에 개시되어있다. 예컨대, GI형 광섬유는 계면 겔 중합을 이용하여 광섬유 모재(이하, 프리폼(preform) 이라고 함)를 형성하고, 그 후에 프리폼을 용융-연신하여 제조된다.
제조공정 동안 프리폼에 미세한 기포가 포함되는 경우에는, 이러한 기포가 용융-연신 공정 후에 광섬유 스트랜드의 길이방향으로 연장된 내부 결함으로서 공동(cavity)이 된다. 이러한 공동은 광섬유의 전송 특성 및 물리적 강도의 저하를 일으키는 원인이 된다.
이러한 광섬유는 광을 발생시키는 광원장치(Illuminator)로부터 발생된 광을 인입구로 전달받아 각기 다른 광섬유에 광을 전송하고, 이 전송된 광은 광섬유를 통해 발광된다.
광섬유는 광원장치로부터 열을 제외하고 광만 전송할 뿐만 아니라 감전의 위험이 없어 수중 조명용 등으로도 사용할 수 있으며, 습기가 많아 통상의 전기제품을 활용한 조명기기를 적용하지 못하는 곳 등에도 사용할 수 있다.
광섬유를 이용한 기계 침직 기술은 그간 모자, 가방, 의류, 원단 등 소프트한 재질의 실내용 상품으로 제한적으로 사용해왔으며, 실외용에 사용하는 주로 하드 한 재질의 광섬유 표현부에는 광섬유 기계장치 침직 기술이 제한적이었던 관계로 주로 실외용은 수작업으로 제작되어 왔으며, 이러한 수작업 제품은 수작업의 한계인 간단한 로고인 표지판 등에 고가로 제한적으로 사용되어 왔다.
종래의 수작업 제품은 이러한 이유로 소비자에게 알려지지 않은 고가의 제품으로 인식 판매되어 왔다. 또한, 종래의 수작업 광섬유는 수작업인 관계로 제품의 균일화 및 표준화가 어렵고 대량생산이 어려운 문제가 있었다.
종래 대한민국 등록실용신안 제1999-0018682호에 개시된 광섬유를 이용한 광고장치는 구동전원이 공급되는 한 개 이상의 광원이 설치되는 광원 어레이와, 광원 어레이가 고정되는 광원 고정구와, 여러가닥의 광섬유 절단면을 한 개의 다발로 결합되는 결속링과, 광원과 결속링을 마주보게 결합하는 홀더와, 광섬유의 말단부를 광고물의 광고문양 구멍에 간격으로 끼워 고정함으로써 광원으로부터 발광된 빛(光)에 의해 광고문양이 조명되게 하는 것이지만, 구조가 복잡하고 수작업으로 제작을 할 수밖에 없는 구조여서 생산단가가 많이 들고 조악한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제0362985호 미국 등록특허 제6243522호
OPTICS LETTERS, Vol. 32, No. 19, 2007 OPTICS EXPRESS, Vol. 16, No. 20, 2008
본 발명의 목적은 간섭효과로 인하여 원하는 색상의 빛만 섬유를 따라 유도(guiding)되며, 광섬유를 표면 처리함으로써 상기 빛이 더욱 발광되는 다층박막으로 이루어진 광섬유를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유는 복합방사구금법으로 제조된 다층박막으로 이루어진 광섬유로서, 폴리머로 이루어진 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸고 있으며, 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머 중에서 굴절율이 서로 다른 2종 이상의 폴리머가 교대로 적층된 표면층으로 이루어질 수 있다.
상기 표면층을 이루는 폴리머 중 저굴절율의 폴리머는 코어층의 폴리머와 동일한 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.
상기 표면층을 이루는 폴리머 중에서 저굴절율 폴리머의 두께는 하기 [수학식 1]에 따라 계산되며, 70 내지 700 nm일 수 있다;
[수학식 1]
Figure 112013121227238-pat00001
수학식 1에서, dL은 저굴절률(nL) 폴리머의 두께(nm)이고, nL은 저굴절율 수치이며, θ는 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(°)이고, λ는 도파시키는 파장(nm)임.
상기 λ는 원하는 색깔의 빛에 따라 결정되는 파장으로서, 빨강계열은 640~780㎚, 녹색계열은 480~560㎚, 청색계열은 380~480㎚이다.
상기 표면층을 이루는 폴리머 중에서 고굴절율 폴리머의 두께는 하기 [수학식 2]에 따라 계산되며, 60 내지 600 nm일 수 있다;
[수학식 2]
Figure 112013121227238-pat00002
수학식 2에서, dH는 고굴절률(nH) 폴리머의 두께(nm)이고, nH는 고굴절율 수치이며, nL은 저굴절률 수치이고, θ는 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(°)이고, λ는 도파시키는 파장(nm)임.
상기 표면층의 두께는 300 nm 내지 35 ㎛이며, 상기 코어층의 두께는 1 내지 3000 ㎛일 수 있다.
상기 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머로는 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리비닐알콜, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리파라페닐렌테레프탈아미드, 폴리페닐렌술피드 또는 이들의 공중합체를 들 수 있다.
상기 광섬유는 광섬유의 단면과 수직이 되도록 빛이 입사되는 평행광을 광섬유의 단면에 입사시킬 수 있다.
상기 평행광은 확산광을 평행광으로 바꾸는 조준 렌즈가 구비된 광원 장치로부터 방출될 수 있다.
상기 입사각도(θ)와 광섬유의 단면 경사각(Φ)은 동일한 것일 수 있으며, 상기 입사각도(θ)는 하기 [수학식 3]에 따라 계산될 수 있다;
[수학식 3]
Figure 112013121227238-pat00003
수학식 3에서, n은 표면층 최외곽 폴리머의 굴절율임.
상기 입사각도(θ)는 30 내지 50°일 수 있다.
상기 광섬유는 아세톤, 톨루엔, 벤젠, 아세트산에틸, 사이클로헥산, 디메틸설폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 다이메틸포름아마이드(DMF), 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 엔메틸피롤리돈(NMP), 퀴놀린 및 피리딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 침지되어 표면에 굴곡이 형성될 수 있다.
상기 표면층은 5 내지 50층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 광섬유는 복합방사구금법(구금을 이용한 압출방식)으로 제조되므로 섬유의 단면 형상이 균일하며, 연속공정이므로 양산화가 가능하다.
또한, 본 발명의 광섬유는 고순도로 원하는 색상의 빛만을 섬유에 유도할 수 있으며, 이를 외부로 발광시켜 심미감을 줄 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광섬유의 단측 외경을 촬영한 SEM사진이다(코어층: 폴리메틸메타크릴레이트; 표면층의 저굴절율 폴리머: 폴리메틸메타크릴레이트; 표면층의 고굴절율 폴리머: 폴리에틸렌나프탈레이트).
도 1b는 도 1a를 확대한 SEM사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광섬유에 입사된 내부 광이 간섭효과를 내는 메카니즘을 도시한 도면이다.
도 3a는 광원장치를 이용하여 본 발명의 광섬유에 평행광을 입사시키는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광섬유의 단면 경사각(Φ)과 입사각도(θ)를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 용매로 표면처리된 광섬유의 단면을 나타낸 도면이다.
본 발명은 간섭효과로 인하여 원하는 색상의 빛만이 섬유를 따라 유도(guiding)되며, 광섬유를 표면 처리함으로써 발광되는 다층박막으로 이루어진 광섬유에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명의 광섬유는 섬유의 단면에 계산된 각도로 평행광을 입사시키면 다층박막의 간섭효과로 인하여 입사된 내부 광중에서 원하는 색상의 빛만 섬유를 따라 유도되고, 섬유의 표면을 처리하여 굴곡을 형성시키면 상기 간섭효과로 얻어진 원하는 색상의 빛이 산란되어 외부로 더욱 발광된다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 광섬유는 복합방사구금법으로 제조된 다층박막으로 이루어진 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸고 있는 표면층으로 이루어진다.
상기 코어층은 폴리머로 이루어지며, 상기 표면층은 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머 중에서 굴절율이 서로 다른 2종 이상의 폴리머가 교대로 적층된 것이다. 이때 표면층을 이루는 폴리머 중 저굴절율의 폴리머는 코어층의 폴리머와 동일한 굴절율을 갖는 것이 순수한 색상의 빛을 얻기에 바람직하다. 표면층의 폴리머 중에서 상대적으로 굴절율이 높은 폴리머를 고굴절율 폴리머라하고, 상대적으로 굴절율이 낮은 폴리머를 저굴절율 폴리머라 한다.
상기 코어층의 폴리머 및 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머로는 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리비닐알콜, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리파라페닐렌테레프탈아미드, 폴리페닐렌술피드 또는 이들의 공중합체를 들 수 있다.
고순도의 순수한 색상의 빛을 얻기 위해서는 표면층을 이루는 폴리머의 두께 및 입사각도(θ)가 중요하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 표면층은 고굴절율 폴리머 및 저굴절율 폴리머가 교대로 적층된 구조인데 이와 같이 굴절률이 상이한 폴리머들을 사용함으로써 경계면에서 반사되는 빛들 중에서 원하는 파장의 빛만 보강 간섭시키고 다른 파장의 빛들은 소멸 간섭시켜 원하는 파장의 빛(color)만 섬유를 따라 진행시킨다. 이렇게 원하는 파장의 빛만을 보강 간섭시키는 것은 표면층의 상이한 굴절률 외에 표면층을 이루는 폴리머의 두께에 의해 조절이 가능하다.
표면층을 이루는 폴리머 중에서 저굴절율 폴리머의 두께는 하기 [수학식 1]에 따라 계산되며, 70 내지 700 nm인 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112013121227238-pat00004
상기 [수학식 1]에서, dL은 저굴절률(nL) 폴리머의 두께(nm)이고, nL은 저굴절율 수치이며, θ는 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(°)이고, λ는 도파시키는 파장(nm)이다.
또한, 상기 표면층을 이루는 폴리머 중에서 고굴절율 폴리머의 두께는 하기 [수학식 2]에 따라 계산되며, 60 내지 600 nm인 것이 바람직하다.
[수학식 2]
Figure 112013121227238-pat00005
상기 [수학식 2]에서, dH는 고굴절률(nH) 폴리머의 두께(nm)이고, nH는 고굴절율 수치이며, nL은 저굴절률 수치이고, θ는 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(°)이고, λ는 도파시키는 파장(nm)이다. 여기서 ‘도파’는 광에너지가 섬유내부에서 직진, 반사 및 굴절에 의해 전파되는 것을 의미한다.
상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]에서의 λ는 도파시키고자 원하는 색깔의 빛에 따라 결정되는 파장으로서, 빨강계열은 640~780㎚, 녹색계열은 480~560㎚, 청색계열은 380~480㎚이다.
상기 입사각도(θ)는 구체적으로 평행광(외부 광)으로부터 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때 빛의 변(a)과 코어층과 표면층 폴리머 표면 사이의 수직변(b) 사이의 각도를 의미하는 것으로서(도 2, 도 3b), 표면층의 공기에 대한 전반사각도와 동일한 것이 바람직하다. 이때 상기 내부 광은 외부 광으로부터 입사되어 광섬유 내부에 존재하는 광을 의미한다.
입사각도(θ)는 작을수록(30 내지 50°) 순수한 색상의 빛을 얻을 수 있으며, 하기 [수학식 3]에 따라 계산된다.
[수학식 3]
Figure 112013121227238-pat00006
상기 수학식 3에서, n은 표면층 최외각 폴리머의 굴절율이다.
본 발명에 따른 표면층은 5 내지 50층(폴리머층)으로 구성될 수 있으며, 그 두께는 300 nm 내지 35 ㎛이고, 코어층의 두께는 1 내지 3000 ㎛일 수 있다. 상기 표면층 및 코어층의 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 원하는 파장의 빛을 분리할 수 없으며, 발광되는 빛의 세기가 약할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 광섬유에서 원하는 파장의 빛(색상)을 분리하기 위해서는 광섬유에 평행광을 입사시켜야 한다. 섬유에 확산광을 입사시키는 경우에는 원하는 파장의 빛을 분리하기 어려워 여러 파장이 섞인 색상의 빛이 얻어지거나 순수하지 못하고 탁한 색상의 빛이 얻어질 수 있기 때문이다.
상기 평행광은 확산광을 평행광으로 바꾸는 조준 렌즈가 구비된 광원 장치로부터 방출된다.
평행광이 입사되는 광섬유의 단면은 경사각을 갖도록 비스듬하고 평행광과 수직이 되도록 절단된 것이 바람직한데, 이는 광이 광섬유에 입사되지 않고 반사되는 양을 최소화하면서 입사각도(θ)를 조절할 수 있기 때문이다. 이와 같이 평행광과 단면이 수직이 되기 위해서는 광섬유의 단면과 코어층의 표면 사이의 각인 단면 경사각(Φ)이 상기 입사각도(θ)와 동일해야 한다(도 3b). 이때 단면 경사각(Φ)은 90°미만, 바람직하게는 30 내지 50°이 되어야한다.
본 발명에 따른 광섬유는 섬유를 따라 유도되는 색상을 외부로 발광시키기 위하여 표면에 굴곡을 형성시킨다. 이때 굴곡은 기계적으로 형성할 수도 있지만 아세톤, 톨루엔, 벤젠, 아세트산에틸, 사이클로헥산, 디메틸설폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 다이메틸포름아마이드(DMF), 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 엔메틸피롤리돈(NMP), 퀴놀린 및 피리딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 침지시켜 표면을 용융시킨 후 건조하는 과정을 통해 형성시키는 것이 바람직하다(도 4).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

Claims (14)

  1. 복합방사구금법으로 제조된 다층박막으로 이루어진 광섬유로서,
    상기 광섬유는 폴리머로 이루어진 코어층 및
    상기 코어층을 둘러싸고 있으며, 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머 중에서 굴절율이 서로 다른 2종 이상의 폴리머가 교대로 적층된 표면층으로 이루어지며,
    상기 광섬유는 광섬유의 단면과 수직이 되도록 빛이 입사되는 평행광을 광섬유의 단면에 입사시키고, 상기 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(θ)와 광섬유의 단면 경사각(Φ)은 동일한 것을 특징으로 하는 광섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면층을 이루는 폴리머 중 1종은 코어층의 폴리머와 동일한 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면층을 이루는 폴리머 중에서 저굴절율 폴리머의 두께는 하기 [수학식 1]에 따라 계산되며, 70 내지 700 nm인 것을 특징으로 하는 광섬유;
    [수학식 1]
    Figure 112013121227238-pat00007

    수학식 1에서, dL은 저굴절률(nL) 폴리머의 두께(nm)이고, nL은 저굴절율 수치이며, θ는 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(°)이고, λ는 도파시키는 파장(nm)임.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면층을 이루는 폴리머 중에서 고굴절율 폴리머의 두께는 하기 [수학식 2]에 따라 계산되며, 60 내지 600 nm인 것을 특징으로 하는 광섬유;
    [수학식 2]
    Figure 112013121227238-pat00008

    수학식 2에서, dH는 고굴절률(nH) 폴리머의 두께(nm)이고, nH는 고굴절율 수치이며, nL은 저굴절률 수치이고, θ는 광섬유에 입사된 내부 광이 코어층에서 표면층으로 입사될 때의 입사각도(°)이고, λ는 도파시키는 파장(nm)임.
  5. 제1항에 있어서, 상기 표면층의 두께는 300 nm 내지 35 ㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  6. 제1항에 있어서, 상기 코어층의 두께는 1 내지 3000 ㎛인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제1항에 있어서, 상기 굴절율이 1.30 내지 1.90인 폴리머는 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리비닐알콜, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에테르에테르케톤, 폴리파라페닐렌테레프탈아미드, 폴리페닐렌술피드 또는 이들의 공중합체인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 평행광은 확산광을 평행광으로 바꾸는 조준 렌즈가 구비된 광원 장치로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  10. 삭제
  11. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입사각도(θ)는 하기 [수학식 3]에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 광섬유;
    [수학식 3]
    Figure 112020004550516-pat00009

    수학식 3에서, n은 표면층 최외각 폴리머의 굴절율임.
  12. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입사각도(θ)는 30 내지 50°인 것을 특징으로 하는 광섬유.
  13. 제1항에 있어서, 상기 광섬유는 아세톤, 톨루엔, 벤젠, 아세트산에틸, 사이클로헥산, 디메틸설폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 다이메틸포름아마이드(DMF), 다이메틸아세트아마이드(DMAC), 엔메틸피롤리돈(NMP), 퀴놀린 및 피리딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매에 침지되어 표면에 굴곡이 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  14. 제1항에 있어서, 상기 표면층은 5 내지 50층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유.
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