KR102671942B1 - 멀티 코팅 구조의 광섬유, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템 및 그 방법 - Google Patents

멀티 코팅 구조의 광섬유, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티 코팅 구조의 광섬유, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유에 있어서, 상기 클래딩의 외주연을 따라 제1 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 1차 코팅된 제1 코팅층; 상기 제1 코팅층의 외주연을 따라 제2 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 2차 코팅된 제2 코팅층; 및 상기 제2 코팅층의 외주연을 따라 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 3차 코팅된 제3 코팅층을 포함하는 멀티 코팅 구조의 광섬유 일 수 있다.

Description

멀티 코팅 구조의 광섬유, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템 및 그 방법{Multi-coated optical fiber, system for manufacturing of multi-coated optical fiber and method thereof}
본 발명은 내열성 특성을 갖는 코팅재를 활용하여 다양한 환경 조건에 적용할 수 있도록 내열성과 인장력을 갖는 광섬유를 제조하는 기술에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
광신호 정보를 대량 초고속 전달하는 광섬유는 기존의 금속선 등에 비하여 신호 전송손실이 매우 낮으며, 뛰어난 정보보안성, 그리고 케이블 경량성 및 유연성 등 많은 기술적 장점을 지니고 있기에 정보통신분야 등 다양한 산업분야에 활용되고 있다. 광섬유는 대화면 정보디스플레이 등의 소재로도 각광을 받고 있다.
최근 광섬유가 다양한 분야에 활용되면서 열악한 환경에서도 사용할 수 광섬유에 대한 요구가 증가하고 있다. 일례로 고출력 레이저를 이용하는 가공 산업 분야, 국방 분야, 석유나 가스 등 광물 자원 시추 분야, 전력 분야 등에서 고온 환경에서 적용할 수 있는 광섬유에 대한 요구가 증대되고 있다.
이와 같은 요구를 만족시키기 위해서 광섬유 코팅 소재의 내열성을 높이는 방안들이 제안되었는데, 폴리이미드(Polyimide)나 테플론(Teflon) 같은 열경화성 수지를 사용하거나 폴리우레탄 아크릴계 수지에 내열성을 향상시키는 첨가물을 추가하여 광경화 방식을 적용하는 방법 등이 있다.
도 1은 일반적인 광경화 방식을 적용한 광섬유의 구조를 설명하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유(10)는 코어(11), 클래딩(12), 1차 코팅층(13) 및 2차 코팅층(14)을 포함한다. 이때, 1차 코팅층(13) 및 2차 코팅층(14)은 코팅 장치에서 유리 섬유의 표면에 광경화성 코팅 수지를 이용하여 액상 코팅층이 형성되면 자외선 조사로 경화하여 완성될 수 있다.
일반적으로 열경화성 코팅 수지는 300oC 이상의 고온에서도 활용할 수 있다는 장점은 있으나, 경화 속도가 느려서 두꺼운 코팅이 어려운 반면에, 광경화성 코팅 수지는 경화 속도가 빠르고 두꺼운 코팅이 용이하지만 최대 250oC 정도 내열성 확보가 가능하다는 한계점이 있다.
광섬유의 코팅층(13, 14)에 사용되는 내열성 코팅 수지는 사용 조건에 맞는 내열성과 공정의 용이성을 고려하여 선정하는 것이 바람직하지만, 내열성 코팅 수지는 일반적인 통신용 광섬유에서 사용하는 코팅 수지보다 전반적으로 가격이 비싸고, 두껍게 코팅할수록 경화 시간과 가격이 증가할 뿐만 아니라 이중 코팅층 형성 및 두께의 정밀 조정 등의 공정 조건 확보가 쉽지 않다는 문제점이 있다.
또한, 최근 고온 환경에서 적용할 수 있는 광섬유에 요구되는 내열성 특성이 일반 통신용 광섬유에서 요구하는 85oC보다 조금 높은 수준이면서 저렴한 광섬유를 요구하고 있지만, 현재 요구를 만족하는 광섬유를 제공하는 것이 현실적으로 거의 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 내열성 특성을 갖는 코팅재를 활용하여 다양한 환경 조건에 적용할 수 있도록 내열성과 인장력을 갖는 광섬유를 제공하는 것에 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유는, 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유에 있어서, 상기 클래딩의 외주연을 따라 제1 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 1차 코팅된 제1 코팅층; 상기 제1 코팅층의 외주연을 따라 제2 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 2차 코팅된 제2 코팅층; 및 상기 제2 코팅층의 외주연을 따라 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 3차 코팅된 제3 코팅층을 포함하는 것이다.
상기 제1 코팅재, 제2 코팅재 및 제3 코팅재는, 자외선 조사에 의해 경화되는 특성을 갖는 우레탄 아그릴레이트계 수지를 사용하는 것이다.
상기 제3 코팅층의 두께는 2㎛ ~30㎛ 범위에서 설정되는 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유는, 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유에 있어서, 상기 클래딩의 외주연을 따라 제1 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 1차 코팅된 제1 코팅층; 상기 제1 코팅층의 외주연을 따라 제2 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 2차 코팅된 제2 코팅층; 및 상기 제2 코팅층의 외주연을 따라 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 3차 코팅된 제3 코팅층을 포함하되, 상기 광섬유의 기 설정된 외경 내에서 기 설정된 코팅횟수만큼 상기 제1 코팅층의 외주연을 따라 제2 코팅층과 제3 코팅층을 교대로 반복하여 코팅하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템은, 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유를 제조하는 시스템에 있어서, 광섬유 모재 가열 후 지면에 대해 수직 방향의 인선축을 따라 유리 섬유를 인출하는 인출 퍼니스; 상기 인선축을 따라 기 설정된 직경과 길이를 갖는 중공이 형성되고, 상기 인출 퍼니스에서 인출된 유리 섬유가 상기 중공의 입구를 통과하며 1차 코팅, 2차 코팅 및 3차 코팅 공정이 수행된 후 상기 유리 섬유의 표면에 멀티 코팅층이 형성되어 상기 중공의 출구로 배출하는 코팅 장치; 상기 코팅 장치의 출구에서 배출되는 유리 섬유의 표면에 형성된 멀티 코팅층에 자외선을 조사하여 경화 공정을 수행하는 경화장치; 및 상기 경화 장치에서 경화 공정이 완료된 광섬유를 기 설정된 힘으로 잡아 당겨서 상기 광섬유가 기설정된 직경을 유지하면서 연속적으로 인출되도록 하는 인출장치를 포함하는 것이다.
상기 인출 장치는, 상기 광섬유의 인출 속도를 제어하는 캡스턴(capstan); 및 상기 캡스턴을 통과한 광섬유를 자신의 외주연에 감겨지도록 하는 스풀(spool)을 더 포함하는 것이다.
멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템은, 상기 인출 퍼니스에서 인출되는 유리 섬유의 직경을 측정하는 제1 외경 측정 센서; 및 상기 인출 장치에서 인출되는 광섬유의 직경을 측정하는 제2 외경 측정 센서를 더 포함하는 것이다.
상기 코팅 장치는, 상기 중공이 형성된 코팅 다이; 상기 코팅 다이의 일측에 형성되어, 상기 유리 섬유의 표면에 제1 코팅재를 공급하는 제1 코팅액 공급부; 상기 코팅 다이의 일측에 형성되어, 상기 제1 코팅재가 공급되어 제1 코팅층이 형성된 유리 섬유의 표면에 제2 코팅재를 공급하는 제2 코팅액 공급부; 및 상기 코팅 다이의 일측에 형성되어, 상기 제2 코팅재가 공급되어 제2 코팅층이 형성된 유리 섬유의 표면에 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 공급하여 제3 코팅층이 형성되도록 하는 제3 코팅액 공급부를 포함하는 것이다.
상기 코팅 다이는, 상기 중공과 상기 제1 코팅액 공급부 사이에 상기 제1 코팅재가 충진되는 제1 룸, 상기 중공과 제2 코팅액 공급부 사이에 제2 코팅재가 충진되는 제2 룸 및 상기 중공과 상기 제3 코팅액 공급부 사이에 제3 코팅재가 충진되는 제3 룸이 각각 형성되는 것이다.
상기 코팅 다이의 중공은 1차 코팅된 제1 코팅층, 2차 코팅된 제2 코팅층 및 3차 코팅된 제3 코팅층의 기 설정된 각각의 두께에 따라 입구에서 출구로 갈수록 직경이 커지도록 형성된 것이다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템은 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유를 제조하는 시스템에 있어서, 광섬유 모재 가열 후 지면에 대해 수직 방향의 인선축을 따라 유리 섬유를 인출하는 인출 퍼니스; 상기 인선축을 따라 기 설정된 직경과 길이를 갖는 중공이 형성되고, 상기 인출 퍼니스에서 인출된 유리 섬유가 상기 중공의 입구를 통과하며 1차 코팅되어 상기 중공의 출구로 배출되는 제1 코팅장치; 상기 제1 코팅장치의 출구에서 배출되는 1차 코팅된 코팅층에 자외선을 조사하여 1차 경화 공정을 수행하는 제1 경화장치; 상기 제1 경화장치에서 1차 경화 공정이 완료된 유리 섬유의 표면에 2차 코팅 및 3차 코팅 공정을 수행하여 상기 유리 섬유의 표면에 멀티 코팅층을 형성하여 상기 중공의 출구로 배출하는 제2 코팅 장치; 상기 코팅 장치의 출구에서 배출되는 멀티 코팅층에 자외선이 조사되어 경화 공정을 수행하는 제2 경화장치; 및 상기 제2 경화 장치에서 경화 공정이 완료된 광섬유를 기 설정된 힘으로 잡아 당겨서 상기 광섬유가 기설정된 직경을 유지하면서 연속적으로 인출되도록 하는 인출장치를 포함하는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 방법은, 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유를 제조하는 시스템에 의해 수행되는 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 방법에 있어서, a) 코어와 클래딩으로 이루어진 유리 섬유의 외주연을 따라 제1 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 1차 코팅하여 제1 코팅층을 형성하는 단계; b) 상기 제1 코팅층의 외주연을 따라 제2 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 2차 코팅하여 제2 코팅층을 형성하는 단계; c) 상기 제2 코팅층의 외주연을 따라 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 3차 코팅하여 제3 코팅층을 형성하는 단계; 및 d) 상기 제1 코팅층, 제2 코팅층 및 제3 코팅층을 경화 공정을 통해 멀티 코팅 구조의 광섬유를 인출하는 단계를 포함하는 것이다.
상기 d) 단계는, 상기 경화 공정 이전에 기 설정된 코팅 횟수를 만족하지 않은 경우에, 기 설정된 코팅 횟수만큼 2차 코팅과 3차 코팅을 교대로 반복 수행하여 멀티 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 기존의 이중 코팅 구조의 광섬유의 코팅층과 동일한 기능을 수행하면서, 최외각 코팅층에 내열성 특성을 갖는 코팅층을 추가한 멀티 코팅 구조의 광섬유를 활용하여 다양한 요구 특성에 적합한 내열성 광섬유를 제공할 수 있고, 기존의 광섬유의 코팅 구조에 비해 가격 경쟁력이 우수한 광섬유를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 멀티 코팅 구조의 광섬유를 활용하여 광섬유의 외경을 최소화하면서 광섬유의 내열성과 인장력 특성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 광경화 방식을 적용한 광섬유의 구조를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템의 코팅 장치와 경화 장치의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유와 일반 광섬유와의 차이를 설명하는 도면이다.
도 9는 도 8의 각 광섬유에 대한 온도 분포 시뮬레이션 결과를 설명하는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 구조를 설명하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 구조를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 멀티 코팅 구조의 광섬유(100)는 코어(110), 클래딩(120), 제1 코팅층(130), 제2 코팅층(140) 및 제3 코팅층(150)를 포함한다.
광섬유 제조 공정 중 광섬유 모재에서 유리 섬유가 인출되는 공정에서 유리 섬유가 코팅장치를 통과하며 표면에 다수의 코팅층이 코팅된 멀티 코팅층이 형성된다. 이때, 제1 코팅층(130)는 클래딩(120)의 외주연을 따라 제1 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 1차 코팅되고, 제2 코팅층(140)는 제1 코팅층(130)의 외주연을 따라 제2 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 2차 코팅된 2차 코팅된다.
제3 코팅층(150)는 제2 코팅층(140)의 외주연을 따라 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 3차 코팅된 3차 코팅된다.
이때, 제1 코팅재, 제2 코팅재 및 제3 코팅재는 자외선 조사에 의해 경화되는 특성을 갖는 우레탄 아그릴레이트계 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
먼저, 제1 코팅층(130)은 광섬유(100)의 외부에서 가해지는 마이크로-벤딩(micro-bending)에 의한 광손실을 최소화할 있도록 기 설정된 인장력 이하의 작은 인장 강도를 갖는 부드러운 재질로 구성될 수 있다. 이러한 제1 코팅층(130)는 제2 코팅층(140)의 내측에서 코어(110)와 클래딩(120)으로 이루어진 유리 섬유에 충격 흡수제(Shock absorber) 역할을 수행한다.
따라서, 제1 코팅재는 매우 낮은 가교 밀도(crosslink density)를 가지고 있으며, 통상 0.5 ~ 3 MPa의 인장강도를 갖고, 또한 유리 섬유와 잘 접착되면서 광섬유 간 연결시 유리섬유에서 잘 벗겨져야 하므로 유리에서 깨끗하게 벗겨지는 특성을 갖는 소재를 사용한다. 제1 코팅재로 대표적인 소재에는 우레탄 아크릴레이트계 수지로써, 분자량이 큰 우레탄 아크릴레이트 올리고머(Oligomer), 단일 작용기의 모노머(Monomer), 자외선 광원과 유사한 광흡수 스펙트럼을 갖는 광개시제(Photo-initiator), 알콕시 실렌인(Alkoxy silane)과 같은 점착촉진제(Adhesion promoter) 등으로 구성될 수 있다.
제2 코팅층(140)은 외부의 기계적인 손상으로부터 제1 코팅층(130)을 보호하고, 측면에 가해지는 힘에 대한 장벽(Barrier) 역할을 한다. 특히, 제2 코팅층(140)은 수분에 대한 장벽 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제2 코팅층(140)은 광섬유(100)의 취급 용이성과 내구성을 위해서 제1 코팅층(130)보다 큰 인장강도(20 ~ 35MPa)를 갖고, 높은 유리전이 온도(Tg) 값을 가진 단단한 코팅(Hard coating) 특성을 갖는다.
제2 코팅층(140)은 공정의 용이성을 위해서 빠른 경화 특성을 갖고, 용매, 케이블용 필링 젤(Filling gel), 및 수분에 대한 화학적 저항성이 우수해야 할 뿐만 아니라, 제2 코팅층(140)의 표면은 스풀에 잘 감기면서 광섬유 컬러 잉크가 잘 부착되는 특성을 가는 소재를 사용한다. 제2 코팅재로 대표적인 소재에는 우레탄 아크릴레이트계 수지로써, 분자량이 작은 우레탄 아크릴레이트 올리고머(Oligomer), 다기능 작용기의 모노머(Monomer), 자외선 광원과 유사한 광흡수 스펙트럼을 갖는 광개시제(Photo-initiator), 기타 첨가제(슬립 기능) 등으로 구성될 수 있다.
제3 코팅층(150)은 200°C 이상의 온도에서 견딜 수 있는 내열성 특성을 갖으면서, 광섬유(100)의 최외각 코팅층으로써 기존의 2차 코팅층을 기능도 갖고 있어야 하므로 기존의 2차 코팅층에서 요구되는 기본적인 기능(용매와 케이블용 필링 젤, 수분에 대한 저항성, 광섬유의 취급 용이성, 빠른 경화 특성 등)도 함께 충족시켜야 한다. 무엇보다도 제3 코팅층(150)은 내열성 특성이 우선적으로 실현되도록 하는 제3 코팅재를 선택하여 사용할 수 있다. 제3 코팅재로 대표적인 소재에는 우레탄 아크릴레이트계 수지로써, 결정성을 갖는 우레탄 아크릴레이트 올리고머(Oligomer), 작용기를 갖는 디아크릴레이트 모노머(Diacrylate monomer), 자외선 광원과 유사한 광흡수 스펙트럼을 갖는 광개시제(Photo-initiator) 등으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 제1 코팅층(130), 제2 코팅층(140) 및 제3 코팅층(150)을 포함하는 광섬유(100)는 일반적인 광섬유의 코팅층의 전체 두께(t0=t1+t2+t3)를 유지하도록, 제1 코팅층(130)의 두께(t1), 제2 코팅층(140)의 두께(t2) 및 제3 코팅층(150)의 두께(t3)를 설정하여 코팅한다. 특히, 제3 코팅층(150)의 두께(t3)는 2㎛ ~30㎛ 범위에서 설정하는 것이 바람직하다.
제3 코팅층(150)의 두께(t3)가 2㎛보다 작으면 광섬유의 코팅층으로써 코팅층의 물성 확보가 어렵고, 30㎛ 보다 커지면 내열성 확보에는 유리하지만 광섬유 제조 공정 속도가 느려질 뿐만 아니라 고가의 소재 사용량의 증가로 원가가 높아질 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광섬유(100)는 상기한 제1 실시예의 광섬유(100)와 달리, 1차 코팅된 유리 섬유의 표면에 제2 코팅층(140)과 제3 코팅층(150)이 기 설정된 코팅횟수만큼 반복하여 코팅된 것이다.
일례로, 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유(100)는 코어(110), 클래딩(120), 제1 코팅층(130), 제2-1 코팅층(141), 제3-1 코팅층(151), 제2 코팅재를 사용한 제2-2 코팅층(142), 제3 코팅재를 사용한 제3-2 코팅층(152)으로 이루어진다.
이러한 광섬유는 광섬유의 코팅층의 전체 두께(t0=t1+t21+t22+t31+t32)를 유지하도록, 제1 코팅층(130)의 두께(t1), 제2-1 코팅층(141)의 두께(t21), 제2-2 코팅층(142)의 두께(t22), 제3-1 코팅층(151)의 두께(t31) 및 제3-2 코팅층(152)의 두께(t32)를 설정하여 코팅하는데, 제2-1 코팅층(141), 제3-1 코팅층(151), 제2-2 코팅층(142), 제3-2 코팅층(152)의 각각의 두께는 2㎛ ~30㎛ 범위에서 설정하는 것이 바람직하다. 좀 더 바람직하게는 제2-1 코팅층(141)과 제2-2 코팅층(142)의 두께는 각각 제3-1 코팅층(151)과 제3-2 코팅층(152)의 두께 보다 같거나 크도록 설정할 수 있다.
상기한 제1 실시예에 따른 광섬유(100)의 제2 코팅층(140) 및 제3 코팅층(150)과 비교해보면, 제2 코팅층(140)의 두께(t2)는 제2-1 코팅층(141)의 두께(t21)과 제2-2 코팅층(142)의 두께(t22)를 합한 값이고, 제3 코팅층(150)의 두께(t3)는 제3-1 코팅층(151)의 두께(t31)와 제3-2 코팅층(152)의 두께(t32)를 합한 값이 될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템의 구성을 설명하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템의 코팅 장치와 경화 장치의 구성을 설명하는 단면도이다.
멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템(200)은 인출 퍼니스(220), 코팅 장치(230), 경화 장치(240) 및 인출 장치(250)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
인출 퍼니스(220)는 광섬유 모재(210)를 가열한 후 지면에 대해 수직 방향의 인선축을 따라 유리 섬유를 하측 방향(- y축)으로 인출한다.
코팅 장치(230)는 인선축을 따라 기 설정된 직경과 길이를 갖는 중공(235a)이 형성되고, 인출 퍼니스(220)에서 인출된 유리 섬유가 중공(235a)의 입구를 통과하며 1차 코팅, 2차 코팅 및 3차 코팅 공정이 수행된 후 유리 섬유의 표면에 멀티 코팅된 코팅층이 형성되어 중공(235a)의 출구로 배출한다.
코팅 장치(230)는 중공(235a)이 형성된 코팅 다이(235)의 일측에 유리 섬유의 표면에 제1 코팅재를 공급하는 제1 코팅액 공급부(231), 제1 코팅재가 공급된 유리 섬유의 표면에 제2 코팅재를 공급하는 제2 코팅액 공급부(232) 및 제2 코팅재가 공급된 유리 섬유의 표면에 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 공급하는 제3 코팅액 공급부(233)를 포함한다.
코팅 다이(235)에는 중공(235a)과 제1 코팅액 공급부(231) 사이에 제1 코팅재가 충진되는 제1 룸(231a), 중공(235a)과 제2 코팅액 공급부(232) 사이에 제2 코팅재가 충진되는 제2 룸(232a), 중공(235a)과 상기 제3 코팅액 공급부(233) 사이에 제3 코팅재가 충진되는 제3 룸(233a), 및 필요에 따라 추가 코팅층을 형성할 수 있도록 코팅재가 충진되는 제4 룸(234a)이 각각 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 코팅 다이(235)에 형성된 중공(235a)의 직경은 입구에서 출구로 갈수록 점차 넓어지도록 형성되는데, 광섬유 인선 속도와 제1 코팅층(130), 제2 코팅층(140), 제3 코팅층(150)의 두께, 그리고 적용 코팅재의 점도에 따라 각 영역의 중공(235a) 직경이 결정된다. 일례로, 상용화된 광섬유용 우레탄 아크릴레이트계 코팅 수지를 기준으로는 경화 후 코팅층별 직경(dcoat) 기준으로 중공(235a) 직경은 (dcoat + 50 ㎛) 내지 (dcoat + 100 ㎛)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 코팅 영역별 코팅재가 충진되는 룸(231a, 232a, 233a, 234a)의 길이(L)는 최대 광섬유 인선 속도에 따라서 코팅재가 유리 섬유 표면을 충분히 코팅할 수 있도록 설정하는데, 15 mm에서 30mm 사이에서 선정한다.
경화 장치(240)는 코팅 장치(230)의 출구에서 배출되는 유리 섬유의 표면에 멀티 코팅된 코팅층에 자외선을 조사하여 경화 공정을 수행한다. 이러한 경화 장치(240)는 자외선이 외부로 노출되지 않도록 케이스의 내부에 적어도 하나 이상의 자외선 램프(미도시), 표면에 멀티 코팅된 코팅층이 포함된 유리 섬유가 삽입되는 석영 튜브(quartz tube)(미도시), 케이스 내부에 설치되어 자외선 램프에서 조사되는 자외선을 석영 튜브 내 코팅층으로 반사시키는 반사면(미도시)을 포함할 수 있다.
인출 장치(250)는 경화 장치(240)에서 경화 공정이 완료된 광섬유를 기 설정된 힘으로 잡아 당겨서 광섬유가 기설정된 직경을 유지하면서 연속적으로 인출되도록 한다. 이러한 인출 장치(250)는 광섬유의 인출 속도(예를 들어, 대략 1200m/min)를 제어하는 캡스턴(capstan)(251)과, 캡스턴(251)을 통과한 광섬유를 자신의 외주연에 감겨지도록 하는 스풀(spool)(252)을 포함한다. 인출 장치(250)는 인선축과 동일 방향(Y축 방향) 또는 인선축과 수직 방향(+X축/-X축 방향)으로 광섬유를 인출할 수 있다.
또한, 인출 퍼니스(220)와 코팅 장치(230) 사이에 배치된 제1 외경 측정 센서(261)가 인출 퍼니스(220)에서 인출되는 유리 섬유의 직경을 측정하고, 캡스턴(251)과 스풀(252) 사이에 배치된 제2 외경 측정 센서(262)는 캡스턴(251)에서 인출되는 광섬유의 직경을 측정한다.
광섬유의 대량 생산 과정은 수직 정렬형의 연속 정밀 공정들로 구성된다. 먼저 실리카 재질의 광섬유 모재(110)가 인출 퍼니스(220) 내에서 2000℃ 이상으로 가열 및 연화되며 적정 장력으로 매우 가는 유리섬유가 인출된다. 이 유리섬유는 냉각과정을 거친 후에 코팅 장치(230)를 통과한 후 표면에 제1 코팅층(130), 제2 코팅층(140) 및 제3 코팅층(150)의 멀티 코팅층이 형성되어, 자외선 조사로 경화되며 광섬유가 최종 완성된다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템(600)은 인출 퍼니스(610), 제1 코팅장치(611), 제1 경화 장치(621), 제2 코팅장치(612), 제2 경화장치(622) 및 인출 장치(630)를 포함하는 것이다.
여기서, 제1 코팅 장치(611)와 제1 경화장치(621)는 코어와 클래딩으로 이루어진 유리 섬유의 표면에 제1 코팅재로 1차 코팅된 제1 코팅층(130)에 자외선을 조사하여 1차 경화 공정을 수행한다.
한편, 제2 코팅 장치(612)와 제2 경화장치(622)는 기 설정된 코팅 횟수만큼 제1 코팅층(130)이 형성된 유리 섬유의 표면에 2차 코팅, 3차 코팅을 교대로 반복 수행하여 멀티 코팅층을 형성한 후 자외선을 조사하여 2차 경화 공정을 수행하는 것이다. 여기서, 2차 코팅과 3차 코팅을 교대로 반복하는 코팅 횟수는 코팅 다이(235) 전체 길이를 고려할 때, 2회 내지 5회 내에서 선정하는 것이 바람직하다.
이때, 제1 코팅 장치(611)와 제1 경화장치(621)는 1차 코팅 및 1차 경화 공정 이후에 나머지 2차 코팅 및 2차 경화가 이루어지는 WOD(wet-on-dry) 방식이 적용될 수 있고, 제2 코팅 장치(612)와 제2 경화장치(622)는 1차 코팅 및 1차 경화 공정이 완료된 유리 섬유에 2차 코팅과 3차 코팅, 다시 2차 코팅과 3차 코팅을 반복 수행한 이후에 멀티 코팅층을 함께 경화하는 WOW(wet-on-wet) 방식이 적용될 수 있다.
이와 같이, 제1 코팅층이 형성된 유리 섬유에 2차 코팅/3차 코팅, 2차 코팅/3차 코팅을 기설정된 코팅 횟수만큼 반복 수행하여 멀티 코팅층을 형성한 후 경화 공정을 수행함으로써 광섬유의 인출 공정 상에서의 코팅 공정의 복잡도를 줄일 수 있으며, 유리 섬유와 멀티 코팅층들 간의 동심도를 맞추는 게 용이하게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 코팅 구조의 광섬유와 일반 광섬유와의 차이를 설명하는 도면이고, 도 9는 도 8의 각 광섬유에 대한 온도 분포 시뮬레이션 결과를 설명하는 그래프이다.
멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 방법은 광섬유 제조 공정 중 광섬유 모재에서 유리 섬유가 인출되는 공정에서 코어와 클래딩으로 이루어진 유리 섬유의 외주연을 따라 제1 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 1차 코팅하여 제1 코팅층(130)을 형성한다(S1).
광섬유의 제조 시스템(200, 600)은 제1 코팅층(130)의 외주연을 따라 제2 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 2차 코팅하여 제2 코팅층(140)을 형성한다(S2). 그리고, 제2 코팅층(140)의 외주연을 따라 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 이용하여 기 설정된 두께로 3차 코팅하여 제3 코팅층(150)를 형성한다(S3).
광섬유의 제조 시스템(200, 600)은 경화 공정 이전에 기 설정된 코팅 횟수를 만족하지 않은 경우에(S4), 기 설정된 코팅 횟수만큼 2차 코팅과 3차 코팅을 교대로 반복 수행하여 멀티 코팅층을 형성한다(S5). 만일, 코팅 횟수가 2회인 경우에 멀티 코팅층은 제1 코팅층, 제2-1 코팅층, 제3-1 코팅층, 제2-2 코팅층 및 제3-2 코팅층을 포함할 수 있다.
이렇게 멀티 코팅층이 형성되면 경화 장치(240)는 멀티 코팅층에 자외선을 조사하여 경화 공정을 통해 멀티 코팅 구조의 광섬유를 완성할 수 있다(S6).
한편, 도 7의 단계 S1 내지 S6은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광섬유의 코팅 구조는 케이스 1, 케이스 2, 케이스 3 및 케이스 4로 시뮬레이션할 수 있다. 이때, 케이스1, 케이스2, 케이스 3 및 케이스 4의 광섬유의 외경은 250㎛, 코어의 직경은 8㎛, 클래딩의 직경은 125㎛, 1차 코팅된 제1 코팅층의 두께는 22.5㎛로 동일하게 설정된다. 다만, 케이스 1의 광섬유는 기존의 광섬유 코팅 구조로 2차 코팅층이 40㎛이고, 케이스 2는 본 발명의 제1 실시예로서 2차 코팅된 제2 코팅층의 두께가 20㎛, 3차 코팅된 제3 코팅층의 두께가 20㎛이다. 또한 케이스 3은 본 발명의 제2 실시예로서 코팅 반복 횟수가 2회인 경우에 2차 코팅된 제2-1 코팅층의 두께 10㎛, 3차 코팅된 제3-1 코팅층의 두께가 10㎛, 제2-2 코팅층의 두께가 10㎛, 제3-2 코팅층의 두께가 10㎛이다. 마지막으로, 케이스 4는 케이스 1의 40㎛ 두께의 2차 코팅층을 제2 코팅재 대신에 내열성을 갖는 제3 코팅재만 적용한 경우이다. 케이스 1, 케이스 2, 케이스 3 및 케이스 4의 코팅층의 전체 두께는 모두 40㎛로 동일하게 적용한다.
케이스 1, 케이스 2, 케이스 3 및 케이스 4는 1차 코팅에 사용된 제1 코팅재, 2차 코팅에 사용된 제2 코팅재, 3차 코팅에 사용된 제3 코팅재의 소재와 파라미터를 하기한 표 1과 같이 정의하고, 약 177oC(450 K)의 온도 환경에 지속적으로 노출되었을 때 각 광섬유의 구조 단면(케이스1, 케이스2, 케이스 3, 케이스 4)에서의 온도 분포를 열해석 시뮬레이션 툴을 이용하여 계산하면 도 9에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 결과를 보여준다.
[표 1]
도 9를 참조하면, 제3 코팅재를 사용한 제3 코팅층을 적용하지 않은 케이스 1의 광섬유 구조는 제3 코팅층이 적용된 케이스 2, 케이스 3 및 케이스 4에 비해서 외부에서 가해진 온도가 광섬유의 단면 전체적으로 약 0.01[K] 정도로 매우 미미하지만 약간 높은 온도 분포를 형성하였으며, 2차 코팅과 3차 코팅의 코팅 반복 횟수를 1회 적용한 케이스 2와 2차 코팅과 3차 코팅의 코팅 반복 횟수를 2회 적용한 케이스3은 거의 동일한 온도 분포를 형성하고 있다. 또한, 2차 코팅과 3차 코팅을 반복 적용한 케이스 2와 케이스 3이 2차 코팅 없이 3차 코팅만을 적용한 케이스 4와 거의 유사한 온도 분포를 형성하고 있다. 그러나, 케이스 4의 경우, 내열성 코팅 재의 두께가 케이스 2 및 케이스 3의 코팅층에 비해 두껍게 형성되어 있어 경화 시간과 가격이 증가할 수 있다. 이로 인해, 본 발명에서 제안하는 최외각 코팅층에 내열성 특성을 갖는 코팅재로 코팅된 멀티 코팅 구조의 광섬유, 즉 케이스 2 및 케이스 3은 광섬유의 내열성 확보 뿐만 아니라 기존의 광섬유의 코팅 구조에 비해 가격 경쟁력이 우수한 광섬유를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 멀티 코팅 구조의 광섬유
110 : 코어
120 : 클래딩
130 : 제1 코팅층
140 : 제2 코팅층
150 : 제3 코팅층
141, 142 : 제2-1 코팅층, 제2-2 코팅층
151, 152 : 제3-1 코팅층, 제3-2 코팅층
200, 600 : 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템
220, 610 : 인출 퍼니스
230 : 코팅 장치
240 : 경화 장치
250, 630 : 인출 장치
611, 612 : 제1 및 제2 코팅장치
621, 622 : 제1 및 제2 경화장치

Claims (13)

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  5. 코어 및 적어도 하나 이상의 클래딩을 포함하는 광섬유를 제조하는 시스템에 있어서,
    광섬유 모재 가열 후 지면에 대해 수직 방향의 인선축을 따라 유리 섬유를 인출하는 인출 퍼니스;
    상기 인선축을 따라 기 설정된 직경과 길이를 갖는 중공이 형성되고, 상기 인출 퍼니스에서 인출된 유리 섬유가 상기 중공의 입구를 통과하며 1차 코팅, 2차 코팅 및 3차 코팅 공정이 수행된 후 상기 유리 섬유의 표면에 멀티 코팅층이 형성되어 상기 중공의 출구로 배출하는 코팅 장치;
    상기 코팅 장치의 출구에서 배출되는 유리 섬유의 표면에 형성된 멀티 코팅층에 자외선을 조사하여 경화 공정을 수행하는 경화장치; 및
    상기 경화 장치에서 경화 공정이 완료된 광섬유를 기 설정된 힘으로 잡아 당겨서 상기 광섬유가 기설정된 직경을 유지하면서 연속적으로 인출되도록 하는 인출장치를 포함하고,
    상기 코팅 장치는,
    상기 중공이 형성된 코팅 다이;
    상기 코팅 다이의 일측에 형성되어, 상기 유리 섬유의 표면에 제1 코팅재를 공급하는 제1 코팅액 공급부;
    상기 코팅 다이의 일측에 형성되어, 상기 제1 코팅재가 공급되어 제1 코팅층이 형성된 유리 섬유의 표면에 제2 코팅재를 공급하는 제2 코팅액 공급부; 및
    상기 코팅 다이의 일측에 형성되어, 상기 제2 코팅재가 공급되어 제2 코팅층이 형성된 유리 섬유의 표면에 내열성 특성을 포함한 제3 코팅재를 공급하여 제3 코팅층이 형성되도록 하는 제3 코팅액 공급부를 포함하며,
    상기 코팅 다이는,
    상기 중공과 상기 제1 코팅액 공급부 사이에 상기 제1 코팅재가 충진되는 제1 룸;
    상기 중공과 제2 코팅액 공급부 사이에 제2 코팅재가 충진되는 제2 룸; 및
    상기 중공과 상기 제3 코팅액 공급부 사이에 제3 코팅재가 충진되는 제3 룸을 포함하며,
    상기 코팅 다이의 중공은 1차 코팅된 제1 코팅층, 2차 코팅된 제2 코팅층 및 3차 코팅된 제3 코팅층의 기 설정된 각각의 두께에 따라 입구에서 출구로 갈수록 직경이 커지도록 형성되고,
    상기 중공의 직경은 경화후 코팅층 별 직경을 기준으로 50 내지 100㎛의 범위를 만족하는 것인, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인출 장치는,
    상기 광섬유의 인출 속도를 제어하는 캡스턴(capstan); 및
    상기 캡스턴을 통과한 광섬유를 자신의 외주연에 감겨지도록 하는 스풀(spool)을 더 포함하는 것인, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 인출 퍼니스에서 인출되는 유리 섬유의 직경을 측정하는 제1 외경 측정 센서; 및
    상기 인출 장치에서 인출되는 광섬유의 직경을 측정하는 제2 외경 측정 센서를 더 포함하는 것인, 멀티 코팅 구조의 광섬유의 제조 시스템.
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