KR20000005435A - 열적으로 제거가능한 코팅을 갖는 광섬유를이용한 광섬유소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 열적으로 제거가능한 코팅을 갖는 광섬유를 포함하는 광섬유 엘레멘트를 제공하는 단계와 후속 처리 단계를 위해 상기 광섬유를 충분히 노출시키도록 열적으로 제거가능한 코팅의 소정 부분 또는 전부를 열적으로 제거하는 단계를 포함하는 광섬유 소자의 제조 방법이 제공된다. 코팅을 열적으로 제거한 다음, 광섬유는 FOTP-28에 따라 측정된 바와 같은 소정 중간 파괴 응력을 갖는다. 그 후, 광섬유는 가공되어 광섬유 소자가 되며, 옵션으로 재코팅될 수도 있다.

Description

열적으로 제거가능한 코팅을 갖는 광섬유를 이용한 광섬유 소자의 제조 방법

글래스 광섬유는 열적 자극 및/또는 기계적 자극에 특히 민감하여 광섬유의 물리적인 완전성이 현저히 감소되고 조기 고장이 야기된다. 따라서, 글래스계 광섬유 엘레멘트를 구성함에 있어서, 발생할 수도 있는 화학적 및/또는 기계적 자극의 악영향으로부터 광섬유의 원시 글래스 표면을 보호하기 위해 인출된 후 즉시 글래스 광섬유에 코팅이 입혀진다.

코팅된 광섬유 엘레멘트가 광섬유 소자의 제조에 사용되는 경우, 코팅된 광섬유에서 보호 코팅의 전부 또는 일부분을 열적, 화학적 또는 기계적으로 제거하여 광섬유 표면을 노출시켜야 할 필요성이 있을 수도 있다. 노출된 원시 광섬유 또는 원시 광섬유부는 광섬유 센서를 형성하기 위해 추가 처리될 것이다. 이에 대해서는 예를 들어 1995년 1월에 Optical Fiber Gratings and Their Applications이라는 주제로 The Institute of Electrical Engineers에 의해 개최되어 리지(Rizi) 및 고워(Gower)에 의해 발표된 Production of Bragg Gratings in Optical Fibers by Holographic and Mask Production Methods에 설명되어 있다. 그러나, 센서 제조 공정에서 원시 광섬유로부터 코팅을 벗겨내기 위한 종래의 열적, 기계적 또는 화학적 수단은 광섬유의 물리적인 완전성을 감소시킨다. 예를 들어, 칼이나 공구를 이용하여 기계적으로 벗겨내는 것은 광섬유 표면에 흠집을 내어 궁극적으로는 미세한 크랙을 초래하고 광섬유 강도를 감소시킨다. 코팅을 부풀려 제거를 용이하게 하기 위해 솔벤트 또는 농축 산이 광섬유 엘레멘트에 가해질 수도 있지만 이와 같이 화학적으로 코팅을 벗기는 기술은 광섬유 표면에 잔류물이 남게 되어 광섬유 강도를 감소시키고 후속 가공 단계에 지장을 준다. 코팅을 약화시키거나 태워 없애기 위해 열을 가할 수도 있지만 숫같은 잔류물이 남게 되어 광섬유 강도를 감소시키고 가공 이전에 추가의 코팅 제거 단계를 필요로 할 것이다. 또한, 코팅이 열분해되는 동안 글래스 광섬유가 열을 흡수하여 물러지게 될 것이다. 이에 대해서는 예를 들어 1995년 1월에 Optical Fiber Gratings and Their Applications이라는 주제로 The Institute of Electrical Engineers에 의해 개최되어 M.C. Farries 등에 의해 발표된 Fabrication and Performance of Packaged Fiber Gratings for Telecommunications 및 1991년 8월 8일에 발간된 Journal of Lightwave Technology, vol.9 에 Tang 등이 기고한 Annealing of Linear Birefringence in Single-Mode Fiber Coils: Application to Optical Fiber Current Sensors에 설명되어 있다.

Sato 등에게 허여된 미국 특허 번호 4,957,343호에는 고온 전기 방전에 의한 용융 접합을 이용하여 "플라스틱 피복" 광섬유를 스플라이스(splice)하기 위한 공정이 개시되어 있다. Sato 특허에서의 스플라이싱 방법은 글래스 코어, 코어에 인접하여 코팅된 중합체 피복층 및 피복층에 인접하여 코팅된 보호 외장(sheath)을 갖는 광섬유를 사용하여 시행된다. Sato 특허에서는 용융 접합 동안의 고온 전기 아크 방전에 의해 열분해될 때에 광섬유 단부면에 미소한 잔류물을 남기는 수지로 글래스 코어에 인접한 피복층을 구성하는 것으로 교시하고 있다. Sato 등은 후속되는 열질량측정 분석(thermogravimetric analysis)에서 소정량, 바람직하게는 10 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 3 중량% 이하의 잔류물을 갖는 어떠한 코팅도 사용될 수 있는 것으로 설명하고 있다. 피복층용으로 제안된 물질은 불소 함유 메타아크릴산염 및 폴리플루오로비닐리덴을 포함한다.

Sato 등의 특허에서는 비코팅된(대기-피복) 광섬유의 단부면에 형성된 스플라이스에 비해 용융 스플라이싱 후에 단부면에 남게 되는 잔류물이 용융된 광섬유에서의 스플라이스 손실을 현저히 증가시키지 않는다고 개시하고 있다. 그러므로, 스플라이스 이전에 피복층을 제거할 필요없이 신뢰적인 스플라이스가 형성될 수 있으며, 광학 경로의 완전성이 보존된다. 물리적인 완전성에 대해 미국 특허 번호 4,957,343호에 설명된 고온 용융 접합 과정은 글래스 광섬유를 저하시키지 않는 것으로 개시하고 있다(칼럼2, 라인38-41). 그러나, 전술한 바와 같이, 글래스 광섬유의 급속 가열은 광섬유를 물러지게 하는 것으로 알려져 있고, 미국 특허 번호 4,957,343호의 작업 실시예에서는 스플라이싱 과정에 후속하여 강도를 증가시키기 위한 강화(reinforcement) 과정이 요구된다(칼럼5, 라인40-45). 또한, 많은 유형의 광학 장치의 제조시에 광섬유에서 코팅의 상당 부분 또는 전부를 제거할 필요가 있다. Sato 등의 특허에서 설명된 고온 열분해는 광섬유의 물리적인 성질을 저하시키지 않고 코팅의 상당 길이를 효과적으로 제거할 수 있는 방안을 개시하지 못하고 있으며, 상업적인 규모로 연속적인 또는 단계적인 연속 코팅 제거 동작을 위해 실시될 수 없을 것이다.

그러므로, 센서 제조 공정에서 보호 광섬유 코팅을 부분적으로 제거할지 아니면 전체적으로 제거할지에 상관없이, 기계적으로, 화학적으로 또는 열적으로 코팅을 벗겨내는 동안의 광섬유의 물리적인 처리와 노출로 인해 규명되지 않은 양의 표면 손상이 야기될 것이다. 따라서, 광섬유의 물리적인 성질의 저하를 최소로 하고 효과적인 후속 공정이 가능하도록 원시 광섬유 표면을 거의 보전하는 상업적으로 실시가능한 연속적인 또는 단계적인 연속 코팅 제거 과정이 필요하다. 요구된 공정은 광섬유 처리 단계를 감소 또는 제거하고 재코팅하기 전까지의 원시 광섬유의 노출 시간을 최소화할 것이다.

본 발명은 센서, 격자(grating), 스플리터, 커플러 등의 광학 소자를 제조하는 공정에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 열적으로 제거가능한 코팅으로 코팅된 광섬유를 포함하는 개시 물질 광섬유 엘레멘트를 사용하는 광 센서를 제조하기 위한 연속적인 또는 단계적인 연속 공정에 관한 것이다. 본 발명의 공정에서, 코팅의 전부 또는 일부분은 광섬유 소자가 후속 처리될 수 있도록 원시 광섬유(bare optical fiber)를 충분하게 노출시키기 위해 열적으로 제거된다. 코팅의 열적 제거는 광섬유가 자신의 물리적인 완전성을 유지할 수 있는 조건하에서 실행된다.

도 1은 실시예 1에서 사용된 코팅의 400℃ 에서의 등온 열질량측정 분석(TGA) 플로트이다.

도 2는 실시예 1에서 사용된 코팅의 500℃에서의 등온 TGA 플로트이다.

도 3은 실시예 1에서 사용된 코팅의 600℃에서의 등온 TGA 플로트이다.

도 4는 본 발명의 공정에서 열적으로 제거가능한 코팅을 열적으로 제거하기 위해 사용될 수 있는 장치의 개략도이다.

도 5는 실시예 2의 광섬유의 초기 파괴 응력 분포 및 코팅을 열적으로 제거한 후의 광섬유의 파괴 응력 분포를 나타내는 웨이불 플로트이다.

도 6은 본 발명에 따른 광섬유 엘레멘트의 연속적인 또는 단계적인 연속 처리를 위한 시스템의 개략도이다.

도 7은 본 발명의 공정에 따라 광섬유 전류 센서를 제조하기 위해 사용될 수 있는 장치의 개략도이다.

본 발명은 광섬유 소자를 구성하기 위한 광섬유를 제조하는 공정을 제공한다. 본 발명의 공정에서, 실리카계 글래스로 구성되는 것이 바람직하고 하나 또는 그 이상의 열적으로 제거가능한 코팅으로 코팅되는 광섬유를 포함하는 광섬유 엘레멘트가 먼저 제공된다. 광섬유는 ANSI/EIA/TIA 455-28B-1991(FOTP-28)에 따른 중간 파괴 응력(median fracture stress)의 측정에 의해 평가될 공지된 초기 강도를 갖는다. 코팅의 전부 또는 일부는 광섬유 소자를 형성하기 위한 후속 공정이 가능하도록 광섬유를 충분히 노출시키기 위해 열적으로 제거된다. 열적 제거는 광섬유가 FOTP-28에 의해 측정된 바와 같은 최종 사용 응용장치에 요구된 초기 중간 파괴 응력의 소정 퍼센트를 유지하도록 수행된다.

또한, 광섬유 강도의 균일성이 유지되도록 열적 제거가 수행되는 것이 요망된다. 코팅을 열적으로 제거한 후의 광섬유의 강도 분포는 FOTP-28에 의해 측정된 바와 같은 의도된 장치에 대해 충분하게 높은 웨이불 계수(Weibull modulus) 또는 웨이불 경사 m에 의해 증명된 바와 같이 협소해야만 한다.

후속 처리 단계 다음에 광섬유 소자는 열적으로 제거가능한 코팅이나 종래의 코팅으로 재코팅되거나 또는 후속 가공 단계에서 통합될 것이다.

코팅을 제거하는 단계 동안, 본 발명의 공정에 사용된 열적으로 제거가능한 코팅은 광섬유가 최소의 열에너지를 흡수하도록 열이 급속하게 강하되어야 한다. 또한, 열적으로 제거가능한 코팅은 후속 처리에 지장을 주고 광섬유의 물리적인 강도를 저하시키는 잔류물이 광섬유의 표면 상에 거의 남지 않도록 충분하게 제거되어야만 한다. 제거가능한 코팅은 광섬유가 소정량의 초기 평균 파괴 응력을 유지하도록 열의 인가시에 미량의 잔류물을 남기거나 또는 잔류물을 전혀 남지기 않고 처리 환경에서 휘발하는 저분자량의 종으로 급속하게 해중합화하는 중합체 물질이 바람직하다.

열적 제거 단계는 적합한 방식으로 수행될 수 있지만, 본 발명의 공정에서는 광섬유의 온도가 그 물리적인 완전성을 보전하도록 충분이 낮게 유지되어야 한다. 그러므로, 코팅을 열적으로 제거하는 단계는 코팅을 급속하게 제거할 수 있고 광섬유의 과열을 최소화하기 위해 가열된 개스 스트림을 이용하여 시행되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 전술된 공정에 의해 구성된 광섬유 소자에도 관련된다.

본 발명의 공정은 글래스에 대한 최소의 물리적인 손상으로 글래스 광섬유에서 보호 코팅을 선택적으로 또는 전부 제거하기 위한 연속적인 또는 단계적인 연속 방법을 제공한다. 광섬유는 광범위한 광섬유 소자를 형성하도록 추가 처리될 것이다. 본 발명의 공정은 기계적인 스트리핑 공구의 날개 또는 제거 공정에 도움이 되도록 코팅을 부풀리기 위해 사용된 화학 약품에 의해 초래되는 광섬유 손상을 제거한다. 본 발명의 공정은 광섬유 표면 상에 잔류물을 거의 남기지 않으며, 이로써 코팅 파편을 제거하기 위해 광섬유의 표면을 훔침으로써 초래되는 물리적인 강도의 저하가 발생되지 않는다. 또한, 본 발명의 공정은 종래 기술에서 일상적으로 수행되는 바와 같은 인화성과 부식성을 갖는 동시에 잠재적으로는 독성을 갖는 솔벤트에 광섬유를 담궈야할 필요성을 제거하며, 이로써 광섬유 소자 제조 공정을 간략화시킨다. 본 발명의 공정은 원시 광섬유의 노출 시간을 급격하게 감소시키고 현재의 제조 공정에 사용되는 관련 처리의 실행을 제거한다.

종래 기술에서 공지되어 있는 바와 같이, 광섬유 케이블은 일반적으로 광섬유와 이 광섬유를 미세접합 손실 및 마모로부터 보호하기 위해 광섬유를 감싸는 하나 또는 그 이상의 버퍼층을 포함한다(예를 들어, Sterling, Technician's Guide to Fiber Optics,(1993), 73페이지를 참조). 본 명세서에서, "원시 광섬유" 또는 "광섬유"라는 용어는 버퍼 및 외부 강도 부재가 제거된 광섬유 광케이블의 일부분을 지칭한다. 버퍼 아래에 벗겨낼 수 없는 보호층이 놓여 있는 경우, 보호층은 원시 광섬유의 일부로서 간주된다. 본 명세서에서, "제거가능한 코팅"이라는 용어는 광섬유, 원시 광섬유 또는 벗겨낼 수 없는 보호층을 갖는 원시 광섬유에 입혀진 코팅층을 지칭하지만 케이블의 외부층을 구성하는 강도 부재 또는 쟈켓을 포함하지는 않는다.

본 발명의 공정에 사용된 제거가능한 코팅은 종래의 장치를 이용하여 광섬유 상에 용이하게 코팅될 수 있는 어떠한 중합체 물질도 가능하다. 제거가능한 코팅은 광섬유의 표면 상에 잔류물을 거의 남기지 않도록 연속적으로 열적 제거되어야만 한다. 또한, 열적 제거는 광섬유가 충분한 열을 흡수하여 인장 강도가 소정 레벨 이하로 저하되지 않도록 상업적으로 실현가능한 시간 내에 발생해야만 한다.

먼저, 본 발명의 공정에 사용하기 위한 중합체 코팅 물질을 선택함에 있어, 코팅 물질은 광섬유로부터 상업적으로 실현가능한 시간내에 거의 완전히 제거되어야 한다. 코팅의 열적 제거를 완료한 후에 원시 광섬유 표면과 접촉하며 잔류하는 탄소 성분을 포함하는 잔류물은 국부적인 응력 편중을 야기하여 광섬유의 인장 강도를 저하시킨다. 또한, 코팅을 제거한 후의 광섬유의 표면 상에 잔류하는 작은 박편은 후속 가공 단계에 지장을 줄 것이다.

본 발명의 용도를 위해, "거의 완전한 제거"라는 표현은 열적으로 제거한 다음 대기 상태에서(in air) 약 300∼900℃, 바람직하게는 약 400∼700℃, 가장 바람직하게는 약 500∼600℃로 열처리한 후에 초기 코팅 중량을 기초로 약 10중량% 미만, 바람직하게는 약 5중량% 미만의 잔류물을 갖는 중합체 코팅과 관련된다. 본 발명의 공정에 사용될 수 있는 코팅은 열질량측정 분석(TGA)과 같은 각종의 분석 기술을 이용하여 식별될 수 있다.

물론, 연속적인 또는 단계적인 본 발명의 공정에 유용하게 되기 위해서는 코팅의 거의 완전한 제거는 이러한 응용장치를 위해 약 15초 미만, 바람직하게는 약 10초 미만, 가장 바람직하게는 약 1초 미만인 상업적으로 실현가능한 시간 내에 완료되어야만 한다. 본 발명의 공정에 사용된 제거가능한 코팅 또는 코팅들의 두께는 의도된 응용장치에 좌우되어 폭 넓게 변화될 것이지만 약 15∼35μ의 종래의 코팅 두께가 일반적으로 사용된다.

두 번째는, 광섬유가 충분한 열을 흡수하여 그 인장 강도를 특수한 최종 사용 응용장치를 위해 요구된 소정 레벨 이하로 저하시키도록 전술된 거의 완전한 열적 제거가 달성되어야만 한다. 본 발명의 용도를 위해, 광섬유의 인장 강도는 본 명세서에서 FOTP-28로서 지칭될 ANSI/EIA/TIA-455-28B-1991에 따른 중간 파괴 응력의 평가에 의해 측정된다. 이러한 검사 과정에서, 검사되는 광섬유는 물림 기구와 캡스턴의 사이에 끼워진다. 그 후, 광섬유는 파손될 때까지 고정 변형율로 신장된다. 신장율은 게이지 길이에 대해 "%/분"으로서 표현되며, 고장시의 인장 부하는 적합한 로드 셀에 의해 측정된다. 파괴 응력 σ_f은 강도 성능을 지원하기 위해 사용된 1차 파라미터이며, 하기 수학식 1과 같이 계산된다:

여기서, T는 고장시에 시료가 받는 힘(인장력)이며, A_g는 괌섬유의 단면적이다. 이에 대해서는 예를 들어, Tariyal 등의 Ensuring the Mechanical Reliability of Lightguide Fiber, Western Electric Engineer, Winter 1980에 설명되어 있다.

본 명세서에서의 용도를 위해, 광섬유의 강도는 특수한 모집단(population)에 대한 중간 파괴 응력으로서 표현되며, 이러한 중간 파괴 응력 값은 열적 코팅 제거 다음에 소정 레벨 이상을 유지하여야만 한다. 통상적으로, 코팅의 열적 제거는 초기 중간 파괴 응력을 약 50% 이하, 바람직하게는 약 25% 이하, 가장 바람직하게는 약 15% 이하로 감소시켜야만 한다.

그러나, 광섬유 강도 검사는 본래 통계적이며, 각각 소정의 모집단으로 표현되는 다수의 개개 광섬유는 강도에 대해 검사되어야만 한다. 그 결과는 전체적인 모집단에 대해 강도 분포로서 보고되며, 이 분포는 널리 공지된 웨이불 플로트의 경사 m(웨이불 계수로서도 지칭됨)에 의해 특징지워진다. 이에 대해서는 예를 들어 Bittence, Specifying Materials Statistically, Mechine Design, vol50, No.2(1978); Epstein, Statistical Aspects of Fracture Problems, Journal of Applied Physics, vol.19, February 1948; Bacon, Sillica Optical Fibers Application Note, 3M, June 1995에 설명되어 있다. 본 공정에서, 웨이불 계수는 열적 코팅 제거 후에 유지된 광섬유 강도의 균일성에 대한 측정치이다. 열적 코팅 제거 다음의 광섬유의 강도 분포는 FOTP-28에 의해 측정된 바와 같은 충분하게 높은 웨이불 계수 또는 경사 m에 의해 증명된 바와 같이 협소해야만 한다.

경사 m이 100을 초과하면 강도 분포가 균일하거나 협소한 것이며, 광섬유에 대해 특징적인 파괴 응력이 나타난다는 것을 의미하고, 가해진 인장 응력이 그 특징적인 값에 도달할때까지는 고장의 가능성이 현저해지지 않게 된다. 한편, 웨이불 계수가 약 20 미만으로 낮은 경우에는 어떠한 응력에서도 고장 가능성이 현저해진다는 것을 의미하며, 기계적인 신뢰도가 낮다는 것을 나타낸다. 통상적으로, 코팅의 열적 제거는 초기(예를 들어, 열적 코팅 제거 이전) 웨이불 계수를 약 50% 이하, 바람직하게는 약 25% 이하, 더욱 바람직하게는 약 15% 이하로 감소시켜야만 한다.

코팅 제거 후의 광섬유 파괴 응력은 광섬유에 가해진 열의 양에 민감하다. 따라서, 본 발명의 처리는 최소의 열에너지가 광섬유로 전달되도록 코팅 제거 단계 동안 열이 가해져야 한다. 열은 가열된 저항 필라멘트 혹은 다른 복사 유형 가열 소스, CO₂레이저 또는 가열된 개스 스트림과 같이 광섬유의 물리적인 완전성을 보전하는 적합한 방식으로 코팅을 열적으로 제거하도록 가해져야 할 것이다. 도 4는 코팅의 일부분이 제어된 형태로 광섬유로부터 선호적으로 제거될 수 있는 본 발명의 공정의 코팅 제거 단계의 표현도이다. 도 4에서, 열적으로 제거가능한 코팅(12)으로 코팅된 광섬유 엘레멘트(10)는 가열된 개스(38)와 같은 국부 가열 소스에 의해 가열되고, 그에 따라 잔류물이 없는 글래스 표면(18)의 일부분이 노출된다.

코팅의 열적 제거는 가열된 개스 스트림을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 가열된 개스 스트림은 중합체 코팅 물질의 휘발에 도움에 도움을 주고, 광섬유에 최소의 열을 전달하며 해중합화된 물질을 부풀릴 것이다. 개스 스트림으로는 임의의 개스 또는 공기, 질소, 아르곤 등을 포함하는 개스의 혼합물이 포함되며, 불활성 성질 및 이용의 편리에 의해 질소가 선호된다. 산소를 함유하는 개스 혼합물은 열산화 처리 동안 발생된 연소열이 글래스의 온도를 상승시키켜 강도 특성을 저하시키기 때문에 본 발명의 공정에 사용하기에는 다소 바람직하지 않다.

개스 스트림은 에어 건 또는 에어 나이프 등의 어떠한 적합한 기술에 의해서도 가해질 수 있다. 그러나, 코팅의 소정 길이를 선택적으로 제거하기 위한 상업적으로 실현가능한 연속적인 또는 단계적인 연속 처리 때문에 에어 나이프가 선호된다. 광섬유의 인장 강도는 가열 소스를 요구된 거리에 고정하여 적합한 온도에서 열적으로 제거가능한 코팅을 제거함으로써 최적화될 것이다. 물론, 그 파라미터는 선택된 코팅, 코팅 두께, 처리 시간, 개스 흐름 속도 및 개스 온도에 따라 폭 넓게 변화될 것이다. 예를 들어, 코팅의 표면으로부터 약 2∼10㎜, 바람직하게는 5㎜ 에 위치된 제한된 출력과 약 1∼3scfm의 개스 흐름 속도와 약 400∼900℃, 바람직하게는 약 600∼700℃의 개스 스트림 온도를 갖는 원형 튜브에 권선된 저항 와이어가 본 발명에 설명된 코팅의 적합한 열적 제거에 대해 효과적인 것으로 판명되었다.

본 발명에 따른 광학 센서 제조를 위한 연속적인 또는 단계적인 연속 공정의 개략도가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서, 코팅된 광섬유 엘레멘트(110)는 인장 제어된 페이오프 스풀(112) 내지 정밀 위치설정 장치(114)에 걸쳐 풀려진다(unwound). 광섬유 엘레멘트(110)는 예를 들어 제거가능한 코팅의 소정 길이의 열적 제거를 위한 에어 나이프를 포함하는 광섬유 히터(138)에 진입된다. 코팅 제거에 의해 노출된 원시 광섬유(118)는 종래 기술로 공지된 공정을 이용하여 광학 센서를 형성하도록 처리되는 처리 존(120) 내로 진행한다. 이 처리 단계 후에, 광섬유 센서(도시 생략)는 센서를 포함하고 있는 원시 광섬유의 일부분을 보호하도록 재코팅하기 위해 추가 처리되거나 옵션의 인-라인 코팅기(122)에 진입될 것이다. 재코팅된 광섬유 센서는 그 후 옵션의 코팅 경화 존(124)에 진입될 것이다. 경화된 코팅을 갖는 센서는 분리 캡스턴(126) 상으로 인출되고, 최종적으로 인장 제어된 권취 스풀(128)상에 권선된다. 재코팅 처리는 원시 광섬유가 광섬유 가이드의 분리 캡스턴과 같이 광섬유의 강도 특성을 현저하게 저하시키는 기계적 손상을 받기 이전에 시행되도록 권장된다.

각종 응용장치용의 광섬유 소자 어레이를 생성하기 위해 도 6의 처리 존(120)에서 원시 광섬유(118)의 노출 부분에 대해 임의 수의 처리 단계가 수행될 수 있다. 예를 들어, 원시 광섬유(118)의 노출부는 광섬유 브라그 격자(Bragg grating)를 형성하기 위해 레이저로 처리될 것이다. 브라그 격자는 예를 들어 위상 마스크 프로젝션 또는 홀로그래피와 같은 종래 기술로 공지된 방법에 의해 광섬유 내에 발생될 것이다. 이에 대해서는 예를 들어 1995년 1월에 Optical Fiber Gratings and Their Applications이라는 주제로 The Institute of Electrical Engineers에 의해 개최되어 M.C. Farries 등에 의해 발표된 Fabrication and Performance of Packaged Fiber Gratings for Telecommunications 및 Rizi 등에 의해 발표된 Production of Bragg Gratings in Optical Fibers by Holographic and Mask Production Methods에 설명되어 있다. 그 결과의 광섬유 브라그 격자는 극도로 좁은 스펙트럼 대역의 인입 신호를 반사하며, 고정되고 조율가능한 필터, 광섬유 레이저와 다이오드 레이저, 파장 분할 멀티플렉싱, 광섬유 증폭기 및 센서 등의 응용장치에 사용될 것이다. 이에 대해서는 Measures 등에 의해 발표된 Grating Fiber Optics Sensing for Bridges and Other Structures, 2d European Conference on Smart Structures and Materials, October 1994: Melle 등에 의해 발표된 Practical Fiber-Optics Bragg Grating Strain Gauge System, Applied Optics, vol.32, no.19, July 1993; 및 Alavie 등에 의해 발표된 A Multiplexed Bragg Grating Fiber Laser Sensor System, IEEE Photonics Technology Letters, vpl.5, No.9, September 1993에 설명되어 있다.

광섬유의 노출된 원시 부분(118)에서 생성될 수 있는 다른 유형의 광섬유 소자로는 예를 들어 전류 센서가 포함된다. 현재, Cronk 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 08/205,880 호 및 Lutz 등에 허여된 미국 특허 번호 5,051,577 호에 개시된 바와 같이, 기계적인 스트리핑에 의해 적절한 길이의 광섬유에서 코팅을 제거함으로써 유용한 광섬유 센서 코일(복굴절＜3°, -40∼+80℃의 측정가능한 변화를 가짐)이 생성된다. 벗겨진 광섬유는 클리빙(cleaving) 및 용융 스플라이싱 처리를 위한 깨끗한 표면을 제공하기 위해 알콜로 세척된다. 그 후, 광섬유는 소결 고정물에 배치되어 소결 오븐에 위치된다. 소결 처리가 수행되고, 오븐으로부터 주형이 제거된다.

센서 제조에서, 원시 센서 광섬유의 기계적인 스트리핑 및 후속 처리에 의해 광섬유는 기계적인 손상에 노출된다. 광학 센서의 이러한 중요 부분에 대한 손상 및 그에 따른 강도 감소로 인해 광섬유는 파손되고 센서는 사용할 때에 고장을 일으킬 것이다. 일부 공정에서, 광섬유 코팅은 코팅이 기계적인 수단에 의해 더욱 용이하게 벗겨질 수 있도록 솔벤트에 담금으로써 연성화된다. 그 후, 광섬유는 추가 처리될 것이다. 본 발명의 공정은 가연성 솔벤트의 자국을 포함하고 있을 수도 있는 광섬유를 소결 용광로에 직접 배치하는 위험을 제거한다. 또한, 본 발명의 공정을 사용함으로써 코팅을 솔벤트에 담그는 것과 관련된 위험 및 이러한 처리에서의 기계적인 스트리핑과 관련된 강도 저하가 제거된다.

도 7은 본 발명의 열적 코팅 제거 처리를 이용하여 광섬유 전류 센서를 제조하기 위한 광섬유 코일 홀더(200)의 실시예를 도시한다. 원형 홈부(232)는 표면에 분사(sandblast)함으로써 플레이트(230)와 일체로 형성된다. 채널(234)은 광섬유 코일의 단말 단부를 위한 가이드를 제공하기 위해 표면에 분사될 것이다. 홀더(230)는 원형 홈부(232)에 코팅된 광섬유 엘레멘트(210)를 약하게 감고 코팅을 열적으로 제거하기 위해 가열된 환경에 이 홀더(230)를 위치시킴으로써 소결을 위한 주형 또는 폼으로서 사용된다.

전술된 특정 응용장치외에도, 제거가능한 코팅의 소정 부분을 열적으로 제거한 다음, 광섬유 스플리터 및 커플러를 제조하기 위해 본 발명의 공정의 가공 단계가 사용될 것이다. 더욱이, 광섬유 엘레멘트가 그래파이트/에폭시 복합물과 같은 복합 물질에 삽입되는 경우, 복합물 제조 동안 광섬유를 보호하기 위해 열적으로 제거가능한 코팅이 사용될 것이며, 이 코팅은 복합물을 경화시키는 열 가공 단계 동안 해중합화 및 확산에 의해 제거될 것이다. 열적으로 제거가능한 코팅은 액체 조성물의 캐리어로서도 사용될 수 있으며, 이 액체 조성물은 가공 단계 동안 광섬유를 습윤 상태로 하거나 에워싸고 있는 복합 물질을 경화시키며 코팅의 제거시에 제거된다. 또한, 열적으로 제거가능한 코팅은 밀봉 코팅 응용장치와 같은 표준 인출 기술과 호환되지 않는 추가의 처리 단계와 인출 처리의 상호의존성의 분리를 가능케 한다.

가공 단계에 후속하여, 생성된 광섬유 소자는 옵션으로 보호 코팅을 이용하여 재코팅될 것이다. 보호 코팅은 열적으로 제거가능한 코팅과 동일하거나 또는 종래 기술로 공지된 코팅 물질로부터 선택될 것이다. 재코팅 단계에 후속하여, 열적으로 제거가능한 코팅이 사용된 경우, 보호 코팅은 완성된 광섬유 소자에 향상된 열적 또는 화학적 저항력을 제공할 필요가 있다면 열에 대해 덜 민감하도도록 구성될 수 있다.

재코팅 단계에 후속하여, 완성된 광섬유 센서는 권취 릴에 감겨지거나 또는 사용될 응용장치에 필요한 바대로 추가 처리될 것이다.

본 발명은 다음의 비제한적인 실시예 1을 참고로 상세히 설명될 것이다.

실시예 1

본 발명의 공정에 사용될 수 있는 코팅은 열질량측정 분석(TGA)과 같은 다양한 분석 기술을 이용하여 식별될 수 있다. 도 1은 광섬유 코팅으로서 유용한 것으로 공지되어 있는 미국 일리노이즈주 엘긴에 소재한 DSM Desotech, Inc. 에 의해 제조된 3개의 경화된 아크릴산염 필름의 10.5㎎ 샘플의 대기중에서의 400℃의 등온 플로트이다. 400℃에서 3시간 후에, DSM Desotech에서 제조한 제품 식별 번호 DSM 3471-2-137의 아크릴산염화된 에폭시로 형성된 코팅 D의 예는 검사시의 코팅 물질의 초기 중량을 기초로 약 66중량%가 휘발됨에 비해, DSM Desotech에서 제조한 제품 식별 번호 DSM 3471-2-113의 아크릴산염화된 우레탄으로 형성된 코팅 C의 예는 약 79중량%가 휘발된다. 그러나, DSM Desotech에서 제조한 제품 식별 번호 DSM 5000-2의 다작용기 아크릴산염으로 형성된 코팅 B의 예는 약 400℃의 동일 시간 동안 약 95중량%가 휘발된다.

도 2는 대기 상태의 500℃ 온도에서의 코팅 B, C 및 D의 등온 플로트이다. DSM 5000-2의 코팅 B는 30분의 가열 기간 후에 코팅 C 및 코팅 D보다 더 적은 잔류물을 남긴다. 도 3에 도시된 바와 같이 600℃에서도 유사한 결과가 달성된다. 그러므로, 약 500∼600℃의 온도에서 약 5분 동안 노출한 후 검사되는 초기 코팅 중량을 기초로 약 5중량% 미만의 잔류물을 갖는 코팅 B(DSM 5000-2)는 상업적으로 실현가능한 시간 내에 거의 완전하게 제거되어 본 발명의 공정을 위한 적합한 코팅인 것으로 증명되었다.

실시예 2

광섬유 모집단의 강도 특성에 대한 실시예 1의 코팅의 열에 의한 제거의 효과를 판정하기 위해, 광섬유 B, 광섬유 C 및 광섬유 D를 형성하도록 그 위에 3가지 예의 코팅, 즉 코팅 B, 코팅 C 및 코팅 D의 각각이 코팅된 광섬유 엘레멘트를 제조하기 위해 3가지의 광섬유 인출이 시행된다. 이들 코팅은 표준 제품 광섬유 인출 타워에서 분당 55미터의 인출 속도로 화염 폴리싱된 고순도 실리카 예비형성물(a fire polished high purity silica preform)로부터 새로이 인출된 광섬유 상에 종래의 압력 코팅 기술을 이용하여 코팅된다. 실리카 광섬유의 직경은 80㎛이고, 최종 코팅된 광섬유의 직경은 128㎛이다.

기준 강도 분포를 설정하기 위해 인출된 광섬유의 각각에 대해 검사당 10개의 시편을 사용하여 4미터 게이지 길이에서 9 %/분의 응력 속도로 FOTP-28의 동적 파괴 방법에 의해 각각의 광섬유 B, C 및 D에 대해 파괴 강도 검사가 시행된다. 코팅을 열에 의해 제거한 후의 광섬유의 강도 분포의 분석을 위해, 코팅을 열적으로 제거하기 전에 시편을 기계적인 그리핑 센서와 동적 파괴 장치의 사이에 끼운다. 전술된 방법으로 코팅을 제거하고, 잠시 동안 광섬유를 냉각한 후에 강도 분석을 시행한다.

광섬유 B로부터 3∼4인치 길이의 코팅을 제거하기 위해 미국 일리노이즈주의 시카고에 소재한 Dayton Electric Manufacturing Company에 의해 제조된 모델명 27046의 고온 에어 건을 사용한다. 사용된 고온 에어 건은 20암페어로 조정되고, 1,000℉(500∼600℃)의 정격 작동 온도를 가지며, 광섬유로부터 대략 2.5인치(6.5㎝)의 거리에서 파지된다.

광섬유 B의 강도 모집단은 약 650KPSI(4.5×10⁴bar)의 초기(코팅 제거 이전) 기준 중간 파괴 응력을 갖는다. 고온 에어 건을 이용하여 일부분 위의 코팅을 거의 완전히 제거한 다음, 코팅 B가 코팅된 광섬유 모집단의 파괴 응력은 약 550KPSI(3.8×10⁴bar)로 강하되어 대략 15%의 감소를 나타내었다.

동일한 Dayton 고온 에어 건을 사용하여 광섬유 C 및 광섬유 D로부터 코팅을 제거한다. 그러나, 코팅 제거 조건을 조합하여도 깨끗한 광섬유 표면을 제공하도록 코팅을 완전히 제거할 수는 없다.

광섬유 C 및 광섬유 D에서 코팅을 열적으로 제거하기 위해 Dayton 고온 에어 건보다 더 높은 온도에서 더 집중된 개스 스트림을 제공하는 미국 노스캐롤라이나주의 샬롯에 소재한 Air Knife Inc.에서 제조한 에어 나이프를 이용한다. 사용된 에어 나이프는 개스 스트림을 가열하기 위해 내부에 코일 형태로 감겨진 저항성 와이어를 갖는 스테인레스 스틸 튜브로 구성된다. 이 튜브는 튜브에서 빠져 나오는 개스 흐름을 집중시키기 위해 다운스트림 단부에서 내경이 약 3㎜ 적다. 튜브의 공급 단부에 1.5∼2.3scfm 의 질소 흐름이 입력되며, 배출 개스의 온도는 약 600∼700℃로 측정된다. 가열된 개스 스트림은 코팅된 광섬유 표면으로부터 약 3∼5㎜의 거리에서 가해진다.

아크릴산염화된 우레탄(DSM 3471-2-113)으로 코팅된 광섬유 C는 약 700KPSI(4.8×10⁴bar)의 초기 중간 파괴 강도를 제공하고, 코팅의 열적 제거에 우수하게 응답한다. 그러나, 광섬유 C의 중간 강도는 코팅 제거 처리 동안 160KPSI(1.1×10⁴bar)로 저하된다. 이로써, 강도가 78% 감소된다.

아크릴산염화된 에폭시(DSM 3471-2-137)로 코팅된 광섬유 D는 약 700KPSI(4.8×10⁴bar)의 초기 중간 파괴 강도를 제공한다. 에어 나이프를 이용하여 열을 인가하면 에어 나이프에 의해 인가된 가열된 개스 스트림의 온도 및 흐름 속도에 관계없이 광섬유 상에 잔류되는 숫같은 잔류물이 생성된다. 이 상태에서는 괌섬유가 본 발명의 공정을 이용하여 광섬유 소자를 생성하기 위해 필요한 추가의 처리에 부적합하게 된다. 따라서, 광섬유 D에 대해서는 제거전 동적 피로 분석(post removal dynamic fatigue analysis)이 시행되지 않는다.

도 5는 실시예 1 및 실시예 2의 코팅 B, C 및 D를 제거하기 전과 후의 광섬유의 강도 모집단을 요약하는 웨이불 플로트이다. 코팅의 제거시에 광섬유 C의 중간 강도는 현저히 감소되고, 광섬유 D는 코팅을 효율적으로 제거할 수 없다. 그러나, 광섬유 B는 코팅 B의 제거시에 강도 감소가 거의 없기 때문에 본 발명에 따른 공정에 사용하기에 적합하다.

본 명세서에 개시된 일례의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니며, 전술한 설명을 참조하여 본 기술분야의 당업자에 의해 본 발명의 다른 변형이 가능하다. 이들 설명은 본 발명을 명확히 개시하는 실시예의 특정 예를 제공하기 위한 것이므로, 본 발명은 전술된 실시예로 제한되지 않으며, 개시된 특정 구성요소, 치수 재료 또는 구성의 변경이 가능하다. 첨부된 특허청구의 범위의 기술 사상내에 부합하는 모든 다른 변형 실시예는 본 발명에 포함된다.

Claims (9)

1. 광섬유 소자의 제조 방법에 있어서,

   (a) 하나 또는 그 이상의 열적으로 제거가능한 코팅을 갖는 광섬유를 포함하는 광섬유 엘레멘트를 제공하는 단계와;

   (b) 후속 가공 단계를 위해 상기 광섬유를 충분히 노출시키도록 상기 열적으로 제거가능한 코팅의 소정의 일부분을 열적으로 제거하고, 상기 광섬유가 코팅 제거에 후속하여 FOTP-28에 따라 측정된 바와 같은 소정 파괴 강도를 갖게 되는 단계와;

   (c) 광섬유 소자를 제공하기 위해 상기 광섬유를 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가공 단계 다음에 적어도 하나의 보호 코팅으로 상기 광섬유의 일부분을 재코팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 소자의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 열적 제거 단계는 상기 제거가능한 코팅을 가열된 개스 스트림에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 소자의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 광섬유는 코팅을 열적으로 제거한 다음 FOTP-28에 따라 측정된 바와 같은 소정의 웨이불 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 소자의 제조 방법.
5. 광섬유 브라그 격자의 제조 방법에 있어서,

   (a) 제거가능한 중합체 코팅을 갖고 FOTP-28에 따라 측정된 바와 같은 소정의 초기 중간 파괴 응력을 갖는 글래스 광섬유를 포함하는 광섬유 엘레멘트를 제공하는 단계와;

   (b) 상기 제거가능한 코팅의 소정의 일부분을 열에 의해 해중합화시키고 후속 처리를 위한 글래스 광섬유의 일부분을 노출시키기 위해 상기 제거가능한 코팅을 가열된 개스 스트림에 노출시키며, 상기 제거가능한 코팅을 해중합화한 다음, 광섬유의 노출부 상의 상기 제거가능한 코팅의 잔류물이 제거 이전의 그 부분의 총중량을 기초로 약 10중량% 미만이 되고, FOTP-28에 따라 측정된 바와 같은 광섬유의 중간 파괴 응력이 초기 파괴 강도의 적어도 50%가 되는 단계와;

   (c) 상기 노출된 글래스 부분에 브라그 격자를 형성하기 위해 상기 광섬유의 노출 영역을 레이저로 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브라그 격자의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 노출 영역은 상기 가공 단계 후에 보호 코팅으로 재코팅되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브라그 격자의 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 개스 스트림은 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브라그 격자의 제조 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 개스 스트림의 온도는 약 400∼900℃인 것을 특징으로 하는 광섬유 브라그 격자의 제조 방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 광섬유는 FOTP-28에 따라 측정된 바와 같은 초기 웨이불 계수를 갖고, 코팅을 열적으로 제거한 다음의 웨이불 계수는 초기 웨이불 계수의 약 50% 보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 광섬유 브라그 격자의 제조 방법.