KR20010066805A - 플라스틱 광섬유 제조공정 - Google Patents

Abstract

250㎛ 외직경 섬유에 대해 예를 들면 적어도 1m/sec의 상업적으로 유용한 속도로 경사 굴절률 플라스틱 광섬유를 제조할 수 있는 연속 압출성형 공정이 제공된다. 더구나, 압출성형 공정의 여러 가지 파라미터를 사용한 유한요소 분석을 수행함으로써 실제 제조에 앞서 광섬유의 굴절률 프로파일을 예측하는 것이 가능하다. 이러한 예측으로, 원하는 결과를 얻도록 공정 파라미터를 맞출 수 있으며, 아울러 압출성형 장비로 시행착오 필요성을 피할 수 있다.

Description

플라스틱 광섬유 제조공정{Process for fabricating plastic optical fiber}

본 발명은 경사굴절률 플라스틱 광섬유 제조에 관한 것이다.

유리 광섬유는 특히 장거리 송신응용에서 최근에 중요한 송신매체가 되었다. 그러나, 광섬유는 광섬유를 근거리 망 내 데스크에 분배하는 등의 소규모 응용에선 중요한 사용법을 발견하지 않았다. 특히, 유리 광섬유는 예를 들면 구리선만큼 비용효율적이지 않았으며 극히 정밀한 광섬유 접속을 필요로 한다. 그러므로, 유리 광섬유의 많은 이점을 제공하나, 비용효율적일 것으로 예상되는 플라스틱 광섬유(POF)를 추구하는데 관심이 있었다. POF는 또한 큰 코어를 제공하여 접속 및 연결(splicing)을 보다 쉽게 한다.

초기엔 계단형 POF(한 굴절률의 코어가 그와는 다른 굴절률의 클래드로 둘러싸인 것)를 제조하여 사용하였다. 불행히도, 계단형 광섬유를 따라 나아가는 모드는 바람직하지 못하게 높은 레벨의 분산이 일어나 광섬유의 능력이 제한된다. 이 문제에 응하여, 경사 굴절률 POF(GI-POF)이 개발되었으며, 이것은 코어부터 클래드층까지 변하는 굴절률을 갖는다. GI-POF는 낮은 레벨의 모드 분산을 나타내므로, 개선된 특성을 제공한다. 그러나, GI-POF는 계단형 POF보다 제조하기가 더 어려웠으며 그에 따라 비용이 더 들었다. 그러므로 GI-POF 제조의 개선된 방법을 찾았다.

GI-POF를 형성하는 한 방법은 유리 광섬유를 일반적으로 뽑아내는 모재(preform)와 유사하게 모재로부터 시작하는 것이다. 예를 들면, 미국특허 제 5,639,512호 및 제 5,614,253호를 참조한다. 이들은 GI-POF용 모재의 화학 기상증착(CVD) 형성을 위한 공정을 논하고 있다. 공정에 따르면, 폴리머 및 굴절률 수정자를 봉에 피착하고, 피착 중에 굴절률 수정자 양을 변화시켜 원하는 굴절률 프로파일을 제공한다. 이러한 모재는 GI-POF를 준비하는데 유용하지만 보다 쉬운 공정이 요구된다.

모재 형성에 대한 한 대안은 압출성형으로서 이것은 다양한 품목을 형성하기위해 플라스틱에 일반적으로 사용되는 것이다. 압출성형은 모재를 형성하여 뽑아내는 것보다 빠르고 저렴할 것으로 예상되었으나 경사 굴절률 프로파일에 대한 필요성으로 복잡성이 야기되었다. 미국특허 제 5,593,621('621 특허)에서는 GI-POF에 대한 압출성형 공정을 다루고 있다. '621 특허에 따르면, GI-POF는 예를 들면 동일 중심의 노즐을 사용하여, 한 물질을 다른 물질의 원주상 주위에 압출성형함으로서 제조된다. 물질들 중 적어도 한 물질은 다른 굴절률을 갖는 확산성 물질을 포함하여, 물질의 확산으로 원하는 굴절률 대조를 제공하게 한다. '621 특허의 방법은 기능적인 공정을 제공하는 것으로 보이며, 또한 몇 가지 결점이 있는 것 같다.

특히, 확산가능 물질이 충분한 시간 확산하게 하는 지체시간(물질 플로우 정지) 혹은 매우 느린 압출성형 속도를 제공하지 않고도 공정이 수행될 수 있는지 명백하지 않다. 구체적으로, 예에서 동일 중심 노즐(5)(도 1 참조)의 출구와 코어 노즐(3)의 출구간의 3cm의 작은 거리를 개시하고 있다. 따라서, 두 개의 물질은 이 작은 거리에 걸쳐서만 접촉하고 있고 그 후에 장치를 빠져 나온다. 간헐적인 멈춤이나 극히 느린 압출성형 속도를 필요로 하지 않고 이 작은 접촉거리로 충분히 확산할 수 있는지 불명확하다. 예를 들면, 실시예 6이 이 접촉영역 내에서 약 3분 동안 확산이 이루어졌다고 하고 있으며, 실시예 7, 8, 9 모두 접촉영역에서 약 10분 동안 확산이 발생하였다고 하였기 때문에 멈춤이나 느린 속도가 사용된 것으로 보인다. 불행하게도, 이 참고문헌엔 압출성형 속도를 개시하고 있지도 않고 공정이 간헐적으로 중지되어야 했었는지에 대한 여부도 명백하지 않다. 더욱이, 결과로 나온 광섬유 내 굴절률 프로파일 예측방법에 대한 정보가 없으며, 적합한 공정 파라미터를 찾기 위해 명백히 시행착오가 필요하다.

간헐적인 멈춤이든 극히 느린 압출성형 속도이든 상업적인 관점에선 바람직하지 않다. 간헐적인 멈춤은 공정을 느리게 하며 광섬유의 굴절률 프로파일 내 불연속을 야기한다. 그리고 느린 압출성형 속도는 공정비용 및 연루된 시간을 증가시킨다. 따라서, 경사 굴절률 플라스틱 광섬유를 압출성형하는 공정에 개선이 요구된다. 또한 부담이 되는 시행착오를 피할 수도 있을 특별한 압출성형 공정으로부터 굴절률 프로파일을 예측하는 것이 또한 바람직할 것이다.

본 발명은 상업적으로 수락될 수 있는 속도, 예를 들면 250㎛ 외직경 광섬유의 경우 적어도 1m/sec로 경사 굴절률 광섬유(GI-POF)를 만들 수 있는 연속 압출성형 공정을 제공한다. 더욱이, 압출성형 공정의 여러 가지 파라미터에 대해 수치해석을 수행함으로써, 실제 제조에 앞서 광섬유의 굴절률 프로파일을 예측하는 것이 가능하다. 이러한 예측으로 압출성형 장비로 시행착오 필요성을 피하면서, 원하는 결과를 얻기 위해서 공정의 파라미터들을 맞출 수 있게 한다.

공정은 제 1, 예를 들면 코어, 폴리머 물질을 제 1 노즐에 도입하는 단계 및 제 2, 예를 들면 클래드, 폴리머 물질을 제 2 노들에 도입하는 단계를 포함하며, 여기서 폴리머 물질들 중 적어도 하나는 폴리머 물질의 굴절률을 변경하는 굴절률을 갖는 확산가능 도펀트를 포함한다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 노즐은 동심으로 배치되고, 이 노즐은 확산부(22)에 도입될 때 동심으로 물질들이 흐르도록 제 2노들 내에 배치된다. 물질들이 확산부(22)를 통해 함께 흐를 때, 도펀트 확산은 제 1 및 제 2 폴리머 물질사이에 그리고 이들 물질 내에서 일어나, 경사 굴절률이 달성된다. 제 1 및 제 2 폴리머 물질은 확산부(22)를 통해 연속적으로 이동하며, 출구 다이(26)를 통해 흘러 광섬유로 인출된다. (연속한 혹은 연속적으로라는 것은 확산부에 도입될 때 폴리머 물질은 출구 다이를 통해 흐르기에 앞서 어떠한 지점에서도 간헐적으로 멈추지 않음을 나타낸다.)

예를 들면 50cm, 혹은 100cm, 이것은 '621특허의 짧은(3cm) 확산존보다 긴 것으로, 비교적 긴 확산존에 걸쳐 폴리머들간에 얇은 층으로 흐르는 것을 유지하는 것이 가능함을 알았다. (도 1b에 도시한 바와 같은 확산존 길이(24)는 공동 압출성형 헤드(20) 내 제 1 및 제 2 폴리머(노즐(30)의 출구에서)의 제 1 접촉점에서 시작하여 출구 다이(26)의 하측단부에서 끝나는 확산부(22)의 부분이다). 출구 다이로부터 폴리머의 유속은 전형적으로 3cm³/min으로 높으며, 이것은 여기 논의되는 바와 같이, 공정을 더 높은 흐름으로 크기를 늘리는 것이 가능할지라도 250㎛ 직경의 광섬유에 대해 적어도 1m/s의 제조속도에 대응한다. 그러므로, '621 특허의 공정에서 명백하게 필요로 하는 간헐적인 멈춤 및/또는 극히 느린 유속을 피하는 것이 가능하며, 이에 따라 상업적으로 유용한 속도로 GI-POF를 연속하여 압출성형하는 것을 가능하게 한다.

압출성형 공정 파라미터를 선택하고 예측된 도펀트 혹은 굴절률 프로파일에 근거하여 실제 제조에 앞서 물질특성을 결정하므로 이점이 있다. 관계된 공정 및물질특성은 확산존 길이 및 반경, 코어 및 클래드 폴리머 물질의 유속, 및 코어 및 클래드 폴리머 물질 내 도펀트 확산율을 포함한다. 그 외 종종 사용되는 특성은 전단속도에 종속하는 점도 및 제 1 및 제 2 폴리머 물질의 밀도(온도의 함수로서), 확산부의 온도 및 폴리머 내 도펀트 질량분율을 포함한다. 수치해석을 사용하여, 제공된 값들에 근거하여 예상된 도펀트 프로파일을 결정한다. 해석은 이들 파라미터 어느 것이든 혹은 그 모두를 변경하는 효과를 결정하는 것을 가능하게 하므로, 아니었으면 필요하였을 비용이 드는 시행착오 및 시간 소비를 상당히 피할 수 있게 된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에서 사용하는데 적합한 압출성형 장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 굴절률 프로파일을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 굴절률 프로파일을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 굴절률 프로파일을 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 굴절률 프로파일을 도시한 도면.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 예측된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일을 도시한 도면.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따라 예측된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일을 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 따라 예측된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일을 도시한 도면.

도 9는 본 발명에 따라 예측된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일을 도시한 도면.

도 10은 본 발명에 따라 예측된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일을 도시한 도면.

도 11은 예측된 도펀트 질량분률 프로파일과 제조된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일간 비교를 도시한 도면.

도 12는 본 발명에 따라 광섬유를 제조하는데 사용되는 압출성형 장치.

도 13은 가변 페클렛 수의 함수로서 본 발명의 공정에 따라 예측된 도펀트 질량분율 프로파일을 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 광섬유 압출성형 장치 12 : 코어 압출성형기

14 : 클래드 압출성형기 16 : 접속기 호스

18 : 접속기 파이프 20 : 공동 압출성형 헤드

22 : 확산부 24 : 확산존

26 : 출구 다이 28 : 캡스턴

30 : 코어 노즐 32 : 직경 모니터

34 : 스풀

본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 광섬유 압출성형 장치(10)의 코어 압출성형기(12) 및 클래드 압출성형기(14) 각각에 코어 및 클래드 폴리머를 공급한다. 코어 및/또는 클래드 폴리머(통상 코어 폴리머)는 원하는 경사 굴절률을 제공하는 하나 또는 그 이상의 확산가능 도펀트를 포함한다. 코어 폴리머는 접속기 호스(16)를 통해 코어 압출성형기(12)로부터 공동 압출성형 헤드(20)(도 1b에 상세히 도시되어 있음)로 공급되고, 클래드 폴리머는 접속기 파이프(18)를 통해 공동 압출성형 헤드(20)로 공급된다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 공동 압출성형 헤드(20)은 코어 폴리머를 확산부(22)의 중심을 향해 보내는 코어 노즐(30)을 포함하며, 반면 접속기 파이프(18)로부터의 클래드 폴리머는 코어 폴리머 주위에 동심원으로 확산부(22)에 분배된다. 코어 폴리머 및 클래드 폴리머는 확산 존(24)으로 함께 흐른다. (도 1b에 나타낸 바와 같이, 확산 존은 공동 압출성형 헤드(20) 내에 코어 및 클래드 폴리머(노즐(30)의 출구에)의 제 1 접촉점에서 시작하여 출구 다이(exit die)(26)의 하측단부에서 끝나는 확산부(22)의 길이이다. 확산부(22)는 용해된 폴리머의 흐름을 유지하고 확산가능 도펀트의 확산을 촉진하기 위해 일반적으로 가열되고 존(24)은 원하는 정도의 확산이 일어나게 하는 충분한 길이를 갖는다. 그러면 폴리머는 확산부(22)에서 원하는 직경을 제공하는 출구 다이(26)로 흐르며, 빠져나오는 광섬유는 원하는 최종의 광섬유 직경을 얻기 위해서 필요한 속도로 광섬유를 뽑아 내는 캡스턴(28)으로 인출한다. 이어서 광섬유는 통상적으로 스풀(34)에 의해 감는다. 직경 모니터(32)는 필요하다면 조정할 수 있게, 통상 뽑아낸 광섬유의 최종 직경을 감시하는데 사용된다.

폴리머는 통상 고형 미립 형태로 압축기에 더해져, 그 안에서 용해된다. 대안으로, 폴리머는 통상의 장비를 사용하여, 분말이나 녹은 형태로 압출기에 공급되는 것이 가능하다. 본 발명은 유용한 굴절률, 유리 천이온도 및 광 투과특성을 나타내며, 처리온도에서 폴리머 내에 충분한 이동도를 나타내는 호환성, 굴절률 변경 도펀트가 얻어질 수 있는 다양한 투명 열가소성 폴리머로부터 경사 굴절률 플라스틱 광섬유를 제작할 수 있다. 유리천이 온도는 통상 약 90℃ 내지 약 260℃이고, 굴절률은 통상 약 1.3 내지 약 1.6이며, 투과손실은 벌크 폴리머에 대해서 통상 10 내지 1000dB/km이다. 점도는 통상 100 내지 1,000,000이며 통상 1000 내지 100,000 포이즈 이상이다. 적합한 폴리머의 예는 폴리(메칠 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리카보네이트, 폴리스티렐, 스트렌-아크리로나이트라이드 코폴리머(SAN), 폴리(퍼풀루오로-부테닐 비닐 에테르), (CYTOP^TM) 및 테트라프루오로에칠렌 및 2,2 비스트리풀루오로메칠-4,5-디플루오로-1,3-디옥솔(테플론 AF^TM)의 코폴리머를 포함한다.

도펀트는 코어 폴리머에 첨가되는 굴절률 상승 물질이다. (여기 사용되는 바와 같이, 도펀트는 하나 이상의 확산가능 물질을 포함한다). 대안으로, 도펀트는 클래드 폴리머에 부가되는 굴절률 저감 물질이다. 유용한 도펀트는 비교적 낮은 분자량 화합물로서 이들은 1) GI-POF용으로 사용된 폴리머들에 용해될 수 있고 시간에 걸쳐서 폴리머 내에서 상분리 혹은 결정화되지 않으며, 2) 폴리머의 투과손실을 현저하게 증가시키지 않으며, 3) 폴리머의 유리 천이온도를 수락할 수 없을 정도로 낮추지 않으며, 4) 처리온도에서 폴리머 내에서 충분히 높은 확산율, 예를 들면 10^-8내지 10^-5cm²/sec를 가지며, 5) 15wt.미만의 도펀트에 대해 폴리머 내 저농도에서 큰 굴절률 변화, 예를 들면 Δn> 0.015를 제공하며, 6) 처리온도 및 장기간에 걸쳐 동작환경에서 폴리머에서 화학적으로 안정하며, 7) 처리온도에서 휘발성이 낮으며, 8) 동작환경에서 유리성질의 폴리머에서 고정된다. 적합한 도펀트는 브로모벤젠, 벤질부틸프타레이트, 벤질 벤조에이트, 디페닐 프탈레이트, 및 PMMA와 함께 사용하기 위한 디페닐 설파이드, 및 과할로겐화된 올리고모 및 과할로겐화된 방향 화합물을 포함하며, 이들은 CYTOM^TM혹은 테프론 AF^TM와 함께 사용하기 위해 선택적으로 헤테로 원자를 포함한다. 확산 존에서, 도펀트는 용해된 코어(혹은 클래드) 폴리머로부터 용해된 클래드(혹은 코어)로 분자확산됨으로서 굴절률 프로파일을 형성한다. 다이를 빠져나온 후에, 광섬유는 급속하게 실온으로 냉각하여 도펀트는 폴리머 내에서 부동상태로 된다.

도 1b에 도시한 바와 같은, 공동 압출성형 헤드는 환상의 혹은 동일 중심의 클래드 용해물 스트림을 중심에 놓인 코어 용해물 스트림 주위에, 코어/클래드 계면이 불연속하지 않게 하면서 순조롭고 얇은 층으로 흐르게 분배하도록 설계된다. 확산부는 일반적으로 순조로운 흐름을 유지하기 위해 균일한 단면을 가지며, 대체로 관형이다. 확산 존 내의 확산부의 전형적인 평균직경은 약 0.25cm 내지 약 1.0cm이며, 약 0.50cm(직경은 내직경을 말한다)일 때 효과적이다. 확산 존의 온도는 조정되는데, 원하는 수준의 폴리머 흐름과 도펀트 확산을 조장하기 위해서 존 전체를 통해 균일하게 하는 것이 이점이 있다. (확산 존 온도는 확산부 및 그 안의 폴리머를 가열시키는 평균온도이다). 경우에 따라서는 개선된 처리를 위해서 이웃한 부분들과는 다른 온도로 확산 존의 일부분을 제어하는 것이 이점이 있다. 예를 들면, 광섬유를 뽑아내는 공정을 개선하기 위해서 확산존의 단부를 다른 온도로 유지하는 것이 가능하다. 확산부는 임의의 적합한 기술, 예를 들면 일련의 밴드 히터나 고온 가열 테이프를 사용하여 가열된다. 전형적인 확산존 온도는 150℃ 내지 300℃이다. 확산 존 길이를 쉽게 변경할 수 있게 나사홈을 형성한 관형요소들로 확산 존을 구성하는 것이 가능하다. 전형적인 확산존 길이는 약 33 내지 400cm이며, 적어도 50cm가 바람직하고 더 바람직하게는 적어도 100cm이다. 이 범위 확산존 길이는 상업적으로 유용한 유속으로 전형적인 압출성형 장비의 압력한계내에서, 언급한 온도범위와 더불어 연속한 압출성형 공정을 유지하면서 충분한 확산이 일어나게 한다.

출구 다이는 확산부의 단부에 배치되어 있다. 확산부의 단부에 나사결합하여 다이를 부착하는 것이 가능하다. 이 경우 예를 들면 확산부는 전술한 바와 같이, 나사홈 형성부로 구성된다. 또한 출구 다이는 확산부에 일체로 된 부분인 것이 가능하다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, 다이는 일반적으로 입구의 테이퍼상으로 되어 있는 것으로 이 입구는 확산부의 단면에서 다이의 단부의 곧은 랜드에 이르는 천이부를 제공한다. 랜드는 일반적으로 약 0.5mm 내지 약 2.5mm의 직경을 갖는다. 예를 들면, 다이로부터 광섬유를 뽑아내는 캡스턴과 공동으로 1.0mm 직경의 랜드에 의해 약 250㎛의 최종의 광섬유 직경에 도달할 수 있다. 어떤 필요한 조정을 행하기 위해서, 광섬유가 다이를 빠져 나올 때 광섬유의 직경을 측정하기 위해 통상 직경 모니터가 사용된다. 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 전형적인 직경은 약 125 내지 약 1000㎛이다. 확산 존 내 폴리머 물질의 체류시간은 통상 약 1분 내지 약 120분이며, 주로 폴리머/도펀트 시스템의 안정성에 기초한다. (체류시간은 평균 체류시간을 나타낸다).

이 기술을 사용하여, 250㎛ 직경의 광섬유에 대해, 1m/s의 제조속도에 이르는, 3cm³/min의 유속으로 GI-POF를 연속적으로 압출성형하는 것이 가능하다. (일반적으로, 유속은 약 1 내지 약 12cm³/min이며, 250㎛ 직경의 광섬유에 대해 약 0.33 내지 약 4m/sec의 제조속도에 대응한다).

전술한 바와 같이, 명시된 폴리머/도펀트 물질에 대해서 GI-POF의 예측된 굴절률 프로파일에 근거하여 압출성형 프로파일의 시스템 파라미터를 선택하는 것이 이점이 있다. 특히, 확산존 온도, 확산존 길이, 도펀트의 확산율, 및 코어와 클래드 물질의 유속에 대한 값들을 제공하는 것이 가능하다. 제공된 값들에 기초하여 예측 프로파일을 수치해석을 사용하여 결정한다. 이 분석은 이들 모둔 파라미터의 임의의 것 혹은 그 모두를 변화시키는 효과를 결정할 수 있게 한다. 따라서, 원하는 결과를 제공할 것으로 예측된 한 세트의 파라미터가 선택된다. 이 분석은 다음과 같다.

A. 지배적인 식 및 경계조건

1. 지배적인 식

압출성형 공정에 대한 흐름 기하구조는 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 확산존(24)에 대응한다. 도핑된 폴리머로 된 코어 영역과 도핑되지 않은 순 폴리머로 된 환상의 외영역은 원통형의 확산부(22)로 흘러 축방향 위치 z=0에서 확산존(24)에 진입한다. 이들 물질은 원통형 확산부를 통해 나아가는데, 이 곳에서 이들은 대류 및 확산된다. 확산존은 이 분석목적을 위해서, 온도 T_oper(즉, T_oper는 확산존 온도임)로 등온적으로 동작하는 것으로 가정한다. 광섬유는 출구 다이(26)를 빠져나올 때 실온으로 급속하게 냉각되기 때문에, 이 뽑아내는 영역에서 확산은 무시한다. 더욱이, 출구 다이(26)의 길이는 확산부(22)의 길이보다 현저하게 짧기 때문에, 출구 다이 영역에서 확산은 무시한다(출구 다이 영역의 취급설명에 대해 B절을 참조).

확산존 내에서 폴리머 내의 도펀트의 고른 이송을 지배하는 식은 다음과 같다.

여기서 C(r, z)은 도펀트 질량분율, (r, z)은 확산존 축(도 1b에 도시한 바와 같은)을 따라 중심을 둔 원통좌표계를 나타내며, ∇은 미분 연산자, D는 도펀트 확산율, υ는 속도장, ρ는 도펀트/폴리머 시스템의 밀도 및 T는 온도이다. (R. B. Bird 등의 이송 현상, John Wiley & Sons(1960) 참조)

완전한 혼화성(상분리는 전혀없음)으로 되게 하는 질량분율의 범위에 걸쳐 밀도가 거의 일정한 폴리머/도펀트 시스템에 있어서, 식(1a)는 다음과 같이 간단하게 된다.

일반적으로 확산율은 온도 및 질량분율에 종속한다.

D=D(C, T)

폴리머의 유리 천이 온도 T_g의 50℃ 내의 온도에서, 확산계수는 질량분율에 강하게 종속하는 경향이 있으나, 이 분석에서 연구된 온도로서 T_g보다 높은 온도인 100 내지 150℃에 있어서는 확산율이 온도에만 종속하는 것으로 가정한다. 즉D(C, T)=D_o(T).

D_o(T)의 함수형태는 다음과 같이 나타낸다.

속도장 υ는 비압축, 무관성의 일반화된 뉴톤유체의 흐름을 지배하는 식으로부터 결정된다.

여기서 식(3) 및 (4)는 각각 운동량 및 총질량 보존식이며, σ는 총 스트레스 텐서이다.

총 스트레스 텐서는 압력 p 및 별도의 스트레스 텐서 τ항으로 다음과 같이 표현된다.

σ= -p I -τ

흐름문제를 완전히 기술하기 위해서는 유체의 유동을 기술하는 상세한 구성식이 있어야 한다. 도펀트/폴리머 시스템은 일반화된 뉴톤유체 모델에 따르는 것으로 가정하여 별도의 스트레스 텐서는 다음으로 주어진다.

여기서 η는 점도이며,는 스트레인율 텐서로서

이고, 여기서 첨자 t는 전치를 나타낸다.

점도 η는 다음과 같이 온도, 도펀트 질량분율, 및 전단속도에 종속하는 것으로 가정한다.

여기서 전단속도는 다음으로 주어진다.

일정한 온도 및 도펀트 질량분율에서 실험결과는 점도가 수정된 캐루(Carreau) 모델에 의해 충족됨을 나타내고 있다.

여기서 η₀은 기준온도 T₀에서 제로 전단속도이며, m은 캐루 멱지수이며 k는 층밀림 얇아지기(shear thinning) 시작을 결정한다. 파라미터 a_T는 점도의 온도 의존성을 취하는 것이다.

여기서 E는 활성화 에너지이며, R_gas는 일반 기체 상수이다.

점도의 질량분율 의존성은 일반적으로 질량분율에 의존하는 파라미터를 선형보간함으로서 기술됨으로서 점도의 최종 함수형태는

3. 적합한 경계조건 설정

대류-확산 문제를 완전히 기술하기 위해서는 상세한 적합한 경계조건이 필요하다. 광섬유는 확산부에의 흐름 입구에서 계단형 프로파일, ∂ D _i을 갖는 것으로 가정한다.

여기서 R_core는 입구, 즉 코어/클래드 계면의 위치에서 코어 폴리머 반경이다. 입구에서 속도장은 완전히 전개되어 특정의 총 용적 유속을 갖는 것으로 가정한다.

총 유속(Q_total)의 명세 및 입구에서의 코어/클래드의 경계(R_core)의 위치는 입구 흐름 프로파일을 완전하게 명시한다. 결과로 나타난 코어(Q_core) 및 클래드(Q_cladding) 유속은 다음으로부터 결정된다.

확산존 벽 ∂ D _s에서, 유체는 슬립없는 경계조건을 만족하는 것으로 가정한다.

그리고 도펀트 플럭스는 없는 것으로 가정한다.

여기서 n 은 표면에 대한 단위 법선벡터이다. 흐름의 중심선 ∂ D _c를 따라 속도 장은 법선성분이 없는 것으로 가정한다.

확산존 출구에서 ∂ D ₀대류가 흐름 방향에서 확산을 압도하는 것으로 가정함으로써 식(8)이 적용된다. 이 분석에서 연구된 조건에 대해서, 확산존 반경에 기초한 페클렛 수(Peclet number) Pe_R은같으며, 여기서 U는 확산존 내의 평균속도로서과 같고, 여기서 Q는 확산존 내 유속이다.

따라서,

이다.

유속이 3cm³/min, 확산존 반경이 0.25cm, 확산율이 10^-6cm²/sec로 가정한 수치에 대해서, Pe_R은 약 60,000과 같다. 이와 같이 페클렛 수가 큰 것은 확산존의 단부부터 한 확산존 반경과 동일한 축방향 길이 내에서, 축방향 확산효과가 축방향 대류에 비해 작으며 출구에서 식(8)의 확산 플럭스 경계조건은 전혀 적합한 가정이 아님을 시사하는 것이다. 유출량 경계조건의 효과를 더 감소시키기 위해서, 확산존의 의도된 길이를 넘어 10cm 추가하여 흐름 영역을 넓힌다. 여기에서의 모든 계산에 대해서, 확산존의 의도된 길이는 100cm이며, 따라서 계산에 의한 영역은110cm로 확대된다.

질량분율 장은 질량분율에 관한 점도 의존성을 통해 흐름 장에 결합하기 때문에, 확산존에서의 흐름 장 ∂ D ₀는 완전히 전개된 것으로 가정하고

접속속도 성분은 없는 것으로 가정한다.

B. 확산존 출구에서의 프로파일 재조정

최종 압출성형된 광섬유의 도펀트 질량분율 프로파일은 중요 파라미터이다. 그러나, 확산존 내의 질량분율 프로파일은 인출된 광섬유 내의 최종 프로파일을 나타내지 않는다. 이러한 불일치의 이유는 확산존 내에 프로파일을 방사상으로 변화하는 것으로부터

확산존 외부의 인출 영역 내에서 일정속도 프로파일

로 속도 프로파일이 재조정되기 때문이다. 일정 속도 V는 총 질량균형에 의해 확산존 내에서 축방향 속도 프로파일에 관계된다.

혹은 등가적으로

여기서 R_I(z)은 인출영역에서 출구 다이를 넘는 광섬유의 반경이다.

이와 같이 속도 프로파일이 재조정되면, 도펀트 질량분율 프로파일이 방사상으로 확산하게 된다. 한 물리적 설명에 따르면, 확산존의 중심에 물질의 원통형 영역은 흐름 장의 포물선형 특성에 기인하여 확산존 내의 물질의 평균 속도보다 빠르게 이동한다는 것이다(언급한 Bird, 등 참조). 이러한 물질이 다이를 빠져나올 때, 플러그 흐름에 대응하는 평균 속도에 대해 늦춰져야 한다. 질량보전을 위해서, 이 물질은 보다 큰 단면적을 점유하기 위해서 방사상으로 확산되어야 한다. 마찬가지로, 평균속도보다 느리게 이동하는 확산존 벽에 가까운 환상의 영역 내 물질은 속도를 평균속도로 증가시켜야 한다. 질량보전을 위해서, 이 환상의 영역은 단면적을 감소시켜야 하고, 그럼으로써 광섬유의 외경계를 향하여 수축한다. 순 효과는 확산존 내의 모든 물질의 라인, 혹은 유선을 최종의 압출성형된 광섬유 내의 보다 큰 방사상 위치로 이동시킨다는 것이다. 인출된 광섬유 내에 최종 도펀트 질량분율 프로파일을 결정하는 해석적 관계는 다음과 같다.

속도 장이 재조정됨으로서 도펀트 질량분율 프로파일의 재조정되어 확산존 내의 위치 r 에서의 물질점은 출구 다이 외부의 새로운 위치에 맵핑된다. 새로운 위치은 확산존 내의 영역 0 ≤ξ≤r 내에 흐르는 유체에 관한 질량균형을 수행하고 이것을 플러그 흐름 속도 V(z)로 이동하는 반경의 실린더 내에 흐르는 질량의 양과 같게 함으로써 결정될 수 있다.

식(13)의 좌변을 적분하고 식(12)의 V(z)의 값을 대입함으로써 맵핑된 방사상 위치에 대해 다음 형태로 된다.

최종의 압출성형된 광섬유에서 정규화된 반경을

로서 정의하고, 여기서 R_f는 최종의 광섬유 반경이며, 확산존에서 정규화된 반경을

으로서 정의하면,

가 된다.

식(14)는 속도 장의 재조정 때문에 일어나는 도펀트 프로파일 재조정을 계산할 수 있게 한다. 예를 들면, 최종의 압출성형되어 인출된 광섬유 내 도펀트 질량분율 장을 확산존 내의 축방향 위치Z에서의 주어진 프로파일로부터 결정하기 위해서, 다음 관계식을 적용한다.

여기서 첨자 "final"은 인출된 광섬유의 프로파일에의 대응을 나타낸다. 식(15)는 여러 가지 존길이에 대해 일어나는 확산도를 결정하는데 유용하다.

C. 수치방법

경계조건 (5)-(11)을 갖고 식(1), (3), (4)로 정의된 정상상태, 대류-확산 문제는 이전의 알고리즘들로서, 식 및 경계조건을 이산화하는 혼합된 유한요소 방법, 및 코어물질과 클래드 물질간 확산 프론트 근처의 정확한 해를 계산하는 로컬 메시 정리(local mesh refinement)로부터 특징들을 결합한 유한요소 해석을 사용하여 해를 구했다.

유한요소 공식은 라자고팔란 등의 "Finite element methods for calculationof seady, viscoelastic flow using constitutive equations with a Nwetonian viscosity,11 J. Non-Newt. Fluid Mech., Vol. 36, 159 (1990)의 식에 기초한다. 이 방법은 사변형 등-파라미터 유한요소에 의해 이산화된 유한영역에서 스톡스 흐름에 대한 양립조건을 만족하는 속도 장 및 압력 장에 대한 혼합 차수, 라그랑지안 다항식 보간에 기초한다. 속도 장 및 압력 장에 대한 유한요소 근사화는 ( v ^h, p ^h)로 나타내고, 첨자 h는 특성 메시 크기 h에 대한 근사화의 의존성을 나타낸다.

속도 장에 대한 유한요소 근사화는 확산존 벽 및 중심선에 대해 침입하지 않는 조건이 만족되게 제곱 적분가능한 1차 도함수를 갖는 함수들의 공간 내에서 구성된다. 이 근사화 공간을 V ^h라 한다. 압력 장은 제곱 적분가능한 것으로 가정하고 근사화 공간은 P ^h로 기재한다. 운동량 연속식 및 연관된 경계조건에 대한 약한 형태는 v ^h∈ V ^h, p ^h∈ P ^h에 대해서,

로서 기재되고, ∀ u ^h∈ V ^h및 q^h∈ P ^h이며, 식(16), (17)은 운동량 연속식(3), (4)의약한 형태이다. 표기 (ㆍ,ㆍ)_D는 영역D에서 정의된 벡터 내적을 나타내며 <ㆍ,ㆍ>_∂D는 첨자로 구별되는 경계의 부분에 대한 선적분으로서 기재한 내적을 나타낸다.

속도 장의 접선성분은 유입 ∂D _i을 따른 필수 경계조건으로서 설정된다. 법선 속도성분은 유입을 따른 분리된 1차원 흐름 문제의 해를 구함으로써 결정되며 여기서 해는 총 유속제약 식(6)을 만족한다. 유출 및 확산존 벽을 따른 속도의 접선성분은 필수조건으로서 설정된다. 흐름에 대한 나머지 경계조건은 유출에서 법선 스트레스 조건이다. 이 조건은 성분들 내에 법선 스트레스를 다시 씀으로써 포함된다.

유출 경계를 따라, 식(18)은

가 된다.

질량분율 장은 제곱 적분가능한 제 1 도함수를 갖는 함수들의 공간 내에서 구성되며 W^h표기된다. 도펀트 확산식의 약한 형태는

으로서 기재되고, ∀φ^h∈ W^h이다. 유선이 현저히 재조정된 조야한 메시 혹은 흐름에 대해선, 유선-업와인드 페트로프-갤러킨(SUPG)(streamlined-upwind Petrov-Galerkin) 방법 등의 안정화된 방법이 도펀트 질량분율식을 이산화하는 데 필요하다(A. N. Brooks 및 T.J.R. Hughes,Comp. Meth., Appl. Mech. Eng., Vol.32, 199(1982) 참조). 질량분율 장의 제곱 적분성 요건에 일관되게, 식(5)의 입구에서의 계단형 질량분율 프로파일은 다음 연속식으로 대치된다.

계수 b는 입구의 계면영역의 폭을 조절한다. 여기 제공된 시뮬레이션에 있어서, b의 값은 2x10^-4cm, 혹은 0.25cm 반경의 원통형 확산존에 대한 확산존 반경의 대략 1/1000^th이다. 입구에서 계단 굴절률 질량분율 프로파일은 필수적으로 명시되는 한편, 확산존 벽 및 유출을 따른 플럭스 없는 조건은 식(20)에 나타난 선적분을 통해 약하게 명시된다.

식(16)-(20)의 이산형태는 Q₂ ^h⊂ W^h및 Q₂ ^h⊂ V^h가 되게 구성된 라그랑지안 사차 다항식 Q₂ ^h의 전개식으로 질량분률 장 및 속도성분을 표현함으로써 생성되고,압력 장은 Q₁ ^h⊂ P^h로 표기된 쌍선형 라그랑지안 다항식 전개식으로서 기재된다. 야코비안 행렬의 성분은 닫힌 형식으로 계산되며 결과로 나온 선형식 집합은 프론트 매트릭스 방법을 사용하여 직접 LU 인수분해에 의해 해를 구한다(P. Hood, "Frontal solution program for unsymmetric matrices,11 Int. J. Numer, Meth, Eng., Vol. 10, 379(1976) 참조).

유한요소 알고리즘은 코어물질과 클래드 물질간 확산 프론트 근처의 로컬 메시 정리를 이용한다. 확산존 시뮬레이션을 위해서, 여기서의 모든 계산에 대해, 속도, 압력 및 질량분율 장들의 계산에 29,991 자유도를 갖는 메시를 사용한다.

본 발명은 예시목적의 다음 예로 더 명확하게 될 것이다.

GI-POF 제조

실험 기술

예에서 코어 및 클래드용으로 사용되는 폴리머는 폴리(과풀루로로부테닐 비닐 에테르)로서, 상표명 CYTOP^TM으로 아사히 글래스 컴패니에서 제조한 것으로 대략 1.34 굴절률을 갖는 투명한 유리성질(T_g=108℃) 물질이었다. 도펀트는 미국특허 제 5,783,630호에서 다룬바와 같은 대략 1.41의 굴절률으로 갖는 비교적 낮은 분자량(MW~800) 클로로트리플루오로에칠렌(CTFE) 올리고머였다. 예에서, 도펀트는 15wt.수준의 코어 폴리머에 첨가되었다.

GI-POF를 제조하는데 사용된 압출성형 장치를 도 12에 도시하였다. (흐르는용해물과 접촉하는 모든 표면을 거의 정체되지 않고 원할한 흐름을 조장하도록 연마하였다. 모든 부품을 잘 끼워 맞춰지게 고정밀도로 가공을 수행하여 누설을 방지하도록 하였다. 처리되는 물질들의 부식성(corrosivity)에 기인하여, 모든 툴링 구성요소는 내부식 물질, 예를 들면 하스텔로이(Hastelloy)로 만들어졌다). 도핑된 고형 미립 코어 폴리머 및 도핑되지 않은 클래드 폴리머를 따로따로 호퍼로부터 1/2인치, 수직으로 장착된 랜드캐슬 모델 RCP 0500 압출성형기들에 공급하였다. 이들 양 압출성형기는 내부식 배럴 및 풀루오로폴리머를 처리하기 위한 나사를 가졌다. 압출성형기 각각은 제어된 가열 존 및 나사 RPM 제어를 위한 정밀 구동부를 가졌다. 이들은 균질의 제어된 온도로 용해된 스트림을 일정한 유속과 압력으로 가열된 접속기 호스(코어 물질에 대해서) 및 원형통 조인트(클래드 물질에 대해서)를 통해서 이중 압출성형 헤드로 전달할 수 있었다.

공동 압출성형 헤드는 환상의 클래드 용해물 스트림을 중앙의 코어 용해물 스트림 주위에 이들간 계면의 단절 없이 원활하고 엷은 층의 흐름으로 분배하도록 설계되었다. 합쳐진 스트림은 5mm 내직경의 관형 확산부 내에 축방향으로 함께 흘렀다. 용해된 코어 물질은 코어 튜브(2)를 통해 크로스헤드 조립체의 중심으로 도입되었으며, 코어 튜브는 점차적으로 테이퍼상으로 된(5°) 내부 단면과 이에 이어 단면적이 일정한 길고, 곧은 부분을 포함하였다. 테이퍼상 영역은 용해된 코어 물질이 압출성형기 출력 노즐에서, 코어 및 클래드 물질이 합쳐지는 지점에서 필요한 보다 작은 직경으로 흐르게 단면 천이부를 제공하였다. 코어 튜어(2)의 출구단부의 내직경은 다이 홀더(5) 내 채널직경의 약 40로 유지되었으며, 단지 하류에서만코어 및 클래드 물질이 합쳐진다. 이러한 구성으로, 간단히 개개의 스트림이 크로스헤드로 공급되는 속도를 변경함으로써 코어 및 클래드 물질의 상대적인 직경을 광범위하게 제어할 수 있다. 코어 튜브(2)의 출구단부의 외표면도 테이퍼상으로 되어 있으며(10°), 클래드 물질이 다이 홀더(5) 내에 코어 물질이 클래드 물질과 결합하는 채널로 흐르게 하는 천이 영역의 내벽을 형성하였다.

클래드 물질은 크로스헤드 하우징(8) 내 채널을 통해 크로스헤드 조립체로 도입되었으며, 이 하우징으로부터 클래드 물질은 다이 홀더(5) 측에 가공된 채널로 흘렀다. 물질은 위로 흘러 이 채널을 빠져 나와, 코어 튜브 홀더(3)의 하측면에 가공된 분배 채널로 흘렀다. 분배 채널은 흐름을 4개의 스트림으로 분할하고 이들을 90°떨어진 테이퍼상 채널에 도입함으로써, 클래드 물질이 코어튜브(2)의 테이퍼상 외면 주위로 비교적 균일하게 흐르게 하였다. 이러한 구성으로 코어 및 클래드 용해물 스트림은 2개의 물질간 계면의 단절이나 코어/클래드 단면의 동심 원형 기하구조의 변형이, 있다고 해도, 거의 없이 원활하게 규칙적으로 함께 결합되었다.

조립체는 너트(7)에 의해 유지되었으며, 이 너트는 크로스헤드 하우징(8)에 나사결합되었으며 모든 조립된 부품을 함께 죄어 누설을 방지하였다.

확산부(4)(하나만 도시되었음)는 다이 홀더(5)에 나사결합되었다. 확산부(4)는 다이홀드의 직경과 일치하는 내직경을 가졌다. 확산부(4)는 원하는 길이의 확산존을 제공하기 위해서 모듈로 되어 있으며 함께 나사결합될 수 있다. 확산부의 온도는 독립적으로 제어될 수 있는 일련의 밴드 히터나 고온 가열 테이프에 의해 제어되었다. 확산존에서, 코어 폴리머 내의 도펀트는 코어/클래드 계면에서의 농도 기울기의 영향하에서 방사상으로 확산하도록 고온 용해된 폴리머 내에서 충분한 이동도를 가졌다.

출구 다이(6)는 마지막 확산부에 나사결합되었다. 다이는 확산부에서 랜드까지 단면이 천이되는 것으로, 출구에 1.0mm 직경의 곧은 랜드와 테이퍼상 입구(10°)를 가졌다. 다이로부터 압출성형된 GI-POF 용해물 가닥은 이를 히스웨이, 모델 HSM 048 캡스턴으로 제어된 속도로 잡아당겨 다이 외부로 원하는 직경으로 뽑아내었다. 모델 910 레이저마이크 직경 모니터를 다이에 가깝게 그러나 광섬유의 인출영역 밖에 배치시켜 직경을 감시하였다. 광섬유를 스풀에 감았다.

압출성형 조건이 변경되면, 확산존 내 물질의 평균 체류시간의 적어도 3배의 시간 경과되게 한 후에 프로파일의 평형을 위해서 평가용으로 광섬유 샘플을 취하였다. 광섬유 샘플의 굴절률 프로파일은 횡파 간섭방법을 통해 라이츠 간섭 마이크로스코프를 사용하여 측정되었다(D. Marcuse,Principles of Oprical Fiber Measurement, Academic Press, New York, 1981, pp. 150-161 참조). 중량비 92.2 내지 7.8로 물과 프로필렌 글리콜 용액을 사용하여 측정용으로 과풀루오르화 GI-POF의 굴절률을 일치시켰다. 도 2-5의 굴절률 프로파일은 광섬유 반경으로 정규화한 방사상 위치에 대해 작도한 도핑되지 않은 CYTOP^TM의 굴절률로부터 지역 굴절률이 증가함을 보였다.

예 1 - 코어/클래드 압출성형기의 RPM비

실험은 총 출력, 확산존의 길이 및 확산존 온도를 일정하게 유지하면서, 광섬유의 결과적인 프로파일에 관하여 코어와 클래드 압출성형기 나사의 rpm비의 효과를 결정하기 위해 행해진다. 코어 압출성형기는 190℃의 공동 압출성형 크로스헤드에 출력에서 용해물 온도가 되게 하는 온도 프로파일로 동작하였다. 클래드 압출성형기 온도 프로파일은 220℃의 용해물을 운반하도록 설정되었다. 크로스헤드 온도는 220℃로 설정되었으며 1미터 길이의 확산존의 온도는 250℃로 설정되었다. 압출성형기의 결합된(총) 출력은 분당 약 6그램(3cm³)이었다. 250㎛ 직경의 광섬유에 대해서, 이 출력은 초당 1미터의 제조율에 대응하였다. 4개의 개별 실험에 의한 광섬유가 만들어졌다. 첫 번째 것은 2.7의 코어 압출성형기 rpm 및 22.5의 클래드 압출성형기 rpm으로 만들어졌으며 분당 6.2그램의 출력으로 코어 대 클래드 rpm 비는 0.12이 되었다. 두 번째 광섬유는 4.0의 코어 압출성형기 rpm 및 22.5의 클래드 압출성형기 rpm으로 만들어졌으며 분당 5.6그램의 출력으로 코어 대 클래드 rpm 비는 0.18이 되었다. 세 번째 광섬유에 있어서 코어 압출성형기 rpm 은 5.0이었으며 클래드 압출성형기 rpm은 22.5였으며 분당 5.6그램의 총 출력 및 코어 대 클래드 rpm 비는 0.22로 되었다. 네 번째 광섬유는 6.4로 설정된 코어 압출성형기 rpm 및 22.5로 설정된 클래드 압출성형기 rpm으로 만들어졌으며 분당 5.9그램의 비는 0.28이 되었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 결과로 나타난 프로파일을 비교하면, 코어 대 클래드 압출성형기 나사의 rpm의 비가 증가됨에 따라 코어의 직경이 증가하고 굴절률프로파일은 코어의 중심에서 평탄하게 됨을 보였다.

예 2 - 출력속도

또 다른 실험은 확산존의 길이 및 확산존 온도 및 코어/클래드 압출성형기 rpm 비를 일정하게 유지하면서, 굴절률 프로파일에 관하여 출력속도의 효과를 결정하기 위해 행해진다. 이 실험에서, 확산존 길이는 1미터였으며, 확산존 온도는 250℃였으며, 코어/클래드 압출성형기 rpm 비는 대략 0.2이었다. 모든 경우에 코어 압출성형기에 대한 온도 프로파일은 190℃의 공동 압출성형 크로스헤드로 용해물을 전달하도록 설정된 반면 클래드 압출성형기에 관한 프로파일은 220℃로 물질을 전달하도록 설정되었다. 공동 압출성형 크로스헤드는 220℃로 설정되었다.

첫 번째 광섬유에 있어서, 코어 압출성형기 rpm은 0.75였으며, 클래드 압출성형기 rpm은 3.75였으며 총 출력은 분당 1.25그램이었다. 두 번째 광섬유에 있어서, 코어 압출성형기 rpm은 1.5였으며, 클래드 압출성형기 rpm은 7.5였으며 총 출력은 분당 3.0그램이었다. 세 번째 광섬유에 있어서, 코어 압출성형기 rpm은 4.0이였으며, 클래드 압출성형기 rpm은 22.5였으며 총 출력은 분당 5.6그램이었으며, 이 마지막 출력속도는 250㎛ 직경 광섬유에 대해서 0.95m/sec의 제조율에 대응하였다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 이 실험에서 광섬유들의 프로파일을 비교하면, 모든 다른 공정 파라미터는 일정하게 하고 공정의 출력속도가 증가됨에 따라 굴절률 프로파일은 코어/클래드 경계에서 점점 더 급격하게 되고 직경은 점점 더 증가하고 코어의 중심에선 영역이 평탄하게 됨을 보였다.

예 3 - 확산존 길이

실험은 GI-POF의 프로파일에 관하여 확산존 길이의 효과를 결정하도록 수행되었다. 이 실험에 있어서, 공동 압출성형 크로스헤드 온도는 220℃로 설정되었으며, 코어 압출성형기 rpm은 1.5, 클래드 압출성형기 rpm은 7.5로 설정되었다. 확산존 온도는 모든 길이에 대해서 230℃로 설정되었다. 첫 번째 실험에서 확산존 길이는 0.67미터였다. 광섬유는 출구 다이를 사용하지 않고 확산부의 단부로부터 직접 인출되었다. 이어서 확산부의 반을 제거하여 확산존 길이를 0.33미터로 되게 하였다. 제 2 광섬유는 이 확산존 길이로부터 인출되었다. 마지막으로 전체 확산부를 제거하고 광섬유를 공동 압출성형 크로스헤드로부터 직접 인출하였다.

도 4에 도시한 바와 같이, 3개의 프로파일을 비교해보면, 확산존 길이 증가됨에 따라 코어와 클래드간 경계에서 굴절률 기울기는 감소되고 코어와 클래드 폴리머가 확산부를 통해 함께 흐를 때 발생하는 확산에 때문에 더욱 단계적으로 됨을 보였다.

예 4 - 확산존 온도

실험은 GI-POF의 프로파일에 관하여 확산존 온도의 효과를 결정하도록 수행되었다. 크로스헤드 온도는 220℃로 설정되었다. 크로스헤드에 진입하는 코어 용해물의 온도는 190℃로 설정되었다. 크로스헤드에 진입하는 클래드 용해물의 온도는 220℃로 설정되었다. 모든 실험에서 확산존 길이는 1미터였으며, 출력속도는 대략 6그램/분이었으며 코어 대 클래드 압출성형기 나사 rpm의 비는 모든 실험에 대해 0.32로 유지되었다.

첫 번째 실험에서 확산존 온도는 230℃로 설정되었으며, 클래드 압출성형기 rpm는 10.6이었으며 코어 압출성형기 rpm은 3.4여서 분당 6.2그램의 출력속도가 되었다. 두 번째 실험에서, 확산존 온도는 270℃였으며, 5.9그램/분의 출력으로 0.32의 비를 유지하면서 개개의 코어 및 클래드 압출성형기 rpm은 3.2 및 10이었다.

도 5에 도시한 바와 같이, 낮은 확산존 온도(230℃)에서 만들어진 광섬유에 대한 프로파일은 코어의 중심에서 평탄한 굴절률 영역과 코어 클래드 천이에서 비교적 급격한 기울기를 보였다. 270℃의 확산존 온도로 만들어진 광섬유는 코어의 중심에서 프로파일이 원형을 보였으며 코어-클래드 경계에서 더욱 점진적인 굴절률 기울기를 보였다. 이들 결과는 온도가 증가됨에 따라 도펀트 확산율이 증가할 것으로 예상된 것과 일치한다.

수치해석에 근거한 예측된 광섬유 프로파일

(이하 사용되는 바와 같이, T_oper은 확산존 온도, R₀는 확산부 반경, R_core는 확산부 입구에서의 코어 폴리머 반경, Q_core및 Q_total은 각각 확산부 입구에서의 코어 폴리머 및 총 폴리머의 유속이다. 파라미터 및 값들은 예 1-4에서 사용된 시스템에 근거한다.)

예 5 : 확산존 길이의 효과

조건: T_oper=300℃, R₀=0.25cm, R_core/R₀= 0.35(Q_core/Q_total= 0.273), Q_total= 0.0707cm³/sec.

이 예에 대한 Q_total의 값은 1m/s의 속도로 300마이크론 직경의 광섬유나 1.4m/s의 속도로 250마이크론 직경의 광섬유를 제작하는 것에 상응한다. 코어 및 클래드 물질이 확산존을 통과함에 따라, 이들 물질을 분리하는 확산 프론트가 넓어지고 이것은 도펀트가 클래드 영역으로의 확산을 나타낸다. 도펀트 확산 범위로 확산존 길이의 역할의 효과를 예시하고 보이기 위해서, 도펀트 질량분율장을 확산존 내에 상이한 축방향 위치 z에서 도 6a에 정규화한 반경의 함수로서 작도하였다. 도펀트 물질이 확산존을 통과함으로서, 프로파일은 입구에서 계단형 프로파일로부터 보다 스무드하게 변하는 프로파일로 확산된다. 확산존으로의 100cm의 거리에서의 프로파일은 50cm에서보다 클래드 영역으로 도펀트가 보다 현저하게 확산함을 나타낸다.

최종의 도펀트 질량분율 프로파일에 관한 확산존 출구(즉, 출구 다이)에서 흐름이 재조정되는 효과를 예시하기 위해서, 이 재조정을 나타내는 맵핑된 프로파일은 식(15)으로 주어지는 것으로서, 정규화한 반경의 함수로서 도 6b에 작도되었다. 최종 도펀트 프로파일에 관한 흐름 재조정의 효과는 도 6a와 도 6b간 차이로부터 명백하다.

예 6 : 동작온도의 효과

조건: T_oper=250℃, R₀=0.25cm, R_core/R₀= 0.35(Q_core/Q_total= 0.273), Q_total= 0.0707cm³/sec.

낮은 온도에서 덜 확산되는 효과를 예시하기 위해서, 도펀트 질량분율장을확산존 내의 상이한 축방향 위치에서 도 7a에 정규화한 반경의 함수로서 작도하였다. 도펀트 물질이 확산존을 통과함에 따라, 프로파일은 점진적으로 보다 포물선형 프로파일로 전개된다. 도 7a와 도 6a를 대조해보면, 온도 감소로 질량분율 프로파일이 덜 확산됨을 보인다. 이들 결과는 낮은 온도에서 300℃에서 확산과 동일한 수준의 화산을 달성하기 위해선 길이가 100cm보다 큰 확산존이 필요함을 나타낸다.

최종의 도펀트 질량분율 프로파일에 대해 출구 다이에서 흐름의 재조정이 갖는 효과를 예시하기 위해서, 맵핑된 프로파일은 식(15)로 주어지는 것으로서, 정규화한 반경의 함수로서 도 7b에 작도되었다. 최종 도펀트 프로파일에 관한 흐름 재조정의 의미는 도 7a와 도 7b간 차이로부터 명백하다.

예 7 : 확산부 반경의 효과

조건: T_oper=300℃, L=100cm, R_core/R₀= 0.35(Q_core/Q_total= 0.273), Q_total= 0.0707cm³/sec.

최종의 광섬유 내 도펀트 질량분율장을, 길이 100cm의 확산존과 R=0.1, 0.25 및 0.5cm으로 서로 다른 확산부 반경값에 대해 정규화한 반경의 함수로서 도 8에 작도하였다. 모든 프로파일은 겹쳐져서 전체 프로파일 모양에 대해 분간할 수 없다. 이들 결과는 최종 도펀트 프로파일의 모양이 확산부의 반경 크기와는 영향을 받지 않음을 나타낸다.

예 8 : 코어/클래드 유속의 효과

조건: T_oper=300℃, L=100cm, R₀= 0.25, Q_total= 0.0707cm³/sec.

100cm 길이의 확산존 및 R_core/R₀=0.28, 0.35 및 0.42의 서로 다른 3개의 코어/클래드 계면 위치값들에 대해서 최종 압출성형된 광섬유 내 도펀트 질량분율장을 정규화한 반경의 함수로서 작도하였다. 이들 값은 코어 대 총 유속비로서 Q_core/Q_total=0.134, 0.273 및 0.395에 각각 대응한다. 그래프로부터, 코어 물질의 분율을 증가시키게 되면 광섬유 중심에서 질량분율 프로파일이 평탄해지며 클래드 영역으로 급격한 천이를 나타내는 넓은 코어 영역이 생긴다는 것이 명백하다. 코어물질의 분률을 감소시키게 되면 그 반대효과를 갖게 되어, 광섬유 중심에서 원형의 질량분율 프로파일이 생기게 하므로 코어영역의 폭을 좁히게 되고 클래드 영역으로 보다 점진적인 천이가 생기게 된다. 이들 결과는 코어 및 클래드 유속의 비를 조정함으로서 도펀트 질량분율 프로파일을 제어할 수 있음을 시사하는 것이다.

예 9 : 총 유속의 효과

조건: T_oper=300℃, R₀= 0.25cm, R_core/R₀= 0.35(Q_core/Q_total= 0.273).

100cm 길이의 확산존 및 각각 0.5, 1, 1.5m/s에서 300마이크론 직경을 만드는 것에 대응하는 Q_total= 0.0353, 0.0707 및 0.106cm³/sec의 서로 다른 3개의 유속에 대해서 최종 압출성형된 광섬유 내 도펀트 질량분율장을 정규화한 반경의 함수로서 작도하였다. 이들 조건은 코어 대 총 유속 비로서 Q_core/Q_total=0.273에 대응한다. 그래프로부터, 총 유속을 감소시키게 되면 확산존 내에 체류시간이 증가하여 도펀트 확산시간이 더 많아질 수 있음이 명백하다. 반대로, 총 유속을 증가시키게 되면 확산존 내에 체류시간이 감소하여 도펀트가 덜 확산되는 것이 관찰된다. 이들 결과는 총 유속이 압출성형된 광섬유 내 최종 도펀트 프로파일에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.

예 10 : 압력 강하에 관한 동작 조건의 효과

조건: R_core/R₀= 0.35(Q_core/Q_total= 0.273).

표2에서, 상이한 반경의 확산존들에 걸쳐 총 압력 강하에 관한 동작온도 및 제조속도의 효과를 검토하는 감도분석을 나타내었다. 확산율의 크기는 300 및 250℃의 T_oper에서 1m/s의 제조속도에서 충분한 확산 프로파일을 갖는 300 마이크론 외직경 광섬유를 제조하는데 길이 1 및 4m의 확산존이 적합한 것으로 가정할 수 있게 하는 크기이다. 2 및 4m/s로 높은 동작속도에서의 결과는 다음의 크기 조정을 사용하여 동일 동작온도 및 확산존 반경에서의 1m/s 결과로부터 얻어졌다. 유속을 각각 2배로 함으로써 총 압력 강하는 2²=4의 인자가 된다. 2개 중 한 인자는 확산존의 일정한 부분에 걸친 압력 강하가 유속에 선형으로 비례하기 때문이며, 다른 한 인자는 확산존 내에 도펀트의 동일 평균체류시간을 유지하기 위해서 확산존의 길이를 2개로 해야하기 때문이다. 순 결과는 일정한 확산존 및 동작온도에 대해 총 유속의 제곱에 따라 총 압력 강하가 증가한다는 것이다.

[표 2]

R0(cm)→동작속도↓	ΔP(psi)
	Toper=250℃	Toper=300℃
	0.1	0.25	0.5	0.1	0.25	0.5
1m/s(Qtotal=0.0707cm3/s)	39,200	1,040	65.1	973	24.9	1.56
2m/s(Qtotal=0.141cm3/s)	157,000	4,160	260.4	3,890	99.7	6.23
4m/s(Qtotal=0.282cm3/s)	627,000	16,600	1,040	15,600	399	24.9

표2의 결과는 300℃에서 250℃로 동작온도를 감소시키면 고려된 모든 경우에 대해 압력 강하가 거의 40배로 증가하게 되고, 점도증가에 기인해서는 10배, 낮은 동작온도에서 필요한 확산존의 증가된 길이에 기인해서는 4배로 된다. 확산부의 반경을 감소시키면 300℃에서 총 압력 강하에 극적인 효과를 가지며 반경 0.1cm인 확산부는 반경 0.5cm인 확산부보다 대략 600배 큰 총 압력 강하를 갖는다. 이것은 튜브 내에서 포아즈이유 흐름에 대해 압력 강하가 R₀ ^-4로 비례하기 때문이다(언급한R.B. Bird 등 참조). 따라서, 0.5cm에서 0.1cm로 5배만큼 반경을 감소시키면 5⁴=625만큼 압력 강하가 증가할 것으로 보이며, 이것은 대략적으로 관측된 변화이다. 마지막으로, 압출성형기 및 연관된 툴링 내에서 유지될 수 있는 최대 압력 강하는 10,000psi 정도이다.

예 11 : 체류시간에 관한 동작조건의 효과

GI-POF 내에 있을 수 있는 불순물원은 고온에 장시간 노출로 도펀트 및/또는 폴리머가 분해된다. 확산존 내에 평균 체류시간은 다음의 식으로부터 결정된다.

평균 체류시간은 확산부 반경의 제곱에 비례하므로 확산부 반경을 두배로 하면 평균 체류시간의 4배로 증가하게 된다. 열노출 시간을 감소시키려면, 확산부 반경을 수락할 수 있는 작은 값으로 감소시켜야 한다. 앞의 예의 결과는 확산존에 걸쳐 압력 기울기가 크기 발생하므로 최소 허용가능 반경에 제약이 있게 됨을 보이고 있다.

상기 식의 또 다른 특징은 평균 체류시간이 비 L/Q_total에 비례한다는 것으로 여기서 L는 확산존 길이이다. 물리적으로 고찰해보면, 이러한 양은 주어진 도펀트 프로파일에 대해 일정하게 있어야 함을 시사한다. 즉, 유속을 두배로 하려면 동일 도펀트 프로파일을 달성하기 위해서 확산존 길이를 두배로 해야 할 것이다.

표3에서, 확산존 내에 평균 체류시간은 Z=100cm에서 도 6b에 도시한 프로파일에 대핸 확산부 반경 및 동작온도의 함수로서 주어진다. 250℃의 낮은 동작온도에서의 모든 결과에 대해서, 평균 체류시간은 도펀트의 낮은 확산율에 기인한 동일한 확산부 반경 및 300℃에서보다 4배로 크다. 더구나, 0.5cm의 반경의 확산존에 대해 평균 체류시간은 4,444s이다.

[표 3]

	Toper=250℃	Toper=300℃
R0(cm)	0.1	0.25	0.5	0.1	0.25	0.5
τ(s)	176	1,111	4,444	44	278	1,111

예10의 결과가 확산부 반경이 더 클수록 확산부에 걸친 총 압력 강하를 낮추는데 이익이 됨을 보이고 있어도, 이 예11에 보인 반경에서 체류시간의 제곱증가는 열적 노출을 감소시키기 위해서 가능한 한 확산부 반경을 작게하여 동작시킬 것을 제시한다. R₀=0.25cm의 확산부 반경은 이들 2개의 모순되는 조건간에 적합한 타협인 것으로 보인다.

예 12 : 실험 결과들의 비교

조건: T_oper=250℃, R₀= 0.25cm, R_core/R₀= 0.35(Q_core/Q_total= 0.273), Q_total= 0.0491cm³/sec.

예 1-4 의 장치 및 기술을 사용하여, 제조된 광섬유와 본 발명의 유한요소분석에 의해 예측된 프로파일을 비교하였다. 동작조건은 100cm의 확산존 길이에서, 1m/s의 제조속도로 250㎛ 광섬유를 제조하는 것에 대응하였다. 최종의 압출성형된 광섬유 내 시뮬레이트된 것과 실험에 의한 도펀트 질량분율장을 도 11에, 100cm 길이의 확산존 및 2개의 상이한 도펀트 확산율 값들에 대해 정규화한 반경의 함수로서 작도하였다. 실험에 의한 도펀트 프로파일이 첫 번째 시뮬레이트한 프로파일보다 약가 더 확산하였으나, 실험에 의함 프로파일과 제 1 시뮬레이트한 프로파일이 잘 일치하였다. 도펀트 확산율을 50증가시키면 실험에 의한 프로파일에 더 잘 일치하는 제 2 시뮬레이트된 프로파일을 가져온다. 이러한 행동은 i) 고양된 온도에서 도펀트 확산율을 과소평가하였거나, ii) 더 확산된 실험에 의한 프로파일에 원인이 되는 확산존 하류측의 인출영역에서 일어하는 추가 확산에 기인하는 것이 가능하다. 더 높은 확산율에서 시뮬레이션에 확실히 일치하는 것은 고양된 온도에서 확사계수는 실험 데이터를 수치 시뮬레이션에 맞추어 결정될 수 있음을 나타낸다.

예 13 : 고속으로 GI-POF의 제조를 위한 확산부 설계

제조공정을 높은 제조속도로 크기를 조정할 수 있는 것이 바람직하다. 요구된 광섬유 제조속도는 1m/sec의 속도의 수배로 공정을 늘릴 수 있으면서도, 적어도 이 정도의 속도가 될 것으로 보인다. 본 발명에 따라 가능한 것으로, 이러한 고속의 제조속도로 GI-POF의 제조를 위한 장치의 크기를 설계하는 기술은 다음과 같다.

식(21)에서 앞에서 나타낸 바와 같이, 압출성형시 확산존 내 폴리머의 평균 체류시간은 다음과 같이 정의된다.

픽키안 확산의 초기단계의 분석으로부터(J, Crank,The mathematics of Diffusion, Second Edition, Oxford University Press, New York, 1975 참조), 확산존 내 원하는 프로파일을 달성하는데 필요한 총 확산시간, τ_dif에 대해 다음과 같이 크기조정 관계를 쓸 수 있다.

여기서 c는 그 존 내에 확산크기를 조정하는 상수이다. 공정에서 원하는 프로파일을 달성하기 위해서는

일 필요가 있으며,

식(21)-(23)를 결합하여,

의 관계를 얻는다.

여기서

이다.

Pe_L은 페클렛 수(Pecklet number)이며, 소정의 길이 L, 확산율 D, 및 유속 Q_total에 대해서 확산존에서 일어나는 방사상 확산의 크기를 나타낸다. (예를 들면 길이가 다르고 온도가 다른 몇 개의 존들인 경우에, 곱 LD를 상이한 길이 및 확산율들의 합으로서 볼 수 있다). 예 5-12 에서 나타낸 바와 같은 유한 요소 분석을 사용한 수치 시뮬레이션을 사용하여,

의 범위 내의 Pe_L의 값은 원하는 도펀트 프로파일을 달성하는데 사용할 수 있는 것음을 보이도록 한다. Pe_L ^min미만에서, 도펀트 프로파일은 너무 확산이 되고, Pe_L ^max이상에서, 도펀트 프로파일은 너무 계단형상과 같이 된다. 전형적으로, Pe_L ^min은 약 10이며, Pe_L ^max는 약 500이다. 예를 들면 도 13에, 다양한 Pe값들에 대해 예측 도펀트 질량분율 프로파일(정규화한 반경에 대한)을 보이고 있다. 따라서, Pe에 의해 정해진 확산크기에 대해서, 확산부의 필요한 길이는 Pe_L, Q_total에 대한 값들(원하는 광섬유 제조속도에 비례한) 및 D를 대치시킴으로서 식(24)으로부터 결정될 수 있다.

명세를 필요로 하는 제 2 파라미터는 확산부 R₀의 반경이다. 이 파라미터에 대한 최소값은 화산부에 걸친 최대 허용가능 압력 강하, ΔP^max를 명시함으로써 결정될 수 있다. 확산부 내 압력 강하의 적합한 표현은 다음과 같이 주어진다.

여기서 η_clad는 클래드 폴리머의 점도이다. 그러므로 확산부의 최소 허용가능 반경 R₀ ^min은 다음으로 주어진다.

확산부 길이 L과 총 유속 Q_total과 함께 최소 반경 R₀ ^min을 사용하여, 식(21)로부터 확산부 내 폴리머에 대한 최소 체류시간을 계산하는 것이 가능하다. 그러면 이 체류시간이 폴리머 및 도펀트의 열적 안정성에 기초하여 수락될 수 있는지 여부에 관하여 판정하는 것이 가능하다. 최대 광섬유 제조속도는 처리온도에서 허용될 수 있는 최대 체류시간에 의해 결정될 수 있다.

따라서, 식(24) 및 식(28)로 광섬유 속도에 대해 주어진 값에 대해서, 확산존 길이와 최소 확산부 반경, 확산크기 및 물질특성 η_clad, 및 D를 명시할 수 있다. 본 발명의 이러한 방법은 압출성형 공정을 보다 높은 제조속도로 크기를 늘릴 수 있는 길을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예는 여기 개시된 본 발명에 대한 명세 및 실행을 고찰하여 이 기술에 숙련된 자들에게 명백할 것이다.

본 발명은 상업적으로 수락될 수 있는 속도, 예를 들면 250㎛ 외직경 광섬유의 경우 적어도 1m/sec로 경사 굴절률 광섬유(GI-POF)를 만들 수 있는 연속 압출성형 공정을 제공한다. 더욱이, 압출성형 공정의 여러 가지 파라미터에 대해 수치해석을 수행함으로써, 실제 제조에 앞서 광섬유의 굴절률 프로파일을 예측하는 것이가능하다. 이러한 예측으로 압출성형 장비로 시행착오 필요성을 피하면서, 원하는 결과를 얻기 위해서 공정의 파라미터들을 맞출 수 있게 한다.

Claims (34)

1. 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정에 있어서,

   제 1 폴리머 물질을 제 1 노즐에 도입하는 단계;

   상기 제 1 노즐 주위에 동심으로 배치된 제 2 노즐에 제 2 폴리머 물질을 도입하는 단계, 상기 제 1 폴리머 물질 및 상기 제 2 폴리머 물질 중 적어도 하나는 적어도 하나의 굴절률 변경 확산가능 도펀트를 포함하며;

   상기 제 1 폴리머 물질과 제 2 폴리머 물질 사이에 그리고 이들 물질 내에 도펀트의 확산이 가능케 되도록, 상기 제 1 및 제 2 노즐로부터 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질을 동심으로 확산부로 보내는 단계, 상기 물질들은 적어도 33cm의 길이를 갖는 확산존을 통해 흐르며, 상기 확산존 온도는 상기 제 1 폴리머 물질의 유리천이 온도 및 상기 제 2 폴리머 물질의 유리천이 온도 중 더 높은 온도보다 적어도 50℃ 높으며;

   상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질을 적어도 0.5cm³/min의 유속으로 출구 다이를 통해 상기 확산부로부터 압출성형하는 단계; 및

   상기 물질들을 상기 출구 다이로부터 뽑아내어 광섬유를 형성하는 단계를 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 확산존 길이는 적어도 50cm인 경사 굴절률 플라스틱광섬유 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 확산존 길이는 약 50 내지 약 400cm인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 확산부는 관형이며 상기 확산부의 평균직경은 약 0.25cm 내지 약 2cm인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 확산부는 약 0.50cm의 평균 직경을 갖는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 확산존 내의 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질의 체류시간은 약 1분 내지 약 120분인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 결과적인 광섬유는 약 125㎛ 내지 약 1000㎛의 외직경을 갖는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 광섬유 제조속도는 초당 적어도 0.5미터인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 광섬유 제조속도는 초당 적어도 1미터인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들은 동일한 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머 물질은 도펀트를 포함하며, 상기 도펀트는 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질 중 적어도 하나는 적어도 2개의 굴절률 변경 확산가능 도펀트를 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
13. 제 1 항에 있어서, 별개의 온도 존들이 상기 확산존 길이에 걸쳐 제공된 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머 물질은 상기 적어도 한 도펀트를 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
15. 제 1 항에 있어서, Pe_L은 10 내지 500인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조방법.
16. 청구항 제 1항의 공정에 의해 제조된 생성물.
17. 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정에 있어서,

    제 1 폴리머 물질을 제 1 노즐에 도입하는 단계;

    상기 제 1 노즐 주위에 동심으로 배치된 제 2 노즐에 제 2 폴리머 물질을 도입하는 단계, 상기 제 1 폴리머 물질 및 상기 제 2 폴리머 물질 중 적어도 하나는 적어도 하나의 굴절률 변경 확산가능 도펀트를 포함하며;

    상기 제 1 폴리머 물질과 제 2 폴리머 물질 사이에 그리고 이들 물질 내에 도펀트의 확산이 가능케 되도록, 상기 제 1 및 제 2 노즐로부터 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질을 동심으로 확산부로 보내는 단계;

    상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질을 출구 다이를 통해 상기 확산부로부터 압출성형하는 단계; 및

    상기 물질들을 상기 출구 다이로부터 뽑아내어 광섬유를 형성하는 단계를 포함하며,

    상기 공정의 파라미터들은,

    (a) 확산존 길이, 확산존 반경, 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들 내에 도펀트 확산율, 및 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들의 유속을 포함하는 공정 및 물질 특성에 대한 값들을 제공하는 단계;

    (b) 상기 값들을 사용하여 수치해석을 수행하여 예측된 도펀트 혹은 굴절률 프로파일을 계산하는 단계; 및

    (c) 상기 단계 (a) 및 (b)를 선택적으로 반복하는 단계에 의해 얻어진 예측된 도펀트 혹은 굴절률 프로파일에 근거하여 선택되는 것인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 공정 및 물질 특성은 상기 도펀트/폴리머 시스템의 밀도, 상기 도펀트/폴리머 시스템의 속도, 및 상기 확산부의 온도 중 적어도 하나를 더 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 수치해석은 식 및 경계조건을 이산화하는 혼합 유한 요소 방법과 상기 제 1 폴리머 물질과 제 2 폴리머 물질간 확산 프론트에 가까운 해를 계산하는 로컬 메시 정리(local mesh refinement)를 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
20. 제 17 항에 있어서, 확산존 길이에 대해 제공된 값은 약 33cm 내지 약 400cm이며, 확산존 반경에 대해 제공된 값은 약 0.25 내지 약 2cm이며, 확산율에 대해제공된 값들은 약 1 x 10^-8내지 약 1 x 10^-5cm²/sec이며, 유속에 대해 제공된 값은 약 0.5 내지 약 15cm³/min인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
21. 제 18 항에 있어서, 속도에 대한 값은 약 1000 내지 약 100,000 포이즈인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
22. 제 17 항에 있어서, 상기 확산부는 관형인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
23. 제 17 항에 있어서, 상기 확산존 내의 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들의 체류시간은 약 1분 내지 약 120분인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
24. 제 17 항에 있어서, 결과적인 광섬유는 약 125㎛ 내지 약 1000㎛의 외직경을 갖는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 광섬유 제조속도는 적어도 초당 1미터인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
26. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들은 동일한 경사 굴절률플라스틱 광섬유 제조공정.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 제 1 폴리머 물질은 도펀트를 포함하며, 상기 도펀트는 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
28. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질 중 적어도 하나는 적어도 2개의 굴절률 변경 확산가능 도펀트를 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
29. 제 17 항에 있어서, 별개의 온도 존들이 상기 확산존 길이에 걸쳐 제공된 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
30. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 폴리머 물질은 상기 적어도 한 도펀트를 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
31. 제 17 항에 있어서, Pe_L은 10 내지 500인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조공정.
32. 청구항 제 17 항의 공정에 의해 제조된 생성물.
33. 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조 장치에 있어서,

    제 1 노즐;

    상기 제 1 노즐 주위에 동심으로 배치된 제 2 노즐;

    상기 제 1 및 제 2 노즐들의 하류측의 확산부; 및

    상기 확산부의 단부에 부착된 출구 다이,

    공정의 파라미터들은,

    (a) 확산존 길이, 확산존 반경, 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들 내에 도펀트 확산율, 및 상기 제 1 및 제 2 폴리머 물질들의 유속을 포함하는 공정 및 물질 특성에 대한 값들을 제공하는 단계;

    (b) 상기 값들을 사용하여 수치해석을 수행하여 예측된 도펀트 혹은 굴절률 프로파일을 계산하는 단계; 및

    (c) 상기 단계 (a) 및 (b)를 선택적으로 반복하는 단계에 의해 얻어진 예측된 도펀트 혹은 굴절률 프로파일에 근거하여 선택되는 것인 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조장치.
34. 제 33 항에 있어서, 상기 공정 및 물질 특성은 상기 도펀트/폴리머 시스템의 밀도, 상기 도펀트/폴리머 시스템의 속도, 및 상기 확산부의 온도 중 적어도 하나를 더 포함하는 경사 굴절률 플라스틱 광섬유 제조장치.