KR20020070369A - 광섬유 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

(a) 소정의 길이를 갖는 관형 클래드 및 (b) 클래드에 충전된 충전제 물질을 반응시킴으로써 형성된 솔리드 코어를 포함하고 클래드 및 코어가 클래드의 수축에 의해 서로 밀접하게 접촉되며, 클래드가 가압하에서 팽창될 수 있다는 것; 클래드의 수축이 충전제 물질의 반응이 완결되기 전에 개시되어, 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 진행된다는 것; 및 클래드와 코어 사이의 에어 갭의 수가 길이 10 m 당 3개 이하라는 것을 특징으로 하는 광섬유가 제공된다.

Description

광섬유 및 그의 제조 방법 {Light Fibers and Methods of Producing the Same}

반응(특히, 중합반응) 완결 후 솔리드 코어를 형성할 수 있는 중합가능 단량체로 관형 클래드를 충전시키고, 단량체를 중합시켜 광섬유를 제조하는 방법은 알려져 있다. 이러한 방법으로 광섬유가 제조되는 경우, 보통, 내공 결함(cellular defect), 필(peel) 등과 같은 에어 갭(내부 결함이라고도 부름)이 코어와 클래드 사이에(계면에) 발생하는 것을 실질적으로 방지하는 것이 중요하다. 이러한 에어 갭은 광섬유의 빛 투과 효율을 저하시키기 때문에, 비교적 긴 광섬유(20 m 이상의 길이를 가짐)에서는 코어에 입사한 빛을 충분한 선량으로 한쪽 말단에서 다른쪽 말단으로 전달하는 것이 불가능해진다.

이러한 에어 갭의 발생을 가능한 한 억제할 수 있는 광섬유 제조 방법으로서는, 예를들면, 가압하에서 단량체로 충전시키는 방법(일본 특허 공개 제57/45502호에 공개됨), 한쪽 말단에서 다른쪽 말단까지 연속적으로 단량체를 중합시키는 방법(일본 특허 공개 제7-168029) 및 클래드의 축방향으로 압력을 가하는 동안 단량체를 중합시키는 방법(일본 특허 공개 제7-168028호에 공개됨)을 들 수 있다. 또, 미리 열팽창된 클래드를 쟈켓으로 덮고, 단량체를 중합시키고, 쟈켓을 제거하고, 열을 가하여 클래드를 수축시키는 방법도 알려져 있다(일본 특허 공개 제2-306205호에 공개됨). 상기 연속 중합방법에서는, 보통, 한쪽 말단이 봉합된 관형 클래드를 가압하에서 단량체로 충전시키고, 단량체가 충전된 클래드를 가열조에 고정시키고, 가열에 의해 단량체를 중합시키는 소위 회분식 제조 시스템이 이용된다. 이 때, 가열 온도(즉, 가열조 내의 가열매체의 온도)를 증가시킴으로써 단량체가 한쪽 말단에서 다른쪽 말단까지 연속적으로 중합된다.

상기한 일련의 방법들 중 전자의 방법들, 즉 가압 하에서의 단량체 충전, 연속 중합 및 클래드의 축방향 가압을 이용하는 세가지 방법들은 중합시 일어난 부피 감소에 대응하는 양의 미중합부로부터의 단량체로 충전시킴으로써 중합에 의해 부피가 감소된 코어와 클래드 사이 계면에서의 에어 갭의 발생을 방지하는 효과를 갖는다.

한편, 후자의 방법은 가역적으로 클래드를 열팽창시키고, 중합 후 부피가 감소된 코어의 외경에 대응하게 클래드의 내부반경을 수축시킴으로써 코어와 클래드간의 부착을 향상시키는 효과를 갖는다.

상기한 종래 방법들 중 전자의 세가지 방법에 따르면, 단량체가 이동성을 보유하는 미중합부(unpolymerized portion)와 단량체가 고화되어 이동성을 상실한 중합부(polymerized portion) 사이 계면 영역이 비교적 좁은 경우(단량체의 부피 감소가 미중합부로부터의 압력의 영향이 미치는 범위 내에서만 발생하는 경우), 중합시 발생한 부피 감소에 대응하는 양의 미중합부로부터의 단량체로 충전시키는 것이 가능하다. 그러나, 이들 방법은 광섬유가 예를 들어 (I) 단량체로 충전된 클래드를 공급 수단을 이용하여 온도조절조와 같은 가열 영역으로 운반하는 단계; (II) 가열 영역에서 단량체의 반응을 개시, 진행 및 완결시키는 단계; 및 (III) 중합반응 완결 후 얻어진 광섬유를 가열 영역을 통해 통과시키고, 가열 영역 밖에 배치된 권취수단을 이용하여 광섬유를 권취하는 단계에 의해 연속 제조되는 경우에는 효과적이지 않다. 즉, 중합반응속도를 증가시킴으로써 생산성을 향상시키는 경우, 미중합부와 중합부(중합이 완결된 부분) 사이 계면 영역이 일정한 폭을 갖는 경계부를 형성하고 단량체의 부피 감소가 미중합부로부터의 압력 영향이 미치지 않는 부분에서 일어나기 때문에 충분한 단량체 충전효과를 얻는 것이 불가능하게 된다. 따라서, 연속 제조의 경우, 에어 갭이 실질적으로 없는(클래드와 코어 사이의 에어 갭의 수가 길이 10 m 당 3개 이하임) 광섬유를 안정하게 제조하는 것이 어렵다.

광섬유의 회분식 제조가 이러한 방법을 이용하여 수행되는 경우, 코어의 외경 수축은 코어의 길이방향 수축에 의해 보충되고, 따라서 비교적 긴 크기의 광섬유(20 m 이상의 길이를 가짐)를 제조하기가 어렵다.

한편, 미리 열팽창된 클래드를 쟈켓으로 덮고, 단량체의 중합을 완결하고, 가열에 의한 클래드 수축에 의해 중합반응에 수반하여 일어나는 코어와 클래드 사이의 에어 갭을 제거하는 방법에서, 연속 제조가 수행되는 경우에는 제조 방법이 복잡하다. 또, 이미 형성된 에어 갭을 비교적 긴 크기의 광섬유의 연속 공정에서제거하는 경우, 에어 갭 부분으로부터의 기체가 광섬유의 다른쪽 말단 부분으로부터 배출되지 못하고 광섬유의 중간쯤에서 트랩핑됨으로써 결함을 발생시킬 염려가 상당히 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 코어와 클래드 사이에 에어 갭이 실질적으로 없고 빛 투과 성능이 우수한 긴 크기의 광섬유(20 m 이상의 길이를 가짐)를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 안정하고 쉽게 이러한 광섬유를 제조할 수 있는 광섬유 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 광섬유(light fiber) 및 그의 제조 방법에 관한 것이고, 더 구체적으로 말하자면, (a) 가압 하에서 팽창될 수 있는 소정의 길이를 갖는 관형 클래드(clad), 및 (b) 클래드에 충전된 충전제 물질을 반응시킴으로써 형성된 솔리드(solid) 코어(core)를 포함하고 클래드 및 코어가 클래드의 수축에 의해 서로 밀접하게 접촉된 광섬유, 및 그의 제조 방법, 특히 클래드와 코어 사이에서의 에어 갭 (air gap) 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 광섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

발명의 요약

본 발명에 따르면, (a) 소정의 길이를 갖는 관형 클래드 및 (b) 클래드에 충전된 충전제 물질을 반응시킴으로써 형성된 솔리드 코어를 포함하고 클래드 및 코어가 클래드의 수축에 의해 서로 밀접하게 접촉되며, 클래드가 가압하에서 팽창될 수 있다는 것; 클래드의 수축이 충전제 물질의 반응이 완결되기 전에 개시되어, 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 진행된다는 것; 및 클래드와 코어 사이의 에어 갭의 수가 길이 10 m 당 3개 이하라는 것을 특징으로 하는 광섬유에 의해 위에서 기술한 문제점들이 해결될 수 있다.

본 발명에 따르면,

가압 하에서 팽창될 수 있는 클래드를 형성하는 단계,

클래드에 충전제 물질을 충전시키고, 압력을 가한 상태에서 클래드 내의 충전제 물질을 반응시키는 단계,

충전제 물질의 반응이 완결되기 전에 클래드의 수축 작업을 개시하는 단계, 및

충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 클래드를 수축시킴으로써 클래드와 코어 사이에서의 에어 갭의 발생을 억제하는 단계

를 포함하는, (a) 소정의 길이를 갖는 관형 클래드 및 (b) 클래드에 충전된 충전제 물질을 반응시킴으로써 형성된 솔리드 코어를 포함하고 클래드 및 코어가 클래드의 수축에 의해 서로 밀접하게 접촉된 광섬유의 제조 방법이 제공된다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에 따른 광섬유의 제조라인의 바람직한 한 실시태양을 나타낸 개략도.

상세한 설명

본 발명의 광섬유는 클래드가 가압하에서 팽창될 수 있다는 것; 클래드의 수축이 충전제 물질의 반응이 완결되기 전에 개시되어, 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 진행된다는 것; 및 클래드와 코어 사이의 에어 갭의 수가 길이 10 m 당 3개 이하라는 것을 특징으로 한다. 아래의 설명으로부터 쉽게 이해되는 바와 같이, 이러한 특징들은 특히 본 발명에 따른 광섬유 제조 방법으로부터 유도된다.

본 발명에 따르면, 압력을 가한 상태에서 관형 클래드 내의 단량체와 같은 충전제 물질을 중합시킴으로써 솔리드 코어를 형성하는 단계에서, 코어(단량체)의 반응이 완결되기 전에 클래드의 수축 작업이 개시되고, 이어서, 클래드는 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 수축되고, 이로써 클래드와 코어 사이에서의 에어 갭의 발생을 억제한다. 즉, 본 발명에 따르면, 단량체와 같은 충전제 물질이 충전제 물질을 중합시킴으로써 형성된 코어와 클래드에 밀접하게 접촉된 상태의 광섬유가 제조된다. 따라서, 심지어 연속 제조의 경우에도,클래드와 코어 사이에 에어 갭이 실질적으로 없는 광섬유를 안정하고 쉽게 제조하는 것이 가능하다.

본원 명세서에서 사용된 "에어 갭이 실질적으로 없는 상태"라는 용어는 클래드와 코어 사이에서의 에어 갭의 수가 길이 10 m 당 3개 이하인 것을 의미한다. 에어 갭의 수는 바람직하게는 2개 이하, 보통 1개 이하이다. 에어 갭은 섬유(코어)에 빛이 입사하는 경우에 시각적으로 알아볼 수 있는 결함이고, 최대 크기는 보통 5 ㎜ 이상이다. 본원 명세서에서, "최대 크기"라는 용어는 일반적인 다각형 모양의 결함인 경우에는 대각선을 의미하고, 일반적인 타원형 모양의 결함인 경우에는 주축을 의미한다. 결함을 측정하는 방법은 광섬유의 한쪽 말단으로부터 빛이 입사하는 경우에 섬유 측면에서 흑점으로서 시각적으로 알아볼 수 있는 결함의 수를 계수하는 방법이 바람직하다.

본 발명의 광섬유에 사용되는 클래드는 가압 하에서 팽창될 수 있고 소정의 길이를 갖는 관형 클래드이다. 따라서, 그것은 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 쉽게 수축될 수 있다. 이러한 클래드는 가압 하에서 소정의 온도(예를들면, 충전제 물질의 반응 개시 온도)에서 소성 또는 탄성 변형을 일으킴으로써 팽창될 수 있고, 충전제 물질이 반응되는 가열온도에서 소성 또는 탄성 변형을 일으킴으로써 열팽창될 수 있는 재료로 제조되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 클래드의 선택은 바람직하게는 클래드 내의 충전제 물질을 가압하는 압력 및 충전제 물질이 반응하는 온도(중합반응조의 온도)에 따라서 주요 물리적 성질, 즉, 클래드의 두께, 클래드의 내부반경 및 클래드 재료의 탄성계수를 적절하게 결정함으로써 수행된다.

다시 말해서, 클래드의 팽창, 및 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따른 그의 수축은 상기한 바와 같은 조건을 조절함으로써 안전하고 안정하게(균일하게) 수행될 수 있기 때문에, 코어와 클래드 사이에 에어 갭이 실질적으로 없고 빛 투과 성능이 우수한 긴 크기의 광섬유가 안정하고 쉽게 제조될 수 있다.

본 발명에 따르면, 긴 크기의 광섬유의 연속 제조가 효과적으로 수행될 수 있다. 연속 제조에 적합한 한가지 방법은 아래에 설명한 방법이다. 즉, 그것은

(A) 권취수단을 사용하여 클래드가 권취되어 있는 공급 수단으로부터 클래드를 공급함으로써, 클래드에 충전된 충전제 물질(중합가능 단량체)을 가열 영역으로 운반하는 단계(여기서, 클래드는 공급 및 권취될 수 있도록 길이방향으로 연속적으로 뻗어있음),

(B) 가열 영역에서 충전제 물질의 반응을 개시, 진행 및 완결하는 단계,

(C) 가열 영역에서 클래드의 수축 작업을 개시하는 단계, 및

(D) 클래드의 수축 작업이 실질적으로 완료된 후 얻어진 광섬유를 가열 영역 밖에 배치된 권취수단을 이용하여 권취하는 단계

를 포함하는 광섬유의 연속 제조 방법이다.

이 방법 및 종래의 회분식 방법은 물과 같은 가열매체를 가열 영역으로서 포함하는 소정의 길이를 갖는 중합반응조가 사용된다는 점에서는 실질적으로 동일하다. 그러나, 상기 제조 방법에 따르면, 단량체가 충전된 클래드를 중합반응조의 길이방향을 따라 가열 영역을 통해 연속 통과시킴으로써 단량체의 중합반응 작업 및 클래드의 수축 작업이 동시에 효과적으로 수행될 수 있고, 따라서 에어 갭이 실질적으로 없고 빛 투과 성능이 우수한 긴 크기의 광섬유를 안정하고 쉽게 연속 제조할 수 있다. 이 방법에 따르면, 광섬유가 100 m 이상의 길이를 갖는 클래드를 사용하여 제조될 수 있기 때문에, 생산성이 쉽게 향상될 수 있다. 이러한 관점에서, 가압 하에서 클래드에 충전제 물질이 연속 충전되면서 충전제 물질이 충전된 클래드가 가열 영역으로 공급되고, 이어서 연속적으로 반응하는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법으로 제조된 광섬유에서는, 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 클래드가 수축됨으로써, 클래드와 코어 사이의 에어 갭의 수를 길이 10 m 당 3개 이하로 감소시키는 것이 매우 쉽다.

빛이 한쪽 말단에서 다른쪽 말단으로 전달되는 경우, 에어 갭의 수가 길이10 m 당 3개 이하이면 광섬유는 실제 사용에 충분한 빛 투과 성능을 가질 수 있다. 광섬유가 섬유 측면으로부터 누출되는 빛을 이용하는 장식에 사용되는 경우, 에어 갭의 수는 길이 10 m 당 1개 이하이다. 본 발명에 따른 광섬유는 20 내지 100 m의 연속 코어를 갖는 제품의 경우 실제 사용에 충분한 빛 투과 성능을 가질 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 광섬유 뿐만 아니라 그의 제조를 위한 바람직한 방법 및 조건에 대해 상세히 설명될 것이다.

<광섬유 제조 방법>

본 발명에 따른 광섬유를 제조하는 바람직한 방법을 단계적으로 설명할 것이다.

첫째, 관형 클래드(클래드 튜브)가 제조된다. 보통, 클래드는 두께, 내부반경, 길이 등과 같은 소정의 크기를 갖도록 압출성형법에 의해 형성된다. 클래드의 재료 및 크기는 이하에서 설명될 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 보통, 상기한 바와 같이 형성된 클래드(1)이 공급 수단인 공급장치(11)에 셋팅된다. 도면에 도시된 공급장치(11)은 회전가능하게 배치된 코어 튜브(도시되지 않음)가 설비되어 있고, 코어 튜브 둘레에 권취된 후 셋팅된다. 공급장치의 코어 튜브에 셋팅된 클래드(1)은 보통 도면에 도시된 바와 같이 권취수단인 권치장치(12)를 구동시킴으로써 권취된다. 도면에 도시된 권취장치 (12)에는 회전가능하게 배치된 코어 튜브(도시되지 않음) 및 코어 튜브를 회전시키는 구동수단(예: 모터(도시되지 않음))이 설비되어 있다.

공급장치(11) 및 권취장치(12)를 도면에 도시된 바와 같이 협력적으로 사용함으로써, 길이방향으로 연속적으로 뻗어있는 클래드(1)이 공급장치(11)과 권취장치(12) 사이에 배치된 가열조(13)(도면에 도시된 실시태양에서는 중합반응용 수조임)에 소정의 공급속도로 공급되고, 이어서 조를 통해 통과된다.

보통, 가열조(13)에는 물, 오일, 공기 등과 같은 가열매체로 충전될 수 있는 용기, 가열매체를 가열하기 위한 가열수단(예를 들면, 히터), 및 가열매체의 온도를 조절하기 위한 온도조절장치(예를 들면, 항온기)가 설비된다. 또, 클래드 및 단량체는 원적외선, 마이크로파 등에 의해서도 가열될 수 있다.

예시된 가열조(13)의 용기(중합반응용 수조)에는 클래드(1)이 용기를 통해 통과할 수 있도록 2개의 개구부가 설비되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 1개의 개구부는 클래드 진입(take-in) 공급 말단(공급장치쪽)에 위치하고, 반면 나머지 개구부는 클래드 방출(take-out) 말단(권취장치쪽)에 위치한다. 도면에 도시된 용기 대신에, 용기의 길이방향으로 한쪽 말단에만 1개의 개구부를 갖는 용기가 사용된다. 이 경우에는, 용기의 1개의 개구부가 수직방향으로 위로 향하도록 용기가 일반적으로 수직방향을 따라 배치된다. 클래드는 클래드의 봉합된 말단이 개구부로 들어가서, 용기의 저부(수직방향에서 하부) 근처에서 방향을 바꾼 후, 봉합된 말단이 다시 개구부로부터 나오도록 공급된다. 이러한 방식에서는, 단량체로 충전된 클래드가 가열매체에 침지되고, 코어 형성 및 클래드 수축이 완결된 후, 개구부로부터 광섬유가 회수된다. 그 결과, 긴 크기의 광섬유가 연속 제조될 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 반응성 충전제 물질(이 실시태양에서는 중합가능단량체)을 함유하는 단량체 충전 탱크(14)가 준비되고, 질소기체(N₂) 가압 하에서 클래드(1)에 중합가능 단량체가 내용물로서 충전된다.

길이방향으로 연속적으로 뻗어있는 클래드를 공급 및 권취하면서 광섬유를 연속 제조하는 경우, 도면에 도시된 실시태양처럼 단량체를 가압하에서 연속 충전시키는 것이 유리하다. 이와 같이 가압 하에서 단량체를 클래드에 충전시키는 경우, 보통, 클래드의 길이방향 한쪽 말단은 봉합되고, 클래드의 다른쪽 말단으로부터 단량체가 클래드에 충전된다. 클래드는 클래드의 한쪽 말단의 개구부에 유리, 강성 플라스틱 또는 금속(예: 스테인레스강)으로 만든 탭 또는 밸브를 끼워맞춤으로써 봉합될 수 있다.

한편, 클래드의 다른쪽 말단의 개구부로부터 클래드에 단량체가 충전된다. 도면에 도시된 바와 같이, 클래드(1)의 다른쪽 말단의 개구부를 단량체 탱크(14)에서 단량체(보통, 액체 형태임)와 접촉시키고, 단량체 탱크(14)의 내부를 정압(正壓)으로 유지시킴으로써 클래드에 단량체가 연속 충전된다. 즉, 가압 하에서의 이러한 연속 충전은 액체 단량체 중에 클래드의 다른쪽 말단을 침지시키는 동안 질소와 같은 불활성 기체를 단량체의 액면(liquid level)과 접촉시킴으로써 수행될 수 있다.

이어서, 클래드(1)은 공급장치(11)로부터 중합반응용 수조(13) 내의 가열 영역으로 공급되고, 이로써 클래드(1)에 충전된 단량체도 가열 영역으로 공급된다. 이 때, 중합반응용 수조(13)의 온도가 균일하고, 중합반응용 수조가 단량체의 중합및 클래드의 수축에 적합한 온도로 조절되는 온도조절조인 경우에는, 전체 수조가 가열 영역으로서의 기능을 한다.

와이어, 로프, 튜브 등과 같은 안내 부재의 한쪽 말단을 길이방향으로 클래드의 봉합된 말단에 연결하고, 안내 부재의 다른쪽 말단을 권취장치(12)의 코어 튜브에 고정시키고, 권취장치(12)를 구동시킴으로써 단량체가 충전된 클래드(1)이 중합반응용 수조(13)을 통해 통과한다. 별법으로, 클래드(1)의 봉합된 말단에서부터 반대쪽 말단까지의 소정의 길이를 갖는 부분은 웨이스트부(waist portion)로서의 기능을 하고, 웨이스트부가 안내 부재 대신에 이용될 수 있다.

도면에 도시된 실시태양에서, 가열 영역 내로 공급된 클래드 내에서 단량체의 반응(열중합반응)이 개시되고, 중합반응은 가열 영역에서 완결된다. 한편, 가열 영역에 공급된 클래드는 단량체를 통해서 가해진 압력에 의해 팽창된다. 가압하에서 팽창될 수 있는 이러한 클래드가 사용되기 때문에, 단량체의 반응이 완결되기 전에 가열 영역에서 가열에 의해 클래드가 단량체 반응에 수반하여 일어나는 부피 감소에 따라서 균일하게 수축될 수 있다.

예시된 실시태양에서, 클래드의 공급속도 및 가열온도는 중합반응용 수조(가열 영역)에서 단량체의 중합반응(열중합반응)이 완결되도록 결정된다. 그 결과, 단량체의 반응이 완결된 후조차도 클래드의 반응된(중합된) 부분이 수조내에 위치함으로써, 반응된 부분을 가열시키는 것이 가능하다. 클래드는 이러한 가열 작업에 의해 코어와 밀접하게 접촉된 상태로 균일하게 수축될 수 있다.

상기한 바와 같이, 예시된 실시태양의 제조 방법에 따르면, 클래드의 팽창,코어의 중합반응 개시 및 완결(솔리드 코어의 형성), 및 클래드의 수축이 연속적이고 원활하게 수행될 수 있다. 중합반응용 수조(13)에서, 클래드의 열팽창은 A 대역에서 진행되고, 코어의 열중합반응은 B 대역에서 진행되며, 클래드의 열수축은 C 대역에서 진행된다.

단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 클래드 수축의 메카니즘 및 효과는 다음과 같이 설명될 수 있다:

1. 가압하에서 중합가능 단량체로 충전된 클래드는 중합반응용 수조에서 가압하에 팽창된다. 클래드의 팽창 작업은 가열에 의해 쉽고 균일하게 수행될 수 있다.

2. 클래드 내의 팽창된 중합가능 단량체의 중합반응은 가열에 의해 개시된다. 중합반응 초기 단계에서 일어나는, 중합반응 동안의 단량체의 부피 감소는 단량체의 미중합부에 가해지는 압력에 의해 미중합부로부터 이동되는 단량체에 의해 보충될 수 있다.

3. 단량체의 중합반응이 진행되고 유동성(이동성)이 상실될 때, 이동성을 상실한 단량체는 압력에 대해 벽을 형성한다. 그 벽으로부터 계속해서 뻗어있는 부분(수조의 배출부)는 미중합부로부터의 압력 영향이 미치지 않는 영역이 된다.

4. 중합반응이 완결될 때까지, 중합반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소는 계속된다. 이 단계에서, 미중합부로부터의 단량체에 의한 충전이 벽에 의해 억제되기 때문에, 코어의 반경 방향으로 부피 수축이 일어난다. 이 단계에서, 가압하에서 팽창된 클래드가 코어의 부피 감소에 따라서 수축되어 코어와 밀접하게접촉된다. 이 때, 수조에서의 클래드 가열 때문에 클래드의 수축 작업이 균일하고 원활하게 일어난다. 따라서, 에어 갭의 발생이 효과적으로 방지될 수 있다.

솔리드 코어 형성 및 클래드 수축이 완결된 후 얻어진 섬유(10)은 가열 영역(13)(중합반응용 수조) 밖에 배치된 권취장치(12)에 공급되고, 여기서 섬유가 권취된다. 보통, 공급된 광섬유(10)은 중합반응용 수조(13)과 권취장치 (12) 사이에서 제조실 내의 공기에 의해 서서히 냉각된다.

중합반응용 수조에서의 가열온도가 비교적 높은(예를들어, 75 ℃ 이상) 경우에는, 소정의 온도로 설정된 온도를 갖는 느린 냉각 영역을 통해 통과한 후 권취장치에 의해 권취되는 것이 바람직하다. 수조의 가열온도가 비교적 높을 때는, 반응 완결 후의 솔리드 코어의 열팽창을 무시할 수 없고, 따라서 코어의 냉각에 수반하여 일어나는 수축에 따라서 클래드를 수축시키는 것이 가능하다. 클래드의 느린 냉각 영역으로는, 수조와 권취장치 사이에 긴 거리를 제공함으로써 실온 영역(보통 25 ℃)이 이용될 수 있거나, 또는 수조와 권취장치 사이에 배치되는 오븐이 사용될 수 있다. 오븐의 온도는 보통 가열온도 내지 실온의 범위 내로 설정된다.

중합반응용 수조 내에서 클래드는 일반적으로 선형을 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 수조 용기의 클래드 공급 말단과 배출 말단을 연결하는 선이 일반적으로 직선이다. 그 결과, 단량체의 반응에 수반하여 일어나는, 단량체의 중합체로 제조된 코어의 부피 감소에 따라서 클래드를 균일하게 수축시키는 것이 더 쉬워진다. 이러한 방법에 의해 제조된 광섬유는 클래드와 코어 사이에 에어 갭이 실질적으로 없을 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 반응된 단량체(중합된 단량체)의 부피 감소를 보충하기 위한 특수 작업 또는 단계를 사용하지 않고도 내공 결함, 필 등이 실질적으로 없는 긴 크기의 광섬유를 효과적으로 제조할 수 있다.

<광섬유 제조 조건>

상기한 바와 같이, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 주요 제조 조건, 즉 클래드의 두께, 클래드의 내부반경, 클래드의 물리적 성질, 예를들면 클래드 재료의 탄성계수, 클래드 내의 압력(단량체와 같은 충전제 물질을 가압하는 압력) 및 가압하에서 팽창될 수 있는 클래드 내의 단량체를 중합시키는 단계에서의 가열조(중합반응용 수조)의 온도를 조절함으로써, 중합반응시에 클래드가 변형(소성 변형 또는 탄성 변형)되고, 단량체의 중합반응이 팽창된 클래드 내에서 수행될 수 있다. 상기 제조 조건을 조절함으로써, 코어의 부피 감소에 따라서 클래드가 수축될 수 있고, 이로써 코어와 클래드 사이의 부착성을 향상시킬 수 있다.

제조 조건은 바람직하게는 다음과 같이 결정된다:

(a) 클래드의 팽창은 클래드의 공급 포트 근처의 온도, 클래드의 물리적 성질 및 클래드의 내부반경을 적절하게 결정함으로써 조절된다. 클래드의 팽창은 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 부피 감소에서부터 클래드의 파열 한계까지의 범위 내에서 결정된다.

(b) 클래드 내의 압력은 코어의 초기 중합반응으로 인해 일어난 부피 감소가 미중합 단량체에 의해 보충될 수 있도록 설정된다.

(c) 가열조의 클래드 배출 포트 근처의 온도는 팽창된 클래드가 반경 방향으로 균일하고 원활하게 일어난 코어의 부피 감소에 따라서 수축될 수 있도록 결정된다. 이러한 클래드의 물리적 성질은 이러한 클래드 수축이 수행될 수 있는 범위 내에서 설정된다.

특별한 제조 조건의 한가지 실시태양을 아래에 설명할 것이다:

클래드 재료의 탄성계수는 보통 10 내지 700 MPa, 바람직하게는 20 내지 600 MPa, 특히 바람직하게는 30 내지 500 MPa이다. 탄성계수가 너무 작을 때는, 클래드 내부 압력이 증가되면 클래드가 제조공정에서 파열되어, 클래드 내의 압력을 증가시키기가 어려울 염려가 있다. 클래드 내의 압력이 충분히 증가되지 않을 때는, 클래드의 팽창이 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소보다 더 커지게 하기가 어렵게 되고, 클래드가 중합반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 수축될 수 없을 염려가 있다. 반대로, 탄성계수가 너무 클 때는, 가압하에서 클래드의 팽창이 충분히 증가될 수 없고, 클래드가 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 수축될 수 없을 염려가 있다. 본 명세서에서, 클래드 재료의 탄성계수는 가압하 팽창 작업시의 가열온도에서의 값으로 정의된다.

클래드의 두께는 보통 0.01 내지 2 ㎜, 바람직하게는 0.05 내지 1.5 ㎜, 특히 바람직하게는 0.1 내지 1 ㎜이다. 두께가 너무 작을 때는, 클래드 내의 압력이 충분히 증가되는 경우 클래드가 파열되고, 따라서 클래드 내의 압력을 증가시키기가 어렵게 될 염려가 있다. 반대로, 두께가 너무 클 때는, 가압 하에서 클래드를 팽창시키기가 어렵고, 따라서 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 부피 감소에따라서 클래드를 수축시키는 것이 불가능할 염려가 있다.

클래드의 내부반경은 보통 1 내지 15 ㎜, 바람직하게는 1.5 내지 13 ㎜, 특히 바람직하게는 2 내지 12 ㎜이다. 내부반경이 너무 작을 때는, 가압 하에서 클래드를 팽창시키기가 어렵고, 따라서 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 부피 감소에 따라서 클래드를 수축시키기가 불가능할 염려가 있다. 반대로, 내부반경이 너무 클 때는, 클래드 내의 압력을 증가시키기가 어렵고, 따라서 단량체의 중합반응 초기 단계에서 에어 갭의 발생을 효과적으로 방지하기가 불가능할 염려가 있다.

클래드의 재료는 상기한 바와 같은 탄성계수를 갖는 재료인 한 특별히 제한되지 않는다. 그 예는 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체, 트리플루오로에틸렌-비닐리덴 플루오라이드 공중합체, 폴리메틸펜텐, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 비닐 아세테이트-비닐 클로라이드 공중합체 등과 같은 중합체이다.

클래드 내의 압력의 상한치는 클래드의 물리적 성질에 따라 달라지지만, 보통 5 MPa, 바람직하게는 3 MPa, 특히 바람직하게는 2 MPa이다. 클래드 내의 내부압력이 너무 높을 때는, 제조공정 동안 클래드가 파열될 염려가 있다.

클래드 내의 압력의 하한치 P_L는 보통 하기 수학식 1에 의해 결정된다.

여기서, E는 클래드 재료의 탄성계수이고, t는 클래드의 내부반경이다. 클래드 내의 압력이 수학식 (1)에 의해 결정되는 하한치 P_L보다 작을 때는, 가압하에서의 클래드 팽창이 너무 작기 때문에, 클래드가 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 부피 감소에 따라서 수축될 수 없을 염려가 있다. 한편, 클래드 내의 압력이 너무 작을 때는, 단량체의 초기 중합반응으로 인한 부피 감소가 미중합된 단량체에 의해 보충될 수 없으므로, 에어 갭의 발생을 효과적으로 방지하는 것이 불가능할 염려가 있다. 따라서, 클래드 내의 압력은 수학식(1)을 만족시키고, 보통 0.05 MPa 이상, 바람직하게는 0.07 MPa 이상, 특히 바람직하게는 0.1 MPa 이상으로 설정된다.

가열조(중합반응용 수조)의 온도는 단량체의 반응성, 클래드의 물리적 성질, 및 단량체가 충전된 클래드의 공급속도(즉, 가열조 내에서의 체류시간)에 따라 달라지지만, 보통 35 내지 90 ℃, 바람직하게는 40 내지 85 ℃이다. 온도가 너무 낮을 때는, 클래드의 팽창 및 수축이 균일하고 원활하게 수행될 수 없고, 따라서 코어의 부피 감소에 따라서 클래드를 수축시키는 것이 가능할 염려가 있다. 반대로, 온도가 너무 높을 때는, 반응 완결 후 코어의 열팽창을 무시하는 것이 불가능하고, 따라서 가열조로부터 제거된 후 부피 감소에 따라서 클래드를 수축시키기가 어려울 염려가 있다. 상기한 바와 같이, 또한, 클래드의 수축 작업은 클래드의 느린 냉각 영역을 특별히 제공함으로써 효과적으로 수행될 수 있다. 그러나,제조공정 및 작업을 단순화함으로써 제조효율을 향상시키기 위해서는 이러한 느린 냉각영역을 특별히 제공하지는 않는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 가열조의 온도는 45 내지 65 ℃의 범위 내인 것이 바람직하다.

단량체가 충전된 클래드가 가열조에서 머무르는 시간(체류시간)은 특별히 제한되지는 않지만, 보통 10분 내지 5시간, 바람직하게는 15분 내지 3 시간이다. 제조에 사용되는 클래드의 길이는 보통 10 내지 3000 m, 바람직하게는 20 내지 2000 m이다.

<광섬유>

본 발명에 따른 광섬유는 상기한 바와 같이 형성된 클래드, 및 클래드로 코팅된 코어를 포함한다.

보통, 코어는 코어의 길이방향으로 뻗어있다. 코어의 주변 표면은 클래드로 코팅되고, 클래드는 코어와 밀접하게 접촉되고, 코어의 양쪽 말단은 노출된다. 광원으로부터 나온 빛은 손실이 일어남이 없이 코어의 노출된 한쪽 말단 또는 양쪽 말단으로부터 코어 내로 도입될 수 있다. 코어는 코어에 입사한 빛을 한쪽 말단에서부터 다른쪽 말단으로 전달할 수 있는 수준의 광투과율을 가진다.

코어는 유연성 플라스틱으로 제조된 솔리드 코어이다. 유연성 플라스틱으로서는, 바람직하게는, 예를들면 광투과율 및 유연성을 갖는 중합체, 예를들면 아크릴계 중합체, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 비닐 아세테이트-비닐 클로라이드 공중합체 등이 단독으로 사용될 수 있다. 별법으로, 이들 2종 이상이 함께 사용될 수 있다. 코어를 구성하는 플라스틱의 굴절률은 보통 1.4 내지 1.7이고, 한편 총광투과율은 보통 80% 이상이다. 중합체는 코어 자체의 충분한 내열성을 확보하기위해 가교결합될 수 있다.

코어의 원료인 충전제 물질로서는 예를들면 아크릴계 단량체가 사용될 수 있다. 아크릴계 단량체의 구체적인 예에는 n-부틸 메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 2-히드록시에틸 메타크릴레이트, n-프로필 메타크릴레이트, 페닐 메타크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 트리데실 메타크릴레이트, 도데실 메타크릴레이트 등이 포함된다.

코어의 원료를 가교결합시키기 위한 가교결합제로서는 예를들면 디알릴 프탈레이트, 트리에틸렌 글리콜 디(메트)아크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 비스알릴 카르보네이트 등과 같은 다작용기를 갖는 단량체가 사용될 수 있다.

광섬유에서 코어의 길이는 보통 클래드의 길이와 동일하고, 보통 50 내지 100 m이다. 보통, 반경방향에서 코어의 단면은 일반적으로 원형 또는 타원형이지만, 본 발명의 효과가 손상받지 않는 한 어떠한 다른 모양이라도 가질 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유는 광섬유의 통상적인 특성(유연성 및 내구성)을 충분히 이용하면서 발광 효율을 증진시킬 수 있다. 따라서, 광섬유는 예를들면 광원으로부터 떨어진 장소에 있는 발광체, 조명, 광고 디스플레이, 가변 디스플레이(variable display) 및 도로교통표지에 적절하게 사용될 수 있는 발광장치의 구성부품으로서 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 광섬유는 한쪽 말단으로부터 코어에 도입된 빛을 다른쪽 말단으로부터 방출할 수 있는 엔드(end) 발광 모드, 및 빛을 코어의 측면(주변 표면)으로부터 방출할 수 있는(빛 누출)사이드(side) 발광 모드로 효과적으로 사용될 수 있다.

광원으로서는 예를들면 크세논 램프, 할로겐 램프, 플러쉬 램프 등과 같은 고휘도 램프가 유리하게 사용될 수 있다. 램프의 전력 소비는 보통 10 내지 500 W이다. 햇빛이 집광된 후 한쪽 말단으로부터 코어에 도입될 수 있다.

본 발명을 다음 실시예 및 비교예를 참고로 설명할 것이다.

실시예 1 - 5

다음 표 1에 기재된 제조 조건 하에서, 다음 제조과정에 따라 각 실시예의 광섬유를 제조하였다. 각 실시예에 사용된 제조장치는 도 1과 관련하여 앞에서 설명한 것과 동일하였고, 수평으로 배치된 중합반응용 수조(수평방향 길이 : 4.2 m)가 설비되었다. 중합반응용 수조의 온도를 80 ℃로 증가시킨 실시예 5에서는, 얻은 생성물을 클래드의 느린 냉각 작업을 수행한 후에 권취장치 둘레에 권취하였다.

<제조과정>

클래드 재료로서는 미쯔비시 듀퐁 코.(Mitsui Du Pont Co.)에서 제조하여 FEP100J라는 상품명으로 판매되는 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체를 사용하였다. 이 클래드 재료를 직경() 50 ㎜ 및 L/D 26을 갖는 압출기를 사용하여 성형함으로써 긴 크기의 클래드 튜브를 얻었다.

얻은 클래드를 길이 30 m의 피스로 절단하고, 절단된 클래드에 코어형성재료를 가압하에서 충전시켰다. 여기서 사용된 코어형성재료는 비스(4-t-부틸시클로헥실)퍼옥시디카르보네이트 중합개시제를 중합가능 단량체(100:1 중량비의 n-부틸 메타크릴레이트 및 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트의 혼합 용액)에 첨가함으로써 제조하였다. 클래드 내의 단량체를 하기 표 1에 기재된 조건 하에서 중합시키고, 클래드의 수축에 의해 클래드와 코어가 밀접하게 접촉되어 목적하는 광섬유를 제조하였다.

<제조된 광섬유>

각 실시예 1 - 5에서는 클래드가 단량체의 중합반응에 수반하여 일어나는 부피 수축에 따라서 수축될 수 있었고, 이렇게 하여 코어와 클래드 사이에 에어 갭이 전혀 관찰되지 않는 광섬유(상기 정의된 에어 갭의 수가 0개임)를 얻었다.

비교예 1

비교예 1에서는, 실시예 1에서와 동일한 클래드가 사용되고, 클래드 내의 압력을 낮추었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 광섬유를 제조하였다. 제조 조건은 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

클래드의 팽창이 단량체의 부피 감소에 비해 충분하지 않기 때문에, 클래드가 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 수축될 수 없었다. 그 결과, 상기 방법에 의해 측정된 에어 갭의 수는 길이 10 m 당 약 10개이었다.

비교예 2

비교예 2에서는, 실시예 3에서와 동일한 클래드가 사용되고, 중합반응용 수조에서의 체류시간이 절반으로 감소된다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 광섬유를 제조하였다. 제조 조건은 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

이 실시예에서는 중합반응용 수조에서 단량체의 중합반응이 완결되지 않았고, 중합반응용 수조로부터 제거된 후 중합이 진행됨에 따라 코어의 부피 감소가 일어났다. 중합반응용 수조에서 제거된 후, 클래드는 치수가 수축될 수는 있었지만, 중합반응용 수조 밖의 실온(약 25 ℃)에서의 코어의 부피 감소에 따라서 수축될 수는 없었다. 그 결과, 상기 방법에 의해 측정된 에어 갭의 수는 길이 10 m 당 약 10개이었다. 비교예 2의 조건 하에서의 중합반응용 수조로부터 제거된 후 추가 가열함으로써, 클래드를 코어의 부피 감소에 따라서 수축시키는 것이 가능해지고, 따라서 에어 갭이 없는 광섬유를 제조할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 충전제 물질이 가압하에서 팽창된 클래드 내에서 반응하고, 클래드가 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 수축되기 때문에, 클래드 내의 중합부와 미중합부 사이의 경계부가 코어(단량체)의 반응 동안 비교적 큰 폭으로 형성되고, 따라서 미중합부로부터의 압력 영향이 미치지 않는 범위에서 중합된 코어의 부피 감소가 일어나는 경우조차도 코어와 클래드 사이 계면에서 에어 갭을 실질적으로 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 긴 크기의 광섬유가 안정하고 쉽게 연속 제조될 수 있다.

Claims (3)

1. (a) 소정의 길이를 갖는 관형 클래드 및 (b) 클래드에 충전된 충전제 물질을 반응시킴으로써 형성된 솔리드(solid) 코어를 포함하고 클래드 및 코어가 클래드의 수축에 의해 서로 밀접하게 접촉되며, 클래드가 가압하에서 팽창될 수 있다는 것; 클래드의 수축이 충전제 물질의 반응이 완결되기 전에 개시되어, 충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 진행된다는 것; 및 클래드와 코어 사이의 에어 갭의 수가 길이 10 m 당 3개 이하라는 것을 특징으로 하는 광섬유.
2. 가압 하에서 팽창될 수 있는 클래드를 형성하는 단계,

   클래드에 충전제 물질을 충전시키고, 압력을 가한 상태에서 클래드 내의 충전제 물질을 반응시키는 단계,

   충전제 물질의 반응이 완결되기 전에 클래드의 수축 작업을 개시하는 단계, 및

   충전제 물질의 반응에 수반하여 일어나는 코어의 부피 감소에 따라서 클래드를 수축시킴으로써 클래드와 코어 사이에서의 에어 갭의 발생을 억제하는 단계

   를 포함하는, (a) 소정의 길이를 갖는 관형 클래드 및 (b) 클래드에 충전된 충전제 물질을 반응시킴으로써 형성된 솔리드 코어를 포함하고 클래드 및 코어가 클래드의 수축에 의해 서로 밀접하게 접촉된 광섬유의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   (A) 권취수단을 사용하여 클래드가 권취되어 있는 공급 수단으로부터 클래드를 공급함으로써, 클래드에 충전된 충전제 물질을 가열 영역으로 운반하는 단계,

   (B) 가열 영역에서 충전제 물질의 반응을 개시, 진행 및 완결하는 단계,

   (c) 가열 영역에서 클래드의 수축 작업을 개시하는 단계, 및

   (d) 클래드의 수축 작업이 실질적으로 완결된 후 얻어진 광섬유를 가열 영역 밖에 배치된 권취수단을 이용하여 권취하는 단계

   에 의해 광섬유를 연속 제조하는 방법.