KR20030083723A

KR20030083723A - 구조화된 표면 광 가이드의 연속 제조 방법

Info

Publication number: KR20030083723A
Application number: KR10-2003-7011258A
Authority: KR
Inventors: 룬딘데이비드제이.
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-10-30
Also published as: US6623667B2; DE60137266D1; JP4160397B2; EP1363765A1; EP1363765B1; KR100853160B1; US20020163094A1; WO2002070237A8; JP2004524998A; ATE419110T1; WO2002070237A1

Abstract

본 발명의 연장된 광 가이드(70)의 제조 방법은 2개 이상의 모울드 부품(32, 34)을 지닌 이동 모울드 어셈블리(30)를 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 모울드 부품은 맞물린 부분(32a, 34a) 및 맞물리지 않은 부분(33, 33a)을 갖는다. 상기 모울드 부품은 맞물리지 않은 부분(33, 33a)이 제1 방향(A, B)으로 이동하고, 맞물린 부분(32a, 34a)이 제1 방향과 상이한 제2 방향(C)으로 이동하여 종축을 갖는 연장된 재생 모울드 공동(37, 39)을 형성하며, 여기서 상기 공동은 종축에 대하여 횡단 방향으로 하나 이상의 구조물(52)을 지닌 모울딩 표면(54)을 포함한다. 열경화성 물질은 공동(37, 39) 내로 도입하고, 공동(37, 39) 내에서 적어도 부분 중합하여 그 공동 내부에서 광 가이드(70)를 형성시킨다. 이어서, 광 가이드는 모울드 어셈블리부터 제거한다.

Description

구조화된 표면 광 가이드의 연속 제조 방법{METHOD FOR CONTINUOUS FABRICATION OF STRUCTURED SURFACE LIGHT GUIDES}

압출(extrusion) 방법은 열가소성 수지 공급원료를 사용하여 물품을 연속 제조하는 데 이용할 수 있다. 압출 공정이 열가소성 물질을 상대적으로 평활한 표면 프로필을 지닌 물품으로 용융 가공처리하는 데 상당히 적합하긴 하지만, 상기 압출 공정은 물품의 주표면의 평면에 횡단 방향으로 배향된 정밀한 구조물을 지닌 표면 프로필을 갖고 있는 물품을 형성시키는 데 보다 덜 적합하다. 압출 공정에서, 수지 압출물은 다이로부터 배출되면서 여전히 용융 및 가요성 상태이므로, 물품의 최종 표면 프로필은 물품이 냉각되면서 변할 수 있다. 이러한 프로필 변화는, 수지가 냉각되면서 그 프로필 변화가 수축으로 인한 부피 변화로서 명백하게 나타나는 경우, 특히 부피 변화가 물품의 주표면 상의 정밀한 횡단 방향의 구조물의 치수와 비교하여 큰 경우 매우 성가신 문제일 수 있다.

또한, 사출 성형(injection molding) 공정은 열가소성 수지 공급원료를 사용하여 정밀한 횡단 방향의 표면 프로필 구조물을 갖는 물품을 제조하는 데 이용할 수 있다. 용융된 열가소성 물질이 모울드 공동(mold cavity) 내로 주입되고 모울드 표면의 종축에 대하여 횡단 방향으로 배향된 융기되거나 함입된 구조물과 접촉하면서, 수지는 냉각하여 모울드 표면에 인접한 피부 유형 층을 형성한다. 이러한 피부 유형 층은 모울드 표면에서 추가 흐름을 방해하므로, 용융된 수지는 모울드 공동을 전부 충전하기 위해서 고압으로 모울드 공동 내로 억지로 밀어 넣어야 한다. 결과로서, 모울 내에서 열가소성 물질과 횡단 방향의 구조물 간의 접촉은 신뢰성이 없으므로, 고도의 정밀성을 지닌 구조물을 복제하기가 어렵다. 또한, 사출 성형 공정은 전형적으로 수지 공급원료를 가열하여 모울딩을 충전하는 것이 필요하기 때문에, 성형된 물품은 냉각시 유의적으로 수축할 수 있다.

예를 들면, 광 투과 물품, 예컨대 광 가이드 및 광 섬유는 종종 정밀한 표면 프르필 구조물을 갖는 것을 특징으로 한다. 이들 광 투과 물품은 통상적으로 열가소성 물질 압출 또는 사출 성형 공정을 이용하여 제조한다. 광 가이드는 전형적으로 광원으로부터 광을 수용하는 데 적합한 하나 이상의 표면 및 광 가이드를 통과하여 전파되는 광을 반사시키기 위한 광학 평활한 표면을 포함한다. 통상적인 예에는 데이터 통신에 사용된 광학 섬유 및 광학 디스플레이에 사용된 평면 파동 가이드가 포함된다. 조명 시스템에 통상적으로 사용된 광 섬유는 하나 이상의 말단에서 광을 수용하고, 선결정된 위치에서 또는 섬유 길이에 따른 지점에서 광을 섬유 밖으로 투과한다.

전형적인 광 투과 장치는 광 가이드이며, 이것은 통상적인 광학 섬유의 길이에 비유할 수 있다. 그러한 섬유는 일반적으로 구체적인 횡단면 기하구조(즉, 원형, 타원형 등)를 지닌 코어 및 이 코어 상의 클래딩(cladding)을 보유한다. 코어의 굴절율은 클래딩의 굴절율보다 더 크다. 사용시, 섬유의 한쪽 말단에서 코어 내로 도입되는 전자기파 에너지의 광선, 예컨대 가시 광선은 항상 임계 각도 이상의 각도에서 코어/클래딩 계면에 충돌하고, 그래서 내부 전반사된다. 결과로서, 광은 유의적인 손실 없이 섬유의 나머지 다른 한쪽 말단에 투과된다. 예를 들면, 미국 특허 제5,898,810호를 참조할 수 있다.

광 투과 물품으로부터 광을 제어된 방식으로 추출하기 위해서, 다수의 광 추출 구조물은 물품 내에서 광 전파(propagation)의 방향에 횡단 방향으로 형성될 수 있다. 광 추출 구조물은 광이 광 투과 물품 내에서 전파되는 평면 위로 투사되는 포지티브형일 수 있거나, 광 전파의 평면 아래로 투사되는 네가티브형일 수 있다. 전형적으로, 광 투과 물품은 연장된 형상을 갖고 있고, 광은 물품의 종축을 따라 이동하며, 광 추출 구조물은 종축에 대하여 횡단 방향으로 형성된다. 각각의 구조물에서, 광은 물품으로부터 광을 밖으로 배출하는, 내부 전반사의 원칙에 의하여 물품을 따라 연속된 전파에 필요한 임계 각도보다 더 작은 각도에서 반사된다.

네가티브형 구조물은 광 투과 물품의 표면 내로 직접 기계가공할 수 있으며, 포지티브형 또는 네가티브형 구조물은 강성 또는 가요성 모울드를 사용하여 배치(batch) 모울딩 공정에서 물품에 부여할 수 있다. 그러나, 광 투과 물품을 제조하는 데 통상적으로 이용될 수 있는 중합체 물품의 정밀 기계가공(machining)은 시간 소모적이고, 부정확하며, 비용이 많이 든다. 마찬가지로, 다른 배치 가공처리기법도 상업적으로 실현 가능한 시간적 기간 내에서 수행하기에는 어려울 수 있다.

광 추출-구조물을 제조하고, 이어서 이것을 광 가이드에 접착시키기 위한 연속 공정은 미국 특허 제6,039,553호에 설명되어 있다. 제1 단계에서, 광 투과 물품을 제조하기 위한 연속 모울딩 공정은 표면 프로필 구조물을 지닌 성형된 층을 형성한다. 제2 단계에서, 상기 성형된 층은 구조물이 광 가이드 내에서 광 전파의 방향에 횡단 방향으로 존재하도록 광 가이드에 접착한다. 이러한 연속 모울딩 공정은 통상적인 압출 기법, 사출 성형 기법 및 기계가공 기법보다 특정 표면 프로필을 형성시키는 데 필요한 구조물을 보다 효과적으로 복제하지만, 요구된 2 단계 모울딩 절차는 결합된 층이 예비 제조된 광 가이드에 부착되어 있는 경우 계면을 방치하게 된다. 결합된 층과 광 가이드가 굴절율이 일치하고, 가장 큰 정밀성으로 배열된다고 할지라도, 결합된 층과 광 가이드 사이의 계면은 광 투과 물품으로부터 광 투과 및/또는 추출의 효율 및 정밀성을 방해할 수 있다.

본 발명은 구조화된 표면을 지닌 광 가이드를 제조하기 위한 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로 구조화된 표면을 지닌 광 가이드를 제조하기 위한 연속 또는 반연속 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 모울딩 공정을 수행하기 위한 장치를 위에서 본 개략도이다.

도 2는 본 발명의 공정에 사용할 수 있는 모울드의 투시도이다.

도 3은 본 발명의 공정에 사용할 수 있는 모울드의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 모울딩 공정에 사용할 수 있는 장치를 위에서 본 개략도이다.

도 4(a)는 본 발명의 모울딩 공정을 수행하기 위한 장치의 투시도이다.

도 5(a) 및 5(b)는 본 발명의 공정에 사용된 모울드를 제조하기 위한 공정의 대표적인 개략도이다.

도 6(a) 및 6(b)는 본 발명의 공정을 이용하여 제조할 수 있는 광 가이드의 개략적인 단면도이다.

다양한 도면에서 동일한 참조 기호는 동일한 부재를 의미한다.

발명의 상세한 설명

한 실시양태에서, 본 발명은 열경화성 물질로부터 성형된 광 가이드를 제조하는 방법이다. 광 가이드는 함께 이동하여 연장된 모울드 공동을 형성하는 적어도 2개의 가요성의 맞물림 가능한 모울드 부분을 지닌 장치에서 성형한다. 이어서, 형성된 공동은 열경화성 물질로 충전하고, 동시에 맞물린 모울드 부분은 맞물림부의 지점으로부터 멀리 이동한다. 적어도 하나의 모울드 부분은 모울드의 종축에 대하여 횡단 방향으로 모울딩 특징(오목부 또는 볼록부)을 포함한다.

본 발명의 공정을 수행하기 위한 장치(10)의 실시양태는 도 1에 개략적으로 예시되어 있다. 장치(10)는 열경화성 물질을 형성시키는 데 필요한 반응성 성분들을 함유하는 적절한 다수의 용기(12 및 14)를 포함한다. 열경화성 물질은 유체 유량 펌프(16 및 18) 각각에 의해 임의의 교반 장치(22)를 구비한 임의의 혼합 체임버(20) 내로 공급한다. 열경화성 물질은 노즐(28)을 보유한 공급원료 파이프(26)를 통해 흐르고, 이동 모울드 어셈블리(30) 내로 흘러간다. 공급원료 파이프(26)는 또한 정적 혼합기(도 1에는 도시되어 있지 않음)를 임의로 포함할 수도 있다.

모울드 어셈블리(30)는 한쌍의 맞물림 가능한 모울딩 벨드(32 및 34)를 포함하며, 상기 모울딩 벨트는 구동 및 안내 롤러(35, 35a, 36 및 36a) 둘레를 연속 순환할 수 있다. 순환 동안, 각 모울딩 벨트(32, 34)의 맞물리지 않은 부분(32, 34)은 방향 A 및 B로 각각 이동한다. 각 벨트(32, 34)의 맞물린 부분(32a, 34a)은 상이한 방향 C로 이동한다. 전형적으로, 방향 A 및 B는 방향 C에 대하여 법선이다. 모울딩 벨트(32, 34)의 이동은 연속적인 것이 바람직하지만, 또한 구체적인 용도에 있어 필요한 경우 불연속적이거나 단계적일 수도 있다. 모울딩 벨트는 연속적인 것이 바람직하나, 또한 무한 순환 벨트 상에 배치되어 있는 연결된 개별 모울드 부품으로부터 형성될 수도 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 각각의 모울딩 벨트(32, 34)는 모울딩 공동(37, 79)과 각각 맞물려 있는 맞물림 표면(33, 33a)을 포함한다. 공동(37, 39)의 단면 형상은 각 벨트의 맞물린 부분(32a, 34a)이 방향 C로 이동하고, 맞물림 표면(33, 33a)은 모울딩 영역(40)의 제1 말단(41)에서 만난다. 공동(37, 39)은 합동하여 동봉되고 말단 개방된 모울드 영역(45)을 형성한다. 모울딩 공동(37, 39)의 측벽 형상은 개별적으로 조절하여 밀폐된 모울드 영역(45)의 전반적인 단면 형상을 결정할 수 있다. 밀폐된 모울드 영역(45)의 단면 형상은 성형하고자 하는 물품의 단면 형상에해당하고, 물품의 의도한 용도에 따라 광범위하게 다양화할 수 있다. 단면 형상은 원형인 것이 바람직하다.

모울딩 공동(37, 39)은 하나 이상이 표면 프로필 구조물(52)의 배열을 갖는 것인 각각의 모울딩 표면(54, 56)을 포함한다. 구조물(52)은 모울딩 표면(54, 56)의 평면에 횡단 방향으로 배향된 하나 이상의 표면을 갖는다. 연장된 광 가이드의 경우, 구조물(52)은 광 가이드의 종축에 대하여 횡단 방향으로 하나 이상의 표면을 갖는다. 도 3을 참조하면, 구조물(52)은 포지티브형일 수 있고, 모울딩 표면(54, 56)의 평면 위로 연장된다. 또한, 모울딩 벨트(32, 34)는 배열 플랜지(55, 57) 및 연속적인 작동 동안 정확한 정합(registration)을 유지하는 해당 홈을 포함할 수 있다.

예를 들면, 본 명세서에 참고 인용되어 있는 국제 공개 출원 WO 98/29516호 및 미국 특허 제5,650,215호에는 모울딩 표면(54, 56)에 사용할 수 있는 다양한 구조물(52)이 기재되어 있다. 구조물(52)의 형상 및 분배는 성형하고자 하는 물품의 의도한 최종 사용 용도에 따라 광범위하게 다양화할 수 있다. 구조물(52)의 경우 바람직한 형상에는 반구, 피라미드(예컨대, 큐브 코너, 사면체 등) 및 "V" 홈이 포함된다. 구조물은 거시적이거나 미시적일 수 있고, 약 1 ㎛ 내지 광 가이드 두께의 99%에 이르는 범위의 모울딩 표면의 평면 위로 또는 아래로 높이 또는 깊이를 가질 수 있으며, 광 가이드 두께의 약 50% 미만인 것이 바람직하다.

도 1을 다시 참조하면, 밀폐된 모울드 영역은 모울딩 영역(40) 전체에 걸쳐 유지하고, 동시에 모울딩 영역(33, 33a)은 서로 인접하고 있다. 열경화성 물질은,예를 들면 화학적 수단, 가열기(50)의 가열, 및/또는 광원(60)의 자외(UV) 광선에 의해 모울딩 영역(40) 내에서 적어도 부분 중합할 수 있다. 열경화성 물질의 중합 속도는 열경화된 성형 광 가이드(70)가 모울딩 영역(40)의 제2 말단(43)에서 그 형상을 적어도 실질적으로 보유하도록 조정한다. 전형적으로, 연속적으로 순환하는 벨트의 속력, 열경화성 물질의 도입 속도 및 온도는 광 가이드(70)가 모울딩 영역(40) 내에서 잠시 동안 적어도 부분 중합되도록 선택한다. 완전한 중합은 임의로 들어 올리는 롤(도 1에 도시되어 있지 않음) 상의 모울딩 영역 외부에서 또는 오븐(72)에서 발생할 수 있다.

임의의 저장 롤(42)은 성형된 광 가이드(70)에 결합시키거나 그 가이드 내에 포함시키기 위한 모울딩 공정에 필름, 테이프, 반사 재료, 유리 섬유 등(44)을 도입시키는 데 사용할 수 있다. 다른 임의의 재료, 예컨대 반사 입자, 안료 등은 저장 용기(46)로부터 인출하여 혼합 체임버(20) 내로 도입함으로써 열경화성 물질과의 균일한 혼합물을 형성할 수 있다. 이어서, 이 혼합된 물질은 모울딩 영역(40) 내로 도입할 수 있다.

도 4를 참조하면, 장치(10)의 대안적인 실시양태가 도시되어 있으며, 여기서 임의의 플러그(62)는 모울딩 영역(40)의 하류 말단(43)에 배치하여 열경화성 물질의 완전 또는 부분 중합 이전에 밀폐된 모울드 영역(45)을 충전시킬 수 있다.

도 4A를 참조하면, 모울드(30)는 x-y 평면에 존재하도록 도시되어 있다. 그러나, 열경화성 물질이 모울딩 영역(40)의 제1 말단(41) 내로 도입됨에 따라 생기는 공기 포획 및 기포 형성을 감소시키기 위해서, 모울딩 장치(30)는 밀폐된 모울드 영역(45)의 제1 말단(41)이 밀폐된 모울드 영역의 제2 말단(43) 위에 존재하도록 x-y 평면 위로 약 15°내지 약 45°의 + 알파 각도로 경사지는 것이 바람직하다. 또한, 모울딩 장치(30)의 경사는 중합 이전에 밀폐된 모울드 영역(45) 내의 모든 공동을 열경화성 물질로 보다 완전히 충전시킬 수 있다. 이는 밀폐된 모울드 영역(45) 내의 구조물이 복잡하고/하거나 미시적인 경우, 또는 열경화성 물질이 중합 이전에 매우 점성인 경우, 특히 중요하다.

본 발명의 공정에 사용된 열경화성 물질은 임의의 공지된 열경화성 물질일 수 있다. 본 출원에 사용된 바와 같이 열경화성이란 용어는 가열, 화학물질 또는 방사선에 대한 노출 중 적어도 하나를 가함으로써 완전 또는 부분 중합되는 경우 실질적으로 불용해성 및 불용성인 열경화된 물질로 변하는 액상 형태의 중합 가능한 물질을 의미한다. 열경화성 물질은 열가소성 물질과 구별되어야 한다. 열가소성 물질은 가열시 화학적으로보다는 오히려 물리적으로 변화하는 완전 중합되는 물질이다. 열경화성 물질은 밀폐된 모울드 영역(45) 내로 도입될 수 있는 임의의 중합체 물질로부터 선택할 수 있고, 모울드 벨트(32, 34)에 악영향을 미치지 않는 온도 및 압력 조건 하에 상업적으로 실행 가능한 시간 내에서 적어도 부분 중합할 수 있다. 또한, 형성되는 열경화된 물품은, 예를 들면 유전 특성, 불투명성 또는 내열성과 같은 의도한 용도와 일치하는 허용 가능한 특성을 가져야 하는 것이 바람직하다. 적합한 열경화성 물질에는 아크릴레이트, 우레탄 및 실리콘이 포함딘다.

열경화성 물질은 중합 및 경화시 유의적으로 수축되지 않는 물질로부터 선택하는 것이 바람직하다. 열경화성 물질이 경화됨에 따라 수축되는 경우, 그 물질은중합 공정 동안 구조물(52)로부터 떨어질 수 있는데, 이는 마무리된 성형 물품 내의 구조물의 불량한 복제를 초래한다. 열경화성 물질이 완전 또는 부분 중합 동안 접촉하는 경우, 열경화성 물질은 밀폐된 모울딩 영역 내로 압력 하에 주입할 수 있다.

열경화성 물질은, 이 물질이 구조물(52) 둘레로 유동하는 모울딩 표면(54, 56)을 전부 습윤시키고/시키거나, 구조물(52)을 충전시키고, 밀폐된 모울드 영역(45)을 충전시킬 수 있도록, 밀폐된 모울드 영역(45) 내로 도입되는 경우 액체 형태로 존재한다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 열경화성 물질은 혼합 체임버(20) 내에서 혼합되거나, 밀폐된 모울드 영역(45) 내에서 혼합되는 중합 가능한 반응물로 구성될 수 있다. 모울딩 표면의 형상 및 구조물은 밀폐된 모울드 영역(45) 내로 열경화성 물질의 도입 방법에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 구조물이 상대적으로 높은 종횡비를 갖는 경우, 이러한 경우는 완전 또는 부분 중합을 달성하기 전에 열경화성 물질 내의 기포 형성을 방지하는 것이 필요할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 기포가 형성되는 경우, 기포는 모울딩 표면 내의 구조물 부근에 핵 형성하거나 포획될 수 있는데, 이는 광 가이드 내의 구조물의 정밀치 못한 복제를 초래할 수 있다. 기포 형성은 액상 열경화성 물질이 밀폐된 모울드 영역 내로 도입되는 속도를 감소시키고/시키거나, 보다 낮은 점성을 지닌 액상 열경화성 물질을 선택함으로써 최소화할 수 있다. 또한, 기포 형성은 열경화성 물질이 밀폐된 영역(45) 내로 유입됨에 따라 열경화성 물질 내에 노즐 팁(28)(도 1)을 침지시킴으로써 감소시킬 수 있다.

중합 공정이 수행되는 온도 및 압력은 사용된 열경화성 물질 및 성형하고자 하는 구조물 및 광 가이드의 단면 형상에 따라 광범위하게 다양화할 수 있다. 전형적으로, 본 발명의 공정은 주위 온도 및 압력에서 수행한다.

본 발명의 모울드를 제조하기 위한 방법은 도 5(a) 및 5(b)에 도시되어 있다. 도 5(a)를 참조하면, 제1 단계에서는 임의로 표면의 전부 또는 일부 상에 기계 가공될 수 있는 반구상 로드(80)를 지지체 플레이트(82) 상에 부착한다. 지지체 플레이트(82)는 형성시키고자 하는 모울드 부분 내의 배열 플랜지를 최종적으로 형성시키는 임의의 함입부(84)를 포함한다. 플레이트(82)를 채널(86)에 부착하고, 오목부(88)를 모울드 물질로 충전하여 제1 모울드 부분을 형성시킨다. 모울드 물질은 의도한 용도에 따라 광범위하게 다양화할 수 있고, 완전 중합시 가요성을 갖는 것이 바람직하다. 적합한 물질로는, 예를 들면 탄성중합체, 예컨대 실리콘 탄성중합체가 포함되는데, 이는 탄성 특성 및 박리 특성을 모두 제공한다.

이어서, 도 5(b)를 참조하면, 구조물(92)을 지닌 표면의 전부 또는 일부 상에서 기계 가공된 로드(90)는 제1 단계에서 형성된 제1 모울드 부분(96) 내의 성형된 공동(94) 내에 배치한다. 모울드 부분(96)은 임의의 배열 플랜지(98)를 포함한다. 이어서, 제1 모울드 부분(96)은 채널(91)에 대하여 배치하고, 스페이스(93)를 모울드 물질로 충전하여 제2 모울드 부분을 형성시킨다. 다수의 맞물림 가능한 모울딩 부분은 서로 연결하여 연속 벨트를 제조할 수 있다.

로드(80, 90) 뿐만 아니라 채널(86, 91)은 기계가공 가능한 금속 또는 경질 중합체로 제조할 수 있다. 적합한 금속에는 구리, 니켈, 알루미늄, 및 합금, 예컨대 황동, 스테인레스강 등이 포함된다. 적합한 중합체에는 기계가공 후 그 형상을 보유하는 아크릴, 카보네이트 및 임의의 다른 중합체가 포함된다.

로드(80, 90)를 기계가공하는 공정은 공지된 기법, 예컨대 다이아몬드 터닝, 레이저 융삭, 플라이 커팅 또는 이들의 조합에 의해 수행할 수 있다. 전형적으로, 미시적인 치수의 구조물을 제조하기 위해서, 스톡(stock) 물질은 다이아몬드 또는 카바이드-첨단 부착된 도구를 사용하여 마이크로 기계가공한다. 상기 도구 팁의 프로필은 로드(80, 90)에서 원하는 구조물의 형상 및 치수에 의해 결정한다. 일부 보다 복잡한 구조물은 하나의 도구를 사용하거나 별도의 도구를 사용하여 단일 구조물의 프로필을 형성시키는 복수의 패스가 필요할 수 있다. 공지된 마이크로-기계가공 기법은 0.001 ㎛에 이르는 정밀도를 지닌 표면 구조물을 정확하게 재생성시킨다.

본 발명의 모울딩 방법은 광 가이드의 표면 상에 구조물, 특히 광 가이드의 종축에 대하여 횡단 방향으로 존재하는 하나 이상의 표면을 갖는 구조물을 부여하는 데 특히 유용하다. 본 발명의 방법은 이러한 구조화된 광 가이드의 가능한 연속 성형을 가능하게 한다.

예시적인 예로서, 본 발명의 방법은 코어 내로 연장하는 복수개의 광 추출 구조물을 갖는 섬유 코어를 포함하는 광 투과 장치(예를 들면, 광 가이드)를 제조하는 데 사용할 수 있다.

또한, 광 투과 장치는 코어를 통해 이동하는 광을 제어된 영역 및 제어된 세기로 장치의 외부로 투과하는 코어 상에서 그리고 그 코어 내에서 존재하는 추출구조물이라고 칭하는 구조물을 포함할 수도 있다. 전형적인 추출 구조물은, 예를 들면 본 명세서에 참고 인용되어 있는 미국 특허 제5,432,876호, 제5,845,038호 및 제5,631,994호에 기술되어 있다.

도 6(a)를 참조하면, 광 가이드(100)는 코어(102) 및 임의의 클래딩(104)(도 6(a)에서 점선으로 표시됨)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 본 명세서에 사용하는 바와 같이, "클래딩"은 코어의 굴절율보다 더 작은 굴절율을 갖는 코어에 바로 인접한 임의의 물질로서 정의한다. 코어(102)는 본 실시예에서 코어(102)의 종축에 대하여 횡단 방향으로 배향된 일련의 정밀한 광학 평활한 구조물, 즉 복수개의 추출 구조물(106)을 포함한다. 광이 도 6(a)에서 코어(102)를 통해 좌측에서 우측으로 이동함에 따라, 광선 A는 코어/클래딩 계면에서 반사되고, 코어(102) 아래로 계속 전파한다. 광선 B는 추출 구조물들(106) 사이의 위치부의 코어/클래딩 계면에서 입사하고, 내부 전반사에 의해 시계방향으로 반사한다. 그러나, 광선 C는 추출 구조물(106)의 광학 평활한 표면 상의 코어/클래딩 계면에서 입사한다. 추출 구조물(106)의 표면은 광선, 예컨대 광선 C가 구조물의 표면에서 입사하는 경우, 광선이 코어의 단면을 통해 반사되고 구조물의 반대쪽 광 가이드의 표면을 통해 투과되도록, 코어(102)의 표면에 대하여 상대적인 각도를 형성한다. 추출 구조물(106)은 구조물 자체의 반대쪽 측면 상에서 코어(102)로부터 밖으로 광을 유도하므로, 본 명세서에서 "역 추출" 구조물(back extraction structure)이라고 칭한다.

도 6(b)는 코어(112), 임의의 클래딩(114) 및 코어(112)의 표면의 평면에 대하여 횡단 방향으로 배향된 정 추출 구조물(116)을 갖는 광 가이드(110)를 도시한 것이다. 광선(D 및 E)은 내부 반사되며, 광 가이드(110)의 코어 아래로 계속해서 전파한다. 그러나, 광선 F는 광 추출 구조물(116)의 표면 상에 입사하고, 그 광선이 추출 구조물의 인접한 표면을 통해 광 가이드(110)의 밖으로 투과한다. 추출 구조물(116)은 구조물을 포함한 측면 상에서 코어의 밖으로 광을 유도하므로, 본 명세서에서 정 추출 구조물(front extraction structure)이라고 칭한다. 정 추출 구조물 및 역 추출 구조물은 모두 (도 6(a)에서와 같이) 광 가이드의 주표면의 평면 아래의 만입부로서 형성되는, 네가티브형일 수 있거나, (도 6(b)에서와 같이) 광 가이드의 주표면의 평면 위의 돌출부로서 포지티브형일 수 있다.

본 발명의 방법은 복수개의 광 추출 구조물을 갖는 광 가이드를 제조하는 데 이용할 수 있다. 광 가이드를 제조하는 경우, 모울드에 사용되는 물질은, 예를 들면 등록 상표명 Sylgard 184로 Dow Corning(미국 마이애미주 밀드랜드 소재)로부터 구입 가능한 탄성중합체와 같은 실리콘 탄성중합체인 것이 바람직하다. 모울드 내의 구조물은 포지티브형, 네가티브형 또는 이들의 조합형일 수 있다. 추출 구조물 및 이 추출 구조물의 치수 및 기하구조는 최종 장치의 원하는 조명 특성을 기준으로 하여 선택해야 한다. 다양한 추출 구조물 치수 및 배열은 본 명세서에 참고 인용한 미국 특허 제5,432,876호에 상세히 개시되어 있다. 전형적으로, 광 가이드 내의 구조물은 노치형 형상을 가지며, 노치는 법선으로부터 약 10°내지 약 80°의 함유된 각도를 지닌 실질적으로 V형 단면적 형상을 갖는다. 노치의 깊이는 보통 약 0.01 ㎛ 내지 약 0.1 ㎛이고, 노치는 중앙에서 중앙 간의 거리가 약 0.1 mm 내지약 5 mm의 거리로 이격되어 있다.

또한, 거시적인 성분, 예컨대 전자 장치는 모울드 내부에 배치하고, 임의로 모울딩 공정 동안 광 가이드에 커플링할 수 있다. 적합한 전자 장치의 예에는 광 방출 다이오드, 레이저 등이 포함된다.

광 가이드를 모울딩하는 경우, 열경화성 물질은 실질적으로 광학 투명한 최종 물품으로 전부 또는 부분 중합될 수 있는 임의의 물질 중에서 선택할 수 있다. 이러한 용도에서, "광학 투명한"이란 용어는 중요한 파장 영역에서 95% 이상의 투과율을 갖는 물질을 의미한다. 일반적인 부류의 열경화성 물질로는 그러한 투명성 특성의 경우 아크릴레이트가 바람직하다. 그러나, 많은 용도에서, 보다 가요성 있는 성형 물품이 필요한 경우에는 우레탄을 열경화성 물질로서 선택할 수 있다. 우레탄은 특정 제제가 광학 용도에 사용하는 데 충분히 투명하지 않을지라도 중합 단계 동안 최소한으로 접촉한다. 본 발명에서 유용한 바람직한 폴리우레탄은 광, 특히 자외 광선에 장기간 노출 하에 안정성을 나타내며, 보다 상세한 내용이 본 명세서에 참고 인용되어 있는 미국 특허 제6,033,604호에 기재되어 있다.

적합한 우레탄에는 하나 이상의 폴리이소시아네이트와 하나 이상의 폴리올과의 광학 투명한 중합 반응 생성물이 포함된다. 바람직한 폴리우레탄은 연질 또는 경질 열경화된 지방족 폴리우레탄을 포함한다. 유용한 지방족 폴리우레탄은 폴리에스테르 폴리올, 폴리이소시아네이트 및 임의로 사슬 연장제의 반응로부터 제조할 수 있다. 폴리올:폴리이소시아네이트:사슬 연장제의 몰비는 약 1:1:0 내지 약 1:15:14인 것이 바람직하고, 약 1:1:0 내지 약 1:6:5인 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 유용한 지방족 폴리우레탄은 먼저 폴리올과 디이소시아네이트를 반응시켜서 예비중합체를 형성시킨 후, 이 예비중합체를 사슬 연장제와 반응시킴으로써 2 단계 공정으로 제조할 수 있다. 또한, 폴리우레탄은 먼저 폴리올을 사슬 연장제와 혼합하고, 이어서 디이소시아네이트를 첨가함으로써 원-포트(one-pot) 방법으로 제조할 수 있다. 폴리우레탄은 약 60,000 내지 약 200,00 범위 내의 중량 평균 분자량을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 유용한 지방족 폴리우레탄은

(a) 분자량이 약 200 내지 15,000인 이소시아네이트-말단화된 폴리에스테르 폴리올 분자를 포함하는 연질 분절,

(b) 임의로, 사슬 연장제와 연질 분절의 이소시아네이트 말단기 및 추가의 폴리이소시아네이트와의 반응 생성물을 주로 포함하는 경질 분절, 및

(c) 존재하는 기본적으로 모든 폴리에스테르 폴리올과 사슬 연장제 분자와 반응하기에 충분한 지방족 폴리이소시아네이트

를 포함하는 것이 바람직하다.

경질 분절은, 필요한 경우 세기를 개선시킬 수 있고, 폴리우레탄 광 가이드의 굴절율을 증가시킬 수 있는데, 단 이들은 그 광 투과성 특성에 악영향을 미치지지 않아야 한다.

우레탄 연결부 이외에도, 임의로 열경화성 물질 제제 내에 존재하는, 예를 들면 , 이소시아네이트, 바이우렛, 알로포네이트(allophonate), 아미드 또는 옥사졸리돈과 같은 다른 연결부가 존재할 수 있다. 이들 실례에서, 전술한 양을 초과한추가의 폴리이소시아네이트가 필요하지만, 추가의 연결부는 이것이 광 가이드의 유효성을 감소시키는 상 분리 및 광 산란을 초래할 정도로 존재할 수 없다. 또한, 예를 들면 디부틸 아디페이트와 같은 가소제, 예를 들면 디부틸 주석 디라우레이트와 같은 촉매, 그리고 안정화제 및 항산화제와 같은 첨가제는 만족스러운 생성물 성능을 보장하는 데 필요한 양으로 열경화성 물질에 첨가할 수 있다.

본 발명에 유용한 지방족 폴리우레탄은 다른 광학 투명한 중합체와 혼합할 수 있는데, 단 그 혼합물은 혼화성을 갖거나, 또는 형성된 도메인이 작아야 하며, 광을 산란시키지 말아야 한다. 왜냐하면, 이들은 형성된 광 가이드의 유효성을 저하시키는 경향이 있기 때문이다.

본 발명은 하기 실시예를 참조하면 설명하는데, 이들 예에 한정되는 것은 아니다.

발명의 개요

현재, 물품의 표면 내로 정밀한 구조물을 부여하기 위해서는, 구조물을 물품의 표면 내로 기계가공하거나, 배치(bath) 공정을 사용하여 물품을 성형하거나, 구조물을 별도의 모울딩 단계에서 물품의 표면에 부착한다. 통상적인 단일 단계의 연속 압출 및 사출 성형 공정은 물품의 주표면의 평면에 대하여 횡단 방향으로 표면 프로필 구조물의 정밀한 복제를 충분히 제공하지 못한다.

본 발명은 광 가이드의 종축에 대하여 횡단 방향으로 배열된 표면 프로필 구조물을 갖는 연장된 광 가이드를 제조하기 위한 연속 공정이다. 본 발명의 공정에서, 액상 열가소성 물질은 모울딩 표면의 종축에 횡단 방향으로 배향된 포지티브형 또는 네가티브형 구조물을 지닌 모울딩 표면을 보유하는 밀폐된 모울드 공동 내로 도입한다. 모울딩 공정 동안, 열경화성 물질이 중합을 수행하여 열경화된 광 가이드를 형성하기 때문에, 모울드 내의 구조물은 단일 단계로 광 가이드의 표면에 정밀하게 부여된다.

본 발명의 공정에서, 액상 열경화성 물질은 액체가 모울딩 표면 상의 구조물 위로 또는 내로 용이하게 유동하는 것을 보장하도록 선택된 적당한 온도 및 압력에서 모울드에 도포할 수 있다. 상기 열경화성 물질은 모울드 내에서 구조물과 친밀하게 그리고 실질적으로 균일하게 접촉하므로, 횡단 방향의 표면 프로필 구조물은 통상적인 압출 공정 또는 사출 성형 공정에서보다 더 정밀하게 복제할 수 있다. 적당한 모울딩 온도는 완전 또는 부분 중합된 광 가이드의 수축을 감소시키거나 실질적으로 제거한다. 본 발명의 공정은 주기 시간을 감소시키고, 통상적인 배치 공정 또는 다단계 모울딩 공정보다 더 상업적으로 실행 가능한 광 가이드의 제조에 이용한다.

본 발명의 공정은 광 가이드 내에서 광 전파의 방향에 대하여 횡단 방향으로 다수의 광 추출 구조물을 포함하는 광 가이드와 같은 광 투과 물품의 연속적이고 신속한 제조에 특히 매우 적합하다. 광 추출 구조물은 광이 광 가이드 내에서 전파하는 평면 위로 투사하는 포지티브형일 수 있거나, 광 전파의 평면 아래로 투사하는 네가티브형일 수 있다. 전형적으로, 광 가이드는 연장된 형상을 갖고, 광은 광가이드의 종축을 따라 이동하며, 광 추출 구조물은 종축에 대하여 횡단 방향으로 형성된다.

한 양태에서, 본 발명은 연장된 광 가이드의 제조 방법이며, 상기 방법은

(a) 2 이상의 모울드 부품을 포함하는 이동 모울드 어셈블리를 제공하는 단계로서, 상기 모울드 부품은 맞물린 부분과 맞물리지 않은 부분을 갖는 것인 단계,

(b) 맞물리지 않는 부분이 제1 방향으로 이동하고, 맞물린 부분이 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이동하여 종축을 갖는 연장된 재생 모울드 공동을 형성하도록 모울드 부품을 이동시키는 단계로서, 상기 공동은 종축에 대하여 횡단 방향으로 하나 이상의 구조물을 지닌 모울딩 표면을 포함하는 것인 단계,

(c) 열경화성 물질을 공동 내로 도입하는 단계,

(d) 공동 내의 열경화성 물질을 적어도 부분 중합시켜서 상기 공동 내부에 광 가이드를 형성시키는 단계, 및

(e) 모울드 어셈블리로부터 광 가이드를 제거하는 단계

를 포함한다.

본 발명의 하나 이상의 실시양태에 대한 세부적인 내용은 첨부한 도면 및 하기 상세한 설명에서 기술한다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명 및 도면으로부터, 그리고 특허청구의 범위로부터 명백하게 이해할 수 있다.

도 5의 2가지 피스 모울드를 사용하여 광 가이드를 제조하였다. 열경화성 물질은 하기 표 1의 조성을 지닌 우레탄이었다. A 부분과 B 부분을 1:1로 포함하는 열경화성 물질은 7 피트(2.13 m) 튜브내 4 피트(1.2 m)의 정적 혼합기 팩킹 내에서 혼합하였다.

	A 부분	B 부분
CAPA 203	43.93 g	566.1 g
CAPA 301	0 g	150 g
DESMODUR-W	351.6 g	0 g
TOLONATE HDT-LV	348.9 g	0 g
DBTDA	0.03 g	2.15 g
CAPA 203 및 CAPA 201은 텍사스주 휴스톤에 소재하는 Solvay Interox로부터 구입 가능한 폴리올에 대한 등록 상표명이다.DESMODUR W는 펜실베니아주 피츠버그에 소재하는 Bayer Corp.로부터 구입 가능한 디이소시아네이트의 등록 상표명이다.TOLONATE는 뉴저지주 크랜버리에 소재하는 Rhone Poulenc Chemical Co.로부터 구입 가능한 트리-이소시아네이트에 대한 등록 상표명이다.DBTDA는 위스콘신주 밀워키에 소재하는 Aldrich Chemical Co.로부터 구입 가능한 디부틸 주석 디라우레이트이다.

실리콘으로 제조된 연속 벨트로서 제조한 모울드는 상부와 하부를 포함하였다. 벨트 내의 모울딩 공동은 직경이 12.5 mm인 단면을 갖고 있고, 길이 30.5 cm 당 200개의 구조물을 포함하였다. 상기 구조물은 V-형 단면적 형상을 지닌 광학 평활한 노치였고, 깊이 0.35 mm 및 함유된 각도 105°를 지녔다.

연속 벨트를 설정하여 약 93 cm/분의 속도로 이동시켰는데, 이것은 모울드 체적 약 102.8 cm³/분을 제공하였다. 우레탄의 경우 중합 시간은, 노즐을 떠나 모울딩 벨트의 밀폐된 모울드 부분에 유입된 후, 약 40초였다.

약 40 피트(12.2 m)의 우레탄 추출 섬유를 성형하였다. 모울드로부터 복제는 매우 우수하였고, 동시에 배치 모울딩 공정으로부터 얻은 결과와 유사하였다.

지금까지 본 발명의 다수 실시양태를 기술하였다. 그럼에도 불구하고, 변형예는 본 발명의 기술 및 범주에 벗어나는 일 없이 이루어진다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 다른 실시양태는 첨부한 특허청구의 범위 내에 속한다.

Claims

(a) 2 이상의 모울드 부품을 포함하는 이동 모울드 어셈블리를 제공하는 단계로서, 상기 모울드 부품은 맞물린 부분과 맞물리지 않은 부분을 갖는 것인 단계,

(b) 맞물리지 않은 부분이 제1 방향으로 이동하고, 맞물린 부분이 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이동하여 종축을 갖는 연장된 재생 모울드 공동을 형성하도록 모울드 부품을 이동시키는 단계로서, 상기 공동은 종축에 대하여 횡단 방향으로 하나 이상의 구조물을 지닌 모울딩 표면을 포함하는 것인 단계,

(c) 열경화성 물질을 공동 내로 도입하는 단계,

(d) 공동 내의 열경화성 물질을 적어도 부분 중합시켜서 상기 공동 내부에 광 가이드를 형성시키는 단계, 및

(e) 모울드 어셈블리로부터 광 가이드를 제거하는 단계

를 포함하는, 연장된 광 가이드의 제조 방법.
제1항에 있어서, 모울드 어셈블리는 2개의 모울드 부품을 포함하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 모울드 부품은 연속적으로 이동하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 모울드 부품은 불연속적으로 이동하는 것인 방법.
제2항에 있어서, 모울드 부품이 무한 벨트인 방법.
제2항에 있어서, 모울드 부품은 공동 내의 열경화성 물질을 완전 중합시키기에 충분한 속도로 동시에 진행하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 열경화성 물질은 모울드 부분의 연속 작동 및 벨트의 제2 말단에서 공동의 제2 말단으로부터 광 가이드의 동시 제거를 허용하기에 충분한 속도로 벨트의 제1 말단에서 공동의 제1 말단 내로 도입하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 벨트는 실리콘을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 상기 열경화성 물질은 반응성 실리콘, 우레탄 및 아크릴로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 방법.
제9항에 있어서, 열경화성 물질이 우레탄 공중합체인 방법.