KR20040021710A

KR20040021710A - 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20040021710A
Application number: KR1020020051301A
Authority: KR
Inventors: 박순범; 정훈기; 한인식; 강대식
Original assignee: 주식회사 코오롱
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-11

Abstract

본 발명은 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 심초형(Sheath and core type)으로 복합방사후 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유를 제조함에 있어서, 상기 클래드용 중합체의 용융중합시 페놀계 산화방지제를 클래드용 중합체 100중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부 첨가하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 플라스틱 광섬유는 35℃에서 30일 방치시 전송손실율이 10% 미만이다.

Description

열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유 및 그의 제조방법 {A plastic optical fiber with excellent thermo oxidative stabilization, and a process of preparing the same}

본 발명은 플라스틱 광섬유(이하 "POF" 라고 한다) 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 클래드에 페놀계 산화방지제가 첨가되어 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유(POF) 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

플라스틱 광섬유는 기존 석영계 광섬유(유리섬유)에 비하여 광의 전송효율면에서는 비효율적이나 우수한 구부림 특성, 접속용이성, 저비용 등의 장점을 갖고 있어서 최근 근거리용 통신망 시스템 등에서 유리섬유를 대체할 유망한 소재로 부각되고 있다. 플라스틱 광섬유의 구체적인 용도로는 디지탈 TV, 컴퓨터 프린터 등과 같은 정보 단말을 연결하는 근거리 통신망, 자동차 내부의 통신매체, 내시경의 영상가이드(Image Guide), 장식용 등이 있다.

플라스틱 광섬유(POF)는 도 1과 같이 중심에 위치하는 코어 중합체(이하 "코어"라 약칭한다)를 클래드 중합체(이하 "클래드"라 약칭한다)가 감싸고 있는 심초형(Sheath and core type) 구조를 갖고 있으며, 코어 성분으로는 폴리메틸메타크릴레이트(이하 'PMMA' 라고 한다), 폴리카보네이트, 폴리스티렌 등 굴절율이 크고, 빛의 투과성이 우수한 중합체를 사용하며, 클래드용 성분은 코어 성분보다 굴절율이 낮으며 투명성이 뛰어난 중합체를 사용한다.

이러한 POF는 코어(1) 부분의 굴절율의 분포에 따라서 스텝 인덱스(Step Index) POF, 멀티 스텝 인덱스(Multi Step Index) POF, 그래디드 인덱스(Grade Index) POF로 대별된다. 일반적인 스텝 인덱스 POF의 제조방법은 연속압출법이나 회분압출법 등의 방법으로 제작되고, 그래디드 인덱스 POF는 모재를 연신하여 만드는 방법이 주로 이용된다.

연속압출법의 특징은 단량체, 개시제 및 연쇄이동제를 용융중합하여 코어 중합체와 클래드 중합체를 각각 중합한 다음, 복합방사노즐을 사용하여 코어 중합체와 클래드 중합체를 용융복합방사하여 제조한다. 그래디드 인덱스 POF는 주로 굴절율 분포를 가지고 있는 모재에 열을 이용한 연신공정을 통하여 POF 형태로 가공한다.

상기와 같은 통상적인 종래 기술에서 제조된 POF는 장식용 및 통신용 등에 사용시 5년 내지 10년 이상 그 수명을 유지해야 하기 때문에 그 안정성이 매우 중요하다. 모든 고분자는 시간이 지남에 따라 열, 습도 물리적 및 시간적 변화에 따라서 열화(Degradation) 현상이 일어나는데, POF에 사용되는 코어성분과 클래드 성분도 열화에 의한 광손실이 증가되어 치명적인 결함으로 작용할 수 있다.

특히 클래드 성분의 열화는 도 2와 같이 코어(1)와 클래드(2) 간의 계면이 분리되는 결함이 발생되거나 도 3과 같이 클래드(3)에 균열부(4)가 발생되어 POF의 광전송 성능에 큰 영향을 미친다.

장시간 사용시 열화에 의해 POF의 광전송 성능이 저하되는 문제점, 다시말해 전송손실이 증가하는 문제점을 개선하기 위한 종래기술로서 일본 공개특허 제 92-16905호에서는 코어 중합체로 폴리카보네이트를 사용하여 POF를 제조한 후 이를 60~100℃에서 장시간 열처리하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 상기방법으로 제조된 POF는 폴리카보네이트가 내열성은 우수하나 화학적으로 쉽게 산화되어 장시간 방치시 황변되며 투과율의 저하에 따른 전송손실이 많이 발생하는 문제점이 있었다.

또한 일본 공개특허 제 83-18608호에서는 클래드(2)층 위에 다시 자켓층을 설치한 3층 구조의 POF를 제안하고 있으나, 상기의 경우 자켓층에 함유된 가소제가 코어 및 클래드로 확산되어 전송손실을 가져오는 문제점이 있었다.

또한 일본 공개특허 제 93-249325호에서는 상기와 같이 자켓층에 함유된 가소제가 코어 및 클래드로 확산되는 것을 방지하기 위하여 2개의 클래드층을 사용한 POF를 제안하고 있으나, 상기의 경우 클래드층의 굴절율 문제로 POF에 부적합한 문제가 있었다.

본 발명은 장시간 사용시에도 열화에 의해 광전송손실이 크게 증가하지 않도록 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유(POF) 및 그의 제조방법을 제공하고자 한다. 본 발명은 플라스틱 광섬유(POF)의 열적산화안정성을 개선하기 위해서 클래드층에 페놀계 산화방지제를 첨가하여 POF를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명 플라스틱 광섬유의 단면도

도 2는 코어와 클래드 간의 계면이 분리된 상태를 나타내는 플라스틱 광섬유의 단면도

도 3은 클래드에 균열이 발생된 상태를 나타내는 플라스틱 광섬유의 단면도

※ 도면중 주요부분에 대한 부호설명

1 : 코어 2 : 클래드 3 : 코어와 클래드 간의 계면이 분리된 부분

4 : 클래드에 발생된 균열 부분

이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 플라스틱 광섬유(POF)의 제조방법은, 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 심초형(Sheath and core type)으로 복합방사후 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유를 제조함에 있어서, 상기 클래드용 중합체의 용융중합시 페놀계 산화방지제를 클래드용 중합체 100중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 플라스틱 광섬유(POF)는 코어용 중합체를 클래드용 중합체가 심초형(Sheath and core type)으로 감싸고 있는 구조를 갖는 플라스틱 광섬유에 있어서, 상기 클래드 중합체 내에 페놀계 산화방지제가 클래드 중합체 100 중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부 함유되어 있고, 35℃에서 30일 방치시 전송손실율이 10% 미만인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 먼저, 통상의 종래방법과 같이 개시제 및 연쇄이동제를 사용하여 단량체들을 용융 중합하여 코어용 중합체 및 클래드용 중합체를 각각 제조한다. 이때 개시제로는 벤조일 퍼옥시드(Benzoyl peroxide) 등을 사용하고, 연쇄이동제로는 n-부틸 머캅탄(n-buthyl mercaptan) 등을 사용한다.

코어용 중합체 제조시에는 단량체로서 정제된 메틸메타아크릴레이트, 카보네이트 또는 스티렌 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하기로는 메틸메타아크릴레이트를 사용하는 것이 좋다.

중합완료 후 코어용 중합체는 폴리메틸메타크릴레이트(이하 "PMMA"라 한다), 폴리카보네이트 또는 폴리스티렌으로 구성된다.

한편, 클래드 중합체 제조시에는 단량체로서 정제된 불소화비닐리덴을 사용하는 것이 바람직 하다.

본 발명에서는 광전송 손실을 최소화하기 위하여 클래드 중합체의 용융중합시 개시제 및 연쇄이동제와 함게 페놀계 산화방지제를 클래드용 중합체 100 중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부, 보다 바람직하기로는 0.01 내지 1 중량부 첨가하는 것을 특징으로 한다.

페놀계 산화방지제로는 이가녹스(Irganox- Ciba Geigy사 제품)계 등을 사용한다. 페놀계 산화방지제의 첨가량이 상기 범위보다 적을 경우에는 POF의 열적산화안정성을 효과적으로 개선할 수 없는 문제가 발생될 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 클래드용 중합체의 물리적, 화학적 물성이 변화되어 POF 제조에 부적합하게 될 수도 있다.

다음으로는, 상기와 같이 제조된 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 통상의 멀티 스텝 인덱스 플라스틱 광섬유의 제조방법과 같이 각각의 익스트루더 (Extruder)에서 용융, 혼합한 후, 이들을 복합방사장치로 공급하여 도 1과 같은 심초형(Sheath and core type)으로 복합방사하고, 계속해서 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유(POF)를 제조한다.

상기 복합방사시 코어용 중합체 : 클래드용 중합체의 중량비는 100 : 5 수준으로 조절하는 것이 바람직 하다.

이와 같이 제조된 본 발명의 플라스틱 광섬유(POF)는 도 1과 같이 코어용 중합체를 클래드용 중합체가 심초형으로 감싸고 있는 구조를 갖고, 상기 클래드 중합체 내에 페놀계 산화방지제가 클래드 중합체 100 중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부, 보다 바람직하기로는 0.1 내지 1 중량부 함유되어 35℃에서 30일 방치시 전송손실율이 10% 미만 이다.

본 발명에 있어서, 전송손실 및 전송손실 변화율은 아래와 같이 평가 하였다.

·전송손실(dB/km)

커트-백(Cut-back) 방법에 의한 650nm개 LED 광원을 이용하여 측정 하였다.

·전송손실 변화율(%)

직경 1mm × 길이 25mm의 POF 시료를 35℃의 열풍오븐에서 30일간 방치하여 오븐 에이징(Oven Aging) 처리한 후의 전송손실과 상기와 같은 오븐 에이징처리 전의 전송손실을 상기 측정방법으로 각각 측정하고, 측정값들을 아래 식에 대입하여전송손실 변화율을 구한다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴 본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

정제된 메틸메타아크릴레이트(단량체) 100 중량부, 벤조일 퍼옥사이드(개시제) 0.3 중량부 및 n-부틸 머캅탄(연쇄이동제) 0.15 중량부를 중합반응기에 투입후 상기 단량체를 용융중합하여 폴리메틸메타크릴레이트(코어용 중합체)를 제조한다. 한편, 정제된 불소화비닐리덴(단량체) 100 중량부, 벤조일퍼옥사이드(개시제) 0.3 중량부, n-부틸 머캅탄(연쇄이동제) 0.15 중량부 및 이가녹스계 산화방지제(Ciba Geigy사 제품) 0.05 중량부를 중합반응기에 투입후 상기 단량체를 용융중합하여 불소화 폴리비닐리덴(클래드용 중합체)를 제조한다. 상기와 같이 제조된 코어용 중합체와 클래드용 중합체를 각각의 익스트루더에 공급하여 용융한 다음, 이들을 복합방사장치로 공급하여 도 1과 같은 심초형으로 복합방사하고, 계속해서 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유(POF)를 제조한다. 복합방사시 코어중합체 : 클래드 중합체의 중량비를 100 : 5 로 조절하였다. 이와 같이 제조된 플라스틱 광섬유의 오븐 에이징 처리전 전송손실, 오븐 에이징 처리후의 전송손실 및 전송손실 변화율을 측정한 결과는 표 2와 같다.

실시예 2 ~ 실시예 3 및 비교실시예 1

산화방지제의 투입량을 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정 및 조건으로 플라스틱 광섬유(POF)를 제조하였다. 이와 같이 제조된 플라스틱 광섬유의 오븐 에이징 처리전 전송손실, 오븐 에이징 처리후의 전송손실 및 전송손실 변화율을 측정한 결과는 표 2와 같다.

<표 1> 제조조건

구 분	산화방지제 투입량(중량부)
실시예 1	0.05
실시예 2	0.1
실시예 3	1.0
비교실시예 1	0

<표 2> 전송손실 측정 결과

구 분	오븐 에이징 처리전전송손실(dB/km)	오븐 에이징 처리후전송손실(dB/km)	전송손실 변화율(%)
실시예 1	162	171	5.3
실시예 2	163	169	3.6
실시예 3	163	168	3.0
비교실시예 1	162	181	11.7

본 발명의 POF는 장식용 및 통신용 등으로 장시간(30일 이상) 사용하여도 열화현상에 의한 코어(1)와 클래드(2) 간의 계면분리 현상이나 클래드(2)의 균열발생 현상을 효과적으로 방지할 수 있어서 광전송손실을 현저하게 감소시킬 수 있다.

Claims

코어용 중합체와 클래드용 중합체를 심초형(Sheath and core type)으로 복합방사후 냉각, 연신 및 열처리하여 플라스틱 광섬유를 제조함에 있어서, 상기 클래드용 중합체의 용융중합시 페놀계 산화방지제를 클래드용 중합체 100중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부 첨가하는 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 페놀계 산화방지제의 첨가량이 클래드용 중합체 100 중량부에 대하여 0.01 내지 1 중량부인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 코어용 중합체가 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트 또는 폴리스티렌인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 클래드용 중합체가 불소화 폴리비닐리덴인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
1항에 있어서, 복합방사시 코어용 중합체 : 클래드용 중합체의 중량비가 100 : 5 인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유의 제조방법.
코어용 중합체를 클래드용 중합체가 심초형(Sheath and core type)으로 감싸고 있는 구조를 갖는 플라스틱 광섬유에 있어서, 상기 클래드 중합체 내에 페놀계 산화방지제가 클래드 중합체 100 중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부 함유되어 있고, 35℃에서 30일 방치시 전송손실율이 10% 미만인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유.
6항에 있어서, 클래드 중합체 내 페놀계 산화방지제의 함량이 클래드용 중합체 100 중량부에 대하여 0.01 내지 1 중량부인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유.
6항에 있어서, 코어용 중합체가 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트 또는 폴리스티렌인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유.
6항에 있어서, 클래드용 중합체가 불소화 폴리비닐리덴인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유.
6항에 있어서, 복합방사시 코어용 중합체 : 클래드용 중합체의 중량비가 100 : 5 인 것을 특징으로 하는 열적산화안정성이 우수한 플라스틱 광섬유