KR20100094540A - 확대된 조사 장치로 섬유 경화 및 비선형 경로 - Google Patents

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Abstract

광섬유를 제조하기 위한 방법은 광섬유를 제조하기 위한 방법을 포함하는데,상기 방법은: (i) 적어도 10 m/sec의 속도에서 제 1 경로를 따라 프리폼으로부터 베어 광섬유를 연신시키는 단계; (ii) 유체 베어링에서 유체의 지역과 상기 베어 광섬유를 접촉시키는 단계 및 상기 베어 광섬유가 유체 쿠션(cushion)의 지역을 가로질러 연신됨에 따라 제 2 경로를 따라 상기 베어 광섬유를 재배향(redirecting)시키는 단계; (iii) 상기 베어 광섬유를 코팅시키는 단계; 및 (iv) UV 광(light)에 상기 광섬유를 노출하는 동안, 상기 코팅을 적어도 부분적으로 경화시키기 위해 적어도 하나의 조사 영역(zone)에서 상기 코팅된 섬유를 조사하는 단계를 포함한다.

Description

확대된 조사 장치로 섬유 경화 및 비선형 경로{FIBER CURE WITH EXTENDED IRRADIATORS AND NON LINEAR PATH}
이 출원은 미국법 제119조(e) 하에서 가특허 출원 U.S. 제 61/004,676호 (2007년 11월 29일)의 우선권 이익을 주장한다.
본 발명은 광섬유를 형성하기 위한 방법 및 장치, 그리고 특히 개선된 특성을 갖는 광섬유를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
광섬유는 종종 존재하는 구리선(copper wires)을 대신하여, 통신(communications) 분야에서 점점 중요한 역할을 수행한다. 이 전송의 형태는 광학적으로 깨끗한 섬유를 통해 광빔(light beam)을 보내는 것에 의해 수행된다. 광 빔과의 간섭 또는 전송 동안에 그것의 부분적 손실 때문에 성공적 통신 기술을 광섬유의 사용을 만들기 위해 최소로 해야 하고, 광섬유는 신호의 손실 또는 신호의 왜곡(distortion)을 야기하는 어떤 환경으로부터 보호되어야 한다. 상기 광섬유를 코팅시키는 것은 어떠한 하나의 기술이다. 상기 광섬유는 연마(abrasion) 또는 물에서 발생하는 피해(damage)로부터 상기 섬유 표면을 보호하기 위해, 상기 섬유 강도를 유지하기 위해, 그리고 섬유 벤딩(bending)으로부터 결과되는 통신 손실을 방지하기 위해 코팅된다.
광섬유는 통상적으로 유리 코어(core), 유리 클래딩(cladding), 및 두 개 이상의 코팅에서, 즉 일차(primary)(또는 내부의) 코팅 및 이차(secondary)(또는 외부의) 코팅을 포함한다.
섬유가 쿠션(cushion)에 버퍼(buffer)로 제공이 형성된 후에 즉시 적용되는 일차 코팅은 섬유가 구부려지고, 케이블(cabled)되고, 또는 감겨질(spooled) 때, 유리 섬유 코어를 보호한다. 이차 코팅은 일차 코팅, 공정 및 사용 동안 유리 섬유에 피해를 방지하는 터프(tough), 보호적인 외부층으로서 기능으로 적용된다. 두 가지 코팅 모두는 섬유의 수명 동안 구조적 강화를 경화(harden)하고 유지하기 위해 통상적으로 경화되는(예를 들어, UV 광 조사에 의해) 것을 필요로 한다.
일반적으로 광섬유를 생산하기 위해 통상적 기술 및 제조 공정은 생산의 단계를 통해 선형(linear) 경로를 따라 하향으로(downwardly) 광섬유를 연신시키는 단계를 포함한다. 그러나, 이 기술은 광섬유의 생산을 개선 및 변형시키기 위해 중요한 이물질(impediments)을 제공한다. 예를 들면, 광섬유의 선형 생산과 관계된 장치는 보통 상부에서 바닥 패션(fashion)으로 정렬되는데, 거기에서 전체 시스템의 추가 높이 없이 공정을 추가 또는 변형시키기 위해 그것을 어렵게 만든다. 어떤 경우에, 선형 생산 시스템의 추가는 건물 하우징(예를 들어, 연신 타워는 존재하는 건물의 천장에 또는 근처임)에 높이를 추가시키기 위해 추가적 구성을 필요로 한다. 그러한 이물질은 광섬유 생산 시스템 및 설비를 변형 또는 업데이트(update)를 제공하기 위해 중요한 비용을 야기시킨다.
예를 들면, 섬유의 연신 속도(draw speed)를 증가시키기는 어렵다. 왜냐하면, 섬유가 섬유 코팅을 경화하는 UV 조사에서 더 적은 시간을 보내기 때문이다. 그러나, 선형 생산 시스템에 더 많은 조사기(irradiators) 또는 더 큰 조사기 추가는 어렵다. 통상적으로 전체 시스템의 높이 추가 없이, 추가적 조사기(조사기를 통해 더 빨리 움직이는 섬유를 수용하기 위해)를 추가하기 위한 이용가능한 공간은 거의 없다.
존재하는 시스템에 추가 높이가 시스템에 중요한 비용을 추가시킬 수 있기 때문에, 전체 시스템 높이에서 증가하는 필요화(necessitating)없이 추가적 조사기에 이용가능한 공간에서 섬유 연신 시스템이 바람직하다.
본 발명의 한 측면은 광섬유를 제조하기 위한 방법을 포함하는데, 상기 방법은 (i) 제 1 경로를 따라 프리폼(preform)으로부터 베어(bare) 광섬유를 연신시키는 단계; (ii) 유체 베어링(bearing)에서 유체 지역과 상기 베어 광섬유를 접촉시키는 단계 및 상기 베어 광섬유가 유체 쿠션의 상기 지역을 가로질러 연신됨에 따라 제 2 경로를 따라 상기 베어 광섬유를 재배향(redirecting)시키는 단계; (iii) 상기 베어 광섬유를 코팅시키는 단계; 및 (iv) UV 광(light)에 상기 광섬유를 노출하는 동안, 상기 코팅을 적어도 부분적으로 경화시키기 위해 적어도 하나의 조사 영역(zone)에서 상기 코팅된 섬유를 조사(irradiating)하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 상기 베어 광섬유는 적어도 10 m/sec의 속도에서 연신된다.
본 발명의 추가적 특징 및 이점은 하기 상세한 설명에서 상술될 것이고, 부분적으로 후술하는 청구항뿐만 아니라 수반되는 도면의 상세한 설명을 포함하는 여기에서 기술되는 것처럼 본 발명을 실시하는 것에 의해 기술되거나 인식되는 것으로부터 그 분야의 당업자에게 명백할 것이다.
전술한 일반적 설명 및 후술하는 상세한 설명은 본 발명의 구체예를 포함하는 것으로 이해되고, 그것이 청구하는 것처럼 본 발명의 본질 및 특성의 개략 또는 틀을 제공하는 것으로 의도된다. 수반되는 도면은 본 발명의 추가적 이해를 위해 포함되고, 거기에 통합되며 본 발명의 부분을 구성한다. 도면은 본 발명의 다양한 구체예를 설명하고, 본 발명의 작용 및 원리를 설명하기 위해 제공되는 기술과 함께한다.
도 1은 광섬유 제조 시스템을 설명한다;
도 2는 광섬유 제조 시스템에서 사용하기 위한 유체 베어링(fluid bearing)의 분해 조립도를 설명한다;
도 3은 광섬유 제조 시스템의 테이퍼된 지역(tapered region)을 갖는 유체 베어링의 측계획도(side plan view)를 설명한다;
도 4는 유체 베어링 지역의 도 3의 일부분의 확대도를 설명한다; 그리고
도 5는 유체 베어링 일부분의 전면계획도(front plan view)를 묘사한다.
참고는 이제 본 발명의 현재 바람직한 구체예(들)에 상세한 설명에서 만들어질 것이고, 실시예들은 수반되는 도면에서 설명된다.
본 발명은 유체 베어링의 사용을 통해 비선형(nonlinear) 경로를 따라 광섬유를 생산하는 새로운 시스템(들) 및 방법(들)을 제공한다. 본 발명의 구체예들은 여기에서 도 1-5과 연결하여 상세히 설명되고, 여기서 유사한 숫자들은 동일한 것 또는 도면을 통해 관계된 요소를 지시한다.
높은 연신 속도는 광섬유를 제조하는 비용을 감소시킨다. 광섬유를 코팅할 때, 높은 연신 속도에서, 섬유 코어를 보호할 수 있는 균일하고 강한 코팅을 생산하는 것이 중요하다. 그러나, 새롭게 코팅된 섬유가 조사기(예를 들면, 섬유가 조사 디바이스를 통해 너무 빨리 연신될 때) 내에 충분한 드웰(dwell) 시간이 제공되지 않을 때, 섬유 코팅은 충분히 경화하지 않을 수도 있고, 섬유는 디라미네이팅 코팅(delaminating coatings), 비-균일한 코팅, 취약한 코팅, 또는 섬유의 광 파라미터에서 바람직하지 않은 변화와 같은 결점을 경험할 것이다. 이 결점들을 구제(combat)하기 위해, 광섬유는 경화된 충분한 시간 동안 조사 영역 내에 광섬유를 유지하는 것에 의해 본 발명에 따라 조사된다. 본 발명의 하나의 이점은 더 빠른 연신 속도를 가능하게 하고, 섬유 코팅(들)을 충분히 경화하기 위해 더 긴 조사 영역(들)을 제공하는 것이다.
본 발명은 불충분한 코팅 경화와 관계된 결점을 감소시키기 위해 연신 광섬유를 조사시키는 개선된 방법을 포함한다. 여기에서 사용된 것처럼, 코팅된 섬유를 노출시키는 "조사(irradiating)"는 적어도 부분적으로 코팅을 경화하는 조사, 바람직하게는 UV 광으로 이동된다. 후술하는 상세한 설명으로부터 더 나은 이해가 될 것이고, 본 발명의 방법 및 장치는 상대적으로 높은 속도, 연신의 높은 장력(tension) 형성, 도핑(doped), 섬유 제조를 위한 종래의 방법과 비교하여 잘 경화된 코팅을 갖는 광유리를 허용할 수도 있다.
경험(foregoing)을 성취하기 위해, 본 발명의 구체예는 가열된 유리 소스(source)로부터 섬유를 연신시키는 단계, 및 유체 베어링의 유체 쿠션(cushion)의 지역과 베어 광섬유를 접촉하는 단계 및 유체 쿠션의 지역을 가로질러 연신되는 베어 광섬유로서 적어도 제 2 경로를 따라 베어 광섬유를 재배향시키는(redirecting) 단계를 포함하는 광섬유를 제조하는 시스템 및 방법을 포함한다.
본 발명의 추가적 구체예에 따라, 높은 속도에서 광섬유를 제조하는 방법이 제공되는데, 이는 적어도 10 m/sec의 속도에서, 바람직하게는 적어도 20 m/sec의 속도에서, 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 30 m/sec의 속도에서, 섬유 프리폼(preform)과 같은 가열된 유리 공급으로부터 광섬유를 연신시키는 단계를 포함하는데, 여기서 광섬유는 바람직하게는 200℃ 이하로 냉각, 더욱 바람직하게는 100℃ 이하, 그리고 심지어 더욱 바람직하게는 80℃ 이하로 냉각되는 단계에 의해 뒤따라온다.
여기서 사용된 것처럼, "조사 영역(irradiation zone)"이라는 용어는 코팅된 광섬유가 섬유 코팅(들), 예를 들면, UV 광에 의해 최소한 부분적으로 경화하기 위해 조사되는 연신 로(furnace)로부터 영역 아래를 언급한다. 바람직한 구체예에서, 조사 영역에서 섬유의 평균 조사 속도(또한 여기에서 평균 파워(power)로 언급되는)는 300 W/cm 이하를 포함하여 400 W/cm 이하, 바람직하게는 80 W/cm 이상, 예를 들면 110 W/cm 내지 280 W/cm 일 수 있다. 예를 들면, 평균 파워는 300 W/in(약 118 W/cm) 또는 500 W/in(약 195 W/cm), 또는 600 W/in(약 240 W/cm) 일 수 있다. "UV 광(UV light)"이라는 용어는 약 150 nm부터 약 420 nm까지의 파장을 갖는 광을 언급한다.
여기에서 사용되는 "베어 광섬유(bare optical fiber)"라는 용어는 프리폼으로부터 직접적으로 연신되는 광섬유를 의미하고, 종래의 그것의 외부 표면(예를 들어, 중합 기반 물질로 코팅되는 종래의 베어 광섬유)에 보호적 코팅층을 이전에 적용한다. 본 발명은 거기에(theret) 적용되고 따라서 추가적(또는 더 긴) 조사기에 더욱 수직 공간을 제공하는 보호층 이전에 생산 단계를 통해 비선형 경로를 따라 운반되기 위한 베어 광섬유를 허용하는 것에 의해 유연성을 제공한다. 더욱이, 후에 여기서 기술되는 것처럼, 본 발명의 구체예들의 시스템 및 방법은 비선형 경로를 제공할 뿐만 아니라, 냉각 및 생산 동안 광섬유의 추가 공정에서 도움을 줄 수 있다.
도 1을 참고하여, 광섬유를 제조하는 시스템(100)의 예가 설명된다. 도 1에서 보여지는 구체예에서, 프리폼(110)은 노(112)에 놓여지고 섬유는 베어 광섬유(114)를 형성하기 위해 이로부터 연신된다. 프리폼(110)은 광섬유의 제조를 위해 적절한 어떤 유리 또는 물질로 구성될 수 있다. 일단 베어 광섬유(114)가 프리폼(110)으로부터 연신되고 노(112)를 떠나면, 베어 광섬유는 적어도 하나의 정적인(stationary) 유체 베어링(116)(유체 베어링의 복수처럼 도 1에서 도시)에 접촉하고, 실질적으로 제 1 또는 수직 경로 (Y)에서 제 2 경로 (Z)를 따라 움직이는 것으로부터 변한다. 제 2 경로 (Z)는 제 1 경로에 대략 수평 또는 수직으로 지향될 수 있으나, 베어링(116)은 거기에 적용되는 보호층 이전에 어떤 비선형 경로를 따라 광섬유를 재배향시킬 수 있다. 광섬유(114)는 광 냉각 메커니즘(118)을 통해 통과하기 위해 하나 이상의 정적인 유체 베어링(들)(116)을 경유하여 배향될 수 있거나, 또는 정적인 유체 베어링(들)(116)에 의해 바람직한 온도로 냉각될 수 있다. 광 또는 추가 냉각 메커니즘(118)(도시하지 않음)은 냉각 광섬유를 위한 분야에서 알려진 어떤 메커니즘일 수 있다고 인식된다. 바람직하게,냉각 메커니즘(118)은 공기 중에서의 냉각보다 빠른 속도로 섬유의 냉각을 용이하게 할 수 있는 가스(gas)로 채워진다.
만일 바람직하다면, 광 추가 유체 베어링(들)은 실질적으로 수직 경로(Y) (또는 어느 다른 제 3 경로)로 다시 제 1 또는 제 2 베어링(116)의 배열에 의해 생성되는 실질적으로 수평 경로(Z)로부터 베어 광섬유(114)를 운반하기 위해 사용될 수 있다. 도 1에서 설명되는 구체예에서, 광섬유(114)는 세 개의 유체 베어링(116)을 통해 통과하고 그다음 코팅되고 경화된다. 그러나 적은 또는 더 많은 유체 베어링(116)이 또한 이용될 수도 있다.
본 발명의 일차 및 이차 코팅의 조성물을 경화하는 방법은 코팅 중합물(들)의 본질 및 이용되는 광 중합 개시제에 따라 야기되는 열적, 화학적, 또는 방사선일 수 있다. 이 적용의 목적을 위한 방사선은 X-선(X-rays), 전자빔(electron beam), 알파선(alpha-rays), 베타선(beta-rays), 감마선(gamma-rays) 등과 같은 이온화선(ionized rays)뿐만 아니라 적외선(infrared), 가시광선(visible light), 원자 방사선(atomic radiation), 화학 방사선(actinic radiation) 및 자외선(ultraviolet rays)의 적용을 의미한다. 이 적용의 목적을 위한 "경화(Cure)", "경화할 수 있는(curable)", 및 "경화된(cured)"은 부분적으로, 실질적으로 또는 전체로 경화된 코팅 및 부분적으로, 실질적으로 또는 전체로 경화될 수 있는 코팅을 위한 조성물을 포함한다. 일차 및 이차 코팅 조성물은 바람직하게 방사선으로 경화되고, 더욱 바람직하게 자외선(비록 그것은 일차 및 이차 코팅 둘 다가 코팅 둘 다의 적용 후에 즉시 경화될 수 있다고 이해된다)으로 경화된다. 만일 자외선(UV)이 사용되면, 바람직하게 코팅은 약 0.2 J/cm 2 이상, 더욱 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.0 J/cm 2까지의 투여 수준(dose level)에서 경화된다.
광섬유의 제조에서 보통 사용되는 코팅 물질은 자외선(UV) 광의 노출에 의해 경화할 수 있는 우레탄(urethane) 아크릴레이트-계(acrylate-based) 조성물이다. 이 물질은 액체 상태에서 섬유의 표면에 적용되고 경화를 위한 UV 광에 연속적으로 노출된다. 코팅 물질은 바람직한 구체예의 두-층 코팅 시스템으로 하나 이상의 층에 적용될 수도 있다. 일차 코팅은 보통 섬유의 표면에 직접 적용되고, 이차 코팅은 일차 코팅 위에 적용된다. 섬유가 마지막 섬유 베어링(116)을 남긴 후에, 도 1의 구체예는 일차 보호 코팅층(121A)이 베어 광섬유(114)의 외부 표면에 적용된 일차 코터 유닛(coater unit)(120A)(즉, 일차 코팅)에 관한 것이다. 일차 코터 유닛(120A)을 남긴 후에, 젖은 보호층(121A)(더 이상 베어가 아닌)을 가진 광섬유는 통상 하나 이상의 UV 광원을 포함하는 하나 이상의 조사기(122A)에 의해 경화될 것이다. 섬유(114)는 그때 조사기(들)(122A)과 유사한 하나 이상의 조사기(122B)에서 경화되는 이차 코팅 물질의 층(121B)으로 코팅된 이차 코터 유닛(120B)을 통해 통과한다.
섬유는 시스템(도시하지 않음) 내부에 다른 공정 단계의 다양성을 통해 경험할 수 있다. 연신 메커니즘(128)(또한 여기에서 텐셔닝(tensioning) 시스템으로서 언급됨)은 도 1에서 보여지는 전체 시스템을 통해 연신되고 결국 섬유 저장 스풀(spool)(도시하지 않음) 위에 운드(wound)되는 것처럼 광섬유에 필요한 장력을 제공하기 위해 사용된다.
추가적인 통상의 공정 단계는 비-접촉 직경 측정 장치와 같은 추가적 섬유 냉각 장치, 및 스풀 윈딩(winding) 장치가 포함될 수도 있다. 그러한 추가 공정 단계는 통상적이고 명확성을 위해 도시되지 않는다.
광섬유(114)는 유체 베어링(116)(여기서 후에 기술됨) 너머로 운반되기 때문에, 각 유체 베어링(116) 상의 유체 쿠션 지역은 베어 광섬유(114)를 냉각시킨다. 예를 들면, 도 1을 참고하여, 연신 노를 배출(exiting)하는 광섬유(114)는 그것이 유체 베어링(116)을 들어가는 것처럼 1000℃ 내지 3000℃ (예를 들어, 1000℃ 내지 2000℃) 주위의 온도를 가질 수 있다. 유체 베어링이 광섬유를 지지하는 움직이는 유체 시스템을 이용하기 때문에, 광섬유는 바로 연신 노 외부에 존재하는 것처럼 실내 온도의 움직이지 않는 공기에서 섬유가 냉각하는 것보다 더 빠른 속도로 냉각된다. 광섬유 및 유체 베어링(바람직하게는 실내 온도 공기)에서의 유체 사이의 차이나는 온도 차이가 클수록, 광섬유(114)를 냉각하는 유체 베어링의 능력도 커진다. 다른 구체예에서, 유체 베어링(116)을 통해 발산된 유체는 심지어 더 빠른 속도에서 광섬유를 냉각시키기 위해 실제로 냉각될 수 있다. 유체 쿠션의 지역과 관계된 유체는 광섬유(114)에 충분한 냉각을 제공할 수 있어 그것은 직접적으로 코팅 유닛(120)에 운반될 수 있고, 보호층은 코팅된 섬유(121)를 생산하는 베어 광섬유(114)의 외부 표면에 적용될 수 있다. 하나의 구체예에서, 유체 베어링(116)의 유체 쿠션의 지역은 베어 광섬유(114)(예를 들어, 공기, 헬륨)에 상대적인 비반응성(nonreactive) 유체를 포함할 수 있다. 유체는 섬유가 코팅되기 전에 바람직한 온도로 광섬유의 냉각을 가능하게 한다.
냉각 공정에 추가로, 다양한 유체 베어링(116)을 이용하는 도 1의 배열은 실질적으로 선형 배열 (Y)에서 실질적으로 비선형 배열 (Y+Z)로 베어 광섬유(114)를 변형할 때 더 나은 안전성을 제공할 수 있다. 이론에 의한 제한의 의도 없이 서로에게 근접하게 배열된 다양한 유체 베어링(116)을 갖는 것에 의해, 하나의 유체 쿠션 지역으로부터 다른 것으로 움직이는 광섬유(114)를 갖기 위해 필요로 하는 결정(precision)은 더욱 쉽게 조절될 수 있다. 물론, 어느 순서로 그리고 바람직한 경로의 어느 수를 제공하기 위해 배열되는 하나의 베어링 조립체를 포함하는 베어링 조립체(이하 여기에서 기술됨)의 어느 수는 광섬유를 생산하기 위해 사용될 수 있다.
지금까지, 비선형 경로에서 광섬유를 생산하는 시스템 및 방법이 기술되어 왔다. 여기에서 기술된 것처럼, 그러한 시스템 및 방법은 하나 이상의 베어링 조립체의 통합을 포함할 수 있다. 도 2 및 3은 여기에서 기술되는 것처럼 광섬유를 생산하기 위해 사용될 수 있는 베어링 조립체(216)의 구체예를 설명한다. 도 2 및 3에서 보여지는 구체예에서 베어링 조립체(216)(때로는 "유체 베어링(fluid bearing)"으로 언급됨)는 제 1 판(230), 제 2 판(232), 제 1 및 제 2 판의 하나 이상에서 내부 부재(member) 및 하나 이상의 개구(opening)(234)를 포함한다. 제 1 판(230), 제 2 판(232)은 금속으로 제조될 수 있고, 궁형(arcuate) 외부 표면(238, 239)을 포함하고, 서로의 반대편에 위치될 수 있다. 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)은 함께 판들(230, 232)을 연결하기 위해 패스너(fasteners)(예를 들어, 볼트(bolts)(240))에 의해 연결되어 유체는 베어링 조립체(216)를 통해 통과될 수도 있다. 각 판(230, 232)의 궁형 외부 표면(238, 239)은 일반적으로 개별적인 판(230, 232)의 각각의 상황에 따라 놓는다. 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 각각은 개별적인 내부(242, 244) 및 외부 면(243, 245)을 가지고, 여기서 판(230, 232)의 내부 면(242, 244)은 서로 정렬된다. 오목부(247)는 유체 흐름의 플레넘(plenum)을 제공하기 위한 제 1 판(230) 또는 제 2 판(232) 어느 하나의 내부 면(242, 244) 주위에 적어도 부분적으로 연장한다. 다른 구체예에서, 오목부는 이하 여기에서 기술되는 것처럼, 섬유 지지 채널(250)로 균일한 흐름을 제공하기 위해 구성의 다양성을 포함할 수도 있다.
설명된 구체예에서, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 궁형 외부 표면(238, 239)은 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 둘 다의 외부 표면(238, 239) 사이 지역을 바람직하게 실질적으로 배열되고 형성된다. 이 지역은 광섬유를 받기 위해 구성되어 광섬유는 베어링 조립체의 회전(rotation)없이 이 지역을 따라 이동할 수 있다. 이 섬유 지지 채널(250)은 도 4(여기에서 후에 기술됨)에서 보여지는 구체예에서 더욱 분명히 설명된다. 하나 이상의 개구(234)는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 하나 이상을 통해 통과한다. 도 2에서 보여지는 것처럼, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 개구(234)는 베어링 조립체(216)를 통해 피드(feed)되기 위해 유체(예를 들어, 공기, 헬륨 또는 다른 바람직한 가스 또는 액체)를 허용하여, 유체가 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 사이에 형성되는 섬유 지지 채널(250)에서 베어링 조립체(216)를 나갈 수 있다. (도 3 및 4를 보시오)
추가로, 도 2의 구체예에서 보여지는 것처럼, 베어링 조립체(216)는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 사이에 위치되는 내부 부재(236)를 포함할 수 있다. 이 내부 부재(236)(예를 들어, 심(shim)(237))는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 외부 표면(238, 239) 사이의 지역에 유체를 배향(directing)하는 데에 돕기 위해 구성되어, 유체는 미결정된(predetermined) 흐름 방향을 갖는 섬유 지지 채널(250)을 나간다. 내부 부재(236)는 그 사이의 틈(gap)을 제공하기 위해 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 사이에 존재한다. 내부 부재(236)는 유체를 지향하여 미결정된 흐름 방향을 갖는 섬유 지지 채널(250)을 나간다. 만일 바람직하다면, 내부 부재(236)는 비방사형(non-radial) 흐름을 억제함으로써 유체 흐름을 추가로 조절하기 위해 다수의 핑거(fingers)(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 더욱이, 내부 부재(236)는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 사이의 실질적 접촉을 제공하기 위한 밀봉(sealing) 부분으로서 역할을 한다. 내부 부재는 또한 광섬유의 들어가고 나가는 것을 용이하게 하기 위해 노치(notch)를 포함할 수도 있다 (여기서 후에 기술되는 도 5를 보시오).
도 3에서 보여지는 것처럼, 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)의 외부 표면(238, 239) 사이에 형성되는 섬유 지지 채널(250)은 테이퍼(taper) 될 수 있는데, 거기에서 유체는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 사이에 나간다. 그러나 다른 구체예에서, 섬유 지지 채널(250)은 예를 들면 평행 또는 역방향의 테이퍼된 형태를 포함할 수 있다. 추가로, 테이퍼된 섬유 지지 채널(250) 내부의 개구(260)는 광섬유(214)가 수직으로 위치된 것에 따라 다양화된다. 바람직하게, 개구(260) 및 섬유 지지 채널(250)은 구성되어, 개구(260)를 통해 특별한 연신 장력 및 이용되는 연신 속도 및 유체의 흐름 속도를 위해, 광섬유는 125㎛의 통상적 외부 직경을 갖는 섬유를 위해 500㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 400㎛ 이하, 심지어 더욱 바람직하게는 300㎛, 그리고 가장 바람직하게는 200㎛ 와이드(wide) 이하인 섬유 지지 채널(250)의 섹션(section)에서 유지된다. 따라서, 섬유는 바람직하게 섬유 직경의 1 및 2배 사이, 더욱 바람직하게는 섬유 직경의 1 및 1.75배 사이, 그리고 가장 바람직하게는 섬유 직경의 1 및 1.5배 사이에 채널(250)의 지역 내에 보유된다. 바람직하게, 섬유는 상기 채널의 지역 내에 위치되어 외부 섬유 및 각 벽 사이의 거리는 섬유 직경의 0.05 및 0.5배 사이이다.
도 4는 광섬유(214)와 접촉하는 유체의 지역(254)을 갖는 섬유 지지 채널(250)을 더욱 분명히 보여주는 도 3의 부분 확대도인데, 이는 유체 베어링 조립체(216)를 가로질러 운반되고 유체 베어링 조립체(216)의 기계적 요소로 광섬유의 실질적 접촉을 방지한다. 도 4에서 묘사된 것처럼, 유체(254)(예를 들어, 공기)는 베어링 조립체(216) 내부 및 광섬유(214) 주위로부터 섬유 지지 채널(250)을 나가고, 섬유 아래에 양의 압력으로 귀결되는 광섬유(214) 하부(beneath)에 유체의 지역(254)을 제공하고 따라서 섬유의 바닥을 지지하고 작용한다. 압력은 최적화될 수 있어 섬유(214)는 유체 베어링 조립체(216)의 제 1 판(230) 및 제 2 판(232) 사이에 형성되는 섬유 지지 채널(250) 내부에 위치된다. 특히, 섬유 지지 채널(250)(즉, 섬유 하부(214))에서 베어링 조립체(216)를 나가는 유체(254)는 이 섬유 지지 채널(250) 내부에 어떤 위치에서 광섬유(214)를 유지하거나 지지할 수 있는 일정한 유체 흐름 속도를 가질 수 있다. 충분히 높은 유체 압력이 광섬유(214)가 유체 베어링 조립체(216)를 통해 이동하는 것처럼 섬유 지지 채널(250) 내부에 바람직한 위치에서 광섬유(214)를 지지하고 광섬유를 유지하기 위해 섬유 지지 채널(250)에 제공된다.
도 3 및 도 4에서 설명된 구체예에서, 관측의 용이를 위해, 테이퍼된 각(angle)은 섬유 지지 채널(250)에 테이퍼 개구의 바람직한 각으로부터 설명시 과장되어 왔다. 실제로, 지지 채널(250)의 대향(opposing) 표면들의 하나 이상 및 바람직하게 둘 다는 각각, 바람직하게 0°이상 및 10°이하의 각에서, 더욱 바람직하게 0.3°및 7°사이, 그리고 가장 바람직하게 0.4°및 3°사이로 경사되어, 섬유 지지 채널(250)의 상부 또는 외부 부분의 너비(260)는 섬유 지지 채널(250)의 바닥 또는 내부 부분의 너비(260)보다 넓다. 예를 들면, 그런 구체예에서, 상기 지역을 형성하는 제 1 판(230) 및 제 2 판(232)은 각각 -0.6°및 +0.6°의 각으로 경사될 수 있다. 대안으로, 섬유 지지 채널(250)은 어느 깊이, 너비 또는 테이퍼된 각을 포함할 수도 있다. 테이퍼된 섬유 지지 채널(250)을 이용하고 섬유 지지 채널(250)에 의해 형성된 슬롯(slot)으로 유체를 주입하여, 유체는 섬유 지지 채널(250)의 더 좁은 내부 부분으로 들어가고 섬유 지지 채널(250)의 더 넓은 외부 지역을 나간다. 채널(250)을 통해 방사된 유체의 쿠션은 채널(250)의 깊이 내에 스스로 위치되기 위한 섬유를 야기할 것이다. 예를 들면, 주어진 유체 흐름을 위해, 만일 섬유 연신 장력이 증가된다면, 섬유는 섬유(214) 및 채널 벽 사이의 틈이 충분히 작아 지역(237)에서의 압력이 새로운 높은 장력을 정확히 중화(counteract)하기에 충분히 높을 때까지 채널(250)에서 아래로 움직일 것이다. 만일 섬유 연신 장력이 감소된다면, 섬유는 섬유(214) 및 채널 벽 사이의 틈이 충분히 커서 지역(237)에서의 압력이 새롭고, 낮은 장력을 정확히 중화하기에 충분히 작을 때까지 채널(250) 내에 위로 움직일 것이다. 채널(250)을 테이퍼하는 것은 따라서 연신 장력의 넓은 범위로 작동하기 위해 채널(250)을 가능하게 한다. 그렇지 않으면, 만일 보여지는 것처럼 채널(250)이 테이퍼되지 않고 연신 장력이 감소된다면, 섬유는 섬유 지지 채널(250)의 위 및 밖으로 이동할 것이다.
바람직하게, 섬유는 약 1 및 2배 섬유 직경 사이, 더욱 바람직하게 약 1 및 1.75배 섬유 직경 사이, 가장 바람직하게 약 1 및 1.5배 섬유 직경 사이인 채널(250)의 영역에 위치된다. 채널(250)에서 그러한 상대적으로 더 좁은 지역에서 섬유를 위치시키는 것에 의해, 섬유는 작동 동안 베루누이 효과(Bernoulli effect) 때문에 그 자체가 중심에 있을 것이다. 예를 들면 섬유가 채널(250)의 대향하는 표면 어느 것에 더 가까워질 때, 공기의 속도는 가장 가까운 하나의 표면을 증가시키고, 가장 가까운 다른 것을 감소시킬 것이다. 베르누이 효과에 따라, 유체 속도에서의 증가는 압력에서의 감소와 동시에 일어난다. 결과적으로, 하나의 표면 근처에 흐르는 감소된 유체에 의해 야기되는 더 큰 압력은 채널(250)의 중심으로 섬유를 다시 강화시킬 것이다. 따라서, 바람직한 구체예에서, 섬유는 섬유가 연신되는 동안 섬유 주위 및 섬유 지지 채널(250)의 외부를 통과하는 유체 스트림(stream) 때문에 최소한 실질적으로 베르누이 효과를 경유하는 섬유 지지 채널(250) 내에 중심이 된다. 명백하게, 그러한 중심은 그들의, 예를 들어 채널(250)의 측벽으로부터 발산(emanate)하는 이용된 유체 흐름의 젯(jets)이 없는 사이드로부터 섬유 위에 충돌(impinge)하는 유체의 어떤 흐름을 이용하는 것을 가지지 않고 일어난다. 슬롯을 통해 이동하는 유체 스트림의 속도는 섬유를 유지하기 위해 바람직하게 조절되어, 섬유는 슬롯(250)의 테이퍼된 지역 내에 전체로 위치된다. 현재 기술된 구체예에서, 섬유가 약 1 및 2배 섬유 직경 사이인 채널(250)의 영역에서 위치되기 때문에, 섬유는 섬유(214)(다소 및 또한 섬유를 지지하기 위해 사용될 수도 있는 공기항력(aerodynamic drag)에 반대되는, 만일 하나가 그렇게 선택되면 아래에 존재하는 압력 차이에 의해 지지된다. 유체 압력 차이를 경유하여 채널(250) 내에 섬유를 지지하거나 또는 부상(levitating)시키는 것에 의해, 만일 공기항력이 섬유를 부상시키기 위해 사용되는 것보다 훨씬 적은 유체 흐름이 이용될 수 있다.
설명된 구체예에서, 유체 스트림은 섬유 지지 채널(250)의 더 좁은 내부 부분을 경유하여 섬유 지지 채널(250)로 들어가고 섬유 지지 채널(250)의 더 넓은 외부 부분을 경유하여 나가는 단독의(single) 유체 스트림에 의해 바람직하게 제공된다. 이 방법에서, 섬유는 섬유 지지 채널(250)에 의해 형성된 슬롯 내에 전체로 위치될 수 있어, 섬유는 슬롯의 가장 좁고 가장 긴 부분 사이에 떠다닌다. 테이퍼된 섬유 지지 채널(250)을 이용하고 이 방법에서 그 지역(250)을 통해 유체 흐름을 주입하는 것에 의해, 섬유 지지 채널(250)에 의해 형성된 상기 슬롯의 지역에서 섬유를 보유하는 것이 가능하다. 여기서 슬롯은 섬유 지지 채널(250)을 통해 배향된 섬유의 직경 이상인 10 내지 150 사이, 더욱 바람직하게는 15 및 100, 그리고 가장 바람직하게는 약 24-70㎛ 사이인 너비를 가진다. 섬유 연신 공정 동안, 섬유는 또한 채널의 지역 내에 바람직하게 보유되어 외부 섬유 및 각 벽 사이의 거리가 0.05 및 0.5배 섬유 직경 사이가 된다.
어떤 바람직한 구체예에서, 섬유 지지 채널(250)은 섬유가 유체 흐름의 소스로부터 바깥쪽으로 움직일 때 섬유 하에서 압력을 감소시키는 수단으로 제공된다. 압력을 방출(releasing)하기 위한 그러한 수단은, 상기 기술된 것처럼 테이퍼된 채널 디자인의 형태에서 얻어질 수 있다. 압력을 감소하기 위한 추가적 수단은 U.S. 특허 출원 제 60/861,587호에서 개시되고, 전체 개시는 그것의 전체가 참조에 의해 여기에서 통합된다.
여기에서 개시된 유체 베어링은 광섬유 및 베어링 조립체 사이에 사실적인 기계적 접촉을 방지 또는 실질적으로 방지하기 위하여 유체 쿠션의 지역을 따라 이동하기 위한 광섬유를 가능하게 한다. 예를 들어, 섬유는 판들(230 또는 232)의 어느 하나에 대한 접촉 없이 섬유 지지 채널(250) 내에 이동한다. 더욱이, 상기 지역의 크기 및 구성 때문에, 유체 베어링은 유체 흐름의 사실적인 조절 없이 연신 장력의 범위를 통해 기계적 접촉 없이 그 지역 내에 섬유를 유지할 수 있다.
도 3 및 4를 참고하여, 유체 흐름은 섬유 지지 채널(250)의 바닥 쪽으로 움직이는 것 및 섬유 지지 채널(250)의 심(237) 또는 사이드와 접촉하게 되는 것으로부터 광섬유(214)를 방지하기 위해 중요할 수 있다. 이것은 광섬유가 아직도 베어(bare)여서 섬유 품질이 베어링 조립체와 기계적 접촉에 의해 손상되지(compromised) 않을 때 특히 중요하다. 게다가, 광섬유(214)가 섬유 지지 채널(250)의 바닥에 상대적으로 위치되는게 더 가까워질수록, 배향된 위치에서 광섬유(214)를 유지하기 위해 섬유 지지 채널(250) 내에 필요한 압력이 더 높아진다. 분명하게도, 테이퍼가 채널 사이드에서의 필요한 압력을 크게 하는데 원인이 되어, 채널 사이드 및 섬유 사이의 틈을 작게 하는데 원인이 될 것이다.
섬유 지지 채널(250) 내에 섬유 위치에 영향을 미치는 다른 요소들은 연신 장력을 포함한다. 예를 들면, 장력의 200g으로 당겨지는 섬유는 주어진 같은 유체 흐름을 100g으로 당겨지는 섬유보다 섬유 지지 채널(250) 내에 더 낮게 떠오를 것이다. 그런 것처럼, 유체 베어링의 지역을 나가는 유체는 이용되는 특별한 섬유 연신 속도 및 연신 장력을 위한 바람직한 위치에서 광섬유를 유지하기에 충분하다는 것이 중요하다.
예를 들면, 판들(230, 232) 사이의 최내각(innermost) 섹션에서 약 127㎛ 및 최외곽(outermost) 섹션에서 약 380㎛의 너비를 갖는 섬유 지지 채널(250)을 이용하는 구체예에서, 유체 흐름 속도는 약 0.5 L/sec에서 5 L/sec 이상까지 될 수 있다. 그러한 구성 및 유체 흐름은 800 km/h 만큼 높거나 또는 더 높은 광섬유 주위에 국부적인(local) 유체 속도를 초래할 수 있다. 따라서, 어떤 구체예에서, 섬유 지지 채널(250)에서 이용되는 섬유 주위의 최대 유체 속도는 100 이상, 200 이상, 400 이상이고, 심지어 600 km/h 이상도 가능하다. 어떤 구체예에서, 섬유 지지 채널(250)에서 이용되는 섬유 주위의 최대 유체 속도는 900 km/h 이상이다. 예를 들면, 출원자들은 섬유 지지 채널(250)에서 섬유 주위의 1000 km/h 유체 흐름을 성공적으로 이용하였다. 그러나, 여기서 개시된 방법들은 이 유체 속도에 확실히 제한되는 것은 아니고, 사실 유체 속도는 바람직하게 연신 조건 (예를 들어, 연신 속도, 연신 장력 등) 및 유체 베어링 디자인에 따라 섬유 지지 채널(250) 내의 바람직한 위치에서 위치되는 섬유로 귀결되기 위해 선택될 수 있다. 다른 구체예에서, 유체 흐름 속도는 약 3 L/s에서 약 4 L/s 일 수 있다. 물론, 주어진 연신 장력의 바람직한 위치에서 광섬유를 유지하기 위해 충분한 어떤 유체 속도가 이용될 수 있다. 그러한 높은 유체 흐름 속도의 사용은 광섬유의 냉각을 대단히 용이하게 할 수 있다. 유체 베어링을 통해 발산되는 섬유의 온도 및 유체의 온도 사이의 차이가 클수록, 유체 흐름 속도가 커지고, 얻어질 수 있는 냉각의 양이 많아진다. 어떤 구체예에서, 유체 베어링에 들어가는 섬유의 온도는 유체 베어링을 통해 발산되고 섬유를 지지하는 유체의 온도보다 높은 100 ℃ 이상, 500 ℃ 이상, 1000 ℃ 이상, 그리고 심지어 1500 ℃ 이상일 수 있다. 상기 기술된 구체예에서, 그런 온도 차이를 이용하여, 적어도 10 m/sec, 그리고 바람직하게 적어도 20 m/sec의 광섬유 연신 속도로, 1100℃의 유체 베어링으로 진입하는 온도를 갖는 섬유는 1000℃ 만큼, 즉 배향에서 180° 변환을 성취하는 섬유를 만들기 위해 유체 베어링을 통해 섬유를 통과하는 것에 의해 실내 온도 (즉, 약 20 ℃) 유체(바람직하게 공기)를 사용하여 약 100℃로 많이 냉각될 수도 있다. 이 매우 중요한 양의 냉각은 50℃, 200℃, 500℃, 700℃ 이상, 그리고 심지어 900℃ 이상 섬유를 냉각하기 위해 여기에서 기술되는 것처럼, 유체 베어링을 사용하는 능력을 설명한다. 아마도 심지어 더욱 중요한 것은 그러한 섬유 냉각 양이 3m 이하, 더욱 바람직하게는 2m 이하, 그리고 가장 바람직하게는 1m 이하의 섬유 거리(즉, 섬유가 유체 베어링의 유체 쿠션에 노출되는 원주(circumferential) 거리)를 얻을 수 있다는 것이다. 그러나, 섬유/섬유 큐션 접촉의 더 많거나 더 작은 거리는 바람직한 결과 및 제조 영역의 레이아웃(layout)에 따라 이용될 수도 있다. 여기서 개시된 유체 베어링의 중요한 냉각 능력은 광섬유 연신 공정으로부터 완전히 헬륨 냉각 디바이스의 잠재적 제거를 가능하게 한다.
유체 베어링의 반경(Iradius)(116)은 임계적(critical)이지 않다. 어떤 구체 예에서, 유체 베어링은 약 8에서 16cm까지 섬유 턴(turn) 반경으로 귀결되도록 구성된다. 더 크거나 또는 더 작은 반경 유체 베어링이 이용될 수 있거나, 또는 추가적 유체 베어링이, 예를 들면 더 많은 냉각이 바람직하거나(더 큰 반경의 유체 베어링이 바람직하게 될 수 있는 경우) 또는 섬유 연신 공정의 제약(constraint)에 따라 이용될 수 있다.
유리 프리폼(110)은 바람직하게 도핑된 실리카 유리로 형성된다. 프리폼(110)이 형성되어, 연신 섬유의 코어 또는 클래딩(만일 현존한다면) 어느 하나가 도핑되거나, 또는 연신 섬유의 코어 또는 클래딩 둘 다가 도핑된다. 실리카 유리는 예를 들면, 하나 이상의 게르마늄(germanium), 불소(fluorine), 인(phosphorous) 또는 염소(chlorine), 또는 그들의 혼합물로 도핑될 수도 있다. 다른 적절한 도펀트가 또한 사용될 수도 있다. 섬유에 도핑된 게르마늄은 최고의 제조 조건 하에서 가열 노화(heat aging)를 노출한다는 것이 발명자들에 의해 발견되었다. 프리폼(110)을 형성하기 위한 방법 및 장치가 잘 알려지고, 이 분야의 당업자에 의해 쉽게 인식된다. 그러한 방법들은 IVD, VAD, MCVD, OVD, PCVD 등을 포함한다.
본 발명의 적절한 일차 및 선택적 이차 코팅 조성물의 예가 후술하는 것처럼 기술되고 생산된다. 일차 코팅 조성물은 올리고머(oligomer)를 포함하는데, 여기서 올리고머는 "m" 하이드록실(hydroxyl) 작용기를 갖는 폴리올을 포함하는 반응으로부터 형성되는데, 여기서 "n" 상기 폴리올의 하이드록실기는 올리고머 형성에서 종결되고, "m"은 예를 들면 아크릴레이트(acrylate) 또는 메타크릴레이트(methacrylate)와 같은 "n"보다 크다. 바람직하게, 일차 코팅 조성물은 또한 하나 이상의 모노머(monomer), 및 하나 이상의 광개시제(photoinitiator)를 포함한다. 더욱이, 본 발명의 일차 코팅 조성물은 선택적으로 어떤 수의 첨가제, 예를 들면 접착 촉진제(adhesion promoter), 산화 방지제(anti-oxidant), 촉매(catalyst), 윤활제(lubricant), 코-모노머(co-monomers), 낮은 분자량의 무가교(non-crosslinking) 수지, 및 안정화제(stabilizer)를 포함할 수 있다. 어떤 첨가제들(예를 들어, 사슬 이동제(chain transfer agents))은 중합 공정을 조절하기 위해 작용할 수 있고, 거기서 중합 제품의 물리적 비율(예를 들어, 모듈러스(modulus), 유리 전이 온도)에 영향을 미치는 것은 일차 코팅 조성물에 의해 형성된다. 다른 첨가제들은 일차 코팅 조성물(예를 들어, 중합 해리 또는 산화 약화에 대응한 보호)의 중합 제품의 성질(integrity)에 영향을 미칠 수 있다.
이차 코팅 조성물은 통상적으로 중합될 때 분자들이 가교(cross-linked)되는 우레탄(urethane) 아크릴레이트 액체를 포함한다. 이차 코팅 조성물에서 사용되는 다른 적절한 물질뿐만 아니라, 이물질의 선택과 관계된 고려(considerations)가 이 분야에서 잘 알려지고, 채핀(Chapin)에 U.S. 특허 제 4,962,992호 및 제 5,104,433호에서 기술되고, 명세서가 참조에 의해 여기에서 통합된다.
바람직하게, 광개시제는 일차 및 이차 코팅 조성물에서 사용된다. 광개시제는 유리 섬유에 적용 후에 조성물의 중합(즉, 경화)을 일으키기에 적절해야 한다. 최고의 아크릴레이트계 코팅 제제(formulations)를 위해, 케톤계(ketonic) 광개시제 및/또는 포스핀(phosphine) 산화 첨가제와 같은 광개시제가 바람직하다. 본 발명의 조성물에서 사용될 때, 광개시제는 빠른 자외선 경화를 제공하기 위해 충분한(예를 들어, 0.5 내지 10 wt%) 양으로 존재한다.
광개시제는 코팅 조성물의 조기 경화(premature gelation)의 원인 없이 합리적인 경화 속도를 제공한다. 바람직한 경화 속도는 코팅 조성물의 코팅 물질(즉, 5% 이상, 바람직하게 90% 이상, 더욱 바람직하게 95%)의 실질적 경화를 일으키기에 충분한 어떤 속도이다. 도즈(dose) 대 모듈러스 커브에서 측정될 때, 약 25 내지 약 100 ㎛의 코팅 두께를 위한 경화 속도는 바람직하게 약 1.0 J/cm2 이하이고, 더욱 바람직하게는 약 0.5 J/cm2 이하이다.
일차 및 이차 코팅 조성물을 위한 적절한 광개시제는 1-하이드록시사이클로헥실페닐 케톤(예를 들어, 시바 스페셜티 화학(Ciba Specialty Chemical)으로부터 이용가능한 이르가큐어(Irgacure) 184 (Hawthorne, N.Y.), 비스(2,6-디메톡시벤조일)-2,4,4-트리메틸펜틸 포스핀 산화(예를 들어, 시바 스페셜티 화학으로부터 이용가능한 상업 블렌드 이르가큐어 1800, 1850, 및 1700), 2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논(예를 들어, 시바 스페셜티 화학으로부터 이용가능한 이르가큐어 651), 비스(2,4,6-트리메틸 벤조일)페닐-포스핀 산화(이르가큐어 819), (2,4,6-트리메틸벤조일)디페닐 포스핀 산화(BASF (Munich, 독일)로부터 이용가능한 루세린(Lucerin) TPO), 에톡시(2,4,6-트리메틸벤조일) 페닐 포스핀 산화(BASF로부터 루세린 TPO-L), 및 그들의 조합 실시예의 방법으로 포함한다.
조사기(122A, 122B)는 바람직하게 섬유를 둘러싸고 위치된 간극(aperture)(323)을 갖고 섬유(114)의 출구 포트(exit port)의 역할을 하는 하우징(housing)(322)을 포함한다. 원통형의 유사-슬리브(sleeve-like) 벽(326)(예를 들면, 반사 물질의 형태일 수 있는)은 조사기(122A, 122B)를 통해 확장하고 거기에 통로(passage)(330)를 정의한다. 통로(330)를 둘러싸는 각 조사기의 벽(326)은 조사 영역에서 내부에 바람직한 조사를 제공하는 하나 이상의 UV 소스(322)(도시하지 않음)을 포함한다. 여러 개의 조사기는 바람직한 길이의 조사 영역을 제공하기 위한 각 코팅 단계 후에 이용될 수도 있다. 조사기는 광섬유(114)를 받고 가이드(guide)하기 위해 적용된다. 그러나, 다른 하우징 구성 및 요소가 또한 이용될 수도 있다고 인식될 것이다.
통로(330)는 바람직하게 그것의 길이를 따라 모든 지점에서 그것을 통해(therethrough) 쉽게 드롭(drop)하는 연신 섬유를 허용하기 위해 15mm 이상, 그리고 바람직하게는 약 15mm 및 30mm 사이의 직경 지름(dimension)(D)를 가진다. 조사 영역의 "길이(Length) L"이라는 용어는 전체 조사 영역의 길이로서 정의되는데, 즉 L= Lp+LS=∑li , 여기서 LP는 일차 조사 영역의 길이이고, Ls는 이차 조사 영역의 길이이고, li는 각 개별적 조사 디바이스(122i)에 의해 제공되는 조사 영역의 길이이고 i는 활용되는 많은 조사 디바이스이다. 예를 들면, li는 10 내지 50cm 길이, 예를 들면 25cm 일 수 있다. 만일 시스템이 전체적으로 4개의 조사 디바이스(조사 영역에서 2개 및 이차 조사 영역에서 2개)를 이용한다면, 각 25cm 길이, L=100cm 이상이다. 동시에, 만일 시스템이 전체적으로 6개의 조사 디바이스를 이용한다면, 각 25cm 길이, L=150cm 이상이다. 섬유상에 일어나기 쉬운 UV 파워가 변하지 않는다고 가정한다면, 연신 속도가 빨라질수록 각 조사 디바이스를 통해 움직이는 섬유가 빨라지고, 따라서 하나 더, 또는 더 긴 조사 디바이스가 더 빨리 움직이는 섬유에 동일한 경화를 제공하기 위해 필요해진다. 전체 조사 영역의 길이 L은 바람직하게 약 1m 및 10m 사이, 그리고 더욱 바람직하게는 예를 들면 약 3m 및 7m 사이인 약 1.5m 및 8m 사이이다. 바람직한 길이 L은 섬유의 연신 속도(114)에 의존하고, 연신 속도 범위의 예는 약 20 m/sec에서 50 m/sec까지를 포함하여 약 10 m/sec에서 75 m/sec까지와 같은 약 10 m/sec에서 약 100 m/sec까지이다. 유체 베어링(116)(도 1에 도시)의 존재, 광섬유 형성 장치(300)로부터 다운스트림(downstream)은 4m 이상의 길이 L을 갖는 조사 영역을 포함하여, 그리고 추가로 5m 이상의 길이 L을 갖는 조사 영역을 포함하여 1.5m 이상, 더욱 바람직하게는 2.5 또는 3m 이상의 길이 L을 갖는 조사 영역과 같은 더 긴 길이 L(여기서 L=Lp+Ls)을 갖기 위한 조사 영역을 가능하게 한다. 적어도 하나의 구체예에서, 조사 영역의 섬유의 전체 체류 시간은 1초 이하, 바람직하게는 0.5초 이하, 바람직하게는 0.03 내지 0.2초이다.
바람직하게, 광섬유를 형성하기 위한 전체 시스템은 약 10 및 30m 사이의 루프(roof) 높이를 갖는 건물 또는 공장과 같은 외부 요소로부터 보호되는 영역에서 하우즈(housed)된다. 바람직하게 노(112) 및 코팅 유닛(120A) 사이의 수직 높이 h는 6m 이하, 더욱 바람직하게는 5m 이하, 심지어 더욱 바람직하게는 4m 이하 (예를 들면, 3m, 2.5m, 2m, 1.5m, 1m, 0.75m, 또는 0.5m 이거나 그 이하)이다. 적어도 하나의 구체예에서 (전체) 조사 영역의 전체 길이 L은 전체 시스템의 수직 높이의 20% 이상을 포함하여, 전체 시스템의 수직 높이의 10% 이상을 확장한다. 게다가, 조사 영역의 길이 L은 건물 또는 공장의 루프 및 플로어(floor) 사이의 수직 높이의 25% 이상을 확장한다. 전체 시스템은 전체 시스템이 하우즈되는 건물 또는 공장의 루프 및 플로어 사이의 수직 높이의 30% 이상을 포함하여 하우즈된다.
텐셔닝 스테이션(tensioning station)(128)은 연신 섬유(114)에서 장력을 조절하기 위한 어느 적절한 디바이스일 수 있다. 바람직하게, 텐셔닝 디바이스는 하나 이상의 섬유 장력 및/또는 직경 센서(sensor)(도시하지 않음)로부터 연속적으로 입력(input)을 받고 필요한 섬유(114)의 장력을 적용하기 위해 작동하는 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함한다. 바람직한 구체예에서, 명령된(commanded) 장력은 메모리(memory)에 저장된 세트 직경(set diameter)을 같게 하는 섬유 직경을 조절하는데 기반한다.
또한, 통로(330)를 통해 섬유(114)가 통과하면서, 섬유(114)는 선택된 장력 FT에서 안에 조사기(들)이 유지된다. 바람직하게, 장력 FT는 약 25 및 200g 사이이다. 더욱 바람직하게, 장력 FT는 약 90 및 150g 사이이다. 일차 및 이차 조사 영역의 전체 길이 L은 선택되어 일차 및 이차 코팅은 코팅 조성물이 경화되어 충분히 경화(즉, 85% 이상, 바람직하게 90% 이상, 더욱 바람직하게 95%)된다. 섬유는 선택된 체류 조사 시간 tT을 위한 조사기 내에 유지한다. 상기 언급된 것처럼 바람직하게 0.5초 이하이다. 바람직하게, 일차 조사 영역내의 체류 시간(resident time)은 0.2초 이하이고, 일차 조사 영역내의 체류 시간은 또한 0.2초 이하이다. 더욱 바람직하게, 일차 조사 영역내의 체류 시간은 0.1초 이하이고, 일차 조사 영역내의 체류 시간은 또한 0.1초 이하이다.
광섬유 노로부터 유체 베어링(116)(도 1에 도시됨), 다운스트림의 존재는 1.5m 이상의 예를 위해 보다 긴 길이 L을 갖는 조사 영역을 가능하게 한다. 어떤 구체예에 따라, 작동에서 본 발명의 구체예에 따른 방법들은: (i) 30 m/sec 이상, 그리고 더욱 바람직하게는 40m/sec 이상을 포함하여 10 m/sec 이상, 바람직하게는 20 m/sec 이상의 연신 속도에서 광섬유 프리폼과 같은 가열된 유리 공급으로부터 광섬유를 연신시키는 단계, 다음으로 (ii) 일차 코팅 조성물로 섬유를 코팅시키는 단계 및 체류 시간, 여기서 하나 이상의 구체예는 0.005초 이상 및 0.25초 이하일 수 있고, 그리고 다른 구체예에서는 0.01초(0.02초에서 0.4초까지와 같은) 이상일 수 있는 동안 일차 조사 영역에서 광섬유를 유지하는 것에 의해 일차 코팅을 조사시키는 단계, (iii) 이차 코팅 조성물로 섬유를 코팅시키는 단계 및 체류 시간, 여기서 하나 이상의 구체예는 0.005초 이상 및 0.25초 이하일 수 있고, 그리고 다른 구체예에서는 0.01초(0.02초에서 0.4초까지와 같은) 이상일 수 있는 동안, 이차 조사 영역에서 광섬유를 유지하는 것에 의해 이차 코팅을 조사시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, (a) 일차 조사 영역의 길이 Lp는 1m 이상 또는 1.5m 이상과 같은 0.5m 이상, 바람직하게 2m 이상, 더욱 바람직하게 2.5m 이상, 더욱 바람직하게는 예를 들면 4 또는 5m인, 3m 이상이고; (b) 이차 조사 영역의 길이 Ls는 1m 이상 또는 1.5m 이상과 같은 0.5m 이상, 바람직하게 2m 이상, 더욱 바람직하게는 예를 들면 4 또는 5m인, 3m 이상이고; 그리고 (c) 전체 길이 L = Lp+Ls는 1m 이상, 더욱 바람직하게 2m 이상, 심지어 더욱 바람직하게 2.4m 또는 2.5m 이상 (예를 들면, 2.7m, 2.8m), 바람직하게 3m 이상(예를 들면, 3.3m, 3.5m, 3.75m), 바람직하게는 예를 들면 4.5, 6, 7 또는 8m인, 4m 이상이다. 예를 들면, 전체 길이 L = Lp+Ls는 2.2m <L< 3.7m, 또는 2.4m <L< 4.5m 일 수 있다.
높은 속도(20 m/sec 이상)에서의 연신은 광섬유의 큰 부피 생산을 가능하게 하고, 그다음 고품질의 코팅된 섬유를 제조하기 위해 본 발명의 측면에 따라 코팅시키고 조사시킨다.
본 발명의 다양한 구체예를 대표하는 실시예 1-14가 표 1에서 나타난다. 이 실시예들은 118 W/cm의 파워로 섬유상에 UV 방사선 입사(incident)되는 85%-95%의 코팅 경화에 대응하고, 미터 당 초에서 광섬유의 지시된 연신 속도뿐만 아니라 미터(meter)에 대응하여 지시된 길이 Lp, Ls 및 전체 길이 L= Lp+ Ls를 갖는 일차 및 이차 조사 영역을 통한 광섬유의 처리를 보여준다. 비록 일차 코팅 조사 영역에서 이 실시예의 조사 시간이 이차에서의 조사 시간, 코팅 조사 영역과 같다고 하더라도, 코팅을 위한 조사 시간은 특별한 코팅 조성물에 따를 것이고 동일해야만 하는 것이 아니라는 것이 인지된다.
실시예 섬유 연신
속도(m/sec)		 일차 조사 영역 길이
Lp(m), 및 일차 조사의 수		 이차 조사 영역 길이
Ls(m), 및 이차 조사의 수		 조사 영역 길이 L (m)
1 10 0.3 m; 1 0.3 m; 1 0.6 m
2 15 0.6 m; 2 0.6 m; 2 1.2 m
3 20 0.9 m; 3 0.9 m; 3 1.8 m
4 25 0.9 m; 3 0.9 m; 3 1.8 m
5 30 1.2 m; 4 1.2 m; 4 2.4 m
6 35 1.2 m; 4 1.2 m; 4 2.4 m
7 40 1.5 m; 5 1.5 m; 5 3.0 m
8 45 1.5 m; 5 1.5 m; 5 3.0 m
9 50 1.8 m; 6 1.8 m; 6 3.6 m
10 55 2.1 m; 7 2.1 m; 7 4.2 m
11 60 2.1 m; 7 2.1 m; 7 4.2 m
12 70 2.4 m; 8 2.4 m; 8 4.8 m
13 75 2.7 m; 9 2.7 m; 9 4.8 m
14 100 3.6 m; 12 3.6 m; 12 7.2 m
본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어나지 않고 본 발명에서 만들어질 수 있는 다양한 변형(modifications) 및 변화는 이 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 종속항 및 등가물(equivalents)의 범위 내에 제공되는 본 발명의 변형 및 변화를 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 적어도 10 m/sec의 연신(draw) 속도에서 제 1 경로를 따라 프리폼(preform)으로부터 베어(bare) 광섬유를 연신시키는 단계;
    유체 베어링(bearing)에서 유체 쿠션(cushion)의 지역과 상기 베어 광섬유를 접촉시키는 단계 및 상기 베어 광섬유가 유체 쿠션의 지역을 가로질러 연신됨에 따라 제 2 경로를 따라 상기 베어 광섬유를 재배향(redirecting)시키는 단계;
    상기 베어 광섬유를 코팅시키는 단계; 및
    UV 광(light)에 상기 광섬유를 노출하는 동안, 상기 코팅을 적어도 부분적으로 경화시키기 위해 적어도 하나의 조사 영역(zone)에서 상기 코팅된 섬유를 조사(irradiating)하는 단계를 포함하는 광섬유를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은 적어도 20 m/sec의 속도에서 제 1 경로를 따라 프리폼으로부터 베어 광섬유를 연신시키는 단계를 포함하며; 여기서 상기 조사 영역(irradiation zone)은 전체 길이 L을 가지며, 상기 L은 적어도 1.5m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 전체 길이 L은 적어도 3m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 전체 길이 L은 적어도 5m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 광섬유는 적어도 300 W/in의 평균 전력(average power)을 갖는 UV 광원(sources)에 의해 조사되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 광섬유는 적어도 500 W/in의 평균 전력을 갖는 UV 광원에 의해 조사되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 조사 영역에서 상기 섬유의 전체 체류 시간(total residence time)은 0.5초 미만인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 연신 속도는 30 내지 100 m/sec인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 연신 속도는 30 내지 70 m/sec인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 가열된 유리 소스(source)로부터 상기 섬유를 연신 및 처리(treatment) 영역에서 상기 섬유를 처리하는 단계는 제 1 경로를 따라 일어나고, 상기 방법은:
    유체 베어링에서 유체의 지역과 상기 베어 광섬유를 접촉시키는 단계, 상기 유체 베어링은 채널(channel)을 포함하고, 상기 채널은 적어도 두 개의 측벽에 의해 한정되며, 상기 섬유는 채널 내의 상기 섬유 아래에 존재하는 압력 차이의 결과로 실질적으로 채널 내에서 상기 섬유가 부상(levitated)되기에 충분한 상기 채널의 지역 내에 보유되고, 상기 압력 차이는 상기 섬유 위에 존재하는 상기 압력과 비교하여 상기 채널 내에 상기 섬유 아래로 공급되는 상기 유체에 의해 유발된 높은 압력에 의해 유발되며, 그리고
    상기 유체 쿠션의 지역을 가로질러 연신되는 상기 베어 광섬유로서 제 2 경로를 따라 상기 섬유를 재배향시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 섬유는 적어도 30 m/sec의 연신 속도에서 연신되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  12. 적어도 20 m/sec의 연신 속도에서 가열된 유리 소스로부터 상기 섬유를 연신시키는 단계,
    적어도 하나의 광 코팅으로 상기 섬유를 코팅시키는 단계: 및
    0.01 및 0.5초 사이의 전체 체류 시간 동안 조사 영역에서 상기 광섬유를 유지시켜 상기 광섬유를 조사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 섬유는 적어도 30 m/sec의 연신 속도 및 약 25 및 200g 사이의 연신 장력(draw tension)에서 연신시키는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 방법은:
    유체 베어링에서 유체의 지역과 상기 베어 광섬유를 접촉시키는 단계, 상기 유체 베어링은 채널을 포함하고, 상기 채널은 적어도 두 개의 측벽에 의해 한정되며, 상기 섬유는 채널 내의 상기 섬유 아래에 존재하는 압력 차이의 결과로 실질적으로 채널 내에서 상기 섬유가 부상되기에 충분한 상기 채널의 지역 내에 보유되고, 상기 압력 차이는 상기 섬유 위에 존재하는 상기 압력과 비교하여 상기 채널 내에 상기 섬유 아래로 공급되는 상기 유체에 의해 유발된 높은 압력에 의해 유발되며, 그리고
    상기 유체 쿠션의 지역을 가로질러 연신되는 상기 베어 광섬유로서 제 2 경로를 따라 상기 섬유를 재배향시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  15. 적어도 10 m/sec의 연신 속도에서 가열된 유리 소스로부터 상기 섬유를 연신시키는 단계, 중합가능한(polymerizable) 코팅으로 상기 섬유를 코팅시키는 단계; 및 UV 조사 영역에서 상기 광섬유를 유지시켜 상기 코팅을 경화시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 조사 영역의 전체 길이 L은 적어도 약 2 m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 섬유는 적어도 20 m/sec의 연신 속도에서 연신시키는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 섬유는 적어도 30 m/sec의 연신 속도에서 연신시키는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 조사 영역의 전체 길이 L은 적어도 약 2.4 m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  19. 청구항 15에 있어서, 상기 조사 영역의 전체 길이 L은 적어도 약 2.5 m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
  20. 청구항 15에 있어서, 상기 조사 영역의 전체 길이 L은 적어도 약 3 m인 것을 특징으로 하는 광섬유를 제조하는 방법.
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