KR100460720B1 - 플라스틱 광섬유 모재 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 점진적으로 변화하는 굴절률 분포를 갖는 광통신용 GI(graded-index) 형 플라스틱 광섬유(plastic optical fiber; POF) 모재(preform)를 제조하는 방법에 관한 것으로, 실린더형 중합반응기 내에, 제1굴절률(n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제1직경(d1)을 갖는 제1플라스틱 관과 그의 내부에, 제2굴절률(n2)(n2＞n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제2직경(d2)(d2＜d1)을 갖는 제2플라스틱 관을 삽입하고, 이때 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관의 중심이 동축상에 위치하며, 상기 제2플라스틱 관 내부, 상기 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관 사이, 및 상기 제1플라스틱 관 외부에 각각 굴절률(n')이 n'>n2을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질, 굴절률(n'')이 n1<n''<n2을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질, 및 굴절률(n''')이 n'''<n1을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질을 주입하여 이들 전구체 물질을 중합 및 경화시키는 것을 포함하는, 본 발명의 GI 형 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법에 따르면, 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률을 가지는 플라스틱 광섬유 모재를 수득할 수 있고, 또한 별도의 장치 없이 원하는 크기의 GI 형 플라스틱 광섬유 모재를 간편하게 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률 분포를 나타내는 광통신용 플라스틱 광섬유 모재를 제조하기 위한 개선된 방법에 관한 것이다.
코어(core)부와 클래딩(cladding)부가 모두 플라스틱으로 이루어진 플라스틱 광섬유는 장치간 신호전달을 목적으로 하는 단거리 통신용 소재로서 적합하다. 플라스틱 광섬유는 유리 섬유에 비해 광손실값은 더 크지만 유연하고 충격성이 우수하며, 저렴한 가격으로 제조할 수 있기 때문에 단거리 통신용 소재로서 널리 사용되고 있다. 또한 유리 섬유보다 직경을 크게 할 수 있기 때문에 섬유와 섬유와의 연결이 중요한 분기점을 다량 가지는 최후의 수백 미터의 시장(Fiber to the Home: FTTH)의 사용에서 우수한 특성을 가지므로, 이러한 요구를 만족하는 새로운 통신매체로 각광받고 있다. 이에 따라 플라스틱 광섬유의 중요성이 점점 증가하고 있으며, 특히 초고속정보통신망이 일반화될 경우 취급이 용이하고 가격이 저렴한 플라스틱 광섬유가 LAN(local area network) 시장에서 광범위하게 사용될 것이다.
플라스틱 광섬유의 형태별 검출 시그널을 나타내면 다음과 같다:
c) 에서 보는 바와 같이, GI 형 플라스틱 광섬유는 코어 부분의 굴절률이 중심에서부터 바깥쪽으로 가면서 점차로 낮아지는 분포를 가진다. 이러한 굴절률 분포에 의해 굴절률이 큰 중심부는 빛의 전달속도가 느려지고, 굴절률이 낮은 바깥부분은 빛의 전달속도가 빠르지만 경로차가 길어져서 빛의 진행속도가 빨라지는 효과를 상쇄시킨다. 이에 따라 같은 시간에 광섬유내로 입사한 모드들 간에는 섬유내에서 전진 및 지연이 발생하지 않고 동시에 입사한 신호가 분산(dispersion)됨 없이 동일한 순서로 검출된다. 즉, GI-POF는 플라스틱 광섬유의 중심축을 기준으로 하여 진행하는 광신호의 각 모드들의 전송 시간이 실질적인 진행 거리와 관계없이 일치하기 때문에, 출력 단에서 각 모드들의 신호가 분산없이 검출된다. 따라서, GI-POF는 전송 대역폭이 넓고 전송량이 큰 고속 전송에 적합하므로, 단거리 고속 전송용 플라스틱 광섬유로서 이러한 GI 형 플라스틱 광섬유가 사용될 것이 유력하다.
통상적으로 사용되는 플라스틱 광섬유는 PMMA(polymethylmethacrylate)계 물질이며, 이를 중수소나 불소로 치환시킨 물질도 사용되며, 이외에도 폴리스티렌계(polystylene; PS), 폴리카보네이트계(polycarbonate; PC) 등이 원료로 사용되고 있다. 최근, 일본 게이오 대학에서 개발되어 상용화된 과불소화(Perfluorinated) 수지인 "Cytop"을 사용하여 제작된 GI-POF인 "Lucina"의 경우, 1310 nm를 포함한 대부분의 가시 영역과 근적외 영역에서 50 dB/km 이하의 전송 손실을 나타낸다.
플라스틱 광섬유 제조방법으로서, 연속 압출법(continuous extrusion) 또는 회분 압출법(batch extrusion)이 이용되고 있다. 연속 압출법은 단량체, 중합개시제 및 연쇄이동제 등 원료물질의 공급, 단량체 혼합물의 중합 및 광섬유로의 연신 공정 등 모든 공정이 동시에 수행되므로 빠르고 경제적인 장점이 있으나, 반응기 내에서 충분한 중합도를 얻지 못하면 연신이 불가능한 단점이 있다. 회분 압출법은 단량체, 개시제 및 연쇄이동제 등 원료물질을 동시에 반응기에 넣고 중합시킨 후, 중합이 완료되면 상기 반응기에 연결된 다이를 통해 플라스틱 광섬유를 제조하는 방법이다.
SI(step-index) 형 플라스틱 광섬유는 연속 압출법 또는 회분 압출법으로 제조되는 반면, GI 형 플라스틱 광섬유는 코어 부분이 굴절률 분포를 가져야 하므로 연속공정으로 제조하기 어렵기 때문에 모재를 연신하여 제조되는 방법이 주로 이용된다. GI 형 플라스틱 광섬유의 제조는, 굴절률 분포를 가지는 모재를 가지고 열을 이용한 연신공정을 통해 플라스틱 광섬유의 형태로 가공함으로써 수행된다. 현재까지 굴절률 분포를 가지는 플라스틱 광섬유(GI-POF)의 모재를 개발하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
1980년대초 일본의 Y. Koike 교수가 공중합체를 이용하여 GI 형의 플라스틱 렌즈를 만드는 방법을 최초로 고안한 이후, GI 형 플라스틱 렌즈 및 광섬유의 제조방법이 연구되어 왔다. GI 형 플라스틱 광섬유의 제조 기술로서, 다층막 광섬유 형성법, 확산법, 화학증착법, 계면 겔 중합법(interfacial gel polymerization), 비중과 굴절률의 차이를 이용하는 방법 등이 개발되었다.
이 중에서 계면 겔 중합법이 가장 널리 이용되는 방법으로서, 이는 플라스틱 광섬유 모재의 중심으로 갈수록 반응성을 갖지 않는 굴절률 조절제의 농도를 높게 조절함으로써 굴절률 분포를 가지게 하는 방법이다. 이러한 계면 겔 중합법은 고분자 겔 내에서 단량체의 중합속도가 빠르고, 사용되는 미반응성 굴절률 조절제의 분자 크기가 단량체 분자 크기보다 크기 때문에 상기 조절제가 고분자 겔 속으로 침투하는 속도가 느린 것을 이용하여, 코어의 중심방향으로 굴절률 조절제의 농도가 높게 분포되도록 하는 방법이다. 계면 겔 중합법은 단순한 공정으로 쉽게 GI 형 플라스틱 광섬유를 제작할 수 있는 장점을 가지지만, 벌크 중합시 발생하는 반응열의 제어가 어렵기 때문에 플라스틱 광섬유 모재 내부에 미세공이 발생하기 쉽고, 20 mm 이상의 대형 플라스틱 광섬유 모재를 생산하기 어려운 단점을 가진다.
일본 특개평 07-027928호 및 08-304634호는 다른 굴절율 구배를 가지는 여러 고분자 수지층이 중심축으로부터 외측으로 굴절율이 높은 수지층의 순서로 포위되어 형성된 코어부와 이 코어부 외측에 피복되면서 코어 중심부의 굴절율보다 낮은 굴절율을 가지는 클래드(clad)부를 포함하는, GI 형 플라스틱 광섬유를 개시하고 있으나, 이 방법은 공정이 복잡하고, 코어내 수지층의 정밀한 굴절률 조절이 어려운 단점을 갖는다. 미국 특허 제5,639,512호, 제5,916,495호 및 제5,614,253호에서는 고분자 함유 용액을 회전하는 관 속에서 분사하거나 고분자 막대를 굴절률 조절제를 포함하는 고분자 함유 용액으로 침적 도장하여 고분자 용액의 막을 형성시킨 후 용매를 제거하여 GI 형 광섬유 모재를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 고분자 함유 용액에 혼합되는 굴절률 조절제의 첨가량을 조절함에 따라 굴절률 분포를 용이하게 제어할 수는 있으나, 용액의 분사 및 제거와 관련된 부가적인 장치와 공정을 필요로 하는 단점을 가진다.
이에 따라, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 굴절률 분포가 조절된 GI 형 플라스틱 광섬유 모재를 간편하게 제조하기 위한 개선된 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스틱 광섬유 모재의 구조를 나타낸 개략도이고,
도 2a는 본 발명에 따라 제조된 광섬유 모재의 제조단계별 모재 길이 방향의 굴절률 분포를 나타낸 도이고,
도 2b는 본 발명에 따라 제조된 광섬유 모재의 수직 방향 단면의 굴절률 분포를 나타낸 도이고,
도 3a 및 3b는 본 발명에서 사용되는 플라스틱 관을 제조하기 위한 장치의 개략도이고,
도 4는 본 발명에 따라 제조된 광섬유 모재로부터 광섬유를 가공하기 위한 장치의 개략도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. 액체 펌프 6: 자외선 조사장치
2: 모터 7: 모재 주입장치
3: 관 8: 가열기
4: 항온장치 9: 클래드 도포장치
5: 불활성기체 10: 자외선 조사장치
11: 캡스턴
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 실린더형 중합반응기 내에, 제1굴절률(n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제1직경(d1)을 갖는 제1플라스틱 관과 그의 내부에, 제2굴절률(n2)(n2＞n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제2직경(d2)(d2＜d1)을 갖는 제2플라스틱 관을 삽입하고, 이때 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관의 중심이 동축상에 위치하며, 상기 제2플라스틱 관 내부, 상기 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관 사이, 및 상기 제1플라스틱 관 외부에 각각 굴절률(n')이 n'>n2을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질, 굴절률(n'')이 n1<n''<n2을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질, 및 굴절률(n''')이 n'''<n1을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질을 주입하여 이들 전구체 물질을 중합 및 경화시키는 것을 포함하는, 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률 분포를 가지는 GI 형 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 GI 형 플라스틱 광섬유 모재를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 플라스틱 광섬유 모재의 구조를 개략적으로 나타낸 투시도이다. 본 발명의 방법에 따라, 실린더형 중합반응기 내에 제1굴절률(n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제1직경(d1)을 갖는 제1플라스틱 관을 끼우고, 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관의 중심이 동축상에 위치하도록, 상기 제1플라스틱 관의 내부에 제2굴절률(n2)(n2＞n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제2직경(d2)(d2＜d1)을 갖는 제2플라스틱 관을 삽입하고, 상기 반응기와 제1플라스틱 관의 사이, 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관의 사이 및 제2플라스틱 관의 중심에 각각 굴절률이 작은 순서로 고분자를 형성하기 위한 전구체 물질을 주입하고, 중합 및 경화시킴으로써 제조된 코어부를 포함하는, 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률 분포를 가지는 GI 형 플라스틱 광섬유 모재를 수득할 수 있다.
본 발명의 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법에 따르면, 굴절률이 서로 다른 플라스틱 관 사이의 공간에 상기 두 플라스틱 관을 구성하는 단량체들의 굴절률 사이값의 굴절률을 가지는 고분자 전구체 물질을 주입함으로써, 상기 플라스틱 관이 상기 전구체 물질로 스웰링(swelling) 되거나 확산됨과 동시에 열에 의해 중합함으로써 플라스틱 광섬유 모재 고분자를 제조할 수 있다. 이때, 상기 두 개의 플라스틱 관, 전구체 물질의 주입량, 스웰링 및 혼합 시간 등을 조절함에 따라 굴절률 분포를 제어할 수 있다.
상기 플라스틱 관의 스웰링 시간 및 전구체 물질과의 혼합 시간을 단축시키기 위하여, 상기 플라스틱 관을 회전시킬 수 있으며, 이에 따라 코어층의 굴절률 분포 조절이 용이해진다. 또한 상기 플라스틱 관들이 회전함에 따른 원심력에 의해 발생하는 관과 관 사이의 빈 공간에 상기 고분자용 전구체 물질을 자동으로 채워준다. 이들 원심력에 의해 생기는 빈 공간에 전구체 물질이 채워지지 않는 경우에는, 수득된 광섬유 모재의 내부에 공간이 형성되기 때문에 모재의 연신 공정이 유리전이온도보다 더 높은 온도에서 수행되어야 하는 문제점이 발생한다.
본 발명에 사용되는 고분자용 전구체 물질로는 통상의 플라스틱 광섬유 제조시에 사용되는 단량체가 모두 사용될 수 있으며, 특히 투명도가 높고 가공성이 좋으며 열안정성이 우수한 물질이 바람직하다. 상기 단량체로는 아크릴계 고분자 및그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 비닐계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 폴리카보네이트계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 개환중합계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체 등이 사용될 수 있다. 그 대표적인 예로는, 메틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 디페닐메틸메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 스티렌, 2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트, 2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필메타크릴레이트, 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트 또는 이들의 혼합물이 포함된다.
또한, 본 발명에서 사용되는 고분자용 전구체 물질로서, 상기 단량체 외에 단량체들의 올리고머, 단량체들이 예비 중합되어 점도가 증가된 중합체 물질 등이 사용될 수 있다. 구체적인 예로서, 메틸메타크릴레이트-벤질메타크릴레이트 공중합체, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 메틸메타크릴레이트-2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트 공중합체, 메틸메타크릴레이트-2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트 공중합체, 메틸메타크릴레이트-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필메타크릴레이트 공중합체, 메틸메타크릴레이트-2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트 공중합체 등이 포함된다.
본 발명의 플라스틱 광섬유 모재의 제조에 있어서, 상기 고분자용 전구체 물질에 상기 물질의 중량을 기준으로 굴절률 조절제가 10 내지 30 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다. 상기 굴절률 조절제로는 비반응성 물질인 벤질 n-부틸 프탈레이트, 벤질 벤조에이트, 브로모벤젠, 디페닐설페이트, 트리페닐 포스페이트, 디페닐 프탈레이트, 디페닐 설폭사이드 등이 사용될 수 있다. 또한, 통상의 반응개시제, 연쇄이동제 등의 첨가제를 각각 상기 모재 전구체 물질에 상기 물질의 중량을 기준으로 0.1 내지 1.0 중량%의 함량으로 첨가할 수 있다. 반응개시제의 대표적인 예로는, 벤조일 퍼옥사이드, 아조비스이소부티로니트릴, 부틸퍼옥사이드 등이 사용될 수 있으며, 연쇄이동제의 대표적인 예로는, n-도데실 머캡탄, n-부틸 머캡탄, n-헵틸 머캡탄 등이 사용될 수 있다.
상기 고분자용 전구체 물질의 중합은 60 내지 90℃에서 가열되거나, 자외선 또는 전자빔 조사를 통해 이루어질수 있다. 또한, 상기 중합 반응이 수행되기 전에, 상기 전구체 물질이 충분히 스웰링될 수 있도록 상온에서 일정 시간동안 유지시키는 에이징(aging) 단계를 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 에이징 공정을 통해 중합 및 경화 공정이 비교적 높은 온도에서도 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에서 사용되는 실린더형 중합반응기는 특별히 지정되지는 않으나 유리관 또는 석영관이 바람직하다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 제2플라스틱 관 내부에, 제3굴절률(n3)(n3>n2)을 갖는 재질로 이루어지며 제3직경(d3)(d3<d2)을 갖는 제3플라스틱 관을 하나 이상 더 포함하여 상기 제3플라스틱 관 내부 및 제2플라스틱 관과제3플라스틱 관 사이에 각각 굴절률이 작은 순서로 고분자를 형성할 수 있는 물질을 투입하여 중합 및 경화시킬 수 있다.
본 발명의 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법에 따라, 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률 분포를 가지는 GI 형 플라스틱 광섬유 모재가 수득된다. 도 2a는 상기 광섬유 모재의 제조 단계에 따라 변화되는 모재 길이 방향 단면의 굴절률 분포를 나타낸 도이고, 도 2b는 본 발명에 따라 제조된 모재의 수직 방향 단면의 굴절률 분포를 나타낸 도이다. 도 2a 및 2b에서 보는 바와 같이, 광섬유 모재의 중심부에서부터 외곽쪽으로 갈수록 굴절률이 점점 낮아지는 분포가 형성된다.
상기 모재내 코어부의 굴절률 차이는 필요에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 특정하게 제한되지는 않으나, 중심부와 최외곽부층의 굴절률 차이가 약 0.01 내지 0.03의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 사용되는 플라스틱 관 제조 장치의 한 태양을 도시한 개략적인 투시도이다. 도 3a에 도시된 장치는, 본 발명에서 사용되는 플라스틱 관을 제작하는데 사용되는 관(3) 및 이를 고속으로 회전시키기 위한 모터(2)를 포함하며, 상기 관(3)은 플라스틱 관용 전구물질을 중합시키기 위해 중합온도를 유지할 수 있는 항온장치(4) 또는 도 3b에 도시된 자외선 또는 전자빔 조사장치(6) 내에 위치시킨다. 또한, 단량체 중합시의 부반응을 방지하기 위하여 질소와 같은 불활성 기체(5)의 존재하에서 플라스틱 관을 제조할 수 있다. 상기 플라스틱 관용 전구 물질의 중합은 60 내지 90℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 자외선 또는 전자빔 조사를 통해서도 이루어질수 있다.
상기 관(3)은 광섬유 제조시에 통상적으로 사용되는 것이라면 어느 것이나 좋으며, 그 재질이나 크기에 특별한 제한은 없으나, 사용되는 단량체에 녹지 않고 중합 온도에서 열안정성을 가질 수 있으면 충분하다. 바람직하게는, 재질이 유리 또는 금속이고, 직경이 1 내지 100 ㎝, 길이가 15 ㎝ 내지 수 m 정도인 관이 좋다. 상기 (3)의 회전 속도는 3,000 내지 12,000 rpm의 범위가 바람직하다. 또한, 상기 관(3)에 주입되는 상기 전구체 물질의 주입량을 미세하게 조절하기 위한 주사기 펌프 또는 액체 펌프(1)를 사용하여 주입한다.
상기 플라스틱 관용 전구물질은 플라스틱 관과 함께 중합되는 상기 고분자 전구체 물질과 동종인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 방법에 따르면, 최내측 플라스틱 관을 플라스틱 막대로 대체함으로써 더 큰 크기의 GI 형 플라스틱 모재를 제조할 수 있다. 이때 상기 플라스틱 막대는 인접 외곽 플라스틱 관을 제조하기 위한 재질의 굴절률 보다 높은 굴절률을 가지는 재질로부터 제조될 수 있으며, 이에 따라 최종 수득된 모재는 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률 구배를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 플라스틱 막대가 본 발명에 따라 제조된 GI 형 플라스틱 광섬유 모재일 수 있으며, 이로써 보다 더 큰 직경을 가지는 GI 형 플라스틱 광섬유 모재를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 GI 형 플라스틱 광섬유 모재는 도 4에 도시된 장치를 이용하여 통상의 방법에 의해 광섬유로 제조될 수 있다. 모재 주입장치(7)에 포함된 본 발명의 광섬유 모재를 가열로(8)에 주입하고 고온 용융시켜 연신시킨 후, 클래딩 코팅 장치(9)로 주입하고 클래딩부를 도포하고, 자외선 조사장치(10)를 통해 경화시키고 단일 축으로 인장하여 광섬유를 수득할 수 있다. 수득된 광섬유의 직경은, 광섬유 모재의 주입 속도 및 제조된 섬유의 인장속도의 비에 의해 결정되며, 1 ㎜ 이하가 바람직하다. 상기 모재의 연신 속도는 외경 측정기를 통해 측정된 플라스틱 광섬유의 두께에 따라 PID (proportional-integral-derivative) 방식에 따라 조절할 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
플라스틱 관의 제조
제조 1-1
60℃의 대류 오븐(4) 중에서 내경이 5cm이고, 길이가 50cm인 석영 관(3)을 5,000 rpm의 속도로 회전시키면서, 메틸메타크릴레이트 85 중량%와 벤질메타크릴레이트 15 중량%, 상기 단량체 중량을 기준으로 벤조일 퍼옥사이드 0.2 중량% 및 n-도데실 머캡탄 0.2 중량%로 이루어진 고분자 전구체 물질을 두께가 1cm로 형성될 수 있는 양으로 액체 펌프를 이용하여 상기 관(3) 속에 주입하였다. 관(3)에 주입된 고분자 원료 물질의 굴절률이 1.43이 되는 배합으로 3시간 동안 경화시킨 후,외경 5cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.51인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 1-2
내경이 3cm이고, 길이가 50cm인 석영 관을 사용하고, 고분자 전구체 물질로서 메틸메타크릴레이트 75 중량%와 벤질메타크릴레이트 25 중량%를 사용하여 상기 고분자 전구체 물질의 굴절률이 1.44가 되도록 배합한 것을 제외하고는, 제조 1-1과 동일한 절차에 의해 외경 3cm, 두께 1cm이고 굴절율이 1.52인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 2-1
고분자 전구체 물질로서, 메틸메타크릴레이트 90 중량% 및 브로모벤젠 10 중량%를 사용한 것을 제외하고는, 제조 1-1과 동일한 절차에 의해 외경 5cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.50인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 2-2
고분자 전구체 물질로서, 메틸메타크릴레이트 80 중량% 및 브로모벤젠 20 중량%를 사용한 것을 제외하고는, 제조 1-2와 동일한 절차에 의해 외경 3cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.51인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 3-1
고분자 전구체 물질로서, 메틸메타크릴레이트 85 중량%와 벤질메타크릴레이트 15 중량%의 혼합물을 THF 용매에 5 : 1의 비로 혼합 후 중합시켜 예비 중합체를 제조하고 진공하에서 상기 용매를 증발시켜 제조된 것을 사용한 것을 제외하고는, 제조 1-1과 동일한 절차에 의해 외경 5cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.51인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 3-2
고분자 전구체 물질로서, 메틸메타크릴레이트 75 중량%와 벤질메타크릴레이트 25 중량%의 혼합물을 THF 용매에 5 : 1의 비로 혼합 후 중합시켜 예비 중합체를 제조하고 진공하에서 상기 용매를 증발시켜 제조된 것을 사용한 것을 제외하고는, 제조 1-2와 동일한 절차에 의해 외경 3cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.52인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 4-1
고분자 전구체 물질로서, 메틸메타크릴레이트 85 중량%와 벤질메타크릴레이트 15 중량%의 혼합물을 물에 6 : 1의 비로 혼합하고 여기에 현탁제를 1-2 중량% 첨가한 후 중합시켜 예비 중합체를 제조하고 이를 증류수로 여러 번 세정한 후 진공하에서 물을 증발시켜 제조된 것을 사용한 것을 제외하고는, 제조 1-1과 동일한 절차에 의해 외경 5cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.51인 플라스틱 관을 수득하였다.
제조 4-2
고분자 전구체 물질로서, 메틸메타크릴레이트 75 중량%와 벤질메타크릴레이트 25 중량%의 혼합물을 물에 6 : 1의 비로 혼합하고 여기에 현탁제를 1-2 중량% 첨가한 후 중합시켜 예비 중합체를 제조하고 이를 증류수로 여러 번 세정한 후 진공하에서 물을 증발시켜 제조된 것을 사용한 것을 제외하고는, 제조 1-2와 동일한 절차에 의해 외경 3cm, 두께 1cm이고 굴절률이 1.52인 플라스틱 관을 수득하였다.
플라스틱 모재의 제조
실시예 1
우선, 메틸메타크릴레이트 및 벤질메타크릴레이트의 중량비가 각각 90:10, 80:20 및 75:25인 혼합물에 이들 중량을 기준으로 벤조일 퍼옥사이드 0.2 중량% 및 n-도데실 머캡탄 0.2 중량%을 첨가하여 굴절률이 각각 1.429(단량체1), 1.438(단량체2) 및 1.447(단량체3)인 단량체 조성물을 제조하였다. 유리관에 제조 1-1에서 수득된 플라스틱 관을 삽입하고, 상기 플라스틱 관 내부에 제조 1-2에서 수득된 플라스틱 관을 삽입하고, 상기 관 사이의 빈 공간에 외곽 방향에서부터 중심 방향으로 상기 단량체 1, 2 및 3을 각각 주입하였다. 1시간이 경과한 후, 60℃ 오븐에서 12시간 동안 중합시키고, 120℃에서 24시간 동안 건조시켜, 중심으로부터 표면부까지 굴절률이 점점 감소하는 굴절률 분포를 가진 플라스틱 광섬유 모재를 제조하였다. 수득된 광섬유 모재에 있어서, 관 중심 및 관 벽면층의 굴절률이 각각 1.52 및 1.50 이었으며, 도 2a에 도시된 바와 같이 모재의 중심부터 외곽방향으로 갈수록 굴절률이 점진적으로 감소하는 분포를 가짐을 알 수 있다.
실시예 2
메틸메타크릴레이트 및 브로모벤젠의 중량비가 각각 95:5, 85:15 및 75:25인 혼합물에 이들 중량을 기준으로 벤조일 퍼옥사이드 0.2 중량% 및 n-도데실 머캡탄 0.2 중량%을 첨가하여 굴절률이 각각 1.427(단량체1), 1.441(단량체2) 및 1.455(단량체3)인 단량체 조성물을 제조하였다. 지지체로서의 유리관에, 제조 2-1에서 수득된 플라스틱 관을 삽입하고, 상기 플라스틱 관 내부에 제조 2-2에서 수득된 플라스틱 관을 삽입하고, 상기 관 사이의 빈 공간에 외곽 방향에서부터 중심 방향으로 상기 단량체 1, 2 및 3을 각각 주입하였다. 이어서, 실시예 1과 동일한 절차에 의해 이들을 중합시켜 플라스틱 광섬유 모재를 제조하였다. 수득된 광섬유 모재에 있어서, 관 중심 및 관 벽면층의 굴절률이 각각 1.51 및 1.49이며, 도 2a에 도시된 바와 같이 모재의 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가함을 알 수 있다.
실시예 3
제조 1-1 및 1-2에서 각각 수득된 플라스틱 관 대신에, 각각 제조 3-1 및 3-2에서 수득된 플라스틱 관을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 절차에 의해 플라스틱 광섬유 모재를 제조하였다. 수득된 광섬유 모재에 있어서, 관 중심 및 관 벽면층의 굴절률은 각각 1.53 및 1.51이며, 도 2a에 도시된 바와 같이 모재의 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가함을 알 수 있다.
실시예 4
제조 1-1 및 1-2에서 각각 수득된 플라스틱 관 대신에, 각각 제조 4-1 및 4-2에서 수득된 플라스틱 관을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 절차에 의해 플라스틱 광섬유 모재를 제조하였다. 수득된 광섬유 모재에 있어서, 관 중심 및 관 벽면층의 굴절률은 각각 1.52 및 1.50이며, 도 2a에 도시된 바와 같이 모재의 중심 방향으로 굴절률이 점진적으로 증가함을 알 수 있다.
광섬유의 제조
실시예 5
실시예 1에서 제조된 플라스틱 광섬유 모재를 도 4에 도시된 장치에서 250℃의 가열로(8) 내로 5 mm/분의 속도로 주입하여 연신시킨 후, 연속하여 클래딩 코팅 장치(9)로 주입하고 굴절률이 1.45인 고분자 조성물을 이용하여 클래딩부를 도포하고, 자외선 조사장치(10)를 통해 경화시킴으로써, 직경이 1,000 ㎛인 광섬유를 수득하였다.
본 발명에 따른, 굴절률이 서로 다른 재질로 이루어지며 크기가 서로 다른 복수개의 플라스틱 관을 이용하여 이들 사이에 인접 관들의 각 굴절률의 사이값의 굴절률을 가지는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질을 주입하고 중합 및 경화시키는 것을 포함하는 플라스틱 광섬유 모재의 제조방법은, 원하는 굴절률 분포를 가지는 GI 형 플라스틱 광섬유 모재를 크기에 제한없이 간편하게 제조할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (16)
- 실린더형 중합반응기 내에, 제1굴절률(n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제1직경(d1)을 갖는 제1플라스틱 관과 그의 내부에, 제2굴절률(n2)(n2＞n1)을 갖는 재질로 이루어지며 제2직경(d2)(d2＜d1)을 갖는 제2플라스틱 관을 삽입하고, 이때 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관의 중심이 동축상에 위치하며, 상기 제2플라스틱 관 내부, 상기 제1플라스틱 관과 제2플라스틱 관 사이, 및 상기 제1플라스틱 관 외부에 각각 굴절률(n')이 n'>n2을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질, 굴절률(n'')이 n1<n''<n2을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질, 및 굴절률(n''')이 n'''<n1을 만족하는 고분자를 형성할 수 있는 전구체 물질을 주입하여 이들 전구체 물질을 중합 및 경화시켜서 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률을 갖는 코어부를 형성하는 것을 포함하는, GI(graded-index) 형 플라스틱 광섬유 모재의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2플라스틱 관 내부에, 제3굴절률(n3)(n3>n2)을 갖는 재질로 이루어지며 제3직경(d3)(d3<d2)을 갖는 제3플라스틱 관을 하나 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 플라스틱 관들을 회전시키면서 중합 반응이 수행됨을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서,상기 플라스틱 관들의 회전에 따라 발생되는 빈 공간에 상기 고분자 전구체 물질이 주입됨을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 플라스틱 관이 상기 고분자 전구체 물질과 동종 물질로부터 제조된 것임을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,중합이 60 내지 90℃에서 가열되거나, 자외선 조사 또는 전자빔 조사에 의해 수행됨을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 고분자용 전구체 물질이 아크릴계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 비닐계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 폴리카보네이트계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한단량체, 개환중합계 고분자 및 그의 불소 또는 중수소 치환체로 중합가능한 단량체, 이들의 혼합물 및 이들의 예비 중합체 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서,상기 단량체가 메틸메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 디페닐메틸메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 스티렌, 2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트, 2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필메타크릴레이트, 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서,상기 예비 중합체가 메틸메타크릴레이트-벤질메타크릴레이트 공중합체, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 메틸메타크릴레이트-2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트 공중합체, 메틸메타크릴레이트-2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트 공중합체, 메틸메타크릴레이트-1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필메타크릴레이트 공중합체, 메틸메타크릴레이트-2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트 공중합체 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 고분자용 전구체 물질이 벤질 n-부틸 프탈레이트, 벤질벤조에이트, 브로모벤젠, 디페닐설페이트, 트리페닐포스페이트, 디페닐프탈레이트, 디페닐 설폭사이드 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 굴절률 조절제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 중합반응기의 재질이 유리 또는 석영임을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 중심부에 최내측 플라스틱 관의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 플라스틱 막대를 삽입하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서,상기 플라스틱 막대가 최외곽으로부터 중심으로 갈수록 점진적으로 증가된 굴절률 구배를 가짐을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서,상기 플라스틱 막대가 제1항의 방법에 따라 제조된 GI 형 플라스틱 광섬유 모재임을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 GI 형 플라스틱 광섬유 모재.
- 제15항의 플라스틱 모재를 연신한 후 상기 모재 최외곽부의 굴절률보다 낮은 굴절률을 형성하는 물질로 클래딩부를 도포하여 제조된 플라스틱 광섬유.
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