KR100815927B1

KR100815927B1 - 광섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR100815927B1
Application number: KR1020010067113A
Authority: KR
Inventors: 오오바토시오; 카와다노부오; 우에노마사야
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2008-03-21
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: TW539655B; DE60200625D1; JP2002249345A; US20020112508A1; US6877344B2; EP1236697B1; DE60200625T2; JP2003002697A; EP1236697A1; JP3937127B2; KR20020068250A

Abstract

본 발명의 광섬유의 제조방법은, 나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하고, 대체로 대기압하에서 전자선을 조사하여 경화시키는데 있어서, 광섬유 통과부에 자장을 형성하여 조사효율을 향상시키는 것으로서, 나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하고, 이것을 전자선 경화시키는 경우에 전자선의 조사효율이 향상된 것이다.

Description

광섬유의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING AN OPTICAL FIBER}

도 1은 본 발명의 실시에 사용하는 광섬유 제조장치의 일예를 나타내는 개략단면도,

도 2는 실시예 1에서의 전자선 비적상태의 설명도,

도 3은 실시예 2에서의 전자선 비적상태의 설명도,

도 4는 비교예 1에서의 전자선 비적상태의 설명도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 광섬유 2 : 전자선

10 : 전자선 조사부 11, 12 : 개구부

13 : 불활성가스용 배관 20 : 전자선 발생부

21 : 전자발생수단 22 : 전자가속수단

23 : 전자수속수단 30 : 윈도우

40 : 자장발생수단

본 발명은 광섬유에 도포된 전자선 경화성수지의 액상조성물을 조사효율이 높은 전자선을 사용하여 경화하는 광섬유의 제조방법에 관한 것이다.

전자선은 물질속을 나아갈 때에, 물질속의 궤도전자를 여기하여, 화학반응을 일으키거나 2차전자나 X선을 발생시키거나 함으로써, 서서히 에너지를 물질에 나누어주어 속도를 잃음과 아울러, 산란을 받아 진행방향이 제각기로 되어 확산된다. 이 경향은 특히 고체와 같은 밀도가 높은 물질속에서는 현저하다. 이와 같은 성질을 갖는 전자선은, 인쇄잉크, 도료, 점착물질을 박리하는 박리제 등의 경화에 이미 사용되고 있다. 한편, 그 전자선을 조사하는 장치에 대해서는 얼마간의 전자발생수단과 전자가속수단을 보유하고 있지만, 종래의 수지의 경화에 사용되는 것은, 일반적으로 생산성을 높이기 위하여 넓은 면적을 조사하도록 설계되고, 비교적 저가속 전압의 장치에서는 폭넓은 전자선의 띠를 만들어내는 전자발생수단·전자가속수단으로 이루어지는 이른바 커텐방식이, 비교적 고가속전압의 장치에서는 가는 선상의 빔을 만들어 내는 전자발생수단·전자가속수단과 그 빔을 폭넓게 나누는 전자주사수단으로 이루어지는 이른바 주사방식이 채용되고 있다.

또, 전자의 발생과 가속은 진공중에서 행하지만, 조사는 생산성을 고려하여 연속처리가 쉬운 대기압 분위기중에서 행해지고 있다. 대기압과 진공의 경계는 얇은 금속박으로 이루어지는 윈도우로 칸막이 하고, 전자선은 그 윈도우를 통과시켜 진공에서 대기압으로 꺼내는 것이 일반적이다. 전자선은 윈도우를 통과할 때에 현저하게 산란되기 때문에 통과후는 확산되어 버리지만, 애초 넓은 면적으로 조사되는 것이므로 문제는 없었지만, 광섬유와 같이 매우 좁은 것에 조사하는 경우, 그 조사효율은 현저하게 낮은 것이었다. 한편, 전자선을 진공하에서 조사하는 경우는, 자장으로 전자선을 수속하는 기술이 이미 실용화되어 있어 전자선 용접기 등으로 사용되고 있지만, 광섬유에 진공중에서 전자선을 연속적으로 조사한 경우, 진공도의 균일성을 유지하는 것이 곤란함과 동시에, 수지가 발포, 비산한다는 문제가 있었다.

또한, 일본 특허공개 평5-50454호 공보에는, 광섬유 피복재의 전자선 경화에 대하여 기재되어 있지만, 전자선의 조서효율에 대해서는 언급되어 있지 않고, 대기압하, 조사효율이 높은 전자선을 광섬유에 연속하여 조사하는 기술은 아직 확립되어 있지 않다.

광섬유에는 석영유리계, 다성분 유리계, 플라스틱계 등의 여러 종류의 것이 있지만, 실제로는 석영유리계 광섬유가 경량, 저손실, 고내구, 대전송용량이라는 장점에서 광범위한 분야에서 대량으로 사용되고 있다. 그러나, 이 석영유리계 광섬유는 가장 일반적인 것으로 직경이 125㎛로 매우 가늘기 때문에, 약간의 상처가 생겨도 끊어지기 쉽고, 또 굽힘 등의 외적 응력에 의해 전송손실이 증대하기 때문에, 부드러운 일차피복층과 그것을 둘러싸는 단단한 이차피복층의 2층으로 이루어지는 수지피복이 실시된다. 보통은 광섬유가 용융 인발된 직후에 나광섬유 상에 액상수지를 다이코트법 등으로 도공한 후, 열이나 방사선(일반적으로는 자외선)조사에 의해 경화하여 피복이 실시된다. 2차피복은 1차피복의 도공·경화 후에 도공·경화하는 경우와, 1차피복과 동시에 도공·경화하는 경우가 있다. 또한 피복된 광섬유는 식별용으로 잉크로 착색되는 것이 일반적이다. 피복된 광섬유를 여러개(보통은 4개 또는 8개) 묶어서 액상수지를 도공한 후, 열이나 자외선 등의 방산선 조사에 의해 경화 함으로써 광섬유 테이프가 제조되고 있다.

이들 피복재로서는 우레탄아크릴레이트계의 자외선 경화성수지 조성물이 제안되어 있고, 일본 특허공고 평1-19694호 공보, 특허 제2522663호 공보, 특허 제2547021호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 우레탄아크릴레이트올리고머와, 반응성 희석제, 광중합 개시제로 이루어지는 자외선 경화성수지의 액상조성물이 알려져 있다.

근래, 광섬유의 생산에 있어서, 생산성의 향상을 위하여 광섬유의 인발속도가 고속화되고 있고, 수지피복재를 경화시키는데 필요한 단위시간당의 에너지도 증대하고 있다. 그러나, 일반적으로 행해지고 있는 자외선 경화에서는 자외선램프의 출력 증가가 그 진보에 따라가지 못하는 것이 현상이다. 따라서 자외선 조사장치를 몇대나 직렬로 설치할 필요가 있어, 설치가능한 공간의 크기에 의해서 생산속도가 한계점에 도달해 버리는 문제가 있었다.

한편, 전자선 경화는 자회선 경화에 비하여 일반적으로 에너지효율이 높다고 알려져 있지만, 그것은 코트지나 인쇄잉크 등의 수지경화와 같이 피조사물이 폭넓고, 전자선이 확산되어도 피조사물의 어딘가에 닿는 경우에 한한다. 광섬유에 전자선을 조사하기 위하여 종래의 커텐방식의 전자선 조사장치를 사용하면, 예컨대 전자선의 띠의 방향을 가는 선 방향에 맞추어도, 금속박 투과시의 전자선의 산란이 현저하기 때문에 가는 선에 명중하는 전자의 비율이 매우 적고, 에너지효율이 낮다는 문제가 있었다. 또, 주사방식의 전자선 조사장치를 사용하여도, 예컨대 주사하 지 않고 가는 선상에 정지하는 것이 가능하다고 하여도, 마찬가지로 금속박 투과시의 전자선의 산란이 현저하기 때문에 효율이 낮다는 문제가 있었다. 이 때문에 폴리에틸렌 피복전선의 전자선 가교에서는, 전선을 되접어 꺽음으면서 주행시켜, 조사장치중을 다수회 통과시킴으로써 이 문제를 극복하고 있지만, 광섬유와 같이 액상조성물을 도공한 것을 전자선 경화시키는 경우는 경화가 완전하지 않은 중에 되접어 꺽으면 피복이 손상되므로 이 방법은 채용할 수 없다는 문제가 있었다.

또, 광섬유 피복재의 전자선 경화에는, 전자선이 광섬유의 코어에 도프된 게르마늄을 변화시켜 전송손실의 증대를 초래한다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 주행하는 나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하여, 균일하고 또한 효율좋게 연속적으로 전자선 조사함으로써 인발속도의 고속화에 대응함과 아울러, 광섬유의 전송특성을 손상하지 않는 광섬유 심선의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과, 진공의 전자선 발생부와 대기압 조사부의 칸막이인 금속박으로 이루어지는 윈도우를 투과할 때에 산란된 전자선을 나선 광섬유에 도공된 전자선 경화성수지의 액상조성물에 대기압하에서 조사하여 경화시키는데 있어서, 광섬유 통과부에 자장을 형성함으로써 조사효율이 향상되는 것을 발견하고 본 발명을 완성하는데 이르렀다.

즉, 본 발명은 하기 광섬유의 제조방법을 제공한다.

(1) 나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하고, 대체로 대 기압하에서 전자선을 조사하여 경화시키는데 있어서, 광섬유 통과부에 자장을 형성하여 조사효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.

(2) 광섬유 통과부의 자속밀도가 0.1T 이상인 것을 특징으로 하는 청구항 1기재의 광섬유의 제조방법.

(3)광섬유 통과부는 불활성가스 분위기인 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2기재의 광섬유의 제조방법.

(4)불활성가스는 헬륨인 것을 특징으로 하는 청구항 3기재의 광섬유의 제조방법.

(5)전자선이 전압 60∼160kV로 가속된 전자인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 4의 어느 하나에 기재된 광섬유의 제조방법.

(6) 전자선 경화성수지의 액상조성물은 폴리에테르우레탄 아크릴레이트올리고머와 반응성 희석제를 함유하는 것임을 특징으로 하는 청구항 1 내지 5의 어느 하나에 기재된 광섬유의 제조방법.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 방법의 실시에 사용하는 광섬유 제조장치의 일예를 나타내고, 도면중 10은 양끝면이 폐쇄된 통형상의 전자선 조사부이고, 그 양끝면에는 각각 광섬유(1)의 입구부 및 출구부로 되는 개구부(11, 12)가 형성되고, 광섬유(1)는 한쪽의 개구부(입구부;11)에서 전자선 조사부(10) 내에 들어가서, 이 조사부(10) 내 중심을 통과하고, 이 때 전자선(2)이 조사된 후 다른쪽의 개구부(출구부;12)로부터 나오도록 되어 있다. 또한, 13은 전자선 조사부 내를 불활성가스 분위기로 하는 수단으로서 다른쪽 끝면에 설치된 불활성가스용 배관이고, 이 배관(13)으로부터 헬륨, 질소 등의 불활성가스가 조사부(10) 내에 공급되어, 조사부(10) 내에서의 광섬유(1)의 전자선 조사를 불활성가스 분위기에서 행할 수 있도록 되어 있다.

20은 밀폐상자형 전자선 발생부이고, 내부에 전자를 발생하는 전자발생수단(21)과, 발생된 전자를 가속하는 전자가속수단(22)과, 가속된 전자를 수속하는 전자수속수단(23)이 각각 설치되고, 이것에 의해서 전자선(2)이 전자선 조사부(10)를 향해서 조사되도록 되어 있다.

이 전자선 발생부(20)는 1대 또는 복수대 설치된다. 복수대를 설치하는 경우, 복수대의 전자선 발생부(20)는 상기 전자선 조사부(10)를 둘러싸서 서로 대체로 등간격씩 이간하여 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 3대의 전자선 발생부(20)를 설치하는 경우, 이들이 전자선 조사부(10)를 중심으로 하여 서로 120° 이간된 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

30은 윈도우이고, 이 윈도우(30)에 의해 전자선 조사부(10)와 전자선 발생부(20)가 칸막이되어 전자선 발생부(20) 내가 진공으로 유지됨과 아울러, 이 전자선 발생부(20)에서 발생한 전자선(2)이 윈도우(30)를 투과하여 거의 대기압하에 있는 전자선 조사부(10) 내에 들어가서 전자선 경화성수지의 액상조성물이 도공된 광섬유(1)를 조사하도록 되어 있다.

40은 전자선 조사부(10) 내에 설치된 자장발생수단이고, 이 자장발생수단(40)에 의해 윈도우(30)를 통하여 전자선 조사부(10) 내에 침입한 전자선(2)이 상기 광섬유(1)를 향해서 수속되도록 되어 있다.

여기서, 전자선 발생부는 전자발생수단, 전자가속수단을 구비하고 있고, 경우에 따라서는 전자수속수단을 구비하고 있어도 된다. 전자발생수단으로서는, 열전자방출, 2차전자방출, 전계전자방출, 광전자방출 등의 현상을 이용한 종래 공지의 전자발생원, 예를 들면 텅스텐, 붕소화란탄 등의 열음극이나 글로방전(glow discharge) 냉음극이 사용될 수 있다. 전자가속수단으로서는, 직류전계 또는 고주파전계에 의한 종래 공지의 전자가속수단, 예컨대 평행평판 전극간에 직류고전압을 작용시켜 만든 직류전계나 공동공진기에 고주파전압을 작용시켜 만든 고주파전계가 사용될 수 있다. 전자수속수단으로서는, 전계렌즈, 자계렌즈 등 종래 공지의 전자수속수단, 예를 들면 3매의 전극판으로 만들어진 전계렌즈나 영구자석 또는 솔레노이드로 만들어진 자계렌즈가 사용될 수 있다.

전자선 발생부는 광섬유를 향해서 전자가 방출·가속될 수 있는 구조이면 되고, 봉상, 판상 또는 원형상 필라멘트나 동일형상으로 구멍이 형성된 글리드 등을 사용할 수 있다.

진공의 전자선 발생부와 대기압하에 있는 전자선 조사부의 칸막이인 윈도우는, 진공은 유지하지만 전자는 투과하는 것이 아니면 안된다. 강도가 있고, 또한 전자를 투과시키기 쉬운 원자번호가 비교적 낮은 Ti, Al, Si, C등의 박이 일반적으로 사용되고, 박의 두께는 상기 요구를 만족하도록 보통 3∼15㎛로 설정되어 있다.

여기서, 윈도우를 통과한 전자는 산란되지만, 산란된 전자를 자장으로 수속함으로써 광섬유로의 조사효율을 향상시킬 수 있다. 자장은 영구자석 또는 솔레노이드로 만들어진 전자석이 사용될 수 있다.

자장의 방향에 대해서는, 조사효율이 향상되는 한 한정되는 것은 아니고, 광섬유에 대하여 수직, 수평 또는 경사의 어느 방향으로도 가능하지만, 예를 들면 광섬유에 대하여 전자가 수직으로 조사되는 경우는 전자와 평행한 자장이 바람직하다. 자속밀도는 전자의 방향을 바꾸는 것이 가능한 0.1T 이상이 바람직하다. 자장이 강력하게 되면 자장발생을 위한 장치도 대규모로 되는 것에 비해서는 조사효과의 향상이 적어지기 때문에 0.1∼5T가 보다 바람직하다. 자장의 방향과 강도의 설계에 있어서는 전자의 가속전압, 윈도우의 재질, 윈도우에서 광섬유까지의 거리 등을 고려하는 것이 중요하다. 이 경우, 윈도우에서 광섬유까지의 거리는 3∼50㎜, 특히 5∼30㎜로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 효과를 더욱 향상시키기 위해, 전자선 발생부 및 자장을 복수개 설치하는 것도 가능하다.

상술한 바와 같이, 전자선 조사장치의 전자선 조사부(광섬유 통과부)는 불활성가스 분위기에서 압력은 대체로 대기압인 것이 필요하다. 전자선 조사부에 산소가 존재하면 전자를 산란하기 쉬울 뿐만 아니라, 수지의 라디칼 중합을 방해하고, 수지의 표면이 경화불량으로 된다. 불활성가스로서는, 예를 들면 원자번호가 낮은 He, N₂가 바람직하고, 특히 He가 전자의 산란이 적기 때문에 바람직하다. 또, 연속조사에 있어서, 진공계는 그 진공도를 일정하게 유지하는 것이 곤란할 뿐만 아니라 수지의 발포 등의 문제가 발생하기 쉽게 되고, 가압계는 전자의 산란이 커지기 때문에 조사효율이 저하되므로, 그와 같은 문제가 발생하지 않는 압력(대체로 대기 압)하가 바람직하다.

전자선의 조사강도는 전자를 발생시키는 필라멘트에 흐르는 전류를 변경함으로써 조절할 수 있고, 광섬유의 주행속도에 연동하여 조잘하는 것이 바람직하다.

본 발명의 광섬유의 제조방법에 있어서는, 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공한 후, 가속전자의 최대에너지가 약 120keV이하이고 또한 평균에너지가 약 60keV이상인 전자선을 조사하고, 설치한 자장에 의해 효율적으로 피복재를 경화시키면 전자선이 광섬유의 코어까지 도달하지 않기 때문에 전송손실의 증대를 초래하지 않아 바람직하다.

전자선 경화성수지의 액상조성물로서는 종래 공지의 것, 예를 들면 폴리에테르우레탄아크릴레이트를 주성분으로 하는 것이 사용될 수 있고, 점도를 조정할 목적으로 반응성 희석제를 병용할 수 있다.

폴리에테르우레탄아크릴레이트는, 폴리프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜 등의 폴리에테르에 2,4-톨릴렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트 등의 디이소시아네이트를 반응시키고, 또한 히드록시에틸아크릴레이트 등의 수산기를 보유하는 아크릴레이트를 반응시킴으로써 얻을 수 있다. 경화피막의 특성으로부터 바람직한 수평균 분자량은 800∼10,000이다. 반응성 희석제는 에틸렌성 불포화기를 보유하는 화합물이 바람직하고, 라우릴아크릴레이트, 이소보로닐아크릴레이트, N-비닐카프로락탐, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리메티롤프로판트리아크릴레이트 등이 예시된다.

광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하는 방법으로서는, 종래 공지의 방법, 예를 들면 다이코트법 등이 채용될 수 있다. 전자선 경화성수지의 액상조성물에 폴리에테르우레탄아크릴레이트를 주성분으로 하는 것을 채용하는 경우, 흡수선량이 약 10∼약 100kGy로 되도록 조사하는 것이 바람직하다. 흡수선량이 약 10kGy보다 작으면 수지가 경화불충분이고, 약 100kGy보다 크면 전자선에 의한 수지의 열화가 일어날 가능성이 있다. 분위기중의 산소농도는 약 1,000ppm이하, 보다 바람직하게는 10∼300ppm으로 하는 것이 바람직하다. 산소농도가 약 1,000ppm보다 높으면 경화불량으로 될 위험이 있다. 또, 본 발명의 광섬유의 제조방법은 광섬유테이프의 제조도 포함한다. 이 경우에는 가속전자의 최대에너지가 약 160keV이하이고 또한 평균에너지가 약 120keV이상인 전자선을 조사하는 것이 바람직하다.

또한, 나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하고, 전자선 조사장치에 공급하여 전자선을 조사하여 경화시킨 후에, 광섬유를 권취하는 수단이 별도로 설치되어 있어 귄취할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 나타내어, 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

진공중(10^-4Pa)에서 발생한 열전자를 100㎸로 가속하고, 얻어진 전자선을 두께 10㎛의 티탄박에 조사하여, 대기압하, 질소분위기에서 가속한 전자에 평행하고 광섬유에 수직인 방향으로 자속밀도 1T의 자장을 형성한 경우의 전자선의 비적(飛跡)을 하기문헌에 개시된 방법으로, 자장에 의한 로렌츠력과 상대론 효과를 가미한 방법을 이용하여, 계산기로 시뮬레이트한 결과를 도 2에 나타낸다. 티탄박에서 10㎜의 거리에 있는 직경이 250㎛인 광섬유로의 조사효율(=광섬유에 입사되는 전자선 에너지/조사한 전자선의 에너지)는 8.7%이었다.

J.Appl.Phys.,Vol.10,No.6, June 1971 p.678∼686

J.Appl.Phys.,Vol.43,No.10, October 1972 p.4233∼4249

J.Appl.Phys.,Vol.52,No.7, July 1981 p.4396∼4405

J.Appl.Phys.,Vol.66,No.12, December 1989 p.6059∼6064

실시예 2

질소분위기 대신에 헬륨분위기로 한 이외는 실시예 1과 동일조건으로 전자선의 비적을 동일하게 시뮬레이트 하였다. 결과를 도 3에 나타낸다. 티탄박에서 10㎜의 거리에 있는 직경이 250㎛인 광섬유로의 조사효율은 17.8%이었다.

비교예 1

실시예 1과 동일조건에서 자장을 형성하지 않은 경우에 대하여 동일하게 시뮬레이트 하였다. 결과를 도 4에 나타낸다. 티탄박에서 10㎜의 거리에 있는 직경이 250㎛인 광섬유로의 조사효율은 0.7%이었다.

본 발명에 의하면, 나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하고, 이것을 전자선 경화시키는 경우에 전자선의 조사효율이 향상된 것이다.

Claims

나선 광섬유에 전자선 경화성수지의 액상조성물을 도공하고, 대기압하에서 전자선을 조사하여 경화시키는데 있어서, 광섬유 통과부에 자장을 형성하여 조사효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제1항에 있어서, 광섬유 통과부의 자속밀도는 0.1T 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 광섬유 통과부는 불활성가스 분위기인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제3항에 있어서, 불활성가스는 헬륨인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 전자선이 전압 60∼160kV로 가속된 전자인 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 전자선 경화성수지의 액상조성물은 폴리에테르우레탄아크릴레이트올리고머와 반응성 희석제를 함유하는 것임을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.