KR102091196B1

KR102091196B1 - 이미지 가이드 파이버

Info

Publication number: KR102091196B1
Application number: KR1020187012429A
Authority: KR
Inventors: 나호에 스미타; 히데아키 타카쿠; 다카시 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 스미타코가쿠가라스
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2036-05-20
Also published as: US20190270667A1; KR20180061334A; TWI611227B; CN108139536A; JP2017138400A; WO2017134702A1; CN108139536B; EP3413107A1; TW201728929A; JP6006894B1; EP3413107A4; US10508053B2; EP3413107B1; SG11201806353UA

Abstract

제조 상의 문제를 방지하면서 화질을 개선시킬 수 있는 이미지 가이드 파이버를 제공한다. 본 발명의 이미지 가이드 파이버는 개구수(NA)가 0.70 내지 0.90이다. 본 발명의 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁으로부터 클래드 유리의 100 내지 300 ℃에서의 선 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α는 - 3 × 10^-7 / ℃ ~ 15 × 10^-7 / ℃의 범위이다. 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂보다 높다. 코어 점유 면적의 비율은 25 % 이상이다. 화소 밀도는 0.1 화소 / ㎛² 이상이다.

Description

이미지 가이드 파이버

본 발명은 의료용 또는 산업용 내시경 등의 이미지 전송에 적합하게 사용되는 이미지 가이드 파이버에 관한 것이다.

일반적으로, 다수의 코어 및 다수의 코어(core)에 공통인 클래드(clad)를 포함하는 이미지 가이드 파이버에서, 더 높은 화소 밀도(pixel density)는 더 큰 이미지 해상도와 동일하고, 더 높은 코어 점유 면적 비율은 더 큰 밝기와 동일하다. 더 높은 화소 밀도를 위해 코어 지름을 줄이면 코어 점유 면적 비율이 감소한다. 따라서, 화질(image quality)을 개선하기 위해, 화소 밀도와 코어 점유 면적 비율을 모두 높이려면 인접한 코어들 간의 클래드 두께(인접한 코어들 간의 거리)를 줄이는 것이 효과적이다. 그러나, 인접한 코어들 간의 클래드 두께가 지나치게 얇으면 투과광(transmitted light)의 크로스 토크(crosstalk)를 야기할 수 있고, 화질의 충분한 개선을 방해 할 우려가 있다.

크로스 토크를 완전히 방지하기에 충분한 인접한 코어들 간의 클래드의 최소 두께는 이미지 가이드 파이버의 개구수(numerical aperture; 이하 'NA')에 달려 있다. 더 높은 개구수(NA)는 인접한 코어들 간의 클래드의 최소 두께를 감소시켜 크로스 토크를 방지하는데 충분하다. 개구수(NA)를 증가시키는 종래 제안된 방법 중 하나로서, 다 성분계 유리로 이루어진 이미지 가이드 파이버를 제조하는 방법이 있다(예를 들면, 하기 언급된 특허 문헌 1 참조).

JP

2005-222087

A

그러나, 다 성분계 유리의 이미지 가이드 파이버를 제조함으로써 개구수 (NA)가 증가되는 경우, 코어를 구성하는 유리(이하 “코어 유리”로 칭할 수 있음)와 클래드를 구성하는 유리(이하 “클래드 유리”로 칭할 수 있음) 간의 굴절률에 상당한 차이가 있을 필요가 있으므로, 코어 유리의 조성은 클래드 유리의 조성과 상당히 다를 필요가 있다. 코어 유리와 클래드 유리 간의 조성에 상당한 차이가 있으면 코어 유리와 클래드 유리 간의 각종 물리적 성질에 상당한 차이가 생겨 이미지 가이드 파이버의 제조 상의 문제가 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 관점에 비추어 제조 상의 문제를 방지하면서 화질을 개선시킬 수 있는 이미지 가이드 파이버를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 복수의 코어(core) 및 상기 복수의 코어에 공통인 클래드(clad)를 포함하는 이미지 가이드 파이버에 있어서,

상기 코어 및 클래드는 각각 다 성분계 유리로 구성되며,

상기 이미지 가이드 파이버는 0.70 내지 0.90 범위의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지며,

상기 코어의 코어 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수(linear thermal expansion coefficient) α₁으로부터 클래드의 클래드 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 15 × 10^-7 / ℃ 이며,

상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드 유리의 유리 전이 온도Tg₂보다 높으며,

상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 클래드의 외주변 가장자리(outer circumferential edge)에 의해 구획화된 화면부(screen portion)의 면적에 대한 복수의 코어의 전체 면적 비율인 코어 점유 면적 비율은 25 % 이상이며,

상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 화면부의 단위 면적당 화소 수인 화소 밀도는 0.1 화소 / ㎛² 인 것을 특징으로 하는, 이미지 가이드 파이버에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버는 제조 상의 문제를 방지하면서 화질을 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버의 바람직한 실시예에서,

상기 코어 유리는,

굴절률 nd₁은 1.690 내지 1.745이고,

상기 유리 전이 온도 Tg₁은 605 ℃ 이상이며,

100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁은 86 × 10^-7 / ℃ 이상일 수 있다.

상기 구성에 의하면, 제조 상의 문제를 방지하면서 화질을 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버의 다른 바람직한 실시예에서,

상기 코어 유리는,

mol %로서,

SiO₂: 36 % 내지 48 %,

B₂O₃: 7 % 내지 19 %,

Al₂O₃: 0 % 내지 3.5 %,

ZnO: 0 % 내지 4 %,

CaO: 0 % 내지 4.5 %,

SrO: 0 % 내지 4.5 %,

BaO: 20 % 내지 33 %,

La₂O₃: 4 % 내지 8 %,

Ta₂O₅: 0.5 % 내지 3.5 %,

ZrO₂: 0.5 % 내지 7 %,

Li₂O: 0 % 내지 8 %,

Na₂O: 0 % 내지 5 %, 및

K₂O: 0 % 내지 5 %

로 이루어진 조성을 포함하며,

상기 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 비율은 0 % 내지 8 %일 수 있다.

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버의 또 다른 바람직한 실시예에서,

상기 클래드 유리는,

굴절률 nd₂은 1.490 내지 1.530이고,

상기 유리 전이 온도 Tg₂는 570 ℃ 이하이며,

100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃ 이하일 수 있다.

상기 클래드 유리는,

mol %로서,

SiO₂: 46 % 내지 67 %,

B₂O₃: 7 % 내지 20 %,

Al₂O₃: 1 % 내지 15 %,

MgO: 0 % 내지 12 %,

CaO: 0 % 내지 10 %,

ZnO: 0 % 내지 11 %,

Li₂O: 0 % 내지 6 %,

Na₂O: 2 % 내지 20 %, 및

K₂O: 0 % 내지 9 %

로 이루어진 조성을 포함하며,

상기 MgO, CaO, 및 ZnO의 총 비율은 3 % 내지 14 %이며,

상기 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 비율은 6 % 내지 24 %일 수 있다.

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버는 제조 상 문제를 방지하면서 화질을 개선시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버가 사용될 수 있는 의료용 내시경의 스코프(scope)의 일례를 나타내는 개략도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 가이드 파이버의 단면도; 및
도 3A 및 도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 가이드 파이버의 제조 방법의 일례를 도시한 도면이다.

이하, 본 실시 형태의 하나를 도면을 참조하여 설명한다.

[이미지 가이드 파이버를 이용한 내시경]

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버(이하 간단히 “파이버”라고 함)는 예를 들어 의료 또는 산업 분야의 내시경에서 이미지 전송을 위해 사용될 수 있다.

도 1은 의료용 내시경의 스코프(10)의 예를 도시하고 있다. 스코프(10)는 조작부(11, operation portion)와 프렉서블한 삽입부(12, insertion portion)를 포함하고 있다. 삽입부(12)는 그 전단 측면(즉, 조작부(11)와 대향하는 측)에 전단부(13, front end portion)를 포함하고 있다. 삽입부(12)는 또한 전단부(13)의 측면에 대물 렌즈(3, objective lens)를 포함하고 있다. 조작부(11)는 접안 렌즈(4, ocular lens)를 포함하고 있다. 도 1의 예에서, 본 실시 형태에 따른 이미지 가이드 파이버(1)는 대물 렌즈(3)와 접안 렌즈(4) 사이의 삽입부 (12) 및 조작부(11) 상에 연장되어 있다. 또한, 라이트 가이드 파이버(2, light guide fiber)는 삽입부(12) 및 조작부(11) 상에 연장되어 있다. 도 1의 예에서, 스코프(10)는 모니터(30)에 연결되어 있다. 대물 렌즈(3)를 통해 이미지 가이드 파이버(1)의 입사 단면(1a, incident end surface) 상에 관찰 대상(20, observed object)의 이미지가 형성되고, 형성된 이미지는 이미지 가이드 파이버(1)를 통해 전송되어 이미지 가이드 파이버(1)의 방출 단면(1b, emission end surface)에서 방출됨으로써 접안 렌즈(4)를 통해 모니터(30)에 출력된다.

그러나, 본 실시 형태에 따른 이미지 가이드 파이버(1)는 도 1의 의료용 내시경에 반드시 사용될 필요는 없으며, 예를 들어 산업용 내시경에서 이미지 전송을 위해 사용될 수도 있다. 또한, 본 실시 형태에 따른 이미지 가이드 파이버의 사용은 이미지 전송에 국한되지 않으며, 의료용 또는 산업용 장치에서 전력 전달(광 전송)용으로 사용될 수도 있다. 이 경우에는, 광역학적 요법(photodynamic therapy), 즉, 암 또는 감염 등의 치료에 레이저 광 등을 투과시키는 것으로서, 예를 들면, 활성 산소를 생성하도록 신체 조직에 특정의 방사선을 조사하기 전에 감광제를 표적 조직에 도입하는 것을 포함하며, 또한 표적 조직에 조명에 사용되는 램프, LED 및 레이저 광의 투과를 포함한다.

[이미지 가이드 파이버의 구성]

다음으로, 도 2를 참조하여 본 실시 형태에 따른 파이버(1)의 구성을 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 따른 파이버(1)의 단면의 일례를 도시하고 있다. 게다가, 파이버(1) 양 단부의 단면은 도시 한 바와 동일한 구성으로 되어있다.

파이버(1)는 복수의 코어(51) 및 복수의 코어(51)에 공통인 클래드(52)를 포함하고 있다. 클래드(52)는 각 코어(51)의 외주면(outer circumferential surface)을 덮는다. 후술하는 바와 같이, 코어(51) 및 클래드(52)는 다 성분계 유리로 구성되어 있다. 도 2의 예에서, 각 코어(51)는 그 단면이 원형이고, 클래드(52)는 그 단면이 원형인 외주변 가장자리(52a, outer circumferential edge)를 갖는다. 또한, 도 2의 예에서, 파이버(1)는 클래드(52)의 외주면을 덮는 유리 피복층 (70, glass jacket layer) 및 피복층(70)을 덮는 수지(예를 들어, 폴리이미드) 코팅층(80)을 포함하고 있다.

또한, 도 2에서 코어(51)가 부분적으로 생략되어 있지만, 코어(51)는 공통의 클래드(52)의 전체 영역에 걸쳐 배열되어 있다.

그러나, 본 실시 형태에 따른 파이버(1)의 구성은 도 2의 예에 한정되지 않으며, 파이버(1)가 복수의 코어(51)와 그것에 공통인 클래드(52)를 포함하는 임의의 구성 일 수 있다.

다음으로, 도 3A 및 도 3B를 참조하여, 본 실시 형태에 있어서 파이버(1)의 제조 방법의 일례를 설명한다.

우선, 코어 유리와 클래드 유리를 준비하였다.

그 후, 이중도가니법(double-crucible method)에 따른 1차 방사에 의해 동심원으로 배열된 코어 유리를 포함하는 단일 코어 파이버(single core fiber) 및 코어 유리를 덮는 클래드 유리를 얻는다. 이중도가니법은 두 개의 동심 도가니(concentric crucibles)를 사용하는데, 하나는 코어 용이고 다른 하나는 클래드 용이다. 도가니 내의 코어 유리 및 클래드 유리가 가열되고, 단일 코어 파이버는 2 개 도가니의 노즐로부터 연속적으로 방사(스펀)된다.

이어서, 단일 코어 파이버를 소정의 길이로 절단하고, 절단된 단일 코어 파이버의 결함을 제거한다. 다음으로, 도 3A에 도시된 바와 같이, 대략 10,000 내지 50,000개로 절단된 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)은 원통형 유리관(170)에서 육방 밀집 배열(hexagonal close-packed arrangement)로 다발화되어(적층되어) 단일 코어 파이버 번들(110)을 얻는다. 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)의 적층 수는 이미지 가이드 파이버(1)의 화소 수에 대응한다. 유리관(170)은 이미지 가이드 파이버(1)의 피복층(70)을 구성하는 유리로 이루어지며, 이때 외경은 3 내지 5 cm 일 수 있고, 전체 길이는 16 cm 일 수 있다. 또한, 도 3A 및 도 3B 에서, 참조 번호 151 및 152는 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)의 코어 유리 및 클래드 유리를 나타낸다. 또한, 도 3A 및 도 3B에 도시한 바와 같이, 단일 코어 파이버 각각의 단편 (120)은 부분적으로 생략되고, 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)은 유리관(170)의 전체 영역에 걸쳐 배열된다.

계속해서, 도 3B에 도시 된 바와 같이, 단일 코어 파이버 번들(110)은 열 융합(thermal fusion)을 위해 가열된다. 이 때, 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)의 외주변 가장자리의 단면 형상은 원형에서 육각형으로 변화하고, 단일 코어 파이버 각각의 단편(120) 사이의 간극이 채워진다. 따라서, 유리관(170)과 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)들이 집적된다. 집적 후, 소정의 온도 및 소정의 온도 구배에서 서냉(slow cooling)을 수행하여 유리 바(glass bar) 형태의 예비성형품(preform)을 얻는다.

이어서, 예비성형품의 외주변 측을 연마하여 원통형으로 성형한다. 이어서, 예비성형품을 가열 및 연신(즉, 2차 방사)한 다음, 파이버(1)의 코팅층(80)을 구성하는 수지로 코팅한다.

따라서, 이미지 가이드 파이버(1)가 제조된다.

제조된 이미지 가이드 파이버(1)는 예를 들면 300 ㎛부터 800 ㎛까지 외경 (즉, 피복층(80)의 외경)을 포함하고 있다.

그러나, 본 실시 형태의 파이버(1)는 상기 제조 방법 이외의 방법으로 제조 할 수 있다.

다시 도 2을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 파이버 (1)의 구성에 대해 더 설명한다. 다 성분계 유리로 구성된 코어(51) 및 클래드(52)를 포함하는 본 실시 형태의 파이버(1)는 하기 조건 (1) 내지 (5)를 만족한다.

(1) 파이버(1)의 개구수(NA)는 0.70 내지 0.90의 범위에 있다.

(2) 코어(51)를 구성하는 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁에서 클래드(52)를 구성하는 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α(= α₁ - α₂)는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 15 × 10^-7 / ℃ 범위에 있다.

(3) 코어(51)를 구성하는 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드(52)를 구성하는 유리의 유리 전이 온도 Tg₂보다 높다.

파이버(1)의 단면에서, 코어 점유 면적 비율은 25 % 이상이고, 상기 코어 점유 면적 비율은 코어(51)의 총 면적에 대해 클래드(52)의 외주변 가장자리(52a)에 의해 구획화된 화면부(60)의 면적에 대한 비율이다.

(5) 파이버(1)의 단면에서, 화소 밀도는 0.1 화소 / ㎛² 이상이며, 화소 밀도는 화면부(60)의 단위 면적당 화소 수이다.

상기 조건 (1)에 있어서, 상기 코어 유리의 굴절률은 nd₁, 및 클래드 유리의 굴절률은 nd₂라고 하면,

[수학식 1]

파이버(1)의 개구수(NA)는 상기 수학식 1에 의해 얻어진다. 상기 코어 유리의 굴절률 nd₁ 및 클래드 유리의 굴절률 nd₂는, 일본 광학 유리 공업회가 규정한 “광학 유리 굴절률의 측정 방법”을 사용하여 측정함으로써 얻어진 값을 참조하였다.

조건 (1)과 같이 개구수(NA)를 크게 함으로써, 인접한 코어(51) 간의 클래드 (52)의 두께를 줄여 투과광의 크로스 토크를 충분히 방지한다. 따라서, 조건 (4) 및 (5)와 같이, 코어 점유 면적 비율 및 화소 밀도가 증가하고, 이는 결국 화질을 개선시킨다. 개구수(NA)가 0.70보다 작은 경우, 크로스 토크를 방지하기 위해 인접한 코어(51) 간의 클래드(52)의 두께를 증가시킬 필요가 있어 코어 점유 면적 비율 및 화소 밀도를 충분히 높일 수 없다. 개구수(NA)가 0.90을 초과할 경우, 코어 유리의 굴절률 nd₁을 상당히 증가시킬 필요가 있어, 이것은 파이버(1)의 단파장 투과율이 감소되는 원인이 된다.

동일한 관점에서, 파이버(1)의 개구수(NA)는 바람직하게는 0.717 내지 0.860의 범위이고, 보다 바람직하게는 0.717 내지 0.780의 범위이다.

상기 조건 (2)에 대해서, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁ 및 클래드 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 일본 광학 유리 공업회가 규정한 “광학 유리의 열팽창 측정 방법”(석영 유리 표준 시료 지지대를 포함한 시차 열 팽창계 [TMA] 사용)을 사용하여 측정함으로써 얻어진 값을 참조하였다.

조건 (2)에서 정의된 선형 열팽창 계수 차 △α를 설정하면, 파이버에 발생하는 변형을 완화시키고, 결국 파이버(1)를 제조 할 때 파이버의 파손을 방지한다. 선형 열팽창 계수 차 △α가 15 × 10^-7 / ℃ 이상인 경우, 파이버(1) 제조 시 단일 코어 파이버 번들(110)의 열 융착에 의해 유리관(170) 및 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)이 집적된 후에 냉각 과정에서 큰 변형이 가해지게 된다. 이로 인해 파이버가 파손될 우려가 있다. 선형 열팽창 계수의 차 △α가 - 3 × 10^-7 / ℃ 미만일 경우, 냉각 과정에서 변형을 제거 할 수 없다. 동일한 관점에서, 선형 열팽창 계수 차 Δα는 바람직하게는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 9 × 10^-7 / ℃, 보다 바람직하게는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 5 × 10^-7 / ℃의 범위이다.

상기 조건 (3)과 관련하여, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁ 및 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂는 일본 광학 유리 공업회가 규정한 “광학 유리의 열팽창 측정 방법”(석영 유리 표준 시료 지지대를 포함한 시차 열 팽창계 [TMA] 사용)을 사용하여 측정함으로써 얻어진 값을 참조하였다.

상기 조건 (3)에서 정의된 바와 같이, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁과 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂간의 관계를 만족시킴으로써, 파이버(1)의 제조 시 단일 코어 파이버 번들(110)의 열 융착에 의해 유리관(170) 및 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)이 집적된 경우 클래드 유리(152) 만이 변형 가능하다. 이는 코어 유리(151)의 단면에서 원형 형상이 유지되도록 하고, 궁극적으로 화질의 저하를 방지한다.

상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁이 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂ 이하인 경우, 파이버(1)의 제조 시 단일 코어 파이버 번들(110)의 열 융착에 의해 유리관(170) 및 단일 코어 파이버 각각의 단편(120)이 집적된 경우 코어 유리(151)는 클래드 유리(152) 보다 먼저 변형될 우려가 있고, 클래드 유리(152)가 변형될 때 코어 유리(151) 단면이 원형 형상을 유지하지 못할 우려가 있으며, 이것은 화질 저하의 원인이 된다.

상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁으로부터 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂를 뺀 값(Tg₁- Tg₂)은 바람직하게는 120 ℃ 내지 170 ℃이며, 보다 바람직하게는 120 ℃ 내지 150 ℃이다.

상기 조건 (4)에 있어서, 파이버(1)의 단면에서, 클래드(52)의 외주변 가장자리(52a)에 의해 구획화된 화면부(60)의 면적은 파이버(1)의 단면에서 클래드(52)의 면적과 파이버의 단면에서 코어(51)의 총 면적을 합친 것과 같다.

조건 (4)에 정의된 바와 같이, 코어 점유 면적 비율을 증가시킴으로써 이미지 밝기를 높일 수 있고, 결과적으로 화질을 향상시킨다.

파이버(1)의 코어 점유 면적 비율이 25 % 미만일 경우, 광 투과율이 저하되고 보다 어두운 이미지가 얻어진다.

한편, 파이버(1)의 코어 점유 면적 비율이 너무 높으면, 충분히 높은 화소 밀도를 달성 할 수 없다. 따라서, 파이버(1)의 코어 점유 면적 비율은 바람직하게는 25 내지 50 %의 범위이고, 보다 바람직하게는 30 내지 50 %의 범위이다.

조건 (5)에 대하여, 파이버(1)의 화소 수는 파이버(1)의 코어(51) 수와 동일하다. 화소 밀도는 파이버(1)의 화소 수를 파이버(1)의 단면에서의 화면부(60) 면적으로 나눈 값이다.

조건 (5)에 정의된 바와 같이, 화소 밀도를 증가시킴으로써 이미지 해상도를 높일 수 있고, 결과적으로 화질을 향상시킨다.

파이버(1)의 화소 밀도가 0.1 화소 / ㎛²미만일 경우, 충분한 해상도를 얻을 수 없다.

한편, 화소 밀도를 과도하게 증가시킬 경우, 인접한 코어(51) 간의 클래드 (52)의 두께가 지나치게 얇아질 우려가 있으며, 코어 점유 면적 비율을 과도하게 감소될 우려가 있기 때문에 화질을 훼손할 우려가 있다. 따라서, 파이버(1)의 화소 밀도는 바람직하게는 0.1 내지 0.5 화소 / ㎛²의 범위이고, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.4 화소 / ㎛²의 범위이다.

본 실시 형태의 파이버(1)에 의하면, 조건 (1), (4) 및 (5)에서 정의된 개구수(NA), 코어 점유 면적 비율 및 화소 밀도를 증가시킴으로써, 크로스 토크를 완전히 방지하면서 이미지의 밝기 및 해상도를 증가시킬 수 있어 화질을 개선시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 파이버(1)에서는 조건 (1)에서 정의된 개구수(NA)를 증가시키려면 다 성분계 유리로 구성된 코어(51) 및 클래드(52)의 굴절률, 나아가서 조성을 상당히 다르게 할 필요가 있지만, 그 차이에 기인하는 파이버의 제조 상의 문제는 상기 조건 (2) 및 조건 (3)에 의해 방지된다.

이하, 조건 (1) 내지 (5)를 만족시키는 파이버(1)에 대한 바람직한 코어 유리 및 클래드 유리의 물성 및 조성에 대하여 순서대로 설명한다.

[코어 유리의 물성]

코어 유리의 굴절률 nd₁을 증가시킴으로써, 파이버(1)의 개구수(NA)가 증가된다. 상기 관점에서, 코어 유리의 굴절률 nd₁은 1.690 이상인 것이 바람직하다.

한편, 코어 유리의 굴절률 nd₁이 지나치게 높으면 코어 유리의 단파장에서의 투과율이 저하된다. 파이버(1)의 색 재현성(color reproductivity)을 유지하는 관점에서, 코어 유리의 굴절률 nd₁은 1.745 이하인 것이 바람직하다.

동일한 관점에서, 코어 유리의 굴절률 nd₁은 보다 바람직하게는 1.695 내지 1.715 이며, 더욱 바람직하게는 1.698 내지 1.710이다.

코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁이 너무 낮으면, 파이버(1)의 제조 시 단일 코어 파이버 번들(110)의 열 융착에 의해 유리관(170)과 단일 코어 파이버의 각각의 단편(120)이 집적될 때 코어 유리(151)는 쉽게 변형되어 코어의 단면이 원형을 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 상기 관점에서, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 605 ℃ 이상인 것이 바람직하다.

한편, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁이 너무 높으면, 파이버(1)의 제조 시에 방사 공정에서 파이버화를 위한 방사 온도가 높아지면서 코어 유리의 결정화를 유발하는 등의 이미지 가이드 파이버(1)의 질을 악화시킬 우려가 있다. 따라서, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 690 ℃ 이하인 것이 바람직하다.

동일한 관점에서, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 바람직하게는 630 ℃ 내지 710 ℃이고, 더욱 바람직하게는 640 ℃ 내지 680 ℃이다.

조건 (2)에서 설명한 바와 같이, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁은 클래드 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂와의 관계로 한정된다. 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁은 86 × 10^-7 / ℃ 이상인 것이 바람직하다.

한편, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁이 너무 높으면, 파이버(1) 제조 시 집적된 예비성형품에 변형이 생기기 쉽고, 예비성형품이 파손될 가능성이 높아진다. 따라서, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁은 105 × 10^-7 / ℃ 이하인 것이 바람직하다.

동일한 관점에서, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁은 바람직하게는 86 × 10^-7 / ℃ 내지 100 × 10^-7 / ℃이고, 더욱 바람직하게는 86 × 10^-7 / ℃ 내지 95 × 10^-7 / ℃이다.

[코어 유리의 조성]

상기 코어 유리는, mol %로서, 바람직하게는 SiO₂: 36 % 내지 48 %, B₂O₃: 7 % 내지 19 %, Al₂O₃: 0 % 내지 3.5 %, ZnO: 0 % 내지 4 %, CaO: 0 % 내지 4.5 %, SrO: 0 % 내지 4.5 %, BaO: 20 % 내지 33 %, La₂O₃: 4 % 내지 8 %, Ta₂O₅: 0.5 % 내지 3.5 %, ZrO₂: 0.5 % 내지 7 %, Li₂O: 0 % 내지 8 %, Na₂O: 0 % 내지 5 %, 및 K₂O: 0 % 내지 5 %로 이루어진 조성을 포함하며, 상기 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 비율은 0 % 내지 8 %이다.

코어 유리의 성분 조성의 바람직한 범위를 상기와 같이 한정한 이유에 대해 설명한다. 또한, 유리 조성물 중 각 성분의 함량의 단위는 “mol %”이지만, 특별히 기재하지 않는 한, 그 함량은 %로 나타낸다.

또한, 본 명세서에서 성분 함량 수치 범위에 0을 포함할 경우, 그 성분은 임의의 성분임을 의미한다.

<SiO₂>

SiO₂는 유리의 형성을 가능하게 하며, 유리 전이 온도 Tg₁을 높이는데 효과적인 성분이다. SiO₂의 함량이 36 % 미만일 경우, 유리 전이 온도 Tg₁을 605 ℃ 이상으로 하는 것이 어려워 진다. 한편, SiO₂의 함량이 48 %를 초과할 경우, 690 ℃ 이하인 유리전이온도 Tg₁을 갖는 코어 유리를 얻는 것이 어려워 진다. 따라서, SiO₂의 함량은 바람직하게는 36 내지 48 %의 범위이다. SiO₂의 함량은 보다 바람직하게는 36 내지 45 % 범위이고, 더욱 바람직하게는 36 내지 40 %의 범위이다.

<B₂O₃>

B₂O₃는 유리의 형성을 가능하게 하며, 유리 전이 온도 Tg₁을 낮추는데 효과적인 성분이다. B₂O₃의 함량이 7 % 미만일 경우, 690 ℃ 이하인 유리전이온도 Tg₁을 갖는 코어 유리를 얻는 것이 어려워 진다. 한편, B₂O₃의 함량이 19 %를 초과할 경우, 605 ℃ 이상인 유리 전이 온도 Tg₁을 갖는 코어 유리를 얻는 것이 어려워 진다. 따라서, B₂O₃의 함량은 7 내지 19 % 인 것이 바람직하다. B₂O₃의 함량은 보다 바람직하게는 12 내지 19 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 15 내지 19 %의 범위이다.

<Al₂O₃>

Al₂O₃는 굴절률 nd₁을 높이고 코어 유리의 내구성을 향상시키는데 효과적인 성분이다. Al₂O₃의 함량이 높으면 코어 유리의 내구성은 향상되지만 굴절률 nd₁은 감소한다. 따라서, Al₂O₃의 함량은 0 내지 3.5 %의 범위인 것이 바람직하다. Al₂O₃의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 2.0 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 1.5 %의 범위이다.

<ZnO>

ZnO는 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁의 증가를 방지하는데 효과적인 성분이다. ZnO의 함량이 4 % 이하인 경우, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 팽창 계수 α₁은 86 × 10^-7 / ℃ 이상으로 유지된다. 또한, 고순도의 ZnO계 재료는 쉽게 이용할 수 없기 때문에, ZnO의 함량이 많아지면, 불순물의 혼입량 또한 증가하여, 코어 유리의 투과율이 저하된다. 따라서, ZnO의 함량은 0 내지 4 %의 범위인 것이 바람직하다. ZnO의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 2 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 1 %의 범위이다.

<CaO>

CaO는 굴절률 nd₁을 높이는 데 효과적인 성분이다. CaO의 함량이 4.5 %를 초과할 경우, 굴절률 nd₁이 1.745를 초과할 우려가 있다. 따라서, CaO의 함량은 0 내지 4.5 %의 범위인 것이 바람직하다. 또한, CaO의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 4 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 3.5 %의 범위이다.

<SrO>

SrO는 굴절률 nd₁을 높이는데 효과적인 성분이다. SrO의 함량이 4.5 %를 초과할 경우, 굴절률 nd₁이 1.745를 초과할 우려가 있다. 따라서, SrO의 함량은 0 내지 4.5 %의 범위인 것이 바람직하다. 또한, SrO의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 4.2 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 4 %의 범위이다.

ZnO, CaO 및 SrO의 총 함량은 바람직하게는 0 내지 11 %이다. ZnO, CaO 및 SrO의 총 함량이 11 %를 초과하면, 유리의 안정성이 좋지 않고, 이미지 가이드 파이버(1)의 제조 수율이 저하될 우려가 있다. 따라서, ZnO, CaO 및 SrO의 총 함량은 보다 바람직하게는 3 내지 9 %의 범위이고, 보다 바람직하게는 5 내지 7 %의 범위이다.

<BaO>

BaO는 굴절률 nd₁을 높이며, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁을 높이는데 효과적인 성분이다. BaO의 함량이 20 % 미만일 경우, 굴절률 nd₁을 1.690 이상으로 하는 것이 어려워지거나, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁이 86 × 10^-7 / ℃ 이상인 코어 유리를 얻는 것이 어려워진다. 한편, BaO의 함량이 33 %를 초과할 경우, 굴절률 nd₁이 1.745를 초과할 우려가 있다. 따라서, BaO의 함량은 20 내지 33 %의 범위인 것이 바람직하다. BaO의 함량은 보다 바람직하게는 23 내지 30 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 25 내지 30 %의 범위이다.

<La₂O₃>

La₂O₃는 굴절률 nd1을 높이고, 코어 유리의 내구성을 향상시키며, 유리 전이 온도 Tg₁을 높이는 데 효과적인 성분이다. La₂O₃의 함량이 4 % 미만일 경우, 굴절률 nd₁이 너무 낮아 지거나, 유리 전이 온도 Tg₁이 지나치게 낮아질 우려가 있다. 한편, La₂O₃의 함량이 8 %를 초과할 경우, 굴절률 nd₁이 1.745를 초과할 우려가 있다. 따라서, La₂O₃의 함량은 4 내지 8 %의 범위인 것이 바람직하다. La₂O₃의 함량은 보다 바람직하게는 4 내지 7 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 5 내지 6 %의 범위이다.

<Ta₂O₅>

Ta₂O₅는 굴절률 nd₁ 및 유리 전이 온도 Tg₁을 높이고, 유리의 안정성 및 내후성(weather resistance)을 향상 시키는데 효과적인 성분이다. Ta₂O₅의 함량이 0.5 % 미만일 경우, 굴절률 nd₁및 유리 전이 온도 Tg₁이 지나치게 낮아 질 수 있고, 또한 유리의 안정성이 저하될 우려가 있으며, 이미지 가이드 파이버(1)의 제조 수율이 저하될 우려가 있다. 한편, Ta₂O₅의 함량이 3.5 %를 초과하면, 굴절률 nd₁이 너무 높아져 단파장 영역에서의 투과율이 저하되거나, 유리 전이 온도 Tg₁이 690 ℃를 초과할 우려가 있다. 따라서, Ta₂O₅의 함량은 0.5 내지 3.5 %의 범위인 것이 바람직하다. Ta₂O₅의 함량은 보다 바람직하게는 0.5 내지 2 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.5 %의 범위이다.

<ZrO₂>

ZrO₂는 굴절률 nd₁ 및 유리 전이 온도 Tg₁을 높이고 유리의 내후성을 향상 시키는데 효과적인 성분이다. ZrO₂의 함량이 0.5 % 미만일 경우, 굴절률 nd₁ 및유리 전이 온도 Tg₁이 지나치게 낮아질 우려가 있다. 한편, ZrO₂의 함량이 7 %를 초과할 경우, 굴절률 nd₁이 1.745를 초과할 우려가 있고, 또한 유리의 안정성이 저하되어 이미지 가이드 파이버(1)의 제조 수율이 저하될 우려가 있다. 따라서, ZrO₂의 함량은 0.5 내지 7 %의 범위인 것이 바람직하다. ZrO₂의 함량은 보다 바람직하게는 2 내지 3.5 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 2 내지 3 %의 범위이다.

<Li₂O>

Li₂O는 유리 전이 온도 Tg₁의 상승을 방지하는 데에 효과적인 성분이다. Li₂O의 함량이 8 %를 초과할 경우, 유리 전이 온도 Tg₁이 605 ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 따라서, Li₂O의 함량은 0 내지 8 %의 범위인 것이 바람직하다. Li₂O의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 5 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 3 % 범위이다.

<Na₂O>

Na₂O는 Li₂O와 마찬가지로, 유리 전이 온도 Tg₁의 상승을 방지하는 데에 효과적인 성분이다. Na₂O의 함량이 5 %를 초과할 경우, 유리 전이 온도 Tg₁은 605 ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 따라서, Na₂O의 함량은 0 내지 5 %의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 Na₂O 함량은 0 내지 4 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 3 % 범위이다.

<K₂O>

K₂O는 Li₂O 및 Na₂O와 마찬가지로, 유리 전이 온도 Tg₁의 상승을 방지하는 데에 효과적인 성분이다. K₂O 함량이 5 %를 초과할 경우, 유리 전이 온도 Tg₁은 605 ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 따라서, K₂O의 함량은 0 내지 5 %의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 K₂O 함량은 0 내지 2 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 1 %의 범위이다.

<Li₂O + Na₂O + K₂O>

Li₂O, Na₂O 및 K₂O의 총 함량이 8 %를 초과하면, 유리 전이 온도 Tg₁은 605 보다 낮아질 우려가 있다. 따라서, Li₂O, Na₂O 및 K₂O의 총 함량은 바람직하게는 0 내지 8 %의 범위이다. Li₂O, Na₂O 및 K₂O의 총 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 5 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 3 %의 범위이다.

[클래드 유리의 물성]

클래드 유리의 굴절률 nd₂가 코어 유리의 굴절률 nd1보다 충분히 낮으면 비교적 낮은 굴절률 nd₁을 가진 코어 유리를 사용하는 경우에도 이미지 가이드 파이버(1)의 개구수(NA)를 크게 할 수 있다. 상기 관점에서, 클래드 유리의 굴절률 nd₂는 1.530 이하인 것이 바람직하다.

다만, 클래드 유리의 굴절률 nd₂가 지나치게 낮으면 클래드 유리의 조성 특성으로 인해 유리 전이 온도 Tg₂가 상승하여 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂가 지나치게 낮아질 수 있다. 열물성(thermophysical properties)의 관점에서 코어 유리와의 관계를 적절히 유지하기 위해서는, 클래드 유리의 굴절률 nd₂가 1.490 이상인 것이 바람직하다.

클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂가 너무 높으면, 파이버(1)의 제조 시에 방사 공정에서 파이버화를 위한 방사 온도가 높아지면서 코어 유리의 결정화를 유발하는 등의 이미지 가이드 파이버(1)의 질을 악화시킬 우려가 있다. 상기 조건 (3) 및 상술한 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁의 바람직한 범위를 고려하면, 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂는 570 ℃ 이하가 바람직하다.

한편, 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂가 지나치게 낮으면, 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁과의 차이가 지나치게 커진다. 이것은 파이버(1) 제조 시 방사 공정 중에 클래드 만이 먼저 연화될 우려가 있다. 따라서, 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂는 500 ℃ 이상인 것이 바람직하다.

조건 (2)에 대해 설명한 바와 같이, 클래드 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁과의 차이에 의해 제한된다. 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁의 바람직한 하한은 86 × 10^-7 / ℃이기 때문에, 클래드 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 71 × 10^-7 / ℃ 인 것이 바람직하다.

한편, 클래드 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂가 너무 높으면, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁을 매우 높게 설정할 필요가 있다. 코어 유리의 열물성을 고려하면, 클래드 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃ 이하인 것이 바람직하다.

[클래드 유리의 조성]

상기 클래드 유리는, mol %로서, 바람직하게는 SiO₂: 46 % 내지 67 %, B₂O₃: 7 % 내지 20 %, Al₂O₃: 1 % 내지 15 %, MgO: 0 % 내지 12 %, CaO: 0 % 내지 10 %, ZnO: 0 % 내지 11 %, Li₂O: 0 % 내지 6 %, Na₂O: 2 % 내지 20 %, 및 K₂O: 0 % 내지 9 %로 이루어진 조성을 포함하며, 상기 MgO, CaO, 및 ZnO의 총 비율은 3 % 내지 14 %이며, 상기 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 비율은 6 % 내지 24 %이다.

이하, 클래드 유리의 성분 조성의 바람직한 범위를 상기와 같이 한정한 이유에 대하여 설명한다.

<SiO₂>

SiO₂는 유리에 필수적인 주성분으로 유리 전이를 용이하게 하며, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 감소 시키는데 효과적인 성분이다. SiO₂의 함량이 46 % 미만일 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂가 지나치게 높아질 우려가 있다. 한편, SiO₂의 함량이 67 %를 초과할 경우, 유리 전이 온도 Tg₂가 지나치게 높아지며 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂가 지나치게 낮아질 우려가 있다. 따라서, SiO₂의 함량은 46 내지 67 %의 범위인 것이 바람직하다. SiO₂의 함량은 보다 바람직하게는 49 내지 64 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 49 내지 63 %의 범위이다.

<B₂O₃>

B₂O₃는 유리의 형성을 가능하게 하며, 유리 전이 온도 Tg₂ 및 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 낮추는데 효과적인 성분이다. B₂O₃의 함량이 7 % 미만일 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃를 초과하여 너무 높아질 우려가 있다. 한편, B₂O₃의 함량이 20 %를 초과하면, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 71 × 10^-7 / ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 따라서, B₂O₃의 함량은 7 내지 20 %의 범위인 것이 바람직하다. B₂O₃의 함량은 보다 바람직하게는 10 내지 18 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 10.5 내지 17 %의 범위이다.

<Al₂O₃>

Al₂O₃는 굴절률 nd₂ 및 유리 전이 온도 Tg₂를 높이고, 클래드 유리의 내구성을 향상 시키는데 효과적인 성분이다. Al₂O₃의 함량이 1 % 미만일 경우, 클래드 유리의 내구성 향상 효과가 약해지며, 유리 전이 온도 Tg₂가 저하한다. 한편, Al₂O₃의 함량이 15 %를 초과하면, 유리 전이 온도 Tg₂가 너무 높아질 우려가 있다. 따라서, Al₂O₃의 함량은 1 내지 15 %의 범위인 것이 바람직하다. Al₂O₃의 함량은 보다 바람직하게는 2 내지 14 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 3 내지 12 %의 범위이다.

<MgO>

MgO는 유리의 용융 온도를 낮춤으로써 유리 전이를 용이하게 하고, 굴절률을 향상시키는 성분이다. MgO의 함량이 12 %를 초과할 경우, 클래드 유리의 굴절률 nd₂가 1.530을 초과할 우려가 있다. 따라서, MgO의 함량은 0 내지 12 %의 범위인 것이 바람직하다. MgO의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 10 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 9 %의 범위이다.

<CaO>

CaO는, MgO와 마찬가지로, 유리의 용융 온도를 낮추고, 유리 전이를 용이하게 하며, 굴절률 nd₂를 높이는 데 효과적인 성분이다. CaO의 함량이 10 %를 초과할 경우, 굴절률 nd₂가 1.530을 초과할 우려가 있다. 따라서, CaO의 함량은 0 내지 10 %의 범위인 것이 바람직하다. CaO의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 8 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 5 %의 범위이다.

<ZnO>

ZnO는, MgO 및 CaO와 마찬가지로, 유리의 용융 온도를 저하시켜 유리 전이를 보다 용이하게 하며, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂의 증가를 방지하는데 효과적인 성분이다. ZnO의 함량이 11 %를 초과할 경우, 코어 유리의 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 71 × 10^-7 / ℃ 보다 더 낮아지게 되고, 유리 전이 온도 Tg₂는 너무 낮아질 우려가 있다. 따라서, ZnO의 함량은 0 내지 11 %의 범위인 것이 바람직하다. ZnO의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 10 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 8 %의 범위이다.

MgO, CaO 및 ZnO의 총 함량이 14 %를 초과할 경우, 클래드 유리의 굴절률 nd₂가 1.530을 초과하여 지나치게 높아질 우려가 있다. 한편, MgO, CaO 및 ZnO의 총 함량이 3 % 미만일 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃ 보다 더 높아질 우려가 있다. MgO, CaO 및 ZnO의 총 함량은 3 내지 14 %의 범위인 것이 바람직하다. ZnO의 함량은 보다 바람직하게는 3 내지 10 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 6 내지 10 %의 범위이다.

<Li₂O>

Li₂O와 같은 알칼리 금속 산화물은 유리의 용융 온도를 낮춤으로써 유리 전이를 보다 용이하게 하며, 유리 전이 온도 Tg₂의 증가를 방지하는데 효과적인 성분이다. Li₂O의 함량이 6 %를 초과할 경우, 유리 전이 온도 Tg₁이 500 ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 따라서, Li₂O의 함량은 0 내지 6 %의 범위인 것이 바람직하다. Li₂O의 함량은 보다 바람직하게는 0 내지 4.5 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 4 %의 범위이다.

<Na₂O>

Na₂O는 Li₂O와 마찬가지로 유리 전이 온도 Tg₂의 상승을 방지하고 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 증가 시키는데 효과적인 성분이다. Na₂O의 함량이 2 % 미만일 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 71 × 10^-7 / ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 반대로, Na₂O의 함량이 20 %를 초과할 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10-7 / ℃ 보다 더 높아질 우려가 있다. 따라서, Na₂O의 함량은 2 내지 20 %의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 3 내지 18 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 5 내지 17.5 %의 범위이다.

<K₂O>

K₂O는 Li₂O 및 Na₂O와 마찬가지로, 유리 전이 온도 Tg₁의 상승을 방지하고 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 증가 시키는데 효과적인 성분이다. K₂O의 함량이 9 %를 초과할 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃ 보다 더 높아질 우려가 있다. 따라서, K₂O의 함량은 0 내지 9 %의 범위인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 K₂O 함량은 0 내지 7 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 0 내지 5 %의 범위이다.

<Li₂O + Na₂O + K₂O>

Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 함량이 24 %를 초과할 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃ 보다 더 높아질 우려가 있다. Li₂O, Na₂O 및 K₂O의 총 함량이 6 % 미만일 경우, 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 71 × 10^-7 / ℃ 보다 더 낮아질 우려가 있다. 따라서, Li₂O, Na₂O 및 K₂O의 총 함량은 6 내지 24 %의 범위인 것이 바람직하다. Li₂O, Na₂O 및 K₂O의 총 함량은 보다 바람직하게는 9 내지 18.5 %의 범위이고, 더욱 바람직하게는 12 내지 17.5 %의 범위이다.

또한, 유리의 용융 특성을 개선시키고 안정성을 향상시키기 위해, 코어 유리 및 클래드 유리는 각각 통상의 유리에 사용되는 다른 성분을 포함할 수 있고, 본 명세서에 기술되지 않더라도 다른 성분이 본 발명의 목적에 충족되는 한 총 함유량을 몰 % 미만으로 구성한다. 이 경우, 각 성분의 함량은 다른 성분을 포함한 모든 성분의 총 함량이 100 mol / %가 되도록 결정된다.

[코어 유리 및 클래드 유리의 제조 방법]

다음에, 코어 유리 및 클래드 유리의 제조 방법의 일례를 설명한다. 코어 유리의 제조 방법은 클래드 유리의 제조 방법과 동일 할 수 있고, 코어 유리 및 클래드 유리는 구별 없이 간단히 “유리”라고 칭한다.

유리의 배합 원료로서, 유리 성분의 재료에 상응하는 산화물, 수산화물, 탄산염, 질산염 등을 소정의 비율로 칭량하여 충분히 혼합한다. 또한, 유리 착색을 방지하고 소포(defoaming)를 위해, 환원 효과를 갖는 첨가제(예를 들면, Sb₂O₃ 등)를 1 몰 % 이하의 범위에서 첨가 할 수 있으며, 본 발명의 효과에 영향을 미치지 않는다.

유리 제조 시, 우선 유리 배합 원료를 백금 도가니에 넣고 1300 ℃ ~ 1500 ℃로 가열된 유리 용융로에서 용융시킨다. 이어서, 고온에서 용융된 유리 용융물을 교반 막대로 교반 하여 정화 및 균질화 한 후, 적절한 온도로 예열한 주형에 붓고 성형한다. 그 후, 적절한 온도 스케줄에서 따라 서서히 냉각시켜 유리 블록을 얻는다.

그러나, 본 실시 형태에 따른 파이버(1)에 사용되는 코어 유리 및 클래드 유리는 상술한 제조 방법 이외의 방법에 의해 제조 될 수 있다.

[실시예]

본 발명에 따른 이미지 가이드 파이버의 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1 내지 8을 평가하기 위해 준비하였다. 상기 평가 결과를 표 1 내지 표 5를 참조하여 설명한다. 표 1에 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1 내지 비교예 8의 상세를 나타낸다.

표 1에서 “코어”열에 나열된 이름은 표 2에 나열된 코어 1 내지 코어 16의 이름과 표 3에 나열된 코어 17 내지 코어 33의 이름에 대응한다. 표 1에서 “클래드” 행에 나열된 이름은 표 4에 나열된 클래드 1 내지 16의 이름과 표 5에 나열된 클래드 17 내지 31의 이름에 대응한다. 예를 들어, 표 1의 비교예 파이버 1은 표 2의 코어 1 및 표 5의 클래드 19를 포함하고 있다.

표 2 및 표 3은 코어 1 내지 코어 33에 대해 후술하는 조성, 물성 및 안정성 평가 결과를 나타내고 있다. 표 4 및 표 5는 클래드 1 내지 31에 대해 후술하는 조성, 물성 및 안정성 평가 결과를 나타내고 있다.

비교예 파이버 및 실시예 파이버는 각각 도 3A 및 도 3B를 참조하여 상기 기술된 제조 방법에 의해 표 1에 나타낸 상응하는 코어 유리 및 클래드 유리를 이용하여 제조되었다.

각각의 실시예 파이버의 화면부(60)는 동일한 직경(스크린 직경)을 갖는다. 한편, 비교예 파이버 2, 4 내지 8은 동일한 스크린 직경을 가지며, 비교예 파이버 1 및 3은 서로 상이한 스크린 직경을 가졌으며, 또한 비교예 파이버 2, 4 내지 8의 스크린 직경과도 상이하였다.

“개구수(NA), “선형 열팽창 계수 차 △α(× 10^-7 / ℃)”, “코어 유리 전이 온도 Tg₁- 클래드 유리 전이 온도 Tg₂(℃)”, “코어 점유 면적 비율(%)” 및 화소 밀도(pixel / ㎛²)”는 조건 (1) 내지 (5)에 대해 전술한 바와 같다. 또한, 코어 점유 면적 비율 및 화소 밀도는 비교예 파이버 및 실시예 파이버의 구성을 관찰하고 측정함으로써 산출하였다.

표 1에서, “균열의 발생”은 파이버 제조 시 단일 코어 파이버 번들 또는 예비성형품에 균열이 발생했는지 여부를 나타내고 있다. 균열이 발생한 모든 파이버에 대해서는 하기 설명된 USAF 차트 테스트를 하지 않았다.

표 1에서, “USAF 차트 테스트 결과”는 1951 USAF 테스트 패턴을 이용한 화질 평가 및 테스트의 결과를 나타내고 있다. USAF 차트 테스트에서, 한쪽 면에 1951 USAF 테스트 패턴이 인쇄된 용지를 준비하였고, 파이버의 입사 단면을 용지의 한쪽 면에 직접 접촉하고, 그 용지의 다른 면에 빛을 비춘 상태에서 파이버의 방출 단면으로부터 방출된 1951 USAF 테스트 패턴의 이미지를 관찰용 모니터로 출력 하였다. 또한 각 비교예 파이버 및 실시예 파이버에 대해 1951 USAF 테스트 패턴의 동일한 시야 범위(관찰)를 채택하였다. 그 후 1951 USAF 테스트 패턴의 관찰 결과를 상대적으로 평가하였다. 평가 결과로 표 1에 “우(excellent)”, “양(good)”, “가(fair)”, 및 “불가(poor)”를 나타내고 있고, “좋은 화질”에서 “나쁜 화질”순으로 “우(excellent)”> “양(good)”> “가(fair)”> “불가(poor)”의 관계에 있다.

표 2 및 표 3에 나타내는 코어 1 내지 코어 33은, 통상의 용융 급냉법(melt quenching method)에 의해 각각의 대응되는 유리 조성물을 유리 전이시켜 얻은 것이다. 구체적으로, 각 코어의 원료 화합물로서, SiO₂, H₃BO₃, Al(OH)₃, ZnO, CaCO₃, SrCO₃, BaCO₃, Ba(NO₃)₂, La₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₅, ZrO₂, Li₂CO₃, Na₂CO₃, 및 K₂CO₃을 소정의 비율에 따라 칭량하였다. 이 때, 소포제로서 Sb₂O₃ 0.05 몰 %를 첨가하였다. 이들 성분을 혼합 한 후 백금 도가니를 사용하여 1300 ℃의 유리 용해로(glass melting furnace)에서 약 2시간 동안 용융시켰다. 용융 중에, 적시에 교반 하여 용융물을 균질화시켰다. 그 후, 용융물을 주형에 붓고, 서서히 상온까지 냉각하여 코어 유리를 얻었다.

얻어진 코어 유리의 열 특성 및 광학 특성을 확인하기 위해, 굴절률 nd₁, 유리 전이 온도 Tg₁ 및 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 측정 하였다. 표 2 및 표 3은 결과를 나타내고 있다.

표 2 및 표 3에서, “안정성”은 코어 유리 안정성의 평가 결과를 나타내고 있다. 상기 교반을 2분 동안 수행하면서, 유리의 결정화가 육안으로 확인되면, 코어 유리는 “불가”로 평가되었고, 유리의 결정화가 육안으로 확인되지 않으면, 코어 유리는 “양”으로 평가되었다.

표 4 및 표 5에 나타낸 클래드 1 내지 클래드 31은, 통상의 용융 급냉법에 의해 대응되는 각각의 조성물의 유리 전이를 통해 얻은 것이다. 구체적으로, 각 클래드의 원료 화합물로서, SiO₂, H₃BO₃, Al(OH)₃, MgO, CaCO₃, ZnO, Li₂CO₃, Na₂CO₃, 및 K₂CO₃을 소정의 비율로 칭량 하였다. 이 때, 소포제(defoaming agent)로서 Sb₂O₃ 0.1 몰 %를 첨가하였다. 이들 성분을 혼합한 후 백금 도가니를 사용하여 1450 ℃의 유리 용해로(glass melting furnace)에서 약 2 시간 동안 용융시켰다. 용융 중에, 적시에 교반하여 용융물을 균질화시켰다. 그 후, 용융물을 주형에 붓고, 서서히 실온까지 냉각하여 클래드 유리를 얻었다.

얻어진 클래드 유리의 열 특성 및 광학 특성을 확인하기 위해, 굴절률 nd₂, 유리 전이 온도 Tg₂ 및 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 측정 하였다. 표 4 및 표 5는 그 결과를 나타내고 있다.

표 4 및 표 5에서, “안정성”은 코어 유리 안정성의 평가 결과를 나타내고 있다. 상기 교반을 2분 동안 수행하면서, 유리의 결정화가 육안으로 확인되면, 클래드 유리는 “불가”로 평가되었고, 유리의 결정화가 육안으로 확인되지 않은 경우, 클래드 유리는 “양”으로 평가되었다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 파이버는 파이버 제조 시 균열 발생이 없고, 화질이 비교예 파이버 보다 우수하였다.

본 발명의 이미지 가이드 파이버는, 의료용 또는 공업용 내시경 등의 이미지 전송에 적합하게 사용할 수 있다.

1 : 이미지 가이드 파이버
1a : 입사 단면(incident end surface)
1b : 방출 단면(emission end surface)
2 : 라이트 가이드 파이버(light guide fiber)
3 : 대물 렌즈
4 : 접안 렌즈
10 : 내시경의 스코프
11 : 조작부(operation portion)
12 : 삽입부(insertion portion)
13 : 전단부(front end portion)
20 : 관찰 대상(observed object)
30 : 모니터
51 : 코어
52 : 클래드
60 : 화면부(screen portion)
70 : 피복층(Jacket layer)
80 : 코팅층
110 : 단일 코어 파이버 번들
120 : 단일 코어 파이버
151 : 코어 유리
152 : 클래드 유리
170 : 유리관

Claims

복수의 코어(core) 및 상기 복수의 코어에 공통인 클래드(clad)를 포함하는 이미지 가이드 파이버에 있어서,
상기 코어 및 클래드는 각각 다 성분계 유리로 구성되며,
상기 이미지 가이드 파이버는 0.70 내지 0.90 범위의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지며,
상기 코어의 코어 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수(linear thermal expansion coefficient) α₁으로부터 클래드의 클래드 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 15 × 10^-7 / ℃ 이며,
상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂보다 높으며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 클래드의 외주변 가장자리(outer circumferential edge)에 의해 구획화된 화면부(screen portion)의 면적에 대한 복수의 코어의 전체 면적 비율인 코어 점유 면적 비율은 25 내지 50 % 이며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 화면부의 단위 면적당 화소 수인 화소 밀도는 0.1 내지 0.5 화소 / ㎛² 이고,
상기 코어 유리는,
굴절률 nd₁은 1.690 내지 1.745이고,
상기 유리 전이 온도 Tg₁은 605 ℃ 이상이며,
100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₁은 86 × 10^-7 / ℃ 이상인 것을 특징으로 하는, 이미지 가이드 파이버.
복수의 코어(core) 및 상기 복수의 코어에 공통인 클래드(clad)를 포함하는 이미지 가이드 파이버에 있어서,
상기 코어 및 클래드는 각각 다 성분계 유리로 구성되며,
상기 이미지 가이드 파이버는 0.70 내지 0.90 범위의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지며,
상기 코어의 코어 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수(linear thermal expansion coefficient) α₁으로부터 클래드의 클래드 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 15 × 10^-7 / ℃ 이며,
상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂보다 높으며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 클래드의 외주변 가장자리(outer circumferential edge)에 의해 구획화된 화면부(screen portion)의 면적에 대한 복수의 코어의 전체 면적 비율인 코어 점유 면적 비율은 25 내지 50 % 이며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 화면부의 단위 면적당 화소 수인 화소 밀도는 0.1 내지 0.5 화소 / ㎛² 이고,
상기 코어 유리는,
mol %로서,
SiO₂: 36 % 내지 48 %,
B₂O₃: 7 % 내지 19 %,
Al₂O₃: 0 % 내지 3.5 %,
ZnO: 0 % 내지 4 %,
CaO: 0 % 내지 4.5 %,
SrO: 0 % 내지 4.5 %,
BaO: 20 % 내지 33 %,
La₂O₃: 4 % 내지 8 %,
Ta₂O₅: 0.5 % 내지 3.5 %,
ZrO₂: 0.5 % 내지 7 %,
Li₂O: 0 % 내지 8 %,
Na₂O: 0 % 내지 5 %, 및
K₂O: 0 % 내지 5 %
로 이루어진 조성을 포함하며,
상기 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 비율은 0 % 내지 8 %인 것을 특징으로 하는, 이미지 가이드 파이버.
복수의 코어(core) 및 상기 복수의 코어에 공통인 클래드(clad)를 포함하는 이미지 가이드 파이버에 있어서,
상기 코어 및 클래드는 각각 다 성분계 유리로 구성되며,
상기 이미지 가이드 파이버는 0.70 내지 0.90 범위의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지며,
상기 코어의 코어 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수(linear thermal expansion coefficient) α₁으로부터 클래드의 클래드 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 15 × 10^-7 / ℃ 이며,
상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂보다 높으며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 클래드의 외주변 가장자리(outer circumferential edge)에 의해 구획화된 화면부(screen portion)의 면적에 대한 복수의 코어의 전체 면적 비율인 코어 점유 면적 비율은 25 내지 50 % 이며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 화면부의 단위 면적당 화소 수인 화소 밀도는 0.1 내지 0.5 화소 / ㎛² 이고,
상기 클래드 유리는,
굴절률 nd₂은 1.490 내지 1.530이고,
상기 유리 전이 온도 Tg₂는 570 ℃ 이하이며,
100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂는 95 × 10^-7 / ℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 이미지 가이드 파이버.
복수의 코어(core) 및 상기 복수의 코어에 공통인 클래드(clad)를 포함하는 이미지 가이드 파이버에 있어서,
상기 코어 및 클래드는 각각 다 성분계 유리로 구성되며,
상기 이미지 가이드 파이버는 0.70 내지 0.90 범위의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지며,
상기 코어의 코어 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수(linear thermal expansion coefficient) α₁으로부터 클래드의 클래드 유리에 대한 100 ℃에서 300 ℃까지의 선형 열팽창 계수 α₂를 뺀 값인 선형 열팽창 계수 차 △α는 - 3 × 10^-7 / ℃ 내지 15 × 10^-7 / ℃ 이며,
상기 코어 유리의 유리 전이 온도 Tg₁은 클래드 유리의 유리 전이 온도 Tg₂보다 높으며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 클래드의 외주변 가장자리(outer circumferential edge)에 의해 구획화된 화면부(screen portion)의 면적에 대한 복수의 코어의 전체 면적 비율인 코어 점유 면적 비율은 25 내지 50 % 이며,
상기 이미지 가이드 파이버의 단면에서, 화면부의 단위 면적당 화소 수인 화소 밀도는 0.1 내지 0.5 화소 / ㎛² 이고,
상기 클래드 유리는,
mol %로서,
SiO₂: 46 % 내지 67 %,
B₂O₃: 7 % 내지 20 %,
Al₂O₃: 1 % 내지 15 %,
MgO: 0 % 내지 12 %,
CaO: 0 % 내지 10 %,
ZnO: 0 % 내지 11 %,
Li₂O: 0 % 내지 6 %,
Na₂O: 2 % 내지 20 %, 및
K₂O: 0 % 내지 9 %,
로 이루어진 조성을 포함하며,
상기 MgO, CaO, 및 ZnO의 총 비율은 3 % 내지 14 %이며,
상기 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O의 총 비율은 6 % 내지 24 %인 것을 특징으로 하는, 이미지 가이드 파이버.
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