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KR20050005502A - 플라스틱 광학 제품, 플라스틱 광섬유, 플라스틱 광학부재를 제조하기 위한 장치 및 플라스틱 광학 부재와플라스틱 광학 제품을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

플라스틱 광학 제품, 플라스틱 광섬유, 플라스틱 광학부재를 제조하기 위한 장치 및 플라스틱 광학 부재와플라스틱 광학 제품을 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20050005502A
KR20050005502A KR10-2004-7019237A KR20047019237A KR20050005502A KR 20050005502 A KR20050005502 A KR 20050005502A KR 20047019237 A KR20047019237 A KR 20047019237A KR 20050005502 A KR20050005502 A KR 20050005502A
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plastic optical
clad
optical fiber
core
die
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오구라도루
미요시다카히토
시로쿠라유키오
Original Assignee
후지 샤신 필름 가부시기가이샤
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Abstract

클래드 튜브 (21) 는 PMMA 와 같이 폴리머를 용융시켜 압출 하여 형성된다. 용융된 폴리머는 연질 클래드 (20) 을 형성하기 위하여 압출 다이 (12) 를 통하여 압출 된다. 연질 클래드 (20) 는 연질 클래드 (20) 의 형상을 교정하기 위하여 성형 다이 (13) 로 나아간다. 성형 다이 (13) 에서 감압 챔버 (31) 는 연질 클래드 (20) 의 외면이 성형 다이 (13) 의 형성 표면 (30b) 과 단단히 접촉하도록 감압된다. 성형 다이 (13) 에서 연질 클래드 (20) 를 성형한 후에, 작은 두께 변동 폭을 지닌 클래드 튜브 (20) 가 얻어진다.

Description

플라스틱 광학 제품, 플라스틱 광섬유, 플라스틱 광학 부재를 제조하기 위한 장치 및 플라스틱 광학 부재와 플라스틱 광학 제품을 제조하기 위한 방법{PLASTIC OPTICAL PRODUCT, PLASTIC OPTICAL FIBER, APPARATUS FOR MANUFACTURING PLASTIC OPTICAL PART, AND METHOD FOR MANUFACTURING PLASTIC OPTICAL PART AND PLASTIC OPTICAL PRODUCT}
실리카 광학 부재와 비교하여 플라스틱 광학 부재는 프로세싱 설비 및 가격적으로 유리하다. 플라스틱 물질은 광섬유와 같은 광학 부재에 적용되어 왔다. 플라스틱 광섬유는 실리카 광섬유 보다 더욱 가요적이며 가벼워서, 플라스틱 광섬유는 저렴한 가격으로 다량의 광섬유를 제조하는데 유리하다. 플라스틱 광섬유는 실리카 광섬유 보다 큰 전송 손실 때문에, 전송 손실이 크게 문제되지 않는 근거리 광통신에 사용된다.
플라스틱 광섬유는 폴리머 클래드 튜브와 클래드 튜브 내의 폴리머 코어를 포함한다. 클래드 튜브는 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 와 같은 용융된 열가소성 물질의 압출에 의해 형성된다. 신호광의 내부 전반사를 이루기 위해서,클래드 튜브는 코어 보다 낮은 굴절률을 가진다.
광섬유는 클래드 튜브 내에 코어를 형성시킴에 의해 제조된 광섬유 베이스 (예비성형품) 를 인발하여 제조된다. 예를 들어, 일본 특허 공개 공보 (JP-A) No. 2-16504 는 다른 굴절률들을 가지는 두 종류 또는 그 이상의 폴리머를 동심으로 압출시켜 예비 성형품을 형성하는 제조 방법을 개시한다. 예비 성형품은 180℃ 내지 250℃ 에서 인발되어, 등급 인덱스형 (GI 형) 플라스틱 광섬유가 제조된다. JP-A 9-133818 는 클래드 튜브와 코어를 동시에 압출하여 예비 성형품을 형성하는 방법을 개시한다. 추가적으로, JP-A 8-201637 은 압출에 의해 형성된 클래드 튜브 내에서 코어를 중합시키기 위해서 희석되지 않은 용액을 첨가하여 예비 성형품을 제조하는 방법을 개시한다.
클래드 튜브가 형성되는 동안에, 용융 폴리머는 압출 직후에 경화를 위해 냉각 장치로 간다. 그래서, 클래드 튜브의 두께는 균일치 않게 된다. 클래드 튜브가 압출 동안에 자중에 의해 굽어지는 것을 방지하기 위해 용융 폴리머는 수직 방향으로 압출되지만, 클래드의 두께는 압출 다이 형상 및 압출 속도의 변화 때문에 변하게 된다.
만약 클래드 튜브의 두께가 균일하지 않으면, 이러한 클래드 튜브를 지닌 플라스틱 광섬유의 직경은 변한다. 광섬유를 피복하고 광전송을 위한 다른 요소에 이러한 광섬유를 연결하는 것이 어렵게 된다. 더구나, 불균일한 직경을 지닌 광섬유는 높은 전송 손실을 가져오기 때문에, 광전송 시스템에서 실리카 광섬유를 플라스틱 광섬유로 바뀌기 위해서 직경의 불균일성을 감소시키는 것이 필요하다.
본 발명은 플라스틱 광학 부재 및 플라스틱 광섬유와 같은 플라스틱 광학 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1 은 플라스틱 광학 부재의 제조 라인의 개략도.
도 2 는 도 1 의 제조 라인에서 보인 성형 다이의 부분 분해 사시도.
도 3 은 도 2 에서 보인 성형 다이의 단면도.
도 4 는 선 IV-IV 를 따라 취한, 도 2 에서 보인 성형 다이의 단면도.
도 5a, 5b 및 5c 는 다른 실시 형태에 따른 성형 다이의 부분 단면도.
도 6 은 또 다른 실시 형태에 따른 제조 라인의 개략도.
본 발명의 목적은 두께 변동이 작은 클래드 튜브에 적합한 플라스틱 광학 부재 및 플라스틱 광학 제품을 제조하는 방법과, 이러한 방법에 의해 제조된 플라스틱 광학 제품 및 플라스틱 광섬유를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 코어의 플라스틱 광학 부재는 다음과 같은 단계로 제조된다.
(a) 폴리머를 용융시키는 단계,
(b) 중공의 용융 폴리머를 얻기 위하여 압출 다이로 부터 폴리머를 압출시키는 단계 및,
(c) 성형 다이를 통하여 상기 용융 폴리머의 형상을 교정하는 단계.
바람직한 실시 형태에서, 감압 펌프가 성형 다이의 내면에 형성된 복수의 구멍을 통하여 성형 다이에 연결된다. 감압 펌프가 작동될 때, 성형 다이의 챔버가 감압되어 용융 폴리머가 성형 다이의 내면에 밀착된다. 성형 다이의 내면 근처의 공기 압력은 바람직하게 20kPa 내지 50kPa 이다.
성형 다이에서 용융 폴리머의 압출 속도는 바람직하게 0.1 m/min 이상, 10 m/min 이하이다. 용융 폴리머의 온도는 바람직하게 (Tg+30) ℃ 이상, (Tg+120) ℃ 이하이며, 여기서 Tg 는 폴리머의 유리 전이 온도이다. 더욱이, 압출 다이의 출구 근처의 용융 폴리머의 겉보기 점도는 바람직하게 500 내지 10000 Psㆍs 이다.
상기 압출 다이의 출구와 상기 성형 다이의 입구 사이의 거리는 바람직하게 0 mm 보다 크고 20 mm 미만이다. 광학 부재의 두께를 균일하게 유지하기 위해서 성형 다이의 입구에 스로트 (throat) 부재를 부착하는 것이 가능하다. 용융 폴리머는 성형 다이를 지난 후에 냉각되어 경화된다.
플라스틱 광학 부재의 형상이 성형 다이에 의해 교정되기 때문에, 코어의 플라스틱 광학 부재의 두께 에러를 줄이는 것이 가능하다.
플라스틱 광학 제품은 중합된 물질을 상기 플라스틱 광학 부재의 코어 영역 내부에 주입시킴으로써 제조된다. 예비 성형품으로서 플라스틱 광학 제품을 인발하여 플라스틱 광섬유를 제조할 수 있다. 플라스틱 광학 부재는 플라스틱 광섬유의 클래드이며, 중합된 물질은 플라스틱 광섬유의 코어이다.
플라스틱 광섬유의 광학적 특성은 성형 다이가 클래드의 두께 에러를 감소시키기 때문에 향상된다.
클래드 튜브 및 코어를 가지는 플라스틱 광섬유의 제조 라인이 바람직한 실시 형태로 설명된다. 하기에 설명된 이 실시 형태로 본 발명의 청구 범위가 제한되는 것은 아니다.
(플라스틱 광섬유의 클래드 튜브)
클래드 튜브는 용융된 열가소성 물질의 압출에 의해 형성된다. 코어의 전송광이 코어와 클래드 튜브 사이의 계면에서 전반사되도록 클래드의 굴절률은 코어의 굴절률 보다 낮아야 한다. 높은 내구성 및 내열성을 지닌 비정질 물질이 클래드 튜브로서 바람직하게 사용된다. 클래드 튜브의 모노머 (monomer) 의 예를 들면, 메틸 메타크릴레이트 (MMA) , 스티렌, 메틸 메타크릴레이트 듀테륨 (deuterium) , 트리플루오로 (trifluoro) 에틸 메타크릴레이트, 헥사플루오로이소프로필 (hexafluoroisoprophyl) -2- 플루오로아크릴레이트 (fluoroacrylate) 가 있으며, 이것들이 전부는 아니다. 이들 모노머 중의 하나는 클래드 튜브의 원료로서 동종중합체 (homo-polymer) 로 중합된다.
두개 또는 그 이상의 모노머는 클래드 튜브의 원료로서 혼성중합체 (copolymer) 로 중합될 수 있다. 2 종 이상의 모노머로 된 동종중합체 화합물로 클래드를 형상하는 것 또한 가능하다. 클래드 튜브는 MMA 의 중합에 의해 얻어지는 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 로 바람직하게 형성된다. PMMA 의 다양한 구조적 이성체 (isomer) 중에서, 105℃ 내지 120℃ 의 유리 전이 온도를 가지는 규칙 배열 구조의 이성체가, 성형 공정의 설비적 측면에서 보다 적합하다. 플라스틱 광섬유의 투명성 면에서 코어와 동일한 원료로 클래드 튜브를 형성하는것 또한 바람직하다. 클래드 튜브는 전송 손실 및 굽힘 손실을 줄이며, 수분 흡수의 억제 및 강도의 향상 등을 목적으로 두개 또는 그 이상의 층을 가질 수 있다. 하나의 예로서, 이러한 클래드 튜브는 PMMA 의 내층 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 의 외층으로 구성된다.
클래드 튜브의 평균 중합도는 바람직하게 500 내지 5000 이며, 더욱 바람직하게는 700 내지 3000 이며, 가장 바람직하게는 800 내지 2000 이다. 상기에 설명된 바람직한 평균 중합도로, 예비 성형품은 플라스틱 광섬유를 형성하기 위해서 안정적으로 인발된다. 폴리머의 잔류 원료의 양은 바람직하게 1.0 질량 % 이하이며, 보다 바람직하게는 0.5 질량 % 이하이다. 상기의 이들 수치값으로 클래드 튜브의 폴리머 특성이 불필요하게 제한되는 것은 아니다.
(플라스틱 광섬유의 코어)
코어가 전송광에 대해 투과성을 갖는다면 어떤 원료도 코어용으로 사용될 수 있다. 전송광에 대한 작은 전송 손실을 지닌 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 원료로서 모노머의 예를 들면, 메틸 메타크릴레이트 (MMA) , 메틸 메타크릴레이트 듀테륨, 트리플루오로 에틸 메타크릴레이트, 헥사플루오로이소프로필-2-플루오로아크릴레이트 (fluoroacrylate) 가 있으며, 이것들이 전부는 아니다. 이들 모노머 중의 하나가 선택되어 코어 재료인 동종중합체로 중합된다. 동종중합체는 모노머로 부터 올리고머를 형성한 후에 제조될 수 있다. 코어는 2 종 이상의 모노머로된 공중합체로 형성될 수 있다. 동종중합체의 화합물로 코어를 형성하는 것 또한 가능하다.
코어는 높은 벌크 중합 능력을 지닌 MMA 의 중합에 의해 얻어지는 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 로 바람직하게 형성된다. 수소 원자 (H) 가 듀테륨 원자 (D) 또는 할로겐 원자 (X) 로 치환되어 있는 모노머를 가지는 동종중합체와 공중합체 및 혼합 폴리머를 사용하는 것 또한 가능하다. 코어의 CH 연결은 특정 파장 범위에서 전송 손실을 야기한다. 수소 원자의 치환은 이러한 파장 범위를 보다 긴 파장 측으로 이동시켜, 특정 파장 범위에서의 전송 손실을 보다 적게 한다.
(첨가제)
중합 개시제 및 중합 조정제 (n-부틸메르캅탄 (n-butylmercaptan, CH3-(CH2)3-SH) 및 n-라우릴메르캅탄 (n-laurylmercaptan ,CH3-(CH2)11-SH) 와 같은 연쇄 이동제로서 메르캅토 (mercapto) 화합물) 는 모노머가 폴리머로 중합될 때 모노머에 추가될 수 있다. 상기 첨가제는 중합 상태 및 중합 속도를 조정하는데 효과적이며, 또한 플라스틱 광섬유를 형성하기 위해서 열간인발에 적합한 분자량을 제어하는데 효과적이다.
중합 개시제는 중합 상태 및 사용될 모노머에 따라 선택적으로 사용된다. 열중합을 위한 중합 개시제의 예는, 과산화벤조일 (BPO) , 티-부틸페록시-2-에틸헥사네이트 (t-buthylperoxi-2-ethylhexanate, PBO) , 디티-티-과산화부틸 (dt-t-butylperoxide, PBD) , 티-부틸페록시 이소프로필카보네이트 (t-butylperoxi isoprophycarbonate, PBI) , n-부틸-4 (n-buthyl-4) , 4-비스 (티-부틸페록시) 파라레이트 (4-bis (t-butylperoxi) paralate) 이며, 이들로 전부 한정되지는 않는다. 2 종 이상의 중합 개시제는 혼합될 수 있다.
중합 조정제 (연쇄 이동제) 는 분자량을 조정하는데 사용되며, 모노머의 종류 및 폴리머의 중합도에 따라 선택된다. 모노머로서 메틸 메타크릴레이트 화합물의 경우에, 중합 조정제의 예는 WO 93/08488 에 소개된 바와 같이, 알킬메르캅탄 (예컨대, 엔-부틸메르캅탄 (n-butylmercaptan) , 엔-펜틸메르캅탄 (n-pentylmercaptan) , 엔-옥틸메르캅탄 (n-octylmercaptan) , 엔-라우릴메르캅탄 (n-laurylmercaptan) , 티-도데씰메르캅탄 (t-dodecylmercaptan)) 및 티오페놀 , (예컨대, 티오페놀, 엠-브로모티오페놀 (m-bromothiophenol) , 피-브로모티오페놀, 엠-톨루엔에틴올 (m-toluenethiol) , 피-톨루엔에틴올 (p-toluenethiol)) 이다. 이들 중에서, 엔-옥틸메르캅탄, 엔-라우릴메르캅탄 및 티-도데씰메르캅탄과 같은 알킬메르캅탄이 바람직하다. CH 연결의 수소 원자가 듀테륨 원자 (D) 로 치환된 중합 조정제를 사용하는 것이 가능하다. 2 종 이상의 중합 조정제가 혼합될 수 도 있다. 본 발명의 중합 조정제의 예는 상기로 제한되지 않는다.
등급 인덱스 형 (GI 형) 광섬유는, 굴절률이 중심으로 부터 외면으로 가면서 점진적으로 변하는 코어를 갖는다. 일정한 굴절률의 코어를 지닌 광섬유와 비교하여, GI 형 광섬유는 보다 큰 전송 용량을 가진다. GI 형 광섬유는 폴리머의 굴절률을 증가시키기 위해서 굴절률 조정제를 첨가하여 제조된다. 굴절률 조정제를 지닌 모노머가 중합되어, 코어 폴리머는 굴절률 조정제를 함유하게 된다. 폴리머와 공존하며 중합 조건 (가열 및 압력 상태) 하에 안정적인 다른 적합한 물질도 굴절률 조정제로서 사용될 수 있다. 굴절률 조정제의 예는 벤조 에스테르 (benzoic ester, BEN) , 디페닐황화물 (diphenyl sulfide, DPS) , 트리페닐 인산염 (triphenyl phosphate, TPP) , 벤질프탈레이트-엔-부틸 (benzylphthalate-n-butyl, BBP) , 디페닐 프탈레이트 (diphenyl phthalate, DPP), 바이페닐 (biphenyl, DP) , 디페닐메탄 (diphenylmethane, DPM) , 트리크리실 인산 (tricresyl phosphate, TCP) , 디페닐 술폭시드 (diphenyl sulfoxide, DPSO) 이며, 이들로 전부 한정되지는 않는다. 이들 중에, BEN, DPS, TPP 및 DPSO 가 바람직하게 사용된다.
플라스틱 광섬유의 굴절률은 코어에서 굴절률 조정제의 양 및 분포를 조정함으로써 조정된다. 굴절률 조정제의 양은 광섬유의 용도 및 혼합될 원료에 따라 결정된다.
코어 및/또는 클래드 튜브는 첨가물이 광전송 능력에 영향을 미치지 않을 정도로 다른 첨가물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 안정제는 내후성 및 내구성을 증가시킬 목적으로 첨가될 수 있다. 더구나, 약해진 광신호에 따른 응답으로 펌프광을 방출시키기 위해서 증폭제로서 화합물을 추가할 수 있다. 원료는 코어 및/또는 클래드 튜브가 첨가물을 포함하도록 첨가제와 함께 성형된다.
(플라스틱 광학 부재의 제조)
플라스틱 광학 부재의 제조 라인이 도 1 에 도시되었다. 제조 라인 (10) 은 용융 압출 기계 (11) , 압출 다이 (12) , 성형 다이 (13) , 냉각기 (14) 및 인발 기계 (15) 를 포함한다.
용융 압출 기계 (11) 는 PMMA 와 같은 폴리머를 공급하는 펠렛 호퍼 (16) 를가진다. 용융 압출 기계 (11) 의 압출부 (11a) 에는 벤트가 부착된 단축 스크류 압출기 (도시안됨) 가 제공되어 있다. 폴리머는 압출부 (11a) 에서 용융된다. 용융된 폴리머는 압출 공정을 위하여 압출 다이 (12) 로 보내진다. 용융된 폴리머의 온도는 바람직하게는 (Tg+30) ℃ ~ (Tg+120) ℃ 이며, 여기서 Tg 는 폴리머의 유리 전이 온도이다. 보다 바람직하게, 용융 폴리머의 온도는 (Tg+70) ℃ ~ (Tg+90) ℃ 이다. 압출 다이 (12, 도 3) 의 출구 (12a) 근처에서 용융된 폴리머의 겉보기 점도는 바람직하게는 500 내지 10000 Paㆍs 이며, 보다 바람직하게는 1000 내지 7000 Paㆍs 이며, 가장 바람직하게는 2000 내지 5000 Paㆍs 이다. 압출 다이 (12) 내의 용융된 폴리머는 출구 (12a) 를 통하여 연질 클래드 (20, 용융 수지) 로 압출 된다.
연질 클래드 (20) 는 성형 다이 (13) 로 이송된다. 성형 다이 (13) 의 예가 도 2, 3 및 4 에 도시되었으며, 본 발명의 성형 다이는 도면에 도시된 것에 제한되지는 않는다. 성형 다이 (13) 는 연질 클래드 (20) 가 압출되는 성형 튜브 (30) 를 가진다. 연질 클래드 (20) 가 성형 튜브 (30) 를 통하여 압출되면서 연질 클래드 (20) 의 형상이 교정되어 클래드 튜브 (21) 가 얻어지게 된다. 성형 튜브 (30) 에서 연질 클래드 (20) 의 압출 속도 (m/min) 는 바람직하게 0.1 = S = 10.0 이며, 더욱 바람직하게는 0.3 = S = 5.0 이며, 가장 바람직하게는 0.4 = S = 1.0 이다. 압출 속도가 상기 바람직한 범위로 제한되지는 않는다.
감압 챔버 (31) 는 성형 튜브 (30) 에 형성된 흡입 구멍 (30a) 을 통하여 성형 튜브 (30) 에 바람직하게 연결된다. 감압 챔버 (31) 에 연결된 진공 펌프(17, 도 1) 가 구동되면, 감압 챔버 (31) 의 공기압력은 감소된다. 그래서, 클래드 튜브 (21) 의 외면 (21a) 이 성형 튜브 (30) 의 내벽 (성형벽, 30b) 에 밀착되어, 클래드 튜브 (21) 두께의 균일성이 향상된다. 감압 챔버 (31) 내의 공기 압력은 바람직하게 20 kPa 내지 50 kPa 이지만, 이 범위로 한정되지는 않는다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 클래드 (21) 의 직경을 규제하는 스로트 부재 (18) 가 클래드 (21) 의 두께 변화를 줄이기 위하여 성형 다이 (13) 의 측부 (13a) 에 바람직하게 부착되어 있다. 스로트 부재 (18) 는 성형 다이 (13) 에 통합될 수도 있다. 도 3 의 평면각 θ는, 스로트 부재 (18) 가 연질 클래드 (20) 와 접하는 면 (18a) 과 클래드 (21) 의 압출 방향과 수직인 평면 (21b) 에 의해 정의된다. 30 ° = θ= 80 °의 조건이 클래드 형상의 불균일성을 일으키는 압력을 줄이는데 바람직하며, 하지만 상기 평면각은 이 범위 밖으로 설정하는 것도 가능하다.
압출 다이 (12) 의 출구 (12a) 와 성형 다이 (13) 의 입구 사이의 거리 (L1) 는 0 mm < L1 < 20 mm 범위 내에 있으며, 클래드 형상의 불균일성을 일으키는 압력을 감소시키는 것도 가능하다. 더구나, 이 범위 내의 길이 (L1) 는 연질 클래드 (20) 가 그의 자중으로 수직방향으로 구부러지는 것을 방지한다. 성형 다이 (13) 의 입구는 스로트 부재 (18) 의 외면 (18b) 으로 규정되며, 스로트 부재 (18) 가 부착되지 않을 때는, 성형 다이 (13) 의 측부 (13a) 로 규정된다.
길이 (L2) 는 압출 방향의 성형 다이 (13) 의 길이 (만약 스로트 부재 (18) 가 있다면 그 길이도 포함됨) 로 정의된다. 클래드 튜브 (21) 의 두께 (d2) 의변동을 줄이기 위해서, 길이 (L2) 는 클래드 튜브 (21) 의 외경 (d1) 의 4 배 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 길이 (L2) 는 5 배 이상이며, 가장 바람직하게는, 8 배 이상이다. 이러한 한정은 본 발명을 불필요하게 제한하는 것은 아니다.
클래드 튜브 (21) 의 외경 (d1) 은 바람직하게 50 mm 이하이다. 보다 바람직하게, 외경 (d1) 은 10 mm = (d1) = 30 mm 이며, 가장 바람직하게는, 15 mm = (d1) = 25 mm 이다. 클래드 (21) 의 두께 (d2) 는 바람직하게 2 mm = (d2) = 20 mm 이며, 보다 바람직하게는, 4 mm = (d2) = 15 mm 이며, 가장 바람직하게는, 4 = (d2) = 10 mm 이다. 직경 (d1) 과 두께 (d2) 는 이들 범위 밖일 수 도 있다.
도 1 에서, 클래드 튜브 (21) 는 성형 다이 (13) 로 부터 냉각기 (14) 로 보내어 진다. 냉각기 (14) 는 클래드 튜브 (21) 가 경화되도록 냉각제 (41) 를 클래드 튜브 (21) 에 뿌리는 복수의 노즐 (40) 를 갖는다. 냉각제 (41) 는 수용대 (42) 에서 모아지며, 배출관 (42a) 을 통하여 배출된다. 원료를 절약하기 위해, 냉각제 (41) 는 배출 후에 바람직하게 재사용된다. 클래드 튜브 (21) 를 냉각시킬 수 있다면 어떤 형태의 냉각기 (14) 라도 본 발명에 적용할 수 있다.
냉각기 (14) 내의 클래드 튜브 (21) 는 구동 롤러 (50) 및 가압 롤러 (51) 를 가지는 인발 기계 (15) 쪽으로 당겨진다. 클래드 튜브 (21) 의 인발 속도를 조정하기 위해서 모터 (52) 가 구동 롤러 (50) 에 연결되어 있다. 구동 롤러 (50) 와 마주보는 가압 롤러 (51) 는 인발 방향에 수직인 방향으로 클래드 튜브 (21) 의 위치를 조정하기 위해서 클래드 튜브 (21) 를 가압한다. 클래드 튜브(21) 의 인발 속도 및 위치를 조정하여 클래드 튜브 (21) 의 두께 변동을 감소시킬 수 있다.
도 5a, 5b 및 5c 는 성형 튜브의 흡입 구멍의 다른 실시 형태를 도시한다. 도 5a 는 계단형 단면의 흡입 구멍 (63a) 을 가지는 성형 튜브 (63) 의 실시 형태이다. 도 5b 는 삼각형 단면의 흡입 구멍 (64a) 을 가지는 성형 튜브 (64) 의 실시 형태이다. 도 5c 는 실질적으로 반구형의 단면을 지닌 흡입 구멍 (65a) 을 가지는 성형 튜브 (65) 의 실시 형태이다. 사각형 단면과 같은 다른 형상의 흡입 구멍 또한 본 발명에 적용가능하다.
도 6 은 플라스틱 광학 부재 제조 라인의 다른 실시 형태를 도시한다. 제조 라인 (70) 은 용융 압출 기계 (11) , 압출 다이 (12) , 냉각기 (71) 및 인발 기계 (15) 를 포함한다. 냉각기 (71) 는 복수의 흡입 구멍 (72a) 을 지닌 성형 튜브 (72) 를 가진다. 도 2, 도 3 및 도 4 에 도시되어 있는 성형 튜브 (30) 및 , 도 5a, 도 5b 및 도 5c 에 도시된 성형 튜브 (63) ~ (65) 는 이 실시 형태의 성형 튜브 (72) 에 적용가능하다.
냉각기 (71) 의 내부 공기 압력을 감소시키기 위해서 진공 펌프 (도시 안됨) 가 감압 구멍 (73) 을 통해서 냉각기 (71) 에 연결된다. 냉각기 (71) 는 경화를 위해 냉각제 (75) 를 클래드 튜브 (21) 에 공급하기 위해서 복수의 노즐 (74) 을 가진다. 냉각제 (75) 는 냉각기 (71) 의 바닥에 형성된 배출 파이프 (76) 를 통하여 배출된다.
제조 라인 (70) 은 성형 튜브 (72) 를 염화 비닐 파이프와 같은 다른 플라스틱 재료의 제조라인에 추가함으로써 쉽게 준비되기 때문에, 플라스틱 광학 부재의 제조 가격을 줄이는데 유리하다. 더욱이, 성형 튜브 (72) 는 냉각기 (71) 에 배치되기 때문에, 성형 튜브 (72) 를 위하여 추가적인 공간을 준비할 필요가 없다. 제조 조건을 찾기 위한 예비 실험의 경우 이러한 예비 실험은 제조 조건에 따라 성형 튜브 (72) 를 변경하여 실시된다. 이는 예비 실험의 비용을 줄이는 데 유리하다.
중공 플라스틱 광학 부재와 같은, 광섬유의 클래드 튜브는 상기 설명된 방법으로 제조된다. 중공 플라스틱 광학 부재는 플라스틱 광섬유외의 다른 목적에 적용가능하다. 다음으로, 클래드 튜브 내부에 코어를 가지는 예비 성형품의 제조 방법이 하기에 기술된다.
(예비 성형품의 제조)
예비 성형품은 상기에 설명된 방법에 의해 제조된 클래드 튜브 내에 코어를 성형함으로써 제조된다. 바람직하게, 모노머 (코어의 원료) 를 클래드 튜브의 내부에 주입하기 위해 클래드의 일단부를 덮는다. 커버를 클래드 튜브의 단부에 단단히 부착시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 클래드 튜브와 동일 폴리머인 커버는, 용기에 수직 방향으로 클래드 튜브를 보유하고 용기에 부어진 모노머를 중합시킴으로써 형성된다.
클래드 튜브의 중공부 내부로 주입된 코어 원료로서의 모노머는 코어를 형성하기 위해서 계면 중합된다. 코어 원료는 클래드 튜브의 원료와 동일한 모노머인 것이 바람직하다. 중합 개시제 및 중합 조정제와 같은 첨가제가 코어 원료에 첨가될 수 있다. 첨가제의 양은 모노머의 종류에 따라 조정된다. 중합 개시제의 양은 바람직하게 모노머의 0.005 내지 0.050 질량 % 이며, 보다 바람직하게는 0.010 내지 0.020 질량 % 이다. 연쇄 이동제의 양은 바람직하게 모노머의 0.10 내지 0.40 질량 % 이며, 보다 바람직하게는, 0.15 내지 0.30 질량 % 이다.
등급 굴절률 (GI) 형의 광섬유는 굴절률 조정제를 추가하거나 2 종 이상의 모노머를 중합시킴으로써 얻어진다. 모노머의 중합은 클래드 튜브의 내벽에서 시작하여, 클래드 튜브의 중심쪽으로 진행된다. 2 종 이상의 모노머를 중합시키는 경우에, 클래드 폴리머와 높은 친화성을 지닌 모노머는 클래드 튜브의 내벽 주위에서 주로 중합되어, 높은 친화성을 지닌 모노머의 밀도가 클래드 튜브 근처에서 더 높게 된다. 높은 친화성을 지닌 모노머의 밀도는 모노머가 코어의 중심쪽으로 갈수록 점진적으로 줄어든다. 모노머의 조성이 코어의 반경에 따라 변하기 때문에, 코어에서 굴절률은 점진적으로 변한다.
굴절률 조정제를 지닌 모노머를 중합하는 경우에, 클래드 튜브의 내벽은 WO 93/08488 에 개시된 바와 같이, 모노머 용액 (코어 용액) 에 의해 용해된다. 그런후, 용해된 폴리머는 부풀어올라 겔 (gel) 을 형성하면서, 모노머 용액은 중합된다. 중합 과정에서, 모노머는 굴절률 조정제 보다도 클래드 폴리머와 높은 친화성을 가지기 때문에, 굴절률 조정제의 밀도는 클래드 튜브의 내벽 근처에서 더 작게 된다. 굴절률 조정제의 밀도는 코어의 중심쪽으로 가면서 점진적으로 커지게 된다. 굴절률 조정제가 코어에 분포되기 때문에, 코어에서 굴절률은 점진적으로 변경한다.
코어에 굴절률 분포가 도입될 때, 코어에서 모노머의 열적 거동은 굴절률 조정제의 밀도에 따라 변한다. 만약 모노머가 일정한 온도에서 중합된다면, 모노머의 수축에 따른 이완성이 변하여 예비 성형품에 기포 및/또는 세공이 생기게 된다.
더구나, 코어 모노머의 종류에 따라 적합한 온도에서 중합하는 것이 바람직하다. 중합 온도가 낮으면, 코어 모노머의 중합 효율이 감소되며, 중합이 불완전하게 되어 전송이 나빠지게 된다. 다른 한편으로, 높은 초기 중합 온도는 체적 수축에 따른 불완전한 이완 때문에, 코어에서 기포를 초래한다. 코어의 원료로서 MMA 을 사용하는 경우, 초기 중합 온도는 바람직하게 50℃ 내지 150℃ 이며, 보다 바람직하게는, 80℃ 내지 120℃ 이다. 모노머를 클래드 튜브에 주입하기 전에, 감압 분위기에서 모노머를 탈수 및/또는 탈기시켜 기포를 더욱 감소시킬수 있다.
모노머의 끓는점 이상인 10 시간 반감기 온도를 지닌 중합 개시제가 모노머를 중합하는데 바람직하게 사용된다. 중합 개시제의 반감기의 10 퍼센트 이상의 기간 동안 초기 중합 온도에서 모노머를 중합하는 것이 바람직하다. 후속 중합기간은 바람직하게 중합 개시제의 반감기 이상이다. 더구나, Tg 이상, (Tg+40) ℃ 이하의 온도에서 후속 중합을 실행하는 것이 바람직하다. Tg 는 코어 모노머의 유리 전이 온도이다. 이러한 조건하에, 초기 중합 속도는 체적 수축에 따른 모노머의 이완에 충분하게 감소된다. 결과적으로, 예비 성형품에서 기포의 양은 감소된다.
MMA 가 코어 모노머로써 사용될 때, 모노머의 끓는점 이상의 열시간 반감기 온도를 지닌 중합 개시제의 예는 PBD 및 PHV 이다. 중합 개시제로서 PBD 를 사용하는 경우, 48 내지 72 시간 동안 100 ℃ 내지 110 ℃ 의 초기 중합 온도 및, 24 내지 48 시간 동안 120 ℃ 내지 140 ℃ 의 후속 중합 온도를 유지하는 것이 바람직하다. PHV 가 중합 개시제로 사용될 때는, 4 내지 24 시간 동안 초기 중합 온도를 100 ℃ 내지 110 ℃ 로 유지하고, 24 내지 48 시간 동안 후속 중합 온도를 120 ℃ 내지 140 ℃ 로 유지하는 것이 바람직하다. 중합 온도는 점진적으로 또는 연속적으로 가능한 한 빨리 증가되어야 한다.
중합 과정 동안에 JP-A 9-269424 에 개시된 바와 같이 코어 용액을 가압하거나 또는, WO 93/08488 에 개시된 바와 같이 코어 용액의 압력을 감소시키는 것 또한 가능하다. "가압 중합" 은 가압 분위기에서의 중합을 의미한다. 가압 중합에서, 클래드 튜브와 같은 플라스틱 실린더형 튜브는 예를 들어, 코어 원료로서의 모노머를 상기 실린더형 튜브 안에 주입한 후에 홀더에 보유될 수 있다. 플라스틱 실린더형 튜브는 플라스틱 실린더형 튜브와 비슷한 형상을 가지는 홀더의 중공부에 삽입된다. 홀더는 변형없이 중합 과정 동안에 클래드의 수축을 지지하도록 실린더형 튜브를 보유한다. 그래서, 홀더의 중공부는 실린더형 튜브의 직경 보다 바람직하게 커서, 홀더는 실린더형 튜브를 헐겁게 지지한다. 중공부의 크기 (만약 실린더형 홀더가 사용된다면 내경) 는 실린더형 튜브의 외경 보다 바람직하게 0.1 % 내지 40 % 더 크며, 보다 바람직하게는, 10 % 내지 20 % 더 크다.
실린더형 튜브를 지닌 홀더는 가압 중합 과정 동안에 중합 챔버에 놓일 수 있다. 중합 챔버에서 실린더형 튜브의 축 방향은 수직 방향과 평행한 것이 바람직하다. 중합 챔버에서 실린더형 튜브는 질소 및 아르곤과 같은 비활성 가스의 분위기에서 코어 모노머를 중합시키기 위해서 압력이 가해진다. 중합 동안에 중합 챔버내의 공기 압력은 바람직하게 0.05 내지 1.00 Mpa 이다.
이러한 방법으로, 코어와 클래드를 지닌 예비 성형품이 얻어진다. 열중합 이외에, 자외선으로 모노머를 중합하는 것도 가능하다.
(플라스틱 광학 부재로 만들어진 제품)
예비 성형품은 평면 렌즈 요소로 잘려지거나 또는, 가열되어 플라스틱 광섬유로 인발된다. 코어에서 굴절률 분포를 가지는 GI 형 플라스틱 광섬유을 형성하는 것 또한 가능하다. 성형 다이는 클래드 (플라스틱 실린더형 튜브) 의 두께 균일성을 향상시키기 때문에, 높은 전송 능력을 지닌 플라스틱 광섬유가 얻어진다. 예비 성형품은 광학 렌즈 및 광학 도파관과 같은 다른 광학 제품을 만드는데 사용된다.
플라스틱 광섬유 (광섬유 케이블) 를 지닌 광 데이터 전송 시스템은 발광 소자, 수광 소자, 광 데이터 버스, 광 스타 커플러 (optical star couplers) , 광 신호 처리 장치 및 광 커넥터와 같은 광학 구성요소를 포함한다. 상기 설명된 방법 이외의 다른 프로세스에 의해 제조된 광섬유 또한 시스템에 추가될 수 있다. "플라스틱 광섬유의 기초 및 실제" (Basic and Practice of Plastic Optical Fiber, NTS Co., LTD. 발행) 에 소개된 기술이 시스템의 광학 구성요소에 적용된다. 광학 구성요소의 다른 실예를 들면, JP-A 10-123350 및 JP-A 2002-090571 에 개시된 광 테이터 버스, JP-A 2001-074971, JP-A 2000-329962, JP-A 2001-074966, JP-A 2001-074968, JP-A 2001-318263 및 JP-A 2001-311840 에 개시된 광 커플러, JP-A 2000-241655 에 개시된 광 스타 커플러이며, JP-A 2002-062457, JP-A 2002-101044 및 JP-A 2001-305395 에 개시된 광 신호 전송 장치 및 광 데이터 버스 시스템, JP-A 2002-023011 에 개시된 광 신호 처리 장치, JP-A 2001-086537 에 개시된 광 신호 교차 접속 시스템이며, 2002-026815 에 개시된 광 전송 시스템 및, JP-A 2001-339554 및 JP-A 2001-339555 에 개시된 다기능 시스템이 있다.
(플라스틱 광섬유의 제조 방법)
플라스틱 광학 부재로서 플라스틱 광섬유는 가열된 예비 성형품을 인발하여 제조된다. 예비 성형품의 폴리머에 따라 결정되는 가열 온도는 180 ℃ 내지 250 ℃ 가 바람직하다. 인장력 및 온도와 같은 예비 성형품에 대한 인발 조건은 예비 성형품의 폴리머 종류 및 플라스틱 광섬유의 직경에 따라 결정된다. 예를 들면, 예비 성형품을 인발하기 위한 인장력은 JP-A 7-234322 에 개시된 바와 같이, 용융된 예비 성형품을 배향하기 위해서 10 g 이상이 바람직하다. 더구나, 인장력은 JP-A 7-234324 에 개시된 바와 같이, 플라스틱 광섬유에 응력을 발생시키지 않기 위해서 100 g 이하가 바람직하다. 예비 성형품은 JP-A 8-106015 에 개시된 바와 같이, 인발 공정 전에 예비 가열될 수도 있다. 굽힘 및 측압 특성을 향상시키기 위해서, 플라스틱 광섬유의 파단 연신 및 경도를 JP-A 7-244220 에 규정된 한계 이상으로 제어할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 플라스틱 광섬유는 다양한 용도로 활용된다. 플라스틱 광섬유를 보호 및/또는 강화하기 위한 목적으로, 플라스틱 광섬유를 피복시키거나 섬유층을 플라스틱 광섬유에 혼합시키고/또는 복수의 플라스틱 광섬유를 다발짓는 것이 가능하다.
플라스틱 광섬유 케이블을 생산하도록 플라스틱 광섬유를 수지로 피복하기 위해서, 광섬유 가닥은 서로 마주보는 한 쌍의 다이에 형성된 구멍을 통과하게 된다. 다이 사이의 공간에 용융 수지를 채우는 동안에, 광섬유 가닥은 일 다이에서 다른 다이로 이동되어, 광섬유 가닥은 용융 수지층으로 피복 된다. 수지층의 두께는 용융 수지의 온도와 광섬유 가닥의 속도 및 용융 수지의 냉각 속도에 따른다. 수지층은 광섬유가 구부러질 때 응력으로 부터 광섬유 가닥을 보호한다. 수지층은 광섬유 가닥에 대한 응력을 줄이기 위해서, 광섬유 가닥에 용접되지 않고 광섬유 가닥을 바람직하게 피복한다. 광섬유의 이동 속도는 상기 피복 공정 동안에 용융 수지에 의한 열 손상을 감소시키도록 결정된다. 낮은 용융 온도를 지닌 수지가 피복 공정에 바람직하게 사용된다. 광섬유 가닥에 적용된 모노머를 중합시키는 방법과 시트를 감싸는 방법 및 압출에 의해 형성된 코어 튜브에 광섬유 가닥을 삽입시키는 방법과 같은, 다른 공지된 방법도 활용할 수 있다.
플라스틱 광섬유 케이블에는 주로 두 종류의 피복 구조, 즉 타이트한 피복 구조 및 헐거운 피복 구조가 있다.
타이트한 피복 구조의 광섬유 케이블은 광섬유 가닥과 밀착하는 피복층을 가진다. 헐거운 피복 구조의 광섬유 케이블에서는, 피복층과 광섬유 가닥 사이에간극이 형성된다. 광섬유 케이블을 연결하기 위해서 피복층을 벗기면, 광섬유 케이블은 광섬유 케이블의 연결부로 부터 광섬유 케이블의 간극을 채우는 습기에 의해 손상된다. 그래서, 타이트한 피복 구조가 일반적인 용도로 바람직하게 사용된다. 헐거운 피복 구조는, 광섬유 가닥으로 부터 떨어진 피복층이 응력 및 열과 같은 손상을 줄일수 있기 때문에 특정 목적에 바람직하게 사용된다. 광섬유 케이블의 간극은 습기 보호를 위해 유동성을 지닌 겔 반고체 또는 겔 파우더로 채워질 수 있다. 반고체 및 겔 파우더는 내열 및 물리적 강도와 같은 다른 기능을 가질 수 있다. 헐거운 피복 구조의 광섬유 간극은 크로스 헤드 다이에서 압출 니플 (nipple) 의 위치를 조절하고, 피복 공정 동안에 공기 압력을 제어하여 형성된다. 간극의 크기는 압출 니플의 두께 및 공기 압력을 제어함으로써 조정된다.
또 다른 피복층 (2 차 피복층) 이 만약 필요하다면 상기 설명된 피복층 (1 차 피복층) 의 외면에 제공된다. 2 차 피복층은 난연제 (frame retardant) , 자외선 흡수제, 산화 방지제, 트랩제 (trapping agent) 및 윤활제와 같은 물질을 함유할 수 있다. 이런 물질은 1 차 피복층이 전송 및 습도에 대한 저항성을 보유하는 한, 1 차 피복층에 추가될 수 있다. 일부 난연제는 브롬을 기반으로 하는 할로겐 함유 수지, 첨가제 및 인을 함유한다. 최근에는, 독성 가스 배출을 줄이려는 목적으로 금속 수산화물이 난연제로써 주로 사용되고 있다. 금속 수산화물은 광섬유 케이블의 제조 과정 동안에 제거되지 않는 결정수를 함유한다. 그래서, 오직 2 차 피복층만이 난연제로서 금속 수산화물을 바람직하게 함유한다.
플라스틱 광섬유 가닥은 여러 기능을 지닌 복수의 피복층으로 피복될 수 있다. 이러한 피복층의 예는 상기한 난연층, 수분 흡수를 억제하는 배리어, 피복층 사이 또는 피복층 내에 있는 수분 흡수제 (예를 들어, 수분 흡수 테이프 또는 겔) , 충격 흡수제로서 가요성 물질층 및 스티렌 성형층, 그리고 강성 증가를 위한 보강층이 있다. 피복층으로서 열가소성 수지는 광섬유 케이블의 강도를 증가시키기 위한 구조재를 포함할 수도 있다. 구조재는 높은 탄성을 지닌 인장 강도 섬유 및/또는 높은 강성을 지닌 금속 와이어이다. 인장 강도 섬유의 예를 들면 아라미드 (aramid) 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유가 있다. 금속 와이어의 예에는 스테인레스 와이어, 아연 합금 와이어, 구리 와이어가 있다. 구조재는 상기의 예가 전부는 아니다. 보호를 위한 금속 파이프 및 광섬유 케이블을 유지하기 위한 지지 와이어와 같은 다른 재료 또한 사용할 수 있다. 광 섬유 케이블의 배선 작업 능률을 높히기 위한 기구 또한 적용가능하다.
광섬유 가닥을 평행으로 배열한 소위 테이프형 코어 와이어 및 동심원으로 광섬유 가닥을 결집한 집합 가닥을 형성하는 것도 가능하다. LAP 덮개 또는 바인더 테이브를 사용하여 집합 가닥 및 테이프 코어 와이어를 결집하는 것 또한 가능하다.
[실시 형태]
플라스틱 광섬유의 광학적 특성은 이하의 실시 형태에서 설명된다. 원료 및 성형 조건과 같은 상세 사항은, 이러한 실시 형태에서 본 발명을 불필요하게 제한하는 것은 아니다.
[실시 형태 1]
(클래드 튜브의 제조)
플라스틱 광학 부재로서 클래드 튜브는 도 1 의 제조 라인 (10) 에 의해 제조된다. 팔렛 호퍼 (16) 에 공급된 적절한 양의 PMMA 는 벤트를 지닌 단축 스크류 압출기에서 용융되며, 압출 다이 (12) 에서 압출되어 연질의 클래드 (20) 를 형성한다. PMMA 의 중합도는 1000 이다. PMMA의 분자량은 100,000 이다. PMMA 의 유리 전이 온도 (Tg) 는 108 ℃ 이다. 연질 클래드 (20) 의 온도는 (Tg+70) ℃ 내지 (Tg+120) ℃ 이다. 압출 다이 (12) 의 출구 (12a) 에서 폴리머의 겉보기 점도는 3000 내지 4000 Psㆍs 이다. 연질 클래드 (20) 은 0.5 m/min 의 압출 속도 (S) 로 성형 다이 (13) 에 공급된다.
실질적으로 반구형의 흡입 구멍 (도 5c) 을 지닌 성형 다이 (13, 도 3) 는 연질 클래드 (20) 를 클래드 튜브 (21) 로 성형시키는 데 사용된다. 클래드 튜브 (21) 의 외경 (d1) 은 20 mm 이며, 클래드 튜브 (21) 의 두께 (d2) 는 5 mm 이다. 감압 챔버의 공기 압력은 31 내지 30 kPa 이다. 스로트 부재 (18) 의 평면각 θ은 45 도이다. 압출 다이 (12) 의 출구와 스로트 부재 (18) 의 외면 (18b) 사이의 거리 (L1) 는 15 mm 이다. 클래드 튜브 (21) 는 2.5 m 길이의 냉각기 (14) 에서 냉각되어, PMMA 로 된 플라스틱 실린더형 튜브 (클래드 튜브) 가 얻어진다. 냉각기 (14) 에서 냉각제 (41) 의 온도는 15 ℃ 이다.
(예비 성형품의 제조)
탈수된 MMA 와 굴절률 분포를 위한 저분자량 화합물을 혼합하여 용액을 만든다. 이 용액은 0.2 ㎛ 의 정확도를 지니는 폴리테트라플루오로에틸렌 막 (polytetrafluoroethylen membrane) 필터를 통하여 여과된다. 여과된 용액은 600 mm 길이의 PMMA 실린더형 튜브 내부로 주입된다. 저분자량 화합물은 디페닐 실파이드이다. 추가된 디페닐 실파이드의 양은 MMA 의 11 질량 % 이다. 중합 개시제로써 디-티-부틸과산화물 (di-t-butylperoxide) 의 양은 MMA 의 0.013 질량 % 이다. 중합 조정제로서 엔-라우릴메르캅탄의 양은 MMA 의 0.27 질량 % 이다. 첨가제와 함께 MMA 가 주입된 후, PMMA 튜브는 가압 중합 챔버에 제공된 유리 튜브에 수직으로 삽입된다. 유리 튜브의 중공부의 직경은 실린더형 튜브의 외경 보다 2 mm 더 크다. 코어 모노머 (MMA) 는 질소 분위기에서 120 ℃ 에서 48 시간 동안 중합되어 예비 성형품이 얻어진다. 질소 압력은 0.2 MPa 이다.
예비 성형품을 230 ℃ 에서 가열한 후에, 예비 성형품을 인발하여 750 ㎛ 의 직경 및 600 m 의 길이를 갖는 플라스틱 광섬유를 얻었다. 플라스틱 광섬유의 직경 오차 범위는 -15 ㎛ 내지 15 ㎛ 이다. 플라스틱 광섬유의 전송 손실은 전송광을 사용하여 측정된다. 전송광의 파장은 650 nm 이다. 측정된 전송 손실은 158 dB/km 로, 이는 종래의 플라스틱 광섬유 보다도 이론적 한계 (106 dB/km) 에 더 가까운 것이다. 주파수 범위를 측정하여 테이터 전송 능력을 종래의 플라스틱 광섬유와 비교하였다. 측정된 주파수 범위의 최대값은 1.05 GHz/100m 으로 이는 종래의 플라스틱 광섬유의 최대값 (50 GHz/100m) 보다도 더 우수한 것이다.
플라스틱 광섬유의 기계적 강도는 영률 (Young's modulus) 및 연결 강도를 측정하여 평가된다. 측정은 스트로그래프 (strograph) MA (Toyo Seiki Seisaku-sho, Ltd. 에 의해 제조) 를 사용하여 수행된다. 연결 강도는 플라스틱 광섬유의 상단부 및 하단부를 당기는 동안에 파단이 발생할 때 매듭을 지닌 플라스틱 광섬유에 걸리는 하중을 검출하여 측정된다. 플라스틱 광섬유의 샘플은 100 m 의 길이를 가진다. 약 10 m 의 상단부 및 하단부는 각각 한쌍의 척에 의해 잡힌다. 척의 거리는 50 mm 이며, 오직 상부 척만이 10 m/min 의 속도로 당겨진다.
측정된 영률은 41.2 MPa 이며, 측정된 연결강도는 46.3 MPa 이다. 이러한 결과는 상기 방법에 의해 제조된 플라스틱 광섬유는 실제 사용에 충분한 강도를 가진다는 것을 보여준다.
[실시 형태 2]
(클래드 튜브의 제조)
도 1 의 제조 라인 (10) 은 플라스틱 광학 부재로서 클래드 튜브를 제조하는 데 사용된다. 이 실시 형태에서의 원료는 PVDF 수지 KF-#850 (Kureha Chemical Industry Co., Ltd 에 의해 제조) 이다. 팔렛 호퍼 (16) 에 공급된 원료는 벤트를 지닌 단축 스크류 압출기에서 용융된다. PVDF 수지의 용융점 (Tm) 은 177 ℃ 이다. 연질 클래드 (20) 의 온도 T 는 다음과 같은 관계를 만족시킨다: Tm-30 = T = Tm+70 . 바람직하게, 연질 클래드 (20) 의 온도 T 는 170 ℃ 내지 200 ℃ 이다. 다른 제조 조건은 실시 형태 1 의 조건과 동일하다. 용융된수지는 압출 다이에서 압출 되어 중공의 실린더형 클래드 튜브가 형성된다. 클래드 튜브의 외경 (d1) 은 20 mm 이며, 두께 (d2) 는 5 mm 이다.
(클래드 튜브의 내에 코어 로드의 형성)
실린더형 유리 튜브의 코어부는 탈수되어 코어부의 수분은 100 ppm 이하이다. 유리 튜브의 내경은 10 mm 이다. 용액은 메틸메타크릴레이트 (MMA) 에 첨가제를 함유시켜 준비된다. 첨가제는 연쇄 이동제 (분자량 조정제) 로서 n-부틸메르캅탄과, 중합 개시제로서 벤조일 과산화물이다. 벤조일 과산화물의 양은 MMA 의 0.5 질량 % 이다. n-부틸메르캅탄의 양은 MMA 의 0.28 질량 % 이다. 유리 튜브가 70 ℃ 에서 가열되고 또한 3000 rpm 으로 회전되는 동안에 MMA 의 용액은 열중합 된다. 이러한 방법으로, 5 mm 두께의 PMMA 층이 유리 튜브의 내면에 형성된다.
그후, 코어 원료로서 MMA 는 100 ppm 이하가 되도록 탈수된다. 용액은 굴절률 조정제로서 디페닐 실파이드를 MMA 에 추가하여 준비된다. 디페닐 실파이드의 양은 MMA 의 12.5 질량 % 이다. 0.2 ㎛ 의 정확도를 가진 여과막을 통하여 용액을 여과시킨 후, 용액은 유리 실린더의 코어부 내로 부어진다. 중합개시제로서 디-티-부틸과산화물의 양은 MMA 의 0.016 질량 % 이다. 중합 조정제로서 도데씰메르캅탄의 양은 MMA 의 0.27 질량 % 이다. MMA 용액을 함유하는 유리 튜브는 가압 중합 챔버에 수직 방향으로 배치되었다. 코어 모노머 (MMA) 는 질소 분위기에서 120 ℃ 에서 48 시간 동안 중합되었다. 질소 압력은 0.2 MPa 이다. 따라서, 굴절률 분포를 지닌 실린더형 폴리머가 얻어진다. 실린더형 폴리머를 PVDF 클래드 튜브에 삽입하여 예비 성형품을 얻었다.
예비 성형품을 230 ℃ 에서 가열한 후, 인발하여 750 ㎛ 의 직경 및 300 m 의 길이를 갖는 플라스틱 광섬유를 얻었다. 인발 과정 중에, 기포는 발생하지 않았다. 650 nm 의 파장에서 플라스틱 광섬유의 측정된 전송 손실은 165 dB/km 이다. 100 m 의 길이를 지닌 플라스틱 광섬유의 주파수 범위는 1.10 GHz 이다.
본 발명은 플라스틱 광섬유와 같은 플라스틱 광학 부재에 적용가능하다. 본 발명은 또한 등급 인덱스형의 플라스틱 광섬유에도 적용가능하다.

Claims (15)

  1. 코어 플라스틱 광학 부재를 제조하는 방법으로서,
    폴리머를 용융시키는 단계와,
    코어 용융 폴리머를 얻기 위하여 압출 다이로 부터 상기 폴리머를 압출시키는 단계 및,
    성형 다이를 통하여 상기 용융 폴리머의 형상을 교정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 감압 펌프를 작동시켜 상기 성형 다이를 감압시키는 단계를 더 포함하며, 상기 감압 펌프는 상기 성형 다이의 내면에 형성된 복수의 구멍을 통하여 상기 성형 다이에 연결되며, 용융 폴리머는 상기 성형 다이의 내면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 성형 다이에서 용융 폴리머의 압출 속도는 0.1 m/min 이상, 10 m/min 이하임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, Tg 는 상기 폴리머의 유리 전이 온도 일때 용융 폴리머의 온도는 (Tg+30) ℃ 이상, (Tg+120) ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 압출 다이의 출구 근처에서 용융 폴리머의 겉보기 점도는 500 내지 10000 Paㆍs 임을 특징으로 하는 방법.
  6. 플라스틱 광학 제품을 제조하기 위한 방법으로서,
    중합된 물질을 플라스틱 광학 부재의 중공 영역 내부로 주입시키는 단계 및,
    상기 중합된 물질을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 플라스틱 광섬유를 제조하는 방법으로서,
    청구항 6 의 방법으로 제조된 상기 플라스틱 광학 제품을 인발하는 단계를 포함하며,
    플라스틱 광학 부재는 플라스틱 광섬유의 클래드이며, 중합된 물질은 상기 플라스틱 광섬유의 코어임을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 6 의 방법에 의해 제작된 플라스틱 광학 제품.
  9. 청구항 8 의 플라스틱 광학 제품을 인발하여 제조되는 플라스틱 광섬유로서,
    플라스틱 광학 부재는 상기 플라스틱 광섬유의 클래드이며, 중합된 물질은 상기 플라스틱 광섬유의 코어임을 특징으로 하는 플라스틱 광섬유.
  10. 플라스틱 광학 부재를 제조하는 장치로서,
    폴리머를 용융하는 수단과,
    중공 용융 폴리머를 얻기 위하여 폴리머를 압출시키는 압출 다이와,
    상기 압출 다이의 하류에 배치되어 상기 용융 폴리머의 형상을 교정하는 성형 다이를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 성형 다이를 감압시키는 감압 펌프를 더 포함하며, 이 감압 펌프는 성형 다이의 내면에 형성된 복수의 구멍을 통하여 상기 성형 다이에 연결되며, 용융 폴리머는 성형 다이의 내면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 성형 다이의 내면에서 공기압은 20 kPa 내지 50 kPa 임을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 성형 다이의 입구에 고정된 스로트 부재를 또한 포함함을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 성형 다이를 통과한 후에 용융 폴리머를 냉각시키는 수단이 또한 포함됨을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    L (mm) 은 압출 다이의 출구와 성형 다이의 입구 사이의 거리라고 할 때, 0< L < 20 인 것을 특징으로 하는 장치.
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