KR20110128151A

KR20110128151A - 각이 형성된 ｕｖｌｅｄ를 채용한 경화 장치

Info

Publication number: KR20110128151A
Application number: KR1020110047562A
Authority: KR
Inventors: 데니스 몰린
Original assignee: 드라카 콤텍 비.브이.
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2011-11-28
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: US9187367B2; EP2388239B1; US20160038970A1; BRPI1102474B1; BRPI1102474A2; US9687875B2; CN102336530B; BRPI1102474A8; DK2388239T3; CN102336530A; KR101890938B1; EP2388239A1; US20110287195A1

Abstract

UVLED 장치(및 관련 시스템과 방법)는 연신된 유리 섬유 상의 광섬유 코팅의 효율적인 경화를 제공한다. 본 장치는 경화 공간으로 전자기 복사선을 방출하는 하나 이상의 UVLED를 채용한다. 유리 섬유 상에 형성되는 불완전하게 경화된 광섬유 코팅은 방출 및 반사된 전자기 복사선을 흡수하여 효율적인 경화를 촉진시킨다.

Description

각이 형성된 ＵＶＬＥＤ를 채용한 경화 장치{CURING APPARATUS EMPLOYING ANGLED UVLEDS}

본 발명은 연신된 유리 섬유 상의 코팅을 경화하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

유리 섬유는 하나 이상의 코팅층을 이용하여 외력으로부터 보호되는 것이 통상적이다. 통상적으로, 두 개 이상의 코팅층이 광섬유 연신 공정(즉, 이로써 유리 섬유가 연신 타워 내의 광학 예비성형체로부터 연신된다) 중에 도포된다. 연질의 내측 코팅층은 통상적으로 마이크로벤딩(microbending)으로부터 유리 섬유를 보호하도록 돕는다. 경질의 외측 코팅은 통상적으로 추가 보호를 제공하고 유리 섬유의 취급을 용이하게 하는 데 사용된다. 코팅층은, 예컨대 열 또는 자외선(UV) 광을 이용하여 경화될 수 있다.

UV 경화를 위해 코팅된 유리 섬유는 고강도 UV 복사선에 노출되어야 한다. 경화 시간은 코팅을 보다 높은 강도의 UV 복사선에 노출시킴으로써 저감될 수 있다. 경화 시간의 저감은 특히 섬유 연신 라인의 속도 증가 및 이에 따른 광섬유 생산율의 증가를 가능케 하기 위하여 요망된다.

수은 램프(예컨대, 고압력 수은 램프 또는 수은 제논 램프)는 일반적으로 UV 경화에 필요한 UV 복사선을 발생시키는 데 사용된다. 수은 램프의 사용으로 인한 한 가지 단점은 수은 램프가 충분히 강한 UV 복사선을 발생시키도록 상당량의 전력을 필요로 한다는 점이다. 예컨대, 단일의 코팅된 섬유(즉, 하나의 폴리머 코팅)를 경화하는 데 사용되는 UV 램프는 50 킬로와트의 총 전력 소비량을 필요로 할 수 있다.

수은 램프의 다른 단점은 수은 램프에 전력을 공급하기 위해 사용된 에너지의 많은 부분이 UV 복사선이 아닌 열로서 방출된다는 점이다. 따라서, 수은 램프는 과열을 방지하기 위해 (예컨대, 열교환기를 이용하여) 냉각되어야 한다. 또한, 수은 램프에 의해 발생된 바람직하지 않은 열은 광섬유 코팅의 경화 속도를 지연시킬 수 있다.

더욱이, 수은 램프는, 예컨대 200 나노미터보다 작고 700 나노미터보다 큰 파장을 갖는 광범위한 전자기 복사선(즉, 적외선 광)을 발생시킨다. 통상적으로, 약 300 나노미터 내지 400 나노미터의 파장을 갖는 UV 복사선이 UV 코팅을 경화하는 데 유용하다. 따라서, 수은 벌브에 의해 발생된 전자기 복사선 중 많은 부분(예컨대, 90 퍼센트 이상)이 낭비된다. 또한, 유리 섬유는 통상적으로 약 125 미크론 이하의 직경을 갖는데, 당연히 이 직경은 수은 벌브에 비해 훨씬 작다. 따라서, 수은 램프에 의해 방출된 UV 복사선의 대부분은 유리 섬유의 경화되지 않은 코팅에 도달하지 못한다(즉, 에너지가 낭비된다).

그러므로, 종래의 수은 램프의 대안으로서 유리 섬유 코팅을 경화하기 위하여 UVLED를 채용하는 것이 유리할 수 있다. UVLED는 통상적으로 종래의 UV 램프보다 상당히 적은 에너지를 필요로 하고 이에 따라 훨씬 적은 열 에너지를 발생시킨다.

예컨대, 미국 특허 제7,022,382호(Khudyakov 등)는 광섬유 코팅을 경화하기 위한 UV 레이저(예컨대, 연속적 또는 펄스형 레이저)의 사용을 개시하고 있다.

미국 특허 출원 공개 제2003/0026919호(Kojima 등)는 광섬유 코팅을 경화하기 위한 자외선 발광 다이오드(UVLED)의 사용을 개시하고 있다. 개시된 광섬유 수지 코팅 장치는 UV 경화성 수지가 광섬유 상에 코팅되는 몰드 조립체를 포함한다. 또한, 몰드 조립체에서, 코팅된 광섬유는 UV 코팅을 경화하기 위하여 다수의 UVLED로부터의 UV 복사선에 노출된다. UVLED 어레이로부터 출력되는 UV 복사선을 제어하기 위하여 제어 회로가 사용될 수 있다. 예컨대, 제어 회로는 하나 이상의 UVLED에 대한 전류를 감소시켜 방출되는 UV 복사선의 강도를 저감시킬 수 있다. 제어 회로는 또한 광섬유가 몰드 조립체를 통과할 때 UV 복사선의 강도를 변경시키도록 사용될 수 있다.

비록 그렇다 하더라도, UVLED는 수은 램프보다 효율적이지만 유리 섬유 코팅을 경화할 때에 여전히 상당량의 에너지를 낭비하고 있다. 구체적으로, 방출된 UV 복사선의 많은 부분이 유리 섬유 코팅을 경화하는 데 사용되지 못한다.

따라서, 종래의 수은 램프 장치에 비해 전력을 덜 소비하고 원치 않는 열을 덜 발생시킬 뿐만 아니라, 경화 효율이 개선된 상태로 유리 섬유 코팅을 경화할 수 있는 UVLED 장치에 대한 요구가 존재한다.

따라서, 본 발명은 광섬유 코팅을 원위치에서 경화하기 위한 UVLED 장치(및 관련 시스템 및 방법)에 관한 것이다. 장치는 전자기 복사선을 경화 공간으로 방출하는 적어도 하나의 UVLED 소스, 예컨대 단일의 UVLED 또는 복수 개의 개별 UVLED를 채용한다. 불완전하게 경화된 상태의 코팅된 유리 섬유가 경화 공간을 통과함으로써, 광섬유 코팅의 경화를 구현하도록 전자기 복사선을 흡수한다.

예시적인 UVLED 장치는 실질적으로 원통형 공동 내에 배치되는 하나 이상의 UVLED 소스를 포함한다. 각각의 UVLED 소스는 통상적으로 평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 갖는다. 원통형 공동은 반사 내표면과 타원형 단면을 갖는다. 따라서, 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정한다. UVLED 소스는 통상적으로 장축과 L_avg 사이의 방출각(α)약 30도 내지 100도(예컨대, 약 30도 내지 60도)가 되도록 제1 라인 초점을 따라 배치된다. 불완전하게 경화된 코팅을 갖는 유리 섬유는 제2 라인 초점을 따라 원통형 공동을 통과하여 UVLED 소스에 의해 방출되고 원통형 공동의 반사 내표면에 의해 반사된 UV 복사선의 흡수를 달성한다.

제1 양태에 있어서, 본 발명은, 실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동으로서, 상기 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하고, 제2 라인 초점은 경화축을 한정하는 것인 공동과, UV 복사선에 대해 실질적으로 투과성이고 경화축을 둘러싸는 보호 튜브와, 상기 제1 라인 초점에서 공동 내에 배치되는 UVLED 소스를 포함하고, 상기 UVLED 소스는, (i)평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 가지며, (ii)장축과 L_avg 사이에 약 30도 내지 100도의 방출각(α)을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치에 관한 것이다.

제1 양태의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 공동은 타원형 단면을 갖는다.

제1 양태의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 보호 튜브는 석영 튜브이다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스는 단일의 UVLED이다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스는 복수 개의 UVLED를 포함한다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 UVLED는 상이한 출력 강도로 전자기 복사선을 방출하는 적어도 두 개의 UVLED를 포함한다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 장치는 공동 내에 배치되는 복수 개의 UVLED 소스를 포함한다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 UVLED 소스는 상이한 출력 강도로 전자기 복사선을 방출하는 적어도 두 개의 UVLED 소스를 포함한다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 90 퍼센트는 약 250 나노미터 내지 400 나노미터의 파장을 갖는다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 80 퍼센트는 약 300 나노미터 내지 450 나노미터의 파장을 갖는다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 80 퍼센트는 약 375 나노미터 내지 425 나노미터의 파장을 갖는다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스는 주로 약 395 나노미터 내지 415 나노미터의 파장의 전자기 복사선을 방출한다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 80 퍼센트는 30 나노미터 범위 내의 파장을 갖는 다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 방출각(α)은 약 30도 내지 60도이다.

제1 양태의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 방출각(α)은 약 40도 내지 50도이다.

제2 양태에 있어서, 본 발명은, 본 발명의 제1 양태에 각각 따른 제1 장치 및 제2 장치를 포함하고, 제1 장치의 제1 라인 초점은 제2 장치의 제1 라인 초점과 별개이며, 제1 장치의 제2 라인 초점은 제2 장치의 제2 라인 초점과 동일한 것인 코팅된 유리 섬유의 경화 시스템에 관한 것이다.

제3 양태에 있어서, 본 발명은, 실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동으로서, 상기 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하고, 제2 라인 초점은 경화축을 한정하는 것인 공동과, UV 복사선에 대해 실질적으로 투과성이고 경화축을 둘러싸는 보호 튜브와, 상기 공동 내에 배치되는 UVLED 소스와, 상기 UVLED 소스로부터의 UV 복사선을 제1 라인 초점을 향해 집속하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 상기 공동 내에 배치되며, 상기 렌즈는, (i)평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 제공하고, (ii)장축과 L_avg 사이에 약 30도 내지 120도의 방출각(α)을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치에 관한 것이다.

제4 양태에 있어서, 본 발명은, 실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동으로서, 상기 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하고, 제2 라인 초점은 경화축을 한정하는 것인 공동과, UV 복사선에 대해 실질적으로 투과성이고 경화축을 둘러싸는 보호 튜브와, UVLED 소스와, 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유의 제1 단부는 상기 UVLED 소스에 결합되며, 상기 광섬유의 제2 단부는 제1 라인 초점에서 상기 공동 내에 배치되고, 상기 광섬유의 제2 단부는, (i)평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 제공하며, (ii)장축과 L_avg 사이에 약 30도 내지 150도의 방출각(α)을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치에 관한 것이다.

제5 양태에 있어서, 본 발명은, 실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동을 제공하는 단계로서, 상기 공동은 (i)제1 라인 초점, (ii)제2 라인 초점 및 (iii)제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하는 것인 단계와, 불완전하게 경화된 코팅을 갖는 유리 섬유를 제2 라인 초점을 따라 원통형 공동을 통과시키는 단계와, UV 복사선을 제1 라인 초점으로부터 약 30도 내지 100도의 방출각(α)으로 지향시키는 단계를 포함하고, 방출각(α)은 UV 복사선 평균 방출 라인(L_avg)과 공동의 장축 사이의 각도에 의해 한정되는 것인 코팅된 유리 섬유의 경화 방법에 관한 것이다.

제5 양태의 바람직한 실시예에 있어서, 방법은 UV 복사선의 적어도 일부를 유리 섬유를 향해 공동의 반사 내표면에서 반사시키는 단계를 포함한다.

제5 양태의 바람직한 실시예에 있어서, 반사 단계는 경화를 촉진시키도록 유리 섬유의 불완전하게 경화된 코팅에 의해 UV 복사선의 흡수를 실행한다.

제5 양태의 바람직한 실시예에 있어서, UV 복사선을 지향시키는 단계는 UV 복사선을 UVLED 소스로부터 방출시키는 단계를 포함한다.

제5 양태의 바람직한 실시예에 있어서, UV 복사선을 UVLED 소스로부터 방출시키는 단계는 제1 라인 초점에 배치된 UVLED 소스로부터 UV 복사선을 방출시키는 단계를 포함한다.

전술한 예시적인 요약 뿐만 아니라 본 발명의 바람직한 목적 및/또는 이점과, 이들이 달성되는 방식은 이하의 상세한 설명과 그 첨부 도면 내에서 더 설명한다.

본 발명에 따르면, 종래의 수은 램프 장치에 비해 전력을 덜 소비하고 원치않는 열을 덜 발생시킬 뿐만 아니라, 경화 효율이 개선된 상태로 유리 섬유 코팅을 경화할 수 있는 UVLED 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 반사 내표면을 갖는 타원형 실린더의 단면도를 도시한다.
도 2는 코팅된 유리 섬유를 경화하기 위한 예시적인 장치의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 코팅된 유리 섬유를 경화하기 위한 예시적인 장치의 개략적 단면도이다.
도 4는 다양한 폭의 UVLED에 대한 UVLED 방출각과 UVLED 효율 간의 관계를 개략적으로 도시한다.
도 5는 코팅된 유리 섬유를 경화하기 위한 다른 예시적인 장치의 개략적 단면도이다.
도 6a는 cos¹ ^.5(φ)의 방출 패턴을 갖는 UVLED의 방출 패턴을 개략적으로 도시한다.
도 6b는 cos²(φ)의 방출 패턴을 갖는 UVLED의 방출 패턴을 개략적으로 도시한다.

일 양태에 있어서, 본 발명은 유리 섬유 코팅(예컨대, 1차 코팅, 2차 코팅 및/또는 3차 잉크층)을 경화하는 장치에 관한 것이다. 장치는 통상적으로 유리 섬유에 대해 0도를 초과하는 방출각으로 배향되는 UVLED 소스를 채용한다.

특정 실시예에서, 유리 섬유 코팅 경화 장치는 반사 내표면을 갖는 원통형 공동(또는 실질적으로 원통형인 공동) 내에 배치되는 UVLED 소스, 예컨대 하나 이상의 자외선 발광 다이오드(UVLED)를 포함한다. 반사 내표면을 얻기 위해, 원통형 공동은 스테인리스강 또는 금속 도금 유리, 예컨대 은 도금 석영, 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 또한, 원통형 공동의 내부는 경화 공간을 형성한다. 그리고, 경화 공간은 경화축을 한정하는데, 연신된 유리 섬유가 경화 공정 중에 경화축을 따라 통과한다.

통상적으로, 보호 튜브는 경화축을 둘러싼다. 예컨대, 약 24 밀리미터의 직경과 약 2 밀리미터의 두께를 갖는 투명한 석영 튜브(예컨대, UVLED에 의해 방출되는 UV 복사선에 대해 실질적으로 투명한 석영 튜브)가 보호 튜브로서 채용될 수 있다. 다른 실시예에서, 보호 튜브(예컨대, 투명한 석영 튜브)는 약 10 밀리미터의 직경과 약 1 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 일반적으로, 보다 작은 보호 튜브를 채용하면 경화 효율이 향상된다고 생각된다(즉, UV 복사선의 낭비가 저감된다).

보호 튜브는 경화 부산물이 원통형 공동 내의 UVLED를 손상 및/또는 오염시키는 것을 방지한다. 이와 관련하여, 광섬유 코팅의 휘발성 성분은 경화 중에 증발하는 경향이 있다. 보호 튜브의 부재시, 이들 경화 부산물은 UVLED와 공동의 내표면 양자에 침전될 수 있다. 보호 튜브는 또한 (예컨대, 코팅 도포기에 의해 운반된) 경화되지 않은 코팅이 원통형 공동 내에 의도치 않게 침전되는 것(예컨대, UVLED 및/또는 공동의 반사 내표면 상에 유출되는 것)을 방지할 수 있다.

불활성 가스(예컨대, 질소) 또는 가스 혼합물(예컨대, 질소와 산소)은 코팅이 경화될 때 광섬유 둘레에 산소가 없는 분위기 또는 환원된 산소 분위기를 제공하도록 보호 튜브 내에 도입될 수 있다. 이와 관련하여, 소량의 산소가 있다면 효율적인 경화가 촉진될 수 있다는 것을 알았다. 따라서, 보호 튜브는 약 0.1 퍼센트 내지 5 퍼센트의 산소, 예컨대 약 0.2 퍼센트 내지 3 퍼센트의 산소(예컨대, 0.31 퍼센트의 산소)를 갖는 분위기를 제공할 수 있다. 코팅된 유리 섬유 둘레에 환원된 산소 분위기를 제공하면 산소에 의해 활성 산소의 소비를 감소시키도록 돕는 것으로 보인다.

더욱이, 보호 튜브를 통해 유동하는 가스(예컨대, 질소 및/또는 산소)는, 예컨대 (i)보호 튜브 및/또는 (ii)가스를 공급하는 파이프 둘레에 배치되는 하나 이상의 가열 링을 채용함으로써 가열될 수 있다. 이와 달리, 보호 튜브를 통해 유동하는 가스는 적외선 히터를 이용하여 가열될 수 있다. 가스 유동을 가열하면 반응되지 않은 코팅 성분(예컨대, 코팅 모노머) 및/또는 경화된 코팅에 존재하는 원치 않는 부산물을 제거도록 돕는다.

통상적인 실시예에 있어서, 원통형 공동은 비원형의 타원형 단면을 갖는다. 즉, 원통형 공동은 일반적으로 타원형 실린더의 형태를 갖는다. 예컨대, 예시적인 타원형 실린더는 54 밀리미터의 장축 길이와 45.8 밀리미터의 단축 길이를 갖는다. 타원형 실린더의 경우, 경화축은 타원형 실린더에 의해 한정되는 두 개의 라인 초점 중 하나와 대응한다. 더욱이, 실린더의 타원 형상은 보호 튜브에 의해 유발될 수 있는 해로운 효과(예컨대, 굴절 및 반사)를 보상하도록 변경될 수 있다고 생각된다.

당업자라면 UVLED가 점 또는 라인을 향해서만 UV 복사선을 방출하지 않고, UV 복사선을 많은 방향으로 방출한다는 것을 알 것이다. 따라서, UVLED에 의해 방출된 UV 복사선의 대부분은 경화를 달성하도록 유리 섬유에 직접 충돌하지 않게 된다. 그러나, 광섬유 코팅을 경화할 때에는, 가능한 한 많은 UV 복사선이 광섬유(즉, 코팅된 유리 섬유)에 충돌하는 것이 요망된다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 경화는 UV 복사선이 유리 섬유 코팅에 있는 광 개시제에 의해 흡수될 때 발생한다.

따라서, 원통형 공동의 반사면은 달리 오지향된 UV 복사선을 경화를 위해 광섬유 상에 반사할 수 있어 낭비되는 에너지를 감소시킨다. 더욱이, 타원형 단면을 갖는 원통형 공동의 경우, (방향에 관계없이) 하나의 라인 초점으로부터 방출되는 임의의 전자기 복사선은 실린더의 내표면에서 반사된 후에 다른 라인 초점을 향해 지향된다. 이 원리는 제1 라인 초점(11)과 제2 라인 초점(12)을 갖는 반사 타원형 실린더(15)의 단면도를 도시하는 도 1에 예시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 라인 초점(11)으로부터 방출된 각 UV 선(13)은 제2 라인 초점(12)을 가로지른다.

따라서, 일 실시예에서, 각각의 UVLED 소스는 각각 경화축의 전반적인 방향으로 UV 복사선을 방출하도록 다른 라인 초점(즉, 경화축과 대응하지 않는 라인 초점)을 따라 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 2 및 도 3은 코팅된 유리 섬유(26)를 경화하기 위한 예시적인 장치(20)를 도시하고 있다. 장치(20)는 타원형 형상과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동(25)을 포함한다. 공동(25)은 제1 라인 초점(21)과 제2 라인 초점(22)을 한정한다. 하나 이상의 UVLED 소스(24)는 제1 라인 초점(21)을 따라 배치된다. 통상적으로, 각각의 UVLED 소스(24)는 단일의 발광 다이오드로 형성된다. 본 발명의 범위 내에서, 각각의 UVLED 소스(24)를 형성하도록 작은 발광 다이오드의 어레이를 채용할 수 있다.

일 실시예에서, 장치(20)는 제1 라인 초점(21)을 따라 서로 접촉하게 배치되는(즉, 직접 적층되는) 복수 개의 UVLED 소스(24)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 인접한 UVLED 소스들이 적어도 약 5 밀리미터(예컨대, 적어도 약 10 밀리미터)의 공간에 의해 수직방향으로 분리될 수 있다. 제2 라인 초점(22)은 또한 경화축을 형성하는데, 코팅된 유리 섬유(26)가 경화축을 따라 통과하여 경화될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, UVLED 소스(24)로부터 방출된 UV 선(23)은 공동(25)의 내표면에서 반사될 수 있어, 반사된 UV 선(23)은 코팅된 유리 섬유(26)에 입사된다.

코팅된 유리 섬유(26)의 균일한 경화를 촉진하기 위해 UVLED 소스(24)의 일부는 상이하게 배향될 수 있다. 장치는 통상적으로 특정한 수평면 내에 배치되는 단일의 UVLED를 포함한다. 변경예에서, 유리 섬유의 보다 균일한 경화를 촉진하기 위하여 다중 UVLED가 수평면 내에 (예컨대, 제1 초점 라인 이외의 지점에) 배치될 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 코팅된 유리 섬유를 경화하는 시스템은 복수 개의 상이하게 배향된 공동 세그먼트(예컨대, 코팅된 유리 섬유를 경화하는 장치들)를 포함할 수 있다. 각 공동은 공통의 경화축(예컨대, 제2 초점 라인)을 갖지만, 제1 라인 초점은 상이하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 유리 섬유를 경화하는 제2 장치(30)는 제1 장치(20)와 상이한 배향을 가질 수 있다[예컨대, 제2 장치(30)는 제1 라인 초점(21)과 상이한 라인 초점(31)을 따라 배치되는 UVLED 소스를 가질 수 있다]. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 장치(30)는 제1 장치(20)의 배향에 대해 180도 회전된다. 즉, 다양한 회전도가 인접한 공동 세그먼트들(즉, 인접한 장치들)을 분리할 수 있다. 비제한적인 예로서, 45도 회전, 90도 회전 또는 135도 회전이 공통의 경화축을 유지하면서 인접한 공동 세그먼트들을 분리시킬 수 있다.

이와 관련하여, 복수 개의 공동 세그먼트들을 3차원 구조로 위치 결정하는 것은 원통 좌표 시스템(즉, r, θ, z)에 의해 정의될 수 있다. 원통 좌표 시스템을 이용하면, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 경화축이 z축을 한정한다. 더욱이, 본 명세서에 설명되고 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 변수(r)는 z축까지 점의 수직 거리이다. 변수(θ)는 z축에 수직인 평면에서 각도를 나타낸다. 다시 말해, (x축, y축 및 z축을 한정하는) 직각 좌표 시스템을 참조하면, 변수(θ)는 기준축(예컨대 x축)과 x-y 평면에 대한 점의 직교 투영 사이의 각도를 나타낸다. 마지막으로, z 변수는 z축을 따른 기준점의 높이 또는 위치를 나타낸다.

따라서, 그 원통 좌표(r, θ, z)에 의해 점이 정의된다. 예시적인 구성에 채용된 공동 세그먼트들의 경우, 변수(r)는 일반적으로 상수이고 공동 세그먼트의 제1 라인 초점과 경화축 사이의 거리라고 말할 수 있다(예컨대, 각각의 공동 세그먼트들이 동일한 타원형 치수를 채용하는 경우). 따라서, 변수(r)가 주로 고정된다는 점에서, 공동 세그먼트들의 위치는 그 각각의 z 및 θ 좌표에 의해 나타낼 수 있다.

비제한적인 예로서, 동일한 타원형 치수를 갖는 복수 개의 공동 세그먼트들은 위치(1, 0, 0)에 제1 공동 세그먼트를 갖는 나선형 배열로 배치될 수 있고, 여기서, r은 일정한 거리에 고정된다(즉, 여기서 무차원 1로서 나타낸다). 추가의 공동 세그먼트들은 △z이 1인 매 90도(즉, π/2)에 배치될 수 있다(즉, 위치 단계 변화는 여기서 무차원 1로서 나타낸다). 따라서, 제2 공동 세그먼트는 좌표 (1, π/2, 1)을 갖고, 제3 공동 세그먼트는 좌표 (1, π, 2)를 가지며, 제4 공동 세그먼트는 좌표 (1, 3π/2, 3)을 가짐으로써, 나선형 형태를 형성한다. 바꿔 말해서, 각 공동 세그먼트들은 경화축 둘레에서 회전된다.

즉, 각각의 거리(r 및 z)는 동일할 필요가 없다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 구조에서 여러 개의 공동 세그먼트들은 90도(예컨대, π/2, π, 3π/2 등)로 오프셋될 필요가 없다. 예컨대, 각각의 공동 세그먼트들은 60도(예컨대, π/3, 2π/3, π 등) 또는 120도(예컨대, 2π/3, 4π/3, 2π 등)로 오프셋될 수 있다. 실제로, 본 명세서에 개시된 구조에서 공동 세그먼트들은 규정된 나선형 회전을 따를 필요가 없다.

출원인은 보호 튜브가 경화축을 향해 지향되는 UV 복사선을 방해한다는 것을 발견하였다.

예컨대, 출원인은 cos¹ ^.5(φ)의 방출 패턴을 갖는 0.1 밀리미터 폭 UVLED를 250 미크론의 직경(대표적인 광섬유의 근사 직경)을 갖는 타겟을 향해(0도의 방출각을 채용하여) 직접 지향시키도록 시뮬레이션했다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, UVLED의 크기는 그 실제 크기 또는 UVLED가 렌즈에 의해 다시 설계되면 그 유효 크기를 말한다. 시뮬레이션은 54 밀리미터의 장축 길이와 45.8 밀리미터의 단축 길이를 갖는 반사 타원형 실린더 내에서 반대 초점에 UVLED 소스와 타겟을 위치 결정시킨다. 보호 튜브의 부재시에, 거의 100 퍼센트의 UV 선이 타겟에 충돌한다.

그러나, 24 밀리미터의 직경과 1.5의 굴절률을 갖는 보호 튜브가 채용된 경우, UV 선들 중 약 75 퍼센트만이 250 미크론 타겟에 충돌한다. 이와 관련하여, 보호 튜브와 90도 이외의 입사각을 갖는 UV 선은 바람직하지 못하게 굴절 또는 반사될 수 있다.

출원인은 또한 UVLED를 0도가 아니라 90도의 방출각을 채용하면서 보호 튜브에 의해 둘러싸인 250 미크론 타겟을 향해 지향하도록 시뮬레이션했다. (아래의) 표 1은 다양한 폭들의 UVLED의 0도 및 90도의 각각의 방출각에서 UVLED 효율(즉, 250 미크론 타겟에 충돌하는 UV 복사선의 비율)을 나타낸다.

(UVLED 효율)

UVLED 폭(mm)	UVLED 효율(0°방출각)	UVLED 효율(90°방출각)
0.1	77	100
0.2	77	79
0.3	77	61
0.4	77	50
0.5	76	43
1	45	25
1.5	31	17
2	24	13
2.5	19	11

(아래의) 표 2는 0.1 mm의 폭(또는 유효 폭)을 갖는 UVLED의 UVLED 효율을 나타낸다.

(UVLED 효율)

타원형 실린더 장축 폭(mm)	타원형 실린더 단축 폭(mm)	보호 튜브 직경(mm)	방출 패턴	방출각(도)	UVLED 효율 (퍼센트)
54	45.8	-	cos²(φ)	0	100
54	45.8	24	cos²(φ)	0	75
54	45.8	24	cos¹ ^.5(φ)	0	77
54	45.8	24	cos¹ ^.5(φ)	90	100
60	51.8	24	cos¹ ^.5(φ)	0	78
60	51.8	24	cos¹ ^.5(φ)	90	100

출원인은 또한 다양한 UVLED를 이용하여 다양한 방출각에 대해 UVLED 효율을 시뮬레이션했는데, (i)반사 타원형 실린더는 54 밀리미터의 장축 길이와 45.8 밀리미터의 단축 길이를 갖고, (ii)보호 튜브는 24 밀리미터의 직경을 가지며, (iii)UVLED는 cos¹ ^.5(φ)의 방출 패턴을 갖는다. 이 장치 구성의 경우, 도 4는 다양한 폭의 UVLED에 대해 UVLED 방출각과 UVLED 효율 간의 관계를 그래프로 도시하고 있다. 요약하면, 도 4는 0.5 밀리미터 미만의 폭을 갖는 UVLED의 경우, 0도를 초과하는 방출각을 채용하면 UVLED 효율이 개선된다는 것을 보여주고 있다.

(앞선 장치 구성에서 배치된 바와 같이) 약 0.5 밀리미터 미만의 폭(또는 유효 폭)을 갖는 UVLED의 경우, 방출각(α)은 이하의 식에 따라 최적으로 계산될 수 있다:

α = 733.33x2 - 690x + 161.67

여기서, ×는 UVLED의 폭이고, ×＜0.5 밀리미터이며, UVLED는 cos¹ ^.5(φ)의 방출 패턴을 갖는다. 더욱이, 앞선 장치 구성의 경우, UVLED 효율은 이하의 식에 따라 최적으로 계산될 수 있다:

UVLED 효율 = 1001.3x3 + 1166.1x2 - 461.6x + 140.45

여기서, ×는 UVLED의 폭이고, ×＜0.5 밀리미터이며, UVLED는 cos¹ ^.5(φ)의 방출 패턴을 갖는다.

점 소스의 경우, 최적의 방출각(α)은 통상적으로 이하의 식에 따라 최소값(αmin)과 최대값(αmax)을 갖는다.

α_min = θ_source/2 + arctan(r_tube/(2f)),

여기서, r_tube는 보호 튜브의 반경이고, f는 타원형 실린더의 중앙축으로부터 라인 초점까지의 거리(즉, 2f는 라인 초점들 간의 거리)이며, θ_source는 점 소스로부터 방출된 전력의 95 퍼센트를 수용하는 점 소스의 방출 콘의 각도이다.

언급한 바와 같이, 점 소스의 방출 콘은 점 소스로부터 방출된 전력의 95 퍼센트를 수용한다. 따라서, 점 소스로부터 방출된 전력의 95 퍼센트는 등식

에 의해 한정되는 콘 내에 방출되는데, 여기서

이다.

당업자라면 UVLED 소스로부터 방출된 UV 복사선이 단일점으로부터 방출되지 않는다는 것을 알 것이다. 즉, 점 소스의 최적의 방출각을 계산하는 앞선 식은 작은 UVLED 소스, 예컨대 0.2 밀리미터 이하(예컨대, 0.1 밀리미터 이하)의 폭을 갖는 UVLED 소스의 최적의 방출각에 근사하는 유용한 툴이다.

보다 일반적으로 그리고 본 발명에 따르면, 최적의 방출각은 통상적으로 각각의 UVLED 소스와 타원형 실린더의 장축 사이에서, 적어도 약 30도, 예컨대 30도 내지 100도(예컨대, 약 0.3 밀리미터 이하의 폭을 갖는 UVLED의 경우에 약 90도), 보다 통상적으로는 약 30도 내지 60도(예컨대, 약 0.22 밀리미터의 폭을 갖는 UVLED의 경우에 약 45도)이다. 이와 관련하여, 훨씬 작은 UVLED는 180도에 근사하는 방출각을 효율적으로 채용할 수 있는 경화 장치의 배치를 용이하게 할 수 있다. 예컨대, 그러한 경화 장치는 약 100도보다 큰, 예컨대 약 120도 내지 150도(예컨대, 약 135도)의 방출각을 채용할 수 있다. 보호 튜브가 타원형 실린더 내에 존재하는(즉, 경화축을 둘러싸는) 경우, 이 방식으로 각진 UVLDE를 채용하면 경화 중에 UV 흡수율이 개선된다.

도 5는 본 발명에 따른 코팅된 유리 섬유(26)를 경화하기 위한 예시적인 장치(50)를 도시하고 있다. 구체적으로, 장치(50)는 타원형 형상과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동(25) 내에 배치되는 하나 이상의 각이 형성된 UVLED 소스(24)를 채용한다. 공동(25)은 제1 라인 초점(21)과 제2 라인 초점(22)을 한정한다. 제2 라인 초점(22)은 경화축을 한정한다. 코팅된 유리 섬유(26)는 경화 중에 경화축을 따라 통과한다. 마지막으로, 보호 튜브(35)는 경화축과 코팅된 유리 섬유(26)을 둘러싼다.

공동(25)은 또한 제1 라인 초점(21)과 제2 라인 초점(22)을 가로지르는 장축(34)을 한정한다. 하나 이상의 UVLED 소스(24)는 제1 라인 초점(21)을 따라 배치된다. 각각의 UVLED 소스(24)는 특유의 방출 패턴으로 UV 선(23)을 방출한다. 일반적으로, 방출 패턴은 평균 방출 라인(L_avg; 23a)[즉, UVLED 소스(24)에 의해 방출되는 모든 UV 선의 평균)을 갖는다.

예시적인 실시예에서, UVLED 소스(24)는 코팅된 유리 섬유(26)로부터 멀어지게 각도를 이룬다. 구체적으로, UVLED 소스(24)는 방출각(α)이 평균 방출 라인(L_avg; 23a)과 타원형 실린더의 장축(34) 사이에 형성되도록 배치된다. 방출각(α)은 통상적으로 약 30도 내지 100도(예컨대, 30도 내지 60도), 보다 통상적으로는 약 40도 내지 50도(예컨대, 45도)이다.

UVLED 소스(예컨대, 단일의 UVLED)의 경우 방출각(α)이 통상적으로 평균 방출 라인(L_avg)에 대해 계산되지만, 본 발명의 범위 내에서 방출각(α)을 UVLED 소스의 중선 또는 모드에 의해 한정되는 라인(즉, 최대 방출 라인 L_max)에 대해 설명할 수 있다.

통상적으로, 공동 내의 각각의 UVLED 소스는 동일한 방출각을 갖도록 배향된다. 즉, 본 발명의 범위 내에서 UVLED 소스가 상이한 방출각을 갖도록 공동 내에 UVLED를 배향시킬 수 있다.

당업자라면 UVLED로부터 방출된 UV 복사선이 단일점으로부터 방출되지 않는다는 것을 알 것이다. 따라서, 코팅된 유리 섬유의 작은 크기(예컨대, 250 미크론 직경) 때문에, 작은 UVLED 소스(예컨대, 3 밀리미터의 사각형 UVLED 또는 1 밀리미터의 사각형 UVLED)를 사용하는 것이 요망된다. 일반적으로, 보다 큰 UVLED를 이용하는 것에 비해 작은 UVLED를 이용하여 보다 큰 비율의 반사 UV 복사선이 코팅된 유리 섬유로 입사될 것이다.

더욱이, 각각의 UVLED 소스는 방출된 UV 복사선을 집속하는 렌즈(예컨대, 양면 볼록 또는 평볼록 렌즈 등의 볼록 렌즈)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 각각의 렌즈는 두 개의 라인 초점들 중 하나에 초점을 가질 수 있다(예컨대, 라인 초점은 경화축을 한정하지 않는다). 예컨대, 라인 초점에서 약 0.4 밀리미터 이하의 유효 폭을 갖도록 높은 수의 유효 구경을 갖는 원통형 렌즈를 사용하여 3 밀리미터의 사각형 UVLED를 다시 설계할 수 있다. 각 UVLED를 갖는 렌즈를 포함함으로써, 장치의 효율이 더 향상될 수 있다.

변경예에 있어서, 코팅된 유리 섬유를 경화하는 장치는 UV 복사선을 전달하도록 하나 이상의 광섬유(예컨대, 하나 이상의 멀티모드 광섬유)를 채용할 수 있다. 이와 관련하여, 이들 광섬유는 통상적으로 UVLED를 제1 라인 초점을 따라 위치 결정하는 것의 대안으로서 장치의 제1 라인 초점을 따라 배치된다. 통상적으로, 각각의 광섬유는 하나 이상의 UV 복사선 소스, 예컨대 UVLED에 연결된다. 예컨대, 복수 개의 작은 UVLED가 1대1 관계로 복수 개의 광섬유에 연결될 수 있다(예컨대, 20개의 UVLED와 20개의 광섬유). 그래서, 광섬유는 제1 라인 초점에서 또는 그 근처에서 다양한 어레이에 구성될 수 있다.

더욱이, 적어도 하나의(통상적으로는 각각의) 광섬유는 약 30도 내지 120도(예컨대, 45도 내지 90도)의 방출각을 제공하도록 제1 라인 초점에서 배향된다. 그러한 광섬유는 통상적으로 중앙 유리 섬유를 채용하지만, 이와 달리 중앙 플라스틱 섬유를 채용할 수 있다.

더욱이, UV 복사선을 공동 내로 전달하는 광섬유의 사용은 180도에 근사하는 방출각을 효율적으로 채용할 수 있는 경화 장치의 배치를 촉진할 수 있다. 예컨대, 그러한 경화 장치는 120도 내지 180도(예컨대, 약 150도)의 방출각을 채용할 수 있다.

UVLED 소스(들)와의 연결을 간소화하기 위해, 통상적으로 멀티모드 광섬유가 UV 복사선 전달을 위해 채용된다. 즉, 본 발명의 범위 내에서 단일 모드 광섬유(예컨대, 다공 유리 섬유)를 채용할 수 있다. 예시적인 단일 모드 광섬유는 0.1 밀리미터 이하의 직경을 갖는 가우시안 빔을 제공하는 큰 모드 영역 섬유(LMA)이다. 예시적인 다공 광섬유는 2010년 1월 22일자로 출원되었고 공동으로 양도되었으며 단일 모드 광섬유에 관한 미국 특허 출원 제12/692,161호(Richard 등)에 개시되어 있다.

UVLED는 종래의 UV 램프보다 훨씬 작은 범위 내의 파장을 방출할 수 있다. 이는 방출된 전자기 복사선 중 보다 많은 복사선을 경화를 위해 사용하게 한다. 즉, 본 명세서에 개시된 UVLED 장치(및 그 관련 시스템과 방법)는 복사선 소스(예컨대, UVLED만을 이용하여 불충분한 경화가 달성된다면 UV 복사선의 보충 소스)로서 수은 램프 및/또는 퓨전 램프를 채용하도록 변경될 수 있다.

이와 관련하여, 본 발명에 사용하기 위한 UVLED 소스는 약 200 나노미터 내지 600 나노미터의 파장을 갖는 전자기 복사선을 방출하는 임의의 적절한 UVLED일 수 있다. 예컨대, UVLED는 약 200 나노미터 내지 450 나노미터(예컨대, 약 250 나노미터 내지 400 나노미터)의 파장을 갖는 전자기 복사선을 방출할 수 있다. 특정한 예시적인 실시예에서, UVLED는 약 300 나노미터 내지 400 나노미터의 파장을 갖는 전자기 복사선을 방출할 수 있다. 다른 특정한 예시적인 실시예에서, UVLED는 약 350 나노미터 내지 425 나노미터의 파장을 갖는 전자기 복사선을 방출할 수 있다.

언급한 바와 같이, UVLED는 통상적으로 협대역 전자기 복사선을 방출한다. 예컨대, UVLED는 약 30 나노미터 이하, 통상적으로 약 20 나노미터 이하까지 변동하는 파장을 갖는 전자기 복사선을 실질적으로 방출할 수 있다(예컨대, UVLED는 주로 약 375 나노미터 내지 395 나노미터의 협대역 UV 복사선을 방출한다). 주로 약 395 나노미터 내지 415 나노미터의 협대역 UV 복사선을 방출하는 UVLED가 다른 협대역 UV 복사선보다 효율적이라는 것을 알았다.

더욱이, 몇몇의 경우에, 유리 섬유 코팅이 최대 흡수율(예컨대, 약 360 나노미터의 최대 흡수율)을 갖는 파장을 약간 초과하는 파장의 UV 복사선을 방출하는 UVLED는 유리 섬유 코팅이 최대 흡수율을 갖는 파장의 UV 복사선을 방출하는 UVLED보다 효율적인 중합화를 촉진시킨다는 것을 알았다. 따라서, UVLED 장치는 유리 섬유 코팅의 목표 최대 흡수율보다 적어도 약 10 나노미터 큰(예컨대, 목표 최대 흡수율보다 적어도 약 10 내지 15 나노미터 큰) 평균 출력 파장을 갖는 UVLED를 채용할 수 있다. 즉, 본 발명의 범위 내에서 목표 최대 흡수율의 약 10 나노미터 내(약 5 나노미터 내)의 평균 출력 파장을 갖는 UVLED를 채용할 수 있다.

이와 관련하여, 예시적인 UVLED 소스는 정해진 범위(예컨대, 350 나노미터 내지 450 나노미터, 예컨대 370 나노미터 내지 400 나노미터) 내에 실질적으로 모든 전자기 복사선을 방출할 수 있지만, UVLED 소스는 정해진 범위 밖에 소량의 전자기 복사선을 방출할 수 있다. 이와 관련하여, 예시적인 UVLED 소스의 출력(즉, 방출된 전자기 복사선)의 80 퍼센트 이상(예컨대, 적어도 약 90 퍼센트)가 통상적으로 정해진 범위(예컨대, 약 375 나노미터 내지 425 나노미터) 내에 있다.

언급한 바와 같이, UVLED는 다양한 방출 패턴(예컨대, 원거리장 패턴)을 가질 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따라 채용된 UVLED는 실질적으로 램버튼 방출 패턴을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, UVLED 소스(예컨대, UVLED)는 가우시안 또는 멀티모드 방출 패턴을 가질 수 있다. 다른 예시적인 UVLED는 cos^1.5(φ) 또는 cos²(φ)의 방출 패턴을 가질 수 있다. 도 6a는 cos¹ ^.5(φ)의 방출 패턴을 갖는 UVLED의 방출 패턴을 개략적으로 도시하고 있다. 도 6b는 cos²(φ)의 방출 패턴을 갖는 UVLED의 방출 패턴을 개략적으로 도시하고 있다.

UVLED는 통상적으로 종래의 UV 램프(예컨대, 수은 벌브)보다 훨씬 작다. 예컨대, UVLED는 0.25 인치 사각형 UVLED일 수 있다. UVLED는 플랫폼(예컨대, 1 인치 사각형 이상의 장착판)에 고정될 수 있다. 물론, 다른 UVLED 형상 및 크기가 본 발명의 범위 내에 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 장치에 3 밀리미터 사각형의 UVLED가 채용될 수 있다.

각각의 UVLED는 32 와트만큼의 전력 출력을 가질 수 있다(예컨대, UVLED는 약 160 와트의 전력 입력과 약 32 와트의 전력 출력을 갖는다). 즉, 32 와트보다 큰 출력(예컨대, 64 와트)을 갖는 UVLED는 그런 기술을 이용할 수 있을 때 채용될 수 있다. 보다 높은 전력 출력을 갖는 UVLED를 이용하면 광섬유 코팅이 경화 속도를 증가시키는 데, 이에 따라 생산 라인 속도를 증가시키는 데 유용할 수 있다.

각각의 UVLED 소스는 경화될 광섬유로부터 약 1 밀리미터 내지 100 밀리미터(예컨대, 통상적으로 약 5 밀리미터 내지 30 밀리미터)의 거리에 배치될 수 있다. 보다 통상적으로, 각각의 UVLED 소스는 경화될 광섬유로부터 약 25 밀리미터의 거리에 배치된다.

또한, 당업자라면 UVLED가 유리 섬유 코팅에 의한 흡수를 위해 이용할 수 있는 반사된 UV 복사선의 품질을 떨어뜨릴 수 있는 입사 전자기 복사선을 흡수할 수 있음을 알 것이다. 더욱이, 입사 UV 복사선은 UVLED를 손상시킬 수 있다. 따라서, 복수 개의 UVLED를 갖는 유리 섬유 코팅의 경화 장치에 있어서, UVLED를 UVLED에 입사하는 UV 복사선을 감소시키는 방식으로 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 적어도 약 10 밀리미터의 수직 공간이 인접한 UVLED들을 분리시킬 수 있다. 더욱이, UVLED는 입사 전자기 복사선의 반사를 촉진하지만 방출된 전자기 복사선의 투과를 허용하는 반사면(예컨대, 표면 코팅)을 채용할 수 있다.

광섬유가 장치를 통해 진행할 때 광섬유에 입사하는 UV 복사선의 전력이 변동하는 것이 바람직할 수 있다. UV 복사선의 전력을 변동시키면 유리 섬유 코팅의 경화가 향상될 수 있다. 특정한 코팅의 경화 특성에 따라, 광섬유를 초기에 고강도 UV 복사선에 노출시키는 것이 바람직할 수 있다. 이와 달리, 광섬유를 고강도 UV 복사선(광섬유가 노출되는 최대 강도)에 노출하기 전에 광섬유를 초기에 보다 낮은 강도의 UV 복사선(예컨대, 최대 노출 강도의 약 10 퍼센트 내지 50 퍼센트)에 노출시키는 것이 바람직할 수 있다. 이와 관련하여, 광섬유를 초기에 보다 낮은 강도의 UV 복사선에 노출시키는 것이 경화되지 않은 코팅에서 활성 산소의 발생을 제어하는 데 유용할 수 있다. 당업자라면 너무 많은 활성 산소가 존재하면 많은 활성 산소가 유리 섬유 코팅의 중합화를 촉진시키기 보다 재결합될 수 있다는 것을 알 것이다(바람직하지 못한 효과). 따라서, 복수 개의 UVLED 소스를 포함하는 장치에서, UVLED 소스로부터 출력되는 UV 복사선의 세기는 변동될 수 있다.

이와 관련하여, 본 명세서에 설명된 장치는 하나 이상의 UVLED 소스들 사이에 어두운 공간을 포함할 수 있다. 즉, 장치는 경화되는 광섬유에 대해 실질적으로 UV 복사선이 입사하지 않는 공간을 포함할 수 있다. 어두운 공간에 의해 제공되는 경화 공정의 일시 중지는 광섬유 코팅의 더욱 효율적인 경화를 보장하도록 도울 수 있다. 구체적으로, 어두운 공간은 유리 섬유 코팅이 경화되기 전에 유리 섬유 코팅에 너무 많은 활성 산소가 존재하는 것을 방지하는 데 유용할 수 있다(즉, 어두운 공간은 활성 산소 발생을 제어는 것을 돕는다).

예컨대, 광섬유를 초기에 낮은 전력의 UV 복사선에 노출시킨 다음에 광섬유를 어두운 공간을 통과시키는 것이 바람직할 수 있다. 광섬유가 어두운 공간을 통과한 후, 경화 공정을 완료하도록 보다 높은 전력의 UV 복사선에 노출된다. 어두운 공간을 채용하는 경화 장치는 공동으로 양도되고 적어도 두 개의 섬유 코팅 경화 단계를 갖는 섬유 경화 방법 및 장치에 관한 미국 특허 제7,322,122호에 개시되어 있다.

더욱이, 유리 섬유 코팅을 경화하는 장치는 UVLED 소스로부터 출력되는 UV 복사선을 제어하는 제어 회로를 포함할 수 있다. 제어 회로는 광섬유가 장치를 통해 진행할 때에 UV 복사선의 강도를 변동시키도록 사용될 수 있다. 이와 달리, 광섬유가 일관된 양의 자외선 복사선을 수신하는 것을 보장하기 위하여, UVLED의 UV 복사선 출력은 광섬유가 장치를 통과하는 속도에 의해 변동할 수 있다. 즉, 보다 높은 속도(즉, 광섬유가 장치를 통과하는 속도)에서, UVLED 소스의 출력 강도는 보다 낮은 속도에서 출력 강도보다 클 수 있다. UVLED 소스의 출력 강도는 UVLED로 유동하는 전류를 감소(또는 증가)시킴으로써 제어될 수 있다.

마지막으로, 유리 섬유는 원치않는 분산 효과를 감소시키도록 통상적으로 회전되거나 달리 섭동을 받는다. 이는 본 명세서에 개시된 바와 같이 경화 공정을 더 향상시킬 수 있다고 생각된다.

앞선 설명은 유리 섬유 상의 하나 이상의 코팅층의 경화에 관한 것이다. 개시된 장치, 시스템 및 방법은 광섬유 상에 버퍼층을 경화하거나 복수 개의 광섬유 둘레에 리본 매트릭스를 경화하는 데 유사하게 채용될 수 있다.

다른 UV 복사선 소스에 대하여, UVLED 장치는 통상적으로 보다 작은 양의 열에너지를 발생시킨다. 즉, UVLED에 의해 생성되는 열에너지를 방산하기 위해, UVLED 후방(예컨대, UV 복사선을 방출하는 UVLED 부분의 반대쪽)에 히트 싱크가 배치될 수 있다. 히트 싱크는 1 제곱 인치일 수 있지만, 다른 히트 싱크 형상 및 크기도 본 발명의 범위에 속한다.

히트 싱크는 열을 전도하는 적절한 재료(예컨대, 황동, 알루미늄 또는 구리)로 형성될 수 있다. 히트 싱크는 액체 냉각제(예컨대, 냉각수)를 채용하는 열교환기를 포함할 수 있는데, 액체 냉각제는 열교환기 내에서 순환하여 열을 UVLED로부터 취출한다.

UVLED에 의해 발생되는 열을 제거하는 것은 여러 이유로 중요하다. 먼저, 과도한 열은 광섬유 코팅이 경화하는 속도를 느리게 할 수 있다. 더욱이, 과도한 열은 UVLED의 온도를 상승시킬 수 있고, 이는 UV 복사선 출력을 감소시킬 수 있다. 실제로, 연속적인 고온 노출은 UVLED의 복사선 출력을 영구적으로 감소시킬 수 있다. 그러나, 적절한 열 제거의 경우, UVLED는 50,000 시간 이상의 유효 수명을 가질 수 있다.

전술에 따르면, 결과적인 광섬유는 하나 이상의 코팅층(예컨대, 1차 코팅 및 2차 코팅)을 포함한다. 코팅층들 중 적어도 하나(통상적으로, 2차 코팅)는 착색되고/되거나 다른 마킹을 갖고 있어 개별적인 섬유들의 식별에 일조할 수 있다. 이와 달리, 3차 잉크층은 1차 및 2차 코팅을 둘러쌀 수 있다.

예컨대, 결과적인 광섬유는 UV 경화성 우레탄 아크릴레이트 합성물을 포함하는 하나 이상의 코팅(예컨대, 1차 코팅)을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 1차 코팅은 폴리에테르-우레탄 아크릴레이트 올리고머의 약 40 내지 80 중량% 뿐만 아니라 BASF에서 시판하는 LUCERIN TPO 등의 광 개시제를 포함할 수 있다. 또한, 1차 코팅은 통상적으로 예컨대 점성을 감소시켜 처리를 촉진시키도록 포함될 수 있는 하나 이상의 올리고머 및 하나 이상의 모노머 희석제(예컨대, 이소보닐 아크릴레이트)를 포함한다. 1차 코팅을 위한 모범적인 합성물은 DeSolite® DP 1011, DeSolite® DP 1014, DeSolite® DP 1014XS, 및 DeSolite® DP 1016 등의 다양한 상표면으로 DSM Desotech사(일리노이주 엘진 소재)에 의해 제공되는 UV 경화성 우레탄 아크릴레이트 제품을 포함한다. 모범적인 코팅 시스템은 ColorLockXS의 상표명으로 Draka Comteq사에서 입수할 수 있다.

당업자라면 1차 코팅(및 광학적 2차 코팅 및/또는 잉크층)을 갖는 광섬유가 약 235 미크론 내지 약 265 미크론(㎛)의 외경을 갖는다는 것을 알 것이다. 성분인 유리 섬유 자체(즉, 유리 코어와 주위의 피복층)은 통상적으로 약 125 미크론의 직경을 갖고 있어, 총 경화 두께는 통상적으로 약 55 미크론 내지 70 미크론이 된다.

본 발명의 경화 방법에 따라 달성되는 모범적인 광섬유에 대해서, 성분인 유리 섬유는 약 125 미크론의 외경을 가질 수 있다. 광섬유의 주위 코팅층에 대해서, 1차 코팅은 약 175 미크론 내지 약 195 미크론의 외경(즉, 약 25 미크론 내지 35 미크론의 1차 코팅 두께)을 가질 수 있고 2차 코팅은 약 235 미크론 내지 약 265 미크론의 외경(즉, 약 20 미크론 내지 45 미크론의 2차 코팅 두께)을 가질 수 있다. 선택적으로, 광섬유는 통상적으로 2 내지 10 미크론 두께인 최외측 잉크층을 포함할 수 있다.

변경예에서, 최종 광섬유는 감소된 직경(예컨대, 약 150 미크론 내지 230 미크론의 최외측 직경)을 가질 수 있다. 이러한 대안적 광섬유 구성에서, 1차 코팅 및/또는 2차 코팅의 두께는 감소되지만, 성분인 유리 섬유의 직경은 약 125 미크론으로 유지된다. 예컨대, 그러한 실시예에 있어서, 1차 코팅층은 약 135 미크론 내지 약 175 미크론(예컨대, 약 160 미크론)의 외경을 가질 수 있고, 2차 코팅층은 약 150 미크론 내지 약 230 미크론(예컨대, 190 내지 210 미크론 등과 같이 약 165 미크론보다 큰)의 외경을 가질 수 있다. 바꿔 말해서, 광섬유의 총 직경은 약 230 미크론 미만(예컨대, 약 200 미크론)으로 감소된다.

본 명세서에 설명된 장치 및 방법에 사용하기 위한 모범적인 코팅 조제물질은 공동으로 양도된 이하의 출원들에 개시되어 있다: 2008년 11월 7일자로 출원된 마이크로밴드 내성 광섬유에 관한 미국 특허 출원 제61/112,595호(Overton); 마이크로밴드 내성 광섬유에 관한 국제 특허 출원 공개 제WO 2009/062131 A1호(Overton); 마이크로밴드 내성 광섬유에 관한 미국 특허 출원 공개 제US2009/0175583호(Overton); 및 감소된 직경의 광섬유에 관한 미국 특허 출원 공개 제US20100119202호(Overton).

명세서 및/또는 도면에 본 발명의 통상적인 실시예를 개시하였다. 본 발명은 그러한 모범적인 실시예로 제한되지 않는다. "및/또는"이라는 용어의 사용은 관련된 항목들의 하나 이상 중 어느 하나의 조합 또는 모든 조합을 포함한다. 도면은 개략도이므로 반드시 실척으로 묘사되어 있지 않다. 달리 언급하지 않는다면, 특정한 용어는 제한의 목적이 아니라 포괄적인 설명의 관점에서 사용된다.

Claims

실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동으로서, 상기 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 상기 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하고, 상기 제2 라인 초점은 경화축을 한정하는 것인 공동과,
UV 복사선에 대해 실질적으로 투과성이고 경화축을 둘러싸는 보호 튜브와,
상기 제1 라인 초점에서 상기 공동 내에 배치되는 UVLED 소스를 포함하며,
상기 UVLED 소스는, (i)평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 가지며, (ii)장축과 L_avg 사이에 약 30도 내지 100도의 방출각(α)을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 공동은 타원형 단면을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 보호 튜브는 석영 튜브인 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스는 단일의 UVLED인 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스는 복수 개의 UVLED를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제5항에 있어서, 상기 복수 개의 UVLED는 상이한 출력 강도로 전자기 복사선을 방출하는 적어도 두 개의 UVLED를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 공동 내에 배치되는 복수 개의 UVLED 소스를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제7항에 있어서, 상기 복수 개의 UVLED 소스는 상이한 출력 강도로 전자기 복사선을 방출하는 적어도 두 개의 UVLED 소스를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 90 퍼센트는 약 250 나노미터 내지 400 나노미터의 파장을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 80 퍼센트는 약 300 나노미터 내지 450 나노미터의 파장을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 80 퍼센트는 약 375 나노미터 내지 425 나노미터의 파장을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스는 주로 약 395 나노미터 내지 415 나노미터의 파장의 전자기 복사선을 방출하는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 UVLED 소스에 의해 방출되는 전자기 복사선의 적어도 80 퍼센트는 30 나노미터 범위 내의 파장을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 방출각(α)은 약 30도 내지 60도인 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 있어서, 상기 방출각(α)은 약 40도 내지 50도인 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
제1항에 각각 따른 제1 장치 및 제2 장치를 포함하고,
상기 제1 장치의 제1 라인 초점은 제2 장치의 제1 라인 초점과 별개이며,
상기 제1 장치의 제2 라인 초점은 제2 장치의 제2 라인 초점과 동일한 코팅된 유리 섬유의 경화 시스템.
실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동으로서, 상기 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 상기 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하고, 상기 제2 라인 초점은 경화축을 한정하는 것인 공동과,
UV 복사선에 대해 실질적으로 투과성이고 경화축을 둘러싸는 보호 튜브와,
상기 공동 내에 배치되는 UVLED 소스와,
상기 UVLED 소스로부터의 UV 복사선을 상기 제1 라인 초점을 향해 집속하는 렌즈를 포함하며,
상기 렌즈는 상기 공동 내에 배치되고,
상기 렌즈는, (i)평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 제공하고, (ii)장축과 L_avg 사이에 약 30도 내지 120도의 방출각(α)을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동으로서, 상기 공동은 제1 라인 초점, 제2 라인 초점 및 상기 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하고, 상기 제2 라인 초점은 경화축을 한정하는 것인 공동과,
UV 복사선에 대해 실질적으로 투과성이고 경화축을 둘러싸는 보호 튜브와,
UVLED 소스와,
제1 단부 및 제2 단부를 갖는 광섬유를 포함하며,
상기 광섬유의 제1 단부는 상기 UVLED 소스에 결합되고,
상기 광섬유의 제2 단부는 상기 제1 라인 초점에서 상기 공동 내에 배치되고, 상기 광섬유의 제2 단부는, (i)평균 방출 라인(L_avg)을 한정하는 방출 패턴을 제공하며, (ii)장축과 L_avg 사이에 약 30도 내지 150도의 방출각(α)을 갖는 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.
실질적으로 타원형 단면과 반사 내표면을 갖는 실질적으로 원통형 공동을 제공하는 단계로서, 상기 공동은 (i)제1 라인 초점, (ii)제2 라인 초점 및 (iii) 상기 제1 라인 초점과 제2 라인 초점을 가로지르는 장축을 한정하는 것인 단계와,
불완전하게 경화된 코팅을 갖는 유리 섬유를 상기 제2 라인 초점을 따라 상기 원통형 공동을 통과시키는 단계와,
UV 복사선을 상기 제1 라인 초점으로부터 약 30도 내지 100도의 방출각(α)으로 지향시키는 단계를 포함하며,
상기 방출각(α)은 UV 복사선 평균 방출 라인(L_avg)과 공동의 장축 사이의 각도에 의해 한정되는 코팅된 유리 섬유의 경화 방법.
제19항에 있어서, UV 복사선의 적어도 일부를 유리 섬유를 향해 상기 공동의 반사 내표면에서 반사시키는 단계를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 방법.
제20항에 있어서, 상기 반사 단계는 경화를 촉진시키도록 유리 섬유의 불완전하게 경화된 코팅에 의해 UV 복사선의 흡수를 실행하는 코팅된 유리 섬유의 경화 방법.
제19항에 있어서, 상기 UV 복사선을 지향시키는 단계는 UV 복사선을 UVLED 소스로부터 방출시키는 단계를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 방법.
제22항에 있어서, 상기 UV 복사선을 UVLED 소스로부터 방출시키는 단계는 상기 제1 라인 초점에 배치된 UVLED 소스로부터 UV 복사선을 방출시키는 단계를 포함하는 코팅된 유리 섬유의 경화 방법.
제1항에 있어서, 상기 방출각(α)은 이하의 식에 의해 정의되고,
α≥θ_source/2 + arctan(r_tube/(2f)),
여기서, r_tube는 보호 튜브의 반경이고, 2f는 제1 라인 초점과 제2 라인 초점 간의 거리이며, θ_source는 UVLED 소스로부터 방출된 전력의 95 퍼센트를 수용하는 UVLED 소스의 방출 콘의 각도인 코팅된 유리 섬유의 경화 장치.