초록 ▼

가. Multi-Core POF 모재의 제조방법의 개발
본 기술개발과제는 기존의 Multi-Core POF 생산 방식을 탈피하여
bundle 방식에 의한 멀티코어 POF 생산 방식을 개발하는 것을 목적으로 하
였다. 이는 결국 멀티코어 플라스틱광섬유 모재를 개발하는 것으로 귀결되는
바 동 모재 생산방식은 크게 지그내에 광섬유를 동심원 방향으로 삽입하는
방식과 권선에 의한 두 가지 방식을 시도하였다.
(1) 삽입 방식
광섬유내 다수의 코어가 중심을 향하여 혹은 중심에서 외곽을 향하여
동심원

가. Multi-Core POF 모재의 제조방법의 개발
본 기술개발과제는 기존의 Multi-Core POF 생산 방식을 탈피하여
bundle 방식에 의한 멀티코어 POF 생산 방식을 개발하는 것을 목적으로 하
였다. 이는 결국 멀티코어 플라스틱광섬유 모재를 개발하는 것으로 귀결되는
바 동 모재 생산방식은 크게 지그내에 광섬유를 동심원 방향으로 삽입하는
방식과 권선에 의한 두 가지 방식을 시도하였다.
(1) 삽입 방식
광섬유내 다수의 코어가 중심을 향하여 혹은 중심에서 외곽을 향하여
동심원 구조로 배열되는 형태를 이룬다. 이 때 동 구조를 이루기 위해 지그
를 이용하여 다수의 광섬유를 삽입하는 방식을 적용하였다. 기존의 bundle
방식과의 차이점은 기존 방식이 집속된 광섬유 bundle 내의 개별 광섬유 간
간격을 소위 sea 물질을 방사 충진하는 방식을 사용하였던 것과 달리 본 기
술개발과제에서는 각각의 광섬유가 열팽창하면서 인접 광섬유간의 간격을
줄이고 상호간 융착되도록 하는 것에서 큰 차이를 보인다 하겠다.
(2) 권선 방식
지그내 광섬유의 직접 삽입 방식은 개별 광섬유간의 간격이 일정하지
않을 수 있어 향후 융착 및 연신과정에서 배열이 깨어지는 경우가 많이 발
견되었다. 따라서 배열의 정밀도를 제고함으로써 각 광섬유간의 간격을 일정
하게 함으로써 광섬유의 열팽창시 힘의 균형을 이룰 수 있도록 함으로써 모
재의 정밀도를 향상시킬 수 있는 방법으로서 고안되었다. 결론적으로 본 기
개발과제에서는 권선에 의한 집속 방식을 최종적으로 채택하였다.
나. Multi-Core POF 모재의 연신방법 개발
(1) 가열방법의 선택
앞서 살펴 본 바와 같이 모재의 가열 방법으로는 전도에 의한 직접가열방
식, 적외선히터를 이용한 복사열 방식 그리고 Heating Chamber를 이용한 대류열
방식 등이 있다. 본 기술개발과정에서는 상기 세 가지 방식을 모두 적용하여 각각
의 방법에 대한 장 단점을 후술하는 바와 같이 도출하였다. 결론적으로
Multi-Core POF를 Bundle 방식으로 생산하는 과정에서 최적의 방법으로 본 연구
개발에서는 Heating Chamber를 이용한 대류열 방식을 채택하였다.
(2) 연신구간
연신구간은 모재를 가열하여 열 균형이 이루어진 상태에서 일정 온도(융
점)이상이 되었을 때 모재 자체의 병목구간(Necking)이 형성되며 자중 또는 장력
에 의한 인장력에 의해 모재의 직경 대비 50~2500 분의 일의 직경을 가지는 광섬
유로 연신되는 구간을 일컫는다. 동 연신구간을 결정하는 요인으로는 가열된 모
재 내의 열균형 상태, 일정온도에 오르는데 소요되는 시간, 인장력, 모재의 공급속
도 그리고 목표로 하는 광섬유의 최종 직경 등을 들 수 있다.
가장 이상적으로는 동 연신구간은 짧게 가져갈 수록 생산성이나 광섬유의
물성 향상에 우수한 것으로 분석되고 있다. 그러나 이 또한 모재의 직경이나 목표
광섬유의 직경 비율 등을 함께 고려하여야 하는 것으로 본 기술개발 과정에서의
최적 해의 도출 또한 후술하는 연구개발의 결과에서 자세히 설명하도록 한다.
(3) 연신의 속도
연신의 속도는 광섬유의 생산에 있어서 경제적 또는 효율성 면에서 광섬
유 모재의 직경과 함께 가장 중요한 factor이다. 고 품질의 광섬유를 생산할 수 있
는 저변 환경이 구축된다 하더라도 연신의 저속도로 인한 생산성이 희생당할 경
우 광섬유생산의 주체가 되는 기업의 생산의미는 반감될 수 있기 때문이다. 더욱
이 광섬유를 생산하는 여러 가지 방식 중에서 압출 방식은 동 생산성 면에서 매우
효율적인 반면 상대적으로 모재 연신방법은 모재크기의 제한 요소로 인하여 대단
히 비 경제적이라는 평가가 있다. 그러나 광섬유의 종류에 따라서는 동 모재연신
의 방식이 불가피한 경우도 있어 연신의 속도는 모재의 직경 및 연신구간의 단축
등과 함께 생산성 및 경제성 확보를 위해 가장 중요한 요인이라 할 수 있다.
(4) 직경조절 및 냉각
연신된 광섬유의 직경을 정밀하게 조절하는 것과 냉각공정은 별개의
공정이 아니다. 실제로 본 연구개발 과제 진행 중 연신된 광섬유가 충분히
냉각되지 않은 상태에서 take-up 하는 과정에서 원형의 광섬유 외형이 크게
손상되는 경험을 하게 되었으며, 또한 본 기술개발과정에서의 냉각 방법으로
Fan에 의한 공랭식을 사용하였는 바 연신된 광섬유가 바람에 날리며 흔들리
는 과정에서 정확한 직경 측정이 희생당하는 사례도 산견되었다.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...3
• 요약문 ...4
• 목차 ...11
• 제1장 서 론 ...17
• 제1절 광섬유 개요 ...17
• 1. 플라스틱광섬유의 종류 및 특징 ...19
• 가. 계단형 굴절률 분포를 가지는 플라스틱광섬유 ...21
• 1) SI-POF의 용도 ...22
• 2) SI-POF의 최근 기술 동향 ...23
• 가) POF의 저가격화 ...23
• 나) 내열성 개발 ...24
• 다) 전송 손실률 최소화 ...24
• 나. 언덕형 굴절률 분포를 가지는 플라스틱광섬유 ...24
• 1) GI POF의 전송손실 ...25
• 2) GI POF의 접속특성 ...27
• 3) GI POF의 대역특성 ...28
• 4) GI POF의 신뢰성 ...30
• 다. 이미지파이버(Plastic Image Fiber) ...31
• 1) 이미지파이버의 구조 ...34
• 2) PIF의 특성 및 조건 ...35
• 가) 해상도 (Resolution) ...35
• 나) 휘도 (Brightness) ...37
• 다) 화소결함 ...39
• 3) Muti-Core POF의 응용 ...40
• 가) 내시경 ...40
• 나) Image Sensor ...42
• 다) 통신용 Multi 코어 ...43
• 라). 기타 ...44
• 제2절 기술개발의 개요 ...45
• 1. 기술개발의 목적 ...45
• 2. 산업적 측면에서의 기술개발의 의의 ...47
• 가. 이미지가이드용 POF 수요에의 대응 ...47
• 나. 시장규모 ...48
• 다. 가격경쟁력 ...49
• 라. 수출 및 수입대체 효과 ...50
• 마. 광 산업 활성화 ...51
• 3. 기술적 측면에서의 기술개발의 의의 ...51
• 가. Multi-Core POF 제조 방법의 새로운 패러다임 구축 ...51
• 나. 국외 기술과의 차별적 경쟁 ...52
• 다. 국내 광섬유 생산기술의 선진화 도모 ...53
• 라. Multi-Core POF의 화소수 증대 용이성 ...54
• 제3절 기술개발의 범위 ...55
• 1. Multi-Core POF 제조 방법 Road Map 기획 ...55
• 가 개발의 최종 목표 ...56
• 나. 기술개발의 목표 수준 ...56
• 다. 기능 및 성능 ...57
• 라. 시제품의 형태 ...57
• 마. 개발기술의 국내외 수준 ...57
• 바. 개발추진체계 ...57
• 2. Multi-Core POF 모재 생산 방법 ...58
• 가. 모재 생산 방법 기획 ...58
• 1) 기획 및 설계 ...59
• 2) 지그 제작 ...59
• 나. 광섬유 집속, 적층 ...59
• 다. 광섬유 모재 융착 ...60
• 3) 모재 연신 방법 ...61
• 가) 가열방법의 선택 ...62
• 나) 연신구간의 설정 ...62
• 다) 연신의 속도 ...63
• 라) 연신된 광섬유의 직경 조절 ...64
• 마) 연신된 광섬유의 냉각 ...64
• 제4절 기술개발의 예상 파급효과 ...65
• 1. 기술개발의 파급효과 ...65
• 2. 개발 기술의 활용 방안 ...68
• 가. Multi-Core GI POF의 생산 관련 ...68
• 나. 의료용 일회용내시경 산업 ...69
• 다. 고휘도의 장점을 살린 투사용 스크린 시장 ...70
• 라. FTTH 본격화에 따른 통신시장의 선점 ...71
• 제2장. 광섬유 제조 이론 ...73
• 제1절 플라스틱광섬유의 제조 방법 ...73
• 1. 일반적인 POF 제조법 ...74
• 2. 광섬유의 종류별 제조 방법 ...76
• 가. GI-POF (Graded Index Plastic Optical Fiber) ...78
• 1) GI-POF 제조 방법 개관 ...78
• 2) GI-POF 모재의 제조방법 ...83
• 3) GI-POF 제조방법 2 - POF 연신을 위한 적외선로(IR furnace) ...85
• 가) 방법의 개요 ...85
• 나) POF의 고속도 연신 ...86
• 다) 적외선로(Infrared Furnace) ...89
• 라) 결론 ...91
• 4) GI-POF 제조방법2 - 대량생산을 위한 방법 ...91
• 가) 모재 방법(모재 method) ...92
• 나) 압출방법 ...95
• 다) 결론 ...95
• 나. SI-POF (Step Index Plastic Optical Fiber) ...97
• 가) Multi-Orifice die를 이용한 동시압출법 ...97
• 나) Co-extrusion die ...99
• 다) Stretching & winding devices ...100
• 라) 공정 변수 ...101
• 마) 결론 ...102
• 다. Multi-Core Plastic Optical Fiber ...103
• 1) 제조방법 1 - 광신호 전달용 MC-POF ...103
• 2) 제조방법 2 - PIF(Plastic Image Fiber)의 제조 방법 ...110
• 제2절. 플라스틱광섬유의 제조 방식별 특징 ...111
• 가. 모재연신 방식 ...112
• 1) 모재 공정(모재 Manufacturing) ...112
• 2) 섬유 연신 ...114
• 2. 압출방식 ...114
• 1) POF의 압출방식 개요 ...114
• 2) 초기 원료의 정화 ...116
• 3) 열중합 ...116
• 4) 광중합(Photopolymerisation) ...118
• 5) MSI 모재 형성 ...121
• 6) Optical polymer의 압출 ...122
• 가) Single-screw 압출 ...122
• 나) Conical 압출 ...123
• 다) Two-layer 압출 ...124
• 라) 적외선(Inrared) 방사의 섬유 연신 ...125
• 제3장. Multi-Core POF 제조 방법 Road Map ...128
• 제1절. 방법의 정립 ...130
• 1. 개발 진행 일정표 ...130
• 2. Multi-Core POF 모재의 제조 ...130
• 가. 개발기획 ...131
• 나. 광섬유 집속 지그 제작 ...131
• 다. 광섬유 권선, 적층 ...131
• 라. 광섬유 융착 ...131
• 3. 모재 연신, 광섬유 인출 ...132
• 가. 2차 기획 및 설계 ...132
• 나. 모재 연신 설비 최적화 ...132
• 다. 모재 연신 및 광섬유 인출 ...133
• 제2절. Multi-Core POF 생산에 관한 기존 기술의 조사 연구 ...133
• 1. 개발기술의 방향 설정 ...133
• 2. 기존 Multi-Core POF 기술 동향(특허검색) ...134
• 가. 선행기술 1 ...134
• 나. 선행기술 2 ...135
• 다. 선행기술 3 ...136
• 라. 선행기술 4 ...137
• 마. 선행기술 5 ...138
• 바. 선행기술 6 ...139
• 사. 선행기술 7 ...140
• 3. 기존방법과의 비교 ...141
• 제4장. Multi-Core POF 모재(Preform)의 제조 ...143
• 제1절. 광섬유 집속 ...144
• 1. 광섬유 삽입 방식 ...144
• 가. 삽입공정의 개요 ...145
• 1) 개별 플라스틱광섬유의 직선화 ...145
• 가) 자중에 의한 직선화 ...146
• 나) 중량 추에 의한 직선화 ...147
• 다) 지그를 사용한 직선화 ...147
• 2) 원형 파이프내 집속 ...148
• 3) 광섬유 삽입 방식의 평가 ...151
• 2. 광섬유 권선 방식 ...152
• 가. 권선방식의 개요 ...152
• 1) 착안점 ...153
• 2) 광섬유 모재의 단면구조 ...155
• 나. 광섬유 리본의 제조 및 직선화 과정 ...156
• 1) 층별 권선수 결정 ...156
• 2) 융착 ...157
• 3) Shaping ...157
• 다. 모재 지그에의 삽입 ...158
• 라. 권선방식의 평가 및 전체 공정 요약 ...159
• 제2절. 광섬유 융착 ...161
• 1. 온도 Test ...162
• 2. 진공도 ...163
• 제5장. Multi-Core POF 모재 연신(Drawing) ...164
• 제1절. 가열 방식 설정 ...165
• 1. 전도 방식 ...165
• 2. 복사열 방식 ...168
• 가. 방식 도입의 배경 ...168
• 나. 열원의 선택 ...168
• 다. 열 평형도 실험 ...169
• 라. 결론 ...170
• 3. 열 대류(Natural Convection Furnace) 방식 ...171
• 가. 자연대류 연신 방식의 개요 ...171
• 나. 온도테스트 ...172
• 다. Multi-Core POF의 연신 ...175
• 1) 연신속도와 모재 Feeding 속도와의 관계 ...177
• 2) 연신장력과 온도와의 상관관계 분석 ...179
• 3) 연신비율과 병목구간비율과의 관계 ...181
• 제2절. 직경 측정 및 균일화 ...181
• 1. 측정의 기본 전제 ...182
• 가. 허용오차 범위 설정 ...182
• 나. 측정 주기 ...183
• 2. 측정시 주의점 ...184
• 3. Data Auto Feed Back을 통한 품질 콘트롤 ...185
• 제6장. 결론 ...186
• 제1절. Multi-Core POF 제조 결과물 ...187
• 1. 동심원구조 삽입방식 ...187
• 가. 모재의 제조 ...187
• 나. 연신 ...188
• 다. 광섬유 ...188
• - 연신된 광섬유 ...188
• - 피복(Jacketing)후 광섬유 ...189
• - 광섬유 단면사진 ...189
• 2. 권선방식 ...190
• 가. 모재의 제조 ...190
• 나. 연신 ...191
• 다. 광섬유 ...191
• - 연신된 광섬유 ...191
• - 광섬유 단면 ...192
• 제2절. 목표대비 달성도 ...192
• 제3절. 문제점 ...193
• 1. 코어 배열구조 손상 ...193
• 2. 연신된 광섬유의 물성(굴곡반경) ...193
• 3. 코어수 확장시 모재의 굵기 한계 ...194
• 제4절. 향후 과제 ...195
• 1. 물성의 개선 ...195
• 2. 코어수 증대 ...196
• 3. 세계 최초의 GI Multi-Core POF 개발 ...197
• [부록] ...199
• 1. 개발기간 중 구입한 기자재 사진(5) ...199
• 2. 각종 Data Sheet(10) ...206