Sunday, March 28, 2010

Integration of POF into Textile Structures

5. POF와 섬유의 통합
5.1소개
전기나 광학 시그널을 보낼 수 있는 전자 와어어나 Optical Fiber와 섬유의 통합은 섬유 산업에서의 중요한 트렌드이다. 이런 섬유들은 전기, 광학 디바이스가 합쳐지면 입을수 있는 전기제품이나 광학 서킷등으로 활용될 수 있다. 이런 테크놀러지는 전자장치들의 사이즈를 작게하고 옷에 이런 디바이스들을 다 장착시키는 것을 가능케 한다.

입을 수 있는 인터액티브 직물들과 연결된 핸드폰 디바이스들은 전자기기로 되어있다. 전기 와이어로 짜진 섬유는 섬유 제작 프로세스가 상당히 힘들기 때문에 아주 기초단계부터 시작되었다. 전기 와이어는 전기 기기의 오작동을 초래할 수 있는 전자기의 장애에 의한 문제들이 있다. 예) vital signals를 모니터하는 사람들에게는 전자기장이 매우 위험할 수 있다. 게다가 많은 사람들이 와이어를 몸에 감는 일을 싫어한다.

광섬유는 빛을 전송하고, 전자기장에 영향을 받지 않는다. 특히 플라스틱이나 폴리머로 된 섬유(POF)는 GOF에 비해 더 강하고, 보통의 제직 기계로 짤 수 있다.
Dr. S. Jayaraman – ”wearable motherboard”/ smart shirt
이 기술 혁신은 차후 flexible, 입을 수 있고, 여러가지 몸의 sign들을 모니터 할 수 있는 센서들이 부착된 편한 옷의 개발 가능성을 열어주었다. Jarayaman의 발명은 세계적으로 POF와 통합된 직물 리서치에 불을 지폈다. OF는 또한 light source, 연결선, 빛 탐지창치들과 쉽고 비싸지 않게 연결될 수 있다는 장점이 있다. POF는 전도성있는 금속보다 부드럽기 때문에 전기 와이어에 비해 사람들에게 훨씬 친근할 수 있다.

POF와 직물의 통합은 매우 참신한 접근 이지만, 상용화에는 아직 많은 문제점들이 있다.
Graham-Rowe(2006)이 지적한바에 따르면, 제일 큰 챌런지는 실질적 weaving, stitching, knitting이다. POF가 잘 부러지기 때문에 내구력에 문제가 있다. 아직 적용되는 연결 광학 디바이스가 적다.
POF의 기본 자질, 옆으로 빛을 내뿜는 POF, 직물과 POF의 통합, 그리고 POF와 통합된 직물의 적용 등을 살펴볼 것이다. POF와 통합된 직물의 전문용어는 아직 정의된 것이 없다. 여기에선 POF가 섬유에 같이 짜여져 있으며 빛을 내는 medium으로이 역할을 하는 것을“Photonic Textile” 이라 한다.

5.2 POF의 기본
5.2.1 Signal Transmitting Medium으로의 POF
5.2.1.1 구성과 소재
핵/피복 으로 구성
Figure 5.1 – 빛은 피복을 뚫지 못하지만, 핵의 표면에서의 조금의 손실을 막아준다. 표면의 오염을 막아주고, 기계적인 힘을 더한다. 빛을 핵 안에 유지시키기 위하여, 전체 내부 반사의 조건은 다음과 같다. ncore > ncladding
ncore 과 ncladding 이 각각의 핵과 피복의 굴절 지표 일 때

임계각 – 굴절률이 큰 물질에서 작은 물질로 빛이 입사할 때, 전반사가 일어나기 시작하는 OF의입사각. c=는 입사각θ과 내부 광선이 핵이나 피복으로의 핵의 굴절로 반사될지를 결정한다. >c 빛의 완전반사될 때이다. 임계각은 핵과 피복 재질간의 굴절 지표에서의 차이에 의해 결정된다.

=arcsin

임계각은 섬유의 수광각(광섬유에서 빛이 코어 내를 전송하기 위한 최대 수용 각도. 최대 입사각의 2배에 해당하는 것으로, 빛이 광섬유 코어 내에 전송되기 위해서는 최대 입사각 내에서 입사되어야 하며, 이 각도보다 큰 경우 코어와 클래딩의 경계면에서 전반사하지 않고 클래딩으로 굴절하여 누설되므로 멀리까지 도달할 수 없다.) 을 결정하는 수치. Numerical Aperture(NA)

Numerical aperture
광섬유 내의 빛의 전파(傳播)를 좌우하는 입사각을 결정하는 수치. 코어의 굴절률 n₁과 클래딩의 굴절률 n₂와의 비굴절률 차 에 의해 결정되며, 광섬유의 유형과 구조에 따라 다르다. 광섬유의 끝에서 빛을 입사하는 경우 중심축에서 어떤 각도 이하의 위치를 취하지 않으면 빛은 핵에서 밖으로 굴절하고 만다. 빛이 밖으로 굴절하지 않고 광섬유 내에서 전반사(全反射)하여 전파하는 최대 각도의 정현을 개구수(NA)라고 한다. 그림에서 각도 로 입사한 빛이 핵 내를 전반사하여 전파하는 조건을 구하면 sin<sinmax=n1 가 되는데, n1 가 NA이다. 비굴절률 차 가 클수록 NA가 커지고 max도 크게 된다. 즉 광섬유의 집광(集光) 능력이 커지고 광원과의 결합도 우수하다. 그러나 광섬유에서는 가 클수록(NA가 클수록) 빛의 손실이 커지고 분산도 커져서 결과적으로 전송할 수 있는 신호 대역이 좁아지기 때문에, 용도에 따라서 최적의 를 결정해 놓았다. 그림은 계단형 광섬유의 경우이고, 코어의 중심부에서 가장 크고 클래딩부에 접근할수록 적어지는 집속형 광섬유의 경우에는 굴절률 분포의 최댓값을 가지고 나 NA를 정의해 놓고 있다. 이와 같이 NA 값은 광섬유의 유형과 구조에 따라 다른데 코어 지름 50m의 다중 모드 광섬유의 NA 값은 0.200, 코어 지름 8.4m의 단일 모드 광섬유의 NA 값은 0.12 정도이다.
POF는 폴리머로 만들어진다. 핵으로 사용되는 재질은 거의 폴리이다. Fluoropolymer(불소중합체)는 PMMA core에서 피복 재질로 사용된다. 피복 재질의 화학적 구조의 디테일은 아직 잘 알려지지 않았지만, 불소함유가 증가되면 굴절률이 감소된다.(Lekishvili 2002) 불소중합체의 굴절률은 불소원자함유에 달려있다. Polystyrene폴리스타이린(PS, n=1.59)는 PMMA나 styrene-methyl methacrylate메타크리레이트 copolymers (공중합체. 이제까지 합성수지나 섬유는 같은 종류의 단량체를 대량으로 섞어서 고분자로 중합시키는 것이 중심이 되었지만 최근에는 각기 다른 종류의 단량체들을 여러가지 형태로 결합시키는 공중합체 수지가 주목을 받고 있다. 공중합체의 개발로 품질•강도•외관 등의 다양성도 갖출 수 있게 되었다. 아크릴로 니트릴, 부타디엔, 스티렌 등 3계통의 공중합수지로 철보다도 단단한 ABS 수지가 그 예이다.) 의 피복과 함께 핵으로 사용될 수 있다.
폴리스타이린-핵 POF는 PMMA에 비해 가늘게하기 힘들지만, 약하고 장식요소로만 쓰인다.
노출된POF는 환경적인 damage에 민감하기 때문에, polyethylene, poly(vinyl chloride) polyamiderkx은 jacketing 재질로 쌓여진다. 보통 2.2mm거나 더 크다.
5.2.1.2 빛의손실과 대역폭
Attenuation은 섬유를 통과하는 빛의 강도안의 조금씩의 손실이다. 그래서 광학시그널이 이동할 수 있는 거리를 컨트롤한다. Attenuation은 데시벨(dB)로 재어진다. POF의 attenuation은 재질자체 성질에 의한 손실과 제작과정에서의 손실로 나뉘어진다. POF는 섬유의 길이가 몇십미터식 길 필요가 없는 입을 수 있는photonic textile에서 충분이 사용될 수 있다.
OF의 Bandwidth는 인포메이션 운반 수용력이다. 광학분산과도 밀접한 관계가 있다.빠른 스피드의 시그날을 전송할 수 있는 섬유의 역량을 재는데는 대역폭 x 길이 가 사용된다.
두꺼운 POF의 경우 대역폭의 한계는 분산을 최대한 막는것이다. 지금까지는 step-index POF와 650nm의 LED의 조합이 낮은 대역폭이지만 가장 경제적이다. 높은 광역폭의 섬유는 Gigabit ethernet과 digital video interface 등의 application에만 적합하기 때문에 photonic textile application에는 맞지 않을것이다.
5.2.1.3 기계적/물리적 속성
POF는 직물 제작 프로세스중에 끊어지면 안된다. 직물 조직으로 통합되어도 광학속성은 그대로 유지되어야한다. 직물 조직으로 제작되어 지고 나면, DATA COMMUNICATION을위한 코드나 케이블때와는 아주 다른 환경이 된다. 섬유에 의한 손상은 광학 손실이 생기게하고, POF를 약하게 하여, 결국 끊어지게 될수도 있다. POF를 직물에 성공적으로 통합하기위해서는 장력 강도, 마찰에 의한 상처, 구부림, 약화 등이 고려되어 져야 한다.
Figure 5.2은 포토닉 직물에 쓰이는 0.3mm 피복없는 POF를 위한 폴리에스테르 실의 장력이다. POF의 두께는 폴리에스테르 실보다 거의 2배이다. 비교분석을 위하여 기계적인 흠집을 낸 POF의 그래프도 있다. 이 그래프에서 피복없는 POF는 보통 기계로 짜거나 뜨는데 무리가 없음을 보여준다. 피복벗긴 POF에 비해 긁은 POF는 약간 약함을 보인다. 아무래도 기계로 긁은 POF는 크랙이 더 빨리 많이 생길 수 있기 때문에 약한 구조임이 보인다.
피복 레이어는 매우 얇기 때문에 이런 상처들과 다른 요소들을 피해갈 수 없다. 이런 상처들은 대량생산을 할 수 없게 막는 요인이다.
Figure 5.3은 1mm PMMA 섬유의 열에의한 수축도이다. 섭씨 90도시, 유리전이온도 바로 전, 폴리머 채인의 완화로, 빠른 수축 작용을 한다. 이 분석에서 여유분을 생각한다면, 섭씨 70도시 정도가 최고이다. 이밖에도 POF의 여러가지 기계적 성질은 Asahi-Kasei2009; Mitsubishi Rayon 2003; Toray 2008의 웹사이트등에서 찾아볼 수 있다.
5.1의 도표는 제조사에 따른 POF의 기본 성질이다.

5.2.2 빛을내는 기법으로서의 POF
POF는 90% 이상이 핵이기 때문에, GOF에 비해 더 많은 빛을 운반할 수 있다. 이런 장점 때문에, image guide나 바깥 lighting에 잘 쓰인다. 유연성과 빛 source로의 쉬운 연결도 또다른 장점이다. 빛을 끝에만 전달하는 end-lighting POF와는 달리, side-illuminating POF는 neon lighting처럼 섬유 전체에 빛을 발할 수 있게 한다. Fabric display, 2d lighting, health monitoring sensors등에 활용된다.
옆으로 빛을 발산하는 POF는 옆에 특정한 상처를 더하거나 POF에 형광물질을 입혀 만드는 여러가지 방법이 있다.

5.2.2.1 핵과 피복 경계면의 기계적 손상
구조상의 불규칙, 핵과 피복 경계면이나 핵안의 결함등은 빛의 전파를 방해하고, 빛을 새게한다. 기계로 긁을 때, 상처나 샌드블라스팅 에의해 생길 수 있다. 직물을 짜는동안 갑작스럽게 상처가 생길 수도 있다. 샌드블라스팅빼고는 고르지않은 빛의 방출이 생긴다. Figure 5.2에서와 같이 물리적 손상은 POF를 약하게 하고, 직물로 짜기 힘들게한다.이 문제에 대한 한가지 해결책은 직물로 만든 후에 기계적 상처를 주는것이다. 빛의 효율을 극대화하기 위하여, 이런경우엔 POF가 직물 표면에 노출되는 구조의 직물 디자인이 중요하다.

5.2.2.2 Fiber axis의 구부림
OF들은 구부림에 민감하다. 그 민감도는 섬유의 두께와 NA에따라 다르다.
(Numerical Aperture)현미경의 해상력을 결정하는 수이다. 대물렌즈를 통과한 빛과 광축이 이루는 최대각과 대물렌즈와 시료 사이의 매질의 굴절률을 이용하여 정의된다. 이 값이 클수록 현미경으로 분별가능한 최소의 길이는 작아진다.
Bending radii가 줄면 빛의 손실이 늘고, 큰NA는 같은 bending radii에서 더 손실이 많다. POF의 두께, 밀도와 짜는 패턴에따라 여러가지 구부림이 소개된다.
5.2.3 POF 광링크의 중요한 요소들
Laser Diodes나 LEDs와 달리 POF는 자체발광하지 않는다. 그렇게 때문에 형광 OFs 빼고는 광학 요소와 함께 사용되어야 한다. 5.4는 기본 광링크의 도식 다이어그램이다. TRANSMITTER는 LED, LD나 VCSEL-electrical current를 광학시그널로 바꾸는 빛의 source를 포함한다. POF를 위해 특별히 디자인된 빛의 source가 발전되어왔다. LD로 된 높은 빛 source는 사람의 눈이나 피부를 손상시킬 수 있기에 주위해야한다. 포토닉 텍스타일이 의학용도로 쓰일 때 laser의 등급과 파장, 빛 source의 종류 등이 고려되어야한다.
Receiver는 감광성의 반도체 다이오드나 PIN photodiode-빛을 전기 시그널로 바꾸는- 를 포함한다. Fiber-optic cable은 그 사이에서 광학 시그널을 운반한다. POF가 빛을 발하는 요소로 쓰일때는 리시버가 필요없다. Optical transmission channel에 연결선이나 splitter가 포함되어질 수 있다.
여러가지 연결 시스템이 발전되어왔고, 기계적 안정성에따라 가능하다. 그것의 목적성에 맞게 디자인되고 제작되어야 할 것이다. 장력이나 진동을 이용한 옷은 디자인이 고려되어야한다. GOF와는 달리, POF 연결은 싼 가격에 빨리 설치할 수 있다. 갈고, 닦고 철판을 이용하여, 면도날로 잘릴 수 있는 POF의 부드러운 끝부분을 만들 수 있다.

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