KR0163815B1 - 내부 제트 분사를 이용한 광섬유 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신에 사용되는 광섬유 모재를 제조함에 있어서, 원관 내부에서 기체상으로부터 입자를 발생시켜 원관 내벽에 부착시키는 고증착률과 고균일도를 나타내는 화학 증착 방법에 관한 것이다.

현재 광섬유 제조에 광범위하게 사용되는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)에서는 실리카 원관의 중심에서 가스의 속도가 최대가 되므로 외부 가열 효과가 충분히 중심 축까지 전달되기 어렵고 중심 부근에서 입자가 생성되더라도 축 방향으로 상당한 거리를 이동하기 때문에 입자 부착율이 낮아지고 불균일 입자 부착 구간이 길어진다. 이러한 점들을 해결하기 위해 출원되는 본 발명은 기존의 MCVD 방법과 유사하나 기존의 MCVD는 하나의 실리카 원관을 사용하여 그 원관 내에서 화학 반응을 이용하여 미세 입자를 생성, 부착시키는 반면 본 발명에 따른 방법은 입자가 부착되는 실리카 원관 내부에 고온의 가스가 분사될 수 있는 원관을 그 원관의 배기구로부터 추가로 주입하는 것을 특징으로 한다. 내부에서 고온의 기체가 분사되면 분사되는 가스 제트는 막(A)을 형성하여 생성된 입자를 외부 원관(11)의 벽쪽으로 이동시키고 분사된 제트의 온도가 고온이므로 높은 온도 구배의 효과를 얻을 수 있어서 입자 부착율이 높아지고 입자의 부착 구간은 훨씬 줄어든다. 또한 분사된 제트의 유량과 온도를 조절함으로써 막의 두께를 조절할 수 있는데 이것은 온도 구배와 연관이 있으므로 이 유량과 온도의 조절로 단위 시간 당의 입자 부착량과 입자 부착 구간의 제어를 할 수 있을 것이다. 내부 원관은 토치의 이송 속도와 동일하게 이송시켜 토치 위치 근방에서 제트를 분사할 수 있도록 한다. 내부 원관의 가열에는 전열선에 의한 가열, 유도 전류에 의한 가열, 연료의 연소에 의한 가열의 방법 등을 포함한다.

Description

내부 제트 분사를 이용한 광섬유 제조 방법

제1도(a)는 종래의 광섬유 제조 방법 중 하나인 수정된 화학 증착법(MCVD)의 전체적인 개략도를 나타내었다.

제1도(b)는 MCVD 공정에서 발생하는 입자 부착 메카니즘을 설명하기 위한 그림이다.

제2도는 고온의 내부 원관을 삽입하여 증착률을 늘리기 위해 이전의 연구자들에 의해 고안된 방안이다. 내부 원관의 존재로 인해 반경 방향으로 큰 온도 구배를 얻을 수 있어서 입자 부착 효율이 증가한다. 하지만 입자 부착 구간(52)는 제1도에 비해 증가하였다.

제3도(a)는 본 발명의 주안점인 내부 원관(32)에서 제트를 분사하는 방법을 설명하는 그림으로서 입자 부착 구간(52)을 대폭 줄일 수 있음을 보여주고 있다. 내부 원관의 열원으로는 전열선(33)을 사용하였다.

제3도(b)는 내부 원관을 가열하는 방법을 제외하고는 제3도(a)와 동일한 도면이다. 외부 원관(11)의 외부에서 교류 전류를 흘려 보냄으로써 전기 전도체를 사용하는 내부 원관에 유도 전류를 발생시켜 가열하는 방법을 나타낸 도면이다.

제3도(c)는 내부 원관을 가열하는 방법만 빼놓고는 제3도(a)와 동일한 도면이다. 내부 원관 내부에 기체 연료-산소를 유입시켜 반응시킴으로써 가열하는 방법을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 외부 원관(쿼츠 튜브) 12 : 산소-수소 토치

13a : 토치 전진(느리게) 13b : 토치 귀송(빠르게)

14 : AC 모터 15 : 속도 제어기

16 : 1차원 이송 장치 17 : 척

18 : 로터 연결 장치 19 : 버블러

20 : 유량계 21a : 기체 연료

21b : 산소 21c : 질소, 산소 또는 불활성 기체

22 : 스테핑 모터 23 : 모터 구동 장치

24 : 디지탈 입출력 카드 25 : PC

26 : A/D 컨버터 27 : RS232C

28 : 파이로 미터 29 : 방출

30 : 밸브 31 : 화학 반응 기체

32 : 내부 원관 33 : 전열선, 전열판 또는 전열봉

34 : AC 전원 35 : RF 전원

51 : 증착되고 소결 부착(sintering)된 부분

52 : 부착되었지만 아직 소결되지 않은 부분(입자 부착 구간)

53 : 축방향 속도 54 : 반경 방향 속도

본 발명은 광통신에 쓰이는 광섬유 모재를 제조함에 있어서, 원관 내부에서 기체상으로부터 입자를 발생시켜 원관 내벽에 부착시키는 고증착률과 고균일도를 나타내는 화학 증착 방법에 관한 것이다.

기존에 사용되는 광섬유 모재를 만드는 방법은 크게 MCVD (수정된 화학 증착법; Modified Chemical Vapor Deposition), OVD(Outside Vapor Deposition) 그리고 VAD(Vapor Axial Deposition)로 나눌 수 있다. 수정된 화학 증착법은 가장 널리 쓰이는 방법으로서 입자가 원관 내부에서 생성되어 내부 벽에 부착되는 내부 증착 방법이다. 제1도(a)와 제1도(b)는 이 방법의 전체적인 개략도를 나타낸다. 먼저 깨끗하게 세척된 실리카 원관(11)을 선반 위에 설치한 다음 원관 입구로 SiCl₄, O₂, GeCl₄등의 반응 기체(31)를 버블러(19)를 통해 증발시켜 유입하도록 한다. 원관을 60~120rpm으로 회전시키며 원관의 외부를 축방향으로 느리게 이동하는 수소-산소토치(12)로 가열한다. 반응 기체(31)는 토치(12)에 의해 가열된 원관으로부터 열을 전달받아 화학 반응을 일으키며 그 결과로 SiO₂나 GeO₂와 같은 미세한 입자가 생성된다. 생성된 입자는 기체의 주유동방향인 축방향으로 이동하는(53) 동시에 반경 방향으로의 온도 구배로 인한 열 영동력(Thermophoresis; 열영동력이란 주위 가스 분자와 입자와의 운동량 교환의 결과로 온도 구배의 반대 방향으로 입자가 받는 힘을 말한다)을 받아 반경 방향으로 움직여서(54) 토치 전방 원관 내부에 부착하게 된다(52). 부착된 입자층은 토치가 근접되어 지나감에 따라 가열을 받아 소결되어 부착된다(51). 이송 토치가 원관의 끝부분에 도달하게 되면 다시 토치 이동 시작점으로 돌아와(13b) 상기의 과정을 반복한다.

이 방법에서의 입자 부착 메카니즘은 미세 입자가 온도가 높은 부분에서 낮은 부분으로 움직이게 하는 열 영동력이다[Simpkins et al., 1979, J. Appl. Phy., 50, pp.5676~5681]. 이 힘에 의해서 주유동을 따라 축 방향으로 움직이는(53) 입자가 원관벽과 내부 유동의 온도차에 의해서 토치 전방에서 반경 방향(54)으로 추진력을 받아 부착된다. 토치가 지나간(51) 부분은 원관벽이 내부 유동보다 온도가 높아 열 영동력은 중심축 방향으로 작용하지만, 토치가 전진하지 않은 부분은(52) 원관벽의 온도는 낮으나 내부 유동 기체는 토치로부터 가열되었으므로 온도가 높아 원관 중심에서 벽면 쪽으로 열 영동력이 작용하여 입자가 벽면에 부착할 수 있는 것이다. 그러나 이러한 방법은 제1도(b)에서 보는 바와 같이 중심에서 존재하는 기체의 최대 속도로 인해 외부로 방출되는 입자가 많아 입자 부착율이 높지 않다.

입자 부착율을 높이기 위하여서는, 첫째 중심축 내부까지 충분히 가열시켜 입자의 생성율을 높여야 하고, 둘째 높은 온도 구배를 주어 입자에 반경 방향 추진력을 주어야 한다. 두가지 점을 고려하여 내부에 높은 온도를 유지할 수 있는 발열체를 두는 방법이 제시되었다(Sinclair et al. 미국 특허 번호 4263032, Buehl 미국 특허 번호 4328017). 이 방법의 발열체로서 전열선이나 기체 연료의 연소에 의해 가열되는 봉을 사용할 수 있다. 고온 물체의 삽입은 첫째 내부에 직접적으로 열원을 둠으로써 입자 생성 효율을 증가시키고 둘째, 봉의 온도를 조절하여 반경 방향의 온도 구배를 향상시킴으로써 반경 방향의 입자 운동력을 높여 입자 부착 효율을 대폭 증가시키는 장점이 있다. 그러나 이 방법의 문제점은 내부 발열체 근처에 있던 입자들이 주유동을 따라 축 방향으로 상당히 진행한 다음에 부착되게 되므로 입자의 부착 구간이 길어지는 결점을 보인다는 것이다(Buehl 미국 특허 번호 4328017). 부착 입자층의 두께는 토치의 초기 이동 시작점 전방부터 증가하여 축 방향으로 어느 지점에 도달하게 되면 일정한 두께를 유지하게 되는데, 입자 부착 두께가 영으로부터 일정한 두께까지의 축 방향의 불균일 부착층의 길이를 불균일 부착 길이 또는 경사 부착 구간(Tapered Entry)이라 부른다. 이 부분은 인발 과정 중에 제거되어야 하므로 생산 단가를 절감하기 위하여서는 줄이는 것이 바람직하다. Fiebig et al.(1988, Aerosol Science and Technology, 9, pp.237~249)에 의하면 내부 원관의 크기를 증가시키면 온도 구배를 늘릴 수 있어서 불균일 부착 길이를 줄일 수 있다고 주장하였지만, 내부 원관이 커질수록 두 원관 사이가 좁아지나 복사열 전달 효과의 증가로 외부 원관의 온도가 증가하여 온도 구배의 증가에 한계가 있으며 고온에서 물러지는 외부 실리카 원관을 내부 원관과 접촉하지 않도록 제어하는 것은 용이하지 않는 일이어서 실제 적용에는 한계가 있다.

따라서 본 발명은 기존 광섬유 제조 공정에 비해 입자 부착율을 높이고 불균일 부착 길이를 줄이기 위하여 발명된 것이다. 본 발명의 목적은 MCVD 공정에서 반응 화학 기체가 배기되는 석영원관의 한쪽 끝으로 고온으로 유지되는 내부 원관을 주입하고 그 내부 원관의 끝에서 고온의 기체를 분사하여 높은 온도 구배를 유지하여 입자 부착율을 높이고 불균일 부착 길이를 줄이는 새로운 공정 방법을 제공하는데 있다. 제3도(a)에서 보는 바와 같이 내부에서 고온의 기체가 분사되면 분사되는 제트는 막(A)을 형성하여 내부 원관이 커진 효과를 나타낼 수 있고 분사된 제트의 온도가 고온이므로 높은 온도 구배의 효과를 얻을 수 있다. 그렇지만 실제 내부 원관이 커진 것이 아니므로 복사에 의한 외부 원관의 온도는 막의 크기에 영향을 받지 않는다. 또 하나의 장점은 분사된 제트의 유량을 조절함으로서 막의 두께를 조절할 수 있는 것인데, 분사 제트의 유량을 변화시킴으로써 단위 시간당 입자 부착량, 불균일 부착 길이 등의 조절이 가능하다는 것을 의미한다. 내부 원관은 토치의 이송 속도와 동일하게 이송시켜 제트 분사 위치를 토치 기준에서 보았을 때 항상 일정한 위치에 놓이게 한다. 내부 원관을 가열하는 방법은 전열에 의한 가열(제3도(a)), 유도 전류에 의한 가열(제3도(b)), 기체 연료의 연소에 의한 가열(제3도(c))의 방법이 있을 수 있다.

제3도(a)에 나타낸 내부 원관은 실리카 원관에 전열선을 감고 전열선에서 증발될 수 있는 불순물이 화학 기체(31)에 섞이지 않도록 전열선 위로 코팅하여 만들거나 두개의 석영관 사이에 전열선을 감아 밀봉하여 사용한다. 제3도(b)는 내부 원관에 유도 전류를 발생시켜 온도를 높이는 방법이다. 유도 전류를 이용하기 위해서 내부 원관은 전기 전도체를 이용해야 하는데 불순물의 증발이 우려되는 경우는 석영 코팅하는 방법이나 두개의 석영관 사이에 전도체를 두고 밀봉하는 방법을 사용할 수 있다. 제3도(c)는 기체 연료의 연소를 이용하여 내부 원관을 가열하는 방법을 보여 주고 있는데 내부 원관 내부에 가스 연료 주입과 배출용 원관을 여러개 더 넣어야 하므로 외부 원관이 비교적 큰 경우에 가능한 방법이다.

본 발명을 이용하여 화학 증착으로 광섬유를 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 실리카 원관을 선반 위에 설치한 다음 원관 입구로 반응 기체(31)를 유입시킨다. 회전하는 원관(11)의 외부를 축 방향으로(13a) 이동하는 수소-산소토치(12)로 가열한다. 외부 원관(11) 밖에서의 유도 전류나 내부 원관(32)에서의 기체 연료의 연소 또는 전열선(33)에 의해 가열되는 원관을 원관의 끝단 즉 기체가 방출되는 부분으로부터 삽입하여 토치가 위치하고 있는 근처에서 국소적으로 분사한다. 반응 기체(31)는 원관으로부터 열을 받아 화학 반응을 일으키며 그 결과로 미세한 입자가 생성된다. 생성된 입자는 기체의 주유동방향인 축 방향(53)으로 이동하는 동시에 반경 방향으로의 온도 구배로 인한 열 영동력을 받아 반경 방향(54)으로 움직여서 원관 내부에 부착하게 된다. 여기에서 내부 제트 분사는 입자 형성 부분 앞쪽에서 기체의 막(A)을 형성하기 위해 사용되는데, 이 막(A)은 입자를 포함한 주유동기체를 외부 원관쪽으로 가깝게 이동시켜 입자가 부착되기 위한 반경 방향 소요 이동 경로를 줄이므로 입자가 부착되기까지의 축 방향 이동 거리를 줄여 주는 기능을 한다. 또한 반경 방향의 온도 구배를 높여 입자 부착율을 높인다. 이때문에 입자의 부착 구간(52)이 좁아지게 되어 불균일 부착 길이가 줄어드는 것이다. 토치가 원관의 끝부분에 도달하게 되면 다시 토치 이동 시작점으로 돌아와(13b) 상기의 과정을 반복한다. 내부 제트의 유량을 조절함으로써 또한 내부 제트의 온도를 조절함으로써 입자 부착층의 두께의 제어가 가능하다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함을 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

1. 외부 원관(11), 상기 외부 원관(11)을 따라 왕복 이동하는 토치를 포함하는 광섬유 제조 장치를 이용한 화학 증착에 의한 광섬유 제조 방법에 있어서, 상기 외부 원관(11)의 입구로 반응 기체를 주입하는 단계; 상기 토치로 상기 외부 원관을 가열함으로써 상기 반응기체로부터 입자를 생성시키는 단계; 및 상기 외부 원관(11) 내에 고온으로 가열되는 내부 원관(32)을 삽입하고, 상기 내부 원관(32)을 통해 상기 반응 기체에 대해 반경 방향으로 고온의 제트를 분사함으로써 상기 생성된 입자가 상기 외부 원관의 내벽으로 유동할 수 있도록 구동력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 내부 원관(32)은 그 내부 원관(32)에 구비된 전열선에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부 원관(32)은 전기 전도체로 이루어지고, 외부에서 상기 내부 원관에 유도 전류를 발생시킴으로서 상기 내부 원관을 가열하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 내부 원관(32)에 가스 연료를 공급하고 상기 가스 연료의 연소에 의해 상기 내부 원관을 가열하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.