KR100263729B1

KR100263729B1 - 내부 제트 분사를 이용한 광섬유 제조장치 및 제조방법

Info

Publication number: KR100263729B1
Application number: KR1019980023926A
Authority: KR
Inventors: 최만수; 이동근
Original assignee: 최만수
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2000-08-01
Also published as: KR20000002934A; US6363754B2; US20020011084A1

Abstract

수정된 화학증착법에 의한 광섬유 제조방법 및 제조장치가 개시되어 있다. 본 발명의 광섬유 제조장치는 입구로부터 반응기체가 유입되는 외부원관; 상기 외부원관의 출구로부터 상기 외부원관 내로 삽입되며 그 중공을 통해 분사기체가 주입되는 동시에, 상기 중공과 연통되도록 그 선단부 외주면에 반경방향으로 형성된 분사공 및 상기 중공과 연통되도록 그 선단면에 전방으로 형성된 보조분사공을 각각 포함하는 내부원관; 및 상기 외부원관을 따라 왕복이동하도록 설치되며, 상기 외부원관을 가열하여 상기 반응기체가 화학반응함으로써 입자를 생성시키는 토치;를 포함하며, 상기 보조분사공을 통해 분사되는 제트로 인해 상기 생성된 입자는 외부원관 내벽으로 바이어스되며 따라서 입자부착효율과 부착율이 향상된다.

Description

내부 제트 분사를 이용한 광섬유 제조장치 및 제조방법

본 발명은 광섬유 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 가열되는 외부원관 내에 내부원관을 삽입하고 기체를 분사함으로써 입자를 발생시켜 상기 외부원관의 내벽에 부착시키는 소위 '수정된 화학증착법'(Modified Chemical Vapor Deposition; 이하 MCVD라 함)에 의해 광섬유를 제조하는 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광섬유는 굴절률이 높은 코어(core)와 이를 감싸는 바깥쪽의 클래드(clad)로 형성되어 빛 또는 광신호를 전송하는 광통신수단으로서, 일반적으로 화학증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 수정된 화학증착법(MCVD), 외부증착법(Outside Vapor Deposition: OVD) 또는 축방향증착법(Vapor Axial Deposition; VAD) 등에 의해 제조된다. 이 중에서 MCVD는 입자부착 메카니즘이 보다 명백히 밝혀져 있고, 석영관 내부에서 반응이 일어나므로 오염원의 유입이 방지되므로 광섬유 제조를 위해 가장 널리 쓰이는 방법이다. 이러한 MCVD의 예가 도 1에 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 직경 10∼30 mm의 예컨대, 석영관과 같은 원관(10)을 선반(미도시) 위에 설치하여 60∼120 rpm 정도의 느린 속도로 회전시킨다. 동시에, 상기 원관(10)은 그 외부에 원관의 축방향으로 이동하도록 설치된 토치(11)에 의해 약 1600∼1800 ℃로 가열된다. 상기 토치(11)는 10∼30 cm/min 정도의 느린 속도로 이동한다. 이때, 상기 원관(10)의 선단으로부터는 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃, O₂등의 혼합기체가 주입되는데, 이 기체들은 상기 이동하는 토치(11)의 가열부위 근처의 반응영역(R)에 이르러 화학반응을 일으켜 약 0.1 μm 내외의 SiO₂나 GeO_2,P₂O₅와 같은 미세입자를 생성시킨다. 이 입자들은 상기 혼합기체의 유동방향으로 이동하면서 상기 원관(10)의 반경방향으로 발생하는 열영동력(Thermophoretic force)에 의해 토치 전방의 원관(10) 내벽에 부착되어 유리막(12)을 형성한다.

이어서, 상기 유리막(12)은 이동하는 토치(11)에 의해 가열되어 투명한 유리질로 소결(sintering)된다. 상기 토치(11)가 원관(10)의 끝에 도달하게 되면 다시 시작점으로 복귀하여 상기와 같은 과정을 반복함으로써 다중층 구조의 유리막(12)을 얻을 수 있다.

다음으로, 상기 유리막(12)이 원하는 소정 두께에 이르면, 반응 기체의 유입을 중단하고 토치(11)로 상기 원관(10)을 약 2000℃ 이상 가열하면 표면장력으로 인해 상기 원관이 수축되어 봉의 형태를 이루는데, 이것이 광섬유의 모재(preform)가 된다. 다음, 상기 모재를 노(furnace)에서 가열시켜 가늘게 인발하여 코팅 처리함으로써 광섬유를 완성한다.

그러나, 상기 MCVD 방법에 있어서는, 원관 중심을 유동하는 기체의 이동속도가 높으므로 외부로 배출되는 입자가 많아 입자 부착율이 높지 않다. 또한, 반응영역(R)에서 생성된 입자가 실선으로 표시된 궤적(13)을 따라 진행하므로 원관 내벽에 부착되기 까지의 경로가 길다. 이것은 도시된 바와 같이 최초 입자가 부착되는 지점으로부터 일정 두께에 이르는 지점까지의 거리(L: 이하 "경사부착구간"라 함)를 길게 늘리게 되는데 이 경사진 부분은 광섬유 제조시 불필요한 부분으로서 절단 폐기해야 하는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 감안하여 입자 부착율을 높이기 위해 상기 원관(10) 내부에 발열체를 설치하는 방안이 싱클레어(Sinclair) 등의 미국 특허 제4,263,032호 및 부엘(Buehl)의 미국 특허 제4,328,017호 등에 개시되어 있다. 그러나, 상기 문헌들에 기재된 방법에 있어서도, 생성된 입자들이 원관의 축방향을 따라 상당구간 진행한 다음 내벽에 부착되는 것으로 나타나 전술한 바와 같은 경사부착구간(L)을 줄일 수는 없는 것으로 알려졌다.

이와 같은 문제점을 감안하여 상기 경사부착구간의 길이를 줄일 수 있는 방법이, 본 출원인이 출원하여 1996년 12월 19일 공개된 한국특허공개 제96-41134호에 개시되어 있다. 이 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 반응화학기체가 투입되는 외부원관(10) 내에 발열체로서 작용하는 내부원관(20)을 주입하고, 상기 내부원관(20)의 선단으로부터 반경방향으로 고온의 기체를 분사한다. 즉, 상기 내부원관(20)의 선단(23) 외주면에는 중공(21)과 연통되는 복수의 분사공(22)이 형성되며, 상기 중공(21)을 통해 공급되는 고온의 예컨대, O₂와 같은 기체가 이 분사공(22)을 통해 반경방향으로 분사된다. 이렇게 분사되는 고온의 제트는 소정의 막을 형성하여 내부원관(20)이 커지는 효과를 낼 수 있고, 분사되는 제트가 고온이므로 높은 온도구배 효과를 달성할 수 있다. 무엇보다도, 반응기체로부터 생성된 입자의 궤적을 짧게 줄일 수 있어 도시된 바와 같이 경사부착구간(L')이 현저히 감소한다.

그러나, 상기 제트 분사를 이용한 광섬유 제조방법은 실제로 기존의 MCVD 방법에 비해 입자부착율이 높지 않은 것으로 알려졌다. 구체적으로, 최경오 저(著) 공학석사학위논문 「내부 제트 분사를 이용한 MCVD 공정의 실험적 연구(An Experimental Study of Heat Transfer and Particle Deposition during the Modified Chemical Vapor Deposition Process using the inner annular jet), 1996년 2월」에 따르면, 토치의 이동속도가 15 cm/min, 토치의 이동거리가 55 cm, 반응기체의 유량이 2 liter/min, 토치의 가열 최고온도가 1700 ℃, 내부원관의 히팅코일에 가해진 전압이 280 V, 제트 분사 유량이 2.35 liter/min 일 때, 종래의 MCVD의 입자부착효율은 51.3 %인데 반해 제트분사를 이용한 MCVD의 입자부착효율은 44.0 %로 오히려 낮은 것으로 나타났다.

또한, 상기 제트분사를 이용한 MCVD 방법에 있어서, 반응영역(R)에서 생성된 입자들이 외부원관의 내벽을 향해 이동하는 동안 내부원관(20)의 선단(23)에 충돌하여 달라붙는 경향이 있다. 이러한 입자의 충돌은 입자의 퇴적을 초래하며, 입자 퇴적층은 점점 증가하여 결국에는 상기 내부원관(20)의 분사공(22)을 막아 제트의 원활한 분사를 방해할 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 MCVD방법이 가진 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 상기 내부원관의 선단에 제트 분사를 위한 별도의 분사공을 마련함으로써 반응 입자의 퇴적을 막고 입자의 원활한 유동을 일으켜 입자부착효율을 향상시킨 광섬유 제조장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 광섬유 제조장치를 이용한 광섬유 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 광섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.

도 2는 또 다른 종래기술에 따른 제트분사를 이용한 광섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 내부 제트분사를 이용한 광섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명의 광섬유 제조방법에 따라서 분사기체의 온도에 따른 입자부착율을 종래 기술과 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 광섬유 제조방법에 따라서 분사기체의 유량에 따른 입자부착율을 종래 기술과 비교하여 나타낸 그래프이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 설명＞

10,30...외부원관 11,31...토치

20,40...내부원관 22,43...분사공

44...보조분사공 41...발열코일

50...생성 입자 50'...유리막

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 광섬유 제조장치는, 입구로부터 반응기체가 유입되는 외부원관; 상기 외부원관의 출구로부터 상기 외부원관 내로 삽입되며 그 중공을 통해 분사기체가 주입되는 동시에, 상기 중공과 연통되도록 그 선단부 외주면에 반경방향으로 형성된 분사공 및 상기 중공과 연통되도록 그 선단면에 전방으로 형성된 보조분사공을 각각 포함하는 내부원관; 및

상기 외부원관을 따라 왕복이동하도록 설치되며, 상기 외부원관을 가열하여 상기 반응기체가 화학반응함으로써 입자를 생성시키는 토치;를 포함한다.

여기서, 상기 내부원관은 가열수단에 의해 가열되며, 이 가열수단은 통상적인 가열방식을 포함한다.

또한, 상기 보조분사공의 직경은 상기 분사공의 직경보다 작아서 소량의 분사기체만이 상기 보조분사공을 통해 분사된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 외부원관, 상기 외부원관 내에 위치하며 중공과 연통되도록 그 선단부 외주면 및 선단면에 각각 형성된 분사공과 보조분사공을 포함하는 내부원관, 및 상기 외부원관을 따라 왕복이동하도록 설치된 토치;를 포함하는 광섬유 제조장치를 이용한 광섬유 제조방법에 있어서, 상기 외부원관의 입구로부터 반응기체를 주입하는 단계; 상기 토치로 상기 외부원관을 가열함으로써 상기 반응기체로부터 입자를 생성시키는 단계; 상기 내부원관을 가열하는 단계; 및 상기 내부원관의 중공으로 분사기체를 주입하여 상기 분사공을 통해 반경방향으로 분사하고 상기 보조분사공을 통해 상기 반응기체의 주입방향의 역방향으로 분사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조방법이 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 제조장치가 도 3에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 제조장치는 석영관과 같은 외부원관(30)과 상기 외부원관(30) 내부에 삽입되는 내부원관(40)을 포함한다.

상기 외부원관(30)은 미도시된 선반에 설치되어 느린 속도, 바람직하게는 60 ∼120 rpm의 속도로 회전된다. 상기 외부원관(30)의 입구로는 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃, O₂등의 입자생성을 위한 반응기체가 유입된다.

상기 내부원관(40)은 상기 외부원관(30)의 출구로부터 반응기체의 유동방향과 역방향으로 삽입되며, 발열수단에 의해 가열된다. 상기 발열수단으로서, 상기 내부원관(40)은 그 외주면을 따라 설치된 발열코일(41)을 구비한다. 상기 발열수단은 본 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 하며, 대안으로서 한국특허공개 제96-41134호에 개시되어 있는 전자기 유도에 의한 가열 및 기체연료의 연소에 의한 가열 등을 비롯한 일반적인 가열방식이 적용될 수 있다.

또한, 상기 내부원관(40)은 He 및 O₂와 같은 분사기체가 주입되는 중공(42)이 형성되어 있으며 이 내부원관(40)의 선단부 외주면에는 상기 중공(42)과 연통되는 복수의 분사공(43)이 형성되어 있다. 상기 분사공(43)은 분사기체를 반경방향으로 분사시키며 장반경 약 2 mm, 단반경 약 1 mm정도의 타원형인 것이 바람직하다. 또한, 상기 분사공(43)의 개수는 상기 외부원관(30) 및 내부원관(40)의 크기, 반응기체의 유량, 형성되는 유리막(50')의 두께 등에 따라서 적절히 설정된다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 내부원관(40)의 선단에는 전방으로 분사기체를 분사시킬 수 있도록 보조분사공(44)이 형성된다. 이 보조분사공(44)은 후술하는 바와 같이, 외부원관(30)으로 유입되는 반응기체로부터 생성된 입자를 원관 내벽쪽으로 밀어 상기 입자가 내부원관(40)의 선단에 달라붙지 못하도록 하는 것으로서, 바람직하게 약 1 mm 내외의 직경을 가지도록 형성된다.

한편, 상기 외부원관(30) 하부에는 축방향으로 직선이동하면서 그 외부원관(30)을 가열하는 토치(31)가 설치된다.

상기와 같은 구조를 가진 광섬유 제조장치의 동작 및 광섬유 제조방법을 설명한다.

먼저, 선반(미도시) 위에 설치된 외부원관(30)을 일정한 회전속도로 회전시키면서 그 입구로 반응기체 예컨대, SiCl₄, O₂를 주입한다. 또한, 회전하는 외부원관(30)을 축방향으로 이동하는 토치(12)로 가열하면서, 상기 외부원관(30)의 출구로부터 내부원관(40)을 토치(12) 근처까지 밀어 넣는다. 이때, 상기 내부원관(40)은 발열코일(41)에 의해 가열된 상태이며, 그 중공(42)을 통해서는 예컨대, He 또는 O₂와 같은 분사기체가 주입된다.

상기 분사기체는 내부원관(40) 내에서 고온으로 가열된 후 그 선단까지 도달하여 상기 분사공(43)을 통해 반경방향으로 대부분 분사되고, 일부는 보조분사공(44)을 통해 전방으로 배출된다. 상기 분사공(43) 및 보조분사공(44)의 진행경로는 도 3에 도시된 화살표와 같다. 이때, 상기 보조분사공(44)의 직경이 너무 클 경우 전방으로 분사되는 기체의 량이 과다할 수 있으므로 상기 분사공(43)보다 작은 직경을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 외부원관(30) 내로 주입된 반응기체는 토치(31) 근처에서 화학반응을 일으켜 예컨대, SiO₂와 같은 입자(50)를 생성한다. 이러한 입자(50)는 도 3의 실선으로 표시된 궤적으로 진행하다가 외부원관(30)의 내벽에 부착되어 유리막(50')을 형성한다. 즉, 입자(50)들은 상기 보조분사공(44)을 통해 분사되는 분사제트에 의해 반경방향 바깥쪽으로 경로가 변경된 후, 분사공(43)을 통해 분사되는 제트에 의해 다시 한번 바깥쪽으로 경로가 변경된다.

상기 보조분사공(44)으로부터의 제트 분사는 상기 입자(50)들의 경로를 바깥쪽으로 변경시킴으로써 입자부착효율을 더욱 높일 수 있는 것으로 나타났다.

이어서, 상기 유리막(50')은 토치(11)의 가열에 의해 소결된다.

본 발명에 따른 광섬유 제조장치 및 제조방법의 특이한 효과는 다음 실험예를 통하여 더욱 명확하게 증명될 수 있다.

실 험 예

본 실험에 사용된 외부원관(도 3의 30)의 길이는 1.0 m, 외부직경은 25 mm, 내부직경은 19 mm이며, 토치(31)의 이동속도는 15 cm/min, 최대가열온도는 1,700℃ 이며 토치의 이동거리는 50cm 였다. 또한, 외부원관(30) 입구로 투입되는 반응기체의 온도는 26℃이며, 그 중에서 O₂의 유량은 0.5 liter/min 였다. 이러한 원관을 사용하여 종래의 MCVD 방법에 의해 광섬유 모재를 제조하였다.

한편, 본 발명의 방법에 따라 광섬유를 제조하기 위해 상기와 같은 규격의 외부원관(30)과 함께 길이 1.3m, 외부직경 10mm, 내부직경 6mm의 내부원관(40)이 사용되었다. 내부원관(40) 내부로 주입되는 분사 기체는 He이며 유량은 1 liter/min 였다.

상기 조건하에 대한 실험결과를 도 4 및 도 5에 그래프로 도시하였다. 도 4는 내부원관(40)을 통해 분사되는 분사제트의 온도에 따른 입자부착효율을 나타낸다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 MCVD방법에 의한 입자부착효율이 종래의 MCVD방법에 비해 현저히 향상되었다. 이는 전술한 바와 같이, 보조분사공(44)을 통해 제트를 분사함으로써 내부원관의 선단에 입자가 부착되지 않도록 함과 동시에 상기 입자의 반경방향 이동에 대한 구동력을 더욱 증가시킬 수 있다는데 기인하는 것으로 보여진다. 그래프에서 표시된 전압은 상기 내부원관(40)의 발열코일(41)에 가해지는 전압을 가리킨다.

도 5는 상기 내부원관(40)을 통해 분사되는 분사기체(He)의 양에 따른 입자부착효율을 나타낸다. 그래프를 참조하면, 종래의 MCVD 방법에 비해 본 발명이 방법에 따른 입자부착효율이 현저히 높았으며, 분사기체의 양이 증가할수록 이러한 경향은 증가하다가, 약 1 liter/min을 경계로 다소 줄어드는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제트분사를 이용한 광섬유 제조장치 및 제조방법에 따르면, 발열체로서 작용하는 내부원관의 선단에 보조분사공을 형성시켜 분사기체를 반응기체의 유동방향에 대해 역방향으로 분사시킴으로써, 반응영역으로부터 생성된 입자의 반경방향 이동에 대한 구동력을 제공하고, 나아가 내부원관 선단에 상기 입자들이 부착되는 것을 방지할 수 있다. 이로써 외부원관 내벽에 부착되는 입자부착효율이 향상된다.

본 발명은 비록 첨부된 도면을 참조로 하여 한정된 실시예에 대해서만 설명되었으나, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형예가 있을 수 있는 것으로 이해되어야만 한다.

Claims

입구로부터 반응기체가 유입되는 외부원관;

상기 외부원관의 출구로부터 상기 외부원관 내로 삽입되며 그 중공을 통해 분사기체가 주입되는 동시에, 상기 중공과 연통되도록 그 선단부 외주면에 반경방향으로 형성된 분사공 및 상기 중공과 연통되도록 그 선단면에 전방으로 형성된 보조분사공을 각각 포함하는 내부원관; 및

상기 외부원관을 따라 왕복이동하도록 설치되며, 상기 외부원관을 가열하여 상기 반응기체가 화학반응함으로써 입자를 생성시키는 토치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 내부원관을 가열하는 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조장치.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 보조분사공의 직경은 상기 분사공의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 광섬유 제조장치.
외부원관, 상기 외부원관 내에 위치하며 중공과 연통되도록 그 선단부 외주면 및 선단면에 각각 형성된 분사공과 보조분사공을 포함하는 내부원관, 및 상기 외부원관을 따라 왕복이동하도록 설치된 토치;를 포함하는 광섬유 제조장치를 이용한 광섬유 제조방법에 있어서,

상기 외부원관의 입구로부터 반응기체를 주입하는 단계;

상기 토치로 상기 외부원관을 가열함으로써 상기 반응기체로부터 입자를 생성시키는 단계; 및

상기 내부원관의 중공으로 분사기체를 주입하여 상기 분사공을 통해 반경방향으로 분사하고 상기 보조분사공을 통해 상기 반응기체의 주입방향의 역방향으로 분사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 외부원관을 회전시키는 단계; 및

상기 내부원관을 가열하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,

상기 보조분사공의 직경은 상기 분사공의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 광섬유 제조방법.