KR100306363B1 - 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 증착 튜브 내에 원료 가스를 증착시켜 광섬유 모재를 제조하는 장치에 있어서, 상기 증착 튜브의 길이 방향으로 이동 가능하도록 설치된 베이스 프레임과; 상기 베이스 프레임의 상부 일측에 설치되어 상기 증착 튜브의 외주면을 가열하는 버너와; 상기 베이스 프레임 내부에는 냉각기체를 저장한 냉각기체 리저버와; 상기 베이스 프레임의 상부 타측에 설치되며 상기 냉각기체 리저버에 저장된 냉각 기체를 증착 튜브 외주면에 공급하는 냉각 노즐을 포함하는 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 광섬유 모재의 제조 장치에 관한 것으로서, 특히 MCVD 공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치에 관한 것이다.
일반적인 광섬유 제조 과정은 크게 모재 제조(Preform Manufacture), 인출(Drawing), 피복 코팅(Sheath Coating) 및 와인딩(Winding) 과정으로 이루어진다. 특히, 상기 모재 제조 과정은 광섬유를 인출하기 위한 기본 모재를 형성하는 과정이다. 상기 모재를 형성하는 공법에는 VAD(Vapor-phase Axial Deposition), OCVD(Outer Chemical Vapor-phase Deposition), PCVD(Plasma Chemical Vapor-phase Deposition) 및 MCVD(Modified Chemical Vapor-phase Deposition) 공법 등이 있으며, 이 중에서도 MCVD 공법이 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 MCVD 공법에 의한 광섬유 모재 제조 장치를 나타낸 개략도이다. 상기 MCVD 공법에 의한 모재 제조 과정을 도 1을 참조하여 간단히 설명하면, 일정 속도로 회전하도록 설치된 증착 튜브(102) 내부에 SiCl4, GeCl4와 같은 원료 가스를 주입하고, 좌우로 이동가능한 버너(104)를 이용하여 상기 증착 튜브(102) 외주면을 가열한다.
상기 증착 튜브(102) 내벽에는 원료가스 산화물의 미립자가 증착되고, 상기 증착된 산화물은 버너의 높은 열에 의해 소결(Sintering)된다. 이어,응축(Collapse) 및 클로즈(Close) 과정을 거치면, 코아 및 클래드층이 형성된 광섬유 모재가 완성된다. 실시예에 따라서는 상기 모재에 오버자켓팅 튜브를 오버 클래딩(Over Cladding)하여 대구경 모재를 제조하기도 한다. 이때, 상기 코아 및 클래드의 굴절율 차이는 증착 튜브 내부로 공급되는 원료 가스의 구성 성분을 조절함으로써 이루어진다. 이러한 MCVD 방법에 의한 모재 제조 과정은 미국특허번호 제4,389,230호 및 제5,397,372호 등에 상세히 개시되어 있다.
도 2는 일반적인 버너 가열에 의한 증착 튜브 내의 온도장에 따른 입자 궤도를 나타낸 그래프로서, 가로축은 증착 튜브의 축방향 거리를 나타내며, 세로축은 증착 튜브 중심축으로부터의 상대 반경 거리를 나타내고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 증착 튜브 외부에서 가해지는 버너의 열은 증착 튜브 내부에 온도장을 형성한다. 버너 가열에 의해 임계 온도가 형성되면, 급속한 산화 반응이 일어나 유리 입자가 형성되기 시작한다. 생성된 유리 입자는 온도장에 의해 발생한 써모포레틱 포스(Thermophoretic force)에 의해 입자 궤도를 형성한다. 상기 유리 입자는 가스 온도보다 증착 튜브 내벽의 온도가 높기 때문에 증착 튜브 내부로 이동한다. 이어, 버너에 의해 가열되는 부분보다 더 안쪽 부분인 증착 영역(a)에서는 증착 튜브 내벽의 온도가 가스 온도보다 낮기 때문에, 상기 유리 입자 일부가 증착 튜브 내면에 증착된다. 이와 같은 MCVD 공법의 증착 원리는 1979년 미국에서 Walker,K.L.,Homsy,G.M.,and Geyling,F.T.에 의해 발표된 논문 J.Colloid Interface Sci. 69, pp.138 ~ 147에 개시된 바 있다.
도 3은 종래 버너에 의해 가열되고 있는 증착 튜브 내의 입자 궤도를 나타낸묘사도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 버너의 가열에 의해 유리 입자가 증착 튜브 내벽에 증착되는 증착 영역 길이(a)는 Q/에 비례한다. 여기서, Q는 용적 유량을,는 가스의 열적 확산도이다.
상기 증착 영역 길이(a)는 증착 튜브 내부에 증착되는 유리 입자층의 입구 테이퍼(Entry taper) 현상을 야기한다. 이때, 상기 입구 테이퍼란 증착 튜브 입구 쪽 내벽에 증착되는 유리 입자의 두깨가 증착 튜브 안쪽 내벽에 증착되는 유리 입자의 두께보다 얇은 형상을 말하며, 이러한 입구 테이퍼가 형성된 부분은 광섬유 모재로서 이용될 수 없는 손실 부분이다. 이러한 입구 테이퍼 구간은 상기 증착 영역 길이(a)가 길수록 더 길어진다.
종래에는 광섬유 모재의 손실 부분인 입구 테이퍼 구간을 줄이기 위해 증착 튜브의 입구 부분에 더 많은 양의 원료 가스를 투입하고, 증착 튜브 안쪽으로 갈수록 가스량을 줄임과 동시에 버너의 온도를 조절하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이와 같은 방법을 쓸 경우, 광섬유 모재의 길이 방향으로의 굴절율 분포의 균일성을 유지하기가 어려우며, 상기 버너의 온도를 적정 온도로 제어하기가 난이한 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 MCVD 공법을 사용하여 광섬유 모재를 제조함에 있어서, 상기 광섬유 모재의 단부가 테이퍼 모양으로 형성되는 것을 막기 위한 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 증착 튜브 내에 원료 가스를 증착시켜 광섬유 모재를 제조하는 장치에 있어서, 상기 증착 튜브의 길이 방향으로 이동 가능하도록 설치된 베이스 프레임과; 상기 베이스 프레임의 상부 일측에 설치되어 상기 증착 튜브의 외주면을 가열하는 버너와; 상기 베이스 프레임 내부에는 냉각기체를 저장한 냉각기체 리저버와; 상기 베이스 프레임의 상부 타측에 설치되며 상기 냉각기체 리저버에 저장된 냉각 기체를 증착 튜브 외주면에 공급하는 냉각 노즐을 포함하는 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치를 제공한다.
도 1은 일반적인 MCVD 공법에 의한 광섬유 모재 제조 장치를 나타낸 개략도,
도 2는 일반적인 버너 가열에 의한증착 튜브 내의 온도장에 따른 입자 궤도를 나타낸 그래프,
도 3은 종래 증착 튜브 내의 입자 궤도를 나타낸 묘사도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 테이퍼 형성 방지 장치를 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증착 튜브 내의 입자 궤도를 나타낸 묘사도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
205 : 베이스 프레임 210 : 버너
300 : 냉각기체 리저버 310 : 냉각 노즐
320 : 냉각기체 조절부 330 : 제어부
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 테이퍼 형성 방지 장치를 나타낸 구성도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치를 이용하여 증착 공정을 행할 때 증착 튜브 내의 입자 궤도를 나타낸 묘사도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치는 베이스 프레임(205), 버너(210), 냉각기체 리저버(300), 냉각노즐(310), 냉각기체 조절부(320) 및 제어부(330)로 구성된다.
상기 베이스 프레임(205)은 증착 튜브(200)의 축 방향으로 이동하면서 버너 (210)및 냉각 노즐(310)의 위치를 가변시키는 수단이다. 상기 베이스 프레임(205)은 도시되지 않은 가이드 레일 혹은 랙기어 위에 설치할 수 있으며, 내장된 스테핑 모터(206)에 의해 이동된다. 상기 스테핑 모터(206)는 제어부(330)로 베이스 프레임 위치 신호를 출력한다.
상기 버너(210)는 증착 튜브(200) 외벽을 가열하여 유리 입자가 증착 튜브 내벽에 증착하는데 필요한 열을 제공하는 수단이다, 상기 버너(210)는 베이스 프레임(205) 상부 일측에 설치된다. 상기 버너(210)로는 넓은 가열 영역(Broad heat zone)을 가진 것을 사용한다.
상기 냉각기체 리저버(300)는 냉각기체가 저장된 통으로서, 상기 베이스 프레임(205) 내부에 설치된다. 상기 냉각기체 리저버(300)에 저장되는 냉각기체로는 헬륨이나 질소와 같은 불활성 기체를 사용할 수 있다.
상기 냉각 노즐(310)은 냉각기체 리저버(300)에 저장되어 있던 냉각기체가 증착 튜브(200) 외벽으로 공급될 때의 이동 통로이다. 상기 냉각 노즐(310)은 버너(210)와 인접한 위치인 베이스 프레임(205)의 상부 타측에 설치되며, 상기 냉각 노즐(310)의 배출구는 증착 튜브(200) 외벽을 향하도록 형성한다.
상기 냉각기체 조절부(320)는 제어부에서 출력된 냉각기체 조절 신호에 응답하여 냉각기체 리저버(300)로부터 냉각 노즐(310)로 공급되는 냉각 기체의 양을 조절한다. 상기 냉각기체 조절부(320)로는 전자식 밸브를 사용할 수 있다. 상기 냉각기체 조절부(320)는 냉각기체 리저버(300)와 냉각 노즐(310) 사이에 설치된다.
상기 제어부(330)는 증착 튜브(200) 외벽에 공급되는 냉각기체의 양을 조절하는 역할을 한다. 상기 제어부(330)는 스테핑 모터(206)에서 출력된 베이스 프레임 위치 신호에 응답하여 상기 베이스 프레임(205)의 현재 위치를 파악하고, 파악된 베이스 프레임(205)의 현재 위치에 따라 미리 설정된 냉각기체 조절 신호를 상기 냉각기체 조절부(320)로 출력한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치를 이용하여 광섬유 모재를 제조하는 과정을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
회전하는 증착 튜브(200) 내부로는 원료 가스를 공급하면서, 베이스 프레임 (205) 상측에 설치된 버너(210)를 점화시켜 증착 튜브(200) 외벽을 가열하기 시작한다. 이때, 상기 베이스 프레임(205)은 스테핑 모터(206)의 회전력에 의해 증착 튜브(200)의 축방향으로 이동하기 시작한다. 상기 제어부(330)는 스테핑 모터(206)에서 출력된 베이스 프레임 위치 신호에 응답하여 베이스 프레임(205)이 이동하기 시작하였음을 판단하면, 전자식 밸브로 구성된 냉각기체 조절부(320)에 냉각기체 조절 신호를 출력한다. 상기 제어부(330)는 베이스 프레임(205)이 이동하기 시작할 때에는 냉각 노즐(310)을 통해 많은 양의 냉각기체가 공급될 수 있도록 하고, 상기 베이스 프레임(205)이 증착 튜브(200)의 입구쪽 반대 방향으로 이동함에 따라 점차 냉각 노즐(310)을 통해 배출되는 냉각기체의 양이 줄어들도록 냉각기체 조절부(320)에 제어 신호를 출력한다.
이와 같이 버너(210)에 의한 가열 및 베이스 프레임(205)의 이동이 시작되지마자 증착 튜브(310) 외벽에 냉각기체를 공급해 주면, 상기 버너(210)의 열에 의해 형성되는 가열 영역 근처에 냉각기체에 의한 냉각 영역이 형성된다. 상기 냉각 영역은 증착 튜브(200) 입구쪽 내벽에 증착되는 산화물의 양을 증가시켜, 종래 증착 튜브(200) 입구쪽 내벽에 증착되는 산화물의 양이 적어 발생했던 입구 테이퍼 현상을 방지한다.
냉각 영역의 형성으로 인한 입구 테이퍼 방지 원리는 다음과 같이 설명될 수 있다. 입구 테이퍼 현상을 방지하기 위해서는 증착 튜브(200) 내벽과 원료 가스가 열적 평형을 이루는 온도인 평형 온도와, 증착 튜브(200) 내벽에서 증착이 이루어지는 구간의 길이인 유효 길이(c)를 줄여야 한다. 상기 냉각 영역은 상술한 평형 온도를 낮춤과 동시에 유효 길이(c)를 줄임으로써, 증착 튜브(200) 입구쪽에서 발생할 수 있는 입구 테이퍼 현상을 방지하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치는 MCVD 공법을 이용하여 광섬유 모재를 제조할 때 증착 튜브 입구쪽에서 발생했던 입구 테이퍼 현상을 막을 수 있어, 광섬유 모재의 수율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치는 증착이 일어나는 구간의 길이인 유효 길이를 줄일 수 있어, 동일한 반응 온도에서 보다 효율적인 증착 과정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 증착 튜브 내에 원료 가스를 증착시켜 광섬유 모재를 제조하는 장치에 있어서,상기 증착 튜브의 길이 방향으로 이동 가능하도록 설치된 베이스 프레임과;상기 베이스 프레임의 상부 일측에 설치되어 상기 증착 튜브의 외벽을 가열하는 버너와;상기 베이스 프레임 내부에는 냉각기체를 저장한 냉각기체 리저버와;상기 베이스 프레임의 상부 타측에 설치되며 상기 냉각기체 리저버에 저장된 냉각 기체를 증착 튜브 외벽으로 공급하는 냉각 노즐을 포함하는 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 냉각기체 리저버와 냉각 노즐 사이에 설치되며, 냉각기체 공급신호의 입력에 응답하여 냉각 노즐을 통해 배출되는 냉각기체의 양을 조절하는 냉각기체 조절부와;상기 냉각기체 조절부로 미리 설정된 냉각기체 공급신호를 제공하는 제어부를 더 구비함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 냉각기체 조절부는 전자식 밸브임을 특징으로 하는 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 냉각 기체로는 불활성 가스를 사용함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 테이퍼 형성 방지 장치.
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