KR100313273B1

KR100313273B1 - 변형화학기상증착(mcvd)석영관냉각장치

Info

Publication number: KR100313273B1
Application number: KR1019940018712A
Authority: KR
Inventors: 김성준
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2001-12-28
Also published as: KR960004247A

Abstract

MCVD 석영관을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 냉각장치에 관하여 개시한다. 본 발명은 가스압력 주입구를 구비한 냉매탱크, MCVD 석영관의 외주면을 둘러싼 원통상의 노즐지지대, 상기 노즐지지대의 내주면에 부착형성되고 상기 냉매탱크와 관 연결되어진 냉매분사노즐로 구성되어지되, MCVD 용 관을 가열하는 버너와 지지수단을 매개로 하여 연동되는 것을 특징으로 하는 MCVD 석영관 냉각장치를 제공한다. 본 발명에 의하면 MCVD 석영관이 효율적으로 냉각되면서 규칙적인 증착층을 형성시킬수 있고 사용된 냉매를 효과적으로 제어하여 장비에의 영향을 최소화할 수 있다.

Description

변형화학기상증착(MCVD) 석영관 냉각장치

제1도는 MCVD를 이용한 증착층의 형성을 설명하기 위한 단면도를 나타내고;

제2도는 모재를 완성하기 위한 콜랩스(collapse) 및 닫기 방법을 설명하기 위한 단면도를 나타내고;

제3도는 완성된 모재의 측단면도를 나타내고;

제3-a도는 완성된 모재의 횡단면도를 나타내고;

제3-b도는 완성된 모재의 욍단면도에 따른 굴절률의 분포를 나타내고;

제4도는 종래기술에 따라 제조된 모재의 불균일한 도핑원소 분포를 나타내고;

제5도는 종래 MCVD 석영관 냉각장치를 이용해 증착층의 형성을 설명하기 위한 측단면도를 나타내고;

제6도는 종래 MCVD 석영관 냉각장치에 의해 불규칙적으로 형성된 다공질 막 모재의 내부층 구조를 나타내고;

제7도는 본 발명에 의한 버너와 연동하도록 된 MCVD 석영관 냉각장치를 설명하기 위한 개략도를 나타내고;

제8도는 본 발명에 의한 방사형 구조로 된 MCVD 석영관 냉각장치의 횡단면도를 나타내고;

제9도는 본 발명에 의한 가압하여 노즐로 냉매를 보낼 수 있는 냉매탱크의 단면도를 나타내고;

제10도는 본 발명에 의한 MCVD 석영관 냉각장치의 작동상태를 나타낸다.

본 발명은 변형된 화학기상증착인 MCVD(Modified Chamical Vapor Deposition)에 사용되는 석영관을 냉각하는 장치에 관한 것으로 상세하게는 MCVD에의 한 공정인 다공질막 형성시 강제냉각방식이 개선된 MCVD 석영관 냉각장치에 관한 것이다.

MCVD는 특수광섬유 제조에 주로 사용되는 것이다. 광섬유는 머리카락 만큼이나 얇은 유리섬유에 안쪽 굴절률과 바깥쪽 굴절률을 달리하여 빛을 전달하게 하는 매개체이다. 이 광섬유의 제조방법은 가느다란 광섬유를 뽑아내는 연산공정과 이를 뽑아내기 전의 상태인 모재(preform)를 만드는 공정으로 크게 나누어질 수 있다. 모재는 그 모양이 막대형태로 수십 cm의 길이와 수cm-수십cm의 크기를 가진다. 이 모재의 제조방법은 OVD, MCVD, VAD 등 여러 가지로 나누어지는데 본 발명은 MCVD공정과 관련된 것이다.

제1도는 광섬유를 대량생산하는 방법중 현재 가장 널리 알려져 있는 MCVD를 이용한 증착층의 형성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

먼저 모재를 만들기 위해 기본적인 석영관(1)을 준비하고 이 석영관에 적당량의 SiCl₄와 GeCl₄, O₂등을 한꺼번에 흘려주면서 버너(2)로 1800℃이상의 열을 가해 주면 열에 의해 가스들이 반응을 하여 SiO₂, GeO₂등을 형성하게 된다. 반응이 일어난 가스들은 석영관(1)에 증착층(3)으로 쌓이게 되고 다시 이때 버너(2)가 지나가면서 쌓여있는 증착층(3)에 열을 가해 투명한 Si층을 형성하게 된다. 이러한 과정을 여러번 반복하면 증착층(3)이 계속 쌓이게 되는데 이때 Si와 굴절률을 높이는 물질인 Ge의 가스 비율을 조절하면 증착층(3)의 미세한 굴절률 변화가 가능하다.

석영관(1)의 온도는 올리는 버너(2)는 가스들이 반응을 일으킬 수 있도록 충분히 온도를 올려주고 반응이 일어난 후 쌓이는 증착층을 투명한 층으로 만드는 역할을 한다. 이를 위한 버너(2)의 온도는 약 1800℃에서 2000℃사이로 이는 석영관의 두께와 증착층의 조건에 따라 달라지게 된다. 한번에 쌓이는 증착층의 두께는 역시 넣어주는 가스의 양과 버너의 온도 및 속도에 따라 달라지게 된다.

제2도는 모재를 완성하기 위한 콜랩스(Collapse) 및 닫기공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

상기한 MCVD 공정을 통해 쌓여진 증착층을 완전한 모재로 만들기 위해서는 내부공간을 막아 주어야 하는데 이러한 공정은 버너(2')의 속도를 줄이면서 온도를 높혀 석영관(1')에 약 2000℃이상의 높은 온도를 가해 석영관(1')을 조금씩 녹여 그 내부공간을 줄어들게 하는 방법을 사용한다.

제3a도 내지 제3c도는 완성된 모재의 모양을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

구체적으로 완성된 모재는 기다른 유리막대 모양으로 형성되어진 클래딩(4) 내부에 클래딩(4)의 길이방향에 따라 코어(5)가 형성되어 있다.

제3a도 및 제3b도는 완성된 모재의 횡단면 및 이 횡단면의 길이방향에 따른 굴절률 분포를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

구체적으로 완성된 모재는 원형의 횡단면을 가지는 클래딩(4)이 코어(5)를 둘러싼 형태로 되어 있다. 제3B도를 참조하면, 완성된 모재의 횡단면 길이 방향에 따른 굴절률 분포에 있어 코어를 둘러싼 클래딩은 굴절률이 낮은 영역으로 형성되어진다.

완성된 모재로 광섬유를 제조하기 위해서는 완성된 모재의 끝에 강한 열을 가한 후 유리의 연성을 이용해 늘이면 된다. 이때 늘이는 속도와 온도를 조절하면 적당한 굵기의 광섬유를 얻을수 있다.

광섬유를 지나가는 빛의 특성에 영향을 주기 위해서는 빛이 가이드되는 코어에 여러 가지 원소를 첨가하게 되는데 이 경우 제조공정이 달라지게 된다. 주로 적은 양의 원소를 첨가하는 이 기술은 마지막 코어층을 다공질막으로 형성시키고 여기에 첨가하고자 하는 원소가 녹아 있는 용액을 부어 넣어 다공질막에 용액이 충분히 침투되도록 한다. 충분한 시간이 지난 후 남은 용액을 따라내고 남아있는 용액을 말린 다공질막은 투명한 실리카로 만드는 과정을 거친다.

상기한 다공질막을 형성함에 있어 종래에는 마지막 코어층을 형성하는 과정에서 정상적인 코어층을 형성할 때보다 버너의 온도를 낮추는 방법을 택하였다. 이때 버너의 역할은 석영관내를 진행하는 가스의 화학적 반응이 충분히 일어나도록 하는것과 반응이 일어난 가스를 석영관 안쪽벽에 증착시키는 역할을 한다. 따라서 버너의 온도를 약 1500℃정도로 낮추면 가스의 반응을 일어나지만 증착이 되기에는 온도가 낮기 때문에 완벽한 증착이 일어나지 않고 불완전한 막이 되면서 다공질막이 형성된다. 이 때 다공질막은 코어층에 반투명 상태로 달라붙게 된다. 이러한 다공질막에 도핑원소의 용액을 부어 넣은 후 말리게 되는데 이 과정에서도 버너를 사용하게 된다. 이 때에 버너의 온도는 일반적으로 수 백도 정도가 된다.

그러나 상기 종래 기술에 의해 만들어진 모재는 상기 다공질 막에 도핑되는 원소의 양과 균일도가 나쁜 문제점이 있다. 제4도는 종래 기술에 의해 제조된 모재에 도핑된 원소가 불균일하게 분포된 것을 나타낸 것이다.

상기한 현상을 없애기 위해 증류수를 냉매로 사용하여 관(Tube)을 강제냉각시키는 방식이 제안되었다.

제5도는 종래의 MCVD 냉각방법에 따라 형성된 증착형 형성시의 강제냉각방식을 설명하기 위한 측단면도를 나타낸다.

구체으로 버너(2)의 진행방향과 같은 방향, 같은 속도로 워터노츨(6)이 움직이며 물을 분사시킨다. 그러나 MCVD 공정의 특성상 수천도의 높은 고온에서 관을 강제냉각시키기 때문에 많은 양의 물이 외부로 흘러나와 장비에 영향을 끼칠 수 있다. 또한 강제냉각 부위가 작기 때문에 제6도에 도시한 바와 같이 증착층의 불규칙적으로 되기 쉽다.

상기한 문제를 해결하기위한 본 발명의 목적은 MCVD 석영관 냉각시 사용된 냉매가 외부로 흘러나와 장비에 영행을 주지않도록 하며 규칙적인 다공질 막을 생산해낼 수 있는 MCVD용 냉각장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가스압력 주입구를 구비한 냉매탱크, MCVD 석영관의 외주면을 둘러싼 원통상의 노즐지지대, 상기 노즐지지대의 내주면에 부착형성되고 상기 냉매탱크와 관 연결된 냉매분사노즐로 구성되되, MCVD 석영관 가열버너와 지지수단을 매개로 하여 연동되는 것을 특징으로 하는 MCVD 석영관 냉각 장치를 제공한다.

본 발명의 MCVD 석영관 냉각 장치는 기존 장치의 단점을 해소하여 규칙적인 다공질 막이 얻어지도록 하며 냉각시 사용된 물이 장치에 영향을 주지않도록 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저 제7도는 본 발명에 의한, 버너와 연동하는 MCVD 석영관 냉각장치를 설명하기위한 개략도를 나타낸다.

본 발명의 MCVD용 냉각장치(8)는 지지대(7)를 매개로 하여 버너와 연동하도록 구성되어 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 냉각장치가 버너와 항상 같이 움직이도록 되어 있다.

제8도는 본 발명에 의한 방사형 구조로 된 냉각장치에 횡단면도를 나타낸다.

냉각장치는 냉매분사부(16)와 이에 관 연결된 냉매공급부(17)로 구성되되, 상기 냉매분사부는 MCVD 석영관(9)을 그 내부에 포함할 수 있는 직경을 가지며 그 길이방향으로 냉매분사노즐(10)을 수용할 수 있을 정도의 폭을 가진 원통상의 노즐 지지대(11)와 이 노즐 지지대(11)의 내주면에 방사상으로 부착형성된 다수 개의 냉매분사노즐(10)로 구성되고, 상기 냉매공급부(17)는 가스 압력 주입구(미도시)를 구비한 냉매탱크(12), 냉매탱크(12)에 저장된 냉매를 냉매 분사 노즐과 연결시키는 관연결수단(13)으로 구성된다.

상기노즐 지지대(11)는 방사형으로 형성되어 MCVD 석영관(9)의 전외주면을 동시에 냉각시킬 수 있기 때문에 보다 효율적으로 냉각을 수행할 수 있고 이에 따라 효율적으로 다공질막을 형성시킬 수 있다. 노즐 지지대(11)의 길이 방향에 따른 폭은 노즐 자체의 폭과 노즐 배치방식에 따라 결정된다. 본 발명의 냉매분사노즐(10)은 적어도 2개 이상으로 구성되며 MCVD 석영관을 향해 동심원상에 등간격으로 배치되어지는 바, 노즐이 상기한 것과 같이 방사형 구조로 되어 있으므로써 석영관을 골고루 냉각할 수 있는 효과가 있다.

제9도 본 발명에 따른 기압하여 분사노즐로 냉매를 보낼 수 있는 냉매 탱크의 단면도를 나타낸다.

상기 냉매공급부(17)에서는 원심펌프(미도시)등의 압력발생수단으로 발생된 압력이 냉매공급탱크(12)의 가스 입력 주입구(14)를 통해 냉매를 가압하게 되고 가입된 냉매는 관연결수단(13)을 통해 냉매분사노즐(10)로 이송된 뒤 이 압력으로 MCVD 석영관(9)의 외주면을 향해 분사된다. 분사된 냉매는 노즐지지대(7)에 형성된 배출구(미도시)를 통해 배출된다. 배출된 냉매는 폐기할 수도 있고 자원 재활용과 공해방지를 위해 열교환기(미도시) 등을 통해 냉각시킨 뒤 냉매탱크(12)로 제순환시킬 수 있다.

상기 분사과정에서 노즐(10)의 크기 및 수와 분사압력을 제어하면 냉각정도를 정밀하게 제어할 수 있으며 이에 따라 규칙적인 증착층을 형성시킬 수 있다. 상기 노즐(10)은 MCVD 석영관(9)의 길이방향에 따라 한 줄로 배치할 수도 있고, 두 줄 이상을 병렬 배치할 수도 있다. 상기 냉매로는 증류수, 중수(重水), 경수(俓水), 또는 이들의 혼합물을 포함하여 구성된 군 중에서 적어도 하나 선택된 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용가능한 바람직한 냉매의 성질로는 상기한 고비열 및 저점도외에 격렬한 기화현상을 완화시키는 높은 끓는 점, 시간과 온도의 변화에 따라 변하지 않는 점도의 균일성, 그리고 온도와 압력 변화에 대한 화학적 안정성 등이 있다. 본 발명에서의 냉매는 상기한 성질들을 만족하는 액체를 포함하는 것으로서 위에서 열거된 것에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 냉매탱크에 주입하는 가스로는 질소, 프레온 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나인 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 가스 압력 주입구(14)를 통해 상기 가스로 탱크에 압력을 가하면 냉매탱크(12)의 내압에 의해 분사노즐로 냉매가 공급하므로 가스의 압력에 따라 냉매압이 조절된다. 이 가스의 압력은 주입가스의 양을 통해 조절할 수 있다.

상기한 바와 같이 조절된 냉매압을 냉각정도를 조절하는 한 수단으로 사용될 수 있다. 나아가 냉각정도의 조절은 MCVD를 통해 증착되는 막의 균일성을 조절하는 수단으로 사용된다.

제10도는 본 발명에 의한 MCVD 석영관 냉각장치에 대한 작동상태도를 나타낸다.

노즐 지지대(11)의 안쪽으로 MCVD 석영관(1)이 삽입된 상태에서 버너(2)와 연동하는 냉각장치(20)가 화살표 방향으로 이동하면서 가열과 냉각이 차례로 수행된다. 본 발명의 냉각장치는 냉버너(2)가 지지대(7)를 통해 냉각장치(20)의 일측방에 연결되어 버너(2)가 MCVD 석영관(1)의 길이 방향에 따라 이동할 때 이 버너(2)의 이동방향을 따라 냉각장치(20)도 동시에 이동하게 됨으로써 가열과 냉각을 한꺼번에 수행할 수 있는 장점이 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 구성에 의하면, MCVD를 이용하여 다공질 막을 형성할 때 MCVD 석영관을 효율적으로 냉각시키게 되므로 상기 다공질 막을 균일하게 형성시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims

가스압력 주입구를 구비한 냉매탱크, MCVD 석영관의 외주면을 둘러싼 원통상의 노즐지지대, 상기 노즐지지대의 내주면에 부착형성되고 상기 냉매탱크와 관 연결되어진 냉매분사 노즐로 구성되어지는 한편, MCVD 석영관을 가열하는 버너와 지지수단을 매개로 하여 연동되는 것을 특징으로 하는 MCVD 석영관 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 버너 및 냉각장치의 작동방향이 MCVD 관내의 가스의 흐름 방향과 반대가 되는 것을 특징으로 하는 MCVD 석영관 냉각장치.
제2항에 있어서, 상기 냉개가 증류수, 중수, 경수, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 적어도 하나 선택된 것을 특징으로하는 MCVD 석영관 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 주입가스가 질소가스인 것을 특징으로하는 MCVD 석영관 냉각장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입가스의 양으로 냉매의 분사속도를 조절하여 냉각정도를 조절할 수 있는 것을 특징으로하는 MCVD 석영관 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 냉각에 사용되어진 냉매가 상기 냉매탱크로 재순환되는 것을 특징으로하는 MCVD 석영관 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 냉매분사노즐이 적어도 2개 이상인 것을 특징으로 하는 MCVD 석영관 냉각장치