KR100378595B1 - 용융법을 통한 광섬유 모재 제조용 클래드 몰드 및 그몰드를 이용한 광섬유 모재 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 제조용 몰드 및 이 몰드를 이용한 광섬유 모재 방법에 관한 것으로, 한 쪽 끝단이 폐쇄되어 있고 클래드 지름에 대응하는 내경을 가지는 소정 길이의 파이프 형상의 클래드 몰드(11); 및 상기 폐쇄된 끝 단에 상기 클래드 몰드(11)와 동일 중심축으로 부착되어 있고, 형성될 코어 지름에 대응하는 외경을 가지는 소정 길이의 원통형 코어용 로드(12)로 구성되는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 광섬유 제조용 몰드 및 이 몰드를 이용한 광섬유 제조방법을 사용하면, 코어용 로드를 광섬유 제조용 몰드에 고정 부착시키는 단순한 작업을 통해 이루어짐으로써, 광섬유 모재의 제작 공정이 종래의 방법에 비하여 매우 단순하게 되어 공정중에 개입되는 불순물에 의한 오염 등의 모재의 품질 저하를 막을 수 있을 뿐만 아니라 공정 단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

Description

용융법을 통한 광섬유 모재 제조용 클래드 몰드 및 그 몰드를 이용한 광섬유 모재 제조 방법{Fabrication Method Of Fiber Preform via Melting Process}

본 발명은 광섬유 모재 제조용 몰드 및 그 몰드를 이용한 광섬유 제조방법에 관한 것으로, 특히 용융법에 의한 광섬유 제조시 사용되는 광섬유 모재 제조용 몰드 및 상기 몰드를 이용한 광섬유 제조 방법에 관한 것이다.

광통신 분야에서 매우 유용하게 사용되는 실리카 유리 광섬유는 일반적으로 기상법으로 제조된다. MCVD(modified chemical vapor deposition) 또는 VAD(vertical axial deposition) 방법이 일반적으로 널리 알려진 기상법의 일종이다. 그러나 이러한 기상법을 이용하여 제조할 수 있는 유리의 조성은 실리콘, 게르마늄, 보론, 인, 알루미늄 등에 국한되며 그나마 증착 온도에서 서로 상이한 증기압으로 인하여 실리콘이나 게르마늄 등을 제외한 나머지 성분의 함량을 높일 수 없다는 단점이 있다. 또한 이러한 성분이 다량 함유된, 기상법으로 제조된 광섬유 모재의 품질이 저하되는 단점이 있다.

반면에, 용융법은 다성분계 실리케이트 유리 및 망목 형성제(network former)가 실리카가 아닌 산화물 계열의 유리와 불화물계열, 황화물 계열 및 찰코지나이드 계열의 유리 조성의 광섬유 모재를 제조하는 데 사용된다.

일반적인 광섬유는 굴절율이 서로 다른 코어부와 클래드부로 구분된 구조를 가지고 있으며 이러한 굴절률 차이로 인하여 빛이 코어부만을 도파하게 된다. 즉, 코어부 보다 클래드부의 굴절률이 낮아서 코어부를 진행하는 빛이 클래드부와의 계면에서 전반사가 일어나게 된다. 이러한 굴절률의 차이는 일반적으로 코어부와 클래드부의 조성을 변화시킴으로써 얻어진다. 따라서 용융법을 이용하는 경우, 코어부와 클래드부를 형성하는 유리들을 동일한 도가니를 사용하여 용융할 수 없다.

이하, 용융법을 이용하여 코어/클래드 구조를 갖는 광섬유 모재를 제조하는 기존 방법에 대하여 살펴보도록 한다.

첫째, 미국 특허 제5,879,426호에 개시된 바와 같은 이중 도가니(doublecrucible) 방법이 있는데, 이 방법은 코어부 조성이 담긴 도가니를 클래드부 조성이 담긴 도가니의 중앙부에 위치시키고 동시에 용융하며 각 도가니의 하부에 뚫린 동일 중심축의 노즐을 통하여 코어/클래드 구조를 형성하는 광섬유를 직접 인선하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 장치가 복잡하며 유리 조성의 선택폭이 좁다는 단점이 있으며, 융체에서 직접 광섬유 형태로 가공된다는 점에서 이하 살펴볼 본 발명과는 구별된다.

둘째, 압출(extrusion) 방법이 있다. 이 방법은 클래드 조성의 유리를 압출하여 튜브형태로 가공하는 방법이다. 따라서 복잡한 형태의 압출 장비가 필요하다. 이러한 압출 방법의 예로는 미국 특허 제6,053,012호를 들 수 있다.

세번째 방법으로는 기계 가공 방법이 있다. 이 방법은 우선 봉 형태의 클래드 유리를 제조한 후에 그 중심부를 기계적으로 가공하여 코어부가 들어갈 수 있는 구멍을 가공하는 것이다.

네번째 방법으로 회전주조(rotational casting) 방법이 있다. 이 회전주조 방법에 따르면, 우선 봉 형태의 코어부를 제조하고 이를 단면이 둥근 몰드에 장입한 후 이를 고온에서 회전시키고, 이때 발생하는 원심력을 이용하여 코어부의 중앙에 둥근 구멍을 생성시키는 방법이다. 이 방법은 코어부의 점도 및 회전 속도 등을 엄밀히 조절해야 하는 단점이 있다.

상기 세번째 및 네번째 방법에 관한 예가 J.S. Sanghera 및 I.D. Aggarwal 이 "Journal of Non-Crystalline Solids"지 1999년 통권 256 및 257호 6-16 페이지에 기고한 "Active and passive chalcogenide glass optical fibers for IRapplications: A REVIEW"에 개시되어 있다.

마지막으로 흡입 주조(suction casting) 방법이 있다. 이 방법은 둥근 형태의 몰드에 코어부의 융체를 부을 때, 몰드의 하단에서 진공 흡입기를 이용하여 빨아들임으로써 융체가 굳기 전에 융체의 가운데 부분에 구멍을 형성시키는 방법이다. 이 방법은 재현성이 없을 뿐만 아니라 형성된 구멍이 길이 방향으로 균일하지 못하다는 단점이 있다.

상기한 바와 같이 코어/클래드 구조를 갖춘 비실리카 유리 광섬유용 모재를 제조하는 다양한 방법들은 모두 정교한 장비가 필요하거나 그렇지 않으면 재현성이 없는 등의 문제점을 가진다. 본 발명은 코어가 삽입될 구멍이 형성되기 위한 간단한 몰드를 제공하고, 또한, 이 몰드를 이용하여 손쉽게 클래드용 튜브를 제조한 후, 상기 구멍에 코어용 유리를 삽입하여 광섬유 모재를 제조하는 방법을 제공한다. 이러한 방법을 적용함으로써 종래 방법에 비해 공정 및 비용 관점에서 효율적인 광섬유 모재를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제조 방법에 사용되는 중앙부에 코어부와 형상이 동일한 고체가 위치한 광섬유 제조용 몰드의 단면도;

도 2는 도 1에 도시한 광섬유 제조용 몰드의 사시도; 및

도 3은 상기 도 1에 도시한 광섬유 제조용 몰드로 형성된 광섬유의 클래딩부의 사시도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명

10 : 광섬유 모재 형성용 몰드 11 : 클래드 몰드

12 : 코어 몰드 13 : 공동

30 : 클래드 31 : 코어 삽입 구멍

본 발명에 따른 용융법에 의한 광섬유 모재 제조를 위한 광섬유 제조용 몰드는, 한 쪽 끝단이 폐쇄되어 있고 클래드 지름에 대응하는 내경을 가지는 소정 길이의 파이프 형상의 클래드 몰드(11); 및 상기 폐쇄된 끝 단에 상기 클래드 몰드(11)와 동일 중심축으로 부착되어 있고, 형성될 코어 지름에 대응하는 외경을 가지는 소정 길이의 원통형 코어용 로드(12)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광섬유 제조용 몰드(10)를 이용한 용융법에 의한 광섬유 모재 제조 방법은, 상기 광섬유 제조용 몰드(10)의 공동(13)에 용융 유리를 붓고 응고시키는 클래드 형성 단계; 상기 클래드 몰드(11)를 제거하는 제1 제거 단계; 상기 코어용 로드(12)를 제거하는 제2 제거 단계; 및 상기 제2 제거단계 후 형성된 구멍부(31)에 코어용 봉을 삽입하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 몰드(10)가 도시되어 있고, 도 2는 도 1의 사시도이다. 도 1 및 도 2에서, 클래드 몰드(11) 내부에 코어용 로드(12)가 부착되어 있다. 상기 클래드 몰드(11) 및 코어용 로드(12)는 각각 제조시 원하는 형태의 외부 및 내부 단면 형상을 가지도록 설계할 수 있다. 이렇게 형성된 몰드(10)의 공동(13)에 융체를 붓고 유리상을 형성시킨 후 내부에 있는 코어용 로드(12)를 제거함으로써 클래드용 튜브를 제작하는 것이다. 도 3은 상기 코어용 로드(12)가 제거되어 중앙에 코어 삽입 구멍(31)이 형성된 클래드부(30)를 나타내고 있다.

이하, 본 발명에 따른 몰드(10)의 제조방법 및 상기 몰드(10)를 이용한 광섬유 제조방법을 예를 들어 설명한다.

본 발명에 따른 광섬유 모재 형성용 몰드로 형성된 클래드부(30)는 코어용 유리봉이 중앙부에 삽입될 수 있도록 중앙이 비어있어야 한다. 가운데 부분에 구멍이 뚫린 형태의 클래드용 모재를 제조하기 위하여 본 발명에서는 광섬유 제조용 몰드의 중앙부에 코어가 들어갈 위치에 코어부의 지름에 대응하는 외경을 가진 막대 형상 또는 튜브 형태의 고체를 고정시킨 로드(12)를 사용한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 코어용 로드(12)로서 중앙이 비어있는 튜브 형태를 사용할 수도 있고, 이러한 튜브 형태가 아닌 완전한 원통형태로 형성할 수도 있다.

중앙부에 위치하는 코어용 로드(12)는 클래드부의 유리 조성에 따라 변화할 수 있다. 이러한 형태의 몰드 안에서 출발물질을 용융하고 급냉하여 클래드부를 제조할 수도 있고, 또 다른 방법은 이러한 형태의 몰드에 다른 도가니에서 용융된 융액을 쏟아 부어서 클래드를 제조할 수도 있다. 그리고 나서, 최종적으로 클래드(30)의 중앙부에 위치한 빈 공동(31)에 별도로 제조된 코어부를 삽입하는 것이다.

황화물 계열을 포함하는 찰코지나이드(chalcogenide) 계열의 유리는 일반적으로 실리카 앰퓰(ampoule)에서 출발물질을 칭량하여 장입한 후 이를 용접하여 붙인 상태에서 용융 온도에서 일정 시간 유지하고 급냉하여 유리봉을 제조한다. 이 때, 실리카 앰퓰의 순도가 좋은 경우 찰코지나이드 유리와 실리카는 화학적인 반응을 하지 않을 뿐만 아니라 찰코지나이드 계열 유리의 열팽창 계수가 실리카 유리보다 크기 때문에 두 유리 사이의 계면은 깨끗하게 분리된다. 따라서 기존 클래드용 실리카 앰퓰의 중앙부에 코어부가 삽입될 위치에 코어부의 외부 형태와 동일한 모양의 고체를 형성시키면 되는 것이다. 이러한 앰퓰을 이용하여 기존 방법대로 출발물질을 칭량하여 장입하고 융융한 다음 급냉하여 유리를 제조한 후 가운데 부분의 코어용 로드(12)를 제거하면 된다.

상기 코어용 로드(12)를 제거하는 방법으로는, 기계적으로 밀어낼 수도 있고 화학적으로 에칭할 수도 있으며 적절한 온도로 승온하여 열팽창 계수의 차이로 인하여 발생하는 부피 차이를 이용할 수도 있다.

제작된 클래드용 튜브(30)는 화학적, 기계적 처리를 거친 후 코어용 유리봉과 함께 최종적으로 광섬유 모재가 된다. 이러한 방법의 장점은 공정이 단순하고, 코어부의 외경과 클래드부의 외경의 조절이 쉽기 때문에 한번에 원하는 광섬유의 차단파장(cutoff wavelength)을 맞출 수 있다.

다성분계 실리케이트(multi component silicate) 유리나 텔루라이트 (tellurite) 유리등의 용융점이 낮은 산화물 계열의 유리는 일반적으로 실리카와 화학적으로 반응하기 때문에 실리카 앰퓰을 몰드로 사용할 수 없다. 따라서 몰드 재질로는 비정질 탄소나 그라파이트(graphite) 등과 같은 재질을 사용할 수 있으며 융체와 반응하지 않는 귀금속 소재도 우수한 특징을 나타낸다. 이하, 이러한 재질의 몰드를 사용하는 경우 본 발명의 적용예를 기술한다.

클래드부를 제조하기 위한 몰드는 도 1에 도시된 것과 같은 형태이며 재질만 다르게 된다.

먼저, 텔루라이트 유리 클래드를 제조하는 경우에는 융체를 흘려 넣을 때 바깥으로 새지 않고 몰드내의 공동(13)으로 잘 흘러들어갈 수 있도록 몰드를 수직으로 새우는 것보다는 일정 각도로 기울이는 것이 좋다. 클래드용 유리가 형성된 후, 중앙부에 위치한 로드(12)를 제거하기 위해서는 역시 기계적인 방법을 사용하거나 화학적으로 에칭해서 제거할 수 있다.

한편, 몰드(10)를 일정 각도로 기울여 융체를 흘려 넣을 때, 코어용 로드(12)의 중심축이 기울어지지 않도록 상기 코어용 로드(12)를 지지해주는 지지부재(도시하지 않음)를 사용하는 것이 적절하다.

그리고, 상기 코어용 로드가 기계적이나 화학적인 방법으로 용이하게 제거되지 않는 경우에는 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다. 즉, 클래드부를 길이 방향으로 반으로 절단하여 코어용 로드(12)를 제거한 후, 클래드부를 모양대로 맞춘 상태에서 온도를 올려서 유리의 점성유동을 이용하여 용접하여 클래드용 튜브를 만드는 것이다.

이상에서 설명한 사항은 단지 본 발명의 이해를 위한 예일 뿐으로서, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부한 특허청구범위의 범위 및 정신을 벗어나지 않는 한 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백한 것이다.

본 발명에 따른 광섬유 제조용 몰드 및 이 몰드를 이용한 광섬유 제조방법을 사용하면, 코어용 로드를 광섬유 제조용 몰드에 고정 부착시키는 단순한 작업을 통해 이루어짐으로써, 광섬유 모재의 제작 공정이 종래의 방법에 비하여 매우 단순하게 되어 공정중에 개입되는 불순물에 의한 오염 등의 모재의 품질 저하를 막을 수 있을 뿐만 아니라 공정 단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 용융법에 의한 광섬유 모재 제조 방법에 있어서,

   한 쪽 끝단이 폐쇄되어 있고 클래드 지름에 대응하는 내경을 가지는 소정 길이의 파이프 형상의 클래드 몰드(11) 및 상기 폐쇄된 끝 단에 상기 클래드 몰드(11)와 동일 중심축으로 부착되고, 삽입될 코어 지름에 대응하는 외경을 가지는 소정 길이의 원통형 코어용 로드(12)로 구성된 광섬유 제조용 몰드(10)를 준비하는 단계;

   상기 클래드 몰드(11)와 상기 코어용 로드(12) 사이의 공간에 대응하는 공동(13)에 용융 유리를 붓고 응고시키는 클래드 형성 단계;

   상기 클래드 몰드(11)를 제거하는 제1 제거 단계;

   상기 코어용 로드(12)를 제거하는 제2 제거 단계; 및

   상기 제2 제거단계 후 형성된 구멍부(31)에 미리 제조된 코어용 봉을 삽입하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 용융법에 의한 광섬유 모재 제조 방법,
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제2 제거 단계는, 상기 형성된 클래드를 길이 방향으로 반으로 절단하여 상기 코어용 로드(12) 제거한 후 잘려진 클래드를 원래 모양대로 맞춘 상태에서 온도를 올려서, 절단된 클래드를 용접하여 붙이는 것으로 수행되는 것을 특징으로 하는 용융법에 의한 광섬유 모재 제조 방법,
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 클래드 형성 단계에서, 클래드를 찰코지나이드 계열 유리로 제조할 경우, 상기 광섬유 제조용 몰드는 고순도 실리카 유리나 비정질 탄소 또는 귀금속 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 용융법에 의한 광섬유 모재 제조 방법,
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 클래드 형성 단계에서, 클래드를 용융점이 낮은 산화물 계열의 유리로 제조할 경우, 상기 광섬유 제조용 몰드는 유리 성분과 화학적으로 반응하지 않는 물질로서 바람직하게는 탄소 성분이 다량 함유된 재질이나 일부가 백금 등의 귀금속 재질를 사용하며,

   이 경우, 광섬유 제조용 몰드를 기울여 놓은 상태에서 융체를 흘려 붓는 것을 특징으로 하는 용융법에 의한 광섬유 모재 제조 방법.