KR100390329B1 - 광섬유 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 제조 방법에 관한 것으로, 용융-급랭법에 의해 분말상의 유리 원료를 조합하여 배치를 제조하고 배치를 용융한 후 성형 및 서냉 처리하여 코어 유리봉을 제조하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 인장력을 가하여 길이 방향으로 연신하여 원하는 직경을 갖는 코어 유리봉을 제조하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 코어용 유리봉의 상부 및 하부 고정구를 포함하는 구조를 가진 몰드의 중심에 상하부 고정 장치를 이용하여 고정하고 용융된 클래딩 유리의 융액을 몰드에 부은 후 서냉 처리하여 광섬유 모재를 제조하는 제 3 단계와, 상기 제 3 단계에 의해 제조된 상기 광섬유 모재를 광섬유 인발 장치를 이용하여 모재 선단을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 연화되어 낙하하는 유리 섬유를 고속 인발하면서 피복용 수지를 피복하고 경화하여 광섬유를 제조하는 제 4 단계를 포함하여 이루어져, 종래의 방법에 비해 제조 공정이 간단하고 코어/클래딩의 반경비를 용이하게 조절할 수 있으며, 코어/클래딩 계면에 기포 및 미세 결정 등의 결함 발생을 극소화 할 수 있는 광섬유 제조 방법이 제시된다.

Description

광섬유 제조 방법{Method of manufacturing an optical fiber}

본 발명은 광섬유 제조 방법에 관한 것으로, 특히 변형된 화학증착법(MCVD)이나 기상 축 증착법(VAD) 등의 기상법을 이용하여 제조할 수 없는 저융점 특수 유리 광섬유 모재 및 그를 이용한 광섬유를 제조하는데 있어서 용융-급랭법을 이용하여 종래의 제조 방법에 비해 제조 공정이 간단하고 코어/클래딩의 직경비를 용이하게 조절하며 코어-클래딩 계면에 기포 및 미세 결정 등의 결함 발생을 극소화하여 고품질의 저융점 특수 유리 광섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

광신호를 전송하기 위한 섬유인 광섬유의 일반 섬유와 다른 구조적인 특성은 상대적으로 굴절률이 높은 물질로 이루어진 원통형의 코어와 코어보다 굴절률이 낮고 코어를 둘러싼 튜브형 클래딩의 이중 구조로 이루어진 것이다. 광신호는 대부분 코어를 통하여 도파하며 단일 모드의 광신호가 도파하기 위해서는 코어와 클래딩의 굴절률차 및 반경비를 조절하여야 한다. 광신호가 광섬유를 통과하면서 전송될 때 필연적으로 광손실이 일어나게 된다. 광손실은 레일레이 산란 및 브릴루앙 산란과 같은 물질 내적인 원인에 의하여 발생하기도 하지만 광섬유 물질 내의 불순물, 기포, 코어/클래딩 계면의 불균일성 등의 외부적인 요인에 의해 발생하는 광손실이 광섬유 전체의 손실을 결정하는 주요 요인이다.

일반적인 저융점 유리의 광섬유 모재의 제조 방법으로는 빌드-인 캐스팅 (Build-in casting) 법, 회전 캐스팅(Rotational casting) 법, 흡입 캐스팅(Suction casting) 법, 압출(Extrusion) 법, 로드-인-튜브(Rod-in-tube) 법등이 있다. 빌드-인 캐스팅 법은 클래딩 유리를 원통형 몰드에 붓고 중심 부위가 완전히 고화하기 전에 뒤집어 중심부의 일부 유리를 쏟아 내어 코어용 공극을 형성하고 공극에 코어용 유리를 채워 모재를 제조하는 방법이다. 회전 캐스팅 법은 클래딩 유리를 수평 회전할 수 있는 원통형 몰드에 붓고 유리가 연화된 상태에서 수평으로 고속 회전하여 원심력에 의해 중심부 내공을 형성하여 고화하고, 그후 내공에 코어용 유리를 채워 모재를 제조하는 방법이다. 흡입 캐스팅 법은 클래딩 유리를 원통형 몰드에 붓고 유리가 완전히 고화하기 전에 클래딩 유리 상부에 코어 유리를 부어 넣으면 유리가 냉각될 때 중심부에 공극이 형성되면서 상부의 코어 유리가 자연적으로 중심부로 채워지는 것을 이용한 모재 제조 방법이다. 압출법은 다이와 접한 면에 클래딩 유리를 놓고 그 후면에 코어 유리를 접하여 놓은 다음 유리가 적당한 점도로 연화하도록 가열하고 피스톤 등으로 압출하면 후면에 접한 코어 유리가 클래딩 유리의 중심부로 삽입되면서 압출되는 것을 이용한 모재 제조 방법이다. 로드-인-튜브 법은 직경이 큰 클래딩 튜브와 직경이 작은 코어 유리봉을 따로 준비하고 중심에 코어 유리봉의 외경보다 직경이 조금 큰 구멍을 가진 클래딩용 튜브에 코어 로드를 끼워 가열하여 합체하거나 광섬유로 바로 인발하는 방법이다.

현재 전송용 광섬유의 대부분을 차지하고 있는 실리카계 광섬유는 기상법을 사용하여 매우 순수한 원료를 사용하며 제조 공정 중 외부 물질의 영향을 거의 받지 않는다. 이에 비해 용융-급랭법으로 제조되는 규산염 유리, 텔루라이트 유리,중금속 산화물 유리, 불화물 유리, 불소 산화물 유리, 찰코지나이드 유리 등의 저융점 유리를 소재로 한 광섬유는 모재를 제조하는 용융 및 성형 과정에서 코어/클래딩 계면 등에 기포 등의 불순물이 침입하기 쉽다. 또한, 용융-급랭법으로 제조되는 저융점 유리의 광섬유 모재는 코어와 클래딩의 굴절률차 및 반경비를 조절하기가 매우 어렵다.

일반적으로 실리카계의 단일 모드 광섬유는 코어/클래딩 굴절률차가 약 0.35%이고, 코어 직경이 8㎛, 클래딩 직경이 125㎛로, 코어/클래딩 반경비는 약 1/15이다. 기상법으로 제조하는 실리카계 광섬유 모재와는 달리 용융-급랭법으로 제조하는 저융점 유리 광섬유 모재에서 코어/클래딩의 굴절률차를 0.35% 이하로 조절하는 것은 매우 어렵다. 따라서 코어/클래딩의 반경비를 1/15 이하로 조절해야 하는데, 종래의 제조 방법으로는 이것을 달성하기가 매우 어렵거나 공정이 복잡하여 재현성이 떨어지게 된다. 빌드-인 캐스팅 법과 흡입 캐스팅 법은 기본적으로 코어의 반경을 임의로 조절하기 매우 어렵고, 또한 형성된 코어의 모양이 원추형으로 되어 있어 원하는 반경비를 갖는 부위가 매우 좁아 충분히 길고 원하는 코어/클래딩 반경비를 갖는 광섬유를 제조하기 위한 재현성 있는 공정을 확립하기에 부적절하다. 압출법 또한 원하는 코어/클래딩 반경비를 갖는 광섬유 모재를 제조하기에는 부적절한 방법이다. 회전 캐스팅 법은 코어의 반경을 일정하게 조절할 수는 있으나 코어/클래딩 반경비를 1/15 이하로 맞추기 위해서는 용융-급랭법으로 제조되는 저융점 유리 모재의 외경이 일반적으로 10∼15㎜이므로 코어 유리를 부어 넣기 위한 클래딩 유리봉의 구멍 직경이 1㎜ 이하가 된다. 따라서, 실질적으로 유리를 부어넣기가 매우 어렵고 코어 유리가 주입되는 과정에서 코어/클래딩 계면에 기포가 형성되기 쉽다. 또한, 회전 원심력에 의해 형상이 유지되는 온도 범위는 대부분의 광섬유용 저융점 유리의 경우 결정화가 매우 잘 일어나는 온도 영역이어서 비교적 긴 시간을 필요로 하는 성형 공정에서 모재에 결정화가 일어날 가능성이 매우 높은 단점이 있다. 로드-인-튜브 법은 코어용 로드와 클래딩용 튜브를 따로 성형하여 합체하는 과정을 거쳐야 하는데, 일반적으로 저융점 유리는 유리 전이 온도 이상으로 가열되면 유리의 점도가 급격히 감소하기 때문에 합체 과정에서 형상을 유지하기 어렵고, 코어/클래딩 계면에 기포가 포획되기 쉽다. 로드-인-튜브 법으로 광섬유 모재를 제조하기 위해서는 코어용 로드의 외경과 클래딩용 튜브의 내경이 모재 길이 방향 전체를 통해서 균일하게 공차 조절이 되어야 하는데 캐스팅이나 연신 등의 일반적인 유리 가공으로는 로드-인-튜브 법에서 요구되는 치수 정밀도를 맞추기 어렵고, 저융점 유리의 특성상 정밀한 기계 가공이 매우 어려우며, 깨어지기 쉬워 균일한 광섬유 모재 제작이 어렵다.

본 발명의 목적은 용융-급랭법으로 제조되는 규산염 유리, 텔루라이트 유리, 중금속 산화물 유리, 불화물 유리, 불소 산화물 유리, 찰고지나이드 유지 등의 저융점 유리의 종래의 광섬유 제조 방법의 문제점인 모재 제조 공정에서 코어/클래딩 반경비의 조절의 어려움과 코어/클래딩 계면의 불순물 침입을 해결할 수 있는 저융점 유리를 소재로 한 광섬유 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저융점 유리를 소재로 한 광섬유 모재 제조 공정에서 클래딩 캐스팅 공정에 사용하는 특수 몰드의 구조도.

도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 저융점 유리를 소재로 한 광섬유 모재 제조 공정에서 클래딩 캐스팅 공정에 사용하는 특수 몰드의 구조도 및 그 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 원통형 몰드 12 : 상부 고정구

13 : 하부 고정구 21 : 몰드 본체

22 : 상부 고정구 23 : 하부 고정구

24 : 주입구

본 발명에 따른 광섬유 제조 방법은 용융-급랭법에 의해 분말상의 유리 원료를 조합하여 배치를 제조하고 배치를 용융한 후 성형 및 서냉 처리하여 코어 유리봉을 제조하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 인장력을 가하여 길이 방향으로 연신하여 원하는 직경을 갖는 코어 유리봉을 제조하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 코어용 유리봉의 상부 및 하부 고정구를 포함하는 구조를 가진 몰드의 중심에 상하부 고정 장치를 이용하여 고정하고 용융된 클래딩 유리의 융액을 몰드에 부은 후 서냉 처리하여 광섬유 모재를 제조하는 제 3 단계와, 상기 제 3 단계에 의해 제조된 상기 광섬유 모재를 광섬유 인발 장치를 이용하여 모재 선단을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 연화되어 낙하하는 유리 섬유를 고속 인발하면서 피복용 수지를 피복하고 경화하여 광섬유를 제조하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 다음과 같은 3단계의 공정을 거쳐 광섬유 모재를 제조한다.

첫번째 공정은 코어용 유리봉을 제조하는 공정이다. 일반적인 용융-급랭법에 따라 분말상의 유리 원료를 원하는 비율로 계량하고 혼합하여 배치를 만들고 배치를 도가니에 넣어 가열 장치를 이용하여 고온에서 용융한다. 유리 재료로는 텔루라이트 유리, 중금속 산화물 유리, 불화물 유리, 불소 산화물 유리, 찰코지나이드 유리, 붕산염 유리, 규산염 유리를 포함하는 비실리카계 저융점 유리를 포함한다. 한편, 용융 과정에서 융액에 미세 기포가 잔류하지 않도록 융액과 반응하지 않는 재료의 교반기로 교반하여 주는 것이 좋다. 용융이 균일하게 이루어졌으면 적당한 온도까지 융액을 냉각한 후 원통형의 몰드에 캐스팅하여 유리봉을 성형한다. 성형된 유리봉은 유리 전이 온도(glass transition temperature) 보다 약간 높은 온도로 재가열하여 내부 스트레스를 소멸시킨 후 서서히 냉각하여 코어용 유리봉을 제작한다.

두번째 공정은 상기와 같은 공정에 의해 제작된 코어용 유리봉을 연신 공정에 의해 원하는 직경을 가진 유리봉으로 가늘게 연신하는 공정이다. 연신 공정은 광섬유 인발 장치와 유사한 연신 장치를 이용하여 코어용 유리봉의 일부를 유리 전이 온도 이상으로 가열하여 잡아 당김으로써 이루어진다.

세번째 공정은 상기와 같은 공정에 의해 연신되어 원하는 직경을 가진 코어용 유리봉에 클래딩 유리를 덧씌우는 공정이다. 도 1에 도시한 바와 같이 원통형 몰드(11) 중심에 코어용 유리봉을 고정한 상태로 클래딩 유리 융액을 캐스팅할 수 있도록 코어용 유리봉의 상부 고정구(12) 및 하부 고정구(13)를 포함하는 특수 구조로 제작된 몰드의 중심부에 원하는 직경으로 연신된 코어용 유리봉을 고정하고 일반적인 용융법에 의해 용융된 클래딩용 유리 융액을 특수 몰드에 캐스팅한 후 서냉하여 저융점 유리 광섬유 모재를 완성한다.

세번째 공정인 클래딩 캐스팅 공정은 본 발명의 핵심적인 공정으로 코어/클래딩 계면에 기포 등의 이물질이 포획되지 않도록 매우 정밀하게 공정을 제어하고특수한 몰드를 사용하여야 한다. 클래딩 캐스팅 공정에 사용할 수 있는 특수 몰드는 우선 그 재질을 유리 융액과 반응이 없고 젖음성이 작은 즉 젖음각(wetting angle)이 큰 소재를 사용하여야 한다. 또한 특수 몰드는 가열 장치를 이용하여 필요한 온도로 몰드 전체가 균일하게 온도 조절되어야 한다. 몰드의 온도는 제조하고자 하는 유리 조성의 유리 전이 온도와 그보다 150℃ 정도 낮은 온도 사이에서 최적의 온도로 제어한다. 캐스팅하는 클래딩 유리 융액의 온도는 클래딩 유리 조성의 녹는점(melting point) 보다 50∼350℃ 높은 온도에서 최적의 온도를 결정한다. 몰드의 온도 및 캐스팅하는 클래딩 유리 융액의 온도는 코어 및 클래딩 유리 조성과 코어 유리봉의 직경에 따라 적절히 조절하여야 한다. 몰드와 융액의 온도가 너무 높으면 중심에 고정된 코어 유리가 캐스팅 도중에 녹거나 변형되어 정상적인 광섬유 모재로 제작할 수 없다. 또한 몰드와 융액의 온도가 너무 높으면 캐스팅 도중에 결정화가 일어날 가능성이 높다. 반대로 몰드의 온도가 너무 낮으면 일반적으로 온도에 따른 점도 변화가 급격한 저융점 유리를 성형할 때 균열이 발생하기 쉽다. 한편, 융액의 온도가 너무 낮으면 융액의 점도가 높아 정상적으로 캐스팅하기 어렵고 성형 후 균열이 발생하거나 모재 내부 및 표면에 큰 공극(void)을 형성하게 된다.

중심에 유리봉이 고정된 상태에서 클래딩 유리 융액을 몰드에 부어 넣는 것은 용이한 일이 아니다. 코어 유리봉과 고정 장치로 인하여 도가니에서 융액을 부어 넣는데 방해를 받고 기포가 융액에 딸려 들어갈 수 있는 원인을 제공한다. 또한 캐스팅 할 때 코어 유리봉을 감싸는 융액의 양, 온도 차, 흐름 등에 의하여 상부의코어 유리봉이 변형되기 쉽다. 따라서, 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이 원통형 유리봉을 성형할 수 있는 몰드 본체(21)와 코어용 유리봉의 상부 고정구(22) 및 하부 고정구(23)와 몰드 본체(21)의 하부 구멍으로 연결되며 별도의 주입구(24)를 통해 클래딩 유리를 캐스팅할 수 있는 구조의 특수 몰드를 이용하여 캐스팅하는 융액이 몰드 내부에 가득찬 상태로 하부로부터 상승하여 캐스팅을 완료하도록 하는 것이 보다 용이하고 안전하게 저융점 유리 광섬유 모재를 제작하는 방법이다. 융액이 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같은 특수 몰드를 이용하여 하부로부터 상승하면 기포가 포획될 가능성이 매우 적고 코어 유리봉이 아래 쪽에서부터 가열되고 융액에 의해 코어 유리봉에 걸리는 하중이 연화 부위에 적게 걸리게 되므로 코어 유리봉이 변형될 가능성이 적어진다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같은 특수 몰드에서 중심의 코어 유리봉을 고정하는 장치는 고온에서 유리 융액과 반응하지 않고 변형되지 않도록 충분한 고온 강도를 나타내어야 한다.

완성된 모재는 광섬유 인발 장치를 이용하여 모재 선단을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 연화되어 낙하하는 유리 섬유를 캡스탄 등으로 고속 인발하면서 피복용 수지를 피복하고 경화하여 광섬유를 제조한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의해 저융점 유리 광섬유 모재를 제조하면 종래의 방법에 비해 코어/클래딩 반경비를 조절하기 용이하다. 코어의 직경은 광섬유 인발 장치와 유사한 유리봉 연신 장치를 이용하여 하부 연신 롤러의 회전 속도와상부 유리봉 투입기의 진입 속도를 상대적으로 조절하면 원하는 대로 제어할 수 있다. 일반적으로 저융점 유리 광섬유 모재의 길이가 150㎜ 이내 이므로 한 개의 유리봉에서 여러 개의 코어용 유리봉을 제조할 수 있게 된다. 또한, 클래딩의 직경은 세번째 공정인 클래딩 캐스팅 공정에 사용하는 특수 몰드의 내경을 조절함으로써 쉽게 제어할 수 있다. 그리고, 본 발명은 종래의 방법에 비해 코어/클래딩 계면에 기포가 포획될 확률이 적다. 종래의 방법에서는 저융점 유리의 온도에 대한 점도 변화가 심하고 정밀한 기계 가공이 어려워 많은 외부 인자에 의해 코어 크기 및 형상이 변하므로 재현성 있는 공정 제어가 어려운 반면 본 발명의 방법은 기계 가공이 필요 없고 공정이 간단하며 공정을 제어하는 공정 인자가 적고 제어하기 쉬워 재현성이 좋은 장점이 있다.

Claims (6)

1. 용융-급랭법에 의해 분말상의 유리 원료를 조합하여 배치를 제조하고 배치를 용융한 후 성형 및 서냉 처리하여 코어 유리봉을 제조하는 제 1 단계와,

   상기 제 1 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 인장력을 가하여 길이 방향으로 연신하여 원하는 직경을 갖는 코어 유리봉을 제조하는 제 2 단계와,

   상기 제 2 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 코어용 유리봉의 상부 및 하부 고정구를 포함하는 구조를 가진 몰드의 중심에 상하부 고정 장치를 이용하여 고정하고 용융된 클래딩 유리의 융액을 몰드에 부은 후 서냉 처리하여 광섬유 모재를 제조하는 제 3 단계와,

   상기 제 3 단계에 의해 제조된 상기 광섬유 모재를 광섬유 인발 장치를 이용하여 모재 선단을 유리 전이 온도 이상으로 가열하고 연화되어 낙하하는 유리 섬유를 고속 인발하면서 피복용 수지를 피복하고 경화하여 광섬유를 제조하는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 원료는 비실리카계 저융점 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 비실리카계 저융점 유리는 텔루라이트 유리, 중금속 산화물 유리, 불화물 유리, 불소 산화물 유리, 찰코지나이드 유리, 붕산염 유리, 규산염 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 몰드는 상기 클래딩 유리의 유리 전이 온도와 그보다 150℃ 낮은 온도 사이에서 최적의 온도를 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는 상기 제 2 단계에 의해 제조된 상기 코어 유리봉을 원통형 유리봉을 성형할 수 있는 몰드 본체와 상기 코어 유리봉의 하부 및 상부 고정구와 몰드 본체의 하부 구멍으로 연결되며 별도의 주입구를 통해 클래딩 유리를 캐스팅할 수 있는 구조를 가진 특수 몰드에 용융된 클래딩 유리의 융액을 유입시킨 후 서냉 처리하여 광섬유 모재를 제조하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 클래딩 유리 융액은 주입구를 통해 상기 몰드의 하부로부터 상부로 올라와 성형되는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.