KR100408230B1 - 광섬유 모재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 테트라 클로라이드 및 게르마늄 테트라 클로라이드를 사용하여 수정된 화학기상 증착방법에 의해 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 게르마늄 테트라 클로라이드에 따라 주입하는 산소유량을, 반응에 필요한 산소유량 보다 증가시켜서 산화분위기 상태로 반응시키도록 한다. 게르마늄 테트라 클로라이드에 따라 주입하는 산소유량은, 게르마늄과 산소의 비율(Ge/O₂)이 0.024 ~ 0.036 으로 되게 하며, 이때 주입하는 산소유량은, 10 ∼ 12 리터/min 로 되게 한다.

본 발명에 의하면, 산소유량을 변화시킴으로써 게르마늄 테트라 클로라이드의 반응효율을 대폭 개선할 수 있으며, 아울러 광섬유의 품질개선을 위한 제어의 용이함을 통해 광섬유의 품질을 고급화할 수 있다.

Description

광섬유 모재 제조방법{ Method of manufacturing free form of optical fiber }

본 발명은 광섬유 모재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 수정된 화학기상증착공정을 이용하여 광섬유 모재를 제조할 때 주입되는 산소의 량을 통해 반응효율을 조절하여 화학기체의 반응효율 및 길이 방향 품질을 개선하기 위한 광섬유 모재 제조방법에 관한 것이다.

광섬유의 주원료는 실리카(SiO₂)로 구성된 유리재질이며 이를 이루는 재료는 실리카가 가장 많이 사용되고 있다. 또한 광섬유내에 광파워의 대부분이 지나가는 통로인 코아영역은 이를 둘러싸고 있는 클래드 영역보다 굴절률이 높게 구성되어 있다. 이 코아 영역의 굴절률을 높여 주기 위해 가장 많이 사용되는 재질이 게르마늄 옥사이드(GeO₂)이다. 실리카와 게르마늄 옥사이드를 얻기 위한 원재료는 실리카 테트라 클로라이드(SiCl₄)와 게르마늄 테트라 클로라이드(GeCl₄)가 수정된 화학기상 증착과정에서 가장 많이 이용되고 있다. 실리카 테트라 클로라이드는 모래로부터, 게르마늄 테트라 클로라이드는 게르마늄 광석을 이용하여 만들어진다.

전세계적으로 게르마늄은 상당히 희귀한 광석으로 상당한 고가의 광석이다. 따라서, 게르마늄 테트라 클로라이드도 상당히 고가의 물질로서 보석과 같은 물질이라고 할 수 있다. 그러므로 광섬유를 제조하는데 드는 재료비중에 이 게르마늄 테트라 클로라이드가 차지하는 비용은 상당하다. 특히, 싱글모드 광섬유보다 많은 량의 게르마늄을 필요로 하는 멀티 모드 광섬유의 경우 재료비의 대부분을 이 게르마늄이 차지한다고 해도 과언이 아닐 것이다.

도 1은 수정된 화학기상증착법에서의 증착공정에 대한 개략도이다. 도 1을 참조하면 SiCl₄와 GeCl₄가 고온에서 산소와 반응하여 SiO₂+ GeO₂로 산화되어 석영튜브에 붙고 유리화 된다. 이와 같이 수정된 화학 기상증착법으로 광섬유를 제조할 경우 입자들이 반응하여 튜브에 증착되어 진다.

광섬유의 제조는 도 1에 도시된 바와 같이 1300℃ 이상의 고온에서 산화반응으로 형성된 입자들이 열영동에 의해 튜브내벽에 들러붙고, 이를 고온의 토치(3)가 따라 가면서 유리화하는 공정으로 이루어져 있다. 도면에서 도면 번호 1은 SiO₂리치 레이어(rich layer)이고, 4는 튜브내벽에 들러붙는 수트(soot)이다.

이때 주로 사용되는 기체의 반응식은 아래와 같다.

SiCl₄(l) + O₂(g) → SiO₂(s) + 2Cl₂(g)

GeCl₄(l) + O₂(g) → GeO₂(s) + 2Cl₂(g)

위에서 설명한 바와 같이 실리카는 유리의 주된 원료이며 게르마늄은 유리의 굴절률조절을 위해서 많이 사용된다. 산소는 산화반응이 잘 일어나도록 충분한 량을 넣어주는 것이 일반적이다. 염소의 대량발생은 반응효율에 악영향을 미친다.

일반적으로 위와 같은 공정을 진행시킬 때 산소의 유량은 분(min)당 2 -4리터를 흘려주며 광섬유를 제조한다. 산소의 유량은 제조되는 광섬유 모재의 크기에 따라 달라질 수 있다.

그러나, 이렇게 사용되는 기체 중 게르마늄 테트라 클로라이드는 산화반응시의 반응효율이 10 - 13% 밖에 되지 않음에 따라 사용되지 않고 외부로 방출되는 량이 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 공정조건의 변화를 통해 반응효율을 높이고 이러한 반응효율의 조절을 통해 길이방향으로 발생하는 품질 불균일을 제어할 수 있는 광섬유 모재 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 수정된 화학기상 증착방법의 공정도.

도 2는 수정된 화학기상증착공정에서의 온도변화 및 공정진행에 따른 SiO₂및 GeCl₄의 반응률 변화 그래프.

도 3은 수정된 화학기상증착공정에서 튜브 길이방향에 따른 반응된 입자들의 증착공정도.

도 4는 본 발명에 따른 산소유량에 따른 GeO₂의 몰분율 변화 그래프.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 테트라 클로라이드 및 게르마늄 테트라 클로라이드를 사용하여 수정된 화학기상 증착방법에 의해 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 게르마늄 테트라 클로라이드에 따라 주입하는 산소유량을, 반응에 필요한 산소유량 보다 증가시켜서 산화분위기 상태로 반응시키도록 되어 있다. 게르마늄 테트라 클로라이드에 따라 주입하는 산소유량은, 게르마늄과 산소의 비율(Ge/O₂)을 0.024 ~ 0.036 으로 되게 하며, 이때 주입하는 산소유량은, 10 ∼ 12 리터/min로 주입하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 광섬유 제조에 주로 사용되는 SiCl₄및 GeCl₄의 반응효율을 진행공정에서의 증착온도 변화에 따라 그리고 증착층의 변화에 따라 변화하는 형태를 도시한 개략도이다. 도 2에서 C1은 SiCl₄의 반응률을 나타내는 특성곡선이고, C2는 증착초반의 GeCl₄반응률을 나타내는 특성곡선이고, C3은 증착후반의 GeCl₄의 반응률을 나타내는 특성곡선이다.

도 2를 참조하면 SiCl₄와 GeCl₄가 고온에서 산소와 만나 SiO₂, GeO₂로 산화되는 반응률이 온도에 따라 변화한다. SiCl₄는 일정온도 이상에서 100% 산화반응을 일으키지만 GeCl₄는 온도에 따라 그 반응률이 변함을 볼 수 있다. 이와 같이 증착온도에 따라 층간 변화에 따라 반응효율이 변화한다.

도 3은 튜브내로 유입된 기체들의 반응형태를 길이방향으로 나타낸 개략도이다. 도시된 바와 같이 석영유리관 튜브내에 SiCl₄, GeCl₄, O₂, He등의 화학기체를 주입하면, 석영유리관 튜브내로 유입된 기체들이 산소와 만나 고온산화반응을 일으켜 입자가 생성되고 이 생성된 입자들이 석영유리관 튜브내벽에 들러붙는다.

반응식 2에서 볼 수 있는 게르마늄 테트라 클로라이드의 반응은 게르마늄 테트라 클로라이드는 실리콘 테트라 클로라이와는 달리 온도와 화학반응시의 분위기에 따라 역반응이 상당량 발생할 수 있으며, 그 주어진 조건에 상당량 의존한다. 게르마늄 테트라 클로라이드의 평형상수를 알아보면 다음과 같다.

X_GeO2= P_GeCl4·P_O2/ P_Cl2 ²

반응식3에서 X_GeO2는 GeO₂의 몰분율이고, P_X는 X 화합물의 초기분압을 나타낸다. 이 식에 의하면 게르마늄 옥사이드의 몰분율은 반응온도에 의존할 뿐만 아니라, 주어진 반응분위기 즉, 유입되는 산소유량 및 발생되는 염소량에 상당량 의존한다는 것을 알 수 있다.

본 발명에서는 이러한 이론식을 바탕으로 유입되는 산소량을 제어함으로써 게르마늄 테트라 클로라이드의 반응효율을 증가시킨다. 여기서 반응으로 생성되는 염소의 량은 우리가 제어할 수 없는 인자로 볼 수 있다.

따라서, 기존에 사용되던 산소유량(2-4리터/min)을 10 - 12리터/min으로 늘려 게르마늄 테트라 클로라이드의 반응효율을 대폭개선하도록 한다. 또한 종래에는 광섬유내의 굴절률 조절을 위해서는 게르마늄 테트라 클로라이드의 유량을 변화시켜 제어하였으나, 본 발명에서는 산소의 유량을 통해서 굴절률을 제어할 수 있도록 함으로써 광섬유를 제조할 때 그 제어를 용이하게 할 수 있다.

광섬유 제조시 빛이 지나가는 길을 만들어 주기 위해 일정한 크기의 굴절률을 만들어 주어야 한다. 이때 사용되는 첨가물로서 GeO₂가 가장 많이 사용된다. 그러나 GeCl₄의 반응률이 온도에 따라, 반응 분위기에 따라 변하므로 예측한 대로 증착이 이루어지기는 상당히 힘들다. 따라서 원하는 크기의 굴절률 얻기란 쉽지 않다. 굴절률을 원하는 크기로 보정하기 위해 GeCl₄를 더 넣어주거나 적게 넣어주는 과정을 거치지만 GeCl₄는 상당히 고가이고 또한 이를 예측하기란 쉽지않다.

따라서, 반응분위기를 산화분위기로 충분히 만들어 주어 GeCl₄의 온도에 따른 반응률 변화를 최소화 하고 기존보다 반응률을 높이는 방법을 택하여 원하는 높이의 굴절률을 얻을 수 있고, 또한 길이방향으로 발생할 수 있는 굴절률 크기의 변화를 제어할 수 있다.

도 4는 유입되는 산소의 유량에 따른 GeCl₄의 반응정도를 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, GeCl₄가 고온산화반응으로 GeO₂로 변화되는 량을 GeCl₄를 고정하고 산소유량을 바꿔가면서 GeO₂의 생성률을 실험하였다. 그래프에서 보는 바와 같이 튜브내로 유입되는 산소의 유량을 변화시킬 경우 GeCl₄의 반응효율이 변화하였으며, 산소유량이 증가함에 따라 GeCl₄의 반응효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

주입하는 산소의 양에 대하여는 종래와 본 발명을 비교하면 보면, 종래의 경우, Ge/O₂= 0.093 ~ 0.258 로 하였으며, 이에 따라 기존에 사용하던 산소유량은 3~4리터/min을 사용하여 왔으며, 필요시에는 GeCl₄유량을 바꿔주면서 굴절률을 조절하였다.

그러나, 본 발명에 따라 주입하는 산소량의 조절을 통해 반응효율을 증가시키기 위해서는 Ge/O₂= 0.024 ~ 0.036 으로 하는 것이 가장 바람직하다. 이를 위해 본 발명의 실시예에서는 GeCl₄유량을 기존과 동일하게 사용하고, 산소유량을 10 ~ 20리터/min으로 조절하면서 GeCl₄의 반응률을 보상한 결과, 기존의 GeCl₄반응률 10 ~ 12%를 15 ~ 22.5%까지 끌어올릴 수 있었다.

본 발명에 의하면, 산소유량을 변화시킴으로써 게르마늄 테트라 클로라이드의 반응효율을 대폭 개선할 수 있으며, 아울러 광섬유의 품질개선을 위한 제어의 용이함을 통해 광섬유의 품질을 고급화할 수 있다.

예를 들어 산소의 유량을 2리터/min에서 12리터/min으로 늘려줄 경우 게르마늄 테트라 클로라이드에서 게르마늄 옥사이드로 변화되는 량은 유입량의 10%에서 25%까지 늘어났으며, 이러한 반응효율의 개선을 통해 상당한 원가절감을 가져올 수 있었다. 특히, 게르마늄 테트라 클로라이드를 상당량 필요로 하는 멀티모드 광섬유에 있어서는 향상된 효과가 있다.

또한, 게르마늄 테트라 클로라이드의 제어만을 통해 굴절률을 제어하는 것을 산소유량으로도 제어할 수 있게 됨으로써 광섬유의 고급화를 가져올 수 있었다. 특히 광섬유 모재의 시단부보다는 종단부 제어에 상당한 효과를 가져오며, 이를 통해 수율 개선의 이중효과도 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 실리콘 테트라 클로라이드 및 게르마늄 테트라 클로라이드를 사용하여 수정된 화학기상 증착방법에 의해 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 게르마늄 테트라 클로라이드에 따라 주입하는 산소유량을, 반응에 필요한 산소유량 보다 증가시켜서 산화분위기 상태로 반응시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 게르마늄 테트라 클로라이드에 따라 주입하는 산소유량은, 게르마늄과 산소의 비율(Ge/O₂)을 0.024 ~ 0.036으로 하도록 된 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 주입하는 산소유량은, 10 ∼ 12 리터/min 로 주입하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.