KR100426394B1 - 외부증착공법을 이용한 대형 프리폼 제조시에 증착입자를제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

외부증착공법을 이용한 대형 프리폼 제조시에 증착입자를제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

외부증착공법을 이용한 프리폼 제조시에, 변화되는 프리폼의 외경에 따라 화염조건을 조절하여 증착입자를 제어하는 방법은, 상기 프리폼의 양단에 설치된 단수 또는 복수의 센서부에 의해 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하는 단계; 프리폼의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 단계; 및 상기 제어신호에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 연소가스 중 수소와 산소의 질량흐름을 제어할 수 있다.
또한, 상기한 본 발명에 따른 제어방법을 구현하는데 필요한 제어장치는 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하기 위해 상기 프리폼의 양단에 설치된 단수 또는 복수의 센서부; 프리폼의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 주제어장치; 및 상기 제어신호에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어하는 질량흐름제어기를 포함한다. 또한, 상기 센서부는 발광소자와 이 발광소자에 대향되도록 프리폼 반대편에 설치된 수광센서로 구성된다.
본 발명에 따른 제어방법 및 장치에 의하면, 프리폼이 성장함에 따라 입자형성에 중요한 인자인 화염조건을 결정하는 연소가스의 질량흐름을 제어하여, 반경방향에 따라 증착입자크기는 증가시키는 반면, 증착밀도는 감소시킬 수 있다. 이와 같이 증착입자크기 및 밀도 구배(gradient)를 부여함으로써 프리폼 소결과정 중에원활하게 불순물을 제거하여 불완전 소결 또는 균열 발생을 방지할 수 있다.

Description

외부증착공법을 이용한 대형 프리폼 제조시에 증착입자를 제어하는 방법 및 장치 {The controlling method and device of deposition paricle in farbricating large preform by outside vapor deposition}
본 발명은 광섬유 제조공법 중 하나인 외부증착(Outside Vapor Deposition, OVD) 공법을 이용한 대형 프리폼 제조시에 증착입자를 제어할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 상기 외부증착공법을 이용한 프리폼 제조시에, 변화하는 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하고, 이러한 프리폼의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하여, 이에 따라 상기 연소가스의 질량흐름을 제어함으로써 증착입자크기와 증착밀도를 제어할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유라 함은 빛의 전송을 목적으로 하는 섬유 모양의 도파관(導波管)을 말하며, 이 광섬유를 여러 가닥 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라 한다. 광케이블을 이용하여 정보를 교환하는 광통신은 동축케이블에 의한 전기통신에 비해 수만배의 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 전파 및 자기장의 영향을 전혀 받지 않아 정보의 전송상태가 양호하므로 현재 그 사용이 증가되고 있는 추세이다.
광섬유는 합성수지를 재료로 하는 것도 있으나, 주로 투명도가 우수한 유리로 만들어진다. 광섬유의 구조는 보통 중앙의 코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중원기둥 모양을 하고 있으며, 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있어서, 빛이 코어와 클래딩의 접촉면에서 전반사된다. 따라서, 빛이 코어 부분 내로 제한되어 직진할 수 있게 된다.
광섬유 제조과정은 먼저 프리폼(preform)이라고 하는 직경 1cm 내외의 봉을 광섬유의 구성과 동일하게 만든 다음, 이 프리폼으로부터 약 직경 125㎛의 가는 광섬유를 인발하고, 이어서 코팅 및 칼라링 작업을 통해 광섬유 제조가 완성된다.
이와 같이, 광섬유를 제조하기 위해서는 먼저 프리폼의 제조가 선행되어야 하는 바, 이러한 프리폼 제조공법에는 크게 외부증착(Outside Vapor Deposition, OVD) 공법, 축증착(Axial Vapor Deposition, AVD) 공법, 수정된 화학증착(Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD) 공법이 있다.
본 발명에서 예시하고 있는 외부증착공법은 증착율이 높고 프리폼을 크게 만들 수 있는 장점이 있으며, 토치로부터 분사된 연소가스인 H2, O2등이 연소하여 이들과 함께 생성 분출된 SiCl4, GeCl4등의 산화 및 가수분해에 의해 발생한 SiO2, GeO2등의 입자를 회전하는 모봉에 증착시키는 공정이다.
프리폼을 생성하는 주입자인 SiO2는 원료가스 SiCl4가 CH4/O2연소 생성물인 H2O와의 가수분해반응을 거쳐 만들어 지거나 1100℃ 이상에서 운반기체 O2와의 직접적인 산화반응으로 0.1㎛ 정도의 크기로 형성된다. 이때 SiO2는 충돌, 응집 등의과정을 거쳐 직경 0.2 ~ 0.5㎛ 정도의 구형입자가 되어 회전하는 모봉에 증착된다.
SiCl4+ 2H2O ------> SiO2+ 4HCl (가수분해반응)
SiCl4+ 2O2------> SiO2+ 2Cl2(산화반응)
외부증착공법에서 입자증착은 일반적으로 원형의 화염발생장치에서 분사되는 미세한 SiO2등의 입자 및 고온의 공기가 상대적으로 저온의 모봉에 충돌함으로서 이루어지는데, 입자증착에 관한 메카니즘은 열영동(Thermophoresis)으로서 미세한 입자가 온도구배(ΔT )가 있는 기체 중에 있을 때 그 입자와 기체 분자와의 운동량 교환으로 입자가 온도(T)가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하여 증착하는 것을 말하며 열영동의 속도(Vt)는 다음식과 같다.
Vt = -(Kv/T) ΔT Kv : 열영동 상수
따라서, 온도구배가 입자증착에 큰 요인임을 알 수 있으며, 버너에서 분출되는 수소와 산소의 연소로 인하여 버너 표면 근처에서 SiCl4의 산화반응과 화염에 의한 가수분해가 일어나 SiO2입자가 생성되며, 이 입자들은 버너에서 분출되는 고온의 가스와 함께 움직이다가 모봉에 증착된다. 열영동에 의한 입자증착은 유동 및 온도장에 의해 결정되며 유동 및 온도장 또한 실린더의 온도에 따라 달라진다.
각 패스(pass)마다 원료가스 SiCl4, GeCl4등의 조성을 변화시켜 원하는 굴절율 분포를 갖도록 하며, 원하는 증착두께가 되면 모봉을 프리폼으로부터 분리시키고 1400 ~ 1600 ℃의 온도를 유지하는 로(Furnace)에서 건조 및 소결시킴으로써 프리폼 제조가 완성된다.
이러한 프리폼 제조 공정에 있어서 종래기술은, 대한민국 특허 출원번호 제1999-0020060호에서 제안하고 있는 바와 같이 증착과정에서 연소가스인 수소와 산소의 비율을 반응이 끝날 때까지 일정하게 유지하여 증착밀도를 균일하게 하고, 프리폼과 버너간의 간격을 일정하게 유지하여 증착입자크기를 균일하게 하는 것이였다.
도 4a와 도 4b는 이러한 종래기술에 의한 증착상태를 나타내는 그래프이다. 도 4a는 공정진행에 따른 증착밀도가 일정함을 보여주고 있으며, 도 4b는 반경방향으로 증착입자크기가 일정함을 보여주고 있다.
전술한 바와 같이, 외부증착공법에서는 소결과정이 반드시 필요하며 증착 프리폼은 소결과정에서 부피 및 길이가 20 ~ 30％ 가량 수축되는 등 물리적 또는 화학적으로 큰 변화가 일어나며, 이러한 과정 중에 증착시 프리폼에 다량 함유되는 불순물 즉, 수산화이온(OH) 및 기포 등을 적당한 분위기 가스로 제거하는 과정이 필요하다. 그러나, 균일한 증착밀도 및 입자크기를 가지는 종래의 기술에 의하면 프리폼이 대형화 될수록 중심부의 기공에 존재하는 불순물이 상대적으로 갇힌 상태가 되어 충분한 제거가 어렵다. 따라서, 제거되지 않은 불순물은 소결과정에서 버블의 형태로 남게 되므로 프리폼의 품질이 떨어지게 되고, 이를 억제하기 위해 다공성도를 증가시킬 경우 증착밀도는 낮고 입자의 크기는 작아져 외각의 슈트입자는 유리화되기 위한 이동거리가 길어지므로 증착 프리폼이 수축되는 과정에서 균열이 생기는 문제점이 발생하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 증착과정 중에 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하고 외경에 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하여 이에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어함으로써, 증착입자를 제어할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 제어방법과 장치에 의하면, 입자 형성에 중요한 인자인 화염의 조건에 따라 입자크기를 공정 진행 중에 변화시킬 수 있으며, 결과적으로 증착되는 입자의 크기 및 증착밀도를 반경방향으로 다르게 할 수 있다. 따라서, 프리폼이 대형화되더라도 소결과정 중에 프리폼의 외각증착부에 균열이 발생하지 않고, 중심부의 불순물 제거 또한 용이할 뿐만 아니라 프리폼의 외경변화에 따른 증착량, 증착효율, 다공성도를 함께 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 외부증착공법으로 프리폼을 제조하는 공정을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 제어장치를 나타내는 블럭도.
도 3은 본 발명에 따른 제어방법을 나타내는 흐름도.
도 4a는 종래기술에 의한 증착밀도의 변화를 나타내는 그래프.
도 4b는 종래기술에 의한 증착입자크기의 변화를 나타내는 그래프.
도 5a는 본 발명에 의한 증착밀도의 변화를 나타내는 그래프.
도 5b는 본 발명에 의한 증착입자크기의 변화를 나타내는 그래프.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
10 : 모봉 20 : 프리폼
30 : 버너 40 : 발광소자
50 : 수광센서 60 : 주제어장치
70 : 질량흐름제어기
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 증착입자 제어방법은, 상기 프리폼의 양단에 설치된 단수 또는 복수의 센서부에 의해 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하는 단계; 프리폼의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 단계; 및 상기 제어신호에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 연소가스 중 수소와 산소의 질량흐름을 제어할 수 있다.
또한, 상기한 본 발명에 따른 제어방법을 구현하는데 필요한 제어장치는, 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하기 위해 상기 프리폼의 양단에 설치된 단수 또는복수의 센서부; 프리폼의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 주제어장치; 및 상기 제어신호에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어하는 질량흐름제어기를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 제어방법 및 장치에 의하면 증착입자크기 및 증착밀도를 반경방향으로 다르게 할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대처할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 외부증착공법을 이용한 실시예를 예시하고 있으나, 적절한 수정과 변형을 가함으로써 상기 축증착공법에도 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 외부증착공법으로 프리폼을 제조하는 공정을 나타내는 도면이다.
버너(30)는 모봉에 화염을 분사시키면서 버너 내부에 형성된 관을 통해 연소가스인 H2, O2, Ar, N2등을 공급한다. 원료가스인 SiCl4, GeCl4는 운반기체 O2와 혼합되어 화염내로 운반된다. 이 SiCl4, GeCl4는 1100℃ 이상에서 운반기체 O2와의 직접적인 산화반응으로 0.1㎛ 정도의 크기의 SiO2, GeO2를 생성한다. 또한, CH4/O2연소 생성물인 H2O와의 가수분해반응을 거쳐 생성될 수도 있다. 생성된 SiO2, GeO2는 열영동 현상에 의해 회전하는 모봉(10) 표면에 증착된다. 버너(30)를 좌우로 이동시키면서 모봉(10) 표면에 균일하게 증착시킨 후, 모봉(10)을 제거하고 소결시키면 프리폼(20)이 완성된다.
도 2는 본 발명에 따른 제어장치를 나타내는 블럭도이다.
상기한 본 발명에 따른 제어방법을 구현하는데 필요한 제어장치는 프리폼(20)의 외경을 실시간으로 측정하기 위해 상기 프리폼(20)의 양단에 설치된 단수 또는 복수의 센서부; 프리폼(20)의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 주제어장치(60); 및 상기 제어신호에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어하는 질량흐름제어기(70)를 포함한다. 또한, 상기 센서부는 발광소자(40)와 이 발광소자에 대향되도록 프리폼(20) 반대편에 설치된 수광센서(50)로 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
센서부는 프리폼(20)의 외경 변화를 실시간으로 감지하여 주제어장치(60)로 감지신호를 전달한다.(S100) 주제어장치(60)는 상기 감지신호로부터 현재프리폼(20)의 외경을 측정하고, 이에 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산한다.(S200) 상기 계산된 공급량에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어할 필요가 있는지 여부를 판단한다.(S300) 질량흐름을 제어할 필요가 있는 경우에는 각각의 질량흐름제어기(Mass Flow Controller, 110)로 제어신호를 출력하고,(S400) 제어할 필요가 없는 경우에는 상기 S100에서 S300 단계를 반복한다.
질량흐름제어기(70)는 버너로 연결되는 연소가스 공급관에 설치되고, 상기 주제어장치(60)로부터 입력되는 제어신호에 따라 각각의 연소가스의 질량흐름을 제어한다.(S500) 바람직하게는, 연소가스 중에서 수소, 산소의 질량흐름을 제어하여 원하는 증착입자크기 및 증착밀도를 결정하는데 필요한 화염조건을 조절할 수 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 의한 증착상태를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 공정진행에 따라 증착밀도가 감소됨을 보여주고 있으며, 도 5b는 반경방향으로 증착입자크기가 증가됨을 보여주고 있다. 본 발명에 따른 제어방법 및 장치에 의하면, 입자 형성에 중요한 인자인 화염의 조건에 따라 입자크기를 공정 진행 중에 변화시킬 수 있으며, 결과적으로 증착되는 입자의 크기 및 증착밀도를 반경방향으로 다르게 할 수 있다. 따라서, 프리폼이 대형화되더라도 프리폼의 외각증착부가 소결과정에서 균열이 발생하지 않고, 중심부의 불순물 제거 또한 용이할 뿐만 아니라 프리폼의 외경변화에 따른 증착량, 증착효율, 다공성도를 함께 제어하는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나,본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따른 제어방법과 장치에 의하면, 프리폼이 성장함에 따라 입자형성에 중요한 인자인 화염조건을 결정하는 연소가스의 공급량을 제어하여, 증착입자크기는 증가시키고 증착밀도는 감소시킬 수 있다. 이와 같이 증착입자크기 및 밀도 구배(gradient)를 부여함으로써 프리폼 소결과정 중에 원활하게 불순물을 제거하여 불완전 소결 또는 균열 발생을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 외부증착공법을 이용한 프리폼 제조시에, 변화되는 프리폼의 외경에 따라 화염조건을 조절하여 증착입자를 제어하는 방법으로서,
    상기 프리폼(20)의 양단에 설치된 단수 또는 복수의 센서부에 의해 프리폼의 외경을 실시간으로 측정하는 단계;
    프리폼의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 단계; 및
    상기 제어신호에 따라 연소가스의 질량흐름을 제어함으로써 증착입자의 크기 및 밀도를 조절하는 단계를 포함하는 증착입자 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    반경방향으로 증착입자크기는 증가되는 반면, 증착밀도는 감소되도록 상기 연소가스의 질량 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 증착입자 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 중 수소와 산소의 질량흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 증착입자 제어방법.
  4. 외부증착공법을 이용한 프리폼 제조시에, 변화되는 프리폼의 외경에 따라 화염조건을 조절하여 증착입자를 제어하는 장치로서,
    프리폼(20)의 외경을 실시간으로 측정하기 위해 상기 프리폼의 양단에 설치된 단수 또는 복수의 센서부;
    프리폼(20)의 외경 변화에 따른 적합한 화염조건을 만족하는 연소가스의 공급량을 계산하고 이에 따른 제어신호를 출력하는 주제어장치(60); 및
    상기 제어신호에 따라 프리폼의 반경방향으로 증착입자의 크기는 증가시키고, 증착밀도는 감소되도록 상기 연소가스의 질량 흐름을 제어하는 질량흐름제어기 (70)를 포함하는 증착입자 제어장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연소가스 중 수소와 산소의 질량흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는 증착입자 제어장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 센서부는 발광소자(40)와 이 발광소자(40)에 대향되도록 프리폼 반대편에 설치된 수광센서(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 증착입자 제어장치.
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