KR100507623B1

KR100507623B1 - 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너

Info

Publication number: KR100507623B1
Application number: KR10-2002-0068373A
Authority: KR
Inventors: 박찬용; 이봉훈
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2005-08-10
Also published as: KR20040040056A

Abstract

광섬유의 프리폼 제조에 사용되는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너는 원통형 몸체(11), 몸체의 중심에 배치되고 내부에 나선형 유로(34)가 형성되어 유리원료물질 및 산소를 혼합하여 상기 몸체의 상부로 공급하는 중앙 챔버(30), 중앙 챔버를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 산소가스를 몸체의 상부로 공급하는 제1 산소가스 공급경로(40), 제1 산소가스 공급경로를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 산소가스를 몸체의 상부로 공급하는 제2 산소가스 공급경로(50), 및 제2 산소가스 공급경로를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 수소가스를 몸체의 상부로 공급하는 수소가스 공급경로(60)를 포함하고, 중앙 챔버(30), 제1 및 제2 산소가스 공급경로(40, 50) 및 수소가스 공급경로(60)의 상단에는 각각 가스 분사를 위한 노즐(32, 42, 52, 62)이 형성되고, 상기 노즐은 중앙챔버용 노즐(32)을 중심으로 동심원상에 배치된다.

Description

실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너{BURNER FOR MAKING FINE PARTICLES FOR DEPOSITION OF SILICA PARTICLES}

본 발명은 버너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유의 프리폼 제조에 사용되는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너에 관한 것이다.

일반적으로, 화염가수분해반응은 유리입자를 형성하는 방법으로 많이 사용되어 왔으며, 특히 광섬유 제조 시에 적용하여 광섬유 모재를 제조하는 방법으로 사용되어왔다.

광섬유 또는 어코스틱 도파섬유(acoustic waveguide fiber)를 제조하는 방법으로는 수정된 화학기상 증착법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD), 기상축 증착법(Vapor Axial Deposition; VAD), 외부기상증착법(Outside Vapor Deposition; OVD) 또는 기타의 혼합된 공법(Hybrid Process)이 있다. 이러한 공법을 적용하는데 있어서 주된 원료물질로 가장 많이 사용된 재료로는 SiCl₄ 또는 Si를 포함한 할로겐화합물(Halide containing raw material)이며, 코어부분의 굴절률을 제어하기 위한 도핑물질로는 POCl₃, BCl₃, GeCl₄등이 사용되어 왔다. 또한, 산화 및 가수분해반응을 일으키기 위한 열원으로 사용되는 가스(combustible gas)로는 수소(H₂), 메탄, 프로판, 부탄 또는 이종 이상의 혼합가스를 사용되었으며, 화염의 온도를 유지하기 위한 조연성 가스(Combustion supporting gas)는 산소(O₂)등이 사용되어 왔다.

OVD 공법에서 SiCl₄등의 할로겐화 원료물질은 기화상태에서 아래의 반응식과 같은 산화반응 및 가수분해반응에 의하여 1100℃ 부근에서 실리카 수트입자(Silica soot particle)입자를 형성한다.

SiCl₄ + 2O₂ ---> SiO₂ + 2Cl₂ (산화반응)

SiCl₄ + 2H₂O ---> SiO₂ + 4HCl (가수분해반응)

이와 같이 형성된 입자는 화염의 기류를 따라 충돌, 응집하면서 점차 구형입자로 성장하여 표적 모봉(Target rod 또는 Mandrel)의 외주면에 부착하여 직경이 커지게 되며, VAD공법에서는 축방향 성장이 일어나게 되어 다공성(Porous)모재를 형성한다.

이러한 다공성 모재는 1400 ~ 1600℃의 온도를 유지하는 퍼니스(furnace)에서 헬륨 및 염소가스 등의 분위기에서의 소결(Sintering)을 통해 투명 광섬유 프리폼으로 제조된다.

OVD 및 VAD 공정에서의 입자부착에 관한 내용을 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로, 입자부착과정은 원형의 화염발생장치에서 분사되는 고온의 미세한 SiO₂등의 입자가 상대적으로 저온의 모봉에 충돌함으로서 이루어지는데 입자가 모봉에 부착되는 주요한 메커니즘은 열영동현상(Thermophoresis)으로 알려져 있다. 이때, 버너에서 분출되는 수소와 산소의 연소로 인하여 버너표면 근처에서 SiCl₄의 산화반응과 화염에 의한 가수분해가 일어나서 0.1μm 크기의 SiO₂ 입자가 형성되는데, 이 입자들은 충돌, 융합, 응집현상을 거쳐 입자의 크기가 0.2~0.3μm정도로 성장하여 버너에서 분출되는 고온의 가스와 함께 움직인다. 이 입자들은 또한 모봉의 주위를 지나면서 온도구배에 의한 영향으로 인하여 상대적으로 온도가 낮은 모봉에 부착되게 된다. 열영동에 의한 입자부착은 화염의 유동 및 온도장에 의해 결정되며 유동 및 온도장 또한 실린더의 온도에 따라 달라진다.

OVD공법 및 VAD공법은 MCVD공법과 달리 튜브 내에서 유리입자를 성장시키지 않고 발생된 SiO₂ 입자를 목표모봉(Target rod)의 외주면에 부착시키는 과정의 연속으로, 입자의 형성 및 부착은 상기한 바와 같이 버너에 의한 화염의 유동 및 온도장에 의하여 결정된다. 따라서, 슈트를 발생시키는 원천인 버너의 설계기술이 핵심기술이며, 특히 코어를 증착할 경우 입자의 비행궤적(Particle stream line)이 굴절률 분포를 결정하므로 버너의 내부구조 및 노즐의 설계가 매우 중요하다.

현재까지, 수많은 버너디자인이 고안되고 알려져 있으며 그 중 대표적인 버너 설계를 간략히 살펴보자면 US 4,165,223, US 3,642,521, US 3,565,345, US 3,698,936, US 4,810,189, US 5,599,371 등이 대표적이라 할 수 있으며 US4,474,593은 동심원상의 튜브를 이용하는 기술을 공개하고 있다.

그러나, 기존에 공개된 기술에서는 US 4,801,322에서 지적하고 있는 바와 같이 종래의 버너는 형성된 유리입자가 버너의 표면에 부착되고 입자가 성장하여 버너의 노즐을 막히게 하는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 불활성가스에 의해 차단하는 방식을 이용할 수 있으나, 이 경우 또한 US 4,474,593에서 지적한 바와 같이 화염내 온도저하 문제가 심각하게 발생하여 증착시 증착조건을 교란시키는 하나의 원인이 됨을 피할 수 없었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 US 4,165,223에서는 유리입자의 버너표면부착 및 온도저하문제를 동시에 해결할 수 있는 차단가스로서 산소(O₂)를 이용하여 산소를 산화 반응 및 열원으로 동시에 사용할 수 있도록 하였다.

그밖에 최근의 선행기술에 대하여 살펴보면 US 6,363,746의 "다중성분 유리 수트 제조방법 및 장치(Method and Apparatus for making Multi-Component Glass soot)"가 공개되어있다. 상기 발명은 중심노즐 내부에 다수의 구멍을 설계한 원통형 구조체를 설치하고, 액상 유리원료물질(Glass Making Raw Material)을 운반기체인 산소가스의 젯팅(jetting)에 의해 분사하는 방법을 사용한다. 그러나, 액상원료물질 공급에 의한 방식은 유량에 따라 방울형성(Droplet)에 의한 프리폼 거침표면현상(Lizard Skin) 발생이 불가피하고, 증착효율을 높이기 위하여 운반기체(carrier gas)의 흐름량을 높이면 액상분사(Liquid jetting)에 의한 방울형성이 더욱 심하게 발생하여 광섬유 프리폼으로 사용이 불가능하게 된다. 또한, 액상원료가스와 운반기체의 압력차이가 달라질 경우 운반기체라인을 오염시킬 우려도 있어서 액상운반방식은 증착효율을 높이기 위한 방법으로는 바람직하다고 볼 수 없다. 또한, 버너내 가스노즐을 중심부로 경사지게 설계한 것은 화염이 모아지는 효과가 있어 증착초기에는 긍정적인 효과를 얻을 수 있다. 그러나 화염이 모아지면 증착이 진행됨에 따라 화염과 모봉간의 거리가 달라지고, 모아진 화염은 초점거리 이상에서 다시 퍼질 수밖에 없으므로 바람직하다고 볼 수 없다.

최근의 프리폼 대형화 경향에 따르면 프리폼의 크기가 커짐에 따라 버너와의 거리가 가까워질 수밖에 없으므로 노즐이 경사지게 설계된 것은 결코 바람직한 방향이라고 할 수 없다.

다른 형태의 버너로서 US 5,599,371에는 "할로겐화물이 없는 실리콘 함유성분을 산화시키기 위한 정밀버너 사용방법(Method of Using Precision Burners for Oxidizing Halide-Free Silicon-Containing Compounds)"가 개시되어있다. 이 특허에서는 첫번째 차단가스(shield gas)로 질소를 사용하고 있는데, 질소를 사용할 경우 앞서서 지적한 바와 같이 중심부 화염온도가 크게 떨어지기 때문에 버너에서 매우 높은 부분까지 입자가 형성되기 어렵다. 결과적으로, 상술한 기술에서는 입자의 크기가 작아져 탈수소화(Dehydration)도 어려울 뿐 아니라, 이는 소결시 불완전 소결이 발생하는 하나의 원인이 되어왔다. 또한 상술한 발명은 버너내부의 구조가 매우 복잡하여 설계가 어렵고 제조비용 및 유지보수 비용이 높다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 버너내부에 독특한 구조설계를 통하여 실리카 입자가 생성되도록 함으로써 도핑품질과 대량의 수트의 손실이 거의 없이 우수한 품질의 프리폼 제조할 수 있는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

보다 자세히 설명하자면, 상술한 버너에서는 원료가스와 산소의 혼합이 최대한 원할하게 이루어져서 균일한 대량의 수트입자가 형성되도록 하고, 도펀트를 사용할 경우 화염전체구간에서 균일한 도핑농도를 얻을 수 있도록 하며, 유량이 많아지더라도 버너내부에서 온도저하로 인한 응축현상이 일어나지 않도록 한다. 또한, 상술한 버너에서는 불활성 기체로 인한 화염온도저하를 막기 위해 차단가스의 종류를 선정하고, 난류형성으로 인한 프리폼표면 불균일현상(Wart like defect 또는 Lizard skin)을 억제하고자 하며, 버너구조단순화를 도모하면서도 가스의 방출부에서 화염이 특정방향으로 치우치는 현상을 막도록 내부구조를 설계하여 단순하면서도 균일하게 가스가 분사되도록 함으로써 유리입자가 균일하게 형성되고 성장하여 프리폼에 부착하도록 하는 것이고 또한 화염의 분사는 수직방향으로 하여 초점을 만들지 않도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너는 원통형 몸체, 몸체의 중심에 형성되어 유리원료물질 및 산소의 혼합가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 중앙 챔버, 중앙 챔버를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 산소가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 제1 산소가스 공급경로, 제1 산소가스 공급경로를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 산소가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 제2 산소가스 공급경로, 및 제2 산소가스 공급경로를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 수소가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 수소가스 공급경로를 포함한다.

바람직하게, 중앙 챔버 내에는 혼합가스의 혼합을 향상시키기 위한 나선형 유로가 형성된다.

또한, 중앙 챔버에는 상기 혼합가스의 액화를 방지하기 위한 중앙챔버 가열장치가 설치될 수 있다.

또한, 중앙챔버 가열장치는 중앙 챔버의 주변에 설치된 히팅코일인 것이 바람직하다.

바람직하게, 중앙 챔버는 유리원료가스 및 산소가스와 함께 도핑물질을 혼합하여 공급한다.

이때, 제1 산소가스 공급경로로부터 공급되는 산소의 양은 상기 중앙 챔버로부터 공급되는 혼합가스와는 섞이지만 상기 몸체의 상부 표면에 수트가 부착되지 않을 정도로 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 제2 산소가스 공급경로로부터 공급되는 산소의 양은 상기 몸체 위에 생성되는 화염의 온도를 일정하게 유지시키는 정도로 조절되는 것이 바람직하다.

상술한 버너에서, 제1 및 제2 산소가스 공급경로 및 수소가스 공급경로는 각각 독립된 챔버로 이루어지는 것이 또한 바람직하다.

바람직하게, 제1 및 제2 산소가스 공급경로 및 수소가스 공급경로의 상단에는 다수의 미세 노즐이 형성되어 상기 미세 노즐을 통해 각 가스를 상기 몸체의 상부로 분사하게 된다.

이때, 상기 미세 노즐은 중앙챔버용 노즐을 중심으로 동심원상으로 배치되는 것이 바람직하며, 제1 및 제2 산소가스 공급경로 및 수소가스 공급경로를 위한 미세 노즐은 각각 2열 이상으로 엇갈리게 배치되는 것이 또한 바람직하다.

또한, 미세 노즐은 상기 몸체 상부에 생성되는 화염이 방향성을 갖도록 상기 몸체의 내부까지 소정 방향으로 일정 길이만큼 연장된 핀홀로 연결될 수 있다.

또한, 제1 및 제2 산소가스 공급경로 및 수소가스 공급경로의 내부에는 분사압의 국부적인 집중을 방지하기 위한 필터가 설치될 수 있으며, 상기 필터는 다공성도 50~150μm의 실리카 글라스필터인 것이 바람직하게, 보다 바람직하게 상기 필터는 다공성도 100~120μm의 실리카 글라스필터이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 원통형 몸체, 몸체의 중심에 배치되고 내부에 나선형 유로가 형성되어 유리원료물질 및 산소를 혼합하여 상기 몸체의 상부로 공급하는 중앙 챔버, 중앙 챔버를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 산소가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 제1 산소가스 공급경로, 제1 산소가스 공급경로를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 산소가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 제2 산소가스 공급경로, 및 제2 산소가스 공급경로를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 수소가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 수소가스 공급경로를 포함하고, 중앙 챔버, 제1 및 제2 산소가스 공급경로 및 수소가스 공급경로의 상단에는 각각 가스 분사를 위한 노즐이 형성되고, 상기 노즐은 상기 중앙챔버용 노즐을 중심으로 동심원상에 배치된다.

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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너의 구성을 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 미분체 제조용 버너(10)는 대략적으로 원통형 몸체(11)를 구비하며, 원통형 몸체(11)는 후술되는 다층의 독립적인 챔버로 이루어진다. 또한, 몸체(11)의 상단에는 상부 커버(12)가 설치되는데, 상부 커버(12)는 각 독립챔버에 대해 독립적으로 설치될 수도 있으며, 또는 모든 독립챔버를 한꺼번에 덮는 단일체로 이루어질 수도 있다. 경우에 따라서 상부 커버(12)는 사용되지 않을 수도 있다.

몸체(11)의 중심에는 유리원료물질과 산소가스를 공급하기 위한 중앙 챔버(30)가 배치된다. 중앙 챔버(30)는 몸체(11)의 중심부를 상하로 가로지르며, 그 하단에는 유리원료가스 및 산소가스를 유입하기 위한 유입관(20, 22)이 설치된다. 실리카 입자 증착과정에서 도핑물질을 공급하고자 하는 경우, 중앙 챔버(30)의 하단에는 도핑물질을 위한 유입관(24)이 추가로 설치될 수 있다.

중앙 챔버(30)의 상단에는 중앙챔버용 노즐(32)이 형성된다. 이 노즐(32)은 중앙 챔버(30)를 통해 공급된 혼합가스를 원통형 몸체(11)의 상부로 분출하는 역할을 한다. 바람직하게, 중앙챔버용 노즐(32)은 원통형 몸체(11)의 상부표면에서 정중앙에 위치하게 된다.

이때, 중앙 챔버(30) 내에는 내부로 유입된 유리원료가스 및 산소가스를 혼합시키기 위한 나선형 유로(34)를 형성할 수 있다. 나선형 유로(34)는 중앙 챔버(30)의 내벽에 나선형 돌출부를 형성하거나, 중앙 챔버(30) 내에 나선형 블레이드를 설치하는 등의 방식으로 제작 가능하다. 일반적으로 중앙 챔버(30)를 지나는 혼합가스는 자체적인 유동에 의해서 일정부분 혼합되기는 하지만, 자연적인 유동만으로는 유리원료가스와 산소가스의 균일한 혼합을 보장할 수 없다. 그러나, 상술한 바와 같이 중앙 챔버(30) 내에 나선형 유로(34)를 형성하게 되면, 유리원료가스 및 산소가스는 나선형 유로(34)를 지나면서 강한 회오리형 와류(Vortex)를 형성하게 되어 보다 효과적으로 혼합되며, 결국 노즐(32)을 통해 버너(10)의 상부로 분출될 때 항상 일정한 혼합비를 유지할 수 있게 된다. 이는 향후 광섬유용 프리폼을 제작할 때 균일한 증착효과를 달성하기 위한 중요한 요인이 된다.

중앙 챔버(30)에는 또한 중앙챔버용 가열장치(36)를 추가로 설치할 수 있다. 기체 상태로 중앙 챔버(30)에 유입된 유리원료가스는 중앙 챔버(30)를 지나는 동안 온도가 저하될 경우 액상으로 바뀔 수 있다. 액상으로 변한 유리원료는 이후 노즐(32)을 통해 분사될 때 방울형태(Droplet)로 분사될 수 있어 프리폼의 품질저하의 원인이 된다. 따라서, 중앙챔버용 가열장치(36)는 중앙 챔버(30) 내의 온도를 소정 온도 이상으로 유지시킴으로써 유리원료가 액화되는 것을 방지하게 된다. 특히, 중앙 챔버(30) 내료 유입되는 혼합가스는 유량이 많아질수록 온도가 저하되는 경향이 있으므로, 가열장치(36)는 혼합가스의 유량에 따라 가열온도를 달리하거나, 유량이 소정 기준 이상이 때에만 가열기능을 수행하도록 제어될 수 있다. 이러한 과정을 통해서 가열장치(36)는 유리원료의 액화를 방지하여 수트 발생효율이 저하되는 것을 방지함은 물론, 화염의 온도가 저하되는 것 또한 방지할 수 있게 된다.

중앙 챔버(30)의 주변에는 제1 산소가스 공급경로(40)가 배치된다. 제1 산소가스 공급경로(40)는 중앙 챔버(30)와는 독립된 챔버로 이루어지며, 하부 일측에 산소가스를 유입하기 위한 제1 산소가스 유입관(41)이 연결된다. 제1 산소가스 공급경로(40)의 상단에는 다수의 미세 노즐(42)이 설치되어 제1 산소가스 유입관(41)으로 유입된 산소가스를 버너(10)의 상부로 분출한다. 이때, 제1 산소가스 공급경로(40)를 통해 공급되는 산소가스는 중앙 챔버(30)에서 분출되는 혼합가스로 일부 공급되어 연소를 도와주며, 또한 혼합가스가 외부로 확산되어 수트가 버너(10)의 표면에 부착되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 제1 산소가스 공급경로(40)로부터 공급된 산소가스 중에서 보다 중앙쪽으로 근접한 산소가스는 중앙 챔버(30)에서 분사되는 산소(O₂)의 산화반응에 참여하지만, 외주면쪽으로 근접한 산소가스는 외주면에서 발생하는 화염에 의해 조기산화됨으로써, 수트가 생성되어 버너의 표면에 증착되는 것을 미리 방지하는 것이다. 따라서, 제1 산소가스 유입관(41)으로 공급되는 산소가스의 양은 상술한 측면을 고려하여, 중앙 챔버(30)로부터 분출되는 혼합가스와 섞이면서도 생성된 수트가 버너(10) 표면에 부착하는 것을 방지하기에 충분한 양으로 결정되는 것이 바람직하다.

미세 노즐(42)은 버너(10)의 상부 표면에서 중앙챔버용 노즐(32) 주변에 원형으로 배치된다. 이 미세 노즐(42)은 중앙챔버용 노즐(32)보다 작은 직경을 가지며, 2열 이상의 원형으로 배치되고, 각 열의 미세 노즐(42)은 도 3에 도시된 것처럼 서로 엇갈리게 배열된다. 이러한 미세 노즐(42)의 구조는 중앙챔버용 노즐(32)에서 분사된 혼합가스 주위에 균일한 산소가스영역을 만들게 되며, 특히 미세 노즐(42)의 엇갈린 배열구조로 인해 분출된 산소가스의 균일성이 극대화된다.

제1 산소가스 공급경로(40)에는 또한 미세 노즐(42)의 하부에 산소가스용 필터(44)가 설치된다. 일반적으로, 다층 챔버에서 분사되는 가스는 각 챔버에서 분사되는 압력으로 인하여 버너의 상부에서 비대칭적으로 치우친 형상을 보이게 된다. 이는 통상적으로 가스가 분사될 때 분출되기 전의 가스압과 분출된 이후의 가스압 사이의 압력차이가 커서 압력의 국부집중현상이 일어나기 때문이다. 그러나, 상술한 것처럼 미세 노즐(42)의 바로 밑에 필터(44)를 설치하게 되면, 필터(44)를 통과하는 동안 가스의 압력이 균일하게 분산되어 미세 노즐(42)을 통과하는 동안 국부적인 압력집중현상을 방지할 수 있게 된다.

필터(44)로는 글라스필터(Glass filter)를 사용하는 것이 바람직하며, 글라스필터에는 자체 내에 미세 기공이 형성되어 있어 그 기공을 통해 필터링 기능을 수행하게 된다. 이때, 글라스필터(44)의 기공 크기(Pore size)는 가스의 분사압과 매우 밀접한 관계를 가지는데, 기공 크기가 너무 작으면 가스의 흐름을 차단하게 되어 버너 내부의 압력을 필요 이상으로 상승시키게 되며, 기공 크기가 너무 크면 필터링 효과가 너무 줄어들게 된다. 따라서, 글라스필터(44)의 기공 크기는 대략 80~150μm인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 100~120μm 정도의 기공 크기를 갖는 것이 좋다.

미세 노즐(42)의 하부에는 또한 핀홀(Pin hole; 46)이 형성될 수 있다. 핀홀(46)은 버너(10)의 상부 표면으로부터 버너(10)의 내측으로 소정 길이만큼 연장되며, 각각의 미세 노즐(42)과 서로 연결된다. 필터(44)가 설치될 경우, 핀홀(46)은 필터(44)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 핀홀(46)은 미세 노즐(42)을 통해 버너(10)의 상부로 분출되는 산소가스의 흐름을 유도해주며, 이를 위해서 핀홀(46)은 적절한 방향성을 가진다. 즉, 핀홀(46)의 방향을 설정해 줌으로써 미세 노즐(42)을 통과하는 산소가스는 일정한 방향성을 가지게 되는 것이다. 화염이이 방향성을 갖도록 핀홀(46)이 소정 기울기로 기울어져 형성된 모습은 도 4에 잘 도시되어 있다. 산소가스의 방향성은 원하는 화염의 형태, 증착강도, 화염온도 및 기타 조건에 의해서 정해진다. 핀홀(46)의 길이는 대략 1~10mm 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2~6mm 정도의 길이를 가진다. 핀홀(46)은 너무 짧을 경우 기체흐름을 유도하는 특성이 저하되며, 너무 길 경우 자체의 압력이 상승하는 문제가 발생하게 된다.

제1 산소가스 공급경로(40)의 외부에는 제2 산소가스 공급경로(50)가 배치된다. 제2 산소가스 공급경로(50)는 중앙 챔버(30) 및 제1 산소가스 공급경로(40)와는 독립된 챔버로 이루어지며, 하부 일측에 산소가스를 유입하기 위한 제2 산소가스 유입관(51)이 연결된다. 제2 산소가스 공급경로(50)의 상단에는 상기 제1 산소가스 공급경로(40)와 유사하게 다수의 미세 노즐(52)이 설치되어 제2 산소가스 유입관(51)으로 유입된 산소가스를 버너(10)의 상부로 분출한다. 이때, 제2 산소가스 공급경로(50)를 통해 공급되는 산소가스는 중앙 챔버(30)에서 공급되는 유리원료물질의 산화제로서 반응할 수도 있으나, 실질적으로 화염을 만드는데 필요한 산소(Combustion supporting gas)를 공급하는 역할이 더 중요하다. 따라서, 제2 산소가스 유입관(51)을 통해 공급되는 산소가스의 양은 버너(10)에 의해 생성되는 화염의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 양으로 결정된다.

미세 노즐(52)은 버너(10)의 상부 표면에서 제1 산소가스 공급경로용 미세 노즐(42) 주변에 원형으로 배치된다. 이 미세 노즐(52)은 상술한 제1 산소가스 공급경로용 미세노즐(42)과 마찬가지로 중앙챔버용 노즐(32)보다 작은 직경을 가지며, 2열 이상의 원형으로 배치되고, 각 열의 미세 노즐(52)은 도 3에 도시된 것처럼 서로 엇갈리게 배열된다. 이러한 미세 노즐(52)의 구조는 제1 산소가스 공급용 미세노즐(42)에서 분사된 산소가스 주위에 추가적인 균일한 산소가스영역을 만들게 된다. 또한, 미세 노즐(52)의 엇갈린 배열구조는 분출되는 산소가스를 균일하게 하기 위함이다.

제2 산소가스 공급경로(50)에는 또한 제1 산소가스 공급경로(40)와 마찬가지로 미세 노즐(52)의 하부에 산소가스용 필터(54)가 설치된다. 미세 노즐(52)의 바로 밑에 설치된 필터(54)는 필터(54)를 통과하는 가스의 압력을 균일하게 분산시켜 가스가 미세 노즐(52)을 통과하는 동안 국부적으로 압력이 집중되는 것을 방지할 수 있게 된다.

필터(54)로는 글라스필터(Glass filter)를 사용하는 것이 바람직하며, 글라스필터(54)의 기공 크기는 제1 산소가스 공급경로용 필터(44)와 마찬가지로 대략 80~150μm인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 100~120μm 정도의 기공 크기를 갖는다.

미세 노즐(52)의 하부에는 또한 핀홀(Pin hole; 56)이 형성될 수 있다. 핀홀(56)은 제1 산소가스 공급경로용 핀홀(46)과 마찬가지로 버너(10)의 상부 표면으로부터 버너(10)의 내측으로 소정 길이만큼 연장되며, 각각의 미세 노즐(52)과 서로 연결된다. 필터(54)가 설치될 경우, 핀홀(56)은 필터(54)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 핀홀(56)은 미세 노즐(52)을 통해 버너(10)의 상부로 분출되는 산소가스의 흐름을 유도해준다. 이를 위해서 핀홀(56)은 적절한 방향성을 가지며, 그로써 미세 노즐(52)을 통과하는 산소가스는 일정한 방향성을 가지게 된다. 화염이 방향성을 갖도록 핀홀(56)이 소정 기울기만큼 기울어져 형성된 모습이 도 4에 잘 도시되어 있다. 산소가스의 방향성은 원하는 화염의 형태, 증착강도, 화염온도 및 기타 조건에 의해서 정해진다. 핀홀(56)의 길이는 대략 1~10mm 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2~6mm 정도의 길이를 가진다.

제2 산소가스 공급경로(50)의 외부에는 수소가스 공급경로(60)가 배치된다. 수소가스 공급경로(60)는 중앙 챔버(30), 제1 및 제2 산소가스 공급경로(40, 50)와는 독립된 챔버로 이루어지며, 하부 일측에 수소가스와 같은 가연성 가스(Combustible gas)를 유입하기 위한 수소가스 유입관(61)이 연결된다. 수소가스 공급경로(60)의 상단에는 상기 제1 및 제2 산소가스 공급경로(40, 50)와 유사하게 다수의 미세 노즐(62)이 설치되어 수소가스 유입관(61)으로 유입된 수소가스를 버너(10)의 상부로 분출한다. 이때, 수소가스 공급경로(60)를 통해 공급되는 수소가스는 반응에 필요한 열량을 공급하기 위한 것으로서, 제2 산소가스 공급경로(50)에고 공급된 산소가스와 함께 반응에 충분한 온도를 갖는 화염을 제공하게 된다.

미세 노즐(62)은 버너(10)의 상부 표면에서 제2 산소가스 공급경로용 미세 노즐(52) 주변에 원형으로 배치된다. 이 미세 노즐(62)은 상술한 제1 및 제2 산소가스 공급경로용 미세노즐(42, 52)과 마찬가지로 중앙챔버용 노즐(32)보다 작은 직경을 가지며, 2열 이상의 원형으로 배치되고, 각 열의 미세 노즐(62)은 도 3에 도시된 것처럼 서로 엇갈리게 배열된다. 이러한 미세 노즐(62)의 구조는 제2 산소가스 공급용 미세노즐(52)의 주위에 균일한 수소가스영역을 만들게 된다. 또한, 미세 노즐(62)의 엇갈린 배열구조는 분출되는 수소가스를 균일하게 하기 위함이다.

수소가스 공급경로(60)에는 또한 제1 및 제2 산소가스 공급경로(40, 50)와 마찬가지로 미세 노즐(62)의 하부에 수소가스용 필터(64)가 설치된다. 미세 노즐(62)의 바로 밑에 설치된 필터(64)는 필터(64)를 통과하는 가스의 압력을 균일하게 분산시켜 가스가 미세 노즐(62)을 통과하는 동안 국부적으로 압력이 집중되는 것을 방지할 수 있게 된다.

필터(64)로는 글라스필터(Glass filter)를 사용하는 것이 바람직하며, 글라스필터(64)의 기공 크기는 제1 및 제2 산소가스 공급경로용 필터(44, 54)와 마찬가지로 대략 80~150μm인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 100~120μm 정도의 기공 크기를 갖는다.

미세 노즐(62)의 하부에는 또한 핀홀(Pin hole; 66)이 형성될 수 있다. 핀홀(66)은 제1 및 제2 산소가스 공급경로용 핀홀(46, 56)과 마찬가지로 버너(10)의 상부 표면으로부터 버너(10)의 내측으로 소정 길이만큼 연장되며, 각각의 미세 노즐(62)과 서로 연결된다. 필터(64)가 설치될 경우, 핀홀(66)은 필터(64)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 핀홀(66)은 미세 노즐(62)을 통해 버너(10)의 상부로 분출되는 수소가스의 흐름을 유도해준다. 이를 위해서 핀홀(66)은 적절한 방향성을 가지며, 그로써 미세 노즐(62)을 통과하는 수소가스는 일정한 방향성을 가지게 된다. 화염이 방향성을 갖도록 핀홀(66)이 소정 기울기만큼 기울어져 형성된 모습이 도 4에 잘 도시되어 있다. 수소가스의 방향성은 원하는 화염의 형태, 증착강도, 화염온도 및 기타 조건에 의해서 정해진다. 핀홀(66)의 길이는 대략 1~10mm 정도인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2~6mm 정도의 길이를 가진다.

도 3은 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 버너(10)에서 각 노즐(32, 42, 52, 62)의 배열구조를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 버너(10)의 몸체 상면에서 각 공급경로(40, 50, 60)의 미세 노즐(42, 52, 62)은 중앙챔버용 노즐(32)을 중심으로 동심원상에 배치되는 것을 알 수 있다. 이러한 노즐(32, 42, 52, 62)들은 서로 일정 간격으로 떨어져 배치되어 서로 독립적으로 가스를 분사하면서도 상호보완적인 기능을 수행한다. 또한, 본 발명의 버너(10)에서 공급되는 가스 순서는 실리카 입자의 전환효율 및 버너 표면에의 증착을 고려할 때 매우 중요하며, 특히 중심 챔버(30)와 인접한 제1 산소가스 공급경로(40)에서 공급되는 산소가스는 중심 챔버(30)에서 공급된 혼합가스에서 산소가 부족할 경우 이를 보충하는 역할과 함께 화염의 온도를 유지하는 역할 및 실리카 입자의 버너 표면증착을 방지하기 위한 차단기능을 동시에 수행하게 된다. 따라서, 이와 같이 산소가스를 차단가스로 사용함으로써 화염온도가 저하되는 것을 억제할 수 있을 뿐 아니라 버너에 수트가 부착되어 성장하는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 제2 산소가스 공급경로(50)에서 공급되는 산소가스는 주로 화염의 온도를 유지하는데 사용되며, 수소가스 공급경로(60)는 화염을 발생하여 산화 및 가수분해반응을 일으킬 수 있는 조건을 제공하는데 사용된다. 또한, 각 공급경로의 미세 노즐(42, 52, 62)들은 각각 2열 이상으로 서로 엇갈리게 배치됨으로서, 동일한 원주에서 분사되는 가스를 균일하게 유지할 수 있으며, 2열 이상의 미세 노즐(42, 52, 62)은 각 공급경로(40, 50, 60)를 통한 가스들이 동시에 하나 이상의 역할을 수행할 수 있게 도와준다.

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.

삭제

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너는 원료가스의 유량을 증가시키더라도 중심 챔버 내에서 기상혼합이 먼저 이루어지기 때문에 화염에서 수트(soot)로의 전환효율이 매우 높으며, 도핑물질(Dopant)을 사용하는 경우에는 분사된 수트입자에 도핑물질을 균일하게 분포시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 중심 챔버에는 가열장치를 함께 설치하기 때문에 중심 챔버 내의 온도를 일정하게 유지할 수 있으며, 원료가스의 유량이 많아지더라도 내부온도가 낮아져 원료가스가 액화되는 일이 발생하지 않으며, 따라서 원료가스의 액화에 따른 노즐오염도 발생하지 않는다.

또한, 각 공급경로에 설치된 필터는 버너의 전체적인 구조를 단순화시키는데 일조하면서도 가스압의 부분집중을 억제하기 때문에, 버너 노즐에서 균일한 가스흐름을 얻을 수 있으며, 이는 가스의 유량을 증가시킬 때 특히 효율적이다. 이러한 균일한 가스분사는 입자의 비행궤적에도 영향을 미치기 때문에 프리폼의 균일화를 얻을 수 있다는 장점도 있다.

또한, 본 발명의 버너는 독립된 챔버로부터 혼합가스, 산소가스, 산소가스, 수소가스의 순서로 가스를 공급함으로서, 각 챔버로부터의 가스가 서로 상호보완적인 기능을 수행함으로서 실리카 입자의 증착효율 향상은 물론 종래에 제기되어 왔던 다양한 문제점을 극복하게 되었다. 특히, 중앙 챔버와 인접한 제1 산소가스 공급경로에서 분출된 산소가스는 혼합가스의 산화를 돕는 동시에 차단가스의 역할을 함께 수행하여 화염온도저하를 막고 수트가 버너에 부착하는 것을 방지하며, 그 외부에 배치된 제2 산소가스 공급경로에서 분출된 산소가스는 화염의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 수행하고, 수소가스는 또한 화염을 형성시켜 산화 및 가수분해반응을 일으킬 수 있는 조건을 제공하게 됨으로서, 각각의 가스가 서로 연계되어 실리카 입자의 증착효율을 높이게 된다.

또한, 산소가스 및 수소가스 분출에는 각각 2열 이상으로 배열된 미세 노즐이 사용됨으로써, 균일한 가스농도를 제공함은 물론 각각의 가스가 보다 효과적으로 자신의 역할을 수행할 수 있게 된다.

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 본 발명에 따른 버너의 외관을 도시하는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 버너의 내부구조를 도시하는 단면도.

도 3은 도 1에 도시된 버너의 상부표면에 배열된 가스노즐을 도시하는 평면도.

도 4는 도 2에 도시된 버너의 변형예를 도시하는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10..버너 12..버너 상부커버 20..유리원료가스 유입관

22..산소가스 유입관 24..도핑물질 유입관 30..중앙챔버

32..중앙 노즐 34..나선형 유로 36..중앙챔버 가열장치

40..제1 산소가스 유입관 42..제1 산소가스 노즐 44..제1 산소가스용 필터

46,56,66..핀홀 50..제2 산소가스 유입관 52..제2 산소가스 노즐

54..제2 산소가스용 필터 60..수소가스 유입관 62..수소가스 노즐

64..수소가스용 필터

Claims

원통형 몸체;

상기 몸체의 중심에 형성되어 유리원료물질 및 산소의 혼합가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 중앙 챔버;

상기 중앙 챔버를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 소정의 가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 하나 이상의 가스 공급경로; 및

상기 혼합가스의 액화를 방지하기 위해 상기 중앙 챔버를 가열하는 중앙챔버 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 1항에 있어서,

상기 중앙 챔버는 내부에 혼합가스의 혼합을 향상시키기 위한 나선형 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 중앙챔버 가열수단은 상기 중앙 챔버의 주변에 설치된 히팅코일인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
삭제
삭제
삭제
삭제
제 1항에 있어서,

상기 가스 공급경로의 상단에는 상기 중앙 챔버의 노즐보다 작은 직경을 갖는 다수의 미세 노즐이 형성되어 상기 미세 노즐을 통해 가스를 상기 몸체의 상부로 분사하는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
삭제
제 9항에 있어서,

상기 가스 공급경로에 형성된 상기 다수의 미세 노즐은 2열 이상으로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 11항에 있어서,

상기 미세 노즐은 상기 몸체 상부에 생성되는 화염이 방향성을 갖도록 상기 몸체의 내부까지 소정 방향으로 일정 길이만큼 연장된 핀홀로 연결되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 9항에 있어서,

상기 가스 공급경로의 내부에는 분사압의 국부적인 집중을 방지하기 위한 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 13항에 있어서,

상기 필터는 다공성도 50~150μm의 실리카 글라스필터인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 13항에 있어서,

상기 필터는 다공성도 100~120μm의 실리카 글라스필터인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
원통형 몸체;

상기 몸체의 중심에 형성되어 유리원료물질 및 산소의 혼합가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 중앙 챔버; 및

상기 중앙 챔버를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 소정의 가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 하나 이상의 가스 공급경로를 포함하고,

상기 가스 공급경로의 상단에는 상기 중앙 챔버의 노즐보다 작은 직경을 갖는 다수의 미세 노즐이 상기 중앙 챔버의 노즐을 중심으로 동심원상으로 배치되어 상기 미세 노즐을 통해 가스를 상기 몸체의 상부로 분사하는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 16항에 있어서,

상기 가스 공급경로를 위한 상기 다수의 미세 노즐은 각각 2열 이상으로 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 17항에 있어서,

상기 미세 노즐의 하부에는 분사압의 국부적인 집중을 방지하기 위한 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 18항에 있어서,

상기 필터는 다공성도 50~150μm의 실리카 글라스필터인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 18항에 있어서,

상기 필터는 다공성도 100~120μm의 실리카 글라스필터인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
원통형 몸체;

상기 몸체의 중심에 형성되어 유리원료물질 및 산소의 혼합가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 중앙 챔버; 및

상기 중앙 챔버를 소정 간격을 두고 둘러싸도록 설치되어 소정의 가스를 상기 몸체의 상부로 공급하는 하나 이상의 가스 공급경로를 포함하고,

상기 중앙 챔버 및 상기 가스 공급경로 내에는 분사압의 국부적인 집중을 방지하기 위한 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
삭제
삭제
제 21항에 있어서,

상기 필터는 다공성도 50~150μm의 실리카 글라스필터인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 21항에 있어서,

상기 필터는 다공성도 100~120μm의 실리카 글라스필터인 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 16항 또는 제 21항에 있어서,

상기 중앙 챔버는 내부에 혼합가스의 혼합을 향상시키기 위한 나선형 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 1항, 제 16항 또는 제 21항에 있어서,

상기 가스 공급경로는 산소가스 공급경로이고,

상기 산소가스 공급경로로부터 공급되는 산소의 양은 상기 중앙 챔버로부터 공급되는 혼합가스와는 섞이지만 상기 몸체의 상부 표면에 수트가 부착되지 않을 정도로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 1항, 제 16항 또는 제 21항에 있어서,

상기 가스 공급경로는 상기 중앙 챔버를 둘러싸는 제1 산소가스 공급경로 및 상기 제1 산소가스 공급경로를 둘러싸는 제2 산소가스 공급경로를 포함하고,

상기 제2 산소가스 공급경로로부터 공급되는 산소의 양은 상기 몸체 위에 생성되는 화염의 온도를 일정하게 유지시키는 정도로 조절되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 1항, 제 16항 또는 제 21항에 있어서,

상기 가스 공급경로는 상기 중앙 챔버를 둘러싸는 제1 산소가스 공급경로, 상기 제1 산소가스 공급경로를 둘러싸는 제2 산소가스 공급경로 및 상기 제2 산소가스 공급경로를 둘러싸는 수소가스 공급경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 29항에 있어서,

상기 제1 산소가스 공급경로로부터 공급되는 산소의 양은 상기 중앙 챔버로부터 공급되는 혼합가스와는 섞이지만 상기 몸체의 상부 표면에 수트가 부착되지 않을 정도로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 29항에 있어서,

상기 제2 산소가스 공급경로로부터 공급되는 산소의 양은 상기 몸체 위에 생성되는 화염의 온도를 일정하게 유지시키는 정도로 조절되는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.
제 9항, 및 제 11항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가스 공급경로에 형성된 상기 미세 노즐은 소정의 기울기로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 실리카 입자 증착을 위한 미분체 제조용 버너.