KR100521957B1 - 광섬유 제조를 위한 외부 기상 증착 장치 및 이를 이용한광섬유 모재 제조방법 - Google Patents

광섬유 제조를 위한 외부 기상 증착 장치 및 이를 이용한광섬유 모재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 모재 제조를 위한 외부 기상 증착 장치 및 이를 이용한 광섬유 모재 제조 방법에 대한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 지지대에 거치되어 회전하는 모봉과, 상기 모봉에 화염을 제공하는 연소가스와 수트 생성용 화학가스를 분사하는 버너를 포함한다. 상기 수트 생성용 화학가스는 상기 연소가스와 별도로 공급되는 O2 가스와 소정 분압비로 혼합되어 버너로 공급된다. 아울러, 상기 수트 생성용 화학가스는 버블러를 통하여 생성되되 이송가스에 의한 버블링과 버블러의 외측에 구비된 가열수단에 의한 보일링이 결합된 하이브리드 방식에 의해 제공된다. 본 발명에 따르면, 광섬유 모재의 외경 증가에 따른 다공성도 증가와 광섬유 모재로의 수소 불순물 함입을 적정하게 제어할 수 있고, 광섬유 모재의 증착 효율을 증가시킬 수 있음은 물론, 후속으로 이어지는 건조공정과 소결공정에서 공정 효율성을 증가시킬 수 있다.

Description

광섬유 제조를 위한 외부 기상 증착 장치 및 이를 이용한 광섬유 모재 제조방법{Outside Vapor Deposition Apparatus For Manufacturing Optical Fiber Preform and Method For Manufacturing Optical Fiber Preform Using The Same}
본 발명은 광섬유 모재 제조시 이용되는 외부 기상 증착(Outside Vapor Deposition: 이하, OVD) 장치 및 이를 이용한 광섬유 모재의 제조 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 OVD 공정에서 수트 입자의 증착효율은 증가시키면서도 그 다공성도는 적정하게 제어할 수 있고 광섬유의 특성을 열화시키는 수소 불순물의 생성을 억제함으로써 광섬유 제조를 위한 후속공정의 효율을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치에 대한 것이다.
광섬유 모재 제조에 일반적으로 사용되고 있는 공법으로는 크게 MCVD(Modified Chemical Deposition), OVD, VAD(Vaper phase Axis Deposition), PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition) 등이 있다. 이 중 OVD 공법은 증착률이 높고 광섬유 모재를 크게 만들 수 있는 장점이 있어 널리 사용되고 있는 공법 중 하나이다. 도1은 OVD 공법을 개략적으로 보여준다.
도1을 참조하면, OVD 공법에서는 회전하는 모봉(10) 아래에 상기 모봉(10)의 축방향을 따라 반복 이송하는 버너(20)를 배치한다. 상기 버너(20)에는 연소가스 유입구(30); 차단가스 유입구(40); 및 수트 생성용 화학가스 유입구(50)가 구비된다.
상기 연소가스 유입구(30)로는 H2 가스 및 O2 가스와 같은 연소가스가 공급되고, 상기 차단가스 유입구(40)로는 Ar 가스나 N2 가스와 같은 차단가스가 공급된다. 그리고 상기 화학가스 유입구(50)로는 이송가스 O2 를 액상으로 된 수트 생성용 화학물질(60)이 담긴 버블러(70)를 통과시켜 얻어진 기화된 수트 생성용 화학가스가 이송가스인 O2 와 함께 공급된다. 상기 버블러(70)에 담긴 수트 생성용 화학물질로는 SiCl4 용액, GeCl4 용액 또는 이들의 혼합용액을 들 수 있다.
상기 버너(20)의 연소가스 유입구(30)로 인입된 연소가스는 버너(20)의 상단부에서 분출되면서 연소반응을 일으켜 화염(80)을 제공한다. 상기 화염(80)에 의해 버너(20)의 화학가스 유입구(50)로 공급되는 수트 생성용 화학가스의 온도는 급격히 상승한다. 온도의 상승으로 화학가스의 온도가 화학 반응온도(1100℃ 이상)에 도달하면, 하기 화학식1에 따른 산화반응 및 가수분해 반응이 유발되어 광섬유를 구성하는 물질로 이루어진 미세한 수트 입자가 생성된다. 하기 화학식1에서 H2O 가스는 연소가스의 연소시 반응 부산물로 생성된 것이다.
SiCl4(g) + 2H2O(g) ----> SiO2(s) + 4HCl(g)(가수분해 반응)
SiCl4(g) + 2O2(g) ----> SiO2(s) + 2Cl2(g) (산화 반응)
상기 버너(20)의 화학가스 유입구(50)로 인입되는 화학가스 중 GeCl4 가스는 광섬유의 외경방향에 따른 굴절율 조절을 위한 GeO2 수트 입자의 증착을 위해 제공되는 것이다. 상기 화학가스 GeCl4 도 상기 화학식1과 같은 가수분해 반응과 산화반응에 의해 미세한 GeO2 수트 입자로 생성된다. 생성된 수트는 버너(20)에서 분출되는 고온의 가스와 함께 이동하다가 모봉(10)의 주위를 지나면서 열영동 현상에 의해 상대적으로 온도가 낮은 모봉(10)에 소정의 두께로 증착된다. 처음으로 생성된 수트 입자는 0.1㎛ 정도의 크기이지만 열영동 현상에 의해 이동하는 중에 입자간 충돌(collision), 유합(coalescence) 및 응집(coagulation) 과정을 거쳐 모봉(10)에 증착되기 바로 전에는 그 크기가 0.25㎛ 정도에 이른다. 이러한 수트의 조립화 과정이 이루어지다 보니 모봉(10)에 증착되는 수트 증착층은 기본적으로 어느 정도의 다공성도를 가지게 된다.
OVD 공법에서는 버너(20)가 모봉(10)의 축방향을 따라 왕복 운동을 하므로,수트 증착층은 모봉(10)의 외경 방향을 따라 반복적으로 형성된다. 이에 따라 모봉(10)에 형성되는 광섬유 모재(90)의 직경은 시간 의존적으로 증가한다. 버너(20)의 왕복 운동은 광섬유 모재(90)의 직경이 요구되는 값에 이를 때까지 계속된다. 그리고 버너(20)의 화학가스 유입구(50)로 인입되는 화학가스의 유량과 분압을 적절히 조절함으로써 모봉(10)에 형성되는 광섬유 모재(90)의 외경 방향에서 일정한 굴절률 프로파일을 제공한다.
한편, 버너(20)의 왕복 이송 운동으로 형성되는 수트 증착층은 광섬유 모재(90)의 외경이 커질수록 그 다공성도가 증가한다. 이는 수트 증착에 따라 모재(90)의 외경이 커지면서 발생하는 광섬유 모재(90)의 표면 회전 속도 증가, 표면 면적 증가 및 광섬유 모재의 체적 증가에서 그 원인을 찾을 수 있다. 그런데, 수트 증착층의 다공성도가 광섬유 모재(90)의 외경 증가에 따라 의존적으로 증가하면 수트 증착층의 기계적 강도가 그에 상응하여 저하된다. OVD 공법이 적용되는 과정에서 광섬유 모재(90)의 내부에서는 온도차 및 체적 증가율의 차이로 응력이 유발되는데, 광섬유 모재(90)가 그 내부에 발생된 다공성도의 구배로 상기 응력에 의한 기계적 스트레스를 견디지 못하면 광섬유 모재(90)에서 미세 균열(Crack)이 발생되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 광섬유 모재(90)의 직경이 증가할수록 버너(20)에 의해 제공되는 화염(80)의 온도를 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해 종래에는 광섬유 모재(90)의 직경이 증가할수록 연소가스인 H2 가스의 유량을 증가시켜 연소반응에 의한 발열량을 증가시키는 방법이 사용되었다. 그런데, 이 방법은 수트 증착층의 다공성도는 낮출 수 있지만 연소반응에 의해 파생되는 H2O 가스의 량을 증가시킴으로써, OVD 공법의 특성 상 수트 증착층에 침투될 수 밖에 없는 수소 불순물(H20 분자 및 Si-OH)의 량을 증가시키게 된다.
광섬유 모재(90)에 수소 불순물이 포함되면 수산화기에 의한 광손실을 증가시킨다. 따라서 OVD 공법이 적용된 이후에는 광섬유 모재(90)에서 수소 불순물을 제거하기 위한 건조 공정이 반드시 적용되어야 한다. 그런데, 광섬유 모재(90)의 다공성도 제어를 위해 연소가스인 H2 가스의 유량을 증가시킴으로 인해 광섬유 모재(90)에 수소 불순물의 량이 많아지면 상기 건조 공정에서 수소 불순물을 제거하는데 그 만큼 더 많은 시간이 소요되어 공정의 생산성이 저하되게 된다. 또한, 상기 건조 공정 중에 사용되는 탈 수소화 가스인 염소 가스 등의 유해가스 사용량이 증가되어 환경을 오염시킬 우려가 있고 반응 부산물 가스에 포함된 유해 가스 정화에 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로써, OVD 공정에서 수트 입자의 증착효율은 증가시키면서도 광섬유 모재의 외경이 증가하여도 그 다공성도는 적정하게 제어할 수 있고, 광섬유의 특성을 열화시키는 수소 불순물의 생성을 억제함으로써 광섬유 제조를 위한 후속공정의 효율을 향상시킬 수 있는 OVD 장치 및 이를 이용한 광섬유 모재 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 OVD 장치는, 소정 길이를 가지며 지지대에 거치되어 회전하는 모봉; 및 상기 모봉에 연소가스와 함께 수트 생성용 화학가스를 분사하여 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 온도구배에 따른 열영동 현상에 의해 상기 모봉의 표면에 상기 수트 입자를 증착시켜 광섬유 모재를 형성하는 버너;를 포함하되, 상기 버너는 그 상부로 상기 화학가스를 분사시키되 상기 연소가스와는 별도로 상기 화학가스에 소정 분압의 O2 가스를 혼합하여 분사시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는, 이송가스에 의해 버블링된 수트 생성용 화학가스를 상기 버너에 공급하는 버블러를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 버너는 연소가스 유입구와 화학가스 유입구를 구비하고, 상기 화학가스 유입구는 화학가스 공급라인의 일 측과 연결되고, 상기 화학가스 공급라인의 양 측 사이에 산소 공급라인이 상기 화학가스 공급라인과 연통되도록 연결되고, 상기 버블러는 상기 화학가스 공급라인의 타 측과 연결되고, 상기 화학가스 공급라인의 타 측으로 상기 버블러에서 버블링된 수트 생성용 화학가스가 공급되고, 상기 산소 공급라인을 통하여 공급된 O2 가스가 상기 화학가스 공급라인으로 공급된 상기 화학가스와 소정 분압비로 혼합되어 상기 화학가스 유입구를 통하여 상기 버너로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 상기 버블러에 담긴 액상의 수트 생성용 화학물질을 가열하는 가열수단을 상기 버블러의 외측에 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따른 OVD 장치는, 소정 길이를 가지며 지지대에 거치되어 회전하는 모봉; 상기 모봉에 연소가스와 함께 수트 생성용 화학가스를 분사하여 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 온도구배에 따른 열영동 현상에 의해 상기 모봉의 표면에 상기 수트 입자를 증착시켜 광섬유 모재를 형성하는 버너; 및 액상의 수트 생성용 화학물질이 담겨 있고 이송가스에 의해 버블링된 수트 생성용 화학가스를 소정의 공급라인을 통하여 상기 버너에 공급하는 버블러;를 포함하되, 상기 버블러의 외측에는 상기 수트 생성용 화학물질을 가열하는 가열수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 버너는 그 상부로 상기 화학가스를 분사시키되 상기 연소가스와는 별도로 상기 화학가스에 소정 분압비로 O2 가스를 혼합하여 분사시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 버너는 연소가스 유입구와 화학가스 유입구를 구비하고, 상기 화학가스 유입구는 화학가스 공급라인의 일 측과 연결되고, 상기 화학가스 공급라인의 양 측 사이에 산소 공급라인이 상기 화학가스 공급라인과 연통되도록 연결되고, 상기 버블러는 상기 화학가스 공급라인의 타 측과 연결되고, 상기 화학가스 공급라인의 타 측으로 상기 버블러에서 버블링된 수트 생성용 화학가스가 공급되고, 상기 산소 공급라인을 통하여 공급된 O2 가스가 상기 화학가스 공급라인으로 공급된 상기 화학가스와 소정 분압비로 혼합되어 상기 화학가스 유입구를 통하여 상기 버너로 공급될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 OVD 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법은, 거치대에 회전 가능하도록 설치된 소정 길이의 모봉 및 상기 모봉의 길이방향을 따라 주기적으로 왕복 운동하는 버너를 준비하는 단계; 상기 모봉을 일정한 속도로 회전시키는 단계; 및 상기 버너를 모봉의 길이 방향으로 왕복 운동시키면서 상기 버너를 통한 상기 모봉 방향으로의 연소가스 및 수트 생성용 화학가스 공급으로 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 동시에 열영동 현상에 의해 상기 모봉에 수트 입자가 증착되게 함으로써, 소정 두께의 수트 증착층이 상기 버너의 왕복 운동에 따라 상기 모봉에 반복 적층되게 하는 단계;를 포함하되, 상기 수트 생성용 화학가스는 상기 연소가스와 별도로 공급되는 소정 분압의 O2 가스와 함께 상기 버너에 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화학가스는 액상의 수트 생성용 화학물질이 담긴 버블러에서 이송가스에 의해 버블링되어 소정의 화학가스 공급라인을 통하여 상기 버너로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화학가스는 상기 화학가스 공급라인과 연통되도록 연결된 산소 공급라인을 통하여 공급되는 O2 가스와 소정의 분압비로 혼합되어 상기 버너로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화학가스는 상기 버블러의 외측에 구비된 가열수단에 의한 가열과 상기 이송가스에 의한 버블링이 결합된 하이브리드 방식에 의해 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 O2 가스의 분압은 광섬유 모재의 외경이 증가함에 따라 함께 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양에 따른 OVD 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법은, 거치대에 회전 가능하도록 설치된 소정 길이의 모봉 및 상기 모봉의 길이방향을 따라 주기적으로 왕복 운동하는 버너를 준비하는 단계; 상기 모봉을 일정한 속도로 회전시키는 단계; 및 상기 버너를 모봉의 길이 방향으로 왕복 운동시키면서 상기 버너를 통한 상기 모봉 방향으로의 연소가스 및 수트 생성용 화학가스 공급으로 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 동시에 열영동 현상에 의해 상기 모봉에 수트 입자가 증착되게 함으로써, 소정 두께의 수트 증착층이 상기 버너의 왕복 운동에 따라 상기 모봉에 반복 적층되게 하는 단계;를 포함하되, 상기 수트 생성용 화학가스는 액상의 수트 생성용 화학물질이 담긴 버블러에서 이송가스에 의한 버블링과 상기 버블러의 외측에 구비된 가열수단에 의한 가열이 결합된 하이브리드 방식에 의해 기화되어 소정의 화학가스 공급라인을 통하여 상기 버너에 공급되는 것을 특징으로 한다.
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.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 OVD 장치의 구성도이다.
도2를 참조하면, 본 발명에 따른 OVD 장치는 소정 길이를 가지며 지지대(100)에 거치되어 회전하는 모봉(110)과, 상기 모봉(110)에 연소가스와 함께 수트 생성용 화학가스를 분사하여 광섬유 모재(120)의 수트 입자 생성을 유발하는 버너(130)를 구비한다.
상기 버너(130)는 상기 모봉(110)의 길이 방향을 따라 주기적으로 왕복 운동을 한다. 이를 위해, 상기 모봉(110)은 고정 리브(140)를 매개로 버너(130)의 왕복 이동 거리에 대응하는 길이로 선반(150) 상에 마련된 회전 레일(160)에 탑재된다. 상기 회전 레일(160)은 그 일 측에 설치된 이송 모터(170)에 의해 구동되어 상기 버너(130)를 모봉(110)의 길이 방향을 따라 주기적으로 왕복 이동시킨다. 상기 모봉(110)의 상부에는 OVD 장치를 이용한 광섬유 모재(120) 제조 과정에서 파생되는 각종 반응 부산물 가스와 연소 잔류 가스를 OVD 장치의 외부로 배출하는 후드(180)가 제공된다.
상기 버너(130)는 연소가스 유입구; 차단가스 유입구; 및 수트 생성용 화학가스 유입구를 구비한다. 상기 각 유입구가 상기 버너(130)에 구비되는 태양은 도1에 도시된 바와 같을 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 각 유입구에는 상응하는 가스를 버너(130)로 공급하기 위한 공급라인이 연결된다. 상기 연소가스 유입구로는 H2 가스 및 O2 가스가 연소가스로 공급되고, 상기 차단가스 유입구로는 Ar 가스나 N2 가스와 같은 불활성 가스가 공급되고, 상기 화학가스 유입구로는 SiCl4 가스 및/또는 GeCl4 가스가 공급된다.
상기 연소가스는 상기 버너(130)의 가장 자리에서 분사되어 연소됨으로써 상기 모봉(110) 방향으로 고온의 화염(190)을 제공한다. 이 때, 상기 화염(190)은 화학가스의 산화반응 및/또는 가수분해 반응을 일으켜 광섬유 모재(120)를 구성하는 물질의 수트 입자를 생성할 수 있을 정도의 온도 조건(1100℃ 이상)을 제공하여야 한다. 상기 화학가스는 상기 버너(130)의 중앙부에서 분사되면서 상기 화염(190)에 의한 고온 분위기에서 산화반응 및/또는 가수분해 반응에 의해 수트 입자로 변환된다. 이 때의 화학 반응식은 이미 상술한 화학식1과 같으며 생성되는 수트 입자는 SiO2 입자 및/또는 GeO2 입자이다. 상기 차단가스는 연소가스 분사영역과 화학가스 분사영역의 사이에서 분사되어 연소가스 분사 영역과 화학가스 분사영역을 공간적으로 분리시킨다. 그러면 연소가스의 연소반응 부산물인 H2O 가스가 화학가스 분사영역으로 침투하는 것을 어느 정도 방지하여 광섬유 모재(120)에 수소 불순물이 침투되는 것을 억제시킨다.
상기 버너(130)의 화염(190)에 의해 생성된 수트 입자는 열영동 현상에 의해 상대적으로 온도가 낮은 모봉(110) 방향으로 이동하다가 모봉(110)의 표면에 부착되어 소정 두께의 수트 증착층을 형성한다. 수트 증착층은 상기 버너(130)에 의해 제공되는 화염(190)에 의해 어느 정도의 유리화가 이루어진다. 상기 버너(130)는 상기 이송 레일(160)에 설치되어 모봉(110)의 길이방향을 따라 왕복 운동을 하게 되므로 수트 증착층이 상기 모봉(110)에 반복적으로 적층된다. 따라서 상기 모봉(110)에 형성되는 광섬유 모재(120)의 외경은 시간 의존적으로 증가한다.
상기 수트 생성용 화학가스는 상기 화학가스 유입구에 일 끝단이 연결된 화학가스 공급라인(200)을 통하여 상기 버너(130)로 공급된다. 상기 화학가스 공급라인(200)의 다른 끝단은 액상의 수트 생성용 화학물질(210)이 담긴 버블러(220)와 연통되게 연결된다. 상기 수트 생성용 화학물질(210)은 SiCl4 용액, GeCl4 용액 또는 SiCl4용액과 GeCl4 용액의 혼합 용액일 수 있다. 상기 버블러(220)에서는 이송가스인 O2 가스가 이송가스 공급라인(230)을 통하여 공급되어 버블링된다. 버블링 과정에서 상기 수트 생성용 화학물질(210)이 기화되고 이송가스와 함께 혼합가스를 이루어 화학가스 공급라인(200)으로 인입된 후 버너(130)로 공급된다.
본 발명에서, 상기 버블러(220)의 외측에는 상기 버블러(220)에 담긴 수트 생성용 화학물질(210)을 가열하여 보일링할 수 있는 가열수단(240)이 선택적으로 구비된다. 상기 가열수단(240)은 전기적으로 또는 연료의 연소에 의해 발생된 열을 상기 버블러(220)에 가하여 수트 생성용 화학물질(210)을 보일링한다. 그 결과, 버블러(220) 내에서는 이송가스에 의한 버블링과 가열수단(240)에 의한 보일링이 동시에 유발되어 수트 생성용 화학물질(210)의 기화 효율이 한층 더 증가되므로, 상기 화학가스 공급라인(200)을 통하여 공급되는 수트 생성용 화학가스의 유량이 증가한다. 상기 가열수단(240)에 의해 인가되는 열이 버블러(220)의 내부로 잘 전달되도록 상기 버블러(220)의 외벽은 스테인레스와 같은 열전도성이 높은 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이러한 버블링과 보일링이 결합된 방식의 수트 생성용 화학가스 생성 방식을 하이브리드 방식이라 칭하기로 한다.
상기와 같이 하이브리드 방식에 의해 수트 생성용 화학가스가 버너(130)에 공급되면 단순히 버블링 방식에 의한 경우보다 많은 유량의 화학가스를 버너(130)로 공급할 수 있으므로 수트 입자의 생성 속도를 증대시킬 수 있다. 이러한 경우 광섬유 모재(120)의 증착 속도를 증가시킬 수 있어 종래보다 OVD 공정 진행 시간을 단축시킬 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 하이브리드 방식에 의한 화학가스 공급 방법이 적용될 경우 화학가스 유량이 증가되는 것을 실험에 의한 측정으로 보여주는 비교 그래프이다. 그래프에서, X 축은 이송가스의 유량을, Y축은 버너(130)로 공급되는 화학가스의 유량을 나타낸다.
도3을 참조하면, 버블링 방식에 의해서 화학가스를 공급할 경우(그래프 3-1)나 보일링 방식에 의해 화학가스를 공급할 경우(그래프 3-2)보다 하이브리드 방식에 의해 화학가스를 공급한 경우(그래프 3-3)가 버너(130)로 더 많은 량의 화학가스를 공급할 수 있음을 알 수 있다. 화학가스의 공급량이 증가한다는 것은 수트 입자의 단위 시간당 생성량이 증가한다는 것을 의미하며 이에 따라 광섬유 모재(120)의 증착 속도도 증가한다는 것을 의미한다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 화학가스 공급라인(200)의 일 측에는 O2 가스가 공급되는 산소 공급라인(250)이 상기 화학가스 공급라인(200)과 연통되게 연결된다. 상기 산소 공급라인(250)으로는 O2 가스가 공급되는데, 공급된 O2 가스는 상기 화학가스 공급라인(200)에 유입된 화학가스와 소정 분압비로 혼합된다. 상기 화학가스에 혼합된 O2 가스는 버너(130)로 분출되면서 화염(190)이 제공하는 고온 분위기에서 화학가스와 산화반응을 유발함으로써 수트 입자 생성 속도를 증가시킨다. 이 때 상기 산화반응은 발열반응이므로 화염(190)을 더 고온으로 만들어준다. 따라서 종래와 같이 화염(190)의 온도를 높이기 위해 연소가스인 H2 가스의 유량을 증가시키지 않고도 수트 입자 생성 속도의 증가로 인한 모재(120)의 증착 효율 증가는 물론, 화염(190)의 온도 증가에 의해 광섬유 모재(120)의 다공성도까지 제어할 수 있다.
도4는 O2 가스와 화학가스의 몰비에 따른 광섬유 모재(120)의 다공성도를 실험으로 측정하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서, X 축은 화학가스에 대한 O2 가스의 몰 비를 나타내고, Y축은 다공성도를 나타낸다.
도4를 참조하면, 혼합가스 내에서의 O2 가스의 몰비(분압비)가 증가할수록 광섬유 모재(120)의 다공성도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 다공성도는 수트화 반응을 야기하는 분위기 온도가 커지면 감소하는 경향을 보이는 것이 일반적이다. 따라서 도4에 도시된 바와 같은 다공성도 감소는 O2 가스의 몰비 증가로 수트 입자 생성을 유발하는 발열반응인 화학가스의 산화반응 속도가 증가되었음을 의미하고 이에 상응하여 수트화 반응을 위한 분위기를 제공하는 화염(190)의 온도가 증가되었음을 의미한다. 도5는 화학가스에 대한 O2 가스의 몰비에 따른 화염(190)의 온도를 실험으로 측정하여 나타낸 그래프인데, 이를 참조하면 O2 가스의 몰비가 증가하면 수트화 반응을 야기하는 분위기 온도가 증가하는 것을 실험적으로도 확인할 수 있다. 화염(190)의 온도가 증가되면 수트 입자의 열영동력도 증가되므로, 광섬유 모재(120)의 증착 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
전술한 바를 볼 때, 본 발명에 있어서는 모봉(110)에 형성되는 광섬유 모재(120)의 외경이 증가하는 것에 상응하여 상기 산소 공급라인(250)을 통하여 공급되는 O2 가스의 유량을 증가시키는 것이 바람직하다. 왜냐하면, O2 가스의 유량이 증가하면 수트화 반응을 야기하는 분위기 온도를 제공하는 화염(190)의 온도도 함께 증가하므로 광섬유 모재(120)의 외경 증가에 따른 다공성도 증가를 적정한 선에서 제어할 수 있기 때문이다.
본 발명에 있어서, 연소가스인 H2 가스의 유량 증가 없이 화염(190)의 온도를 증가시킬 수 있다는 것은 중요한 의미를 가진다. 종래에는 광섬유 모재(120)의 다공성도 제어를 목적으로 화염(190)의 온도를 증가시키기 위해 단순히 연소가스인 H2 가스의 유량을 증가시켰다. 하지만, 이러한 경우 이미 설명한 바와 같이 연소 부산물인 H2O 가스의 증가로 수트 입자에 수소 불순물이 침투하는 문제가 있었다. 하지만, 본 발명에서는 H2 가스의 유량 증가 없이 화학가스에 O2 가스를 소정 분압비로 혼합함으로써 수트 생성을 유발하는 화학가스의 산화반응에서 발생되는 열에 의해 화염(190)의 온도를 증가시킨다. 이러한 산화반응에서는 반응 부산물로 H2O 가스가 발생되지 않으므로 종래와 같은 문제가 생기지 않는다. 또한, 화학가스에 O2 가스가 혼합되면 수소 불순물을 야기하는 H2O 가스나 H2 가스의 분압을 상대적으로 낮출 수 있다. 따라서 연소반응 부산물로 창출되는 H2O 가스나 연소가스인 H2 가스에 의해 수트 입자에 침투되는 수소 불순물의 함량을 더욱 더 감소시킬 수 있게 된다.
도6은 화학가스와 소정 분압비로 혼합되는 O2 가스의 몰비에 따른 광섬유 모재(120)의 수소 불순물 함량을 실험적으로 측정하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서, X 축은 화학가스에 대한 O2 가스의 몰 비이고 Y 축은 광섬유 모재(120)에 함입되는 수소 불순물 농도이다.
도4를 참조하면, 화학가스에 대한 O2 가스의 몰 비가 증가할수록 광섬유 모재(120)에 함입되는 수소 불순물의 함량이 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 곧 O2 가스의 분압이 증가됨으로써 연소 반응 분산물인 H2O 가스와 H2 가스의 분압이 상대적으로 낮아짐으로써 그 결과로 광섬유 모재(120)에 침투하는 수소 불순물의 량이 낮아졌음을 의미한다.
한편, O2 가스가 화학가스와 혼합되면 버너(130) 상단부에서의 유체 유속이 증가된다. 그러면 열영동 현상에 의해 수트 입자가 모봉(110)까지 이동하는데 걸리는 시간이 짧아진다. 이는 곧 수트 입자가 화염(190) 내에서 체류하는 시간이 짧아진다는 것을 의미한다. 이렇게 될 경우, 수트 입자의 조립화가 방해되어 보다 작은 크기의 입자 상으로 보다 빨리 수트 증착이 이루어지므로 광섬유 모재(120)의 다공성도 제어를 보다 용이하게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 작은 입자로 수트가 증착되면 입자의 표면적이 증대되므로 후속공정인 수소 불순물 제거를 위한 건조 공정에서 탈 수소화가스인 염소가스와의 접촉면적을 증가시킬 수 있기 때문에 보다 효과적은 수소 불순물의 제거가 가능해진다. 또한, 수트 입자의 표면적이 증가되면 입자의 표면 에너지가 증가되므로 후속공정인 광섬유 모재(120)의 소결공정에서 소결의 구동력이 증가되어 소결의 효율성을 증가시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 OVD 장치를 이용한 광섬유 모재(120) 제조 방법을 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 거치대(100)에 회전 가능하도록 설치된 소정 길이의 모봉(110) 및 상기 모봉(110)의 길이방향을 따라 주기적으로 왕복 운동하는 버너(130)를 준비한다. 그리고 나서 상기 모봉(110)을 일정한 속도로 회전시킨다. 이러한 상태에서, 상기 버너(130)를 모봉(110)의 길이 방향으로 왕복 운동시키면서 상기 버너(130)를 통하여 상기 모봉(110) 방향으로 연소가스 및 수트 생성용 화학가스를 공급한다. 그러면, 상기 연소가스의 연소 반응으로 화염(190)이 발생되고 이 화염(190)에 의해 형성된 고온 분위기에서 화학가스의 산화반응 및/또는 가수분해 반응으로 광섬유 모재(120)의 수트 입자 생성이 유발된다. 생성된 수트 입자는 열영동 현상에 의해 상대적으로 온도가 낮은 모재(120) 방향으로 이동하다가 모재(120)의 표면에 증착되어 소정 두께의 수트 증착층을 이룬다. 상기 버너(130)는 상기 모봉(110)의 길이방향을 따라 주기적으로 왕복 운동하므로 상기 수트 증착층은 모봉(110) 상에 반복 적층된다. 수트 증착층의 반복 적층 과정은 요구되는 광섬유 모재(120)의 외경이 얻어질 때까지 반복된다.
상기 화학가스는 액상의 수트 생성용 화학물질(210)이 담긴 버블러(220)에서 이송가스에 의해 버블링되어 화학가스 공급라인(200)을 통하여 버너(130)에 공급된다. 이 때, 상기 화학가스는 상기 화학가스 공급라인(200)의 일 측과 연통되도록 연결된 산소 공급라인(250)을 통하여 공급되는 O2 가스와 소정의 분압비로 혼합된다.
상기 화학가스는 상기 버블러(220)의 외측에 구비된 가열수단(240)에 의한 보일링과 상기 이송가스에 의한 버블링이 결합된 하이브리드 방식에 의해 상기 화학가스 공급라인(200)으로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유 모재(120) 제조 방법에 있어서, 소정 분압비로 상기 화학가스와 O2 가스를 혼합시키는 것과 하이브리드 방식에 의해 수트 생성용 화학가스를 생성하는 것은 양자를 결합시켜는 것이 가장 바람직하나, 어느 하나만을 선택적으로 적용하는 것도 가능함은 물론이다.
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 발명의 일 측면에 따르면, OVD 공정에서 연소가스인 H2 가스의 유량 증가 없이 화학가스와 O2 가스를 소정의 분압비로 혼합하여 버너에 공급함으로써 발열반응인 화학가스의 산화반응 속도를 증가시켜 화염의 온도를 상승시킨다. 이에 따라, 광섬유 모재에 함입되는 수소 불순물의 량은 증가시키지 않으면서도 화염온도 의존성을 보이는 광섬유 모재의 외경 증가에 따른 다공성도를 적정하게 제어할 수 있다. 또한, O2 가스의 분압 증가로 수소 불순물 함입 문제를 야기하는 H2O 가스나 H 2 가스의 분압을 감소시킬 수 있기 때문에 광섬유 모재에 함입되는 수소 불순물의 량을 감소시킬 수 있다. 아울러, O2 가스의 분압이 증가되면 버너의 가스 분사 유속이 증가되므로 수트 입자가 보다 작은 입자 상으로 보다 빨리 광섬유 모재에 증착되므로 광섬유 모재의 증착 효율이 증가될 뿐만 아니라 후속공정인 건조 공정과 소결공정에서의 공정 효율성이 증가한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하이브리드 방식에 의해 화학가스를 버너에 공급하므로 단순히 버블링 방식에 의해서만 화학가스를 공급하는 경우보다 많은 유량으로 화학가스를 버너에 공급할 수 있다. 이에 따라 수트 입자의 생성 속도가 증가되어 광섬유 모재의 증착 효율이 증가하게 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.
도1은 종래의 외부 기상 증착 공법을 개략적으로 설명하기 위한 공정 개략도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 외부 기상 증착 장치의 구성도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 외부 기상 증착 장치에서 하이브리드 방식에 의한 수트 생성용 화학가스의 공급 유량을 종래의 버블링 방식 또는 보일링 방식에 의한 화학가스 공급 유량과 비교한 그래프이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 외부 기상 증착 장치에서 화학가스에 대한 O2 가스의 몰비에 따른 광섬유 모재의 다공성도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 외부 기상 증착 장치에서 화학가스에 대한 O2 가스의 몰비에 따른 화염의 온도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 외부 기상 증착 장치에서 화학가스에 대한 O2 가스의 몰비에 따른 광섬유 모재 내의 수소 불순물 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.

Claims (16)

  1. 소정 길이를 가지며 지지대에 거치되어 회전하는 모봉;
    상기 모봉에 연소가스와 함께 수트 생성용 화학가스를 분사하여 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고, 온도구배에 따른 열영동 현상에 의해 상기 모봉의 표면에 상기 수트 입자를 증착시켜 광섬유 모재를 형성하는 버너; 및
    이송가스에 의해 버블링된 수트 생성용 화학가스를 상기 버너에 공급하는 버블러;를 포함하고,
    상기 버너는 그 상부로 상기 화학가스를 분사시키되 상기 연소가스와는 별도로 상기 버블링된 수트 생성용 화학가스에 소정 분압의 O2 가스를 혼합하여 분사시키는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버너는 연소가스 유입구와 화학가스 유입구를 구비하고,
    상기 화학가스 유입구는 화학가스 공급라인의 일 측과 연결되고,
    상기 화학가스 공급라인의 양 측 사이에 산소 공급라인이 상기 화학가스 공급라인과 연통되도록 연결되고,
    상기 버블러는 상기 화학가스 공급라인의 타 측과 연결되고,
    상기 화학가스 공급라인의 타 측으로 상기 버블러에서 버블링된 수트 생성용 화학가스가 공급되고,
    상기 산소 공급라인을 통하여 공급된 O2 가스가 상기 화학가스 공급라인으로 공급된 상기 화학가스와 소정 분압비로 혼합되어 상기 화학가스 유입구를 통하여 상기 버너로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버블러에 담긴 액상의 수트 생성용 화학물질을 가열하는 가열수단을 상기 버블러의 외측에 더 구비하는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치.
  5. 소정 길이를 가지며 지지대에 거치되어 회전하는 모봉;
    상기 모봉에 연소가스와 함께 수트 생성용 화학가스를 분사하여 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 온도구배에 따른 열영동 현상에 의해 상기 모봉의 표면에 상기 수트 입자를 증착시켜 광섬유 모재를 형성하는 버너;
    액상의 수트 생성용 화학물질이 담겨 있고 이송가스에 의해 버블링된 수트 생성용 화학가스를 소정의 공급라인을 통하여 상기 버너에 공급하는 버블러; 및
    상기 버블러의 외측에 설치되어 상기 수트 생성용 화학물질을 가열하는 가열수단;을 포함하고,
    상기 버너는 그 상부로 상기 화학가스를 분사시키되 상기 연소가스와는 별도로 상기 버블링된 수트 생성용 화학가스에 소정 분압비로 O2 가스를 혼합하여 분사시키는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버너는 그 상부로 상기 화학가스를 분사시키되 상기 연소가스와는 별도로 상기 화학가스에 소정 분압비로 O2 가스를 혼합하여 분사시키는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 버너는 연소가스 유입구와 화학가스 유입구를 구비하고,
    상기 화학가스 유입구는 화학가스 공급라인의 일 측과 연결되고,
    상기 화학가스 공급라인의 양 측 사이에 산소 공급라인이 상기 화학가스 공급라인과 연통되도록 연결되고,
    상기 버블러는 상기 화학가스 공급라인의 타 측과 연결되고,
    상기 화학가스 공급라인의 타 측으로 상기 버블러에서 버블링된 수트 생성용 화학가스가 공급되고,
    상기 산소 공급라인을 통하여 공급된 O2 가스가 상기 화학가스 공급라인으로 공급된 상기 화학가스와 소정 분압비로 혼합되어 상기 화학가스 유입구를 통하여 상기 버너로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치.
  8. 거치대에 회전 가능하도록 설치된 소정 길이의 모봉 및 상기 모봉의 길이방향을 따라 주기적으로 왕복 운동하는 버너를 준비하는 단계;
    상기 모봉을 일정한 속도로 회전시키는 단계; 및
    상기 버너를 모봉의 길이 방향으로 왕복 운동시키면서 상기 버너를 통한 상기 모봉 방향으로의 연소가스 및 수트 생성용 화학가스 공급으로 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 동시에 열영동 현상에 의해 상기 모봉에 수트 입자가 증착되게 함으로써, 소정 두께의 수트 증착층이 상기 버너의 왕복 운동에 따라 상기 모봉에 반복 적층되게 하는 단계;를 포함하되,
    상기 수트 생성용 화학가스는 상기 연소가스와 별도로 공급되는 소정 분압의 O2 가스와 혼합되어 상기 버너에 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 화학가스는 액상의 수트 생성용 화학물질이 담긴 버블러에서 이송가스에 의해 버블링되어 소정의 화학가스 공급라인을 통하여 상기 버너로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 화학가스는 상기 화학가스 공급라인과 연통되도록 연결된 산소 공급라인을 통하여 공급되는 O2 가스와 소정의 분압비로 혼합되어 상기 버너로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 화학가스는 상기 버블러의 외측에 구비된 가열수단에 의한 가열과 상기 이송가스에 의한 버블링이 결합된 하이브리드 방식에 의해 공급되는 것임을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 O2 가스의 분압은 광섬유 모재의 외경이 증가함에 따라 함께 증가시키는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  13. 거치대에 회전 가능하도록 설치된 소정 길이의 모봉 및 상기 모봉의 길이방향을 따라 주기적으로 왕복 운동하는 버너를 준비하는 단계;
    상기 모봉을 일정한 속도로 회전시키는 단계; 및
    상기 버너를 모봉의 길이 방향으로 왕복 운동시키면서 상기 버너를 통한 상기 모봉 방향으로의 연소가스 및 수트 생성용 화학가스 공급으로 광섬유 모재의 수트 입자 생성을 유발하고 동시에 열영동 현상에 의해 상기 모봉에 수트 입자가 증착되게 함으로써, 소정 두께의 수트 증착층이 상기 버너의 왕복 운동에 따라 상기 모봉에 반복 적층되게 하는 단계;를 포함하되,
    상기 수트 생성용 화학가스는 액상의 수트 생성용 화학물질이 담긴 버블러에서 이송가스에 의한 버블링과 상기 버블러의 외측에 구비된 가열수단에 의한 가열이 결합된 하이브리드 방식에 의해 기화되어 소정의 화학가스 공급라인을 통하여 상기 버너에 공급되고,
    상기 화학가스는 상기 연소가스와 별도로 공급되는 소정 분압의 O2 가스와 혼합되어 상기 화학가스 공급라인을 통하여 상기 버너로 공급되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제14항에 있어서,
    상기 O2 가스의 분압은 광섬유 모재의 외경 증가에 따라 함께 증가시키는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 화학가스는 상기 화학가스 공급라인과 연통된 산소 공급라인을 통하여 공급된 O2 가스와 소정 분압비로 혼합되어 상기 버너로 제공되는 것을 특징으로 하는 외부 기상 증착 장치를 이용한 광섬유 모재 제조 방법.
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