KR100538862B1 - The Temperature Control for Enhancement of Uniform Deposition in Axial Direction - Google Patents
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Abstract
광섬유모재 생산공정 중 수정화학기상증착공정(MCVD)에서 광섬유모재의 길이방향 온도구배를 정상상태에 근접시킴으로써 튜브 내 길이방향 증착 특성을 향상시키기 위한 온도제어장치는 석영튜브(1)를 고정시키는 선반몸체(2), 석영튜브와 평행하게 이동하면서 석영튜브를 가열하는 토치(14), 토치에 의해 가열된 석영튜브의 최고온도를 측정하는 고온용 적외선 온도계(17), 토치와 함께 이동하여 토치 전방의 석영튜브를 냉각시키는 냉각기체 분사기(18), 냉각기체 분사기에 의해 냉각된 석영튜브의 최저온도를 측정하는 저온용 적외선 온도계(20), 및 석영튜브의 최고온도 및 최저온도를 일정하게 유지시키기 위해 고온용 및 저온용 적외선 온도계의 측정값에 근거하여 토치 및 냉각기체 분사기를 제어하는 제어부를 포함한다.The temperature control device for improving the longitudinal deposition characteristics in the tube by bringing the longitudinal temperature gradient of the optical fiber base material close to the normal state in the crystal chemical vapor deposition process (MCVD) of the optical fiber base material production process is a lathe for fixing the quartz tube (1). The body 2, a torch 14 for heating the quartz tube while moving in parallel with the quartz tube, a high temperature infrared thermometer 17 for measuring the maximum temperature of the quartz tube heated by the torch, and moving together with the torch in front of the torch Cooling gas injector 18 for cooling the quartz tube of the low temperature, infrared ray thermometer 20 for measuring the minimum temperature of the quartz tube cooled by the cooling gas injector, and maintaining the highest and lowest temperature of the quartz tube constantly And a control unit for controlling the torch and the cooling gas injector based on the measured values of the high temperature and low temperature infrared thermometers.
Description
본 발명은 온도제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유모재 생산공정 중 수정화학기상증착공정(MCVD)에서 광섬유모재의 길이방향 온도구배를 정상상태에 근접시킴으로써 튜브 내 길이방향 증착 특성을 향상시키기 위한 온도제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature control device, and more particularly, to improve longitudinal deposition characteristics in a tube by bringing a longitudinal temperature gradient of an optical fiber base material closer to a steady state in a crystal chemical vapor deposition process (MCVD) during an optical fiber base material production process. It relates to a temperature control device for.
광섬유를 제조하는 방법 중 하나인 수정화학기상증착(MCVD; Modified Chemical Vapor Deposition)공정은 MacCheney 등(1974, Proc. IEEE, 62, 6-40~6-44)에 의해 처음 제안된 이후, 많은 연구개발이 이루어져왔으며, 미국특허 제4,217,027호로 등록된 바 있다.MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) process, one of the methods for manufacturing optical fiber, has been studied since MacCheney et al. (1974, Proc. IEEE , 62, 6-40 ~ 6-44). Development has been made and has been registered in US Pat. No. 4,217,027.
상기 문헌에 의거하여 MCVD 공정을 대략적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 60-120rpm으로 회전하는 석영튜브 안으로 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 화학기체를 O2 및 He과 함께 주입하고, 튜브의 외부를 길이방향으로 천천히 이송하는 수소-산소 토치로 가열한다. 그러면, 튜브 내를 흐르던 화학기체는 점차 가열되어, 토치근처에 이르러 반응온도에 도달하게 되고, 이때 산화반응이 일어나 미세한 실리카 입자들이 발생한다. 생성된 실리카 입자들은 화학기체와 함께 움직이다가, 열영동력(P.G.Simpkins et al., 1979, J. Appl. Phys., 50, 5676-5681; US. Pat. No. 4,263,032)에 의해 상대적으로 온도가 낮은 토치 진행방향의 전방에 증착하게 된다. 또한, 토치가 튜브 전체를 한번 이송할 때 한 층의 실리카 입자부착층을 얻게 되는데, 이러한 입자부착층은 최종적으로 제조될 광섬유의 굴절률 분포를 갖도록 각 층마다 화학기체의 조성을 변화시키면서 반복적으로 수십 층을 증착하게 된다.On the basis of the above document, the MCVD process will be described as follows. First, a chemical gas such as SiCl 4 , GeCl 4 , POCl 3, etc. is injected together with O 2 and He into a quartz tube rotating at 60-120 rpm, and heated with a hydrogen-oxygen torch that slowly transfers the outside of the tube in the longitudinal direction. Then, the chemical gas flowing through the tube is gradually heated to reach the reaction temperature near the torch, and oxidation reaction occurs to generate fine silica particles. The resulting silica particles move with the chemical gas and are relatively cooled by thermophoretic force (PGSimpkins et al., 1979, J. Appl. Phys ., 50, 5676-5681; US Pat. No. 4,263,032). Deposition in front of the low torch travel direction. In addition, when the torch transfers the entire tube once, one layer of silica particle adhesion layer is obtained. The particle adhesion layer is repeatedly dozens of layers repeatedly changing the composition of chemical gas in each layer to have a refractive index distribution of the optical fiber to be finally manufactured. Will be deposited.
이러한 수정화학기상증착(MCVD) 공정에서는 증착률 및 증착효율을 증가시키고, 길이방향으로의 증착특성을 균일하게 만드는 것이 매우 중요하다.In the modified chemical vapor deposition (MCVD) process, it is very important to increase the deposition rate and deposition efficiency and to make the deposition characteristics uniform in the longitudinal direction.
증착률 및 증착효율을 증가시키기 위해서 지금까지 다양한 방법이 제안되었으며, 그 중에서도 특히 길이방향으로 튜브 중심선에 레이저를 조사하거나(Morse et al.,1986, J. Lightwave Tech., 4, 151-155), 튜브 안에 고온의 봉을 삽입하는 방법(US. Pat. No. 4,263,032) 등이 대표적인 것으로 알려졌다. 또한, 경사부착길이를 줄임으로써 길이방향으로의 증착특성을 균일하게 만들고 이를 통해 증착률을 향상시키기 위해서 토치전방에 존재하는 최저온도를 보다 낮춤으로써 열영동력을 극대화시키는 방법 등이 제안된 바 있는데, 이때 토치전방으로는 물(US. Pat. No.4,302,230) 또는 냉각기체(Kasik and Matejec, 1995, J. Aerosol Sci., 26, 399-406)를 분사하는 방법이 제안되었다.Various methods have been proposed so far to increase the deposition rate and the deposition efficiency, and in particular, the laser irradiation of the tube centerline in the longitudinal direction (Morse et al., 1986, J. Lightwave Tech ., 4, 151-155) , A method of inserting a hot rod into a tube (US Pat. No. 4,263,032) is known to be representative. In addition, the method of maximizing the thermophoretic force by lowering the minimum temperature in front of the torch has been proposed in order to make the deposition characteristics in the longitudinal direction uniform by reducing the length of the slant attachment, and thereby improve the deposition rate. At this time, a method of spraying water (US Pat. No. 4,302,230) or cooling gas (Kasik and Matejec, 1995, J. Aerosol Sci ., 26, 399-406) has been proposed.
도 1에는 종래기술에 따른 일반적인 구조의 MCVD 장치가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 MCVD 장치는 석영튜브(1)의 양단부가 선반몸체(2)에 고정된 상태로 존재하며, 이 석영튜브(1)를 가열하기 위한 토치(4)가 구비된다. 석영튜브(1)는 대략 60-120rpm으로 회전하며, 이 석영튜브 안으로 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 화학기체가 O2 및 He과 함께 주입되어, 토치(4)로 가열할 때 내벽면에 실리카 입자가 증착된다. 또한, 선반몸체(2)에는 방열판(3)이 부착되어 토치(4)로부터의 열이 선반몸체(2)로 전달되는 것을 방지한다. 도면부호 5는 토치(4)에 의해 형성된 화염을 나타내며, 이 화염(5)에 따라서 주변의 온도구배가 달라진다. 또한, 토치(4)는 별도의 플레이트(6)에 설치되어 석영튜브(1)와 평행하게 이동 가능하며, 따라서 석영튜브(1)의 양단부를 걸쳐 이동하면서 반복적으로 가열작업을 수행한다. 또한, 이러한 종래의 MCVD 장치에는 고온용 적외선 온도계(7)가 설치되어 석영튜브(1)의 외벽 표면온도를 측정한다. 고온용 적외선 온도계(7)는 1000℃ 이상의 온도를 측정할 수 있는 것으로서, 토치(4)와 함께 이동하면서 토치(4)에 의해 가열되는 석영튜브(1)의 외벽 온도를 측정하게 된다. 이 온도계(7)가 측정한 온도에 따라서 토치(4)에 제공되는 수소-산소의 유량이 제어되어 석영튜브(1)의 온도를 기설정된 최고온도에 맞추게 된다.1 shows an MCVD apparatus of a general structure according to the prior art. Referring to FIG. 1, in the conventional MCVD apparatus, both ends of the quartz tube 1 are fixed to the shelf body 2, and a torch 4 for heating the quartz tube 1 is provided. The quartz tube 1 rotates at approximately 60-120 rpm, and inside the quartz tube, chemical gases such as SiCl 4 , GeCl 4 and POCl 3 are injected together with O 2 and He to heat the torch 4. Silica particles are deposited on. In addition, a heat sink 3 is attached to the shelf body 2 to prevent heat from the torch 4 from being transferred to the shelf body 2. Reference numeral 5 denotes a flame formed by the torch 4, and the temperature gradient around the flame 5 varies. In addition, the torch 4 is installed on a separate plate 6 and is movable in parallel with the quartz tube 1, thus repeatedly performing heating while moving over both ends of the quartz tube 1. In addition, such a conventional MCVD apparatus is provided with a high temperature infrared thermometer 7 to measure the surface temperature of the outer wall of the quartz tube 1. The high temperature infrared thermometer 7 is capable of measuring a temperature of 1000 ° C. or more, and measures the outer wall temperature of the quartz tube 1 heated by the torch 4 while moving with the torch 4. The flow rate of hydrogen-oxygen provided to the torch 4 is controlled in accordance with the temperature measured by this thermometer 7 to adjust the temperature of the quartz tube 1 to the preset maximum temperature.
즉, 상술한 종래의 MCVD 장치는 토치(4)와 같은 속도로 이송하는 적외선 온도계(7)로부터 석영튜브(1)의 최고온도를 실시간으로 모니터링하며, 토치(4)가 이동하는 동안 석영튜브(1)가 일정한 최고온도를 갖도록 토치(4)에 유입되는 산소, 수소의 유량을 조절하는 것이다. 이렇게 길이방향으로 균일해진 튜브(4)의 최고온도는 전체 토치이송구간에 걸쳐 입자 생성율을 어느 정도 일정하게 만들게 된다.That is, the above-described conventional MCVD apparatus monitors in real time the highest temperature of the quartz tube 1 from the infrared thermometer 7 traveling at the same speed as the torch 4, and the quartz tube (while the torch 4 moves). 1) is to control the flow rate of oxygen, hydrogen flowing into the torch 4 to have a constant maximum temperature. The maximum temperature of the tube 4 uniform in the longitudinal direction makes the particle generation rate somewhat constant throughout the entire torch transfer section.
그러나, 이와 같은 실리카 입자의 증착현상은 토치(4)에 의해 가열된 위치의 최고온도뿐 아니라, 토치 진행방향 앞쪽에 존재하는 최저온도 및 평형온도에 보다 직접적인 영향을 받는다. 따라서, 최고온도가 균일하게 유지된다 하더라도 최저온도가 일정한 값을 가지지 못한다면 증착성능의 길이방향 특성은 저하될 수밖에 없다. 다시 말해서 실제 증착 공정에 있어 최저온도 및 평형온도의 조절은 고려해야 할 인자임에도 불구하고 기존 공정에서는 이에 대한 분석 및 제어를 통해 증착성능의 길이방향특성을 향상시키고자 하는 노력이 거의 없었다. However, the deposition phenomenon of such silica particles is more directly affected by the minimum temperature and the equilibrium temperature which exist in front of the torch traveling direction as well as the maximum temperature of the position heated by the torch 4. Therefore, even if the maximum temperature is maintained uniformly, if the minimum temperature does not have a constant value, the longitudinal characteristic of the deposition performance is inevitably deteriorated. In other words, although the control of the minimum and equilibrium temperature is a factor to be considered in the actual deposition process, little efforts have been made to improve the longitudinal characteristics of the deposition performance through analysis and control in the existing process.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 석영튜브의 최고온도와 최저온도를 항상 일정하게 유지함으로써, 온도구배 차이에 따른 실리카 입자 증착량 및 증착효율의 저하를 방지할 수 있는 광섬유모재의 길이방향 특성 향상을 위한 온도제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by constantly maintaining the highest temperature and the lowest temperature of the quartz tube, the optical fiber that can prevent the degradation of the silica particle deposition amount and deposition efficiency according to the temperature gradient difference The purpose is to provide a temperature control device for improving the longitudinal characteristics of the base material.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유모재의 길이방향 특성 향상을 위한 온도제어장치는 석영튜브를 고정시키는 선반몸체, 석영튜브와 평행하게 이동하면서 석영튜브를 가열하는 토치, 토치에 의해 가열된 석영튜브의 최고온도를 측정하는 고온용 적외선 온도계, 토치와 함께 이동하여 토치 전방의 석영튜브를 냉각시키는 냉각기체 분사기, 냉각기체 분사기에 의해 냉각된 석영튜브의 최저온도를 측정하는 저온용 적외선 온도계, 및 석영튜브의 최고온도 및 최저온도를 일정하게 유지시키기 위해 고온용 및 저온용 적외선 온도계의 측정값에 근거하여 토치 및 냉각기체 분사기를 제어하는 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, the temperature control apparatus for improving the longitudinal characteristics of the optical fiber base material according to the present invention includes a shelf body for fixing the quartz tube, a torch for heating the quartz tube while moving in parallel with the quartz tube, and a torch. High temperature infrared thermometer for measuring the highest temperature of the heated quartz tube, a cold gas injector that moves together with the torch to cool the quartz tube in front of the torch, and a low temperature infrared ray for measuring the lowest temperature of the quartz tube cooled by the cooling gas injector And a control unit for controlling the torch and the cooling gas injector based on the measured values of the high temperature and low temperature infrared thermometers to maintain the high temperature and the low temperature of the quartz tube constantly.
이때, 토치 및 냉각기체 분사기는 동일한 플레이트에 설치되어 동일한 속도로 이동하도록 구성될 수 있다.In this case, the torch and the cooling gas injector may be installed on the same plate and configured to move at the same speed.
다른 대안으로서, 토치 및 냉각기체 분사기는 동일한 플레이트에 설치되지만, 토치 및 냉각기체 사이의 간격은 서로 조정 가능하도록 구성될 수도 있다.As another alternative, the torch and the coolant gas injector may be installed on the same plate, but the spacing between the torch and the coolant gas may be configured to be adjustable to each other.
바람직하게, 토치 및 냉각기체 분사기는 각각 고온용 및 저온용 적외선 온도계와 서로 결합되어, 각각 동일한 위상에서 이동한다.Preferably, the torch and the cooling gas injector are coupled to each other with the high temperature and low temperature infrared thermometers, respectively, and move in the same phase.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 2는 본 발명에 따른 수정화학기상증착(MCVD; Modified Chemical Vapor Deposition)용 온도제어장치의 구성을 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 MCVD용 온도제어장치는 먼저 석영튜브(1) 및 석영튜브(1)의 일단부가 결속된 선반몸체(2)를 구비하며, 이는 종래와 유사하다. 또한, 선반몸체(2)에는 방열판(3)이 설치되어 이후 석영튜브(1)를 가열하는 공정에서 고온의 열기가 선반몸체(2)로 향하는 것을 방지한다.2 is a view showing the configuration of a temperature control apparatus for Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) according to the present invention. Referring to the drawings, the temperature control apparatus for MCVD of the present invention first includes a quartz tube 1 and a shelf body 2 to which one end of the quartz tube 1 is bound, which is similar to the prior art. In addition, the shelf body (2) is provided with a heat sink (3) to prevent the heat of the high temperature toward the shelf body (2) in the process of heating the quartz tube (1) afterwards.
석영튜브(1) 안으로는 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 화학기체가 O2 및 He과 함께 주입되며, 석영튜브(1)의 내벽면에 실리카 입자를 증착시키기 위해서 석영튜브(1)는 토치(14)로 가열된다. 이때, 토치(14)는 석영튜브(1)와 평행하게 설치된 토치용 플레이트(16)에 설치되며, 이 플레이트(16)를 따라서 이동 가능하다. 따라서, 토치(14)는 플레이트(16)를 따라서 석영튜브(1)의 양단부 사이의 범위를 석영튜브(1)와 일정한 간격을 두고 이동하게 된다.Chemical gases such as SiCl 4 , GeCl 4 , POCl 3, etc. are injected into the quartz tube 1 together with O 2 and He. The quartz tube 1 is a torch to deposit silica particles on the inner wall of the quartz tube 1. Heated to 14. At this time, the torch 14 is installed on the torch plate 16 installed in parallel with the quartz tube 1, and is movable along the plate 16. Thus, the torch 14 is moved along the plate 16 between the end portions of the quartz tube 1 at regular intervals from the quartz tube 1.
또한, 본 발명의 온도제어장치에는 토치(14)에 의해서 가열되는 석영튜브(1)의 온도를 측정하기 위해서 종래와 유사한 고온용 적외선 온도계(17)가 설치된다. 고온용 적외선 온도계(17)는 토치(14)와 동일한 위상에 위치하며, 토치(14)와 서로 연결되어 동일한 속도로 이동한다. 따라서, 고온용 적외선 온도계(17)는 석영튜브(1)를 따라서 토치(14)와 함께 이동하면서 토치(14)의 화염이 닿는 위치의 온도를 지속적으로 측정하게 된다.In addition, the temperature control device of the present invention is provided with a high-temperature infrared thermometer 17 similar to the conventional one in order to measure the temperature of the quartz tube 1 heated by the torch 14. The high temperature infrared thermometer 17 is located at the same phase as the torch 14 and is connected to the torch 14 and moves at the same speed. Accordingly, the high temperature infrared thermometer 17 continuously measures the temperature at the position where the flame of the torch 14 touches while moving together with the torch 14 along the quartz tube 1.
이와 같은 온도데이터는 도시되지 않은 제어부로 전송되며, 제어부는 측정된 온도데이터에 따라서 토치(14)로 공급되는 수소-산소의 유량을 조절하여 토치(14)의 가열온도를 제어함으로서 석영튜브(1)의 최고 온도를 일정하게 유지시킨다.Such temperature data is transmitted to a controller (not shown), and the controller controls the heating temperature of the torch 14 by controlling the flow rate of hydrogen-oxygen supplied to the torch 14 according to the measured temperature data. Keep the maximum temperature constant.
또한, 본 발명에서 플레이트(16)에는 냉각기체 분사기(18)가 설치된다. 냉각기체 분사기(18)는 토치(14)와 일정한 간격만큼 이격된 상태로 이동하여 토치(14)에 의해 가열될 석영튜브(1)를 미리 냉각시키는 역할을 한다. 또한, 냉각기체 분사기(18)에서 분사된 냉각기체는 토치(14)의 화염이 지나치게 넓은 범위로 확산되는 것을 방지하며, 토치 전방에 존재하는 석영튜브(1)의 최저온도를 보다 낮춤으로서 토치(14)에 의한 열영동력을 극대화하게 된다. 미설명부호 19는 냉각기체 분사기(18)에 의해 분사된 냉각기체의 확산범위를 대략적으로 나타낸다. 냉각기체로는 질소, 아르곤, 공기 등이 사용될 수 있다.In the present invention, the plate 16 is provided with a cooling gas injector 18. The cool gas injector 18 moves in a state spaced apart from the torch 14 by a predetermined interval to pre-cool the quartz tube 1 to be heated by the torch 14. In addition, the cooling gas injected from the cooling gas injector 18 prevents the flame of the torch 14 from spreading in an excessively wide range, and lowers the minimum temperature of the quartz tube 1 existing in front of the torch. 14) will maximize the thermal dynamics. Reference numeral 19 roughly indicates a diffusion range of the cooling gas injected by the cooling gas injector 18. Nitrogen, argon, air and the like may be used as the cooling gas.
냉각기체 분사기(18)와 토치(14)는 서로 일정한 거리를 두고 설치되지만, 때에 따라서 이 거리는 변경될 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 냉각기체 분사기(18)와 토치(14)는 서로 독립적으로 구동될 수도 있으며, 이러한 거리조절기능은 제어부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.Although the cool gas injector 18 and the torch 14 are provided at a constant distance from each other, it is preferable that this distance can be changed from time to time. To this end, the cool gas injector 18 and the torch 14 may be driven independently of each other, and this distance adjusting function may be performed by a controller (not shown).
이때, 본 발명의 온도제어장치에는 냉각기체 분사기(18)에 의해 냉각된 석영튜브(1)의 최저온도를 측정하기 위한 저온용 적외선 온도계(20)가 추가로 설치된다. 저온용 적외선 온도계(20)는 냉각기체 분사기(18)와 동일한 위상에 위치하여 냉각기체 분사기(18)에 의해 냉각된 부분의 온도를 측정하며, 또한 냉각기체 분사기(18)와 함께 이동함으로써 최저온도 측정을 지속적으로 수행하게 된다. 바람직하게는, 저온용 적외선 온도계(20)는 냉각기체 분사기(18)와 서로 연결된다.At this time, the temperature control device of the present invention is further provided with a low-temperature infrared thermometer 20 for measuring the minimum temperature of the quartz tube (1) cooled by the cooling gas injector (18). The low temperature infrared thermometer 20 is located at the same phase as the cooling gas injector 18 and measures the temperature of the portion cooled by the cooling gas injector 18, and moves together with the cooling gas injector 18 to minimize the minimum temperature. Measurements will continue. Preferably, the low temperature infrared thermometer 20 is connected with the cooling gas injector 18.
저온용 적외선 온도계(20)에 의해 측정된 석영튜브(1)의 최저온도 데이터는 제어부(미도시)로 전송되며, 제어부는 이 데이터를 이용하여 석영튜브(1)의 최저온도를 일정하게 유지하기 위해 냉각기체 분사기(18)의 냉각기체 분사량을 조절하게 된다. 제어부(미도시)는 본 발명의 구성과 분리 설치될 수도 있으나, 바람직하게는 토치(14) 또는 냉각기체 분사기(18)에 병설된다.The lowest temperature data of the quartz tube 1 measured by the low temperature infrared thermometer 20 is transmitted to a controller (not shown), and the controller uses this data to maintain the minimum temperature of the quartz tube 1 constant. The cooling gas injection amount of the cooling gas injector 18 is adjusted. The control unit (not shown) may be installed separately from the configuration of the present invention, but is preferably provided in the torch 14 or the cooling gas injector 18.
또한, 본 발명의 설명에서 고온용 적외선 온도계(17)는 대략 1000℃ 이상의 온도를 측정할 수 있는 것이며, 저온용 적외선 온도계(20)는 대략 1000℃ 이하의 온도를 측정하기 위한 것으로 정의된다.In addition, in the description of the present invention, the high temperature infrared thermometer 17 is capable of measuring a temperature of about 1000 ° C. or more, and the low temperature infrared thermometer 20 is defined as measuring a temperature of about 1000 ° C. or less.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 MCVD용 온도제어장치는 토치(14)에 의한 최고온도뿐 아니라 냉각기체 분사기(19)에 의한 최저온도까지도 균일하게 유지할 수 있기 때문에 토치(14)의 이송거리에 상관없이 토치(14) 주변의 온도구배를 항상 일정하게 유지할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 온도제어장치를 사용하게 되면, 석영튜브(1) 내벽면에서의 실리카 입자 증착성능이 향상되며, 또한 광섬유모재의 길이방향 특성이 향상된다는 장점이 있다.The temperature control apparatus for MCVD according to the present invention configured as described above can maintain not only the maximum temperature by the torch 14 but also the minimum temperature by the cooling gas injector 19 regardless of the transport distance of the torch 14. The temperature gradient around the torch 14 can be kept constant at all times. Therefore, the use of the temperature control device of the present invention has the advantage that the silica particle deposition performance on the inner wall of the quartz tube 1 is improved, and the longitudinal characteristics of the optical fiber base material are improved.
일반적으로 MCVD 공정에서 석영튜브(1) 내의 입자가 증착되는 메커니즘은 영영동 현상으로 설명되며, 이때의 증착효율은 반응온도 및 토치 전방의 평형온도로써 다음과 같은 이론적인 값이 주어진다.In general, the mechanism in which the particles are deposited in the quartz tube 1 in the MCVD process is described as a phenomena, and the deposition efficiency is given by the following theoretical values as the reaction temperature and the equilibrium temperature in front of the torch.
또한, 본 공정에서 반응온도는 대략 1300℃로 주어지는데, 실리카 입자의 증착량 및 증착효율을 증대시키기 위해서는 토치(14) 전방의 최저온도 및 평형온도를 낮추는 것이 필요하다. 즉, 단순히 토치 전방에 냉각기체를 분사하여 효율을 높이는 기술은 이미 제안된 바 있으나, 본 발명에서는 석영튜브(1)의 길이방향으로의 증착 특성을 균일하게 맞추기 위해서, 냉각기체가 분사되는 지점에서의 튜브온도 역시 제어인자의 하나로 설정하여, 토치(14)가 진행됨에 따라, 최저온도와 최고온도 모두를 지속적으로 일정하게 유지시키는 것이다. In addition, in this process, the reaction temperature is given at approximately 1300 ° C., in order to increase the deposition amount and deposition efficiency of the silica particles, it is necessary to lower the minimum temperature and the equilibrium temperature in front of the torch 14. That is, a technique for increasing the efficiency by simply spraying the cooling gas in front of the torch has been proposed, but in the present invention, in order to uniformly match the deposition characteristics in the longitudinal direction of the quartz tube 1, at the point where the cooling gas is sprayed The tube temperature is also set to one of the control factors, and as the torch 14 proceeds, it keeps both the lowest and highest temperatures constantly constant.
다시 말해서, 종래의 공정에서는 석영튜브의 최고온도만을 설정인자로서 제어함으로써, 실리카 입자의 반응률 및 생성율 등을 길이방향에 따라 균일하게 만들 수는 있었으나, 생성된 입자가 실제로 증착되는 메커니즘에 큰 영향을 미치는 토치 전방의 최저온도 및 평형온도를 제어하는 것은 불가능했다. 따라서, 종래의 공정은 실리카 입자의 증착량 및 효율 등이 튜브의 위치에 따라 불균일할 수 있는 가능성을 내포하고 있었다.In other words, in the conventional process, by controlling only the highest temperature of the quartz tube as a setting factor, the reaction rate and production rate of the silica particles can be made uniform along the length direction, but have a great influence on the mechanism in which the produced particles are actually deposited. It was not possible to control the minimum and equilibrium temperatures in front of the torch. Therefore, the conventional process involves the possibility that the deposition amount, efficiency, etc. of silica particle may be nonuniform depending on the position of a tube.
실제로, 실리카 입자 증착의 기본 메커니즘은 다음 식으로 표현되는 열영동이다.Indeed, the basic mechanism of silica particle deposition is thermophoresis represented by the following equation.
이 수학식을 살펴보면, 입자증착 메커니즘에서는 온도구배가 지배적 인자로 작용함을 확인할 수 있다. 따라서, 석영튜브(1)의 길이방향을 따라 균일한 증착량을 얻기 위해서는 토치(14)가 진행되는 동안에 최고온도, 최저온도 및 평형온도 등이 지속적으로 일정하게 제어되어야 하며, 이를 통해 토치 이송 전구간에 걸쳐 정상상태에 최대한 근접한 온도구배를 구현해야 한다.Looking at this equation, it can be seen that the temperature gradient acts as a dominant factor in the particle deposition mechanism. Therefore, in order to obtain a uniform deposition amount along the longitudinal direction of the quartz tube 1, the maximum temperature, the minimum temperature, and the equilibrium temperature must be constantly controlled while the torch 14 is in progress. The temperature gradient should be implemented as close to the steady state as possible over time.
본 발명에서는 토치(14)에 의한 최고온도를 고온용 적외선 온도계(17)의 측정값에 따라 지속적으로 균일하게 유지시키며, 동시에 냉각기체 분사기(18)에 의한 최저온도를 저온용 적외선 온도계(20)의 측정값에 따라 지속적으로 균일하게 유지시킴으로서, 최고온도와 최저온도가 동시에 일정하게 제어되고, 그에 따라 토치(14)의 상대좌표에 따른 온도구배를 최대한 정상상태에 근접하도록 항상 일정하게 제어할 수 있는 것이다.In the present invention, the maximum temperature by the torch 14 is continuously maintained uniformly according to the measured value of the high temperature infrared thermometer 17, and at the same time, the minimum temperature by the cooling gas injector 18 is the low temperature infrared thermometer 20. By keeping it uniformly according to the measured value of, the maximum temperature and the minimum temperature are controlled at the same time, and accordingly, the temperature gradient according to the relative coordinates of the torch 14 can always be controlled to be as close as possible to the normal state. It is.
이러한 결과는 종래기술과 본 발명의 실험 결과치를 비교한 도 3에 잘 나타나 있다. 도 3에서 기존공정에 해당하는 그래프는 석영튜브의 최고온도만을 제어하는 경우를 나타낸다. 이 그래프는 토치 진행방향에 따른 튜브온도가 최고온도는 일정한 값으로 유지되지만, 최저온도는 토치가 실제로 이송한 지점마다 서로 다른 값을 보임을 알 수 있다. 즉, 최고온도와 최저온도 사이의 온도구배가 토치가 위치한 지점마다 다른 값을 갖게 되어, 석영튜브의 길이방향으로 균일한 증착량 및 증착효율을 얻을 수 없음을 알 수 있다.These results are shown in Figure 3 comparing the experimental results of the prior art and the present invention. The graph corresponding to the existing process in Figure 3 shows the case of controlling only the maximum temperature of the quartz tube. This graph shows that the tube temperature according to the direction of the torch is maintained at a constant value while the minimum temperature is different for each point where the torch is actually transferred. That is, it can be seen that the temperature gradient between the highest temperature and the lowest temperature has a different value for each point where the torch is located, so that a uniform deposition amount and deposition efficiency in the longitudinal direction of the quartz tube cannot be obtained.
반면, 본 발명에 따른 공정은 매 사이클마다 석영튜브의 최고온도 및 최저온도가 항상 일정하게 제어되므로, 토치 진행방향으로 온도구배 또한 일정하고, 결과적으로 석영튜브 내의 실리카 입자는 길이방향으로 항상 균일한 증착량 및 증착효율을 얻을 수 있게 된다.On the other hand, in the process according to the present invention, since the highest temperature and the lowest temperature of the quartz tube are constantly controlled at every cycle, the temperature gradient is also constant in the torch traveling direction, and as a result, the silica particles in the quartz tube are always uniform in the longitudinal direction. Deposition amount and deposition efficiency can be obtained.
이와 같이 기존공정과 본 공정에 의해 제작된 광섬유모재의 코아증착두께가 도 4에 서로 비교 가능하도록 제시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의해 제작된 광섬유모재는 코어증착두께가 균일하지 않으나, 본 발명의 경우 온도구배가 지속적으로 일정하게 유지되므로 그에 의해 생성된 코어증착두께가 항상 일정함을 알 수 있다.Thus, the core deposition thickness of the optical fiber base material produced by the existing process and the present process is presented to be comparable to each other in FIG. As shown in Figure 4, the optical fiber base material produced by the prior art is not uniform core deposition thickness, in the case of the present invention, since the temperature gradient is constantly kept constant, the core deposition thickness generated thereby is always constant. Able to know.
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.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 온도제어장치는 석영튜브의 최고온도와 최저온도를 항상 일정하게 유지함으로써, 온도구배 차이에 따른 실리카 입자 증착량 및 증착효율의 저하를 방지할 수 있다는 장점이 있다.The temperature control apparatus according to the present invention configured as described above has an advantage that the maximum temperature and the minimum temperature of the quartz tube are kept constant at all times, thereby preventing a decrease in deposition amount and deposition efficiency of silica particles due to a temperature gradient difference.
또한, 본 발명의 온도제어장치는 냉각기체 분사기와 동일한 위상에서 움직이는 저온용 적외선 온도계를 통해 석영튜브의 최저온도를 지속적으로 측정하고, 이 측정값을 피드백하여 냉각기체 분사기를 실시간으로 제어함으로서, 급격한 온도구배 변화로 인한 열응력을 최소화하였으며, 그에 따라 실리카 입자 증착량 및 증착효율을 개선하고, 결과적으로 이 과정을 통해 생산되는 광섬유모재의 품질을 보다 향상시키게 되었다.In addition, the temperature controller of the present invention continuously measures the minimum temperature of the quartz tube through a low-temperature infrared thermometer moving in the same phase as the cooling gas injector, and feeds back the measured value to control the cooling gas injector in real time, thereby rapidly increasing the temperature. Thermal stress due to temperature gradient change was minimized, thereby improving silica particle deposition rate and deposition efficiency, and consequently improving the quality of the optical fiber base material produced through this process.
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. The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to
도 1은 종래기술에 따른 MCVD 장치를 도시하는 개략도.1 is a schematic diagram illustrating an MCVD apparatus according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 MCVD용 온도제어장치를 도시하는 개략도.2 is a schematic diagram showing a temperature control apparatus for MCVD according to the present invention;
도 3은 종래기술과 본 발명에서 튜브온도의 변화를 비교하여 도시하는 그래프.Figure 3 is a graph showing a comparison of changes in tube temperature in the prior art and the present invention.
도 4는 종래기술과 본 발명에 의해 제작된 코어증착두께를 비교하여 도시하는 그래프.Figure 4 is a graph showing a comparison of the core deposition thickness produced by the prior art and the present invention.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1..석영튜브 2..선반몸체 14..토치1 .. Quartz tube 2. Shelf body 14. Torch
16..플레이트 17..고온용 적외선 온도계 16. Plate 17. High temperature infrared thermometer
18..냉각기체 분사기 20..저온용 적외선 온도계18 .. Cooled gas injector 20. Low-temperature infrared thermometer
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