KR100539869B1 - 젤 튜브의 소결 장치와 이를 이용한 대구경 광섬유 모재의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브를 소결시키기 위한 소결 장치는 1차 모재가 실장된 젤 튜브를 실장하는 중공형 공정 튜브와, 상기 공정 튜브의 상단을 밀폐시키는 상부 캡과, 상기 상부 캡을 관통하여, 상기 공정 튜브내에 삽입되어, 상기 젤 튜브와 상기 1차 모재를 지지하며, 동시에 회전력을 전달하는 세라믹 봉과, 상기 세라믹 봉의 하단과 상기 1 차모재의 상단 사이에 개재되어, 상기 세라믹 봉과 상기 1차 모재를 접합시키는 더미봉과, 상기 더미봉과 상기 젤 튜브의 양 끝단을 관통하며 상기 젤 튜브를 지지하기 위한 연결핀과, 상기 공정 튜브의 외벽에 고정되어 상기 젤 튜브를 가열하여 소결시키며, 상기 젤 튜브와 상기 1차 모재를 오버 클래딩시키는 가열로와, 상기 공정 튜브와 연결되어 상기 소결로 내를 진공 상태를 형성시키기 위한 진공 펌프를 포함한다.
Description
본 발명은 광섬유 모재의 제작 방법에 관한 것으로서, 특히 솔-젤 공법을 이용한 대구경 광섬유 모재의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적인 광섬유는 소정의 굴절률을 갖는 내부의 코어(Core)와, 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩(Cladding)으로 구성된다. 광섬유를 제조하기 위해서는 광섬유 모재 제조 공정과, 제조된 광섬유 모재를 섬사 형태의 얇은 광섬유로 뽑아내는 광섬유 인출 공정(Drawing Process)으로 이루어진다. 인출된 광섬유는 피복되어 광섬유 케이블로 제작된다.
한편, 제조된 광섬유 모재에서 장조장의 광섬유를 인출하기 위하여 오버 클래딩(Over Cladding) 또는 오버 자케팅(Over-Jacketing)공정이 수행된다. 즉, 제조된 1차 광섬유 모재에 튜브형의 2차 광섬유 모재를 오버 클래딩 공정 또는 오버 자케팅 공정을 수행하여 대구경 광섬유 모재를 완성하게 된다. 이때, 2차 광섬유 모재 즉, 발열 실리카(Fumed Silica)를 이용한 실리카 글래스를 제조하는 방법으로는 화학기상 증착법 또는 솔-젤 공법이 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 솔-젤 공법의 제조 공정을 나타낸 순서도 이다. 도 1에 도시된 바와 같이 솔-젤 공법에 의한 2차 모재의 제조 공정은 크게 혼합·분산 과정(110), 몰딩(120) 과정, 디몰딩(130)과정, 건조(140) 과정, 유기물 처리(150) 과정 및 소결(160) 과정으로 이루어진다.
상기 혼합· 분산(110) 과정은 출발 물질을 탈이온수와 혼합하고, 분산제 등의 첨가제를 섞어 분산시킴으로써 균일한 솔을 만드는 과정이다. 상기 출발 물질로는 실리콘 알콕사이드 또는 발연 실리카 등이 사용 가능하다.
상기 몰딩(120) 과정은 상기 혼합·분산(110) 과정에 의해 생성된 솔을 일정한 형태를 가진 몰드에 넣고 젤화시키는 과정이다. 상기 솔에는 솔 입자들 간의 결합을 위해 결합제 및 젤화 촉진제가 첨가된다. 상기 몰드는 스테인레스스틸, 아크릴, 폴리스틸렌 혹은 테프론 재질 등을 이용하여 형성한다. 서브스트레이트 튜브나 오버자켓팅 튜브를 성형하기 위한 몰드는 원통 내에 중심이 삽입된 형태를 가진다. 상기 몰드에 솔을 공급하는 방법에는 몰드 내에 솔을 붓는 방법, 몰드와 솔 리저버의 높이차를 이용하여 몰드 내로 솔을 공급하는 방법 등의 있으나, 불순물 유입의 위험성과 생산성 문제로 인하여 주로 펌프에 의해 강제로 몰드 내로 솔을 주입시키는 방법을 사용한다.
상기 디몰딩(130) 과정은 상기 몰딩(120) 과정을 통해 몰드 내에 형성된 젤을 몰드로부터 분리하여 숙성시키는 과정이다. 상기 디몰딩(130) 과정은 디몰딩 중에 발생할 수 있는 젤의 손상을 방지하기 위해 수조 내에서 행하기도 한다.
상기 건조(140) 과정은 몰드로부터 분리된 튜브 모양의 젤을 항온항습 챔버 등의 건조 수단을 사용하여 건조시키는 과정이다. 상기 젤은 내부에 함유된 수분이 증발하면서 다공성 망막 구조를 형성한다.
상기 유기물 처리(150) 과정은 저온 열처리를 통해 젤 내의 잔류 수분 및 바인더 등의 유기물을 분해하고, 염소 가스 분위기에서 가열하여 젤 내의 알칼리 금속성 불순물과 수산화기 등을 제거하는 과정이다.
상기 소결(160) 과정은 유기물 처리(150) 과정을 거친 튜브 모양의 젤을 소결시켜 유리화함으로써 최종적으로 얻고자 하는 실리카 글래스를 생산하는 과정이다.
상기 소결(160) 과정은 건조 및 유기물 처리된 젤을 진공 분위기하의 소결로에서 1500℃ 정도에서 가열한다.
그러나, 종래의 젤 튜브의 제작 방법은 소결 과정에서 젤 튜브의 자체 하중에 의하여, 젤 튜브의 상단의 크로스 섹셕 에어리어(Cross Section Area)의 직경이 젤 튜브의 하단의 직경과 차이가 발생하는 문제가 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 젤 튜브의 하단과 상단의 직경차로 인하여 대구경 광섬유 모재의 제작시 실제 생산된 양보다 더 많은 양의 젤 튜브가 소요된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 대구경 광섬유 모재의 제작시 젤 튜브의 손실을 줄이며, 젤 튜브의 상단과 하단의 직경 차가 최소화된 젤 튜브의 제작이 용이한 솔-젤 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브를 소결시키기 위한 소결 장치는,1차 모재가 실장된 젤 튜브를 실장하는 중공형 공정 튜브와;상기 공정 튜브의 상단을 밀폐시키는 상부 캡과;상기 상부 캡을 관통하여, 상기 공정 튜브내에 삽입되어, 상기 젤 튜브와 상기 1차 모재를 지지하며, 동시에 회전력을 전달하는 세라믹 봉과;상기 세라믹 봉의 하단과 상기 1 차모재의 상단 사이에 개재되어, 상기 세라믹 봉과 상기 1차 모재를 접합시키는 더미봉과;상기 더미봉과 상기 젤 튜브의 양 끝단을 관통하며 상기 젤 튜브를 지지하기 위한 연결핀과;상기 공정 튜브의 외벽에 고정되어 상기 젤 튜브를 가열하여 소결시키며, 상기 젤 튜브와 상기 1차 모재를 오버 클래딩시키는 가열로와;
상기 공정 튜브와 연결되어 상기 소결로 내를 진공 상태를 형성시키기 위한 진공 펌프를 포함한다.
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이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브의 제작 방법을 나타내는 순서도이며, 도 3은 본 발명의 솔-젤 공법에 의한 소결 장치를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 솔-젤 공법에 의한 2차 모재의 제조 공정은 크게 혼합·분산(210) 과정, 몰딩(220) 과정, 디몰딩(230) 과정, 건조(240) 과정, 유기물 처리(250) 과정 및 삽입(260) 과정과 소결 ·오버 클래드(270) 과정으로 이루어진다.
상기 혼합· 분산(210) 과정은 출발 물질을 탈이온수와 혼합하고, 분산제 등의 첨가제를 섞어 분산시킴으로써 균일한 솔을 만드는 과정이다. 상기 솔에는 솔 입자들 간의 결합을 위해 결합제 및 젤화 촉진제가 첨가된다.
예를 들어, 솔-젤 공법은 출발 물질로서 발열 실리카 등을 탈이온수에 분산시키고, 분산성 향상을 위하여 분산제와, 결합제, 가소제 등을 첨가하여 솔을 형성시킨다.
분산된 상기 솔은 산도~12, 점도 ~40cP가 되도록 혼합하고 12 시간 가량 숙성시킨 후, 진공도 10-3토르(torr)이하에서 약 10여분 동안 기포를 제거한 후, 젤화 경화제 등을 균일하게 혼합한다.
상기 몰딩(220) 과정은 상기 혼합·분산(210) 과정에 의해 생성된 솔을 일정한 형태를 가진 몰드에 넣고 젤화시키는 과정이다. 상기 몰드는 스테인레스스틸, 아크릴, 폴리스틸렌 혹은 테프론 재질 등을 이용하여 형성한다. 서브스트레이트 튜브나 오버자켓팅 튜브를 성형하기 위한 몰드는 원통 내에 중심봉이 삽입된 형태를 가진다. 상기 몰드에 솔을 공급하는 방법에는 몰드 내에 솔을 붓는 방법, 몰드와 솔 리저버의 높이 차를 이용하여 몰드 내로 솔을 공급하는 방법 등이 있으나, 불순물 유입의 위험성과 생산성 문제로 인하여 주로 펌프에 의해 강제로 몰드 내로 솔을 주입시키는 방법을 사용한다.
예를 들어, 상기 몰딩(220) 과정은 상기 혼합· 분산(210) 과정에서 숙성된 솔을 상술한 형태의 원심 성형용 몰드에 주입하고 밀폐한 후, 약 5분 여간 10-3토르(torr)이하에서 진공 처리한 후, 다시 상기 원심 성형용 몰드를 회전 선반에 장착한 후, 약 2,000RPM 이상으로 30여분이상 고속 회전시킨다. 경화된 솔-젤은 약 30℃정도의 챔버에서 0.1RPM정도로 저속 회전시키면서 숙성시킨다.
상기 디몰딩(230) 과정은 상기 몰딩(220) 과정을 통해 몰드 내에 형성된 튜브 형상의 젤을 몰드로부터 분리시키는 과정이다. 상기 디몰딩 과정은 디몰딩 중에 발생할 수 있는 젤의 손상을 방지하기 위하여 수조 내에서 행하기도 한다.
상기 건조(240) 과정은 몰드로부터 분리된 튜브 모양의 젤을 항온 항습 챔버 등의 건조 수단을 사용하여 건조시키는 과정이다. 상기 젤은 내부에 함유된 수분이 증발하면서 다공성 망막 구조를 형성한다.
상기 유기물 처리(250) 과정은 저온 열처리를 통해 젤 내의 잔류 수분 및 바인더 등의 유기물을 분해하고, 염소 가스 분위기에서 가열하여 젤 내의 알칼리 금속성 불순물과 수산화기 등을 제거하는 과정이다.
도 3을 참조하면, 상기 젤 튜브를 소결하기 위한 장치는 젤 튜브를 소결하기 위한 중공형 공정 튜브(310)와, 상기 공정 튜브(310)의 상단(310b)을 밀폐시키는 상부 캡(330)과 상기 젤 튜브(300)에 회전력을 전달하는 세라믹 봉(331)과, 상기 젤튜브를 소결시키는 가열로(320)와, 상기 세라믹 봉(331)과 상기 1차 모재(341)를 연결시키는 더미봉(340)과, 상기 젤 튜브(300)의 상부와 상기 더미봉(340)을 관통하여 연결시키는 연결핀(350)과 상기 소결로 내부에 진공 상태를 형성하기 위한 진공 장치(360)를 구비하여 구성된다.
상기 삽입(260) 과정은 상기 젤 튜브(300)의 길이와 동일한 길이를 가지며, 상기 젤 튜브의 내경과 일반 공차범위 이내 외경을 갖는 1차모재(341)를 상기 젤 튜브(300)의 내부에 삽입하는 과정이다. 상기 1차 모재(341)를 상기 젤 튜브(300)의 중심에 삽입함으로서, 공정후, 상, 하 직경 편차 등의 발생을 최소화시킨다.
상기 상부 캡(330)과 연결된 세라믹 봉(331)의 하부에는 더미봉(340)이 접합되어 있으며, 상기 더미봉(340)의 하단에 상기 1차모재(350)가 결합된 구조이다. 상기 세라믹 봉(331)에 결합된 상기 1차모재(341)에 상기 젤 튜브(300)를 삽입한 후, 상기 젤 튜브(300)의 상부와 상기 더미 튜브(340)의 상부에 상기 연결핀(350)을 관통시켜 상기 젤 튜브(300)와 상기 1차 모재(341)를 지지한다.
상기 소결(270) 과정은 유기물 처리(250) 과정을 거친 튜브 모양의 젤을 소결시켜 유리화함으로써 최종적으로 얻고자 하는 실리카 글래스를 생산하는 과정이다. 상기 소결 과정은 건조 및 유기물 처리된 젤을 진공 분위기하의 소결로에서 중고온 상태에서 가열하여 소결시킨다.
상기 소결 과정(270)은 소결로의 중심부, 상기 젤 튜브(300)와 상기 1차 모재(341)의 접하는부분에 위치한 상기 가열로(320)가 상기 젤 튜브(300)를 가열하여 소결시킨다. 또한, 상기 젤 튜브(300)와 상기 제 1차 모재(341)의 구조와 재질의 차이로 인하여 서로 다른 열반응 특성을 갖는다. 즉, 상기 소결 과정(370)은 상기 젤 튜브(300)의 응축을 유발하며, 상기 제 1차 모재(341)의 외벽과 상기 젤 튜브(300)의 내벽 사이에 고온 영역을 형성 시켜서, 상기 제 1차 모재의 외벽에 상기 젤 튜브가 응축되면서 압착, 결합되게 된다. 또한, 상기 소결로와 진공 펌프(320)가 연결되어 상기 제 1차 모재(341)와 상기 젤 튜브(300)의 결합 효율을 향상시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 솔-젤 공법에 의한 2차 모재의 제작 방법에 있어서, 소결 과정 전에 젤 튜브의 내경에 젤 튜브의 길이와 동일한 길이의 1 차 모재를 삽입함으로써, 소결 과정 후에 발생하는 상단과 하단의 직경 차이가 최소화되므로써, 기존 소결 과정에서 소요되는 젤 튜브의 길이가 감소되어 생산성이 향상된다. 또한, 과도한 소결로의 높이가 감축되어 설비 비용이 감소되는 이점이 있다. 또한, 상술한 바와 같이 소결 과정 전에 젤 튜브의 내부에 1 차모재를 삽입하여 소결함으로써, 광섬유 모재 제작 공정이 대폭 단축되는 이점이 있다.
도 1은 종래의 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브의 제작 방법을 나타내는 순서도,
도 2는 본 발명의 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브의 제작 방법을 나타내는 순서도,
도 3은 본 발명의 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브의 제작 장치를 나타내는 단면도.
Claims (2)
- 삭제
- 솔-젤 공법에 의한 젤 튜브를 소결시키기 위한 소결 장치에 있어서,1차 모재가 실장된 젤 튜브를 실장하는 중공형 공정 튜브와;상기 공정 튜브의 상단을 밀폐시키는 상부 캡과;상기 상부 캡을 관통하여, 상기 공정 튜브내에 삽입되어, 상기 젤 튜브와 상기 1차 모재를 지지하며, 동시에 회전력을 전달하는 세라믹 봉과;상기 세라믹 봉의 하단과 상기 1 차모재의 상단 사이에 개재되어, 상기 세라믹 봉과 상기 1차 모재를 접합시키는 더미봉과;상기 더미봉과 상기 젤 튜브의 양 끝단을 관통하며 상기 젤 튜브를 지지하기 위한 연결핀과;상기 공정 튜브의 외벽에 고정되어 상기 젤 튜브를 가열하여 소결시키며, 상기 젤 튜브와 상기 1차 모재를 오버 클래딩시키는 가열로와;상기 공정 튜브와 연결되어 상기 소결로 내를 진공 상태를 형성시키기 위한 진공 펌프를 포함함을 특징으로하는 젤튜브의 소결 장치.
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