KR100540492B1 - 광섬유 모재의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

광섬유는 광섬유 제조의 인발 단계 동안 직접적으로 달성되도록 내부 코어 위에 외부 자켓 튜브의 침하를 허용하는 직결 슬리이빙 기술에 의해 생산된다. 광섬유 제조공정시, 모재는 폐쇄된 환형 틈/캐비티을 갖게 된다. 상기 모재는 역시 기밀을 만들어낸다. 진공은 이 조립체의 환형 틈/캐비티 내에 유지될 수 있다. 열원은 로드의 각 끝단부 상에 상기 튜브의 끝단을 침하시키기 위해 적용되고, 상기 일단으로부터 타단으로의 열원의 횡단 속도는 최종 모재의 크랙 방지를 위해 제어된다. 얻어진 모재는 드로잉 타워 상에 장착되고, 섬유는 로드 상에 튜브의 나머지 부분을 동시에 침하하는 동안 인발된다. 튜브 내에 로드를 정렬시키는 장치는 상기한 모재 제조 공정에 사용되고, 나사산이 형성된 몸체와 링들 및 분할링들을 포함한다.

광섬유, 튜브, 로드

Description

광섬유 모재의 제조방법 및 제조장치{METHOD OF AND APPARATUS FOR MANUFACTURING AN OPTICAL FIBER PREFORM}

본 발명은 광섬유 및 광섬유 모재(母材)의 제조에 관한 것이다.

폭넓은 다양한 응용분야에서 잠재적으로 유용하게 사용가능하지만, 본 발명은 광섬유 제조 분야에서 개발되고 또한 더욱 발전된 것이다.

광섬유는 많은 양의 정보를 담은 광신호를 매우 적은 손실로 장거리에 걸쳐 전달하는 얇은 글래스 가닥이다.

일반적으로 광섬유는 흔히 코어로 불리는 글래스로 된 내측 실린더와, 이를 둘러싸는, 흔히 피복재(cladding)로 불리는, 낮은 굴절률을 갖는 플라스틱 또는 글래스제 원통형 셸(shell)로 이루어진다.

광섬유는 전통적으로 적절한 합성물로 된 모재를 먼저 제작하고, 그 모재로부터 섬유를 뽑아냄으로써 제작된다. 전형적인 모재는 일반적으로 속이 꽉찬 동심의 글래스 로드(rod) 형상을 띠며, 길이는 약 1미터, 직경은 통상 10 - 100㎜ 이다. 이 모재의 코어는 고순도이고, 약 1-40㎜의 직경을 갖는 게르마늄 실리케이트 글래스와 같은 저 손실 글래스이다. 피복재는 코어를 둘러싸는 글래스층으로서 코어에 비해 굴절율이 낮다.

이러한 모재를 제조하기 위해 오늘날 사용되는 제조 방법에는 여러 가지가 있다.

측면 수트 증착 기술(lateral soot deposition technique)로서 통상적으로 알려져 있고, 미국 특허 번호 3,711,262 및 3,876,560에 기술된 한 방법으로서, 미립자 글래스재와 첨가된 할로겐화물들이 가수분해 버너에서 성형되고, 글래스 로드와 같은 기재(starting member)상에 증착된다.

피복층을 포함하는 글래스의 부가층들은 로드에 증착되고, 그 합성물은 불활성 환경에서 가열에 의해 투명한 로드 위에 통합된다. 이러한 과정은 고온 수트 스트림(soot stream)을 많이(200회 정도까지) 통과시켜야만 하고, 이로 이해 비용이 많이 들고 시간이 소모된다. 또한, 수트가 증착된 후, 모재는 헬륨과 같은 제어된 불활성 분위기에서 소결되어야 하고, 이는 역시 매우 고비용이 든다. 더욱이, 이러한 부가적인 요구조건들은 오히려 생산을 지연시키거나 비용을 증가시킬 수 있는 광범위한 공정 제어를 요구한다.

다른 제조 공정은 통상 변형 화학 기상증착(MCVD: modified chemical vapor deposition)기술이다. 이 기술에서는, 글래스 선봉(先鋒) 증기가 글래스 실린더 내에서 균일한 반응을 시작할 수 있도록 충분히 가열된 중공 글래스 실린더를 통과하게 된다. 이 반응중, 미립자 글래스재는 형성되고, 글래스 실린더 안쪽에 증착되며, 이어서 열원의 횡단에 의해 실린더 속으로 융합된다. 이 기술 또한 제작 경제성과 생산 일정에 부정적인 영향을 미치는 불충분한 증착률에 관한 문제 및 시작튜브의 필요성에 관한 문제가 있다.

한편 섬유 모재에 대한 다른 기술로서는, 증기 축방향 증착 방법, 더 일반적으로 VAD라고 하는 방법이 있다. 미국 특허번호 4,062,665에 기술된 이 방법은, 회전하는 융합 실리카-베이트 로드(silica-bait rod)의 단부 위로 코어와 피복재 수트 양쪽을 동시에 화염증착하는 것에 관한 것이다. 다공성 수트 모재는 성장함에 따라 흑연저항로(graphite resistance furnace)(카본 히터)를 통해 천천히 뽑아내어지고, 여기서 구역 소결에 의해 투명한 글래스 모재 속으로 통합된다. 이 과정은 제어를 위한 두 개의 가수분해 버너가 있다는 점을 제외하고, 상기한 측면 수트 증착 기술에서 발견한 바와 같이, 첨가된 할로겐화물을 포함하는 화염 가수분해 버너와 관련해서 단점 및 문제점이 있다. 완성된 모재의 제어와 양 버너의 제어는 정밀해야 한다.

한편, 광섬유 모재 제조의 다른 방법은, 코어가 내측 솔리드 첨가 실리카 글래스 로드와 하나 또는 그 이상의 슬리이빙 튜브로부터 제조된다. 이 방법에는, 미국 특허번호 4,154,591 및 4,596,589에 기술된 바와 같이, 코어 로드가 슬리이빙 튜브 내에 위치된다. 상기 튜브는 튜브의 전체 길이에 걸쳐 열원이 천천히 횡단함으로써 로드 위로 침하(collapse)한다. 영국 특허 출원 GB 22284206호에는 코어 로드에 (슬리이빙 실링을 위한 실링-업(sealing-up) 파트나, 오버-클래딩, 튜브를 가지는) 지지로드를 접합하고 슬리이빙 튜브에 지지튜브를 접합하는 것에 대해 제안되어 있으며, 상기 지지튜브는 슬리이빙 튜브와 다른 순도를 가지며 코어 로드를 중심에 위치시키기 위한 링을 포함한다. 상기 튜브는, 선반상에서 조립체를 회전시키는 동안, 튜브의 전체 길이에 걸쳐 열원이 천천히 횡단함으로써 로드 위로 침하한다.
그러나, 상기 특허에 기술된 방법은, 섬유의 실제 인발에 앞서 튜브가 로드 위로 완전히 침하하여 튜브 및 로드가 속이 꽉찬 다층의 원통형 덩어리로 된다는 점에서 느리고 비용이 많이 드는 방법이다.
글래스 로드 위에 슬리이빙 튜브를 침하시키기 위한 대안이 일본특허출원 공개번호 63-170235에 개시되어 있다. 상기 특허에는 로드 위로 튜브의 제1단을 침하시키고, 이어 튜브의 안쪽으로 음압을 인가하고, 최종적으로 로드 위로 튜브의 반대쪽 단을 침하시키는 것을 제안하고 있다.

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일본 특허 출원 JP 60-155542호에는 코어 로드와 실리이빙 튜브가 인발을 위해 가열 퍼니스 내에 위치되어, 각 하단부가 열에 의해 연해지고, 용융되고, 결합되고, 섬유를 성형하도록 하부로 인발되는 방법이 개시되어 있다.
출원인이 관찰한 바에 따르면, 튜브가 로드 위로 침하할 때, 고체덩어리 속에서 모재의 제조 및/또는 침하가 진행중인 동안 모재가 기하학적으로 비대칭이 되지 않도록 특히 주의를 기울여야 하는데, 이는 이러한 비대칭이 완성된 섬유의 횡단면에 그대로 나타나고, 그 결과 섬유의 전송 특성에 부정적인 영향을 초래하기 때문이다.

특히, 로드 위에 튜브를 침하시킴에 의해 단순 이중층의 모재를 제조시 이러한 비대칭을 피하기 위해서는, 공정시작시 튜브와 로드의 정확한 정렬 및 전체 침하 공정 도중 로드 상에서 튜브의 중심을 맞추어 유지하는데 주의를 기울여야 한다.

이러한 관점에서 출원인은, 종래 방법에 따르면, 튜브를 내측 로드와 정렬시키는 것은 로드 상으로의 튜브의 침하를 수행하는 선반에서 직접 이뤄짐을 알았다. 그러나, 이러한 조작은 매우 까다롭고 곤란하며, 선반은 일반적으로 수직위치에 존재함에 따라 로드와 튜브의 정확한 정렬의 구현에 있어서는 대체로 특수한 글래스 가공 기술을 필요로 한다.

이와 더불어, 출원인은 튜브 침하(collapse)를 위한 열원의 온도는 전체 침하공정에 걸쳐 정확히 제어되어야 함을 알았다. 특히, 튜브의 반대쪽들만이 로드의 각 대응단부에 침하될 때, 비침하(非沈下) 영역에서의 원치 않는 침하를 피하는 한편 조립된 모재에서 열응력 영역을 최소화하기 위해, 튜브의 비침하 영역의 온도에 주의를 기울여야 한다.

따라서, 본 발명은 종래 방법과 관련되어 출원인에 의해 관찰된 하나 이상의 문제들을 상당히 제거하는, 향상된 직접 슬리이빙 기술을 사용하는 광섬유 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 추가적인 특징들, 목적들과 이점들은 이하의 상세한 설명에서 개시될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 쉽게 알 수 있을 것이고 또는 본 발명의 실시에 의해 익힐 수 있을 것이다.

본 발명의 목적과 또 다른 이점은 첨부도면과 청구항과 상세한 설명에서 지적한 방법과 장치에 의해 실현되고 얻어질 것이다.

본 발명의 목적에 따른 이러한 이점들 및 다른 이점들을 달성하기 위하여, 구체적인 예를 들어 광범위하게 기술된 바와 같이, 본 발명은 광섬유 모재와, 코어로드를 슬리이빙 튜브 내부에서 중앙에 위치시킴으로써 로드의 외면과 튜브의 내면 사이에 환형 틈을 형성하고, 튜브의 길이 대부분에 걸쳐 상기 환형 틈이 붕괴되지 않도록 유지하면서 튜브의 양 단부를 로드의 각 단부 위로 가열 침하시키는 광섬유 모재의 제조방법을 제공한다.

로드를 향하여 안쪽으로 슬리이빙 튜브를 치우치게 하기 위한 힘, 예를 들어 진공은 로드 상으로의 튜브의 침하를 촉진하기 위해 상기 환형 틈에 가해지는 것이 바람직하다.

그리고 나서, 완성된 모재는 침하된 끝단부로부터 섬유가 뽑아짐에 따라 슬리이빙 튜브의 비침하부가 로드 위로 침하되도록 하기 위해 모재의 일측 단부에 열이 가해지는 드로잉 타워(drawing tower) 내로 삽입된다.

특히, 본 발명의 일 형태는 글래스 튜브 내로 글래스 로드를 삽입함으로써 로드 외면과 튜브 내면 사이에 환형 틈을 제공하고, 튜브의 길이 대부분에 걸쳐 비침하 환형 틈을 유지하면서 로드의 각 끝단부 위로 튜브의 끝단부를 가열 침하시킴으로써 광섬유 모재를 만드는 방법에 관한 것으로서,

로드를 튜브내부의 중앙에 배치하여, 로드의 외면과 튜브의 내면 간에 환형의 틈을 제공하는 단계;
길이방향의 축에 대해 상기 로드와 튜브를 정렬함과 동시에, 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드 간에 기계적 시일(seal)을 형성하는 단계;
미리 설정된 침하 속도로 상기 튜브의 실링(sealing)되지 않은 반대쪽 단부에 위치한 상기 튜브의 제1 구역(section)을 따라 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 제1 구역을 로드 위로 가열 침하시켜서 상기 튜브의 상기 반대쪽 단부와 상기 로드를 밀폐시키는 단계;
로드를 향하여 안쪽으로 튜브를 치우치게 하는 힘을 가하는 단계;
모재(母材)의 어떠한 열 크랙도 방지하고, 상기 제1 구역과 튜브의 실링된 단부 부근에 위치된 튜브의 제2 구역 사이에서 로드 위로의 튜브의 어떠한 침하도 방지할 수 있도록 미리 설정된 횡단 속도로 상기 열원을 횡단시킴으로써 튜브의 상기 제2 구역 쪽으로 열원을 움직이는 단계; 및
대략 상기 미리 설정된 침하 속도로 튜브의 상기 제2 구역을 따라 상기 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 제2 구역을 로드 위로 가열 침하시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

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보다 바람직하게는, 로드를 향하여 안쪽으로 튜브를 치우치게 하는 힘이 기계적 시일을 통해 환형 틈에 진공을 가함에 의해 달성된다.

본 발명의 보다 바람직한 형태에 따르면, 열원의 상기 미리 설정된 횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도보다 약 2내지 8배 높다.

본 발명의 다른 바람직한 일 형태에 따르면,

상기한 바와 같이 튜브 내부의 중앙에 로드를 배치하고, 기계적 시일과 정렬을 형성하는 단계;
미리 설정된 침하 속도로 튜브의 제1 구역의 제1 부분(portion)을 따라 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 제1 부분을 로드 위로 가열 침하시켜서 튜브의 상기 제1 부분을 로드 위로 밀폐시키는 단계;
진공을 가하는 단계;
미리 설정된 제1 횡단 속도로 상기 열원을 횡단시킴으로써 튜브의 상기 제2 구역으로 열원을 움직이고 또한 상기 제1 구역으로 열원을 복귀시키는 단계;
대략 상기 미리 설정된 침하 속도로 튜브의 상기 제1 구역의 나머지 부분을 따라 상기 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 나머지 부분을 가열 침하시키는 단계
미리 설정된 제2 횡단 속도로 상기 열원을 횡단시킴으로써 튜브의 상기 제2 구역으로 열원을 움직이는 단계; 및
대략 상기 미리 설정된 침하 속도로 튜브의 상기 제2 구역을 따라 상기 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 제2 구역을 로드 위로 가열 침하시키는 단계를 포함한다.

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보다 바람직한 형태에 따르면, 침하되는 제1 구역의 상기 제1 부분은 침하될 튜브의 전체 구역의 약 10％ 내지 30％ 정도 된다.

상기 미리 설정된 제1 및 제2 횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도에 비해 약 2배 내지 8배 높으며, 또는, 보다 바람직하게는, 상기 미리 설정된 제1 횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도에 비해 약 2배 내지 6배 높고, 상기 미리 설정된 제2횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도에 비해 약 4배 내지 8배 높다.

또 다른 바람직한 형태에 따르면, 길이방향 축에 대해 상기 튜브와 로드를 정렬함과 동시에 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드 사이에 기계적 시일을 형성하는 단계는 어떤 장치에 의해 수행되고, 이에 따라 상기 장치와 정렬된 로드 및 튜브를 포함하는 조립체를 형성하며, 그리고 나서 상기 조립체는 글래스 선반상에 장착된다.

그리고, 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 본 발명은, 글래스 로드 및 글래스 튜브가 속으로 삽입되는 나사산이 형성된 몸체(37); 상기 나사산이 형성된 몸체와 맞물리는 나사산이 형성된 링(38,39,40); 오-링(12,13,14); 및 분할링(32,33)을 포함하며, 상기 오-링들 및 상기 분할링들은 나사산이 형성된 링들(38,40)이 회전할 때 로드를 튜브에 대하여 중앙에 위치시킴과 동시에 기계적 시일을 제공하도록 상호작용하는 것을 특징으로 하는, 글래스 로드를 글래스 튜브와 정렬시키고 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드를 기계적으로 실링하는 장치를 제공한다.

보다 바람직한 형태에 따르면, 상기 분할링은 개방되어 있고, 원주를 따라 틈새가 제공되어진다.

종래의 슬리이빙 방법과 비교할 때, 본 발명에 의해 구현된 새로운 슬리이빙 기술의 주요 결과는, 제조 공정의 인발 단계 이전에 튜브/피복재의 전 길이가 코어 로드 상으로 침하되는 것이 아니라는 점이다. 실제 슬리이빙은 섬유 인발시 완수되기 때문에, 본 발명은 모재와 섬유 생산시간 및 비용을 현저히 저감시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 조합된 모재의 정렬과 섬유의 형상에 대하여 보다 우수한 제어를 제공할 뿐만 아니라, 조합된 모재의 열응력 영역의 감소를 제공한다.

앞서의 전반적인 설명과 후술하는 상세한 설명은 설명을 위한 예시이며, 청구된 발명에 대한 보다 상세한 설명을 제공하기 위한 것임을 알 것이다.

첨부된 도면은 본 발명의 이해를 더 돕기 위해 제공되고, 명세서의 일부를 이루며, 몇 개의 본 발명의 실시예를 설명하고, 본 발명의 원리를 설명하는데 기여한다.

도 1은 본 발명을 구현한 예비성형품의 개략도이고,

도 2는 도 1의 방법을 실행함에 의해 얻어진 예비성형품의 넥-다운 영역의 개략도이고,

도 3은 준비된 코어 로드의 개략도이며,

도 4는 슬리이빙 튜브 내에 삽입된 도 3의 로드의 개략도이고,

도 5는 도 1에 따른 예비성형품을 준비하기 위한 조립장치의 횡단면도이고,

도 6은 본 발명을 구현한 예비성형품의 개략도이고,

도 7은 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 장치의 개략도이고,

도 8은 도 5의 조립 장치내에 구성된 분할링의 평면도이다.

첨부된 도면에 설명된 예들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 언급하고자 한다.

같거나 유사한 요소에 대해서는 가능한 한 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 모재는, 매우 개략적으로 말하면, (1) 먼저 코어 로드와 슬리이빙 튜브를 중앙을 맞추어 글래스 선반 상에 장착하고, (2) 로드 상으로 튜브의 양끝단을 가열 침하시킴으로써 조립된다.

이러한 모재 제조 상의 제1단계에서, 코어 로드(2)는 청결을 위해 화염에 의해 닦이고, 화염에 의해 (적어도 그 끝단과 내면이) 닦인 슬리이빙 튜브(8)내로 삽입된다.

로드는 완전히 동심원을 이루거나 도 3에 나타낸 바와 같이, 양단에 용접된 핸들을 포함하도록 보다 바람직하게 변형된다.

바람직하게, 참조로서 여기에서 구체화된, 미국 특허 번호 5,685,363에 기재된 바와 같이, 튜브의 일단에 용접된 핸들은 도 3에 나타낸 바와 같이, 직경 증가 구역 또는 환형의 리브(21)를 포함한다. 직경 증가 구역(21)은 튜브의 내벽에 맞물리는 크기여야 한다; 이와 같이, 로드와 튜브의 내벽 사이의 틈은 감소되고, 이어 튜브의 침하가 촉진된다.

그리고 나서, 상기 로드는 튜브의 일단이 로드의 대경 구역(21)에 접촉하도록 튜브 속으로 삽입되며, 이로써 튜브 내에서 로드의 끝단이 중심맞추기가 된다.

로드 및 튜브의 치수는, 튜브의 내경과 로드의 외경간의 차이가 약 0.5㎜에서 약 1.5㎜가 되도록 바람직하게 선택되고, 바람직하게는 약1.0㎜가 되고, 이로써 둘 사이에 약 0.5㎜의 환형 틈이 제공된다.

통상적으로, 로드의 직경은 약 11 내지 25㎜ 사이에서 변화될 수 있다.

튜브의 외경은 통상적으로 약 20 내지 약 80㎜로 이루어지고, 벽의 두께는 바람직하게는 약 4 내지 30㎜ 사이로 이루어진다.

상기 로드와 모재의 양측 길이는 통상 약 800㎜로부터 약 1미터로 이루어진다.

도 4에 도시한 바와 같이, 다음 단계는, 로드 및 튜브의 상단부에 장치(22)를 끼우는 것을 필요로 한다.

상기 장치는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 내측 모재의 상단부를 슬리이브 내에서 중앙에 위치시킬 뿐만 아니라 슬리이빙 튜브와 내측 로드간에 기밀 시일을 생성하는 분할링(32,33)과 오-링(12,13,14)를 포함한다. 이는 다음 단계에서 환형 틈에 진공을 인가할 수 있도록 한다.

특히, 도 5에 도시된 상기 장치는 고품질의 스테인레스 스틸로 만들어진 나사산이 형성된 몸체(37) 및 나사산이 형성된 링(38, 39, 40)을 포함한다.

오-링(12,13,14)은 바람직하게는 탄성 재료로 만들어지고, 특히, 예를 들어 비스톤(Viston; 상품명)과 같은 플루오르화엘라스토머(fluoroelastomer)로 만들어진다.

분할링(32,33)은 바람직하게는 정렬 과정 중에 튜브상에 어떠한 긁힘이나 파쇄도 야기되지 않도록 하기 위해 충분히 매끄럽고 부드러운 플라스틱 재료로 만들어져야 한다. 예들 들어, PTFE(polytetrafluoroethylene)와 같은 플루오르화 탄소 중합체는 분할링용 재료로서 유익하게 적용될 수 있다.

상기 장치의 실링 및 정렬 작용은 분할링에 의한 오-링의 압축에 의해 제공된다.

예를 들어, 메탈링(38)이 회전하게 되면, 조립체와 상기 조립체 내에서 튜브를 중앙에 위치시킴과 동시에 요구되는 진공에 견딜 수 있는 슬리이브 핸들 간에 실링이 이루어질 때까지, 분할링(32)을 위쪽으로 가압하고 오-링(14)에 대해 압력을 가하게 된다.

이러한 작용은 링(40)의 회전에 의해서도 반복 수행되는데, 상기 링(40)은 상기 로드를 튜브 및 조립체와 동심을 이루도록 정렬시키는 동시에, 분할링(33)을 오-링(12)에 대고 가압함으로써 모재 로드에 대하여 적절한 실링을 형성한다.

도 8은 분할링(33)의 평면도를 상세히 보여준다.

도면을 통해 보여지듯이, 분할링의 외주면은 내면에 비해 쐐기형을 이룬다.

또한, 상기 분할링은 완전한 고리가 아니라 개방되어 있으며, 수 밀리미터, 통상적으로 약 2㎜ 에서 4㎜인 틈(81)이 원주(80)에 구비된다.

상기 틈은, 로드 또는 튜브의 달라진 크기에 따른 분할링의 교체 없이, 동일한 분할링이 소직경 편차(통상 약1-3㎜)를 갖는 서로 다른 튜브들과 로드들의 수용을 위해 사용되어짐을 허용한다.

사실상, 상기 장치의 크기는, 분할링이 로드 또는 튜브의 외주면 상에 위치할 때, 분할링 내의 틈이 증가해도 양호한 실링 및 정렬작용이 여전히 달성되도록 되어 있다. 이에 따라 본 발명은 로드와 슬리이브 튜브를 서로 동심원상으로 견고히 지지하는 방법을 제공한다. 분할링들과 오-링들에 의한 실링수행 작용은 상기한 바와 같이 로드와 슬리이브 튜브가 움직일 수 없도록 하는 결과로 귀착된다. 따라서, 기계적 조립체의 대칭성은 로드와 슬리이브 튜브 상호간에 바람직한 정렬을 제공할 것이다. 로드와 슬리이브 튜브 주위의 죔은 분할링(32,33)과 오-링(12,14)에 의해 제공된다.

그리고 나서, 정렬된 로드와 튜브를 구비한 상기 장치를 포함하는 조립체는 속도 제어 가능한 선반, 바람직하게는 글래스 선반 상에 장착되며, 상기 선반은 수직방향을 향하도록 되어 있어 지지된 단부들이 사실상 토크를 받지 않고 상기 조립체가 열에 의해 처지지 않도록 하는 동시회전 척(chuck)들을 가진다.

도 7은 이러한 선반의 예를 개략적으로 보여주며, 상기 선반에 로드와 튜브 조립체(70)가 장착된다. 이러한 선반의 더 상세한 이해를 위해 미국특허 번호 5,221,306과 5,578,106이 참조되며, 상기 특허는 참조함에 의해 여기에 통합된다.

도 5에 상세히 나타내어진 장치(22)는 모재의 상단에 끼워지며, 로드와 튜브 사이의 환형 틈(11)이 부분적으로 진공화할 수 있도록 변경된 척들 중 하나의 중앙 개구를 통해 연장된 핸들로서 구실하게 된다.

선회 시일(36)을 거쳐 가스켓의 열린 중앙부까지 동심원상의 채널이 뻗어 있고, 이로써 환형 틈(11)은 "신속 맞춤" 커넥터(35)를 거쳐, 진공펌프와 통하게 위치된다. 상기 조립체는 회전판(34)상에 C-홈(도시안됨)과 맞물려 고정되고, 이어 선반에 연결된다.

상기 조립체는 메탈링(38)을 사용하여 적소에 록킹된다. 상기 조립체는 선반에서 정확히 수직방향을 향하도록, 최종적으로 적소에 록킹되기에 앞서 회전되어 질 수 있다. 튜브(도시 안됨)는 진공의 적용이 가능하도록 커넥터(35)에 연결된다.

모재 로드의 하단은 선반의 하부 척 상에 장착된 조(jaw)(도시안됨)에 의해 지탱된다.

상기 속도 제어 가능 선반은, 작동중에 열원의 위치가 정확히 제어되도록 선반과 같은 동일 베드(도시 안됨)에 근저를 둔 3축 위치결정 스테이지(72)상에 장착되는 열원(71), 또는 이와 대치할 수 있는 열원을 포함한다. 컴퓨터(도시 안됨)가 선반에 의한 몸체(70)의 회전과 열원의 이동을 조정 및 제어할 수 있도록 제공되어 질 수 있다. 상기 컴퓨터는 Z축 주위로의 몸체의 회전속도와 Z축을 따른 열원(71)의 속도 또한 제어한다.

스텝모터(도시 안됨)가 열원의 위치 및 횡단 속도를 제어하는 위치결정 스테이지의 3축 구동을 위해 제공된다. 공정 초기에 열원은, 튜브와 로드의 직경 증가부(21)와의 접촉지점에 상응하는 튜브의 하단부에 위치된다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 다음 단계에서, 열원(도시 안됨)은 튜브(8)의 하단부와 로드 사이에 시일(25)을 형성하게 된다. 침하된 구역은 일련의 인발 단계가 이루어지는 동안 모재의 손쉬운 조작이 가능하도록 충분한 길이를 가져야 하고, 모재의 끝단이 광섬유로 뽑혀지도록 초기에 가열된다. 따라서, 시일(25)은 약 5 내지 10㎜의 길이를 가짐이 바람직하다.

열원은, 예를 들어 수소/산소 버너와 같은 통상의 버너로서, 인발시에 일반적으로 적용되는 온도보다 약간 낮은 온도에서 모재의 침하 영역을 초래하도록 허용하며, 상기 침하 온도는 바람직하게는 1800℃ 내지 2000℃ 사이로 이루어지고, 보다 바람직하게는 약 1900℃가 된다.

본 발명에는 흑연저항로 또는 유도로(誘導爐)와 같은 작은 노(furnaces)들이 적용될 수 있다. 대안으로서, 플라즈마 토치가 사용될 수 있다.

열원이 미리 설정된 속도로 튜브를 횡단함에 따라, 튜브의 상기 하단(23)에서 로드 위로 튜브의 일 구역이 침하된다. 침하 단계가 진행되는 동안, 열원의 횡단 속도는 약 5 내지 30㎜/min 이 바람직하다. 특히, 적용되는 열원의 온도에 따라 상기 침하 속도는 침하 구역의 불필요한 과열을 피할 수 있는 충분한 속도로 유지되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 상기 속도는 바라는 영역에서의 완전하고 상대적으로 빠른 튜브의 침하가 가능하도록 너무 높지 않아야 한다.

침하 단계 도중 열원의 횡단 속도를 결정하는 다른 매개변수는 침하되는 튜브의 치수로서, 더 상세하게는 튜브의 두께이다. 통상, 두꺼운 튜브는 글래스의 충분한 가열을 위해 열원의 느린 이동을 필요로 할 것이다. 예를 들면, 출원인의 경험에 의하면, 벽두께를 2배로 늘리면 동일 설계의 버너에서는 침하 속도의 2배 감소로 귀착된다.

다음으로, 모재가 선반상에 준비되는 잔여 시간동안 로드(2)와 튜브(8) 간의 환형 틈(11) 내의 공기를 부분적으로 배출시킬 수 있도록 진공(도시 안됨)이 가해지는 것이 바람직하다.

일반적으로, 튜브의 침하 속도를 촉진하기 위해, 대기압보다 약간 낮은 진공, 예를 들어 약 0.95 바아(bar)의 진공이 가해지면 충분하다.

그렇지만, 출원인은 예를 들어 약 0.010 바아 또는 그 이하로 진공이 커지면 튜브의 침하가 더 촉진되고, 이에 따라 공정 진행률의 증가가 가능함을 깨달았다.

조립체의 하단 침하 후에, 열원의 횡단 속도는 튜브의 상단면에 도달할 때까지 증가한다. 모재의 중앙부에서의 열원의 이동은 로드 상으로의 튜브의 어떠한 침하도 방지되도록 충분히 빨라야 하고, 이에 따라 환형 틈(11)은 실제적으로 고스란히 남는다.

하지만, 출원인은 이 횡단 속도가 너무 빠르면, 모재의 열 크랙이 발생함을 깨달았다. 사실상, 열원의 횡단 속도가 너무 빠르면, 침하 구역의 용융 실리카가 급속히 냉각되고 응력 경계에서 크랙이 발생한다. 출원인은 미리 설정된 횡단 속도를 적용함에 의해, 모재의 열 크랙이 방지되어짐을 알았다.

특히, 상기 속도는 모재에서의 상기 크랙을 피할 수 있도록 충분히 느려야 하고, 그럼에도 불구하고 튜브의 중앙부에서의 어떠한 침하도 방지되도록 충분히 빨라야 한다. 따라서, 출원인은 공정중 이 단계에서의 열원의 횡단 속도는 침하 단계를 위해 적용되는 횡단 속도의 약 2배 내지 약 8배여야 하고, 보다 바람직하게는 약 2배 내지 6배여야 함을 알았다. 그러므로, 열원의 온도 및 침하되어지는 튜브의 치수에 따라, 열원은 두 침하 구역사이를 약 30 내지 약 150㎜/min의 속도로 횡단함이 바람직하다.

열원이 모재의 상단부에 도달하면, 버너가 지역(24)에서 튜브의 상단 구역을 로드 상으로 침하시켜 실링하도록 열원의 속도는 다시 감소된다. 이 제2 구역을 침하시키기 위한 열원의 침하 속도는 제1 구역에 대해 적용된 것과 대략 동일하다. 하지만 이 침하된 제2 구역의 길이는 반대쪽 침하된 구역의 길이보다 짧아도 되는데, 이는 상기 제2 구역은 인발 단계의 초기 용융 상태에 놓이지 않기 때문이다.

통상적으로, 상기 제2 구역의 길이는 약 2 내지 5㎜로 이루어진다. 상기 환형 틈은, 인발공정 전체에 걸쳐 모재 내에서 진공 상태가 유지되도록, 이 지점에서 봉쇄되어야 한다.

그리고 나서, 버너는 하부 핸들(3)로 내려지고 모재의 실링된 지역(23) 하부에서 핸들을 통하여 연소할 수 있는데, 이는 최종 모재가 짧고 보다 쉽게 운반될 수 있도록 하기 위함이다. 상기 완성된 모재는 선반에서 빼내어져 드로잉 타워내에 수직방향으로 장착된다.

전 공정 진행시, 선반은 회전 속도를 약 2 내지 10 rpm, 보다 바람직하게는, 약 5rpm으로 유지하게 된다.

다른 구현예에 따르면, 튜브의 하단에 대해 완전한 실링을 행하는 대신, 시일(25)의 최종 길이의 약 10-30％에 상응하는 길이에 대해, 튜브가 단지 부분적으로 로드 상에 실링된다. 특히, 하부 구역의 하단부가 침하된다. 그 후에 진공이 인가되고 튜브의 내벽 또는 로드 상에 부착된 어떤 휘발성 잔류합성물도 제거 가능하도록, 열원이 튜브의 반대쪽까지 제1 설정 횡단 속도로 한번 횡단한다. 그리고 나서 열원은 대략 제1횡단 속도로 튜브를 따라 이동함으로써 하단부에 재위치한다. 하부 구역의 실링은 그때에 완료되며, 공정은 전술한 바와 같이, 제2횡단 속도로의 튜브의 반대편으로의 이동 및, 튜브의 제2 구역의 침하와 함께 계속된다.

상기 제1 및 제2 설정 횡단 속도는 둘 다 상기 침하 속도의 약 2배 내지 8배 높다. 보다 바람직하게는, 상기 제1횡단 속도는 약 2배 내지 6배 정도 상기 설정된 침하 속도보다 높고, 상기 제2횡단 속도는 약 4배 내지 8배 상기 설정된 침하 속도보다 높다.

출원인은 튜브의 전 길이에 걸친 열원의 이중 경로 횡단에 의해, 로드/튜브 경계면으로부터 휘발성 성분의 제거가 개선됨과 동시에, 모재가 모재로부터 얻어지는 광섬유의 최종 특성을 향상시키는 추가적인 열처리를 받게 됨을 깨달았다.

특히, 튜브의 하부 구역의 하부를 부분적으로 침하시킴에 의해, 침하 구역 내에서 이러한 휘발물의 제거에 대한 개선이 이루어진다. 이러한 휘발물 제거라는 개선은 일련의 인발 단계동안 기포 형성의 위험을 감소시키고, 특히 모재의 실링된 단부 구역에서의 기포 형성 위험을 감소시킨다.

이상에서와 같이, 본 발명은 글래스 선반상에 로드와 튜브를 장착하기에 앞서 로드와 튜브를 정확하게 정렬하기 위한 쉽고 빠른 방법을 제공하며, 이로써 튜브와 로드를 직접 중심을 맞추어 선반 위에 장착하기 위한 종래 기술에 의해 요구되는 까다롭고 어려운 조작을 피할 수 있게 된다. 또한, 침하되는 튜브를 따라 움직이는 열원의 상대적 운동의 제어는 모재의 파손 위험을 저감시킬 뿐만 아니라, 일련의 인발 단계 진행중 기포 형성의 위험성도 감소시킨다.

도 2는 도 3에 따른 조립된 모재의 개략도로서, 모재는 드로잉 타워(도시 안됨)내에 위치된다.

열원(16)에 노출되는 모재(19)의 하단은 네크-다운 영역(17)을 형성하도록 녹고, 튜브(8)가 로드(2) 위로 침하됨으로써 일정한 제어된 방식으로 광섬유(18)의 인발이 허용된다.

환형 틈(11)이 확실하게 실링되고 진공인 채로 남도록, 섬유 인발 단계 도중에 섬유(18)가 인발되는 동안 모재의 상기 하단부는 침하되고 실링된 채로 유지된다.

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Claims (10)

1. 로드(2)를 튜브(8) 내부의 중앙에 배치하여, 로드의 외면과 튜브의 내면 간에 환형의 틈(11)을 제공하는 단계;

   길이방향의 축에 대해 상기 로드와 튜브를 정렬함과 동시에, 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드 간에 기계적 시일(seal)(12, 13, 32, 33)을 형성하는 단계;

   미리 설정된 침하 속도로 상기 튜브의 실링(sealing)되지 않은 반대쪽 단부에 위치한 상기 튜브의 제1 구역(section)(23)을 따라 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 제1 구역을 로드 위로 가열 침하시켜서 상기 튜브의 상기 반대쪽 단부와 상기 로드를 밀폐시키는 단계;

   로드를 향하여 안쪽으로 튜브를 치우치게 하는 힘을 가하는 단계;

   모재(母材)의 어떠한 열 크랙도 방지하고, 상기 제1 구역과 튜브의 실링된 단부 부근에 위치된 튜브의 제2 구역(24) 사이에서 로드 위로의 튜브의 어떠한 침하도 방지할 수 있도록 미리 설정된 횡단 속도로 상기 열원을 횡단시킴으로써 튜브의 상기 제2 구역 쪽으로 열원을 움직이는 단계; 및

   대략 상기 미리 설정된 침하 속도로 튜브의 상기 제2 구역을 따라 상기 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 제2 구역을 로드 위로 가열 침하시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   로드(2)를 향하여 안쪽으로 튜브(8)를 치우치게 하는 힘이 기계적 시일(12, 13, 32, 33)을 통해 환형 틈(11)에 진공을 가함에 의해 달성됨을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   열원의 상기 미리 설정된 횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도보다 약 2내지 8배 높은 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
4. 로드(2)를 튜브(8) 내부의 중앙에 배치하여, 로드의 외면과 튜브의 내면 간에 환형의 틈(11)을 제공하고 길이방향의 축에 대해 상기 로드와 튜브를 정렬함과 동시에, 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드 간에 기계적 시일(12, 13, 32, 33)을 형성하는 단계;

   미리 설정된 침하 속도로 상기 튜브의 실링되지 않은 반대쪽 단부에 위치한 상기 튜브의 제1 구역(23)의 제1 부분(portion)을 따라 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 제1 부분을 가열 침하시켜서 튜브의 상기 제1 구역의 상기 제1 부분을 로드 위로 밀폐시키는 단계;

   로드를 향하여 안쪽으로 튜브를 치우치게 하는 힘을 가하는 단계;

   모재(母材)의 어떠한 열 크랙도 방지하고, 상기 제1 구역(23)과 튜브의 실링된 단부 부근에 위치된 튜브의 제2 구역(24) 사이에서 로드 위로의 튜브의 어떠한 침하도 방지할 수 있도록 미리 설정된 제1 횡단 속도로 상기 열원을 횡단시킴으로써 튜브의 상기 제2 구역으로 열원을 움직이고 또한 상기 제1 구역으로 열원을 복귀시켜서, 튜브의 내벽에 또는 로드 상에 부착된 어떤 잔류 휘발성 복합물도 제거되도록 하는 단계;

   대략 상기 미리 설정된 침하 속도로 튜브의 상기 제1 구역(23)의 나머지 부분을 따라 상기 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 나머지 부분을 가열 침하시키는 단계;

   모재(母材)의 어떠한 열 크랙도 방지하고, 상기 제1 구역과 제2 구역 사이에서 로드 위로의 튜브의 어떠한 침하도 방지할 수 있도록 미리 설정된 제2 횡단 속도로 상기 열원을 횡단시킴으로써 튜브의 상기 제2 구역(24)으로 열원을 움직이는 단계; 및

   대략 상기 미리 설정된 침하 속도로 튜브의 상기 제2 구역(24)을 따라 상기 열원을 횡단시킴에 의해 튜브의 상기 제2 구역을 로드 위로 가열 침하시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   침하되는 제1 구역(23)의 상기 제1 부분은 침하될 튜브(8)의 전체 구역의 약 10％ 내지 30％ 정도 됨을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 미리 설정된 제1 횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도에 비해 약 2배 내지 6배 높으며, 상기 미리 설정된 제2 횡단 속도는 상기 미리 설정된 침하 속도에 비해 약 4배 내지 8배 높음을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   길이방향 축에 대해 상기 튜브와 로드를 정렬함과 동시에 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드 사이에 기계적 시일을 형성하는 단계는 어떤 장치에 의해 수행되고, 이에 따라 상기 장치와 정렬된 로드 및 튜브를 포함하는 조립체를 형성하며, 그리고 나서 상기 조립체는 글래스 선반상에 장착됨을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
8. 글래스 로드(2) 및 글래스 튜브(8)가 속으로 삽입되는 나사산이 형성된 몸체(37); 상기 나사산이 형성된 몸체와 맞물리는 나사산이 형성된 링(38,39,40); 오-링(12,13,14); 및 분할링(32,33)을 포함하며,

   상기 오-링(12) 및 상기 분할링(32)은 글래스 튜브를 둘러싸도록 배치되는 한편 상기 오-링(13) 및 상기 분할링(33)은 글래스 로드를 둘러싸도록 배치되고, 상기 오-링들 및 상기 분할링들은 나사산이 형성된 링들(38,40)이 회전할 때 로드와 튜브 간의 정렬 및 기계적 시일을 제공하도록 상호작용하는 것을 특징으로 하는, 글래스 로드를 글래스 튜브와 정렬시키고 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드를 기계적으로 실링하는 장치(22).
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 분할링(32, 33)은 개방되어 있고, 원주를 따라 틈새(81)가 제공됨을 특징으로 하는, 글래스 로드를 글래스 튜브와 정렬시키고 상기 튜브의 일 단부와 상기 로드를 기계적으로 실링하는 장치.
10. 글래스 튜브(8)와 정렬된 글래스 로드(2), 및 제 8 항에 따른 정렬장치(22)를 포함하는 조립체(70).

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