KR100545815B1 - 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법 - Google Patents

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Abstract

탈수 기체의 반응영역에 음파를 조사하여 탈수 기체 반응물이 석영관의 내벽쪽으로 흐르게 함으로써 탈수반응 효율을 높이는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법은 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서, 석영관 내에 탈수 가스를 주입하는 동안 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이기 위해 석영관에 음파를 적용한다. 이때, 상기 음파는 낮은 주파수를 가지며, 보다 바람직하게는 상기 음파의 주파수는 5kHz 이하이다.
광섬유, 음파, 탈수기체, 프리폼

Description

음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법{METHOD OF DEHYDRATION WITH ACOUSTIC WAVE DURING FABRICATING OPTICAL PREFORM}
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 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 방식에서 종래의 실리카 입자 증착공정을 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 과정을 통해 제작된 실리카 입자 표면의 수분과 수산기를 나타내는 도면.
도 3은 MCVD 공정에 의해 제조된 광섬유를 도시하는 단면도.
도 4는 저주파 음파를 적용한 경우 석영관 내부의 가스 유동 변화를 나타내는 도면.
도 5는 고주파 음파를 적용한 경우 석영관 내부의 가스 유동 변화를 나타내는 도면.
도 6은 기체의 난류 흐름 내의 소용돌이(vortices)와 외부에서 가해준 저주파 음파의 상호작용에 의해 난류 흐름의 변화가 생기는 것을 나타내는 도면.
도 7은 기체의 난류 흐름 내의 소용돌이와 외부에서 가해준 고주파 음파의 상호작용에 의해 난류 흐름의 변화가 생기는 것을 나타내는 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10..석영관 20..탈수 가스 30..저주파 음파
40..고주파 음파
본 발명은 광섬유 프리폼의 탈수방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탈수 기체의 반응영역에 음파를 조사하여 탈수 기체 반응물이 석영관의 내벽쪽으로 흐르게 함으로써 탈수반응 효율을 높이는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법에 관한 것이다.
수정화학기상증착공법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)은 광섬유 제조공법 중 하나로서 클래드를 먼저 조성한 다음 그 내부에 코어층을 조성하는 방법을 사용한다.
이와 같은 MCVD 공법을 위해서 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 합성 산화규소 튜브(1)를 선반(미도시)에 거치시킨 후 산화규소 튜브(1)를 회전시키면서 튜브 내부로 SiCl4, GeCl4, PCl3와 같은 반응가스를 산소가스와 함께 불어 넣어준다. 동시에 튜브(1) 바깥에서는 안으로 투입되어지는 반응가스들이 충분히 반응되 어지도록 1600℃이상의 온도로 가열시키는 화염버너 또는 토치(2)를 왕복운동시켜준다.
화염이 한번 왕복할 때마다 가열된 부분은 할로겐화합물(halide) 기체의 산화반응에 의하여 수트(3)가 생성이 되고 이 수트상태의 분말은 토치(2)가 진행되어나가는, 그러면서 아직 가열되어지지 않은 부분으로 이동하여 열영동현상(thermophoresis)에 의하여 튜브(2)의 안쪽 표면에 달라붙게 된다. 아래 반응식 1은 그 할로겐화합물(halide) 기체의 반응식이다.
SiCl4 ＋ O2 →SiO2 + 2Cl2
GeCl4 ＋ O2 →GeO2 + 2Cl2
튜브나 증착층 표면에 붙은 수트(3)는 바로 이어지는 토치(2)의 열에 의하여 소결(sintering)되어 투명한 유리층(4)이 형성된다. 이 과정이 계속적으로 반복이 되어지면 튜브내부에 다수의 클래드층과 그 위에 다수의 코어층이 증착되어진다.
도 1에서와 같이 종래의 산화반응에서 보면, 그 산화반응이 1600℃ 이상의 고온에서 이루어지므로 반응되어진 수트(3)들은 바로 이어지는 토치(2)에 의해 소결이 거의 동시에 이루어진다. 이로 인하여 반응시 내부에 존재하는 OH기의 제거가 불가능하다.
이때 생성된 실리카 수트 내부의 원자간 결합구조가 도 2에 나타나 있으며, 도면을 참조하면 종래 방식에 의해 생성된 수트에는 다량의 OH기가 결합되어 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 일반적인 싱글모드 광섬유의 1차 프리폼 상태를 도시하는데, 도면에서 도면부호 5는 코어, 6은 클래드층, 7은 원튜브를 나타낸다. 또한, d는 코어층의 직경을, 그리고 D는 클래딩층의 직경을 각각 나타낸다.
광섬유의 가장 중요한 특성인 광손실은 광섬유 모재의 밀도차 및 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실, 원자내 전자전이 에너지 흡수에 따른 자외선 흡수 손실, 격자 진동시 에너지 흡수에 따른 적외선 흡수 손실, 수산기의 진동에 따른 수산기 흡수 손실과 거시적 구부러짐 손실로 구성된다.
광전송을 위해서는 광손실이 적어야 하며 1280nm 이상 1620nm 이하 파장 대역에서 광손실이 일정 수준 이하로 적으므로 광섬유를 사용할 수 있다. 그러나 1385nm 파장대에서는 수산기 흡수에 의한 광손실이 크기 때문에 지금까지 1310nm와 1550nm 파장대를 광통신 중심 파장대역으로 사용해왔다. 즉, 1280nm에서 1620nm 까지의 파장대역을 모두 사용하기 위해서는 광섬유 내의 수산기에 의한 1385nm 파장대의 흡수 손실이 1310nm 파장대의 평균적 광손실값인 0.35dB/Km 보다 적은 값을 가져야만 한다.
게르마늄 산화물과 실리콘 산화물로 구성된 코어층은 재료 자체의 밀도차와 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실값을 약 0.28dB/Km 가지므로, 0.34dB/Km의 광손실은 레일라이 손실최소값보다 0.06dB/Km만 큰, 광섬유 내의 수산기의 농도가 1 ppb이하로 제어되어야만 얻을 수 있는 매우 적은 손실값에 해당한다.
MCVD공법으로 광섬유의 코어와 클래드를 만들기 위해 이용되는 가스들은 수소를 포함한 불순물을 미량 포함하고 있고 대표적인 불순물은 수분과 염화수소 가스이다. 특히 수분은 실리카 입자 내부로 고온에서 확산하여 화학 반응을 통해 Si-OH기를 형성한다. 또한 수분은 유리미분체(fine glass particle : 이하 수트(soot)라 명칭)의 표면에 물리적 또는 화학적으로 흡착되어 분자 상태로 존재할 수 있다.
한편, 외부기상증착(Outside Vapor Deposition; OVD) 공정과 기상축증착(Vapor Axial Deposition; VAD) 공정에서는 수산기를 제거하고자 다공성의 수트 상태 프리폼을 로에서 탈수 공정을 행한 후 소결시킨다. 온도가 150℃이상으로 증가하면 수트 및 공극 표면에 물리적으로 흡착되어 있던 수분기는 휘발된다. 그러나 Si-OH 결합은 비교적 안정하여 800℃이상의 고온에서도 부분적으로 모재 내에 존재하게 되며, 잔존하는 수분의 확산과 실리카 모재와의 화학반응을 통해 Si-OH결합이 새로 생성되므로 제거하기가 매우 어렵다. 따라서 1ppm 이하의 미소량의 수산기를 효과적으로 제거하기 위해서는 실리콘과 수산기 사이의 화학결합을 끊는 반응물이 필요하고 가장 널리 알려져 있는 물질은 염소 및 염소기를 포함한 기체이다.
염소가스를 이용한 수산기 제거방법은 OVD, VAD 공법에서 탈수 공정으로 알려져 있다. 다음 반응식 2는 각각 수분과 수산기를 염소와의 화학 반응으로 제거하는 탈수 반응을 나타낸다.
4Si-OH + 2Cl2 -> 2SiOSi + 4HCl + O2
2H2O + Cl2 -> 2HCl + O2
위 반응식 1을 이용한 탈수 공정을 적용해 MCVD법으로 수산기가 없는 광섬유와 일차 프리폼을 제조하는 공법은 본 발명의 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원번호 P2002-37360, P2002-49108, P2002-68944 및 P2002-70176에서 제안된 바 있다. 이 공법중 하나를 이용하면, 석영관 내벽의 증착된 실리카 입자의 표면에 존재하는 수산기와 Cl를 반드시 포함하는 탈수 혼합 가스와의 접촉(contact)이 많을수록 탈수 반응 효율은 높아진다. 석영관 내부로 주입한 탈수 가스와 실리카 사이의 접촉 확률을 높이는 것은 석영관 내벽쪽으로 가스의 흐름 방향을 제어함으로써 가능하다.
이를 위해 본 발명에서는 석영관 내부로 투입한 탈수 가스의 흐름을 특정 주파수의 음파를 석영관 외부로 조사하여 석영관 내벽쪽으로 탈수 가스가 흐르게 제어함으로써 탈수 반응 효율을 극대화시키는 방법을 제시하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 수정화학기상증착공법(MCVD)을 이용하여 프리폼을 제조할 때 음파 조사를 이용한 유체 흐름의 변화를 통해 석영관 내벽에서 일어나는 탈수반응의 효율을 극대화시킬 수 있는 광섬유 프리폼의 탈수방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 방법을 통해 광섬유 제작단가를 낮추고 생산성을 향상시키며, 1385nm에서 0.33dB/km 이하의 손실을 갖는 수산기가 없는 광섬유의 생산성을 높이는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법은 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서, 석영관 내에 탈수 가스를 주입하는 동안 상기 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이기 위해 상기 석영관에 음파를 적용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 음파는 낮은 주파수를 가지며, 보다 바람직하게 상기 음파의 주파수는 5kHz 이하이다.
이때, 상기 탈수 가스가 주입되는 공정은 탈수 공정, 소결 공정 및 붕괴 공정 중 어느 하나이며, 상기 탈수 가스는 염소를 반드시 포함하는 염소, 헬륨, 산소의 혼합기체이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기상축증착(Vapor Axial Deposition; VAD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서, 상기 광섬유 프리폼 주변에 탈수 가스를 주입하는 동안 상기 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이기 위해 상기 탈수 가스의 반응 영역에 음파를 적용하는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 외부기상증착(Outside Vapor Deposition; OVD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서, 상기 광섬유 프리폼의 주변에 탈수 가스를 주입하는 동안 상기 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이기 위해 상기 탈수 가스의 반응영역에 음파를 적용하는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법이 제공된다.
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 4 및 도 5는 탈수가스가 흐르는 석영관 내부에 음파를 가한 상태를 나타내는 도면으로서, 도 4는 낮은 주파수의 음파를 가한 경우를, 도 5는 높은 주파수의 음파를 가한 경우를 각각 도시한다.
일반적으로, 수정화학기상증착공법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)에서 일차 프리폼을 탈수 또는 소결할 때에는 수산기의 제거를 위해 염소를 반드시 포함하는 염소, 헬륨, 산소 등의 혼합 탈수가스를 주입하게 된다. 이때, 혼합 탈수가스와 수산기와의 접촉이 많을수록 탈수반응의 효율이 높아지게 되므로, 혼합 탈수가스를 석영관의 내벽쪽으로 흐르도록 방향을 변경시키는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 본 발명은 탈수가스(20)의 흐름을 변경시키기 위해 음파발생수단(미도시)를 이용하여 특정 주파수의 음파를 석영관(10)의 외부로부터 주사하는 방법을 사용하였다. 음파발생수단은 원하는 주파수의 음파를 발생시킬 수 있는 공지된 모든 종류의 장치가 사용 가능하며, 음파발생수단은 석영관(10)의 외부에서 석영관(10) 내부로 음파를 조사할 수 있는 어떠한 위치에도 설치가 가능하다.
일반적으로 유체의 흐름은 유체에 미치는 음파의 주파수에 따라 변화한다. 이때, 낮은 주파수의 음파(30)는 도 4에 도시된 것처럼 난류(turbulent flow) 유동을 증가시키고, 높은 주파수의 음파(40)는 도 5에 도시된 것처럼 난류 유동을 감소시킨다.
유체 진동의 평균 속도는 유체 흐름의 축 방향의 한곳(예를 들어, 음파 발생 노즐과 관측 지점간의 거리가 노즐 직경의 8배가되는 지점)에서 음파의 주파수를 변화시켜가며 측정을 할 수 있는데, 예를 들어 노즐 직경이 10mm이고 유체의 유속이 20m/s이면, 500Hz의 음파를 유체에 주사할 때 평균 유속이 최소가 되고 유속의 진동은 최대가 된다. 이 경우에의 Strouhal number(Sh)는 0.25이다. 반대로 5500Hz의 음파를 주사할 때 평균유속은 최대가 되고, 유속의 진동이 최소가 되는데, 이때 Sh는 2.75가 된다.
유체의 난류 흐름에 음파의 영향이 큰 경우는 음파의 진동 압력이 음파가 없을 때의 난류 흐름의 축방향 압력과 같은 차수(order)가 될 때이다. 난류 하에서는 연속적으로 크기가 감소하면서 연쇄적으로 유동 흐름이 있다. 따라서 난류의 에너지는 가장 큰 소용돌이(vortex)에서 출발해 보다 더 작은 소용돌이로 전달되고 이 과정이 반복된다. 이 과정은 가장 작은 소용돌이까지 유체의 점도에 영향이 미치는 동안 계속된다.
만약, 도 6에 도시된 것처럼 고주파수의 진동(50)을 난류에 적용한다면, 작은 크기의 소용돌이(vortex; 60)에도 음파로 인한 부가적 에너지를 가하게 되어 위 과정을 방해할 수 있다. 따라서 난류의 혼합 효과는 감소한다. 반대로 도 7에 도시된 것처럼 낮은 주파수의 음파(70)는 큰 소용돌이들(vortices; 80)에 영향을 줌으로써 난류의 혼합 효과를 증가시킨다. 이때, 저주파수의 음파 조사 효과는 난류생성기와 비슷하다. 차이점은 난류생성기는 최초의 난류를 생성시키고, 저주파 음파는 유체 흐름 그 자체를 난류로 만든다는 것이다. 이와 같이 외부로부터 석영관 내로 저주파수의 음파(70)가 조사되면, 석영관 내로 주입된 혼합 탈수가스의 난류 혼합효과가 증가하게 되고, 그로 인해 석영관의 내벽을 향하는 혼합 탈수가스의 유동이 증가하게 되어, 석영관의 내벽에서 일어나는 혼합 탈수가스와 수산기와의 접촉을 증가시켜 탈수반응의 효율을 높이게 된다.
u1'/u0' = F(f,Sh,T)
수학식 1에서 u0과 u1는 각각 음파진동이 없을 때와 있을 때의 유체의 유속의 진동 부분(component)이고 단위는 m/s이다. f는 음파진동의 주기이고 단위는 Hz이다. Sh는 Strouhal number이고, T는 유체의 온도로 단위는 K이다.
수학식 1의 좌변은 음파가 없을 때에 대한 음파가 있을 때의 유속의 진동부분의 비로써, 음파 효과를 나타내는 지표인데 0.6이상 1.2이하의 실험값을 가진다.
Sh=L/vt
수학식 2에서 L은 유체의 특성적 선형 속도로 단위는 m이다. v는 유체의 특 성적 유속으로 단위는 m/s이다. t는 동적인 움직임시 특성적인 경과된 시간이고 단위는 s이다.
MCVD 공정에 수학식 1과 수학식 2를 이용해 낮은 주파수의 음파를 적용할 경우, 석영관 두께와 실리카 증착층을 음파가 통과해야 실제 탈수 가스에 영향을 미칠 수 있으므로, 음파의 주파수 선택은 수학식 1 및 2 이외에 석영관과 실리카 증착층의 음파 흡수 정도를 고려하여 선택해야 한다. 그러나, 일반적인 경우 음파의 주파수는 대략 5kHz 이하일 때 상술한 난류의 혼합효과가 증가하는 것으로 나타났다.
이와 같은 음파를 사용하여 탈수 반응 효율을 극대화하는 위의 원리는 석영관내 기체 흐름이 100% 층류(laminar flow)가 아닌 경우에는 모두 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 탈수방법은 MCVD 공법 뿐 아니라 탈수 가스를 사용하는 공정을 포함하는 외부기상증착(Outside Vapor Deposition; OVD) 공법과 기상축증착(Vapor Axial Deposition; VAD) 공법 등의 다른 공법에도 적용 가능하다. 이때, OVD 공법과 VAD 공법은 MCVD 공법과는 달리 석영관을 사용하지 않고, 별도의 챔버 등의 내부에서 탈수과정이 이루어진다. 따라서, OVD 공법과 VAD 공법에 본 발명을 적용할 경우, 음파는 챔버 내부와 같이 탈수반응이 일어나는 영역으로 제공되어야 한다.
또한 MCVD 공법의 경우, 본 발명의 탈수방법은 탈수 공정은 물론, 소결 공정 및 붕괴(Collapse) 공정에도 적용 가능함은 물론이다. 또한, MCVD 공법에 있어서, 탈수 가스는 염소를 반드시 포함하는 염소, 헬륨, 산소 등의 혼합기체이며, 혼합기체의 전체 유량 및 투입되는 각 기체의 유량과 분압비는 일정 비율로 유지되어야 한다.
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.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 광섬유 프리폼의 탈수방법은 석영관의 외부로부터 소정 주파수의 음파를 가함으로써 석영관 내를 흐르는 탈수 가스의 유동을 증가시키고, 그로 인해 소량의 탈수 가스만으로도 극대화된 탈수반응 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 설비에 음파를 발생하는 장치를 부가하는 단순한 과정을 통해 쉽게 구현될 수 있으며, 탈수반응의 극대화로 인해 품질이 뛰어난 광섬유를 얻을 수 있고, 특히 1385nm에서 0.33dB/km 이하의 손실을 갖는 우수한 광섬유를 손쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서,
    석영관 내에 탈수 가스를 주입하는 동안 외부로부터 상기 석영관 내로 음파를 조사함으로써 상기 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 음파는 5kHz 이하의 낮은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 탈수 가스가 주입되는 공정은 탈수 공정, 소결 공정 및 붕괴 공정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탈수 가스는 염소를 반드시 포함하는 염소, 헬륨, 산소의 혼합기체인 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  6. 기상축증착(Vapor Axial Deposition; VAD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서,
    상기 광섬유 프리폼 주변에 탈수 가스를 주입하는 동안 상기 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이기 위해 상기 탈수 가스의 반응 영역에 음파를 적용하는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 음파는 5kHz 이하의 낮은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  9. 외부기상증착(Outside Vapor Deposition; OVD) 공법으로 광섬유 프리폼을 제작하는 과정에 있어서,
    상기 광섬유 프리폼의 주변에 탈수 가스를 주입하는 동안 상기 탈수 가스의 유동을 증가시켜 탈수반응 효율을 높이기 위해 상기 탈수 가스의 반응영역에 음파를 적용하는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 음파는 5kHz 이하의 낮은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 음파를 이용한 광섬유 프리폼의 탈수방법.
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