KR100566217B1 - 유리 로드의 오버 클래딩 방법 및 장치 - Google Patents

유리 로드의 오버 클래딩 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유리 로드에 유리 튜브를 오버 클래딩하기 위한 장치는, 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 유리 튜브와; 상기 유리 튜브의 상단에 부착되며, 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 밀봉 튜브와; 상기 밀봉 튜브를 관통하도록 상기 유리 튜브에 삽입되는 유리 로드와; 상기 밀봉 튜브의 측벽을 가열함으로써 상기 밀봉 튜브의 상단을 밀봉하기 위한 버너와; 상기 밀봉 과정 동안에 상기 유리 튜브의 내부에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급기를 포함한다.
유리 로드, 유리 튜브, 오버 클래딩, 콜랩싱

Description

유리 로드의 오버 클래딩 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OVERCLADDING GLASS ROD}
도 1은 종래에 따른 유리 로드의 오버 클래딩 방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 로드의 오버 클래딩 장치를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 밀봉 튜브를 나타내는 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 밀봉 튜브를 나타내는 저면도,
도 5는 도 3에 도시된 밀봉 튜브를 나타내는 평면도,
도 6은 도 2에 도시된 밀봉 튜브의 밀봉 과정을 설명하기 위한 도면,
도 7은 도 6에 도시된 밀봉 튜브를 A-A를 따라 나타낸 단면도,
도 8은 도 6에 도시된 유리 튜브를 B-B를 따라 나타낸 단면도,
도 9는 도 2에 도시된 유리 튜브의 콜랩싱 과정을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 광섬유 모재에 관한 것으로서, 특히 유리 로드에 유리 튜브를 오버 클래딩하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
광섬유의 수요량이 증가함에 따라, MCVD(modified chemical vapor deposition) 공정의 생산성 향상을 위한 노력이 시도되어 왔다. 최상의 광학적 특성을 가지며, 기하학적으로 안정된 광섬유를 얻기 위하여, 광섬유 모재는 소정의 제한 내에서 일정한 코어(core) 대 클래드(clad)의 비율을 가져야 한다. MCVD 공정으로 생산성을 높일 수 있는 한가지 방법은 먼저 바람직한 코어 대 클래딩 비율보다 더 큰 유리 튜브(glass tube)을 제조하고, 그 안에 유리 로드(glass rod)를 삽입한 후 콜랩싱(collapsing)하는 방법이 있다.
Baumgart 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제4,820,322호{Method of and apparatus for overcladding a glass rod}는 오버 클래딩 장치 및 방법에 대해 개시하고 있다. 상기 오버 클래딩 방법에 대해 기술하자면 아래와 같다.
도 1은 종래에 따른 유리 로드의 오버 클래딩 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에는, 동축 정렬된 유리 로드(110)와, 중심에 홀(hole, 125)을 갖는 유리 튜브(120)와, 중심에 홀(135)을 갖는 원형 버너(burner, 130)가 도시되어 있다. 도시된 장치를 이용한 오버 클래딩 방법을 설명하면 아래와 같다.
첫 째, 상기 유리 로드(110)를 상기 유리 튜브(120) 내에 삽입하고, 이 때 상기 유리 로드(110)의 편심을 최소화하기 위해 상기 유리 로드(110)와 유리 튜브(120)를 동축 정렬한다. 또한, 상기 유리 로드(110)의 외주면과 상기 유리 튜 브(120)의 내주면 사이의 간격을 1.5㎜ 이내로 제어하여 콜랩싱 과정시 타원 형태로 되는 것을 최소화한다.
둘 째, 상기 버너(130)를 상기 유리 튜브(120)의 상단 근처에 위치시키고, 상기 유리 튜브(120)의 측벽을 가열함으로써 상기 유리 튜브(120)의 상단을 밀봉(sealing)시킨다. 즉, 상기 유리 튜브(120)의 상부를 상기 유리 로드(110) 상에 콜랩싱시킨다. 이러한 밀봉 과정은 상기 버너(130)를 이용한 가열 외에 상기 유리 튜브(120)의 하단에 연결된 진공 펌프(vaccum pump)를 이용하여 상기 유리 튜브(120) 내의 압력을 외부 압력보다 낮게 유지함으로써 이루어진다.
셋 째, 상기 버너(130)를 상기 유리 튜브(120)의 하단쪽으로 이동시키면서 상기 유리 튜브(120)를 상기 유리 로드(110) 상에 연속적으로 콜랩싱시킨다. 이 때, 상기 유리 튜브(120) 내의 압력은 외부 압력보다 계속 낮게 유지된다.
그러나, 상술한 바와 같은 오버 클래딩 방법은 아래와 같은 문제점들을 갖는다.
첫 째, 상기 밀봉 과정에서 외부의 이물질이 상기 유리 튜브(120) 내로 유입될 가능성이 있다. 이는, 상기 유리 튜브(120) 내의 압력이 외부 압력보다 낮다는 점에 기인한 것이다.
둘 째, 상기 유리 튜브(120)의 벽 두께가 증가함에 따라 상기 버너(130)를 이용한 가열시 충분한 열전달이 되지 않으므로 상기 유리 튜브(120)의 밀봉이 용이하지 않고, 상기 유리 튜브와 유리 로드의 사이에 기포가 잔류하게 될 가능성이 크다. 이로 인해, 상기 유리 튜브(120)의 대구경화나 광섬유의 편심을 최소화기 위해 상기 유리 튜브(120)와 상기 유리 로드(110) 사이의 간격을 줄이는데 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 유리 로드의 오버 클래딩 과정에서 유리 튜브 내로의 이물질의 침입을 방지할 수 있고, 밀봉을 용이하게 할 수 있는 오버 클래딩 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 유리 로드에 유리 튜브를 오버 클래딩하기 위한 장치는, 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 유리 튜브와; 상기 유리 튜브의 상단에 부착되며, 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 밀봉 튜브와; 상기 밀봉 튜브를 관통하도록 상기 유리 튜브에 삽입되는 유리 로드와; 상기 밀봉 튜브의 측벽을 가열함으로써 상기 밀봉 튜브의 상단을 밀봉하기 위한 버너와; 상기 밀봉 과정 동안에 상기 유리 튜브의 내부에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급기를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 로드의 오버 클래딩 장치를 나타내는 도면이다. 상기 오버 클래딩 장치(200)는 유리 로드(310)와, 유리 튜브(330)와, 더미 로드(dummy rod, 320)와, 더미 튜브(340)와, 밀봉 튜브(sealing tube, 400)와, 선반(lath, 210)과, H2/O2 버너(250)와, 불활성 가스 공급기(inert gas provider, 270)와, 진공 펌프(260)와, 제1 및 제2 밸브(valve, 280,290)를 포함한다.
상기 유리 로드(310)는 코어와 클래드를 포함하며, 예를 들어 MCVD 공정에 의해 제조될 수 있다. 상기 유리 로드(310)는 원형 단면을 갖는다.
상기 더미 로드(320)는 상기 유리 로드(310)의 직경보다 큰 직경을 가지며, 상기 유리 로드(310)의 상단에 부착된다. 상기 더미 로드(320)는 원형 단면을 가지며, 유리 재질일 수 있다.
상기 유리 튜브(330)는 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 가지며, 상기 유리 튜브(330)의 내경은 상기 유리 로드(310)의 외경보다 크다.
상기 더미 튜브(340)는 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 가지며, 상기 유리 튜브(330)의 하단에 부착된다. 상기 더미 튜브(340)의 외경은 상기 유리 튜브(330)의 외경보다 작으며, 상기 더미 튜브(340)의 내경은 상기 유리 튜브(330)의 내경과 동일하다. 상기 더미 튜브(340)는 유리 재질일 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 상기 밀봉 튜브(400)에 대해 상술하기로 한다.
도 3은 상기 밀봉 튜브(400)를 나타내는 사시도이고, 도 4는 상기 밀봉 튜브(400)를 나타내는 저면도이고, 도 5는 상기 밀봉 튜브(400)를 나타내는 평면도이다. 상기 밀봉 튜브(400)는 중심에 홀(420)을 갖는 중공 실린더 형상의 몸체(body, 410)와, 상기 몸체(410)의 단부로부터 외향 연장되며 그 외곽이 원형인 플랜지(flange, 430)를 포함한다. 상기 밀봉 튜브(400)의 내경(또는 상기 홀의 직경)은 상기 유리 튜브(330)의 내경보다 작으며, 상기 밀봉 튜브(400)의 벽 두께(또는 상기 몸체(410)의 벽 두께)는 상기 유리 튜브(330)의 벽 두께보다 작으며, 상기 플랜지(430)의 외경은 상기 유리 튜브(330)의 내경보다 크고 상기 유리 튜브(330)의 외경보다 작다. 선택적으로, 상기 밀봉 튜브(400)의 내경을 상기 유리 튜브(330)의 내경과 동일하게 할 수 있다. 상기 밀봉 튜브(400)의 하단(또는 상기 플랜지(430)의 저면)은 상기 유리 튜브(330)의 상단에 부착된다. 상기 밀봉 튜브(400)의 벽 두께가 상기 유리 튜브(330)의 벽 두께보다 작기 때문에, 상기 버너(250)를 이용한 밀봉 과정시 열 전달을 용이하게 함으로써, 상기 유리 튜브(330)를 밀봉하는 것에 비하여 보다 빠른 시간에 효율적으로 밀봉되도록 한다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 선반(210)은 상기 유리 로드(310)를 세로로 고정하기 위한 상부 척(top chuck, 220)과, 상기 유리 튜브(330)를 세로로 고정하기 위한 하부 척(bottom chuck, 2300)과, 상하향 이동 가능한 캐리지(carriage, 240)를 포함한다. 상기 상부 척(220)은 상기 더미 로드(320)를 파지함으로써 고정한다. 상기 하부 척(230)은 상기 더미 튜브(340)를 파지함으로써 고정한다.
상기 밀봉 튜브(400)는 상기 유리 튜브(330)의 상단에 동축 정렬되도록 부착되며, 상기 유리 로드(310)는 상기 밀봉 튜브(400) 및 유리 튜브(330)에 삽입되며 동축 정렬된다. 즉, 상기 유리 로드(310), 밀봉 튜브(400) 및 유리 튜브(330)는 동축 정렬된다.
상기 불활성 가스 공급기(270)는 상기 더미 튜브(340)의 하단과 연결된 수송관(300)에 연결되며, 상기 밀봉 튜브(400)의 밀봉 과정이 완료될 때까지 불활성 가스를 공급함으로써 상기 유리 튜브(330) 내로 이물질이 침입하는 것을 방지한다. 즉, 상기 불활성 가스가 공급됨에 따라 상기 유리 튜브(330) 내의 압력은 외부 압력보다 높게 되며, 이로 인해 이물질이 상기 유리 튜브(330) 내로 침입하는 것이 방지된다. 상기 불활성 가스는 He, Ar, N2 등을 포함할 수 있다.
상기 진공 펌프(260)는 상기 수송관(300)에 연결되며, 상기 유리 튜브(330)의 밀봉 과정이 끝난 후 콜랩싱 과정이 완료될 때까지 상기 유리 튜브(330)의 내부를 진공 상태로 만든다. 즉, 상기 유리 튜브(330)의 내부가 진공 상태로 됨에 따라 상기 유리 튜브(330) 내의 압력은 외부 압력보다 낮게 되며, 이로 인해 상기 유리 튜브(330)의 콜랩싱 과정, 즉 상기 유리 튜브(330)가 상기 유리 로드(310) 쪽으로 콜랩싱되는 과정이 이루어진다.
상기 제1 밸브(280)는 상기 수송관(300)의 분기부와 상기 진공 펌프(260) 사이의 관로 상에 설치되며, 해당 관로의 개폐를 담당한다.
상기 제1 밸브(290)는 상기 수송관(300)의 분기부와 상기 불활성 가스 공급기(270) 사이의 관로 상에 설치되며, 해당 관로의 개폐를 담당한다.
도 6은 상기 밀봉 튜브(400)의 밀봉 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 상기 밀봉 튜브(400)를 A-A를 따라 나타낸 단면도이며, 도 8은 유리 튜브(330)를 B-B를 따라 나타낸 단면도이다. 상기 밀봉 튜브(400) 및 유리 튜브(330) 내에는 상기 유리 로드(310)가 삽입되어 있다. 이러한 삽입 과정시, 상기 불활성 가스 공급기(270)를 이용하여 상기 유리 튜브(330) 내로 불활성 가스를 공급한다. 상기 불활성 가스는 상기 유리 로드(310)를 삽입하는 과정부터 상기 밀봉 튜브(400)의 밀봉 과정이 완료될 때까지 제공된다. 이를 위해, 상기 제2 밸브(290)는 열려 있고 상기 제1 밸브(280)는 닫힌 상태에서, 상기 불활성 가스 공급기(270)를 작동시킨다. 상기 버너(250)는 상기 밀봉 튜브(400)의 상부 둘레에 위치하고 있으며, 상기 밀봉 튜브(400)의 측벽 상부(또는 상기 밀봉 튜브(400)의 몸체(410) 상부)를 가열함으로써, 상기 밀봉 튜브(400)의 측벽 상부를 연화시킨다. 상기 밀봉 튜브(400)의 상부가 충분히 연화되면, 주걱 형상의 패들(paddle)을 이용하여 상기 밀봉 튜브(400)의 상단을 밀봉시킨다. 즉, 상기 패들로 상기 밀봉 튜브(400)의 상부를 눌러줌으로써(예를 들어, 상기 밀봉 튜브(400)의 외주면을 누르면서 상기 패들을 상기 밀봉 튜브(400) 주위로 한 바퀴 돌린다) 상기 밀봉 튜브(400)를 밀봉시킨다. 상기 패들의 재질로는 테플론(teflon)을 사용할 수 있다.
상기 밀봉 튜브(400)의 벽 두께가 상기 유리 튜브(330)의 벽 두께보다 작기 때문에 상기 버너(250)를 이용한 밀봉 과정시 열 전달을 용이하게 하고, 불활성 가스가 공급되기 때문에 상기 유리 튜브(330) 내로 이물질이 침입하는 것을 방지할 수 있다.
종래에는 불완전한 밀봉을 방지하기 위해 유리 튜브(330)의 벽 두께 또는 유 리 튜브(330)의 내주면과 유리 로드(310)의 외주면 사이의 간격을 크게 하는데 제한이 있었다. 본 발명에서는 밀봉 튜브(400)를 이용하여 밀봉을 용이하게 함으로써, 유리 튜브(330)의 내주면과 유리 로드(310)의 외주면 사이의 간격을 종래의 1.5㎜에서 3.2㎜로 넓힐 수 있다. 유리 튜브(330)의 내주면과 유리 로드(310)의 외주면 사이의 간격을 넓힘으로써, 이러한 간격에 기인한 광섬유의 편심도 0.5㎛ 이하로 제어할 수 있다.
도 9는 상기 유리 튜브(330)의 콜랩싱 과정을 설명하기 위한 도면이다. 상기 제2 밸브(290)는 닫혀 있고 상기 제1 밸브(280)는 열린 상태에서, 상기 진공 펌프(260)를 작동시킨다. 상기 진공 펌프(260)는 상기 유리 튜브(330) 내부를 진공 상태로 만들며, 이로 인해 상기 유리 튜브(330) 내의 압력이 외부 압력보다 낮아지면서 콜랩싱 과정이 이루어진다. 상기 버너(250)는 상기 유리 튜브(330)의 외주면을 고온 가열하게 된다. 상기 버너(250)에서 나온 화염(flame)은 상기 유리 튜브(330)의 외주면과 접촉하게 되고, 대류, 전도, 복사 등에 의하여 상기 유리 튜브(330)의 반경 방향, 길이 방향 등으로 열전도가 이루어진다. 전도된 열에 의하여 상기 유리 튜브(330)의 점도가 낮아지면서, 상기 유리 튜브(330)의 내부와 외부 간의 압력차에 의하여 상기 유리 튜브(330)가 상기 유리 로드(310) 쪽으로 콜랩싱(collapsing)된다.
상술한 밀봉 과정 및 콜랩싱 과정을 거침으로써, 상기 유리 튜브(330)는 상기 유리 로드(310)에 콜랩싱되고, 결과적으로 상기 유리 로드(310)의 오버 클래딩 과정이 완료된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유리 로드의 오버 클래딩 방법은 밀봉 튜브를 이용함으로써, 유리 튜브 내로의 이물질의 침입을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 밀봉을 용이하게 함으로써 유리 튜브의 벽 두께 또는 유리 튜브의 내주면과 유리 로드의 외주면 사이의 간격을 종래보다 크게 할 수 있다는 이점이 있다. 이로 인해, 광섬유 모재의 대구경화를 이루고, 광섬유의 편심을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 유리 로드에 유리 튜브를 오버 클래딩하기 위한 장치에 있어서,
    중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 유리 튜브와;
    상기 유리 튜브의 상단에 부착되며, 중심에 홀을 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 밀봉 튜브와;
    상기 밀봉 튜브를 관통하도록 상기 유리 튜브에 삽입되는 유리 로드와;
    상기 밀봉 튜브의 측벽을 가열함으로써 상기 밀봉 튜브의 상단을 밀봉하기 위한 버너와;
    상기 밀봉 과정 동안에 상기 유리 튜브의 내부에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급기를 포함함을 특징으로 하는 유리 로드의 오버 클래딩 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 버너는 상기 유리 튜브의 측벽을 가열함으로써 상기 유리 튜브를 상기 유리 로드 상에 콜랩싱하는데 사용됨을 특징으로 하는 유리 로드의 오버 클래딩 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 콜랩싱 과정 동안에 상기 유리 튜브의 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 펌프를 더 포함함을 특징으로 하는 유리 로드의 오버 클래딩 장치.
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