KR100584432B1 - 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 그 길이 방향을 따라 연장된 복수의 홀들을 갖는 광자결정 광섬유를 위한 모재의 제조 방법은, (a) 광자결정 광섬유 모재를 위한 몰딩 장치를 제공하는 과정과; (b) 상기 몰딩 장치의 내부에 솔을 주입하는 과정과; (c) 상기 몰딩 장치를 진공 분위기 하에 둠으로써, 외부와 소통하는 상기 몰딩 장치의 주입구를 통해 상기 몰딩 장치의 내부를 진공 상태로 만드는 과정을 포함한다.

광자결정 광섬유, 모재, 몰딩 장치, 진공 챔버

Description

광자결정 광섬유 모재의 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING PHOTONIC CRYSTAL FIBER PREFORM}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광자결정 광섬유 모재를 나타내는 도면,

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들.

본 발명은 광자결정 광섬유(photonic crystal fiber: PCF)에 관한 것으로서, 특히 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법에 관한 것이다.

광자결정 광섬유는 투명한 유리 재질로 만들어지며, 그 길이 방향을 따라 연장된 복수의 홀들(hole)을 갖는다. 광자결정 광섬유 내에서의 광신호의 전파는 포토닉 밴드갭 효과(Photonic Band-gap Effect)와 유효 굴절률 효과(Effective Index Effect)에 의해 이루어지며, 이에 대해서는 공개된 논문 T.A.Birks et al., Electronic Letters, Vol.31(22) p.1941(October 1995) 및 J.C.Knight et al., Proceeding of OFC, PD 3-1(February, 1996) 등에 상세히 개시된 바 있다.

광자결정 광섬유 모재의 제조 방법으로는 유리 적재 방법(glass stacking method), 유리 천공 방법(glass drilling method), 솔-젤 방법(sol-gel method) 등이 알려져 있다.

유리 적재 방법은 복수의 유리 튜브들을 원하는 형상으로 적재하여(stacking) 묶고 연신(elongation)하는 공정을 여러 번 반복 시행하여 모재를 제작하는 공법이다.

유리 천공 방법은 유리 봉에 천공(drilling) 작업으로 복수의 홀들을 형성하는 공법이다.

솔-젤 방법은 중공 실린더 형상의 몰드(mold)의 내부에 복수의 핀들(pin)을 배치하고, 액체 상태의 솔을 상기 몰드의 상부에서 낙하하는 방식으로 상기 몰드에 주입하여 젤 상태로 만든 후, 상기 젤을 상기 몰드로부터 이형하는 공법이다. 이후, 상기 이형된 젤에 건조, 저온 열처리, 소결 등의 과정들을 수행하여 광자결정 광섬유 모재를 얻는다. 상기 모재를 용융하여 얻어지는 광자결정 광섬유의 특성은 주로 코어(core)의 크기와, 홀의 직경과, 이웃한 홀 중심들간의 거리(피치(pitch))에 대한 홀 직경의 비를 나타내는 AFF(air filling factor)에 의해 결정된다.

기존의 솔-젤 방법에 의한 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법에서 솔을 주입하는 방식은 몰드의 상부에서 솔을 낙하시켜서 주입하는 방식을 주로 사용하였는데, 이 과정에서 기포가 솔의 내부에 포획되는 현상이 발생하고, 이 기포들이 상기 솔을 젤화하는 과정에서 외부로 배출되지 못하고 내부에 잔존하는 결과를 가져왔다. 이렇게 제조된 젤들은 열처리 과정을 거쳐도 그 내부에 기포들을 포함하고 있으며, 이러한 젤로부터 얻어지는 모재 또한 기포들을 포함하고 있어서 그로부터 얻어지는 광자결정 광섬유는 광손실 및 기타 광특성이 악화된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 솔 내부의 기포를 최소화할 수 있는 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 그 길이 방향을 따라 연장된 복수의 홀들을 갖는 광자결정 광섬유를 위한 모재의 제조 방법은, (a) 광자결정 광섬유 모재를 위한 몰딩 장치를 제공하는 과정과; (b) 상기 몰딩 장치의 내부에 솔을 주입하는 과정과; (c) 상기 몰딩 장치를 진공 분위기 하에 둠으로써, 외부와 소통하는 상기 몰딩 장치의 주입구를 통해 상기 몰딩 장치의 내부를 진공 상태로 만드는 과정을 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 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광자결정 광섬유 모재를 나타내는 도면이다. 상기 모재(100)는 전체적으로 원형 봉의 형상을 갖고, 유리 재질이며, 그 길이 방향을 따라 연장된 복수의 원형 홀들(110)을 갖는다. 상기 홀들(110)은 상기 모재(100)의 중심에 위치하는 코어 영역(core region, 120)의 둘레에 복수의 층들을 이루도록 배치되어 있다. 즉, 상기 홀들(110)은 상기 코어 영역(120)의 둘레에 3층 구조로 배치되어 있으며, 각 층은 정육각형 구조를 이루고 있다. 상기 코어 영역을 둘러싸는 제1 층(130)은 6 개의 홀들(110)로 이루어지며, 상기 제1 층(130)을 둘러싸는 제2 층(140)은 12 개의 홀들(110)로 이루어지며, 상기 제2 층(140)을 둘러싸는 제3 층(150)은 18 개의 홀들(110)로 이루어진다. 각 층별 홀 수와, 층 수는 필요에 따라 증감할 수 있으며, 층 형상은 필요에 따라 사각형 등으로 할 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 상기 제조 방법은 아래의 과정들을 포함한다.

(a) 광자결정 광섬유 모재를 위한 몰딩 장치를 제공하는 과정;

(b) 상기 몰딩 장치의 내부에 솔을 주입하는 과정; 및

(c) 상기 몰딩 장치를 진공 분위기 하에 둠으로써, 외부와 소통하는 상기 몰딩 장치의 주입구를 통해 상기 몰딩 장치의 내부를 진공 상태로 만드는 과정.

상기 (a)~(c) 과정들을 거친 후 상기 솔을 경화시킴으로써 기설정된 직경을 갖는 복수의 홀들을 구비한 젤을 얻는다. 상기 젤의 형상은 도 1에 도시된 모재 (100)의 형상과 동일하며, 이후 상기 젤에 건조 과정, 저온 열처리 과정, 소결 과정 등을 수행함으로써 도 1에 도시된 바와 같은 모재(100)를 얻는다.

이하, 위 (a)~(c) 과정들을 각각 상술하자면 아래와 같다.

(a) 과정

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광자결정 광섬유 모재를 위한 몰딩 장치를 나타내는 도면이다. 상기 몰딩 장치(200)는 솔-젤 공법에 따른 제조 과정 중 젤화 과정에 사용되는 장치이며, 상기 몰딩 장치(200)는 하우징(housing, 210)과, 제1 및 제2 지지부들(220,230)과, 복수의 핀들(pin, 240)을 포함한다.

상기 하우징(210)은 전체적으로 양단 개방된 원형 관 형상을 가지며, 그 내부에 광자결정 광섬유 모재의 원료 물질인 솔(250)을 수용한다. 상기 하우징(210)은 그 상부에 상기 솔(250)을 외부로부터 공급받기 위한 주입구(215)를 포함한다. 상기 주입구(215)는 원형 관의 일종인 엘보우(elbow) 형상을 가지며, 그 개방된 일단이 외부에 노출되어 있고, 그 개방된 타단이 상기 하우징(210)의 내부에 노출되어 있다.

상기 제1 지지부(220)는 상기 하우징(210)의 개방된 상부에 배치되며, 복수의 원형 홀들(222)을 갖는 원판 형상을 갖는다. 상기 제1 지지부(220)는 상기 하우징(210)의 개방된 상부를 막으며, 구비된 홀들(222)의 배치 구조는 도 1에 도시된 홀들(110)의 배치 구조와 동일하다.

도 3은 상기 몰딩 장치(200)에서 상기 핀들(240)을 제거한 상태로 위에서 내 려다 본 평면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 제1 지지부(220)는 그 중심에 위치하는 코어 영역의 둘레에 복수의 층들(224,226,228)을 이루도록 배치된 복수의 홀들(222)을 갖는다. 즉, 상기 홀들(222)은 상기 코어 영역의 둘레에 3층 구조로 배치되어 있으며, 각 층은 정육각형 구조를 이루고 있다. 상기 코어 영역을 둘러싸는 제1 층(224)은 6 개의 홀들(222)로 이루어지며, 상기 제1 층(224)을 둘러싸는 제2 층(226)은 12 개의 홀들(222)로 이루어지며, 상기 제2 층(226)을 둘러싸는 제3 층(228)은 18 개의 홀들(222)로 이루어진다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 제2 지지부(230)는 상기 하우징(210)의 개방된 하부에 배치되며, 복수의 원형 홀들(235)을 갖는 원판 형상을 갖는다. 상기 제2 지지부(230)는 상기 제1 지지부(220)와 동일한 형상을 가지며, 상기 제2 지지부(230)의 홀들(235)은 상기 제1 지지부(220)의 홀들(222)과 수직 정렬된다. 상기 제2 지지부(230)가 상기 하우징(210)의 개방된 하부를 막음으로써, 상기 주입구(215)을 통해 상기 하우징(210)의 내부로 유입된 솔(250)은 상기 하우징(210) 내에 수용된다.

상기 복수의 핀들(240)은 각각 원형 봉 형상을 가지며, 각 핀(240)은 상기 제1 및 제2 지지부들(220,230)의 해당 수직 정렬된 홀 쌍에 양단이 삽입되어 지지된다. 이후의 젤 이형화를 용이하게 하기 위해, 상기 각 핀(240)의 상부는 상기 제1 지지부(220)의 해당 홀(222)의 내주면에 부착되고, 상기 핀(240)의 하부는 분리 가능하도록 상기 제2 지지부(230)의 해당 홀에 끼워질 수 있다. 또는 이와 반대로, 상기 각 핀(240)의 하부가 상기 제2 지지부(230)의 해당 홀(235)의 내주면에 부착 되고, 상기 핀(240)의 상부가 분리 가능하도록 상기 제1 지지부(220)의 해당 홀(222)에 끼워질 수 있다.

상기 핀들(240)은 상기 제1 지지부(220) 또는 제2 지지부(230)의 홀 구조와 마찬가지로, 코어 영역의 둘레에 3층 구조로 배치되어 있으며, 각 층은 정육각형 구조를 이루고 있다. 상기 코어 영역을 둘러싸는 제1 층은 6 개의 핀들(240)로 이루어지며, 상기 제1 층을 둘러싸는 제2 층은 12 개의 핀들(240)로 이루어지며, 상기 제2 층을 둘러싸는 제3 층은 18 개의 핀들(240)로 이루어진다.

(b) 과정

솔(290)은 상기 주입구를 통해 상기 하우징(210) 내로 낙하하게 되며, 상기 하우징(210)의 바닥부터 차오르게 된다. 상기 솔이 상기 하우징의 바닥으로부터 기설정된 높이까지 오르게 되면, 상기 (b) 과정이 완료된다. 전술한 바와 같이, 상기 솔을 낙하 방식으로 주입하는 과정에서 기포가 솔의 내부에 포획되는 현상이 발생하고, 이 기포들이 상기 솔을 젤화하는 과정에서 외부로 배출되지 못하고 내부에 잔존하는 결과를 낳는다.

(c) 과정

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공 챔버를 나타내는 도면이다. 도 4에는, 진공 챔버와, 제1 및 제2 밸브들과, 진공 펌프가 도시되어 있으며, 상기 진공 챔버 내에는 도 2에 도시된 솔 주입된 몰딩 장치가 위치된다.

상기 진공 챔버는 그 하부에 제1 관(212)을 가지며, 그 상부에 제2 관(214,216)을 갖는다. 상기 제1 및 제2 관들(212,214,216)은 그 개방된 일단이 상기 하우징(210)의 내부에 노출되어 있고, 각 단면 형상은 원 또는 임의의 형상일 수 있다.

상기 제1 밸브(252)는 상기 제1 관(212) 상에 설치되며, 상기 제1 관(212)의 개폐(개방/폐쇄)를 담당한다.

상기 진공 펌프(260)는 상기 제1 관(214)의 타단과 연결되며, 상기 진공 챔버(210) 내의 압력을 조절하는 기능을 담당한다. 상기 진공 펌프(260)로는 통상의 상용화된 제품을 사용할 수 있는데, 통상적인 진공 펌프는 진공 정도에 따라 760torr 내지 1×10^-3torr의 진공 범위를 가지는 저진공 펌프, 1×10^-3torr 내지 1×10^-8torr의 진공 범위를 가지는 고진공 펌프 및 1×10^-8torr 내지 그 이하의 진공 범위를 가지는 초고진공 펌프로 분류된다.

상기 저진공 펌프로는 기름으로 흡입실 내의 기밀과 윤활성을 유지하고 나서 회전에 의해서 용적 배기를 하여 대기로 배출하는 펌프인 로터리 펌프(rotary pump)를 예로 들 수가 있다. 고진공 펌프인 오일확산 펌프(oil diffusion pump)는 일반적 대기 조건에서 작동하지 않는다. 로터리 펌프와 같은 다른 펌프로 대부분의 공기를 배출한 뒤 10^-3torr부터 작동을 시작한다. 만일 기체의 압력이 높으면 기름 분자는 여러 번 기체 분자와 부딪혀 도중에 정지하는 현상이 있을 수 있으므로, 흡 입구 측에서 제공되는 압력이 10^-3torr보다 낮아야 하는 것이다. 이외에, 초고진공 펌프로는 티타늄 승화(Titanium Sublimation) 펌프, 이온 펌프(ion pump), 무증발(non-evaporable) 펌프 등을 들 수가 있다. 본 발명에 사용되는 진공 펌프는 요구로 하는 진공 정도가 크지 않으므로, 상기 저진공 펌프인 로터리 펌프를 사용하면 충분하다.

상기 제2 밸브(256)는 상기 제2 관(216) 상에 설치되며, 상기 제2 관(216)의 개폐를 담당한다. 상기 제2 밸브(256)는 상기 진공 챔버(210)의 내부를 대기와 소통 또는 불통되게 하며, 상기 제2 밸브(256)가 열려 있는 경우에 상기 진공 챔버(210)의 내부 압력은 상압과 같게 된다.

상기 (c) 과정은 아래의 서브 과정들을 포함한다.

(c-1) 상기 몰딩 장치(240)가 상기 진공 챔버(210) 내에 위치된 상태에서 제1 밸브(252,256)를 열고, 제2 밸브(254)를 닫는다.

(c-2) 상기 진동 펌프(260)를 가동시켜서 상기 진공 챔버(210)의 내부를 진공 상태로 만든다. 상기 진공 챔버(210)의 내부가 기설정된 진공 정도에 다다르면, 상기 제1 밸브(254)를 닫고 상기 진동 펌프(260)의 가동을 중지한다. 본 서브 과정은 상기 솔(250) 내부의 기포를 제거하는 탈포 과정이다.

(c-3) 상기 탈포 과정이 완료되면, 상기 제2 밸브(256)를 열어서 상기 진공 챔버(210)의 내부 압력이 상압이 되도록 한다.

상기 (a)~(c) 과정들을 거친 이후의 과정에 대해 간략히 기술하면 아래와 같다.

첫 째, 상기 몰딩 장치(200)를 상기 진공 챔버(300)에서 꺼낸다.

둘 째, 상기 제1 지지부(220) 및 핀들(240)을 제거한다.

셋 째, 상기 하우징(210)을 위로 들어올림으로써 상기 솔이 경화하여 얻어진 젤을 상기 하우징(210)으로부터 이형한다.

이후에, 상기 이형된 젤에 건조 과정, 저온 열처리 과정, 소결 과정 등을 수행함으로써, 도 1에 도시된 바와 같은 모재(100)를 얻는다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법은 몰딩 장치를 진공 챔버 내에 위치시킨 후 탈포 과정을 진행함으로써, 솔 내부의 기포를 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 그 길이 방향을 따라 연장된 복수의 홀들을 갖는 광자결정 광섬유를 위한 모재의 제조 방법에 있어서,

   (a) 광자결정 광섬유 모재를 위한 몰딩 장치를 제공하는 과정과;

   (b) 상기 몰딩 장치의 내부에 솔을 주입하는 과정과;

   (c) 상기 몰딩 장치를 진공 분위기 하에 둠으로써, 외부와 소통하는 상기 몰딩 장치의 주입구를 통해 상기 몰딩 장치의 내부를 진공 상태로 만드는 과정을 포함함을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (c) 과정은 상기 몰딩 장치를 진공 챔버 내에 위치시키고, 상기 진공 챔버를 가동시킴으로써 수행됨을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 몰딩 장치는,

   상기 솔을 수용하기 위한 하우징과;

   상기 하우징의 상부에 배치된 제1 지지부와;

   상기 하우징의 하부에 배치된 제2 지지부와;

   각각 상기 제1 및 제2 지지부들에 의해 지지됨으로써 적어도 그 일부가 상기 하우징 내에 배치된 복수의 핀들을 포함함을 특징으로 하는 광자결정 광섬유 모재의 제조 방법.

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