KR100624252B1 - 보조 버너를 사용한 광섬유 모재 제조 방법 - Google Patents

보조 버너를 사용한 광섬유 모재 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주 버너 및 보조 버너를 이용하여 MCVD 공법에 따라 광섬유 모재 튜브의 내벽에 증착층을 형성시키는 광섬유 모재 제조 방법이다. 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조 방법은, 주 버너가 광섬유 모재 튜브를 가열하면서 튜브의 길이 방향으로 이동함에 따라, 보조 버너를 사용하여 주 버너에 의해 가열이 시작된 지점으로부터 가열이 진행된 소정지점까지의 광섬유 모재 튜브의 소정 구간을 재 가열하여 소정 구간에서의 냉각에 따른 열응력의 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 모재 튜브 내부의 크랙 또는 균열을 방지함으로써 제조되는 광섬유 모재의 불량률을 감소시킬 수 있다.
MCVD, 주 버너, 열응력

Description

보조 버너를 사용한 광섬유 모재 제조 방법{Method of manufacturing optical fiber preform using auxiliary burner}
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 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조 공정도.
도 2는 단일모드 광섬유의 굴절율 분포도.
도 3은 다중모드 광섬유의 굴절율 분포도.
도 4는 금속이온의 도핑에 따른 실리카 유리의 굴절율 변화를 도시한 그래프.
도 5는 온도에 따른 실리카 유리의 체적의 변화를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 보조 버너를 사용한 광섬유 모재 제조 공정도.
도 7은 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조시 주 버너에 의해 가열된 광섬유 모재 튜브의 온도 분포도.
도 8은 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조시 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 주 버너 및 보조 버너에 의해 가열된 광섬유 모재 튜브의 온도 분포도.
본 발명은 광섬유 모재 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조시 광섬유 모재 튜브의 내부에 증착되는 증착층 사이의 열응력에 의한 균열 및 크랙 발생을 방지하는 광섬유 모재 제조 방법에 관한 것이다.
광섬유 모재를 제조하기 위한 방법으로는 크게 외부 증착법과 내부 증착법 두 가지로 나눌 수가 있고, 내부 증착법으로는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition: 수정화학기상증착법) 공법이 널리 사용된다.
도 1은 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조 공정도이다. 도면을 참조하면, MCVD 공법은 광섬유 모재 튜브(1)를 회전시키면서 튜브(1) 내부로 SiCl4, GeCl4, POCl3와 같은 원료가스를 산소가스와 함께 주입하고, 버너(2)를 이용하여 튜브(1) 외부를 가열하여 튜브(1) 내벽에 열산화 반응에 의한 수트의 증착이 레이어 단위로 반복적으로 이루어지도록 하여 클래딩층 및 코어층을 형성시키는 광섬유 모재 제조 방법이다. 이와 같이 제조된 광섬유 모재는 코어층의 굴절율이 클래딩층의 굴절율보다 높으므로 광섬유 내로 입사된 빛은 코어층과 클래딩층의 계면에서 전반사되어 코어층 내에서만 진행된다.
도 2 및 도 3은 각각 단일모드 광섬유과 다중모드 광섬유의 굴절율 분포도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 단일 모드 광섬유에서는 코어층과 클래딩층의 굴절율 차이는 다중 모드 광섬유에서의 코어층과 클래딩층의 굴절율 차이보다 급격하다. 이와 같은 코어층과 클래딩층의 굴절율의 차이는 코어층과 클래딩층의 각각에 도핑된 금속이온의 양에 따라 발생된다.
도 4는 금속이온의 도핑에 따른 실리카 유리의 굴절율 변화를 도시한 그래프이다. 도 4는 도핑되는 금속이온(Ge02 및 P2O5)의 양이 증가할수록 실리카 유리의 굴절율이 선형적으로 증가하는 것을 도시하고 있다. 따라서, 클래딩층보다 굴절율이 높은 코어층은 클래딩층보다 보다 많은 금속이온이 도핑되고, 이에 따라 광섬유 모재 튜브 내부의 증착층은 서로 다른 비율의 금속이온이 도핑된다. 이와 같이 증착층에 도핑되는 금속이온의 양의 차이로 인해 증착층 사이의 열팽창 계수의 차이가 발생하고, 따라서 급격한 온도 변화에 따라 클래딩층과 코어층 사이 또는 증착층 사이에서는 열응력이 발생하게 된다.
도 5는 온도에 따른 실리카 유리의 체적 변화를 나타내는 그래프이다. 도면을 참조하면, 일반적으로 융점(Tm)에서 액상의 유리는 고체 상태로 고화되며, 고화 상태로 진행됨에 따라 실리카 유리의 체적은 액상일 때보다 느리게 감소된다.
한편, MCVD 공법에 따르면 광섬유 모재 튜브의 길이 방향을 따라 가열이 이루어지므로, 가열이 시작되는 증착 시작 지점과 가열이 종료되는 증착 종료 지점 사이에는 가열시간의 차이가 발생한다. 따라서, 가열시간의 차이로 인해 증착 시작 지점 및 증착 종료 지점은 재 가열이 이루어질 때까지 냉각되고, 냉각된 부분을 갑자기 가열하면 급격하게 온도가 상승된다. 그러면, 증착 시작 지점 및 증착 종료 지점의 증착층 사이에는 열팽창 계수의 차이로 인해 내부 크랙 또는 부분 균열이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조시에 광섬유 모재 튜브 내부의 증착층 사이에서 발생하는 열응력을 제거하여 광섬유 모재 튜브 내부의 크랙 또는 부분 균열을 방지하는 광섬유 모재 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조 방법은, 주 버너가 광섬유 모재 튜브를 가열하면서 튜브의 길이 방향으로 이동함에 따라, 보조 버너를 사용하여 주 버너에 의해 가열이 시작된 지점으로부터 가열이 진행된 소정지점까지의 광섬유 모재 튜브의 소정 구간을 재 가열하여 소정 구간에서의 냉각에 따른 열응력의 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 주 버너가 1회의 증착공법을 마치고 다시 증착 시작 지점에 복귀하여 상기 광섬유 모재 튜브의 길이 방향으로 가열하면서 이동함에 따라, 다른 보조 버너를 사용하여 상기 주 버너에 의해 가열이 이루어진 소정지점으로부터 가열이 종료된 지점까지의 상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간을 재 가열하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간은 그 폭이 10㎝ 이하인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 보조 버너는 연료 가스로 산소와 수소의 혼합가스를 사용하는 버너 또는 수소 가스를 사용하는 버너인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간의 온도를 500℃~700℃로 유지시키는 것이 바람직하다.
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 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보조 버너를 사용한 광섬유 모재 제조 공정도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조 방법은 주 버너(12)외에 별도의 보조 버너(13)를 사용하여 광섬유 모재 튜브(11)를 가열하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 주 버너(12)를 광섬유 모재 튜브(11)의 길이 방향으로 이동시켜 광 섬유 모재 튜브(11)의 내부에 증착층을 형성시키는 과정은 종래의 광섬유 모재 제조 방법과 동일하다.
상기 보조 버너(13)는 주 버너(12)에 의해 가열된 광섬유 모재 튜브(11)의 소정 구간을 가열하여 소정 온도를 유지시킴으로써 차회의 수트 증착 공정에서 주 버너(12)에 의한 재 가열시 광섬유 모재 튜브(11)의 갑작스런 온도 상승에 의해 튜브(11) 내부에 균열이 발생하는 것을 방지한다.
보조 버너(13)는 열응력이 발생하는 지점인 증착 시작 지점의 소정 구간을 가열하도록 설치되고, 주 버너(12)에 의해 재가열 될때까지의 냉각되는 구간을 고려하면, 증착 시작 지점으로부터 10㎝이내 범위를 가열하도록 설치되는 것이 바람직하다.
도 6에는 증착 시작 지점에 설치된 보조 버너(13) 만이 도시되어 있으나 열응력이 발생하는 또 다른 지점인 증착 종료 지점의 소정 구간을 가열하도록 별도의 보조 버너를 더 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 별도의 보조 버너를 증착 종료 지점으로부터 10㎝이내 범위를 가열하도록 설치하여 냉각된 증착 종료 지점의 소정 구간을 가열토록 한다.
보조 버너(13)에 의해 가열되는 온도가 너무 낮으면 주 버너(12)의 재 가열에 의한 급격한 온도 변화로 열응력이 발생하는 문제가 있고, 보조 버너(13)에 의해 가열되는 온도가 너무 높으면 튜브(11) 내부에서 증착이 이루어지는 문제가 있으므로, 가열이 이루어지는 소정 구간의 온도가 500℃~700℃ 범위 내로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
보조 버너(13)는 광섬유 모재 튜브(11)를 가열하기 위한 열원으로서, 연료가 되는 가스로 산소 및 수소를 혼합한 가스를 이용하는 버너이거나 수소를 이용한 버너가 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 모재의 제조 방법을 설명한다.
주 버너(12)를 광섬유 모재 튜브(11)의 길이방향을 따라 이동시키면서 튜브(11)의 외표면을 가열하면, 주 버너(12)에 의해 가열되는 부분은 온도가 급격히 상승하고 주 버너(12)가 이동함에 따라 가열이 이루어진 부분은 냉각된다.
도 7은 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조시 주 버너에 의해 가열된 광섬유 모재 튜브의 온도 분포도이다. 도 7을 참조하면, 주 버너(12)에 의해 가열되는 부분은 대략 2200℃ 까지 온도 상승이 되나 주 버너(12)가 이동함에 따라 가열이 이루어진 부분은 냉각된다. 특히, 최초에 가열된 증착 시작 부위는 주 버너(12)가 광섬유 모재 튜브(11)의 중앙에 이르렀을 때에는 대략 200℃ 까지 냉각된다. 따라서, 주 버너(12)가 광섬유 모재 튜브(11)의 길이 방향으로 이동함에 따라 증착 시작 부위의 냉각을 막기 위해 보조 버너(13)를 이용하여 가열한다.
도 8은 MCVD 공법에 따른 광섬유 모재 제조시 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 주 버너 및 보조 버너에 의해 가열된 광섬유 모재 튜브의 온도 분포도이다. 도 8을 참조하면, 증착 시점 지점의 소정 구간을 가열하도록 설치된 보조 버너(13)의 가열에 의해 증착 시점 지점의 소정 구간은 냉각되지 않고 소정 온도를 유지하는데, 바람직하게는 온도가 500℃~700℃ 유지되도록 가열한다.
여기서, 보조 버너(13)는 광섬유 모재 튜브(11)의 이편을 가열하는 주 버너(12)와의 충돌을 방지하도록 광섬유 모재 튜브(11)의 타편에 설치되되, 증착 시작 부위로부터 10㎝ 이내의 구간을 가열하도록 설치되는 것이 바람직하다. 보조 버너(13)는 연료 가스로 산소 및 수소 혼합 가스를 이용한 버너 또는 수소 가스를 이용한 버너로서, 하나 또는 그이상의 노즐을 가지는 버너를 사용하여 가열 온도를 조절할 수 있다. 그리고, 1회의 증착 공법이 완료된 후 주 버너(12)가 증착 시작 지점에 복귀하여 가열을 시작하면, 증착 시작 부위의 온도는 보조 버너(13)의 가열에 의해 500℃~700℃를 유지하고 있으므로 주 버너(12)의 가열로 온도가 2200℃까지 상승되더라도 열응력에 의해 균열이 발생할 우려는 없다.
한편, 증착 시작 지점으로 복귀한 주 버너(12)가 광섬유 모재 튜브(11)의 길이방향을 따라 이동하면서 가열하면 이미 가열이 이루어진 증착 종료 지점은 냉각된다. 따라서, 증착 종료 지점의 냉각을 방지하도록 증착 종료 지점에 설치된 별도의 보조 버너를 이용하여 가열한다. 증착 종료 지점을 가열하도록 채용되는 보조 버너는 상술한 증착 시작 지점에 설치된 보조 버너와 마찬가지로 증착 종료 지점으로부터 10㎝ 이내의 구간을 가열하도록 설치되어 증착 종료 지점의 온도가 500℃~700℃ 유지하도록 가열하는 것이 바람직하다. 따라서, 주 버너(12)가 증착 종료 지점에 도달하면, 증착 종료 지점의 온도는 보조 버너의 가열에 의해 500℃~700℃를 유지하고 있으므로 주 버너(12)의 가열로 온도가 2200℃까지 상승되더라도 열응력에 의해 균열이 발생할 우려는 없다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 MCVD 공법에 의해 광섬유 모재 따른 튜브내에 레이어 단위로 수트 증착층을 형성할 때 별도의 보조 버너를 사용하여 증착 시작 지점 및 증착 종료 지점을 가열함으로써 주 버너의 재 가열로 인한 열응력을 방지할 수 있어 양질의 광섬유 모재의 제조가 가능하다.
이상과 같은 기술적 구성에 의해 본 발명의 기술적 과제는 달성되며, 본 발명이 비록 한정된 실시 예와 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.
본 발명에 의하면, 보조 버너를 사용하여 광섬유 모재의 가열 온도가 급속히 상승하는 것을 방지하여 온도의 급격한 상승으로 인한 열응력을 제거하여 모재 내부의 크랙 또는 균열을 방지함으로써 제조되는 광섬유 모재의 불량률을 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. MCVD 공법에 따라 왕복 이송되는 주 버너를 이용하여 코어층과 클래딩층의 굴절률 프로파일에 따라 광섬유 모재 튜브의 내벽에 열산화 반응에 의한 수트 증착층을 레이어 단위로 반복 적층하여 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 주 버너가 상기 광섬유 모재 튜브를 가열하면서 튜브의 길이 방향으로 이동함에 따라, 보조 버너를 사용하여 상기 주 버너에 의해 가열이 시작된 지점으로부터 가열이 진행된 소정지점까지의 상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간을 재 가열하여 상기 소정 구간에서의 냉각에 따른 열응력의 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주 버너가 1회의 증착공법을 마치고 다시 증착 시작 지점에 복귀하여 상기 광섬유 모재 튜브의 길이 방향으로 가열하면서 이동함에 따라, 다른 보조 버너를 사용하여 상기 주 버너에 의해 가열이 이루어진 소정지점으로부터 가열이 종료된 지점까지의 상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간을 재 가열하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간은 그 폭이 10㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 보조 버너는 연료 가스로 산소와 수소의 혼합가스를 사용하는 버너 또는 수소 가스를 사용하는 버너인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광섬유 모재 튜브의 소정 구간의 온도를 500℃~700℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 방법.
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