KR100628595B1 - 실리카 튜브 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 프리폼 제조공정에서 실리카 튜브의 가열장치에 관한 것으로서, 보조토치가 주토치의 상부 일측에 형성된 회동부재에 연결되어 회동운동에 의해 화염방향이 조절되어, 실리카 튜브의 회전 중심이 어긋나게 장착되는 경우에도 보조토치의 화염방향을 조절하여 실리카 튜브를 항상 가열영역 안에 있게 하여 실리카 튜브의 원주 방향 온도구배를 최소화함으로써, 실리카 튜브내에서 수트(soot)가 균일하게 증착되게 하고, 비소결(non-sintering)현상도 방지하는 실리카 튜브 가열장치가 제공된다.

광섬유, 프리폼, 실리카 튜브, 토치, 화염방향

Description

실리카 튜브 가열장치 {Silica tube heating apparatus}

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 일반적인 가열장치에서 실리카 튜브의 회전중심이 어긋나게 장착된 경우의 정면도.

도 2a는 일반적인 가열장치의 분해 사시도.

도 2b는 도 2a의 결합 사시도.

도 3은 도 2b의 Ⅲ-Ⅲ′선에 따른 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 가열장치의 정면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20...주토치 25...보조토치 26...회동부재

27...방열판 100...실리카 튜브 가열장치

본 발명은 광섬유 제조공정에 사용되는 실리카 튜브 가열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리카 튜브의 외주면을 균일하게 가열할 수 있는 가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유를 통해 빛을 전송하여 정보를 교환하는 광통신은 외부 전파 및 자기장의 영향을 받지 않으며, 낮은 전송손실과 큰 대역폭으로 인하여 장거리 고속 전송매체로 널리 사용되어 왔으며, 현재는 다른 분야로 사용이 확대되고 있는 추세이다.

광섬유를 제조하기 위한 프리폼은 빛이 투과하지 않는 클래드(clad)영역과 빛이 도파되는 코아(core)영역으로 이루어져 있다. 코아영역은 실리카 및 게르마늄 등으로 구성되며 클래드영역보다 굴절률이 크게 제조되어 그 내부로 빛이 도파된다. 클래드영역 및 코아영역은 실리카 및 게르마늄의 증착과정을 통해 형성된다.

프리폼을 제작하는 공정은 외부증착법(OVD:Outside Vapor Deposition), 축방향증착법(VAD:Vapor Axial Deposition), 수정된 화학 기상 증착법(MCVD:Modified Chemical Vapor Deposition) 등이 있다.

이중에서 본 발명이 적용되는 수정된 화학 기상 증착법(MCVD)은 실리카 튜브를 선반의 주축대와 심압대에 거치시킨 후, 실리카 튜브를 회전시키면서 실리카 튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃ 와 같은 반응가스를 산소와 같이 주입하면서, 동시에 실리카 튜브 외부에서 가열장치를 이용하여 1600℃이상의 온도로 가열시키게 된다. 가열장치가 왕복운동하면서 실리카 튜브를 가열하게 되면, 가열된 부분은 할로 겐화합물(halide)기체의 산화반응에 의하여 유리미분체(fine glass particle), 즉 수트(soot)가 생성이 되고, 이 수트는 가열장치가 진행하는 방향의 아직 가열되지 않은 부분으로 열영동현상(thermophoresis)에 의해 이동하여 실리카 튜브의 안쪽 표면에 달라 붙게 된다. 아래의 반응식은 이 할로겐 화합물의 기체 반응식이다.

SiCl₄(g) + O₂(g) ↔ SiO₂ + 2Cl₂(g)

GeCl₄(g) + O₂(g) ↔ GeO₂ + 2Cl₂(g)

실리카 튜브의 증착면에 붙은 수트는 왕복운동하는 가열장치의 가열에 의해 소결(sintering)되어 투명한 유리층으로 변화된다. 이 과정이 계속적으로 반복 되면 실리카 튜브 내부에 다수의 클래드 층과 다수의 코어 층이 형성된다.

이 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 실리카 튜브(11)를 선반에 장착할 때 이상적인 회전 중심과 튜브 중심간에 편심이 발생하거나 제조 중에 실리카 튜브의 휨 현상 등이 발생하게되면, 회전하면서 가열영역에 포함되지 않는 부분이 생기게 되어 가열장치(10)로 실리카 튜브(11)의 외부를 가열할 경우에 실리카 튜브(11)의 원주 방향으로 균등한 가열이 어려워지는 문제점이 발생한다.

이와 같이 실리카 튜브의 표면온도가 일정하지 않을 경우 증착에 있어서 큰 영향을 준다. SiCl₄ 및 GeCl₄ 의 반응은 온도에 따라 반응 정도가 크게 달라지며 GeCl₄ 는 온도가 상승함에 따라 GeO₂와 역반응을 통해 휘발되는 문제점이 발생한다.

GeCl₄ + O₂ ↔ GeO₂ + 2Cl₂(g)

GeO₂ 가 역반응을 통해 휘발되면, 광섬유 굴절률이 비대칭이 되어 광특성에 상당한 영향을 미치게 된다.

또한, 온도의 불균형으로 인해 높은 온도의 영역에서는 문제가 없으나 낮은 온도의 영역에서는 수트의 소결반응이 충분히 일어나지 않는 비소결(non-sintering) 현상이 발생되며, 비소결 부분은 증착이 진행됨에 따라 버블로 변하기도 하여 광섬유 프리폼 제조시 불량이 발생하는 문제점이 발견되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 실리카 튜브를 가열할 때, 회전중심과 튜브중심간에 편심이 발생하거나 튜브의 휨 현상이 발생하더라도 실리카 튜브의 원주 방향 온도구배를 최소화하여 SiCl₄ 및 GeCl₄의 증착이 균일하게 이루어질 수 있도록 하며, 또한 GeO₂가 역반응을 통해 휘발되는 현상이나 튜브 표면이 부분적으로 가열되지 않아 발생하는 비소결 현상도 방지할 수 있는 실리카 튜브 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른, 광섬유 프리폼 제조공정에서 실리카 튜브를 가열하는 장치는, 상기 실리카 튜브를 감싸면서 상부가 개방된 형상을 가지고, 상기 실리카 튜브의 길이방향을 따라 왕복운동을 하면서 상기 실리카 튜브를 가열하는 주토치; 및 상기 주토치의 상부 일측에 설치된 보조토치;를 포함한다.

이 때, 상기 보조토치는 상기 주토치의 상부 일측에 형성된 회동부재에 연결되어 회동운동에 의해 상기 실리카 튜브를 가열하는 화염방향이 조절된다.

또한, 상기 보조토치는, 양측면으로 소정길이의 슬릿이 형성된 노즐판; 및 상기 노즐판의 양측면에 부착되며, 상기 슬릿을 통하여 연소가스 및 산소가스를 공급하는 측면판;을 포함한다.

이 때, 상기 측면판에 냉각수단이 구비되면 바람직하며, 상기 냉각수단은 상기 측면판의 내부에 형성된 냉각수가 관통하는 냉각관으로 이루어 질 수 있다.

또한, 상기 보조토치의 화염이 상기 주토치를 직접 가열하는 것을 방지하기 위해 상기 주토치의 상부 타측에 방열판이 형성되면 바람직하다.

한편, 상기 토치는 산소-수소 토치일 수 있다.

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 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.

본 발명의 실시예에 따른 가열장치를 설명하기에 앞서, 도 2a, 2b 및 도 3을 참조하여 일반적인 토치(10)의 구성에 대하여 설명한다.

도면을 참조하면, 토치(10)는 양측면으로 소정길이의 슬릿(14)이 가공되며 실리카 튜브(11)를 감싸면서 상부가 개방된 형상을 갖는 노즐판(12)과 노즐판(12)의 양측면에 부착되는 동일한 단면 형상의 측면판(side plate)(13)으로 구성되며, 노즐판(12)과 양 측면판(13)은 볼트(17)와 같은 체결부재에 의해 서로 결합된다. 측면판(13)은, 냉각을 위해서 냉각수가 관통하는 냉각관(16)이 내부에 가공되거나 냉각 배관(미도시)이 용접된 구조를 가질 수 있다. 또한, 측면판(13)이 노즐판(12)과 접하는 일측에는 공급된 연소가스 및 산소가스가 각각 원주방향으로 균일하게 퍼질 수 있도록 홈(15)이 형성된다.

연소가스와 산소가스는 양 측면판(13)에 각각 연결된 공급라인(미도시)에 의해 공급된다. 공급라인을 통해서 공급된 연소가스는 측면판(13) 내부에 가공된 홈(15)을 따라 원주 방향으로 퍼지면서 노즐판(12)의 일측면을 통해 주입된다. 노즐판(12)에 주입된 연소가스는 측면판(13)과 접하는 노즐판(12)의 일측면에 형성된 슬릿(14)을 따라 노즐판(12)의 반경 방향으로 분사되게 된다. 또다른 측면판(13)을 통해서 주입된 산소는 동일한 방법에 의해 노즐판(12)의 타측면에 형성된 슬릿(14)을 따라 노즐판(12)의 반경방향으로 분사되어 토치(10) 표면에서 연소가스와 섞이면서 화염을 유지하게 된다.

이어서, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 가열장치(100)의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

도면을 참조하면, 본 발명의 가열장치(100)는 주토치(20), 보조토치(25), 방 열판(27) 및 이송부재(28)를 구비한다.

주토치(20)는 전술한 일반적인 토치(10)와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 노즐판, 측면판으로 구성되어 있으며, 노즐판과 측면판은 볼트와 같은 체결부재에 의해 서로 결합된다. 주토치(20)는 선반(미도시)위에 설치된 이송부재(28)에 고정되어 이송부재(28)와 연동운동을 한다. 이송부재(28)는 선반의 상면을 따라 실리카 튜브(21)가 고정된 주축대와 심압대 사이를 왕복운동하며, 연동운동을 하는 주토치(20)도 왕복운동을 하며 실리카 튜브(21)를 가열한다.

보조토치(25)는 주토치(20)와 크기와 형상만 틀릴 뿐 동일한 구조를 갖는다. 즉, 보조토치(25)는 바람직하게 단면이 직사각형의 형상을 가지며, 도면에는 도시되지 않았지만 양측면으로 소정길이의 슬릿이 형성된 노즐판과 노즐판의 양측면에 부착되는 측면판을 구비한다. 보조토치(25)는 주토치(20)에 연결되는 연소가스 및 산소가스의 공급라인과는 별도로, 별개의 공급라인(미도시)에 의해서 연소가스 및 산소가스를 공급받는다. 연소가스 및 산소가스가 혼합되어 배출되는 과정은 전술한 주토치(20)의 경우와 동일하다.

보조토치(25)는 주토치(20)의 상부 일측에 형성된 회동부재(26)에 연결된다. 바람직하게 회동부재(26)는 경첩(hinge)이나 피벗(pivot) 등으로 이루어지는데, 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 변형이 이루어져 채택될 수 있다.

회동부재(26)에 연결된 보조토치(25)는 회동운동에 의해 실리카 튜브(21)를 가열하는 화염방향을 조절할 수 있다. 도면에서처럼 실리카 튜브(21)의 중심이 어 긋나서 회전하는 경우에, 실리카 튜브(21)에는 주토치의 화염영역(B)에 속하지 않는 부분(A)이 계속해서 생기게 되며, 이에 의해 실리카 튜브(21)의 원주방향으로 온도구배가 발생한다. 이 온도구배에 의해 실리카 튜브(21)의 내부에서 실리카와 게르마늄이 균일하게 증착되지 않으며, 비소결(non-sintering)현상도 발생하게 된다. 보조토치(25)는 회동운동에 의해 화염방향이 조절되어, 주토치(20)의 화염영역에 속하지 않는 실리카 튜브(21) 부분(A)을 가열하므로 실리카 튜브(21)의 원주방향 온도구배를 최소화할 수 있다.

보조토치(25)는 본 실시예에서 수동으로 회동운동되도록 구성된다. 즉, 사용자는 실리카 튜브(21)의 중심이 어긋나게 장착된 경우에, 보조토치(25)를 회동운동시켜 화염영역에 속하지 않는 실리카 튜브(21)의 표면을 보조토치(25)가 가열하도록 조절할 수 있다. 그러나, 본 발명은 반드시 이러한 예에만 한정되지는 않으며, 별도의 모터를 이용하여 보조토치(25)를 자동으로 회동운동시키도록 구성할 수도 있다. 이 경우, 보조토치의 회동운동을 위한 모터는 별도의 제어부(미도시)에 의해 전기적 또는 전자적으로 구동될 수도 있음은 물론이다.

주토치(20)의 상부 일측에 연결된 보조토치(25)가 실리카 튜브(21)를 가열하는 경우에, 실리카 튜브(21)뿐만 아니라 주토치(20)의 상부 타측을 직접 가열하는 것을 방지하기 위해, 주토치(20)의 상부 타측에는 방열판(27)이 설치된다. 방열판(27)은 주토치(20)의 상부 타측을 보조토치(25)의 화염으로부터 보호하기에 적절한 크기 및 재질로 제작되어 용접 등의 방법에 의해 주토치(20)의 상부 타측에 설치된다.

본 발명에 따른 가열장치(100)는 연소가스로 수소를 사용하지만, 이에 한정되지는 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 연소가스가 채택되어 사용될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리카 튜브 가열장치(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 사용자는 실리카 튜브(21)의 일단을 선반의 주축대에 고정하고 타단을 심압대에 고정한다. 반응가스와 산소는 실리카 튜브(21)의 일단을 통해서 튜브내부로 공급되며, 그와 동시에 가열장치(100)가 왕복운동을 하면서, 실리카 튜브(21)의 표면을 1600℃이상의 온도로 가열한다. 이경우, 주토치(20)는 이송부재(28)에 의해 실리카 튜브(21)의 길이방향으로 왕복운동되면서 실리카 튜브(21)를 가열한다.

한편, 실리카 튜브(21)의 중심이 어긋나서 회전하게 되면, 사용자는 수동으로 보조토치(25)를 조절하여 주토치(20)에 의해 가열되지 않는 부분을 가열하도록 하거나, 또는 회동운동을 위한 모터를 구비하여 별도의 제어부에 의해 전기적 또는 전자적으로 모터를 구동시켜 보조토치(25)를 회동시킨다. 이에 의해, 실리카 튜브(21)의 표면을 보다 균일하게 가열하여 원주방향 온도구배를 최소화할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 실리카 튜브 가열장치는, 주토치의 상부 일측에 형성된 회동부재에 보조토치를 연결하여 보조토치의 화염방향을 조절하여 실리카 튜브의 회전중심과 튜브 중심간에 편심이 발생하여도 튜브가 항상 가열장치의 가열영역에 포함되게 함으로써, 실리카 튜브가 원주방향으로 균등하게 가열되어 클래드 층과 코어 층이 균일하게 증착되는 장점이 있다.

또한, 실리카 튜브 표면의 가열온도 불균형으로 인해 GeO₂가 역반응을 통해 휘발되는 것을 방지하며, 낮은 온도 영역에서 수트의 소결현상이 충분히 일어나지 않는 비소결(non-sintering)현상 등을 해결할 수 있다.

Claims (7)

1. 광섬유 프리폼 제조공정에서 실리카 튜브를 가열하는 장치에 있어서,

   상기 가열장치는,

   상기 실리카 튜브를 감싸면서 상부가 개방된 형상을 가지고, 상기 실리카 튜브의 길이방향을 따라 왕복운동을 하면서 상기 실리카 튜브를 가열하는 주토치; 및

   상기 주토치의 상부 일측에 설치된 보조토치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 보조토치는 상기 주토치의 상부 일측에 형성된 회동부재에 연결되어, 회동운동에 의해 상기 실리카 튜브를 가열하는 화염방향이 조절되는 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 보조토치는,

   양측면으로 슬릿이 형성된 노즐판; 및

   상기 노즐판의 양측면에 부착되며, 상기 슬릿을 통하여 연소가스 및 산소가스를 공급하는 측면판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 측면판에 냉각수단이 구비된 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 냉각수단은 상기 측면판의 내부에 형성된 냉각수가 관통하는 냉각관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 보조토치의 화염이 상기 주토치를 직접 가열하는 것을 방지하기 위해 상기 주토치의 상부 타측에 형성된 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 토치는 산소-수소 토치인 것을 특징으로 하는 실리카 튜브 가열장치.

Images