KR100630117B1 - 기상 외부 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치는 척들에 의해서 회전 가능하게 지지되는 예비 성형물이 장치된 선반과, 경사면을 갖는 버너 체결 블럭과, 상기 체결 블록의 경사면 상에 서로 다른 기울기를 갖도록 체결되며 화염 및 원료 가스를 상기 예비 성형물의 둘레에 분사하기 위한 복수의 버너들을 포함하는 버너 어셈블리와, 상기 버너 어셈블리를 상기 예비 성형물의 장축을 따라서 왕복 이송시키기 위한 이송 수단을 포함한다.
기상 외부 증착, 광섬유 모재, 예비 성형물

Description

기상 외부 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치{OPTICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS FOR OPTICAL PREFORM}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기상 외부 증착 방식의 광섬유 모재 제작 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 버너 어셈블리의 구성을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4구의 버너 어셈블리의 구조를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3구의 버너 어셈블리의 구조를 나타내는 도면.
본 발명은 광섬유 모재의 제작 장치에 관한 발명으로서, 특히 기상 외부 증착 방식에 의한 광섬유 모재 제작 장치에 관한 발명이다.
광섬유 모재는 광섬유를 제작하기 위한 원자재로서, 광섬유 모재는 인출 과정을 거쳐서 광섬유로 완성된다. 완성된 광섬유 모재는 광통신을 위한 통신 선로 등으로 이용될 수 있다.
광섬유 모재는 내부 기상 증착 방법에 의해 제작된 1차 모재 로드를 대형의 천연 혹은 합성 석영관으로 오버클래딩해서 대구경으로 제작하는 방법과, 제공되는 원료 가스를 고온에서 산화시켜서 생성된 슈트(Soot)를 광섬유 모재를 형성하기 위한 모봉에 증착시키는 외부 기상 증착 방법이 있다.
상술한 증착 방법에는 튜브 형태의 석영관의 내부에 고온 영역을 형성하고 원료 가스를 주입해서 생성된 슈트(soot)를 증착시키는 내부 기상 증착 방법과, 로드(rod) 형태의 1차 모재의 둘레를 가열해서 산화된 슈트를 증착시키는 외부 기상 증착 방법 등이 있다.
상술한 내부 기상 증착 방법은 석영관의 내부에 고온 영역을 형성해서 그 내부에 주입된 원료 가스를 산화시키고, 산화에 의해 생성된 슈트가 열영동에 의해서 상기 석영관의 내벽에 증착되는 제작 방법이다.
상술한 외부 기상 증착 방법은 1차 모재의 둘레에 원료 가스와 화염을 분사해서 1차 모재의 둘레에 생성된 젯트(jet) 기류에 의해 슈트가 1차 모재의 둘레에 증착되는 제작 방법이다.
상술한 외부 기상 증착 방법에 관한 발명으로는 죠지(George. et. al) 등에 의해서 미국 특허 등록된 US4,486,212호(Devitrification resistant flame hydrolysis process)에 자세하게 개시되고 있다. 죠지 등의 발명은 특히 외부 기상축 증착 방법에 관한 발명으로서, 단일 버너를 사용해서 1차 모재의 외주면에 슈트를 증착시키는 장치와 방법에 관해서 개시하고 있다. 상술한 1차 및 2차 모재를 통 틀어서 예비 성형물(sootpreform)이라고 칭한다.
그러나, 단일 버너는 생성할 수 있는 슈트가 제한 적이며, 모봉의 장축을 따라서 일정한 두께로 증착할 수 없게되는 문제가 발생한다. 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해서, 복수의 버너들을 사용한 외부 기상 증착 방법이 제안되고 있다.
그러나, 복수의 버너들을 사용한 외부 기상 증착 장치는 설비 비용의 지출이 증가하게되며, 장비의 유지 보수 또한 용이하지 않게 되는 문제가 있다. 특히, 각 버너에서 분사되는 화염 사이의 간섭이 발생하게 되며, 각 버너 사이의 간섭은 모봉의 증착율, 밀도, 외경 유지 등 모든 광섬유 모재의 특성을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.
본 발명의 목적은 다수의 버너들을 사용하고도 각 버너에서 분사되는 화염들 사이의 간섭 발생을 억제할 수 있고, 특성이 우수한 광섬유 모재를 제조할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치는,
척들에 의해서 회전 가능하게 지지되는 예비 성형물이 장치된 선반과;
경사면을 갖는 버너 체결 블럭과, 서로 다른 기울기로 화염 및 원료 가스를 상기 예비 성형물의 둘레에 분사하도록 상기 블럭의 경사면에 버너들이 체결된 버너 어셈블리와;
상기 버너 어셈블리를 상기 예비 성형물의 장축을 따라서 왕복 이송시키기 위한 이송 수단을 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외부 기상 증착 방식의 광섬유 모재 제작 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 모재 제작 장치(100)는 척들(111a, 111b)에 의해서 회전 가능하게 지지되는 1차 모재(101)가 장치된 선반(110)과, 원료 가스 및 화염을 상기 1차 모재(101)의 둘레에 분사하기 위한 복수의 버너들(122)을 포함하는 버너 어셈블리(120)와, 상기 버너 어셈블리(120)를 상기 예비 성형물(101)의 장축을 따라서 왕복 이송시키기 위한 이송 수단(160)을 포함한다. 상기 예비 성형물(101)의 둘레에는 광섬유 모재의 제작 중에 슈트가 증착된다. 상기 1차 모재(101)는 미리 굴절률이 제어된 고순도 유리 등이 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 버너 어셈블리(120)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 상기 버너 어셈블리(120)는 상기 1차 모재(101)에 대향 되는 일면이 기설정된 각도로 경사진 면을 갖는 버너 체결 블럭(121)과, 상기 버너 체결 블럭(121)의 경사면 상에 서로 다른 기울기를 갖도록 배치된 복수의 버너들(122)과, 상 기 각 버너(122)에 원료 가스를 제공하기 위한 관(130)과, 상기 관(130)으로 유입되는 원료 가스의 양을 제어하기 위한 유량 제어기(132)와, 연소 기체를 제어하는 유량 제어기(133)를 포함한다.
상기 원료 가스는 전구체(precursor) 물질인 SiCl4, 버너에 제공되며 화염을 생성하기 위한 연료 가스, 산소(O2)를 포함한다. 상기 원료 가스는 상기 각 버너(122)에 제공된다. 상기 버너들(122)은 화염을 생성하며, 상술한 전구체 물질들은 산소와 화염에 의해 슈트(Soot; SiO2)로 산화된다. 생성된 슈트들은 상기 1차 모재(101)의 장축에 점차적으로 증착되어 슈트 예비 성형물(Soot preform; 102)로 성장됨으로써, 최종적으로는 광섬유 모재로 완성된다. 전구체 물질은 SiCl4가 사용될 수 있으며, SiCl4는 산소에 의해 SiO2의 슈트로 산화된다.
상기 각 버너(122)는 상기 블럭(121)의 경사면에 수직한 방향으로 화염과 원료 가스를 분사하도록, 상기 블럭(121)의 경사면 상에 위치된다. 따라서, 상기 버너들(122) 사이의 간격이 좁아진다고 하더라도 화염 간 간섭 발생을 억제할 수 있으며, 산화된 슈트들이 상기 1차 모재(101)의 장축을 따라서 분사되는 거리가 길어짐으로 증착률 또한 높아진다.
상기 이송 수단(160)은 스텝 모터(163)와, 상기 스텝 모터(163)의 커플러(162)에 의해서 상기 슈트 예비 성형물(102)의 장축에 평행하게 연결된 볼 스크류(161)와, 상기 볼 스크류(161)에 제공되는 상기 모터(163)의 회전에 따라서 좌우로 이송되는 볼 스크류용 블럭(164)과, 상기 선반(110) 상에 상기 모터(163)에 대향되게 위치되며 상기 볼 스크류(161)를 지지하기 위한 지지 블럭(167)과, 상기 볼 스크류용 블럭(164)에 연결된 에어 실린더(165)와, 상기 에어 실린더(165)와 상기 버너 어셈블리(120)의 사이에 위치된 스프링(166)을 포함한다.
상기 볼 스크류(161)는 다수의 나사 산들이 형성되며, 상기 스텝 모터(163)에 의해 생성된 회전력을 상기 볼 스크류용 블럭(164)으로 전달한다. 따라서, 상기 볼 스크류용 블럭(164)은 상기 볼 스크류(161)를 따라서 상기 슈트 예비 성형물(102)의 장축과 평행하게 왕복 이송된다.
또한, 상기 볼 스크류용 블럭(164)은 상기 에어 실린더(165) 및 스프링(166)과 연결되며, 상기 스프링(166) 상에 상기 버너 어셈블리(120)가 안착된다. 즉, 상기 버너 어셈블리(120)는 상기 볼 스크류용 블럭(164)에 의해서 상기 슈트 예비 성형물(102)의 장축을 따라서 왕복 이송되며, 상기 에어 실린더(165) 및 스프링(166)에 의해서 상기 슈트 예비 성형물(102)과의 거리가 조절될 수 있다. 그 외에도 상기 버너 어셈 불리(120)는 슈트 예비 성형물(102)과의 거리를 조절하기 위해서 수직 이송시키기 위한 수단으로써 볼 스크류식 이송 방식이나 스텝 모터와 리니어 가이드에 의한 이송 수단도 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 버너 어셈블리(120)는 유리 전구체를 고온, 산화시켜서 SiO2의 슈트를 생성하기 위한 장치이다. 유리 전구체와 연료 기체가 상기 버너 어셈블리(120) 하부의 배관(130)으로 주입되며, 연료 기체는 O2와 반응해서 고온의 화염을 생성할 수 있는 메탄(CH4) 또는 수소 기체 등이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 버너로 유리 전구체의 유량을 제어하기 위해서, SiCl4를 저장하는 용기를 가열하여 증기의 압력을 높인 후 유량 제어기(Mass flow controller; 132)를 이용해서 유리 전구체의 유량을 제어할 수 있다. 상술한 유량 제어기(132)외에도 SiCl4 용기 내부의 압력을 직접 제어하는 압력 제어 방식의 유량 제어기(Pressure Based Flow Controller)나, 증기가 흘러간 만큼 압력이 변하게 되는 차압 제어 방식의 유량기(Differential Pressure Flow Controller)를 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 버너로 유리 전구체를 이송시킬 경우에, 활성화된 SiCl4 증기의 응결(Condensation)을 방지하기 위해서 배관을 고온 상태에서 보온시킬 필요가 있고, 또 증기의 원활한 이송을 위해서 이송보조기체(Carrier gas; 131)를 사용할 수 있다. 이송보조기체(Carrier gas)는 O2, Ar, He 등이 사용될 수 있다. 상술한 이송보조 기체는 이송 보조 기체는 별도의 제어기에 의해서 상기 버너 어셈블리(120)로 공급된다.
도 1에 도시된 광섬유 모재 제작 장치(100)는 슈트를 형성하지 못한 일부 원료 가스를 집진해서 폐기시키기 위한 별도의 집진 수단(130)을 더 포함할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수의 버너들을 포함하는 4구의 버너 어셈블리(120′) 구조를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 상기 버너 어셈블리(120′)는 경사면을 갖는 버너체결 블럭(121′)과, 화염을 분사하는 방향이 기 설정된 각도로 기울어지도록 상기 블럭(121′)의 경사면에 위치된 복수의 버너들(122′)을 포함한다.
광섬유 모재를 제작하기 위한 방법은 도 1에서와 같이 선반(110)에 상기 척들(111a, 111b)에 회전 가능하게 체결된 상기 1차 모재(101)를 회전시키는 과정과, 상기 버너 어셈블리(121)를 상기 1차 모재(101)의 일 단에서 타 단으로 이송시키는 과정과, 상기 버너 어셈블리(121)는 하부와 연결된 배관(130)을 통해서 주입되는 연소 기체로부터 화염을 생성하는 과정을 거친다.
상기 1차 모재(101)는 외경이 20㎜ ~ 40㎜이고, 길이가 1000 ~ 1600㎜의 원자재가 사용될 수 있으나, 가장 바람직하게는 길이가 1200 ~ 1400㎜인 고순도 유리를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상술한 고순도 유리는 두 개 이상의 전구체 및 굴절률 제어용 원료를 사용해서 원하는 굴절률로 제어되며, 굴절률 제어를 위한 원료로는 SiCl4, GeCl4, POCl3,C2F6, Cl2 등이 사용될 수 있다.
상기 버너어셈블리(121)의 하부에 연결된 배관(130)을 통해서 SiCl4 와 이송보조기체를 주입하면, SiCl4는 상기 각 버너(122)의 화염에 의해서 화염 산화반응(Flame Oxidation reaction)에 의해서 SiO2의 슈트로 산화된다. 생성된 슈트들은 상기 1차 모재(101)의 표면에 증착된다.
열적 영동(Thermophoresis)은 고온 상태로 가열된 입자가 자신보다 낮은 온 도를 갖는 물체로 이동하는 현상을 의미하며, 생성된 슈트들은 열적 영동에 의해서 상기 1차 모재(101)의 표면에 증착되어 슈트 예비 성형물(102)로 성장된다.
본 발명은 상기 1차 모재(101)의 장축을 향해서 화염을 분사하는 각도의 기울기가 서로 다른 복수의 버너들(122)을 포함함으로써, 생성된 슈트의 비행 거리가 증가하게 된다. 즉, 슈트의 비행 거리 증가는 증착율의 증가를 의미한다.
즉, 상기 버너들(122)은 상기 경사면에 수직한 방향으로 체결됨으로 상기 버너들(122)의 기울기는 상기 버너체결 블록(121)의 경사면에 의해 결정된다. 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수의 버너들을 포함하는 3구의 버너 어셈블리(120") 구조를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 복수의 버너들(122") 중 적어도 하나는 상기 예비 성형물(101")의 장축에 대해서 수직하게 체결되고, 나머지 다른 버너들(122")은 상기 예비 성형물(101")의 장축에 대해서 수직한 버너를 기준으로 각각 0 ~ 15도 정도의 각도로 기울어지게 정렬될 수 있다. 상술한 바와 같은 상기 버너들의 기울기가 과도하게 작거나 혹은 클 경우에는 슈트(102")의 증착 효율이 저하된다. 따라서, 상기 버너들(122")의 기울기를 나타내는 angle 1과 angle 2는 필요에 따라서 서로 같거나 또는 다르게 설정될 수 있다.
본 발명에 사용되는 버너(122)의 수가 너무 적으면 단위 시간당 증착률이 저하된다. 반대로, 버너(122)의 수가 과도하게 많으면 균일한 외경을 갖도록 증착하는 것이 어려워질 수 있다.
상기 버너 어셈블리(120)가 볼 스크류(160)를 따라서 정해진 구간 내에서 다수에 걸쳐서 왕복 운동을 하는 동안에, 상기 슈트의 증착으로 인해 외경이 증가하 게 되고 그로 인해서 슈트 예비 성형물(102)과 버너들(122)과의 거리가 좁아지게 된다. 상기 슈트 예비 성형물(102)과 버너들(122) 사이의 간격이 좁아지게 되면, 화염들 사이의 간섭이 증가하게 되고 화염들 사이의 간섭은 슈트)의 증착률을 저하시키는 문제로 작용될 수 있다.
본 발명에 따른 버너 어셈블리(120)가 볼스크류(166)에 의해서 일정한 속도로 수직 하강됨으로써 슈트 예비 성형물(102)과 버너(122) 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다. 상기 버너 어셈블리(120)의 수직 하강 속도는 분당 0.01 ~ 0.1㎜로 제어되는 것이 바람직하지만, 분당 0.03 ~ 0.07㎜의 속도로 제어되는 것이 보다 더 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치(100)는 0.5% 미만의 외경 편차를 갖는 광섬유 모재를 제작할 수 있으며, 증착 효율 또한 높아지는 이점을 갖는다. 완성된 광섬유 모재는 1500℃ 이상 고온의 전기로에서 투명하게 소결된 이후에, 인출 타워 등에서 광섬유 모재로 인출된다.
본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치는 서로 다른 각도로 원료 가스와 화염을 분사할 수 있는 복수의 버너들을 포함함으로써 단위 시간당 증착될 수 있는 산화 슈트들이 증가하게 되고, 그로 인해서 원료 가스의 산화 반응 및 단위 시간에 따른 증착률이 향상되는 이점이 있다. 결과적으로, 산화 반응을 일으키지 못하고 손실되는 원료 가스의 량을 최소화시킬 수 있다. 또한, 다수의 버너들을 하나의 어 셈블리 형태로 집적시킴으로써, 공간을 최소화시킬 수 있는 이점을 갖는다.
더욱이, 본 발명에 따른 버너들은 화염을 예비 성형물의 장축에 서로 다른 각도로 분사시킴으로써 화염 상호 간에 간섭의 발생을 억제하고, 균일한 두께의 광섬유 모재를 제공할 수 있게된다. 따라서, 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치는 높은 증착률, 높은 생산성, 원료 사용의 효율화, 버너의 수명 연장 등을 이룰 수 있는 이점이 있다.

Claims (15)

  1. 광섬유 모재 제작 장치에 있어서,
    척들에 의해서 회전 가능하게 지지되는 예비 성형물이 장치된 선반과;
    경사면을 갖는 버너 체결 블럭과, 서로 다른 기울기로 화염 및 원료 가스를 상기 예비 성형물의 둘레에 분사하도록 상기 블럭의 경사면에 버너들이 체결된 버너 어셈블리와;
    상기 버너 어셈블리를 상기 예비 성형물의 장축을 따라서 왕복 이송시키기 위한 이송 수단을 포함함을 특징으로 하는 기상 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 이송 수단은,
    스텝 모터와;
    상기 스텝 모터에 커플러에 의해서 상기 예비 성형물의 장축에 평행하게 연결된 볼 스크류와;
    상기 볼 스크류에 제공되는 상기 모터의 회전에 따라서 좌우로 이송되는 볼 스크류용 블럭과;
    상기 선반 상에 상기 스텝 모터에 대향되게 위치되며 상기 볼 스크류를 지지하기 위한 지지 블럭을 포함함을 특징으로 하는 기상 증착 방법에 의한 광섬유 모 재 제작 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 블럭은 상기 각 버너에 원료 가스를 제공하기 위한 다수의 관들이 관통하며, 상기 각 관에 해당 버너가 연결됨을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 원료 가스는 SiCl4, 화염을 생성하기 위한 연료 가스, 산소를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 광섬유 모재 제작 장치는,
    상기 예비 성형물 상에 위치되며 일부 원료 가스를 포집하기 위한 배기 장치를 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 블럭은,
    상기 각 관으로 공급되는 원료 가스의 양을 제어하기 위한 유량 제어기를 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 버너들은 상기 블럭의 경사면 상에 상기 예비 성형물 장축의 수직한 방향에 대해서 서로 다른 기울기로 화염을 분사하도록 안착됨을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 버너 어셈블리는 둘 이상의 버너들을 포함해서 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 버너들 중 최소한 둘 이상의 버너가 상기 예비 성형물의 장축에 수직한 방향에 대해서 0에서 15도의 각도를 갖도록 기울어져 있음을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    복수의 버너 중 최소 한 개의 버너는 예비 성형물의 장축에 대해서 수직함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 예비 성형물의 장축에 대한 상기 버너들 간의 기울기는 상호 같거나, 다르게 설정됨을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  12. 광섬유 모재 제작 장치에 있어서,
    척들에 의해서 회전 가능하게 지지되는 예비 성형물이 장치된 선반과;
    경사면을 갖는 버너 체결 블럭과, 서로 다른 기울기로 화염 및 원료 가스를 상기 예비 성형물의 둘레에 분사하도록 상기 블럭의 경사면에 버너들이 체결된 버너 어셈블리와;
    상기 버너 어셈블리를 상기 예비 성형물로부터 수직 및 장축 방향으로 왕복시키기 위한 이송 수단을 포함함을 특징으로 하는 기상 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 이송 수단은,
    볼 스크류용 블럭에 연결된 에어 실린더와;
    상기 에어 실린더와 상기 버너 어셈블리의 사이에 위치된 스프링을 더 포함함을 특징으로 하는 기상 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 버너 어셈블리의 상하 운동 속도는 분당 0.01 ~ 0.1㎜임을 특징으로 하는 기상 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 이송 수단은 볼 스쿠루의 회전에 의한 이송 장치 또는 스텝 모터에 의한 리니어 가이드 이송 장치를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
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