KR100640438B1 - 다공질 모재의 가열 장치 및 방법 - Google Patents

다공질 모재의 가열 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다공질 모재의 가열 방법은, (a) 머플 튜브 내에 상기 다공질 모재를 실장하는 과정과; (b) 히터를 이용하여 상기 머플 튜브의 이동 경로에 고온 영역을 형성하는 과정과; (c) 상기 고온 영역을 통과하도록 상기 이동 경로를 따라 상기 머플 튜브를 이동시키는 과정을 포함한다.
다공질 모재, 소결, 머플 튜브, 이동 장치

Description

다공질 모재의 가열 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HEATING POROUS PREFORM}
도 1은 전형적인 다공질 모재의 소결 장치를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공질 모재의 가열 장치를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 고정 부재를 나타낸 도면,
도 4는 도 2에 도시된 머플 튜브를 하향 이동시킨 상태를 나타내는 도면.
본 발명은 광섬유 모재(optical fiber preform)의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 다공질 모재(porous preform)를 가열하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 기상축 증착(vapor axial deposition: VAD) 공정 또는 외부 기상축 증착(outside vapor deposition: OVD) 공정에 의해 제조된 다공질 모재에 탈수(dehydrating), 소결(sintering) 등의 과정을 수행하여 광섬유 모재를 얻기 위해서 는, 상기 다공질 모재를 염소(chlorine), 산소(oxygen), 헬륨(helium) 등의 분위기 가스(atmospheric gas)하에서 열처리(heat treatment)하는 공정을 거친다. 이러한 열처리 공정을 위한 장치는 다수 공지된 바 있으며, 그 예를 들자면 아래와 같다.
코무라(Kohmura)에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제6,748,766호{Porous preform vitrification apparatus}는 퍼니스 코어 튜브(furnace core tube) 내에 다공질 모재를 배치시키고, 상기 퍼니스 코어 튜브 내를 분위기 가스로 채우며, 상기 퍼니스 코어 튜브의 둘레에 배치된 가열 퍼니스(heating furnace)를 이용하여 상기 다공질 모재를 소결하는 장치를 개시하고 있다.
도 1은 전형적인 다공질 모재의 소결 장치를 나타내는 도면이다. 상기 소결 장치(100)는 이동 장치(transfer device, 130)와, 머플 튜브(muffle tube, 140)와, 퍼니스(150)를 포함한다.
다공질 모재(120)는 봉 형상의 초기 로드(seed rod)의 제1 단부에 증착되어 있다.
상기 이동 장치(130)는 기저부(base, 132)와, 상기 기저부(132)로부터 상향 연장된 세로 지지 부재(vertical support member, 134)와, 상기 세로 지지 부재(134)로부터 가로 연장된 가로 지지 부재(horizontal support member, 136)와, 상기 가로 지지 부재(136)의 단부에 설치된 척(chuck, 138)을 포함하며, 상기 초기 로드(110)의 제2 단부는 상기 척(138)에 고정된다. 상기 이동 장치(130)는 상기 가로 지지 부재(136)를 상기 세로 지지 부재(134)를 따라 세로 이동시킴으로써, 상기 다공질 모재(120)를 세로 이동시킨다.
상기 머플 튜브(140)는 원통형 챔버(chamber)의 형상을 가지며, 그 상부에 상기 초기 로드(110)가 통과되는 홀(hole, 142)을 가지며, 그 측부의 상측에 배기구(144)를 갖고, 그 측부의 하측에 유입구(146)를 갖는다. 상기 유입구(146)를 통해 분위기 가스가 상기 머플 튜브(140)의 내부로 주입되며, 상기 배기구(144)를 통해 상기 분위기 가스가 배기된다. 상기 다공질 모재(120)는 상기 머플 튜브(140)의 내부에 실장되며, 상기 다공질 모재(120)가 증착된 초기 로드(110)는 상기 머플 튜브(140)의 홀(142)을 통과한다.
상기 퍼니스(150)는 중공 실린더의 형상을 가지며, 그 몸체에 링 형상으로 배치된 히터(160)를 갖는다. 상기 히터(160)가 상기 머플 튜브(140)의 둘레에 배치되도록 상기 머플 튜브(140)는 상기 퍼니스(150)에 삽입되어 있다.
상기 소결 장치(100)를 이용하여 상기 다공질 모재(120)를 소결하는 방법을 살펴보면 아래와 같다.
첫 째, 상기 머플 튜브(140) 내에 상기 다공질 모재(120)를 실장한다.
둘 째, 상기 주입구(146)를 통해 상기 머플 튜브(140)의 내부에 분위기 가스를 주입한다.
셋 째, 상기 히터(160)를 이용하여 상기 머플 튜브(140)의 내부에 1500℃ 이상의 고온 영역을 형성한다.
넷 째, 상기 이동 장치(130)를 이용하여 상기 고온 영역을 통과하도록 상기 다공질 모재(120)를 세로 이동시킨다.
상술한 바와 같이, 전형적인 다공질 모재의 소결 방법은 다공질 모재를 머플 튜브의 내부 고온 영역에 통과시키면서 소결하는 영역 소결(zone sintering) 방식을 취하고 있다. 이로 인해, 상기 다공질 모재의 길이의 2배가 넘는 길이의 머플 튜브를 필요로 하며, 상기 머플 튜브의 길이가 크기 때문에 사용되는 분위기 가스도 불필요하게 많이 사용된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 머플 튜브의 크기와 사용되는 분위기 가스의 양을 종래에 비하여 감소시킬 수 있는 다공질 모재의 가열 방법을 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 다공질 모재의 가열 방법은, (a) 머플 튜브 내에 상기 다공질 모재를 실장하는 과정과; (b) 히터를 이용하여 상기 머플 튜브의 이동 경로에 고온 영역을 형성하는 과정과; (c) 상기 고온 영역을 통과하도록 상기 이동 경로를 따라 상기 머플 튜브를 이동시키는 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 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공질 모재의 가열 장치를 나타 내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 고정 부재를 나타낸 도면이다. 상기 가열 장치(200)는 이동 장치(250)와, 머플 튜브(240)와, 고정 부재(fixing member, 230)와, 제1 및 제2 퍼니스들(260,270)을 포함한다.
다공질 모재(220)는 원형 봉 형상의 초기 로드(210)의 제1 단부에 증착되어 있으며, 상기 초기 로드(210)의 단부에는 지름 방향으로 관통하는 홀(238)이 형성되어 있다. 상기 다공질 모재(220)를 기상축 증착 공정에 따라 형성하는 방법을 예로 들자면 아래와 같다.
제1 버너(burner)를 이용하여 초기 로드의 중심 방향으로 화염을 분사함으로써, 순수 실리카 재질의 코어층(core layer)을 하향 성장시킨다. 상기 제1 버너에는 연료와 원료물질이 공급되며, 화염 분사에 의해 상기 초기 로드의 끝단 상에 코어층이 증착된다. 상기 원료물질은 SiCl4, GeCl4, POCl3 등의 화합물들일 수 있다. 제2 버너를 이용하여 상기 코어층의 외주면을 향하여 화염을 분사함으로써, 굴절률 제어 물질이 도핑된 실리카 재질의 클래드층(clad layer)을 증착한다. 상기 제2 버너에는 연료와 원료물질이 공급되며, 화염 분사에 의해 상기 코어층의 외주면 상에 클래드층이 증착된다.
상기 머플 튜브(240)는 원통형 챔버의 형상을 가지며, 그 상부에 상기 고정 부재(230)를 고정하기 위한 홀(242)과 상기 홀(242)과 이격된 배기구(244)를 갖고, 하부에 유입구(246)를 갖는다. 상기 배기구(244)는 배기관(미도시)과 연결되며, 상기 유입구(246)는 유입관(미도시)과 연결된다. 상기 유입구(246)를 통해 분위기 가 스가 상기 머플 튜브(240)의 내부로 주입되며, 상기 배기구(244)를 통해 상기 분위기 가스가 배기된다. 상기 다공질 모재(220)는 상기 머플 튜브(240)의 내부에 실장되며, 상기 다공질 모재(220)가 증착된 초기 로드(210)는 상기 머플 튜브(240)의 상측에 고정된다.
상기 고정 부재(230)는 원형 봉 형상의 몸체(main body, 232)와, 상기 몸체(232)의 외주면으로부터 지름 방향으로 연장되며 서로 이격된 원형 링 형상의 제1 및 제2 플랜지들(flange, 234,235)과, 상기 몸체(232)로부터 길이 방향으로 연장된 전체적으로 원형 봉 형상을 갖는 커넥터(connector, 236)를 포함한다. 상기 몸체(232)와, 제1 및 제2 플랜지들(234,235)과, 상기 커넥터(236)는 일체로 형성된다.
상기 커넥터(236)는 그 끝단으로부터 소정 깊이로 형성된 원형 홈(237)을 가지며, 상기 홈(235)을 이루는 내벽에는 서로 대향된 제1 및 제2 홀들(238,239)이 형성되어 있다. 상기 초기 로드(210)는 상기 고정 부재(230)의 홈(237)에 삽입되며, 상기 커넥터(236)의 제1 및 제2 홀들(238,239)과 상기 초기 로드(210)의 홀(212)을 관통하도록 핀(280)을 삽입함으로써 상기 초기 로드(210)를 상기 고정 부재(230)에 고정한다. 상기 제1 및 제2 플랜지들(234,235) 사이의 몸체 부분은 상기 머플 튜브(240)의 홀(242)을 관통하고 있어서, 상기 고정 부재(230)는 상기 머플 튜브(240)에 고정된다.
상기 이동 장치(250)는 기저부(252)와, 상기 기저부(252)로부터 상향 연장된 세로 지지 부재(254)와, 상기 세로 지지 부재(254)로부터 가로 연장된 가로 지지 부재(256)와, 상기 가로 지지 부재(256)의 단부에 설치된 척(258)을 포함하며, 상 기 고정 부재(230)의 단부는 상기 척(258)에 고정된다. 상기 이동 장치(250)는 상기 가로 지지 부재(256)를 세로 이동시킴으로써, 상기 머플 튜브(240)를 세로 이동시킨다. 이러한 이동 장치(250)는 다수 공지된 바 있으며, 그 예를 들자면 아래와 같다.
오(Oh) 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제6,053,013호{Apparatus and method for overcladding optical fiber preform rod and optical fiber drawing method}는 기저부와, 상기 기저부로부터 상향 연장된 세로 지지 부재와, 상기 지지 부재로부터 가로 연장된 가로 지지 부재와, 상기 가로 지지 부재의 단부에 설치된 척를 포함하는 이동 장치를 개시하고 있다. 상기 가로 지지 부재는 상기 세로 지지 부재를 따라 세로로 이동 가능하다.
상기 제1 퍼니스(260)는 중공 실린더의 형상을 가지며, 그 몸체에 링 형상으로 배치된 제1 히터(265)를 갖는다. 상기 제1 퍼니스(260)는 상기 머플 튜브(240)의 이동 경로로 열을 발산하도록 상기 이동 경로의 둘레에 배치된다. 상기 제1 퍼니스(260)는 탈수용으로 사용되며, 그 내부에 1100℃ 정도의 제1 고온 영역을 형성한다.
상기 제2 퍼니스(270)는 중공 실린더의 형상을 가지며, 그 몸체에 링 형상으로 배치된 제2 히터(275)를 갖는다. 상기 제2 퍼니스(270)는 상기 머플 튜브(240)의 이동 경로로 열을 발산하도록 상기 이동 경로의 둘레에 배치된다. 상기 제2 퍼니스(270)는 소결용으로 사용되며, 그 내부에 1500℃ 이상의 제2 고온 영역을 형성한다.
도 4는 도 2에 도시된 머플 튜브(240)를 하향 이동시킨 상태를 나타내는 도면이다.
이하 도 2 내지 도 4를 참고하여, 상기 다공질 모재(220)를 가열하는 방법을 살펴보면 아래와 같다.
(a) 초기에 상기 머플 튜브(240)가 상기 제1 퍼니스(260)의 위에 위치한 상태에서, 상기 머플 튜브(240) 내에 상기 다공질 모재(220)를 실장한다.
(b) 상기 주입구(246)를 통해 상기 머플 튜브(240)의 내부에 분위기 가스를 주입한다.
(c) 상기 제1 히터(265)를 이용하여 상기 머플 튜브(240)의 이동 경로 상에 배치된 제1 퍼니스(260)의 내부에 1100℃ 정도의 제1 고온 영역을 형성한다.
(d) 상기 이동 장치(250)를 이용하여 상기 머플 튜브(240)를 상기 제1 퍼니스(260)의 내부로 하향 이동시켜서, 상기 머플 튜브(240)가 상기 제1 고온 영역에 위치하도록 한다.
(e) 상기 제2 히터(275)를 이용하여 상기 머플 튜브(240)의 이동 경로 상에 배치된 제2 퍼니스(270)의 내부에 1500℃ 이상의 제2 고온 영역을 형성한다.
(f) 탈수 공정이 완료되면, 상기 이동 장치(250)를 이용하여 상기 머플 튜브(240)를 3~10 ㎜/min의 저속으로 하향 이동시켜서, 상기 머플 튜브(240)가 상기 제2 고온 영역을 통과하도록 한다.
(g) 소결 공정이 완료되면, 상기 머플 튜브(240)로부터 상기 다공질 모재(220)를 탈장한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다공질 모재의 가열 방법은 머플 튜브를 이송하는 방식을 취함으로써, 머플 튜브의 크기와 사용되는 분위기 가스의 양을 종래에 비하여 크게 감소시킬 수 있다는 이점이 있다.

Claims (12)

  1. 다공질 모재의 가열 방법에 있어서,
    (a) 원통형 챔버의 형상을 가지며, 그 상부에 배기관과 연결된 배기구를 갖고, 그 하부에 유입관과 연결된 유입구를 갖는 머플 튜브를 제공하는 과정과;
    (b) 상기 머플 튜브 내에 상기 다공질 모재를 실장하는 과정과;
    (c) 히터를 이용하여 상기 머플 튜브의 이동 경로에 고온 영역을 형성하는 과정과;
    (d) 상기 고온 영역을 통과하도록 상기 이동 경로를 따라 상기 머플 튜브를 이동시키는 과정을 포함하고,
    상기 (c) 과정 동안에 상기 유입구를 통해 상기 머플 튜브의 내부에 분위기 가스를 제공하고, 상기 배기구를 통해 상기 분위기 가스를 상기 머플 튜브의 외부로 배출함을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온 영역은 1500℃ 이상의 온도를 가짐을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고온 영역에서 상기 머플 튜브는 3~10 ㎜/min의 속도로 이동됨을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  5. 다공질 모재의 가열 방법에 있어서,
    (a) 원통형 챔버의 형상을 가지며, 그 상부에 배기관과 연결된 배기구를 갖고, 그 하부에 유입관과 연결된 유입구를 갖는 머플 튜브를 제공하는 과정과;
    (b) 상기 머플 튜브 내에 상기 다공질 모재를 실장하는 과정과;
    (c) 제1 히터를 이용하여 상기 머플 튜브의 이동 경로에 제1 고온 영역을 형성하는 과정과;
    (d) 상기 제1 고온 영역에 상기 머플 튜브를 위치시켜서 상기 머플 튜브를 고정한 상태로 상기 다공질 모재를 탈수하는 과정과;
    (e) 제2 히터를 이용하여 상기 이동 경로에 제2 고온 영역을 형성하는 과정과;
    (f) 상기 제2 고온 영역을 통과하도록 상기 이동 경로를 따라 상기 머플 튜브를 이동시켜서 상기 다공질 모재를 소결하는 과정을 포함하고,
    상기 (c) 및 (e) 과정들 동안에 상기 유입구를 통해 상기 머플 튜브의 내부에 분위기 가스를 제공하고, 상기 배기구를 통해 상기 분위기 가스를 상기 머플 튜브의 외부로 배출함을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 고온 영역은 1100℃ 이상의 온도를 가짐을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 고온 영역은 1500℃ 이상의 온도를 가짐을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 고온 영역에서 상기 머플 튜브는 3~10 ㎜/min의 속도로 이동됨을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 방법.
  10. 다공질 모재의 가열 장치에 있어서,
    원통형 챔버의 형상을 가지며, 그 상부에 배기관과 연결된 배기구를 갖고, 그 하부에 유입관과 연결된 유입구를 가지며, 다공질 모재를 그 내부에 실장하는 머플 튜브와;
    상기 머플 튜브의 이동 경로에 고온 영역을 형성하는 적어도 하나의 히터와;
    상기 고온 영역을 통과하도록 상기 이동 경로를 따라 상기 머플 튜브를 이동시키는 이동 장치를 포함하고,
    상기 유입구를 통해 상기 머플 튜브의 내부에 분위기 가스를 제공하고, 상기 배기구를 통해 상기 분위기 가스를 상기 머플 튜브의 외부로 배출함을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 이동 장치는,
    기저부와;
    상기 기저부로부터 상향 연장된 세로 지지 부재와;
    상기 세로 지지 부재로부터 가로 연장된 가로 지지 부재와;
    상기 가로 지지 부재의 단부에 설치된 척을 포함하며,
    상기 머플 튜브는 고정 부재에 의해 상기 척에 고정되고,
    상기 이동 장치는 상기 가로 지지 부재를 세로 이동시킴으로써, 상기 머플 튜브를 상기 이동 경로를 따라 세로 이동시킴을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고정 부재는,
    원형 봉 형상의 몸체와;
    상기 몸체의 외주면으로부터 지름 방향으로 연장되며 서로 이격된 원형 링 형상의 제1 및 제2 플랜지들과;
    상기 몸체로부터 길이 방향으로 연장된 전체적으로 원형 봉 형상을 갖는 커넥터를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 플랜지들 사이의 몸체 부분은 상기 머플 튜브의 상단을 관통하며,
    상기 다공질 모재는 상기 커넥터에 삽입 및 고정됨을 특징으로 하는 다공질 모재의 가열 장치.
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