KR100655531B1 - 발열체 산화 방지를 위한 광섬유 모재 제조용 로 - Google Patents

발열체 산화 방지를 위한 광섬유 모재 제조용 로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화방지를 위한 광섬유 모재 제조용 로에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 광섬유 모재튜브가 관통하는 입구 및 출구가 형성된 케이스; 및 상기 케이스 내에서 상기 모재 튜브를 감싸도록 설치되고 그 표면에는 상기 케이스 내부에 한정되는 광섬유 모재 튜브 주변에 양압분위기를 형성할 수 있도록 불활성가스가 유입될 수 있는 다수의 유입공이 형성된 발열체;를 포함하는 광섬유 모재 제조용 로가 제공된다. 이로써, 로 내부의 비산화분위기를 효과적으로 조성하여 MCVD 공법에서 발열체가 산화되는 것을 방지하고 이로써 발열체의 수명을 연장시킨다. 따라서 광섬유 모재 제조시 소모성 제품으로 사용되는 발열체의 교환주기가 증가한다. 즉 발열체에 소비되는 재료비가 절감되어 광섬유 모재 생산 단가를 낮출 수 있다.
광섬유, 유도가열로, 전기저항로, 발열체

Description

발열체 산화 방지를 위한 광섬유 모재 제조용 로{Furnace for manufacturing optical fibers preform, preventing oxidation of heating element}
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 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유 모재 제조용 로를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 광섬유 모재 제조용 로를 도시하는 단면도.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다양한 유입공을 도시한 단면도.
도 3b는 본 발명에 따른 발열체의 일 실시예를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 모재 제조용 로를 도시하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...케이스 120, 220...발열체
121...발열부 122...유입공
130...단열부재 140...유통통로
150...외측공간부 160...내측공간부
170...분사통로 180...머플튜브
190...커버링부재
본 발명은 광섬유 모재(preform) 제조용 로(furnace)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수정화학 기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition: MVCD) 공정으로 광섬유 모재를 제조하는 경우 그 열원으로 사용되는 로에 관한 것이다.
종래의 기상 증착 방식으로 광섬유 모재를 제조하는 대표적인 공정기술로는 수정화학 기상증착(MCVD, 이하 MCVD라고 한다), 기상축증착(Vapor-phase Axial Deposition: VAD), 외부기상증착(Outside Vapor Deposition: OVD) 공법 등을 들 수 있다.
그 중 MCVD 공법은 내부증착방식으로 클래드 및 코어를 순차적으로 형성하는 제조방법으로서, 회전하는 석영튜브 내부에 SiCl4, GeCl4, POCl3 등 할라이드(halide)계열의 반응가스를 주입하면서, 산소/수소 토치 등을 이용하여 석영튜브를 1600℃ 이상의 온도로 가열해 준다. 그러면 아래의 반응식에 의해 석영튜브내에서는 미세한 수트입자가 생성되어 증착된다.
SiCl4(g) + O2(g) → SiO2(s) + 2Cl2 (g)
GeCl4(g) + O2(g) → GeO2(s) + 2Cl2 (g)
상기 반응식1에서 생성된 수트입자들은 열영동현상(thermophoresis)에 의해 상대적으로 온도가 낮은 토치의 전방으로 이동하여 석영튜브내벽에 증착된다. 그리고 증착된 수트는 바로 이어서 접근하는 토치의 화염에 의해 유리화되어 소결된다.
그러나 상기 토치를 이용한 MCVD공정은 회전하는 석영튜브를 균일한 온도로 가열하는데 한계가 있으며 산소/수소 토치가 반응부산물로 물과 같은 수소불순물을 생성하여 광섬유의 OH 흡수 손실을 야기하는 문제가 있었다. 따라서 석영튜브를 토치 대신에 밀폐된 로(furnace) 내에서 가열함으로서 증착공정을 수행하는 방법이 제안되고 있다. 상기와 같은 방법은 로의 입구와 출구를 통해 모재 튜브가 관통하도록 하고 회전하는 튜브에 대해서 그 튜브의 장방향으로 예컨데 150mm/min 정도의 속도로 로를 이동시키면서 증착공정을 수행하게 된다. 로를 열원으로 할 경우에는 기상화학 반응효율이 상대적으로 높아 입자의 생성특성이 토치에 비해 향상되는 장점이 있다.
한편 상기 로의 발열체는 주로 탄소를 사용하는데 탄소는 고온에서 외부로부터 유입되는 공기에 의해 그 산화가 급속도로 진행되는 것이 보통이며, 따라서 로의 내부를 외부공기와 차단하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 광섬유 모재의 제조와 같이 대상물이 로 내부로 연속적으로 투입되는 동시에 배출되는 경우에는 로의 입출구에서 필연적으로 발생하게 되는 외부 공기의 유입을 효율적으로 차단하여 로 내부의 분위기를 비산화(non-oxidizing)분위기로 유지시켜야 한다. 이를 위해서 미국특허 제 5,970,083호에는 입구와 출구 측에 구비된 환형의 분사쳄버를 통해 로 내부로 불활성가스를 분사하는 동시에 분사 슬릿을 통해 광섬유 모재의 표면으로 분사된 불활성가스가 원추형의 가스커튼을 형성함으로써 외부로부터 공기가 유입되는 것을 차단하는 기술이 개시되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유 제조용 로를 도시하는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 로 내부에는 원통형의 발열체(1)가 모재 튜브(2)를 감싸도록 설치되어 유도가열 또는 전기저항 방식에 의해 가열된다. 상기 발열체(1)의 산화를 막고 로 내부를 비산화분위기로 유지하기 위해 예를 들어, 상기 발열체 양단에 구비된 분사통로(3)를 통해 외부로부터 불활성가스가 상기 로 내부로 분사되며, 분사된 불활성가스는 화살표로 도시된 바와 같이 로 내부를 순환한 후 로의 입구(5)와 출구(5')를 통해 외부로 배출된다.
그러나 상기와 같은 공정은 불활성 가스가 외부 공기의 유입을 충분히 막아주지 못하기 때문에 발열체의 산화가 지속적으로 진행된다는 문제점이 있다. 즉 발열체의 양쪽부분이 외부로 개방되어 있는 형상이기 때문에 외부 공기의 유입을 효과적으로 차단할 수 없다.
한편, 발열체의 산화방지를 위한 방법으로 일본특허 제819098호 에는 발열체에 SiC 코팅층으로 이루어진 산화방지막을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 방법은 SiC 코팅층 자체가 2000℃ 이상의 고온에서 크랙이 발생할 가능성이 있고, 단가가 고가이기에 경제적이지 못하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 로 내부의 비산화분위기를 효과적으로 조성하여 MCVD공법에서 발열체가 산화되는 것을 방지하고 이로써 발열체의 수명을 연장하는 광섬유 모재 제조용 로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조용 로는, 광섬유 모재튜브가 관통하는 입구 및 출구가 형성된 케이스; 및 상기 케이스 내에서 상기 모재 튜브를 감싸도록 설치되고 그 표면에는 상기 케이스 내부에 한정되는 광섬유 모재 튜브 주변에 양압분위기를 형성할 수 있도록 불활성가스가 유입될 수 있는 다수의 유입공이 형성된 발열체;를 포함한다.
상기 유입공은 상기 발열체 표면에 수직한 원통형, 일방향으로 경사진 원통형, 하부 직경이 상부 직경보다 큰 형상, 일방향으로 만곡된 형상 또는 이들의 조합으로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 발열체의 중앙에는 두께가 상대적으로 얇은 발열부가 구비되고, 상기 유입공은 상기 발열부 표면에 길이방향을 따라 균일하게 분포된 것으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광섬유 모재튜브가 관통하는 입구 및 출구가 형성된 케이스; 상기 케이스 내에서 상기 모재튜브를 감싸도록 설치되고, 상기 케이스 내부에 한정되는 광섬유 모재 튜브의 주변에 양압분위기를 형성할 수 있도록 불활성가스가 유입될 수 있는 다공성재질의 발열체;를 포함하는 광섬유 모재 제조용 로가 제공된다.
바람직하게, 상기 케이스에는 외부로부터 상기 모재 튜브와 발열체 사이의 내측공간부로 불활성 가스가 주입되도록 하는 분사통로가 형성되어 있는 것으로 한다.
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 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 광섬유 모재 제조용 로를 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 모재 제조용 로는 로의 본체 외관을 이루는 케이스(110) 및 상기 케이스(110) 내부에 설치되며 광섬유 모재 튜브(20)가 관통하는 중공이 형성된 원통형의 발열체(120)(heating element)를 포함한다.
상기 케이스(110)에는 모재 튜브(20)가 로 내부로 삽입되도록 입구(100)와 출구(100')가 형성되어 있다.
상기 발열체(120)는 바람직하게 그 중심부 근처로 갈수록 두께가 얇아지는 발열부(121)(hot zone)가 마련된다. 상기 발열부(121)는 로의 형태가 전기저항로 형식인 경우에는 외부로부터 전류인가로 인한 저항에 의한 발열이, 또는 유도가열로 형식인 경우에는 외부로부터 유도 가열되어 발생하는 발열이 집중적으로 이루어지는 영역이다. 이에 따라 외부공기와 접촉된다면 그 고열로 인해 집중적인 산화가 진행되는 영역이기도 하다.
상기 발열체(120)는 외부로 열이 전달되는 것을 방지하기 위해 케이스(110)와 발열체(120) 사이에 개재되는 단열부재(130)로 감싸여 진다. 바람직하게, 상기 단열부재(130)는 고순도 탄소 펠트(graphite felt)로 구성될 수 있다.
상기 로는 로 내부를 비산화 분위기로 유지하고 외부로부터 공기의 유입을 차단하기 위하여 불활성가스를 공급하는 유통통로(140)가 마련될 수 있다. 즉 상기 유통통로(140)는 상기 발열체(120)와 단열부재(130) 사이에 형성되는 공간 즉 발열부(121) 외측공간부(150)에 불활성가스를 주입시키기 위한 것이다. 바람직하게, 상기 유통통로(140)는 케이스(110)의 상부 및 단열부재(130)를 관통하여 형성될 수 있다. 그러나 유통통로(140)의 형상이나 그 위치는 이에 한정되지 않고 불활성가스를 상기 외측공간부(150)에 공급할 수 있는 통로 또는 다른 공급 수단의 다양한 변형예가 채용가능한 것으로 이해되어야 한다.
한편, 상기 발열체(120)에는 다수의 유입공(122)이 발열체(120)의 길이방향 에 따라 형성되어 있다. 상기 유입공(122)은 상기 유통통로(140)를 통하여 공급되어 상기 외측공간부(150)에 존재하는 불활성가스를 상기 발열체(120)와 모재 튜브(20) 사이의 공간 즉, 발열부(121)의 내측공간부(160)에 주입시키는 통로이다. 이로써 불활성가스가 상기 발열체(120)의 내측공간부(160)에 분포하여 비산화분위기를 조성하고 발열체(120)의 산화현상을 더욱 완화하는 역할을 한다.
상기 유입공(122)은 다양한 형태로 구성될 수 있다. 도 3a는 유입공의 다양한 형태를 도시한 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 유입공은 상기 발열체(120) 표면에 수직한 원통형홀(123), 일방향으로 경사진 원통형홀(124), 하부 직경이 상부 직경보다 큰 형상의 홀(125), 하부 반경이 상부 반경보다 큰 형상의 홀(126), 일방향으로 만곡된 형상의 홀(127) 중 선택된 형상의 홀일 수 있다. 또한 선택된 이들의 조합으로 구성될 수도 있다.
도 3b는 다수의 유입공을 구성하는 홀의 조합의 일 예를 도시하는 단면도이다. 도 3b를 참조하면 중간부에는 하부 직경이 상부 직경보다 큰 형상의 홀(125a)이 형성되고 상기 중간부 홀을 중심으로 양측으로는 일방향으로 만곡된 형상의 홀(127a, 127b)이 발열체의 길이방향에 따라 반복적으로 형성되어 있다. 이러한 구성은 화살표로 표시된 바와 같이 외측공간부(150)로부터 주입된 불활성가스가 로의 양측으로 배출되기에 용이하게 한다. 그러나 본 실시예는 일 예에 불과하고 다양한 구성이 채택될 수 있다.
상기 유입공(122)은 발열부(121) 영역에 발열체(120)의 길이방향을 따라 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 이로써, 불활성가스가 발열부(121) 주변에 균일 하게 체류하게 된다.
바람직하게, 상기 케이스(110)에는 외부로부터 상기 모재 튜브(20)의 내부공간부(160)로 불활성 가스가 주입되도록 하는 분사통로(170)가 형성되어 있다. 즉 외부의 불활성가스 공급부(미도시)로부터 불활성가스를 공급받아 로 내부를 비산화분위기로 유지시킨다.
더욱 바람직하게, 상기 케이스(110)의 입구(100)와 출구(100') 측에는 모재 튜브(20)가 관통하는 머플 튜브(180)가 구비될 수 있다. 상기 머플 튜브(180)에는 발열체(120) 중공 내부로 삽입되어 연장된 연장부(180a)가 형성된다. 상기 연장부(180a)는 상기 발열부(121)까지 연장되어 로 내부에서 불활성가스의 흐름을 발열부(121)까지 유도하여 로 내부에서 산화반응이 억제되도록 한다.
또한, 상기 케이스(110)의 입구(100)와 출구(100')에는 상기 모재 튜브(20)가 관통하도록 중공이 형성된 원통형의 커버링부재(190)가 마련될 수 있다. 상기 커버링부재(190)는 상기 모재 튜브(20)를 따라 충분히 연장되어 로 내부로부터 나오는 불활성가스가 대기에 비해 충분한 양압을 가지고 밖으로 배출될 수 있도록 유도한다.
상기와 같이 유입공(122)이 형성된 발열체(120), 케이스에 마련된 분사통로(170), 머플 튜브(180), 및 커버링부재(190)로 구성된 로의 구조는, 불활성가스가 외부로부터 공기가 입구 및 출구를 통해 유입되는 것을 방지할 정도의 충분한 양압을 가지고 체류한 후 배출되게 하여 더욱 효과적으로 발열체 산화를 방지할 수 있다.
이하 상기와 같은 구성을 갖는 광섬유 모재 제조용 로의 작동에 대해 설명한다.
소정 길이를 가진 모재 튜브(20)는 양단이 지지장치(미도시)에 회전가능하게 지지되어 서서히 회전하게 된다. 그와 동시에 상기 모재 튜브(20) 내부에는 유입구(10)로부터 반응가스인 SiCl4, GeCl4, POCl3 등을 불어 넣어준다.
본 발명에 따른 광섬유 모재 제조용 로는 그 내부에 모재 튜브(20)가 관통하도록 설치된 채로 모재 튜브(20)의 길이방향에 따라 미리 설정된 속도로 왕복운동을 한다. 로가 전기저항로인 경우 외부 전원으로부터 전류가 인가되거나 로가 유도가열로인 경우 유도가열이 이루어지면 로의 발열체(120)는 상대적으로 두께가 얇은 발열부(121)에 집중 가열이 이루어져 예컨데, 1600℃ 이상의 고온으로 발열된다. 이러한 상태에서 모재 튜브(20) 내부에서 반응가스들이 반응하여 수트(soot)(30)가 생성되고 생성된 수트(30)는 로가 진행하는 방향의 앞단(10')에 상대적으로 저온 영역으로 이동하여 모재 튜브(20) 내표면에 증착되었다가 바로 이어서 소결된다.
이 때 유통통로(140)를 통하여 불활성가스, 예컨데 Ar, He, N2 가 주입되면, 이들 불활성가스는 발열체(120)의 외측공간부(150)를 거쳐, 발열체(120)에 형성된 유입공(122)을 통하여 발열체(120)의 내측공간부(160)에 유입된다. 또한 상기 케이스(110)에 마련된 분사통로(170)을 통해 불활성가스가 주입되면, 불활성가스는 발열체(120)의 내측공간부(160)에 유입된다. 이렇게 유입된 불활성가스는 특히 발열부(121) 주변을 비산화분위기로 유지시켜주고 외부공기의 유입을 차단할 정도의 충 분한 양압을 유지하면서 외부로 배출된다.
이러한 과정을 통해 주로 탄소로 구성된 발열체(120)가 고온에서 산화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 광섬유 모재 제조용 로가 도시된 단면도이다. 도 4에서 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가르킨다.
도 4를 참조하면, 로 내부의 발열체(220)는 다공성 소재로 구성된다. 따라서, 불활성 기체는 상기 다공성 소재로 구성된 발열체(220)를 통과하여 발열체(220)의 내측공간부(160)에 주입된다.
상기 발열체(220)는 다양한 방법으로 다공화시킬 수 있다. 예컨데 그래파이트를 물, 산소, 수소, 불소, 이산화탄소를 사용하여 산화시킴으로써 그래파이트 발열체를 다공화시키는 방법이 있고, 카본입자를 소결시킴으로서 다공화시킬 수도 있다. 그러나 다공화시키는 방법은 본 설명에 한정되지 않고 불활성가스가 발열체(220) 내측공간부(160)로 주입될 수 있는 다공성 재질을 제조할 수 있는 방법이면 다양하게 채택될 수 있다.
본 발명의 효과는 다음의 실험예를 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실험예
발열체의 재질은 카본 그래파이트로 다공의 정도는 공극률 0.5%로 하고 발열체의 길이는 190mm, 발열부의 길이는 80mm 인 광섬유 모재 제조용 로를 사용하였 다. 상기 로에 불활성기체로 Ar을 사용하고 그 양은 총 40L/min로 하였다.
비교예
비교예에서 발열체의 크기, 발열부의 크기, 불활성기체의 종류 및 그 양은 상기 실험예와 동일한 조건을 사용하였다. 다만 상기 발열체의 재질은 상기 실험예와 달리 의도적으로 다공화시키지 않은 일반 카본 그래파이트로 그 다공의 정도는 공극률 0.07%였다.
위와 같은 조건에서 반응가스를 주입하고 발열체를 발열시키면서 모재 튜브의 증착을 행하였다. 그 결과, 비교예에서는 사용 후 약 42 시간이 경과한 후 산화가 진행되어 발열체가 파괴되는 현상이 발생하였다. 그러나 실험예에서는 산화현상이 현저히 감소하여 발열체의 사용시간이 60 내지 80 시간으로 증가하였다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 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.
특히 본 발명의 기술적 사상은 불활성가스가 발열체 자체를 통과하여 발열체 주변에서 외부공기의 유입을 막을 정도의 양압을 가지고 체류하고 배출시키기 위한 구조에 있으므로 이를 제외한 광섬유 모재 제조용 로의 다른 구성은 본 기술이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 얼마든지 변형 가능하게 채택될 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 산화 방지용 광섬유 모재 제조용 로는 로 내부의 비산화분위기를 효과적으로 조성하여 MCVD공법에서 발열체가 산화되는 것을 방지하고 이로써 발열체의 수명을 연장시킨다.
따라서 광섬유 모재 제조시 소모성 제품으로 사용되는 발열체의 교환주기가 증가한다. 즉 발열체에 소비되는 재료비가 절감되어 광섬유 모재 생산 단가를 낮출 수 있다.

Claims (5)

  1. 광섬유 모재튜브가 관통하는 입구 및 출구가 형성된 케이스; 및
    상기 케이스 내에서 상기 모재 튜브를 감싸도록 설치되고 그 표면에는 상기 케이스 내부에 한정되는 광섬유 모재 튜브 주변에 양압분위기를 형성할 수 있도록 불활성가스가 유입될 수 있는 다수의 유입공이 형성된 발열체;를 포함하되,
    상기 발열체의 중앙에는 두께가 상대적으로 얇은 발열부가 구비되고, 상기 유입공은 상기 발열부 표면에 길이방향을 따라 균일하게 분포된 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유입공은,
    상기 발열체 표면에 수직한 원통형, 일방향으로 경사진 원통형, 하부 직경이 상부 직경보다 큰 형상, 일방향으로 만곡된 형상 또는 이들의 조합으로 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스에는 외부로부터 상기 모재 튜브와 발열체 사이의 내측공간부로 불활성 가스가 주입되도록 하는 분사통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조용 로.
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