KR100663460B1 - 기상 축 증착 장치 및 그를 이용한 수트 모재 제조 방법 - Google Patents

기상 축 증착 장치 및 그를 이용한 수트 모재 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 기상 축 증착 장치는 수직축 상에 정렬된 수트 모재의 끝단에 수트를 증착함으로써 코어를 성장시키는 제1 토치와, 상기 코어의 외주면에 수트를 증착함으로써 클래드를 성장시키는 제2 토치와, 상기 수직축에 따른 상기 수트 모재 단부 및 상기 코어 하부의 온도를 검출하는 온도 측정기와, 상기 수트 모재 단부의 검출된 온도들 사이의 편차를 연산하고, 상기 수트 모재 단부의 온도와 상기 코어 하부의 온도 편차에 따라서 상기 수트 모재의 이동을 제어하는 제어부를 포함한다.
광섬유, 기상축 증착, 온도

Description

기상 축 증착 장치 및 그를 이용한 수트 모재 제조 방법{APPARATUS FOR VAPOR AXIAL DEPOSITION AND FABRICATING METHOD FOR SOOT PREFORM}
도 1은 종래 기술에 따른 기상 축 증착 장치를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기상 축 증착 장치를 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 온도 측정기가 검출하는 열화상을 나타내는 도면,
도 4는 도 2에 도시된 수직축에 따른 수트 모재 단부의 온도 분포를 나타내는 도면.
본 발명은 광섬유 모재(optical fiber preform)의 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 기상 축 증착(vapor axial deposition: VAD) 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치(100) 구성을 도시한 도면으로서, 기상 축 증착 방법은 유리 재질의 시작 로드(starting rod)에 제1 및 제2 토치(torch;140,150)를 이용하여 수트(soot)를 증착하여 코어(core;122) 및 클래드(clad;124)를 수직축(vertical axis;110) 방향으로 성장시킴으로써, 수트 모재(soot preform;120)를 얻는 방법이다. 이후, 상기 수트 모재(120)에 소결(sintering) 공정 등을 수행하여 광섬유 모재를 얻는다.
레이저(131)와 수광 소자(132)는 상기 코어(122)를 중심으로 마주보게 위치되며, 상기 수광 소자(132)는 상기 레이저(131)에서 생성된 광의 세기를 검출해낸다. 수트의 증착에 따른 상기 수트 모재(120)의 성장으로 인하여 상기 광이 수트 모재에 의해 가려져 광 세기는 점점 작아지고, 상기 수광 소자(132)에서 검출된 광의 세기는 별도의 제어 수단에 통보되고, 광의 세기 변화로부터 상기 수트 모재(120)의 이동이 결정된다.
그 외에, Donald P. Jablonowski 등에 의해 발명되어 특허 허여된 미국특허번호 제6,834,516호{Manufacture of optical fiber preforms using modified VAD}는 광고온계(optical pyrometer)를 이용하여 수트 모재의 끝단 온도를 측정하고, 코어 토치(core torch)에 제공되는 수소 가스의 유량을 조절함으로써 균일한 조성의 수트 모재를 얻는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 레이저와 수광 소자를 이용한 기상축 증착 장치는 구성이 복잡하고, 제어가 힘든 문제가 있다.
그리고 상술한 기상축 증착 방법은 수트 모재가 일정한 속도로 회전해야 되므로 광고온계가 측정하기 위한 측정 포인트가 흔들리고, 그로 인해 정확한 온도 측정이 용이하지 않은 문제가 있다. 따라서, 상술한 기상축 증착 방법은 수트 모재 의 끝단에 대한 정밀한 온도 측정 및 제어가 어려우므로, 양산성 및 신뢰성이 낮다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 수트 모재 단부의 전체적인 온도 분포를 고려하여 수트 모재의 품질을 향상시킬 수 있으며, 양산성 및 신뢰성이 높은 기상축 증착 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따른 기상 축 증착 장치는,
수직축 상에 정렬된 수트 모재의 끝단에 수트를 증착함으로써 코어를 성장시키는 제1 토치와;
상기 코어의 외주면에 수트를 증착함으로써 클래드를 성장시키는 제2 토치와;
상기 수직축에 따른 상기 수트 모재 단부 및 상기 코어 하부의 온도를 검출하는 온도 측정기와;
상기 수트 모재 단부의 검출된 온도들 사이의 편차를 연산하고, 상기 수트 모재 단부의 온도와 상기 코어 하부의 온도 편차에 따라서 상기 수트 모재의 이동을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따른 수직축 상에 정렬된 수트 모재에 제1 및 제2 토 치를 이용하여 수트를 증착하는 기상 축 증착 방법은,
(a) 상기 수직축에 따른 상기 수트 모재 단부의 온도 분포와 코어로부터 하향 이격된 지점의 온도를 검출하는 과정과;
(b) T1-T4를 산출하는 과정과;
(c) 산출된 T1-T4의 값을 기 설정된 온도 이하가 되도록 상기 수트 모재를 수직축을 따라서 이동시키는 과정을 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 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기상 축 증착 장치를 나타내는 도면이다. 상기 기상 축 증착 장치(200)는 수트 생성을 위한 제1 및 제2 토치(230,240)와, 수직축(210)에 따른 수트 모재(220) 단부의 온도 분포를 검출하기 위한 온도 측정기(270)와, 상기 수트 모재(220)를 상기 수직축(210)을 따라서 이동시키기 위한 이동 장치(290)와, 상기 이동 장치(290)를 제어하기 위한 제어부(controller,280)를 포함한다.
상기 수트 모재(220)는 수직축(210) 상에 정렬되어 있으며, 성장 기반을 제공하는 유리 재질의 시작 로드와, 상기 시작 로드의 단부에 수트를 증착함으로써 형성되는 코어(222) 및 클래드(224)로 구성된다. 상기 코어(222)는 상대적으로 높 은 굴절률(refractive index)을 가지며, 상기 코어(222)를 둘러싸는 클래드(224)는 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 수트 증착의 초기에, 상기 제2 토치(240)를 이용하여 상기 시작 로드의 단부에 수트를 증착하여 볼(ball)을 형성하고, 계속 수트를 증착하여 상기 볼이 기설정된 크기가 되면, 상기 제1 및 제2 토치(230,240)를 이용하여 상기 볼 상에 상기 코어(222) 및 클래드(224)를 동시에 형성한다. 볼을 형성하지 않고 상기 시작 로드의 단부에 직접 코어 및 클래드를 성장시키는 경우에는, 상기 수트 모재(220)의 무게로 인해 상기 시작 로드와 상기 수트 모재(220)가 분리되거나 상기 수트 모재(220)에 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 수트 증착 동안에, 상기 수트 모재(220)는 기설정된 속도로 회전 및 상향 이동한다. 상기 수트 모재(220)를 상기 수직축(210)을 중심으로 회전시킴으로써, 상기 수트 모재(220)가 회전 대칭성을 갖도록 한다. 또한, 상기 수트 모재(220)를 상기 수직축(210)을 따라 상향 이동시킴으로써, 상기 수트 모재(220)가 상기 수직축(210)을 따라 연속적으로 하향 성장되도록 한다. 이하, 상기 수직축(210)을 기준으로 하여 상기 수트 모재(220)의 성장 방향을 하향이라고 하고, 그 역방향을 상향이라고 한다.
상기 제1 토치(230)는 그 중심축(235)이 상기 수직축(210)에 대해 예각으로 경사져 있으며, 상기 수트 모재(220)의 끝단을 향해 화염을 분사함으로써, 상기 수트 모재(220)의 끝단으로부터 상기 코어(222)를 하향 성장시킨다. 상기 제1 토치(230)에는 SiCl4, GeCl4 등의 유리 원료 물질(glass raw material)과, 수소 및 산소가 혼합된 연료 물질(fuel material)이 제공되고, 분사된 화염 내에서 유리 원료 물질이 가수 분해됨에 따라 수트가 생성되며, 생성된 수트는 상기 수트 모재(220)에 증착된다. 상기 수트를 구성하는 주된 산화물들인 SiO2 및 GeO2의 가수분해 반응식들은 하기 <화학식 1> 및 <화학식 2>와 같다.
Figure 112006000330354-pat00001
Figure 112006000330354-pat00002
상기 제2 토치(240)는 상기 제1 토치(230)로부터 상향으로 이격되고, 그 중심축(245)이 상기 수직축(210)에 대해 예각으로 경사져 있다. 상기 제2 토치(240)는 상기 코어(222)의 외주면을 향해 화염을 분사함으로써, 상기 코어(222)의 외주면 상에 클래드(224)를 성장시킨다. 상기 제2 토치(240)에는 SiCl4, GeCl4 등의 유리 원료 물질과, 연료 물질을 이루는 수소 및 산소가 제공되고, 분사된 화염 내에서 유리 원료 물질이 가수 분해됨에 따라 수트가 생성되며, 생성된 수트는 상기 수트 모재(220)에 증착된다.
상기 제1 토치(230)에 제공되는 유리 원료 물질의 유량과 상기 제2 토치(240)에 제공되는 유리 원료 물질의 유량 또는 종류를 서로 다르게 제어함으로써, 상기 코어(222)가 상기 클래드(224)보다 높은 굴절률을 갖도록 한다. 예를 들자면, GeO2, P2O5은 굴절률을 증가시키고, F 또는 B2O3는 굴절률을 감소시킨다.
상기 수트 모재(220)로부터 얻어진 광섬유의 광특성(분산(dispersion), 벤딩 손실(macro bend loss) 등은 상기 수트 모재(220)의 끝단 온도를 포함하여 수트 증착이 이루어지는 부분(즉, 상기 수트 모재(220)의 단부) 전체의 표면 온도에 의해 영향을 받는다.
상기 온도 측정기(270)는 상기 수트 모재(220)의 측면에 배치되며, 상기 수직축(210)에 따른 상기 수트 모재(220) 단부의 열화상과, 상기 코어(222)로부터 하향 이격된 임의 지점의 온도를 검출하고, 검출된 열화상 신호 및 온도를 상기 제어부(280)로 출력한다. 이때, 상기 열화상 신호는 상기 수직축(210)에 따른 상기 수트 모재(220) 단부의 온도 분포 정보를 포함한다. 또한, 상기 수트 모재(220) 단부는 수트 증착이 이루어지는 부분, 즉 상기 수트 모재(220)의 단부에서 노출된 코어(222) 부분과 상기 수직축(210)에 따른 상기 코어(222)와 클래드(224)의 경계 부분을 포함한다. 상기 온도 측정기(270)로는 랜드 사(LAND instruments international)의 FTI 6과 같은 열화상기(thermal imager)가 사용될 수 있다.
도 3은 상기 온도 측정기(270)가 검출하는 열화상과, 코어 하부의 온도를 나타내는 도면이고, 도 4는 상기 수직축(210)에 따른 수트 모재(220) 단부의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 3에는, 상기 수직축(210)에 따른 상향 방향(화살표로 표시)과, 제1 극대 온도 T1, 극소 온도 T2 및 제2 극대 온도 T3과, 코어 하부의 온도 T4가 도시되어 있다. 도 4에서, 세로축은 온도를 나타내고, 가로축은 상기 수직축(210) 상의 위치, 즉 수직 위치를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 수트 모재(220)의 끝단에서 제1 극대 온도 T1이 나타나고, 상기 수직축(210)에 따른 상기 코어(222)와 상기 클래드(224)의 경계 부분에서 제2 극대 온도 T3가 나타나며, 상기 수트 모재(220)의 끝단과 상기 경계 부분의 중간 위치에 극소 온도 T2가 나타난다. 이는, 상기 제1 토치(230)의 화염 집중 지점, 즉 상기 수트 모재(220)의 표면상에서 상기 제1 토치(230)의 화염이 집중되는 지점이 상기 수트 모재(220)의 끝단에 위치하고, 상기 제2 토치(240)의 화염 집중 지점이 상기 경계 부분에 위치하기 때문이다.
상기 제1 극대 온도 T1의 조절은 상기 제1 토치(230)에 공급되는 연료 물질의 유량을 조절함으로써 이루어질 수 있고, 상기 제2 극대 온도 T3의 조절은 상기 제2 토치(240)에 공급되는 연료 물질의 유량을 조절함으로써 이루어질 수 있다.
수트의 증착에 따라서 상기 코어(222)는 T4에 인접한 하향으로 성장되며, 결과적으로 T4의 온도가 점차적으로 증가하게 된다. 상기 제어부(280)는 상기 온도 측정기(270)로부터 입력된 T1과 T4의 차를 산출하고, T1과 T4의 차가 기 설정된 값에 도달될 경우는 상기 상향 이동 장치를 제어해서 상기 수트 모재(220)를 수직축(210)을 따라서 상향으로 이동시키는 제어를 한다. T1과 T4 사이의 이격 거리는 1㎜ 이하가 바람직하고, T1과 T4의 온도 차는 100℃ 이하로 제어되는 것이 바람직하다.
본 실시 예에 따른 수직축(210) 상에 정렬된 수트 모재(220)에 제1 및 제2 토치(230,240)를 이용하여 수트를 증착하는 기상 축 증착 증착에 있어서, 상기 수트 모재(220)의 증착을 제어하기 위한 방법은 (a) 상기 수직축(210)에 따른 상기 수트 모재(220) 단부의 온도(T1)와 코어(222)로부터 하향 이격된 지점의 온도(T4)를 검출하는 과정과, (b) T1-T4를 산출하는 과정과, (c) 산출된 T1-T4의 값을 기 설정된 온도 이하가 되도록 상기 수트 모재(220)를 수직축(210)을 따라서 이동시키는 과정을 포함한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형할 수 있은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 기상 축 증착 장치 및 방법은 온도 측정기를 이용하여 수트 모재 단부의 전체적인 온도 분포와, 수트 모재 하측의 수트 증착에 따른 온도 변화를 검출해서 수트 모재의 상향 이동을 제어함으로써, 수트 모재의 품질과 상기 수트 모재로부터 얻어지는 광섬유의 광특성을 향상시키고, 상기 수트 모재의 양산성 및 신뢰성을 높일 수 있다는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 기상 축 증착 장치에 있어서,
    수직축 상에 정렬된 수트 모재의 끝단에 수트를 증착함으로써 코어를 성장시키는 제1 토치와;
    상기 코어의 외주면에 수트를 증착함으로써 클래드를 성장시키는 제2 토치와;
    상기 수직축에 따른 상기 수트 모재 단부 및 상기 코어로부터 하향 이격된 지점의 온도를 검출하는 온도 측정기와;
    상기 수트 모재 단부의 온도(T1)와 상기 코어 하부 온도(T4)의 차를 산출하고, 모재 단부의 온도와 상기 코어 하부의 온도 차에 따라서 상기 수트 모재의 이동을 제어하기 위한 제어부와;
    상기 제어부의 지시에 따라서 상기 수트 모재를 상기 수직축을 따라서 이동시키기 위한 이동 장치를 포함함을 특징으로 하는 기상 축 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    T1과 T4 사이의 거리는 1㎜ 이하임을 특징으로 하는 기상 축 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    T1과 T4의 온도 차는 100℃ 이하임을 특징으로 하는 기상 축 증착 장치.
  4. 수직축 상에 정렬된 수트 모재에 제1 및 제2 토치를 이용하여 수트를 증착하는 기상 축 증착 방법에 있어서,
    (a) 상기 수직축에 따른 상기 수트 모재 단부의 온도(T1)와 코어로부터 하향 이격된 지점의 온도(T4)를 검출하는 과정과;
    (b) T1-T4를 산출하는 과정과;
    (c) 산출된 T1-T4의 값을 기 설정된 온도 이하가 되도록 상기 수트 모재를 수직축을 따라서 이동시키는 과정을 포함함을 특징으로 하는 기상 축 증착 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (d) 과정에서, (T1-T4)는 100℃ 이하임을 특징으로 하는 기상 축 증착 방법.
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