KR100724924B1 - 수트 모재의 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 코어 및 클래드를 포함하는 수트 모재의 제조 장치는, 복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 수트 모재의 코어를 형성하는 주노즐을 포함하는 코어 버너와; 복수의 튜브들과, 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 수트 모재의 클래드를 형성하는 클래드 버너를 포함하고, 상기 코어 버너는, 상기 주노즐의 일측에 배치되고, 복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 굴절률 제어 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 보조 노즐을 더 포함한다.
기상 축 증착법, 버너, 수트 모재, 동축 다중 포트 버너

Description

수트 모재의 제조 장치{APPARATUS FOR FABRICATING SOOT PREFORM}
도 1은 종래의 기상 축 증착법에 따른 수트 모재의 제조 장치를 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 코어 버너 및 클래드 버너의 구성과 각 버너에 제공되는 물질을 나타내는 도면,
도 3은 종래의 기상 축 증착법에 따라 제조된 광섬유 모재의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기상 축 증착법에 따른 수트 모재의 제조 장치를 나타내는 도면,
도 5는 도 4에 도시된 주노즐 및 보조 노즐로 구성된 코어 버너 및 클래드 버너의 구성과 상기 각 버너에 제공되는 물질들을 나타내는 도면,
도 6은 도 4에 도시된 장치를 이용하여 제조된 광섬유 모재의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주노즐 및 보조 노즐로 구성된 코어 버너의 구성과 상기 코어 버너에 제공되는 물질들을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주노즐 및 보조 노즐로 구성된 코어 버너의 구성과 상기 코어 버너에 제공되는 물질들을 나타내는 도면.
본 발명은 광섬유 모재(optical fiber preform)의 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 버너(burner)를 이용한 수트 모재(soot preform)의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
버너를 이용한 수트 모재의 제조 방법으로는, 외부 기상 증착법(outside vapor phase deposition: OVD)과 기상 축 증착법(vapor phase axial deposition: VAD)이 알려져 있다.
기상 축 증착법은 초기 로드(starting rod)에 다수의 버너를 이용하여 수트를 증착하여 코어(core) 및 클래드(clad)를 상기 초기 로드의 길이 방향을 따라 성장시킴으로써, 수트 모재를 얻는 방법이다. 이후, 이러한 수트 모재에 소결(sintering) 공정 등을 수행하여 광섬유 모재를 얻는다.
도 1은 종래의 기상 축 증착법에 따른 수트 모재의 제조 장치를 나타내는 도면이다. 도시된 수트 모재의 제조 장치는, 코어 버너(core burner, 130) 및 클래드 버너(clad burner, 140)를 포함한다.
수트 모재(120)는 그 길이 방향과 일치하는 수직축(112) 상에 정렬되어 있으며, 성장 기반을 제공하는 유리 재질의 초기 로드(110)와, 상기 초기 로드(110)의 단부에 수트를 증착함으로써 형성되는 코어(122) 및 클래드(124)를 포함한다. 상기 코어(122)는 상대적으로 높은 굴절률(refractive index)을 가지며, 상기 코어(122) 를 둘러싸는 클래드(124)는 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 수트 증착 동안에, 상기 수트 모재(120)는 기설정된 속도로 회전 및 상향 이동한다. 상기 수트 모재(120)를 상기 수직축(112)을 중심으로 회전시킴으로써, 상기 수트 모재(120)가 회전 대칭성을 갖도록 한다. 또한, 상기 수트 모재(120)를 상기 수직축(112)을 따라 상향 이동시킴으로써, 상기 수트 모재(120)가 상기 수직축(112)을 따라 연속적으로 하향 성장되도록 한다. 이하, 상기 수직축(112)을 기준으로 하여 상기 수트 모재(120)의 성장 또는 길이 방향을 하향이라고 하고, 그 역방향을 상향이라고 한다.
상기 코어 버너(130)는 그 중심축이 상기 수직축(112)에 대해 예각으로 경사져 있으며, 상기 수트 모재(120)의 끝단을 향해 화염 및 수트를 분사함으로써, 상기 수트 모재(120)의 끝단으로부터 상기 코어(122)를 하향 성장시킨다. 상기 코어 버너(130)에는 유리 형성 물질을 포함하는 제1 원료 물질(S1), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다.
상기 클래드 버너(140)는 상기 코어 버너(130)로부터 상향으로 이격되고, 그 중심축이 상기 수직축(112)에 대해 예각으로 경사져 있다. 상기 클래드 버너(140)는 상기 코어(122)의 외주면을 향해 화염 및 수트를 분사함으로써, 상기 코어(122)의 외주면 상에 클래드(124)를 성장시킨다. 상기 클래드 버너(140)에는 유리 형성 물질을 포함하는 제2 원료 물질(S2), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다.
도 2는 도 1에 도시된 코어 및 클래드 버너의 구성과 각 버너에 제공되는 물 질을 나타내는 도면이다. 상기 코어 및 클래드 버너(130,140)는 각각 동축 8-포트 버너이며, 각 버너(130;140)는 8개의 튜브들(132a~132h;142a~142h)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 8개의 포트들(134a~134h;144a~144h)을 구비한다.
상기 코어 버너(130)의 제1 내지 제8 포트(134a~134h)에는 차례대로, 제1 원료 물질(S1), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI), 산화 가스(GO), 불활성 가스(GI), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제1 원료 물질(S1)은 유리 형성 물질인 SiCl4 및 굴절률 제어 물질인 GeCl4로 이루어지고, 상기 불활성 가스(GI)는 Ar 가스이며, 상기 연료 가스(GF)는 H2 가스이고, 상기 산화 가스(GO)는 O2 가스이다.
상기 클래드 버너(140)의 제1 내지 제8 포트들(144a~144h)에는 차례대로, 제2 원료 물질(S2), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI), 산화 가스(GO), 불활성 가스(GI), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제2 원료 물질(S2)은 유리 형성 물질인 SiCl4만으로 이루어진다.
상기 수트를 구성하는 산화물들 중의 하나인 SiO2에 대하여, 이론적 화학식은 하기 <화학식 1>로 나타낼 수 있고, 실제 제조 공정에서의 화학식은 하기 <화학식 2>로 나타낼 수 있다.
Figure 112006012303267-pat00001
Figure 112006012303267-pat00002
도 3은 종래의 기상 축 증착법에 따라 제조된 광섬유 모재의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 모재의 굴절률 프로파일은 코어 영역(210), 경계 영역(220) 및 클래드 영역(230)으로 구성된다. 상기 광섬유 모재의 굴절률 프로파일은 전체적으로 계단형 굴절률 프로파일을 나타내고는 있으나, 코어 영역(210) 및 클래드 영역(230) 사이의 경계 영역(220)에서의 굴절률 분포가 완만한 경사를 이루고 있음을 알 수 있고, 이러한 완만한 경사는 상기 광섬유 모재로부터 얻어진 광섬유의 분산 특성을 악화시킨다.
상술한 바와 같은 종래의 수트 모재의 제조 장치 및 방법은 아래와 같은 문제점들이 있다.
첫째, 원료 물질(S1;S2)이 각 버너(130;140)의 중심에 위치하는 포트(134a;144a)에만 제공되므로, 상기 원료 물질(S1;S2)의 반응 효율이 낮다. 이를 보완하기 위해 연료 가스(GF) 및 산화 가스(GO)를 화학식에 근거한 유량보다 많이 제공하는 경우에, 수트 모재(120)의 내부에 많은 수분이 존재하게 된다. 또한, 증착율이 분당 10g 이상인 것을 요구하는 대형 수트 모재를 제조하는 경우에, 원료 물 질(S1;S2)이 각 버너(130;140)의 중심에 위치하는 포트(134a;144a)에만 제공되므로, 상기 수트 모재로부터 얻어진 광섬유 모재에 있어서 코어 및 클래드의 경계 영역에서의 굴절률 분포가 완만한 기울기를 갖게 된다.
둘째, 상기 수트 모재(120)의 표면 상에서, 상기 코어 버너(130)에 의한 화염 중심 지점과, 상기 클래드 버너(140)에 의한 화염 중심 지점이 서로 이격되어 있으므로, 상기 화염 중심 지점들의 사이에 상대적으로 온도가 낮은 영역(상기 코어(122) 및 클래드(124)의 경계 영역에 해당)이 존재하게 된다. 또한, 상기 저온 영역은 상기 수트 모재(120)(또는 상기 코어(122))의 끝단과 상기 클래드(124)의 하부 사이에 존재한다. 또한, 상기 코어(122) 및 클래드(124)의 경계 영역에 도핑된 산화물, 특히 GeO2는 상기 수트 모재(120)를 탈수하는 과정에서 확산되기 때문에, 상기 수트 모재(120)로부터 얻어진 광섬유 모재에 있어서 코어 및 클래드의 경계 영역에서의 굴절률 분포가 완만한 기울기를 갖게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것으로서, 본 발명의 일 목적은, 복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 굴절률 제어 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 보조 노즐이 구비된 코어 버너를 사용하여 코어 및 클래드의 경계 영역에서 큰 기 울기의 굴절률 분포를 갖는 SVD(super vertical deposition) 수트 모재의 제조 장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 수트 모재의 코어 표면의 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있는 수트 모재의 제조 장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 원료 물질의 반응 효율을 크게 증가시킬 수 있는 수트 모재의 제조 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 코어 및 클래드를 포함하는 수트 모재의 제조 장치는, 복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 수트 모재의 코어를 형성하는 주노즐을 포함하는 코어 버너와; 복수의 튜브들과, 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 수트 모재의 클래드를 형성하는 클래드 버너를 포함하고, 상기 코어 버너는, 상기 주노즐의 일측에 배치되고, 복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 굴절률 제어 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 보조 노즐을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 코어 및 클래드를 포함하는 수트 모재의 제조 장치는, 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 수트 모재의 코어를 형성하는 주노즐을 포함하는 코어 버너와; 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 수트 모재의 클래드를 형성하는 클래드 버너를 포함하고, 상기 코어 버너는, 상기 주노즐의 일측에 배치되고, 굴절률 제어 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 보조 노즐을 더 포함한다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기상 축 증착법에 따른 수트 모재의 제조 장치를 나타내는 도면이다. 도시된 수트 모재의 제조 장치는, 보조 노즐(350)이 구비된 코어 버너(330,350) 및 클래드 버너(340)를 포함한다.
상기 수트 모재(320)는 그 길이 방향과 일치하는 수직축(312) 상에 정렬되어 있으며, 성장 기반을 제공하는 유리 재질의 초기 로드(310)와, 상기 초기 로드(310)의 단부에 수트를 증착함으로써 형성되는 코어(322) 및 클래드(324)를 포함한다. 상기 코어(322)는 상대적으로 높은 굴절률(refractive index)을 가지며, 상기 코어(322)를 둘러싸는 클래드(324)는 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는다. 수트 증착의 초기에, 상기 클래드 버너(340)를 이용하여 상기 초기 로드(310)의 단부에 수트를 증착하여 볼(ball)을 형성하고, 계속 수트를 증착하여 상기 볼이 기설정된 크기가 되면, 상기 보조 노즐(350)이 구비된 코어 버너(330,350) 및 클래드 버너(340) 를 이용하여 상기 볼 상에 상기 코어(322) 및 클래드(324)를 동시에 형성한다. 볼을 형성하지 않고 상기 초기 로드(310)의 단부에 직접 코어(322) 및 클래드(324)를 성장시키는 경우에는, 상기 수트 모재(320)의 무게로 인해 상기 초기 로드(310)와 상기 수트 모재(320)가 분리되거나 상기 수트 모재(320)에 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 수트 증착 동안에, 상기 수트 모재(320)는 기설정된 속도로 회전 및 상향 이동한다. 상기 수트 모재(320)를 상기 수직축(312)을 중심으로 회전시킴으로써, 상기 수트 모재(320)가 회전 대칭성을 갖도록 한다. 또한, 상기 수트 모재(320)를 상기 수직축(312)을 따라 상향 이동시킴으로써, 상기 수트 모재(320)가 상기 수직축(312)을 따라 연속적으로 하향 성장되도록 한다. 이하, 상기 수직축(312)을 기준으로 하여 상기 수트 모재(320)의 성장 또는 길이 방향을 하향이라고 하고, 그 역방향을 상향이라고 한다.
상기 코어 버너(330,350)는 주노즐(330)과 보조 노즐(350)로 구성된다.
상기 주노즐(330)은 그 중심축이 상기 수직축(312)에 대해 예각으로 경사져 있으며, 상기 수트 모재(320)의 끝단을 향해 화염 및 수트를 분사함으로써, 상기 수트 모재(320)의 끝단으로부터 상기 코어(322)를 하향 성장시킨다. 상기 주노즐(330)에는 유리 형성 물질을 포함하는 제1 원료 물질(S1), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 상기 주노즐(330)로부터 분사된 화염 내에서 제1 원료 물질(S1)이 가수 분해됨에 따라 수트가 생성되며, 생성된 수트는 상기 수트 모재(320)에 증착된다.
상기 클래드 버너(340)는 상기 주노즐(330)로부터 상향으로 이격되고, 그 중심축이 상기 수직축(312)에 대해 예각으로 경사져 있다. 상기 클래드 버너(340)는 상기 코어(322)의 외주면을 향해 화염 및 수트를 분사함으로써, 상기 코어(322)의 외주면 상에 클래드(324)를 성장시킨다. 상기 클래드 버너(340)에는 유리 형성 물질을 포함하는 제2 원료 물질(S2), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 상기 클래드 버너(340)로부터 분사된 화염 내에서 제2 원료 물질(S2)이 가수 분해됨에 따라 수트가 생성되며, 생성된 수트는 상기 수트 모재(320)에 증착된다.
상기 보조 노즐(350)은 표점(즉, 화염 중심 지점)이 상기 코어(322)의 상부와 상기 클래드(324)의 하부의 경계를 향하도록 상기 주노즐(330)의 외주면 일측에 직접 평행하게 부착된다. 상기 보조 노즐(350)은 그 중심축이 상기 수직축(312)에 대해 예각으로 경사져 있다. 상기 보조 노즐(350)은 상기 코어(322) 및 클래드(324)의 경계 영역에 화염 및 수트를 분사함로써, 상기 경계 영역의 굴절률을 제어한다. 상기 보조 노즐(350)에는 굴절률 제어 물질을 포함하는 제3 원료 물질(S3), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 상기 보조 노즐(350)로부터 분사된 화염 내에서 제3 원료 물질(S3)이 가수 분해됨에 따라 수트가 생성되며, 생성된 수트는 상기 수트 모재(320)에 증착된다.
상기 코어(322) 및 클래드(324)의 굴절률 차를 보장하기 위해 상기 주노즐 (330) 및 클래드 버너(340)에 제공되는 원료 물질들(S1,S2)의 조성 또는 각 조성 성분의 유량을 임의적으로 달리할 수 있다. 예를 들어, 상기 주노즐(330)에 굴절률 증가 물질을 제공하고 상기 클래드 버너(340)에 굴절률 제어 물질을 제공하지 않거나, 상기 주노즐(330)에 굴절률 제어 물질을 제공하지 않고 상기 클래드 버너(340)에 굴절률 감소 물질을 제공할 수 있다. 또는, 굴절률 증가 물질 및 굴절률 감소 물질을 상기 주노즐(330) 및 클래드 버너(340)에 모두 제공하는 것도 가능하다.
도 5는 도 4에 도시된 주노즐 및 보조 노즐로 구성된 코어 버너 및 클래드 버너의 구성과 상기 각 버너에 제공되는 물질들을 나타내는 도면이다. 상기 주노즐(330)은 정삼각형 구조로 배치된 3개의 코어 유닛들(core unit, 332)과, 상기 3개의 코어 유닛들(332)을 둘러싸는 쟈켓 유닛(jacket unit, 336)을 포함한다.
상기 주노즐(330)의 각 코어 유닛(332)은 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(332a~332d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(334a~334d)을 구비한다.
상기 쟈켓 유닛(336)은 상기 주노즐(330)의 코어 유닛들(332)을 완전히 둘러싸는 동축 5-포트 버너이며, 5개의 튜브들(336a~336e)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 5개의 포트들(338a~338e)을 구비한다.
상기 주노즐(330)의 코어 유닛(332)의 포트들(334a~334d)은 중심 포트(334a)와 상기 중심 포트(334a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(334b~334d)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제1 원료 물질(S1), 연료 가스 (GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제1 원료 물질(S1)은 유리 형성 물질인 SiCl4 및 굴절률 제어 물질인 GeCl4로 이루어지고, 상기 연료 가스는 H2 가스이며, 상기 불활성 가스(GI)는 Ar 가스이고, 상기 산화 가스(GO)는 O2 가스이다.
상기 쟈켓 유닛(336)의 포트들(338a~338e)은 중심 포트(338a)와 상기 중심 포트(338a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(338b~338e)로 구분되며, 상기 중심 포트(338a) 내에 상기 코어 유닛들(332)이 실장된다. 상기 쟈켓 유닛(336)의 주변 포트들(338b~338e)에는 반지름 방향의 순서대로 불활성 가스(GI), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다.
상기 보조 노즐(350)은 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(352a~352d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(354a~354d)을 구비한다. 상기 보조 노즐(350)의 포트들(354a~354d)은 중심 포트(354a)와 상기 중심 포트(354a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(354b~354d)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제3 원료 물질(S3), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제3 원료 물질(S3)은 굴절률 감소 물질인 CF4 또는 BCl3로만 이루어진다. 선택적으로, 상기 제3 원료 물질(S3)은 굴절률 증가 물질인 GeCl4 또는 POCl3로만 이루어질 수도 있다.
상기 클래드 버너(340)는 정삼각형 구조로 배치된 3개의 코어 유닛들(342)과, 상기 코어 유닛들(342)을 둘러싸는 쟈켓 유닛(346)을 포함한다. 상기 각 코어 유닛(342)은 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(342a~342d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(344a~344d)을 구비한다. 상기 쟈켓 유닛(346)은 상기 코어 유닛들(342)을 완전히 둘러싸는 동축 5-포트 버너이며, 5개의 튜브들(346a~346e)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 5개의 포트들(348a~348e)을 구비한다.
상기 클래드 버너(340)의 코어 유닛(342)의 포트들(344a~344d)은 중심 포트(344a)와 상기 중심 포트(344a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(344b~344d)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제2 원료 물질(S2), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제2 원료 물질(S2)은 유리 형성 물질인 SiCl4로만 이루어진다.
상기 쟈켓 유닛(346)의 포트들(348a~348e)은 중심 포트(348a)와 상기 중심 포트(348a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(348b~348e)로 구분되며, 상기 중심 포트(348a) 내에 상기 코어 유닛들(342)이 실장된다. 상기 쟈켓 유닛(346)의 주변 포트들(348b~348e)에는 반지름 방향의 순서대로 불활성 가스(GI), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다.
상기 주노즐(330) 및 클래드 버너(340)는 각각 정다각형 구조로 배치된 코어 유닛들(332;342)과, 상기 코어 유닛들(332;342)을 둘러싸는 쟈켓 유닛(336;346)을 포함하는 복합 유닛 구조를 갖는다. 이러한 복합 유닛 구조에서는 원료 물질(S1;S2)이 다수의 중심 포트들(334a;344a)을 통해 분사됨으로써, 단일 유닛 구조에 비해 원료 물질(S1;S2)이 화염과 접촉하는 면적이 확대되고, 상기 원료 물질(S1;S2)의 활성화 에너지 및 확산 계수가 증가됨으로써, 상기 원료 물질(S1;S2)의 반응 효율이 향상된다. 또한, 상기 코어 유닛들(332;342)이 정다각형 구조로 배치되고 상기 쟈켓 유닛(336;346)이 상기 코어 유닛들(332;342)을 둘러싸고 있으므로, 상기 코어 유닛들(332;342)로부터 분사된 화염들이 서로 간섭하지 않고 하나의 안정된 화염으로 모아지게 된다.
상기 주노즐(330) 및 클래드 버너(340)는 각각 넓은 화염 분포를 가지므로, 상기 수트 모재(320)의 온도 분포를 균일하게 만들고, 이로 인해 상기 수트 모재(320)로부터 제조된 광섬유의 분산 특성을 향상시킨다.
상기 보조 노즐(350)은 상기 코어(322) 및 클래드(324)의 경계 영역에 화염 및 수트를 분사함로써, 상기 경계 영역의 굴절률 분포가 급격한 기울기를 갖도록 제어한다. 이로 인해, 상기 수트 모재(320)의 비유효 길이에 해당하는 테이퍼 부분의 길이를 감소시킬 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 장치를 이용하여 제조된 광섬유 모재의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 모재의 굴절률 프로파일은 코어 영역(410), 경계 영역(420) 및 클래드 영역(430)으로 구성된다. 상기 광섬 유 모재의 굴절률 프로파일은 전체적으로 계단형 굴절률 프로파일을 나타내고 있고, 코어 영역(410) 및 클래드 영역(430) 사이의 경계 영역(420)에서의 굴절률 분포가 급격한 기울기를 가짐을 알 수 있다. 이러한 급격한 기울기는 상기 광섬유 모재로부터 얻어진 광섬유의 분산 특성을 크게 향상시킨다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주노즐 및 보조 노즐로 구성된 코어 버너의 구성과 상기 코어 버너에 제공되는 물질들을 나타내는 도면이다.
상기 주노즐(510)은 정삼각형 구조로 배치된 3개의 코어 유닛들(512)과, 상기 코어 유닛들(512)을 둘러싸는 쟈켓 유닛(516)을 포함한다.
상기 각 코어 유닛(512)은 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(512a~512d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(514a~514d)을 구비한다.
상기 쟈켓 유닛(516)은 상기 코어 유닛들(512)을 완전히 둘러싸는 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(516a~516d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(518a~518d)을 구비한다.
상기 코어 유닛(512)의 포트들은 중심 포트(514a)와 상기 중심 포트(514a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(514b~514d)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제1 원료 물질(S1), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제1 원료 물질(S1)은 유리 형성 물질인 SiCl4 및 굴절률 제어 물질인 GeCl4로 이루어지고, 상기 연료 가스(GF)는 H2 가스이며, 상기 불활성 가스(GI)는 Ar 가스이고, 상기 산화 가스(GO)는 O2 가스이다.
상기 쟈켓 유닛(516)의 포트들(518a~518d)은 중심 포트(518a)와 상기 중심 포트(518a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(518b~518d)로 구분되며, 상기 중심 포트(518a) 내에 상기 코어 유닛들(512)이 실장된다. 상기 쟈켓 유닛(516)의 주변 포트들(518b~518d)에는 반지름 방향의 순서대로 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다.
상기 보조 노즐(520)은 부착 부재(530)를 이용하여 상기 주노즐(510)의 외주면에 부착되고, 상기 보조 노즐(520)은 상기 주노즐(510)과 평행하게 배치된다. 상기 부착 부재(530)는 스트립 형상을 가지며, 상기 보조 노즐(520)과 상기 주노즐(510)이 이격된 상태로 서로 부착되도록 한다. 상기 보조 노즐(520)은 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(522a~522d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(524a~524d)을 구비한다. 상기 보조 노즐(520)의 포트들(524a~524d)은 중심 포트(524a)와 상기 중심 포트(524a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(524b~524d)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제3 원료 물질(S3), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제3 원료 물질(S3)은 굴절률 감소 물질인 CF4 또는 BCl3로만 이루어진다. 선택적으로, 상기 제3 원료 물질(S3)은 굴절률 증가 물질인 GeCl4 또는 POCl3로만 이루어질 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주노즐 및 보조 노즐로 구성된 코어 버너의 구성과 상기 코어 버너에 제공되는 물질을 나타내는 도면이다.
상기 주노즐(610)은 동축 8-포트 버너이며, 8개의 튜브들(612a~612h)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 8개의 포트들(614a~614h)을 구비한다.
상기 주노즐(610)의 포트들(614a~614h)은 중심 포트(614a)와 상기 중심 포트(614a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(614b~614h)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제1 원료 물질(S1), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI), 산화 가스(GO), 불활성 가스(GI), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제1 원료 물질(S1)은 유리 형성 물질인 SiCl4 및 굴절률 제어 물질인 GeCl4로 이루어지고, 상기 불활성 가스(GI)는 Ar 가스이며, 상기 연료 가스(GF)는 H2 가스이고, 상기 산화 가스(GO)는 O2 가스이다.
상기 보조 노즐(620)은 상기 주노즐(610)의 외주면에 직접 부착되고, 상기 보조 노즐(620)은 상기 주노즐(610)과 평행하게 배치된다. 상기 보조 노즐(620)은 동축 4-포트 버너이며, 4개의 튜브들(622a~622d)이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 형성된 4개의 포트들(624a~624d)을 구비한다. 상기 보조 노즐(620)의 포트들(624a~624d)은 중심 포트(624a)와 상기 중심 포트(624a)를 반지름 방향으로 차례로 둘러싸는 주변 포트들(624b~624d)로 구분되며, 반지름 방향의 순서대로, 제3 원료 물질(S3), 연료 가스(GF), 불활성 가스(GI) 및 산화 가스(GO)가 제공된다. 이때, 상기 제3 원료 물질(S3)은 굴절률 감소 물질인 CF4 또는 BCl3로만 이루어진다. 선택적으로, 상기 제3 원료 물질(S3)은 굴절률 증가 물질인 GeCl4 또는 POCl3로만 이루어 질 수도 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
예를 들자면, 본 발명에 따른 수트 모재의 제조 장치에서, 클래드 버너가 복수의 코어 유닛들과, 상기 복수의 코어 유닛들을 둘러싸는 쟈켓 유닛으로 구성된 복합 유닛 구조를 갖는 것으로 예시하였으나, 본 발명의 클래드 버너는 도 2에 도시된 바와 같이 단일 유닛 구조를 갖는 통상의 동축 다중 포트 버너일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수트 모재의 제조 장치에서, 코어 버너가 주노즐과 보조 노즐로 구성되고, 상기 보조 노즐이 상기 주노즐에 부착되는 것으로 예시하였으나, 상기 보조 노즐은 클래드 버너에 부착될 수도 있다. 즉, 본 발명에서 보조 노즐은 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 기능을 수행하기 위한 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들자면, 상기 보조 노즐은 도 5에 도시된 구조와 유사하게 클래드 버너의 외주면 일측에 직접 평행하게 부착되거나, 도 7에 도시된 구조와 유사하게 부착 부재를 이용하여 클래드 버너의 외주면에 부착될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수트 모재의 제조 장치 및 방법은 아래와 같은 이점들이 있다.
첫 째, 본 발명에 따른 코어 버너 및 클래드 버너는 각각 복합 유닛 구조를 가지므로, 단일 유닛 구조에 비해 원료 물질이 화염과 접촉하는 면적을 확대하고, 상기 원료 물질의 활성화 에너지 및 확산 계수가 증가함으로써, 상기 원료 물질의 반응 효율을 향상시킨다. 예를 들어, 본 발명에 따른 복합 유닛 구조의 버너는 단일 유닛 구조의 버너에 비해 동일 유량 조건에서 반응 효율을 30% 이상 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 복합 유닛 구조의 버너는 단일 유닛 구조의 버너에 비해 동일 조건에서 보다 적은 양의 산화 가스 및 연료 가스를 공급받기 때문에, 수트 모재 내부의 수분 함량을 감소시킬 수 있어서 저수분 손실 광섬유을 제조하기에 적합하다.
둘 째, 본 발명에 따른 코어 버너 및 클래드 버너는 각각 복합 유닛 구조를 가지므로, 단일 유닛 구조에 비해 넓은 화염 분포를 갖고, 이로 인해 수트 모재의 온도 분포를 균일하게 만들 수 있다. 이로 인해 상기 수트 모재로부터 제조된 광섬유의 분산 특성을 향상시킬 수 있다.
셋 째, 본 발명에 따른 코어 버너의 보조 노즐은 코어 및 클래드의 경계 영역에 화염 및 수트를 분사함로써, 상기 경계 영역의 굴절률 분포가 급격한 기울기를 갖도록 제어할 수 있다. 이로 인해, 수트 모재의 비유효 길이에 해당하는 테이퍼 부분의 길이를 감소시키면서, 동시에 상기 수트 모재의 굴절률 프로파일을 정밀하게 제어할 수 있다.

Claims (11)

  1. 코어 및 클래드를 포함하는 수트 모재의 제조 장치에 있어서,
    복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 수트 모재의 코어를 형성하는 주노즐을 포함하는 코어 버너와;
    복수의 튜브들과, 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 수트 모재의 클래드를 형성하는 클래드 버너를 포함하고, 상기 코어 버너는,
    상기 주노즐의 일측에 배치되고, 복수의 튜브들과, 상기 복수의 튜브들이 동축 정렬됨으로써 형성된 복수의 포트들을 구비하며, 상기 포트들을 통해 굴절률 제어 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 보조 노즐을 더 포함함을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주노즐은 다각형 구조로 배치된 복수의 코어 유닛들과, 상기 코어 유닛들을 둘러싸는 쟈켓 유닛을 포함하고,
    상기 각 코어 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너이며,
    상기 쟈켓 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하고, 그 중심 포트의 내부에 상기 코어 유닛들을 실장하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 클래드 버너는 다각형 구조로 배치된 복수의 코어 유닛들과, 상기 코어 유닛들을 둘러싸는 쟈켓 유닛을 포함하고,
    상기 각 코어 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너이며,
    상기 쟈켓 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하고, 그 중심 포트의 내부에 상기 코어 유닛들을 실장하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 노즐은 상기 클래드 버너의 외주면에 부착됨을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  5. 코어 및 클래드를 포함하는 수트 모재의 제조 장치에 있어서,
    유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 수트 모재의 코어를 형성하는 주노즐을 포함하는 코어 버너와;
    유리 형성 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 수트 모재의 클래드를 형성하는 클래드 버너를 포함하고, 상기 코어 버너는,
    상기 주노즐의 일측에 배치되고, 굴절률 제어 물질을 포함하는 원료 물질을 분사함으로써 상기 코어 및 클래드의 경계 영역의 굴절률을 제어하는 보조 노즐을 더 포함함을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주노즐은 다각형 구조로 배치된 복수의 코어 유닛들과, 상기 코어 유닛들을 둘러싸는 쟈켓 유닛을 포함하고,
    상기 각 코어 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너이며,
    상기 쟈켓 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하고, 그 중심 포트의 내부에 상기 코어 유닛들을 실장하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 보조 노즐은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 클래드 버너는 다각형 구조로 배치된 복수의 코어 유닛들과, 상기 코어 유닛들을 둘러싸는 쟈켓 유닛을 포함하고,
    상기 각 코어 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너이며,
    상기 쟈켓 유닛은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하고, 그 중심 포트의 내부에 상기 코어 유닛들을 실장하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 클래드 버너는 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 보조 노즐은 상기 클래드 버너의 외주면에 부착됨을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 주노즐은 복수의 튜브들이 동심원 구조로 동축 정렬됨으로써 복수의 포트들을 형성하는 동축 다중 포트 버너임을 특징으로 하는 수트 모재의 제조 장치.
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