KR100730639B1 - 광섬유 제조를 위한 막대모양 모재와 이의 제조방법 - Google Patents

광섬유 제조를 위한 막대모양 모재와 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 제조를 위한 막대 모양 모재와, 그러한 막대 모양 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 막대 모양 모재의 한쪽 말단을 열처리 한 후, 광섬유를 연신하기 위해 이와 같이 연화된 막대모양 모재의 말단에 장력을 가하는 광섬유 제조 방법에 관한 것이다.
막대모양 모재, 콘 모양의 말단, 광섬유, 연신, 플라즈마

Description

광섬유 제조를 위한 막대모양 모재와 이의 제조방법{ROD-SHAPED PREFORM FOR MANUFACTURING AN OPTICAL FIBRE AND METHODS OF PRODUCING THE PREFORM AND THE FIBRE}
본 발명은 광섬유 제조를 위한 막대 모양 모재와, 그러한 막대 모양 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 막대 모양 모재의 한쪽 말단을 열처리한 후, 광섬유를 연신하기 위해 이와 같이 연화된 막대모양 모재의 말단에 장력을 가하는 광섬유 제조 방법에 관한 것이다.
일본 특허 공개 JP-A-11-79772에 의하면, 모재는 모재의 축방향에 대하여 수직으로 모재의 끝 부분에 위치한 서로 다른 깊이를 가진 다수의 분리된 홈(groove)에 관한 것이다. 이러한 경우, 로(furnace)에서 모재의 유리가 연화되면서, 상기 홈의 스텝(step), 즉 계단의 위치에서 유리가 늘어질 수 있기 때문에, 이러한 단차적인 직경의 감소는 불리한 것이다. 로에서 콘(cone) 형상의 것을 원주 둘레에서 가열하기 때문에, 모재의 중심부를 제외한 영역만이 연화되어, 콘의 중심부에서의 연신이 일어나지 않을 수 있으며, 이는 바람직하지 못한 현상이다.
또한, 본 출원인 명의의 유럽 특허 출원 No. 0 530 917에는 전체 길이에 걸쳐서 균일한 직경을 가진 막대 모양 모재에 관해 기재되어 있다. 광섬유가 이러한 막대 모양 모재로부터 연신되어질 때, 연화 영역을 형성하기 위하여 로에서 막대 모양 모재의 한쪽 끝을 가열한다. 장력(pulling force)을 가하고자 하는 연화 영역을 가열하는 동안, 상기 연화 영역의 가소 조건(plastic condition)은 광섬유를 제조하기 위해 연신하는 것을 가능하게 한다. 상기 특허출원에 의하면, 가열 영역의 방향은 연화된 말단에 가해지는 장력 방향의 반대편으로 하고 있다.
광섬유 산업 분야에 있어 최근의 발전은 막대 모양 모재의 용량을 증가시키고 있는 추세이다. 주로, 막대 모양 모재의 직경을 증가시킴으로써, 용량을 증가시키고자 한다. 막대 모양 모재의 길이를 증가시키는 것도 가능하나, 모재를 제조하는 현재의 설비가 이에 적합하지 않아, 실제 실용성에 문제가 있다. 더욱이, 긴 모재는 다루기가 용이하지 않다.
본 발명에서 "막대 모양 모재"라 함은 막대와 튜브 모두를 포함하며, 특히, 하나 또는 그 이상의 동심적인(concentric) 튜브에 둘러싸여진 막대를 포함한다. 일반적으로, 125 ㎛ 정도의 직경을 가진 광섬유를 형성하기 위하여, 연신 탑에서 이러한 막대모양 모재를 연신한다. 연신 동안, 막대모양 모재는 로를 통하여 서서히 움직이며, 이의 말단이 녹게 되어 콘을 형성하게 된다. 가열에 의해 얻어진 상기 콘으로부터, 광섬유는 빠른 속도로 연신되어진다. 따라서, 현재의 막대모양 모재, 특히 큰 직경을 가진 모재를 사용하는 경우, 연신 공정에서의 시작 단계, 특히, 콘을 형성하는데 있어서, 상당한 시간을 요구하게 된다. 큰 직경을 가진 막대모양 모재를 사용하는 경우, 시작 단계의 시간이 실질적으로 더 길어진다. 상기와 같은 경향 때문에, 큰 직경을 가진 막대모양 모재를 다루는 경우, 연신 공정의 시작시간이 영향을 미치므로, 연신 공정, 특히 시작 단계를 짧게 하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 연신 공정에 있어서 시작 단계를 현저히 감소시킬 수 있는, 기하학적 형태를 가진 막대 모양 모재를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 특히 큰 직경을 가진 모재의 경우에 있어서, 연신 공정의 시작 단계를 현저히 감소시키는데 효과적인 막대모양 모재를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 막대모양 모재의 말단의 정밀하게 형성된 기하학적 형태를 얻을 수 있는 광섬유의 제조 방법과, 이러한 광섬유를 제조하기 위한 막대모양 모재를 제공하는 데 있다.
본 발명은, 막대 모양 모재의 한쪽 말단이 콘과 같은 형태를 가진 것을 특징으로 하는, 광섬유 제조를 위한 막대모양 모재에 관한 것이다. 상기 콘과 같은 형태는 다음과 같은 식에 대응된다.
D/d0 = 2-25, D/d1/2 = 1.2-5, Lc/D = 0.8-3.5 및 D 〉d1/2 〉 d0
이때, L c = 콘의 길이 (mm)
D = 막대모양 모재의 직경 (mm)
d0 = 콘 말단에서의 막대모양 모재의 직경(mm)
d1/2 = 콘 절반에서의 막대모양 모재의 직경(mm)
유럽 특허 출원 No.0 999 189에서 직경이 감소되는 모재에 대해 기재하고 있으나, 상기의 요구 조건의 조합, 특히, 연신공정의 시작 단계를 현저히 감소시키기 위한 본 발명의 모재를 제공하기 위해 요구되어지는 d1/2와 D 사이의 비(ratio)에 대해서는 어떠한 언급도 없다.
궁국적인 연신공정 전에, 이미 콘 형상의 형태를 가진 막대모양 모재를 제공함에 의하여, 연신 공정에서 요구되는 시간, 특히, 시작 단계에서의 시간이 상당히 감소하게 된다. 따라서, 막대모양 모재로부터의 광섬유의 연속적 연신 중에 자동적으로 형성되는 콘의 형상과 실질적으로 일치하는 형태의 콘 형상을 가진 말단을 포함하는 막대모양 모재가 바람직하다. 따라서, 이러한 실시예에서 바람직한 말단 속도를 얻기 위하여 필요한 시간이 상당히 감소할 수 있게 된다. 그러므로, 이러한 점에서 이미 기존에 알려진 막대모양 모재와는 다른 것이다.
콘의 형태는 모재의 끝 부분에서 시작하여, 직경 D가 감소하기 시작한다. 본 발명의 콘 형상의 형태는 직경 D로부터 직경 d0으로 연속적 흐름으로 감소하는 형태의 것으로, JP-A-11-79772에 따른 비연속적이고, 계단 형태와는 본질적으로 다르다.
특히, 궁국적 연신 공정의 시작 단계를 줄이기 위한 바람직한 효과를 나타내기 위하여, 특정 직경 감소를 제공하는 상기의 비 D/d0는 중요하다. 특히, 비 D/d0의 하한치는 작은 직경을 가진 막대모양 모재, 특히, 30 ㎜ 정도나 그 이상의 직경을 가진 막대모양 모재에 적용될 수 있으며, 비 D/d0의 상한치는 더 굵은 직경을 가진 막대모양 모재, 특히 150 ㎜ 정도의 직경을 가진 막대모양 모재에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 막대모양 모재는 어떠한 실시예에 있어서도 특정한 직경에 제한되는 것은 아니며, 단지 콘 형상의 형태와 막대모양 모재 사이의 비에 관한 것이다.
상기의 비 D/d1/2는 막대모양 모재의 연화된 말단의 특정 형태, 특히 콘 형상의 형태와 관련이 있다. 상기 비가 5보다 큰 경우에는, 콘의 말단이 가열 영역으로 너무 빨리 지나갈 것이며, 즉 너무 많은 유리의 양이 로에서 벗어날 것이고, 이는 바람직하지 못하다. 만약 상기의 비가 1.2의 하한치보다 작은 경우에는, 궁국적인 연신 공정의 시작 단계를 가속화하기 위한 시간이 불충분한 정도로 감소될 것이며, 따라서 이루고자 하는 목적이 충분히 달성되지 못할 것이다.
상기 비 Lc/D는, 광 섬유를 얻기 위한 연신 공정 전의 막대모양 모재의 말단에 콘 형상의 형태를 효과적으로 하기 위해 사용되어지는 로 안의 가열 영역의 길이에 의존한다. 이미 설명한 바와 같이, 막대모양 모재의 말단의 콘 형상의 형태의 길이는, 섬유의 연신 동안 형성되어지는 콘의 형태와 실질적으로 일치한다. 일반적으로, 막대모양 모재가 큰 직경을 가진 경우에 가열 영역이 더 길 필요가 있다. 가열 영역이 너무 짧은 경우에는, 로는 더 높은 온도를 제공하여야 하며, 이는 막대모양 모재로부터의 섬유의 연신 중의 콘에 있어서 높은 전단속도(shearing rate)를 갖게 한다. 이러한 높은 온도는, 높은 UV 부하(load)와 높은 전단속도로 인하여, 궁국적인 광섬유에 있어서 결함을 발생하게 하는 불리한 영향을 미치게 한다. 그러나, 더 긴 가열 영역이 사용되는 경우에는, 요구되어지는 온도는 낮아지지만, 가열 영역에서의 막대모양 모재의 말단의 체류 시간은 길어져, 결국 막대모양 모재가 오랜 시간 동안 UV 부하에 노출됨으로 인하여, 많은 결함을 가지게 된다.
특히, 한쪽 말단에 콘 형상의 형태를 가진 본 발명의 막대모양 모재는 다음과 같은 식에 대응되는 것이 바람직하다.
LR / LC = 〉4,
이때, LR = 막대 모양 모재의 길이 (mm)
이러한 LR/LC의 비는, 특히, 생산성을 높이기 위해 바람직하다. 만약 상기의 비가 위에서 언급한 범위를 벗어나는 경우에는, 막대모양 모재를 다루기 더 어려울 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 막대모양 모재는 코어(core)와 코어로 둘러싸인 클래딩(cladding)을 포함하며, 클래딩의 회절률이 코어의 회절률보다 더 낮다.
또한, 본 발명은 한쪽 말단에 콘 형상의 형태를 가진 막대모양 모재, 특히 전술한 바와 같은 막대모양 모재의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법이다.
i) 막대모양 모재를 회전시키면서 가열 영역에서 막대모양 모재의 한쪽 말단을 가열하는 단계;
ii) 상기 말단 부분을 콘 형상의 형태로 만들기 위하여, 상기 i)단계에서 가열된 말단에 장력을 가하는 단계;
iii) 상기 말단이 상기의 콘 형상의 형태를 가질 때까지, 상기 막대모양 모재의 말단의 길이를 따라 가열 영역을 움직이는 단계; 및
iv) 한쪽 말단에 상기의 콘 형상의 형태를 포함하는, 상기 iii) 단계에 의해 얻어진 막대모양 모재를 냉각하는 단계.
상기의 i) 단계에서의 가열은, 모재의 말단부를 대칭적으로 둘러싸고 있는 플라즈마와 접촉하게 함으로써 이루어질 수 있으며, 이때, 플라즈마는 플라즈마 생성 장치를 이용하여, 막대모양 모재의 바깥부에서 플라즈마 가스로 발생된다.
플라즈마의 흐름 방향은 막대모양 모재의 축과 90°의 각을 포함하는 것이 바람직하며, 이때, 플라즈마는, 특히, 산소 플라즈마(oxygen plasma) 또는 산소분위기의 플라즈마(oxygenous plasma)이다.
막대모양 모재의 말단부에 콘 형상의 형태의 제공은, 플라즈마 불꽃(화염)에 의해 바람직하게 이루어질 수 있다. 특히, 큰 직경을 갖는 막대모양 모재가 사용되는 경우, 특히, 1000 ㎟ 이상의 단면적을 가진 모재의 경우, 플라즈마 불꽃이 적합하다. 플라즈마 불꽃은 약 10,000 K 정도의 온도를 가진 것으로 알려져 있고, 막대모양 모재에서의 적절한 침투 깊이가 얻어져, 막대모양 모재의 모든 단면적에 걸쳐 연화가 이루어진다. 게다가, 상기의 플라즈마에 요구되어지는 가스는 대기압에서 공급되어지기 때문에, 플라즈마 불꽃은 어떠한 추력(thrust)도 거의 나타내지 않는다. 낮은 추력은 콘 형상의 형태가 불리하게 영향받지 않도록 하는 잇점이 있다. 산소 플라즈마 또는 산소분위기의 플라즈마를 사용하는 경우에는, 석영이 산화 환경으로 인하여 높은 온도에서 연소되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 그것에 의해 플라즈마 불꽃의 바람직하지 않은 냉각이 발생하지 않는다.
또 다른 실시예에 있어서, i) 단계의 가열은 막대모양 모재를 수소/산소 불꽃과 접촉시킴으로써 이루어질 수도 있으며, 이때, 특히 수소/산소 불꽃에 과량의 산소가 공급된다.
이러한 실시예는 상대적으로 작은 단면적을 가진 막대 모양 모재를 위해 사용될 수 있다. 1000 ㎡의 유리 단면적을 가진 막대모양 모재에 있어서, 모재의 연화된 말단부는 다소 수소/산소 불꽃의 추력에 민감하므로, 특히, 회전 상태에서의 상기 가열은 정확하게 이루어져야 한다.
또한, 본 발명은, 막대모양 모재의 한쪽 말단을 가열 처리한 후, 막대 모양 모재의 연화된 한쪽 말단을, 그로부터 광섬유를 연신하기 위하여 장력을 가하는 것으로, 본 발명의 막대모양 모재를 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 방법에 따라 얻어지는 광섬유에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에서 요구되는 막대모양 모재의 파라미터를 도시한 도면.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에서 요구되는 막대모양 모재의 파라미터를 도시하고 있다. 도면에서 LR은 막대모양 모재의 길이를 나타낸다. 막대모양 모재의 말단을 회전시키고 장력을 가하면서, 가열 영역에서 가열하기 때문에, 가열된 말단은 콘 형상의 형태를 가진 말단으로 변형되며, 이때, LC는 콘의 길이를 나타낸다. 막대모양 모재의 직경은 D로 나타나있다. 도면에서, 콘 절반 길이에서의 막대모양 모재의 직경은 d1/2로 나타내었으며, 콘 말단에서의 막대모양 모재의 직경은 d0으로 나타내었다. 도면에서, d0에 위치하는 구면의 말단은 본 발명에서 중요한 것은 아니다.
도면에서 보여지는 막대 모양 모재는, 광 섬유 형성을 위한 연신 공정을 아직 거친 것이 아니며, 콘 형상의 형태가 제공된 모재는 후속의 광섬유의 생산에 적합한 것으로, 광섬유는 d0에서 형성되어질 것이다.

Claims (11)

  1. 막대모양 모재의 한쪽 말단이 콘 형상의 형태를 가지며, 상기 콘 형상의 형태는 다음과 같은 식에 대응되는 것을 특징으로 하는, 광섬유 제조를 위한 막대모양 모재.
    D/d0 = 2-25, D/d1/2 = 1.2-5, Lc/D = 0.8-3.5 및 D 〉d1/2 〉 d0
    이때, L c = 콘의 길이 (mm)
    D = 막대 모양 모재의 직경 (mm)
    d0 = 콘 말단에서의 막대모양 모재의 직경(mm)
    d1/2 = 콘 절반 길이에서의 막대모양 모재의 직경(mm)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 콘 형상의 형태는 다음과 같은 식에 대응되는 것을 특징으로 하는 막대모양 모재.
    LR / LC = 〉4,
    이때, LR = 막대 모양 모재의 길이 (mm).
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 막대모양 모재는 코어와 코어를 둘러싸고 있는 클래딩을 포함하고 있으며, 상기 클래딩의 회절률이 상기 코어의 회절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 막대모양 모재.
  4. 한쪽 말단에 콘 형상의 형태를 가진, 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 막대모양 모재의 제조 방법에 있어서,
    i) 막대모양 모재를 회전시키면서 가열 영역에서 막대모양 모재의 한쪽 말단을 가열하는 단계;
    ii) 상기 말단 부분을 콘 형상의 형태로 만들기 위하여, 상기 i)단계에서 가열된 말단에 장력을 가하는 단계;
    iii) 상기 말단이 상기의 콘 형상의 형태를 가질 때까지 상기 막대모양 모재의 말단의 길이를 따라 가열 영역을 움직이는 단계; 및
    iv) 한쪽 말단에 상기의 콘 형상의 형태를 포함하는, 상기 iii) 단계에 의해 얻어진 막대모양 모재를 냉각하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 막대모양 모재의 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 i) 단계에서의 가열은, 막대모양 모재의 말단부를 대칭적으로 둘러싸고 있는 플라즈마와 접촉하게 함으로써 이루어지며, 상기 플라즈마는, 플라즈마 생성 장치를 이용하여 막대모양 모재의 바깥부에서 플라즈마 가스로 발생되어 지는 것을 특징으로 하는 막대모양 모재의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 플라즈마의 흐름 방향은 막대모양 모재의 축과의 90°의 각을 포함하는 것을 특징으로 하는 막대모양 모재의 제조 방법.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 플라즈마는, 산소 플라즈마 또는 산소분위기의 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 막대모양 모재의 제조 방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 i) 단계의 가열은, 막대모양 모재를 수소/산소 불꽃과 접촉함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 막대모양 모재의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 수소/산소 불꽃에 과량의 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 막대모양 모재의 제조 방법.
  10. 막대모양 모재의 한쪽 말단을 가열 처리하는 단계와;
    가열처리 이후, 막대 모양 모재의 연화된 한쪽 말단을, 그로부터 광섬유를 연신하기 위하여 장력을 가하는 단계를 포함하고,
    제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 막대모양 모재를 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 제조 방법.
  11. 제 10항에 의한 방법에 따라 얻어진 광섬유.
KR1020027010497A 2000-02-14 2001-02-08 광섬유 제조를 위한 막대모양 모재와 이의 제조방법 KR100730639B1 (ko)

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