KR100746793B1 - 발열체의 산화방지를 위한 장치 - Google Patents

발열체의 산화방지를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

발명은 발열체의 산화방지를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 광섬유 제조 공정에서 발생하는 가스가 발열체에 접근하는 것을 차단하여 발열체의 산화를 방지하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발열체 산화방지장치는 광섬유 제조 장치의 열원으로 사용되는 전기로에 구비된 발열체의 산화를 방지하기 위한 장치에 있어서, 상기 발열체의 단부에 구비되어 전기로 내부에서 발생되는 반응 가스를 흡입하여 외부로 배출하는 가스 흡입장치; 상기 발열체와 가스흡입장치의 사이에 구비되는 가스 인입로; 및 상기 가스 인입로를 통해 광섬유 모재와 발열체의 사이 공간으로 퍼징 가스(purging gas)를 분사하는 가스 분사장치;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 발열체를 외부로부터 유입되는 산소에 노출되지 않도록 하여 발열체의 산화를 방지할 수 있고, 전기로 내부에서 발생하는 산화물 입자를 제거할 수 있다.
전기로, furnace, 발열체, 산화, 산화물, 방지, 유체막

Description

발열체의 산화방지를 위한 장치{Apparatus for preventing furnace element from destructive oxidation and Method thereof}
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 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 발열체의 산화 방지를 위한 퍼징장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열체 산화방지장치의 단면도이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
21...발열체 22...가스 흡입장치
23...가스 인입로 24...가스 분사장치
25...가스 배출 유로 26...차단막
30...파워 플렌지 100...석영관
101...산화물 입자
본 발명은 발열체의 산화방지를 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 광섬유 제조 공정에서 모재 표면에서 발생된 산화물이나 이물질이 발열체에 접근하는 것을 차단하여 발열체의 산화를 방지하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유의 제조는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition), OVD(Outside Vapor Deposition), VAD(Vapor-phase Axial Deposition), RIT(Rod In Tube) 등의 공법을 이용하여 광섬유 모재를 제조하고, 제조된 광섬유 모재를 인발하여 광섬유 소선(素線)을 제조하는 과정을 포함한다.
이와 같은 광섬유 모재 및 광섬유 소선의 제조 공정에는 고온의 열원이 필요하다. 상기 고온의 열원은 SiCl4나 GeCl4와 같은 할라이드 가스를 열산화시키거나, 광섬유 모재를 인발하는 과정 등에 사용된다. 상기 열원의 종류로는 H2/O2 화염토치, 플라즈마 토치, 전기로(electric furnace) 등이 있다.
상기 전기로는 전기 저항을 이용한 저항 발열 방식과, 유도 가열을 이용한 유도 가열방식이 있다. 상기 두 가지 방식의 전기로는 흑연(graphite)과 같은 탄소계 발열체를 구비한다. 상기 전기로는 특정 파장에서 광섬유의 광손실을 증가시키는 OH-가 발생되지 않고, 축대칭 열원으로 제조될 수 있기 때문에 광섬유의 대칭성에 유리하여 광섬유의 품질 측면에서 다른 열원에 비하여 우수하다.
그러나, 상기 흑연 발열체는 고온 상태에서 외부 공기(산소)가 유입될 경우 에 다음의 화학식 1에 의하여 산화되는 문제점이 있다.
C(s)+O2(g) -> CO2(g)
즉, 산화로 인하여 흑연 발열체의 붕괴(destruction)가 가속화되고 종국에는 발열체가 파손되기도 한다. 또한, 발열체가 파손되어 온도제어가 제대로 되지 않을 경우 광섬유의 물성이 변하게 되는 문제점도 발생한다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 도 1에 나타난 바와 같이, 발열체(10)에 구비된 분사구(11)를 통해 불활성 가스(12)를 퍼징하여 외부 공기가 발열체(10) 내부(16)로 침투하지 못하도록 하는 방법이 제안되었다(미국특허공보 US 6,487,880 및 US 4,608,070 참조).
그러나, 상기 방법은 외부로부터 유입되는 산소를 차단할 수는 있으나, 석영관의 표면온도가 1800˚C 이상의 고온으로 가열될 경우, 하기 화학식 2에 의해 발생된 산소에 의해 흑연 발열체가 산화되는 것을 방지하는데 한계가 있다.
SiO2(s) -> Si(g) + O2(g)
특히, MCVD공정 중 모재 제조를 위한 최종단계 즉, 붕괴 및 클로즈 공정시에는 공정온도가 2000˚C 이상으로 유지되므로 석영관 표면의 SiO2 증발이 가속된다. 이에 따라, 광섬유 모재 제조장치 내부의 산소량은 더욱 증가하고, 발열체의 산화가 더욱 심각하게 발생한다.
발열체의 산화로 탄소계 산화물의 입자가 다량으로 생성되면, 열 영동(thermophoresis) 현상에 의해 상기 산화물 입자는 석영관 가열구간의 중심부분보다 상대적으로 온도가 낮은 바깥부분에 집중적으로 부착된다. 산화물 입자가 석영관에 부착될 경우, 광섬유의 산란 손실이 증가될 뿐만 아니라, 광섬유 모재의 인선공정에서 광섬유가 단선되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유 제조 공정에서 사용되는 전기로 발열체의 산화를 방지하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발열체 산화방지장치는 광섬유 제조 장치의 열원으로 사용되는 전기로에 구비된 발열체의 산화를 방지하기 위한 장치에 있어서, 상기 발열체의 단부에 구비되어 전기로 내부에서 발생되는 반응 가스를 흡입하여 외부로 배출하는 가스 흡입장치; 상기 발열체와 가스흡입장치의 사이에 구비되는 가스 인입로; 및 상기 가스 인입로를 통해 광섬유 모재와 발열체의 사이 공간으로 퍼징 가스(purging gas)를 분사하는 가스 분사장치;를 포함한다.
상기 퍼징 가스는 불활성 가스인 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 발열체는 그라파이트(graphite) 재질로 구성된다.
상기 흡입장치는 가스 배출 유로를 더 포함한다.
상기 가스 인입로와 가스 흡입장치 사이에는 차단막이 더 구비되며, 상기 차단막과 발열체가 형성하는 내각(θ)은 0~90˚이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 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 따른 발열체 산화방지장치의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발열체 산화방지장치는 발열체(21), 발열체(21)의 단부에 구비되는 가스 흡입장치(22), 발열체(21)와 가스흡입장치(22)의 사이에 형성되는 가스 인입로(23), 및 가스 인입로(23)에 퍼징 가스(purging gas)를 분사하는 가스 분사장치(24)를 구비한다.
발열체(21)는 전기 저항을 이용하는 전기저항 발열 방식의 전기로, 또는 유도 가열을 이용하는 유도가열 방식의 전기로이다.
발열체(21)는 파워 플랜지(30)를 통해 전류를 인가받아 발열됨으로써 상기 전기로 내부의 온도를 약 1800 내지 2100℃로 유지한다. 이때, 발열체(21)는 열이 외부로 전달되는 것을 방지하기 위해 열 전도도가 낮고 고온에서 사용할 수 있는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 파워 플랜지(30)는 발열체(21)의 양단에 설치되고, 외부의 전원 공급원(미도시)으로부터 전기를 공급받아 발열체(21)를 발열시킨다. 파워 플랜지(30)는 전기 전도율과 냉각 효율이 좋은 금속, 예컨대 구리(Cu)로 이루어진 것이 바람직하다.
한편, 발열체(21)의 단부, 즉, 발열체(21)와 가스 흡입장치(22)의 사이에는 복수의 가스 인입로(23)가 발열체(21)의 외주면을 따라 구비된다.
가스 인입로(23)에는 가스 분사장치(24)가 연결된다. 가스 분사장치(24)는 가스 인입로(23)를 통해 Ar, He, N2등의 불활성 가스를 발열체(21)와 석영관(100) 사이의 내측 공간으로 주입/분사한다. 분사된 불활성 가스는 발열체(21) 표면을 따라 유동하며 발열체(21)의 표면에 유체막을 형성한다. 상기 유체막은 불순물 가스 입자로부터 발열체(21)의 표면을 보호한다. 즉, 발열체(21)의 표면을 따라서 퍼징 가스가 유동함으로써, 그 표면에 유체막이 형성되고 이에 따라 SiO2가스상 물질(SiO2(g)), 탄소(C), 탄화규소(SiC) 등의 물질이 발열체(21) 표면에 점착되어 발열체가 산화 또는 오염되는 것을 방지한다.
한편, 광섬유 인선 공정이 진행되는 동안 석영관(100)의 가열로 인하여 발생되는 가스, 예컨대 O2(g)가 발열체(21)를 산화시킨다. 이로 인하여 전기로 내부에는 산화물 입자(101)가 발생되는데, 가스 흡입장치(22)는 상기 산화물 입자(101)를 효 과적으로 제거하기 위하여 구비된다. 이때, 산화물 입자(101)는 열 영동(thermophoresis) 현상에 의해 석영관 가열구간 내에서 상대적으로 온도가 낮은 부분에 집중된다. 따라서, 가스 흡입장치(22)는 온도가 상대적으로 낮은 부분 예컨대, 발열체(21)의 단부에 설치될 수 있다. 발열체(21)의 단부에 가스 인입로(23)가 구비될 경우, 가스 흡입장치(22)는 발열체(21)의 단부로부터 가스 인입로(23)가 구비되는 공간만큼 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 가스 흡입장치(22)는 가스 배출 유로(25)를 구비하며, 흡입된 가스를 가스 배출 유로(25)를 통해 배출한다.
한편, 발열체(21)의 단부에 가스 인입로(23)와 가스 흡입장치(22)가 순차적으로 구비될 경우, 가스 인입로(23)를 통해 인입되는 퍼징가스가 가스 흡입장치(22)에 직접적으로 흡입될 수 있다. 따라서, 가스 인입로(23)와 가스 흡입장치(22) 사이에는 퍼징가스가 가스 흡입장치(22)로 흡입되는 것을 방지하기 위한 차단막(26)이 구비될 수 있다.
가스 인입로(23)를 통해 인입되는 퍼징가스를 발열체의 표면으로 유도하기 위하여 차단막(26)과 발열체(21)가 형성하는 내각(θ)은 90˚이내인 것이 바람직하다.
이하, 전술한 구성요소를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발열체의 산화 방지장치의 동작을 설명한다.
우선, 클래드/코아 층을 형성하기 위하여 전기로 내부를 통과하는 석영관 (100)에 광섬유 원료(SiCl4, GeCl4, POCl3, O2, He 등)를 투입한다. 다음으로, 파워 플랜지(30)에 소정의 전력을 투입하여 발열체(21)를 발열시켜, 석영관(100) 내부의 광섬유 원료를 석영관(100) 내면에 증착시킨다. 상기 과정(증착 과정)에서, 상기 석영관(100)의 온도를 1800˚C이상으로 유지한다. 석영관 내면에 증착이 완료되면, 석영관(100)의 온도를 2000˚C이상으로 가열하고, 붕괴(Collapse)과정을 거쳐 광섬유 모재를 제조한다.
광섬유 모재를 제조하는 과정에서, 전기로 외부로부터 유입되는 산소가 발열체(21)를 산화시키는 것을 방지하기 위하여 가스 분사장치(24)를 이용하여 가스 인입로(23)에 퍼징 가스를 분사한다. 상기 퍼징 가스는 발열체(21) 표면에 유체막을 형성하여 산소가 발열체(21)의 표면에 증착되는 것을 방지한다.
한편, 석영관(100)의 표면이 고온으로 가열됨에 따라, 석영관(100) 표면에서 증발된 SiO2가 분해되어 산소가 발생한다. 발생된 산소는 발열체(21)에 부착되어 발열체(21)의 산화를 초래한다. 이로 인하여, 전기로 내부에 산화물 입자(101)가 발생되는데, 산화물 입자(101)는 전기로 내에서 상대적으로 온도가 낮은 부분의 석영관(100) 표면에 집중되어 부착된다. 이때, 발열체(21)의 단부에 구비되는 가스 흡입장치(22)를 통해 상대적으로 온도가 낮은 부분으로 이동하는 산화물 입자(101)를 흡입하여 제거한다. 이로 인하여, 산화물 입자(101)가 석영관 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 가스 흡입장치(22)와 가스 인입로(23) 사이에는 설치된 차단막(26)은, 가스 인입로(23)를 통해 분출되는 퍼징가스가 직접적으로 가스 흡입장치(22)로 흡입되지 않고 발열체(21)의 표면으로 이동하도록 유도한다.
이상에서 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.
본 발명에 따르면, 전기로의 발열체가 외부로부터 유입되는 산소에 노출되지 않도록 하여 발열체의 산화를 방지할 수 있다.
또한, 전기로 내부에서 발생하는 산화물 입자를 제거하여 산화물 입자가 석영관 표면에 증착되는 것을 방지함으로써 광 섬유의 불량을 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 광섬유 제조 장치의 열원으로 사용되는 전기로에 구비된 발열체의 산화를 방지하기 위한 장치에 있어서,
    상기 발열체의 단부에 구비되어 전기로 내부에서 발생되는 반응 가스를 흡입하여 외부로 배출하는 가스 흡입장치;
    상기 발열체와 가스흡입장치의 사이에 구비되는 가스 인입로; 및
    상기 가스 인입로를 통해 광섬유 모재와 발열체의 사이 공간으로 퍼징 가스(purging gas)를 분사하는 가스 분사장치;를 포함하는 발열체의 산화방지를 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 퍼징 가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 발열체의 산화방지를 위한 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 흡입장치는 가스 배출 유로와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 발열체의 산화방지를 위한 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발열체는, 그라파이트(graphite) 재질인 것을 특징으로 하는 발열체의 산화방지를 위한 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가스 인입로와 가스 흡입장치 사이에 구비되어 퍼징 가스가 가스 흡입장치로 유동하는 것을 차단하는 차단막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체의 산화방지를 위한 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 차단막과 발열체가 형성하는 내각(θ)은 0~90˚인 것을 특징으로 하는 발열체의 산화방지를 위한 장치.
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