KR100800813B1 - 광섬유 모재의 제조 방법, 이 방법에 의해 제조된 광섬유모재 및 광섬유 - Google Patents

광섬유 모재의 제조 방법, 이 방법에 의해 제조된 광섬유모재 및 광섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 모재의 제조 방법, 이 방법에 의해 제조된 광섬유 모재 및 광섬유를 개시한다. 본 발명에 따른 광섬유 모재의 제조 방법은, 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition : MCVD) 공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서, (A) 공정 진행 방향으로 이송되는 열원에 의해 외주면이 1700 내지 2500℃로 가열되는 모재 튜브의 내부로 클래드층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스의 혼합 가스를 주입하여 클래드층을 형성하는 단위 공정을 반복적으로 수행함으로써 클래드층을 소정 두께로 형성하는 단계; 및 (B) 공정 진행 방향으로 이송되는 열원에 의해 외주면이 1700 내지 2500℃로 가열되는, 클래드층이 형성된 모재 튜브의 내부로 코어층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스의 혼합 가스를 주입하여 코어층을 형성하는 단위 공정을 반복적으로 수행함으로써 코어층을 소정 두께로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
광섬유, 모재, 수정화학기상증착, 수산화기, 손실

Description

광섬유 모재의 제조 방법, 이 방법에 의해 제조된 광섬유 모재 및 광섬유{Method of manufacturing optical fiber preform, Optical fiber preform and Optical fiber manufactured using the same}
도 1은 종래 기술에 따른 수정화학기상증착 공법을 이용한 증착 공정의 흐름을 도시한 흐름도.
도 2는 종래 기술에 따른 광섬유를 도시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 클래드층 형성 과정을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코어층을 형성하는 과정을 설명하는 도면.
도 5은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유와 기존 광섬유의 손실을 비교 도시하는 그래프.
본 발명은 광섬유 모재의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 증착 공정시 증착층 형성 가스에 염소(Cl2) 가스를 포함시켜 모재 튜브에 투입함으로써, 증착 공정시 발생되는 수산화기의 확산을 방지하는 광섬유 모재의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유는 빛을 전송하는 내부의 코어(Core)와 코어에서 빛의 전반사가 이루어지도록 굴절율을 달리한 클래드(Clade)로 구성된다. 여기서, 코어 및 클래드의 직경은 광섬유의 광특성을 결정한다. 이때, 클래드의 굴절율은 광 도파로(Optical Waveguide)를 형성하기 위하여 코어의 굴절율보다 작아야 한다. 또한, 클래드 외부에 유리를 입히는 것은 보호와 결합(Joining)을 위한 표준 광섬유의 크기를 형성시키기 위함이다.
광섬유는 광섬유 모재(Optical Fiber Preform)를 소정 외경의 가는 가닥으로 인발하여 제조한다.
광섬유 모재를 제조하는 종래의 방법 중 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition, 이하 MCVD라 칭함) 공법이 있다. MCVD 공법은 통상적으로 원료 가스를 산소 가스와 함께 보내면서 열원을 이용해 석영관의 외측을 가열하고 내측에 유리막을 레이어 단위로 반복적으로 퇴적시킨 후 중실화(中實化)하여 모재를 제조하는 방법이며, 이와 같이 제조된 모재를 복수의 가닥으로 인발한 것이 광섬유이다.
이러한 종래의 MCVD 공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법에서 증착 공정은 SiCl4, GeCl4, POCl3 및 O2 등의 증착층 형성 가스를 석영관 내부로 인입시키고, 고온의 열원으로 석영관의 외측면을 가열하여 인입된 증착층 형성 가스가 산화 반응을 거쳐 유리 입자를 생성시키는 단계, 상기 생성된 유리 입자가 열영동 현상에 의해 석영관 내부로 증착된 후 고온의 열원에 의해 유리화되는 단계를 포함한다. 그런데, MCVD 공정을 통해 제조된 광섬유의 경우 수산화기(OH-)에 의한 광손실이 문제가 된다.
전술한 수산화기에 의한 손실 증가를 방지하기 위해 대한민국 공개특허공보 제2005-53475호(저 수산기 함유 광섬유 모재 및 광섬유의 제조 방법 및 장치)에는 MCVD 공법을 이용하면서 중수 가스를 공급함으로써 수산기를 제거할 수 있는 광섬유 모재의 제조 방법이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제2003-21823호(광섬유 모재와 그 제조 방법)에는 클래드층을 다층으로 형성하여 수산기를 제거할 수 있는 광섬유 모재의 제조 방법이 개시되어 있다.
상기 '53475호의 공개특허에 따른 광섬유 모재의 제조 방법을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열원의 온도를 유리 입자 생성반응이 가능할 정도의 온도 예컨데, 900 내지 1200℃ 로 유지하고, 열원을 석영관의 길이 방향을 따라 서서히 이동시켜 석영관 외측면을 가열하면서 SiCl4, GeCl4, POCl3 및 O2 등을 석영관 내부로 주입시켜 다공질의 클래드 증착층을 형성한다(S1). 다음으로, 열원을 이용해 석영관의 길이 방향으로 다시 한번 가열하면서 상기 석영관 내부로 염소(Cl2) 가스를 포함하는 탈수 반응가스를 주입하여 증착된 클래드층의 수산화기(OH-)를 제 거하면서 동시에 다공질의 클래드 증착층을 소결한다(S2). 이후, 동일한 공정 조건 상에서 상기 클래드층 상에 다공질의 코어 증착층을 형성하고(S3), 상기 형성된 코어층의 내부에 포함된 수산화기를 제거하면서 동시에 다공질의 코어층을 소결한다(S4).
그러나, 상기 '53475호의 공개특허에 따른 광섬유 모재의 제조 방법은 기존의 단일 공정의 증착층 형성 공정에 탈수 공정(S2, S4)이 포함되어 공정이 늘어남으로써, 상기 광섬유 모재를 제작하는 시간이 증가할 뿐만아니라, 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 '21823호의 공개특허에 따른 광섬유 모재의 제조 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 '21823호의 공개특허는, MCVD 공정에서 수산화기(OH-)에 의한 광 손실을 개선하기 위한 방안으로 상기 수산화기의 확산 거리를 길게한다. 구체적으로는, 클래드층의 외측 직경(D)와 코어의 직경(d)의 D/d 값이 2.0 이상이 되도록 형성하되, 상기 클래드층을 다층으로 형성한다.
그러나, 상기 '21823호의 공개특허에 따른 광섬유 모재의 제조 방법은 상기 D/d 값을 증가시키기 위한 공정 시간의 증대로 생산성이 감소되며, 실제로는 증착층 내부의 수산화기에 의한 손실을 저하시키지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 수정화학기상증착 공법을 이용한 증착 공정에서 증착층 형성 가스의 주입과 동시에 염소 가 스를 주입함으로써, 추가적인 탈수 공정없이 수산화기(OH-)를 효과적으로 제거할 수 있는 광섬유 모재의 제조 방법, 이 방법에 의해 제조된 광섬유 모재 및 광섬유를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 모재의 제조 방법은, 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition : MCVD) 공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서, (A) 공정 진행 방향으로 이송되는 열원에 의해 외주면이 1700 내지 2500℃로 가열되는 모재 튜브의 내부로 클래드층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스의 혼합 가스를 주입하여 클래드층을 형성하는 단위 공정을 반복적으로 수행함으로써 클래드층을 소정 두께로 형성하는 단계; 및 (B) 공정 진행 방향으로 이송되는 열원에 의해 외주면이 1700 내지 2500℃로 가열되는, 상기 클래드층이 형성된 모재 튜브의 내부로 코어층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스의 혼합 가스를 주입하여 코어층을 형성하는 단위 공정을 반복적으로 수행함으로써 코어층을 소정 두께로 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 열원은 100 내지 250mm/mim 의 이동 속도로 왕복 운동한다.
본 발명에 따르면, 상기 염소(Cl2) 가스의 주입량은 혼합 가스 주입량 대비 0.5 내지 20 sscm% 범위를 만족한다.
바람직하게, 상기 수산화기(OH-)와 상기 석영관 내부로 혼합 가스와 동시에 주입되는 염소(Cl2) 가스는 2OH + Cl2 → 2HCl + O2 의 반응식을 만족한다.
본 발명은 상술한 제조 방법에 의해 제조되는 광섬유 모재 및 그 모재를 이용하여 제조된 광섬유를 제공한다.
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 아니 되며, 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. 따러서, 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.
본 발명에 따른 광섬유 모재는 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition, 이하 MCVD 라 칭함) 공법을 이용하여 제조한다.
여기서, 상기 광섬유 모재를 제작하기 위한 모재 튜브로는 고순도 석영관을 사용한다. 상기 모재 튜브는 고순도 석영재인 이산화규소(SiO2) 재질이며, 후술하는 증착층의 기계적 강도를 보강하고, 수분 및 부식을 방지한다. 이때, 상기 모재 튜브는 상기 증착층에 비해 낮은 매질을 구비함은 자명하다.
전술한 상기 모재 튜브 내측 표면상에 클래드층 및 코어층을 순차적으로 형 성시키는 증착 공정을 실시하는데, 도 3 및 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 클래드층(20)의 형성은 회전하는 모재 튜브(30)의 외주면에 열원(40) 예컨데, 토치를 이용하여 화염을 분사시키면서 모재 튜브(30)의 길이 방향, 즉 공정 진행 방향으로 열원(40)을 서서히 이동시키고, 동시에 상기 모재 튜브(30) 내로 증착층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스를 함께 주입한다. 이때, 상기 열원(40)의 온도는 1700 내지 2500℃ 범위의 온도를 유지되고, 왕복 이동 속도는 100 내지 250mm/min 범위로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 클래드층(20)의 형성은 열원(40)에 의해 소정 온도 범위로 유지되는 모재 튜브(30)의 내부로 클래드층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스가 소정 비율로 혼합된 혼합 가스를 유입시킨다. 여기서, 상기 모재 튜브(30)의 내부 온도는 1600 내지 2400℃의 범위가 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 염소 가스의 유입 비율은 전체 혼합 가스 비율의 5 내지 20 sccm% 범위를 만족하나 이에 한정되지 않는다. 예컨데, 상기 염소 가스의 유입 비율을 공정 조건에 따라 0.5 내지 20 sccm% 범위로 할 수 있다.
여기서, 상기 클래드층 형성 가스(SiCl4, GeCl4, POCl3, BBr3, BCl3, CCl2F2 및 O2)는 열영동 현상에 의해 열원(40) 전방에 있는 모재 튜브(30)의 내부 표면상에 증착되어 SiO2 및 GeO2 인 수트 입자(21)로 퇴적되고, 상기 퇴적된 수트 입자(21)는 곧 바로 접근하는 열원(40)에 의해 소결 및 유리화되어 소결층 즉, 클래드층(20)으 로 형성된다.
이때, 상기 클래드층 형성 가스와 동시에 주입된 염소 가스는 퇴적된 클래드층 내에 수분이나 수산화기(OH-)가 유입되는 것을 방지한다. 구체적으로 설명하면, 상기 수산화기(OH-)와 상기 모재 튜브(30) 내부로 클래드층 형성 가스와 동시에 주입되는 염소 가스는 하기의 반응식 1에 따라 수산화기(OH-)가 클래드층(20) 영역으로 확산 및 침투되는 것을 방지한다.
2OH + Cl2 → 2HCl + O2
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 수산화기(OH-)가 클래드층(20) 영역에 증착된 P2O5 , GeO2 또는 SiO2 와 결합하여 P-O-H, Ge-O-H 또는 Si-O-H 본드 결합을 형성할 수 없도록, 상기 수산화기(OH-)가 염소 가스와 화학적으로 결합되는 화학 반응에 의해 제거된다.
위와 같은 공정에 의해 한개층의 클래드층이 완성되며, 클래드층 형성 공정은 클래드층의 두께가 소망하는 두께가 될 때까지 반복적으로 이루어진다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 내주면상에 클래드층(20)이 형성된 상기 모재 튜브(30)의 외주면을 100 내지 250mm/min 범위의 이동 속도로 이동하면서 1700 내지 2500℃ 범위의 온도 조건을 제공하는 열원(40)을 공정 진행을 따라 서서히 이동시키면서 상기 모재 튜브(30)를 가열한다. 동시에, 모재 튜브(30) 내로 코어층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스를 소정 비율로 혼합하여 함께 주입한다.
이때, 상기 열원(40)은 모재 튜브(30)의 길이 방향을 따라 왕복 이동하면서 상기 모재 튜브(30) 내의 온도를 일정하게 유지시키며, 상기 모재 튜브(30) 내로 코어층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스를 주입한다.
이때, 염소 가스의 유입 비율은 전체 혼합 가스의 5 내지 20 sccm% 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 코어층 형성 가스는 산화 반응에 의해 미세한 수트 입자로 변환된 후 열영동 현상에 의해 열원(40) 전방에 있는 모재 튜브(30)의 내부 표면상에 다공질 퇴적층을 형성한다. 그리고, 퇴적된 수트 입자(11)는 곧 바로 이어서 접근하는 열원(40)에 의해 소결 및 유리화되어 코어층(10)이 된다.
이때, 상기 코어층 형성 가스와 동시에 주입된 염소 가스는 다공질의 퇴적층 내에 수분이나 수산화기(OH-)가 침투되는 것을 방지한다. 즉, 모재 튜브(30) 내부로 코어층 형성 가스와 동시에 주입된 염소 가스는 상기 반응식 1에 따라 수산화기(OH-)가 코어층(20) 영역으로 확산 및 침투되는 것을 방지한다.
위와 같은 공정에 의해 한개층의 코어층이 완성되며, 코어층 형성 공정은 코어층의 두께가 소망하는 두께가 될 때까지 반복적으로 이루어진다. 코어층의 형성이 완료되면, 내부에 중공이 있는 1차 광섬유 모재의 제조가 완료된다.
상기 광섬유 모재의 제조 이후, 상기 코어층(10) 및 클래드층(20)이 형성된 모재 튜브(30)의 중공을 제거하기 위한 콜랩스(Collapse) 공정과 인발(Drawing) 공정을 실시하면, 광섬유의 제조가 완료된다.
또한, 상기 인발 공정 이전에 상기 모재봉의 외경보다 큰 모재 튜브 내에 상기 모재봉을 삽입하여 고온에서 상기 모재 튜브를 붕괴시킴으로써 더욱 큰 직경의 모재봉으로 만드는 RIT(Rod In Tube) 공정을 실시할 수 있음은 물론이다.
전술한 공정에 의해 제조된 광섬유는 증착층 형성 과정에서 포함되는 염소의 함량이 높아짐에 따라 수산화기에 의한 손실 및 산란 손실에 따른 물리적 특성이 호전됨은 자명하다.
도 5은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유와 기존 광섬유의 손실을 비교 도시하는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 그래프의 X축은 제조된 광섬유의 파장 대역으로 단위는 나노미터(nm)이고, 상기 그래프의 Y축은 상기 광섬유의 전송 손실로 단위는 단위 길이당 데이벨(dB/Km)이다. 점선으로 표시된 'A'선은 기존 제조 방법에 따라 제조된 광섬유이고, 실선으로 표시된 'B'선은 본 발명에 따라 제조된 광섬유이다.
여기서, 상기 'A'선의 파장 대역 특성을 갖는 기존 광섬유는 1390nm 영역의 파장 대역에서 전송 손실이 상대적으로 크다. 한편, 상기 'B'선의 파장 대역 특성을 갖는 본 발명에 따른 광섬유는 상기 기존 광섬유에 비해 상대적으로 손실이 작다. 특히, 상기 1390nm 영역의 파장 대역에서 전송 손실이 작다. 이에 따라, 본 발명에 의해 제조된 광섬유는 기존 방법으로 제조된 광섬유에 비해 상대적으로 확장된 파장 대역 즉, 장파장 및 단파장의 광범위한 사용이 가능하다. 또한, 광섬유에 염소의 함량이 높아짐에 따라 광섬유의 Fictive Temperature를 감소시킴으로써, 산란 손실이 감소되어 수산화기 손실 이외의 기타 영역의 손실을 감소시킨다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 모재의 제조 방법은 증착 공정시 석영관 내부로 증착층 형성 가스와 염소 가스를 동시에 주입함으로써, 수산화기의 확산으로 인한 광손실을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 종래에 비해 제조 시간의 단축 및 공정의 단순화로 제품의 제조 효율 및 생산성을 증대시킬 수 있다.
아울러, 수소화합물의 확산으로 인한 손실 증가를 방지함으로써, 장파장 및 단파장에서의 손실을 감소시키는 저손실 및 고품질의 광섬유를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 수정화학기상증착(Modified Chemical Vapor Deposition : MCVD) 공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서,
    (A) 공정 진행 방향으로 이송되는 열원에 의해 외주면이 1700 내지 2500℃로 가열되는 모재 튜브의 내부로 클래드층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스의 혼합 가스를 주입하여 클래드층을 형성하는 단위 공정을 반복적으로 수행함으로써 클래드층을 소정 두께로 형성하는 단계; 및
    (B) 공정 진행 방향으로 이송되는 열원에 의해 외주면이 1700 내지 2500℃로 가열되는, 상기 클래드층이 형성된 모재 튜브의 내부로 코어층 형성 가스 및 염소(Cl2) 가스의 혼합 가스를 주입하여 코어층을 형성하는 단위 공정을 반복적으로 수행함으로써 코어층을 소정 두께로 형성하는 단계;를 포함하고,
    수산화기(OH-)와 상기 석영관 내부로 혼합 가스와 동시에 주입되는 염소(Cl2) 가스는 2OH + Cl2 → 2HCl + O2 의 반응식을 만족하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열원은 100 내지 250mm/mim 의 이동 속도로 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모재 튜브의 내부 온도는 1800 내지 2200℃ 인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 광섬유 모재.
  6. 제5항의 광섬유 모재를 이용하여 제조된 광섬유.
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