KR101190049B1 - 금속이 삽입된 유리 광섬유 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법은, 유리 파이프의 한쪽 끝 부분을 응축시키는 단계; 상기 유리 파이프의 다른쪽 끝 부분을 통해 상기 유리 파이프 내에 금속을 삽입하는 단계; 상기 유리 파이프 및 상기 금속을 가열하면서 상기 유리 파이프 내를 감압하여, 상기 유리 파이프 및 상기 금속을 일체화하여 광섬유로 연신하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이상과 같이 제조된 광섬유를 미리 설정된 형상으로 배열하여 재차 연신함으로써, 특정의 배열 구조를 갖는 유리 광섬유를 제조할 수도 있다.

Description

금속이 삽입된 유리 광섬유 및 그 제조 방법{GLASS OPTICAL FIBER WITH INSERTED METALLIC MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
실시예들은 금속이 삽입된 유리 광섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유리 섬유는, 원통형 유리 섬유의 단면에서 특정 영역에 종 방향으로 유리와 상이한 물질을 균일하게 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 유리 섬유의 제조 방법에는 여러가지가 있으나 대표적인 것으로 수정된 화학 기상 증착법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)을 들 수 있다. MCVD 방법을 이용하면, 유리 파이프 내부에 유리와 상이한 다른 물질의 미립자를 퇴적시키고, 유리 파이프를 고온에서 수축시키는 방식으로 내부에 특정 물질을 포함하는 유리 모재를 제작할 수 있다. 이러한 과정은 소위 외부 붙임법이라고 지칭된다. 이후 제작된 유리 모재를 다시 고온에서 연신함으로서 유리 섬유를 제조할 수 있으며, 이러한 과정은 소위 드로잉(drawing)법으로 지칭된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유리 파이프에 금속을 직접 삽입하고 이를 가열하여 연신함으로써, 유리 광섬유에 삽입된 특정 지름의 금속 막대를 가질 수 있으며 금속 막대를 주기적인 형상으로 배열하는 등 다양한 형태의 금속을 포함하는 금속이 삽입된 유리 광섬유 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법은, 제1 유리 파이프의 한쪽 끝 부분을 응축시키는 단계; 상기 제1 유리 파이프의 다른쪽 끝 부분을 통해 상기 제1 유리 파이프 내에 금속을 삽입하는 단계; 상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 가열하면서 상기 제1 유리 파이프 내를 감압하여, 상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 일체화하여 제1 광섬유로 연신하는 단계를 포함할 수 있다.
금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법은, 복수 개의 상기 제1 광섬유를 미리 설정된 형상으로 배열하여 제2 유리 파이프 내에 삽입하는 단계; 및 상기 제2 유리 파이프 및 복수 개의 상기 제1 광섬유를 가열하면서 상기 제2 유리 파이프 내를 감압하여, 상기 제2 유리 파이프 및 복수 개의 상기 제1 광섬유를 일체화하여 제2 광섬유로 연신하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유는, 유리를 포함하여 이루어지며 상기 유리에 삽입된 하나 이상의 금속 막대를 포함할 수 있다. 이때, 상기 유리 및 상기 금속 막대의 조성은 상기 유리 및 상기 금속 막대의 녹는점이 서로 근접하도록 결정될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유를 이용하면, 유리 광섬유 내에서 진행하는 빛과 유리 광섬유 내의 금속에서 발생되는 표면 플라즈몬(surface plasmon)의 상호 작용을 이용할 수 있다. 표면 플라즈몬을 이용하면 직접적으로는 금속 표면층의 적절한 변형을 통하여 다양한 생화학 물질들을 감지할 수 있으므로 고감도 생화학 센서로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 빛과의 상호작용을 적절히 활용하여 광소자 등으로 응용할 수도 있다. 따라서, 금속이 삽입된 유리 광섬유는 각종 광섬유 소자 및 센서, 또는 다른 여러 응용분야에서 기본 소재로 활용될 수 있어 가치 및 파급 효과가 크다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 2b는 실시예들에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 단면 사진들이다.
도 3은 일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 개략적인 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 6a 및 6b는 실시예들에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 개략적인 단면도들이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 금속(10) 및 내부에 개구가 형성된 유리 파이프(20)를 준비할 수 있다. 일 실시예에서, 금속(10)은 막대 형상일 수 있다. 또한, 금속(10)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 또는 다른 적당한 금속을 하나 이상 포함하여 이루어질 수 있다. 유리 파이프(20)는 모재인 유리 막대에 에칭(etching) 또는 드릴링(drilling) 등을 이용하여 금속(10)이 삽입될 수 있는 구멍을 가공하는 것에 의하여 형성될 수 있다.
유리 광섬유를 제조하기 위해, 유리 파이프(20)의 한쪽 끝 부분(210)을 응축시키고, 유리 파이프(20)의 다른 쪽 끝 부분을 통해 유리 파이프(20) 내에 금속(10)을 삽입할 수 있다. 유리 파이프(20)의 응축된 끝 부분(210)으로 인하여 금속(10)이 유리 파이프(20)로부터 유출되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 금속(10) 및 유리 파이프(20)를 가열하면서, 금속(10) 및 유리 파이프(20)를 유리 광섬유로 연신할 수 있다. 예컨대, 유리 파이프(20)는 응축된 끝 부분(210)을 시작으로 소정의 인수 장치(미도시)에 의하여 인수되어 하방으로 이동하면서 일련의 롤러(미도시) 사이를 통과함으로써 가늘게 만들어져 유리 광섬유로 연신될 수 있다. 또한 금속(10) 및 유리 파이프(20)를 가열하고 연신하는 동안에 유리 파이프(20) 내를 감압함으로써, 최종 제조된 유리 광섬유에서 유리 파이프(20)와 금속(10) 사이에 유격이 발생하지 않고 서로 밀착되도록 할 수 있다.
구체적인 연신 과정에 대해서는 본 발명의 기술 분야의 당업자들에게 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략한다.
일 실시예에서는, 제조된 유리 광섬유에서 내부의 금속(10)의 지름(R)이 특정 크기를 가질때까지 금속(10) 및 유리 파이프(20)를 가열하여 연신할 수 있다. 예컨대, 제조된 유리 광섬유에서 금속(10)의 지름(R)이 10 mm 이하가 될 때까지 금속(10) 및 유리 파이프(20)를 가열하여 연신할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상의 과정에 의하여 유리 광섬유를 제조하는 데에 있어서, 녹는점이 서로 상이한 유리 파이프(20)와 금속(10)을 유격 없이 일체화시켜 연신하는 것은 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해서는, 유리 파이프(20)의 두께, 이에 삽입될 금속(10)의 지름(R) 및 금속(10)이 삽입되는 위치 등 관련 변수를 적절히 선택할 수 있으며, 이를 통하여 유리 파이프(20) 내부에 삽입된 금속(10)이 실제로 얻는 열의 양을 조절할 수 있게 된다. 예를 들어, 유리 파이프(20)의 외경(D1)은 약 5 mm 내지 약 50 cm이며, 내경(D2)은 약 0.1 mm 내지 약 49 cm일 수 있다. 또한, 금속(10)의 지름(R)은 약 0.01 mm 내지 약 10 cm일 수 있다. 그러나, 전술한 수치는 단지 예시적인 것으로서 실시예들에 따른 금속(10) 및/또는 유리 파이프(20)의 형태는 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 금속(10)의 구성 물질을 적절히 선택하고, 또는/또한 유리 파이프(20)의 구성 물질인 유리에 불순물을 혼합하여 조성 비율을 변화시키는 등의 방법을 이용하여, 금속(10)의 녹는점과 유리 파이프(20)의 녹는점이 가능한 근접하도록 할 수 있다. 일 예로, 금속(10)의 녹는점은, 금속(10)의 종류에 따라, 금(Au)의 경우 약 1065℃, 백금(Pt)의 경우 약 1770℃, 은(Au)의 경우 약 961℃ 및 구리(Cu)의 경우 약 1084℃ 등일 수 있다. 한편, 유리 파이프(20)는 석영 또는 SiO2 등의 기본 물질에 Na2O, CaO, MgO, Al2O3 등의 첨가물이 한 종류 이상 포함되어 이루어질 수 있다. 이때, 이들 첨가물의 조성비를 적절히 조절함으로써, 유리 파이프(20)의 녹는점을 금속(10)과 근접하게 낮출 수 있다. 예를 들어, 유리 파이프(20)의 녹는점이 약 500℃ 내지 약 1800℃에서 다양한 값을 갖도록 첨가물의 조성을 결정할 수 있다.
도 2a 및 2b는 도 1을 참조하여 전술한 실시예에 따라 제조된 금속이 삽입된 유리 광섬유의 단면을 나타내는 사진들이다. 도 2a는 유리 광섬유 중심에 철(Fe)로 이루어진 금속 막대가 사용된 광섬유를 나타내며, 도 2b는 로서 은(Ag)으로 이루어진 금속 막대가 사용된 광섬유를 나타낸다. 각각의 금속을 유리 파이프의 중앙에 위치시키고 유리 파이프와 일체화시켜 연신함으로써 유리 광섬유가 제조되었다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 금속(10) 및 유리 파이프(20)를 가열 및 연신하여 제조된 유리 광섬유(1)를 하나 이상 준비할 수 있다. 각각의 유리 광섬유(1)는 도 1을 참조하여 전술한 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 하나 이상의 유리 광섬유(1)는 미리 설정된 형상으로 배열되어 유리 파이프(30) 내에 삽입될 수 있다. 예컨대, 복수 개의 유리 광섬유(1)를 육각형 형상 또는 다른 적절한 형상으로 주기적으로 쌓아서 그 다발을 유리 파이프(30) 내에 삽입할 수 있다. 또한, 유리 파이프(30)는 추가적인 유리 파이프(40) 내에 삽입될 수도 있다.
다음으로, 소정의 형상으로 배열된 유리 광섬유(1) 및 유리 파이프(30, 40)를 가열하면서 재차 연신하여 유리 광섬유를 제작할 수 있다. 그 결과 생성된 최종적인 유리 광섬유는, 개별 유리 광섬유(1)의 배열 형상에 따라 금속(10)이 특정 형태로 배열되어 구성될 수 있다. 구체적인 연신 과정에 대해서는 도 1을 참조하여 전술한 실시예로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
도 4는 도 3을 참조하여 전술한 실시예에 따라 제조된 금속이 삽입된 유리 광섬유의 개략적인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 유리 광섬유의 클래딩 영역(50)은 미리 설정된 형상으로 배열된 복수 개의 금속 막대(10)를 포함할 수 있다. 이때, 금속 막대(10)로 둘러싸인 육각형 형상의 중심 영역이 광섬유의 코어 영역(60)에 해당될 수 있다. 도 4에 도시된 유리 광섬유의 클래딩 영역(50)에서 복수 개의 금속 막대(10)는 육각형 형상으로 배열된 구조를 가지나, 이는 예시적인 것으로서, 유리 광섬유는 복수 개의 금속 막대(10)가 다른 상이한 형상으로 배열되어 구성된 클래딩 영역을 가질 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법을 나타내는 개략도이다. 도 5에 도시된 실시예의 설명에 있어, 도 1 또는 도 3을 참조하여 전술한 실시예로부터 당업자로부터 용이하게 이해 가능한 부분에 대해서는 설명을 생략하고, 전술한 실시예와의 차이점을 중점적으로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 유리 파이프(21)는 제1 부분(211) 및 제2 부분(212)을 포함하여 이루어질 수 있다. 제1 부분(211)은 유리 파이프(21)의 중심에 위치하는 막대 형상이며, 제2 부분(212)은 제1 부분(211)을 둘러싸고 제1 부분(211)과 이격하여 위치하는 원통 형상일 수 있다. 이상과 같이 구성된 유리 파이프(21)의 한쪽 끝 부분(210)을 응축시키고, 유리 파이프(21)의 다른쪽 끝 부분을 통해 금속(11)을 삽입할 수 있다. 이때, 금속(11)은 판 형상일 수 있다. 또한, 판 형상의 금속(11)은 제1 부분(211) 및 제2 부분(212) 사이에 삽입될 수 있다. 예컨대, 금속(11)은 제1 부분(211)을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 휘어진 형태로 제1 부분(211) 및 제2 부분(212) 사이에 삽입될 수 있다.
도 6a 및 6b는 도 5를 참조하여 전술한 실시예에 따라 제조된 금속이 삽입된 유리 광섬유의 개략적인 단면도들이다. 도 6a에 도시된 것과 같이 유리 광섬유의 중심에 광도파로로서의 코어(60)와 이 코어(60)와 수 ㎛이내로 떨어져 있는 금속 막대(10)를 포함하여 이루어질 수도 있다. 또한, 도 6b에 도시된 것과 같이 유리 광섬유의 내부는 복수 개의 금속 막대(10)가 하나 이상의 층으로 이루어진 육각 구조체의 형태로 배열되도록 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 금속이 삽입된 유리 광섬유는, 유리 광섬유 내에서 진행하는 빛과 유리 광섬유 내의 금속에서 발생되는 표면 플라즈몬(surface Plasmon)의 상호 작용을 이용할 수 있다. 표면 플라즈몬을 이용하면 직접적으로는 금속 표면층의 적절한 변형을 통하여 다양한 생화학 물질들을 감지할 수 있으므로 고감도 생화학 센서로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 빛과의 상호작용을 적절히 활용하여 광소자 등으로 응용할 수도 있다. 따라서, 금속이 삽입된 유리 광섬유는 각종 광섬유 소자 및 센서, 또는 다른 여러 응용분야에서 기본 소재로 활용될 수 있어 가치 및 파급 효과가 크다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 제1 유리 파이프의 한쪽 끝을 응축시키는 단계;
    상기 제1 유리 파이프의 다른쪽 끝을 통해 상기 제1 유리 파이프 내에 금속을 삽입하는 단계;
    상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 가열하면서 상기 제1 유리 파이프 내를 감압하여, 상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 일체화하여 제1 광섬유로 연신하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 유리 파이프는 막대 형상의 제1 부분 및 상기 제1 부분과 이격되며 상기 제1 부분을 둘러싸는 제2 부분을 포함하며,
    상기 제1 유리 파이프 내에 금속을 삽입하는 단계는, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이에 상기 금속을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 일체화하여 제1 광섬유로 연신하는 단계는, 상기 금속의 단면 직경이 0 mm 초과 10 mm 이하가 되도록 상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 연신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 및 상기 제1 유리 파이프 중 하나 또는 복수 개의 조성을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속은 막대 형상 또는 판 형상인 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    에칭 또는 드릴링을 이용하여 유리 막대를 가공하여 상기 제1 유리 파이프를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  7. 제1 유리 파이프의 한쪽 끝을 응축시키는 단계;
    상기 제1 유리 파이프의 다른쪽 끝을 통해 상기 제1 유리 파이프 내에 금속을 삽입하는 단계;
    상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 가열하면서 상기 제1 유리 파이프 내를 감압하여, 상기 제1 유리 파이프 및 상기 금속을 일체화하여 제1 광섬유로 연신하는 단계;,
    복수 개의 상기 제1 광섬유를 미리 설정된 형상으로 배열하여 제2 유리 파이프 내에 삽입하는 단계; 및
    상기 제2 유리 파이프 및 복수 개의 상기 제1 광섬유를 가열하면서 상기 제2 유리 파이프 내를 감압하여, 상기 제2 유리 파이프 및 복수 개의 상기 제1 광섬유를 일체화하여 제2 광섬유로 연신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 미리 설정된 형상은 하나 또는 복수 개의 층을 포함하는 육각 구조체 형상인 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유의 제조 방법.
  9. 막대 형상의 제1 부분 및 상기 제1 부분을 둘러싸는 제2 부분을 포함하는 유리; 및
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 사이에 삽입된 하나 또는 복수 개의 금속 막대를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 유리의 녹는점은 500℃ 내지 1800℃인 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 금속 막대의 단면 직경은 0 mm 초과 10 mm 이하인 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 금속 막대는, 금, 은, 알루미늄, 구리 및 철로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 복수 개의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수 개의 금속 막대는, 하나 또는 복수 개의 층을 포함하는 육각 구조체 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 금속이 삽입된 유리 광섬유.
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