KR101270996B1 - 광섬유의 제조에 사용되는 주물틀 및 이를 이용한 광섬유의 제조방법 - Google Patents

광섬유의 제조에 사용되는 주물틀 및 이를 이용한 광섬유의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저융점 광학 유리 조성물을 사용한 광섬유를 제조하는데 사용되는 광섬유의 클래드 및 코어 모재 제조용 주물틀 및 이를 이용하여 광섬유를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법에 따라 칼코겐 유리, 플루오르 유리, 다성분계 산화물 유리와 같은 특수 기능의 소재를 이용하여 코어 및 클래드 비가 제어된 광섬유를 제작할 수 있다.

Description

광섬유의 제조에 사용되는 주물틀 및 이를 이용한 광섬유의 제조방법 {A casting mold for optical fiber and method for producing optical fiber using it}
본 발명은 저융점 광학 유리 조성물을 사용한 광섬유를 제조하는데 사용되는 광섬유 모재 제조용 주물틀 및 이를 이용하여 광섬유를 제조하는 방법을 제공한다.
빛을 전송하는 수단이 되는 광섬유는 다양한 소재로 만들어진다. 장거리 광전송에 사용되는 실리카 광섬유, IR영역에서 광도파로 기능을 가진 칼코겐(chalcogenide) 광섬유 및 플루오르(fluoride) 광섬유, 그리고 단거리 통신에 사용되며 고분자 소재로 만들어진 폴리머 광섬유 등이 있다.
일반적으로 광통신, 광섬유 레이저, 광섬유 센서 등 실생활에서 사용되는 대부분의 광섬유는 고순도의 실리카(SiO2) 유리를 이용하여 만들어진다. 실리카 광섬유는 또한 광손실이 적고, 광파괴도, 화학적 특성, 기계적 내구성이 매우 우수하기 때문에 지하, 해저, 공장 등 거친환경에 포설되어 광전송 수단으로 이용되며 및 레이저, 광증폭기와 같은 고출력 광섬유 소자에 많이 이용되고 있다. 하지만 실리카 광섬유의 경우 투과 범위가 2 um 이하의 UV-VIS-NIR 영역에 국한되는 단점을 가지고 있다. 최근에 바이오, 환경, 의료 분야에서 레이저 그리고 기체, 액체 측정분야에 사용되는 광섬유 및 이를 이용한 센서 용도가 VIS-NIR 영역에서 2 um 이상의 IR 영역으로 확대되어가고 있는 추세에 있으며, 이에 적합한 광섬유가 칼코겐 유리, 플루오르 유리 또는 다성분계 저융점 유리로 만들어진 광섬유이다. 칼코겐 광섬유 및 플루오르 광섬유의 경우 각각 1 ~ 12 um, 0.25 ~ 4 um 파장범위에서 높은 광투과 특성을 가지고 있다. 또한, 초고속 광소자의 경우 비선형 광특성이 우수한 광섬유가 필요한데 이러한 특성을 가진 것이 칼코겐 광섬유 또는 중금속이 다량 함유된 저융점 광섬유이다. 따라서 최근의 이러한 수요에 맞춰 요구되는 성능과 규격에 부합되는 특수 기능의 광섬유를 제조하는 기술을 확보하는 것이 요구된다.
칼코겐(chalcogenide) 유리, 플루오르(fluoride) 유리, 다성분계 산화물 유리와 같은 저융점 유리를 광섬유로 제작하는 기술로는 주물(casting), 이중도가니(double crucible), 압출(extrusion) 방법 등이 알려져 있다. 이중도가니법과 압출법의 경우 가격이 비싸고 특수하고 복잡한 구조를 가진 전기로 또는 압출기가 필요하고 이를 운용하는데 있어 고난도의 제조기술 필요하다는 단점을 가지고 있다.
한편, 주물법의 경우 Build-in 주물법, Suction 주물법, 그리고 Rotational 주물법 등이 알려져 있다.
한편, 광섬유는 일반적으로 중심부의 코어(core)와, 코어보다 굴절률이 작고 코어를 둘러싸고 있는 클래드(clad)로 이루어져 있다. 코어와 클래드의 굴절률 차이에 따른 전반사 원리에 의하여 빛이 클래드로 빠져 나가지 않고 코어를 통하여 전송된다. 광섬유에서 빛이 도파되면서 여러 가지 모드를 이루며 지나가는데, 특정한 굴절률과 지름을 가진 코어 및 클래드를 형성하고 이러한 특성이 길이 방향으로 일정하게 유지되는 것이 중요하다.
종래 Build-in 주물법에 의하여 광섬유 모재를 제작하는 방법을 도 1에 나타내었다. 나타내었다. 튜브형태의 주물틀(10) 안에 클래드가 되는 용융 유리(11)를 붓고, 이어서 일정한 시간이 흐른 후 부어진 유리가 완전히 식기 전에 튜브형 주물틀(10)을 거꾸로 뒤집어 중심부에 있는 굳지 않은 유리를 제거한다. 이어서 코어용 용융유리(12)를 중심부의 제거된 공간에 부어 식힌 다음 틀에서 유리를 분리하여 코어-클래드 구조의 광섬유 모재를 얻을 수 있다. 코어-클래드를 갖는 광섬유의 경우 코어와 클래드의 굴절률 차이에 따라 요구되는 코어 지름을 정확하게 제어해야 한다. 하지만 주물틀의 위치에 따른 열구배가 존재하고, 클래드 제작 시 중심부의 용융 유리가 식는 과정에서 액체 상태로 유지가 되어 제거가 가능하더라도 제거하는 과정에서 시간이 소요하게 되며, 그에 따라 냉각에 의하여 점성이 증가하므로 코어 지름을 결정하는 중심부의 공간을 정확하게 제어할 수 없기 때문에 길이 방향으로 균일한 코어 지름을 가진 광섬유 모재의 제작이 매우 어렵다.
종래 Suction 주물법에 의하여 광섬유 모재를 제작하는 방법을 도 2에 나타내었다. 튜브형태의 주물틀(20) 하부에 비교적 큰 크기의 저장공간(reservoir)(21)을 가지고 있다. 클래드가 되는 용융유리(22)를 주물틀에 부은 후 저장공간으로 유입시키면 유리가 냉각되면서 수축을 하게 되고 이어서 흡입(suction)효과가 발생된다. 이러한 흡입효과에 의하여 액체 상태로 남아있던 용융 유리가 아래쪽으로 빨려 내려오면서 공간(23)을 만들게 된다. 이렇게 해서 생긴 공간에 코어용 용융유리(24)를 부어 식혀서 최종적으로 코어-클래드 구조의 광섬유 모재를 얻을 수 있다. 이 방법 역시 길이 방향의 주물틀에서 상하 위치별로 식는 속도가 상이하고 온도 구배가 발생할 수 있어 코어 지름을 결정하는 중심부의 공간을 정확하게 제어하기가 어렵다. 또한 유리의 조성에 따른 수축의 정도가 상이하여 정확한 제어에 따른 공정작업을 수행하기 어렵다.
종래 Rotational 주물법에 의하여 광섬유 모재를 제작하는 방법을 도 3에 나타내었다. 원형틀(30) 안에 클래드가 되는 용융 유리(31)를 붓고 유리가 식기 전에 원형틀(30)을 중심이 비게 되도록 유리가 식을 때까지 고속으로 회전시킨다. 이어서 코어용 용융 유리(32)를 중심의 빈 공간에 붓고 유리가 식은 후에 원형틀에서 제거하여 코어-클래드 구조를 갖는 광섬유 모재를 얻을 수 있다. 이 방법의 경우 Build-in 주물법이나 suction 주물법에 비하여 길이 방향의 코어 지름의 균일도 및 지름 제어가 상대적으로 용이하긴 하나 필요에 따라 매우 가는 지름의 코어를 가진 광섬유 등을 만들기가 어려우며, 또한 고속의 회전틀을 다루어야 하므로 작업의 어려움이 따른다.
또한 상기 주물(casting)법에 의하는 경우, 용융된 코어용 유리를 굳어 있는 클래드에 부어 서로 밀착된 상태에서 식게 되므로, 코어와 클래드가 되는 광학유리 사이에 열팽창 특성이 차이가 존재할 경우 코어와 클래드 유리 사이에 응력(stress)에 의하여 크랙이 발생하여 파손되는 문제가 발생한다. 또한 광섬유 모드 설계를 위하여 특정한 코어-클래드 두께비가 필요한 경우 이를 정밀하게 제어하는 것이 용이하지 않으며, 길이방향의 코어의 지름의 균일도 확보 측면에 있어서도 어려움이 발생하게 된다. 또한, 중심에 코어가 있고 코어 주변을 클래드가 둘러싸고 있는 단순한 구조의 광섬유 제작에만 적용이 가능한 한계가 있다.
이에 본 발명자는 종래 주물법을 사용하여 광섬유를 제작하는 경우 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 판형 기판 위에 일정한 형태를 가지는 돌출부가 길이 방향으로 형성된 제 1 주물틀과 판형 기판에 반원형 홈이 길이 방향으로 형성된 제 2 주물틀이 결합된 주물틀을 이용하여 길이 방향으로 특정한 형태의 공간을 가진 클래드용 광섬유 모재를 제조하고, 이 공간에 특정한 형태의 봉형 코어를 삽입하여 광섬유 모재를 제조하면 다양한 소재의 저융점 광학 유리 조성물을 사용하여 다양한 형태의 코어 및 클래드 모양을 가진 광섬유를 용이하게 제조할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 코어 및 클래드 구조를 가진 광섬유 모재를 제조할 수 있는 주물틀을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 주물틀에 의하여 제조된 광섬유 모재를 이용하여 다양한 코어 및 클래드 형태를 가진 광섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은,
판형 기판 위에 일정한 형태를 가지는 돌출부가 길이 방향으로 형성된 제 1 주물틀 및 판형 기판에 반원형 홈이 길이 방향으로 형성된 제 2 주물틀이 결합된 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀을 그 특징으로 한다.
또한 본 발명은
클래드 모재 제조용 주물틀에 용융 유리를 주입하여 한 쌍의 유리 모재를 제조하는 단계;
상기 한 쌍의 유리 모재를 접합하여 클래드용 튜브형 유리 모재를 제조하는 단계; 및
코어용 봉형 유리 모재를 상기 클래드용 튜브형 유리 모재의 내부 구멍에 삽입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명은 특수하게 설계된 주물틀을 사용하여 광섬유 모재를 제작하고 이를 이용하여 광섬유를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 따라 칼코겐 유리, 플루오르 유리, 다성분계 저융점 유리와 같은 특수 기능의 소재를 이용하여 코어 및 클래드 비가 제어된 광섬유를 제작할 수 있다.
특히 본 발명은 2 um 의 IR 영역의 광신호를 전송할 수 있는 칼코겐 유리나 플루오르 유리 기반의 광섬유나 비선형 응용을 위한 다성분계 저융점 산화물 광학유리 기반의 특수 광섬유 제작에 용이하게 활용될 수 있다. 따라서 본 발명은 IR 영역에서 운용되는 광섬유 레이저, 광섬유 센서와 같은 특수 기능의 광섬유 소자, 초고속 광신호 처리 소자용 비선형 광섬유 등의 개발에 다양하게 활용할 수 있어 특수 광섬유 관련 산업 확대에 기여할 것으로 판단된다.
도 1은 종래 기술인 Build-in 주물법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 종래 기술인 Suction 주물법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 종래 기술인 Rotational 주물법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 주물틀을 나타낸 것이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 주물틀(수평형)을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 주물틀과 제 2 주물틀이 결합된 수평형 광섬유의 클래드 모재 제조용 수평형 주물틀을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 주물틀(수직형)을 나타낸 것이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 주물틀과 제 2 주물틀이 결합된 광섬유의 클래드 모재 제조용 수직형 주물틀을 나타낸 것이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 3 주물틀과 제 4 주물틀이 결합된 광섬유의 코어 모재 제조용 수평형 주물틀을 나타낸 것이다.
도 10a 및 10b은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 3 주물틀과 제 4 주물틀이 결합된 광섬유의 코어 모재 제조용 수직형 주물틀을 나타낸 것이다.
도 11a 및 11b는 막음 블럭의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 12a 및 12b는 다수의 나사에 의하여 고정된 광섬유의 클래드 모재 제조용 수평형 주물틀을 나타낸 것이다.
도 13은 튜브형 유리 모재에 봉형 유리 모재가 삽입되어 광섬유로 제조되는 과정의 모식도이다.
도 14a 및 14b는 두 개의 원형 코어를 가진 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면 및 상기 광섬유의 단면을 나타낸 것이다.
도 15a 및 15b는 사각형 코어를 가진 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면 및 상기 광섬유의 단면을 나타낸 것이다.
도 16a 및 16b는 PANDA 구조의 편광 유지 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면 및 상기 광섬유의 단면을 나타낸 것이다.
도 17a 및 17b는 유사 PANDA 구조의 편광 유지 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면 및 상기 광섬유의 단면을 나타낸 것이다.
도 18a 및 18b는 본 발명에 의하여 제작이 가능한 다양한 광섬유의 단면 모양을 예시한 것이다.
도 19는 실시예에서 제조된 튜브 반쪽 형태의 클래드용 유리 모재의 사진을 나타낸 것이다.
도 20a 및 20b는 실시예에서 제조된 튜브 형태로 접합된 클래드용 유리 모재의 사진을 나타낸 것이다.
도 21은 실시예에서 제조된 광섬유 코어용 미세 유리봉의 사진을 나타낸 것이다.
도 22는 실시예에서 제조된 최종 광섬유의 단면 사진을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 소재의 저융점 광학 유리 조성물을 사용한 광섬유를 용이하게 제조할 수 있는 클래드 및 코어용 광섬유 모재를 제조하기 위한 주물틀에 관한 것이다.
상기 주물틀은 판형 기판 위에 일정한 형태를 가지는 돌출부가 길이 방향으로 형성된 제 1 또는 3 주물틀과 판형 기판에 반원형 홈이 길이 방향으로 형성된 제 2 또는 4 주물틀이 결합된 것을 특징으로 한다.
클래드용 광섬유 모재 제조를 위한 주물틀
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 주물틀을 나타낸 것이다.
상기 제 1 주물틀은 판형 기판(100) 위에 반원형의 돌출부(110)를 길이 방향으로 포함한다. 상기 돌출부는 클래드용 용융 유리를 주물틀에 부어 제조할 때 안쪽이 비어 있는 튜브 형태의 클래드용 유리 모재를 제조하기 위함이다. 즉, 클래드용 튜브형 유리 모재 안쪽에 코어로서 사용되는 봉형 유리 모재가 삽입될 수 있는 길이 방향의 빈 공간이 형성되도록 하는 것이다. 이 때, 돌출부의 단면은 원하는 코어의 단면 모양에 따라 조절되고, 반원형 또는 다각형으로 형성될 수 있으며, 상기 반원은 반타원형, 상기 다각형은 모서리가 둥근 다각형을 포함한다. 또한, 단일 코어를 형성하기 위하여 하나의 돌출부를 형성하는 것이 일반적이나, 경우에 따라 복수개의 코어를 제조하고자 하는 경우, 돌출부 역시 그에 따라 복수로 형성될 수 있다.
또한 상기 실시예의 돌출부의 단면에서 지름의 크기는 광섬유 모재의 코어 지름을 결정하고, 최종적으로 광섬유 코어 지름 및 광섬유의 모드 특성을 제어하게 되므로 매우 중요하다. 상기 지름은 단면이 삼각형, 사다리꼴과 같은 다각형인 경우에는 기판에 인접한 밑변의 길이를 의미한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 주물틀(수평형)을 나타낸 것이다.
상기 일 실시예에 따른 제 2주물틀은 판형 기판(200)에 반원형 홈(210)이 길이 방향으로 형성된다. 또한 기판의 상부와 하부를 관통하는 유리 주입부(220)가 길이 방향으로 형성된다. 상기 유리 주입부는 클래드용 용융 유리를 기판의 윗쪽에서 붓기 위한 공간이다. 한편, 반원형 홈의 지름은 광섬유 클래드 모재의 외부 지름을 결정하고, 최종적으로 광섬유 지름을 결정하게 되므로 설계에 따라 제작하며, 제 1 주물틀에 형성된 돌출부의 단면의 지름보다 크게 형성된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 주물틀과 제 2 주물틀이 결합된 수평형 광섬유의 클래드 모재 제조용 수평형 주물틀을 나타낸 것이다.
아래쪽에 제 1 주물틀을 지면에 수평방향으로 두며 돌출부(110)가 위쪽으로 가도록 놓고, 그 위에 제 2 주물틀을 반원형 홈(210)이 아래쪽을 향하도록 겹쳐 놓는다. 결과적으로 제 1 주물틀 및 제 2 주물틀 사이에 있는 반원형의 공간이 길이 방향으로 형성되며 여기에 클래드용 용융 유리를 채운 후 냉각시켜 일정한 단면 형태를 가진 클래드 유리 모재를 제작할 수 있다. 제 2 주물틀의 유리 주입부(220)는 위쪽에 드러나 있고, 이곳으로 용융 유리를 틀 내부로 부어 반원형 공간에 용융 유리를 용이하게 채울 수 있으며. 채워진 용융 유리를 냉각하면 클래드용 유리 모재를 제조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 제 2 주물틀(수직형)을 나타낸 것이다.
상기 도 6에서 사용된 주물틀의 경우 유리 주입부(220)에 용융 유리를 부어 반원형 홈(210)에 채울 때, 용융 유리의 양이 부족하거나 과다할 경우 제조된 클래드 유리 모재의 외곽에 길이 방향으로 계단형 턱이 생생될 수 있다.
그러나 상기 도 7의 제 2 주물틀을 사용하는 경우 이러한 문제를 해결할 수 있다. 상기 제 2주물틀은 판형 기판(300)에 반원형 홈(310)이 길이 방향으로 형성되며, 기판의 한 쪽에 깔때기 형태로 반원형 홈에 연결되는 유리 주입부(320)가 형성되는데, 이는 용융 유리를 수직 방향으로 용이하게 부을 수 있도록 하기 위함이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 주물틀과 제 2 주물틀이 결합된 광섬유의 클래드 모재 제조용 수직형 주물틀을 나타낸 것이다.
상기 제 1주물틀을 지면에 수직방향으로 두며 돌출부(110)가 측면으로 가도록 놓고, 그 옆에 제 2주물틀을 반원형 홈(310)이 돌출부와 마주 보도록 겹쳐 놓는다. 결과적으로 제 1주물틀 및 제 2 주물틀 사이에 있는 반원형 공간이 길이 방향으로 형성되며, 유리 주입부(320)가 위쪽 방향으로 드러나게 된다. 상기 유리 주입부를 통하여 용융 유리를 부어 반원형 공간에 채울 수 있으며, 이를 냉각하면 클래드용 유리 모재를 제조할 수 있다.
상기 주물틀을 이용하여 제조된 클래드용 유리 모재는 튜브형 유리 모재의 반쪽에 해당하는 것으로, 한 쌍의 클래드용 유리 모재를 접합하여 최종 튜브형 유리 모재를 제조할 수 있으며, 이 때, 한 쌍의 클래드용 유리 모재를 접합함에 있어서 유리 전이 온도(glass transition temperature) 근처에서 유리의 점성(viscosity) 이 약 1013.3 poise정도가 되도록 6 ~ 24시간 동안 유지시켜 열처리 접합하는 것이 바람직하다. 예를 들어 Bi2O3 함량이 약 35 mol% 인 SiO2-B2O3-Bi2O3-ZnO-Na2O-Ga2O3의 경우에는 450℃ 에서 약 20시간 동안 열처리를 진행할 수 있다.
코어용 광섬유 모재 제조를 위한 주물틀
한편 상기 클래드용 튜브형 유리 모재의 내부 구멍에 삽입되어 코어로서 작용하는 봉형 유리 모재는 상기에서 설명한 클래드용 유리 모재 제작과 밀접한 통상의 방법으로 제조될 수 있으며, 튜브형 유리 모재 제작처럼 코어 제작에 적합한 형태를 가진 주물틀을 이용하여 제조되는 것이 바람직하다.
도 9a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 코어 모재 제조용 제 3 주물틀을 나타내고 도 9b는 일 실시예에 따른 제 3 주물틀과 제4 주물틀이 결합된 광섬유의 코어 모재 제조용 수평형 주물틀을 나타낸 것이다.
상기 수평형 주물틀을 이루는 제 3 주물틀의 경우에는 판형 기판(400) 위에 반원형 홈(410)이 길이 방향으로 형성된다. 상기 반원형 홈의 지름은 광섬유 코어 유리 모재의 외부 지름을 결정하게 된다. 다만, 상기 코어의 단면이 다각형인 경우는 그에 따라 홈의 단면을 반원형이 아닌 다각형으로 제조할 수도 있다.
또한 상기 수평형 주물틀을 이루는 제 4 주물틀의 경우 판형 기판(420)에 반원형 홈(430)이 길이 방향으로 형성되며, 기판의 상부와 하부를 관통하는 유리 주입부(440)가 길이 방향으로 형성된다. 이 때, 제 3 주물틀과 제 4 주물틀의 반원형 홈의 지름은 서로 동일해야 한다.
상기 제 3 주물틀을 아래쪽에 수평방향으로 두며 반원형 홈(410)이 위쪽으로 가도록 놓고, 그 위에 제 4 주물틀을 반원형 홈(430)이 아래쪽을 향하도록 겹쳐 놓는다. 결과적으로 제 3 주물틀과 제 4 주물틀 사이에 원형의 공간이 길이 방향으로 형성되며, 유리 주입부(440)를 통하여 코어용 용융 유리를 채워 식혀서 봉형 유리 모재를 제작할 수 있다.
도 10a 는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 광섬유의 코어 모재 제조용 제 3 주물틀을 나타내고, 도 10b는 일 실시예에 따른 제 3 주물틀과 제 4 주물틀이 결합된 광섬유의 코어 모재 제조용 수직형 주물틀을 나타낸 것이다.
상기 수직형 주물틀을 이루는 제 3 주물틀과 제4주물틀은 그 구성이 동일한데, 판형 기판(500)에 반원형 홈(510)이 길이 방향으로 형성되며, 기판의 한 쪽에 깔때기 형태로 반원형 홈에 연결되는 유리 주입부(520)가 형성된다. 상기 유리 주입부는 용융 유리를 수직 방향으로 용이하게 부을 수 있도록 하기 위함이다.
동일한 형태의 제 3주물틀과 제 4 주물틀을 지면에 수직방향으로 마주 보도록 겹쳐 놓으면, 결과적으로 제 3주물틀 및 제 4 주물틀 사이에 있는 반원형 공간이 길이 방향으로 형성되며, 유리 주입부(520)가 위쪽 방향으로 드러나게 된다. 상기 유리 주입부를 통하여 용융 유리를 부어 반원형 공간에 채울 수 있으며, 이를 냉각하면 봉형 유리 모재를 제조할 수 있다.
또한 상기 봉형 유리 모재는 추가적으로 가열 및 연신하여 미세 유리 모재로 제조할 수 있다.
상기에서 반원형 돌출부와 반원형 내부 홈을 가진 주물틀을 이용하여 원형의 광섬유 클래드 및 코어용 모재를 제조하는데 사용하는 주물틀에 대하여 설명하였다. 본 발명에 의하면 코어 및 클래드 모양이 원형뿐 아니라 타원형, 다각형, 그리고 모서리가 둥근 다각형 등 다양한 형태를 갖도록 제조할 수 있다.
이러한 광섬유 클래드 및 코어용 모재 제작용 주물틀의 단면 구조 있어서 고려할 점은 주물틀에 용융유리를 채운 후 냉각되어 주물된 유리가 주물틀에서 분리가 될 수 있도록 유리 접합면(또는 2개의 주물틀 사이의 결합면)에서 멀어질수록 모재의 폭이 증가하지 않도록 주물틀의 돌출홈 및 내부홈 단면구조를 제조하는 것이다. 또한 지름 방향의 모든 위치에 있어서 클래드 모재용 돌출부가 내부 홈보다 작도록 제조하는 것이다. 본 명세서에서 예를 들어 열거한 모든 주물틀, 광섬유 모재 및 광섬유의 단면 구조들은 이를 만족시킨다.
막음 블럭 및 주물틀의 고정
상기 주물틀 중 수평형 주물틀에 용융 유리를 붓는 경우 용융 상태의 유리가 굳기 전에 주물틀 측면으로 흘러나올 수 있는 바, 막음 블럭을 추가적으로 더 포함할 수 있다.
상기 막음 블럭의 일 실시예를 도 11a에 나타내었는데, 반원형의 클래드용 막음 블럭(600), 원형의 코어용 막음 블럭(610), 그리고 직육면체 모양의 막음 블럭(620) 등이 사용될 수 있다. 클래드용 막음 블럭의 경우 반원형 홈에 끼워지도록 반원형의 구조를 가질 수 있고, 코어용 막음 블럭의 경우 원형 홈에 맞도록 원형의 구조를 가질 수 있다. 직육면체 모양의 막음 블럭의 경우 수평형 주물틀 측면의 끝에 부착되어 용융 유리가 흘러나오는 것을 막으며, 제 1 주물틀과 제 2 주물틀이 결합된 측면에 결합된 예를 도 11b에 나타내었다.
또한 상기 제 1 주물틀과 제 2 주물틀, 제 3 주물틀과 제 4 주물틀은 각각 나사 등에 의한 체결부를 이용하여 서로 고정될 수 있으며, 다수의 나사(230)를 이용하여 고정된 광섬유의 클래드 모재 제조용 수평형 주물틀을 도 12a 및 12b에 나타내었다. 그러나 상기 체결부는 나사에 한정되지 않으며, 집게, 핀 등을 이용하여 주물틀을 고정할 수 있다.
상기에서 설명한 주물틀은 황동, 청동, 탄소, 스테인리스강(SUS, 스테인레스), 은, 금, 백금, 인코넬 등 다양한 소재를 사용하여 제조될 수 있으며, 광섬유 모재용 유리의 열적, 기계적, 화학적 특성에 따라 적절한 클래드 소재를 선택한다. 산화물 유리의 경우에 있어 SUS, 인코넬 또는 백금을 사용할 경우 유리가 산화된 주물틀 표면에 부착되어 분리에 문제가 발생하므로 바람직하게는 황동, 청동, 탄소 소재를 사용하는 것이 유리하다.
광섬유 모재의 제조
또한 본 발명은 상기 주물틀에 의하여 제조된 코어 및 클래드 모재를 이용하여 광섬유 모재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
먼저 클래드 모재 제조용 주물틀에 용융 유리를 주입하여 한 쌍의 튜브형 유리 모재를 제조한다. 클래드 모재 제조용 주물틀은 상기 설명한 바와 같이 판형 기판 위에 일정한 형태를 가지는 돌출부가 길이 방향으로 형성된 제 1 주물틀과 반원형 홈이 길이 방향으로 형성된 제 2 주물틀이 결합된 것을 사용한다.
상기 광섬유 모재 제조를 위한 유리 조성물은 유리 조성에 따른 광학적, 열적, 기계적, 화학적 특성을 고려하여 설계하여 제조하고, 용융 및 교반에 따른 충분한 균질화 효과가 발생하도록 적정한 용융 온도에서 녹인 유리를 사용한다. 용융 온도는 유리 조성물의 종류에 크게 영향을 받는데, 균질화 효과가 발생하고 주물작업이 용이하게 하기 위하여 점성(viscosity)이 102 poise 근처가 되도록 용융 온도를 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어 Bi2O3 함량이 35 mol% 인 SiO2-B2O3-Bi2O3-ZnO-Na2O-Ga2O3 의 경우에는 1050℃ 에서 1시간 동안 가열하여 용융 유리를 제조하였다.
다음 상기 제조된 한 쌍의 유리 모재를 접합하여 튜브형 유리 모재를 제조한다. 이 때, 한 쌍의 클래드용 유리 모재를 접합함에 있어서 유리 전이 온도(glass transition temperature) 근처에서 6 ~ 24시간 동안 유지시켜 열처리 접합하는 것이 바람직하다. 예를 들어 Bi2O3 함량이 35 mol% 인 SiO2-B2O3-Bi2O3-ZnO-Na2O-Ga2O3 의 경우에는 450℃ 에서 20시간 동안 열처리하여 접합시킬 수 있다.
광섬유의 인출
상기 클래드용 튜브형 유리 모재에 코어용 봉형 유리 모재가 삽입되어 광섬유로 제조되는 과정의 모식도를 도 13에 나타내었다.
상기 제조된 상기 튜브형 유리 모재(700)의 내부 구멍(710)에 봉형 유리 모재(720)를 삽입한다. 상기 코어용 봉형 유리 모재는 굴절율이 클래드용 튜브형 유리 모재보다 큰 유리 조성으로 이루어지며, 당업계에 일반적으로 알려진 방법을 통하여 제조될 수 있으나, 바람직하게는 상기 설명한 바와 같이 코어 모재 제조용 주물틀을 이용하여 제조될 수 있다. 한편 상기 봉형 유리 모재의 삽입 전, 각 유리모재의 표면을 클리닝 용액 또는 에칭 용액 등을 이용하여 표면에 존재하는 오염 물질을 제거하는 것이 좋다.
이를 통하여 코어-클래드가 결합된 광섬유 모재가 제조될 수 있으며, 이를 가열하고 연신하면 최종적으로 광섬유를 얻을 수 있다. 상기 광섬유 모재를 전기로(furnace)(730)에 넣고 유리의 점도(Viscosity)가 약 104 ~ 106.7 poise 가 되도록 온도를 설정하여 가열하고 이를 와인더(winder) 등을 이용하여 잡아당기면 가열에 의하여 부드러워진 유리가 연신되어 최종 광섬유(740)로 인출된다.
광섬유의 단면
상기 제조방법에 의하여 중심에 원형의 코어가 위치하고 주변에 클래드가 위치하는 일반적인 구조의 광섬유를 제작할 수 있다. 또한, 주물틀의 구조를 변형하여 다양한 단면구조를 가진 광섬유 모재 및 이를 이용한 광섬유를 제작할 수도 있다.
도 14a는 두 개의 원형 코어를 가진 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면을 나타낸다. 상기 단면에서 보는 바와 같이 클래드 중심부에 두 개의 반원형 홈을 가지고 있으며, 이를 통하여 도 14b에서와 같이 두 개의 코어를 가진 광섬유를 제작할 수 있다.
도 15a는 사각형 코어를 가진 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면을 나타낸다. 상기 단면에서 보는 바와 같이 클래드 중심부에 삼각형 홈을 가지고 있으며, 이를 통하여 도 15b에서와 같이 사각형 코어를 가진 광섬유를 제작할 수 있다.
한편, PANDA 구조의 광섬유는 중심에 있는 원형 코어 양 옆으로 응력(internal stress)에 의하여 편광유지 기능을 유도하는 원형 또는 육각형 구조의 코어를 가지는 것을 특징으로 한다.
도 16a는 PANDA 구조의 편광 유지 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면을 나타낸다. 상기 단면에서 보는 바와 같이 중심에 코어용 반원형 홈 및 코어 양쪽으로 열팽창 계수가 클래드용 유리보다 큰 유리를 넣을 수 있는 반원형 홈을 가지고 있으며, 이를 통하여 도 16b에서와 같이 PANDA 구조의 단면을 가지는 편광 유지 광섬유를 제작할 수 있다.
도 17a는 유사 PANDA 구조의 편광 유지 광섬유를 제작하기 위한 클래드 모재 제조용 주물틀의 단면을 나타낸다. 상기 단면에서 보는 바와 같이 중심에 코어용 반원형 홈 및 코어 양쪽으로 열팽창 계수가 클래드용 유리보다 큰 유리를 넣을 수 있는 사다리꼴 홈을 가지고 있으며, 이를 통하여 도 17b에서와 같이 PANDA 구조의 단면을 가지는 편광 유지 광섬유를 제작할 수 있다.
도 18 은 본 발명에 따른 주물틀, 광섬유 모재 및 광섬유 제조기술을 이용하여 제작할 수 있는 다양한 광섬유의 단면 구조를 나타낸다. 하지만, 본 발명에 의하여 제작할 수 있는 광섬유의 종류는 여기에 국한되지 않으며 다양한 형태로 제작이 가능하다.
상기 도 18에서는 본 발명에 의하여 제작할 수 있는 다수의 원형 코어를 가진 광섬유, 타원형 코어를 가진 광섬유, 다수의 사각형 코어를 가진 광섬유, 한쪽 변이 긴 사각형 코어를 가진 광섬유, 십자 모양의 코어를 가진 광섬유, 육각형 모양의 코어를 가진 광섬유, 가장자리가 둥근 1자형 코어를 가진 광섬유, 원형 코어 및 사각형 클래드를 가진 광섬유, 원형 코어 및 육각형 클래드를 가진 광섬유, 직사각형 코어 및 배게 모양의 클래드를 가진 광섬유, 그리고 육각형 모양의 내부 클래드 및 원형 코어를 가진 광섬유의 단면 모양을 예시적으로 각각 나타내었다. 각 도면에 제조가 가능한 한 개 내지 두 개의 접합면 방향을 점선으로 그어 표시하였다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예 들을 통해 더욱 명확하게 설명될 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예 들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
그러나 하기 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다
실시예 : 주물틀을 이용한 광섬유의 제조
먼저, Bi2O3 함량이 35 mol% 인 SiO2-B2O3-Bi2O3-ZnO-Na2O-Ga2O3로 이루어진 클래드용 저융점 유리 조성물을 선택하고, 전기로를 이용하여 약 1050 ℃에서 녹여 용융 유리를 제조하였다.
황동을 소재로 사용하여 도 8a 와 같이 주물틀을 제조하였다. 이 때, 제 1 주물틀의 반원형 돌출부의 지름은 2 mm 이고, 제 2 주물틀의 반원형 홈의 지름은 15 mm로 형성하였다. 상기 주물틀에 용융 유리 조성물을 붓고, 이를 450 oC에서 120분간 서냉시켜 잔류응력을 제거한 후 상온까지 냉각시키고 이어서 주물틀을 분리하여 클래드용 유리 모재 반쪽을 얻었다. 제조 결과 코어 지름의 균일도는 5% 이내로서 매우 균일함이 확인되었다. 도 19는 제조된 튜브 반쪽 형태의 클래드용 유리 모재 사진을 나타낸다.
상기 과정을 반복하여 한 쌍의 클래드용 유리 모재를 서로 마주보도록 위치 시킨 후 약 450 ℃ 에서 가열하여 접합되도록 함으로써 튜브 형태의 클래드 모재를 제조하였다. 도 20a 및 20b는 튜브 형태로 접합된 클래드용 유리 모재를 보여준다.
다음, SiO2-B2O3-Bi2O3-ZnO-Na2O-Ga2O3로 이루어진 코어용 용융 유리 조성물을 제조하였다. 굴절률을 높이기 위하여 클래드 유리조성보다 Bi2O3 함량을 1.5 mol% 증가시켰다.
소재로 황동을 사용하여 도 10b와 같이 제조된 주물틀에 상기 코어용 용융 유리 조성물을 부어 430 ℃에서 120분간 서냉시킨 후, 주물틀을 분리하여 봉형 코어 모재를 얻었다. 코어 모재 제조에 사용된 주물틀의 반원형 홈의 지름은 15mm 였다. 제작된 지름 15mm 의 코어 모재를 전기로(furnace)(730)에 넣고 가열 및 연신하여 지름 1.9 mm 인 광섬유 코어용 미세 유리봉을 제작하였다. 도 21은 제조된 광섬유 코어용 미세 유리봉 사진을 나타낸다.
상기 코어용 미세 유리봉을 상기 튜브 형태의 클래드 모재 내 공간에 삽입하여 코어-클래드가 결합된 광섬유 모재를 제조하였고, 이를 전기로(furnace) 에 넣어 약 600 ℃에서 가열하고 와인더로 감아 연신하여 지름 1.9 mm 인 코어 및 클래드 구조를 가진 광섬유용 미세 유리봉을 제작하였다.
비선형 응용을 위하여 2 ㎛ 정도의 작은 코어 지름을 갖게 하기 위하여, 상기 제조된 광섬유용 미세 유리봉을 다시 제작된 상기 클래드용 튜브형 유리 모재 내 공간에 삽입하고 전기로(furnace)에 넣어 동일온도에서 가열하고 연신하여 두께 125 ㎛ 인 최종 광섬유를 제조하였다.
최종 제조된 광섬유의 단면 사진을 도 22에 나타내었으며, 상기 사진에서 보는 바와 같이 일정한 코어 지름을 가지는 광섬유를 안정적으로 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10, 20, 30 : 주물틀
11, 22, 31 : 클래드용 용융 유리
12, 24, 32 : 코어용 용융 유리
21 : 저장공간
23 : 흡입 효과에 의하여 형성된 공간
100, 200, 300, 400, 420, 500 : 판형 기판
110 : 돌출부
210, 310, 410, 430, 510 : 반원형 홈
220, 320, 440, 520 : 유리 주입부
230 : 고정 나사
600, 610, 620 : 막음 블럭
700 : 튜브형 유리 모재 710 : 내부 구멍
720 : 봉형 유리 모재 730 : 전기로
740 : 광섬유

Claims (17)

  1. 판형 기판 위에 일정한 형태를 가지는 돌출부가 길이 방향으로 형성된 제 1 주물틀; 및
    판형 기판에 반원형 또는 다각형의 내부 홈이 길이 방향으로 형성된 제 2 주물틀이 결합된 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 돌출부에 형성된 돌출부의 단면은 반원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주물틀에 형성된 반원형 또는 다각형의 내부 홈의 지름은 제 1 주물틀에 형성된 돌출부의 지름의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주물틀은 기판을 관통하는 유리 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주물틀은 기판의 한 쪽에 깔때기 형태로 내부 홈에 연결되는 유리 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 주물틀과 제 2 주물틀이 결합된 측면에 막음 블럭을 추가적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주물틀과 제 2 주물틀은 나사에 의하여 체결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 광섬유의 클래드 모재 제조용 주물틀.
  8. 클래드 모재 제조용 주물틀에 용융 유리를 주입하여 한 쌍의 유리 모재를 제조하는 단계;
    상기 한 쌍의 유리 모재를 접합하여 클래드용 튜브형 유리 모재를 제조하는 단계; 및
    코어용 봉형 유리 모재를 상기 클래드용 튜브형 유리 모재의 내부 구멍에 삽입하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 클래드 모재 제조용 주물틀은 판형 기판 위에 일정한 형태를 가지는 돌출부가 길이 방향으로 형성된 제 1 주물틀과 일정한 형태의 내부 홈이 길이 방향으로 형성된 제 2 주물틀이 결합된 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 주물틀에 형성된 내부 홈의 지름은 제 1 주물틀에 형성된 일정한 형태의 돌출부의 지름의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유리 모재는 열처리하여 접합되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 코어용 봉형 유리 모재는 코어 모재 제조용 주물틀에 용융 유리를 주입하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 코어 모재 제조용 주물틀은 판형 기판에 반원형 또는 다각형의 내부 홈이 길이 방향으로 형성된 2개의 주물틀이 결합된 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 코어용 봉형 유리 모재는 추가적으로 가열 및 연신하여 미세 유리 모재로 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조방법.
  15. 제 8 항 및 제 10 항 내지 제 14 항 중에서 선택된 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재.
  16. 제 15 항의 광섬유 모재를 가열하고 연신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유의 제조방법.
  17. 제 16 항의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
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