KR101663057B1 - 광섬유 코팅장치 - Google Patents

Abstract

광섬유 코팅장치가 개시된다. 이는 유리 섬유의 표면에 열경화성 수지를 도포하는 도포부와, 도포부에 의해 표면에 수지가 도포된 유리 섬유를 가열하는 열경화부를 포함한다. 열경화부는 내면에 타원 또는 포물선의 형상을 가지는 반사면과 반사면에 의해 반사되는 열을 방출하는 광원을 포함하고, 수지가 도포된 유리 섬유는 반사면의 초점을 통과하면서 가열된다.

Description

광섬유 코팅장치{COATING APPARATUS FOR OPTICAL FIBER}

본 발명은 광섬유 제조 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리 섬유의 표면에 열경화성 수지를 코팅하는 광섬유 코팅장치에 관한 것이다.

최근 통신을 위한 광증폭기의 출력 파워 증대, 극한 환경에서의 센서용 특수 광섬유 수요 증대, 고에너지 광 및 레이저 신호의 파워 증대로 W급의 고에너지, 대용량 및 초고속 전송을 위한 고온용 특수 광섬유의 수요가 증대하고 있다.

기존의 실리카계 유리 광섬유는 유리 표면에 아크릴레이트(Acrylate) 수지를 코팅하여 제조하고 있으며, 이를 통해 굽힘 강도를 향상시킴과 동시에 유리 표면을 외부 이물질로부터 보호한다. 그러나, 기존 실리카계 광섬유의 코팅 물질인 아크릴레이트 수지는 약 150℃ 이상의 외부 온도 환경에서는 코팅 물질의 색깔이 변하거나 표면이 고온에 열화되어 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 광섬유의 외벽에 폴리이미드(polyimide)계 수지를 코팅하고 있다.

기존에는 이와 같은 폴리이미드계 수지의 코팅을 위해, 열선발열체를 포함하는 열경화 장치를 이용하였다. 기존의 열경화 장치는 일반적으로 광섬유가 통과하는 환선형의 금속 발열체 또는 비금속 발열체를 이용하여 가열함으로써 도포된 수지를 열경화한다.

또한 기존의 장치는 발열 및 냉각을 위해 충분한 시간이 주어져야 하며, 경화 효과 대비 큰 부피를 차지하여 공간 활용성 측면이나 경화시간 측면에서도 효율적이지 못하다. 일반적으로 광섬유의 코팅은 코팅 횟수를 통해 목표 두께를 달성하는데, 반복적인 코팅을 반복하기 위해 기존의 환형 발열체를 사용하는 열경화 장치로는 길이를 늘이는데 한계가 있다.

한국특허공개 10-2006-0056664

본 발명은 이미지 로(爐)를 채용하여 광섬유를 열경화성 수지로 코팅하는 장치를 제공한다.

본 발명은 이미지 로에서 열원으로서 IR(infrared ray) 히터를 채용하는 광섬유 코팅장치를 제공한다.

본 발명은 광섬유 코팅장치를 제공하며, 이는 유리 섬유의 표면에 열경화성 수지를 도포하는 도포부; 및 상기 도포부에 의해 표면에 수지가 도포된 유리 섬유를 가열하는 열경화부;를 포함하고, 상기 열경화부는 내면에 타원 또는 포물선의 형상을 가지는 반사면과 상기 반사면에 의해 반사되는 열을 방출하는 광원을 포함하고, 수지가 도포된 상기 유리 섬유는 상기 반사면의 초점을 통과하면서 가열된다.

상기 수지는 폴리이미드계 수지일 수 있다.

상기 광원은 할로겐 램프 및 적외선 레이저를 포함하는 적외선 히터일 수 있다.

또한 상기 열경화부는 내면에 타원 또는 포물선 형상의 반사면을 가지며, 상기 반사면은 타원 또는 포물선과 교차하는 방향으로 길이를 가지는 로의 몸체를 포함하여, 상기 초점이 선형 초점을 형성한다.

수지가 도포된 상기 유리 섬유는 상기 선형 초점의 길이방향과 중첩된 방향으로 진행할 수 있다.

또한, 수지가 도포된 상기 유리 섬유는 상기 선형 초점의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행할 수 있다.

상기 로의 몸체는: 내면에 타원 또는 포물선의 일부 형상의 반사면을 가지며, 상기 반사면은 상기 타원 또는 포물선과 교차하는 방향으로 길이를 가지는 제1몸체; 및 내면에 타원 또는 포물선의 일부 형상의 반사면을 가지며, 상기 반사면은 상기 타원 또는 포물선과 교차하는 방향으로 길이를 가지는 제2몸체;를 포함하고, 상기 제1몸체와 상기 제2몸체는 상기 타원 또는 포물선의 개방된 부위를 맞대고 결합될 수 있다.

상기 제1몸체와 상기 제2몸체는 초점이 중첩될 수 있다.

본 발명에 따르면, 할로겐 램프, 적외선 레이저 등을 포함하는 IR 히터를 활용할 경우에는 충분히 빠른 시간 내에 가열이 가능하며, 짧은 길이에서 효과적으로 폴리이미드계 수지를 코팅시킬 수 있다. 따라서, 광섬유 인출 시스템 내에 짧은 길이를 가지는 본 발명의 코팅장치를 여러 개 장착할 수 있어서 인출 시스템 전체의 길이를 증가시키지 않으면서도 코팅 횟수를 증가시킬 수 있다. 또한, 이미지 로 내에서 광원의 위치를 변경함으로써 용이하게 가열 온도를 제어할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 코팅장치는 용이하고 경제적으로 광섬유의 코팅 또는 리코팅 장치로 바람직하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 코팅장치가 채용되는 광섬유 인출 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 코팅장치에 포함된 열경화부의 제1실시예를 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 코팅장치에 포함된 제1실시예에 따른 코팅부에서 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식의 예들을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 코팅장치에 포함된 열경화부의 제2실시예를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 코팅장치에 포함된 제1실시예에 따른 코팅부에서 열경화성 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식의 예들을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 코팅장치에 채용된 열경화부의 이미지 로의 온도 그라디언트(temperature gradient)를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 코팅장치를 이용하여 폴리이미드계 수지를 코팅한 광섬유의 광특성을 평가한 그래프이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 광섬유 코팅장치가 채용된 광섬유 인출 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 광섬유 코팅장치는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 광섬유 인출 시스템에 포함될 수 있다. 이러한 광섬유 인출 시스템은 타워에 종방향으로 요소들이 배치되어 광섬유를 종방향으로 인출하면서 표면에 수지를 코팅한다. 이를테면, 광섬유 인출 시스템은 상단 부위에 광섬유 프리폼(preform) 피더(feeder)와 인출 로(drawing furnace)가 배치되고, 그곳에 광섬유 프리폼이 장착되어 광섬유가 인출된다. 인출 로 아래에는 직경 모니터링 요소(diameter monitor)와 냉각 챔버(cooling chamber)가 배치되고, 그 아래에 본 발명의 코팅장치가 다수개 배치될 수 있다. 타워의 하단 부위에는 캡스턴(capstan)부가 배치된다.

본 발명의 코팅장치는 열경화성 수지의 도포부와 열경화부를 포함한다. 도포부에서 유리 섬유 표면에 열경화성 수지, 예를 들어 폴리이미드계 수지를 도포하고, 열원을 가해 열처리를 통해 코팅 수지를 열경화한다. 참고적으로, 도 1에서는 도포부가 코팅컵(coating cup)에 해당하고, 열경화부가 이미지 로(image furnace)에 해당한다. 인출 시스템에서 도포부와 열경화부를 포함하는 본 발명의 코팅장치는 도 1에 도시한 바와 같이 다수개가 배치될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 코팅장치의 열경화부는 내면이 반사면인 이미지 로(image furnace) 형이다.

도 2는 본 발명의 코팅장치에 포함된 열경화부의 제1실시예를 도시한 도면이다.

도 2을 참조하여, 본 발명의 코팅장치에 포함된 제1실시예에 따른 열경화부는 내면에 타원 또는 포물선 형상, 또는 타원 또는 포물선의 일부의 형상을 가지는 반사면(11)이 형성된 로 몸체(1)를 포함한다. 이러한 로 몸체의 반사면(11)은 적어도 하나의 초점(F)을 제공하게 된다.

바람직하게, 로 몸체(1) 및 반사면(11)은 타원 또는 포물선 방향과 교차하는 방향, 바람직하게는 직교하는 방향으로 소정의 길이를 가진다. 따라서, 반사면(11)이 제공하는 초점은 선형 초점(F)이 될 수 있다.

본 발명의 코팅장치에 포함된 열경화부는 또한 이미지 로의 반사면(11)에 반사되도록 열을 방출하는 광원(12)을 포함한다. 바람직하게, 광원(12)은 할로겐 램프, 적외선 레이저 등과 같은 IR 히터일 수 있다. 이러한 광원(12)으로부터 방출되는 광은 상술한 선형 초점(F)으로 수렴되어 그 부위에 핫 존(hot zone)을 형성한다. 광원(12)은 또한 보다 확실한 선형 초점(F)을 형성하기 위해 선형의 형상을 가질 수 있다.

폴리이미드계 수지가 도포된 유리 섬유는 상술한 선형 초점(F)의 핫 존을 통과한다. 유리 섬유가 선형 초점(F)을 통과하면서 표면에 도포된 수지가 가열되어 열경화된다.

제1실시예의 열경화부에서 선형 초점(F)을 통과하는 방식은 2가지가 있을 수 있다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 코팅장치에 포함된 제1실시예에 따른 코팅부에서 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식의 예들을 도시한 도면이다.

하나의 예는 도 3a에 도시한 바와 같이 유리 섬유(G)가 선형 초점(F)의 길이방향과 동일한 방향으로 중첩되어 진행하는 것이다.

다른 예는 도 3b에 도시한 바와 같이 유리 섬유(G)가 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행하면서 선형 초점(F)을 통과하는 것이다.

도 3b에 도시한 후자의 경우에는 하나 이상의 유리 섬유(G)가 소정 간격을 가지고 배열되어 선형 초점(F)을 통과하면서 표면에 도포된 수지가 열경화 될 수 있다. 이 경우, 열경화부의 로 몸체(1)에는 각각의 유리 섬유(G)들이 통과하는 통과홀(13)이 다수개 형성될 수 있다.

이상과 같은 구성에 따라 본 발명의 코팅장치는 도포부에서 유리 섬유(G)의 표면에 폴리이미드계 수지를 도포하고 열경화부에서 근적외선 열원을 이용한 가열을 통해 결정화로 인한 파손이나 표면의 결함 없이 유리 내 잔류응력을 제거할 수 있다.

본 발명의 코팅장치의 열경화부에 포함된 광원(12)은 상술한 바와 같이 할로겐 램프, 근적외선 레이저 등을 포함하는 IR 히터이다. 할로겐 램프의 경우에는 근적외선인 대략 1,300nm 영역대이다. 근적외선 레이저의 경우에는 800 내지 2,000nm의 빛을 발진하며 단색성과 강도가 좋다. 대표적인 근적외선 레이저는 파장 900nm의 갈륨-비소 반도체 레이저, 파장 1,060nm의 YAG 레이저, 광섬유 레이저가 있다. 또한 적용될 수 있는 레이저는 중적외선 영역의 파장인 1,150nm 및 339nm의 헬륨-네온 레이저, 파장 10.6μm의 이산화탄소 레이저, 파장 337μm의 시안 레이저 등을 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 코팅장치에 포함된 열경화부의 제2실시예를 도시한 도면이다. 이해의 편의를 위해 동일하거나 유사한 구성요소에 대하여는 제1실시 예와 동일한 도면부호를 부여하였다.

열경화부의 제2실시예는 상술한 제1실시예의 몸체(1)가 2개가 결합된 형태를 가진다. 따라서, 열경화부의 몸체(1)는 제1몸체(101)와 제2몸체(102)를 포함한다. 이들 제1몸체(101)와 제2몸체(102)는 각각 내면에 타원 또는 포물선 형상, 또는 타원 또는 포물선의 일부의 형상을 가지는 반사면(11)을 포함한다.

도면에서와 같이, 제1몸체(101)와 제2몸체(102)는 바람직하게는 각각의 선형 초점(F)이 중첩되도록 결합될 수 있다. 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 중첩된 선형 초점(F)을 통과한다.

제2실시예의 경우에도 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 선형 초점(F)의 길이방향과 중첩되는 방향으로 진행하거나(도 5a) 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행(도 5b)하도록 배치될 수 있다. 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행하는 경우에는 몸체(1)에는, 제1실시예와 마찬가지로, 다수개의 광섬유 통과홀(13)이 구비된다. 이를테면 광섬유 통과홀(13)은 제1몸체(101) 또는 제2몸체(102)에 형성되거나, 제1몸체(101)와 제2몸체(102)의 일부분씩 형성될 수 있다.

상술한 제1실시예와 제2실시예의 모두의 경우에는 광원(12)은 적어도 하나가 배치될 수 있다.

특히, 도 4, 도 5a, 및 도 5b에 도시된 제2실시예에서는, 예를 들어 제1몸체(101)에 형성된 반사면(11)에서 반사되는 열을 방출하는 제1광원(12)과 제2몸체(102)에 형성된 반사면(11)에서 반사되는 열을 방출하는 제2광원(12)을 별도로 포함할 수 있다.

제1실시예 및 제2실시예에서 공히 광원(12)은 위치가 고정되거나 위치 이동이 가능하도록 배치될 수 있다. 제2실시예에서 예를 들면, 제1광원(12) 및/또는 제2광원(12)은 도면에서 a축 방향으로 이동가능하게 설치될 수 있다. 이렇게 광원을 상술한 a축 방향으로 이동시킴으로써 용이하게 온도 조절을 수행할 수 있다. 즉, 광원을 a축 방향으로 온도를 제어하거나 핫 존을 제어할 수 있다.

상술한 제1실시예와 제2실시예에서 공히 이미지 퍼니스를 위한 열경화부의 몸체(1), 및/또는 제1몸체(101)와 제2몸체(102)는 아래와 같은 타원 방정식에 따라 반사면이 제작될 수 있다.

도 6은 본 발명의 코팅장치에 채용된 열경화부의 이미지 로의 온도 그라디언트(temperature gradient)를 나타낸다. 도 6에서 좌측은 길이방향의 면에 대한 온도 그라디언트이고, 우측은 횡단방향에 대한 온도 그라디언트이다.

도 7은 본 발명의 코팅장치를 이용하여 폴리이미드계 수지를 코팅한 광섬유의 광특성을 평가한 그래프이다. 도 7에서, 50℃부터 단계적으로 200℃까지 온도를 변화시켰을 때 약 0.5dB 차이의 전송특성을 보였다.

폴리이미드계 수지의 경우에는 코팅 횟수에 의해 코팅막의 두께가 결정되기 때문에, 열경화 장치의 길이가 길게 되면 광섬유 인출 시스템이 커지는 문제가 있다. 따라서, 기존의 장치로는 실질적으로 열경화 장치의 길이를 늘이는 데에는 한계가 있고, 그에 따라 코팅 횟수를 증가시키기는 어렵다. 이를 테면, 25㎛ 직경을 갖는 일반 광통신용 광섬유는 62.5㎛의 두께로 광섬유를 코팅한 후, 최종 직경이 250um가 되도록 규격화 되어 있는데, 기존의 인출 장비로 62.5㎛ 두께의 폴리이미드계 수지로 코팅을 하기 위해서는 광섬유 인출 장비의 길이가 30 meter 이상으로 높아야하는 문제점이 발생한다. 따라서 위의 배경기술에서 설명한 바와 같이 최근 Nextrom사에서는 폴리이미드계 수지의 효과적인 광섬유 코팅을 위해서 길이가 짧은 광섬유 인출 장비를 이용하며, 인출 공정상에서 유효 길이를 늘이기 위해 광섬유 인출 장비 내에서 광섬유를 루핑(looping) 시켜 폴리이미드계 수지의 코팅 횟수를 증대시키는 방법을 적용한다. 하지만 이러한 방식은 광섬유 루핑 과정에서 코팅 중간 단계에 오염 물질의 유입이 불가피하며, 외부 장비와의 접촉에 의해 광섬유의 물리적 특성의 변화를 초래할 수 있다. 또한 이러한 기존의 저항 발열체 방식에서는 열경화 온도를 섭씨 500도 이상 올릴 경우에는 석영유리의 결정화 및 산화로 인해 표면의 손상 및 파손을 유발할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 코팅장치는 할로겐 램프, 적외선 레이저 등을 포함하는 IR 히터를 활용할 경우에는 충분히 빠른 시간 내에 가열이 가능하며, 짧은 길이에서 효과적으로 폴리이미드계 수지를 코팅시킬 수 있다. 따라서, 광섬유 인출 시스템 내에 짧은 길이를 가지는 본 발명의 코팅장치를 여러 개 장착할 수 있어서 코팅 횟수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 매우 효과적으로 폴리이미드계 수지를 원하는 두께로 광섬유 표면에 코팅할 수 있는 장점을 가지게 된다.

본 발명의 코팅장치에 할로겐 램프를 광원(열원)으로 적용한 코팅장치를 사용한 결과, 일반 전기로에서와는 달리 유리의 결정화로 인한 광섬유 표면의 손상 없이 열처리가 가능하였으며, 열처리 시간이 증가할수록 광섬유 유리 내에 존재하는 잔류응력이 점차적으로 완화되었다. 특히, 1100℃ 이상의 온도에서는 잔류응력이 완전히 해소된 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 코팅장치에 채용되는 근적외선 할로겐 램프의 방사열은 광섬유의 순간적인 가열과 냉각이 가능하여, 광섬유 유리 내에서 결정화 영역의 응집을 위한 시간을 최소화하기 때문이다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

1: 몸체 101: 제1몸체
102: 제2몸체 11: 반사면
12: 광원 13: 통과홀
G: 유리 섬유 F: 초점

Claims (8)

1. 광섬유 코팅장치로서:
   유리 섬유의 표면에 열경화성 수지를 도포하는 도포부; 및
   상기 도포부에 의해 표면에 상기 수지가 도포된 유리 섬유를 가열하는 열경화부;를 포함하고,
   상기 열경화부는, 내면에 타원 또는 포물선 형상의 반사면을 가지며 상기 반사면은 타원 또는 포물선과 교차하는 방향으로 길이를 가짐으로써 선형 초점을 가지는 로의 몸체와, 상기 반사면에 의해 반사되는 열을 방출하는 광원을 포함하고,
   상기 수지가 도포된 상기 유리 섬유의 하나 이상이 상기 선형 초점의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행하면서 상기 반사면의 초점을 통과하면서 가열되는 것인, 광섬유 코팅장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 수지는 폴리이미드계 수지인, 광섬유 코팅장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 광원은 할로겐 램프 및 적외선 레이저를 포함하는 적외선 히터인, 광섬유 코팅장치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서, 상기 로의 몸체는:
   내면에 타원 또는 포물선의 일부 형상의 반사면을 가지며, 상기 반사면은 상기 타원 또는 포물선과 교차하는 방향으로 길이를 가지는 제1몸체; 및
   내면에 타원 또는 포물선의 일부 형상의 반사면을 가지며, 상기 반사면은 상기 타원 또는 포물선과 교차하는 방향으로 길이를 가지는 제2몸체;를 포함하고,
   상기 제1몸체와 상기 제2몸체는 상기 타원 또는 포물선의 개방된 부위를 맞대고 결합하는 것인, 광섬유 코팅장치.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제1몸체와 상기 제2몸체는 초점이 중첩된 것인, 광섬유 코팅장치.

Images