KR101817794B1 - 광섬유 코팅장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 제조 장치에 관한 것으로, 타워, 상기 타워 상단 부위에 배치된 광섬유 프리폼 피더와 인출 로를 포함하는 인출부 및 상기 타워에 있어서 상기 인출부 아래에 배치되어 상기 인출부로부터 인출된 인출 섬유의 표면에 수지를 코팅하는 코팅장치를 포함하고, 상기 코팅장치는 열경화성 수지를 도포하는 도포부와 도포된 열경화성 수지를 열처리하는 열경화부를 포함하고, 상기 열경화부는 타원 또는 포물선 형상의 반사면을 가지며 상기 반사면은 선형 초점을 가지는 이미지 로와 열원을 포함하고, 수지가 도포된 상기 유리 섬유의 하나 이상이 상기 선형 초점의 길이 방향과 교차하는 방향으로 진행하는 광섬유 제조 장치가 개시된다. 본 발명의 광섬유 제조 장치는 동시에 복수 개의 유리 섬유를 코팅하거나, 하나의 유리 섬유가 상기 코팅장치를 복수 번 통과함으로써 제조 장치 전체의 길이를 증가시키지 않으면서도 코팅 횟수를 증가시킬 수 있다.

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.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 도포부와 이미지 로(爐) 및 IR(infrared ray) 히터를 포함하는 열경화부를 채용한 코팅 장치를 포함하는 광섬유 제조 장치를 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 타워, 상기 타워 상단 부위에 배치된 광섬유 프리폼 피더와 인출 로를 포함하는 인출부 및 상기 타워에 있어서 상기 인출부 아래에 배치되어 상기 인출부로부터 인출된 인출 섬유의 표면에 수지를 코팅하는 코팅장치를 포함하고, 상기 코팅장치는 열경화성 수지를 도포하는 도포부와 도포된 열경화성 수지를 열처리하는 열경화부를 포함하고, 상기 열경화부는 타원 또는 포물선 형상의 반사면을 가지며 상기 반사면은 선형 초점을 가지는 이미지 로와 열원을 포함하고, 수지가 도포된 상기 유리 섬유의 하나 이상이 상기 선형 초점의 길이 방향과 교차하는 방향으로 진행하는 광섬유 제조 장치를 제공한다.

상기 수지는 폴리이미드계 수지일 수 있다.

상기 열원은 할로겐 램프 또는 적외선 레이저일 수 있다.

상기 이미지 로는 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 제2몸체를 포함하고, 상기 제1몸체와 제2몸체는 초점이 중첩된 것일 수 있다.

상기 이미지 로는 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 제2몸체를 포함하고, 상기 제1몸체와 상기 제2몸체는 상기 반사면의 열린 부위를 맞대고 결합한 것일 수 있다.

본 발명의 광섬유 제조 장치는 상기 코팅 장치를 복수 개 포함할 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. 하나 이상의 유리 섬유가 이미지 로의 선형 초점의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되어 동시에 복수 개의 유리 섬유를 코팅할 수 있다. 광섬유 제조 장치 내에 본 발명의 코팅장치를 여러 개 장착하거나, 하나의 유리 섬유가 상기 코팅장치를 복수 번 통과함으로써 제조 장치 전체의 길이를 증가시키지 않으면서도 코팅 횟수를 증가시킬 수 있다. 또한, 이미지 로 내에서 열원의 위치를 변경하여 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 광섬유 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예를 따라 광섬유 제조 장치에 포함되는 코팅 장치에서 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 따라 광섬유 제조 장치에 포함되는 코팅 장치에서 열경화성 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식을 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명의 코팅장치에 채용된 열경화부의 이미지 로의 온도 그라디언트(temperature gradient)를 나타낸다.
도 5은 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 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 광섬유 제조 장치는 타워에 종방향으로 요소들이 배치되고, 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 코팅장치가 1개 이상 배치될 수 있다. 타워의 하단 부위에는 캡스턴(capstan)부가 배치된다.

상기 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. 광섬유 제조 장치는 도포부와 열경화부를 포함하는 코팅장치를 도 1에 도시한 바와 같이 복수 개가 포함할 수 있다.

코팅장치의 열경화부는 내면이 반사면인 이미지 로(image furnace) 형이다.

실시예 1

도 2는 본 발명의 일실시예를 따라 광섬유 제조 장치에 포함되는 코팅 장치 및 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식을 도시한 도면이다.

도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예를 따른 광섬유 제조 장치는 다음과 같은 코팅 장치를 포함한다. 코팅 장치는 열경화성 수지를 도포하는 도포부(미도시)와 열경화부를 포함한다. 상기 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 열원(12)을 포함한다. 바람직하게, 열원(12)은 할로겐 램프, 적외선 레이저 등과 같은 IR 히터일 수 있다. 이러한 열원(12)으로부터 방출되는 광은 상술한 선형 초점(F)으로 수렴되어 그 부위에 핫 존(hot zone)을 형성한다. 열원(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.

본 발명의 일실시예에서 유리 섬유(G)는 이미지 로의 반사면(11)의 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행하면서 선형 초점(F)을 통과한다. 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 열원(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.

실시예 2

도 3은 본 발명의 일실시예를 따라 광섬유 제조 장치에 포함되는 코팅 장치에서 열경화성 수지가 도포된 유리 섬유(G)가 열경화부의 선형 초점(F)을 통과하는 방식을 도시한 도면이다. 이해의 편의를 위해 동일하거나 유사한 구성요소에 대하여는 제1 실시예와 동일한 도면부호를 부여하였다.

본 발명의 제2 실시예를 따른 열경화부의 상술한 제1 실시예의 몸체(1) 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.

수지가 도포된 유리 섬유(G)는 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행(도 5b)하도록 배치될 수 있다. 몸체(1)에는 제1실시예와 마찬가지로, 1개 이상의 광섬유 통과홀(13)이 구비될 수 있다. 이를테면 광섬유 통과홀(13)은 제1몸체(101) 또는 제2몸체(102)에 형성되거나, 제1몸체(101)와 제2몸체(102)의 일부분씩 형성될 수 있다.

상술한 제1 실시예와 제2 실시예의 모두의 경우에는 열원(12)은 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.

제2 실시예에서는, 예를 들어 제1몸체(101)에 형성된 반사면(11)에서 반사되는 열을 방출하는 제1열원(12)과 제2몸체(102)에 형성된 반사면(11)에서 반사되는 열을 방출하는 제2열원(12)을 별도로 포함할 수 있다.

제1 실시예 및 제2 실시예에서 공히 열원(12)은 위치가 고정되거나 위치 이동이 가능하도록 배치될 수 있다. 제2 실시예에서 예를 들면, 제1열원(12) 및/또는 제2열원(12)은 도면에서 a축 방향으로 이동가능하게 설치될 수 있다. 이렇게 열원을 상술한 a축 방향으로 이동시킴으로써 용이하게 온도 조절을 수행할 수 있다. 즉, 열원을 a축 방향으로 온도를 제어하거나 핫 존을 제어할 수 있다.

상술한 제1 실시예와 제2 실시예에서 이미지 로를 위한 열경화부의 몸체(1), 및/또는 제1몸체(101)와 제2몸체(102)는 아래와 같은 타원 방정식에 따라 반사면이 제작될 수 있다.

도 4은 본 발명의 코팅장치에 채용된 열경화부의 이미지 로의 온도 그라디언트(temperature gradient)를 나타낸다.

좌측은 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행 할 때의 온도 그라디언트를, 우측은 형 초점(F)의 길이방향과 평행한 방향으로 진행 할 때의 온도 그라디언트를 도시하고 있다. 선형 초점(F)의 길이방향과 교차하는 방향으로 진행 할 때의 온도 그라디언트를 참조하면, 선형 초점(F)이 있는 2 ㎜ 내지 4 ㎜ 영역에서 900℃에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 또한 선형 초점(F)을 중심으로 진행 방향의 전·후 3 ㎜ 영역에서 600℃ 이상의 높은 온도로 열 처리가 가능한 것을 확인할 수 있다.

도 5은 본 발명의 코팅장치를 이용하여 폴리이미드계 수지를 코팅한 광섬유의 광특성을 평가한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 50℃부터 단계적으로 200℃까지 온도를 변화시켰을 때 광섬유는 약 0.5dB 차이의 전송특성을 보여 열에 매우 안정한 것을 확인할 수 있었다.

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. 이러한 기존의 저항 발열체 방식에서는 열경화 온도를 섭씨 500도 이상 올릴 경우에는 석영유리의 결정화 및 산화로 인해 표면의 손상 및 파손을 유발할 수 있다.

본 발명의 광섬유 제조 장치는 IR 히터를 포함하는 코팅 장치를 채용하여 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. 또한 하나의 장치에 복수 가닥의 광섬유를 통과시킬 경우 공정 시간이 감소할 수 있고, 하나의 광섬유가 하나의 코팅 장치를 복수 번 통과할 경우 하나의 코팅 장치만으로도 효과적인 루핑이 가능하게 된다.

본 발명의 광섬유 제조 장치에 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: 열원 13: 통과홀
G: 유리 섬유 F: 초점

Claims (7)

1. 광섬유 제조 장치로서:
   타워;
   상기 타워 상단 부위에 배치된 광섬유 프리폼 피더와 인출 로를 포함하는 인출부; 및
   상기 타워에 있어서 상기 인출부 아래에 배치되어 상기 인출부로부터 인출된 유리 섬유의 표면에 수지를 코팅하는 코팅장치를 포함하고,
   상기 코팅장치는 열경화성 수지를 도포하는 도포부와 도포된 열경화성 수지를 열처리하는 열경화부를 포함하고,
   상기 열경화부는 타원 또는 포물선 형상의 반사면을 가지며 상기 반사면은 선형 초점을 가지는 이미지 로와 열원을 포함하고,
   수지가 도포된 상기 유리 섬유의 하나 이상이 상기 선형 초점의 길이 방향과 교차하는 방향으로 진행하는 광섬유 제조 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수지는 폴리이미드계 수지인, 광섬유 제조 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열원은 할로겐 램프 또는 적외선 레이저인 광섬유 제조 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 이미지 로는 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 제2몸체를 포함하고,
   상기 제1몸체와 제2몸체는 초점이 중첩된 것인 광섬유 제조 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1몸체와 상기 제2몸체는 상기 반사면의 열린 부위를 맞대고 결합하는 것인 광섬유 제조 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 코팅 장치는 상기 제1몸체에 형성된 반사면에서 반사되는 열을 방출하는 제1 열원과 상기 제2몸체에 형성된 반사면에서 반사되는 열을 방출하는 제2 열원을 포함하는 광섬유 제조 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 코팅 장치를 복수 개 포함하는 광섬유 제조 장치.

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