KR101943598B1 - 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너 - Google Patents

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서태일
김기식
이현주
이가형
이세윤
전형진
권오철
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주식회사 에스티아이
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Abstract

본 발명은 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너에 관한 것으로서, 외부로부터 연료가스를 공급받아 화염을 생성함과 동시에 상기 화염 내에서 폴리알킬실록산 가스를 반응시켜 수트를 생성하는 버너 및 상기 버너 하부에 직접 결합되고, 외부로부터 공급되는 폴리알킬실록산을 기화시켜 생성된 폴리알킬실록산 가스를 상기 버너로 공급하는 기화기를 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 버너의 하부에 기화기가 일체로 결합되는 구조로 인해 기화된 원료물질의 공급경로가 최소화됨에 따라 상대적으로 기화점이 높은 원료물질을 사용하더라도 원료물질의 기화에 의해 생성된 원료가스가 버너로 공급되는 과정에서 응축되어 액적상태로 변화되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 버너와 기화기가 일체로 결합되는 컴팩트한 구조로 인해 협소한 증착챔버 내에 설치가 가능할 뿐 아니라 기화기와 버너를 연결하는 공급라인 및 공급라인을 가열하기 위한 별도의 히팅 시스템이 요구되지 않아 장치의 소형화가 가능하고, 이에 따라 제작비용을 절감할 수 있게 된다.

Description

기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너{Vaporizer integrated burner}
본 발명은 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 버너의 하부에 기화기가 일체로 결합되는 구조를 제공함으로써, 상대적으로 기화점이 높은 원료물질을 사용하더라도 원료물질의 기화에 의해 생성된 원료가스가 버너로 공급되는 과정에서 응축되어 액적상태로 변화되는 것을 방지할 수 있도록 한 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유는 중간재인 원기둥 형상의 코어와, 상기 코어의 주변을 둘러싸는 클래드를 포함하며, 광신호의 전송 매체로서, 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼선이 없고 도청이 어려우며, 광섬유 하나로 복수의 통신 회선들을 동시에 수용할 수 있는 이점이 있다.
상기 광섬유는 중간재인 광섬유 모재를 고온에서 가열한 후 인출함으로써 제작되며, 상술한 광섬유 모재의 제작 방법으로는 내부 화학 기상 증착법(Modified chemical vapor deposition:MCVD), 기상 축 증착법(Vapor axial deposition:VAD), 외부 기상 증착법(Outside chemical vapor deposition:OVD) 및 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma chemical vapor deposition:PCVD) 등이 있다.
이 중 기상 축 증착법 및 외부 기상 증착법은 실리콘 함유 원료물질(Source material) 및 캐리어 가스(N2, O2, HE)를 버너(bunner)로 공급하여 화염 가수분해(Flame hydrolysis) 반응을 통해 수트(SiO2)를 생성하고, 생성된 수트(SiO2)를 코어라드(Starting member) 상에 증착하여 광섬유 모재를 제조하는 방식이다.
한편, 기상 축 증착법 및 외부 기상 증착법은 통상적으로 실리콘 함유 원료물질로서 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)를 사용해 왔는데, 이러한 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)는 염소를 함유하고 있어 가수분해 반응 과정에서 염산이 생성될 수 있다.
따라서, 종래 실리콘 함유 원료물질로 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)를 사용하는 경우에는 이로 인해 생성된 염산을 처리하기 위한 별도의 처리시설이 요구될 뿐 아니라 염산에 의한 장치 부식이 발생될 수 있으며, 이러한 염산이 인체에 접촉되거나 흡입되는 경우 인체에 치명적인 상해를 입힐 있는 문제점이 발생하게 된다.
위와 같은 이유로 최근에는 실리콘 함유 원료물질로 염소를 함유하지 않는 유기 실리콘 화합물을 사용하려는 시도가 이루어지고 있는데, 염소를 함유하지 않는 실리콘 화합물의 예로는 모노실란, 알콕시실란, 실록산 및 실라잔을 들 수 있으며, 이 중 폴리알킬실록산(“실록산”이라고도 약칭됨)이 중량비(weight proportion) 당 실리콘 양이 특히 높아 제조 원가 절감 차원에서 유리하다.
이러한 폴리알킬실록산으로는 헥사메틸시클로트리실록산(Hexamethylcyclotrisiloxan, D3), 옥타메틸시클로테트라실록산(Octamethylcyclotetrasiloxan, D4), 데카메틸시클로펜타실록산(Decamethylcyclopentasiloxan, D5), 도데가메틸시클로헥사실록산(Dodecamethylcyclohexasiloxan, D6) 등이 있으며, 이 중에서도 대규모 및 고순도로 이용이 가능한 옥타메틸시클로테트라실록산(Octamethylcyclotetrasiloxan, D4)이 대표적이다.
그러나, 위와 같은 폴리알킬실록산은 기화점이 57℃인 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)에 비해 기화점이 175℃로 높아 공급 과정에서 응축이 이루어지지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.
한편, 한국등록특허 제1569797호에는 염소가 포함되지 않은 옥타메틸시클로테트라실록산(Octamethylcyclotetrasiloxan, D4)을 원료물질로 사용하는 광섬유 모재 증착장치가 개시되어 있다.
한국등록특허 제1569797호의 광섬유 모재 증착장치는 도 1에 도시된 바와 같이, D4(105)가 저장되는 저장기(110), 저장기(110) 후단에 설치되고 저장기(110)으로부터 공급되는 D4(105)를 예열기(115)로 이송하는 펌프(122), 예열기(115)로 이송되는 D4(105)를 계량하는 유량계(123), 유량계(123)로부터 계량된 D4(105)를 공급받아 예열하는 예열기(115), 예열된 D4(105)를 기화시키는 기화기(120), 기화된 D4(105)를 다수개의 버너(140)로 공급하는 공급라인(130) 및 기화된 D4(105)를 화염 가수분해하는 다수개의 버너(140) 및 화염 가수분해에 의해 생성된 수트(SiO2)가 증착되는 코어라드(160)를 포함하여 이루어진다.
그러나, 상기한 한국등록특허 제1569797호의 광섬유 모재 증착장치는 상대적으로 기화점이 높은 D4(105)가 기화기(120)와 버너(140)를 연결하는 공급라인(130)을 통해 버너(140)로 공급되는 구조로 인해 공급라인(130)을 이동하는 과정에서 응축되어 액적상태로 변화된 D4(105)가 화염 내에서 가수분해됨에 따라 생성되는 수트(SiO2)의 사이즈가 변화되면서 균일한 밀도를 가지는 양질의 광섬유 모재를 생산할 수 없는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 버너(140)에 의해 액적상태로 배출된 D4(105)가 버너(140)로 재유입되고, 재유입되는 액적상태의 D4(105)가 버너(140) 내부에서 가수분해 반응을 일으킴에 따라 노즐을 포함하는 버너 내부의 배관라인이 오염되는 문제점이 발생될 뿐 아니라 액적상태의 D4(105)가 버너(140) 내부의 배관 라인 상에 축적됨에 따라 배관을 통해 이동하는 D4(105)의 유량 변화를 초래함과 아울러 가연성의 액이 비산됨에 따른 화재 발생 위험이 내재하고 있다.
또한, 공급라인(130)을 통해 이동하는 D4(105)가 응축되어 액적상태로 변화되는 것을 방지하기 위해서는 공급라인(130) 상에 D4(105)의 기화온도를 유지하기 위한 별도의 히팅시스템을 마련해야 함에 따라 비용이 상승하는 문제점이 발생하게 된다.
한국등록특허 제1569797호 “합성 석영 유리의 제조 방법”
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 버너의 하부에 기화기가 일체로 결합되는 구조를 제공하는 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 외부로부터 연료가스를 공급받아 화염을 생성함과 동시에 상기 화염 내에서 폴리알킬실록산 가스를 반응시켜 수트를 생성하는 버너 및 상기 버너 하부에 직접 결합되고, 외부로부터 공급되는 폴리알킬실록산을 기화시켜 생성된 폴리알킬실록산 가스를 상기 버너로 공급하는 기화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너가 제공된다.
여기서, 버너본체 및 상기 버너본체 하부에 결합되되, 하부에 상기 기화기로부터 상기 폴리알킬실록산 가스가 유입되는 유입관이 형성되고, 외면 일측에 상기 연료가스가 공급되는 적어도 하나의 공급구가 형성되며, 하부에 상기 기화기가 결합되는 결합 플랜지를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유입관의 일측에는 상기 폴리알킬실록산 가스가 응축되어 형성되는 액적의 유입을 방지하기 위한 액적 방지 필터가 설치되는 것이 보다 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 버너의 하부에 기화기가 일체로 결합되는 구조로 인해 기화된 원료물질의 공급경로가 최소화됨에 따라 상대적으로 기화점이 높은 원료물질을 사용하더라도 원료물질의 기화에 의해 생성된 원료가스가 버너로 공급되는 과정에서 응축되어 액적상태로 변화되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 버너와 기화기가 일체로 결합되는 컴팩트한 구조로 인해 협소한 증착챔버 내에 설치가 가능할 뿐 아니라 기화기와 버너를 연결하는 공급라인 및 공급라인을 가열하기 위한 별도의 히팅 시스템이 요구되지 않아 장치의 소형화가 가능하고, 이에 따라 제작비용을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 종래 광섬유 모재 증착 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너의 단면도이다.
도 5의 (a)는 베이스 노즐부의 평면도, (b)는 확산 플레이트의 평면도 및 (c)는 헤드 노즐부의 저면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너의 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너의 단면도이고, 도 5의 (a)는 베이스 노즐부의 평면도, (b)는 확산 플레이트의 평면도 및 (c)는 헤드 노즐부의 저면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너(1)는 외부로부터 연료가스(CH4, H2, O2)를 공급받아 화염을 생성함과 동시에 화염 내에서 폴리알킬실록산 가스를 반응시켜 수트(SiO2)를 생성하는 버너(10) 및 버너(10) 하부에 일체로 결합되고, 외부로부터 공급되는 폴리알킬실록산을 기화시켜 생성된 폴리알킬실록산 가스를 버너(10)로 공급하는 기화기(20)를 포함하여 이루어진다.
버너(10)는 버너본체(11) 및 결합 플랜지(12)를 포함하여 이루어지며, 버너본체(11)와 결합 플랜지(12)는 체결나사(N)에 의해 상호 체결된다. 체결나사(N)는 버너본체(11)의 일정 간격 이격된 가장자리 일측에 형성된 다수의 홈부(H)에 배치되어 버너본체(11)를 관통하여 결합 플랜지(12)에 체결된다.
버너본체(11)는 상면 중앙에 폴리알킬실록산 가스가 분사되는 제 1 분사공(11aa)이 형성되고, 제 1 분사공(11aa)의 외측 동심원 상에 방사상으로 배치되어 연료가스가 분사되는 다수개의 제 2 분사공(11ab)이 형성되는 헤드부(11a), 헤드부(11a) 하부에 결합되는 확산 플레이트(11b) 및 확산 플레이트(11b) 하부에 결합되는 베이스부(11c)를 포함한다.
이러한 버너본체(11)은 내부 중앙 즉, 헤드부(11a), 확산 플레이트(11b) 및 베이스부(11c)의 중앙에 기화기(20) 내부에서 폴리알킬실록산의 기화에 의해 생성된 폴리알킬실록산 가스를 공급받아 제 1 분사공(11aa)을 통해 분사하는 분사관(11d)이 설치되는 설치공간(S1)이 형성된다.
또한, 버너본체(11)는 도 4의 확대도 B 및 도 5의 (a), (c)에 도시된 바와 같이, 헤드부(11a) 및 베이스부(11c)의 내부 중 설치공간(S1)의 외측에 상하로 연통되는 3개의 환형 유로(C)가 형성된다.
그리고, 확산 플레이트(11b)는 도 4의 확대도 B 및 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 확산 플레이트(11b)의 내부 중 설치공간(S1)의 외측에 헤드부(11a) 및 베이스부(11c)에 형성된 환형 유로(C)와 대응되는 영역에 다수개의 확산홀(11ba)이 동심원 상에 방사상으로 배치된다.
이에 따라, 베이스부(11c)의 환형 유로(C)로 유입된 연료가스는 확산 플레이트(11b)의 확산홀(11ba)을 통과해야 함에 따라 베이스부(11c)의 환형 유로(C) 내에서 확산 플레이트(11b)에 부딪혀 균일한 확산이 이루어진 후, 확산홀(11ba)을 통과하여 헤드부(11a)의 환형 유로(C)로 유입됨에 따라 헤드부(11a)의 환형 유로(C)로 균일하게 분포되어 유입된다.
결합 플랜지(12)는 버너본체(11)의 베이스부(11c)의 하부에 결합되어 버너본체(11)와 기화기(20)를 일체로 연결하는 역할을 하는 것으로서, 저면 중앙에 기화기(20)로부터 기화되어 배출되는 폴리알킬실록산 가스가 유입되는 유입관(12a)이 형성되고, 외주면에 외부로부터 연료가스가 공급되는 연료가스 공급배관(B)이 연결되는 복수 개(도면에서는 3개가 도시됨)의 공급구(12b)가 형성된다.
그리고, 도 3의 확대도 A에 도시된 바와 같이, 결합 플랜지(12)는 상면 중앙에 유입관(12a)와 연통되는 제 1 유출관(12c)이 돌출 형성되고, 제 1 유출관(12c)의 외측에 각각의 공급구(12b)와 연통되는 3개의 제 2 유출관(12d)이 돌출 형성된다.
여기서, 제 1 유출관(12c)은 분사관(11d)의 하단부가 결합되는 영역을 제공하며, 후술하는 기화기(20)로부터 배출되어 유입관(12a)을 통해 유입되는 폴리알킬실록산 가스를 분사관(11d)으로 공급하는 역할을 한다.
그리고, 제 2 유출관(12d)은 각각이 베이스부(11c) 내부에 형성된 3개의 환형 유로(C)와 각각 연통되도록 연결되고, 공급구(12b)를 통해 공급되는 연료가스를 베이스부(11c)의 3개의 환형 유로(C)로 공급하는 역할을 한다.
본 실시예에서는 도 4의 확대도 C에 도시된 바와 같이, 3개의 제 2 유출관(12d) 중 하나가 베이스부(11c) 내부에 형성된 3개의 환형 유로(C) 중 중앙에 형성된 환형 유로(C)와 연통되도록 연결되는 것만을 도시하였으나, 나머지 제 2 유출관(12d)들도 각각 내측 및 외측에 형성된 환형 유로(C)와 연통되도록 연결된다.
특히, 본 발명은 기화기(20)로부터 배출되는 폴리알킬실록산 가스가 응축되어 형성되는 액적이 유입관(12a)을 통해 버너본체(11)로 유입되는 것을 방지하기 위해 유입관(12a)의 일측에 액적 방지 필터(12e)가 일체로 설치되는 것을 특징으로 한다.
기화기(20)는 외부로부터 공급되는 액상의 폴리알킬실록산을 내부에서 가열하여 기화시킴으로써, 버너(10)로 공급되는 폴리알킬실록산 가스를 생성하는 역할을 하는 것으로서, 몸체부(21) 및 액상 원료 주입 노즐부(22)를 포함한다.
몸체부(21)는 상면 중앙에 결합 플랜지(12)의 유입관(12a)이 수용되는 수용공간(S2)이 함몰 형성되고, 내부 중앙에 수용공간(S2)과 연통되는 제 1 이동로(21a)가 형성되며, 제 1 이동로(21a)의 주변에 방사상으로 다수개의 제 2 이동로(21b)가 형성된다.
그리고, 몸체부(21)는 외주면에 제 1 이동로(21a) 및 제 2 이동로(21b)를 통해 이동하는 폴리알킬실록산을 가열하여 기화시키기 위한 면상의 가열체(21c)가 설치된다.
액상 원료 주입 노즐부(22)는 몸체부(21)의 하부에 일체로 결합되어 몸체부(21)의 내부로 액상의 폴리알킬실록산을 미세 분무하여 공급하기 위한 것으로서, 상부에 폴리알킬실록산을 분사하기 위한 분사노즐(22a)이 형성되고, 저면 일측에 폴리알킬실록산의 아토마이징과 이송을 위한 캐리어가스가 공급되는 캐리어가스 공급구(22b)가 형성되며, 저면 타측에 폴리알킬실록산이 공급되는 폴리알킬실록산 공급구(22c)가 형성된다.
이러한 기화기(20)는 몸체부(21) 내부에 형성된 제 1 이동로(21a)를 기준으로 방사상으로 다수개의 제 2 이동로(21b)가 형성되는 구조로 인해 내부로 유입된 폴리알킬실록산과 몸체부(21) 내면 간의 접촉면적이 증가됨에 따라 기화효율이 현저하게 향상되어 컴팩트한 구성이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 기화기(20)에서 발생되는 열이 상부에 결합되는 버너본체(11)로 전달됨에 따라 버너본체(11)를 예열하기 위한 별도의 예열수단이 요구되지 않게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 버너 하부에 기화기가 일체로 결합되는 구조로 인해 상대적으로 기화점이 높은 폴리알킬실록산을 사용하더라도 폴리알킬실록산의 기화에 의해 생성된 폴리알킬실록산 가스가 버너로 공급되는 과정에서 응축되는 문제가 발생되지 않는다.
또한, 기화기로부터 버너로 폴리알킬실록산 가스를 공급하기 위한 별도의 공급라인 및 공급라인 일측에 폴리알킬실록산 가스의 기화온도를 유지하기 위한 별도의 히팅시스템이 요구되지 않아 장치의 소형화가 가능하고, 이에 따라 제작비용을 절감할 수 있게 된다.
비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1 : 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너 10 : 버너
11 : 버너본체 11a : 헤드부
11aa : 제 1 분사공 11ab : 제 2 분사공
11b : 확산 플레이트 11ba : 확산홀
11c : 베이스부 11d : 분사관
12 : 결합 플랜지 12a : 유입관
12b : 공급구 12c : 제 1 유출관
12d : 제 2 유출관 12e : 액적 방지 필터
20 : 기화기 21 : 몸체부
21a : 제 1 이동로 21b : 제 2 이동로
21c : 가열체 22 : 액상 원료 주입 노즐부
22a : 분사노즐 22b : 캐리어가스 공급구
22c : 폴리알킬실록산 공급구

Claims (3)

  1. 외부로부터 연료가스를 공급받아 화염을 생성함과 동시에 상기 화염 내에서 폴리알킬실록산 가스를 반응시켜 수트를 생성하는 버너와;
    상기 버너 하부에 직접 결합되고, 외부로부터 공급되는 폴리알킬실록산을 기화시켜 생성된 폴리알킬실록산 가스를 상기 버너로 공급하는 기화기를 포함하되,
    상기 버너는
    버너본체와;
    상기 버너본체 하부에 결합되되, 하부에 상기 기화기로부터 상기 폴리알킬실록산 가스가 유입되는 유입관이 형성되고, 외면 일측에 상기 연료가스가 공급되는 적어도 하나의 공급구가 형성되며, 하부에 상기 기화기가 결합되는 결합 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유입관의 일측에는 상기 폴리알킬실록산 가스가 응축되어 형성되는 액적의 유입을 방지하기 위한 액적 방지 필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 기화기 일체형 광섬유 모재 제조용 버너.
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