KR19980075318A - 광섬유 모재 오버 클래딩 방법 및 광섬유 인출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 모재 오버 클래딩 방법에 관한 것으로서, 상기 오버 클래딩 방법은 탑척에 광섬유 모재를 고정시켜 레벨링하는 과정과, 바텀척에 석영관을 고정시켜 레벨링하는 과정과, 광섬유 모재를 석영관에 동축으로 삽입하는 과정과, 상기 석영관을 퍼네이스로 예열하고 버너로 가열하여 연화점에 도달하게 하는 과정과, 음(-)압의 진공으로 광섬유 모재와 석영관 사이의 클리어런스에 있는 공기를 흡입하여 완전히 밀봉시켜 프리폼을 형성하는 과정으로 이루어진다. 또한 상기 본 발명은 석영관 외경의 크기에 관계없이 광섬유 2차 모재인 프리폼(preform)을 제작할 수 있으며, 프리폼의 제조생산성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 석영관의 외부표면에서부터 내부표면까지 균일하게 연화시킬 수 있다.

Description

광섬유 모재 오버 클래딩 방법 및 광섬유 인출 방법.

본 발명은 대구경 광섬유 모재 제조방법에 관한 것으로서, 특히 퍼네이스를 이용하여 석영관을 예열시키고 산1Q수소 버너로 가열하여 광섬유 모재와 석영관을 증착시켜 제조시간을 단축시킬 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 광섬유를 제조하는 방법은 두 개의 공정으로 나눌 수 있다. 그중 처음공정은 광섬유 1차 모재(이하: 광섬유 모재라함)를 제조한 후, 로드-인 튜브 방법 또는 오버 클래딩이라 부르는 방법을 거쳐 광섬유 2차 모재(이하: 프리폼이라함)를 제조하는 단계이며, 나머지 공정은 제조되어진 프리폼(preform)을 용융하여 외경이 125μm인 광섬유로 인출하는 공정이다.

이때, 상기 광섬유 모재를 제조하는 방법은 크게 외부증착법과 내부증착법으로 나눌 수 있다. 상기 외부증착법에는 기체상태의및 기타 도판트(dopant)등의 화학가스에 산소()를 동시에 공급하면서 화염으로 가수분해시켜 수트(soot)라고 불리는입자를 외부에서 증착한 후, 이 기공성의 모재를 고로에 넣고,및 He을 사용하여 탈수 및 소결을 하여 투명한 광섬유 모재를 제조하는 기상축붙이기법(Vapour phase Axial Deposition: VAD) 및 외부기상축붙이기법(Outside Vapour Deposition: OVD)이 있다. 또한 상기 내부증착법에는 석영관 내부에및 기타 도판트를 산소와 동시에 공급하면서 석영관 내부에 여러층을 증착한 후, 증착된 석영관을및 He을 증착 석영관에 공급하면서 고온으로 가열하여 수축시키면서 석영봉이 되게하는 내부화학기상퇴적법(Modified Chemical Vapour Deposition: MCVD) 및 화학기상퇴적법(Chemical Vapour Deposition: CVD) 이 있다. 이때 내부화학기상퇴적법은 현재 가장 일반적으로 사용되고 있으며 고품질의 석영계 광섬유 모재를 얻을 수 있는 제조방법이다.

상기와 같은 광섬유 제조방법 중에서 내부화학기상퇴적법 및 화학기상퇴적법은 그 제조공법상의 특성 때문에 직경이 약 23mm 이상되는 큰 모재를 제조하는데는 애로점이 있다. 따라서 생산성 향상의 수단으로 대구경의 석영관을 상기에서 서술한 내부증착법에 의해 미리 만들어진 광섬유 모재에 용융시켜 붙이는 오버 클래딩이라는 방법을 주로 사용하였다.

즉, 현재의 애로점인 광섬유 모재를 크게 만드는 방법은 미리 만들어진 광섬유 모재를 대구경의 석영관(glass tube)에 넣고, 버너(burner)로 가열하여 상기 광섬유 모재와 대구경 석영관을 녹여 붙여 프리폼(preform)을 만드는 로드-인-튜브(Rod-In-Tube)법 또는 오버 클래딩(Over Cladding)법으로 불리는 방법이 있으며, 상기 나열한 방법들은 이미 널리 공지된 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. 부가적으로 이러한 방법은 본 발명자가 출원한 출원번호 제 93-25712 호(단일모드 1차 오버 클래딩 방법 및 장치)에 상세히 기술되어 있다. 또한 미국 특허번호 제 4,820,322 호(글래스 로드를 오버 클래딩하기 위한 방법 및 장치)에 상세히 기술되어 있다.

그러나, 현재의 내부화학기상퇴적법으로 제조된 광섬유 모재를 외경이 70mm가 되는 대구경 석영관에 삽입하여 오버 클래딩하는데는 큰 문제가 없다. 하지만 대구경의 석영관 외경이 커지거나 그 석영관의 두께가 증가할수록 오버 클래딩에 필요한 열량이 많이 요구되어 외부에서 열을 공급하는 버너의 속도가 느려져야 하는 문제점이 발생한다. 또한 상기 광섬유 모재와 대구경 석영관의 경계에 가해지는 진공의 압력을 더욱 낮추면 되나, 상당히 큰 음(-)의 압력에 의해 기하구조의 동심도나 비원율이 나빠지는 문제점이 발생하게 된다.

또 한편으로는 외부의 열량을 높게하기 위해서는 현재 사용하는 산1Q수소 버너의 공급유량을 크게 해주면 간단히 해결되지만, 상기 오버 클래딩 과정에서 대구경 석영관의 외경은 연화(Softening)되어 점도가 떨어지는데 반해, 상기 석영관의 내경은 연화가 덜 진행되어 일정한 점도(viscosity)를 유지하게 된다. 따라서 상기 산1Q수소 버너의 공급유량이 커지면서 발생하는 압력(flame force)에 의해 대구경 석영관의 표면이 찌그러 지거나, 상기 버너에서 나온 불순물 입자(particle)들이 대구경 석영관의 표면에 달라 붙는 등의 문제점이 발생하였다. 그리고, 상기 산1Q수소 버너는 상대적으로 고온영역(hot zone)의 길이가 짧기 때문에 충분한 열량을 대구경 석영관의 표면에 전달하지 못할 뿐만 아니라 온도 불균형 현상을 유발한다. 따라서 기하구조 불균일(ovality:단면적의 타원형등)이 발생되며, 또한 상기 산1Q수소 버너로 제조시에 발생하는 석영관의 외부표면과 내부표면의 점성 차이로 인해 마이크로 벤딩 손실(Micro Bending Loss)이 증가하며, 더욱이 광섬유 2차 모재인 프리폼을 제조하는 시간이 약 1.5∼2시간 정도 소요되므로서 생산성이 현저히 떨어지는 문제점이 발생하였다.

상기와 같은 오버 클래딩 방법으로 제조된 프리폼으로 광섬유를 인출하는 과정은 다음과 같다. 기본적으로 광섬유 인출방법은 먼저 광섬유 모재를 제조한 후에 다시 석영관과 광섬유 모재를 오버 클래딩 방법으로 프리폼을 제작한다. 이후 상기 프리폼을 용융하여 일정한 인장하중에 의해 125μm의 외경을 갖는 광섬유로 일정한 선속으로 인출한다. 인출공정은 선속을 빠르게 하여 단위시간당의 생산성을 향상시키는 것이 관건이며, 현재 보통 600∼1000m/분 정도의 속도로 인출한다.

하지만, 상기와 같은 방법으로 광섬유를 인출하면 인출 속도가 느리기 때문에 대량생산이 불가능 할 뿐만 아니라, 광섬유 2차 모재인 프리폼을 오버 클래딩법으로 제조한 후에 다시 광섬유로 인출하므로서 상기 오버 클래딩이라는 공정이 추가되어 생산성의 감소 및 광섬유의 가격이 상승하는 문제점이 발생하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 석영관 외경의 크기에 관계없이 광섬유 2차 모재인 프리폼(preform)을 제작할 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 광섬유 모재와 석영관을 간단하게 오버 클래딩할 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 프리폼의 제조생산성을 향상시킬 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 석영관의 외부표면에서부터 내부표면까지 균일하게 연화시킬 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 석영관의 표면을 버너에서 발생하는 불순물로부터 보호하여 고강도의 프리폼을 제작할 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광섬유 모재와 석영관 사이의 점도를 조절하여 경계면에서 발생하는 응력(stress)를 방지할 수 있는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 프리폼을 광섬유로 인출시에 제조시간을 단축시킬 수 있는 광섬유 인출 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 오버 클래딩 공정을 거치지 않고 연속적으로 광섬유를 인출할 수 있는 광섬유 인출 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수직선반의 양단에는 탑척 및 바텀척이 설치되고, 상기 수직선반의 양단사이를 수직이동하는 캐리지가 구비되며, 상기 캐리지에는 링형의 산1Q수소 버너와 석영관을 예열 또는 가열하는 퍼네이스가 장착되고, 상기 척의 양단중 어느 한단에는 진공펌프와 진공펌프를 연결하는 커플링이 설치되며, 외부에서는 상기 캐리지의 수직이동, 산1Q수소 버너의 유량 및 척의 회전등을 제어하는 제어부가 설치된 오버 클래딩 제조장치에서 광섬유 모재에 석영관을 응축하여 프리폼을 제조하는 방법에 있어서, 상기 탑척에 광섬유 모재를 고정시켜 레벨링하는 과정과, 상기 바텀척에 석영관을 고정시켜 레벨링하는 과정과, 상기 광섬유 모재를 상기 석영관에 동축으로 삽입하는 과정과, 상기 석영관을 상기 퍼네이스로 예열하고 상기 버너로 가열하여 연화점에 도달하게 하는 과정과, 음(-)압의 진공으로 상기 광섬유 모재와 석영관 사이의 클리어런스에 있는 공기를 흡입하여 완전히 밀봉시켜 프리폼을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 광섬유 인출 방법은 광섬유 모재와 석영관의 한쪽 끝단만을 밀봉시킨 후, 광섬유 인출장치의 피드 모듈에 설치된 척에 장착시키고 그 한쪽 끝단에 진공펌프를 연결하는 과정과, 상기 석영관과 광섬유 모재가 밀봉된 부분을 상기 광섬유 인출장치에 설치된 퍼네이스 내부의 고온영역 부분과 일치시키는 과정과, 상기 석영관과 광섬유 모재가 밀봉된 부분을 상기 퍼네이스로 예열하고 가열하여 연화점에 도달하게 한 후, 상기 진공펌프의 진공으로 상기 광섬유 모재와 석영관의 경계면을 밀봉시켜 프리폼을 형성하는 콜랩스 과정과, 상기 콜랩스 과정에 의해 형성된 프리폼을 상기 퍼네이스의 가열원으로 광섬유를 인출하는 과정과, 상기 인출되는 광섬유의 외경을 측정하고 냉각시킨 후 경화성 수지로 코팅처리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 모재 제조공정에서 퍼네이스(furnace)가 장착된 오버 클래딩(over cladding) 제조장치의 구성을 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치에 의해 광섬유 모재가 프리폼(preform:광섬유 2차 모재)으로 형성되는 과정을 나타낸 개략도.

도 3a는 도 2에서 A-A의 단면도.

도 3b는 도 2에서 B-B의 단면도.

도 3C는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치에 의해 형성된 프리폼의 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치에서 유리형성(glass forming material) 물질을 주입하여 광섬유 모재와 석영관 사이의 점도를 조절하면서 프리폼을 형성하는 과정을 나타낸 개략도.

도 5는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 퍼네이스를 이용하여 연속적으로 광섬유를 인출하는 방법을 나타낸 개략도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선, 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 부호가 사용되고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐트릴 수 있는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 광섬유 모재 제조공정에서 퍼네이스(furnace)가 장착된 오버 클래딩(over cladding) 제조장치의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치에 의해 광섬유 모재가 프리폼(preform:광섬유 2차 모재)으로 형성되는 과정을 나타낸 개략도이다. 도 3a는 도 2에서 A-A의 단면도이고, 도 3b는 도 2에서 B-B의 단면도이다. 도 3C는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치에 의해 형성된 프리폼의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 석영관(glass tube) 102와 광섬유 모재 100을 수직으로 잡아주는 역할을 하는 척(chuck) 20,30을 포함하는 수직선반 10과, 상기 선반 10에 장착되어 상1Q하사이로 수직이동을 하는 캐리지(carriage) 60과, 상기 캐리지 60에 장착되어 광섬유 모재 100과 석영관 102를 가열하는 산ㆍ수소 버너 40과, 상기 캐리지 60에 장착되어 버너 40의 하부에 위치하고 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102를 가열 또는 예열하는 퍼네이스(furnace) 50과, 상기 수직선반 10의 양단중 한쪽단에 설치되는 진공펌프 114와, 상기 진공펌프 114를 연결하는 커플링과, 상기 척 30에 잡힌 석영관 102의 회전과 상기 캐리지 60의 수직이동속도 및 상기 버너 40의 유량제어와 상기 진공펌프 114의 압력등을 제어하는 제어부 등으로 구성된다. 부가적으로 상기 퍼네이스 50에 전원을 공급하는 버스 바(bus bar) 53과 케이블 55로 연결된 전원공급부로 구성된다.

상기와 같이 구성된 광섬유 모재 오버 클래딩 제조장치의 구성요소들을 좀더 상세히 설명하면 하기와 같다.

수직선반 10에는 캐리지 60을 이동시키는 도면에 도시되지 않은 이송수단과 가이드 봉 11이 설치되고, 상기 수직선반 10의 양단에는 탑척 20과 바텀척 30이 각각 설치된다. 상기 탑척 20은 광섬유 모재 100을 고정하고 상기 광섬유 모재 100을 회전시키는 역할을 수행한다. 상기 바텀척 30은 석영관 102를 고정하고 상기 석영관 102를 회전시키는 역할을 수행한다. 이러한 선반 10에는 버너 40이 장착된 캐리지 60이 가이드 봉 11을 중심축으로 수직이동하는 바, 상기 버너 40의 하측으로 퍼네이스 50이 장착된다. 또한 버너 40의 상부에는 신장 및 수축이 가능한 환기용 덕트 42가 설치된다. 즉, 상기 덕트 42, 버너 40 및 퍼네이스 50은 상기 캐리지 60에서 적층되게 설치된 구조이다. 따라서 버너 40과 퍼네이스 50 및 덕트 42는 일체로 캐리지 60에 장착되어 제어부에 의해 수직이동을 제어받는다.

상기 퍼네이스 50은 내부에 그라파이트(graphite)라는 발열체로 구성되어 있고, 전원공급부로부터 전원을 공급받아 발열을 한다. 보통 2000∼2500℃정도의 고열을 공급할 수 있도록 온도가 유지되며, 이러한 열은 석영관 102와 광섬유 모재 100에 복사현상에 의해 열이 전달되어 광섬유 모재 100이나 석영관 102에 고온영역(hot zeon)을 형성한다. 또한 상기 퍼네이스 50의 측방향으로 조작 유니트 54가 설치되어 사용자가 용이하게 조작하게끔 구성된다.

그리고, 광섬유 모재 오버 클래딩 제조장치에서 사용하는 퍼네이스 50은 광섬유 인출공정에서 사용되는 퍼네이스에 비해 발열부분이 길고(상ㆍ하방향으로 더욱 연장된 형상), 복사열의 전달효과를 극대화하기 위해 두께를 기존보다 얇게 한다. 이는 내부에 위치한 도면에 도시되지 않은 발열체 재질인 라이너의 두께일부를 얇게 하는 것이다. 이러한 광섬유 모재 제조공정에서 사용하는 퍼네이스 50의 발열체로는 주로 전기저항로 형태(Electrical Resistance Type)의 그라파이트(C)가 사용되며, 또는 인덕션 형태(induction type)의 지르코니아()가 사용되기도 한다. 이때 상기 퍼네이스 50에는 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 또는 헬륨과 아르곤의 혼합가스(He+Ar)를 주입하기 위해 몸체에 여러개의 튜브 58이 연결된다. 또한 상기 퍼네이스 50의 몸체를 중심으로 상ㆍ하부에 각각 커버 플렌지(cover flange) 52와, 각각의 콘덕터 플렌지(conductor flange) 51a,51b가 각각 조립된다. 상ㆍ하부쪽에 위치한 콘덕터 플렌지 51a,51b에는 버스 바(bus bar) 53이 다수개 설치되어 전력케이 55에 의해 전원공급부(power supply)에 연결되어 전원을 공급받는다. 상기 콘덕터 플렌지 51a,51b는 타이 바(tie bar) 56에 의해 모퉁이에 체결되어 견고하게 고정된다.

이러한 퍼네이스 50의 내부에 주입되는 헬륨이나 아르곤 가스등은 불활성 가스(inert gas)로, 고온의 퍼네이스 50의 내부에 주입되어 광섬유 모재 100이나 석영관 102의 외주면에서 일어나는 그라파이트의 산화를 방지하며 열전도성이 좋아 광섬유 모재 100이나 석영관 102의 외주면에서 열온도 분포를 균일하게 하는 역할을 수행한다. 상기 퍼네이스 50의 몸체에는 파이로미터(Pyrometer:온도센서가 내장) 57을 설치하여 내부온도를 감지한다. 또한 고온의 퍼네이스 50을 냉각시키기 위해 도면에 도시되지 않은 쿨링 라인을 설치한다. 즉 발열을 식히는 기능을 한다.

상기 기술한 광섬유 모재 제조장치의 설치장소(외부환경)로는 전원이 오프된 경우에는 온도가 0∼40℃이내에서 유지되어야 하며, 습도는 50%를 넘지 않아야 한다.

상기와 같이 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치를 이용하여 광섬유 2차 모재인 프리폼을 제작하는 오버 클래딩 방법을 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 광섬유 모재 100은 외부증착법 또는 내부증착법으로 제조되어지며, 석영관 102는 내경이 10mm이상이고 외경은 무한대인 합성석영관 또는 천연 석영관을 사용한다. 그후 미리 준비된 광섬유 모재 100을 탑척 20에 물려 고정시키고, 광섬유 모재 100이 수직상태가 되도록 레벨링을 한다. 이어서 대구경 석영관 102의 한쪽 끝단은 도면에 도시되지 않은 더미 튜브(dummy tube)가 연결되고, 상기 더미 튜브는 바텀척 30에 물리게 되고 수직상태가 되도록 레벨링(levelling)을 한다. 이때 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102는 도 3b에 도시된 바와 같이 클리어런스(clearance) 108이 형성된다.

레벨링을 완료한 후, 콘트롤러를 이용해 탑척 20에 고정한 광섬유 모재 100을 아랫방향으로 내려 석영관 102에 동축으로 삽입되게 한다. 이후, 콘트롤러를 이용해 캐리지 60을 이동시켜 퍼네이스 50의 고온영역 부분이 광섬유 모재 100의 불록부분과 석영관 102가 결합된 부분에 위치하게 한다. 이어서 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102가 결합된 척 20,30을 회전시키면서 퍼네이스 60에 전원을 공급하고 로터리 유니온(rotary union) 106을 통해 5∼10l/분의 불활성 가스(inert gas)인 아르곤 또는 헬륨 또는 질소를 클리어런스 108에 흘려본내다. 이후 상기 석영관 102의 표면이 1700℃에 도달하면, 상기 버너 40은 산소 50l/분과 수소 100l/분으로 열을 약하게 하여 캐리지 60을 아랫방향으로 3∼5cm/분의 속도로 이동하면서 상기 석영관 102의 표면에 열을 가한다. 이어서 상기 석영관 102의 내부표면은 외부표면에서의 열전도율과 불활성 가스에 의해 가열되어 내부표면에 붙어 있는 마이크로 더스트를 태워주게 된다. 이때 상기 광섬유 모재 100의 외부표면은 상기 석영관 102의 내부표면에서의 열전도율과 불활성 가스에 의해 가열되어져 외부표면에 붙어 있는 마이크로 더스트가 태워져 날아가게 된다.

그 다음, 콘트롤러를 이용해 양척 20,30을 구동시켜 결합된 광섬유 모재 100과 석영관 102를 20∼30RPM으로 유지시키며, 퍼네이스 50에 불활성 가스를 공급하여 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102의 연결부가 예열이 되도록 10∼30분 정도 정체 시킨다. 이때, 상기 퍼네이스 50의 상단부에 설치된 버너 40은 수소 30LPM, 산소 15LPM의 가스유량으로 불을 붙인다. 이때 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102는 도 3b에 도시된 바와 같은 형상으로 형성된다.

이후, 예열된 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102의 연결부의 점도가 떨어져 연결부위가 연화되면, 콘트롤러를 이용해 진공펌프 114를 작동시켜 광섬유 모재 100과 석영관 102의 경계면인 클리어런스 108에 있는 공기 116을 빨아들여 완전한 밀봉이 이루어지게 한다. 이어서 상기 캐리지 60의 속도를 1 CPM에서 서서히 증가하여 3∼5 CPM으로 아랫방향으로 이동시키고 동시에 버너 40의 유량을 산소는 75 LPM으로 수소는 150 LPM으로 증가시키면, 일정한 주속으로 회전하는 석영관 102와 광섬유 모재 100은 전체길이에 콜랩스(collapse)가 되어 한몸을 이룬다. 그후 전체길이가 콜랩스되면, 퍼네이스 50의 전원을 끄고 상기 석영관 102와 더미 튜브의 연결부에 버너 40을 고정하고, 상기 연결 부분이 연화될때까지 산소 75 LPM으로 수소 150 LPM으로 3∼5분을 정체시켜 가열한다. 이후 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102의 열결부분이 연화되면 탑척 20을 위로 1∼3mm/분 속도로 서서히 이동시켜 연결부위가 가늘어 지게 한다. 이후 만들어지고 있는 프로폼의 외경이 완성된 프리폼 112의 원래 직경의 2/3정도 되면, 매뉴얼 컨트롤러(manual control)로 탑척 20을 상부로 빠르게 이동시켜 석영관 102의 더미 튜브와 콜랩스된 모재인 프리폼 112를 완전히 끓어낸다. 그후, 완성된 프리폼 112를 탑척 20에서 빼낸 후에 일정시간 동안 보관대에서 식히므로서 광섬유 모재의 오버 클래딩 과정이 완료된다. 즉 상기 프리폼 112는 도 3c에 도시된 바와 같은 형상으로 형성된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 퍼네이스가 장착된 오버 클래딩 제조장치에서 광섬유 모재와 석영관 사이의 클리어런스에 유리형성 물질을 주입하여 광섬유 모재와 석영관 사이의 점도를 조절하면서 프리폼을 형성하는 오버 클래딩 과정을 나타낸 개략도이다. 도 4를 참조하여 본 발명의 점도조절 오버 클래딩 방법을 설명하면 하기와 같다.

먼저, 광섬유 모재 100은 외부증착법 또는 내부증착법으로 제조되어지며, 석영관 102는 내경이 10mm이상이고 외경은 무한대인 합성석영관 또는 천연 석영관을 사용한다. 이후 미리 준비된 광섬유 모재 100을 탑척 20에 물려 고정시키고, 광섬유 모재 100이 수직상태가 되도록 레벨링을 한다. 이어서 대구경 석영관 102의 한쪽 끝단은 도면에 도시되지 않은 더미 튜브(dummy tube)가 연결되고, 상기 더미 튜브는 바텀척 30에 물리게 되고 수직상태가 되도록 레벨링(levelling)을 한다. 이때 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102 사이에는 클리어런스(clearance) 108이 형성된다.

레벨링을 완료한 후, 콘트롤러를 이용해 탑척 20에 고정한 광섬유 모재 100을 아랫방향으로 내려 석영관 102에 동축으로 삽입되게 한다. 이후, 콘트롤러를 이용해 캐리지 60을 이동시켜 퍼네이스 50의 고온영역 부분이 광섬유 모재 100의 불록부분과 석영관 102가 결합된 부분에 위치하게 한다. 이어서 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102가 결합된 척 20,30을 회전시키면서 퍼네이스 60에 전원을 공급하고 로터리 유니온(rotary union) 106을 통해 5∼10l/분의 불활성 가스(inert gas)의 종류인 아르곤 또는 헬륨 또는 질소를 클리어런스 108에 흘려본내다. 이후 상기 석영관 102의 표면이 1700℃에 도달하면, 상기 버너 40은 산소 50l/분과 수소 100l/분으로 열을 약하게 하여 캐리지 60을 아랫방향으로 3∼5cm/분의 속도로 이동하면서 상기 석영관 102의 표면에 열을 가한다. 이어서 상기 석영관 102의 내부표면은 외부표면에서의 열전도율과 불활성 가스에 의해 가열되어 내부표면에 붙어 있는 마이크로 더스트를 태워주게 된다. 이때 상기 광섬유 모재 100의 외부표면은 상기 석영관 102의 내부표면에서의 열전도율과 불활성 가스에 의해 가열되어져 외부표면에 붙어 있는 마이크로 더스트가 태워져 날아가게 된다.

이후, 상기 석영관 102와 광섬유 모재 100의 경계면의 점도를 조절하기 위하여 클리어런스 108에 유리형성 물질(glass forming material) 110을와 함께 주입한다. 즉, 가스유량제어부(Mass Flow Controller:케미컬이나 가스의 유량을 단위시간에 따라 일정하게 공급하는 장치) 104에서 500mg/분의와 30mg/분의또는 소정의 프레온(freon) 또는 붕소(boron)를 로터리 유니온 106으로 보낸다. 이어서 상기 로터리 유니온 106은와 유리형성 물질 110을 혼합하여 상기 클리어런스 108에 주입하게 된다.

이때, 상기 클리어런스 108에 주입되는와 유리형성물질 110은 하기와 같은 화학식으로 결합되어 경계면의 점도를 조절한다.

[화학식]

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동시에, 상기 버너 40을 아랫방향으로 이동시키면서 상기 클리어런스 108에 있는와 유리형성물질 110을 가열하여 실리카의 점도가 매칭되는 층을 서서히 클리어런스 108에 증착한다. 이때 상기 석영관 102의 표면 가열온도는 1800℃이며, 상기 버너 40의 속도는 1.5∼2cm/분이다.

그 다음, 콘트롤러를 이용해 양척 20,30을 구동시켜 결합된 광섬유 모재 100과 석영관 102를 20∼30RPM으로 유지시키며, 퍼네이스 50에 불활성 가스를 공급하여 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102의 연결부가 예열이 되도록 10∼30분 정도 정체 시킨다. 이때, 상기 퍼네이스 50의 상단부에 설치된 버너 40은 수소 30LPM, 산소 15LPM의 가스유량으로 불을 붙인다.

이후, 예열된 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102의 연결부의 점도가 떨어져 연결부위가 연화되면, 콘트롤러를 이용해 진공펌프 114를 작동시켜 광섬유 모재 100과 석영관 102의 경계면인 클리어런스 108에 있는 공기 116을 빨아들여 완전한 밀봉이 이루어지게 한다. 이어서 상기 캐리지 60의 속도를 1 CPM에서 서서히 증가하여 3∼5 CPM으로 아랫방향으로 이동시키고 동시에 버너 40의 유량을 산소는 75 LPM으로 수소는 150 LPM으로 증가시키면, 일정한 주속으로 회전하는 석영관 102와 광섬유 모재 100은 전체길이에 콜랩스(collapse)가 되어 한몸을 이룬다. 그후 전체길이가 콜랩스되면, 퍼네이스 50의 전원을 끄고 상기 석영관 102와 더미 튜브의 연결부에 버너 40을 고정하고, 상기 연결 부분이 연화될때까지 산소 75 LPM으로 수소 150 LPM으로 3∼5분을 정체시켜 가열한다. 이후 상기 광섬유 모재 100과 석영관 102의 열결부분이 연화되면 탑척 20을 위로 1∼3mm/분 속도로 서서히 이동시켜 연결부위가 가늘어 지게 한다. 이후 만들어지고 있는 프로폼의 외경이 완성된 프리폼 112의 원래 직경의 2/3정도 되면, 매뉴얼 컨트롤러(manual control)로 탑척 20을 상부로 빠르게 이동시켜 석영관 102의 더미 튜브와 콜랩스된 모재인 프리폼 112를 완전히 끓어낸다. 그후, 완성된 프리폼 112를 탑척 20에서 빼낸 후에 일정시간 동안 보관대에서 식히므로서 광섬유 모재의 오버 클래딩 과정이 완료된다. 이때 상기와 같은 오버 클래딩 방법으로 제조된 프리폼은 외부에서 가해지는 충격을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 광섬유 모재와 석영관의 경계면에서 발생하는 응력(stress)을 최소화할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 퍼네이스를 이용하여 오버 클래딩 방법을 거치지 않고 곧바로 연속적으로 광섬유를 인출하는 방법을 나타낸 개략도이다.

본 발명의 광섬유 인출 방법은, 광섬유 모재 158을 석영관 156에 레벨링 하면서 끼운다. 이후 석영관 156과 광섬유 모재 158의 한쪽 끝단만을 밀봉시킨 후에 광섬유 인출장치의 피드 모듈(feed module) 150에 설치된 척 154에 장착시킨다. 이어서 밀봉된 한쪽 끝단에는 진공펌프 152를 연결한다. 그후 상기 광섬유 모재 157과 석영관 156이 밀봉된(서로 결합된) 부분을 광섬유 일출장치에 설치된 퍼네이스 162의 내부에 수직방향으로 끼워 고연영역(hot zone) 부분과 일치되게 한다. 이때 상기 퍼네이스 162는 열전도성을 향상시키기 위하여 그라파이트 재질로 형성된다. 이후 전원공급부의 전원을 켜서 상기 퍼네이스 162를 작동시킨다. 이때 상기 퍼네이스 162의 내부에는 그라파이트의 산화를 방지하기 위해 약 10l/분의 아르곤 가스를 흘려준다. 그후 상기 퍼네이스 162로 석영관 156과 광섬유 모재 158이 밀봉된 부분을 대략 20분이상 동안 예열하고 가열하면 밀봉된 부분은 연화(softening)되어진다. 이때 상기 진공펌프 152에서 약 -700mm Bar 정도의 음(-)의 압력을 상기 석영관 156과 광섬유 모재 158의 경계면에 가하면서, 상기 광섬유 모재 158이 고정된 피드 모듈 150을 작동시킨다.

상기와 같은 과정에 의해 퍼네이스 162의 하단부에는 외경 125μm의 광섬유 160이 인출되며, 상기 퍼네이스 162의 고온영역 부분에서는 상기 석영관 156의 가열과 음(-)의 압력에 의해 상기 광섬유 모재 158과 석영관 156이 계속해서 밀봉되어져 프리폼이 형성되는 현상인 콜랩스 과정이 일어난다. 여기서, 상기 피드 모듈 150에서는 광섬유 160으로 인출되는 량만큼 계속해서 밀봉되지 않은 광섬유 모재 158과 석영관 156을 퍼네이스 162에 수직으로 내려주게 된다.

그후, 외경측정기 164는 인출되는 광섬유 160의 직경이 미리 정한 길이(일반적으로 125μm)가 되는가를 측정하여 도시하지 않은 직경제어기로 알려주게 된다. 이어서 상기 직경제어기는 광섬유 160의 직경이 125μm가 유지되도록 캡스탄 176을 제어한다. 상기 캡스탄 176은 직경제어기의 제어에 응답하여 상기 광섬유 160의 인장하는 강1Q약 정도를 조절하도록 제어한다. 이후 냉각장치 166에서 급냉되어진 광섬유 160를 보호하기 위하여 코팅장치 168에서는 하강하는 광섬유 160을 아크릴 수지 또는 씰리콘 수지로 코팅처리한다. 상기 코팅처리된 광섬유 160은 자외선 경화장치 170에서 경화된다. 그후 코팅처리되고 경화된 광섬유 160은 캡스탄 172의 인출력에 의해 스플 174에 감기게 된다. 이로써 광섬유 인출 과정이 완료된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 모재 오버 클래딩 방법 및 광섬유 인출 방법은 다음과 같은 많은 효과를 달성한다.

첫번째로, 종래의 기술에서 나타나는 산1Q수소 버너의 문제점인 좁은 고온영역(hot zone)이 퍼네이스에 의해 고온영역이 크게 되므로서 충분한 열량이 석영관의 표면에 전달되어 온도 불균형 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 일정하고 안정된 콜랩스가 가능하게 되었다.

두번째로, 광섬유 모재와 대구경 석영관의 상호접촉면(인터페이스)이 충분한 열량에 의해 점성이 같게 되므로서 마이크로 벤딩 손실을 현저히 감소시킬 수 있다.

세번째로, 종래에는 산1Q수소 버너에 의한 공정 진행중에 발생하는 버너의 불순물로 인해 광섬유 모재 표면이 오염될 수 있으나, 적은 산1Q수소 유량(수소:200l/분, 산소:100l/분)을 사용하므로서 광섬유 모재 표면을 불순물로부터 보호할 수 있어 고강도의 광섬유 제조가 가능하게 되었다.

네번째로, 퍼네이스로 대구경 석영관의 표면을 가열하고, 산1Q수소 버너의 압력으로 콜랩스 과정을 수행하게 되어 상기 퍼네이스 내부의 균일한 온도분포로 정확한 모재단면의 집중도를 유지하면서 프리폼을 제조할 수 있다.

다섯번째로, 종래보다 공급별 총량이 커서 대구경 석영관의 콜랩스 속도를 최고 5배까지 빠르게 할수 있고, 공정을 자동화로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 제조공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.

여섯번째로, 광섬유 모재의 크기에 상관없이 어떠한 크기의 모재도 오버 클래딩(Over Cladding)이 가능하게 되었다.

일곱번째로, 진공 펌프를 사용하여 콜랩스하기 때문에 더욱 용이하게 콜랩스될 뿐만 아니라 광섬유 모재와 대구경 석영관 사이의 클리어런스에 SiCl₄와 O₂를 흘려주고 유리형성 물질인 POCl₃, 붕소, 프레온 등을 흘려보내므로서 접촉제 증착이 가능해져 경계면에서 발생되는 응력(stress)을 감소시킬 수 있다.

여덟번째로, 본 발명의 퍼네이스를 광섬유 인출장치에서 광섬유 모재를 장착하는 부분에 설치하므로서 오버 클래딩 공정을 거지치 않고 곧바로 연속적으로 광섬유를 인출할 수 있다. 이로인해 제조공정 시간이 현저히 단축될 뿐만 아니라 생산성이 향상되었다.

Claims (17)

1. 탑척 및 바텀척과, 링형의 산·수소 버너와 석영관을 예열 또는 가열하는 퍼네이스을 가지고 상기 탑척 및 바텀척의 사이에서 수직이동하는 캐리지를 가지는 수직선반과, 상기 두 개의 척중 어느 하나에는 진공펌프와 연결되는 커플러가 연결되며 상기 캐리지의 수직이동, 산·수소 버너의 유량 및 척의 회전등을 제어하는 제어부를 포함하는 오버 클래딩 제조장치를 이용하여 광섬유 모재에 석영관을 응축하여 프리폼을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 탑척에 광섬유 모재를 고정시켜 레벨링하는 과정과,

   상기 바텀척에 석영관을 고정시켜 레벨링하는 과정과,

   상기 광섬유 모재를 상기 석영관에 동축으로 삽입하는 과정과,

   상기 석영관을 상기 퍼네이스로 예열하고 상기 버너로 가열하여 연화점에 도달하게 하는 과정과,

   음(-)압의 진공으로 상기 광섬유 모재와 석영관 사이의 클리어런스에 있는 공기를 흡입하여 완전히 밀봉시켜 프리폼을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 모재는 외부증착법 또는 내부증착법으로 제조함을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 석영관은 합성 석영관 또는 천연 석영관 임을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 석영관은 내경이 10mm 이상 임을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 모재와 상기 석영관의 사이의 클리어런스에 불활성 기체를 주입하여 이물질을 제거함을 특징으로 하는 광섬유 오버 클래딩 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 광섬유 모재의 외측면에 부착된 이물질등은 상기 석영관 표면에서 발생하는 열전도율과 불활성 기체에 의해 제거됨을 특징으로 하는 광성유 모재 오버 클래딩 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 석영관의 내측면이 부착된 이물질등은 상기 퍼네이스 또는 버너에서 발생하는 열전도율과 불활성 기체에 의해 제거됨을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 불활성 기체는 헬륨 또는 아르곤 또는 질소 임을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
9. 광섬유 모재에 석영관을 응축하여 프리폼을 제조하는 오버 클래딩 방법에 있어서,

   상기 광서유 모재와 석영관 사이의 클리어런스에와 유리형성 물질을 주입하여 상기 광섬유 모재와 석영관의 점도를 조절하면서 실리카의 점도가 매칭되는 층을 증착하여 프리폼을 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 유리형성 물질은또는 프레온 또는 붕소 등의 점도가 낮은 물질 임을 특징으로 하는 광섬유 오버 클래딩 방법.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 클리어런스에 주입되는 화합물은및을 함유함을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 클리어런스에 주입되는 화합물은,및 프레온을 함유함을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 클리어런스에 주입되는 화합물은,, 프레온 및 붕소를 함유함을 특징으로 하는 광섬유 모재 오버 클래딩 방법.
14. 광섬유 인출 방법에 있어서,

    광섬유 모재와 석영관의 한쪽 끝단만을 밀봉시킨 후, 광섬유 인출장치의 피드 모듈에 설치된 척에 장착시키고 그 한쪽 끝단에 진공펌프를 연결하는 과정과,

    상기 석영관과 광섬유 모재가 밀봉된 부분을 상기 광섬유 인출장치에 설치된 퍼네이스 내부의 고온영역 부분과 일치시키는 과정과,

    상기 석영관과 광섬유 모재가 밀봉된 부분을 상기 퍼네이스로 예열하고 가열하여 연화점에 도달하게 한 후, 상기 진공펌프의 진공으로 상기 광섬유 모재와 석영관의 경계면을 밀봉시켜 프리폼을 형성하는 콜랩스 과정과,

    상기 콜랩스 과정에 의해 형성된 프리폼을 상기 퍼네이스의 가열원으로 광섬유를 인출하는 과정과,

    상기 인출되는 광섬유의 외경을 측정하고 냉각시킨 후 경화성 수지로 코팅처리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 인출 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 퍼네이스는 그라파이트 재질임을 특징으로 하는 광섬유 인출 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 퍼네이스의 내부에는 아르곤 가스를 주입함을 특징으로 하는 광섬유 인출 방법.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 광섬유 인출장치의 피드 모듈은 상기 광섬유가 인출되는 길이만큼 상기 광섬유 모재와 석영관을 상기 퍼네이스 내부에 수직으로 내러주는 것을 특징으로 하는 광섬유 인출 방법.