KR20000052506A - 무연소 가수분해에 의한 광섬유 예비성형품 형성 방법 및장치 - Google Patents

무연소 가수분해에 의한 광섬유 예비성형품 형성 방법 및장치 Download PDF

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피콜로도나타
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Abstract

본 발명은 광 도파관(optical waveguide)의 제조에 사용되는 유리 예비성형품을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 방법은 캐리어 가스의 사용 없이 실리카 전구물질의 가스 상(phase) 가수분해를 이용한다. 시스템의 열 프로파일을 신중히 제어함으로써 반응실 내 반응물질의 흐름이 한정되어 대상 예비성형품에 증착된다.

Description

무연소 가수분해에 의한 광섬유 예비성형품 형성 방법 및 장치{Method and apparatus for forming an optical fiber preform by combustionless hydrolysis}
본 발명은 대체로 유리 예비성형품의 제조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광섬유를 만드는데 이용되는 신장된(elongated) 유리 광학 예비성형품에 관한 것이다.
광통신에 쓰이는 유리 섬유는 유리 예비성형품에서 추출한, 실리카에 기초한 고순도 유리 섬유로 만들어진다. 광 예비성형품을 생산하여 광섬유로 주입하는 것에 대한 다양한 증착(deposition) 기술이 공지되어 있다. 이 중, 증기축증착(vapor axial deposition, VAD)과 외부증기증착(outside vapor deposition, OVD)을 포함한 일부 기술은 화염 연소(flame combustion)에 기초한 것으로서, 성장하는 예비성형품에 반응물질(reactant)이 연소 가스와 함께 버너(burner)를 통해 공급된다. 그리하여 다공질(porous) 유리 예비성형품이 제조되고, 이것은 이후에 광섬유로 추출되기 쉬운 고체의 유리 예비성형품으로 굳어진다. 개량된 화학증착(modified chemical vapor deposition, MCVD) 또는 플라스마 화학증착법(plasma chemical vapor deposition, PCVD)과 같은 다른 증착 방법에 따르면, 미리 형성된 유리 튜브에 반응물질이 공급되고 이를 종래의 연소 버너(MCVD) 또는 플라스마 발생 토치(torch)(PCVD)를 이용하여 외부에서 가열하며; 실리카 입자가 튜브 내에 증착됨으로써 예비성형품을 형성하고, 상기 예비성형품은 이후 광섬유로 추출된다.
공지된 연소 방법은 화염 버너를 이용하는 것에 기초하여 반응에 필요한 에너지를 공급한다. VAD 공정의 예가 개시되었는데, 예를 들어, 미국 특허 제5,597,398호와 제4,915,717호에 기술되어 있다. OVD 공정의 예는 미국 특허 제 3,807,570호, 제4,204,851호, 제4,596,589호 및 제4,810,276호에 개시되어 있다.
(H2/O2또는 CH4/O2를 연소 혼합물로 사용하여) 버너를 이용하는 공지된 연소 공정에서, 실리카 전구물질(precursor)의 일차산화반응(1)과 실리카 전구물질의 화염 가수분해(hydrolysis)를 수반하는 이차반응(2)에 의해서 실리카 입자가 만들어지며, 이는 아래의 메카니즘에 따른다:
2H2+ O2→ 2H2O 또는 CH4+ 2O2→ 2H2O + CO2(연소)
SiCl4+ O2→ SiO2+ 2Cl2(1)
SiCl4+ 2H2O → SiO2+ 4HCl (2)
미국 특허 제4,414,164호는 실리카 예비성형품을 제조하기 위한 저온 가수분해 공정을 개시하는 바, 이 공정에서는 화염 버너를 사용하지 않으며, 실리카 예비성형품을 만들어 내기 위해 상기 반응식 (2)에 따라 실리콘 테트라클로라이드(silicon tetrachloride)가 직접 물과 반응한다.
상기의 가수분해 반응에 기초한 무화염 기술을 이용하여 예비성형품을 만들기 위한 다른 기술도 공지되었는데, 예를 들어 미국 특허 제4,564,378호, 제4,597,983호, 제4,650,693호, 그리고 제4,735,643호에 개시되어 있다. 가령, 미국특허 제4,564,378호에는 유리를 형성하는 염화 가스(예, SiCl4)와 물을 반응시키는 것이 개시되어 있다. 형성된 실리카 입자가 반응실에 있는 대상(target)에 증착되며, 상기 대상은 온도가 20℃ 내지 800℃까지(바람직하게는 20℃) 냉각되고, 반면 주위 반응실은 그보다 더 높은 온도, 바람직하게는 약 1000℃로 가열된다. 미국 특허 제4,597,983호는, 실리카와 물의 반응으로 형성된 에어로졸 스트림을 감싸 증착 지점에 운반하기 위한, 에어로졸이 없는 가스 스트림의 이용을 개시한다. 미국특허 제4,650,693호는 에어로졸이 없는 가스의 한정 효과를 증대시키기 위해, 상기의 에어로졸이 없는 한정 스트림을, 한정된 에어로졸 스트림보다 높은 온도로 가열하는 것을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,735,643호는 반응물질이 반응실로 들어가는 시점에 원하지 않는 물질의 증착을 피하기 위해, 반응 혼합물, 예를 들어 가스상태 SiCl4와 물의 반응 혼합물에, HCL과 같은 적어도 하나의 가스 상(phase) 반응물질의 적어도 하나의 가스 생성물을 첨가하는 것을 개시하고 있다.
상기 방법이 화염 가수분해가 이용되는 다른 기술과 관련한 문제들을 방지한다 하더라도, 출원인은 이들 기술에서 여러 결점들을 관찰하였다.
예를 들어, 반응물질(예를 들어, 실리콘 테트라클로라이드와 물)의 온도가 너무 낮은 경우, 가수분해 반응이 불완전할 수 있으며, 최종 예비성형품에서 수화된 폴리머 생성물이 생겨날 수 있다. 이들 중간 생성물은 최종 예비성형품의 질에 손상을 주어 노즐 폐색(nozzle obstruction)을 일으킬 수 있다.
한편, 미국 특허 제4,735,643호에 개시된 바와 같이, 반응기(reactor) 입구 측의 고온의 반응물질 가스는 입구에 불필요하게 물질의 증착을 일으킨다.
그러나, 상기 특허에서 채택된 방안, 즉 반응실로 들어가는 반응 혼합물에 반응 생성물(구체적으로는 HCl)을 도입하는 것은 반응실로 들어가는 가스의 용량을 증대시킬 수 있으며, 상기 가스 용량의 일부는 유리 형성 반응에 이용되지 않는다.
또한, 반응물질 주위에 한정 가스 스트림을 이용하면 장치의 크기 및 복잡도가 커진다.
본 발명은 광 예비성형품을 만들기 위한 가수분해 반응에 기초한 방법을 제공하는 것으로, 반응기의 입구 및 출구 지점 사이에 온도 구배(gradient)를 증가시킨다. 또한, 본 발명의 방법에 따라, 반응실 입구측 반응물질의 온도 및/또는 대상 예비성형품의 온도가 적절히 제어된다.
본 발명의 발명에 기초가 되는 가수분해 반응은 대체로 화염이 없는 가수분해, 즉 공정의 온도가 정밀하게 제어되는 반응으로서, 소정의 공정 파라미터 내에서 온도 제어가 거의 안 되는 종래의 화염-가수분해와는 반대되는 것이다. 따라서 CH4또는 H2와 같은 연소물이 실질적으로 없는 상태에서 무화염 가수분해가 수행된다.
도 1은 반응 공정 흐름을 보여주는 개략도이다.
도 2는 주입시스템을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 단면과 반응실의 단면을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 보인 장치의 종방향 단면을 보여주는 도면이다.
도 4는 주입시스템의 일실시예를 보여주는 도 5에서 IV-IV 선을 따라 절단한 종방향 단면을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 보인 주입시스템에서 V-V 선을 따라 절단한 단면을 보여주는 도면이다.
도 6은 회전하는 대상에 대해 고정된 반응실의 일실시예를 보여주는 개략도이다.
도 7은 회전하는 대상에 대해 이동하는 반응실을 보여주는 개략도이다.
도 8은 별도의 가열 요소가 있는 대상 및 반응실을 보여주는 개략도이다.
도 9는 주입시스템의 다른 실시예를 보여주는 도 10에서 라인 IX-IX를 따라 절단한 종방향 단면을 보여주는 개략도이다.
도 10은 도 4의 주입시스템과 반응실에서 도 9에 보인 라인 X-X를 따라 절단한 단면을 보여주는 개략도이다
도 11a은 본 발명에 따른 반응실의 개략도로서, 도 11b 내지 11d는 도 11a에 보인 반응실의 종방향 및 횡방향 온도 프로파일을 보여주는 도면이다.
도 12는 다중 노즐 주입시스템을 보여주는 개략도이다.
따라서, 본 발명의 한 측면은 유리 입자의 에어로졸 스트림을 대상에 증착함에 의한 유리 예비성형품 제조 방법에 관한 것으로, 본 방법은 반응실의 입구 지점에 가수분해가능한 유리 전구물질을 제공하도록 배치되는 제1 가스 또는 증기 상 합성물을 공급하는 단계와; 제2 가스 또는 증기 상 합성물로서 물을 상기 반응실의 상기 입구 지점에 공급하는 단계와; 유리 입자 에어로졸을 형성하도록 반응실 내에 제1 가스 또는 증기 상 합성물과 물을 반응시키는 단계와; 상기 반응실을 따라 그리고 상기 반응실의 출구를 통해 에어로졸을 예비성형품이 형성되는 대상에 향하도록 방향설정하는 단계와; 그리고 상기 에어로졸을 상기 대상에 증착하는 단계를 포함하며, 상기 반응실 내부에 온도 구배가 제공되어 상기 반응실의 입구 지점에서부터 상기 출구까지 온도가 증가하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 반응실의 입구 지점에서부터 출구까지 최소 약 100℃의 온도 차이가 제공되며, 상기 온도 차이는 바람직하게 약 300℃에서 약 800℃ 까지이다.
또다른 바람직한 실시예에 따라, 반응실을 통과하도록 방향설정된 에어로졸 스트림의 온도는 상기 반응실의 입구 약 700℃에서부터 출구 약 1200℃까지 증가한다.
본 발명의 실시예에 따라, 무반응 캐리어 가스(unreactive carrier gas)가 실질적으로 없는 상태에서 물과, 제1 가스 또는 증기 상 합성물의 반응이 수행된다. 바람직하게, 제1 및 제2 가스 또는 증기 상 합성물은 각각의 공급 탱크에 각각 순수한 액체로 함유되어 있는 상기 제1 및 제2 합성물을 가압상태에서 개별적으로 가열함으로써 얻어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제1 및 제2 가스 또는 증기 상 합성물은 소정 온도로 반응실에 공급되며, 상기의 소정 온도라 함은 상기 두 합성물 사이의 가수분해 반응이 실질적으로 불완전하게 되는 온도를 말한다. "실질적으로 불완전한 가수분해"라는 표현에서는, 반응으로 만들어진 실리카 입자의 치수(dimension)가, 종래 기술에 따른 공정에서 관찰되었던 반응실 입구측에 불필요한 물질의 증착을 일으키지 않고, 가스 스트림에 의해 운반될 수 있도록 충분히 작다는 것을 의도한 것이다. 특히, 상기 소정 온도는 약 800℃ 또는 그 이하이고, 바람직하게는 약 600℃ 내지 약 750℃, 특히 바람직하게는 약 700℃이다.
바람직한 실시예에 따라, 유리 입자가 증착되는 대상 예비성형품의 온도는 약 700℃ 보다 더 높다. 바람직하게, 상기 대상 예비성형품은 상기 예비성형품에 충돌하는 에어로졸 스트림의 온도보다 낮게 유지된다. 바람직하게, 대상 예비성형품의 온도는 상기 예비성형품에 충돌하는 에어로졸 스트림의 온도보다 적어도 100℃는 더 낮다.
본 발명의 또다른 측면은 신장된(elongated) 유리 예비성형품 형성 장치에 관한 것으로, 예비성형품을 형성하기 위해 상부에 유리가 증착되는 대상과; 제1 가스 또는 증기 상 합성물과 가스 또는 증기 상 물을 반응실의 입구 지점에 공급하기 위한 주입시스템과; 내부에서 가스 또는 증기 상 물과 제1 가스 또는 증기 상 합성물이 반응하여 유리 에어로졸이 되며, 상기 유리 에어로졸이 통과하여 대상을 향하도록 방향설정되는 출구가 제공된 반응실과; 상기 반응실과 결합되어, 반응실의 상기 입구 지점에서부터 상기 출구까지 온도가 증가하도록 온도 구배를 반응실 내에 제공하는 가열시스템을 포함한다.
바람직하게, 상기 반응실은 반응물질의 입구 지점에서부터 출구 지점까지 수렴하는 단면을 갖는다.
본 발명에서, "가수분해가능한 유리 전구물질"이라는 표현은, 유리를 만들어내기 위해 물과 반응할 수 있는 임의의 적정 성분 또는 성분들의 혼합물을 나타내기 위한 것이다. 통상의 유리 성분이 실리카이기 때문에 가수분해가능한 전구물질은 통상의 실리콘 화합물(예를 들어, 실리콘 테트라클로라이드)이며, 상기 화합물은 가수분해 반응에만 관여하거나 또는 다른 유리 전구물질과 혼합되어 가수분해 반응을 거치게 되고, 상기 다른 유리 전구물질로는 소위 도핑제(doping agent)라는 것이 있으며, 게르마늄(Germanium), 보론(Boron), 포스포러스(Phosphorus), 알루미늄(Aluminum), 티타늄(Titanium), 지르코늄(Zirconium), 및 플로린(Fluorine)의 가수분해가능 화합물이 포함된다.
도 1은 전체적인 반응 공정 흐름의 일례를 도시한다.
순수 액체 반응물질을 함유하는 공급탱크(supply tank)(10)(12)가 반응물질을 기화시키기 위해 가압상태에서 가열된다. 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 공급탱크는 탱크(10) 및 탱크(12)로 확인되는 바, 상기 탱크(10)는 SiCl4와 같은 가수분해가능한 유리 전구물질을 제공하기 위한 합성물을 함유하며, 상기 탱크(12)는 가스 또는 증기 상으로 형성되기 위한 물을 제공한다. 히터(heater)(20)(22)에 의해 각각 가열된 탱크(10)(12)로부터 순수 기화 반응물질이 공급되어 반응실(14)로 들어가며, 상기 반응실(14)에서는 상기 기화 반응물질이 혼합 및 반응하여 상기에서 기술한 가수분해 반응(2)에 따라 실리카 유리 에어로졸(이하에서는 수트 스트림(soot stream)이라고도 한다)(24)을 만들어 낸다. 다르게는, 히터(20)(22)에서 가열되기 전에, 반응물질이 액체 상태로 탱크(10)(12)로부터 공급되어 기화장치(vaporizing unit)(16)(18)에서 기화된다. 맨드럴(mandrel)(26)로 보인 바와 같이, 실리카 수트가 대상의 외부 표면에 충돌하여 증착된다. 바람직하게 맨드럴(26)은 수트가 고르게 증착되도록 회전된다.
예비성형품으로의 실리카 입자 증착은, 대상 예비성형품과 실질적으로 동일한 길이를 갖는 반응기를 이용하거나(정적 공정(static process)) 또는 대상 예비성형품의 길이를 가로지르는 반응기를 이용함으로써(동적 공정(dynamic process)) 달성될 수 있다.
도 6은 정적 유형의 공정을 개략적으로 보여주는 것으로서, 반응실(14)의 길이는 대상 맨드럴(26)의 길이와 거의 같다. 반응실(14)은 대상 예비성형품의 종방향 축과 정렬된 신장된 개구를 가지므로, 최종 다공질체가 형성되는 대상(26)의 전체 길이를 따라 동시에 증착이 일어난다. 반응실은 고정될 수 있거나, 또는 최종 생성물의 축방향 특성을 보다 고르게 하기 위해 대상과 버너 사이에 상대적인 이동을 제한적으로 가능하게 할 수 있다. 이를 위해, 화살표(60)(61)로 나타낸 바와 같이 대상(26) 또는 반응실(14)을 종방향으로 약간 조정할 수 있다. 대상을 이동시키는 것이 바람직한데, 이렇게 하면 흐름의 교란이 더 적기 때문이다. 주입시스템과 반응실 구성은 반응물질의 흐름을 고르게 할 수 있어야 하며 대상의 전체 길이에 실리카 수트가 균일하게 증착되도록 해야 한다.
도 7은 동적 유형의 공정을 개략적으로 보여주는 것으로서, 반응실은 대상 예비성형품보다 실질적으로 짧은 길이를 갖는다. 따라서, 맨드럴(26)의 종방향 축에 평행한 경로(42)를 따라 맨드럴과 반응실 사이에 상대적인 이동이 제공된다. 반응실이 수트 스트림(24)을 발생시키는 동안 반응실(14)은 맨드럴에 비해 그 이동하는 횟수가 많다. 맨드럴 표면이 나사형(helical)으로 만들어지는 것을 피하도록 선택된 속도로 반응실로부터 방출되는 수트 스트림(24)이 맨드럴(26)의 길이를 가로지르게 된다. 이동 속도는 약 500 mm/min에서 약 3000 mm/min이고, 바람직하게는 750 mm/min 정도이다. 이동 속도는 두 반대 방향에서 다르게 할 수 있는데, 예를 들어 수트 입자를 증착시킬 때는 상기의 속도로 제1 방향에서 반응기를 이동시키고, 반대 방향에서는 거의 입자의 증착이 없는 높은 속도(고속), 예를 들어 6000 mm/min로 반응기를 이동시킴으로써 가능하다.
본 발명의 바람직한 공정은 가수분해가능한 실리카 전구물질(예, SiCl4)을 물과 가수분해 반응시키는 것에 기초한다.
직접적인 가수분해를 통해 유리 형성 산화물을 만들어 낼 수 있도록 유리 전구물질은 가수분해가 가능해야 한다. 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 제1 가스 또는 증기 상 합성물은 반드시 SiCl4로 이루어져야 한다. 그러나, 본 발명은 도핑된 실리카를 만드는데 이롭게 이용될 수 있다. 광섬유의 물리적 파라미터를 다양하게 하기 위해, (예, 순수 실리카의 굴절률을 다양하게 하도록) 증착 단계에서 많은 도핑제(dopant agent)를 사용할 수 있다. 예를 들어, GeO2를 유리 구조에 도입하는 것은 GeCl4의 무화염 가수분해에 의해 달성될 수 있거나, 또는 임의의 기타 가수분해가능한 GeO2전구물질의 무화염 가수분해에 의해 달성될 수 있다. 유리 예비성형품에 적절한 도핑제를 첨가하기 위한 기타의 적절한 가수분해가능한 전구물질로는 BCl3, BBr3, POCl3, AlCl3, TiCl4, SiF4가 포함된다.
반응물질 혼합물을 물과 직접 반응시킴으로써 무연소 가수분해를 이용하여 도핑된 실리카를 쉽게 형성할 수 있다. 따라서, 완전히 가수분해가능한 화합물이 SiCl4와 혼합된 다음 가스 상의 물과 반응하여 도핑된 수트를 형성한다. 일반적인 예로써, GeCl4가 SiCl4와 혼합되어(예를 들어, 몰의 양으로 약 1:100 내지 15:100) SiO2-GeO2고체용액(solid solution)을 형성하는 것이 있다. 통상적인 가수분해가능한 반응물질은 금속 할로겐화합물 MXn으로서 무질서한 실리카 래티스(lattice)에 양이온을 도입하는데 이용될 수 있다:
(1-x)SiCl4(g)+ xMXn(g)+ (2(1-x) + xn/2)H2O(g)→
→ Si(1-x)MxO2-x(2-n/2)(s)+ 4(1-x)HCl(g)+ xnHX(g)(3)
여기에서, x는 도핑된 실리카로 도입된 금속 양이온 M(예, 게르마늄)의 몰 분수(mole fraction)를 나타내며 X는 할로겐, 바람직하게는 클로린을 나타낸다.
도 2와 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 반응기의 실시예는 주입시스템(31)과 반응실(14)을 포함한다. 반응실(14)은 수렴하는 측벽(14a)(14b)과, 단부벽(14c)(14d)에 의해 정의된다. 반응실의 증기출구(27)로부터 대상(26)까지의 거리"d"는, 유리 에어로졸에서 나온 유리 입자가 대상(26)에 증착되어 유리 수트 예비성형품을 제공하기에 충분한 정도의 거리에 대상(26) 있도록 하는 거리이다. 그러나, 반응기의 출구로부터 대상 예비성형품까지의 거리를 증가시킴에 따라 대상에 충돌하는 에어로졸의 온도가 대체로 증가한다는 사실을 고려해야 한다. 바람직한 실시예에서, 상기 거리는 약 10mm에서 약 100mm이며, 바람직하게는 약 20-30mm 정도이다. 대상 예비성형품의 직경이 증착되는 수트와 함께 더 커질수록 반응실의 상부와 증착물 사이의 거리는 더 작아진다. 이 거리를 일정하게 하기 위해, 공정 파라미터를 동일하게 유지하도록 반응기와 맨드럴 사이의 상대적인 이동이 제공된다.
반응물질, 예를 들어 SiCl4및 H2O가 하나 이상의 노즐(41)을 통해 반응실로 공급된다. 특히, 반응물질이 반응실의 입구 지점에, 즉 노즐의 출구 가까이에 있는 반응실의 바닥 지점에 공급된다.
도 2와 도 3에 보인 배치에서, 주입시스템은 세 가지의 별도 요소를 포함하며, 각 요소는 각각의 노즐(41)(도 2의 41a, 41b, 및 41c)에 연결된 주입실(34)(도 2의 34a, 34b, 및 34c)을 포함하고, 상기 노즐로부터 반응물질이 반응실(14) 내로 흐른다.
도 4와 도 5에 보인 바와 같이, 주입시스템의 각 요소는 제1 관부재(tubular member)(51)가 제2 관부재(50) 안에 배치된 주입실(34)을 포함한다. 가스 반응물질을 반응실 내에 주입하기 위해 신장노즐(elongated nozzle)(41)이 관부재(50)에 제공된다. 바람직하게 상기 노즐은 신장된 단면을 가지며, 반응물질이 반응실로 공급되는 통로인 신장된 직사각형의 개구(opening)가 있다. 관부재(51)에는 그 상부 중간에 일련의 홀(hole)(54)이 제공되어 있다. 흐름을 균일하게 하기 위해, 바람직하게 홀(54)의 치수는 입구에서부터 관의 대향 단부를 향하여 감소한다. 상기 홀은 주입시스템의 축방향에 대해 비대칭으로 배치되어 있다. 도 4에 보인 바와 같이, 홀의 축 "a"는 바람직하게 노즐의 축 "b"와 함께 각도 β를 형성하며, 상기 각도는 약 30도 내지 약 60도 이다. 가스 반응물질이 입구(52)를 통해 공급될 때, 상기 반응물질은 내부 관부재(51)를 따라 흐른 다음 홀(54)을 통과하여 관부재(50)로 들어가며, 상기 관부재(50)로부터 노즐(41)을 통해 반응실로 흐른다.
관부재(52)에 위치한 홀(54)의 치수는, 제1 관부재로 들어가는 흐름이 균일할 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 홀의 직경은 가스 입구에 가까이에서는 약 2mm, 대향 단부에서는 약 1mm로 점차 감소될 수 있다. 그러나, 특정의 공정 파라미터에 따라 치수 및 배치를 달리 사용할 수 있다.
파이프(35a)(35b)(도 2)에 의해 운반된 반응물질은 각 입구(52)를 통해 각 주입실로 공급된다.
도 2와 도3에 보인 바와 같이, 주입시스템은 바람직하게 컨테이너(container)(36)에 수용될 수 있으며, 상기 컨테이너는, 가령 전기저항(37)을 이용하여 적당히 가열하여 반응실에 주입되기 전에 반응물질을 원하는 온도에 이르게 할 수 있다.
또다른 실시예에 따라, 도 9와 도 10에 도시한 바와 같이, 주입실(94)은 가변 단면을 갖는 단일의 주입실로 할 수도 있으며, 그 치수는 바람직하게 반응물질의 입구에서부터 대향 단부를 향하여 감소한다. 상기 주입실은, 예를 들어 다공질 세라믹 재료로 만들어진 다공요소(porous element)(92)를 통해 각 노즐(91)로 연결된다. 주입실의 가변 단면과 다공요소로 인해, 반응실(14)을 균일하게 하고 상부로 향한 수직 속도 성분을 거의 일정하게 함으로써 반응실 및 주입시스템으로 들어가는 증기 흐름의 제어가 가능하다.
반응실(14)의 벽은 물론 주입시스템의 컨테이너는 세라믹 재료, 바람직하게는 Al2O3로 만들어질 수 있고, 반면 주입시스템은 석영으로 만들어질 수 있으며 특히, 주입시스템의 온도가 약 800℃ 이하로 유지될 때 금속 재료(예, 스테인레스 강)도 사용할 수 있다.
도 2와 도 3에 보인 바와 같이, SiCl4와 H2O와 같은 반응물질은 주입시스템(31)을 통과하고, 종방향으로 균일한 흐름을 갖도록 하고, 또 반응실(14)의 입구 지점에 도입되기 전까지 개별 스트림에서 유지된다.
앞서 언급한 바와 같이, 노즐은 바람직하게 신장된 단면을 갖는다. 노즐(41)의 길이 "L"(도 3)은 대상에 증착할 수트의 길이에 달려 있으며, 본 기술분야에 지식을 가진 자는 이를 쉽게 결정할 수 있다. 예를 들어, 본 발명을 수행함에 있어, 약 20mm 내지 약 240mm의 길이가 사용되어 왔다. 노즐(41)의 높이 "h"(도 4)는 주입실에서 반응실로 흐르는 가스가 거의 층류(laminar flow)로 될 수 있는 높이이다. 예를 들어, 상기 높이는 약 30mm에서 약 80mm로 변할 수 있는데, 본 발명의 일례를 수행하는데는 그 높이를 약 50mm로 하였다.
반응물질이 통과하여 반응실로 흐르는 종방향 개구가 노즐(41)에 제공되었으며, 상기 개구는 도 4에 보인 바와 같이 그 폭이 "w"이다. 바람직하게 폭 "w"는 약 1mm에서 약 4mm이고, 본 발명의 일례를 수행하는데는 그 폭을 약 1.5mm로 하였다.
H2O 또는 SiCl4가 중앙 노즐(41b)로 공급될 수 있다. 특정의 바람직한 실시예에 따라, SiCl4가 중앙 노즐로 공급되고 물은 양측의 노즐로 공급된다. 바람직하게, 측면 노즐(41a)(41c)은 예를 들어 중심 노즐의 축에 대해 약 15°정도 서로를 향하여 각을 이루어 반응물질 스트림의 혼합을 증대시킨다. 원하는 물과의 화학양론적 비율인 1:2를 유지하기 위해, 물의 흐름 비율은 바람직하게 SiCl4의 흐름 비율의 두배가 된다. 반응실로 들어가는 가스의 바람직한 속도는 약 1m/s 내지 2.5m/s 정도이다. 출구측에서와 동등한 속도를 얻기 위해, 물을 주입하기 위한 노즐은 바람직하게 그 전체 단면이 SiCl4노즐 전체 단면의 약 두 배이다. 따라서, 단 2개의 노즐이 사용된다면, 하나는 SiCl4용이고 다른 하나는 물을 주입하기 위한 것으로, 물의 주입에 쓰이는 노즐은 그 단면이 SiCl4에 쓰이는 노즐 단면의 두 배이다. 도 2에 따라 세 개의 노즐이 있는 배치를 이용한다면, 즉 중앙 노즐이 SiCl4용이고, 양 측의 노즐이 물을 주입하기 위한 것이라면, 세 개의 노즐은 모두 거의 동일한 단면적을 가질 것이다.
특정의 증착 조건에 따라 기타의 다양한 디자인을 제공할 수 있다.
예를 들어, 특히 정적 유형의 공정에 원형 노즐(circular nozzle)을 이용할 수도 있다. 가장 단순한 원형 디자인은 두 개의 동축 튜브로 구성될 수 있다. 여기에서 하나의 반응물질(예, 실리콘 테트라클로라이드)은 중앙 튜브에 공급되고 다른 반응물질(예, 물)은 튜브들 사이의 환형 공간으로 공급된다. 또는 세 개 이상의 동축 튜브로 구성되는 원형 디자인을 사용할 수 있다. 단면적을 계산하여 두 반응물질의 동등한 흐름 비율을 얻을 수 있다.
또, 다중 노즐 디자인을 사용할 수도 있는 바, 이 디자인에서는 원형, 또는 바람직하게는, 신장된 단면을 가지며 모듈 반응기(modular reactor)를 만들어 내고, 이는 정적 및 동적 증착 공정 모두에 이용된다. 공정 제1 단계에서, 수트 스트림으로부터 상대적으로 적은 양의 수트가 증착되었을 때, 맨드럴 직경은 작으며 또한 많은 양의 수트 스트림이 대상에 완전히 충돌하지 않고 부분적으로 손실되므로 증착량이 손실된다. 한편, 증착되는 수트와 함께 예비성형품의 직경이 점점 커질수록 보다 많은 양의 수트 스트림이 이용될 수 있다. 예를 들어, (도 4에 도시된 바와 같은) 신장된 단면을 갖는 주입 노즐 배열을 이용할 때, 여섯 개의 노즐 주입 시스템이 이용될 수 있으며, 상기 노즐들은 도 12에 도시된 바와 같이 서로 평행하게 배치된다. 증착 공정이 시작할 때, 점선의 원(106)으로 도시한 대상 예비성형품의 초기 치수와 양립할 수 있는 폭을 갖는 초기 수트 스트림을 만들어 내도록, 2개의 중앙 노즐(101a)(101b)만이 가동된다(하나는 가수분해가능한 합성물이 다른 하나는 물이 공급된다). 예비성형품의 직경이, 예를 들어 직경(107)으로 증가함에 따라, 외측의 노즐들(먼저 노즐(102a)(102b), 그 다음 노즐(103a)(103b))이 가동되고, 한편 반응실의 개구 "c"의 폭 또한 점선(105)으로 표시한 치수에서 실선(104)으로 표시한 치수로까지 증가한다.
도 3에 보인 바와 같이, 노즐(41)은 반응물질이 혼합되는 반응실(14)의 입구 지점에 각 주입실을 연결한다. 반응실의 길이 "LR"은 주입 노즐의 길이에 적합한 치수로 되어 있다. 예를 들어, 정적 또는 동적 증착 공정 모두에서 반응실의 길이는 약 10mm에서 약 30mm까지 주입 노즐의 길이 이상으로 될 수 있다. 또는 반응실은 주입 노즐에 비해 실질적으로 더 길 수 있다. 예를 들어, 반응실은 대상 예비성형품과 거의 같은 길이, 즉 1미터가 될 수 있으며, 반면 주입 노즐은 그보다 짧아서 약 20cm가 될 수 있다. 이러한 경우, 반응실은 대상 예비성형품에 대해 정적인 상태로 남을 수 있으며, 반면 주입 노즐은 예비성형품의 전체 길이를 따라 반응실 내를 이동할 수 있다.
반응실은 높이 "H"를 가지게 되는 바, 이는 반응물질이 적절히 혼합되어 반응하여 대상에 증착될 입자의 원하는 치수를 얻을 수 있기에 충분한 것이다. 통상, 반응실로 들어가는 반응물질의 양과 속도를 증가시킴으로써, 반응실의 높이도 따라서 증가시키게 된다. 그러므로, 반응실의 높이 "H"는 대체로 약 30mm 내지 약 200mm에 이른다.
개구 "c"의 폭은 가스/수트 스트림을 대상 예비성형품에 적절히 향하도록 설정될 수 있으며, 바람직하게는 성장하는 예비성형품의 증가 치수에 조정이 가능하다. 예를 들어, 상기 개구는 약 10mm 내지 약 30mm까지의 폭을 가질 수 있다.
이롭게는, 주입 노즐의 출구측 온도, 따라서 반응실(14)로 들어가는 반응물질의 온도를 소정 온도 이하로 유지하여 가수분해 반응을 거의 불완전하게 한다. 특히, 출원인이 관찰한 바에 따르면, 상기 소정 온도 이하에서는 반응으로 만들어진 실리카 입자의 치수가 충분히 작기 때문에 반응실의 입구측에 원하지 않는 물질 증착을 일으키지 않으면서 가스 스트림에 의해 이동될 수 있었다. 반응실의 입구측에 물질이 증착되는 것은 종래 기술에서 보이는 현상이다.
출원인은 반응물질의 온도를 약 800℃ 이하, 바람직하게는 약 750℃ 이하로 함으로써 유리 입자가 불필요하게 증착되는 것을 방지할 수 있다는 것을 관찰하였다. 그러나, 반응실의 입구측 반응물질의 온도를 충분히 높게 하여 상기 반응기의 이용을 효율적으로 하는 것이 좋다. 이롭게는, 반응실(14)로 들어가는 반응물질의 온도는 적어도 약 400℃ 정도, 바람직하게는 약 600℃에서 약 750℃까지 설정하고, 특히 바람직하게는 약 700℃의 온도로 설정한다.
원한다면, 노즐의 출구측에 유리 입자가 증착되는 위험을 감소시키기 위해, 노즐(41a-41b)과 노즐(41b-41c) 사이에 배치되도록 주입시스템에 추가의 노즐(미도시)을 제공하는 것도 가능하다. 반응물질 흐름을 개별적으로 유지하고 또 반응물질의 혼합 지점을 노즐 출구로부터 충분히 멀리 떨어지도록 이동시키기 위해, 일정 치수를 갖는 유리 입자의 형성이 증착 문제를 일으키지 않는 반응기 지점에서, 상기 추가의 노즐에 불활성 가스(Ar 또는 N2)의 버퍼를 공급할 수 있다. 상기와 같은 주입배치를 이용하면 반응실(14)로 들어가는 반응물질의 온도를 실질적인 가수분해 반응이 일어나는 온도, 예를 들어 약 1200℃ 이상으로 높일 수 있음이 명백하다.
유리 입자가 대상(26)에 증착되도록 하는 효과적인 온도까지 에어로졸 스트림을 가열하기 위해, 반응실을 따라 가열요소(30), 예를 들어, 전기저항이 제공된다.
임의 특정 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 수트의 이동을 대상으로 향하게 하는 메카니즘은 부분적으로는 열영동(thermophoresis), 즉 고온의 가스 스트림에서의 수트 입자가 온도가 낮은 영역을 향하는 경향에 의해 조절된다.
사실, 증착될 유리 수트 입자의 크기가 작기 때문에, 이들 입자는 대상 예비성형품 주위를 흐르면서 가스 스트림 라인을 따라가는 경향을 갖는다. 따라서, 성장하는 예비성형품에 상기 입자가 충돌하는 것에 의해서만 입자가 수집되는 것은 다소 어려울 수 있다. 한편, 대상 예비성형품과 유리 수트 스트림 사이에 열 구배를 제공함으로써, 특히, 수트 스트림이 예비성형품보다 온도가 높을 때, 수트 스트림에서 나오는 입자는 열영동 힘에 의해 대상을 향하게 되고, 따라서 상기 대상에 증착되는 입자의 양이 많아진다. 입자에 가해지는 열영동 힘, 그리고 이에 따라 얻어지는 열영동 속도는 온도 구배에 비례한다. 일반적으로, 수트 스트림과 예비성형품 사이의 온도 차이를 크게 함으로써 예비성형품에의 유리 입자 증착이 증대된다.
가스 상에서 나온 실리카 입자가 수트 구조에 이질적으로 성장하는 것이 수반되는 복잡한 반응 메카니즘 때문에, 예비성형품 제조에 적합한 조직 및 미세구조를 갖는 생성물을 얻기 위해 특수한 온도 조건이 필요하다. 특히, 출원인이 주시한 바에 따르면, 종래의 연소 기술(OVD 및 VAD)로 생성된 수트에서 관찰된 것과 유사한 조직특성을 얻기 위해서는 충돌하는 수트 스트림의 온도가 바람직하게 700℃ 이상이어야 한다.
증착되는 유리 입자와 대상 예비성형품 사이의 열영동 효과를 향상시키기 위해, 대상의 온도는 반응하는 수트 스트림의 상기 온도보다 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 출원인이 관찰한 바에 따르면, 자신의 무게를 지탱할 수 있도록 증착된 수트를 충분히 단단하게 유지하고 또한 추가의 생산 공정 단계에서 유리 예비성형품을 취급하는 것이 용이하기 위해서는, 예비성형품의 온도는 바람직하게 높게 유지되어야 한다. 특히, 예비성형품의 온도는 약 700℃ 또는 그 이상으로 유지되어야 하고, 바람직하게는 약 800℃ 이상, 약 1200℃까지 유지되어야 한다.
열영동 효과를 향상시키도록 입자와 대상 사이의 열 구배를 증가시키기 위해서는, 대상에 충돌하게 될 반응 수트 스트림의 온도는 바람직하게 예비성형품의 온도보다 적어도 100℃는 높아야 한다. 따라서, 예비성형품에 충돌하는 수트 스트림의 온도는 약 800℃ 이상으로 설정되어야 하고, 바람직하게는 약 900℃ 이상, 예를 들어 1800℃까지 설정되어야 한다. 바람직하게, 예비성형품과 충돌이 가까운 반응 수트 스트림의 온도는 약 1000℃ 내지 약 1500℃ 이다.
도 2는 반응실(14)의 바람직한 실시예를 보여주는 도면으로서, 수렴하는 단면을 갖는다. 반응실은 그 단면이 수렴하는 형상으로 설계되므로, 반응물질 증기들은 서로 쉽게 혼합되고 유리 입자 스트림은 개구 "c"를 통하여 대상(26)을 향하게 된다. 적절한 가열 요소(30)를 이용하여, 화염을 발생하지 않고, 시스템 내 온도 프로파일의 보다 양호한 제어가 가능하다. 시스템(도 11b-11d에 도시)의 제어 온도 프로파일을 이용하여, 반응실에서 형성된 유리 입자는 열영동 힘에 의해 의하여 성장하는 예비성형품으로 향하게 된다. 가열 요소로는 본 기술분야에서 공지된 종래의 임의 장치가 가능하며, 예를 들어 전기 난로(electric furnace) 또는 유도 난로(induction furnace)가 있다. 도 2와 3에 보인 바와 같이, 반응기 벽에 접촉하게 배치된, 바람직하게는 반응실의 바닥에서부터 상부까지 그 저항들 사이의 거리가 감소되도록 배치된 전기 저항(30) 배치를 이용하여 온도 구배를 발생시킬 수 있다.
반응실 입구에서부터 예비성형품의 방향으로 온도를 증가시키도록 반응실을 둘러싸며 적절히 배치된 가열 요소의 작용에 의해, 반응실의 종방향으로 온도 구배가 발생한다. 출원인이 관찰한 바에 따르면, 반응기 벽에 입자가 증착되는 것을 막기 위해 반응실의 입구에서부터 출구 지점까지 적어도 100℃의 온도 차이가 제공되어야 한다. 그러나, 충돌 입자와 대상 예비성형품 사이에 원하는 온도 구배를 만들기 위해서는, 약 700℃-750℃의 온도로 반응물질이 반응실로 바람직하게 공급되는 동안 상기 반응실의 출구측 온도는 적어도 약 1000℃로 설정되어야 하고, 바람직하게는 약 1200℃-1500℃로 설정되어야 한다.
그러므로, 반응기의 벽에 불필요한 입자의 증착을 방지하면서도 반응실의 출구측 수트/가스 스트림에 원하는 온도를 주기 위해서는, 반응실의 높이를 따라 만들어진 온도 차이, 특히 수렴하는 벽을 따라 발생한 온도차이는 적어도 약 300℃, 바람직하게는 400℃에서 약 800℃까지 되어야 한다.
반응실을 둘러싸도록 배치된 가열 요소는 또한 반응실의 횡방향에서 온도 차이를 발생시키는데, 반응실의 벽에서부터 중심을 향하여 온도가 감소하고, 여기에가스/수트 스트림이 한정되어야 한다. 출원인이 관찰한 바에 따르면, 반응기의 벽에 입자가 증착되는 것을 막기 위해서는 횡방향 온도 차이를 적어도 100℃로 유지해야 한다. 그러나, 대상 예비성형품으로 이동하는 수트/가스 스트림의 열을 증가시키고 열영동 제한 효과를 증가시키기 위해, 상기 횡방향 온도 차이는 바람직하게 반응기의 전체 높이를 따라 약 300℃ 이상, 예를 들어 600℃까지 유지된다.
본 발명을 실시할 때, 반응실의 바닥에서부터 상부까지의 일반적인 온도 분포는 벽에서 약 1200℃ 내지 약 1600℃가 될 수 있고, 수트/가스 스트림이 한정되는 반응실 중심부에서는 약 700℃ 내지 약 1200℃가 될 수 있다.
도 11b 내지 11d는 도 11a의 개략도 및 위에서 기술한 온도 차이를 참조한 온도 프로파일의 일례를 보여준다.
특히, 도 11b에서, 실선은 반응기의 중심부(높이 H까지)에서의 수트 스트림의 열 프로파일과, 반응기 출구로부터 대상 예비성형품의 표면까지(거리 "d")의 열 프로파일을 보여준다. 수트 스트림의 온도는 반응기의 입구 지점에서 약 700℃, 출구에서 약 1200℃로 상승한다. 그다음 수트 스트림의 온도는 약 1000℃로 감소하는데, 이것은 예비성형품에 충돌하는 수트 스트림의 온도이다(이는 이후 바람직하게 약 850℃의 온도에서 유지된다). 도 11b의 점선은 반응실의 벽에 해당하는 열 프로파일을 나타내며, 여기에서 약 1200℃에서 약 1600℃까지 온도가 상승한다.
도 11c와 11d는 반응실에서 다른 높이에 따른 횡방향 온도 프로파일을 보여준다. 특히, 도 11c에 따르면, (폭 "w1"를 갖는) 반응실의 입구 지점에서의 온도는 중심부("0" 축)에서 약 700℃에서부터 벽에서 약 1200℃까지 상승한다. 도 11d에 따르면, (폭 "w2"를 갖는) 반응실 출구에서의 온도는 중심부 약 1200℃에서, 반응실 벽 약 1600℃로 상승한다.
상기 두 가지 온도 구배를 조합하면, 가스 및 입자의 스트림이 반응기의 중심부에 한정되어 반응기의 주변 벽에 증착되는 것을 막을 수 있다. 사실, 증착 대상을 향하여 운반되는 수트/가스 스트림은 발열성(exothermic) 가수분해 반응으로 발생한 열의 결과로 그 온도(초기 온도, 예를 들어 700℃에서부터)가 증가한다. 반응기 내벽의 온도가 그 전체 길이를 따라 일정하게 유지되면(예, 약 1000℃), 유리 입자가 반응기 벽의 온도와 동등한 온도에 도달하여 상기 벽에 상기 입자가 증착될 수도 있다. 대신 반응기 내벽이 종방향으로 열 구배가 제어되면(예, 약 1200℃에서 약 1600℃로의 온도 변화), 스트림 내에 운반되는 입자는 스트림에 함유된 유리 입자의 온도보다 실질적으로 더 높은 벽 온도를 갖도록 횡방향 구배가 적절히 설정된 반응기의 다음 지점에 이른다. 따라서, 상기 입자는 고온의 벽에 의해 발생한 열영동 반발력(repulsion force)을 받게 되며, 상기 힘은 반응기의 전체 높이에 걸쳐 반응기 중심부에 입자를 한정하는 경향을 가지며, 따라서 반응기 벽에 입자가 불필요하게 증착되는 것을 막는다.
본 발명 장치 및 공정의 바람직한 실시예에서, 가스 또는 증기 상 반응물질은 시스템을 통과하여, 실질적으로 캐리어 가스가 없는 상태, 즉 질소, 아르곤 등의 종래 무반응 캐리어 가스가 없는 상태에서 반응이 이루어진다.
도 8은 수트 스트림의 온도와 예비성형품의 온도가 추가의 히터(44)(46)에 의해 독립적으로 제어되는 일례를 도시한다. 이 배열은 열 구배의 제어는 물론 증착 온도의 증가를 가능하게 한다.
추가 히터를 가미한 다른 배열도 가능하다. 어떤 경우, 회전 방향에 따라 예비성형품의 일측에서만 히터를 사용하는 것이 이로울 수 있다. 이런 방법에서, 단단한 최종 생성물을 얻을 수 있도록, 증착된 수트 층이 가열되어 부분적으로 소결되고, 이와 동시에 수트 스트림과 함께 열 구배를 만들기 위해 회전되는 동안 대상은 냉각될 시간을 갖게 된다. 원한다면, 원형의 단면을 갖는 히터를 예비성형품 맨드럴 주위에 배치하여 예비성형품을 균일하게 가열할 수 있다.
이렇게 해서 얻어진 다공질 예비성형품은, 미국 특허 제3,933,454호에 기술된 바와 같이, 고체의 유리 예비성형품을 만든 다음 인출하여(drawn) 광섬유를 얻기 위해, 공지된 기술을 이용하여 건조하여 굳힌다.
본 발명에 따른 방법 및 장치가 OVD와 유사한 증착 공정을 특히 참조하여 기술되었다 하더라도, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 공지된 적절한 변형을 가하여 본 발명에 따른 방법을 이용할 수 있음은 물론 VAD와 유사한 증착 공정과 같은 다른 증착 기술에 대해서도 본 발명을 응용할 수 있다.
(실시예)
동적 및 정적 공정 모두를 테스트하기 위해 석영 반응기를 이용한 실험을 수행하였다. 25회의 테스트를 수행하였는데, 그 중 5회는 동적 공정(1d 내지 5d) 그리고 21회는 정적 공정(1s 내지 21s)을 테스트하기 위한 것이었다.
동적 공정을 위해, 양방향에서 모두 750mm/min의 반응기 이동 속도를 이용하여 약 700mm 길이의 예비성형품을 얻었다. 동적 및 정적 공정의 테스트 결과를 각각 표 1과 표 2에 나타내었다.
캐리어 가스를 이용하지 않고 반응물질을 가압 탱크에서 기화시켜 반응실에 공급하였다. 각 탱크에서의 온도는 단일 반응물질의 끓는점 이상으로 유지하였다.
테스트에 이용한 반응기를 도 2와 도 3에 나타내었다. 반응물질 내전(adduction) 파이프와 주입실을, 온도가 약 700℃인 반응실로 들어가는 반응물질의 온도를 제공할 수 있는 오븐(oven)에 삽입하였다. 주입 노즐의 높이 "h"는 약 50mm이었다. 높이가 다른 반응실을 테스트에 이용하였는데, 상이한 열 프로파일을 평가하기 위해서였다. 각 테스트에 이용한 반응실의 높이 "H"를 표 1과 표 2에 나타내었다. 반응실에 원하는 프로파일을 제공하기 위해, 서로 적정 거리로 떨어진 전기 저항 배열을 반응실 내부에 배치하였다. 가스 온도와 대상 온도를 다양하게 하기 위해 가열 밀도를 달리하였다. 이런 방식으로 증착비율 및 수율에 대한 온도 및 열구배의 영향을 평가할 수 있었다.
직경 10mm, 길이 1500mm의 맨드럴을 수트 대상으로 제공하였다. 이것을 50rpm의 회전 속도로 회전시켰다. 증착 공정이 이루어지는 동안 반응기를 낮춤으로써 반응실의 상부와 증착 사이에 약 30mm의 일정 거리 "d"를 유지하였다. 반응실의 출구측 개구 "c"는 약 10mm로 설정하였다.
동적 공정에서는, 20mm의 길이 L을 갖는 두 개의 노즐이 있는 하나의 반응기를 테스트하였다. 정적 공정에서는, 표 2에 나타낸 바와 같이, 길이 "L"이 다른 네 개의 노즐을 고려하였다: 20mm, 50mm, 150mm, 240mm. 20mm와 50mm의 반응기는 각 반응물질을 주입하기 위한 두 개의 노즐을 포함하였고, 150mm와 240mm 반응기는 세 개의 노즐을 포함하였다: 중앙 노즐은 실리콘 함유 화합물용이고 두 개의 외부 노즐은 물을 위한 것이었다. 상기 두 경우 모두에서, 두 개의 외부 노즐은 반응기의 종방향 축에 대해 약 15°로 각을 이루었다. 모든 테스트에서, 반응실은 약 20mm로서 그 속에 포함한 노즐(약 10mm)보다 더 길었다.
테스트에서 사용한 실리콘 함유 화합물은 SiCl4이었다. 화학양론적 비율을 얻기 위해 모든 테스트에서 SiCl4:H2O 비율을 1:2로 하였다. 동등한 출력 속도를 얻기 위해 H2O 노즐의 전체 단면을 SiCl4노즐 단면의 두배로 하였다. 특히, 세 개의 노즐 배열에 있어서, 각 노즐에는 약 1.5mm의 종방향 공간(clearance)이 제공된 반면, 두 개의 노즐 배열에서는 물 주입용 노즐의 종방향 공간은 약 3.0mm로 SiCl4노즐의 두배였다.
각 테스트에서, 예비성형품에 충돌하는 수트 스트림의 온도(Tb)와 예비성형품의 온도(Ta)를 측정하였다. 각 테스트에 대한 이들 값을 그 차이(Tb-Ta)와 함께 표 1 및 표 2에 나타내었다.
각 테스트에서, 비교효율(Comparative Efficiency)(이하 CE)이라고 하는 파라미터를 증착비율 및 수율의 효과를 조합하는데 도입하였다. 온도 프로파일, 반응물질 속도, 반응기 및 반응실 구조와 같은 공정 파라미터의 상대적인 영향을 평가하기 위해, 테스트 #1에 대한 비교효율을 1로 설정하였다.
동적 공정의 테스트 결과
반응기
테스트 길이 높이 Tb-Ta Ta Tb CE
(mm) (mm) (℃) (℃) (℃)
1d 20 0 - - - 0,79
2d 20 50 20 780 800 6,26
3d 20 50 80 780 860 4,46
4d 20 80 200 740 940 10,34
5d 20 80 100 810 910 5,90
정적 공정의 테스트 결과
반응기
테스트 길이 높이 Tb-Ta Ta Tb CE
(mm) (mm) (℃) (℃) (℃)
1s 20 0 - - - 1,00
2s 20 0 - - - 0,37
3s 50 45 230 660 890 15,47
4s 50 45 190 680 870 8,72
5s 50 45 160 700 860 5,61
6s 150 100 100 730 830 9,03
7s 150 100 100 800 900 9,37
8s 150 100 60 840 900 4,90
9s 150 100 180 800 980 13,61
10s 150 100 220 700 920 17,30
11s 150 100 280 710 990 13,87
12s 150 100 150 830 980 11,69
13s 150 130 400 700 1100 20,40
14s 150 130 130 970 1100 5,15
15s 150 130 250 800 1050 13,80
16s 240 100 100 900 1000 3,46
17s 240 100 220 880 1100 19,62
18s 240 100 280 750 1030 24,00
19s 240 100 400 700 1100 27,34
20s 240 100 380 590 970 39,54
21s 240 100 440 530 970 37,65
표 1과 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 테스트의 CE는 반응실을 이용하지 않고 수행되었으며(표 1과 표 2에서 높이=0으로 표시), 또한 상기 CE는 다른 테스트에 비해 상당히 낮았다. 반응실이 없으면 반응이 낮은 온도에서 일어나고, 수트 입자는 충분히 가열되지 않으며, 높은 증착 비율을 얻는데 필요한 열 구배를 보장하지 못한다는 사실에 상기 특성이 관련된다.
표 1과 표 2의 결과를 비교함으로써, 높은 CE를 얻는데 두가지 증착 방법을 이용할 수 있으나, 반응기를 이동시키는 테스트에서는 이와 유사한 공정 조건을 갖는 정적 공정에서 수행된 테스트에 비해 낮은 CE를 보인다는 것을 알 수 있다.
표 1과 표 2의 결과에서 또 관찰된 것은 열 구배(Tb-Ta)의 증가와 함께 CE 값이 대체로 증가한다는 것이다.
상기 결과에서 마지막으로 고려해야 할 것은, CE 값은 대체로 반응기의 길이를 증가시켜 얻을 수 있다는 것이다.
테스트 20s와 21s에서, CE라는 의미에서는 양호한 결과를 얻었으나, 증착된 수트가 상대적으로 일정하지 못하기 때문에, 증착이 일어나는 동안 저온의 대상 예비성형품은 이후의 처리에서 취급하기 힘든 최종 예비성형품을 낳았다.
상기 내용에 포함되어 있음.

Claims (19)

  1. 유리 입자의 에어로졸 스트림을 대상(target)에 증착함에 의한 유리 예비성형품 제조 방법에 있어서,
    반응실의 입구 지점에 가수분해가능한 유리 전구물질을 제공하도록 배치되는 제1 가스 또는 증기 상(phase) 합성물을 공급하는 단계와;
    제2 가스 또는 증기 상 합성물로서 물을 상기 반응실의 상기 입구 지점에 공급하는 단계와;
    유리 입자 에어로졸을 형성하도록 반응실 내에 제1 가스 또는 증기 상 합성물과 물을 반응시키는 단계와;
    상기 반응실을 따라 그리고 상기 반응실의 출구를 통해 에어로졸을 예비성형품이 형성되는 대상에 향하도록 방향설정하는 단계와; 그리고
    상기 에어로졸을 상기 대상에 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 반응실 내부에 온도 구배가 제공되어 상기 반응실의 입구 지점에서부터 상기 출구까지 온도가 증가하는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응실의 상기 입구 지점에서부터 상기 출구까지 적어도 약 100℃의 온도 차이가 제공되는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 온도 차이는 약 300℃인 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가스 또는 증기 상 합성물은 반응실에 소정 온도로 공급되는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 소정 온도는 두가지 합성물 사이의 가수분해 반응이 실질적으로 불완전하게 되는 온도인 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 소정 온도는 약 800℃ 보다 낮은 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 소정 온도는 약 600℃에서 약 750℃ 사이인 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    반응실을 통해 방향설정된 에어로졸 스트림의 온도는 상기 반응실의 입구측 약 700℃에서 출구측 약 1200℃까지 증가하는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    대상 예비성형품은 약 700℃ 보다 높은 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    대상 예비성형품은 상기 예비성형품에 충돌하는 에어로졸 스트림의 온도보다 낮은 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    대상 예비성형품의 온도는 상기 예비성형품에 충돌하는 에어로졸 스트림의 온도보다 약 100℃ 낮은 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    수렴하는 벽을 갖는 반응기를 이용함으로써 에어로졸 스트림이 예비성형품을 향하여 방향설정되는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    물과 제1 가스 또는 증기 상 합성물이 무반응 캐리어 가스가 실질적으로 없는 상태에서 반응하는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    제1 및 제2 가스 또는 증기 상 합성물은 각각의 공급 탱크에 각각 순수한 액체로 함유되어 있는 상기 제1 및 제2 합성물을 가압상태에서 개별적으로 가열함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 유리 예비성형품 제조 방법.
  15. 예비성형품을 형성하기 위해 상부에 유리가 증착되는 대상과;
    제1 가스 또는 증기 상 합성물과 가스 또는 증기 상 물을 반응실의 입구 지점에 공급하기 위한 주입시스템과;
    내부에서 가스 또는 증기 상 물과 제1 가스 또는 증기 상 합성물이 반응하여 유리 에어로졸이 되며, 상기 유리 에어로졸이 통과하여 대상을 향하도록 방향설정되는 출구가 제공된 반응실과;
    상기 반응실과 결합되어, 반응실의 상기 입구 지점에서부터 상기 출구까지 온도가 증가하도록 온도 구배를 반응실 내에 제공하는 가열시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 신장된 유리 광학 예비성형품 형성 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 주입시스템은 반응물질이 통과하여 반응실로 공급되는 신장된 단면을 갖는 최소 두 개의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 신장된 유리 광학 예비성형품 형성 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 노즐에는 약 1mm에서 약 4mm 사이의 종방향 개구가 제공된 것을 특징으로 하는 신장된 유리 광학 예비성형품 형성 장치.
  18. 제 16항에 있어서,
    대상 예비성형품의 직경이 증가함에 따라 이후에 가동되며, 서로 평행하게 배치된 노즐 배열을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신장된 유리 광학 예비성형품 형성 장치.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 반응실은 수렴하는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 신장된 유리 광학 예비성형품 형성 장치.
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