KR20020008433A - 광섬유 프리폼 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 제조장치 및 광섬유 프리폼 제조방법에 관한 것으로 특히 광섬유 프리폼 형성을 위한 타겟에 대한 유리입자의 증착을 고려하여 산수소화염의 제어와 관련된 것이다.

본 발명은, 산화 유리입자를 로드척에 걸려있는 코어 로드의 외부에서 증착시키는 메인토치를 프리폼의 단면을 기준으로 각각 120°씩 배열한 것과 동일한 삼상의 위상각을 갖도록 상기 베드위에 삼중으로 배치하여 유리입자가 코어 로드에 나선형으로 증착되도록 메인토치를 구성한 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼 제조장치를 특징으로 하고, 본 발명은, 적어도 한 개이상으로 이루어지는 다중 토치를 베드위에 설치하는 단계와, 베드 위에 한 개이상 배치하는 다중 토치를 타겟의 회전속도와 토치의 이동속도를 고려하여 타겟에 형성되는 유리입자의 띠 형상을 결정하여 해당 토치간의 간격을 정하여 토치의 간격과 위치를 결정하는 단계와, 토치간의 간격으로부터 유리입자의 증착 기울기를 구하여 유리입자의 표면 증착율과 균일도를 조절하여 프리폼을 성장 시키는 단계로 이루어지는 광섬유 프리폼 제조방법을 특징으로 한다.

이에 따라 광섬유 프리폼 유리입자의 증착을 안정시킨다.

Description

광섬유 프리폼 제조장치 및 제조방법{Manufacturing System and Method for Preform Optical Fiber}

본 발명은 광섬유 제조장치 및 광섬유 프리폼 제조방법에 관한 것으로 특히 광섬유 프리폼 형성을 위한 타겟에 대한 유리입자의 증착을 고려하여 산수소화염의 제어와 관련된 것이다.

일반적으로, 광섬유를 통해 광을 전송하여 정보를 교환하는 광통신은 동축케이블에 의한 전기전송 통신에 비해 데이터를 고속으로 전송할수 있도록 개발되었다. 광통신은 외부로부터의 전파 및 자기장의 영향을 받지 않기 때문에 데이터 전송상태가 양호하여 현재 통신분야에서 많이 활용되고 있으며, 그 사용 범위는 다른 분야로 확대되고 있는 추세이다.

단일모드 광섬유는 중심에 10㎛의 코어와 그 주위에 형성된 외경 125㎛의 피복재로 형성된다. 광섬유 제조방법은 프리폼 즉, 모재를 제작하여 그 모재로부터 약 125㎛의 가는 직경을 갖는 광섬유를 인발하고, 인발과정으로 생산된 섬유는 코팅 및 컬러링(Coloring)작업을 거쳐 광섬유로 제작된다.

광섬유를 제작하기 위해서는 광섬유 제작용 프리폼을 필요로 하기 때문에 프리폼을 제작하는 과정을 선행적으로 실시한다. 프리폼을 제작하기 위한 공정은, 외부증착법(OVD:Outside Vaper Deposition), 축방향증착법(VAD:Vapor Axial Deposition), 수정된 화학증착법(MCVD;Modified Chemical Vapor Deposition)의 3가지 형태로 구분된다.

OVD법은, 도 1과 같이 타겟 로드(10)에 버너(20)를 이용하여 산수소화염을분사하여 가열함과 동시에 화학물질을 공급하여 열영동 현상(Thermo horesis) 또는 화학반응에 의해 화학물질이 타겟 로드(10)의 표면에 증착되게 하는 것이다. 초기에는 타겟 로드(10)의 표면에 코어층을 형성하기 위해 코어층 형성용 화학물질을 공급하고, 코어층의 표면에 클래드층(30)(Clad Layer)을 형성하기 위해 다시 화학물질을 공급한다. 따라서 OVD공정은 프리폼(40,코어층+클래드층)을 타겟 로드(10)의 둘레에 점진적으로 증착되도록 하여 코어층을 먼저 만들고 그 위에 클래드층(30)을 만든다.

MCVD법은, 석영관의 둘레를 가열함과 동시에 그 내부로 화학물질을 불어넣어 석영관의 내면에 클래트층을 생성 시키고, 이후 클래드층의 내면에 코어층을 형성하기 위한 화학물질을 불어넣어 코어층을 생성시킨다. 따라서 MCVD법은 OVD법과는 반대로 클래드층을 먼저 만들고 그 내부에 코어층을 만드는 특징이 있다.

VAD법은, 타겟 로드에 대하여 수직방향으로 버너를 위치시키고 상부의 버너는 코어층을 증착시키고, 하부의 버너는 클래드층을 증착시키는 방법으로서 동시에 코어층과 클래드층을 형성 시키는 특징이 있다.

프리폼 제작 과정을 도 2를 참고로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

버너(20)를 통해 타겟 로드(10)에 산수소화염을 분사하면서 버너(10)와 통하는 각각의 관을 통해 GeCl4,H2,아르곤 혹은 질소 가스 및 O2를 토출 시킨다. 이때 기상의 GeCl4는 다른 기상의 O2와 반응하여 GeO2(고체)+2Cl2(기체)가 생성된다.

따라서, GeO2는 버너(10)의 토출 팁(Tip) 주위의 분위기 온도대 대략 1.500~1.800℃ 에 의해 입자(Particle)가 타겟 로드(10)쪽으로 이동하면서 타겟 로드 표면에 증착을 이루게 된다.

클래드층(30)을 생성시키기 위해서 버너(20)의 내부관을 통해 SiCl4를 투입하는데 그 반응식은 아래와 같다.

SiCl4(기체) + O2(기체) = SiO2(고체) + 2Cl2(기체)

위 반응식에 따라 생성된 SiO2는 타겟 로드(10)의 표면에 증착되게 된다.

따라서 버너(20)를 좌우로 이동하면서 타겟 로드(10)의 표면에 SiO2를 증착한 뒤 타겟 로드(10)를 빼내 가열로에서 소결(Sintering)과정을 거쳐 프리폼을 완성하고, 이렇게 완성된 프리폼(40)은 드로잉 타워에 걸어 광섬유로 인발하게 된다.

고품질의 광섬유는 프리폼(40)의 안정된 증착으로부터 얻어진다. 증착효율은 열과 유리입자의 증착에 따라 달라지는 것을 알 수 있다.

증착입자의 속도 VT는,

VT=-K(v/T)ΔT로 산출할 수 있다.

v:결정운동계수

K:열영동계수

T:절대온도

여기서, 증착 입자는 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하므로 증착성능에 영향을 미치고 있듯이, 프리폼(40)의 증착 효율은 증착 입자가 열적 조건에 크게 영향 받고 있음을 알 수 있다.

이는 광섬유 프리폼 제조를 위한 입자의 증착에서 뿐만아니라 일반적인 입자의 증착에서 결정운동속도나 열적 분위기 등은 증착 효율에서 빼놓을 수 없는인자(factor)이다.

한편, 타겟 로드(10) 표면에 유리입자(SiO2)를 증착하여 클래드층을 만드는 버너(20)의 기구적인 배치 관계도 프리폼(40) 성장과 관련하여 중요한 인자가 되고 있다.

종래의 프리폼 성장 방법은 단일모드 버너(20)를 사용하여 외부 증착을 실시하고 있다. 도 4는 한 개의 단일모드의 버너(20)를 사용한 경우 유리입자가 프리폼(40) 외면에 증착되어진 형상을 도식적으로 나타낸 것이다.

도 3과 같이 버너(20) 출구에서 분사되어 나오는 미세한 유리입자는 축을 중심으로 회전하고 있는 프리폼(40)의 외면에 증착되고 동시에 버너(20)가 프리폼(40)의 길이방향으로 진행함에 따라 자세히 보면 유리입자의 증착층은 프리폼 외면에 따라 도 3과 같이 나선형으로 형성되어, 나선형으로 증착된 유리입자층(50)의 외면은 원호를 이루게 된다.

이와 같이 원호를 이루고 있는 유리입자층(50)은, 프리폼(40)의 회전속도와 버너(20)의 이동속도에 따라서 이 유리입자층(50)의 간격이 결정되어 진다. 즉 유리입자층(50)의 간격은 프리폼(40)의 회전속도에 반비례하고 이동속도에 비례한다. 회전속도가 빨라지게 되면 유리입자 층(50)의 간격 'L'은 좁아지고 반대로 버너(20)의 이동속도가 빨라지면 유리입자층(50)의 간격'L'은 넓어지게 된다. 이와 같이 증착되는 유리입자층(50)의 간격 'L'은 프리폼(40)의 회전속도와 버너(20)의 진행속도와 반비례 및 비례적 관계를 갖게 되는데 프리폼(40)의 특성을 균일하게 하기 위해서는 유리입자층(50)의 간격이 좁고 따라서 그 외면이 매끄러운 것이 요구되어 진다.

도 4에서와 같이 굴곡된 표면을 지닌 프리폼(40)은 광섬유의 인선공정에서 2000℃정도의 고온으로 가열되어 광섬유로 인출하는 과정에서 외경이 급격하게 줄어들며 이 때 굴곡된 표면은 강제적인 인출장력에 의하여 빠른 속도로서 직선으로 유지되고 그 내면에는 이와 반대되는 양상의 잔존 응력이 남아 있게 된다. 결과적으로 이로 인하여 광섬유는 광학적으로 중요한 특성인 장파장(λ=1.550nm)에서 광 전송손실(Waveguide Loss)이 증가하게 되며 또한 편광모드의 분산 특성이 저하된다. 따라서 광섬유 프리폼의 외면은 매끄러울 것과 또한 내부 조직의 균일성이 요구되고 있다.

그러나, 한 개의 단일모드 버너(20)만을 사용하는 경우 이러한 광섬유 프리폼(40)의 균일성과 형상의 안정성 문제를 해결하는데 한계가 있다. 즉, 증착 표면을 균일하게 하기 위해서 프리폼(40)의 회전속도를 빨리하면 좋지만 속도가 빨라질수록 프리폼 외면에는 원심력이 증가하여 미세한 유리입자의 증착에 나쁜 영향을 미치며, 반대로 토치의 진행속도를 느리게 하여 표면 균질도를 향상 시키는 경우 생산속도가 떨어지는 문제가 있다.

이에 대하여 증착률 향상을 위해 이중 화염을 지닌 버너를 사용한다던가 아니면 여러개의 버너를 사용하여 증착율 향상을 도모하는 기술들이 알려져 있으나 생산성 증대를 위한 메인 토치로서 사용되지 못했으며, 기능적으로는 버너 경계면에서의 증착 불균일 현상을 야기시켜 프리폼 성장을 정상적으로 유도하지 못하거나 이를 보완하기 위하여 부속장치와 추가 처리 공정을 요구함으로서 제조가 어렵고공정도 복잡해지는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 광섬유 프리폼 성장과 관련하여 추가 공정을 거치지 않고 프리폼 성장속도를 저하시키지 않으면서도 광섬유 프리폼을 만드는 유리 입자 조직과 형상의 균일성을 유지시켜 고품질의 광섬유를 고생산성을 유지하는 가운데 제조할 수 있는 광섬유 프리폼 제조장치와 그 방법을 제공 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

원료가스를 산수소화염 속에서 가수 분해하여 유리미립자를 포함하는 미립자를 코어 로드 타켓에 증착시켜 클래드를 생성하면서 프리폼이 성장된 광섬유 모재를 제조하기 위하여 회전하는 코어 로드 주변부에서 산수소화염과 유리입자를 코어 로드 타겟에 증착 시키는 메인토치 및 상기 메인토치를 중심으로 증착분위기를 조성하는 보조토치로 이루어지는 토치부와, 상기 메인토치를 지지하는 베드와, 상기 코어 로드를 메인토치를 중심으로 회전 가능하게 걸어줄 수 있는 로드척으로 이루어지는 광섬유 프리폼 제조장치에 있어서,

상기 광섬유 프리폼 제조장치는,

산화 유리입자를 로드척에 걸려있는 코어 로드의 외부에서 증착시키는 메인토치를 프리폼의 단면을 기준으로 각각 120°씩 배열한 것과 동일한 삼상의 위상각을 갖도록 상기 베드위에 삼중으로 배치하여 유리입자가 코어 로드에 나선상으로 연속적으로 증착되도록 메인토치를 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은,코어 로드를 로드척에 걸어 회전 시키고, 코어 로드의 회전과정에서 토치를 통해 산수소화염을 타겟에 분사하여 유리입자를 타겟 외부에 증착 시켜 클래드층을 만들어 광섬유 프리폼을 제조하는데 있어서,

상기 광섬유 프리폼 제조방법은,

적어도 한 개이상으로 이루어지는 다중 토치를 베드위에 설치하는 단계와;

베드 위에 한 개이상 배치하는 다중 토치를 타겟의 회전속도와 토치의 이동속도를 고려하여 타겟에 형성되는 유리입자의 띠 형상을 결정하여 해당 토치간의 간격을 정하여 토치의 간격과 위치를 결정하는 단계와;

상기 토치간의 간격으로부터 유리입자의 증착 기울기를 구하여 유리입자의 표면 증착율과 균일도를 조절하여 프리폼을 성장 시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 광섬유 프리폼 제조장치의 개략도.

도 2는 종래의 광섬유 프리폼 제조장치의 구성도.

도 3은 종래의 제조장치에 의한 유리입자의 증착관계를 설명하기 위한 도면.

도 4는 종래의 제조장치에 의해 성장된 광섬유 프리폼 모재의 횡단면도.

도 5는 본 발명에 따른 광섬유 프리폼 제조장치의 개략도.

도 6의 (a)(b)는 본 발명에 따른 유리입자 증착관계를 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 삼중토치의 배치 구성예를 보인 도면.

도 8은 본 발명에 따라 증착된 유리입자 및 그 프리폼의 단면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

101,102,103:메인토치 110:프리폼

120:코어로드 130:베드

140:클래드

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참고로 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 광섬유 프리폼 제조장치는 도 5와 같이 산화 유리입자를 외부에서 증착시키는 메인토치를 삼중으로 설치하는 것이다. 이 장치는, 세 개의 메인토치(101)(102)(103)가 프리폼(110)의 단면에서 볼 때 각각 120°씩 배열한 것과 같아 삼상의 위상각을 갖고 나선형으로 유리입자를 코어 로드(120) 표면에 연속적으로 증착시켜 클래드를 생성함으로서 그 표면을 매끄럽고 고르게 나타날 수 있도록 유도하는데 특징이 있다.

즉, 원료가스를 산수소화염 속에서 가수 분해하여 유리미립자를 포함하는 미립자를 코어 로드(120) 타켓에 증착시켜 클래드를 생성하면서 프리폼(110)이 성장된 광섬유 모재를 제조하기 위하여 회전하는 코어 로드(120) 주변부에서 산수소화염과 유리입자를 코어 로드(120) 타겟에 증착 시키는 메인토치 및 상기 메인토치를 중심으로 증착분위기를 조성하기는 보조토치로 이루어지는 토치부와, 메인토치를 지지하는 베드(130)와, 코어 로드(120)를 메인토치를 중심으로 회전 가능하게 걸어줄 수 있는 로드척으로 이루어지는 광섬유 프리폼 제조장치에서, 산화 유리입자를 로드척에 걸려있는 코어 로드(120)의 외부에서 증착시키는 메인토치(101)(102)(103)를 프리폼(110)의 단면을 기준으로 각각 120°씩 배열한 것과 동일한 삼상의 위상각을 갖도록 베드(130)위에 삼중으로 배치하여 유리입자가 코어 로드(120)에 나선형으로 증착되도록 메인토치(101)(102)(103)를 구성한다.

삼중 배치 메인토치(101)(102)(103)에 의한 프리폼 제조방법은, 적어도 한 개이상으로 이루어지는 다중 토치를 베드(130)위에 설치하고, 베드(130) 위에 한 개이상 배치하는 다중 메인토치(101)(102)(103)를 타겟의 회전속도와 토치의 이동속도를 고려하여 타겟에 형성되는 유리입자의 띠 형상을 결정하여 해당 메인토치(101)(102)(103)간의 간격을 정하여 메인토치의 간격과 위치를 결정하며, 메인토치(101)(102)(103)간의 간격으로부터 유리입자의 증착 기울기를 구하여 유리입자의 표면 증착율과 균일도를 조절하여 프리폼을 만들 수 있다.

여기서, 개개의 메인토치(101)(102)(103)는, 도 6의 (a)와 같이 프리폼(110)의 회전속도가 60RPM/m 이고, 또한 개개의 메인토치(101)의 이동속도가 분당 30㎝일 때 프리폼(110)의 중간 외경이 6㎝에서 증착되는 유리입자의 띠는 도 6의 (b) 에서와 같이 밑변이 5㎜이고, 높이가 190㎜의 삼각형의 사변과 같은 모양으로 형성 시킨다.

위 조건으로부터 메인토치(101)(102)(103)의 이동속도를 감소시키지 않고 수직 y축을 기준으로 증착 기울기 θ를 더욱 완만하게 할 수 있다. 즉, 메인토치(101)(102)(103)를 삼중으로 배치하여 유리입자를 증착시키면 증착 기울기 θ는 감소되는 대신 개개의 메인토치(101)(102)(103)들이 만드는 각 유리입자 비드(Bead)간의 피치는 더욱 촘촘한 간격을 형성하면서 그 만큼 치밀한 증착면을 형성시킨다. 따라서 유리입자의 증착 기울기 감소분은 그대로 각 유리입자의 증착 비드의 간격을 좁혀주면서 그 결과로서 유리입자의 균일증착을 유도한다.

도 7은 세 개의 메인토치(101)(102)(103)를 연속적으로 사용할 수 있도록 배치된 토치의 구조를 나타낸다. 이 그림에서 보는 바와 같이 토치의 출구는 세 개로 구성되어 있으며 각각의 산수소화염과 유리입자(SiCl4)의 화학약품 기체를 정량적으로 분출할 수 있도록 되어 있으며, 여기서 분사되어 나오는 산화 유리입자는 회전하고 있는 프리폼의 외면을 따라서 촘촘하게 증착되면서 프리폼(110)으로 성장시킨다.

도 8은 본 발명에 의해 증착된 유리입자의 클래드(140) 단면층과 그 외관을 보인 것이다.

유리입자 증착과 관련되어 단일모드의 메인토치에 의할 경우 산수소화염과 공급 물질의 강하나 메인토치의 이동속도 또는 타겟의 회전속도 등 결정운동계수의변화를 반드시 가져온다. 목표는 유리입자의 증착율과 생산속도를 동시에 충족시키는 것이다. 그러나 단일모드 메인토치에 의하면 증착율과 생산속도는 상반되는 결과로 나타난다. 즉, 생산속도를 목표로 하는 경우 토치의 이동속도와 비례하여 온도 및 공급 물질의 공급량 증가를 수치적으로 가져오면서 생산속도가 증가되지만 증착율과 균일도는 현저히 떨어진다. 이는 전술한 바와 같이 온도분위기등이 함께 조성 되어야 하기 때문이다. 반대로 증착율 향상을 위하여 메인토치 주변부에 여러종류의 보조장치들을 설치하고 이로부터 유리입자의 균일성을 유지하는 방법은 그 만큼 공정상의 손실을 가져오고 생산속도에 반하는 결과로 나타나는 것이다.

따라서 생산속도/증착율을 동시에 충족시키는 것은 어렵다. 다만 메인토치의 변경을 통해 단일의 메인토치와 비교하여 생산속도를 동일하게 유지하고 증착율의 향상만을 가져오는 경우도 비교우위가 있는 것이고, 그 생산속도를 유지하기 위하여 별다른 공정의 추가없이 유리입자의 안정된 증착이 가능하다면 역시 비교우위가 있는 것으로 볼 수 있는 것이다.

본 발명에 따르면, 생산속도와 관련해서 적어도 단일모드의 메인토치 보다는 이론적으로 증가될 여지가 충분하다. 즉, 산수소화염 조성이 삼중 토치를 이용하는 방식이기 때문에 양적 증가가 있고 그 만큼 토치의 이동속도를 빨리 가져갈 수 있는 점이다.

유리입자의 균일성과 증착율은 앞서 설명된 바와 같이 단일모드 토치 및 그 밖의 보조장치를 운용하는 방법에 비해 장비나 공정상 부담을 덜면서도 효과적으로 유지시킬 수 있다.

그리고, 삼중 메인토치를 사용하여 제작된 광섬유의 광학적 특성은 그 유리입자의 균일성과 고른 증착율을 얻어 단일모드 메인토치를 사용하여 제조된 광섬유에 비해 특히 장파장에서의 광의 전송특성이 향상되는 결과를 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 외부증착법에 의해 유리입자를 타겟에 증착시켜 프리폼을 형성하여 광섬유를 제조하는데 있어서 유리입자의 증착율과 증착의 균일성을 향상시켜 광섬유 제조에 따른 생산성을 향상 시킬 수 있는 효과가 있고, 이로부터 광섬유의 광학적 특성을 향상시켜 고품질의 광섬유를 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 원료가스를 산수소화염 속에서 가수 분해하여 유리미립자를 포함하는 미립자를 코어 로드 타켓에 증착시켜 클래드를 생성하면서 프리폼이 성장된 광섬유 모재를 제조하기 위하여 회전하는 코어 로드 주변부에서 산수소화염과 유리입자를 코어 로드 타겟에 증착 시키는 메인토치 및 상기 메인토치를 중심으로 증착분위기를 조성하는 보조토치로 이루어지는 토치부와, 상기 메인토치를 지지하는 베드와, 상기 코어 로드를 메인토치를 중심으로 회전 가능하게 걸어줄 수 있는 로드척으로 이루어지는 광섬유 프리폼 제조장치에 있어서,

   상기 광섬유 프리폼 제조장치는,

   산화 유리입자를 로드척에 걸려있는 코어 로드의 외부에서 증착시키는 메인토치를 프리폼의 단면을 기준으로 각각 120°씩 배열한 것과 동일한 삼상의 위상각을 갖도록 상기 베드위에 삼중으로 배치하여 유리입자가 코어 로드에 나선상으로 연속적으로 증착되도록 메인토치를 구성한 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   코어 로드를 로드척에 걸어 회전 시키고, 코어 로드의 회전과정에서 토치를 통해 산수소화염을 타겟에 분사하여 유리입자를 타겟 외부에 증착 시켜 클래드층을만들어 광섬유 프리폼을 제조하는데 있어서,

   상기 광섬유 프리폼 제조방법은,

   적어도 한 개이상으로 이루어지는 다중 토치를 베드위에 설치하는 단계와;

   베드 위에 한 개이상 배치하는 다중 토치를 타겟의 회전속도와 토치의 이동속도를 고려하여 타겟에 형성되는 유리입자의 띠 형상을 결정하여 해당 토치간의 간격을 정하여 토치의 간격과 위치를 결정하는 단계와;

   상기 토치간의 간격으로부터 유리입자의 증착 기울기를 구하여 유리입자의 표면 증착율과 균일도를 조절하여 프리폼을 성장 시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼 제조방법.