KR20020068624A - 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초고속 근거리 광네트웍에 사용되는 플라스틱 광섬유 제작용 적외선 가열장치에 관한 것으로, 대구경 모재 사용시에도 표면과 그 내부의 용융이 균일하게 일어나 장거리 인발이 가능하면서도 광섬유 직경이 균일하고, 스텝인덱스 광섬유 및 그레이디드인덱스 광섬유 제작이 가능하도록 한 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있으며, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 로본체와; 상기 로본체의 내부에 광섬유 모재를 가열 용융하기 위한 가열원과; 상기 가열원 내측으로 상기 광섬유 모재가 상방으로부터 삽입될 수 있도록 형성된 로심관으로 구성되는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치에 있어서, 상기 가열원으로 적외선램프가 형성됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치를 제공함으로서 달성할 수 있다.

Description

폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치{The heating furnace for drawing a polymer optical fiber}
본 발명은 초고속 근거리 광네트웍에 사용되는 플라스틱 광섬유 제작용 적외선 가열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 모재를 가열하여 인발하는 가열장치에서의 열원으로 적외선램프를 사용함으로서 적외선이 플라스틱 모재의 내부 깊숙히 침투하여 표면과 내부 및 주위로 균일 가열 용융되어 광섬유의 직경이 균일할 뿐만 아니라 스텝인덱스 광성유 및 그레이디드인덱스 광섬유의 제작이 가능하도록 한 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광통신은 광섬유를 통해 빛을 전송하여 정보를 교환하는 것으로, 현재의 동축케이블에 의한 전기 통신에 비해 수만배의 정보를 전송할 수 있다. 또한, 외부로부터의 전파 및 자기장의 영향을 전혀 받지 않아 정보의 전송상태가 양호하다. 따라서 현재 정보통신분야에서 많이 활용되고 있으며, 그 사용 범위는 점차 타분야로 확대되고 있는 추세이다.
특히 근래에는 폴리머 광섬유가 크레딩을 포함한 직경이 약 1mm로 최종 소비자에 의한 연결이 용이하다는 점과 굽힘성이 좋은 스텝 인덱스, 그레이드 인덱스 광섬유로 제작할 수 있다는 점에서 근거리 광통신용으로 점차 그 사용이 확대되고 있으며, 이에 관한 많은 연구가 진행중에 있다.
일반적으로 광섬유는 가열로에 모재를 재치한 다음 열원을 통해 열을 대류나 열전도방식으로 전달하여 용융시킨 다음 인발하고 있다. 이때 사용하는 인발장치와관련하여 일본국 특허 공고 평3-2441호에는 광섬유 인발로에 관한 기술이 공지되어 있는데, 이를 도1에 나타내었다.
상기 도1에서 보는 바와 같이 통상 스테인레스 등으로 형성되는 로본체(11)의 내부에는 광섬유 모재(12)를 가열 용융하는 히터(13)이 배치되어 있다. 이 히터(13)의 내측에는 상기 광섬유 모재(12)가 상방으로부터 삽입되는 로심관(14, furnace core tube)가 설치되어 있다. 상기 로심관(14)은 통상 카본으로 구성되고, 로본체(11)의 상하 양단부에 고정되어 있다. 로심관(14)은 상부 원통부(14a), 칼때기형부(14b) 및 하부 원통부(14c)로 이루어진다. 상부 원통부(14a)는 광섬유 모재(12)의 직경보다 약간 큰 직경의 원통으로 구성된다. 하부 원통부(14c)는 광섬유 모재(12)의 직경보다 작은 직경을 가지며, 인발된 광섬유가 통과하는 직경을 갖는다. 깔때기형부(14b)는 상부 원통부(14a)와 하부 원통부(14c) 사이에 위치하여 양자를 접속하는 부분이며, 광섬유로 방사되는 광섬유 모재(12)의 하단부의 용융부분을 따라 위로부터 아래로 향해 직경이 점차 작아지는 형상을 갖는다.
또, 로본체(11)의 상측에는 로심관(14)의 상단에 연통하는 원통형의 상부 원통 부재(17)이 설치되어 있다. 이 상부 원통 부재(17)은 통상 스테인레스 등으로 이루어지며, 상단 개구는 덮개 부재(18)로 덮혀 있다. 또, 상부 원통 부재(17)의 상부에는 가스 도입부(17a)가 마련되어 있다. 한편, 로본체(11)의 하측에는 로심관(14)의 하단에 연통하는 원통형의 하부 원통 부재(19)가 설치되어 있다. 이 하부 원통 부재(19)는 통상 스테인레스 등으로 이루어지며, 그 하단에는 인발된 광섬유가 통하는 개구부(19a)가 형성되어 있다. 상기에서 미설명부호 16은 단열재이고, 20은 불활성가스를 나타낸다.
그러나 상기한 로를 통해 폴리머 섬유를 인발하는 경우, 즉 열전도나 대류를 이용하여 모재의 용융을 시도할 경우 대구경 모재의 내부 깊숙히 열이 침투되지 않아 모재의 표면만 용융되고 모재의 내부는 용융이 일어나지 않아 광섬유에서 요구하는 장거리 인발이 불가능할 뿐만 아니라 광섬유의 직경 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.
상기한 모재의 장거리 인발 및 표면용융의 단점을 보완하기 위하여 연속압출방법이 이용되고 있지만 이를 위해서는 광섬유 제작장치와 합성 및 정제장치가 함께 설비되어 설비비가 고가 일뿐 아니라 광섬유 직경의 정밀도가 떨어지는 결점이 있다.
또한 연속압출법은 스텝인덱스 폴리머광섬유에만 적용할 수 있어 초고속 광통신 및 멀티미디어 전송을 위한 그레이디드 인덱스 광섬유의 제작이 불가능하다는 단점이 있다.
모재인출 방법에서 예열법을 쓸수도 있지만 이 경우 장시간에 걸친 가열로 인하여 재료의 물성변화가 있을 수 있을 뿐만 아니라, 특히 불순물을 이용할 경우 물성변화 현상은 더욱 커질 것이며 원치않는 불순물의 확산은 그레이디드 인덱스의 구배를 변화시킬 수 있다는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 대구경 모재 사용시에도 표면과 그 내부의 용융이 균일하게 일어나 장거리 인발이 가능하면서도 광섬유 직경이 균일하고, 스텝인덱스 광섬유 및 그레이디드인덱스 광섬유 제작이 가능하도록 한 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 종래 광섬유 인발을 위한 가열장치를 나타낸 도면.
도2a와 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선램프를 이용한 가열장치의 단면을 나타낸 도면.
도3은 적외선램프를 이용하여 모재를 가열 용융시 모재 구경에 따른 온도 분포를 나타낸 도면.
도4는 열전도 및 대류를 이용하여 모재를 가열 용융시 모재 구경에 따른 온도 분포를 나타낸 도면.
도5a와 도5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선램프를 이용한 가열장치의 단면을 나타낸 도면.
도6a와 도6b는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 적외선램프를 이용한 가열장치의 단면을 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
30 : 가열장치 31 : 로본체 32 : 적외선 반사막
33 : 상부재 34 : 하부재 35 : 로심관
36 : 동공 40 : 적외선램프 50 : 모재
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
로본체와; 상기 로본체의 내부에 광섬유 모재를 가열 용융하기 위한 가열원과; 상기 가열원 내측으로 상기 광섬유 모재가 상방으로부터 삽입될 수 있도록 형성된 로심관으로 구성되는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치에 있어서,
상기 가열원으로 적외선램프가 형성됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치를 제공함으로서 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 적외선램프에서 방출되는 적외선 에너지의 효율을 극대화시키기 위하여 로본체의 내부에 적외선 반사막이 형성된다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기위하여 제시된 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도2a와 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선램프를 이용한 가열장치를 나타낸 도면으로, 상기 도2a와 도2b에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 가열장치(30)는 로본체(31)와; 상기 로본체(31)의 내부에는 광섬유 모재(50)를 가열 용융하기 위하여 설치된 다수개의 직선형 적외선램프(40)와; 상기 적외선램프(40) 내측으로 상기 광섬유 모재(50)가 상방으로부터 삽입될 수 있도록형성된 로심관(35)으로 구성된다.
상기에서 로본체(31)는 광섬유 모재(50)가 삽입되는 상부재(33)와 인발된 광섬유가 하부로 이송될 수 있도록 동공(36)이 형성된 하부재(34)로 구성된다.
이때 상기 적외선램프(40)는 직선형으로 광섬유 모재(50)와 나란하게 그 둘레를 따라 등간격으로 다수개 설치되는데, 이때 상기 적외선램프(40)는 모재(50)에 따라 적정파장의 것을 선택하여 설치할 수 있다.
상기와 같이 가열원으로 적외선램프(40)를 사용하게 되면 상기 적외선램프(40)에서 방출되는 적외선이 모재(50) 내부로 침투하여 모재(50)의 표면 뿐만 아니라 모재(50)의 내부까지 용융시켜 주므로 대구경의 폴리머 모재의 경우에도 모재(50)를 빠르게 용융시킬 수 있다는 이점이 있다. 특히, 이와 같이 적외선에 의한 용융이 이루어짐으로서 기존의 열전도 방식의 전기로에서 발생하는 모재(50)의 표면만 용융되는 현상을 방지할 수 있게 되어 모재(50) 전체가 고르게 용융될 수 있게 된다.
또한, 모재(50)의 내부와 외부는 적외선의 침투효과로 균일한 온도분포를 갖게 됨으로서 폴리머 광섬유의 정밀한 직경 제어를 가능하게 할 뿐만 아니라, 대구경의 폴리머 모재(50)를 빠르고 균일하게 가열함으로서 고품질의 폴리머 광섬유를 대량생산이 가능하게 한다. 이때 모재(50)의 구경에 따라 실제 적용시 모재(50)의 중심부와 모재(50)의 표면에서 약간의 온도구배가 생길 수 있으나 이는 적외선램프(40)의 파장에서 일정주파수의 파장을 차단함으로서 온도구배를 최소화 시킬 수 있다. 뿐만 아니라 코어 물질의 유리변형 온도가 크래드 물질보다 큰 경우에도 파장을 조절하여 모재를 용융할 수 있다는 이점이 있다.
또, 상기 로본체(31)는 통상적으로 사용하는 스테인레스강이나 유리를 이용하여 형성할 수 있다.
이때 상기 로본체(31) 내부에 적외선 반사가 뛰어난 적외선 반사막(32)을 형성하여 외부로 방출되는 적외선을 줄여 에너지 효율을 극대화 시키는 것이 바람직하다. 상기 적외선 반사막(32)은 적외선 반사가 뛰어난 금, 크롬, 알루미늄 등의 금속을 로본체(31) 내부에 코팅하여 형성할 수 있다.
상기와 같이 로본체(31) 내부에 적외선 반사가 뛰어난 금속을 유리에 코팅하여 적외선 반사막(32)을 형성할 경우 외부로 유출되는 적외선 에너지를 최소화시켜 에너지 효율을 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 상기 적외선 반사막(32)은 가시광선 영역에서 투명하므로 폴리머 광섬유 인발 중 모재(50)의 용융상태 및 인발상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있다는 이점이 있다.
상기에서 적외선 반사막(32)은 로본체(31) 내부에 코팅하여 형성한 경우의 일예를 들어 설명하였으나, 이와는 달리 적외선램프(40)의 실리카 유리관을 코팅하여 적외선 반사막(32)을 형성할 수도 있다.
또, 상기 적외선램프(40) 내측에는 상기 폴리머 광섬유 모재(50)가 상방향으로부터 삽입될 수 있도록 로심관(35)이 형성되는데, 본 발명에서는 상기 로심관(35)으로 적외선을 보다 효과적으로 투과시켜 모재(50)로 전달시할 수 있는 유리를 이용하여 제작된 것을 사용하였다.
상술한 바와 같이 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열원으로 적외선램프(40)를적용하여 모재(50)를 용융할 경우 모재(50)에 따른 스텝인덱스 광섬유와 그레이디드 인덱스 광섬유 각각의 제조가 가능하다는 이점이 있다.
본 발명에 따른 적외선램프를 이용한 모재의 용융방식과 종래의 열전도 또는 대류에 의한 모재 용융방식의 차이점을 비교분석하기 위하여 하기한 실험을 하였다.
적외선램프에 210V의 전압을 가해 직경이 50mm인 모재를 가열하고, 이때 모재의 중앙부(A)와 중앙에서 10mm 떨어진 지점(B) 및 20mm 떨어진 지점(C)의 온도를 열전쌍(thermocouple)을 이용하여 측정하였다.
이때 적외선에 의한 효과만을 보기 위하여 모재 주변 공기 온도를 일정하게 유지한 상태에서 각 지점의 온도를 측정하여 그 결과를 도3에 나타내었다.
또한 같은 조건에서 냉각 팬을 제거하고 적외선의 복사를 차단하기 위하여 알루미늄 차광막을 램프와 모재 사이에 설치하여 각 지점의 온도를 측정하여 그 결과를 도4에 나타내었다(상기 적외선램프의 자체 온도가 2500K의 온도를 가지므로 그 열의 대부분이 전도와 대류에 의해 모재에 전달되게 된다. 따라서 적외선 복사만 막으면 대류와 전도에 의해 모재를 가열하는 기존 가열로의 원리와 동일하게 된다).
도3과 도4에서 보는 바와 같이 적외선램프를 이용하여 모재를 가열 용융한 결과를 나타내는 도3의 경우 종래의 가열방식을 적용하여 모재를 가열 용융한 결과를 나타내는 도4에 비해 각지점의 온도구배가 매우 적은 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 경우 적외선 파장이 모재 내부 깊숙히 침투하여 내부까지 용융시켜 주므로 종래 기존의 열전도 방식의 로에서 발생하는 모재의 표면만 용융되는 현상을 방지할 수 있게 되어 모재 전체가 고르게 용융될 수 있다는 것을 상기 도3 및 도4를 통해 알 수 있다.
도5a와 도5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적외선램프를 이용한 가열장치를 나타낸 도면으로, 상기 도2a와 도2b에 나타낸 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열장치(30)는 로본체(31)와; 상기 로본체(31)의 내부에는 광섬유 모재(50)를 가열 용융하기 위하여 설치된 다수개의 원형 적외선램프(40)와; 상기 적외선램프(40) 내측으로 상기 광섬유 모재(50)가 상방으로부터 삽입될 수 있도록 형성된 로심관(35)으로 구성된다.
이때 상기 적외선램프(40)는 원형으로 모재(50)의 주변에 모재(50) 길이방향을 따라 다수개가 설치된다. 이와 같이 원형의 적외선램프(40)를 모재(50)의 길이방향을 따라 다수개 설치할 경우 모재(50)의 길이 방향으로 원하는 온도분포를 얻을 수 있게 된다. 이것은 적외선램프(40)의 간격을 조절하여 설치함으로서, 즉 높은 온도를 필요로 하는 곳에는 적외선램프(40)를 집중적으로 설치함으로서 모재(50)의 길이 방향으로 원하는 온도분포를 얻을 수 있게 되는 이점이 있다.
이때 상기 가열장치의 로본체(31)는 상기 도2와 마찬가지로 그 내부에 적외선 반사막(32)을 형성하여 외부로 방출되는 적외선 에너지를 줄여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 적외선 반사막(32)으로는 상기에서 설명한 바와 같이 적외선 반사가 뛰어난 금, 크롬, 알루미늄 등 금속을 코팅하여 형성하는 것이 바람직하다.
도6a와 도6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적외선램프를 이용한 가열장치를 나타낸 도면으로, 상기에서 보는 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가열장치(30)는 로본체(31)와; 상기 로본체(31)의 내부에는 광섬유 모재(50)를 가열 용융하기 위하여 설치된 적외선램프(40)와; 상기 적외선램프(40) 내측으로 상기 광섬유 모재(50)가 상방으로부터 삽입될 수 있도록 형성된 로심관(35)으로 구성된다.
이때 상기 적외선램프(40)는 모재(50)의 둘레에 모재(50) 길이방향으로 나선형으로 설치된다. 이와같이 적외선램프(40)를 나선형으로 설치할 경우 모재(50)의 가로방향뿐만 아니라 세로방향으로 균일한 온도분포를 얻을 수 있다는 이점이 있다.
이때 상기 가열장치의 로본체(31)는 상기 도2와 마찬가지로 그 내부에 적외선 반사막(32)을 형성하여 외부로 방출되는 적외선 에너지를 줄여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 적외선 반사막(32)으로는 상기에서 설명한 바와 같이 적외선 반사가 뛰어난 금, 크롬, 알루미늄 등 금속을 코팅하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 적외선의 열방사와 열전도를 이용함으로 기존의 열전도 방식의 전기로에서 발생하는 모재 표면용융 현상을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 대구경의 폴리머 모재를 빠르게 용융시킬 수 있는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치를 제공하는 유용한 발명이다.
또한 적외선의 침투효과로 모재 내부와 외부의 균일한 온도분포는 폴리머 광섬유의 정밀한 직경 제어를 가능하게 할 뿐만 아니라 대구경 폴리머 모재를 빠르고 균일하게 가열함으로서 고품질의 폴리머 광섬유를 대량생산이 가능하게 하는 이점이 있다.

Claims (10)

  1. 로본체(31)와; 상기 로본체(31)의 내부에 광섬유 모재(50)를 가열 용융하기 위한 가열원과; 상기 가열원 내측으로 상기 광섬유 모재(50)가 상방으로부터 삽입될 수 있도록 로심관(35)이 형성된 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치(30)에 있어서,
    상기 가열원으로 적외선램프(40)가 형성됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 로본체(31)의 내부에 적외선 반사막(32)이 형성됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 적외선램프(40)의 실리카 유리관에 적외선 반사막(32)이 형성됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  4. 제 2항 또는 3항에 있어서, 상기 적외선 반사막(32)은 금, 크롬, 알루미늄 등에서 선택되는 금속을 코팅하여 형성된 것을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  5. 제 1항 내지 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선램프(40)가 직선형으로모재(50) 둘레를 따라 모재(50)와 나란하게 등간격으로 다수개 설치됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 적외선램프(40)가 직선형으로 모재(50) 둘레를 따라 모재(50)와 나란하게 등간격으로 다수개 설치됨을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  7. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선램프(40)가 원형으로 모재(50)의 주변에 모재(50) 길이방향을 따라 다수개 설치된 것을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 적외선램프(40)가 원형으로 모재(50)의 주변에 모재(50) 길이방향을 따라 다수개 설치된 것을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  9. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선램프(40)가 모재(50)의 둘레에 모재(50) 길이방향을 따라 나선형으로 설치된 것을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 적외선램프(40)가 모재(50)의 둘레에 모재(50) 길이방향을 따라 나선형으로 설치된 것을 특징으로 하는 폴리머 광섬유 인발을 위한 가열장치.
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CN105293893A (zh) * 2014-06-10 2016-02-03 西安思翰光电科技有限公司 中低温光纤预制棒拉丝炉用高精密复合加热模块

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