KR20020087413A - 고 점도 액체를 집속하여 광섬유를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

프리폼(1)은 오븐(3)으로 삽입된다. 고압 고온 유체에 의해, 섬유의 입구(2)가 변형되어 노즐(5) 밖으로 유동한다. 배출된 글래스는 섬유(6) 형태이다.

Description

고 점도 액체를 집속하여 광섬유를 제조하는 방법{Methods for producing optical fiber by focusing high viscosity liquid}

광섬유는 매우 작은 손실로 다량의 정보를 내장하는 광신호를 장거리에 걸쳐 전송할 수 있는 글래스 또는 폴리머 화합물 등의 재료로 된 얇은 스트랜드이다(참조: 미국 특허 제6,128,429호, 제6,098,428호, 제6,057,034호 및 이들 특허 공보에 인용된 특허). 글래스 광섬유를 기재로 하는 광통신 시스템에 의해, 통신 신호가 낮은 어텐션(attention) 및 극도로 높은 데이터 전송속도, 또는 밴드폭 용량으로 장거리에 걸쳐 전송할 수 있다. 이러한 능력은 근적외 파장에 위치하는 글래스의 저 로스 윈도(loss window)에서의 단일 광신호 모드의 전파로 인한 것이다. 에르븀이 도핑된 섬유 증폭기(EDFA)의 도입 이후, 지난 10년간 글래스 광섬유의 출현을 광역 네트워크(WANs)용 표준 데이터 전송 매체로서 입증해왔다.

종래의 광섬유는 전형적으로 적절한 조성의 광섬유 프리폼(preform)을 구조하여, 프리폼으로부터 섬유를 드로잉함으로써 제조된다(참조: 미국 특허제6,053,012호 및 이 공보에 인용된 특허). 전형적인 프리폼은 길이가 약 1미터이고 외경이 20∼200㎜인 동심 글래스 로드이다. 로드의 내측 코어는 직경이 약 1∼5㎜인 규산게르마늄 등의 고 순도의 저 손실 글래스이다. 클래딩으로 불리우는 동심 외측 실린더는 내측 코어보다 굴절률이 낮은 글래스 층이다.

종래의 광섬유의 제조에 있어서, 프리폼은 고 드로잉 온도로 가열되는 RF 유도로의 단열 서셉터(susceptor)로 하강한다(참조: 미국 특허 제5,741,384호, 제5,698,124호 및 이들 공보에 인용된 특허). 글래스 스트랜드는 특정한 장력 및 속도로 프리폼의 가열부에서 뽑아내어, 원하는 직경의 섬유를 드로잉한다. 이러한 통상적인 공정이 갖는 주요 난점 중의 하나는 유도로의 재료로 인한 섬유의 오염이다. 단열 또는 서셉터에서 생긴 극미립자는 섬유에 국한된 취약점을 형성할 수 있어서, 결국 파손되거나 다른 형태로 파괴될 것이다. 미국 특허 제4,440,556호의 공보에는 프리폼에 플라스마 토치를 축방향으로 향하게 하여, 섬유를 토치의 중앙 통로를 통해 축반향으로 드로잉함으로써 이러한 오염 문제를 해결하기 위한 초기 시도에 대하여 개시되어 있다. 이러한 해결책의 난점은 중앙 통로에 이르러, 드로잉된 섬유가 플라스마 화구(fireball)를 통과해야 한다. 그러나, 플라스마 셰이프는 콘트롤하기가 어려운 것으로 널리 알려져 있고, 셰이프에서의 아주 적은 변동으로도 정교한 드로잉된 섬유가 격심한 온도 변동을 입을 수 있다.

점점 커지는 직경의 프리폼의 사용으로 인해 또 하나의 문제점이 발생한다. 직경이 큰 프리폼을 사용하면, 프리폼의 전체 직경을 커버하기에 충분히 큰 플라스마 화구를 생성하기가 매우 곤란하다는 것이다. 그 결과는 드로잉 부분이 불균일하게 가열된다는 것이다. 미국 특허 제5,672,192호에 기재된 방법 등의 유사한 방법은 상기 방법에 내재하는 몇몇 문제점을 역점을 두어 다루고 있지만, 여전히 플라스마 토치의 사용을 요하므로, 이러한 사용에 내재하는 다수의 한계를 갖고 있다.

통신 백본(backbone)에 있어서의 단일 모드 글래스 광섬유의 성공으로 광네트워킹 개념을 생기게 했다. 이러한 네트워크는 통신 신호가 이들의 경로를 WANs로부터 하향으로 소형 로컬 네트워크(LANs)로 향하게 하고, 결국은 섬유에 의해 소형의 단말 유저로 향하게 함에 따라, 데이터 스트림을 모든 광시스템에 대하여 집적하는 작용을 한다. 최근의 인터넷의 급격한 증가 및 월드 와이드 웹의 사용에 크게 의거하는 광네트워크의 증가 사용은 단기 및 중기 사용에 있어서의 매우 높은 밴드폭 성능을 요구해왔다.

그리하여, 증대하는 소비자의 이용을 충족시키기 위해 글래스 광섬유의 개량된 제조방법에 대하여 당해 기술분야에 요구되고 있다. 또한, 우수한 광섬유, 단일 모드 및 멀티모드의 광섬유에 대한 수요가 증가하고 있다.

본 발명은 일반적으로 고 점성 액체 재료로부터 긴 스트랜드를 제조하는 분야에 관한 것으로, 특히 집속 유체 기술을 이용하여 용융 글래스로부터 광섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 원재료가 오븐에서 가열되어 노즐을 통해 압출되는 글래스 프리폼인 본 발명의 실시형태에 대한 개략적인 단면도,

도 2는 본 발명에 따라 고점도 유체로부터 스트림 및 섬유의 제조시에 사용되는 노즐 성분의 특수 형태를 도시하는 단면도,

도 3은 그래프(3a, 3b 및 3c)를 포함하는데, 도 3a는 소정 λ에 대하여, 고 점도 유체를 압출할 때에 안정한 스트림 및 섬유를 제공하도록 상이한 노즐 형태가구성되고, 도 3b가 λ= 2일 때의 노즐 형태를 도시하며 도 3c가 λ= 6일 때의 노즐을 나타내며,

도 4는 상이한 λ값에 기초한 상이한 노즐 형태를 갖는 안정한 제트를 얻도록 요구된 압력을 나타내는 그래프.

본 발명은 유동 물리학을 이용한 광섬유의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 균일한 형상을 한 긴 섬유를 형성하는, 고 점도 액체 스트림 또는 프리폼을 둘러싸서 집중시키는 유체(예: 가열 가스 또는 액체)를 사용하여, 직접 용융 액체 또는 프리폼으로부터, 용융 규산게르마늄 글래스 등의 고 점성 재료의 집중된 압출방법을 제공한다. 본 발명은 또한 통상적인 기술 또는 본 명세서에 개시된 드로잉법을 이용하여 드로잉될 수 있는 광 프리폼의 제조방법 및 제조장치를 제공한다.

저 점도 유체에 적용되는 유동 물리학 방법론은 2000년 9월 12일자로 특허 허여된 미국 특허 제6,116,516호, 2001년 9월 13일자로 특허 허여된 제6,187,214호, 2001년 3월 6일자로 특허 허여된 제6,197,835호 및 2001년 3월 6일자로 특허 허여된 제6,195,525호 등의 특허 공보에 기재되어 있다. 그러나, 이들 공보는 저 점도 유체의 압출에 관한 것이다. 저 점도 유체란 비교적 높은, 예를 들면 약 10 이상의 레이놀즈수를 갖는 유체이다. 저 점도 액체의 압출은 유체의 점도에 의해 좌우되는 것이 아니라, 오히려 유체의 질량 또는 밀도에 의해 좌우되는 힘을 이용하는 조건하에 행해진다. 상기에서 유추하여, 카의 엔진은 주로 카의 질량에 영향을 미치고, 각종 성분간에 존재하는 마찰저항을 다소 극복하도록 엔진의 파워를 이용하여 카를 전진 이동시킨다. 그러나, 마찰력이 카의 비상 브레이크의 사용 등으로 실질적으로 증가되면, 마찰력이 우세해져, 카를 전방으로 이동시키기 위해서는 이를 극복해야 한다. 상기에서 유추하여, 마찰력은 유체의 점도에 관계가 있다.

본 명세서에 개시된 것은 고 점도 유체로부터 스트림 및 섬유를 제조하는 방법론에 관한 것이다. 용어 "고 점도 유체"는 레이놀즈수가 비교적 작고, 특히 레이놀즈수가 약 1 이하인 유체를 포함하는 것이다. 특히, 극도로 높은 점도를 갖는 유체의 레이놀즈수는 약 0.1 미만이다. 고 점도 유체의 사용으로, 비상 브레이크가 온 상태인 카를 사용함에 따라, 비상 브레이크에 의해 발생된 마찰저항이 유체의 점도가 카를 전방으로 이동시키기 위해 카 엔진이 극복해야 하는 우세 인자가 될 때에, 유체를 전방으로 이동시키기 위해 가해진 힘에 의해 극복해야 하는 면에서유체의 점도가 우세 인자가 된다.

"수학적 공식화"이란 명칭의 섹션이 하기에 포함된다. 이 섹션은 정보를 광학적으로 전송하는데 사용되는 섬유를 생성하는데 사용되는 가열 글래스 프리폼의 고 점도 유체와 함께 용융 실리카 글래스의 고 점도 유체 등의 고 점도 유체로부터 스트림 및 섬유를 제조하는데 적용할 수 있는 것으로서 이 공보의 시에 당해 기술분야의 숙련가에게 인지되는 방정식을 포함한다.

제 1 실시형태에 있어서, 광섬유 등의 긴 섬유는 점성 액체 스트림을 둘러싸는 집중하는 유체로 함으로써, 고 점성 액체, 예를 들면 용융 규산염 글래스로부터 직접 제조된다. 이렇게 하여, 프리폼의 제조를 필요로 하지 않고서 섬유를 제조할 수 있고, 또한 동시에 복합 섬유를 압출할 수 있다. 이러한 압출은 압출된 섬유가 가스일 수 있는 집중 유체에 의해 완전히 둘러싸여 집속되기 때문에, 섬유 스트림이 본 발명의 장치로부터 섬유의 압출시에 섬유 스트림이 오리피스면과 접촉하지 않는다는 점에서 특히 유리하다. 이것에 의해, 섬유의 오염을 줄이고 사실상 장치 오리피스의 클로깅을 방지할 수 있다. 제조된 긴 섬유는 원하는 직경을 가질 수 있으나, 바람직하게는 직경이 200미크론 이하, 1∼50미크론이다.

또 하나의 실시형태에 있어서, 광섬유 프리폼은 주변 유체의 집속 특성을 이용하여 직경이 감소되고 길이가 증가된다. 광섬유 전구체(즉, 프리폼)는 프리폼이 연성을 지니게 되거나, 특히 원하는 길이 및 측면(lateral) 치수로 스트레칭되는 동안에 프리폼 재료가 기본 구조부재를 유지하는 온도, 즉 광섬유 전구체가 연성을 지니고 섬유가 프리폼의 측면 관계를 유지하는 온도로 가열된다. 집속 프로세스는원하는 섬유의 직경 및/또는 길이를 제공하도록 반복될 수 있고, 집속 유체 및 좁혀진 구조체는 또한 집속 유체에 대한 반복적인 노출에 의해 한정될 수 있다.

또 다른 실시형태에 있어서, 중공 섬유가 제조된다. 중공 섬유는 동심상으로 배치된 2개의 튜브로 구성되는 원료로부터 압출된다. 센터 튜브는 공기나 고순도의 불활성 가스 등의 가스를 압출하고, 주변의 동심 튜브는 용융 규산염 글래스를 압출한다. 압출된 규산염 글래스는 중공 튜브를 형성하고 압력실내의 가스의 주변 유동에 의해 제트로 집속된다. 복합 중공 섬유는 동시에 압출되어 고화하기 전에 겹합되어, 예를 들면 포토닉(photonic) 밴드갭 구조체를 형성한다.

본 발명의 이점은 주변 집속 유체의 집속 압력이 압출된 점성 액체 또는 프리폼에 대한 압력 분포를 제공하고, 압력 분포가 섬유 드로잉 점도보다 오히려 불안정성을 억제하여 생산성에 있어서 이론상 무한한 증가를 나타내는 것을 보이도록 수학적으로 계산될 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 하나의 이점은 압출된 점성 재료로 제조된 섬유에 대한 전단응력이 최소한으로 감소되어, 원하는 포토닉 밴드갭 구조체의 형태를 제조하도록 조합될 수 있는 중공 섬유를 포함하는 복합 섬유 구조체의 제조를 제어할 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 노즐을 따른 가스 온도 분포가 드로잉된 섬유 재료로 급속하게 이동되어, 섬유 온도 프로파일의 단순하고 가속된 제어를 위한 수단을 제공하고, 섬유 켄칭(quenching) 공정 및 섬유 품질의 향상을 제어하는 확고하고 단순한 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 이점은 형성된 광섬유가 길이를 따라 크기 및 형상이 균일하고 비교적 적은 양의 에너지로 제조된다는 것이다.

본 발명의 이점은 복합 섬유 압출물이 동시에 생겨서, 섬유가 다발로서 압출된다는 것이다.

본 발명의 이점은 섬유가 본 발명의 장치의 동심 니들을 이용하여 코팅된 섬유로서 압출될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이점은 광섬유가 오염되지 않고서 제조되므로, 이러한 오염으로 인한 섬유의 국한된 취약점없이 광섬유가 제조될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이점은 본 발명의 제조방법을 이용하여 섬유 성형 및 안정성이 적절한 외부 압력 분포를 이용하여 향상될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이점은 고체에 대한 글래스의 접촉이 집속 가스 또는 액체로 둘러싸인 글래스의 압출로 인해 고체에 대한 글래스의 접촉이 회피되기 때문에, 섬유 응력이 본 발명의 장치의 압출시에 현저하게 감소될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이점은 출구 오리피스가 유체 또는 프리폼과 터치하지 않기 때문에, 본 발명의 장치가 섬유의 압출에 의해 최소한의 오염 및/또는 클로깅이 일어날 것이다는데 있다.

본 발명의 이점은 섬유 품질이 동류 가스 팽창으로 인한 신속한 섬유 켄칭에 의해 향상된다는 것이다.

본 발명의 이점은 복합 섬유 동심 구조체가 고전 기술과 비교하여 본 발명의 방법의 방사상 점성 응력의 현저한 감소로 형성될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이점은 프리폼이 사용될 때에 프리폼이 집속 절차에 따른 형상에 있어서 변동이 일어나지 않으므로, 드로잉된 섬유가 플라스마 화구의 사용에 따라 심한 온도 변동이 일어나지 않다는 것이다.

본 발명의 이점은 압출방법이 압출 배향에 따르는 개별 기능부재로 섬유를 제조하도록 디자인될 수 있다는 것이다. 이것에 의해, 통상적인 길이의 섬유에 있어서, 포토닉 밴드갭 구조체 등의 특수 섬유 구조체를 제조할 수 있다.

본 발명의 이점은 구조부재의 관계의 일체성이 집속 과정에서 유지되기 때문에, 본 발명의 방법이 뚜렷한 구조부재를 갖는 프리폼과 함께 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 이점은 본 발명의 방법이 큰 직경의 프리폼과 함께 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 당해 기술분야의 숙련가에게 명백해질 것이다.

본 발명의 섬유 압출 장치 및 방법을 기술하기 전에, 본 발명은 개시되는 특정 성분 및 스텝에 한정되는 것은 아니고, 물론 그 자체로 변화할 수 있음은 말할 것도 없다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어는 다만 특정 실시형태를 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 첨부된 청구의 범위에만 한정되지 않기 때문에, 이들에 제한하기 위한 것이 아니다.

본 명세서 및 청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 개개의 형태 "a", "and", 및 "the"는 달리 명확히 지시하지 않으면 다수의 지시대상을 포함한다. 따라서, 예를 들면 "도펀트(dopant)"는 다수의 도펀트를 포함하고, "유체"는 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 유체의 혼합물 및 이들의 등가물을 포함한다.

달리 정의되어 있지 않으면, 본 명세서에 사용된 모든 기술 및 과학용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련가에게 일반적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기재된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 테스트시에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법 및 재료에 대하여 이제부터 설명될 것이다. 본 명세서에 기재된 모든 공보는 인용된 공보와 관련하여 방법 및/또는 재료를 개시하도록 참고로 본 명세서에 통합된다.

본 명세서에서 검토된 특허 공보는 다만 본 출원서의 출원일 이전에 개시하기 위해 제공된 것이다. 본 발명이 종래의 발명에 의해 상기 특허 공보를 예상하는 것으로 추정되는 것은 아니다. 또한, 주어진 공보의 일자는 개별적으로 확인될 필요가 있는 실제 공고일과는 상이할 수 있다.

정의:

특정 재료에 관하여 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "연성"은 재료가 스트랜드로 드로잉될 수 있는 상의 재료를 말한다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 연성 재료는 더욱 바람직하게는 실온에서 고체(예: 규산염 글래스)이지만, 승온에서는 긴 섬유로 더욱 용이하게 형상을 취하거나 드로잉되는 광섬유 또는 프리폼의 제조용 재료를 말한다. 본 명세서에 사용된 용어는 유동성, 연성 또는 가열된(아니면 처리된) 형태의 재료를 포함한다.

본 명세서에 사용된 용어 "드로잉" 및 "드로잉된"은 긴 섬유를 제조하도록 재료 스트림을 연신하는 공정을 말한다. 유동 물리학을 이용하는 드로잉은 드로잉된 원래의 액체 스트림이나 프리폼과 비교하여 일관된 치수를 이루고(길이를 따라 단면의 크기 및 형상에 있어서) 측면 치수(단면)가 상당히 감소된 섬유를 산출한다. 드로잉 공정에 잇어서, 고체 실린더의 중심의 재료는 실린더에서 드로잉되어, 실린더와 비교하여 더 좁은 직경을 취한다. 길이는 증가되고 직경은 감소된다.

용어 "집속 유체"는 액체 스트림 또는 프리폼을 집속하는데 사용되는 유체이다. 이 유체는 유체가 액체 스트림 또는 연성 프리폼과 혼화하지 않는 액체(집속된 액체 스트림과 비교하여 밀도가 동일하거나 바람직하게는 낮은)일 수도 있지만, 가열 가스인 것이 바람직하다.

본 명세서에 사용된 용어 "프리폼"은 광섬유의 전구체, 예를 들면 실리카 글래스의 고체 실린더인 구조체를 말한다. 프리폼은 광섬유의 기본 구조부재를 가지며(그러나, 직경이 크다), 일반적으로 가열되어 광섬유의 좁은 긴 형태로 드로잉된다. 프리폼은 당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 글래스(예: 규산염), 플라스틱, 흑연 등을 포함하는 다수의 상이한 재료로 형성될 수 있다. 바람직한 실시형태에 있어서, 프리폼은 포토닉 밴드갭 구조체에 의해 둘러싸이는 섬유의 중공부를 통해 빛이 진행할 수 있는 하나 이상의 포토닉 밴드갭 구조체(예: 중공 실린더 그룹)로 구성될 수 있다.

용어 "고 점도 유체" 및 "고 점도 액체"는 실질적으로 물보다 점도가 높은, 즉 물의 점도의 5배 이상을 갖는 유동성 재료를 의미한다. 특히, 용어 "고 점도 액체"는 레이놀즈수가 비교적 작고, 특히 약 1 이하, 바람직하게는 0.1 이하인 유체를 포함하는 것이다. 바람직한 고 점도 유체로는 정보를 광학적으로 전송하도록 섬유를 제조하는데 사용되는 각종 도핑된 형태의 용융 실리카 글래스 및 용융 글래스를 들 수 있다.

일반적인 장치:

도 1을 참조하면, 본 발명의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 이러한 특정 형태에 있어서, 고 점도 유체의 원료(1)는 글래스 프리폼이다. 적어도 프리폼(1)의 단부(2)는 오븐(3)내에서 가열되거나, 프리폼의 단부는 가열된다. 또한, 공기 등의집속 유체 또는 더욱 바람직하게는 가열된 불활성 가스는 압력(P₀)을 부여하도록 오븐으로 제공된다. 가압 오븐내의 집속 유체의 유일한 출구는 노즐(5)에 의해 형성된 개구(4)이다. 오븐의 가스가 노즐(5)을 통해 개구(4)에서 운반됨에 따라, 고 점도 유체는 노즐(5)을 통해 당겨져서, 결국은 개구(4)를 나와서 긴 섬유(6)를 형성한다. 이러한 특정 실시형태는 개략적인 실시형태로, 고 점도 액체를 드로잉하도록 집속 유체를 이용하는 안정한 섬유를 형성하는 본 발명의 본질을 시사하도록 단순히 실예로서만 제공된 것이다. 이를 관찰하는 당해 기술분야의 숙련가는 변형체가 오븐(3)의 온도 및 압력, 노즐(5)의 형상, 노즐의 길이 및 노즐을 통해 압출되는 고 점도 유체의 점도 등의 인자를 포함하는 것을 알 수 있다.

또 하나의 실시형태에 있어서, 프리폼은 용융 실리카 글래스 등의 고 점도 유체가 연속적으로 공급되는 금속 튜브인 것이 바람직한 중공 튜브로 교체된다. 이러한 실시형태, 즉 프리폼 실시형태 및 튜브 개구로부터 공급된 용융 액체를 변화시켜, 중공 섬유를 제조할 수 있다. 특히, 프리폼은 도 1에 도시된 바와 같은 고체인 프리폼은 물론, 중공 섬유인 개구(4)를 통해 압출된 최종 섬유와 동일한 방법론을 이용하여 연신되어 압출되는 중공 튜브로 구성되는 프리폼일 수도 있다. 용융 실리카가 원통형 튜브에 의해 공급되는 경우에는, 그 튜브는 바람직하게는 가열된 불활성 가스인 가스를 공급하는 그 내부에 동심상으로 배치된 제 2 튜브를 갖는다. 가열된 불활성 가스는 중공 섬유가 오븐(3) 내에서 붕괴되지 않도록 충분히 높은 압력으로 공급되어야 한다. 따라서, 중공 튜브내의 압력은 오븐 내부의 압력과 대체로 동일하도록 균형을 이루므로, 중공 튜브가 붕괴되지 않고 오히려 중공 섬유를 형성하도록 개구(4) 밖으로 압출된다. 모든 실시형태에 있어서, 오븐 내부의 압력(P_o이 충분히 높고 노즐의 형태가 개구(4) 밖으로의 가스 압출은 초음속, 즉 음속도보다 빠르도록 이루어지는 것이 바람직하다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 노즐의 개략적인 단면도를 도시한다. 노즐의 특정 형태는 특히 섬유가 지나치게 늘어지거나 이동하여, 압출된 재료의 파손 또는 불균일성을 가져오지 않도록 개구(4) 밖에서 안정한 방법으로 섬유 압출을 포함하는 원하는 결과를 얻기 위해 중요하다. 노즐(5)의 내부면(7)의 기하학적 형상은 하기 식에 의해 결정될 수 있다:

(P_o는 오븐(3) 내부 압력이고, λ는 초음속 팽창을 얻도록 λ가 0.635 보다 큰 상수이며, x는 함수이다.)

도 2에 나타낸 바와 같이, 도시된 형태에 대해서는 λ가 5.65이고, P_o는 0보다 크거나 동일한 모든 E에 대해서는 0.325보다 크거나 동일하다. 이러한 것은 하기 식에 따라 고 점도 유체의 드로잉에 대한 절대 안정성을 가져올 것이다:

상기식에서, μ_l는 고 점도 액체의 점도이고, V₁은 프리폼 단부 또는 튜브 외부에서 압출하기 때문에 섬유의 속도(V₀)보다 실질적으로 큰 노즐 내부의 섬유의 속도이며, L은 노즐의 길이, 따라서 가스 등의 집속 유체가 섬유를 당기고, 가압하거나 드로잉하는데 상당한 에너지를 부여하여 개구(4) 밖으로 전행하는 길이이다.

도 3을 참조하면, 상이한 λ가 상이한 노즐 형태를 제공하여, 노즐의 개구(4) 밖에서 드로잉된 섬유의 절대 안정성을 가져올 수 있는 것을 알 수 있는 그래프(3a, 3b 및 3c)를 포함한다. 특히, 도 3a 내에서는 λ= 2, 4, 6 및 10에 대하여 작성된 것이고, 도 3b 내에서는 노즐 형태가 λ= 2에 대하여 도시된 것이며, 도 3c내 에서는 노즐 형태가 λ= 6에 대하여 도시된 것이다.

도 4를 참조하면, 압력인 추가 변수가 고려된다. X축에 대하여 플롯된 주어진 λ에 관해서는 도 4의 그래프는 안정한 제트를 얻도록 필요한 오븐 입구의 압력양을 나타낸다.

고 점성 유체에 가해진 힘:

글래스 섬유의 제조 모델은 다수의 상이한 변수를 고려한다. 사용된 변수 윈도(즉, 사용된 유량, 공급 니들 직경, 오리피스 직경, 압력비 등의 특성에 대한 특정값 세트)는 사실상 원하는 점성 액체 또는 프리폼(10^-4∼1kg m^-1s^-1범위의 절대점도)에 적합하도록 충분히 커야 한다.

프리폼-유체 계면이 형성되면, 공급점의 출구에서 나오는 프리폼은 노즐로 동심상으로 회수된다. 프리폼이 출구로부터 배출된 후에, 이의 표면에 유동하는 집속 유체(예: 가스류)에 의해 가해진 접선 스위핑력에 의해 가속되어, 점차로 프리폼 단면 치수를 감소시킨다. 즉, 가스류는 렌즈로서 작용하여, 가스류가 압력실의출구 오리피스를 향해 이동함에 따라 집속된다. 이는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.

프리폼 표면의 유체 유동에 의해 가해진 힘은 불규직적인 표면 진동을 방지하기 위해 충분히 안정되어야 한다.따라서, 가스 운동의 난류는 피해야 하고, 가스 속도가 높더라도, 오리피스의 특성 크기는 가스 운동이 층류(제트과, 노즐 또는 구멍의 내면에 형성된 경계층과 유사)인 것을 확보해야 한다.

본 발명의 이점 중의 하나는 노즐(5)의 개구(4)를 빠져 나오기 때문에 원하는 냉각 효과가 섬유(6)의 표면에 얻어질 수 있다는 것이다. 특히, 가스가 노즐의 개구(4)를 빠져 나옴에 따라, 가스는 신속하게 팽창하므로, 섬유(6)의 표면의 에너지나 열을 흡수할 수 있게 된다. 이 때문에 섬유가 신속하게 냉각될 수 있으므로, 개구(4)를 빠져 나올 때에 섬유가 사실상 용융 상태일 수 있다. 그 다음에 냉각된 섬유는 고화되어, 저장소에 이동될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 오븐은 압력(P₀)으로 가압되고 단일 개구(4)를 갖는 단일 노즐을 구비한다. 그러나, 본 발명은 오븐 또는 가압 영역이 각각의 노즐(5)의 개구(4)의 상류부에 위치하는 상이한 고 점도 공급원에 의해 공급되는 다수의 개구(4)를 갖춘 다수의 노즐(5)을 포함하는 실시형태를 예측한다. 이러한 형태에 있어서, 단일 오븐 또는 가열 소자만이 요구될 수 있다. 또한, 오븐 또는 압력실 내의 가스 또는 압력이 섬유를 집속하여 노즐을 통해 이동시키기에 충분하기 때문에, 노즐의 정확한 위치선정은 결정적이지 않으며, 외기에 대한 노즐 및 이의 개구는 실질적으로 고 점도 유체의 하류부에 위치된다.

도 1에 도시된 실시형태를 사용하여, 오븐(3) 내부의 재료를 코팅함으로써 코팅된 섬유를 제공할 수 있다. 원하는 코팅 또는 클래딩 재료는 고 점도 유체에 제공된 가스 또는 다른 집속 유체 재료 내에 포함될 수 있다. 또한, 고 점도 유체가 튜브에 의해 오븐에 제공되고, 튜브가 형성된 섬유의 내부를 코팅 또는 클래딩하는데 사용될 수 있는 코팅 또는 클래딩 재료를 포함할 수 있는 가스를 압출하는 동심상으로 배치된 튜브를 포함하는 실시형태이다. 당해 기술분야의 숙련가는 제조된 섬유에 원하는 광학 특성 또는 다른 특성을 부여하도록 섬유의 내부 및/또는 외부에 바람직하게 코팅되는 상이한 재료를 예측할 것이다.

광섬유 프리폼:

광섬유는 전형적으로 적절한 조성의 광섬유 프리폼을 구조하여, 프리폼으로부터 섬유를 드로잉함으로써 제조된다. 프리폼이 구조된 다음에, 고체 프리폼의 중심이 당겨져, 섬유가 길이가 증가되고 동시에 섬유의 측면 치수가 감소되는 고온 드로잉 절차를 거친다. 전형적인 프리폼은 약 1미터의 길이 및 20∼200㎜의 외경을 갖는 동심 글래스 로드이다. 로드의 내측 코어는 직경이 약 1∼5㎜인 고 순도의 저 손실의 글래스이고, 글래스느 증가된 광학 성능을 위해 임의로 도핑된다. 클래딩으로 불리우는 동심 외측 실린더는 내측 코어보다 굴절률이 낮은 글래스층이다.

한 특정 실시형태에 있어서, 본 발명은광섬유 및/또는 광섬유 프리폼의 구조를 위해 엘리먼트(튜브 및 로드)를 구조하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 내측 코어 및 외측 클래딩 코어를 갖는 단일 로드를 형성하도록 사용될 수 있다. 코어, 예를 들면 게르마늄 또는 인 산화물로 도핑된 실리카로 구성될 수 있고, 양자 택일로 섬유는 폴리머-클래드 실리카 글래스 코어로 구성될 수 있다. 클래딩은 순수하거나 도핑된 플루오르실리케이트 등의 실리케이트, 폴리디메틸실록산 등의 오가노실록산 또는 플루오르화 아크릴 폴리머일 수 있다(참조: 미국 특허 제6,014,488호). 섬유는 또한 제 3 외측 코팅, 예를 들면 섬유를 컬러 코팅할 수 있도록 안료를 함유하는 수지를 함유할 수 있다.

로드의 2개(또는 그 이상의) 층은 동심 니들을 통해 원통형 튜브로서 압출되고, 가열 가스, 예를 들면 가열 공기 또는 가열된 불활성 가스에 의해 집속되는 것이 바람직하다. 로드는 안정한 마이크로제트의 불안정화 이전에 로드를 고화시킬 수 있는 환경으로 압출된다. 제조된 섬유는 원하는 광섬유의 길이 및 밴드폭에 따라 긴 얇은 섬유로 직접 또는 드로잉될 수 있다. 따라서, 집속 기술은 케이블에 직접 사용하기 위한 긴 얇은 광섬유를 제조할 수 있거나, 바람직하게는 제조된 섬유를 광케이블에 사용하기전에 드로잉할 수 있다.

특히 바람직한 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 포토닉 밴드갭 구조에 따른 광섬유용 프리폼을 구조하는데 사용된다. 포토닉 결정은 공간에서 하나 이상의 치수로 구조부재를 반복하는 구조체이다. 다수의 반사 결과로서, 특정 파장은 이 구조체에서 전파할 수 없고, 구조체는 공간에서 특정 각도로 입사하는 파장을 반사하는 경우에는 '포토닉 밴드갭'을 갖는다고 한다(참조: Joannopoulos, J.D. et al., Photonic crystals: molding the flow of light, Princeton University Press, (1995); Cassagne D. et al., Phys. Rev. B 52: R2216-R2220(1995)).

초기에, 굴절률에 있어서의 큰 콘트라스트가 포토닉 밴드갭을 달성하는데 필요로 하는 것으로 추정된다. 이러한 콘트라스트의 일례로는 공기와 반도체 사이의 굴절률, 즉 3 이상의 굴절률(n)일 것이다. 연구에 의하면, 빛이 로드의 방향과 평행하게 이동하는 성분을 갖는다면, 공기와 실리카 사이의 굴절률이 n=1.5이므로, 적절한 콘트라스트를 이용하여 이차원 포토닉 밴드갭을 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다(참조: Binks et al., Electron. Lett. 31, 1941-1943(1995)). 실리카에 의해 통상적으로 흡수되는 파장은 공기를 통해 훨씬 더 긴 거리로 전달될 수 있고, 공기가 실리카에서 적절한 광학적 파워에서 일어나는 비선형 효과에 쉽게 영향을 받지 않기 때문에, 포토닉 밴드갭 구조체의 이용으로 훨씬 더 높은 파워가 전달될 수 있다. 따라서, 포토닉 밴드갭 구조체는 재료 형태의 파장 스케일의 주기적인 마이크로구조에 의해 새로운 광학특성을 통상적인 재료에 디자인하는 능력을 제공한다.

이러한 타입의 광섬유는 일반적으로 원하는 구조체를 제조하도록 적층되는 다수의 로드 및/또는 튜브를 이용하여 구조된다(참조: Cregan et al., Science 285: 1537-1539(1999) and Knight et al., Science 285: 1476-1478). 이러한 튜브는 포토닉 밴드갭 구조체를 제조할 수 있는 재료로 형성될 수 있는데, 이 재료로는 실리카, 글래스, 흑연, 플라스틱 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다(참조: Cregan et al., supra, and F. Gadot et al., Appl. Phys. Lett. 71: 1780(1997)). 구조체는 벌집형 격자내에 배치된 공기 구멍의 다른 주기적 배열의 결함에 의거한다.

예를 들면, 일정한 직경을 갖는 다수의 고체 실리카 로드는 다각형 단면 구조를 갖는 구조체를 형성하도록 수평으로 적층될 수 있다. 구조체 내의 도파관 코어를 형성하도록, "결함"은 결정 구조체, 즉 완전 주기적 구조체와 상이한 광학 특성을 갖는 국한된 구역으로 도입되어야 한다. 이 코어는 이 경우에는 완전 주기적 구역인 "클래딩"으로 둘러싸여 있고, 이는 광을 코어내에 한정시킨다. 바람직하게는, 빛이 중앙 코어 아래로 가이드될 수 있도록 프리폼의 중심에 큰 공간이 존재한다. 구조체로의 여분의 공기 구멍의 도입으로, 국한된 가이드 모드를 밴드갭내에 나타낼 수 있다.

포토닉 밴드갭 구조체:

빛을 광주파수에서 반사하기 위한 두가지 원리, 즉 전체 내부반사(TIR) 및 주기적인 유전체의 반사가 있다. TIR은 계면의 양측부에서 주파수와 상이 동시에 매치될 수 없을 때에 2개의 유전체 사이의 계면에서 일어난다. 빛이 고 유전체 재료에서 입사되는 경우에는 완전히 재료로 다시 반사된다. 이는 입사각이 임계각보다 큰 경우에만 일어난다. 빛은 또한 균질한 유전체와 주기적인 유전체 사이의 계면에서 반사될 수도 있다. 이는 주기적인 매체의 다수의 산란파가 파괴적으로 간섭여, 주기적인 매체 내부로 전파하는 것을 방해하는 경우에 일어난다.

빛과 글래스의 상호작용으로, TIR에 의존하는 통상적인 글래스 광섬유로 전달될 수 있는 최대 파워가 한정된다. 고체 재료의 굴절률이 유리보다 낮지 않기 때문에, 코어가 클래딩보다 굴절률이 커야 하므로 TIR에 의존하는 섬유를 갖는 중공 코어를 가질 수 없다.

포토닉 결정은 공간에서 하나 이상의 구조부재를 반복하는 구조체이다. 다수의 반사 결과로서, 특정 파장은 이 구조체에서 전파할 수 없고, 구조체는 공간에서 특정 각도로 입사하는 파장을 반사하는 경우에는 '포토닉 밴드갭(PBG)'을 갖는다고 한다(참조: Joannopoulos, J.D. et al., Photonic crystals: molding the flow of light, Princeton University Press, (1995); Cassagne D. et al., Phys. Rev. B 52: R2216-R2220(1995)). 이러한 포토닉 결정을 가지며, 그리하여 PBGs를 갖는 구조체는 적절한 포토닉 밴드갭을 갖는 재료로 둘러싸이는 구조체의 중공 부분을 통해 빛을 조절하는 능력이 있기 때문에 광섬유로서 사용될 수 있다.

한 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 PBG 구조체로 구성되는 광섬유를 제조하는데 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이들 구조체에 의해, TIR을 이용하여 섬유에 발견되는 특정 한계, 예를 들면 클래딩의 고 굴절률에 대한 요건없이 중공 코어를 통해 빛을 전파할 수 있다. 빛이 이동하는 매질로서의 공기의 사용으로, 통상적인 광섬유의 코어 재료(예: 글래스)에 의해 흡수되는 특정 파장의 흡수가 방지된다. 본 발명의 방법을 이용하여 섬유의 중공 구조체를 따라 빛을 단일 모드로 전달할 수 있는 PBG 구조체를 형성할 수 있다.

초기에, 굴절률에 있어서의 큰 콘트라스트가 포토닉 밴드갭을 달성하는데 필요로 하는 것으로 추정된다. 이러한 콘트라스트의 일례로는 공기와 반도체 사이의 굴절률, 즉 3 이상의 굴절률(n)일 것이다. 연구에 의하면, 빛이 로드의 방향과 평행하게 이동하는 성분을 갖는다면, 공기와 실리카 사이의 굴절률이 n=1.5이므로, 적절한 콘트라스트를 이용하여 이차원 포토닉 밴드갭을 형성할 수 있다는 것을 알수 있다(참조: Binks et al., Electron. Lett. 31, 1941-1943(1995)). 실리카에 의해 통상적으로 흡수되는 파장은 공기를 통해 훨씬 더 긴 거리로 전달될 수 있고, 공기가 실리카에서 적절한 광학적 파워에서 일어나는 비선형 효과에 쉽게 영향을 받지 않기 때문에, 포토닉 밴드갭 구조체의 이용으로 훨씬 더 높은 파워가 전달될 수 있다. 따라서, 포토닉 밴드갭 구조체는 재료 형태의 파장 스케일의 주기적인 마이크로구조에 의해 새로운 광학특성을 통상적인 재료에 디자인하는 능력을 제공한다.

광섬유 프리폼의 구조:

각종 광섬유가 공지되어 있고, 이들 섬유 각각은 특정 프리폼으로부터 제조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 광섬유 프리폼은 PBGs를 형성하는 주기적인 구역을 포함하는 포토닉 결정으로 구성된다. 이러한 타입의 광섬유 프리폼은 일반적으로 원하는 구조체를 제조하도록 적층되는 다수의 로드 및/또는 튜브를 이용하여 구조된다(참조: Cregan et al., Science 285: 1537-1539(1999) and Knight et al., Science 285: 1476-1478). 이러한 튜브는 포토닉 밴드갭 구조체를 제조할 수 있는 재료로 형성될 수 있는데, 이 재료로는 실리카, 글래스, 흑연, 플라스틱 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다(참조: Cregan et al., supra, and F. Gadot et al., Appl. Phys. Lett. 71: 1780(1997)). 구조체는 벌집형 격자내에 배치된 공기 구멍의 다른 주기적 배열의 결함에 의거한다.

예를 들면, 일정한 직경을 갖는 다수의 고체 실리카 로드는 다각형 단면 구조를 갖는 구조체를 형성하도록 수평으로 적층될 수 있다. 구조체 내의 도파관 코어를 형성하도록, "결함" (또는 중공부)은 완전 주기적 구조체와 상이한 광학 특성을 달성하도록 도입되어야 한다. 이 코어는 "클래딩"으로서 작용하는 완전 주기적 구역으로 둘러싸여 있고, 이는 광을 코어내에 한정시킨다. 바람직하게는, 빛이 중앙 코어 아래로 가이드될 수 있도록 프리폼의 중심에 공간이 존재한다. 또는, 빛이 다수의 채널 아래로 이동할 수 있도록 주기적인 구조체내에 다수의 중공 공간이 존재한다. 구조체로의 여분의 공기 구멍의 도입으로, 국한된 가이드 모드를 밴드갭내에 나타낼 수 있다.

또 하나의 실시형태에 있어서, 전형적인 단일 모드 광섬유는 중심에 있고 직경이 10㎛인 코어, 코어를 둘러싸고 직경이 125㎛인 클래딩, 및 클래딩을 커버하는 수지에 의해 형성된 보호 재킷으로 구성된다. 따라서, 광섬유 글래스 프리폼은 또한 내측 코어부 및 클래딩 코팅으로 구성된다. 이러한 광섬유 글래스 프리폼 자체는 통상 광섬유 다공성 글래스 프리폼을 성형하기 위한 수트(soot) 보디를 투명 글래스로 변환함으로써 형성된다.

광섬유 다공성 글래스 프리폼을 제조하는 종래의 방법으로는 OVD법(외부 증착 타입 CVD법) 및 VAD법을 들 수 있다. 본 발명에서 사용되는 프리폼은 당해 기술분야의 숙련가에게 공지된 이러한 프리폼 제조방법 또는 다른 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다.

예를 들면, VAD법을 이용하여 광섬유 다공성 글래스 프리폼을 제조하는 일반적인 방법은 시드 바(이하, "타겟 바"라 한다)를 준비하여, 타겟 바가 이의 종방향 중심축 주위로 회전할 수 있도록 상측부에 매달린 한 단부를 갖는 반응용기, 반응실로 타겟 바를 배치하는 것을 포함한다. 산소, 수소, 및 기타 연소가스 및 SiCl₄글래스 입자 물질(경우에 따라, GeCl₄등의 도펀트를 포함)은 산수소염(oxyhydrogen flame)이 발생하는 산수소 버너로 공급된다. 버너로부터의 연소가스에 의해 형성된 산수소염에 있어서, 산수소염 및 SiCl₄중의 수분은 하기 반응식으로 나타낸 바와 같이 가수분해 반응을 행하여, 글래스 입자의 주성분인 SiO₂를 생성한다:

SiCl₄+ 2H₂O = SiO₂+ 4HCl

이들 글래스 입자는 회전하는 타겟 바의 하측부에 스프레이되어, 광섬유 수트 보디를 형성하도록 그 위에 부착된다.

그 다음에 VAD법에 의해 형성된 광섬유 수트 보디는 광섬유를 제조하는데 사용되는 광섬유 다공성 글래스를 형성하도록 투명 글래스로 변환된다. 투명 글래스로 변환된 광섬유 수트 보디가 경우에 따라 그 주변에 부착된 글래스 입자를 가질 수 있다는데 주목해야 한다. 이 경우에는, 글래스 입자가 부착된 후에, 수트 보디는 다시 광섬유 글래스 프리폼을 형성하도록 투명 글래스로 변환된다.

통상적인 광섬유 프리폼을 제조하는 다른 방법은 미국 특허 제4,224,046호, 제4,419,116호, 제4,421,540호, 제5,320,660호, 제5,397,372호 및 제5,672,192호에 기재되어 있다.

광섬유의 코팅:

광신호를 전송하기 위한 다수의 광섬유를 내장하는 광섬유 케이블은 공지되어 있다. 이러한 광섬유 케이블은 전형적으로 케이블 상의 축방향 인장응력 및 축방향 압축력을 견디는 강도 부재를 가질 수 있는 코어를 포함한다. 또한 코어내에 하나 이상의 튜브가 배치된다. 각각의 튜브는 전형적으로 다수의 광섬유를 포함한다. 튜브내의 광섬유는 개별적으로 스트랜드되거나 광섬유 리본으로 제공될 수 있다. 쉬스(sheath)는 튜브 및 강도 부재를 포함하는 코어를 에워싸도록 제공된다. 이러한 케이블내에 포함된 광섬유는 전형적으로 글래스 코어 및 하나 이상의 클래딩 및/또는 코팅을 포함한다.

글래스 광섬유를 제조하는 공정시에, 글래스 섬유는 프리폼에서 드로잉된 다음에, 하나 이상의 코팅 재료, 전형적으로 자외선 경화성 재료로 코팅된다. 코팅 재료는 예를 들면 폴리머 조성물을 들 수 있고, 하나 이상의 애플리케이터에 의해 도포된다. 섬유 코팅의 기능은 글래스 광섬유의 표면이 차후의 핸들링 및 사용시에 광섬유가 경험하는 기계적 스크래치 및 마모되는 것을 보호하는 것이다. 코팅은 또한 외부의 기계적 힘 및 주변환경 온도에 따라여 섬유의 광학 특성에 영향을 미친다.

광섬유는 거의 일반적으로 최종 용도에서 컬러 코드된다. 추가 컬러 또는 원주상 스트라이핑과 함께 "밴딩" 착색 섬유로 식별가능한 것으로서, 대부분의 마켓에서 허용가능한 다수의 컬러가 있다. 광섬유를 착색하는 공지의 한 방법은 전체 복합 광섬유가 최외 잉크층과 함께 제 1 및 제 2 코팅층을 포함하도록 단일 또는 이중 코팅층을 갖는 광섬유에 잉크층을 도포하는 것이다. 잉크 착색층은 전형적으로 두께가 3∼5미크론으로 얇고, 전형적으로 캐리어 수지 및 안료계를 포함한다.캐리어 수지는 전형적으로 가용성 열가소성 재료 또는 자외선(UV) 경화성 수지일 것이다. 전자에 있어서, 잉크는 염료, 또는 펠트-팁 애플리케이터 또는 롤러 등의 트랜스퍼 방법에 의해 도포되고, 캐리어 수지용 용매는 열에 날려 버려, 착색된 수지가 섬유에 남아 있게 된다. UV계에는 용매는 없다. 액체 수지 안료는 UV 에너지에 의해 고체 상태로 경화된다. 잉크는 광섬유 제조방법 또는 케이블 조작방법의 분리단계를 포함한다.

섬유를 컬러 코드하는 또 하나의 방법은 이중 코팅된 광섬유의 제 2(외측) 코팅으로 직접 혼합된 컬러를 갖는 것이다. 제 2 코팅은 착색제의 캐리어 수지로서 작용한다.

한 실시형태에 있어서, 광섬유는 주변 집속 유체로서 원하는 액체 코팅을 사용하는 집속 절차시에 코팅된다. 예를 들면, 프리폼은 액체 수지 안료로 구성되는 외측 액체를 사용하여 가열되어 집속될 수 있다. 프리폼이 집속됨에 따라, 액체 수지 및 안료로 코팅되고, 집속된 광케이블의 배제시에, 집속 재료의 외측 코팅을 보유할 것이다. 그 다음에 집속된 광섬유는 가스 환경으로 배출되자 마자, UV 에너지를 사용하여 고체 상태로 경화된다.

프리폼 및 섬유 특성:

본 발명의 방법은 프리폼을 제조하는데 사용된 다음에, 통상적인 드로잉 기술에 의해 섬유를 제조하는데 사용될 수 있거나, 또는 통상적인 기술을 이용하여 제조된 프리폼에서 섬유를 제조하는데 사용될 수 있고, 또는 본 발명은 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조된 프리폼을 사용하여 섬유를 제조하는데 이용될 수 있다. 길이를 따라 직경이 일정한 프리폼은 특히 직경이 섬유 또는 프리폼의 길이를 따라 ±1% 이하 내지 ±30 이하 만큼 변화하는 것으로, 본 명세서에 기재된 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 섬유의 길이를 따라 직경이 사실상 일정한 섬유가 제조될 수 있는데, 예를 들면 실리카 글래스로 된 광섬유는 직경이 섬유의 길이를 따라 ±10% 이하, 더욱 바람직하게는 ±약 1 이하로 변화하는 것으로, 직경이 약 1미크론으로 제조될 수 있다.

본 발명의 방법은 오븐 또는 압력실 내부에 제공된 적절한 외부 압력 분포에 의해 향상될 수 있는 섬유 성형 안정성을 제공한다. 섬유에 대한 응력은 고체에 대한 글래스 접촉이 주변 집속 유체 또는 가스 쉬라우드에 의해 피하게 되므로 현저하게 감소될 수 있다. 복합 섬유 동심 구조체는 종래의 압출 또는 드로잉 기술에 비교하여 방사상 접성 응력을 현저하게 감소시킴으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 노즐에서 압출된 용융 또는 반용융/반고체 섬유는 원하는 형태의 포토닉 밴드갭을 제공하도록 함께 결합될 수 있다. 본 발명의 기술에 의해 제조된 이러한 포토닉 밴드갭 구조체 및 섬유의 바람직한 특성 뿐만 아니라, 프로세싱 그 자체도 주변 집속 유체로 인한 압출장치의 클로깅 방지 및 이러한 고체 대상물과의 접촉으로 인한 섬유 재료의 오염 방지 등의 바람직한 특성도 가져온다. 또한, 섬유 품질은 노즐을 빠져 나오는 가스의 팽창으로 인해 발생하는 급속한 섬유 켄칭에 의해 향상될 수 있다.

(실시예)

하기 실시예는 본 발명의 실시 및 사용에 대한 완전한 개시 및 설명을 통해당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 숙련가에게 제공하도록 제안된 것으로, 본 발명자가 고려한 발명의 범위를 제한하기 위한 것도 아니고, 하기 실험이 행해진 모든 실험이라는 것을 나타내기 위한 것도 아니라는 것을 보이도록 제안되어 있다. 변수(예: 양, 온도 등)에 대하여 정확성을 확보하도록 많은 노력이 행해졌으나, 몇몇 실험적 에러 및 편차가 설명되어야 한다. 달리 지적되지 않으면, 부는 중량부, 분자량은 중량 평균 분자량, 온도는 섭씨 온도, 압력은 대기압이거나 대기압에 가까운 것이다. 본 명세서에 기재된 압력 단위는 파스칼 단위로 가정하고, 점도는 ㎏ m^-1sec^-1, 길이는 미터, 속도는 m/sec이다.

실시예 1:

통상적인 광섬유 프리폼의 집속:

광섬유는 전형적으로 적절한 조성의 광섬유 프리폼을 구조하여, 프리폼으로부터 섬유를 드로잉함으로써 제조된다. 프리폼은 길이가 약 1미터이고 외경이 20㎜인 동심 글래스 로드이다. 로드의 내경은 직경이 약 3㎜인 규산게르마늄 글래스와 같은 고 순도의 저 손실 글래스이다. 클래딩으로 불리우는 동심 외측 실린더는 내측 코어보다 굴절률이 낮은 글래스층이다.

이 프리폼의 드로잉은 도 1에 예시된 장치를 이용하여 행해진다. 간단히, 프리폼의 단부는 프리폼 재료가 연성을 지닐 수 있게 되는 온도로 가열되는 송출원 으로서 작용한다. 일반적으로, 실리카와 같은 고 점도 액체 섬유는 1,000,000 내지 1,000,000,000cP 범위의 점도와 함께, 700∼1000℃(약 1000∼1300 °K)에서 작용하는 것을 요한다. 프리폼은 연성을 지니게 될 때까지 충분한 시간동안 가열 환경에 유지된 다음, 프리폼 송출원으로부터 주변 집속 가스와 함께 압력실 또는 오븐으로 도입된다. 프리폼은 중력 및 임의로 가열 가스의 펄스를 이용하여 프리폼 송출원을 송출원 챔버로 개방함으로써 압력실로 도입된다. 집속 가스는 제 2 입구를 통해 압력실로 도입된다. 집속 가스는 또한 프리폼의 연성을 유지하기 위해 가열될 수 있다.

오브(3) 내의 집속 유체 또는 가스는 노즐(5)의 출구(4)를 향해 쇄도하여, 프리폼 및 튜브의 고 점성 글래스를 끌어당긴다. 그리하여, 프리폼의 원통형 구조는 노즐(5)을 향해 이동함에 따라, 길이가 증가되고 단면 치수가 감소된다. 노즐(5) 내에서, 노즐(5)의 개구(4)를 빠져 나올 때까지 노즐의 길이 "L"을 따라 부가력이 연속적으로 가해지고, 개구(4)를 빠져 나오는 가스의 대기압(P_a)으로의 신속한 팽창에 의해 냉각된다. 섬유(7)가 노즐(5)의 개구(4)를 빠져 나올 때에는, 프리폼(1)의 단부(2)에 있을 때에 이동하는 속도 "V₀"보다 실질적으로 빠른 속도 "V₁"로 이동한다. 또한, 가스는 λ= 0.635에 대하여 초음속으로 팽창한다.

본 발명에 따라, 도 1에 도시된 바와 같은 방법을 반복적으로 적용할 수 있다. 특히, 개구(4)를 빠져 나오는 섬유(6)는 동일한 처리단계의 개시 상태에 있어서, 점성 재료의 길이를 오븐으로 인입하여 스트레칭하기 위해, 즉 원하는 길이 또는 치수의 섬유를 제조하도록 이의 세로방향 치수를 증가시키고 이의 단면 치수를 감소시키도록 노즐(5')로 인입된다.

고 점도 액체에 대한 상이한 물리적 현상 및 스케일법 때문에, 노즐은 섬유를 가스 제트로 200미크론 노즐을 통해 드로잉되는데 필요한 극도로 높은 압력하에 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 특정 유체는 챔버를 빠져 나올 때에 격렬한 플래핑(flapping) 또는 '와이핑' 불안정성을 나타낼 것이다. 이는 유량이 배출되는 장치의 디자인 및 방법으로 설명될 수 있다. 예를 들면, 유량 및 섬유는 섬유가 플래시-쿨(flash-cool)하고 진공실을 따라 알맞은 압력 경사도를 행하도록 진공실로 배출될 수 있다.

실시예 2:

포토닉 밴드갭 광섬유 프리폼의 집속:

하나 이상의 포토닉 밴드갭 구조체로 구성되는 광섬유는 본 발명의 방법 및 장치를 이용하여 드로잉될 수 있다.

포토닉 밴드갭 구조체를 기재로 하는 광섬유는 최근에 당해 기술분야 개시되어 있다. 이들 구조체는 강제로 빛을 중공 코어에 잔존시키는 클래딩으로서의 포토닉 밴드갭 구조체를 갖는다. 이 구조체는 실리카와 공기사이의 콘트라스트(1.46 대 1)가 이들 용도에 유용한 밴드갭을 제조하는데 충분한 것으로 보여지기 때문에, 실리카 튜브 및 로드로 구조된다(참조: Cregan et al., suora and Knight et al., supra). 형성된 밴드갭은 프리폼의 기하 형태, 구멍 등의 구조 액스팩트의 변경에 따르며, 구멍 크기 및 구멍 사이의 거리도 또한 형성된 밴드갭을 변경할 것이다. 광섬유로서 사용되는 PBG 구조체는 중심에서의 공기의 체적이 큰, 예를 들면 약 25∼45%, 바람직하게는 약 30%인 구조체인 것이 바람직하다.

모든 섬유는 2개의 기본적인 상이한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 한 형태에 따르면, 프리폼(1)(도 1에 도시된 바와 같다)은 중공 실린더일 것이다. 다른 형태에 따르면, 용융 실리카 글래스는 용융 실리카를 압출하고, 가스를 동시에 압출하고 오븐 또는 압력실(3) 내의 압력 "P₀"와 실질적으로 동일한 압력으로 가스를 유지하는 제 2 튜브 주변에 동심상으로 배치되는 튜브에 의해 제공된다. 반고체 상태로 존재하는 동안에 서로 접촉하는 중공 반고체 튜브를 동시에 압출하도록 도 1에 도시된 것과과 같은 다수의 성분을 배열할 수 있다. 그 다음에 튜브는 상이한 튜브가 당해 기술분야의 숙련가에게 알려진 방법으로 정확하게 배치될 때에 서로 융합하여 포토닉 밴드갭 구조체를 형성할 수 있다.

실시예 3:

포토닉 밴드갭 광섬유 프리폼의 엘리먼트의 집속:

실시예 2의 집속에다가, 또는 이와 조합하여, 광섬유 PBG 프리폼의 전구체 엘리먼트는 프리폼의 구조 및/또는 융합하기 전에 집속될 수 있다. PBG 프리폼은 구조체내에 특정 균등한 스페이싱을 형성하도록 다발로 되어 있는 로드 및/또는 튜브를 사용하여 구조될 수 있다.

중공 실리카 또는 플라스틱 로드가 제공된 다음에, 본 발명의 집속 방법을 이용하여 변형된다. 이들 튜브는 본 발명의 방법을 이용하여 매우 정확하고 작은 직경으로 집속될 수 있고, 집속된 튜브는 이러한 튜브로 구성되는 광섬유 프리폼을 제조하도록 사용될 수 있다. 그 다음에, 액체 유동은 가스상 외측 유체에 의해 마이크로제트로 포커스되고, 튜브는 이들이 고화하여 수집되는 가스 환경으로 배출된다.

프리폼을 구조하도록, 수백 개의 중공 집속 튜브는 육각형 배열로 다발형성된다. 프리폼을 구조하도록 사용되는 튜브의 직경은 본 발명의 개괄적인 설명시에 당해 기술분야의 숙련가에게 명백한 바와 같이, 밴드갭의 원하는 구멍 크기에 따른다. 튜브의 직경은 프로폼으로 제조된 광섬유의 형성된 주기 공간과 튜브 사이의 공간을 콘트롤할 것이다. 일단 튜브가 적층되면, 적절한 수의 튜브(예: 5∼50개의 튜브)는 빛이 이동할 수 있는 하나 이상의 중공 코어를 제공하도록 이동된다.

구조에 이어서, 프리폼은 융합되어 파이버(fiver)로 드로잉되도록 제조될 수 있다. 또는, 융합되지 않은 프리폼은 실시예 1에 기재된 바와 같이 연신될 수 있고, 상기 연신에 이어서 융합될 수 있다.

수학적 공식화:

본 발명자들은 축대칭 형태(비대칭 효과는 후술된다)를 가정하여, 길이(L)를 갖는 수렴-발산 마이크로노즐을 통해 동심상으로 드로잉되고 도 1에 스케치된 바와 같이 고속 가스류에 의해 둘러싸여 있는 뉴턴 점성 액체를 고려하였다. 목적은 소정 속도(V₁)에서 최종 반경 α≪ L을 갖는 섬유를 얻는 것이다. 본 발명자들은 미소한 L, α, V₁및 3μ₀V₁/L(μ₀는 기준 액체 점도이다)를 형성하는 축좌표, 섬유 반경, 액체 속도, 및 액체 압력을 나타내는 무차원 변수 x, f, v 및 p를 정의한다. 또한, 액체 및 가스의 입자의 체류시간에 있어서의 불일치로 인해, 가스는 대상(섬유 직경의 순의 파장에 따른 운동을 포함)의 비정상 액체 운동에 대하여 정상적인 것으로 고려될 수 있다. 가스 압력 및 온도는 축좌표 만의 기능인 당해 문제의 정상 변수로서 고려될 수 있다.

보편성을 위해, 본 발명자들은 온도에 따른 액체 점도의 비선형 의존성 μ= μ(T₁)(여기서, T₁은 액체온도이다).을 가정할 수 있다. 액체 점도가 μ₀(다수의 실제상황에서 μ₀= 10⁵Paㆍs)인 T₀에 의해 주어진 "드로잉" 점 주변의 온도에서의 점성 액체를 사용하여, 점도와 온도 사이의 관계가 하기 법칙에 적합하다.

(여기서. κ는 무차원 상수(광섬유에 사용되는 통상적인 글래스의 경우에는 T₀∼ 1000K이고 κ는 약 10∼15이다)이다.) 그 다음에 무차원 점도을 정의할 수 있다. 그리하여, 매우 큰 점성 및 압력에 비교하여 중력, 액체 가속도 및 표면장력을 무시하면, 본 발명자들은 액체에 관한 공지된 질량 및 운동량 보존 방정식을 하기와 같이 나타낼 수 있다:

경계조건이 (ⅰ) p = p₀= (LP₀)/(3μV₁), f = E^1/2, 및 x = 0일 때 v=E^-1이고, (ⅱ) x = 1일 때 v = 1이며, E = V₀/V₁(V₀는 흡입 액체 속도(또는 글래스 섬유 드로잉에서의 글래스 프리폼 속도)이다. f_s=F_s/(3μV¹/L²)(여기서, Fs∼τ/α는 표면에 대한 점성 응력으로 인한 단위 체적당 축합성력이고, τ는 가스류로 인한 액체 표면상의 점성 응력이다.) 고 점도 액체를 가정하면, 섬유 방사상 속도 프로파일은 점성 확산 시간 t_v∼ρα²μ^-1가 액체운동시간 t₀∼LV₁ ^-1( 즉, μL(ρV₁α²)^-1《1 ) 보다 크기가 작기 때문에 거의 완전히 편평하다.

한편, 가스류는 공지의 등엔트로피 압축 1-D, N-S에 의해 조절된다: 가스 압력 및 온도 분포는 각각 이들의 정체값 P₀및 T₀, A(x)에 의한 노즐 형태 및 이의 국부 단면적에 의해 주어진다. 노즐에서의 가스 팽창은 하기 식에 의해 주어지는 노즐을 따른 가스 온도 변화를 일으킨다.

등엔트로피 가정에서,가 단열 가스 상수이고,및는 각각 일정한 압력 및 밀도에서의 통상적인 가스 열계수이며, ΔP는 입구로부터의 노즐의 특정 지점에서의 압력 강하이다. 이는로 비슷하게 될 수 있다.

가느다란 섬유라고 가정하면, 이의 국부 온도 프로파일 T_l은 하기 식으로 주어진다.

경계조건이이고 T_l(0, r)=T₀이며, T_s는 섬유 표면에서의 가스 온도이고, r은 방사상 좌표(α와 함께 무차원)이고이다. P, K 및 C_ρ는 각각 액체 밀도, 열전도도 및 열용량이다. 본 발명자들은 2개의 제한 문제를 식별할 수 있다:

1. α》1: 이 경우에는, 본 발명자들은 T_l=T_s를 가정할 수 있다. 본 발명자들은 이것을 "가스 제한"(GL) 경우라 칭한다.

2. α《 1: 이 경우에는, 본 발명자들은 T_l=T₀를 가정한다. 본 발명자들은 이를 "등온"(IT) 한계라 칭한다.

GL 경우에는, 방사상 방향에 있어서의 섬유의 온도 프로파일은 균등한 것으로 간주될 수 있고, 온도는 열을 이의 열경계층을 통해 운반하는 가스의 능력에 의해 조절된다. 다른 한계에 있어서는, 액체 벌크는 액체 열을 배출하는 액체 열경계층의 무능력으로 인해 초기 T₀온도로 잔존한다.

섬유 형상 균질성 및 특성을 고려하면, GL 경우는 노즐 출구를 향해 진행함에 따라 조절된 온도(즉, 재료 켄칭 및 향상된 비정형 조직) 및 섬유 속도에 있어서의 실질적인 증가(따라서, 이의 "기계적 저항에 있어서의 증가)를 포함하기 때문에, 가장 흥미있는 경우로,로 주어지는 제한된 생산속도를 요하지만, 추가의 공정 정제를 필요로 하지 않고 그 자체로서 즉시 대부분 불안정성을 억제한다. 이들 속도는 몇몇 경우에 종래의 단순한 고온 드로잉 공정에 의해 달성될 수 있으나, 온도 제어는 이 공정에서 엄격히 제한된다.

이에 반하여, IT 경우는 대부분 불안정하고 제어하기가 곤란하므로 도전이나, 이의 보답으로 생산성이 크다(큰 E값). 이 때문에, 본 발명자들은 단순한 드로잉의 경우에 문헌(참조: Yarin et al.(1999))에서도 고려된 것으로, 이러한 특정 한계값에 집중할 것이다. 본 발명자들은 공류하는 고속도 가스류의 이용으로, (ⅰ)섬유를 완전히 안정화하고, (ⅱ) 섬유 균질성 및/또는 형상 콘트롤을 산출하며, (ⅲ) 섬유 켄칭을 콘트롤하는 수단을 제공하는 것을 보여줄 것이다. 본 발명자들이 IT 경우에 관계하고 있지만, 하기의 보편성을 위해 본 발명자들은 GL 제한에 대해서도 액체의 온도 변화를 고려할 것이다.

섬유 표면에 대한 가스 경계층, 점성 전단응력, 및 열전달 - 액체 제트의 가스 경계층은 δ∼차수의 두께를 가지며, P₀, T₀, 및 μ_g는 각각 노즐 입구에서의 정체 가스압력, 온도 및 가스 속도이고, 통상적으로이다. 제트 표면에 작용하는 접선 점성 응력(τ)은 훨씬 더 빠른 가스류로 인해차수이다. F_s∼τ/α차수의 표면에 대한 점성 응력, F_s의 단위 체적당 축합성력과,차수의 점성 응력, F_v에 대한 신장(축방향) 합성력의 비교하면,이므로,이다.

본 발명자들은 F_s《 F_v에 대하여(실제 상황에서는 차수가 약 10^-3∼10^-2m/s) 보다 훨씬 큰 생산 속도(V_l)를 추구하고,차수의 전상 압력 응력의 축성분에 대한 표면 응력의 기여는 무시해도 된다. 따라서, (1)의 운동량 방정식은로 변환된다.

가스 온도 변화량은 섬유 라인 부분을 고려하여 방정식(2)으로 근사적으로 나타낼 수 있기 때문에, 가스 열경계층을 통해 열전달로 인한 온도 변화량(가스 프란틀(Prandtl) 수가 차수 1이므로 δ차수)은 차수가이다.

(여기서, κ₀는 온도(T₀)에서의 가스 열전도도를 나타낸다. 실제 상황에 있어서는,이나, 온도에 따른 점도의 강한 의존성으로 인해, 이들 제한된 온도 변화량(실제로는 T₀의 약 5∼20%)은 크기 차수로 액체 점도를 증가시키기에 충분하고, 대부분의 불안정성을 그 자체로 억제하는 메카니즘이다.

섬유를 구동하는데 필요한 고 P₀값으로 인해, 가스는 최대 팽창을 행하고, 따라서 노즐을 빠져 나온 직후에 최대 냉각을 행한다. GL 경우에는, 섬유는 이러한 팽창에 의해 영향을 받지 않은 채로 남도록 충분히 경화된다. IT 한계에 있어서는 노즐 출구 기하 형태 및 배출후의 섬유 와인딩 시스템은 섬유 형상 불균등성을 피하도록 주의깊게 디자인되어야 한다.

노즐 기하학적 형상 - 본 발명자들이 목표로 하는 과제에 대한 보편성을 상실하지 않고서, 노즐 기하학적 형상의 문제를 단일 변수로 감소시키기 위해, 본 발명자들은 하기 타입의 압력 분포를 선택했다:

여기서, λ는 자유 변수이고, 변수{ρ₀, λ} 세트는 최소 에너지 소비(최소 ρ₀)를 이용한 무제한 섬유 드로잉(즉, 섬유 제조)의 요건에 최적화될 것이다. 따라서, 소정 정체 압력(ρ₀)에서, 본 발명자들은 드로잉이 모든(무제한) 주어진 "생산성" E값에 대하여 절대적으로 안정한 λ값을 찾고 있다.

섬유 안정성: 안정성에 있어서의 비대칭의 억제(섬유 와이핑) - λ< 0.635 값에 대한 차수 1의 ρ₀값을 고려하면, 본 발명자들은 노즐 출구를 제외하고는 노즐을 따라 아음속 가스류를 얻는다. 축대칭 형태에서 약간 이탈을 행할 때의 섬유에 대한 압력 분포를 고려하면(본 발명자들은 가스류 및 액체유가 시간과 분리되고, 가스류가 정상 방법으로 계산될 수 있음을 상기한다.), 본 발명자들은 강한 탈안정화 효과를 얻는다. 이에 반하여, 0.635보다 충분히 큰 λ값에 관해서는, 얻어진 노즐 흐름의 초음속 부분은 반대 효과를 일으킨다. 기본적인 축대칭 형태로부터의 이탈은 현저한 재배열 방위각 압력 분포를 발생시키는데, 이는 모든 가능한 초기 섬유 와이핑을 억제한다.

따라서, 본 발명자들은 본 발명자들의 분석에서만 λ> 1를 고려할 것이다.

"드로잉 레조넌스(resonance)" 축대칭 불안정성의 억제. IT 경우 -로 주어지고 방정식(1)으로 조절되는 작은 섭동 문제를 고려한다. 여기서,은 1과 비교하여 작은 인수를 갖는 복합 함수이고, Λ는 복합 섭동 성장률이다. 따라서, α및 β는 방정식(1)(단순화하기 위해 여기서는 기재되지 않은 문제, [1] 참조)로부터 용이하게 얻어질 수 있는 균질 경계 조건을 갖는 2개의 복합 ODEs 세트에 의해 조절되며, 고유값 Λ을 결정하고, 이의 실부분 Λ_r은 시간에 따른 증대 계수를 부여한다. 본 발명자들은 λ= 6 및 E =120에 대한 ρ₀의 함수로서 값 Λ_r을 부여한다.

모든 주어진 E 및 λ값에 관해서는, 축대칭 불안정성이 억제되는 대응하는 ρ₀값 이상이다. 도 3a에 있어서, 본 발명자들은실제 대상의 여러 λ값에 대하여 {E, ρ₀} 스페이스를 안정한 변수 서브스페이스(곡선 위쪽) 및 불안정한(곡선 아래쪽) 변수 서브스페이스로 분할하는 곡선을 플롯한다. 모든 주어진 λ값에 대하여, 섬유가 E > 1의 값에 대하여 안정한 ρ₀의 특정 안정화 제한값이 있음을 이 플롯으로부터 즉시 알 수 있다. 도 4에서, 본 발명자들은 이들 제한 ρ₀값을 λ의 함수로서 플롯하여, 섬유가 섬유 생산성 E에 관계없이 절대적으로 안정한 압력 이상의 일반적인 최소값을 얻는다.

점주변의 약 0.33의 최소 제한 ρ₀값은 단일 변수 기하 형태에 관한 중요한 초음속 구역을 갖는 최적 노즐 형상에 대응하여 발견될 수 있다. 이 경우에는, 원하는 섬유 직경(a) 및 섬유 생산속도(V_l)가 주어지면, 절대 안정성을 갖는데 필요한 최소 가스 압력(P₀)은 간단한 식으로 주어진다.

노즐 형상은 도 2에 도시된 바와 같다.

실용상 - 알루미노실리케이트 글래스(T₀=1500K에서 μ₀= 10³Paㆍs)의 직경이 200㎛인 섬유의 생산속도 173Km/day를 고려한다. 요구된 최소 압력은 P₀= 2×10Mpa이고, 노즐 출구 압력은 P_s= P₀×e^-5.65= 70.3Kpa이다. 노즐이 온도 T_s=300K에서 개작된 압력실로 배출되는 것을 가정하면, 출구 챔버로부터의 가스의 등엔트로피 압축(재순환)으로 온도가 요구된로 상승된다. 액체는 각각 밀도, 열전도도 및 열용량및 를 갖는다. 노즐 디자인은 안정성을 손상시키지 않고서 넥-섬유 갭을 최소화해야 한다. 적당한 해결책은 길이가 10㎜이고, 입구로부터 1.12㎜에서의 넥 직경이 1.3㎜이며, 출구 직경이 1.28㎜인 노즐이다. 섬유의 존재를 고려하면, 이 노즐은 최소(음속) 단면적이 0.32㎟이다.이므로, 섬유는 준등온(IT 한계)인 것으로 간주될 수 있다. 플랜트의 최소 이론적 파워 소비량은 W=9.54KW이고, 이 때의 가스 유량은 P_s=0.7바에서 약 1 l/s이다. 스케일업은 간단하다.

노즐 기하 형태의 정교함으로, 새로운 기하학적 변수(최소(ρ₀)값은 또한 최적화될 수 있다.)를 도입할 수 있다. 이러한 정교함은 상기 분석의 보편성을 제한하지 않는다.

본 발명이 이의 특정 실시형태에 관하여 기술되었지만, 본 발명의 의 도 및 범위를 이탈하지 않고서 여러가지 변형물 및 등가물이 이뤄질 수 있음을 당해 기술분야의 숙련가에게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적, 의도 및 범위에 특정 상황, 재료, 물질의 구성, 공정, 공정 단계를 적합하게 하는 변경이 다양하게 이뤄질수 있다. 이러한 모든 변형은 본 명세서에 첨부된 청구의 범위내에 속한다.

Claims (28)

1. 프리폼이 종축을 따라 제 1 측면 치수를 갖는 원통형 프리폼의 제 1 단부를 압력실에 제공하는 단계,

   제 1 단부에서 프리폼에 연성을 부여하는 처리에 프리폼의 제 1 단부를 노출하는 단계, 및

   프리폼 일부를 따라 집속 유체를 유동함으로써 물리적 압력을 가하는 단계를 포함하고, 집속 유체가 프리폼을 따라 프리폼의 제 1 단부를 향해 한 방향으로 유동되어, 연성 프리폼의 제 1 단부가 집속된 유체의 유동의 하류부에 배치된 압력실의 출구 개구를 통해 가압됨으로써, 압력실의 출구 개구로부터 섬유를 배출하고, 섬유가 프리폼의 제 1 측면 치수에 관하여 감소된 측면 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 연성을 부여하는 처리는 프리폼을 가열하는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 프리폼은 가열하기 전에 고체이고 물리적 압력을 가하기 전에 연성을 부여하도록 가열되는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 프리폼은 집속 유체를 가열함으로써 가열되는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 프리폼은 실리카 글래스로 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 프리폼은 실리카로 구성되는 광섬유 프리폼인 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 원통형 프리폼은 실리카 글래스로 구성되는 고체 실린더이고, 고체 원통형 섬유로서 출구 개구로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 원통형 프리폼은 실리카 글래스로 구성되는 중공 실린더이고, 중공 원통형 섬유로서 출구 개구로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
9. 제 6 항에 있어서, 집속 유체는 가스인 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 가스는 가열된 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
11. 제 9 항에 있어서, 가스는 초음속으로 압력실의 출구 개구를 빠져 나오는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 연성 프리폼은 노즐을 통해 드로잉되고, 이 노즐은 압력실 내부의 개구로서 시작하고, 곡선상 표면을 따라 뻗어 있으며, 압력실의 출구 개구에서 끝부분을 이루는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 노즐의 곡선상 표면은 하기 방정식에 의해 정의되는 노즐 변수 기하학적 형상을 갖춘 표면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.

    (상기식에서, p(x)는 노즐 기하학적 형상을 플롯하는 곡선 정의 함수이고, p₀는 노즐에 인입될 때의 집속 유체의 내부압력이며, λ는 집속 유체에 대한 초음속을 얻도록 0.635 보다 크고, x는 함수이다.)
14. 제 13 항에 있어서, λ는 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
15. 제 13 항에 있어서, λ는 약 5.65인 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
16. 제 12 항에 있어서, 하기 방정식

    이 적용되고, P₀는 압력실 입구의 압력이고, μ_l는 연성 프리폼 단부의 점도이며, V₁은 노즐 내의 섬유의 속도이며, L은 노즐의 길이인 것을 특징으로 하는 원통형 프리폼으로부터 섬유를 제조하는 방법.
17. 공급원으로부터 압력실로 유동하는 방식으로 제 1 원주부를 갖는 용융 점성 액체 스트림을 압출하는 단계,

    집속 유체를 압력실에 공급함으로써, 유체가 압력실의 입구를 통해 인입되어 용융 점성 액체 스트림의 유동의 하류부에 배치된 압력실의 출구를 통해 빠져 나가는 단계를 포함하고,

    집속 유체가 용융 점성 유체 스트림을 둘러싸서 제 1 원주부보다 좁은 제 2 원주부의 좁은 스트림을 형성하는 제 1 원주부를 압축하여, 좁은 스트림이 섬유로서 압력실의 출구로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 용융 점성 액체는 용융 실리카 글래스인 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
19. 제 18 항에 있어서, 집속 유체는 가스인 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 가스는 가열된 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
21. 제 18 항에 있어서, 가스는 초음속으로 압력실의 출구 개구를 빠져 나오는 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 용융 실리카 글래스의 스트림은 압력실 내부의 개구로서 시작하여, 압력실의 출구에서 끝부분을 이루는 곡선상 표면을 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 노즐의 곡선상 표면은 하기 방정식에 의해 정의되는 노즐 변수 기하학적 형상을 갖춘 표면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.

    (상기식에서, p(x)는 노즐 기하학적 형상을 플롯하는 곡선 정의 함수이고, p₀는 노즐에 인입될 때의 집속 유체의 내부압력이며, λ는 집속 유체에 대한 초음속을 얻도록 0.635 보다 크고, x는 함수이다.)
24. 제 23 항에 있어서, λ는 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
25. 제 23 항에 있어서, λ는 약 5.65인 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
26. 제 23 항에 있어서, 하기 방정식

    이 적용되고, P₀는 압력실 입구의 압력이고, μ_l는 연성 프리폼 단부의 점도이며, V₁은 노즐 내의 섬유의 속도이며, L은 노즐의 길이인 것을 특징으로 하는 용융 점성 액체로부터 섬유를 제조하는 방법.
27. 종축을 갖는 중공 튜브를 제공하는 단계,

    프리폼이 종동(longitudinal) 방식으로 채널의 출구 개구로부터 배출되는 식으로 공급원을 통해 튜브를 가압하도록 물리적 압력을 가하는 단계, 및

    채널의 출구 개구로부터 배출되는 프리폼의 유로 앞의 출구 오리피스로부터 유체가 압력실을 빠져 나오는 식으로 압력실을 통해 유체를 가압하는 단계를 포함하고,

    유체는 상기 프리폼을 둘러싸서, 광섬유가 상기 압력실로부터 배출하는 종동 방식으로 상기 프리폼을 가압하는 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼 엘리먼트를 제조하는 방법.
28. 집속 유체를 가하기 위한 입구 및 점성 유체를 배출하기 위한 출구를 구비하는 압력실, 및

    하기 방정식에 의해 정의되는 기하학적 형상을 갖춘 곡선상 표면으로 구성되고, 출구에 배치되는 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 섬유의 제조장치.

    (상기식에서, p(x)는 노즐 기하학적 형상을 플롯하는 곡선 정의 함수이고, p₀는 노즐에 인입될 때의 집속 유체의 내부압력이며, λ는 집속 유체에 대한 초음속을 얻도록 0.635 보다 크고, x는 함수이다.)