KR20030012749A - 광섬유용 유리모재 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 모재 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서 광섬유 모재인 프리폼을 만드는 방법에는 파이프 형상의 석영관을 이용하는 MCVD 방법과 SiCl4가스를 H2, O2 불꽃 속에서 분사시켜 SiO2를 만드는 VAD(Vapar Phase Axial Deposition) 법 또는 OVD(Out side Vapor Deposition) 법이 있다.

본 발명은 VAD 법에 관한 것으로써 최적의 Soot 작업을 위한, 반응챔버(머플) 내부의 배기압 및 머플내부의 미증착 유리입자 또는 폐가스를 스크라버(폐가스 처리장치)로 빨아내는 배기관 입구의 유리가루 증착 방지장치 가 구비된 것을 특징으로 한다.

광섬유용 원료인 SiCl4 가스를 H2 및 O2 의 버너불꽃을 통해 분사시키는 광섬유 모재의 제조방법 및 장치가 제공된다.

산화반응에 의한 생성물인 유리성분의 SiO2 입자를 씨받이 막대 끝단에 수직으로 증착시켜 다공질의 광섬유 모재인 SOOT를 만드는 방법에 있어 반응챔버 바깥부위의 배기관 시작점(챔버 상부)에서의 배기압이 50에서 80 pascal 로 유지 하고 배기관을 상부 머플정면에서 좌,우로 2개, 하부에 버너 인입측의 반대쪽에 1개를 설치하며, 배기관 흡입구 상부에는 전극판과 초음파 발생장치를 설치함으로써 Soot의 외형 및 성장속도를 가장 좋게 하고 Soot 상단의 돌기 형성도 막을 수 있으며 머플 내벽의 유리가루 증착량도 기존의 10%로 줄었다.

Description

광섬유용 유리모재 제조방법 및 제조장치{The manufacturing system ＆ method for optical fiber soot}

본 발명은 광섬유용 유리모재를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이며 보다 상세히는 광섬유용 유리모재 (다공질의 Soot)의 제조 방법에 있어, 이 유리모재를 성장시키는 머플 내부의 배기압이 너무 약하면 Soot가 파손되고 머플 내벽에도 Soot가루가 일정 두께로 증착되고, 성장된 Soot 상단에도 가시 모양의 돌기가 형성되는 문제점을 해결하는 기술에 관한 것이다.

광섬유 유리모재 제조방법으로 VAD 법은 씨받이 종봉을 회전 시키면서 SiCl4나 GeCl4등의 원료를 H2 및 O2가스와 함께 산수소 버너에 의한 산화반응을 일으켜 생성된 유리입자가 씨받이 종봉 하단에 축방향으로 성장되도록 한다.

이와 같은 유리모재 제조장치에 있어서 산수소 화염 산화반응에 의해 생성된 유리입자는 종봉하단에 연속적으로 증착되어 광섬유 모재로 성장되고 나머지의 대부분은 배기압에 의해 스크라버(폐가스 처리장치)로 빨려나가나 일부는 머플내부를 맴돌다가 내벽에 퇴적되거나 또는 Soot 상부에 달라붙어 성장되면서 가시모양의 돌기를 만든다.

또한 일부 가스는 반응에 의한 생성이 늦어져, 버너 내부에서 Soot 끝단에 이르기 전까지의 시간에 SiO2로 반응되지 못하고 늦게 SiO2로 반응되어져 Soot로 성장될 수가 없다. 따라서 이들 미 증착 가스 및 유리입자들을 빨리 배출시켜야 하는데 이때 배기압이 너무 세면 Soot의 성장속도가 저하되거나 Soot가 머플 내부에서 회전하면서 진동을 하게 되어 구조 불균일을 유발 시키거나 심할 경우 Soot 파손의 원인이 되는 등 광섬유 모재 생산에 있어 여러 가지 문제점을 일으키게 된다.

광섬유모재 제조공정에서 반응을 일으키기 위하여 케미컬원료가스(SiCl4 및 GeCl4)와 H2가스, O2가스등이 연결된 버너분사구에 가스가 공급되는 상태에서 불을 붙이면 산화반응에 의해 유리입자가 생성되고 이것은 씨받이봉 끝단에 퇴적되어 광섬유 모재를 형성 시킨다.

이 화학 반응식은 다음과 같다.

이때 일부 가스는 반응에 의한 생성이 늦어져, 버너 내부에서 Soot 끝단에 이르기 전까지의 시간에 SiO2로 반응되지 못하고 늦게 SiO2로 반응되어져 Soot로 성장될 수가 없다. 이런 유리입자들은 Soot로 퇴적되지 못하고 머플내부를 맴돌다 스크라버로 빠져나가거나 머플 내벽에 퇴적된다. 또는 성장되고 있는 Soot 상단에 가시 형상의 돌기를 만드는 등의 문제점을 야기 시킨다.

따라서 본 발명에서는 Soot증착시 머플 내부의 배기압을 일정하게 관리하고, 머플 하단의 배기관과 SOOT와의 거리도 일정하게 유지함으로써 최적효율로 SOOT를 생산하고, 또한 증착되지 아니한 가스 및 유리 입자등의 반응물들은 배기관 상부에 설치된 전극에 의한 집진유도효과와 초음파에 의한 미세 진동으로 머플 내부에 퇴적되지 않고 스크라버로 배출되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 광섬유 제조장치에 있어서 산화반응이 일어나는 반응조(머플)의 전체 구조도

도 2는 배기관 하부에 설치된 주 배기관 구조도

도 3은 배기관 후면에 설치된 초음파발생기

＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1: 척 2: 주연결막대(봉)

3: 배기관 4: 배기관 흡입량 공기량 조절구

5: 배기관 흡입구 6: SOOT(광섬유 모재)

7: 레이저 튜브 8: 레이저 빔

9: 버너 10: 레이저 빔 수광 센서

11: 머플(반응챔버) 12: 차압계

13: 배기관 흡입구 14: 전극판

15: 초음파진동자

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광섬유용 유리모재(Soot) 제조에 있어서, 머플에서 스크라버로 나가는 배기구를, 중심이 버너 끝단과 높이가 같게 1개를 설치하고 머플 상부에 좌,우 대칭으로 별도의 2개의 배기구를 추가로 설치하고 배기압을 50～80 pascal로 유지하는 광섬유 모재 제조방법이 제공된다.

이같이 상부에 추가로 배기구를 설치하면 머플내부의 증착되지 않은 유리 입자들은 머플내부에서 맴돌거나 지체되는 시간이 짧아져 Soot 상부에 돌기가 형성되지 않고 머플내벽에의 유리가루가 쌓이지 않아 Soot 외관 향상에 따른 소결후의 유효부 증가 및 작업후 다음 작업을 위한 청소시간을 획기적으로 단축할 수 있게 되었다.

또한 배기관 상부에 설치된 유리입자 유인용 전극과 초음파 발생 장치는 유리 입자들이 머플 내벽에 쌓이지 않고 곧바로 스크라버로 배출되게 한다.

버너 내부에서 가스의 흐름을 고찰하면 버너 내부에서부터 산소와 수소의 반응에 의한 화염속에서 사염화실리콘(SiCl4)은 유리입자(SiO2)로변환되고 이 입자는 씨받이 봉 끝단에 증착되어진다. 이 때 유리입자의 속도 VT는,

VT=-K(v/T)△T로 산출된다.

v:결정운동계수

K:열영동 계수

T:절대온도

위 식에서와 같이 입자의 증착에서 결정운동속도나 열적 분위기에서 빼놓을 수 없는 중요한 요소이다.

한편 사염화실리콘은 버너 내부에서부터 반응되어지기 시작해 씨받이 봉 끝단에 이르기 전까지 화학반응에 의해 유리입자로 변환되어지나 일부는 이 종봉 끝단을 지나서 유리입자로 변환되거나 또는 변환되지 못하고 가스상태로 되어 진다. 이 때 반응시간을 길게 하여 반응입자를 증가 시키기 위하여 버너끝단에서 씨받이 봉 끝단과의 거리를 길게하면 증착량은 증가하나 Soot의 밀도가 낮아져 부서지기 쉽다.

너무 가까우면 반응시간이 짧아져 증착효율이 낮아져 생산성이 떨어진다.

따라서 수직증착법에 있어서 버너 끝단과 씨받이 봉 끝단과의 거리는 최적효율로 맞춰지더라도 일부의 유리 입자 또는 늦게 반응된 유리입자들은 머플내에서 머므르다 배기구를 통해 스크라버로 빠져나가거나 머플 내벽에 증착되게 되는 것이다. 따라서 본 발명에서는 비교예를 들어 머플내벽에 유리가루의 증착이 최소화되는 장치 및 조건에 대해 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 장치는 석영재질의 주 연결막대 2, 반응용기인 머플 11, 머플내부의 폐가스 및 미증착된 유리입자를 스크라버로 빨아내기 위한 배기관 3, 배기관의 머플내부에서의 시작점인 배기구 흡입관관 5와 미부착 유리입자를 정전기에 의해 끌어당기는 전극봉13. 유인된 유리입자의 전극봉 부착 방지를 위한 초음파 발생기14를 포함한다.

실시예

도1에 도시한 장치를 사용하여 배기압조건과, Soot 및 배기관과의 거리조건을 변경하면서 9회에 걸쳐 실험을 하였다.

그 실험조건 및 결과를 표 1에 나타내었다.

표1에서 가로축의 항목은 배기압 조건이고 세로축 항목은 Soot와 배기관과의 거리를 나타낸다.

첫번째 작업군에서는 제1조건은 배기관과 Soot 표면과의 거리가 Soot 직경의 0.5로 하고 배기압을 30 Pascal로 했을 때 평균성장속도가 55mm/hr이고 분당평균 증착율이 2.0g/min을 나타 내었다.

그러나 Soot상부에 돌기모양의 가시사 형성되었고 머플 상부의 배기관 주변에 에 유리가루가 많이 쌓였으며 최고로 많이 적층된 부위가 약 1Cm두께를 나타냈다.

제2조건은 배기관과 Soot표면과의 거리는 제1조건과 같게하고 배기압을 60 Pascal로 했을 때 평균성장속도가 50mm/hr 이고 평균 증착율은 1.8g/min을 나타냈다. 머플내부 유리가루의 최고 적층두께가 4mm로 현저히 감소되었다.

제3조건은 배기관과 Soot표면과의 거리는 제1조건과 같게하고 배기압을 90 Pascal로 했을 때 평균성장속도가 48mn/hr 이고 분당평균 증착율이 1.7g/min을 나타냈다.

머플내부의 유리가루 적층두께가 1mm 이하로 감소되었으나 작업중 Soot의 흔들림 현상이 나타났다.

이상 3가지 작업조건에서 배기관과 Soot직경과의 거리는 일정하게 하고 배기압을 점차 올림에 따라

Soot의 증착, 생성속도가 낮아지고 머플내부의 유리가루 증착도 감소됨을 알수 있었다.

본 실험에서는 최적으로 Soot가 증착되는 조건과 머플내부 유리가루는 최소로 되는 작업조건을 찾기 위해 배기관거리 조건 3가지와 배기압 조건 3가지의 경우를 변경시켜 조합시켜 실험을 하였다.

두번째 작업군에서는 배기관 거리를 Soot 직경의 1.5배로 고정하고 배기압을 각각 30 pascal 60Pascal, 90Pascal로 변경하면서 작업을 하였다.

두번째 작업군의 첫번째, 즉 제 4조건에서는 배기관 거리를 Soot직경의 1.5배로 하고 배기압을 30Pascal로 하였을 때 성장속도가 68mn/hr, 평균 증착율이 3.3g/min으로 Soot의 성장이 좋아졌으나 Soot상부에 돌기모양의 가시가 형성되었다.

제 5조건은 배기관 거리를 Soot직경의 1.5배로 하고 배기압을 60 Pascal로 작업하였는데 성장속도가 68mm/hr, 평균증착율이 3.3g/min으로 제4조건과 동일하게 나타났으나 Soot 상부의 가시모양은 사라졌으나 머플 내부의 배기관 주위 및 구석진 부위의 유리가루 쌓임현상이 발생하였다.

제 6조건은 배기관 거리를 Soot 직경의 1.5배로 하고 배기압을, 90Passal로 변경시켜 작업을 하였다. 그 결과 평균 성장속도가 55mm/hr, 평균 증착속도가 2.0g/min으로 나타났다.

세번재 작업군은 배기관과 Soot표면과의 거리를 Soot 직경의 2.5배로 하고 배기압을 각각 30 Pascal, 60 Pascal, 90 Pascal로 작업을 하였다.

세번째 작업군의 첫 번째, 즉 7번째 작업에서는 Soot 표면과의 거리를 Soot직경의 2.5배로 하고 배기압을 30 Pascal로 하였을 때 성장속도 68mm/hr, 평균 증착속도가 3.3g/min으로 제4작업조건 및 제5작업조건과 거의 같게 나타났다. 머플 상부의 구석진 부위의 유리가루 퇴적은 Soot상부에 돌기가 형성되었고 유리가루의 퇴적도 최고 10mm로 나타났다.

8번째 작업조건에서는 배기관과 Soot표면과의 거리를 Soot 직경의 2.5배로 하고 배기압을 60 Pascal로 하였을 때 성장속도가 66mm/hr 이고 증착율이 3.1g/min을 나타냈다.

9번째 작업조건에서는 배기관과 Soot표면과의 거리를 Soot 직경의 2.5배로 하고 배기압을 90 Pascal로 하였을 때 성장속도가 55mm/min, 증착율이 2.5g/min을 나타냈다.

이상에서 머플 내부의 Soot 의 성장은 배기압이 60 Pascal 이 최적임을 알수 있다.

별도의 추가 시험작업에서 배기압이 70 Pascal 이상이면 유리입자의 Soot 증착에 직접적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. Soot표면과 배기관과의 거리는 1.5배이상이면 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.

따라서 이 거리를 크게 하면 장비의 크기가 커지고 비용이 증가하는 문제점이 있어 1.5-1.8배가 가장 적합함을 알 수 있었다.

또한 작업 5의 조건에서 배기관에 전극봉을 설치하고 여기에 전압을 걸어 미증착된 유리 입자의 유인효과를 확인한 결과 3KV 이상의 전압을 걸어주면 유리입자가 정전기에 의해 끌려오는 것을 알 수 있었다. 보다 정확한 실험에 의하면 유리 입자는 수 마이크로미터의 직경을 갖고 있으며 머플내의 배기압에 의해 이동될 때 3KV/5cm 이상의 전계에서 인력을 받는 것을 알 수 있었다. 따라서 배기관 상부에 판상의 전극봉을 설치하고 그 후면에 3w 초음파 발생기를 부착하여 유리입자의 부착을 억제할 수 있었다.

본 발명은 상기 실시 예에만 한정되는 것이 아니며, 이 실시예는 단지 예시인 것으로써 본 발명의 구성과 실질적으로 동일한 구성을 갖는 것은 본 발명의 범위에 드는 것이다.

상기 본 발명에서는 Core Soot를 제조하는 것에 대하여 서술하였으나 배기관에 전극판 및 초음파 발생장치 부착의 발명은 Jacketing VAD 및 OVD에도 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 반응 머플의 배기압조건과 Soot 표면과 배기관과의 거리조건을 조절함으로써 Soot증착의 최적효과를 얻을 수 있었다. 또한 배기관에 전극판을 설치하고 전압을 가해 여 미부착된 유리입자를 유인하고 이 전극판 후단에 초음파발생기를 설치하여 유리입자가 머플내부에 증착됨이 없이 그대로 배출되게 하였다.

Claims (6)

1. VAD 젯법에 있어 머플에서 배기관으로 나가는 부위에서의 배기압이 50 Pascal에서 80 Pascal로 유지되는 것을 특징으로 하는 다공질 유리모재의 제조방법.
2. 청구항1에 있어서 광섬유 모재가 성장되는 머플로부터 스크라버로 나가는 배기관이 2개 이상 설치된 것을 특징으로하는 광섬유 모재 제조장치.
3. 머플 하단에 있는 배기관과 Soot표면과의 거리가 Soot외경의 1.5배에서 2.5배 사이인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
4. 머플내부에 위치한 배기관 흡입구의 상단에 집진용 전극이 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
5. 청구항4에 있어서 집진용 전극은 판상 또는 그물형상인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
6. 청구항5에 있어서 집진용 전극 후면에 초음파 발생기가 부착되어져 미부착된 유리입자가 전극판에 부착되지 않도록 고안된 것을 특징으로하는 광섬유 모재 제조장치.