KR20030051713A - 광섬유 예비성형품을 제조하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예비성형품을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 전송관은 예비성형품과 충돌되고, 이 장치는 원통형 밀폐체를 형성하는 가열요소와, 상기 원통형 밀폐체 내에 위치되는 전송관과, 전송관과 밀폐체 간의 공간에 비산화가스를 공급하기 위한 수단을 포함하고, 상기 밀폐체는 그 밀폐체의 양단에 환상의 유입구와 환상의 배출구가 형성되고, 상기 전송관은 상기 입구와 출구 사이에 배치되고, 상기 가열요소는 전송관에 대해 축방향으로 이동 가능하다.

Description

광섬유 예비성형품을 제조하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND PROCESS FOR PRODUCING AN OPTICAL FIBER PREFORM}

그같은 장치는 본래 미국특허 제 5,970,083호에 공지되어 있다. 이 특허에 공지된 장치는 원통형 밀폐체 내에서 그의 길이방향으로 이동할 수 있는 전송관과 함께, 원통형 밀폐체를 둘러싸는 흑연로를 포함한다. 상기 장치는 약 30㎜ 직경의 중공봉 형태인 주 예비성형품을 붕괴시키기 위해 사용한다. 중공봉은 광섬유를 인출하기 위해 사용할 수 있는 예비성형품으로 변형되어야 하며, 고체봉은 약 20㎜의직경을 갖는다. 이 변형은 주로 온도가 약 2000℃ 이상인 노의 중앙 쪽에서 발생한다. 원통형 밀폐체는 유입구와 배출구를 포함하며, 이들 입구와 출구는 비산화(非酸化)가스가 통과하는 2개의 배관링을 구비한다. 상기 환상의 배관은 밀폐체의 축방향에 대해 소정의 각도로 경사져 있어, 비산화가스는 환상의 배관에 의해 2개의 원뿔형 가스막 내로 주입된다. 따라서 주입된 가스는 밀폐체로부터 멀리 보내짐으로써, 흑연로의 연소를 초래할 수 있는 밀폐체 내로의 공기의 어떤 유입도 방지된다.

본 발명자들은 대기중의 산소가 원통형 밀폐체에 구비된 탄소튜브와 접촉할 때에, 충돌 공정에서 필요로 하는 고열에 의해 원통형 밀폐체의 내부에서 연소를 초래할 수 있음을 발견하였다. 연소에 의해 형성되는 연소 생성물은 전송관 상에 실질적으로 퇴적될 수 있는데, 불순물은 광특성 및/또는 최종 제조될 광섬유의 강도에 악영향을 줄 수 있다. 원통형 밀폐체 내에서 보편적으로 나타나는 고열의 또 다른 영향은 전송관에서 만들어지는 물질인 소량의 SiO₂가 증발하는 것이다. 상기 SiO₂는 원통형 밀폐체 내부의 탄소와 반응하여 밀폐체의 내벽에 퇴적되는 SiC를 형성할 수 있다. 실험을 통해서 상기 SiC가 노의 탄소 내벽으로부터 분리되어 고온의 약간 유연한 전송관에 실질적으로 부착될 수 있음이 밝혀졌다. 상기 전송관이 예비성형품과 충돌된 후에 인출탑 내에서 광섬유로 변환되기 때문에, 전송관 상에 그같은 불순물이 존재하는 것은 반드시 방지되어야 한다. 비록 상술한 미국특허는 노의 양단에 이중 가스막을 제공하고 전송관과 노의 내벽 간의 노의 공간에 가스가 충진되는 것에 의해서 대기의 유입을 막아, 탄소 내부관의 연소를 최소화하도록 청구된 장치를 개시하였으나, 공지된 상기 장치는 전송관으로부터 증발된 SiO₂의 적절한 방출을 제공하지 않았으며, 결과적으로 SiC의 형성 및 전송관 외부에서의 퇴적은 모든 상황하에서 방지되지 않는다.

본 발명은 예비성형품을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 전송관은 예비성형품과 충돌되고, 이 장치는 원통형 밀폐체를 형성하는 가열요소와, 상기 원통형 밀폐체 내에 위치되는 전송관과, 전송관과 밀폐체 간의 공간에 비산화가스를 공급하기 위한 수단을 포함하고, 상기 밀폐체는 그 밀폐체의 양단에 환상의 유입구와 환상의 배출구가 형성되고, 상기 가열요소는 상기 입구와 출구 사이에서, 전송관에 대해 축방향으로 이동 가능하다. 또한, 본 발명은 본 장치를 사용하여 예비성형품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 예비성형품을 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점이 방지되는 예비성형품을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따르면, 도입부에서 언급한 바와 같이 본 발명은 환상의 유입구 근처에 배치되는 비산화 가스를 공급하기 위한 수단에 있어서, 상기 수단은:

ⅰ) 전송관과 밀폐체 간의 공간을 충진시키기 위한 것으로, 환상의 주입챔버를 포함하고, 환상의 유입구 근처에 배치되어 비산화가스를 층류 상태로 전송관을 지나서 환상의 배출구의 방향으로 전송하는 요소와,

ⅱ) 비산화가스를 환상의 유입구로 공급하기 위한 것으로, 상기 ⅰ)에 따르는 요소의 하류에 배치되고, 환상의 주입챔버를 포함하며, 비산화가스를 요소로부터의 비산화가스의 방향과 반대인 방향으로 전송관을 지나서 운반함으로써, 환상의 유입구 측으로의 대기의 유입을 방지하는 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명자들은 전송관의 외측 및 노의 일측, 즉 환상의 유입구 근처에만 비산화가스의 가스막을 형성하면서 전송관과 밀폐체 간의 공간에 비산화가스를 충진시킴으로써 상술한 문제를 해결할 수 있음을 발견하였다. 노의 일측, 즉 환상의 유입구 근처에만 내부 충진시키는 단계를 채용함으로써 원통형 밀폐체와 전송관 내부 간의 공간에서의 반대 가스유동에 의해 초래된 와류의 발생 가능성이 방지된다. 보다 상세하게는, 상술한 인자로부터 생성되는 어떤 불순물은 타측면 상의 노, 즉 배출구를 통해서 비산화가스의 유동과 함께 방출될 것이다. 그같은 방법이 사용되면, 전송관과 밀폐체 간의 공간에 어떤 연소 생성물도 집적되지 않기 때문에, 노 내의 탄소 내부관의 고온 영역에서 SiC와 같은 실리콘 함유 합성물의 퇴적이 방지될 수 있다. 실험을 통해서 탄소 내부관의 온도가 1900℃ 이상의 온도에서 탄소 내부관 상에 입방 및 6각형 SiC가 퇴적되는 것이 밝혀졌다. 그같은 입방 SiC의 결정은 원통형 밀폐체의 내벽으로부터 분리되어 석영 전송관 상에 놓일 수 있다. 고체봉을 형성하기 위해 충돌된 예비성형품으로부터 광섬유가 인출될 때, 그같은 입방 SiC의 결정이 녹지 않으므로, 그같은 결정의 존재는 결과적으로 노 내에 형성되는 광유리섬유의 국부적인 취약을 초래한다. 이 장치는 원통형 밀폐체를 형성하는 가열요소의 실시예뿐만 아니라 원통형 밀폐체를 감싸는 가열요소의 실시예를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.

특히 바람직한 실시예에 있어서, 비산화가스의 층류는 ⅰ)10-200의 레이놀즈수를 가지며, 이 레이놀즈수는 Re=ρvd/μ로 정의되고, 여기에서:

ρ=가스밀도

v=가스속도

μ=가스점도 및

d=전송관의 외경과 원통형 밀폐체의 내벽 간의 직경차를 나타낸다.

이 층류는 전송관과 원통형 밀폐체 간의 공간에서의 와류의 발생을 막기 위해서 특히 바람직하며, 형성될 수 있는 어떤 SiC 함유물질은 환상의 배출구의 방향으로 적절하게 배출됨으로써, 전송관 상에서의 상기 물질의 퇴적을 막을 수 있다.

특히 바람직한 실시예에 있어서, 상술한 파라미터 d는 6㎜보다 큰 값을 가지며, 결과적으로 증발하는 SiO₂의 노의 탄소 내벽에 대한 확산거리가 증가된다.

또한, 비산화가스로서 헬륨의 함량은 최대 15부피%까지, 다른 성분들은 가령 아르곤 및 질소, 또는 그들의 혼합물로부터 선택되는 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

그 같은 충돌공정에 있어서, 원통형 밀폐체로부터의 열이 충돌될 전송관으로 적절히 전달되기 때문에, 헬륨은 그의 우수한 열전도성을 고려하여 자주 사용된다. 그러나, 헬륨의 사용에 따른 하나의 결점은 상술한 우수한 열전도로 인해 강한 냉각이 발생한다는 사실이다. 따라서, 전송관으로부터 증발하는 SiO₂는 원통형 밀폐체의 탄소관의 보다 넓은 부분에 퇴적될 수 있다. 그러므로, 헬륨의 최대량은 원통형 밀폐체의 탄소관 상의 전송관으로부터 증발된 SiO₂의 퇴적을 최소화하는 관점에서 선택해야 한다.

또한, 이 장치는 원통형 밀폐체의 내벽이 비트리파이드 탄소(vitrified carbon)로 제조되는 것을 특징으로 한다. 비트리파이드 탄소 사용의 특별한 이익은 매우 낮은 다공성을 갖는 물질의 사용에 의해서, 잠재적인 유효 반응영역이 표준고순도 탄소보다 작다는 사실에 있다. 이것은 탄소의 연소를 줄임으로써, SiO₂와의 어떤 반응을 최소화한다. 그것에 추가해서, 유리 탄소의 표면으로부터의 어떤 불순물의 제거가 보다 용이해지는 것이 명백해졌다.

또한, 본 발명은 전송관이 예비성형품에 충돌되는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 상술한 장치에서 실행된다.

이하, 본 장치를 단면도로써 개략적으로 도시한 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

첨부한 도면은 예비성형품을 제조하기 위한 장치(1)를 개략적으로 나타내는 것으로, 전송관(7)이 예비성형품과 충돌된다. 전송관(7)은 가열요소(2)들 사이에 위치된다. 가열요소에 의해 고열이 제공됨으로써 전송관(7)은 약간 부드럽게 되면서 고체봉으로 녹게 된다. 노(10)의 내벽(3)과 전송관(7) 사이에 존재하는 공간(9)에 비산화가스가 채워진다. 이 가스는 환상의 주입챔버(6)를 통해서 화살표(P1)로 나타낸 방향으로 주입된다. 주입챔버(6)는 환상의 유입구(5)의 위치에 존재함으로써, 주입된 비산화가스는 환상의 유입구(5)로부터 환상의 배출구(4) 방향으로 흘러간다. 환상의 유입구(5)를 통한 대기의 유입을 막기 위해서, 환상의 주입챔버(6)의 상류에 배치되는 요소(8)를 구비한다. 이 요소(8)는 환상의 주입챔버를 포함하며, 비산화가스를 환상의 주입챔버(6)로부터 비산화가스의 방향과 반대인 방향으로, 특히 화살표(P2)로 나타낸 방향으로 전송관(7)을 지나서 운반한다. 이 요소(8)를 통해서 얻어진 가스막과 주입챔버(6)를 통한 내부 충진 공정의 조합에 의해서, 대기가 노로 유입되는 것이 방지되고, 충돌공정 동안에 형성된 어떤 불순물이 환상의 배출구(4)방향으로 적절히 방출되는 것이 확실해진다. 노(10)는 전송관(7)에 대해서 이동될 수 있으나, 전송관(7)에 관한 특정 실시예에서는 노(10)에 대해서 이동되는 것이 바람직하다는 것도 명백하다. 그러나, 본 발명은 특정한 이동방식에 대해서 제한되지 않는다.

Claims (7)

1. 전송관(7)이 예비 성형품과 충돌되며, 원통형 밀폐체(3)를 형성하거나 감싸는 하나 이상의 가열요소(2)와, 전송관(7)과 밀폐체(3)간의 공간에 비산화가스를 공급하기 위한 수단(6, 8)을 포함하고, 밀폐체(3)에는 환상의 유입구(5) 및 환상의 배출구(4)가 그 밀폐체(3)의 양단에 제공되고, 가열요소(2)는 입구와 출구(4, 5) 사이에서 전송관(7)에 대해 축방향으로 이동할 수 있는, 예비성형품을 제조하기 위한 장치(1)로서, 비산화가스를 공급하기 위한 수단(6, 8)은 환상의 유입구(5)근처에 배치되는 것을 특징으로 하며, 상기 수단은:

   ⅰ) 전송관(7)과 밀폐체(3) 간의 공간을 충진시키기 위한 것으로, 환상의 주입챔버를 포함하고, 환상의 유입구(5) 근처에 배치되어 비산화가스를 층류 상태로 전송관을 지나서 환상의 배출구(4)의 방향으로 전송하는 요소(6)와,

   ⅱ) 비산화가스를 환상의 유입구(5)로 공급하기 위한 것으로, 상기 ⅰ)에 따르는 요소(6)의 하류에 배치되고, 환상의 주입챔버를 포함하며, 비산화가스를 요소(6)로부터의 비산화가스의 방향과 반대인 방향으로 전송관(7)을 지나서 운반함으로써, 환상의 유입구(5) 측으로의 대기의 유입을 방지하는 요소(8)를 포함하는 장치.
2. 제 1항에 있어서, 요소(6)내의 층류는 10 내지 200의 레이놀즈수를 가지며,이 레이놀즈수는 Re=ρvd/μ로 정의되고, 여기에서:

   ρ=가스밀도

   v=가스속도

   μ=가스점도 및

   d=전송관(7)의 외경과 원통형 밀폐체(3)의 내벽 간의 직경차인 장치.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 파라미터 d는 6㎜보다 큰 값을 갖는 장치.
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 비산화가스로서 최대 15부피%의 헬륨(He) 함량을 갖는 비산화가스가 사용되는 장치.
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 밀폐체(3)의 내벽은 비트리파이드 탄소(vitrified carbon)로 제조되는 장치.
6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 가열요소(2)는 전송관(7)에 대해서 이동 가능한 장치.
7. 전송관(7)이 예비성형품과 충돌되고, 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 따르는 장치에서 실행되는, 예비성형품을 제조하기 위한 방법.