KR20040025087A - 수정화학기상증착법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유모재의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

수정화학기상증착법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유모재의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 MCVD공법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치는, 석영튜브 내로 반응가스, 산소가스 및 탈수가스를 투입하면서, 제 1토치로 상기 튜브를 소결온도 이하로 가열하여 수트입자를 생성 및 증착시키고, 상기 제 1토치와 이격 설치된 제 2토치를 이용하여 상기 제 1토치 통과 후 상기 튜브를 소정 온도로 가열하여 수트입자 내의 수분기를 제거하는 제 1단계와, 상기 수트입자 내의 수분기를 제거하는 공정을 상기 제 1토치를 이용하여 다시 한번 실시하고, 상기 수분이 제거된 수트입자들이 유리화 되도록 제 2토치를 이용하여 소결 온도 이상으로 가열하는 제 2단계를 포함한다.

Description

수정화학기상증착법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치{method and apparatus for fabricating of optical fiber preform with double torch in MCVD}
본 발명은 수정화학기상증착법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어 또는 클래드의 기상증착공정 후 소결 전에 탈수가스를 주입하여 수분을 제거하는 탈수공정을 포함하고, 2개의 토치를 동시에 사용하여 생산성을 높일 수 있는 수정화학기상증착법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 광섬유 프리폼 제조에 일반적으로 사용되고 있는 공법으로는 크게 MCVD(Modified Chemical Deposition), OVD(Outside Vaper Deposition), VAD(Vaper phase Axis Deposition), PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)등이 있으며, 이 중 MCVD공법은 밀폐된 공간에서 실시되므로 외부로부터의 불순물 유입이 적어 손실이 낮은 고밀도의 광섬유 프리폼을 만들 수 있다는 장점이 있어 널리 쓰이고 있다.
MCVD공법을 도 1을 참조해서 간단히 설명하면, 석영튜브(1)를 회전시키면서 내부에 반응가스인 SiCl4, GeCl4, POCl3들과 산소가스를 불어 넣어준다. 이때, 튜브 외부에는 튜브 안으로 주입되어지는 반응가스들이 충분히 반응되도록 1600℃이상의온도로 토치(2)가 왕복운동을 하면서 튜브를 가열한다. 토치가 한번 왕복할 때마다 가열된 부분은 산화반응에 의하여 수트(3)가 생성이 되고, 이 수트입자는 토치가 진행되어나가는 방향 즉, 아직 가열되어지지 않은 부분으로 이동하여 열영동현상 (thermophoresis)에 의하여 튜브 안쪽 표면에 달라붙게 된다. 튜브의 내부 표면에 붙은 수트 SiO2, GeO2는 바로 이어지는 토치의 열에 의해 소결되어 투명한 유리층(4)이 형성되고, 이 과정이 지속적으로 반복되면서 튜브 내부에 클래드층과 클래드층보다 굴절률이 높은 코어층이 증착되어진다.
상기 MCVD공법은 1600℃ 이상의 고온에서 진행되기 때문에 생성된 수트는 증착 후 바로 소결이 된다. 그 결과 상기 석영튜브(1) 내부에는 반응 잔유물인 OH-이온과 수분이 수트(3) 또는 유리층(4)의 내부에 물리적 혹은 화학적으로 결합하여 존재하게 된다.
도 2는 수트입자에 부착되어 있는 수산기 및 수분을 나타낸 도면으로, 수분 분자는 입자 표면에 물리적으로 흡착되어 있고, OH-이온은 SiO2결합에서 화학적인 결합을 하고 있어서 나중에 광손실을 발생시키는 요인이 된다.
상기와 같은 OH-이온과 수분을 제거하기 위해 본 출원인은 탈수 공정을 적용한 광섬유의 수분제거 방법을 출원한 바 있으며, 이를 도 3내지 도 5에 나타내었다. 도 3은 튜브(5) 내에 반응가스와 산소가스를 투입하고 외부에서 토치(6)로 열을 가하여 수트입자(7)를 생성시키고, 생성된 수트입자가 토치를 지나면서 열영동현상에 의하여 튜브 내부에 증착되는 수팅(sooting)단계를 나타낸다. 도 4는 상기 튜브(5) 내부에 탈수가스를 투입하면서 토치(6)로 열을 가하여 튜브 내벽에 증착된 수트입자(7)들에 존재하는 수분을 제거하는 탈수(dehydration)단계를 나타낸 도면이며, 도 5는 튜브(5) 내의 수분이 제거된 증착면을 토치(6)로 소결 온도 이상 가열하여 유리층(8)을 형성시키는 소결(sintering)단계를 나타낸다.
상기 발명은 종래의 수팅 및 소결로 이루어진 단계를 수팅, 탈수, 소결로 세분화하고, 그 중 탈수 공정을 통해 하이드록실 이온과 수분을 제거하는 것이다. 이 발명은 종래에 비해 품질이 우수한 광섬유를 제조할 수 있다는 장점은 있지만, 종래의 MCVD공법이 수팅에서 소결까지 일괄적으로 진행되는데 반하여 상기 발명은 단계를 세분화하였기 때문에 공정에 시간이 많이 소요된다는 문제점이 있었다. 종래에는 한층의 증착층을 쌓기 위해 한번의 토치왕복이 필요하였다면, 상기 발명은 수팅, 탈수, 소결의 각 단계가 요구하는 온도가 서로 다르므로 3번의 토치왕복이 요구되어 생산성이 1/3로 줄어들게 된다.
또한, 다른 공법과 비교하면 OVD 또는 VAD공법의 탈수과정은 수트상태의 다공성 프리폼을 소결로에서 탈수공정을 거쳐 유리화 및 소결하게 된다. 즉, 저온에서부터 천천히 150℃이상이 되도록 프리폼을 가열하여 입자표면에 물리적으로 흡착되어 있는 수분을 제거하고, 그 이상의 온도에서 남아있는 수분은 탈수소반응물을 이용하여 화학적으로 제거하게 된다. 반면에, 상기 발명은 토치의 이송에 의해 탈수가 이루어지게 되므로, 토치의 이송 지역에서만 부분적으로 탈수가 이루어지게 되어 탈수 후 재흡착(redydration)이나 잔존하는 결점 지역(defect site)의 오염문제가 발생 할 수 있게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 두개의 토치를 설치하여 수팅과 탈수, 탈수와 소결공정이 동시에 이루어지도록 함으로서 토치의 왕복 횟수 및 왕복 시간을 단축시키며, 탈수 공정이 반복 실시됨으로서 1차 탈수공정 후에도 잔존하는 수분을 완전히 제거하여 광손실을 현저하게 줄일 수 있는 MCVD공법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일반적인 MCVD공법에 따른 광섬유 프리폼 제조방법을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2은 도 1의 MCVD 공법에 따라 생성된 수트에 수분이 흡착된 상태를 도시한 것이다.
도 3는 종래기술의 수팅단계를 나타낸 도면이다.
도 4은 종래기술의 탈수단계를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래기술의 소결단계를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명에 따른 수팅 및 탈수 공정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 탈수 및 소결 공정을 나타낸 도면이다.
<도면 주요참조부호에 대한 간단한 설명>
10..석영튜브 21, 22..토치 30..반응가스
32..산소가스 34..탈수가스 40..수트입자
50..유리층
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 MCVD공법에 있어서 이중토치를 이용한 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치는, 석영튜브 내로 반응가스, 산소가스 및 탈수가스를 투입하면서, 제 1토치로 상기 튜브를 소결온도 이하로 가열하여 수트입자를 생성 및 증착시키고, 상기 제 1토치와 이격 설치된 제 2토치를 이용하여 상기 제 1토치 통과 후 상기 튜브를 소정 온도로 가열하여 수트입자 내의 수분기를 제거하는 제 1단계와, 상기 수트입자 내의 수분기를 제거하는 공정을 상기 제 1토치를 이용하여 다시 한번 실시하고, 상기 수분이 제거된 수트입자들이 유리화 되도록 제 2토치를 이용하여 소결 온도 이상으로 가열하는 제 2단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 제 1토치와 제 2토치는 수트입자의 생성 및 증착시 1700℃이하의 열을 상기 석영튜브에 공급하고, 수분을 제거할 때에는 1200℃이하의 열을석영튜브에 공급하며, 수트입자를 유리화 할때는 1700℃이상의 온도를 상기 석영튜브에 공급하는 것을 포함한다.
또한, 바람직하게 상기 제 1토치와 제 2토치는 100mm 이상 상호 이격되어 500mm/min 이하의 서로 다른 속도로 왕복운동하는 것을 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 6은 본 발명에 따른 수팅(A) 및 탈수(B) 단계를 나타낸 도면이다. 석영튜브(10)는 미도시된 선반에 거치된 상태에서 회전되며, 그 내부로 미도시된 가스공급부로부터 반응가스, 산소가스 및 수소가스가 주입되고, 상기 석영튜브(10)의 외부에는 반응을 위한 열원으로 토치가 설치되어 있다. 상기 토치는 공정에 따라 석영튜브의 길이 방향으로 왕복운동한다.
좀 더 자세히 설명하면, 석영튜브(10)에 열을 공급하는 토치는 2개가 설치된다. 제 1토치(21)는 수팅(A) 공정을 수행하게 되며, 소정 거리 이격 설치된 제 2토치(22)는 탈수(B) 공정을 수행한다. 이때, 상기 토치(21, 22)는 하나의 미도시된 캐리지에 의해 동시에 동작되거나 별도로 설치되는 캐리지에 의해 서로 다른 이동속도로 움직일 수 있다.
수팅(A) 공정에 있어서 제 1토치(21)는 석영튜브(10)의 내부에 불어 넣는 반응가스(30)인 SiCl4, GeCl4, POCl3등이 산소가스(32)와 산화반응하여 수트입자(40)를 생성하도록 열을 공급한다. 이때, 상기 튜브에 공급되는 온도는 약 1700℃ 이하가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 기체들이 충분한 반응에너지를 가질 수 있도록 1400 ~ 1700℃로 유지한다. 이와같이 유지하는 이유는 실리카 입자의 소결온도인 1700℃ 이상의 온도로 가열하게 되면 석영튜브 내부에 증착된 수트입자(40)들이 수분과 OH-기를 가진 상태에서 소결 되어버리기 때문이다. 나아가, 이때의 제 1토치 (21)의 이송속도는 주입되는 반응가스와 산소가스가 충분히 반응하도록 500mm/min이하를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제 1토치(21)로부터 소정거리 이격 설치된 제 2토치(22)는 수팅 공정이 완료된 증착 수트입자(40)들에 존재하는 수분기를 제거하기 위해 탈수(B) 공정을 위한 열을 공급한다. 이때의 온도는 1200℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 증착된 수트입자에 부분적 소결이 발생하지 않도록 600 ~ 1200℃로 유지한다. 탈수공정 중에는 탈수가스(34)인 헬륨(He), 염소(Cl2), 산소(O2) 등을 석영튜브(10) 내부로 투입하여 탈수 반응을 유도하게 되는데, 수분을 제거하는 매개체 중 염소가스는 가장 효과적인 탈수제로 알려져 있으며, 이는 다음과 같이 반응한다.
4 Si-OH + 2Cl2⇔ 2 SiOSi + 4HCl + O2
Si-OH- Cl2⇔ Si-O-Si + HCl
2H2O + Cl2⇔ 2HCl + O2
대부분의 OH-기는 1200℃이하의 온도에서 제거할 수 있다. 1200℃이상이 되면 수트상태의 입자들이 줄어들고, 오히려 유리화가 가능한 온도가 되어 OH-기의 농도가 증가된다. 좀 더 자세히 말하면, 1200℃이상이 되면 입자들이 줄어들게 되면서 입자경은 증가하게 되고 기공들은 사라지게 된다. 그 결과 입자들이 성장하는 속도가 기공이 사라지므로 인해 그 안에 존재하는 OH-기들이 확산되어 나오는 속도보다 빨라지게 되어, OH-기는 증착된 수트입자들 사이에서 미리 빠져나오지 못하고 포획되어 버린다. 따라서, 이때의 제 2토치(22)의 이송속도는 500mm/min 을 유지하여 수분기와 탈수가스간에 충분한 반응이 이루어지도록 하며, 프리폼 내부에서 수소이온의 농도가 중량으로 1ppb 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 제 1토치(21)과 제 2토치(22)간의 거리는 100mm 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 수팅(A) 공정에서 제 1토치(21)의 온도는 1700℃이하이며, 탈수(B) 공정에서 제 2토치(22)의 온도는 1200℃이하이므로 충분한 거리를 유지하지 않게 되면 급격한 온도차에 의해 수트입자(40)의 증착면이 불규칙해 질 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 탈수(B) 및 소결(C) 공정을 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 상기 토치(21, 22)는 수팅(A) 및 탈수(B) 공정을 마친 후 재자리로 복귀한다. 복귀후 다시 상기 제 1토치(21)는 탈수(B) 공정을 위한 열을 공급하고, 제 2토치(22)는 소결(C) 공정을 위한 열을 공급한다. 바람직하게, 이 공정에서 상기 제 1토치(21)의 온도는 1200℃이하의 온도를 유지되며, 제 2토치(22)는 1700℃이상의 온도를 유지하게 된다.
여기서, 상기 탈수 공정은 상술한 수팅(A) 및 탈수(B) 공정의 탈수 공정과 동일한 방법으로 다시 한번 실시되며, 상기 수팅 및 탈수 공정에서 충분히 제거되지 않았던 수분기를 완전히 제거하게 된다. 이하 상세한 설명은 상기의 과정과 동일하므로 생략한다.
소결(C) 공정을 수행하는 상기 제 2토치(22)는 탈수(B) 공정을 실시하는 제 1토치(21)로부터 일정거리, 예컨대 바람직하게는 100mm 이상 이격된 상태에서 프리폼에 1700℃ 이상의 열을 공급한다. 1700℃는 실리카입자의 유리화 온도이므로 그 이상의 온도로 석영튜브(10)를 가열하면 튜브 내벽에 증착된 수트입자들은 유리층(50)을 형성한다. 이때의 제 2토치(22)는 상기 유리화가 균일하게 진행되어 증착면에 왜곡이 발생하지 않도록 500 mm/min 이하로 이송시키는 것이 바람직하다.또한, 상기 소결(C) 공정 중에도 탈수가스(34)인 헬륨(He), 염소(Cl2), 산소(O2)를 계속 주입하여 석영 튜브(10) 및 수트입자(40) 내부에 미처 반응하지 못하고 남아있는 수분들을 제거하는 것이 바람직하다.
이와 같은 수팅 및 탈수, 탈수 및 소결 공정의 수행하면 한 층의 클래딩층이 형성되며, 이 과정은 클래딩층이 원하는 두께가 될 때까지 지속적으로 반복된다.
또한, 클래딩층이 소정의 두께에 도달하게 되면, 반응가스 및 산소가스의 투입비율을 다르게 설정하고, 상기 과정들을 지속적으로 반복 수행함으로서 원하는 두께의 코어층을 얻는다.
일정 두께의 코어층을 생성하면 반응가스의 투입을 중지하고 기타 가스를 투입하면서 외부에서 토치를 이용한 고온의 열을 가해줌으로써 내부가 줄어들어 없어지는 콜랩싱 공정을 거치게 되며, 내부에 공간이 없는 프리폼이 완성된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
MCVD공법에 있어서 이중토치를 이용한 본 발명의 광섬유 모재의 제조 방법 및 장치에 따르면, 두개의 토치를 설치하여 수팅, 탈수, 소결의 세 공정을 수팅과 탈수, 탈수와 소결공정이 동시에 이루어지도록함으로서 토치의 왕복 횟수 및 왕복시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 탈수공정을 반복 실시하므로 1차 탈수 후 잔존하는 수분을 완전히 제거할 수 있다. 따라서, OH-기에 의해 1385nm 파장대에서 발생하는 광손실을 현저히 감소시킴으로서 넓은 파장대역에서 사용할 수 있는 광섬유의 제조가 가능하다.

Claims (8)

  1. MCVD공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 방법에 있어서,
    석영튜브(10) 내로 반응가스, 산소가스 및 탈수가스를 투입하면서, 제 1토치(21)로 상기 튜브를 소결온도 이하로 가열하여 수트입자를 생성 및 증착시키고, 상기 제 1토치(21)와 이격 설치된 제 2토치(22)를 이용하여 상기 제 1토치(21) 통과 후 상기 튜브를 소정 온도로 가열하여 수트입자 내의 수분기를 제거하는 제 1단계;와
    상기 수트입자 내의 수분기를 제거하는 공정을 상기 제 1토치(21)를 이용하여 다시 한번 실시하고, 상기 수분이 제거된 수트입자들이 유리화 되도록 제 2토치(22)를 이용하여 소결 온도 이상으로 가열하는 제 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수트입자의 생성 및 증착을 위한 온도는 1700℃ 이하이며, 수분기의 제거를 위한 온도는 1200℃ 이하이고, 유리화를 위한 소결 온도는 1700℃ 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1토치(21)와 제 2토치(22)는 100mm 이상 상호 이격되어 이동하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 토치(21, 22)는 500mm/min 이하의 서로 다른 속도로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 방법.
  5. 석영튜브 내부에 수트입자를 증착 및 소결하는 MCVD공법을 이용한 광섬유 모재의 제조 장치에 있어서,
    상기 석영튜브에 반응가스, 산소가스 및 탈수가스를 공급하는 가스공급부;및
    상기 석영튜브 외부에 인접 설치되어 왕복운동하면서 순차적으로 서로 다른 온도로 상기 석영튜브를 가열하는 제 1토치(21)와, 상기 제 1토치(21)와 이격설치되는 제 2토치(22);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1토치(21)는 수트입자를 생성 및 증착시키기 위해 소결온도 이하로 석영튜브를 가열하고, 순차적으로 상기 제 2토치(22)는 수분을 제거하기 위해 소정온도로 석영튜브에 열을 공급하며,
    상기 제 1토치(21)는 수분을 제거하기 위한 소정온도로 석영튜브를 재가열하고, 순차적으로 상기 제 2토치(22)는 탈수된 수트입자를 유리화시키기 위한 소결온도 이상으로 석영튜브를 가열하도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 토치(21, 22)는 수트입자의 생성 및 증착시 1700℃이하의 열을 상기 석영튜브에 공급하고, 수분을 제거할 때에는 1200℃이하의 열을 석영튜브에 공급하며, 수트입자를 유리화 할때는 1700℃이상의 온도를 상기 석영튜브에 공급하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조 장치.
  8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1토치(21)와 제 2토치(22)는 100 mm 이상 상호 이격되어 이동하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재의 제조 장치.
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