KR20040042054A

KR20040042054A - 광섬유 프리폼 제조에서 광화학 반응에 의한 탈수 방법

Info

Publication number: KR20040042054A
Application number: KR1020020070176A
Authority: KR
Inventors: 장기완; 이찬주; 박지상; 손순일; 권영일
Original assignee: 엘지전선 주식회사
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-05-20
Also published as: AU2003273084A1; WO2004043870A1

Abstract

본 발명은 광섬유 프리폼의 제조시에 수분 또는 수산기를 제거하는 탈수 공정에서 염소 가스를 포함하는 탈수가스의 이온화(또는 원자화)를 촉진시키는 방법에 관한 것으로, 수트가 생성되는 반응 지역에서 상기 탈수 가스에 특정 대역의 빛을 직접 조사해서 광화학 반응에 의해 이 탈수 가수의 이온화를 촉진하고; 그리고 이온화된 이 탈수 가스에 의해서 수소를 포함하는 불순물을 화학 반응에 의해서 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 프리폼 제조에서 광화학 반응에 의한 탈수 방법{Methods for Removing OH by Photochemical Reaction to Making Optical Fiber Preform}

본 발명은 광섬유 프리폼 제조에서 광화학 반응에 의한 탈수 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 반응가스(SiCl₄, GeCl₄, POCl₄등)를 합성 튜브에 증착하는 과정에서 탈수가스(Cl₂)의 이온화를 빛에 의해 촉진시켜 수산기를 제거하는 방법에 관한 것이다.

수정화학기상증착공법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)은 광섬유 제조공법 중 하나로서 클래드를 먼저 조성한 다음 그 내부에 코어층을 조성하는 방법을 사용한다.

이와 같은 수정화학기상증착공법(MCVD)을 위해서 도 1에 도시된 바와 같이, 합성 튜브(10)를 선반(8)에 거치시킨 후 이 튜브(10)를 회전시키면서 튜브 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃와 같은 반응가스를 산소가스와 함께 불어 넣어준다. 동시에, 튜브(10) 바깥에서는 안으로 투입되어지는 반응가스들이 충분히 반응되어지도록 1600℃이상의 온도로 가열시키는 화염버너 또는 토치(14)를 왕복운동시켜준다.

토치가 한번 왕복할 때마다 가열된 부분은 할로겐화합물(halide) 기체의 산화반응에 의하여 유리미분체(fine glass particle: 이하. '수트')가 생성이 되고, 이 수트는 토치(14)가 진행하는, 그러면서 아직 가열되어지지 않은 부분으로 이동하여 열영동현상(thermophoresis)에 의해 튜브(10)의 안쪽 표면에 달라붙게 된다. 아래 반응식 1은 이 할로겐화합물(halide) 기체의 반응식이다.

SiCl₄＋ O₂→SiO₂+ 2Cl₂

GeCl₄＋ O₂→GeO₂+ 2Cl₂

튜브의 증착면에 붙은 수트(12)는 바로 이어지는 토치(14)의 열에 의하여 소결(sintering)되어 투명한 유리층(13)이 형성된다. 이 과정이 계속적으로 반복이 되어지면 튜브(10) 내부에 다수의 클래드층과 그 위에 다수의 코어층이 증착된다.

도 1에서와 같은 종래의 산화반응을 보면, 그 산화반응이 1600℃ 이상의 고온에서 이루어지므로 반응되어진 수트(12)들은 바로 이어지는 토치(14)에 의해 소결이 거의 동시에 이루어진다. 때문에, 반응시 내부에 존재하는 수산기(OH)의 제거가 불가능하다.

이때, 생성된 수트 내부의 원자간 결합구조가 도 2에 나타나 있으며, 도면을 참조하면 종래 방식에 의해 생성된 수트에는 다량의 수산기(OH)가 결합되어 있는 것을 알 수 있다.

도 3은 일반적인 싱글모드 광섬유의 1차 프리폼 상태를 도시하는데, 도면에서 도면부호 5는 코어, 6은 클래드층, 7은 합성튜브를 나타낸다. 또한, d는 코어층의 직경을, 그리고 D는 클래드층의 직경을 각각 나타낸다.

한편, 광섬유의 가장 중요한 특성인 광손실은 광섬유 모재의 밀도차 및 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실, 원자내 전자의 전이 에너지 흡수에 따른 자외선 흡수 손실, 격자 진동시 에너지 흡수에 따른 적외선 흡수 손실, 수산기(OH)의 진동에 따른 수산기 흡수 손실과 거시적 구부러짐 손실로 볼 수 있다.

광전송을 위해서는 광손실이 적어야 하며 1300nm 이상 1550nm 이하 파장 대역에서 광손실이 일정 수준 이하로 작아야만 광섬유를 사용할 수 있다. 그러나 1385nm 파장대에서는 수산기(OH) 흡수에 의한 광손실이 크기 때문에 지금까지 1310nm와 1550nm 파장대를 광통신 중심 파장대역으로 사용해왔다. 즉, 1310nm에서 1550nm 까지의 파장대역을 모두 사용하기 위해서는 광섬유 내의 수산기(OH)에 의한 1385nm 파장대의 흡수 손실이 1310nm 파장대의 평균적 광손실값인 0.34dB/Km 보다 작은 값을 가져야만 한다. 그런데, 게르마늄 산화물과 실리콘 산화물로 구성된 코어층은 재료 자체의 밀도차와 조성차에 기인한 레일라이 산란 손실값을 약 0.28dB/Km 정도 가지므로, 적어도 0.06dB/Km 이하의 광손실(광섬유 내의 수산기의 농도가 1 ppb이하)로 제어되어야만 한다.

수산기가 없는(OH-free) 싱글모드 광섬유 제조와 관련하여, 미국특허 US3,737,292, US3,823,995, US3,884,550 등에 알려진 외부기상증착공법(OVD: Outside Vapor Deposition)과 미국특허 US4,737,179, US6,131,415 등에 알려진 기상축증착공법(VAD: Vapor Axial Deposition)으로는 제조가 가능하다고 알려져 왔지만 수정화학기상증착공법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)에서는 보고되어 있지 않다.

다만, 미국특허 US5,397,372에 무수소열원인 플라즈마 열원을 이용하여 수산기가 없는 싱글모드 광섬유를 제조하는 기술이 개시되어 있지만, 그 가능성 및 상업적 가치는 미비한 실정이다.

수정화학기상증착공법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)으로 광섬유의 코어와 클래드를 만들기 위해 사용되는 가스들은 수소를 포함하는 수증기와 염화수소(HCl)기체 등의 불순물을 포함한다. 특히, 수증기는 수트 표면에 물리적 또는 화학적으로 흡착해 수산기를 만들거나 수트 내부로 흡수되어 Si-OH 결합을 형성한다고 알려져 있다. 온도가 150℃ 이상으로 증가시 수트 및 공극 표면에 물리적으로 흡착되어 있던 수증기는 휘발되나 Si-OH 결합은 비교적 안정하여 800℃ 이상의 고온에서도 부분적으로 모재내에 존재하게 되며, 잔존하는 수분의 확산과 실리카 모재와의 화학반응을 통해 Si-OH 결합이 새로 생성되므로 제거하기가 매우 어렵다. 따라서 ppm 단위의 미소량 수산기(OH)를 효과적으로 제거하기 위해서는 실리콘과 수산기(OH) 사이의 화학결합을 끊는 반응물이 필요하고 가장 널리 알려져 있는 물질은 염소 및 염소기를 포함한 기체이다.

다음 반응식 2 는 각각 수분과 수산기를 염소와의 화학 반응으로 제거하는 탈수 반응을 나타낸다.

4Si-OH + 2Cl₂→2SiOSi + 4HCl + O₂

2H₂O + Cl₂→2HCl + O₂

수산기(OH) 제거는 대개 소결이 시작되는 온도인 1200℃ 보다 낮은 온도에서 행해져야 한다. 1200℃ 이상의 온도에서는 부분적으로 소결이 진행되며, 수트 표면에서 일부 용융이 일어나 수트 사이의 공극이 줄어들어 수트층 내에 염소가스가 존재할 수 있는 공간이 줄어 들기 때문이다.

특히, 표면이 녹아 공극을 막으면 염소가 수트층 내부로 확산해 들어오는 것이 근본적으로 차단될 수 있다. 또한, 반응식 2의 반응이 충분히 진행되려면 염소 기체가 수트 층 내에 머무르는 시간이 보장되어야 한다. 위의 반응은 염소 가스를 이용한 탈수 공정시 염소 가스의 농도, 반응 온도, 반응 시간이 중요함을 나타내고 있다. 위의 화학 반응식으로부터 염소 가스의 농도가 클수록, 반응온도가 증가할 수록, 그리고 반응 시간이 길어질수록 Si-OH 결합을 끊는데 효과적임을 알 수 있다.

하지만, 종래의 수정화학기상증착공법(MCVD)은 OVD 나 VAD 공정과는 달리 증착과 소결의 과정이 동시에 진행되어 수트가 형성됨과 거의 동시에 수트들이 용융되면서 치밀화한다. 그리고 이에 따라서 코어 및 클래드 층이 형성된다. 따라서, 소결로 인해 치밀화된 유리층 내부의 Si-OH는 기존 수정화학기상증착공법(MCVD)으로 제조한 광섬유에서는 항상 1385㎚ 대역에서 수산기(OH) 흡수 손실을 야기한다.

이에 본 출원인은 수정화학기상증착공법(Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD)에서 기존의 증착과 소결사이에 탈수공정을 추가하여 기존 수정화학기상증착공법(MCVD)에서 제거하기 어려웠던 수산기를 제거하는 발명을 출원한 바 있다(특허출원 제2002-37360호). 또한, 탈수공정후에 탈염소공정을 추가하여 수정화학기상증착공법(MCVD)에 의해 광섬유 프리폼을 제조하는 발명을 출원한 바 있다(특허출원 제2002-49108호).

그러나 상기 발명에 의하면, 탈수 반응에 있어서 분자 상태의 염소 기체를 이용하기 때문에 반응 효율이 떨어질 뿐만 아니라 불순물이나 온도 등 반응의 제반 조건에 대한 의존도가 심하고, 불안정한 탈수 반응으로 탈수 반응의 재현성을 확보하기가 곤란하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 수트의 소결 온도 아래에서 튜브 내로 투입되는 분자 상태의 염소 가스를 이온화하는데 활성화에너지로 빛을 사용해서 이온화를 촉진시킨 본 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 빛의 주사에 있어서 토치와 같이 광원이 이동하도록 구성함으로써 실제 탈수 반응이 일어나는 영역에서 염소의 이온화를 촉진시켜 탈수 효과의 증대와 함께 수소를 포함하는 반응 가스에서 이 수소를 효과적으로 제거할 수 있도록 한 본 발명을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 광화학 반응을 이용해 수소 또는 수소관련 불순물을 제거하는 모든 광섬유 프리폼 제조 공정(MCVD, VAD, OVD)에서 사용될 수 있는 일반적인 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

도 1 은 수정화학기상증착(MCVD)방식에 의한 종래의 실리카 증착공정을 보여주는 도면이다.

도 2 는 도 1 의 공정을 통해 제작된 실리카 수트의 입자 구조를 나타내는 도면이다.

도 3 은 수정화학기상증착(MCVD)방식에 의해 제조된 광섬유를 도시하는 단면도이다.

도 4a 내지 도4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리폼 제조 공정을 나타내는 도면으로, 도 4a는 수트의 증착 공정을, 도 4b는 탈수 공정을, 도 4c는 소결 공정을 도시한 것이다.

도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 수분 및 수산기를 제거한 수트의 입자 구조를 나타내는 도면이다.

도 6 은 광섬유의 파장대에 따른 손실을 종래기술에 의해 제조된 것과 본 발명에 의해 제조된 것을 비교하여 도시하는 그래프이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

8 : 선반 10 : 합성 튜브 12 : 수트(soot)

13 :소결된 증착층 14 : 토치 16 : 광원(light source)

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 광섬유 프리폼의 제조시에 수분 또는 수산기를 제거하는 탈수 공정에서 염소 가스를 포함하는 탈수가스의 이온화(또는 원자화)를 촉진시키는 방법에 관한 것으로, 수트가 생성되는 반응 지역에서 상기 탈수 가스에 특정 대역의 빛을 직접 조사해서 광화학 반응에 의해 이 탈수 가수의 이온화를 촉진하고; 그리고 이온화된 이 탈수 가스에 의해서 수소를 포함하는 불순물을 화학 반응에 의해서 제거하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 탈수가스에 조사되는 빛은 수트층, 유리화된 증착층, 소결후의 프리폼, 컬렙스(collapse) 후의 프리폼, 인발(draw) 후의 광섬유 코어와 클래드층을 구성하는 기지(matrix)의 조성, 밀도, 기하학적 구조를 변화시키지 않는 파장대로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.

본 발명의 다른 실시예어서, 본 발명은 수정화학기상증착공법(MCVD)을 이용하여 광섬유 프리폼을 제조하는 방법에 있어서, 튜브내로 반응가스와 산소가스를투입하면서 토치를 이용하여 상기 튜브를 가열해서 수트를 튜브에 증착하는 단계; 염소를 포함하는 탈수가스를 상기 튜브에 투입하면서 상기 수트가 생성되는 반응 지역에 특정 파장대의 빛을 조사해서 상기 탈수가스의 이온화(또는, 원자화)를 촉진시켜 수분(또는, 수산기)과의 광화학반응을 일으키고, 이에 따라서 상기 수분을 제거하는 단계; 그리고 상기 튜브를 상기 소결온도 이상의 온도로 가열하여 수트를 유리화해서 소결하는 단계;를 포함해서 구성된다.

바람직하게, 상기 탈수가스는 헬륨, 산소, 질소, 아르곤등의 혼합기체와 상기 튜브로 투입되고, 탈수가스와 헬륨 또는 염소화합물과 상기 혼합기체의 전체 유량 및 개개 유량, 분압비가 염소대비 1 배이상 10배 이하인 것을 특징으로 한다.

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 아니되며, 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 4a 내지 도 4c는 수정화학기상증착공법(MCVD)에 의한 광섬유모재의 증착과정을 순차적으로 도시하고 있다. 도 1 과 동일한 도면 부호는 동일한 기능을 하는 동일한 구성 요소를 가리킨다.

먼저, 도 4a는 수정화학기상증착공법(MCVD)에서 수트(12)를 튜브(10)의 내부표면에 증착하는 공정을 도시한다. 합성 튜브(10)는 선반(8)에 거치된 상태에서 회전되며, 튜브(10)의 외부에는 토치(14)가 왕복운동 가능하도록 설치되어 있다.

이 공정에서, 튜브(10) 내부로 SiCl₄, GeCl₄, POCl₃와 같은 반응가스를 산소가스와 함께 불어 넣어주며, 토치(14)가 왕복운동하면서 튜브(10)를 가열하게 된다. 토치(14)가 왕복운동할 때 공급되는 높은 열에 의해서 할로겐화합물(halide) 기체의 산화반응에 의해 수트가 생성되고, 생성된 수트는 아직 가열되지 않은 부분으로 이동하여 열영동현상에 의해 튜브(10)의 안쪽 표면에 증착하게 된다. 수트(12)가 생성되는 반응은 반응식 1 과 동일하다.

이때, 수트(12)의 증착은 일반적으로 소결온도로 알려진 1600℃보다 낮은 온도로 수행되며, 보다 바람직하게는 실리카 수트 증착시 할로겐화합물 기체들이 수트를 형성하는 충분한 반응 에너지를 가질 수 있도록 1400~1600℃의 온도로 수행된다.

따라서, 토치(14)의 열에 의해 반응되어진 수트들이 열영동현상에 의하여 튜브(10) 내부에 증착하지만 소결이하의 온도를 유지하므로 소결이 되지 않으며 공극이 있는 상태를 유지한다. 그러므로, 수트(12)의 곡률반경이 양의 값을 가져서 수트의 표면에 주로 존재하는 수산기를 제거하기 좋은 상태를 유지하게 한다. 이 상태에서 실리카 수트 내부에는 OH기가 결합되어 있으며, 그러한 원자간 결합구조는 도 2에 도시된 상태와 동일하다.

도 4b는 수트를 증착한 이후에 수산기를 제거하는 공정을 도시한다. 이 공정에서, 튜브(10) 내로는 염소기체를 반드시 포함하는 헬륨, 산소, 질소, 아르곤 등의 혼합기체들이 투입되며, 튜브(10)는 지속적으로 왕복운동하는 토치(14)에 의해서 비교적 낮은 온도로 가열된다. 이 때 증착된 실리카 수트에 소결반응이 일어나지 않도록 토치(14)의 가열온도를 500 ∼ 1300℃로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합기체의 총유량과 각 기체의 유량 및 상대적 분압비는 일정 비율을 유지하는 것이 바람직하다. 특히, 염소와 헬륨 또는 염소화합물과 혼합기체의 전체 유량 및 개개 유량, 분압비를 염소대비 1 배이상 10배 이하로 투입한다.

또한, 이 공정에서는 토치와 동일한 영역을 주사하는 광원이 설치되어 특정 파장의 빛을 염소 기체에 조사한다. 또한, 상기 광원(16)에서 발생하는 빛에 의해 수트층, 유리화된 증착층, 소결 후의 프리폼, 컬렙스(collapse) 후의 프리폼, 인발(draw) 후의 광섬유 코어와 클래드층을 구성하는 기지(matrix)의 조성, 밀도, 기하학적 구조에는 변화가 없어야 하고, 탈수 반응 이외의 화학 반응들이 일어나지 않아야 한다. 실험에 의하면, 상기 조건을 만족하는 광원(16)으로 400㎚ 이하의 자외선이나, 200㎚ 이하의 파장대역을 갖는 레이져를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

특히, 광원(16)은 이 광원(16)에서 튜브(10) 표면과의 거리가 1000mm 이하로 유지하고, 상기 토치(14)의 진행과 동일하게 진행되도록 설치하는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 실제 탈수 반응이 일어나는 영역에서 염소의 이온화를 촉진시킬 수가 있다.

또한, 자외선의 경우 주파수 파장은 400㎚ 이하이고, 출력은 1W 이상이고, 발광장이 1cm이상인 자외선을 방출하는 자외선 램프를 사용하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 자외선 램프로터 나오는 400㎚ 이상의 파장대역의 빛을 차단해주고, 100℃ 이상의 온도에 견딜 수 있는 유리 혹은 유리 복합체를 광원 앞 500 mm 이하에 설치하는 것이 바람직하다.

광원(16)에서 공급되는 빛에 의해 분자 상태의 염소 분자는 반응식 3 과 같이 염소 이온 또는 염소 원자로 분리된다.

Cl₂→2Cl

이 경우 염소 이온(또는, 원자)은 튜브(10) 표면의 수산기와 연쇄반응을 일으킬 반응핵(nucleation) 역할을 하고 탈수 반응이 연쇄적으로 일어날 확률을 증대시켜 결과적으로 탈수 효과를 증가시킨다.

도 5 는 혼합기체에 자외선을 조사하여 수분과 수산기를 제거한 수트 입자를 도시한 도면이다. 도 2와 비교해서, 도 2 와는 달리 수트 내의 수산기(OH)와 수분이 제거된 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기 광원(16)이 공급하는 빛을 반응이 일어나는 영역(토치에 의한 가열 지역과 동일)에다 조사함으로써 염소 분자의 이온화를 촉진시키기 때문에 종래탈수 후 염소를 제거하는 공정을 수행할 필요가 없다.

이원자 분자인 염소와 수소가 튜브 내에 혼합되어 존재할 경우, 염화수소를 형성하려면 높은 활성화 에너지가 필요하다. 튜브 내부에 온도가 충분히 높지 않은 경우에 기체 분자들의 운동 속도는 작기 때문에 분자들의 충돌을 통해서 원자로 분리될 가능성은 매우 작다. 따라서 활성화 에너지를 공급해주는 빛의 공급은 공급되는 빛의 출력과 세기가 증가할수록, 광자(photon)와 반응 기체 분자사이의 충돌 횟수를 증가시키는 역할을 한다. 이러한 빛에너지의 공급은 연쇄 반응 반응핵의 생성 숫자를 증가시키고, 따라서 형성되는 염화수소 분자들의 개수를 증가시키게 된다. 따라서, 하기 반응식 4 에 의해 튜브 내부의 수소이온의 농도를 중량으로 1 ppb 이하가 되게 할 수 있다.

H₂+ Cl₂→2HCl

한편, 종래의 방법에 있어서 염소 분자 기체는 코어 - 클래드간 경계의 역할을 하는 미세한 거품의 원인이 되는 코어 - 클래드간 점도 비매치에 의한 결함 산란 손실의 원인이 될 수 있으며, 염소 분자 기체는 코어내의 GeO₂의 역반응을 증가시켜 코어내의 Ge 분포를 미시적으로 불균일하게 만드는 원인이 되었다.

그러나 본 발명에 의하면, 염소 분자 기체에 특정파장대의 빛을 직접 조사해서 그 반응성을 높였기 때문에 이러한 문제점을 해결할 수가 있다.

본 발명의 광화학 반응에 의한 탈수 공정은 기존의 탈수 반응에 참여하는 염소 기체의 유효 몰수를 2배로 증가시켰으며, 화학적으로 활성이 높은 염소 음이온을 이용함으로써 수분 및 수산기의 제거 효율을 극대화 하였고, 분자 형태의 염소기체를 포함하는 혼합기체를 사용함으로써 야기될 수 있는 여러 단점들을 극복하였다. 더욱이, 본 발명의 광원을 이용한 탈수 공정은 광섬유 프리폼을 제조하는 모든 공법(MCVD, VAD, OVD )에 적용하여 탈수 반응 효율을 개선시킬 수 있다.

상술한 탈수 반응이 충분히 진행되려면 염소 기체가 수트층 내에 머무르는 시간이 보장되어야 하며, 이를 위해서 토치(14)의 이송속도는 700 mm/min 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

도 4c는 수트의 증착, 탈수 공정 이후에 수행되는 소결공정을 도시한다. 도면부호 13 은 소결된 증착층을 나타낸다.

소결공정에서는 토치(14)를 1700 ℃ 이상의 고온으로 유지하면서 수트를 탈수시킴과 동시에 소결시키게 된다. 이 때, 튜브(10) 내로는 염소, 헬륨, 산소를 포함하는 혼합기체를 투입하며, 혼합기체의 전체 유량, 각 기체의 유량 및 이들이 분압비는 일정한 비율을 유지하는 것이 바람직하다.

소결공정에서도 탈수공정에서와 마찬가지로 광원(16)에 의한 특정파장대의 빛을 튜브(10)내에 조사함으로써 탈수공정후 잔존하거나 다시 재오염된 수분과 수산기를 제거할 수 있다.

한편, 도 4a와 도 4b의 공정은 모두 소결온도 이하의 온도에서 수행되기 때문에 수트들은 다공성을 유지하는데, 본 공정에서 다공성 입자들은 1700 ℃ 이상의 고온의 열을 받아 소결되어 이 수트들이 유리화된다. 이 때, 토치(14)의 이송속도는 700 mm/min 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

이와 같은 수트의 증착, 탈수 및 소결공정을 수행하면 한 층의 클래드층이 형성되며, 이 과정은 클래드층이 원하는 두께가 될 때까지 지속적으로 반복된다.

또한, 클래드층이 원하는 두께가 된 후에는 반응물의 투입비율을 다르게 설정하여 증착, 탈수 및 소결공정을 행하여 코어층을 형성하며, 코어층을 일정한 두께까지 생성하면 1차 프리폼(first preform)이 완성된다. 완성된 클래드층 및 코어층의 직경비(D/d)는 1.0 - 5.0 범위내에서 결정하는 것이 바람직하다.

상술한 과정을 거쳐 완성된 1차 프리폼은 이후 컬랩스(collapse)공정 등을 거쳐 광섬유로 완성된다. 이 때, 1 차 프리폼의 외부 표면을 0.7mm 이상 에칭하는 것이 바람직하다. 일반적으로 프리폼의 외부표면은 토치의 가열에 의해 수산기의 함유량이 프리폼 내에서 가장 높고 각종 불순물에 노출되어 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 프리폼의 외부 표면에 실리카를 녹이는 화학물질인 불산(HF) 등을 사용하여 화학적 에칭(chemical etching)을 행하게 되면, 프리폼 표면의 각종 불순물 및 많은 수산기들이 제거되는 효과가 있다.

도 6 은 광섬유 코어에서 발생하는 1100 ㎚ ∼ 1700 ㎚ 영역 전체에서의 손실을 나타내는 그래프이며, 도면에서 종래기술에 의해 제조된 광섬유 코어의 손실은 점선으로, 본 발명에 의해 제조된 광섬유 코어의 손실은 실선으로 나타나 있다.

도면을 참조하면, 기존 수정화학기상증착공법(MCVD)으로 광섬유를 제조시 전 파장대역에 걸쳐 광손실이 높음을 알 수 있다. 그러나 본 발명의 방법에 의해 제조된 광섬유의 경우 1385㎚ 대역의 OH 흡수 손실 peak가 0.30 dB/Km 이하로 현저히줄어들었음을 알 수 있고, 1310 ㎚ 와 1550 ㎚ 대역의 산란에 의한 광손실도 각각 0.34 dB/Km , 0.20 dB/Km 이하로 기존 싱글모드 광섬유와 대비하여 크게 향상되었음을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. 특히, 본 발명의 광화학반응에 의한 탈수 공정은 수정화학기상증착공법(MCVD)에 기초하여 설명하였으나, 이에 한정되지 아니하고 광섬유 프리폼을 제조하는 다른 모든 공법(OVD, VAD)에서 사용 가능하다.

본 발명에 의한 탈수 공정은 수정화학기상증착공법(MCVD) 뿐만 아니라 광섬유 프리폼을 제조하는 모든 공법(OVD, VAD)에 적용하여 탈수 반응 효율을 현저히 개선시킬 수 있으며, 수정화학기상증착공법(MCVD)의 경우 수산기를 1ppb 이하까지 낮추어 1385㎚에서 수산기에 의한 광흡수 손실이 0.30dB/Km 이하인 1차 프리폼 제조가 가능하다. 따라서, 종래의 광섬유에 비해 100㎚ 이상 사용 가능 대역을 확대할 수 있고 1280 - 1620 ㎚ 사이의 어떠한 파장에서도 사용가능한 광섬유를 인발할 수 있다.

Claims

광섬유 프리폼의 제조시에 수분 또는 수산기를 제거하는 탈수 공정에서 염소 가스를 포함하는 탈수가스의 이온화(또는 원자화)를 촉진시키는 방법에 관한 것으로,

수트가 생성되는 반응 지역에서 상기 탈수 가스에 특정 대역의 빛을 직접 조사해서 광화학 반응에 의해 이 탈수 가수의 이온화를 촉진하고; 그리고

이온화된 이 탈수 가스에 의해서 수소를 포함하는 불순물을 화학 반응에 의해서 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탈수가스에 조사되는 빛은 수트층, 유리화된 증착층, 소결후의 프리폼, 컬렙스(collapse) 후의 프리폼, 인발(draw) 후의 광섬유 코어와 클래드층을 구성하는 기지(matrix)의 조성, 밀도, 기하학적 구조를 변화시키지 않는 파장대로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탈수가스에 조사되는 빛은 탈수 반응만을 일으키는 파장대인 것을 특징으로 하는 광섬유 프리폼 제조시 탈수방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탈수가스에 조사되는 빛은 자외선인 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서,

상기 자외선의 파장은 400nm 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 탈수가스에 조사되는 빛은 레이져인 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서

상기 레이져의 파장은 200㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 반응 지역을 가열하는 토치의 이동과 동일하게 상기 빛도 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 화학 반응은 500℃ ∼ 1,300℃의 온도 범위에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 반응 지역을 가열하는 토치의 이동 속도는 700mm/min이하인 것을 특징으로 하는 방법.
수정화학기상증착공법(MCVD)을 이용하여 광섬유 프리폼을 제조하는 방법에 있어서,

(a)튜브내로 반응가스와 산소가스를 투입하면서 토치를 이용하여 상기 튜브를 가열해서 수트를 튜브에 증착하는 단계;

(b)염소를 포함하는 탈수가스를 상기 튜브에 투입하면서 상기 수트가 생성되는 반응 지역에 특정 파장대의 빛을 조사해서 상기 탈수가스의 이온화(또는, 원자화)를 촉진시켜 수분(또는, 수산기)과의 광화학반응을 일으키고, 이에 따라서 상기 수분을 제거하는 단계; 그리고

(c)상기 튜브를 상기 소결온도 이상의 온도로 가열하여 수트를 유리화해서 소결하는 단계;를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 소결 온도는 1,600℃ ∼ 1,700℃인 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서,

상기 (a)단계는 1,400℃ ∼ 1,600℃의 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서,

상기 (b)단계는 500℃ ∼ 1,300℃의 온도 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 빛은 상기 튜브와 1,000mm 이하의 거리를 유지하면서 상기 탈수가스에 직접 조사되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 빛은 상기 토치의 운동과 동일하게 움직이면서 조사되는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 탈수가스에 조사되는 빛은 자외선인 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 자외선의 파장은 400nm 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서,

상기 자외선의 출력은 1W이상, 발광장이 1cm이상인 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 탈수가스에 조사되는 빛은 레이져인 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서

상기 레이져의 파장은 200㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 탈수가스는 헬륨, 산소, 질소, 아르곤등의 혼합기체와 상기 튜브로 투입되고, 탈수가스와 헬륨 또는 염소화합물과 상기 혼합기체의 전체 유량 및 개개 유량, 분압비가 염소대비 1 배이상 10배 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 (c)단계는 상기 (b)단계에 연속해서 빛을 상기 반응지역에 조사하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 방법에 의해서 완성된 클래드층 및 코어층의 직경비(D/d)는 1.0∼5.0 범위내인 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

상기 (c)단계 이후에 완성된 1차 프리폼을 에칭하는 것을 특징으로 하는 방법.
제25항에 있어서,

상기 에칭은 1차 프리폼의 외부 표면을 0.7 mm 이상 에칭하는 것을 특징으로 하는 방법.