KR20050081437A - 다공 광섬유용 모재의 제조방법 - Google Patents

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KR20050081437A
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Abstract

본 발명은 공기구멍을 갖는 다공 광섬유용 모재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 다공 광섬유용 모재의 제조방법에 있어서, (a) 원통형의 몰드와, 내부압력의 조절에 의해 팽창/수축되는 다수의 막대형의 튜브를 준비하고 상기 튜브를 팽창시켜 상기 몰드에 예정된 배열로 배치하는 과정과; (b) 실리카 함유 솔을 상기 몰드에 주입하고 젤화하는 과정과; (c) 상기 젤을 상기 몰드로부터 분리하고 상기 튜브를 수축시켜 상기 젤 내에 길이방향으로 신장된 공기구멍을 형성하는 과정과; (d) 상기 공기구멍이 형성된 젤을 건조시킨 후 상기 튜브를 제거하고, 상기 건조 젤을 소결하는 과정을 포함함을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 솔-젤 공법에 의한 다공 광섬유용 모재의 제조시 건조 젤에 충격을 주지 않고 공기구멍 형성용 물질을 제거할 수 있다.

Description

다공 광섬유용 모재의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING HOLEY FIBER PREFORM}
본 발명은 공기구멍(air hole)을 갖는 다공 광섬유(holey fiber)용 모재(preform)의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 단일모드 광섬유는 코어와 클래딩의 굴절률 차이에 의한 빛의 반사를 이용하여 데이터를 전송하며, 유리에 저마늄(Germanium) 또는 인(Phosphorus)을 첨가하여 코어로 사용한다. 반면, 다공 광섬유는 도 1에 도시된 바와 같이 융합된 석영 유리(1)와 같은 단일 고체상의 실질적으로 투명한 소재로 만들어지며, 그 내부에 섬유의 전체 길이를 따라 섬유 축에 평행하게 연장되어 뻗어 있는 규칙적인 배열의 공기구멍(air hole)(2)이 형성되어 있다.
다공 광섬유는 규칙적인 배열 형태 내에 있어서 공기층과 석영 유리층의 유전상수 차이를 이용하여 광자 전이층을 만들고, 이러한 광자 전이층은 반도체에서의 전자 전이층(electronic band-gap)처럼 특정 파장이나 광파 진행 방향에 대해 광 저지대역(Photonic stop band)을 갖게 한다. 즉, 광자 전이층의 조건을 만족하는 빛만 광자 전이층을 통과할 수 있다.
다시 말해, 다공 광섬유 내에서의 빛의 진행은 포토닉 밴드갭 효과(Photonic Band-gap Effect)와 유효 굴절률 효과(Effective Index Effect)에 의해 이루어지며, 이에 대해서는 공개된 논문 T.A.Birks et al., Electronic Letters, Vol.31(22) p.1941(October 1995) 및 J.C.Knight et al., Proceeding of OFC, PD 3-1(February, 1996) 등에 상세히 개시된 바 있다.
이러한, 다공 광섬유는 기술적으로 많은 중요한 특성을 가지고 있다. 예컨대, 광범위한 파장 범위에 걸쳐 단일 모드를 지원할 수 있으며, 큰 모드 영역을 가질 수 있으므로 높은 광 파워(Optical Power)를 전송할 수 있고, 1.55㎛의 원격통신 파장에서 큰 상분산을 나타낼 수가 있다. 또한, 비선형성의 증가/감소 및 편광조절 소자 등으로 부각되고 있다. 따라서 이와 같이 많은 기능성을 가지고 있는 광자결정 광섬유에 대한 특성이 속속 보고되면서 가까운 미래에 다공 광섬유가 광통신 및 광산업에 광범위하게 적용될 것으로 기대된다.
한편, 다공 광섬유를 제조하기 위한 종래의 다공 광섬유용 모재의 제조방법에는 글라스 적재(glass stacking)법, 글라스 천공(glass drilling)법, 솔-젤(sol-gel)의 몰딩(molding)법 등이 대표적이다.
글라스 적재(glass stacking)법은 유리 튜브를 원하는 형상으로 적재하여(stacking) 묶고 신장(elongation)하는 공정을 여러 번 반복 시행하여 모재를 제작하는 공법이다. 그러나, 글라스 적제법은 작업자의 수작업에 의해 조립되고 이에 따라 조립과정에서 오염들을 유발시켜 세척 등의 작업을 반복적으로 필요로 한다. 결국, 제조비용이 높고 공정시간이 길어지는 단점이 있다.
글라스 천공(glass drilling)법은 글라스 내에 천공(drilling) 작업으로 공기구멍을 형성하는 제조공법으로써 공기구멍 내면이 깨끗하게 처리되기 어렵고 단단한 글라스의 가공으로 인해 가공비가 비싼 단점이 있다.
솔-젤 공법은 길이 방향의 원통형 몰드에 여러 개의 공기구멍 형성용 막대를 배치한 다음, 액체 상태의 원료 물질을 몰드에 주입하고 젤 상태로 만든 후 공기구멍 형성용 막대를 제거하고 소결시킴으로써 다공 광섬유용 모재를 제조하는 공법으로써 공정이 간편하며 생산 원가가 현저히 낮은 이점이 있다. 그러나 종래의 솔-젤 공법에서는 공기구멍 형성용 막대가 고형(solid)의 물질로 이루어지며 이에 따라 젤 형성 후 공기구멍 형성용 막대를 제거하는 과정에서 젤에 충격을 주지 않고 제거하는 데에 어려움이 따른다. 예를 들어 젤 내의 하나의 공기구멍에 가해진 충격은 이후의 건조 및 열처리 과정에서 크랙(crack)을 발생하며 모재 전체에 영향을 끼치게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 솔-젤 공법에 의한 다공 광섬유용 모재의 제조시 건조 젤에 충격을 주지 않고 공기구멍 형성용 물질을 제거할 수 있는 다공 광섬유용 모재의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다공 광섬유용 모재의 제조방법에 있어서, (a) 원통형의 몰드와, 내부압력의 조절에 의해 팽창/수축되는 다수의 막대형의 튜브를 준비하고 상기 튜브를 팽창시켜 상기 몰드에 예정된 배열로 배치하는 과정과; (b) 실리카 함유 솔을 상기 몰드에 주입하고 젤화하는 과정과; (c) 상기 젤을 상기 몰드로부터 분리하고 상기 튜브를 수축시켜 상기 젤 내에 길이방향으로 신장된 공기구멍을 형성하는 과정과; (d) 상기 공기구멍이 형성된 젤을 건조시킨 후 상기 튜브를 제거하고, 상기 건조 젤을 소결하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 공기구멍 형성용 튜브의 배열 또는 상기 공기구멍들 사이의 간격에 의해 상기 다공 광섬유용 모재로부터 제조되는 다공 광섬유의 광전송 특성을 조절할 수 있음을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 막대형의 튜브는 탄성을 가지거나, 그 내부압력이 상승함에 따라 팽창하고 내부압력이 하강함에 따라 수축함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공 광섬유용 모재의 제조과정을 나타낸 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다공 광섬유용 모재의 제조방법은, 몰드 준비 과정(providing a mold, 100), 솔 형성 과정(sol forming, 200), 젤화 과정(300), 디몰딩 과정(demolding, 400), 젤 건조 과정(gel dry, 500), 열처리 과정(600), 소결 과정(sintering, 700)의 순서로 이루어진다.
상기 몰드 준비 과정(100)은 공기구멍 형성용 튜브가 예정된 배열로 배치된 다공 광섬유용 모재 형성용 몰드를 준비하는 과정이다. 도 3은 본 발명에 적용되는 몰드의 구성예를 나타낸 도면으로써, 상기 몰드(30)는 원통형의 용기(31)와, 공기구멍 형성을 위한 다수의 막대형 튜브(32)와, 상기 공기구멍의 배열을 결정하는 상부 및 하부 핀 고정대(33, 34)와, 상기 상부 핀 고정대(33)를 상기 용기(31)에 고정시키기 위한 고정 볼트(35)와, 하부 캡(36)과, 솔 주입구(37)을 포함하여 구성된다. 상기 막대형 튜브(32)는 탄성을 지니는 물질, 예컨대 고분자 재질의 튜브(polymer tube)로써 유동성 물질 유입구(38)를 구비하며, 상기 유입구(38)를 통해 유입되는 유동성물질에 의해 조절되는 내부압력에 따라 팽창 또는 수축하는 특성을 가진다.
상기 솔 형성 과정(200)은 실리카 글라스 제조의 출발물질인 실리콘 알콕사이드(Silicon Alkoxide) 또는 발연 실리카(Fumed Silica)를 솔 상태로 만드는 공정이다. 실리콘 알콕사이드를 출발물질로 이용하여 솔을 형성하는 공정은 실리콘 알콕사이드에 알콜, 물과 같은 용매를 첨가하여 가수분해 반응을 실시하여 이루어진다. 발연 실리카를 출발물질로 이용한 경우에는 발연실리카에 분산제, 가소제 등을 첨가하고 탈이온수에 분산하여 솔을 형성한 후 소정 시간동안 숙성시킴으로써 솔을 형성한다.
상기 젤화 과정(300)은 상기 솔을 일정한 형태를 가진 몰드 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같은 몰드(30)에 주입하고 중합 개시제(301), 촉매(302) 등을 첨가하여 젤화시키는 공정이다. 이때, 상기 공기구멍 형성을 위한 다수의 막대형 튜브(32)는 유동성 물질 유입구(38)를 통해 튜브 내부에 유동성물질 예를 들면 공기 또는 액상물질이 유입됨으로써 내부압력이 상승하여 팽창된 상태를 유지한다.
상기 디몰딩 과정(400)은 젤화가 완료된 후 젤을 몰드로부터 분리하는 공정이다. 이때, 상기 공기구멍 형성용 막대형 튜브(32)는 젤 내에 그대로 남겨둔다.
상기 젤 건조 과정(500)은 몰드로부터 분리된 젤을 건조시켜 건조 젤을 형성하는 공정으로, 20~50℃, RH70~95% 범위의 항온항습 장치에서 1주일간 건조시킴으로써 이루어진다. 이때, 막대형 튜브 내부의 압력력을 조절함으로써 건조시에 젤이 수축될 경우에도 젤에 손상을 주지 않으면서 젤 내에 존재할 수 있도록 한다. 상기 공기구멍 형성용 막대형 튜브(32)는 젤의 건조가 완료된 시점에 제거되거나 다음 단계인 열처리 과정에서 제거할 수 있다. 상기 막대형 튜브(32)의 제거는 유동성 물질 유입구(38)를 통해 튜브 외부로 유동성물질을 배출시킴으로써 튜브(32) 내부압력을 하강시켜 튜브를 수축시킨 후 제거한다. 이와 같이 건조가 완료되면 젤이 어느 정도 강도를 가지게 되므로 젤에 충격을 주지 않고 튜브를 제거할 수 있다. 또한, 막대형 튜브의 외측 표면에 발수제 및 이형제 등을 코팅할 경우 젤과의 접착을 방지할 수 있다.
상기 열처리 과정(600)은 상기 건조 젤을 열처리하여 젤 내에 남아있는 수분, 첨가된 유기물들을 제거하는 공정이다. 열처리 과정(600)은 건조 젤을 300~700℃ 범위에서 열처리하여 젤 내에 남아있는 수분과 첨가된 유기물들을 제거한 후, 염소기체를 공급하면서 300~1200℃ 범위에서 다시 열처리하여 젤 내에 잔류하는 OH기를 제거함으로써 이루어진다.
상기 소결 과정(700)은 거친 젤을 소결시켜 유리화하는 공정으로, 헬륨기체를 공급하거나 또는 진공 분위기하에서 1100~1600℃ 범위에서 열처리함으로써 고순도의 실리카 유리 다공 광섬유용 모재를 제조하는 공정이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 솔-젤 공법에 의한 다공 광섬유용 모재의 제조시 탄성을 지니거나 내부압력의 조절에 의해 팽창/수축이 가능한 재질의 공기구멍 형성용 막대형 튜브를 사용함으로써 젤의 건조 및 공기구멍 형성용 막대의 제거시에 발생하는 충격으로 인한 젤의 크랙(crack)을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 다공광섬유용 모재의 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다공 광섬유용 모재의 제조과정을 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명에 적용되는 몰드의 구성예를 나타낸 도면.

Claims (12)

  1. 다공 광섬유용 모재의 제조방법에 있어서,
    (a) 원통형의 몰드와, 내부압력의 조절에 의해 팽창/수축되는 다수의 막대형의 튜브를 준비하고 상기 튜브를 팽창시켜 상기 몰드에 예정된 배열로 배치하는 과정과;
    (b) 실리카 함유 솔을 상기 몰드에 주입하고 젤화하는 과정과;
    (c) 상기 젤을 상기 몰드로부터 분리하고 상기 튜브를 수축시켜 상기 젤 내에 길이방향으로 신장된 공기구멍을 형성하는 과정과;
    (d) 상기 공기구멍이 형성된 젤을 건조시킨 후 상기 튜브를 제거하고, 상기 건조 젤을 소결하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기구멍 형성용 튜브의 배열 또는 상기 공기구멍들 사이의 간격에 의해 상기 다공 광섬유용 모재로부터 제조되는 다공 광섬유의 광전송 특성을 조절할 수 있음을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 막대형의 튜브는
    탄성을 가지며, 그 내부압력이 상승함에 따라 팽창하고 상기 내부압력이 하강함에 따라 수축함을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 막대형의 튜브는
    폴리머 재질임을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 막대형의 튜브의 내부압력은
    유동성 물질의 주입 정도에 의해 조절됨을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유동성 물질은
    공기 또는 액상물질을 포함함을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 막대형의 튜브와 상기 젤이 접착되지 않도록 상기 막대형의 튜브에 발수제 및 이형제를 코팅함을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 과정의 상기 막대형의 튜브는
    광자격자 구조로 배치됨을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 과정의 상기 막대형의 튜브는
    불규칙하게 배치됨을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 과정은
    실리콘 알콕사이드를 출발물질로 이용한 가수분해 반응에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 과정은
    발연실리카를 출발물질로 이용한 분산 및 숙성 과정에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 (d) 과정은
    상기 몰드로부터 분리된 성형 젤을 건조시켜 건조 젤을 형성하는 젤 건조 과정과;
    상기 튜브를 제거하는 과정과;
    상기 건조 젤에 함유된 수분 및 불순물을 제거하기 위한 열처리 과정과;
    상기 건조 젤을 소결시켜 유리화하는 소결 과정을 포함함을 특징으로 하는 다공 광섬유용 모재의 제조방법.
KR1020040009680A 2004-02-13 2004-02-13 다공 광섬유용 모재의 제조방법 KR20050081437A (ko)

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