KR20050110689A

KR20050110689A - 모재의 제조를 위한 합성 실리카 글래스 튜브, 수직 인발공정을 이용한 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법 및상기 튜브의 이용

Info

Publication number: KR20050110689A
Application number: KR1020057017674A
Authority: KR
Inventors: 올리버 간쯔; 랄프 사트만; 잔 비드라
Original assignee: 신에쯔 세끼에이 가부시키가이샤; 헤라에우스 테네보 게엠베하
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-11-23
Also published as: JP2006520738A; DE10393680B4; US20100260949A1; DE10393680D2; KR101166205B1; US20060191294A1; JP4464958B2; WO2004083141A1

Abstract

모재의 제조를 위한 알려진 합성 석영 글래스 튜브는 용융상태에서 공구를 이용하지 않고 제조된 표면층을 갖는 내부 보어와, 내부영역을 갖는다. 본 발명의 목표는 어떠한 OH기도 주위로 내보내지 않는 튜브를 제공하는 것이다. 이러한 목적을 위하여, 상기 표면층(30)은 10㎛의 두께, 중량%로 5ppm 이하의 평균 OH 함량 및 0.1㎛ 이하의 평균 표면조도 R_a를 갖는다. 상기 표면층(30)에서 시작하여 상기 외부벽 이전의 10㎛에서 끝나는 상기 내부영역(34)은 중량%로 0.2ppm 이하의 평균 OH 함량을 갖는다. 상기 타입의 석영 튜브를 제조하는 간단하고 저렴한 방법은 수직 인발 공정에서 연화된 석영 글래스 매스로부터 튜브 스트랜드를 연속적으로 인발하는 것이다. 배기가스는 상기 튜브의 내부 보어를 통하여 순환하며, 상기 가스는 중량당 100ppb 미만의 수분 함량을 갖는다. 상기 튜브 스트랜드의 전단부는 상기 배기가스가 투과할 수 있고, 통과하여 흐르는 배기 가스(23)의 양을 감소시킬 수 있는 유동장애물(26)에 의하여 막혀있다.

Description

모재의 제조를 위한 합성 실리카 글래스 튜브, 수직 인발 공정을 이용한 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법 및 상기 튜브의 이용{Synthetic silica glass tube for the production of a preform, method for producing the same in a vertical drawing process and use of said tube}

본 발명은 모재(preform)를 제조하기 위한 합성 실리카 글래스 튜브에 관한 것이며, 상기 튜브는 용융상태(molten state)에서 공구 접촉없이(without tool-contact) 제조된 표면층을 갖는 내부 보어, 외부 실린더벽 및 내부 보어와 외부 실린더벽사이에 신장하는 내부영역을 갖는다.

또한, 본 발명은 실리카 글래스 매스(mass)가 가열존에 연속적으로 공급되어 그 안에서 연화되고, 튜브 스트랜드가 상기 연화된 영역으로부터 연속적으로 인발되며, 배기가스가 상기 튜브의 내부 보어를 통하여 순환되고, 실리카 글래스 튜브가 길이로 잘라짐에 의하여 그것으로부터 얻어지는 수직 인발 방법에서 합성 실리카 글래스 튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 실리카 글래스 튜브의 적절한 이용에 관한 것이다.

광섬유(optical fibers) 모재를 제조하기 위한 소위 변경된 화학 증착(MCVD, modified chemical vapor deposition) 방법에서, SiO₂ 및 도프된 SiO₂ 층들은 일반적으로 알려진 것처럼, 소위 순수 실리카 글래스 기재 튜브의 내부에 기체상으로부터 증착된다. 그 내부에 증착된 층들을 포함하는 상기 내부가 코팅된 기재 튜브는 붕괴되어 화이버(fiber)로 인발된다. 통상적으로, 추가적인 클래딩 재료는 화이버 인발 전이나 또는 화이버 인발동안 적용된다.

빛이 전파될 때, 상기 빛 모드(light modes)는 상기 화이버의 코어(core)에서 뿐만 아니라 상기 클래딩(cladding) 영역에서도 가이드된다. 비록 상기 클래딩 영역에서 가이드되는 강도의 비는 상기 화이버 디자인에 의존하여 외부로 갈수록 지수적으로 감소되나, 광학적 전달에 의도되는 파장의 범위에서 높은 추가적인 감쇠를 초래하는 오염물이 그 안에 함유되지 않도록 보증되어야 한다.

실리카 글래스 튜브 및 상술한 형태에 따른 그것의 제조방법은 DE 198 52 704 A1에서 설명된다. 상기 공지의 방법은 SiCl₄를 불꽃 가수분해(flame hydrolysis)함에 의하여 SiO₂ 입자를 만들고 회전하는 캐리어 상의 층들에 상기 입자들을 증착함으로써 수트(soot) 튜브를 제조하는 것에서 시작하여, 다공성의 SiO₂ 수트 튜브를 얻게 된다. 30wtppb 미만의 값으로 상기 하이드록실기(hydroxyl groups)를 감소시키기 위하여, 이러한 방식으로 제조된 상기 수트 튜브는 상승된 온도에서 염소처리되고, 이후 유리로 변화되어 이에 의하여 합성 실리카 글래스 공동 실린더를 형성한다. 상기 공동 실린더의 표면은 기계적으로 매끄러워지고 화학적으로 에칭된다. 이러한 방식으로 선처리된 상기 공동 실린더는 이후 상기 기재 튜브의 최종적인 디멘션으로 신장된다. 고순도, 그리고 상기 용융상태에서 공구-접촉 없이 제조된 매끄러운 내부 표면에 의하여 특징되어지는 수트 튜브가 그것에 의하여 얻어지며, 상기 내부 표면은 상기 MCVD방법에서 이후의 내부 코팅을 위하여 특히 적합하다.

비록 현재 상업적으로 구입이 가능한 상기 기재 튜브가 고순도의 합성하여 제조된 실리카 글래스로 구성되나, 그들은 오염물을 함유한다. 상기 광섬유의 감쇠 특성에 대한 요구가 높아지고, 따라서 그들은 상기 코어 부분을 직접 감싸는 클래딩 재료로써 제한적인 정도로만 적합하다. 통상적으로, 최고 순도의 내부 클래딩 영역이 상기 기재 튜브의 내부벽에 우선 증착되고, 그 후에 그 이후의 코어 영역을 위한 층들이 증착될 것이다. 상기 기재 튜브가 코어 로드(core rod)로 붕괴되고 이후 상기 화이버가 인발되는 동안, 오염물이 상기 기재 튜브로부터 상기 내부 클래딩 영역으로, 그리고 심지어 상기 코어 영역으로 확산할 수 있기 때문에 고온에 도달된다. 수소와 상기 모든 OH 이온들은 특히 위험한 것으로 알려졌다. 상기 SiO₂ 매트릭스로 쉽게 확산하는 수소의 해로운 효과는 그것이 매트릭스 산소와 재결합하여 이에 의하여 OH^-라디칼을 형성할 수 있다는데 있다.

상기 문제를 완화하기 위해, CA 2,335,879 A1에서는 오산화인(phosphorous pentoxide)을 함유하는 추가적인 확산 장벽층이 상기 기재 튜브의 내부에 제조되는 것이 제안되었다. 상기 확산 장벽층은 상기 기재 튜브로부터 상기 내부 클래딩 영역으로 확산하여 나오는 OH 이온을 막기 위한 것이다. 그러나, 이 절차는 상대적으로 복잡하다.

또한, 상기 기재 튜브의 내부표면이 예를 들어, 기계적 밀링(milling), 화학 에칭 또는 플라즈마 에칭에 의하여 제거된다는 것이 알려져 있다. 비록 상기 표면층 위에 또는 내부에 함유된 상기 불순물들의 일부가 제거되더라도, 상기 방법은 상대적으로 느리며, 다른 오염물 또는 표면 결함이 형성될 수 있다. 선택적인 에칭 공정은 특히 해로운 결과를 갖는다. 특히 긴 에칭 시간에서, 이러한 공정들은 고르지 않은 제거를 초래하며, 따라서 상기 표면에 손상을 초래하고, 용융상태에서 제조된 유리한 표면 구조를 파괴하며, 그러므로 추가적인 MCVD 공정에 불리한 결과를 가져올 수 있다.

게다가, 상기 모든 제거방법은 기본적으로 적절하게 제거된 상기 오염된 표면층의 두께가 각각의 경우에서 변할 수 있고, 통상적으로 이것이 정확하게 알려져 있지 않다는 문제를 안고 있다.

따라서, 공구-접촉 없이 제조된 표면을 갖는 합성 실리카 글래스 튜브를 제공하고, 상기 튜브는 OH기의 방출에 대하여 상술한 결점을 보이지 않으며, 이러한 실리카 글래스 튜브를 제조하는 간단하고 저렴한 방법을 제안하는데 본 발명의 목적이 있다.

지금부터 본 발명은 실시예 및 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 상기 도면은 상세하게는 다음과 같다.

도 1은 수직 인발 방법으로 실리카 글래스 공동 실린더를 실리카 글래스 튜브로 연신함에 의하여 기지 튜브를 제조하는 일 실시예를 나타내는 개략도이다.

도 2는 다르게 제조된 기지 튜브, 즉 종래기술에 따라 제조된 도 2a의 기지 튜브와 본 발명에 따라 제조된 도 2b의 기지 튜브의 벽에서의 OH함량 프로파일을 예시하는 도면이다.

상기 실리카 글래스 튜브에 있어서, 상술한 실리카 글래스 튜브로부터 시작하는 상기 목적은 상기 표면층이 10㎛의 두께와 5wtppm 이하의 평균 OH함량, 그리고 그 내부에 0.1㎛ 이하의 평균 표면조도 R_a를 가지며, 상기 표면층에서 시작하여 상부 외부 실린더벽 10㎛ 이전에서 끝나는 상기 내부영역이 0.2wtppm 이하의 평균 OH함량을 갖는 본 발명에 따라 달성된다.

공지의 실리카 글래스 튜브가 이용될 때, 비록 아주 적은 OH함량에도 불구하고, 증가된 OH함량에만 그 원인을 돌릴 수 있는 그러한 문제가 발생할 수 있다. 상기 실리카 글래스 튜브의 아주 적은 OH 함량은 상기 벽 두께 전체를 측정하는 분광학에 의하여 일반적으로 결정된다. 상기 표면층에 함유된 OH기를 측정하는 이러한 방법은 높은 농도로 얇은 표면층에 존재할때조차 좀처럼 알아내기 힘든 것으로 알려져 있다.

만약 명백하게 다르게 진술되지 않는다면, 상기 표면층 위에서 행해진 다음의 관찰은 상기 실리카 글래스 튜브의 내부 보어와 인접한 층에 관한 것이며, 그것은 특히 모재 제조에 중요하며, 특히 상기 MCVD방법에 중요하다. 상기 실리카 글래스 튜브는 상기 표면층과 상기 외부 실린더 벽 사이에서 신장하는 상기 내부영역으로 구성된다. 상기 내부 영역은 비교적 균일한 특성의 상기 재료를 갖는 영역이며, 이는 양 측면에서 상기 표면 근처에 오염물을 함유할 수 있는 외부 실린더 벽으로 정의된다. 상기 내부영역의 정의에서 이러한 표면-인접 오염물을 배제하기 위해서, 10㎛ 두께의 상기 각각의 표면(각각 상기 내부벽과 상기 외부 실린더 벽의)이 매번 더해진다. 또한, 상기 내부 영역은 다음에서 "벌크(bulk)"로 불려질 것이다.

본 발명의 상기 실리카 글래스 튜브는 세가지 필수적인 관점을 보여준다:

1. 한편, 상기 벌크 재료는 0.2wtppm 이하, 바람직하게는 0.1wtppm 이하의 낮은 OH 함량을 나타낸다. 이것에 의하여 OH기에 의한 흡수가 피해지고, 상기 클래딩 영역내 강도를 갖는 빛 모드(light modes)는 결과적으로 덜 강하게 감쇠된다.

상기 벌크내 OH 함량에 대한 정보는 분광학에 의해 결정되는 평균 OH 함량을 나타낸다.

2. 또한, 상기 표면층은 10㎛의 깊이까지 낮은 평균 OH 함량을 갖는다. 상기 표면층에서, OH기는 실리카 글래스 튜브 제조과정에서 형성될 수 있다. 이들은 상기 SiO₂ 네트워크에 일반적으로 오직 약하게 결합되며, 화이버 인발동안 높은 온도때문에 광학적으로 보다 효율적인 화이버 영역으로 통과할 수 있고, 따라서 화이버 감쇠에 기여할 수 있다. 상기 표면층에서 이와 같이 약하게 결합된 OH기의 함량은 가능한 낮게 유지되나, 적어도 5wtppm 이하, 바람직하게는 1wtppm 이하의 낮은 평균 OH 함량이 상기 표면층에서 얻어진다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 상기 표면층의 기계적 또는 화학적 제거가 요구되지 않고, 그 결과 가능한 표면 변화에 대한 상기 연관된 노력 및 상술한 결점이 회피된다. 또한, 상기 표면층내 OH 함량도 분광학, 즉 미분적 측정(differential measurement)에 의해 결정된다.

3. 상기 2에 설명된 바와 같이, 본 발명의 실리카 글래스 튜브의 관점은 용융상태에서 공구-접촉없이 제조된 표면을 갖는 모재 제조를 위한 실리카 글래스 튜브의 이용을 허용하는 것이다. 이는 상기 MCVD 방법에 의한 SiO₂ 층의 내부 증착에 특히 적합하다. 본 발명의 상기 실리카 글래스 튜브의 표면층은 인발 공정에서 제조된다. 상기 표면층은 낮은 표면조도에 의하여 실질적으로 특정화되며, 0.1㎛ 이하의 R_a 값에 의해 본 발명의 요점이 정의된다. 상기 표면조도 R_a 의 정의는 EN ISO 4287/1을 따른다.

상기 실리카 글래스 튜브는 도가니 인발 공정 또는 공동 실린더의 연신에 의해 제조될 수 있다.

복합 레디얼 리프렉티브 인덱스 프로파일(complex radial refractive index profiles)의 제조에 있어서, 상기 합성 실리카 글래스는 바람직하게는 플루오르, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅, Al₂O₃, TiO₂ 또는 상기 도펀트들의 조합 형태인 도펀트로 도프된다.

상기 방법에 있어서, 상기 지시한 방법으로부터 시작하여 상기 지시한 목적은 배기가스가 100wtppb 미만의 수분 함량을 가지고 이용되며, 상기 튜브 스트랜드의 전단부가 상기 배기가스를 투과할 수 있으며 그것을 통하여 흐르는 상기 배기가스의 양을 감소시키는 유동장애물(flow obstacle)에 의하여 막혀있는 본 발명에 따라 달성된다.

본 발명의 방법에서, 배기가스는 상기 인발된 튜브 스트랜드의 내부 보어를 통하여 연속적으로 순환된다. 이것에 의하여 상기 내부벽상에 증착이 억제되고, 심지어 오염물이 배출될 수 있다는 것을 알 수 있다.

한편, 100wtppb 미만의 수분 함량을 갖는 배기가스가 본 발명에 따라 이용되며, 그 결과 그 자체의 배기 공정에서 상기 실리카 글래스의 내부벽으로 어떠한 하이드록실 이온도 도입되기 어렵다.

배기 가스가 상기 내부 보어로 도입되고 상기 튜브 스트랜드의 보다 낮은 하단부에서 배출될 수 있다는 점에서 연속적인 배기 공정은 보증된다. 그러나, 상기 튜브 스트랜드의 전단부가 상기 배기가스를 투과시킬 수 있는 유동장애물에 의하여 막혀있다는 점에서 상기 내부 보어로부터 상기 배기 가스의 방해받지 않는 자유로운 배출은 본 발명에 따라 억제된다. 어떠한 공구도 없는 수직 인발 공정에서, 상기 내부 보어에서 우세한 상기 내부압력과 상기 외부로부터 작용하는 상기 외부압력사이의 압력차는 공정제어를 위한 중요한 인자이다. 공정 제어에서, 상기 압력차 또는 상기 내부압력은 예를 들면 상기 튜브 벽 두께 또는 튜브 직경을 제어하기 위하여 이용된다. 상기 내부압력은 상기 배기 가스의 유량에 의하여 주로 정의된다. 자유로운 유출을 가지면, 높은 가스 처리량이 미리 결정된 내부압력을 조절하기 위하여 요구된다. 유동장애물이 없는 절차와 비교할 때, 본 발명에 따라 제공된 상기 유동장애물은 공정 제어를 위해 요구되는 고-순도 배기 가스의 가스 처리량을 감소시키고, 따라서 비용절감 효과를 갖는다. 상기 유동장애물은 상기 내부 보어를 부분적으로 막는 가스상태, 액체 또는 고체상태의 플러그, 또는 상기 내부 보어의 컨스트릭션(constriction)으로 구성된다.

바람직하게, 배기가스는 30wtppb 미만의 수분 함량을 갖는 것이 이용된다.

상기 배기 가스의 수분 함량이 낮아질수록 상기 튜브 스트랜드(tube strand)의 내부벽의 표면으로의 OH기의 도입이 감소된다.

상기 유동장애물에 있어서, 상기 장애물은 상기 튜브 스트랜드(tube strand)의 내부 보어로 돌출하는 플러그에 의하여 형성되어, 상기 플러그가 자유롭게 흐르는 배기가스의 단면을 좁히는 것이 유용함을 알 수 있었다.

상기 플러그는 예를들면, 상기 튜브 스트랜드의 자유로운 전단부로부터 상기 내부 보어로, 바람직하게는 실리카 글래스 튜브가 길이로 잘려지는 상술한 영역까지 돌출된다. 상기 튜브 스트랜드(tube strand)의 길이로의 절단은 공정제어에서 기껏해야 약간씩 변화하여 제조할 수 있다. 상기 플러그(plug)는 다공성 재료(a porous material)로부터 제조되고, 또는 적어도 하나의 연속적인 개구부(opening)를 갖는다.

동등하게 바람직한 대안으로써, 상기 유동장애물(flow obstacle)은 상기 튜브 스트랜드의 전단부상에서 작용하는 가스 커튼에 의하여 형성된다.

상기 가스 커튼(gas curtain)을 제조할때, 고순도 가스가 이용되며, 그 결과 상기 내부 보어의 영역내 발생하는 어떠한 오염문제도 발생하지 않는다. 더욱이, 이러한 절차는 쉽게 처리되는 것을 특징으로 한다. 가스 커튼은 상기 인발된 튜브 스트랜드의 세로축을 가로지르는 방향으로의 가스 흐름에 의하여 얻어진다. 그것은 상기 외부로 흐르는 배기가스에 작용하는 압력을 형성하며, 그것에 의하여 그곳을 통과하는 상기 배기가스의 흐름을 감소시킨다.

상기 방법의 경제성에 있어서, 상기 실리카 글래스 매스가 공동 실린더의 형태로 제공되어, 그것의 전단부에서 시작하여 상기 가열존에 연속적으로 공급되고 그 안에서 부분적으로 연화되며, 상기 튜브 스트랜드는 상기 연화된 영역으로부터 연속적으로 인발되고, 상기 공동 실린더는 그 초기 길이의 적어도 5배, 바람직하게는 적어도 20배만큼 연신됨이 유리한 것을 알 수 있었다.

수직 인발 공정에서 실리카 글래스의 큰 부피 공동 실린더의 연신은 저렴한 튜브의 생산을 허락할 뿐만 아니라, 용융상태에서 공구-접촉없이 형성된 바람직한 내부 표면을 형성한다. 공동 실린더와 튜브 사이의 연신비가 증가함에 따라, 상기 바람직한 표면 품질이 보다 쉽게 조절될 수 있다.

상기 배기 가스가 가스상태의 건조제, 특히 염소함유 가스를 함유할 때에 특히 유리함을 알 수 있었다.

상기 가스형태의 건조제는 할로겐-함유, 특히 염소-함유 물질에 의하여 일반적으로 구성된다. 이들은 상기 배기가스 및 표면층내 잔류하는 수분과 반응하며, 그것에 의하여 상기 튜브의 내부표면을 특히 효과적으로 건조하는 효과가 있다.

또한, 상기 튜브 스트랜드의 내부 보어로 도입되기 전에 상기 배기가스는 건조 공정이 행해지는 것이 유리함을 알 수 있었다.

상기 건조 공정은 물리적 또는 화학적 수단에 의하여 그 안에 함유된 수분 및 탄화수소와 같은 다른 유해한 물질로부터 상기 배기가스를 분리하는데 효과적이다. 예를 들어, 상기 기계적 수단은 물 분자가 잔류하는 적합한 필터로 상기 배기 가스를 도입하는 것을 포함한다.

바람직하게는, 상기 내부 보어로 통과하는 상기 배기 가스의 유량은 80ℓ/분(표준 리터/분) 이하이다.

상기 튜브 스트랜드의 내부벽이 뜨거워질수록 용융상태에서 제조된 상기 바람직한 표면은 보다 평평해진다. 그러나, 상기 배기 가스는 상기 내부 보어의 냉각에 영향을 미칠 수 있으며, 이것은 상기 바람직한 평평한 표면의 형성을 해친다. 상기 냉각 효과는 80ℓ/분까지의 유량으로 매우 낮게 유지되어 상기 표면 품질은 알아볼 수 있을 정도로 왜곡되지 않음을 알 수 있다. 그러한 조건을 얻기 위해, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 공정 제어에 의하여 미리 결정되고 유지되는 상기 내부 압력을 고려할 때, 유동장애물의 이용은 상기 내부 보어내에서 꼭 필요하다.

외부 배기 가스는 바람직하게는 상기 가열존의 영역내 상기 튜브 스트랜드의 외부 클래딩 주위로 흐르며, 상기 배기가스는 상기 외부 배기 가스로 이용된다.

이러한 경우 상기 튜브 스트랜드의 외부 실린더벽 주위로 흐르는 상기 배기 가스는 상기 내부 벽주위에 흐르는 것과 같은 것이다. 그 결과로써, 상기 외부 실린더 벽은 OH기를 거의 가지지 않으며, 이것은 상기 내부 보어내 또는 상기 외부 실린더 벽상에 낮은 OH함량을 갖는 실리카 글래스 튜브를 만든다.

상기 실리카 글래스 튜브로 의도된 이용에 따라, 상기 내부 벽의 질보다 상기 외부 실린더 벽 영역에서의 질이 보다 적은 수요가 있을 것이다. 이러한 경우에 외부 배기 가스가 상기 가열존(heating zone)의 영역내 상기 튜브 스트랜드의 외부 실린더 벽 주위로 흐를 때, 상기 배기가스의 수분 함량은 상기 외부 배기 가스의 수분 함량보다 적어도 10배(the factor 10)까지 낮음을 알 수 있었다.

배기 가스와 비교하여 외부 배기 가스를 이용하는 것은 순도에서 보다 적은 요구를 하기 때문에, 소비 비용은 감소될 수 있다. 외부 배기 가스가 이용될 때, 상기 클래딩이 900℃ 이하의 온도로 냉각될 정도로 적어도 긴 시간동안 상기 튜브 스트랜드의 외부 클래딩 주변으로 상기 가스가 흐르는 것이 특히 유용함을 알 수 있었다.

높은 온도에서 상기 외부 클래딩이 공기와 같은 수분-함유 분위기와 접촉되는 것이 이것에 의하여 억제된다. 900℃ 이상의 온도에서, OH기의 상기 실리카 글래스 매트릭스내로의 결합은 상당한 정도(degree)로 기대될 수 있다. 또한, 여기에서 상기 외부 배기 가스는 상기 튜브 스트랜드의 외부 클래딩의 보다 빠른 냉각에도 기여할 수 있다.

또한, 상기 실리카 글래스 튜브가 수분이 없는 분위기 또는 진공상태에서 적어도 900℃의 온도로 추가적으로 OH 환원처리 되는 것이 특히 유리함을 알 수 있었다.

상기 OH 환원처리 덕분에 상기 표면영역내 OH함량은 상기 내부벽과 상기 외부 실린더 벽상에서 이후 감소될 수 있다.

이러한 관점에서, 상기 OH 환원처리가 중수소-함유 분위기에서의 처리를 포함하는 것이 특히 유리함을 알 수 있었다.

이러한 OH 환원처리에서, 존재하는 OH기는 광학 데이타 전달을 위해 현재 이용되는 것과 같은 파장 범위에서 어떠한 흡수 밴드도 형성하지 않는 OD기로 대체된다.

본 발명의 상기 실리카 글래스 튜브 및 본 발명의 방법에 따라 제조된 상기 실리카 글래스 튜브는 MCVD 방법에서 SiO₂층의 내부 증착을 위한 기지 튜브(substrate tube)로써 특히 적합하다.

도 1은 본 발명의 방법 및 본 방법을 수행하기에 적합한 장치의 일 실시예를 보여준다. 상기 장치는 2300℃ 이상의 온도까지 가열될 수 있는 수직으로 배열된 로(furnace)(1)를 포함하며, 흑연 가열요소(heating element of graphite)를 포함한다.

합성 실리카 글래스 공동 실린더(hollow cylinder)(2)는 위로부터 상기 로(1)까지 수직으로 배열된 세로축(3)을 가지고 도입된다. 상기 공동 실린더(2)의 내부 보어(inner bore)(4)는 플러그(plug)(5)에 의해 위쪽으로 막혀있다. 배기 가스라인(scavenging gas line)(6)은 상기 플러그(5)를 통과하여 상기 내부 보어(4)안으로 도입된다. 상기 배기 가스라인(6)은 가스라인(8)로부터 연결된 프로세스 컨테이너(7)에서 끊기며, 이것은 셧-오프(shut-off) 밸브(9)에 의하여 닫힐 수 있고 필터(10)(Messer Griesheim GmbH의 "Hydrosorb")를 지나 유량계와 제어장치(15)가 제공되는 질소 라인(nitrogen line)(11)으로 연결된다. 질소 스트림은 6, 8, 11 라인을 지나 상기 내부 보어(4)로 통과되며, 그것에 의하여 상기 공급은 화살표(23)에 의하여 상징화된다. 상기 내부 보어(4)안으로 도입되는 상기 질소 스트림의 수분 함량은 10wtppb이다.

압력 변화를 보상하기 위해, 상기 프로세스 컨테이너(7)에는 열리거나 닫힐 수 있는 바이패스(bypass) 밸브(13)가 추가적으로 제공된다. 열려있는 상태에서, 상기 가스의 일부는 상기 프로세스 컨테이너(7)로부터 끊임없이 흘러나오고, 그 결과 제어 행위 또는 다른 이유에 의해 발생되는 흐름 조건의 갑작스러운 변화는 상기 프로세스 컨테이너(7)내 압력변화에 오직 부분적으로 영향을 미친다.

상기 튜브 스트랜드(tube strand)(21)의 보다 낮은 전단부(19)는 직경 4mm의 구멍(hole)(25)을 통과하는 중앙부를 갖는 플러그(26)에 의하여 막혀있다. 상기 질소 스트림(23)의 흐름은 상기 공정 제어에 의한 세팅(setting)에 따라 약 30 표준 리터/분으로 상기 플러그(26)에 의해 감소된다.

상기 로 영역에서의 산화, 특히 상기 흑연 가열요소 및 상기 로(1) 내부의 다른 흑연 부분의 용융손실을 막기 위하여, 상기 로는 질소 스트림(stream)(24)을 위한 입구(inlet)와, 공동 실린더(2)와 로의 내부벽 사이의 공간이 연속적으로 배출되는 출구(outlet)(22)를 포함하는 하우징(14)에 의하여 둘러싸인다. 상기 질소 스트림(24)은 상기 질소 스트림(23)과 동일한 질을 가지며, 상기 두개의 질소 스트림(23, 24)들은 동일한 소스(source)로부터 취해진다.

상기 출구(22)는 상기 로(1)의 바닥면으로부터 1미터의 길이에 걸친 상기 하우징(14)의 부분으로서 슬리브(sleeve)의 방식으로, 그리고 상기 질소 스트림(24)이 상기 인발된 튜브 스트랜드(21)의 외부 클래딩을 따라 흐르도록 신장하는 냉각 통로(27)의 후단부를 형성한다. 상기 냉각 통로(27)의 길이는 공기로 배출될 때 상기 튜브 스트랜드(21)가 상기 출구(22)의 면적에서 오직 약 600℃의 온도를 갖도록 형성된다. 상기 낮은 표면 온도는 상기 실리카 글래스로의 OH기의 결합을 막는다.

본 발명의 제조방법의 대표적인 절차가 지금부터 도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명된다:

상기 공동 실린더(2)는 150mm의 외부 직경과 40mm의 벽 두께를 가진다. 상기 로(1)가 약 2300℃의 그것의 바람직한 온도로 가열된 후에, 상기 공동 실린더(2)는 위로부터 상기 로(1)까지 상기 보다 낮은 단부(the lower end)(19)과 함께 이동되고, 대략적으로 상기 로(1)의 중간에 있는 지점에서 연화된다. 분리된 첫번째 글래스 매스 플러그가 붙잡히며 인발되어짐에 의하여 제거된다는 점에서, 동시에 상기 공동 실린더(2)의 보다 낮은 단부(19)는 상기 로(1)로부터 인발된다. 이어 상기 공동 실린더(2)는 11mm/분의 낮은 속도로 연속적으로 낮아지며, 상기 연화된 단부(19)는 22mm의 내부직경 및 28mm의 외부직경을 갖는 튜브 스트랜드를 형성하기 위하여 640mm/분의 속도로 인발됨에 의하여 제거된다.

상기 인발 공정에서, 필터(10)에서 건조된 상기 질소 스트림(23)은 상기 배기 가스라인(6)을 거쳐 상기 내부 보어(4)로 도입된다. 상기 필터내로 도입되기 전에, 상기 질소 스트림(23)은 순도 등급 4.0(≥99.99%)을 가지며, 그 후에 10wtppb의 잔류 수분을 보인다.

오염물은 상기 내부 보어(4)의 내부 벽 영역에서 상기 질소 스트림(23)에 의하여 버려진다. 그러나, 상기 튜브 스트랜드의 내부벽의 뜨거운 실리카 글래스로의 OH기의 결합은 10wtppb의 매우 낮은 수분함량때문에 가능한 한 적게 유지된다.

대략적으로 대기압이 상기 로의 내부에서보다 크다. 상기 질소 스트림(23)의 흐름은 3mbar의 실질적으로 일정한 내부 압력이 상기 내부 보어(4)에서 세트되도록 하기 위하여 약 20 표준 리터/분으로 상기 유량계와 제어장치(15)에 의하여 세트된다. 상기 인발 공정동안 상기 내부 압력은 연속적으로 측정되며, 상기 질소 스트림(23)의 흐름은 그에 따라 재조정된다. 30ℓ/분의 상대적으로 낮은 유동 속도는 상기 플러그가 상기 질소 스트림(23)의 자유로운 유출을 방해하기 때문에 플러그(26)를 이용함에 의하여 가능하게 된다. 도 2를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명되는 것처럼, 이후 이것은 상기 가스 스트림에 의한 상기 인발된 실리카 글래스 튜브의 내부 벽의 과도한 냉각이 피해지고, 평평한 용융 표면이 얻어지는 결과를 갖는다.

상기 인발된 튜브 스트랜드(21)의 외부 직경 및 벽 두께는 공정 제어에 의하여 조절된다. 크기가 변화하는 경우에 상기 질소 스트림(23)의 양은 조절 유닛에 의하여 조절되기 때문에, 상기 내부 보어(4)내 내부 압력은 조절 변수로 이용되며, 여기에서 상기 압력은 실질적으로 상기 질소 스트림(23)의 결과이다.

상기 인발 공정동안, 상기 질소 스트림(23)의 일부가 상기 밸브(13)를 거쳐 외부로 흐르고 상기 글래스 튜브(21)의 내부 보어(4)내로는 흐르지 않기 때문에 상기 바이패스 밸브(13)는 개방된다. 따라서, 상기 내부 보어(4)내 압력 변화는 감소된다. 상기 바이패스 밸브(13)가 닫혀져 있는 상태에서 상기 질소 스트림(23)의 요구된 양이 약 50%까지 감소된다.

상기 결과물인(resulting) 글래스 튜브(21)는 적당한 조각으로 잘려지고, MCVD 방법에 의한 상기 내부벽 위에 SiO₂ 층을 증착하기 위한 기지 튜브로서 이용된다. 0.06㎛의 평균 표면조도 R_a를 갖는 상기 기지 튜브는 도 2를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명된다.

도 2의 각각의 그림은 기지 튜브의 벽두께에 따른 OH 농도의 프로파일을 보여주는 개략적인 예시이다. 도 2a는 종래기술에 따라 얻어진 기지 튜브의 프로파일을 나타내고, 도 2b는 본 발명에 따라 얻어진 기지 튜브의 프로파일이다.

상기 OH 함량은 y-축상에 상대단위(relative units)로 매번 플롯되며, 상기 기지 튜브의 벽 두께의 반지름은 x축상에 플롯된다. r_i는 상기 기지 튜브의 내부 벽, r_a는 외부 벽을 가리킨다. 10㎛(r_i+ 10㎛)의 두께에서 상기 내부벽 영역내 표면층(30)은 매번 점선(31)으로 대략적으로 그리고, 10㎛(r_a - 10㎛)의 두께에서 상기 외부벽의 영역내 표면층(32)는 점선(33)으로 그린다. 약 3.0mm의 두께를 갖는 내부영역(34)은 표면층(30 및 32)사이에 신장한다.

도 2a는 표준 방법에 따라 제조된 상기 기지 튜브내 OH 함량이 상기 각각의 벽의 고레벨로부터 시작하여 상기 표면층(30 및 32)의 영역내 내부쪽으로 감소하는 것을 나타낸다. 상기 표면층(30 및 32)의 영역내 평균 OH 함량은 각각의 경우 7.4wtppm이고, 상기 내부영역(34)에서는 0.08wtppm이다. 상기 표면층(30 및 32) 영역내 상대적으로 높은 OH함량은 상기 전체 기지 튜브 벽이 엑스선 촬영되는 분광 측정에서 좀처럼 알아내기 어렵다. 상기 표면층(30 및 32)의 평균 OH 함량은 분광시차 측정(spectroscopic differential measurements)에 의하여 결정된다.

도 2a와 비교하여, 도 2b에 따른 본 발명의 기지 튜브는 약 0.08wtppm의 내부영역(34)내 평균 OH 함량을 나타내나, 상기 표면층(30 및 32)의 영역내에서는 명백하게 보다 낮은 OH 함량을 나타낸다. 0.8wtppm의 평균값은 상기 OH 함량을 위한 분광 시차 측정에 의해 결정된다. 그러므로, 본 발명의 상기 기지 튜브는 상기 MCVD 방법에 의하여 상기 화이버 코어주변에 층들을 제조하기 위한 적용에 특히 적합하다.

Claims

용융상태에서 공구-접촉 없이 제조된 표면층을 갖는 내부 보어(bore), 외부 실린더벽, 및 내부 보어와 외부 실린더벽 사이에서 신장하는 내부 영역을 갖는, 모재를 제조하기 위한 합성 실리카 글래스 튜브에 있어서,

상기 표면층(30)은 10㎛의 두께와 5wtppm 이하의 평균 OH 함량 및 그 내부에 0.1㎛ 이하의 평균 표면조도(surface roughness) R_a를 가지며, 그리고

상기 표면층(30) 위에서 시작하여 상기 외부 실린더벽 10㎛ 앞에서 끝나는 상기 내부영역(34)이 0.2wtppm 이하의 평균 OH 함량을 가짐을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브.
제 1항에 있어서, 상기 표면층(30)의 평균 OH 함량이 1wtppm 이하임을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 내부영역(34)의 평균 OH 함량이 0.1wtppm 이하임을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브.
상기 선행하는 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 합성 실리카 글래스는, 플루오르, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅, Al₂O₃, TiO₂ 형태의 도펀트, 또는 상기 도펀트들의 조합형태의 도펀트로 도프됨(dope)을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브.
실리카 글래스 매스(mass)를 연속적으로 가열존(heating zone)에 공급하여 그 내부에서 연화시키고, 그 연화된 영역으로부터 튜브 스트랜드(tube strand)를 연속적으로 인발하며, 그리고 상기 튜브의 내부 보어를 통하여 배기가스를 순환시키고 길이로 절단함으로써 그로부터 실리카 글래스 튜브를 얻는, 수직 인발 방법으로 합성 실리카 글래스 튜브를 제조하는 방법에 있어서,

100wtppb 미만의 수분 함량을 갖는 배기가스(23)가 사용되며, 그리고

상기 튜브 스트랜드(19)의 전단부가, 상기 배기 가스가 투과할 수 있고 그를 통하여 흐르는 상기 배기가스(23)의 양을 감소시키는 유동장애물(flow obstacle)(26)에 의해 막혀있는 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 5항에 있어서, 30wtppb 미만의 수분 함량을 갖는 배기가스(23)가 이용됨을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 유동장애물(26)은 상기 튜브 스트랜드의 내부보어로 돌출하여 그 자유로이 흐르는 배기가스(23)의 단면을 좁히는 플러그에 의해 형성됨을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 유동장애물은 상기 튜브 스트랜드의 전 단부에서 작용하는 가스 커튼(gas curtain)에 의해 형성됨을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
상기 선행하는 제조방법 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 실리카 글래스 매스는, 그 전단부에서 시작하여 상기 가열존(1)에 연속적으로 공급되어 그 일부가 그 내부에서 연화되는 공동 실린더(hollow cylinder:2)의 형태로 제공되며, 그리고 상기 튜브 스트랜드(21)가 상기 연화된 영역으로부터 연속적으로 인발되고,

상기 공동 실린더(2)는 그 초기 길이의 적어도 5배로 늘어나는 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 공동 실린더(2)는 그 초기 길이의 적어도 20배로 늘어나는 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
상기 선행하는 제조방법 청구항들 중에 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스(23)는 가스상태의 건조제, 특히 염소-함유 가스를 함유하는 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
상기 선행하는 제조방법 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스(23)는, 상기 튜브 스트랜드의 내부보어(4)로 유입되기 전에 건조공정처리되는 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
상기 선행하는 제조방법 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부보어(4)를 통과하는 배기가스(23)의 유량이 80ℓ/min 이하인 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
상기 제조방법에 관한 청구항 중에 어느 한 항에 있어서, 외부 배기가스(24)가 상기 가열존(1)의 영역에서 상기 튜브 스트랜드(21)의 외부 클래딩(cladding) 주위로 흐르고, 상기 배기가스(23)의 수분함량은 상기 외부 배기가스(24) 보다 적어도 10배(factor 10) 만큼 낮은 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 6항 내지 제 13항 중에 어느 한 항에 있어서, 외부 배기가스(24)가 상기 가열존(1) 영역에서 상기 튜브 스트랜드(21)의 외부 클래딩 주위로 흐르고, 상기 배기가스(23)가 상기 외부 배기가스(24)로 이용됨을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서, 상기 외부 배기가스(24)는, 적어도 상기 스트랜드가 900℃ 이하의 온도로 냉각되도록 하는 긴 시간 동안 상기 튜브 스트랜드(21)의 외부 클래딩 주위로 흐르는 것을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
상기 선행하는 제조방법 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리카 글래스 튜브는, 수분이 없는 분위기 또는 진공상태에서 적어도 900℃의 온도로 OH 환원처리됨을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 OH 환원처리는 중수소-함유 분위기에서의 처리를 포함함을 특징으로 하는 합성 실리카 글래스 튜브의 제조방법.
제1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 상기 실리카 글래스 튜브, 또는 제 5항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 따라 제조된 실리카 글래스 튜브의, MCVD 방법으로 SiO₂ 층의 내부 증착을 위한 기재 튜브로의 이용.