KR20060098740A - 플라즈마 장치와 그를 이용한 광섬유 모재 제작 장치 - Google Patents

플라즈마 장치와 그를 이용한 광섬유 모재 제작 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 장치는 중공을 통해서 전구체 가스가 공급되는 원통형의 내부 전극과, 상기 내부 전극을 그 내부에 실장하며 상기 내부 전극과의 사이의 이격된 공간을 통해서 불활성 혹은 산소 가스가 주입되는 외부 전극과, 상기 외부 전극과 내부 전극의 사이에서 플라즈마를 형성하기 위해서 상기 내부 및 외부 전극에 직류 혹은 고주파 교류 전압을 인가하는 전원부를 포함한다.
외부 기상 증착, 광섬유 모재, 플라즈마

Description

플라즈마 장치와 그를 이용한 광섬유 모재 제작 장치{APPARATUS FOR PLASMA AND APPARATUS FOR OPTICAL PREFORM USING THE SAME}
도 1은 종래의 외부 기상 증착 방식에 의한 광섬유 모재 제작 장치의 개략적인 구성을 설명하기 위한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 장치의 구성만을 개략적으로 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치를 포함하는 광섬유 모재를 제작하기 위한 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면,
도 5와 도 6은 도 3에 도시된 플라즈마 장치의 특성을 설명하기 위한 그래프.
본 발명은 광섬유 모재를 제작하기 위한 장치에 관한 발명으로서, 특히 외부 기상 증착 방법에 의한 광섬유 모재 제작 장치에 관한 발명이다.
통상의 광섬유는 광섬유 모재로부터 인출되며, 상기 광섬유 모재는 반응 열원에서 생성된 화염에 전구체(Precursor) 가스를 산화시킨 슈트(Soot)를 예비 성형물에 증착시키는 외부 기상 증착 방법에 의해 제작될 수 있다.
상술한 반응 열원으로는 플라즈마(Plasma) 방식의 열원들이 사용될 수 있으며, 상술한 기상 축 증착 방식은 튜브 형태의 석영관 내부에 슈트들을 증착시키기 위한 내부 기상 증착 방법과, 로드(road) 형태의 모봉의 둘레에 슈트들을 증착시키기 위한 외부 기상 증착 방법으로 구분될 수 있다. 상기 석영관과 모봉은 광섬유 모재를 제작하기 위한 예비 성형물로 칭할 수 있다.
상술한 내부 외부 기상 증착 방법은 석영관 내부에서 유도 결합 플라즈마(Induced couple plasma)에 의해 기상의 전구체(prescursor) 물질을 산화시킨 슈트(soot)를 플라즈마의 온도 구배에 의한 열영동(thermophersis) 원리를 이용해서 석영관 내부에 증착시키기 위한 모재 제작 방법이다. 상술한 외부 기상 증착 방법은 유도 결합 혹은 방전 플라즈마를 이용해서 기상의 전구체 물질을 산화시킨 슈트를 상기 모봉의 둘레에 플라즈마 제트에 실어서 예비 성형물의 둘레에 증착시키기 위한 모재 제작 방법이다.
상술한 원료 가스로 사용되는 전구체 물질로는 SiCl4 등이 사용 가능하고, 상기 슈트는 산소(O2)와 함께 주입된 전구체 물질들이 플라즈마에 의해 산화된 SiO2 의 물질을 지칭한다.
도 1은 종래의 외부 기상 증착 방식에 의한 광섬유 모재 제작 장치의 개략적인 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 광섬유 모재를 제작하기 위한 모봉(110)은 척 등에 의해 회전 가능하게 고정되고, 상기 모봉(110)의 장축을 따라서 이동 가능하게 위치되며 화염 및 원료 가스를 슈트로 산화시켜서 상기 모봉의 둘레에 분사시키기 위한 플라즈마 장치(120)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 장치(120)의 구성만을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 장치는 예비 성형물인 상기 모봉(110)의 장축을 따라서 왕복 이송하며, 화염 및 산화된 슈트를 분사하는 역할을 수행한다. 도 2를 참조하면, 종래의 플라즈마 장치(120)는 전구체 가스, 산소 가스, 불활성 가스가 주입되는 중공이 형성된 원통형의 플라즈마 관(121)과, 상기 플라즈마 관(121)의 둘레를 나선형으로 감싸며 양 끝단에서 가해진 고주파 교류 전압을 인가해서 상기 플라즈마 관(121)에 플라즈마를 형성하는 나선형 코일(122)을 포함한다.
상기 나선형 코일(122)의 양 끝단에 고주파 교류 전압이 인가되면, 상기 플라즈마 관(121) 내에는 유도 결합 가열에 의한 플라즈마가 생성된다. 상기 플라즈마 관(121)의 일단부를 통해서 불활성 가스, 산소 가스, 전구체 가스들을 포함하는 혼합된 원료 가스를 주입하면, 상기 전구체 가스는 상기 플라즈마 관(121) 내부에서 플라즈마에 의해 가열 되어 산소 가스에 의해 SiO2 재질의 슈트로 산화된다.
상기 슈트는 플라즈마 제트와 함께 예비 성형물인 상기 모봉(110)에 분사됨으로써 상기 모봉(110)의 둘레에 증착된다.
그러나, 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 관 중심과 플라즈마 관 내벽의 온도차로 인한 열영동 현상으로 플라즈마 관 내벽에 산화된 슈트가 증착되는 문제가 발생하게 된다. 플라즈마 관 내벽에 슈트가 증착되는 문제는 플라즈마 관의 토출부를 마모시키고, 플라즈마 관 내부에 주입되는 원료 가스들의 원할한 흐름을 방해하는 부차적인 문제를 유발한다.
본 발명은 입자의 증착 효율이 높고, 장치 내부의 온도 차로 인한 증착이 장치 내부에서 발생되는 것을 억제할 수 있는 플라즈마 장치와 그를 이용한 광섬유 모재 제작 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 장치는,
기설정된 간격 이격되게 위치된 이중 관 구조로서 고주파 교류 전압에 의해 플라즈마를 생성하는 전극들과;
상기 전극들에 고주파 교류 전압을 인가하기 위한 전압부를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구성을 나타내는 도면 이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치(200)는 중공을 통해서 전구체 가스 및 산소 가스(201)가 공급되는 내부 전극(220)과, 상기 내부 전극(220)을 그 내부에 실장하며 상기 내부 전극(220)과의 사이의 이격된 공간을 통해서 불활성 및 산소 가스(202)가 주입되는 외부 전극(210)과, 상기 외부 전극(210)과 내부 전극(220)의 사이에서 플라즈마(203)를 형성하기 위해서 상기 내부 및 외부 전극에 고주파 교류 전압을 인가하기 위한 전원부(240)와, 상기 외부 전극(210)과 상기 내부 전극(220)의 사이에 삽입된 유전체 관(230)을 포함한다.
상기 내부 전극(220)은 중공이 형성된 원통형 관의 형태로서, SiCl4, GeCl4 중 하나 또는 둘의 조합으로 이루어진 전구체 가스 및 산소 가스(201)가 공급된다.
상기 외부 전극(210)은 중공이 형성된 원통형 관의 형태로서, 그 내부에 상기 내부 전극(220)이 실장되며, 상기 내부 전극(220)과 상기 외부 전극(210)은 기 설정된 간격으로 이격되게 위치된다. 상기 외부 및 내부 전극(210, 220)은 전기가 통전 가능한 금속 재질 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 외부 및 내부 전극(210,220) 양 끝단의 개구들은 동일 방향을 향한다.
또한, 상기 외부 전극(210)과 상기 내부 전극(220) 사이의 빈 공간으로 주입되는 불활성 가스들은 He, Ar, Kr, N2 중 하나 또는 둘 이상의 혼합으로 이루어진다.
상기 유전체 관(230)은 원통형 구조로서 상기 외부 및 내부 전극(210, 220)의 사이에 삽입된다. 상기 유전체 관(230)은 한다방전 및 기체의 이온화를 유발하 는 전압을 낮춤으로서, 플라즈마 생성을 활성화시킬 수 있다.
상기 전원부(240)는 상기 내부 및 외부 전극(220, 210) 각각에 전기적으로 연결되며, 플라즈마를 생성하기 위한 전원을 상기 내부 및 외부 전극(220, 210) 각각으로 인가한다. 즉, 상기 외부 및 내부 전극(210, 220)에 서로 반대 극성의 전압이 인가되면 두 전극의 사이에서 방전 및 기체 이온화에 의해 플라즈마가 생성된다. 상기 내부 및 외부 전극(220, 210)에 고주파 전압이 인가되면 플라즈마의 생성이 보다 더 활성화될 수 있다.
상기 플라즈마 장치(200)는 외부 및 내부 전극(210, 220)이 원통 배열의 중공 형태를 갖음으로써 중공 형상의 플라즈마 제트를 상기 모봉(310)에 분사할 수 있다. 상기 외부 및 내부 전극(210, 220)의 사이에서 생성된 플라즈마는 상기 내부 전극(220)의 내부로 주입되는 전구체 가스 및 산소 가스에 열을 가해서 상기 전구체 가스가 슈트로 산화시킨다.
도 5와 도 6은 도 3에 도시된 플라즈마 장치의 온도 특성을 설명하기 위한 그래프로서, 플라즈마 장치의 내부 전극 내부로부터 외부 전극 내벽까지의 온도 분포를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 플라즈마 장치 중심의 온도가 플라즈마 장치의 외곽의 온도보다 낮기 때문에 열영동에 의해 슈트가 플라즈마 장치 내벽에 증착되지 않을 수 있다. 도 6을 참조하면, 플라즈마에서 분사되는 플라즈마의 제트는 상기 모봉(310)에 인접할 수록 그 온도가 낮은 반면에, 상기 모봉(310)으로부터 멀어질 수록 그 온도가 높아짐을 알 수 있다. 따라서, 슈트들이 열영동에 의해서 상기 모봉(310)의 둘레에 증착이 용이하게 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치를 포함하는 광섬유 모재를 제작하기 위한 장치의 동작을 설명하기 위한 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 모재 제작 장치(300)는 한 쌍의 척에 의해 양 끝단이 회전 가능하게 지지된 모봉(310)과, 기설정된 간격 이격되게 위치된 이중 관 구조로서 인가되는 고주파 교류 전압에 의해 플라즈마와, 일단으로 주입된 전구체 가스를 플라즈마와 산소 가스로 슈트로 산화시켜서 상기 모봉(310)의 둘레에 증착시키기 위한 플라즈마 장치(320)를 포함한다. 광섬유 모제 제작 장치는 상기 모봉(310)을 회전 가능하게 지지하기 위한 척(미도시)을 포함하며, 상기 모봉(310)은 선반(미도시)에 작업 가능하게 장착되며, 상기 플라즈마 장치(320)는 선반 상에 이송 가능하게 장착된다.
상기 플라즈마 장치(320)는 내부 전극(322)과, 외부 전극(321)과, 유전체 관(323)과, 전원부(324)를 포함한다.
상기 내부 전극(322)은 그 내부에 전구체 및 산소 가스(301)가 주입되고, 상기 외부 전극(321)과 상기 내부 전극(322)의 사이에는 불활성 및 산소 가스(302)가 주입된다. 상기 전원부(324)로부터 상기 외부 전극(321) 및 상기 내부 전극(322)에 전압이 인가되며 상기 외부 및 내부 전극(321, 322)의 사이에서 플라즈마가 발생되며, 상기 내부 전극(322)의 내부로 주입되는 전구체 가스 등은 플라즈마의 열에 의해 가열되며 산소와 함께 산화 반응을 일으키며 슈트로 산화된다.
상기 플라즈마 장치(320)는 내부 전극과 외부 전극의 사이에서 플라즈마를 생성함으로써, 상기 모봉(310)에 분사되는 플라즈마 제트의 중심부는 일종의 열의 동공을 형성하게 된다. 즉, 상기 모봉(310)에 분사되는 플라즈마 제트는 중심부에서 외곽으로 갈수록 그 온도가 높아진다. 따라서, 직접적으로 모봉에 가해지는 열이 상대적으로 플라즈마 제트의 외부보다 낮아지고, 이는 열영동 발생의 효율을 향상시킨다.
상기 슈트는 상기 플라즈마 장치(320)에서 분사되는 플라즈마의 기류를 타고 상기 모봉(310)의 둘레에 증착된다.
본 발명에 따른 플라즈마 장치는 이중 관 형태를 갖고, 내부에 위치된 관을 통해서 전구체 물질을 포함하는 원료 가스가 공급됨으로, 플라즈마의 온도 보다 충분히 낮아 반응 후에 슈트가 완전히 유리화 되지 않은 고체 상태로 예비 성형물의 둘레에 증착된다. 따라서, 증착 공정이 완전히 종료된 후에 증착된 슈트로부터 기체의 제거 및 탈수 공정이 용이하다.
더욱이, 플라즈마 장치 내부의 온도가 충분히 낮음으로 게르마늄 산화물의 기화 반응과 석영 유리 망목 구조의 결함을 억제함으로써, 결과적으로 모재 내 망목 결함 농도를 낮추고 수소의 결합을 억제하여 수소 결합에 의한 투과 손실 발생을 억제할 수 있다. 또한, 예비 성형물의 둘레에 석영 유리 입자를 포함하는 저온의 기체가 성장되고, 고온의 플라즈마가 이를 둘러싸게 되므로 열영동 작용에 의한 입자의 증착 효율이 향상되는 이점을 갖는다.

Claims (9)

  1. 플라즈마 장치에 있어서,
    기설정된 간격으로 이격되게 위치된 이중 관 구조로서 고주파 교류 전압에 의해 플라즈마를 생성하는 전극들과;
    상기 전극들에 고주파 교류 전압을 인가하기 위한 전압부를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  2. 플라즈마 장치에 있어서,
    중공을 통해서 전구체 및 산소 가스가 공급되는 내부 전극과;
    상기 내부 전극을 그 내부에 실장하며 상기 내부 전극과의 사이의 이격된 공간을 통해서 불활성 및 산소 가스가 주입되는 외부 전극과;
    상기 외부 전극과 내부 전극의 사이에서 플라즈마를 형성하기 위해서 상기 내부 및 외부 전극에 고주파 교류 전압을 인가하는 전원부를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 플라즈마 장치는,
    상기 외부 전극과 상기 내부 전극의 사이에 삽입된 유전체 관을 더 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 전구체 가스는 SiCl4, GeCl4 중 하나 또는 둘의 조합으로 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 He, Ar, Kr, N2 중 하나 또는 둘 이상의 혼합으로 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  6. 외부 기상 증착 방식에 의한 광섬유 모재 제작 장치에 있어서,
    한 쌍의 척에 의해 양 끝단이 회전 가능하게 지지된 모봉과;
    기설정된 간격 이격되게 위치된 이중 관 구조로서 인가되는 고주파 교류 전압에 의해 플라즈마와, 일단으로 주입된 전구체 가스를 플라즈마와 산소 가스로 슈트로 산화시켜서 상기 모봉의 둘레에 증착시키기 위한 플라즈마 장치를 포함하는 광섬유 모재 제작 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 플라즈마 장치는,
    중공을 통해서 전구체 및 산소 가스가 공급되는 내부 전극과;
    상기 내부 전극을 그 내부에 실장하며 상기 내부 전극과의 사이의 이격된 공간을 통해서 불활성 및 산소 가스가 주입되는 외부 전극과;
    상기 외부 전극과 내부 전극의 사이에서 플라즈마를 형성하기 위해서 상기 내부 및 외부 전극에 고주파 교류 전압을 인가하는 전원부를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 장치는 상기 내부 전극 및 상기 외부 전극의 사이에 삽입된 유전체 관을 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 플라즈마 장치는,
    상기 모봉에 가해지는 플라즈마는 상기 모봉에 인접한 부분에서 외부로 갈수록 그 온도가 높아짐을 특징으로 하는 광섬유 모재 제작 장치.
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