KR870001290B1 - 광 파이버용 유리모재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광 파이버용 유리모재의 제조방법

제1도(a)(b)는 광파이버의 굴절율 분포도

제2도(a)(b)는 스우트모재의 제조를 설명하는 설명도

제3도는 본 발명의 실시예에 관한 스우트모재의 굴절율 분포도

제4도는 본 발명에 있어서의 굴절율차와 승온 속도와의 관계를 표시한 그래프

제5도는 본 발명에 있어서의 처리 온도와 굴절율차와의 관계를 표시한 그래프

제6도는 본 발명의 실시예에 있어서의 가열처리 후의 유리모재의 굴절율 분포도

제7도는 본 발명의 가열처리의 일례를 표시한 모식도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1)……버너 (2)(3)(4)(5)……가스공급구

(6)……출발부재 (7)……스우트모재

본 발명은 첨가재의 혼입에 수반되는 불편을 최소한 억제하고, 높은 전송 특성을 얻을 수 있는 광파이버용 유리모재의 제조 방법에 관한 것이다.

광파이버용 유리모재는 코어부와 크래드부로 되어 있고, 코오부는 중심부에 위치하여, 빛을 전송하는 관계로 크래드부보다 굴절율을 높게 할 필요가 있다. 예를들면 제1도에 표시한 굴절율차 분포곡선에 있어서, 실리카(SiO₂)를 기준으로 하여 코어부(A)의 굴절율을 크래드부(B)보다 높이는 방법으로써는, 통상 GeO₂, Al₂O₃, TiO₂등 굴절율을 높이는 첨가재를 석영유리 속에 첨가하는 것이 행해진다.

그러나, 상기 첨가재의 첨가에 수반하여 다음과 같은 문제점이 있다.

(a) 첨가재량을 증가하면 첨가재의 첨가에 유래되는 광산란(레일 레이산란)을 일으키게 하고, 이 산란의 크기는 첨가재량에 비례한다. 이런 광산란은 전송상 바람직하지 못하다.

(b) 첨가재를 다량으로 첨가하면 유리모재 중에 기포나 결정상을 발생시킨다. 예를 들면 GeO₂는 GeO 가스발생에 의해 기포가 발생하고, Al₂O₃는 Al₂O₃결정군이 발생하기 쉽다. 이런 기포나 결정상의 존재는 광전송상의 손실 원인으로 되어 바람직하지 않다.

이상과 같은 일로 코어부와 크래드부와의 굴절율차를 크게 유지하면서 또한 코어부와 첨가재량을 될 수 있는 한 적게 하는 것이 요구된다.

이 때문에 굴절율을 낮추는 불소를 이용한 제조 방법이 고려되고 있다. 이 방법은 코어부 GeO₂등의 첨가재를 첨가해서 미리 굴절율을 높이고, 크래드부와의 사이에 소정의 굴절율차를 형성한 후, 불소를 첨가하여, 코어부와 크래드부와의 굴절율차를 유지한채로 전체의 굴절율을 낮추고, 실리카(SiO₂)의 굴절율을 기준으로 해서 외관상 코어부의 첨가재량을 감소시켜서 상기 불합리를 회피하는 것이다. 그러나, 이와같은 제조 방법에 있어서도 불소의 첨가 방법에 대해서 여러 가지의 문제점을 남기고 있다. 예를들면 일본 특공소 55-15682호에 기재된 바와 같이 유리 미립자를 생성하는 화염가수 분해시에 불소를 첨가하는 경우에는, 첨가한 불소의 절대량이 적고, 또 제조 시간도 길다. 이것은 화염중에 존재하는 수분과 불소가스가, 예를 들면 다음식과 같이 반응하여 HF 가스를 발생하기 때문이라고 생각된다.

SF₆+3H₂O→SO₂+6HF………………………………………[1]

이 HF가스는 안정되어 있으며, 고온하에서는 수분이 있는 한 거의 불소계 가스는, 이 HF가스로 변환되어, 조금 남겨진 불소계 가스만이 첨가재 원료로써 이용되게 된다.

또한 이 HF가스는 유리 특히 석영을 침식하는 작용이 있으며 화염 중에 생성된 실리카 미립자와 용이하게 반응한다. 이 반응은 다음에 표시한[2][3]식을 생각할 수 있고, 이 반응으로 생성된 미립자가 소모된다. 또한 식 중에서(s)는 고체 (g)는 가스를 표시한다.

SiO₂(s)+2HF(g)→SiOF₂(g)+H₂O(g)………………………[2]

SiO₂(s)+4HF(g)→SiF₄(g)+2H₂O(g)………………………[3]

이 때문에, 실리카 미립자의 퇴적을 억제하는 작용이 일어나고, 불소계 가스의 첨가물을 증가시킴과 동시에 실리카 미립자의 퇴적 속도가 저하되고, 최종적으로는 전혀 퇴적하지 않는 상태가 된다.

다음에 일본 특개소55-67533호에는 가스미립자 집합체를 제조 후, 그 소결을 불소 분위기 중에서 행하여 불소를 도우프 하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 이 방법에 있어서도 불소의 첨가 속도가 늦고, 또한 Cu, Fe의 혼입을 초래하는 불편이 때에 따라서는 볼 수 있다. 또 1,400℃이상으로 소결할 때, 유리모재의 표면이 현저하게 부식되어, 표면이 평활한 유리모재를 얻을 수가 없다는 문제도 있다. 또한 이러한 부식의 결과, 로심관(爐心管) 속의 불순물이 유리 미립자제 중에 침입하기 쉽게 된다는 불편도 있다.

본 발명은 상기 종래의 제조법에서 볼 수 있는 불편을 해소하고, 높은 전송 특성을 얻을 수 있는 광파이버용 유리모재의 제조 방법을 제공하는 것으로서, 그 구성은, 산화규소를 주성분으로 한 유리미립자 집합체를 가열 처리해서 광파이버용 유리모재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 유리미립자 집합체를 탈수하여 불순물을 제거하기 위한 제1열처리를 실시하고, 이어서 적어도 불소 내지 불소 화합물을 함유하는 가스 분위기 중에서 불소를 첨가하기 위한 제2열처리를 실시하며, 최후에 투명 유리화를 위한 제3열처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.

이하에 본 발명을 실시예와 함께 상세히 설명한다.

본 발명은 유리미립자 집합체(스우트모재)를 형성한 후, 그 소결시에 불소를 첨가하는 것으로서, 이 소결을 독자적인 방법에 의해 행하는 것이다.

먼저 석영 유리의 미립자 집합체 즉 스우트모재는 이제까지 상용되고 있는 여러 가지 방법에 의해서 얻어지는 것을 널리 사용할 수가 있다. 그 일례를 제2도(a)(b)에 표시한다. 제2도 (a)는 VAD법, 제2도의 (b)는 외부 부착법에 의한 경우를 표시한다. 도면 중에서, (1)은 연소용 버너이고, (2)(3)(4)(5)는 원료 가스의 공급구, (6)은 출발부재, (7)은 석영 유리의 미립자 집합체이다. 이들 각 제조법에 의해서 얻어진 스우트모재는 코어부에 GeO₂등이 첨가되고, 예를 들면 제3도에 표시한 굴절율 분포를 가지고 있다.

다음에 상기 스우트모재를 순석영으로 이루어진 로심관 혹은 알루미늄제의 로심관에 장입하여 소결한다. 이 경우, 먼저 상기 스우트모재의 탈수, 불순물 제거를 주안점으로 한 제1단계의 가열처리를 행한다. 이 제1단계의 가열처리는 800℃~1,200℃의 온도 범위가 바람직하다.

800℃이하에서는 불순물을 제거할 수가 없도, 또, 탈수에도 시간이 걸린다. 1,2 00℃이상으로 하면 스우트모재의 수축이 일어나기 시작하고, 제2단계의 가열처리에 있어서 불소를 스우트모재에 첨가하는 것이 곤란하게 된다. 가열 시간은 통상 약 2~4시간이면 된다.

또한 소결 분위기로써는 고순도의 불활성 가스 분위기 중에서 행하면 좋고, 또 불활성 가스 분위기에서 염소계 가스를 첨가 해도 효과적으로 탈수, 불순물의 제거를 행할 수가 있다. 여기서 염소계 가스로써는 Cl₂, SOCl₂, COCl₂, CCl₄등을 사용할 수 있다. 또한 불소 가스에 의한 부식을 효과적으로 방지하기 위해서는 불활성 가스의 농도를 80용량 % 이상으로 하는 것이 바람직 하지만, 0%에서도 큰 지장은 없다. 또 염소계 가스의 농도은 약 10용량 % 정도로 충분하다.

상기 제1단계의 가열 처리에 계속해서 불소 첨가를 주안점으로 한 제2단계의 가열 처리를 행한다. 이 경우의 온도는 1,100℃~1,400℃의 범위가 바람직하다. 소결 분위기로써는 불소 가스 내지 불소 화합물 가스를 첨가한 불활성 가스 분위기 중에서 행한다. 상기 불소 화합물로써는 CF₄, SF₆, SiF₄, COF₂등을 사용할 수 있다.

또 불활성 가스로써는 N₂, Ar, O₂…… 등을 사용할 수 있다. 또한 승온에 있어서, 2~10℃분의 비율로써 가열했다. 제4도에 승온 속도와 스우트 모재로의 불소 첨가량과의 관계를 표시한다. 도면으로부터 명백한 바와 같이 승온 속도가 느릴수록 불소의 첨가량이 많다는 것을 알 수 있다.

제5도에 불소계 가스 첨가 분위기의 처리 온도와 불소 첨가량에 대응하는 굴절율차(Δn)의 관계를 표시한다. 또한 이 경우, 소결 분위기는 염소가스 1몰 %, SF₆10몰 %를 함유하는 He가스 분위기이고 도시한 각 온도를 3시간 유지한 것의 굴절율차(Δn)를 표시한다. 도면으로부터 명백한 바와 같이 1,100℃~1.400℃의 온도 범위에서 굴절율차(Δn)가 크고 불소를 첨가 한다는 점에서 이 범위가 가열처리의 온도로써 가장 적당하다는 것을 알 수 있다.

또한, 가열처리 온도가 1,400℃이상의 경우에는 스우트 모재의 수결이 빨라서, 불소가 효과적으로 첨가되지 않는다. 또, 불소계 가스의 첨가 농도로써는 20몰 %까지가 바람직하다. 이것은 HF가스 정도는 아니지만 첨가 농도가 과다하면 불소 가스에 의한 부식이 약간 발생하기 쉽게 되기 때문이다.

상기 가열 처리에 계속해서 투명 유리화를 주안점으로 하는 제3단계의 가열 처리를 실시한다. 가열 온도는 1,400℃이상, 적어도 1시간 유지하면 좋다. 1,400℃ 이하에서는 유리 미립자가 잔류하여, 소결이 불충분하게 된다. 소결은 He 등의 불활성 가스 분위기 내에서 행한다.

또한, 제7도에 본 발명에 관한 가열 처리의 일례를 모식도로 나타낸다.

또, 상기 가열 처리의 결과 얻어진 유리 모재의 굴절을 분포의 일례를 제6도에 표시한다. 스우트 모재 형성시에는 제3도에 표시한 굴절율 분포였던 것이 상기 가열 처리의 결과, 제6도에 표시한 바와 같이 코어부의 중심과 크래드부는 약 1.0%의 굴절율차 (Δn)를 유지하면서 모재 전체로써는 약 0.2% 굴절율이 저하되어 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 있어서는 제1단계의 가열 처리에 의해 스우트모재의 탈수, 불순물의 제거를 행하기 때문에, 이 스우트 모재를 이용한 광파이버에서는 불순물에 기인하는 전송 손실을 대폭 해소할 수가 있다. 즉, 스우트 모재를 탈수하는 결과로, 불소 가스를 첨가할 때, 불산(HF)의 생성이 억제 된다. 이 HF는 다량으로 존재하면 로심관을 침식하여, 벽내의 불순물을 노출시켜 스우트 모재로의 불순물 혼입의 요인이 된다. 또한, 불순물이 계 밖으로 제거되기 때문에 스우트 모재로의 혼입의 방지된다. 예를 들면 분위기 중에 CuO가 존재하고 있어도, 800℃이상의 가열 분위기에서는, 2CuO_(s)

Cu₂O_(g)+1/2 O₂와 같이 Cu₂O 가스가 되어 계 밖으로 제거된다. 이 반응은 고온이 될수록 Cu₂O 가스의 생성이 진행하며, 1,000℃ 이상에서 매우 효과적이다. 또한 염소 가스를 첨가한 경우, 다음 반응식에 따라서 계내의

CuO_(s)+Cl₂

CuCl_2(g)+1/2 O_2(g)

불순물 CuO는 CuCl₂가스가 되어 용이하게 계 밖으로 배출된다. Fe₂O₃의 불순물도 마찬가지이다.

또한, 스우트 모재를 탈수하고, 불산(HF)의 생성을 억제 함으로서, 유리 모재의 부식이 방지되어 표면이 평활한 유리 모재를 얻을 수 있음과 동시에 로심관 등의 부식까지도 방지할 수가 있다.

다음에 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예 1]

제3도에 표시한 굴절율 분포를 가진 스우트 모재를 가열로에 장입하고, 순 He가스를 10ℓ/분의 비율로 로내부에 공급하고, 600℃의 가열 온도에서 3시간 유지했다. 계속해서, 10분 후에 1100℃까지 숭온하고, 이어서 1,100℃의 온도하에서 He가스 중에 SF₆를 100cc/분의 비율로 공급함과 동시에 3.3℃/분의 승온속도로 1,400℃까지 승온하였다. 1,400℃의 온도를 1시간 유지한 후 He 가스를 10ℓ/분의 비율로 로내에 공급함과 동시에 로내를 1,650℃로 가열하여, 투명 유리화 했다. 얻어진 유리 모재는 제6도에 표시한 굴절율 분포를 가지고 있으며, 전송 손실 특성은 1.30㎛에서 1.2dB/ Km, OH 량은 0.01ppm였다.

또한, 본 실시예에 있어서 제1단계의 가열 온도를 800℃로 한 바 얻어진 파이버의 불순물에 의한 전송 손실은 1.30㎛에서 0.8dB/Km이며 대폭 전송 손실이 개선되었다.

마찬가지로 제1단계의 가열 온도를 1,100℃로 한 바 얻어진 파이버의 불순물에 의한 전송 손실은 1.30㎛에서 0.6dB/Km로 전송 손실의 개선 효과가 현저했다.

[실시예 2]

상기 실시예 1과 마찬가지의 제조예에 있어서, 제1단계의 가열 처리시 순 He 가스 분위기 중에 0.5~5몰 %의 Cl₂가스를 공급했다. 또한 제1단계의 가열 온도를 1,100℃로 한 바 이것을 10분 정도 유지한 경우에도 얻어진 파이버 중에 불순물의 흔적이 없는 것이, 얻어진 파이버의 전송 손실 특성으로부터 확인 할 수 있었다.

또한 본 실시예에 있어서, SF₆를 함유한 분위기에 Cl₂가스를 0.5~5몰 % 첨가한 바 얻어진 파이버 중에는 불순물의 흔적이 전혀 인지되지 않았다.

[실시예 3]

코어부의 부피 밀도를 0.4g/㎠ 크래드부의 부피 밀도를 0.2g/㎠가 되도록 조정한 스우트 모재를 제작하여 상기 스우트 모재를 0.5~5몰 %, Cl₂를 첨가한 He 가스 분위기 중에서, 800℃~1200℃까지 승온하면서, 이어서 1,200℃에서 1시간 유지했다. 그후, 2~5몰 %의 불소가스를 다시 첨가하여 1,400℃까지 승온했다. 이와 같이 해서 얻어진 상기 모재를 최고 온도 1,650℃의 He가스 분위기 하에 있는 존(Zone)가열 로내에 3~4mm/분의 하강 속도로 삽입하여 투명 유리화 했다. 얻어진 모재와 코어부는 거의 실리카에 대응하는 굴절율을 가지고, 크래드부는 불소가 첨가된 굴절율이었다. 이것을 파이버화 한 바 전송 손실 특성은 1.30㎛에서 0.4dB/km였다.

Claims (1)

1. 산화규소를 주성분으로 하는 유리 미립자 집합체를 가열 처리해서 광파이버용 투명 유리 모재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 유리 미립자 집합체를 탈수하고, 불순물을 제거하기 위한 제1열처리를 실시하며 이어서 적어도 불소 내지 불소 화합물을 함유하는 가스 분위기 중에서 불소를 첨가하기 위한 제2열처리를 실시하고, 최후로 투명 유리화 하기 위한 제3열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 광파이버용 유리모재의 제조 방법.

Images