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KR100277358B1 - 화학기상증착방법에 의한 광섬유모재 제조장치 및 방법 - Google Patents

화학기상증착방법에 의한 광섬유모재 제조장치 및 방법 Download PDF

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KR100277358B1
KR100277358B1 KR1019980024158A KR19980024158A KR100277358B1 KR 100277358 B1 KR100277358 B1 KR 100277358B1 KR 1019980024158 A KR1019980024158 A KR 1019980024158A KR 19980024158 A KR19980024158 A KR 19980024158A KR 100277358 B1 KR100277358 B1 KR 100277358B1
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윤종용
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Abstract

본 발명은 수정된 화학기상증착 (MCVD) 방법에 의한 광섬유 모재(preform) 제조공정에 관한 것으로서, 화학기상증착방법에 의한 광섬유 모재 제조공정에서, 소정의 진행방향으로 이동하면서 원튜브를 가열하는 가열수단을 구비하고, 상기 가열수단에 의하여 상기 원튜브를 선회하면서 가열하여 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치에 있어서, 상기 가열수단은 상기 진행방향의 앞쪽에 위치하며, 상대적으로 낮은 온도 및 불꽃압력을 갖는 퍼짐형 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하기 위한 제1가열수단; 및 상기 제1가열수단에 비하여 상기 진행방향의 뒤쪽에 위치하며, 상대적으로 높은 불꽃압력을 갖는 집중형 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하기 위한 제2가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하며, 원튜브를 가열하기 위한 버너로서 불꽃집중형 버너 및 불꽃퍼짐형 버너를 함께 구비하고, 증착공정 및 응축공정 시에 각 공정에 맞는 버너를 적절히 선택하여 사용함으로써, 특히 응축공정에서의 공정시간 및 공정온도를 낮출 수 있는 잇점이 있다.

Description

화학기상증착방법에 의한 광섬유모재 제조장치 및 방법
본 발명은 수정된 화학기상증착 (MCVD) 방법에 의한 광섬유 모재(preform) 제조공정에 관한 것으로서, 특히 증착공정 및 응축공정에 각각 적합한 버너를 한 쌍으로 구성하고 이를 이용하여 광섬유 모재를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
수정된 화학기상증착 (Modified Chemical Vapor Deposition; MCVD) 방법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 공정에 있어서, 모재 내의 증착층의 두께가 두꺼워짐에 따라 증착과정에서 튜브의 자기응축(self-collapse)이 일어나게 되고, 결과적으로 더욱 더 튜브 두께가 증가하게 된다. 따라서, 일반적으로 증착공정에서는 튜브 안으로의 열전달 및 증착효율 등을 고려하여 불꽃퍼짐형 버너가 사용된다. 이 불꽃퍼짐형 버너는 가열부위(hot zone)가 넓어서 튜브내로의 열전달이 용이하여 증착효율이 높고, 버너의 불꽃압력이 낮아 증착과정에서의 원치 않는 응축(shrinkage)을 줄일 수 있다. 그러나 튜브 응축(collapse) 및 클로즈(close) 공정에서는 증착공정과는 달리 높은 불꽃압력이 필요하다. 그럼에도 불구하고 응축 및 클로즈 공정에서 불꽃퍼짐형 버너를 사용하는 경우에는, 낮은 불꽃압력 때문에 튜브의 점성을 낮추어 연화시키기 위해서는 높은 온도 (응축공정에서는 2100 도 이상, 클로즈 공정에서는 2200도 이상)를 유지시키면서 낮은 버너 이동속도를 유지하여야 한다. 따라서, 전체 모재제조공정 중 튜브 응축 및 클로즈 공정에서 차지하는 시간이 너무 많아 공정시간 단축에 큰 장애가 되고 있다. 또한 튜브 응축 및 클로즈 공정에서의 높은 온도 및 낮은 버너 이동속도로 인하여 다음과 같이 광섬유의 광특성을 악화시키는 결과를 초래한다.
첫 번째, 증착용 원튜브(substrate tube)에 포함된 미량의 수분(H2O) (일반적으로 수 ppm 정도)이 증착층으로 침투(diffusion)하면서, 증착클래딩 영역에서는 침투된 수분이 증착된 P2O5또는 SiO2와 결합하여 P-O-H 또는 Si-O-H 본드결합을 형성하고, 또한 코어영역까지 침투한 OH는 증착된 SiO2또는 GeO2와 결합하여, Si-O 또는 Ge-O 본드결합을 해체하면서 Si-O-H 또는 Ge-O-H 본드결합을 형성하게 된다.이와 같이 각 증착영역에서 수분과 결합하여 형성된 O-H 또는 P-O-H 본드결합은 특정한 파장영역에서 흡수밴드에 의한 광손실을 추가적으로 발생시킨다. 단일모드 광섬유의 경우 광손실에 영향을 크게 미치는 파장영역은 O-H 본드의 경우 1.24um 및 1.385um 대역 그리고 P-O-H 본드의 경우 1.2-1.8um 대역이다. 또한 코어영역으로 침투한 OH는 비가교 산소 (Non-bridging oxygen; NBO)를 형성하고, 그로 인하여 코어층에 있는 유리질의 구조적 균일도(homogenity)를 국부적으로 떨어뜨리게 되어, 코어층의 밀도 불균질(density fluctuation)을 유발하게 되고, 그 결과 산란 손실(scattering loss)이 증가하게 된다.
두 번째, 고온상태에서 회전하고 있는 튜브 하단부를 버너로 가열하는 경우, 원주방향의 온도구배가 발생된다. 이 온도구배는 증착용 원튜브의 점성도 차이를 유발하고 또한 튜브 내부의 표면장력이 균형을 상실함에 따라, 튜브 모양이 변형(deformation)되어 튜브 비원률(tube ovality)을 증가시키게 된다. 그 결과 응축공정이 진행됨에 따라 비원율은 증가하게 되고, 비원율의 증가는 편광모드분산(Polarization Mode Dispersion; PMD)을 증가시키는 결과를 가져온다.
따라서, 튜브 응축 및 클로즈 공정 시 기존의 불꽃퍼짐형 버너를 사용하는 경우에는 그 구조적인 한계로 인하여 공정온도를 낮추거나 공정시간을 단축하거나 튜브 비원율을 감소시키기 어려운 문제점이 있었다.
종래에는 증착공정, 응축공정 및 클로즈공정이 각각 다른 공정 메카니즘을 갖고 있음에도 불구하고, 증착공정에 적합한 불꽃퍼짐형 버너만을 사용하여 모든 공정을 진행하였다. 그럼으로써, 증착층의 두께가 얇고 튜브 크기가 작은 경우에는 큰 문제가 되지 않으나, 증착층의 두께가 두꺼워지고 튜브의 크기가 커짐에 따라 튜브의 기하학적 구조가 변형되고 광학적 특성이 악화되고 또한 긴 공정시간을 필요로 하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래에 증착공정에 적합한 불꽃퍼짐형 단일버너만을 사용하는 대신 튜브응축 및 크로즈공정에 적합한 불꽃집중형 버너를 불꽃퍼짐형 버너와 함께 배열한 모재 제조장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 불꽃집중형 버너 및 불꽃퍼짐형 버너가 함께 배열된 제조장치를 사용하여 모재를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적으로 MCVD 공정에 적합한 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 MCVD 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 가열수단의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 버너를 이용하여 화학기상증착방법에 의한 광섬유 모재 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 모재 제조장치는, 화학기상증착방법에 의한 광섬유 모재 제조공정에서, 소정의 진행방향으로 이동하면서 원튜브를 가열하는 가열수단을 구비하고, 상기 가열수단에 의하여 상기 원튜브를 선회하면서 가열하여 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치에 있어서, 상기 가열수단은 상기 진행방향의 앞쪽에 위치하며, 상대적으로 낮은 불꽃압력을 갖는 퍼짐형 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하기 위한 제1가열수단; 및 상기 제1가열수단에 비하여 상기 진행방향의 뒤쪽에 위치하며, 상대적으로 높은 불꽃압력을 갖는 집중형 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하기 위한 제2가열수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제1 및 제2가열수단은 상기 원튜브의 둘레에 반원통형으로 구성되며, 또한 상기 원튜브의 둘레에 반원통형으로 구성된 상기 제1 및 제2가열수단의 반대편 반원상에 반원통형으로 구성되어, 상기 제1 및 제2가열수단에 의한 열을 상기 원튜브 쪽으로 반사하는 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 광섬유 모재 제조방법은, 소정의 진행방향으로 이동하면서 원튜브을 가열하기 위하여, 상대적으로 낮은 불꽃압력을 갖는 퍼짐형의 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하는 제1가열수단; 및 상대적으로 높은 불꽃압력을 갖는 집중형의 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하는 제2가열수단을 구비하는 제조장치에서, 화학기상증착 방법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서, 원료가스를 산소와 함께 상기 원튜브 내로 불어 넣고, 상기 제1가열수단에 의하여 상기 원튜브에 열을 가하여 열산화반응을 이용하여 그으름 형태의 산화퇴적물을 상기 원튜브의 안쪽에 형성하여 클래딩층 및 코어층을 증착하는 증착공정; 및 상기 제2가열수단에 의하여 상기 증착된 원튜브에 열을 가하여 이를 응축시키는 응축공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 응축공정은 상기 증착된 원튜브를 상기 진행방향으로 이동시키면서, 상기 제1가열수단에 의하여 열을 가하여 응축하고자 하는 튜브부분을 연화시킨 다음, 상기 제2가열수단에 의하여 열을 가하여 상기 연화된 튜브부분을 응축시키는 응축공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적으로 MCVD 공정에 적합한 장치를 도시한 도면이다. 선반(1)은 원튜브(2)를 지지하며, 가열수단(4)은 원튜브(2)의 가열부위(3)에 열을 가한다. 튜브(2)는 예를 들어 화살표(5a) 방향으로 회전하며, 또한 가열수단(4)은 이동부재에 의하여 화살표(5b)의 방향으로 움직이며, 따라서 가열부위(3)는 튜브(2) 전체를 선회이동된다. 원료가스물질은 입력튜브(7)를 통하여 원튜브(2)로 도입되며, 입력튜브(7)는 다시 원료물질저장부(8)에 연결되어 있다. 원료물질저장부(8)는 산소입구(9)를 포함하며, 가스물질은 입구(10, 11) 및 저장부(13)로부터의 입구(12)를 통하여 도입된다. 저장부(14, 15)는 통상 액체의 반응물질(16, 17)을 포함하며, 입구(10, 11)를 통하여 들어온 캐리지가스에 의하여 튜브(2)로 들어간다. 여기된 물질은 출구(18)를 통하여 배출된다. 혼합밸브 및 차단밸브(도시되지 않음)는 흐름을 계량하고 합성에 필요한 다른 조정을 수행하는데 사용된다.
도 2는 일반적인 MCVD 방법을 설명하기 위한 도면이다. MVCD 방법은 유리로 된 원튜브(21) 속으로 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCi3, CF4등의 고순도 원료가스를 산소와 함께 불어 넣고 가열수단(23)에 의하여 원튜브에 열을 가하면 열산화반응에 의하여 그으름 형태의 산화퇴적물이 원튜브의 안쪽에 형성된다 (도 2a 참조). 이때 원료가스의 농도를 정밀하게 컴퓨터 제어하여 굴절율을 조절하여 클래딩층/코어층(22)을 증착한다. 도 2b는 원 튜브(21) 내에 클래딩층/코어층(22)이 증착된 것을 나타낸다. 그리고 도 2c에서, 증착된 원튜브(21)에 다시 가열수단(23)에 의하여 열을 가하여 이를 응축시켜 광섬유 모재(25)를 생성한다.
본 발명은 화학기상증착방법에 의한 광섬유 모재 제조공정에서 사용되는, 도 1에 도시된 가열수단(3)의 구조에 관한 것으로, 그 상세한 구조는 도 3에 도시되어 있다. 즉, 도 3은 본 발명에 따른 가열수단의 구조를 나타내는 도면이다. 도면에서, 32는 불꽃퍼짐형 버너, 33은 불꽃집중형 버너, 34는 반사경, 35는 원튜브, 36은 증창공정에서 형성된 증착층, 그리고 37은 응충공정에서 형성된 광섬유 모재를 각각 나타낸다.
가열수단은 증착공정과 응축공정 각각에 적합한 두 개의 버너, 즉 불꽃퍼짐형 버너(32) 및 불꽃집중형 버너(33)를 포함한다. 여기서, 불꽃퍼짐형 버너(32)는 진행방향(화살표 방향, 38)의 앞쪽에 위치하며, 증착공정에 적합하도록 상대적으로 낮은 불꽃압력을 갖는 퍼짐형 불꽃으로 원튜브(35)를 가열하며, 불꽃집중형 버너(33)는 불꽃퍼짐형 버너(32)에 비하여 진행방향의 뒤쪽에 위치하며, 응축공정에 적합하도록 상대적으로 높은 불꽃압력을 갖는 집중형 불꽃으로 원튜브(35)를 가열한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 불꽃퍼짐형 버너(32) 및 불꽃집중형 버너(33)는 진행방향(38)에 따라 나란히 위치하고, 원튜브(35)의 둘레에 반원통형으로 구성될 수 있다. 여기서, 반원의 반경은 튜브의 크기 및 불꽃 초점의 위치에 따라 결정된다.
그리고, 본 발명에 따른 가열수단은 실리카 반사경(34)을 더 구비할 수 있다. 즉, 반사경(34)은 원튜브의 둘레에 위치하며, 불꽃퍼짐형 버너(32) 및 불꽃집중형 버너(33)의 반대편 반원상에 반원통형으로 구성되어, 불꽃퍼짐형 버너(32) 및 불꽃집중형 버너(33)에 의한 열을 원튜브(35) 쪽으로 반사하는 역할을 한다. 그럼으로써 원튜브의 원주방향에 대한 튜브온도 구배를 최소화할 수 있다. 반사경(34)은 원튜브(35)를 향하는 면은 버너로부터 전달된 열이 원튜브 쪽으로 잘 전달될 수 있도록 면경연마되어 있으며, 그 반대면은 반투명하게 구성된다.
도 4는 도 3에 도시된 버너를 이용하여 화학기상증착방법에 의한 광섬유 모재 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 의한 방법에서는 특성이 다른 두 개의 버너가 실행공정에 따라 단독 또는 함께 사용된다.
증착공정(도 4a)에서는, 원료가스를 산소와 함께 원튜브(41) 내로 불어 넣고, 상대적으로 낮은 불꽃압력을 갖는 퍼짐형의 불꽃을 갖는 불꽃퍼짐형 버너(43)에 의하여 원튜브(41)에 열을 가하여 열산화반응을 이용하여 그으름 형태의 산화퇴적물을 상기 원튜브의 안쪽에 형성하여 클래딩층/코어층(42)을 증착한다. 도 4b는 원 튜브(41) 내에 클래딩층/코어층(42)이 증착된 것을 나타낸다.
그런 다음, 응축공정(도 4c)에서는 증착된 원튜브(41)에 상대적으로 높은 불꽃압력을 갖는 집중형의 불꽃을 갖는 불꽃집중형 버너(47)에 의하여 열을 가하여 이를 응축시켜 광섬유 모재(45)를 형성한다. 응축공정은 증착된 원튜브(41)를 진행방향(도면의 화살표방향)으로 이동시키면서, 먼저 불꽃퍼짐형 버너(43)에 의하여 열을 가하여 응축하고자 하는 튜브부분을 연화시킨 다음, 불꽃집중형 버너(47)에 의하여 열을 가하여 응축시킬 수 있다.
따라서, 튜브 응축공정 시에 불꽃퍼짐형 버너(43)에 의하여 먼저 튜브면을 연화시키고 불꽃집중형 버너(47)의 높은 불꽃압력을 이용하여 튜브를 응축시키기 때문에 종래에 불꽃퍼짐형 버너(43)만을 사용한 경우보다 공정온도를 낮출 수 있으며, 튜브 응축 및 클로징 공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 또한 반사경(34)을 사용함으로써 튜브 원주방향에 대한 표면온도의 균일성을 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 튜브의 기하학적 구조의 안정성을 향상시켜 PMD의 영향을 줄일 수 있다. 또한 응축공정 시의 온도를 낮출 수 있고 그 공정 시간을 단축시킬 수 있으므로써, OH-확산에 의한 광손실도 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 화학기상증착방법에 의한 광섬유모재 제조장치 및 방법에 의하면, 원튜브를 가열하기 위한 버너로서 불꽃집중형 버너 및 불꽃퍼짐형 버너를 함께 구비하고, 증착공정 및 응축공정 시에 각 공정에 맞는 버너를 적절히 선택하여 사용함으로써, 특히 응축공정에서의 공정시간 및 공정온도를 낮출 수 있는 잇점이 있다.

Claims (7)

  1. 화학기상증착방법에 의한 광섬유 모재 제조공정에서, 소정의 진행방향으로 이동하면서 원튜브를 가열하는 가열수단을 구비하고, 상기 가열수단에 의하여 상기 원튜브를 선회하면서 가열하여 광섬유 모재를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    상기 가열수단은
    상기 진행방향의 앞쪽에 위치하며, 상대적으로 낮은 불꽃압력을 갖는 퍼짐형 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하기 위한 제1가열수단; 및
    상기 제1가열수단에 비하여 상기 진행방향의 뒤쪽에 위치하며, 상대적으로 높은 불꽃압력을 갖는 집중형 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하기 위한 제2가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2가열수단은
    상기 진행방향에 따라 나란히 위치하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2가열수단은
    상기 원튜브의 둘레에 반원통형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원튜브의 둘레에 반원통형으로 구성된 상기 제1 및 제2가열수단의 반대편 반원상에 반원통형으로 구성되어, 상기 제1 및 제2가열수단에 의한 열을 상기 원튜브 쪽으로 반사하는 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반사경은
    상기 원튜브를 향하는 면은 면경연마되어 있으며, 그 반대면은 반투명한 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조장치.
  6. 소정의 진행방향으로 이동하면서 원튜브을 가열하기 위하여, 상대적으로 낮은 온도 및 불꽃압력을 갖는 퍼짐형의 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하는 제1가열수단; 및 상대적으로 높은 온도 및 불꽃압력을 갖는 집중형의 불꽃으로 상기 원튜브를 가열하는 제2가열수단을 구비하는 제조장치에서, 화학기상증착 방법에 의하여 광섬유 모재를 제조하는 방법에 있어서,
    원료가스를 산소와 함께 상기 원튜브 내로 불어 넣고, 상기 제1가열수단에 의하여 상기 원튜브에 열을 가하여 열산화반응을 이용하여 그으름 형태의 산화퇴적물을 상기 원튜브의 안쪽에 형성하여 클래딩층 및 코어층을 증착하는 증착공정; 및
    상기 제2가열수단에 의하여 상기 증착된 원튜브에 열을 가하여 이를 응축시키는 응축공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 응축공정은
    상기 증착된 원튜브를 상기 진행방향으로 이동시키면서, 상기 제1가열수단에 의하여 열을 가하여 응축하고자 하는 튜브부분을 연화시킨 다음, 상기 제2가열수단에 의하여 열을 가하여 상기 연화된 튜브부분을 응축시키는 응축공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 모재 제조방법.
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