KR100498923B1 - 상향 가열 방식에 따른 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법 - Google Patents

상향 가열 방식에 따른 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 대상물을 지지하기 위한 상부 척 및 하부 척과, 이동 가능한 캐리지를 구비한 선반과, 상기 캐리지 상에 탑재되며 상기 대상물의 외주면을 가열하는 버너를 이용한 오버 쟈켓팅 방법은, 코어와 클래딩으로 구성된 1차 모재를 세로로 상기 하부 척에 고정시키고, 쟈켓팅 튜브를 세로로 상기 상부 척에 고정시키며, 상기 쟈켓팅 튜브 내로 상기 1차 모재를 삽입시키는 정렬 과정과; 상기 버너를 상향 이동시키면서 상기 쟈켓팅 튜브의 외주면을 가열함에 따라서, 상기 쟈켓팅 튜브를 상기 1차 모재에 오버 쟈켓팅시키는 콜랩싱 과정을 포함하여 구성된다.

Description

상향 가열 방식에 따른 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법{METHOD FOR OVER-JACKETING AN OPTICAL FIBER PRIMARY PREFORM THROUGH DOWN-TOP HEATING PROCESS}
본 발명은 광섬유 모재에 관한 것으로서, 특히 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법에 관한 것이다.
현재 세계적으로 사용하고 있는 광섬유 모재를 만드는 공법은 변형된 화학 기상 증착법(또는 내부 화학 기상 증착법이라고도 함)(Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD), 외부 기상 증착법(Outside Vapor phase Deposition, OVD), 기상 축 증착법(Vapor phase Axial Deposition, VAD) 등의 공법이 있다. 이러한 공법에 의해 제작된 광섬유 모재의 대구경화와, 광섬유의 특성 및 생산성의 향상을 위해서 오버 쟈켓팅(over-jacketing) 공정이 실시되고 있다. 이 때, 오버 쟈켓팅되기 이전의 모재를 1차 모재(primary preform)라고 칭하며, 오버 쟈켓팅된 이후의 모재를 2차 모재(secondary preform)라고 칭한다. 또한, 오버 쟈켓팅 공정은 로드 인 튜브(rod-in tube) 공정 혹은 오버 클래딩(over-cladding) 공정이라고 칭하기도 한다.
오버 쟈켓팅 방법은 H2/O2 버너를 사용하는 방법, 퍼니스(furnace)를 사용하는 방법, 플라즈마(Plasma)를 사용하는 방법 등 여러 가지 방법들이 존재하고 있다.
도 1은 종래에 따른 버너를 이용한 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 장치를 나타내는 측면도이다. 상기 오버 쟈켓팅 장치는 선반(lath, 110)과, H2/O2 버너(150)와, 질소 공급기(190)와, 진공 펌프(200)와, 제1 및 제2 밸브(170,180)로 구성된다.
상기 선반(110)은 봉 형상의 1차 모재(210)를 세로로 고정하기 위한 상부 척(120)과, 쟈켓팅 튜브(jacketing tube, 230)를 세로로 고정하기 위한 하부 척(130)과, 상하향 이동 가능한 캐리지(carriage, 140)를 구비한다. 상기 1차 모재(210)는 그 상단에 보다 큰 직경의 더미 로드(dummy rod, 220)가 부착되며, 상기 더미 로드(220)가 상기 상부 척(120)에 의해 파지된다. 상기 쟈켓팅 튜브(230)는 그 하단에 동일하거나 보다 작은 직경의 더미 튜브(dummy tube, 240)가 부착되며, 상기 더미 튜브(240)가 상기 하부 척(130)에 의해 파지된다. 또한, 상기 1차 모재(210)는 상기 쟈켓팅 튜브(230) 내에 삽입되며, 상기 1차 모재(210)가 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 중심에 위치하도록 정렬이 이루어진다.
상기 질소 공급기(190)는 상기 더미 튜브(130)의 하단과 연결된 수송관(160)에 연결되며, 상기 1차 모재(210)를 상기 쟈켓팅 튜브(230)에 삽입시 상기 쟈켓팅 튜브(230) 내로 질소 가스를 주입한다.
상기 진공 펌프(200)는 상기 수송관(160)에 연결되며, 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 내부를 진공 상태로 만든다.
상기 제1 밸브(170)는 상기 수송관(160)의 분기부와 상기 질소 공급기(190) 사이의 관로 상에 설치되며, 해당 관로의 개폐를 담당한다.
상기 제2 밸브(180)는 상기 수송관(160)의 분기부와 상기 진공 펌프(200) 사이의 관로 상에 설치되며, 해당 관로의 개폐를 담당한다.
상기 오버 쟈켓팅 장치를 이용한 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법에 대하여 설명하면 하기하는 바와 같다. 초기에 상기 쟈켓팅 튜브(230) 내에 상기 1차 모재(210)가 삽입되어 있으며, 상기 H2/O2 버너(150)는 상기 캐리지(140)에 탑재된 채로 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 상부 둘레에 위치하고 있다. 상기 제1 밸브(170)는 열려 있고 상기 제2 밸브(180)는 닫힌 상태에서, 상기 질소 공급기(190)를 작동시킴으로써 상기 쟈켓팅 튜브(230) 내로 질소 가스를 주입하면서 상기 1차 모재(210)를 삽입한다. 이후, 상기 제1 밸브(170)는 닫혀 있고 상기 제2 밸브(180)는 열린 상태에서, 상기 진공 펌프(200)를 작동시킨다. 상기 진공 펌프(200)는 상기 쟈켓팅 튜브(230) 내부를 진공 상태로 만들며, 상기 H2/O2 버너(150)는 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 외주면을 고온 가열하게 된다. 상기 H2/O2 버너(150)에서 나온 화염(flame)은 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 외주면과 접촉하게 되고, 대류, 전도, 복사 등에 의하여 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 반경 방향, 길이 방향 등으로 열전도가 이루어진다. 전도된 열에 의하여 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 점도가 낮아지면서, 상기 쟈켓팅 튜브(230)의 내부와 외부 간의 압력차에 의하여 상기 쟈켓팅 튜브(230)가 상기 1차 모재(210) 쪽으로 콜랩싱(collapsing)된다.
그러나, 상기한 바와 같은 오버 쟈켓팅 방법에 있어서, 광섬유 모재의 대구경화를 구현하기 위하여 쟈켓팅 튜브의 직경이 커짐에 따라서, 공정 속도가 느려지게 되고 열효율은 낮아지게 된다는 문제점이 있다. 또한, 이미 콜랩싱된 부분에 초과 열량이 공급되어 수산화기-손실(OH-loss) 등의 변화를 야기시키며, 최초 설계된 프로파일(profile)의 변화가 일어나게 되어 길이 방향의 균일성 및 광특성의 보정이 힘들어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 버너를 사용하는 오버 쟈켓팅 공정에 있어서, 종래의 방법보다 효율적인 공정의 실시를 통해 공정 시간을 단축시키고, 생산성을 향상시키며, 기하 구조의 변화를 방지하고, 열 이력(Thermal History)의 감소를 통한 광특성의 변화를 방지할 수 있는 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법을 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따라 대상물을 지지하기 위한 상부 척 및 하부 척과, 이동 가능한 캐리지를 구비한 선반과, 상기 캐리지 상에 탑재되며 상기 대상물의 외주면을 가열하는 버너를 이용한 오버 쟈켓팅 방법은,
코어와 클래딩으로 구성된 1차 모재를 세로로 상기 하부 척에 고정시키고, 쟈켓팅 튜브를 세로로 상기 상부 척에 고정시키며, 상기 쟈켓팅 튜브 내로 상기 1차 모재를 삽입시키는 정렬 과정과;
상기 버너를 상향 이동시키면서 상기 쟈켓팅 튜브의 외주면을 가열함에 따라서, 상기 쟈켓팅 튜브를 상기 1차 모재에 오버 쟈켓팅시키는 콜랩싱 과정을 포함하여 구성된다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 버너를 이용한 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 장치를 나타내는 측면도이다. 상기 오버 쟈켓팅 장치는 선반(310)과 H2/O2 버너(350)와, 질소 공급기(390)와, 진공 펌프(400)와, 제1 및 제2 밸브(370,380)로 구성된다.
상기 선반(310)은 쟈켓팅 튜브(430)를 세로로 고정하기 위한 상부 척(320)과, 봉 형상의 1차 모재(410)를 세로로 고정하기 위한 하부 척(330)과, 상하향 이동 가능한 캐리지(340)를 구비한다. 상기 쟈켓팅 튜브(430)는 그 상단에 지지 튜브(support tube, 440)가 부착되며, 상기 지지 튜브(440)보다 작은 직경의 더미 튜브(450)가 상기 지지 튜브(440)의 상단에 부착되고, 상기 더미 튜브(450)가 상기 상부 척(320)에 의해 파지된다. 상기 지지 튜브(440)는 상기 더미 튜브(450)의 왜곡(distortion) 및 분리(demounting)를 방지하는 기능을 수행하며, 상기 지지 튜브(440)의 직경은 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 직경 이하이며 상기 더미 튜브(450)의 직경보다는 크다. 상기 1차 모재(410)는 그 하단에 보다 큰 직경의 더미 로드(420)가 부착되며, 상기 더미 로드(420)가 상기 하부 척(330)에 의해 파지된다. 또한, 상기 1차 모재(410)가 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내에 삽입되며, 상기 1차 모재(410)가 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 중심에 위치하도록 정렬이 이루어진다.
상기 질소 공급기(390)는 상기 더미 튜브(450)의 상단과 연결된 수송관(360)에 연결되며, 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내로 질소 가스를 주입함으로써 상기 1차 모재(410) 삽입시 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내부의 오염을 방지한다.
상기 진공 펌프(400)는 상기 수송관(360)에 연결되며, 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 내부를 진공 상태로 만든다.
상기 제1 밸브(370)는 상기 수송관(360)의 분기부와 상기 질소 공급기(390) 사이의 관로 상에 설치되며, 해당 관로의 개폐를 담당한다.
상기 제2 밸브(380)는 상기 수송관(360)의 분기부와 상기 진공 펌프(400) 사이의 관로 상에 설치되며, 해당 관로의 개폐를 담당한다.
도 3은 본 발명에 따른 상향 가열 방식의 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2에 도시된 오버 쟈켓팅 장치를 이용 한 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법은 정렬 과정(610)과, 진공 형성 과정(620)과, 콜랩싱 과정(630)과, 컷팅 과정(640)을 포함한다.
상기 정렬 과정(610)은 코어(core)와 클래딩(cladding)으로 구성된 1차 모재(410)를 세로로 상기 하부 척(330)에 고정시키고, 쟈켓팅 튜브(430)를 세로로 상기 상부 척(320)에 고정시키며, 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내로 질소 가스를 주입시키면서 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내로 상기 1차 모재(410)를 삽입시키는 과정이다. 이 때, 상기 1차 모재(410)는 더미 로드(420)에 연결되어 있으며, 상기 쟈켓팅 튜브(430)는 지지 튜브(440)와 더미 튜브(450)에 연결되어 있다. 또한, 상기 H2/O2 버너(350)는 상기 캐리지(340)에 탑재된 채로 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 하부 둘레에 위치된다.
상기 진공 형성 과정(620)은 상기 제1 밸브(370)는 닫혀 있고 상기 제2 밸브(380)는 열린 상태에서 상기 진공 펌프(400)를 작동시킴으로써, 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내부를 진공 상태로 만드는 과정이다.
상기 콜랩싱 과정(630)은 상기 쟈켓팅 튜브(430) 내부를 진공 상태로 유지한 채로 상기 H2/O2 버너(350)를 상향 이동시키면서 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 외주면을 고온 가열하는 과정이다. 상기 H2/O2 버너(350)에서 나온 화염은 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 외주면과 접촉하게 되고, 대류, 전도 및 복사에 의하여 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 반경 방향, 길이 방향 등으로 열전도가 이루어진다. 전도된 열에 의하여 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 점도가 낮아지면서, 상기 쟈켓팅 튜브(430)의 내부와 외부 간의 압력차에 의하여 상기 쟈켓팅 튜브(430)가 상기 1차 모재(410) 쪽으로 콜랩싱된다.
도 4a는 상기 H2/O2 버너(350)에서 분출되는 화염(510,520)을 나타내기 위한 부분 절개도이며, 도 4b는 상기 콜랩싱 과정(630)에서 상기 자켓팅 튜브(430) 표면의 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 H2/O2 버너(350)는 다수의 분출구(355)를 그 내주면 상에 구비하고 있으며, 상기 분출구(355)를 통해 분출되는 화염(510,520) 자체의 부력에 의해 상향으로 전파되는 화염(510)의 양이 하향으로 전파되는 화염(520)의 양보다 1.3∼2배 정도 많다. 따라서, 상기 H2/O2 버너(350)에 의해 형성되는 온도가 가장 높은 지점(B)은 상기 H2/O2 버너(350)의 중심축 위치(A)에 대하여 상향으로 이격되어 위치한다. 열은 대류, 전도 및 복사, 3가지 메카니즘들을 통해서 전달된다. 표면을 가열하는 방식의 공정에서는 다른 열전달 메카니즘보다 대류에 의한 열전달을 다른 메카니즘보다 개선하기 용이하다. 또한, 공정상 대류 열전달을 효율적으로 하기 위해서는 화염(510,520)의 전파 방향을 따라서 상기 H2/O2 버너(350)가 이동하게 만드는 것이 유리하다. 이는 화염(510,520)의 전파에 의해 미리 상기 H2/O2 버너(350)가 지나면서 콜랩싱될 부분이 예열되어, 상기 H2/O2 버너(350)에 의해 형성되는 온도가 가장 높은 지점(B)에서 콜랩싱을 유리하게 만드는 효과가 있기 때문이다. 즉, 상향 가열(down-top heating) 방식이 공정상 상대적으로 유리하며, 상기 1차 모재(410)의 신장(elongation) 현상이 적어지기 때문에 길이 방향으로 균일한 광특성을 나타낼 수 있다.
이에 비하여, 종래의 하향 가열(top-down heating) 방식은 상향으로 전파되는 화염의 양이 하향으로 전파되는 화염의 양보다 많으므로, 그만큼 원료 가스의 사용 효율이 낮다. 열전달 중 대류현상은 일정 열량을 가진 화염이 단위 시간당 단위 면적당 통과하는 양에 비례한다. 하향 가열 방식의 경우는 이미 버너가 통과하여 콜랩싱이 끝난 부분으로 전파되는 화염의 양이 많고 상대적으로 앞으로 콜랩싱이 진행되어야 할 부분으로 예열의 효과를 가지며 전파되어야 할 화염의 양은 적게 된다. 따라서 공정의 속도는 상대적으로 늦게 되어 생산성 감소 및 가스 사용량이 증가되고, 이미 콜랩싱이 되어버린 부분에 초과 열량이 공급되어 수산화기-손실 등의 변화를 야기시킨다. 또한, 하향 가열 방식은 1차 모재와 쟈켓팅 튜브의 상부에서부터 콜랩싱 공정을 시작하다보니 상부에서 연화(softening)된 1차 모재와 쟈켓팅 튜브의 신장 경향이 커서 최초 설계된 프로파일의 변화가 일어나게 됨에 따라서, 길이 방향의 균일성 및 광특성의 보정이 힘들어진다.
상기 컷팅 과정(640)은 상기 콜랩싱 과정(630)이 끝난 2차 모재를 가열함으로써 더미 튜브(450)를 분리해내는 과정이다. 이 때, 주의해야 할 점은 상부 척(320) 부위에 가해지는 열량을 차단하는 것이다. 상기 지지 튜브(440)는 상기 상부 척(320)과 더미 튜브(450)에 가해지는 열량을 차단하는 기능을 수행한다. 선택적으로, 상기 상부 척(320)과 하부 척(330)을 열에 대해 보호하기 위해서 방열판을 설치할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법은 1차 모재가 삽입된 쟈켓팅 튜브를 세로로 정렬하고, 버너를 상향 이동시키면서 콜랩싱 과정을 수행함으로써, 공정 시간을 단축시키고, 생산성을 향상시키며, 기하 구조의 변화를 방지하고, 광특성의 변화를 방지시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래에 따른 버너를 이용한 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 장치를 나타내는 측면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 버너를 이용한 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 장치를 나타내는 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 상향 가열 방식의 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법을 나타내는 흐름도,
도 4a는 H2/O2 버너에서 분출되는 화염을 나타내기 위한 부분 절개도,
도 4b는 콜랩싱 과정에서 자켓팅 튜브 표면의 온도 분포를 나타내는 도면.

Claims (3)

  1. 대상물을 지지하기 위한 상부 척 및 하부 척과, 이동 가능한 캐리지를 구비한 선반과, 상기 캐리지 상에 탑재되며 상기 대상물의 외주면을 가열하는 버너를 이용한 오버 쟈켓팅 방법에 있어서,
    코어와 클래딩으로 구성된 1차 모재를 세로로 상기 하부 척에 고정시키고, 쟈켓팅 튜브를 세로로 상기 상부 척에 고정시키며, 상기 쟈켓팅 튜브 내로 상기 1차 모재를 삽입시키는 정렬 과정과;
    상기 버너를 상향 이동시키면서 상기 쟈켓팅 튜브의 외주면을 가열함에 따라서, 상기 쟈켓팅 튜브를 상기 1차 모재에 오버 쟈켓팅시키는 콜랩싱 과정을 포함하여 구성되며,
    상기 정렬 과정에서 상기 1차 모재는 그 하단에 더미 로드가 부착되며, 상기 더미 로드가 상기 하부 척에 고정되고, 상기 쟈켓팅 튜브는 그 상단에 그 직경과 같거나 보다 작은 직경의 지지 튜브가 부착되며, 상기 지지 튜브의 직경보다 작은 직경의 더미 튜브가 상기 지지 튜브의 상단에 부착되고, 상기 더미 튜브가 상기 상부 척에 고정됨을 특징으로 하는 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 콜랩싱 과정 동안에 상기 쟈켓팅 튜브 내부는 진공 상태를 유지함을 특징으로 하는 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법.
KR10-2002-0056957A 2002-09-18 2002-09-18 상향 가열 방식에 따른 광섬유 모재의 오버 쟈켓팅 방법 KR100498923B1 (ko)

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