KR101035467B1 - 광섬유용 모재의 퇴적용 버너 - Google Patents

광섬유용 모재의 퇴적용 버너 Download PDF

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Abstract

유리 미립자의 생성, 퇴적을 효율적으로 하는 것이 가능한 방법, 특히 대형의 모재를 합성하는 경우에 있어서, 퇴적 개시부터 퇴적 종료까지 안정하게 높은 퇴적 효율이 얻어지는 광섬유용 모재의 제조 방법을 제공한다. 동심 다중관 구조를 가지고, 중심의 유리 원료 가스 분출 포트의 외측에, 당해 유리 원료 가스 분출 포트에 대해서 동심원상으로 1열 또는 복수열 배치되고, 동일 열에 배치된 분출 포트가 동일한 초점 거리를 가지는, 복수의 소구경 조연성 가스 분출 포트를 내포하는 가연성 가스 분출 포트를 가지는 버너를 이용하여, 유리 원료 가스를 화염 중에서 가수분해시켜 생성되는 유리 미립자를 출발 부재 상에 퇴적시켜 광섬유용 모재를 제조하는데 즈음하여, 상기 복수의 소구경 조연성 가스 분출 포트의 초점 거리를 L1으로 하고, 당해 소구경 조연성 가스 분출 포트의 선단으로부터 유리 미립자 퇴적면까지의 거리를 L2로 할 때, 퇴적 초기에는 L1＞L2로 하고, 퇴적 도중에 L1＜L2로 되도록, L2를 크게 해 가는 것을 특징으로 하고 있다.
유리 미립자, 생성, 퇴적, 모재, 버너

Description

광섬유용 모재의 퇴적용 버너{BURNER FOR DEPOSITION OF OPTICAL FIBER PREFORM}
본 발명은 유리 원료 가스를 화염 중에서 가수분해시켜 유리 미립자를 생성하고, 이것을 회전하는 출발 부재 상에 퇴적시키는 광섬유용 모재의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 광섬유용 모재를 제조하기 위해서 각종 방법이 제안되어 있다. 그러한 방법 중에서도, 회전하는 출발 부재 상에 버너(burner) 화염 중에서 생성된 유리 미립자를, 버너 혹은 출발 부재를 상대 왕복 운동시켜 부착 퇴적시켜 다공질 모재를 합성하고, 이것을 전기로 내에서 탈수, 소결하는 외부 부착법(OVD법)은, 비교적 임의의 굴절률 분포의 것이 얻어지고, 또한 대구경의 광섬유용 모재를 양산할 수 있기 때문에 범용되고 있다.
도 1은 광섬유용 모재의 제조 장치의 일례를 나타내고 있다. 도에 있어서, 유리 미립자(수트(soot))를 퇴적하는 출발 부재는, 코어 로드(core rod)(1)의 양단부에 더미 로드(dummy rod)(2)를 용착(溶着)한 것이고, 미도시의 기재 지지 부재에 의해 축회전으로 잉곳 척(ingot chuck) 기구(4)에 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 이 출발 부재를 향해 배치된 이동이 자유로운 버너(3)로부터 광섬유용 원료, 예를 들면 SiCl4 등의 증기와 연소 가스(수소 가스 및 산소 가스)를 출발 부재를 향해 뿜어내고, 산수소 화염 중에서의 가수분해에 의해 생성한 수트를 출발 부재 상에 퇴적시킴으로써, 광섬유용 다공질 모재가 형성된다. 또한, 부호 5는 배기 후드(hood)이다.
버너(3)는 미도시의 버너 가이드(guide) 기구에 의해 길이 방향으로 왕복 운동이 자유롭게 지지되고, 출발 부재를 축회전으로 회전시키면서, 출발 부재를 향해 화염을 분사하고, 화염 중에서의 원료 가스의 가수분해에 의해 생성한 유리 미립자를 퇴적시킴으로써 다공질 모재가 제조된다. 다음에, 가열로의 히터(heater)부를 통과시킴으로써, 탈수 유리화되고 광섬유 모재로 된다.
유리 미립자를 합성하고 출발 부재 상에 수트를 퇴적시키는데는 종래, 동심 다중관 버너가 이용되어 왔지만, 이러한 구조의 버너는 유리 원료 가스, 가연성 가스 및 조연성 가스의 혼합이 충분히 행해지지 않기 때문에, 유리 미립자의 생성이 충분하지 않았다. 그 결과, 수율이 늘어나지 않고 고속 합성이 곤란하였다.
이 문제를 해결하기 위해서, 특허문헌 1에는, 가연성 가스 분출 포트(port) 내에, 중심의 원료 가스 분출 포트를 둘러싸도록 소구경 조연성 가스 분출 포트(이하, 소구경 분출 포트라고 약칭한다)를 배치한 멀티노즐(multi-nozzle)형 버너가 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 원료 가스류의 흐트러짐을 막는 방법으로서, 소구 경 분출 포트의 초점 거리를 L1, 소구경 분출 포트 선단으로부터 모재의 퇴적면까지의 거리를 L2로 할 때, L1을 L2보다도 크게 하는 것을 제안하고 있다. 역으로, 특허문헌 3은 L1을 L2보다도 작게 하여 가스의 혼합 효율을 높임으로써, 퇴적 효율을 향상시킬 수가 있다고 하고 있다.
그렇지만, 회전하는 출발 부재 상에 버너 화염 중에서 생성된 유리 미립자를, 버너 또는 출발 부재를 상대 왕복 운동시켜 부착 퇴적시키는 OVD법은, 퇴적이 진행됨에 따라, 중량이 증가하고 퇴적체의 직경이 크게 되어 가기 때문에, 퇴적이 진행됨에 따라 통상, 가스량을 증가시키고 퇴적체의 밀도 조정이 행해지고 있다. 예를 들면, 출발 부재의 50mmφ로부터 시작하여 300mmφ로 될 때까지 퇴적이 계속된다.
퇴적 초기에는 퇴적 면적이 작기 때문에 가스량을 적게 하고 작은 가스 선속으로 행해진다. 그 때문에, 소구경 분출 포트로부터 분출되는 가스에 의해 유리 미립자의 흐름이 흐트러지고 쉽고, 흐트러지면 퇴적 효율이 저하된다. 퇴적 후반에는 퇴적체의 직경이 증가하고, 퇴적 면적이 크게 되어 있기 때문에 가스량을 증대시키고 큰 가스 선속으로 행해진다. 결과적으로, 소구경 분출 포트로부터 분출되는 가스에 의한 유리 미립자류의 흐트러짐은 작아지지만, 가스 선속이 크기 때문에 가스의 혼합률은 나빠지고, 퇴적 효율이 올라가지 않는다고 하는 문제가 있었다.
특허문헌 1: 일본 특허 1773359호 공보
특허문헌 2: 일본 특허 3543537호 공보
특허문헌 3: 일본 특허공개 2003-226544호 공보
본 발명은 상기한 문제점을 해소하고, 유리 미립자의 생성, 퇴적을 효율적으로 행할 수 있는 방법, 특히 대형의 모재를 합성하는 경우에 있어서, 퇴적 개시부터 퇴적 종료까지 안정하고 높은 퇴적 효율이 얻어지는 광섬유용 모재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 광섬유용 모재의 제조 방법은, 동심 다중관 구조를 가지고, 중심의 유리 원료 가스 분출 포트(port)의 외측에, 당해 유리 원료 가스 분출 포트에 대해서 동심원상으로 1열 또는 복수열 배치되고, 동일 열에 배치된 분출 포트가 동일한 초점 거리를 가지는, 복수의 소구경 조연성 가스 분출 포트를 내포하는 가연성 가스 분출 포트를 가지는 버너를 이용하여, 유리 원료 가스를 화염 중에서 가수분해시켜 생성되는 유리 미립자를 출발 부재 상에 퇴적시켜 광섬유용 모재를 제조하는데 즈음하여, 상기 복수의 소구경 조연성 가스 분출 포트의 초점 거리를 L1으로 하고, 당해 소구경 조연성 가스 분출 포트의 선단으로부터 유리 미립자 퇴적면까지의 거리를 L2로 할 때, 퇴적 초기에는 L1＞L2로 하고, 퇴적 도중에 L1＜L2로 되도록, L2를 크게 해 가는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 퇴적량이 증가하고, 모재의 외경이 증대함에 따라, 상기 버너를 퇴적면으로부터 멀리하여 거리 L2를 크게 해 감으로써, L1＜L2로 할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 퇴적 개시부터 퇴적 종료까지 안정한 상태로 퇴적을 계속할 수가 있고, 급격한 밀도 변화가 생기지 않고, 또한 높은 퇴적 효율이 얻어지는 등, 극히 뛰어난 효과를 가져온다.
상기 과제를 달성하기 위해서 열심히 연구를 거듭한 결과, 소구경 분출 포트의 초점 거리와 당해 분출 포트의 선단으로부터 유리 미립자의 퇴적면까지의 거리의 관계를, 퇴적 초기와 퇴적 후반에 각각 적절히 설정하는 것이 중요하다는 것을 알아내어, 본 발명에 이르렀다.
즉, 도 3에 나타내듯이, 동심원상으로 배열된 복수의 소구경 분출 포트로부터 분출되는 가스류가 맺히는 초점 거리를 L1으로 하고, 당해 분출 포트의 선단으로부터 유리 미립자 퇴적면까지의 거리를 L2로 할 때, 당해 분출 포트로부터 분출되는 조연성 가스에 의해 유리 미립자의 흐름이 흐트러지기 쉬운 퇴적 초기에는 L1＞L2로 함으로써, 중심의 유리 미립자의 흐름을 흐트러트리지 않고, 그 외측에서 가연성 가스와 조연성 가스의 혼합을 촉진시켜, 퇴적 효율을 증가시킬 수가 있다.
또한, 본 발명에 있어서 퇴적 후반이라는 것은, 퇴적체의 직경이 출발 부재의 직경의 대략 3배로 성장한 시점 이후를 가리키고 있다.
역으로, 가스량이 증가하고 가스류의 선속이 크게 되어 있는 퇴적 후반에는, 소구경 분출 포트로부터 분출되는 조연성 가스류에 의한 영향을 받기 어렵게 되고, 유리 미립자류는 흐트러지기 어렵게 되어 있지만, 반면, 가스 혼합률이 나빠지고 있으므로 L1＜L2로 함으로써, 퇴적체에 충돌하기 전의 원료 화염에, 소구경 분출 포트로부터의 조연성 가스가 초점 위치에서 집중하여 충돌함으로써, 가연성 가스와 조연성 가스, 또한 유리 미립자의 혼합 및 반응이 적극적으로 촉진되고, 퇴적 효율을 증가시킬 수가 있다.
소구경 분출 포트의 초점 거리 L1의 조정은 퇴적 중 곤란하기 때문에, L1과 L2의 관계의 조정은, 버너 선단으로부터 퇴적면까지의 거리 L2를 조정함으로써 행할 수가 있다. 구체적으로는, 퇴적 초기부터 퇴적 후반에 걸쳐, 퇴적면으로부터 버너를 매끄럽게 멀리하여 L2를 크게 해 감으로써 L1＜L2로 할 수가 있고, 퇴적 모재의 급격한 밀도 변화를 생기게 하는 일 없이, 안정한 상태로 퇴적을 계속할 수가 있다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서, 실시예 및 비교예를 들어 더 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1
도 1에 나타내는 것 같은 장치를 이용하여, 외부 부착법에 의해, 외경 50mm, 길이 2000mm의 코어 로드(core rod)의 양단부에 외경 50mm의 더미 로드(dummy rod)를 용착한 출발 부재 상에, 도 2에 나타내는 것 같은, 동심 5중관 구조를 가지는 버너를 이용하여, 유리 미립자를 퇴적하고, 광섬유용 모재를 제조하였다.
사용한 버너는, 제1관의 유리 원료 가스 분출 포트의 외측에 씰 가스(seal gas)를 분출하는 제2관, 또한 그 외측에 중심의 유리 원료 가스 분출 포트에 대하여 동심원상으로 1열로 배치되고, 조연성 가스를 분출하는 초점 거리 L1=150mm의 8개의 소구경 분출 포트를 내포하고, 가연성 가스를 분출하는 제3관(가연성 가스 분출 포트), 씰 가스를 분출하는 제4관, 조연성 가스를 분출하는 제5관으로 이루어져 있다.
또한, 버너의 제1관에는, 유리 원료 가스로서 SiCl4 10L/min와 조연성 가스 O2를 20L/min 공급하고, 제2관에는 씰 가스 N2를 4L/min, 제3관에는 가연성 가스 H2를 170L/min, 제4관에는 씰 가스 N2를 5L/min, 제5관에 조연성 가스 O2를 40L/min 공급하고, 또한 제3관에 내포되는 소구경 분출 포트의 주관(主管)에는 조연성 가스로서 O2를 16L/min 공급하고, 출발 부재 상에 유리 미립자를 100kg 퇴적시켰다. 버너의 각 관에 공급한 가스의 종류, 공급량은 비교예 1, 2와 함께 표 1에 모아서 나타내었다.
복수의 소구경 분출 포트의 초점 거리를 L1=150mm, 퇴적면까지의 거리 L2=125mm로 하여 퇴적을 개시하고, 퇴적체의 성장에 맞추어 버너를, 퇴적체의 직경이 출발 부재의 직경의 거의 3배인 150mmφ로 되었을 무렵에 L1=L2로 되고, 퇴적 종료시에는 L2=175mm로 되도록, 퇴적면으로부터 서서히 멀리하고 있었다.
퇴적 결과를 비교예 1, 2의 결과와 함께 표 2에 모아서 나타내고, 도 4에 5kg마다의 평균 퇴적 속도를 나타내었다. 도 4로부터, 실시예의 퇴적 속도는 퇴적 중, 후술하는 비교예 1, 2보다 뛰어나다는 것이 인지된다.
Figure 112008082091169-pat00001
Figure 112008082091169-pat00002
비교예 1
소구경 분출 포트의 초점 거리 L1=150mm로 하고, 퇴적면까지의 거리 L2=125mm를 유지하여 퇴적을 행한 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 출발 부재 상에 유리 미립자를 100kg 퇴적시켰다. 도 4로부터, 퇴적 초기에는 실시예와 거의 동일한 정도의 퇴적 속도였지만, 퇴적 후반에는 실시예보다도 뒤떨어져 있었다.
비교예 2
소구경 분출 포트의 초점 거리 L1=150mm로 하고, 퇴적면까지의 거리 L2=175mm를 유지하여 퇴적을 행한 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 출발 부재 상에 유리 미립자를 100kg 퇴적시켰다.
도 4로부터, 퇴적 초기에는 실시예보다도 뒤떨어져 있었지만, 퇴적 후반의 퇴적 속도는 실시예와 거의 동일한 정도였다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명에 의하면, 유리 미립자의 퇴적 효율이 향상되고, 다공질 유리 모재의 생산성 향상에 크게 기여한다.
도 1은 외부 부착법(OVD법)에 의한 다공질 유리 모재의 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 소구경 분출 포트(port)를 가지는 유리 미립자 합성용 버너(burner) 선단을 나타내는 개략도이다.
도 3은 초점 거리 L1과 버너 선단으로부터 퇴적면까지의 거리 L2의 관계를 설명하는 도이다.
도 4는 퇴적 중량과 퇴적 속도의 관계를 나타내는 도이다.
<부호의 설명>
1 코어(core)부
2 더미 로드(dummy rod)
3 버너(burner)
4 잉곳 척(ingot chuck) 기구
5 배기 후드(hood)
6 소구경 분출 포트(port)
7 퇴적면

Claims (2)

  1. 동심 다중관 구조를 가지고, 중심의 유리 원료 가스 분출 포트의 외측에, 당해 유리 원료 가스 분출 포트에 대해서 동심원상으로 1열 또는 복수열 배치되고, 동일 열에 배치된 분출 포트가 동일한 초점 거리를 가지는, 복수의 소구경 조연성 가스 분출 포트를 내포하는 가연성 가스 분출 포트를 가지는 버너를 이용하여, 유리 원료 가스를 화염 중에서 가수분해시켜 생성되는 유리 미립자를 출발 부재 상에 퇴적시켜 광섬유용 모재를 제조하는데 즈음하여, 상기 복수의 소구경 조연성 가스 분출 포트의 초점 거리를 L1으로 하고, 당해 소구경 조연성 가스 분출 포트의 선단으로부터 유리 미립자 퇴적면까지의 거리를 L2로 할 때, 퇴적 개시시에는 L1＞L2로 하고, 퇴적 종료시에는 L1＜L2로 되도록, L2를 크게 해 가는 것을 특징으로 하는 광섬유용 모재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    퇴적체의 직경이 출발 부재의 직경의 3배로 되었을 무렵에 L1=L2로 되는 것을 특징으로 하는 광섬유용 모재의 제조 방법.
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