KR20020019301A - 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광도파로 제조에 사용되는 동축류 확산 화염 버너 장치에 있어서, 연료가스, 상기 연료가스와 혼합된 원료물질 및 상기 연료가스의 연소에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스가 분사되는 원료가스 분사관과; 상기 원료가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스의 연소에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스가 분사되는 차단가스 분사관과; 상기 차단가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와의 연소 반응을 위한 산화가스가 분사되는 산화가스 분사관을 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치를 제공한다.

Description

광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치{CO-FLOW DIFFUSION FLAME BURNER DEVICE FOR FABRICATING OF OPTICAL WAVEGUIDE}
본 발명은 광도파로 제조에 관한 것으로서, 특히 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 광통신 시스템의 광신호 전달 매체로 사용되는 광도파로는 원료물질인 SiO2, GeO2, P2O5 및 B2O3등을 평면 실리콘 기판 혹은 튜브 등에 증착시켜 제조되며, 이러한 제조 방법에는 외부 기상 증착법(Outside Vapor Deposition), 기상 축 증착법(Vapor-phase Axial Deposition) 및 화염 가수분해 증착법(Flame Hydrolysis Deposition) 등이 있다.
특히, 상기 화염 가수분해 증착법은 평면 광도파로의 제조에 주로 사용되며, 동축류 확산 화염 버너에서 형성된 산/수소 화염을 이용하여 실리콘 기판 위에 원료 물질을 증착시키는 방법이다.
도 1은 일반적인 실시예에 따른 화염 가수분해 증착 공정에 의해 기판상에 광도파 박막층을 형성하는 과정을 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 원료 물질은 동축류 확산 화염 버너(1)에 의해 발생한 산/수소 화염(f) 내에서 가수분해 및 산화 반응을 거쳐 미세 입자인 글래스 슈트(glass soot)를 형성한다.
상기 글래스 슈트는 산/수소 화염(f)을 따라 이동하면서 입자간의 상호 충돌로 인해 응집/성장(coagulation/growth)하며, 열영동현상(thermophoresis)에 의해 실리콘 기판(10) 위에 증착된다. 이때, 상기 원료 물질의 조성비를 조절함으로써 언더 클래딩층(undercladding layer, 20), 코어층(core layer, 30) 및 도시되지 않은 오버 클래딩층(overcladding layer)과 같은 박막층을 차례로 형성한다.
이때, 실시예에 따라서는 여러 장의 실리콘 기판(10)을 회전하는 턴테이블(turntable) 위에 설치하여 동축류 확산 화염 버너(1)를 회전시키는 방법(M1) 또는 상기 실리콘 기판(10)은 고정된 상태로 놓고 상기 동축류 확산 화염 버너(1)를 2차원적으로 왕복 이동시키는 방법(M2)을 사용하기도 한다.
도 2는 종래 기술의 실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 종래 기술의 실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너(100)는 상호 동축 배열된 다수개의 관인 원료/이송가스 분사관(110), 연료/희석가스 분사관(120) 및 산화가스 분사관(130)으로 이루어진다.
상기 원료/이송가스 분사관(110)은 원료 물질(source material, S)과, 상기 원료 물질을 버블링(bubbling)하기 위해 사용된 이송가스(carrier gas, gc)가 분사되는 관이다. 상기 원료 물질(S)로는 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3등이 사용되며, BCl3를 제외한 대부분의 물질들은 상온에서 액체 상태이므로 이송가스(gc)로 버블링하여 사용된다. 상기 이송가스(gc)로는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 질소(N2) 등이 사용된다.
상기 연료/희석가스 분사관(120)은 화염의 연료가 되는 연료가스(fuel gas, gf) 및 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스(dilution gas, gd)가 분사되는 관이다. 상기 연료가스(gf)로는 수소(H2)를 사용하며, 상기 희석가스(gd)로는 수소에 희석되는 불활성 기체인 헬륨, 아르곤 등이 사용된다.
상기 산화가스 분사관(130)은 상기 연료가스(gf)와의 연소 반응에 의해 화염을 형성하는 산화가스(oxidation gas, go)가 분사되는 관이다. 상기 산화가스(go)로는 산소(O2)가 사용된다.
한편, 화염 가수분해 증착 방법에 의한 광도파로 제조에 있어서, 우수한 광전달 특성을 가진 광도파로를 제조하기 위해서는 실리콘 기판 위에 균일한 조성 및 두께를 가진 박막층을 형성하는 것이 가장 중요하다. 이러한 균일 박막층 형성은 동축류 확산 화염 버너로부터 형성되는 글래스 슈트의 크기 분포, 조성, 입자 크기 분포 및 수농도 분포가 균일해야 가능하다.
그러나, 종래의 동축류 확산 화염 버너(100)는 원료 물질의 농도 분포가 버너의 중심 부분은 높고, 버너의 중심에서 멀어질수록 낮아지는 가우시안(Gaussian) 형태의 분포를 가진다. 따라서, 실리콘 기판 위에 박막층을 형성하는 글래스 슈트의 조성 역시 버너의 중심에서의 거리에 따라 변화되므로, 균일한 박막층을 형성하는데 어려움이 있었다.
또한, 상기 원료 물질이 글래스 슈트를 형성하기 위해서는 분사구로부터 일정 거리 이상의 이동 거리가 필요하다. 이러한 입자 형성을 위한 이동 거리는 원료 물질의 유량이 증가할수록 늘어나는데, 종래의 동축류 확산 화염 버너의 경우 중심에서의 거리에 따라 원료 물질의 농도가 변화하므로 입자 생성 시간 및 응집 효과의 차이가 발생하여, 중심에서의 거리에 따라 글래스 슈트의 입자 크기가 변할 뿐만 아니라 입자들의 크기 분포도 대수정규(lognormal) 분포에 가까운 형태를 가지게 된다. 이와 같이 입자의 크기가 커지고 입자의 크기 분포 역시 불균일하게 되면, 증착 공정후 이루어지는 소결 공정상의 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 글래스 슈트의 입자 크기를 감소시키고 균일한 입자 분포를 가지도록 하기 위한 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 보다 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 글래스 슈트를 증착시키기 위한 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광도파로 제조에 사용되는 동축류 확산 화염 버너 장치에 있어서, 연료가스, 상기 연료가스와 혼합된 원료물질 및 상기 연료가스의 연소에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스가 분사되는 원료가스 분사관과; 상기 원료가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와 산화가스의 연소 반응에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스가 분사되는 차단가스 분사관과; 상기 차단가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와의 연소 반응을 위한 산화가스가 분사되는 산화가스 분사관을 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치를 제공한다.
도 1은 일반적인 실시예에 따른 화염 가수분해 증착 공정에 의해 기판상에 광도파 박막층을 형성하는 과정을 나타낸 개략도,
도 2는 종래 기술의 실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너의 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너의 사시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너의 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 동축류 확산 화염 버너 210 : 원료가스 분사구
220 : 차단가스 분사구 230 : 산화가스 분사구
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너(200)는, 원료가스 분사관(210), 차단가스 분사관(220) 및 산화가스 분사관(230)으로 이루어진다.
1, 원료가스 분사관(210)
상기 원료가스 분사관(210)은 연료가스(gf), 상기 연료가스(gf)와 혼합된 원료 물질(S) 및 상기 연료가스(gf)의 연소에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스(gd)가 분사되는 관이다.
상기 연료가스(gf)로는 수소를 사용하며, 상기 원료 물질(S)로는 SiCl4, GeCl4, POCl3, BCl3등을 사용한다. 또한, 상기 희석가스(gd)로는 수소에 희석되는 불활성 기체인 헬륨, 아르곤 또는 질소 등을 각각 사용할 수 있다. 또한, 상기 연료가스 (gf) 및 원료 물질(S)의 공급량은 질량 유속 제어기(mass flow controller)를 통해 제어된다.
상기 원료 물질(S)은 버블러(bubbler) 내에 공급되어 있다가, 상기 연료가스 (gf) 또는 희석가스(gd)가 버블러를 통과할 때 연료가스(gf) 또는 희석가스(gd)와 혼합된다. 즉, 본 발명의 원료 물질(S)은 종래와는 달리 별도의 이송가스에 의해 이송되는 것이 아니라, 상기 연료가스(gf) 또는 희석가스(gd)에 의해 버블링되므로 수소등에 의해 증발된 상태로 동축류 확산 화염 버너(200)의 원료가스 분사구(210)를 통해 분사된다. 따라서, 상기 연료가스(gf)의 연소에 의한 화염 형성 위치와 원료 물질(S)이 분사되는 위치가 같아지며, 이로인해 상기 연료가스(gf)의 연소와 동시에 글래스 슈트의 입자가 형성된다.
또한, 상기 연료가스(gf)로 사용되는 수소는 종래 원료 물질을 이송하는데 사용되었던 이송가스들에 비해 확산 계수(diffusion coefficient)가 크기 때문에 글래스 슈트의 입자가 짧은 시간 내에 넓은 범위에 걸쳐 형성된다. 따라서, 화염 내에서 글래스 슈트의 입자 분포가 균일해지며, 입자의 응집 효과가 줄어들어 입자의 크기도 감소하게 된다. 이와같은 균일한 입자 분포 및 입자 크기 감소는 증착 공정후 이루어지는 소결 공정에서 유리한 특성을 가지게 한다.
2. 차단가스 분사관(220)
상기 차단가스 분사관(220)은 원료가스 분사관(210)의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스(gf)의 연소 반응에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스(shield gas, gs)가 분사되는 관이다. 상기 차단가스(gs)로는 소량의 불활성 기체를 사용한다.
3. 산화가스 분사관(230)
상기 산화가스 분사관(230)은 차단가스 분사관(220)의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스(gf)와의 연소 반응을 위한 산화가스(go)가 분사되는 관이다. 상기 산화가스(go)로는 산소를 사용한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너의 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너(300)는, 제1원료가스 분사관(310), 제1차단가스 분사관(320), 제1산화가스 분사관(330), 제2차단가스 분사관(340), 제2원료가스 분사관(350), 제3차단가스 분사관(360) 및 제2산화가스 분사관(370)으로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너(300)는 상술한 제1실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너(200)보다 넓은 영역에 걸쳐 균일한 박막층을 형성하기 위한 응용예로서, 버너 중심에 위치한 원료가스 분사관, 차단가스 분사관 및 산화가스 분사관 외에 차단가스 분사관, 원료가스 분사관, 차단가스 분사관 및 산화가스 분사관이 추가로 설치된다.
상기 제1원료가스 분사관(310)은 연료가스(gf), 상기 연료가스(gf)와 혼합된 원료 물질(S) 및 상기 연료가스(gf)의 연소에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스(gd)가 분사되는 관이다. 상기 연료가스(gf)로는 수소를 사용하며, 상기 원료 물질(S)로는 SiCl4, GeCl4, POCl3등을 사용한다. 또한, 상기 희석가스(gd)로는 수소에 희석되는 불활성 기체인 헬륨, 아르곤 또는 질소 등을 각각 사용할 수 있다.
상기 제1차단가스 분사관(320)은 상기 제1원료가스 분사관(310)의 외측에 동축 배열되며, 주로 상기 제1원료가스 분사관(310)에서 분사된 연료가스(gf)의 연소에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스(gs)가 분사되는 관이다. 상기 차단가스(gs)로는 소량의 불활성 기체를 사용한다.
상기 제1산화가스 분사관(330)은 상기 제1차단가스 분사관(320)의 외측에 동축 배열되며, 상기 제1원료가스 분사관(310)에서 분사된 연료가스(gf)와의 연소 반응을 위한 산화가스(go)가 분사되는 관이다. 상기 산화가스(go)로는 산소를 사용한다.
상기 제2차단가스 분사관(340)은 상기 제1산화가스 분사관(330)의 외측에 동축 배열되며, 주로 상기 제1산화가스 분사관(330)에서 분사된 산화가스(go)와 제2원료가스 분사관(350)에서 분사된 연료가스(gf)의 연소 반응에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스(gs)가 분사되는 관이다.
상기 제2원료가스 분사관(350)은 상기 제2차단가스 분사관(340)의 외측에 동축 배열되며, 연료가스(gf), 상기 연료가스(gf)와 혼합된 원료 물질(S) 및 상기 연료가스(gf)의 연소에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스(gd)가 분사되는 관이다.
상기 제3차단가스 분사관(360)은 상기 제2원료가스 분사관(350)의 외측에 동축 배열되며, 주로 상기 제2원료가스 분사관(350)에서 분사된 연료가스(gf)와 산화가스(go)의 연소 반응에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스(gs)가 분사되는 관이다.
상기 제2산화가스 분사관(370)은 상기 제3차단가스 분사관(360)의 외측에 동축 배열되며, 상기 제2원료가스 분사관(350)에서 분사된 연료가스(gf)와의 연소 반응을 위한 산화가스(go)가 분사되는 관이다.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 동축류 확산 화염 버너(300)는 이중 화염을 형성할 뿐만 아니라 이러한 이중 화염 모두에서 글래스 슈트가 생성되므로, 보다 넓은 영역에 걸쳐 균일한 박막층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 응용예에 따른 동축류 확산 화염 버너는 이중 화염을 형성할 수 있는 제2실시예의 동축류 확산 화염 버너(300)와 같은 구조에 추가로 차단가스 분사관, 원료가스 분사관, 차단가스 분사관, 산화가스 분사관들을 설치함으로써 다중 화염을 형성할 수 있는 동축류 확산 다중 화염 버너를 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치는 글래스 슈트의 입자 크기를 감소시키고 균일한 입자 분포를 가지도록 하며, 보다 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 글래스 슈트를 증착시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 광도파로 제조에 사용되는 동축류 확산 화염 버너 장치에 있어서,
    연료가스, 상기 연료가스와 혼합된 원료물질 및 상기 연료가스에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스가 분사되는 원료가스 분사관과;
    상기 원료가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스의 연소에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스가 분사되는 차단가스 분사관과;
    상기 차단가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와의 연소 반응을 위한 산화가스가 분사되는 산화가스 분사관을 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 희석가스로는 불활성 기체를 사용함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 차단가스로는 불활성 기체를 사용함을 특징으로 하는 광도파로 제조용동축류 확산 화염 버너 장치.
  4. 광도파로 제조에 사용되는 동축류 확산 화염 버너 장치에 있어서,
    연료가스, 상기 연료가스와 혼합된 원료물질 및 상기 연료가스의 연소에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스가 분사되는 제1원료가스 분사관과;
    상기 제1원료가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스의 연소에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스가 분사되는 제1차단가스 분사관과;
    상기 제1차단가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와의 연소 반응을 위한 산화가스가 분사되는 제1산화가스 분사관과;
    상기 제1산화가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와 산화가스의 연소 반응에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한 차단가스가 분사되는 제2차단가스 분사관과;
    상기 제2차단가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 연료가스, 상기 연료가스와 혼합된 원료가스 및 상기 연료가스에 의해 발생하는 화염의 온도를 조절하기 위한 희석가스가 분사되는 제2원료가스 분사관과;
    상기 제2원료가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와 산화가스의 연소 반응에 의해 생성되는 입자가 분사관 단부에 고착되는 것을 막기 위한차단가스가 분사되는 제3차단가스 분사관과;
    상기 제3차단가스 분사관의 외측에 동축 배열되며, 상기 연료가스와의 연소 반응을 위한 산화가스가 분사되는 제2산화가스 분사관을 포함함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 희석가스로는 불활성 기체를 사용함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 차단가스로는 불활성 기체를 사용함을 특징으로 하는 광도파로 제조용 동축류 확산 화염 버너 장치.
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