KR20040095429A - 다공질 유리 모재의 열처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 제조 과정에 있어서 부식성 가스를 흡착하고 있는 다공질 유리 모재를, 가스 투과성을 갖는 노심관 내에서 열처리하는 경우에 생기는, 가열 장치 및 그 주변 부품의 부식을 막고, 또한 피부식 금속에 의한 다공질 유리 모재의 오염을 방지하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

반응 용기(3) 내에 노심관(2)과 상기 노심관(2)의 외측에 가열 장치(4)를 배치하여 행하는 다공질 유리 모재(1)의 열처리 방법이며, 상기 노심관(2)을 가스 투과성을 갖는 재료로 형성하고, 상기 반응 용기(3)와 노심관(2) 사이에 불활성 가스를 공급하고, 상기 불활성 가스의 일부 또는 전부를 노심관(2)을 투과시켜 시스템 밖으로 배출하고, 노심관 내의 압력을 노심관 외의 압력보다 낮게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

다공질 유리 모재의 열처리 방법 및 장치{HEAT TREATMENT METHOD OF POROUS GLASS PREFORM AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은, 유리 미립자를 퇴적하여 형성한 다공질 유리 모재를 종형 소결로의 내부에 현수하여 가열하고, 소결하여 투명 유리화하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

고순도 석영 유리나, 광섬유용 유리 모재를 제조하는 방법에는 유리 미립자 합성용 버너를 이용하여, 화염 가수 분해 반응으로 생성하는 유리 미립자를 회전하는 타겟 막대에 퇴적시켜 다공질 유리 모재를 합성하고, 이를 약 1500 ℃로 투명 유리화하는 방법이 있으며, 이것에는 타겟의 선단부에 축방향으로 퇴적시키는 VAD법이나, 타겟의 외부 표면에 직경 방향으로 퇴적시키는 OVD법 등이 있다.

이 유리 미립자 합성용 버너에는, H₂등의 가연성 가스, O₂등의 조연성 가스, 또한 유리 미립자의 원료가 되는 SiCl₄등의 규소 함유 화합물이 공급되고, 화염 속에서 원료가 가수 분해되어 유리 미립자(SiO₂)가 합성된다. 이 반응은 염화 수소 가스(HCl)의 발생을 수반하고, 발생한 염화 수소 가스의 일부는 다공질 유리 모재에 흡착된다.

이와 같이 하여 제조된 다공질 유리 모재를 가열로 속에서, 약 1500 ℃로 열처리함으로써 투명 유리화할 수 있다. 또한, 유리 중 수산기를 제거하기 위해, 투명 유리화에 앞서서 염소 가스 함유 분위기 속에서 900 내지 1200 ℃에서 탈수 처리를 행하는 경우도 있다.

이들 열처리에서는 가열로와 다공질 유리 모재를 구획하기 위해 노심관을 사용하고, 이 노심관 내에 다공질 유리 모재를 수납하고 있다. 이 투명 유리화 처리를 감압 혹은 진공 속에서 행함으로써 유리화 처리 시간을 단축할 수 있고. 또한 열처리 후의 유리 모재 중에 잔존하는 거품을 적게 할 수 있다(특허 제2559395호 참조).

상압에서 열처리하는 경우, 가열 장치를 다공질 유리 모재의 전체 길이에 걸쳐 배치하는 경우에는, 그 형상 안정성면에서 카본이 이용된다.

감압 혹은 진공 속에서 열처리를 행하는 경우, 노심관에 이용하는 소재에는 내열성 및 내산성 등의 특성으로부터 카본이 이용되는 경우가 많다. 카본은 가스 투과성을 가지므로, 다공질 유리 모재에 흡착되어 있는 부식성의 염화 수소 가스가 가열에 의해 유리하고, 노심관을 투과하여 가열 장치의 주변 부품이나 반응 용기를 부식한다는 문제가 있었다.

이들의 부식은 장치의 수명을 짧게 할 뿐만 아니라, 휘발성의 금속 염화물을 발생시키고, 이것이 다공질 유리 모재 내에 취입되므로, 제품의 순도를 낮추는 경우가 있다. 광섬유용 다공질 유리 모재에 있어서는, 이들 불순물은 최종적으로 제조되는 광섬유의 전송 손실을 증가시키게 되므로 바람직하지 못하다.

그래서, 본 발명은 제조 과정에 있어서 부식성 가스를 흡착하고 있는 다공질 유리 모재를, 가스 투과성을 갖는 노심관 내에서 열처리하는 경우에 생기는, 가열 장치 및 그 주변 부품의 부식을 막고, 또한 피부식 금속에 의한 다공질 유리 모재의 오염을 방지하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

도1은 본 발명의 광섬유용 다공질 유리 모재의 열처리에 사용되는 열처리 장치의 일예를 도시한 개략 단면도.

도2는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제작한 광섬유용 모재 잉곳을, 각각 선을 뽑아서 얻은 광섬유의 전송 손실 특성을 비교하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 다공질 유리 모재

2 : 노심관

3 : 반응 용기

4 : 가열 장치

5 : 배기 포트

6 : 불활성 가스 공급 포트

7 : 가스 공급 포트

본 발명의 다공질 유리 모재의 열처리 방법은, 반응 용기 내에 노심관과 상기 노심관의 외측에 가열 장치를 배치하여 행하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법이며, 상기 노심관을 가스 투과성을 갖는 재료로 형성하고, 상기 반응 용기와 노심관 사이에 불활성 가스를 공급하고, 상기 불활성 가스의 일부 또는 전부를 노심관을 투과시켜 시스템 밖으로 배출하고, 노심관 내의 압력을 노심관 외의 압력보다 낮게 하는 것을 특징으로 한다.

이 열처리 방법은 다공질 유리 모재의 투명 유리화 처리에 적합하다. 또, 불활성 가스로는 He을 사용하는 것이 바람직하다. He이 다공질 유리 모재 중에 잔류하고 있어도, 유리화시에 거품으로 되어 남지 않는 것이 일반적으로 알려져 있기 때문이다. 또한, 노심관 내를 감압 혹은 진공 분위기로 하는 것이 좋다. 이것은 또한 거품이 감소하기 때문이다.

본 발명의 다공질 유리 모재의 열처리 장치는, 반응 용기 내에 노심관과 상기 노심관의 외측에 가열 장치가 배치된 다공질 유리 모재의 열처리 장치이며, 상기 노심관이 가스 투과성을 갖는 재료로 형성되고, 노심관과 반응 용기 사이에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 포트 및 노심관 내의 가스를 시스템 밖으로 배출하는 배기 포트를 갖고, 노심관 내의 압력을 상기 노심관 외의 압력보다 낮게 할 수 있도록 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 노심관이나 가열 장치의 가열원, 혹은 반응 용기와 가열 장치 사이에 충전하는 단열재에는 카본을 사용하고, 특히 회분 함유량 20 ppm 이하의 카본을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.

도1에 있어서, 다공질 유리 모재(1)는 가스 투과성을 갖는 재료로 형성된 노심관(2) 내에 현수되고, 상기 노심관(2)의 외측에는 가열 장치(4)가 배치되어, 모두 반응 용기(3)의 내부에 수용되어 있다. 도시하지 않았지만, 반응 용기(3)와 가열 장치(4) 사이에는 단열재가 배치되어 있다. 노심관(2)의 상부에는, 노심관 내의 가스를 시스템 밖으로 배출하는 배기 포트(5)가 부착되어 있다. 반응 용기(3)에는 불활성 가스 공급 포트(6)가 부착되어, 반응 용기(3)와 노심관(2) 사이에 불활성 가스를 공급할 수 있도록 배치되어 있다. 또한, 다공질 유리 모재(1)를 상압 또는 감압 분위기에서 열처리할 수 있도록, 노심관(2)에 가스 공급 포트(7)가 부착된다.

다공질 유리 모재는 그 퇴적 중, 원료의 가수 분해 반응에서 부생하는 염화 수소 가스 등의 부식성 가스를 다량으로 흡착하고 있다. 이러한 다공질 유리 모재가 탈수 공정이나 투명 유리화 공정에 있어서 가열되면, 상기 모재에 흡착되어 있는 부식성의 염화 수소 가스가 유리하지만, 본 발명의 열처리 방법에 있어서는 반응 용기와 노심관 사이에 불활성 가스를 흐르게 하고, 노심관 외의 압력을 노심관 내의 압력보다 높게 하는, 환언하면 노심관 내의 압력을 노심관 외의 압력보다 낮게 함으로써, 유리한 부식성 가스가 노심관을 투과하여 가열 장치측으로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 반응 용기와 노심관 사이에 공급된 불활성 가스의 일부 또는 전부를 노심관을 투과시켜 노심관 내로부터 시스템 밖으로 배출함으로써,가열로 주변 부품이나 반응 용기는 부식되지 않고 수명을 길게 할 수 있다. 또한, 이들이 부식된 경우에 생기는 휘발성의 금속 염화물을 발생시키지 않으므로, 얻어지는 모재 잉곳의 순도를 높일 수 있다.

이 방법은 노심관 내를 감압 혹은 진공 분위기로 하여 이용하는 경우에 특히 유효하다. 또, 상압 분위기에서 열처리하는 경우에는 노심관의 소재로서 가스 투과성이 충분히 작은 석영 유리를 이용할 수 있다.

또한, 열처리의 목적이 투명 유리화인 경우에는 불활성 가스로서 He을 이용하면 유리 중 기포의 잔존이 적어 양호하다.

반응 용기 내에 설치되는 가열 장치나 노심관 및 단열재에는, 내열성 및 내산성이 우수한 카본 부재를 사용하면 좋다. 그러나, 이들 카본 부재에 불순물이 많이 포함되어 있는 경우에는, 가열시에 불순물이 휘발하여 다공질 유리 모재 내부에 취입되고, 얻어지는 모재 잉곳의 순도를 낮춰 특성에 악영향을 부여하므로, 이들 부재에는 회분 함유량 20 ppm 이하의 고순도품을 사용하는 것이 바람직하다.

<제1 실시예>

도1에 도시한 열처리 장치를 사용하고, 노심관(2)의 상부에 부착된 배기 포트(5)로부터 진공 배기하면서 불활성 가스 공급 포트(6)보다 He 가스를 반응 용기(3)와 노심관(2) 사이에 도입하고, 노심관(2) 내에 현수된 광섬유용 다공질 유리 모재(1)를 약 1500 ℃로 4 시간 가열하여, 투명 유리화를 행하였다. 이 때 노심관(2)의 내외압 차는 약 20 Pa였다. 이러한 조건 하에서, 20 로트(개)의 광섬유용 다공질 유리 모재의 투명 유리화 처리를 행하였다.

이와 같이 하여 얻어진 20 로트의 모재 잉곳을 선을 뽑아서 광섬유로 하고, 파장 1550 ㎚에 있어서의 전송 손실을 측정하고, 도2의 곡선 A로 나타냈다.

곡선 A는 전송 손실의 로트 사이의 경시 변화를 나타내고 있고, 시종 충분히 낮은 값으로 안정되어 있었다. 일련의 실험(20 로트) 후, 반응 용기 내의 금속 부분의 부식 상태를 검사했지만, 실험 개시 전과 비교하여 전혀 변화하지 않았다.

<제1 비교예>

도1에 도시한 열처리 장치를 사용하여, 배기 포트(5)로부터 진공 배기하고, 불활성 가스 공급 포트(6)로부터는 He 가스를 도입하지 않고, 광섬유용 다공질 유리 모재(1)를 약 1500 ℃로 4 시간 가열하여 투명 유리화를 행하였다. 이 때 노심관(2)의 내외 압차는 거의 0 Pa였다. 이러한 조건 하에서, 20 로트의 광섬유용 다공질 유리 모재의 투명 유리화 처리를 행하였다.

이와 같이 하여 얻어진 20 로트의 모재 잉곳을 선을 뽑아서 광섬유로 하고, 파장 1550 ㎚에 있어서의 전송 손실을 측정하고, 도2 곡선 B로 나타냈다.

전송 손실은 제1 실시예에 비해 높고, 로트를 좇아감에 따라 증가하는 경향이 보였다. 일련의 실험(20 로트) 후, 반응 용기 내의 금속 부분을 검사한 결과, 갈색 내지 녹색의 부식물이 금속 표면에 석출되어 있었다.

본 발명은, 주로 화염 가수 분해 반응에 의해 제조한 부식성 가스를 흡착하고 있는 다공질 유리 모재를, 가스 투과성을 갖는 노심관 내에 배치하고, 노심관 내의 압력을 노심관 외의 압력보다 낮게 함으로써, 노심관 외에 배치된 가열 장치나 전극 등의 주변 부품 및 반응 용기 등의 부식은 방지되고, 이들의 수명을 길게 할 수 있어, 제조되는 모재 잉곳의 순도를 높일 수 있다.

Claims (9)

1. 반응 용기 내에 노심관과 상기 노심관의 외측에 가열 장치를 배치하여 행하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법이며,

   상기 노심관을 가스 투과성을 갖는 재료로 형성하고, 상기 반응 용기와 노심관 사이에 불활성 가스를 공급하고, 상기 불활성 가스의 일부 또는 전부를 노심관을 투과시켜 시스템 밖으로 배출하고, 노심관 내의 압력을 노심관 외의 압력보다 낮게 하는 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 열처리가, 다공질 유리 모재의 투명 유리화 처리인 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 불활성 가스가 He인 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 노심관 내를, 감압 혹은 진공 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 방법.
5. 반응 용기 내에, 노심관과 상기 노심관의 외측에 가열 장치가 배치된 다공질 유리 모재의 열처리 장치이며,

   상기 노심관이 가스 투과성을 갖는 재료로 형성되고, 노심관과 반응 용기 사이에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 포트 및 노심관 내의 가스를 시스템 밖으로 배출하는 배기 포트를 갖고, 노심관 내의 압력을 상기 노심관 외의 압력보다 낮게 할 수 있도록 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 장치.
6. 제5항에 있어서, 노심관이 카본제인 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 장치.
7. 제5항에 있어서, 가열 장치의 가열원이 카본제인 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 장치.
8. 제5항에 있어서, 반응 용기와 가열 장치 사이에 충전되는 단열재가 카본제인 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 장치.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 카본의 회분 함유량이 20 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 다공질 유리 모재의 열처리 장치.