다음은 재작성된 광섬유 코어 제조 가이드의 영문 번역본입니다

광섬유 코어 제조 및 생산에 대한 종합 가이드

광섬유 코어 제조의 복잡성으로 어려움을 겪고 계신가요? 품질 관리가 부족하면 신호 손실과 생산 실패를 초래할 수 있습니다.

광섬유 코어 제조는 화학 기상 증착법을 사용하여 프리폼을 준비하고, 정밀한 실시간 지름 모니터링과 보호 코팅 적용과 함께 최대 2000°C의 온도에서 정밀하게 끌어내리는 과정을 포함합니다.

처음에는 섬유 코어 제조 기술이 복잡해 보일 수 있으며 상당한 투자가 필요합니다. 저는 후이자이(HONGKAI)의 광섬유 생산 라인에서 일하던 초기 경험을 기억합니다. 당시 이러한 정밀도를 달성하는 것이 거의 불가능하게 느껴졌습니다. 유리 원료 준비부터 최종 코팅 적용에 이르기까지 모든 단계는 정확한 제어를 요구합니다. 어떤 실수라도 성능 기준을 충족하지 못하고 사용할 수 없는 섬유를 초래할 수 있습니다. 성공을 위해서는 각 제조 단계에 대한 철저한 이해가 필수입니다. 제가 전체 과정을 안내해 드리겠습니다. 이를 통해 지속적으로 고품질의 섬유 코어를 생산할 수 있는 안정적이고 효율적인 생산 라인을 구축하실 수 있습니다.

섬유 코어 생산에 필요한 재료는 무엇입니까?

원자재의 품질은 완제품 섬유의 성능을 직접적으로 결정합니다. 불순물이 포함된 화학 물질을 사용하면 광신호 감쇠와 함께 섬유 인장 시 파손이 발생할 수 있습니다.

초고순도 실리콘 테트라클로라이드와 게르마늄 테트라클로라이드가 1500°C를 초과하는 온도의 특수 용광로에서 제어된 화학 반응을 통해 유리로 전환된다.

고품질 광섬유 생산의 핵심은 적절한 원자재를 선택하는 데 있다. 산업계에 처음 입문했을 무렵, 한 번의 배치된 광섬유가 일관되게 품질 검사를 통과하지 못했는데 오랜 조사 끝에 원자재 오염이 문제의 근본 원인임을 깊이 깨달았다. 광섬유 제조에서 요구되는 순도 기준은 다른 대부분의 산업보다 훨씬 더 엄격하다.

주요 화학 성분

개념적으로는 간단하지만, 핵심 화학 물질들은 실행 과정에서 매우 까다롭다. 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)는 실리카 유리의 주요 원천이며, 순도 99.999% 이상이 요구된다. 미세한 불순물만으로도 상당한 광손실이나 섬유 파손이 발생할 수 있다.

게르마늄 테트라클로라이드(GeCl4)는 코어의 굴절률을 클래딩보다 높이기 위한 도펀트로 사용된다. 정밀한 게르마늄 농도 조절을 통해 수치조리개 및 빛 수집 능력을 제어한다. 단일모드 광섬유는 일반적으로 게르마늄 함량이 중량 기준 3% 미만인 반면, 다중모드 광섬유는 8~12%까지 올라갈 수 있다.

화학 반응 과정

액체 화학물질은 정밀하게 제어된 산화 공정을 통해 고체 유리로 전환된다. 기본적인 반응은 SiCl4 + O2 → SiO2 + 2Cl2이며, 1500~1800°C의 온도가 필요하다. 게르마늄은 비슷한 경로를 따르며 반응식은 GeCl4 + O2 → GeO2 + 2Cl2이다.

증착 주기 동안 반응 조건을 안정적으로 유지하는 것은 어려운 일이다. 단지 10°C의 온도 변화라도 구성 성분에 영향을 주어 광섬유 특성에 영향을 미친다. 산소 유량은 ±1% 이내로 유지되어야 완전한 산화가 보장된다. 미반응 염화물은 흡수 중심을 형성하여 손실을 증가시킨다.

순도 기준 및 시험

광섬유 재료는 대부분의 반도체 순도 기준을 초과합니다. 수분 함량은 1ppm 이하로 유지되며(수산기 그룹이 1380nm에서 흡수를 유발함), 추가 손실을 방지하기 위해 철, 구리, 크롬과 같은 금속 불순물은 10ppb 이하로 유지되어야 합니다.

비용이 많이 드는 하류 공정 문제를 예방하기 위해 모든 화학 물질 배치를 ICP-MS 및 가스크로마토그래피로 테스트합니다.

보관 및 취급

이 화학 물질들은 수분에 매우 민감하며 물과 접촉할 경우 부식성 염산을 발생시킵니다. 따라서 밀폐된 스테인리스강 용기에 건조한 질소 분위기에서 보관하며, 온도는 ±2°C 이내, 습도는 5% 미만으로 유지됩니다.

취급 시에는 전해연마 스테인리스강 튜브와 VCR 피팅을 사용합니다. 사용 전 라인은 초고순도 질소로 퍼지(purge)합니다. 작업자는 클린룸 의복을 착용하고 엄격한 절차를 준수해야 합니다.

비용이 들지만, 초정밀 청정 보관 조건을 유지함으로써 오염과 손실을 유발하는 장비 정지를 방지할 수 있으므로 투자 가치가 충분합니다.

유리 프리폼은 어떻게 제작되나요?

프리폼의 품질은 최종 광섬유 성능에 직접적인 영향을 미치며, 불균일한 증착은 직경 변동과 광손실을 유발할 수 있습니다.

MCVD 및 OVD 기법은 회전하는 튜브 또는 마드릴의 내부 또는 외부에 유리 층을 제어된 방식으로 증착하여 최대 1미터 길이의 프리폼을 생산합니다.

유리 프리폼 제조는 광학적 및 기계적 특성을 결정하는 가장 중요한 단계입니다. 소규모 공정 변수 조정만으로도 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

수정 화학 기상 증착(MCVD)

MCVD는 고품질 프리폼을 제작하는 주요 방법입니다. 이 공정은 순도가 높은 실리카 튜브(지름 15-25mm, 길이 800-1200mm)에서 시작되며, 높은 둥글기, 동심도 및 표면 평탄도가 요구됩니다. 튜브의 결함은 이후 공정 전체에 전파됩니다.

튜브는 수평 방향으로 회전(10-100RPM)하면서 수소-산소 버너가 종방향으로 이동하며 튜브 표면을 1900-2000°C까지 가열합니다.

질량 유량 조절기(Mass Flow Controllers)를 통해 ±0.5%의 유량 제어로 화학 증기가 튜브 내부를 흐릅니다. 각 증착 사이클은 일반적으로 50~200회의 통과를 완료하여 미크론 두께의 숙(soot) 층을 형성한 후, 이를 밀도 높은 유리로 소결합니다.

외부 기상 증착(OVD)

OVD는 회전하는 수직형 베이트 막대의 외부에서 유리층을 증착하여 코어와 클래딩 비율을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 매우 큰 프리폼(지름 최대 150mm, 길이 1.5m)을 제작할 수 있습니다.

여러 개의 버너가 먼저 코어층을 증착한 후, 연속적으로 클래딩층을 형성합니다. 증착 후 다공성 프리폼은 1500~1600°C의 가마에서 소결되며, 베이트 막대는 소결 전 또는 후에 제거됩니다.

품질 관리

비접촉 광학 피라미터가 불꽃 온도를 지속적으로 측정합니다. 간섭계를 이용한 굴절률 분포 측정법은 코어 지름, 수치 조리개(Numerical Aperture), 그리고 프로파일 형태를 평가합니다. 정밀한 기하학적 측정을 통해 둥근 정도는 0.1% 이내, 동심도는 0.5% 이내로 유지됩니다.

공정 최적화 및 문제 해결

체계적인 실험 설계를 통해 온도, 유량 및 화학 조성을 조정하여 계면 결함, 굴절률 변화 및 형상 문제의 원인을 파악합니다.

정기적인 장비 정비와 교정이 중요합니다.

광섬유 뽑기를 위한 필수 장비

부적절한 장비 선택은 생산 중단, 광섬유 파손, 직경 변동 및 코팅 결함을 유발합니다.

뽑기 타워에는 그래파이트 퍼니스, 레이저 직경 측정기, 코팅 도포 장치 및 장력 제어 장치가 포함되어 최대 25m/s의 광섬유 뽑기 속도를 가능하게 합니다.

탑은 진동 격리 구조의 10~15m 높이의 철강 구조물로, 정밀한 환경 제어(여과된 양압 공기, 온도 ±2°C, 습도 제어)를 유지합니다.

고온 용광로

그래파이트 히터는 열전대와 피로미터로 모니터링되며 ±1°C 정확도로 2200°C까지 도달합니다. 퍼니스 내 분위기는 히터와 광섬유를 보호하기 위해 산소 농도를 10ppm 이하로 유지한 아르곤 또는 질소를 사용합니다.

서보 제어 방식의 프리폼 공급 장치는 ±0.1mm의 위치 정확도를 제공합니다.

지름 측정 및 제어

레이저 회절 시스템은 0.1μm 해상도와 밀리초 이하의 반응 속도로 섬유 지름을 측정합니다. 피드백 제어를 통해 캡스턴 속도를 조정하여 안정적인 지름을 유지합니다.

고급 예측 제어 및 머신러닝 기술이 지름 안정성을 최적화합니다.

코팅 적용

압력 다이를 사용해 이중층 아크릴레이트 코팅을 적용합니다. 우선 부드러운 완충층(두께 약 32.5μm)을 도포한 후, 단단한 보호용 2차 코팅층(두께 약 32.5μm)을 추가하여 최종적으로 약 250μm의 지름을 형성합니다.

코팅의 동심도는 광학적으로 모니터링되며, 응력 유발 분산을 방지하기 위해 조정됩니다.

자외선 경화

중압 수은 UV 램프를 사용하여 질소 분위기(<50ppm 산소)에서 코팅을 중합시켜 경화 억제를 방지합니다.

장력 제어 및 권취

서보 구동 캡스턴과 매끄러운 표면을 사용하여 50~150g 범위 내에서 드로잉 장력을 제어함으로써 섬유 손상을 방지합니다.

트래버스 권선 시스템은 댄서 암을 이용한 장력 버퍼링과 함께 균일하고 손상 없는 스풀 권선을 보장합니다.

생산 과정에서 섬유 품질은 어떻게 관리되나요?

적절한 모니터링이 없으면 대량의 배치가 실패하여 자재와 시간이 낭비될 수 있습니다.

다중 실시간 센서가 즉각적인 피드백과 수정을 위해 연속적으로 섬유 지름, 코팅 두께, 장력 및 온도를 모니터링합니다.

광학 테스트

감쇠는 850/1300nm(다중모드) 및 1310/1550nm(단일모드)에서 컷백 방식으로 측정됩니다.

대역폭 테스트는 과잉 주입 방식 또는 차동 모드 지연 방법을 사용합니다.

수치 조리개 및 모드 필드 지름 측정을 통해 광섬유가 설계 사양과 시스템 호환성을 충족하는지 확인합니다.

기계적 테스트

100psi에서의 증명 테스트(proof testing)를 통해 약한 섬유를 선별합니다. 접착성 및 굽힘 테스트로 코팅 성능과 기계적 내구성을 검증합니다.

환경 노화 시험은 장기 신뢰성을 위해 현장 조건을 시뮬레이션합니다.

통계적 과정 관리 (SPC)

관리 차트 및 능력 지수가 추세를 사전에 감지합니다. 실험 설계를 통해 파라미터를 최적화하며, 상관 분석을 통해 코팅 두께 변화와 같은 문제를 가열로 온도와 연결합니다.

자동화된 품질 시스템은 실시간 피드백, 데이터 기록, 결함 제거를 구현하며 ERP와 통합되어 전체 생산 과정의 가시성을 제공합니다.

일반적인 제조 문제 및 해결 방안

문제는 생산 라인 중단, 장비 손상, 자재 낭비, 고객 신뢰 하락을 초래할 수 있습니다.

섬유 파손, 직경 변동 및 코팅 결함은 체계적인 오진단과 예방 정비가 필요합니다.

섬유 파손

용해로 결함, 온도 변동, 오염, 장력 불균형 또는 코팅 응력으로 인해 발생합니다.

직경 변동

불균일한 프리폼, 용해로 불안정, 속도 제어 미흡 또는 환경적 진동으로 인해 발생합니다.

코팅 결함

다이 마모, 압력 변동, 정렬 불량, UV 열화 또는 재료 열화로 인해 발생합니다.

체계적인 오진단

상세한 데이터를 수집하고, 추세와 상관관계를 분석하며, 변수들을 체계적으로 제거하고 근본 원인 분석 방법을 사용하여 근본적인 문제를 해결하십시오.

예방적 유지보수

예정된 교정, 마모 부품 교체, 청소, 진동 및 열 모니터링, 예비 부품 재고 관리 및 운영자 교육이 포함됩니다.

정확한 기록 관리는 지속적인 개선을 지원합니다.

결론

고품질 광섬유를 신뢰성 있게 생산하기 위해 섬유 코어 제조 공정에서는 원자재 및 프리폼 가공부터 드로잉, 코팅, 품질 검사에 이르는 생산 공정 전반에 걸쳐 재료, 장비 및 공정을 철저히 관리해야 합니다.