이미징 광섬유 부품 제조
소개: 유리에서 광섬유 부품까지
광섬유 플레이트 , 광섬유 테이퍼 , 유리 모세관 어레이 , 마이크로채널 플레이트 등 네 가지 핵심 이미징 부품은 의료용 내시경부터 야간 투시 시스템에 이르기까지 다양한 첨단 기술의 필수 요소입니다. 각 부품은 형태와 기능이 다르지만, 모두 공통된 기본 제조 공정을 통해 만들어집니다. 유리 섬유를 뽑아내고 융합하는 기본 원리에서 출발하여 특수 후처리 과정을 거치는 것입니다. 이 글에서는 원료 유리에서 고성능 광학 부품으로 완성되는 전체 제조 과정을 명확하게 설명합니다.
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1. 공통 기초: 광섬유 블록 제작
초기 제조 단계의 전략적 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 재료 준비, 다단계 광섬유 인발 및 융합과 같은 이러한 기초 단계는 네 가지 구성 요소 모두에 공통적이며 최종 제품의 핵심 광학적 특성과 성능을 확립하는 데 절대적으로 중요합니다. 이 공통 공정을 세심하게 수행함으로써 견고한 반제품 형태의 융합 광섬유 블록이 만들어지며, 이는 이후 모든 특수화 공정의 출발점이 됩니다.
1.1. 1단계: 원료 준비
이 과정은 유리 원료의 신중한 선택과 준비로 시작됩니다. 이 단계에서 사용되는 유리의 특정 조합은 부품의 최종 광학적 특성을 결정합니다.
- 코어 소재 바: 이는 광섬유에서 빛을 전달하는 주요 유리 부분입니다. 마이크로채널 플레이트 및 유리 모세관 어레이 의 경우, 이 바는 후속 공정에서 산에 의해 용해되도록 특별히 설계된 유리로 만들어집니다.
- 클래딩 재료 막대: 이 유리 막대는 코어보다 굴절률이 낮습니다. 이 막대에 구멍을 뚫고 코어 막대를 내부에 삽입하여 드로잉 공정을 위한 초기 원료 유리 블록, 즉 "막대"를 만듭니다.
- EMA 유리 막대: EMA(외벽 흡수) 유리는 특수 광 흡수 소재입니다. 광섬유 플레이트 및 테이퍼 제조에만 사용되며, 인접한 광섬유 사이의 빛샘(광학 누설)을 방지하여 이미지 대비와 해상도를 크게 향상시킵니다.
이 단계의 중요한 결과는 수치 조리개 와 내부 투과율 과 같은 주요 광학 사양이 이러한 코어와 클래딩 재료의 선택과 조합에 의해 근본적으로 결정된다는 것입니다.
1.2. 2단계: 다단계 섬유 인발 공정
원재료인 유리 막대는 반복적으로 가열되고 수직로, 즉 "인발 타워"를 통해 아래로 당겨져 점점 더 얇은 섬유를 형성합니다. 이러한 반복적인 축소는 필수적인 공학적 제어 과정으로, 유리의 구조적 무결성을 손상시키지 않으면서 4μm까지의 미세한 섬유 크기를 구현할 수 있게 해줍니다.
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모노 파이버 드로잉:
- 최초의 유리막대는 인발탑에 공급되어 700~850°C로 가열됩니다.
- 이 열은 막대를 녹여서 정밀하게 조절된 온도와 장력 하에서 "모노파이버"라고 불리는 직경 약 2mm의 얇은 필라멘트로 뽑아낼 수 있습니다.
- 이 단일 섬유들을 모아서 육각형 형태로 조심스럽게 묶습니다. EMA(광 흡수)가 필요한 경우, 이 묶는 과정에서 빛을 흡수하는 유리 막대를 단일 섬유 사이에 삽입합니다.
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다중 섬유 드로잉:
- 모노파이버 묶음은 다시 인발탑으로 보내진다.
- 이 묶음 전체를 가열하고 다시 당겨 "멀티파이버" 필라멘트를 만듭니다. 이 필라멘트는 지름이 약 1mm이지만, 이제는 원래의 모노파이버 요소를 수백 개 포함하고 있습니다.
- 이러한 다중섬유는 다시 모아서 묶습니다.
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다중 섬유 드로잉:
- 다중섬유 묶음은 최종 인발 공정을 거칩니다.
- 그 결과, 가장 작은 개별 섬유 요소 크기가 믿을 수 없을 정도로 미세한 4~10μm로 줄어든 "멀티-멀티 섬유"가 탄생했습니다.
1.3. 3단계: 단단한 블록으로 융합
이 기초 단계의 마지막 단계는 여러 가닥의 섬유가 느슨하게 뭉쳐진 덩어리를 하나의 견고하고 가공 가능한 블록으로 만드는 것입니다. 이는 고도로 정교한 컴퓨터 제어 융합 공정을 통해 이루어집니다. 수집된 여러 가닥의 섬유는 육각형 고정 장치 내에 정밀하게 정렬된 후 특수 융합 프레스에 넣어집니다. 이 프레스는 측면, 상단 및 하단에서 독립적으로 압력을 가할 수 있으며, 블록에 정밀하게 제어된 온도 사이클과 최대 5000psi(제곱인치당 파운드)의 유리 섬유 압력을 가합니다.
이 공정은 수백만 개의 개별 섬유를 하나로 결합하여 단단한 블록을 만듭니다. 이렇게 만들어진 반제품을 광섬유 블록(Fiber Optic Block , Boule) 이라고 합니다. 이 단계에서 온도와 압력을 적절히 제어하는 것은 전단 변형이나 흠집과 같은 재료 결함을 최소화하는 데 매우 중요합니다. 이 Boule은 다양한 특수 후가공 공정을 거쳐 최종 제품을 만드는 데 있어 핵심적인 출발점이 됩니다.
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2. 전문화된 경로: 최종 구성 요소 만들기
융합 광섬유 블록 이 제작된 후, 제조 공정은 각 특정 구성 요소를 생산하기 위한 고유한 경로로 나뉩니다. 성형, 절단, 에칭 및 마감 공정은 최종 제품의 형상과 용도별 기능을 결정합니다. 다음 섹션에서는 이러한 개별 마감 공정에 대해 자세히 설명합니다.
2.1. 경로 A: 광섬유 테이퍼
광섬유 블록을 광섬유 테이퍼 로 변환하는 것은 이미지를 확대하거나 축소하는 구성 요소입니다.
- 테이퍼링: 불(Boule)을 특수 용광로에 넣고, 여기에 맞춰진 코일 세트를 사용하여 정밀하게 가열하고 늘립니다. 양쪽 끝에서 동시에 조절된 당기는 힘이 가해지면서 가운데 부분이 늘어나 독특한 "모래시계" 모양이 만들어집니다.
- 절단: 모래시계 모양의 조각은 가운데의 가장 좁은 지점에서 정확하게 절단되는데, 이 과정을 통해 원래 블록에서 두 개의 별도 테이퍼가 생성됩니다.
- 최종 마감: 테이퍼는 연삭 및 연마 과정을 거칩니다. 양면 연마기를 사용하여 입력면과 출력면을 원하는 표면 품질과 평탄도로 마감합니다. 이 단계를 통해 제품이 완성됩니다.
2.2. 경로 B: 광섬유 플레이트, 모세관 어레이 및 마이크로채널 플레이트
나머지 3가지 구성 요소인 광섬유 판 , 유리 모세관 어레이 , 마이크로채널 판은 제조 경로가 다시 한 번 갈라지기 전에 초기 성형 단계를 공유합니다.
- 초기 단계 - 절단: 단단한 광섬유 블록을 여러 개의 얇은 판 또는 웨이퍼로 절단합니다. 이 작업에는 정밀도를 확보하고 재료 손실을 최소화하기 위해 다이아몬드 코팅 날이 장착된 내경(ID) 톱이 주로 사용되며, 이를 통해 0.3mm 두께의 얇은 판을 제작할 수 있습니다.
- MCP를 위한 특수 절단: 마이크로채널 플레이트 의 경우, 이 단계에서 중요한 수정 작업이 이루어집니다. 블록을 특정 각도로 절단하는데, 이는 최종 장치에서 신호 증폭을 위한 전자 충돌을 연쇄적으로 발생시키는 데 필수적인 특징입니다.
이 지점부터 각 조각의 판은 특정한 마무리 순서를 따릅니다.
2.2.1. 완제품: 광섬유판
광섬유판 의 제조 공정은 이 그룹 중 가장 직접적입니다.
- 절단 공정을 거친 후, 제품은 최종 두께, 형태 및 필요한 표면 품질을 얻기 위해 연마 및 광택 공정을 거칩니다.
2.2.2. 완제품: 유리 모세관 어레이
유리 모세관 배열은 고유한 다공성 구조를 만들기 위해 추가적인 화학 공정이 필요합니다.
- 연삭 및 연마: 절단된 판은 먼저 원하는 표면 품질이 될 때까지 연마됩니다.
- 화학적 에칭: 연마된 판은 산성 에칭 처리를 거칩니다. 이 화학적 공정은 각 섬유에서 산에 용해되는 코어 물질을 녹여 완전히 제거하여 수백만 개의 미세한 속이 빈 채널 또는 기공 배열을 남깁니다. 이로써 제품이 완성됩니다.
2.2.3. 완제품: 마이크로채널 플레이트(MCP)
마이크로채널 플레이트는 화학적 에칭 및 전기 부품 추가를 포함하는 가장 복잡한 후처리 공정을 거칩니다.
- 연삭 및 연마: 슬라이싱 단계에서 비스듬하게 절단된 판재를 연마합니다.
- 화학적 에칭: 모세관 배열과 마찬가지로 산에 용해되는 코어 유리를 제거하여 기공이나 채널을 생성합니다.
- 전극 코팅: 최종 제조 단계에서 전도성 전극을 판의 입력 및 출력 면 모두에 코팅하여 전자 증배기 역할을 할 수 있도록 합니다.
