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KR100705758B1 - 유기―무기 혼성물질을 이용한 플렉서블 필름 광도파로 및그 제조방법 - Google Patents

유기―무기 혼성물질을 이용한 플렉서블 필름 광도파로 및그 제조방법 Download PDF

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KR100705758B1
KR100705758B1 KR1020050032474A KR20050032474A KR100705758B1 KR 100705758 B1 KR100705758 B1 KR 100705758B1 KR 1020050032474 A KR1020050032474 A KR 1020050032474A KR 20050032474 A KR20050032474 A KR 20050032474A KR 100705758 B1 KR100705758 B1 KR 100705758B1
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KR
South Korea
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organic
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optical waveguide
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inorganic hybrid
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배병수
김우수
강동준
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 유기-무기 혼성물질로 구성되는 상부 및 하부 클래드와, 상기 상부 및 하부 클래드의 사이에 형성되며 굴절율이 상기 상부 및 하부 클래드의 굴절율보다 높은 유기-무기 혼성물질로 구성되는 코아부를 가지고, 전체적으로 유연성을 가지는 필름형태인 플렉서블 필름 광도파로 및 그 제조방법을 제공한다.
유기-무기 혼성물질, 플렉서블 필름 광도파로, 엠보싱, 스탬핑, 광조사

Description

유기―무기 혼성물질을 이용한 플렉서블 필름 광도파로 및 그 제조방법 {Flexible Film Optical Waveguide Using Organic and Inorganic Hybrid Materials and Fabrication Method thereof}
도 1은 본 발명의 마이크로 엠보싱 및 스탬핑 공법에 의한 플렉서블 필름 광도파로의 제작 공정도이다.
도 2는 본 발명의 광조사를 통한 플렉서블 필름 광도파로의 제작 공정도이다.
도 3은 본 발명에 의해 제작된 플렉서블 필름 광도파로의 굽힘 모습 사진이다.
도 4는 본 발명에 의해 제작된 플렉서블 필름 광도파로의 연마된 단면 광학 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 의한 플렉서블 필름 광도파로의 온도에 따른 광손실 변화도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
1: 몰드 2: 기판
3: 코아용 유기-무기 혼성물질 4: 하부 클래드
5: 코아 6: 상부 클래드
11: 기판 12: 유기-무기 혼성 물질
13: 마스크 14: 자외선
15: 레이저
본 발명은 플렉서블 필름 광도파로 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴절률을 광범위하게 조정할 수 있는 유기-무기 혼성물질을 코아 및 클래드의 재료로서 이용하여 플렉서블 기판상에 광도파로를 형성한 후 기판을 이탈시켜 자유롭게 굽혀지고 굽힘 손실이 적으며 고온에서도 안정한 플렉서블 필름 광도파로 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광통신과 컴퓨터 칩 속도의 지속적인 향상을 위해서는 칩과 칩 사이 또는 기판과 기판 사이에 현재의 전기배선을 통한 전기연결이, 광배선을 통한 광연결로의 전환이 매우 중요한 문제로 인식되고 있다. 이러한 광연결을 위한 광배선에 쓰이는 굽힘이 가능한 플렉서블 필름 광도파로는 그 필요성이 광범위하게 대두되고 있으며, 현재 활발한 연구가 진행 중에 있다.
이러한 플렉서블 필름 광도파로는, 이미 고분자를 이용한 방법이 제안되어왔 다. 특히 미합중국 특허 제 6,091,874호에 폴리아미드와 폴리이미드 재료를 이용하여 포토리소그래피 방법을 통해 플렉서블 필름 광도파로를 제작하는 방법이 보고되었다. 또한 미합중국 특허 제 6,496,624호와 미국 전자공학회지 (IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 5[5], pp 1237-1242 (1999))에는 d-PMMA 고분자 재료를 이용하여 포토리소그래피 방법을 통해 플렉서블 필름 광도파로를 제작하는 방법이 보고되었다. 보고된 플렉서블 필름 광도파로의 제작방법을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 기판 위에 하부 클래드층을 형성한 다음, 이 하부 클래드층 상부에 코아층을 형성한다. 이어서, 상기 코아층 상부에 포토레지스트층을 형성한 다음, 이를 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 얻어진 포토레지스트 패턴을 이용하여 코아층을 식각하여 패터닝한다. 그 후, 패터닝된 코아층 상부에 상부 클래드층을 형성함으로써 광도파로가 완성되고 마지막으로 기판에서 플렉서블 광도파로를 분리해 낸다. 하지만 이러한 기존의 고분자 재료를 이용하여 포토리소그래피를 통해 제작된 플렉서블 광도파로는 다단계의 공정을 통한 복잡함과 신뢰성의 저하, 고비용의 문제점뿐만 아니라 고분자 재료의 낮은 열적 안정성 때문에 대량생산에 어려움을 지니고 있다.
미합중국 특허 제 6,144,795호에는 솔-젤 유기-무기 혼성물질을 이용하여 마이크로 스탬핑과 엠보싱 방법을 통해 단일 모드 광도파로를 기판 위에 형성시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 특허에 기재되어 있는 솔-젤 유기-무기 혼성물질을 도입하는 경우에는 기판 위에 형성시키는 방법으로 한정되어 있고 열에 약하며 색분산과 광손실이 크고, 큰 코아층을 지니는 멀티모드 광도파로의 제작시 많은 문제를 수반하게 되어 플렉서블 필름 광도파로에 적용하기에는 큰 어려움을 지니고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 광특성, 투명성, 유연성, 강도, 내열성 및 안정성이 우수하고 굴절률이 광범위하게 조절가능한 광도파로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제반 특성을 가지는 광도파로를 유기-무기 혼성물질을 이용하여, 단순하고 용이하게 제조하는 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 유기-무기 혼성물질로 구성되는 상부 및 하부 클래드와, 상기 상부 및 하부 클래드의 사이에 형성되며 굴절율이 상기 상부 및 하부 클래드의 굴절율보다 높은 유기-무기 혼성물질로 구성되는 코아부를 가지고, 전체적으로 유연성을 가지는 필름형태인 플렉서블 필름 광도파로를 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 유기-무기 혼성물질로서 구조 내에 규소에 결합된 산소원자 또는 가교나 수식이 가능한 유기단량체로 가교된 망목 구조를 가지는 고분자가 사용되어지는 플렉서블 필름 광도파로를 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 굽힘 손실이 1dB/cm 이하인 플렉서블 필름 광도파로를 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 유기-무기 혼성물질로서 하기 구조식의 일반식 1과, 일반식 2 또는/및 3으로 표시되는 화합물이 축합 반응에 의해 얻어지는 물질임을 특징으로 하는 플렉서블 필름 광도파로를 제공한다.
(1) R1R2Si(OH)2
(2) R3 aR4 bM(OR5)(c-a-b)
(3) (OR6)nSi-(X-R7)m (n+m=4)
상기 일반식에서 R1,R2,R3,R4은 각각 알킬기, 케톤기, 아크릴기, 메타크릴기, 알릴기, 알콕시기, 방향족기, 할로겐기, 아미노기, 머캡토기, 에테르기, 에스테르기, 술폰기, 니트로기, 하이드록시기, 사이클로부텐기, 카보닐기, 카르복실기, 알키드, 우레탄기, 비닐기, 니트릴기, 수소, 또는 에폭시 작용기를 단독 또는 2 종 이상 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C1~12의 탄화수소기이고, 상기에서 R6는 탄소수가 1 ~10 개인 직쇄 또는 측쇄 알킬기 또는 수소원자. X는 탄소수가 3~6인 탄소 사슬. R7는 비닐기, 글리시독시기, 메타아크릴기를 포함하거나 탄소수가 4 ~8개인 탄소 사슬내에 불소 원자가 치환된 탄화불소. n은 1~4의 자연수, m은 0~3 사이의 정수. a,b는 0~3인 정수, c는 3~6인 정수, M은 실로콘 또는 금속, R5는 알킬기, 알콕시기, 케톤기, 방향족기를 단독 또는 2종 이상으로 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C1~12의 탄화수소기이다.
본 발명은 바람직하게는 상기 유기-무기 혼성물질이 실리콘에 치환된 유기 그룹으로 가교가 가능한 유기 단량체를 포함하는 동종 또는 이종의 화합물을 자유라디칼 또는 유기 중합 개시제를 첨가하거나, 금속 알콕사이드 또는 아민기를 이용해 개환 반응시켜 중합되어진 것을 사용하는 플렉서블 필름 광도파로를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 상에 유기-무기 혼성물질로 구성되는 하부 클래드 층을 형성하는 단계; 하부 클래드 층의 상부에 상기 하부 클래드 층을 구성하는 유기-무기 혼성물질보다는 굴절율이 큰 유기-무기 혼성물질로 구성되는 코아층을 몰드를 이용하여 엠보싱 또는 스탬핑 방법에 의해 형성하는 단계; 코아층을 경화시킨 후 사용된 몰드를 제거하는 단계; 및 코아층의 상부에 유기-무기 혼성물질로 구성되는 상부 클래드 층을 형성하고 기판을 이탈시켜 제거하는 단계를 포함하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 기판 상에 유기-무기 혼성물질로 구성되는 클래드 층을 형성하는 단계; 상기 클래드 층에 소정 패턴에 따라 광을 조사하여 상기 클래드층의 굴절율보다는 큰 굴절율을 가지는 코아부를 형성하는 단계; 및 기판을 이탈시켜 제거하는 단계를 포함하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 기판으로 금속, 실리콘, 금속산화물, 또는 유 기고분자에서 선택되어지는 것을 사용하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 기판의 표면에 이형제의 코팅 또는 소수성을 부여하기 위한 표면 처리를 수행하는 단계를 포함하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 몰드로서 평판 또는 롤러 형태의 몰드가 사용되어지는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 광도파로는 열 또는 자외선으로 소성되어지는 단계를 더 포함하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
플렉서블 필름 광도파로는, 기판을 탈피함으로서 기존에 평면 광도파로가 이룰 수 없는 광연결의 목적을 달성할 수 있는 도파로로서 좁은 공간의 광배선이나 여러 각도로 휘어지는 광연결에 적용될 수 있는 특징을 지닌다. 이러한 플렉서블 필름 광도파로는 도파로 자체가 지니는 낮은 도파손실뿐만 아니라 중요한 특징으로서 자유롭게 굽혔을 때 그 굽힘 손실이 매우 중요하다. 본 발명에서는 코아와 클래드 사이에 큰 굴절률 차이를 유발하여 매우 급격한 굽힘에도 낮은 굽힘 손실을 제공한다.
또한 플렉서블 필름 광도파로는 유연성과 함께 적절한 강도를 지녀야 한다. 본 발명에서 제공하는 유기-무기 혼성물질은 일반적인 고분자 재료와 같이 유연하지만 동시에 고분자 재료보다 높은 강도를 지니게 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 유기-무기 혼성물질은 하기 일반식 1과, 일반식 2 또는/및 일반식 3의 화합물 사이의 축합 반응을 통해서 제조되어질 수 있다. 즉, 본 발명의 유기-무기 혼성물질은 하기 일반식 1의 실란디올과, 일반식 2 또는/및 3으로 나타낼 수 있는 화합물들을 반응시켜 얻어지는 올리고머를 열경화 또는 광경화하여 고분자 형태의 혼성물질로서 제조하는 과정을 포함한다.
<일반식 1>
R1R2Si(OH)2
<일반식2>
R3 aR4 bM(OR5)(c-a-b)
<일반식3>
(OR6)nSi-(X-R7)m (n+m=4)
상기 일반식에서 R1,R2,R3,R4은 각각 알킬기, 케톤기, 아크릴기, 메타크릴기, 알릴기, 알콕시기, 방향족기, 할로겐기, 아미노기, 머캡토기, 에테르기, 에스테르기, 술폰기, 니트로기, 하이드록시기, 사이클로부텐기, 카보닐기, 카르복실기, 알키드, 우레탄기, 비닐기, 니트릴기, 수소, 또는 에폭시 작용기를 단독 또는 2 종 이상 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C1~12의 탄화수소기이고, a,b는 0~3인 정수, c는 3~6인 정수, M은 실로콘 또는 금속, R5는 알킬기, 알콕시기, 케톤기, 방향족기 를 단독 또는 2종 이상으로 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C1~12의 탄화수소기이다. 상기에서 R6는 탄소수가 1 ~10 개인 직쇄 또는 측쇄 알킬기 또는 수소원자. X는 탄소수가 3~6인 탄소 사슬. R7는 비닐기, 글리시독시기, 메타아크릴기를 포함하거나 탄소수가 4~8개인 탄소 사슬내에 불소 원자가 치환된 탄화불소. n은 1~4의 자연수, m은 0~3 사이의 정수이다.
상기 일반식 1에 속하는 화합물의 예로는, 디페닐실란다이올, 디이소부틸실란다이올 등이 있으며, 화합물1에 포함되는 모든 물질들은 단독 또는 2종이상이 혼합되어 사용될 수도 있다.
일반식 2에 포함되는 구체적인 물질의 예로는, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리스(메톡시에톡시)실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필페닐디에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 메틸트리프로폭시실란, 프로필에틸트리메톡시실란, 에틸트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리포로폭시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 비닐메틸디메톡시실란, 비닐메틸디에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 디페닐에톡시비닐실란, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 테트라부톡시실란, 테트라페녹시실란, 테트라아세톡시실란, N-(3-아크릴옥시-2-하이드록시프로필)-3-아미노프로필트리에톡시실란, N- (3-아크릴옥시-2-하이드록시프로필)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-(3-아크릴옥시-2-하이드록시프로필)-3-아미노프로필트리프로폭시실란, 3-아크릴옥시프로필디메틸메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필디메틸에톡시실란, 3-아크릴옥시프로필디메틸프로폭시실란, 3-아크릴옥시프로필메틸비스(트리메틸실록시)실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리프로폭시실란, 3-(메트)아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-(메트)아크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-(메트)아크릴옥시프로필트리프로폭시실란, N-(2-아미노에틸-3-아미노프로필)트리메톡시실란, N-(2-아미노에틸-3-아미노프로필)트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 클로로프로필트리메톡시실란, 클로로프로필트리에톡시실란, 트리메톡시시릴프로필디에틸렌트리아민 등의 알콕시 실란이나, 알루미늄트리에톡사이드, 알루미늄트리프로폭사이드, 알루미늄트리부톡사이드, 티타늄테트라에톡사이드, 티타늄테트라프로폭사이드, 티타늄테트라부톡사이드, 지르코늄테트라에톡사이드, 지르코늄테트라프로폭사이드, 지르코늄테트라부톡사이드, 틴테트라에톡사이드, 틴테트라프로폭사이드, 틴테트라부톡사이드와 같은 금속 알콕사이드나 또는 금속알콕사이드와 -디케톤이나 -케토에스테르와의 착화합물 등이 있다.
상기 일반식 3에 해당되는 화합물의 예로는 헵타데카플루오르데실트리메톡시실란, 트리플로로프로필 트리메톡시실란, 퍼플루오로옥틸 트리에톡시실란 등이 있다.
이들 일반식에 속하는 모든 물질들은 단독 또는 2종이상이 혼합되어 사용될 수도 있다.
또한 상기 본 발명에 따른 유기-무기 혼성물질은 상기 일반식 2 또는 일반식 3으로 표시되는 화합물 중 실리콘에 치환된 유기 그룹으로 가교가 가능한 유기 단량체를 포함하는 동종 또는 이종의 화합물을 사용하는 경우 자유라디칼 또는 유기 중합 개시제를 반응물에 첨가하거나 금속 알콕사이드 또는 아민기를 이용해 개환 반응시켜 중합시켜 얻을 수도 있다.
상기 유기 중합 반응은 자유 라디칼, 양·음 이온 형태의 열·광 유기중합 개시제를 첨가시켜 반응시킬 수 있다. 이 경우 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 열 및 광화학 단위체의 예를 들면 알루미늄알콕사이드, 지르코늄 알콕사이드, 티타늄 알콕사이드, 1-메틸이미다졸, 이미다졸계열, 보론트리플루오라이드 디에틸 이서레이트, 벤조일퍼옥사이드, 2.2'-아조비스이소부티로나이트릴등의 단위체로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 단위체를 들 수 있다. 상기 예는 본 발명에 사용될 수 있는 물질들의 일예일 뿐이며, 상기예로 한정되는 것은 아니다.
상기 본 발명에 사용될 수 있는 유기-무기 혼성물질은 축합 방법에 의해 제조가 가능하며 첨가되는 유기물의 종류에 따라 최종 재료의 구조와 특성을 변화시킬 수 있다. 유기-무기 혼성물질에서 유기물은 크게 산소원자로 가교된 망목구조 내에서 가교제(network former)와 수식제(network modifier) 역할을 수행한다. 예를 들어 페닐기나 아민기와 같이 다른 유기 단량체(organic monomer)나 무기 망목구조(inorganic network)와 결합을 할 수 없는 유기물은 유기-무기 혼성물질 내에서 수식제 역할을 수행한다. 만약 첨가되어진 유기물이 글리시독시기, 메타아크릴 기, 비닐기와 같은 유기물일 경우 다른 유기 단량체(organic monomer)나 무기 망목구조물 내의 다른 유기물과 결합을 통해 새로운 결합을 형성하는 가교제 역할을 수행할 수 있게 된다.
본 발명에 사용되는 상기 유기-무기 혼성물질은 용액 상태에서 제조하므로 쉽게 시작 농도를 달리할 수 있으며, 무기 망목구조물과 유기물과의 비율을 시작 농도로부터 조절할 수 있다. 예를 들어 테트라메톡시실란과 페닐트리메톡시실란을 출발 물질로 한다면 테트라메톡시실란이 많을수록 최종 생성물에는 무기 망목구조물이 많을 것이고, 페닐트리메톡시실란이 많을수록 유기물이 많아진다. 이러한 출발물질에 의한 무기 망목구조물과 유기물 비율의 조절로부터 최종 생성물의 굴절률과 열광학계수를 조절할 수 있다. 이러한 열광학계수의 조절은 유기-무기 혼성물질 내의 유기물의 비율이 증가할수록 음의 방향으로 증가한다.
본 발명에 의한 유기-무기 혼성물질은 출발 물질의 선택을 통해 열광학계수를 조절할 수 있다. 출발물질 내의 유기물이 수식제 역할을 하는 경우 일반적으로 유기물의 분자량이 클수록 열광학계수는 음의 방향으로 증가한다. 예를 들면, 수식된 유기물이 메틸기일 때보다 에틸기일 때 열광학계수는 더 큰 음의 값을 나타낸다.
또한 본 발명에 의한 유기-무기 혼성물질은 유기 중합반응이 가능한 유기체를 포함하고 있는 경우 적당한 개시제의 첨가 후에 열이나 자외선 등의 강한 빛의 조사에 의해 유기 그룹들 사이에 중합반응이나 가교반응을 통해 열광학계수를 조절할 수 있다. 이러한 유기체들의 중합반응이나 가교반응은 유기-무기 혼성물질의 유 기 망목도를 증가시키고 열광학계수는 양의 방향으로 증가한다.
본 발명에서는 상기 유기-무기 혼성물질이 액상에서 제조되므로 특수한 물성을 가지는 무기물이나 유기물을 쉽고 균일하게 첨가시킬 수 있다. 첨가되는 무기물이나 유기물이 가지는 특성에 의해 열광학계수를 조절할 뿐 아니라 부가적인 물성을 부여할 수 있다. 예를 들어 알루미늄 알콕사이드, 게르마늄 알콕사이드, 지르코늄 알콕사이드를 첨가시킬 경우 열광학계수는 양의 방향으로 증가하고 굴절률, 강도, 광감성(photosensitivity) 등도 증가시킬 수 있다. 그리고 불소 원자가 치환된 실란이나 유기 단량체를 첨가할 경우 열광학계수는 음의 값으로 크게 증가하고 광도파손실과 굴절률은 감소시킬 수 있다. 그리고 유기-무기 혼성물질 내에 실리카, 보헤마이트, 알루미나, 지르코니아 금속산화물 입자를 물이나 알코올 등의 용매에 분산시켜 첨가시킬 경우 유기-무기 혼성물질의 열광학계수는 양의 방향으로 증가하고 굴절률, 강도 또한 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의한 유기-무기 혼성물질은 액체 상태로부터 제조되고 점도의 변화가 용이하므로 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 바 코팅법과 같은 비교적 쉬운 코팅 공정에 의해 막을 형성할 수 있는 장점을 가진다. 점도 변화에 의해 코팅막의 두께를 조절할 수 있으며 균일한 코팅 막을 얻을 수 있다. 이러한 코팅막으로부터 굴절률이 높은 코아부와 그 코아부를 둘러싸는 굴절률이 낮은 클래드부로 이루어지고 코아부와 클래드부의 열광학계수가 상이한 플렉서블 필름 광도파로를 제작할 수 있다. 이러한 광도파로를 이용하여 도파되는 빛의 특성을 제어할 수 있는 열광학 소자를 제작할 수 있다.
또한, 광조사시 유기-무기 혼성물질을 구성하는 올리고 실록산과 유기 단위체의 분자변형은 광조사 이전과 달리 광조사 이후 분자량, 모양, 농도 및 화학적 에너지(chemical potential)의 차이를 유발한다. 이로 인하여 광 및 열경화성 유기-무기 혼성물질이 딱딱하게 경화되어 몰드를 떼어냈을 때 몰드에 유기-무기 혼성물질이 전혀 묻지 않은 상태에서 손쉽게 플렉서블 필름 광도파로를 분리할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 플렉서블 필름 광도파로의 제조과정을 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 유기-무기 혼성물질을 이용한 제 1측면 및 제 2측면에 의한 플렉서블 필름 광도파로의 제조과정도를 나타낸다.
본 발명의 제 1측면에 의한 플렉서블 필름 광도파로는 플렉서블 기판(2) 상에 코아 보다는 굴절율이 낮은 유기-무기 혼성물질로 구성되는 하부 클래드층(4)을 형성하고, 상기 하부 클래드층 보다는 굴절율이 높고, 코아로 되어질 유기-무기 혼성물질(3)을 하부 클래층 층의 상부에 도포한 후 몰드(1)로 찍고 경화시키는 과정을 통해 코아(5)를 상기 하부 클래드층(4)의 상부에 형성한다. (마이크로 엠보싱 공법)
이와는 달리, 본 발명의 제 2측면에 따른 플렉서블 필름 광도파로는 상기 하부 클레드층 보다는 굴절율이 높고 코아로 되어질 유기-무기 혼성물질(3)을 몰드(1)의 패턴 형성부에 채운 후 이를 상기 하부 클래드층(4)에 접합시켜 경화시키는 과정을 통해 코아(5)를 상기 하부 클래드층(4)의 상부에 형성한다. (스탬핑 공법)
본 발명에 사용되어질 수 있는 플렉서블 기판의 예로는 특별히 한정되지는 아니하며, 금속, 실리콘, 금속산화물, 또는 유기고분자에서 선택되어질 수 있다.
상기에서 몰드(1)는 유기고분자 예를 들어, 중합이 가능한 PDMS 고분자가 이용되거나, 실리콘, 석영 등의 다양한 재료가 사용되어질 수 있다. 또한, 몰드 형태에 있어서도 평면 뿐만 아니라, 곡면으로 형성함으로써 롤링 법 등의 마이크로 엠보싱 및 스탬핑 방법에 의한 것들도 본 발명의 기구로 존재할 수 있다.
플렉서블 고분자 기판(2)과 하부 클래드층(4)은 기존에 알려진 통상의 방법에 따라 형성이 가능하며, 예를 들면 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있도록 스핀 코팅법이 적용될 수 있음은 물론이다. 하부 클래드층은 스핀코팅되어진 후 경화되어진다. 또한, 용액을 코팅하기 전에는 코팅 면의 주의 깊은 세척이 필요하다. 이러한 세척 공정은 막질에 영향을 줄 수 있는 먼지나 다른 외부 물질을 제거하는 데 있어 유용한 공정이다. 또한, 최종적으로 플렉서블 고분자 기판(2)의 제거를 용이하게 하기 위하여 기판 표면을 소수성이 되도록 하는 물질을 처리하여 두는 것이 좋다, 이러한 물질의 예로는 HMDS (1,1,1,3,3,3,-헥사메틸디실라잔)이 있다.
하부 클래드층을 위해 사용되는 재료로는 코아보다는 굴절율이 작은 물질로서, 바람직하게는 광 또는 열경화성 유기-무기 혼성물질로서 탄화불소기를 함유하여 굴절률이 1.46 ~ 1.52를 가지는 물질이 이용되어질 수 있다.
몰드(1)와 하부 클래드층(4)을 접합시킨 상태에서 특정 파장을 가진 광을 조사하여 유기-무기 혼성물질의 경화를 수행한다. 이 경우 요구되어지는 광의 조사량은 유기-무기 혼성물질에 혼합되어진 광감응성 개시제가 광중합을 유발할 수 있는 정도의 매우 미세한 에너지이면 충분하다.
경화과정을 종료한 후, 몰드(1)를 하부 클래드층(4)으로부터 떼어내면 표면이 매우 깔끔한 코아층을 얻을 수 있다. 경화과정에서 사용되어질 수 있는 광은, 자외선에 해당하는 파장 영역을 이용하면 되고, 코아의 형상은 광도파로의 특별한 형태에 따라 굽은 모양으로도 제작하는 것이 가능하다. 코아는 상기 하부 클래드층 보다는 굴절율이 높으며 (대략 1.53 정도), 광 또는 열경화성 유기-혼성물질에서 선택되어진다.
코아(5)를 마이크로 엠보싱 또는 스탬핑 공법으로 형성시키는 후, 상부 클래드층(6)이 형성되어진다. 상부 클래드층은 하부 클래드층에서와 마찬가지로 스핀코팅 과정에 의해 형성되어질 수 있다. 상부 클래드는 하부 클래드와 동일한 물질이 사용될 수 있고 코아가 단일모드와 멀티모드 광도파로에 적합한 크기를 가질 수 있으므로 다양한 두께로서 한번에 코팅되어질 수 있어야 한다. 상부 클래드층(6)은 그 재질이 하부 클래드와 동일한 경우 1.46 ~ 1.52의 굴절률을 가지게 되므로 코아와 클래드의 굴절률의 차이를 2~5%까지 가변할 수 있으며, 이에 의해 굽힘 손실을 1dB/cm 이하 내지는 거의 제거된 플렉서블 필름 광도파로를 제공한다.
최종 단계로서 플렉서블 고분자 기판(2)은 상부에 형성된 플렉서블 필름 광도파로로부터 분리되어진다. 상기 플렉서블 고분자 기판을 앞서 설명한 바와 같이 미리 소수성으로 표면처리하는 경우에 본 발명에 따른 플렉서블 필름 광도파로를 매우 용이하게 분리해 낼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 제 3측면의 플렉서블 광도파로의 제조과정도를 나타낸다.
중합이 가능한 유기관능기를 지니는 유기-무기 혼성물질에 광감응성 개시제가 도핑된 투명한 광민감성 재료를 플렉서블 기판(11)상에 코팅한다. 이때 플렉서블 기판(11)과 클래드층(12)은 통상의 방법에 따라 형성되어질 수 있으며, 예를 들면 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있는 스핀 코팅에 따라 형성되어질 수 있다.
다음으로 클래드층(12)에 원하는 형태를 가진 마스크(13)와 특정 파장을 갖는 광(14)을 조사하여 패터닝 과정을 수행한다. 상기 광을 조사하는 단계에서, 원하는 광도파로 패턴은 도핑된 광개시제가 반응하는 파장에 해당되는 광을 사용해서 만들어진다. 보통은 자외선에 해당하는 파장 영역을 이용하게 되며, 다양한 모양과 형태의 광도파로 제작도 가능하다. 이때 광조사에 사용 가능한 광원은 단순한 광원 뿐만 아니라 전자, 이온, 중성자 등이 사용되어질 수 있다. 어떤 출발 물질에 대해서는 입자의 조사가 큰 공간 해상력을 얻는 데에도 유용할 수 있다.
코아를 형성한 후 다시 균일한 두께로 스핀 코팅을 수행하여 필요한 경우 상부 클래드층(미도시)을 형성한다.
본 발명의 제 4측면에 따르면 이러한 패터닝 과정은, 마스크를 이용하지 않고 레이저(15)를 이용하여 광민감성 유기-무기 혼성물질의 내부에 코아 패턴을 형성시키는 방법이 수행될 수도 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 플렉서블 필름 광도파로는 상온에서 여섯 달 이상의 기간에도 안정한 것으로 관찰되었고, 광학적 특성에서도 변화가 거의 일어나지 않는다.
또한, 상기와 같이 제작된 플렉서블 필름 광도파로는 다양한 광통신 소자와 광접속연결소자로의 적용에 있어 매우 유용하다. 광접속연결소자의 응용예로는 컴퓨터를 포함한 전자부품의 회로기판과 회로기판 사이 또는, 무선 핸드폰 및 노트북 컴퓨터의 디스플레이창과 입력 부분 사이 등에 사용되는 광접속연결소자일 수 있다.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지는 아니한다.
[실시예 1]
우선 코아 레진용으로 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Aldrich 사) 13.78g과 디페닐실란다이올(Fluka 사) 12.00g을 혼합한 후 실록산 반응을 촉진시키기 위한 촉매로 수산화 나트륨을 0.01g 첨가한 후 80℃에서 6시간 교반하여 메타크릴-페닐-실리카 유기-무기 혼성물질을 수득하였다. 또한 클래드 레진용으로 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Aldrich사) 13.78g과 디페닐실란다이올(Fluka 사) 12.00g, 그리고 헵타데실플루오르데실트리메톡시실란(Toshiba 사) 5.20g을 혼합한 후 실록산 반응을 촉진시키기 위한 촉매로 수산화 나트륨을 0.01g 첨가한 후 80℃에서 6시간 교반하여 메타크릴-페닐-탄화불소-실리카 하이브리드재료를 수득하였다.
코아와 클래드 레진에 각각 중합을 위한 열 및 광감응성 개시제로서의 유기 단위체로 BDK를 전체 알콕사이드의 1 mol%만큼 첨가한 후 유기 단위체가 완전히 용해될 때까지 다시 교반시켜 용액을 완성하였다. 완성된 클래드 용액을 PET 플렉서블 고분자 필름 위에 스핀코팅기를 이용하여 코팅한 후, 도 1에 나타낸 마이크로 엠보싱 및 스탬핑 공법을 이용하여 플렉서블 필름 광도파로를 제조하였다.
[실험예 1] 굽힘손실 측정
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 플렉서블 필름 광도파로의 굽힘 실험 결과를 나타낸다. 실험에는 180°굽힘이 이용되었고, 굽힘 반경을 점점 줄여감에 따라 발생하는 굽힘손실을 측정하였다. 형성된 플렉서블 필름 광도파로의 코아와 클래드간에 굴절률 차이가 2%일 때, 아래 표 1에 각각 굽힘 반경이 변화함에 따른 굽히기 전과 180°굽힌 후의 굽힘 손실을 나타내었다. 이 결과에 의하면, 굽힘 반경 2 mm까지 굽힘 손실이 거의 없음을 확인할 수 있다.
<표 1>
굽힘반경(mm) 굽힘손실(dB)
20 0
15 0
10 0
5 0
3 0
2 0
[실험예 2] 도파손실 측정
본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 플렉서블 필름 광도파로의 거리에 따른 도파 손실을 측정하였다. 실험을 위해 플렉서블 광도파로를 길이에 따라 절단하여 미세 연마한 후 단면의 광학사진을 도 4에 나타내었다. 이 결과에 의하면 측정된 광도파 손실이 길이 변화에 따라 약 0.25 dB/cm 이하로 나타냄을 확인할 수 있다.
[실험예 3] 굴절률의 변화
상기 실시예 1에서의 코아용 레진인 메타크릴-페닐-실리카 유기-무기 혼성물질과 클래드용 레진인 메타크릴-페닐-탄화불소-실리카 유기-무기 혼성물질 사이에 굴절률의 차이를 변화시켜 보았다. 굴절률의 차이를 극대화시키면 플렉서블 필름 광도파로의 굽힘 손실을 극소화시킬 수 있다. 실험은 클래드용 레진을 제조하기 위해 사용되는 헵타데실플루오르데실트리메톡시실란 전구체의 함량을 변화시키는 방법을 사용하였다. 실험 결과는 표 2에 나타낸 바와 같으며, 코아와의 굴절률의 차이를 2%에서부터 5%까지 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
<표 2>
헵타데실플루오르데실트리메톡시 실란의 양 (mol%) 코아와 클래드의 굴절률 차이(%)
10 2.0
12.5 3.23
15 4.0
20 4.85
[실험예 4] 광손실 측정
상기 실시예 1에서의 플렉서블 필름 광도파로를 오븐에 넣고 온도를 -20°에서 80°까지 변화시켰을 경우 플렉서블 필름 광도파로가 보이는 광손실의 변화를 측정하였다. 그 결과는 도 7에 나타낸 바와 같으며, 온도 변화폭을 100°정도 변화 시켰을 경우 각각의 온도에서 2dB이하의 차이를 보이며 광손실의 변화가 극히 미미함을 확인할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 도파손실이 낮고, 자유롭게 굽혀진 상태에서 굽힘 손실이 적으며 고온에서도 안정한 소자들을 제조할 수 있다. 또한 제작 방법이 단순하여 저가격으로 플렉서블 필름 광도파로를 대량으로 생산할 수 있다. 본 발명에 따라 제작된 플렉서블 필름 광도파로는 광통신 소자 또는 광접속 연결소자 등에 활용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 구조내에 규소에 결합된 산소원자 또는 가교나 수식이 가능한 유기단량체로 가교된 망목구조를 가지는 고분자인 유기-무기 혼성물질로 구성되는 상부 및 하부 클래드와, 상기 상부 및 하부 클래드의 사이에 형성되며 구조내에 규소에 결합된 산소원자 또는 가교나 수식이 가능한 유기단량체로 가교된 망목구조를 가지는 고분자로서 굴절율이 상기 상부 및 하부 클래드의 굴절율보다 높은 유기-무기 혼성물질로 구성되는 코아부를 가지고, 전체적으로 유연성을 가지는 필름형태인 플렉서블 필름 광도파로
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 굽힘 손실이 1dB/cm 이하임을 특징으로 하는 플렉서블 필름 광도파로
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유기-무기 혼성물질은 하기 구조식의 일반식 1과, 일반식 2 또는/및 3으로 표시되는 화합물이 축합 반응에 의해 얻어지는 고분자임을 특징으로 하는 플렉서블 필름 광도파로
    (1) R1R2Si(OH)2
    (2) R3 aR4 bM(OR5)(c-a-b)
    (3) (OR6)nSi-(X-R7)m (n+m=4)
    상기 일반식에서 R1,R2,R3,R4은 각각 알킬기, 케톤기, 아크릴기, 메타크릴기, 알릴기, 알콕시기, 방향족기, 할로겐기, 아미노기, 머캡토기, 에테르기, 에스테르기, 술폰기, 니트로기, 하이드록시기, 사이클로부텐기, 카보닐기, 카르복실기, 알키드, 우레탄기, 비닐기, 니트릴기, 수소, 또는 에폭시 작용기를 단독 또는 2 종 이상 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C1~12의 탄화수소기이고, 상기에서 R6는 탄소수가 1 ~10 개인 직쇄 또는 측쇄 알킬기 또는 수소원자. X는 탄소수가 3~6인 탄소 사슬. R7는 비닐기, 글리시독시기, 메타아크릴기를 포함하거나 탄소수가 4 ~8개인 탄소 사슬내에 불소 원자가 치환된 탄화불소. n은 1~4의 자연수, m은 0~3 사이의 정수. a,b는 0~3인 정수, c는 3~6인 정수, M은 실로콘 또는 금속, R5는 알킬기, 알콕시기, 케톤기, 방향족기를 단독 또는 2종 이상으로 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C1~12의 탄화수소기이다.
  5. 제 4항에 있어서, 유기-무기 혼성물질은 실리콘에 치환된 유기 그룹으로 가교가 가능한 유기 단량체를 포함하는 동종 또는 이종의 화합물을 자유라디칼 또는 유기 중합 개시제를 첨가하거나, 금속 알콕사이드 또는 아민기를 이용해 개환 반응시켜 중합되어진 것임을 특징으로 하는 플렉서블 필름 광도파로
  6. 기판 상에 구조내에 규소에 결합된 산소원자 또는 가교나 수식이 가능한 유기단량체로 가교된 망목구조를 가지는 고분자인 유기-무기 혼성물질로 구성되는 하부 클래드 층을 형성하는 단계; 하부클래드 층의 상부에 구조내에 규소에 결합된 산소원자 또는 가교나 수식이 가능한 유기단량체로 가교된 망목구조를 가지는 고분자로서 상기 하부 클래드 층을 구성하는 유기-무기 혼성물질보다는 굴절율이 큰 유기-무기 혼성물질로 구성되는 코아층을 몰드를 이용하여 엠보싱 또는 스탬핑 방법에 의해 형성하는 단계; 코아층을 경화시킨 후 사용된 몰드를 제거하는 단계; 및 코아층의 상부에 상부 클래드 층을 형성하고 기판을 이탈시켜 제거하는 단계를 포함하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법
  7. 기판 상에 구조내에 규소에 결합된 산소원자 또는 가교나 수식이 가능한 유기단량체로 가교된 망목구조를 가지는 고분자인 유기-무기 혼성물질로 구성되는 클래드 층을 형성하는 단계; 상기 클래드 층에 소정 패턴에 따라 광을 조사하여 상기 클래드층의 굴절율보다는 큰 굴절율을 가지는 코아부를 형성하는 단계; 및 기판을 이탈시켜 제거하는 단계를 포함하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법
  8. 제 7항에 있어서, 유기-무기 혼성물질로 구성되는 상부 클래드 층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 플렉서블 필름 광도파로의 제조방법
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 기판은 금속, 실리콘, 금속산화물, 또는 유기고분자 기판임을 특징으로 하는 제조방법
  10. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 기판의 표면에 이형제의 코팅 또는 소수성을 부여하기 위한 표면 처리를 수행하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법
  11. 제 6항에 있어서, 몰드는 평판 또는 롤러 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  12. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 광도파로를 열 또는 자외선으로 소성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  13. 제 1항의 광도파로를 포함하는 광통신 소자
  14. 제 1항의 광도파로를 포함하는 광접속연결소자
  15. 제 14항에 있어서, 광도파로의 연결부위는 컴퓨터를 포함한 전자부품의 회로기판과 회로기판 사이인 것을 특징으로 하는 광접속연결소자
  16. 제 14항에 있어서, 광도파로의 연결부위는 무선 핸드폰 및 노트북 컴퓨터의 디스플레이창과 입력 부분 사이인 것을 특징으로 하는 광접속연결소자
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