KR100705759B1

KR100705759B1 - 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로 제조방법

Info

Publication number: KR100705759B1
Application number: KR1020050004320A
Authority: KR
Inventors: 배병수; 강동준; 김진기; 김우수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2007-04-10
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: US20090142025A1; KR20060084057A; WO2006075849A1; US7729587B2

Abstract

본 발명은 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 굴절율의 조정이 가능하고, 다른 유전 영역 사이에서 매끄러운 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 클래드층의 형성과정과 코어층의 식각과정이 불필요하여 공정을 단순화는 광도파로용 재료 및 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 광조사에 의하여 굴절률 또는 부피가 변화되는 광민감성 하이브리드재료를 10 마이크론 이상 두께로 코팅하는 단계와, 코팅된 광도파로의 소정영역에 광을 조사하여 광조사부위의 굴절률 변화로 인한 직접 멀티모드 광도파로를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 별도로 광도파로의 클래드층의 형성과정과 코어층의 식각 공정이 불필요하여 공정을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 광특성 및 안정성이 우수한 재료로 광손실이 적으면서 10 마이크론 이상 크기의 구조를 갖는 멀티모드 광도파로를 제조할 수 있게 된다.

Description

직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로 제조방법{Manufacturing Method for Planar Multimode Optical Waveguide by Direct Photopatterning}

도 1은 본 발명에 의한 멀티모드 광도파로의 제조공정도이다.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 멀티모드 광도파로의 단면 광학현미경 사진이다.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 1 ×4 스플리터의 근접장 사진이다.

도 4는 본 발명에 의한 마스크 없이 직접 레이저 조사에 의해 제조된 멀티모드 광도파로의 단면 광학현미경 사진이다.

도 5은 본 발명에 의해 마스크 없이 직접 레이저 조사에 의해 제조된 멀티모드 광도파로의 백색램프(White light)에서의 광의 출력 패턴이다.

도 6은 본 발명에 의해 마스크 없이 직접 레이저 조사에 의해 제조된 멀티모드 광도파로의 근접장 이미지이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1, 1' : 기판 2, 2' : 광민감성 하이브리드재료

3 : 패턴 마스크 3' : 레이저

4 : 광(light) 4' : 형성된 임베디드 멀티모드 광도파로

5 : 형성된 멀티모드 광도파로 6 : 상부 클래드층

본 발명은 멀티모드 광도파로의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 굴절율의 조정이 가능하고, 다른 유전 영역 사이에서 매끄러운 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 클래드층의 형성과정과 코어층의 식각과정이 불필요하여 공정을 단순화는 광도파로용 재료 및 제조방법에 관한 것이다.

최근 통신수요의 급격한 증가에 따라 광통신, 광신호처리, 그리고 광 연결용 광도파로 소자의 활용도가 급격히 증가되고 있으며, 보다 빠른 광신호의 전송을 위해서 특히 광섬유 정렬의 용이성이 매우 많이 요구 되어지고 있다. 이러한 요구조건을 충족시키기 위하여 크기가 큰 코어층을 지니는 멀티모드 광도파로 소자의 제작은 매우 중요한 문제로 인식되어 현재 활발한 연구가 진행중에 있다.

현재 광도파로 소자는 통상적으로 반도체 제작 기술이나 또는 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 활용하여 제작되어지며, 평면 기판 상에 광도파로 소자를 제작할 경우에는 평면 광도파로 기술이 이용되고 있다. 또한 이와 같이 제작된 광도파로 소자의 기능을 더욱 집적화하려는 연구가 계속적으로 진행되고 있다.

일반적인 광도파로 소자의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다. 우선 기판 위에 하부 클래드층을 형성한 다음, 이 하부 클래드층 상부에 코어층을 형성한다. 이어서 상기 코어층 상부에 포토레지스트층을 형성한 다음, 이를 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 얻어진 포토레지스트 패턴을 이용하여 코어층을 식각하여 패터닝한다. 그 후, 패터닝된 코어층 상부에 상부 클래드층을 형성함으로써 광도파로가 완성된다.

상기 클래드층이나 코어층은 통상적으로 스핀코팅법 및 증착법에 의해 형성되며, 그 형성재료로는 굴절률이 상이한 실리카나 폴리머가 이용되고 있다. 그러나, 코어와 클래드층 형성 재료로서 실리카가 이용될 경우에는 코어와의 굴절률 차이는 최대 0.75%까지 얻어진다. 따라서 이러한 재료를 이용할 경우에는 광도파로의 크기가 제한되어 멀티모드 광통신용 소자를 제작하기가 어렵다는 문제점이 있다.

이와 같은 다수의 제작공정은 광도파로 소자의 가격을 높이고 신뢰성을 낮추는 문제가 있다. 그래서 광도파로 제작공정 단계를 줄이는 방법들이 많이 제안되어 왔다. 그 중에서 빛의 조사에 의해서 굴절률 및 두께가 항구적으로 변화하는 광민감성 재료를 코팅막상에 직접 광패터닝하여 광도파로를 형성하는 기술이 가장 단순한 방법이다.

미국특허 제3,809,732호, 미국특허 제3,953,602호에서 폴리머 재료를 포토락킹(photo-locking)이라 불리우는 방법을 이용하여 물질의 굴절률 및 두께를 변화시켜 광도파로를 형성하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 상기의 폴리머만을 재료로 도입할 경우에는 열에 약하고 색분산과 광손실이 크고, 큰 코어층을 지니는 멀티모 드 광도파로의 제작시 많은 문제를 수반하게 된다. 그리고 대한민국 특허등록 제0426959호에서 졸-겔법을 이용하여 제조된 무기/유기 나노 하이브리드재료에 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광개시제가 도핑된 광민감성 하이브리드재료를 이용하여 직접 광패터닝(Direct Photo-patterning)에 의한 광도파로 제조방법이 기재되어 있다. 그러나 이상과 같은 광민감성 폴리머 재료 및 무기/유기 나노 하이브리드재료는 경화 또는 광패터닝시에 수축이 크고 두꺼운 막의 제조가 어려워서 10 마이크론 이상 크기의 구조를 지니는 멀티모드 광도파로 제조가 어렵다.

종래의 무기/유기 나노혼성고분자는 유기 금속알콕사이드를 물과 촉매에 의해 가수분해, 축합반응을 거쳐 용액을 제조한 후 경화시키는 방법인 졸-겔 법을 통해 제조되고 있다. 미국특허 제6,054,253호, 미국특허 제5,774,603호, 미국특허 제6,309,803호에는 이러한 졸-겔법을 통하여 제조된 무기/유기 나노혼성고분자를 광소자에 적용시키는 방법을 개시하고 있으며, 본 발명자 (Bae et al.)는 재료학회지 (JMR: Journal of Materials Research,16[11],pp 3184-3187 (2001))에 졸-겔법을 통하여 제조된 무기/유기 나노혼성고분자를 직접광패터닝(Direct Photo-patterning)에 의해서 광도파로 제조 방법을 제시하고 있다.

그러나 상기 방법으로 제조된 무기/유기 나노혼성고분자는 저온에서 경화가 충분히 일어나지 않으므로 재료 내부에 실라놀기가 남게 된다. 이러한 잔류 실라놀기는 현재 광통신에서 사용되고 있는 근적외선 영역인 1310nm, 1550nm의 파장을 흡수하므로 전송손실이 크다는 문제가 있다. 또한 장시간 사용시 재료 내부의 실라놀기가 대기중의 수분을 흡착하여 소자의 성능을 저하시킬 수 있는 위험이 있다. 또 한 상기의 방법으로 제조된 무기/유기 나노혼성고분자는 가장 중요한 문제점 중의 하나인 10마이크론 이상의 막형성이 어려워 멀티모드 광도파로의 구현이 힘들다는 단점을 가진다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 광특성 및 안정성이 매우 우수하며 두꺼운 막을 코팅할 수 있어서 멀티모드 광도파로 제작에 매우 유용하게 사용될 수 있는 종래에 제조된 무기/유기 혼성고분자와는 차별화된 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산(Oligo-siloxane)을 이용하고, 이에 중합체 형성이 가능한 광감응성 유기 단위체 또는 광조사시 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광개시제를 첨가하는 광민감성 하이브리드재료를 이용하여 광감응성과 관련된 주요 광반응 특성을 관찰하였으며, 이에 기초하여 본 발명은 많은 제조단계를 필요로 하지 않으면서도 광손실이 적은 10 마이크론 이상 크기의 구조를 갖는 멀티모드 광도파로의 제조방법을 제시하고자 한다.

본 발명의 목적은 광도파로가 클래드층의 도포 공정과 광조사에 의해 포토리소그래피 공정을 이용하는 패터닝 공정에서 습식식각 공정을 이용하지 않고서도 크기가 큰 코어구조에서 매끄러운 굴절률 분포를 갖는 멀티모드 광도파로를 간단하게 제조하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 멀티모드 광도파로 재료 및 그의 제조방법으로서,

중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산에 중합체 형성이 가능한 광감응성 유기 단위체와 중합을 개시하는 광개시제가 균일하게 도핑된 광민감성 무기-유기 하이브리드 재료를 10 마이크론 이상 두께로 코팅하는 단계와, 코팅된 광도파로의 소정 영역에 광을 조사하여 광조사 부위의 굴절률 변화로 인한 직접 멀티모드 광도파로를 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기에서 올리고 실록산은 본 발명자가 출원한 대한민국 특허출원 제 2004-0025063호의 재료를 기반으로 한다.

본 발명에서 중합이 가능한 유기관능기를 함유하는 올리고 실록산화합물은 다음의 구조식 1-1 또는 구조식 1-2로 표시되는 것을 사용할 수 있다.

구조식 1-1

구조식 1-2

상기 구조식 1-1 또는 1-2에서 R1, R2는 아크릴기, 메타크릴기, 알릴기, 비닐기, 또는 에폭시 작용기를 단독 또는 2종 이상 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C_1~12의 탄화수소 화합물을 나타낸다.

바람직하기로는 멀티모드 광도파로 제작을 위한 광민감성 하이브리드 재료는 상기 매트릭스에 광반응에 참여하는 분자의 숫자를 증가시키기 위해 (a) 소정영역의 광조사시 광민감성 하이브리드 재료내에서 중합체 형성이 가능한 유기 단위체를 도입하거나, (b) 광도파로내 소정영역의 광조사시 광민감성 하이브리드 재료 내에서 적어도 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광개시제로부터 적어도 1종 이상 선택된 단위체를 도입할 수 있다.

이러한 광도파로내의 소정영역의 광조사시 광반응에 의한 광민감성 하이브리드 재료를 구성하는 올리고 실록산과 유기 단위체의 분자변형은 광조사가 되지 않은 부분과의 분자량, 모양, 농도 및 화학적 에너지(chemical potential)의 차이를 유발하고, 이로 인해서 광민감성 하이브리드 재료가 도포된 광도파로내의 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산과 도핑된 유기 단위체의 광조사가 되지 않은 영역에서 광조사 영역으로의 확산(migration) 유발과 광조사 영역에서의 충분한 광반응으로 인한 도핑된 유기 단위체의 휘발성의 충분한 감소를 가져온다. 결과적으로, 광민감성 하이브리드 재료가 코팅된 광도파로내의 광조사 영역과 광조사가 일어나지 않은 부분의 굴절률 차이를 가져오게 되고 이로 인해 멀티모드 광도파로가 제조되어 진다.

광민감성 하이브리드 재료 내에서 중합체 형성 및 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광감응성 유기 단위체의 굴절률은 바람직하기로는 중합이 가능한 유기관능기를 지니는 올리고 실록산의 굴절률보다 높은 것으로부터 선택되어진다. 보통, 광감응성 유기 단위체의 농도가 더 클수록 앞서 설명한 방법에 따라 더 큰 굴 절률과 두께 증가를 얻을 수 있다. 이때 도펀트의 양은 10∼50중량%가 일반적이다.

광민감성 하이브리드 재료 내에서 중합체 형성이 가능한 단위체의 예를 들면 메타크릴레이트를 포함하는 아크릴레이트 모노머 계열을 들 수 있고 아크릴레이트 모노머의 아크릴레이트 수, 즉 관능기의 수에 따라 도펀트를 분류하면 관능기 수가 1인 모노머는 부틸 아크릴레이트, 에틸헥실 아크릴레이트, 옥틸/데실 아크릴레이트, 하이브록시알킬 아크릴레이트, 싸이클로헥실 아크릴레이트 등이며, 관능기 수가 2인 모노머는 부탄디올 다이아크릴레이트, 부틸렌 글리콜 다이메타크릴레이트, 헥산디올 다이아크릴레이트, 헥산디올 다이메타아크릴레이트, 트리프로필렌 글리콜 다이아크릴레이트 등이며, 관능기 수가 3인 모노머는 트리메틸로프로판 트리아크릴레이트, 트리메틸로프로판 트리메타크릴레이트, 펜타에리스리톨 트리아크릴레이트, 글리세릴 프로폭시레이티드 트리아크릴레이트 등이며, 관능기 수가 4이상인 모노머는 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트, 다이펜타에리스리톨 펜타아크릴레이트, 다이트리메틸로프로판 테트라아크릴레이트 등의 광감응성 아크릴레이트 계열의 모노머등을 예로 들 수 있고, 메틸 시나메이트, 에틸 시나메이트, 비닐 시나메이트, 아릴 시나메이트, 시나밀 시나메이트, 글리콜 시나메이트, 벤질 시나메이트 등의 광감성성 시나믹 엑시드 및 이시트 계열의 모노머 및 다이카르복실릭 엑시드 시나밀, 메타아크릴릭 엑시드 시나밀 모노머등으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 단위체를 들 수 있다.

광민감성 하이브리드 재료 내에서 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광감응성 광화학 단위체의 예를 들면 벤조인이서 계열, 벤질케탈 계열, 다이알콕시아 세톤페논 계열, 하이드록시알킬페논 계열, 아미노알킬페논 계열 등의 단위체로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 단위체를 들 수 있다.

상기 예는 본 발명에 사용될 수 있는 물질들의 일예일 뿐이며, 상기예로 한정되는 것은 아니다.

이하 본 발명을 첨부한 도면에 의하여 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 멀티모드 광도파로의 제조공정의 일예이다.

도 1의 좌측(Left)은 중합이 가능한 유기관능기를 지니는 올리고 실록산에 광감응성 단위체가 도핑된 투명한 광민감성 하이브리드재료를 이용하여 10 마이크론 이상 크기의 코어층을 지니는 멀티모드 광도파로를 제조하는 과정을 도시하고 있다.

먼저 기판(1) 상에 광도파로(2)는 중합이 가능한 유기관능기를 지니는 올리고 실록산에 광감응성 단위체가 도핑된 투명한 광민감성 하이브리드 재료를 이용하여 코팅한다. 이때 기판(1)과 광도파로(2)는 통상의 방법으로 형성이 가능하다. 예를 들면 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 있는 스핀 코팅법이 적용될 수 있음은 물론이다. 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.

다음으로 광도파로(2)에 원하는 형태를 가진 마스크(3)와 특정 파장을 갖는 광(4)을 조사하여 패터닝 과정을 수행한다. 이 경우 패터닝 과정은 마스크를 이용하지 않고 레이저를 이용하여 수행될 수도 있다.

광을 조사하는 단계에서, 원하는 광도파로 패턴은 도핑된 단위체중 광개시제가 반응하는 파장에 해당되는 광을 사용해서 만들어진다. 보통은 자외선에 해당하는 파장 영역을 이용하게 되고, 광도파로의 특별한 형태에 따라 굽은 모양의 광도파로 제작도 가능하다.

상기와 같이 광반응에 사용되기 위해서는 단순한 광감응성 유기 단위체 대신에 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산의 교차결합에 포함되어 고정되는 유기 단위체를 사용할 수 있다. 막에 부분적으로 광을 조사함으로 도펀트의 분자구조의 변형은 광을 조사한 부분에서만 일어나게 된다. 광이 조사되어진 막에서는 중합이 가능한 올리고 실록산에 단위체가 결합하거나 단위체의 이분자체 형성 또는 단위체의 중합에 해당하는 천이가 일어나게 되고 이로 인해 광이 조사되어지지 않은 부분과의 매트릭스 및 도핑된 단위체간의 분자량 및 구조의 차이가 발생되고 이로 인해 광감응 단위체의 농도구배가 광이 조사된 막과 조사되지 않은 막사이에서 선택적으로 일어나게 된다. 막에서 계속 되는 차별화된 광조사에 의해 도핑된 광감응 단위체들은 광이 조사되지 않은 부분에서 조사된 부분으로의 확산(migration)이 계속해서 이루어지게 되고 이에 반해, 광이 조사된 부분에서의 단위체들은 올리고 실록산에 결합하거나 단위체의 이분자체 형성 또는 단위체의 중합에 해당하는 천이가 일어나게 되고 광이 조사되어진 광민감성 하이브리드 재료 내에서는 도핑된 광감응성 유기 단위체의 이동성과 휘발성의 충분한 감소 또는 완전한 감소를 가져온다.

이하 광조사시 나타나는 광민감성 하이브리드재료내의 분자구조의 천이에 관 하여 구체적인 예를 들어 상세히 설명하기로 한다.

[화학식]

위의 도식적 구조에서 나타나듯 광민감성 하이브리드재료내의 광개시제는 우선 광을 조사하게 되면 (1)과 같이 2개의 라디칼을 형성하고 형성된 라디칼은 중합체 형성이 가능하면서 유기 망목을 지니고 있는 아크릴레이트계 유기 단위체에 각 관능기 수에 따라 일관능기인 경우;(2), 이관능기인 경우;(3), 삼관능기인 경우;(4), 일관능기와 이관능기의 혼합인 경우;(5)와 같이 결합하게 된다.

매트릭스내에서 중합이 가능한 아크릴레이트계 유기 단위체가 광민감성 하이브리드 재료를 구성하는 사슬의 다양한 지점에 광중합 반응을 통해 쉽게 뒤얽힐 수 있는 랜덤(random)하게 정열된 사슬을 형성하게 된다. 따라서 이러한 반응의 결과 광이 조사된 부분과 조사되지 않은 부분과의 도핑된 유기 단위체의 분자구조 및 매트릭스의 구조가 달라지고 이로 인해 유기 단위체의 광확산(photomigration)이 이루어지고 광이 조사된 부분에서는 매트릭스와의 광중합 및 다양한 형태의 광반응이 이루어진다. 이로 인해 광이 조사된 부분에서의 굴절률은 광이 조사되지 않은 부분에 비해서 증가하게 되는 것이다.

이상과 같은 분자 천이과정은 다양한 모습의 형태로 나타날 수 있으며, 상기 설명한 분자 천이과정 이외에도 다른 형태의 반응을 포함할 수 있음은 물론이다.

광을 조사하는 단계에서, 일반적으로 입사빔의 세기가 클수록 광이 조사된 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산에 고정 및 중합되는 단위체 분자의 수가 더 증가한다. 따라서 입사빔의 세기가 클수록 광을 조사한 영역의 굴절률 변화가 더 커지게 된다.

또한 막에서 광의 단면 직경과 축의 방향은 광의 집중성 또는 입사각의 각도를 바꿈으로써 조절할 수 있다. 따라서 더 큰 선폭을 원할 때는 더 긴 파장이 바람직하고, 입사빔의 각도 또는 빔의 집중성은 막에서 광의 직경이 증가할 때 감소될 수 있다.

노출빔의 파장은 막에서 중합이 가능한 올리고 실록산 자체에는 분명한 효과가 없는 동시에 광개시제에서 원하는 분자 천이를 충분히 개시할 수 있도록 선택되 어야한다. 따라서 선택되는 특정한 파장은 각 경우에 출발 물질로 사용되는 특정한 유기 단위체와 중합이 가능한 유기관능기를 지니는 올리고 실록산의 구성 물질에 의존적이다. 또한 막의 성분을 분해하거나 최종 소자의 질에 해로운 영향을 미치는 파장은 배제되어야 한다.

상기에서 나타난 광반응을 통한 광도파로 제조방법은 막에 대해 높은 투과율을 갖는 파장 영역의 광을 원하는 광도파로 패턴을 포함하는 마스크를 통해 조사하는 과정을 포함할 수 있다. 이러한 마스크를 이용하는 기술은 널리 알려져 있고 일반적으로 포토레지스트를 사용하는 반도체 소자의 제작에서 적용되는 방법이다. 또한 레이저를 이용하는 경우에는 상기 마스크를 이용하지 않고서도 직접 조사가 가능하다.

광조사 단계는 단순한 광원 뿐만 아니라 전자, 이온, 중성자 등이 사용될 수 있다. 어떤 출발 물질에 대해서는 입자의 조사가 큰 공간 해상력을 얻는 데 유용할 수 있다.

다음 단계는 막에서 광에 노출된 광도파로 패턴의 현상과 관련된다. 현상은 단순히 광에 노출되지 않은 부분의 도핑 유기 단위체를 휘발시키기 위해 막을 가열함으로써 행해진다. 이 단계는 막에 광을 조사한 부분의 광반응에 참여한 유기 단위체를 남기고 다음과 같은 결과를 가져온다. 즉, 막의 두께는 광에 노출되지 않은 도펀트의 제거로 인해 노출하지 않은 영역에서 감소하고, 막의 굴절률은 광에 노출되어 매트릭스와 도펀트간 및 도펀트내의 광반응으로 인해 굴절률 값이 상승하게 광이 조사되지 않은 부분은 상대적으로 감소하게 되고 광조사 부분과 광조사가 되 지 않은 부분과의 매끄러운 변화를 가져온다.

현상 시의 최대 온도는 광감응성 유기 단위체와 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산의 다양한 물리적, 화학적 성질에 의해 제한된다. 고려할 사항은 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산의 유리 천이 온도, 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산 내에 고정되는 도펀트의 온도에 의해 유도되는 확산과 물질들의 열에 의해 유도되는 바람직하지 않은 화학적인 변화들이다.

현상은 최종 소자의 원하는 특성에 영향을 거의 미치지 않는 온도에서 행해져야 한다. 이러한 이유로 광감응성 유기 단위체는 현상이 비교적 적당한 온도에서 일어날 수 있게 하기 위해 적당한 휘발성을 가져야 한다.

이러한 과정을 거쳐, 자연스럽게 광도파로(5)가 형성된다. 광도파로가 형성된 후 상부 클래드층(6)은 도포해도 되고, 도포하지 않아도 되며 상부 클래드층의 도포 여부가 광도파로 소자의 기능에는 큰 영향을 미치지 않는다.

도 1(Right)은 중합이 가능한 유기관능기를 지니는 올리고 실록산에 광감응성 단위체가 도핑된 투명한 광민감성 하이브리드재료를 기판(1') 상에 두껍게 코팅(2')한 상태에 레이저(3')를 이용한 이광자 흡수에 의해 코팅막 내부에 10 마이크론 이상 크기의 코어층을 지니는 임베디드(embeded-typed) 멀티모드 광도파로(4')를 제조하는 과정을 도시하고 있다. 형성 기구(Mechanisms)는 상기 도 1(Left)의 기구와 동일하다.

도 1의 왼쪽 및 오른쪽의 도 1c에서 나타난 바와 같이 광민감성 하이브리드 재료의 광반응을 통해서 일어나는 분자구조의 변화로 유도되는 농도구배와 화학적 에너지(chemical potential) 차이를 통해 발생되는 광확산(photomigration)에 의해 제조된 광도파로의 장점은 소자에서 다른 유전 영역 사이에서 매끄러운 굴절률 분포를 갖는 광도파로를 제작할 수 있다.

보통 노출광 세기의 단면적 변화에 대응하는 굴절률의 매끄러우면서 축방향을 기준으로 대칭적으로 가로지르는 변화가 얻어진다. 고정된 고굴절률의 광감응성 유기 단위체 농도는 광반응과 이로 인해 유도되는 광확산(photomigration)에 의해 일반적으로 조사빔의 축을 따라 최대가 되고 축으로부터 점차 감소한다. 그리고 현상 후에 막의 두께 분포역시 광확산(photomigration)에 의해 일반적으로 조사빔의 축을 따라 최대가 되고 축으로부터 점차 감소하게 되고 막의 두께는 보통 광반응에 관여한 유기 단위체의 농도에 비례한다. 이러한 특징은 종래 많이 사용되고 있는 방법으로 제조되는 광도파로가 높은 산란 손실을 일으키는 가장자리의 거칠기를 대부분 제거하게 된다.

상기와 같이 광확산(photomigration)에 의해 제작된 멀티모드 광도파로는 본 발명에 의하면 상온에서 한달 이상의 기간에도 안정한 것으로 관찰되었고, 고정된 도펀트의 확산이 거의 일어나지 않았다.

상기에서는 고굴절률의 도펀트를 선택 영역의 굴절률을 증가시키기 위해 사용했지만 본 발명의 기재로부터 당업자라면 고굴절률의 매트릭스에 낮은 굴절률의 도펀트 역시 광확산(photomigration) 시킬 수 있음을 용이하게 알 수 있을 것이다. 만약 두께의 분포만 광확산에 의해 얻고 싶으면 도펀트와 매트릭스의 굴절률을 같게 하는 것으로 충분하다. 상기와 같은 방식은 막에서 규칙적인 변화를 갖는 광소자를 제작하는 데 있어서 매우 유용하다.

상기와 같이 제조된 멀티모드 광도파로는 광통신 소자와 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)용 광배선 소자로의 적용이 매우 유용하다.

상기에서는 중합이 가능한 유기 관능기를 지니는 올리고 실록산과 광감응성 유기 단위체들과 연관하여 광확산을 위주로 멀티모드 광도파로를 제작에 대해서 기술하였으나 광확산 이외에도 밀도화(densificaition), 축합(condensation) 등 다른 여러 기구들에 의한 것들도 본 발명의 기구로 존재함을 밝힌다.

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>

3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(Aldrich 사) 13.78g과 디페닐실란다이올(Fluka 사) 12.00g을 혼합한 후 실록산 반응을 촉진시키기 위한 촉매로 수산화나트륨을 0.1g 첨가한 후 80℃에서 6시간 교반하여 메타크릴-페닐-실리카 하이브리드 재료를 수득하였다.

중합을 위한 광감응성 유기 단위체로 부탄디올디아크릴레이트를 전체 알콕사이드의 10mol% 만큼 첨가하고 중합을 위한 이분자체 형성이 가능한 광개시제로서의 유기 단위체로 BDK(Benzil Dimetyl Ketal)를 전체 알콕사이드의 3mol% 만큼 첨가한 후 유기 단위체가 완전히 용해될 때까지 다시 교반시켜 용액을 완성했다.

완성된 용액을 실리콘웨이퍼 위에 스핀코팅기를 이용하여 코팅한 후, 할로겐-제논 램프를 사용하여 코팅막에 광을 조사하고 150℃에서 5시간동안 건조시켰다. 자외선 조사량에 따라서 굴절률을 프리즘 커플러로 측정하여 그 변화량을 표 1에 기재하였다.

<표 1>

자외선 조사량	굴절률 증가(%)
0J	0.00
20J	0.65
150J	0.95
250J	1.24
400J	1.54

<실시예 2>

상기 실시예 1에 있어서 첨가한 유기 단위체 부탄디올디아크릴레이트를 하기 표 2와 같은 전체알콕사이드에 대해서 몰비로 배합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 실시예 2에 따른 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

<표 2>

부탄디올디아크릴레이트의 양(%)	굴절률 증가(%)
0	0.15
10	1.7
20	2.5
30	3.25
40	3.95
50	4.7

<실시예 3>

상기 실시예 1에서 수득한 메타크릴-페닐-실리카 하이브리드 재료에 첨가한 단위체 BDK를 전체알콕사이드의 10몰%로 고정하였고, 아크릴레이트계의 유기 단위체를 관능기수에 따라 메틸메타크릴레이트, 부탄디올아크릴레이트, 트리메틸로프로판트리아크릴레이트를 각각 전체알콕사이드의 10몰%를 넣어 배합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 실시예 3에 따른 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

<표 3>

아크릴레이트계 모노머(관능기수)	양(%)	BDK양 (%)	굴절률 증가(%)
메틸메타크릴레이트(1)	10	10	1.65
부탄디올디아크릴레이트(2)	10	10	2.45
트리메틸로프로판트리아크릴레이트(3)	10	10	3.4

<실시예 4>

상기 실시예 1에서 수득한 메타크릴-페닐-실리카 하이브리드 재료에 첨가한 단위체 BDK를 전체알콕사이드의 10몰%로 고정하였고, 아크릴레이트계의 유기 단위체 중 관능기수가 3인 트리메틸로프로판트리아크릴레이트를 표 4와 같은 전체알콕사이드에 대한 몰비로 배합한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였으며, 실시예 4에 따른 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

<표 4>

트리메틸로프로판 트리아크릴레이트의 양 (%)	BDK의 양(%)	굴절률 증가(%)
0	10	1.52
10	10	3.4
20	10	3.87
30	10	4.21
40	10	4.63

<실시예 5>

상기 실시예 1에서 전체알콕사이드의 부탄디올 아크릴레이트 10mol%와 BDK 3mol%를 첨가한 용액을 웨이퍼에 스핀코터기로 코팅을 하고, 마스크에 램프를 조사하고 난 뒤, 150℃에서 5시간 동안 열처리하였다.

도 2는 이와 같은 방법으로 형성된 멀티모드 광도파로가 큰 코어층을 지니고 있음을 확인한 단면 광학현미경 사진이다. 제작된 광도파로는 850nm 파장에서 0.25 dB/cm의 광전송 손실을 나타내었다.

도 3은 상기 제작방법으로 형성된 1x4 스플리터의 1550nm 파장에서 광이 잘 분배됨을 관찰한 근접장 이미지이다.

<실시예 6>

상기 실시예 1에 있어서 전체알콕사이드의 부탄디올 아크릴레이트 10mol%와 BDK 3mol%를 첨가한 용액을 웨이퍼에 스핀코터기로 코팅을 하고, 마스크 없이 325nm의 파장을 지니는 He-Cd 레이저를 이용하여 광을 직접 조사하고 난 뒤, 150℃에서 5시간 동안 열처리하였다.

도 4는 이와 같은 방법으로 형성된 멀티모드 광도파로가 큰 코어층을 지니고 있음을 확인한 단면 광학현미경 사진이다. 제작된 광도파로는 850nm 파장에서 0.15 dB/cm 의 광전송 손실을 나타내었다.

도 5는 상기 제작방법으로 형성된 광도파로의 백색램프(White light) 에서의 광이 잘 도파됨을 관찰한 광의 출력 패턴이다.

도 6은 상기 제작방법으로 형성된 광도파로의 850nm 파장에서 광이 잘 도파됨을 관찰한 근접장 이미지이다.

본 발명은 상기의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 별도로 클래드층의 형성과정과 광도파로의 식각 공정을 필요로 하지 않으므로 많은 제조공정을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 광손실이 적고 10 마이크론 이상 크기의 구조를 갖는 멀티모드 광도파로를 제조할 수 있게 된다.

Claims

기판 상에 광민감성 유기-무기 하이브리드 재료를 포함하는 광도파로를 10 마이크론 이상의 두께로 코팅하는 단계와,

코팅된 광민감성 하이브리드 재료에 소정 범위의 파장을 가지는 광을 조사하여 직접 가로와 세로의 크기가 10 마이크론 이상 크기의 구조를 갖으며 광조사 영역과 광비조사 영역간의 굴절률 변조에 의해 형성되는 멀티모드 광도파로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
삭제
제 1항에 있어서, 제 1항의 광민감성 유기-무기 하이브리드 재료는 중합이 가능한 유기관능기를 함유하는 올리고 실록산을 기반으로 하고 여기에 중합체 형성이 가능한 유기 단위체(photoactive monomer, 조성 1)와 광조사시 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광개시제(조성 2)로부터 적어도 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
제 1항의 광민감성 유기-무기 하이브리드재료는 광조사에 의해 항구적으로 굴절률이 변화되는 것을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
제 3항에 있어서, 중합이 가능한 유기관능기를 함유하는 올리고 실록산화합물은 다음의 구조식 1-1 또는 구조식 1-2로 표시되는 것을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법

구조식 1-1

구조식 1-2

상기 구조식 1-1 또는 구조식 1-2에서 R1, R2는 아크릴기, 메타크릴기, 알릴기, 비닐기, 또는 에폭시 작용기를 단독 또는 2종 이상 가지는 직쇄, 측쇄 또는 고리형의 C_1~12의 탄화수소 화합물이다.
제 3항에 있어서, 중합체 형성이 가능한 유기 단위체 (조성 1)는 부틸 아크릴레이트, 에틸헥실 아크릴레이트, 싸이클로헥실 아크릴레이트, 부탄디올 다이아크릴레이트, 트리프로필렌 글리콜 다이아크릴레이트, 트리메틸로프로판 트리메타크릴레이트, 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트, 다이트리메틸로프로판 테트라아크릴레이트 등의 광감응성 아크릴레이트 계열의 모노머, 메틸 시나메이트, 에틸 시나메이트, 비닐 시나메이트, 아릴 시나메이트, 시나밀 시나메이트, 글리콜 시나메이트, 벤질 시나메이트 등의 광감성성 시나믹 엑시드 및 이시트 계열의 모노머 및 다이카르복실릭 엑시드 시나밀, 메타아크릴릭 엑시드 시나밀 모노머등으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 단위체임을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
제 3항에 있어서, 이분자체 형성에 의해 중합을 개시하는 광개시제 (조성 2)는 벤조인이서 계열, 벤질케탈 계열, 다이알콕시아세톤페논 계열, 하이드록시알킬페논 계열, 아미노알킬페논 계열등의 단위체로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 단위체임을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
제 1항에 있어서, 광의 조사단계는 코팅막 상부에 원하는 패턴의 마스크를 형성하여 수행됨을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
제 1항에 있어서, 광의 조사단계는 마스크 없이 코팅막 상부에 레이저를 직접 조사하여 수행됨을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
제 1항에 있어서, 광의 조사단계는 코팅막 내부에 레이저를 직접 조사하여 수행되는 임베디드 형(embeded-typed)임을 특징으로 하는 직접 광패터닝에 의한 평판형 멀티모드 광도파로의 제조방법
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