KR0177883B1 - 자기광학 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기광학 재료에 관한 것으로서 더 상세하게는 자기광학재료중 패러데이 현상을 나타내는 가네트 재료에 있어서 격자상수가 큰 가네트계 기판(격자상수 12.51Å - 12.7Å)을 사용하여 비스무트(원소기호 Bi) 치환량이 증대되도록 함으로써 패러데이 회전능의 값을 개선한 자기광학 재료에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 자기광학 재료에 있어서, 화학식 (A)3(B)5O12로 이루어진 기판이 PbO (38.7-73.2mol%), Bi2O3(12.4-90mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0.1-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), Fe2O3(7.3-18mol%), Ga2O3(0.4-1.5mol%), Al2O3(0.4-1.5mol%)의 조성비율을 갖는 용액에서 단결정막 성장되어 적어도 12.5Å이상의 격자상수를 갖게 되는 점에 그 특징이 있다. 여기서, 상기 기판의 화학식중에서 A는 K, Ba, Na, Sr, Ca, La, Gd, Sm, Ln, Pb등의 희토류 원소 및 천이원소이고, B는 Mg, Li, Fe, Zn, Ga, Ge, V, Si, W, Al, Sn등의 희토류 원소 및 천이원소이다. 이로써, 본 발명은 패러데이 회전능의 값을 향상시킬 수 있고, 패러데이 회전자의 두께를 줄일 수 있는 이점을 제공한다.

Description

자기광학 재료
본 발명은 자기광학 재료에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자기광학재료중 패러데이 현상을 나타내는 가네트 재료에 있어서 격자상수가 큰 가네트계 기판(격자상수 12.51Å - 12.7Å)을 사용하여 비스무트(원소기호 Bi) 치환량이 증대되도록 함으로써 패러데이 회전능의 값을 개선한 자기광학 재료에 관한 것이다.
예를 들어, 광통신에서는 근적외선 영역의 광원으로부터 출사된 광의 편광면을 회전시키는 패러데이 회전효과를 이용한 소자가 반사광의 차폐 또는 광로의 절환등에 널리 이용되고 있다. 상기 소자는 통상 패러데이 회전효과를 갖는 자기광학재료 및 자장발생용 자석 또는 전자석으로 이루어진다.
현재, 상기와 같이 패러데이 회전효과를 이용한 자기광학소자는 산화물의 성장성분과 용제를 혼합하여 고온에서 용액화한 후, 과포화상태까지 냉각하여 성장하고자 하는 단결정의 격자상수와 일치하는 기판을 담그는 액상성장법(LPE; liquid phase epitaxy)으로 단결정막을 성장시켜 만들고 있다. 이때, 일반적으로 사용되는 용액조성물은 비스무트( Bi)가 치환된 가네트계와 용제의 조성으로 구성된다. 상기와 같이 해서 만들어진 단결정막은 절단과 연마공정을 거쳐 패러데이 회전효과를 평가하게 되고, 실질적인 자기광학소자로서는 영구자석 또는 전자석에 의해서 성장된 단결정막이 자화되어 패러데이 회전자로서 이용된다.
그런데, 종래에는 액상성장법(이하, LPE라 약칭한다)에서 용액에 담그는 기판의 격자상수가 12.3Å - 12.5Å 범위의 것이 사용되었고, 이로 인해 성장된 막의 격자상수도 12.3Å - 12.5Å의 범위로 한정되는 문제점이 있었다. 즉, 종래기술에서는 LPE방법에서 사용되는 기판의 격자상수가 12.3Å - 12.5Å의 범위로 한정되어 사용되었기 때문에, 성장막의 격자상수도 기판의 격자상수와 일치되는 범위에서 성장됨으로써 12.3Å - 12.5Å 범위로 한정될 수 밖에 없었다. 이로 인해 종래에는 12.3Å - 12.5Å의 범위로 기판의 격자상수가 한정되어 사용되기 때문에 패러데이 회전능도 1000deg/cm 정도였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서 비스무트(Bi)가 치환된 가네트계와 용제의 조성으로 이루어지는 용액에서 단결정막을 성장시키는 기판의 격자상수를 12.5Å - 12.65Å 범위의 것으로 함으로써 용액으로부터 성장되는 비스무트 치환된 성장막의 격자상수를 12.5Å - 12.65Å 범위로 크게 하고, 비스무트의 치환량도 증가시키며, 패러데이 회전능도 개선시킨 자기광학 재료를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기광학 재료은,
자기광학 재료에 있어서, 화학식 (A)3(B)5O12로 이루어진 기판이 PbO (38.7-73.2mol%), Bi2O3(12.4-90mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0.1-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), FeO3(7.3-18mol%), Ga2O3(0.4-1.5mol%), Al2O3(0.4-1.5mol%)의 조성비율을 갖는 용액에서 단결정막 성장되어 적어도 12.5Å이상의 격자상수를 갖게 되는 점에 그 특징이 있다. 여기서, 상기 기판의 화학식중에서 A는 K, Ba, Na, Sr, Ca, La, Gd, Sm, Ln, Pb등의 희토류 원소 및 천이원소이고, B는 Mg, Li, Fe, Zn, Ga, Ge, V, Si, W, Al, Sn의 희토류 원소 및 천이원소이다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 용액의 조성비율이 PbO (38.7-73.2mol%), PbF2(0-73.2mol%), Bi2O3(5-73.2mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), Fe2O3(7.3-18mol%), Ga2O3(0-1.5mol%), Al2O3(0-1.5mol%)로 바람직하게 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 자기광학 재료에 관한 상세한 설명을 한다.
본 발명에서 사용된 기판은 화학식 (A)3(B)5O12로 이루어진 단결정물로서, 상기 화학식에서 A는 K, Ba, Na, Sr, Ca, Pb등의 희토류 원소 및 천이원소이고, B는 Mg, Li, Fe, Zn, Ga, Ge, V, Si, W, Sn등의 희토류 원소 및 천이원소이다. 상기 기판의 단결정은 1,400℃ 이상의 고온에서부터 거리/온도 구배에 따라서 육성되는 단결정 육성방법 또는 크조크랄스키(Czochralski)와 같은 단결정 육성방법으로 성장시킨 것으로서, 격자상수가 12.5Å이상인 것이다. 실질적으로, 기판이 Ca3(Li, Nb, Ga)5O12의 단결정인 경우에는 12.53Å - 12.55Å 이다.
그리고, 상기와 같은 단결정을 갖는 기판이 담그어져 소정의 성장막이 형성되도록 하는 용액은, PbO (38.7-73.2mol%), Bi2O3(12.4-90mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0.1-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), FeO3(7.3-18mol%), Ga2O3(0.4-1.5mol%), Al2O3(0.4-1.5mol%)의 조성물을 백금도가니에 장입한 후, 1,000℃ 이상의 고온에서 균일 용액화한 후 700∼900℃ 범위로 과냉각시켜 만들어진 것이다. 상기와 같은 용액에서 상기 기판의 단결정막 성장은 수시간에서 수십시간에 걸쳐 진행되며, 이와 같은 단결정막 성장에 의하면 수백 마이크로 두께의 양호한 단결정막이 생성된다.
상기와 같이 해서 성장된 단결정막의 화학식은 Bix, R3-x, Fey, Ms-y, O12의 조성을 갖게 되며, 이의 두께는 12.5Å 이상이다. 여기서, 상기 화학식의 R은 Tb, Ho, Y, Sm, Gd, Ln등의 희토류족 원소이고, M은 Al, Ga등의 천이원소이며, R과 M은 모두 복수로 있을 수 있다. 예를 들면, R은 Tb 단독으로 또는 Tb+Ho로 있을 수 있고, M의 경우도 마찬가지이다.
상기 실시예에 있어서, 격자상수 12.53Å - 12.55Å를 갖는 Ca3(Li, Nb, Ga)5O12의 기판을 사용하면, 성장막의 격자상수가 12.53Å - 12.55Å인 단결정막을 얻을 수 있으며, 이것은 본 발명의 범주안에 속한다. 더욱이, 본 발명에 있어서, 조성비 및 기판의 종류를 변화시켜 최대 12.6Å 이상의 격자상수를 갖는 단결정막의 성장도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실질적인 조성물에서 성장된 성장막의 경우는 종래에 비하여 Bi가 과량치환될 수 있음으로 Bi의 범위 x 즉, Bix에서 x가 최대 3에 가까운 값까지 치환된다. 이와 같이 되는 이유는 종래에 비하여 격자상수가 큰 기판을 사용함으로써 본 발명의 용액으로부터 Bi의 치환량이 증대되어 격자상수가 종래에 비하여 큰 성장막을 얻게 되었기 때문이다. 이와 같이 해서 성장된 성장막에 대한 패러데이 회전능을 1,310-1,550nm의 파장영역에서 평가한 결과 1,500deg/cm이상의 패러데이 회전능 값을 갖게 되었다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, PbO (38.7-73.2mol%), PbF2(0-73.2mol%), Bi2O3(5-90mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), Fe2O3(7.3-18mol%), Ga2O3(0-1.5mol%), Al2O3(0-1.5mol%)로 된 용액의 조성물을 백금도가니에 장입한 후, 1,000℃이상의 고온에서 균일용액화한 후, 700∼900℃ 범위로 과냉각을 시키고, 상기 기판중 12.6Å의 격자상수인 기판을 사용하면서 막성장을 할 수 있는데, 이 경우에도 성장을 수시간에서 수십시간에 걸쳐 진행하면 200마이크로 두께의 양호한 막을 얻는다. 따라서, 용액의 조성이 일부 변화하더라도 Bi 함량이 증대된 Bi2.9, R0.1, Fey, M5-y, O12계의 성장을 얻을 수 있고, 근적외선 영역에서의 패러데이 회전능 2,000deg/cm 정도를 달성한다.
상술한 내용에서 알 수 있듯이, 본 발명에 있어서의 패러데이 회전능이 종래의 경우보다 2배 높기 때문에, 패러데이 회전자의 두께를 1/2로 줄일 수 있게 된다. 즉, 종래의 패러데이 회전자는 400-500마이크로 정도의 두께를 요구하지만, 본 발명의 경우는 패러데이 회전자의 두께가 200마이크로이상 정도에서도 충분하게 패러데이 회전자로서의 기능을 할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자기광학 재료은, 격자상수가 12.5Å이상의 기판을 이용하여 LPE성장한 것으로 성장된 막은 12.5Å이상의 큰 격자상수값을 가지며, 성장막의 Bix, R3-x, Fey, Ms-y, O12의 화학식중 X를 최대 3에 가까운 값까지 치환할 수 있기 때문에, 즉 Bi 치환량이 증가된 성장막을 얻을 수 있기 때문에, 패러데이 회전능의 값을 높을 수 있는 이점을 제공한다. 또한 본 발명에 의하면, 패러데이 회전능의 값을 높일 수 있으므로 패러데이 회전자의 두께도 비례하여 줄일 수 있고, 결국 적은 성장시간으로도 자기광학용 재료의 생산이 가능하여 생산원가의 절감효과를 향상시키고, 작은 두께로도 패러데이 회전자가 가능함으로 자기광학소자 전체의 두께도 축소시킬 수 있는 이점을 제공한다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.

Claims (6)

  1. 자기광학 재료에 있어서, 일반 화학식 (A)3(B)5O12로 이루어진 기판이 PbO (38.7-73.2mol%), Bi2O3(12.4-90mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0.1-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), Fe2O3(7.3-18mol%), Ga2O3(0.4-1.5mol%), Al2O3(0.4-1.5mol%)의 조성비율을 갖는 용액에서 단결정막 성장되어 12.5Å-12.65Å 범위의 격자상수를 갖는 것을 특징으로 하는 자기광학 재료. (단, 상기 일반 화학식중에서 A는 K, Ba, Na, Sr, Ca, La, Gd, Sm, Ln, Pb등의 희토류 원소 및 천이원소이고, B는 Mg, Li, Fe, Zn, Ga, Ge, V, Si, W, Al, Sn등의 희토류 원소 및 천이원소임)
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 격자상수도 12.5Å-12.65Å 범위인 것을 특징으로 하는 자기광학 재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기 성장된 단결정막의 조성 화학식은 Bix, R3-x, Fey, Ms-y, O12인 것을 특징으로 하는 자기광학 재료. (단, 상기 화확식의 R은 Tb, Ho, Sm, Gd, Ln, Y의 희토류족 원소이고, M은 Al, Ga의 천이원소이며, R과 M은 모두 복수로 있을 수 있음.)
  4. 제3항에 있어서, 상기 화학식의 Bix에서 x값이 최대 3인 것을 특징으로 하는 자기광학 재료.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판의 격자상수 두께와 상기 성장막의 격자상수 두께가 같은 것을 특징으로 하는 자기광학 재료.
  6. 자기광학 재료에 있어서, 일반 화학식 (A)3(B)5O12로 이루어진 기판이 PbO (38.7-73.2mol%), PbF2(0-73.2mol%), Bi2O3(5-90mol%), B2O3(4.1-16.5mol%), Tb4O7(0-1.5mol%), Ho2O3(0-1.5mol%), Fe2O3(7.3-18mol%), Ga2O3(0-1.5mol%), Al2O3(0-1.5mol%)의 조성비율을 갖는 용액에서 단결정막 성장되어 12.5Å-12.65Å 범위의 격자상수를 갖는 것을 특징으로 하는 자기광학재료. (단, 상기 일반 화학식중에서 A는 K, Ba, Na, Sr, Ca, La, Gd, Sm, Ln, Pb등의 희토류 원소 및 천이원소이고, B는 Mg, Li, Fe, Zn, Ga, Ge, V, Si, W, Al, Sn등의 희토류 원소 및 천이원소임)
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