KR100390211B1 - 박막 증착법을 이용한 기능성 광섬유 프로브 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막 증착법을 이용한 기능성 광섬유의 프로브 제작에 관한 것이다. 근래, 광섬유의 한쪽 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈을 갖는 구조를 제작하여 그 틈에 기능성 재료를 부착시킴으로서 광섬유를 이용한 서브마이크로미터 또는 나노미터 크기의 광원 또는 센서의 기능을 가진 기능성 프로브가 제작되며, 기능성 재료의 부착 방법으로서 종래에는 고분자 재료의 광유기 중합 반응을 이용하거나, 재료를 용액으로 만들어 광섬유 표면과 용질원자(부착하고자 하는 재료의 원자)와의 분자간력에 의한 흡착 현상을 이용하여 부착시켰으나, 이런 방법은 광유기 중합 반응이 일어나지 않는 고분자 물질이나 용액으로 만들 수 없는 재료는 사용할 수가 없었던 것이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결함에 있어 박막 증착 방법을 이용하는 것으로서, 이의 발명 요지는 광섬유 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈을 가진 구조를 만들기 위하여 불산(HF)을 첨가한 부식 용액에 광섬유 선단을 용해시키면 광섬유의 코어(core) 부분과 클래딩(cladding) 부분의 용해 속도의 차로 인하여 광섬유 선단은 원추형 형태의 모양이 된다. 이러한 광섬유 선단을 진공 증착 장비에 넣고 금이나 알루미늄과 같은 금속을 100nm 두께 이상 증착시킨 다음 선단에 약한 충격을 주거나 집속 이온 빔(Focused Ion Beam) 시료 제작 장치를 사용하여 선단 부분을 가공하여 광섬유 선단으로부터 금속을 제거하면 서브마이크로미터 크기의 틈을 갖는 구조를 형성하게 된다.

이와 같이 제작된 광섬유에 빛을 입사시키면 광섬유 선단에서 금속의 피복이 제거된 서브마이크로미터 크기의 틈을 통해서만 빛이 새어 나오게 되며, 서브마이크로미터 크기의 틈을 가진 광섬유 선단을 고진공 박막 증착 장치에 넣어 광섬유 선단에 원하는 재료의 박막을 형성시킨다.

따라서, 본 발명은 광원 및 센서 등의 기능을 갖는 여러 기능성 재료를 서브마이크로미터 크기의 틈을 가진 광섬유 선단에 증착 시킴으로서 서브마이크로미터 크기의 각종 광원 및 센서의 제작을 가능하게 한 것이다. 또한 에피탁시 성장으로 막을 증착 시킬 수 있어 부착한 막의 결정성이 향상되어 기능 및 신뢰성이 증가하게 되고, 내마모성이 우수하여 수명이 대폭 향상된다.

Description

박막 증착법을 이용한 기능성 광섬유 프로브 제작방법{A manufacturing process of a functional optical fiber probe using a thin film deposition}

본 발명은 박막 증착법을 이용한 기능성 광섬유 프로브의 제작 방법에 관한 것으로, 특히 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈(aperture)을 갖도록 제작된 광섬유의 그 선단에 박막 증착법으로 기능성 재료를 증착시킴으로서 서브마이크로미터의 기능을 가진 프로브의 제작에 관한 것이다.

근래, 서브마이크로미터 또는 나노미터 크기의 광원 또는 각종 센서의 개발이 미래 산업의 중요한 기술로 각광을 받고 있다. 그 한 예로 광섬유의 한쪽 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈을 갖는 구조를 제작한 다음 그 틈에 기능성 재료를 부착시킴으로서 광섬유를 이용한 서브마이크로미터 또는 나노미터 크기의 광원 또는 센서의 기능을 가진 기능성 프로브의 제작이 이루어져오고 있다. 이와 같은 기능성 재료를 부착하는 종래의 방법으로는 광섬유의 서브마이크로미터 크기의 틈이 있는 선단을 고분자 용액에 담근 채 광섬유를 통하여 빛을 넣음으로서 선단에 도착한 빛은 서브마이크로미터의 틈을 통해서만 밖으로 새어나온다. 이 빛의 크기가 곧 틈의 크기와 같은 서브마이크로미터 크기가 되며, 이 빛에 의한 광유기 중합 작용(polymerization)에 의해 서브마이크로미터 틈에 고분자 물질이 부착되게 된다. 또 다른 방법으로는 부착시키고자 하는 물질을 용매를 이용하여 용해시킨 후 용액으로 만들고 마이크로피펫 속에 채운다. 그런 다음 광섬유의 서브마이크로미터 크기의 틈이 있는 선단을 마이크로피펫에 담그면 용액 속에 용해되어 있던 부착시키고자 하는 물질의 분자 또는 원자가 서브마이크로미터 크기로 노출된 광섬유의 표면에 분자간력으로 흡착이 일어나 부착된다. 그러나 이러한 종래의 방법들 중 전자의 방법은 광유기 중합 반응이 일어나는 고분자 물질에 한해서만이 가능하며, 후자의 방법은 단순한 분자의 흡착이므로 결정질이 우수한 막을 만들 수 없으며, 용질에 용해가 되지 않아 용액을 만들 수 없는 물질은 사용할 수 없는 방법이다. 또한, 특수한 환경에서 용해가 될 수 있다는 단점도 있다. 그리고 위의 두 방법은 고분자물질이고 약한 분자간 결합력에 의한 흡착이라는 면에서 내마모성이 굉장히 약해 사용하는 환경에 큰 제약을 받을 수 있다는 단점도 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로, 이의 발명 요지는 서브마이크로미터 크기의 틈을 가진 광섬유 선단에 용액을 형성할 수 없는 여러 기능성 재료를 간단히 증착 시킴으로서 서브마이크로미터 크기의 보다 다양한 기능성 광섬유 프로브의 제작 방법을 제공하는데 있다.

그리고, 발명의 다른 목적은 서브마이크로미터 크기로 노출된 광섬유 표면에 에피탁시 성장으로 기능성 재료를 증착 시킴으로서 결합력을 향상 시킬 수 있어 내마모성이 우수한 서브마이크로미터 크기의 기능성 광섬유 프로브의 제작 방법을 제공하는데 있으며, 본 발명의 또 다른 목적은 에피탁시 박막 형성으로 결정성이 좋은 기능성 재료를 부착시킴으로서 우수한 기능을 갖는 서브마이크로미터 크기의 기능성 광섬유 프로브의 제작 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈을 가진 광섬유 프로브의 구조를 나타내는 단면 표시도

도 2는 선단에 기능성 재료가 증착된 기능성 광섬유 프로브의 구조를 나타내는 단면 표시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 광섬유 1a. 틈 1b. 증착된 기능성 재료 박막2. 금속 필름

본 발명의 기본적인 목적은 다양한 기능성 재료를 서브마이크로미터 크기의 틈(1a)을 가진 광섬유(1) 선단에 박막 증착법으로 증착 시킴으로서 서브마이크로미터 크기의 각종 광원 및 센서 등의 역할을 하는 기능성 광섬유 프로브를 제작하는 것이다.

즉, 본 발명은 스퍼터링과 같은 박막 증착법을 사용하여 부착시키고자하는 재료를 성장시킴으로서 결정성이 우수하며, 내마모성도 우수한 기능성 광섬유 프로브를 제작한다. 또한 용액으로 형성하기 힘든 재료나 광유기 중합 반응이 일어나지 않는 고분자물질의 광섬유 선단에의 증착에도 유용하다.

그리고, 광섬유(1) 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈(1a)을 가진 구조를 만들기 위하여 NH₄F, HF, H₂O 등으로 구성된 부식 용액에서 광섬유 선단을 용해시킨다. 그러면 광섬유의 산화게르마늄(GeO₂)으로 도핑된 실리카 코어(core)부분과 순수한 실리카의 클래딩(cladding) 부분의 용해 속도의 차로 인하여 광섬유 선단이 날카로운 원추형 형태의 모양이 된다. 예를 들면 40%(무게%) NH₄F : 50%HF : H₂O의 비가 1.7 : 1 : 1인 용액 속에 광섬유 선단을 10분 이상 담근 후 다시 40%(무게%) NH₄F : 50%HF : H₂O의 비가 3이상 : 1 : 1인 용액 속에 60분 이상 담그면 선단의 원추각도(cone angle)가 20°이하인 날카로운 원추형 모양이 된다. 이러한 광섬유 선단을 진공 증착 장비에 넣고 금이나 알루미늄과 같은 금속을 100nm 두께 이상 증착시킨다. 그런 다음 금속 필름(2)을 진공 증착시킨 광섬유 선단에 약한 충격을 주거나 집속 이온 빔 시료 제작 장치를 사용하여 선단 부분을 가공하여 광섬유 선단으로부터 금속 필름(2)을 제거하면 서브마이크로미터 크기의 틈(1a)을 갖는 구조를 형성하게 된다.

그 틈(1a)의 크기는 수 나노미터까지 가능하다. 도 1은 이러한 방법으로 제작된 선단에 서브마이크로미터 크기의 틈(1a)을 가진 광섬유 프로브의 구조를 나타내고 있다. 그렇게 제작된 광섬유에 빛을 입사시키면 광섬유 선단에서 금속 필름(2)으로 피복된 부분에서는 빛이 금속에 의한 반사로 인하여 밖으로 새어나오진 못하고 오직 금속 필름(2)의 피복이 제거된 서브마이크로미터 크기의 틈(1a)을 통해서만 빛이 새어나오게 된다. 다음, 서브마이크로미터 크기의 틈을 가진 광섬유 선단을 스퍼터링 증착 장치(Sputtering), 레이저 증착 장치(Pulsed Laser Deposition: PLD), 화학기상 증착 장치(Chemical Vapor Deposition: CVD), 분자선 에피탁시 성장장치(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 등과 같은 고진공 박막 증착 장치에 넣고 광섬유선단에 원하는 재료의 박막을 형성시킨다. 도 2는 박막 증착 장치에 의해 선단에 기능성 재료(1b)가 증착된 기능성 광섬유 프로브의 구조를 나타낸다.

상기와 같이 본 발명은 용액을 만들기 어려운 여러 기능성 재료를 서브마이크로미터 크기의 틈(1a)을 가진 광섬유(1) 선단에 증착 시킴으로서 서브마이크로미터 크기의 각종 광원 및 센서의 제작을 가능하게 하고, 또한 에피탁시 성장으로 부착한 막의 결정성이 향상되어 기능 및 신뢰성이 증가하고, 내마모성이 우수해져 수명이 대폭 향상된다.

그리고, 본 발명의 적용으로 제작된 광섬유 프로브의 경우 발광 재료가 선단에 증착되었을 경우 광섬유를 통하여 발광재료의 여기광에 해당하는 빛을 입사하면 광섬유 선단에서 빛이 새어나오는 곳은 단지 서브마이크로미터 크기의 틈(1a) 밖에 없으므로 그 틈 부분의 발광 재료 부분만이 여기가 일어나고 따라서 발광이 일어난다. 즉, 서브마이크로미터 발광원이 된다. 센서인 경우에도, 예를 들면 화학 센서인 경우 화학 물질의 농도의 변화로 인하여 굴절률 등이 바뀌는 재료를 증착시키면 광섬유를 통하여 입사된 빛과 증착된 재료와의 상호 작용으로 인하여 반사되어 돌아오는 광의 위상차가 바뀌어 농도의 변화를 알 수 있게 된다. 재료가 입사광과 상호 작용할 수 있는 영역이 광섬유 선단의 서브마이크로미터 틈 밖에 안되기 때문에 서브마이크로미터 영역에서의 미세한 농도 변화도 측정할 수가 있는 것이다.

따라서, 본 발명은 레이저 광원을 이용한 서브마이크로미터 크기의 생체 조직의 처치 등과 같은 의료계에, 서브마이크로미터(또는 나노미터) 크기의 메모리 셀의 제작을 통한 대용량 광 메모리 분야에, 서브마이크로미터 화학 센서의 제작과 같은 화학·환경 분야 등에서의 요구에 널리 대응할 수 있어 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 불산(HF)을 첨가한 부식 용액에 의한 광섬유(1)의 코어 부분과 클래딩 부분의 용해 속도의 차이를 이용하여 형성된 원추 형상의 광섬유 선단에 금속 필름(2)을 진공 증착시킨 다음, 상기 광섬유 선단에 약한 충격을 주거나, 집속 이온 빔 시료 제작 장치로 금속 필름(2)을 제거하여 서브마이크로미터의 틈(1a)을 형성한 광섬유(1) 선단에 박막 증착법으로 기능성 재료(1b)를 증착시킴으로서 서브마이크로미터(또는 나노미터) 크기를 갖는 기능성 광섬유 프로브의 제작을 특징으로 하는 박막 증착법을 이용한 기능성 광섬유 프로브 제작방법.
2. 청구항 1에 있어서 광섬유(1)의 선단에 강한 광선을 넣음으로서 광섬유 선단을 가열하여 박막을 성장시키는 것을 특징으로 한 박막 증착법을 이용한 기능성 광섬유 프로브 제작방법.
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