KR100409223B1 - 불소치환 폴리이미드를 이용한 광도파로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광도파로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코아 및 상기 코아와 인접한 클래드가 폴리머로 이루어진 광도파로에 있어서, 상기 코아 및 클래드 형성용 폴리머가 각각 하기 화학식 1의 구조를 갖는 불소치환 폴리이미드이고, 코아 형성용 폴리머의 굴절율이 클래드 형성용 폴리머의 굴절율보다 큰 것을 특징으로 하는 광도파로에 관한 것이며, 본 발명에 따르면 코아와 클래드간의 굴절율 차이를 크게 증가시킬 수 있어, 광통신용 수동 소자의 소형화 한계를 극복할 수 있다.
[화학식 1]
(상기 식에서, m 및 n은 각각 0≤m/m+n≤1 및 0≤n/m+n≤1을 만족시키는 정수임)

Description

불소치환 폴리이미드를 이용한 광도파로{OPTICAL WAVEGUIDE PREPARED BY USING POLYIMIDE CONTAINING FLUORIDE}
본 발명은 광도파로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굴절율 변화가 용이한 특정 구조의 불소치환 폴리이미드를 코아와 클래드에 적용함으로써 코아와 클래드 간의 굴절율 차를 광범위하게 조절할 수 있게 된 광도파로에 관한 것이다.
현재 광도파로 소자는 반도체 제작기술이나 또는 MEMS(Micro Electro- Mechanical System) 기술을 활용하여 제작되는 것이 통상적이며, 평면 기판상에 광도파로 소자를 제작하는 경우에는 평면 도파로 기술(Planar Waveguide Technology)을 이용한다. 또한, 이와 같이 제작된 광도파로 소자의 기능을 더욱 집적화하려는 연구가 계속적으로 진행되고 있다.
일반적인 평면 도파로 기술에 따른 광도파로 소자 제작 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선 평면 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. 이와 같이 얻어진포토레지스트 패턴을 이용하여 코아층을 식각하여 패터닝한 후에, 패터닝된 코아층 상부에 상부 클래드층을 형성함으로써 광도파로가 완성된다. 이때, 클래드층과 코아층은 통상적으로 스핀코팅법에 의하여 형성되는데, 그 재료로는 굴절율이 상이한 실리카나 폴리머를 이용한다.
그런데, 코아와 클래드층 형성 재료로서 실리카를 이용하는 경우에는 코아와 클래드층 간의 굴절율 차이를 최대 0.75%까지 밖에 얻을 수 없으며, 따라서 광도파로의 규모가 제한되어 원하는 크기의 수동 소자를 제작하기가 어렵다는 문제점이 있다.
반면, 코아와 클래드층 형성 재료로서 폴리이미드와 같은 폴리머를 이용하는 경우에는 폴리이미드 내의 불소기 또는 염소기의 함량을 제어함으로써 코아와 클래드 층간의 굴절율의 차이를 광범위하게 조절하는 것이 가능해져 보다 자유롭게 원하는 크기의 광도파로를 제작할 수 있고, 그 결과 광손실을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되어, 최근 광도파로용 폴리이미드의 개발이 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 그러나, 지금까지 개발된 폴리이미드로는 코아와 클래드의 굴절율 차이를 원하는 바대로 조절하는 것이 용이하지 않다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 굴절율 조절이 용이한 불소치환 폴리이미드를 이용하여 광도파로의 코아와 클래드를 형성함으로써 코아와 클래드 간의 굴절율 차이가 증가된 광도파로를 제공함을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 코아 및 상기 코아와 인접한 클래드가 폴리머로 이루어진 광도파로에 있어서, 상기 코아 및 클래드 형성용 폴리머가 각각 하기 화학식 1의 구조를 갖는 불소치환 폴리이미드이고, 코아 형성용 폴리머의 굴절율이 클래드 형성용 폴리머의 굴절율보다 큰 것을 특징으로 하는 광도파로를 제공한다:
[화학식 1]
(상기 식에서, m 및 n은 각각 0≤m/m+n≤1 및 0≤n/m+n≤1을 만족시키는 정수임)
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 사용된 불소치환 폴리이미드는 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.이러한 폴리이미드는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 m-디(3-아미노페닐){3',5'-비스(트리플루오로메틸)페닐}포스핀 옥사이드(mDA6FPPO, 이하 단량체 A라 함), 하기 화학식 3의 구조를 갖는 4,4'-(헥사플루오로프로필리덴)디프탈릭 안하이드라이드(6FDA, 이하 단량체 B라 함), 하기 화학식 4의 구조를 갖는 파이로 멜리틱 디안하이드라이드(PMDA, 이하 단량체 C라 함), 및 하기 화학식 5의 구조를 갖는 말레익 안하이드라이드(MA, 이하 단량체 D라 함)를 축중합함으로써 제조되며, 이때 단량체 B와 C 중 어느 하나를 생략하는 것도 가능하다.
(상기 식에서, m 및 n은 각각 0≤m/m+n≤1 및 0≤n/m+n≤1을 만족시키는 정수임)
상기 화학식 1의 불소치환 폴리이미드는 굴절율 조절이 매우 용이하다는 장점을 갖는데, 상기 폴리이미드의 굴절율을 조절하는 데에는 단량체 B(6FDA)와 단량체 C(PMDA)의 몰비가 중요하며, 단량체 B(6FDA)에 대한 단량체 C(PMDA)의 몰비가높아질수록 최종 폴리이미드의 굴절율 값이 증가한다.
즉, 상기 화학식 1의 불소치환 폴리이미드 분자 내의 6FDA와 PMDA의 비율을 달리함으로써 다양한 굴절율의 폴리이미드를 얻는 것이 가능하고, 이러한 폴리이미드들 중에서 상이한 굴절율 값을 갖는 2종 이상의 폴리이미드를 선택하여 각각 광도파로의 코아와 클래드에 적용함으로써 코아와 클래드의 굴절율 차이를 넓은 범위(0.19 내지 5.51%) 내에서 자유롭게 조절할 수 있게 된다. 그 결과 광도파로의 크기를 원하는 대로 제어하는 것이 가능해지고 그에 따라 도파되는 모드 형태 및 크기를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 광도파로 제작시 바람직하게는 코아와 클래드의 굴절율의 차가 코아 굴절율의 0.19 내지 3.4%의 범위에 들도록 적절한 폴리이미드를 선택하는 것이 좋은데, 그 이유는 코아와 클래드 간의 굴절율 차이가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 광도파로 소자의 모드 제한(Mode Confinement)이 나빠지거나 광도파로 소자와 광섬유간의 모드매칭(Mode Matching)에 문제가 생길 수 있기 때문이다.
하기 실시예에 후술하는 바와 같이, 6FDA:PMDA의 몰비가 7:3인 폴리머와 8:2인 폴리머를 각각 광도파로의 코아 물질과 클래드 물질로 사용하는 경우, 코아와 클래드의 굴절율 차이(TE 모드)가 가장 작아 코아 굴절율의 0.19%에 해당하는 값을 얻을 수 있으며, 6FDA:PMDA의 몰비가 3:7인 폴리머와 8:2인 폴리머를 각각 광도파로의 코아 물질과 클래드 물질로 사용하는 경우, 코아와 클래드의 굴절율 차이(TE 모드)가 코아 굴절율의 3.4%에 해당하는 값을 갖게 된다.
본 발명의 광도파로 중에서, 예를 들어 코아와 클래드의 굴절율의 차이가1.2% 이상인 광도파로의 경우에는 초소형 크기의 광통신용 소자에 적합하고, 코아와 클래드의 굴절율의 차이가 약 0.3%인 경우에는 광섬유와의 결합 손실이 작은 광도파로 소자를 제공할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1-6:
하기 표 1에 기재된 바와 같이 mDA6FPPO:6FDA:PMDA:MA의 몰비가 다양한 불소치환 폴리이미드를 각각 TCE(tetrachloroethane)에 18중량%로 녹인 후, 그 용액을 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 상에 1,000rpm의 속도로 60초간 스핀코팅한 다음 300℃에서 2시간 동안 건조시켜 6~8㎛ 두께의 폴리이미드 박막이 형성되도록 하였다. 상기 박막의 굴절율(Refractive Index) 및 복굴절율(Birefringence)을 메트리콘 모델 2010 프리즘 커플러(Metricon Model 2010 Prism Coupler, Metricon사, 미국)를 이용하여 측정한 후, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 6FDA:PMDA 굴절율 복굴절율
TE 모드 TM 모드
실시예 1 0:10 1.6249 1.6215 0.0034
실시예 2 3:7 1.5945 1.5913 0.0032
실시예 3 5:5 1.5466 1.5434 0.0032
실시예 4 7:3 1.5424 1.5395 0.0029
실시예 5 8:2 1.5394 1.5365 0.0029
실시예 6 10:0 1.5353 1.5326 0.0027
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 광도파로의 형성재료인 폴리이미드의 굴절율을 조절하기가 매우 용이하여 코아와 클래드간의 굴절율 차이를 크게 증가시킬 수 있어, 광통신용 수동 소자의 크기 제한을 해결할 수 있으며, 특히 초소형 크기의 수동 소자를 제조하는 것도 가능하다.

Claims (2)

  1. 코아 및 상기 코아와 인접한 클래드가 폴리머로 이루어진 광도파로에 있어서, 상기 코아 및 클래드 형성용 폴리머가 각각 하기 화학식 1의 구조를 갖는 불소치환 폴리이미드이고, 코아 형성용 폴리머의 굴절율이 클래드 형성용 폴리머의 굴절율보다 큰 것을 특징으로 하는 광도파로:
    [화학식 1]
    (상기 식에서, m 및 n은 각각 0≤m/m+n≤1 및 0≤n/m+n≤1을 만족시키는 정수임)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 코아 형성용 폴리머의 굴절율과 클래드 형성용 폴리머의 굴절율의 차가 코아 형성용 폴리머의 굴절율의 0.19% 내지 3.4%인 것을 특징으로 하는 광도파로.
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