KR100420958B1 - 곡면 구조를 갖는 금형의 제조방법 및 이를 이용한광도파로 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

광접속 효율을 향상시킬 수 있는 광도파로 소자 제조를 위한 금형의 제조방법 및 이를 이용한 광도파로 소자의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 금형 제조 방법은 감광막 상부에서 X선 마스크를 정해진 속도로 이동시키면서 X선을 조사하여 X선 도즈량을 조절한 후 현상하여 현상률 차이로 인해 일단면이 곡면을 갖는 감광막 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 곡면 단면을 갖는 감광막 패턴 상에 금속막을 도금하여 도금 구조물을 형성한 후 상기 도금 구조물 내의 감광막 패턴을 제거하여 곡면홈을 갖는 금형을 완성한다. 더하여, 본 발명은 상기 금형과 핫 엠보싱 장치를 이용하여 단순성형으로 광접속 효율을 향상시키면서도 경제성 및 생산성이 높은 광도파로 소자를 제조한다.

Description

곡면 구조를 갖는 금형의 제조방법 및 이를 이용한 광도파로 소자의 제조방법{Method for manufacturing a mold having curved structure and fabrication method of an optical waveguide device using the same}

본 발명은 광통신용 광접속모듈의 핵심 구성요소인 광도파로 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광도파로 소자 제조를 위한 금형의 제조방법 및 이를 이용한 광도파로 소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광접속 기술은 기존의 전기적인 접속이 갖는 한계를 극복하기 위하여 활용되는 기술이다. 광접속 기술은 고속으로 처리된 전기신호가 구동회로를 거쳐서 표면 발광 레이저를 통하여 광신호로 변환되어 방출된 후, 광도파로 소자에 광접속된다.

현재까지 광접속 기술에 채용하기 위해 개발된 광접속모듈은 광도파로 소자와 표면발광소자와의 결합효율 향상을 위하여 렌즈를 이용하거나, 광도파로 소자의 접속 단면을 연마된 45˚거울면으로 하거나, 광도파로 소자의 접속 단면에 무반사 코팅을 한다.

그런데, 렌즈를 이용할 경우, 소형의 정밀 렌즈를 제작하고 정밀한 정렬을 해야하는 등의 복잡성 증가로 인하여 경제적으로나 생산성 면에서 매우 불리하다. 특히, 광통신 시스템 사용의 증가에 따라서 광접속 모듈의 저가격화가 중요한 문제중의 하나로 대두되므로 렌즈를 이용하는 것은 지양되어야한다.

또한, 광도파로 소자의 접속 단면을 연마된 45˚거울면으로 할 경우에는 광결합효율이 약 70% 수준으로 낮아 광접속모듈의 성능저하가 발생한다. 특히, 광접속효율의 저하는 광원의 성능 향상 등의 고비용을 요구한다.

또한, 광도파로 소자의 접속 단면에 무반사 코팅을 하는 경우에는 광도파로 소자의 단면을 연마하는 단면 연마 공정과 코팅하는 코팅 공정이 부가되므로 생산성 저하와 비용 상승을 초래하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하여 광접속 효율을 향상시킬 수 있는 광도파로 소자 제조를 위한 금형의 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 금형의 제조방법에 의해 제조된 금형을 이용한 광도파로 소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 광원에서 방출된 광이 본 발명에 의해 제조된 곡면 거울을 갖는 광도파로 소자에 높은 광결합 효율로 광결합하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 광도파로 소자의 곡면 거울의 기하학적인 관계를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 금형 제조시 X선 마스크와 감광막간의 상대 운동을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 금형 제조시 각각 시간에 따른 X선 마스크 이동 속도, X선 마스크 변위에 따른 X선 도즈량, X선 마스크 변위에 따른 감광막이 현상되지 않고 남아있는 잔존율간의 관계를 도시한 그래프이다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따라 곡면 거울을 갖는 광도파로 소자 제조를 위한 금형의 제조 공정을 도시한 도면들이다.

도 6a 내지 도 6i는 본 발명에 따른 금형을 이용하여 곡면거울을 갖는 광도파로 소자의 제조 공정을 도시한 도면들이다.

도 7은 본 발명에 따른 금형을 이용한 광도파로 소자의 제조시 이용되는 핫엠보싱 장치를 도시한 도면이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 광도파로 소자 제조를 위한 금형 제조 방법은 기판 상에 감광막을 형성한 후, 감광막이 형성된 기판 상부에 광흡수패턴을 포함하는 X선 마스크를 위치시킨다. 이어서, 상기 X선 마스크를 정해진 속도로 이동시키면서 상기 감광막에 X선을 조사하여 X선 도즈량을 조절한다. 상기 X선 도즈량이 조절된 감광막을 현상하여 현상률 차이로 인해 일단면이 곡면을 갖는 감광막 패턴을 형성한다. 상기 곡면 단면을 갖는 감광막 패턴 상에 금속막을 도금하여 도금 구조물을 형성한 후 상기 도금 구조물 내의 감광막 패턴을 제거하여 곡면홈을 갖는 금형을 완성한다.

상기 X선 마스크의 이동 속도[V(t)]는(여기서, t는 시간이며, B는 곡면의 중심점에서 감광막 패턴의 바닥까지의 수직 거리를 나타내며, r은 곡면의 반지름)으로 조절하는 것이 바람직하다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 광도파로 소자의 제조방법은 기판 상에 하부 클래드층을 형성한 후 상기 하부 클래층 상에 코아층을 형성한다. 이어서, 곡면을 갖는 금형을 이용하여 상기 코아층의 일단면이 곡면 거울을 갖게끔 성형한 후 상기 코아층 상에 상부 클래드층을 형성한다.

상기 하부 클래드층과 상기 코아층은 서로 유리 전이 온도가 다른 폴리머 레진으로 형성할 수 있다. 상기 곡면 거울을 갖는 코아층의 성형은 핫 엠보싱 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 상기 곡면 거울을 갖는 코아층의 성형은 130∼200℃의 온도에서 수행할 수 있다.

상기 코아층의 곡면 거울의 기하학적인 관계는(여기서, X는 광도파로 소자의 길이 방향의 축을 나타내며, Y는 광도파로 소자의 종방향 축을 나타내며, X축 및 Y축의 원점은 가상 곡면과 하부 클래드층의 바닥이 만나는 점이며, 상기 A 및 B는 각각 곡면의 중심점에서 Y축 및 X축까지의 수직 거리를 나타내며, r은 곡면의 반지름)인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 곡면 구조를 갖는 금형과 핫 엠보싱(hot embossing) 장치를 이용하여 단순성형으로 광도파로인 코아층의 일단면을 곡면으로 형성한다. 이에 따라, 본 발명은 광원과 광도파로 사이의 접속 효율을 향상시키면서도 경제성 및 생산성이 높은 광도파로 소자를 제조한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위(상)"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.

도 1은 광원에서 방출된 광이 본 발명에 의해 제조된 곡면 거울을 갖는 광도파로 소자에 높은 광결합 효율로 광결합하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

구체적으로, 광원(11), 예컨대 표면 발광 레이저에서 방출된 광(광신호, 화살표로 표시)이 광도파로 소자(13)에 광접속된다. 상기 방출된 광은 집적도의 향상 및 신호처리 등을 위하여 직각으로 방향을 바꾸어서 광도파로 소자(13)의 광도파로(15)에 입사된다. 광도파로 소자는 실리카 광도파로 소자나 고분자 광도파로 소자가 이용되나, 성형성 등의 이유로 고분자 광도파로 소자가 선호된다. 본 실시예에서는 고분자 광도파로 소자를 이용한다.

광원(11)에서 방출된 광이 광도파로 소자로 유도될 때 광결합효율이 높아야 한다. 그런데, 광원에서 방출된 광이 광도파로로 유도되는 과정에서 방향의 변화에 따라서 광에너지는 주로 누설에 의하여 감쇠된다. 이러한 감쇠는 광도파로소자(13)의 광도파로 단면(17)을 도 1과 같이 곡면 거울(curved mirror) 형상으로 하면 거의 발생하지 않는 것이 해석적으로 규명되어 있다. 즉, 광도파로 소자(13)의 광도파로 단면(17)의 광결합부를 곡면 거울로 할 경우 광결합 효율은 평면 거울보다 약 30% 정도 높일 수 있다.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 광도파로 소자의 곡면 거울의 기하학적인 관계를 도시한 도면이다.

구체적으로, 본 발명에 의해 제조된 광도파로 소자의 광도파로 단면의 곡면 거울의 기하 구조는 방출되는 광의 크기나 광도파로의 크기 등에 의존한다. 광도파로는 하부 클래드층 및 상부 클래드층에 의하여 에워싸여진 코아층(core)이며, 유도된 광은 전반사에 의하여 도파된다. 광도파로 단면에 형성된 곡면 거울의 기하학적인 관계는 다음의 [수학식 1]로 유도될 수 있다.

여기서, X는 광도파로 소자의 길이 방향의 축을 나타내며, Y는 광도파로 소자의 종방향 축을 나타내며, 상기 X축 및 Y축의 원점은 가상 곡면과 하부 클래드층의 바닥면이 만나는 점이며, 상기 A 및 B는 각각 곡면의 중심점에서 상기 Y축 및 X축까지의 수직 거리를 나타내며, r은 곡면의 반지름을 나타낸다. 도 2에서, H는 하부 클래드층에서 상부 클래드층까지의 수직 거리를 나타내며, d는 광도파로의 곡면의 X축 방향의 길이를 나타낸다.

이하에서는 도 1 및 도 2에 도시한 광도파로 소자의 광도파로 단면을 곡면거울로 만들기 위한 금형의 제작과정을 도 3 내지 도 5를 이용하여 설명한다. 즉, 도 2에 도시한 [수학식 1]이 적용된 금형을 어떻게 만드는가를 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 금형 제조시 이용되는 X선 마스크와 감광막간의 상대 운동을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

구체적으로, 감광막(23)이 형성된 기판(21)을 준비한다. 상기 감광막(23) 상부에 X선 마스크(25)를 위치시킨다. 이어서, 상기 X선 마스크(25)를 X축 방향(두꺼운 화살표로 표시)으로 정해진 속도로 이동시키면서 X선을 노광하여 X선 도즈량을 조절한다. 계속하여, X선 도즈량이 조절된 감광막(23)을 현상한다. 이렇게 되면, 상기 감광막(23)의 일단면에 도 2에 설명한 바와 같은 곡면이 형성된다. 다만, 도 2에서는 광도파로의 단면에 상기 [수학식 1]이 적용된 곡면이 형성되어 있으나, 도 3에서는 감광막의 일단면에 [수학식 1]의 곡면이 형성된다. 상기 X선 마스크의 이동속도는 후에 자세히 설명한다.

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 X선 마스크를 이용할 때 시간에 따른 X선 마스크 이동 속도, X선 마스크 변위에 따른 X선 도즈량, X선 마스크 변위에 따른 감광막 현상후 남아있는 잔존율간의 관계를 도시한 그래프이다.

구체적으로, X선 도즈량과 감광막의 현상률은 X선 변위(displacement)의 함수로 표시된다. 그런데, 도 4a는 시간에 따른 X선 마스크 이동 속도를 나타내는데, 시간에 따라 X선 마스크의 이동 속도가 줄어든다. 도 4b는 X선 마스크 변위에 따른 X선 도즈량을 나타내는데, X선 마스크의 변위가 증가함에 따라 X선 도즈량이 증가한다. 도 4c는 X선 마스크 변위에 따른 현상후 남아 있는 감광막의 잔존율을 나타내는데, X선 마스크의 변위가 증가함에 따라 남아있는 감광막의 비율이 작아짐을 나타낸다. 결과적으로, 감광막에 도 2와 같은 곡면을 얻기 위해서 감광막에 대한 X선 마스크(mask)의 속도는 다음의 [수학식 2]로 표현할 수 있다.

여기서, V(t)는 X선 마스크의 속도이며, t는 시간이며, B는 형성될 곡면의 중심점에서 감광막 패턴의 바닥까지의 수직 거리를 나타내며, r은 형성될 곡면의 반지름을 나타낸다. 상기 [수학식 2]의 속도로 X선 마스크를 이동시키면 원하는 곡면을 가지는 감광막 패턴을 얻을 수 있다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따라 곡면 거울을 갖는 광도파로 소자 제조를 위한 금형의 제조 공정을 도시한 도면들이다.

구체적으로, 기판(101) 상에 감광막(103)을 도포하여 형성한다(도 5a). 상기 감광막(103)은 포지티브형 감광막을 이용한다. 이어서, 감광막(103)이 형성된 기판(101) 상부에 광흡수 패턴(105)과 멤브레인(membrane, 107)을 포함하는 X선 마스크(109)를 위치시킨다(도 5b).

다음에, 감광막(103)에 곡면 단면을 형성하기 위해서 X선 마스크(109)를 화살표 방향으로 상기 [수학식 2]에 주어진 속도로 변위(dx) 만큼 이동시키면서 X선을 조사하여 X선 도즈량을 조절한다. 상기 감광막(103)에 X선이 조사되면 X선이 조사된 감광막(103)은 현상후에 제거되는 부분이고, X선이 광흡수 패턴(105)에 의해흡수되어 X선이 조사되지 않은 감광막(103)은 현상후에 제거되지 않고 남는 부분이다. 이렇게 X선 마스크를 이동하면서 X선을 조사하면 후공정에서 점선으로 표시한 바와 같이 현상후에는 감광막의 단면이 곡면을 형성하게 된다(도 5c).

다음에, X선 도즈량이 조절된 감광막(103)을 현상하면 현상률 차이로 인해 일단면이 곡면을 갖는 감광막 패턴(103a)이 형성된다(도 5d). 계속하여, 상기 곡면 단면을 갖는 감광막 패턴(103a) 상에 금속막을 도금하여 도금 구조물(111)을 형성한다. 이어서, 상기 도금 구조물(111) 내의 감광막 패턴(103a)을 제거하여 곡면홈을 갖는 금형을 완성한다(도 5e).

도 6a 내지 도 6i는 본 발명에 따른 금형을 이용하여 곡면 거울을 갖는 광도파로 소자의 제조 공정을 도시한 도면들이고, 도 7은 도 6c 내지 도 6f의 제조 공정에 이용되는 핫 엠보싱(hot embossing) 장치를 도시한 도면이다.

구체적으로, 기판(201) 상에 폴리머 레진으로 하부 클래드층(203)을 형성한다(도 6a). 이어서, 상기 하부 클래드층(203) 상에 폴리머 레진으로 코아층(205)을 형성한다(도 6b). 상기 하부 클래드층(203)과 상기 코아층(205)은 서로 유리 전이 온도가 다른 폴리머 레진으로 형성한다.

다음에, 앞서 제조한 곡면을 갖는 금형(207)을 이용하여 상기 코아층의 일단면이 곡면 거울을 갖게끔 성형한다(도 6c 내지 도 6f). 즉, 하부 클래드층(203), 코아층(205)이 적층된 기판(201)을 도 7과 같은 핫 엠보싱 장치에 장착한다(도 6c). 이어서, 적절한 압력과 온도 조건을 설정하여 금형(207)을 상기 코아층에 압착하여 성형한 후 다시 이격시킨다(도 6d 및 도 6e). 결과적으로, 일단면이 곡면구조(곡면 거울)로 형성된 코아층(205a)이 형성된다(도 6f). 상기 곡면 거울을 갖는 코아층의 성형은 130∼200℃의 온도에서 수행한다.

다음에, 광도파로이고 일단면이 곡면인 코아층(205a)이외의 하부 클래드층(203)을 절단한다(도 6g). 이어서, 상기 일단면이 곡면 구조인 코아층(205a) 상에 상부 클래드층(209)을 코팅하여 광도파로 소자를 완성한다(도 6i).

상술한 바와 같이 본 발명은 높은 광결합효율을 가지는 광도파로 소자를 만들기 위해 곡면 구조를 갖는 금형을 제조한다. 더하여, 상기 곡면 구조를 갖는 금형과 핫 엠보싱(hot embossing) 장치를 이용하여 단순성형으로 광도파로인 코아층의 일단면을 곡면으로 형성한다. 결과적으로, 본 발명은 광접속모듈에서 광원과 광도파로 사이의 접속 효율을 향상시키면서도 종래와 같이 광도파로 단면의 연마 공정을 하지 않아도 되므로 경제성 및 생산성이 높은 광도파로 소자를 제조할 수 있다.

Claims (7)

1. 기판 상에 감광막을 형성하는 단계;

   감광막이 형성된 기판 상부에 광흡수패턴을 포함하는 X선 마스크를 위치시키는 단계;

   상기 X선 마스크를 정해진 속도로 이동시키면서 상기 감광막에 X선을 조사하여 X선 도즈량을 조절하는 단계;

   상기 X선 도즈량이 조절된 감광막을 현상하여 현상률 차이로 인해 일단면이 곡면을 갖는 감광막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 곡면 단면을 갖는 감광막 패턴 상에 금속막을 도금하여 도금 구조물을 형성하는 단계; 및

   상기 도금 구조물 내의 감광막 패턴을 제거하여 곡면홈을 갖는 금형을 완성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자 제조용 금형 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 X선 마스크의 이동 속도[V(t)]는(여기서, t는 시간이며, B는 곡면의 중심점에서 감광막 패턴의 바닥까지의 수직 거리를 나타내며, r은 곡면의 반지름)으로 조절하는 것을 특징으로 하는 금형 제조 방법.
3. 기판 상에 하부 클래드층을 형성하는 단계;

   상기 하부 클래층 상에 코아층을 형성하는 단계;

   곡면을 갖는 금형을 이용하여 상기 코아층의 일단면이 곡면 거울을 갖게끔 성형하는 단계; 및

   상기 코아층 상에 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 하부 클래드층과 상기 코아층은 서로 유리 전이 온도가 다른 폴리머 레진으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 곡면 거울을 갖는 코아층의 성형은 핫 엠보싱 장치를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 곡면 거울을 갖는 코아층의 성형은 130∼200℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 코아층의 곡면 거울의 기하학적인 관계는(여기서, X는 광도파로 소자의 길이 방향의 축을 나타내며, Y는 광도파로 소자의 종방향 축을 나타내며, X축 및 Y축의 원점은 가상 곡면과 하부 클래드층의 바닥이 만나는 점이며, 상기 A 및 B는 각각 곡면의 중심점에서 Y축 및 X축까지의 수직 거리를 나타내며, r은 곡면의 반지름)인 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.