KR20050053223A - Inorganic-organic hybrid silica sol-gel solution, optical waveguide and method for manufacturing a optical waveguide using the same - Google Patents

Inorganic-organic hybrid silica sol-gel solution, optical waveguide and method for manufacturing a optical waveguide using the same Download PDF

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Abstract

무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액 및 그를 이용한 평면 광도파로와 평면 광도파로의 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 용액은, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에틸오쏘실리케이트, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란 및 다이페닐다이에틸헥실록시다이에톡시실란로부터 선택되어진 적어도 어느 하나로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매가 포함되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트 및/또는 테트라에틸오쏘실리케이트로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매와; 하이드록시사이클로헥실페닐케톤로 이루어진 광개시제와; 이소프로필알코올로 이루어진 용매와; 메타크릴릭에시드로 이루어진 자외선 반응 모노머가 포함되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 평면 광도파로 제조 공정이 단순화되어 제조 비용을 줄일 수 있고, 굴절률 제어와 패턴 형성이 용이한 우수한 물성의 평면 광도파로를 제조할 수 있다.An organic-free hybrid silica-based sol-gel solution and a planar optical waveguide and a method of manufacturing the planar optical waveguide are disclosed. The solution of the present invention is at least any one selected from methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane and diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane. A precursor consisting of one; Characterized in that a catalyst consisting of hydrochloric acid is included. And a precursor consisting of 3-trimethoxysilylpropyl methacrylate and / or tetraethyl orthosilicate; A catalyst consisting of hydrochloric acid; A photoinitiator consisting of hydroxycyclohexylphenyl ketone; A solvent consisting of isopropyl alcohol; Ultraviolet reaction monomer consisting of methacrylic acid is characterized in that it is included. According to the present invention, the planar optical waveguide manufacturing process can be simplified to reduce the manufacturing cost, and the planar optical waveguide having excellent physical properties that can easily control the refractive index and form a pattern can be manufactured.

Description

무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액 및 그를 이용한 평면 광도파로와 평면 광도파로의 제조방법{Inorganic-organic hybrid silica sol-gel solution, optical waveguide and method for manufacturing a optical waveguide using the same} Organic-organic hybrid silica sol-gel solution, optical waveguide and method for manufacturing a optical waveguide using the same

본 발명은 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액 및 그를 이용한 평면 광도파로와 평면 광도파로의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 평면 광도파로 제조공정에 스핀 코팅법, 광학전사법 및 습식 식각을 이용할 수 있는 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액 및 그를 이용한 평면 광도파로와 평면 광도파로의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution and a method of manufacturing a planar optical waveguide and a planar optical waveguide using the same, and in particular, the spin coating method, the optical transfer method, and the wet etching method may be used in the planar optical waveguide manufacturing process. An organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution, and a planar optical waveguide and a method for manufacturing the planar optical waveguide using the same.

광도파로는 클래드층과 코어층으로 구성되어 있으며 그 두 층간의 굴절률차를 이용하여 입력된 광신호를 코어층내로 제한함으로서 광신호의 진행 방향을 제어하는 기능을 갖는다. 광도파로 제작시에 공정 비용의 절감을 위하여 폴리머를 재료로 사용하기 위한 연구가 있어 왔지만, 이는 탄소-수소 결합에 의한 적외 진동 흡수 손실 때문에 광통신에서 주로 이용되어지는 근적외선 영역에서 높은 전송 손실이 생기는 문제점이 있다. 이에 반하여, 근적외선 영역에서 우수한 전송 손실을 가지는 실리카계 재료를 기반으로 하는 광도파로는 이미 상용화된 상태이다. The optical waveguide is composed of a cladding layer and a core layer. The optical waveguide has a function of controlling the traveling direction of the optical signal by limiting the input optical signal into the core layer by using the refractive index difference between the two layers. Although research has been conducted to use polymer as a material to reduce the process cost when manufacturing an optical waveguide, this causes a problem of high transmission loss in the near-infrared region mainly used in optical communication due to infrared vibration absorption loss due to carbon-hydrogen coupling. There is this. In contrast, optical waveguides based on silica-based materials having excellent transmission loss in the near infrared region have already been commercialized.

일반적으로 사용되는 광도파로는 광섬유와 평면 광도파로로 구분되어진다. 평면 광도파로는 반도체 공정에서 사용되어지는 미세 패턴 형성 기술을 이용하여 평면 기판 위에 광섬유 구조를 구현한 소자를 일컫는 것으로서, 광도파로의 구조에 따라 변조, 복조, 스위칭 등의 다양한 기능을 부여할 수 있다. 또한 미세 패턴 형성 기술을 기반으로 하기 때문에 소자의 집적도를 향상시킬 수 있으며 대량 생산을 통한 공정 비용 절감을 꾀할 수 있다. 이러한 평면 광도파로 제작에 있어서 응용되어지는 미세 패턴 형성 기술은 건식 식각 공정을 기반으로 하고 있다.Generally used optical waveguides are classified into optical fibers and planar optical waveguides. Planar optical waveguide refers to a device that implements an optical fiber structure on a planar substrate by using a fine pattern forming technology used in a semiconductor process, and can provide various functions such as modulation, demodulation, and switching according to the structure of the optical waveguide. . In addition, because of the fine patterning technology, the integration of the device can be improved and the process cost can be reduced through mass production. The fine pattern formation technique applied in the manufacture of such planar optical waveguides is based on a dry etching process.

도 1은 종래의 건식 식각 공정을 통한 평면 광도파로 제조방법을 설명하기 위한 개략도들이다. 1 is a schematic diagram illustrating a conventional method for manufacturing a planar optical waveguide through a dry etching process.

도 1을 참조하면 먼저, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 화염가수분해증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD) 방법을 이용하여, 도 1의 (a)와 같이 기판(10)의 일면에 하부 클래드층(20)을 형성하고 도 1의 (b)와 같이 하부 클래드층(20) 상에 코어층(30)을 형성한다.Referring to FIG. 1, first, a chemical vapor deposition (CVD) or flame hydrolysis deposition (FHD) method is used to form a lower portion on one surface of a substrate 10 as shown in FIG. The clad layer 20 is formed and the core layer 30 is formed on the lower clad layer 20 as shown in FIG.

다음에, 도 1의 (c)와 같이 코어층(30)에 패턴을 형성하기 위한 마스크층(40)을 코어층(30) 상에 형성하고, 마스크층(40) 상에 스핀 코팅법으로 포토레지스트를 도포한 후 도 1의 (d)와 같이 광학전사법과 습식 식각 공정을 이용하여 포토레지스트층(50)에 패턴을 형성한다. Next, as shown in FIG. 1C, a mask layer 40 for forming a pattern on the core layer 30 is formed on the core layer 30, and the photo is spin-coated on the mask layer 40. After applying the resist, a pattern is formed on the photoresist layer 50 by using an optical transfer method and a wet etching process as shown in FIG.

그 다음에, 도 1의 (e)와 같이 건식 식각 공정으로 마스크층(40)의 패턴을 형성하고, 도 1의 (f)와 같이 포토레지스트층을 제거한다. Subsequently, the pattern of the mask layer 40 is formed by a dry etching process as shown in FIG. 1E, and the photoresist layer is removed as shown in FIG. 1F.

이이서, 도 1의 (g)와 같이 건식 식각 공정으로 코어층(20)에 패턴을 형성하고, 도 1의 (h)와 같이 마스크층을 제거한다. Next, a pattern is formed on the core layer 20 by a dry etching process as shown in FIG. 1G, and the mask layer is removed as shown in FIG. 1H.

계속해서, 도 1의 (i)와 같이 화학기상증착방법 또는 화염가수분해증착방법을 이용하여 결과물 상에 상부 클래드층(60)을 도포한다. Subsequently, the upper clad layer 60 is coated on the resultant using chemical vapor deposition or flame hydrolysis deposition as shown in FIG. 1 (i).

상술한 바와 같이, 건식 식각 공정을 이용하여 광도파로를 형성하는 경우에는 고가의 플라즈마 식각 장비가 필수적이고 공정 단계가 복잡하여 고가의 공정비용(시간, 인력, 비용)이 소요된다. 또한, 클래드층 및 코어층 도포를 위해 사용되는 화학기상증착 또는 화염가수분해증착 방법은 평면 광도파로 제작을 위해 요구되어 지는 5∼15㎛두께의 박막을 적층하는 데에는 다른 증착 공정들에 비해 장점을 지니고 있지만 1000??이상의 온도에서 어닐링(annealing) 또는 컨솔리데이션(consolidation) 등의 후공정이 수반되므로 공정 비용 상승의 요소로서 작용한다. As described above, in the case of forming the optical waveguide using the dry etching process, expensive plasma etching equipment is essential and complicated process steps require expensive process costs (time, manpower, cost). In addition, the chemical vapor deposition or hydrolysis deposition method used for coating the cladding layer and the core layer has advantages over other deposition processes in stacking thin films having a thickness of 5 to 15 μm, which are required for the production of planar optical waveguides. Although it has a post-process such as annealing or consolidation at a temperature above 1000 ??

따라서, 평면 광도파로를 제조하기 위한 대안으로서 비교적 저렴한 솔-젤(sol-gel) 공정을 기반으로 하는 제조방법이 제안되고 있다. 솔-젤 공정은 용액상에서 균일하게 혼합되어 있는 금속 알콕사이드 전구체들의 가수 분해와 축합 반응을 통해 산화물로 형성되는 공정으로서 용액상으로부터 실리카막이 형성될 수 있기 때문에 스핀 코팅 또는 딥코팅과 같은 간단한 공정을 통해 박막을 적층할 수 있다. 또한, 적층막의 물성 제어를 위한 조성 제어시 전구체가 균일하게 혼합되어 있는 상태에서 적층되기 때문에 우수한 물성 제어 능력을 지닌다는 장점이 있다. Accordingly, a manufacturing method based on a relatively inexpensive sol-gel process has been proposed as an alternative for manufacturing planar optical waveguides. The sol-gel process is a process of forming an oxide through the hydrolysis and condensation reaction of metal alkoxide precursors that are uniformly mixed in the solution phase. Since a silica film may be formed from the solution phase, a simple process such as spin coating or dip coating is performed. Thin films can be laminated. In addition, since the precursor is laminated in a state in which the composition is controlled for controlling the physical properties of the laminated film, there is an advantage of having excellent physical property control ability.

반면에, 5∼15㎛ 두께의 후막 형성시 모세관 응력에 의한 막의 균열이 발생하는 문제점과 적층막내에 잔존하는 유기물의 제거와 막의 치밀화를 위해 역시 고온 공정이 필요하다는 한계점이 있다. On the other hand, there is a problem in that a crack of the film due to capillary stress occurs when forming a thick film having a thickness of 5 to 15 μm, and a high temperature process is also required for removing the organic matter remaining in the laminated film and densifying the film.

이러한 솔-젤 공정의 문제점을 극복하기 위하여 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 공정이 제안되었다. 종래의 솔-젤 공정의 경우 금속 알콕사이드가 전구체로 사용되지만 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 공정의 경우에는 일부 관능기가 유기물로 치환된 금속 알콕사이드가 첨가되어 적층막에 유기물의 유연성을 인가하기 때문에 모세관 응력에 의한 균열 발생을 억제하는 효과가 있어 후막 형성이 용이해진다. 또한, 250?? 이하의 저온에서 치밀한 막이 형성되기 때문에 고온의 열처리가 요구되지 않을 뿐만 아니라, 첨가되는 유기물이 자외선 조사에 의해 가교 결합을 형성할 수 있어 자외선을 조사 받은 영역에 따라 하이브리드 실리카의 용해도가 변하게 되어 네거티브 타입의 감광성 패턴 구현이 가능해지는 장점이 있다.In order to overcome the problems of the sol-gel process, an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel process has been proposed. In the conventional sol-gel process, a metal alkoxide is used as a precursor, but in the organic-free hybrid silica-based sol-gel process, a metal alkoxide in which some functional groups are substituted with an organic material is added, thereby applying flexibility of the organic material to the laminated film. There is an effect of suppressing the occurrence of cracking due to capillary stress, so that thick film formation is facilitated. Also, 250 ?? Since a dense film is formed at the following low temperature, not only a high temperature heat treatment is required, but also the added organic material can form a crosslink by ultraviolet irradiation, so that the solubility of the hybrid silica is changed according to the ultraviolet irradiated area, and thus the negative type. There is an advantage that the photosensitive pattern can be implemented.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 공정이 가능한 용액을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a solution capable of an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel process.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 과제는, 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 공정이 가능한 용액을 이용한 평면 광도파로와 그 제조방법을 제공하는 데 있다. In addition, another object of the present invention is to provide a planar optical waveguide using a solution capable of an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel process and a method of manufacturing the same.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액은: 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에틸오쏘실리케이트, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란 및 다이페닐다이에틸헥실록시다이에톡시실란로부터 선택되어진 적어도 어느 하나로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매가 포함되는 것을 특징으로 한다.An organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is: methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, phenyltriethoxysilane, phenyl A precursor consisting of at least one selected from trimethoxysilane and diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane; Characterized in that a catalyst consisting of hydrochloric acid is included.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액은: 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트 및/또는 테트라에틸오쏘실리케이트로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매와; 하이드록시사이클로헥실페닐케톤로 이루어진 광개시제와; 이소프로필알코올로 이루어진 용매와; 메타크릴릭에시드로 이루어진 자외선 반응 모노머가 포함되는 것을 특징으로 한다.An organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to another embodiment of the present invention for achieving the above technical problem comprises: a precursor consisting of 3-trimethoxysilylpropyl methacrylate and / or tetraethyl orthosilicate; A catalyst consisting of hydrochloric acid; A photoinitiator consisting of hydroxycyclohexylphenyl ketone; A solvent consisting of isopropyl alcohol; Ultraviolet reaction monomer consisting of methacrylic acid is characterized in that it is included.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 평면 광도파로는:In accordance with another aspect of the present invention, a planar optical waveguide includes:

클래드층은: 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에틸오쏘실리케이트, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란 및 다이페닐다이에틸헥실록시다이에톡시실란로부터 선택되어진 적어도 어느 하나로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매가 포함되는 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액으로 형성되고, The cladding layer consists of at least one selected from methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, tetraethylorthosilicate, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane and diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane. Precursors; It is formed of a first organic-free hybrid silica-based sol-gel solution containing a catalyst consisting of hydrochloric acid,

코어층은: 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트 및/또는 테트라에틸오쏘실리케이트로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매와; 하이드록시사이클로헥실페닐케톤로 이루어진 광개시제와; 이소프로필알코올로 이루어진 용매와; 메타크릴릭에시드로 이루어진 자외선 반응 모노머가 포함되는 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액으로 형성되는 것을 특징으로 한다.The core layer comprises: a precursor consisting of 3-trimethoxysilylpropylmethacrylate and / or tetraethylorthosilicate; A catalyst consisting of hydrochloric acid; A photoinitiator consisting of hydroxycyclohexylphenyl ketone; A solvent consisting of isopropyl alcohol; It is characterized in that it is formed of a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution containing an ultraviolet reaction monomer consisting of methacrylic acid.

상기 평면 광도파로의 제조방법은: 기판 상에 상기 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 도포하여 하부 클래드층을 형성하는 단계와; 상기 하부 클래드층 상에 상기 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 도포하여 코어층을 형성하고, 상기 하부 클래드층의 소정영역이 노출되도록 상기 코어층의 소정영역을 제거하는 단계와; 상기 결과물 상에 상기 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 도포하여 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The method of manufacturing the planar optical waveguide includes: forming a lower clad layer by applying the first organic-free hybrid silica-based sol-gel solution on a substrate; Applying a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution on the lower clad layer to form a core layer, and removing a predetermined region of the core layer to expose a predetermined region of the lower clad layer; And applying the first organic-free hybrid silica-based sol-gel solution on the resultant to form an upper clad layer.

이 때, 상기 하부 클래드층, 코어층 및 상부 클래드층은 스핀 코팅법으로 각각 도포되는 것이 바람직하다.At this time, the lower clad layer, the core layer and the upper clad layer is preferably applied by spin coating, respectively.

나아가, 상기 코어층의 소정영역을 제거하는 단계는 광학전사법을 이용하여 패턴을 형성하고, 습식 식각 공정으로 제거하는 것이 바람직하다.Further, in the removing of the predetermined region of the core layer, it is preferable to form a pattern using an optical transfer method and to remove the same by a wet etching process.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액에 있어서 가교결합된 실리카 망목구조를 나타낸 개략도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액들을 이용한 평면 광도파로의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이며, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 클래드층을 형성한 경우에 전구체의 농도에 따른 굴절율의 변화를 1550nm의 파장에서 측정한 그래프이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 형성된 클래드층을 SEM 촬영한 사진이며, 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 형성된 코어층을 SEM 촬영한 사진이고, 도 5b는 도 5a에 따른 코어층을 습식 식각 공정으로 패턴 형성한 경우를 광학 현미경으로 촬영한 사진이며, 도 5c는 도 5a에 따른 코어층을 습식 식각 공정으로 패턴 형성한 경우를 SEM 촬영한 사진이다.2 is a schematic view showing a cross-linked silica network structure in an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3A and 3B are organic-inorganic hybrids according to an embodiment of the present invention. 4A to 4D illustrate a method of manufacturing a planar optical waveguide using silica-based sol-gel solutions, and FIG. 4A illustrates a clad layer formed using an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention. Figure 4b is a graph of the change in refractive index according to the concentration of the precursor at a wavelength of 1550nm, Figure 4b is a SEM photograph of the cladding layer formed using an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention 5A is a SEM photograph of a core layer formed using an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5B is in accordance with FIG. 5A. And a picture when forming a pattern by a wet etching process eocheung taken by an optical microscope, Figure 5c is a SEM photo photographed the case of forming a pattern of the core layer according to Figure 5a by a wet etching process.

본 발명에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액은 클래드층의 형성에 사용되는 용액과 코어층의 형성에 사용되는 용액으로 구분된다.The organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to the present invention is classified into a solution used for forming a clad layer and a solution used for forming a core layer.

클래드층의 형성에 사용되는 용액(이하에서, 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액이라 한다.)에는, 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane, 이하에서 MTMS라 한다.), 메틸트리에톡시실란(methyltriethoxysilane, 이하에서 MTES라 한다.), 테트라에틸오쏘실리케이트(tetraethylorthosilicate, 이하에서 TEOS라 한다.), 페닐트리에톡시실란 (phenyltriethoxysilane, 이하에서 PhTEOS라 한다.), 페닐트리메톡시실란(phenyltrimethoxysilane, 이하에서 PhTMOS라 한다) 및 다이페닐다이에틸헥실록시다이에톡시실란(diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane, 이하에서 DPS라 한다.)로부터 선택되어진 적어도 어느 하나가 전구체로 사용되고, 0.1N 염산이 가수분해와 축합반응을 촉진시키기 위한 촉매로서 사용된다. The solution used to form the cladding layer (hereinafter referred to as the first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution) includes methyltrimethoxysilane (hereinafter referred to as MTMS) and methyltriethoxy. Silane (methyltriethoxysilane, hereinafter referred to as MTES), tetraethylorthosilicate (hereinafter referred to as TEOS), phenyltriethoxysilane (hereinafter referred to as PhTEOS), phenyltrimethoxysilane At least one selected from the group consisting of PhTMOS) and diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane (hereinafter referred to as DPS) is used as a precursor, and 0.1 N hydrochloric acid promotes hydrolysis and condensation reactions. It is used as a catalyst to make.

가수분해와 축합반응은 솔-젤 공정에 있어서 기본적인 반응으로, 하기의 화학식 1과 같이 가수분해는 전구체에 존재하는 알콕시기(OR)들을 실라놀기(OH)로 바꾸어주고 축합반응은 각각의 전구체들을 Si-O-Si의 결합으로 연결하면서 최종적으로 실리카 망목구조를 형성시킨다.Hydrolysis and condensation reactions are the basic reactions in the sol-gel process. Hydrolysis converts the alkoxy groups (OR) present in the precursors into silanol groups (OH) as shown in Formula 1 below. The Si-O-Si bonds are finally connected to form a silica network.

상술한 전구체들 중에서 PhTEOS, PhTMOS 및 DPS는 하기의 화학식 2와 같은 페닐기를 포함한다. Among the aforementioned precursors, PhTEOS, PhTMOS, and DPS include a phenyl group represented by Formula 2 below.

화학식 2를 참조하면, 페닐기는 ??-결합 오비탈을 가지고 있는 관능기로서 외부에서 전기장이 인가되었을 때 오비탈의 전자운(electron cloud)이 쉽게 변형되므로 큰 전자 분극도 (electronic polarizability)를 가진다. 이는 페닐기를 포함하는 재료에 광이 조사되었을 때 재료의 굴절률을 상승시키는 요소로서 작용한다. 따라서 본 발명에 따른 상기의 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 클래드층을 형성하는 경우에는 PhTEOS, PhTMOS 또는 DPS의 농도를 제어함으로써 광도파로 제조를 위해 요구되는 코어층과 클래드층의 굴절률 차이를 제어할 수 있는 특성이 있다.Referring to Chemical Formula 2, the phenyl group is a functional group having a ??-bonded orbital and has a large electronic polarizability because the electron cloud of the orbital is easily deformed when an external electric field is applied. This acts as an element which raises the refractive index of a material when light is irradiated to the material containing a phenyl group. Therefore, when the cladding layer is formed using the first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to the present invention, the core layer and the clad required for the optical waveguide are controlled by controlling the concentration of PhTEOS, PhTMOS or DPS. There is a property that can control the difference in refractive index of the layer.

이어서, 코어층의 형성에 사용되는 용액(이하에서, 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액이라 한다.)에 대하여 설명한다.Next, a solution (hereinafter referred to as a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution) used for forming the core layer will be described.

제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액에는, 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트(3-(trimethoxysilyl)propylmethacrylate, 이하에서 MAPTMS라 한다.)와 TEOS가 전구체로 사용되고, 이들의 가수분해와 축합반응을 촉진시키기 위한 촉매로서 0.01N 염산이 사용되며, 자외선에 의한 가교결합의 유도를 위한 광개시재로서 하이드록시사이클로헥실페닐케톤(1-hydroxycyclohexylphenylketone, 이하에서 HCPK라 한다.)이 첨가되고, 상기 물질들의 균질한 혼합을 위한 공통 용매로서 이소프로필알코올(isopropyl alcohol, 이하에서 IPA라 한다.)이 사용되며, 자외선 반응 모노머로서 메타크릴릭에시드(methacrylic acid, 이하에서 MMA라 한다.)가 첨가된다. In the second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution, 3-trimethoxysilylpropyl methacrylate (hereinafter referred to as MAPTMS) and TEOS are used as precursors, and hydrolysis thereof 0.01 N hydrochloric acid is used as a catalyst to promote the condensation reaction, and hydroxycyclohexylphenylketone (hereinafter referred to as HCPK) is added as a photoinitiator for inducing crosslinking by ultraviolet rays. In addition, isopropyl alcohol (hereinafter referred to as IPA) is used as a common solvent for homogeneous mixing of the above substances, and methacrylic acid (hereinafter referred to as MMA) is a UV reactive monomer. Is added.

가수분해와 축합반응은 상술한 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액에서와 같이 MAPTMS와 TEOS 전구체 기반의 실리카 망목구조를 형성시킨다. MAPTMS를 포함하고 있는 실리카 망목구조에 존재하는 메타크릴레이트(methacrylate)기는 자외선에 의해 가교결합이 유도된다. 또한 가수 분해와 축합 반응에 참여하지 않은 상태로 독립적으로 존재하는 MMA 역시 메타크릴레이트기를 포함하고 있기 때문에 자외선에 의해 가교 결합이 유도된다. 이들의 자외선에 의해 유도되는 가교결합 반응은 하기의 화학식 3과 같다. Hydrolysis and condensation reactions form silica meshes based on MAPTMS and TEOS precursors as in the first organic-free hybrid silica-based sol-gel solution described above. The methacrylate group present in the silica network containing MAPTMS induces crosslinking by ultraviolet light. In addition, crosslinking is induced by ultraviolet rays because MMA, which is present independently without participating in hydrolysis and condensation reactions, also contains methacrylate groups. The crosslinking reaction induced by these ultraviolet rays is shown in Chemical Formula 3 below.

즉, 자외선이 조사되면 메타크릴레이트기의 C=C 결합은 C-C 결합으로 전이하게 된다. 이것은 도 2에 도시된 바와 같이, 실리카 망목구조를 연결시키고 특정 용매에서의 용해도를 감소시킨다. 따라서, 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 코어층을 형성하는 경우에 광학전사법을 통한 자외선의 선택적 조사와 특정 용매를 이용한 습식 식각 공정을 이용할 수 있다.That is, when ultraviolet light is irradiated, the C = C bond of the methacrylate group is transferred to the C-C bond. This links the silica network and reduces solubility in certain solvents, as shown in FIG. Therefore, in the case of forming the core layer using the second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution, selective irradiation of ultraviolet rays through optical transfer and a wet etching process using a specific solvent may be used.

도 3a 및 도 3b를 참조하여, 상술한 제1 및 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용한 평면 광도파로의 제조방법에 대하여 설명한다.3A and 3B, a method of manufacturing a planar optical waveguide using the first and second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solutions described above will be described.

먼저 평면 기판(100)을 마련하고(S10), 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 스핀 코팅법을 이용하여 기판 상에 도포한 후에, 치밀한 실리카 막의 제조를 위해 150?? 이하의 온도에서 열처리하여 하부 클래드층(200)을 형성한다(S20). First, the planar substrate 100 is prepared (S10), and the first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution is applied onto the substrate by using a spin coating method. The lower clad layer 200 is formed by heat treatment at the following temperature (S20).

다음에, 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 스핀 코팅법을 이용하여 하부 클래드층(200) 상에 도포하여 코어층(300)을 형성한다(S30). Next, a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution is coated on the lower clad layer 200 by using spin coating to form a core layer 300 (S30).

그 다음에, 코어층(300)의 소정영역에 자외선을 조사하는 광학전사법을 실시하여 부분적인 가교결합을 일으킨다(S40).Next, an optical transfer method for irradiating ultraviolet rays to a predetermined region of the core layer 300 is performed to cause partial crosslinking (S40).

이어서, 코어층(300)에 있어서 자외선이 조사된 영역과 조사되지 않은 영역의 용해도 차이를 유도하고 자외선이 조사되지 않은 영역을 특정 용매로 용해시켜 패턴을 형성한다(S50). 그리고, 패턴 형성된 코어층이 치밀한 실리카막으로 되도록 150?? 이하의 온도에서 열처리한다.Subsequently, the core layer 300 induces a difference in solubility between the ultraviolet-irradiated and non-irradiated regions and forms a pattern by dissolving the non-irradiated ultraviolet rays with a specific solvent (S50). Then, the patterned core layer is formed into a dense silica film. Heat treatment at the following temperature is carried out.

계속해서, 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 스핀 코팅법을 이용하여 상술한 단계까지의 결과물 상에 도포하고, 150?? 이하의 온도에서 열처리하여 상부 클래드층(400)을 형성한다(S60). Subsequently, the first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution was applied onto the resultant up to the above-mentioned step by spin coating, The upper cladding layer 400 is formed by heat treatment at the following temperature (S60).

이하에서, 상술한 제1 및 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용한 실시예들에 대해서 설명한다. 단, 후술하는 실시예는 일 예를 들어 설명하는 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 권리범위를 국한하는 것도 아니다.Hereinafter, embodiments using the above-described first and second organic-free hybrid silica-based sol-gel solutions will be described. However, the embodiments to be described later are described by way of example and are not necessarily limited thereto, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1]Example 1

TEOS : MTES : PhTMOS = 40 : (60-x) : x의 몰 비율로 전구체들을 혼합한 후, 혼합된 전구체에 대하여 0.1N 염산을 1 : 1.5의 몰 비율로 첨가하여, 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 마련하였다. 이 때, 마련된 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 형성하게 될 클래드층의 굴절률을 제어하기 위해 PhTMOS의 몰 비율을 7, 9, 10, 22, 25, 28, 30%로 각각 변화시켰다. 그리고, 마련된 용액의 균질한 혼합을 위하여 상온, 질소분위기에서 5시간 동안 교반하였고, 추가적인 반응을 위해 일반 대기에 노출시켰다. 상술한 과정을 거친 용액을 실리콘 기판 상에 스핀 코팅법으로 도포하고, 150??에서 1시간 동안 열처리하여 클래드층을 형성하였다. TEOS: MTES: PhTMOS = 40: (60-x): After mixing the precursors in a molar ratio of x, 0.1 N hydrochloric acid was added to the mixed precursor in a molar ratio of 1: 1.5, whereby the first organic-free hybrid Silica-based sol-gel solution was prepared. At this time, the molar ratio of PhTMOS is set to 7, 9, 10, 22, 25, 28, 30% to control the refractive index of the cladding layer to be formed using the prepared first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution. Each changed. Then, the mixture was stirred for 5 hours at room temperature and nitrogen atmosphere for homogeneous mixing of the prepared solution, and exposed to a general atmosphere for further reaction. The solution having undergone the above-described process was applied on a silicon substrate by spin coating and heat-treated at 150 ° C. for 1 hour to form a clad layer.

도 4a를 참조하면, 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 클래드층을 형성한 경우에 단지 PhTMOS의 몰 비율을 변화만으로도 클래드층의 굴절률을 변화시킬 수 있으므로, 클래드층의 굴절률 제어가 용이함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4A, when the clad layer is formed using the first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution, the refractive index of the clad layer may be changed only by changing the molar ratio of PhTMOS. It can be seen that the control is easy.

도 4b를 참조하면, 7㎛ 두께의 균열이 없는 치밀한 클래드층이 형성됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 4B, it can be seen that a dense clad layer without cracks having a thickness of 7 μm is formed.

[실시예 2]Example 2

MAPTMS에 0.01N 염산을 1 : 0.75의 몰 비율로 혼합한 후 30분 동안 교반하였으며 TEOS, MMA 및 IPA를 첨가하여 용액을 마련하였다. 이 때, TEOS는 MAPTMS : TEOS = 8 : 2의 몰 비율로 첨가되었으며, MMA는 TEOS : MMA = 4 : 1의 몰 비율로 첨가되었고, IPA는 TEOS : IPA = 1 : 2.5의 부피비율로 첨가되었다. 상기의 용액을 1시간 동안 교반한 후 혼합된 전구체에 대하여 1.5배의 몰 비율이 되도록 증류수를 첨가한 다음, 30분 동안 교반하였다. 그리고, 혼합된 전구체에 대하여 0.02배의 몰 비율이 되도록 HCPK를 첨가하여 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 마련하였다. 이와 같이 마련된 용액을 상온, 질소 분위기에서 21시간동안 추가적으로 교반하였다. 상술한 과정을 거친 용액을 스핀 코팅법으로 실리콘 기판 상에 도포하고 110??에서 건조시켜 코어층을 형성하였다. 도 5a를 참조하면, 9㎛ 두께의 균열없는 치밀한 코어층이 형성되었음을 알 수 있다. 이어서, 그 코어층에 350nm이상의 파장이 조사되는 자외선 램프를 이용하여 25mJ/cm2의 자외선을 조사한 후 IPA를 이용하여 자외선이 조사되지 않은 영역을 용해시켜 코어층에 패턴을 형성하였다. 패턴 형성 후 막의 치밀화를 위하여 150??에서 1시간 동안 열처리를 실시하였다. 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 코어층의 패턴 형성이 용이하게 이루어졌음을 알 수 있다. 형성된 코어층의 굴절률은 1550nm의 파장에서 1.4733이었다.0.01N hydrochloric acid was mixed in MAPTMS at a molar ratio of 1: 0.75, followed by stirring for 30 minutes, and a solution was prepared by adding TEOS, MMA, and IPA. At this time, TEOS was added in a molar ratio of MAPTMS: TEOS = 8: 2, MMA was added in a molar ratio of TEOS: MMA = 4: 1, and IPA was added in a volume ratio of TEOS: IPA = 1: 1.2.5. . After the solution was stirred for 1 hour, distilled water was added to a molar ratio of 1.5 times with respect to the mixed precursor, followed by stirring for 30 minutes. Then, HCPK was added so as to have a molar ratio of 0.02 times the mixed precursor to prepare a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution. The solution thus prepared was further stirred for 21 hours at room temperature and nitrogen atmosphere. The solution having undergone the above-described process was applied onto a silicon substrate by spin coating and dried at 110 ° to form a core layer. Referring to FIG. 5A, it can be seen that a dense core layer without cracks having a thickness of 9 μm was formed. Subsequently, an ultraviolet lamp of 25 mJ / cm 2 was irradiated to the core layer by using an ultraviolet lamp irradiated with a wavelength of 350 nm or more, and then a region in which no ultraviolet ray was irradiated was dissolved using IPA to form a pattern on the core layer. After pattern formation, heat treatment was performed at 150 ° C. for 1 hour for densification of the film. 5B and 5C, it can be seen that the pattern formation of the core layer was easily performed. The refractive index of the formed core layer was 1.4733 at a wavelength of 1550 nm.

상술한 바와 같이 본 발명의 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 평면 광도파로를 제조하면, 클래드층을 형성하는 전구체의 농도를 조절함으로써 광도파로 제조를 위해 요구되는 코어층과 클래드층의 굴절률 차이를 제어할 수 있으며, 코어층에 광학전사법을 이용하여 패턴을 형성하고 코어층의 소정영역을 습식 식각 공정으로 제거할 수 있으며, 클래드층과 코어층의 형성을 위하여 스핀 코팅법으로 도포할 수 있다.As described above, when the planar optical waveguide is manufactured using the organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution of the present invention, the core layer and the clad layer required for the optical waveguide production are controlled by adjusting the concentration of the precursor forming the clad layer. The refractive index difference can be controlled, the pattern can be formed on the core layer by optical transfer method, and a predetermined region of the core layer can be removed by a wet etching process, and the spin coating method can be used to form the clad layer and the core layer. It can be applied.

따라서, 평면 광도파로 제조 공정이 단순화되어 제조 비용을 줄일 수 있고, 굴절률 제어와 패턴 형성이 용이한 우수한 물성의 평면 광도파로를 제조할 수 있다.Therefore, the planar optical waveguide manufacturing process can be simplified to reduce the manufacturing cost, and the planar optical waveguide having excellent physical properties that can easily control refractive index and form a pattern can be manufactured.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

도 1은 종래의 건식 식각 공정을 통한 평면 광도파로 제조방법을 설명하기 위한 개략도들;1 is a schematic view for explaining a planar optical waveguide manufacturing method through a conventional dry etching process;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액에 있어서 가교결합된 실리카 망목구조를 나타낸 개략도;Figure 2 is a schematic diagram showing the cross-linked silica network structure in the organic-free hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention;

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액들을 이용한 평면 광도파로의 제조방법을 설명하기 위한 도면들;3A and 3B are views for explaining a method of manufacturing a planar optical waveguide using organic-organic hybrid silica-based sol-gel solutions according to an embodiment of the present invention;

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 클래드층을 형성한 경우에 전구체의 농도에 따른 굴절율의 변화를 1550nm의 파장에서 측정한 그래프;Figure 4a is a graph measuring the change in refractive index according to the concentration of the precursor when the cladding layer is formed using an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention at a wavelength of 1550nm;

도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 형성된 클래드층을 SEM 촬영한 사진;Figure 4b is a SEM photograph of the cladding layer formed using an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention;

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 이용하여 형성된 코어층을 SEM 촬영한 사진;5A is a SEM photograph of a core layer formed using an organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution according to an embodiment of the present invention;

도 5b는 도 5a에 따른 코어층을 습식 식각 공정으로 패턴 형성한 경우를 광학 현미경으로 촬영한 사진; 및FIG. 5B is a photograph taken with an optical microscope of a case in which the core layer of FIG. 5A is patterned by a wet etching process; FIG. And

도 5c는 도 5a에 따른 코어층을 습식 식각 공정으로 패턴 형성한 경우를 SEM 촬영한 사진이다.FIG. 5C is a SEM photograph of a case in which the core layer of FIG. 5A is patterned by a wet etching process. FIG.

Claims (6)

메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에틸오쏘실리케이트, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란 및 다이페닐다이에틸헥실록시다이에톡시실란로부터 선택되어진 적어도 어느 하나로 이루어진 전구체와;A precursor consisting of at least one selected from methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane and diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane; 염산으로 이루어진 촉매가 포함되는 것을 특징으로 하는 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액.An organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution comprising a catalyst consisting of hydrochloric acid. 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트 및/또는 테트라에틸오쏘실리케이트로 이루어진 전구체와;A precursor consisting of 3-trimethoxysilylpropylmethacrylate and / or tetraethylorthosilicate; 염산으로 이루어진 촉매와;A catalyst consisting of hydrochloric acid; 하이드록시사이클로헥실페닐케톤로 이루어진 광개시제와;A photoinitiator consisting of hydroxycyclohexylphenyl ketone; 이소프로필알코올로 이루어진 용매와;A solvent consisting of isopropyl alcohol; 메타크릴릭에시드로 이루어진 자외선 반응 모노머가 포함되는 것을 특징으로 하는 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액.An organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution, characterized in that it comprises an ultraviolet reaction monomer consisting of methacrylic acid. 클래드층은: 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에틸오쏘실리케이트, 페닐트리에톡시실란, 페닐트리메톡시실란 및 다이페닐다이에틸헥실록시다이에톡시실란로부터 선택되어진 적어도 어느 하나로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매가 포함되는 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액으로 형성되고,The cladding layer consists of at least one selected from methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, tetraethylorthosilicate, phenyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane and diphenyldiethylhexyloxydiethoxysilane. Precursors; It is formed of a first organic-free hybrid silica-based sol-gel solution containing a catalyst consisting of hydrochloric acid, 코어층은: 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트 및/또는 테트라에틸오쏘실리케이트로 이루어진 전구체와; 염산으로 이루어진 촉매와; 하이드록시사이클로헥실페닐케톤로 이루어진 광개시제와; 이소프로필알코올로 이루어진 용매와; 메타크릴릭에시드로 이루어진 자외선 반응 모노머가 포함되는 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액으로 형성되는 것을 특징으로 하는 평면 광도파로.The core layer comprises: a precursor consisting of 3-trimethoxysilylpropylmethacrylate and / or tetraethylorthosilicate; A catalyst consisting of hydrochloric acid; A photoinitiator consisting of hydroxycyclohexylphenyl ketone; A solvent consisting of isopropyl alcohol; A planar optical waveguide comprising a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution containing an ultraviolet reaction monomer composed of methacrylic acid. 제 3항에 따른 평면 광도파로의 제조방법은:The method of manufacturing a planar optical waveguide according to claim 3 is: 기판 상에 상기 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 도포하여 하부 클래드층을 형성하는 단계와;Applying the first organic-free hybrid silica-based sol-gel solution on a substrate to form a lower clad layer; 상기 하부 클래드층 상에 상기 제2 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 도포하여 코어층을 형성하고, 상기 하부 클래드층의 소정영역이 노출되도록 상기 코어층의 소정영역을 제거하는 단계와;Applying a second organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution on the lower clad layer to form a core layer, and removing a predetermined region of the core layer to expose a predetermined region of the lower clad layer; 상기 결과물 상에 상기 제1 무-유기 하이브리드 실리카계 솔-젤 용액을 도포하여 상부 클래드층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 광도파로의 제조방법.And applying the first organic-inorganic hybrid silica-based sol-gel solution on the resultant to form an upper cladding layer. 제 4항에 있어서, 상기 하부 클래드층, 코어층 및 상부 클래드층은 스핀 코팅법으로 각각 도포되는 것을 특징으로 하는 평면 광도파로의 제조방법.The method of manufacturing a planar optical waveguide according to claim 4, wherein the lower clad layer, the core layer, and the upper clad layer are respectively coated by spin coating. 제 4항에 있어서, 상기 코어층의 소정영역을 제거하는 단계는 광학전사법을 이용하여 패턴을 형성하고, 습식 식각 공정으로 제거하는 것을 특징으로 하는 평면 광도파로의 제조방법.The method of claim 4, wherein the removing of the predetermined region of the core layer is performed by using an optical transfer method to form a pattern and by a wet etching process.
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