KR20060032346A - 광도파로의 연속적 제조방법 - Google Patents

광도파로의 연속적 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광도파로(light waveguide)를 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의해 필름을 연속적으로 이동시키면서, 1) 기재 필름 위에 제 1 폴리머를 코팅하여 하부 클래드층을 형성하는 단계, 2) 하부 클래드층 위에 제 1 폴리머보다 굴절률이 큰 제 2 폴리머를 코팅하여 코어층을 형성하는 단계, 3) 코어층이 형성된 필름을, 패턴-형성된 포토마스크의 아래를 통과하게 하면서 자외선을 조사하여 경화시키는 단계, 4) 경화된 코어층을 가진 필름을 현상액에 침지시켜 코어층을 습식 식각에 의해 패터닝하는 단계, 5) 패터닝된 코어층을 하소한 후 그 위에 제 2 폴리머보다 굴절율이 작은 제 3 폴리머를 코팅하여 상부 클래드층을 형성하는 단계를 수행하는 본 발명의 방법에 따르면, 포토마스크(photomask) 또는 마스터(master) 크기에 제한 없이 긴 길이의 폴리머 광도파로를 용이하게 대량 생산할 수 있다.

Description

광도파로의 연속적 제조방법{PROCESS FOR THE CONTINUOUS PRODUCTION OF LIGHT WAVEGUIDE}
도 1은 본 발명에 따른, 습식 식각법을 이용한 연속적 광도파로 제조공정의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 공정에 있어서, 코어층-형성된 필름의 경화 공정을 보다 상세히 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 공정에 있어서, 경화된 코어층을 가진 필름을 습식 식각하기 위한 세정장비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
1: 언와인더(unwinder) 2a: 제 1 폴리머 코터(coater)
2b: 제 2 폴리머 코터 2c: 제 3 폴리머 코터
3: 자외선(UV) 노광기 4: 히터(heater)
5: 자외선 차단벽 6: 포토마스크(photomask)
7: 세정장비(wet station) 8: 와인더(winder)
11: 코어층이 형성된 필름 12: 경화된 코어층을 가진 필름
13: 패터닝된 코어층을 가진 필름 111: 현상액 배출구
112: 현상액 주입구 113: 현상액 순환장치(circulator)
114: 롤
본 발명은 광도파로(light waveguide)를 연속적으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 포토마스크나 마스터 사이즈에 제한되지 않는 긴 길이의 광도파로를 대량 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
장거리 통신 및 멀티미디어 기술의 발전은 점점 더 많은 데이터와 빠른 전송속도를 요구하고 있다. 컴퓨터, 반도체, 가전 등에 사용되는 전자회로는 고밀도화, 대용량화되고 있고, 신호처리 주파수는 점점 고속화되어 수년 내에 5 ㎓ 이상에 이를 것으로 예상되며, 정보통신, 데이터통신 등의 대용량 고속 전자기기에는 1m 당 10 Gbps급 이상의 전송용량이 요구된다.
그러나, 상기 초고속, 대용량 데이터 송수신에서 전기적 연결을 이용하는 것은 전기적 배선에 따른 속도의 한계, 전기 선로간 누화, 실장 밀도의 제약, 잡음(EMS; Electro Magnetic Susceptibility) 등의 여러 가지 문제를 초래하고, 경제적으로도 유리하지 못하다.
이러한 전기적 배선의 한계를 극복하기 위하여 랜(Local Area Network, LAN)을 비롯한 건물망(building network), 홈 네트워크(home network) 등과 같은 근거리 광연결 뿐만 아니라, 광통신 시스템의 보드간 혹은 소자간 연결, 고속병렬 컴퓨터 등과 같은 고속 전자회로의 보드간 혹은 소자간 연결 등의 광 연결을 초단거리 데이터 전송에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 광 연결은 광섬유(fiber), 광도파로(waveguide), 자유공간(free space) 등을 이용할 수 있는데, 특히 광도파로를 이용한 광 연결 기술이 동일 기판 위에 다양한 광소자와의 고밀도 집적이 용이하면서도 정렬, 안정성 면에서 기술적 우위를 가지고 있다.
광도파로는 광신호가 지나가는 부분인 고굴절률의 코어(core)층과, 코어층을 감싸고 있어 광의 전반사를 가능하게 하는 저굴절률의 유전체 물질로 이루어진 클래드층으로 이루어진다. 광도파로는 재료에 따라 반도체, 실리카, 폴리머 등으로 구현 가능한데, 반도체 광도파로의 경우 광원 또는 광검출기와의 집적이 가능하지만 거리에 따른 손실이 크며 제작 공정이 까다로운 단점이 있고, 실리카 광도파로의 경우 저손실의 우수한 광도파로 제작이 가능하나 고온 열처리 공정을 필요로 하고 기판 사용에 제약이 많다는 단점이 있다. 반면, 폴리머 광도파로는 소재가 저렴하고, 제조공정이 간단하며, 대량제작이 용이하다는 장점이 있다.
폴리머 광도파로의 제조방법으로는 습식 식각 방식, 건식 식각 방식, 엠보싱 방식 등이 있으며, 각각 장단점을 가지고 있지만 이들 방식 모두 포토마스크(photomask)나 마스터(master) 사이즈를 벗어나는 긴 길이의 광도파로를 제조하는 데에는 한계가 있고 연속적인 대량생산이 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 한 쌍의 가압 롤러 중 한쪽 가압 롤러 외주면에 오목 홈의 패턴이 원주 방향을 따라 새겨져 있어 표면에 수지가 도포된 시트가 상기 가압 롤러 사이를 통과하면서 패턴이 형성되고 경화되는 방식을 이용하는 롤패터닝법이 개발되었다(P. M. Ferm et al., Proc. SPIE 4106 (2000)). 그러나, 상기 방법은 마스터 길이에 관계없이 길이가 긴 광도파로를 제조할 수 있다는 장점은 있지만, 롤에 패턴을 새겨야 하는 고난이 기술이 요구되며 패턴의 불균일 및 슬랩(slab) 발생이 쉽게 일어나 광특성에 좋지 않은 영향을 미치는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광특성에 나쁜 영향을 미치지 않으면서도 포토마스크나 마스터 사이즈에 제한되지 않고 긴 길이의 폴리머 광도파로를 대량 제조할 수 있는, 습식 식각법을 이용한 광도파로의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,
각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의해 필름을 연속적으로 이동시키면서,
1) 기재 필름 위에 제 1 폴리머를 코팅하여 하부 클래드층을 형성하는 단계,
2) 하부 클래드층 위에 제 1 폴리머보다 굴절률이 큰 제 2 폴리머를 코팅하여 코어층을 형성하는 단계,
3) 코어층이 형성된 필름을, 패턴-형성된 포토마스크의 아래를 통과하게 하면서 자 외선을 조사하여 경화시키는 단계,
4) 경화된 코어층을 가진 필름을 현상액에 침지시켜 코어층을 습식 식각에 의해 패터닝하는 단계,
5) 패터닝된 코어층을 하소한 후 그 위에 제 2 폴리머보다 굴절율이 작은 제 3 폴리머를 코팅하여 상부 클래드층을 형성하는 단계
를 수행하는 것을 포함하는, 광도파로를 연속적으로 제조하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 특징은, 각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의해 필름을 연속적으로 이동시키면서, 기재 필름 위에 하부 클래드층을 형성하는 단계, 하부 클래드층 위에 코어층을 형성하는 단계, 코어층이 형성된 필름을 경화 및 습식 식각시켜 패터닝하는 단계, 및 패터닝된 코어층 위에 상부 클래드층을 형성하는 단계를 수행함으로써, 포토마스크나 마스터 사이즈에 관계없이 긴 길이의 폴리머 광도파로를 용이하게 제조한다는 데 있다.
본 발명에 따른 습식 식각법을 이용한 폴리머 광도파로의 제조공정의 한 예를 도 1에 나타내었다.
구체적으로는, 언와인더(1)로부터 공급되는 필름을 각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의해 연속적으로 이동시키면서, 기재 필름 위에, 제 1 폴리머 코터(2a)로 제 1 폴리머를 도포한 후 히터(4)로 70 내지 100 ℃에서 베이킹(baking)하고 UV 노광기(3)로 UV 조사하여 경화시켜 하부 클래드층을 형성하고, 이어서, 하부 클래드층 위에 제 2 폴리머 코터(2b)로 상기 제 1 폴리머보다 굴절율이 큰 제 2 폴 리머를 도포한 후 히터(4)로 70 내지 100 ℃에서 베이킹하여 코어층을 형성한 다음, 코어층이 형성된 필름을, 패턴-형성된 포토마스크(6)의 아래를 통과하게 하면서 UV 노광기(3)에 의해 UV를 조사하여 국부적으로 경화시킨 다음, 경화된 코어층을 가진 필름을 세정장비(7)에 담긴 현상액에 침지시켜 코어층을 습식 식각에 의해 패터닝하고, 그런 다음 패터닝된 코어층을 130 내지 170 ℃에서 하소한 후 패터닝된 코어층을 가진 필름을 제 3 폴리머 코터(2c), 히터(4), UV 노광기(3)로 순차적으로 이동시키면서 하부 클래드층 형성 방법과 동일한 방법으로 상부 클래드층을 형성함으로써, 하부 클래드층, 코어층 및 상부 클래드층으로 이루어진 폴리머 광도파로를 연속적으로 제조하고, 연속적으로 제조되는 광도파로는 와인더(8)에 의해 권취하여 보관할 수 있다.
본 발명에 사용되는 기재 필름의 종류 및 두께는 광도파로 필름에 요구되는 특성(예: 유연성, 내열성, 내압성 등)에 따라 달라질 수 있으며, 통상적으로 사용되는 폴리머 광도파로의 기재, 예를 들면 10 내지 100 ㎛ 범위의 두께의 폴리이미드(polyimide) 필름, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate) 필름, 폴리에스터(polyester) 필름 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 하부 클래드층 및 상부 클래드층의 재료인 제 1 폴리머 및 제 3 폴리머로는, 자외선(UV)에 노출되면 경화되고 광신호의 특정 파장에 대해 투명성을 갖는 에폭시계 또는 아크릴레이트계 폴리머 등이 사용될 수 있고, 제 2 폴리머로 역시 자외선에 노출되면 경화되고 광신호의 특정 파장에 대한 투명성을 가지며 제 1 폴리머 또는 제 3 폴리머보다 굴절율이 큰 에폭시계 또는 아크릴레이트계 폴 리머 등이 사용될 수 있으며, 상기 폴리머들의 굴절율만 상이하게 하는 방법은 공지되어 있다. 이들 폴리머의 코팅 방법은 통상적이며, 예를 들면 메이어바 코팅방식, 에어나이프(air knife) 코팅방식, 그라비어(gravure) 코팅방식, 리버스 롤 코팅방식, 콤마 코팅방식, 스프레이 코팅방식, 블레이드 롤 코팅방식 등을 이용할 수 있다.
또한, 코어층의 국부적 UV 경화는 도 2에 나타낸 바와 같은 노광 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 도 2를 참조하면, 코어층이 형성된 필름(11)을, 원하지 않는 부분이 경화되는 것을 방지하기 위한 자외선 차단벽(5)이 장착된 UV 노광기(3)에 의해 UV를 조사하면서, 원하는 광도파로 모양으로 미리 패터닝된 포토마스크(6)의 아래를 일정 속도로 통과하게 하여 마스크 패턴에 따라 소정 영역이 경화된 코어층을 가진 필름을 수득할 수 있다. 이 때, 포토마스크 아래를 통과하는 필름의 폭이 포토마스크와 일치하도록 하는 것이 코어층에 정확히 패턴을 형성하는데 바람직하다.
상기 경화된 코어층을 가진 필름(12)에 대해 수행되는 습식 식각은 도 3에 나타낸 바와 같은 세정장비(7)에서 수행될 수 있다. 도 3에 따르면, 현상액이 담긴 세정장비(7) 내부에 장착된 롤(114)에 의해, 경화된 코어층을 가진 필름(12)이 연속적으로 현상액을 통과하면서 습식 식각되어 패터닝된 코어층을 가진 필름(13)이 얻어진다. 상기 세정장비에는 현상액 주입구(112)와 배출구(111)를 설치하여 세정액의 연속적 공급을 가능케 하고 순환장치(circulator)(113)를 설치하여 현상액을 빠르게 순환시켜 습식 식각 효과를 보다 증가시킬 수 있다.
코어층에 형성되는 패턴은, 일반적인 멀티모드 소자 또는 멀티모드 화이버와 연결할 수 있도록, 가로 및 세로가 50 내지 62.5 ㎛ 크기의 정사각형인 것이 바람직하고, 코어 중심점간의 피치는 발광 및 수광 소자와의 정렬을 위해 약 250 ㎛인 것이 바람직하다. 광도파로의 코어부 개수는 적용 시스템에 따라 다르며, 코어부 개수가 많아질수록 신호 전달용량이 증가한다. 본 발명에 따르면 포토마스크의 코어 패턴 수에 따라 코어부 개수를 용이하게 증가시킬 수 있다.
상기 하부 및 상부 클래드층 두께는 코어층과의 굴절률 차에 따라 달라지며, 다층 코팅(하부 클래드층/코어층/상부 클래드층) 구조 상에서의 층간 스트레스, 도파로의 기계적 특성(예: 유연성(flexibility), 외부 압력에 의한 패턴 무너짐 등) 등을 고려해 최적 두께로 형성하여야 하는데, 통상 코어층 두께의 1/4 내지 1/3로서, 바람직하게는 10 내지 20 ㎛ 범위이다.
본 발명에 있어서, 상기 각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의한 필름 이동 속도는, 자외선 노광량, 포토마스크 길이, 습식 식각 속도 등에 맞추어 적당히 일정하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 자외선 노광기의 전력이 900 W, 노광 시간이 30초, 포토마스크의 길이가 10 cm일 경우, 필름 이동 속도는 약 0.33 cm/초인 것이 바람직하다.
습식 식각법을 이용한 폴리머 광도파로의 제조방법에 있어서, 본 발명에 따라, 각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의해 필름을 연속적으로 이동시키면서 폴리머 광도파로 제조공정을 수행하면, 광특성이 저하되지 않으면서도 포토마스크나 마스터 사이즈에 제한되지 않는 긴 길이의 광도파로를 용이하게 생산할 수 있다.

Claims (5)

  1. 각 단계를 수행하기 위한 일련의 롤에 의해 필름을 연속적으로 이동시키면서,
    1) 기재 필름 위에 제 1 폴리머를 코팅하여 하부 클래드층을 형성하는 단계,
    2) 하부 클래드층 위에 제 1 폴리머보다 굴절률이 큰 제 2 폴리머를 코팅하여 코어층을 형성하는 단계,
    3) 코어층이 형성된 필름을, 패턴-형성된 포토마스크의 아래를 통과하게 하면서 자외선을 조사하여 경화시키는 단계,
    4) 경화된 코어층을 가진 필름을 현상액에 침지시켜 코어층을 습식 식각에 의해 패터닝하는 단계,
    5) 패터닝된 코어층을 하소한 후 그 위에 제 2 폴리머보다 굴절율이 작은 제 3 폴리머를 코팅하여 상부 클래드층을 형성하는 단계
    를 수행하는 것을 포함하는, 광도파로(light waveguide)를 연속적으로 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 4)를, 현상액을 포함하고 현상액 내부에 롤이 위치되어 있는 세정장비를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 폴리머, 제 2 폴리머 또는 제 3 폴리머가 에폭시계 또는 아크릴레이트계 폴리머인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    형성되는 하부 클래드층 및 상부 클래드층의 두께가 코어층 두께의 1/4 내지 1/3 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    형성되는 하부 클래드층 및 상부 클래드층의 두께가 10 내지 20 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220064421A (ko) * 2016-08-31 2022-05-18 비아비 솔루션즈 아이엔씨. 각져 있는 반사성 세그먼트를 갖는 물품

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