Optical Communication

21세기의 정보기반사회는 다양한 형태의 정보(음성, 데이터, 문서, 영상, 동화상, CATV 및 HDTV 등)를 하나의 통신망으로 통합시켜 제공하는 광대역 초고속정보망의 구축을 기본적인 인프라로 요구하고 있다. 이와 같이 대용량의 정보 처리가 필요하게 될 새 천년의 초고속 정보 통신 시대에는 개인 당 수백 Mbps 내지 수 Gbps의 통신 대역폭이 필요할 것으로 예상되며, 이런 대역폭을 수용하기 위해서 수백 Tbps 규모의 광전송 기술이 전제 돼야 한다(그림 1). 이와 더불어 유비쿼터스 환경을 위한 유무선 통합화 및 멀티미디어화가 발전 방향에 주요 키워드가 되며(표 1) 이에 따라 초고속 및 광대역폭의 정보전달 소재 및 그를 이용한 소자의 개발이 시급히 요청되고 있으며 선진 각국에서는 이에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.초고속 정보통신시대에 걸맞은 대용량의 광통신 및 정보기록과 정보처리의 초고속화를 구현하기 위해서는 신개념의 광소자 및 부품들의 개발이 필요하다. 현재까지 적용되고 있는 반도체 재료와 강유전체 무기 재료를 근간으로 한 기존의 광소자들이 거의 한계 성능을 보이고 있기 때문이다. 또한 이러한 소재들은 소자 제작에서 공정 단계가 복잡하고 성능의 제어를 위한 소재의 분자 구조 및 조성을 조절하기 매우 힘들기 때문에 궁극적인 광통신 부품으로의 소자화에는 많은 비용이 소요돼 대량 보급형으로의 공급이 어렵다. 따라서 초고속 정보 통신 사회를 조속히 실현하기위해서는 기존 물질의 성능 또는 경제성의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고분자 소재 및 소자 적용 기술의 개발이 필요하다.신규 광통신용 고분자 소재의 적용 분야로는 능동 및 수동 소자용 광도파로 소재, 플라스틱 광섬유, 정보저장 소재 등을 들 수 있다. 대표적인 광 전송 소재인 광도파로 소재는 차세대 광대역 종합정보통신망의 구현에 절대적으로 필요한 편광무의존성을 가질 수 있어 파장분할방식(Wave Divisional Multiplexing, WDM) 관련 소자, 광 상호연결 소자, 광 분할기 및 광 결합기와 같은 수동 소자의 응용이 가능하다. 수동 소자용 소재의 특징으로는 저손실 단일 모드 특성을 갖는 소재로 외부환경에 의한 변화가 작은 안정한 소자를 꾸밀 수 있어야 하고, 저가로 광통신 부품의 제조가 가능해 가격 경쟁력도 좋아야 한다.플라스틱 광섬유(Plastic Optical Fiber, POF)는 유리섬유보다는 높은 광학 흡수를 갖고 있어 통신 용량이 유리섬유에 비해 떨어지는 단점은 있지만, 사용이 용이하다는 점, 주변장치의 요구를 만족시키며 기본 코스트가 낮다는 점 등의 이점이 있다. 또한 POF는 단순하고 저가의 포토 다이오드를 이용할 수 있고, 취급, 마무리, 접속을 용이하고 신속히 할 수 있다는 장점 때문에 600~1,300nm의 광원을 이용한 근거리 통신용으로 주로 개발이 진행되고 있다.광통신용 소재의 종류별 특성 비교광통신용 소재에 있어서 기본적인 요소가 되는 것은 저손실 및 단일 모드 도파 특성을 갖는 것인데, 유리 광섬유(GOF) 재료인 실리카 재료를 근간으로 해 광통신용 소자 기술이 발전 돼 왔다. 실리카를 이용한 광도파로 소자는 0.01dB/cm 이하의 낮은 광도파로 손실과 높은 안정성 때문에 많은 연구가 진행 돼 다양한 광소자가 상용화되고 있으나, 실리카를 이용해 광도파로를 제작하려면 1,000℃ 이상의 고온 제작 공정과 고가 제조장비가 필요하다. 또한 고온의 공정을 거치므로 실리콘 기판과 실리카 간에 열팽창 계수의 차이로 오는 열 스트레스에 의한 편광으로 복굴절률(birefringence)이 야기되는 문제점이 있다.현재 고속 신호 처리용 광통신소자재료는 대부분 LiNbO3나 InGaAsP 계통의 무기 결정체가 주로 사용되고 있다. 그러나 수 Tbps급 또는 수백 Tbps급의 광통신을 구현하기 위해서는 무기 재료나 반도체 재료를 이용한 광전자 소자는 그들이 가지는 물리적, 화학적 특성의 한계, 응답속도의 한계 및 경제적인 요인 등 여러 가지의 요인에 의해 한계에 부딪치고 있다.유기 기반의 고분자 소재는 새로운 광통신용 소재로서 지대한 관심의 대상이 되고 있으며 활발한 연구가 진행되고 있다. 이것은 유기 고분자 재료가 무기 재료와 반도체 재료에 비해 여러 가지의 장점을 가지기 때문이다. 즉, 유기화학 기반의 분자구조 제어를 통해 소재의 성능을 쉽게 제어 및 합성할 수 있고, 저렴한 가격으로 경제성이 우수한 소재를 제공할 수 있다.또한 소자의 응답속도가 빠르고, 대역폭이 수십~수백 Tbps 정도로 매우 높으며, 소자 제작 공정이 저온에서 단순하고, 가공성이 좋고, 집적화가 용이하다. 반면 유기계 고분자 소재는 열적 안정성 등 내환경성이 열악하고 광통신 파장영역(1.3㎛, 1.55㎛)에서 유기고분자재료의 근간이 되고 있는 C-H 결합 배진동(overtone) 밴드의 광 흡수에 의한 광 전송 손실이 큰 결점이 있다.표 2에 광통신용 소재들의 장단점을 나타내었다. 각 소재별로 단점들을 극복하고자 하는 노력들을 포함한 기술경쟁이 점차 치열하게 진행되고 있다. 결국 초고속 정보통신사회를 구현하기위해서는 기존 소재의 성능 한계를 극복하기위한 새로운 광통신용 소재의 개발에 주력해야 한다.유기기반 고분자 소재에 대한 요구 특성고분자 광통신용 소재는 미세한 굴절률 조절성, 낮은 복굴절률, 다양한 기판에 대한 접착성, 다층 적층성, 치수 안정성 및 유연성, 연결성, 미세 광 부품과의 집적화 용이성, 경제성 등에 있어서 많은 장점을 가지고 있지만, 열 및 환경 안정성, 광통신 파장영역에서의 광 손실이 높은 문제가 있다.광 손실에 대한 요구는 광통신 파장으로 사용되고 있는 1.3㎛ 또는 1.55㎛에서의 낮은 광 진행 손실이 가장 중요하다. 광통신 소재의 도파로의 전체 광 손실은 물질 고유의 광 흡수, 고유 광 산란 그리고 외부 요인(먼지, 제작공정에서 야기되는 부정확성, voids, crack, impurities 등)에 의한 손실의 합으로 표시된다. 이들 중 고분자 물질에서 고유 광 산란은 주로 레일리 산란에 의해 일어나는데, 일반적으로 1.3㎛에서 약 10-5dB/cm 정도로 전체 광 손실에 큰 영향을 주지 않는다.또한 외부 요인에 의한 광 손실은 공정의 최적화를 통해 최소화할 수 있다. 따라서 저손실 고분자 소재의 구현을 위해서는 분자설계 단계에서부터 전자전이 흡수(electronic transition absorption)와 적외선 진동 흡수(infrared (IR) vibrational absorption)에 의한 고분자 물질 고유의 흡수를 최소화할 수 있도록 해야 한다.고분자 소재는 적외선 영역에서 분자 구조 내의 진동에 의한 고유의 흡수 영역을 가지고 있다. 특히, C-H(또는 O-H, N-H) 결합에 의한 근적외선 영역(Near IR)의 진동 흡수 손실은 2차 및 3차의 조화 배진동(harmonic overtones)에 기인하는 것이 광 손실의 주된 원인이다(그림 2).이러한 광 손실 문제는 C-H 결합을 이중수소(C-D)나 불소(C-F)로 치환해 환산 질량을 증가시킴으로써 조화 배진동은 장파장으로 이동하게 되고 결과적으로 광통신 파장 영역에서의 흡수 최소화에 의해 해결될 수 있다. 지방족 C-H 결합에 의한 흡수 손실이 방향족 C-H 결합에 의한 흡수 손실에 비해 크고 중수소로 치환했을 경우 1.3㎛에서는 현저히 흡수 세기의 감소가 있으나, 1.55㎛에서는 아직 약간의 흡수가 있으며 불소로 치환했을 경우 1.1~1.7㎛에 걸쳐 거의 흡수에 의한 손실이 나타나지 않는다(그림 3).광통신용 유기고분자 개발 현황현재까지 개발되고 있는 저손실 광도파로 고분자 소재들은 광 투과성이 좋은 물질 또는 반도체용 저 유전상수 고분자 물질 등을 근간으로 해 1.3㎛이나 1.55㎛의 파장에서 광 흡수에 의한 광전송 손실을 낮추기 위해 이중 수소 및 불소 치환한 구조로 설계 돼 왔다. 그러나 광소자용 광통신용 소재는 저손실 특성과 함께 내열성, 다층 박막화를 위한 내약품성, 전기적 특성, 광학 투명성 및 낮은 복굴절률 등의 추가적인 특성을 요구하고 있다.미국의 얼라이드 시그널(Allied Signal)이 개발한 불소 치환 아크릴레이트 수지는 광학적으로 투명하며 플라스틱 광섬유 소재로서 적용 돼 왔던 아크릴레이트를 기본 구조로 해 불소화를 통해 광전송 손실을 낮추었다. 가교 특성을 부여해 350℃ 이상의 열 안정성을 가지도록 했으며 자외선으로 경화 시스템을 도입해 기존의 리소그래피 공정이나 레이저 직접 필사공정으로 쉽게 소자 제작이 가능하도록 했다.이를 통해 소자 제작 단가를 낮출 수 있고, 1.3㎛ 또는 1.55㎛에서의 광 손실이 각각 0.03, 0.05dB/cm로 거의 실리카에 대등한 수준에 이르며, 굴절률을 1.3에서 1.6까지 단계적으로 조절이 가능하고, 이의 복굴절률도 0.0008 정도로 편광무의존성이 매우 우수했다.국내의 경우 광 특성을 제외한 물리적 특성에서 차별화된 우월성을 가지는 폴리이미드 소재를 광도파로 소재로서 개발했다. 한남대 김환규 교수 팀은 광 손실을 낮추기 위해 불소를 도입한 새로운 구조의 불소 치환 폴리이미드 소재를 발표했는데, 방향족 폴리이미드의 구조에서 기인하는 편광의존성을 개선시키기 위해 불소 치환된 방향족 그룹을 폴리이미드의 곁사슬에 도입했다. 도입된 불소 치환된 방향족 그룹은 부피가 큰 특성으로 인해 제조되는 폴리이미드 필름 면에 평행한 방향으로 배열하지 않고 3차원 배열을 하게 돼 등방성 특성을 유도하게 된다.유무기 하이브리드형 신소재 - 폴리실세스퀴옥산광통신 소재로서 실리카는 광 손실이 낮으며 열 및 환경적으로 안정해 광통신의 인프라인 유리광섬유가 그로부터 제조되고 있다. 그러나 광소자용 소자로 적용할 때에는 소자의 제작공정이 어렵고 복잡한 구조의 구현을 위한 집적화가 어려운 문제가 있다. 반면 새롭게 제안되고 있는 폴리실세스퀴옥산 소재는 주쇄 골격이 유기고분자와 같은 탄화수소가 아닌 실리카와 같은 실록산 구조로 형성 돼 광 손실이 낮으며 내열성이 뛰어난 장점이 있다.또한 유기고분자와 같은 가공성을 나타내기 때문에 기존의 고분자 공정을 적용할 수 있어 복잡한 구조의 광소자를 저가로 대량 생산하는데에 유리하다.폴리실세스퀴옥산은 GE의 브라운(Brown) 등에 의해 처음으로 합성된 이래, 오웬스 일리노이(Owens Illinois)와 Gelest에서 ‘Glass Resin’, ‘SST resin’이란 이름으로 상품화 되었으나, 고분자 구조 제어 및 분자량 조절, 고분자량화 하기 어려워 현재까지 산업용 소재의 직접 응용에는 아직 제한이 따르고 있는 소재이다. 그러나 최근에 종래의 유기고분자의 성능 한계를 극복하거나 새로운 기능에 대한 요구가 급증함에 따라 실용화에 대한 요구가 증가하고 있다.표 3에 나타낸 것 같이 실록산 구조 단위(Si-O-Si)를 가지는 소재는 M, D 및 Q의 4종류가 있고, 일반식 (RSiO3/2)n로 표시되는 폴리실록산은 T단위 구조로 표시되며, 폴리실세스퀴옥산(Polysilsesquioxane)이라고 부른다. 그중 중합 등 고분자량화 반응을 통해 얻어지는 수지 소재는 Q, T 및 D이다. Q는 4개의 연결기(실록산)를 통해 불규칙적인 그물 모양 구조의 수지가 형성되기 때문에 내열성 등이 뛰어난 반면 가공성이 열악하며, D는 2개의 결합기를 통해 선형 구조의 수지가 형성되기 때문에 내열성은 나쁘지만 가공성은 우수하게 된다. 반면 T는 결합기가 3개로 구성 돼 있기 때문에 반응 제어에 따라 Q 또는 D의 장점을 겸비할 수 있게 된다.또한 폴리실세스퀴옥산은 실록산 결합을 하지 않는 나머지 연결기를 통해 유기관능기의 도입이 가능하며 이를 통해 광경화성 등 유기 고분자가 가지고 있는 기능성을 부여할 수 있다. 주로 현재까지 개발연구 대상이었던 실세스퀴옥산계 고분자는, 치환기 R에 따라 hydrogen, alkyl, alkylene, aryl, arylene 및 유기관능기 등 그 종류가 다양하나, 현재까지는 우수한 열-기계적 특성의 부여를 위해 폴리메틸실세스퀴옥산, 폴리페닐실세스퀴옥산 및 폴리하이드로젠실세스퀴옥산등이 활발히 연구되고 있다.광통신용 소재로서 폴리실세스퀴옥산은 기본적인 열-기계적 특성을 확보하고 있으며 광학특성의 제어가 용이한 장점이 있다. 내열성의 경우 열적 안정성이 뛰어나 초기 열분해 온도가 400℃ 이상이며, 이는 유기고분자 중 고내열성 고분자로 알려진 폴리이미드의 초기 열분해 온도보다 약 50℃ 이상 높은 것이다. 한편 실리카와는 달리 다양한 용매에 대해 용해성을 가짐으로써, 우수한 가공성을 보장한다.일반적인 D형 실리콘 고분자와 마찬가지로 용해도는 고분자의 종류, 구조 및 분자량에 따라 큰 차이를 보이는데, 폴리실세스퀴옥산은 고분자량의 경우 통상의 유기용제에 대해 용해성이 우수하며 분자량 수천의 올리고머인 경우에는 에틸 알콜 등에도 가용이다.광 손실의 경우 주 사슬의 구조가 실록산으로 구성 돼 있어서 유기 고분자의 경우처럼 중수소나 불소를 도입할 필요가 없다. 치환체의 경우 탄화수소를 함유한 유기 관능기가 도입될 수 있으나, 중수소나 불소의 도입도 가능하며 기본적으로는 유기 성분의 함량이 작아서 불소의 치환이 없어도 광소자에 적절한 저 손실 소재의 구현이 가능하다. 폴리실세스퀴옥산은 광통신 영역은 물론 가시광선 영역부터 자외선 영역에 이르기까지 높은 투명성을 지니고 있다.그림 4에 플라스틱 광섬유로 적용되고 있는 폴리메틸메타크릴레이트 (Polymethylmethacrylate, PMMA) 및 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 등과 같은 기존 광학 고분자와 합성된 폴리실세스퀴옥산의 광 손실 특성을 비교했다. 광통신 파장은 물론 근적외선의 영역에서 치환체의 종류에 관계없이 폴리실세스퀴옥산의 광 손실이 낮음을 보여주고 있다.폴리실세스퀴옥산에서 굴절률은 치환체에 의해 결정되기 때문에, 광 소자의 적용에 필수적인 소재 굴절률의 제어를 위해 여러 가지 공중합 방법이 적용될 수 있다. 폴리실세스퀴옥산에서 굴절률은 치환체에 의해 결정되며 일례로 폴리메틸실세스퀴옥산은 굴절률이 1.42로 실세스퀴옥산계 고분자 중 낮은 편이며 폴리페닐실세스퀴옥산은 1.60의 값을 가진다. 따라서 페닐과 메틸의 공중합을 통해 적절한 코어와 크래드 소재를 설계할 수 있다. 리소그래피나 레이저 직접 필사 등과 같은 광 경화 공정으로 소자를 제작하기 위해 광 경화기인 아크릴을 도입해 공중합을 실시했다. 그림 5에 폴리아크릴실세스퀴옥산과 폴리메틸실세스퀴옥산 공중합체의 함량에 따른 굴절률의 변화를 도시했다. 굴절률을 1.42부터 1.50까지 조절할 수 있었으며 복굴절률을 측정하는 수직(TM)과 수평 방향(TE)의 굴절률 차이는 매우 적으며 아크릴의 함량이 커지면 전혀 관찰되지 않음을 보여주고 있다.이로부터 제조된 폴리아크릴실세스퀴옥산과 폴리메틸실세스퀴옥산 공중합체는 열-기계적 특성 및 광학적 특성에서 광통신용 광소자 소재로서 매우 적절함을 알 수 있다.맺음말광대역 초고속정보망의 구축을 위해 대용량의 광통신 및 정보 기록과 정보 처리의 초고속화를 구현을 위한 신개념의 광소자 및 부품들의 개발이 필요하지만 현재까지 적용되고 있는 반도체 재료와 강유전체 무기 재료를 근간으로 한 기존의 광소자들이 거의 한계 성능을 보이고 있다. 따라서 성능 또는 경제성의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고분자 소재 및 능동 및 수동 소자용 광도파로, 플라스틱 광섬유, 정보저장 소자 등에 적용하는 기술의 개발이 필요하다.유기 기반의 고분자 소재는 저렴한 가격으로 응답속도가 빠르고, 대역폭이 수십-수백 Tbps 정도로 매우 높으며 고집적화 된 소자를 제공할 수 있는 반면 광통신 파장 영역에서 광 흡수에 의한 광 전송 손실이 큰 문제가 있다.현재까지 개발되고 있는 저손실 광도파로 고분자 소재들은 광 투과성이 좋은 물질 또는 반도체용 저유전상수 고분자 물질 등을 근간으로 해 광통신 파장에서 광 흡수에 의한 광 손실을 낮추기 위해 이중 수소 및 불소 치환한 구조로 설계 돼 왔으나 내열성, 낮은 복굴절률 및 굴절률 제어 등 추가적인 특성을 요구하고 있다.광통신 소재로서 폴리실세스퀴옥산 소재는 주쇄 골격이 유기고분자와 같은 탄화수소가 아닌 실리카와 같은 실록산 구조로 형성 돼, 광 손실이 낮으며 내열성이 뛰어난 장점이 있으며 유기고분자와 같은 가공성을 나타내기 때문에 기존의 고분자 공정을 적용할 수 있어 복잡한 구조의 광소자를 저가로 대량 생산하는 데에 유리하다. 또한 폴리실세스퀴옥산은 실록산 결합을 하지 않는 나머지 연결기를 통해 유기 관능기의 도입이 가능하며 이를 통해 광경화성등 유기 고분자가 가지고 있는 기능성을 부여할 수 있다.폴리실세스퀴옥산은 열적 안정성이 뛰어나 초기 열분해 온도가 400℃ 이상이며, 통상의 유기용제에 대해 용해성이 우수하며 중수소나 불소의 도입이 없어도 광소자에 적절한 저손실 소재의 구현이 가능하다. 또한 공중합 방법을 통해 굴절률을 쉽게 조절할 수 있으며 복굴절률을 제로화 할 수 있을 것이다. 따라서 폴리실세스퀴옥산은 새로운 광통신 소재로서 광대역 정보통신망을 위한 광소자에 우수한 적용성이 기대되고 있다.
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