裴秉水 공학박사 / KAIST 재료공학과 교수 서론 인터넷을 비롯한 각종 데이터와 고화질의 비디오 서비스를 포함하는 광대역 서비스는 기존의 음성 서비스를 능가하는 통신 서비스의 핵심이 될 것이고 이러한 광대역 서비스를 가입자에게 원활하게 공급하기 위하여 광섬유를 가입자단까지 직접 연결하는 광가입자망에 대한 관심이 높아지고 있다. 그림 1과 같이 통신망은 고속 대용량의 통합된 정보를 전송하기 위한 기간망 (Long Haul)과 사용자와 기간망 사이의 정보전달을 위한 메트로망(Metro)과 가입자망(Acess)으로 계층화되어 구성된다. 따라서 광대역 서비스는 궁극적으로 차세대 초고속 정보통신망의 가입자망의 구축과 운영에 의해 완결되어지는 것으로 차세대 광통신기술의 핵심으로 자리 잡을 전망이다. 가입자망에 사용되는 광섬유는 단순히 전송 채널로서의 역할만 하게 되지만, 효율적인 근거리 광통신망의 구축을 위해서는 다양한 기능을 갖는 기능성 광소자들을 필요로 하게 된다. 예를 들어 하나의 플라스틱 광섬유에서 나오는 신호를 나눠주는 광분활기와 원할때만 광신호를 받아들이는 광스위치 등 여러 기능성 소자들이 필요하게 된다. 향후 가입자망 구축에 따라서 필요한 광소자 및 부품의 수요는 기하급수적으로 증대되어서 광산업의 주요 제품으로 자리 잡을 것으로 전망된다. 따라서 광통신부품은 성능이 우수하기 보다는 가격이 싸고 안정적으로 사용될 수 있는 신뢰성을 가져서 가입자망에 사용될 수 있게 하는 것이 향후 가입자망 구축의 최대 현안이 되고 있다. 단일 기판위에 광도파로 회로를 구성하여 광소자를 제조하는 평판광회로(Planar Lightwave Circuit, PLC)는 광기술의 궁극적인 목표인 집적광학을 실현하는 핵심기술이다. 특히, 실리콘 기판위에 형성하는 실리카나 폴리머의 유전체막 광도파로를 이용한 수동 또는 기능성 PLC소자는 차세대 광대역 정보통신망의 구축에 절대적으로 필요한 기술이다. 최근 실리카 및 폴리머 광도파로를 이용한 PLC소자는 WDM광소자, 광연결 소자, 광분활기 및 광결합기 등과 같은 수동소자와 열광학 스위치, 가변감쇄기 등의 열광학 소자에 활발히 응용되고 있다. 실리카 광도파로는 화염가수분해증착(Flame Hydrolysis Deposition, FHD)와 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)등의 기상증착에 의해 제조되는데 낮은 광손실 (<0.01dB/cm 이하) 및 접속 손실과 우수한 열적 및 화학적 안정성을 갖고 있어 현재 다양한 수동형 광도파로소자에 상용화되고 있다. 그러나 실리카 광도파로는 1000℃ 이상의 고온 제작공정과 고가의 제조장비가 필요하며, 고온공정의 열스트레스에 의한 편광으로 복굴절을 야기하는 문제점이 있다. 그리고 실리카의 열광학계수가 낮고 광기능성의 유입이 불가능하기 때문에 능동형 광소자의 개발이 어렵다. 실리카와 함께 현재 많이 사용되고 있는 폴리머 광도파로는 재료가 분자화학에 의해 물질의 성능이 쉽게 제어/합성될 수 있고 제조공정이 저온 단순공정이어서 경제적일 뿐 아니라 다양한 공정의 적용이 가능하여 경쟁력이 높다. 특히, 열광학계수가 높고 광기능성 유입이 용이하여 현재 능동형 광소자에 많이 적용되고 있다. 가입자망용 광통신부품은 일반적인 가정이나 오피스에서 범용으로 사용되는 부품으로 부품의 성능보다는 가격이 전체 기술을 결정하는 중요한 항목이 될 것이다. 따라서 가입자망용 광통신 부품의 소재로서 사용되기 위해서는 저렴한 소재, 간편하고 용이한 제조공정 기술, 대량 제작기술의 적용, 소재 및 부품의 안정성, 신뢰성, 유연성 및 연결성 등이 만족되어야 한다. 현재 폴리머재료가 이에 맞는 재료로서 가장 각광을 받고 있으나 열적 불안정성 등의 신뢰성이 문제가 되고 있다. 그리하여 저온에서 균일하고 고순도의 산화물 유리를 용이하게 제조할 수 있는 제조공정인 솔-젤 공정에 의해 제조되는 실리카 및 무-유기 하이브리드재료 또한 유망한 광도파로 소재로서 부각되고 있다. 특히, 솔-젤 광도파로 소재는 아직 전세계적으로 연구 초기의 단계이고 국내의 기술이 선도그룹으로 인정 받고 있어서 원천기술을 확보할 수 있는 유망한 소재이다. 솔-젤 광도파로 소재의 개발 1972년 최초로 Urlich등에 의해서 PbO-SiO2계 광도파로를 제조하여 1.064nm파장에서 0.3dB/cm의 광손실을 보고한 이후, TiO2-SiO2 및 GeO2-SiO2등의 Silicate계 유리막의 광도파로 연구가 수행되었다. 특히, 80년대부터 솔-젤재료의 특성을 이용한 Embossing 또는 Laser Writing 등의 특수 공정에 의한 광도파로가 제조되어 흥미를 끌었다. 그러나 솔-젤 실리카막 제조시에 생성되는 균열, OH흡수에 의한 광손실의 증대, 신뢰성의 저하 등 많은 문제점이 제기되어 광소자화로 발전되지 못하였다. 그러나 90년대 초반에 30mm이상의 두꺼운 막의 제조가 가능한 획기적인 Spin Coating and Rapid Thermal Annealing(SC-RTA)기술이 성공적으로 수행되어 광분배기 및 열광학 스위치 등의 다양한 광소자는 물론 MEMS소자 등에 적용되었다. SC-RTA공정은 솔-젤 실리카막을 건조 및 소결없이 Spin Coating후에 수축응력을 제거하기에 충분한 온도로 가열하는 공정을 반복하여 두꺼운 막을 제조하는 공정으로 이를 이용한 솔-젤 실리카 광도파로는 실용성이 인정되어 한때 유럽을 중심으로 집중적으로 연구개발 되었으나 상용화에는 성공하지 못하였다. 최근에는 솔-젤 공정를 이용한 광경화형 유기물을 실리카에 결합시킨 광경화형 솔-젤 무-유기 하이브리드재료가 기존 실리카의 가공성 및 폴리머의 열안정성의 한계를 극복할 수 있는 재료로서 흥미를 모으고 있다. 90년대 초반 독일의 INM연구소는 ZrO2가 첨가된 실리카와 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)의 하이브리드재료의 광경화를 이용한 광도파로 제조의 가능성을 제기하였다. 솔-젤 하이브리드재료는 저온 솔-젤공정으로 Spin Coating에 의해 용이하게 제조될 수 있으며 기존의 실리카와 폴리머 광도파로 재료의 특성을 상충시킬 수 있어서 앞으로 통신용 광부품 소재로 적극적으로 사용될 전망이다. Organoalkoxysilane을 이용하여 제조된 실리카-폴리머의 나노 단위의 분자구조를 함께 갖는 솔-젤 하이브리드재료는 실리카 망목과 유기그룹의 중합을 통한 가교로 구성되므로 분자 단위에서 매우 높은 균일성을 가져 우수한 광투과성을 나타내며, 이러한 구조적인 특징상 하이브리드 재료에서 우수한 화학적 안정성과 내마모성을 기대할 수 있다. 유기그룹의 망목구조를 지니는 이 재료의 또 다른 장점은 유기그룹이 단순히 수식제 역할만 하는 경우에 비해 훨씬 두꺼운 막을 형성할 수 있다는 점이다. 이러한 구조적인 균일성과 막두께 조절의 용이성으로 인하여 솔-젤 하이브리드재료는 광도파로 소재로서 유망하다. 특히, 그림 2와 같이 광조사에 의해 굴절률의 증가 및 습식에칭에 의해 채널 광도파로가 생성되는 간단한 제조공정을 적용할 수 있어서 폴리머를 대체할 수 있는 새로운 광도파로 소재로 인정을 받고 있다. 최근 세계 여러 연구그룹 및 업체에 의해 솔-젤 하이브리드재료의 광경화 광도파로 제조공정에 의한 광커플러, 광분배기, 격자소자, 광증폭기등의 광소자 개발이 보고되었다. 그러나 솔-젤 재료의 원천적인 단점인 재료내에 OH기의 함유는 1550nm 광통신파장에서의 광손실의 증대를 야기시켜서 최대 현안이 되고 있다. 그리하여, 솔-젤 하이브리드재료 제조시에 페닐 또는 불소기 등의 소수성 유기그룹을 도입하여 잔류 OH량을 최소화 하거나 물의 사용없이 제조될 수 있는 비가수 솔-젤공정을 이용하여 광손실을 개선하고 있다. 그리하여 최근 국내외에서 1550nm 광통신파장에서 약 0.3dB/cm의 낮은 광손실을 보고하고 있다. 그러나 가입자망에서는 광전송 길이가 짧고 광통신파장이 다른 파장으로 변경될 가능성이 있어서 광손실의 문제는 크지 않을 것으로 예상하고 있다. 솔-젤 광도파로 제작기술 개발 최근에 더욱 발전된 공정기술로서, UV 조사동안에 단량체들이 광화학 분해에 의해서 솔-젤 matrix의 광경화(polymerization)는 물론 광분해 라디칼들은 matrix내에 locking 또는 fixing(photolocking)된 후에 열처리시 광조사 이외 부문의 단량체들은 증발되어 최종적으로 광조사 부문의 굴절률 증가는 물론 두께가 높아져서 직접 광조사에 의해서 채널 광도파로가 제조된다. 즉, photo locking이라는 현상은 굴절률이 낮은 솔-젤 하이브리드 재료 막 내에 높은 굴절률과 이동성, 휘발성을 갖는 광화학첨가제를 첨가하여, 적당한 파장의 빛을 조사하여 광화학 반응을 통해 이동성과 휘발성을 감소시켜 막내에 고정시켜 빛을 조사한 부분은 높은 굴절률과 두꺼운 두께를 갖게 되고, 반응하지 않은 첨가제는 열처리에 의해서 제거되므로 빛을 조사하지 않은 부분은 굴절률이 낮아지고 두께도 낮아져서 채널 광도파로를 매우 용이하게 제작 할 수 있다. 이와 같이 광화학반응을 이용하여 PR공정은 물론 습식 식각 또는 건식 식각의 공정을 거치지 않고 직접 광패턴에 의해 광도파로를 제조하는 공정을 Photochemical Self-Developing (PSD)공정으로 불리운다. 이와 같이 PSD공정의 개략적인 설명과 PSD공정에 의해서 제조된 저손실 광도파로와 광도파로를 통과한 단일모드 near field image를 그림 3에 보여주고 있다. 그리고 가입자망용 광통신부품의 제조에 있어 가장 중요한 요소가 되는, 공정비용의 절감 및 대량 생산 가능성의 극대화를 위하여 몰딩 기법을 이용한 soft lithography법으로 광도파로 제조가 가능하다. 몰딩 기법을 이용하여 광도파로를 제작하는 방법은, 제작을 원하는 소자와 같은 형태를 갖는 정밀한 원판을 제작한 후, 이 원판과 음각이 바뀐 패턴을 가지는 몰드를 형성하고, 이 몰드를 이용하여 원하는 소재를 원판과 같은 형태로 복사하는 과정을 거치게 된다. UV 몰딩법은 이러한 soft lithography법을 솔-젤 하이브리드 재료에 접합시켜 광경화를 유도함으로서 광도파로의 제조가 가능하다. UV 몰딩법은 크게 Embossing 방법과 Stamping 방법으로 나뉘는데, 두 공정을 구별 짓는 기준은 몰딩기법을 이용한 광도파로 제작 방법의 마지막 단계인 솔-젤 하이브리드 재료로의 복사 방법을 구별한 것으로, 경화되기 전의 솔-젤용액이 몰드와 기판 중에 어느 쪽에 발라져 있는가로 구분된다. Embossing 방법은 준비된 기판에 솔-젤 용액을 코팅한 후, 몰드를 덮고 적절한 압력을 가하여 몰드의 패턴 부분에 솔-젤용액이 채워지도록 밀어냄으로써 패턴을 복사하는 방법이다. 다음으로 Stamping 방법은 솔-젤용액을 기판에 코팅하는 것이 아니라 패턴을 가지는 몰드 위에 솔-젤 용액을 얇게 채운 후, 기판에 조심스럽게 접착하고 적절한 압력을 가하여 원하는 패턴을 얻는 방법이다. 이와 같이 UV 광경화에 의한 몰딩법과 형성된 광도파로를 그림 4에 나타내었다. 몰딩법에 의해 제조되는 솔-젤 하이브리드재료 광도파로 제작기술은 롤러 마스터의 연속공정을 이용하여, 향후 저렴한 가격의 가입자망 광통신부품의 대량 생산공정으로 매우 유망한 제조기술이다. 결론 이상과 같이 솔-젤 하이브리드재료는 직접 광패턴 및 몰딩 공정에 의해 저렴하고 단순, 용이하게 광도파로를 제작할 수 있고 열적 및 화학적 안정성이 높아 광부품의 신뢰성 향상을 도모할 수 있는 새로운 광도파로 소재이다. 따라서 향후 시장규모가 확대될 가입자망 광통신부품과 광연결 기술의 광도파로의 소재공정기술로 적용될 가능성이 높다.