KR100517491B1 - 광학 고분자 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임의의 비율로 혼합되어 있는 화학식 1로 표시되는 공중합체와 화학식 2로 표시되는 공중합체를 포함하는 광학 고분자 조성물을 제공한다.
상기식중, A 및 B는 폴리아릴렌설피드, 폴리할로아릴렌설피드, 폴리술폰, 폴리할로술폰, 폴리술포네이트, 폴리할로술포네이트, 폴리카보네이트, 폴리할로카보네이트 또는 폴리아크릴레이트를 구성하는 반복단위중에서 서로 다르게 선택되고(여기에서 상술한 할로겐 화합물들은 화합물내의 C-H, O-H, S-H 또는 N-H 결합에서의 수소가 불소(F) 및 염소(Cl)중에서 선택된 적어도 하나에 의하여 부분적으로 치환되어 있거나 완전히 치환되어 있음), 0<n<1, 0<k<1, 0<m<1, 0<ℓ<1(여기에서, n, k, m 및 ℓ은 몰분율(mole fraction)으로서, n+k=1이고, m+ℓ=1임)이고, 0<X<100, 0<Y<100 (단, X+Y=100)이다. 본 발명의 광학 고분자 조성물은 동일한 반복단위를 갖되 공중합비는 서로 다른 고분자의 혼합중량비를 적절히 조절함으로써 원하는 굴절율값을 갖는 광학 재료를 얻을 수 있다. 그리고, 광도파로를 구성하는 코아와 클래드의 굴절율 차이를 미세조절하는 것이 용이하여 광도파로 소자를 제조하기가 종래의 경우에 비하여 매우 쉬워진다.
Description
본 발명은 광학 고분자 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 광도파로를 구성하는 코아와 클래드의 굴절율 차이를 미세하게 조절할 수 있는 광학 고분자 조성물에 관한 것이다.
광학렌즈 또는 컴팩트 디스크와 같은 광학기판 등에는 일반적으로 고분자가 이용되고 있다. 최근에는 이러한 고분자를 근적외선 영역에서의 광운송을 위한 광도파용 재질로 이용하고자 하는 연구가 시도되고 있다.
그러나, 상기와 같은 분야에 적용되어 온 고분자들은 통상 1000 내지 1700nm의 근적외선 파장 영역의 광을 흡수한다. 고분자가 근적외선 영역의 광을 흡수하는 것은 알킬기, 페닐기, 기타 유사한 작용기의 탄소-수소(C-H) 결합의 스트레칭(stretching) 진동과 디포메이션(deformation) 진동에 따른 고조파(harmonics)의 배음(overtone)에 기인된 것이다. 따라서, 상기와 같은 고분자를 근적외선 파장 영역의 광을 이용하는 광도파용 재료로서 이용하는 것은 광진행손실이 매우 크기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 광진행손실을 줄이기 위해서는 광흡수 파장 영역을 근적외선 파장영역에서 이보다 장파장 또는 단파장 영역으로 이동해야 한다. 이를 위해서는 C-H 결합의 수소를 불소(F)나 중수소(D)로 치환하는 방법이 제안되었다.
상기 방법중 수소를 중수소로 치환하는 방법을 사용하는 경우, C-D 결합은 1500nm 파장대의 광을 매우 많이 흡수하기 때문에 1500nm 파장대를 이용하는 광통신소자용 재료로 사용하는 것은 적합하지 않다. 반면, 수소를 불소로 치환하는 방법은 1000∼1700nm 파장대의 광흡수손실을 최소화할 수 있는 방법으로 확인되었다.
한편, 광도파로 소자 제조시 광신호가 코아를 통하여 도파될 수 있도록 코아를 감쌀수 있는 클래드가 필요하다. 이 때 광통신 파장 영역에서 클래드는 코아보다 굴절율이 낮아야 한다. 이러한 코아와 클래드의 굴절율 차이는 광도파로의 크기를 결정하며, 광도파로 소자의 설계에도 큰 영향을 미친다.
고분자의 굴절율은 일반적으로 그 분자구조에 의하여 결정된다. 종래에는 굴절율이 서로 다른 코아와 클래드용 재료를 만들기 위해서는 먼저 소정 크기의 굴절율을 갖는 제1고분자를 일차적으로 얻은 다음, 이 고분자의 일부를 변형하여 미세한 굴절율 차이를 갖는 제2고분자를 제조하여 이 제1고분자와 제2고분자를 코어와 클래드용 재료로 각각 이용하였다.
광도파로 소자용 재료는 일반적으로 다음과 같은 조건을 만족시켜야 한다.
먼저, 광특성 측면에서 살펴보면, 광진행손실을 줄이기 위해서는 먼저 재료 자체의 광흡수손실이 낮아야 한다. 그리고 공정특성 측면에서 살펴 보면, 광도파로를 제조할 수 있도록 성막성이 우수하여야 하고, 공정중의 외부적인 요인에 의한 손상 등에 견딜수 있는 열적 특성, 편광 특성 등이 양호해야만 한다.
그런데, 상술한 조건을 만족시키면서 소정의 굴절율을 갖는 고분자를 독립적으로 합성해내는 것은 많은 인력 및 시간적인 투자를 필요로 할 뿐만 아니라, 현실적으로 매우 어려운 일이다. 또한, 상술한 바와 같이 코아는 클래드에 비하여 굴절율이 높아야 하기 때문에 코아 형성용 고분자의 구조를 클래드 형성용 고분자의 구조와 유사하게 만드는 경우, 클래드 형성용 고분자에 비하여 코아 형성용 고분자내에 함유된 불소의 함유량을 감소시켜야 한다. 그러나 이와 같이 고분자내의 불소 함유량을 감소시키면 재료 자체의 광흡수에 의하여 광전달손실이 유발되는 문제점이 있다.
원하는 굴절율 차이 특성을 만족시키는 코아와 클래드용 재료를 얻기 위하여 서로 다른 굴절율을 갖는 화합물을 적정한 혼합비로 혼합하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이 방법에 따라 여러 가지 화합물들을 혼합해 본 결과, 상분리(phase separation) 현상이 발생되어 실질적으로 사용이 불가능하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 상분리 문제를 해결하여 광도파로용 재료로서 요구되는 굴절율 값을 갖는 광학 고분자 조성물을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 임의의 비율로 혼합되어 있는 화학식 1로 표시되는 공중합체와 화학식 2로 표시되는 공중합체를 포함하는 광학 고분자 조성물을 제공한다.
<화학식 1>
<화학식 2>
상기식중, A 및 B는 폴리아릴렌설피드, 폴리할로아릴렌설피드, 폴리술폰, 변형된 폴리술폰(예: 폴리에테르술폰, 폴리설피드술폰), 폴리할로술폰, 변형된 폴리할로술폰, 폴리술포네이트, 변형된 폴리술포네이트(예: 폴리에테르술포네이트, 폴리설피드술포네이트), 폴리할로술포네이트, 변형된 폴리할로술포네이트, 폴리카보네이트, 폴리할로카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리할로아크릴레이트, 폴리아릴렌에테르, 폴리할로아릴렌에테르, 폴리에스테르, 폴리할로에스테르, 폴리올레핀(예: 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌), 폴리할로올레핀, 폴리비닐할라이드, 폴리옥솔, 폴리할로옥솔, 폴리디옥솔, 폴리할로디옥솔, 폴리시올, 폴리할로시올, 폴리디시올, 폴리할로디시올, 폴리옥솔린, 폴리할로옥솔린, 폴리디옥솔린, 폴리할로디옥솔린, 폴리시올린, 폴리할로시올린, 폴리디시올린, 폴리할로디시올린, 폴리이미드, 변형된 폴리이미드(예: 폴리에스테르이미드, 폴리에테르이미드, 폴리설피드이미드), 폴리할로이미드, 변형된 폴리할로이미드, 폴리아미드, 폴리할로아미드, 변형된 폴리아미드(예: 폴리에스테르아미드, 폴리에테르아미드, 폴리설피드아미드), 변형된 폴리할로아미드, 폴리스티렌, 폴리할로스티렌, 폴리실록산, 폴리할로실록산, 폴리실란, 폴리할로실란, 폴리말레이미드, 폴리비스말레이미드, 폴리할로말레이미드, 폴리포스파진, 폴리할로포스파진, 폴리포스포네이트 또는 폴리할로포스포네이트를 구성하는 반복단위중에서 서로 다르게 선택되고(여기에서 상술한 할로겐 화합물들은 화합물내의 C-H, O-H, S-H 또는 N-H 결합에서의 수소가 불소(F) 및 염소(Cl)중에서 선택된 적어도 하나에 의하여 부분적으로 치환되어 있거나 완전히 치환되어 있음),
0<n<1, 0<k<1, 0<m<1, 0<ℓ<1(여기에서, n, k, m 및 ℓ은 몰분율(mole fraction)으로서, n+k=1이고, m+ℓ=1임)이다.
본 발명의 광학 고분자 조성물은 공중합비가 서로 다른 고분자 즉, 화학식 1의 공중합체와 화학식 2의 공중합체를 적절한 비율로 혼합함으로써 광도파로를 구성하는 코아와 클래드의 굴절율 차이를 미세조절할 수 있다. 이 때 상기 조성물을 구성하는 화학식 1의 공중합체와 화학식 2의 공중합체의 혼합비는 어떠한 비율이여도 무관하다. 그리고 화학식 1의 공중합체와 화학식 2의 공중합체간의 상분리가 거의 일어나지 않기 때문에 상분리로 인하여 발생되는 광산란 손실이 최소화된다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광학 고분자 조성물에 대하여 살펴보기로 한다.
화학식 3의 공중합체와 화학식 4의 공중합체는 제1반복단위 (퍼플루오로-2,2-디메틸-1,3-디옥솔)(fluoro-2,2-dimethyl-1,3-dioxole)와 제2반복단위 (테트라플루오로에틸렌)(tetrafluoroethylene)을 포함하고 있다. 이러한 제1반복단위 및 제2반복단위의 공중합비에 따라 서로 다른 굴절율 값을 갖는 화학식 3의 공중합체와 화학식 4의 공중합체를 임의의 비율로 혼합하여 광학 고분자 조성물을 제조한다. 이 때 이 조성물의 굴절율은 화학식 3 및 4의 공중합체의 혼합중량비에 의하여 결정된다.
상기식중, n, k, ℓ, m, X 및 Y는 상술한 바와 같다.
상기 고분자 조성물은 광산란 문제를 야기할 만한 상분리 현상이 발생되지 않으며, 광도파로 소자를 구성하는 코아와 클래드의 굴절율 차이를 미세하게 조절하는 것이 용이하여 코아 및 클래드 재료로서 매우 유용하게 사용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 광학 고분자 조성물은 화학식 1 및 2에서 반복단위 A와 B의 공중합비와, 동일한 반복단위를 갖되 공중합비는 서로 다른 제1고분자와 제2고분자의 혼합중량비를 조절함으로써 원하는 굴절율값을 갖는 광학 재료를 얻을 수 있다. 그리고 이러한 광학 고분자 조성물을 이용하면, 광도파로를 구성하는 코아와 클래드의 굴절율 차이를 미세조절하는 것이 용이하여 광도파로 소자를 제조하기가 종래의 경우에 비하여 매우 쉬워진다.
본 발명의 광학 고분자 조성물은 광전집적회로(Opto Electronic Integrated Circuits :OEIC), 광-전자 혼합배선판(Opto-Electrical Mixed Wiring Board: OEMWB), 하이브리드 집적화소자(Hybride Integration), 플라스틱 광섬유(Plastic Optical Fiber), 광다중기판소자(Multi Chip Module: MCM) 등과 같은 광통신용 소자 제조시 필수적인 광학재료로서 매우 유용하게 사용할 수 있다.
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