KR100810916B1 - Optical waveguide and method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 피시비(PCB)의 광도파로(光導波路) 형성방법에 있어서, 하부 클래드(cladd)에 광도파로 금형홈이 형성된 피디엠에스(PDMS) 스템프를 적층시키는 클래드 형성단계와 상기 적층된 클래드에 코어물질을 중력구배와 모세관력으로 충진시키는 코어충진단계와 상기 코어충진단계에 초음파에 의한 진동을 가하여 클래드 내부에 코어를 기밀충진시키는 초음파 인가단계와 코어가 충진된 클래드에 유브이(UV)를 노광하여 코어를 경화시키는 코어경화단계와 상기 코어경화단계에 의하여 코어가 경화되면 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프를 제거하여 상부 클래브를 적층시킬 준비를 하는 피디엠에스 스템프 제거단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시비의 광도파로 형성방법에 관한 것이다.The present invention provides a method for forming an optical waveguide of a PCB, wherein a cladding step of laminating a PDMS stamp having an optical waveguide die groove formed on a lower clad and a core on the laminated clad The core filling step of filling the material with gravitational gradient and capillary force and the ultrasonic application step of applying the vibration by ultrasonic wave to the core filling step and the ultrasonic application step of hermetically filling the core inside the clad and exposing the UV to the clad filled core And a core curing step of curing the core and a PDMS stamp removing step of preparing to stack the upper clad by removing the PDMS stamp when the core is cured by the core curing step. A method for forming an optical waveguide of a PCB.
본 발명에 의하면 광신호가 직접 도파되는 코어의 표면조도(表面粗度)를 경화된 코어에 직접적으로 열처리시키는 방법을 통하여 개선 시킴으로써, 광도파로 내의 코어와 클래드 계면에서의 광 산란손실을 제거시키고, 코어물질의 미충진 문제점을 해소시키는 피시비의 광도파로 형성방법이 제공되는 이점이 있다.According to the present invention, the surface roughness of the core to which the optical signal is directly guided is improved through a method of directly heat-treating the cured core, thereby eliminating light scattering loss at the core and clad interface in the optical waveguide. There is an advantage that the optical waveguide forming method of the PCB to solve the problem of unfilled material is provided.
광피시비, 광도파로, 코어, 클래드, 표면조도, 열처리, 유리전이온도 Optical ratio, optical waveguide, core, clad, surface roughness, heat treatment, glass transition temperature
Description
도 1은 본 발명이 실시에 있어서 피디엠에스 스템프가 하부 클래드에 적층된 단계의 사시도Figure 1 is a perspective view of the step of the PDMS stamp laminated to the lower clad in the practice of the present invention
도 2는 본 발명이 실시에 있어서 클래드에 코어 물질을 충진시킨 후, 자외선으로 코어를 경화시키는 단계의 사시도Figure 2 is a perspective view of the step of curing the core with ultraviolet light after filling the core material in the clad in accordance with the present invention
도 3은 본 발명의 실시에 있어서 경화된 코어에서 피디엠에스 스템프를 제거시키는 단계의 사시도Figure 3 is a perspective view of the step of removing the PDMS stamp from the cured core in the practice of the present invention
도 4는 본 발명의 실시에 의하여 생산되는 광도파로의 도면 대용 평면 사진Figure 4 is a plan photo substitute for the drawing of the optical waveguide produced by the practice of the present invention
도 5는 종래기술방식에 의해 발생되는 코어의 미충진 불량의 도면 대용 사진5 is a drawing substitute photograph of the unfilled defect of the core generated by the prior art method
도 6은 종래기술방식에 의해 생산된 코어의 도면대용 표면사진Figure 6 is a surface photograph for the drawing of the core produced by the prior art method
도 7은 본 발명의 실시에 의하여 표면조도가 개선된 코어의 도면대용 표면사진Figure 7 is a drawing surface photo of the core surface improved surface roughness by the practice of the present invention
도 8은 본 발명의 실시에 의하여 개선되는 표면조도 그래프8 is a surface roughness graph improved by the practice of the present invention
*도면의 주요부분에 관한 부호의 설명** Explanation of symbols on main parts of drawings *
10 : 피디엠에스(PDMS) 스템프 20 : 하부 클래드10: PDMS stamp 20: lower clad
30 : 코어30: core
등록특허 10-0536486-0000Patent Registration 10-0536486-0000
논문 Embossing Polymer Waveguides for Intergrated Optical Devices/ Meather Mcknight/ NNUN REU Research Accomplishment. 2003Embossing Polymer Waveguides for Intergrated Optical Devices / Meather Mcknight / NNUN REU Research Accomplishment. 2003
본 발명은 피시비(PCB)의 광도파로(光導波路) 형성방법에 있어서, 하부 클래드(cladd)에 광도파로 금형홈이 형성된 피디엠에스(PDMS) 스템프를 적층시키는 클래드 형성단계와 상기 적층된 클래드에 코어물질을 중력구배와 모세관력으로 충진시키는 코어충진단계와 상기 코어충진단계에 초음파에 의한 진동을 가하여 클래드 내부에 코어를 기밀충진시키는 초음파 인가단계와 코어가 충진된 클래드에 유브이(UV)를 노광하여 코어를 경화시키는 코어경화단계와 상기 코어경화단계에 의하여 코어가 경화되면 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프를 제거하여 상부 클래브를 적층시킬 준비를 하는 피디엠에스 스템프 제거단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시비의 광도파로 형성방법에 관한 것이다.The present invention provides a method for forming an optical waveguide of a PCB, wherein a cladding step of laminating a PDMS stamp having an optical waveguide die groove formed on a lower clad and a core on the laminated clad The core filling step of filling the material with gravitational gradient and capillary force and the ultrasonic application step of applying the vibration by ultrasonic wave to the core filling step and the ultrasonic application step of hermetically filling the core inside the clad and exposing the UV to the clad filled core And a core curing step of curing the core and a PDMS stamp removing step of preparing to stack the upper clad by removing the PDMS stamp when the core is cured by the core curing step. A method for forming an optical waveguide of a PCB.
일반적으로 광 피시비(PCB)란 컴퓨터의 전기배선을 광배선으로 바꿔 데이터 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있는 광배선 조립기술이 구현된 광인쇄회로기판을 의미한다. 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)가 펜티엄 1에서 4로 발전하면서 그 처리속도 가 50배 가까이 향상됐음에도, 사용자의 체감 속도가 그만큼 빨라지지 않은 것은 시피유·메모리·주변기기 등의 사이를 연결하는 전기배선이 데이터 전송속도를 따라가지 못하기 때문이며, 현재 컴퓨터업계에서는 이 한계를 극복하기 위해 전기배선을 광배선으로 대체하는 연구가 진행되고 있다.In general, an optical PCB (PCB) refers to an optical printed circuit board in which an optical wiring assembly technology capable of greatly improving data processing speed by converting an electrical wiring of a computer into an optical wiring is implemented. Although the processing speed of the computer central processing unit (CPU) has improved from Pentium 1 to 4 by nearly 50 times, the user's sensation speed has not increased so much. This is because the transmission speed cannot be kept up, and the computer industry is currently conducting research on replacing electric wiring with optical wiring to overcome this limitation.
상기 광신호를 전달시키는 기판인 광 피시비(PCB)에는 고분자 광도파로가 형성되며, 상기 광도파로의 기본개념은 광섬유와 동일하나, 현재 세계각국에서는 이를 고효율로 피시비 기판상 구현시키기 위하여 노력하고 있다.The optical optical waveguide (PCB), which is a substrate for transmitting the optical signal, is formed with a polymer optical waveguide, and the basic concept of the optical waveguide is the same as that of an optical fiber, but in the world, efforts are being made to implement it on a PCB substrate with high efficiency.
이하 광섬유에 대하여 잠시 살펴보면, 플라스틱 광섬유는 고순도 아크릴 레진(PMMA : Poly methylmethacrylate)으로 된 코어(Core)와 특수 불소 폴리머(F-PMMA :Fluorinated Poly methyl methacrylate)로 만들어진 얇은 클래드(Clad)층으로 구성되며, 클래드(Clad)의 굴절율이 코어(Core)보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단 코어로부터 들어온 빛은 코어와 클래드의 접속면에서 난반사(Total Reflection)를 일으키며 광섬유 끝단으로 나간다. In the following, the optical fiber is composed of a core made of high purity acrylic resin (PMMA: Poly methylmethacrylate) and a thin clad layer made of special fluoropolymer (F-PMMA: Fluorinated Poly methyl methacrylate). Since the refractive index of the clad is lower than that of the core, the light coming from one end of the optical fiber exits to the end of the optical fiber by causing total reflection at the connection surface between the core and the clad.
상기 플라스틱 광섬유의 장점 중 하나는, 광섬유의 단면적 대비 코어의 비율이 매우 크다는 것이다. 예를 들면, 1mm Out-dia규격의 광섬유 Core dia는 0.98mm, Clad dia는 0.02mm이므로 광섬유 단면적 대비 Core 비율은 98%이다. 이는 플라스틱 광섬유의 빛 전달 효율이 매우 높다는 것을 보여준다.One of the advantages of the plastic optical fiber is that the ratio of the core to the cross-sectional area of the optical fiber is very large. For example, 1mm Out-dia standard fiber dia is 0.98mm, Clad dia is 0.02mm, so the ratio of core to fiber cross-sectional area is 98%. This shows that the light transmission efficiency of the plastic optical fiber is very high.
광도파로의 형성공정은 상기와 같은 광섬유를 피시비 기판상에 구현시키는 공정으로서, 그 제조방법으로는 포토리소그래피(Photolithography)공정, 레이저 직접묘화(Laser Direct Writing)공정, 핫 엠보싱(Hot Embossing)공정, 소프트 리소그 래피(Soft lithography) 등이 있다. The optical waveguide forming process is a process for implementing the optical fiber as described above on a PCB substrate, and the manufacturing method thereof is a photolithography process, a laser direct writing process, a hot embossing process, Soft lithography.
상기 포토리소그래피 공정은 기판 위에 클래딩 재료를 코팅하여 베이킹(Baking) 한 후, 코어 물질을 코팅시키고 감광재와 포토마스크재(photoresist)를 도포하여 포토마스크 (photomask)에 의해 노광, 현상(Developing), 식각시키는 등의 매우 복잡한 공정이다.In the photolithography process, a cladding material is coated on a substrate, baked, coated with a core material, a photoresist and a photoresist are applied, and then exposed, developed, and / or exposed by a photomask. It is a very complicated process such as etching.
상기 레이저 직접묘화공정은 평면 기판상에 고분자를 도포하고 경화시켜서 하나의 클래드층을 형성한 후 경화시켜 광도파로를 완성한다. In the laser direct drawing process, a polymer is coated and cured on a planar substrate to form a cladding layer and then cured to complete an optical waveguide.
한편, 핫엠보싱 공정은 기판에 하부 클래드층을 형성시키고 상기 하부 클래드 층에 몰드마스터(니켈 또는 실리콘으로 제작됨)를 사용하여 코어의 구조를 성형하여 코어물질을 주입한 후 상부 클래드층을 덮고 접착시켜 광도파로를 형성시키는 방법이다.Meanwhile, in the hot embossing process, a lower cladding layer is formed on a substrate, and a mold master (made of nickel or silicon) is formed on the lower cladding layer to inject a core material to cover the upper cladding layer, and then adhere the adhesive. To form an optical waveguide.
이와같은 종래기술방식으로 제작된 광도파로에서는, 광신호가 직접 도파되는 코어의 표면조도(表面粗度)가 수십 나노미터 수준을 유지하게 되어 버린다. 그런데 상기한 바와 같이 광섬유와 동일한 원리로 구현되는 광도파로는 전반사에 의하여 광이 통과하도록 한 것이므로, 광전달 효율은 광도파로 내의 코어와 클래드 계면에서의 난반사에 의존하게 되므로, 상기한 코어의 표면조도는 심각한 광의 산란손실을 발생시키는 문제점이 있다.In such an optical waveguide manufactured by the conventional technique, the surface roughness of the core to which the optical signal is directly guided is maintained at the level of several tens of nanometers. However, since the optical waveguide implemented on the same principle as the optical fiber is to allow light to pass through by total reflection, the light transmission efficiency depends on the diffuse reflection at the core and clad interface in the optical waveguide, so that the surface roughness of the core There is a problem that causes serious light scattering loss.
따라서, 현재의 광 도파로의 연구는 광의 효율적인 전달을 위한 코어 표면조도 개선에 대한 관심이 커지고 있으며, 이를 개선하기 위한 지금까지의 기존 연구들은 상기 종래기술의 문헌정보나 선행특허 10-0536486 에서 보여지는 바와 같이 코어를 성형시키는 성형틀인 피디엠에스(PDMS) 스템프의 표면 거칠기의 개선 및 피디엠에스의 표면처리 등을 통한 코어와의 점착방지를 통해 표면을 개선시키고자 하는 방향으로 진행되고 있으나, 이들은 광도파로의 간접적 표면조도개선에 국한되어 있으므로 제작된 도파로의 직접적 표면조도개선에는 제한적인 한계가 있는 실정이다.Therefore, the current research of the optical waveguide is increasing interest in improving the core surface roughness for the efficient transmission of light, and the existing studies to improve this have been shown in the prior art document or prior patent document 10-0536486 As described above, although the surface roughness of the PDMS stamp, which is a molding mold for forming the core, and the prevention of adhesion with the core through the surface treatment of the PDMS are being progressed in the direction of improving the surface, these are optical Since it is limited to indirect surface roughness improvement of the waveguide, there is a limit to the direct surface roughness improvement of the manufactured waveguide.
한편, 코어 성형에 있어서는 코어 몰드내에 코어의 미충진이 큰 문제점으로 대두되는데, 코어 성형을 위하여 피디엠에스(PDMS)를 이용하는 경우에는 하부 클래드와 표면 접촉특성이 달라, 코어물질이 충진과정에서 접촉하는 면에 대해 유동속도의 차이를 가지며, 이것은 코어 성형 불량을 의미하는 코어 미충진의 주요 원인이 되는 문제점이 있다.On the other hand, in core molding, unfilling of the core in the core mold is a big problem. When PDMS is used for core molding, surface contact characteristics of the lower clad are different, and the core material is in contact with the filling process. There is a difference in flow velocity with respect to the face, which is a major cause of the core unfilled, which means poor core forming.
또한, 복제공정을 통해 제작되는 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프의 경우 에칭시 발생된 원형 스템프의 표면거칠기가 그대로 전사됨에 따라 태생적인 표면거칠기가 존재하게 된다. 따라서, 상기 표면거칠기에 의한 접촉각의 차이로 인한 코어의 미충진이 생기고, 각 독립 몰드(이하 '채널')들 간의 충진속도 차이로 인하여 먼저 충진된 채널로 나온 코어물질이 다른 채널의 출구를 막아서 출구가 폐쇄된 채널에서 코어가 전진하지 못하여 미충진이 발생하게 되는 문제점이 있다.In addition, in the case of the PDMS stamp fabricated through the replication process, the surface roughness of the circular stamp generated during etching is transferred as it is, so that the natural surface roughness exists. Therefore, the core is not filled due to the difference in the contact angle due to the surface roughness, and due to the difference in the filling speed between the independent molds (hereinafter, 'channels'), the core material coming out of the first filled channel blocks the exit of the other channel. There is a problem that the filling is not generated because the core is not advanced in the channel of the exit is closed.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 광신호가 직접 도파되는 코어의 표면조도(表面粗度)를 개선시키는 직접적인 방법을 제시하며, 이를 통하여 광도파로 내의 코어와 클래드 계면에서의 산란손실을 제거시키는 피시비의 광도파로 및 피시비의 광도파로 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a direct method for improving the surface roughness of the core to which the optical signal is directly guided, through which the PCB to remove the scattering loss at the core and clad interface in the optical waveguide It is an object of the present invention to provide a method for forming an optical waveguide and an optical waveguide of a PCB.
또한, 코어 성형과정에 있어서 피디엠에스(PDMS)와 하부 클래드와 표면 접촉특성이 달라 발생되는 유동속도의 차이와 피디엠에스(PDMS) 스템프의 태생적인 표면거칠기에 의한 접촉각의 차이와 채널 간의 충진속도 차이로 인하여 먼저 충진된 채널로 나온 코어물질이 다른 채널의 출구를 막아서 출구가 폐쇄된 채널에서 코어가 전진하지 못하는 문제점을 극복할 수 있는 피시비의 광도파로 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, in the core forming process, the difference in the flow velocity generated due to the difference in the surface contact characteristics between PDMS and the lower cladding, and the difference in the contact angle and the filling rate between the channels due to the native surface roughness of PDMS stamps. The purpose of the present invention is to provide a method for forming an optical waveguide of the PCB which can overcome the problem that the core material coming out of the first filled channel blocks the exit of the other channel to prevent the core from advancing in the closed channel.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피시비(PCB)의 광도파로(光導波路) 형성방법에 있어서, 하부 클래드(cladd)에 광도파로 금형홈이 형성된 피디엠에스(PDMS) 스템프를 적층시키는 클래드 형성단계와 상기 적층된 클래드에 코어물질을 중력구배와 모세관력으로 충진시키는 코어충진단계와 상기 코어충진단계에 초음파에 의한 진동을 가하여 클래드 내부에 코어를 기밀충진시키는 초음파 인가단계와 코어가 충진된 클래드에 유브이(UV)를 노광하여 코어를 경화시키는 코어경화단계와 상기 코어경화단계에 의하여 코어가 경화되면 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프를 제거하여 상부 클래브를 적층시킬 준비를 하는 피디엠에스 스템프 제거단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시비의 광도파로 형성방법을 기술적 요지로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for forming an optical waveguide of a PCB, and a cladding step of stacking a PDMS stamp in which an optical waveguide mold groove is formed on a lower clad. And a core filling step of filling the laminated clad with a gravity gradient and capillary force and an ultrasonic wave applying step of applying an ultrasonic vibration to the core filling step and hermetically filling the core inside the clad and the core filled clad. A core curing step of curing the core by exposing UV (UV) and a PDS stamp removing step of removing the PDMS stamp and preparing to stack the upper clad when the core is cured by the core curing step. An optical waveguide forming method of a PCB comprising an optical waveguide is a technical gist.
여기서 상기 피시비의 광도파로 형성방법은 상기 코어경화단계에 의하여 경화된 광도파로를 유리전이온도(Tg)로 열처리하여 코어의 표면조도를 감소시키는 표면조도 형성단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시비의 광도파로 형성방법에 관한 것이다.Wherein the optical waveguide forming method of the PCB comprises a surface roughness forming step of reducing the surface roughness of the core by heat-treating the optical waveguide hardened by the core curing step at a glass transition temperature (Tg). It relates to a method for forming an optical waveguide of.
본 발명은 또한 피시비 광도파로에 있어서, 유브이(UV)에 의해 경화시킨 코어를 유리전이온도에서 ±10℃ 이내의 온도로 열처리시켜 표면조도를 개선시킨 것을 특징으로 하는 피시비의 광도파로를 또 다른 기술적 요지로 한다.In another aspect, the present invention relates to an optical optical waveguide of a PCB, characterized in that the surface roughness is improved by heat-treating the core cured by UV (UV) at a temperature within ± 10 ° C. at the glass transition temperature. Make a point.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 도면의 도 1은 본 발명이 실시에 있어서 피디엠에스 스템프가 하부 클래드에 적층된 단계의 사시도이며, 도 2는 본 발명이 실시에 있어서 클래드에 코어 물질을 충진시킨 후, 자외선으로 코어를 경화시키는 단계의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시에 있어서 경화된 코어에서 피디엠에스 스템프를 제거시키는 단계의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시에 의하여 생산되는 광도파로의 도면 대용 평면 사진이며, 도 5는 종래기술방식에 의해 발생되는 코어의 미충진 불량의 도면 대용 사진이며, 도 6은 종래기술방식에 의해 생산된 코어의 도면대용 표면사진이며, 도 7은 본 발명의 실시에 의하여 표면조도가 개선된 코어의 도면대용 표면사진이며, 도 8은 본 발명의 실시에 의하여 개선되는 표면조도 그래프이다.With reference to the drawings will be described with respect to the present invention, Figure 1 of the drawings is a perspective view of the step of the PDMS stamp is laminated to the lower clad in the embodiment of the present invention, Figure 2 is a clad in the embodiment of the present invention After filling the core material, it is a perspective view of the step of curing the core with ultraviolet light, Figure 3 is a perspective view of the step of removing the PDMS stamp from the cured core in the practice of the present invention, Figure 4 is an embodiment of the present invention Fig. 5 is a plan photo of the drawing substitute of the optical waveguide produced by the present invention, Figure 5 is a drawing substitute photo of the unfilled defect of the core generated by the prior art method, Figure 6 is a surface photo of the drawing substitute of the core produced by the prior art method. 7 is a drawing surface photograph of the core of the improved surface roughness by the implementation of the present invention, Figure 8 is a surface roughness improved by the implementation of the present invention A graph.
상기 도면과 함께 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토 대로 내려져야 할 것이다. In the following description of the present invention together with the drawings, in the case where it is determined that the detailed description of the related well-known technology or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted, and the following terms are used in the present invention. As terms defined in consideration of functions may vary according to intentions or customs of users or operators, the definitions should be made based on the contents throughout the specification for describing the present invention.
본 발명은 정보처리용 광 피시비(PCB)에서 전송손실을 낮추어 조기 실현시키기 위한 저손실 광도파로의 구현 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of implementing a low loss optical waveguide for early realization by lowering transmission loss in an information processing optical PCB (PCB).
일반적으로 광 도파로의 형성방법은 기판상에 하부클래드를 배치시키고, 상기 하부클래브 상부에 코어경로가 금형된 상부클래드를 적층시킨 후, 상기 클래드에 코어물질을 충진시키고 유브이(UV)를 노광시켜 코어를 경화시키는 공정으로 진행되는데, 상기 클래드의 미세한 코어경로로 코어물질을 침투시키기가 쉽지 않아서, 코어물질 충진시 클래드 내부에서 코어물질의 침투가 중단되어 버리는 문제점이 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 코어물질을 중력구배에 의하여 침투시키는데 병행하여 모세관력으로 코어가 침투되게 하며, 이에 더하여 상기 모세관력의 침투거리를 증폭시키기 위하여 코어물질 침투시 클래드에 초음파를 가해주는 것을 요지로 한다. In general, an optical waveguide is formed by placing a lower clad on a substrate, stacking an upper clad with a core path mold on the lower clad, and filling the clad with a core material and exposing a UV. In the process of hardening the core, it is not easy to penetrate the core material by the fine core path of the clad, there is a problem that the penetration of the core material in the clad stops when filling the core material. In order to solve this problem, the core is penetrated by capillary force in parallel to penetrating the core material by gravity gradient, and in addition, by applying ultrasonic wave to the cladding when the core material penetrates to amplify the penetration distance of the capillary force. It is the point to give.
이를 위하여 본 발명은 클래드 형성단계와 코어충진단계와 초음파 인가단계와 코어경화단계와 피디엠에스(PDMS) 스템프 제거단계와 표면조도 개선단계를 더 포함하여 이루어지는 특징이 있다.To this end, the present invention is characterized by further comprising a cladding step, core filling step, ultrasonic application step, core curing step, PDMS stamp removal step and surface roughness improvement step.
상세하게는 상기 본 발명의 클래드 형성단계는 도 1에 도시된 바와 같이 하부 클래드(cladd)(20)에 광도파로 금형홈(코어 몰드)이 형성된 피디엠에스(PDMS) 스템프(10)를 적층시키는 단계이다.In detail, the cladding step of the present invention includes laminating
상기 피디엠에스(PDMS) 스템프(10)는 코어(30) 형성용 패턴(코어 몰드패턴 : 이하 각 독립된 코어(30)패턴을 '채널(100)'로 표기함)을 갖는 것으로서 상기 하부 클래드(cladd)(20)에 적층 접착되어 코어 몰드를 형성시킨다.The
본 발명의 코어충진단계는 상기 적층된 클래드(코어 금형)에 코어물질을 충진시키는 과정으로서, 중력구배에 의한 충진력에 모세관력과 초음파 진동을 더하는 특징이 있다. 일반적으로 종래기술에 있어서는 상기 코어충진단계에서 중력구배에만 의존함으로써 코어가 도 5에 도시된 바와 같이 미충진되어 끊어지거나 미세기포가 발생되었었다.The core filling step of the present invention is a process of filling a core material in the laminated clad (core mold), and has a feature of adding capillary force and ultrasonic vibration to the filling force caused by the gravity gradient. In general, in the prior art, by relying only on the gravity gradient in the core filling step, the core is unfilled and broken or micro bubbles are generated as shown in FIG. 5.
상기 미충진 문제는 다음의 3가지의 원인으로 설명되어 지는데, 설명에 앞서 먼저, 모세관에 의한 코어의 충진율을 살펴보면 수학식 1과 같이 설명된다.The unfilled problem is explained by the following three causes. Prior to the description, the filling rate of the core by the capillary tube is described as in
[수학식 1][Equation 1]
x : 침투거리 Dh : 수력학적 반경x: penetration distance D h : hydraulic radius
σ: 계면에너지 μ: 유체의 점성σ: interfacial energy μ: viscosity of the fluid
θ:표면의 특성에 의한 접촉각θ: Contact angle due to surface characteristics
따라서, 코어(30)충진과 같은 미세 채널에서의 충진율은 수력학적 반경(Dh)과 계면에너지(σ), 유체의 점성(μ), 표면의 특성에 의한 접촉각(θ)이 중요한 요소이다. Therefore, the filling rate in the microchannel such as the filling of the
그런데, 채널형성을 위해 적층되는 피디엠에스(PDMS) 스템프(10)와 하부 클래드(cladd)(20)는 표면특성이 각기 달라, 코어(30)이 충진되는 과정에서 접촉하는 면에 따라 유동속도의 차이가 발생하게 되며, 이것이 미충진의 주요 원인으로 되고 있다.However, the
두번째로는, 복제공정을 통해 제작되는 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프(10)의 경우 에칭시 발생된 원형 스템프의 표면거칠기가 그대로 전사됨에 따라 태생적인 표면거칠기가 존재하게 된다. 따라서, 상기 표면거칠기에 의한 접촉각의 차이로 인한 코어의 미충진이 생긴다. Secondly, in the case of the
세번째로는, 채널들 간의 충진속도 차이로 인하여 먼저 충진된 채널로 나온 코어물질이 다른 채널의 출구를 막아서 출구가 폐쇄된 채널에서 코어(30)가 전진하지 못하여 미충진이 발생하게 된다.Thirdly, due to the difference in filling speed between the channels, the core material coming out of the first filled channel blocks the exit of the other channel so that the core 30 cannot move forward in the channel in which the exit is closed, thereby causing unfilled.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 발생되는 모세관력에 의한 공정에서 발생되는 코어 미충진 문제를 코어 충진시 초음파 진동에너지와 구배에 의한 중력에너지를 가해 줌으로써 해결한다.In the present invention, the core unfilled problem generated in the process by the capillary force generated as described above is solved by applying the ultrasonic vibration energy and the gravitational energy due to the gradient during the core filling.
본 발명에서와 같이 모세관력에 의해 코어(30)를 충진시킬 때, 상기 초음파 진동에너지를 가해주면 채널 내부에서 생성된 기포가 공진 반경 부근에서 큰 진폭의 팽창 과정을 겪게되어 이를 통한 압력구배의 영향으로 부력을 받으므로, 채널 내부에 생성된 기포가 채널 밖으로 배출되어 소멸하게 된다. 또한, 구배에 의한 중력에너지에 의해 채널의 끝단에서 미충진이 보완되어 도 4와 같은 코어가 실현된다.When filling the core 30 by capillary force, as in the present invention, when the ultrasonic vibration energy is applied, the bubbles generated inside the channel undergo a large amplitude expansion process near the resonance radius, and thus influence of the pressure gradient. Since it is buoyant, bubbles generated inside the channel are discharged out of the channel and disappear. In addition, the unfilled at the end of the channel is compensated by the gravitational energy due to the gradient to realize the core as shown in FIG.
본 발명의 코어경화단계는 도 2에 도시된 바와 같이 코어가 충진된 클래드(정확하게는 피디엠에스 스템프와 하부 클레드의 적층 구조물)에 유브이(UV)를 노 광하여 코어를 경화시키는 단계이다. 그런데 상기 코어 물질은 분자량이 매우 큰 고분자로서 규칙적인 배열이 힘들므로 망상구조의 형태로 얽혀있는 상태이다. 이러한 고분자 물질은 온도에 따른 분자들의 운동의 폭이 다르므로, 상기 유브이(UV)노광에 의해 경화된 코어층은 고분자 사슬들이 전혀 움직이지 못하고 주어진 위치에 고정된 상태이며, 긴 고분자 사슬로 유동을 제한하는 얽힘소를 형성시킨 상태이다. Core curing step of the present invention is a step of curing the core by exposing the UV (UV) to the clad (precise the laminated structure of the PDMS stamp and lower clad) filled with the core as shown in FIG. However, since the core material is a polymer having a very high molecular weight, it is difficult to arrange regularly, and thus the core material is entangled in the form of a network structure. Since the polymer material has a wide range of motion of molecules with temperature, the core layer hardened by UV exposure is fixed at a given position without moving the polymer chains at all, and flows into a long polymer chain. It is the state which formed the restrictive entanglement.
이러한 상태에서의 고분자 분절들에서는 저분자 물질의 결정 상태의 동태(動態)와 같이 고정된 위치를 중심으로한 진동 수준의 분절운동이 이루어진다.In this state of the polymer segment, the segmental motion of the vibration level is made around a fixed position such as the dynamic state of the crystalline state of the low molecular material.
한편 상기 코어경화단계에 의하여 형성된 코어의 표면상태를 살펴보면, 상기한 바와 같이 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프(10)가 태생적으로 가지는 표면거칠기에 의하여 코어표면에도 상기 피디엠에스(PDMS) 스템프(10)의 표면거칠기가 그대로 전사되어 표면조도가 도 6에 도시된 바와 같이 매우 조악한 상태가 된다. On the other hand, when looking at the surface state of the core formed by the core hardening step, the PDMS stamp (10) on the surface of the core due to the surface roughness of the PDMS stamp (10) inherently ) Surface roughness is transferred as it is, the surface roughness is very coarse as shown in FIG.
이런 코어에 열에너지가 주어지면 고분자 분절의 운동이 점차 활성화되고, 주어진 열에너지가 고분자의 국지적 평행이동 및 회전에 필요한 에너지 장벽과 비슷한 수준의 온도 영역인 유리전이온도 근방(유리전이온도에서 ±10℃ 이내의 온도)에서는 유브이(UV) 경화에 의해 불안전하게 얽혀있던 고분자들의 국지적인 확산 및 다른 위치로의 이동으로 인하여 코어층 표면의 점도 및 표면장력이 감소하게 되며, 이에 의해 광손실의 주요인이 되는 표면조도를 도 7과 같이 개선할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명은 상기 코어경화단계 이후에 광이 도파되는 코어를 유리전이온도 부근의 온도로 열처리시켜 표면조도의 개선시키며, 이로인해 피디엠에스(PDMS) 스템프의 표면조도 개선노력 및 표면처리 기법에 의한 표면조도 개선의 한계를 극복할 수 있게되는 또 다른 이점이 있다. When thermal energy is given to these cores, the movement of the polymer segment is gradually activated, and the given thermal energy is near the glass transition temperature (within ± 10 ° C at the glass transition temperature) where the temperature range is similar to the energy barrier required for the local translation and rotation of the polymer. Temperature) decreases the viscosity and surface tension of the core layer surface due to local diffusion and transfer to other locations of polymers that are insecurely entangled by UV curing. The illuminance can be improved as shown in FIG. Accordingly, the present invention improves the surface roughness by heat-treating the core to which light is guided after the core curing step to a temperature near the glass transition temperature, thereby improving the surface roughness of PDMS stamps and the surface treatment technique There is another advantage that can overcome the limitations of surface roughness improvement.
도 8은 본 발명에서 고안된 열처리기법을 통한 광도파로 코어층의 표면조도의 개선정도를 나타낸 그래프이며, X축의 가해지는 열량에 대비한 Y축의 표면조도(낮을수록 매끈함)의 개선정도가 일목요연하게 표현되고 있음을 알 수 있다.8 is a graph showing the degree of improvement of the surface roughness of the optical waveguide core layer through the heat treatment method devised in the present invention, the degree of improvement of the surface roughness (the lower the smoother) of the Y axis against the amount of heat applied to the X axis is clearly expressed. It can be seen that.
이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다. Embodiments shown for the purpose of the present invention described above are only one embodiment in which the present invention is embodied, and as shown in the drawings, it can be seen that various forms of combinations are possible to realize the gist of the present invention.
따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims. It will be said that the technical spirit of this invention is to the extent possible.
이상 설명한 본 발명에 의하여 광신호가 직접 도파되는 코어의 표면조도(表面粗度)를 경화된 코어에 직접적으로 열처리 시키는 방법을 통하여 개선시킴으로써, 광도파로 내의 코어와 클래드 계면에서의 광 산란손실을 제거시킨 피시비의 광도파로 및 피시비의 광도파로 형성방법이 제공되는 이점이 있다.According to the present invention described above, the surface roughness of the core to which the optical signal is directly guided is improved by directly heat-treating the cured core, thereby eliminating light scattering loss at the core and clad interface in the optical waveguide. There is an advantage that an optical waveguide of the PCB and a method of forming the optical waveguide of the PCB are provided.
또한, 모세관력과 구배에 의한 중력 그리고 초음파의 인가에 의하여 피디엠에스(PDMS)와 하부 클래드와 표면 접촉특성 차이에 의해 발생되는 유동속도차가 극복되며, 피디엠에스(PDMS) 스템프의 태생적인 표면거칠기에 의한 접촉각의 차이와 채널 간의 충진속도 차이로 인하여 먼저 충진된 채널로 나온 코어물질이 다른 채널 의 출구를 막아서 출구가 폐쇄된 채널에서 코어가 전진하지 못하는 문제점을 극복되는 피시비의 광도파로 형성방법이 제공되는 이점이 있다.In addition, the flow velocity difference caused by the difference in surface contact characteristics between PDMS and the lower cladding by capillary force, gravitational force and application of ultrasonic waves is overcome, and the inherent surface roughness of PDMS stamp Due to the difference in contact angle and filling speed between channels, the core waveguide formed by the first filled channel blocks the exit of another channel, thereby overcoming the problem of the core not moving forward in the closed channel. There is an advantage.
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