KR20010020931A

KR20010020931A - 광필터용 유리 및 광필터

Info

Publication number: KR20010020931A
Application number: KR1020000029707A
Authority: KR
Inventors: 고토나오유키
Original assignee: 가지카와 히로시; 가부시키가이샤 오하라
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-03-15
Also published as: CN1286230A; JP2001066425A; EP1081512A1; TWI231294B; KR100394044B1; US20020155300A1; EP1081512B1; CN1132793C; DE60001609D1; DE60001609T2; JP3399883B2; US6461733B1; MY127416A

Abstract

본 발명은 -20℃ 내지 +70℃의 온도범위에서 90×10^-7/℃ 내지 120×10^-7/℃의 범위내의 열팽창 계수를 가지고, 바람직하게 75 GPa 이상의 영률 및 550 이상의 비커스 경도를 가지며, 또한 950 ㎚ 내지 1600 ㎚의 파장 범위 내에서 10 ㎜ 두께 플레이트의 광투과율이 90%이상인 광필터용 유리에 관한 것이다.

Description

광필터용 유리 및 광필터{GLASS FOR A LIGHT FILTER AND A LIGHT FILTER}

본 발명은 광필터용 유리 및 유리를 이용한 광필터에 관한 것이다.

광필터는 특정 파장의 광을 차단하고 통과시키는 것 및 파장에 관계없이 광의 강도를 저하시키는 것이 있다. 전자의 광필터는 특정 파장의 광만을 통과시키는 대역 통과 필터(band pass filter), 특정 파장의 광만을 차단하는 노치 통과 필터(notch pass filter), 및 특정 파장보다 길거나 짧은 파장의 광만을 통과시키는 고주파 통과 필터(high pass filter) 및 저주파 통과 필터(low pass filter)를 포함한다. 후자의 광필터는 ND 필터를 포함한다.

광필터는 또한 흡수형 필터 및 간섭형 필터로 분류할 수 있다. 흡수형 필터로 대표적인 것은 ND 필터가 있고 간섭형 필터로 대표적인 것은 대역 통과 필터가 있다. 사진용 필터와 같은 흡수형 광필터에는 플라스틱 재질의 기판을 사용할 수 있지만, 강력한 레이저빔을 받게되는 광필터의 기판으로는 내구성 및 내열성이 요구되기 때문에, 사용되는 기판으로는 비결정질 유리만이 배타적으로 사용되고 있다.

대역 통과 필터는 유리와 같은 재질의 기판 상에 예를 들면 높은 굴절률을 가진 유전체 박막 필름(H층)과 낮은 굴절률을 가진 유전체 박막 필름(L층)을 교대로 적층시킨 구조의 유전체 다층필름을 성막하여 제조하고 있다.

WDM(Wavelength Division Multiplexing: 파장분할 다중방식) 광통신 시스템에 사용되고 있는 대역 통과 필터에 있어서, 통과 파장의 밴드 폭을 좁게 설정하여 보다 높은 밀도의 파장을 적용시키고자 하는 경우, 밴드의 중심파장의 온도안정성이 문제가 된다. 보다 상세하게 설명하면, 대역 통과 필터는 온도의 근소한 변화에서도 밴드의 중심주파수가 변동되는 민감한 소자이기 때문에 대역 통과 필터가 사용되는 경우 온도 조절기에 의한 온도의 보상(temperature compensation)이 이루어져야만 한다. 그러나 대역 통과 필터가 위치하는 공간의 제한 때문에 상기 온도 조절기는 실제로 사용할 수 없다. 광 정보량의 증가에 따라 밴드 폭을 좁게하는 것이 필수적이기 때문에 온도안정성의 중요성은 커지고 있다.

종래에는 비결정질 유리가 대역 통과 필터용 기판으로 사용되어 왔지만 종래의 기판은 열팽창특성 및 기계적 강도가 충분하게 높지 않기 때문에 필름에 대한 압축응력 및 내구성이 충분하지 않다. 또한, 비결정질 유리는 낮은 표면경도를 가진다. 따라서 비결정질 유리는 광필터용 기판, 특히 대역 통과 필터용 기판으로 요구되는 특성을 충분히 만족시키지 못하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서 설명한 종래의 기판의 단점이 없고, 단층 또는 다층 필름으로 성막된 필터의 사용온도에서 굴절률의 변동을 방지하기에 충분한 열팽창 특성을 가지며(즉, 열팽창계수를 높게 하여 필름에 압축응력을 부여하고 필름의 굴절률의 온도안정성을 개선시킨다) 또한 필터에 충분한 내구성을 부여하는 기계적 특성 및 광투과성이 우수한 광필터용 기판에 적합한 재질을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 기판으로 제조된 광필터를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 축적된 연구 및 본 발명의 발명자에 의해서 실시된 실험 결과에 의해 일정한 범주내의 열팽창계수, 기계적 강도 및 광투과성을 가지는 유리가 본 발명의 목적을 달성하기에 적합하다는 것이 발견되었다.

본 발명에 따르면, -20℃ 내지 +70℃의 온도 범위에서 90×10^-7/℃ 내지 120×10^-7/℃의 범위의 열팽창계수를 가지는 광필터용 유리가 제공된다.

본 발명의 하나의 특징으로는 유리의 영률(Young's modulus)가 75 GPa 이상이다.

본 발명의 다른 특징으로는 유리의 비커스 경도(Vickers hardness)가 550 이상이다.

본 발명의 또 다른 특징으로는 10 ㎜ 두께의 플레이트의 광투과율이 950 ㎚ 내지 1600 ㎚의 파장에서 90% 이상이다.

본 발명의 또 다른 특징으로는 유리가 다음의 조성(중량%)을 가지는 것이다:

총함량 35∼55 중량%의 SiO₂, B₂O₃, 및 P₂O₅로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총함량 20∼45 중량%의 TiO₂, La₂O₃, ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, WO₃, 및 Y₂O₃로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총량이 3∼20 중량%의 MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총함량 5∼30 중량%의 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총함량 0∼1 중량%의 Sb₂O₃및 As₂O₃중 하나 또는 두 성분.

본 발명의 또 다른 특징으로는 유리는 PbO를 실제적으로 포함하지 않는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징으로는 상기 설명된 유리 상에 유전체 필름을 성막하여 이루어지는 광필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징으로는 유전체 필름을 형성하는 유전체의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가진 유리 상에 유전체 필름을 성막하여 이루어지는 광필터를 제공하는 것이다.

(상세한 설명)

본 발명에서 유리의 열팽창 특성, 영률, 비커스 경도, 광투과율, 및 조성을 한정하는 이유는 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 유리의 조성은 산화물 기준(중량%)으로 표시된다.

우선, 열팽창 특성에 대해서 설명할 것이다. 상기에서 설명된 바와 같이 밴드의 중심파장의 온도안정성은 매우 중요하고 필름을 구성하는 물질의 열팽창계수보다 유리의 열팽창계수가 더 클 것을 요구한다. 본 발명의 발명자에 의해서 수행된 연구 및 실험의 결과, -20℃ 내지 +70℃의 온도 범위 내에서 열팽창 계수가 90×10^-7/℃ 이상이라면, 충분한 압축응력이 유리의 사용온도 범위 내에서 필름에 부가될 수 있지만, 열팽창 계수가 120×10^-7/℃을 초과하면, 기판과 필터 사이의 열팽창계수의 차이가 너무 커서 기판에서의 필름의 박리와 같은 문제가 발생한다는 것을 알게 되었다. 열팽창계수의 바람직한 범위는 95×10^-7/℃ 내지 115×10^-7/℃ 이고 더욱 바람직한 범위는 105±5×10^-7/℃ 이다.

대역 통과 필터에서, 중심파장의 온도안정성은 박막 필름을 구성하는 유전체의 굴절률 온도계수에 어느 정도 의존하고, 기판의 열팽창계수에 더 많이 영향을 받는다. 굴절률은 박막 필름의 필름 원자 밀도(film atomic density)에 의해서 결정되기 때문이다. 즉, 박막 필름의 필름 원자 밀도가 높을수록, 중심주파수의 온도에 의해서 발생되는 변동은 더 작아진다. 박막 필름의 필름 원자 밀도는 박막필름이 성막되는 광필터용 기판의 열팽창계수에 의해 크게 영향을 받는다. 특히, 필름 형성 공정동안 기판의 온도는 약 200℃가 되고, 그 열에 의해 기판 자체가 팽창된다. 상기 팽창된 기판 상에 박막필름을 성막하고 이어서 기판을 냉각함에 따라 박막 필름은 이들 사이의 열팽창계수의 차이에 따라 압축응력을 받게된다. 결과적으로, 박막 필름의 원자밀도는 증가하고 이에 따라 굴절률이 증가한다. 기판의 열팽창계수가 증가하면 할수록, 기판 상에 성막된 유전체의 박막 필름에 적용되는 압축응력은 커지게 되고, 필터에 적용된 온도에 의해 굴절률의 온도에 의한 변화율이 작아지게 된다. 이러한 이유 때문에, 유리의 열팽창계수를 유전체의 박막 필름의 열팽창 계수보다도 높은 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

대역 통과 필름이 사용되는 극한의 사용조건을 고려하면, 상기 특성 외에도, 기계적 변형에 대한 강도, 즉, 유리의 영률 및 비커스 경도는 무시할 수 없다.

다음은 영률에 대한 것으로 기판은 작은 칩(2 ㎜ × 2 ㎜ × 2 ㎜ 이하)으로 가공되기 때문에, 기판에는 높은 영률 및 높은 강도가 요구된다. 계속되는 공정에 대해서, 유리는 75 GPa 이상의 영률을 가지고 550 이상의 비커스 경도를 가지는 것이 바람직할 것이다.

다음은 광투과성에 대한 것으로 광투과율이 낮다면, 해당 신호의 발생에서 신호-대-잡음 비의 감소와 같은 문제가 발생할 것이다. 따라서 광투과율은 가능한 큰 것이 바람직하고 최소 90% 이상의 광투과율이 필수적이라는 것을 발견하게 된다. 대역 통과 필터에 사용되는 파장 범위가 950 ㎚ 내지 1600 ㎚이면 10 ㎜ 두께의 판의 광투과율이 90% 이상일 것이 요구된다. 이 파장의 범위 내의 광투과율은 93% 이상이 바람직하고, 95% 이상이 더욱 바람직하다.

다음은 상기에서 기재된 바와 같이 원료 유리의 조성 범위를 한정하는 이유에 대해서 설명할 것이다.

SiO₂, B₂O₃, 및 P₂O₅성분은 유리를 형성하는 성분이다. 이들 성분의 하나 이상의 총함량이 35 중량% 미만이면 유리의 화학적 내구성이 악화되고 영률 및 비커스 경도가 감소하나, 총함량이 55 중량%를 초과하면 원료 유리를 용융하고 성형하는데 문제가 발생하고, 특히 유리의 높은 열팽창특성을 달성할 수가 없다.

TiO₂, La₂O₃, ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, WO₃, 및 Y₂O₃성분은 높은 열팽창 특성, 높은 영률, 및 높은 비커스 경도를 상대적으로 다량의 알칼리 성분(즉, Li, Na, 및 K)을 함유한 유리에 부여할 수 있는 중요한 성분이다. 이들 성분의 하나 이상의 총함량이 20 중량% 미만이면, 이들 효과는 달성될 수 없지만, 총함량이 45 중량%를 초과하면 유리의 용융 및 성형시에 문제가 발생하고, 유리의 성형동안 불투명화에 대한 저항성이 악화된다.

Li₂O, Na₂O, 및 K₂O 성분은 유리의 용융 특성을 개선하고 높은 영률을 유지하면서 열팽창 특성을 높게 증가시키는데 유효한 성분이다. 이들 성분의 하나 이상의 총함량이 5 중량% 미만이면 이들 효과는 달성될 수 없고, 총함량이 30 중량%를 초과하면 화학적 내구성, 영률 및 비커스 경도가 저하된다.

MgO, ZnO, CaO, BaO, 및 SrO 성분은 유리의 용융 특성을 향상시키고 높은 영률을 유지하면서 열팽창계수를 높게 증가시키는데 유효한 성분이다. 이들 성분의 하나 이상의 총함량이 3 중량% 미만이라면, 상기 효과가 달성되지 않고 총함량이 20 중량%를 초과하면 유리의 용융 특성 및 성형 특성이 저하된다.

Sb₂O₃및 As₂O₃성분은 유리의 용융시 청정제로 첨가될 수 있다. 이들 성분 중 하나 또는 둘 모두의 총함량은 1 중량% 이하이면 충분할 것이다. 바람직하게는 이들의 총합은 0.5% 이하이다.

유리의 요구되는 특성을 손상시키지 않는 한도에서 SnO, CuO, CoO, NiO, Fe₂O₃, CeO 및/또는 MnO가 5 중량% 이하로 첨가될 수 있다.

PbO 성분은 환경 보호의 관점에서 바람직하지 않는 성분이기 때문에 이 성분의 사용은 최대한도로 자제되어야 한다.

본 발명에 따르는 광필터용 유리를 제조하기 위해서 상기의 조성을 가지는 원료 유리가 용융되고 예정된 형상으로 성형되고 필요하다면 어닐링된다. 따라서 종래의 방법으로 얻어진 유리를 랩핑(lapping)하고 폴리싱하여, 1.0Å 내지 5.0Å 범위의 표면조도(Ra)(산술평균적인 조도)를 가지는 광필터용 유리가 제공된다.

본 발명에 따르는 유리는 유전체의 다층필름이 유리 기판상에 성막되는 간섭형 광필터, 특히 높은 굴절률을 가지는 유전체의 박막 필름(H 층)과 낮은 굴절률을 가지는 유전체의 박막 필름(L 층)을 교대로 적층하여 형성되는 유전체의 다층 필름을 가지는 대역 통과 필터에 적합한 것이다.

유전체로서 TiO₂, Ta₂O₂, Nb₂O₅및 SiO₂와 같은 무기 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 950 ㎚ 내지 1600 ㎚의 파장 범위에서 사용되는 대역 통과 필터에서는 TiO₂/SiO₂, Ta₂O₂/SiO₂, 및 Nb₂O₅/SiO₂의 조합이 H층과 L층의 조합으로 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 광필터는 유리 기판의 표면상에 유전체의 박막필름을 성막하여 이루어질 수 있다. 박막필름의 형성방법으로는 증착법, RF 이온 도금법, 마그네트론 스파터링법, 플라즈마 이온 도금법 등이 사용될 수 있다. 이들 중에서 증착법이 특히 바람직하다.

(실시예)

이하 본 발명의 실시예를 설명하고자 한다. 표 1, 2, 및 3은 본 발명에 따르는 광필터용 유리의 제1 내지 제8 실시예 및 종래의 광필터용 유리 기판의 비교예의 조성 외에, 열팽창 계수, 영률, 비커스 경도, 및 광투과율을 나타낸다.

[표 1]

	실시예 1	실시예 2	실시예 3
SiO₂	41.39	39.39	41.39(중량%)
B₂O₃		2.00
P₂O₅
La₂O₃
TiO₂	30.00	30.00	26.00
ZrO₂			2.10
Nb₂O₅
Ta₂O₅
WO₃
Y₂O₃			4.00
MgO			0.5
ZnO
BaO	3.50	3.50	2.50
SrO			0.5
Li₂O	2.00	2.00	2.00
Na₂O	14.10	14.10	13.00
K₂O	9.00	9.00	8.00
Sb₂O₃	0.01	0.01
As₂O₃
열팽창 계수(×10^-7/℃)(-20℃ 내지 +70℃)	110	100	115
영률(GPa)	85	87	114
비커스 경도(Hv)	550	580	640
광투과율(%)(950-1600㎚)	99	99	97

[표 2]

	실시예 4	실시예 5	실시예 6
SiO₂	17.10	20.00	28.60(중량%)
B₂O₃	21.50	10.00	10.00
P₂O₅		8.60
La₂O₃	17.00	12.00	10.00
TiO₂	7.60	5.00	7.60
ZrO₂	4.50	4.50	4.50
Nb₂O₅	7.90	7.90	7.90
Ta₂O₅			7.00
WO₃		2.60
Y₂O₃		5.00
MgO	1.00	1.00	1.00
ZnO		1.00
BaO		2.00	10.00
SrO	14.80	11.80	4.80
Li₂O	8.50	8.50	8.50
Na₂O
K₂O
Sb₂O₃	0.10		0.10
As₂O₃		0.10
열팽창 계수(×10^-7/℃)(-20℃ 내지 +70℃)	90	95	96
영률(GPa)	117	110	120
비커스 경도(Hv)	680	630	670
광투과율(%)(950-1600㎚)	97	96	96

[표 3]

	실시예 7	실시예 8	비교예 1
SiO₂	20.00	40.00	47.00(중량%)
B₂O₃	10.00		7.10
P₂O₅	8.60	1.39
La₂O₃	15.00
TiO₂	7.60	25.00
ZrO₂	4.50	5.00
Nb₂O₅	7.90
Ta₂O₅
WO₃	2.00
Y₂O₃
MgO	1.00		PbO = 9.70
ZnO	2.00	0.50	6.10
BaO	2.00	2.00	10.00
SrO	10.80	1.00
Li₂O	8.50	4.00
Na₂O		12.10	6.00
K₂O		9.00	14.00
Sb₂O₃	0.10	0.01	0.10
As₂O₃
열팽창 계수(×10^-7/℃)(-20℃ 내지 +70℃)	95	110	88
영률(GPa)	120	85	70
비커스 경도(Hv)	680	550	480
광투과율(%)(950-1600㎚)	97	99	99

상기에서 설명된 실시예 1 내지 8의 유리를 제조하기 위해, 산화물, 탄산염, 및 질산염의 원료를 측량하여 혼합하고 약 1250℃ 내지 1350℃의 범위의 온도에서 종래의 용융 장치에서 용융시켰다. 용융유리는 교반하여 균질화하고 이후 예정된 형상으로 성형하고 냉각하여 성형된 유리를 제공하였다. 이후, 성형된 유리는 800-2000#의 다이아몬드 펠릿으로 5 내지 30분간 랩핑하고 0.02 ㎛ 내지 3 ㎛의 평균지름을 가지는 연마제인 산화세륨으로 30분 내지 60분간 최종적으로 폴리싱하였다. 표면 조도(Ra)(중심선에서의 조도)는 5Å이하였다.

실시예 1 내지 8과 비교예 1을 비교하면, 종래의 광필터용 유리기판의 열팽창계수는 88×10^-7/℃로, 형성된 필름에 대해 압축응력을 부여하기에 충분하지 않은 것이다. 종래의 유리는 또한 70 GPa의 낮은 영률 및 480의 비커스 경도를 보인다. 이와는 반대로, 본 발명의 유리는 형성된 필름에 압축응력을 부여하기에 충분한 열팽창계수를 가진 것으로, 영률 및 비커스 경도에서도 충분한 수치를 가지고 있기 때문에 광필터용 기판에 적합한 것이다.

상기 실시예의 유리 기판상에 TiO₂/SiO₂, Ta₂O₂/SiO₂및 Nb₂O₅/SiO₂의 다층 필름을 성막하여 이루어지는 간섭형 광필터는 이의 중심파장의 우수한 온도안정성을 가지는 것으로 광통신용 대역 통과 필터에 특히 적합한 것이다.

상기에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 기판의 단점이 극복되고 중심파장의 우수한 온도안정성을 가지는 광필터용 유리 기판을 제공할 수 있다. 높은 광투과율, 높은 열팽창 특성, 높은 영률 및 높은 비커스 경도의 특징은 간섭형 필터, 특히 대역 통과 필터용으로 적합한 것으로, 특히, 광통신 시스템에서 WDM 및 DWDM(고밀도 파장분할 다중방식)에 가장 적합한 것이다. 또한, 본 발명의 유리 기판에 TiO₂/SiO₂, Ta₂O₂/SiO₂및 Nb₂O₅/SiO₂의 유전체 막을 복수층으로 성막하여 제공되는 대역 통과 필터 소자는 우수한 중심파장의 온도 안정성을 가지고 있으므로 지상의 광통신 시스템에서 뿐 아니라 우주의 인공위성에도 사용될 수 있는 것이다.

Claims

-20℃ 내지 +70℃의 온도 범위에서 90×10^-7/℃ 내지 120×10^-7/℃의 범위내의 열팽창 계수를 가지는 광필터용 유리.
제1항에 있어서,

영률이 75 GPa 이상인 광필터용 유리.
제1항에 있어서,

비커스 경도가 550 이상인 광필터용 유리.
제1항에 있어서,

950 ㎚ 내지 1600 ㎚의 파장 범위에서 10 ㎜ 두께의 플레이트의 광투과율이 90% 이상인 광필터용 유리.
제1항에 있어서,

총함량 35∼55 중량%의 SiO₂, B₂O₃, 및 P₂O₅로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총함량 20∼45 중량%의 TiO₂, La₂O₃, ZrO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, WO₃, 및 Y₂O₃로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총량이 3∼20 중량%의 MgO, CaO, SrO, BaO, 및 ZnO로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분;

총함량 5∼30 중량%의 Li₂O, Na₂O, 및 K₂O로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분; 및

총함량 0∼1 중량%의 Sb₂O₃및 As₂O₃중 하나 또는 두 성분

의 조성을 가지는 광필터용 유리.
제1항에 있어서,

PbO를 실제적으로 포함하지 않는 광필터용 유리.
제1항에 따르는 유리 상에 유전체 필름을 성막하여 이루어지는 광필터.
유전체 필름을 이루는 유전체의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가지는 유리 상에 유전체 필름을 성막하여 이루어지는 광필터.