트리아진 고분자를 이용한 수동 광도파로용 소재의 연구 = (A) study on passive optical waveguide based on triazine polymers

국문 초록 (Abstract)

최근에는 광통신에 있어서 대용량 정보의 통신을 위하여 광의 초고속성 뿐만 아니라 병렬성을 이용하여 동시에 여러 개의 파장에 각각의 정보를 실어 전송하거나 신호 처리를 하는 파장분할 다중 방식이 각광을 받으면서 이에 필요한 가변파장필터, 파장 다중/역다중 소자 등의 WDM 광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 WDM 광소자에 있어서 핵심요소가 되는 것은 저손실 단일 모드 도파 특성을 갖는 선형/열 광학 소재의 개발이다.
이제까지 대용량의 광통신 및 정보기록과 정보처리의 초고속화 구현에 필요한 광소자 및 부품들은 반도체 재료와 무기 재료를 근간으로 발전되어 왔다. 그러나 광소자 및 부품들의 성능이 거의 재료의 한계 성능에 도달하여 최근에는 이 물질들의 한계를 극복하기 위해 유기 고분자 소재의 연구가 미래의 광정보 재료로서 관심의 대상이 되고 있으며, 가장 각광 받을 첨단소재 연구분야이다. 유기 고분자 소재의 가장 큰 장점은 무기 재료와 반도체 재료에 비하여 분자 화학에 의해서 물질의 성능을 쉽게 제어할 수 있고, 가격이 저렴하고, 응답속도가 빠르고, 광대역폭이 높으며, 소자 제작공정이 저온에서 매우 단순하고, 가공성이 좋으며 집적화가 매우 유리하기 때문이다.
본 연구에서는 수동 광도파로 소자에 사용될 수 있는 우수한 필름특성 빛 열적 안정성을 갖는 새로운 형태의 고분자를 합성하고, 이 고분자의 광학 및 물리적인 성질을 최적화하여 광도파소자로서의 제작 가능성에 대하여 조사하였다. 본 연구에서 이용하고자 하는 트리아진 고분자는 열적으로 안정하며 필름의 기계적 성질이 우수하여 multichipmodule dielectric layer의 한 성분으로 이미 사용되고 있다.
본 연구에서는 열적으로 안정한 트리아진 고분자에 fluorine의 치환도가 다른 관능기를 도입하여 굴절률을 조절할 수 있었고, TE 모드와 TM 모드 사이의 복굴절은 0.012로 다소 높았다. 고분자의 유리전이 온도는 167~201℃ 였으며, 각각의 고분자들의 T_(d)는 400℃이상이었다. 이러한 각각의 고분자들에 crosslinker를 cyclohexanone에 균열이 가지 않는 10wt%를 혼합하였을 때는 순수한 고분자들을 blend하였을 때보다 굴절율은 증가하였고, 복굴절은 0.002로 감소되었다. 이것을 다시 열가교시켰을 때에는 굴절율이 다시 감소하였고, 복굴절은 그대로 0.002를 나타내었다. 이러한 각각의 고분자들을 반복적인 spin coating과 열가교를 통해 cladding-core-cladding의 3층박막을 형성하여 단일 모드파장을 얻을 수 있었지만, 물질자체의 광손실은 얻을 수 없었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent advances in optical communications have been based on, the development of the materials for opto-electronic applications. One of the most important topics in WDM optical materials is the development of the linear/thermal optical materials with low signal loss and single mode wave guiding characteristics. The development of materials for optical telecommunications have been based on the semi-conducting and inorganic materials, but the Performance of semi-conducting or inorganic materials is on their upper limit. To overcome this problem, organic md polymeric materials were investigated for the future optical devices. Compared with inorganic counterparts, polymeric materials have few benefits such as the control of performance by the molecular design, low cost, fast correspondence, and simple processing.
In this study, polymers with good film properties and thermal stabilities for passive optical wave guides were synthesized, and the optical and physical properties of these polymers were investigated. The properties of polymers were optimized for the passive optical wave guides. Because the triazine polymers used in this study have the thermal stability and good mechanical strength, triazine polymers already were used for multi-chip module dielectric layer. The refractive indices of thermally stable triazine polymers were optimized by introducing the fluorine functionalities with different degrees of substitution. The birefringence between TM and TE modes is 0.012, which is higher than that of other wave guiding materials. The glass transition temperatures and the thermal decomposition temperatures of the polymers were 167 ~ 201℃ and above 400℃, respectively. When the ethynyl crosslinker was blended with triazine polymers, the refractive index of the blended system was increased, and the birefringence of the system was decreased to 0.002. Upon thermal crosslinking of the blended system, refractive index was decreased, and birefringence was unchanged. The thin film of third layer of cladding-core-cladding was constructed with those crosslinked polymers, and this film was fabricated to the wave guide device. The device yielded the single mode profile of wave, but the optical loss of the polymer system was not detected.

목차 (Table of Contents)

• 국문 요약 = ⅰ
• Abstract = ⅲ
• 목차 = ⅴ
• List of Figures = ⅶ
• List of Tables = xi
• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 이론적 배경 = 3
• 가) 수동 광도파로내에서 빛의 도파 원리 = 1
• 나) 수동 광도파로 소재로써의 고분자재료의 요구 특성 = 8
• 다) 선형 광학 고분자 소재 = 8
• 라) 열광학 고분자 소재 = 19
• 마) 고분자 소재를 이용한 광도파로형 소자 = 24
• 바) 선형/열광학 고분자 소재의 최근 동향 및 전망 = 27
• Ⅲ. 실험 = 30
• A. 시약 = 30
• B. 기기 = 30
• 1. 적외선 분광 분석 = 30
• 2. Gel Pemeation Chromatography 분석 = 30
• 3, 질량 분석 = 31
• 4. 핵자기 공명 분석 = 31
• 5. UV-Vis 분광 분석 = 31
• 6. 시차주사 열량 분석 = 31
• 7. 열중량 분석 = 31
• 8. Melting Point Measurement = 31
• 9. Spin Coating = 32
• 10. 굴절율 측정 = 32
• C. Triazine 단량체의 합성 = 33
• 1. 2,4-Dichloro-6-phenyl-1,3,5-s-triazine(1) = 33
• 2. 2,4-Dichloro-6- (4-trifluoromethylphenyl) -1,3,5-s-triazine(2) = 33
• 3. 2,4-Dichloro-6- (pentafluorophenyl)-1,3,5-s-triazine(3) = 34
• D. 단량체의 중합 = 35
• 4. Ph-BF6 고분자량체의 중합 = 35
• 5. CF3-BF6 고분자량체의 중합 = 35
• 6. F5Ph-BF6 고분자량체의 중합 = 36
• E. Crosslinker의 합성 = 37
• 7. 1-Iodo-3-(2-tetrahydropyranyloxy)benzene(4) = 37
• 8. 1-Trimethylsilylethynyl-3-(2-tetrahydropyranyloxy)benzene(5) = 37
• 9. 1-Ethynyl-3-(2-tetrahydropyranyloxy)benzene(6) = 38
• 10. 3-Ethynylphenol(7) = 38
• 11. 2,4,6-Tris(3-ethynylphenoxy)-1,3,5-s-tnazlne(8) = 38
• IV. 실험 결과 및 고찰 = 40
• 1. 2,4-Dichloro-6-phenyl-1,3,5-s-triazine (1) = 40
• 2. 2,4-Dichloro-6-(4-trifluoromethylphenyl)-1,3,5-s-triazine(2) = 41
• 3. 2,4-Dichloro-6-(pentafluorophenyl)-1,3,5-s-triazine(3) = 1
• 4. 단량체의 중합 = 44
• 5. 굴절율의 제어 = 46
• 6. Crosslinker의 합성 = 49
• 7. Cladding-Core-Cladding 다층구조 형성 = 50
• 8. 광도파로의 설계 및 제작 = 56
• Ⅴ. 결론 = 59
• Ⅵ. 참고 문헌 = 60