정보통신산업기술개발사업 최종결과보고서 가변형광감쇠기개발 Development of variable Optical Attenuator 2002. 5. 30. 주관연구기관 : ( 주) 래트론 정보통신부 -1-
제출문 정보통신부장관귀하 본보고서를 정보통신산업기술개발사업' 가변형광감쇠기개발 과제의최종결과보고서로제출합니다. 2002 년 5월 30일 주관연구기관 : ( 주) 래트론 연구 책임자 : 양광섭 참여 연구원 : 이충국, 왕영성이종춘, 이덕재최완지, 우동찬남대현, 권혁수 -2-
요약문 1. 제목 가변형광감쇠기개발 2. 기술개발의목적및중요성 현대정보통신사회의정보통신량의기하급수적인팽창이이루어지고있다. 또한초고속 인터넷서비스의확대, IMT-2000 서비스의개시, 디지털방송서비스등앞으로의데이터 트래픽의폭발적증가는계속되어지리라전망된다. 광통신분야에서는이와같은초고속 통신의실현을위하여 2.5Gbps, 10Gbps 등고속화방향으로발전해왔다. 하지만고속화에 는기술적인한계가있으며, 이를극복하기위하여하나의광섬유를이용하여여러파장의 신호를동시에전송할수있는파장다중화 (WDM) 방식으로의전개가불가피하며, 실제로 도진행중에있다. 이러한파장다중화전송방식에있어서사용하는파장영역대의다양한 신호를하나의광섬유에인가하였을경우각채널간의신호의세기가달라지면여러가지 비선형현상에의한신호의왜곡현상이발생한다. 이러한신호의왜곡현상을막기위하여 각채널의신호의세기를균일하게하는것이중요하다. 가변형광감쇠기는이와같이파 장다중화통신방식에있어서각채널의신호를균일하게하여장거리통신이가능하게하 는핵심광부품이다. 현재주로사용되고있는형태는 step motor를이용한기계광학식 감쇠기이며, 현재 polymer나 silica 의열광학특성을이용한감쇠기가출시되고있으나, 편 광의존손실, 파장의존손실등여러가지문제점을가지고있다. Step motor를이용한가변형광감쇠기의경우여러가지우수한광학적특성을지니고있으나, 회전운동을선형운동으로바꾸기위한기계부의복잡성, 기어채용에의한 back-lash, 고속화의문제등제어성등에여러가지문제점을가지고있다. -3-
본연구에서는선형초음파모터를개발하고, 새로운형태의감쇠필터를개발하여가변형광감쇠기를제작함으로써, 우수한제어성과, 빠른속도, 저가, 절전형가변형광감쇠기를제공하는것이다. 본연구를통하여개발된선형초음파모터를이용한가변형광감쇠기는초고속고밀도파장다중화통신방식에서핵심적인역할을할것으로전망하며, 또한본과제를통하여개발한선형초음파모터는가변파장필터, optical delay line 등여타의광부품뿐만아니라, fusion splicer, X, Y, Z-stage 등광섬유정렬장치로써의응용가능성이높은것으로판단된다. 3. 연구개발의내용및범위가. 선형초음파모터의개발 (1) 초음파모터를위한압전소재개발 (2) 효율적이초음파모터의설계및제작 (3) 초음파모터구동회로및제어회로개발 -motor규격속도 : 50~300mm/s 구동전압 : 40Vrms resolution : 1~10um (depend on driving voltage) 나. 가변형광감쇠기개발 (1) 가변형광감쇠필터의개발 ( 가) Filter glass와 window glass의열접합방식에의한필터개발 ( 나) Sputtering 방식에의한가변형감쇠필터개발 -4-
- attenuation range : 0~30dB - 초기삽입손실 : 0.2dB 이하 (2) 가변형광감쇠기개발 - 크기 : 40X25X10mm - Attenuation range : 0~30dB - 삽입손실 : 0.6dB 이하 - Operating power : 1W - Holding power : none. 4. 연구개발결과가. 압전소재개발 - 나. 선형초음파모터제조기술확립 - Computer simulation을통한진동분석 - 감쇠기를위한최적의초음파모터설계및제작모터진동부크기 :14X3X2mm 속도 : max 285mm/s Resolution : 1um - 10um ( 구동전압에의존) - 초음파모터및압전액츄에이터, MEMS 구동용광대역전력증폭기제작대역폭 : DC - 400KHz 소전력증폭률 : 약 38dB 최대출력전압 : 320Vp-p 다. 가변형광감쇠필터의개발 (1) Glass 접합형가변형광필터의개발 -5-
-Glass열접합공정기술의확립 - 고선형성감쇠특성구현 : (2) 박막형가변형광필터의개발 - 감쇠율에따른sputtering 공정조건확립 - 위치에따른박막두께의변화조절공정확립 - 최대 30dB 이상, 초기 0.1dB 이하의 filter 제조 라. 가변형광감쇠기의개발 - 감쇠기전용구동회로및제어회로개발 - Collimator 및prism align 공정확립 - Hermetic seal용package 개발 5. 활용에대한건의 가. 초음파모터의설계및제조기술본과제를통하여개발된선형초음파모터는가변형광감쇠기이외에가변형광필터, optical delayline 등수동광부품에적용이가능하다. 또한정밀위치제어에유리하기때문에 fusion splice나 X, Y, Z-stage 기타광학기구물에의활용도가능하리라판단된다. 나. Glass 열접합기술다른굴절률을갖는여러가지의유리를열접합함으로써평면구조의프리즘, collimation lens 등의다양한광학부품의제조가능성을제시할수있으리라본다. 또한이와같은방법으로제작된가변형광감쇠필터는그변화의선형성이매우뛰어나기때문에 system 급의가변형광감쇠기의제조에핵심부품으로사용되어질수있으리라사료된다. -6-
다. 경사박막제조기술 Sliding screen에의한경사박막제조법은위치에따라선형적인두께변화를구현할수있는기술이므로가변형광파장필터등정밀광학부품의제조에응용가능성이높다. 마. 가변형광감쇠기본과제를통하여제작된가변형광감쇠기는파장의존손실, 편광손실, 삽입손실등이우 수한기계광학식가변형광감쇠기로, 빠른속도와정밀제어가가능한부품이다. 향후 WDM 기간통신망을구축하는데꼭필요한핵심부품이다. 6. 기대효과 본과제를통하여개발된가변형광감쇠기는초고속 WDM 광전송에있어서꼭필요한핵심부품이다. WDM의각채널간신호의세기를일정하게해줄뿐더러입력신호의변화에대한통신의품질을일정하게유지시키는일을할수있다. Electronicast의발표에의하면 1998년 1억 7천만불의시장규모를가지고있던광감쇠기시장은 2008년까지 14억 5 천만불의규모로성장할것이며, 이중전자적으로제어되는가변형광감쇠기의시장점유율은약 87% 에대당되는 12억 6 천만불에이를것으로예측하고있다. 이러한시장상황속에서 WDM 광전송의핵심부품을국산화하고, 저가격화를함으로써수입대체및광통신망의구축에일익을담당할수있으리라생각한다. -7-
SUMMARY Variable optical attenuator(voa) using linear ultrasonic motor is developed. The moving part of the VOA is made by the linear ultrasonic motor. The maximum motor speed is 285mm/s and the resolution of the position is varied from lum to 10um by tuning the applied voltage. Two type of variable attenuation filter are developed. The one is made by using the thermal adhesion of different type of glass. This type of variable attenuation filter gives high positional linearity of attenuation ratio. The other type of variable attenuation filter is made by the thin film deposition process and this type of filter gives very low insertion loss. By using the linear ultrasonic motor and attenuation filter, variable optical attenuator is fabricated. The insertion loss of the VOA is less than 0.6dB, and the attenuation range is from 0dB to 30dB. The wavelength dependence loss in the band from 1520nm to 1570nm is measured less than 0.3dB. Thefullrangetuningtimeis100msand3dBtuningtimeislessthan20ms. -8-
CONTENTS 1. Introduction 2. Development of piezoelectric materials 2.1 Theoretical background of piezoelectric ceramics 2.1.1 Crystal structure of Pb(Zr,Ti)O3 [PZT] 2.1.2 Piezoelectric properties 2.2 Manufacturing process of piezoelectric ceramics 2.3 Experiment and result 2.4 Conclusion 3. Development of linear ultrasonic motor 3.1 Introduction 3.2 Manufacturing of linear ultrasonic motor 3.2.1 Computer simulation for ultrasonic motor 3.2.2 Fabrication of linear ultrasonic motor 가. Fabrication of Piezoelectric ceramics 나. Fabrication of metal vibration parts 다. Fabrication of ultrasonic motor 라. Characteristics of ultrasonic motor 3.3 Power amplifier for ultrasonic motor 3.3.1 OP amp for power amplifier 3.3.2 Fabrication of two channel power amplifier -9-
4. Development of variable attenuation filter 4.1 Introduction 4.2 Variable attenuation filter using filter glass 4.2.1 Glass for filter 4.2.2 Fabrication of wedge filter 4.2.3 Characteristics of wedge filter 4.2.4 Conclusion 4.3 Variable attenuation filter using thin film process 4.3.1 Slide screen for thin film wedge filter 4.3.2 Fabrication of thin film wedge filter 4.3.3 Conclusion 5. Variable Optical attenuator 5.1 Introduction 5.2 Fabrication of Variable Optical Attenutor 5.3 Characteristics of variable optical attenuator 6. Conclusion References Appendix Driving circuit and Control circuit -10-
목 차 제 1 장서론 제 제 제 2 1 장압전소재개발 절압전세라믹의이론적배경 1. Pb(Zr,Ti)O3 [PZT] 의결정구조 2. 압전특성제 2 절압전세라믹스의제조공정제3절실험및결과제 4 절결론 3 장선형초음파모터의개발 제 1 절서론제 2 절선형초음파모터의제작 1. 초음파모터의전산모의 2. 선형초음파모터의제작가. 압전세라믹스의제작나. 금속진동부의제작다. 초음파모터의제작라. 초음파모터의특성제 3 절초음파모터를위한전력증폭기 1. 전력증폭기를위한연산증폭기 -11-
2. 두채널전력증폭기의제작 제 제 4 장가변감쇠필터의개발 제 1 절서론제2절 Filter glass를이용한가변형감쇠필터 1. Filter glass의선정 2. Wedge 필터의제작 3. Wedge filter의특성 4. 결 론 제 3 절박막공정을이용한가변형감쇠필터 1. 박막 wedge filter를위한 slide screen 2. 박막 wedge filter의제조 3. 결론 5 장가변형광감쇠기 제 1 절서론제 2 절가변형광감쇠기의제조제 3 절가변형광감쇠기의특성 제 6 장결론 참고문헌 부록 구동회로와제어회로의 Block diagram -12-
제 1 장서론 현대정보통신사회로전환하는과정에서통신수요의급격한증가를보이고있으며, 앞으 로도통신용량의증가는과거에증가했던증가율에비하여더더욱커질것으로예상된다. 이러한급격한통신용량의증대는광통신의역할을일관되게요구하고있다. 이러한초고 속전송요구에부응하여 2.5Gbps, 10Gbps 등고속화방향으로발전해왔다. 그러나고속 화에의한전송속도의확장은현재의기술적인한계로인하여 40Gbps 이상을단일신호 로구현한다는것이불가능할것으로생각되고있으며, 향후양방향통신이나, 영상통신을 위하여는부족한수준이라판단된다. 이를극복하기위하여 Tbps급의전송이가능한파장 다중화 (WDM : Wavelength Division Multiplex) 방식의전송의대안이제기되고. 적용되어 가고있는실정이다. 이러한 WDM 방식은하나의광섬유를이용하여여러개의다른파장 의신호를인가하여광신호의용량을넓히는방식으로기존의선로확장하지않고수십배 에서수백배의신호를처리할수있는장점을가지고있다. 이러한 WDM 방식전송네트 워크의한예는그림 1.1 에나타내었다. 여러개의송신 port에서인가된광신호는 multiplexer에의해하나의광섬유에인가되며 하나의광섬유를통하여전송되는광신호는필요에따라증폭되거나일부의신호는중간에 Optical Add-Drop module(oadm) 에의해수신 port로빠져나가고혹은 OADM을통하여 back-born 에인가된다. 이러한여러신호들은궁극적으로 demultiplexer에의하여각파장 으로분리되어빠져나감으로인해각파장별원하는신호를전송할수있는것이다. -13-
이러한통신과정중각신호의세기는여러신호원에의하여다른크기로입사되며이러한 다른크기의신호는증폭과정중증폭률이달라증폭후신호의크기가크게달라지며, cross phase modulation 등여러가지비선형현상의의해신호가왜곡되는문제점을가 지고있다. 또한네트워크의중간에서입력된광신호도기존의광신호와세기가다르기 때문에여러가지문제점을나타낼수있다. 이러한통신의문제점을해결하기위하여각신호의세기를균일하게유지시켜야하는문 체가발생하는데이러한각신호의세기를일정하게하는용도로가변형광감쇠기가이용 된다. 그림 1.1에서보는바와같이각송신단을통하여인가된광신호는다중화기에의해 하나의광섬유로입력되기전에각 channel 별로설치된가변형광감쇠기에의해광신호 의세기가균일화된다. 또한수신중발생하여수있는여러가지 modulation 현상들에의하여통신품질이달라 질수있다. 따라서수신되어지는광신호들은들어오는광신호에관계없이항상일정한 세기를유지하는것이중요하다. 이러한과정을자동이득조절이라하는데이러한이득혹 은수신신호의세기를일정하게하기위하여가변형광감쇠기가필요하다. 또한중간에 광신호를추출혹은인가하는 reconfiguration 과정에서도기존의광신호의세기와신규 투입된광신호의세기를조절하여여러가지비선형현상을막기위하여가변형광감쇠기 가필요하다. 이러한가변형광감쇠기는일반적으로 collimator, prism 등여러가지광소자와가변형 광필터, step motor 등을이용한기계광학적부품이주류를이루고있으며[1, 2], 최근실 리콘기판위에 polymer[3, 4, 5] 를이용하여광도파로를형성하고, polymer의열광학 효과를이용하여감쇠를조절하는형태, 혹은실리콘기판위에 silica waveguide[6] 를형성 하여 silica 의열광학특성을이용한감쇠기등이연구되거나출시되고있다. -14-
그림 1.1 광네트워크구성의한예 이외에 MEMS[7] 를감쇠기나, liquid crystal 을이용한감쇠기, 자기광학효과를이용한가변형광감쇠기등여러가지형태의감쇠기가구현되고있다. 하지만이러한가변형광감쇠기는광학적으로편광손실에의한특성, 넓은대역파장에대한파장의존손실, 내구성등여러가지문제를극복하여야하는현안을가지고있다. 따라서현재까지는 step motor 를이용한기계광학적가변형광감쇠기가주류를이루고있는실정이다. 하지만 step motor를비롯한일반적인모터는회전운동을기본으로하기때문에선형감쇠필터를운영하여가변형광감쇠기를제작하기위해서는회전운동을선형운동으로변환시키는운동전환장치등을필요로한다. 또한저속에서 torque가작기때문에저속에서높은 torque 를얻기위해서는기어등의부가적인장치를필요로한다. 이러한기어의 영향으로 back lash 가발생하기때문에정밀한위치제어가어렵다. -15-
또한정지시관성에의하여미끄러짐현상이발생하기때문에이러한미끄러짐을방지하기위하여 break 장치를하거나정지시자기유지를위하여 holding power가필요한등여러가지문제점을포함하고있다. 본과제에서는위와같은 step motor의단점을개선하기위한도구로선형초음파모터를제안하여이를이용한가변형광감쇠기를개발하였다. 일반적으로초음파모터는초음파진동을구동원으로하여, 마찰운동에의하여기동하는모터이다. 근본적으로저속에서높은 torque 를가지고있으며, 따라서 torque를높여주기위한기어등의부가적인장치를필요치않는다. 또한마찰운동을기본으로하기때문에구동신호의제거시관성이작아즉각적인정지를한다. 따라정밀위치제어가가능하다. 마찰운동을운동의근간으로하기때문에정지시자이유지기능이있어 holding power가필요없는절전형 motor를제작할수있고, 별도의 break 장치가필요없다. 또한자체적으로선형운동을하는선형 motor 제작이가능하여운동전환장치가필요없어간단한구조를가지며, 소형화가가능한등여러가지장점을가지고있다. 또한구동신호의크기를조절하거나, 구동신호의위상, 주파수등을조절하여다양한속도조절이가능하고, 속도조절의 mechanism은하나의구동신호당움직이는거리를변화시키며조절하는형태이기때문에기어를장착한 step motor 와달리 motor의 resolution 을원하는대로조절할수있다. 원리적으로는이미구성된 motor에서전압조절을통하여수 um의 resolution에서 nm 이하의 resolution을갖게할수있는다양한장점을가지고있다. 그림 2.2는초음파모터의구동원리중하나의예를통하여초음파모터의구동방식을나타낸것이다. 금속판등의진동판에두쌍의압전체를위치상으로진동파장의 1/4 pitch 만큼 shift하여부착한후서로위상이 90도차이나는신호를인가하면각각의압전체쌍에의하여정상파가발생하며, 발생한두개의정상파사이의간섭에의하여진행파가형성된다. -16-
이러한진행파에의하여진동체표면의입자들은그림과같은타원운동을시행하게된다. 이러한진동판위에물체를놓고압력을가하면진동판표면상의질점의타원운동에의하여상부의물체는이동하게된다. 이때인가한구동신호의위상을바꾸어주면진행파의방향도변하고, 물체의이동방향도변하게되어전후진이가능한구도를가지게된다. 이러한초음파진동과그진동에대한마찰을통하여선형초음파 motor 가구동을한다. 그림 1.2 초음파모터의구동원리 위에서열거한다양한초음파모터의가능성에도불구하고실제적인적용이쉽지않았다. 이유는마찰운동을근본으로하기때문에마찰에의한발열, 마모등에의해 motor의내구성이원하는수준에이르기어려운단점을가지고있다. 따라서초음파모터의향후발전가능성은적당한적용처를찾는것과결부된다. 본과제에서개발하고자하는가변형광감쇠기의경우광전송이일어나는시간중에는정지상태에있으며, 신호의 reconfiguration 이발생한순간신호의세기를맞추어주기위하여구동을하는형태로, 구동과정지를계속적으로시행하는형태이다. -17-
따라서마찰에의한발열, 마모등에의한모터의열화를고려하지않아도되는초음파모 터의특성과아주잘일치하는적용처로판단된다. 이는현재까지유일하게초음파모터가 적용되는 zoom lens의 auto focusing (Canon 사) 같은적용과일맥상통하는적용처라할수 있다. 본과제에서는가변형광감쇠기를구현하기위해절대적으로필요한가변형광감쇠필터 를두가지형태로제작하였다. 그하나는광량을감쇠시키는 filter glass와광량의손실 이거의없이투과시키는 window glass를열접착을통하여접합한후가공에의해위치 에따른광감쇠의정도를변화시킨형태이다. 이러한가변형광감쇠필터는위치에따른 감쇠정도가거의선형적인변화를하고있으며, 따라서단순한위치제어를통해서도감쇠 정도를제어할수있는고성능감쇠필터로써의가능성을보여주고있다. 두번째형태는 window glass에 Cr 등반사에의하여감쇠를나타내는박막 wedge filter를제작하여감 쇠기에응용하였다. 본연구를통하여초음파모터에적합한 PZT 소재를개발하였으며, 개발한소재를이용하 여선형초음파모터를제작하였다. 초음파모터를구동하기위한구동회로및제에회로 를개발하였고, 초음파모터는물론압전체의개발, MEMS의구동등여러가지구동특성 을시험하기위한광대역전력증폭기를제작하였다. 이를이용하여가변형광감쇠기를 제작하였다. 본보고서의구성은다음과같다. 제 2장은초음파모터의구동에적합한압전체의소재개 발에대하여논하였고, 제 3장은개발한소재를이용하여초음파 motor를제작하기위한 computer simulation 과실제제작내용을기술하였다. 또한초음파모터의구동에필요한 다양한주파수의신호원을제공하는광대역전력증폭기의개발에관하여논하였다. -18-
제 4장은가변형광감쇠기를위한열접착타입의가변형광감쇠필터와박막공정을위한가변형광감쇠필터의개발및특성평가에대하여논하였다. 제 5장은개발된부품을이용하여가변형광감쇠기의제작및 package, 제어및구동회로의제작과결과에대하여 논하였다. 제어회로와구동회로의 flow chart 및회로는부록에나타내었다. -19-
제 2 장압전소재의개발 1 절압전세라믹스의이론적배경 대표적인압전재료에는수정, BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, LN단결정등이있으며특별한목적이아닌경우에는대부분 PZT 라고말하는강유전체재료를대부분사용하게된다. 1. Pb(Zr,Ti)O3 [PZT] 의결정구조[8] Pb(Zr,Ti)O3 는 Perovskite 구조를갖는화합물로그림 2.1에나타낸 Ti위치의원자가 Zr 과 Ti 이온으로약반반씩채워져있는구조를가지고있다. PZT는상온에서 tetragonal 또는 rhombohedral 구조를갖고있는데, tetragonal 구조인 경우그림 2.2에나타낸것과같이양이온과음이온의전하중심이일치하지않기때문에영 구쌍극자를갖는강유전특성을나타내게된다. Tc 이상의온도에서는결정구조가 Cubic 으로변하기때문에영구쌍극자가소멸되어상유전특성을나타낸다. PZT는 조성에 의해 결정구조가 연속적으로 변화되는 복합물로서 tetragonal과 rhombohedral의두상이공존하는 MPB (Morphotropic Phase Boundary) 영역에서압전특 성이현저히증가하는현상을나타낸다. 그림 2.3은 PZ/PT의분율변화에따른압전특성 의변화를나타낸것이다. MPB 조성은 Ti 0.48, Zr 0.52 의몰비를가지는위치이며, 이영역에서가장우수한유전 및압전특성을나타낸다. 따라서 MPB 영역부근의조성이공업적으로주로응용되고있다. -20-
그림 2.1 페로브스카이트결정구조 그림 2.2 온도에따른결정구조의변화 -21-
그림 2.3 PZ/PT의분율변화에따른압전특성의변화 -22-
2. 압전특성 [8] 압전세라믹스의특성은여러가지재료상수를통해나타낼수있다. 재료상수의개념에대해서간단히알아보았다. 다음에주로사용되는 가. 압전상수압전효과에대한직접적인비례상수이며, 분극방향과응력또는전계의작용방향에따라여러모드의값을가진다. 실제많이응용되는것은 d와 g 형식이다. 압전체에대해전기장 E=0 일때, stress T가가해져서발생하는전속밀도 D에대한비례상수, 또는 T=0 일때 E가가해져서발생하는 strain S 에대한비례상수이다. 분극방향과유전변위의방향에따라다음과같이나타낸다. d33 : d31 : d15 : 분극반향과유전변위의방향이평행(longitudinal mode) 분극반향과유전변위의방향이직각(transverse mode) 유전변위가전단변형(shear mode) 압전체의형상과물리적조건에따라여러가지 mode 가있을수있지만, 기본적으로위세 가지상수의조합이다. -23-
전속밀도 D=0 일때, T가가해져서발생하는 E에대한비례상수또는 T=0일때 D에의해발생하는 S 에대한비례상수이다. d의경우와마찬가지로 g31, g33, g15 가있다. 나. 전기기계결합계수압전체에서전기기계에너지변환특성을나타내는재료상수로서아래와같이정의된다. k2 = ( 변환된기계에너지) / ( 공급된전기에너지) or =( 변환된전기에너지)/( 공급된기계에너지) 에너지효율의척도는아니며, 변화되지못한에너지가어느정도인지나타내는기준이다. 다. 기계적품질계수품질계수는유전적품질계수와기계적품질계수등이있으며, 유전적품질계수는유전손실 (tan δ) 의역수로서정의된다. 기계적품질계수는전기-기계변환과정에서의에너지손실에대한척도이며보통 Qm 으로표시한다. 공진계를이용하는응용분야에서는매우중요하며센서응용분야에서는대역폭때문에오히려낮은것을선호하는편이다. 라. 주파수정수압전체의 dimension 과공진주파수의곱으로압전체의설계시사용한다. NㆍP : fs d (Hzㆍm) Planar mode -24-
Nㆍt:fs t(hzㆍm)thicknessmode (3) 첨가제의영향[10] PZT 재료의응용에있어서는 PZT 주성분계만으로쓰이는것보다첨가제에의해서향상된 특성치를 나타내는 3성분계나 4성분계 조성의 PZT 재료가 사용되는 것이 일반적이다. PZT 특성향상을위해사용되는주요첨가물들의효과를요약하여다음표 2.1에나타내었 다. 이러한효과는치환된이온의원자반경이온가수에의한영향으로서치환된이온의종류에 따른결정구조변화를다음그림 2.4 에나타내었다. 표 2.1 PZT에서각종첨가들의효과 첨가물 첨가효과 비고 Ba2+Sr2+Ca2 - 유전율이커진다. -Curie 온도를감소시킨다. La2O3, Nd2O3 Nb2O5, Ta2O5 Sb2O3, Bi2O3 -항전계의저하로 k 값이증가한다. - 저항이 100~1000 배증가한다. -Qm 은수배감소한다. Soft 재료 - 항전계가증가한다. Fe2O3, Cr2O3 -Qm 이증가한다. Hard 재료 - 압전정수 d 가증가한다. Cr2O3, U2O3 주파수정수의온도특성이좋아진다. MnO2, MnO -Q 값이향상된다. -K값및 d 값은저하된다. Hard 재료 Sb2O3 - 결정이미립화된다. -K.Qm 이증가한다. PMN-PNN-PZT계 Al2O3, SiO2 기계적강도를향상시킨다. 소결조제 -25-
그림 2.4 ABO3화합물에서이온의치환에따른결정구조의변화 -26-
2 절압전세라믹스의제조공정[10] 최근압전세라믹의응용분야가확대됨에따라고성능의제품을제조하기위한방법으로새로운원료공정이많이연구되고있지만아직까지는양산성있는신공법은정립되지못하고있는실정이다. 압전세라믹스의제조공정은일반적인파인세라믹스의제조공정과근본적으로는같은공정을거치게되지만몇몇공정에서는특이한점이있다. 본연구에서는현재가장일반적인고상반응을통한합성법으로원료를제조하였다. 1. 원료 PZT 계세라믹스의주원료는 PbO, ZrO2, TiO2 이다. 원료분말에서중요한것은순도와 입도로서순도는전기적특성에직접적인관련이있으며입도는제조공정상에서매우중 요한공정변수가된다. 전자세라믹스용원료는일반적으로 99% 이상의것이사용되며고순도일수록유리한점이 있지만원료가격이급격히증가하므로적당한순도를선정할필요가있다. 입도의경우에는 1μm 내외의것이주로이용되는데 PbO의경우에는비교적낮은온도에서활성화되어확산 되기때문에입도에다소둔감한원료이지만 ZrO2의경우에는가장고온에서활성화되기 때문에 ZrO2 의경우에는반응온도에매우큰영향을나타내게된다. 입도는원료혼합공정 중에밀링효과에의해다시조절되는경우도있다. 상업적으로양산되는경우제품의균일성을확보하기위해원료 Lot 별특성을검사하여 균일하게유지하는것이필수적이다. -27-
2. 조합조합비에의해최종물성치가대부분좌우되므로조합비의선정은공정개발에서가장기본이되는것이다. 일반적으로소량의조합비실험을통해다양한조성비에대해서특성치를구해서최적조성을선정하게되는데양산화를위해원료의크기를그게변경하게되면특성치가예상대로되지않는경우가일반적이다. 이러한현상은원료양이증가됨에따라공정장비가변화되거나공정조건이잘맞지않기때문으로양산실험을통해공정조건을보정하여야한다. 조합을위한평량은가능한한정밀하게하는것이바람직하며 2인이상이서로검증하는것이좋다. 이공정에서는원료중의함수율변화등에의해실제조합비가변경될수도있으므로원료의보관에도주의가필요하다. 3. 혼합과하소조합된원료는균일하게혼합하게되는데일반적으로균일성을높이기위해습식혼합을하게된다. 습식혼합은메디아로볼을사용하는볼밀이가장일반적으로이용되며혼합중에용기와 ball 에서불순물이혼입되기때문에재질선정에특별히주의할필요가있다. 가장안전한재료는 ZrO2 재질로된것으로알려져있지만매우고가로서용기는알루미나재질이나엔지니어링프라스틱류를사용하는경우가보다일반적이다. 혼합이끝난슬러리는하소전건조를하게되는데이때잘혼합된슬러리라고하더라도비중분리가발생될수있으므로주의가필요하다. -28-
하소공정은잘혼합된원료조합을열처리하여우려가원하는단일상으로반응시키는공정으로소결시의변형을감소시키고소결체를보다균일하게하는역할을한다. 일반적으로전기로를이용하여가열함으로써반응을진행시키기때문에온도는가장중요한공정상의변수이다. 고온일수록반응이원활이진행될수있지만너무고온에서반응시킬경우반응물이조립화되어분쇄가곤란해지기때문에적절한조건의선정이필요하다 PZT의경우에는일반적으로 750-950 의온도를사용하게되는데 800 이상에서는 PbO의휘발가능성이크기때문에조성의균일성을확보하기위해서는각별한주의가필요하다. 4. 분쇄 하소가끝난제품은다시분쇄공정을거치게된다. 분쇄공정은하소과정중에조립화된원 료를다시미분화하는과정으로혼합시와유사한장비를이용하게된다. 본공정에서원료 의최종입도가제어되며최종소결체의특성에많은영향을주게된다. 일반적으로세라믹 스의소결에서는입도가작을수록소결온도를낮추는효과가있는데 PZT의경우에는소결 중에 PBO 의휘발가능성이크기때문에소결온도를낮추는것은큰의미가있다. 그러나 분쇄중에메디아와용기로부터의불순물혼임은피할수없는것으로미분쇄를위해서장시 간분쇄를할경우불순물혼입이현저히증가하여최종제품의물성에나쁜영향을준다. 5. 조립화일반적인세라믹공정에서성형공정은최종소결체물성에큰영향을미치며, 세라믹스의각종성형방법중, 가압성형은가장널리사용되고있다. 이가압성형의전처리로서조립은필수불가결한기술인데, 그이유는가압성형시미분을그대로사용하면, 유동성이적어금형내충진이나쁘고, lamination이일어나기쉽다는결점이있어이를극복하기위해서분말을과립화할필요가있기때문이다. -29-
실제성형시과립이갖추어야할주요요소로서는 - 과립이잘흘러 hopper 에서금형내로균일하게충진될것 ( 충진성) - 금형내에서과립이압축될때, 전달된압력에의하여과립이완전히파괴될것 ( 압력전달 ) - 성형된후분말이금형이나 punch 에부착되지않을것 ( 이형성) 등이있는데, 이 3 요소가건식성형에서는매우중요하며, 이를충족시키기위해성형용유기재료, 즉결합제, 분산제, 이형제등을첨가하고이를조립화하는것이필요하다. 세라믹분체의조립화방법으로널리사용되는방법은 Spray Drying 법으로, 이는용액또는 suspension 상태의원료를 spray dryer의고온건조매체중에분무시킴으로써구형의과립을얻는일련의공정을말한다. 공정이다른건조방법에비해매우간단하며연속대량생산에적합하여세라믹뿐만아니라모든공업에폭넓게이용되고있다. Spray drying을성공적으로수행하기위해서는분산성이양호하고안정된슬러리의제조가 필수적이다. 슬러리는 water content가 20 50% 로서요구되는특성을얻기위해결합제, 분산제, 윤활제등을첨가하게된다. 표 5에각종첨가물의종류와효과에대해서나타내었 다. 성형체를소성하였을때, 이들첨가제가소결체중에잔류하지않아야하며첨가제의분해 나연소가급격히일어나지않고유연하게제거되어야한다는것이선택조건중하나이다. -30-
세라믹의분체종류, 입경이나입도분포에따라첨가제의종류나첨가량을실험적으로선택해야하며, 보통분체중량에대해 2 4% 첨가한다. 표 6에스프레이건조시주로사용되는결합체와가소제의종류에대해서나타내었다. Spray drying 과정은다음의 4 단계로나누어생각할수있다. - Atomization ( 미립화) - Spray-Air contact ( 기액접촉) -Evaporation( 증발) - Dried powder recovery ( 분체회수) Spray drying법으로얻어지는분말의입도는거의미립화시의액적의입경에지배되므로 분무기의선택은중요한요소이다. 분무기로서 Centrifugal type과 Pressure nozzle type 이일반적이다. Centrifugal type(rotary disc type) 은고속으로회전하는원반의중심에 액적을공급, 원심력으로원반의주변에서미립화시키는장치이다. 장점으로는슬러리운송 시고압펌프가불필요하고, 적정입경의조절이용이한점이있으며, 단점은 chamber 직경 이커야하고 atomizer 의가격이비싸다는것이다. Nozzle type 은슬러리가주입될때, 압 력을가하여분무시키는장치로과립의입경이크고, 입도분포가좁은장점이있으나, 고압 조절기술을필요로한다. 액적과열풍의접촉방식은 Co-current 방식, Counter-current 방식, 그리고혼합식이있 다. 일반적으로세라믹분말의조립공정에서는분무기로서 Centrifugal type, 슬러리-공기 혼합방식으로 Co-current 방식이널리사용되고있다. 이방식을기준으로할때, 제어해야 하는운전조건들로서다음과같은것들이있다. - 입구온도및출구온도 - 슬러리공급량 -Atomizer 의회전속도 -31-
- 열풍의흐름속도 - 슬러리농도및 Binder량또한, 제조된과립에요구되는조건으로는 - 유동성이클것 - 구형일것 - 입도분포가좁을것 - 적당한강도를가질것 - 가압에의해과립이파괴될것 - 밀도가클것 - 잔류수분이적당할것등을들수있다. 6. 성형프레스성형이일반적으로사용되고있으며성형압은 1ton 내외가사용된다. 성형시분말에가해진압력이균일해야원하는형상의제품을얻을수있기때문에복잡한형상의경우금형설계에상당한기술이필요하다. 균일제품특성을얻기위해서는조립분말의함수율을잘관리할필요가있다. 7. 소성 PZT의소결에서일반세라믹스와의차이는세터와의반응과 PbO 증기압의제어문자이다. 소결중에세터와의반응을최소화하기위해세터의재질은고순도알루미나와마그네시아재질을주로사용한다. PbO 의분위기제어는분위기제어용분말을같이장입하여소결함으로서해결할수있다. 분위기제어용분말에는 PbO 와 ZrO2 의혼합본말을주로사용한다. -32-
최적소결조건은실험적으로선정한다. 표 2.2 분무건조용슬러리에서각종첨가물과효과 결합제 가소제 윤활제 분산제 첨가제 Wetting제보수제대전방지제소포제살균제 기능 성형체가소성되기전까지 handling에견딜수있는 Green 강도와 가소성을부여 적은힘으로도소성변형을일으키는성질로결합제에첨가하여결합제의유리전이온도(Tg) 를저하시키고, 결합제막의유연성을향상시켜조립인자의소성변형을촉진, 상형을용이하게함. 금형과의윤활성, 조립입자간ㆍ분체간윤활성을부여하여이형을쉽게하고금형수명을연장 슬러리의안정성을유지하기위하여사용되는데, ph 및분체표면전하를조절하여분산성을향상 분체의표면장력을하향조정가압에의한수분의누출을방지전하조절발포방지보존중변질방지 -33-
수 비수계 표 2.3 Spray drying시주로사용되는결합제와가소제 구분결합제가소제 PVA Poly Ethylene Glycol Methyl cellulose 글리세린계아크릴계 emulsion 플로핀렌글리콜왁스계 emulsion DBP PVB 폴리메타크릴산메틸 Ethyl cellulose PEG DBP 8. 가공압전세라믹은외부칫수에따라공진특성이결정되기때문에칫수관리가중요하다. 세라믹의가공은주로연삭기를이용하며가공용휠은다이아몬드휠을주로이용한다. 표면의거칠기를어느정도관리하여야하기때문에#600 이상의휠을이용하여가공한다. 9. 전극형성은페이스트를인쇄하고열처리하여소부하는방법을주로이용한다. 은페이스트는은분말의상태나소량첨가된유리질프리트(Frit) 의성분에따라다른특성을나타내며소재와용도에따라적절한것을선택하여야한다. 은전극의인쇄는실크스크린인쇄를이용하는데페이스트의점도. 스크린의조건에따라전극의두께가달라지게된다. 센서소자로이용되는경우전극은진동에너지를흡수하기때문에가능한한얇게하는편이좋겠지만전극이너무얇게도포되면전극납땜시전극이쉽게녹아버리기때문에적당한두께로제어할필요가있다. -34-
도포된전극은 700-800 정도의온도에서 10 분정도열처리하여부착한다. 열처리시간이너무길거나온도가너무높으면유리질프리트가소체속으로확산되어부착강도가나오지않게되는경우도있다. 10. 분극 영구쌍극자를갖고있는강유전체라도소결체상태에서는쌍극자가 random하게배향되어 있어압전성을나타내지못한다. 여기에강한전계를걸어쌍극자를일정방향으로배향시키 면압전성을나타내게된다. PZT에전계를가하면초기에는방향전환이쉬운 180 domain이먼저배향하고그후에 90 domain 이배향된다. Poling 과정증에는이온이이동하게되므로재료에큰 stress가 발생하여 break down 이발생하기쉬우므로적합한조건을선정하여야한다. 일반적으로는 120 정도에서 3kV/mm 전계를 20 분이상인가한다. -35-
3 절실험내용및결과 1. PZT에서 Sr치환효과 ABO3 화합물인 PZT에서 A사이트의 Pb를 Sr로치환하였을때압전물성의변화에대해실험하였다. 그림 2.5 Pb(1-x)Srx(Zr0.53,Ti0.47)O3 세라믹에서 Sr의치환량에따른압전특성의변화 -36-
2. PZT에서 Ca치환효과 ABO3 화합물인 PZT에서 A사이트의 Pb를 Ca로치환하였을때압전물성의변화에대해실험하였다. 그림 2.6 Pb(1-X)CaX(Zr0.53,Ti0.47)O3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서 Ca 치환량에따른압전특성의변화 -37-
3. PSZT에서 Zr/Ti 비에의한영향 PSZT에서 Zr/Ti 비의영향을검토하였다. 압전물성의변화로보아일반적으로알려진 MPB 영역으로알려진 52/48 조성보다 Zr의함량이높은쪽에 MPB가존재하는것으로나타났다. 그림 2.7 Pb0.9Sr0.1(ZrX,Til-X)O3 세라믹에서 Zr 몰비에따른압전특성의변화 -38-
4. PSZT에서 Sb2O3첨가에의한영향 PSZT 조성계에서 Sb2O3 첨가에의한영향을평가하였다. Sb2O3첨가량이증가함에따라압전제물성이증가하는경향을나타내었다. 그림 2.8 Pb0.9Sr0.1(Zr0.55,Ti0.45)O3+0.5wt% MnO2 세라믹에서 Sb2O3 첨가에따른압전특성의변화 -39-
5. PSZT에서 Cr2O3첨가에의한영향 PSZT 조성계에서 Cr2O3 첨가에의한영향을평가하였다. Cr2O3의첨가는 domain wall의이동을억제하여압전물성의장기적안정성을향상시키는것으로알려져있어첨가에따른압전물성변화를실험하였다. 그림 2.9 Pb0.9Sr0.1(Zr0.53,Ti0.47)O3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서 Cr2O3 첨가에따른압전특성의변화 -40-
6. PSZT+MnO2+Sb2O3 시스템에서 Zr/Ti 비의영향 Zr의몰비가 0.54-0.55에서가장우수한압전특성을나타내었으나기계적품질계수는가장 낮은값을나타내었다. 이러한경향으로보아 0.55 근방이이조성계의 MPB 영역으로판단 된다. 그림 2.10 Pb0.9Sr0.1(ZrX,Til-X)O3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서 Zr 몰비에따른압전특성의변화 -41-
7. PSZT+Sb2O3 시스템에서 MnO2 첨가의영향 MnO2 의첨가량에따른압전물성의변화에대해실험하였다. 0.6wt% 첨가시까지는다른압전물성에대한영향이거의없는상태에서기계적품질계수의증가를나타내었다. 이러한경향으로판단해볼때MnO2의최적첨가량은0.6wt% 부근임을알수있다. 그림 2.11 Pb0.9Sr0.1(Zr0.55,Ti0.45)O3+1.0wt% Sb2O3 세라믹에서 MnO2 첨가에따른압전특성의변화 -42-
8. 조성별공진주파수의온도안정성평가실험을통해초음파모터용으로적합하다고생각되는조성계에서조성변화에따른온도안정성을공진주파수변화로평가하였다. 100ppm/ 정도의변화량을나타내어비교적우수한온도안정성을나타내었다. 그림 2.12 a)pb0.9sr0.1(zr0.55,ti0.45)o3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2에서온도에의한공진주파수의변화율 (20-80 ) 그림 2.12 b)pb0.9sr0.1(zrx,til-x)o3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서온도에의한 공진주파수의변화율 (20-80 ) -43-
9. 조성별기계적품질계수의온도안정성평가주요조성계에서조성변화에따른기계적품질계수의온도안정성을평가하였다. 조성에따라다소다른경향을나타내었다. 온도가 50 근방에서기계적품질계수가가장우수한값을나타내었으며그이후에다시감소하는경향을나타내었다. 그림 2.13 a)pb0.9sr0.1(zr0.55,ti0.45)o3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2에서온도에따른품질계수변화그림 2.13 b)pb0.9sr0.1(zrx,til-x)o3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서온도에따른품질계수변화 -44-
10. 조성별유전율의온도안정성평가 주요조성계에서조성변화에따른유전율의온도안정성을평가하였다. 조성에따라다소 다른경향을나타내었다. 0.4%/ 정도의값을나타내었으며 MPB영역에서는변화율이급 격히증가하는경향을나타내었다. 그림 2.14 a)pb0.9sr0.1(zr0.55,ti0.45)o3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2 b)pb0.9sr0.1(zrx,til-x)o3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2 에서온도에의한유전율의 변화율 (20-80 ) -45-
11. 조성별유전손실의온도안정성평가주요조성계에서조성변화에따른유전손실의온도안정성을평가하였다. 조성변화에관계없이비슷한경향을나타내었으며 50 이상에서유전손실이급격히증가하는경향을나타내었다. 그림 2.15 a)pb0.9sr0.1(zr0.55,ti0.45)o3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2, b)pb0.9sr0.1(zrx,til-x)o3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서온도에의한유전손실의변화 -46-
12. 조성별전기-기계결합계수의온도안정성평가 주요조성계에서조성변화에따른전기기계결합계수의온도안정성을평가하였다. 조성변 화에따라변화율이다르게변화하였으나전체적으로 0.05% 근방의안정된값을나타내었 다. 그림 2.16 a)pb0.9sr0.1(zr0.55,ti0.45)o3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2, b)pb0.9sr0.1(zrx,til-x)o3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서온도에의한 변화율 (20-80 ) kp -47-
13. 하중인가후특성변화장기적신뢰성을평가하기위해서압전체에 500kg/ cm 2 의압력을전특성의변화를평가하였다. l20시간동안인가한후압 그림 2.17 Pb0.9Sr0.1(Zr55, Ti45)O3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2에서하중인가후압전특성의변화 -48-
그림 2.18 Pb0.9Sr0.1(ZrX, Ti1-X)O3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2에서하중인가후압전특성의변화 -49-
14. 고온방치후특성변화장기적신뢰성을평가하기위해서압전체를 200 의온도에방치한후압전특성의변화를평가하였다. 비교적현저한특성저하를나타내었다. 그림 2.19 Pb0.9Sr0.1(Zr0.55,Ti0.45)O3+1.0wt% Sb2O3+Xwt% MnO2 200-24hrs 열처리후압전특성의변화 -50-
그림 2.20 Pb0.9Sr0.1(ZrX,Til-X)O3+1.0wt% Sb2O3+0.6wt% MnO2 200-24hrs열처리후압전특성의변화 -51-
제 4 절결론 1. 최적조성계선정 ABO3 화합물에서 A자리의 Pb를 Sr 과 Ca 로치환한복합계조성을검토하였으며 A자리 를 Sr로 0.1몰치환한조성을기반으로해서 B자리의 Zr/Ti비의변화에의한압전특성을 검토하였다. 그리고압전특성의향상을위해첨가하는 Sb2O3 의최적량을선정하기위한 조성실험을수행하였으며 domain wall의이동을억제하여 Qm을향상시키는 MnO2의첨 가량변화실험을수행하였다. 이상의실험을통해상대유전율 2000, 전기-기계결합계수 65%, 기계적품질계수 1000 이상, 압전정수 d33 480pC/N 의우수한압전물성을갖는조성을개발하였다. 2. 선정조성계에서의장기안정성평가상기에서우수한물성을나타낸조성계에서장기적인신뢰성을평가하기위해온도변화에따를제물성의안정성과가혹조건에서의물성변화를평가하였다. 온도변화에따른제물성의변화는비교적작은값을나타내어안정된특성을나타내었으며유전손실값은 50 이상에서현저히증가하는특성을나타내었다. 유전손실의증가는소자의발열에직접적으로영향을주기때문에소자의온도상승을가속화시키므로소자의사용조건은 50 이하로하는것이바람직할것으로판단된다. 가혹조건안정성평가실험중하중인가실험에서는제물성의변화가미미하여안정된특성을나타내었으나고온방치실험에서는제물성이현저히감소하는경향을나타내었다. -52-
제 3 장선형초음파모터 1 절서론 초음파모터는탄성진동인초음파진동을이용하여구동하는모터로써주로마찰에의하여발생하는추진력을이용한다. 최초의실용인형태의초음파모터는 1973년 IBM의 H. V. Barth 에의해제안되었으며[11] 그후비슷한원리를이용한여러가지형태의기구물을가진초음파모터들이몇몇연구자에의해제안되었다. 하지만마모, 온도변화등의문제로인하여실용화되지는못하였다. 실용화가가능한형태의최초의초음파모터는 1982년 Sashida 에의해제안되었다.[12] 이는진행파형초음파모터로써진행파가유한한탄성체표면을전파할때그표면의질점이타원운동하는것을이용한것이다. 이러한발명에자극되어종진동, 굴곡진동, 비틀림진동등을이용한모터들이제안되었다. 일반적인전자식모터에대한초음파모터의특징을열거하면다음과같다. - 저속에서토크가크고효율이높다. - 가동부의관성을작게할수있어기동, 정지등의제어특성이좋다. - 기어등의토크확대기구가필요없고 back-lash 가없다. - 전원제거시자기유지능력이있다. - 쉽게선형모터를제작할수있다. - 감속장치가없으므로정숙구동을한다. - 자계를사용하지않으므로전자기파에의한장애가없다. - 구동하기위해고주파전원이필요하다. -53-
- 마찰운동에의한마모문제가있다. - 연속구동시발열에의한특성열화가발생할수있다. 이와같이초음파모터는기존의전동기와다른특징을가지고있기때문에새로운분야의적용이가능하다. 로봇용액츄에이터의경우현재대부분유압장치를이용하고있다. 유압발생장치, 유압파이프등은자유로운운동을하는데방해가되기때문에로봇구동을위해서전자식모터를채용하고있으나높은토크를구현하기위해서는구동장치도상당히커지기때문에현실화가어렵다. 초음파모터의경우소형의고토크가가능하기때문에향후 robotics 분야에서의이용이활발해지리라예상할수있다. 또한초음파모터는소형의중공형모터를체조하기가용이하다. 중간이비어있는형태로의제작이가능하기때문에그중간의공간에렌즈를설치할수있어현재전자기적모터를이용할경우발생하는부피나공간적인문제를해결할수있는최고의 solution이라할수있다. 특히소형카메라의렌즈구동을위한모터로써가장적합한형태로사용되어질수있다. 최근휴대폰등이동통신용단말기에 CCD를설치하여영상정보를전송하는도구로사용되고있는데이러한소형디지털카메라의자동초점조절용으로가장적합한구동원이초음파모터이다. 일반적으로스텝모터는초기제작시나 gear 설치후에는한스텝당이동거리가정해져있기때문에미소구동을위한 resolution 의조절이불가능하다. 초음파모터는구동전압의크기, 구동전원의주파수, 구동전원사이의위상등의조절을통하여하나의구동신호당움직이는스텝을이론상으로는무한정작게할수있다. 따라서 nm 정도의조절이필요한정밀제어의부분에서탁월한성능을나타낼수있다. 따라서이분야의적용을위하여많은연구가수행되고있다. -54-
본연구에서는가변형광감쇠기를제작하기위하여몇가지의초음파모터를설계제작하 였다. 일반적으로가변형광감쇠기를제작함에있어서 optical waveguide를이용하는방 법, 모터를이용한기계- 광학적인방법, silicon 기판위에반도체제조공정을이용하여. micro machine을 형성하는 MEMS 등이 이용되어지고 있다. Silicon 기판위에 silica나 polymer를이용하여 optical waveguide를제작하는방법은양산성측면에서대량생산의 장점을가지고있으나, 현재까지는삽입손실, 편광손실, 주파수에다른감쇠량의차이등 기계- 광학적인소자에비하여성능이떨어지는특성을보이고있다. 따라서현재광네트워 크에사용되는대부분의가변형광감쇠기는스텝모터를이용하고있다. 스텝모터를이용한광감쇠기는기타의제조방법에의한감소기와비교하여다양한장점 을가지고있으나모터를사용함에서오는단점또한포함하게된다. 스텝모터는회전운 동을기본으로하기때문에감쇠기를위해서는 filter를원판형 filter 를사용하여야한다. 이 러한원판형 filter 의경우제조방법이까다로와양산성측면에서단점을가지고있다. 또한 고도의분해능을위해서는높은감속비를갖는기어를채택해야하므르부피가커지는단점 을가지고있다. 이를극복하기위하여스텝모터의회전운동을선형운동으로변환하여 채용하고있는것이현실이다.[13] 이와같이회전운동을직선운동으로변환하기위해서는 운동변환기구를포함하여야한다. 또한이를위해서는기어를채택하여야한다. 따라서기 어의채용에서발생하는 back-lash 가있기때문에아주정밀한제어가불가능하다. 또한감쇠기의전환속도를높이기위해서는모터의회전속도를높여야하는데이경우전 원이제거될경우관성에의하여원하는위치에정지하지못하고미끄러지는 slip 현상이 발생한다. -55-
이를막기위하여다단의속도절이필요한데이는구동회로및제어회로를복잡하게만드는단점을가지고있다. 또한일반적으로모터는전원이제거된상황에서자유로운상태에있기때문에주위의진동이나기타의조건에의하여원하는위치에머무르지못하는상황에있게된다. 이를극복하기위하여일부의제품에서는 break를설치하는경우도있고일부의제품에서는모터의정지시에 holding power를걸어줌으로써원하는위치를유지하도록하는경우도있다. 본연구에서는선형초음파모터를개발하여가변형광감쇠기에적용시킴으로위와같이스텝모터를채용함으로써나타나는제반문제를해결하고자하였다. 초음파모터는서론에서논술한것과같이쉽게선형화가가능하므로화전운동을선형운동으로전환하는기계적인부품이필요치않다. 따라서구조적으로간단한형태의부품제작이가능하다. 또한초음파모터는기본적으로압전체의초음파진동에의한마찰운동을근간으로하기때문에구동신호의제거시마찰력에의한즉각적인정지가가능하다. 따라서위치제어가용이하다. 또한구동전압에따라하나의펄스당움직이는거리를자유자재로변환이가능하기때문에구조물이완성된이후에도위치 resolution 의변환이가능하다. 기어를사용하지않기때문에 back-lash 가발생하지않는다. 마찰운동을구동의근간으로하기때문에구조상구동신호제거시자연스러운 break 역할을한다. 따라서정지상태에서 attenuator의현상태를유지하기위한 holding power 가필요없는절전형구조를갖는다. 반대급부로써마찰운동에의한마모나, 발열이문제되나본연구에서개발하고자하는가변현광감쇠기나기타가변형광필터, 광지연기(optical delay line) 등과같이단속적인운동을하는광부품에의응용에는전혀문제가없는모터로사용되어질수있을뿐아니라미소구동특성, 정밀구동특성을가장효과적으로구현할수있는부품이되리라생각한다. -56-
본절의구성은다음과같다. 제 2절은선형초음파모터제작을위한진동체의 computer simulation 및그에따른제작결과, 제 3절은초음파모터를구동하기위한광대역 power amplifier 의설계및제작, 그에따른특성에대하여기술하였다. 제 4절은제작된선형초음파모터의광학적이용에관한결론을기술하였다. 2 절선형초음파모터의제작 가변형광감쇠기를위한선형초음파모터를개발하였다. 여러가지가능성을가진초음파모터의형태에대하여컴퓨터 simulation을행하였으며그결과를토대로초음파모터를제작하였다. 본절에서는초음파모터의제작과정및물리적특성에관하여기술하였다. 1. 초음파모터의전산모의 초음파모터의제작을위한기초자료를얻기위해 computer simulation 을실시하였다. 선 형초음파모터의형태는 transmission bar에굴곡진행파를인가하여그진행파에의하여 slider 를이동시키는굴곡진행파형초음파모터,[14,15] 2개의압전소자를서로직각으 로배치한형태[16,17,18], π형진동자전동기,[19] 굴곡- 굴곡모드를이용한전동기[20] 등다양한형태의전동기가있다. 본과제에서요구되는소형선형초음파모터에가장합 당한형태로써종진동과굴곡진동의혼합형의 motor의형태를선정하여 simulation을실 시하였다. 전산모의는유한요소분해법(Finite Element Method) 를이용하여실시하였으며, 여러가 지재질의금속판과앞장에서개발한압전체의 d33 등의특성값을대입하여실시하였다. 자유진동의진동특성을파악하고, 재질의두께등에따른전산모의를실시하였다. -57-
그림 3.l은전산모의에의한 L1-B4 mode 전등기의자유진동특성을나타낸것이다. 3.1(a) 는 4차굴곡진동 mode 의형태이며, 그림 3.1(b) 는 1 차종진동의형태이다. 표 3.1은압전체의크기를 3X4.25X0.5mm로고정하였을때금속판의두께변화에따른 L1 mode와 B4 mode 의공진주파수를나타낸것이다. 이때사용한금속판의재질은인청동이다. 그림 3.2 는위와같은전산모의의결과를도식화한것이다. 그림에의하면두 mode 의공진주파수는약146kHz에서일치하며이때금속판의두께는약0.54mm 이다. (a) 선형초음파모터의 B4 mode (b) 선형초음파모터의 L1 mode 그림 3.1 선형초음파모터의자유진동전산모의결과 -58-
표3.1 금속판의두께에따른L1, B4 mode의공진주파수변화 그림 3.2 금속판의두께에따른 L1, B4 mode 공진주파수변화 -59-
2. 선형초음파모터의제작앞절에서실시한전산모의의결과를토대로선형초음파모터를제작하였다. 전산모의의결과를검증하기위하여다양한조건의모터를제작하였으며, 압전체와금속진동판사이의접착을위하여필요한접착제와구동부의마찰제의영향도고려하였다. 가. 압전체의제작초음파모터를구동하기위한압전체를제작하기위하여앞장에서실시한개발물성을토대로압전체를제작하였다. 준비된 spray-dried 분말을 31X31mm의성형 mold에충진하고 square centimeter 당 1ton 의압력으로가압성형하였다. 분말중성형을돕기위하여첨가된 binder 성분을제거하기위하여탈지를실시하였으며, 1240 에서 2시간 30분간소결하였다. 소결된시편을횡형연삭기를이용하여여러가지두께로가공하였다. 가공된시편의양면에 silver 전극을인쇄한후 850 에서 10 분간열처리하여전극을형성하고, 분극을실시하였다. 분극조건은 1.5kV/cm의전압으로 140 에서 300 분간실시하였다. 분극이완료된원판시편의특성을평가하기위하여 Impedance Analyzer(HP) 로 1kHz에서의정전용량, 손실(d-value), 공진및반공진주파수와그주파수에서의 Impedance를측정하였다. 측정된특성값은표3.2 에나타내었다. 시편은 26.2X26.2mm 이다. 여기서 fa는반공진주파수, fr은공진주파수이며단위는 Hz 이다. Zm 은공진주파수에서의임피던스이며, Cs는 1kHz에서의 capacitance 이다. 전체적으로 k31 = 0.33 정도로측정되었고, 두께방향의전압에대한길이방향의압전체의변위를나타내는 d31 값은 -120-145 [10-12 V/M] 정도로나타났다. Q 값은약1100 전도의값을보였다. -60-
제작한시편은두께에비하여면적이대단히넓은시편이기때문에면방향진동이우세하며, 초음파모터에서이용하는진동 mode 도길이, 혹은면방향진동이므로본과제에서는면방향진동에만초점을맞추었다. 제작한원판시편을길이 4.25mm, 폭 3mm 로절단하였다. 절단한시편의전기, 기계적특성은표 3.3 과같다. 원판과차이가있는부분은크기차이에의한공진및반공진주파수, capacitance 이외에는별다른차이점을발견할수없었다. d31값이원판과차이가나는이유는계산식이두께에비하여길이가 10배보다훨씬클때적용되는수식을적용한까닭으로판단된다. 단일시편의공진주파수는약 360kHz 로조사되었다. 표 3.2 원판시편의두께에따른압전물성변화 -61-
표 3.3 크기 4.25X3mm 시편의두께에따른압전물성의변화 나. 금속진동부의제작 Simulation 결과를토대로초음파모터의금속진동부를제작하였다. 재질은 brass(c3604) 로선정하였으며, 두께에따른굴곡진동과길이방향의진동간의상관관계를알아보기위하여다양한두께의시편을제작하였다. 또한이동부와직접접촉을하여구동을담당하는다리부분의길이에따른특성변화와재질의변화를주어그변화에따른특성변화를알아보 았다. 본과제를통하여제작한 L1-B4형초음파모터의구조와치수는그림 3.2 와같다. -62-
(a) 선형초음파모터의평면도 (b) 선형초음파모터의정면도 (c) 선형초음파모터의평면도, 알루미나팁부착그림 3.2 L1-B4 mode 선형초음파모터의구조 금속판의전체길이는개발하고자하는감쇠기의크기를감안하여 14mm 로결정하였다. 금속판의폭은 3mm 로결정하여제작하였다. 그림 3.2(a) 와같이압전체는금속판의상단중앙에위치시키며, 압전체의크기는 4.25mmX3mm 이다. 두개의압전체상이의거리는 0.5mm 로고정하여금속판의두께에따른주파수의변화를계측하기로하였다. 그림 3.2(b) 에나타나있는 t1은금속판의두께로본실험에서는 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7mm 등 0.05mm 간격으로 5 가지조건을정하여실험을실시하였다. -63-
또한이동부와의마찰에의하여이동을시행하는다리사이의간격은 9mm 로정하였으며, 다리의폭은 1mm 로제작하였다. 다리의길이에따른구동특성의변화를알아보기위하여 다리의길이를 0.5mm와 1mm 두가지로제작하였으며, 다리의재질에따른구동특성의변 화를관찰하기위하여다리끝에 A1203 tip을 epoxy를이용하여접착한구조의금속진동 부도제작하였다. 다. 초음파모터의제작제작된압전시편과금속판을접착하여초음파모터를제작하였다. 압전체의하단에에폭시를도포하고, 접착 jig 를이용하여위치를정렬하였으며, 규정된온도시간조건에서 epoxy curing 을실시하였다. 압전체의접착시분극방향이같은방향이되도록접착하였다. 이는초음파모터의진동분석중 L1 mode와 B4 mode 를분석하기위한조치이다. 또한압전체와금속판의밀착을위하여 epoxy 경화시일정한압력을가한상태에서경화를실시하였다. 사용 epoxy의특성에따라여러가지공진특성이변할수있기때문에 epoxy 의선정에도각별한주의를기울여야한다. Epoxy 선정조건에대해서는후에논하기로하겠다. 그림 3.2와같은형태로제작된초음파모터의전극에 wire를납땜하고하면의금속판중앙에도 wire를납땜하여 Impedance analyser를통하여자유상태의초음파모터의진동특성을측정하였다. 그림 3.3은 Impedance analyser를통하여측정한 L1 mode와 B4mode의 peak를나타낸것이다. 초기 motor의제작시압전체의분극방향을같은방향으로배치하였기때문에측정전극의변화를주어 longitudinal mode와 bending mode 를구분해낼수있다. 가령압전체의두전극사이의 impedance curve를측정하면두개의압전체의같은방향의극에반대의신호가걸리게되기때문에하나의압전체가수축할경우다른압전체는신장을하게된다. -64-
따라서그림 3.2에서알수있듯이금속의한쪽면에붙어있는두개의압전체중하나가수축하고, 다른하나는신장할경우전체적인금속, 압전체의구조는 bending mode로작동하게된다. 반대로두개의압전체의전극을하나의극에연결하고금속판에다른전극을연결하면두개의압전체는동시에신장하거나동시에수축하게된다. 따라서이때발생하는진동은longitudinal mode 가되는것이다. 그림 3.3 초음파모터의 Impedance curve 그림 3.3에서흐린선으로나타낸것은 bending mode의 Impedance curve 이며, 진한선으로나타낸것은 longitudinal curve 이다. 이 curve에서알수있듯이측정된 motor는두개의공진주파수가일치하지않기때문에올바른동작특성을보지않을것임을추정할수있다. -65-
만일두개의 curve의 peak가일치하면공통공진점에서 impedance는더욱떨어질것이고 두모드의상승작용으로인하여더욱활발한진동이나타날수있으리라판단된다. 그림 3.4는 simulation을토대로제작된초음파모터의자유진동시 4차 bending mode와 1차 longitudinal mode 의금속판두께에따른변화를나타낸것이다. 실험에서관심을가진 치수내에서 longitudinal resonance frequency는금속판의두께가증가할수록어느정도 급한기울기를가지고증가하며, bending mode는그보다작은기기울기를가지고증가하 며, 약 0.56 mm 의 두께 근방에서 서로 교차하는 모습을 보여주고 있다. 이와 같이 longitudinal mode와 bending mode가일치하는지점에서금속판의다리의운동은완벽한 다원운동을이루게되고최고의성능을발현할수있게된다. Simulation의예상으로는 0.545mm 근방에서두모드간의공명점이위치하며공진주파수는약 146kHz 근방으로계 산되어졌으나, 실제의 실험 결과로는 금속판의 두께가 약 0.56mm, 공진 주파수는 약 112kHz 로측정되었다. 이는접착위치의정밀성, 소재의압전계수등의차이로인한오차 를포함하고있기때문에어느정도의차이는있으리라판단되며, 따라서상당히일치하는 결과를얻었다고판단된다. 자유진동의결과를토대로 brass 판의두께를 0.56mm로선정하여추가로 motor를제작 하여모터의동작특성을파악하였다. 그림 3.5는제작된초음파모터소자의실물사진이 다. -66-
그림 3.4 제작된선형초음파모터의금속판두께에따른 L1, B4 mode의공진주파수의변화 그림 3.5 제작된초음파모터구동부의실물사진 -67-
라. 초음파모터의특성평가제작된초음파모터의동작특성을파악하기위하여그림3.6와같은측정장치를제작하였다. Base(A) 위에 LM guide 용레일(B) 를설치하고그위에두개의 LM guide(c) 를설치하였다. LM guide 레일의양단에는 LM guide의이탈을막기위하여 stopper(d) 를설치하였다. 장치의후면에는소형 LM guide(e) 를수직으로설치하고, 수직 LM guide 위에제작된초음파모터를고정할수있는지지대(H) 를설치하였다. 지지대의하면돌출부위에초음파모터(G) 의중심을접착제를이용하여고정하였다. 두개의 LM guide 위에마찰제(F) 를 bar 형태로제작하여고정시키고지지대상단에는추 (I) 를올려모터에가해지는초기압력을조절하게하였다. 이추의무게를조절함으로써모터에가해지는초기압력에대한구동특성을조사할수있다. Base의한쪽끝에는도르레 (J) 를설치하였고, 마찰제에실을연결하여도르레의아래쪽에추(K) 를연결하였다. 이추의무게를조정하여가압력에대한모터의추력을측정할수있다. 실제측정창치의사진은그림 3.7 에나타내었다. 초음파모터를구동하기위해서는주파수는일치하며위상이다른두개의신호원이필요하다. 또한실험을위하여다양한주파수의전력원이필요한데이것을처리하기위하여본과제에서는광대역증폭기를제작하였다. 제작과정및특성은제 4 정에서언급할것이다. 제작된초음파모터를구동하기위하여그림 3.8 과같은장치를배열하였다. 두개의 function generator에의하여상호간의위상제어가가능한신호가증폭기에입력되고증폭된신호는초음파모터에입력된다. 두신호간의위상차를확인하기위하여증폭된신호를분기하여 oscilloscope 로입력시켰다. 이와같이구성한장치를통하여다양한주파수와전압, 위상에따른motor 의구동특성을확인할수있다. -68-
압전체와금속판의결합력은초음파모터의특성을좌우하는아주중요한 factor 이다. 접착제의결합력이약하거나접착제의특성이 soft한경우압전체의진동특성이금속판에잘전달되지않기때문에모터의손실이커지고 Q 값이줄어드는현상이나타난다. 따라서접착제의선정및접착조건의선정이모터의성능을구현하는데상당한영향을미친다. 본실험에서는접착제의 curing 시압전체와금속판의확실한접착을위하여센티미터당 50N 이상의일정한압력을가한상태에서 curing 을실시하였다. 시중에유통되는다양한접착제를선정하여점착 test 를실시하였다. 표 3.4은여러가지접착제에대한 motor 의구동특성을나타낸것이다. 표에나타난여러가지접착제중구동특성이양호한것은 3가지종류가있었으나기존의제품에적용하여진동에대한접착성, 온도에대한신뢰성등이입증된 E 를선택하여모터를제작하였다. 그림 3.6 motor의특성을평가하기위한장치의계략도 -69-
그림 3.7 측정장비실물사진 그림 3.8 모터를구동하고특성을파악하기위한구동장치도. 초음파모터의진동부나이동부의마모나마찰음의방지등을위하여마찰제의선정이중요하다. 이와같은마찰체의연구는각기업체나연구소에서독자적으로이루어지고있으나구체적인결과는거의발표되지않은것으로알려져있다. -70-
그중 Yamagata 대학의 Ishihawa, Tada, Sagara 등에의해연구된것이그나마체계적으로이루어진것으로그림3.9와사용된마찰제의제조사를표 3.5 에나타내었다.[21] 접착제 A B C D E F 경화조건 압전체와금속판간의전기적연결 구동특성 120, 30분 short good 120, 30분 open normal 110, 60분 open good 100, 30분 open bad 120, 120분 open good 120, 120분 short bad 표 3.4 접착제의종류와모터의구동특성 -71-
그림 3.9 각종고분자마찰제의효율비교 -72-
Polymer 제조사 제품명 POM Poly plastic Duracon M270 PA6 TORAY Amiran CM1017 PA66 DuPont Zaitel 101L PAMXD6 Mitsubishi gas Chemical Reny 6002 PBT GE Barax 315 PVDF Showa Denko Forafron 1000HD PPS Kureha Chemical Photron KPS PEEK Sumitomo Chemical Espex K HDPE Mitsubishi Yuka Yukaron BX70 UHMWPE Mitsubishi Oil Cenmical Hyzex Million M240 PP Mitsubishi Yuka Rebren MHB PTFE Sumitomo Chemical Econole S200 표 3.5 마찰제의종류및제조사 본실험을위해서위의마찰제중특성이좋은것으로알려져있는 PEEK(Poly ether etherketton, Polypenko 사) 와 PEEK 중흑연을추가하여습동특성을높인습동 grade PEEK(Polypenko 사) 와시중에서 PCB기판용으로널리사용되는 FR-4를선정하여실험을실시하였다. 그림 3.l0 은여러가지마찰재에대한모터의구동특성을나타낸것이다. 사용한마찰재중 PEEK는습동 grade과일반 grade사이에약 10% 에서 20% 정도의차이를나타내었으 며, FR-4는 PEEK에비하여 50% 70% 의성능을나타낸것으로나타났다. -73-
따라서 본 마찰재 실험을 통하여 사용 마찰재를 Polypenko사에서 제조한 습동 grade PEEK로선정하여가압력에따른motor의 speed 를측정하였다. 그림 3.l1은가압력변화와 traction force 의변화에따른모터의속도를나타낸것이다. 이 때사용전압은 169Vp-p로추를달지않았을경우최대 285mm/sec의속도를보이고있 다. 초기가압력이약했을경우추를달지않은상태에서는매우빠른속도를보이나, 추의 무게를증가시실수록속도는급격히떨어지는양상으로보였다. 초기가압력을증가시키면 부하가없을경우에속도는다소떨어지나추의무게를상승시켜도속도감소율이작아지 는것을알수있다. 제작되모터의경우그림상에서약 1.6N에서 2N의초기가압력이존 재할때모터의특성이안정적으로구현되는것을알수있다. 그림 3.12은주파수변화에따른 motor 의속도의변화이다. 중심주파수 103.8kHz 근방의 500Hz의영역에서 250mm/sec 이상의속도를보이며그영역밖에서감소하는경향을보 여주고있다. 가변형 광 감쇠기의 응답 속도에 대응하여 원하는 motor의 속도가 50mm/sec 300mm/sec 로, 제작된 motor는원하는 spec 을잘만족시키는것으로확인되었다. Motor 의다리부분의재질및길이에따른변화를살펴보았다. 우선금속판과한몸인동 재질의다리길이를 0.5mm와 1mm 로변환하여제작하였고( 그림3.2) 다리의끝부분에내 마모성이뛰어난알루미나 tip 을설치하였다. 다리의길이에따라주파수의변화가있었을 뿐속도나기타의성능에는별다른차이를발견할수없었다. 또한다리의재질을알루미나 로바꾸었을경우마찰재의심한마모현상과함께약한잡음이발생하는것을알수있었 다. -74-
이는알루미나의경도가높기때문에마찰재와접촉하는영역이좁아미끄러지는현상에의환것으로판단된다. 모터의내구성을알아보기위하여 13Hz의왕복횟수로 2 시간연속동작을실시하고, 속도를측정한다시 2시간연속동작을실시하는방법으로 30 회를실시하였다. 일반적으로초음파 motor 의경우연속동작시잡음과온도상승열화현상이나타나는것으로알려졌으나, 본실험을통하여제작된모터의경우발열현상을거의발견할수없었다. 속도의경우초기에약간상승하는모습을보인후일정한속도가됨을파악할수있었다. 결론으로본실험을통하여길이 14mm 폭 3mm의크기를갖는 L1B4 mode의선형초음파모터를제작하였다. 재질은인청동을사용하였고, 마찰재로는습동 grade PEEK를사용하였다. 모터의최대속도는입력전압이 160Vp-p일경우 285mm/sec이며초기 1.6N 2.0N이가해졌을경우약 250mm/sec 의속도를보였다. 약 300만회의왕복운동이후에도일정한속도를보이는것으로관측되었다. 따라서이와같이제작된 motor는가변형광감쇠기의용도로적합한특성을가진것으로판단된다. -75-
그림 3.10 마찰재의종류와 traction force에따른 motor의속도변화 -76-
그림 3.11 가압력과 traction force에따른 motor의속도변화 -77-
- 그림 3.12 주파수변화에따른 motor의속도변화 3절초음파모터구동용 power amplifier의제작 본연구에서는초음파모터를구동하기위한광대역 power amplifier 를제작하였다. 일반적으로초음파모터는 20kHz 이상 200kHz 이하의공진주파수를갖는다. 이러한공진주파수의차이는모터에사용된압전체의치수, 금속기구물의형태및치수, 구동시인가되는압력등의차이등에기인한다. 따라서초음파모터를개발하기위해서는이와같은광대역의이득특성을갖는전력증폭기가필요하다. 또한전력증폭기의출력전압은초음파모터의구동특성을파악하기위해서최소 200Vp-p 이상의출력이보장되어야한다. 또한초음파모터는두개의위상이서로다른신호를이용하기때문에두개의채널을갖는전력증폭기를요구한다. 본연구에서는위와같은조건을만족하는광대역전력증폭기를제작하였다. -78-
1. 전력증폭기용 OP amp의선정일반적으로시중에시판되고있는 Operational amplifier 는대역폭이매우좁다. 초음파모터의 spec이결정되고난이후에는이러한저가의 opamp를이용하여구동회로를구현할수있으나일반적으로실험에사용하기위해서는이와같은일반적인 amp로써적용할수없다. 따라서본연구를진행하기위해서 Apex microtechnology에서제조한고전압전력증폭기인 PA85 를사용하였다. PA85 series는고전압고전력대역폭의 MOSFET operational amplifier이고출력전류는 20mA 까지사용할수있도록설계되었다. 출력전압은 dual supply 를이용하였을때 ±215V 까지출력할수있으며, single supply를이용하였을때 440V 까지의출력이가능한것으로알려져있다. 최대 slew rate는 1000V/us로알려져있다. Apex microtechnology에서제공하는고전압전력연산증폭기 PA85의 spec은표3.6 에나타내었다. Apex technology에서제공한 power data상주파수에따른 power response와 compensation capacitor에따른 slew rate는그림 3.13 에표시하였다. 그림 3.13(a) 에표시한 capacitance 값은 phase compensation network에설치한 capacitor의값을나타낸것이다. Cc를 3.3pF의 capacitor를사용하였을경우 DC 부터 500kHz 까지의넓은대역의균일한출력값을얻을수있는것으로알려졌다. 2. 두채널전력증폭기의제작본연구에서는 2상구동을하는선형초음파모터를구동하기위하여두채널전력증폭기를제작하였다. -79-
기본적인회로의구성은그림 3.14 에나타내었다. 증폭률의조절은신호입력단에설치된저항을조절하여실시하도록되어있다. 전체의회로는위와같은회로두개와하나의전원장치를이용하여제작하였다. 220V 60Hz의전원으로부터 transformer 와정류기를통과하여 +160V, -160V의 power가 Amp 에공급되도록설계하였다. 정현파혹은구형파의구동신호는 BCN port를통하여입력되며, 그크기는 variable resister 에의하여조절되게된다. 연산증폭기의작동시많은열이발생하는데온도에따라증폭특성이현저히감소하는현상이있으며, 장기간사용시열에의한연산증폭기의망실이발생할수있기때문에회로의구성시방열대책을세워야한다. 연상증폭기제조사에서제시한 heat sink는 4.2C/watt 이상을권유하고있다. 본연구에서는 200feet per minute의조건에서주위온도에비해 25 도이상상승하는것을방지하기위하여 Apex에서제공하는 HS02 heatsink 를사용하였다. 이경우내부전력손실을20% 이하로줄일수있었다. Phase compensation capacitor (C1, C16) 은공히 5pF 으로선정하였다. 연산증폭기제조사에서제시한 spec에의하면이와같이 phase compensation capacitor를 5pF으로정할경우 DC에서약 400KHz 까지최대전력값까지증폭할수있으며, 그이상의주파수에서는위상불일치로인하여점차적으로최대파워의값이줄어드는것으로나타나있다. 본연구에서사용하고자하는전원의주파수는최대약 200kHz 정도이므로이러한 capacitor 의선택은합당한것으로판단된다. 회로를제작하기위하여 PCB를제작하고그 PCB 위에회로를구성하였다. 제작된 power Amp의실물사진은그림3.16 에나타내었다. 제작된전력증폭기의이득특성, 주파수위상특성을조사하기위하여 function generator(hp-33120a) 의출력을제작된전력증폭기에입력시켰으며, 증폭기에의하여증폭된출력을오실로스코프에표시하였다. -80-
또한초기의신호의크기를알기위하여 function generator의신호를분기하여 oscilloscope 에두번째단자에연결하였다. 주파수에따른증폭기의이득을조사하기위하여신호의크기를일정하게유지한채로주파수를 DC부터 1MHz 까지변화시켰다. 그림 3.17은제작된광대역고전압전력증폭기의이득특성을나타낸것이다. 입력전압으로는 0.5V 의전현파를인가하였다. 그림상에서알수있듯이제작된전력증폭기의최대출력주파수범위는 DC에서 500kHz 까지의영역이며, 소전력인가시증폭률은위의주파수범위에서약 34dB 로나타났다. 그림 3.18 은제작된전력증폭기의입력전압에따른출력전압의이득을나타낸것이다. 출력전압은입력전압이 1V 이하에서는일정한증폭률을나타냈으며 ( 약 38dB) 1V 이상의경우maximum voltage 로수렴하는모습을보여주고있다. 전력증폭기의위상지연을알아보기위하여입력신호와전력증폭기를통하여출력된신호간의위상을조사하였다. 그림 3.19은출력전압의위상 delay 를나타낸것이다. 10kHz 까지는일정한위상차를보이다가그이상이되면위상지연이더욱커지는것을알수있다. 이러한위상지연은입력신호와출력신호를동시에사용하여야하는경우에는문제가발생할수있으나출력신호만을사용하는경우아무런문제가되지않는다. 마지막으로전력증폭기의응답속도를나타내는 slew rate를측정하기위하여전력증폭기의입력단에구형파를입력시켰다. 이때입사된구형파와전력증폭기를통하여증폭된출력파형은그림 3.20 에나타내었다. 본과제에서제작된전력증폭기의 slew rate는약 120V/uS 로나타났다. 본과제에서제작된전력증폭기의사양을정리하면다음과같다. -81-
최대전력증폭률을나타내는주파수대역폭은약 500kHz이고사용범위는 DC부터가능하다. 최대전압은 320Vp-p 이며, 전압은 200mA 까지공급할수있다. 압전특성을가지고있는여러가지압전체의연구를위해서는시료의크기, 구조, 형태등에따라다양한주파수의고전압이필요하다. 일반적으로공진주파수의측정은 Impedance analyser를이용하여측정이가능하나강전현상을측정하기위해서는여러주파수에대응할수있는고전압원이필요하다. 본과제를통하여제작된전력증폭기는비단압전모터의연구뿐만아니라각종압전액츄에이터및압전 transducer의연구및구동등을위해서도꼭필요한설비라하겠다. 또한최근많은관심을끌고있는 micro-electro machine system (MEMS) 등에있어서도구현된기구물의구동특성을연구하기위하여다양한주파수대역의고전압원이필요한데이경우도위와같은광대역고전압전력증폭기를이용하여보다효과적인연구를수행할수있으리라판단된다. -82-
표 3.6 사용된고전압전력증폭기의세부사양 -83-
그림 3.13(a) 연산증폭기의 slew rate 그림 3.13(b) 연산증폭기의 power response -84-
그림 3.14 Operational amp와기본회로구성 -85-
그림 3.15 제작된 2 채널광대역고전압전력증폭기의구조 -86-
그림 3.16 제작된전력증폭기의주파수변화에따른이득의변화 -87-
그림 3.17 입력전압에다른출력전압의변화 ( 시험주파수 : 100kHz) -88-
그림 3.18 입력주파수에따른출력전압의위상변화 -89-
그림 3.19 구형파인가시출력전압의변화 (slew rate) -90-
그림3.20 두대의function generator와두채널앰프로구성된실험용전원장치 -91-
제 4 장가변형광필터의개발 1 절서론 기계적으로구동하는가변형광감쇠기를구성함에있어서기본적으로요구되어지는요소가가변형광필터이다. 일반적으로필터를이용하여광량을감쇠시키는방법에는흡수형광필터와반사형광필터, 혼합형광필터등이사용되어질수있다. 이러한광필터등은일반적으로주파수의의존이크기때문에주파수의존성이적은물질을골라 filter를제작하여야한다. 이와같이주파수에의한감쇠의존성이적은 filter를 ND(Neutral density) filter 라고하며, 진공증착방법에의한금속막혹은세라믹막을이용하여제작하는방법과color glass 를이용하여제작하는방법등이사용되어질수있다. 금속혹은세라믹박막의재질로써이용되어지고있는물질들은 Chrome, Ni-Chrome, 혹은 inconel (Ni-Cr-Fe) 등이고세라믹박막의경우 TiO2 등이사용되어지고있다. 위의물질들은대체적으로통신영역인 1500nm 근방에서거의균일한감쇠특성을보인다. Color glass를이용하는경우는특정주파수영역에서안정된감쇠를보이는 filter glass를채택하여경사연마를하는방법을이용하여제작한다. 이와같이 filter glass를연마하여제작하는경우일반적으로가공에의한치수정밀도를극대화할수있기때문에대단히정밀한 filter 를제작할수있다. 본과제에서는가변형광감쇠기를제작하기위하여위에서기술한두가지의 filter를개발하였다. 박막형 filter의경우 magnetron sputtering을이용하여경사 coating을하는방법 을채택하였고 filter 재질로는 Cr 을사용하였다. -92-
Filter glass를이용한 wedge filter의경우본연구에서처음으로제안된 glass의열접합방법에의한 filter 를제작하였다. 제 2절에서는 filter glass를이용한가변형 ND filter 의제작에대하여논의하겠으며, 제3 절에서는경사증착에의한가변형광감쇠기의제작에대하여기술하겠다. 2절 Filter Glass를이용한가변형광필터의제작 가변형광감쇠기를제작하기위하여기본적으로요구되는가변형광필터를제작하기위하여 glass filter를이용한 wedge filter 를제작하였다. 이러한 filter glass를이용한감쇠필터는공기와굴절률차이에의한표면반사를제외하면대부분의감쇠가흡수에의한손실로나타나기때문에감쇠율은두께에거의완벽하게비례하는특성을보인다. filter glass 의두께에따른감쇠율은식 4-1 에의하여묘사된다. 여기서 α는 db로표시한 attenuation 이며 τ는 filter glass 의투과율이며, T 1 은기준두께이고 T 2 는측정하고자하는 filter 의두께이다. 위의식에서알수있는것은 db로표시한감쇠율이정확하게두께에비례하는양으로나타나기때문에두께의기울기를정확히 control할수있다면완벽한선형성을가진 filter 를제작할수있다. 일반적으로 glass 가공에있어서평면의평탄도를 1um 이하로관리하는것은어렵지않은일이며, 광학소자에있어서평탄도는적어도 1/4 λ를요구하며, 구현하고있기때문에 sub micron의평탄도를얻는것도어렵지않은일이다. 따라서적당한소재를선택하여경사연마를실시할경우선형성이매우뛰어난가변형광filter 를제작할수있다. -93-
본절에서는가변형 glass filter 의제작방법에관하여논의하겠다. 1. Filter용 glass 가변형 filter에의하여감쇠가변하는원리를그림 4.1 에묘사하였다. 그림 4.1 (a) weak attenuation 그림 4.1 (a) weak attenuation 그림 4.1(a) 는 weak attenuation 을나타낸것이다. 여기서굵은화살표는빔을나타내었다. Filter의 wedge 부분중두께가좁은쪽을통과하여빛이진행하면 filter에의하여흡수되는양이적기때문에 attenuation이작으며그림 4.1(b) 와같이 filter가위쪽으로이동하면 filter에의하여흡수되는광량이많기때문에 attenuation 이커진다. -94-
하지만그림과같이제작된 filter 는제조상, 또는특성상문제를포함하고있다. 제조상의 문자는 wedge가날카로운끝을가지고있기때문에가공이어려우며추후조립공정등에 서끝이깨어질가능성이크다. 또한광학적으로는 filter를통과하는빛의상단과하단이 통과하는 filter 의두께가다르다는것이다. 일반적으로 glass는공기와다른굴절률을가지 고있기때문에빔의상단과하단사이에경로차가발생한다. 이러한이유로인해위와같은 형태의 filter 는사용이불가능한구조를가지고있다. 이러한문제를해결할수있는방법으로고안된형태의 wedge filter는그림 4.2에묘사하 였다. 그림 4.2 Filter glass와 window glass의조합으로이루어진 wedge filter의구조 그림상에검은부분은 filter glass 를나타낸것이며, 흰색부분은감쇠가거의없이빛을통과시키는 window glass 이다. 일반적으로 window glass는 Schott 사에서제작한 BK7 이가장널리사용되어지고있다. -95-
이러한형태의 wedge filter는 filter glass와 window glass를광투과성접착제를이용하여접착한후연마하는방법을이용하여제조한다. 하지만광투과성접착제는일반적으로습기에약하여가공시흡수에의해투광도가떨어지거나두개의유리가분리되는약점을가지고있기때문에공정상에상당한주의를기울여야하는문제점을가지고있다. 이러한문제점을극복하기위해서본과제에서는두개의유리를열접착방식을이용하여접착하였다. 열접착을실시할경우두종류의유리가서로녹아붙게되는데이경우서로한몸의유리가되기때문에접착력은대단히커지게되고후공정도원활하게수행할수있다. 이러한개념을이용한광부품중에는 longitudinal 방향의 index gradient를갖는광 collimator 가있으며, Lightpath사에서제공하는 collimator의형태가이러한열접착방식을취하고있다.[lightpath catalog] 이와같은방법을이용하여 filter를제작할경우또하나고려해야하는부분은두종류유리사이의 softening point 이다. 만일두종류의유리사이의 softening point가유사하다면서로간의형태가무너지는현상이발생하기때문에두종류의유리사이의계면이선형적이지못한현상이발생하게된다. 따라서가공에의하여 filter의선형성을보장할수있다는본제작방법의장점을살리지못하는현상이발생한다. 이러한문제점을미연에방지하기위하여 filter glass의선정에있어서 glass temperature 의조사가필요하다. 조사된 filter glass와 window glass로사용되는 BK7의열적특성은표 4.1 에나타내었다. 아래의 filter glass는 Schott Glass사에서공급되는 glass 의종류이다. 여기서 thermal expansion의단위는 10-6 /A 이다. Transformation temperature를고려할때 NG10의경우 Transformation temperature가 468도로 BK7과비교하여 100 도이상차이가나고, 온도도낮기때문에공정상에서도제조효율을높일수있는소재라판단된다. -96-
두번째로가능성이있는재료는 UG1으로전이온도가약 50도정도의차이를보이고있으 며, 열팽창계수의차이도 -6 0.7 X 10 /K 정도로 expansion matching이장이루어지는소재 라할수있다. UG11의경우전이온도가거의유사하기때문에접합시계면의선형도를 유지할수없다. 따라서본소재는본과제의용도로는부적합한소재임을알수있다. 열 팽창계수의차이에의한변형을고려할때 KG1은다소간열팽창계수차이가크기때문 에냉각시변형이발생할가능성이크다. 따라서열적특성에의하여 UG1과 NG10이가 능성있는 filter glass 로보인다. 표4.1 조사된Filter glass의열적특성 또한고려되어야할점은감쇠의파장비의존성이다. 사용파장대역에서균일한감쇠특성을가져야만다중파장통신이가능해지기때문이다. 이러한제반의사항을고려하여 filter glass 가선정되어져야한다. 일반적으로 filter glass는특정주파수영역에서 window를가지고있는 band pass filter의일종이거나가시광선영역에서 ND filter로제작된 glass이다. 본과제에서는 cut-off 영역밖의특성을이용하여 attenuation 을구현하려고한다. 그림 4.3은조사된 filter glass 의파장에대한흡수도를나타낸것이다. 이때흡수도는소재 의두께가 1mm 이다. 또한흡수율을감쇠율로전환한것을표 4.2 에나타내었다. -97-
아래그림에서알수있듯이 NG10과 KG1은사용파장대역에서투과도가증가하는모습을보여주고있다. UG11의경우투과유도매우작아 1mm의두께에서 20dB 정도의 attenuation 을보일수있으나, 열적특성때문에사용할수없는소재이다. UG1의경우열접착의가능성도있으며, 그림에서보는바와같이 1200nm에서 l700nm의파장영역에서자료상으로는거의균일한투과특성을보이고있기때문에본과제에적합한소재라판단되어 UG1 을선정하였다. 그림 4.3 여러가지 Color filter의파장에따른투과율 -98-
표 4.2 조사된 1mm 두께의 color filter 의흡수감쇠율(dB) 2. Wedge filter의제작가. 평면연마 Schott glass사에서제공하는 window glass BK7과 color filter UG1를기본소재로하여 제작을하였다. UG1의경우 1mm당약 15dB의 attenuation을나타내기때문에본과제에 서달성하려고하는 30dB를구현하기위해서는 2mm 의두께가필요하다. 하지만가공중 에두께가얇아지기때문에시작물질은두께 3mm, 가로X 세로 = 2 inches의유리판으로 선정하였다. 공급된유리판의정도를향상시키기위하여표면연마를실시하였다. Carrier를 80 로가열한후 wax 를이용하여유리를접착하였다. 400번 diamond wheal, 800번 wheal, 1200번 wheal을이용하여연마한후 6um와 1um, 0.3um의연마제를이용하여연 마를실시하였다. 일반적으로유리전체를한몸으로사용할경우사용하는면전체가광학적으로 1/4 λ이상 의평탄도를가져야하나본과제에서제작하고자하는 filter는폭 2.5mm, 길이약 10mm 정도의작은크기이기때문에유리원판이전체적으로위와같은 spec을만족할필요는없 다. 본 filter를제작하기위해서유리판의 edge 부분을제외한중앙부의평평도는 ±1um이 내가되도록하였다. -99-
그림 4.4 Wedge형 filter의제조공정도 - 100 -
나. 절단 크기 2.5X50.8X50.8 mm의원판유리를주로세라믹절단에사용되는 dicing saw를이용 하여원하는크기로절단하였다. 일반적으로가공의편이성을위하여원판을접착한후가 공, 절간하는방법을택할수도있으나이경우열접착시두유리사이의계면에기포가 trap 될수있는가능성이크기때문에될수있으면작은크기의유리를접착하는것이유 리하다. 또한가공, 연마시에도적당한형태의 jig를이용한다면제조상의복잡성을피할 수있다. 다. 열접착 크기 2.5X3X10mm ( 혹은 2.5X3X12mm) 의 UG1을알루미나기판위에위치시키고그위 에 같은 크기의 BK7 을 적층하였다. BK7의 transformation temperature가 557 이고 UG1의 transformation temperature가 603 이기 때문에 BK가 더 낮은 온도에서 softening 된다. 따라서접착이이루어질경우 BK7이아래에위치할경우하부의기판과 접착되는현상이나타날가능성이있다. 따라서 UG1위에 BK7을올려놓고열처리를실시하 였다. 열접착은 Belt furnace 를이용하여실시하였다. Belt furnace의온도 table은그림 4.5에 나타내었다. Belt furnace는일정한온도가설정되어있는 hot zone을통과하여열처리되 는형태를가지고있는로형태이기때문에아주정확한열처리 schedule 을갖는다. Belt 의속도를변경하여열처리조건을결정할수있으나일반적으로열처리는온도의의존성이 매우크기때문에본과제에서는 hot zone의온도만을실험의 factor로하여실험을진행 하였다. - 101 -
그림 4.5 Belt furnace의열처리 schedule 초기에는열처리와후가공의편의성을위하여 20X12mm의유리판의점착을시도하였으 나, 내부에다량의기포의 trap이발생하여사용할수있는부분이매우제한적인모습을 나타내었다. 이러한기포의발생을억제하기위하여진공 furnace를이용한점착을시도하 였다. 하지만이경우에도 trap된기포가존재할뿐아니라 pumping 중완전히제거되지 않은기포는 trap된이후열처리과정중팽창하여두개의유리사이에 bubble을형성하는 경우도발생하였다. 이와같이진공 furnace 내에서열처리시발생한 bubble은그림 4.6에 나타내었다. 이러한문제점을해결하기위하여본과제에서는실제로제작하고자하는가변형광필터의 크기에가공여유를둔크기로시편을절단하여열접합을실시하였다. 시편의크기가클수 록시편내에생길수있는기포가열처리중에빠져나을수있는 pass가길어지기때문에 glass 가서로접착하는동안에충분히빠져나올수없게된다. - 102 -
하지만시편의크기가작으면 glass가 softening되어자중에의해쳐지게될때그압력에의하여시편밖으로빠져나올수있는가능성이커진다. 그림 4.6 진공 furnace에어열처리시발생한두개의 glass 사이의 bubble 열처리온도는 BK7의 transformation temperature보다약 50도높은 600 를시작으로하여 30 간격으로 720 까지 1 차적으로실시하였으나, 열처리시간이 10분으로짧은까닭에 transformation temperature보다 dir 160도높은마지막조건에서어느정도접착이발생하기시작하였다. - 103 -
따라서 2차적으로 730 와 750, 780 3 개의온도조건에서다시실험을실시하였다. 730 에서는 edge 부분이완벽한접착을하지못한형상을나타내었고, 750 이상의열처 리조건에서양호한결과를얻었다. 그림 4.5는 750, hot zone 통과시간은 10분의조건 으로제작된접합유리의사진이다. 그림상에검은색으로나타난것이 UG1 이며, 투명한 유리가 BK7 이다. 그림 4.7 750, 10 분의조건으로제작된접합유리의형태 라. 경사가공열접합을통하여제작된크기 5X12X3 mm의접합유리를경사가공을실시하여 filter 의형태를제작하였다. 제작방법은그림 4.8 에나타내었다. wedge - 104 -
(a) (b) (c) (d) 그림 4.8 경사연마및 2차연마를통한 wedge filter의제작공정 - 105 -
경사 jig는 11 경사 jig와 13 경사 jig 를제작하여사용하였으며, 11도경사 jig는를이용할경우 30dB의 attenuation을얻기위하여 11mm 의길이가필요하며, 13도 jig를사용할경우약 30dB의 attenuation을얻기위하여약 8.5mm 의길이를필요로한다. 1차적으로경사 jig 위에 wax를이용하여접합유리를부착하고유리와 jig를횡형연삭기의 carrier 위에같은방법을통하여접착하였다(a). 이때연마를실시하면그림 4.8 의 (b) 와같은형태를얻을수있다. 1차연마가실시된접합유리를 jig에서떼어낸후그림 4.8 의 (c) 와같이 carrier 에뒤집어부착하였다. 다시 2차가공을실시하여그림 4.8 (d) 와같은형태의 wedge 모양의접합유리를얻을수있다. 1차와 2차가공은단지유리의모양을형성하는단계이므로황삭의개념에서접근하였으며, 180mesh의 CBN wheal을이용하여가공하였다. 후공정으로진행될연마를위하여 0.3mm 의가공여유를두어작업을실시하였다. 마. 연마제작된형태의접합유리가광학적으로투과특성을나타내게하기위하여연마를실시하였다. 연마순서는 400mesh, 800mesh, 1200 mesh의 diamond wheal을이용하여 lapping 작업을실시하였으며, 이후 6um, 1um, 0.3um의 slurry 를이용하여연마를실시하였다. 연마공정중 glass의표면은그림 4.9 에나타내었다. 4.9(a) 는 800mesh를이용하여가공한접합유리의표면사진으로배율은 100 배이다. 그림 4.9(b) 는 1200mesh의 diamond wheal 을이용하여가공한유리의표면사진이며 scratch의폭은약 3-5um 로측정되었다. 그림 4.9(c) 는 6um의 slurry를이용하여 polishing 을실시한후표면사진이다. 이후 0.3um의 slurry를이용하여마지막 polishing을실시하였으며이경우전체표면상에서 1um 이하의폭을갖는 1-2개의 scratch 가발생하였다. Attenuator의 filter를통과하는평행광선의폭이약 500um 임을감안하면이와같은 scratch에도불구하고 attenuation 특성에는별다른영향을끼치지않는 scratch 로판단되어진다. - 106 -
그림 4.10은완성된 filter중일부의표면에서발생한 sand mark 이다. 이러한 sand mark는 filter 의가장자리부분에서주로발생하며, 발생한 sand mark의크기는약 1-3um 정도였 다. 일반적으로이러한기포현상은유리자체의결함에서발생하는경우와가공중발생하 는경우로나뉠수있는데본 filter에서발생한 sand mark는주로 filter의가장자리에서 발견되는것으로보아가공중발생한것으로볼수있다. 이와같은 sand mark는한차례 가공을실시한후다음차례의가공에서전가공에서발생한 scratch를완전히제거할수있 도록충분한가공을실시하지못했기때문에발생하는현상으로가공이순차적으로진행될 수록충분한시간을가지고진행하는것이중요하다. 이러한 sand mark는크기에따라광 학적특성에크게악영향을미칠수있으므로초기가공시충분한주의를기울여가공하여 야한다. 이와 같은 제조 공정을 통하여 제작한 filter의 실물 사진은 그림 4.10 에 나타내었다. Wedge filter의전체길이는 12mm이며두께는 2mm 이다. 0-30dB를구현하기위한가용 거리는약 8.5mm 이다. 3. Wedge filter의특성평가제작된열접합방식의가변형광필터의특성을평가하기위하여그림4.12와이장치를배열하였다. 광원으로는 Optospeed 사의 SLED1550S5A 를이용하였으며, 광파워를측정하기위하여 ANDO사의 optical multimeter인 AQ2140에 sensor unit로 AQ2733을장착하였다. 또한파장변화에따른감쇠량의변화를측정하기위하여 Optical spectrum(andoaq63l7b) 을설치하였다. SLED source에서나온신호는 SMF28 광섬유를통과하여 collimator에의해평행광선이되고, 측정하고자하는필터를통과한후다시 collimator에의하여접속되어 optical multimeter 혹은optical spectrum analyser 로보내지게된다. - 107 -
우선위치에따른감쇠율의변화를확인하기위하여두 collimator 사이에 linear stage를 설치하고그위에제작한 wedge filter 를설치하였다. 위치를 100um 단위로이동하며감쇠 율의변화를측정하였다. 그림 4.13은제작된 wedge filter의위치에따른감쇠율의변화를 나타낸것이다. filter 자체의삽입손실은약 1.23dB 로측정되었다. 감쇠의주된원인은첫 째유리와대기상의굴절률차이에의한표면반사에의한부분과둘째 UG1과 BK7의미소 한굴절률차이에따른부분으로나뉠수있다. 첫째원인에대한것은무반사 coating을 통하여해결될수있으며이를통해약 0.4dB 의삽입손실감소를이룰수있을것이다. 두 번째원인에의한것은두유리사이의물성에의한것이기때문에이러한원인에서발생한 문제점은 refraction index가잘 match하는소재선정을통해해결될수있으리라판단된 다. 그림 4.13에서알수있듯이가공과열접착방법에의하여제작된가변형감쇠 filter는전 영역에걸쳐거의완벽한선형성을나타내고있다. 이러한완벽한선형성은감쇠율을정밀 제어하는데매우중요한 factor 를제공한다. 단순히위치만을제어함으로써그에해당하는 광 감쇠율을 제어할 수 있기 때문에 상대적으로 큰 초기 삽입손실을 감안하더라도 programable attenuator 등계측기용감쇠필터로써적용가능성이매우높으리라판단된다. 그림 4.14 는파장에따른감쇠율의변화를나타낸것이다. 측정구간은 1510nm-1560nm의 영역으로전체적으로주파수가증가할수록 attenuation이단순증가하는경향을나타내었 으며, 50nm 구간에서파장에따른 attenuation의변화는약 0.48dB 로측정되었다. 그래프 상에나타난잔 ripple은 filter의양표면과대기상의 index mismatch에의해서발생한 반사에의한 multiple beam interference에의한것으로무반사 coating을실시함으로써 제거할수있다. - 108 -
4. 결론가변형광감쇠기의핵심부품인가변형광감쇠필터를제작하기위하여 color filter와 window glass 의열접합방법을선택하였다. 본실험을통하여제작된가변형광감쇠필터는 1.23dB 의삽입손실을보였으며, 무반사 coating을통하여 0.9dB 이하의삽입손실을가질것으로예측되어진다. 1510-1560nm 상이의영역에서파장에따른감쇠율의변화는 0.43dB 로측정되었다. 위치변화에따른감쇠율의변화는완벽한직선성을보여주고있다. 이는 attenuation이단지위치만의함수로나타나기때문에정밀한위치제어만으로정밀한 attenuation 의조절이가능하다는것을의미한다. 따라서본과제를통하여제작된가변형광감쇠필터는 module 형태의 network용가변형광감쇠기뿐만아니라정밀제어를요구하는 system 급의계측기용가변형광감쇠기로써의사용가능성이높은소자라하겠다. - 109 -
그림 4.9a 800번 diamond wheal을이용한 glass의연마면사진 그림 4.9b 1200번 diamond wheal을이용한 glass의연마면사진 - 110 -
그림 4.9c 6um slurry를이용하여연마한 glass 표면사진 그림 4.9d 1um slurry를이용하여연마한 glass의표면사진 - 111 -
그림 4.10 가공완료후존재하는 sand mark - 112 -
그림 4.11 제작된 attenuation filter의실물사진 그림 4.12 가변형 filter의특성을측정하기위한장치의계략도 - 113 -
그림 4.13 제작된 wedge filter의위치에따른감쇠율의변화 그림 4.14 제작된 wedge filter의파장에따른 attenuation의변화 - 114 -
3절 Sputtering을이용한가변형광필터의제작 가변형광감쇠기를제작을위하여기본적으로요구되는가변형광필터를제작하기위하여박막 film을이용한가변형 ND filter 를개발하였다. 일반적으로광통신영역대에서일정한투과율을가져 ND filter로사용되는물질은 Chrome, Ni-Chrome, Inconel (Ni-Cr-Fe 화합물) 등과같은금속박막과 TiO2 등세라믹박막으로알려져있다. 이중 chrome 박막은유리, silicone 등과같은 substrate 물질과접착력이아주좋기때문에 substrate에전극을형성하기전에전극과 substrate와의계면접착력을증가시키기위한하지층으로많이사용되어진다. 또한반도체공정중 lithography를실시함에있어서 UV를차단하는 mask로일반적으로사용되는물질이다. 따라서그박막의특성및제조방법이널리알려져있는물질이기때문에쉽게박막을제조할수있다. 기타앞에서소개한 Inconel, Ni-chrome 등은강자성을띄고있기때문에박막의형성이쉽지않은것으로알려져있다. 본연구에서는 Chrome을이용하여 ND filter 를제작하였다. 1. 박막 wedge filter 제작용 Screen의제작가변형광감쇠기의 ND filter를제작하기위해서는두께 gradient를갖는박막의제조가필요하다. 일반적으로박막두께에 gradient를주는방법에는 target과 substrate의사이에일부를 screen으로막아증착입자의회절현상에의해기울기를주는방법과다양한핀홀의밀도와핀홀의크기를조절한마스크를이용하여제작하는방법등이있다. 하지만이러한방법에의하면박막이증착되는부분과증착되지말아야하는부분등의구별이모호하고, 위치에따른박막의두께가 gaussian 부포를갖는등위치에따른일정한두께 control 이가능치않은단점을가지고있다. 따라서본과제에서는 gradient thin film filter 를제작하기위하여속도와이동거리, 이동횟수등의자유로운조절이가능한가변 screen 을설계제작하였다. - 115 -
이동스크린의설계 factor를선정하기위하여박막증착시간에대한박막의두께를측정하였다. 박막증착조건은 Ar flow rate를 10sccm 으로고정하였고, Sputtering power는 80W, 진공도는 1X10-6 torr으로선정하였다. 아래표는 1550nm에서측정한박막의투과율및감쇠도이다. 표 4.3 기타 factor를고정한시간에따른박막의투과율 위의결과를통하여증착시간은 20 분정도가타당한것으로나타났으며, 이와같은 data를통하여모터의출력, 기어비등을선정하였다. 그림 4.15는제작된 moving screen 및 sputtrting chamber 의개략도이다. 구동원으로 geared DC motor(a) 를이용하였으며, DC motor의 pully (B) 에 timing belt(c) 를설치하였다. Screw(E) 에연결된 pully(d) 에동력이전달되어 screw 가회전하면, coupling(h) 을통하여연결된 stem(i) 이좌우로이동하게되며, stem 끝에달린 Screen이좌우로이동하여 substrate위에증착되는 Cr의양을조절하여증착두께가조절되는구조이다. 기울기를가진박막의폭은 pully 끝에달린 4개의 teeth(f) 와 teeth가지나간횟수를측정하는 magnet sensor에의하여조절되어지는구조를가지고있다. motor의속도는 controller에서 voltage 를통해조절하게하였으며, 4단계로일정한전압을인가할수있게하였다. - 116 -
이동폭, 반복횟수등의조절은 PLC(Programable Logic Controller) 에의하여제어되게 하였다. 기계적인 정확성을 위하여 Screw는 micrometer screw 를 이용하였다. 제작된 screen의위치정밀도는최대속도이동시 screw fully상 10도이내로써약 18um이고최소 속도이동시 screw fully 상 2도이내로약 4um의위치정밀도와반복정밀도를갖는것 으로확인되었다. 그림 4.16는제작된 moving screen part와 sputtering chamber의실물 사진이다. 그림 4.15 Gradient thin film제조를위한 moving screen의계략도 - 117 -
그림4.16 Gradient thin film attenuation filter 제조를위한sputtering 장치및slide screen 장치. 2. 박막 wedge filter 제작가변형박막 filter를제작하기위한 substrate는 window glass로널리쓰이는 BK7을이용하였다. BK7의굴절률은 1550nm의파장영역에서 1.5009로대기와의굴절률차이로인하여한면당 0.177dB의반사가발생하여총약 0.4dB 의초기손실을갖는다. 이러한초기손실을제거하기위하여 BK7의양면에 AR coating 을실시하였다. AR coating을실시한면과 chrome 박막, BK7의원래표면과 chrome박막사이의접착력을비교하기위하여 peal off test 를실시하였다. 박막이중착된표면에칼로긁어폭 1mm 의격자를형성시켰다. 격자가형성된표면에 scotch tape 을밀착하여부착하고, 순간적으로 tape 를당겨벗겨져나온격자수를헤아렸다. BK7 표면에직접 coating을실시한시편과 AR coating 을실시한두표면모두격자가떨어져나온부분은없었으며, 칼로긁힌자리부분이약간떨어져나온부분이있음을확인하였다. - 118 -
따라서 AR coating을실시한표면과 chrome 박막간의접착력과 BK7과 chrome 박막간의 결합력차이는없는것으로추정할수있었다. 따라서본실험에서는 BK7의양면에 AR coating 을실시한시편을이용하여박막을형성하였다. AR coating을 실시한 시편을 substrate의 size에 맞추어 50X50mm로 절단하고 TCE, E-OH 를이용하여초음파세척을실시하였다. 세척이완료된시편을장착한후 sputtering 을실시하였다. Target은 2inch, 두께 2mm의 99.99% chrome 을사용하였고, substrate와 의 간격은 6cm 로 고정하였다. Substrate 의 온도는 상온으로 유지시켰으며, screen과 substrate 와의간격, 시간등을조절하여 filter 를제작하였다. 초기 substrate와 moving screen간의 간격을 1mm로 고정하여 실험을 실시하였으나 sputtering material의회절에의하여 screen 밑에도 coating이되어 coating이실시되지 않은영역과 coating 이실시된영역간의구분이모호한모습을보여주었다. 따라서이러한 문제점을해결하기위하여 screen과 substrate를밀착하여 coating 을실시하였다. 직접적인 밀착을하면 coating 부분에 scratch가발생할수있기때문에 screen과 substrate를 1mm 간격으로유지하고, screen에 miler film을부착하여 miler film이 substrate에밀착될수 있도록조치하여 coating 을실시하였다. 초기진공은 1X10-6 torr로설정하였고, RF 출력은 80W에서 100W, Ar의 flow rate는 10sccm 으로설정하였고, 매번약 5분간의 pre-sputtering 을실시하였다. Chrome coating은 50X50mm 의크기로제작되었다. 시편원판은 Dicing saw를이용하여 길이 10mm, 폭 2.5mm 로절단하였다. 이와같은공정을통하여제작된시편의실물사진은 그림 4.17 에나타내었다. - 119 -
제작된시편의위치에따른감쇠율은그림 4.12에서설명한구조의장치를통하여측정하였다. 측정값은그림 4.18 에나타내었다. 위치에따른 attenuation은초기 10dB 이하의영역에서는 S curve 형태의곡선상으로 attenuation이증가하다가 10dB 이상이서는직선에가까운증가추세를보이고있다. 제작된 film type 가변형광필터의파장에따른감쇠율의변화를위와같은장치를통하여측정하였다. 광원으로는 Optospeed 사의 SLED1550S1 을사용하였고, 분석을위한 spectrum analyser는 ANDO사의 AQ7317B 를이용하였다. 분석한위치는감쇠율이약 10dB 정도되는곳의 attenuation을파장 1520nm l570nm의 50nm 영역에서측정하였다. 측정된결과는그림 4.19 에나타내었다. 위의측정영역에서약 0.27dB의감쇠율차이를보이고있다. 초기삽입손실은 0.1dB 이하의특성을보였다. 3. 결론가변형박막 filter를제작하기위하여 sputtering 방법으로 chrome 박막을증착하였다. 위치에따른광감쇠의변화를주기위하여 sliding screen을제작하여경사박막을형성하였다. 기판은 BK7 을사용하였으며, 양면에 AR-coating 을실시하였다. 초기삽입손실은 0.1dB정도의값을보였으며 1520-1570nm 사이에서파장에따른 attenuation의변화는 10dB attenuation 근방에서약 0.27dB 의차이를보였다. 양면 AR-coating의결과로 multi-beam interaction에의한 ripple 은나타나지않았다. 10mm 이동범위에서약 30dB 의 attenuation 을달성하였으며, 이는 coating 시간의변화를통하여변화가가능하다. 위치에따른 attenuation의변화는 10dB 이하에서는 S-형의 curve를가진 attenuation의증가양상을보였으며,10db 이상의영역에서는선형적인증가양상을보였다. 삽입손실, 파장의존손실, 사용파장범위내의 ripple 등여러가지특성을고려할때, 제작된박막형가변형광감쇠필터는소형, module형가변형광감쇠기의제작에아주적합한형태의가변형광감쇠필터로판단된다. - 120 -
그림4.17 제작된박막형가변형광감쇠필터 - 121 -
그림 4.18 제작된가변형광감쇠 filter의위치에따른 attenuation의변화 - 122 -
그림 4.19 제작된가변형감쇠필터의파장에따른감쇠율의변화 - 123 -
제 5 장가변형광감쇠기 1 절서론 선형초음파모터를제작하기위하여압전소재의개발, 선형초음파모터의개발, filter glass를이용한 wedge filter와진공증착을통한박막 wedge filter 를제작하였다. 본과제는위와같이준비된각종부품을조합하여선형초음파모터를이용한가변형광감쇠기를제작하였다. 제작하고자하는가변형광감쇠기에사용되는선형초음파모터는 3장에서기술한바와같이충분한동작특성을만족하고있고, 가변형 ND filter의경우도파장특성감쇠특성등만족할만한결과를보여주고있다. 본장의구성은다음과같다. 2절에서는광학부의제작및특성평가에대하여논하였고, 제 3절에서는초음파모터와의결합및 package 제조, 제 4절에서는가변형광감쇠기를구동제어하기위한구동회로및제어회로의개발에관하여논하였으며, 제 5절은제작된선형초음파모터를이용한가변형광감쇠기의동작특성에관하여논하였다. 2 절감쇠기의제작 제작하고자하는가변형과감쇠기의광학적인부분에서의감쇠우선광섬유를통하여입사된광신호는 mechanism 은다음과같다. collimator를통하여시준화되고자유공간상으로 도출된다. 도출된광신호는가변형 filter를통해진행하는과정중적당한광신호로감쇠가이루어진다. 감쇠가이루어진광신호는다시 collimator를통하여광섬유로초점이맞추어지고광섬유를통하여출력되어진다. 이때광감쇠의정도는초음파모터를통하여감쇠필터의위치를변화시킴으로변경이가능하고광감쇠필터의위치는 motor에부착된 potentiometer 에의하여조절된다. - 124 -
우선광학계를구성하는데가장중요한것은 collimator를통하여자유공간으로도출된광신호를정확하게다시광섬유로입사시키는광부품들의정렬과정이다. 이러한광 collimator, 광섬유를포함한 capillary등을고정하기위해서는 frame 이제작되어져야한다. 본과제에서는이러한 frame을제작함에있어서광감쇠기의구조상 network용으로선호되는형태인입력광섬유와출력광섬유두개의 port 가한방향을갖는구조를취하였다. 이러한형태를구현하기위하여제작된 frame의실물사진은그림 5.1 에나타내었다. Frame 의재질은가공성, hardness 등을고려하여 SUS402 를선정하였다. 이러한 frame을이용하여 collimator, glass capillary, prism의구성은그림 5.2 에나타내었다. Collimator 는 Nippon Sheet Glass사에서제조한 SELFOC microlens 를사용하였다. SELFOC microlens의길이는 4.85mm 이며, l550nm의파장에서 1/4 pitch 를가지며, lens의한쪽면은 8 의기울기를가지고있어반사손실을최소화하도록설계하였다. 또한대기와의굴절률차이에의한반사를막기위하여 lens의양면은 AR coating 을실시하였다. Capillary의경우외경크기는 collimator와같은크기인 1.8mm 이며, 중심에단일모드광섬유인 SMF28 을설치하였다. 또한전반부에는 8 의경사를두어반사손실을최소화하였으며, lens와마찬가지로 AR-coating 을계면에서의반사를최소로억제하였다. Collimator에의하여시준화된광신호를 90 굴절시키기위하여 prism 을설치하였다. Prism의재질은 Schott glass 사의 BK7 을사용하였고, leg 부분에 AR-coating을실시하여굴절률차이에의한반사손실을최소화하였다. 또한 90 굴절이일어나는현상은프리즘의사면에의한전반사를이용하였고따라서프리즘표면에서의손실은원론적으로제거하였다. - 125 -
Frame에각종광소자등을고정하기위하여 epoxy를사용하였으며 epoxy의사용위치는그림 5.2 의검은색점으로나타내었다. 근본적으로광신호가 epoxy를통과하지않도록설계하였다. epoxy 는두가지종류를사용하였다. 우선 prism과 lens의고정은고온신뢰성및 hardness가뛰어난열경화성 epoxy 를사용하였고, Collimator와 capillary의고정은 align의문제를고려하여 UV curing epoxy 를사용하였다. 우선 prism을고정하기위하여위치가고정된 prism 고정용 jig를이용하여 prism의위치를고정하고, prism의네귀퉁이에 epoxy 를미량도포하여밀착시켰다. Jig에물린상태에서 120, 2시간동안 epoxy curing 을실시하였다. Prism의고정이완료된 frame에 collimator를위치시키고 collimator의외부에열경화성 epoxy를도포한후 collimator 삽입용구멍에 collimator를삽입하고다시 120 에서 2시간동안 curing 을실시하였다. 광섬유를포함하는 capillary를고정하기위하여 x-, y-, z-, theta- pi-, psy-의 6축자유도를갖는 linear stage 를사용하였다. x-, y-, z- 축의 resolution은 0.3um 이다. Capillary의정렬은 CCD camera를통한화상인식과광신호의감쇠등을이용하여실시하였다. 사용한정렬및 UV 경화장치의실물은그림 5.3 에나타내었다. 첫번째 capillary는 X 방향과 Y 방향에서의 CCD 현미경을이용하여 align 을실시하였다. Monitor를통하여 align 이확인되면, collimator와 capillary의외부에 UV 경화성 epoxy를도포하고 spot 상의 UV 조사가가능한 UV조사기를이용하여 3방향에서동시에 UV를조사함으로써 1차 curing 을실시하였다. 사용한 epoxy는 Luventix에서제조한 OA2933UO33 이었다. 1차 UV curing은 200mW에서 2 분간실시하였으며, 2차 curing을 80 에서 2 시간열경화하였다. - 126 -
두번째 capillary는 CCD 카메라와광신호의감쇠정도를보고 align 을실시하였다. 광원으로는중심파장이 1550nm인 SLED 를이용하였고, detector는 ANDO사의 optical multimeter 를이용하였다. 정렬을원활하게하기위하여 capillary를뒤로후진시킨후 infrared detection card를이용하여 beam의위치를확인한후그위치에 capillary의중심과육안을통하여일치시킨후, X-, Y-, Z-, theta-, pi- 등의레버를움직여광신호의 intensity 가최대가되는지점을찾아냈다. 이후 capillary를전진시키며 X-,Y- position을변화시켜 sensor의 detection power 가최대가되는지점을추적해갔다. CCD camera를통하여 collimator와 capillary 사이의거리를확인하고, 둘이밀착되었을때두소자의외곽에 UV curing epoxy를도포한후 1차 curing 을실시하였다. 1차 capillary를경화한것과같은방법으로 2 차경화를마무리하였다. Align시목표값은광원과 optical multimeter를 patch cord를통하여직접연결한때의값으로정했으며, align을통하여초기목표값과차이가 0.3dB 이하의손실값을얻을수있었다. UV curing 시변화는약 0.02 0.04dB의변화를볼수있었는데삼입손실이감소하는경우와증가하는두가지경우가나타났다. 이는 UV 경화시 epoxy의수축에의한것이다. 이후 80 에서 2 시간경화를실시하였다. 그림 5.4는광축정렬이완료된 frame과광학부의실물사진이다. 2차경화이후삽입손실역시 1차경화와별차이가없이약 0.3dB 정도의손실을보였다. - 127 -
그림 5.1 가변형광감쇠기용 frame의실물사진 그림 5.2 Motor와 Lens 등광학부를고정하기위한 Frame 및광부품의배치 - 128 -
그림 5.3 Collimator align 및 UV epoxy curing을위한장비의배치 그림 5.4 Prism, collimator, 광섬유를포함한 capillary의조립이완료된 frame - 129 -
초음파모터를구동하기위해서는 motor를지지하는받침점과 motor 본체 motor와의마찰 에의하여이동하는이동부, 이동부의이동을원활하게하기위한 bearing, 그리고 motor와 이동부사이의적당한마찰력을부가하기위한 spring 등이필수적으로요구된다. 이러한요 구조건을만족시키며, 가변형광감쇠기의구조와일치하는 motor 의구조를설계하였다. 그 림 5.5는이와같은설계에의한 motor 의개략도이다. 그림에서 A는 motor의 frame으로그림 5.1과 5.2 에나타낸것과같은것이다. 다만본그 림에서는이해를돕기위하여 lens 및 prism 등이설치되는부분의형태를생략한것이다. B는 motor를지지하는받침대로 motor(c) 의중심을지탱하고있다. motor는구동시중심 점을고정점으로하여 symmetry 운동(L1 mode) 와 asymmetry 운동(B4 mode) 을하고있 기때문에중심을고정하여도이론상운동에전혀영향을받지않는다. 다만중심을고정한 받침점이움직일수있는재질이면구동과정지시정확한운동을할수없기때문에단단 한재질의물질을사용하여야한다. 또한압전체와금속판사이에절연상태가유지되어야하 기때문에일반적인금속을사용할수도없다. 따라서본과제에서는탄성이좋으며, 가공 성이 뛰어난 듀랄루민(A1 7072) 을 이용하여 구조물의 제작하고 표면에 절연을 위한 anodizing 을실시하였다. Frame 과받침대, 초음파모터의구동부는 epoxy를이용하여접 착하였다. 모터의이동부는 cross-roller 를이용하였다. 일반적으로시중에서유통되는 cross-roller는 두께, 크기등이본개발을통하여제작하고자하는감쇠기의크기와맞지않기때문에본 과제를 위하여 cross-roller의 guide 를 제작하였다. SUS402 를 이용하여, 크기 4X20X1.6mm의이동 guide과 4X30X1.6mm의고정 guide을제작하여이동거리를 10nm가 되게하였다. Roller cage 는시중에유통되는제품(THK VR1) 을이용하였다. - 130 -
이동 cross-roller guide 에앞장에서설명한마찰제(PEEK 습동 grade) 를 epoxy를통하여 접착한후평행도를맞추기위하여횡형연삭기를이용하여가공하였다. 사용 wheal은 1200mesh의 diamond wheal 을이용하였다. 제작된부품을조립한후고정 guide와 frame 사이에판스프링을삽입하고두개의볼트를 돌려압력을조절하였다. 압력조절이완료된후접착제를이용하여 bolt를고정함으로써 진동에의한압력변화를방지하였다. Motor의위치제어를위하여 potentiometer 를제작설치하였다. 기판은 FR-4를이용하였 으며, 일반적인 PCB 제조공정을통하여기본전극을형성한후마찰, 산화등의방지를 위하여회로위에 Ni과 Au 를도금하였다. 준비된인쇄회로기판에 screen printing 방법을 이용하여 polymer resistor paste 를인쇄하였다. Polymer paste는 Metech사에서제공하 는polymer potentiometer composition 8541 을이용하였다. Mask는 200mesh polymer에 40um emu1sion 을사용하였다. 인쇄된기판은 230 에서 30분간 curing 을실시하였다. Potentiometer 원판은 dicing saw 를이용하여개개의분리된시편으로제작하였다. 그림 5.6은제작된 potentiometer 의원판과절단된시편의사진이다. 제작된 potentiometer는 frame에 전선을 납땜으로 연결한 후 frame 에 점착제를 이용하여 고정하였다. Potentiometer brush는 0.1mm 의인청동으로제작하였으며, motor의이동부에부착하여 motor의이동시 potentiometer에서출력되는전압차이에의하여 motor 이동부의위치를 파악하게하였다. 감쇠기의광학부와 motor부의조립이완성된후 motor의 intial point에서 filter의위치가 최소감쇠가발생하는위치를확인하여 motor의이동부에 filter를 epoxy를이용하여부착 하였다. 위와같은공정을통하여가변형광감쇠기의몸체를완성하였다. - 131 -
감쇠기가외부의습기나오염등을피하기위해서는 package 가필수적이다. 이러한 hermetic seal을위하여 package 를제작하였다. Package의 main frame은 milling machine 을이용하여가공하였으며, 납땜과부식을방지하기위하여 Ni과 Au의도금을실시하였다. 내부와외부의전극연결을위한 feed thru는 motor용 3 개, potentiometer용 3 개, 기타여분으로 4개를설치하여총 10개의 feed thru 를설치하였다. Feed thru는 hermetic seal을위하여 main frame과 pin 사이의절연을고온 glass를이용하여열처리를실시하였다. 제작된 package 부품은그림 5.7 에나타내었다. 제작된 package에본체를탑재하고 port 부분은납땜을실시하였다. Sealing을위하여 cover를납땜을통해 sealing 하였다. 완성된가변형광감쇠기는그림 5.8 에나타내었다. - 132 -
그림 5.5 가변형광감쇠기의구현을위한 motor part의개략도 그림5.6 제작된potentiometer의원판및절단시편 - 133 -
그림 5.7 가변형광감쇠기를위한 package 부품 그림5.8 완성된가변형광감쇠기의실물사진 - 134 -