POF POF 21 21세기세기Digital/ 광통신광통신혁명 Multimedia 시대에대용량의정보 ( 음성,Data) 와동화상을어디서나실시간 (Real Time) 으로값싸게전송가능한핵심소재 Plastic Optical Fiber = 차세대통신혁명의 Best Solution Characteristics of POF 1.High Speed Communication : 광자의이동속도가전자의이동속도보다빠름 => 실시간 (Real Time) 으로동화상전송이가능 2. High Bandwidth : 10Gbps/channel 급 => 대용량전송가능 3. Large Core with good flexibility 4. Ease Processing and Handling 5. Low Cost
POF : 빛 ( 정보 ) 를전송하는플라스틱도파관 2θ GOF Silica Core : Up to 62.5µm POF Polymer Core : Up to 1mm Clad Core GOF : 깨지기쉽고 Connection 이어려움 POF : 대용량고속전송에적합하고 Connection 이쉬움
광섬유의구조 1,2 차피복보통합성수지로만들고광섬유부분을보호하는역할을한다. 클래딩코어와경계면에서굴절이큰부분으로빛이전반사하도록하여준다. 코어굴절률이큰유리 / 플라스틱이주재료로서빛이지나가는경로이다. 빛은코어속와클래딩부분의경계에서전반사하면서계속축선을중심으로진행한다
광섬유의도파원리 자옆의그림을통해서다시한번살펴보자. 앞에서설명한바와같이빛이굴절률이큰매질이에서그보다굴절률이작은매질로입사하는경우 (n1<n2) 를생각해보자. 그경우스넬의법칙에의해 1번광선에보이듯입사각보다굴절각이크게된다. 입사각이점점커지다 2번광선과같이그입사각이임계각 θc가되었을때굴절각이 90도가된다. 그리고 3번광선의경우와같이입사각이이임계각보다크게되면모든광선이굴절하지않고반사되게됩니다. 이런현상을전반사 (Total Internal Reflection) 라한다.
SI-POF 와 GI-POF 의비교 1) 계단형굴절율 (Step-Index) 광섬유 2) 구배형굴절율 (Graded-Index) 광섬유이광섬유는상대적으로넓은중심유리 (50-150μm) 와이광섬유는중심유리 (20-90μm) 의굴절율이클래딩굴절율이다른클래딩 ( 외부직경 100-250μm ) 으로쪽으로나갈수록점차로감소되도록구성되어있습덮혀있습니다. 광섬유와연결된광원은섬유중심을니다. 그래서, 굴절율의변화때문에광선은지그재그통해빛을투사하게됩니다. 파란색이나분홍색빛만이경로를따르는대신에중심축둘레를부드럽게지그재그경로를따라서인도될것입니다. 그러나, 나선형으로움직입니다. 주로중거리도시들사이의빨간빛과같은다른빛들은클래딩에서굴절됩니다. 통신에널리이용됩니다. 클래딩안으로전달된빛은공기층에서다시반사되어섬유로인도될수있습니다. 이것은클래딩모드라고알려져있는데, 클래딩모드 (cmode) 로전달된빛은급격히약해지고, 장거리로보았을때소멸됩니다. 이것은가장싸지만장거리응용이되기에는몇가지단점이있습니다.
광섬유에서광손실의주요한원인 외적손실 내적손실 흡수손실 산란손실 흡수손실 - 전이금속불순물 - 유기불순물 - 수분 불순물 ( 먼지, 기포 ) 섬유구조의불안정성 - 코어 / 클래딩계면부정 - 코어직경의진원성변동 - 배향굴절률 - 자외전자전이흡수 C = O ( n π * ) & ( π π * ) PMMA : Loss < 1dB/km at 500nm PS : Loss < 10dB/km at 500nm Loss < 7dB/km at 600nm - 적외진동흡수 C - H bond ( Harmonic Overtone ) PMMA : Loss < 70dB/km at 570nm PMMA-d 8 : Loss < 20dB/km at 650nm Loss < 160dB/km at 750nm C - H : 2000dB/km C - D : 80dB/km C - F : 5 10dB/km C - Cl : 5 db 이하 /km 산란손실 - 밀도, 농도, 요동에의한 Rayleigh 산란
Photoreesist 반도체제조공정 1. 단결정성장 : 고순도로정제된실리콘용융액에 SPEED 결정을접촉, 회전시키면서단결정규소봉 (INGOT) 을성장시킴. 2. 규소봉절단 : 성장된규소봉을균일한두께의얇은웨이퍼로잘라낸다. 웨이퍼의크기는규소봉의구경에따라 3", 4", 6", 8" 로만들어지며생산성향상을위해점점대구경화경향을보이고있음 3. 웨이퍼표면연마 : 웨이퍼의한쪽면을연마하여거울면처럼만들어주며, 이연마된면에회로패턴을그려넣게됨. 4. 회로설계 : CAD(Com-puter Aided Design) 시스템을사용하여전자회로와실제웨이퍼위에그려질회로패턴을설계함. 5. MASK(RETICLE) 제작 : 설계된회로패턴을 E-beam 서리로유리판위에그려 MASK(RETICLE) 를만듬. 6. 산화 (OXIDATION) 공정 : 고온 (800~1200 ) 에서산소나수증기를실리콘웨이퍼표면과화학반응시켜얇고균일한실리콘산화막 (SiO2) 를형성시키는공정 7. 감광액 (PR;PhotoResist) 도포 : 빛에민감한물질인 PR 을웨이퍼표면에고르게도포시킴. 8. 노광 (EXPOSURE) : STE-PPER 를사용하여 MASK 에그려진회로패턴에빛을통과시켜 PR 막이형성된웨이퍼위에회로패턴을사진찍는공정 9. 현상 (DEVELOPMENT) : 웨이퍼표면에서빛을받은부분의막을현상시키는공정. ( 일반사진현상과동일 ). 10. 식각 (ETCHING) : 회로패턴을형성시켜주기위해화학물질이나반응성 GAS 를사용하여필요없는부분을선택적으로제거시키는공정. 이러한패턴형성과정은각패턴층에대해계속적으로반복됨. 포토리소그라피공정
11. 이온주입 (ION IMPLAN-TATION) 공정 : 회로패턴과연결된부분에불순물을미세한 GAS 입자형태로가속하여웨이퍼의내부에침투시킴으로써전자소자의특성을만들어줌. 이러한불순물주입은공온의전기로속에서불순물입자를웨이퍼내부로확산시켜주입하는 DIFFUSION( 확산 ) 12. 화학기상증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정 : GAS 간의화학반응으로형성된입자들을웨이퍼표면에증착 ( 蒸着 ) 하여절연막이나전도성막을형성시키는공정. 13. 금속배선 (METALLIZATION) : 웨이퍼표면에형성된각회로를알루미늄선을연결시키는공정. 14. 웨이퍼자동선별 (EDS TEST) : 웨이퍼에형성된 IC 칩들의전기적동작여부를컴퓨터로검사, 불량품을자동선별하는공정. 15. 웨이퍼절단 (SAWING) : 웨이퍼상의수많은칩들을분리하기위해다이아몬드톱을사용하여웨이퍼를절단하는공정. 16. 웨이퍼표면연마 : 웨이퍼의한쪽면을연마하여거울면처럼만들어주며, 이연마된면에회로패턴을그려넣게됨. 17. 금속연결 (WIRE BONDING) : 칩내부의외부연결단자와리드프레임을가는금선으로연결하여주는공정. 18. 성형 (MOLDING) : 칩과연결금선부분을보호하기위해화학수지로밀봉해주는공정. 19. 최종검사 (FINAL TEST) : 성형된칩의전기적특성및기능을컴퓨터로최종검사하는공정으로최종합격된제품들은제품명과회사명을 MARKING 한후입고검사를거쳐최종소비자에게판매됨.
리소그라피공정 [ POSITIVE TONE ] Substrate Resist Mask Development Transfer Pattern Strip Resist Film Resist coating Exposure 포토레지스트도포 [ NEGATIVE TONE ] < 참고사진 > 반도체리소그라피공정은일반적인사진공정과유사하며, 노광 (Exposure), 현상 (Development) 및식각 (Etching) 공정으로이루어진다 (Figure1).2,3 즉, 특정파장을갖는에너지를포토레지스트에선택적으로조사하여광화학반응을유발시키고 ( 노광 ), 현상액과반응하여선택적용해가일어나게하고 ( 현상 ), 화학약품이나플라즈마처리를하여패턴을최종하부막에전사하고 ( 식각 ) 마지막으로남은레지스트를제거하는공정으로이루어진다. 현상시사용하는화학약품은보통 0.262N 농도의 TMAG(Tetra-Methyl Ammonium Hydroxide) 용액을사용하여진행된다.
포토레지스트 1) DNQ(diazonaphthoquinone)-Novolak 포토레지스트기본수지를크레졸노볼락수지와감광물질 (PAC: Photo active compound) 을사용하는레지스트로감광물질로서는 DNQ (diazonaphtoquinone) 화합물을주성분으로하는 DNQ-Novolak Photoresist가그것이다. 이포토레지스트는 436nm(G-line) 및 365nm (I-line) 파장에감응한다. 이레지스트의기본반응메커니즘은, DNQ 는현상액에대한용해억제제로작용하는데, 빛이조사될경우산으로바뀌어현상액에대한용해도가급증하게된다. 2) 화학증폭형포토레지스트 248nm KrF 엑시머레이저를사용할경우흡광도가너무높은단점을가진 DNQ-노볼락레지스트와달리화학증폭형 (chemical amplification) 레지스트가제안되었다. 화학증폭이란광자 (photon) 1개의작용으로생성된활성종이연쇄적화학반응을일으켜결과적으로양자수율이대폭적으로증폭되는현상을말한다. PHS(polyhydroxystyrene) 수지의일부를 t-boc(tert-bu- toxycarbonyl) 그룹으로적당한비율만큼치환하여현상액에대한용해도를제어한것을기본매트릭스수지로하고있다. 노광에의해광산발생제 (PAG: PhotoAcid Generator) 로부터형성된산은가열할경우연속반응이폭발적으로진행되게되어적은에너지로도화학반응을일으킬수있기때문에고감도화가가능하게된다.
종류특성 극 성 광반응메커니즘 노광원 반도체산업에서 포지티브 (positive) 레지스트 : 빛이조사된부분이현상액에녹는레지스트 네거티브 (negative) 레지스트 : 빛이조사된부분이현상액에녹지않은레지스트 예 가교반응형 : 빛에의한가교반응이일어남으로써현상액에대한용해도를감소시키는레지스트, 주로네거티브형 분해반응형 : 빛에의하여고분자의주쇄절단이일어나게함으로써현상액에대한용해도를감소시키는레지스트종류, 특성상포지티브레지스트에해당되며, 전자선레지스트가많이속한다. 변성형 : 고분자사슬내의특성극성을갖는부분이빛에의하여용해도변화를일으키는레지스트종류, 현재사용되는대부분의포토레지스트가이범주에속한다. 광레지스트 : 반도체제조에주로사용되는레지스트로, 가시광선 (436nm), 자외선 (365nm, 248nm, 193nm) 및원자외선 (157nm), 극자외선 (13nm) 의특정파장의빛에너지에감응성이좋다. 단파장화가이루어지는이유는해상도를높이기위한것이며, 436nm, 365nm 는가압수은등에서얻고, 248nm, 193nm, 157nm 는각각 KrF, ArF, F 2 엑시머레이저를이용하고있으며 13nm 는방사광입자가속기나, 레이저및방전플라즈마로부터얻는다. 전자선레지스트 : 수십 A 크기로집속된전자선에너지에반응성이좋은레지스트로, 포토마스크제조에널리사용된다. 현재차세대리소그라피노광기술중의하나로연구되고있다. X- 선레지스트 : 0.6~44A 파장대의 X- 선에반응성이좋은레지스트. Ion-Beam 레지스트 : 전자빔에의해이온들이가속되며 Ga +, H +, He + 등이사용된다. 노볼락레지스트 : 기본수지를크레졸노볼락수지를사용하는레지스트로주로 436nm, 365nm 용포토레지스트가이에해당된다. 화학증폭형레지스트 : 248nm 이하의단파장화에대응할수있는노볼락레지스트를대체한양자수율이 1 이상인포토레지스트 포토레지스트의 분류
유기 EL 유기 EL? ->OLED(Organic Light Emitting Diode) 혹은 OELD(Organic ElectroLuminescence Display) -> 전기발광하는소재를이용해외부전기장이유기발광물질에인가되어유기물내에서전자와홀이결합하여빛을내는자체발광현상을이용한것 60 년대분자반도체단결정에서전기발광 (Electroluminescence) 현상이발견된이래 70 년대박막소자화가시도되었고, 90 년대제품화에성공하였다. 21 세기다양한디스플레이들이확실한자리매김을위해고유의특징들을내세우고있는시점에서 CRT, LCD 등과비교해새로운디스플레이기술로주목받고있다. 유기 EL 은응답속도, 시야각, 선명도, 소비전력, 부피와무게, 생산성, 가격등에서현재잠재적인우월성을보이고있다.
Structure 유기 LED 는기본적으로아래그림에보인바와같이기판 ( 유리, 플라스틱등 ) 과상부및하부전극 ( 양극및음극 ), 그리고두전극내에유기발광층이삽입되어있는구조로되어있다. 동작조건이되면, 음극과양극에서각각전자와정공이유기층내로주입되고유기층내에서전자 - 정공의재결합과정을거쳐광이생성된다. 그림 (a) 에보인구조를한개의유기층이존재한다고하여단층구조가하며, 그림 (b) 에보인바와같이전하의주입을더욱활성화시키기위하여발광층의상부및하부에각각전자전송층, 정공전송층, 정공주입층등을적층화한구조를다층구조라한다.
Principle 원리 : 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide) 와전도성 polymer 로이루어진양극, phenylene vinylene(ppv) 등의발광물질로구성된발광층, 그리고칼슘음극으로구성된 polymer LED 를나타내었다. 음극과양극으로부터 polymer 막내부로전자와정공이주입되며, 이들은유기층내에서재결합되어빛을생성하게된다. LCD 와비교했을시장점 : 보다넓은표면을좋은시야각으로확보할수있다.
유기 EL 의장점 다른디스플레이와비교했을때상대적으로우수한점을표로나타내었다.
Materials 아래그림은 Hole-transfort layer 에사용되는물질을오른쪽그림은 Hole-injection layer 에일반적으로사용되는물질을나타내었다. (Structure 참고 )
Application 현재유기 EL 이디스플레이시장을석권하기에는무리가있다고보고있으나유기 EL 이가지는고유한특성을통해핸드폰이나디지털카메라등에많이응용되고있다. 그러나지속적인연구는현재 LCD 디스플레이대체품으로의발전가능성을보이고있으며현재저분자량물질뿐만아니라고분자를이용한 PLED(Polymer Light Emitting Display) 에대한연구도이루어지고있다.
Polymer Electrolyte - Cathode reaction : Li x CoO 2 C n + x Li + + x e - LiCoO 2 + C n charge discharge - Anode reaction : - Net reaction : charge charge discharge discharge Li 1-x CoO 2 + x Li + + x e - C n Li x Li 1-x CoO 2 +C n Li x 리튬 2차전지의발전메커니즘. 화학에너지를전기에너지로변환하기위해서는양극의화학물질 ( 양극활물질 cathode) 과음극의화학물질 ( 음극활물질 anode) 의페어가필요하다. 전지가부하 (A, ex: 전구 ) 에연결되면스위치를넣으면음극활물질이음극에서산화되어전극내에전자 ( 일렉트론 ) 가발생한다. 이렇게발생된일렉트론은외부회로를통해부하에도달하고, 이로써전등을밝히거나모터를돌리는등의일을해서양극으로부터내부로돌아오며, 양극활물질을환원하는것에의해일렉트론은소멸한다. 또일렉트론과반대인흐름을전기의흐름 ( 전류 ) 라고한다. 방전시 (discharge) anode에서리튬의산화로전자의방출. 전자는외부도선을따라서 cathode로전달. 리튬이온은전해질을따라 cathode로이동. Cathode에서전자를받아환원. 충전시 (charge) 방전시와반대로작용.
Why lithium? Lithium : 환원전위가높고, 안정적으로다룰수있는금속중가장가볍다. - 무게당에너지가가장높은이점이있어이동통신용기기에응용되기에적합한에너지원중하나로꼽히고있다. -Lightest metal (relative atomic mass = 6.94) -High specific capacity (3.86 Ahg -1 ) -Much negative electrochemical reduction potential (-3.04V) 에너지밀도 : 전기의에너지량은 (Wh) 로표시. 전압 (V) 과용량 (Ah) 의곱 (Wh=V*Ah). 전지를크게하면에너지량을단위체적당 (Wh/l) 또는단위중량당 (Wh/kg) 으로나눈값을에너지밀도라한다.
Advantages of the lithium 2 nd polymer battery Producibility Useless of Hard case : Slim Battery (<1mm) Flexibility of cell design : Simplification of process High energy density 3.6V (average voltage) per unit cell (Ni-Cd battery x 3, MH battery x 1.5) => Compact effect Long life 500 ~ 1000 cycles Safety No leakage and low risk of exploision Low self-discharge < 5% at 20 o C (Ni-Cd or MH battery : about 15%) Information and Communication Materials Lab.
Comparison of lithium Batteries Lithium Ion Lithium Ion Polymer Lithium Metal Polymer Anode Carbon Carbon Lithium Electrolyte Organic solvent Gel-type polymer Solid-type polymer Cathode Metal oxide (LiCoO 2, LiN 2 O 2, LiMn 2 O 4 etc.) Metal oxide (LiCoO 2, LiN 2 O 2, LiMn 2 O 4 etc.) Metal oxide, Organic Sulfur,Conducting polymer Voltage 3.6V 3.6V 2.0~3.6V Energy density High High Very High Cycle Excellent High Poor Low temp. Good Medium Poor Safety Poor Medium Good Flexibility of Cell design Poor Good Good Application and commerization * 3C market Sony (1991) 3C market Ultralife (1997) 3C, EV(high capacity) developing
Components of the lithium 2 nd polymer battery Anode Current Collectors Polymer Electrolyte Cathode 리튬 2 차전지의구성과분류. cathode 에는코발트산리튬 (Li x CoO 2 ) 을대표적예로하는전이금속산화물의리튬화합물을, 음극에는카본을사용하며전해액으로유기용매를사용하면, 리튬이온전지, 합성고분자 gel 을사용하면리튬폴리머이온전지, 고체고분자전해질을사용하면리튬폴리머전지로구분한다. Current collector : Cu, Al foil Anode : Carbon + Polymer binder (Li metal) S P E : Polymer matrix + (solvent) + Li salt + etc Cathode : Metal Oxide material + Polymer binder + Carbon black