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문제 정의
- 본 논문에서는 최근 홀로그램 기록 매질로 널리 사용되고 있고 디지털 광 정보 저장, 광보안, 광통신용 WDM demultiplexer, 회절광학소자 등의 다양한 응용 분야를 갖고 있는 포토폴리머의 열적 특성을 실험하였다. 열 특성 실험을 위해 이 광파 결합구조에서 Bragg 격자를 투과형으로 제작하고, 전기 오븐을 이용하여 열 노출 전후로 나누어 회절 효율 특성을 분석하였다.
제안 방법
- HRF-150- 38의 반응 파장대는 Geen과 Blue 영역이므로 홀로그램 기록 광원으로는 COHERENT 사의 532 nm의 Nd:YAG 레이저를 사용하였고 회절 효율은 632 nm의 He-Ne 레이저로 측정하였다. 두 기록 빔의 세기 비는 최대 변조율을 갖는 1:1 조건을 적용하였으며, 공기 중에서 두 빔의 입사각도는 기록 매질의 법선 방향에 대해 30°로 하였다. 포토폴리머는 도포층(cover sheet)를 제거하고 두께가 2 mm인 BK7 재질의 광학 윈도우 위에 부착되었다.
- 마지막으로 홀로그램 기록 후 열 노출 온도에 따른 영향을 분석하기 위해 위와 동일한 조건에서 2분 동안 UV 정착을 수행하고 두 가지 방법으로 회절 효율을 측정하였다. 그림 10(a)는 하나의 홀로그램을 포토폴리머에 기록하고 20℃ 간격으로 계속해서 설정된 온도에서 회절 효율 측정한 그래프이다.
- 온도 특성은 포토폴리머를 이용한 상용화된 광학 소자의 제작이나 개발에 있어 내구성을 결정짓는 매우 중요한 사양 중에 하나이다. 본 논문에서는 이를 위해 포토폴리머에 이 광파 결합을 통해 Bragg 회절격자를 기록하고 전기 오븐을 이용하여 열 노출 온도에 따른 다양한 실험을 수행하였다. 2장에서는 기본적인 포토폴리머의 구조 및 기록 메카니즘을 기술하였으며, 3장에서는 듀퐁사의 HRF- 150-38 포토폴리머의 열 노출 전과 후로 나누어 홀로그램의 회절 효율 특성을 분석하였다.
- 지금까지는 열 노출을 위해 온도를 설정하고 원하는 온도에서 포토폴리머를 넣고 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 전기오븐은 상승 시간을 설정할 수 있음으로 상승 시간에 변화를 주면서 회절 효율을 측정하였다. 상승 시간은 노출 에너지 양과 관련됨으로 분당 온도 상승 시간이 느릴수록 포토폴리머에 축적되는 열에너지가 증가하여 회절 효율이 감소될 것으로 예측되었다.
- 본 논문에서는 최근 홀로그램 기록 매질로 널리 사용되고 있고 디지털 광 정보 저장, 광보안, 광통신용 WDM demultiplexer, 회절광학소자 등의 다양한 응용 분야를 갖고 있는 포토폴리머의 열적 특성을 실험하였다. 열 특성 실험을 위해 이 광파 결합구조에서 Bragg 격자를 투과형으로 제작하고, 전기 오븐을 이용하여 열 노출 전후로 나누어 회절 효율 특성을 분석하였다. 열 노출 후 홀로그램 기록 조건에서는 포토폴리머가 충분히 냉각된 상태에서 100℃까지는 70% 정도로 높은 회절 효율을 유지한 반면에 더 높은 온도에서는 매우 급격한 감소를 보여주었다.
- 2 mW/cm2로 조정하였다. 이때 입사각은 기록 시 입사각으로부터 Bragg 조건을 만족하는 각도를 구했으며, 회절 효율은 검출기의 RS-232C 포트를 통해 PC에서 실시간으로 측정하였다. 포토폴리머의 열 특성 실험은 노출 후 홀로그램 기록과 홀로그램 기록 후 노출로 수행되었다.
- 그래프에서 보듯이 UV 정착이 수행되지 않는 상태에서는 열 노출 온도가 높아짐에 따라 회절 효율이 급격히 감소하다가 100℃ 이상이 되면 10%까지 떨어졌다. 적정한 정착 시간을 찾기 위해서 그림 7의 실험 결과로부터 비교적 안정적인 100℃와 불안정한 140℃ 영역을 설정하고 UV 노출 시간을 변화시키면서 회절 효율을 측정하였다. 그림 9(b)와 같이 100℃영역에서는 회절 효율이 UV 정착 시간이 증가함에 따라 80%까지 증가하다가 약 2분이 경과한 후에 포화상태로 안정화된 반면, 140℃의 높은 온도에서는 UV 정착 효과가 거의 나타나지 않았다.
- 포토폴리머의 열 노출 온도에 따른 특성을 분석하기 위해 그림 6과 동일한 조건에서 홀로그램 격자를 기록하고 상온에서 충분히 냉각시킨 후에 회절 효율을 측정하였다. 그림7은 노출 온도를 100~200℃까지 10℃ 또는 20℃ 간격으로 변화시키면서 노출 시간에 따라 측정한 그래프이다.
- 이때 입사각은 기록 시 입사각으로부터 Bragg 조건을 만족하는 각도를 구했으며, 회절 효율은 검출기의 RS-232C 포트를 통해 PC에서 실시간으로 측정하였다. 포토폴리머의 열 특성 실험은 노출 후 홀로그램 기록과 홀로그램 기록 후 노출로 수행되었다.
- 열처리 과정은 온도 상승 시간, 유지 시간, 냉각 시간을 설정할 수 있는 LINDBERG/BLUE사의 Mechanical Oveno] 사용되었다. 홀로그램 기록을 위해 기록 빔의 세기는 3 mW/cm2로 설정하였으며, 회절 효율을 측정하기 위한 He-Ne 레이저 출력은 2.2 mW/cm2로 조정하였다. 이때 입사각은 기록 시 입사각으로부터 Bragg 조건을 만족하는 각도를 구했으며, 회절 효율은 검출기의 RS-232C 포트를 통해 PC에서 실시간으로 측정하였다.
대상 데이터
- 듀퐁사의 HRF-150-38 포토폴리머의 열 특성 실험을 위해 그림 5와 같이 이 광파 결합시스템을 구성하였다. HRF-150- 38의 반응 파장대는 Geen과 Blue 영역이므로 홀로그램 기록 광원으로는 COHERENT 사의 532 nm의 Nd:YAG 레이저를 사용하였고 회절 효율은 632 nm의 He-Ne 레이저로 측정하였다. 두 기록 빔의 세기 비는 최대 변조율을 갖는 1:1 조건을 적용하였으며, 공기 중에서 두 빔의 입사각도는 기록 매질의 법선 방향에 대해 30°로 하였다.
- 듀퐁사의 HRF-150-38 포토폴리머의 열 특성 실험을 위해 그림 5와 같이 이 광파 결합시스템을 구성하였다. HRF-150- 38의 반응 파장대는 Geen과 Blue 영역이므로 홀로그램 기록 광원으로는 COHERENT 사의 532 nm의 Nd:YAG 레이저를 사용하였고 회절 효율은 632 nm의 He-Ne 레이저로 측정하였다.
- 2장에서 언급했듯이 포토폴리머에 홀로그램을 기록한 다음 굴절률 변조를 강화시키기 위해 UV 정착(fixing)을 수행한다. 본 실험에서는 홀로그램 기록 후 LW 정착 유무에 따른 열 노출 효과를 분석하기 위해 출력이 8 W이고, 파장이 366 nm인 UV 램프를 포토폴리머로부터 약 25 cm 정도 떨어진 위치에서 고정하였다.
- 포토폴리머는 도포층(cover sheet)를 제거하고 두께가 2 mm인 BK7 재질의 광학 윈도우 위에 부착되었다. 열처리 과정은 온도 상승 시간, 유지 시간, 냉각 시간을 설정할 수 있는 LINDBERG/BLUE사의 Mechanical Oveno] 사용되었다. 홀로그램 기록을 위해 기록 빔의 세기는 3 mW/cm2로 설정하였으며, 회절 효율을 측정하기 위한 He-Ne 레이저 출력은 2.
성능/효과
- 적정한 정착 시간을 찾기 위해서 그림 7의 실험 결과로부터 비교적 안정적인 100℃와 불안정한 140℃ 영역을 설정하고 UV 노출 시간을 변화시키면서 회절 효율을 측정하였다. 그림 9(b)와 같이 100℃영역에서는 회절 효율이 UV 정착 시간이 증가함에 따라 80%까지 증가하다가 약 2분이 경과한 후에 포화상태로 안정화된 반면, 140℃의 높은 온도에서는 UV 정착 효과가 거의 나타나지 않았다.
- 그러나 12CTC가 넘게 되면 이후 급격하게 감소하였다. 따라서 2장에서 언급한 열 정착에 의한 굴절률 변조 강화의 적당한 열 노출 온도는 100℃ 이하이며, 120℃ 이상의 온도에서는 UV 정착을 수행하더라도 홀로그램이 지워지는 것이 확인되었다.
- 실험에 사용된 전기오븐은 상승 시간을 설정할 수 있음으로 상승 시간에 변화를 주면서 회절 효율을 측정하였다. 상승 시간은 노출 에너지 양과 관련됨으로 분당 온도 상승 시간이 느릴수록 포토폴리머에 축적되는 열에너지가 증가하여 회절 효율이 감소될 것으로 예측되었다. 그림8은 비교적 열 노출에 안정적인 100℃와 불안정한 1600에서 측정한 실험 결과이다.
- 그림 6(a)는 전기 오븐에서 바로 꺼내어 열이 남아 있는 상태에서 홀로그램을 기록하면서 시간에 따라 회절 효율을 측정한 값이며, 그림 6(b)는 상온에서 충분히 열을 식힌 다음 측정한 값이다. 실험 결과 포토폴리머에 열이 남아 있는 상태에서 기록을 할 경우 기록 초기부터 매우 불안전한 반응을 보이다가 이후 식으면서 안정화되지만 더 이상의 회절 효율 증가는 발생하지 않았다. 반면에 상온에서 충분히 냉각시킨 포토폴리머는 열 노출을 수행하지 않고 회절격자를 기록할 때와 비슷한 형태의 효율 곡선을 보여주고 있다.
- 열 특성 실험을 위해 이 광파 결합구조에서 Bragg 격자를 투과형으로 제작하고, 전기 오븐을 이용하여 열 노출 전후로 나누어 회절 효율 특성을 분석하였다. 열 노출 후 홀로그램 기록 조건에서는 포토폴리머가 충분히 냉각된 상태에서 100℃까지는 70% 정도로 높은 회절 효율을 유지한 반면에 더 높은 온도에서는 매우 급격한 감소를 보여주었다. 이것은 인가된 열에너지에 의해 모노머가 폴리머로 열중합을 일으키면서 광중합에 필요한 모노머의 소진으로 추측된다.
- 그림7은 노출 온도를 100~200℃까지 10℃ 또는 20℃ 간격으로 변화시키면서 노출 시간에 따라 측정한 그래프이다. 포토폴리머에 노출되는 온도가 높아짐에 따라 기록된 홀로그램 격자의 회절 효율이 급격하게 감소함을 알 수 있다. 노출 온도가 1 arc에는 ±10%의 변화를 가지고 70%까지 완만하게 감소하는 반면에, 120℃를 넘게 되면 매우 급격하게 감소하고 있다.
- 이는 광중합에 의해 굴절률 변조를 유도했던 폴리머들이 과도한 열 노출에 의해 폴리머의 사슬이 끊어지거나 서로 다른 결합을 형성함으로써 홀로그램이 지워지는 것으로 예측된다. 하지만 결과적으로 두 조건 모두 100℃의 고온에서도 우수한 회절 효율을 보여줌으로써 열적으로 안정된 소자 제작이 가능함을 보여주었으며, 별도의 냉각시스템을 구성한다면 120C 이상의 고온에서도 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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