마이크로렌즈 어레이는 수지로 만들 수 있을까? 글라스제의 과제와 해결책

📌 3줄 요약

• 광섬유 용도의 마이크로렌즈 어레이는 정밀성을 중시하여 글라스제가 주류이지만, ‘두께·무게·단가·생산성’의 4가지 과제를 안기 쉬움
• 이러한 과제의 상당수는 수지(플라스틱)로 전환함으로써 해결할 수 있음
• 다만 내열성이나 복굴절 등 수지 쪽에도 유의점이 있어, 용도에 따른 재료 선정이 필요함

마이크로렌즈 어레이란? 광섬유 용도에서 글라스제가 주류인 이유

마이크로렌즈 어레이(Micro Lens Array, MLA)란 지름 수 μm~수 mm 정도의 작은 렌즈를 평면 위에 다수 배열한 광학 소자입니다. 각각의 렌즈가 빛을 모으고(집광), 퍼뜨리고(확산), 평행광으로 정렬하는(콜리메이트) 기능을 가지며, 단일 렌즈를 가로세로로 나열한 외관 때문에 ‘플라이아이 렌즈(파리 눈 렌즈)’라고 불리기도 합니다.

광섬유 용도(광원과 광섬유의 결합, 광 스위치, 파장 선택 스위치(WSS) 등)에서는 광섬유와의 결합 효율을 높이고 신호 손실(삽입 손실)을 억제하는 것이 요구됩니다. 이를 위해 마이크로렌즈 어레이에는 다음과 같은 광학 특성이 필요합니다.

• 복굴절(빛이 입사 방향에 따라 서로 다른 굴절률을 나타내는 현상)이 매우 작을 것 : 신호의 편파 상태를 흐트러뜨리지 않기 위함
• 내환경성 : 온도 변화에 의한 굴절률·형상의 변동이 작고, 습기에 의한 치수 변화가 없을 것
• 장기 신뢰성 : 통신 기기는 장기간의 연속 사용을 전제로 하므로 경년 열화가 적을 것

석영 글라스나 BK7계 글라스(붕규산 크라운 글라스)는 이러한 특성이 우수하므로, 광섬유용 마이크로렌즈 어레이의 재료로 전통적으로 채택되어 왔습니다. 실제로 광통신용 글라스제 마이크로렌즈 어레이에서는 석영 글라스에 의한 높은 내열성·안정성, 낮은 광학 손실, 장기 신뢰성 등이 특징으로 꼽히며, 통신 기기용 환경 신뢰성 규격인 Telcordia GR-1221에 대한 대응이 요구되기도 합니다.

즉, 글라스제가 주류인 배경에는 확실한 기술적 합리성이 있습니다. 다만 그 이면에는 몇 가지 과제도 존재합니다.

글라스제 마이크로렌즈 어레이가 안고 있는 4가지 과제

저굴절 글라스이므로 두꺼워짐

렌즈의 기본 원리로서, 동일한 광학 파워(초점 거리)를 얻을 경우 굴절률이 높은 재료일수록 곡률을 완만하게 할 수 있어 결과적으로 렌즈를 얇게 설계할 수 있습니다. 반대로 굴절률이 낮은 재료에서는 동일한 광학 파워를 얻기 위해 곡률을 더 크게 해야 하므로 렌즈가 두꺼워집니다.

광섬유 용도에서 전통적으로 사용되는 석영 글라스나 BK7계 글라스는 사실 굴절률(nd: d선에 대한 굴절률)이 비교적 낮은 부류에 속합니다.

석영 글라스·BK7계(nd 1.46~1.52)에 비해 고굴절률 광학 수지(nd 1.6대)에서는 동일한 집광 성능을 더 완만한 곡률로 구현할 수 있습니다. 다수의 렌즈를 촘촘하게 배열하는 마이크로렌즈 어레이에서는 이러한 두께 차이가 어레이 전체의 설계 자유도에 직결됩니다.

정밀 그레이드일수록 단가가 높고 생산성이 낮아지기 쉬움

광섬유 용도에 요구되는 고정밀·저복굴절 글라스제 마이크로렌즈 어레이는 초정밀 절삭·연마로 제작되는 경우가 많으며, 높은 평탄도·평행 정밀도를 구현할수록 공정수가 늘어납니다. 또한 글라스 몰드 성형에서도 일반적인 광학 글라스는 600~700℃ 정도까지 가열하지 않으면 연화되지 않으므로 가공 설비가 대규모가 되고, 금형이 프레스할 때마다 심하게 마모되어 단기간에 재제작해야 합니다.

무게가 무거움

광학 글라스와 광학 수지는 비중(밀도)에도 뚜렷한 차이가 있습니다.

광학 글라스의 비중은 대체로 2.2~2.5g/cm³인 반면 대표적인 광학 수지는 1.0~1.2g/cm³ 정도이며, 수지는 글라스의 약 절반 무게입니다. 마이크로렌즈 어레이처럼 다수의 렌즈를 면 상에 배열하는 부품에서는 이러한 비중 차이가 어레이 전체의 중량 차이로 나타나, 소형·경량이 요구되는 기기에서는 무시할 수 없는 요소가 됩니다.

기타 과제

글라스는 수지에 비해 깨지기 쉬운(취성이 높은) 재료이기도 합니다. 실장 시의 핸들링이나 충격에 대한 내성 측면에서는 수지가 유리한 경향이 있는 것으로 알려져 있습니다.

수지화로 무엇을 해결할 수 있는가

앞 장에서 다룬 과제는 수지화로 상당 부분 해결할 수 있습니다.

박형화 : Iupizeta EP와 같은 고굴절률 수지(nd 1.616~1.671)를 사용하면 석영 글라스나 BK7계 글라스와 동일한 광학 파워를 더 완만한 곡률, 즉 더 얇은 형상으로 구현할 수 있습니다. 마이크로렌즈 어레이 전체의 박형 설계로 이어집니다.

경량화 : 광학 수지의 비중은 1.0~1.2g/cm³ 정도로, 광학 글라스(2.2~2.5g/cm³)의 약 절반입니다. 다수의 렌즈를 배열하는 구조상 이 차이는 어레이 전체의 경량화로 직결됩니다.

생산성 향상 : 수지는 사출성형이나 UV 경화 성형으로 금형에서 한 번에 복제할 수 있습니다. 대부분의 광학 수지는 성형 온도가 200~300℃ 정도로, 글라스 몰드 성형(600~700℃ 정도)보다 크게 낮으므로 금형의 마모가 적어 연속 생산에 적합합니다. 앞 장에서 언급한 ‘정밀 그레이드 글라스’에서 공정수가 늘어나기 쉬운 부분을 수지 사출성형이 대체할 여지는 큽니다.

수지화의 트레이드오프와 선정 시 유의점

수지화에는 장점이 있는 한편 글라스보다 뒤떨어지는 점도 있다는 것을 공정하게 이해해 둘 필요가 있습니다.

이처럼 고온 환경 하에서의 사용이나 매우 엄격한 치수 안정성이 요구되는 용도에서는 여전히 글라스가 우위에 있습니다. 한편 상온~중온 영역에서의 사용이 중심이고 경량·박형·양산성을 중시하는 용도에서는 수지화의 장점이 커집니다. 마이크로렌즈 어레이의 재료 선정에서는 ‘정밀성이 절대 조건인가’, ‘사용 온도 영역은 어디인가’, ‘양산 규모는 어느 정도인가’를 기준으로 글라스와 수지 중 어느 쪽이 적합한지 판단하는 것이 실무적인 접근 방식입니다.

Iupizeta EP라는 선택지

MGC(미쓰비시가스화학)가 전개하는 광학 수지 ‘Iupizeta EP’는 고굴절률과 저복굴절, 내열성의 균형을 중시한 재료 개발을 진행하고 있습니다. 마이크로렌즈 어레이의 수지화에서 과제가 되기 쉬운 ‘박형화에 기여하는 굴절률’과 ‘실장 공정을 견디는 내열성’을 양립하는 선택지로서, 용도에 따른 고내열 개발재도 검토되고 있습니다.

예를 들어 다음과 같은 물성을 가진 수지를 개발하고 있습니다.

개발재 A: 굴절률 nd=1.61, Tg=264℃

개발재 B: 굴절률 nd=1.63, Tg=280℃

모두 광통신에서 널리 사용되는 1310nm대·1550nm대에서 높은 내부 투과율을 나타내어, 마이크로렌즈 어레이 용도에서 중요한 저손실화에 기여합니다. 또한 굴절률을 일정 수준 이상으로 확보하면서 Tg를 높임으로써, 글라스에 대한 수지의 약점으로 거론되기 쉬운 내열 측면의 장벽을 낮추고 실장 공정에서의 설계 자유도를 넓히는 것을 목표로 하고 있습니다.

또한 본 개발재는 복굴절이 열가소성 폴리이미드나 폴리에테르이미드(PEI)보다 현저히 낮아, 편광 의존성의 편차나 광학 왜곡을 억제하고자 하는 광섬유 용도에 적합한 특장점을 갖추고 있습니다. 아울러 흡수에 따른 치수 변화도 열가소성 폴리이미드나 PEI에 비해 압도적으로 작아, 온습도 환경이 변동하는 조건에서도 위치 어긋남이나 결합 변동을 억제하기 쉬운 점이 기대됩니다.

선팽창계수(CTE)는 온도 변화에 대한 치수 안정성이 요구되는 용도에서 중요한 평가 항목이 됩니다. 이에 현재 용도 요구에 따라 CTE를 더 낮추기 위한 검토도 병행하고 있습니다.

마이크로렌즈 어레이의 렌즈 부재 자체는 물론, 렌즈 유지 부재나 광학 부재의 고정·일체화 부품, 하우징 주변의 수지 부재 등 실리콘 포토닉스나 광섬유 실장에서 ‘광학 특성’과 ‘실장 내열’, 나아가 ‘환경 안정성’을 동시에 충족해야 하는 경우에 이러한 고내열 광학 수지는 선택지의 하나가 될 수 있습니다. 요구 사양에 따른 적용 가능 여부와 조건의 상세 내용은 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

정리｜글라스에서 수지로의 전환을 검토하려면

광섬유 용도에서 주류인 글라스제 마이크로렌즈 어레이는 정밀성 때문에 ‘두께·무게·단가·생산성’ 등의 과제를 안기 쉬운 반면, 그 상당수는 수지화로 해결할 방안이 있습니다. 다만 내열성이나 복굴절 등 수지 쪽의 유의점도 있으므로, 사용 환경과 양산 규모에 따른 재료 선정이 필수적입니다.

고굴절률·저복굴절·고내열을 겸비한 광학 수지 ‘Iupizeta EP’에 대해 자세히 알고 싶으신 분은 아래를 통해 미쓰비시가스화학에 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트

이 글의 일부 이미지와 텍스트는 생성형 AI의 도움을 받아 제작되었습니다.