광트랜시버 부품은 수지로 만들 수 있을까? 글라스·세라믹의 장벽

📌 3줄 요약

• 광트랜시버 내부의 광학 부품(FAU 하우징·광엔진 하우징·마이크로렌즈 어레이 유지 부재 등)은 현재도 석영 글라스나 세라믹이 주류
• 글라스·세라믹은 중량·생산성 면에서 수지에 뒤지지만, 선팽창계수가 작고 리플로 내열성이 높다는 점에서는 수지보다 유리
• Iupizeta EP는 이 장벽을 넘는 초고내열 그레이드를 개발 중이며, 향후 글라스·세라믹을 대체할 가능성이 있음

광트랜시버란? 내부 광학 부품에 글라스·세라믹이 사용되는 이유

광트랜시버(광통신 모듈)는 전기 신호와 광 신호를 상호 변환하는 부품입니다. 데이터센터나 통신 기지국의 스위치·라우터에 탑재되어 대용량 통신을 뒷받침하고 있습니다.

그 내부에는 여러 광학 부품이 내장되어 있습니다. 대표적인 것으로는 여러 가닥의 광섬유를 고정밀로 나란히 배열하여 고정하는 ‘FAU 하우징(파이버 어레이 유닛의 하우징)’, 전기 신호와 광 신호를 변환하는 광엔진을 수납하는 ‘광엔진 하우징’, 다수의 작은 렌즈를 배열한 ‘마이크로렌즈 어레이’를 고정하는 ‘마이크로렌즈 어레이 유지 부재’, 광섬유의 끝단을 유지하는 정밀 원통형 부품인 ‘페룰’ 등이 있습니다.

이러한 부재에는 현재도 석영 글라스나 세라믹이 많이 사용되고 있습니다. 이유 중 하나는 선팽창계수(온도 변화에 대해 재료가 얼마나 팽창·수축하는지를 나타내는 지표)가 작다는 점입니다. 광섬유의 위치 정렬에는 수 μm 단위의 정밀도가 요구되므로, 온도가 변해도 치수가 거의 변하지 않는 재료가 전통적으로 선택되어 왔습니다. 한편 광커넥터의 페룰은 1987년에 알루미나를 대신하여 지르코니아(ZrO₂) 세라믹이 실용화된 이후, 고강도·고인성의 지르코니아가 주류가 되었습니다.

글라스·세라믹제가 안고 있는 2가지 과제

무거움

광학 글라스와 세라믹은 수지에 비해 비중이 큰 재료입니다.

세라믹은 석영 글라스보다 훨씬 무거워, 수지와의 비중 차이는 글라스보다 더 커집니다. 다수의 부품을 내장하는 광트랜시버에서는 이 비중 차이가 모듈 전체의 중량에 직결됩니다.

생산성을 높이기 어려움

성형·가공에 필요한 온도에도 큰 차이가 있습니다. 글라스 몰드 성형은 600~700℃ 정도의 가열이 필요하며, 세라믹 소결도 일반적으로 1,000℃를 크게 넘는 고온 공정으로 알려져 있습니다. 반면 수지의 사출성형은 200~300℃ 정도로 크게 낮아, 금형의 마모가 적어 연속 생산에 적합합니다.

고온 공정은 금형의 수명을 단축시키고 가공 설비도 대규모가 되기 쉽습니다. 저온에서 성형할 수 있는 수지는 이 점에서 양산에 적합한 특성을 가지고 있습니다.

수지화로 해결할 수 있는 가능성

이러한 과제는 수지로 대체함으로써 해결할 수 있을 가능성이 있습니다.

• 경량화 : 비중 차이만으로 단순 계산하면 수지화에 따라 이론상 1/2~1/5 정도의 경량화를 기대할 수 있습니다(실제 부재 중량은 형상·두께에 따라 달라지므로, 어디까지나 재료의 비중 차이에 근거한 대략적인 기준입니다)
• 생산성 향상 : 수지의 사출성형은 글라스 몰드나 세라믹 소결보다 크게 낮은 온도에서 실시할 수 있으므로 금형 마모가 적어 연속 생산에 적합합니다
• 설계 자유도 향상 : 굴절률이 높은 수지를 사용하면 동일한 광학 성능을 더 완만한 곡률·얇은 형상으로 구현할 수 있습니다. 이는 마이크로렌즈 어레이의 수지화 제안에서도 해설한, 광학 수지에 공통되는 장점입니다

수지화의 장벽: 선팽창계수와 리플로 내열성

한편 수지화에는 솔직하게 마주해야 할 과제도 있습니다.

선팽창계수

석영 글라스의 선팽창계수는 매우 작고, 세라믹은 그보다 한 자릿수 크며, 수지는 거기서 다시 한 자릿수 더 크다는 수준 차이가 있습니다. 광섬유의 위치 결정 정밀도가 요구되는 부재에서 선팽창계수의 크기는 치수 안정성 관점에서 수지가 상대적으로 불리한 요소입니다.

리플로 내열성

광트랜시버는 프린트 기판에 표면 실장되므로, 제조 공정에서 ‘리플로’라고 불리는 솔더링 공정을 거칩니다. 무연 솔더의 리플로 공정은 일반적으로 200℃대 후반의 고온에 이르는 것으로 알려져 있습니다(IPC/JEDEC 규격인 J-STD-020은 표면 실장 부품의 흡습·리플로 내성을 분류하는 규격으로 널리 알려져 있습니다).

Iupizeta EP 일반 그레이드(EP-4500~EP-9000)의 유리전이온도(Tg, 수지가 단단한 상태에서 부드러운 상태로 바뀌기 시작하는 온도의 기준)는 140~145℃입니다. 이는 리플로 공정의 온도를 크게 밑돌므로, 일반 그레이드 그대로는 기판 실장 시 연화·변형될 위험이 있는 것으로 생각됩니다. 이 점은 수지화를 검토할 때 솔직하게 짚어 두어야 할 제약입니다.

Iupizeta EP라는 선택지

Iupizeta EP는 높은 굴절률과 낮은 복굴절을 분자 설계로 양립시켜 온 광학 수지입니다. 한편 광트랜시버 실장에서는 기판에 대한 솔더링 공정인 ‘리플로’를 거쳐야 하며, 무연 리플로에서는 200℃대 후반의 고온에 이릅니다. 따라서 일반 그레이드(EP-4500~EP-9000, Tg=140~145℃)는 용도·형상·조건에 따라 리플로 공정에서 연화나 변형의 위험이 있어, 리플로 대응이 요구되는 부재에서는 제약이 될 수 있습니다.

이에 MGC(미쓰비시가스화학)는 기존의 특장점인 광학 특성을 유지하면서 리플로 공정까지 고려한 초고내열 개발재를 검토하고 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 양호한 내부 투과율을 나타내어, 광학 부품에 요구되는 저손실화에 기여합니다. 또한 복굴절이 열가소성 폴리이미드나 폴리에테르이미드(PEI)보다 현저히 낮고, 흡수에 따른 치수 변화가 열가소성 폴리이미드나 PEI에 비해 압도적으로 작으므로, 온습도 변동 하에서의 광학 얼라인먼트 안정성이 과제가 되는 용도에서도 검토하기 쉬운 특장점을 갖추고 있습니다.

선팽창계수(CTE)는 일반 폴리카보네이트 수지보다 억제되어 있으나, 석영 글라스나 세라믹과 비교하면 여전히 큰 값입니다. 따라서 FAU 하우징이나 광엔진 하우징 등 위치 결정 정밀도·온도 안정성이 특히 중요한 부재에의 적용을 염두에 두고, CTE를 더 낮추기 위한 검토도 병행하고 있습니다.

또한 365nm 부근의 빛에 대해서도 일정한 투과성이 기대되므로, UV 경화를 이용한 고정 공정(UV 경화형 접착제 등)에의 적용 가능성도 검토하고 있습니다. 광학 얼라인먼트 후 UV로 단시간에 고정할 수 있다면 공정 설계의 자유도와 양산성 측면에서 장점이 기대됩니다(실제 적용 가능 여부는 접착제·막 두께·형상·조사 조건 등을 감안한 평가가 필요합니다).

지금까지 석영 글라스나 세라믹이 담당해 온 FAU 하우징, 광엔진 하우징, 마이크로렌즈 어레이 유지 부재 등에 대해서도 경량화·양산성 향상이라는 수지화의 장점을 살리면서, 리플로 내열을 포함한 요구 사양에 맞춘 재료 제안이 가능합니다. 적용 가능 여부와 조건의 상세 내용은 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

정리｜글라스·세라믹에서 수지로의 전환을 검토하려면

광트랜시버 내부의 FAU 하우징이나 광엔진 하우징은 현재 석영 글라스나 세라믹이 주류이지만, 중량·생산성 면에서는 수지화로 해결할 수 있는 가능성이 있습니다. 선팽창계수와 리플로 내열성이라는 장벽은 남아 있으나, 초고내열 재료의 개발이 진행되면 이 장벽을 넘을 수 있는 가능성도 보이기 시작했습니다.

광학 부품의 재료 선정에 대해 고민이 있으신 분은 Iupizeta EP 공식 사이트(https://iupizeta.mgc.co.jp/kr/)에서 그레이드별 물성 정보와 개발 상황을 확인해 주시기 바랍니다.

이 글의 일부 이미지와 텍스트는 생성형 AI의 도움을 받아 제작되었습니다.