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제 출 문

체신부 장관 귀하

본 보고서를 제조업경쟁력강화사업

광소자 커넥터 개발 과제의 차년도 연차보고서로 제출합니다(1) .

년 월 일1992 9

연구 수행 기관 주 코스타 코퍼레이션: ( )

주 남성세라믹( )

총괄 연구 책임자 석 창 성 코스타 연구실장: ( )

참여 연 구 원 이 운 상 코스타 연 구 원: ( )

고 광 욱 코스타 연 구 원( )

참여기업 연구 책임자 손 선 기 남성세라믹 대표이사: ( )

참여기업 연 구 원 강 석 인 남성세라믹 선임연구원: ( )

전 형 탁 남성세라믹 선임연구원( )

조 세 형 남성세라믹 연 구 원( )

김 봉 환 남성세라믹 연 구 원( )

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요 약 문

제목1.

제조업경쟁력강화사업 광소자커넥터 개발 과제

연구개발의 목적 및 중요성2.

가 기술적 측면.

빛을 통신매체로 사용하는 광통신은 저손실 광대역성 대용량화 등의 장점 때문에 많은 중, ,

장거리 통신을 점유하고 있으며 대형 가입자군을 위한 광가입자망이나 등에도 시범 적, LAN

용되고 있다 이러한 추세는 매년 더욱 증가하여 광통신과 관련된 등의 각종 시스템. , CATV

및 부품에 대한 연구 개발이 전 세계적으로 치열하게 진행되고 있다 광통신 또는 광정보.

처리에는 발광 및 수광의 역할을 하는 능동소자와 더불어 광수동 부품이 이용되고 있다 이.

중 가장 중요한 수동부품중의 하나가 광섬유와 광섬유를 연결하거나 광섬유와 광소자를 연,

결하는데 이용되어지는 것이 광커넥터이다 지금까지 광커넥터는 장거리 통신망의 광단국.

중계기 등에 사용되어 왔으나 영상서비스 등의 광대역 서비스가 수용되는 광가입자망이나( ) ,

에는 많은 광선로의 접속 분기 및 가입자 광단말이 소요되므로 향후 그 수요가 국내외LAN ,

에서 폭발적으로 증가할 것으로 예측된다 그러나 현재 광커넥터에 대한 국내의 현황은 정.

밀 가공기술을 요하는 페룰과 슬리브등의 세라믹 핵심부품을 수입하여 조립하는 상태이며,

기존의 커넥터와 다른 형태의 개발이 이루어지지 않고 있기 때문에 커넥터에 대한 연구 개,

발은 매우 미흡한 상태이다 특히 광커넥터의 주요 요소인 세라믹 페룰의 재료와 압출기술.

의 개발은 전무하다고 볼 수 있으며 따라서 광선로의 시설비중 큰 부분을 차지할 광커넥터,

의 정밀 가공기술을 조기 확보하여야만 할 것이다.

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나 경제 산업적 측면. ㆍ

광커넥터는 특히 광전송 매개체인 광선로 시설비에 큰 비중을 차지하고 있기 때문에 광커넥

터의 세계적 수요는 지금까지 지속적으로 증가하여 왔으며 매년 씩 증가하리라 예상된, 20%

다 실제 년 억 에 달하는 미국 광섬유부품 시장에서 광커넥터는 천만 로 집계되. 1989 8 5＄ ＄

었으며 이는 년 천 백만 년에는 억 천만 로 증가할 것으로 보고 되고 있, 1992 7 7 , 1994 1 3＄ ＄

으며 이웃 일본 시장규모는 년 광수동부품의 시장규모는 억 엔 이었으며 그 중, 1989 257 ,

이상을 광커넥터가 점유하고 년에는 광커넥터 수요가 억 엔 이상으로 예상70% 2000 1200

하고 있다 한편 국내에서는 현재 몇 개의 회사에서 조립 또는 수입에 의해 들어온 커넥터.

를 한국통신에서 정도의 수요를 담당하고 있으며 기타 한국전력이나 이동통신에서 미, 90% ,

미하나마 사용되어 수십억 정도의 시장으로 형성 되어있지만 년 광 서비스가1994 CATV

시범운용 될 예정이므로 년 이후의 광커넥터의 시장은 약 억 시장으로 확대되어1994 200

광커넥터 시장이 광범위하게 확대되어 앞으로 그 수요는 날로 증가할 것이다 또한 이의 개.

발로 국내 산업체가 세라믹 재료 및 세라믹의 정밀 가공 기술 등을 확보함은 물론 광통신

관련 기술 및 운용 기술의 기반을 제공할 것이다.

- 4 -

다 사회 문화적 측면. ㆍ

광소자 커넥터는 광선로의 주요부품으로서 국내에서 이의 자체개발과 성능보완은 장차 도래

할 정보화 사회에서 대량의 정보를 신속하고 깨끗하게 이용자에게 전달하여 빠르게 변화해,

가고 있는 현대사회에서 신속한 자료수집과 분석을 행하게 한다 그리고 보다 안정되고 윤.

택한 생활을 영위할 수 있도록 제반여건을 충족시켜줄 수 있는 역할을 담당하여 사회 문화,

적으로 크게 기여하리라 예상된다.

연구개발의 내용 및 범위3.

가 목표.

형 광커넥터의 규격 설정 및 설계ST

나 내용

광커넥터 기술자료 및 시장자료 분석-

광거넥터 접속구조 설계-

광커넥터 대문자로 차 제품 금형설계별 제작- 1

페룰 및 슬리브 재료물성 분석-

페룰 성형 및 소결공정 개발-

연구개발 결과 및 활용방안4.

가 연구개발 결과.

초소형 고성능 저가격의 광소자 커넥터 제작, ,

부품별 외형 설계도 및 공정 규칙

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시제품 생산

재원 삽입손실 이하; : 0.6 dB

반사손실 이상: 35 dB

온도에 따른 변화 : ± 0.2 dB

습도에 따른 변화 : ± 0.2 dB

재현성 번 삽입 시: 1000 ± 0.2 dB

고 접속강도 최소 파운드 평균 파운드: 20 , 50

나 활용방안.

광커넥터의 국산화 개발로 국내 수요를 충당하고 국제 경쟁력 확보와 이의 개발로 확보된

정밀 가공 기술과 광 지식을 토대로 급속히 확장될 통신 산업 전반에 응용 확대

기대효과5.

가 기술적 측면.

광커넥터의 자체 개발로 재료 및 정밀가공기술의 향상을 도모할 수 있으며 각종 광통신에,

쓰이는 통신기기를 개발할 수 있는 기반을 마련한다.

나 경제 산업적 측면. ㆍ

광커넥터의 개발로 년대에 본격화된 광통신 서비스 국내시장 및 국제시장에 공급하여 수90

입대체 및 수출효과를 가져올 것으로 예측된다.

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목 차

제 장 서론1

제 절 연구개발의 필요성1

기술적 측면1.

경제 산업적 측면2. ,

사회 문화적 측면3. ,

제 절 연구개발의 방향2

제 절 연구개발의 목표 및 규격3

제 절 기대효과4

제 절 연구개발현황 및 차년도 계획5 2

최종 연구목표1.

당해년도 연구목표 및 내용2.

연구결과3.

연구수행체계 및 방법4.

연구결과물5.

제 장 동향 분석2

제 절 광통신과 광커넥터 개요1

제 절 시장동향2

일본의 시장동향1.

미국의 시장동향2.

국내의 시장동향3.

제 절 커넥터의 종류와 그 특성3

1. BICONIC CONNECTOR

2. FC CONNECTOR

3. ST CONNECTOR

4. SC CONNECTOR

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제 절 특허분석4

재료 제조 방법분야1. ,

구조분야2.

원리분야3.

성능분야4.

제 절 기술동향5

제 장 이론적 고찰3

제 절 광섬유 커넥터 이론1

제 절 의 기본적 성질2 ZIRCONIA

제 절 고인성3 ZIRCONIA CERAMICS

의 파괴거동1. ZIRCONIA

부분안정화2. ZIRCONIA (PSZ)

정방정3. ZIRCONIA (TZP)

분산4. ZIRCONIA CERAMICS (DZC)

제 절 사출성형 및 탈지4 CERAMICS

사출성형 의 개요1. PROCESS

탈지 조작 및 그 장치2.

제 장 세라믹 페룰의 실험4

제 절 및 분석1 CERAMICS FERRULE SLEEVE SPEC

제 절 실험 과정2

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원료선정1.

등 유기첨가제 최적조성 및 가열혼련실험2. RESIN

사출금형 설계 및 제작3. FERRULE

사출성형조건4. FERRULE

등 탈지간이 실험5. RESIN

제 절 결과3

원료 결정1.

등 최적조성2. BINDER

사출성형 조건3. FERRULE

등 탈지4. RESIN

제 장 광커넥터의 분석 및 개발5

제 절 커넥터 재료분석1 ST

제 절 접속구조에 따른 손실2

제 절 커넥터 결합기구 설계3 ST

온도특성1.

습도특성2.

제 장 결론6

제 절 문제점 및 방향1

제 절 페룰의 개발2

제 절 하우징의 개발3

참고문헌

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제 장 서론1

제 절 연구개발의 필요성1

광섬유는 과 연결의 두 가지 방법으로 접속된다 은 대SPLICING CONNECTOR . SPLICING

부분 항구적으로 광섬유를 연결 및 고정하는 것을 말하며 광섬유 연결 후에 다시 광섬유를,

분리할 필요가 없을 경우에 사용된다 그러나 일부 어떤 방법은 광섬유를 비교. SPLICING

적 쉽게 연결 및 분리를 할 수 있도록 고안되어 있는 경우도 있다 반면에 에. CONNECTOR

의한 광섬유의 연결은 자주 광섬유를 분리 또는 연결할 수 있도록 고안되어 있다 광섬유.

커넥터는 광원으로부터 광섬유까지 광섬유에서 광섬유로 광섬유로부터 검출기까지 빛을, .

연결하는데 사용된다 광섬유 커넥터는 작은 코어직경의 광섬유를 연결하게 되므로 연결부. ,

의 광손실을 최소화하기 위하여서는 매우 정밀해야 하고 또 매회 결합 시 반복 재현성 온,

도 진동 등의 외부요인에 연결의 정밀성을 유지하도록 설계되어야 한다 이와 같은 목적을, .

위해 지금까지 다양한 커넥터의 구조가 다른 선진국에서 연구 및 개발되어 왔고 연결손실

및 신뢰성을 꾸준히 높여왔다 국내에서도 광통신분야에 많은 연구를 하고 있으나 광커넥터.

분야의 연구 진행은 거의 초보적인 단계에 머물러 있는 실정이다 이러한 실정에서 앞으로.

의 광통신 시대의 개막에 즈음하여 광부품들의 연구가 활성화 되어야 하며 특히 광통신부, ,

품의 수동소자 중 그 필요성이 절실히 요구되어지는 광커넥터의 기술개발은 그 어느 때보다

중요시 되어야 한다고 사료된다 광커넥터의 기술개발의 필요성을 가지 측면에서 본다면. 3

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기술적 측면1.

빛을 통신 매체로 사용하는 광통신은 저손실 광대역성등의 장점 때문에 많은 장거리 통신, ,

을 점유하고 있으며 대형 가입자군을 위한 광가입자망이나 등에도 시범 적용되고 있, LAN

다 이러한 추세는 매년 더욱 심화되어 광통신과 연결된 각종 시스템 및 부품에 대한 연구. .

개발은 전 세계적으로 치열하게 진행되고 있다 이중 가장 중요한 수동 부품으로는 광섬유.

와 광섬유 또는 광섬유와 광전자 부품을 접속 연결해 주는 광커넥터이다 지금까지 광커넥, .

터는 장거리 통신망의 광단국 중계기 등에 소량이 사용되어 왔으나 영상 서비스 등의 광대( )

역 서비스가 수용되는 광가입자망이나 에는 많은 광선로의 접속 분기 및 가입자 광단LAN ,

말이 소요되므로 그 수요가 국내외에서 폭발적으로 증가할 것으로 예측된다 그런데 광커넥.

터에 대한 국내의 현황은 부품을 수입하여 조립 생산하는 단계이며 연구 개발은 매우 미흡,

한 상태이다 특히 광커넥터의 주요 요소인 세라믹 페룰 의 재료와 압. (CERAMIC FERRULE)

출 기술 개발은 전무하다고 볼 수 있다 따라서 광선로의 시설비중의 큰 부분을 차지할 광.

커넥터의 기술을 조기 확보하여야만 할 것이다.

경제 산업적 측면2. ,

광커넥터는 특히 광전송 매개체인 광선로 시설비에 큰 비중을 차지하고 있기 때문에 광커넥

터의 세계적 수요는 매년 씩 증가할 것으로 예측되고 있다 실제 년 억불에 달하20% . 1989 8

는 미국 광섬유부품 시장에서 광커넥터는 천만 불로 집계 되었으며 이는 년에 천5 1992 7 7

백만 불 년에는 억불로 증가할 것으로 보고 되고 있으며 이웃 일본 시장의 규모를1994 1 .

보면 년 광수동 부품의 시장 규모가 억 엔 이었으며 그 중 이상을 광커넥터가1989 257 , 70%

점유하고 년에는 광커넥터 수요가 억 엔 이상이 될 것으로 예상하고 있다 한편2000 1200 .

국내에서도 년에 광 서비스가 시범운용 될 예정이므로 앞으로 그 수요는 날로1994 CATV

증가할 것이다 또한 이의 개발로 국내 산업체가 세라믹 재료 및 세라믹의 정밀 가공 기술.

등을 확보함은 물론 광통신 관련 기술 및 운용 기술의 기반을 제공할 것이다.

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사회 문화적 측면3. ,

광소자 커넥터는 광선로의 주요 부품인 만큼 이의 자체개발은 장차 도래할 정보화 사회에서

사회 문화적으로 일익을 담당할 것으로 여겨진다 광 커넥터는 년 미국의 벨연구소에. 1968

서 최초로 개발하였으며 그 후 일본과 미국에서 이 분야의 연구개발을 주도하여 왔고 국, ,

내의 경우는 외국기술도입에 의한 조립생산에 그치고 있다 국제적 연구개발 실적으로는 한.

가닥의 광섬유를 연결하는 단심형과 가닥 이상의 광섬유를 연결하는 다심형이 상용화되2

고 있으며 신뢰성 및 성능향상을 위한 기술개발 노력은 계속될 것으로 보인다 현재 성능, .

면에서는 지르코니아 세라믹 페룰의 압출기술 접속면의 가공기술과 구조에 대, , COUPLING

한 기술개발로 삽입손실이 이하 반사손실이 이상까지 구현되고 있다 광커0.1 dB , 40 dB .

넥터는 의 모양에 따라 형 형 형 형 형HOUSING FE , BICONIC , SMA 905 & 906 , D , FC , SC

형 등이 있고 광가입자 선로의 경우는 단심 심 및 다중 접속으로의 변형이 가능한 구조일, ,2

뿐 아니라 고밀도 실장 현장설치가 용이한 구조가 요구되고 있기 때문에 기존의 나사형 결,

합방식 보다는 또는 형이 유리하다 일본에서는 형PUSH-PULL BAYONET . PUSH-PULL

인 광커넥터를 가입자용 뿐만 아니라 국간용으로 사용하고 있으며 미국의 는SC , ST

형으로 에 많이 사용하고 있으나 머지않아 가입자 선로에도 적용하리라 생BAYONET LAN ,

각된다 일반적으로 광커넥터에서는 조립공정이 비교적 복잡하며 특히 광섬유단면 연마공정.

이 어려워 광커넥터의 가격을 높이는 역할을 하고 있다 그러나 최근에는 현장에서 연마가.

필요 없는 광커넥터와 를 사용치 않는 광커넥터가 개발되어 주목을 끌고 있다EPOXY .

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광소자 커넥터의 성능 중 가장 중요한 것은 두개의 광섬유를 연결하였을 때 발생하는 삽입

손실이다 이 삽입손실은 물리적으로 접촉하는 두개의 페룰 을 광신호가 통과할. , (FERRULE)

때 발생하는 만큼 커넥터의 정렬오차에 의한 손실 접촉면의 간극에 의한 손실 정렬각의, . ,

편이에 의한 손실 등이 주요원인이다 따라서 광섬유 광커넥터 페룰 페룰을 지지하는. , ,

의 정밀 가공기술에 의하여 삽입손실이 영향을 받는다 국내의 경우는 광소자HOUSING .

커넥터의 생산기술 분야에 대한 경험은 없으나 설계기술과 정밀가공기술 등의 축적된 기술,

을 활용 및 개발하여 광커넥터의 개발목표를 달성해야 할 것이다 이와 함께 세라믹 기술. ,

분야에서 지르코니아 세라믹의 조성과 페룰의 성형기술이 가장 핵심적이므로 이의 개발이

우선되어야 할 것이다 광소자 커넥터를 국내에서 개발함으로 이 분야 국내업체에 관련기. ,

술의 기반을 마련함은 물론 아직 초보단계에 있는 국내 광관련 산업에 대한 투자의욕을 증,

가시킬 수 있을 것이다 년대 중반에는 광 정보통신 서비스가 확대 보급될 것이 예상되므. 90

로 광 커넥터의 국산화는 광전송매체인 가입자 선로의 광 케이블화에 일익을 담당할 전망이

다.

제 절 연구개발의 방향2

국내외적으로 광통신 시스템이 발전해가면서 광커넥터의 중요성과 그 수요가 급증하고 있는

추세이지만 국내에는 관련기술의 축적이 매우 빈약하여 광커넥터의 개발기술이 전무한 실,

정이다 그러나 광커넥의 개발기술은 응용기술의 집합체이므로 빠른 속도로 발전시킬 수 있.

을 것으로 판단된다 광소자 커넥터의 개발은 년 완제품제작을 목표로 연구를 진행하. 1993

고 있으며 차년도인 년도에는 이론연구와 및 커넥터 의 설계, 1 l991-1992 ADM HOUSING

와 제작을 중점목표로 관련기술을 개발하여 왔다.

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광커넥터의 제작 기술은 먼저 각 요소기술을 연구한 후 추진되어야 하지만 특성향상의 문제

와 연결되어 있으므로 결합기구의 설계를 병행 추진하고 있다 다음은 광소자 커넥터의 개.

발 흐름도이다.(Fig. 1-1)

광커넥터 개발 흐름도Fig. 1-1

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광소자 커넥터는 앞으로의 시스템 과 년의 계획에 이용이 적합하도록 제CATV 2015 ISDN

작을 추진하고 있으며 차 년도에서는 국외의 형 커넥터의 구조와 비교하여 결합방법은, 1 ST

같은 원리로 하되 결합구조를 변형하여 국내 고유형 커넥터의 개발을 목표로 연구를 수행하

고 있다 결합구조의 설계와 관련하여 검토한 항목 및 채용기술을 에 나타내었. Table 1-1

다.

개발방향 검토 결과Table 1-1.

검 토 항 목 채 용 기 술

결 합 동 작 회 전 운 동

커넥터 형태 원 형 구 조

하우징 재료 금속과 폴리머

페 룰 원 형

페 룰 재 료 지르코니아

슬리브 재료 지르코니아

슬리브 구조 형S L I T

페 룰 단 면 구 면

광섬유 연마 돌 출 형

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제 절 연구개발의 목표 및 규격3

적용범위 국내의 시스템과 통신망 및 국외시장: CATV

광학적 특성의 요구조건

삽입손실 이하 차년도 개선요구- : 0.8 dB ( 2 )

반사손실 이상- : 30 dB

기계적 특성의 요구조건

반복결합 시험 후 손실 이하 변화- : 0.2 dB

진동 시험 후 손실 이하 변화- :0.2 dB

충격특성 시험 후 손실 이하 변화- : 0.2 dB

구부림 시험 후 손실 이하 변화- : 0.2dB

환경적 특성의 요구조건

내부식성 시험 추후 결정- *

방습특성 시험 추후 결정- *

열충격 시험 후 손실 이하 변화- : 0.2 dB

구조적 특성의 요구조건

조립가공이 쉬운 소형 경량- ,

반복 착탈의 용이성-

플러그 아답터 및 커넥터 몸체로 구성-

아답터의 실장 밀도는 작업 공간을 포함하여 개 이어야함- 3 /㎠

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제 절 기대효과4

지금까지 광커넥터는 장거리 통신광의 광단국 중계기 등에 소량이 사용되어 왔으나 영상 서( )

비스 등의 광대역 서비스가 수용되는 광가입자망이나 에는 많은 광선로의 접속 분기LAN ,

및 가입자 광단말이 소요되므로 그 수요가 국내외에서 폭발적으로 증가할 것으로 예측된다.

그런데 광커넥터에 대한 국내의 현황은 부품을 수입하여 조립 생산하는 단계이며 연구 개,

발은 매우 미흡한 상태이다 특히 광커넥터의 주요 요소인 세라믹 페룰. (CERAMIC

의 재료와 압출 기술 개발은 전무하다고 볼 수 있다 따라서 광선로의 시설비 중FERRULE) .

의 큰 부분을 차지할 광커넥터의 기술을 조기 확보하여야만 할 것이다 앞으로 광커넥터의.

수요는 날로 증가할 것이며 이의 개발로 국내 산업체가 세라믹 재료 및 세라믹의 정밀 가.

공 기술 등을 확보함은 물론 광통신 관련 기술 및 운용 기술의 기반을 제공할 것이다 또.

한 광소자 커넥터를 국내 개발함으로서 이 분야 국내업계에 관련기술의 기반을 마련함은, ,

물론 아직 초보단계에 있는 국내 광관련 산업에 대한 투자의욕을 증가시킬 수 있을 것이,

다 그리고 년대 중반에는 광 정보통신 서비스가 확대 보급될 것이 예상되므로 광 커넥. , 90

터의 국산화는 광전송매체인 가입자 선로의 광케이블화에 일익을 담당할 전망이다.

제 절 연구개발 현황 및 차년도 계획5 2

최종 연구목표1.

최종목표 통신용 고성능 광커넥터 개발:

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당해년도 연구목표 및 내용2.

목표 형 광커넥터의 규격 설정 및 설계: ST

내용

광커넥터 기술자료 및 시장자료 분석-

광커넥터 접속구조 설계-

광커넥터 차 제품 금형설계별 제작- HOUSING 1

페룰 및 슬리브 재료물성 분석-

페룰 성형 및 소결공정 개발-

연구결과3.

가 연구목표의 달성도.

차년도 목표1 (A) 실 적 (B) B/A%

광커넥터 기술자료 및 시장자료 분석

국내의 커넥터 관련 자료수집*논문 건 기술문서 편 특허자료- 45 , 22건 도서구입 건 국외 제품 카탈로그25 , 3건42

가입 문헌기술속보- KINITI ;가입- ETLAS Data Network

국내의 페룰 관련 자료 수집*특허자료 건 논문 건- 23 , 6기술문서 국외 제품 카탈로그- ,수집자료 분석*국내외 커넥터 기술동향 분석- ;

TM-91-KO-3, 6커넥터 재료 특성 분석- ;

TM-91-KO-5특허자료 분석- ; TM-91-KO-4

100%

- 18 -

일본 및 미국의 시장동향분석- ;TM-91-KO-2페룰 재료특성분석- ; TM-91-NS-1페룰 특허자료분석- ; TM-91-NS-2페룰 분석- SPEC ; TM-91-NS-3일본현황분석- ; TM-91-NS-4

광커넥터 접속구조설계

광커넥터 규격결정 형* (ST )광커넥터 재료결정-

관련 기술문서: TM-9l-KO-3,4,5,6내용 스프링 페룰; HOUSING, , BOOT,RING, CLIP광커넥터 제작 채용기술 결정-

관련 기술문서; TM-91-KO-3,4,5,6목표성능결정-

관련 기술문서; TM-91-KO-3,4,5,6.7광학설계 검토- ; TM-91-KO-8

정렬오차에 따른 접속손실 계산페룰과 하우징의 구조에 따른 접속손실요인 분석결합기구 설계-

및 설계 종HOUSING ADM 8

100 %

금형설계 및 차시제품 제1작

금형 제작 중 금형 조- ( 2 ; 4SET )기계가공에 의한 종 개 샘플의 시- 8 50

험제작차 제작된 커넥터 의 기본- 1 Housing

수입품 사용TEST ( FERULE: )커넥터 조립공장 연구동 신축 중 평- / (80 ,

CLASS 1000O CLEAN ROOM)측정기기 세라믹 소결 및 가공기기 도- ,

입 중

90 %

페룰 및 슬리브 재료물성분석

페룰 재료선정*지르코니아 재료특성분석- ;

TM-91-NS-5내용 사와 사 비교: DAIICH TOSOH지르코니아 재료건조별 물성분석- ;

TM-91-NS-6

100 %

페룰 성형 및 소결 공정개발

등 유기 첨가제 조사- RESIN ;TM-91-NS-7페룰 금형설계제작 설계도 편- ( 2 )페룰 성형- ; TM-91-NS-8

탈지검토- RESIN ; TM-91-NS-9지르코니아 소결공정- ; TM-91-NS-10

100 %

나 연구결과의 질적 수준.

선진국 수준 삽입손실 이하 반사손실 이상- ; LAB: O.2 dB , 40 dB

삽입손실 이하 반사손실 이상FACTORY: 0.4 dB , 30 dB

현재 개발 중간단계에 있으므로 선진국 수준과 직접 비교가 불가능 하지만 하우징 설계- ,

에 있어서 자 초기 인입구 컷팅 금속 에 폴리머 외피 사용, V BAYONET V BODY① ② ③

- 19 -

등 특허 출원 준비 중 새로운 시도를 하였고 페룰은 소성공정까지 끝마쳤다 앞으로( ) , . .

광학적 특성 기계적 특성 등에서 선진국과 동등한 수준의 제품 개발이 가능할 것으로 판단,

됨.

- 20 -

연구수행체계 및 방법4.

가 참여 기관별 기술개발영역 역할 및 성과. /

기술개발영역 역할1) /

- 21 -

참여 기관별 기술개발 성과2)

< KOSTAR >

결합기구 설계 및 차 가공 시제품 제작1

커넥터 하우징 설계 완료 특허출원 준비 중- ;

구조적 성능 및 디자인면 중점 설계;

기계가공에 의한 시제품 제작 종 개; ( 8 , 50 )

금형 및 제작 진행 중 월말 완료예정- ADM HOUSING ; 7

남성 세라믹< >

지르코니아 페룰 성형 제조

재료물성분석-

유기첨가제 결정-

사출금형 설계제작-

페룰 사출성형-

소결 공정실험-

나 위탁연구기관의 역할 및 성과 위탁연구기관 전남대학교. ( : )

역할 광커넥터 접속구조 및 광학계 설계- ; 1)

광학적 성능 평가2)

성능 차 비정렬 요인에 의한 접속손실계산- 1) 2

고유 비정렬 요인에 의한 접속손실계산2)

광커넥터 접속 구조 설계3)

광학적 성능 평가4)

삽입손실 측정ㆍ

반사손실 측정ㆍ

다 기술교류 횟수 회. : 9

- 22 -

연구결과물5.

가 산업재산권 건 출원 준비 중 형 광커넥터 구조. :1 (ST )

나 기술문서 총 편 코스타 편 남성 세라믹 편. : 18 ( 8 , 10 )

다 생산 및 판매실적 없음. :

라 연구결과의 질적 수준.

선진국 수준 삽입손실 이하 반사손실 이상- ; LAB: 0.2 dB , 40 dB

삽입손실 이하 반사손실 이상FACTORY: 0.4 dB , 30 dB

개발현황 페룰 소성공정 원료- ;

하우징 구조 설계

자V BAYONET①

초기 인입구 컷팅V②

금속 에 폴리머 외피 사용 등 새로운 시도BODY③

비교 페룰 가공 등 선진국과 상당한 수준 차이- ;

예상 차년도 개발 종료 시 선진국 기술 수준에 근접- ; 2

광학적 성능 보완①

기계적 성능 보완②

제품기술 완결③

- 23 -

제 장 동향 분석2

제 절 광통신과 광커넥터 개요1

광통신 및 광 정보 처리에는 발광 및 수광소자와 같은 능동부품과 더불어 각종의 수동부품

이 이용되고 있다 현재 광수동 부품으로는 광커넥터 광감쇄기 광분기 결합기 광스위치. , , , ,

등이 있으며 현재의 수동부품 시장 중 가장 비중이 큰 부품은 두개의 광섬유를 접속하는,

기능을 가지고 있는 광커넥터이다 광커넥터는 년 에서 최초로 개발한 이후 일. 1968 AT&T

본 와 미국 가 년간 끊임없는 개선과 새로운 아이디어의 도입으로 개발을 주NTT AT&T 20

도하여 왔다 현재 광통신이 본격화 되면서 광부품 시장의 규모는 광산업 시장의 한 지류. ,

를 형성할 정도로 크게 발전하였다 앞으로 광커넥터의 개발방향이 광커넥터의 성능향상. . ,

소형화 고밀도화 커넥터 탈착의 용이성 향상 고 신뢰화 그리고 저가격화의 방향으로 나아, , ,

가면서 광 커넥터의 수요는 폭발적으로 증가되리라 예측되며 커넥터 시장 규모도 해를 거, ,

듭하면서 대형화 되리라 예상된다 광 커넥터는 광 전송 시스템의 보급과 함께 많이 사용. .

되고 있으며 또한 새로운 광 커넥터가 개발되고 있다 따라서 현재보다 더 많은 종류가 개, .

발 및 실용화되고 광 커넥터도 고성능화 고 신뢰성화의 요구가 많아지리라 생각되며 앞으. , .

로 국내에서도 광 커넥터의 자체개발과 양산체제를 구축하여 보다 좋은 성능의 커넥터를 개

발해야하며 특히 고 실장성 고 성능의 단심 광커넥터 개발에 역점을 두어야 되리라 사료, ,

된다.

가입자용 커넥터의 요구조건은 다음과 같다.

전송장치에 고 밀도 실장을 위해서 소형이면서 조작이 용이*

가입자 커넥터의 고성능*

- 24 -

경제성*

환경변화에 대한 안정된 성능과 내구성의 보장*

결합과 분해 시간의 단축*

많은 반복결합에 대한 안정성*

꼬여 감기는 상태에서도 결합의 용이*

미숙련자도 손쉽게 배치 조작*

이와 같은 조건을 만족시켜야 가입자가 저렴한 비용으로 손쉽게 광 서비스를 항상 받을 수

있을 것이다 표 은 가입자 커넥터의 최적 구조와 특성을 보여주고 있고 표 는 단. 2-1 , 2-2

일모드 광커넥터의 특성을 도표화 한 것이다 은 여러 커넥터의 사진이다. Fig. 2-1 .

가입자 광커넥터의 최적구조와 특성Table 2-1.

항 목 최적 구조와 특성

재결합 시 일정한 삽입손실 나사결합보다 나KEYED/BAYONET이 유리PUSH-PULL

커넥터의 크기 소형이 바람직

삽입손실과 반사손실 결합으로 줄일PHYSICAL CONTACTS수 있음

결합 분해시간, 나 이 유리BAYONET PUSH-PULL

단일모드화 환경특성, 세라믹 페룰을 사용하여야 함

페룰의 가공용이 이 간편해야 함GRINDING/POLISHING

- 25 -

단일 모드 광커넥터의 특성 비교분석Table 2-2,

- 26 -

여러 광커넥터 사진Fig. 2-1

국내에서는 년대 중반에 계획되어 있는 계획에 의해 앞으로의 수요가 기대되고 있90 ISDN

으나 지금까지는 국내수요 백만 원 가 적어 외국기술도입에 의한 조립 생( 88 104 )年 現在

산에 그치고 있다 앞에서 기술한 기술 분야의 개발경험은 없으나 설계 및 정밀가공의 축. ,

적된 기술을 활용 및 개발하면 광 커넥터 개발 목표를 달성할 수 있을 것이다 그러나 세라.

믹 기술 분야에는 지르코니아 세라믹의 조성 소성과 페룰 성형기술의 문제점이 있다 국외, .

에서는 앞에서 언급했듯이 광커넥터의 접속형태별로는 BIC0NIC, FC. D4, 형 등이ST, SC

개발되었으며 광커넥터 접속 시 삽입손실을 줄이기 위한 연구와 환경에 대한 신뢰성 및 조,

작성 실장성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다 최근 지르코니아 세라믹 페룰접속, . ,

면의 가공기술과 구조에 대한 기술 개발로 이하 반사손실 이COUPLING O.1 dB , 40 dB

상까지 구현되고 있다.

- 27 -

제 절 시장동향2

일본의 시장동향1.

지난해 일본의 광산업의 생산규모는 전년대비 증가한 조 천억 엔에 이르고 있으며20% 2 5 ,

관련협회의 조사 예측에 따르면 그 규모는 년에 조엔 년에는 조엔 그리고95 9 , 2000 16.2 ,

년에는 조엔 규모에 이를 전망이고 이들 중 광수동부품의 시장규모는 억 엔이2010 38 , 257

었으며 그중 약 억 엔 이상을 광커넥터가 점유하고 있고 또한 년에는, 70%( 182 ) , 2000

억 엔으로 성장하리라고 예상되는 수동 부품 시장 중 광커넥터의 시장규모는 억1600 1200

엔으로 역시 높은 비중을 차지하리라 생각된다 은 광산업의 생산규모를 각 부. Table 2-3

품별로 정리한 것이다 과 참조.(Table 2-3 Fig. 2-2 )

광섬유 광커넥터 광수동부품의 시장비교Fig. 2-2 , ,

- 28 -

광산업 생산규모Table 2-3

- 29 -

미국의 시장동향2.

미국의 커넥터 시장 역시 일본시장처럼 급성장하고 있는 추세이다 현재 미국에서는.

을 지원하는 단일모드형 커넥터와 을TELE-COMMUNICATION DAT-COMMUNICATION

지원하는 다중모드형 커넥터를 구분하여 생산하고 있는데 편의상 단일모드 커넥터와 다, ,

중모드 커넥터 시장규모를 분리하여 분석하기로 하겠다 단일모드 커넥터는 년에. 1990

만 년에는 만 년에는 억 년에는 억 천만 정도로 성2500 , 1992 5000 , 1994 1 , 1996 2 5＄ ＄ ＄ ＄

장하리라 예상되며 다중모드 커넥터는 년에 만 년에 만 년에 억, 90 6000 $ 94 7500 96 1＄ ＄

정도로 상장되리라 예상된다 참조.( Fig. 2-3, 2-4, 2-5 )

다중모드 광섬유 광커넥터 광수동 부품의 시장비교 미국Fig. 2-3 , , ( )

- 30 -

다중모드 광섬유 광커넥터 광수동 부품의 시장비교 미국Fig. 2-4 , , ( )

일본시장과 미국시장의 비교Fig. 2-5

- 31 -

국내의 시장동향3.

지금까지 국내의 커넥터 시장은 선진국 제품의 수입에 의존하는 추세였지만 광통신 시스템,

이 일반화 되어지면서 그 어느 때보다 그 수요의 증가가 커지고 있다 앞으로 년, . 1995

시스템 및 각종 통신망의 개발과 더불어 커넥터 시장은 폭발적으로 증가하리라 예상CATV

된다 년의 커넥터 시장규모는 억 원 정도에 불과 했지만 년 현재 약 억 정도. 1987 1 1991 20

의 시장으로 증가하였으며 이러한 추세로 간다면 년에는 약 억 원 정도의 시장으, , 1995 100

로 확장되리라 예상 된다 현재 커넥터의 공급은 수입과 금성사에 의존하고 있으며 그 수. ,

요는 한국통신에서 약 를 담당하고 있고 나머지를 이동통신 한국전력 등에서 담80- 90 % , ,

당하고 있다 앞에서 살펴보았듯이 미국 일본의 커넥터 시장은 대단히 빠르게 성장하고 있. ,

는 추세이다 미국 시장은 년대 중반에 약 현재의 배 정도로 성장하리라 예상되며. 1990 4 ,

일본 역시 배 정도로 성장하리라 예상된다 이와 같이 커넥터의 생산 및 개3-4 .(Fig. 2-5 )

발을 주도하는 이들 두 나라의 시장을 비교분석 해본 결과 앞으로 광산업 특히 광 커넥터,

시장의 규모가 등의 수용을 앞둔 국내시장의 경우 이들 두 나라의 성장률보다ISDN, LAN

훨씬 커지리라 예상된다 앞으로 과감한 인적 물적 투자와 새로운 아이디어의 개발로 커넥. ,

터 시장의 불모지라해도 과언이 아닌 국내시장의 개혁이 필요하리라 사료된다.

- 32 -

제 절 커넥터의 종류와 그 특성3

1. BICONIC CONNECTOR

페룰의 성분이 광섬유와 경도가 같은 여서 페룰의 단면은SILICA-FILLED EPOXY , FLAT

하고 페룰의 측면은 광섬유의 축에 수직이다 결합 방법은 원뿔 형태의 페룰을 어댑터의, .

에 나사로 고정 시킨다 의SLEEVE . SPRING - LOADED. FIXED -LENGTH CONNECTOR

일종이며 크기가 크고 보조 장치를 필요로 한다 또 접촉플러그 단면의 간격을 유지하고. ,

내마모성이 우수한 특징을 가지고 있다.

2. FC CONNECTOR

현재 일본이나 국내의 공중 통신회신을 중심으로 보급되고 있으며 일본의 에서 개발, NTT

하였다 을 사용하여 연마시간과 마찰력을 감소하고 제작공정의 간소. CERAMIC FERRULE , .

화와 구부림 및 충격에 강하게 하였고 나사 결합 방식이다 성능의 재현성을 위하여, . KEY

를 채용하였고 플러그의 단면이 오목하여 강한 압착을 가할 수 있으며 안정된 온도 특성, ,

과 저반사 광간섭효과 감소 등의 특성을 가지고 있다 이 커넥터는 보통장거리 통신에 사, .

용되고 있다.

3. ST CONNECTOR

년 미국의 에서 개발한 는 적은 비용과 높은 호환성을 유지하1985 AT&T ST CONNECTOR

고 있고 과 여러 광파이버시스템에 사용할 목적으로 개발되었다 주로 단일 모드 파이버LAN ·

를 위해 사용되고 있다.

- 33 -

여러 광결합시스템중 커넥터는 스프링에 기초를 둔 것이 설계상의 특징이다 어댑터 안ST .

의 높은 공차를 가진 원통형투관은 두 개의 다른 커넥터로부터 매우 정확히 원통형 훼룰을

정렬시킨다 각 커넥터에서의 훼룰은 커넥터 몸체에 견고하게 부착되어 있고 스프링에 의해.

결합너트와 떨어져 있다 커넥터에서 광섬유의 정렬은 마주보고 있는 두개의 훼룰 외경. ST

의 공차 정렬 투관의 내경 그리고 각 훼룰의 동심에 의해 정해진다 커넥터의 결합 너트와, , .

뒷 몸체는 완전한 커넥터 결합을 위해 탄성력의 응용과 광섬유 긴장완화의 수단을 제공한

다 설치 시간이 분 정도로 줄어들었고 의 개선 재결합 시 일정한 삽입손. 6 , RETURN LOSS

실 광섬유의 꼬인 상태에서 결합의 용이 등의 특성을 가지고 있다 페룰의 재질로는 단일, .

모드를 위한 세라믹이나 다중모드를 위한 가 사용되고 있다, METAL, CLASS . ST

의 손실율은 정도이며 온도 안정성은 에서 까지에서CONNECTOR O.02dB , -20 65℃ ℃

이고 반복성은 번 반복결합 하였을 때 정도의 변화를 보여준다 처음O.02dB , 1000 , O.1 dB .

의 커넥터 하우징의 재질은 금속이었으나 가격을 저렴화 하기 위해 으로 바꾸어, PLASTIC

개발하였다.

4. SC CONNECTOR

성능과 실장 밀도 그리고 경제성을 고려한 커넥터가 인데, SC CONNECTOR PUSH -PULL

결합방식을 채택한 직각형 결합구조와 지르코니아 세라믹 재료의 일자형 페룰을 주 구성요

소로 하고 하우징은 플라스틱 재료를 사용하여 조작성과 실장성이 뛰어나며 성능 또한 우수

한 특성을 가지고 있다 하우징의 플라스틱화로 경제성이 높아졌고 하우징의 각형화로 설. ,

치 시에 과도의 응축압력에 대한 저항강도가 강하여졌으며 삽입방향이 임의적으로 결정되므

로 실장성 및 좁은 장소에서의 조작성이 우수하여졌다.

- 34 -

제 절 특허분석4

광커넥터에 관련된 최근 년간 출원된 특허를 분석함으로서 광소자 커넥터의 개발방향을10

어느 정도 파악할 수 있는 기회가 될 것이다 특히 분석 결과 광 커넥터의 접속 기구 부분.

이 플러그 어댑터 플러그의 구조가 주종을 이루고 있어 플러그 어댑터 슬리브 등에- - ,

대한 특허 청구가 대부분이었다 분석절차는 출원내용을 파악하여 분석하는 방법을 택하였. ,

다 분류항목은 재료 제조 방법 분야 구조분야 원리분야 성능분야 등이다 중요 분석내용. , , , , .

은 다음과 같다.

재료 제조 방법분야1. ,

플라스틱 페룰을 사용-

금속 슬리브를 사용-

세라믹 슬리브를 사용-

슬리브 재료로 열가소성 수지를 사용-

광섬유와 슬리브를 동시에 연마-

정확한 정렬을 위하여 이중정렬-

몰딩 다이를 이용하여 제조-

페룰을 사출성형하기 위한 부분에 을 사용- HOLE CENTOR PIN

구조분야2.

페룰 안에 광섬유가 위치하며 페룰 보다 약간 돌출되어 있음- ,

슬리브의 양단이 절두체 및 원통형인 구조-

- 35 -

를 이용 광섬유를 정렬 및 접속- 3-PIN SUB-ASSEMBLY

페룰에 정렬 슬리브를 부착-

페룰 내부 구멍의 구조-

페룰 중앙에 취부용 구멍과 을 장착할 수 있는 플렌지가 존재- O-RING

원리분야3.

스프링력과 나사 결합을 이용-

스프링과 결합너트를 이용 접속-

접속강도를 향상시키기 위한 스프링 채택-

플러그 지지대와 커플링 너트가 존재-

와 구조- KEY BAYONET

성능분야4.

광신호 접속용-

광신호 접속용 정렬 페룰-

직선동작으로 착탈이 가능한 광커넥터-

회전동작으로 착탈이 가능한 광커넥터-

광섬유의 접합면에 굴절을 보정액을 사용-

각 분야별 분석결과 재료 제조분야에서는 페룰과 슬리브의 재료로 금속을 주로 사용하고,

있지만 근래에 세라믹 재료로 사용이 변화되는 추세이고 페룰과 슬리브의 제조방법이 특, ,

허 내용이었으며 구조 분야에서는 광섬유를 정렬시키는 구조와 페룰의 구조 슬리브의 구, ,

조에 대한 내용이 특허 청구 부분이며 원리분야에서는 스프링에 의한 접속과 체결방법에,

대한 내용이 주이고 성능분야는 광신호 접속용으로 사용된다 이상의 결과와 기술 발전 방.

향으로 볼 때 특허기술의 전망은 페룰을 사용하는 구조로서 나 형BAYONET PUSH-PULL

태의 구조가 주가 될 것으로 보이며 접속구조나 정렬구조에 대한 내용이 주요 청구범위가,

될 것으로 보인다.

- 36 -

제 절 기술동향5

광섬유는 저손실성 및 광대역성 무유도성 그리고 좋은 투과성 등의 많은 장점이 있다 이, , .

러한 광섬유의 특장점을 살린 광응용 시스템은 공중통신 분야는 물론 전력 철강 도로 철, , ,

도 통신 방송 방위산업 등의 여러 분야에 적용되어 지고 있, LAN, VAN, ISDN, , , OA, FA

다 광커넥터는 이와 같은 광응용 시스템 구축의 중요한 부품으로 광섬유를 이용한 전송. ,

시스템에 있어서는 광섬유를 접속시켜 전송로를 연장하거나 변경하는데 쓰인다 커넥터는.

광섬유의 규격에 따라 단일모드와 다중모드로 그리고 광섬유의 가닥수에 따라 단심과 다심,

으로 구분된다 현재 미국과 일본을 비롯하여 많은 나라들의 연구소나 제조업체에서 각기.

독자적인 광커넥터를 개발하고 있는데 앞으로 종합정보 통신망 의 수용 집적광소, ISDN( ) ,

자의 개발 그리고 접속손실의 감소 등을 고려할 때 단일모드 광섬유를 폭넓게 사용하게 될

것이다 따라서 단일모드 광커넥터 기술개발이 요구되며 특히 이하의 정밀 가공기술과. , 1㎛

커넥터 페룰의 재료개발이 중요하다 현재 개발된 커넥터는 광신호의 전달방법에 따라.

커넥터와 커넥터로 나눌 수 있고 현재 널리 사용 되고BUTT-JOINT EXPANDED-BEAM

있는 광커넥터는 커넥터이다 용의 고속단일모드 시스템에 주BUTT-JOINT . TETELECOM

로 BICONIC, FC, PC, D3/D4등을 사용하고 에 쓰이는 중속다중모드 시스템과DATA-COM

단일모드 시스템의 SMA, ST, D4 타입의 광커넥터를 사용하고 있다.

- 37 -

현재의 개발추세는 기계적 광학적인 호환성이 용이하고 접속손실의 최소화 내마모성 구, , , ,

부림 진동 온도변화 등의 외부환경에 대한 신뢰성 그리고 커넥터의 손쉬운 조작과 설치, ,

등을 고려하여 기계적 특성과 광학적 특성이 우수한 가입자용 커넥터의 개발이 추진되고 있

다 광커넥터는 많은 종류가 국내 및 일본 구미등지에서 제작되고 있다 특히 외국 제품은. , ,

체결부가 형 동축 커넥터의 를 채용하고 있는 경우가 많고 그의 구SMA COUPLING NUT ,

조 치수 재질 광섬유의 정렬방식 광섬유의 단면 처리방법 등 중요한 사항이 여러 가지이, , ,

며 기계적 광학적으로 호환성이 있는 경우가 작아 국제적인 표준화는 좀처럼 이루기가 힘,

들이라 예상된다 그러나 일본 내의 표준화는 비교적 순조롭게 정리되고 있는 중이다 표준. .

화 대상으로 적합한 광섬유는 형 광섬유를 제외한 단일모드 광섬유 용도 면에서BUNDLE ,

는 통신용 광섬유를 접속하는 광 커넥터를 최우선으로 하며 종별로는 단심 광커넥터를 최,

우선으로 하고 있다 표준화 규격 체계는 단심 광커넥터 규격의 공통 일반 사양 적용범위. ( ,

정격 형명 성능 시험구분 등 개별규격에 공통적으로 반영되는 사항 을 규정한 것으로서, , , )

단심 커넥터 통칙을 제정해두었으며 공통규격으로서 광섬유 커넥터 시험 방법, ( KS C6961

을 규격화하였다 각각의 단심 광섬유 커넥터에 대해서는 개별규격으로 구조 광학적 성능) . . ,

기계적 성능 내환경성 등의 세부사항에 대하여 규정되어 있다 광학적인 요구 조건은 먼저, .

미국에서는 최대 삽입손실이 이하이고 접속손실의 변화가 이하 이어야 한다3.0dB , 0.5dB .

또한 일본의 공업규격 에서는 삽입손실이 이하로 되어 있다 그리고 기계적(JIS) 1.0-1.5dB ·

환경적 성능평가시험내용에는 결합성 삽입손실 내진성 내충격성 반복결합 어댑터의 게이, , , , ,

지유지력 페룰의 축압력 결합력 및 이탈력 결합부의 접속강도 광섬유의 인장강도 광선유, , , , ,

의 굴곡강도 내부식성 내열성 내한성 등이 있다 광커넥터는 미국에서 개발된, , , . CONICAL

에 의하여 정렬이 이루어지는 커넥터를 시초로 하여 지속적인 개발이 이루PLUG BICONIC

어졌으며 커넥터와 커넥터 그리고 커넥터가 연구 개발되어 왔다, FC SC ST .

- 38 -

개발 초기에는 다중모드용으로 개발되었지만 광통신 시스템의 대용량화와 장거리 전송의,

필요성에 따라 단일 모드용으로 개발이 이루어지고 있다 다중모드와 단일모드 광커넥터의.

차이를 서술한다면 다중모드 광섬유와 비교하여 작은 코어 직경 때문에 커넥터의 정렬, 1)

오차에 의한 초과손실이 현저히 나타나며 삽입손실이 이하가 되기 위해서는 축어긋, 2) 1dB

남이 이하가 되어야 하며 이에 따른 초정밀 가공 기술이 요구되어지며 고정밀도의1 , , 3)㎛

정렬은 성능저하가 온도 접속빈도와 같은 환경요인에 의해서도 발생하며 레이저 다이, , 4)

오드가 광원으로 사용될 때 접속점에서 생성되는 반사파에 의하여 파형의 왜곡이 생기고, ,

다중모드 광섬유와 비교하여 단일모드 광섬유 구조변수의 편자가 접속손실에 영향을 미5) ,

친다 이러한 점들이 단일모드 광커넥터 개발의 어려운 요인이다 광커넥터의 특성을 규정. .

하는데 있어 가장 중요한 요소는 삽입손실과 반사손실이다 반사손실은 광커넥터를 통한 광.

신호의 반사 정도를 규정한 것이다 커넥터를 설계 제작하는데 있어서 낮은 손실을 얻기. ,

위한 페룰 외 재료 선택 정확하고 손쉬운 광섬유 정렬 환경변화에 대한 특성의 안정 내구, , ,

성 그리고 현장에서 손쉬운 결합과 분해 등을 고려하여야 하는데 현재 사용되고 있는 대, .

부분의 커넥터들의 요구 조건을 살며보면 와 같다Table 2-4 .

커넥터 제작 시 고려사항Table 2-4.

항 목 요 구 조 건

저 손실 이하1.O dB

온도에 대한 안전성 에서 까지 미만의 변화-20 60 O.2 dB℃

플러그 결합 안정도 번의 재결합 시 미만의 변화1000 0.2 dB

견고성 가볍고 견고한 재료와 부품

플러그 인출력 최소 20 - 50 lbs, average

현장 설치 현장설치와 높은 성능의 동작

- 39 -

제 장 이론적 고찰3

제 절 광섬유 커넥터 이론1

두개의 동일한 광섬유 사이에 이상적인 접속형태는 광도파매체의 완전한 연속성을 보장하여

광신호의 손실이 없는 완전한 전달을 의미한다 그러나 실제접속은 여러 가지 불완전한 접.

속요인으로 말미암아 접속부위에서 광신호의 손실이 야기된다 이러한 손실을 야기 시키는.

요인들이 여러 가지가 있는데 이들을 살펴보면 차 비정렬 요인, l) 2 (EXTRINSIC

고유 비정렬 요인 으로 크게 분류할MISALIGNMENT) 2) (INT-RINSIC MISALIGNMENT)

수 있고 이 두 요인을 다시 세부적으로 분류해보면 다음과 같다.

차 비정렬 요인은2

두광섬유 양 끝단 사이의 간격 비정렬 요인-

두광섬유의 상대적 축 어긋남 비정렬 요인-

두광섬유의 꺾여 구부러짐 비정렬 요인이고- ,

고유 비정렬 요인은

모드필드 불일치- ( MODE-FIELD MISMATCH )

코어 직경의 불일치- ( CORE DIAMETER MISMATCH )

클래딩 직경의 불일치- ( CLADDING DIAMETER MISMATCH )

불일치- NA (NUMERICAL APERTURE)

- 40 -

광섬유 외부형상의 불일치- ( PROFILE SHAPE MISMATCH )

코어와 클래딩 사이의 동심차- ( CONCENTRICITY ERROR BETWEEN CORE AND

CLADDING )

코어의 타원율- ( CORE ELLIPTICITY )

등이다 이 중 특히 단일모드 광섬유는 다중모드 광섬유보다 상대적으로 코어직경이 작기.

때문에 비정렬 요인에 대해 보다 민감한 영향을 받는다 즉 단일모드 광섬유의 접속 시에. ,

는 다중모드 광섬유와는 반대로 광섬유의 고유 비정렬 요인 보다는 차 비정렬 요인에 더2

큰 영향을 받고 광섬유 내에서 광 의 분포는 분포를 따른다고 알려져 있POWER GAUSSIAN

다.

제 절 의 기본적 성질2 ZIRCONIA

원소 는 주기율표에서 티탄족에 속하고 제 주기에 위치한 천이원소이며ZIRCONIUM (Zr) 5 ,

티탄족의 특색으로서 산 알칼리에 극히 높은 내식성을 나타내는 원소이다 이. . ZIRCONIUM

의 산화물이 산화 ZIRCONIUM(ZrO2 이고 또 라 부르기도 한다 에는) ZIRCONIA . ZIRCONIA

다음 가지의 동질다형이 존재한다 이 가지상의 와3 . 3 LATTICE STRUCTURE LATTICE

를 각각 과 에 나타낸다CONSTANT Fig. 3-1 Table 3-1 .

가지 의Fig. 3-1 ZIRCONIA 3 PHASE LATTICE STRUCTURE

- 41 -

가지 의Table 3-1. ZIRCONIA 3 PHASE LATTICE CONSTANT

- 42 -

외 열팽창곡선Fig. 3-2 ZIRCONIA

단사정 저온형 정방정 고온형 사이에 결정전이시 와 같이 약 의 이( )< > ( ) Fig. 3-2 4.6VOL%―

상체적 변화가 있기 때문에 단독으로 사용이 불가능하다 이 의 안정ZIRCONIA . ZIRCONIA

화제로서 CaO, MgO, Y2O3, CeO2 등 산화물을 고용시키면 결정전이가 억제되어 입방정 정,

방정을 상온까지 안정한 형으로 유지가능하다 입방정으로 유지된 것이 완전안정화.

이고 정방정으로 유지된 것이 부분안정화 이다 이 에 외부ZIRCONIA , ZIRCONIA . ZIRCONIA

응력이 가해지면 정방정상이 압력 에 의해 단사정으로 전이하고 이 경우ENERGY Fig. 3-1

처럼 원자배열에는 변화가 없고 원자의 위치만 엇갈림으로서 원자간 거리가 변화되어 격자

사이의 외곡을 완화하기 위한 팽창압이 생겨서 외부응력을 완화시킨다 그 결과. ZIRCONIA

는 고강도 고인성을 나타낸다, .

- 43 -

제 절 고인성3 ZIRCONIA CERAMICS

는 내열성 내식성 경도가 우수하고 화학적 안정성이 우수한 반면 파괴CERAMICS , ,

로 상징되는 인성의 결여가 큰 결점이며 따라서 취성개선 즉 인성 의ENERGY , , CERAMICS

개발이 시급하다 최근에는 섬유강화 가 개발되고 또 웅력유기변태 에 의한. CERAMICS " "

의 인성 발현기구가 도입되어지고 있다CERAMICS .

의 파괴거동1. ZIRCONIA

가 취성재료의 파괴.

는 그 취성파괴이론에서 취성재료를 완전탄성체로 보고 과 같이 길이GRIFFITH Fig 3-3 2C

의 균열을 가정하고 균열에 수직한 응력 를 부가한 경우 탄성외곡의 감소와 새로 생성되( )σ

는 파면에 의한 표면 의 증가를 고려하여 일정응력 하에서 균열이 진행하는ENERGY ( c)σ

조건을 2r- C cπ σ2 에서/E' 0 c=σ≤ 2r E '/ πC --- ,① r 파괴표면 인장응력: ENERGY, c: ,σ

E'= /(1- v 2 을 포아송비), E: YOUNG , V: (1) 즉 취성재료의 강도는 표면 및, , ENERGY

율이 큰 만큼 높고 결합 균열 이 큰 만큼 낮다 한편 등은 균열선단부근의YOUNG , ( ) . IRWIN

응력장이 강도를 나타내는 량으로서 응력확대계수의 개념을 이용해서 취성파괴를 다음과 같

이 설명했다.(2) 과 같이 외력 에 의해 균열 면에 수직한 성분의 응력 이 생기Fig. 3-3 ( ) ( n)σ σ

고 그것이 원자 간의 결합력보다 큰 경우에 균열이 진행된다.

- 44 -

취성파괴는 KI = KIC에서 발생.

길이 의 균열선단에 대한 응력 확대계수Fig. 3-3 2c (KI)

취성파괴에서는 개구 및 인장 이 지배적이고 개구 의 균열선단의 응력 확MODE I ( ) MODE

대개수 (Kl 은 다음 식으로 주어진다) . K1 =σ πC 취성재료에서 급격한 파괴가 생기는,

경우 K1 즉 임계응력확대계수 및 외력Kic ( ) (σf 은) Kic =σf πc 식 및 식 는 공히--- ,② ②

동일현상을 나타내는 것이기 때문에 c=σ σf, 따라서 KIC= 2E'γ 즉 는 파괴, Kic

에 대응하는 것으로서 재료의 취성 파괴에 대한 저항력을 나타내고 파괴인성이라ENERGY

부른다 이상은. γ가 가역적인 열역학적 표면 를 또 취성재료가 완전한 탄성체로ENERGY

전제한 것이지만 실재의 취성재료 특히 최근에 개발된 인성 의 파괴현상에서는, CERAMICS

균열의 선단부근의 소성역 에서 각각의 불가역적인 의 소비를(PROCESS ZONE) ENERGY

동반시키기 때문에 파괴 의 수정이 필요하다ENERGY .(3) 이 에서의 파괴PROCESS ZONE

소모의 증대 즉 인성개선의 방법으로서 새로운 의 정방정 단사정ENERGY , ZIRCONIA ->

변태가 이용되기 시작한 시점이 최근의 인성 의 특징이고 인성 의 연CERAMICS CERAMICS

구는 의 변태거동의 이해가 극히 중요하다ZIRCONIA

- 45 -

나 의 변태거동. ZIRCONIA

는 고융점 약 의 로 본래는 우수한 내열소재이다ZIRCONIA^ ( 270O ) CERAMICS ZIRCONIA℃

는 온도에 의해 다음 가지 결정구조를 나타낸다3

입방정 정방정 단사정 특히 저온에서의 정방정 단 사정변태 , -->

약 2370℃ 약 1170℃

는 단열반응으로서 각 결정격자의 전단적 이동에 의한다 동시에 체적 팽창을 동반한다 그. .

때문에 다결정 소결체는 냉각과정에서 전단적 체적팽창에 기인한 다수의 균열을 발생시키고

자주 파괴되어 실용 불가능으로 알려져 왔다.

다 의 안정화와 부분 안정화. ZIRCONIA

에 어떤 종류의 산화물을 적당량 첨가하여 치환 고용시키면 고온상인 형석형 입ZIRCONIA

방정의 온도영역이 넓어지고 저온까지 안정상으로서 유지된다 는. Fig. 3-4 ZrO2-CaO,

ZrO2-MgO, ZrO2-Y2O3중 ZrO2-Y2O3(4) 계의 이원상태도이다.

Fig. 3-4 ZrO2 - Y2O3 이원계 평형 상태도 등(V. S. Stubican )(4)

- 46 -

CaO, MgO, Y2O3 의 첨가와 같이 입방정의 안정영역이 급속히 확대된다 이와 같이 첨가원.

소에 의해서 입방정구조를 상온근방까지 안정시킨 다성분계 를 안정화ZIRCONIA

라 하고 고온의 소성온도에서 상온까지ZIRCONIA(FULL STABILIZED ZIRCONIA : FSZ)

의 냉각 중에도 변태를 일으키지 않으므로 소결체의 파괴현상도 일어나지 않아 양호한 소결

체를 용이하게 재조가능하다 이와 같은 을 안정화제라 한다 안정화. CaO. MgO, Y 2O3 .

는 내열 단열 내식재료로서 이나 내열부재 등에 이용하고 고체전해질로ZIRCONIA , , BRICK

서의 특성을 이용해서 산소 로서도 이용 된다 또 고온형의 연료 전지로서의 개발도SENS0R .

검토되고 있다 이 안정화 의 안정화제의 함유량을 감소시키면 상태도에 따라서. ZIRCONIA

안정상인 입방정이 점유한 비율이 감소되고 상온에서는 단사정이 출연 증가된다 이와 같은.

입방정이 부분적으로 되어 있는 것을 부분안정화 ZIRCONIA (PARTIALLY STABILISED

라 한다ZIRCONIA: PSZ) .

예를 들면 ZrO2-Y2O3계에 대해서 설명하면 ZrO2-8mo1%Y2O3는 안정화 이지만ZIRCONIA

ZrO2-6 mo1%Y2O3는 부분안정화 이다 다시ZIRCONIA . Y2O3농도를 낮추어서 ZrO2-4. 5

mo1%Y2O3로 되면 단사정이 입방정의 주위에 망목상 단사정이 생성하고 그 생성 시에 체

적팽창에 의해서 소절체에 균열이 발생한다 이유는 중간온도영역의 안정상인 정방정의 단.

사정으로의 변태가 극히 용이하기 때문이다 그 결과 소결체의 강도는 현저히 저하된다. .

이와 같이 종래의 는 결정구조로서 상온에서 존재하는 입방정과 단ZIRCONIA CERAMICS

사정이라 생각하고 이 변태에 의한 단사정의 생성은 이 계의 실용 면에서 극MARTENSITE

히 나쁜 현상이라 보았다 또 망목상의 단사정을 생성하는 범위에 든 의 조성은 순. PSZ

와 같은 양상으로 실용조성의 범위 외라 생각했다 그 나쁘게 보았던ZIRCONIA .

변태의 거동을 이용해서 개발된 것이 등에 의한 고인성 세라믹스로MARTENSITE GARVIE

서 알려진 정방정 을 함유한 이다(Tss) PSZ .(5) 정방정을 함유한 의 인성발현기구를 이해PSZ

하기 위하여 변태에 대해서 간단히 설명한다MARTENSITE .

- 47 -

라 변태와 강인화 기구. MARTENSITE

는 원래는 탄소강을 고온에서 소성하여 급냉한 경우에 생기는 마의엽상 또는MARTENSITE

판상의 결정이다 급냉 때문에 강의 고온결정구조인 면심입방정이 상온에서 안정한 결정구.

조의 체심 입방정으로 변태하는 중간적 결합구조를 가진다 일반의 결정변태가 원자의 확산.

및 그 재배열에 의한 핵외생성 성장의 과정을 가지고 일어나는 것에 대해서,

변태는 비확산 로 꽤 넓은 범위의 원자가 일체로 되어 전MARTENSITE . PROCESS斷熱反應

단적인 이동에 의해서 행해지는 것이 특징적으로 체적팽창을 동반하면서 그 생성은 순간적

( 10 - 7 S 으로 일어나는 고속 이다 또 같은 양상기구의 결정변태는 과냉각상태인 면) .變態

심입방정에 대해서 외부에서 응력을 가한 것에 의해서 인장응력이 일어나고 그 경우 생성된

것을 가공 라고도 부른다 강MARTENSITE . TRIP (TRANSFORMATION INDUCED

인 특수강은 이 현상을 쉽게 일어나도록 한 것으로 소성변형을 결정면의 미PLASTICITY)

끄러짐에 의하지 않고 변태에 의해서 행하는 것이 가능하다고 알려져 있다MARTENSITE .

당초는 강의 특수한 결정에 부여된 이름은 그 후 다른 금속 합금에도 같은MARTENSITE ,

양상의 변태기구가 확인됨에 따라서 넓게 일반적으로 이용되게 되었다 의 정방. ZIRCONIA

정 단사정 변태를 에 개념적으로 나타낸다--> MARTENSITE Fig. 3-5 .

- 48 -

의 정방정 과 단사정 의 격자정수 와 변태시의 모식적Fig. 3-5 ZIRCONIA (t) (m) (9501C)

외곡방향 등(W. M. Kriven )(6)

이와 같은 정방정 의 변태를 이용한 강인화ZIRCONIA MARTENSITE

의 기구는 진행한 균열선단을 둘러싼 주변(TRANSFORMATION-TOUGHENING)

의 변태과정이나 잔류응력과 밀접한 관계가 있다 은 등(PROCESS ZONE) , . Fig. 3-6 EVANS

에 의한 균열선단의 정방정 를 함유한 인성재료의 응력과PROCESS ZONE (a), ZIRCONIA

외곡곡선 균열선단의 응력분포 의 개념도이다 에 보여 진 것과 같이 정방정의 변태(b), (c) . (c)

에 동반한 체적팽창이 균열선단의 응력 을 낮추고 균열의 진행을 억제 하는 것이다LEVEL .

- 49 -

완전히 발전된 변태(a) ZONE

변태에 대한 응력 외곡거동(b)MARTENSITE -

균열선단의 응력장(c) .

변태 주위의 균열 개념도 등Fig. 3-6 ZONE (A. G. Evans )(7)

- 50 -

동시에 이 변태는 고속변태이기 때문에 균열의 발생이나 진전의 완화에 극히MARTENSITE

유효하게 대응하고 충격 를 흡수하고 의 인성을 획기적으로 향상시킨ENERGY CERAMICS

다 이와 같이 이 종류의 고인성 세라믹스에는 의 존재가 중요하고 그 인성발현. ZIRCONIA

기구가 응력유기변태 라고 하는(STRESS-INDUCDE-TRANSFORMATION) MARTENSITE

변태의 일종이며 더욱더 그 정방정이 결정립의 미세화에 의해서 얻어진다는 것이 밝혀짐에

따라 이것을 배경으로 한 인성 세라믹스의 개발이 급속히 진전되고 있다 그 결과 최근에는.

일반 부분안정화 즉 라고 하면 정방정을 함유한 강인성 부분안정화ZIRCONIA, PSZ

를 가르키게 되었다 의 변태를 이용한 인성세라믹스는 다음 가지 종ZIRCONIA . ZIRCONIA 3

류로 대별된다.(8)

부분안정화. ZIRCONIA (PARTIALLY-STABILIZED- ZIRCONIA : PSZ)

정방정 다결정체. ZIRCONIA (TETAGONAL-ZIRCONIA- POLYCRYSTAL : TZP)

분산세라믹스. ZIRCONIA (DISPERSED-ZIRCONIA-CERAMICS : DZC)

그 외에 인성세라믹스로서 기구상의 계보는 다르지만 복합재료로서 대표적인 섬유강화세라

믹스 가 있다 에 의한 강인화 기구는 균열(FIBER-REINFORCED CERAMICS : FRC) . FRC

진행에 동반한 균열선단의 근방에 대한 강화섬유의 에 의한 와의 마찰PULL OUT MATRIX

이나 복합성분의 경계에 대한 균열의 굴곡 분기에 의한 표면 를 내포한 파괴, ENERGY

의 증가 등에 의한 것으로 복합재에 어울리는 복합적 기구이다ENERGY .

부분안정화2. ZIRCONIA (PSZ)

가 부분안정화 의 기초. ZIRCONIA

년 오스트리아의 등이 처음으로 정방정 단사정 변태1975 , R. C. GARVIE --> MARTENSITE

에 의한 세라믹스의 인성발현기구를 발견한 계가 로PSZ (9) 주로 ZrO2 계 및-CaO

ZrO2 계이다 이계에서 등이 고인성 을 개발하는데 기초를 한 것이-MgO . GARVIE PSZ Fig

의3-7 ZrO2 이원상태도이다-CaO .

- 51 -

Fig. 3-7 ZrO2 계의 최적소결온도와 시효온도영역 등-Ca0 (R. H. J. Hannink )(10)

에 상당한 조성의 원료를 먼저 상태도 의 입방정영역까지 충분히 소결하고PSZ (A) ZrO2중에

를 고용시킨다 다음에 정방정의 조대석출을 제어하기 위하여 적당한 속도로 냉각하고CaO .

사선 의 온도영역에서 유지한다 이른바 시효처리 를 행한다 영역은 비교적(B) . (AGING) . (B)

저온이기 때문에 원자의 확산속도가 작으며 따라서 정방정은 입방정중에 극히 미세히 분산

되어 석출된다 미세히 석출한 정방정은 그 표면 나 주위의 입방정에 의해서 체적. ENERGY

팽창이 동반된 정방정 단사정 변태를 억압시켜 준안정한 상태로 상온까지 유지시키고--->

종래의 제조법에서는 얻어지지 않았던 입방정 정방정 인 소위 을 형성한다( + ) PSZ .

- 52 -

거기서 석출한 정방정이 상온까지 변태하지 않고 과냉각상태 준안정상태 로 유지된 결정입( )

경 즉 임계결정 입경은 일 것이다 이와 같이 얻어진 조직중의 정방정은 파괴적, 0.1-0.2 .㎛

응력이 부가된 경우 에서 응력유기변태PROCESS-ZONE

을 일으키고 파괴 의 흡수나 체적팽창(ST-RESS-INDUCED-TRANSFORMATION) ENERGY

에 의한 응력의 완화에 의해서 균열이 발생 및 전달을 방지하는 역할로 즉 인성을 발휘하,

게 된다 한편 과도의 시효시간이나 시효온도에서는 정방정이 크게 성장하고 임계 결정립경.

을 초월하면 냉각 중에 저온에서 안정한 단사정으로 용이하게 변태한다. ZrO2 계도-MgO

ZrO2 계와 극히 유사한 거동을 나타낸다-CaO .

기계적 성질에 큰 역할을 하는 의 변태의 효과에 대해서는PROCESS-ZONE MARTENSITE

등에 의하면MARSHALL (11), K l c = K I cm + 0.22 V f×△V× E× d/( l - v ) 여기서,

K I cm 입방정 단사정 변태시 석출물 의 인성: + ( ) ( 3MPa≒ m 의: 9mol% MgO-PSZ

경우)

Vf 석출 정방정의 체적 분율 의 경우: ( 40%:9mol% MgO-PSZ )≒

정방정 단사정 변태에 의한 체적 팽창V : --> ( 6%)△ ≒

율E : Young ( 20O GPa)≒

포아송비v : ( 0.25)∼

균 열 선단근방의 변태 경d : d ZONE

Vf 및 를 증가시키는 것이 고인성 세라믹스의 성능을 향상시키는데 중요한 요인이다d . Vf는

공히MgO-PSZ, CaO-PSZ 40 50%,∼ d=4㎛1/2에 가깝게 보고 되었다·

- 53 -

나 기계적 성질.

의 실용재료는 최적시효 에 의해서 강인화 한 것과 과시효에 의해서 내PSZ (PEAK-AGING)

열충격성을 향상 시킨 것의 종류로 대별할 수 있다 즉 미세석출상이 주로 정방정으2 . , (1)

로 된 단사정 정방정비가 높은 이다 양자는 열 에 대해서 명료한 차이PSZ, (2) / PSZ . CYCLE

를 나타낸다 정방정으로 된 는 열 에 안정한 것에 대하여 단사정율이 높은 것은. PSZ CYCLE ,

승온 시에 단사정 정방정 변태에 동반한 수축을 하고 냉각 시에는 역으로 팽창하기 때문-->

에 결과로서 열팽창율이 낮은 거동을 나타낸다.

정방정3. ZIRCONIA (TZP)

가 정방정 의 기초. ZIRCONIA

이계는 등에 의해 개발된 석출형 정방정을 함유한 와 다르다 미세한 정R. C. GARVIE PSZ .

방정으로 구성된 다결정 소결체(TETRAGONAL - ZIRCONIA - POLYCRYSTALLINE :

이다TZP) .

나 의 석출정방정이 어느 결정 입자경 예를 들면 이하에서는 준MgO-PSZ CaO-PSZ ( 0.3 )㎛

안정상태에서 잔류하기 때문에 미국의 등은 미세한 정방정 소결체를 얻기 위하여GUPTA

원료산화물의 입자 SIZE, Y2O3의 첨가량 소결조건을 신속히 선택하고 상태도의 정방정 영,

역에서 결정립의 성장을 억제하고 정방정으로 된 소결체를 제조했다.(12)

이와 같이 얻어진 소결체는 석출형의 와 같은 양상기구의 응력유기변태를 일으켜 고인PSZ

성을 나타낸다 등에 의하면 에 나타낸 것과 같이 소결온도를. GUPTA Fig. 3-8, Fig. 3-9

이하로 하면 입자경은 로 되고 준안정 상태의 정방정으로 된 다결정 소1400 0.2 -0.3℃ ㎛

결체를 얻는 것이 가능했다.

- 54 -

에서의 정방정 생성비율과 소결온도 시간관계 등Fig. 3-8 PSZ CERAMICS , (T. X. Gupta )(12)

소결온도와 정방정 의 평균입경 소결시간 등Fig. 3-9 ZIRCONIA ( 1hr) (M. Watanabe )(13)

- 55 -

그 후 정방정 다결정체의 준 안정화를 위한 임계입자경은 Y2O3농도가 높은 만큼 소결체 밀

도가 높은 만큼 크게 된다고 보고 되고 있다 이것은. Y2O3가 정방정의 안정화제이거나 정방

정 단사정 변태가 주위의 압축응력에 의해 억제되기 때문이라 설명되고 있다--> .

에 나타낸 것과 같이 입자의 조대화는 정방정의 안정성을 감소시켜 냉각 시에 정Fig. 3-10

방정 단사정 변태에 동반할 체적팽창에 의해 소결체내에 를 발생시키고--> MICROCRACK

강도의 열화원인이 된다.

의 결정입경과 준안정 정방정량 등Fig. 3-1O ZIRCONIA (T. K. Gupta )(12)

의Fig. 3-11 Y2O3량과 K IC의 관계에서도 정방정의 체적분율이 K IC향상에 효과적인 것

도 또 정방정분율이 높은 계가 에 비해서 우수한 기계적 성질을 나타내는 것으로TZP PSZ

추정된다.

- 56 -

Fig. 3-11 ZrO2-Y2O3 계의 Y2O3 조성과 결정구조와 K IC (F. F. Lange)(14)

는TZP ZrO2-Y2O3 계가 주로서 ZrO2-CaO, ZrO2 등외의 안정화계에 의한 것은 현재-MgO

이전까지는 거의 보고 되지 않았으나 최근에 ZrO2 -CeO2계의 보고가 이루어졌다.

나 제조법.

원료(1)

의 제조에 대해서는 미세결정으로 된 고밀도 소결체를 얻는 것이 필요하다 따라서 이제TZP ·

는 결정성장을 억제하기 위하여 저온에서 소결 가능한 이소결성 원료 분말의 조정이 극히

중요하다 일반적으로 세라믹스 원료는 미분쇄하면 소결의 개시온도가 저하한다 당초의. .

등은 분쇄와 체가름에 의해서 이하의 미분쇄를 조제해서 그것을 원료로서 낮은GUPTA ㎛

온도에서 소결해 미세결정의 소결체를 얻었다 현재 이 계는 각종의 화학적 합성법으로 다.

성분계의 균질한 미립자원료가 제조되게 되었고 종래의 산화물의 혼합 하소 분쇄라는 공-- --

정으로 조제하는 경우는 적다.

- 57 -

이 분야에서는 일본의 연구 개발이 극히 활발해서 에 나타낸 여러 가지 방법이, Table 3-2.

시험되고 있다.

의 미세원료 제조법Table 3-2. ZIRCONIA

기계적 수법BALL MILLATRITTOR진동 등MILL

화학적 수법

가열 법KEROSIN합성법PLASMA

중화공침법가열분해법

가수분해법ALKOXIDE수열합성법냉동건조법

중화공침법은 세라믹스 성분의 용해도차이 때문에 다성분계에서는 침전조성이 불균질한 경

우가 있다 그것에 비해서 법에 의한 공침조성은 일반적으로 극히 균질하게 된. ALKOXIDE

다 비교적 공업규모에 달한 분말제조 를 에 나타낸다. PROCESS Fig. 3-12 .

- 58 -

정방정계 의 화학적 원료 분말제조 에Fig. 3-12 ZIRCONIA PROCESS ( )尾崎 (15)

침강 분리시켜 얻은 분말은 미세해서 요업원료로서 취급이 곤란하기 때문에 일반적으로는

가열 하소 에 의해 적당히 입성장 시킨다 이 경우 생기는 차 응집은 등으로( ) . 2 BALL MILL

분쇄시켜 사용하고 이 하소공정은 입도조정이 아닌 공침시의 편석을 고상확산에 의해서 해

소하는 역할이다 현재 대표적인 입도는 로 약 이다. BET 10-15 /g .㎡

- 59 -

성형(2)

상기와 같이 조정된 원료분말은 여러 가지 방법으로 성형된다 특히 종래의 세라믹스 원료.

와 비교해서 원료가 극미립자이기 때문에 충진이나 탈 조건에 주의가 필요하다BINDER .

충진을 용이하게 하기 위하여 등에 의해 조립이 행해진다 또 탈 의SPRAY DRYER . BINDER

조성 및 량 승온 속도의 관리는 중요하다 특히 습식성형의 일종인 사출성형 등의 경우는, .

량이 많고 탈 가 매우 어렵다 이와 같은 극미립자용 조성 탈BINDER BINDER . BINDER ,

의 조건은 극히 중요하고 개발이 시급하다BINDER .

소결(3)

가 시효처리 를 내재한 복잡한 가열 냉각 조건을 필요로 하는 것에 대해PSZ (AGING) , TZP

의 소결 공정에서 중요한 것은 소결온도이다 사출 성형체의 경우는 탈 공정이 독. BINDER

립되어 있는 경우가 대부분이지만 금형 성형 등 건식 성형체의 경우는 소결 전단계, PRESS

의 승온 과정에서 탈 를 행하고 연속해서 소결 공정에 들어가는 경우가 대부분이다BINDBR .

과열은 결정립의 조대화를 초래하고 냉각 중에 변태를 일으켜 이 발MARTENSITE CRACK

생되는 양호한 정방정 다결정체를 얻을 수가 없다 소결온도와 기계적 성질의 일예를. Fig.

에 나타냈다3-13 .

- 60 -

의 소결 온도와 곡강도의 관계 등Fig. 3-13 Y-TZP (M. Matsui )(18)

저온부는 소결불완전에 의해 고온부는 조대입자화에 의한 미세균일에 의해 강도가 저하된

다 일반적으로는 가 소결온도로서 이용되고 있지만 근년에는 저온화의 경향. 1400-1500℃

이 있다 이 계는 또는 열간정수압 등에 의한 성능향상이 진행되고 있. HOT PRESS PRESS

으며 와 같이 결함이 강도를 크게 지배하고 고온에서 소성변형이 쉬운 산화물CERAMICS

세라믹스 특히 는 에 의한 결합제거와 저온소결에 의한 결정의 미세화는, TZP HOT PRESS

강도의 향상에 현저한 효과를 가져온다.

기계가공법(4)

소결체의 기계가공은 주로 공구에 의한 이나 연삭에 의해 행한다 공DIAMOND HORNING .

작기계는 현재 금속가공용으로 주로 이용되고 있으나 세라믹스 가공 시 가공 면은 부분적으

로 변태를 일으키고 압축응력이 발생되는 경우는 곡강도가 오히려 향상된다MARTENSITE .

열팽창계수가 다른 에 비해서 크고 강철에 가깝기 때문에 승온 또는 냉각하면서CERAMICS

강철과 조합시키는 것도 용이한 것은 와 같다 최근은 이 재료에 초소성현상이 확인되PSZ .

고 열간의 소성가공이 시험되고 있고 금후 진전이 기대된다.

- 61 -

다 제성질.

기계적 성질(1)

이 계의 대표적 기계적 성질인 곡강도와 K IC를 와 에 나타낸다 정방Fig. 3-l4 Fig. 3-15 .

정율이 높은 쪽이 곡강도 및 K IC가 높은 경향이 있다.

정방정계 첨가 의 곡강도와 량Fig. 3-14 YTTRIA ZIRCONIA YTTRIA

- 62 -

의 량과Fig. 3-15 Y-TZP YTTRIA K IC 압자법 등( ) (K. Tsukuma )(17)

최근 연구에서는 정방정의 응력유기변태의 용이함 때문에 K IC의 향상을 위하여는 Y2O3량

의 감소가 효과적인 한편 강도에 대해서는 변태에 대한 저항이 중시되고 K IC의 최고치와

곡강도의 최고치에 상당하는 Y2O3 량이 반드시 일치하지는 않고 있다 또 인성의 지표로서.

K IC가 넓게 이용되고 있지만 각종의 간이법 예를 들면 압자법 등에 의한 추정치가 많고,

그 결과의 값도 다르므로 이 값으로 의 충격파괴시의 흉수 를 나타낼 수ZIRCONIA ENERGY

가 없고 다른 구조용 재료로서 이용되고 있는 강인성 의 기계적 특성을 나타내는ZIRCONIA

지표가 요망되고 있다.

내열성(2)

이 계의 는 정방정 단사정 변태점 이하의 온도에서 장시간 유지하게 되면 단ZIRCONIA -->

사정에의 변태에 기인한 열화가 초래되고 특히 이 경향은 사이에서 현저하다, 200-300 .℃

대책으로서 결정의 미세화에 의한 정방정의 안정화가 중요하다 은 그 일예이지만. Fig. 3-16

이것에 대해서 결정립율 이하로 하는 것에 의해 효과가 얻어진 보고가 있다0.3 .㎛

- 63 -

시효후의 곡강도와 시효온도 등Fig. 3-16 200Ohr (M. Matsui )(16)

부품 등 특히 내열성 또는 내열 성을 요구하는 경우는 이와 같은 대책이 필ENGINE CYCLE

요하다.

내식성(3)

정방정 의 불안정성은 수용액 중에서는 더 촉진되는 경향이 있다 그 때문에 이ZIRCONIA .

정방정 단사정 변태는 더 저온에서 일어나고 예를 들면 의 수중에서도 용이하게--> , 100℃

파괴된다 대책으로서는 내열성과 같은 형태의 결정 미세화도 효과가 있다 또 조성의 개선. . ,

예를 들면 ZrO2-CeO2정방정 는 이경향이 비교적 낮다고 되어 있다ZIRCONIA .

- 64 -

실용재료와 그 응용(4)

의 실용재료의 대표적인 제성질을 에 나타낸다TZP Table. 3-3 .

의 제성질Table 3-3. Y-TZP

외 관밀도(g/ )㎤정방정입경( )㎛

유백색6.100.2~1

機械的 性質

곡강도(MPa)압축강도(MPa)K1C (MPa. m

1/2)(NOTCHED BEAM)비커스 경도

율YOUNG (GPa)포아송비

80~120> 30015~33

1200~13002.04~2.120.31

熱的性質

비열(Cal/g. )℃열팽창계수(X10-6/ )℃(20-400 )℃열전도율(Cal/Cm.S. )℃

열충격성 △T( )℃

0.11~0.128~10

0.007~0.008360

電氣的 性質

전기전도도(l/Ω2 Cm)ㆍ

유전율유전손실(tan )δ

~10-12

15~325~7 × 10-3

율 비중이 강철에 가깝고 경도가 강철보다 높고 인성이 다른 에 비해YOUNG , , , CERAMICS

서 높다 그 변태와 같이 가장 강철에 가까운 이다 절연성 내마. MARTENSITE CERAMICS . ,

모성이 우수한 한편 기 서술했던 의 비교적 저온영역이나 고온수 환경 하에서200-300℃

열화는 일반 에 보기 힘든 특수한 결점이다 응용으로서 공구류 등이 있CERAMICS . KNIFE

으며 종래 나 를 대체 이용하게 되었다SAPPHIRE PLASTIC .

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특히 단열 부품인 실린더 라이너재로서 개발이 진행된 예가 있다 그 예를ENGINE . Table

에 나타낸다 중에 고강도 재료 의 제 성질을 에 나타낸다3-4 . Table 3-4 S-1 Table 3-5 .

의 입경 상량과 강도 등에 의함Table 3-4. Y-TZP (S-1, S-2, S-3) , (I.0da )(19)

의 기계적 열적성질 등에 의함Table 3-5. Y-TZP, S-1 , (I.Oda )(19)

이제는 정방정 입방정 다결정체로 된 것이 특징이지만 이 과 같이+ S-3 Fig. 3-17 200℃

부근에서 열적열화를 나타낸 것에 대해서 정방정 입경이 적은 는 경시 열화는 나S-1, S-2

타나지 않는다.

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의 곡강도에 대한 시효와 결정입경 등Fig. 3-17 Y-TZP 200 ( I.Oda )℃ (19)

결과로서 계의 소재가 단열 의 연소실 단일 부재로서의 가능성을 나타낸 것으S-1 ENGINE

로 주목되었다 그 외에도 내마모성이 우수해야할 로서 사용되어지고 있. CERAMICS BALL

다.

분산4. ZIRCONIA CERAMICS (DZC)

가 분산 의 기초. ZIRCONIA CERAMICS

강인성 와는 다르게 의 변태거동을 이용한 새로운ZIRCONIA(PSZ, TZP) ZIRCONIA TYPE

의 인성 가 서독의 연구소가 개발한CERAMICS MARKS-PLANK Al2O3-ZrO2계를 중심으로

한 복합 가 있다 부분안정화 분산CERAMICS . ZIRCONIA CERAMICS(DISPERSED

는 미세한 단사정 를 분산시킨 고밀도ZIRCONIA CERAMICS : DZC) ZIRCONIA

소결체가 로 되어있다 특징적인 것은 단사정 의 주변에 미CERAMICS MATRIX . ZIRCONIA

세한 균열을 발생시킨다는 점이다 예를 들면 입자를 함유한 는 소결. ZIRCONIA ALUMINA

후의 냉각과정에서 입자의 입방정 정방정 단사정 변태를 경과한다ZIRCONIA --> --> .

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이때 정방정 단사정 변태에서 특유의 체적팽창에 의해서 입자주--> ZIRCONIA ZIRCONIA

변의 에는 외곡의 미세한 이 발생된다ALUMINA CRACK .

이와 같은 상태의 복합 는 외부에서의 응력으로 균열이 발생할 경우 의CERAMICS CRACK

전달이 미세 발생으로 흡수되거나 이 분기되어 생기는 비표면적의 급증으CRACK CRACK

로 결국 큰 파괴 를 필요로 한다 즉 인성이 높은 재료가 된다ENERGY . .

제 절 사출성형 및 탈지4 CERAMICS

사출성형 의 개요1. PROCESS

의 성형법으로는 여러 가지가 있지만 사출성형법은 최근에 개발된 것으로 복잡CERAMICS

형상제품의 대량생산 수단으로서 가장 효율적인 방법중에 하나이다 즉 치수는 제품에 가까.

운 형상이 얻어짐으로서 후가공 공정이 단축되고 성형 이 빠르며 대량생산 및 복잡CYCLE

형상 제품의 생산에 적합하다 금속이나 자성분말의 성형에도 기본적으로 같은 의. PROCESS

응용이 가능하고 치수정도 및 표면상태가 양호한 제품이 얻어지며 자동화 무인화운전이 용,

이하다는 이점이 있다.

의 사출성형 는 과 같이 많은 공정이 있다 이 각 공정별CERAMICS PROCESS Fig. 3-17 .

기술 및 필요기기를 다음에 설명한다.

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의 사출성형Fig. 3-18 CERAMICS PROCESS

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가 의 선택. BINDER

원료분말은 열가소성수지나 류와 혼합함에 의하여 유동성을 부여하고CERAMICS WAX

과 같은 방법으로 사출성형이 가능하다 이 열가소성수지 등의 첨가재를PLASTIC . BINDER

라 칭하지만 성형 후 고온에서 가열한 분을 소결 치밀화 시키는 소성공정에 앞CERAMICS ,

서 을 열분해방법에 의해서 제거할 필요가 있다 탈BINDER .( BINDER)

이와 같이 의 역할은 성형조제로서 분에 가소성을 부여하고 냉각 고화BINDER CERAMICS

후 성형체에 충분한 강도를 부여하지만 가열에 의해서 용이 하게 제거 가능해야 한GREEN

다 통상 열가소성수지 단미에 이것의 요구를 만족시키기 위하여 등의 저분자량. WAX

가소제가 병용 사용된다 첨가된 열가소성 수지로서는 고유동성의 사출POLYMER, . GRADE

을 이용하지만 접착제등에 사용되고 있는 비교적 저분자량의 것이 많이 쓰인HOT MELT

다 대표적인 를 에 나타낸다 의 선택은 양호한. BINDER Table 3-6 . BINDER CERAMICS

제품을 얻는데 대단히 중요한 이다POINT .

사출성형에 이용되는Table 3-6. BINDER

성 분 분 류 종 류

결

합

제

열가소성 수지

POLY STYRENE, POLY ETHYLENE, POLYAMIDE, ATACTIC POLY PROPYLENE, PLOYPROPYLENE, POLY BUTYLMETACRYLATE,POLY VINYLALCHOL, ETHYLENE VINYL

수지 계ACETATE COPOLYMER, ABS ACRYL수지.

WAXPARAFFIN-WAX, MICRO CRYSTALLINEWAX, CARNAUBA WAX.

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가소제(PLASTICIZER)DIBUTYL PHTHALATE, DIOCTYL PHTHATATE,

지방산DIETHYL PHTHALATE, BUTYL STEARATE,ESTER.

윤활제 (LUBRICANT)STEARIC ACID, STEARIC ACID GLYCOL, Zn-STEARICACID, AL-STEARIC ACID. OLEIC, MINEINAL OIL

보조제 (AUXILIARYAGENT)

분해온도가 다른 복수의 수지 나프타린 등의 승화성 물질,

나 가열 혼련 조작.

등의 산화물계 분체 내에 소결조제의 첨가가 필요 없는ALUMINA, ZIRCONIA CERAMICS

것 및 질화규소 탄화규소 등 난소결성의 비산화물계 분체의 경우에는 예를 들면, CERMICS ·

탄소 등의 소결조제를 가해서MAGNESIA, CALCIA, YTTRIA, ALUMINA , BORON

등의 용매를 사용하여 충분히 혼합한다 이것들의 분체를 충분히 건조시킨 후 혼련ALCHOL .

기에 투입하고 성분도 같이 투입하여 가열혼련 한다 의 혼합비율은 약BINDER . BINDER

전후이다 가열 혼련물은 통상 상으로 압연 분쇄하든가 또는 연속혼련 압출40Vol% . SHEET

기로 조립화하여 사출성형용 원료로 사용한다.

다 사출성형 조작 및 그 장치.

사출성형조작(l)

사출성형기에는 과 이 있고 당초는 의 사출성형PLUNGER TYPE SCREW TYPE CERAMICS

용에는 이 이용되어 왔지만 사출 성형기가 개발된 이래PLUNGER TYPE SREW TYPE

으로 점차 이행되고 있다SCREW TYPE .

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이것은 쪽이 성형제어가 쉽고 가 가진 혼련기능이 크기 때문이다 사SCREW TYPE SCREW .

출성형기는 과 이 있지만 표준적으로는VERTICAL TYPE HORIZONTAL TYPE

사용되고 있다 사출 의 일예를HORIZONTAL TYPE . IN-LINE SCRW TYPE UNIT Fig.

에 나타낸다3-l9 .

식 사출Fig. 3-19 IN-LINE SCEV UNIT

성형품의 품질을 지배하는 사출성형 조건으로서는 온도 금형온도 등의 온도인CYLINDER ,

자 사출속도 형개폐속도 등의 속도인자 사출압력 및 보압 등의 압력인자가 있고 이것들의. , ,

성형인자를 제품형상 및 의 흐름 특성에 맞추어 변화시키지 않으CERAMICS COMPOUND

면 안 된다 은 에 의한 평판 을 성형 시. Fig. 3-20 ALUMINA COMPOUND (40x200x3mm)

성형품 중량에 미치는 사출속도 및 보압의 영향을 나타내는 실험결과의 일예이다.

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성형체와 이것을 탈지 소결한 소결체의 치수의 빗나감을 조사한 결과 치수의 빗나감의 원,

인은 거의 성형 시에 기인된다.

성형조건이 성형품중량에 미치는 영향Fig. 3-20

특히 보압에 의한 영향이 크므로 주의를 해야 한다 는 통상. CERAMICS COMPOUND

전후의 분체를 함유하기 때문에 흐름성은 에 비해서 나쁘고60Vol% CERAMICS PLASTIC

동시에 온도의존성이 높기 때문에 가 막히고 이 생기기 쉬우므로GATE WELD LINE

등을 크게 설계할 필요가 있다 또 성형체의 강도가 낮기 때문에SPRUE, GATE . EJECTOR

에 턱을 주고 형개속도를 낮추는 등의 주의도 필요하다 사출성형품의 일예를PIN , . Fig.

에 나타낸다3-21 .

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사출성형품의 일예Fig. 3-21

사출 성형기(2)

는 원래 마모성이 강하기 때문에 를 사출성형 할 때는CERAMICS CERAMICS COMPOUND

금형 등에 충분한 마모대책을 강구해야할 필요가 있다SCREW, CYLINDER, . CERAMICS

사출성형기의 로서 공구�