플라스틱 광섬유 개요

 

광섬유(Optical Fiber)는 재료가 석영 유리로 만들어지는 석영계 유리 광섬유 (GOF, Glass Optical Fiber)와 플라스틱을 주요 재질로 만들어진 플라스틱 광섬유 (POF, Plastic Optical Fiber)로 구분된다.

 

 

플라스틱 광섬유 개요

유리 광섬유(GOF) vs. 고분자 광섬유(POF)

GOF는 전송손실이 매우 작고 초고속의 전송속도를 수용할 수 있을 뿐만 아니라 가격도 저렴하여 이를 홈네트워크 등 
단거리 적용분야에 사용하려는 시도도 있었다. 이 경우 유효 직경이 10 um 이하인 단일모드 광섬유(SM-GOF)보다는 접 
속 및 변환장치 등의 부대장비 비용이 상대적으로 적게 드는 다중모드 광섬유(MM-GOF)가 선호되나 MM-GOF라 하더
라도 코어의 직경이 62.5 um로 OM-Giga B040의 코어에 비해 1/4로 작으므로 접속이 여전히 어렵고 높은 비용이 소요된다. 접속단자 제조기술의 발전으로 고신뢰성 접속단자를 비교적 저가로 양산 할 수 있게 되었지만 작은 충격과 구부림에 부러지기 쉬운 원천적인 단점 때문에 GOF를 건물 내부 특히 굴곡이 많은 환경의 네트워크에 사용하기에는 거의 불가능 하다고 하겠다. 반면 POF는 고분자 물질 특유의 유연성 때문에 직경을 매우 크게 만들 수 있을 뿐만 아니라 경사형 굴절률 분포를 갖는 GI-POF의 경우에는 적용 거리에 따라 50 m 이내 에서는 3 Gbps 이상, 10 m 이내 에서는 10 Gbps 이상의 초고 
속 전송속도를 구현할 수 있으므로 단거리에서는 GI-POF가 GOF보다 실용성 면에서 절대적 우위에 있다. 

 

<그림 1> Core and fiber diameter comparison

 

광섬유 자체만의 가격에 있어서는 직경이 훨씬 큰 POF가 GOF보다 물질 소모가 크기 때문에 더 비싸지만 커다란 직경에서 비롯되는 장점으로 인해 접속단자 및 광전 변환장치 등 부속 부품들을 저가로 만들 수 있고, 아울러 접속단자가 장착된 완제품의 제작비용 또는 케이블의 포설시 설치비용이 GOF에 비해 훨씬 저렴하므로 전체적인 시스템 가격은 GI-POF가 GOF보다 낮다. 따라서 경제성 면에서도 GI-POF가 GOF보다 우위에 있다고 할 수 있다. 

 

 

플라스틱 광섬유 (POF)의 특징

ㅇ 장점

- 경량, 코어 직경이 크고, 가공성이 우수하며, 유연하고 충격에 강하고, 설치 간단, 유지보수 비용이 저렴

- 대구경(직경 250㎛~1mm 정도) 광섬유 제조 가능 . 직경이 수백 ㎛ 정도로 커서 타 POF와의 접속이 용이함

ㅇ 단점

- 광 손실이 크고, 열적 안정성이 좋지 않음, 전송거리 짧음(100m 이내)

ㅇ 용도

- 소규모 통신망, 근거리통신망, 홈네트워크, 의료용, 센서, 영상전송용 등

* 석영계 광섬유(GOF)와는 달리, . 감쇠 성능 개선 보다는 대역폭 향상에 주안점을 둠

 

 

초고속 통신용 플라스틱 광섬유 (GI-POF) 

정보통신 산업의 급속한 발전에 따라 전화, PC, 오디오, 유선TV 및 가전기기 등을 망라하는 여러 system 들을 통합 연결하여 원거리 제어 및 실시간 정보교환을 가능하게 하는 홈, 오피스 네트워크가 활성화 되었다.  이에 따라 화상회의, 온라인 쇼핑, 주문형 비디오 (VOD), 원격교육뿐만 아니라 원격진료 등이 네트워크 환경 속에서 실시간으로 가능하게 되었으며 이와 같은 각종 업무 및 서비스는 자동차, 철도, 선박, 비행기 등 “이동체”내부에서의 정보교환 및 콘트롤 네트워크로도 확산, 융합되고 있다.  따라서 방대한 양의 정보전달이 일반 가정, 사무실 및 자동차 내부 등 사용자 주변의 모든 곳에서 이루어지며 이를 원활히 처리하기 위해서는 초고속 통신용 매체, 특히 50m 이내의 단거리용 통신매체가 절대적으로 필요하게 되었다. 플라스틱 또는 고분자 광섬유 (Polymer Optical Fiber; POF), 특히 경사형 굴절률(Graded-Index) 고분자 광섬유 (GI-POF)는 이러한 방대한 양의 정보전달을 간단한 구조의 wiring으로 통합하여 처리할 수 있는 초고속 통신 매체이다. 

 

Service provider와 개별 소비자를 연결하는 통신망은 Wide Area Network (WAN), Access Network 등 원거리의 유선 광역 통신망을 시작으로 홈, 오피스 네크워크 등 Local Area Network의 50 미터 이내 단거리 유선 통신망을 거쳐 개별 소비자와의 최종 connection은 대부분 무선통신으로 이루어진다.  원거리 통신은 일찍이 1980년대 중반 이후 유리광섬유 (Glass Optical Fiber; GOF)를 매체로 초고속 광통신이 구현되었으며, 개별 소비자와의 최종 연결은 Wi-Fi 또는 5G 무선 통신으로 귀착 발전되고 있다. 
무선통신의 발전은 유선통신의 발전을 필요로 하는 상호 보완적인 관계에 있으며 원거리 광통신과 무선통신 사이의 영역인 단거리 유선 통신은 현재 동선(Copper cable)을 사용하여 1 기가 (1 Gbps) 수준으로 구현되고 있는 상황이다. 그러나 1 Gpps 이상의 전송 속도에서는 전자파 간섭 (EMI), 동선의 고중량 및 고비용 등의 문제점이 심각하므로 이 또한 광통신으로 대체되는 것이 실용적이며 이에 필요한 단거리 유선 광통신 매체로서 GI-POF의 역할이 한층 더 부각되고 있다.  단거리 유선 통신의 영역은 50m 이내의 (1) Home/Office Network와 (2) 자동차, 선박, 비행기 등 “이동체”의 Field Network로 대별 
될 수 있으며, 나아가 10 m 이내의 (3) PC와 주변기기의 연결, HDTV와 셋탑박스의 연결 등 초단거리용으로 늘어나고 있다. 

 

 

제품의 적용분야 및 시장성

고분자광섬유는 2001년 조명용을 제외한 통신용 분야에서 약 1억불 이상의 시장을 형성하였고, 일찍이 미국 IGI Consulting의 자료에 따르면 2006년에는 약 8억불에 다다를 것으로 예측 되었을 뿐 그 후 현재까지의 실제 수요에 대한 통계는 잘 알려져 있지 않다. 제한적인 정보이기는 하지만 Research Reports World가 최근 발간한 자료에 따르면 Global POF market의 가치는 2020년에 44억불이 넘으며 (4406.7 Million USD), 2020년부터 2027년까지 연평균 성장률 3.02%로 성장할 것으로 예측된다. 

 

1. 홈네트워크 시장 
연예/오락 (entertainment), 쇼핑, 교육, 의료 등 수많은 분야의 서비스들이 온라인으로 이루어지게 됨에 따라 이에 관련된 여러 가지 장비들은 물론 양방향 고속 통신을 위한 새로운 인프라의 구축이 필요하게 되었다. 따라서 홈네트워크 인프라는 통신, 방송, 가전기기 제조, 건설 및 POF를 포함한 전선 분야 업체에 커다란 기회를 제공하였다.  2000년대 중반 100 Mbps급의 전송속도가 대세 였던 시기에는 동선인 Cat-5 UTP 케이블로 홈네트워크 인프라가 구축되었고, 정보통신 기술이 더욱 발전된 2010년대 초반에는 “기가 코리아”라는 기치 아래 유무선 네트워크 인프라를 기가급 이상으로 업그레이드하는 
사업이 시작되었다.

1 기가급 유선통신 홈네트워크 인프라에는 Cat-6 케이블, 동축케이블, 유리광섬유 (GOF) 및 고분자 광섬유 (GI-POF) 등이 통신매체로 사용 될 수 있었으나 1 기가급 전송속도는 차치하고 신축건물의 수명과 연관하여 향후 요구될 수 있는 더 빠른 전송속도 그리고 동선을 사용할 때 가장 심각하게 야기되는 전자파간섭(EMI)등의 문제를 고려할 때 GOF나 GI-POF 등 광섬유의 포설이 더 적절하다고 할 수 있었다. 특히 홈네크워크와 같이 설치시 굽힘이 많고, 소비자가 광섬유를 직접 접하게 되며 사유지에 설치되어 관리 또한 어려운 환경에서는 보다 유연하고 굵은 직경 때문에 절단, 연결 등 설치가 용이할 뿐만 아니라 비용도 적게들며 관리도 용이한 GI-POF가 절대적 우위에 있었다고 할 수 있다. 그럼에도 불구하고 기술력은 있지만 마케팅도 부족한 소규모 회사의 제품으로 세계를 선도하는 대한민국의 통신시장에서 표준 제품으로 자리매김 하기에는 역부족이었기 때문에 1 기가급 홈네트워크에는 결국 Cat-6 케이블이 사용되기 시작했다. 그러나 유럽 등 기가 네크워크가 뒤따라 활성화 되는 지역에서는 여전히 GI-POF에 대한 관심이 높으며, 앞으로 홈네크워크에서 요구되는 전송속도가 1 Gbps 보다 크게 증가되는 경우 이 시장으로의 진출 가능성은 여전히 크다고 할 수 있다. 

 

 

2. 자동차용 GI-POF 시장 
POF는 30여년 전부터 backlighting, 계기판 조명, 헤드라이트 전구 등의 monitoring용으로 자동차에 쓰였으며 현재도 이 용도로 많이 사용되고 있다. 1980대 이후 자동차 산업에도 많은 변화가 일어나 엔진 및 동력장치(Power Train) 컨트롤, 앤티록 브레이크(ABS) 및 트랙션 제어, 에어백 등 여러 부분에 마이크로프로세서가  쓰이기  시작했으며,  전자기기와  Information  Technology의  발전과  더불어(information system과 entertainment system을 합쳐) infotainment system이라 불리는 navigation 장치, 오디오/비디오, internet 및 텔레커뮤니케이션 장치 등 운전자 환경의 개선을 위한 여러 가지 디지털 부대 장치들이 추가로 설치되었다.  이와 같은 전자장치의 제어 및 상호간의 정보공유를 위해 각 영역 간에 네트워크가 형성되며 이 네크워크를 통해 많은 양의 정보전달이 이루어진다. 자동차 내에서는 많은 전류가 흐르는 각종 전기장치 및 전선이 밀집되어 있어 전자파의 간섭효과가 크므로 디지털 장치 상호간의 통신에어 electromagnetic compatibility (EMC)는 매우 중요한 문제이며 이 문제의 해결책으로 POF가 자동차 네트워크의 통신전달 매체로 사용되기 시작했다. 

조명용 이외의 용도로 POF가 처음 사용된 것은 1998년 벤츠사에 의해 S-class 모델의 infortainment system에 적용된 “D2B optical data bus”로서 660nm의 적색 LED광원과 직경 1mm의 아크릴계 SI-POF를 사용하였으며 전송속는 single channel TV의 전송속도인 4 Mbps을 약간 상회하는 5.6 Mbps로 비교적 낮은 수치였다. “D2B optical”은 그 후 벤츠의 E-, C-, A- 및 M-class 모델에도 적용 되었으며 이의 성공에 힘입어 자동차용 optical data bus system의 원활한 개발을 위해 BMW, 다이믈러- 크라이슬러, 하먼/벡커, 오아시스실리콘사 등 4개 회사에 의해 MOST (Media Oriented Systems 
Transport) Corporation이 1999년에 설립되었고 그 후 아우디, 포드, GM, 도요다, 혼다 등 18개의 자동차 회사와 델코, 알파인, 보쉬 등 49개의 부품공급회사가 MOST에 가입하였으며 국내 회사로는 현대 오토넷과 한국단자공업이 Associate Partner로 가입하였다.  
MOST 표준에 따라 직경 1mm, 아크릴계의 SI-POF가 2002년부터 사용되었으며, 일본의 야자키(Yazaki)사의 통계에 의하면 2002년에 유럽에서 362,000대의 자동차에 적용되어 약 5,600 km의 SI-POF가 사용되었으며 (1대당 약 15 m의 POF), 2003년부터는 미국산 차에도 적용 되어 미국과 유럽을 합쳐 743,000대 (10,300 km POF), 2006년에는 미국과 유럽 시장에서만 485만대에 적용되어 약 48,900km의 POF가 이 용도로 사용되었다고 추산된다.  
MOST의 구성원인 자동차 메이커의 입장에서 볼 때 POF가 20-30년 이상 장기간 안정적으로 공급되어야 하므로 가장 큰 Market Share를 가진 미쓰비시레이욘(Mitsubish Rayon Corp)의 제품인 Eska계열 SI-POF를 기준으로 자동차용 POF가 표준화 되었으며, 2007년에 50 Mbps급의 MOST-50 표준이 확립되었고 2014년에는 150 Mbps급의 MOST-150으로 상향 조정 되었으며 그 후 400 Mbps가 시도되었으나 미쓰비시레이욘의 SI-POF의 전송속도의 한계가 150 Mbps인 이유로 MOST 표준이 유명무실하게 되었다. 
그 후 전기자동차의 출현과 자율주행 기술의 발전과 더불어 핸드폰, 태블릿 등이 자동차 네트워크에 융합되고 Lidar (light detection and ranging) 및 고화질 비디오카메라 등이 센서의 일환으로 적용됨에 따라  자동차  네크워크  환경에서 3 Gbps  이상의  전송속도가  요구되는  시대가  도래  하였다. 
Electromagnetic Compatibility(EMC)가 특히 중요한 자동차 네트워크 환경에서 3 Gbps이상의 전송속도를 충족시킬 수 있는 통신 매체는 GOF 또는 GI-POF 밖에 없으며, 실용성 및 경제성을 고려할 때 GI-POF가 우위를 차지하므로 제품의 장기간 안정적 공급에 대한 신뢰를 자동차 메이커 들에게 심어줄 수 있으면 앞으로 표준화 작업을 거쳐 그 수요가 크게 증가될 수 있다.  
초고속 광통신에 있어서 전송속도가 증가함에 따라 광신호를 수신하는 detector의 유효 면적은 작아지므로 광섬유의 유효직경 또한 줄어들어야 광섬유와 detector사이의 접속손실을 줄일 수 있다. 이를 고려할 때 1.2항에 기술된 OM-Giga 제품 중 외경 0.75 mm의 OM-Giga B075가 자동차용 harness 제작에는 B100보다 적합한 제품이라 하겠다.  OM-Giga B075의 외경과 코어직경은 각각 0.75 mm 와 0.625 mm 이지만 광신호 detector의 유효 면적에 따라 외경은 0.75 또는 1.0 mm로 유지한 채 코어의 직경만 0.625 mm 보다 작게 변화시켜 통신 기능을 최적화시킬 수 있는 적응성 또한 옵티미디아 제품 
의 장점이라 할 수 있다. 

 

 

3. 디지털 가전 기기간의 연결용 초단거리 하이브리드 케이블의 시장 

PC와 주변기기(모니터, 프린터/스캐너, 외장형 HDD, VR 헤드셋 등)의 연결 및 HDTV와 셋탑박스의 연결은 주로 USB, UTP, HDMI, DP 케이블 등의 전선으로 이루어지나 이와 같은 전선들의 제한적인 전송속도 때문에 전송 거리가 보통 2 m 보다 짧아야 되는 제약을 받는다. 특히 UHD-TV가 활성화 되고 Metaverse가 도입되기 시작한 현 시점에서 UHD-TV와 셋탑박스의 연결 또는 PC와 VR(AR, MR) 헤드셋과의 연결은 2m 이상 10m 정도의 비교적 긴 거리가 요구될 것이며 전송속도 또한 10 Gbps 이상의 초고속으로 이루어져야 하므로 GI-POF의 역할이 매우 중요해 진다.  가능하다면 물론 무선연결이 선 
호되지만 고화질 영상의 전달에서와 같이 전송속도가 초고속인 경우에는 매우 높은 파워가 요구되는 무선은 거의 불가능하다고 할 수 있다.  
영상전달에 있어서 전송속도는 점점 증가하고 기기는 소형화 되는 추세에 따라 비디오 interface의 표준을 관장하는 VESA (Video Electronics Standards Association)에서 2014년에 10 Gbps급 USB 3.1 표준을 확립하고 단자의 크기가 HDMI 나 DP 보다 작은 type-C connector를 추가적으로 채택하여 영상 및 모든 데이터 통신을 점차적으로 USB 3.1-C protocol로 단일화 시키려고 추진하고 있다. VESA 표준은 성능에 대한 표준일 뿐 통신매체를 전선 또는 광섬유로 지정하지는 않지만 10 Gbps급 초고속 전송 속도에 2 m 이상의 전송거리를 구현하기 위해서는 전선 대신 전자파간섭의 영향이 없는 광섬유를 전력공급용 전선과 조합한 하이브리드 케이블이 선호된다. 
영상을 포함한 모든 데이터 통신을 USB 3.1-C로 단일화 시키려는 VESA의 의도에도 불구하고 비교적 오랜 기간 사용되어 온 HDMI 및 DP 케이블은 여전히 폭넓게 사용되고 있으며 2~10 m 또는 10m 이상의 용도를 위한 각각의 하이브리드케이블 들이 GOF를 사용하여 만들어 지고 있다.

 

Reference : 옵티미디아 회사 소개자료