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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.3 pp.138-145
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.3.138

Study on the Photoelectric Composite Cable for Hybrid Interconnection Implementation

Jae-Yeol Kim*, Kwan-Jong You**#, Ryeok Park***
*Dept. of Mechanical Systems and Automotive Engineering, Chosun Univ.,
**Dept. of Division of undeclared Majors, Chosun Univ.,
***Dept. of Mechanical Engineering, Graduate school of Chosun /Univ.
Corresponding Author : kjyu@chosun.ac.kr+82-62-230-7207, +82-62-233-7988
March 22, 2017 May 10, 2017 May 29, 2017

Abstract

With the increasing use of smart electronic devices, the size of the related I/O interface market is increasing rapidly. Demand is also growing for the continuous increase of data and video signals—such as faster data processing speed and data storage capacity—in the smart electronic device input/output interface market. Currently, the POF hybrid cable used in the smart electronic device input / output interface market cannot transmit over a long distance because the optical loss is too large, and the GOF hybrid cable is both vulnerable to bending and other sudden outside changes, and expensive. Therefore, in this study, the design and fabrication of a GOF hybrid cable and fiber guide were carried out in order to develop a cable which can easily withstand external impact, has low optical losses, and meets the demand for continuous data and video signal increase in the smart electronic device input / output interface market.


Hybrid 인터커넥션 구현을 위한 광전 복합케이블 제작에 관한 연구

김 재열*, 유 관종**#, 박 력***
*조선대학교 기계시스템 미래자동차공학부
**조선대학교 자유전공학부
***조선대학교 일반대학원 기계시스템공학과

초록


    Chosun University

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    일상생활에서 흔히 사용하는 PC, TV, 스마트폰 등의 스마트 전자기기 사용이 점차 늘어남에 따라 더 빠른 데이터 처리 속도, 데이터 저장 용량의 확대 등 데이터 및 영상신호의 지속적인 증가에 대한 수요가 점차적으로 늘어나고 있는 추세이다. Table 1은 스마트 전자기기 입출력 인터페이스 시 장 규모를 나타낸 것이고 현재 시장 규모는 현재 국내·외 시장에서 현재 2,647억원이며, 앞으로 점 차적으로 그 수요가 늘어날 것으로 전망 되어 2019년에는 2조 2,304억원의 규모로 성장할 것으 로 전망된다. 스마트 전자기기의 입출력(I/O) 인터 페이스 시장을 살펴보면 마우스, 키보드, 외장하 드, 충전기 등 주변기기와의 연결과 데이터 전송 을 위한 ‘USB 진영’과 고화질의 영상 및 음성 신 호를 전송하는 ‘HDMI 진영’ 으로 시장의 주도권 이 나뉘어 있는 상황에서 인터넷의 급속한 발달에 따른 정보의 대용량, 초 고속화, 고화질 등의 요구 와 디지털화가 급속도로 진행됨에 따라 HDMI의 사용이 증가하고 있는 추세이다.

    현재 상용화 되어있는 HDMI는 기본 Copper Cable로 이루어진 형태, Copper와 GOF Cable이 분 리된 형태, 그리고 Copper와 POF가 결합된 Hybrid Cable을 이용한 형태의 3가지 형태가 주를 이루고 있다. 현재 POF Hybrid Cable은 광 손실이 너무 크기 때문에 장거리 전송이 불가능 하다는 단점을 가지고 있고, GOF와 Copper을 결합한 GOF Hybrid Cable의 제작 시도를 여러 가지 형태로 하 였으나, 외부의 급격한 변화에 의해 GOF가 벤딩 (bending) 특성을 유지하지 못했기 때문에 GOF와 Copper을 결합한 Hybrid Cable제작에 어려움이 있 었다.

    따라서 벤딩에 의한 광 손실을 최소화한 Cable 의 구조로 GOF와 Copper를 결합한 Hybrid Cable 을 활용하고, Fiber Guide와 GOF를 효율적으로 연 마 할 수 있는 지그를 설계하여 생산성 증대와 함 께 제작 단가를 낮추고 품질을 안정시킬 것이다.

    본 연구에서는 현재 사용되고 있는 HDMI Cable인 POF Hybrid Cable 의 광 손실이 크다는 단점을 해결하기 위하여 비교적 광 손실이 적어 장거리 전송에 유리한 GOF를 이용하여 GOF Hybrid Cable와 Fiber Guide 의 설계 및 제작에 관 해 연구하고자 한다.

    2.개념 및 제품 설계

    2.1.POF 와 GOF 재료의 특성

    POF(Plastic Optical Fiber)는 광섬유의 코어부와 클 래드부 모두 광 투과성의 플라스틱 재료로 이루어진 광섬유로, 재료는 폴리 메틸 메타 아크릴레이트 또 는 폴리카보네이트계 수지가 주로 사용된다. 하지만 광섬유를 구성하는 재료 자체의 손실과 광섬유 제조 시 발생하는 불순물이나 구조적인 결함에 의해 발생 한다. 유리광섬유와 비교하여 굵기가 5 ~ 10배 정도 이고, 신호의 전송거리는 약 200m정도로 짧은 편이 다. 값이 싸고 초보자도 간단히 위치를 맞출 수 있 고 접속할 수 있는 특징이 있어 공장 안이나 사무실 안 또는 기기 내부에서의 단거리 통신용으로 사용된 다.[1]

    GOF(Glass Optical Fiber)은 굴절률이 높은 코어와 굴절률이 낮은 클래드의 2층 구조로 되어있으며, 가 격이 비싸고 깨지기 쉬우며, 끝을 접착하기 어렵다 는 특성이 있다. 수광각도가 크기 때문에 입사광량 이 많아 광 손실이 비교적 적은 편이다. POF에 비E해 가격이 비싸지만, 전송 손실이 적고 고온에서 사용 가능하여 교통 표지판이나 박물관 조명, 의료용 조 명, 특수조명 등의 용도로 사용된다.[2]

    2.2.Fiber Guide와 금형 설계 및 제작

    현재 사용되고 있는 HDMI Cable은 Copper Cable 과 별도의 4C의 GOF를 사용하는 형태 및 Copper 와 POF를 이용한 Hybrid Cable을 제작, 사용 하고 있다. 하지만 장거리 전송이 어려운 단점을 가진 POF Hybrid Cable의 문제점을 해결 하고자 장거리 전송에 유리한 GOF Hybrid Cable 을 활용하고 Fiber Guide의 금형을 제작 하였다.

    Fiber Guide 금형을 설계 할 때 140μm 의 Hole size 및 Hole 간 Pitch 400μm를 사출 할 수 있 고, Wire로 가공 하지 않고 4C의 Optical Fiber를 삽입할 수 있으며, 기존의 Wire가공으로 인한 높 은 제작비용을 정밀 사출을 통해 생산 원가 절 감 및 대량생산 가능 여부를 검토하여 제작하였 다. Fig. 1은 제작된 Fiber Guide의 정면도(a)와 조감도(b)이다.

    2.3.Fiber Guide Polishing Jig 설계 및 제작

    광섬유 Polishing Jig가 부품과 결합된 형태와 부품과 분리된 형태로 연마 가공을 할 때, 부품 과 결합된 형태로 연마 가공을 할 경우에는 결 합된 형태는 안정적이지만 세부 컨트롤이 힘들 다. 반면에 부품과 분리된 형태로 연마 가공을 할 경우에는 세부 컨트롤이 가능하지만 결합의 형태가 안정적이지 못했다.[3] Fig. 2는 Polishing Jig 설계도이며, 부품과 분리된 형태와 부품과 결합된 형태의 장점을 살려 형태는 조립용이면 서 부품만 연마 가공 할 수 있는 형태로 고품질 의 제품을 안정적으로 연마 할 수 있는 Jig를 설 계하였다.

    Fig. 2의 설계도를 토대로 Fig. 3의 Polishing jig 를 제작하였으며, GOF와 Fiber Guide의 안정적인 연마를 진행하기 위해서 안정성에 중점을 두어 Jig를 설계 하였고, 8 Port의 Fiber Guide를 동시 에 연마 할 수 있도록 하였으며, Guide가 정확하 게 정렬을 할 수 있도록 Wire가공을 하였다. 또 한, 기존의 연마기에 장착이 가능 할 수 있도록 조립(탈착)이 용이 하게끔 Jig를 제작 하였다.

    2.4.Copper(AWG-28)/MM Fiber를 결합한 Hybrid Cable 제작

    POF Hybrid Cable 의 단점인 광 손실이 많아 장거리 전성의 어려움을 해결하기 위해 GOF Hybrid Cable 을 제작하였다. Fig. 4와 같이 Fiber를 Square 구조로 외부에 UV Polymer로 결합하여 외부의 충격 및 벤 딩에 잘 견딜 수 있는 구조로 설계하여 Copper에 의 한 충격을 완화 할 수 있게 Armid Yarn으로 보호하 여 시험용 케이블을 제작하였다. 전력선은 파랑, 주 황, 녹색, 노랑, 갈색, 흰색의 각각 6c의 원형으로 구 성하였다.

    HDMI 광전 하이브리드 케이블에서 주요 부품인 GOF는 외부 환경에 민감하고, 벤딩 현상에 취약하 기 때문에 이를 만족하기 위해서 일반적인 아크릴레 이트 코팅층 위에 피복 처리 한 구조를 사용하지 않 고, 광섬유 자체에 아크릴레이트로 코팅된 구조로 선정하였다. Fig. 5는 일반적인 광케이블에 사용되고 있는 Tight Buffered Fiber(a)와 광전 하이브리드 케이 블 제작을 위해 사용된 Bare Cable(b)의 구조를 나타 내고 있으며, Fig. 6은 하이브리드 광 케이블의 설계 (a) 및 제작 단면(b)을 나타낸 것이다.[4~5]

    동축 케이블은 송·수신을 담당하는 TX, RX Cable 및 전원 접지 Cable, UTP_DN, Dp의 각각의 특징을 분석하였으며, 이에 따른 허용 전류를 분석하여 최 적의 Cable을 선정하였다. HDMI 광전 하이브리드 케이블 HDMI 광전 하이브리드 케이블 개발에 앞 서 선정된 광케이블 MM Fiber와 동축케이블 6core로 원형 형태를 구성하였으며, 그 중심에 Optical Fiber를 보호하기 위한 최적의 케이블 구 조분석을 진행하였다. 광전 하이브리드 케이블 구 조선정을 바탕으로 광섬유 4core 및 동축 6core, 광섬유와 동축케이블을 보호해줄 yarn 및 jacket을 고려하였으며, 아래 그림과 같은 구조로 설계 진 행 및 시험용 광전하이브리드 케이블 구조 설계 및 제작 하였다.[6]

    3.제작 공정 및 평가

    3.1.Hybrid Cable 제작 공정

    Fig.7은 기존의 Optical patch Cord 제작 공정이 며, 이를 도입하여 UV경화, Plastic/Glass 제작 공 정을 추가하고, 측정공정을 체계적이고 정밀하게 진행하여 하였다. Fig.8은 제품 제작 시의 예상되 는 공정 순서를 나타낸 것이고, 현재의 공정에서 에폭시 경화는 최적화된 UV경화를 통해 체결성 과 안정성을 확보하고, 연마과정을 체계화하여 최상의 단면구조를 갖는 연마 공정을 확보하며, 측정 공정은 mV값을 세밀하게 측정하고 소켓 압착 과정은 AWG 28 6Core에 적합한 소켓 압착 공정을 진행 하였다. 기존의 생산 공정을 일부 도입하고 UV경화, Plastic/Glass 연마공정을 새롭 게 셋업하여 측정공정 이후의 공정은 수요자의 수요에 따른 공정을 도입하여 제품의 양산에 적 합한 공정을 개발 하였다.[7]

    Fig. 9는 테스트 보드의 설계 도면을 나타낸 것 이고, Fig. 10은 테스트 베드의 설계도면이다. Fig. 11은 테스트 보드의 부품 배치도이고, Fig. 12와 Fig. 13은 제작된 테스트 베드와 테스트 보 드이다. 제작 및 생산된 HDMI의 AOC 광 출력 기초 테스트를 위해 개발 부품에 대한 테스트 베드를 구축하기 위해 테스트 베드 및 테스트 보드를 설계 하였으며, 설계도를 토대로 회로도 를 구상 한 후 테스트 베드, 테스트 보드를 제작 하였다. HDMI모듈에 시료를 올려 광섬유와 광 소자 간의 수직 정렬로 구성하였으며, 최종 정력 이후 출력 파워 체크를 위하여 디지털 멀티미터 를 이용하여 VCSEL에서 출사되는 광의 출력 값 을 확인 할 수 있도록 설계·제작 하였다.[8~9]

    3.3.Hybrid Cable의 동작 전압 측정

    Fig. 14는 구성된 테스트 베드이고 Fig. 15는 구성된 테스트 보드의 모습이다. 제작된 HDMI의 광출력 테스트를 하기 위해 VCSEL/PD와 광섬유를 용이하게 광 정렬 할 수 있는 구조로 Test bed와 Test board를 제작 하였으며, HDMI모듈에 시료를 올려 광섬유과 광소자 간의 수직 정렬으로 구성하였다.

    테스트 보드의 TX/RX PCB 부분에 HDMI모 듈을 삽입하고 삽입된 모듈 위의 정렬 부위 에 연마된 4Ch의 Fiber guide를 정렬하여 디 지털 멀티미터에서 출력되는 전압을 mV 단 위로 측정하였다. Table 2는 4Ch guide의 광출 력 테스트 결과를 나타낸 것이며, Test board 에서 각각의 스위치를 눌러 VCSEL을 동작시 킨 후 측정하였다. 이때, HDMI모듈을 동작시 킬 수 있는 최소한의 동작전압은 30mV이며, 테스트 결과 모두 동작전압인 30mV 이상의 전압을 유지하는 것으로 나타났다.[10]

    4.결론

    스마트 전자기기 입/출력 인터페이스 시장에 서 인터넷의 급속한 발달로 인해 HDMI가 꾸 준히 개발되고 있는 가운데 HDMI에 사용되 는 기존의 POF Hybrid Cable에서 발생할 수 있는 광 손실 등의 문제점을 해결하기 위해 GOF를 이용하여 Hybrid Cable을 제작하였으 며, 이에 따른 효과는 다음과 같다.

    • 1. 성능테스트를 통해 동작전압이상의 전압 을 유지하여 벤딩에 의한 광 손실이 줄어 들게 되어 영상신호, 데이터 등의 전송 길 이가 길어져도, 데이터의 처리 속도가 빠르 다.

    • 2. 외부의 충격에 견디기 쉽게 설계 하고, Armid Yarn으로 한번 더 피복을 보호하여 관리하기가 쉽고, 제품의 평균 사용시간이 늘어나 제품을 사용하는 비용을 절감할 수 있다.

    • 3. 복수 개의 광섬유와, 광섬유들을 감싸는 제 1 튜브와 제 1튜브를 감싸는 피복과, 제 1튜브와 피복 사이의 공간에 설치된 복수 개의 전선을 구비하여 안정된 굴곡특성과 신호 감쇠를 억제하여 신호 전송길이를 충 분히 확보할 수 있으며, 피복의 마찰계수가 낮아 초보자도 쉽게 케이블 포설이 가능하 다.

    후 기

    이 논문은 2017년도 조선대학교 학술연구비 의 지원을 받아 연구되었음.

    Figure

    KSMPE-16-138_F1.gif
    Fiber guide mold
    KSMPE-16-138_F2.gif
    Polishing jig design drawing
    KSMPE-16-138_F3.gif
    Manufactured polishing jig
    KSMPE-16-138_F4.gif
    Structure of hybrid cable
    KSMPE-16-138_F5.gif
    Structure and properties of fiber
    KSMPE-16-138_F6.gif
    Construction and production cross section of the hybrid cable
    KSMPE-16-138_F7.gif
    Existing optical patch cord manufacturing process
    KSMPE-16-138_F8.gif
    Expected manufacturing process
    KSMPE-16-138_F9.gif
    Test board design
    KSMPE-16-138_F10.gif
    Test bed design
    KSMPE-16-138_F11.gif
    Test board parts layout drawing
    KSMPE-16-138_F12.gif
    Manufactured test bed
    KSMPE-16-138_F13.gif
    Manufactured test board
    KSMPE-16-138_F14.gif
    Configured test bed
    KSMPE-16-138_F15.gif
    Configured test board

    Table

    Expected market size (unit : 100million won)

    4Ch guide Vmon test data

    Reference

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    10. Park D.S. , Seo J.S. (2010) Optical Welding condition in Ultrasonic Welding of Ni steel sheet , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.9 (2) ; pp.47-52