KR100594804B1 - 콜로이드 자기조립 광결정의 패턴닝 방법 및 이를 이용한역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법 - Google Patents

콜로이드 자기조립 광결정의 패턴닝 방법 및 이를 이용한역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법 Download PDF

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Abstract

콜로이드 자기조립 광결정의 패턴닝 방법 및 이를 이용한 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법이 개시된다. 본 발명에 의한 광결정의 패턴닝 방법은, 기판 위에 형성될 광결정의 패턴에 대응하는 영역과 그 이외의 영역에 각각 상호 분리된 제1 및 제2 도전막을 증착하고, Dip-coating 방법으로 광결정을 성장시킬 때, 제1 및 제2 도전막에 각각 특정의 직류 전압을 인가함으로서, 원하는 패턴의 광결정을 제공한다. 본 발명에 의하면, 기판에 패터닝되는 전극의 설계에 따라 다양한 형태의 콜로이드 광결정의 제작이 가능하다. 또한, 패턴화된 전극을 이용한 광결정의 패턴닝 방법을 이용하여, 빛의 모든 진행방향에 대하여 광밴드갭을 가지는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로를 제작할 수 있다.
콜로이드 자기조립, Dip-coating, 광결정, 역전된 오팔구조, 광도파로

Description

콜로이드 자기조립 광결정의 패턴닝 방법 및 이를 이용한 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법{Method for patterning self-assembled colloidal structures and fabrication methods of inverted-opal structured 3-dimensional photonic crystal waveguides by using the methode thereof}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의해 구현된 기판 위에 패턴화된 특정 영역에 선택적으로 형성된 콜로이드 자기조립 광결정의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 콜로이드 자기조립 광결정을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3a 내지 도 3g는, 제2 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 4a 내지 도 4g는, 제3 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 5a 내지 도 5h는, 제4 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도, 그리고
도 6a 내지 도 6h는, 제5 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도이다.
*도면의 주요부호에 대한 설명*
10, 100 : 기판 21, 22, 110a, 110b, 120 : 금속판
30, 130, 150 : 오팔구조의 광결정 40 : 콜로이드 용액
42, 132, 152 : 콜로이드 입자 134, 154 : 나노 입자
170, 370' : 광전송로 380, 480 : 폴리머
180, 280, 390, 490 : 역전된 오팔구조의 광결정
본 발명은, 전기장을 이용하여 콜로이드 자기조립 광결정을 기판 상의 선택된 면적에 형성하거나, 각기 다른 크기의 직경을 갖는 콜로이드 자기조립 광결정을 동일 기판 상에 형성하는 방법 및 이러한 방법에 의해 패턴화된 콜로이드 자기조립 광결정을 이용하여 제작되는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작방법에 관한 것이다.
3차원 주기성을 가진 유전물질(dielectrics)로 이루어진 광결정 (photonic crystal)에서의 광밴드갭 (photonic band gap) 구조에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. 광밴드갭 광결정은, 특히 마이크로레이저, 필터, 고효율 LED, 광 스위치, 저손실 도파로 등 다양한 광전자 소자(optoelectronic devices)로 응용가능성이 매우 높기 때문이다. 초기에는 실리콘 웨이퍼에 서로 평행한 방향으로 작은 구멍을 뚫거나 막대모양의 유전물질을 서로 겹치게 쌓아 둠으로써, 유전체-공기 구조물의 유전율에 주기성을 두어 마이크로 파장영역에서의 3차원 광밴드갭을 실현하였다. 그러 나, 적외선, 가시광선 파장영역의 경우, 위의 방법은 식각(etching) 간격의 미세화의 요구로 인해 3차원 광밴드갭 형성이 매우 힘들어 단지 2차원에서 구현이 가능하였다. 3차원의 경우는 레이저광의 홀로그램 리소그래피(holographic lithography)을 이용하거나, 수백 nm 직경의 작은 구들(콜로이드)의 자체결합(self assembly) 방법에 대한 연구가 최근에 이루어지고 있다.
특히, 콜로이드 자기조립 광결정을 제작하는 방법이 다양하게 연구되고 있는데, 그 중 가장 많이 사용하는 방법은, 콜로이드 용액과 기판 그리고 콜로이드 입자간의 capillary force 을 이용하여 광결정을 제작하는 dip-coating 방법으로, 공정이 용이하고 넓은 면적에 결정도가 높은 광결정을 형성할 수 있다. 하지만 콜로이드 입자의 선택적 제어는 불가능하고 광결정 패터닝을 하기 위해서는 리소그래피(lithography)와 같은 많은 반도체 공정단계가 필요하다. 또한 다른 크기 또는 종류의 콜로이드 입자의 광결정 형성시 템플릿을 필요로 하며 3가지 이상 다른 크기 또는 종류의 콜로이드 광결정 형성시 설계상의 제약 및 복잡한 공정을 피할 수 없다.
상기한 광결정을 이용한 광도파로 제작에 가장 많이 사용되고 있는 방법은, 실리콘 기판에 미세한 홀(hole)을 주기적으로 식각하여 만든 2차원 광결정 내에 전송로를 형성하는 방법이다. 그러나, 2차원 광결정은 2차원상의 빛의 진행방향에 대해서는 광밴드갭이 있어 손실이 거의 없으나, 그 외의 방향에 대해서는 광밴드갭이 없어 손실이 발생하는 문제를 안고 있다.
한편, 역전된 오팔구조의 3차원 광결정은, 3차원의 모든 빛의 진행방향에 대 하여 광밴드갭을 갖을 수 있으므로, 이를 이용한 광도파로는 2차원에 비하여 광손실을 크게 줄일 수 있다. 3차원 광밴드갭을 가지는 도파로의 제작은 아직까지 이빔 리소그래피(e-beam lithography)와 같이 보다 고급화된 식각 기술이 요구되고, 비용이 비싸며 넓은 면적에 구현하기 어렵고 많은 시간을 요하는 문제가 있다. 따라서, 넓은 면적에 쉽게 광결정을 제작할 수 있는 콜로이드 입자의 자기조립 방식에 의한 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법에 대한 요구 및 관심이 고조되고 있다.
종래의 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법으로 다음과 같은 방법이 있다. 첫째로, 콜로이드 광결정 틈에 채워진 폴리머의 레이저 중합을 이용하여 광도파로를 제작하는 방법("Multi-photon polymerization of waveguide structures within three-dimensional photonic crystals", Advanced Materials, vol. 14, 2003, pp 271-294 by W. Lee et al.)이 있는데, 이 방법은 물질 및 면적의 제한으로 인한 문제점을 가지고 있다. 둘째로, 콜로이드 광결정을 실리콘 몰드를 이용하여 만든 후 여러 개의 광결정을 쌓아서 만드는 광도파로 제작방법("Micromolding of three-dimesional photonic crystals on silicon substrates", Nanotechnalogy, vol. 14, 2003, pp 323~326 by P, Ferrand et. al.)이 제안되었으나, 이 방법 역시 과정이 복잡하고 인위적으로 쌓는 과정에서 부서지고 틈이 발생하는 등의 문제를 가지고 있다.
본 발명은, 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 어 떤 템플릿도 사용하지 않고 패턴화된 전극을 이용하여 미세 콜로이드 입자의 제어를 통해 콜로이드 자기조립 광결정을 패터닝 하는 방법을 제공하고, 또한 이러한 패턴닝 방법을 이용하여 빛의 모든 진행방향에 대하여 광밴드갭을 가지는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로를 제작하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콜로이드 자기조립 광결정의 패터닝 방법은, 기판 위에 형성될 콜로이드 자기조립 광결정의 패턴에 대응하는 영역과 그 이외의 영역에 각각 상호 분리된 제1 및 제2 도전막을 증착하는 단계 및 상기 제1 및 제2 도전막이 증착된 상기 기판상에 Dip-coating 방법으로 상기광결정을 성장시킬 때, 상기 제1 및 제2 도전막에 각각 특정의 직류 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 콜로이드 자기조립 광결정이 형성되는 상기 제1 도전막에는 콜로이드 입자가 갖는 전하에 전기적 인력이 작용하는 전압이 인가되고, 제2 도전막에는 콜로이드 입자가 갖는 전하에 전기적 척력이 작용하는 전압이 인가되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 의한 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법은, (a) 기판 위에 형성될 광전송로의 패턴에 대응되는 제1 도전막과 상기 제1 도전막과 분리되어 상기 제1 도전막 양단에 배치되는 제2 도전막을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 및 제2 도전막에 인가되는 전압의 극성을 제어하여, 상기 기판 위에 상기 제1 도전막의 상부가 함몰된 형태를 가지며, Dip-coating 방법으로 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자로 구성되는 오팔구조의 제1 광결정을 형성하는 단계; (c) 상기 함몰 영역에 상기 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자와 다른 특정의 제거방법을 가지는 제2 콜로이드 입자와 제2 나노 입자로 구성되는 오팔구조의 제2 광결정을 형성하는 단계; (d) 상기 제1 및 제2 광결정 위에 상기 제1 콜로이드 입자와 제1 나노 입자로 구성되는 상기 제1 광결정을 형성하는 단계; (e) 상기 제2 콜로이드 입자와 제2 나노 입자로 구성되는 상기 제2 광결정을 제거하여 빈공간의 상기 광전송로를 형성하는 단계 및 (f) 상기 제1 광결정을 구성하는 상기 제1 콜로이드 입자를 제거하여 역전된 오팔구조의 광결정을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (b)단계는, 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 소정 두께로 구성되는 상기 제1 광결정을 형성하는 단계 및 상기 형성된 제1 광결정 사이에 상기 형성된 제1 광결정 보다 상기 광전송로의 두께 만큼 얇은 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 (b)단계는, 상기 기판 전체에 소정 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계 및 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 상기 광전송로의 두께에 대응되는 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (e)단계 및 상기 (f)단계는, 열적 제거방법 및 화학적 제거방법 중 어느 하나를 이용하여 해당 입자들을 제거할 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법은, (g) 기판 위에 형성될 광전송로의 패턴에 대응되는 제1 도전막과 상기 제1 도전막과 분리되어 상기 제1 도전막 양단에 배치되는 제2 도전막을 형성하는 단계; (h) 상기 제1 도전막의 상부에 함몰부가 형성되도록 상기 기판 위에 제1 콜로이드 입자로 구성되는 오팔구조의 제1 광결정을 형성하는 단계; (i) 상기 함몰부에 제2 콜로이드 입자로 구성되는 오팔구조의 제2 광결정을 형성하는 단계; (j) 상기 제1 및 제2 광결정 위에 상기 제1 콜로이드 입자로 구성되는 상기 제1 광결정을 형성하는 단계; (k) 상기 제2 광결정을 제거하여 빈공간의 상기 광전송로를 형성하는 단계; (l) 상기 제1 광결정의 틈 및 상기 광전송로를 소정의 물질로 채우는 단계 및 (m) 상기 제1 콜로이드 입자를 제거하여 역전된 오팔구조의 광결정을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (h)단계는, 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 소정 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계 및 상기 형성된 제1 광결정 사이에 상기 형성된 제1 광결정 보다 상기 광전송로의 두께 만큼 얇은 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 (h)단계는, 상기 기판 전체에 소정 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계 및 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 상기 광전송로의 두께에 대응되는 두께의 상기 제1 광결정을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (k)단계 및 상기 (m)단계는, 열적 제거방법 및 화학적 제거방법 중 어느 하나를 이용하여 해당 입자들을 제거하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 (l)단계의 소정의 물질로는 폴리머가 사용될 수 있다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 의해 구현된 기판 위에 패턴화된 특정 영역에 선택적으로 형성된 콜로이드 자기조립 광결정의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 기판(10) 위에 소정 패턴의 상호 이격된 제1 도전막(21)과 제2 도전막(22)이 형성되고, 제1 도전막(21) 위에만 콜로이드 자기조립 광결정(30)이 형성된다.
본원에 의한 제1 발명인 콜로이드 자기조립 광결정 패턴닝 방법은, 소정의 패턴으로 형성된 도전막에 전압을 인가하여 극성을 띠는 콜로이드 입자와 전극간의 인력 또는 척력을 제어함으로써 콜로이드 자기조립 광결정의 형성 위치를 선택적으로 조절하는 방식이다. 이러한 방식에 의하면, 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(10) 위의 특정 부분(21)에만 콜로이드 자기조립 광결정(30)을 형성시킬 수 있다.
도 2는, 기판(10) 위의 패턴화된 전극(21, 22)에 의해 발생한 전기장과 dip-coating에 의한 특정 패턴의 콜로이드 자기조립 광결정(30)를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
기본적으로 콜로이드 자기조립 광결정(30)를 성장시키기 위해, 콜로이드 용 액(40), 기판(10) 및 콜로이드 입자간의 capillary force를 이용하는 dip-coating 방법이 사용된다. 먼저, 기판(10) 위에 소정 두께로 도 2에 도시한 바와 같은 패턴의 제1 및 제2 도전막(21, 22)을 증착한다. 제1 및 제2 도전막(21, 22)이 형성된 기판(10)을 콜로이드 입자(42)가 분산되어 있는 콜로이드 용액(40)에 수직으로 담그고 서서히 수직상승 시킨다. 그러면, 제1 및 제2 도전막(21, 22)이 형성된 기판(10)에는 콜로이드 용액과 기판(10) 및 콜로이드 입자간의 capillary force에 의해 콜로이드 자기조립 광결정이 형성되기 시작한다.
이 때, 콜로이드 자기조립 광결정을 형성하고자 하는 영역인 제1 금속판(21)에 양의 전극이, 제2 금속판(22)에는 음의 전극이 형성되도록 직류 전압을 인가하고, 서서히 기판을 수직 방향으로 이동시면, 음 전하의 콜로이드 입자(42)와 인력이 작용하는 양의 전극(21)에서는 콜로이드 입자(42)가 전극 표면으로 보다 많이 유입되면서 콜로이드 자기조립 광결정(30)이 형성된다. 반면 콜로이드 입자와 척력이 작용하는 음의 전극(22)에서는 콜로이드 입자(42)가 전극 표면으로 유입되지 못하게 되어 콜로이드 자기조립 광결정이 형성되지 않는다.
상기한 콜로이드 용액(40)은 물 또는 알콜 등의 용매(41)에 직경이 수 백 nm인 실리카(silica) 또는 폴리스타이렌(polystyrene) 등의 콜로이드 입자(42)가 함유된 수 %농도의 용액이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는, 용매인 물(41)에 음전하를 가지는 직경 약 300 nm의 폴리스타이렌 콜로이드 입자(42)가 0.3wt%로 함유된 것을 사용하여, 폭 300 μm로 패터닝된 양의 전극(21) 상에만 형성된 콜로이드 자기조립 광결정(300)을 형성하였다.
또한, 전극의 패턴을 다양화하고 콜로이드 자기조립 광결정이 형성되는 부분에 맞게 전압을 인가하면서 위와 같이 dip-coating을 반복하면, 여러 가지 종류와 사이즈의 콜로이드 자기조립 광결정을 동일 기판에 다양하게 형성 할 수 있다.
이하에서는 상기한 제1 발명을 이용한 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법에 대하여 제2 및 제4 실시예를 통하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3g는, 제2 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도이다. 그리고, 도 4a 내지 도 4g는, 제3 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도이다. 제2 및 제3 실시예에서는 서로다른 종류의 콜로이드 입자 C1와 C2, 서로 다른 종류의 나노 입자 N1과 N2를 사용하여 광결정 내부에 빈공간의 광전송로를 갖는 3차원 광결정 광도파로의 제작 방법을 제공한다.
먼저, 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 제2 실시예를 설명한다.
도 3a의 단면도에서, 기판(100) 위에 광전송로가 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제1 도전막(120)과 제1 도전막(120)의 양측에 광결정만이 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제2 도전막(110a, 110b)을 소정 간격 이격시켜 증착한다.
동일 전하를 갖지만 서로 다른 열적 또는 화학적 특성을 갖는 콜로이드 입자 C1(132)과 나노 입자 N1(134)이 적정비율로 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액 A에 기판(100)을 수직으로 담가 기판(100)을 일정 속도로 이동(drawing)시켜 dip-coating 할 때, 제2 도전막(110a, 110b)에는 콜로이드 입자 C1(132)과 나노 입자 N1(134)이 갖는 전하에 전기적 인력이 작용하도록 전압을 인가하고, 제1 도전막(120)에는 콜로이드 입자 C1(132)과 나노 입자 N1(134)이 갖는 전하에 전기적 척력이 작용하도록 전압을 인가한다. 그러면, 제2 도전막(110a, 110b)에만 콜로이드의 자기조립이 일어나 오팔구조의 광결정이 형성되면서 C1(132) 콜로이드 입자들 사이의 틈에 나노 입자 N1(134)이 침투되어 빈공간이 채워진 오팔구조의 광결정(130a, 130b)을 도 3b와 같이 형성할 수 있다.
도 3b와 같이 형성된 시료를 위와 동일한 콜로이드 용액 A를 이용하여 다시 dip-coating하면, 이미 제2 도전막(110a, 110b)에 형성된 광결정(130a, 130b)이 채널 역할을 하여 제2 도전막(110a, 110b)에 형성된 광결정(130a, 130b) 사이에만 도 3b에 도시된 바와 같이 광결정(140)이 형성된다. 이때, 콜로이드 용액 A의 농도를 도 3b 과정에서의 농도보다 묽게 하거나 기판의 drawing 속도를 도 3b 과정에서의 속도보다 빠르게 하여 형성되는 광결정의 두께를 도 3b의 경우 보다 작게 조절한다. 여기에서의 두께의 차이는 형성할 광전송로의 두께에 대응한다.
다음은, 상기한 콜로이드 입자 C1(132) 및 나노 입자 N1(134)과 각각 서로 다른 열적 또는 화학적 특성을 갖는 콜로이드 입자 C2(152)와 나노 입자 N2(154)가 적정비율로 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액 B를 이용하여 도 3c 과정과 같이 dip-coating하면 도 3d와 같이 2 종류의 콜로이드 입자(132, 152) 및 2 종류의 나노 입자(134, 154)가 혼합된 구조의 광결정(130a, 130b, 150)을 형성하게 된다.
도 3d의 시료를 도 3c 과정과 같이 콜로이드 용액 A를 이용하여 다시 dip-coating하여 도 3d의 시료의 전영역에 소정 두께의 광결정(160)을 형성한다(도 3e).
다음 과정은, 콜로이드 입자 C2(152)와 나노 입자 N2(154)를 제거할 수 있지만, 콜로이드 입자 C1(132) 및 나노 입자 N1(134)에는 영향을 주지 않는 열적 또는 화학적 방법을 이용하여, 콜로이드 입자 C2(152)와 나노 입자 N2(154)를 제거하여 도 3f와 같이 광결정 내에 빈공간의 광전송로(170)를 형성한다.
마지막으로, 도 3f의 시료에서 콜로이드 입자 C1(132)은 제거할 수 있지만, 나노 입자 N1(134)에는 영향을 주지 않는 열적 또는 화학적 방법을 이용하여, 콜로이드 입자 C1(132)을 제거시키면, 빈공간의 광전송로(170)를 포함하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로(180)가 형성된다.
도 4a 내지 도 4g를 참조하여, 제 3실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로(280)의 제작 공정을 설명한다.
기판(200) 위에 광전송로가 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제1 도전막(220)과 광결정만이 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제2 도전막(210a, 210b))을 소정 간격 이격시켜 증착한다(도 4a).
이러한 기판(200)을 동일 전하를 갖지만 서로 다른 열적 또는 화학적 특성을 갖는 콜로이드 입자 C1(232)과 나노 입자 N1(234)이 적정비율로 용매에 혼합되어 있 는 콜로이드 용액 A에 수직으로 담가 기판을 일정 속도로 이동(drawing)시켜 dip-coating을 수행하여 기판(200) 전체에 소정 두께의 광결정(230)을 성장시킨다(도 4b).
다음은, 도 4b와 같이 형성된 시료를 콜로이드 입자 C1(232)과 나노 입자 N1(234)이 적정비율로 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액을 이용하여 다시 dip-coating한다. 이 때, 제2 도전막(210a, 210b)에는 콜로이드 입자 C1(232)과 나노 입자 N1(234)이 갖는 전하에 전기적 인력이 작용하도록 전압을 인가하고 제1 도전막(220)에는 콜로이드 입자 C1(232)과 나노 입자 N1(234)이 갖는 전하에 전기적 척력이 작용하도록 전압을 인가하면, 제2 도전막(210a, 210b)에만 콜로이드의 자기조립이 일어나 오팔구조의 광결정이 형성되면서 C1(232) 콜로이드 입자들 사이의 틈에 나노 입자 N1(234)이 침투되어 빈공간이 채워진 오팔구조의 광결정(230a, 230b)을 도 4c와 같이 형성할 수 있다.
이하 도 4d 내지 도 4g에 도시된 공정은, 제2 실시예의 도 3d 내지 도 3g에 도시한 공정과 동일하므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
도 5a 내지 도 5h는, 제4 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도이다. 그리고, 도 6a 내지 도 6h는, 제5 실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파의 제작공정을 순차적으로 도시한 공정도이다.
제4 및 제5 실시예에서는, 서로 다른 종류의 콜로이드 입자 C1 및 C2 그리고 침투성 물질로 채워진 광전송로를 포함하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로를 제작하는 방법을 제공한다.
이하에서 도 5a 내지 도 5h를 참조하여 제4 실시예를 설명한다.
도 5a의 단면도에서, 기판(300) 위에 광전송로가 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제1 도전막(320)과 광결정만이 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제2 도전막(310a, 310b))과 을 소정 간격 이격시켜 증착한다.
전하를 띠는 소정의 열적 또는 화학적 특성을 갖는 콜로이드 입자 C1(132)이 적정비율 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액 C에 기판(300)을 수직으로 담가 기판을 일정 속도로 이동(drawing)시켜 dip-coating 할 때, 제2 도전막(310a, 310b)에는 콜로이드 입자 C1(332)이 갖는 전하에 전기적 인력이 작용하도록 전압을 인가하고 제1 도전막(320)에는 콜로이드 입자 C1(332)이 갖는 전하에 전기적 척력이 작용하도록 전압을 인가하면, 제2 도전막(310a, 310b)에만 콜로이드의 자기조립이 일어나 오팔구조의 광결정(330a, 330b)이 형성된다.
도 5b와 같이 형성된 시료를 콜로이드 입자 C1(332)이 적정비율 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액 C를 이용하여 다시 dip-coating하면 이미 제2 도전막(310a, 310b)에 형성된 광결정(330a, 330b)이 채널 역할을 하여 제2 도전막(310a, 310b)에 형성된 광결정(330a, 330b) 사이에만 도 5b에 도시된 바와 같이 광결정(340)이 형성된다. 이때, 콜로이드 용액의 농도를 도 5b 과정에서의 농 도보다 묽게 하거나 기판의 drawing 속도를 도 5b 과정에서의 속도보다 빠르게 하여 형성되는 광결정의 두께를 도 5b의 경우 보다 작게 조절한다.
다음은, 상기한 콜로이드 입자 C1(332)와 다른 열적 또는 화학적 특성을 갖는 콜로이드 입자 C2(352)가 적정비율 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액 D를 이용하여 도 5c 과정과 같이 dip-coating하면, 도 5d와 같이 2 종류의 콜로이드 입자(332, 352)가 혼합된 구조의 광결정(330a, 330b, 350)을 형성하게 된다.
도 5d의 시료를 도 5c 과정과 같이 콜로이드 입자 C1(332)이 적정비율 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액 C를 이용하여 다시 dip-coating하여 도 5d의 시료의 전영역에 소정 두께의 광결정(360)을 형성한다(도 5e).
다음 과정은, 콜로이드 입자 C2(352)는 제거할 수 있지만, 콜로이드 입자 C1(332)는 영향을 주지 않는 열적 또는 화학적 방법을 이용하여, 콜로이드 입자 C2(352)를 제거하여 도 5f와 같이 광결정 내에 빈공간의 광전송로(370)를 형성한다(도 5f).
다음은, 폴리머와 같은 물질(380)이 빈공간의 광전송로(370) 및 이미 형성된 광결정의 콜로이드 입자들(332, 352) 사이에 침투하도록 한다(도 5g).
마지막으로, 도 3g의 시료에서 콜로이드 입자 C1(332)은 제거할 수 있지만, 나노 입자 N(334)에는 영향을 주지 않는 열적 또는 화학적 방법을 이용하여, 콜로이드 입자 C1(132)을 제거시키면, 나노 입자 N(334)로 구성된 광전송로(370')를 포 함하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로(390)가 형성된다.
도 6a 내지 도 6g를 참조하여, 제 5실시예에 따른 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로(490)의 제작 공정을 설명한다.
기판(400) 위에 광전송로가 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제1 도전막(420)과 광결정만이 존재하게 될 부분에 대응되는 패턴의 제2 도전막(410a, 410b))을 소정 간격 이격하여 증착한다(도 6a).
이러한 기판(400)을 동일 전하를 갖지만 서로 다른 열적 또는 화학적 특성을 갖는 콜로이드 입자 C1(432)이 적정비율 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액에 dip-coating을 수행하여 기판(400) 전체에 소정 두께의 광결정(430)을 성장시킨다(도 6b).
다음은, 도 6b와 같이 형성된 시료를 콜로이드 입자 C1(432)이 적정비율 용매에 혼합되어 있는 콜로이드 용액을 이용하여 다시 dip-coating한다. 이 때, 제2 도전막(410a, 410b)에는 콜로이드 입자 C1(432)이 갖는 전하에 전기적 인력이 작용하도록 전압을 인가하고, 제1 도전막(420)에는 콜로이드 입자 C1(432)이 갖는 전하에 전기적 척력이 작용하도록 전압을 인가하면, 제2 도전막(410a, 410b)에만 콜로이드의 자기조립이 일어나 오팔구조의 광결정이 형성된다(도 6c).
이하 도 6d 내지 도 6h에 도시된 공정은, 제4 실시예의 도 5d 내지 도 5h에 도시한 공정과 동일하므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 콜로이드 자기조립 방식에서 템플릿을 설정하는 공정없이 패턴닝된 전극에 의한 콜로이드 입자의 제어를 통해서 패터닝된 자기조립 광결정을 형성할 수 있으므로, 제작상 많은 시간과 비용을 절감할 수 있다. 한편, 기판에 패터닝되는 전극의 설계에 따라 다양한 형태의 콜로이드 광결정의 제작이 가능하고, 다양한 크기 또는 종류의 콜로이드 광결정들을 동일 기판상에 형성할 수 있다.
그리고, 본 발명에 의한 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로는, 굴곡의 각도와 상관없이 손실이 매우 적은 광전송이 가능하므로, 광의 분기, 결합, 반사, 위상변조, 레이징 또는 증폭 등이 다양한 목적기능을 수행할 수 있는 광회로망을 구성할 수 있어 광인터컨넥트, 광집적회로(photonic IC) 등의 개발에 필수적 기술을 제공할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고, 또한 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 기판 위에 형성될 콜로이드 자기조립 광결정의 패턴에 대응하는 영역과 그 이외의 영역에 각각 상호 분리된 제1 및 제2 도전막을 증착하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 도전막이 증착된 상기 기판상에 Dip-coating 방법으로 상기광결정을 성장시킬 때, 상기 제1 및 제2 도전막에 각각 특정의 직류 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 자기조립 광결정의 패터닝 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 콜로이드 자기조립 광결정이 형성되는 상기 제1 도전막에는 콜로이드 입자가 갖는 전하에 전기적 인력이 작용하는 전압이 인가되고, 제2 도전막에는 콜로이드 입자가 갖는 전하에 전기적 척력이 작용하는 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 자기조립 광결정의 패터닝 방법.
  3. (a) 기판 위에 형성될 광전송로의 패턴에 대응되는 제1 도전막과 상기 제1 도전막과 분리되어 상기 제1 도전막 양단에 배치되는 제2 도전막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 및 제2 도전막에 인가되는 전압의 극성을 제어하여, 상기 기판 위에 상기 제1 도전막의 상부가 함몰된 형태를 가지며, Dip-coating 방법으로 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자로 구성되는 오팔구조의 제1 광결정을 형성하는 단계;
    (c) 상기 함몰 영역에 상기 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자와 다른 특정의 제거방법을 가지는 제2 콜로이드 입자와 제2 나노 입자로 구성되는 오팔구조의 제2 광결정을 형성하는 단계;
    (d) 상기 제1 및 제2 광결정 위에 상기 제1 콜로이드 입자와 제1 나노 입자로 구성되는 상기 제1 광결정을 형성하는 단계;
    (e) 상기 제2 콜로이드 입자와 제2 나노 입자로 구성되는 상기 제2 광결정을 제거하여 빈공간의 상기 광전송로를 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 제1 광결정을 구성하는 상기 제1 콜로이드 입자를 제거하여 역전된 오팔구조의 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    (b-1) 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 소정 두께로 구성되는 상기 제1 광결정을 형성하는 단계; 및
    (b-2) 상기 (b-1)단계에서 형성된 제1 광결정 사이에 상기 (b-1)단계에서 형성된 제1 광결정 보다 상기 광전송로의 두께 만큼 얇은 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    (b-1') 상기 기판 전체에 소정 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계; 및
    (b-2') 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자 및 제1 나노 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 상기 광전송로의 두께에 대응되는 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 (e)단계 및 상기 (f)단계는,
    열적 제거방법 및 화학적 제거방법 중 어느 하나를 이용하여 해당 입자들을 제거하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  7. (g) 기판 위에 형성될 광전송로의 패턴에 대응되는 제1 도전막과 상기 제1 도전막과 분리되어 상기 제1 도전막 양단에 배치되는 제2 도전막을 형성하는 단계;
    (h) 상기 제1 도전막의 상부에 함몰부가 형성되도록 상기 기판 위에 제1 콜로이드 입자로 구성되는 오팔구조의 제1 광결정을 형성하는 단계;
    (i) 상기 함몰부에 제2 콜로이드 입자로 구성되는 오팔구조의 제2 광결정을 형성하는 단계;
    (j) 상기 제1 및 제2 광결정 위에 상기 제1 콜로이드 입자로 구성되는 상기 제1 광결정을 형성하는 단계;
    (k) 상기 제2 광결정을 제거하여 빈공간의 상기 광전송로를 형성하는 단계;
    (l) 상기 제1 광결정의 틈 및 상기 광전송로를 소정의 물질로 채우는 단계; 및
    (m) 상기 제1 콜로이드 입자를 제거하여 역전된 오팔구조의 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (h)단계는,
    (h-1) 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 소정 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계; 및
    (h-2) 상기 (h-1)단계에서 형성된 제1 광결정 사이에 상기 (h-1)단계에서 형성된 제1 광결정 보다 상기 광전송로의 두께 만큼 얇은 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 (h)단계는,
    (h-1') 상기 기판 전체에 소정 두께로 상기 제1 광결정을 형성하는 단계; 및
    (h-2') 상기 제1 도전막에는 상기 제1 콜로이드 입자와 전기적 척력이 작용하는 전압을 인가하고, 상기 제2 도전막에는 전기적 인력이 작용하는 전압을 인가하여, 상기 제2 도전막 위에 상기 광전송로의 두께에 대응되는 두께의 상기 제1 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 (k)단계 및 상기 (m)단계는,
    열적 제거방법 및 화학적 제거방법 중 어느 하나를 이용하여 해당 입자들을 제거하는 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 (l)단계의 소정의 물질은 폴리머인 것을 특징으로 하는 역전된 오팔구조의 3차원 광결정 광도파로 제작방법.
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