KR101314515B1 - 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 그 표면이 게르마늄을 포함하는 적외선 광학계용 광소자와, 게르마늄과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 게르마늄보다는 작은 실리콘으로, 상기 광소자의 표면에 형성되는, 이종재료 반사방지 미세구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자를 제공한다. 또한, 본 발명은, 적어도 그 표면이 게르마늄을 포함하는 적외선 광학계용 광소자를 준비하는 제1단계와, 게르마늄과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 게르마늄보다는 작은 실리콘으로, 상기 광소자의 표면에 이종재료 반사방지 미세구조물을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 제조방법을 제공한다. 바람직하게는, 상기 제2단계는, 상기 광소자 위에 상기 실리콘의 층을 형성하는 단계; 상기 실리콘의 층 위에 배리어패턴을 형성하는 단계; 및 상기 실리콘을 식각하여 상기 이종재료 반사방지 미세구조물을 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 적외선 이미징 장치와 같은 적외선 광학계용 광소자의 표면에서 발생하는 반사를 최소화하여 광효율을 향상시키는 기능성 미세구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 사용되는 굴절 광학계는, 빛이 서로 다른 굴절률의 매질을 통과할 때 입사각에 따라 빛이 굴절하는 현상을 이용하여 빛을 제어하는 개념을 바탕으로 하고 있다. 하지만 굴절률이 서로 다른 매질을 통과할 때, 빛은 프레넬 반사(Fresnel reflection)로 인한 손실이 발생하게 된다. 프레넬 반사는 간단히 말해, 광소자의 계면에서 급작스러운 굴절률의 차이에 기인한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 일반적으로 서로 다른 굴절률의 소재를 다층으로 적층하여, 빛의 상쇄 간섭을 통해 반사되는 빛을 제거하는 방식이 널리 사용된다. 그러나, 이는 상대적으로 비용이 많이 들고 생산성이 떨어지는 단점을 갖는다.
광소자 계면에서 발생하는 프레넬 반사 자체를 방지하는 또 다른 방법으로, 미세구조물을 활용하는 방법이 있다.
일반 가시광 광학계에서 포토닉 크리스탈로 알려진 주기적인 광학 나노 구조물(periodic optical nano structures)을 이용한 방법이 있다. 이때 광학 나노 구조물의 주기가 사용되는 빛의 파장의 반 이하로 회절 현상에 의한 광소자의 광특성 변화가 없는 구조가 사용된다.
적외선 광학계에서도 유사한 미세구조물이 사용될 수 있다. 즉, 유사한 광학 이론의 적용이 가능하다. 하지만 사용되는 빛의 파장과 광소자의 소재에서 많은 차이를 보인다. 특히, 적외선 이미징 장치의 가장 큰 부분을 차지하고 있는 영역은 인체와 관련된 분야, 즉, 인체 열 감지 카메라, 혹은 의료용 적외선 카메라, 등 사람의 체온에서 방출되는 적외선을 활용하는 경우이다. 일반적으로 인간의 체온을 기준으로 이미징에 사용되는 파장은 8~13㎛ 수준이며, 해당 파장에서 사용되는 광소자의 소재는 일반적으로 게르마늄(germanium)이다.
현재 게르마늄을 이용한 적외선 광학계에서, 반사반지 코팅을 대체하기 위해 다양한 형태의 미세구조물이 설계되었고, 평가되었다. 대부분의 연구는 식각 공정을 이용하여 미세구조물을 게르마늄 표면에 제작하는 방식이었다. 하지만 이 방법은, 게르마늄 특성상 구체적 형상을 구현하기 위한 비등방성 식각이 쉽지 않다는 한계점이 있다.
본 발명은 상기한 배경하에서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 생산성을 향상시키고, 제조 비용을 절감할 수 있는 기능성 미세구조물을 구비한 광소자와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 그 표면이 제1물질을 포함하는 적외선 광학계용 광소자와, 상기 제1물질과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 상기 제1물질보다는 작은 제2물질로, 상기 광소자의 표면에 형성되는, 이종재료 반사방지 미세구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자를 제공한다.
바람직하게, 상기 제1물질은 게르마늄을 포함하고, 상기 제2물질은 실리콘 또는 실리콘 화합물을 포함한다.
또한, 본 발명은, 적어도 그 표면이 제1물질을 포함하는 적외선 광학계용 광소자를 준비하는 제1단계와, 상기 제1물질과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 상기 제1물질보다는 작은 제2물질로, 상기 광소자의 표면에 이종재료 반사방지 미세구조물을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제2단계는, 상기 광소자 위에 상기 제2물질의 층을 형성하는 단계; 상기 제2물질의 층 위에 배리어패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제2물질을 식각하여 상기 이종재료 반사방지 미세구조물을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은, 생산성을 향상시키고, 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 공기 중 적외선 영역의 빛의 흡수 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 2는 게르마늄의 파장별 투과 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 3은 반사방지 처리가 되어있지 않은 게르마늄 광소자를 빛이 투과할 때, 매질 굴절률의 변화를 나타낸 그림이다.
도 4는 반사방지 미세구조물이 표면에 형성된 게르마늄 광소자의 도식도 및 빛이 해당 광소자를 투과할 때 매질 굴절률의 변화를 나타낸 그림이다.
도 5는 실리콘의 파장별 투과 스펙트럼을 보여주는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 7은 이의 제조방법을 보여주는 도면이다.
도 8은 SrTiO3의 투과 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 9는 빛이 도 6의 광소자를 투과할 때 겪게 되는 굴절률의 변화를 보여주는 도면이다.
도 10 및 도 11은 각각, 순수 게르마늄 미세구조물을 갖는 광소자와, 본 발명의 실리콘 미세구조물을 갖는 광소자의 반사도 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 12는 각각, 미세구조물을 갖지 않는 광소자와, 순수 게르마늄 미세구조물을 갖는 광소자와 본 발명의 실리콘 미세구조물을 갖는 광소자의 Power density를 비교한 그래프이다.
도 2는 게르마늄의 파장별 투과 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 3은 반사방지 처리가 되어있지 않은 게르마늄 광소자를 빛이 투과할 때, 매질 굴절률의 변화를 나타낸 그림이다.
도 4는 반사방지 미세구조물이 표면에 형성된 게르마늄 광소자의 도식도 및 빛이 해당 광소자를 투과할 때 매질 굴절률의 변화를 나타낸 그림이다.
도 5는 실리콘의 파장별 투과 스펙트럼을 보여주는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 7은 이의 제조방법을 보여주는 도면이다.
도 8은 SrTiO3의 투과 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 9는 빛이 도 6의 광소자를 투과할 때 겪게 되는 굴절률의 변화를 보여주는 도면이다.
도 10 및 도 11은 각각, 순수 게르마늄 미세구조물을 갖는 광소자와, 본 발명의 실리콘 미세구조물을 갖는 광소자의 반사도 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 12는 각각, 미세구조물을 갖지 않는 광소자와, 순수 게르마늄 미세구조물을 갖는 광소자와 본 발명의 실리콘 미세구조물을 갖는 광소자의 Power density를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 공기 중 적외선 영역의 빛의 흡수 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 6~7㎛을 전후한 파장 대역의 적외선은 공기가 거의 흡수하고, 8~13㎛ 파장 영역의 적외선 흡수가 비교적 균일하기 때문에 이 파장 영역의 적외선을 적외선 이미징에 이용한다.
한편, 인체 또는 동물의 체온은 약 310K이다. 310K에서 흑체 복사의 피크 파장은 약 8~13㎛이다. 따라서, 통상적으로 인체 또는 동물을 대상으로 하는 적외선 이미징 장치는 이 파장 대역의 원적외선을 이용한다.
도 2는 게르마늄의 파장별 투과 스펙트럼을 나타낸다.
도시한 바와 같이, 게르마늄은 적외선 영역에서 균일한 투과도를 나타내며, 주 활용 파장인 8~13㎛ 영역에서 비교적 우수한 광 특성을 보여준다. 10㎛ 파장의 원적외선에 대한 게르마늄의 투과율은 약 40~45%에 달하는 것으로 알려지고 있다. 그러나, 반사코팅이 적절히 수행되면, 그 투과율은 90~98%까지 상승할 수 있는 것으로 보고되고 있다.
도 3은 반사방지 처리가 되어있지 않은 게르마늄 광소자(10)를 빛이 투과할 때 매질 굴절률의 변화를 나타낸 그림이다.
도시한 바와 같이, 공기에서 게르마늄으로 빛이 진행하면서, 급격한 굴절률의 변화를 겪게 된다. 이때 발생되는 반사율은 57%이다.
도 4는 반사방지 미세구조물(21)이 표면에 형성된 게르마늄 광소자(10)의 도식도 및 빛이 해당 광소자(10)를 투과할 때 매질 굴절률의 변화를 나타낸 그림이다.
빛이 매질을 통과하는 동안, 공기와 게르마늄의 계면에서 기능성 미세구조물에 의해 굴절률의 변화가 서서히 일어남을 확인할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 빛은 98%이상 투과가 가능하다.
하지만 전술한 바와 같이, 게르마늄 단일 물질로 이와 같은 미세구조물을 제작하는데는 많은 어려움이 있다. 제작상의 어려움으로 인해 해당 기술이 상용화에 크게 어려움을 겪고 있으며, 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 다음과 같은 이종재료 반사방지 미세구조물을 제안한다.
도 5는 실리콘의 파장별 투과 스펙트럼을 보여준다.
도시한 바와 같이, 실리콘은 8㎛ 과 9㎛ 사이의 파장 대역에서 흡수 피크를 보인다. 실리콘은 게르마늄보다 좋지 못한 투과 특성을 보이므로, 밀리미터 두께의 광소자의 소재로, 게르마늄이 실리콘보다 우수하다고 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 반사방지 미세구조물(23)을 갖는 적외선 광학계용 광소자(10)를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 7은 이의 제조방법을 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에서는 게르마늄 자체를 식각하여 반사방지 미세구조물을 제작하는 것이 아니라, 예컨대 건식 식각을 통한 비등방성 식각이 용이한 실리콘, 실리콘 화합물, 등과 같은 제2물질을 증착하고 이를 패터닝하여 이를 최종 반사방지 미세구조물로 활용한다.
반사방지 미세구조물의 형태에 대해서는 공지의 다양한 기술이 알려져 있으므로, 이에 대하여 상세한 설명은 생략한다.
광소자로는 전형적으로 굴절소자, 예컨대 굴절렌즈, 등이 이에 해당된다. 적외선 투과성을 위하여, 광소자는 적어도 그 표면이 제1물질을 포함한다. 전형적으로, 제1물질로는 게르마늄이 사용될 수 있다.
제2물질은, 제1물질과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 제1물질보다는 작은 물질이 사용된다.
특히, 제2물질은 9~12㎛의 파장 대역에서 적외선 투과성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 제2물질의 굴절률과 제1물질의 굴절률의 차이가 클수록 프레넬 반사가 많이 발생하므로, 두 굴절률 차이가 크지 않은 소재가 바람직하다.
이러한 조건에 따라서, 제2물질로는 실리콘, 실리콘 화합물, 등이 선택될 수 있다.
도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법을 살펴본다.
먼저, 적외선 광학계용 광소자(10)를 준비한다.
다음으로, 광소자 위에 제2물질의 층(23a)을 형성한다.
다음으로, 제2물질의 층 위에 배리어패턴(barrier pattern)(25)을 형성한다. 배리어패턴을 형성하는 방법은 종래의 다양한 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 포토레지스트를 제2물질의 층 위에 도포하고, 포토리소그래피 방법을 이용하여 배리어패턴을 형성할 수 있다. 또한, 레이저 간섭 리소그래피(홀로그래픽 리소그래피), UV 임프린팅, Thermal 임프린팅, 등을 이용하여 배리어패턴을 형성할 수 있다.
다음으로, 배리어패턴에 덮이지 않고 노출된 제2물질의 부위를 식각하여, 광소자의 표면에 이종재료 반사방지 미세구조물(23)을 형성한다.
도 8은 SrTiO3의 파장별 투과 스펙트럼을 보여준다.
전술한 바와 같이, 제2물질로는 이미징에 사용되는 적외선 파장(8~13㎛)의 대역에서 급격한 흡수가 발생하지 않고, 광소자(10)의 모재인 게르마늄과 굴절률 차이가 크지 않으며, 비등방성 식각이 용이한 소재가 바람직하다.
밀리미터 두께의 광소자의 소재로서, 실리콘이 최적의 소재로 볼 수 없음은 전술한 바와 같다. 이에 반하여, 실리콘은, 마이크로 두께의 미세구조물로 형성되는 제2물질로 매우 적합하다. 즉, 마이크로 두께로 형성되는 실리콘 미세구조물은 8~13㎛ 파장 대역에서 흡수가 크지 않고 굴절률 또한 3.42로 게르마늄의 굴절률과 차이가 적고 비등방성 식각이 용이하다. 따라서, 실리콘은 제2물질로 적합한 특성을 갖는다.
이에 반하여, 도 8에 도시한 바와 같이 SrTiO3는 7.5㎛ 이상의 파장 대역은 모두 흡수하기 때문에 제2물질로 사용이 불가하다.
도 9는 빛이 도 6의 광소자를 투과하면서 겪게 되는 굴절률의 변화를 보여준다.
도시한 바와 같이, 빛은 공기로부터 실리콘 미세구조물(23)을 통과하여 게르마늄 광소자(10)에 도달하게 된다. 이때, 실리콘 미세구조물(23)은 공기와 게르마늄의 버퍼 내지는 중간자 역할로서, 굴절률의 급격한 변화를 막아 프레넬 반사를 줄여주는 역할을 한다.
또한 시뮬레이션 결과, 실리콘은 게르마늄과 굴절률 차이가 크지 않아, 최종 투과도는 미세구조물 형상에 따라 유사한 값을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다.
도 10 및 도 11은 각각, 순수 게르마늄 미세구조물(21)을 갖는 광소자(10)와, 실리콘 미세구조물(23)을 갖는 광소자(10)의 반사도 시뮬레이션 결과를 보여준다. 또한, 도 12는 각각 미세구조물을 갖지 않는 광소자와, 순수 게르마늄 미세구조물을 갖는 광소자와 본 발명의 실리콘 미세구조물을 갖는 광소자의 Power density를 비교한 그래프이다.
시뮬레이션 결과, 본 발명의 실리콘 미세구조물을 갖는 광소자는, 미세구조물을 갖지 않은 광소자와 비교하여 우수한 적외선 투과도를 나타내며, 성능 차이 없이 순수 게르마늄 미세구조물을 갖는 광소자를 대체할 수 있음을 보여준다.
본 발명은, 제작이 용이한 실리콘을 게르마늄 소재의 광소자의 반사방지 미세구조물(23)로 사용함으로써, 광학적 효과뿐 아니라 생산적 이점을 확보하였다.
10: 광소자, 23: 이종재료 반사방지 미세구조물
Claims (10)
- 제1물질을 포함하는 적외선 광학계용 광소자와,
상기 제1물질과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 상기 제1물질보다는 작은 제2물질로, 상기 광소자의 표면에 형성되고, 상기 적외선 광학계용 광소자에 사용되는 적외선의 파장의 반 이하의 주기를 갖는, 이종재료 반사방지 미세구조물(Anti-Reflection Structures)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1물질은 게르마늄인 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2물질은 실리콘 또는 실리콘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2물질은 8~13㎛ 파장 대역에서 적외선 투과성을 갖는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자. - 제1물질을 포함하는 적외선 광학계용 광소자를 준비하는 제1단계와,
상기 제1물질과 이종재료의 물질로서, 적외선 투과성을 갖고, 비등방성 식각성을 가지며, 굴절률은 공기보다 크고 상기 제1물질보다는 작은 제2물질로, 상기 광소자의 표면에, 상기 적외선 광학계용 광소자에 사용되는 적외선의 파장의 반 이하의 주기를 갖는 이종재료 반사방지 미세구조물(Anti-Reflection Structures)을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 광소자 위에 상기 제2물질의 층을 형성하는 단계;
상기 제2물질의 층 위에 배리어패턴을 형성하는 단계; 및
상기 제2물질을 식각하여 상기 이종재료 반사방지 미세구조물을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1물질은 게르마늄인 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제2물질은 실리콘 또는 실리콘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 제조방법.
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| KR1020100007739A KR101314515B1 (ko) | 2010-01-28 | 2010-01-28 | 이종재료 반사방지 미세구조물을 갖는 적외선 광학계용 광소자 및 이의 제조방법 |
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Citations (3)
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| US5334342A (en) | 1991-08-16 | 1994-08-02 | Rockwell International Corporation | Method of fabricating of diamond moth-eye surface |
| KR19980015458A (ko) * | 1996-08-21 | 1998-05-25 | 김광호 | 반사방지막 및 이를 이용한 패턴형성방법 |
| JPH11500545A (ja) * | 1996-07-25 | 1999-01-12 | エイチイー・ホールディングス・インコーポレーテッド・ドゥーイング・ビジネス・アズ・ヒューズ・エレクトロニクス | 接着性の赤外線透過ポリマー層を含む赤外線透過構造 |
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2010
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Patent Citations (3)
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