KR101661677B1 - 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서 - Google Patents
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Abstract
본 기재의 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서는 기판, 상기 기판 상에 형성된 적외선 반사층, 상기 적외선 반사층으로부터 이격되게 위치된 저항층 및 상기 저항층 상에 형성되며, 복수의 개구 패턴이 형성된 메타표면(meta surface)을 포함하는 적외선 흡수체를 포함한다.
Description
본 발명은 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적외선 영역을 촬영하는데 사용되는 적외선 카메라 등에 탑재될 수 있는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서에 대한 것이다.
기존의 볼로미터(bolometer) 타입의 비 냉각 적외선 어레이 센서는 흡수구조 픽셀이 2차원 어레이 형태로 배열되어 적외선 정보를 영상으로 획득할 수 있다. 적외선 센서는 열을 갖는 물체에 의해 방사되는 적외선을 흡수하고 흡수된 적외선 열에너지에 따른 저항체의 온도 상승으로 전기저항이 변화되는 것을 전기적 신호로 감지하여 시각적인 영상으로 변환시킨다.
일반적으로 기존의 볼로미터 타입의 센서는 적외선을 효과적으로 흡수하기 위하여 솔즈베리 스크린(Salisbury screen) 흡수구조를 적용하여 적외선 8㎛ 에서14㎛의 광대역을 효율적으로 흡수한다. 이러한 흡수구조는 적외선을 반사시키는 금속층위에 흡수되는 적외선 파장의 ¼ 길이의 높이 위치에 볼로미터 저항체(가변 저항체)와 약 377Ω/□의 표면 저항(surface resistance)을 가지는 금속 흡수체(absorber)가 놓여진다.
수학식 
에 기재된 바와 같이 볼로미터 적외선 센서의 우수한 성능을 유지하기 위해 필요한 낮은 열전도도(G: thermal conductance)는 가변 저항체를 기판으로부터 열적 고립을 시켜야만 가능하다. 그로 인해 센서의 시상수(τ)는 커지고, 센서의 반응속도는 느려진다.
이러한 센서의 반응속도를 증가시키기 위해서는 기판으로부터 이격되어 있는 흡수체와 가변 저항체의 열 질량(C: thermal mass)을 줄이면 가능하다. 얇은 두께의 흡수체와 가변 저항체가 열 질량을 줄일 수 있지만, 근본적으로 센서의 성능 유지에 필요한 한정된 두께의 흡수체와 온도 가변 저항체가 필요 때문에 열 질량을 감소시키기 어려울 수 있다. 다른 방법으로 흡수체와 가변저항체에 적절한 크기의 구멍을 뚫어 열 질량을 줄일 수 있지만, 흡수체의 면적 비율(fill factor)이 줄어 적외선 흡수율이 낮아져 센서의 성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 적외선 흡수율 손실 없이 저항체와 흡수체의 열 질량 감소를 통한 센서의 반응속도 향상 및 감도가 증가될 수 있는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 적외선 감지 성능이 향상될 수 있는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서는 기판, 상기 기판 상에 형성된 적외선 반사층, 상기 적외선 반사층으로부터 이격되게 위치된 저항층 및 상기 저항층 상에 형성되며, 복수의 개구 패턴이 형성된 메타표면(meta surface)을 포함하는 적외선 흡수체를 포함한다.
한편, 상기 적외선 흡수체는 적외선 파장 7㎛ 내지 14㎛대역에서 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위의 유효 표면 저항을 가질 수 있다.
한편, 상기 메타표면에 형성되는 상기 복수의 개구 패턴 각각의 형상은 다각형, 십자 형상 및 원형 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 메타표면의 복수의 개구 패턴 각각은 정사각형인 단위 격자를 포함하고, 상기 메타표면의 유효 표면 저항(RS , eff) 값이 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위에 포함될 때, 최적 표면 저항(Rs)은 하기 조건을 만족할 수 있다.
한편, 상기 단위 격자의 테두리의 길이는 0 μm 을 초과하며 7 μm 보다 작은 범위에 포함될 수 있다.
한편, 상기 적외선 흡수체는 NiCr, Ni, Cr, Ti, TiN 및 Al 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 적외선 흡수체의 두께는 10nm 내지 100nm의 범위에 포함될 수 있다.
한편, 상기 저항층은 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 저항층에는 상기 적외선 흡수체의 복수의 개구 패턴과 대응되는 홀들이 형성될 수 있다.
한편, 절연 소재로 이루어져서 상기 저항층의 하면에 형성된 지지층, 상기 지지층과 상기 기판을 연결하도록 형성되어 상기 저항층이 상기 기판으로부터 이격되게 하는 지지부, 및 상기 지지층의 상면에 형성되며, 상기 저항층에 연결된 금속층을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서는 메타표면을 포함하는 적외선 흡수체를 포함한다. 메타표면에 의해 유효 표면 임피던스를 설계에 따라 자유롭게 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서는 적외선 흡수율의 손실없이 저항층의 열 질량 감소를 구현할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서의 반응속도 향상 및 감도를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 센서는 기존의 적외선 센서와 비교하여 적외선 흡수 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서를 도시한 사시도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 적외선 센서에서 Ⅱ-Ⅱ' 라인을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 복수의 개구 패턴 각각의 다양한 형상들을 도시한 도면이다.
도 4는, 도 1에 도시된 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 5는, 도 1의 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 메타표면의 파장에 따른 유효 표면 저항을 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예에 따른 적외선 흡수체와 실시예에 따른 적외선 흡수체를 도시한 도면이다.
도 7은, 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체와 실시예에 따른 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 8은 변형예에 따른 적외선 흡수체의 메타표면의 파장에 따른 유효 표면 저항을 도시한 그래프이다.
도 9는, 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체와 도 8에 도시된 변형예에 따른 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 10은, 도 1에 도시된 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 2는, 도 1에 도시된 적외선 센서에서 Ⅱ-Ⅱ' 라인을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 복수의 개구 패턴 각각의 다양한 형상들을 도시한 도면이다.
도 4는, 도 1에 도시된 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 5는, 도 1의 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 메타표면의 파장에 따른 유효 표면 저항을 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예에 따른 적외선 흡수체와 실시예에 따른 적외선 흡수체를 도시한 도면이다.
도 7은, 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체와 실시예에 따른 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 8은 변형예에 따른 적외선 흡수체의 메타표면의 파장에 따른 유효 표면 저항을 도시한 그래프이다.
도 9는, 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체와 도 8에 도시된 변형예에 따른 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 10은, 도 1에 도시된 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적인 실시예에서만 설명하고, 그 외의 다른 실시예에서는 대표적인 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 센서를 도시한 사시도이고, 도 2는, 도 1에 도시된 적외선 센서에서 Ⅱ-Ⅱ' 라인을 따라 취한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)는 기판(110), 적외선 반사층(120), 저항층(130) 및 적외선 흡수체(140)를 포함한다.
기판(110)은 전자 회로를 포함하는 일반적인 실리콘 기판(110)일 수 있다.
적외선 반사층(120)은 상기 기판(110) 상에 형성된다. 적외선 반사층(120)의 소재는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu)일 수 있다.
저항층(130)은 상기 적외선 반사층(120)으로부터 이격되게 위치된다. 이러한 저항층(130)은 일례로 볼로미터 저항층(130)일 수 있다. 볼로미터 저항층(130)은 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 실리콘-게르마늄(Si-Ge)중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
적외선 흡수체(140)는 상기 저항층(130) 상에 형성된다. 즉, 저항층(130)이 기판(110)으로부터 이격되어 있으므로, 적외선 흡수체(140)도 적외선 반사층(120)으로부터 이격될 수 있다. 적외선 흡수체(140)와 적외선 반사층(120) 사이에 공간이 형성될 수 있다. 이러한 공간에 측정 대상인 열이 고립될 수 있다. 상기 적외선 흡수체(140)는 흡수하고자하는 적외선 파장의 1/4 길이만큼 상기 적외선 반사층(120)으로부터 이격될 수 있다.
적외선 흡수체(140)는 메타표면(141, meta surface)을 포함한다. 메타표면(141)에는 복수의 개구 패턴이 형성된다. 개구 패턴은 적외선 흡수체(140)를 상하방향으로 관통된다. 상기 적외선 흡수체(140)는 NiCr, Ni, Cr, Ti, TiN 및 Al 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이때, 전술한 저항층(130)에는 상기 적외선 흡수체(140)의 복수의 개구 패턴과 대응되는 홀들이 형성될 수 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)의 구조를 더욱 상세하게 설명하면, 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)는 지지층(150), 지지부(160) 및 금속층(170)을 포함할 수 있다.
지지층(150)은 절연 소재로 이루어져서 상기 저항층(130)의 하면에 형성된다. 지지층(150)의 소재는 일례로 SiNx 및 SiOx 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 이러한 지지층(150)에도 상기 적외선 흡수체(140)의 복수의 개구 패턴과 대응되는 홀들이 형성될 수 있다. 즉, 복수의 개구 패턴은 적외선 흡수체(140), 저항층(130) 및 지지층(150)을 관통하도록 형성될 수 있다.
지지부(160)는 상기 지지층(150)과 상기 기판(110)을 연결하도록 형성된다. 지지부(160)의 형상은 일례로 기둥형상일 수 있다. 지지부(160)는 상기 저항층(130)이 상기 기판(110)으로부터 이격되게 한다. 지지부(160)는 기판(110) 상의 미도시된 전자 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.
금속층(170)은 상기 지지층(150)의 상면에 형성된다. 금속층(170)은 상기 저항층(130)에 연결된다. 금속층(170)은 지지부(160)와 전기적으로 연결될 수 있다. 금속층(170)은 온도 변화에 따른 저항층(130)의 저항의 변화를 기판(110)으로 전달할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)는 메타표면(141)을 포함하는 적외선 흡수체(140)를 포함한다. 메타표면(141)은 특정 파장에 대하여 파장보다 크기가 작은(sub-wavelength-sized) 특정 패턴이 주기적으로 배열된 것이다. 메타표면(141)은 전자기파와 상호작용하여 전자기파의 투과, 반사, 흡수 및 위상 제어를 통하여 유효 표면 임피던스(effective surface impedance)를 결정할 수 있다.
즉, 메타표면(141)에 의해 유효 표면 임피던스를 설계에 따라 자유롭게 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)는 적외선 흡수율의 손실없이 저항층(130), 흡수체(140), 및 지지층(150)의 열 질량 감소를 구현할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)의 반응속도 향상 및 감도를 증가시킬 수 있다.
일반적으로 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)의 성능을 가장 우수하게 구현하고자, 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)에 포함된 적외선 흡수체(140)의 유효 표면 저항이 대략 377 Ω/□ 가 되도록 한다. 적외선 흡수체(140)의 유효 표면 저항이 대략 377 Ω/□ 가 되어야 적외선 흡수체(140)에서의 적외선 흡수율이 최대가 될 수 있다.
다음의 수학식1에서와 같이 메타표면의 유효 표면 임피던스의 실수 부분이 유효 표면 저항이다.
(ZS , eff:유효 표면 임피던스, RS , eff:유효 표면 저항, XS , eff:유효 표면 리액턴스)
본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)는 메타표면(141)을 포함하는 적외선 흡수체(140)를 포함한다. 그리고, 메타표면(141) 설계시 유효 표면 저항 범위를 자유롭게 선택하여 제조할 수 있다. 이를 위한 메타표면(141)의 설계 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)에 포함된 적외선 흡수체(140)는 적외선 파장 7㎛ 내지 14㎛대역에서, 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위의 유효 표면 저항을 갖도록 이루어질 수 있다. 즉, 적외선 흡수체(140)에 포함된 메타표면(141)의 유효 표면 저항이 대략 377 Ω/□가 되도록 할 수 있다. 전술한 바와 같이 이러한 구조에 의해 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)의 적외선 감지 신뢰성이 최대가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 복수의 개구 패턴 각각의 다양한 형상들을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 메타표면을 구성하는 상기 복수의 개구 패턴 각각의 형상은 십자가 형상(a), 다각형(b) 및 원형(c) 중 선택된 어느 하나일 수 있다. 도 4는, 도 1에 도시된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 메타표면의 복수의 개구 패턴 각각은 정사각형인 단위 격자(142, 도 1 참조)를 포함할 수 있다. 이 경우, 메타표면의 유효 표면 저항(RS,eff) 값이 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위에 포함될 때, 최적 표면 저항(Rs)은 하기 수학식2를 만족할 수 있다.
여기서, Rs은 최적 표면 저항이고, a는 단위 격자의 테두리의 길이이며, L는 단위 격자의 내부의 길이이다.
본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서의 설계시에 최적 표면 저항, 단위 격자의 테두리의 길이 및 단위 격자 내부의 길이를 상기 수학식에 대입하여 유효 표면 저항값이 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위에 포함되도록 제조할 수 있다.
한편, 상기 단위 격자의 테두리의 길이는 0㎛을 초과하며 7㎛보다 작은 범위에 포함될 수 있다. 적외선 흡수체에서 흡수하고자하는 적외선 파장의 범위가 7㎛ 내지 14㎛ 대역이므로, 메타표면을 구성하는 단위 격자의 테두리의 길이는 적외선 파장의 범위의 최소 수치인 7㎛보다 작은 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 적외선 흡수체의 두께(t)는 10nm 내지 100nm의 범위에 포함될 수 있다. 상기 적외선 흡수체의 두께(t)가 10nm 내지 100nm의 범위에 포함된 경우, 메타표면의 유효 표면 저항값이 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위에 포함되도록 메타표면을 설계하는데 있어서 유리할 수 있다.
도 1로 되돌아가서, 이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서(100)에서 적외선 흡수체(140)에 포함된 메타표면(141)을 구성하는 단위 격자(142)들은 적외선 파장 대역에서 회절한계보다 적어도 큰 적외선 흡수체(140)의 픽셀 크기, 대략 15㎛ 내에서 가로 방향 및 세로 방향으로 복수개 형성될 수 있다. 이와 같은 복수의 단위 격자(142)들이 구비됨으로써, 적외선 흡수 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 5는, 도 1의 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 메타표면의 파장에 따른 유효 표면 저항을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 전술한 수학식2를 사용하여 단위 격자의 내부의 길이에 대한 단위 격자의 테두리의 길이의 비(L/a)를 0.7로 설정하였다. 그리고 125 Ω/□의 최적 표면 저항(RS)을 갖는 금속으로 이루어진 메타표면을 FEM(finite element method) 해석 법을 이용하여 메타표면의 투과계수와 위상정보를 도출하였다. 도 5의 그래프는 상기와 같은 방법에 의해 도출된 정보로 유효 표면 저항 추출법에 적용하여 도출한 그래프이다. FEM 해석법으로 유효 표면 저항을 도출하는 것은 일반적인 방법이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이 적외선 흡수체가 탑재된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서의 파장에 따른 유효 표면 저항값은 7㎛ 내지 14㎛ 범위에서 377 Ω/□에 인접하게 도출되었음을 확인할 수 있다. 즉, 앞서 설명한 수학식2를 사용하여 설계한 메타표면을 포함하는 적외선 흡수체를 제조하여 신뢰성 높은 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서를 제조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 적외선 흡수체의 복수의 개구패턴에 의하여 흡수체의 면적비(fill factor)가 감소되어 열 질량을 감소시킨다. 그리고 이와 동시에 적외선 흡수율은 감소하지 않는 것을 다음 그래프를 통하여 확인할 수 있다.
도 6은 비교예에 따른 적외선 흡수체와 실시예에 따른 적외선 흡수체를 도시한 도면이다.
도 6에서 비교예에 따른 적외선 흡수체(a)는 기존의 일반적인 솔즈베리 스크린(Salisbury screen)이 적용된 것이고, 실시예에 따른 적외선 흡수체(b)는 메타표면이 적용된 것이다.
도 7은, 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체와 실시예에 따른 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 7의 그래프는 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체(a)와 실시예에 따른 적외선 흡수체(b)를 FEM 해석 법으로 시뮬레이션(simulation)하여 파장에 따른 흡수율을 도시한 것이다.
도 7의 그래프에서 비교예에 따른 적외선 흡수체(a)와 실시예에 따른 적외선 흡수체(b)는 반사층으로부터 2.5㎛ 높이에 위치되어 있으며, 377 Ω/□의 표면 저항을 가지는 금속 흡수체로 이루어진다. 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 적외선 흡수체(b)는 복수의 개구패턴으로 흡수체의 면적비가 50% 정도 감소하였으나 적외선 파장 7㎛ 내지 14㎛대역에서 적외선 흡수체(a)와 유사한 흡수율을 보여주는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 변형예에 따른 적외선 흡수체의 메타표면의 파장에 따른 유효 표면 저항을 도시한 그래프이다.
도 8에 도시된 변형예에 따른 적외선 흡수체는 전술한 수학식2를 사용하여 단위 격자의 내부의 길이에 대한 단위 격자의 테두리의 길이의 비(L/a)를 0.9로 설정하였다. 그리고 40 Ω/□의 최적 표면 저항(RS)을 갖는 금속으로 이루어진 메타표면을 FEM (finite element method) 해석 법을 이용하여 메타표면의 투과계수와 위상정보를 도출하였다.
도 8의 그래프는 상기와 같은 방법에 의해 도출된 정보로 유효 표면 저항 추출법에 적용하여 도출한 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이 적외선 흡수체가 탑재된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서의 파장에 따른 유효 표면 저항값은 7㎛ 내지 14㎛ 범위에서 380 Ω/□에 인접하게 도출되었음을 확인할 수 있다.
도 8에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 흡수체의 복수의 개구패턴에 의하여 흡수체의 면적비(fill factor)가 감소되어 열 질량을 감소시키고 이와 동시에 적외선 흡수율은 감소하지 않는 것은 다음 그래프를 통하여 확인할 수 있다.
도 9는, 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체와 도 8에 도시된 변형예에 따른 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 9의 그래프는 도 6에 도시된 비교예에 따른 적외선 흡수체(a, 도 6 참조)와 도 8에 도시된 변형예에 따른 적외선 흡수체를 FEM 해석 법으로 시뮬레이션(simulation)하여 파장에 따른 흡수율을 도시한 것이다.
도 9의 그래프에서 비교예에 따른 적외선 흡수체(a, 도 6 참조)는 반사층으로부터 2.5㎛ 높이에 위치되어 있으며, 377 Ω/□의 표면 저항을 가지는 금속 흡수체로 이루어진다. 그리고, 변형예에 따른 적외선 흡수체는 반사층으로부터 2.5㎛ 높이에 위치되어 있으며, 380 Ω/□의 표면 저항을 가지는 금속 흡수체로 이루어진다.
도 9에 도시된 바와 같이, 변형예에 따른 적외선 흡수체는 비교예에 따른 적외선 흡수체(a, 도 6 참조)와 비교하여 복수의 개구패턴에 의하여 적외선 흡수체의 면적비가 80% 정도 감소하였으나, 적외선 파장 7㎛ 내지 14㎛대역에서 적외선 흡수체(a)와 유사한 흡수율을 보여주는 것을 확인할 수 있다.
도 10은, 도 1에 도시된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서에 포함된 적외선 흡수체의 파장에 따른 흡수율을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서는 흡수하고자 하는 적외선 7㎛ 내지 14㎛ 파장의 범위에서 적외선 흡수율이 90% 이상이다. 이러한 그래프로부터 본 발명의 일실시예에 따른 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서는 메타표면을 포함하는 적외선 흡수체를 포함함으로써, 기존의 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서와 비교하여 적외선 흡수율 손실 없이 저항체와 흡수체의 열 질량 감소를 통하여 센서의 반응속도 및 감도가 향상될 수 있다.
이상에서 본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였으나, 지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서
110: 기판 120: 반사층
130: 저항층 140: 적외선 흡수체
141: 메타표면 142: 단위 격자
150: 지지층 160: 지지부
170: 금속층
110: 기판 120: 반사층
130: 저항층 140: 적외선 흡수체
141: 메타표면 142: 단위 격자
150: 지지층 160: 지지부
170: 금속층
Claims (10)
- 기판,
상기 기판 상에 형성된 적외선 반사층,
상기 적외선 반사층으로부터 이격되게 위치된 저항층, 및
상기 저항층 상에 형성되며, 복수의 개구 패턴이 형성된 메타표면(meta surface)을 포함하는 적외선 흡수체를 포함하는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 흡수체는 적외선 파장 7 ㎛ 내지 14㎛대역에서 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위의 유효 표면 저항을 갖는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 메타표면에 형성되는 상기 복수의 개구 패턴 각각의 형상은 다각형, 십자 형상 및 원형 중 선택된 어느 하나인 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제3항에 있어서,
상기 메타표면의 복수의 개구 패턴 각각은 정사각형인 단위 격자를 포함하고,
상기 메타표면의 유효 표면 저항(RS , eff) 값이 330 Ω/□ 내지 430 Ω/□ 범위에 포함될 때, 최적 표면 저항(Rs)은 하기 조건을 만족하는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서.
(Rs: 최적 표면 저항, a: 단위 격자의 테두리의 길이, L: 단위 격자의 내부의 길이) - 제4항에 있어서,
상기 단위 격자의 테두리의 길이는 0㎛을 초과하며 7㎛보다 작은 범위에 포함된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 흡수체는 NiCr, Ni, Cr, Ti, TiN 및 Al 중 선택된 어느 하나로 이루어진 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적외선 흡수체의 두께는 10nm 내지 100nm의 범위에 포함된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 저항층은 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 니켈 산화물 및 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 중 선택된 어느 하나로 이루어진 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제4항에 있어서,
상기 저항층에는 상기 적외선 흡수체의 복수의 개구 패턴과 대응되는 홀들이 형성된 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서. - 제1항에 있어서,
절연 소재로 이루어져서 상기 저항층의 하면에 형성된 지지층,
상기 지지층과 상기 기판을 연결하도록 형성되어 상기 저항층이 상기 기판으로부터 이격되게 하는 지지부, 및
상기 지지층의 상면에 형성되며, 상기 저항층에 연결된 금속층을 포함하는 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서.
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| KR1020150089708A KR101661677B1 (ko) | 2015-06-24 | 2015-06-24 | 메타표면 흡수체를 포함한 볼로미터형 적외선 센서 |
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