KR101903116B1 - 광대역 근적외선 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법 - Google Patents
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Abstract
광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에서, 기판 상에 제1 패턴을 형성한다. 상기 제1 패턴이 형성된 기판 상에 금속 박막을 증착시킨다. 상기 금속 박막이 증착된 기판으로부터 상기 제1 패턴을 제거하여 상기 기판 상에 상기 금속 박막이 증착된 제2 패턴만 남긴다. 상기 제2 패턴이 형성된 상기 기판을 가열하여 비젖음(dewetting) 현상을 유발하여 금속 나노입자들을 형성한다.
Description
본 발명은 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 나노입자-유전체의 계면에서 발생하는 입자 플라즈몬 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 현상 및 계면을 따라 전파되는 전기장 신호의 전송 거리를 제어하기 위해, 고체 비젖음 현상 기반의 반-비주기적 금속 나노입자 배열체를 형성하고, 이를 이용하여 광대역 근적외선 대역의 신호를 전달할 수 있는 플라즈모닉 광도파로를 제작하여, 신호 손실을 최소화하면서도 상대적으로 작은 스케일의 표면 전기장 신호의 전파를 가능하게 하는 기술을 구현할 수 있는 광대역 근적외선 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에 관한 것이다.
차세대 광 정보 처리장치 및 양자 정보처리 장치 기술 연구를 위해서는 마이크로미터 스케일에서 타겟(target)이 되는 광원을 원하는 거리만큼 전달하는 제어 기술 확보가 필수적이다.
이에, 절연체와 금속 나노구조체가 결합된 플라즈모닉(Plasmonic) 구조체는 기본적으로 금속-유전체 계면에 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP)이 형성되며, 이와 같이 형성된 표면 플라즈몬 폴라리톤의 수평 방향 전파를 제어할 수 있다는 장점이 있다.
표면 플라즈몬 폴라리톤의 수평 방향 전파를 제어하기 위해, 종래에는 금속 나노입자의 2차원 주기적 배열을 통한 회절격자 형성, 금속 박막의 너비 조절을 통한 박막형 광도파로 형성, 패턴의 주기와 방향의 다양화를 통한 근접장 제어 등의 기술이 연구되었다.
기본적으로, 1μm 이하의 특성 크기를 비교적 대면적으로 정확하게 형성시켜야하는 기술적 요구 조건으로 인해, 일반적으로 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography) 방법으로 정밀한 조절이 필수적으로 요구된다.
그러나, 제작 비용이 크고, 구조체 제작 시 발생하는 오차에 제어 성능이 민감하게 변하며, 한 번 형성된 구조체는 특정 파장대역에만 유효하다는 단점이 있어, 상업적으로 폭넓게 활용되기에는 많은 제약이 있다.
최근, 기존의 한계를 극복하기 위해, 비주기적인 2차원 금속 나노입자 배열을 형성하고, 광대역 입사광 파장에 대해 근접장을 형성하는 방법이 제안되었다.
대한민국 등록특허 제10-1533233호에서와 같이, 기존의 주기적 2차원 금속 나노입자 배열체를 이용한 광도파로는 특정 파장 대역에 초점을 맞춰 표면 플라즈몬 폴라리톤과 근접장을 제어할 수 있었던 것에 비해, 비주기적 금속 나노입자 배열은 특성상, 광대역 입사 파장에 대한 제어 성능을 보일 수 있다. 그러나 상기 비주기적 금속 나노입자 배열은 주기가 완전히 없는 특성 때문에, 표면 플라즈몬 폴라리톤 전자기파의 전파 시에 신호의 손실이 커지는 단점이 있다.
따라서, 신호의 손실을 최소화하면서 통신 대역 혹은 광 정보 처리 대역에 해당하는 근적외선 광대역 입사광을 표면에서 제어하고 전파 거리를 제어하기 위해서는, 완전히 주기적인 금속 나노입자 배열체 혹은 완전히 비주기적인 금속 나노입자 배열체는 적합하지 않고, 이 두 구조체 사이의 중간 특성을 갖는 시스템이 요구된다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 금속-유전체의 계면에서 발생하는 국재 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 현상 및 표면 전기장 신호의 전파 거리를 제어하기 위해, 고체 비젖음 현상 기반의 반-비주기적 금속 나노입자 배열체를 형성하고, 이를 이용하여 광대역 근적외선 대역의 신호를 전달할 수 있는 플라즈모닉 광도파로를 제작하여, 신호 손실을 최소화하면서도 상대적으로 작은 스케일의 표면 전기장 신호의 전파를 가능하게 하는 기술을 구현할 수 있는 광대역 근적외선 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에서, 기판 상에 제1 패턴을 형성한다. 상기 제1 패턴이 형성된 기판 상에 금속 박막을 증착시킨다. 상기 금속 박막이 증착된 기판으로부터 상기 제1 패턴을 제거하여 상기 기판 상에 상기 금속 박막이 증착된 제2 패턴만 남긴다. 상기 제2 패턴이 형성된 상기 기판을 가열하여 비젖음(dewetting) 현상을 유발하여 금속 나노입자들을 형성한다.
일 실시예에서, 상기 기판 상에 제1 패턴을 형성하는 단계는 감광액을 상기 기판 상에 코팅하는 단계, 상기 기판 상에 코팅된 감광액을 경화시키는 단계. 마스크를 이용하여 상기 경화된 감광액의 일부를 1차 노광하여 상기 제1 패턴을 형성하는 단계, 상기 마스크를 제거한 상태에서 상기 제1 패턴 및 상기 감광액을 경화시키는 단계, 상기 제1 패턴 및 상기 감광액을 2차 노광하는 단계 및 상기 1차 노광 시 상기 마스크에 의해 광원에 노출되지 않은 상기 감광액을 상기 기판으로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 감광액을 기판 상에 코팅하는 단계에서, 상기 기판 상에 제1 용액을 도포한 후 상기 감광액을 도포하여 함께 스핀 코팅할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 용액은 메톡시 프로필 아세테이트(methoxy-propyl acetate) 용액일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 감광액을 기판 상에 코팅하는 단계 및 상기 감광액을 경화시키는 단계 사이에서, 아세톤을 이용하여 상기 기판 상에 코팅된 감광액의 가장자리 영역을 중앙 영역에 맞춰 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 패턴을 형성하는 단계에서 350 nm 내지 450 nm 사이의 파장을 갖는 UV 광원을 이용하여 노광할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 감광액을 상기 기판으로부터 제거하는 단계에서, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 (tetramethylammoniμm hydroxide) 현상액을 이용하여 상기 감광액을 상기 기판으로부터 벗겨낸 후, 탈 이온수를 이용하여 상기 기판 상에 남은 감광액을 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 패턴을 제거하는 단계에서, 초음파 발생기를 이용하여 상기 제1 패턴을 벗겨낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 나노입자들은 상기 금속 박막이 용융되면서 비주기적으로 배열되며 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 나노입자들을 형성하는 단계에서, 가열된 튜브 전기로 또는 가열판을 이용하여 가열할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 나노입자들의 크기 및 입자간 거리는 상기 가열 시간, 상기 금속 박막의 두께 및 상기 기판의 표면 상태에 의해 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 나노입자들 각각은 300 nm 이하의 반지름을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 박막은 은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 박막일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 고체 비젖음 현상을 이용하여 금속 박막으로부터 무작위성을 가진 금속 나노입자의 배열을 상대적으로 단순한 공정으로 대면적에 구현할 수 있다.
특히, 종래 포토리소그래피 공정을 이용하여 주기적인 금속 나노입자의 배열은 물론, 반-비주기적인 금속 나노입자의 배열도 동시에 형성할 수 있으며, 이 경우, 금속박막의 두께, 열처리 온도, 시간 등을 조절함으로써 금속 나노입자들 사이의 크기나 입자간의 거리를 효과적으로 제어하여 필요한 형태의 금속 나노입자들의 배열을 제작할 수 있다.
이상과 같이, 광도파로를 제작함으로써, 근적외선 광대역 입사광을 금속-유전체 계면에서 평면에 나란한 방향으로 비교적 먼 거리(최대 120 μm)까지 손실을 최소화하며(1200-1600 nm 범위의 근적외선 광신호에 대한 신호 손실도 3.8 dB 100μm-1 이하) 전달할 수 있다.
또한, 통신 대역에 활용될 수 있는 근적외선 단파장 입사 신호의 표면을 통한 안정적 전달이 가능하다.
또한, 화학 센서나 분광기에 활용될 수 있는 근적외선 광대역 입사광의 전달거리 차별화 혹은 전달 효율 차별화를 통한 평면 분광 효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에서 기판 상에 제1 패턴을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3i는 도 1의 광도파로의 제작 방법을 도시한 공정도들이다.
도 4는 도 1의 광도파로의 제작 방법에서, 노광 공정을 통해 형성되는 제1 패턴을 도시한 모식도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 광도파로의 제작 방법에서 제1 패턴이 네거티브 레지스트 또는 포지티브 레지스트인 경우를 도시한 모식도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 3f의 단계에서 형성되는 제1 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6c는 도 3h의 단계에서 형성되는 제2 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6d는 도 3i의 단계에서 형성되는 반-비주기적 금속 나노입자들을 도시한 이미지이다.
도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 도 9, 및 도 10a 및 도 10b는 도 1의 광도파로의 제작 방법을 통해 제작된 광도파로의 신호 전달 효율 향상 효과를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
도 2는 도 1의 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에서 기판 상에 제1 패턴을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3i는 도 1의 광도파로의 제작 방법을 도시한 공정도들이다.
도 4는 도 1의 광도파로의 제작 방법에서, 노광 공정을 통해 형성되는 제1 패턴을 도시한 모식도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 광도파로의 제작 방법에서 제1 패턴이 네거티브 레지스트 또는 포지티브 레지스트인 경우를 도시한 모식도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 3f의 단계에서 형성되는 제1 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6c는 도 3h의 단계에서 형성되는 제2 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6d는 도 3i의 단계에서 형성되는 반-비주기적 금속 나노입자들을 도시한 이미지이다.
도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 도 9, 및 도 10a 및 도 10b는 도 1의 광도파로의 제작 방법을 통해 제작된 광도파로의 신호 전달 효율 향상 효과를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 도 1의 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에서 기판 상에 제1 패턴을 형성하는 단계를 도시한 흐름도이고, 도 3a 내지 도 3i는 도 1의 광도파로의 제작 방법을 도시한 공정도들이고, 도 4는 도 1의 광도파로의 제작 방법에서, 노광 공정을 통해 형성되는 제1 패턴을 도시한 모식도이고, 도 5a 및 도 5b는 도 1의 광도파로의 제작 방법에서 제1 패턴이 네거티브 레지스트 또는 포지티브 레지스트인 경우를 도시한 모식도이고, 도 6a 및 도 6b는 도 3f의 단계에서 형성되는 제1 패턴을 도시한 이미지이고, 도 6c는 도 3h의 단계에서 형성되는 제2 패턴을 도시한 이미지이고, 도 6d는 도 3i의 단계에서 형성되는 반-비주기적 금속 나노입자들을 도시한 이미지이다.
도 1, 도 2 및 도 3a를 참조하면, 본 실시예에 의한 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법에서는, 먼저 기판(200) 상에 제1 패턴을 형성한다.
보다 구체적으로, 상기 기판(200) 상에 상기 제1 패턴을 형성하기 위해 감광액(100)을 기판(200) 상에 코팅한다(단계 S110). 이 경우, 상기 감광액(100)을 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 기판(200) 상에 일정량을 한 번에 공급하여 도포한다.
또한 이 경우 도시하지 않았으나, 상기 감광액(100)을 상기 기판(200) 상에 고르게 도포하기 위해 제1 용액을 이용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 용액을 상기 기판(200) 상에 도포한 후 상기 감광액(100)을 도포하고 스핀 코터를 이용하여 상기 제1 용액 및 상기 감광액(100)을 함께 스핀 코팅함으로써, 상기 기판(200) 상에 상기 감광액(100)이 보다 고르게 코팅될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 용액은 메톡시 프로필 아세테이트(methoxy-propyl acetate) 용액일 수 있다.
여기서, 상기 기판(200) 상에 코팅되는 상기 감광액(100)의 두께는 상기 스핀 코터의 회전속도에 따라 제어될 수 있으며, 이에 따른 상기 감광액(100)의 두께에 따라 후술하는 공정에서 제1 패턴의 형성을 위한 조건들이 제어될 수 있다.
한편, 상기 스핀 코터의 회전속도가 높을수록 상기 기판(200) 상에 코팅된 감광액(100)의 가장자리 영역이 중앙 영역 보다 두꺼워질 수 있으며 이에 따라 상기 제1 패턴의 균일도를 낮출 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 아세톤(acetone)을 이용하여 상기 중앙 영역 보다 상대적으로 두껍게 형성된 상기 가장자리 영역을 상기 중앙 영역의 높이에 맞춰 제거함으로써 상기 가장자리 영역 및 상기 중앙 영역을 평탄화할 수 있다.
다음으로, 도 1, 도 2 및 도 3b를 참조하면, 상기 기판(200) 상에 코팅된 감광액(100)을 경화시킨다(단계 S120). 이 경우, 도시하지 않았으나 상기 기판(200)의 단부와 대향되도록 배치한 히터(미도시)에서 나오는 열원(10)을 상기 기판(200)의 단부로 집약시킴으로써 상기 감광액(100)을 경화시킬 수 있다.
즉, 상기 히터를 상기 기판(200)의 하부측에 위치시켜 상기 기판(200)의 하부로부터 열을 인가하여 상기 감광액(100)을 1차적으로 경화시킬 수 있다. 다만, 도시하지는 않았으나, 상기 히터는 상기 기판(200)의 상부에 위치시킬 수도 있으며 상기 기판(200)을 열이 제공되는 챔버의 내부에 위치시켜 상기 감광액(100)에 대한 1차 경화를 수행할 수 있음은 자명하다.
이 후, 도 1, 도 2 및 도 3c를 참조하면, 상기 경화된 감광액(100) 상에 배열 패턴(310)을 가지는 마스크(300)를 배치하고, 상기 마스크(300)의 상부에 광원을 조사하여 1차로 노광 공정을 실시한다(단계 S130). 이때, 상기 기판(200) 상에 상기 1차 노광 공정이 이루어지면서 상기 마스크(300)에 가려지지 않은 부분, 즉 노광이 이루어진 부분은 감광액(100)으로 남게 되고, 상기 마스크(300)의 상기 배열 패턴(310)에 의해 가려진 부분, 즉 노광이 이루어지지 않은 부분은 제1 패턴(110)으로 형성된다.
이 경우, 상기 1차 노광 공정을 실시하기 위해 이용하는 상기 광원(20)은, 350nm 내지 450nm 사이의 파장을 갖는 UV 광원일 수 있다.
그 다음, 도 1, 도 2 및 도 3d를 참조하면, 상기 기판(200) 상에서 상기 마스크(300)를 제거한 후, 상기 기판(200) 상에서 상기 노광 공정을 통해 형성된 상기 제1 패턴(110) 및 노광되지 않은 상기 감광액(100)을 추가로 경화시킨다(단계 S140).
이 경우에도 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기판(200)의 단부와 대향되도록 배치한 히터(미도시)에서 나오는 열원(11)을 상기 기판(200)의 단부로 집약시킴으로써 상기 감광액을 경화시킬 수 있다. 이와 달리, 상기 기판(200)의 상부에 상기 열원(110)을 위치시키거나 상기 기판(200)을 열이 제공되는 챔버의 내부에 위치시킬 수도 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
다음으로, 도 1, 도 2 및 3e를 참조하면, 상기 제1 패턴(110) 및 상기 감광액(100)의 경화 공정이 완료되면 상기 기판(200)의 상부에 광원(21)을 조사하여 2차로 노광 공정을 실시한다(단계 S150).
이 때, 상기 제1 패턴(110)은 네거티브 레지스트(negative resist)일 수 있다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 2차 노광 공정을 통해 상기 제1 패턴(110)은 역사다리꼴 형상의 단면을 형성할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 패턴(110)이 역사다리꼴 단면을 갖도록 형성됨에 따라, 후술하는 공정에서 상기 제1 패턴(110)에 금속 박막(50)을 증착한 후 상기 제1 패턴(110)을 제거하는 과정을 수행하는 경우, 보다 수월하게 상기 제1 패턴(110)을 제거하여 후술하는 제2 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
즉, 도 5a를 참조하면 상기 제1 패턴(110)이 포지티브 레지스트(positive resist)일 경우, 상기 제1 패턴(110) 상에 금속이 증착될 때 수직방향으로 쌓이면서 상기 제1 패턴(110)의 경사면(30)에도 금속 박막(50)이 함께 증착되어, 이후의 리프트 오프(lift-off) 공정에서 금속 박막(50)이 벗겨져야할 부분(상기 제1 패턴의 상면 방향, 51)과 남겨져야할 부분(상기 기판의 상면 방향, 52)이 같이 연결된다. 그리하여 상기 남겨져야할 부분(52)이 상기 제1 패턴(110)의 제거 공정 중 같이 벗겨지거나 찢어지거나, 상기 벗겨져야할 부분은 제거되지 않고 상기 제1 패턴(110)만 녹아서 제거되는 문제가 있다.
이와 달리 상기 제1 패턴(110)이 네거티브 레지스트일 경우, 상기 제1 패턴(110) 상에 금속 박막(50)이 증착될 때 도 5b에 도시된 바와 같이, 다음 공정에서 금속 박막(50)이 벗겨져야할 부분(상기 제1 패턴의 상면 방향, 51)과 남겨져야할 부분(상기 기판의 상면 방향, 52)이 서로 떨어져서 형성된다. 따라서 상기 남겨져야할 부분(52)을 제외하고 상기 벗겨져야할 부분(51)만을 용이하게 벗겨낼 수 있는 효과가 있다.
한편, 상기와 같이, 상기 2차 노광 공정이 완료되면 도 1, 도 2 및 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 1차 노광 공정 시 상기 마스크(300)에 의해 광원에 노출되지 않은 감광액(100)을 상기 기판(200)으로부터 제거한다(단계 S160).
그리하여, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(200) 상에 상기 제1 패턴(110)만이 남게 된다.
이 경우, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammoniμm hydroxide) 현상액을 이용하여 상기 감광액(100)을 상기 기판(200)으로부터 벗겨낸 후, 탈 이온수를 이용하여 상기 기판(200) 상에 남은 감광액(100)을 씻어내는 공정을 수행함으로써, 상기 감광액(100)을 제거할 수 있다.
다음, 도 1 및 도 3g를 참조하면, 상기 제1 패턴(110)이 형성된 기판(200) 상에 금속 박막(50)을 증착시킨다(단계 S200). 이 경우, 앞서 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이 상기 제1 패턴(110) 및 상기 기판(200) 상에 상기 금속 박막(50)이 증착된다.
한편, 상기 금속 박막(50)을 상기 기판(200) 상에 증착시키기 위해 열 증착기(thermal evaporator)를 사용하여 상기 기판(200) 상에 상기 금속 박막을 증착시킬 수 있으며, 이외에도 전자빔 증착, 스퍼터링 증착 등과 같이 금속 박막을 형성하는 방법들로서 알려진 여러 방법들 중 하나로서 적절히 선택하여 사용하면 된다.
이 경우, 상기 금속 박막(50)은, 예를 들어, 은(Ag) 박막일 수 있다.
이 후, 도 1 및 도 3h를 참조하면, 상기 금속 박막(50)이 증착된 기판(200)으로부터 상기 제1 패턴(110)을 제거한다(단계 S300). 이 경우, 초음파 발생기를 이용하여 상기 제1 패턴(110)을 상기 기판(200)으로부터 벗겨낼 수 있다(lift-off).
그리하여 상기 기판(200) 상에는 도 6c에 도시된 바와 같이 상기 금속 박막(50)이 증착된 제2 패턴(53)만 남게 된다.
마지막으로, 도 1 및 도 3i를 참조하면, 상기 제2 패턴(53)이 형성된 상기 기판(200)에 열처리 공정을 수행하여 비젖음(dewetting) 현상이 유발되게 한다. 그러면 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 금속 박막(50)으로 이루어진 제2 패턴(53)이 상기 비젖음 현상에 의해 반(semi)-비(非)주기적 금속 나노 입자들(55)로 형성된다(단계 S400).
이 경우, 상기 금속 나노입자들(55)은 상기 제2 패턴(53)의 내부에 임의의 배열로 형성된다.
이상과 같이, 상기 금속 나노입자들(55)의 경우 전체적으로는 상기 제2 패턴(53)으로서 상기 기판(200) 상에 일정 형태의 패턴이 형성되므로 주기적인 패턴을 가지는 것으로 정의될 수 있으나, 상기 금속 나노입자들(55)은 상기 제2 패턴(53)의 내부에서 임의의 배열로 형성되므로 비주기적인 패턴을 가지는 것으로 정의될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 공정을 통해 형성된 금속 나노입자들(55)은 반(semi)-비(非)주기적(또는, 반-주기적도 동일한 의미)인 금속 나노입자들로 정의될 수 있다.
이처럼 상기 비젖음 현상 유발을 위한 열처리 공정은, 300℃ 내지 500℃로 가열된 튜브 전기로 또는 가열판을 이용하여 상기 금속 박막을 용융시킴으로써 이루어질 수 있다. 다만 이에 한정하는 것은 아니며, 히터로 열을 가하거나 또는 레이저를 주사하는 등과 같이 비젖음 현상이 유발될 수 있도록 상기 금속 박막을 용융시킬 수 있는 공정이라면 그 어떤 것이 사용되어도 무방하다.
나아가, 상기 금속 박막(50)으로는 은 외에도 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈 등 다양한 금속 중 어떤 것이라도 사용될 수 있다. 물론, 금속의 종류 및 물성에 따라 그 금속을 사용할 때 공정 진행이 더 유리해지도록 금속 박막 형성 공정 종류, 열처리 공정 종류가 적절히 선택될 수 있으며, 또한 그 금속에 맞도록 열처리 공정 조건(가열 온도, 강려 시간 등)이 적절히 결정될 수 있다.
한편, 상기 비젖음 현상 유발에 의해 형성된 상기 반-비주기적 금속 나노입자들(55)은 300nm 이하의 반지름을 가질 수 있다.
상기 반-비주기적 금속 나노입자들(55)의 크기 및 입자간 거리는 상기 기판(200)의 가열 시간, 상기 금속 박막(50)의 두께 및 상기 기판(200)의 표면 상태를 조절함으로써, 원하는 대로 적절히 제어될 수 있다.
이상과 같이, 상기 금속 나노입자들(55)은 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 기판(200) 상에 이른바, 반-비주기적으로 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같이 형성된 반-비주기적 금속 나노입자들(55)을 이용하여 다양한 패턴, 즉 상기 반-비주기적 금속 나노입자들이 다양한 패턴으로 배열된 광도파로를 제작할 수 있으며, 이하에서는 이와 같이 제작된 광 도파로의 신호 전달 효율을 실험한 결과이다.
한편, 상기 광 도파로의 경우 상기 금속 나노입자들(55)이 비주기적으로 배열된 패턴으로만 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 광 도파로는, 필요에 따라 상기 금속 나노입자들(55)이 비주기적인 패턴으로 배열된 패턴이 기판 상에 소정의 패턴을 가지면서(예를 들어, 금속 나노입자들이 형성된 제2 패턴과 그렇지 않은 부분이 반복되어 형성됨) 형성되어, 전체적으로 반-비주기적인 금속 나노입자들로 형성될 수도 있다.
도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 도 9, 및 도 10a 및 도 10b는 도 1의 광도파로의 제작 방법을 통해 제작된 광도파로의 신호 전달 효율 향상 효과를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
먼저, 도 7a는 상기 기판(Si) 부분(A에서 A', C에서 C'로 통과한 빛)의 전달된 신호세기와, 상기 반-비주기적 은 나노입자 배열체 부분(B에서 B'로 통과한 빛)의 전달된 신호세기를 나타내기 위해 구획된 기판을 도시한 도면이다.
도 7b를 참조하면, 상기 반-비주기적 은 나노입자 배열체를 지날때 1,100 ~ 1,700 nm에 이르는 부분에서 상기 기판(Si) 보다 신호전달이 우수한 것을 알 수 있다.
도 7c를 참조하면 레벨 값(dBm)을 파워(power)값(mW)으로 변환시켜 상기 기판 대비 상기 반-비주기적 금속 나노입자들의 비율(ratio)을 나타낸다.
이 경우, 상기 반-비주기적 금속 나노입자들이 배열된 부분에서의 신호전달 효율이 단순 계산으로, 120배 이상 증가한 것을 알 수 있다.
도 8a는 고정된 신호 전달 거리 1 mm에서 측정된 짧은 파장 근적외선 대역에 대한 반-비주기적 은 나노입자 배열체 기반의 광도파로만의 신호 전달 세기를 나타낸다 (붉은 선(상측에 도시된 선) = 광도파로, 검은 선(하측에 도시된 선) = 레퍼런스).
즉, 도 8a를 통해 확인되는 바와 같이, 반-비주기적 은 나노입자 배열체 기반의 광도파로를 통과하는 신호의 전달 세기(intensity)가 레퍼런스 만 배 (10,000배)이상 훨씬 높은 것을 확인할 수 있다.
도 8b는 상기 도 8a의 데이터를 토대로 수학적 방법을 통해 전달 효율(efficiency)을 계산한 그래프이다.
도 8c는 도 8b의 상기 기판(Si, 검정) 대비 반-비주기적 은 나노입자 배열체 부분(빨강)을 효율비(efficiency ratio)로 분석하여 나타낸 그래프이다.
이 경우, 도 7b 및 도 7c를 참조하더라도, 상기 반-비주기적 금속 나노입자들이 배열된 부분에서 레퍼런스 기판과 비교하여, 10,000배 이상으로 신호 전달 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 8을 통해, 실험적으로 측정된 본 실시예에서의 근적외선 대역의 광 도파로의 신호 전달 특성 거리를 확인할 수 있다.
즉, 상기 도 9를 통해 확인되는 바와 같이, 본 실시예에 의해 형성되는 상기 반-비주기적 은 나노입자 배열체 기반 광도파로의 경우, 종래 수십 마이크로미터에 불과하던 신호 전달 특성 거리가 100 μm 까지 확장되는 것을 확인할 수 있다.
도 1a는 상기 반-비주기적 은 나노입자 배열체 기반 광도파로의 근적외선 입사광에 대한 광도파 직진성 측정 방법을 나타낸다.
즉, 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 반-비주기적 은 나노입자 배열체 기반 광도파로로 입사(B)되어 인접 기판(Si) 부분으로(B'->A') 정렬 축으로부터 이탈시키며 직진성을 변화시켰다.
예를 들어, 본 실시예에서는 광원-측정 광섬유의 상대적 위치를 제어하여, 1mm 거리에서 1.718도(0.029 rad)씩 정렬 축에서 벗어나게 배치하면서 측정한다.
이때, 도 10b은 상기 반-비주기적 은 나노입자 배열체 기반 광도파로의 근적외선 입사광에 대한 광도파 각도 변화에 따른 신호 전달 효율 감소 관계도를 나타낸다.
즉, 도 10b를 통해 확인되는 바와 같이, 도 10a에서의 정렬 축을 이탈시키며 직진성을 변화시켰을 때, 신호 전달 효율의 경우 직진성을 그대로 유지한 경우가 가장 크고 직진성을 변화시킴에 따라, 즉 정렬 축의 휘어지는 각이 증가할수록, 신호 전달 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 실험 결과를 통해 확인되는 바와 같이, 본 실시예에 의한 반-비주기적인 금속 나노입자가 배열된 광도파로를 통해 상대적으로 높은 세기와 높은 안전성을 가지는 신호를 전달할 수 있어, 신호 전달 효율이 증가함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 고체 비젖음 현상을 이용하여 금속 박막으로부터 무작위성을 가진 금속 나노입자의 배열을 상대적으로 단순한 공정을 대면적에 구현할 수 있다.
특히, 종래 포토리소그래피 공정을 이용하여 주기적인 금속 나노입자의 배열은 물론, 반-비주기적인 금속 나노입자의 배열도 동시에 형성할 수 있으며, 이 경우, 금속박막의 두께, 열처리 온도, 시간 등을 조절함으로써 금속 나노입자들 사이의 크기나 입자간의 거리를 효과적으로 제어하여 필요한 형태의 금속 나노입자들의 배열을 제작할 수 있다.
이상과 같이, 광도파로를 제작함으로써, 근적외선 광대역 입사광을 금속-유전체 계면에서 평면에 나란한 방향으로 비교적 먼 거리(최대 120 μm)까지 손실을 최소화하며(1200-1600 nm 범위의 근적외선 광신호에 대한 신호 손실도 3.8 dB 100μm-1 이하) 전달할 수 있다.
또한, 통신 대역에 활용될 수 있는 근적외선 단파장 입사 신호의 표면을 통한 안정적 전달이 가능하다.
또한, 화학 센서나 분광기에 활용될 수 있는 근적외선 광대역 입사광의 전달거리 차별화 혹은 전달 효율 차별화를 통한 평면 분광 효과를 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 감광액 110 : 제1 패턴
200 : 기판 300 : 마스크
50 : 금속 박막 53 : 제2 패턴
55 : 반-비주기적 금속 나노입자들
200 : 기판 300 : 마스크
50 : 금속 박막 53 : 제2 패턴
55 : 반-비주기적 금속 나노입자들
Claims (13)
- 기판 상에 제1 패턴을 형성하는 단계;
상기 제1 패턴이 형성된 기판 상에 금속 박막을 증착시키는 단계;
상기 금속 박막이 증착된 기판으로부터 상기 제1 패턴을 제거하여 상기 기판 상에 상기 금속 박막이 증착된 제2 패턴만 남기는 단계; 및
상기 제2 패턴이 형성된 상기 기판을 가열하여 비젖음(dewetting) 현상을 유발하여 금속 나노입자들을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 제2 패턴은 상기 비젖음 현상에 의해 반(semi)-비(非)주기적 금속 나노 입자들로 형성되고,
상기 반-비주기적 금속 나노 입자들은,
전체적으로는 상기 제2 패턴으로서 상기 기판 상에 일정 형태의 패턴이 형성된 주기적인 패턴을 가지며, 상기 제2 패턴의 내부에서는 임의의 배열로 형성된 비주기적인 패턴을 가지고,
상기 반-비주기적인 금속 나노 입자들이 배열된 광 도파로를 제작하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 제1 패턴을 형성하는 단계는,
감광액을 상기 기판 상에 코팅하는 단계;
상기 기판 상에 코팅된 감광액을 경화시키는 단계;
마스크를 이용하여 상기 경화된 감광액의 일부를 1차 노광하여 상기 제1 패턴을 형성하는 단계;
상기 마스크를 제거한 상태에서 상기 제1 패턴 및 상기 감광액을 경화시키는 단계;
상기 제1 패턴 및 상기 감광액을 2차 노광하는 단계; 및
상기 1차 노광 시 상기 마스크에 의해 광원에 노출되지 않은 상기 감광액을 상기 기판으로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제2항에 있어서, 상기 감광액을 기판 상에 코팅하는 단계에서,
상기 기판 상에 제1 용액을 도포한 후 상기 감광액을 도포하여 함께 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제3항에 있어서, 상기 제1 용액은,
메톡시 프로필 아세테이트(methoxy-propyl acetate) 용액인 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제2항에 있어서, 상기 감광액을 기판 상에 코팅하는 단계 및 상기 감광액을 경화시키는 단계 사이에서,
아세톤을 이용하여 상기 기판 상에 코팅된 감광액의 가장자리 영역을 중앙 영역에 맞춰 제거하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제2항에 있어서, 상기 제1 패턴을 형성하는 단계에서,
350 nm 내지 450 nm 사이의 파장을 갖는 UV 광원을 이용하여 노광하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제2항에 있어서, 상기 감광액을 상기 기판으로부터 제거하는 단계에서,
테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethylammoniμm hydroxide) 현상액을 이용하여 상기 감광액을 상기 기판으로부터 벗겨낸 후,
탈 이온수를 이용하여 상기 기판 상에 남은 감광액을 제거하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 패턴을 제거하는 단계에서,
초음파 발생기를 이용하여 상기 제1 패턴을 벗겨내는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자들을 형성하는 단계에서,
가열된 튜브 전기로 또는 가열판을 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제10항에 있어서, 상기 금속 나노입자들의 크기 및 입자간 거리는,
가열 시간, 상기 금속 박막의 두께 및 상기 기판의 표면 상태에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자들 각각은,
300nm 이하의 반지름을 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법. - 제1항에 있어서, 상기 금속 박막은,
은, 금, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈 중 어느 하나의 금속으로 형성되는 박막인 것을 특징으로 하는 광대역 근적외선 표면 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170170015A KR101903116B1 (ko) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 광대역 근적외선 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법 |
| US16/216,250 US20190187368A1 (en) | 2017-12-12 | 2018-12-11 | Method for fabricating broadband near infrared plasmonic waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170170015A KR101903116B1 (ko) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 광대역 근적외선 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101903116B1 true KR101903116B1 (ko) | 2018-10-01 |
Family
ID=63876962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170170015A KR101903116B1 (ko) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 광대역 근적외선 플라즈모닉 광도파로의 제작 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20190187368A1 (ko) |
| KR (1) | KR101903116B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101533233B1 (ko) | 2014-04-25 | 2015-07-02 | 연세대학교 산학협력단 | 나노어퍼쳐와 나노 입자 간의 플라즈모닉 커플링을 이용한 플라즈모닉 광 도파로 |
| KR101542942B1 (ko) | 2014-03-31 | 2015-08-11 | 한국기계연구원 | 플라즈모닉 특성제어를 위한 금속나노패턴 형성방법 |
| KR101578614B1 (ko) | 2014-08-07 | 2015-12-22 | 성균관대학교산학협력단 | 간극으로 단절된 불연속 도파로를 가지는 표면 플라즈몬 폴라리톤 소자를 이용한 표면 플라즈몬 폴라리톤 신호 생성 장치 및 방법 |
-
2017
- 2017-12-12 KR KR1020170170015A patent/KR101903116B1/ko active IP Right Grant
-
2018
- 2018-12-11 US US16/216,250 patent/US20190187368A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101542942B1 (ko) | 2014-03-31 | 2015-08-11 | 한국기계연구원 | 플라즈모닉 특성제어를 위한 금속나노패턴 형성방법 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 논문:Surface Plasmon Effect on Nanostructures in Biosensor and Nanolithography(2017.02) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20190187368A1 (en) | 2019-06-20 |
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