KR102376711B1 - 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 위치하는 적외선 반사층; 상기 적외선 반사층 상에 위치하고, 제 1 공진구조를 포함하는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하고, 제 2 공진구조를 포함하는 감지층; 을 포함하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터를 제공한다.
Description
본 발명은 마이크로 볼로미터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이중 공진구조를 포함하고, 상기 이중 공진구조 중 일 공진구조를 포함하는 지지층을 실리콘 레진으로 구성하여, 안정적인 구조를 가지고, 적외선 흡수율이 향상된 마이크로 볼로미터 및 제작 공정이 단순한 마이크로 볼로미터의 제조방법에 관한 것이다.
적외선은 가시광보다 큰 0.75 μm 부터 1,000 μm까지의 파장영역에 걸쳐 분포하는 전자기파의 일종이다. 사람을 비롯한 자연계에 존재하는 모든 물체는 절대온도 이상에서 원자의 진동으로 인한 고유진동수를 가지며, 플랑크의 법칙에 따라 흑체복사를 한다. 각 물체에서 방사되는 적외선은 온도에 따라 그 파장이 다르기 때문에, 이 특성을 이용하여, 적외선 센서는 적외선에 따른 열의 변화를 감지하고 이를 전기적 신호로 변환함으로써 적외선 센싱이 가능하다.
적외선 센서는 작동 원리에 따라 크게 양자형(photon)과 열형(thermal)으로 나눌 수 있는데, 양자형 적외선 센서는 주로 HgCdTe, InSb 등의 화합물 반도체를 사용하여 입사한 적외선의 에너지를 흡수하여 여기된 전자 신호를 검출하는 광전도 현상을 이용하며, 성능은 뛰어나나 액체질소 냉각기가 필요하여 가격이 높은 단점이 있다.
반면에 열형 적외선 센서는 복사되는 열에너지를 저항이나 전류 또는 기전력 변화로 검출하는 방식으로서 양자형에 비교하여 액체질소 냉각기가 필요 없고 가격이 저렴하여, 일반적으로 가장 많이 쓰이고 있다.
상기 열형 적외선 센서는 일반적으로 볼로미터(Bolometer), 열전쌍(Thermocouple), 초전기(Pyroelectric)형의 3가지 형태로 나눌 수 있다.
이 중에서 볼로미터는 대표적인 열형 센서로서, 입사된 적외선을 흡수하여 열적으로 고립된 감지층에 포함된 저항체의 온도가 올라가고, 이 온도변화는 흡수된 적외선 에너지에 비례하여 감지층에 포함된 저항체의 전기저항 변화 원리로 감지되게 된다.
상기 볼로미터의 감도 및 흡수면적을 높이기 위한 연구가 계속 진행되고 있다. 예를 들면, 한국 공개특허 제2000-0007216호, 한국 공개특허 제2000-0046517호, 한국 등록특허 제10-0299642호 등에서는 적외선 반사층이 존재하는 볼로미터형 적외선 센서를 개시한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 연구들은 전기적 성질 및 열적 성질에 의존하는 것으로서, 적외선 분광학적인 접근을 통한 고 흡수율을 가지는 적외선 센서의 구조 설계에 관한 연구에는 미흡한 실정이다.
나아가, 종래에는 볼로미터의 공진구조를 형성하기 위하여 식각이 용이한 물질을 공진구조의 두께로 형성한 이후, 식각 공정을 진행하여 공진구조를 형성하였으나, 이는 공정이 복잡하고, 수율이 떨어진다는 문제가 있었다.
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 과제는 이중 공진구조를 포함하고, 상기 이중 공진구조 중 일 공진구조를 포함하는 지지층을 실리콘 레진으로 구성하여, 안정적인 구조를 가지고 적외선 흡수율이 향상된 마이크로 볼로미터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 제작 공정이 단순하고, 수율이 향상된 마이크로 볼로미터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는 기판; 상기 기판 상에 위치하는 적외선 반사층; 상기 적외선 반사층 상에 위치하고, 제 1 공진구조를 포함하는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하고, 제 2 공진구조를 포함하는 감지층; 을 포함하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지층은 실리콘 레진을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘 레진은 광 투과율이 90 % 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 공진구조 및 제 2공진구조의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 반사층은 금, 알루미늄, 크롬, 니켈, 티타늄, 철 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 감지층은 티타늄, 비정질 실리콘, 산화 바나듐 및 산화 티타늄 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 저항체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 적외선 반사층을 형성하는 단계; 상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계; 및 상기 지지층상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계; 를 포함하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계에서, 상기 형성되는 지지층은 실리콘 레진을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘 레진은 광 투과율이 90 % 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계에서, 형성되는 지지층의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지층상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계에서, 형성되는 감지층의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4일 수 있다.
본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터는 이중 공진구조를 포함하고, 상기 이중 공진구조 중 일 공진구조를 포함하는 지지층을 실리콘 레진으로 구성하여, 구조의 안정성 및 높은 적외선 흡수율을 가지는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법은 일 공진구조를 포함하는 지지층을 실리콘 레진으로 구성하여, 종래의 희생층 제거 공정을 진행하여 공진구조를 형성하는 것과 비교하여, 공정이 간단하고 수율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 모식도의 단면도이다.
도 2는 종래의 마이크로 볼로미터의 모식도의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 이중 공진구조의 보강간섭 효과를 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 종래의 마이크로 볼로미터의 모식도의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 이중 공진구조의 보강간섭 효과를 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 양태는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터를 제공한다.
도 1은 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 모식도의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터(1)는 기판(10); 상기 기판(10) 상에 위치하는 적외선 반사층(20); 상기 적외선 반사층(20) 상에 위치하고, 제 1 공진구조(31)를 포함하는 지지층(30); 및 상기 지지층(30) 상에 위치하고 제 2 공진구조(41)를 포함하는 감지층(40); 을 포함한다.
본 명세서에서, 볼로미터(bolometer)는 300 K 정도의 상온에서 온도에 따른 물질의 특성 변화를 감지하는 원리로 동작하고, 이중 물질의 저항 변화를 감지하는 비냉각형 적외선 센서를 의미한다.
일반적으로 상기 볼로미터는 입사된 적외선을 흡수하여 열적으로 고립된 감지층에 포함된인 저항체의 온도가 올라가고 이 온도변화는 흡수된 적외선 에너지에 비례하여 저항체의 전기저항 변화로 측정된다.
먼저, 본 발명의 마이크로 볼로미터(1)는 기판(10)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판(10)은 상기 감지층(40)으로부터 전기저항 변화 신호를 입력받는 신호 취득 회로(Read-Out Intergrated Circuit; ROIC)를 포함할 수 있고, 상기 신호 취득 회로는 반도체 IC 제작 과정 등을 통하여 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)로 구현될 수 있다. 상기 기판(10)은 실리콘 기판 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기판(10)은 상기 기판 상에 형성되는 절연층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(미도시)은 상기 기판(10)의 평탄화 및 신호 취득 회로를 보호하는 역할을 하는 층으로, 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(Si3N4) 등 실리콘 화합물을 포함하여 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로 본 발명의 마이크로 볼로미터(1)는 상기 기판(10) 상에 위치하는 적외선 반사층(20)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 반사층(20)은 감지층(40) 및 지지층(30)을 통과한 적외선을 다시 감지층(40)으로 반사시켜, 상기 감지층(40)에서 흡수되는 적외선의 양을 증대시키는 기능을 수행할 수 있다.
이에 따라, 적외선 감지 대상인 감지 대상으로부터 감지층(40)으로 적외선이 조사되는 경우, 일부 적외선은 감지층(40)에 바로 흡수되어 감지층(40)의 온도를 상승시키면서 감지층(40)의 전기저항 값을 상승시킬 수 있다.
그리고, 감지층(40) 및 지지층(30)을 통과한 나머지 적외선은 반사층(20)에 의해 감지층(40)으로 반사되어 흡수되고, 이에 따라 감지층(40)의 전기저항 값이 더 상승할 수 있다.
본 발명의 마이크로 볼로미터(1)는 상기와 같이 감지층(40)이 적외선을 흡수하여 온도가 증가하고, 이에 따라 감지층(40)의 전기저항 값이 변하는 것을 이용하여 적외선 센싱을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 반사층(20)은 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe) 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 적외선을 반사시키는 물질은 모두 이용될 수 있다.
볼로미터에서 적외선 흡수율을 높이기 위해 목표로 하는 파장대에 최적화된 패브리-페로(Febry-Perot)형의 광학적 공진구조가 필요하다.
패브리-페로 간섭현상이란, 일반적으로 두 개의 고반사율을 가지는 반사층 사이에 하나의 공진구조를 삽입함으로써, 상기 공진구조에서 발생한 광파와 반사된 광파가 상보적 간섭 빛 상쇄적 간섭을 일으켜, 특정 파장의 광파만이 선별적으로 통과하여 출력으로 나타나는 현상을 의미한다.
일반적으로 볼로미터의 감지층(40)에서 적외선 흡수율을 높이기 위해서는 목표로 하는 적외선 파장대에 최적화된 공진구조가 필요한데, 이하, 상기 공진구조를 포함하는 두 가지 유형의 종래의 볼로미터를 설명한다.
설명을 위하여, 본 명세서에서의 제 1 공진구조(31)는 반사층(20) 및 감지층(40)사이에 형성되는 λ/4 두께의 공진구조를 지칭하는 것으로 하고, 제 2 공진구조(41)는 감지층(40)의 두께로 인하여 형성되는 λ/4 두께의 공진구조를 지칭하는 것으로 한다.
도 2는 종래의 볼로미터의 모식도이다.
도 2의 (a)의 볼로미터는 가장 일반적인 패브리-페로 공진구조를 포함하는 볼로미터로, 적외선 반사층(20)이 기판(10) 상에 위치하고, 감지층(40)은 상기 적외선 반사층(20)으로부터 λ/4거리만큼 위치하여 λ의 파장으로 입사된 적외선의 대부분이 감지층(40)에 흡수되는 구조로 되어 있다.
상기 볼로미터의 구조에서, via는 상기 기판(10)과 감지층(40)을 연결하며, 상기 감지층(40)을 지지하여 λ/4높이의 빈 공간을 만들고, 상기 빈 공간에 제 1 공진구조(31)가 포함된다.
도 2의 (b)의 볼로미터는 감지층(40) 자체를 공진구조로 구현한 것으로, 감지층(40)의 하부에 반사층(20)을 위치시키고, 상기 감지층(40)의 두께를 λ/4로 하여, 제 2 공진구조(41)를 포함한다.
상술한 도 2의 볼로미터는 제 1 공진구조(31)만을 포함 (도 2의 a) 하거나, 제 2 공진구조(41)만을 포함(도 2의 b)하는 구조로, 결과적으로 하나의 공진구조만을 포함하는 구조에 해당한다.
반면, 본 발명의 마이크로 볼로미터(1)는 적외선 반사층(20) 상에 위치하고, 제 1 공진구조(31)를 포함하는 지지층(30); 및 상기 지지층(30) 상에 위치하고 제 2 공진구조(41)를 포함하는 감지층(40);을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지층(30)은 실리콘 레진을 포함하여 구성되고, 상기 실리콘 레진의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4일 수 있다.
상기 도 2의 (a)를 참조하면, 종래 볼로미터에서, 제 1 공진구조(31)는 빈 공간으로 구성되나, 본 발명의 제 1 공진구조(31)는 90 % 이상, 예를 들면, 95 % 이상의 광 투과율을 가지고, 절연성을 가지는 물질인 실리콘 레진을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 실리콘 레진은 열이나 광에 의한 열화를 받지 않고, 높은 내후성을 가지고 있으며, 빛을 투과시켜 외부로 빛을 90% 이상 방출시키는 실리콘 및 산소의 결합으로 이루어진 무기 고분자이다. 상기 실리콘 레진은 주 사슬인 실록산에 메틸기, 페닐기, 비닐기 등 다양한 유기 관능기가 결합되어 있을 수 있으며, 주로 메틸기가 가지 형태로 붙어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘 레진은 주 사슬인 실록산에 메틸기와 페닐기가 혼합되어 있는 구조를 포함할 수 있으며, 광 투과율이 90 % 이상, 예를 들면, 95 % 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘 레진은 본 발명의 마이크로 볼로미터의 반사층(20) 및 감지층(40) 사이에 지지층(30)으로 위치하여, 상술한 바와 같이 감지층(40)을 통과한 적외선이 상기 지지층(30)을 통과하여 반사층(20)에 도달하고 반사되어 감지층(40)에 다시 도달할 수 있도록 광 투과율을 가짐과 동시에, 상기 감지층(40)을 지지하는 역할을 할 수 있다.
도 2 의 (a)의 볼로미터가 via로 감지층(40)을 지지하는 것과 비교하면, 본 발명의 마이크로 볼로미터(1)는 상기 실리콘 레진을 포함하여 구성되는 지지층(30)을 포함함으로써, 더욱 안정한 구조의 볼로미터를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 감지층(40)은 적외선을 흡수하여 온도가 증가하고, 이에 따라 전기저항 값이 변하는 것을 이용하여 적외선 센싱을 수행할 수 있는 부분으로, 온도에 따른 저항 변화 계수가 크고 잡음이 작은 물질, 예를 들면, 티타늄(Ti), 비정질 실리콘(a-si), 산화 바나듐(VOx) 및 산화 티타늄(TiOx) 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 저항체를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 감지층(40)의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4일 수 있는데, 상기 감지층(40)의 두께로 인하여 제 2 공진층(41)이 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 이중 공진구조의 보강간섭 효과를 설명하는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 마이크로 볼로미터는 이중 공진구조를 포함함으로써 파동의 보강간섭 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 보강간섭이란, 각 파동의 마루(골)와 마루(골)가 중첩되어 합성되어, 합성파의 진폭이 커지는 간섭을 의미한다.
구체적으로, 파장은 1 주기가 입사되었을 때 1/4 주기에서 최대 진폭 값을 가지게 되는데, 최대 진폭에서 적외선 흡수율을 높이기 위하여 입사되는 적외선 파장(λ)의 1/4이 될 수 있도록 페브리-페로형의 광학적 공진구조가 필요하게 된다.
본 발명의 마이크로 볼로미터는 상술한 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4 두께의 제 1 공진구조(31) 및 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4 두께의 제 2 공진구조(41)를 모두 포함하여 이중 공진구조를 포함함으로써 높은 적외선 흡수율을 가질 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 공진구조(31) 및 제 2 공진구조(41)의 높이는 상기 지지층(30) 및 감지층(40)의 두께와 동일하고, 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ) 의 1/4일 수 있다.
상기 적외선은 가시광선의 파장보다 큰 0.75 μm 내지 1,000 μm까지의 파장영역에 걸쳐 분포하는 전자기파의 일종으로, 0.8 μm 내지 1.4 μm 영역의 NIR, 1.4 μm 내지 3 μm영역의 SWIR, 3 μm 내지 5 μm 영역의 MWIR, 8 μm 내지 14 μm 영역의 LWIR, 14 μm 이상의 FIR 등으로 분류할 수 있다.
상기 MWIR 및 LWIR 영역은 다른 파장대에 비해 공기에 대한 투과도가 좋아서 적외선 센서에 가장 많이 쓰이는 파장대로, 특히 8 μm 내지 14 μm 영역의 대기의 창은 300 K에 해당하는 적외선이 최대로 나오는 영역으로 물체를 식별하는데 많이 사용되고 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마이크로 볼로미터가 센싱하는 물질의 적외선 파장에 따라 상기 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)은 달라질 수 있고, 상기 적외선 파장에 따라, 형성되는 제 1 공진구조(31) 및 제 2 공진구조(41)의 높이는 달라질 수 있다.
예를 들면, 상기 마이크로 볼로미터가 인체 감지센서에 사용될 경우, 상기 흡수하고자 하는 적외선 파장은 8 μm 내지 14 μm일 수 있고, 상기 제 1 공진구조(31) 및 제 2 공진구조(41)의 높이는 2 μm 내지 3.5 μm일 수 있다.
예를 들면, 상기 마이크로 볼로미터가 가스 감지센서, 예를 들면, 이산화탄소 감지센서에 사용될 경우, 상기 흡수하고자 하는 적외선 파장은 약 4.26 μm으로, 상기 제 1 공진구조(31) 및 제 2 공진구조(41)의 높이는 약 1.051 μm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마이크로 볼로미터(1)는 상기 감지층(40) 상에 형성되고, 상기 감지층으로 향하는 적외선을 투과시키며, 상기 감지층(40)을 보호하는 보호층(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 보호층(미도시)는 투명한 재질로 형성되며, 외부의 충격으로부터 감지층(40)을 보호하는 기능을 수행할 수 있고, 실리콘, 유리 또는 합성수지로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터는 상기 기판(10) 및 감지층(40)을 연결하여, 상기 감지층(40)의 전기저항 변화를 상기 기판(10)에 포함된 신호 취득 회로(ROIC)에 전달하는 전극부(미도시)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극부(미도시)는 상기 감지층(40)의 상면의 전체 또는 일부 면적에 코팅 또는 증착 방법을 통하여 형성되어 위치할 수 있으며, 또한, 상기 감지층(40)의 일측과 결합하는 제 1 전극(미도시) 및 감지층(40)의 타측과 결합하는 제 2 전극(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 전극은 상기 감지층(40)의 일측으로부터 지지층(300)의 외측면을 따라 지지층(30)의 외측면과 접촉하면서 형성될 수 있고, 상기 제 2 전극은 상기 감지층(40)의 타측으로부터 지지층(300)의 외측면을 따라 지지층(30)의 외측면과 접촉하면서 형성될 수 있다. 이때, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 통하여, 상기 전극부는 상기 기판(10) 및 감지층(40)을 연결하며, 상기 감지층(40)의 저항 또는 전압 변화 값을 신호 취득 회로(ROIC)에 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극부(미도시)는 ZnO, ITO, 그래핀 또는 전도성 고분자 중 하나로 구성되는 투명전극 또는 신호 전달 및 열 안정성이 우수한 Au, Pt, Pd, Ag 등을 포함하여 구성되는 메탈전극일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 전극부(미도시)가 투명전극인 경우, 광 투과율이 80 % 이상이고, 면 저항이 1,000 Ω/sq 이하일 수 있다.
본 발명의 일 양태는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법을 제공한다.
도 4는 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법은 기판을 준비하는 단계(S10); 상기 기판 상에 적외선 반사층을 형성하는 단계(S20); 상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계(S30); 및 상기 지지층상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계(S40);를 포함한다.
본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터 제조방법에 있어서, 제조되는 마이크로 볼로미터는 상기 양태에서 설명한 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터(1)일 수 있다.
먼저 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법은 기판을 준비하는 단계(S10)를 포함한다.
상기 기판을 준비하는 단계(S10)에서, 상기 기판은 상기 감지층(40) 으로부터 신호를 입력 받는 신호 취득 회로(Read-Out Intergrated Circuit; ROIC)를 포함할 수 있고, 상기 ROIC는 예를 들면, 반도체 IC 제조 공정을 통해 형성될 수 있으나, 이에 제한 되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법은 상기 기판 상에 적외선 반사층을 형성하는 단계(S20)를 포함한다.
상기 적외선 반사층은 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 질화티타늄(TiN), 철(Fe) 또는 이들의 합금을 상기 기판에 증착하여 형성될 수 있다.
이때, 상기 기판에 증착하는 방법은 각종 물리 및 화학기상 증착법(chemical and physical vapor deposition method), 예를 들어, evaporation, sputter, chemical-vapor-deposition 또는 atomic layer deposition 방법으로 수행될 수 있으며, 바람직하게는 100 Å 내지500 Å의 두께로 형성될 수 있다.
종래의 볼로미터의 제조방법은 기판 및 감지층을 이격하기 위하여, 예를 들면, 상기 기판 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층이 형성된 기판 위에 감지층을 형성한 후, 상기 희생층을 제거하는 공정을 수행하였다. 상기 생성되는 희생층의 두께에 의하여 기판 및 감지층의 간격이 결정되었다. 나아가, 도 2 의 (a)와 같이 제 1 공진구조를 포함하는 볼로미터를 제조하고자 하는 경우에도, 상술한 공정을 통하여 제조하였다.
반면, 본 발명의 제조방법은 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계(S30)를 포함하고, 상술한 희생층의 제거 공정을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지층을 형성하는 단계(S30)에서 형성되는 지지층은 광 투과율이 90 % 이상인 실리콘 레진일 수 있다.
상기 실리콘 레진은 열이나 광에 의한 열화를 받지 않고, 높은 내후성을 가지고 있으며, 빛을 투과시켜 외부로 빛을 90% 이상 방출시키는 실리콘 및 산소의 결합으로 이루어진 무기 고분자로, 주 사슬인 실록산에 메틸기, 페닐기, 비닐기 등 다양한 유기 관능기가 결합되어 있을 수 있으며, 주로 메틸기가 가지 형태로 붙어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실리콘 레진은 주 사슬인 실록산에 메틸기와 페닐기가 혼합되어 있는 구조를 포함할 수 있으며, 주제 및 경화제를 혼합하여 수지 조성액이 제조되는 2 액형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 지지층을 형성하는 단계(S30)는 예를 들면, 주제 및 경화제를 일정 비율로 혼합하여 실리콘 레진 조성액을 제조하고, 상기 실리콘 레진 조성액을 적외선 반사층 상면에 도포, 스프레이 또는 스핀 코팅방법으로 간단히 증착한 후, 열 경화 또는 UV 경화 공정을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법은 상술한 종래의 기술과 같이 희생층 제거 공정을 포함하지 않고, 단순히 실리콘 레진 조성액을 도포하고 경화하는 공정을 통하여 상기 지지층(30)을 형성하는바, 제조 공정이 간단하고, 효율이라는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명의 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법은 지지층상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계(S40);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 감지층은 적외선에 반응하는 물질, 예를 들면, 티타늄(Ti), 비정질 실리콘(amorphous Si), 산화 바나듐(VOx) 및 산화 티타늄(TiOx) 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 저항체를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 감지층을 형성하는 단계(S40)는 상술한 물질을 포함하는 저항체를 이용하여 플라즈마 화학기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD) 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 이용하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 2 μm 내지 500 μm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계(S30) 및 상기 지지층 상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계(S40)를 통하여, 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 형성된 지지층의 두께 및 감지층의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4일 수 있다.
상기 형성되는 지지층 및 감지층의 두께는 본 발명의 제 1 공진구조 및 제 2 공진구조의 높이와 동일 할 수 있고, 상기 지지층 및 감지층이 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ) 의 1/4의 두께로 형성됨으로써, 본 발명의 마이크로 볼로미터는 이중 공진구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마이크로 볼로미터가 센싱하는 물질의 적외선 파장에 따라 상기 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)은 달라질 수 있고, 상기 적외선 파장에 따라, 형성되는 지지층 및 감지층의 두께가 달라질 수 있다.
예를 들면, 상기 마이크로 볼로미터가 인체 감지센서에 사용될 경우, 상기 흡수하고자 하는 적외선 파장은 8 μm 내지 14 μm일 수 있고, 상기 지지층 및 감지층의 두께는 2 μm 내지 3.5 μm일 수 있다.
예를 들면, 상기 마이크로 볼로미터가 가스 감지센서, 예를 들면, 이산화탄소 감지센서에 사용될 경우, 상기 흡수하고자 하는 적외선 파장은 약 4.26 μm으로, 상기 지지층 및 감지층의 두께는 약 1.051 μm일 수 있다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 이중 공진구조 볼로미터
10: 기판
20: 적외선 반사층
30: 지지층
31: 제 1 공진구조
40: 감지층
41: 제 2 공진구조
50: 무반사층
10: 기판
20: 적외선 반사층
30: 지지층
31: 제 1 공진구조
40: 감지층
41: 제 2 공진구조
50: 무반사층
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상에 위치하는 적외선 반사층;
상기 적외선 반사층 상에 위치하고, 제 1 공진구조를 포함하는 지지층;
상기 지지층 상에 위치하고, 제 2 공진구조를 포함하는 감지층;
을 포함하고,
상기 지지층은 실리콘 레진을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 실리콘 레진은 광 투과율이 90 % 이상인 것을 특징으로 하고,
상기 지지층 및 상기 감지층의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4인 것을 특징으로 하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 적외선 반사층은 금, 알루미늄, 크롬, 니켈, 티타늄, 철 또는 이들의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터. - 제 1 항에 있어서,
상기 감지층은 티타늄, 비정질 실리콘, 산화 바나듐 및 산화 티타늄 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 저항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터. - 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 적외선 반사층을 형성하는 단계;
상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계; 및
상기 지지층상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계에서, 상기 형성되는 지지층은 실리콘 레진을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고,
상기 실리콘 레진은 광 투과율이 90 % 이상인 것을 특징으로 하고,
상기 적외선 반사층 상에 제 1 공진구조를 포함하는 지지층을 형성하는 단계에서, 형성되는 지지층의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4인 것을 특징으로 하고,
상기 지지층상에 제 2 공진구조를 포함하는 감지층을 형성하는 단계에서, 형성되는 감지층의 두께는 흡수하고자 하는 적외선 파장(λ)의 1/4인 것을 특징으로 하는 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터의 제조방법. - 삭제
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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