KR102591096B1 - 인장 변형을 이용한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
인장 변형을 이용한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 광 검출기 제조 방법은: 광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막을 준비하는 단계; 및 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 광 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인장 변형을 이용한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치에 관한 것이다.
실온에서 적외선을 감지할 수 있는 광 검출기의 개발은 보안, 광 추적, 통신 및 에너지 응용 등의 다양한 분야에서 큰 관심을 끌고 있다. 특히 1300 내지 2000 nm의 단파장 적외선(Short Wavelength Infrared) 영역에서 작동되는 자율주행차량에 적용되는 라이다(Lidar) 시스템을 개발하기 위해 단파장 적외선 광 검출기에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
상용화된 적외선 광 검출기는 에피택시(epitaxy) 방식으로 성장된 InGaAs, InSb, HgCdTe 등의 활성 물질(active material)로 제작될 수 있다. 이러한 활성 물질들은 극저온의 작동 온도가 요구되어 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 호환에 어려움이 있다. 상용화된 실리콘 기반 광 검출기는 비교적 높은 실리콘의 밴드갭(bandgap) 때문에 1100 nm 이상의 단파장 적외선 영역의 파장을 가지는 빛을 감지하지 못하는 한계가 있다.
본 발명은 인장 변형을 이용한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 제작이 쉽고, 실온에서 단파장 적외선 감지가 가능하여 CMOS 호환성을 확보할 수 있으며, 라이다(Lidar) 시스템에 적용이 가능한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 광 검출기 제조 방법은: 광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막을 준비하는 단계; 및 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 연신성 박막에 이축 인장변형을 인가하여 상기 활성 물질의 밴드갭을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 활성 물질의 밴드갭을 감소시키는 단계는 상기 활성 물질의 밴드갭을 기본 밴드갭 보다 낮은 제1 밴드갭으로 감소시킴으로써, 제1 파장 대역의 광을 감지할 수 있는 상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기본 밴드갭은 상기 연신성 박막에 상기 이축 인장 변형이 인가되기 전의 상기 활성 물질의 밴드갭일 수 있다. 상기 제1 파장 대역은 상기 기본 밴드갭을 가지는 활성 물질에 의해 감지될 수 없는 파장 대역일 수 있다.
상기 활성 물질은 실리콘(Si)과 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2), 그래핀 같은 다양한 2차원 반도체를 포함할 수 있다. 상기 연신성 박막은 유연성 폴리머 필름 상에 상기 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 활성 물질은 10 nm 이하의 두께를 가지는 실리콘 나노멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 기본 밴드갭은 1.12 eV 이상일 수 있다. 상기 제1 밴드갭은 0.8 eV 이상 1.12 eV 미만일 수 있다. 상기 제1 파장 대역은 1300 ~ 1550 nm 의 단파장 적외선 대역을 포함할 수 있다.
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 가스 압력에 의해 상기 연신성 박막에 부풀림을 일으켜 상기 인장 변형을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 가스 압력에 의해 상기 연신성 박막을 상부 측 또는 하부 측으로 반구 형상으로 부풀림으로써 상기 인장 변형을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 연신성 박막의 둘레 부분을 외측 방향으로 방사상으로 잡아 당겨 상기 연신성 박막을 늘림으로써 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연신성 박막을 준비하는 단계는: 기판 상에 상기 활성 물질로 이루어지는 나노멤브레인 어레이를 형성하는 단계; 상기 나노멤브레인 어레이를 엘라스토머 스탬프를 사용하여 유연성을 가지는 폴리머 필름 상에 전사하는 단계; 및 상기 폴리머 필름 상에 상기 나노멤브레인 어레이의 각 픽셀에 연결되도록 연신성 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 검출기는: 광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 형성되는 광 검출 어레이 센서를 포함한다. 상기 광 검출 어레이 센서의 상기 활성 물질은, 상기 인장 변형에 의해 기본 밴드갭으로부터 감소된 제1 밴드갭을 가진다.상기 기본 밴드갭은 상기 연신성 박막에 상기 인장 변형이 인가되기 전의 상기 활성 물질의 밴드갭일 수 있다.
상기 광 검출 어레이 센서는 제1 파장 대역의 광을 감지 가능하고, 상기 제1 파장 대역은 상기 기본 밴드갭을 가지는 활성 물질에 의해 감지될 수 없는 파장 대역일 수 있다.
상기 광 검출 어레이 센서는 상기 인장 변형에 의해 반구면으로 부풀려진 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치는: 광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여, 인장 변형이 인가된 광 검출 어레이 센서를 제조하도록 구성되는 인장 변형 장치를 포함할 수 있다.
상기 인장 변형 장치는: 상기 연신성 박막을 지지하고, 상기 연신성 박막의 제1 면의 둘레 부분을 밀봉시키도록 구성되고, 상기 제1 면과 접하는 공간을 내부에 구비하는 챔버; 및 상기 공간 내의 가스 압력을 제어하여 상기 연신성 박막을 부풀리도록 구성되는 가스 제어 장치를 포함할 수 있다.
상기 인장 변형 장치는: 상기 연신성 박막의 둘레를 따라 배치되고, 상기 연신성 박막의 둘레 부분을 지지하도록 구성되는 다수의 인장 장치들; 및 상기 다수의 인장 장치들을 방사상으로 이동시켜 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하는 가동 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 인장 변형을 이용한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 제작이 쉽고, 실온에서 단파장 적외선 감지가 가능하여 CMOS 호환성을 확보할 수 있으며, 라이다(Lidar) 시스템에 적용이 가능한 광 검출기 제조 방법, 이에 의해 제조되는 광 검출기, 및 그 제조 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 검출기 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치의 작동 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 도 1의 단계 S10에 따라 연신성 박막을 제조하는 과정의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6a는 도 5a 내지 도 5f의 실시예에 따라 제조된 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막의 이미지이다.
도 6b는 도 6a의 'A'부 확대도이다.
도 6c는 도 6b의 'B'부 확대도이다.
도 6d는 도 6c의 'C'부 확대도이다.
도 7a는 도 2 내지 도 4에 도시된 인장 변형 장치를 이용하여 이축 인장 변형에 의해 상부로 볼록하게 부풀려진 폴리머 필름을 나타낸 주사전자현미경이미지(SEM; scanning electron microscopy)이다.
도 7b는 도 2 내지 도 4에 도시된 인장 변형 장치를 이용하여 이축 인장 변형에 의해 하부로 볼록하게 부풀려진 폴리머 필름을 나타낸 주사전자현미경이미지(SEM)이다.
도 8a는 10 nm 두께의 Si 나노멤브레인 어레이에 대해 다양한 가스 압력 별로 획득한 라만 스펙트럼 데이터이다.
도 8b는 다양한 두께의 Si 나노멤브레인의 최대 이축 인장 변형 값을 나타낸 그래프이다.
도 8c는 다양한 이축 인장 변형값 별로 산출한 10 nm 두께 Si 나노멤브레인의 전자 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 8d는 다양한 인장 변형 레벨에 대해 Γ-Γ, Γ-K, 및 Γ-J 전환에 대한 밴드갭 값들을 나타낸 그래프이다.
도 9a는 인장 변형을 위한 챔버 내 가스 압력을 760 토르에서 1600 토르까지 증가시킴에 따라 Si 나노멤브레인 어레이가 부풀려지는 것을 나타낸 이미지이다.
도 9b는 다양한 파장(405 nm, 532 nm, 650 nm, 980 nm, 1310 nm, 1550 nm)의 펄스광 별로 인장 변형에 따른 Si 나노멤브레인의 광 반응도를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 알파벳 "Y"의 섀도우 마스크를 통과하는 광 전류 패턴을 이축 인장 변형이 인가되어 제조된 광 검출기에 의해 감지하는 것을 나타낸 도면이다.
도 10b는 Si 나노멤브레인에 인가된 인장 변형에 따라 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 10c 및 도 10d는 반구형 구조의 광 검출기의 시야 범위를 검증하기 위해, 광섬유를 통해 반구형 광 검출기의 중심축으로부터 좌/우 20° 각도로 광을 출력하여 광을 감지한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11a는 Si 나노멤브레인에 오목한 형태로 인장 변형을 인가하여 제조된 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴과, 가스 압력의 변화에 따른 나노멤브레인 어레이의 오목한 형태의 변화, 그리고 가스 압력의 변화에 따른 나노멤브레인 어레이의 2차원 광 전류 감지 특성 변화를 나타낸 도면이다.
도 11b는 알파벳 'I'에 해당하는 섀도우 마스크를 통과한 1310 nm 광을 광 검출기에서 감지하는 것을 나타내는 도면이다.
도 11c는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되지 않은 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 11d는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되어 제조된 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 12a는 Si 나노멤브레인의 두께 별로 입사 광 전력에 따른 반응도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12b는 Si 나노멤브레인에 인가되는 이축 인장 변형에 따라 광 전류의 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치의 평면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 인장 변형 장치의 작동 상태를 나타낸 평면도이다.
도 15는 도 13 및 도 14에 도시된 실시예에 따라 Si 나노멤브레인에 인장 변형을 인가하여 제조된 광 검출기의 1310 nm 광에 대한 2차원 광 전류 감지 특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치의 작동 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 도 1의 단계 S10에 따라 연신성 박막을 제조하는 과정의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6a는 도 5a 내지 도 5f의 실시예에 따라 제조된 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막의 이미지이다.
도 6b는 도 6a의 'A'부 확대도이다.
도 6c는 도 6b의 'B'부 확대도이다.
도 6d는 도 6c의 'C'부 확대도이다.
도 7a는 도 2 내지 도 4에 도시된 인장 변형 장치를 이용하여 이축 인장 변형에 의해 상부로 볼록하게 부풀려진 폴리머 필름을 나타낸 주사전자현미경이미지(SEM; scanning electron microscopy)이다.
도 7b는 도 2 내지 도 4에 도시된 인장 변형 장치를 이용하여 이축 인장 변형에 의해 하부로 볼록하게 부풀려진 폴리머 필름을 나타낸 주사전자현미경이미지(SEM)이다.
도 8a는 10 nm 두께의 Si 나노멤브레인 어레이에 대해 다양한 가스 압력 별로 획득한 라만 스펙트럼 데이터이다.
도 8b는 다양한 두께의 Si 나노멤브레인의 최대 이축 인장 변형 값을 나타낸 그래프이다.
도 8c는 다양한 이축 인장 변형값 별로 산출한 10 nm 두께 Si 나노멤브레인의 전자 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 8d는 다양한 인장 변형 레벨에 대해 Γ-Γ, Γ-K, 및 Γ-J 전환에 대한 밴드갭 값들을 나타낸 그래프이다.
도 9a는 인장 변형을 위한 챔버 내 가스 압력을 760 토르에서 1600 토르까지 증가시킴에 따라 Si 나노멤브레인 어레이가 부풀려지는 것을 나타낸 이미지이다.
도 9b는 다양한 파장(405 nm, 532 nm, 650 nm, 980 nm, 1310 nm, 1550 nm)의 펄스광 별로 인장 변형에 따른 Si 나노멤브레인의 광 반응도를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 알파벳 "Y"의 섀도우 마스크를 통과하는 광 전류 패턴을 이축 인장 변형이 인가되어 제조된 광 검출기에 의해 감지하는 것을 나타낸 도면이다.
도 10b는 Si 나노멤브레인에 인가된 인장 변형에 따라 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 10c 및 도 10d는 반구형 구조의 광 검출기의 시야 범위를 검증하기 위해, 광섬유를 통해 반구형 광 검출기의 중심축으로부터 좌/우 20° 각도로 광을 출력하여 광을 감지한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11a는 Si 나노멤브레인에 오목한 형태로 인장 변형을 인가하여 제조된 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴과, 가스 압력의 변화에 따른 나노멤브레인 어레이의 오목한 형태의 변화, 그리고 가스 압력의 변화에 따른 나노멤브레인 어레이의 2차원 광 전류 감지 특성 변화를 나타낸 도면이다.
도 11b는 알파벳 'I'에 해당하는 섀도우 마스크를 통과한 1310 nm 광을 광 검출기에서 감지하는 것을 나타내는 도면이다.
도 11c는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되지 않은 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 11d는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되어 제조된 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 12a는 Si 나노멤브레인의 두께 별로 입사 광 전력에 따른 반응도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12b는 Si 나노멤브레인에 인가되는 이축 인장 변형에 따라 광 전류의 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치의 평면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 인장 변형 장치의 작동 상태를 나타낸 평면도이다.
도 15는 도 13 및 도 14에 도시된 실시예에 따라 Si 나노멤브레인에 인장 변형을 인가하여 제조된 광 검출기의 1310 nm 광에 대한 2차원 광 전류 감지 특성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광 검출기 제조 방법을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 검출기 제조 방법은 광 검출을 위한 활성 물질(active material)로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴(nanomembrane array pattern)을 구비하는 연신성 박막을 준비하는 단계(S10)와, 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계(S20)를 포함한다.
연신성 박막은 인장 변형이 인가될 수 있는 유연한 기판(예를 들어, 폴리이미드 필름과 같은 유연 기판) 상에 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 박막일 수 있다. 실시예에서, 광 검출을 위한 활성 물질은 실리콘(Si), 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2), 그래핀(graphene) 같은 다양한 2차원 반도체 광 반응 물질을 포함할 수 있다.
광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계(S20)에서, 연신성 박막에 이축 인장변형(biaxial tensile strain)을 인가함에 따라 활성 물질의 밴드갭(bandgap)이 감소될 수 있다. 즉, 활성 물질의 밴드갭은 기본 밴드갭(fundamental bandgap)에서 제1 밴드갭으로 감소될 수 있다. 여기서, 기본 밴드갭은 연신성 박막에 이축 인장 변형이 인가되기 전의 활성 물질의 밴드갭일 수 있다.
예를 들어, 활성 물질이 실리콘으로 이루어지는 경우, 인장 변형이 인가되기 전의 실리콘 나노멤브레인 어레이의 기본 밴드갭은 1.12 eV 또는 그 이상이고, 인장 변형이 인가된 실리콘 나노멤브레인 어레이의 제1 밴드갭은 0.8 eV 이상 1.12 eV 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 인장 변형이 인가되어 제조되는 광 검출 어레이 센서는 제1 파장 대역의 광을 감지할 수 있다. 제1 파장 대역은 기본 밴드갭을 가지는 활성 물질에 의해서는 감지될 수 없는 파장 대역일 수 있다. 예를 들어, 활성 물질이 실리콘으로 이루어지는 경우, 인장 변형이 인가되지 않은 실리콘 나노멤브레인 어레이로부터 제조되는 광 검출 어레이 센서는 1300 ~ 1550 nm 의 단파장 적외선 대역을 감지할 수 없으나, 실리콘 나노멤브레인 어레이에 인장 변형을 인가하여 제조되는 광 검출 어레이 센서는 1100 nm 이상의 파장을 가지는 광, 특히 1300 ~ 1550 nm 의 단파장 적외선 대역을 포함하는 제1 파장 대역의 광을 감지할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 광 검출기는 405 ~ 1550 nm 의 넓은 파장 대역의 광 감지가 가능하다.
연신성 박막에 인장 변형을 인가하기 위한 다양한 방법들이 활용될 수 있다. 일 예로, 가스 압력에 의해 연신성 박막에 부풀림(bulge)을 일으킴으로써 연신성 박막에 인장 변형을 인가할 수 있다. 다른 예로, 연신성 박막의 둘레 부분을 외측 방향으로 잡아 당겨 연신성 박막을 늘림으로써 연신성 박막에 인장 변형을 인가할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치를 나타낸 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치의 작동 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광 검출기는 인장 변형 장치(10)를 포함하는 광 검출기 제조 장치에 의해 제조될 수 있다. 인장 변형 장치(10)는 폴리머 필름(40) 상에 광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴(50)을 구비하는 연신성 박막(30)에 이축 인장 변형을 인가함으로써, 이축 인장 변형이 인가된 광 검출 어레이 센서를 제조하도록 구성될 수 있다.
인장 변형 장치(10)는 챔버(11)와, 가스 제어관(13)을 포함하는 가스 제어 장치를 포함할 수 있다. 챔버(11)는 연신성 박막(30)을 지지하며, 연신성 박막(30)의 제1 면(하면)의 둘레 부분을 밀봉시키도록 구성될 수 있다. 챔버(11)는 연신성 박막(30)의 제1 면과 접하는 공간(12)을 구비할 수 있다.
챔버(11)는 연신성 박막(30)이 가스 압력에 의해 상부 또는 하부로 부풀어 오를 수 있도록, 상면 중앙부 영역이 원형으로 개방될 수 있다. 가스 제어 장치는 챔버(11)의 일측에 연결되어 챔버(11) 내의 공간(12)에 연통되는 가스 제어관(13)을 통해 가스(20)를 챔버(11) 내의 공간(12)에 주입하여 도 4에 도시된 바와 같이 연신성 박막(30)을 상부로 볼록하게 부풀리거나, 가스(20)를 챔버(11) 내의 공간(12)으로부터 배출시켜 하부로 오목하게 부풀리도록 구성될 수 있다. 가스(20)는 예를 들어, 질소(N2)와 같은 불활성 가스를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
챔버(11)의 타측에는 챔버(11) 내의 공간(12)에 주입된 가스(20)를 배출할 수 있는 가스 배출관(14)이 연결될 수 있다. 가스 배출관(14)은 밀폐 수단(14a)에 의해 밀폐 가능하게 제공될 수 있다. 챔버(11)는 연신성 박막(30)의 제1 면(하면) 둘레를 따라 밀폐하기 위한 오링(15)을 구비할 수 있다. 챔버(11)의 상부에는 연신성 박막(30)의 상부에서 볼트(17a) 등에 의해 챔버(11)와 착탈 결합될 수 있는 상부 밀폐 커버(17)를 구비할 수 있다.
상부 밀폐 커버(17)는 연신성 박막(30)의 부풀림을 허용하기 위한 원형의 개방부(18)를 구비할 수 있다. 상부 밀폐 커버(17)의 하면과, 챔버(11)의 상면에 연신성 박막(30)과 접촉하는 면에 PDMS 등의 재질로 이루어지는 링 형태의 지지층(16, 19)을 구비할 수 있다. 연신성 박막(30)을 챔버(11)의 상부에 배치한 상태에서 상부 밀폐 커버(17)를 챔버(11)의 상부에 결합함으로써, 연신성 박막(30)의 둘레 부분이 오링(15)에 의해 밀폐된 상태로 지지층(16, 19) 사이에 지지될 수 있다.
도 5a 내지 도 5f는 도 1의 단계 S10에 따라 연신성 박막을 제조하는 과정의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 실리콘 활성 물질을 이용하여 광 검출을 위한 나노멤브레인 어레이를 가지는 연신성 박막을 제조하는 예에 대해 설명한다. 먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, SOI(Silicon On Insulator) 기판(110)의 상부에 실리콘 나노멤브레인(nanomembrane) 층(120)이 형성될 수 있다. 실리콘 나노멤브레인 층(120)은 예를 들어, 열산화법(thermal oxidation method)에 의해 형성될 수 있다.
실리콘 나노멤브레인 층(120)이 형성되면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 매트릭스 배열을 가지는 사각 형태의 Si 나노멤브레인 어레이(광 감지 픽셀들)(122)가 형성될 수 있다. Si 나노멤브레인 어레이(122)는 예를 들어, 포토리소그래피(photolithography) 및 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)에 의해 형성될 수 있다.
도시된 예에서, Si 나노멤브레인 어레이(122)는 6×6 픽셀들에 해당하는 매트릭스 구조로 형성되어 있다. Si 나노멤브레인 어레이(122)의 각 픽셀은 수 내지 수십 마이크로 크기(예를 들어, 20×20 ㎛2 크기)로 형성될 수 있으며, 인접한 픽셀들 간의 간격은 수십 내지 수백 마이크로 간격(예를 들어, 280 ㎛)으로 형성될 수 있다.
일반 실리콘은 딱딱해서 깨지기 쉬워 인장 변형을 가할 수 없으므로, Si 나노멤브레인 어레이(122)를 깨뜨리지 않으면서 인장 변형을 인가할 수 있도록, Si 나노멤브레인 어레이(122)는 20 nm 미만의 두께, 보다 바람직하게는 1 ~ 10 nm 의 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
Si 나노멤브레인 어레이(122)가 형성되면, 도 5c에 도시된 바와 같이, 불화수소(HF) 등의 에칭액을 이용하여 소정 시간(예를 들어, 25분) 동안 습식 에칭(wet etching) 처리를 하여, Si 나노멤브레인 패턴을 SOI 기판(110)에서 분리한 다음, 도 5d에 도시된 바와 같이, 엘라스토머(예: PDMS) 스탬프(130)를 사용하여 Si 나노멤브레인 패턴을, 유연성을 가지는 폴리머 필름(140) 상에 전사하였다.
유연성 폴리머 필름(140)은 예를 들어, SiO2/Si 기판(110) 상에 스핀 코팅된 반경화 폴리이미드(PI; polyimide) 필름일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Si 나노멤브레인 어레이(122)가 전사된 폴리머 필름(140)은 소정의 온도(예를 들어, 300℃)로 일정 시간(예를 들어, 3시간) 동안 완전 경화 처리될 수 있다.
다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이, Si 나노멤브레인 어레이(122)의 각 픽셀에 전극(150)을 증착할 수 있다. 전극(150)은 예를 들어, 포토리소그래피(photolithography), 열증착(thermal evaporation) 및 리프트오프(lift-off) 공정에 의해 형성될 수 있다.
전극(150)은 일 예로, 연신성을 가지는 수 내지 수십 나노 크기의 구불구불한 금속 전극(예를 들어, 나노 2.5 nm Cr / 25 nm Au 등)으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 전극(150)은 각 픽셀별로 2개 이상 연결될 수 있다. 전극(150)을 통해 측정되는 전기신호(예를 들어, 전류 또는 전압)는 나노멤브레인 어레이(122)의 각 픽셀에 유입되는 광을 감지하는데 활용될 수 있다.
폴리머 필름(140) 상에 Si 나노멤브레인 어레이(122)와, Si 나노멤브레인 어레이(122)의 각 픽셀에 연결되는 전극(150)이 형성되어 Si 나노멤브레인 광 검출 어레이가 제조되면, Si 나노멤브레인 광 검출 어레이에 인장 변형을 인가하기 위해, 도 5f에 도시된 바와 같이, Si 나노멤브레인 광 검출 어레이를 구비한 폴리머 필름(140)을 기판(110)에서 분리할 수 있다.
Si 나노멤브레인 광 검출 어레이를 구비한 폴리머 필름(140)은 앞서 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 인장 변형 장치(10)를 이용하여 이축 인장 변형이 인가될 수 있다. 이때 챔버(11)의 공간(12) 내 가스(예를 들어,N2 가스)의 압력을 조절하여 Si 나노멤브레인 광 검출 어레이를 구비한 폴리머 필름을 고압에 의해 상부로 부풀리거나 저압에 의해 하부로 부풀려 Si 나노멤브레인 광 검출 어레이에 이축 인장 변형을 인가할 수 있다.
도 6a는 도 5a 내지 도 5f의 실시예에 따라 제조된 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막의 이미지이다. 도 6b는 도 6a의 'A'부 확대도이다. 도 6c는 도 6b의 'B'부 확대도이다. 도 6d는 도 6c의 'C'부 확대도이다. 도 6d에서 'Si NM'은 실리콘 나노멤브레인의 픽셀을 나타내며, 실리콘 나노멤브레인의 픽셀에 Cr/Au 금속 전극이 연결된 것을 나타낸다.
도 7a는 도 2 내지 도 4에 도시된 인장 변형 장치(10)를 이용하여 이축 인장 변형에 의해 상부로 볼록하게 부풀려진 폴리머 필름을 나타낸 주사전자현미경이미지(SEM; scanning electron microscopy)이다. 도 7a는 챔버(11) 내의 공간(12)에 가스를 주입하여 대기압 보다 높은 고압 가스 압력에 의해 실리콘 나노멤브레인 어레이 센서에 이축 인장 변형을 인가한 것이다.
도 7b는 도 2 내지 도 4에 도시된 인장 변형 장치(10)를 이용하여 이축 인장 변형에 의해 하부로 볼록하게 부풀려진 폴리머 필름을 나타낸 주사전자현미경이미지(SEM)이다. 도 7b는 챔버(11) 내 공간(12)의 가스 압력을 대기압 보다 낮추어 실리콘 나노멤브레인 어레이 센서를 하부로 오목하게 부풀려 이축 인장 변형을 인가한 것이다.
라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy)에 의해 다양한 두께의 Si 나노멤브레인 어레이의 최대 하중 값을 측정하였다. 도 8a는 10 nm 두께의 Si 나노멤브레인 어레이에 대해 다양한 가스 압력 별로 획득한 라만 스펙트럼 데이터이다. 획득된 라만 스펙트럼 데이터는 두 개의 피크들(P1, P2)을 포함한다. 두 개의 피크들 중 하나의 피크(P1)는 520 cm-1 부근의 Si-Si 진동 모드(vibrational mode) 피크이고, 다른 하나의 피크(P2)는 PI 필름 아래에서 약 570 cm-1 에서 발생된다.
챔버 내의 가스 압력이 760 토르(torr)에서 2000 토르까지 점차 증가함에 따라, PI 필름 아래의 피크(P2)의 위치와 세기는 크게 변화하지 않았으나, Si-Si 진동 모드에 해당하는 피크(P1)의 파장수(wave number)는 인장 변형 장치(10)의 챔버(11) 내 가스 압력의 증가에 따라 점차 감소하였으며, 피크(P1)의 세기는 인장 변형 장치(10)의 챔버(11) 내 가스 압력 증가에 따라 점차 증가하였다.
520 cm-1 부근의 라만 피크 변이를 관측하여 관계식 εbiaxial (%) = -0.144 × (ωbulk - ωstrained) 에 따라 인장 변형 장치(10)의 챔버(11) 내 가스 압력 증가에 따른 Si 나노멤브레인의 평면 내 이축 인장 변형 값(biaxial strain value) (εbiaxial)을 측정하였다. 이축 인장 변형 측정을 위한 관계식에서, -0.144 는 이축 인장 변형에 관한 인장 변형 변이 계수(strain-shift coefficient), ωbulk 는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되지 않은 벌크(bulk) 상태의 Si-Si 진동 모드 피크 위치, ωstrained 는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가된 상태의 Si-Si 진동 모드 피크 위치를 나타낸다.
도 8b는 다양한 두께의 Si 나노멤브레인의 최대 이축 인장 변형 값을 나타낸 그래프이다. 최대 이축 인장 변형 값은 Si 나노멤브레인 두께가 감소함에 따라 점차 증가하는 경향을 가진다. 10 nm 두께의 Si 나노멤브레인은 최대 4.36% 의 최대 인장 변형을 나타낸다. 나노멤브레인 두께가 10 nm 아래로 감소함에 따라, 최대 인장 변형이 감소하였다. 10 nm 두께를 초과하는 Si 나노멤브레인의 크랙들은 90° 각도로 정렬되었으나, 10 nm 두께 미만의 Si 나노멤브레인의 크랙들은 랜덤하게 발생되었다. 상대적으로 낮은 압력에서의 랜덤 균열들은 최대 인장 변형 값의 포화 및 감소를 초래하였다. 두꺼운 나노멤브레인 어레이는 낮은 이축 인장 변형을 가지므로, 파장의 조정 범위를 넓히기 위해서는 얇은 두께의 나노멤브레인 어레이가 선호된다. 일반 실리콘은 딱딱해서 깨지기 쉬워 인장 변형을 가할 수 없으나, 실리콘 나노멤브레인을 10 nm 이하의 얇은 두께로 형성할 경우, 실리콘 나노멤브레인을 깨뜨리지 않고 인장 변형을 인가할 수 있다.
단파장 적외선 감지와 관련된 밴드갭 감소의 역할을 검증하기 위해, 0 내지 4% 범위의 다양한 이축 인장 변형 값들에서 10 nm 두께 Si 나노멤브레인의 전자 에너지 밴드 다이어그램을 산출하였다. 도 8c는 다양한 이축 인장 변형값 별로 산출한 10 nm 두께 Si 나노멤브레인의 전자 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 8c를 참조하면, 이축 인장 변형의 증가에 따라 에너지 밴드 플롯의 Γ-포인트에서 밴드갭이 감소되었다.
도 8d는 다양한 인장 변형 레벨에 대해 Γ-Γ, Γ-K, 및 Γ-J 전환에 대한 밴드갭 값들을 나타낸 그래프이다. Γ, K, J는 실리콘의 결정 방위이고, EΓ-Γ, EΓ-K, EΓ-J는 결정의 중심에 위치하는 Γ-포인트에 대한 Γ, K, J 방위에서의 밴드갭 에너지 레벨이다. 도 8d로부터, 인장 변형에 따라 Si 나노멤브레인의 밴드갭이 1.12 eV에서 0.8 eV 이하로 감소하는 것을 알 수 있다. 이때, 0.92 eV의 밴드갭은 1347 nm 파장에 대응되고, 0.76 eV의 밴드갭은 1630 nm 파장에 대응된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 인장 변형에 의해 Si 나노멤브레인의 밴드갭이 1550 nm 파장에 해당하는 0.8 eV 이하로 감소될 수 있다. 따라서 Si 나노멤브레인 광 검출기에 의해 감지할 수 있는 광의 파장 대역을 높일 수 있으며, 그에 따라 단파장 적외선 대역의 감지가 가능하다.
도 9a는 인장 변형을 위한 챔버 내 가스 압력을 760 토르에서 1600 토르까지 증가시킴에 따라 Si 나노멤브레인 어레이가 부풀려지는 것을 나타낸 이미지이다. 도 9b는 다양한 파장(405 nm, 532 nm, 650 nm, 980 nm, 1310 nm, 1550 nm)의 펄스광 별로 인장 변형에 따른 Si 나노멤브레인의 광 반응도를 나타낸 그래프이다. 광 반응도는 관계식 Rph = Iph/Pin 에 따라 산출하였다. Rph 는 광 반응도, Iph 는 Si 나노멤브레인에서 출력되는 광전류, Pin 은 입사 광 전력이다. 도 9b의 그래프로부터 이축 인장 변형에 따라 Si 나노멤브레인 어레이의 파장에 대한 광 반응도가 증가하는 것을 알 수 있다.
도 10a는 알파벳 "Y"의 섀도우 마스크를 통과하는 광 전류 패턴을 이축 인장 변형이 인가되어 제조된 광 검출기에 의해 감지하는 것을 나타낸 도면이다. Si 나노멤브레인 어레이에 인가되는 이축 인장 변형을 다양하게 변화시키면서 1310 nm 광을 조사하여 유리 기판 상에 제조된 알파벳 "Y"의 섀도우 마스크를 통과하는 광 전류 패턴을 Si 나노멤브레인 어레이에 의해 기록하였다.
도 10b는 Si 나노멤브레인에 인가된 인장 변형에 따라 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다. Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되지 않은 경우 어떠한 픽셀도 감지되지 않았으나, 1200 토르를 초과하는 가스 압력에 의해 Si 나노멤브레인에 1.8% 이상의 인장 변형을 인가한 경우, 'Y' 알파벳에 해당하는 대부분의 픽셀들이 1310 nm 파장의 광에 의해 감지되었다. 가스 압력의 증가에 따라 인장 변형이 증가함에 따라, Si 나노멤브레인에 의해 감지되는 광 전류 역시 증가하였다.
도 10c 및 도 10d는 반구형 구조의 광 검출기의 시야 범위를 검증하기 위해, 광섬유를 통해 반구형 광 검출기의 중심축으로부터 좌/우 20° 각도로 광을 출력하여 광을 감지한 결과를 나타낸 도면이다. 도 10c 및 도 10d로부터 반구형 광 검출기의 입사면에 수직하게 입사되는 레이저 빔의 광 반응도가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명의 실시예에 따른 광 검출기가 곤충의 눈과 유사한 방식으로 넓은 시야각으로 타겟을 감지하고 추적할 수 있다는 것을 나타낸다.
도 11a는 Si 나노멤브레인에 오목한 형태로 인장 변형을 인가하여 제조된 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴과, 가스 압력의 변화에 따른 나노멤브레인 어레이의 오목한 형태의 변화, 그리고 가스 압력의 변화에 따른 나노멤브레인 어레이의 2차원 광 전류 감지 특성 변화를 나타낸 도면이다. 도 11b는 알파벳 'I'에 해당하는 섀도우 마스크를 통과한 1310 nm 광을 광 검출기에서 감지하는 것을 나타내는 도면이다.
도 11c는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되지 않은 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다. 도 11d는 Si 나노멤브레인에 인장 변형이 인가되어 제조된 광 검출기에 의해 감지된 광 전류 패턴을 나타낸 도면이다. 오목한 형태의 광 검출기의 경우에도, 인장 변형이 인가되지 않은 경우 어떠한 픽셀도 1310 nm 광이 감지되지 않았으나, 1200 토르 이상의 가스 압력에 의해 인장 변형을 인가한 경우, 'I' 알파벳에 해당하는 대부분의 픽셀들이 1310 nm 광을 감지하였다. 가스 압력의 증가에 따라 인장 변형이 증가함에 따라, Si 나노멤브레인에 의해 감지되는 광 전류 역시 증가하였다.
도 12a는 Si 나노멤브레인의 두께 별로 입사 광 전력에 따른 반응도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 12b는 Si 나노멤브레인에 인가되는 이축 인장 변형에 따라 광 전류의 변화량을 나타낸 그래프이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 10 nm 두께의 Si 나노멤브레인은 20 nm 두께의 Si 나노멤브레인 보다 낮은 반응도를 나타내지만, 이축 인장 변형에 따라 발생하는 광 전류 변화량이 낮다. 따라서 10 nm 두께의 Si 나노멤브레인이 이축 인장 변형에 의한 넓은 파장 대역 조정에 보다 유리하다.
상술한 본 발명의 실시예에 의하면, 유연한 폴리머 필름에 집적하여 기계적 유연성을 가지는 연신성 나노 박막을 제조한 후, 가스 압력으로 유발된 부풀림(bulge) 현상을 사용하여 나노 박막에 이축 인장 변형을 인가할 수 있다. 나노 박막에 인가된 인장 변형에 따라 활성 물질의 밴드갭은 기본 밴드갭 아래로 감소되며, 이에 따라 기본 밴드갭 보다 적은 에너지를 가진 광자를 흡수할 수 있다. 이를 바탕으로 가시광선 영역부터 단파장 적외선 영역까지의 스펙트럼 범위(예를 들어, 405 ~ 1550 nm 파장 대역)에서 작동 가능한 이미징 어레이 센서를 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 광 검출기는 제작이 쉽고, 실온에서 단파장 적외선 감지가 가능하여 CMOS 호환성을 확보할 수 있으며, 라이다(Lidar) 시스템에 적용이 가능한 장점을 갖는다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 제조 장치를 구성하는 인장 변형 장치의 평면도이다. 도 14는 도 13에 도시된 인장 변형 장치의 작동 상태를 나타낸 평면도이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 인장 변형 장치(60)는 프레임(61), 다수의 인장 장치들(62), 및 가동 장치(64)를 포함할 수 있다.
다수의 인장 장치들(62)은 연신성 박막(30)의 둘레를 따라 배치되고, 연신성 박막(30)의 둘레 부분을 지지하도록 구성될 수 있다. 가동 장치(64)는 다수의 인장 장치들(62)을 방사상으로 이동시켜 연신성 박막(30)에 인장 변형을 인가하도록 구성될 수 있다.
다수의 인장 장치들(62)은 분할된 원판 형상으로 형성될 수 있다. 인장 장치(62)의 상면에는 연신성 박막(30)의 둘레 부분을 고정시킬 수 있도록 결합공이 형성되고, 결합공에 볼트 등의 고정 부재(63)가 삽입되어 연신성 박막(30)의 둘레 부분을 고정시키도록 구성될 수 있다. 고정 부재(63)는 연신성 박막(30)의 둘레 부분을 클램핑할 수 있는 수단이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 연신성 박막(30)은 예를 들어, 인장 장치(62)에 형성된 홈에 삽입되어 고정 부재(63)에 의해 고정되거나, 인장 장치(62)의 하부에 배치되어 인장 장치(62)에 마련된 고정 부재(63)에 끼워지는 등의 방식으로 인장 장치(62)에 결합될 수 있다.
도시된 실시예에서, 가동 장치(64)는 원형의 프레임(61)에 회전 가능하게 결합되는 스크류축으로 구성될 수 있다. 가동 장치(64)는 인장 장치(62)와 스크류 결합되어 있어, 가동 장치(64)의 회전 구동에 따라 인장 장치(62)가 프레임(61)의 중심으로부터 반경 방향으로 이동되도록 구성될 수 있다. 다수의 가동 장치(64)는 프레임(61)의 중심으로부터 방사상으로 배열되도록 프레임(61)의 둘레를 따라 결합될 수 있다.
다수의 인장 장치(62)는 각각 가동 장치(64)의 양측에 형성된 한 쌍의 가이드바(65)와 결합되어 가이드바(65)에 의해 방사상으로 이동되도록 가이드될 수 있다. 가이드바(64)는 프레임(61)에 고정 설치되며, 인장 장치(62)에는 가이드바(64)가 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다. 가동 장치(64)는 수동으로 회전되거나, 구동 모터나 구동 실린더 등에 의해 자동으로 회전 구동되도록 구현될 수 있다. 가동 장치(64)를 조작하여 다수의 인장 장치(62)를 방사상으로 이동시켜 연신성 박막(30)을 방사상으로 늘림으로써 연신성 박막(30)에 인장 변형을 인가할 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시된 실시예에 의하면, 유연한 폴리머 필름에 연신성 나노 박막을 제조한 후, 연신성 나노 박막을 방사상으로 늘림으로써 연신성 나노 박막에 인장 변형을 인가할 수 있다. 도 15는 도 13 및 도 14에 도시된 실시예에 따라 Si 나노멤브레인에 인장 변형을 인가하여 제조된 광 검출기의 1310 nm 광에 대한 2차원 광 전류 감지 특성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 나노 박막에 인가된 인장 변형에 따라 활성 물질의 밴드갭은 기본 밴드갭 아래로 감소되며, 이에 따라 기본 밴드갭 보다 적은 에너지를 가진 광자를 흡수할 수 있다. 이를 바탕으로 가시광선 영역부터 1300 nm 이상의 단파장 적외선 영역까지의 스펙트럼 범위에서 작동 가능한 이미징 어레이 센서를 구현할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
10: 인장 변형 장치 11: 챔버
12: 공간 13: 가스 제어관
14: 가스 배출관 15: 오링
16, 19: 지지층 17: 상부 밀폐 커버
18: 개방부 20: 가스
30: 연신성 박막 40: 폴리머 필름
50: 나노 멤브레인 어레이 패턴 60: 인장 변형 장치
61: 프레임 62: 인장 장치
63: 고정 부재 64: 가동 장치
65: 가이드바 110: 기판
120: 실리콘 나노멤브레인 층 122: 실리콘 나노멤브레인 어레이
130: 엘라스토머 스탬프 140: 폴리머 필름
150: 전극
12: 공간 13: 가스 제어관
14: 가스 배출관 15: 오링
16, 19: 지지층 17: 상부 밀폐 커버
18: 개방부 20: 가스
30: 연신성 박막 40: 폴리머 필름
50: 나노 멤브레인 어레이 패턴 60: 인장 변형 장치
61: 프레임 62: 인장 장치
63: 고정 부재 64: 가동 장치
65: 가이드바 110: 기판
120: 실리콘 나노멤브레인 층 122: 실리콘 나노멤브레인 어레이
130: 엘라스토머 스탬프 140: 폴리머 필름
150: 전극
Claims (20)
- 광 검출을 위한 활성 물질- 상기 활성 물질은 실리콘, 이황화몰리브덴, 이셀레늄화몰리브덴, 이황화텅스텐, 이셀레늄화텅스텐, 이텔루륨화몰리브덴 또는 그래핀을 포함함 -로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막을 준비하는 단계; 및
상기 연신성 박막에 상기 나노 멤브레인 어레이 패턴이 구비되어 있는 상태에서, 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 상기 활성 물질의 밴드갭을 감소시키는 단계를 포함하고,
상기 활성 물질의 밴드갭을 감소시키는 단계는 상기 활성 물질의 밴드갭을 기본 밴드갭- 상기 기본 밴드갭은 상기 연신성 박막에 인장 변형이 인가되기 전의 상기 활성 물질의 밴드갭임 - 보다 낮은 제1 밴드갭으로 감소시킴으로써, 제1 파장 대역- 상기 제1 파장 대역은 상기 기본 밴드갭을 가지는 활성 물질에 의해 감지될 수 없는 파장 대역으로서, 1300 ~ 1550 nm 의 단파장 적외선 대역임 -의 광을 감지할 수 있는 상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계를 포함하는, 광 검출기 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 연신성 박막에 이축 인장변형을 인가하여 상기 활성 물질의 밴드갭을 감소시키는 단계를 포함하는, 광 검출기 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 연신성 박막은 유연성 폴리머 필름 상에 상기 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는, 광 검출기 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 활성 물질은 10 nm 이하의 두께를 가지는 실리콘 나노멤브레인을 포함하고, 상기 기본 밴드갭은 1.12 eV 이상이고, 상기 제1 밴드갭은 0.8 eV 이상 1.12 eV 미만인, 광 검출기 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 가스 압력에 의해 상기 연신성 박막에 부풀림을 일으켜 상기 인장 변형을 인가하는 단계를 포함하는, 광 검출기 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 가스 압력에 의해 상기 연신성 박막을 상부 측 또는 하부 측으로 반구 형상으로 부풀림으로써 상기 인장 변형을 인가하는 단계를 포함하는, 광 검출기 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광 검출 어레이 센서를 제조하는 단계는 상기 연신성 박막의 둘레 부분을 외측 방향으로 방사상으로 잡아 당겨 상기 연신성 박막을 늘림으로써 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하는 단계를 포함하는, 광 검출기 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연신성 박막을 준비하는 단계는:
기판 상에 상기 활성 물질로 이루어지는 나노멤브레인 어레이를 형성하는 단계;
상기 나노멤브레인 어레이를 엘라스토머 스탬프를 사용하여 유연성을 가지는 폴리머 필름 상에 전사하는 단계; 및
상기 폴리머 필름 상에 상기 나노멤브레인 어레이의 각 픽셀에 연결되도록 연신성 전극을 형성하는 단계;를 포함하는, 광 검출기 제조 방법. - 제1항의 광 검출기 제조 방법에 의해 제조되는 광 검출기로서,
광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여 형성되는 광 검출 어레이 센서를 포함하고,
상기 광 검출 어레이 센서의 상기 활성 물질은, 상기 인장 변형에 의해 기본 밴드갭으로부터 감소된 제1 밴드갭을 가지고, 상기 기본 밴드갭은 상기 연신성 박막에 상기 인장 변형이 인가되기 전의 상기 활성 물질의 밴드갭인, 광 검출기. - 삭제
- 삭제
- 제12항에 있어서,
상기 활성 물질은 10 nm 이하의 두께를 가지는 실리콘 나노멤브레인을 포함하고, 상기 기본 밴드갭은 1.12 eV이고, 상기 제1 밴드갭은 0.8 eV 이상 1.12 eV 미만인, 광 검출기. - 삭제
- 제12항 또는 제15항에 있어서,
상기 광 검출 어레이 센서는 상기 인장 변형에 의해 반구면으로 부풀려진 형상을 가지는, 광 검출기. - 제12항의 광 검출기를 제조하기 위한 광 검출기 제조 장치로서,
제1항의 광 검출기 제조 방법에 의해, 광 검출을 위한 활성 물질로 이루어지는 나노 멤브레인 어레이 패턴을 구비하는 연신성 박막에 인장 변형을 인가하여, 인장 변형이 인가된 광 검출 어레이 센서를 제조하도록 구성되는 인장 변형 장치를 포함하는, 광 검출기 제조 장치. - 제18항에 있어서,
상기 인장 변형 장치는:
상기 연신성 박막을 지지하고, 상기 연신성 박막의 제1 면의 둘레 부분을 밀봉시키도록 구성되고, 상기 제1 면과 접하는 공간을 내부에 구비하는 챔버; 및
상기 공간 내의 가스 압력을 제어하여 상기 연신성 박막을 부풀리도록 구성되는 가스 제어 장치를 포함하는, 광 검출기 제조 장치. - 제18항에 있어서,
상기 인장 변형 장치는:
상기 연신성 박막의 둘레를 따라 배치되고, 상기 연신성 박막의 둘레 부분을 지지하도록 구성되는 다수의 인장 장치들; 및
상기 다수의 인장 장치들을 방사상으로 이동시켜 상기 연신성 박막에 인장 변형을 인가하는 가동 장치를 포함하는, 광 검출기 제조 장치.
Priority Applications (2)
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| KR101976024B1 (ko) * | 2017-11-08 | 2019-05-08 | 한국과학기술원 | 광학식 인장센서용 복합체, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 광학식 인장센서 |
| KR102182702B1 (ko) * | 2018-10-08 | 2020-11-25 | 동국대학교 산학협력단 | 광전 특성이 향상된 산화카드뮴계 p-n 이종접합 구조체 및 이의 제조방법 |
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| KR101235239B1 (ko) * | 2011-05-20 | 2013-02-21 | 서울대학교산학협력단 | 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법 |
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2020
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2021
- 2021-07-22 WO PCT/KR2021/009500 patent/WO2022131470A1/ko active Application Filing
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