KR20110107603A - 표면 플라즈몬과 ｈｉｇｈ-ｋ 물질을 이용한 반사 방지구조 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

표면 플라즈몬과 high-k 물질을 이용한 반사 방지구조 및 그 제조방법에 관해 개시되어 있다. 반사 방지구조는 기판 상에 형성되고 입사광에 투명한 고유전막 및 상기 고유전막 상에 구비된 나노 물질층를 포함한다. 상기 고유전막은 ZrO2, HfO2, TiO2, Ta2O5, La2O3, Y2O3 및 Al2O3 중 어느 하나일 수 있다.

Description

표면 플라즈몬과 ｈｉｇｈ-ｋ 물질을 이용한 반사 방지구조 및 그 제조방법{Anti-reflection element using surface plasmon and high-k dielectric and method of manufacturing the same}
본 발명의 일 실시예는 금속 나노입자층과 high-k 물질을 이용한 반사 방지구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속표면에 속박되어 있는 자유전자들이입사된 빛과 강하게 상호작용하여 만든 플라즈몬(plasmon)을 말한다. 물체 표면의 미세구조를 바꾸면 표면 플라즈몬의 종류가 바뀌어 물질이 흡수하는 빛의 파장도 달라지기 때문에, 표면 플라즈몬을 이용하면 물질의 색상을 조절할 수 있다.
금속 나노입자에서는 가시~근적외선 대역의 빛(전자기장)과 자유전자가 짝지어지면서 광 흡수가 일어나기 때문에, 선택적인 색상제어가 가능하다.
이에 따라 최근에는 표면 플라즈몬 현상을 이용하기 위해 광 소자에 금속 나노입자가 사용되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 표면 플라즈몬과 high-k 물질을 이용하여 반사율을 낮출 수 있는 반사 방지구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 이러한 반사 방지구조의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조는 기판 상에 구비된 반사 방지체에 있어서, 상기 반사 방지체는 입사광에 투명한 고 유전막 및 상기 고 유전막 상에 구비된 나노 물질층를 포함한다.
상기 고 유전막은 ZrO2, HfO2, TiO2, Ta2O5, La2O3, Y2O3 및 Al2O3 중 어느 하나일 수 있다.
상기 나노 물질층은 복수의 나노 입자를 포함하는 나노 입자층 또는 복수의나노 로드를 포함하는 나노 로드층일 수 있다. 또한, 상기 나노 물질층은 금속 박막층일 수 있다.
상기 나노 물질층 상에 유전막이 더 구비될 수 있다.
상기 기판은 광 소자의 표면의 광 입사면 또는 광 소자 내부의 광 입사면 또는 광 방출면일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조의 제조방법은 기판 상에 입사광에 투명한 고 유전막을 형성하는 단계 및 상기 고유전막 상에 나노 물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
이 방법에서 상기 나노 물질층 상에 유전막을 더 형성할 수 있고, 상기 나노 물질층은 복수의 나노 입자를 포함하는 나노 입자층 또는 복수의 나노 로드를 포함하는 나노 로드층일 수 있다.
상기 고유전막 상에 나노 물질층을 형성하는 단계는 상기 고유전막 상에 금속박막을 형성하는 단계 및 상기 금속박막을 열처리하여 나노입자를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고유전막 상에 나노 물질층을 형성하는 단계는 상기 고유전막 상에 복수의 나노입자를 포함하는 나노 구조체를 코팅하는 단계 및 상기 나노 구조체를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조는 표면 플라즈몬 효과에 의해 반사율을 낮출 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조가 광 소자에 적용될 경우, 해당 광 소자의 광 효율을 높일 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조가 태양전지에 적용될 경우, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, LED 등과 같이 광을 기반으로 한 디스플레이에 적용될 경우, 광 투과율을 향상시킬 수 있다. 또한, 반사 방지구조의 high-k 유전체의 두께를 조절함으로써 광 파장에 따라 선택적으로 투과율도 제어할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조의 단면도들이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조에 대한 광학 특성 실험 결과를 나타낸 그래프들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 표면 플라즈몬과 high-k 물질을 이용한 반사 방지구조 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 반사 방지구조(혹은 반사 방지체)를 설명한다.
도 1을 참조하면, 기판(30) 상에 고 유전막(high-k dielectric layer)(32)이 존재한다. 기판(30)은 광을 기반으로 동작이 이루어지거나 그 동작에 광을 이용하는 모든 광소자일 수 있다. 예를 들면, 기판(30)은 태양전지, 광 센서, LED 등일 수 있다. 기판(30)의 고유전막(32)이 구비된 면은 상기 광소자의 외부 광 입사면일 수도 있으나, 상기 광소자 내부의 광 입사면 혹은 광 방출면일 수도 있다. 고유전막(32)은 입사광에 투명하고 고유전상수를 갖는 물질로써, 예를 들면 ZrO2, HfO2, TiO2, Ta2O5, La2O3, Y2O3 및 Al2O3 중 어느 하나일 수 있다. 고유전막(32)의 두께는, 예를 들면 1-100nm일 수 있다.
계속해서, 고유전막(32) 상에 복수의 나노입자(34a)를 포함하는 나노 입자층(34)이 존재한다. 고유전막(32)의 나노 입자층(34)이 존재하는 면은 광 입사면일 수 있다. 나노입자(34a)는 금속 나노입자로써, 예를 들면 Au일 수 있다. 고유전막(32)과 나노 입자층(34)은 제1 반사 방지체일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 반사 방지체를 보여준다. 도 1의 제1 반사 방지체와 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 2를 참조하면, 고유전막(32) 상에 금속 나노 박막(40)과 유전막(42)이 순차적으로 적층되어 있다. 금속 나노박막(40)은 금속 나노입자(34a)와 동일한 물질일 수 있다. 금속 나노박막(40)의 두께는, 예를 들면 1-100nm일 수 있다. 유전막(42)은 입사광에 대해 투명한 유전물질일 수 있다. 예를 들면, 유전막(42)은 SiO2, ZnO 등일 수 있다. 유전막(42)의 두께는, 예를 들면 1-50nm 정도일 수 있다. 고유전막(32)과 금속 나노박막(40)과 유전막(42)은 제2 반사 방지체를 이룰 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 반사 방지체를 보여준다. 도 3에 도시한 반사 방지체는 도 1의 제1 반사 방지체에 나노 입자층(34)을 덮는 유전막(42)이 구비된 경우이다. 도 3에서 고유전막(32), 나노입자층(34) 및 유전막(42)은 제3 반사 방지체를 이룰 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 반사 방지체를 보여준다.
도 4를 참조하면, 고유전막(32) 상에 금속 나노 로드(nano rod)층(44)이 존재한다. 금속 나노 로드층(44)는 복수의 금속 나노 로드(44a)를 포함한다. 금속 나노 로드(44a)의 물질은 도 1의 나노 입자(34a)와 동일할 수 있다. 금속 나노 로드층(44)은 유전막(42)으로 덮여있다. 그러나 유전막(42)은 선택적이므로, 구비되지 않아도 무방하다. 따라서 고유전막(32)과 금속 나노 로드층(44)은 제4 반사 방지체를 이룰 수 있고, 유전막(42)을 선택적으로 더 구비할 수 있다.
다음에는 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지구조의 제조방법을 설명한다. 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고 그에 대한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 기판(30) 상에 고유전막(32)을 형성한다. 이어서 도 6에 도시한 바와 같이 고유전막(32) 상에 금속박막(50)을 형성한다. 금속박막(50)은 나노 입자를 형성하기 위한 것으로 도 1의 나노입자(34a)과 동일한 물질로 형성할 수 있고, 1-100nm의 두께로 형성할 수 있다. 금속박막(50)은 물리적 화학적 기상증착법 또는 열 증발(thermal evaporation)법으로 형성할 수 있다. 이후, 열 어닐링 공정으로 금속박막(50)을 열처리함으로써, 도 7에 도시한 바와 같이 고유전막(32) 상에 복수의 나노입자(34a)를 포함하는 나노 입자층(34)이 형성된다. 이러한 나노 입자층(34) 상에 도 3의 유전막(42)이 더 형성될 수 있다.
한편, 나노 입자층(34)은 고유전막(32) 상에 복수의 나노입자를 포함하는 나노 구조체를 코팅한 다음, 증발시켜 형성할 수도 있다. 상기 나노 구조체는 1-100nm의 두께로 코팅할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 반사 방지체의 광학특성을 보여준다.
도 8은 반사 방지체에 입사되는 광의 파장에 따른 반사 방지체의 반사율을 측정한 결과를 보여준다.
도 8에서 제1 내지 제3 그래프(G1-G3)는 각각 고유전막(32)의 두께가 60nm, 40nm, 20nm일 때의 반사율을 나타낸다. 이때, 나노입자(34a)는 3nm의 Au 입자이다. 제4 그래프(G4)는 고유전막(32)이 없는 경우이다.
도 8을 참조하면, 고유전막(32)의 두께에 따라 반사율이 달라지는 것을 볼 수 있다. 곧, 고유전막(32)의 두께가 증가할 수록 반사율이 낮아짐을 알 수 있다. 따라서 고유전막(32)의 두께를 조절함으로써, 선택적으로 파장 투과율을 제어할 수 있다.
도 9는 고유전막(32)이 ZrO2일 때와 고유전막(32) 대신에 SiO2가 구비된 경우의 투과 전기장의 세기를 보여준다.
도 9를 참조하면, 고유전막(32) 대신에 SiO2가 구비되었을 때보다, 고유전막(32)(ZrO2)이 존재할 때, 투과 전기장세기가 큰 것을 알 수 있다.
도 10은 고유전막(32)이 ZrO2일 때와 고유전막(32) 대신에 SiO2가 존재할 때의 분극률(polarizabiltiy)을 보여준다. 도 10에서 ▲는 SiO2와 고유전막(32)의 두께가 30nm일 때이고, ●는 두께가 20nm일 때이며, ■는 두께가 10nm일 때이다.
도 10을 참조하면, 고유전막(32)이 존재할 때, 분극률이 훨씬 큰 것을 알 수 있다.
도 11은 고유전막(32)이 ZrO2일 때와 고유전막(32) 대신에 SiO2가 존재할 때의 산란능을 보여준다. 도 11에서 ▲는 SiO2와 고유전막(32)의 두께가 30nm일 때이고, ●는 두께가 20nm일 때이며, ■는 두께가 10nm일 때이다.
도 11을 참조하면, 고유전막(32)이 존재할 때, 산란능이 훨씬 큰 것을 알 수 있다.
도 12는 고유전막(32)이 ZrO2일 때와 고유전막(32) 대신에 SiO2가 존재할 때의 광흡수를 보여준다. 도 12에서 ▲는 SiO2와 고유전막(32)의 두께가 30nm일 때이고, ●는 두께가 20nm일 때이며, ■는 두께가 10nm일 때이다.
도 12를 참조하면, 고유전막(32)이 존재할 때, 광 흡수가 훨씬 큰 것을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
30:기판 32:고유전막
34:나노입자층 34a:나노입자
40:금속 나노 박막 42:유전막
44:금속 나노 로드층 44a:나노 로드
50:금속박막

Claims (13)

  1. 기판 상에 구비된 반사 방지구조에 있어서,
    상기 반사 방지구조는,
    입사광에 투명한 고유전막; 및
    상기 고유전막 상에 구비된 나노 물질층를 포함하는 반사 방지구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고유전막은 ZrO2, HfO2, TiO2, Ta2O5, La2O3, Y2O3 및 Al2O3 중 어느 하나인 반사 방지구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 물질층은 복수의 나노 입자를 포함하는 나노 입자층 또는 복수의나노 로드를 포함하는 나노 로드층인 반사 방지구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 물질층은 금속 박막층인 반사 방지구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 물질층 상에 유전막이 더 구비된 반사 방지구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 광 소자의 표면의 광 입사면 또는 광 소자 내부의 광 입사면 또는 광 방출면인 반사 방지구조.
  7. 기판 상에 입사광에 투명한 고유전막을 형성하는 단계; 및
    상기 고유전막 상에 나노 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 반사 방지구조의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노 물질층 상에 유전막을 더 형성하는 반사 방지구조의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노 물질층은 복수의 나노 입자를 포함하는 나노 입자층 또는 복수의나노 로드를 포함하는 나노 로드층인 반사 방지구조의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노 물질층은 금속 박막층으로 형성하는 반사 방지구조의 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 고유전막은 ZrO2, HfO2, TiO2, Ta2O5, La2O3, Y2O3 및 Al2O3 중 어느 하나로 형성하는 반사 방지구조의 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 고유전막 상에 나노 물질층을 형성하는 단계는,
    상기 고유전막 상에 금속박막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속박막을 열처리하여 나노입자를 형성하는 단계를 더 포함하는 반사 방지구조의 제조방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 고유전막 상에 나노 물질층을 형성하는 단계는,
    상기 고유전막 상에 복수의 나노입자를 포함하는 나노 구조체를 코팅하는 단계; 및
    상기 나노 구조체를 열처리하는 단계를 더 포함하는 반사 방지구조의 제조방법.
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