KR20160038209A - 플라즈모닉 광흡수체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈모닉 광흡수체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판; 상기 기판에 형성된 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드; 및 상기 나노로드 및 상기 기판의 표면 상에 형성된 금속 함유 박막;를 포함하되, 상기 금속 함유 박막이 형성된 상기 나노로드는 인접한 나노로드와 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다양한 크기의 나노갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체에 관한 것으로, 대면적으로 제작되면서 넓은 파장 영역의 광을 높은 효율로 흡수할 수 있는 플라즈모닉 광흡수체를 제공하는 효과가 있다.

Description

플라즈모닉 광흡수체 및 이의 제조방법{plasmonic absorber and fabricating method for the same}
본 발명은 플라즈모닉 광흡수체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
플라즈모닉 광흡수체를 제작하는 기존기술은 (1) 전자빔 식각법(e-beam lithography)과 같은 고가의 나노 패터닝 공정을 사용하는 방법과 (2) 집속 이온빔 밀링(focused ion beam milling)과 같이, 두꺼운 금속 필름을 직접 식각하는 방법 등이 있다. 상기 두 방법은 처리량(throughput)이 매우 낮기 때문에 실용화를 위한 대면적 기판 제작에는 한계를 가지고 있다.
나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography) 공정의 경우 대량생산에는 용이하지만, 나노임프린트 리소그래피 공정에 사용되는 몰드(mold)를 전자빔 식각법으로 제작하기 때문에 몰드 값이 매우 비싸다는 단점이 있다.
본 발명과 기존의 식각법에 기초한 발명과의 가장 큰 차이점은 본 발명은 고분자 기판의 표면처리 기술에 의해 높은 종횡비를 가진 랜덤 나노로드를 단일공정으로 제작할 수 있다는 점이다.
(1)의 방법을 개시한 문헌으로 [Nano letters, 2010, 10, 2342-2348]에 기재된 Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor가 있다. 이 구조는 위, 아래의 Au층과 그 사이에 20 nm MgF2의 절연층으로 이루어져 있다. 절연층 아래에는 평평한 유리기판 위에 Au층을 200nm두께로 증착시켰으며, 두꺼운 Au층은 빛을 투과시키지 않는다. 절연층 위에는 지름이 352 nm, 두께 20 nm의 Au 디스크(gold disk) 패턴 어레이로 구성된다. 특정 파장의 입사광에 대해 위층과 아래층의 Au의 구조에 의해 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR: localized surface plasmon resonance)이 일어나고 국소 플라즈몬 공명으로 형성된 전자기장이 절연막에 보관(confined)될 수 있도록 설계되었다. 이 기술의 특징은 아주 좁은 폭으로 국소 표면 플라즈몬 공명에 의한 반사 딥(reflection dip)이 일어나고 99%의 높은 흡광도를 보인다는 점이다. 그러나, 전자빔 식각법으로 제작되어 대면적으로 생산하기는 어려우며 기판의 크기는 100x100 μm2의 작은 사이즈이다. 또한, 흡수 파장은 1.6μm 근처의 영역에서 일어나기 때문에 가시광 영역에서 사용하기에 어려움이 있다.
(2)의 방법을 개시한 문헌으로 [Nature Communications, 2012, 3, 969, DOI: 10.1038/ncomms1976]에 기재된 Plasmonic black gold by adiabatic nanofocusing and absorption of light in ultra-sharp convex grooves가 있다. 이 기술은 평평한 실리카 기판위에 900 nm의 Au를 증착한 후, 집속 이온빔 밀링 공정을 통해 끝부분이 매우 뾰족한 모양의 볼록홈(convex grooves)을 만든다. 이렇게 제작된 구조는 이웃한 볼록홈 사이의 나노갭의 크기가 점진적으로 변하기 때문에, 표면 플라즈몬 공명이 특정 파장이 아닌 가시광 전 영역에서 발생하여 빛을 잘 흡수하는 것으로 보인다. 입사광이 450nm 내지 850nm 영역일 때 평균 96%의 흡광도를 나타내었다. 그러나, 본 기술에 의한 기판의 크기 역시 20μm정도로 (1)의 방법과 같이 대면적의 기판을 제작하는 기술과는 거리가 있다.
한편, [Nanotechnology, 2014, 25, 165301]에 기재된 Fabrication of polymer nanowire via maskless O2 plasma etching에서는 산소 플라즈마 조건하에서 폴리머 기판에 높은 종횡비의 구조가 형성되고 높은 종횡비를 가진 불안정한 구조가 기울어지는 현상을 가진다는 것을 밝혔다.
도 1은 종래의 고분자 나노와이어 구조를 만들기 위한 공정의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 고분자 나노와이어 구조를 만들기 위한 공정은 (a) 실리콘 기판에 SU-8, NR-7, PMMA와 같은 포토 레지스트를 스핀 코팅하여 박막을 형성한다. 이후 식각 마스크를 사용하지 않고, 산소 플라즈마를 사용하여 식각을 실시한다. (b)는 계층적 구조를 만들기 위해 (a) 공정에서 광식각 공정을 추가한 것이다.
본 기술에서 사용된 산소 플라즈마 공정 조건은 다음과 같다.
-반응성 이온 식각기(Reactive Ion Etcher) : Phantom III, Trion Technology
-작업 가스 : 산소 30 sccm
-전처리용 RF 플라즈마 Power : 50 W
-전처리 시간 : 3분 내지 10분
도 2는 반응성 이온 식각 공정 조건에 따른 모폴로지(morphology) 변화를 나타낸 도면이다.
도 2에서 스케일바(scale bar)는 1 μm이다. NR-7 포토 레지스트를 반응성 이온 시각 처리 했을 때 종횡비가 20이 넘는 폴리머 나노와이어가 생성되었다. NR 7과 SU-8의 경우, 식각 시간이 증가함에 따라 높은 종횡비를 가지는 폴리머 나노와이어가 생성되고, 높은 종횡비에 의한 구조의 불안정성에 의해 나노와이어가 서로 기울어지는(leaning effect) 현상이 생기는 것을 확인할 수 있다. PMMA의 경우에는 나노와이어끼리 서로 붙는 번들링(bundling effect) 현상도 나타났다.
이 논문에서는 폴리머 필름을 산소 반응성 이온 식각을 하면, 마스크 없이도 높은 종횡비를 갖는 나노와이어를 생성할 수 있다는 것을 보여주었다.
플라즈모닉 광흡수체와 관련된 국내 등록특허로는 제10-1211532호의 대면적의 불규칙적인 배열을 갖는 플라즈모닉 나노 우물 구조 및 그 제조방법이 있다. 본 기술은 기판 위에 금속 나노 입자 패턴을 형성하고 이 위에 PDMS를 부어 몰드를 형성한다. 이 몰드를 다시 뒤집으면 금속 나노 입자가 있던 위치에 우물이 형성되며 이러한 표면에 금속을 증착하여 증착면을 형성한다. 고분자 기판을 사용하여 대면적 형성에는 유리하나, 형성되는 나노갭이 비교적 규칙적인 크기이기 때문에 국소 표면 플라즈몬 공명에 의한 흡수파장 영역이 좁게 형성되었다.
상기와 같은 기술 개발 단계에서 대면적으로 생산이 가능하면서 다양한 크기의 나노갭을 형성할 수 있어 넓은 가시광 영역에서 높은 흡수율을 가지는 플라즈모닉 광흡수체를 고려하게 되었다.
본 발명은 대면적으로 제작할 수 있고 넓은 파장 영역의 광을 높은 효율로 흡수할 수 있는 플라즈모닉 광흡수체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 기판; 상기 기판에 형성된 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드; 및 상기 나노로드 및 상기 기판의 표면 상에 형성된 금속 함유 박막;를 포함하되, 나노로드 상에 형성된 금속 함유 박막은 인접한 나노로드 상에 증착된 금속 함유 박막과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다양한 크기의 나노갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 고분자 기판이고, 상기 나노로드는 상기 고분자 기판을 플라즈마 표면 처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노로드의 지름은 10 nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노로드의 기판 표면으로부터의 높이는 30nm 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노로드의 종횡비는 3 내지 20인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노갭 중 일부 나노갭들은 기판 표면으로 갈수록 400 nm에서 1nm로 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 함유 박막은 라만활성물질을 진공증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation) 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나를 이용한 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 라만활성물질은 Au, Ag, Cu, Pt, Pd 및 이의 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 함유 박막의 두께는 50nm 내지 350nm인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체를 제공할 수 있다.
또한, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판을 가공하여 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드들을 형성하는 단계; 및 상기 나노로드 및 상기 기판의 표면 상에 금속 함유 박막을 형성하는 단계;를 포함하되, 나노로드 상에 형성된 금속 함유 박막은 인접한 나노로드 상에 증착된 금속 함유 박막과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다양한 크기의 나노갭을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 고분자 기판이고, 상기 나노로드는 상기 고분자 기판을 플라즈마 표면 처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노로드의 지름은 10 nm 내지 200 nm로 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노로드의 높이는 기판 표면으로부터의 30nm 내지 2㎛로 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노로드의 종횡비는 3 내지 20이 되도록 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 나노갭 중 일부 나노갭들은 기판 표면으로 갈수록 400 nm에서 1nm로 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 함유 박막은 라만활성물질을 진공증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation) 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나를 이용한 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 라만활성물질은 Au, Ag, Cu, Pt, Pd 및 이의 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 함유 박막의 두께는 50nm 내지 350nm로 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 대면적으로 제작되면서 넓은 파장 영역의 가시광을 높은 효율로 흡수할 수 있는 플라즈모닉 광흡수체 기판을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고분자 나노와이어 구조를 만들기 위한 공정의 개념도이다.
도 2는 반응성 이온 식각 공정 조건에 따른 모폴로지 변화를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈모닉 광흡수체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 금속 함유 박막의 두께를 150nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
도 5는 금속 함유 박막의 두께를 200nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
도 6는 금속 함유 박막의 두께를 250nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
도 7는 금속 함유 박막의 두께를 300nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
도 8는 금속 함유 박막의 두께를 350nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
도 9은 금속 함유 박막의 두께 및 입사광의 파장에 따른 흡수율을 비교한 도면이다.
도 10은 금속 함유 박막의 두께에 따른 평균 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈모닉 광흡수체를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 이해를 돕기 위해 도시한 것이며 구성요소들의 상대적인 수치는 본 발명의 일실시예에서와는 차이가 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈모닉 광흡수체는 기판(110), 나노로드(120) 및 금속 함유 박막(130)을 포함한다.
기판(110)은 특정 패턴으로 가공이 가능한 소재를 사용하며 본 발명의 실시예에서는 고분자 기판(110)을 사용하였다.
나노로드(120)는 기판(110)을 가공하여 형성되며 기판(110)과 동일한 소재가 된다.
기판(110)을 가공하는 공정은 플라즈마 식각, 소프트 리소그라피(soft lithography), 엠보싱(embossing), 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography), 포토 리소그라피 (photolithography), 및 홀로그래픽 리소그라피(holographic lithography) 중 어느 하나를 이용할 수 있으나 본 발명에서는 플라즈마 식각 공정으로 고분자 기판을 표면처리 하는 것이 대면적 플라즈모닉 광흡수체의 생산에 보다 바람직하다.
플라즈마 식각을 이용할 경우 아르곤, 산소, 수소, 헬륨 및 질소 기체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 기체를 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 기판(110)의 가공은 플라즈마 식각을 이용한 표면처리 기법을 사용하는데 그 중 아르곤(Ar)을 식각가스로 하여 플라즈마 식각 공정을 수행하였다.
나노로드(120)는 식각 시간 등을 조절하여 종횡비를 조절할 수 있으며 나노로드(120)가 기울어질 수 있도록 기판(110)을 충분히 플라즈마 식각한다.
충분히 길어진 나노로드(120)들은 불규칙한 방향으로 기울어지게 된다. 전자빔 식각법이나 나노임프린트 식각법과 같은 나노패터닝 공정을 하게 될 경우 이러한 기울어진 나노로드를 형성하기 위해서는 추가적인 캐필러리 기울임 효과(capillary leaning effect)를 주는 공정이 필요하다(Journal of American Chemical Society, 2101, 132, 12820-12822). 본 발명에서는 고분자 기판(110)에 플라즈마 식각에 의한 표면처리만으로 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드(120)를 얻을 수 있다.
바람직하게는 나노로드(120)의 지름은 10nm 내지 200nm가 되도록 형성한다. 나노로드(120)의 기판(110) 표면으로 부터의 높이는 30nm 내지 2㎛가 되며, 종횡비는 3 내지 20정도가 되도록 하는 것이 기울어진 나노로드(120) 형성에 있어 바람직하다.
금속 함유 박막(130)은 나노로드(120) 및 기판(110) 표면상에 형성된다.
금속 함유 박막(130)은 라만활성물질을 진공증착하여 형성하며 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation), 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
금속 함유 박막(130)은 Au, Ag, Cu, Pt, Pd 및 이의 합금 중 어느 하나일 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에서는 금속 함유 박막(130)을 형성함에 있어 Ag를 열증착 공정을 이용하여 증착하였다.
나노로드(120) 상에 증착된 금속 함유 박막(130)은 인접한 나노로드(120) 상에 증착된 금속 함유 박막(130)과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭(NG)을 형성한다.
도 3에서 도시된 바와 같이 나노갭(NG)은 다양한 크기로 형성될 수 있다. 도 3의 (A)의 경우 기판(110)표면으로 갈수록 점진적으로 감소하는 나노갭(NG)들을 나타낸다. 이러한 나노갭(NG)에 전자기파가 입사할 경우 장파장은 상부에서 흡수될 수 있고 단파장은 하부에서 흡수될 수 있다. 따라서, 도 3의 (A)와 같이 나노갭(NG)이 기판(110) 표면으로 갈수록 점진적으로 감소하는 구조는 광범위한 파장에서 흡수가 효율적으로 있도록 하는 주도적인 역할을 한다. 본 발명의 일실시예에서는 기판(110) 표면으로 갈수록 상기 나노갭(NG)은 400 nm 에서 1 nm 로 점진적으로 감소하여 가시광 전영역의 빛을 흡수할 수 있도록 한다. 이와 같은 구조에서는 표면 플라즈몬 폴라리톤(gap surface plasmon polaritons, gap-SPPs)이 생성될 수 있어 전자기파를 효율적으로 흡수할 수 있다.
도 3의 (B)는 기판(110) 상부의 일평면에서의 다양한 크기의 나노갭(NG)들을 나타낸다. 이러한 다양한 크기의 나노갭들은 (A)의 경우에서 처럼, 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드(120)들에 기인한 것이다. 기판(110) 상부에서 다양한 크기의 나노갭(NG)들은 이에 상응하는 광범위한 파장의 전자기파를 흡수할 수 있다.
도 3의 (C)의 경우와 같이 나노갭(NG)이 점진적으로 증가하는 구조도 있을 수 있다. 다만, 이의 경우 기판(110) 상부에서 형성된 나노갭(NG)에 상응하는 파장의 전자기파만이 흡수되고 표면(110)에 가까운 나노갭(NG)들은 전자기파를 효과적으로 흡수하지는 않는다.
도 4는 금속 함유 박막(130)의 두께를 150nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
도 4에서 제작된 플라즈모닉 광흡수체의 나노로드(120)의 형성조건은 다음과 같다.
- 초기 진공도 : 3 x 10-2torr
- 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 공정
- 전처리 작업 진공도 : 8 x 10-2torr
- 작업 가스 : Ar 5 sccm
- 전처리용 RF 플라즈마 Power : 100 W
- 전처리 시간 : 7분
기판(110)은 고분자 기판(110)을 사용하였으며 Ar 가스로 플라즈마 식각 처리를 7분 동안 실시하여 불규칙하게 기울어진 나노로드(120)들을 형성한 후 금속 함유 박막(130)을 형성하기 위해 Ag를 150nm의 두께로 진공증착하였다. 도 4를 참조하면, 나노로드(120)가 똑바로 서있지 못하고 기판(110)에서 일정한 각도로 기울어진 것을 알 수 있다. 이에 따라, 나노로드(120) 상에 증착된 금속 함유 박막(130)은 인접한 나노로드(120) 상에 증착된 금속 함유 박막(130)과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다양한 크기의 나노갭(NG)을 형성한다.
나노 패터닝공정으로는 균일한 금속 나노구조체를 얻을 수 있기 때문에 반치폭이 매우 작은 특정 파장의 국소 표면 플라즈몬 공명 피크를 얻을 수 있다. 이에 비해 본 발명은, 플라즈마 식각을 통한 고분자 기판(110)의 표면처리와 금속의 진공증착을 통하여 다양한 크기의 나노갭(NG)을 가진 플라즈모닉 광흡수체를 제조할 수 있으며 이러한 플라즈모닉 광흡수체는 특정 파장이 아닌 광범위한 파장의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다.
도 5는 금속 함유 박막(130)의 두께를 200nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
이 실시예에서는 플라즈모닉 광흡수체의 나노로드(120)의 형성조건은 도 4의 실시예에서와 동일하다. 다만, Ag의 증착두께를 200nm로 하여 금속 함유 박막(130)을 형성하였다. 도 5를 참조하면, Ag를 150nm두께로 증착하였을 때에 비해 금속 함유 박막(130)이 증착된 나노로드(120)의 지름이 증가한 것을 알 수 있고, 도 4에서와 같이 다양한 나노갭(NG)이 형성된 것을 알 수 있다.
도 6는 금속 함유 박막(130)의 두께를 250nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
이 실시예에서는 플라즈모닉 광흡수체의 나노로드(120)의 형성조건은 도 4의 실시예에서와 동일하다. 다만, Ag의 증착두께를 250nm로 하여 금속 함유 박막(130)을 형성하였다
도 7는 금속 함유 박막(130)의 두께를 300nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
이 실시예에서는 플라즈모닉 광흡수체의 나노로드(120)의 형성조건은 도 4의 실시예에서와 동일하다. 다만, Ag의 증착두께를 300nm로 하여 금속 함유 박막(130)을 형성하였다
도 8는 금속 함유 박막(130)의 두께를 350nm로 형성하였을 때의 플라즈모닉 광흡수체의 SEM 사진이다.
이 실시예에서는 플라즈모닉 광흡수체의 나노로드(120)의 형성조건은 도 4의 실시예에서와 동일하다. 다만, Ag의 증착두께를 350nm로 하여 금속 함유 박막(130)을 형성하였다
도 4 내지 도 8을 참조하면, Ag의 증착두께를 증가시킬수록 기판(110) 상부의 나노갭의 크기가 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, Ag의 증착두께에 따라 기판(110) 상부에서 기판(110) 표면으로 갈수록 일부 나노갭들의 크기가 점진적으로 감소하는 것은 도 4 내지 도 8의 공통적인 특징이 된다.
도 9은 금속 함유 박막(130)의 두께 및 입사광의 파장에 따른 흡수율을 비교한 도면이다. 삽입된 사진은 Ag를 200nm로 증착하였을 때의 대면적(5x5 cm2) 플라즈모닉 광흡수체의 사진이다.
도 9에 도시한 바와 같이, Ag를 100nm 에서 350nm로 50nm간격으로 증착두께를 변화시키면서 플라즈모닉 광흡수체의 흡광도를 측정하였다. 흡광도는 투과도와 반사도를 측정하여 흡광도 = 1-투과도-반사도의 식을 이용하여 도출하였다. 도 6을 참조하면, Ag를 200nm, 250nm 로 증착한 경우에 가장 흡광 효율이 좋음을 확인할 수 있다(푸른색, 분홍색 실선). Ag를 200 nm이하로 증착한 경우에는 투과도가 증가하게 되어, 흡광효율이 감소하게 된다. 또한 Ag를 300nm, 350nm로 증착한 경우에는 200nm, 250nm로 증착한 경우보다 흡광 효율이 감소하였는데 이는 기판(110) 상부 나노갭의 크기가 줄어들어 장파장의 흡수율이 상대적으로 감소하였고, 금속 함유 박막(130)이 증착된 나노로드(120)의 지름이 커짐에 따라 기판(110) 상부에서의 반사도가 증가하였기 때문이다.
도 10은 금속 함유 박막(130)의 두께에 따른 평균 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 10의 측정조건은 400nm 내지 800nm 파장의 가시광 영역에서 평균적인 흡광도를 측정한 것이다. Ag를 200nm 두께로 증착 시에는 98.5%의 흡광도를 250 nm 증착 시에는 98.8%의 흡광도가 측정되었다. 종래기술(2)에 기재된 흡광도는 450nm 내지 850nm영역에서 약 96%로, 본 발명에 의한 플라즈모닉 광흡수체의 흡광효율이 매우 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 플라즈모닉 광흡수체는 흡광효율이 우수할 뿐만 아니라 흡광되는 파장 영역도 넓으며 대면적으로 제작할 수 있다는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 11을 참조하면, S200단계에서 기판(110)을 준비한다. 기판(110)은 플라즈마 식각에 의한 표면처리가 가능한 고분자 기판(110)을 준비하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
S210단계에서, 상기 기판(110)을 가공하여 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드(120)들을 형성한다. 나노로드(120)들이 큰 종횡비를 갖도록 기판(110)을 표면처리하면 나노로드(120)들은 그에 따라 불규칙한 방향으로 기울어지게 된다. 본 발명의 일실시예에서는 종횡비가 3 내지 20이 되도록 나노로드(120)들을 형성하였다.
S220단계에서, 상기 나노로드(120) 및 상기 기판(110) 표면 상에 금속 함유 박막(130)을 형성한다. 금속 함유 박막(130)은 진공증착으로 형성할 수 있으며 증착 시간 등을 조절하여 형성되는 금속 함유 박막(130)의 두께를 조절할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈모닉 광흡수체 및 이의 제조방법에 대해 살펴보았다.
본 발명에 따르면 반도체 식각 공정에 쓰이는 전자빔 식각법과 같은 고가의 나노 패터닝 공정보다는 고분자 기판을 표면처리하는 기술을 기반으로 하기 때문에 대면적의 플라즈모닉 광흡수체를 제작할 수 있는 이점을 가지고 있다.
또한, 기존의 기술은 좁은 파장 영역에서 높은 흡광도를 지니거나 넓은 파장 영역에서 최대 96%정도의 흡광도를 지녔으나 본 발명에 의한 플라즈모닉 광흡수체는 400nm 내지 800nm의 넓은 가시광 영역 파장의 빛을 흡수하면서 상기 영역에서의 평균 흡광도가 금속 함유 박막(130) Ag의 두께 200nm에서 98.5%, 250nm에서 98.8%로 나타나 매우 우수하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "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.
110: 기판
120: 나노로드
130: 금속 함유 박막

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판에 형성된 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드; 및
    상기 나노로드 및 상기 기판의 표면 상에 형성된 금속 함유 박막;를 포함하되,
    나노로드 상에 형성된 금속 함유 박막은 인접한 나노로드 상에 증착된 금속 함유 박막과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다양한 크기의 나노갭을 형성하는 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 고분자 기판이고,
    상기 나노로드는 상기 고분자 기판을 플라즈마 표면 처리하여 형성된 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노로드의 지름은 10 nm 내지 200 nm인 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노로드의 기판 표면으로부터의 높이는 30nm 내지 2㎛인 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노로드의 종횡비는 3 내지 20인 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노갭 중 일부 나노갭들은 기판 표면으로 갈수록 400 nm에서 1nm로 점진적으로 감소하는 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 함유 박막은 라만활성물질을 진공증착시켜 형성되는 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation) 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나를 이용한 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 라만활성물질은 Au, Ag, Cu, Pt, Pd 및 이의 합금 중 어느 하나인 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속 함유 박막의 두께는 50nm 내지 350nm인 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체.
  11. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판을 가공하여 불규칙한 방향으로 기울어진 나노로드들을 형성하는 단계; 및
    상기 나노로드 및 상기 기판의 표면 상에 금속 함유 박막을 형성하는 단계;를 포함하되,
    나노로드 상에 형성된 금속 함유 박막은 인접한 나노로드 상에 증착된 금속 함유 박막과 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 다양한 크기의 나노갭을 형성하는 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 고분자 기판이고,
    상기 나노로드는 상기 고분자 기판을 플라즈마 표면 처리하여 형성된 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 나노로드의 지름은 10 nm 내지 200 nm로 형성한 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 나노로드의 높이는 기판 표면으로부터의 30nm 내지 2㎛로 형성한 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 나노로드의 종횡비는 3 내지 20이 되도록 형성한 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 나노갭 중 일부 나노갭들은 기판 표면으로 갈수록 400 nm에서 1nm로 점진적으로 감소하는 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 금속 함유 박막은 라만활성물질을 진공증착시켜 형성되는 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 진공증착은 스퍼터링(sputtering), 기화(evaporation) 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) 중 어느 하나를 이용한 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 라만활성물질은 Au, Ag, Cu, Pt, Pd 및 이의 합금 중 어느 하나인 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 금속 함유 박막의 두께는 50nm 내지 350nm로 형성한 것
    을 특징으로 하는 플라즈모닉 광흡수체의 제조방법.
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