KR20200022586A - 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents

다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

기판 상에 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층과 초박막 금속층을 적층시킨 3층 구조의 도입으로, 구조가 간단하면서도 표면 반사의 증가로 강한 공진이 형성되어 색순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시킬 수 있는 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물은 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상기 기판과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 상기 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층; 및 상기 동적변환 물질층 상에 배치된 초박막 금속층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법{POROUS ULTRA-THIN FILM COLOR DEVELOPING STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층과 초박막 금속층을 적층시킨 3층 구조의 도입으로, 구조가 간단하면서도 표면 반사의 증가로 강한 공진이 형성되어 색순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시킬 수 있는 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 차세대 스마트 소재로 동적 변환 물질을 이용하여 온도 및 습도, 화학가스, 미세 먼지 등의 특정 물질을 감지할 수 있는 발색 구조물에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 발색 구조물은 다양한 외부 환경 요인을 감지하기 위해, 고분자, 유기물 등을 합성하여 제조하고 있다.
도 1은 종래에 따른 박색 구조물을 나타낸 사시도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 따른 발색 구조물(1)은 기판(10), 기판(10) 상에 배치된 제1 금속층(20), 제1 금속층(20) 상에 적층된 반도체층(30), 반도체층(30) 상에 적층된 제2 금속층(40), 제2 금속층(40) 상에 적층된 산화물층(50)을 포함할 수 있다.
이때, 기판(10)으로는 유리가 이용되고, 제1 금속층(20)으로는 Ag가 이용되며, 제2 금속층(40)으로는 Cr이 이용될 수 있다. 또한, 반도체층(30)으로는 a-Si이 이용되고, 산화물층(50)으로는 TiO2가 이용될 수 있다.
전술한 구성을 갖는 종래에 따른 발색 구조물(1)은 복잡한 나노 구조를 갖는 다층의 박막 구조로 이루어진다.
이에 따라, 복잡한 구조 및 고온 및 용액 공정 등의 제작 과정에 의해 고분자 및 유기물 등의 동적 변환 물질이 손상될 위험이 있다.
또한, 종래에 따른 발색 구조물(1)은 동적 변환 물질과 외부 물질의 유입이 발색 구조에 의해 차단되어 외부 감지 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이에 따라, 최근에는 동적 변환 물질의 감지 성능의 향상을 위해 구조가 단순하고 외부 환경을 차단하지 않는 발색 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0126132 (2013.11.20. 공개)호가 있으며, 상기 문헌에는 발색 습도 센서가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 기판 상에 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층과 초박막 금속층을 적층시킨 3층 구조의 도입으로, 구조가 간단하면서도 표면 반사의 증가로 강한 공진이 형성되어 색순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시킬 수 있는 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물은 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상기 기판과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 상기 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층; 및 상기 동적변환 물질층 상에 배치된 초박막 금속층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 유리(glass) 중 어느 하나를 포함한다.
상기 동적변환 물질층은 50 ~ 600nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 동적변환 물질층은 1.3 ~ 2.5의 굴절률을 가지며, 동적 변환 성질을 갖는 고분자 물질, 바이오 물질 및 파질 물질 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 초박막 금속층은 Ti, Pt, Pd, Ag, Ni 및 Au 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 초박막 금속층은 5 ~ 50nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 초박막 금속층은 상기 동적변환 물질층 상에서 상기 동적변환 물질층의 일부가 노출되도록 경사지게 배치될 수 있다.
여기서, 상기 초박막 금속층은 상기 동적변환 물질층의 표면에 대하여, 30 ~ 85°의 경사각을 갖는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법은 기판 상에 동적변환 물질 용액을 코팅하고 건조하여 동적변환 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 동적변환 물질층 상에 초박막 금속층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 동적변환 물질층은 기판 상에 배치되며, 상기 기판과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 상기 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 동적변환 물질층은 50 ~ 600nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 초박막 금속층은 5 ~ 50nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 상기 금속 물질은 Ti, Pt, Pd, Ag, Ni 및 Au 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 초박막 금속층은 상기 동적변환 물질층 상에 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하여, 상기 동적변환 물질층의 일부가 노출되도록 형성할 수 있다.
여기서, 상기 금속 물질은 상기 동적변환 물질층이 형성된 기판과 이격된 상측에 장착되는 전자빔 증착장치의 증착 각도를 조절하면서 증착되어 빗각 증착이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 기판 상에 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층과 초박막 금속층을 적층시킨 3층 구조의 도입으로, 구조가 간단하면서도 표면 반사의 증가로 강한 공진이 형성되어 색순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 기판 상의 동적변환 물질층 상에 빗각 증착을 이용하여 초박막 금속층을 배치시키는 것에 의해, 동적변환 물질층 상에서 강한 공진의 형성으로 표면 반사를 증가시켜 색 순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두께 변화에 따른 색 변화를 증가시켜 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시키게 된다.
이에 더불어, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 초박막 금속층이 빗각 증착에 의해 경사지게 배치되어 동적변환 물질층의 일부가 외부로 노출되므로, 초박막 금속층의 공극을 통하여 외부 물질이 동적 변환 물질로 이루어진 동적변환 물질층으로 유입되는 것이 원활하여 외부 환경에 대한 감지 성능을 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은, 복잡한 나노 구조를 갖는 다층의 박막 구조가 아니라, 동적 변환 물질의 감지 성능을 위해 기판 상에 배치된 동적변환 물질층과, 동적변환 물질층의 일부가 노출되도록 빗각 증착된 초박막 금속층이 배치되는 구조이므로, 구조가 단순하면서도 외부 환경을 차단하지 않는 발색 구조로 제조 단가를 절감할 수 있는 이점을 갖습니다.
따라서, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 온도 및 습도, 화학 가스, 미세 먼지 등의 특정 물질을 감지할 수 있는 감지 센서로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 눈에 보이지 않는 물질들도 시각화하는 것을 통하여 시각 증진 스마트 센서로 활용할 수 있게 된다.
도 1은 종래에 따른 박색 구조물을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물을 나타낸 단면도.
도 3는 파지물질의 구조를 설명하기 위한 모식도.
도 4는 파지물질의 동적 변환 성질을 설명하기 위한 모식도.
도 5은 다양한 기판에 동적변환 물질층을 형성한 상태를 나타낸 사진.
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물을 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물의 공진 특성 향상 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 8은 초박막 금속층의 형성 전후에 따른 색상을 비교하여 나타낸 그래프.
도 9는 다공성 초박막 발색 구조물의 동적 변화에 따른 색 변화 테스트 결과를 나타낸 사진.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 12는 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 반사율 변화를 나타낸 사진.
도 13은 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 색 변화를 나타낸 사진.
도 14는 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프.
도 15는 다공성 초박막 발색 구조물에서 기판의 물질에 따른 반사율 변화를 나타낸 사진.
도 16은 다공성 초박막 발색 구조물에서 기판의 굴절률에 따른 색 변화를 나타낸 사진.
도 17은 다공성 초박막 발색 구조물에서 기판의 물질에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프.
도 18은 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 물질에 따른 반사율 변화를 나타낸 사진.
도 19는 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 물질에 따른 색 변화를 나타낸 사진.
도 20은 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 물질에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프.
도 21은 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 공극률에 따른 반사율 및 색 변화를 나타낸 그래프.
도 22는 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 공극률에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 기판(120), 동적변환 물질층(140) 및 초박막 금속층(160)을 포함한다.
기판(120)은 다공성 초박막 발색 구조물(100)의 지지체의 역할을 한다. 이러한 기판(120)으로는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 유리(glass) 중 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이 중 금 재질을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, 기판(120)으로 반사율이 뛰어난 금 재질을 이용하게 되면, 동적변환 물질층(140)의 후면 반사 효율을 향상할 수 있는 구조적인 이점을 발휘할 수 있다.
동적변환 물질층(140)은 기판(120) 상에 배치된다. 이러한 동적변환 물질층(140)은 기판(120)과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링(swelling)이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생한다.
이를 위해, 동적변환 물질층(140)으로는 1.3 ~ 2.5의 굴절률을 가지며, 동적 변환 성질을 갖는 고분자 물질, 바이오 물질 및 파질 물질 중 선택된 1종 이상을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 동적변환 물질층(140)은 기판(120) 상에 동적변환 물질을 용매에 혼합한 동적변환 물질 용액을 딥 코팅(dip-coating) 등의 방식으로 코팅하고 건조하는 것에 의해 형성될 수 있다.
이때, 동적변환 물질층(140) 중 파지물질은 박테리아를 숙주로 하는 바이러스의 일종이다. 일 예로, 파지물질로는 M13 박테리오 파지가 이용될 수 있다.
도 3은 파지물질의 구조를 설명하기 위한 모식도이고, 도 4는 파지물질의 동적 변환 성질을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 파지물질로 M13 박테리오 파지가 이용될 수 있다. 이러한 M13 박테리오 파지는 박테리아를 숙주로 하는 바이러스의 일종으로서, 자기 진화(self-evolution), 자기 복제(self-replication) 및 자기 조립(self-assembly)의 성질을 갖는다.
이러한 M13 박테리오 파지는 습도, 온도 등의 외부 환경에 따라 팽창하거나 수축하는 동적 변환 성질을 갖는다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물은 온도 및 습도, 화학 가스, 미세 먼지 등의 특정 물질을 감지할 수 있는 감지 센서로 활용될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 동적변환 물질층(140)은 50 ~ 600nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 동적변환 물질층(140)의 두께가 50nm 미만일 경우에는 두께가 너무 얇아 동적 변화에 따른 외부 환경 변화의 감지 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 동적변환 물질층(140)의 두께가 600nm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으며, 경량 박형화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다.
초박막 금속층(160)은 동적변환 물질층(140) 상에 배치된다. 이러한 초박막 금속층(160)은 Ti, Pt, Pd, Ag, Ni 및 Au 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이 중 Ti를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
특히, 초박막 금속층(160)은 5 ~ 50nm로 매우 얇게 형성해야 동적변환 물질층(140) 상에서 강한 공진의 형성으로 표면 반사를 증가시켜 색 순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두께 변화에 따른 색 변화를 증가시켜 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시키게 된다.
초박막 금속층(160)의 두께가 5nm 미만일 경우에는 강한 공진 효과를 제대로 발휘하기 어려워 표면 반사 특성의 저하도 색 순도 향상 효과가 크지 않을 수 있다. 반대로, 초박막 금속층(160)의 두께가 50nm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키므로 경량 박형화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 동적변환 물질층(140) 상에 초박막 금속층(160)을 배치시키는 것에 의해, 동적 변화에 따른 색 변화로 외부 감지 성능이 향상될 수 있게 된다.
한편, 도 5는 다양한 기판에 동적변환 물질층을 형성한 상태를 나타낸 사진이다. 즉, 도 5는 Au 기판(a), Si 기판(b) 및 유리 기판(c)에 동적변환 물질층을 각각 형성한 상태를 나타낸 것이다. 이때, 도 5에서는 동적변환 물질층 상에 초박막 금속층을 형성하지 않은 상태를 나타내었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 동적변환 물질층 상에 초박막 금속층을 배치시키지 않을 경우에는 외부 환경에 따른 동적 변화로 색 변화하는 파지물질의 낮은 반사 특성으로 옅은 색을 구현하기 때문에 색 변화를 감지하는데 어려움이 따를 수 있다. 이에 따라, 동적변환 물질층 상에 초박막 금속층을 배치시키지 않게 되면, 비스듬히 기울여 봤을 경우에만 섬광(glare)에 의해 색이 보이는 구조이므로 색 변화를 감지하기 어렵다.
한편, 도 6은 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물을 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 기판(120), 동적변환 물질층(140) 및 초박막 금속층(160)을 포함한다. 이때, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 초박막 금속층(160)의 구조가 상이한 것을 제외하고는 도 2를 참조로 설명한 실시예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물과 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
본 발명의 변형예에 따른 초박막 금속층(160)은, 실시예와 달리, 동적변환 물질층(140) 상에서 동적변환 물질층(140)의 일부가 노출되도록 경사지게 배치된다.
이때, 초박막 금속층(160)은 전자빔 증착장치의 증착 각도를 조절하는 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라, 초박막 금속층(160) 상호 간의 이격된 사이 공간으로는 공극(P)이 배치될 수 있다.
이러한 초박막 금속층(160)은 초 박막 형태의 금속층으로, 동적변환 물질층(140) 상에서 강한 공진의 형성으로 표면 반사를 증가시켜 색 순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두께 변화에 따른 색 변화를 증가시켜 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시키게 된다.
이에 따라, 초박막 금속층(160)의 하부에 배치되는 동적변환 물질층(140)의 일부가 외부로 노출되어 습기 발생시 색 반응성이 빠르게 나타나게 된다.
이 결과, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 빗각 증착을 이용한 초박막 금속층(160)을 초 박막 형태로 배치시키는 것에 의해, 동적 변화에 따른 색 변화로 외부 감지 성능이 향상될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 초박막 금속층(160)이 빗각 증착에 의해 경사지게 배치되어 동적변환 물질층(140)의 일부가 외부로 노출되므로, 초박막 금속층(160)의 공극(P)을 통하여 외부 물질이 동적 변환 물질로 이루어진 동적변환 물질층(140)으로 유입되는 것이 원활하여 외부 환경에 대한 감지 성능을 유지시킬 수 있게 된다.
이러한 초박막 금속층(160)은 빗각 증착법을 이용한 빗각 증착에 의해 동적변환 물질층(140) 상에서 동적변환 물질층(140)의 일부가 노출되도록 경사지게 배치된다. 특히, 초박막 금속층(160)은 동적변환 물질층(140)의 표면에 대하여, 30 ~ 85°의 경사각을 갖는 것이 바람직하다.
만일, 경사각이 30°미만일 경우에는 초박막 금속층(160)에 의해 동적변환 물질층(140)이 외부 환경에 차단되어 외부 물질 유입이 원활하지 않아 낮은 색 순도 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 경사각이 85°를 초과할 경우에는 초박막 금속층(160)에 의한 표면 반사 효과가 감소하여 색 순도 향상 효과가 크지 않을 우려가 있다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 파지물질을 이용한 다공성 초박막 발색 구조물의 공진 특성 향상 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 초박막 금속층(160)을 배치시키는 것 없이, 기판(120) 상에 동적변환 물질층(140)만이 배치되는 구조에서는 약한 공진 특성을 갖는다. 이에 따라, 외부 환경에 따른 동적 변화로 색 변화하는 파지물질의 낮은 반사 특성으로 옅은 색을 구현하기 때문에 색 변화를 감지하는데 어려움이 따를 수 있다.
반면, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)과 같이, 기판(100) 상의 동적변환 물질층(140) 상에 빗각 증착을 이용하여 초 박막 형태의 초박막 금속층(160)을 배치시키게 되면, 동적변환 물질층(140)과 초박막 금속층(160) 사이에서 강한 공진의 형성으로 표면 반사를 증가시켜 색 순도를 향상시킬 뿐만 아니라, 두께 변화에 따른 색 변화를 증가시켜 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시키게 된다.
다시 말해, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물(100)은 초박막 금속층(160)이 빗각 증착에 의해 경사지게 배치되어 동적변환 물질층(140)의 일부가 외부로 노출되므로, 초박막 금속층(160)의 공극(P)을 통하여 외부 물질이 동적 변환 물질로 이루어진 동적변환 물질층(140)으로 유입되는 것이 원활하여 외부 환경에 대한 감지 성능을 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 도 8은 초박막 금속층의 형성 전후에 따른 색상을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 초박막 금속층의 형성 전에는 약한 공진으로 색 순도가 좋지 않았으나, 초박막 금속층의 형성 후에는 강한 공진으로 색 순도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 다공성 초박막 발색 구조물의 동적 변화에 따른 색 변화 테스트 결과를 나타낸 사진이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다공성 초박막 발색 구조물을 25℃ 및 90%의 조건에서 색 변화 테스트를 실시한 결과, 시간이 경과함에 따라 동적 변화에 따른 색 변화가 확연하게 일어나고 있는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 습기 발생시 초 박막 형태의 초박막 금속층의 적용으로 동적변환 물질층 상에서 강한 공진을 형성시켜 표면 반사를 증가시켜 색 반응성이 빠르게 나타나 색 순도가 향상되는 것을 확인하였다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 변형예에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 기판(120) 상에 동적변환 물질 용액을 코팅하고 건조하여 동적변환 물질층(140)을 형성한다.
즉, 동적변환 물질층(140)은 기판(120) 상에 동적변환 물질을 용매에 혼합한 동적변환 물질 용액을 딥 코팅(dip-coating) 등의 방식으로 코팅하고 건조하는 것에 의해 형성될 수 있다.
이때, 기판(120)으로는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 유리(glass) 중 어느 하나가 이용될 수 있으며, 이 중 금 재질을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, 기판(120)으로 반사율이 뛰어난 금 재질을 이용하게 되면, 동적변환 물질층(140)의 후면 반사 효율을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 발휘할 수 있다.
이러한 동적변환 물질층(140)은 기판(120)과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링(swelling)이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생한다.
이를 위해, 동적변환 물질층(140)으로는 1.3 ~ 2.5의 굴절률을 가지며, 동적 변환 성질을 갖는 고분자 물질, 바이오 물질 및 파질 물질 중 선택된 1종 이상을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 동적변환 물질층(140) 중 파지물질은 박테리아를 숙주로 하는 바이러스의 일종이다. 일 예로, 파지물질로는 M13 박테리오 파지가 이용될 수 있다.
동적변환 물질층(140)은 50 ~ 600nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 동적변환 물질층(140)의 두께가 50nm 미만일 경우에는 두께가 너무 얇아 동적 변화에 따른 외부 환경 변화의 감지 기능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 동적변환 물질층(140)의 두께가 600nm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으며, 경량 박형화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다.
다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 동적변환 물질층(140) 상에 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하여, 동적변환 물질층(140)의 일부를 노출시키는 초박막 금속층(160)을 형성한다.
이때, 금속 물질은 Ti, Pt, Pd, Ag , Ni 및 Au 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이 중 Ti를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
여기서, 금속 물질은 동적변환 물질층(140)이 형성된 기판(120)과 이격된 상측에 장착되는 전자빔 증착장치의 증착 각도를 조절하면서 증착되어 빗각 증착이 이루어지게 된다.
즉, 전자빔 증착장치의 증착 각도를 조절하는 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하여, 동적변환 물질층(140)의 일부를 노출시키는 초박막 금속층(160)을 형성하게 된다.
이와 같이, 전자빔 증착장치를 이용한 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하게 되면, 낮은 면 저항을 가지면서 공극(P)에 의해 강한 공진을 형성시킬 수 있게 된다.
이러한 빗각 증찹법으로 금속 물질을 5 ~ 50nm의 두께로 빗각 증착하는 것에 의해, 동적변환 물질층(140)의 일부를 노출시키는 초박막 금속층(160)이 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 복잡한 나노 구조를 갖는 다층의 박막 구조로 발색 구조물을 제조하는 것이 아니라, 동적 변환 물질의 감지 성능을 위해 기판(120) 상에 동적변환 물질층(140)을 형성한 후, 동적변환 물질층(140)의 일부가 노출되도록 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하여 초박막 금속층(160)을 형성하는 것에 의해, 구조 단순화를 도모할 수 있으면서도 외부 환경을 차단하지 않는 발색 구조이므로 제조 단가를 절감할 수 있게 된다.
빗각 증착에 의해 초 박막 형태로 형성되는 초박막 금속층(160)은 동적변환 물질층(140) 상에서 강한 공진을 형성시켜 표면 반사를 증가시켜 색 순도를 향상시킬 뿐만 아니라, 두께 변화에 따른 색 변화를 증가시켜 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시키게 된다.
구체적으로, 초박막 금속층(160)은 5 ~ 50nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 초박막 금속층(160)의 두께가 5nm 미만일 경우에는 강한 공진 효과를 제대로 발휘하기 어려워 표면 반사 특성의 저하도 색 순도 향상 효과가 크지 않을 수 있다. 반대로, 초박막 금속층(160)의 두께가 50nm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키므로 경량 박형화에 역행하는 결과를 초래할 수 있다.
이에 따라, 초박막 금속층(160)의 하부에 배치되는 동적변환 물질층(140)의 일부가 외부로 노출되어 습기 발생시 색 반응성이 빠르게 나타나게 된다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 기판 상에 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층과 초박막 금속층을 적층시킨 3층 구조의 도입으로, 구조가 간단하면서도 표면 반사의 증가로 강한 공진이 형성되어 색순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 기판 상의 동적변환 물질층 상에 빗각 증착을 이용하여 초 박막 형태의 초박막 금속층을 배치시키는 것에 의해, 동적변환 물질층 상에서 강한 공진의 형성으로 표면 반사를 증가시켜 색 순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두께 변화에 따른 색 변화를 증가시켜 동적 변화에 따른 색 민감도를 증가시키게 된다.
이에 더불어, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 초박막 금속층이 빗각 증착에 의해 경사지게 배치되어 동적변환 물질층의 일부가 외부로 노출되므로, 초박막 금속층의 공극을 통하여 외부 물질이 동적 변환 물질로 이루어진 동적변환 물질층으로 유입되는 것이 원활하여 외부 환경에 대한 감지 성능을 유지시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은, 복잡한 나노 구조를 갖는 다층의 박막 구조가 아니라, 동적 변환 물질의 감지 성능을 위해 기판 상에 배치된 동적변환 물질층과, 동적변환 물질층의 일부가 노출되도록 빗각 증착된 초박막 금속층이 배치되는 구조이므로, 구조가 단순하면서도 외부 환경을 차단하지 않는 발색 구조로 제조 단가를 절감할 수 있는 이점을 갖습니다.
따라서, 본 발명에 따른 다공성 초박막 발색 구조물 및 그 제조 방법은 온도 및 습도, 화학 가스, 미세 먼지 등의 특정 물질을 감지할 수 있는 감지 센서로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 눈에 보이지 않는 물질들도 시각화하는 것을 통하여 시각 증진 스마트 센서로 활용할 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
도 12는 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 반사율 변화를 나타낸 사진이고, 도 13은 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 색 변화를 나타낸 사진이며, 도 14는 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 다공성 초박막 발색 구조물에서 동적변환 물질층의 굴절률에 따른 반사율 변화를 측정한 결과, 가시광 영역에서 흡광계수가 거의 없고 굴절률 범위가 1.3 ~ 2.5의 값을 가지는 동적변환 물질을 적용 가능하다는 것을 확인하였다.
특히, 동적변환 시 물질의 두께 변화가 50 ~ 600nm 사이의 값을 가질 때 발색 및 동적 변환에 따른 색 변화가 가능하다는 것을 확인하였다.
도 14에 도시된 바와 같이, 굴절률 범위가 1.3 ~ 2.5로 변화할 시의 색 표현 범위를 나타낸 것으로, 다양한 색 표현이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 15는 다공성 초박막 발색 구조물에서 기판의 물질에 따른 반사율 변화를 나타낸 사진이고, 도 16은 다공성 초박막 발색 구조물에서 기판의 굴절률에 따른 색 변화를 나타낸 사진이며, 도 17은 다공성 초박막 발색 구조물에서 기판의 물질에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프이다.
도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 굴절률 1.5을 가지며, 기판의 물질을 반사성이 높은 Au, Ag, Al로 이용하였을 경우의 반사율 변화를 나타내고 있다. 이와 같이, 기판의 물질에 따라 발색 및 동적 변화에 따른 색 변화를 구현하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.
도 17에 도시된 바와 같이, 1.5을 가지며, 기판의 물질을 반사성이 높은 Au, Ag, Al로 달리 적용할 시의 색 표현 범위를 나타낸 것으로, 다양한 색 표현이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 18은 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 물질에 따른 반사율 변화를 나타낸 사진이고, 도 19는 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 물질에 따른 색 변화를 나타낸 사진이며, 도 20은 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 물질에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프이다.
도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 굴절률 1.5을 가지며, 초박막 금속층의 물질을 Ti, Pt, Pd, Ni, Al로 이용하였을 경우의 반사율 변화를 나타내고 있다. 이와 같이, 초박막 금속층의 물질에 따라 발색 및 동적 변화에 따른 색 변화를 구현하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.
도 20에 도시된 바와 같이, 굴절률 1.5을 가지며, 초박막 금속층의 물질을 Ti, Pt, Pd, Ni, Al로 달리 적용할 시의 색 표현 범위를 나타낸 것으로, 다양한 색 표현이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 21은 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 공극률에 따른 반사율 및 색 변화를 나타낸 그래프이고, 도 22는 다공성 초박막 발색 구조물에서 초박막 금속층의 공극률에 따른 색 표현 범위를 나타낸 그래프이다.
도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 10 ~ 50nm 두께의 초박막 금속층의 공극률에 따라 발색 효과 및 색 순도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이 결과, 공극률이 높을수록 두께에 따른 다양한 색 표현이 가능하다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기판되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 다공성 초박막 발색 구조물
120 : 기판
140 : 동적변환 물질층
160 : 초박막 금속층
P : 공극

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 상기 기판과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 상기 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 동적변환 물질층; 및
    상기 동적변환 물질층 상에 배치된 초박막 금속층;
    을 포함하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 유리(glass) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동적변환 물질층은
    50 ~ 600nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동적변환 물질층은
    1.3 ~ 2.5의 굴절률을 가지며, 동적 변환 성질을 갖는 고분자 물질, 바이오 물질 및 파질 물질 중 1종 이상을 포함하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초박막 금속층은
    Ti, Pt, Pd, Ag, Ni 및 Au 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초박막 금속층은
    5 ~ 50nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초박막 금속층은
    상기 동적변환 물질층 상에서 상기 동적변환 물질층의 일부가 노출되도록 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초박막 금속층은
    상기 동적변환 물질층의 표면에 대하여, 30 ~ 85°의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물.
  9. 기판 상에 동적변환 물질 용액을 코팅하고 건조하여 동적변환 물질층을 형성하는 단계; 및
    상기 동적변환 물질층 상에 초박막 금속층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 동적변환 물질층은 기판 상에 배치되며, 상기 기판과 굴절률이 상이하고, 외부 환경에 따라 스웰링이 발생하며, 상기 스웰링에 의한 두께 변화에 따라 가시광 영역에서 위상차가 발생하는 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 동적변환 물질층은
    50 ~ 600nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 초박막 금속층은
    5 ~ 50nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 금속 물질은
    Ti, Pt, Pd, Ag, Ni 및 Au 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 초박막 금속층은
    상기 동적변환 물질층 상에 빗각 증착법으로 금속 물질을 증착하여, 상기 동적변환 물질층의 일부가 노출되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 물질은
    상기 동적변환 물질층이 형성된 기판과 이격된 상측에 장착되는 전자빔 증착장치의 증착 각도를 조절하면서 증착되어 빗각 증착이 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 초박막 발색 구조물 제조 방법.
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