KR20210056205A - 각감응성 분광 필터 및 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈 - Google Patents

각감응성 분광 필터 및 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈은, 각감응성을 갖는 플라즈모닉 분광 필터, 자유 단인 제1 단부와 고정 단인 제2 단부를 포함하고, 상기 플라즈모닉 분광 필터가 상기 제1 단부에 가깝게 치우쳐 안착되는 구동 평판, 상기 구동 평판의 제2 단부가 고정되는 프레임, 및 상기 구동 평판의 제1 단부와 제2 단부의 사이에 위치하는 바이모르프(bimorph) 회전 구동기를 포함한다.

Description

각감응성 분광 필터 및 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈{TUNABLE SPECTRAL FILTER MODULE INCLUDING ANGLE-SENSITIVE SPECTRAL FILTER AND BIMORPH ROTATOR}
본 개시는 각감응 분광 필터 및 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈에 관한 것이다.
기존에 상용화된 가변 분광 필터는 크게 정적인 (stationary) 타입과 동적인 (active) 타입으로 분류할 수 있다. 정적인 타입은 미리 제조된 두 개 이상의 필터들로 이루어진 가변 분광 필터로서, 일례로, 베이어 패턴 (Bayer pattern)과 같은 필터 패턴이나 필터 휠(wheel)을 포함하고, 동적인 타입은 특정 메커니즘을 이용하여 필터의 투과/반사 특성을 능동적으로 조율하는 가변 분광 필터로서, 일례로, LCTF (Liquid Crystal Tunable Filter), AOTF (Acousto-optic Tunable Filters)를 포함한다.
이들 중, 정적인 타입의 가변 분광 필터는 필터의 공간적 스캔 (spatial scan)을 필요로 하거나 광 센서의 픽셀 어레이를 필터 개수만큼 분할하여 사용해야 하므로(스냅샷 방식), 사용하지 않는 필터가 차지하는 불필요한 공간을 마련해야 하거나 광 센서의 공간 분해능 (spatial resolution) 감소를 야기하는 문제가 있다.
또한 동적인 타입의 가변 분광 필터는 액정, 편광필터, 파장판, 트랜스듀서 등의 구성요소를 포함하는 복잡한 광학계를 구비해야 하고 그 때문에 커진 부피로 인하여 소형화에 한계가 있는 실정이다.
본 발명의 일 측면은 광대역에서 가변 분광 필터 특성을 갖는 초박막(ultrathin) 나노 구조와 MEMS 기술로 제작되는 초소형 회전 구동기가 일체형으로 제작되어 공간 분해능의 손실 없이 필요 공간을 저감하면서 간단하고 작은 부피의 구조로 이루어진 가변 분광 필터 모듈을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈은, 각감응성을 갖는 플라즈모닉 분광 필터, 자유 단인 제1 단부와 고정 단인 제2 단부를 포함하고, 상기 플라즈모닉 분광 필터가 상기 제1 단부에 가깝게 치우쳐 안착되는 구동 평판, 상기 구동 평판의 제2 단부가 고정되는 프레임, 및 상기 구동 평판의 제1 단부와 제2 단부의 사이에 위치하는 바이모르프(bimorph) 회전 구동기를 포함한다.
상기 플라즈모닉 분광 필터는, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)을 갖는 제1 유전체 층, 상기 제1 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제1 하부 금속 구조 층, 및 상기 제1 유전체 층 상에 위치하며 상기 제1 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제1 상부 금속 구조 층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은 서로 이격되어 각각 독립적으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은 상기 유전체 기판 상에서 가로 및 세로 방향으로 정렬될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀은 원형의 평면을 가질 수 있다.
상기 제1 하부 금속 구조 층은 원형의 나노 디스크로 이루어질 수 있다.
상기 제1 상부 금속 구조 층은 서로 연결되어 일체로 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노 홀 각각의 깊이는 상기 제1 하부 금속 구조 층의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에서 상기 유전체 기판 상에 위치할 수 있다.
상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에 각각 복수 개가 형성되고, 상기 복수의 제1 하부 금속 구조 층은 서로 독립적인 층으로 형성될 수 있다.
상기 구동 평판은 질화규소(Si3N4)막으로 이루어질 수 있다.
상기 바이모르프 회전 구동기는 상기 구동 평판에 알루미늄(Al) 층이 패터닝될 수 있다.
상기 프레임은 상기 플라즈모닉 분광 필터가 위치하는 영역이 개구된 사각의 실리콘(silicon) 프레임으로 이루어질 수 있다.
상기 가변 분광 필터 모듈은 상기 구동 평판의 일면에 상기 제1 단부의 가장자리의 적어도 일부를 따라 연장하도록 위치하는 보강 블록을 더 포함할 수 있다.
상기 보강 블록은 상기 구동 평판의 일면으로부터 상기 프레임의 높이만큼 돌출되는 실리콘 블록으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법은, 실리콘 기판 상에 질화규소막을 증착하고 그 위에 광경화성 수지를 도포하는 단계, 임프린트 금형을 상기 광경화성 수지 상에 임프린팅 하여 패터닝된 유전체 층을 형성하는 단계, 상기 패터닝된 유전체 층 상에 플라즈모닉 금속막을 증착시켜 플라즈모닉 분광 필터를 형성하는 단계, 상기 플라즈모닉 분광 필터의 일측에서 상기 질화규소막 상에 알루미늄 패턴을 증착하는 단계, 상기 플라즈모닉 분광 필터의 다른 일측의 상기 질화규소막의 가장자리를 식각하여 제거하는 단계, 및 상기 실리콘 기판을 후면 식각(backside etching)하여 상기 질화규소막의 제1 단부는 자유 단을 이루고 제2 단부는 고정 단을 이루도록 상기 실리콘 기판의 중앙에 개구부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법은, 복수의 돌기를 갖는 마스터 금형을 마련하는 단계, 및 광투과성 수지로 상기 마스터 금형을 복제하여 상기 임프린트 금형을 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법은, 상기 증착된 플라즈모닉 금속막을 부분적으로 세정하고 남은 상기 광경화성 수지를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘 기판의 중앙에 개구부를 형성하는 단계는, 상기 질화규소막의 제1 단부의 가장자리의 적어도 일부를 따라 연장하도록 상기 실리콘 기판의 일부를 남겨 보강 블록을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈에 의하면, 기존의 정적 타입의 가변 분광 필터들이 가지는 공간 분해능 감소나 불필요한 공간을 요(要)하는 점뿐만 아니라 통상적인 동적 타입 기반 가변 분광 필터들이 가지는 복잡한 광학계 및 이로 인한 부피의 과대를 함께 극복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 구동 평판 위에 배치되는 나노 구조는 기본적으로 선택적 투과 대역을 가지는 분광 필터로서 기능하며, 입사각 변화에 따라 투과 파장이 연속적으로 이동하는 가변 분광 필터로서 광대역에서 모든 분광 정보를 획득 가능하다.
또한 바이모르프 구동을 위한 미세 금속/유전체 구조가 매우 단순하게 구성되므로 공정 비용을 감축할 수 있고, 단위 소자의 전체 면적 대비 광 투과 면적이 매우 높으므로, 소자의 크기를 매우 작게 구현해도 광손실이 적다. 그리고 패터닝되는 나노 구조의 종류, 크기 등에 따라 다양한 분광 특성을 가지는 가변 분광 필터 모듈 제작이 가능하다.
본 발명의 실시예에서 개시하는 구동 평판 및 구동 평판 위에 배치되는 나노 구조의 두께는 2㎛ 미만으로서 매우 얇은 초박막을 형성하기 때문에, 광 경로가 입사각에 따라 굴절되어 분리되는 광경로 편차(deviation)를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예는 결합 방법 측면에서 구동기와의 무반사 판의 접착(gluing) 방식이 아니라, 나노 패터닝된 유전체/중합체 기판을 기반으로 MEMS 구동기 제작으로 이어지는 연속적 공정에 의한 것으로, 기존의 반도체 공정에 즉시 적용 가능한 제작 방법이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈을 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각감응성 상보 나노 구조 기반 분광 필터를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 4는 분광 필터의 회전에 따른 투과 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈을 제작하기 위한 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈을 도시한 평면도와 단면도로서, (a) 및 (c)는 평면도이고, (b)는 (a)의 B-B'선을 따라 잘라서 본 단면도이며, (d)는 (b)의 D-D'선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈에 적용될 수 있는 다양한 실리콘 블록의 예를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈에서 회전 구동의 크기(θ)를 산출하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈의 구동 특성을 나타낸 것으로, 도 9는 온도차에 따른 최대 구동각도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 10은 인가 전압에 따른 온도 변화 및 최대 구동각도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 11은 인가 전압에 따른 회전 각도의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, "포함한다" 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. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈을 개략적으로 도시한 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이모르프 회전 구동기를 포함하는 가변 분광 필터 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈(300)은 각감응성을 갖는 플라즈모닉 분광 필터(100)가 장착된 구동 평판(320)과 이러한 구동 평판(320)의 일단이 고정된 프레임(310)을 포함하고, 바이모르프 (bimorph) 회전 구동기(340)에 의해 구동 평판(320)을 회전 구동함으로써 플라즈모닉 분광 필터(100)의 각도를 가변시킬 수 있는 구조를 갖는다. 구동 평판(320) 위에 배치되는 나노 구조는 기본적으로 선택적 투과 대역을 가지는 분광 필터로서 기능하며, 입사각 변화에 따라 투과 파장이 연속적으로 이동하는 가변 분광 필터로서 광대역에서 모든 분광 정보를 획득 가능하다.
구동 평판(320)은 자유 단인 제1 단부(321)와 고정 단인 제2 단부(322)를 포함하고, 플라즈모닉 분광 필터(100)는 제1 단부(321)에 가깝게 치우쳐 안착될 수 있다. 그리고 구동 평판(320)은 프레임(310)에 제2 단부(322)가 고정됨으로써 결합될 수 있다. 바이모르프 회전 구동기(340)는 구동 평판(320)의 제1 단부(321)와 제2 단부(322)의 사이에 위치할 수 있다.
구동 평판(320)은 질화규소(Si3N4)막으로 이루어질 수 있고, 바이모르프 회전 구동기(340)는 구동 평판(320)에 알루미늄(Al) 층이 패터닝 되어 형성될 수 있다. 또한 프레임(310)은 플라즈모닉 분광 필터(100)가 위치하는 영역이 개구된 사각의 실리콘(silicon) 프레임으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈(300)은 초박막(ultrathin) 나노 구조와 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 기술로 제작되는 초소형 회전 구동기가 일체형으로 제작되는 것으로서, 분광기 또는 분광카메라의 소형화에 있어서 핵심 기술을 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈(300)의 제작은 결합 방법 측면에 있어서 접착(gluing) 방식이 아니라, 나노패터닝된 유전체/중합체 기판을 기반으로 MEMS 구동기 제작으로 이어지는 연속적 공정에 의한 것으로, 기존의 반도체 공정에 즉시 적용 가능한 제작 방법을 제공한다. 제조 공정에 대해서는 이하에서 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각감응성 나노 구조 기반 분광 필터를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈모닉 분광 필터(100)는 유전체 기판(110)과, 이 유전체 기판(110) 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)(121)을 갖는 제1 유전체 층(120)을 포함할 수 있다. 제1 유전체 층(120)의 복수의 나노 홀(121) 내에는 제1 하부 금속 구조 층(132)이 위치하고, 제1 유전체 층(120) 상에는 제1 상부 금속 구조 층(134)이 위치할 수 있다. 따라서 제1 하부 금속 구조 층(132)과 제1 상부 금속 구조 층(134)은 서로 다른 층을 이루며 나노 홀(121)의 깊이 방향으로 서로 이격되어 형성될 수 있다.
제1 유전체 층(120)에 하방으로 미리 설정된 깊이만큼 홈을 형성하여 복수의 나노 홀(121)이 제공될 수 있다. 일례로 나노 홀(121)의 깊이가 제1 유전체 층(120)의 두께만큼 형성되면 나노 홀(121)은 제1 유전체 층(120)을 관통하게 되고, 이렇게 형성된 제1 유전체 층(120)이 유전체 기판(110) 상에 결합됨으로써 나노 홀(121)은 하방이 폐쇄된 상태를 유지할 수 있다. 이 때 유전체 기판(110)과 제1 유전체 층(120)은 서로 동일한 물질로 이루어지거나 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
복수의 나노 홀(121)은 서로 이격되어 각각 독립적으로 형성될 수 있으며, 유전체 기판(110) 상에서 가로 및 세로 방향으로 정렬될 수 있다. 즉, 복수의 나노 홀(121)은 유전체 기판(110)의 평면상에서 보았을 때 서로 수직한 방향을 따라서 서로 인접하며 배치될 수 있다(도 2 참조). 나노 홀(121) 각각은 일례로 원형의 평면을 가질 수 있다. 이러한 나노 홀(121)은 제1 유전체 층(120)의 두께방향으로 원형의 평면을 갖는 홈이 연장되면서 원통의 구조를 형성할 수 있다.
원형의 평면을 갖는 나노 홀(121) 내에 형성되는 제1 하부 금속 구조 층(132)은 원형의 나노 디스크로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 하부 금속 구조 층(132)은 제1 유전체 층(120)의 나노 홀(121) 내부 바닥에 위치할 수 있으며, 일례로 나노 홀(121)이 관통 구멍이면 제1 하부 금속 구조 층(132)은 나노 홀(121) 내에서 유전체 기판(110) 상에 위치할 수 있다.
또한 복수의 나노 홀(121) 각각의 깊이는 제1 하부 금속 구조 층(132)의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다. 즉, 제1 하부 금속 구조 층(132)은 나노 홀(121)의 깊이보다 얇은 두께로 이루어지며, 나노 홀(121)의 바닥에 인접하여 위치할 수 있다. 제1 하부 금속 구조 층(132)은 복수의 나노 홀(121)마다 각각 위치하여 복수 개가 형성될 수 있다. 복수의 나노 홀(121)이 서로 이격되어 배열되므로 복수의 제1 하부 금속 구조 층(132)은 서로 독립적인 층으로 형성될 수 있다.
제1 유전체 층(120) 상에 위치하는 제1 상부 금속 구조 층(134)은 서로 연결되어 일체로 형성될 수 있다. 제1 상부 금속 구조 층(134)은 평면상에서 볼 때 제1 유전체 층(120)의 나노 홀(121)에 대응하는 부분에 대응 개구(134a)가 형성될 수 있다. 제1 상부 금속 구조 층(134)의 대응 개구(134a)는 일례로 원형의 평면을 갖도록 형성될 수 있으며, 제1 유전체 층(120)의 나노 홀(121)의 평면적과 동일한 평면적을 가질 수 있다.
제1 상부 금속 구조 층(134)은 제1 하부 금속 구조 층(132)과 동일한 두께로 이루어질 수 있다. 따라서 제1 상부 금속 구조 층(134)은 제1 유전체 층(120) 보다 더 얇게 형성될 수 있다. 또한 제1 상부 금속 구조 층(134)은 제1 하부 금속 구조 층(132)과 동일한 금속 물질로 이루어질 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈(300)에 의하면, 실리콘 기판/바이모르프용 유전체층/금속 나노홀/자외선 경화성 중합체 패턴/금속 나노 디스크로 구성되는 나노 복합 구조체로 이루어져 400 내지 1100 나노미터(nm) 파장 영역에서 2개 이상의 공진모드를 가질 수 있다. 또한 입사각의 변화에 따라 상기 공진 모드가 분할되며 이동하는 특징으로 인해 기존의 공진모드 개수를 최대 2배 증가되며 광대역에서 모든 분광 정보를 스캐닝할 수 있으며, 수 마이크로 미터(㎛) 수준의 두께를 갖는 초박형 나노 복합 구조체를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 필터의 회전에 따른 투과 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4의 최상단 도면을 참조하면, 분광 필터(100)에 빛이 수직하게 입사할 때 기본 공진 모드 두 개를 나타내고 있다. 이 때, 도 4의 중간 및 최하단 도면을 참조하면, 이 분광 필터(100)를 회전시킴에 따라서 입사되는 빛의 입사각이 변화되어 공진 모드가 분할되며 이동하는 특징을 확인할 수 있고, 이로 인해 기존의 공진모드 개수를 최대 2배 증가되어 광대역에서 모든 분광 정보를 스캐닝할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈을 제작하기 위한 공정도이다.
상기 설명한 복합 구조체를 포함하는 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈의 제작은 나노 임프린팅 기술을 이용하여 기판 위에 미세 구조를 패터닝하는 기술과, 반도체 공정에서 사용되고 있는 실리콘 기판을 기반으로 회전 구동기를 제작하는 MEMS 기술을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하여, 본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 돌기를 갖는 마스터 금형(50)을 마련한다. 마스터 금형(50)을 준비하기 위하여, 일례로, 전자빔 리소그래피(EBL, Electron-Beam Lithography) 공정으로 포토마스크에 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 불화크립토(KrF) 리소그래피 공정으로 실리콘 기판 상에 형성된 포토레지스트를 스캐닝하여 패터닝 할 수 있다. 포토레지스트에 패터닝된 나노 패턴은 본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈에서 플라즈모닉 분광 필터의 유전체 층에 형성되는 복수의 나노 홀에 대응하는 패턴일 수 있다. 패터닝된 포토레지스트를 실리콘 기판 상에 부착한 상태에서 식각함으로써 실리콘 마스터 금형을 마련할 수 있다. 본 실시예에 사용되는 마스터 금형(50)은 상기한 방법 외에 다양한 다른 방법에 의하여 제작될 수도 있다.
다음으로, 광투과성 수지로 마스터 금형(50)을 복제하여 임프린트 금형(56)을 마련한다. 실리콘 마스터 금형(50)의 패턴부에 광투과성 수지를 도포한 다음 경화시키고 나서 분리하면 광투과성의 임프린트 금형(56)이 마련될 수 있다. 광투과성 수지는 일례로 퍼플루오로폴리에테르(PFPE, Perfluoropolyether)일 수 있다.
다음으로, 실리콘 기판(62) 상에 열산화막(63)과 질화규소(Si3N4)막(64)을 증착하고 그 위에 광경화성 수지(67)를 도포한다. 상기 마스터 금형(50)과 별개의 실리콘 기판(62)을 준비하여 그 상면에 열산화막(63)과 질화규소막(64)을 저압 화학 기상 증착(LPCVD, Low Pressure Chemical Vapor Deposition)으로 증착할 수 있다. 이 때 열산화막(63) 및 질화규소막(64)/실리콘 기판(62)의 두께 비는 일례로 1.3/500㎛ 가 될 수 있다. 열산화막(63)과 질화규소막(64)을 증착하고 나서 그 위에 광경화성 수지(67)를 도포할 수 있으며, 광경화성 수지(67)는 일례로 A2 수지일 수 있다.
다음으로, 임프린트 금형(56)을 광경화성 수지(67) 상에 임프린팅 하여 패터닝된 유전체 층(70)을 형성한다. 임프린트 금형(56)은 광투과성 수지로 만들어지므로 임프린트 금형(56)을 광경화성 수지(67) 상에 가압한 상태에서 상부에서 빛을 조사하면 임프린트 금형(56)을 투과하여 광경화성 수지(67)에 전달될 수 있다. 이 때 광경화성 수지(67)는 임프린트 금형(56)의 패턴과 상반된 패턴을 가지도록 변형되고 경화되어 패터닝된 유전체 층(70)을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 패터닝된 유전체 층(70) 상에 플라즈모닉 금속막(71)을 증착시키고 보호막(75)으로 덮는다. 패터닝된 유전체 층(70)은 복수의 나노 홀이 배열된 상태로 형성되어 있으므로, 그 상부에 플라즈모닉 금속막(71)을 증착시키면 나노 홀 내부 바닥과 나노 홀 주위의 상면에 동시에 증착될 수 있다. 증착되는 금속막(71)의 두께는 대략 30 내지 70 nm 범위에 속하도록 형성될 수 있으며, 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 금속 물질을 진공 증착하여 플라즈모닉 금속막(71)을 형성할 수 있다. 이 때 형성되는 금속막(71)의 패턴은 상기 패터닝된 유전체 층(70)의 패턴에 따라 다양한 크기와 모양을 가질 수 있으며, 주기적 또는 비주기적 패턴을 가질 수도 있다.
다음으로, 플라즈모닉 금속막(71)을 부분적으로 세정하고 남은 패터닝된 유전체 층(70)을 제거하여 플라즈모닉 분광 필터(100)를 형성한다. 즉, 질화규소막(64) 상에서 플라즈모닉 분광 필터(100)가 형성될 부분만 마스크(Mask #1)로 가리고 금속막(71)을 세정한 다음 애슁(ashing) 공정으로 남은 패터닝된 유전체 층(70)을 제거할 수 있다.
다음으로, 플라즈모닉 분광 필터(100)의 일측에서 질화규소막(64) 상에 알루미늄 패턴(73)을 증착한다. 일례로, 질화규소막(64) 상에서 회전 구동기가 형성될 부분만 마스크(Mask #2)로 노출시키고 리프트-오프(Lift-off) 공정으로 알루미늄 패턴(73)을 증착시킬 수 있다. 이 때 증착된 알루미늄 패턴(73)의 두께는 대략 1 ㎛ 정도일 수 있다.
다음으로, 플라즈모닉 분광 필터(100)의 다른 일측의 질화규소막(64)의 가장자리를 식각하여 제거한다. 즉, 자유 단을 형성할 부분의 질화규소막(64)을 마스크(Mask #3)로 노출시켜 에칭을 통하여 제거할 수 있으며, 이 때 실리콘 기판(62)을 기반으로 포토 리소그래피 공정을 수행하여 제거할 수 있다.
다음으로, 실리콘 기판(62)을 후면 식각(backside etching)하여 질화규소막(64)의 제1 단부는 자유 단을 이루고 제2 단부는 고정 단을 이루도록 실리콘 기판(62)의 중앙에 개구부(62a)를 형성한다. 예를 들어, 실리콘 기판(62)의 후면에서 마스크(Mask #4)를 이용하여 프레임 형상으로 남길 부분을 가리고 중앙에 제거할 부분을 노출시켜 식각할 수 있다. 이 때, 상기에서 가장자리가 일부 제거된 질화규소막(64)의 제1 단부는 프레임 형상의 실리콘 기판(62)으로부터 떨어져 자유 단을 이루게 된다. 그리고 알루미늄 패턴(73)이 형성된 질화규소막(64)의 제2 단부는 프레임 형상의 실리콘 기판(62)에 고정될 수 있다. 이 때, 선택적으로, 질화규소막(64)의 제1 단부 아래에는 보강 블록(62b)을 형성할 수 있다. 즉, 질화규소막(64)의 제1 단부의 가장자리의 적어도 일부를 따라 연장하도록 실리콘 기판(62)의 일부를 남겨 보강 블록(62b)을 형성할 수 있다. 즉, 보강 블록(62b)은 질화규소막(64)의 일면으로부터 실리콘 기판(62)의 프레임의 높이만큼 돌출되는 실리콘 블록으로 이루어져 대면적/초박막의 플라즈모닉 분광 필터(100)의 스트레스를 조절하고 편평함(flatness)을 유지하도록 할 수 있다.
다음으로, 플라즈모닉 분광 필터(100)의 질화규소막(64)의 제1 단 바깥쪽, 즉 질화규소막(64)이 식각되어 없어진 부분의 열산화막(63)을 식각하여 제거한다. 이로써 플라즈모닉 분광 필터(100)는 실리콘 기판(62)으로부터 제1 단이 완전히 분리될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈을 도시한 평면도와 단면도로서, (a) 및 (c)는 평면도이고, (b)는 (a)의 B-B'선을 따라 잘라서 본 단면도이며, (d)는 (b)의 D-D'선을 따라 잘라서 본 단면도이다. 그리고 도 7은 도 6에 나타낸 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈에 적용될 수 있는 다양한 실리콘 블록의 예를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈(400)은 구동 평판(420)의 자유단 가장자리를 따라서 하부에 실리콘 블록(412)이 형성될 수 있다. 즉, 평면상에서 볼 때에는 Π자형으로 이루어지고, 단면상에서 볼 때에는 구동 평판(420)의 가장자리에 인접하도록 프레임(410)의 높이만큼의 높이로 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 실리콘 블록은 Π자형의 평면((a) 내지 (d) 참조) 또는 11자형의 평면((e) 내지 (h) 참조)으로 이루어질 수 있고, 복수의 원형 홀(hole) ((b) 및 (f) 참조) 또는 다각형의 그루브(groove)((c), (d), (g) 및 (h) 참조)가 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈에서 회전 구동의 크기(θ)를 산출하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.
도 8을 참조하면, 바이모르프 회전 구동기의 회전 구동의 크기(θ)는 하기 수학식 1과 같이 도출될 수 있다. 회전 구동의 크기 (θ)는 인가되는 주울 열 (ΔT)에 비례하여 증가하며, 주울 열은 주울 법칙 (Joule's law)에 의해 인가되는 전압의 크기에 따라 단조 증가하므로, 인가되는 전압이 증가함에 따라 제1 단부가 아래로 휘어지는 각도가 커질 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, w1, w2는 각각 알루미늄 패드와 질화규소막의 폭이고, E1, E2는 각각 알루미늄 패드와 질화규소막의 영률이며, t1, t2는 각각 알루미늄 패드와 질화규소막의 두께이고, L은 회전 구동기의 길이이며, Δα는 열팽창 계수의 차이이고, ΔT는 온도의 차이이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈의 구동 특성을 나타낸 것으로, 도 9는 온도차에 따른 최대 구동각도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 10은 인가 전압에 따른 온도 변화 및 최대 구동각도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 11은 인가 전압에 따른 회전 각도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9 및 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 회전 구동식 가변 분광 필터 모듈(300)에 따르면, 알루미늄 패드를 통해 인가된 전압에 의해 바이모르프 회전 구동기(340)와 그 아래 구동 평판(320)의 유전체 층(일례로, 질화규소막)에 주울 열(Joule heating)이 발생하며, 이 때 각각에서 서로 다른 크기의 열팽창이 발생한다. 이로 인해 플라즈모닉 분광 필터(100)가 장착된 구동 평판(320)은 제2 단부(322)가 프레임(310)에 고정된 상태로 제1 단부(321)가 아래로 회전 구동할 수 있게 된다.또한, 본 실시예에 따른 가변 분광 필터 모듈(300)의 분광 특성 조율 원리는 회전 구동에 의한 입사각 변화를 기본으로, 모듈(300)을 둘러싸는 액체 및 기체상 유전체의 화학적 변화에 따른 굴절률 변화나 인가된 열 에너지에 의한 플라즈모닉 분광 필터(100)의 수축, 팽창 등의 물리적/기계적 변화 등을 포함한다.
도 11을 참조하면, 회전구동하는 제1 단부(자유단)의 구동 범위에 있어서, 바이모르프 구조를 구성하는 알루미늄 라인 패턴의 너비 비(width ratio)에 따라 서로 다른 구동 범위를 가질 수 있음을 알 수 있다.
또한 상기 너비 비(w)는 단위 바이모르프 구조 상(도 8 참조)에서, 유전체 기판(질화규소막)의 너비 대비 알루미늄 라인의 너비 w1/w2를 의미하며, w가 작은 알루미늄 라인 패턴일수록 전압에 따른 회전 구동이 더 민감하다. 이 때, w는 1보다 작아질 수 없다.
본 발명의 실시예는 파장 이하 크기의 초박막 구조 및 MEMS 기술을 접목한 초소형 구동기로 이루어지는 초소형 가변 분광 필터 모듈을 제공하므로, 기존의 분광카메라나 분광기에서 사용되던 상용 가변 분광 필터 모듈을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 초소형 광학 시스템을 필요로 하는 분야에 배타적으로 적용/응용될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (19)

  1. 각감응성을 갖는 플라즈모닉 분광 필터;
    자유 단인 제1 단부와 고정 단인 제2 단부를 포함하고, 상기 플라즈모닉 분광 필터가 상기 제1 단부에 가깝게 치우쳐 안착되는 구동 평판;
    상기 구동 평판의 제2 단부가 고정되는 프레임; 및
    상기 구동 평판의 제1 단부와 제2 단부의 사이에 위치하는 바이모르프(bimorph) 회전 구동기
    를 포함하는 가변 분광 필터 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 분광 필터는,
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상에 위치하고 복수의 나노 홀(nano hole)을 갖는 제1 유전체 층;
    상기 제1 유전체 층의 복수의 나노 홀 내에 위치하는 제1 하부 금속 구조 층; 및
    상기 제1 유전체 층 상에 위치하며 상기 제1 하부 금속 구조 층과 다른 층을 이루며 형성된 제1 상부 금속 구조 층
    을 포함하는, 가변 분광 필터 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은 서로 이격되어 각각 독립적으로 형성된, 가변 분광 필터 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은 상기 유전체 기판 상에서 가로 및 세로 방향으로 정렬된, 가변 분광 필터 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀은 원형의 평면을 갖는, 가변 분광 필터 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층은 원형의 나노 디스크로 이루어지는, 가변 분광 필터 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 상부 금속 구조 층은 서로 연결되어 일체로 형성된, 가변 분광 필터 모듈.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 홀 각각의 깊이는 상기 제1 하부 금속 구조 층의 두께보다 더 크게 형성된, 가변 분광 필터 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에서 상기 유전체 기판 상에 위치하는, 가변 분광 필터 모듈.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 하부 금속 구조 층은 상기 복수의 나노 홀 내에 각각 복수 개가 형성되고, 상기 복수의 제1 하부 금속 구조 층은 서로 독립적인 층으로 형성된, 가변 분광 필터 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 평판은 질화규소(Si3N4)막으로 이루어지는, 가변 분광 필터 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이모르프 회전 구동기는 상기 구동 평판에 알루미늄(Al) 층이 패터닝 된, 가변 분광 필터 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 플라즈모닉 분광 필터가 위치하는 영역이 개구된 사각의 실리콘(silicon) 프레임으로 이루어지는, 가변 분광 필터 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 평판의 일면에 상기 제1 단부의 가장자리의 적어도 일부를 따라 연장하도록 위치하는 보강 블록을 더 포함하는 가변 분광 필터 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 보강 블록은 상기 구동 평판의 일면으로부터 상기 프레임의 높이만큼 돌출되는 실리콘 블록으로 이루어지는, 가변 분광 필터 모듈.
  16. 실리콘 기판 상에 질화규소막을 증착하고 그 위에 광경화성 수지를 도포하는 단계;
    임프린트 금형을 상기 광경화성 수지 상에 임프린팅 하여 패터닝된 유전체 층을 형성하는 단계;
    상기 패터닝된 유전체 층 상에 플라즈모닉 금속막을 증착시켜 플라즈모닉 분광 필터를 형성하는 단계;
    상기 플라즈모닉 분광 필터의 일측에서 상기 질화규소막 상에 알루미늄 패턴을 증착하는 단계;
    상기 플라즈모닉 분광 필터의 다른 일측의 상기 질화규소막의 가장자리를 식각하여 제거하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판을 후면 식각(backside etching)하여 상기 질화규소막의 제1 단부는 자유 단을 이루고 제2 단부는 고정 단을 이루도록 상기 실리콘 기판의 중앙에 개구부를 형성하는 단계
    를 포함하는, 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    복수의 돌기를 갖는 마스터 금형을 마련하는 단계; 및
    광투과성 수지로 상기 마스터 금형을 복제하여 상기 임프린트 금형을 마련하는 단계
    를 더 포함하는, 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 증착된 플라즈모닉 금속막을 부분적으로 세정하고 남은 상기 광경화성 수지를 제거하는 단계
    를 더 포함하는 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 중앙에 개구부를 형성하는 단계는 상기 질화규소막의 제1 단부의 가장자리의 적어도 일부를 따라 연장하도록 상기 실리콘 기판의 일부를 남겨 보강 블록을 형성하는 과정을 더 포함하는, 가변 분광 필터 모듈의 제조 방법.
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