KR20230001989A - 열 또는 적외선 감지용 센서 및 이를 포함하는 전자장치 - Google Patents
열 또는 적외선 감지용 센서 및 이를 포함하는 전자장치 Download PDFInfo
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Abstract
복수의 오목부를 포함하는 기판; 상기 기판의 하부면과 양 측면을 따라 기판의 내부에 형성된 공동(cavity); 상기 기판 하부면의 상부 표면, 기판 하부면의 하부 표면 및 기판 하부면의 하부 표면에 대향하는 면중 적어도 하나의 면에 형성된 하부 반사층; 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극; 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체; 및 상기 기판의 상부 전체를 덮는 평탄화층을 포함하는 열 또는 적외선 감지용 센서를 제공한다.
Description
열 또는 적외선 감지용 센서 및 이를 포함하는 전자장치에 관한 것이다.
적외선 센서는 대상체로부터 방출되는 적외선을 감지하는 장치로, 크게 액체 질소 온도에서 동작하는 냉각형과 상온에서 동작하는 비냉각형으로 구분된다.
냉각형 적외선 센서(uncooled infrared sensor)는 HgCdTe과 같은 밴드갭이 작은 반도체 재료가 적외선을 흡수할 때 생성되는 전자-정공 쌍을 광전도체(photoconductors), 광다이오드(photodiodes) 및 광축전기(photocapacitors)를 통해 감지하는 소자이다. 반면, 비냉각형 적외선 센서(uncooled infrared sensor)는 적외선을 흡수할 때 발생하는 열에 의해 전기 전도도 또는 축전량의 변화를 감지하는 소자로, 통상적으로 초전(pyroelectic)형, 열전대(thermopile)형 및 볼로미터(bolometer)형으로 분류된다.
비냉각형은 냉각형보다 적외선을 감지하는 정밀도가 낮은 단점이 있지만, 별도의 냉각장치기 필요하지 않으므로 크기가 작고, 전력의 소모가 적으며, 가격이 낮은 장점이 있어서 응용 범위가 넓다.
일 구현예는 열과 적외선 감지 특성이 우수하면서도 픽셀의 크기가 감소된 열 또는 적외선 감지용 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 열 또는 적외선 감지용 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 복수의 오목부를 포함하는 기판; 상기 기판의 하부면과 양 측면을 따라 기판의 내부에 형성된 공동(cavity); 상기 기판 하부면의 상부 표면, 기판 하부면의 하부 표면 및 기판 하부면의 하부 표면에 대향하는 면중 적어도 하나의 면에 형성된 하부 반사층; 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극; 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체; 및 상기 기판의 상부 전체를 덮는 평탄화층을 포함하는 열 또는 적외선 감지용 센서를 제공한다.
상기 기판의 하부면과 양 측면을 따라 기판의 내부에 형성된 공동은 서로 연결되어 있을 수 있고 서로 고립되어 형성되어 있을 수도 있다.
상기 기판의 양 측면에 존재하는 공동의 두께(t1)와 하부면에 존재하는 공동의 두께(t2)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 기판의 양 측면에 존재하는 공동의 두께(t1)와 상기 기판의 하부면에 존재하는 공동의 두께(t2)는 각각 약 50 nm 내지 약 2000 nm일 수 있다.
상기 하부 반사층의 두께는 약 2 nm 내지 약 200 nm일 수 있다.
상기 제1 전극과 제2 전극의 두께는 각각 약 3 nm 내지 약 300 nm일 수 있다.
상기 기판의 오목부의 양 측면에 배치된 측면 금속층을 더 포함할 수 있다. 상기 측면 금속층은 약 2 nm 내지 약 200 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 열 또는 적외선 감지용 고분자; VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합을 포함하는 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 고분자는 하기 화학식 1로 표현되는 제1 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 제2 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 제3 구조단위를 포함하는 블록 공중합체; 및 상기 블록 공중합체의 측쇄기와 배위 결합하는 다가 금속 이온;을 포함하는 고분자를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3에서,
R11, R12 및 R13은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고,
L11 및 L12는 각각 독립적으로 단일결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, 적어도 하나의 메틸렌기가 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체(replace)된 C2 내지 C20 알킬렌기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C10 아릴렌기에서 선택되고,
L13은 단일결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬렌기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴렌기에서 선택되고,
X는 카르복실기(-COOH), 술폰산기((-S(=O)2OH) 및 인산기(phosphoric acid group, -O-P(=O)(OH)2)에서 선택되고,
Y는 히드록시기(-OH), 알콕시기(-OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 에스터기(C(=O)OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 술폰산 에스터기(-S(=O)2OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 인산 에스터기(-O-P(=O)(OR)2, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 아민기, 이소시아네이트기(isocyanate group, -N=C=O) 및 우레탄기(urethane group, -NHC(=O)OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임)에서 선택되고,
Z는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기에서 선택된다.
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합을 포함하는 제1 흡수층 및 열 또는 적외선 감지용 고분자를 포함하는 제2 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 상기 픽셀 구조체와 평탄화층 사이에 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 저항층, 절연층 및 흡수층을포함하는 다층 구조체일 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 상기 평탄화층의 상부에는 마이크로렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 상기 기판 하부면에 위치하는 공동 내부에 지지체를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 열 또는 적외선 감지용 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 열과 적외선 감지 특성이 우수하면서도 픽셀의 크기를 약 5 ㎛ 이하, 예컨대 0.6 ㎛ 내지 2 ㎛까지 작게 구현할 수 있어 고해상도의 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 3은 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 4는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 5는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 6은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 8은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 9는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 10은 일 구현예에 따른 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 2는 일 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 3은 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 4는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 5는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 6은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 8은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 9는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 10은 일 구현예에 따른 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
이후 설명하는 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 구현예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 구현되는 형태는 이하에서 개시되는 구현예들에 한정되는 것이 아니라 할 수 있다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 통상 사용되는 사전에서 정의된 용어들은, 관련 기술 분야 및 본 명세서의 문맥 내에서 이들의 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 여기서 특별히 정의하지 않는 한 이상화되고 과도하게 형식적인 의미로 해석되지는 않는다. 명세서 전체에서 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.
또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타낸다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
본 명세서에서, 층, 막, 영역, 판 등의 제1 요소가 제2 요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "치환된"이란, 화합물 또는 작용기 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C1 내지 C20 알콕시기, C1 내지 C20 할로알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한 이하에서 별도의 정의가 없는 한, "헤테로" 란, 주어진 기 또는 화합물에 N, O, S, Si, Se, Te 및 P에서 선택된 헤테로 원자가 1 내지 3개 포함한 것을 의미한다.
이하에서 "조합"이란 둘 이상의 혼합, 둘 이상의 적층 구조 또는 상호치환을 포함한다.
이하에서 비냉각형 열 또는 적외선 감지용 센서의 일 예로 마이크로볼로미터에 대하여 설명한다. 비냉각형 열 또는 적외선 감지용 센서 중 현재 가장 많이 사용되는 마이크로볼로미터는 열(또는 적외선의 흡수 시에 발생하는 열)에 의해 타이타늄(Ti)과 같은 금속 박막에서의 저항의 증가를 검출하거나 산화바나듐(VOx, x= 1.5 내지 2.0), 비정질 실리콘(amorphous Si)과 같은 반도체 박막에서의 저항의 감소를 검출하여 열 또는 적외선을 감지한다.
마이크로볼로미터에 포함되는 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 기판의 열에 의해 생기는 열잡음을 없애기 위하여 주로 기판으로부터 공중 부양된 구조를 가지며, 열 또는 적외선을 흡수하는 흡수층과 열 변화를 감지하여 자신의 저항치를 가변하는, 즉 저항의 온도 계수(TCR, temperature coefficient of resistance)가 큰 열 감지 소자로 구성된다.
이하에서 도 1을 참고하여 종래의 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체를 포함하는 마이크로볼로미터를 설명한다. 도 1은 종래의 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(이하 "픽셀 구조체"라고도 함)를 포함하는 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 1을 참고하면, 마이크로볼로미터(100)는 검출회로(미도시)를 포함하는 기판(101)과, 기판(101)으로부터 λ/4(여기에서 λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 일반적으로 1 내지 20 ㎛임))의 공간을 두고 부양되어 있는 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(120)를 포함한다.
상기 픽셀 구조체(120)의 양끝은 전극(109a, 109b)에 의해 기판(101)에 연결된다. 기판(122)의 표면에는 검출회로(미도시)와 전기적으로 연결되는 알루미늄 재질의 금속 패턴(105)이 배치된다.
상기 픽셀 구조체(120)는 저항층(106)과 흡수층(107)을 포함하고 이들 층들은 절연층(111b)에 의해 분리되어 있고 저항층(106) 하부와 흡수층(107)의 상부에는 각각 절연층(111a, 111c)이 위치한다.
상기 저항층(106)의 양끝은 금속 전극(109a, 109b)에 의해 금속 패턴(105)에 연결되고 이를 통하여 기판 내의 검출회로(미도시)에 연결된다.
특히 최근에는 단위 픽셀(pixel)의 크기가 감소된 마이크로볼로미터 어레이에 대한 관심이 높아지고 있다. 픽셀의 크기가 감소된 마이크로볼로미터 어레이는 웨이퍼 당 칩 개수를 증가시킬 수 있고 열 또는 적외선을 높은 해상도로 영상화할 수 있고, 소형화된 장비에 탑재될 수 있으며, 무엇보다도 제조단가가 낮아진다는 장점이 있다.
한편 광공진에 의한 반사 적외선의 흡수율을 높이기 위해서 일반적으로 기판(101)과 저항층(106) 사이의 광공진부(air-gap, 113)의 높이를 λ/4(여기에서 λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 일반적으로 1 내지 20 ㎛임)으로 유지하여야 한다. 그러나 도 1과 같은 구조에서 픽셀 크기를 작게 하는 경우, 픽셀 구조체(120)를 지지하는 제1 금속(109a)과 제2 금속(109b) 사이의 간격도 좁아져야 하므로, 상기 금속 전극들(109a, 109b)의 높이는 그대로 유지한 채 이들 사이의 간격을 좁힘으로써 에스펙스비(aspect ratio)가 커지게 되어 마이크로볼로미터 어레이의 제조 공정상에서 많은 문제를 야기할 수 있다. 따라서 도 1과 같은 구조에서는 픽셀 크기를 작게 하는 경우 한계가 있으며, 현재까지 약 12 ㎛ 이하로 픽셀 크기를 줄이는 것은 보고된 바 없다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체를 기판 내부에 매립하여 배치하고 상기 픽셀 구조체가 존재하는 오목부의 모양을 따라 기판 내부의 양 측면과 하부에 공동을 형성한다. 이와 같은 구조를 가짐으로써 열 또는 적외선 감지용 센서의 기계적 강도를 유지하면서 픽셀 크기를 약 5 ㎛ 이하, 예컨대 약 0.6 ㎛ 내지 약 2 ㎛까지 감소시킬 수 있다.
이하 도 2를 참고하여 일 구현예에 따른 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체를 포함하는 마이크로볼로미터를 설명한다. 도 2는 일 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 마이크로볼로미터(10)는 오목부를 포함하는 기판(11); 상기 기판(11)의 하부면과 양 측면을 따라 기판(11) 내부에 형성된 공동(cavity, 13); 상기 공동(13)의 상부에 위치하는 기판(11)의 상부 표면(11Sa)에 형성된 하부 반사층(17a); 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b); 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 흡수층을 포함하는 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15); 및 상기 기판(11)의 상부 전체를 덮는 평탄화층(21)을 포함한다.
상기 오목부를 포함하는 기판(11)은 반도체 실리콘, 유리 또는 폴리머로 이루어질 수 있으며, 기판(11)은 검출회로를 포함할 수 있으며 상기 검출회로는 일반적으로 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)로 구현될 수 있다. 상기 폴리머의 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(11)의 오목부(예를 들어, 기판(11)의 양 측면과 하부면)을 따라 기판(11) 내부에 공동(13)이 형성될 수 있다. 상기 공동(13)은 서로 연결되어 있을 수도 있고 각각 독립적으로 고립되어 형성될 수도 있다. 상기 공동(13)은 포토레지스트를 이용한 식각 공정에 의해 형성될 수 있으며 이러한 공정은 이 분야에 잘 알려져 있다. 상기 공동(13) 내부는 공기 또는 진공으로 유지되며 주변의 열의 유입을 차단시킬 수 있다. 상기 공동(13) 내부에는 주변의 열의 유입을 차단할 수 있는 후술하는 측면 금속층이 위치하게 할 수 있어 픽셀의 크기에 영향을 주지 않으면서도 효율적으로 열을 차단할 수 있는 구조를 제공할 수 있다.
양 측면에 존재하는 공동(13)의 두께(t1)와 하부면에 존재하는 공동(13)의 두께(t2)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 일 구현예에서 양 측면에 존재하는 공동(13)의 두께(t1)는 약 50 nm 이상, 약 51 nm 이상, 약 52 nm 이상, 약 53 nm 이상, 약 54 nm 이상 또는 약 55 nm 이상 및 약 2000 nm 이하, 약 1999 nm 이하, 약 1998 nm 이하, 약 1997 nm 이하, 약 1996 nm 이하 또는 약 1995 nm 이하일 수 있다. 예를 들어 양 측면에 존재하는 공동(13)의 두께(t1)는 약 1000 nm 이하, 약 999 nm 이하, 약 998 nm 이하, 약 997 nm 이하, 약 996 nm 이하 또는 약 995 nm 이하일 수 있다. 하부면에 존재하는 공동(13)의 두께(t2)는 약 50 nm 이상, 약 51 nm 이상, 약 52 nm 이상, 약 53 nm 이상, 약 54 nm 이상 또는 약 55 nm 이상 및 약 2000 nm 이하, 약 1999 nm 이하, 약 1998 nm 이하, 약 1997 nm 이하, 약 1996 nm 이하 또는 약 1995 nm 이하일 수 있다. 예를 들어 하부면에 존재하는 공동(13)의 두께(t2)는 약 1500 nm 이하, 약 1499 nm 이하, 약 1498 nm 이하, 약 1497 nm 이하, 약 1496 nm 이하 또는 1495 nm 이하일 수 있다. 상기 공동의 두께(t1, t2)가 상기 범위를 가지는 경우 픽셀 구조체의 단열성과 내구성을 용이하게 확보할 수 있다.
상기 공동(13)의 상부에 존재하는 기판(11)의 하부면은 상부 표면(11Sa)과 하부 표면(11Sb)을 가지고 상기 상부 표면(11Sa) 위에 하부 반사층(17a)이 형성되어 있다. 상기 하부 반사층(17a)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 하부 반사층(17a)의 두께는 약 2 nm 이상, 예컨대 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상, 약 6 nm 이상, 약 7 nm 이상, 약 8 nm 이상, 약 9 nm 이상 또는 약 10 nm 이상 및 약 200 nm 이하, 약 199 nm 이하, 약 198 nm 이하, 약 197 nm 이하, 약 196 nm 이하 또는 약 195 nm 이하일 수 있다. 일 구현예에서 상기 하부 반사층(17a)의 두께는 약 100 nm 이하, 약 99 nm 이하, 약 98 nm 이하, 약 97 nm 이하, 약 96 nm 이하 또는 약 95 nm 이하일 수 있다. 상기 범위에서 광을 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)를 통과한 열 또는 적외선을 효과적으로 반사하여 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)로 공급할 수 있다.
상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b)에서 인출된 각각의 도선에 의하여 기판(11)의 검출회로와 연결될 수 있다. 상기 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b)에서 인출된 각각의 도선은 기판의 양측 면에 위치하는 공동(13)을 지나도록 배치될 수 있으므로 열에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
상기 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b)은 금(Au), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b)의 두께는 각각 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상 또는 약 6 nm 이상 및 약 300 nm 이하, 약 290 nm 이하, 약 280 nm 이하, 약 270 nm 이하, 약 260 nm 이하 또는 250 nm 이하일 수 있다.
상기 기판(11)의 오목부에 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)를 매립하여 배치하고 이 둘레에 공동(13)을 배치함으로써 구조적 문제없이 픽셀 크기를 원하는 만큼 줄일 수 있으며 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)로 유입되는 열을 효과적으로 차단할 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)는 열 또는 적외선을 흡수하여 이를 감지할 수 있는 흡수층을 포함할 수 있다. 이러한 흡수층의 두께는 λ/4(여기에서 λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 일반적으로 1 내지 20 ㎛임)일 수 있다. 상기 흡수층은 열 또는 적외선 감지용 고분자; VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합에서 선택되는 열 또는 적외선 감지용 물질을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)는 서로 상이하거나 동일한 열 또는 적외선 감지용 물질을 포함하는 복수의 흡수층을 포함할 수도 있다. 예를 들어 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)는 VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합에서 선택되는 열 또는 적외선 감지용 물질을 포함하는 제1 흡수층을 형성한 후 상기 열 또는 적외선 감지용 고분자를 포함하는 제2 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 열 또는 적외선 감지용 고분자는 하기 화학식 1로 표현되는 제1 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 제2 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 제3 구조단위를 포함하는 블록 공중합체; 및 상기 블록 공중합체의 측쇄기와 배위 결합하는 다가 금속 이온을 포함하는 고분자일 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3에서,
R11, R12 및 R13은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고,
L11 및 L12는 각각 독립적으로 단일결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, 적어도 하나의 메틸렌기가 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체(replace)된 C2 내지 C20 알킬렌기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C10 아릴렌기에서 선택되고,
L13은 단일결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬렌기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴렌기에서 선택되고,
X는 카르복실기(-COOH), 술폰산기((-S(=O)2OH) 및 인산기(phosphoric acid group, -O-P(=O)(OH)2)에서 선택되고,
Y는 히드록시기(-OH), 알콕시기(-OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 에스터기(C(=O)OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 술폰산 에스터기(-S(=O)2OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 인산 에스터기(-O-P(=O)(OR)2, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 아민기, 이소시아네이트기(isocyanate group, -N=C=O) 및 우레탄기(urethane group, -NHC(=O)OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임)에서 선택되고,
Z는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기에서 선택된다.
상기 블록 공중합체는 친수성 블록(A)과 소수성 블록(B)을 포함하고 상기 친수성 블록(A)과 소수성 블록(B) 사이에 트리티오카보네이트(trithiocarbonate), 디티오카보네이트(dithiocarbonate), 잔테이트(xanthate) 또는 이들의 조합에서 선택되는 연결기(L)를 더 포함할 수 있다.
상기 블록 공중합체에서 상기 연결기(L)를 중심으로 친수성 블록(A)과 소수성 블록(B)이 서로 대칭으로 존재할 수도 있고 비대칭으로 존재할 수도 있다.
상기 친수성 블록(A)은 2 이상의 제1 구조단위와 2 이상의 제2 구조단위를 포함할 수 있으며 이들은 각각 블록 공중합, 랜덤 공중합 또는 교대 공중합의 형태일 수 있다. 상기 소수성 블록(B)은 2 이상의 제3 구조단위를 포함할 수 있으며 이들은 블록 공중합, 랜덤 공중합 또는 교대 공중합의 형태일 수 있다.
상기 블록 공중합체에서, 제1 구조단위와 제2 구조단위의 합계량은 제3 구조단위 100 몰에 대하여 약 2 몰 내지 약 50 몰로 포함될 수 있다. 즉 친수성 블록(A)은 소수성 블록(B) 100 몰에 대하여 약 2 몰 내지 약 50 몰로 포함될 수 있다. 일 구현예에서 상기 제1 구조단위와 제2 구조단위의 합계량은 제3 구조단위 100 몰에 대하여 약 2.5 몰 이상, 약 3 몰 이상, 약 3.5 몰 이상, 약 4 몰 이상, 약 4.5 몰 이상 또는 약 5 몰 이상 및 약 49 몰 이하, 약 48 몰 이하, 약 47 몰 이하, 약 46몰 이하, 약 45 몰 이하, 약 44 몰 이하, 약 43 몰 이하, 약 42 몰 이하, 약 41 몰 이하 또는 40 몰 이하일 수 있다. 상기 범위에서 열 또는 적외선 감지용 고분자의 흡수성을 향상시킬 수 있다.
상기 블록 공중합체는 약 5,000 이상의 중량 평균 분자량(Mw)을 가질 수 있으며, 예컨대 약 6000, 약 7000 이상, 약 8000 이상, 약 9000 이상 또는 약 10000 이상 및 1,500,000 이하, 1,600,000 이하, 1,700,000 이하, 1,800,000 이하, 1,900,000 이하 또는 2,000,000 이하의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 상기 범위로 사용되는 경우 열 또는 적외선 감지용 복합체를 제조하기 위한 조성물의 코팅성을 용이하게 조절할 수 있다. 상기 블록 공중합체의 중량 평균 분자량은, 겔 투과 크로마토그래피(이하 "GPC" 라고 함)법에 의해 측정되며 폴리스티렌 환산에 의해 얻어질 수 있다.
상기 블록 공중합체는 흡수층의 총부피에 대하여 약 20 부피% 이상 약 99.9 부피% 이하로 포함될 수 있다. 일 구현예에서 상기 고분자는 흡수층의 총부피에 대하여 약 70 부피% 이상 약 99 부피% 이하로 포함될 수 있다. 또 다른 구현예에서 상기 고분자는 흡수층의 총부피에 대하여 약 20 부피% 이상 약 50 부피% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 흡수층의 열 또는 적외선 흡수성을 용이하게 조절시킬 수 있다.
상기 다가 금속 이온은 2가 이상의 금속 이온일 수 있다. 상기 다가 금속 이온의 구체적인 예로는 Ca, Al, Cu, Co, Ba, Zn, Fe, Mn, Mg, Sr, Ba, Cr, Ti, Zr, Mo, V, 및 이들의 조합에서 선택되는 금속의 이온을 들 수 있다.
상기 다가 금속 이온은 흡수층의 총부피에 대하여 약 0.1 부피% 이상 약 80 부피% 이하로 포함될 수 있다. 일 구현예에서 상기 다가 금속 이온은 흡수층의 총부피에 대하여 약 1 부피% 이상 약 30 부피% 이하로 포함될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 상기 다가 금속 이온은 흡수층의 총부피에 대하여 약 50 부피% 이상 약 80 부피% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 흡수층의 열 또는 적외선 흡수성을 용이하게 조절시킬 수 있다.
상기 흡수층은 보강제를 더 포함할 수 있으며, 상기 보강제는 기계적 물성을 향상시키기 위한 보강제를 더 포함할 수 있으며, 상기 보강제는 그래파이트, 탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래파이트 나노플레이트, 플러렌, 플러렌 유도체, 양자점, 금속 산화물(예컨대, 실리카, 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), ZnO, SnO2, Sb2O3, 베마이트, 인듐 틴 옥사이드(ITO) 등) 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 구현예에서, 상기 보강제는 구형인 것이 바람직할 수 있다.
일 예로, 양자점은 II족-VI족 반도체 화합물, III족-V족 반도체 화합물, IV족- VI족 반도체 화합물, IV족 반도체 화합물, I-III-VI족 반도체 화합물, I-II-IV-VI족 반도체 화합물, II-III-V족 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 보강제는 흡수층의 총부피에 대하여 약 5 부피% 이하로 포함될 수 있다.
상기 흡수층은 흡수층을 형성하는 물질에 따라 제조공정을 달리 선택할 수 있다. 상기 흡수층이 고분자를 포함하는 경우 고분자를 용매에 용해 또는 분산시킨 조성물을 기판(11)의 오목부에 주입한 후 용매를 제거하여 형성할 수 있다.
상기 픽셀 구조체(15) 위에는 평탄화층(21)이 배치될 수 있다. 상기 평탄화층(21)은 광경화성 폴리머(self-leveling 고분자)로 형성될 수 있으며, 상기 광경화성 폴리머로는 (메타)아크릴레이트기, 히드록시기, 카르복실기, 비닐기 등의 광경화성 작용기를 포함하는 고분자가 사용될 수 있다. 상기 평탄화층(21)의 두께는 각각 약 200 nm 이상, 약 300 nm 이상, 약 400 nm 이상, 약 500 nm 이상, 약 600 nm 이상, 약 700 nm 이상, 약 800 nm 이상, 약 900 nm 이상 또는 1 ㎛ 이상 및 약 2 ㎛ 이하, 약 1.9 ㎛ 이하, 약 1.8 ㎛ 이하, 약 1.7 ㎛ 이하 또는 1.6 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 평탄화층(21)은 기판(11)의 상부와 픽셀 구조체(15)의 상부 전체를 커버하며 2 이상의 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체를 연결시켜 픽셀 어레이를 형성할 수 있다.
상기 픽셀 구조체(15)와 평탄화층(21) 사이에 보호층이 더 배치될 수 있다. 상기 보호층은 산화물, 질화물, 옥시나이트라이드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 산화물의 예로는 티타늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 등이 있다. 상기 보호층의 두께는 약 3 nm 내지 약 10 nm의 범위에 있을 수 있다.
상기 평탄화층(21)의 상부에는 마이크로렌즈가 위치할 수 있다. 상기 마이크로렌즈는 외부로부터 빛을 집광하는 역할을 한다. 상기 마이크로렌즈는 반구체 형태일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도 2에 도시된 마이크로볼로미터(10)은 공동(13) 내부에 측면 금속층을 더 포함할 수 있다. 이러한 구조는 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다. 도 3을 참고하면, 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터(10′)는 전술한 구현예와 마찬가지로 오목부를 포함하는 기판(11); 상기 기판(11)의 하부면과 양 측면을 따라 기판(11) 내부에 형성된 공동(cavity); 상기 공동(13)의 상부에 위치하는 상기 기판(11)의 상부 표면(11Sa)에 형성된 하부 반사층(17a); 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b); 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 흡수층을 포함하는 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15); 및 상기 기판(11)의 상부 전체를 덮는 평탄화층(21)을 포함한다. 상기 마이크로볼로미터(10′)는 전술한 구현예와 달리 공동(13) 내부에 측면 금속층(18a, 18b)를 더 포함한다.
상기 측면 금속층(18a, 18b)은 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)로 전달되는 열을 효율적으로 차단할 수 있다. 상기 측면 금속층(18a, 18b)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속을 포함할 수 있다. 상기 측면 금속층(18a, 18b)의 두께는 약 2 nm 이상, 예컨대 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상, 약 6 nm 이상, 약 7 nm 이상, 약 8 nm 이상, 약 9 nm 이상 또는 약 10 nm 이상 및 약 200 nm 이하, 예컨대 약 199 nm 이하, 약 198 nm 이하, 약 197 nm 이하, 약 196 nm 이하 또는 약 195 nm 이하일 수 있다. 일 구현예에서 상기 측면 금속층(18a, 18b)의 두께는 약 100 nm 이하, 약 99 nm 이하, 약 98 nm 이하, 약 97 nm 이하, 약 96 nm 이하 또는 약 95 nm 이하일 수 있다. 상기 범위에서 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)로 전달되는 열을 차단하여 열잡음을 감소시킬 수 있다.
일 구현예에서, 상기 하부 반사층은 기판(하부 공동의 상부에 위치하는 기판) 하부면의 하부 표면 위에 위치할 수도 있다. 이러한 구조는 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 4를 참고하면, 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터(20)는 오목부를 포함하는 기판(11); 상기 기판(11)의 하부면과 양 측면을 따라 기판(11) 내부에 형성된 공동(cavity); 상기 공동(13)의 상부에 위치하는 기판(11) 하부 표면(11Sb)에 형성된 하부 반사층(17b); 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b); 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15); 및 상기 기판(11)의 상부 전체를 덮는 평탄화층(21)을 포함한다.
도 4에 도시된 마이크로볼로미터(20)는 상기 하부 반사층(17b)이 (하부 공동(13)의 상부에 위치하는) 기판(11) 하부면의 하부 표면(11Sb)에 형성된 것을 제외하고 도 2에 도시된 마이크로볼로미터(10)와 동일한 구성을 가진다. 상기 하부 반사층(17b)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 하부 반사층(17b)의 두께는 약 2 nm 이상, 예컨대 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상, 약 6 nm 이상, 약 7 nm 이상, 약 8 nm 이상, 약 9 nm 이상 또는 약 10 nm 이상 및 약 200 nm 이하, 약 199 nm 이하, 약 198 nm 이하, 약 197 nm 이하, 약 196 nm 이하 또는 약 195 nm 이하일 수 있다. 일 구현예에서 상기 하부 반사층(17b)의 두께는 약 100 nm 이하, 약 99 nm 이하, 약 98 nm 이하, 약 97 nm 이하, 약 96 nm 이하 또는 약 95 nm 이하일 수 있다. 상기 범위에서 광을 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)를 통과한 열 또는 적외선을 효과적으로 반사하여 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)로 공급할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 하부 반사층은 (기판의 하부면에 형성된 공동의 하부에 위치하는) 기판 상부면에 위치할 수도 있다. 이러한 구조는 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 5를 참고하면, 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터(30)는 오목부를 포함하는 기판(11); 상기 기판(11)의 하부면과 양 측면을 따라 기판(11) 내부에 형성된 공동(cavity); 기판(11) 하부면의 하부 표면에 대향하는 면에 형성된(상기 기판(11)의 하부면에 형성된 공동의 하부에 위치하는 기판 위에 형성된) 하부 반사층(17c); 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b); 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15); 및 상기 기판(11)의 상부 전체를 덮는 평탄화층(21)을 포함한다. 도 5에 도시된 마이크로볼로미터(30)는 상기 하부 반사층(17c)이 (하부 공동(13)의 하부에 위치하는) 기판(11) 상부면의 표면에 형성된 것을 제외하고 도 2에 도시된 마이크로볼로미터(10)와 동일한 구성을 가진다.
상기 하부 반사층(17b)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등의 금속을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 하부 반사층(17c)의 두께는 약 2 nm 이상, 예컨대 약 3 nm 이상, 약 4 nm 이상, 약 5 nm 이상, 약 6 nm 이상, 약 7 nm 이상, 약 8 nm 이상, 약 9 nm 이상 또는 약 10 nm 이상 및 약 200 nm 이하, 약 199 nm 이하, 약 198 nm 이하, 약 197 nm 이하, 약 196 nm 이하 또는 약 195 nm 이하일 수 있다. 일 구현예에서 상기 하부 반사층(17c)의 두께는 약 100 nm 이하, 약 99 nm 이하, 약 98 nm 이하, 약 97 nm 이하, 약 96 nm 이하 또는 약 95 nm 이하일 수 있다. 상기 범위에서 광을 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)를 통과한 열 또는 적외선을 효과적으로 반사하여 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15)로 공급할 수 있다.
도 4와 도 5에 도시된 마이크로볼로미터(20, 30)는 하부 반사층(17a, 17b) 외에 공동(13) 내부에 측면 금속층을 더 포함할 수 있다. 이러한 구조는 도 6과 도 7에 각각 도시되어 있다. 도 6과 도 7은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도들이다. 도 6을 참고하면, 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터(20′)는 공동(13) 내부에 측면 금속층(18a, 18b)을 더 형성한 것을 제외하고 도 4에 도시된 구현예와 동일한 구성을 가진다. 도 7을 참고하면, 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터(30′)는 공동(13) 내부에 측면 금속층(18a, 18b)을 더 형성한 것을 제외하고 도 5에 도시된 구현예와 동일한 구성을 가진다.
도 2 내지 도 7에 도시된 마이크로볼로미터(10, 10', 20, 20', 30, 30')는 기판(11) 하부면에 위치하는 공동 내부에 지지체를 더 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 마이크로볼로미터(10)가 기판(11) 하부면에 위치하는 공동 내부에 지지체를 더 포함하는 마이크로볼로미터의 구조를 도 8에 도시한다. 도 8은 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다.
도 8을 참고하면 일 구현예에 따른 마이크로볼로미터(40)는 오목부를 포함하는 기판(11); 상기 기판(11)의 하부면과 양 측면을 따라 기판(11) 내부에 형성된 공동(cavity); 상기 기판(11)의 하부면에 위치하는 공동 내부에 위치하는 지지체(23a, 23b); 상기 공동(13)의 상부에 위치하는 상기 기판(11)의 상부 표면(11Sa)에 형성된 하부 반사층(17a); 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b); 상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 흡수층을 포함하는 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15); 및 상기 기판(11)의 상부 전체를 덮는 평탄화층(21)을 포함한다.
도 5에 도시된 마이크로볼로미터(40)는 상기 기판(11)의 하부면에 위치하는 공동 내부에 위치하는 지지체(23a, 23b)를 더 포함하는 것을 제외하고 도 2에 도시된 마이크로볼로미터(10)와 동일한 구성을 가진다.
상기 지지체(23a, 23b)는 다공성 지지체일 수 있다. 상기 다공성 지지체는 다공성 실리카 지지체일 수 있다. 지지체의 형상은 다면체형, 구형 등 어느 것도 가능하다.
다른 구현예에서 상기 픽셀 구조체(15)는 저항층, 절연층 및 흡수층이 순차적으로 적층된 구조를 포함할 수도 있다. 이러한 구조는 이러한 구조는 도 9에 도시되어 있다. 도 9는 또 다른 구현예에 따른 마이크로볼로미터의 개략적 단면도이다. 도 9를 참고하면 전술한 구현예와 마찬가지로 오목부를 포함하는 기판(11); 상기 기판(11)의 하부면과 양 측면을 따라 기판(11) 내부에 형성된 공동(cavity); 상기 공동(13)의 상부에 위치하는 상기 기판(11)의 상부 표면(11Sa)에 형성된 하부 반사층(17a); 상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b); 상기 오목부의 내부에 형성되는 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체(15); 및 상기 기판(11)의 상부 전체를 덮는 평탄화층(21)을 포함한다. 상기 픽셀 구조체(15)는 저항층(15a), 절연층(15b) 및 열 또는 적외선 흡수층(15c)을 포함할 수 있다.
상기 저항층(15a)은 불순물이 도핑된 비정질 실리콘, 단결정 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(Si1-xGex, x=0.2 내지 0.5)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(15b)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(Si3N4)를 포함할 수 있다. 상기 흡수층(15c)은 전술한 바와 같이 열 또는 적외선 감지용 고분자; VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 저항층(15a), 절연층(15b) 및 열 또는 적외선 흡수층(15c)의 두께의 합은 이러한 흡수층의 두께는 λ/4(여기에서 λ는 감지하고자 하는 적외선 파장으로 일반적으로 1 내지 20 ㎛임)일 수 있다. 상기 저항층(15a)의 두께는 약 50 nm 내지 약 150 nm의 범위에 있을 수 있고, 상기 절연층(15b)의 두께는 약 100 nm 내지 약 200 nm의 범위에 있을 수 있고, 및 상기 열 또는 적외선 흡수층(15c)의 두께는 약 100 nm 내지 약 500 nm의 범위에 있을 수 있다.
도 2 내지 도 8에는 오목부가 1개인 마이크로볼로미터를 도시하였으나 복수의 마이크로볼로미터가 서로 연결되어 픽셀 어레이를 구성할 수도 있다. 도 2의 마이크로볼로미터(10)의 픽셀 어레이를 도 10에 도시한다. 도 10은 일 구현예에 따른 픽셀 어레이를 도시한 도면이다. 도 10을 참고하면 3개의 마이크로볼로미터(10A, 10B, 10C)을 연결한 픽셀 어레이(1)를 예시하였으나 다수의 마이크로볼로미터가 서로 연결되어 픽셀 어레이를 구성할 수 있음은 물론이다.
전술한 열 또는 적외선 감지용 센서(예컨대, 마이크로볼로미터)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 카메라, 캠코더, 이들을 내장한 모바일 폰, 디스플레이 장치, 보안 장치 또는 의료 장치 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 전술한 구현예들을 예시 또는 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 발명의 범위가 제한되지 않는다.
실시예
합성예 1: 블록 공중합체의 제조
출발물질 및 시약은 Sigma Aldrich로부터 구입하고 반응 전에 산소를 제거하기 위하여 질소로 퍼지하여 사용한다.
먼저, 하기 반응식 1-1에서와 같이 2-히드록시에틸 아크릴레이트(1.16 g, 10 mmole)와 t-부틸 아크릴레이트(1.28 g, 10 mmole)를 1:1의 몰비로 혼합하고 S,S-디벤질 트리티오카보네이트(29 mg, 0.1 mmole)를 첨가한 후 5분간 질소로 퍼지한다. 여기에 아조디이소부티로니트릴(AIBN)을 첨가한 후 질소 분위기에서 75 ℃에서 교반한다. 반응이 75% 진행된 후 반응기 내부의 가스를 배기하여 자유 라디칼을 봉쇄하고 상온으로 냉각한다. 미반응된 2-히드록시에틸 아크릴레이트와 t-부틸 아크릴레이트는 진공으로 제거하여 노란색 오일의 중간체(Intermediate, Mw 162, 수율: 80%)를 얻는다.
[반응식 1-1]
하기 반응식 1-2에서와 같이 상기 반응식 1-1에서 얻은 중간체와 n-부틸 아크릴레이트(6.4 g, 50 mmole)와 AIBN을 첨가한 후 질소 분위기에서 75 ℃에서 약 1시간동안 중합반응을 실시한다. 반응이 75% 진행된 후 반응기 내부의 가스를 배기한 후 상온으로 냉각하여 폴리머 A를 얻는다.
[반응식 1-2]
하기 반응식 1-3에서와 같이 얻어진 폴리머 A를 디클로로메탄(DCM)과 트리플루오로아세트산(TFA)의 혼합용액(1:1 부피비, 100 ml) 내에 2시간 동안 유지하여 t-부틸기를 제거하여 ABA 블록 공중합체(최종 폴리머)를 제조한다.
[반응식 1-3]
실시예 1 내지 12: 마이크로볼로미터의 제조
오목부를 가지는 실리콘 기판 내부에 하기 표 1에서와 같은 두께(하부 면 공동 및 양측 면 공동의 두께는 동일하게 형성함)를 가지는 공동을 포토레지스트를 사용한 에칭 공정으로 형성한다. 이때 양 측면의 공동의 간격을 조절하여 하기 표 1에서와 같은 크기의 픽셀 크기를 가지도록 한다. 상기 오목부의 내부(실리콘 기판의 상부)에 알루미늄을 증착하여 약 10 nm 두께의 하부 반사층을 형성하고 양 측면에 금을 증착하여 각각 약 10 nm 두께의 제1 전극과 제2 전극을 형성한다.
이와 별도로 합성예 1에서 얻은 블록 공중합체 99.9 ml를 에탄올에 2 중량%의 농도로 80 ℃에서 용해시켜 균일한 용액이 얻어질 때까지 교반하여 블록 공중합체 용액을 제조한다. 0.3 M CaCl2 에탄올 용액을 준비한다. 상기 블록 공중합체 용액을 상기 오목부의 하부 반사층 위에 주입한 후 상기 CaCl2 에탄올 용액 172.8 ml을 첨가하여 겔화시킨다. 겔화 반응을 진행시킨 후 상온에서 건조하여 2.1 μm 두께의 흡수층을 형성하고 아크릴계 고분자(CAS No.: 25034-86-0)로 평탄화층을 400 nm 두께로 형성하여 도 2에 도시된 구조를 가지는 실시예 1 내지 12에 따른 마이크로볼로미터를 제조한다.
실시예 13 내지 24: 마이크로볼로미터의 제조
오목부를 가지는 실리콘 기판 내부에 하기 표 1에서와 같은 두께(하부 면 공동 및 양측 면 공동의 두께는 동일하게 형성함)를 가지는 공동을 포토레지스트를 사용한 에칭 공정으로 형성한다. 이때 양 측면의 공동의 간격을 조절하여 하기 표 1에서와 같은 크기의 픽셀 크기를 가지도록 한다. 상기 오목부의 내부(실리콘 기판의 상부)에 알루미늄을 증착하여 약 10 nm 두께의 하부 반사층을 형성하고 양 측면에 금을 증착하여 각각 약 10 nm 두께의 제1 전극과 제2 전극을 형성한다.
상기 하부 반사층 위에 VOx(x= 1.5 내지 2.0)를 300 nm 두께로 증착하여 제1 흡수층을 형성한다.
이와 별도로 합성예 1에서 얻은 블록 공중합체 99.9 ml를 에탄올에 2 중량%의 농도로 80 ℃에서 용해시켜 균일한 용액이 얻어질 때까지 교반하여 블록 공중합체 용액을 제조한다. 0.3 M CaCl2 에탄올 용액을 준비한다. 상기 블록 공중합체 용액을 상기 오목부의 제1 흡수층 위에 주입한 후 상기 CaCl2 에탄올 용액 172.8 ml을 첨가하여 겔화시킨다. 겔화 반응을 진행시킨 후 상온에서 건조하여 1.8 μm 두께의 제2 흡수층을 형성하고 아크릴계 고분자(CAS No.: 25034-86-0)로 평탄화층을 400 nm 두께로 형성하여 도 2에 도시된 구조를 가지되, 2개의 흡수층을 가지는 실시예 13 내지 24에 따른 마이크로볼로미터를 제조한다.
평가
평가 1: 픽셀 크기에 따른 절연성 평가
Laser 8 μm를 사용하고 Chopper 및 beam splitter를 설치하여 Beam의 경로를 2개로 나누어 mercury cadmium telluride (MCT) detector로 Input Power를 측정하고 실시예 1 내지 12에 따른 마이크로볼로미터의 흡수층에 빛을 조사하여 발생하는 열을 측정하여 하기 표 1에 기재한다.
| 실시예 | Pixel Size (μm) |
Cavity (nm) | Thermal Insulation (mK/W) |
| 1 | 5 | 100 | 92 |
| 2 | 11 | 300 | 82 |
| 3 | 15 | 400 | 73 |
| 4 | 23 | 700 | 58 |
| 5 | 25 | 800 | 53 |
| 6 | 30 | 1000 | 45 |
| 7 | 32 | 1000 | 40 |
| 8 | 34 | 1100 | 38 |
| 9 | 36 | 1200 | 32 |
| 10 | 38 | 1300 | 27 |
| 11 | 40 | 1300 | 25 |
| 12 | 42 | 1400 | 19 |
표 1을 참고하면 실시예 1 내지 12에 따른 마이크로볼로미터는 5μm 내지 42 μm의 다양한 픽셀 크기를 가지는 마이크로볼로미터를 제조할 수 있으며, 단열성(Thermal Insulation)도 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10, 10', 20, 20', 30, 30', 40, 50, 10A, 10B, 10C: 마이크로볼로미터
11: 기판 13: 공동
17a, 17b, 17c: 하부 반사층
19a: 제1 전극 19b: 제2 전극
15: 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체
21: 평탄화층
18a, 18b: 측면 금속층 23a, 23b: 지지체
11: 기판 13: 공동
17a, 17b, 17c: 하부 반사층
19a: 제1 전극 19b: 제2 전극
15: 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체
21: 평탄화층
18a, 18b: 측면 금속층 23a, 23b: 지지체
Claims (17)
- 복수의 오목부를 포함하는 기판;
상기 기판의 하부면과 양 측면을 따라 기판의 내부에 형성된 공동(cavity);
상기 기판 하부면의 상부 표면, 기판 하부면의 하부 표면 및 기판 하부면의 하부 표면에 대향하는 면중 적어도 하나의 면에 형성된 하부 반사층;
상기 오목부의 양 측면 내부에 형성되고 서로 마주보는 제1 전극과 제2 전극;
상기 오목부의 내부에 형성되어 기판 내부에 매립된 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체; 및
상기 기판의 상부 전체를 덮는 평탄화층을 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 하부면과 양 측면을 따라 기판의 내부에 형성된 공동은 서로 연결되어 있을 수 있고 서로 고립되어 형성되어 있는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 양 측면에 존재하는 공동의 두께(t1)와 하부면에 존재하는 공동의 두께(t2)는 서로 동일하거나 상이한, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 양 측면에 존재하는 공동의 두께(t1)와 상기 기판의 하부면에 존재하는 공동의 두께(t2)는 각각 50 nm 내지 2000 nm인, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 하부 반사층의 두께는 2 nm 내지 200 nm인, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체에서, 제1 구조단위와 제2 구조단위의 합계량은 제3 구조단위 100 몰에 대하여 2몰 내지 50몰인, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 제2 전극의 두께는 각각 3 nm 내지 300 nm인, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 오목부의 양 측면에 배치된 측면 금속층을 더 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제8항에 있어서, 상기 측면 금속층은 2 nm 내지 200 nm의 두께를 가지는 열 또는 적외선 감지용 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 열 또는 적외선 감지용 고분자; VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합을 포함하는 흡수층을 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 고분자는 하기 화학식 1로 표현되는 제1 구조단위, 하기 화학식 2로 표현되는 제2 구조단위 및 하기 화학식 3으로 표현되는 제3 구조단위를 포함하는 블록 공중합체; 및 상기 블록 공중합체의 측쇄기와 배위 결합하는 다가 금속 이온;을 포함하는 고분자를 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서:
[화학식 1] [화학식 2] [화학식 3]
상기 화학식 1 내지 3에서,
R11, R12 및 R13은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고,
L11 및 L12는 각각 독립적으로 단일결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, 적어도 하나의 메틸렌기가 -O-, -S-, -C(=O)-, -S(=O)-, -S(=O)2-, -C(=O)-O-, -O-C(=O)-, -C(=O)NR- (여기에서 R은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기임) 및 이들의 조합에서 선택되는 연결기로 교체(replace)된 C2 내지 C20 알킬렌기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C10 아릴렌기에서 선택되고,
L13은 단일결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 사이클로알킬렌기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴렌기에서 선택되고,
X는 카르복실기(-COOH), 술폰산기((-S(=O)2OH) 및 인산기(phosphoric acid group, -O-P(=O)(OH)2)에서 선택되고,
Y는 히드록시기(-OH), 알콕시기(-OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 에스터기(C(=O)OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 술폰산 에스터기(-S(=O)2OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 인산 에스터기(-O-P(=O)(OR)2, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임), 아민기, 이소시아네이트기(isocyanate group, -N=C=O) 및 우레탄기(urethane group, -NHC(=O)OR, 여기에서 R은 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C10의 알킬기임)에서 선택되고,
Z는 치환 또는 비치환된 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기에서 선택된다. - 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 VOx(x= 1.5 내지 2.0); TiN; 타이타늄(Ti) 또는 니켈크롬(NiCr)과 같은 금속; 또는 이들의 조합을 포함하는 제1 흡수층 및 열 또는 적외선 감지용 고분자를 포함하는 제2 흡수층을 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 픽셀 구조체는 저항층, 절연층 및 흡수층을 포함하는 다층 구조체인, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 상기 픽셀 구조체와 평탄화층 사이에 보호층을 더 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 상기 평탄화층의 상부에는 마이크로렌즈를 더 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항에 있어서,
상기 열 또는 적외선 감지용 센서는 상기 기판 하부면에 위치하는 공동 내부에 지지체를 더 포함하는, 열 또는 적외선 감지용 센서. - 제1항 내지 제16항중 어느 하나의 항에 따른 열 또는 적외선 감지용 센서를 포함하는 전자장치.
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