KR20230114556A - Method for mading improved meta-surface using nanoimprint lithography - Google Patents
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Abstract
본 발명은 효율이 개선된 임프린트공정으로 만든 메타표면을 제조하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리머기반의 임프린트 레진을 이용하여 나노안테나를 만든 뒤, 표면을 고굴절률 소재로 코팅하여 효율이 향상된 메타표면을 만드는 기술적 사상에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 메타표면의 제조 방법은 나노안테나소재의 입자를 광경화 폴리머나 열경화폴리머와 혼합하여 기판위에 도포하는 단계, 소정의 패턴을 갖는 몰드로 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머를 표면에 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 임프린팅 하여 상기 기판 상에 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 의한 구조물을 형성하여 경화시키는 단계, 및 상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention relates to a technology for manufacturing a metasurface made by an imprint process with improved efficiency, and more particularly, after making a nanoantenna using a polymer-based imprint resin, and then coating the surface with a high refractive index material, the efficiency is improved. This relates to the technical concept of making a metasurface. A method of manufacturing a metasurface according to an embodiment includes mixing particles of a nanoantenna material with a photocurable polymer or a thermosetting polymer and applying the mixture on a substrate, to a mold having a predetermined pattern. Imprinting the photocurable polymer or the thermosetting polymer with an imprint stamp having a concavo-convex structure on a surface thereof to form and cure a structure of the photocurable polymer or the thermosetting polymer on the substrate, and curing the cured structure It may include coating a high refractive index material on the surface of the through a deposition method.
Description
본 발명은 효율이 개선된 임프린트공정으로 만든 메타표면을 제조하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리머기반의 임프린트 레진을 이용하여 나노안테나를 만든 뒤, 표면을 고굴절률 소재로 코팅하여 효율이 향상된 메타표면을 만드는 기술적 사상에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for manufacturing a metasurface made by an imprint process with improved efficiency, and more particularly, after making a nanoantenna using a polymer-based imprint resin, and then coating the surface with a high refractive index material, the efficiency is improved. It is about the technical idea of creating a metasurface.
메타표면은 렌즈 및 홀로그램 등 다양한 광학소자의 기능을 수행하는 2차원 소자로서 입사광 파장크기의 나노안테나가 평면 위에 배열된 형태로 이루어 진다.The metasurface is a two-dimensional element that performs the functions of various optical elements such as lenses and holograms, and is composed of nanoantennas of the wavelength of incident light arranged on a plane.
메타표면은 나노안테나의 형태, 주기 그리고 배열에 의해 다양한 광학적 기능을 수행할 수 있으므로, 차세대 광학소자로 각광받고 있어 활발히 연구되고 있으나 현시점에서 양산화 및 상용화 단계에 이르지 못하고 있다.Since metasurfaces can perform various optical functions by the shape, period, and arrangement of nanoantennas, they are in the limelight as next-generation optical devices and are actively researched, but at this point, they have not reached the stage of mass production and commercialization.
메타표면은 나노 안테나 소재의 박막을 기판 위에 증착한 뒤 전자선 리소그라피 공정과 식각 공정을 통해 나노 안테나로 제조되어 만들어지나 이 방법을 통해 생산될 경우, 단가가 매우 높고, 생산 속도가 매우 느리며, 대면적 소자 제작이 어려워서 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.The metasurface is made by depositing a thin film of nanoantenna material on a substrate and then manufacturing it as a nanoantenna through an electron beam lithography process and an etching process, but when produced through this method, the unit price is very high, the production speed is very slow, and the Device fabrication is difficult, which is a major obstacle to commercialization.
최근, 기존의 박막 증착, 리소그라피 및 식각 공정을 대신하여 임프린트 공정으로 메타표면을 제조하는 방법이 등장 하였는데, 이는 기존의 방법보다 훨씬 제작 과정이 쉽고, 저가의 공정비용으로 만들 수 있다는 장점이 존재한다.Recently, a method of manufacturing a metasurface by an imprint process has emerged instead of the existing thin film deposition, lithography, and etching processes. .
다만, 고굴절률 임프린트 레진(나노 성형 소재)이 필요하며 나노 크기의 패턴을 갖는 임프린트 스탬프가 필요한데, 이러한 임프린트 스탬프를 만들기 위해서는 전자선 리소그라피 공정이 요구될 수 있다.However, a high refractive index imprint resin (nano molding material) is required and an imprint stamp having a nano-sized pattern is required, and an electron beam lithography process may be required to make such an imprint stamp.
그러나, 임프린트 공정은 한번 만들어진 임프린트 스탬프를 복제해서 반복적으로 이용할 수 있음에 따라 기존의 공정에 비교하여 매우 큰 장점을 가지고 있다고 볼 수 있다.However, it can be seen that the imprint process has a very great advantage compared to the existing process because the imprint stamp once made can be duplicated and used repeatedly.
본 발명은 임프린팅 공정을 이용하여 패턴층을 가지는 메타표면을 형성함에 따라 제조 공정을 단순화하고, 이에 소요되는 비용을 절감하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to simplify the manufacturing process and reduce the cost required for this by forming a metasurface having a pattern layer using an imprinting process.
본 발명은 TiO2 대신 a-Si, GaN, ZrO2 등 다양한 high refractive index materials이 coating되어 메타표면의 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to increase the efficiency of the metasurface by coating various high refractive index materials such as a-Si, GaN, ZrO 2 instead of TiO 2 .
본 발명은 일반 임프린트 레진이나 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 나노 안테나 구조를 성형한 뒤 ZrO2 박막을 코팅해주어 기존의 임프린트 공정으로 얻기 힘든 고효율의 메타표면을 제작하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to fabricate a high-efficiency metasurface, which is difficult to obtain by conventional imprinting processes, by forming a nanoantenna structure with a general imprint resin or an imprint resin containing ZrO 2 particles and then coating a ZrO 2 thin film.
일실시예에 따른 메타표면의 제조 방법은 나노안테나소재의 입자를 광경화 폴리머나 열경화폴리머와 혼합하여 기판위에 도포하는 단계, 소정의 패턴을 갖는 몰드로 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머를 표면에 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 임프린팅 하여 상기 기판 상에 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 의한 구조물을 형성하여 경화시키는 단계, 및 상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a metasurface according to an embodiment includes mixing particles of a nanoantenna material with a photocurable polymer or a thermosetting polymer and applying the mixture on a substrate, and applying the photocurable polymer or the thermosetting polymer to a mold having a predetermined pattern. Imprinting with an imprint stamp having a concave-convex structure on the surface to form and cure a structure of the photocurable polymer or the thermosetting polymer on the substrate, and high refractive index through a deposition method on the surface of the cured structure A step of coating the material may be included.
일실시예에 따른 상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계는, 상기 경화된 구조물의 표면 상에 원자층증착(ALD) 또는 화학기상증착(PECVD) 중에서 적어도 하나의 증착 방식으로 상기 고굴절률 소재를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.Coating the high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method according to an embodiment includes at least one of atomic layer deposition (ALD) and chemical vapor deposition (PECVD) on the surface of the cured structure. It may include the step of coating the high refractive index material by a deposition method of.
일실시예에 따른 상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계는, TiO2, a-Si, 또는 ZrO2 중에서 적어도 하나 이상의 고굴절률 소재를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.Coating the high refractive index material on the surface of the cured structure according to an embodiment through a deposition method may include coating at least one high refractive index material from among TiO 2 , a-Si, or ZrO 2 . can
일실시예에 따른 상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계는, 상기 고굴절률 소재를 9 ~ 12nm의 범위로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.Coating the high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method according to an embodiment may include coating the high refractive index material in a range of 9 to 12 nm.
일실시예에 따른 상기 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 임프린팅 하는 단계는 1 내지 10atm의 압력과 100 내지 200℃의 온도로 상기 임프린트 스탬프를 가압하여 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 임프린팅 하는 단계를 포함할 수 있다.The step of imprinting with the imprint stamp having the concavo-convex structure according to an embodiment includes imprinting the photocurable polymer or the thermosetting polymer by pressing the imprint stamp at a pressure of 1 to 10 atm and a temperature of 100 to 200 ° C. steps may be included.
일실시예에 따른 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 의한 구조물을 형성하여 경화시키는 단계는, 상기 형성된 구조물을 300℃ 내지 1000℃에서 어닐링하여 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.Forming and curing the structure using the photocurable polymer or the thermosetting polymer according to an embodiment may include annealing and curing the formed structure at 300°C to 1000°C.
일실시예에 따르면, 임프린팅 공정을 이용하여 패턴층을 가지는 메타표면을 형성함에 따라 제조 공정을 단순화하고, 이에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.According to one embodiment, as the metasurface having a pattern layer is formed using an imprinting process, the manufacturing process can be simplified and costs required for this can be reduced.
일실시예에 따르면, TiO2 대신 a-Si, GaN, ZrO2 등 다양한 high refractive index materials이 coating되어 메타표면의 효율을 높일 수 있다.According to an embodiment, instead of TiO 2 , various high refractive index materials such as a-Si, GaN, and ZrO 2 are coated to increase the efficiency of the metasurface.
일실시예에 따르면, 일반 임프린트 레진이나 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 나노 안테나 구조를 성형한 뒤 ZrO2 박막을 코팅해주어 기존의 임프린트 공정으로 얻기 힘든 고효율의 메타표면을 제작할 수 있다.According to an embodiment, a high-efficiency metasurface, which is difficult to obtain by a conventional imprint process, can be manufactured by molding a nanoantenna structure with a general imprint resin or an imprint resin containing ZrO 2 particles and then coating the ZrO 2 thin film.
도 1은 일실시예에 따른 메타표면을 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 2c는 일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a는 나노 안테나의 width와 length변화에 따른 일반 임프린트 레진으로 형성된 나노메타렌즈의 효율을 나타내는 도면이다.
도 3b는 나노 안테나의 width와 length변화에 따른 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 형성된 나노메타렌즈의 효율을 나타내는 도면이다.
도 4는 코팅되는 ZrO2의 두께가 변화할 때 메타렌즈의 효율을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a metasurface according to an embodiment.
2a to 2c are diagrams illustrating a method of manufacturing a metasurface according to an embodiment.
3A is a diagram showing the efficiency of a nanometalens formed of a general imprint resin according to changes in the width and length of the nanoantenna.
3B is a diagram showing the efficiency of a nanometalens formed of an imprint resin containing ZrO 2 particles according to changes in the width and length of the nanoantenna.
Figure 4 is a diagram showing the efficiency of the metalens when the thickness of ZrO 2 to be coated is changed.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are only illustrated for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention These may be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and can have various forms, so the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosures, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, a first component may be named a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle. Expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "directly adjacent to" should be interpreted similarly.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this specification, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements.
도 1은 일실시예에 따른 메타표면(100)을 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a
일실시예에 따른 메타표면(100)은 나노 안테나(nano-antenna)의 배열로 이루어져 있는 차세대 소자로서, 메타렌즈라고도 한다.The
구체적으로, 메타표면(100)은 평면위에 나노안테나 array층을 형성하여 3차원 렌즈의 기능을 대신하는 2차원 평면렌즈를 만들 수 있는데 이를 메타렌즈 또는 메타표면이라 한다. 메타렌즈는 기판위에 입사광의 파장크기 정도의 나노안테나가 정해진 위치에 배열시켜 만드는데 일반적으로 기판위에 나노 안테나 소재(Au, TiO2, ZrO2, GaN, Si, etc)의 박막 형성과정, 전자빔 리쏘그라피과정, 그리고, Reactive ion etching, resist ashing의 공정을 거쳐 기판위에 나노안테나 소재의 나노패턴을 형성하여 만들게 된다.Specifically, the
한편 메타표면(100)을 만들기위한 진일보한 방법으로는 나노임프린트 공법이 있는데, 나노안테나소재의 입자를 광경화 폴리머나 열경화폴리머와 혼합하여 기판위에 도포한 뒤 표면에 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 눌러서 나노구조물의 형태를 만든 뒤 빛이나 열을 가하여 입자와 폴리머 혼합물을 경화시킨 뒤 임프린트 스탬프를 제거하여 기판표면위에 나노패턴 즉 나노안테나 array를 형성할 수 있다.On the other hand, as an advanced method for making the
메타표면(100)에 형성되는 나노 안테나의 크기 및 주기는 대략 콘트롤 하는 빛의 파장 정도이며 굴절률이 높은 소재로 만들수록 높이 및 종횡비를 낮출 수 있다.The size and period of the nanoantennas formed on the
메타표면(100)에 사용되는 나노 안테나는 다양한 형상으로 만들 수 있다. 메타표면에 오는 빛은 각각의 나노 안테나에 의하여 위상과 파면이 독립적으로 제어될 수 있다.The nanoantenna used in the
일반적인 렌즈의 결점인 색수차, 구면수차, 혜성수차 등은 개별적인 나노 안테나의 설계를 통하여 제거될 수 있으므로, 메타표면(100)을 통한 perfect lens의 제조가 가능하다.Since chromatic aberration, spherical aberration, comet aberration, etc., which are defects of general lenses, can be eliminated through the design of individual nanoantennas, it is possible to manufacture a perfect lens through the
본 발명은 나노안테나와 빛과의 interaction이 주로 나노안테나의 표면의 물성에 의하여 결정된다는 점을 활용한 것이며, 나노성형 측면에서는 입자가 함유된 고굴절률 임프린트 레진보다는 순수 폴리머로 구성된 임프린트 레진을 이용한 나노 성형이 훨씬 공정이 용이하다는 점을 활용한 것이다. The present invention takes advantage of the fact that the interaction between the nanoantenna and light is mainly determined by the physical properties of the surface of the nanoantenna, and in terms of nanomolding, nanoparticle-containing imprint resin is used rather than high refractive index imprint resin. It took advantage of the fact that molding is much easier to process.
TiO2 박막을 에칭하여 만든 나노안테나는 가장 우수한 광특성을 보이나 공정이 복잡하고 비용이 매우 높다. 그리고 양산이 매우 어렵다. 폴리머 레진으로 임프린트하여 만든 나노안테나는 나노성형공정 자체는 가장 쉬우나 메타표면(100)을 구성하기에 적당하지 않다.A nanoantenna made by etching a TiO 2 thin film shows the best optical properties, but the process is complicated and the cost is very high. And mass production is very difficult. A nanoantenna made by imprinting a polymer resin is not suitable for constructing the
폴리머에 고굴절률 소재의 입자를 혼합라여 만든 고굴절률 레진으로 임프린트하여 나노안테나를 만들면 공정적인 측면으로, 용이성과 공정비용에서는 가장 우수하나 이러한 나노안테나로 만들어진 메타표면의 효율은 박막을 에칭하여 만든 메타표면의 성능보다는 낮다.If a nanoantenna is made by imprinting it with a high refractive index resin made by mixing particles of a high refractive index material with a polymer, it is the best in terms of process, ease and process cost, but the efficiency of the metasurface made of these nanoantennas is the metasurface made by etching the thin film. lower than that of the surface.
따라서, 본 발명은 일반 임프린트 레진이나 입자가 함유된 고굴절률 레진으로 나노 안테나를 성형한뒤 ALD나 PECVD같은 conformality가 우수한 박막증착방법으로 표면을 코팅해주면 메타표면을 이루는 나노안테나들을 쉽게 성형하면서 광특성도 높여 우수한 효율의 메타표면(100)를 제조할 수 있게 된다. Therefore, in the present invention, after forming a nanoantenna with a general imprint resin or a high refractive index resin containing particles, and then coating the surface with a thin film deposition method having excellent conformality such as ALD or PECVD, the nanoantennas constituting the metasurface can be easily molded and optical properties Also, it is possible to manufacture the
도 2a 내지 2c는 일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.2a to 2c are diagrams illustrating a method of manufacturing a metasurface according to an embodiment.
일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법은 광경화 폴리머(일반 UV 임프린트 레진)나 입자가 혼합된 폴리머(고굴절률 임프린트 레진)로 만들어진 구조물위에 TiO2, a-Si, ZrO2와 같은 고굴절률 소재가 코팅되어 만들어진 메타표면(메타렌즈)을 형성할 수 있다.A method of manufacturing a metasurface according to an embodiment is a high refractive index such as TiO 2 , a-Si, ZrO 2 on a structure made of a photocurable polymer (general UV imprint resin) or a polymer mixed with particles (high refractive index imprint resin). It is possible to form a metasurface (metalens) made by coating the material.
또한, 메타표면의 나노 안테나는 광경화 폴리머나 입자가 혼합된 폴리머를 임프린팅한 뒤 TiO2, a-Si, ZrO2와 같은 고굴절률 소재가 ALD나 PECVD로 박막코팅되어 만들어질 수 있다.In addition, the nanoantenna of the metasurface can be made by imprinting a photocurable polymer or a polymer in which particles are mixed, followed by thin film coating of high refractive index materials such as TiO 2 , a-Si, and ZrO 2 by ALD or PECVD.
메타표면의 구조 및 제작방법으로는, 쉽게 임프린팅 공정으로 나노 안테나구조를 기판위에 형성하고 이 위를 ALD나 PECVD같은 등각 코팅(conformal coating)방법으로 고굴절률 소재(high refractive index materials)을 코팅하여 효율이 향상된 메타표면을 얻는 것이 본 발명의 가장 큰 특징이다.As for the structure and fabrication method of the metasurface, a nano-antenna structure is easily formed on a substrate by an imprinting process, and high refractive index materials are coated on it by a conformal coating method such as ALD or PECVD. Obtaining a metasurface with improved efficiency is the biggest feature of the present invention.
이를 위해, 본 발명은 도 2a의 도면부호 210에서 보는 바와 같이, 일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법은 나노안테나소재의 입자를 광경화 폴리머나 열경화폴리머(202)와 혼합하여 기판(201)위에 도포할 수 있다.To this end, as shown in
또한, 일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법은 소정의 패턴을 갖는 몰드로 상기 광경화 폴리머 또는 열경화폴리머(202)를 표면에 요철구조가 있는 임프린트 스탬프(203)로 임프린팅할 수 있다.In addition, in the method of manufacturing a metasurface according to an embodiment, the photocurable polymer or
도 2b의 도면부호 220에서 보는 바와 같이, 기판(201) 상에 광경화 폴리머 또는 열경화폴리머(202)에 의한 구조물을 형성하여 경화시킬 수 있다.As shown by
예를 들어, 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 임프린팅 하기 위해, 1 내지 10atm의 압력과 100 내지 200℃의 온도로 상기 임프린트 스탬프를 가압하여 광경화 폴리머 또는 열경화폴리머에 임프린팅할 수 있다.For example, in order to imprint with an imprint stamp having a concavo-convex structure, the imprint stamp may be imprinted on a photocurable polymer or a thermoset polymer by pressing the imprint stamp at a pressure of 1 to 10 atm and a temperature of 100 to 200 °C.
또한, 일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법은 형성된 구조물을 300℃ 내지 1000℃에서 어닐링하여 경화시킬 수 있다.In addition, in the method of manufacturing the metasurface according to an embodiment, the formed structure may be cured by annealing at 300° C. to 1000° C.
도면부호 230에서, 일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법은 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재(204)를 코팅할 수 있다.
일실시예에 따른 메타표면을 제조하는 방법은 이빔리소+ 에칭에 의한 공정, 입자가 함유된 고굴절률 레진을 임프린트하여 만드는 공정, 임프린트로 성형하고 박막을 코팅하여 만드는 공정을 포함할 수 있다.A method of manufacturing a metasurface according to an embodiment may include a process by ebeamlitho+etching, a process of imprinting a high refractive index resin containing particles, and a process of forming by imprinting and coating a thin film.
이 과정에서 코팅되는 고굴절률 소재(204)인 박막은 원자층증착(ALD) 또는 화학기상증착(PECVD) 중에서 적어도 하나의 증착 방식으로 코팅될 수 있다.The thin film of the high
예를 들어, 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하기 위해, TiO2, a-Si, 또는 ZrO2 중에서 적어도 하나 이상의 고굴절률 소재를 코팅할 수 있다.For example, in order to coat the high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method, TiO 2 , a-Si, or ZrO 2 At least one high refractive index material may be coated.
또한, 고굴절률 소재는 9 ~ 12nm의 범위에서 코팅될 수 있다.In addition, high refractive index materials may be coated in the range of 9 to 12 nm.
TiO2 대신 a-Si, GaN, ZrO2 등 다양한 high refractive index materials이 coating되어 메타표면의 효율을 높일 수 있다.Instead of TiO 2 , various high refractive index materials such as a-Si, GaN, and ZrO 2 are coated to increase the efficiency of the metasurface.
도 3a는 나노 안테나의 width와 length변화에 따른 일반 임프린트 레진으로 형성된 나노메타렌즈의 효율을 나타내는 도면(310)이다.3A is a diagram 310 illustrating the efficiency of a nanometalens formed of a general imprint resin according to changes in the width and length of the nanoantenna.
도 3b는 나노 안테나의 width와 length변화에 따른 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 형성된 나노메타렌즈의 효율을 나타내는 도면이다.3B is a diagram showing the efficiency of a nanometalens formed of an imprint resin containing ZrO 2 particles according to changes in the width and length of the nanoantenna.
본 발명은 ZrO2 물질을 이용한 나노안테나의 실시예를 나태내었다. 특히, 도 3a의 도면부호 310에서는 ZrO2 입자가 함유된 고굴절률 임프린트 레진으로 성형한 경우인데 나노 안테나의 높이를 600nm로 고정하고 코팅되는 ZrO2의 두께를 12nm로 고정하였을 때 나노 안테나의 width와 length가 변화함에 따라 메타표면의 효율을 계산한 것이다.The present invention has shown an embodiment of a nanoantenna using a ZrO 2 material. In particular, reference numeral 310 in FIG . 3a is a case of molding with high refractive index imprint resin containing ZrO 2 particles. As the length changes, the efficiency of the metasurface is calculated.
또한, 도 3b의 도면부호 320에서는 나노 입자가 함유되지 않은 일반 임프린트 레진으로 나노 안테나를 성형한 경우인데 역시 나노 안테나의 높이를 600nm로 고정하고 코팅되는 ZrO2의 두께를 12nm로 고정하였을 때 나노 안테나의 width와 length가 변화함에 따라 메타표면의 효율을 계산한 것이다.In addition, reference numeral 320 in FIG. 3B shows a case in which the nanoantenna is molded with a general imprint resin that does not contain nanoparticles. Also, when the height of the nanoantenna is fixed at 600nm and the thickness of ZrO 2 to be coated is fixed at 12nm, the nanoantenna is formed. The efficiency of the metasurface was calculated as the width and length of
고굴절률 임프린트 레진으로 성형한 경우 width = 42.5nm, Length = 237.5nm 일 때 92.3%라는 높은 효율의 메타표면이 만들어 짐을 의미하며 입자가 함유되지 않은 일반 임프린트 레진으로 성형하고 ZrO2 박막을 코팅하였을 경우 width = 40nm, Length = 247.5nm 일 때 91.7%라는 높은 효율의 메타표면이 만들어 짐을 의미한다.In the case of molding with high refractive index imprint resin, it means that a high-efficiency metasurface of 92.3% is created when width = 42.5nm and length = 237.5nm . When width = 40nm, length = 247.5nm, it means that a high-efficiency metasurface of 91.7% is created.
즉, 일반 임프린트 레진이나 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 나노 안테나 구조를 성형한 뒤 ZrO2 박막을 코팅해주어 기존의 임프린트 공정으로 얻기 함든 92%에 달하는 높은 효율의 메타표면(메타렌즈)을 제작할 수 있다. In other words, it is possible to fabricate a nano-antenna structure with general imprint resin or imprint resin containing ZrO 2 particles and then coat the ZrO 2 thin film to produce a high-efficiency metasurface (metalens) of up to 92%, which is obtained by the existing imprint process. can
도 4는 코팅되는 ZrO2의 두께가 변화할 때 메타렌즈의 효율을 나타내는 도면(400)이다.4 is a diagram 400 showing the efficiency of a metalens when the thickness of ZrO 2 to be coated changes.
도면부호 400은 나노 안테나의 width와 length변화에 따른 일반 임프린트 레진과 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 만들고 12nm의 ZrO2가 코팅된 나노메타렌즈의 효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 단일 소재로 구성된 나노안테나 대신 폴리머나 고굴절률 레진으로 나노안테나 형상을 구현한 뒤, ALD나 PECVD같은 공정을 이용하여 나노안테나 표면을 TiO2, a-Si, ZrO2 같은 고굴절률 소재의 박막으로 코팅하여 다층구조로 이루어진 나노안테나로 이루어진 메타표면을 형성할 수 있다.In the present invention, instead of a nanoantenna composed of a single material, a nanoantenna shape is implemented with a polymer or high refractive index resin, and then the surface of the nanoantenna is made of a high refractive index material such as TiO 2 , a-Si, and ZrO 2 using a process such as ALD or PECVD. A metasurface made of nanoantennas having a multi-layered structure can be formed by coating with a thin film.
입자가 함유되지 않는 일반 임프린트 레진으로 입자가 함유된 고굴절률 임프린트 레진으로 성형할 경우의 최적화된 나노 안테나 dimension인 width = 42.5nm, Length = 237.5nm 높이 600nm로 성형할 경우에도 12nm의 ZrO2를 코팅해주면 역시 90.2%라는 높은 효율을 얻을 수 있다.Optimized nanoantenna dimensions when molding with particle-free high refractive index imprint resin with particle-free imprint resin, width = 42.5 nm, length = 237.5 nm, 12 nm ZrO 2 coating even when molding with a height of 600 nm It is also possible to obtain a high efficiency of 90.2%.
특히, 임프린트로 성형된 나노 안테나위에 코팅되는 ZrO2의 두께가 변화할 때 메타렌즈의 효율을 계산한 것인데 ZrO2의 두께가 9 ~ 12nm로 변화되는 동안 90%가 넘는 높은 효율을 가짐을 나타낸다.In particular , the efficiency of the metalens was calculated when the thickness of ZrO 2 coated on the nanoantenna formed by imprinting was changed.
본 발명은 차세대 광학소자로 자리매김하고 있는 메타표면 (메타렌즈)에 대한 발명으로, 2차원 형태의 메타표면은 기존의 3차원 형태인 렌즈의 모든 기능을 대체할 수 있으므로 기존 광학기기의 form-factor를 크게 낮출 수 있다. The present invention is an invention of a meta-surface (meta-lens), which is positioned as a next-generation optical device. Since a 2-dimensional meta-surface can replace all functions of a conventional 3-dimensional lens, the form- factor can be greatly reduced.
특히, 본 발명에 따른 임프린팅 공정을 이용하여 메타표면을 생성하는 경우, 일실시예에 따르면, 임프린팅 공정을 이용하여 패턴층을 가지는 메타표면을 형성함에 따라 제조 공정을 단순화하고, 이에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.In particular, in the case of generating a metasurface using the imprinting process according to the present invention, according to an embodiment, the manufacturing process is simplified by forming a metasurface having a pattern layer using the imprinting process, and the cost required for this is simplified. You can cut costs.
일실시예에 따르면, TiO2 대신 a-Si, GaN, ZrO2 등 다양한 high refractive index materials이 coating되어 메타표면의 효율을 높일 수 있다.According to an embodiment, instead of TiO 2 , various high refractive index materials such as a-Si, GaN, and ZrO 2 are coated to increase the efficiency of the metasurface.
일실시예에 따르면, 일반 임프린트 레진이나 ZrO2 입자가 함유된 임프린트 레진으로 나노 안테나 구조를 성형한 뒤 ZrO2 박막을 코팅해주어 기존의 임프린트 공정으로 얻기 힘든 고효율의 메타표면을 제작할 수 있다.According to an embodiment, a high-efficiency metasurface, which is difficult to obtain by a conventional imprint process, can be manufactured by molding a nanoantenna structure with a general imprint resin or an imprint resin containing ZrO 2 particles and then coating the ZrO 2 thin film.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the specific embodiments described above, components included in the invention are expressed in singular or plural numbers according to the specific embodiments presented.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, singular or plural expressions are selected appropriately for the presented situation for convenience of explanation, and the above-described embodiments are not limited to singular or plural components, and even components expressed in plural are composed of a singular number or , Even components expressed in the singular can be composed of plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.Meanwhile, in the description of the invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.
Claims (7)
나노안테나소재의 입자를 광경화 폴리머나 열경화폴리머와 혼합하여 기판위에 도포하는 단계;
소정의 패턴을 갖는 몰드로 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머를 표면에 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 임프린팅 하여 상기 기판 상에 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 의한 구조물을 형성하여 경화시키는 단계; 및
상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타표면의 제조 방법.As a method for producing a metasurface,
mixing the particles of the nanoantenna material with a photocurable polymer or a thermosetting polymer and applying the mixture on a substrate;
Imprinting the photocurable polymer or the thermosetting polymer with an imprint stamp having a concavo-convex structure on a surface of a mold having a predetermined pattern to form a structure of the photocurable polymer or the thermosetting polymer on the substrate and curing the step; and
Coating a high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method;
Method for producing a metasurface comprising a.
상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계는,
상기 경화된 구조물의 표면 상에 원자층증착(ALD) 또는 화학기상증착(PECVD) 중에서 적어도 하나의 증착 방식으로 상기 고굴절률 소재를 코팅하는 단계
를 포함하는 메타표면의 제조 방법.According to claim 1,
The step of coating a high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method,
Coating the high refractive index material on the surface of the cured structure by at least one deposition method of atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (PECVD)
Method for producing a metasurface comprising a.
상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계는,
TiO2, a-Si, 또는 ZrO2 중에서 적어도 하나 이상의 고굴절률 소재를 코팅하는 단계
를 포함하는 메타표면의 제조 방법.According to claim 1,
The step of coating a high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method,
Coating at least one high refractive index material among TiO 2 , a-Si, or ZrO 2
Method for producing a metasurface comprising a.
상기 경화된 구조물의 표면 상에 증착 방식을 통해 고굴절률 소재를 코팅하는 단계는,
상기 고굴절률 소재를 9 ~ 12nm의 범위로 코팅하는 단계
를 포함하는 메타표면의 제조 방법.According to claim 1,
The step of coating a high refractive index material on the surface of the cured structure through a deposition method,
Coating the high refractive index material in the range of 9 ~ 12 nm
Method for producing a metasurface comprising a.
상기 요철구조가 있는 임프린트 스탬프로 임프린팅 하는 단계는
1 내지 10atm의 압력과 100 내지 200℃의 온도로 상기 임프린트 스탬프를 가압하여 상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 임프린팅 하는 단계
를 포함하는 메타표면의 제조 방법.According to claim 1,
The step of imprinting with the imprint stamp having the concave-convex structure
Imprinting the photocurable polymer or the thermoset polymer by pressing the imprint stamp at a pressure of 1 to 10 atm and a temperature of 100 to 200 ° C.
Method for producing a metasurface comprising a.
상기 광경화 폴리머 또는 상기 열경화폴리머에 의한 구조물을 형성하여 경화시키는 단계는,
상기 형성된 구조물을 300℃ 내지 1000℃에서 어닐링하여 경화시키는 단계
를 포함하는 메타표면의 제조 방법.According to claim 1,
The step of forming and curing a structure by the photocurable polymer or the thermosetting polymer,
Curing the formed structure by annealing at 300 ° C to 1000 ° C
Method for producing a metasurface comprising a.
An optical device comprising a metasurface manufactured by the method of manufacturing a metasurface according to any one of claims 1 to 6.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |