WO2018208017A1 - 복합패턴구조체 및 그의 제조방법 - Google Patents

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WO2018208017A1
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cavity
metal
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metal dot
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박금환
김영석
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전자부품연구원
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a composite pattern structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a composite pattern structure having excellent wavelength selectivity of absorbed and emitted light and a method of manufacturing the same.
  • Thermoelectric photoelectric conversion device is a device that converts thermal energy into electrical energy has emerged as a candidate of the next-generation secondary battery in terms of high energy density and super lightweight.
  • thermoelectric conversion device is composed of a combustor that burns fossil fuel to generate thermal energy, a thermal radiator that receives radiant energy and emits radiant energy, and a photoelectric cell that converts radiant energy into electrical energy.
  • thermoelectric conversion device is driven by burning fuel through a combustor to raise the temperature of the thermal radiator and supplying electrical energy generated by the photocell to the device by radiating energy emitted from the thermal radiator.
  • the compatibility of each component such as combustor, thermal radiator, photocell, and device circuit determines the overall efficiency of the thermoelectric conversion device.
  • the distribution of radiant energy emission by wavelength of thermal radiator is a key factor of energy conversion efficiency. .
  • the photonic crystal structure is a method of increasing the emission of a desired wavelength band by controlling the photonic bandgap of the material
  • the metastructure is a method of controlling the emission spectrum by modifying the intrinsic dispersion characteristics of the material by introducing a nano-standard structure.
  • thermoelectric power generation systems Another problem that can be applied to thermoelectric power generation systems is the aspect of high temperature oxidation of metals. Materials such as tungsten and tantalum, which have been conventionally used as thermal radiators, are oxidized at a temperature of several hundred degrees Celsius or more, so it is difficult to expect improvement in absorption / radiation characteristics of near infrared wavelengths. Therefore, conventionally developed metal nano-patterns for thermoelectric power generation systems are limited to the atmosphere in which vacuum and oxygen do not exist.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a composite pattern structure having excellent wavelength selectivity of absorbed and emitted light and a method of manufacturing the same.
  • Composite pattern structure according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a substrate including a cavity on the surface; And a metal dot formed on the surface of the substrate.
  • the cavity may exhibit photonic crystal properties.
  • the metal dot may be formed on at least one of the inside of the cavity and the top surface of the substrate.
  • the metal dot may include at least one of platinum, gold, silver and palladium.
  • the metal dot may have a diameter of 10 nm to 900 nm.
  • the substrate may comprise any one of SiCN, SiC, and Si.
  • the cavity forming step of forming a cavity on the surface of the substrate A metal layer forming step of forming a metal layer on a surface of the substrate; And a metal dot forming step of converting the metal layer into a metal dot by heat-treating the substrate having the metal layer formed thereon.
  • the cavity forming step includes applying an imprinting pattern for forming a cavity on the polymer resin layer; Ceramicizing the polymer resin; And removing the cavity-forming imprinting pattern.
  • the cavity forming step may include applying an imprinting resin on the substrate; Applying a cavity-forming imprinting pattern on the substrate to which the imprinting resin is applied; And etching the substrate according to the imprinting resin to which the pattern is applied.
  • the metal dot forming step may be a step in which the metal layer is dewetted by heat treatment and converted into a metal dot.
  • the combustion unit for generating thermal energy
  • a thermal radiation unit including a three-dimensional nanopattern and a metal dot pattern formed of a cavity, and receiving thermal energy from a combustion unit and emitting the radiation energy;
  • a photoelectric conversion unit receiving the radiant energy emitted from the heat radiating unit and converting the radiant energy into electrical energy.
  • a sensor plate for a biosensor having excellent absorption wavelength selectivity, including a three-dimensional nanostructure pattern and a metal dot pattern on the surface.
  • a method of heating and depositing a desired metal material on a nanostructure formed by nanoimprinting It can be manufactured in a simple, environmentally friendly, cost-saving process has the effect that it is possible to manufacture high-quality metal nano-pattern without the limitation of the substrate.
  • the material loss is prevented by using the dewetting property of the metal rather than the etching process in which the material is lost, so that expensive precious metals can be used, and thus the metal nanopattern can be manufactured with excellent characteristics. There is.
  • 1 to 3 is a view provided for the description of the method of manufacturing a composite pattern structure according to the present invention.
  • FIG. 4 is a view provided for the description of the cavity forming method in the composite pattern structure manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 5A is a plan view of a SiCN substrate having a cavity according to the present invention
  • FIG. 5B is an enlarged view of FIG. 5A
  • FIG. 5C is a cross-sectional perspective view.
  • 6 to 9 are views provided to explain the cavity forming method in the composite pattern structure manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a plan view of a Si substrate having a cavity formed in accordance with the present invention
  • FIG. 10B is a perspective view of FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a plan view of a SiCN substrate having a composite pattern according to the present invention
  • FIG. 11B is a perspective view of FIG. 11A.
  • FIG. 12A is a plan view of a Si substrate on which a composite pattern is formed
  • FIG. 12B is a perspective view of FIG. 12A.
  • FIG. 13A is a plan view of a Si substrate on which a composite pattern is formed according to the present invention
  • FIG. 13B is a cross-sectional view of a metal dot in FIG. 13A
  • FIG. 13C is a component and diffraction analysis result of the metal dot.
  • EDS Electronic Dispersive Spectrometry
  • FIG. 15 is a graph showing absorbance according to wavelengths of a Si substrate, a Si substrate having a metal layer-cavity, and a Si substrate having a metal dot-cavity.
  • 16 is a view showing a cylindrical substrate having a composite pattern according to the present invention.
  • a composite pattern structure according to the present invention includes a substrate including a cavity on the surface; And a metal dot formed on the surface of the substrate. That is, the composite pattern structure of the present invention is a structure including a pattern in which a three-dimensional nanopattern composed of a cavity formed on a surface and a metal dot pattern on the three-dimensional nanopattern are composited.
  • the composite pattern structure 100 includes a cavity forming step of forming a cavity on the surface of the substrate; A metal layer forming step of forming a metal layer on a surface of the substrate; And a metal dot forming step of converting the metal layer into a metal dot by heat-treating the substrate having the metal layer formed thereon.
  • 1 to 3 is a view provided for the description of the method of manufacturing a composite pattern structure according to the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the cavity 120 is formed on the surface of the substrate 110.
  • the 'cavity' is a three-dimensional structure formed on the substrate 110, and may mean a hole formed by being introduced into the substrate, and a non-protruding region that is contrasted with an area where a portion of the substrate 110 protrudes. It may mean.
  • the cavity is a pattern for setting an area where the metal dot 130 can be formed on at least the surface of the substrate 110.
  • the cavity 120 may exhibit photonic crystal properties as a three-dimensional nanostructure.
  • Photonic crystals refer to a structure capable of controlling reflection and selective light transmission characteristics by changing the arrangement of particles.
  • the composite pattern structure 100 has a photonic crystal structure, light absorption in a desired wavelength region is possible and can be emitted, thereby adjusting the cavity to increase light absorption wavelength control or selectivity.
  • the cross section of the cavity 120 is rectangular, unlike the hemisphere or triangle, the cavity 120 forms a pattern to show photonic crystal characteristics.
  • the three-dimensional photonic crystal structure can easily trap the light inside and promote the resonance of the light, so the light absorption and light emission efficiency is excellent, so variables such as shape, size, diameter or depth of the cavity 120 are to be absorbed. It may be selected in consideration of the wavelength band or emission efficiency of the light.
  • the metal layer 131 is formed on the surface of the substrate 110 (FIG. 2).
  • the metal layer may be formed on the surface of the substrate 110 or inside the cavity 120 in consideration of a desired position to form the metal dot 130 as the metal thin film layer.
  • the metal layer 131 may be formed by depositing a metal on the substrate 110.
  • metals such as tungsten, tantalum and nickel, or precious metals such as platinum, gold, silver, and palladium may be used.
  • Metals such as tungsten, tantalum, and nickel are inexpensive at high temperatures or may be oxidized at high temperatures.
  • Precious metals such as platinum, gold, silver, and palladium are not oxidized at high temperatures, so they are highly reliable but expensive, thus weakening the price competitiveness. You can.
  • the composite pattern structure manufacturing method according to the present invention can minimize the metal loss, it is possible to use the precious metal.
  • the substrate on which the metal layer 131 is formed is heat treated.
  • the metal layer 131 is converted into the metal dot 130 by the heat treatment.
  • the metal dot 130 may be formed in both the cavity 120 and the upper surface of the substrate 110.
  • the heat treatment may be different in temperature and conditions depending on the metal, the heat treatment is preferably performed at a temperature that the metal layer 131 can be converted to the metal dot (130).
  • the metal layer 131 may be converted into the metal dot 130 because the metal layer 131 may be dewetted due to the heat treatment.
  • Dewetting is a phenomenon that occurs in metals and is entangled with each other when the metal layers are exposed to high temperatures. This dewetting phenomenon is started based on the cavity 120 when the cavity 120 is formed in the substrate 110 as in the present invention, and the metal dots are entangled from the opening of the cavity 120 to the substrate surface. 130) is formed. Therefore, the size of the metal dot 130 may vary depending on the thickness of the metal layer 131, and may vary depending on the pitch of the three-dimensional nanopattern formed by the cavity 120. For example, the metal dot may have a diameter of 10 nm to 900 nm.
  • a durable substrate may be used in a heat treatment or a deposition process when the metal layer 131 is formed.
  • the substrate 110 it is preferable that the substrate 110 be easily formed in the cavity 120.
  • the substrate may comprise any one of SiCN, SiC, and Si.
  • the composite pattern structure 100 includes a primary pattern formed by the cavity 120 and a secondary pattern formed by the metal dot 130 on the substrate 110.
  • the wavelength selectivity is increased according to the 'antenna effect' due to the metal dot 130 which is the secondary pattern, thereby realizing a light absorber or light emitter having excellent characteristics.
  • the substrate 110 is made of a polymer resin and may be a ceramic substrate by heat treatment.
  • an imprinting pattern 140 for forming a cavity is applied on the polymer resin layer, and the polymer resin is ceramicized. If the imprinting pattern 140 is removed, the substrate 110 on which the pattern is formed may be obtained.
  • a heat treatment such as allylhydridopolycarbosilane (AHPCS) may be used, which is converted into a ceramic substrate.
  • 5A is a plan view of a SiCN substrate having a cavity according to the present embodiment
  • FIG. 5B is an enlarged view of FIG. 5A
  • FIG. 5C is a cross-sectional perspective view.
  • FIG. 6 6 to 9 are views provided to explain the cavity forming method in the composite pattern structure manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
  • an imprinting resin 151 is first applied to the substrate 110 (FIG. 6). Before the imprinting resin 151 is applied, the imprinting resin 151 needs to be removed thereafter, and thus, the release layer 152 for removing the imprinting resin 151 is applied first.
  • the cavity-shaped pattern is imprinted on the imprinting resin 151. Formed (FIG. 8).
  • the cavity 120 may be formed on the substrate 110 in a simple and environmentally friendly process (FIG. 9). Then, the imprinting resin 151 is removed together with the release layer 152.
  • a mask on which a pattern is formed may be manufactured by an imprinting method, so that a simple and environmentally friendly process may be performed.
  • 10A is a plan view of a Si substrate having a cavity formed in accordance with the present invention
  • FIG. 10B is a perspective view of FIG. 10A. It can be seen that the cavity 120 is formed on the substrate to form a three-dimensional nanopattern.
  • FIG. 11A is a planar image taken with an electron microscope of a SiCN substrate having a composite pattern according to the present invention
  • FIG. 11B is a perspective view of FIG. 11A.
  • the metal dot 130 is formed between the cavity 120 and the cavity 120.
  • FIG. 12A is a planar image of a composite pattern structure obtained by depositing a platinum thin film on a Si substrate and performing heat treatment at the same temperature
  • FIG. 12B is a perspective view. Similar to FIG. 11, it can be seen that the metal dots 130 are formed between the cavities 120, and each metal dot 130 is formed to be uniform and form a metal dot pattern.
  • the composite pattern structure 100 was maintained without changing the structure even after repeated heat treatment at 1,000 °C it was confirmed that high temperature oxidation can be prevented by using platinum, a precious metal.
  • a metal dot is formed by dewetting the metal layer, thereby forming a metal dot pattern without loss of the metal layer. Therefore, even in the case of using high temperature reliability and durable precious metals such as platinum, the price increase can be suppressed, thereby making it possible to commercialize the product, improving the reliability of the product, and even in the presence of oxygen. Do.
  • FIG. 13A is a planar image of a Si substrate on which a composite pattern is formed according to the present invention
  • FIG. 13B is a cross-sectional view of a metal dot in FIG. 13A
  • FIG. 13C is a result of analysis of components and diffraction images of the metal dot.
  • FIG. 13B SiO 2 was formed on the surface of the Si substrate due to the high temperature heat treatment.
  • the platinum was identified as pure platinum which was not oxidized.
  • the platinum dot pattern formed according to the elemental analysis result shows only pure metal components, and according to the present invention, it is confirmed that a dot pattern including only pure metal can be formed.
  • FIG. 15 is a graph showing absorbance according to wavelengths of a Si substrate, a Si substrate having a metal layer-cavity, and a Si substrate having a metal dot-cavity. Compared to the absorbance of the Si substrate, the absorbance of the Si substrate having the metal layer-cavity was slightly increased over the electric field, but the absorbance at 500 nm to 1300 nm was lowered.
  • the Si substrate having the metal dot-cavity formed according to the present invention also showed an increase in absorbance over the entire wavelength range and an excellent absorbance in the 500 nm to 1300 nm range.
  • This is an antenna effect on the incident light of the metal dot, which is interpreted to increase the absorbance due to the surface plasmon resonance effect because the frequency of the free electrons of the metal dot and the wavelength of the incident light are similar.
  • FIG. 16 is a view showing a cylindrical substrate having a composite pattern according to the present invention.
  • the nanoimprinting method since the nanoimprinting method is used, there is little restriction on the shape and the material of the substrate, and it can be seen that the metal dot nanopattern can be formed even in a cylindrical substrate as shown in FIG. 16.
  • the combustion unit for generating thermal energy;
  • a thermal radiation unit including a three-dimensional nanopattern and a metal dot pattern formed of a cavity, and receiving thermal energy from a combustion unit and emitting the radiation energy;
  • a photoelectric conversion unit receiving the radiant energy emitted from the heat radiating unit and converting the radiant energy into electrical energy.
  • the composite pattern structure of the present invention has high light absorption / emission efficiency and excellent wavelength selectivity, so that the composite pattern structure can be used for a thermal radiator of a thermoelectric conversion device.
  • thermoelectric photoelectric converter is driven by burning fuel through a combustor to raise the temperature of the thermal radiator and supplying electrical energy generated by the photocell to the device by radiating the energy emitted from the thermal radiator.
  • the composite pattern structure according to the present invention includes a three-dimensional nano pattern consisting of a cavity and a composite nano pattern of metal dots formed on a surface thereof, and thus has high light absorption / emission efficiency and excellent wavelength selectivity, thereby improving energy conversion efficiency of the thermoelectric conversion device. It can be maximized.
  • the wavelength selectivity of the thermoelectric converter is adjustable as desired by controlling the size of the metal dot of the metal dot pattern, the pitch of the cavity, the diameter of the cavity and the thickness of the metal thin film.
  • the composite pattern structure according to the present invention is applicable to a biosensor capable of selectively absorbing a catalyst or a specific wavelength of a battery to sense a biomaterial.

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Abstract

흡수 및 방출되는 광의 파장선택성이 우수한 복합패턴구조체 및 그의 제조방법가 제안된다. 본 발명에 따른 복합패턴구조체는 표면에 캐비티를 포함하는 기판; 및 기판의 표면에 형성된 금속닷;을 포함한다.

Description

복합패턴구조체 및 그의 제조방법
본 발명은 복합패턴구조체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 흡수 및 방출되는 광의 파장선택성이 우수한 복합패턴구조체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
열광전 변환장치는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서 높은 에너지 밀도를 가지고 초경량화가 가능하다는 점에서 차세대 2차전지의 후보로 대두되고 있다. 그러나 아직까지는 현재 2차전지로 널리 사용되고 있는 리튬 전지를 대체하기에는 효율 면에서 개선이 필요한 상황이다.
열광전 변환장치는 크게 화석연료를 태워 열에너지를 발생시키는 연소기와 열에너지를 받아 복사에너지를 방출하는 열방사체, 그리고 복사에너지를 전기에너지로 변환하는 광전셀로 이루어져 있다.
열광전 변환 장치는 연소기를 통해 연료를 태워 열방사체의 온도를 올리고, 열방사체에서 방출된 복사에너지를 광전셀이 흡수하여 생성한 전기 에너지를 기기에 공급해주는 방식으로 구동된다. 이 때 연소기, 열방사체, 광전셀, 기기회로 등 각각의 구성요소들의 호환이 열광전 변환장치의 전체 효율을 결정하는데, 특히 열방사체의 파장별 복사 에너지 방출 분포가 에너지 변환 효율의 핵심적인 요소이다.
그러나, 연소로 발생하는 빛의 스펙트럼은 넓은 파장 범위에서 발생하고, 광전셀의 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 갖는 광자만이 발전에 활용되게 되므로 발전 효율이 매우 낮은 것이 일반적이다. 발전효율을 향상시키기 위하여, 현재 열방사체에 다차원 광결정 구조나 메타구조를 도입하는 방식이 널리 연구되고 있다. 광결정 구조는 물질의 포토닉 밴드갭을 제어하여 원하는 파장대역의 방사를 늘리는 방식이고, 메타구조는 나노 규격의 구조를 도입하여 물질 고유의 분산특성의 변형을 통해 방사 스펙트럼을 제어하는 방식이다.
열방사체에 고품질의 금속 나노구조를 제조하기 위해서 일반적으로 포토리소그피나 E-beam 리소그래피 등 복잡한 공정이 사용되고 있다. 이들 공정은 포토레지스트 및 식각액과 같이 고가의 재료 및 유독성 물질이 사용되어야 하는 문제가 있으며, 공정의 특성상 평평한 형태의 기판에 한정되어 제작이 가능하다.
이러한 금속 나노 패턴이 열광발전 시스템에 적용되는데 문제점으로 작용하는 또 다른 부분은 금속의 고온 산화 특성 측면을 꼽을 수 있다. 종래 열방사체로 사용되어온 텅스텐이나 탄탈 등의 재료는 수 백 ℃ 이상의 온도에서 산화되므로 근적외선 파장의 흡수/방사 특성 향상을 기대하기 어렵다. 따라서, 종래에 개발된 열광발전 시스템용 금속 나노 패턴들은 진공 및 산소가 존재하지 않는 분위기에 한정되어 활용될 수밖에 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 흡수 및 방출되는 광의 파장선택성이 우수한 복합패턴구조체 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 복합패턴구조체는 표면에 캐비티를 포함하는 기판; 및 기판의 표면에 형성된 금속닷;을 포함한다.
캐비티는 광결정특성을 나타낼 수 있다.
금속닷은 캐비티 내부 및 기판의 상면 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다.
금속닷은 백금, 금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속닷은 직경이 10nm 내지 900nm일 수 있다.
기판은 SiCN, SiC 및 Si 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 기판의 표면에 캐비티를 형성하는 캐비티형성단계; 기판의 표면에 금속층을 형성하는 금속층형성단계; 및 금속층이 형성된 기판을 열처리하여 금속층을 금속닷으로 변환시키는 금속닷형성단계;를 포함하는 복합패턴구조체 제조방법이 제공된다.
캐비티형성단계는 고분자수지층 상에 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 적용하는 단계; 고분자수지를 세라믹화시키는 단계; 및 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
캐비티형성단계는 기판 상에 임프린팅 레진을 도포하는 단계; 임프린팅 레진이 도포된 기판 상에 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 적용하는 단계; 및 패턴이 적용된 임프린팅 레진에 따라 기판을 식각하는 단계;를 포함할 수 있다.
금속닷형성단계는 금속층이 열처리로 디웨팅되어 금속닷으로 변환되는 단계일 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 열에너지를 발생시키는 연소부; 캐비티로 형성된 3차원 나노패턴 및 금속닷패턴을 포함하고, 연소부로부터 열에너지를 전달받아 복사에너지로 방출하는 열방사부; 및 열방사부로부터 방출된 복사에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하는 광전변환부;를 포함하는 열광전변환장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 표면에 3차원 나노구조패턴 및 금속닷패턴을 포함하여 흡수파장선택성이 우수한 바이오센서용 감지기판이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면 종래의 금속나노패턴이 복잡하고 유독한 물질을 사용하는 리소그래피 공정을 이용하여 제작한 것과 달리, 나노임프린팅으로 형성된 나노 구조체에 원하는 금속 재료를 증착한 후 가열하는 방식으로 제작할 수 있어 단순화되고, 환경친화적이며 비용절감형 공정으로 기판의 한계없이 고품질 금속나노패턴 제조가 가능한 효과가 있다.
또한, 종래공정에 따른 금속나노패턴 제조시, 재료가 소실되는 식각공정이 아닌 금속의 디웨팅 특성을 이용하여 재료손실이 방지되어 고가의 귀금속도 사용가능하여 우수한 특성의 금속나노패턴 제조가 가능한 효과가 있다.
이에 따라, 텅스텐이나 탄탈과 같은 비교적 저가의 금속을 이용하는 경우, 고온에서 산화되는 특성으로 인하여 진공 및 산소가 존재하지 않는 분위기에 한정되어 활용되었으나, 본 발명에 따르면 귀금속을 이용할 수 있어 1000℃ 이상의 온도에서도 내산화 특성이 나타날 수 있도록 하였으므로 산소가 존재하는 환경에서도 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 따른 복합패턴구조체 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 복합패턴구조체 제조방법에서 캐비티형성방법의 설명에 제공되는 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따라 캐비티가 형성된 SiCN기판의 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 확대도이며, 도 5c는 단면사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합패턴구조체 제조방법에서 캐비티형성방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 10a는 본 발명에 따라 캐비티가 형성된 Si기판의 평면도이고, 도 10b는 도 10a의 사시도이다.
도 11a는 본 발명에 따라 복합패턴이 형성된 SiCN기판의 평면도이고, 도 11b는 도 11a의 사시도이다.
도 12a는 본 발명에 따라 복합패턴이 형성된 Si기판의 평면도이고, 도 12b는 도 12a의 사시도이다.
도 13a는 본 발명에 따라 복합패턴이 형성된 Si기판의 평면도이고, 도 13b는 도 13a에서의 금속닷의 단면도이며, 도 13c는 금속닷의 성분 및 회절상 분석결과이다.
도 14는 본 발명에 따라 형성된 복합패턴의 EDS(Energy Dispersive Spectrometry) 분석에 따른 원소 분석 결과이다.
도 15는 Si기판, 금속층-캐비티가 형성된 Si기판 및 금속닷-캐비티가 형성된 Si기판의 파장에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발명에 따른 복합패턴이 형성된 원통형 기판을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 복합패턴구조체는 표면에 캐비티를 포함하는 기판; 및 기판의 표면에 형성된 금속닷;을 포함한다. 즉, 본 발명의 복합패턴구조체는 표면에 형성된 캐비티로 구성되는 3차원 나노패턴과 3차원 나노패턴 상의 금속닷 패턴이 복합된 패턴을 포함하는 구조체이다.
이러한 복합패턴구조체(100)는 기판의 표면에 캐비티를 형성하는 캐비티형성단계; 기판의 표면에 금속층을 형성하는 금속층형성단계; 및 금속층이 형성된 기판을 열처리하여 금속층을 금속닷으로 변환시키는 금속닷형성단계;를 포함하는 복합패턴구조체 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 도 1 내지 도 3은 본 발명의 따른 복합패턴구조체 제조방법의 설명에 제공되는 도면이다. 이하, 도 1내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
복합패턴구조체(100)를 제조하기 위하여는 먼저, 기판(110)의 표면에 캐비티(120)를 형성한다. 본 발명에서 '캐비티'는 기판(110)에 형성된 3차원 구조물로서, 기판에서 내부로 인입되어 형성된 홀을 의미할 수도 있고, 기판(110)의 일부가 돌출되어 있는 영역과 대비되는 돌출되지 않은 영역을 의미할 수도 있다. '캐비티'는 적어도 기판(110)의 표면에서 금속닷(130)이 형성될 수 있는 영역을 설정할 수 있는 패턴이다.
특히, 캐비티(120)는 3차원 나노구조물로서 광결정특성을 나타낼 수 있다. 광결정이란 입자간의 배열을 변화시킴으로써 반사 및 선택적 광투과 특성의 조절이 가능한 구조를 의미한다. 복합패턴구조체(100)가 광결정구조를 갖으면, 원하는 파장영역의 광흡수가 가능하고 이를 방출가능하므로 캐비티를 조절하여 광흡수파장조절이나 선택성을 높일 수 있다. 도 1에서는 캐비티(120)의 단면이 사각형이나 이와 달리 반구형이나 삼각형 등 캐비티(120)가 패턴을 형성하여 광결정특성을 나타낸다면 어떠한 형상도 구현가능하다. 특히 3차원 형상의 광결정구조는 광을 내부에 쉽게 가두고 광의 공진을 촉진시킬 수 있어 광흡수 및 광방출 효율이 뛰어나므로 캐비티(120)의 형상이나 크기, 직경 또는 깊이 등의 변수는 흡수하고자 하는 광의 파장대역이나 방출효율 등을 고려하여 선택될 수 있다.
기판(110) 상에 캐비티(120)가 형성되면, 기판(110)의 표면에 금속층(131)을 형성한다(도 2). 금속층은 금속박막층으로서, 금속닷(130)을 형성하기 원하는 위치를 고려하여 기판(110)의 표면이나 캐비티(120) 내부에도 형성할 수 있다. 금속층(131)은 금속을 기판(110) 상에 증착시켜 형성할 수 있다.
금속닷(130)으로 사용될 수 있는 금속으로는 광흡수 및 광방출효율을 우수한 금속을 사용할 수 있는데, 텅스텐, 탄탈 및 니켈과 같은 금속이나, 백금, 금, 은 및 팔라듐과 같은 귀금속을 사용할 수 있다. 텅스텐이나 탄탈, 니켈 등의 금속은 상태적으로 저가이나 고온에서 산화되는 문제가 발생할 수 있고, 백금, 금, 은 및 팔라듐과 같은 귀금속은 고온에서 산화되지 않아 신뢰성이 우수하나 고가이어서 가격경쟁력을 약화시킬 수 있다. 본 발명에 따른 복합패턴구조체 제조방법은 금속손실을 최소화할 수 있어서 귀금속을 사용하는 것이 가능하다.
금속층(131)이 형성되면, 금속층(131)이 형성된 기판을 열처리한다. 금속층(131)은 열처리로 인하여 금속닷(130)으로 변환된다. 금속층(131)이 도 2와 같이 캐비티(120) 내부 및 기판의 상면 모두에 형성된 경우, 금속닷(130)은 캐비티(120) 내부 및 기판(110)의 상면 모두에 형성될 수 있다. 열처리는 금속에 따라 온도 및 조건이 상이할 수 있는데, 열처리는 금속층(131)이 금속닷(130)으로 변환될 수 있는 온도로 수행되는 것이 바람직하다.
금속층(131)이 금속닷(130)으로 변환될 수 있는 것은 금속층(131)이 열처리로 인하여 디웨팅(dewetting)될 수 있기 때문이다. 디웨팅은 금속에서 발생하는 현상으로 금속층이 고온에 노출되는 경우 서로 엉기게 되는 현상이다. 이러한 디웨팅현상은 본 발명에서와 같이 기판(110)에 캐비티(120)가 형성된 경우, 캐비티(120)를 기준으로 하여 시작되고, 캐비티(120)의 개구부에서 기판 표면으로 금속들이 엉겨 금속닷(130)이 형성된다. 따라서 금속닷(130)의 크기는 금속층(131)의 두께에 따라 달라지고, 캐비티(120)가 형성하는 3차원 나노패턴의 피치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 금속닷은 직경이 10nm 내지 900nm일 수 있다.
기판(110)은 열처리나 금속층(131) 형성시 증착공정 등에 내구성있는 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(110)은 캐비티(120) 형성이 용이한 것이 바람직하다. 예를 들어 기판은 SiCN, SiC 및 Si 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 복합패턴구조체(100)는 기판(110) 상에 캐비티(120)가 구성하는 1차 패턴과 금속닷(130)이 구성하는 2차 패턴을 복합적으로 포함하고 있어, 1차패턴에 의한 광흡수/방출 효율 상승과 함께 2차 패턴인 금속닷(130)으로 인한 '안테나 효과'에 따라 파장선택성이 높아지게 되어 우수한 특성의 광흡수체나 광방사체를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 복합패턴구조체 제조방법에서 캐비티형성방법의 설명에 제공되는 도면이다. 기판(110) 상에 캐비티(120)를 형성하는 방법으로 본 실시예에서는 기판(110)을 고분자 수지이면서 열처리로 세라믹 기판이 될 수 있는 물질을 사용한다.
도 4에서와 같이 고분자수지층 상에 캐비티형성용 임프린팅 패턴(140)을 적용하고, 고분자 수지를 세라믹화시킨다. 임프린팅 패턴(140)을 제거하면 간단하게 패턴이 형성된 기판(110)을 얻을 수 있다. 본 실시예에서 사용될 수 있는 고분자 수지로는 AHPCS(allylhydridopolycarbosilane)와 같이 열처리하여 세라믹 기판으로 변환되는 것을 사용할 수 있다. 도 5a는 본 실시예에 따라 캐비티가 형성된 SiCN기판의 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 확대도이며, 도 5c는 단면사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합패턴구조체 제조방법에서 캐비티형성방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 기판(110) 상에 캐비티(120)를 형성하기 위하여, 본 실시예에서는 먼저 기판(110)에 임프린팅 레진(151)을 도포한다(도 6). 임프린팅 레진(151)을 도포하기 전에 임프린팅 레진(151)은 이후 제거되어야 하므로 임프린팅 레진(151) 제거용 이형층(152)을 먼저 도포한다.
이후 임프린팅 패턴(140)을 임프린팅 레진(151) 및 이형층(152)에 적용하고(도 7), 임프린팅 패턴(140)을 제거하면, 캐비티 형상의 패턴이 임프린팅 레진(151)에 형성된다(도 8). 패턴이 형성된 임프린팅 레진(151)을 마스크로 하여 기판(110)을 식각하게 되면 간단하고 친환경적인 공정으로 기판(110)에 캐비티(120)를 형성할 수 있다(도 9). 이후 이형층(152)과 함께 임프린팅 레진(151)을 제거한다.
본 실시예에 따르면, 패턴 형성시 식각방법을 이용하여야 하는 특성의 기판을 사용하는 경우, 임프린팅 방법으로 패턴이 형성된 마스크를 제조할 수 있어서 간단하고 친환경적으로 공정수행이 가능하다. 도 10a는 본 발명에 따라 캐비티가 형성된 Si기판의 평면도이고, 도 10b는 도 10a의 사시도이다. 캐비티(120)가 기판에 형성되어 3차원 나노패턴을 구성하고 있는 것을 확인할 수 있다.
제조된 SiCN기판 및 Si기판 상에 20nm의 백금박막을 증착하고, 1,000℃로 열처리하여 복합패턴구조체를 얻었다. 도 11a는 본 발명에 따라 복합패턴이 형성된 SiCN기판을 전자현미경으로 촬영한 평면이미지이고, 도 11b는 도 11a의 사시도이다. 도 11a에서 캐비티(120)와 캐비티(120) 사이에 금속닷(130)이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 12a는 Si기판 상에 백금박막을 증착하고 동일한 온도로 열처리하여 얻은 복합패턴구조체의 평면이미지이고, 도 12b는 사시도이다. 도 11과 유사하게 캐비티(120) 사이에 금속닷(130)이 형성되어 있는 것을 알 수 있고, 각각의 금속닷(130)은 일정하게 형성되어 금속닷패턴을 이루고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 복합패턴구조체(100)는 1,000℃열처리를 반복하여도 구조변화 없이 유지되어 귀금속인 백금을 이용하면 고온산화를 방지할 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 발명에 따르면, 금속층을 디웨팅시켜 금속닷을 형성하므로 금속층의 손실없이 금속닷패턴 을 형성한다. 따라서, 백금과 같은 고온신뢰성 및 내구성 높은 귀금속을 사용하는 경우에도 가격상승을 억제할 수 있어 제품화가 가능하고 제품의 신뢰성을 향상하며, 산소가 존재하는 곳에서도 사용가능하여 우수한 품질의 제품 제조가 가능하다.
Si기판으로 제조된 복합패턴구조체에 형성되 금속닷을 확인하기 위하여, 성분분석을 수행하였다. 도 13a는 본 발명에 따라 복합패턴이 형성된 Si기판의 평면이미지이고, 도 13b는 도 13a에서의 금속닷의 단면도이며, 도 13c는 금속닷의 성분 및 회절상 분석결과이다.
도 13b에서 고온열처리로 인하여 Si기판 표면에는 SiO2가 생성되었으나 도 13c의 회절상 분석결과에 따라 백금은 산화되지 않은 순수한 백금으로 확인되었다.
도 14는 본 발명에 따라 형성된 복합패턴의 EDS(Energy Dispersive Spectrometry) 분석에 따른 원소 분석 결과이다. 원소분석결과에 따라 형성된 백금닷패턴은 순수한 금속 성분만을 나타내어 본 발명에 따르면, 순수한 금속만을 포함하는 닷형태의 패턴을 형성할 수 있음이 확인되었다.
도 15는 Si기판, 금속층-캐비티가 형성된 Si기판 및 금속닷-캐비티가 형성된 Si기판의 파장에 따른 흡광도를 도시한 그래프이다. Si기판의 흡광도에 비하여 금속층-캐비티가 형성된 Si기판은 전파장영역에 걸쳐 흡광도는 다소 증가하였으나 500nm 내지 1300nm에서의 흡광도는 낮아졌다.
이에 비해 본 발명에 따라 제조된 금속닷-캐비티가 형성된 Si기판은 전체 파장영역에 걸쳐 흡광도도 증가하였고, 500nm 내지 1300nm 영역에서의 흡광도도 증가하여 우수한 특성을 나타냈다. 이는 금속닷의 입사광에 대한 안테나효과로서, 금속닷의 표면 자유전자의 진동수와 입사광의 파장이 유사하여 표면플라즈몬 공명효과로 흡광도를 증가시킨 것으로 해석된다.
도 16은 본 발명에 따른 복합패턴이 형성된 원통형 기판을 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 복합패턴구조체 제조방법에서는 나노임프린팅 방법을 사용하므로 기판의 형상이나 소재에 대한 제한이 적어, 도 16에서와 같은 원통형의 기판에서도 금속닷 나노패턴의 형성이 가능한 것을 알 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 열에너지를 발생시키는 연소부; 캐비티로 형성된 3차원 나노패턴 및 금속닷패턴을 포함하고, 연소부로부터 열에너지를 전달받아 복사에너지로 방출하는 열방사부; 및 열방사부로부터 방출된 복사에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하는 광전변환부;를 포함하는 열광전변환장치가 제공된다. 본 발명의 복합패턴구조체는 광흡수/방출효율이 높고, 파장선택성이 우수하여 열광전변환장치의 열방사체에 사용될 수 있다.
열광전 변환장치는 연소기를 통해 연료를 태워 열방사체의 온도를 올리고, 열방사체에서 방출된 복사에너지를 광전셀이 흡수하여 생성한 전기 에너지를 기기에 공급해주는 방식으로 구동된다. 열광전 변환장치의 전체 효율에서 열방사체의 파장별 복사 에너지 방출 분포가 에너지 변환 효율의 핵심적인 요소이다. 본 발명에 따른 복합패턴구조체는 캐비티로 구성되는 3차원 나노패턴과 표면에 형성된 금속닷의 복합나노패턴을 구비하여 광흡수/방출효율이 높고 파장선택성이 우수하므로 열광전 변환장치의 에너지 변환효율을 극대화할 수 있다. 열광전변환장치의 파장선택성은 금속닷패턴의 금속닷의 크기, 캐비티의 피치, 캐비티의 직경 및 금속박막의 두께를 조절하여 원하는 대로 조절가능하다.
이러한 특성에 따라, 본 발명에 따른 복합패턴구조체는 배터리의 촉매나 특정파장을 선택적으로 흡수하여 바이오물질을 센싱할 수 있는 바이오센서에 응용가능하다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 표면에 캐비티를 포함하는 기판; 및
    상기 기판의 표면에 형성된 금속닷;을 포함하는 복합패턴구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐비티는 광결정특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속닷은 상기 캐비티 내부 및 상기 기판의 상면 중 적어도 어느 하나에 형성된 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속닷은 백금, 금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속닷은 직경이 10nm 내지 900nm인 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 SiCN, SiC 및 Si 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
  7. 기판의 표면에 캐비티를 형성하는 캐비티형성단계;
    상기 기판의 표면에 금속층을 형성하는 금속층형성단계; 및
    상기 금속층이 형성된 기판을 열처리하여 상기 금속층을 금속닷으로 변환시키는 금속닷형성단계;를 포함하는 복합패턴구조체 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 캐비티형성단계는 고분자수지층 상에 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 적용하는 단계;
    고분자수지를 세라믹화시키는 단계; 및
    상기 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 캐비티형성단계는 상기 기판 상에 임프린팅 레진을 도포하는 단계;
    상기 임프린팅 레진이 도포된 기판 상에 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 적용하는 단계; 및
    상기 패턴이 적용된 임프린팅 레진에 따라 기판을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 금속닷형성단계는 상기 금속층이 열처리로 디웨팅되어 금속닷으로 변환되는 단계인 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체 제조방법.
  11. 열에너지를 발생시키는 연소부;
    캐비티로 형성된 3차원 나노패턴 및 금속닷패턴을 포함하고, 상기 연소부로부터 열에너지를 전달받아 복사에너지로 방출하는 열방사부; 및
    상기 열방사부로부터 방출된 복사에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하는 광전변환부;를 포함하는 열광전변환장치.
  12. 표면에 3차원 나노구조패턴 및 금속닷패턴을 포함하여 흡수파장선택성이 우수한 바이오센서용 감지기판.
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