KR101581533B1 - Photonic crystal and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 희생 템플레이트를 이용한 광결정의 형성방법은, 상호 연결된 포어들이 형성된 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트를 형성하는 제1 단계, 상기 형성된 고분자 희생 템플레이트의 상기 포어들에 프레임 물질을 필링(filling)하여 복합체를 형성하는 제2 단계, 및
상기 복합체 중 상기 고분자 희생 템플레이트를 제거하여 3차원 역 나노구조를 가지는 광결정을 형성하는 제3 단계를 포함한다.A method for forming a photonic crystal using a sacrificial template according to the present invention includes a first step of forming a polymer sacrificial template having a three-dimensional nanostructure in which interconnected pores are formed, a step of peeling a frame material on the pores of the formed sacrificial template filling to form a composite, and
And a third step of removing the polymer sacrificial template from the complex to form a photonic crystal having a three-dimensional reverse nanostructure.
Description
본 발명은 광결정 및 광결정의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 구체적으로, 프리즘 광간섭 식각법(Prism Holographic Litholography, PHL)과 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 광결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a photonic crystal using prism holographic lithography (PHL) and atomic layer deposition (ALD) .
산화아연(ZnO)은 3.37 eV 정도의 다이렉트 와이드 밴드 갭(direct wide band gap)를 갖는 투명한 반도체이다. 산화아연은 좋은 전기 전도성(electrical conductivity), 높은 화학적 안정성(chemical stability), 낮은 독성(toxicity), 좋은 열 안정성(thermal stability), 좋은 생체적합성(biocompatibility) 및 강한 압전/광발광적 특성(piezoelectric and photoluminescence properties) 등을 보인다.Zinc oxide (ZnO) is a transparent semiconductor with a direct wide band gap of about 3.37 eV. Zinc oxide has the advantages of good electrical conductivity, high chemical stability, low toxicity, good thermal stability, good biocompatibility and strong piezoelectric and photoluminescent properties. photoluminescence properties).
다양한 나노제작 기술에 의하여, 산화아연 나노구조는 태양 전지, 가스 센서, 열전효과를 이용한 장치들(thermoelectric devices), 박막 트랜지스터, 압전성 나노발전기(piezoelectric nanogenerators) 등 다양한 어플리케이션에 이용되어 왔다.Due to various nano fabrication techniques, zinc oxide nanostructures have been used in a variety of applications including solar cells, gas sensors, thermoelectric devices, thin film transistors, and piezoelectric nanogenerators.
특히, 산화아연을 이용한 어플리케이션으로써, 최근 3차원 산화아연 나노구조체를 이용한 광결정 연구가 진행되고 있다.
In particular, photocrystalline research using a three-dimensional zinc oxide nanostructure has been progressing as an application using zinc oxide.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 향상된 광특성 및 기계적 안정성을 가지는 광결정을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing photonic crystals having improved optical characteristics and mechanical stability.
본 발명의 일 실시예에 따르는, 희생 템플레이트를 이용한 광결정의 형성 방법은, 상호 연결된 포어들이 형성된 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트를 형성하는 제1 단계, 상기 형성된 고분자 희생 템플레이트의 상기 포어들에 프레임 물질을 필링(filling)하여 복합체를 형성하는 제2 단계, 및According to an embodiment of the present invention, a method of forming a photonic crystal using a sacrificial template includes a first step of forming a polymer sacrificial template having a three-dimensional nanostructure in which interconnected pores are formed, a first step of forming a sacrificial template on the pores of the formed sacrificial template A second step of filling the frame material to form a composite, and
상기 복합체 중 상기 고분자 희생 템플레이트를 제거하여 3차원 역 나노구조를 가지는 광결정을 형성하는 제3 단계를 포함한다.And a third step of removing the polymer sacrificial template from the complex to form a photonic crystal having a three-dimensional reverse nanostructure.
이 때, 상기 고분자 희생 템플레이트는 프리즘 광간섭 식각법(prism holographic lithography, PHL)을 이용하여 형성될 수 있다.At this time, the polymer sacrificial template may be formed using prism holographic lithography (PHL).
상기 제1 단계는, 고분자 템플레이트 레진 및 광개시제를 포함하는 혼합용액을 기판에 도포하는 도포단계, 및 상기 혼합용액이 도포된 기판에 빛을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.The first step may include an applying step of applying a mixed solution containing a polymer template resin and a photoinitiator to a substrate, and irradiating light onto the substrate to which the mixed solution is applied.
이 때, 상기 광개시제의 농도가 높을수록 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트의 격자상수(lattice constant)가 커질 수 있다.At this time, the higher the concentration of the photoinitiator, the larger the lattice constant of the polymer sacrificial template having the three-dimensional nanostructure.
상기 프레임 물질은, 원자층 증착(ALD, atomic layer deposition) 방법을 이용하여 필링될 수 있다.The frame material may be filled using an atomic layer deposition (ALD) method.
상기 원자층 증착 방법에 의해 증착되는 상기 프레임 물질의 증착 높이에 따라 상기 프레임 물질이 상기 포어들에 필링되는 정도가 달라질 수 있다.Depending on the deposition height of the frame material deposited by the atomic layer deposition method, the degree to which the frame material is peeled into the pores may be varied.
상기 프레임 물질은, 산화 아연(Zinc Oxide) 및 산화 티타늄(Titanium Oxide, Titania)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.The frame material may be one selected from the group consisting of zinc oxide (Zinc Oxide) and titanium oxide (Titania), or a combination thereof.
상기 고분자 희생 템플레이트를 제거하는 것은, 미리 정해진 온도에서 상기 복합체를 소성(calcination)하는 것을 포함할 수 있다.Removing the polymeric sacrificial template may include calcining the complex at a predetermined temperature.
이 때, 상기 복합체를 소성할 때, 0.1℃/min 내지 1℃/min 사이의 온도경사를 사용할 수 있다.At this time, when the composite is sintered, a temperature gradient between 0.1 [deg.] C / min and 1 [deg.] C / min can be used.
상기 복합체의 소성에 의해, 상기 증착된 프레임 물질은 결정화될 수 있다. By firing the composite, the deposited frame material can be crystallized.
상기 복합체의 소성 전후의 상기 증착된 프레임 물질의 부피 수축(volume shrinkage)는 0 내지 50%의 범위일 수 있다.The volume shrinkage of the deposited frame material before and after firing the composite may range from 0 to 50%.
상기 광결정의 상부면의 두께는 상기 광결정 내부의 측벽의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
The thickness of the upper surface of the photonic crystal may be thicker than the thickness of the sidewalls inside the photonic crystal.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 발생한다.According to the present invention, the following effects occur.
첫째, 본 발명의 일 실시예에 적용되는 프리즘 광간섭 식각법에 의하면, 프리즘을 사용하여 빔을 스플릿시킨 후 다시 빔을 합쳐서 조사하는 방식으로 빔의 정렬 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.First, according to the prism light interference etching method applied to an embodiment of the present invention, there is an effect that the beam alignment problem can be solved by a method of splitting a beam using a prism and then irradiating the beams again.
둘째, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합용액의 광개시제의 농도를 조절함으로써, 상기 고분자 희생 템플레이트의 격자 상수의 크기를 용이하게 제어할 수 있으며, 상기 고분자 희생 템플레이트의 격자 상수를 제어함으로써 본 발명에 의해 제조되는 광결정의 격자상수를 용이하게 제어할 수 있는는 효과가 발생한다.According to an embodiment of the present invention, the lattice constant of the polymer sacrificial template can be easily controlled by adjusting the concentration of the photoinitiator of the mixed solution. By controlling the lattice constant of the polymer sacrificial template, The lattice constant of the photonic crystal produced by the invention can be easily controlled.
셋째, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 프레임 물질을 증착함에 있어서, 원자층 증착법을 사용함에 따라, 희생 템플레이트의 포어 측벽에 균일하게 프레임 물질을 증착시킬 수 있게 되는 효과가 발생한다.Third, according to one embodiment of the present invention, when the atomic layer deposition method is used to deposit a frame material, a frame material can be uniformly deposited on the sidewalls of the sacrificial template.
넷째, 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조되는 광결정은, 희생 템플레이트의 제거 전후의 부피 수축이 거의 없으며, 광학적 특성 및 기계적 안정성이 크게 향상되는 효과가 발생한다.
Fourth, the photonic crystal manufactured according to one embodiment of the present invention has substantially no volume shrinkage before and after the removal of the sacrificial template, and has an effect of greatly improving optical characteristics and mechanical stability.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 희생 템플레이트를 이용하여 광결정을 형성하는 단계를 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 2는, 광개시제의 함량을 달리하여 형성된 고분자 희생 템플레이트의 탑뷰를 각각 도시한 도면이다.
도 3은, 고분자 희생 템플레이트 상에 프레임 물질(ZnO)를 다른 두께로 증착한 복합체의 주사전자 현미경 사진들을 나타낸다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 광결정들의 단면을 도시한 도면들이다.
도 5는, 전술한 표에 대응되는 각 단계에서의 반사 피크 위치를 도시하고 있는 도면이다.1 is a schematic view sequentially showing steps of forming photonic crystals using a sacrificial template according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a top view of a polymer sacrificial template formed by varying the content of the photoinitiator.
Figure 3 shows scanning electron micrographs of a composite of a frame material (ZnO) deposited on a polymeric sacrificial template at different thicknesses.
4 is a cross-sectional view of the photonic crystals manufactured according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing reflection peak positions at each step corresponding to the above-mentioned table.
본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다. The above objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 또한, 구성요소(element) 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성요소 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. In the drawings, the thicknesses of the layers and regions are exaggerated for clarity and the element or layer is referred to as being "on" or "on" Included in the scope of the present invention is not only directly above another element or layer but also includes intervening layers or other elements in between. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
또한, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.
최근 3차원 나노 구조를 가지는 ZnO 베이스의 광결정들이 주목받고 있다. 3차원 구조를 가지는 ZnO 광결정의 제조를 위해서, ZnO를 침투시키기 위한 희생층(희생 템플레이트, sacrificial template)을 먼저 만드는데, 이 때, 희생 템플레이트로써, 주로 무기 실리카(inorganic silica) 또는 유기 폴리스티렌 오팔(organic polystyrene opals)이 이용되어 왔다.Recently, ZnO-based photonic crystals having three-dimensional nanostructures have attracted attention. In order to fabricate a ZnO photonic crystal having a three-dimensional structure, a sacrificial template for infiltrating ZnO is first made, which is a sacrificial template, mainly composed of inorganic silica or organic polystyrene opal polystyrene opals have been used.
이러한 오팔 템플레이트들은 74%의 완전주입비율(주입비율)을 갖는 클로즈 팩 시스템을 형성한다. 또한 인버전 프로세스(inversion process) 이후 프레임 물질들의 최대 가능 주입비율이 26%가 될 수 있으나, 이러한 최대 가능 주입비율은 완전한 광밴드갭(photonic band gap)을 형성하는 데는 너무 적다.These opal templates form a closed pack system with a full injection ratio (injection ratio) of 74%. Also, the maximum possible injection rate of the frame materials after the inversion process may be 26%, but this maximum possible injection rate is too small to form a complete photonic band gap.
HL(holographic lithography)는 단순히 UV 노출을 다양화 함에 따라 고분자 희생 템플레이트의 주입비율을 제어할 수 있다는 이점을 가지고 있다. 그 결과로 고형 물질(solid materials)의 높은 주입비율을 갖는 역구조를 도출하게 된다.HL (holographic lithography) has the advantage of controlling the injection rate of the polymer sacrificial template simply by diversifying the UV exposure. The result is a reverse structure with a high injection rate of solid materials.
한편, 3차원 구조가 형성된 희생 템플레이트에 ZnO를 필링하기 위한 침투방법은 상호 연결된 서브 마이크로미터 채널들을 충전함으로써 치밀하고 동종의 높은 굴절률(refractive index; RI)을 갖는 물질들을 제공할 수 있어야 한다.On the other hand, an infiltration method for peeling ZnO in a sacrificial template formed with a three-dimensional structure should be able to provide dense and homogeneous materials having a high refractive index (RI) by filling interconnected submicrometer channels.
전착(electrodeposition) 또는 Sol-gel 반응(sol?gel reactions)들을 이용한 방법들은 간단하고 제조의 용이성면에서 유리하다. 특히 이러한 방법들은 고 굴절률 물질들이 상호 연결된 다공성 템플릿의 내측으로 완전히 침투할 수 있도록 하며, 고분자 템플릿을 제거한 후 완전한 광밴드갭을 갖는 3D 광결정을 제조할 수 있도록 한다.Methods employing electrodeposition or sol-gel reactions are simple and advantageous in terms of ease of manufacture. In particular, these methods allow high refractive index materials to penetrate fully into the interconnected porous template and allow the fabrication of 3D photonic crystals with a complete photonic bandgap after removing the polymer template.
그러나, 솔겔 공정(sol-gel)은 종종 내부에 빈 공간을 갖는 구조를 유발하고, 이후의 열처리 공정단계에서 상당한 정도의 볼륨의 수축과 구조적인 장거리 규칙도(long-range structural order)의 손실을 유발한다.
Sol-gel processes, however, often lead to structures with voids in the interior, resulting in considerable volume shrinkage and loss of structural long-range structural order at subsequent heat treatment process steps. cause.
이에, 본 발명자들은 다음과 같은 광결정 형성 방법을 개시한다.Thus, the present inventors disclose a photonic crystal forming method as follows.
본 발명의 일 실시예에 의한 광결정 형성 방법은, 희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법으로써, 상호 연결된 포어들이 형성된 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트를 형성하는 제1 단계; 상기 형성된 희생 템플레이트의 상기 포어들에 프레임 물질을 필링(filling)하여 복합체를 형성하는 제2 단계; 및 상기 복합체 중 상기 희생 템플레이트를 제거하여 3차원 역 나노구조를 가지는 광결정을 형성하는 제3 단계를 포함한다.A photonic crystal forming method according to an embodiment of the present invention is a photonic crystal forming method using a sacrificial template, comprising: a first step of forming a polymer sacrificial template having a three-dimensional nanostructure in which interconnected pores are formed; A second step of filling the pores of the formed sacrificial template with a frame material to form a complex; And a third step of removing the sacrificial template from the complex to form a photonic crystal having a three-dimensional reverse nanostructure.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트는 프리즘 광간섭 식각법(prism holographic lithography, PHL)을 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 패터닝되기 전의 희생 템플레이트(이하, 무패턴 희생 템플레이트)을 3차원 나노구조를 가지도록 패터닝하는 방법으로써, 프리즘 광간섭 식각법이 이용될 수 있다.At this time, according to one embodiment of the present invention, the polymer sacrificial template having the three-dimensional nanostructure can be formed using prism holographic lithography (PHL). That is, the prism light interference etching method can be used as a method of patterning the sacrificial template before patterning (hereinafter, a patternless sacrificial template) so as to have a three-dimensional nanostructure.
일반적인 광간섭 식각법에 의해 3차원 나노구조를 패터닝하기 위해서는, 서로 다른 속성을 가지는 둘 이상의 빔을 정확하게 정렬(align)시켜야 하는 어려움이 있으나, 본 발명의 일 실시예에 적용되는 프리즘 광간섭 식각법에 의하면, 프리즘을 사용하여 빔을 스플릿시킨 후 다시 빔을 합쳐서 조사하는 방식으로 빔의 정렬 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.In order to pattern a three-dimensional nanostructure by a general optical interference etching method, it is difficult to accurately align two or more beams having different properties. However, in the prism light interference etching method There is an effect that the beam alignment problem can be solved by a method of splitting a beam using a prism and then irradiating the beam again.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 희생 템플레이트의 형성을 위하여, 무패턴 희생 템플레이트를 준비하여야 하는 데, 상기 무패턴 희생 템플레이트는 고분자 템플레이트 레진 및 광개시제를 포함하는 혼합용액을 기판에 도포하는 도포하여 준비할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, in order to form the sacrificial template, a patternless sacrificial template must be prepared. The patternless sacrificial template is formed by applying a mixed solution including a polymer template resin and a photoinitiator to a substrate It can be applied and prepared.
이 때, 상기 고분자 템플레이트 레진은 모노머(monomer)와 올리고머(oligomer)를 포함하는 고분자 레진일 수 있으며, 상기 광개시제는 상기 고분자 템플레이트 물질인 모노머와 올리고머들이 서로 연결될 수 있도록 하는 물질일 수 있다. 상기 광개시제는, 빛에 노출되면 분해될 수 있으며, 광개시제의 분해에 따라서 상기 모노머와 올리고머가 서로 연결될 수 있다. 이로써, 상기 혼합용액은 광경화성을 가질 수 있다.At this time, the polymer template resin may be a polymer resin including a monomer and an oligomer, and the photoinitiator may be a material that allows the monomer and oligomers, which are the polymer template material, to be connected to each other. The photoinitiator may decompose upon exposure to light, and the monomer and the oligomer may be linked to each other according to decomposition of the photoinitiator. Thus, the mixed solution can have photo-curability.
이 때, 상기 혼합용액에 있어서, 상기 광개시제의 농도를 달리하면, 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트의 격자 상수(lattice constant)가 서로 달라질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 광개시제의 농도가 높아지면, 상기 격자 상수가 더 커지고, 상기 광개시제의 농도가 낮아지면 상기 격자 상수가 더 작아질 수 있다.At this time, in the mixed solution, when the concentration of the photoinitiator is varied, the lattice constant of the polymer sacrifice template having the three-dimensional nanostructure may be different from each other. More specifically, as the concentration of the photoinitiator increases, the lattice constant becomes larger, and when the concentration of the photoinitiator decreases, the lattice constant may become smaller.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합용액의 광개시제의 농도를 조절함으로써, 상기 고분자 희생 템플레이트의 격자 상수의 크기를 용이하게 제어할 수 있다.That is, according to one embodiment of the present invention, by controlling the concentration of the photoinitiator of the mixed solution, the size of the lattice constant of the polymer sacrificial template can be easily controlled.
한편, 상기 프레임 물질은, 산화 아연(Zinc Oxide) 및 산화 티타늄(Titanium Oxide, Titania)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 조합이 될 수 있으며, 상기 프레임 물질은, 원자층 증착(ALD, atomic layer deposition) 방법을 이용하여, 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트의 포어들에 필링(filling)될 수 있다. 상기 원자층 증착(ALD) 기술을 사용하게 되면, 상기 3차원 나노구조를 가지는 희생 템플레이트의 상호 연결된 포어들 내에서, 상기 프레임 물질들이 컨포멀(confomal)하고 치밀한 박막으로 형성될 수 있도록 할 수 있다.
The frame material may be one or a combination of two or more materials selected from the group consisting of Zinc Oxide and Titanium Oxide (Titania), and the frame material may be an atomic layer deposition (ALD, atomic layer deposition) method, the pores of the polymer sacrificial template having the three-dimensional nanostructure can be filled. Using the atomic layer deposition (ALD) technique, the frame materials can be formed into confomal and dense thin films in interconnected pores of the sacrificial template with the three-dimensional nanostructure .
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 대하여 보다 더 구체적으로 설명한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 희생 템플레이트를 이용하여 광결정을 형성하는 단계를 순차적으로 도시한 개략도이다.1 is a schematic view sequentially showing steps of forming photonic crystals using a sacrificial template according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트(10)가 기판 상에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 고분자 희생 템플레이트(10)는 서로 연결되어 있는 포어들(15)을 가지고 있을 수 있다.Referring to FIG. 1, a polymer
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트(10)에 프레임 물질이 증착될 수 있다. 상기 프레임 물질은 상기 고분자 희생 템플레이트(10)의 포어들(15)의 내부에 증착될 수 있으며, 상기 프레임 물질의 증착 정도에 따라서, 상기 포어들(15) 내부를 완전히 채울 수도 있다. 상기 프레임 물질은 추후, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 희생 템플레이트(10)가 제거되고 난 후, 본 발명의 일 실시예에 의한 광결정이 되는 물질로써, 상기 프레임 물질의 상기 포어(15)에 대한 주입 비율(volumetric filling fractions)을 제어함으로써, 본 발명에 의해 형성되는 광결정의 특성을 조절할 수 있다.As shown in FIG. 1 (b), a frame material may be deposited on the polymer
한편, 도 1의 (c)는, 상기 포어들(15)의 내부에 상기 프레임 물질을 채우고 난 후, 상기 희생 템플레이트(10)를 제거하여 본 발명의 일 실시예에 의한 광결정(20)이 형성된 것을 도시하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 광결정(20)은, 상기 고분자 희생 템플레이트(10)에 형성되어 있는 포어들(15)의 내부에 채워져 형성되는 것으로써, 상기 희생 템플레이트(10)의 격자상수(lattice constant)와 상기 광결정(20)의 격자상수는 서로 동일하다.
1 (c) is a cross-sectional view of a
이하에서는, 각각의 단계에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, each step will be described in more detail.
먼저, 상기 고분자 희생 템플레이트(10)를 형성하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.First, a method of forming the polymer
먼저, 광경화성 수지용액을 준비한다. 상기 광경화성 수지용액은, 모노머(monomer) 및 올리고머(oligomer) 등을 포함하는 고분자 레진, 용매 및 광개시제를 포함할 수 있다. 본 발명자들은, 상기 광경화성 수지용액을 제조함에 있어서, GBL(gamma-butyrolactone)을 용매로, 상기 용매에 대하여 150wt%의 SU-8 레진을 상기 고분자 레진으로, 상기 SU-8 레진에 대하여 0.17wt% 내지 1.3wt%의 트리아릴설포늄 헥사플루로포스페이트(triarylsulfonium hexaflouorophosphate)를 양이온 광산 발생제(cationic photoacid generator, PAG)로 하여 SU-8 포토레지스트(negative type)를 제조하였다.First, a photocurable resin solution is prepared. The photo-curable resin solution may include a polymer resin including a monomer and an oligomer, a solvent, and a photoinitiator. In preparing the photo-curable resin solution, the present inventors have found that when GBL (gamma-butyrolactone) is used as a solvent, 150 wt% of SU-8 resin is used as the polymer resin, 0.17 wt SU-8 photoresist (negative type) was prepared using 1.3% by weight to 1.3% by weight of triarylsulfonium hexafluorophosphate as a cationic photoacid generator (PAG).
이어서, 상기 광경화성 수지 용액을 소정의 기판에 도포한다. 상기 광경화성 수지 용액을 기판에 도포하는 방법에는 큰 제한이 없다. 다만, 본 발명자들은, 상기 수지용액을 10㎛의 두께로 스핀 캐스팅(spin-casting)하여 기판 상에 도포하였다.Subsequently, the photocurable resin solution is applied to a predetermined substrate. There is no particular limitation on the method of applying the photocurable resin solution to the substrate. However, the inventors of the present invention coated the resin solution on the substrate by spin-casting to a thickness of 10 탆.
아울러, 상기 기판에 도포된 광경화성 수지 용액에 포함된 용매를 제거할 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은, 용매의 증발을 위하여, 상기 도포된 수지 용액을 95℃에서 소프트 베이킹하였다. 이로써, 상기 기판 상에 무패턴 희생 템플레이트가 형성될 수 있다.In addition, the solvent contained in the photocurable resin solution applied to the substrate can be removed. For example, the present inventors soft-baked the applied resin solution at 95 캜 for evaporation of the solvent. Thereby, a patternless sacrificial template can be formed on the substrate.
이어서, 상기 무패턴 희생 템플레이트가 3차원 나노구조를 가지도록 상기 무패턴 희생 템플레이트를 패터닝할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 3차원 나노구조를 패터닝하는 것은 프리즘 광간섭 식각법(prism holographic lithography, PHL)이 사용될 수 있다.The patternless sacrificial template may then be patterned such that the patternless sacrificial template has a three-dimensional nanostructure. According to an embodiment of the present invention, prism holographic lithography (PHL) may be used to pattern the three-dimensional nanostructure.
상기 무패턴 희생 템플레이트에 프리즘 광간섭 식각법을 적용하기 위하여, 레이저 빔을 상기 무패턴 희생 템플레이트에 조사하되, 상기 레이저 빔은, 프리즘을 통과할 수 있으며, 상기 레이저 빔은 상기 프리즘을 통과하기 전에 빔 확장기를 지날 수 있다.In order to apply the prism light interference etching method to the patternless sacrificial template, a laser beam is irradiated onto the patternless sacrificial template, the laser beam can pass through a prism, and the laser beam is passed through the prism Beam expander.
본 발명자들은, 프리즘 광간섭 식각법을 적용하기 위해 상기 레이저 빔으로써, 325 nm, 50 mW의 HeCd 레이저를 사용하였으며, 레이저 빔의 반경은 1 mm였다. 또한, 본 발명자들은, 윗면이 잘린 삼각꼴 형태의 실리카 프리즘(top-cut fused silica prism)을 사용하였다. 아울러, 상기 레이저 빔의 조사에 의해 수행되는 포스트 노광 베이크(post-exposure bake)는 55℃의 온도에서 진행하였다.The present inventors used a 325 nm, 50 mW HeCd laser as the laser beam to apply the prism optical interference etching method, and the radius of the laser beam was 1 mm. In addition, the present inventors used a top-cut fused silica prism having a top surface cut out. In addition, a post-exposure bake performed by irradiation of the laser beam proceeded at a temperature of 55 ° C.
본 발명에 따른 프리즘 광간섭 식각법을 적용하기 위해, 반드시 본 발명자들이 실험에 사용한 형태의 프리즘을 사용할 필요는 없다. 아울러, 본 발명에 따른 프리즘 광간섭 식각법을 적용하기 위해 반드시 본 발명자들이 실험에 사용한 스펙의 레이저 빔을 사용할 필요는 없다. 다만, 프리즘의 형태와 레이저 빔의 스펙은 레이저 빔의 간섭 패턴에 영향을 미치게 되므로, 프리즘의 형상이나 레이저 빔의 스펙을 조절함으로써, 상기 고분자 희생 템플레이트(10)의 전체적인 형상을 제어할 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 프리즘의 형상을 변경하게 되면, 상기 고분자 희생 템플레이트(10)에 형성되는 포어들의 형상이 달라질 수 있을 것이다. In order to apply the prism light interference etching method according to the present invention, it is not necessary to use the prism of the type used in the experiments by the present inventors. In addition, in order to apply the prism light interference etching method according to the present invention, it is not necessary to use the laser beam of the specification used in the experiments by the present inventors. However, since the shape of the prism and the specification of the laser beam affect the interference pattern of the laser beam, the overall shape of the polymer
한편, 레이저 빔을 조사하는 상기 포스트 노광 베이크는 반드시 55℃에서 수행될 필요는 없으나, 상기 무패턴 희생 템플레이트의 형성을 위해 진행되는 공정들에 의해 상기 무패턴 희생 템플레이트에 쌓인 열적 스트레스를 저감시키기 위하여 비교적 낮은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.On the other hand, the post exposure bake for irradiating the laser beam does not necessarily have to be performed at 55 [deg.] C, but in order to reduce the thermal stress accumulated in the patternless sacrificial template by processes proceeding for forming the patternless sacrificial template It is preferable to be performed at a relatively low temperature.
상기 포스트 노광 베이크 공정이 진행되는 동안, 레이저 빔의 간섭현상에 의해, 상기 무패턴 희생 템플레이트의 특정 영역은 레이저 빔에 노출되고, 그 외 영역은 상기 레이저 빔에 노출되지 않게 된다. 상기 무패턴 희생 템플레이트는 광경화성 수지 용액을 사용하여 형성한 것으로써, 포스트 노광 베이크 공정에 의해 상기 특정 영역(노광 영역)과 상기 그외 영역(비노광 영역)의 화학적/물리적 성질이 서로 달라질 수 있다.During the post exposure baking step, due to the interference phenomenon of the laser beam, a specific region of the patternless sacrificial template is exposed to the laser beam, and the other region is not exposed to the laser beam. The non-patterned sacrificial template is formed using a photocurable resin solution, and chemical / physical properties of the specific region (exposed region) and the other region (non-exposed region) may be different from each other by post exposure baking .
이어서, 상기 포스트 노광 베이트 공정에 의해 처리된 무패턴 희생 템플레이트의 상기 노광 영역 또는 상기 비노광 영역 중 한 영역을 제거함으로써, 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트를 형성한다.Then, one of the exposed region or the non-exposed region of the unpatterned sacrificial template processed by the post exposure beam process is removed to form a polymer sacrificial template having a three-dimensional nanostructure.
본 발명자들은, 레이저 빔에 노출되지 않은 영역을 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA)를 이용하여 제거하였다.The present inventors removed the area not exposed to the laser beam using propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA).
이어서, 필요에 따라, 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트가 세정처리될 수 있다. 본 발명자들은, 상기 3차원 패터닝이 완료된 고분자 희생 템플레이트 샘플을 2-프로판올(2-propanol)을 이용하여 세정하였다.Then, if necessary, the polymer sacrificial template having the three-dimensional nanostructure can be cleaned. The present inventors washed the polymer sacrificial template sample with the 3-dimensional patterning completed using 2-propanol.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법에 의해 형성되는 광결정의 격자상수는 희생 템플레이트의 격자상수와 동일하다. 한편, 광결정의 격자상수는, 상기 광결정의 광특성을 결정짓는 매우 중요한 요인이다. 따라서, 광결정의 광특성을 조절하기 위해서는, 격자상수의 정밀한 제어가 필요한데, 본 발명에 의한 광결정 형성 방법에 의하면, 희생 템플레이트의 격자상수를 제어함으로써, 상기 광결정의 격자상수를 제어할 수 있게 된다.As described above, the lattice constant of the photonic crystal formed by the photonic crystal forming method using the sacrificial template according to the present invention is equal to the lattice constant of the sacrificial template. On the other hand, the lattice constant of the photonic crystal is a very important factor that determines the optical characteristics of the photonic crystal. Therefore, in order to control the optical characteristics of the photonic crystal, precise control of the lattice constant is required. According to the photonic crystal forming method of the present invention, the lattice constant of the photonic crystal can be controlled by controlling the lattice constant of the sacrificial template.
이에, 본 발명자들은, 희생 템플레이트의 격자 상수를 제어하기 위하여 여러 가지 시도를 하였으며, 희생 템플레이트를 형성하기 위하여 사용하는 광경화성 수지 용액에 포함되는 광개시제의 농도를 제어함으로써, 상기 격자 상수를 제어할 수 있다는 것을 알게 되었다.The present inventors have made various attempts to control the lattice constant of the sacrificial template and have found that by controlling the concentration of the photoinitiator contained in the photocurable resin solution used to form the sacrificial template, .
다음의 표1은, 광개시제의 농도와 고분자 희생 템플레이트의 격자 상수의 관계를 실험한 실험 결과값이다.Table 1 below shows the results of experiments on the relationship between the concentration of the photoinitiator and the lattice constant of the polymer sacrificial template.
도 2는, 광개시제의 함량을 달리하여 형성된 고분자 희생 템플레이트의 탑뷰를 각각 도시한 도면이다. 도 2의 (a)는 광개시제의 함량이 0.17 wt%인 경우를 도시하고 있고, 도 2의 (b)는 광개시제의 함량이 0.33 wt%인 경우를 도시하고 있으며, 도 2의 (c)는 광개시제의 함량이 1.33 wt%인 경우를 도시하고 있다.2 is a view showing a top view of a polymer sacrificial template formed by varying the content of the photoinitiator. 2 (a) shows the case where the content of the photoinitiator is 0.17 wt%, FIG. 2 (b) shows the case where the content of the photoinitiator is 0.33 wt%, and FIG. 2 Is 1.33 wt%. ≪ tb > < TABLE >
상기의 표와 도 2로부터 알 수 있듯이, 광개시제의 함량이 달라짐에 따라서 희생 템플레이트의 격자상수가 달라짐을 알 수 있다. 특히, 광개시제의 함량이 증가함에 따라, 희생 템플레이트의 격자상수가 증가하는 것을 알 수 있다.As can be seen from the above table and FIG. 2, it can be seen that the lattice constant of the sacrificial template varies depending on the content of the photoinitiator. In particular, it can be seen that as the content of photoinitiator increases, the lattice constant of the sacrificial template increases.
따라서, 본 발명에 의하면, 광개시제의 함량을 적절히 제어함으로써, 고분자 희생 템플레이트의 격자상수를 손쉽게 제어할 수 있게 되며, 희생 템플레이트의 격자상수를 제어함으로써, 궁극적으로 광결정의 격자상수를 손쉽게 제어할 수 있게 되는 효과가 발생한다.
Therefore, according to the present invention, the lattice constant of the sacrificial template can be easily controlled by appropriately controlling the content of the photoinitiator, and ultimately, the lattice constant of the photonic crystal can be easily controlled .
계속하여, 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트를 이용하여 광결정을 형성하는 방법에 대해서 설명한다.Next, a method of forming a photonic crystal using a polymer sacrificial template having a three-dimensional nanostructure will be described.
먼저, 고분자 희생 템플레이트에 프레임 물질을 주입하여 복합체를 형성하는 방법에 대해서 설명한다.First, a method of forming a complex by injecting a frame material into a polymer sacrificial template will be described.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전술한 바와 같이, 3차원 나노구조가 형성된 고분자 희생 템플레이트의 포어들 내에 프레임 물질을 필링하는 것은, 원자층 증착(ALD) 방법에 의해 수행된다.According to one embodiment of the present invention, as described above, filling the frame material in the pores of the polymer sacrificial template formed with the three-dimensional nanostructure is performed by an atomic layer deposition (ALD) method.
구체적으로 원자층 증착(ALD) 프로세스를 통한 프레임 물질의 침투에 대해서 ZnO를 예로 들어 설명한다.Specifically, the penetration of a frame material through an atomic layer deposition (ALD) process is explained by taking ZnO as an example.
본 발명자들은, ZnO 필름을 ALD 시스템[Lucida M100, NCD]을 이용하여 100℃에서 증착하였다. 디에틸 아연(Diethyl zinc, DEZ, Zn(C2H5)2)과 탈염 수증기를 각각 아연 전구물(zinc precursor)과 산소 공급원으로 이용하였다. 디에틸 아연 소스(DEZ source )의 온도는 쿨러를 이용하여 10°C로 유지하였다. 증착공정 동안, 아르곤 가스가 100 sccm의 비율로 반응 챔버를 통하여 지속적으로 흐르도록 하였다. 각 ALD 사이클 동안 증착되는 ZnO 층의 두께는 1.39 A이다. ALD 사이클의 수는 ZnO 박막 필름을 기설정된 두께로 형성하기 위하여 적절히 조절하였다.The present inventors deposited a ZnO film at 100 DEG C using an ALD system (Lucida M100, NCD). Diethyl zinc (DEZ, Zn (C2H5) 2) and desalted water vapor were used as the zinc precursor and oxygen source, respectively. The temperature of the diethylzinc source (DEZ source) was maintained at 10 ° C using a cooler. During the deposition process, argon gas was allowed to flow continuously through the reaction chamber at a rate of 100 sccm. The thickness of the ZnO layer deposited during each ALD cycle is 1.39 A. The number of ALD cycles was appropriately adjusted to form a ZnO thin film to a predetermined thickness.
상기한 바와 같이, 원자층 증착 기법을 통하여, 고분자 희생 템플레이트 상에 프레임 물질을 증착시키면, 프레임 물질이 고분자 희생 템플레이트의 포어의 측벽상에서 균일하게 증착되는 것을 확인할 수 있었다.As described above, it was confirmed that when the frame material was deposited on the polymer sacrificial template through the atomic layer deposition technique, the frame material was uniformly deposited on the sidewalls of the pores of the polymer sacrificial template.
이로써, 고분자 희생 템플레이트의 포어에 프레임 물질이 채워져 있는 복합체가 형성되게 된다.
This results in the formation of a composite in which the pores of the polymer sacrificial template are filled with the frame material.
도 3은, 고분자 희생 템플레이트 상에 프레임 물질(ZnO)를 다른 두께로 증착한 복합체의 주사전자 현미경 사진들을 나타낸다. 특히, 도 3의 (a) 및 (b)는, ZnO를 200nm의 두께로 증착한 후 45도 각도에서 촬영한 사진이며, 도 3의 (c) 및 (d)는 ZnO를 400nm의 두께로 증착한 후 45도 각도에서 촬영한 사진이다.Figure 3 shows scanning electron micrographs of a composite of a frame material (ZnO) deposited on a polymeric sacrificial template at different thicknesses. 3 (a) and 3 (b) are photographs taken at an angle of 45 degrees after deposition of ZnO to a thickness of 200 nm, and FIGS. 3 (c) and 3 This is a picture taken at an angle of 45 degrees.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, ZnO가 200nm 증착된 경우, 희생 템플레이트 상에 ZnO가 증착됨에 따라, 상기 복합체는 희생 템플레이트의 포어 사이즈보다는 작지만 아직까지 완전히 닫히지 않은 개방된 포어를 가지고 있는 것을 알 수 있다. 아울러, 희생 템플레이트의 내부 포어들에도 상기 ZnO가 완전히 필링되지는 않은 상태임을 알 수 있다. 확인 결과, 200nm로 증착된 ZnO를 구비하는 복합체에 있어서, 최상층에서의 포어 사이즈는 100nm정도인 것으로 확인하였으며, 이 때, ZnO의 증착 전 고분자 희생 템플레이트의 최상층 포어 사이즈는 500nm였다.Referring to Figures 3 (a) and 3 (b), when ZnO is deposited to 200 nm, as the ZnO is deposited on the sacrificial template, the composite will have an open pore that is smaller than the pore size of the sacrificial template, You can see what you have. In addition, it can be seen that the inner pores of the sacrificial template are not completely filled with ZnO. As a result of the confirmation, it was confirmed that the pore size in the uppermost layer of the composite having ZnO deposited at 200 nm was about 100 nm, and the top layer pore size of the polymer sacrificial template before deposition of ZnO was 500 nm.
반면, 도 3의 (c) 및 (d)를 참조하면, ZnO가 400nm 증착된 경우, 상기 복합체의 상면은 완전히 닫힌 것을 알 수 있으며, 나아가 희생 템플레이트의 내부 포어들에도 상기 ZnO가 필링되어 있는 상태임을 알 수 있다. 하지만, 원자층 증착에서 발생하는 것과 같은 기상 반응(gas phase reaction)의 경우, 상부 포어 채널을 폐쇄함으로써 퇴적이 종료되며, 상부 포어 채널이 폐쇄 되기 전에, 희생 템플레이트의 내부 포어들이 ZnO가 완전히 필링되지 않은 상태에서 채널이 폐쇄될 수도 있을 것이다.3 (c) and 3 (d), when the ZnO is deposited to a thickness of 400 nm, the upper surface of the composite is completely closed, and furthermore, the inner pores of the sacrificial template are filled with the ZnO . However, in the case of a gas phase reaction such as occurs in atomic layer deposition, the deposition is terminated by closing the upper forer channel, and before the upper forer channel is closed, the inner pores of the sacrificial template are not completely filled with ZnO The channel may be closed.
광결정의 광학적 특성과 기계적 안장성을 확보하기 위하여, 희생 템플레이트 내로 ZnO와 같은 프레임 물질을 균일하게 침투시키는 것이 매우 중요한데, 원자층 증착 방법은 이러한 높은 수준의 침투를 가능하게 하도록 한다. 따라서, 원차증 증착 방법을 적용하여 제조되는 본 발명의 광결정은 광학적 특성과 기계적 안정성이 높아 진다.
In order to ensure the optical properties and mechanical integrity of the photonic crystal, it is very important to uniformly penetrate the frame material, such as ZnO, into the sacrificial template, which enables this high level of penetration. Therefore, the photonic crystal of the present invention, which is manufactured by applying the primer deposition method, has high optical characteristics and mechanical stability.
계속하여, 상기 형성된 복합체로부터 상기 고분자 희생 템플레이트를 제거하여 최종적으로 본 발명에 의한 광결정을 형성하는 방법에 대해서 설명한다.Next, a method for finally forming the photonic crystal according to the present invention by removing the polymer sacrificial template from the formed complex will be described.
고분자 희생 템플레이트를 제거하는 방법에는 다양한 방법이 있을 수 있으며, 이런 다양한 방법들 중 상기 고분자 희생 템플레이트의 물질의 종류와, 상기 프레임 물질의 종류를 고려하여, 상기 고분자 희생 템플레이트를 제어하는 방법이 선택될 수 있을 것이다.There are various methods for removing the polymer sacrificial template, and a method of controlling the polymer sacrificial template is selected in consideration of the kind of material of the polymer sacrificial template and the kind of the frame material among the various methods It will be possible.
본 발명자들은, SU-8 고분자 희생 템플레이트와 ZnO 프레임 물질로 구성된 복합체로부터 상기 SU-8 고분자 희생 템플레이트를 제거하기 위하여, 열처리하는 방법을 선택하였다. 보다 더 구체적으로, 본 발명자들은, 상기 복합체를 450℃에서 1시간 동안 소성(calcination) 처리하였다. 상기 소성처리에 의해, 상기 SU-8 고분자 희생 템플레이트는 분해되며, 무정형의 ZnO는 다결정상으로 변환될 수 있다.The present inventors selected a heat treatment method to remove the SU-8 polymer sacrificial template from a composite composed of a SU-8 polymer sacrificial template and a ZnO frame material. More specifically, the present inventors calcined the composite at 450 DEG C for 1 hour. By the above baking treatment, the SU-8 polymer sacrificial template is decomposed, and amorphous ZnO can be converted into a polycrystalline phase.
한편, 낮은 온도 경사는 필름이 붕괴하는 것을 방지하고자 고분자 템플릿을 제거하기 전에 구조적인 건전성을 유지하는데 중요하다. 이를 위하여, 본 발명자들은 소성 단계에서는 1℃/min 비율의 낮은 온도 경사가 선택되었다.
On the other hand, low temperature gradients are important to maintain structural integrity before removing the polymer template to prevent film from collapsing. For this purpose, the present inventors selected a low temperature gradient of 1 [deg.] C / min in the sintering step.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 광결정들의 단면을 도시한 도면들이다.4 is a cross-sectional view of photonic crystals manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는, 200nm 두께의 ZnO의 형성 후, 소성에 의하여 고분자 희생 템플레이트가 제거된 광결정의 단면을 도시하는 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 광결정의 구조는 매우 유니폼하게 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 200nm 두께의 ZnO를 증착하였으나, 고분자 희생 템플레이트의 포어 내의 측벽에 형성된 ZnO의 두께는 200nm 보다는 조금 더 얇은 170nm 두께로 형성되어 있는 것을 확인하였다.
4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views showing a cross section of a photonic crystal in which a polymer sacrificial template is removed by firing after formation of 200 nm thick ZnO. As shown in the figure, the structure of the photonic crystal fabricated according to one embodiment of the present invention is formed to be very uniform. On the other hand, although ZnO was deposited to a thickness of 200 nm, it was confirmed that the thickness of ZnO formed on the sidewalls of the pores of the polymer sacrificial template was 170 nm, which is slightly thinner than 200 nm.
도 4의 (c), 4의 (d)는 400nm 두께의 ZnO의 형성 후, 소성에 의하여 고분자 희생 템플레이트가 제거된 광결정의 단면을 도시하는 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 400nm의 ZnO를 적층한 경우에도, 매우 유니폼하게 광결정의 내부구조가 형성된 것을 알 수 있다. 200nm의 두께로 ZnO를 증착한 경우와 유사하게, 400nm의 두께로 ZnO를 증착한 경우에도, 포어의 측벽에 형성된 ZnO의 두께는 400nm보다는 조금 더 얇게 형성된 것을 알 수 있다. 다만, 200nm로 증착된 경우의 두께의 차이(상부면에 증착된 ZnO의 두께와 포어 내의 측벽에 증착된 ZnO의 두께 간의 차이)보다 400nm로 증착된 경우의 두께의 차이가 더 큰 것을 알 수 있는데, 이는, 포어 채널이 점점 닫혀짐에 따라 포어의 내벽에 증착되기 위한 가스의 유입 채널이 점점 좁아지기 때문에 포어 내의 측벽에 ZnO가 증착되는 속도가 점차 감소하기 때문일 것으로 분석된다.
4 (c) and 4 (d) are cross-sectional views showing a cross section of the photonic crystal in which the polymer sacrificial template is removed by firing after formation of 400 nm thick ZnO. As shown in the figure, even when 400 nm of ZnO is stacked, it can be seen that the inner structure of the photonic crystal is formed very uniformly. It can be seen that the thickness of ZnO formed on the sidewalls of the pore is slightly thinner than 400 nm even when ZnO is deposited to a thickness of 400 nm similarly to the case of depositing ZnO to a thickness of 200 nm. However, it can be seen that the difference in the thickness when deposited at 200 nm (the difference between the thickness of ZnO deposited on the top surface and the thickness of ZnO deposited on the sidewalls in the pore) This is because the rate at which ZnO is deposited on the sidewalls in the pores gradually decreases because the inlet channel of the gas to be deposited on the inner wall of the pores gradually becomes narrower as the forer channel is gradually closed.
또한, 도 4의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 소성 후 부피 수축이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있는데, 이는, 프레임 물질(ZnO)의 증착에 원자층 증착법을 사용함에 따라 치밀하고 균일하게 프레임 물질이 증착되었기 때문이다.4 (a) to 4 (d), it can be confirmed that there is no volume contraction after firing because the atomic layer deposition method is used to deposit the frame material (ZnO) This is because the frame material is deposited.
다음의 표2 및 도 5를 통해서, 프레임 물질의 부피 수축이 실질적으로 거의 일어나지 않았음에 대해서 설명한다.The following Table 2 and FIG. 5 illustrate that the volume shrinkage of the frame material is substantially unlikely to occur.
다음의 표2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, Su-8 및 ZnO를 이용하여 광결정을 형성하는 각 단계들에 있어서, 몇몇 광 특성데이터들에 대한 측정값을 나타내고 있다.Table 2 below shows measured values for several optical characteristic data in each step of forming a photonic crystal using Su-8 and ZnO, according to an embodiment of the present invention.
(㎛)Reflectance peak position
(탆)
(%)Reflectance
(%)
상기의 표로부터 SU-8 및 ZnO 등의 부피 분율(Filling fraction)을 산출할 수 있는데, 이 때, 다음과 같은 두 가지 수식이 사용된다.From the above table, it is possible to calculate the Filling fraction of SU-8 and ZnO. In this case, the following two equations are used.
[수식1][Equation 1]
이 때, λ0는 반사 피크 위치(Reflectance peak position)의 위치이며, neff는 3차원 구조체의 유효굴절률(Effective refractive index)이며, neff는 수식2로부터 구할 수 있다.
In this case, λ 0 is the position of the reflection peak position, n eff is the effective refractive index of the three-dimensional structure, and n eff is obtained from the equation (2).
[수식2][Equation 2]
nframe은 구조의 골격(frame or skeleton)에 해당하는 물질의 굴절률(refractive index of frame materials)이고, f는 골격 물질의 채워진 정도(filling fraction), nm은 골격이외의 미디엄의 굴절류(refractive index of medium)이다.
n frame is the refractive index of frame material of the frame or skeleton, f is the filling fraction of the skeletal material, n m is the refractive index of the medium other than the skeleton, index of medium.
상기 표에서부터 알 수 있듯이, 희생 템플레이트만 있는 경우, SU-8이 차지하는 부피비율은 44%이고, 공기는 56%이다.As can be seen from the above table, when there is only a sacrificial template, SU-8 occupies 44% by volume and air is 56%.
이 때, ZnO를 원자 증착법으로 증착시키게 되면, 실제로 56%의 부분을 모두 채우지는 못하고, 46%정도가 채워진 것을 알 수 있다.At this time, when ZnO is deposited by atomic vapor deposition, it can be seen that about 56% of the ZnO is not completely filled, but about 46% is filled.
이 때, 전술한 소성공정 등을 거쳐서 SU-8을 제거하게 되면, ZnO의 부피 비율이 42%로 계산되는 것을 알 수 있다. 즉, SU-8/ZnO 복합체에서 계산된 ZnO의 부피비는 46%였으나, SU-8을 제거한 후의 ZnO의 부피비가 42%로 감소한 것은 계산상의 오차라고 분석되는데, 왜냐하면, 소성 공정 중 ZnO의 부피수축이 일어나게 된다면, 부피수축에 의한 공기의 부피분율이 감소가 일어날 것이고, 이에 따라 ZnO의 부피비는 46%보다는 더욱 증가하여야 하기 때문이다. 또한 가장 확실하게 부피수축이 일어나지 않는 증거로써는, 표에서 보는 바와 같이Z축 방향에서의 격자상수가 750 nm로 모두 같다는 점이다. 일반적으로 부피 수축이 일어나면, ZnO 광결정의 격자상수는 희생 템플레이트(SU-8)의 격자상수보다 작아진다. At this time, when the SU-8 is removed through the above-described baking process or the like, the volume ratio of ZnO is calculated to be 42%. That is, the volume ratio of ZnO calculated in the SU-8 / ZnO composite was 46%, but the reduction in the volume ratio of ZnO after removal of SU-8 to 42% is considered as a calculation error because the volume shrinkage of ZnO during the firing process , The volume fraction of air due to volume shrinkage will decrease, and the volume ratio of ZnO should therefore increase further than 46%. The most obvious evidence of no volume contraction is that the grating constant in the Z-axis direction is equal to 750 nm, as shown in the table. Generally, when volume shrinkage occurs, the lattice constant of the ZnO photonic crystal becomes smaller than the lattice constant of the sacrificial template (SU-8).
아울러, 도 5는, 전술한 표에 대응되는 각 단계에서의 반사 피크 위치를 도시하고 있는 도면으로, 도 5를 참조하면, 200nm의 ZnO와 400nm의 ZnO의 광특성이 크게 향상된 것을 알 수 있는 데, 만약, ZnO의 부피 수축이 발생하였다면, 이와 같은 ZnO의 광특성은 크게 떨어질 것이나, ZnO의 광특성이 오히려 크게 향상되었다는 것은, ZnO의 부피수축이 거의 발생되지 않았다는 간접적인 증거가 될 수 있을 것이다.5 shows the reflection peak positions at the respective steps corresponding to the above-mentioned table. Referring to FIG. 5, it can be seen that the optical characteristics of ZnO of 200 nm and ZnO of 400 nm are greatly improved If the volume shrinkage of ZnO occurs, the optical characteristics of ZnO may be greatly reduced. However, the fact that the optical characteristics of ZnO is greatly improved may be indirect evidence that the volume shrinkage of ZnO hardly occurs .
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 또한 본 문서에서 설명된 실시예들은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 나아가, 각 실시예를 구성하는 단계들은 다른 실시예를 구성하는 단계들과 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, The present invention is not limited to the drawings. In addition, the embodiments described in this document can be applied to not only the present invention, but also all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications can be made. Further, the steps constituting each embodiment can be used separately or in combination with the steps constituting the other embodiments.
Claims (12)
상기 형성된 고분자 희생 템플레이트의 상기 포어들에 프레임 물질을 필링(filling)하여 복합체를 형성하는 제2 단계; 및
상기 복합체를 미리 정해진 온도에서 소성(calcination)하여 상기 복합체 중 상기 고분자 희생 템플레이트를 제거하여 3차원 역 나노구조를 가지는 광결정을 형성하는 제3 단계를 포함하며,
상기 고분자 희생 템플레이트는 프리즘 광간섭 식각법(prism holographic litholography, PHL)을 이용하여 형성되며,
상기 프레임 물질은, 원자층 증착(ALD, atomic layer deposition) 방법을 이용하여 필링되고,
상기 필링된 프레임 물질이 부피수축 없이 결정화되어 상기 광결정을 형성하고,
상기 고분자 희생 템플레이트의 격자상수와 상기 광결정의 격자상수가 서로 동일한 것을 특징으로 하는
희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
A first step of forming a polymer sacrifice template having a three-dimensional nanostructure in which interconnected pores are formed;
A second step of filling the pores of the formed polymer sacrificial template with a frame material to form a complex; And
And a third step of calcining the complex at a predetermined temperature to remove the polymer sacrificial template from the complex to form a photonic crystal having a three-dimensional reverse nanostructure,
The polymer sacrificial template is formed using prism holographic lithography (PHL)
The frame material is filled using an atomic layer deposition (ALD) method,
The filled frame material is crystallized without volume contraction to form the photonic crystal,
Wherein the lattice constant of the polymer sacrificial template and the lattice constant of the photonic crystal are equal to each other
Method for forming photonic crystal using sacrificial template.
고분자 템플레이트 레진 및 광개시제를 포함하는 혼합용액을 기판에 도포하는 도포단계; 및
상기 혼합용액이 도포된 기판에 빛을 조사하는 단계;를 포함하는
희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
2. The method according to claim 1,
A coating step of applying a mixed solution including a polymer template resin and a photoinitiator to a substrate; And
And irradiating light onto the substrate to which the mixed solution is applied
Method for forming photonic crystal using sacrificial template.
상기 광개시제의 농도가 높을수록 상기 3차원 나노구조를 가지는 고분자 희생 템플레이트의 격자상수(lattice constant)가 커지는 것을 특징으로 하는
희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
The method of claim 3,
And the lattice constant of the polymer sacrificial template having the three-dimensional nanostructure is increased as the concentration of the photoinitiator increases.
Method for forming photonic crystal using sacrificial template.
상기 원자층 증착 방법에 의해 증착되는 상기 프레임 물질의 증착높이에 따라 상기 프레임 물질이 상기 포어들에 필링되는 정도가 달라지는 것을 특징으로 하는 희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the degree of filling of the frame material with the pores varies depending on the deposition height of the frame material deposited by the atomic layer deposition method.
상기 프레임 물질은, 산화 아연(Zinc Oxide) 및 산화 티타늄(Titanium Oxide, Titania)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the frame material is one selected from the group consisting of zinc oxide (Zinc Oxide) and titanium oxide (Titania), or a combination thereof.
상기 복합체를 소성할 때, 0.1℃/min 내지 1℃/min 사이의 온도경사를 사용하는 것을 특징으로 하는 희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein a temperature gradient between 0.1 [deg.] C / min and 1 [deg.] C / min is used for baking the composite.
상기 광결정의 상부면의 두께는 상기 광결정 내부의 측벽의 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 희생 템플레이트를 이용한 광결정 형성 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the upper surface of the photonic crystal is thicker than the thickness of the sidewall inside the photonic crystal.
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