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KR20180124495A - Structure with various patterns and manufacturing method thereoff - Google Patents

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KR20180124495A
KR20180124495A KR1020170059119A KR20170059119A KR20180124495A KR 20180124495 A KR20180124495 A KR 20180124495A KR 1020170059119 A KR1020170059119 A KR 1020170059119A KR 20170059119 A KR20170059119 A KR 20170059119A KR 20180124495 A KR20180124495 A KR 20180124495A
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dot
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박금환
김영석
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전자부품연구원
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Abstract

A structure with various patterns which is excellent in the wavelength selectivity of light to be absorbed and emitted and a manufacturing method thereof are provided. According to the present invention, the structure with various patterns includes a substrate including a cavity on a surface thereof and a metal dot formed on the surface of the substrate.

Description

복합패턴구조체 및 그의 제조방법{Structure with various patterns and manufacturing method thereoff}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite pattern structure,

본 발명은 복합패턴구조체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 흡수 및 방출되는 광의 파장선택성이 우수한 복합패턴구조체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite pattern structure and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a composite pattern structure having excellent wavelength selectivity of light absorbed and emitted and a method of manufacturing the same.

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. The photothermal conversion device is a device for converting thermal energy into electric energy and is becoming a candidate for a next generation secondary battery in that it can be made light in weight with high energy density. However, it is still necessary to improve efficiency in order to replace lithium batteries, which are currently widely used as secondary batteries.

열광전 변환장치는 크게 화석연료를 태워 열에너지를 발생시키는 연소기와 열에너지를 받아 복사에너지를 방출하는 열방사체, 그리고 복사에너지를 전기에너지로 변환하는 광전셀로 이루어져 있다.The photovoltaic conversion device consists of a combustor that burns fossil fuel and generates heat energy, a thermal body that receives thermal energy to emit radiant energy, and a photoelectric cell that converts radiation energy into electric energy.

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.The phototransformer is driven by raising the temperature of a heat source by burning the fuel through a combustor and supplying electric energy generated by the photovoltaic cell to the device. In this case, the compatibility of each component such as a combustor, a thermal body, a photoelectric cell, and a device circuit determines the overall efficiency of the photodetector. Particularly, a radiant emission distribution by wavelength of a thermal body is a key element of energy conversion efficiency .

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. However, since the spectrum of light generated by combustion occurs in a wide wavelength range, and only photons having energy above the band gap energy of the photoelectric cell are utilized for power generation, the power generation efficiency is generally very low. In order to improve power generation efficiency, a method of introducing a multidimensional photonic crystal structure or a meta structure into a thermal body is widely studied. The photonic crystal structure controls the photonic bandgap of the material to increase the emission of a desired wavelength band. The meta structure is a method of controlling the emission spectrum by modifying the dispersion characteristic inherent to the material by introducing a nano-sized structure.

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.Complex processes such as photolithography and E-beam lithography are commonly used to fabricate high-quality metal nanostructures in a thermal body. These processes have a problem in that expensive materials and toxic substances such as photoresist and etching liquid must be used. Due to the nature of the process, the process can be limited to a flat substrate.

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.Another problem that these metal nanopatterns are applied to the thermoelectric power generation system is the high temperature oxidation characteristics of the metal. Materials such as tungsten and tantalum, which have been conventionally used as a heat radiation material, are oxidized at a temperature of several hundreds of degrees Celsius or more, and it is therefore difficult to expect absorption / radiation characteristics of near infrared wavelengths to be improved. Therefore, the metal nanopatterns conventionally developed for the thermoelectric power generation system have to be utilized only in an atmosphere where no vacuum and oxygen exist.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 흡수 및 방출되는 광의 파장선택성이 우수한 복합패턴구조체 및 그의 제조방법을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a composite pattern structure excellent in wavelength selectivity of light absorbed and emitted and a method of manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 복합패턴구조체는 표면에 캐비티를 포함하는 기판; 및 기판의 표면에 형성된 금속닷;을 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a composite pattern structure including: a substrate including a cavity on a surface thereof; And a metal dot formed on the surface of the substrate.

캐비티는 광결정특성을 나타낼 수 있다. The cavity may exhibit photonic crystal properties.

금속닷은 캐비티 내부 및 기판의 상면 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다. The metal dot may be formed on at least one of the interior of the cavity and the upper surface of the substrate.

금속닷은 백금, 금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The metal dot may comprise at least one of platinum, gold, silver and palladium.

금속닷은 직경이 10nm 내지 900nm일 수 있다. The metal dot may have a diameter of 10 nm to 900 nm.

기판은 SiCN, SiC 및 Si 중 어느 하나를 포함할 수 있다. The substrate may comprise any one of SiCN, SiC, and Si.

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. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a cavity on a surface of a substrate; A metal layer forming step of forming a metal layer on the 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.

캐비티형성단계는 고분자수지층 상에 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 적용하는 단계; 고분자수지를 세라믹화시키는 단계; 및 캐비티형성용 임프린팅 패턴을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다. The cavity forming step may include: applying an imprinting pattern for forming a cavity on the polymer resin layer; Ceramicizing the polymer resin; And removing the imprinting pattern for forming the cavity.

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. The cavity forming step comprises: applying the imprinting resin on the substrate; Applying an imprinting pattern for forming a cavity 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.

금속닷형성단계는 금속층이 열처리로 디웨팅되어 금속닷으로 변환되는 단계일 수 있다. The metal dot forming step may be a step in which the metal layer is dewetted by heat treatment and converted into metal dots.

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. According to another aspect of the present invention, there is provided a combustion apparatus comprising: a combustion section generating heat energy; A heat radiation part including a three-dimensional nano pattern formed by a cavity and a metal dot pattern and receiving thermal energy from the combustion part to emit radiant energy; And a photoelectric conversion unit that receives the radiant energy radiated from the thermal radiation unit and converts the radiant energy into electric energy.

본 발명의 또다른 측면에 따르면, 표면에 3차원 나노구조패턴 및 금속닷패턴을 포함하여 흡수파장선택성이 우수한 바이오센서용 감지기판이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a sensor plate for a biosensor having an excellent absorption wavelength selectivity including a three-dimensional nanostructure pattern and a metal dot pattern on a surface thereof.

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. According to the embodiments of the present invention, unlike conventional metal nano patterns produced by using a lithography process using complex and toxic materials, a method of depositing a desired metal material on a nano structure formed by nanoimprinting and then heating It is possible to manufacture a high-quality metal nano-pattern without limitation of a substrate by a simple, environmentally friendly, and cost-saving process.

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. In addition, in manufacturing metal nano patterns according to conventional processes, material loss can be prevented by using dewetting characteristics of metals rather than etching processes in which materials are lost, so that expensive noble metals can be used, .

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. Accordingly, when a relatively inexpensive metal such as tungsten or tantalum is used, it is utilized only in an atmosphere in which vacuum and oxygen are not present due to the property of being oxidized at high temperature. However, according to the present invention, a noble metal can be used, So that it can be utilized even in an environment where oxygen exists.

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.
FIGS. 1 to 3 are views provided in the description of a method for manufacturing a composite pattern structure according to the present invention.
Fig. 4 is a view for explaining a method of forming cavities in a method of manufacturing a composite pattern structure according to the present invention.
FIG. 5A is a plan view of a SiCN substrate formed with a cavity according to the present invention, FIG. 5B is an enlarged view of FIG. 5A, and FIG.
FIGS. 6 to 9 are views for explaining a method of forming cavities in a method of manufacturing a composite pattern structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10A is a plan view of a Si substrate formed with a cavity according to the present invention, and FIG. 10B is a perspective view of FIG. 10A.
11A is a plan view of a SiCN substrate on which a composite pattern is formed according to the present invention, and FIG. 11B is a perspective view of FIG. 11A.
12A is a plan view of a Si substrate on which a composite pattern is formed according to the present invention, and 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 the metal dot in FIG. 13A, and FIG.
FIG. 14 is a result of element analysis according to EDS (Energy Dispersive Spectrometry) analysis of a composite pattern formed according to the present invention.
15 is a graph showing the absorbance of the Si substrate, the Si substrate on which the metal layer-cavity is formed, and the Si substrate on which the metal dot-cavity is formed according to wavelengths.
16 is a view showing a cylindrical substrate on which a composite pattern according to the present invention is formed.

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.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. It should be understood that while the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, The present invention is not limited thereto.

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. A composite pattern structure according to the present invention includes: a substrate including a cavity on a surface thereof; 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 nano pattern composed of a cavity formed on a surface and a metal dot pattern on a three-dimensional nano pattern are combined.

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. The composite pattern structure 100 may include: a cavity forming step of forming a cavity on a surface of a substrate; A metal layer forming step of forming a metal layer on the 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. FIGS. 1 to 3 are views provided in the description of a method for manufacturing a composite pattern structure according to the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to Figs. 1 to 3. Fig.

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. In order to manufacture the composite pattern structure 100, first, a cavity 120 is formed on the surface of the substrate 110. In the present invention, the 'cavity' is a three-dimensional structure formed on the substrate 110, and may mean a hole formed by being drawn into the substrate from the substrate. The 'cavity' . The 'cavity' is a pattern capable of setting at least an area where the metal dot 130 can be formed on the surface of the substrate 110.

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. In particular, the cavity 120 can exhibit photonic crystal characteristics as a three-dimensional nanostructure. A photonic crystal means a structure capable of adjusting the reflection and selective light transmission characteristics by changing the arrangement between particles. When the composite pattern structure 100 has a photonic crystal structure, light can be absorbed in a desired wavelength region and emitted, so that the cavity can be controlled to enhance light absorption wavelength control and selectivity. In FIG. 1, any shape can be implemented as long as the cross section of the cavity 120 is a square or a semi-spherical shape or a triangular shape, and the cavity 120 forms a pattern to exhibit photonic crystal characteristics. In particular, the photonic crystal structure of the three-dimensional shape can easily confine light to facilitate resonance of light, so that light absorption and light emission efficiency are excellent. Therefore, the shape, size, diameter, or depth of the cavity 120 The wavelength band of the light, the emission efficiency, and the like.

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. When the cavity 120 is formed on the substrate 110, a metal layer 131 is formed on the surface of the substrate 110 (FIG. 2). The metal layer may be formed as a metal thin film layer on the surface of the substrate 110 or in the cavity 120 in consideration of a position where the metal dot 130 is desired to be formed. The metal layer 131 may be formed by depositing a metal on the substrate 110.

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. As the metal that can be used as the metal dot 130, a metal excellent in light absorption and light emission efficiency can be used, and metals such as tungsten, tantalum and nickel, and precious metals such as platinum, gold, silver and palladium can be used . Metals such as tungsten, tantalum, and nickel may be in a state of low cost or oxidized at high temperatures, and noble metals such as platinum, gold, silver and palladium may not be oxidized at high temperatures, . The method for fabricating a composite pattern structure according to the present invention can minimize metal loss, and thus it is possible to use a noble metal.

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. After the metal layer 131 is formed, the substrate on which the metal layer 131 is formed is heat-treated. The metal layer 131 is converted into metal dots 130 due to the heat treatment process. The metal dots 130 may be formed in both the cavity 120 and the upper surface of the substrate 110 when the metal layer 131 is formed in both the cavity 120 and the upper surface of the substrate as shown in FIG. The heat treatment may be performed at a temperature at which the metal layer 131 can be converted into the metal dots 130, depending on the metal.

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. The reason why the metal layer 131 can be converted into the metal dot 130 is because the metal layer 131 can be dewetted due to the heat treatment. Dewetting is a phenomenon occurring in a metal, which is a phenomenon that when the metal layer is exposed to high temperatures, it becomes entangled with each other. The dewetting phenomenon starts with respect to the cavity 120 when the cavity 120 is formed in the substrate 110 as in the present invention, 130 are formed. Therefore, the size of the metal dot 130 may vary depending on the thickness of the metal layer 131 and the pitch of the three-dimensional nanopattern formed by the cavity 120. For example, metal dots may be 10 nm to 900 nm in diameter.

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. The substrate 110 may be a durable substrate such as a heat treatment or a deposition process when the metal layer 131 is formed. Also, it is preferable that the substrate 110 is easily formed in the cavity 120. For example, the substrate may comprise any one of SiCN, SiC, and Si.

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. Referring to FIG. 3, 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' caused by the metal dot 130, which is a secondary pattern, together with the increase of the light absorption / emission efficiency by the pattern, so that a light absorber or a photodiode with excellent characteristics can be realized.

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. Fig. 4 is a view for explaining a method of forming cavities in a method of manufacturing a composite pattern structure according to the present invention. As a method of forming the cavity 120 on the substrate 110, the substrate 110 may be a polymeric resin and a material which can be a ceramic substrate by heat treatment.

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. As shown in FIG. 4, the imprinting pattern 140 for forming cavities is applied on the polymer resin layer, and the polymer resin is made ceramic. When the imprinting pattern 140 is removed, a substrate 110 having a pattern formed thereon can be simply obtained. The polymer resin that can be used in this embodiment may be one which is converted into a ceramic substrate by heat treatment such as allylhydridopolycarbosilane (AHPCS). 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, and FIG. 5C is a cross-sectional perspective view.

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. FIGS. 6 to 9 are views for explaining a method of forming cavities in a method of manufacturing a composite pattern structure according to another embodiment of the present invention. In order to form the cavity 120 on the substrate 110, the imprinting resin 151 is first applied to the substrate 110 in this embodiment (FIG. 6). Since the imprinting resin 151 must be removed before the imprinting resin 151 is applied, the releasing layer 152 for removing the imprinting resin 151 is first applied.

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. The imprinting pattern 140 is then applied to the imprinting layer 151 and the release layer 152 (Figure 7) and the imprinting pattern 140 is removed, (Fig. 8). When the substrate 110 is etched using the imprinting resin 151 having the pattern as a mask, the cavity 120 can be formed on the substrate 110 by a simple and environmentally friendly process (FIG. 9). Then, the imprinting layer 151 is removed together with the release layer 152.

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. According to this embodiment, when a substrate having characteristics that an etching method should be used in forming a pattern is used, a mask having a pattern formed by the imprinting method can be manufactured, so that the process can be performed simply and environmentally friendly. FIG. 10A is a plan view of a Si substrate formed with a cavity according to the present invention, and FIG. 10B is a perspective view of FIG. 10A. It can be confirmed that the cavity 120 is formed on the substrate to form a three-dimensional nano pattern.

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. A 20 nm thick platinum thin film was deposited on the SiCN substrate and the Si substrate, and heat treated at 1,000 ° C to obtain a composite pattern structure. FIG. 11A is a plan view of a SiCN substrate formed with a composite pattern according to the present invention by an electron microscope, and FIG. 11B is a perspective view of FIG. 11A. 11A, it is confirmed that the metal dot 130 is formed between the cavity 120 and the cavity 120. FIG.

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. 12A is a plan view of a composite pattern structure obtained by depositing a platinum thin film on a Si substrate and heat-treating the same at the same temperature, and FIG. 12B is a perspective view. Similar to FIG. 11, it can be seen that a metal dot 130 is formed between the cavities 120, and each metal dot 130 is uniformly formed to form a metal dot pattern. Also, it was confirmed that the composite pattern structure 100 can be prevented from being oxidized at high temperature by using platinum which is a noble metal. According to the present invention, the metal dot is formed by dewetting the metal layer to form a metal dot pattern without loss of the metal layer. Therefore, even when using high-temperature reliable and durable noble metals such as platinum, it is possible to suppress the price increase, which can be commercialized, improve the reliability of the product, and can be used in places where oxygen exists, Do.

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. In order to identify metal dots formed on the composite pattern structure made of Si substrate, component analysis was performed. 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 the metal dot in FIG. 13A, and FIG.

도 13b에서 고온열처리로 인하여 Si기판 표면에는 SiO2가 생성되었으나 도 13c의 회절상 분석결과에 따라 백금은 산화되지 않은 순수한 백금으로 확인되었다.In FIG. 13B, SiO 2 was generated on the surface of the Si substrate due to the high-temperature heat treatment. However, according to the diffraction pattern analysis of FIG. 13C, platinum was confirmed as pure unplashed platinum.

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. FIG. 14 is a result of element analysis according to EDS (Energy Dispersive Spectrometry) analysis of a composite pattern formed according to the present invention. According to the result of the elemental analysis, the platinum dot pattern formed only represents a pure metal component, and it was confirmed that according to the present invention, a dot-shaped pattern containing only pure metal can be formed.

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. 15 is a graph showing the absorbance of the Si substrate, the Si substrate on which the metal layer-cavity is formed, and the Si substrate on which the metal dot-cavity is formed according to wavelengths. The Si substrate on which the metal layer-cavity was formed had a slightly increased absorbance over the propagation region compared to the absorbance of the Si substrate, but the absorbance at 500 nm to 1300 nm was lowered.

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. On the other hand, the Si substrate having the metal dot-cavity formed according to the present invention showed an increase in absorbance over the entire wavelength range and an increase in the absorbance in the range of 500 nm to 1300 nm. It is interpreted that the resonance effect of surface plasmon resonance increases the absorbance because the frequency of incident light is similar to the frequency of surface free electrons of metal dot.

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. 16 is a view showing a cylindrical substrate on which a composite pattern according to the present invention is formed. In the method of fabricating a composite pattern structure according to the present invention, since the nanoimprinting method is used, there are few restrictions on the shape and material of the substrate, and it is understood that metal nano patterns can be formed even on a cylindrical substrate as shown in FIG.

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.  According to another aspect of the present invention, there is provided a combustion apparatus comprising: a combustion section generating heat energy; A heat radiation part including a three-dimensional nano pattern formed by a cavity and a metal dot pattern and receiving thermal energy from the combustion part to emit radiant energy; And a photoelectric conversion unit that receives the radiant energy radiated from the thermal radiation unit and converts the radiant energy into electric energy. The composite pattern structure of the present invention has high light absorption / emission efficiency and excellent wavelength selectivity, and can be used for a thermal body of a photodetector.

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. The phototransformer is driven by raising the temperature of a heat source by burning the fuel through a combustor and supplying electric energy generated by the photovoltaic cell to the device. In the overall efficiency of the photodetector, the radiant emission distribution by wavelength of the heat radiation is a key element of the energy conversion efficiency. The composite pattern structure according to the present invention has a composite nano pattern of a metal dot formed on a surface and a three-dimensional nano pattern composed of a cavity, and thus has high light absorption / emission efficiency and excellent wavelength selectivity. Can be maximized. The wavelength selectivity of the photodetector can be adjusted as desired by adjusting the metal dot size of the metal dot pattern, the pitch of the cavity, the diameter of the cavity, and the thickness of the metal thin film.

이러한 특성에 따라, 본 발명에 따른 복합패턴구조체는 배터리의 촉매나 특정파장을 선택적으로 흡수하여 바이오물질을 센싱할 수 있는 바이오센서에 응용가능하다. According to this characteristic, the composite pattern structure according to the present invention can be applied to a biosensor capable of sensing a biomaterial by selectively absorbing a catalyst or a specific wavelength of a battery.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

100 복합패턴구조체
110 기판
120 캐비티
130 금속닷
131 금속층
140 임프린팅 패턴
151 임프린팅 레진
152 이형층
100 complex pattern structure
110 substrate
120 cavity
130 metal dot
131 metal layer
140 imprinting pattern
151 Imprinting Resin
152 release layer

Claims (12)

표면에 캐비티를 포함하는 기판; 및
상기 기판의 표면에 형성된 금속닷;을 포함하는 복합패턴구조체.
A substrate including a cavity on its surface; And
And a metal dot formed on the surface of the substrate.
청구항 1에 있어서,
상기 캐비티는 광결정특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the cavity exhibits photonic crystal characteristics.
청구항 1에 있어서,
상기 금속닷은 상기 캐비티 내부 및 상기 기판의 상면 중 적어도 어느 하나에 형성된 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the metal dot is formed on at least one of the inside of the cavity and the top surface of the substrate.
청구항 1에 있어서,
상기 금속닷은 백금, 금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the metal dot comprises at least one of platinum, gold, silver, and palladium.
청구항 1에 있어서,
상기 금속닷은 직경이 10nm 내지 900nm인 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the metal dot has a diameter of 10 nm to 900 nm.
청구항 1에 있어서,
상기 기판은 SiCN, SiC 및 Si 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체.
The method according to claim 1,
remind Wherein the substrate comprises any one of SiCN, SiC, and Si.
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.
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
And a metal dot forming step of heat treating the substrate on which the metal layer is formed to convert the metal layer into a metal dot.
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.
The method of claim 7,
Wherein the cavity forming step comprises: applying an imprinting pattern for forming a cavity on the polymer resin layer;
Ceramicizing the polymer resin; And
And removing the imprinting pattern for forming the cavity.
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.
The method of claim 7,
Wherein the cavity forming step comprises: applying an imprinting resin on the substrate;
Applying an imprinting pattern for forming a cavity on the substrate to which the imprinting resin is applied; And
And etching the substrate according to the imprinting resin to which the pattern is applied.
청구항 7에 있어서,
상기 금속닷형성단계는 상기 금속층이 열처리로 디웨팅되어 금속닷으로 변환되는 단계인 것을 특징으로 하는 복합패턴구조체 제조방법.
The method of claim 7,
Wherein the metal dot forming step is a step of dewetting the metal layer by heat treatment and converting into metal dots.
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.
A combustion section for generating heat energy;
A heat radiation part including a three-dimensional nano pattern formed by a cavity and a metal dot pattern and receiving thermal energy from the combustion part to emit radiant energy; And
And a photoelectric conversion unit that receives the radiation energy emitted from the thermal radiation unit and converts the received radiation energy into electric energy.
표면에 3차원 나노구조패턴 및 금속닷패턴을 포함하여 흡수파장선택성이 우수한 바이오센서용 감지기판.A sensing substrate for a biosensor having excellent absorption wavelength selectivity including a three-dimensional nanostructure pattern and a metal dot pattern on a surface.
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