나노 개발 및 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13387(2023) 이 기사 인용

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사회가 스마트해짐에 따라 가시광선과 근적외선 영역을 활용한 첨단 광 센싱 및 이미징 기술이 점차 보편화되고 있습니다. 광대역 전자파에 사용할 수 있는 와이어 그리드 편광판은 이러한 광학 시스템의 신호 대 잡음비를 개선하고 보다 진보된 물체 감지 및 분석을 가능하게 하는 데 효과적입니다. 그러나 일상생활용품에 구현되기 위해서는 고성능 광학기능을 유지하면서 저가의 제조방법이 개발되어야 한다. 이러한 요구 사항을 충족시키기 위해 와이어 그리드 편광판의 기하학적 구조를 분석하고, 범용 제조 장비를 사용하여 제작할 수 있는 나노 삼각파형 구조의 와이어 그리드 편광판을 설계 및 개발했습니다. 금형이 준비되면 이 편광판은 나노임프린팅과 법선각 금속 증착 또는 무전해 도금 공정을 통해 제작할 수 있습니다. 무전해 Ni 도금을 통해 제작된 편광판은 동일한 주기의 직사각형 구조에 무전해 Ni 도금을 적용한 이전 연구에 비해 약 1.4배 높은 투과율 40%를 달성하였다. 또한, 법각 Al 증착을 통해 제작된 편광판은 가시광선부터 근적외선까지 넓은 범위의 파장에 걸쳐 작동하며, 파장 550nm에서 24dB의 편광소광비와 81%의 높은 투과율을 달성한다. 기존 직사각형 구조 기반의 와이어 그리드 편광판 제조에 사용되는 경사각 증착 방식과 달리 범용 장비를 이용한 수직각 증착을 통해 고성능 편광판을 얻을 수 있어 원가 절감 및 제조 용이성 향상에 기여한다.

편광판은 광학 감지 및 광학 이미징과 같은 광학 기술에 사용되는 중요한 광학 요소입니다. 앞으로 스마트 사회가 건설되면서 편광판 수요는 더욱 늘어날 전망이다. 가시광선부터 근적외선까지의 빛을 이용한 응용은 디스플레이에만 국한되지 않습니다. 최근에는 자동 운전1,2,3,4, 로봇5,6, 스마트폰7, 생물학적 이미징 시스템8,9,10 및 보안 시스템11,12을 위한 빛 감지 및 거리 측정 시스템에 사용되었습니다. 그 결과 편광판에 대한 연구개발이 크게 발전하여 메타물질 편광판13,14, 탄소나노튜브 편광판15,16,17, 다층 편광판18,19이 등장하고 제안 및 실증되었다. 현재 시중에 나와 있는 편광판은 대부분 이색성 염료 기반 편광판이다. 기능 파장의 범위를 넓히는 것은 어렵고 근적외선 영역에서 편광판의 선택은 제한적입니다. 와이어 그리드 편광판(WGP)은 서브파장 이방성 구조의 형상과 재료를 제어하여 가시광선부터 근적외선 영역까지 광대역 파장에 걸쳐 고성능을 나타내기 때문에 유망한 후보입니다.

그러나 일반적인 WGP의 높은 제조 비용으로 인해 적용이 제한됩니다. 향후 다양한 형태의 광학계에 채용되기 위해서는 저비용의 제조방법이 요구된다. 필요한 하위 파장을 가진 금속 구조를 제작하기 위해 보다 전통적인 접근 방식은 전자빔 리소그래피와 Al 에칭을 사용하는 것입니다. 대안적인 접근법으로 전자빔 리소그래피 대신 간섭 노출과 나노임프린팅을 사용하는 방법이 보고되었습니다. 나노임프린팅(Nanoimprinting)은 나노구조체 형성 방법 중 상대적으로 가격이 저렴한 금형 기반 형성 방법이다. 그 후 경사각 증착25,26,27 및 경사각 증착28,29과 같이 Al 식각을 필요로 하지 않는 다양한 나노임프린팅 공정 기반 방법이 보고되었습니다. 불필요한 금속부분을 제거할 필요가 없으므로 제조공정을 단축할 수 있고, 제조성을 향상시킬 수 있다. 그러나 경사각 증착을 위해서는 특수 장비가 필요하고 증착 각도에 대한 요구 정확도가 높기 때문에 범용 장비를 사용하여 제작할 수 있는 수직 각도의 진공 증착을 이용한 여러 WGP가 보고된 바 있다30,31,32,33, 34,35. 또한, 진공 증착 방법을 활용하지 않는 용액 공정을 통해 생산된 WGP도 보고되었습니다36,37,38,39; 그럼에도 불구하고 진공 증착을 통해 생산된 WGP에 비해 성능이 떨어집니다. 따라서 차세대 응용 분야에 구현하기 위한 저가형 고성능 WGP의 연구 개발에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다. 본 기술의 구현은 첨단 광센싱 및 영상처리 시스템의 확산에 크게 기여하고, 보다 안전하고 보안성이 뛰어난 스마트 사회를 구현하는 데 크게 기여할 것으로 기대됩니다.