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KR-20260062036-A - NANOSTRUCTURE FORMING MATERIAL USING FERROELECTRIC NANOPARTICLES HAVING PEROVSKITE STRUCTURES, METAHOLOGRAM FORMED USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

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Abstract

본 발명은 메타홀로그램 제조를 위한 나노 구조체 형성 소재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 나노 구조체 소재는, 입사광의 파장 및 위상 중 하나 이상을 변조시키는 복수의 페로브스카이트 나노 입자, 상기 복수의 페로브스카이트 나노 입자를 분산시키는 고분자 안정제 광개시제(photo-initiator) 및 열개시제(thermal-initiator) 중 어느 하나를 포함하는 개시제, 단량체 및 분산 용매를 포함한다.

Inventors

  • 이헌
  • 김원중
  • 박찬웅
  • 성한상
  • 이승연

Assignees

  • 고려대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251001
Priority Date
20241028

Claims (7)

  1. 입사광의 파장 및 위상 중 하나 이상을 변조시키는 복수의 페로브스카이트 나노 입자; 상기 복수의 페로브스카이트 나노 입자를 분산시키는 고분자 안정제; 광개시제(photo-initiator) 및 열개시제(thermal-initiator) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 개시제; 단량체; 및 분산 용매를 포함하여 고분자 레진을 포함하는 나노 구조체 형성 소재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 페로브스카이트 나노 입자는, 바륨티타늄산화물(BaTiO 3 ), 스트론튬티타늄산화물(SrTiO 3 ), 칼슘티타늄산화물(CaTiO 3 ), 백금티타늄산화물(PbTiO 3 ), 칼륨니오븀산화물(KNbO 3 ), 나트륨니오븀산화물(NaNbO 3 ) 및 KNN 세라믹스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 페로브스카이트 나노 입자인 나노 구조체 형성 소재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 페로브스카이트 나노 입자는, 평균 직경이 10 nm 내지 100 nm인 나노 구조체 형성 소재.
  4. 제1항에 있어서, 나노 구조체 형성 소재 전체 중량에 대하여, 상기 복수의 페로브스카이트 나노 입자 0.1wt% 내지 10wt%, 상기 단량체(monomer)는 0.5wt% 내지 2.6wt%, 상기 하나 이상의 개시제 0.2wt% 내지 1.3wt% 및 상기 고분자 안정제 0.5wt% 내지 1.5wt%를 포함하는 나노 구조체 형성 소재.
  5. 입사광의 파장과 위상을 변조시키는 복수의 페로브스카이트 나노 입자, 광개시제(photo-initiator) 및 열개시제(thermal-initiator) 중 어느 하나의 개시제, 상기 복수의 페로브스카이트 나노 입자를 분산시키는 고분자 안정제, 단량체(monomer) 및 분산 용매를 포함하는 고굴절률 나노 구조체 형성 소재가 고분자 복제 몰드에 적용된 후, 자외선 또는 열과 함께 압력을 인가받아, 페로브스카이트 구조 및 강유전성을 갖는 메타원자로 형성된 고굴절률 나노 구조체 패턴을 가지는 메타홀로그램.
  6. 나노 구조체 패턴이 형성된 마스터 스탬프를 준비하는 단계; 상기 마스터 스탬프를 이용하여 나노 구조체 패턴이 전사된 고분자 복제 몰드를 제조하는 단계; 상기 고분자 복제 몰드에 페로브스카이트 나노 입자가 포함된 고분자 레진을 적용한 후 자외선 또는 열과 압력을 가하여 경화하여 나노 구조체 패턴을 형성하는 단계; 및 메타홀로그램을 분리하는 단계를 포함하는 메타홀로그램 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고분자 복제 몰드는, 폴리디메틸실록산(Polydimethyl siloxane, PDMS), 하드-폴리디메틸실록산(hard-Polydimethyl siloxane, h-PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether, PFPE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리머를 포함하는 메타홀로그램 제조 방법.

Description

페로브스카이트 구조를 갖는 강유전성 나노 입자를 이용한 나노 구조체 형성 소재, 이를 활용하여 형성된 메타홀로그램 및 그 제조 방법{NANOSTRUCTURE FORMING MATERIAL USING FERROELECTRIC NANOPARTICLES HAVING PEROVSKITE STRUCTURES, METAHOLOGRAM FORMED USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF} 본 발명은 고굴절률 나노 입자를 이용하여 단일 공정으로 나노 구조체 패턴을 형성하고, 이를 활용하여 메타홀로그램을 제조하는 기술적 분야에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 페로브스카이트 구조를 갖는 강유전성 나노 입자를 이용한 나노 구조체의 형성 소재, 이를 활용하여 형성된 메타홀로그램 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 메타표면(meta-surface)은 평면위에 특정한 구조와 배열을 가진 메타원자로 이루어져 있으며, 입사광의 위상과 진폭을 변경하여 고유한 광학 성질을 갖는 2차원 물질 또는 표면을 정의한다. 상기 메타표면에 입사광이 통과하면 메타원자는 빛의 위상과 진폭을 변경하고, 이로 인하여 메타표면이 자연에 존재하지 않는 고유한 광학 성질을 갖는다. 상기와 같은 특성을 갖는 메타표면은 메타렌즈, 메타홀로그램, 광학 클로킹, 광도파관 및 컬러 필터와 같은 다양한 기술에서 실현 및 응용할 수 있다. 특히, 메타홀로그램은 메타표면을 사용하여 원하는 이미지를 생성하는 기술로, 증강 현실(AR), 가상 현실(VR), 3차원 디스플레이 및 의료 영상 분야에서 주목을 받고 있다. 상기 메타홀로그램은 나노미터 수준에서 정밀하게 배열된 구조가 필요하므로 고해상도의 리소그래피 기술이 적용된다. 일반적으로, 상기 메타표면은 (1) 기판 위에 물질의 박막 형성, (2) 전자빔 리소그래피(EBL, Electron beam lithography)를 통한 패턴 형성, (3) 반응성 이온 식각(Reactive ion etching), (4) 레지스트 애싱(Resist ashing)의 탑-다운(top-down) 방식의 공정을 거쳐 제작된다. 상기 공정 중 전자빔 리소그래피(Electron beam lithography, EBL)는 단파장을 사용하여 서브 파장 구조를 형성하기 위해 많이 사용되고 있다. 그러나, 상기 EBL에서 자주 사용되는 전자의 에너지는 수십 키로 전자볼트(kV) 수준이며, 이 경우 전자의 파장은 약 0.01 나노미터(nm) 수준에 불과한 것으로 알려져 있다. 상기와 같은 단 파장은 서브 파장 구조를 만드는데 매우 유리하지만 한 번에 하나의 점(point) 단위로 pix-by-pix 패턴을 형성하기 때문에 생산성이 매우 낮다는 문제가 있다. 반면에, 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, NIL)는 낮은 제조 비용, 높은 처리 속도, 고해상도의 패턴 구현 등의 특성을 갖는 효율적인 리소그래피 방법이다. 상기 NIL은 나노 입자를 광경화 폴리머나 열경화 폴리머와 혼합하여 기판위에 도포한 후, 표면에 패턴 형상이 전사된 임프린트 몰드로 가압하여 나노 구조물의 형태를 만든 뒤 빛이나 열을 가하여 경화시킨 뒤 몰드를 제거하여 기판 표면위에 메타원자 어레이(array)을 형성하도록 한다. 하지만, 기존의 NIL 방식의 경우 박막 증착, 식각(etching) 등과 같은 2차 작업이 필요하다는 문제가 있다. 구체적으로, 기존의 메타표면은 기판 상에 고굴절률 물질의 박막을 증착하고, EBL, 식각, 애싱(ashing) 등의 과정을 수행하는 탑-다운 방식으로 제작된다. 이와 같은 경우 매우 정밀하고 복잡한 공정이 필요하며, 고가의 전자빔 생성 장치 및 진공장비가 필요하다. 또한, 메타표면의 대량 생산 시 비용 효율성이 떨어지며 제한된 재료만을 사용할 수 있으므로 다양한 재료 활용에 제약이 있다. 도 1은 실시예에 따른 메타홀로그램 제조방법을 나타낸 공정도이다. 도 2는 실시예에 따른 BaTiO3 나노 입자가 포함된 고분자 레진을 이용한 메타홀로그램 제작 방법의 각 단계를 나타낸 상태도이다. 도 3은 실시예에 따른 BaTiO3 나노 입자가 포함된 고분자 레진을 이용한 메타홀로그램 제작 방법으로 제조한 메타홀로그램 및 효율을 나타내는 이미지이다. 도 4는 실시예에 따른 메타홀로그램의 BaTiO3 함유량에 따른 굴절률(Refractive index, n)과 소광 계수(extinction coefficient, k)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5는 일 실시예에 따라 8wt%의 BaTiO₃를 포함하는 고분자 레진의 강유전 특성을 측정한 결과이다. 도 6은 실시예에 따른 메타홀로그램을 구성하는 메타원자로 구성된 원통형 나노 구조 및 제조된 메타홀로그램의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다. 도 7은 실시예에 따른 메타홀로그램을 구성하는 메타원자로 구성된 원통형 나노 구조의 지름 변환에 따른 빛의 위상 지연(phase shift)과 투과도(transmittance) 변화 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 도 8은 실시예에 따른 메타홀로그램 제조에 사용된 페로브스카이트 나노 입자의 입도 분포 분석 결과 그래프(a)와 요약표(b)이다. 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다. 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 실시예에 따른 페로브스카이트 구조 및 강유전성을 가진 나노 입자를 이용한 나노 구조체 형성 소재는 입사광의 파장 및 위상 중 하나 이상을 변조시키는 복수의 페로브스카이트 나노 입자, 상기 복수의 페로브스카이트 나노 입자를 분산시키는 고분자 안정제, 광개시제(photo-initiator) 및 열개시제(thermal-initiator) 중 어느 하나의 개시제, 단량체 및 분산 용매를 포함하는 고분자 레진으로 형성될 수 있다. 상기 고분자 레진 상태의 상기 나노 구조체 형성 소재는 고분자 복제 몰드에 적용되어 페로브스카이트 구조 및 강유전성의 메타원자로 형성된 고굴절률 나노 구조체 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 페로브스카이트 나노 입자는 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다. [화학식 1] ABX3 상기 화학식 1에서 A와 B는 금속 양이온을 의미하고, X는 산소 또는 할로겐 원소를 의미한다. 일반적으로, 상기 페로브스카이트 나노 입자는 정육면제 구조를 가지며, 이에 따라, 상기 페로브스카이트 나노 입자는 다양한 원소로 치환될 수 있고, 광범위한 화합물을 형성할 수 있다. 또한, 강유전체는 자발적인 분극을 가진 물질로 분극을 외부 전기장에 의해 방향을 바꿀 수 있는 특징을 가진다. 상기 강유전체는 전기장-분극 곡선에서 히스테리시스 루프를 나타낸다는 특성이 있다. 상기와 같은 페로브스카이트 구조와 함께 강유전성을 나타내는 페로브스카이트 나노 입자는 바륨티타늄산화물(BaTiO3), 스트론튬티타늄산화물(SrTiO3), 칼슘티타늄산화물(CaTiO3), 백금티타늄산화물(PbTiO3), 칼륨니오븀산화물(KNbO3), 나트륨니오븀산화물(NaNbO3) 및 KNN 세라믹스 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다. 상기 페로브스카이트 나노 입자