요약
본 기술은 NiO/ZnO의 금속 산화물 이종접합을 이용한 투명광검출소자 및 이의 제조방법을 제공합니다. 이 기술은 외부 전력 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지며, 외부 전압을 인가하면 더욱 개선된 응답 특성을 보입니다. 또한, 간단한 나노 구조로 빠르게 구현할 수 있으며, 금속 산화물은 지구상에 풍부하게 존재하여 비교적 낮은 원재료 가격을 가져 상업적으로 이점이 있습니다. 이를 통해 투명한 특성과 바이어스 조율을 통해 저 전력-고성능 디바이스로 사용될 수 있어 웨어러블 디바이스, 온-디스플레이 디바이스, 건물 유리창, 휴먼 일렉트로닉스 등 광 검출 센서를 필요로 하는 산업 전반에 사용될 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 투명광검출소자 및 이의 제조방법
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대표 발명자: 김준동 교수
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출원번호: 10-2023-0071254
발명의 배경 및 필요성
기술의 배경
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가시광선은 태양 스펙트럼의 에너지 양의 약 50%를 차지하며, 사람의 눈은 가시광선을 볼 수 있지만 자외선(UV) 또는 적외선(IR)과 같은 단파장 또는 장파장 조명을 보지는 못함
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자외선(UV) 광에 노출되는 것은 다양한 유형의 피부암 및 기타 건강 문제의 위험 요소가 될 수 있음
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UV 광은 UV-A (320~400nm), UV-B (280~320nm) 및 UV-C (100~280n m)로 분류 할 수 있으며, UV-B 스펙트럼은 인체에서 비타민 D를 생산하는 데 필수적이나, 과도한 UV 광에 대한 노출은 피부암, 안구 질환에 위험하므로 UV 광에 대한 노출을 모니터링하고 통제해야 하는 필요성이 있음
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투명광검출소자는 현재 화재 감지기, 자외선 검출기, 환경 센서 등 많은 분야에서 사용되고 있으며, 특히 UV투명광검출소자는 피부암, 면역 체계 손상, 노화 등 인간의 건강에 심대한 영향을 끼치는 자외선(ultraviolet: UV) 을 감지하는 소자로써 최근 수요가 꾸준하게 증가하고 있음
기술의 필요성
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UV 광 모니터링 시스템은 자체 구동 작동, 비지블-블라인드(visible blind), 빠른 응답 및 장기간의 수명 안정성의 기능을 갖는 것이 매우 바람직함
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그러나 지금까지, 실제적으로 사용될 정도의 성능과 1 년 이상의 기간 동안의 안정성을 갖추면서 자체 구동이 가능한 UV투명광검출소자가 현재까지 보고된 바는 없음
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대부분의 고성능 투명광검출소자는 고가의 물질을 기반으로하거나, 제작과정이 어렵고 복잡하여 공정에 많은 비용이 소모되어 단가가 높은 것이 단점임
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본 발명의 목적은 NiO/ZnO의 금속 산화물 이종접합을 이용하여, 높은 광전변환 효율을 가지고, 응답특성이 개선되었으며, 오랜 기간 동안 안정적으로 동작할 수 있는, 투명광검출소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것임
구현방법
기술의 원리
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본 기술은 p/n 접합을 형성하는 제1금속산화물층과 제2금속산화물층을 이용한 투명 광검출 소자임
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제1금속산화물층은 n형 반도체층, 제2금속산화물층은 p형 반도체층의 역할을 함
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제1전극층과 제2전극층에 전압이 인가되면, 응답 전류, 응답성 등이 크게 개선될 수 있음
구체적인 구현 방법
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제1전극층은 FTO를 포함하고, 제2전극층은 AgNW를 포함함
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제1금속산화물층은 제1전극층 상에 ZnO를 스퍼터링 공정을 포함하는 공정에 의해 형성됨
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제2금속산화물층은 제1금속산화물층 상에 리액티브 스퍼터링 공정에 의해 형성됨
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제2전극층은 제2금속산화물층 위에 스핀 코팅된 AgNWs로 형성됨
기술의 장점
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본 기술은 외부 전력 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지지만, 외부 전압을 인가하면 더욱 개선된 응답 특성을 보임
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간단한 나노 구조로 빠르게 구현할 수 있으며, 금속 산화물은 지구상에 풍부하게 존재하여 비교적 낮은 원재료 가격을 가져 상업적으로 이점이 있음
실험 및 결과
실험의 목적
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본 실험은 투명 UV 투명 광검출 소자의 광 응답 특성 및 성능을 분석하는 것을 목표로 함
실험 방법 및 과정
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FTO-coated glass 위에 ZnO를 RF power 100 내지 1000W, 공정압력 1 내지 10 mTorr, 분위기 조건은 Ar 10 내지 200 sccm으로 5분 내지 60분 동안 마그네트론 스퍼터링 공정으로 증착하였음
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다음 단계에서는, Ni를 O2와 reactive sputtering하여 NiO층을 구성하기 위해 sputtering system을 이용하여 DC power 10 내지 100 W, 공정압력 1 내지 10mTorr, Ar 5 내지 100 sccm으로 증착하며 추가적으로 O2 gas 1 내지 10 sccm의 분위기를 형성하여, NiO층을 구성하였음
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AgNWs 층에 +전극을, FTO층에 -전극을 접촉시키며 -0.5 V부터 0.4 V까지 외부전압을 인가하며 50 Hz 주파수의 UV light를 소자에 조사시키며 광전류를 측정함
실험 결과
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외부 전압 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지지만, -0.5 V부터 0.4 V까지의 외부전압을 인가하면 응답 전류, 응답성 등이 크게 개선됨
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분광 광도계를 이용한 투과율 측정 결과, 투명 UV 투명 광검출 소자는 투과율이 높음
발명의 활용 방안
제품과 서비스의 적용
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본 발명에 따른 투명광검출소자는 스퍼터링 시스템을 이용하여 P-type NiO와 N-type ZnO 이종접합 구조의 UV 광검출기로 제공될 수 있음
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투명한 n-ZnO/p-NiO 소자로서, 광전효과에 의해 무전력 작동이 가능하며, 다이오드 특성이 사라지는 항복전압보다 낮은 전압에서 역방향 전압을 인가함으로써, 응답속도, 하강속도, 광전류의 세기 모든 측면에서 특성이 향상되는 투명 광검출소자 제공 가능함
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스스로 동작하는 투명 광전소자에 대한 작동을 포함하여, 외부 전압의 조율(tuning)을 통해 더 높은 효율을 낼 수 있는 고성능 투명광검출소자 제공 가능함
산업 및 사회적 가치의 창출
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투명한 특성과 바이어스 조율을 통해 저 전력-고성능 디바이스로 사용될 수 있는 이점으로 인하여 웨어러블 디바이스, 온-디스플레이 디바이스, 건물 유리창, 휴먼 일렉트로닉스 등 광 검출 센서를 필요로 하는 산업 전반에 사용될 수 있음
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저렴하고 단순화된 공정을 기반으로 하는 투명 광검출소자는 대면적 디스플레이, 웨어러블 디바이스, 각종 센서, 창문 등 다양한 곳에 활용될 수 있어 뛰어난 범용성을 가짐
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스스로 구동하는 특징을 가진 투명광검출소자는 인간의 시각을 방해하지 않으면서도, 향후 IoT 제품응용 분야와 휴먼 일렉트로닉스 등 다양하게 적용될 수 있음
기대효과
기술적 혁신
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본 발명에 따른 투명광검출소자는 스퍼터링 시스템을 사용하여 P-type NiO와 N-type ZnO 이종접합 구조의 UV 광검출기를 제공, 투명한 n-ZnO/p-NiO 소자로서, 광전효과에 의해 무전력 작동이 가능하고, 다이오드 특성이 사라지는 항복전압보다 낮은 전압에서 역방향 전압을 인가함으로써, 응답속도, 하강속도, 광전류의 세기 모든 측면에서 특성이 향상되는 기술적 혁신을 달성함
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스스로 동작하는 투명 광전소자에 대한 작동을 포함하여, 외부 전압의 조율(tuning)을 통해 더 높은 효율을 낼 수 있는 고성능 투명광검출소자 제공 가능함
사회적 가치
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투명한 특성과 바이어스 조율을 통해 저 전력-고성능 디바이스로 사용될 수 있는 이점으로 인하여 웨어러블 디바이스, 온-디스플레이 디바이스, 건물 유리창, 휴먼 일렉트로닉스 등 광 검출 센서를 필요로 하는 산업 전반에 사용될 수 있어, 사회적 가치를 창출함
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다양한 곳에 활용될 수 있어 뛰어난 범용성을 가지며, IoT 제품응용 분야와 휴먼 일렉트로닉스 등 다양하게 적용될 수 있어 제품의 다양성과 편의성을 높일 수 있음
장기적인 비전
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본 발명에 따른 투명광검출소자는 웨어러블 디바이스, 온-디스플레이 디바이스, 건물 유리창, 휴먼 일렉트로닉스 등 광 검출 센서를 필요로 하는 산업 전반에 사용될 수 있어, 반도체 및 관련 산업의 성장과 기술 발전에 기여할 것으로 기대됨
기술 SWOT 분석
Strengths
고성능 투명광검출소자 제공
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외부 전력 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지며, 외부 전압을 인가하면 더욱 개선된 응답 특성을 보입니다.
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간단한 나노 구조로 빠르게 구현할 수 있으며, 금속 산화물은 지구상에 풍부하게 존재하여 비교적 낮은 원재료 가격을 가져 상업적으로 이점이 있습니다.
Weaknesses
제조 과정의 복잡성
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스퍼터링 공정을 포함하는 제조 과정이 복잡하여 제조에 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
Opportunities
다양한 산업 분야에 활용 가능
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투명한 특성과 바이어스 조율을 통해 저 전력-고성능 디바이스로 사용될 수 있는 이점으로 인하여 웨어러블 디바이스, 온-디스플레이 디바이스, 건물 유리창, 휴먼 일렉트로닉스 등 광 검출 센서를 필요로 하는 산업 전반에 사용될 수 있습니다.
Threats
기존의 광검출 소자와의 경쟁
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기존에 널리 사용되고 있는 다른 광검출 소자 제품들과의 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.
시장 동향
반도체 시장 동향
웨어러블 디바이스 시장 동향
대표도면
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