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자외선 감지를 위한 투명 광검출 소자의 혁신적인 제조 방법

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

특허명: 투명광검출소자 및 이의 제조방법
대표 발명자: 김준동 교수
출원번호: 10-2023-0071254

발명의 배경 및 필요성

기술의 배경

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
자외선(UV) 광에 노출되는 것은 다양한 유형의 피부암 및 기타 건강 문제의 위험 요소가 될 수 있음
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
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

UV 광 모니터링 시스템은 자체 구동 작동, 비지블-블라인드(visible blind), 빠른 응답 및 장기간의 수명 안정성의 기능을 갖는 것이 매우 바람직함
그러나 지금까지, 실제적으로 사용될 정도의 성능과 1 년 이상의 기간 동안의 안정성을 갖추면서 자체 구동이 가능한 UV투명광검출소자가 현재까지 보고된 바는 없음
대부분의 고성능 투명광검출소자는 고가의 물질을 기반으로하거나, 제작과정이 어렵고 복잡하여 공정에 많은 비용이 소모되어 단가가 높은 것이 단점임
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

본 기술은 p/n 접합을 형성하는 제1금속산화물층과 제2금속산화물층을 이용한 투명 광검출 소자임
제1금속산화물층은 n형 반도체층, 제2금속산화물층은 p형 반도체층의 역할을 함
제1전극층과 제2전극층에 전압이 인가되면, 응답 전류, 응답성 등이 크게 개선될 수 있음

구체적인 구현 방법

제1전극층은 FTO를 포함하고, 제2전극층은 AgNW를 포함함
제1금속산화물층은 제1전극층 상에 ZnO를 스퍼터링 공정을 포함하는 공정에 의해 형성됨
제2금속산화물층은 제1금속산화물층 상에 리액티브 스퍼터링 공정에 의해 형성됨
제2전극층은 제2금속산화물층 위에 스핀 코팅된 AgNWs로 형성됨

기술의 장점

본 기술은 외부 전력 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지지만, 외부 전압을 인가하면 더욱 개선된 응답 특성을 보임
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

본 실험은 투명 UV 투명 광검출 소자의 광 응답 특성 및 성능을 분석하는 것을 목표로 함

실험 방법 및 과정

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
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
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

외부 전압 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지지만, -0.5 V부터 0.4 V까지의 외부전압을 인가하면 응답 전류, 응답성 등이 크게 개선됨
분광 광도계를 이용한 투과율 측정 결과, 투명 UV 투명 광검출 소자는 투과율이 높음

발명의 활용 방안

제품과 서비스의 적용

본 발명에 따른 투명광검출소자는 스퍼터링 시스템을 이용하여 P-type NiO와 N-type ZnO 이종접합 구조의 UV 광검출기로 제공될 수 있음
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
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

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
저렴하고 단순화된 공정을 기반으로 하는 투명 광검출소자는 대면적 디스플레이, 웨어러블 디바이스, 각종 센서, 창문 등 다양한 곳에 활용될 수 있어 뛰어난 범용성을 가짐
스스로 구동하는 특징을 가진 투명광검출소자는 인간의 시각을 방해하지 않으면서도, 향후 IoT 제품응용 분야와 휴먼 일렉트로닉스 등 다양하게 적용될 수 있음

기대효과

기술적 혁신

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
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

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
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

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

외부 전력 없이도 투명 광검출 소자로서 우수한 성능을 가지며, 외부 전압을 인가하면 더욱 개선된 응답 특성을 보입니다.
간단한 나노 구조로 빠르게 구현할 수 있으며, 금속 산화물은 지구상에 풍부하게 존재하여 비교적 낮은 원재료 가격을 가져 상업적으로 이점이 있습니다.

Weaknesses

제조 과정의 복잡성

스퍼터링 공정을 포함하는 제조 과정이 복잡하여 제조에 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

Opportunities

다양한 산업 분야에 활용 가능

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

기존에 널리 사용되고 있는 다른 광검출 소자 제품들과의 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.

시장 동향

반도체 시장 동향

웨어러블 디바이스 시장 동향

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 고소라 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: ksr@inu.ac.kr
인천대학교 산학협력단
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