Al2O3 기판위에 Ge/ZnS 다층박막을 이용한 적외선 대역 투과필터의 제작 및 특성연구

국문 초록 (Abstract)

목적: Al2O3 기판위에 Ge/ZnS 다층박막을 이용하여 중심파장 3450nm에서 반치폭이 약 150nm이고 투과율이 약 95%인 중 적외선 투과필터를 제작하고, 이 필터의 박막 특성을 연구하였다. 방법: 설계에 있어 기판의 한 면은 장파장 투과 필터로,다른 면은 단파장 투과 필터로 코팅한 후 한개의 기판을 중심으로 전면에는 장파장 투과 필터를 후면에는 단파장 투과 필터를 합성하여 중적외선 대역투과 필터를 설계하였다.또한 전자빔 증착장비를 이용하여Ge/ZnS 다층박막 중적외선 대역 투과 필터를 제작한 후, FTIR을 이용하여 투과율을 측정하였고, XRD 데이타로부터 박막의 구조를 분석하였으며, XPS분석으로부터 박막 성분을 확인하였다. 결과: 장파장 투과 필터는 기준파장 2700nm에서 [air/0.490H 0.904L 0.952H 1.086L 1.747H 0.489L (HL)9 H 0.350L 1.616H/Al2O3 substrate]와 같이 설계되었으며, 이때 고굴절률(H)과 저굴절률(L) 물질은 각각 Ge과 ZnS이였다. 또한 단파장 투과필터는 기준파장 4200nm에서 [air/1.261H (LH)7 0.921L 1.306H/Al2O3 substrate]와 같이 설계되었으며, 고굴절률 물질과 저굴절률 물질은 장파장 투과필터와 동일하였다. 설계를 바탕으로 제작한 적외선 투과 필터의 최대파장피크가 제작조건의 변화에 의거하여 이론치에 비해 약 30nm 오른쪽 이동되어 있는 것을 확인하였다. 제작된 필터의 ZnS층이 cubic (111) 결정구조를 가지고 있는 것을 XRD분석으로 확인하였으며, XPS분석에 의해 Ge층이 맨 위층이며 ZnS층과 교번인 다층막으로 형성돼 있다는 것을 확인할 수 있었다. 결론: Al2O3 기판위에 Ge와 ZnS를 교번으로, 한 면은 27층의 장파장 투과필터로 구성되고, 다른 면은 17층의 단파장 투과 필터의 다층박막을 제작하여, 3450nm 중심파장에서 150nm 반치폭을 갖으며 투과율은 약 95%인 중적외선 대역 투과 필터를 제작하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: The mid-infrared bandpass filters with a 3450nm central wavelength of 95% transmittance and 150nm FWHM using Ge/ZnS mutilayer were fabricated on Al2O3 substrate, and their characteristics were studied. Method: In design of the mid-infrared bandpass filters, one surface and the other surface on Al2O3 substrate was composed of longwave-pass filter, and shortwave-pass filter, respectively. IR filters were made by electron beam evaporation apparatus and the transmittaces of the filters were measured by FTIR. The structures of IR filters were assessed by XRD patterns and the compositions of filters were analysed with XPS. Results: The optimization for the longwave-pass filter at reference wavelength of 2700nm was [air/0.490H 0.904L 0.952H 1.086L 1.747H 0.489L (HL)9 H 0.350L 1.616H/Al2O3 substrate], in which the high and low refractive materials are Ge and ZnS, respectively. The optimization for the short-pass filter at reference wavelength of 4200nm was [air/1.261H (LH)7 0.921L 1.306H/Al2O3 substrate], in which the high and low refractive material are the same as the materials of longwave-pass filter. IR filters were fabricated on the basis of simulation data, of which the peak of the maximun transmittance was shifted to the right of about 30nm wavelength when compared with simulation data. It was known that ZnS thin film has a cubic structure with a (111) crystal surface and the structure of Ge thin film was amorphous from XRD patterns of the filter, and Ge layer was deposited on top of Ge/ZnS mutilayer and the filter was consisted of alternating layers of Ge and ZnS layer from XPS analysis of IR filters. Conclusions: One surface and the other surface of IR filter using alterating layer of Ge and ZnS were designed for longwave-pass filter, and shortwave-pass filter, respectively. The infrared bandpass filters with a 3450nm central wavelength of 95% transmittance and 150nm FWHM were fabricated on Al2O3 substrate.

참고문헌 (Reference)

1 김기현, "The relative performance of NDIR-based sensors in the near real-time analysis of CO2 in air" MOLECULAR DIVERSITY PRESERVATION INT 7 (7): 1683-1696, 200709

2 Park MC, "The fabrication and surface analysis of TiN, TiC coating on the Ti temple by Ion Plating Method" 2 (2): 45-51, 2006

3 Yan RG, "Researches on a practical system for concentration detection of human exhaled CO2 gas" 2 (2): 20-23, 2009

4 Henson DB, "Optometric Instrumentation, 2nd ed" Butterworth-Heinemann 177-186, 1996

5 최훈, "NDIR 검출기를 이용하는 대기오염 측정시스템을 위한 미세신호 검출 알고리즘" 대한전자공학회 45 (45): 27-35, 2008

6 Moulder JF, "Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, 2nd ed" Physical Electronics Inc. 92-, 1995

7 Hwangbo CK, "Determination Of Optical Constants and Thickness of Weakly Absorbing Thin Films Using An Envelope Method" 3 (3): 1-10, 1992

8 Kaneysu K, "A carbon dioxide gas sensor based on solid eletrolyte for air quality control" 66 : 56-58, 2000