KR20170136062A

KR20170136062A - 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20170136062A
Application number: KR1020160066559A
Authority: KR
Inventors: 김준형; 정윤석; 박인철; 오진경; 조정훈; 강태형; 박규하; 류광춘; 강용문
Original assignee: 지오씨 주식회사
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-12-11
Also published as: KR101823096B1

Abstract

본 발명은 평판형 분광 모듈에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼의 상면으로부터 하방으로 식각하여 상부가 열린 내부공간을 갖되 광원이 결합되는 광진입면에 대해 이격되어 상방으로 연장되게 형성되며 광원으로부터 출사된 광을 광진입면과 직교하는 제1측면을 향하여 반사시키되 호형으로 형성되어 내부공간을 광도파공간과 메인 보조공간으로 분할하는 반사격벽이 광진입면에 대향되게 형성된 하부판과, 하부판의 제1측면에 장착되어 반사격벽으로부터 입사된 광을 제1측면에 대향되는 제2측면으로 회절시켜 출사하는 회절격자와, 하부판의 제2측면에 설치되어 회절격자를 통해 분광된 광을 검출하는 수광소자와, 하부판의 상면에 결합되어 내부공간의 상부를 외부에 대해 폐쇄하는 상부판을 구비한다. 이러한 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법에 의하면, 웨이퍼 식각공정을 통해 제작할 수 있어 제조가 용이하며, 광손실도 억제할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

평판형 분광 모듈 및 그 제조방법{spectral module and method of manufacturing the same}

본 발명은 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 호형 반사면과 회절격자를 통해 입사광을 분광시킬 수 있도록 된 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 분광기는 과일 당도 선별 및 성분 분석 등의 다양한 용도로 이용되고 있다.

현재 개발된 소형 분광기는 회절격자형이 거의 대부분인데, 지금까지 대부분의 분광기는 균일한 격자주기를 갖는 평탄한 회절격자에 평행광을 입사시켜 분광하는 방식이 이용되었다

이러한 방식에서는 분광기에 입사되어 발산하는 점광원(또는, 입력슬릿의 광)이 예컨대, 거울 또는 렌즈 등에 의해 평행광으로 변환되며, 이를 회절격자로 분광 회절시킨 다음 다시 거울 또는 렌즈 등을 써서 수렴광으로 출사 점광원(또는, 출력슬릿)에 결상하여 파장을 분리하게된다.

이러한 방식은 자이스(Zeiss)사 및 오션옵틱(Ocean Optics)사 등의 광학계에 사용되고 있는데, 이들은 두 개의 오목거울 (Concave Mirror)과 홀로그램 회절격자판을 사용하여 3차원 공간상에서 파장을 분리하는 공간광학(free space optics) 타입의 분광광학계를 개발하였다. 하지만 이러한 기술들은 정교한 회절격자와 광학미러 등을 자유공간에 구성함으로서 우수한 분광특성을 얻을 수는 있으나, 분광기의 크기가 커지고, 고가이며, 충격에 약한 단점이 있다.

따라서 광학정렬이 복잡하고, 소형화 및 대량생산이 어려우며 저가화에 불리하다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 본 출원인은 등록특허 제10-1154714호를 통해 평판형 분광기를 제안한 바 있다.

그런데, 상기 평판형 분광기를 폴리머를 이용하여 클래드층을 형성하는 경우 비용이 높아지고, 통상 500㎛ 두께를 갖는 웨이퍼를 연마하여 도광판을 형성하는 경우 얇은 두께에 의해 연마 과정에서 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 웨이퍼 식각공정을 통해 제작성이 좋으면서도 광손실을 억제할 수 있는 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 평판형 분광 모듈은 실리콘 웨이퍼의 상면으로부터 하방으로 식각하여 상부가 열린 내부공간을 갖되 광원이 결합되는 광진입면에 대해 이격되어 상방으로 연장되게 형성되며 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 광진입면과 직교하는 제1측면을 향하여 반사시키되 호형으로 형성되어 상기 내부공간을 광도파공간과 메인 보조공간으로 분할하는 반사격벽이 상기 광진입면에 대향되게 형성된 하부판과; 상기 하부판의 상기 제1측면에 장착되어 상기 반사격벽으로부터 입사된 광을 상기 제1측면에 대향되는 제2측면으로 회절시켜 출사하는 회절격자와; 상기 하부판의 상기 제2측면에 설치되어 상기 회절격자를 통해 분광된 광을 검출하는 수광소자와; 상기 하부판의 상면에 결합되어 상기 내부공간의 상부를 외부에 대해 폐쇄하는 상부판;을 구비한다.

바람직하게는 상기 제1측면과 상기 광진입면 사이와, 상기 제2측면과 상기 광진입면 사이에 상방으로 연장되어 서브 보조공간을 형성하는 보조격벽을 더 구비하고, 상기 메인 보조공간과 서브 보조공간에는 상기 하부판과 상기 상부판을상호 접합시키는 접착제가 충진되어 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 평판형 분광모듈의 제조방법은 가. 실리콘 웨이퍼를 식각공정을 통해 상면으로부터 하방으로 인입되며 상부가 열린 내부공간을 갖되 광원이 결합되는 광진입면에 대해 이격되어 상방으로 연장되게 형성되며 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 광진입면과 직교하는 제1측면을 향하여 반사시키되 호형으로 형성되어 상기 내부공간을 광도판공간과 메인 보조공간으로 분할하는 반사격벽을 상기 광진입면에 대향되는 위치에 형성되게 식각하여 하부판을 형성하는 단계와; 나. 상기 반사격벽에 광을 반사시키는 반사층을 코팅하는 단계와; 다. 상기 제1측면에 회절격자를 결합하고, 상기 제1측면에 대향되는 제2측면에 수광소자를 결합하고, 메인 보조공간에 접착제를 충진하는 단계와; 라. 상기 하부판 상부에 상기 내부공간의 상부를 외부에 대해 폐쇄하는 상부판을 안착시켜 상기 접착제에 의해 접합되게 처리하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는 상기 반사격벽에 형성되는 반사층은 금, 은, 알루미늄 중 어느 하나의 소재를 포함하여 코팅하며, 상기 반사격벽과 상기 반사층과의 결합력을 높이기 위해 1차적으로 Ti를 코팅한 후 금으로 코팅하여 형성하거나, 금, 은, 알루미늄 중 어느 하나의 소재로만 형성되고, 상기 가 단계에서 상기 제1측면과 상기 광진입면 사이와, 상기 제2측면과 상기 광진입면 사이에 상방으로 연장되어 서브 보조공간을 형성하는 보조격벽을 더 갖게 식각하며, 상기 서브 보조공간에도 접착제를 충진하여 상기 상부판과 접합처리한다.

본 발명에 따른 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법에 의하면, 웨이퍼 식각공정을 통해 제작할 수 있어 제조가 용이하며, 광손실도 억제할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 평판형 분광 모듈을 나타내 보인 사시도이고,
도 2는 도 1의 하부판을 분리하여 도시한 사시도이고,
도 3은 도 1의 평판형 분광 모듈의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 평판형 분광 모듈 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 분광 모듈(100)은 하부판(110), 상부판(130), 회절격자(140), 수광소자(150) 및 광섬유(160)를 구비한다.

하부판(110)은 사각판 형상의 실리콘 웨이퍼를 식각공정을 통해 반사격벽(121) 및 내부공간(113)을 갖는 구조로 형성되어 있다.

하부판(110)은 상면으로부터 하방으로 식각하여 상부가 열린 내부공간(113)을 갖되 광원으로 적용된 광섬유(160)가 결합되는 광진입면(112)에 대해 이격되어 상방으로 연장되게 형성되며 광섬유(160)로부터 출사된 광을 광진입면(112)과 직교하는 제1측면(114)을 향하여 반사시키되 호형으로 형성되어 내부공간(113)을 광도파공간(113a)과 메인 보조공간(113b)으로 분할하는 반사격벽(121)이 광진입면(112)에 대향되게 형성된 구조로 되어 있다.

여기서 광도파공간(113a)은 후술되는 상부판(130)이 결합된 상태에서도 속이빈 공간을 형성한다.

하부판(110)의 광진입면(112)을 기준으로 반사격벽(121)보다 더 멀리 위치하는 종단면(115)과 반사격벽(121) 사이에 하부로 인입되게 형성된 메인 보조공간(113b)은 후술되는 상부판(130)과의 접착을 위한 접착제 충진공간으로 이용된다.

또한, 하부판(110)에는 제1측면(114)과 광진입면(112) 사이와, 제1측면과 대향되는 제2측면(116)과 광진입면(112) 사이에 상방으로 연장되어 서브 보조공간(124)을 형성하는 보조격벽(123)이 형성되어 있다.

서브 보조공간(124)도 후술되는 상부판(130)과의 접착을 위한 접착제 충진공간으로 이용된다.

반사격벽(121)의 광섬유(160)와 대향되는 표면에는 광을 반사시키는 반사층(121a)이 코팅되어 있다.

반사층(121a)은 반사격벽(121)에 Ti로 1차 코팅하고, 금(Au)으로 2차 코팅하여 형성할 수 있다.

또 다르게는 반사층(121a)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 어느 하나의소재로만 형성될 수 있다.

하부판(110)의 바닥면에도 반사층(110a)이 형성되어 있다.

상부판(130)은 하부판(110)의 상면에 결합되어 내부공간(113)의 상부를 외부에 대해 폐쇄한다.

상부판(130)은 유리소재 또는 실리콘 웨이퍼로 제작되면 되고, 저면에는 앞서 반사격벽에 적용한 방식으로 반사층(131)이 형성되어 있다.

즉, 상부판(130)의 저면에 Ti로 1차 코팅하고, 금으로 2차 코팅하여 반사층(131)을 형성하거나, 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 중 어느 하나의 소재로반사층(131)이 형성되어 있다.

회절격자(140)는 하부판(110)의 제1측면(114)에 장착되어 반사격벽(121)으로부터 입사된 광을 제1측면(114)에 대향되는 제2측면(116)으로 회절시켜 출사한다.

회절격자(140)는 광의 파장에 따른 회절각이 연속적으로 가변될 수 있도록 격자 간격이 분균일하게 형성되어 있다.

수광소자(150)는 하부판(110)의 제2측면(116)에 설치되어 회절격자(140)를 통해 분광된 광을 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.

광섬유(160)는 반사격벽(121)을 향해 광을 출사할 수 있게 광진입면(112)의 중앙에 장착되어 있다.

이하에서는 이러한 평판형 분광 모듈(100)의 제조과정을 설명한다.

먼저, 실리콘 웨이퍼를 마스크와 감광제를 이용한 식각공정을 통해 상면으로부터 하방으로 인입되며 상부가 열린 내부공간(113)을 갖으며 앞서 설명된 반사격벽(121) 및 보조격벽(123)을 갖는 하부판(110)을 형성한다.

다음은 반사격벽(121)에 광을 반사시키는 반사층(121a)을 코팅하여 형성한다.

이후, 하부판(110)의 제1측면에 회절격자(140)를 결합하고, 제2측면(116)에 수광소자(150)를 결합하고, 메인 보조공간(113b) 및 서브 보조공간(124)에 에폭시와 같은 접착제를 충진한다.

또한, 광섬유(160)를 광진입면(112) 중앙에 형성된 안착홈(118)에 안착시켜 고정접합처리한다.

다음은 하부판(110) 상부에 내부공간(113)의 상부를 외부에 대해 폐쇄하는 유리소재의 상부판(130)을 안착시켜 접착제에 의해 하부판(110)접합되게 처리한다.

이러한 평판형 분광모듈(100)은 광진입면(112)에 장착된 광섬유(160)를 통해 출사된 광은 빈공간인 광도파공간(113a)내를 진행하고, 반사격벽(121)에 의해 회절격자(150)가 설치된 제1측면(114)을 향하는 방향으로 반사되고, 이후 회절격자(140)를 거쳐 수광소자(150)에 입사된다.

이와 같이 광섬유(160)에서 출사된 광이 공기 매질을 통해 진행함으로써 광손실이 억제되며, 반도체 식각공정을 통해 하부판(110)을 형성함으로써 제조가 용이한 장점을 제공한다.

110: 하부판 130: 상부판
140: 회절격자 150: 수광소자
160: 광섬유

Claims

실리콘 웨이퍼의 상면으로부터 하방으로 식각하여 상부가 열린 내부공간을 갖되 광원이 결합되는 광진입면에 대해 이격되어 상방으로 연장되게 형성되며 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 광진입면과 직교하는 제1측면을 향하여 반사시키되 호형으로 형성되어 상기 내부공간을 광도파공간과 메인 보조공간으로 분할하는 반사격벽이 상기 광진입면에 대향되게 형성된 하부판과;
상기 하부판의 상기 제1측면에 장착되어 상기 반사격벽으로부터 입사된 광을 상기 제1측면에 대향되는 제2측면으로 회절시켜 출사하는 회절격자와;
상기 하부판의 상기 제2측면에 설치되어 상기 회절격자를 통해 분광된 광을 검출하는 수광소자와;
상기 하부판의 상면에 결합되어 상기 내부공간의 상부를 외부에 대해 폐쇄하는 상부판;을 구비하는 것을 특징으로 하는 평판형 분광모듈.
제1항에 있어서, 상기 제1측면과 상기 광진입면 사이와, 상기 제2측면과 상기 광진입면 사이에 상방으로 연장되어 서브 보조공간을 형성하는 보조격벽을 더 구비하고, 상기 메인 보조공간과 서브 보조공간에는 상기 하부판과 상기 상부판을상호 접합시키는 접착제가 충진된 것을 특징으로 하는 평판형 분광모듈.
제2항에 있어서, 상기 반사격벽에 광을 반사시키는 반사층이 코팅된 것을 특징으로 하는 평판형 분광모듈.
가. 실리콘 웨이퍼를 식각공정을 통해 상면으로부터 하방으로 인입되며 상부가 열린 내부공간을 갖되 광원이 결합되는 광진입면에 대해 이격되어 상방으로 연장되게 형성되며 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 광진입면과 직교하는 제1측면을 향하여 반사시키되 호형으로 형성되어 상기 내부공간을 광도판공간과 메인 보조공간으로 분할하는 반사격벽을 상기 광진입면에 대향되는 위치에 형성되게 식각하여 하부판을 형성하는 단계와;
나. 상기 반사격벽에 광을 반사시키는 반사층을 코팅하는 단계와;
다. 상기 제1측면에 회절격자를 결합하고, 상기 제1측면에 대향되는 제2측면에 수광소자를 결합하고, 메인 보조공간에 접착제를 충진하는 단계와;
라. 상기 하부판 상부에 상기 내부공간의 상부를 외부에 대해 폐쇄하는 상부판을 안착시켜 상기 접착제에 의해 접합되게 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 분광모듈의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 반사층은 상기 반사격벽에 Ti로 1차 코팅하고, 금으로 2차 코팅하여 형성하거나, 금, 은, 알루미늄 중 어느 하나의 소재로만 형성되고,
상기 가 단계에서 상기 제1측면과 상기 광진입면 사이와, 상기 제2측면과 상기 광진입면 사이에 상방으로 연장되어 서브 보조공간을 형성하는 보조격벽을 더 갖게 식각하며, 상기 서브 보조공간에도 접착제를 충진하여 상기 상부판과 접합처리하는 것을 특징으로 하는 평판형 분광모듈의 제조방법.