적외선 스텔스 애플리케이션을 위한 신축성이 높은 마이크로/나노 주름 구조

결과 및 토론

적외선 스텔스 메커니즘

적외선 반사 구조의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다. 삼각형 구조를 기반으로 적외선 반사율의 특성을 조사했습니다. 적외선 스텔스 모델은 Zemax의 소프트웨어로 시뮬레이션되었습니다. 빛이 평평한 구조물에 입사될 때 대부분의 입사광은 Fig. 1a와 같이 반사의 법칙에 따라 정해진 방향으로 반사된다. 삼각형 구조에 빛이 입사되면 그림 1b와 같이 대부분의 빛이 삼각형 트랩 구조 내부로 떨어지고 쓰레기 빛만 삼각형 구조에서 반사될 수 있습니다. 즉, 적외선이 삼각형 구조로 입사되기 때문에 대부분의 적외선은 빛의 반사 메커니즘을 사용하여 감지되지 않습니다. 이 삼각형 구조는 적외선 감지 기술에서는 보이지 않을 수 있습니다.

적외선 메커니즘 모델. 아 평면 필름에 빛이 입사했습니다. ㄴ 삼각형 구조에

삼각 주름 구조 제작

그림 2와 같이 삼각형 주름 구조는 우리의 이전 연구[19]에서 보고된 MEMS 기술을 사용하여 제작되었습니다. 먼저 포지티브 포토레지스트를 3000rad/min의 속도로 실리카 웨이퍼에 스핀 코팅하고 105°C에서 90초 동안 베이킹했습니다. 둘째, 웨이퍼는 135mJ/cm ² 의 선량에 노출되었습니다. 마스크 얼라이너로 115°C에서 120초 동안 구워 강한 가교를 형성합니다. 웨이퍼가 점차 냉각된 후, 구조를 포지티브 현상액에 담그었습니다(40초). 세 번째, 에칭 SiO₂ 완충 산화물 에칭을 사용하고 15wt% TMAH + 17vol% 이소프로필 알코올을 사용하여 Si를 에칭합니다(22분). 넷째, SiO₂ 불산에 의해 층을 제거하였다. 그런 다음 그림 2a[6]와 같이 삼각형 모양의 구조를 얻었다. 다섯째, 액체 PDMS 엘라스토머와 경화제를 10:1 부피비로 혼합하여 PDMS 몰드를 제조하고, 이를 Si 몰드에 붓고 80°C에서 1.5시간 동안 열경화하여 표면의 삼각형 구조를 얻었다. PDMS 몰드를 형성하기 위해 PDMS 기판의 표면. 그런 다음 SiO_x 150W에서 15초 동안 산소 플라즈마 처리를 하면 PDMS 기판 표면에 층과 친수성기(예:-OH)가 형성됩니다. 그런 다음 샘플을 15초 동안 SDS 용액에 담가 -SO₃를 도입했습니다. ^- 삼각형 주름진 PDMS 구조의 표면에 있는 그룹. 이 공정은 PDMS와 귀금속(Ag, Au) 및 산화물 물질(SiO₂) 사이에 친수성 기능의 축합 반응을 도입할 수 있습니다. , TiO₂ ), 우리의 이전 연구[20,21,22]에서 자세히 보고되었습니다. 마지막으로 전자빔 증착 기술을 이용하여 PDMS 몰드 표면에 금속 또는 산화물을 코팅하여 금속 또는 산화물 삼각형 주름 구조를 얻었으며, 이는 이전 연구[20,21,22]에서 자세히 보고되었습니다.

폴리디메틸실록산(PDMS) 기판의 삼각형 주름 구조의 제조 공정 및 형태 특성화. 아 Ag(SiO₂)의 제조 공정 /TiO₂ ) 내장된 삼각형 주름 구조. ㄴ 광학 이미지. ㄷ 원자현미경 이미지. d 샘플에 대한 주기성의 균일성

그림 2b-d와 같이 삼각형 주름 구조의 주기성은 균일했으며, 원자간력현미경으로 시험한 시료의 전체 표면에서 주기성은 약 (10 ± 0.1) μm였다. 그리고 샘플의 크기는 약 4mm × 4mm였다. 마스크 구조의 크기와 식각 매개변수를 조정하여 원하는 주기성을 달성했으며, 이는 이전 연구에서 소개된 대로 계산할 수 있습니다[19].

적외선 스텔스 테스트

우리 연구에서는 적외선 반사 효과를 조사하기 위해 금속 삼각형 주름 구조를 먼저 제작했습니다. 높은 연성, 우수한 굽힘성, 상대적으로 낮은 경도 및 비용으로 인해 금속 Ag 재료가 적외선 반사 필름을 제조하기 위해 선택되었습니다. Ag 삼각형 주름 구조는 그림 2a의 공정에 따라 제작되었습니다.

기계적 작동 이전에 삼각형의 적외선 반사구조(Fig. 3a)의 끝단에 빛의 광선이 입사되면 대부분의 적외선(빨간선)은 끝단(파란선)에 의해 확산되고 약간의 빛만 감지기에 반사될 수 있습니다(녹색 선). 기계적 작동 후 삼각형 구조의 표면은 그림 3b와 같이 점차적으로 평면으로 늘어날 수 있습니다. 이 경우 대부분의 입사광이 감지기로 반사됩니다.

광대역 반사율의 기계적 변조. 아 기계적 작동 전 Ag 삼각형 주름 구조의 표면 형태 및 적외선 반사의 변화. ㄴ 기계적 작동 후. ㄷ 기계적 작동 전 Ag 삼각형 주름 구조의 적외선 반사 스펙트럼. 전체 반사율(빨간색 궤적)은 반사(검은색 궤적) 및 확산(파란색 궤적) 구성요소와 함께 표시됩니다. d 기계적 작동 후. 이 적용된 길이 변형의 함수로서 Ag 삼각형 주름 구조의 전체, 반사 및 확산 피크 반사율의 플롯. 에 500회 이상의 스트레칭/풀림으로 Ag 삼각형 주름 구조의 안정성 테스트

해당 적외선 스펙트럼은 그림 3c와 같이 우리의 실험에서 위의 결과를 입증했습니다. 작동되지 않는 삼각형 주름 구조로서, 46 ± 2%의 높은 평균 전체 반사율, <13%의 낮은 평균 반사율, 33 ± 2%의 적당한 평균 확산광을 특징으로 합니다. 따라서 전체 반사율은 ~ ± 2%의 약한 평균 반사와 33 ± 2%의 우세한 평균 확산 성분을 ~ 0.4의 비율로 나타냅니다. 삼각형 주름 구조를 기계적으로 늘인 후(그림 3d 참조), 해당 적외선 스펙트럼은 97 ± 1%의 증가된 평균 총 반사율, 89 ± 1%의 높은 평균 반사율, 8 ± 1%.

실험 결과로부터 삼각형의 Ag 주름 구조를 늘리면 반사율이 13%에서 89%로 증가했습니다. 또한 확산광이 33%에서 8%로 감소했습니다. 그 이유는 삼각형의 Ag 주름 구조가 Ag 평면 필름으로 늘어나기 때문입니다. 입사광은 반사 법칙에 따라 평면 필름에서 특정 각도로 반사될 수 있습니다. 평면 필름의 높은 반사율로 인해 이론상 전체 반사율은 최대 100%일 수 있으며 확산광은 소량에 불과합니다. Ag 필름의 거친 표면을 고려할 때 반사는 감소(89%)되고 확산광은 증가(8%)됩니다.

한편, 주름 구조에 비해 확산광은 평면 필름에서 33%에서 8%로 감소하였다. 그 이유는 삼각형 Ag 주름 구조의 거칠기가 주름 구조의 높이에 따라 약 ~ 1 μm이기 때문입니다. 그러나 Ag 평면 필름의 경우 거칠기가 약 ~ 20nm 이하로 Ag 필름의 거칠기였습니다. 따라서 전자빔 증발의 기술적 매개변수를 최적화하여 확산광을 더욱 줄일 수 있습니다.

이 경우 전체 반사율은 ~ 11의 비율로 89 ± 1%의 훨씬 더 큰 평균 반사와 8 ± 1%의 더 작은 평균 확산 광 성분을 특징으로 합니다. 따라서 반사 대 확산 비율은 대략적으로 삼각형 주름 구조를 기반으로 한 차원 증가했습니다.

일반적으로 광대역 파장에서 삼각형 주름 구조의 전체 반사율은 변형률의 함수로 증가했습니다(그림 3e). 반사율은 변형에 따라 증가했지만 삼각형 주름 Ag 필름을 평평하게 늘리면 확산이 감소했습니다. 적외선 반사 속성은 주름 구조의 높은 신축성 속성에 기여하는 반복적인 기계적 작동에서 완전히 가역적이었습니다. 그리고 500주기 후에는 약간의 성능 저하만 관찰되었습니다(그림 3f). 따라서 삼각형 주름 구조의 기계적 작동은 단파장에서 장파장 적외선 영역 내에서 광대역 반사율을 가역적으로 동적으로 변조할 수 있는 변화를 유도했습니다.

일반적으로 광대역 적외선 기술과 비교하여 좁은 적외선 대역은 신호 대 잡음비가 더 높고 적외선 표적 탐지, 식별 및 추적 응용 프로그램에 대한 추적이 더 쉽습니다.

따라서 적외선 표적 탐지, 식별 및 추적 기술의 정밀도를 향상시키기 위해 삼각형 주름 구조의 협대역 적외선 반사 효과가 그림 4와 같이 조사되었습니다.

협대역 반사율의 기계적 변조. 아 TiO₂의 표면 형태 변화 및 적외선 반사 /SiO₂ 기계적 작동 전 브래그 스택 수정 구조. ㄴ 기계적 작동 후. ㄷ TiO₂의 적외선 반사 스펙트럼 /SiO₂ 기계적 작동 전 5μm에서 최대 반사 강도를 갖는 브래그 스택 수정 구조 전체 반사율(빨간색 궤적)은 반사(검은색 궤적) 및 확산(파란색 궤적) 구성요소와 함께 표시됩니다. d 기계적 작동 후. 이 3μm(빨간색 트레이스), 4μm(파란색 트레이스), 5μm(검정색 트레이스)의 피크 반사 파장을 특징으로 하도록 설계된 3개의 비작동 장치의 적외선 스펙트럼. 에 TiO₂의 전체, 반사 및 확산 피크 반사율 플롯 /SiO₂ 적용된 길이 변형률의 함수로서의 브래그 스택 수정 구조

협대역 적외선 반사율 피크를 얻으려면 TiO₂를 교대로 /SiO₂ /TiO₂ /SiO₂ /TiO₂ 두께가 λ_피크인 레이어 /(4 × n _TiO2 ) 및 λ_피크 /(4 × n _SiO2 ) 설계되었습니다. 구조는 그림 2a와 같이 표준 리소그래피 프로토콜에 따라 제조되었습니다. TiO₂ /SiO₂ SiO₂를 사용하여 5μm의 피크 반사 강도를 갖는 브래그 스택이 생성되었습니다. 두께는 0.933μm이고 TiO₂ 두께는 Angstrom Engineering EvoVac 시스템에 의해 0.543μm였습니다. 협대역 적외선 반사 구조는 2층 SiO₂로 구성됩니다. 및 3층 TiO₂ . 그리고 삼각형 주름 구조를 기반으로 한 협대역 적외선 반사 구조의 크기는 약 4mm × 4 mm였습니다.

우리 작업에서 기계적 작동 전에 삼각형 주름 구조를 기반으로 한 협대역 적외선 반사 구조인 적외선 스펙트럼은 5μm의 파장에서 18 ± 2%의 총 반사 강도를 특징으로 했으며 약한 평균 반사율은 5 ± 2%였습니다. 그리고 그림 4c와 같이 ~ 0.38의 비율로 13 ± 2%의 평균 확산 성분.

기계적 작동 후 총 반사 강도는 5μm의 파장에서 최대 63 ± 4%까지 증가했으며 ~ 3.8의 비율에서 훨씬 더 큰 반사 성분은 50 ± 3%이고 거의 변하지 않은 확산 성분은 13 ± 2%입니다. (그림 4d와 같이). 이 결과는 삼각형 주름 구조를 기반으로 하는 Ag-개질된 반사 필름과 일치했습니다. 삼각형 TiO₂ /SiO₂ 다층 주름 구조는 평면 필름으로 늘어납니다. 입사된 적외선은 반사율을 향상시키기 위해 평면 필름에서 특정 각도를 따라 반사될 수 있습니다.

유사하게, 삼각형 주름 구조를 기반으로 하는 협대역 적외선 반사율 구조의 경우 반사 대 확산 비율은 5μm 파장에서 약 10배 감소했습니다. 또한 TiO₂의 두께 변화로 인해 3, 4, 5μm 파장에서도 동일한 결과를 확인할 수 있습니다. 및 SiO₂ ), 그림 4e와 같이

일반적으로 광대역 파장에서 삼각형 주름 구조의 전체 반사율은 변형률의 함수로 증가했습니다(그림 4f). 반사는 변형에 따라 증가했지만 확산 구성 요소는 상대적으로 영향을 받지 않았습니다. 그 이유는 삼각형 주름 구조의 거칠기와 평면 필름의 거칠기가 거의 같은 크기였기 때문이다. 주름 구조의 높이는 TiO₂를 덮으면서 ~ 1 μm에서 ~ 200 nm로 감소했습니다. 또는 SiO₂ 영화. 두 삼각형 구조 사이의 모서리가 다른 영역보다 더 많은 필름을 덮기 때문에 TiO₂의 높이가 감소합니다. /SiO₂ 다층 필름 주름 구조. 필름의 두께가 증가할수록 높이가 감소합니다. TiO₂ 동안 /SiO₂ 평면 필름의 경우 MEMS 기술을 사용하는 금속보다 산화물의 품질이 더 좋지 않아 거칠기가 약 ~ 50nm였습니다.

응용 사례 데모

삼각형 주름 구조의 적외선 스텔스에 대한 개념 증명으로 적외선 시각화 아래에서 자신을 숨기기 위해 적외선 스텔스 구조를 평가했습니다.

3x3 어레이 구조의 Au 변성 적외선 반사 필름을 설계 및 제조했습니다. 샘플의 크기는 5cm × 5 cm이고 그림 5a와 같이 열적외선 카메라로 이미지화되었습니다. 3x3 어레이 구조는 그림 5b와 같이 높은 적외선 투과율을 갖는 PDMS-나노다이아몬드 복합 재료로 구성된 라벨 역할을 합니다.

적외선에서 Au 수정 구조의 가역적 스텔스. 아 기계적 작동 전(왼쪽)과 후(오른쪽) 일정한 열 플럭스 하에서 Au 수정 구조의 개략도. ㄴ Au 변형 구조의 광학 이미지. ㄷ 변형률 증가에 따른 삼각형 주름 구조의 미세한 형태학적 특성. d 변형률이 증가함에 따라 동일한 Au 수정 구조의 해당 적외선 카메라 이미지

기계적 작동 전에 삼각형 Au 수정 주름 구조는 그림 5c(왼쪽)의 삽입 그림과 같이 레이저 스캐닝 공초점 현미경으로 명확하게 관찰되었습니다. 삽입된 단면도에서 삼각형 구조를 명확하게 볼 수 있습니다. 그리고 해당 적외선 이미지는 그림 5d(왼쪽)에서 볼 수 있습니다. 작동이 없으면 Au 변성 필름 구조의 전체 개요만 있었습니다. 변형률이 0%에서 60%로 증가함에 따라 삼각형 주름 구조가 펴져 평평해지고 높이가 0으로 감소하여 레이저 스캐닝 공초점 현미경으로 관찰되었습니다. 그리고 해당 적외선 이미지는 Au-변성 필름 구조가 적외선 반사율 증가로 인해 점차 붉어지는 것으로 나타났습니다. 그리고 3x3 어레이 구조가 구멍으로 떠오르고 있었습니다. 따라서 결과는 반복성, 안정성 및 완전한 가역성의 이점을 가진 삼각형 주름 구조의 적외선 스텔스 효과를 입증합니다.