In this dissertation, an infrared electrochromic window for a shutter-less infrared camera was proposed to overcome the problems such as size, stability, and image freezing of an infrared camera using a convention-al shutter. The proposed infrared window is used to package the infrared sensor module and consists of two chapters.
The first chapter is about anti-reflection (AR) coating. Silicon (Si) and germanium (Ge), which are mainly used as windows in the middle-wavelength infrared (MWIR) and long-wavelength infrared (LWIR) regions, can transmit only about 50% of the incident infrared radiation due to reflection at the window surface. Therefore, many researches on antireflection coatings for increasing the transmittance of windows have been conducted. In this study, nickel oxide (NiO) material was firstly proposed and applied to the antireflec-tion coating. The nickel oxide thin films were deposited on both sides of the silicon window by RF sputter-ing method, and the silicon windows deposited with nickel oxide showed a significant increase in transmit-tance in both the MWIR and LWIR regions. In addition, it was confirmed that the defect inside the NiO film was decreased by annealing after the deposition of the nickel oxide thin film and from this, the infrared window having improved transmittance could be fabricated.
The second theme is about infrared electrochromic windows, which actually change the infrared transmit-tance and enable shutter-less operation. As an electrochromic material, tungsten oxide ($WO_3$) and nickel oxide were used, and a tantalum oxide film ($Ta_2O_5$) was deposited between the two films as an ion conduct-ing layer. $WO_3$ thin films and NiO thin films were changed in transmittance by hydrogen injection. To in-crease transmittance modulation, $WO_3$ thin films and NiO thin films were deposited at various oxygen par-tial pressure and sputtering pressure and measured the structural and electrochromic properties. The infrared electrochromic window was fabricated by using the electrochromic films which showed the best electro-chromic properties. The transmittance ratio of the fabricated window before and after the coloration was 0.66 in the MWIR and 0.77 in the LWIR regions, respectively.
본 논문에서는 기존의 셔터를 사용하는 적외선 카메라가 가지는 크기, 안정성, 이미지 프리징 (image freezing) 등의 문제점을 극복하기 위하여 셔터 없이 동작하는 (shutter-less) 적외선 카메라를 위한 적외선 대역 전기변색 윈도우에 대한 연구를 소개하고자 한다. 제안하는 적외선 윈도우는 적외선 센서 모듈을 패키징하는 데 쓰이며 두 가지 챕터로 구성되어 있다.
첫 번째 주제는 반사방지막 코팅 (Anti-reflection coating) 에 관한 것이다. 중적외선 (MWIR) 영역과 원적외선 (LWIR) 영역에서 윈도우로 주로 사용되는 실리콘 (Si)과 저마늄 (Ge) 은 윈도우 표면에서의 반사에 의해 입사된 적외선의 약 50% 정도만 투과시킬 수 있다. 따라서 윈도우의 투과율을 높이기 위한 반사방지막에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 니켈산화물 (NiO) 물질을 반사방지막에 처음으로 제안 및 적용하였다. 니켈산화물 박막은 RF 스퍼터링 법으로 실리콘 윈도우 양면에 증착되었으며, 니켈산화물이 증착된 실리콘 윈도우는 중적외선 및 원적외선 영역 모두에서 투과율이 크게 향상됨을 확인하였다. 또한 니켈산화물 박막 증착 후 an-nealing을 해 주면 박막 내부의 defect이 감소함을 확인하였으며 이를 통해 보다 향상된 투과율을 가지는 적외선 윈도우를 제작할 수 있었다.
두 번째 주제는 적외선 대역 전기변색 소자에 관한 것으로, 실제적으로 적외선 투과율이 변해 shutter-less 동작을 가능하게 하는 부분이다. 전기변색 물질로는 텅스텐 산화물 ($WO_3$) 과 니켈산화물을 이용하였고 두 박막 사이에 이온 전도층 역할을 하는 탄탈륨 산화막 ($Ta_2O_5$) 을 증착하였다. $WO_3$ 박막과 NiO 박막은 수소 이온의 주입에 의해 투과율이 변하게 되는데 투과율 변화폭을 키우기 위해 산소 분압 및 스퍼터링 압력을 변화시켜가며 $WO_3$ 박막 및 NiO 박막을 증착하여 변색 특성을 관찰하였다. 이 후 가장 좋은 결과를 나타낸 박막들과 니켈산화물 반사방지막을 이용하여 적외선 전기변색 윈도우를 제작하였으며, 제작된 윈도우의 변색 후 대비 변색 전 투과율 비율은 중적외선 대역에서 0.66, 원적외선 대역에서 0.77을 나타내었다.
