산업에서 일반적인 나노패터닝 방법은 리소그라피이다. 이 기술은 칩 산업에서 충분히 발달되고 널리 사용하고 있는 기술이지만 태양전지의 저가 제조를 위해서는 맞지가 않다.
콜로이드 리소그라피는 콜로이드 나노구의 2차원 어레이를 패턴 전사를 위한 마스크로 사용한다.
과거에 SiO2와 폴리머 나노구가 Langmuir-Blodgett, 스핀 고팅 그리고 딥 코팅 방법을 통해 단일층으로 형성되었다.
비록 이 원래 방법의 생산성이 태양전지 응용을 위해서는 매우 충분하지 않지만 Jeong et al.은 간단하고 대면적이 가능한 버전을 개발했다.
그들은 와이어가 감긴 막대기 코팅(wire-wound rod coating)을 이용했는데 이 코팅은 roll-to-roll 공정에서 단단하거나 플렉서블한 다양한 기판 위에 SiO2 나노입자의 조밀한 단일층 또는 다층을 형성하기 위해 널리 사용된다(그림 5a).
그러한 패턴은 나중에 나노와이어와 graded 굴절률 구조를 구현하여 광포획층 또는 반도체층으로 될 수 있다(그림 5b).
다른 방법은 값싼 박막 증착과 나노구조의 화학 공정을 결합하는 것이다. 값싼 기판(Si, Al foil, SiO2와 폴리이미드 필름)위에 고굴절률 SnO2 나노콘 형성이 일련의 간단한 공정에 의해 최근 데모되었다: 증착과 낮은 산소 분압에서 박막 Sn의 산화(그림 5c).
낮은 산소 농도(100 ppm 이하)와 불활성 가스 환경에서 박막 Sn을 용융점(232 °C) 이상에서 어닐링하면 액체 상태의 Sn 입자가 형성된다.
Sn 입자가 용해된 산소와 함께 과포화될때 딱딱한 기판과 액체 Sn 사이의 계면에 SnOx가 응집된다. 액체 Sn의 고 표면장력과 SnOx로의 Sn 소모의 결합 효과가 끝이 가느러지는 SnOx 나노콘을 만든다.
Roll-to-roll 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography, NIL)는 또 다른 가격 경쟁력이 있는 나노 패터닝 기술을 제공한다.
이 방법은 물리적 변형(열적 NIL)과 레지스터 물질의 curing(UV NIL)에 기초한다. 비록 NIL이 deep-subwavelengh 크기의 나노구조를 만들수 있지만 아직까지는 대면적화 하기는 어렵다.
Substrate conformal imprint lithography(SCIL)이 가격 경쟁력이 있는 방식으로 대면적화를 가능하게 할 수 있다. 이 기술은 Mie 산란체를 만드는데 사용되었고 이미 5 인치 Si 웨이퍼에 적용되었다(그림 5d).
이것은 SiO2와 TiO2 졸겔(sol-gell) 층에 직접적으로 나노구조를 구현하거나 나노구조를 Si 전사시키는데 사용되었다.
이 공정에서 중요한 단계는 electron-beam 리소그라피로 Si 마스터을 이용해서polydimethylsiloxane 고무 틀을 제작하하는 것이다.
위상 변위(phase-shift)와 near-field 리소그라피의 대면적 적용은 포토 마스크와 포토 레지스터 사이의 공기 갭에 있어서 엄격한 요구조건에 의해 불가능했다.
Rolith는 석영 실리더 주위를 연질 고무를 감싸 이를 해결했다. 실린더 내부에 위치된 선형 UV 소스가 실리더와 포토 레지스터가 코팅된 기판 사이의 tie line을 비춘다(그림 5e).
이것은 굴러가는 방식으로 포토 레지스터을 노출되게 해주어 미터 길이의 패널에 대해 sub-wavelength 나노구조의 패터닝을 가능하게 한다.
SCIL과 Rolith 공정 모두 평탄하지 않은 기판 위에 나노패턴이 가능하게 하고 입자 오염에 대한 상당한 마진을 주는 soft 리소그라피의 장점을 이용한다.
참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures, Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921
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